Як інженерний здобуток компанії Samsung став каталізатором наукового та промислового прогресу [Інтерв’ю про реальні квантові точки, частина 2]

«Технологія Samsung QLED відіграла вирішальну роль у виведенні квантових точок на рівень визнання, необхідний для отримання Нобелівської премії з хімії» – Техван Хьон, Сеульський національний університет.

Квантові точки були в епіцентрі інновацій галузі дисплеїв протягом останнього десятиліття, забезпечуючи найточнішу передачу кольору серед наявних матеріалів. У 2015 році компанія Samsung Electronics проклала шлях до комерціалізації квантових точок, випустивши телевізори SUHD – досягнення, що вийшло за межі використання кадмію (Cd), важкого металу, який зазвичай використовується в синтезі квантових точок, представивши першу у світі технологію безкадмієвих квантових точок.

Науковий світ помітив це. Успішна комерціалізація безкадмієвих телевізорів із квантовими точками не лише задала новий напрям для досліджень і розробок, але й відіграла вирішальну роль у присудженні Нобелівської премії з хімії 2023 року за відкриття і синтез квантових точок.

Продовжуючи частину 1, Samsung Newsroom розповідає про те, як компанія Samsung зробила внесок у науку, завдяки революційним досягненням у сфері матеріальних інновацій.

Чому кадмій став початком для дослідження квантових точок

«Я був насправді вражений тим, що компанії Samsung вдалося комерціалізувати безкадмієвий дисплей на основі квантових точок».

– Техван Хьон, Сеульський національний університет

Квантові точки почали викликати науковий інтерес у 1980-х роках, коли Олексій Єкімов, колишній головний науковий співробітник компанії Nanocrystals Technology Inc. і Луїс Брюс, почесний професор хімічного факультету Колумбійського університету, опублікували свої дослідження ефекту квантового обмеження і залежних від розміру оптичних властивостей квантових точок.

Розвиток набрав обертів у 1993 році, коли Мунгі Бавенді, професор кафедри хімії Массачусетського технологічного інституту (МТІ), розробив надійний метод синтезу квантових точок. У 2001 році Техван Хьон, заслужений професор кафедри хімічної та біологічної інженерії Сеульського національного університету (СНУ), винайшов процес нагрівання – метод отримання однорідних наночастинок без необхідності селективного розділення за розміром. У 2004 році Хьон опублікував масштабований метод виробництва в науковому журналі Nature Materials – відкриття, яке широко розглядається як потенційна переломна зміна в галузі.

▲ Техван Хьон

Однак ці зусилля не одразу призвели до комерціалізації. На той час квантові точки значною мірою покладалися на кадмій (Cd) як основний матеріал – речовину, що, як відомо, є шкідливою для людини й віднесена до матеріалів з обмеженим доступом згідно з Директивою Європейського Союзу щодо обмеження використання небезпечних речовин (RoHS).

«Наразі єдиними матеріалами, здатними надійно виробляти квантові точки, є селенід кадмію (CdSe) та фосфід індію (InP), – пояснив Хьон. – Селенід кадмію, традиційний матеріал для квантових точок, є сполукою елементів групи II і групи VI, тоді як фосфід індію утворюється з елементів групи III та групи V. Синтез квантових точок з елементів II й VI груп є відносно простим, але поєднання елементів III та V груп є хімічно набагато складнішим».

▲ Порівняння квантових точок на основі кадмію з іонними зв’язками та квантових точок на основі індію з ковалентними зв’язками

Кадмій – елемент із двома валентними електронами, утворює міцні іонні зв’язки¹ з такими елементами: селен (Se), сірка (S) і телур (Te) – кожен із яких має по шість валентних електронів. Ці сполуки забезпечують утворення стабільних напівпровідників, відомих як напівпровідники II-VI, матеріалів, котрі вже давно здобули популярність у дослідженнях, завдяки своїй здатності створювати високоякісні нанокристали навіть за відносно низьких температур. Тому використання кадмію в синтезі квантових точок протягом багатьох років вважалося науковим стандартом.

На противагу цьому, індій (In) – альтернатива кадмію з трьома валентними електронами, утворює ковалентні зв’язки² з такими елементами, як-от фосфор (P), котрий має п’ять валентних електронів. Ковалентні зв’язки зазвичай менш стабільні, ніж іонні, та мають спрямованість, що збільшує ймовірність виникнення дефектів під час синтезу нанокристалів. Ці характеристики зробили індій складним матеріалом для досліджень та масового виробництва.

«Важко досягти високої кристалічності квантових точок, виготовлених із фосфіду індію, – зазначає Лі. – Складний і вимогливий процес синтезу потрібен, щоб відповідати стандартам якості, необхідним для комерціалізації».

Жодних поступок – від прориву до масового виробництва

«Коли йдеться про безпеку споживачів, просто не може бути жодних поступок».

– Сангюн Сон, Samsung Electronics.

Компанія Samsung, проте, вибрала інший підхід.

«Ми досліджували й розробляли технологію квантових точок із 2001 року, – каже Сангюн Сон, керівник лабораторії вдосконалених дисплеїв підрозділу візуальних дисплеїв (ВД) Samsung Electronics. – Але на ранньому етапі визначили, що кадмій, який є шкідливим для людського організму, не підходить для комерціалізації. Хоча законодавство деяких країн технічно дозволяє вміст кадмію в електронних продуктах до 100 мільйонних часток (ppm), компанія Samsung від початку прийняла політику нульового вмісту кадмію. Без кадмію, без поступок – такою була наша стратегія. Коли йдеться про безпеку споживачів, не може бути жодних поступок».

▲ Сангюн Сон

Багаторічна прихильність Samsung до принципу «Без компромісів щодо безпеки» вийшла на перший план у 2014 році, коли компанія успішно розробила перший у світі безкадмієвий матеріал для квантових точок. Щоб забезпечити довговічність і якість зображення, Samsung запровадила технологію тришарового захисного покриття, яке захищає наночастинки фосфіду індію від зовнішніх факторів, як-от кисню і світла. Наступного року компанія випустила перший у світі серійний телевізор SUHD із безкадмієвими квантовими точками, що стало зміною парадигми в індустрії дисплеїв і кульмінацією дослідницьких зусиль, які розпочалися на початку 2000-х років.

«Квантові точки з фосфідом індію за своєю природою нестабільні та їх важче синтезувати порівняно з аналогами на основі кадмію. Спочатку вони досягають лише приблизно 80% продуктивності квантових точок з кадмієм, – говорить Сон. – Однак завдяки інтенсивному розробленню в Інституті передових технологій Samsung, ми успішно підвищили продуктивність до 100% і забезпечили надійність на більш ніж на 10 років».

Квантові точки, що містяться в дисплеях Samsung QLED, мають три ключові компоненти: ядро, з якого випромінюється світло; оболонка, що захищає ядро і стабілізує його структуру; ліганд, полімерне покриття, яке підвищує стійкість до окиснення за межами оболонки. Суть технології квантових точок полягає в одночасній інтеграції цих трьох елементів, передовому промисловому процесі, який охоплює від добування і синтезу матеріалу до масового виробництва та подачі численних патентів.

«Жоден із трьох компонентів: ядро, оболонка або ліганд – не можна ігнорувати, – додав Лі. – Технологія Samsung для синтезу фосфіду індію є видатною».

«Розроблення технології в лабораторії – це й так виклик, але комерціалізація вимагає зовсім іншого рівня зусиль, щоб забезпечити стабільність продукту та незмінну якість передачі кольору, – говорить Хьон. – Я був дійсно вражений тим, що компанії Samsung вдалося комерціалізувати безкадмієвий дисплей із квантовими точками».

Встановлення стандарту квантових точок

«Дослідницькі тенденції в науковій спільноті помітно змінилися до і після появи телевізорів Samsung із квантовими точками».

– До Чан Лі, Корейський провідний науково-технологічний інститут.

Оптичні властивості квантових точок використовуються в широкому спектрі галузей, зокрема сонячних батареях, медицині та квантових обчисленнях. Однак наразі найактивніше досліджуються і широко комерціалізуються дисплеї з квантовими точками, провідною в розробці яких стала компанія Samsung.

Спираючись на багаторічні фундаментальні дослідження та створення телевізорів SUHD, у 2017 році компанія Samsung випустила телевізори QLED і встановила новий стандарт для дисплеїв преміумкласу. У 2022 році компанія просунула інновації далі, представивши телевізори QD-OLED – перший у світі дисплей, що поєднує квантові точки з OLED-структурою.

QD-OLED – це технологія дисплеїв наступного покоління, яка інтегрує квантові точки у структуру OLED, що самостійно випромінює світло. Такий підхід забезпечує швидший час відгуку, глибший чорний колір і вищі показники контрастності. Дисплей Samsung QD-OLED був визнаний «Дисплеєм року» у 2023 році Товариством інформаційних дисплеїв (ТІД), найбільшою у світі організацією, що спеціалізується на технологіях дисплеїв.

«Компанія Samsung не тільки є брендом №1, завдяки своїм телевізорам із квантовими точками на основі фосфіду індію, але й залишається єдиною компанією, яка успішно інтегрувала та комерціалізувала квантові точки в дисплеї OLED, – сказав Сон. – Використовуючи наше лідерство в технології квантових точок, ми й надалі будемо визначати майбутнє інновацій у галузі дисплеїв».

«Дослідницькі тенденції в науковій спільноті помітно змінилися до і після випуску телевізорів Samsung із квантовими точками, – говорить До Чан Лі, професор кафедри хімічної та біомолекулярної інженерії Корейського провідного науково-технологічного інституту (КПНТІ). – Після випуску телевізорів обговорення дедалі більше зосереджувалися на практичному застосуванні, а не на самих матеріалах, що відображає потенціал для реального впровадження через технології дисплеїв».

«Було багато спроб використовувати квантові точки в різних галузях, зокрема у фотокаталізі, – додав він. – Але ці зусилля залишаються на ранніх стадіях порівняно з використанням у дисплеях».

Хьон також зазначив, що успішна комерціалізація телевізорів Samsung із квантовими точками допомогла прокласти шлях Бавенді, Брюсу та Єкімову до отримання Нобелівської премії з хімії у 2023 році.

«Одним із найважливіших мірил присудження Нобелівської премії є те, наскільки технологія принесла користь людству через комерціалізацію, – говорить він. – Технологія Samsung QLED є однією з найбільш значущих досягнень у галузі нанотехнологій. Без комерціалізації цієї технології квантовим точкам було б важко здобути визнання Нобелівської премії».

Бачення компанії Samsung майбутніх дисплеїв

З часу запуску своїх телевізорів QLED компанія Samsung прискорила розвиток технології квантових точок у промисловості та наукових колах. Відповідаючи на запитання про майбутнє дисплеїв із квантовими точками, експерти поділилися своїми думками про те, що чекає попереду.

«Як технологію наступного покоління ми зараз досліджуємо квантові точки, що самі випромінюють світло, – говорить Сон. – До цього часу квантові точки покладалися на зовнішнє джерело світла для відтворення червоного і зеленого кольорів. У майбутньому ми прагнемо розробити квантові точки, які випромінюють світло самі собою за допомогою електролюмінесценції, виробляючи всі три основні кольори з інжекцією електричної енергії. Ми також працюємо над розробкою синіх квантових точок».

«Оскільки електролюмінесцентні матеріали дають змогу зменшити розмір компонентів пристроїв, ми зможемо досягти високої роздільної здатності, ефективності та яскравості, необхідних для застосунків віртуальної та доповненої реальності», – говорить Лі, прогнозуючи значну трансформацію дисплеїв у майбутньому.

«Якісний дисплей – це той, який глядач навіть не сприймає як дисплей, – говорить Сон. – Кінцева мета – створити враження, які неможливо відрізнити від реальності. Як бренд №1 в інноваціях у галузі дисплеїв із квантовими точками ми з гордістю продовжимо рух уперед».

Завдяки своєму незмінному лідерству та сміливому технологічному баченню компанія Samsung формує майбутнє дисплеїв і переосмислює можливості квантових точок.

¹Іонний зв’язок – хімічний зв’язок, що утворюється під час передачі електронів між атомами, створюючи іони, які утримуються разом електричним притяганням.
²Ковалентний зв’язок – хімічний зв’язок, у якому два атоми обмінюються електронами.