Нобелівський матеріал в основі Samsung QLED [Інтерв’ю про реальні квантові точки, частина 1]

«Однією з причин, чому компанія Samsung зосередилася на квантових точках, є надзвичайно вузькі піки їхнього спектра випромінювання».
– Сангюн Сон, Samsung Electronics.

У 2023 році Нобелівську премію з хімії присудили за відкриття та синтез квантових точок. Нобелівський комітет визнав революційні досягнення вчених у цій галузі, зазначивши, що квантові точки вже зробили значний внесок у розроблення дисплеїв та медичну галузь, а ширше застосування передбачається в електроніці, квантовому зв’язку та сонячних батареях.

Квантові точки, надтонкі напівпровідникові частинки, випромінюють різні кольори світла залежно від їхнього розміру, створюючи надзвичайно чисті та яскраві відтінки. Samsung Electronics, світовий бренд №1 із продажу телевізорів, використовує цей передовий матеріал для покращення характеристик дисплеїв.

Редакція Samsung Newsroom зустрілася з Техван Хьоном, почесним професором кафедри хімічної та біологічної інженерії Сеульського національного університету (СНУ), До Чан Лі, професором кафедри хімічної та біомолекулярної інженерії Корейського провідного науково-технологічного інституту (КПНТІ), і Сангюн Соном, керівником лабораторії вдосконалених дисплеїв підрозділу візуальних дисплеїв (ВД) Samsung Electronics, щоб дослідити, як квантові точки започатковують нову еру в технології дисплеїв.

Розуміння забороненої зони

«Для розуміння квантових точок потрібно спочатку осягнути концепцію забороненої зони».

– Техван Хьон, Сеульський національний університет.

Рух електронів спричиняє утворення електрики. Зазвичай у цьому беруть участь зовнішні електрони, відомі як валентні електрони. Діапазон енергій, у якому існують ці електрони, називається валентною зоною, тоді як вищий, незайнятий діапазон енергій, що може приймати електрони, називається зоною провідності.

Електрон може поглинати енергію для переходу з валентної зони в зону провідності. Коли збуджений електрон віддає цю енергію, він повертається назад у валентну зону. Різниця енергій між цими двома зонами, кількість енергії, яку електрон повинен отримати або втратити для переходу між ними, називається забороненою зоною.

▲ Порівняння енергетичних зонних структур в ізоляторах, напівпровідниках і провідниках

Ізолятори, як-от гума та скло, мають великі міжзонні проміжки, що перешкоджають вільному переміщенню електронів між зонами. На відміну від них, провідники, як-от мідь і срібло, мають валентну зону та зону провідності, що накладаються, даючи електронам вільно рухатися і забезпечуючи високу електропровідність.

Напівпровідники мають заборонену зону, розташовану між ізоляторами та провідниками, що обмежує провідність за нормальних умов, але забезпечує електропровідність або випромінювання світла, коли електрони стимулюються теплом, світлом або струмом.

«Для розуміння квантових точок потрібно спочатку осягнути концепцію забороненої зони». – говорить Хьон, підкреслюючи, що енергетична зонна структура матеріалу має вирішальне значення у визначенні його електричних властивостей.

Квантові точки – чим менша частинка, тим більша заборонена зона

«Коли частинки квантових точок стають меншими, довжина хвилі випромінюваного світла зміщується від червоного до синього».

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

Квантові точки – нанорозмірні напівпровідникові структури з унікальними електричними та оптичними властивостями. Вимірювані в нанометрах (нм), або в мільярдній частині метра, такі частинки становлять лише кілька тисячних товщини людської волосини. Коли напівпровідник зменшується до нанометрового масштабу, його властивості значно змінюються порівняно з об’ємним станом.

В об’ємному стані частинки достатньо великі, тому електрони в напівпровідниковому матеріалі можуть вільно рухатися, не обмежуючись власною довжиною хвилі. Це дає змогу енергетичним рівням – станам, які займають частинки при поглинанні або випромінюванні енергії, формувати безперервний спектр, схожий на довгу гірку з пологим схилом. У квантових точках рух електронів обмежений, оскільки розмір частинок менший за довжину хвилі електрона.

▲ Розмір визначає ширину забороненої зони у квантових точках

Уявіть, що ви набираєте воду (енергія) з великої каструлі (об’ємний стан) черпаком (діапазон частот, що відповідає довжині хвилі електрона). Так можна вільно регулювати кількість води в каструлі, від повної до порожньої, що є аналогом безперервних енергетичних рівнів. Однак коли горщик зменшується до розміру філіжанки, як квантова точка, черпак більше не підходить. Тепер філіжанка може бути тільки повною або порожньою. Це ілюструє концепцію квантованих енергетичних рівнів.

«Коли напівпровідникові частинки зменшуються до нанометрового масштабу, їхні енергетичні рівні стають квантованими. Вони можуть існувати лише переривчастими кроками, – говорить Хьон. – Такий ефект називається «квантовим обмеженням». І на цьому рівні можна керувати шириною забороненої зони, змінюючи розмір частинок».

Кількість молекул всередині частинки зменшується зі зменшенням розміру квантової точки, що призводить до послаблення взаємодії молекулярних орбіталей. Це посилює ефект квантового обмеження і збільшує ширину забороненої зони¹. Оскільки ширина забороненої зони відповідає енергії, що вивільняється при релаксації електрона із зони провідності у валентну зону, колір випромінюваного світла змінюється відповідно.

«Коли частинки стають меншими, довжина хвилі випромінюваного світла зміщується від червоного до синього, – говорить Лі. – Інакше кажучи, розмір нанокристала квантових точок визначає його колір».

Інженерія плівок із квантовими точками

«Плівка з квантовими точками є основою телевізорів QLED, що свідчить про глибокий технологічний досвід Samsung».

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

Квантові точки привертають увагу в різних галузях, зокрема в сонячних батареях, фотокаталізі, медицині та квантових обчисленнях. Однак індустрія дисплеїв першою успішно комерціалізувала цю технологію.

«Однією з причин, чому компанія Samsung зосередилася на квантових точках, є надзвичайно вузькі піки їхнього спектра випромінювання, – говорить Сон. – Вузький діапазон частот і сильна флуоресценція роблять їх ідеальними для точного відтворення широкого спектра кольорів».

▲ Квантові точки створюють надчисті червоні, зелені та сині кольори (RGB), керуючи світлом на нанорівні, забезпечуючи вузьку смугу пропускання та сильну флуоресценцію

Для ефективного застосовування квантових точок у технологіях дисплеїв матеріали та структури повинні зберігати високу продуктивність протягом тривалого часу в суворих умовах. Samsung QLED досягає цього завдяки використанню плівки з квантовими точками.

«Точна передача кольору на дисплеї залежить від того, наскільки добре плівка використовує оптичні властивості квантових точок, – зазначає Лі. – Плівка з квантовими точками повинна відповідати кільком ключовим вимогам для комерційного використання, як-от ефективне перетворення світла та прозорість».

▲ Сангюн Сон

Плівка з квантовими точками, що використовується в дисплеях Samsung QLED, виробляється шляхом додавання розчину квантових точок до полімерної основи, яку нагрівають до дуже високої температури, розподіляють у тонкий шар, а потім затверджують. Хоча це може звучати просто, насправді процес виробництва є дуже складним.

«Це наче намагатися рівномірно змішати порошок кориці з липким медом, щоб не утворилися грудочки. Завдання не з легких, – говорить Сон. – Щоб рівномірно розподілити квантові точки по всій плівці, необхідно ретельно враховувати кілька факторів: матеріали, дизайн та умови обробки».

Попри такі виклики, компанія Samsung розширила межі цієї технології. Щоб забезпечити довговічність своїх дисплеїв, розробила власні полімерні матеріали, спеціально оптимізовані для квантових точок.

«Ми набули значного досвіду в технології квантових точок, розробивши бар’єрні плівки, що блокують вологу, та полімерні матеріали, здатні рівномірно розподіляти квантові точки, – додав він. – Завдяки цьому ми не лише досягли масового виробництва, а також знизили витрати».

Завдяки цьому вдосконаленому процесу плівка Samsung на основі квантових точок забезпечує точну передачу кольору та неперевершену світловіддачу – і все це з найкращою в галузі стійкістю до зношування.

«Яскравість зазвичай вимірюється в нітах, водночас один ніт еквівалентний яскравості однієї свічки, – пояснив Сон. – Тоді як звичайні світлодіоди мають яскравість приблизно 500 ніт, наші дисплеї з квантовими точками можуть досягати 2 000 ніт і більше, що еквівалентно 2 000 свічок, досягаючи нового рівня якості зображення».

▲ Порівняння гами RGB між спектром видимого світла, sRGB та DCI-P3 в колірному просторі CIE 1931

* CIE 193: Широко використовувана кольорова система, оголошена в 1931 році Міжнародною комісією з освітлення (Commission internationale de l’éclairage).
* sRGB (стандартний RGB): Простір кольорів, створений спільно компаніями Microsoft та HP в 1996 році для моніторів та принтерів.
* DCI-P3 (Digital Cinema Initiatives – Protocol 3): Колірний простір, широко використовуваний для цифрового HDR-контенту, визначений Digital Cinema Initiatives для цифрових проєкторів.

Завдяки використанню квантових точок компанія Samsung значно підвищила яскравість і виразність кольорів, забезпечуючи візуальний досвід, як ніколи раніше. Фактично телевізори Samsung QLED досягають рівня передачі кольору, що перевищує 90% колірного простору DCI-P3 (Digital Cinema Initiatives – Protocol 3), який є еталоном точності передачі кольору в цифровому кінематографі.

«Навіть якщо квантові точки вже створені, потрібно забезпечити довгострокову стабільність, щоб вони були корисними, – говорить Лі. – Технології синтезу квантових точок на основі фосфіду індію (InP) і виробництва плівок, які є лідерами галузі, підтверджують глибокий технологічний досвід Samsung».

Оригінальні телевізори QLED використовують квантові точки для створення кольору

«Цінність телевізора з квантовими точками полягає в тому, чи використовує він ефект квантового обмеження, чи ні».

– Техван Хьон, Сеульський національний університет.

Оскільки зацікавленість квантовими точками зростає в усій індустрії, на ринку з’явилися різноманітні продукти. Проте не всі телевізори з маркуванням квантових точок однакові – квантові точки повинні робити достатній внесок у реальну якість зображення.

▲ Техван Хьон

«Цінність телевізора з квантовими точками полягає в тому, чи використовує він ефект квантового обмеження, чи ні, – каже Хьон. – Перша, фундаментальна вимога – використання квантових точок для створення кольору».

«Щоб вважатися справжнім телевізором з квантовими точками, квантові точки повинні слугувати або основним матеріалом для перетворення світла, або основним матеріалом для випромінювання світла, – говорить Лі. – Для квантових точок, що перетворюють світло, дисплей має містити достатню кількість квантових точок для поглинання і перетворення синього світла, яке випромінюється блоком підсвічування».

▲ До Чан Лі

«Плівка з квантовими точками повинна містити достатню кількість квантових точок для ефективної роботи, – повторив Сон, підкреслюючи важливість вмісту квантових точок. – Samsung QLED використовує понад 3 000 частин на мільйон (ppm) матеріалів на основі квантових точок. 100% червоного та зеленого кольорів створюються за допомогою квантових точок».

Samsung почала розробляти технологію квантових точок у 2001 році, а у 2015 році представила перший у світі безкадмієвий телевізор з квантовими точками – SUHD TV. У 2017 році компанія запустила преміальну лінійку QLED, ще більше зміцнивши своє лідерство в індустрії дисплеїв з квантовими точками.

У другій частині цієї серії інтерв’ю Samsung Newsroom детальніше розглядає, як компанія Samsung не тільки комерціалізувала технологію дисплеїв із квантовими точками, але й розробила безкадмієвий матеріал для квантових точок – інновацію, яку визнали дослідники, лауреати Нобелівської премії з хімії.

¹Коли напівпровідниковий матеріал перебуває в об’ємному стані, ширина забороненої зони залишається фіксованою на значенні, характерному для матеріалу, і не залежить від розміру частинок.