Godine 2023. Nobelova nagrada za kemiju dodijeljena je za otkriće i sintezu kvantnih točaka. Nobelovo povjerenstvo prepoznalo je revolucionarna dostignuća znanstvenika na tom području, naglašavajući kako su kvantne točke već dale značajan doprinos u industriji zaslona i medicini, a u budućnosti se očekuje njihova još šira primjena u elektronici, kvantnim komunikacijama i solarnim ćelijama.
Kvantne točke, izuzetno sitne čestice poluvodiča, emitiraju različite boje svjetlosti ovisno o svojoj veličini, stvarajući izrazito čiste i živopisne nijanse. Samsung Electronics, vodeći svjetski proizvođač televizora, prihvatio je ovu vrhunsku tehnologiju kako bi dodatno unaprijedio kvalitetu prikaza.
Samsung Newsroom razgovarao je s Taeghwanom Hyeonom, uglednim profesorom na Odsjeku za kemijsko i biološko inženjerstvo Sveučilišta u Seoulu; Doh Chang Leejem, profesorom na Odsjeku za kemijsko i biomolekularno inženjerstvo na Korejskom institutu za naprednu znanost i tehnologiju; te sa Sanghyunom Sohom, voditeljem Laboratorija za napredne zaslone u poslovnom odjelu vizualnih zaslona tvrtke Samsung Electronics – kako bi saznali na koji način kvantne točke otvaraju novo poglavlje u razvoju zaslonske tehnologije.
Razumijevanje energetskog jaza
„Da bismo razumjeli kvantne točke, prvo moramo shvatiti pojam energetskog jaza.”
– Taeghwan Hyeon, Sveučilište u Seoulu
Kretanje elektrona temelj je električne struje. U pravilu, riječ je o vanjskim, tzv. Valentnim elektronima koji sudjeluju u tom procesu. Energetski pojas u kojem se ti elektroni nalaze naziva se valentni pojas, dok se viši, prazni energetski pojas koji može primiti elektrone naziva vodljivim pojasom. Elektron može apsorbirati energiju i „preskočiti” iz valentnog u vodljivi pojas. Kada se taj pobuđeni elektron vrati u valentni pojas, oslobađa prethodno apsorbiranu energiju. Razlika u energiji između ta dva pojasa, odnosno količina energije koju elektron mora dobiti ili izgubiti da bi prešao iz jednog pojasa u drugi, naziva se energetski jaz (engl. band gap).
Izolatori poput gume i stakla imaju velik energetski jaz, što sprječava slobodno kretanje elektrona između pojasa. Suprotno tome, vodiči poput bakra i srebra imaju preklapajuće valentne i vodljive pojase, što omogućava slobodan protok elektrona i visoku električnu vodljivost.
Poluvodiči imaju energetski jaz koji se nalazi negdje između izolatora i vodiča, što znači da pod normalnim uvjetima slabo provode električnu struju, ali kada se podraže toplinom, svjetlom ili električnom energijom, omogućuju provođenje struje ili emitiranje svjetlosti.
„Da bismo razumjeli kvantne točke, moramo prvo razumjeti pojam energetskog jaza”, naglasio je Hyeon, ističući koliko je energetska struktura materijala ključna za njegova električna svojstva.
Kvantne točke – što je čestica manja, veći je energetski jaz
„Kako kvantne točke postaju manje, valna duljina emitirane svjetlosti pomiče se od crvene prema plavoj.”
– Doh Chang Lee, Korejski institut za naprednu znanost i tehnologiju
Kvantne točke su kristali poluvodiči na nanoskali s jedinstvenim električnim i optičkim svojstvima. Mjere se u nanometrima (nm), što je 1/1,000.000 metra i tanke su svega nekoliko tisućinki debljine ljudske vlasi. Kada se poluvodički materijal smanji na nanometarsku razinu, njegova svojstva se znatno mijenjaju u odnosu na njegovo „bulk“ stanje.
U bulk stanju, čestice su dovoljno velike da se elektroni mogu slobodno kretati, neograničeni valnom duljinom. U tom slučaju, energetske razine tvore gotovo neprekidan spektar, poput dugog i blagog tobogana. No kod kvantnih točaka, kretanje elektrona je ograničeno jer je sama čestica manja od valne duljine elektrona.
Zamislimo da energiju predstavljamo vodom u velikom loncu (bulk stanje), a energetski pojas je poput kutlače koja može uzimati vodu po volji. Možemo lako podešavati količinu vode, odnosno energije. Ali kad se lonac smanji na veličinu šalice, kao kod kvantne točke, kutlača više ne stane unutra. U tom trenutku šalica može biti isključivo puna ili prazna. To simbolizira kvantizirane razine energije, nema više kontinuiranih prijelaza, već samo određeni, diskretni skokovi.
„Kada se čestice poluvodiča smanje na nanoskalu, njihove energetske razine postaju kvantizirane, odnosno mogu postojati samo u diskontinuiranim koracima,” objašnjava profesor Hyeon. „Taj se učinak naziva kvantna ograničenost (quantum confinement). U toj skali možemo upravljati energetskim jazom mijenjajući veličinu čestica.”
Kako veličina kvantne točke opada, broj molekula unutar čestice se smanjuje, što rezultira slabijim međusobnim djelovanjem molekulskih orbitala. To dodatno pojačava učinak kvantne ograničenosti i povećava energetski jaz.
Budući da energetski jaz određuje količinu energije (i time valnu duljinu svjetlosti) koja se emitira kada se elektron vrati iz vodljive u valentnu vrpcu, dolazi do promjene u boji emitirane svjetlosti.
„Kako se čestice smanjuju, valna duljina emitirane svjetlosti pomiče se od crvene prema plavoj,” kaže profesor Lee. „Drugim riječima, boja koju emitira kvantna točka ovisi o njezinoj veličini.”
Inženjering iza filmova s kvantnim točkama
„Film s kvantnim točkama srce je QLED televizora i dokaz duboke tehničke stručnosti tvrtke Samsung”.
– Doh Chang Lee, Korejski institut za naprednu znanost i tehnologiju
Kvantne točke izazvale su veliki interes u brojnim područjima, uključujući solarne ćelije, fotokatalizu, medicinu i kvantno računalstvo. Ipak, upravo je industrija zaslona bila prva koja je uspješno komercijalizirala ovu tehnologiju.
„Jedan od razloga zbog kojih se Samsung fokusirao na kvantne točke jest njihova iznimno uska vršna vrijednost u emisijskom spektru svjetlosti ” rekao je Sohn. „Njihova uska propusnost i snažna fluorescencija čine ih savršenima za precizno reproduciranje širokog spektra boja.”
Kako bi se kvantne točke učinkovito iskoristile u zaslonskoj tehnologiji, materijali i strukture moraju zadržavati visoke performanse kroz vrijem, čak i u zahtjevnim uvjetima. Samsung QLED to postiže korištenjem posebnog filma s kvantnim točkama.
„Preciznost u prikazu boja na zaslonu ovisi o tome koliko dobro film iskorištava optička svojstva kvantnih točaka,” ističe Lee. „Film mora zadovoljiti više ključnih zahtjeva za komercijalnu uporabu — poput učinkovite pretvorbe svjetlosti i prozirnosti.”
Film s kvantnim točkama u Samsung QLED televizorima nastaje dodavanjem otopine kvantnih točaka u bazu od polimera, koja se zagrijava na vrlo visoku temperaturu te se zatim razmazuje u tanki sloj i na kraju učvršćuje. Iako ovo zvuči jednostavno, stvarna proizvodnja je izuzetno složen proces.
„To je kao da pokušavate ravnomjerno umiješati cimet u ljepljivi med, bez grudica. Nije nimalo lako,” rekao je Sohn. „Da bi se kvantne točke ravnomjerno rasporedile unutar filma, moraju se pažljivo razmotriti brojni faktori, od materijala, preko dizajna, do uvjeta obrade.”
Unatoč izazovima, Samsung je pomaknuo granice tehnologije. Kako bi osigurao dugotrajnu stabilnost svojih zaslona, razvili su polimerne materijale posebno prilagođene kvantnim točkama.
„Razvili smo snažno znanje u području kvantnih točaka kroz razvoj zaštitnih filmova koji blokiraju vlagu, kao i polimera koji omogućuju ravnomjernu raspodjelu kvantnih točaka,” dodao je. „Takone samo da smo omogućili masovnu proizvodnju, već smo i smanjili troškove.”
Zahvaljujući ovom naprednom procesu, Samsung film s kvantnim točkama omogućuje precizno prikazivanje boja i iznimnu svjetlosnu učinkovitost, uz vodeću izdržljivost u industriji.
„Svjetlina se obično mjeri u nitima, gdje je jedan nit jednak svjetlosti jedne svijeće,” objasnio je Sohn. „Dok obični LED zasloni dosežu oko 500 nita, naši zasloni s kvantnim točkama mogu dosegnuti i više od 2.000 nita, što odgovara svjetlini od 2.000 svijeća, donoseći novu razinu kvalitete slike.”
Iskorištavanjem kvantnih točaka, Samsung je značajno unaprijedio i svjetlinu i prikaz boja, pružajući vizualno iskustvo kakvo dosad nije bilo viđeno. Naime, Samsung QLED televizori postižu više od 90 % pokrivenosti DCI-P3 (Digital Cinema Initiatives – Protocol 3) spektra boja, standarda preciznosti boja u digitalnoj kinematografiji.
„Čak i ako ste proizveli kvantne točke, morate osigurati njihovu dugoročnu stabilnost kako bi bile korisne,” rekao je Lee. „Samsung vodeća tehnologija sinteze kvantnih točaka na bazi indijevog fosfida (InP) i proizvodnje filmova dokaz je njihove tehničke izvrsnosti.”
Pravi QLED televizori koriste kvantne točke za stvaranje boje
„Legitimnost televizora s kvantnim točkama leži u tome koristi li se doista učinak kvantne ograničenosti”.
– Taeghwan Hyeon, Sveučilište u Seoulu
Kako interes za kvantne točke u industriji sve više raste, na tržištu se pojavljuje mnoštvo proizvoda koji nose oznaku „quantum dot”. No, nisu svi ti televizori jednaki – kvantne točke moraju stvarno pridonositi kvaliteti prikaza slike.
„Legitimnost televizora s kvantnim točkama leži u tome koristi li se doista učinak kvantne ograničenosti”, rekao je Hyeon. „Osnovni, temeljni uvjet je da se kvantne točke koriste za stvaranje boje”.
„Da bi se neki televizor doista smatrao pravim QLED uređajem, kvantne točke moraju igrati ključnu ulogu, bilo kao primarni materijal za pretvorbu svjetlosti, ili kao glavni izvor svjetlosti”, dodaje Lee. „Ako kvantne točke služe za pretvorbu svjetlosti, tada zaslon mora sadržavati dovoljno kvantnih točaka kako bi one mogle apsorbirati i preobratiti plavu svjetlost koju emitira jedinica pozadinskog osvjetljenja.”
„Film s kvantnim točkama mora sadržavati dovoljnu količinu kvantnih točaka kako bi bio učinkovit,” ponovio je Sohn, naglašavajući važnost koncentracije tih materijala. „Samsung QLED koristi više od 3.000 dijelova na milijun materijala (parts per million) kvantnih točki. 100% crvenih i zelenih boja na slici nastaje putem kvantnih točaka.”
Samsung je započeo razvoj tehnologije kvantnih točaka 2001. godine, a 2015. predstavio je prvi televizor s kvantnim točkama bez kadmija na svijetu, SUHD TV. U 2017. predstavljena je premium QLED linija, čime je tvrtka dodatno učvrstila svoje vodeće mjesto u industriji zaslona s kvantnim točkama.
U drugom dijelu ovog serijala intervjua, Samsung Newsroom detaljnije istražuje kako je Samsung ne samo komercijalizirao tehnologiju zaslona s kvantnim točkama, već i razvio materijal s kvantnim točkama bez kadmija, inovaciju koju su prepoznali i znanstvenici nagrađeni Nobelovom nagradom za kemiju.
