Znanstvena zajednica brzo je prepoznala važnost postignuća prve tehnologije kvantnih točaka bez kadmija na svijetu
„QLED tehnologija tvrtke Samsung odigrala je ključnu ulogu u dovođenju kvantnih točaka na razinu priznanja potrebnu za Nobelovu nagradu za kemiju“, kaže Taeghwan Hyeon, Nacionalno sveučilište u Seulu.
Kvantne točke u posljednjih su deset godina na čelu inovacija u prikazima slike, pružajući neke od najpreciznijih reprodukcija boja među postojećim materijalima. Predstavljanjem SUHD TV-a 2015. godine Samsung Electronics je otvorio put komercijalizaciji kvantnih točaka – otkriće koje je nadišlo uporabu kadmija (Cd), teškog metala tradicionalno korištenog u sintezi kvantnih točaka, uvođenjem prve tehnologije kvantnih točaka bez kadmija na svijetu.
Znanstvena zajednica brzo je prepoznala važnost ovog postignuća. Uspješna komercijalizacija televizora s kvantnim točkama bez kadmija ne samo da je postavila novi smjer istraživanja i razvoja već je odigrala i ključnu ulogu u dodjeli Nobelove nagrade za kemiju 2023. za otkriće i sintezu kvantnih točaka.
Nakon 1. dijela, Samsung Newsroom otkriva kako je Samsung dao važan doprinos akademskoj zajednici kroz revolucionarne napretke u materijalnim inovacijama.
Zašto je kadmij bio polazište za istraživanje kvantnih točaka?
„Bio sam zaista zadivljen što je Samsung uspio komercijalizirati proizvod s kvantnim točkama bez kadmija“ — Taeghwan Hyeon, Nacionalno sveučilište u Seulu.
Kvantne točke počele su privlačiti znanstveni interes 1980-ih kada su Aleksey Yekimov, bivši glavni znanstvenik u Nanocrystals Technology Inc. i Louis E. Brus, profesor emeritus na Odsjeku za kemiju Sveučilišta Columbia, svaki objavili svoja istraživanja o učinku kvantnog ograničenja i optičkim svojstvima kvantnih točaka ovisnim o veličini.
Zamah se ubrzao 1993. kada je Moungi Bawendi, profesor na Odsjeku za kemiju na Massachusetts Institute of Technology (MIT), razvio pouzdanu metodu za sintezu kvantnih točaka. Taeghwan Hyeon, ugledni profesor na Odsjeku za kemijsko i biološko inženjerstvo na Nacionalnom sveučilištu u Seulu (SNU), 2001. godine je izumio „proces zagrijavanja“ – tehniku za proizvodnju jednolikih nanočestica bez potrebe za odvajanjem prema veličini.
Hyeon je 2004. objavio skalabilnu proizvodnu metodu u akademskom časopisu Nature Materials. To otkriće se naširoko smatra potencijalnim preokretom u industriji. Ti napori nisu odmah doveli do komercijalizacije. U to su se vrijeme kvantne točke uvelike oslanjale na kadmij (Cd) kao temeljni materijal – tvar za koju se zna da je štetna za ljude i označena je kao ograničeni materijal prema Europskoj direktivi za ograničavanje upotrebe određenih opasnih supstanci (RoHS).
„Trenutačno jedini materijali koji mogu pouzdano proizvoditi kvantne točke su kadmijev selenid (CdSe) i indijev fosfid (InP). Kadmijev selenid, konvencionalni materijal kvantne točke, spoj je elemenata skupine II i skupine VI, dok se indijev fosfid formira iz elemenata skupine III i skupine V. Sintetiziranje kvantnih točaka iz elemenata skupine II i VI relativno je jednostavno, ali kombiniranje elemenata skupine III i V kemijski je mnogo složenije“, objasnio je Hyeon.
Kadmij, element s dva valentna elektrona, stvara jake ionske veze s elementima kao što su selen (Se), sumpor (S) i telur (Te) – od kojih svaki ima šest valentnih elektrona. Ove kombinacije rezultiraju stabilnim poluvodičima, poznatim kao II-VI poluvodiči, materijalima koji su dugo bili favorizirani u istraživanju zbog svoje sposobnosti proizvodnje visokokvalitetnih nanokristala čak i pri relativno niskim temperaturama.
Kao rezultat toga, korištenje kadmija u sintezi kvantnih točaka godinama se smatralo akademskim standardom. Nasuprot tome, indij (In) – alternativa kadmiju s tri valentna elektrona – stvara kovalentne veze s elementima kao što je fosfor (P), koji ima pet valentnih elektrona. Kovalentne veze općenito su manje stabilne od ionskih veza i usmjerene su prirode, povećavajući vjerojatnost defekata tijekom sinteze nanokristala.
Ove karakteristike učinile su indij zahtjevnim materijalom za rad, kako u istraživanju tako i u masovnoj proizvodnji. „Teško je postići visoku kristalnost u kvantnim točkama napravljenim od indijevog fosfida. Potreban je složen i zahtjevan proces sinteze kako bi se zadovoljili standardi kvalitete potrebni za komercijalizaciju“, ističe Lee.
Bez kompromisa – Od otkrića do masovne proizvodnje „Jednostavno nema mjesta kompromisu kada je u pitanju sigurnost potrošača“ — Sanghyun Sohn, Samsung Electronics
Samsung je međutim zauzeo drugačiji pristup. „Istražujemo i razvijamo tehnologiju kvantnih točki od 2001. godine. U samim počecima, odredili smo da kadmij, koji je štetan za ljudsko zdravlje, nije pogodan za komercijalizaciju. Dok regulative u nekim zemljama dopuštaju do 100 dijelova na milijun (ppm) kadmija u elektroničkim proizvodima, Samsung je od samog početka prihvatio politiku nulte upotrebe kadmija. Bez kadmija, bez kompromisa – to je bila naša strategija. Jednostavno nema mjesta kompromisu kada je u pitanju sigurnost potrošača“, ističe Sanghyun Sohn, voditelj Advanced Display Laba, Visual Display (VD) Business u Samsung Electronics.
Dugogodišnja predanost tvrtke Samsung principu „Bez kompromisa u pogledu sigurnosti“ došla je u prvi plan 2014. godine kada je tvrtka uspješno razvila prvi materijal kvantnih točki bez kadmija na svijetu. Kako bi osigurao trajnost i kvalitetu slike, Samsung je uveo tehnologiju troslojnog zaštitnog premaza koja štiti nanočestice indijevog fosfida od vanjskih čimbenika kao što su kisik i svjetlost.
Sljedeće godine Samsung je lansirao prvi komercijalni SUHD TV na svijetu s kvantnim točkama bez kadmija – što je označavalo promjenu paradigme u industriji zaslona i vrhunac istraživačkih napora koji su započeli ranih 2000-tih.
„Kvantne točke na bazi indijevog fosfida same po sebi su nestabilne i teže ih je sintetizirati u usporedbi s njihovim pandanima na bazi kadmija, u početku postižući samo oko 80 % performansi kvantnih točaka na bazi kadmija. Međutim, kroz intenzivan razvojni proces na Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT), uspješno smo podigli radne karakteristike na 100 % i osigurali pouzdanost više od 10 godina“, rekao je Sohn.
Kvantne točke koje se nalaze u Samsung QLED-ima sastoje se od tri ključne komponente – jezgre, gdje se emitira svjetlost; ljuske, koja štiti jezgru i stabilizira njezinu strukturu; i liganda, polimerne prevlake koja poboljšava oksidacijsku stabilnost izvan ljuske. Bit tehnologije kvantne točke leži u besprijekornoj integraciji ova tri elementa, naprednom industrijskom procesu koji se proteže od nabave materijala i sinteze do masovne proizvodnje i podnošenja brojnih patenata.
„Niti jedna od tri komponente – jezgra, ljuska ili ligand ne mogu se zanemariti. Samsung je razvio izvanrednu tehnologiju za sintezu indijevog fosfida“, dodao je Lee. „Razvoj tehnologije u laboratoriju izazov je sam po sebi, ali komercijalizacija zahtijeva potpuno drugačiju razinu napora kako bi se osigurala stabilnost proizvoda i dosljedna kvaliteta boje. Uistinu me se dojmilo što je Samsung uspio komercijalizirati proizvod s kvantnim točkama bez kadmija“, istaknuo je Hyeon.
Postavljanje standarda kvantnih točki „Istraživački trendovi u akademskoj zajednici značajno su se promijenili prije i nakon izlaska Samsungovih kvantnih točkastih televizora“ — Doh Chang Lee, Korejski napredni institut za znanost i tehnologiju
Optička svojstva kvantnih točaka primjenjuju se na širok raspon područja, uključujući solarne ćelije, medicinu i kvantno računalstvo. Međutim, zaslon s kvantnom točkom ostaje najaktivnije istražena i široko komercijalizirana primjena do danas, a Samsung se pojavljuje kao pionir.
Nadovezujući se na godine temeljnog istraživanja i predstavljanja svojih SUHD televizora, Samsung je lansirao svoje QLED televizore 2017. i postavio novi standard za vrhunske zaslone. Tvrtka je 2022. dodatno potaknula inovacije s debijem QD-OLED televizora, prvog zaslona na svijetu koji kombinira kvantne točke s OLED strukturom.
QD-OLED je tehnologija zaslona sljedeće generacije koja integrira kvantne točke u samosvjetleću strukturu OLED-a. Ovaj pristup omogućuje brže vrijeme odziva, dublje crne i veće omjere kontrasta. QD-OLED dobio je nagradu za zaslon godine 2023. od Društva za informacijski zaslon (SID), najveće svjetske organizacije posvećene tehnologijama zaslona.
„Samsung ne samo da je predvodio tržište sa svojim televizorima s kvantnim točkama baziranim na indijevom fosfidu, već je i dalje jedina tvrtka koja je uspješno integrirala i komercijalizirala kvantne točke u OLED-ovima. Iskorištavanjem našeg vodstva u tehnologiji kvantnih točaka, nastavit ćemo predvoditi budućnost inovacija zaslona“, ističe Sohn.
„Istraživački trendovi u akademskoj zajednici značajno su se promijenili prije i nakon izlaska kvantnih točkastih televizora tvrtke Samsung. Od samog predstavljanja, rasprave su se sve više usredotočile na praktične primjene, a ne na same materijale, odražavajući potencijal za implementaciju u stvarnom svijetu putem tehnologija zaslona“, rekao je Doh Chang Lee, profesor na Odsjeku za kemijsko i biomolekularno inženjerstvo na Korejskom naprednom institutu za znanost i tehnologiju (KAIST).
„Bilo je mnogo pokušaja primjene kvantnih točaka u raznim područjima uključujući fotokatalizu, ali ti napori ostaju u ranim fazama u usporedbi s njihovom upotrebom u zaslonima.“ Hyeon je također istaknuo da je uspješna komercijalizacija televizora s tehnologijom kvantnih točki tvrtke Samsung pomogla utrti put da Bawendi, Brus i Yekimov dobiju Nobelovu nagradu za kemiju 2023. godine.
„Jedan od najvažnijih kriterija za Nobelovu nagradu je opseg u kojem je tehnologija doprinijela čovječanstvu putem komercijalizacije. QLED tvrtke Samsung predstavlja jedno od najznačajnijih dostignuća u nanotehnologiji. Bez njegove komercijalizacije, bilo bi teško za kvantne točke zaslužiti Nobelovo priznanje.“
Vizija tvrtke Samsung za zaslone sutrašnjice
Od lansiranja svojih QLED televizora, Samsung je ubrzao rast tehnologije kvantnih točaka u industriji i akademskoj zajednici. Na pitanje o budućnosti zaslona s kvantnim točkama, stručnjaci su podijelili svoje uvide o tome što je pred nama.
„Kao tehnologiju nove generacije, trenutačno istražujemo samosvjetleće kvantne točke. Do sada su se kvantne točke oslanjale na vanjski izvor svjetlosti kako bi izrazile crvenu i zelenu. U budućnosti, cilj nam je razviti kvantne točke koje neovisno emitiraju svjetlost putem elektroluminiscencije — proizvodeći sve tri primarne boje ubrizgavanjem električne energije. Također radimo na razvoju plavih kvantnih točaka“ rekao je Sohn.
„Budući da elektroluminescentni materijali omogućuju smanjenje veličine komponenti uređaja, moći ćemo postići visoku razlučivost, učinkovitost i svjetlinu potrebnu za aplikacije virtualne i proširene stvarnosti“, zaključio je Lee, predviđajući veliku transformaciju u budućnosti zaslona.
„Dobar zaslon je onaj koji gledatelj uopće ne prepoznaje kao zaslon. Krajnji cilj je isporučiti iskustvo koje se čini nerazlučivo od stvarnosti. Kao vodeći u inovacijama zaslona s tehnologijom kvantnih točaka, ponosno ćemo nastaviti ići naprijed“, naglašava Sohn. Svojim kontinuiranim vodstvom i odvažnom tehnološkom vizijom, Samsung oblikuje budućnost zaslona i prepisuje ono što je moguće s kvantnim točkama.