»Eden od razlogov, zakaj se je Samsung odločil osredotočiti na kvantne pike, je njihova izjemno ozka vršna vrednost v emisijskem spektru svetlobe.«

– Sanghyun Sohn, Samsung Electronics

Leta 2023 je bila Nobelova nagrada za kemijo podeljena za odkritje in sintezo kvantnih pik. Nobelov odbor je prepoznal revolucionarne dosežke znanstvenikov na tem področju in poudaril, da so kvantne pike že pomembno prispevale k razvoju industrije zaslonov in medicine. V prihodnosti se pričakuje še širša uporaba slednjih v elektroniki, kvantnih komunikacijah in sončnih celicah.

Kvantne pike, izjemno majhni delci polprevodnikov, oddajajo različne barve svetlobe glede na svojo velikost in ustvarjajo izredno čiste ter živahne odtenke. Podjetje Samsung Electronics, vodilni svetovni proizvajalec televizorjev, je to vrhunsko tehnologijo sprejelo z namenom dodatne nadgradnje kakovosti prikaza.

Pogovarjali smo se s Taeghwanom Hyeonom, uglednim profesorjem na Oddelku za kemijsko in biološko inženirstvo Univerze v Seulu, Doh Chang Leejem, profesorjem na Oddelku za kemijsko in biomolekularno inženirstvo na Južnokorejskem inštitutu za napredno znanost in tehnologijo, ter s Sanghyunom Sohom, vodjo Laboratorija za napredne zaslone v poslovni enoti za vizualne zaslone podjetja Samsung Electronics, da bi izvedeli, kako kvantne pike odpirajo novo poglavje v razvoju tehnologije zaslonov.

Razumevanje pasovne vrzeli

»Če želimo razumeti kvantne pike, moramo najprej razumeti pojem energijske vrzeli.«

– Taeghwan Hyeon, Univerza v Seulu

Gibanje elektronov je osnova električnega toka. Pri tem gre praviloma za zunanje, t. i. valentne elektrone, ki sodelujejo v tem procesu. Energijski pas, v katerem se ti elektroni nahajajo, imenujemo valentni pas, medtem ko višji, prazni energijski pas, ki lahko sprejme elektrone, imenujemo prevodni pas. Elektron lahko absorbira energijo in »skoči« iz valentnega v prevodni pas. Ko se ta vzbujeni elektron vrne v valentni pas, sprosti prej absorbirano energijo. Razlika v energiji med tema dvema pasovoma oziroma količina energije, ki jo mora elektron pridobiti ali izgubiti, da preide iz enega pasu v drugega, se imenuje energijska vrzel (angl. band gap).

Izolatorji, kot sta guma in steklo, imajo veliko energijsko vrzel, kar preprečuje prosto gibanje elektronov med pasovi. Nasprotno pa imajo prevodniki, kot sta baker in srebro, prekrivajoča se valentni in prevodni pas, kar omogoča prost pretok elektronov in visoko električno prevodnost.

Polprevodniki imajo pasovno vrzel med izolatorji in prevodniki, kar omejuje prevodnost v normalnih pogojih, vendar omogoča električno prevodnost ali oddajanje svetlobe, ko elektrone spodbudimo s toploto, svetlobo ali elektriko. Polprevodniki imajo pasovno vrzel med izolatorji in prevodniki, kar omejuje prevodnost v normalnih pogojih, vendar omogoča električno prevodnost ali oddajanje svetlobe, ko elektrone spodbudimo s toploto, svetlobo ali elektriko.

»Če želimo razumeti kvantne pike, moramo najprej razumeti pojem energijske vrzeli,« je poudaril Hyeon in izpostavil, kako ključna je energijska struktura materiala za njegove električne lastnosti.

Kvantne pike – manjši ko je delec, večja je pasovna vrzel

»Ko postajajo kvantne pike manjše, se valovna dolžina oddane svetlobe pomika od rdeče proti modri.«

— Doh Chang Lee, Korejski inštitut za napredno znanost in tehnologijo

Kvantne pike so polprevodniški kristali na nanoskali z edinstvenimi električnimi in optičnimi lastnostmi. Merijo se v nanometrih (nm), kar je 1/1.000.000 metra, in so tanke le nekaj tisočink debeline človeškega lasu. Ko se polprevodniški material zmanjša na nanometrsko raven, se njegove lastnosti bistveno spremenijo v primerjavi z njegovim masnim (bulk) stanjem.

V masnem stanju so delci dovolj veliki, da se elektroni lahko prosto gibljejo, neomejeni z valovno dolžino. V tem primeru energijske ravni tvorijo skoraj neprekinjen spekter, podobno kot dolg in položen tobogan. Pri kvantnih pikah pa je gibanje elektronov omejeno, saj je sam delec manjši od valovne dolžine elektrona.

Predstavljajmo si, da energijo ponazarja voda v velikem loncu (masno stanje), energijski pas pa je kot zajemalka, ki lahko po želji zajema vodo. Količino vode oziroma energije lahko enostavno prilagajamo. Ko pa se lonec zmanjša na velikost skodelice, kot pri kvantni piki, zajemalka vanjo ne more več. V tem trenutku je skodelica lahko le polna ali prazna. To ponazarja kvantizirane energijske ravni, ni več zveznih prehodov, temveč le določeni, diskretni skoki.

»Ko se delci polprevodnika zmanjšajo na nanoskalo, njihove energijske ravni postanejo kvantizirane, torej lahko obstajajo le v diskontinuiranih korakih,« pojasnjuje profesor Hyeon. »Ta pojav imenujemo kvantna omejitev (quantum confinement). Na tej skali lahko energijsko vrzel uravnavamo z načinom spreminjanja velikosti delcev.«

Ko se velikost kvantne pike zmanjšuje, se zmanjša tudi število molekul znotraj delca, kar oslabi medsebojno delovanje molekulskih orbital. To dodatno okrepi učinek kvantne omejitve in poveča energijsko vrzel.

Ker energijska vrzel določa količino energije (in s tem valovno dolžino svetlobe), ki se odda, ko se elektron vrne iz prevodnega v valentni pas, pride do spremembe v barvi oddane svetlobe.

»Ko se delci manjšajo, se valovna dolžina oddane svetlobe pomika od rdeče proti modri,« pojasnjuje profesor Lee. »Z drugimi besedami: barva, ki jo odda kvantna pika, je odvisna od njene velikosti.«

Inženiring filmov s kvantnimi pikami

»Film s kvantnimi pikami je v jedru QLED televizorjev. Je dokaz strokovnega tehničnega znanja podjetja Samsung.«

— Doh Chang Lee, Južnokorejski inštitut za napredno znanost in tehnologijo

Kvantne pike so vzbudile velik interes na številnih področjih, vključno s sončnimi celicami, fotokatalizo, medicino in kvantnim računalništvom. Kljub temu je prav industrija zaslonov prva uspešno komercializirala to tehnologijo.

»Eden od razlogov, zakaj se je Samsung osredotočil na kvantne pike, je njihova izjemno ozka vršna vrednost v emisijskem spektru svetlobe,« je povedal Sohn. »Njihova ozka prepustnost in močna fluorescenca ju naredita popolni za natančno reproduciranje širokega barvnega spektra.«

Da bi se kvantne pike učinkovito izkoristile v tehnologiji zaslonov, morajo materiali in strukture ohranjati visoko zmogljivost skozi čas, tudi v zahtevnih pogojih. Samsung QLED to dosega z uporabo posebnega filma s kvantnimi pikami.

»Natančnost pri prikazu barv na zaslonu je odvisna od tega, kako dobro film izkorišča optične lastnosti kvantnih pik,« poudarja Lee. »Film mora izpolnjevati več ključnih zahtev za komercialno uporabo, kot sta učinkovita pretvorba svetlobe in prosojnost.«

Film s kvantnimi pikami v televizorjih Samsung QLED nastane z dodajanjem raztopine kvantnih pik v osnovo iz polimera, ki se segreje na zelo visoko temperaturo, nato razmaže v tanek sloj in na koncu utrdi. Čeprav se to sliši preprosto, je dejanska proizvodnja izjemno zapleten proces.

»To je, kot da bi poskušali enakomerno zamešati cimet v lepljiv med – brez grudic. Ni prav nič enostavno,« je povedal Sohn. »Da bi se kvantne pike enakomerno razporedile znotraj filma, je treba skrbno upoštevati številne dejavnike – od materialov in zasnove do pogojev obdelave.«

Kljub izzivom je Samsung premaknil meje tehnologije. Da bi zagotovil dolgotrajno stabilnost svojih zaslonov, je razvil polimerne materiale, posebej prilagojene kvantnim pikam.

»Z razvojem zaščitnih filmov, ki blokirajo vlago, in polimerov, ki omogočajo enakomerno porazdelitev kvantnih pik, smo si pridobili močno znanje na področju kvantnih pik,« je dodal. »S tem nismo le omogočili množične proizvodnje, temveč smo tudi znižali stroške.«

Zahvaljujoč temu naprednemu postopku, film s kvantnimi pikami podjetja Samsung omogoča natančno prikazovanje barv in izjemno svetlobno učinkovitost, ob tem pa dosega vodilno vzdržljivost v industriji.

»Svetlost se običajno meri v nitih, pri čemer en nit ustreza svetlobi ene sveče,« je pojasnil Sohn. »Medtem ko običajni LED zasloni dosežejo približno 500 nitov, lahko naši zasloni s kvantnimi pikami dosežejo več kot 2000 nitov, kar ustreza svetlobi 2000 sveč in prinaša novo raven kakovosti slike.«

Z izkoriščanjem kvantnih pik je Samsung bistveno izboljšal tako svetlost kot prikaz barv in zagotovil vizualno izkušnjo, kakršne doslej še ni bilo. Samsung QLED televizorji namreč dosegajo več kot 90 odstotkov pokritosti barvnega spektra DCI-P3 (Digital Cinema Initiatives – Protocol 3), ki predstavlja standard natančnosti barv v digitalni kinematografiji.

»Tudi če ste proizvedli kvantne pike, morate zagotoviti njihovo dolgoročno stabilnost, da bodo uporabne,« je povedal Lee. »Vodilna Samsung tehnologija sinteze kvantnih pik na osnovi indijevega fosfida (InP) in izdelave filmov je dokaz njihove tehnične odličnosti.«

Pravi QLED televizorji uporabljajo kvantne pike za ustvarjanje barv

»Legitimnost televizorja s kvantnimi pikami je odvisna od tega, ali dejansko izkorišča učinek kvantne omejitve.«

— Taeghwan Hyeon, Univerza v Seulu

Ker zanimanje za kvantne pike v industriji nenehno narašča, se na trgu pojavlja vse več izdelkov z oznako »quantum dot«. Vendar ti televizorji niso vsi enaki. Kvantne pike morajo dejansko prispevati h kakovosti prikaza slike.

»Legitimnost televizorja s kvantnimi pikami temelji na tem, ali se v njem resnično uporablja učinek kvantne omejitve,« je povedal Hyeon. »Osnovni in temeljni pogoj je, da se kvantne pike uporabljajo za ustvarjanje barve.«

»Da bi televizor lahko res štel kot prava QLED naprava, morajo kvantne pike igrati ključno vlogo, bodisi kot osnovni material za pretvorbo svetlobe bodisi kot glavni vir svetlobe,« dodaja Lee. »Če kvantne pike služijo za pretvorbo svetlobe, mora zaslon vsebovati dovolj kvantnih pik, da lahko absorbirajo in preoblikujejo modro svetlobo, ki jo oddaja enota za osvetlitev ozadja.«

»Film s kvantnimi pikami mora vsebovati zadostno količino kvantnih pik, da je lahko učinkovit,« je poudaril Sohn in izpostavil pomembnost koncentracije teh materialov. »Samsung QLED vsebuje več kot 3000 delcev kvantnih pik na milijon delcev materiala (parts per million). 100 odstotkov rdečih in zelenih barv na sliki nastane s pomočjo kvantnih pik.«

Samsung je začel z razvojem tehnologije kvantnih pik leta 2001, leta 2015 pa je predstavil prvi televizor s kvantnimi pikami brez kadmija na svetu – SUHD TV. Leta 2017 je sledila predstavitev premium linije QLED, s čimer je podjetje še dodatno utrdilo svoj vodilni položaj v industriji zaslonov s kvantnimi pikami.

###

O podjetju Samsung Electronics

Samsung navdihuje svet in oblikuje prihodnost s transformativnimi idejami in tehnologijami. Podjetje na novo opredeljuje svet televizorjev, pametnih telefonov, nosljivih naprav, tabličnih računalnikov, gospodinjskih aparatov, omrežnih sistemov, pomnilnika, sistemskih rešitev LSI, polprevodnikov in rešitev LED ter s svojim ekosistemom SmartThings in odprtim sodelovanjem s partnerji zagotavlja brezhibno povezano izkušnjo. Za najnovejše novice obiščite: http://news.samsung.com.