„Една од причините зошто Samsung се фокусираше на квантните точки се нивните исклучително тесни врвови во спектарот на емисии на светлината.“
– Сангјун Сон, Samsung Electronics
Во 2023 година Нобеловата награда за хемија беше доделена за откритие и синтеза на квантни точки. Нобеловиот комитет ги препозна револуционерните достигнувања на научниците во оваа област, нагласувајќи дека квантните точки веќе дале значителен придонес во индустријата за екрани и медицината, а во иднината се очекува нивна поширока примена во електрониката, квантните комуникации и соларните ќелии.
Квантните точки се исклучително мали честички на полупроводници кои емитуваат различни бои на светлина во зависност од нивната големина, создавајќи изразито чисти и живописни нијанси. Samsung Electronics, водечкиот светски производител на телевизори, ја прифати оваа врвна технологија за понатамошно подобрување на квалитетот на прикажувањето.
Samsung Newsroom разговараше со Таегван Хјон (Taeghwan Hyeon), угледен професор на Одделот за хемиско и биолошко инженерство при Универзитетот во Сеул, Дох Чанг Ли (Doh Chang Lee), професор на Одделот за хемиско и биомолекуларно инженерство на Корејскиот институт за напредна наука и технологија, како и со Сангјун Сон (Sanghyun Sohn), раководител на Лабораторијата за напредни екрани во бизнис одделот за визуелни екрани на компанијата Samsung Electronics – за да дознаат како квантните точки отвораат ново поглавје во развојот на технологијата на екрани.
Разбирање на енергетскиот јаз
„За да ги разбереме квантните точки, прво мораме да го разбереме поимот на енергетскиот јаз.” – Таегван Хјон , Универзитет во Сеул
Движењето на електроните е темел на електричната струја. Вообичаено, станува збор за надворешни, т.н. валентни електрони кои учествуваат во овој процес. Енергетскиот појас во кој се наоѓаат овие електрони се нарекува валентен појас, додека повисокиот, празен енергетски појас, кој може да прима електрони, се нарекува проводен појас. Електрон може да апсорбира енергија и да „скокне“ од валентниот во проводниот појас. Кога тој скокачки електрон ќе се врати во валентниот појас, ја ослободува претходно апсорбираната енергија. Разликата во енергијата помеѓу овие два појаси, односно количината енергија која електронот мора да ја добие или изгуби за да премине од еден појас во друг, се нарекува енергетски јаз (англ. band gap).
Изолатори како гума и стакло имаат голем енергетски јаз, што го спречува слободното движење на електроните помеѓу појасите. Спротивно на тоа, полупроводниците како бакар и сребро имаат преклопени валентни и проводни појаси, што овозможува слободен проток на електрони и висока електрична проводливост.
Полупроводниците имаат енергетски јаз кој се наоѓа помеѓу изолаторите и проводниците, што значи дека под нормални услови тие слабо спроведуваат струја, но кога ќе се поттикнат со топлина, светлина или електрична енергија, овозможуваат спровдување струја или емитување светлина.
„За да ги разбереме квантните точки, мораме прво да го разбереме поимот на енергетскиот јаз“, нагласи Hyeon, истакнувајќи колку енергетската структура на материјалот е клучна за неговите електрични својства.
Квантни точки – што е помала честицата, поголем е енергетскиот јаз
„Како што квантните точки стануваат помали, должината на брановите на емитуваната светлина се поместува од црвена кон сина.”
— Дох Чанг Ли , Корејски институт за напредна наука и технологија
Квантните точки се полупроводнички кристали на наноскалата со уникатни електрични и оптички својства. Тие се мерат во нанометри (nm), што претставува 1/1,000,000 метар и се тенки како неколку илјадити делови од дебелината на човечката коса. Кога полупроводничкиот материјал се намалува на нано ниво, неговите својства значително се менуваат во однос на неговата „bulk“ состојба.
Во „bulk“ состојба честиците се доволно големи за електроните да можат слободно да се движат, неограничени со должината на брановите. Во тој случај, енергетските нивоа формираат речиси непрекинат спектар, налик на долго и благо лизгалиште. Меѓутоа, кај квантните точки, движењето на електроните е ограничено бидејќи самата честичка е помала од должината на брановите на електроните.
Замислете ја енергијата како вода во голем котел (bulk состојба), а енергетскиот појас како кутлача која може да зема од водата. Со кутлачата може лесно да ја прилагодите количината на вода, односно енергија, но кога котелот ќе се намали до големина на чаша како кај квантна точка, кутлачата веќе не може да се стави внатре. Во тој момент, чашата може да биде или целосно полна или празна. Ова го илустрира концептот на квантизираните енергетски нивоа:
„Кога полупроводничките честички се сведени на нано скала, нивните енергетски нивоа стануваат квантизирани, односно можат да постојат само во дисконтинуирани чекори,” објаснува професор Хјон . „Овој ефект се нарекува квантно ограничување (quantum confinement). На оваа скала, можеме да управуваме со енергетскиот јаз менувајќи ја големината на честиците.”
Како што големината на квантната точка се намалува, бројот на молекулите во честицата се намалува, што доведува до послаба интеракција помеѓу молекуларните орбитали. Ова дополнително го засилува ефектот на квантното ограничување и го зголемува енергетскиот јаз.
Бидејќи енергетскиот јаз ја одредува количината на енергија (а со тоа и должината на брановите на светлината) која се емитува кога електрон се враќа од спроводничкиот во валентниот појас, доаѓа до промена и во бојата на емитуваната светлина..
„Како што честиците се намалуваат, должината на брановите на емитуваната светлина се поместува од црвена кон сина,” вели професор Ли Lee. „Со други зборови, бојата што ја емитува квантната точка зависи од нејзината големина.”
Инженерство зад филмовите со квантни точки
„Филм со квантни точки е срцето на QLED телевизорите и доказ за длабоката техничка експертиза на компанијата Samsung.” – Дох Чанг Ли, Корејски институт за напредна наука и технологија
Квантните точки предизвикале голем интерес во бројни области, вклучувајќи соларни ќелии, фотокатализа, медицина и квантно пресметување. Сепак, индустријата за екрани беше првата што успешно ја комерцијализираше оваа технологија.
„Една од причините зошто Samsung одлучи да се фокусира на квантните точки е нивниот исклучително тесен врв во спектарот на емисија на светлина”, вели Сон. . „Нивниот тесен пропусен опсег и силна флуоресценција ги прават совршени за прецизно репродуцирање на широк спектар на бои.”
За ефективно искористување на квантните точки во технологијата на екрани, материјалите и структурите мора да го задржат високиот перформанс низ времето, дури и во непогодни услови. Samsung QLED го постигнува ова користејќи посебен филм со квантни точки.
„Прецизноста во прикажувањето на боите на екранот зависи од тоа колку добро филмот ги искористува оптичките својства на квантните точки”, истакнува Lee. „Филмот мора да задоволи неколку клучни барања за комерцијална употреба — како што се ефикасна конверзија на светлина и транспарентност.”
Филмот со квантни точки во Samsung QLED телевизорите се создава со додавање на раствор на квантни точки на полимерна база, која се загрева на многу висока температура, па потоа се размачкува во тенок слој и на крај се зацврстува. Иако ова звучи едноставно, во реалност производството е исклучително сложен процес.
„Тоа е како да се обидувате рамномерно да го мешате циметот во леплив мед, без грутчиња. Ништо не е лесно”, рече Sohn. „За да се распоредат квантните точки рамномерно во филмот, мора да се разгледаат бројни фактори, од материјалите, преку дизајнот, до условите за обработка.”
И покрај предизвиците, Samsung ги поместува границите на технологијата. За да обезбедат долгорочна стабилност на своите екрани, тие развија полимерни материјали специјално приспособени за квантни точки.
„Стекнуваме силно знаење во областа на квантните точки преку развој на заштитни филмови кои блокираат влага, како и полимери кои овозможуваат рамномерно распоредување на квантните точки,” додава тој. „Така, не само што овозможивме масовна продукција, туку ги намаливме и трошоците.”
Благодарение на овој напреден процес, филмот со квантни точки на Samsung овозможува прецизно прикажување на бои и извонредна светлосна ефикасност, со водечка издржливост во индустријата.
„Светлината обично се мери во нити, каде што еден нит е еднаков на светлината на една свеќа,” објаснува Sohn. „Додека обичните LED екрани достигнуваат околу 500 нити, нашите екрани со квантни точки можат да достигнат повеќе од 2.000 нити, што одговара на светлината од 2.000 свеќи, носејќи ново ниво на квалитет на сликата.”
Користејќи ги квантните точки, Samsung значително го подобри и осветлувањето и прикажувањето на боите, обезбедувајќи визуелно искуство какво што досега не е видено. На пример, Samsung QLED телевизорите постигнуваат повеќе од 90% покриеност на DCI-P3 (Digital Cinema Initiatives – Protocol 3) спектарот на бои, стандард за прецизност на боите во дигиталната кинематографија.
„Дури и ако сте создале квантни точки, мора да се обезбеди нивната долгорочна стабилност за да бидат корисни,” вели Ли . „Samsung-овата водечка технологија за синтеза на квантни точки на база на индиев фосфид (InP) и производството на филмови е доказ за нивната техничка извонредност.”
Вистинските QLED телевизори користат квантни точки за создавање бои
„Легитимноста на телевизорите со квантни точки лежи во тоа дали тие навистина го искористуваат ефектот на квантно ограничување.” – Таегван Хјон,, Универзитет во Сеул
Како што интересот за квантни точки во индустријата сè повеќе расте, на пазарот се појавуваат бројни производи со ознака „quantum dot”. Сепак, не сите овие телевизори се исти — квантните точки мора навистина да допринесуваат за квалитетот на прикажаната слика.
„Легитимноста на телевизорите со квантни точки лежи во тоа дали тие навистина го искористуваат ефектот на квантно ограничување”, рече Hyeon. „Основниот, фундаментален услов е дека квантните точки се користат за создавање бои.”
„За да се смета дека некој телевизор е вистински QLED уред, квантните точки мора да играат клучна улога, било како примарен материјал за конверзија на светлината или како главен извор на светлина”, додава Ли. . „Ако квантните точки служат за конверзија на светлината, тогаш екраните мора да содржат доволно квантни точки за да можат да го апсорбираат и конвертираат синото светло што го емитува единицата за позадинско осветлување.”
„Филмот со квантни точки мора да содржи доволно квантни точки за да биде ефикасен”, повтори Сон, нагласувајќи ја важноста на концентрацијата на овие материјали. „Samsung QLED користи повеќе од 3.000 делови на милион материјали (parts per million) квантни точки. 100% од црвените и зелените бои на сликата се создадени преку квантни точки.”
Samsung започна со развој на технологијата за квантни точки во 2001 година, а во 2015 година го претстави првиот телевизор со квантни точки без кадмиум во светот, SUHD TV. Во 2017 година беше претставена премиум QLED линијата, со што компанијата дополнително го зацврсти своето водечко место во индустријата за екрани со квантни точки.
