Godine 2023. Nobelova nagrada za hemiju dodeljena je za otkriće i sintezu kvantnih tačaka. Nobelov komitetprepoznao je revolucionarna dostignuća naučnika na tom području, naglašavajući kako su kvantne tačke već dale značajan doprinos u industriji ekrana i medicini, a u budućnosti se očekuje njihova još šira primena u elektronici, kvantnim komunikacijama i solarnim ćelijama.
Kvantne tačke, izuzetno sitne čestice poluprovodnika, emituju različite boje svetlosti zavisno od svoje veličine, stvarajući izrazito čiste i živopisne nijanse. Samsung Electronics, vodeći svetski proizvođač televizora, prihvatio je ovu vrhunsku tehnologiju kako bi dodatno unapredio kvalitet prikaza.
Samsung Newsroom razgovarao je sa Taeghwanom Hyeonom, uglednim profesorom na Odeljenju za hemijsko i biološko inženjerstvo, Univerziteta u Seulu, Doh Chang Leejem, profesorom na Odeljenju za hemijsko i biomolekularno inženjerstvo na Korejskom institutu za naprednu nauku i tehnologiju, kao i sa Sanghyunom Sohom, upravnikom Laboratorije za napredne ekrane u poslovnom odeljenju vizuelnih ekrana kompanije Samsung Electronics – kako bi saznali na koji način kvantne tačke otvaraju novo poglavlje u razvoju tehnologije ekrana.
Razumevanje energetskog jaza
„Da bismo razumeli kvantne tačke, prvo moramo shvatiti pojam energetskog jaza.”
– Taeghwan Hyeon, Univerzitet u Seulu
Kretanje elektrona temelj je električne struje. U pravilu, reč je o spoljnim, tzv. Valentnim elektronima koji učestvuju u tom procesu. Energetski pojas u kom se ti elektroni nalaze naziva se valentni pojas, dok se viši, prazni energetski pojas, koji može primiti elektrone, naziva provodni pojas. Elektron može apsorbovati energiju i „preskočiti” iz valentnog u provodni pojas. Kada se taj pobuđeni elektron vrati u valentni pojas, oslobađa prethodno apsorbovanu 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 veliki energetski jaz, što sprečava slobodno kretanje elektrona između pojasa. Suprotno tome, poluprovodnici poput bakra i srebra imaju preklapajuće valentne i provodne pojase, što omogućava slobodan protok elektrona i visoku električnu provodljivost.
Poluprovodnici imaju energetski jaz koji se nalazi negde između izolatora i provodnika, što znači da pod normalnim uslovima slabo provode struju, ali kada se podstaknu toplotom, svetlom ili električnom energijom, omogućuju provođenje struje ili emitovanje svetlosti.
„Da bismo razumeli kvantne tačke, moramo prvo razumeti pojam energetskog jaza”, naglasio je Hyeon, ističući koliko je energetska struktura materijala ključna za njegova električna svojstva.
Kvantne tačke – što je čestica manja, veći je energetski jaz
Kvantne tačke su poluprovodnički kristali nanorazmera sa jedinstvenim električnim i optičkim svojstvima. Mere se u nanometrima (nm), što je 1/1,000.000 metra i tanke su svega nekoliko hiljaditih delova debljine ljudske kose. Kada se poluprovodnički materijal smanji na nanometarski nivo, njegova svojstva se znatno menjaju u odnosu na njegovo „bulk“ stanje.
U bulk stanju, čestice su dovoljno velike da se elektroni mogu slobodno kretati, neograničeni talasnom dužinom. U tom slučaju, nivoi energije čine gotovo neprekidan spektar, poput dugog i blagog tobogana. Ipak, kod kvantnih tačaka, kretanje elektrona je ograničeno jer je sama čestica manja od talasne dužine elektrona.
Zamislimo da energiju predstavljamo vodom u velikom loncu (bulk stanje), a energetski pojas je poput kutlače koja može uzimati vodu. Možemo lako prilagoditi količinu vode, odnosno energije, ali kad se lonac smanji na veličinu šoljice, kao kod kvantne tačke, kutlača više ne može da stane unutra. U tom trenutku šoljica može biti isključivo puna ili prazna. To simbolizuje kvantizovane energetske nivoe, nema više kontinuiranih prelaza, već samo specifičnih, diskretnih skokovi.
„Kada se čestice poluprovodnika svedu na nanoskalu, njihovi energetski nivoi postaju kvantovani, odnosno mogu postojati samo u diskontinuiranim koracima,” objašnjava profesor Hyeon. „Taj efekat se naziva kvantna ograničenost (quantum confinement). U toj skali možemo upravljati energetskim jazom menjajući veličinu čestica.”
Kako veličina kvantne tačke opada, broj molekula unutar čestice se smanjuje, što dovodi do slabije interakcije između molekularnih orbitala. To dodatno pojačava efekat kvantnog ograničenja i povećava energetski jaz.
Budući da energetski jaz određuje količinu energije (i time talasnu dužinu svetlosti) koja se emituje kada se elektron vrati iz provodnog pojasa u valentni pojas, dolazi do promene i u boji emitovane svetlosti.
„Kako se čestice smanjuju, talasna dužina emitovane svetlosti pomera se od crvene prema plavoj,” kaže profesor Lee. „Drugim rečima, boja koju emituje kvantna tačka zavisi od njene veličine.”
Inženjering iza filmova sa kvantnim točkama
Kvantne tačke izazvale su veliki interes u brojnim područjima, uključujući solarne ćelije, fotokatalizu, medicinu i kvantno računarstvo. Ipak, upravo je industrija ekrana bila prva koja je uspešno komercijalizovala ovu tehnologiju.
„Jedan od razloga zbog kojih je Samsung odlučio da se fokusira na kvantne tačke jeste njihov izuzetno uzak vrh u spektru emisije svetlosti” rekao je Sohn. „Njihov uski propusni opseg i jaka fluorescencija čine ih savršenima za preciznu reprodukciju širokog spektra boja.”
Kako bi se kvantne tačke efikasno iskoristile u tehnologiji ekrana, materijali i strukture moraju zadržavati visoke performanse kroz vreme, čak i u zahtevnim uslovima. Samsung QLED to postiže korišćenjem posebnog filma sa kvantnim tačkama.
„Preciznost u prikazu boja na ekranu zavisi od toga koliko dobro film iskorišćava optička svojstva kvantnih tačaka,” ističe Lee. „Film mora zadovoljiti više ključnih zahteva za komercijalnu upotrebu — kao što su efikasna konverzija svetlosti i transparentnost.”
Film sa kvantnim tačkama u Samsung QLED televizorima nastaje dodavanjem rastvora kvantnih tačaka na polimernu bazu, koja se zagreva na vrlo visokoj temperaturi, pa 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 ravnomerno umešati cimet u lepljivi med, bez grudica. Nije nimalo lako,” rekao je Sohn. „Da bi se kvantne tačke ravnomerno rasporedile unutar filma, moraju se pažljivo razmotriti brojni faktori, od materijala, preko dizajna, do uslova obrade.”
Uprkos izazovima, Samsung je pomerio granice tehnologije. Kako bi osigurao dugotrajnu stabilnost svojih ekrana, razvili su polimerne materijale posebno prilagođene kvantnim tačkama.
„Razvili smo snažno znanje u području kvantnih tačaka kroz razvoj zaštitnih filmova koji blokiraju vlagu, kao i polimera koji omogućuju ravnomerno raspoređivanje kvantnih tačaka,” dodao je. „Tako ne samo da smo omogućili masovnu proizvodnju, već smo i smanjili troškove.”
Zahvaljujući ovom naprednom procesu, Samsung film sa kvantnim tačkama omogućuje precizno prikazivanje boja i izuzetnu svetlosnu efikasnost, uz vodeću izdržljivost u industriji.
„Svetlina se obično meri u nitima, gde je jedna nit jednaka svetlosti jedne sveće,” objasnio je Sohn. „Dok obični LED ekrani dostižu oko 500 nita, naši ekrani sa kvantnim tačkama mogu dostići i više od 2.000 nita, što odgovara svetlosti od 2.000 sveća, donoseći novi nivo kvaliteta slike.”
Iskorišćavanjem kvantnih tačaka, Samsung je značajno unapredio i svetlinu i prikaz boja, pružajući vizuelno 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 tačke, morate osigurati njihovu dugoročnu stabilnost kako bi bile korisne,” rekao je Lee. „Samsung vodeća tehnologija sinteze kvantnih tačaka na bazi indijevog fosfida (InP) i proizvodnja filmova dokaz je njihove tehničke izvrsnosti.”
Pravi QLED televizori koriste kvantne tačke za stvaranje boje
Kako interes za kvantne tačke u industriji sve više raste, na tržištu se pojavljuje mnoštvo proizvoda koji nose oznaku „quantum dot”. Ipak, nisu svi ti televizori jednaki – kvantne tačke moraju zaista doprinositi kvalitetu prikaza slike.
„Legitimnost televizora sa kvantnim tačkama leži u tome da li oni zaista iskorišćavaju efekat kvantnog ograničenja”, rekao je Hyeon. „Osnovni, temeljni uslov je da se kvantne tačke koriste za stvaranje boje”.
„Da bi se neki televizor zaista smatrao pravim QLED uređajem, kvantne tačke moraju igrati ključnu ulogu, bilo kao primarni materijal za konverziju svetlosti ili kao glavni izvor svetlosti”, dodaje Lee. „Ako kvantne tačke služe za konverziju svetlosti, tada ekran mora sadržati dovoljno kvantnih tačaka kako bi one mogle da apsorbuju i konvertuju plavo svetlo koje emituje jedinica pozadinskog osvetljenja.”
„Film sa kvantnim tačkama mora sadržati dovoljnu količinu kvantnih tačaka kako bi bio efikasan”, ponovio je Sohn, naglašavajući važnost koncentracije tih materijala. „Samsung QLED koristi više od 3.000 delova na milion materijala (parts per million) kvantnih tački. 100% crvenih i zelenih boja na slici nastaje putem kvantnih tačaka.”
Samsung je započeo razvoj tehnologije kvantnih tačaka 2001. godine, a 2015. predstavio je prvi televizor sa kvantnim tačkama bez kadmijuma u svetu, SUHD TV. U 2017. predstavljena je premium QLED linija, čime je kompanija dodatno učvrstila svoje vodeće mesto u industriji ekrana sa kvantnim tačkama.
U drugom delu ovog serijala intervjua, Samsung Newsroom detaljnije istražuje kako je Samsung ne samo komercijalizovao tehnologiju ekrana sa kvantnim tačkama, već i razvio materijal sa kvantnim tačkama bez kadmijuma, inovaciju koju su prepoznali i naučnici nagrađeni Nobelovom nagradom za hemiju.