Kako je inženjersko čudo kompanije Samsung podstaklo naučni i industrijski napredak

„QLED tehnologija kompanije Samsung odigrala je ključnu ulogu u dovođenju kvantnih tačaka na nivo priznanja neophodnog za Nobelovu nagradu za hemiju.“
— Taeghwan Hyeon, Nacionalni univerzitet u Seulu

 

Kvantne tačke su u poslednjih 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 ka komercijalizaciji kvantnih tačaka – otkriću koje je prevazišlo upotrebu kadmijuma (Cd), teškog metala tradicionalno korišćenog u sintezi kvantnih tačaka, uvođenjem prve tehnologije kvantnih tačaka bez kadmijuma na svetu.

Naučna zajednica je brzo prepoznala važnost ovog dostignuća. Uspešna komercijalizacija televizora sa kvantnim tačkama bez kadmijuma ne samo da je postavila novi pravac istraživanja i razvoja, već je odigrala i ključnu ulogu u dodeli Nobelove nagrade za hemiju 2023. godine za otkriće i sintezu kvantnih tačaka.

Nakon prvog dela, Samsung Newsroom otkriva kako je Samsung dao važan doprinos akademskoj zajednici kroz revolucionarna dostignuća u materijalnim inovacijama.

Zašto je kadmijum bio polazna osnova za istraživanje kvantnih tačaka?

„Bio sam zaista zadivljen što je Samsung uspeo da komercijalizuje proizvod sa kvantnim tačkama bez kadmijuma.“
— Taeghwan Hyeon, Nacionalni univerzitet u Seulu

Kvantne tačke su počele da privlače naučnu pažnju 1980-ih kada su Aleksey Yekimov, bivši glavni naučnik u kompaniji Nanocrystals Technology Inc. i Louis E. Brus, profesor emeritus na Odseku za hemiju Univerziteta Kolumbija, objavili svoja istraživanja o učinku kvantnog ograničenja i optičkim svojstvima kvantnih tačaka koja zavise od veličine.

Zamah je dodatno pojačan 1993. godine kada je Moungi Bawendi, profesor na Odseku za hemiju na  Massachusetts Institute of Technology (MIT), razvio pouzdanu metodu za sintezu kvantnih tačaka. Taeghwan Hyeon, ugledni profesor na Odseku za hemijsko i biološko inženjerstvo na Nacionalnom univerzitetu u Seulu (SNU), 2001. godine je izumeo „proces zagrevanja” – tehniku za proizvodnju ujednačenih nanočestica bez potrebe za odvajanjem po veličini. Hyeon je 2004. godine 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 vreme, kvantne tačke su se uglavnom oslanjale na kadmijum (Cd) kao osnovni materijal – supstancu za koju je poznato da je štetna za ljude i koja je označena kao ograničeni materijal prema Evropskoj direktivi za ograničavanje upotrebe određenih opasnih supstanci (RoHS).

„Trenutno jedini materijali koji mogu pouzdano proizvoditi kvantne tačke su kadmijum-selenid (CdSe) i indijum-fosfid (InP).“
Kadmijum-selenid je konvencionalni materijal za kvantne tačke, spoj je elemenata II i VI grupe, dok se indijum-fosfid formira od elemenata III i V grupe. Sintetisanje kvantnih tačaka od II i  VI grupe elemenata relativno je jednostavno, ali kombinovanje III i V grupe elemenata hemijski je mnogo složenije“, objasnio je Hyeon.

Kadmijum, element sa dva valentna elektrona, stvara jake jonske veze sa elementima kao što su selen (Se), sumpor (S) i telur (Te) – od kojih svaki ima šest valentnih elektrona. Ove kombinacije rezultiraju stabilnim poluprovodnicima, poznatim kao II-VI poluprovodnici, materijalima koji su dugo bili favorizovani u istraživanju zbog svoje sposobnosti proizvodnje visokokvalitetnih nanokristala čak i pri relativno niskim temperaturama. Kao rezultat toga, korišćenje kadmijuma u sintezi kvantnih tačaka godinama se smatralo akademskim standardom.

Nasuprot tome, indij (In) – alternativa kadmijumu sa tri valentna elektrona – stvara kovalentne veze sa elementom kao što je fosfor (P), koji ima pet valentnih elektrona. Kovalentne veze su generalno manje stabilne od jonskih veza i usmerenog su karaktera, povećavajući verovatnoću defekata tokom sinteze nanokristala. Ove karakteristike učinile su indijum zahtevnim materijalom za rad, kako u istraživanju tako i u masovnoj proizvodnji.
„Teško je postići visoku kristalnost u kvantnim tačkama napravljenim od indijum-fosfida. Potreban je složen i zahtevan proces sinteze kako bi se ispunili standardi kvaliteta neophodni za komercijalizaciju“, ističe Lee.

Bez kompromisa – Od otkrića do masovne proizvodnje
„Jednostavno nema mesta kompromisu kada je u pitanju sigurnost potrošača.“
— Sanghyun Sohn, Samsung Electronics

Samsung je, međutim, zauzeo drugačiji pristup.

„Istražujemo i razvijamo tehnologiju kvantnih tačaka od 2001. godine. Na samom početku, odredili smo da kadmijum, koji je štetan po ljudsko zdravlje, nije pogodan za komercijalizaciju. Dok regulative u nekim zemljama dozvoljavaju do 100 delova na milion (ppm) kadmijuma u elektronskim proizvodima, Samsung je od samog početka prihvatio politiku nulte upotrebe kadmijuma. Bez kadmijuma, bez kompromisa – to je bila naša strategija. Jednostavno nema mesta kompromisu kada je u pitanju sigurnost potrošača“, ističe Sanghyun Sohn, direktor Advanced Display Laba, Visual Display (VD) Business u kompaniji Samsung Electronics.

Dugogodišnja posvećenost kompanije Samsung principu „Bez kompromisa po pitanju sigurnosti“ došla je u prvi plan 2014. godine kada je kompanija uspešno razvila prvi materijal kvantnih tačaka bez kadmijuma na svetu. Kako bi se obezbedila postojanost i kvalitet slike, Samsung je uveo tehnologiju troslojnog zaštitnog premaza koja štiti nanočestice indijum-fosfida od spoljašnjih uticaja kao što su kiseonik i svetlost. Sledeće godine, Samsung je lansirao prvi komercijalni SUHD TV na svetu sa kvantnim tačkama bez kadmijuma – što je označilo promenu paradigme u industriji displeja i vrhunac istraživačkih napora koji su započeli početkom 2000-ih.

„Kvantne tačke na bazi indijum-fosfida same po sebi su nestabilne i teže ih je sintetisati u poređenju sa njihovim pandanima na bazi kadmijuma, u početku dostižući samo oko 80% performansi kvantnih tačaka na bazi kadmijuma. Međutim, kroz intenzivan razvojni proces u Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT), uspešno smo podigli performanse na 100% i obezbedili pouzdanost dužu od 10 godina“, rekao je Sohn.

Kvantne tačke koje se nalaze u Samsung QLED televizorima sastoje se od tri ključne komponente – jezgra, gde se emituje svetlost; omotača, koji štiti jezgro i stabilizuje njegovu strukturu; i liganda, polimerne presvlake koja poboljšava oksidacionu stabilnost izvan omotača. Suština tehnologije kvantnih tačaka leži u besprekornoj integraciji ova tri elementa, naprednom industrijskom procesu koji obuhvata sve – od nabavke materijala i sinteze do masovne proizvodnje i prijave brojnih patenata.

„Nijedna od tri komponente – jezgro, omotač ili ligand – ne može se zanemariti. Samsung je razvio izuzetnu tehnologiju za sintezu indijum-fosfida“, dodao je Lee.

„Razvoj tehnologije u laboratoriji izazov je sam po sebi, ali komercijalizacija zahteva potpuno drugačiji nivo napora kako bi se obezbedila stabilnost proizvoda i dosledan kvalitet boje. Zaista me je impresioniralo to što je Samsung uspeo da komercijalizuje proizvod sa kvantnim tačkama bez kadmijuma“, istakao je Hyeon.

Postavljanje standarda za kvantnih tačaka
„Istraživački trendovi u akademskoj zajednici značajno su se promenili pre i nakon izlaska Samsungovih televizora sa kvantnim tačkama.“
— Doh Chang Lee, Korejski napredni institut za nauku i tehnologiju

Optička svojstva kvantnih tačaka primenjuju se u širokom spektru oblasti, uključujući solarne ćelije, medicinu i kvantno računarstvo. Ipak, displeji sa kvantnim tačkama ostaju najaktivnije istraživana i najšire komercijalizovana primena do danas, pri čemu se Samsung ističe kao pionir.

Nadovezujući se na godine temeljnog istraživanja i predstavljanja svojih SUHD televizora, Samsung je lansirao svoje QLED televizore 2017. godine i postavio novi standard za vrhunske ekrane. Kompanija je 2022. dodatno podstakla inovacije predstavljanjem QD-OLED televizora, prvog ekrana na svetu koji kombinuje kvantne tačke sa OLED strukturom.

QD-OLED je tehnologija ekrana nove generacije koja integriše kvantne tačke u samosvetleću OLED strukturu. Ovaj pristup omogućava brže vreme odziva, dublje crne tonove i veće kontrastne odnose. QD-OLED je dobio nagradu za ekran godine 2023. od Društva za informacione ekrane (SID), najveće svetske organizacije posvećene tehnologijama ekrana.

„Samsung ne samo da je predvodio tržište svojim televizorima sa kvantnim tačkama zasnovanim na indijum-fosfidu, već je i dalje jedina kompanija koja je uspešno integrisala i komercijalizovala kvantne tačke u OLED ekranima. Iskorišćavanjem našeg liderstva u tehnologiji kvantnih tačaka, nastavićemo da predvodimo budućnost inovacija u oblasti displeja“, ističe Sohn.

„Istraživački trendovi u akademskoj zajednici značajno su se promenili pre i nakon izlaska televizora sa kvantnim tačkama kompanije Samsung. Od samog predstavljanja, rasprave su se sve više fokusirale na praktične primene, a ne na same materijale, što odražava potencijal za implementaciju u stvarnom svetu putem tehnologija ekrana“, rekao je Doh Chang Lee, profesor na Odseku za hemijsko i biomolekularno inženjerstvo na Korejskom naprednom institutu za nauku i tehnologiju (KAIST).

„Bilo je mnogo pokušaja primene kvantnih tačaka u različitim oblastima, uključujući fotokatalizu, ali ti napori su još uvek u ranoj fazi u poređenju sa njihovom upotrebom u displejima.“

Hyeon je takođe istakao da je uspešna komercijalizacija televizora sa tehnologijom kvantnih tačaka kompanije Samsung pomogla da se olakša put ka tome da Bawendi, Brus i Yekimov dobiju Nobelovu nagradu za hemiju 2023. godine.

„Jedan od najvažnijih kriterija za Nobelovu nagradu je opseg u kojem je tehnologija doprinela čovečanstvu putem komercijalizacije. QLED kompanije Samsung predstavlja jedno od najznačajnijih dostignuća u nanotehnologiji. Bez njegove komercijalizacije, bilo bi teško zaslužiti Nobelovo priznanje za kvantne tačke.“

Vizija kompanije Samsung za ekrane sutrašnjice

Od lansiranja svojih QLED televizora, Samsung je ubrzao rast tehnologije kvantnih tačaka u industriji i akademskoj zajednici. Na pitanje o budućnosti ekrana sa kvantnim tačkama, stručnjaci su podelili svoje uvide o tome šta nas čeka.

„Kao tehnologiju nove generacije, trenutno istražujemo samosvetleće kvantne tačke. Do sada su se kvantne tačke oslanjale na spoljašnji izvor svetlosti kako bi istakle crvenu i zelenu boju. U budućnosti, cilj nam je da razvijemo kvantne tačke koje samostalno emituju svetlost putem elektroluminiscencije – proizvodeći sve tri primarne boje ubrizgavanjem električne energije. Takođe radimo na razvoju plavih kvantnih tačaka“, rekao je Sohn.

„S obzirom na to da elektroluminiscentni materijali omogućavaju smanjenje veličine komponenti uređaja, moći ćemo da postignemo visoku rezoluciju, efikasnost i osvetljenost potrebnu za primene u virtuelnoj i proširenoj stvarnosti“, zaključio je Lee, predviđajući veliku transformaciju u budućnosti ekrana.

„Dobar ekran je onaj koji gledalac uopšte ne prepoznaje kao ekran. Krajnji cilj je da se isporuči iskustvo koje deluje neodvojivo od stvarnosti. Kao lider u inovacijama ekrana sa tehnologijom kvantnih tačaka, s ponosom ćemo nastaviti da idemo napred“, naglašava Sohn.

Svojim kontinuiranim vođstvom i odvažnom tehnološkom vizijom, Samsung oblikuje budućnost ekrana i piše nova pravila o tome šta je moguće uz kvantne tačke.