Nobelom nagrađeni materijal u središtu Samsung QLED tehnologije
(Intervju o pravim kvantnim tačkama - 1. dio)
„Jedan od razloga zbog kojih je Samsung odlučio da se
fokusira na kvantne tačke jeste njihov izuzetno uzak vrh u spektru emisije
svjetlosti.”
- Sanghyun Sohn, Samsung Electronics
Godine 2023. Nobelova nagrada za hemiju dodijeljena je za
otkriće i sintezu kvantnih tačaka. Nobelov komitet prepoznao 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 primjena u elektronici, kvantnim komunikacijama i
solarnim ćelijama.
Kvantne tačke, izuzetno sitne čestice poluprovodnika,
emituju različite boje svjetlosti zavisno od svoje veličine, stvarajući
izrazito čiste i živopisne nijanse. Samsung Electronics, vodeći svjetski
proizvođač televizora, prihvatio je ovu vrhunsku tehnologiju kako bi dodatno
unaprijedio kvalitet prikaza.
Samsung Newsroom razgovarao je sa Taeghwanom Hyeonom,
uglednim profesorom na Odjeljenju za hemijsko i biološko inženjerstvo,
Univerziteta u Seulu, Doh Chang Leejem, profesorom na Odjeljenju 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 odjeljenju vizuelnih ekrana kompanije Samsung Electronics –
kako bi saznali na koji način kvantne tačke otvaraju novo poglavlje u razvoju tehnologije
ekrana.
Razumijevanje energetskog jaza
„Da bismo razumjeli kvantne tačke, prvo moramo shvatiti
pojam energetskog jaza.”
- Taeghwan Hyeon, Univerzitet u Seulu
Kretanje elektrona temelj je električne struje. U pravilu,
riječ 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, svjetlom ili električnom
energijom, omogućuju provođenje struje ili emitovanje svjetlosti.
„Da bismo razumjeli kvantne tačke, moramo prvo razumjeti
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
„Kako kvantne tačke postaju manje, talasna dužina emitovane
svjetlosti pomjera se od crvene prema plavoj.”
— Doh Chang Lee, Korejski institut za naprednu nauku i
tehnologiju
Kvantne tačke su poluprovodnički kristali nanorazmjera sa
jedinstvenim električnim i optičkim svojstvima. Mjere se u nanometrima (nm),
što je 1/1,000.000 metra i tanke su svega nekoliko hiljaditih djelova debljine
ljudske kose. Kada se poluprovodnički materijal smanji na nanometarski nivo,
njegova svojstva se znatno mijenjaju 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 skokova.
„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 mijenjajući 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 svjetlosti) koja se emituje kada se elektron vrati iz provodnog
pojasa u valentni pojas, dolazi do promjene i u boji emitovane svjetlosti.
„Kako se čestice smanjuju, talasna dužina emitovane
svjetlosti pomjera se od crvene prema plavoj,” kaže profesor Lee. „Drugim
riječima, boja koju emituje kvantna tačka zavisi od njene veličine.”
Inženjering iza filmova sa kvantnim tačkama
„Film sa kvantnim tačkama srce je QLED televizora i dokaz
duboke tehničke stručnosti kompanije Samsung”.
- Doh Chang Lee, Korejski institut za naprednu nauku i
tehnologiju
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 uspješno
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
svjetlosti” 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
vrijeme, 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 zahtjeva za komercijalnu upotrebu — kao što su
efikasna konverzija svjetlosti i transparentnost.”
Film sa kvantnim tačkama u Samsung QLED televizorima nastaje
dodavanjem rastvora kvantnih tačaka na polimernu bazu, koja se zagrijava 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 ravnomjerno da umiješate cimet u
lepljivi med, bez grudica. Nije nimalo lako,” rekao je Sohn. „Da bi se kvantne
tačke ravnomjerno rasporedile unutar filma, moraju se pažljivo razmotriti
brojni faktori, od materijala, preko dizajna, do uslova obrade.”
Uprkos izazovima, Samsung je pomjerio 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
ravnomjerno 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 svjetlosnu
efikasnost, uz vodeću izdržljivost u industriji.
„Svjetlina se obično mjeri u nitima, gdje je jedna nit
jednaka svjetlosti jedne svijeće,” 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 svjetlosti od 2.000 svijeća, donoseći novi nivo
kvaliteta slike.”
Iskorišćavanjem kvantnih tačaka, Samsung je značajno
unaprijedio i svjetlinu 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
„Legitimnost televizora sa kvantnim tačkama leži u tome da
li oni zaista iskorišćavaju efekat kvantnog ograničenja”.
- Taeghwan Hyeon, Univerzitet u Seulu
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 svjetlosti ili kao glavni izvor svjetlosti”, dodaje
Lee. „Ako kvantne tačke služe za konverziju svjetlosti, tada ekran mora
sadržati dovoljno kvantnih tačaka kako bi one mogle da apsorbuju i konvertuju
plavo svjetlo koje emituje jedinica pozadinskog osvjetljenja.”
„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 djelova 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 svijetu, SUHD TV. U 2017. predstavljena je premium QLED linija, čime je
kompanija dodatno učvrstila svoje vodeće mjesto u industriji ekrana sa kvantnim
tačkama.
U drugom dijelu 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.
0 Komentara