Kako je inženjersko čudo kompanije Samsung podstaklo naučni i industrijski napredak
Intervju o stvarnim kvantnim tačkama, 2. dio

„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 posljednjih 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 kadmija (Cd), teškog metala tradicionalno korištenog u sintezi kvantnih tačaka, uvođenjem prve tehnologije kvantnih tačaka bez kadmija na svijetu.

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

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

Zašto je kadmij bio polazna osnova za istraživanje kvantnih tačaka?

„Bio sam zaista zadivljen što je Samsung uspio da komercijalizuje proizvod sa kvantnim tačkama bez kadmija.“
— 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 Odsjeku 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 Odsjeku za hemiju na  Massachusetts Institute of Technology (MIT), razvio pouzdanu metodu za sintezu kvantnih tačaka. Taeghwan Hyeon, ugledni profesor na Odsjeku za hemijsko i biološko inženjerstvo na Nacionalnom univerzitetu u Seulu (SNU), 2001. godine je izumio „proces zagrijavanja” – 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 vrijeme, kvantne tačke su se uglavnom oslanjale na kadmij (Cd) kao osnovni materijal – supstancu za koju je poznato da je štetna za ljude i koja je označena kao ograničeni materijal prema Europskoj direktivi za ograničavanje upotrebe određenih opasnih supstanci (RoHS).

„Trenutno jedini materijali koji mogu pouzdano proizvoditi kvantne tačke su kadmij-selenid (CdSe) i indij-fosfid (InP).“
Kadmij-selenid je konvencionalni materijal za kvantne tačke, spoj je elemenata II i VI grupe, dok se indij-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.

Kadmij, 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, korištenje kadmija u sintezi kvantnih tačaka godinama se smatralo akademskim standardom.

Nasuprot tome, indij (In) – alternativa kadmiju 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 usmjerenog su karaktera, povećavajući vjerovatnoću defekata tokom sinteze nanokristala. Ove karakteristike učinile su indij zahtjevnim materijalom za rad, kako u istraživanju tako i u masovnoj proizvodnji.
„Teško je postići visoku kristalnost u kvantnim tačkama napravljenim od indij-fosfida. Potreban je složen i zahtjevan proces sinteze kako bi se ispunili standardi kvaliteta neophodni za komercijalizaciju“, ističe Lee.

Bez kompromisa – Od otkrića do masovne proizvodnje
„Jednostavno nema mjesta 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 kadmij, koji je štetan po ljudsko zdravlje, nije pogodan za komercijalizaciju. Dok regulative u nekim zemljama dozvoljavaju do 100 dijelova na milion (ppm) kadmija u elektronskim proizvodima, Samsung je od samog početka prihvatio politiku nulte upotrebe kadmija. Bez kadmija, bez kompromisa – to je bila naša strategija. Jednostavno nema mjesta 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 uspješno razvila prvi materijal kvantnih tačaka bez kadmija na svijetu. Kako bi se obezbijedila postojanost i kvalitet slike, Samsung je uveo tehnologiju troslojnog zaštitnog premaza koja štiti nanočestice indij-fosfida od spoljašnjih uticaja kao što su kiseonik i svjetlost. Sljedeće godine, Samsung je lansirao prvi komercijalni SUHD TV na svijetu sa kvantnim tačkama bez kadmija – što je označilo promjenu paradigme u industriji displeja i vrhunac istraživačkih napora koji su započeli početkom 2000-ih.

„Kvantne tačke na bazi indij-fosfida same po sebi su nestabilne i teže ih je sintetisati u poređenju sa njihovim pandanima na bazi kadmija, u početku dostižući samo oko 80% performansi kvantnih tačaka na bazi kadmija. Međutim, kroz intenzivan razvojni proces u Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT), uspješno smo podigli performanse na 100% i obezbijedili 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 svjetlost; omotača, koji štiti jezgro i stabilizuje njegovu strukturu; i liganda, polimerne presvlake koja poboljšava oksidacionu stabilnost izvan omotača. Suština tehnologije kvantnih tačaka leži u besprijekornoj 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 indij-fosfida“, dodao je Lee.

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

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

Optička svojstva kvantnih tačaka primjenjuju se u širokom spektru oblasti, uključujući solarne ćelije, medicinu i kvantno računarstvo. Ipak, displeji sa kvantnim tačkama ostaju najaktivnije istraživana i najšire komercijalizovana primjena 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 svijetu koji kombinuje kvantne tačke sa OLED strukturom.

QD-OLED je tehnologija ekrana nove generacije koja integriše kvantne tačke u samosvijetleću OLED strukturu. Ovaj pristup omogućava brže vrijeme odziva, dublje crne tonove i veće kontrastne odnose. QD-OLED je dobio nagradu za ekran godine 2023. od Društva za informacione ekrane (SID), najveće svjetske 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 promijenili prije i nakon izlaska televizora sa kvantnim tačkama kompanije Samsung. Od samog predstavljanja, rasprave su se sve više fokusirale na praktične primjene, a ne na same materijale, što odražava potencijal za implementaciju u stvarnom svijetu putem tehnologija ekrana“, rekao je Doh Chang Lee, profesor na Odsjeku za hemijsko i biomolekularno inženjerstvo na Korejskom naprednom institutu za nauku i tehnologiju (KAIST).

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

Hyeon je također istakao da je uspješna 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 čovječanstvu 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 podijelili svoje uvide o tome šta nas čeka.

„Kao tehnologiju nove generacije, trenutno istražujemo samosvijetleće kvantne tačke. Do sada su se kvantne tačke oslanjale na spoljašnji izvor svjetlosti 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. Također 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 osvijetljenost potrebnu za primene u virtuelnoj i proširenoj stvarnosti“, zaključio je Lee, predviđajući veliku transformaciju u budućnosti ekrana.

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

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