„Jedan od razloga zbog kojih je Samsung odlučio da se fokusira na kvantne tačke jeste
njihov izuzetno uzak vrh u spektru emisije svetlosti.”
– Sanghyun Sohn, Samsung Electronics
Godine 2023. Nobelova nagrada za hemiju dodeljena 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 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
„Kako kvantne tačke postaju manje, talasna dužina emitovane svetlosti pomera se od crvene
prema plavoj.”
— Doh Chang Lee, Korejski institut za naprednu nauku i tehnologiju
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
„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 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
„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 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.