Kako je inženirski čudež podjetja Samsung spodbudil znanstveni in industrijski napredek

»QLED tehnologija podjetja Samsung je odigrala ključno vlogo pri tem, da so kvantne pike dosegle raven priznanja, potrebno za Nobelovo nagrado za kemijo.«

Taeghwan Hyeon, Narodna univerza v Seulu

V zadnjem desetletju so kvantne pike na čelu inovacij na področju prikaza slike, saj omogočajo eno najnatančnejših reprodukcij barv med vsemi obstoječimi materiali. S predstavitvijo televizorja SUHD leta 2015 je podjetje Samsung Electronics tlakovalo pot komercializaciji kvantnih pik, odkritju, ki je preseglo uporabo kadmija (Cd), težke kovine, ki se tradicionalno uporablja pri sintezi kvantnih pik, z uvedbo prve tehnologije kvantnih pik brez kadmija na svetu.

Znanstvena skupnost je hitro prepoznala pomen tega dosežka. Uspešna komercializacija televizorjev s kvantnimi pikami brez kadmija ni le začrtala nove smeri raziskav in razvoja, temveč je odigrala tudi ključno vlogo pri podelitvi Nobelove nagrade za kemijo leta 2023 za odkritje in sintezo kvantnih pik.

V tem članku razkrivamo, kako je Samsung pomembno prispeval k akademski skupnosti z revolucionarnimi napredki na področju materialnih inovacij.

Zakaj je bil kadmij izhodišče za raziskovanje kvantnih pik?

»Bil sem resnično navdušen, da je Samsungu uspelo komercializirati izdelek s kvantnimi pikami brez kadmija.«

Taeghwan Hyeon, Narodna univerza v Seulu

Znanstveno zanimanje za kvantne pike se je začelo pojavljati v 80. letih prejšnjega stoletja, ko sta Aleksey Yekimov, nekdanji glavni znanstvenik podjetja Nanocrystals Technology Inc., in Louis E. Brus, zaslužni profesor na Oddelku za kemijo Univerze Columbia, vsak posebej objavila svoja raziskovanja o učinku kvantne omejitve in o velikostno odvisnih optičnih lastnostih kvantnih pik.

Zagon se je še okrepil leta 1993, ko je Moungi Bawendi, profesor na Oddelku za kemijo na Tehnološkem inštitutu Massachusetts (MIT), razvil zanesljivo metodo za sintezo kvantnih pik. Taeghwan Hyeon, ugledni profesor na Oddelku za kemijsko in biološko inženirstvo na Narodni univerzi v Seulu (SNU), je leta 2001 izumil t. i. »postopek segrevanja«, tehniko za proizvodnjo enakomernih nanodelcev brez potrebe po ločevanju glede na velikost. Leta 2004 je Hyeon objavil metodo za proizvodnjo v večjem merilu v akademski reviji Nature Materials. To odkritje velja za potencialno prelomnico v industriji.

Ti napori niso takoj pripeljali do komercializacije. Kvantne pike so se namreč v tistem času v veliki meri zanašale na kadmij (Cd) kot osnovni material, snov, za katero je znano, da je škodljiva za človeka in ki je označena kot omejeni material v skladu z evropsko direktivo o omejevanju uporabe nekaterih nevarnih snovi (RoHS).

»Trenutno sta edina materiala, ki lahko zanesljivo tvorita kvantne pike, kadmijev selenid (CdSe) in indijev fosfid (InP). Kadmijev selenid, klasični material za kvantne pike, je spojina elementov iz II. in VI. skupine, medtem ko je indijev fosfid sestavljen iz elementov iz III. in V. skupine. Sinteza kvantnih pik iz elementov II. in VI. skupine je razmeroma enostavna, kombiniranje elementov iz III. in V. skupine pa je kemično veliko zahtevnejše,« je pojasnil Hyeon.

Kadmij, element z dvema valentnima elektronoma, tvori močne ionske vezi z elementi, kot so selen (Se), žveplo (S) in telur (Te), vsak od teh ima šest valentnih elektronov. Te kombinacije tvorijo stabilne polprevodnike, znane kot polprevodniki II–VI, materiale, ki so bili dolgo časa priljubljeni v raziskavah zaradi svoje sposobnosti tvorjenja visokokakovostnih nanokristalov tudi pri razmeroma nizkih temperaturah. Posledično je bila uporaba kadmija pri sintezi kvantnih pik dolga leta uveljavljen akademski standard.

Nasprotno pa indij (In), alternativa kadmiju s tremi valentnimi elektroni, tvori kovalentne vezi z elementi, kot je fosfor (P), ki ima pet valentnih elektronov. Kovalentne vezi so na splošno manj stabilne od ionskih in so usmerjene po naravi, kar povečuje verjetnost napak med sintezo nanokristalov. Zaradi teh lastnosti je indij zahteven material za obdelavo, tako v raziskavah kot pri množični proizvodnji.

»Težko je doseči visoko stopnjo kristalnosti pri kvantnih pikah iz indijevega fosfida. Potreben je zapleten in zahteven sintezni postopek, da se dosežejo standardi kakovosti, potrebni za komercializacijo,« poudarja Lee.

Brez kompromisov: od odkritja do množične proizvodnje

»Ko gre za varnost potrošnikov, preprosto ni prostora za kompromise.«

Sanghyun Sohn, Samsung Electronics

Samsung je zavzel drugačen pristop.

»Tehnologijo kvantnih pik raziskujemo in razvijamo že od leta 2001. Že na samem začetku smo ugotovili, da kadmij, ki je škodljiv za zdravje ljudi, ni primeren za komercializacijo. Medtem ko predpisi v nekaterih državah dovoljujejo do 100 delcev na milijon (ppm) kadmija v elektronskih izdelkih, je Samsung že od začetka sprejel politiko ničelne uporabe kadmija. Brez kadmija, brez kompromisov – to je bila naša strategija. Ko gre za varnost potrošnikov, preprosto ni prostora za kompromise,« poudarja Sanghyun Sohn, vodja laboratorija Advanced Display Lab pri oddelku Visual Display (VD) podjetja Samsung Electronics.

Dolgoletna zavezanost podjetja Samsung načelu Brez kompromisov glede varnosti je prišla v ospredje leta 2014, ko je podjetju uspelo razviti prvi material za kvantne pike brez kadmija na svetu. Da bi zagotovil obstojnost in kakovost slike, je Samsung uvedel tehnologijo troslojnega zaščitnega premaza, ki ščiti nanodelce iz indijevega fosfida pred zunanjimi dejavniki, kot sta kisik in svetloba. Leto pozneje je Samsung lansiral prvi komercialni SUHD televizor s kvantnimi pikami brez kadmija na svetu, kar je pomenilo spremembo paradigme v industriji zaslonov in vrhunec raziskovalnih prizadevanj, ki so se začela v 2000.

»Kvantne pike na osnovi indijevega fosfida so same po sebi nestabilne in jih je težje sintetizirati v primerjavi z njihovimi kadmijevimi ustreznicami, sprva so dosegle le približno 80 odstotkov zmogljivosti kvantnih pik na osnovi kadmija. Vendar smo z intenzivnim razvojnim procesom v Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT) uspešno izboljšali delovanje na 100 odstotkov in zagotovili več kot 10-letno zanesljivost,« je povedal Sohn.

Kvantne pike, ki jih najdemo v Samsung QLED televizorjih, sestavljajo tri ključne komponente, jedro, kjer nastaja svetloba, ovojnica, ki ščiti jedro in stabilizira njegovo strukturo, in ligand, polimerni premaz, ki izboljšuje oksidacijsko stabilnost zunaj ovojnice. Bistvo tehnologije kvantnih pik je v brezhibni integraciji teh treh elementov naprednem industrijskem procesu, ki zajema vse od nabave materialov in sinteze do množične proizvodnje in prijave številnih patentov.

»Nobene od treh komponent, jedra, ovojnice ali liganda, ni mogoče zanemariti. Samsung je razvil izjemno tehnologijo za sintezo indijevega fosfida,« je dodal Lee.

»Razvoj tehnologije v laboratoriju je izziv sam po sebi, vendar komercializacija zahteva povsem drugačno raven prizadevanj za zagotovitev stabilnosti izdelka in dosledne kakovosti barv. Resnično me je navdušilo, da je podjetju Samsung uspelo komercializirati izdelek s kvantnimi pikami brez kadmija,« je poudaril Hyeon.

Postavljanje standardov za kvantne pike

»Raziskovalni trendi v akademski skupnosti so se bistveno spremenili pred in po predstavitvi Samsung televizorjev s kvantnimi pikami.«

Doh Chang Lee, Korejski napredni inštitut za znanost in tehnologijo

Optične lastnosti kvantnih pik se uporabljajo na številnih področjih, vključno s sončnimi celicami, medicino in kvantnim računalništvom. Kljub temu pa zasloni s kvantnimi pikami ostajajo najbolj aktivno raziskana in najširše komercializirana uporaba do danes, pri čemer se Samsung uveljavlja kot pionir.

Na osnovi let temeljnih raziskav in predstavitve svojih SUHD televizorjev je Samsung leta 2017 predstavil QLED televizorje in postavil nov standard za vrhunske zaslone. Leta 2022 je podjetje dodatno spodbudilo inovacije z debijem QD OLED televizorja, prvega zaslona na svetu, ki združuje kvantne pike z OLED strukturo.

QD OLED je tehnologija zaslona nove generacije, ki integrira kvantne pike v samoosvetlitveno strukturo OLED-a. Tak pristop omogoča hitrejši odzivni čas, globlje črnine in večje kontrastno razmerje. QD OLED je leta 2023 prejel nagrado za zaslon leta, ki jo podeljuje Društvo za informacijske zaslone (SID), največja svetovna organizacija, posvečena tehnologijam zaslonov.

»Samsung ni le vodil trga s svojimi televizorji s kvantnimi pikami na osnovi indijevega fosfida, temveč je še vedno edino podjetje, ki je uspešno integriralo in komercializiralo kvantne pike v OLED zaslonih. Z izkoriščanjem našega vodilnega položaja na področju tehnologije kvantnih pik bomo tudi v prihodnje usmerjali razvoj inovacij na področju zaslonov,« poudarja Sohn.

»Raziskovalni trendi v akademski skupnosti so se bistveno spremenili pred in po predstavitvi televizorjev s kvantnimi pikami podjetja Samsung. Od same predstavitve so se razprave vse bolj osredotočale na praktične uporabe namesto zgolj na materiale, kar odraža potencial za implementacijo v resničnem svetu prek zaslonskih tehnologij,« je povedal Doh Chang Lee, profesor na Oddelku za kemijsko in biomolekularno inženirstvo na Južnokorejskem naprednem inštitutu za znanost in tehnologijo (KAIST).

»Bilo je veliko poskusov uporabe kvantnih pik na različnih področjih, vključno s fotokatalizo, vendar ti napori v primerjavi z njihovo uporabo v zaslonih ostajajo v zgodnjih fazah.«

Hyeon je prav tako poudaril, da je uspešna komercializacija televizorjev s tehnologijo kvantnih pik podjetja Samsung pomagala tlakovati pot do Nobelove nagrade za kemijo, ki so jo leta 2023 prejeli Bawendi, Brus in Yekimov.

»Eden najpomembnejših kriterijev za Nobelovo nagrado je, v kolikšni meri je tehnologija prispevala človeštvu skozi komercializacijo. QLED podjetja Samsung predstavlja eno najpomembnejših dosežkov na področju nanotehnologije. Brez njegove komercializacije bi kvantne pike težko upravičile Nobelovo priznanje.«

Vizija podjetja Samsung za zaslone prihodnosti

Od predstavitve svojih QLED-televizorjev je Samsung pospešil razvoj tehnologije kvantnih pik tako v industriji kot v akademski skupnosti. Na vprašanje o prihodnosti zaslonov s kvantnimi pikami so strokovnjaki delili svoja razmišljanja o tem, kaj nas čaka.

»Kot tehnologijo nove generacije trenutno raziskujemo samoosvetlitvene kvantne pike. Doslej so se kvantne pike zanašale na zunanji vir svetlobe za prikaz rdeče in zelene barve. V prihodnosti si prizadevamo razviti kvantne pike, ki bodo samostojno oddajale svetlobo prek elektroluminiscence in tako ustvarjale vse tri osnovne barve z vbrizgavanjem električne energije. Prav tako razvijamo modre kvantne pike,« je povedal Sohn.

»Ker elektroluminiscentni materiali omogočajo zmanjšanje velikosti komponent naprav, bomo lahko dosegli visoko ločljivost, učinkovitost in svetlost, potrebno za aplikacije v virtualni in obogateni resničnosti,« je zaključil Lee in napovedal veliko preobrazbo v prihodnosti zaslonov.

»Dober zaslon je tisti, ki ga gledalec sploh ne prepozna kot zaslon. Končni cilj je zagotoviti izkušnjo, ki je neločljiva od resničnosti. Kot vodilni na področju inovacij zaslonov s tehnologijo kvantnih pik bomo s ponosom nadaljevali svojo pot naprej,« poudarja Sohn.

S svojim nenehnim razvojem in drzno tehnološko vizijo Samsung oblikuje prihodnost zaslonov ter na novo piše, kaj vse je mogoče s pomočjo kvantnih pik.