Kropki kwantowe w telewizorach. Tłumaczymy, o co chodzi w tej technologicznej rewolucji w nanoskali

Kropki kwantowe to nanocząsteczki półprzewodnikowe o rozmiarach od 2 do 20 nanometrów. Aby uświadomić sobie, jak małe są te struktury, wyobraźmy sobie, że kropka kwantowa ma się tak do piłki futbolowej, jak piłka do całej Ziemi. To właśnie ich niewielki rozmiar sprawia, że podlegają one zasadom mechaniki kwantowej, co prowadzi do niezwykłych właściwości optycznych i elektronicznych.

Nic dziwnego że każdy producent telewizorów i monitorów chce się chwalić ich obecnością w swoich produktach. Doszło jednak do tego, że niektórzy zdecydowali się pójść na skróty - a przynajmniej takie padają oskarżenia. Dwóch z wiodących chińskich producentów telewizorów jest oskarżanych o sprzedawanie wybrakowanych produktów - telewizorów rzekomo posiadających tę technologię, podczas gdy w rzeczywistości rzeczonych kropek w ekranach nie było. A gdy już były, to z wysoce szkodliwego kadmu. Tym niemniej u producentów dbających o kontrolę jakości, technologia quantum dot potrafi zdziałać... no może nie cuda, ale istotnie i wysoce korzystnie wpłynąć na jakość obrazu.

Historia kropek kwantowych rozpoczęła się w latach 80-tych XX wieku, kiedy naukowcy Aleksey Yekimov i Louis E. Brus opublikowali swoje badania na temat efektu ograniczenia kwantowego i zależnych od rozmiaru właściwości optycznych tych nanocząstek. Przełomowy moment nastąpił w 1993 r., gdy profesor Moungi Bawendi z MIT opracował niezawodną metodę syntezy kropek kwantowych. Te badania zostały docenione w 2023 r., kiedy to Bawendi, Brus i Yekimov otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za odkrycie i syntezę tychże kropek.

Czytaj też:

Jeśli chodzi o zastosowanie w telewizorach prawdziwy przełom nastąpił w 2015 r., kiedy firma Samsung opracowała pierwszy na świecie materiał kropek kwantowych wolny od kadmu i z powodzeniem skomercjalizowała tę technologię w swoich telewizorach SUHD. Dwa lata później, w 2017 r., Samsung wprowadził na rynek telewizory QLED, które w pełni wykorzystywały potencjał kropek kwantowych, osiągając poziom odwzorowania kolorów niespotykany wcześniej w telewizorach LCD.

Aby zrozumieć działanie kropek kwantowych, musimy zagłębić się nieco w podstawy fizyki półprzewodników i mechaniki kwantowej. Nie bójcie się jednak - postaram się wyjaśnić te zjawiska w przystępny sposób. Zasada działania kropek kwantowych opiera się na ograniczeniu ruchu cząstek w nanokryształach. Wewnątrz kropki kwantowej uwięziona jest cząstka o długości fali porównywalnej z rozmiarami samej kropki. Oznacza to, że ruch elektronów w kropce kwantowej jest ograniczony, ponieważ rozmiar cząstek jest mniejszy niż długość fali elektronu.

To ograniczenie powoduje zjawisko zwane efektem ograniczenia kwantowego (quantum confinement effect). W normalnych, większych półprzewodnikach, elektrony mogą poruszać się swobodnie, a ich poziomy energetyczne tworzą ciągłe pasma. Natomiast w kropkach kwantowych poziomy energetyczne stają się skwantowane - mogą istnieć tylko w nieciągłych przedziałach.

Kluczowym pojęciem dla zrozumienia działania kropek kwantowych jest przerwa energetyczna (band gap). To różnica energii między pasmem walencyjnym (gdzie znajdują się elektrony w stanie spoczynku) a pasmem przewodnictwa (gdzie mogą się one przemieścić po wzbudzeniu).

Elektron może absorbować energię, by przeskoczyć z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Gdy wzbudzony elektron uwalnia nadmiar energii, spada z powrotem do pasma walencyjnego, emitując foton - cząstkę światła.

W kropkach kwantowych wielkość tej przerwy energetycznej bezpośrednio zależy od rozmiaru kropki. Im mniejsza kropka kwantowa, tym większa przerwa energetyczna, co oznacza wyższą energię emitowanych fotonów, a więc światło o krótszej długości fali - bliżej niebieskiego końca spektrum. I odwrotnie - większe kropki kwantowe mają mniejszą przerwę energetyczną i emitują światło o dłuższej długości fali, bliżej czerwonego końca spektrum.

Jak wyjaśnił profesor Doh Chang Lee z KAIST: Gdy cząsteczki stają się mniejsze, długość fali emitowanego światła zmienia się z czerwonej na niebieską. Innymi słowy, rozmiar nanokryształu kropki kwantowej determinuje jego kolor.

Kropki kwantowe znane z telewizorów Samsung QLED składają się z trzech kluczowych komponentów:

Ta trójwarstwowa struktura jest kluczowa dla osiągnięcia wysokiej wydajności i trwałości kropek kwantowych w zastosowaniach komercyjnych.

Skoro rozumiemy już podstawy działania kropek kwantowych, przyjrzyjmy się, jak ta technologia jest wykorzystywana w telewizorach QLED firmy Samsung. Serce technologii QLED stanowi specjalna folia z kropkami kwantowymi. Jest ona produkowana poprzez dodanie roztworu kropek kwantowych do bazy polimerowej, podgrzanej do bardzo wysokiej temperatury, rozproszenie ich w cienkiej warstwie, a następnie utwardzenie. Ten proces, choć brzmi prosto, jest niezwykle złożony i wymaga precyzyjnego kontrolowania wielu parametrów.

Jak obrazowo wyjaśnił Sanghyun Sohn z Samsung Electronics: To jak próba równomiernego wymieszania proszku cynamonowego z lepkim miodem bez tworzenia grudek. Nie jest to łatwe zadanie.

Folia z kropkami kwantowymi pełni funkcję przetwarzania światła. Niebieskie światło emitowane przez LED-y w podświetleniu trafia na kropki kwantowe różnej wielkości, które następnie konwertują część tego światła na czerwone i zielone. W ten sposób uzyskuje się trzy podstawowe kolory - czerwony, zielony i niebieski (RGB), z których można stworzyć pełną paletę barw.

Telewizory QLED mają prostszą i bardziej wydajną strukturę w porównaniu do tradycyjnych ekranów LCD. W konwencjonalnych telewizorach LCD niebieskie podświetlenie LED przechodzi przez warstwę fosforyzującą, która przekształca część światła niebieskiego na żółte, a następnie przez filtry kolorów, które tworzą ostateczny obraz.

W telewizorach QLED warstwa fosforyzująca została zastąpiona przez folię z kropkami kwantowymi. Ta zmiana przynosi kilka istotnych korzyści:

Jednym z największych wyzwań w komercjalizacji technologii kropek kwantowych był problem toksyczności kadmu (Cd), który tradycyjnie używany był jako materiał bazowy do produkcji tych nanocząstek. Kadm jest metalem ciężkim o potwierdzonej toksyczności, objętym ograniczeniami na mocy dyrektywy Unii Europejskiej w sprawie ograniczenia stosowania substancji niebezpiecznych (RoHS). Mimo że przepisy w niektórych krajach technicznie dopuszczały do 100 części na milion (ppm) kadmu w produktach elektronicznych, Samsung od początku przyjął politykę zerowej zawartości kadmu.

Jak podkreślił Sanghyun Sohn: Zero kadmu, zero kompromisów – taka była nasza strategia. Jeśli chodzi o bezpieczeństwo konsumentów, po prostu nie ma miejsca na kompromisy.

Rozwiązaniem problemu było zastosowanie alternatywnego materiału – fosforku indu (InP) zamiast tradycyjnie używanego selenku kadmu (CdSe). Jednak ta zmiana stanowiła ogromne wyzwanie technologiczne.

Kropki kwantowe na bazie fosforku indu są z natury niestabilne i trudniejsze do zsyntetyzowania w porównaniu do ich odpowiedników na bazie kadmu, więc początkowo osiągały tylko około 80 proc. wydajności kropek z kadmem - wyjaśnił Sohn. Jednak dzięki intensywnemu procesowi rozwoju w Zaawansowanym Instytucie Technologii Samsung (SAIT) udało nam się zwiększyć ich wydajność do 100 proc. i zapewnić ponad 10 lat trwałości.

Trudność w syntezie kropek kwantowych InP wynika z różnic w wiązaniach chemicznych. Kadm tworzy silne wiązania jonowe, natomiast ind tworzy wiązania kowalencyjne, które są generalnie mniej stabilne i mają charakter kierunkowy, co zwiększa prawdopodobieństwo defektów podczas syntezy nanokryształów.

Mimo tych wyzwań Samsung w 2014 r. opracował pierwszy na świecie materiał kropek kwantowych wolny od kadmu, a w 2015 r. wprowadził na rynek pierwszy telewizor wykorzystujący tę technologię.

Technologia kropek kwantowych stale się rozwija. W 2022 r. Samsung wprowadził na rynek telewizory QD-OLED, łączące zalety kropek kwantowych z technologią OLED. QD-OLED to hybrydowa technologia wyświetlania, która integruje kropki kwantowe z samoemisyjną strukturą OLED. W tradycyjnych wyświetlaczach OLED każdy piksel świeci samodzielnie, co pozwala na uzyskanie głębokiej czerni i wysokiego kontrastu, ale często kosztem maksymalnej jasności i trwałości (zwłaszcza w przypadku niebieskich pikseli).

W technologii QD-OLED niebieskie diody OLED służą jako źródło światła, a kropki kwantowe konwertują część tego światła na czerwone i zielone, co pozwala uzyskać szersze spektrum kolorów i wyższą jasność, zachowując zalety technologii OLED, takie jak głęboka czerń i wysoki kontrast.

Ekran QD-OLED firmy Samsung został uznany za produkt roku 2023 przez Society for Information Display (SID), największą na świecie organizację zajmującą się technologiami wyświetlania.

Oprócz telewizorów kropki kwantowe znajdują zastosowanie w mikrowyświetlaczach do zastosowań w rozszerzonej (AR) i wirtualnej rzeczywistości (VR). W tym przypadku wykorzystuje się tzw. aktywne matryce QLED (AMQLED).

Diody elektroluminescencyjne z kropkami kwantowymi (QLED) wykazują ogromny potencjał jako technologia następnej generacji wyświetlaczy dzięki swojej wysokiej wydajności emisji, czystości kolorów w obszarze widzialnym, możliwości dostrajania długości fali emisji oraz niskim kosztom produkcji.

W mikrowyświetlaczach QLED do systemów nagłownych AR/VR często stosuje się strukturę emisji górnej, gdzie światło jest emitowane przez półprzezroczystą elektrodę górną, a nie przez podłoże jak w konwencjonalnych wyświetlaczach. Ta struktura pozwala na integrację z układami CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) jako podłożem, co umożliwia stworzenie wysokiej rozdzielczości miniaturowych wyświetlaczy.

Aby lepiej zrozumieć zalety technologii kropek kwantowych, warto porównać ją z innymi popularnymi technologiami wyświetlaczy. Tradycyjne wyświetlacze LCD używają niebieskich LED-ów do podświetlenia, warstwy fosforyzującej do konwersji części światła na żółte, oraz filtrów kolorów do utworzenia obrazu. Prowadzi to do kompromisów w odwzorowaniu kolorów, ponieważ spektrum emisji fosforów jest stosunkowo szerokie.

Wyświetlacze QLED zastępują fosfor kropkami kwantowymi, które dzięki wąskiemu spektrum emisji zapewniają bardziej precyzyjne i nasycone kolory. Jak wyjaśnił Sanghyun Sohn: Jednym z powodów, dla których firma Samsung skupiła się na kropkach kwantowych, są wyjątkowo wąskie szczyty ich widma emisji. Ich wąskie pasmo i silna fluorescencja sprawiają, że są idealne do wiernego odtwarzania szerokiego spektrum kolorów.

Wyświetlacze OLED (Organic Light-Emitting Diode) oferują doskonały kontrast i głęboką czerń dzięki temu, że każdy piksel świeci samodzielnie i może być całkowicie wyłączony. Jednak tradycyjne OLED-y mają ograniczenia związane z maksymalną jasnością i trwałością, zwłaszcza w przypadku niebieskich pikseli.

Wyświetlacze QLED oferują wyższą jasność i trwałość, ale ponieważ nadal wykorzystują podświetlenie LED, mają trudności z uzyskaniem równie głębokich czerni jak OLED. QD-OLED łączy zalety obu technologii, oferując zarówno wysoką jasność i szeroką gamę kolorów charakterystyczną dla QLED, jak i głęboką czerń i wysoki kontrast typowy dla OLED.

Technologia kropek kwantowych stale się rozwija, a naukowcy i inżynierowie pracują nad nowymi rozwiązaniami, które jeszcze bardziej zwiększą jej możliwości. Jednym z najbardziej obiecujących kierunków rozwoju są samoemisyjne kropki kwantowe. Dotychczas kropki kwantowe w telewizorach QLED działały jako materiał konwertujący światło, polegając na zewnętrznym źródle podświetlenia (niebieskie LED-y). Samoemisyjne kropki kwantowe będą same emitować światło poprzez elektroluminescencję po przyłożeniu napięcia, podobnie jak w technologii OLED.

Jak wyjaśnił Sanghyun Sohn: Do tej pory kropki kwantowe polegały na zewnętrznym źródle światła, by emitować kolory czerwony i zielony. W przyszłości zamierzamy opracować kropki kwantowe, które same emitują światło poprzez elektroluminescencję, tworząc wszystkie trzy podstawowe kolory poprzez wstrzykiwanie energii elektrycznej.

Taka technologia pozwoliłaby na stworzenie wyświetlaczy o jeszcze wyższej wydajności, jaśniejszych kolorach i lepszym kontraście. Dodatkowo dzięki możliwości zmniejszenia komponentów urządzenia będzie można osiągnąć wyższą rozdzielczość, co jest szczególnie istotne w zastosowaniach VR/AR.

Choć technologia kropek kwantowych jest obecnie najszerzej komercjalizowana w wyświetlaczach, ma ona potencjał zastosowania w wielu innych dziedzinach, między innymi:

Od momentu pierwszych badań laboratoryjnych w latach 80-tych do współczesnych telewizorów QLED i QD-OLED, przeszły one długą drogę, stając się kluczowym elementem najnowocześniejszych wyświetlaczy. Dzięki unikalnym właściwościom kwantowym, które pozwalają kontrolować kolor emitowanego światła poprzez zmianę rozmiaru nanocząstek, kropki kwantowe oferują niezrównaną czystość kolorów i wydajność. Przełomowe rozwiązania, takie jak opracowanie przez Samsunga technologii kropek kwantowych bez kadmu, zapewniły bezpieczeństwo tej technologii dla konsumentów i środowiska.

Przyszłość wygląda jeszcze bardziej obiecująco - samoemisyjne kropki kwantowe, pełna integracja z technologiami OLED oraz zastosowania w AR/VR i wielu innych dziedzinach, od medycyny po obliczenia kwantowe, sugerują, że jesteśmy dopiero na początku ery kropek kwantowych.

Jak trafnie podsumował Sanghyun Sohn: Dobry wyświetlacz to taki, którego widz nawet nie postrzega jako wyświetlacza. Ostatecznym celem jest wywieranie wrażeń, które będą nie do odróżnienia od rzeczywistości. Kropki kwantowe mogą być kluczem do osiągnięcia tego celu.