ماده برنده نوبل در قلب سامسونگ Qleds [Interview on Real Quantum Dots Part 1.] – اتاق خبر جهانی سامسونگ

“یکی از دلایلی که سامسونگ روی نقاط کوانتومی متمرکز شده است ، قله های فوق العاده باریک آنها از طیف انتشار است.”

– Sanghyun Sohn ، Samsung Electronics

در سال ۲۰۲۳ ، جایزه نوبل شیمی برای کشف و سنتز نقاط کوانتومی اهدا شد. کمیته نوبل دستاوردهای پیشگامانه دانشمندان در این زمینه را به رسمیت شناخت – با توجه به اینکه نقاط کوانتومی قبلاً سهم قابل توجهی در نمایش و صنایع پزشکی داشته اند ، با کاربردهای گسترده تری در الکترونیک ، ارتباطات کوانتومی و سلولهای خورشیدی پیش بینی شده است.

نقاط کوانتومی-ذرات نیمه هادی فوق العاده ریز-بسته به اندازه آنها ، رنگ های مختلفی از نور را منتشر می کنند ، و رنگ های فوق العاده خالص و زنده تولید می کنند. سامسونگ الکترونیک ، تولید کننده پیشرو تلویزیون در جهان ، این ماده برجسته را برای تقویت عملکرد نمایش پذیرفته است.

اتاق خبر سامسونگ با Taeghwan Hyeon ، استاد برجسته در گروه مهندسی شیمیایی و بیولوژیکی در دانشگاه ملی سئول (SNU) نشست. دوه چانگ لی ، استاد گروه مهندسی شیمیایی و زیست مولکولی در انستیتوی پیشرفته علوم و فناوری کره (KAIST) ؛ و Sanghyun Sohn ، رئیس آزمایشگاه Display Advanced Display ، Business Visual Display (VD) در سامسونگ الکترونیک ، برای کشف چگونگی استفاده از نقاط کوانتومی در دوره جدیدی از فناوری نمایشگر.

درک شکاف باند

“برای درک نقاط کوانتومی ، ابتدا باید مفهوم شکاف باند را درک کرد.”

– Taeghwan Hyeon ، دانشگاه ملی سئول

حرکت الکترون ها باعث برق می شود. به طور معمول ، بیرونی ترین الکترون ها – که به عنوان الکترون های Valence شناخته می شوند – در این حرکت درگیر هستند. دامنه انرژی در جایی که این الکترونها وجود دارند ، باند Valence نامیده می شود ، در حالی که دامنه انرژی بالاتر و بدون استفاده که می تواند الکترون ها را بپذیرد ، باند هدایت نامیده می شود.

یک الکترون می تواند انرژی را برای پرش از باند Valence به باند هدایت جذب کند. هنگامی که الکترون هیجان زده آن انرژی را آزاد می کند ، دوباره به گروه Valence می رسد. اختلاف انرژی بین این دو باند – میزان انرژی یک الکترون باید برای حرکت بین آنها به دست آورد یا از دست بدهد – به عنوان شکاف باند شناخته می شود.

عایق هایی مانند لاستیک و شیشه دارای شکاف های باند بزرگی هستند و از حرکت آزاد الکترون ها در بین نوارها جلوگیری می کنند. در مقابل ، هادی هایی مانند مس و نقره دارای نوارهای با هم تداخل و هدایت هستند – به الکترونها اجازه می دهند آزادانه برای هدایت الکتریکی بالا حرکت کنند.

نیمه هادی ها دارای شکاف باند هستند که بین عایق ها و هادی ها قرار می گیرد – محدود کردن هدایت در شرایط عادی اما اجازه هدایت الکتریکی یا انتشار نور در هنگام تحریک الکترون ها توسط گرما ، نور یا برق.

هیون با تأکید بر اینکه ساختار باند انرژی یک ماده در تعیین خصوصیات الکتریکی آن بسیار مهم است ، گفت: “برای درک نقاط کوانتومی ، ابتدا باید مفهوم شکاف باند را درک کرد.”

نقاط کوانتومی – هرچه ذره کوچکتر باشد ، شکاف باند بزرگتر است

“هرچه ذرات نقطه کوانتومی کوچکتر شوند ، طول موج نور ساطع شده از قرمز به آبی تغییر می کند.”

– دوه چانگ لی ، مؤسسه پیشرفته علوم و فناوری کره

نقاط کوانتومی کریستال های نیمه هادی نانو با خاصیت الکتریکی و نوری منحصر به فرد هستند. اندازه گیری شده در نانومتر (NM)-یا یک میلیاردمین متر متر-این ذرات فقط چند هزارم ضخامت موهای انسان هستند. هنگامی که یک نیمه هادی به مقیاس نانومتر کاهش می یابد ، خواص آن در مقایسه با حالت فله آن به طور قابل توجهی تغییر می کند.

در حالت های فله ، ذرات به اندازه کافی بزرگ هستند ، بنابراین الکترونهای موجود در ماده نیمه هادی می توانند بدون محدودیت در طول موج خود ، آزادانه حرکت کنند. این اجازه می دهد تا سطح انرژی – حالات که ذرات هنگام جذب یا آزاد کردن انرژی اشغال می کنند – یک طیف مداوم مانند یک اسلاید طولانی با یک شیب ملایم تشکیل دهند. در نقاط کوانتومی ، حرکت الکترون محدود است زیرا اندازه ذرات از طول موج الکترون کوچکتر است.

تصور کنید که آب (انرژی) را از یک گلدان بزرگ (حالت فله) با یک ملاقه (پهنای باند مربوط به طول موج یک الکترون) استفاده کنید. با استفاده از ملاقه ، می توان مقدار آب موجود در گلدان را آزادانه از کامل تا خالی تنظیم کرد – این معادل سطح انرژی مداوم است. با این حال ، هنگامی که گلدان به اندازه یک لیوان کوچک می شود – مانند یک نقطه کوانتومی – ملاقه دیگر متناسب نیست. در آن مرحله ، فنجان فقط می تواند پر یا خالی باشد. این مفهوم سطح انرژی کمی را نشان می دهد.

هیون گفت: “هنگامی که ذرات نیمه هادی به مقیاس نانومتر کاهش می یابد ، سطح انرژی آنها کم می شود – آنها فقط می توانند در مراحل ناپیوسته وجود داشته باشند.” “این اثر” حبس کوانتومی “نامیده می شود. و در این مقیاس ، شکاف باند را می توان با تنظیم اندازه ذرات کنترل کرد. “

با کاهش اندازه نقطه کوانتومی ، تعداد مولکولهای موجود در ذرات کاهش می یابد و در نتیجه تعامل ضعیف تر مدارهای مولکولی ایجاد می شود. این باعث تقویت اثر حبس کوانتومی و افزایش شکاف باند می شود.^۱ از آنجا که شکاف باند با انرژی آزاد شده از طریق آرامش یک الکترون از باند هدایت به باند Valence مطابقت دارد ، رنگ نور ساطع شده بر این اساس تغییر می کند.

لی گفت: “هرچه ذرات کوچکتر می شوند ، طول موج نور ساطع شده از قرمز به آبی تغییر می کند.” “به عبارت دیگر ، اندازه نانوکریستال نقطه کوانتومی رنگ آن را تعیین می کند.”

مهندسی پشت فیلم های کوانتومی

“فیلم کوانتومی نقطه در هسته تلویزیون QLED است – گواهی بر تخصص فنی عمیق سامسونگ.”

– دوه چانگ لی ، مؤسسه پیشرفته علوم و فناوری کره

نقاط کوانتومی در زمینه های مختلفی از جمله سلولهای خورشیدی ، فتوکاتالیز ، دارو و محاسبات کوانتومی مورد توجه قرار گرفته اند. با این حال ، صنعت نمایش اولین کسی بود که با موفقیت تجارت این فناوری را انجام داد.

سون گفت: “یکی از دلایلی که سامسونگ روی نقاط کانتومی متمرکز شده است ، قله های فوق العاده باریک طیف انتشار آنها است.” “پهنای باند باریک و فلورسانس قوی آنها را برای تولید مثل یک طیف گسترده از رنگ ها ایده آل می کند.”

برای بهره‌گیری از نقاط کوانتومی به طور مؤثر در فناوری نمایش ، مواد و ساختارها باید در شرایط سخت با گذشت زمان ، عملکرد بالایی را حفظ کنند. سامسونگ QLED با استفاده از یک فیلم کوانتومی نقطه ای به این امر دست می یابد.

لی گفت: “تولید مثل دقیق رنگ در یک نمایشگر بستگی به این دارد که فیلم به خوبی از خواص نوری نقاط کوانتومی استفاده می کند.” “یک فیلم کوانتومی DOT باید چندین مورد اصلی را برای استفاده تجاری ، مانند تبدیل نور کارآمد و شفافیت ، برآورده کند.”

فیلم کوانتومی نقطه مورد استفاده در نمایشگرهای QLED سامسونگ با اضافه کردن یک محلول کوانتومی نقطه به یک پایه پلیمری که به یک دمای بسیار بالا گرم می شود ، تولید می شود و آن را در یک لایه نازک پخش می کند و سپس آن را پخت می کند. اگرچه این ممکن است ساده به نظر برسد ، فرایند تولید واقعی بسیار پیچیده است.

سون گفت: “این مثل این است که سعی کنید پودر دارچین را به طور مساوی در عسل چسبنده مخلوط کنید بدون اینکه توده ها بسازند – کار آسانی نیست.” “برای پراکندگی به طور مساوی نقاط کوانتومی در طول فیلم ، باید چندین عامل مانند مواد ، شرایط طراحی و پردازش با دقت در نظر گرفته شود.”

با وجود این چالش ها ، سامسونگ مرزهای فناوری را تحت فشار قرار داد. برای اطمینان از دوام طولانی مدت در نمایشگرهای خود ، این شرکت مواد پلیمری اختصاصی را که بطور خاص برای نقاط کوانتومی بهینه شده بود ، توسعه داد.

وی افزود: “ما با توسعه فیلم های سدیم که باعث مسدود کردن رطوبت و مواد پلیمری می شوند ، قادر به پراکندگی نقاط کوانتومی هستند.” “از این طریق ، ما نه تنها به تولید انبوه دست یافتیم بلکه هزینه ها را نیز کاهش دادیم.”

با تشکر از این فرآیند پیشرفته ، فیلم کوانتومی نقطه کوانتومی سامسونگ بیان دقیق رنگ و راندمان درخشان برجسته را ارائه می دهد-همه از دوام پیشرو در صنعت پشتیبانی می شوند.

سون توضیح داد: “روشنایی به طور معمول در NITS اندازه گیری می شود و یک نیت معادل روشنایی یک شمع واحد است.” “در حالی که LED های معمولی حدود ۵۰۰ نیت ارائه می دهند ، نمایشگرهای کوانتومی ما می توانند به ۲۰۰۰ عدد یا بیشتر – معادل ۲،۰۰۰ شمع – دست یابند و به سطح جدیدی از کیفیت تصویر برسند.”

* CIE 1930: یک سیستم رنگی که در سال ۱۹۳۱ توسط کمیسیون Internationale de l'Oclairage اعلام شد
* SRGB (استاندارد RGB): یک فضای رنگی که توسط مایکروسافت و HP در سال ۱۹۹۶ برای مانیتورها و چاپگرها ایجاد شده است
* DCI-P3 (ابتکارات سینمای دیجیتال-پروتکل ۳): فضای رنگی که به طور گسترده برای محتوای دیجیتال HDR استفاده می شود ، که توسط ابتکارات سینمای دیجیتال برای پروژکتورهای دیجیتال تعریف شده است

با استفاده از نقاط کوانتومی ، سامسونگ هم روشنایی و هم بیان رنگ را به طور قابل توجهی افزایش داده است – ارائه یک تجربه بصری بر خلاف هر چیزی که قبلاً دیده می شود. در حقیقت ، تلویزیون های QLED سامسونگ به میزان تولید مثل رنگ بیش از ۹۰ ٪ از DCI-P3 (ابتکارات سینمای دیجیتال-پروتکل ۳) فضای رنگی ، معیار صحت رنگ در سینمای دیجیتال دست می یابند.

لی گفت: “حتی اگر شما نقاط کوانتومی ایجاد کرده اید ، باید از ثبات طولانی مدت برای آنها استفاده کنید.” “سنتز کوانتومی و فن آوری های تولید فیلم مبتنی بر صنعت سامسونگ ، فن آوری های تولیدی کوانتومی مبتنی بر تخصص فنی عمیق سامسونگ است.”

تلویزیون های QLED واقعی برای ایجاد رنگ از نقاط کوانتومی استفاده می کنند

“مشروعیت یک تلویزیون کوانتومی نقطه ای در این است که آیا این اثر از اثر کانتومی کوانتومی استفاده می کند یا خیر.”

– Taeghwan Hyeon ، دانشگاه ملی سئول

با افزایش علاقه به نقاط کوانتومی در سراسر صنعت ، انواع محصولات وارد بازار شده اند. با این وجود ، همه تلویزیون های دارای برچسب کوانتومی برابر نیستند-نقاط کوانتومی باید به اندازه کافی به کیفیت واقعی تصویر کمک کنند.

هیون گفت: “مشروعیت تلویزیون کوانتومی نقطه ای در این است که آیا این اثر از اثر حصر کوانتومی استفاده می کند یا خیر.” “اولین ، نیاز اساسی استفاده از نقاط کوانتومی برای ایجاد رنگ است.”

لی گفت: “برای اینکه یک تلویزیون کوانتومی واقعی در نظر گرفته شود ، نقاط کوانتومی باید به عنوان ماده اصلی تبدیل کننده یا ماده اولیه تابش نور عمل کنند.” “برای نقاط کوانتومی تبدیل کننده سبک ، صفحه نمایش باید حاوی مقدار کافی از نقاط کوانتومی برای جذب و تبدیل نور آبی ساطع شده توسط واحد نور پس زمینه باشد.”

سون با تأکید بر اهمیت محتوای نقطه کوانتومی ، “فیلم کوانتومی نقطه باید مقدار کافی از نقاط کوانتومی را برای انجام مؤثر داشته باشد.” “سامسونگ QLED از بیش از ۳۰۰۰ قسمت در میلیون (ppm) مواد کوانتومی استفاده می کند. ۱۰۰ ٪ از رنگ های قرمز و سبز از طریق نقاط کوانتومی ساخته می شود.”

https://www.youtube.com/watch؟v=-x3pnfkfpra

سامسونگ در سال ۲۰۰۱ توسعه فناوری Quantum Dot را آغاز کرد و در سال ۲۰۱۵ ، اولین تلویزیون کوانتومی بدون کادمیوم جهان-تلویزیون Suhd را معرفی کرد. در سال ۲۰۱۷ ، این شرکت ترکیب QLED Premium خود را راه اندازی کرد و رهبری خود را در صنعت نمایش کوانتومی DOT تقویت کرد.

در بخش دوم این سری مصاحبه ، اتاق خبر سامسونگ نگاهی دقیق تر به این موضوع می اندازد که چگونه سامسونگ نه تنها فناوری صفحه نمایش کوانتومی نقطه ای را تجاری می کند بلکه یک ماده کوانتومی بدون کادمیوم را نیز توسعه داده است-نوآوری شناخته شده توسط محققان برنده جایزه نوبل در شیمی.

^۱ هنگامی که یک ماده نیمه هادی در حالت فله خود قرار دارد ، شکاف باند در یک مقدار مشخصه ماده ثابت می شود و به اندازه ذرات بستگی ندارد.