W ogólnym ujęciu fizycznym kropki kwantowe (QD — Quantum Dot) są nanometrowej wielkości przestrzeniami trójwymiarowymi, w której została uwięziona cząstka elementarna, na przykład elektron. Przez wiele lat, które upłynęły od pierwszego pomyślnego eksperymentu z kropkami kwantowymi, przeprowadzonego przez Bell Labs w 1986 roku, praktyczna realizacja tej technologii była dopracowywana w kierunku praktycznych zastosowań: w medycynie, do budowy paneli fotowoltaicznych, laserów, tranzystorów czy telewizorów. W komercyjnych zastosowaniach kropki kwantowe mają dziś postać półprzewodnikowych nanocząsteczek o wymiarach poniżej 10 nm (miliardowych części metra).
Zalety kropek kwantowych
Samsung, jako jeden z pierwszych wielkich producentów elektroniki użytkowej, dostrzegł niebagatelny potencjał kropki kwantowej jako (wtórnego) źródła światła w nowej generacji paneli telewizyjnych o poszerzonej palecie kolorów i dużej jasności (HDR). Kropki kwantowe mają tu postać półprzewodników umieszczonych w cienkiej folii QDEF (Quantum Dot Enhancement Film), które pod wpływem padającego na nie światła z niebieskiego podświetlenia (przeważnie LED) potrafią wytwarzać dwa kolory składowe (czerwony i zielony) o większym nasyceniu niż w przypadku paneli LCD bez kropek kwantowych. Panele bazujące na tej nowej technologii wykazały również znaczące zalety na tle technologii paneli organicznych (OLED). Nic więc dziwnego, że inżynierowie Samsunga postawili właśnie na kropki kwantowe, dostrzegając w nich duży potencjał. Warstwa kropek kwantowych umożliwia uzyskanie szerszej palety kolorów i dużego ich nasycenia przy zachowaniu bardzo dużej jasności obrazu, kluczowej w technologii HDR. Ponadto kropki kwantowe ułatwiają regulację natężenia światła na poziomie pojedynczych pikseli, pozwalając na uzyskanie głębszej czerni. Zapewniają też jednolitą luminancję i lepszą reprodukcję kolorów pod dużym kątem do ekranu, jednocześnie redukując ekspozycję wzroku na światło niebieskie. Należy także podkreślić, że zastosowanie technologii kropek kwantowych nie powoduje efektu wypalania i umożliwia utrzymanie tej samej, wysokiej jakości obrazu przez długi czas.
Rozwój technologii kropek kwantowych Samsunga w latach 2001–2022.
10 lat innowacji
Na wczesnych etapach opracowywania telewizorów z technologią kropek kwantowych kadm był uważany za najlepiej nadający się do tego celu materiał. Niestety ma on swoje wady — to wysoce toksyczny metal ciężki, którego niekorzystny wpływ na środowisko naturalne stał się istotną przeszkodą w komercjalizacji technologii kropek kwantowych. Stosowanie kadmu w elektronice użytkowej jest wprawdzie dozwolone, jednak podlega rygorystycznym ograniczeniom na mocy prawa UE.
Telewizory SUHD na targach CES w 2015 roku — pierwsza generacja technologii kropek kwantowych, w której zrezygnowano z użycia kadmu.
Samsung rozpoczął badania nad technologią kropek kwantowych już w 2001 roku, gdy prace nad zastosowaniem alternatyw dla kadmu dopiero się rozpoczynały. Osiągnięcie żywych kolorów wymagało ujednolicenia nanocząstek, ale brak wiedzy i technologii sprawiał, że podjęcie masowej produkcji było niezwykle trudne.
Pomimo tych przeszkód, w 2014 roku udało się stworzyć nanokryształy wolne od kadmu. Od tego czasu firma zgromadziła rozległą wiedzę specjalistyczną i nieustannie pracowała nad rozwojem technologii, rejestrując ponad 150 patentów. Te wieloletnie nakłady zaowocowały w 2015 r. pojawieniem się pierwszych na świecie telewizorów SUHD z technologią kropek kwantowych bez kadmu (Samsung do dzisiaj pozostaje jedyną liczącą się marką, która oferuje tę technologię).
Telewizory QLED (75Q8C i 88Q8F) na stoisku firmy Samsung „First Look 2017” podczas targów CES 2017
Nową technologię sukcesywnie udoskonalano. W roku 2017 firma stworzyła nową gamę telewizorów QLED, które ustanowiły nowy standard w segmencie telewizorów klasy premium. Wykorzystanie metalicznych kropek kwantowych umożliwiło pełne pokrycie przestrzeni barwnej DCI-P3 wykorzystywanej w przemyśle filmowym, co otworzyło nowe możliwości w zakresie realizmu oddawanych kolorów.
Po sukcesie w obszarze emisji składowej czerwonej w 2019 roku, Samsung zwiększył wydajność świetlną niebieskich, samoistnie emitujących światło diod QLED — uważanych za najtrudniejsze do wdrożenia spośród trzech podstawowych kolorów — do wiodącego w branży poziomu 20,2%.
„Odkrycie niebieskiego materiału do samoemitujących diod QLED i zademonstrowanie wiodącej w branży wydajności na poziomie urządzenia to znaczące osiągnięcia tych badań” — stwierdził dr Eunjoo Chang, pracownik naukowy Samsung Advanced Institute of Technology.
Czynniki, które warto uwzględnić, wybierając wysokiej jakości telewizor z technologią kropek kwantowych.
QD-OLED i Neo QLED
Kolejnym krokiem w kierunku poprawy jakości obrazu jest matryca z kropkami kwantowymi podświetlana diodami organicznymi (OLED), która składa się z warstwy tranzystorów cienkowarstwowych (TFT) emitujących światło niebieskie i oświetlanej przez nią warstwy kropek kwantowych. Zarówno w tej technologii, jak i w panelach QLED kluczowe znaczenie dla zapewnienia najwyższej jakości obrazu i zachowania jej przez długi czas ma folia QDEF o odpowiednim zagęszczeniu kropek kwantowych.
Rozwiązanie to doprowadziło do wprowadzenia na rynek telewizorów QD-OLED, które przeszły do historii na targach CES 2022, zdobywając wyróżnienie w kategorii „najlepszej innowacji za integrację technologii QD w ekranach klasy OLED”.
 |
 |
Obrazowe porównanie technologii typowego panelu LCD z podświetleniem białymi diodami LED (z prawej) i panelu Samsung QLED z podświetleniem niebieskimi diodami LED (z lewej). Folia QDEF powoduje zamianę światła niebieskiego w składowe czerwoną i zieloną, co prowadzi do uzyskania znacznie czystszych, jaśniejszych i lepiej nasyconych kolorów.
Najnowsze modele Neo QLED idą o krok dalej, zastępując standardowe diody LED większą liczbą diod mini-LED, co pozwala uzyskać jeszcze wyższy poziom jasności i nasycenia kolorów. Wyświetlacze te są dostępne także w rozdzielczości 8K.
Innowacje w zakresie budowy paneli idą w parze z rozwojem oprogramowania. W nowych modelach telewizorów wykorzystuje się algorytmy AI do optymalizacji i zwiększania rozdzielczości obrazu (AI Upscaling), a ostatnio także innowacyjną technologię Vision AI.
(Od lewej do prawej) Kwang-Hee Kim, dr Taehyung Kim, dr Eunjoo Jang, Sungwoo Kim i Seon-Myeong Choi z Instytutu Zaawansowanych Technologii firmy Samsung
Artykuł powstał przy współpracy z firmą Samsung Electronics Polska.
