サムスンQLEDSの中心にあるノーベル賞を受賞した素材 [Interview on Real Quantum Dots Part 1.] – サムスングローバルニュースルーム

「サムスンが量子ドットに焦点を合わせた理由の1つは、放射スペクトルの非常に狭いピークです。」

-Sanghyun Sohn、Samsung Electronics

2023年、 化学のノーベル賞 量子ドットの発見と統合のために授与されました。ノーベル委員会 認識された この分野の科学者の画期的な成果 – 量子ドットはすでに展示産業や医療産業に多大な貢献をしており、電子機器、量子通信、太陽電池でより広範な用途が期待されていることに注意してください。

量子ドット – 超繊維半導体粒子 – は、サイズに応じて異なる色の光を放出し、非常に純粋で鮮やかな色合いを生成します。サムスンエレクトロニクス、世界 リーディング テレビメーカーは、ディスプレイのパフォーマンスを向上させるために、この最先端の素材を受け入れています。

サムスンのニュースルームは、ソウル国立大学（SNU）の化学物質工学部の著名な教授であるテグワン・ヒオンと一緒に座った。 Doh Chang Lee、韓国高等科学技術研究所（KAIST）の化学および生体分子工学部の教授。 Samsung ElectronicsのVisual Display Display（VD）BusinessのAdvanced Display Lab（VD）ビジネスの責任者であるSanghyun Sohnは、ディスプレイテクノロジーの新しい時代にQuantum Dotsがどのように先駆けているかを探ります。

バンドギャップを理解する

「量子ドットを理解するには、まずバンドギャップの概念を把握する必要があります。」

– ソウル国立大学のテグワン・ヒオン

電子の動きは電気を引き起こします。通常、価電子電子として知られる最も外側の電子は、この動きに関与しています。これらの電子が存在するエネルギー範囲は価数帯域と呼ばれ、電子を受け入れることができるより高い、占領されていないエネルギー範囲は伝導帯と呼ばれます。

電子はエネルギーを吸収して、価数帯域から伝導帯にジャンプできます。励起された電子がそのエネルギーを放出すると、それは価電子帯に戻ります。これら2つのバンド間のエネルギーの違い – 電子がそれらの間を移動するために得なければならないエネルギーの量 – は、バンドギャップとして知られています。

ゴムやガラスのような絶縁体には大きなバンドのギャップがあり、電子がバンド間で自由に動くのを防ぎます。対照的に、銅や銀のような導体には、原子価と伝導帯が重複しています。これにより、電子が高い電気伝導率のために自由に動くことができます。

半導体には、絶縁体と導体の間に該当するバンドギャップがあります。通常の条件下では導電率を制限しますが、電子が熱、光、または電気によって刺激されると電気伝導または光放出が可能になります。

「量子ドットを理解するには、まずバンドギャップの概念を把握する必要があります」とヒオンは言いました。材料のエネルギーバンド構造がその電気特性を決定する上で重要であることを強調しました。

量子ドット – 粒子が小さいほど、バンドギャップが大きくなります

「量子ドット粒子が小さくなるにつれて、放出された光の波長は赤から青にシフトします。」

– Doh Chang Lee、韓国先進科学技術研究所

量子ドットは、ユニークな電気的および光学的特性を備えたナノスケール半導体結晶です。ナノメートル（nm）、つまりメートルの10分の1メートルで測定されます。これらの粒子は、人間の髪の厚さのほんの数千分の1です。半導体がナノメートルスケールに縮小されると、その特性はバルク状態と比較して大幅に変化します。

バルク状態では、粒子は十分に大きいため、半導体材料の電子は、独自の波長に制限されることなく自由に移動できます。これにより、エネルギーレベル（エネルギーを吸収または放出するときに粒子が占有する状態）が、穏やかな勾配の長いスライドのように、連続スペクトルを形成することができます。量子ドットでは、粒子サイズが電子の波長よりも小さいため、電子の動きが制限されています。

ひしゃく（電子の波長に対応する帯域幅）を持つ大きなポット（バルク状態）から水（エネルギー）をすくい取ることを想像してください。ひしゃくを使用すると、ポット内の水の量をフルから空に自由に調整できます。これは、連続エネルギーレベルに相当します。ただし、ポットがティーカップのサイズ（量子ドットのように）に収縮すると、ひしゃくはもはやフィットしません。その時点で、カップはいっぱいまたは空のいずれかであることができます。これは、量子化されたエネルギーレベルの概念を示しています。

「半導体粒子がナノメートルスケールに縮小されると、エネルギーレベルは量子化されます。不連続なステップでのみ存在できます」とヒオンは言いました。 「この効果は「量子閉じ込め」と呼ばれます。また、この規模では、粒子サイズを調整することでバンドギャップを制御できます。」

粒子内の分子の数は、量子ドットのサイズが減少すると減少し、分子軌道の相互作用が弱くなります。これにより、量子閉じ込め効果が強化され、バンドギャップが増加します。¹ バンドギャップは、伝導帯から価電子バンドへの電子の緩和によって放出されるエネルギーに対応するため、放出された光の色はそれに応じて変化します。

「粒子が小さくなるにつれて、放出された光の波長は赤から青にシフトします」とリーは言いました。 「言い換えれば、量子ドットナノ結晶のサイズがその色を決定します。」

量子ドットフィルムの背後にあるエンジニアリング

「Quantum Dotフィルムは、サムスンの深い技術的専門知識の証であるQLED TVSの中核にあります。」

– Doh Chang Lee、韓国先進科学技術研究所

量子ドットは、太陽電池、光触媒、医学、量子コンピューティングなど、さまざまな分野で注目を集めています。ただし、ディスプレイ業界は、テクノロジーを成功裏に商業化した最初の業界でした。

「サムスンが量子ドットに焦点を合わせた理由の1つは、排出スペクトルの非常に狭いピークです」とSohn氏は述べています。 「それらの狭い帯域幅と強い蛍光により、それらは幅広い色の色を正確に再現するのに理想的です。」

ディスプレイテクノロジーで量子ドットを効果的に活用するには、過酷な条件下で、材料と構造が時間の経過とともに高性能を維持する必要があります。 Samsung QLEDは、量子ドットフィルムを使用してこれを達成します。

「ディスプレイの正確な色の再現は、映画が量子ドットの光学特性をどれだけうまく利用しているかに依存します」とリーは言いました。 「量子ドットフィルムは、効率的な光変換や半透明など、商業使用に関するいくつかの重要な要件を満たさなければなりません。」

Samsung QLEDディスプレイで使用される量子ドットフィルムは、非常に高温に加熱されたポリマーベースに量子ドット溶液を追加し、薄い層に広げてから硬化させることにより生成されます。これは単純に聞こえるかもしれませんが、実際の製造プロセスは非常に複雑です。

「それは、塊を作ることなくシナモンパウダーを粘着性の蜂蜜に均等に混ぜようとするようなものです。簡単な作業ではありません」とソンは言いました。 「映画全体で量子ドットを均等に分散させるには、材料、設計、処理条件などのいくつかの要因を慎重に考慮する必要があります。」

これらの課題にもかかわらず、サムスンはテクノロジーの境界を押し広げました。ディスプレイの長期的な耐久性を確保するために、同社は量子ドット用に特別に最適化された独自のポリマー材料を開発しました。

「私たちは、量子ドットを均等に分散できる水分とポリマー材料をブロックするバリアフィルムを開発することにより、量子ドット技術の広範な専門知識を構築しました」と彼は付け加えました。 「これにより、大量生産を達成しただけでなく、コストも削減しました。」

この高度なプロセスのおかげで、Samsungの量子ドットフィルムは、正確な色の表現と優れた発光効率を提供します。

「輝度は通常、nitで測定され、1つのろうそくの明るさに相当する1つのnitがあります」とSohn氏は説明しました。 「従来のLEDは約500 nitsを提供しますが、私たちの量子ドットディスプレイは2,000 nits（2,000キャンドルに相当する）に達することができます。新しいレベルの画質を達成します。」

* CIE 1930：1931年に委員会の国際的に発表された広く使用されているカラーシステム
* SRGB（標準RGB）：1996年にMicrosoftとHPによってモニターとプリンターのために協力して作成されたカラースペース
* DCI-P3（デジタルシネマイニシアチブ – プロトコル3）：デジタルプロジェクターのデジタルシネマイニシアチブによって定義されるデジタルHDRコンテンツに広く使用されているカラースペース

量子ドットを活用することにより、サムスンは明るさと色の表現の両方を大幅に強化しました。実際、Samsung Quled TVはaを達成します 色の繁殖率 DCI-P3（デジタルシネマイニシアチブ – プロトコル3）の90％を超えるカラースペース、デジタルシネマの色精度のベンチマーク。

「量子ドットを作成したとしても、それらが有用であるために長期的な安定性を確保する必要があります」とリーは言いました。 「サムスンの業界をリードしています インジウムリン化（INP）ベース 量子ドットの合成とフィルム生産技術は、サムスンの深い技術的専門知識の証です。」

本物のQLEDテレビは、量子ドットを使用して色を作成します

「量子ドットテレビの正当性は、量子閉じ込め効果を活用するかどうかにあります。」

– ソウル国立大学のテグワン・ヒオン

量子ドットへの関心が業界全体で成長するにつれて、さまざまな製品が市場に参入しています。それにもかかわらず、すべての量子ドット標識テレビが等しいわけではありません。量子ドットは実際の画質に十分に貢献する必要があります。

「量子ドットテレビの正当性は、量子閉じ込め効果を活用するかどうかにある」とヒオンは述べた。 「最初の基本的な要件は、量子ドットを使用して色を作成することです。」

「真の量子ドットテレビと見なされるには、量子ドットはコア光の変換または一次光発光素材のいずれかとして機能する必要があります」とリーは言いました。 「光を変換する量子ドットの場合、ディスプレイには、バックライトユニットから放出される青色光を吸収および変換するために、適切な量の量子ドットを含める必要があります。」

「量子ドットフィルムには、効果的に機能するのに十分な量の量子ドットが含まれている必要があります」と繰り返しのSohnは、量子ドット含有量の重要性を強調しました。 「Samsung QLEDでは、量子ドット材料の300万パート（ppm）以上を使用しています。赤と緑の色の100％は量子ドットで作られています。」

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

Samsungは2001年にQuantum Dot Technologyの開発を開始し、2015年に世界初の非カドミウム量子ドットテレビであるSuhd TVを導入しました。 2017年、同社はプレミアムQLEDラインナップを開始し、Quantum Dotディスプレイ業界でのリーダーシップをさらに強化しました。

このインタビューシリーズの第2部では、Samsung Newsroomは、Samsungが商業化された量子ドットディスプレイテクノロジーだけでなく、カドミウムを含まない量子ドット素材を開発した方法を詳しく調べます。

¹ 半導体材料がバルク状態にある場合、バンドギャップは材料の特徴的な値に固定されたままであり、粒子サイズに依存しません。