サムスンのエンジニアリング偉業がどのように科学的および業界の進歩の触媒になったか [Interview on Real Quantum Dots Part 2.]

「サムスンのQLEDテクノロジーは、化学のノーベル賞に必要な認識のレベルに量子ドットをもたらす上で重要な役割を果たしました。」

– ソウル国立大学のテグワン・ヒオン

量子ドットは、過去10年間にわたってディスプレイイノベーションの最前線にあり、既存の材料間で最も正確な色の再現のいくつかを提供しています。で 2015年、Samsung Electronicsは、SUHD TVSの発売で量子ドットの商業化の道を開きました。これは、世界初の導入により、量子ドット合成で伝統的に使用されている重金属であるCadmium（CD）の使用を超えて移動したブレークスルーです。 カドミウムなし 量子ドットテクノロジー。

学問の世界は注目しました。カドミウムを含まない量子ドットテレビの商業化の成功は、研究開発のための新しい方向性を設定するだけでなく、2023年の授与において極めて重要な役割を果たしました 化学のノーベル賞 量子ドットの発見と合成のため。

続く パート1、サムスンニュースルームは、材料革新の画期的な進歩を通じて、サムスンがどのように学界に貢献したかを明らかにしています。

カドミウムが量子ドット研究の出発点であった理由

「Samsungが非カドミウム量子ドットディスプレイ製品の商業化に成功したことに本当に感銘を受けました。」

– ソウル国立大学のテグワン・ヒオン

Quantum Dotsは、1980年代にNanocrystals Technologyの元チーフサイエンティストであるAleksey Yeekimovと、コロンビア大学の化学部門の名誉教授であるLouis E. Brusが、それぞれ量子閉じ込め効果と量子ドットのサイズ依存光学特性に関する研究を発表したときに科学的関心を集め始めました。

勢いが加速しました 1993年 マサチューセッツ工科大学（MIT）の化学科の教授であるMoungi Bawendiが、量子ドットを合成するための信頼できる方法を開発したとき。で 2001年、ソウル国立大学（SNU）の化学生物工学部の著名な教授であるテグワン・ヒオンは、サイズ選択的分離を必要とせずに均一なナノ粒子を生産するための技術である「ヒートアッププロセス」を発明しました。で 2004年、ヒオンは、アカデミックジャーナル自然資料でスケーラブルな生産方法を公開しました。これは、業界の潜在的なゲームチェンジャーと広く見なされている発見です。

しかし、これらの努力はすぐに商業化につながりませんでした。当時、量子ドットは、カドミウム（CD）にコア材料として大きく依存していました。これは、人間に有害であることが知られている物質であり、欧州連合の有害物質（ROHS）指令の下で制限された材料として指定されています。

「現在、量子ドットを確実に生成できる唯一の材料は、セレン化物カドミウム（CDSE）とリン化インジウム（INP）です」とヒオンは説明しました。 「従来の量子ドット材料であるカドミウムセレン化物は、グループIIとグループVI要素の化合物であり、インジウムリン化インジウムはグループIIIおよびグループV要素から形成されます。グループIIとVI要素からの量子ドットの合成は比較的簡単ですが、グループIIIとV要素を組み合わせて、化学的にはるかに複雑です。」

2つの原子価電子を持つ元素であるカドミウムは、強いイオン結合を形成します¹ セレン（SE）、硫黄（S）、テルリウム（TE）などの元素があります。それぞれに6つの価電子があります。これらの組み合わせは、II – VI半導体として知られる安定した半導体をもたらし、比較的低い温度でも高品質のナノクリスタルを生成する能力のために研究で長い間好まれてきた材料をもたらします。その結果、量子ドット合成におけるカドミウムの使用は、長年にわたって学術基準と見なされていました。

対照的に、インジウム（in） – 3つの原子価電子を持つカドミウムの代替品 – 共有結合を形成する² 5つの原子価電子を持つリン（P）などの元素があります。共有結合は一般にイオン結合よりも安定性が低く、方向性の性質を持ち、ナノ結晶合成中の欠陥の可能性を高めます。これらの特性により、インジウムは研究と大量生産の両方で扱うべき挑戦的な資料になりました。

「リン化インジウムから作られた量子ドットで高い結晶性を達成することは困難です」とリーは指摘しました。 「商業化に必要な品質基準を満たすには、複雑で厳しい合成プロセスが必要です。」

妥協はありません – ブレークスルーから大量生産まで

「消費者の安全性に関しては、妥協の余地はありません。」

-Sanghyun Sohn、Samsung Electronics

しかし、サムスンは別のアプローチを取りました。

「2001年から量子ドットテクノロジーの研究と開発を行っていました」と、Samsung ElectronicsのVisual Display Display（VD）ビジネスのAdvanced Display Lab（VD）ビジネスの責任者であるSanghyun Sohn氏は述べています。 「しかし、早い段階で、私たちはカドミウム（人体に有害）は商業化には適していないと判断しました。一部の国の規制は、技術的には電子製品のカドミウム（ppm）の最大100パート（ppm）を許可していますが、サムスンは最初からゼロカドミウムポリシーを採用しました。

サムスンの「安全性に妥協しない」という原則に対する長年のコミットメントが最前線に来ました 2014年 同社が世界初の非カドミウム量子ドット材料を成功裏に開発したとき。耐久性と画質の両方を確保するために、サムスンは、酸素や光などの外部因子からリン酸インジウムナノ粒子を保護するトリプル層保護コーティング技術を導入しました。翌年、サムスンは、ノーカドミウム量子ドットを備えた世界初の商業SUHDテレビを立ち上げました。これは、ディスプレイ業界のパラダイムシフトと2000年代初頭に始まった研究努力の頂点です。

「インジウムリン化ベースの量子ドットは本質的に不安定であり、カドミウムベースのカウンターパートと比較して合成がより困難であり、当初はカドミウムベースの量子ドットの性能の約80％しか達成していません」とSohn氏は述べています。 「しかし、Samsung Advanced Institute of Technology（SAIT）での集中的な開発プロセスを通じて、パフォーマンスを100％に引き上げ、10年以上にわたって信頼性を確保しました。」

Samsung QLEDSで見つかった量子ドットは、3つの重要なコンポーネントで構成されています。これは、光が放出されるコアです。コアを保護し、その構造を安定させるシェル。リガンド、シェルの外側の酸化安定性を高めるポリマーコーティング。量子ドットテクノロジーの本質は、これらの3つの要素のシームレスな統合にあります。これは、材料の獲得と統合から大量生産、および多数の特許の提出に及ぶ高度な産業プロセスです。

「コア、シェル、リガンドの3つのコンポーネントのいずれも見落とすことはできません」とリーは付け加えました。 「リン化インジウム合成のためのサムスンの技術は顕著です。」

「ラボでテクノロジーを開発すること自体は課題ですが、商業化には、製品の安定性と一貫した色の品質を確保するために、まったく異なるレベルの労力が必要です」とヒオンは述べています。 「Samsungが非カドミウム量子ドットディスプレイ製品の商業化に成功したことに本当に感銘を受けました。」

量子ドット標準の設定

「学術コミュニティの研究動向は、サムスンの量子ドットテレビのリリースの前後に顕著に変化しました。」

– Doh Chang Lee、 韓国先進科学技術研究所

量子ドットの光学特性は、太陽電池、医学、量子コンピューティングなど、広範囲のフィールドに適用されています。ただし、Quantum Dotディスプレイは、これまでで最も積極的に研究され、広く商品化されたアプリケーションのままです。サムスンは先駆者として浮上しています。

長年の基礎的な研究とそのsuhdテレビの導入に基づいて、SamsungはQLED TVSを開始しました 2017年 プレミアムディスプレイの新しい標準を設定します。 2022年、同社はQD-OLED TVSのデビューでイノベーションをさらに推進しました。これは、量子ドットとOLED構造を組み合わせた世界初のディスプレイです。

QD-OLEDは、量子ドットをOLEDの自己放棄構造に統合する次世代ディスプレイテクノロジーです。このアプローチにより、応答時間の速い、より深い黒人、より高いコントラスト比が可能になります。 SamsungのQD-OLEDは、今年のディスプレイを授与されました 2023 Society for Information Display（SID）、Display Technologies専用の世界最大の組織。

「サムスンは、インジウムリン化ベースの量子ドットテレビで市場をリードしただけでなく、OLEDで量子ドットを成功裏に統合および商業化した唯一の企業でもあります」とSohn氏は述べています。 「量子ドットテクノロジーにおけるリーダーシップを活用することにより、ディスプレイイノベーションの未来を主導し続けます。」

「学術コミュニティの研究動向は、サムスンの量子ドットテレビのリリースの前後に顕著に変化しました」と、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であるDoh Chang Lee氏は述べています。 「発売以来、ディスプレイテクノロジーを通じて実際の実装の可能性を反映して、議論は素材自体ではなく実用的なアプリケーションにますます焦点を当ててきました。」

「光触媒を含むさまざまな分野で量子ドットを適用しようとする多くの試みがありました」と彼は付け加えました。 「しかし、これらの努力は、ディスプレイでの使用と比較して初期段階に残ります。」

ヒオンはまた、サムスンの量子ドットテレビの商業化が成功したことで、バウェンディ、ブルース、エキモフが2023年のノーベル化学賞を受賞する道を開くのに役立ったと述べました。

「ノーベル賞の最も重要な基準の1つは、商業化を通じてテクノロジーが人類に貢献した程度です」と彼は言いました。 「サムスンのQLEは、ナノテクノロジーの最も重要な成果の1つを表しています。商業化がなければ、量子ドットがノーベルの認識を得ることは困難でした。」

明日のディスプレイに対するサムスンのビジョン

QLED TVSの発売以来、Samsungは産業と学界の両方で量子ドット技術の成長を加速してきました。量子ドットディスプレイの将来について尋ねられたとき、専門家は今後の洞察を共有しました。

「次世代技術として、私たちは現在、自己放棄の量子ドットを探求しています」とSohn氏は言います。 「これまで、量子ドットは外部の光源に依存して赤と緑を表現していました。今後、電気発光を介して独立して光を放出する量子ドットを開発することを目指しています。

「エレクトロルミネセント材料により、デバイスコンポーネントのサイズを縮小できるようになるため、仮想および拡張現実アプリケーションに必要な高解像度、効率、明るさを実現することができます」と、ディスプレイの将来の大きな変化を予測するLee氏は述べています。

「良いディスプレイは、視聴者がディスプレイとして認識していないものです」とSohn氏は言います。 「究極の目標は、現実と見分けがつかないと感じる体験を提供することです。Quantum Dot Display Innovationのリーダーとして、私たちは誇らしげに前進し続けます。」

継続的なリーダーシップと大胆な技術ビジョンにより、サムスンはディスプレイの未来を形作り、量子ドットで可能なことを書き直しています。

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

¹ イオン結合とは、電子が原子間で伝達されると形成された化学結合であり、電気引力によって一緒に保持されるイオンを作成します。
² 共有結合は、2つの原子が電子を共有する化学結合です。