Pada tahun 2023, penemuan dan sintesis quantum dot telah meraih hadiah Nobel untuk bidang kimia. Penghargaan tersebut merupakan wujud pengakuan Komite Nobel terhadap pencapaian luar biasa para ilmuwan di bidang ini, yang menekankan bahwa quantum dot telah memberikan kontribusi signifikan pada industri layar dan medis, dan diperkirakan akan diterapkan secara lebih luas ke bidang elektronik, komunikasi kuantum, dan sel surya.
Quantum dot — partikel semikonduktor yang sangat kecil — memancarkan warna cahaya yang berbeda-beda tergantung pada ukurannya, menghasilkan warna yang sangat murni dan tajam. Samsung Electronics, produsen TV terkemuka di dunia, telah menggunakan material mutakhir ini untuk meningkatkan performa layarnya.
Samsung Newsroom berbincang dengan Taeghwan Hyeon, profesor terkemuka di Department of Chemical and Biological Engineering di Seoul National University (SNU); Doh Chang Lee, profesor di Department of Chemical and Biomolecular Engineering di Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST); dan Sanghyun Sohn, Head of Advanced Display Lab, Visual Display (VD) Business di Samsung Electronics, untuk mengupas bagaimana quantum dot telah membawa kita memasuki era baru dalam teknologi layar.
Memahami Band Gap
“Untuk memahami quantum dot, kita harus terlebih dahulu memahami konsep band gap.”— Taeghwan Hyeon, Seoul National University
Pergerakan elektron menghasilkan listrik. Biasanya, elektron terluar — yang dikenal sebagai elektron valensi — terlibat dalam pergerakan ini. Rentang energi tempat elektron ini berada disebut valence band (pita valensi), sementara rentang energi yang lebih tinggi dan belum terisi yang dapat menerima elektron disebut conduction band (pita konduksi).
Sebuah elektron dapat menyerap energi untuk melompat dari valence band ke conduction band. Saat elektron itu melepaskan energinya, ia akan jatuh kembali ke valence band. Perbedaan energi antara kedua band (pita) ini — jumlah energi yang harus diserap atau dilepaskan oleh elektron untuk berpindah di antara keduanya — dikenal sebagai band gap (celah pita).
▲ Perbandingan struktur band (pita) energi pada insulator, semikonduktor, dan konduktor
Insulator seperti karet dan kaca memiliki band gap (celah pita) yang besar, sehingga mencegah elektron bergerak bebas di antara band (pita). Sebaliknya, konduktor seperti tembaga dan perak memiliki valence band dan conduction band yang saling tumpang tindih — memungkinkan elektron bergerak bebas menghasilkan konduktivitas listrik yang tinggi.
Semikonduktor memiliki band gap yang berada di antara insulator dan konduktor — membatasi konduktivitas dalam kondisi normal, tetapi memungkinkan konduksi listrik atau emisi cahaya saat elektron dirangsang oleh panas, cahaya, atau listrik.
“Untuk memahami quantum dot, kita harus terlebih dahulu memahami konsep band gap,” kata Hyeon, menekankan bahwa struktur energy band (pita energi) pada suatu materi sangat penting dalam menentukan sifat kelistrikannya.
Quantum Dot – Semakin Kecil Partikelnya, Semakin Besar Band Gap-nya (Celah Pita)
“Ketika partikel quantum dot menjadi lebih kecil, panjang gelombang cahaya yang dipancarkan bergeser dari merah ke biru.”— Doh Chang Lee, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
Quantum dot adalah kristal semikonduktor berskala nano yang memiliki sifat listrik dan optik yang unik. Diukur dalam nanometer (nm) — atau sepermiliar meter — partikel-partikel ini hanya seperseribu ketebalan rambut manusia. Ketika ukuran semikonduktor diperkecil hingga skala nanometer, sifat-sifatnya berubah secara signifikan dibandingkan ketika masih dalam ukuran sebelumnya.
Dalam ukuran lebih besar (bulk state), partikelnya cukup besar sehingga elektron dalam bahan semikonduktor dapat bergerak bebas tanpa dibatasi oleh panjang gelombangnya sendiri. Hal ini memungkinkan tingkat energi — keadaan yang ditempati partikel saat menyerap atau melepaskan energi — untuk membentuk spektrum yang kontinu, seperti sebuah perosotan panjang dengan kemiringan yang landai. Dalam quantum dot, pergerakan elektron dibatasi karena ukuran partikel lebih kecil dari panjang gelombang elektron.
▲ Ukuran menentukan band gap dalam quantum dot
Bayangkan Anda sedang menyendok air (energi) dari sebuah panci besar (bulk state) menggunakan sendok (bandwidth yang sesuai dengan panjang gelombang elektron). Dengan sendok ini, Anda dapat dengan bebas mengatur jumlah air dalam panci, dari penuh hingga kosong — ini setara dengan tingkat energi yang berkelanjutan. Namun, ketika ukuran panci menyusut hingga seukuran cangkir teh — seperti quantum dot — sendok tidak lagi muat. Dalam kondisi ini, cangkir hanya bisa penuh atau kosong. Hal ini menggambarkan konsep tingkat energi yang terkuantisasi.
“Ketika partikel semikonduktor direduksi hingga skala nanometer, tingkat energinya menjadi terkuantisasi — mereka hanya dapat eksis dalam langkah-langkah yang terputus-putus,” kata Hyeon. “Efek ini disebut quantum confinement (pembatasan/pengurungan kuantum). Dan pada skala ini, band gap dapat dikendalikan dengan menyesuaikan ukuran partikel.”
Jumlah molekul di dalam partikel akan menurun seiring berkurangnya ukuran quantum dot, menghasilkan interaksi molecular orbital yang lebih lemah. Hal ini memperkuat efek quantum confinement (pembatasan/pengurungan kuantum) dan meningkatkan band gap[1]. Karena band gap berkaitan dengan energi yang dilepaskan melalui relaksasi elektron dari conduction band ke valence band, maka warna cahaya yang dipancarkan pun akan berubah.
“Saat partikel menjadi lebih kecil, panjang gelombang cahaya yang dipancarkan berpindah dari merah ke biru,” kata Lee. “Dengan kata lain, ukuran nanokristal quantum dot akan menentukan warnanya.”
Engineering di Balik Film Quantum Dot
“Film quantum dot adalah inti dari TV QLED — bukti keahlian teknis Samsung yang mendalam.”
— Doh Chang Lee, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
Quantum dot telah menarik perhatian di berbagai bidang, termasuk sel surya, fotokatalisis, medis, dan komputasi kuantum. Namun, industri layaradalah yang pertama berhasil mengkomersialkan teknologi ini.
“Salah satu alasan Samsung berfokus pada quantum dot adalah karena puncak spektrum emisinya yang sangat sempit,” kata Sohn. “Bandwidth yang sempit dan fluorescence yang kuat membuatnya ideal untuk mereproduksi spektrum warna yang luas secara akurat.”
▲ Quantum dot menghasilkan warna merah, hijau, dan biru (RGB) yang sangat murni dengan mengontrol cahaya pada skala nano, menghasilkan bandwidth yang sempit dan fluorescence yang kuat.
Untuk memanfaatkan quantum dot secara efektif dalam teknologi layar, material dan struktur harus mampu mempertahankan performa tinggi dari waktu ke waktu, bahkan dalam kondisi ekstrem. Samsung QLED mencapai hal ini melalui penggunaan lapisan film quantum dot.
“Reproduksi warna yang akurat dalam sebuah layartergantung pada seberapa baik film itu memanfaatkan sifat optik dari quantum dot,” kata Lee. “Film quantum dot harus memenuhi beberapa persyaratan utama untuk penggunaan komersial, seperti konversi cahaya dan translucence yang efisien.”
▲ Sanghyun Sohn
Film quantum dot yang digunakan di layar Samsung QLED diproduksi dengan menambahkan larutan quantum dot ke dasar polimer yang dipanaskan pada suhu yang sangat tinggi, lalu menyebarkannya menjadi lapisan tipis dan kemudian mengawetkannya. Meskipun terdengar sederhana, proses manufaktur yang sebenarnya sangat kompleks.
“Ibarat mencoba mencampur bubuk kayu manis ke dalam larutan madu yang lengket tanpa membentuk gumpalan — itu bukan tugas yang mudah,” kata Sohn. “Untuk menyebarkan quantum dot secara merata ke seluruh lapisan film, berbagai faktor seperti material, desain, dan kondisi pemrosesan harus dipertimbangkan dengan cermat.”
Terlepas dari tantangan ini, Samsung mendorong batas teknologi tersebut. Untuk memastikan daya tahan jangka panjang pada layarnya, perusahaan mengembangkan material polimer eksklusif yang dioptimalkan secara khusus untuk quantum dot.
“Kami telah membangun keahlian yang ekstensif dalam teknologi quantum dot dengan mengembangkan barrier film (film penghalang) yang mampu menghalangi kelembapan dan bahan polimer yang mampu menyebarkan quantum dot secara merata,” tambahnya. “Melalui hal ini, kami tidak hanya berhasil mencapai produksi massal, tetapi juga mengurangi biaya.”
Berkat proses canggih ini, lapisan film quantum dot Samsung menghasilkan ekspresi warna yang presisi dan efisiensi cahaya yang luar biasa — semuanya didukung oleh daya tahan terbaik di industri.
“Tingkat kecerahan biasanya diukur dalam satuan nit, di mana satu nit setara dengan terang satu buah lilin,” jelas Sohn. “Sementara LED konvensional menghasilkan sekitar 500 nit, namun layarquantum dot kami dapat mencapai 2.000 nit atau lebih — setara dengan 2.000 lilin — sehingga menghasilkan level baru untuk kualitas gambar.”
▲ Perbandingan gamut warna RGB antara spektrum cahaya yang tampak, sRGB, dan DCI-P3 dalam ruang warna CIE 1931
*CIE 1931: Sistem warna yang banyak digunakan dan diumumkan pada tahun 1931 oleh Commission internationale de l’éclairage.
*sRGB (standard RGB): Ruang warna yang dibuat secara bersama oleh Microsoft dan HP pada tahun 1996 untuk monitor dan printer.
*DCI-P3 (Digital Cinema Initiatives – Protocol 3): Ruang warna yang banyak digunakan untuk konten HDR digital, didefinisikan oleh Digital Cinema Initiatives untuk proyektor digital.
Dengan memanfaatkan teknologi quantum dot, Samsung telah secara signifikan meningkatkan tingkat kecerahan dan ekspresi warna — menghadirkan pengalaman visual yang belum pernah ada sebelumnya. Faktanya, TV QLED Samsung mampu mencapai tingkat reproduksi warna lebih dari 90% dari ruang warna DCI-P3 (Digital Cinema Initiatives – Protocol 3), yang menjadi tolok ukur akurasi warna dalam sinema digital.
“Meski Anda sudah berhasil membuat quantum dot, Anda tetap harus memastikan stabilitas jangka panjang agar teknologi ini benar-benar berguna,” ujar Lee. “Teknologi sintesis quantum dot berbasis indium phosphide (InP) dan teknologi produksi film Samsung yang terdepan di industri adalah bukti keahlian teknis mendalam dari Samsung.”
TV QLED Sejati Menggunakan Quantum Dot untuk Menciptakan Warna
“Legitimasi dari sebuah TV quantum dot terletak pada apakah TV ini benar-benar memanfaatkan efek quantum confinement atau tidak.”— Taeghwan Hyeon, Universitas Nasional Seoul
Seiring meningkatnya minat terhadap quantum dot di seluruh industri, berbagai produk telah memasuki pasar. Meskipun demikian, tidak semua TV yang berlabel quantum dot memiliki kualitas yang sama — quantum dot harus benar-benar memberikan kontribusi signifikan terhadap kualitas gambar yang dihasilkan.
▲ Taeghwan Hyeon
“Legitimasi sebuah TV quantum dot terletak pada apakah TV ini benar-benar memanfaatkan efek quantum confinement atau tidak,” kata Hyeon. “Syarat mendasar yang pertama adalah penggunaan quantum dot untuk menciptakan warna.”
“Untuk dapat dianggap sebagai TV quantum dot sejati, quantum dot harus berfungsi sebagai inti dari pengkonversi cahaya atau materi utama pemancar cahaya,” ujar Lee. “Dalam hal quantum dot sebagai pengkonversi cahaya, layarharus mengandung jumlah quantum dot yang memadai untuk menyerap dan mengubah cahaya biru yang dipancarkan oleh unit backlight (pencahayaan latar).”
▲ Doh Chang Lee
“Film quantum dot harus mengandung jumlah quantum dot yang cukup agar dapat berfungsi secara efektif,” ulang Sohn, menekankan pentingnya kandungan quantum dot. “Samsung QLED menggunakan lebih dari 3.000 parts per million (ppm) material quantum dot. 100% warna merah dan hijau dihasilkan melalui quantum dot.”
Samsung mulai mengembangkan teknologi quantum dot pada tahun 2001 dan, pada tahun 2015, memperkenalkan TV quantum dot pertama di dunia tanpa kandungan kadmium — TV SUHD. Pada tahun 2017, perusahaan meluncurkan jajaran QLED premium, yang semakin memperkuat kepemimpinannya dalam industri layarberbasis quantum dot.
Dalam bagian kedua dari seri wawancara ini, Samsung Newsroom akan mengulas lebih dalam tentang bagaimana Samsung tidak hanya mengomersialkan teknologi layar quantum dot, tetapi juga mengembangkan material quantum dot yang bebas kadmium — sebuah inovasi yang diakui oleh para peneliti peraih Nobel di bidang kimia.
[1] Ketika bahan semikonduktor berada dalam bulk state, band gap tetap konstan pada nilai yang menjadi karakteristik dari bahan tersebut dan tidak bergantung pada ukuran partikel.
