Pada tahun 2015, Samsung membuka jalan bagi komersialisasi teknologi quantum dot melalui peluncuran TV SUHD. Ini sebuah terobosan yang melampaui penggunaan kadmium (Cd), logam berat yang sebelumnya lazim digunakan dalam sintesis quantum dot.

Ya, Samsung menghadirkan teknologi quantum dot bebas kadmium pertama di dunia. Dunia akademik pun menaruh perhatian dengan inovasi yang dilakukan oleh raksasa elektronik asal Korea Selatan itu.

Keberhasilan komersialisasi TV quantum dot bebas kadmium tidak hanya menetapkan arah baru bagi penelitian dan pengembangan, tetapi juga memainkan peran penting dalam penganugerahan Nobel Kimia 2023 untuk penemuan dan sintesis quantum dot.

Mengapa Kadmium Menjadi Titik Awal Penelitian Quantum Dot

Quantum dot mulai menarik perhatian dunia ilmiah pada tahun 1980-an melalui penelitian yang dilakukan Aleksey Yekimov, mantan Kepala Ilmuwan di Nanocrystals Technology Inc., dan Louis E. Brus, profesor emeritus di Departemen Kimia Universitas Columbia.

Masing-masing peneliti tersebut mempublikasikan penelitian yang dilakukan mengenai efek quantum confinement dan sifat optik quantum dot yang bergantung pada ukuran partikel. Perkembangan ini semakin pesat pada tahun 1993 melalui Moungi Bawendi.

Profesor di Departemen Kimia Massachusetts Institute of Technology (MIT) itu mengembangkan metode sintesis quantum dot yang andal. Selanjutnya, pada 2001, Taeghwan Hyeon melakukan sebuah gebrakan yang menarik.

Profesor terkemuka dari Departemen Teknik Kimia dan Biologi Universitas Nasional Seoul (SNU) itu menciptakan metode “heat-up process”. Ini sebuah teknik untuk memproduksi nanopartikel secara seragam tanpa perlu proses pemisahan ukuran.

Selanjutnya, pada tahun 2004, Hyeon menerbitkan metode produksi skala besar tersebut di jurnal akademik Nature Materials. Ini sebuah penemuan yang secara luas dianggap berpotensi merevolusi industri.

Kadmium, unsur dengan dua elektron valensi, membentuk ikatan ionik yang kuat dengan unsur seperti selenium (Se), sulfur (S), dan tellurium (Te), yang masing-masing memiliki enam elektron valensi.

Kombinasi tersebut menghasilkan semikonduktor yang stabil, dikenal sebagai semikonduktor II–VI, yaitu material yang telah lama digemari dalam penelitian karena kemampuannya menghasilkan nanokristal berkualitas tinggi bahkan pada suhu yang relatif rendah.

Alasan inilah, penggunaan kadmium dalam sintesis quantum dot dianggap sebagai standar akademik selama bertahun-tahun. Sebaliknya, indium (In) — alternatif kadmium dengan tiga elektron valensi membentuk ikatan kovalen dengan unsur fosfor (P), yang memiliki lima elektron valensi.

Ikatan kovalen umumnya kurang stabil dibandingkan ikatan ionik dan memiliki sifat arah, yang meningkatkan kemungkinan terjadinya cacat selama proses sintesis nanokristal. Karakteristik ini menjadikan indium sebagai material yang menantang, baik dalam penelitian maupun produksi massal.

 “Sulit untuk mencapai tingkat kristalinitas tinggi pada quantum dot berbahan dasar indium phosphide,” jelas Doh Chang Lee,” Departmen of Chemical and Biomolecular Engineering at The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST).

Ditambahkan oleh Lee dalam wawancara yang ditulis di Samsung Newsroom bahwa ini diperlukan proses sintesis yang sangat kompleks dan menuntut agar bisa memenuhi standar kualitas yang diperlukan untuk komersialisasi.

Tanpa Kompromi – Dari Terobosan Menuju Produksi Massal

Namun, Samsung memilih pendekatan yang berbeda. Hal ini pun dijelaskan lebih detail oleh Sanghyun Sohn, Kepala Advanced Display Lab, Visual Display (VD) Business di Samsung Electronics. 

“Samsung telah melakukan riset dan pengembangan teknologi quantum dot sejak tahun 2001. Namun sejak awal, kami menyadari bahwa kadmium — yang berbahaya bagi tubuh manusia — tidak cocok untuk dikomersialkan,” ujar Shon.

Dijelaskan lebih lanjut oleh Shon, walaupun beberapa negara secara teknis masih mengizinkan hingga 100 bagian per sejuta (ppm) kandungan kadmium dalam produk elektronik, Samsung sejak awal mengadopsi kebijakan zero-cadmium.

“Tidak ada kadmium, tidak ada kompromi! Itulah strategi kami. Tidak ada ruang untuk berkompromi dalam hal keselamatan konsumen yang memang sudah menjadi komitmen Samsung,” tegas Shon.

Komitmen jangka panjang Samsung terhadap prinsip “Tanpa Kompromi terhadap Keselamatan” mencapai puncaknya pada tahun 2014 ketika perusahaan berhasil mengembangkan material quantum dot bebas kadmium pertama di dunia.

Untuk memastikan daya tahan dan kualitas gambar, Samsung memperkenalkan teknologi pelapisan pelindung tiga lapis yang melindungi nanopartikel indium phosphide dari faktor eksternal seperti oksigen dan cahaya.

Setahun kemudian, Samsung meluncurkan SUHD TV komersial pertama di dunia dengan teknologi quantum dot bebas kadmium. Ini adalah sebuah perubahan besar dalam industri layar dan puncak dari perjalanan riset yang dimulai sejak awal 2000-an.

“Quantum dot berbasis indium phosphide secara alami tidak stabil dan lebih sulit disintesis dibandingkan dengan quantum dot berbasis kadmium, awalnya hanya mampu mencapai sekitar 80% dari performa quantum dot berbasis kadmium,” ujar Sohn.

Ditambahkan oleh Shon bahwa melalui proses pengembangan intensif di Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT), Samsung berhasil meningkatkan performanya hingga 100% dan memastikan keandalannya selama lebih dari 10 tahun.

Quantum dot yang ada di Samsung QLED terdiri dari tiga komponen utama, yakni inti (core) tempat cahaya dipancarkan, cangkang (shell) yang melindungi inti dan menstabilkan strukturnya, serta ligan, yaitu lapisan polimer yang meningkatkan stabilitas terhadap oksidasi di luar cangkang.

Esensi dari teknologi quantum dot terletak pada integrasi menyeluruh dari ketiga elemen ini, melalui proses industri canggih yang mencakup mulai dari pengadaan bahan, sintesis, produksi massal, hingga pengajuan berbagai paten. 

 “Tidak ada satu pun dari ketiga komponen — inti, cangkang, atau ligan — yang bisa diabaikan. Teknologi Samsung dalam sintesis indium phosphide yang berhasil dikembangkan memang sangat luar biasa,” ujar Lee.

Sementara itu, Hyeon mengatakan bahwa mengembangkan teknologi di laboratorium sudah merupakan tantangan tersendiri, namun mengkomersialkannya memerlukan upaya yang sama sekali berbeda agar produk tetap stabil dan kualitas warnanya konsisten.

“Tentu saja, saya sangat terkesan dengan inovasi yang dilakukan oleh Samsung, yakni berhasil mengkomersialkan produk layar quantum dot bebas kadmium. Inovasi ini pun kini sudah bisa dirasakan secara komersial,” ujar Hyeon.

Menetapkan Standar Quantum Dot

Sifat optik dari quantum dot kini dimanfaatkan di berbagai bidang, termasuk panel surya, kedokteran, dan komputasi kuantum. Namun hingga saat ini, aplikasi yang paling banyak diteliti dan berhasil dikomersialkan secara luas adalah pada tampilan layar.

Dengan landasan riset bertahun-tahun dan peluncuran SUHD TV, Samsung memperkenalkan QLED TV pada tahun 2017 dan menetapkan standar baru untuk layar premium. Inovasi ini terus dilanjutkan, hingga pada tahun 2022, Samsung memperkenalkan QD-OLED TV.

Ini adalah layar pertama di dunia yang menggabungkan quantum dot dengan struktur OLED. Ya, QD-OLED adalah teknologi layar generasi terbaru yang mengintegrasikan quantum dot ke dalam struktur OLED yang memancarkan cahaya sendiri (self-emissive).

Pendekatan ini memungkinkan waktu respons yang lebih cepat, warna hitam yang lebih pekat, dan rasio kontras yang lebih tinggi. QD-OLED dari Samsung dianugerahi Display of the Year 2023 oleh Society for Information Display (SID).

“Samsung tidak hanya memimpin pasar dengan TV quantum dot berbasis indium phosphide, tetapi juga menjadi satu-satunya perusahaan yang berhasil mengintegrasikan dan mengkomersialkan quantum dot dalam teknologi OLED,” ujar Sohn.

Sementara, Lee menambahkan bahwa tren riset di kalangan akademisi mengalami pergeseran yang signifikan sebelum dan sesudah peluncuran TV quantum dot Samsung, Sejak diluncurkan, diskusi semakin berfokus pada penerapan praktis dibandingkan material itu sendiri.

“Sudah banyak upaya menerapkan quantum dot dalam berbagai bidang, termasuk fotokatalisis,” Namun, upaya-upaya tersebut masih dalam tahap awal jika dibandingkan dengan penggunaannya dalam teknologi layar,” jelas Lee.

Selain itu, Hyeon juga menyoroti bahwa keberhasilan komersialisasi TV quantum dot yang diciptakan oleh Samsung membantu membuka jalan bagi Bawendi, Brus, dan Yekimov untuk menerima Nobel Kimia 2023.

“Salah satu kriteria terpenting dalam penghargaan Nobel adalah sejauh mana sebuah teknologi memberikan kontribusi nyata bagi umat manusia melalui komersialisasi. QLED dari Samsung merupakan salah satu pencapaian paling signifikan dalam bidang nanoteknologi,” jelas Hyeon.

Visi Samsung untuk Layar Masa Depan

Sejak peluncuran TV QLED-nya, Samsung terus mempercepat perkembangan teknologi quantum dot di industri maupun akademisi. Ketika ditanya tentang masa depan layar quantum dot, para ahli pun membagikan pandangan mereka.

“Sebagai teknologi generasi berikutnya, kami saat ini tengah mengeksplorasi quantum dot yang dapat memancarkan cahaya sendiri. Selama ini, quantum dot mengandalkan sumber cahaya eksternal untuk menampilkan warna merah dan hijau,” jelas Sohn

Ke depannya, Sohn menambahkan bahwa Samsung ingin mengembangkan quantum dot yang dapat memancarkan cahaya secara mandiri melalui proses elektroluminesensi. Samsung juga tengah mengembangkan quantum dot warna biru.

“Karena material elektroluminesen memungkinkan penyusutan ukuran komponen perangkat, kita akan mampu mencapai resolusi tinggi, efisiensi, dan tingkat kecerahan yang dibutuhkan untuk aplikasi virtual dan augmented reality,” kata Lee.

Sohn juga menambahkan bahwa layar yang baik adalah layar yang bahkan tidak disadari keberadaannya oleh pemirsa. Tujuan akhir Samsung adalah menghadirkan pengalaman yang terasa begitu nyata, hingga tak bisa dibedakan dari kenyataan.

Dengan kepemimpinan yang konsisten dan visi teknologi yang berani, Samsung tengah membentuk masa depan teknologi layar dan menulis ulang batas kemungkinan dengan quantum dot.