Mengenal Apa Itu Quantum Dot, Teknologi Revolusioner Samsung QLED yang Dapat Pengakuan Nobel

Liputan6.com, Jakarta - Untuk meningkatkan performa layar QLED, Samsung menggunakan material Quantum dot, partikel semikonduktor sangat kecil yang telah meraih hadiah Nobel untuk bidang kimia.

Teknologi ini diklaim mampu memancarkan warna cahaya berbeda-beda (tergantung pada ukurannya), juga menghasilkan warna yang sangat murni dan tajam.

"Untuk memahami quantum dot, kita harus terlebih dahulu memahami konsep band gap," kata Taeghwan Hyeon, profesor di Department of Chemical and Biological Engineering di Seoul National University (SNU).

Ia menekankan bahwa struktur energy band (pita energi) pada suatu materi sangat penting dalam menentukan sifat kelistrikannya.

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).

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.

Lantas, apa itu Quantum Dot? Untuk mengetahui lebih lanjut, yuk cek ulasannya di bawah ini.

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.

Bayangkan kamu sedang menyendok air (energi) dari sebuah panci besar (bulk state) menggunakan sendok (bandwidth yang sesuai dengan panjang gelombang elektron).

Dengan sendok ini, kamu 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," ia menambahkan.

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.

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.

Salah satu aplikasi paling menonjol dari Quantum Dot adalah pada layar display QLED (Quantum dot Light Emitting Diode). Layar QLED menghasilkan warna yang lebih kaya, cerah, dan akurat dibandingkan teknologi LCD atau OLED konvensional. Ini karena Quantum Dot mampu menghasilkan spektrum warna yang lebih luas dan lebih presisi.

Selain layar display, Quantum Dot juga berpotensi meningkatkan efisiensi sel surya dengan menyerap lebih banyak cahaya matahari.

Quantum Dot dapat digunakan untuk membuat LED dan laser yang lebih efisien dan menghasilkan cahaya dengan warna yang lebih beragam. Potensi ini membuka peluang untuk inovasi di bidang energi terbarukan dan teknologi pencahayaan.

Di bidang medis, Quantum Dot digunakan sebagai agen pencitraan karena kemampuannya memancarkan cahaya pada panjang gelombang tertentu.

Kemampuan ini memungkinkan deteksi dan pengamatan sel dan jaringan tubuh dengan lebih akurat. Penelitian juga dilakukan untuk memanfaatkan Quantum Dot dalam pengembangan teknologi komputasi kuantum dan sensor.

Quantum Dot juga menunjukkan potensi besar sebagai sensor untuk mendeteksi berbagai macam zat kimia dan biologis. Kepekaannya yang tinggi dan kemampuannya untuk mendeteksi zat dalam konsentrasi rendah menjadikan Quantum Dot sebagai alat yang penting dalam berbagai aplikasi sensor.

Quantum dot telah menarik perhatian di berbagai bidang, termasuk sel surya, fotokatalisis, medis, dan komputasi kuantum. Namun, industri layar adalah yang pertama berhasil mengkomersialkan teknologi ini.

"Salah satu alasan Samsung berfokus pada quantum dot adalah karena puncak spektrum emisinya yang sangat sempit," kata Sanghyun Sohn, Head of Advanced Display Lab, Visual Display (VD) Business di Samsung Electronics.

"Bandwidth yang sempit dan fluorescence yang kuat membuatnya ideal untuk mereproduksi spektrum warna yang luas secara akurat," ucapnya menambahkan.

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 layar tergantung pada seberapa baik film itu memanfaatkan sifat optik dari quantum dot," kata Doh Chang Lee, profesor di Department of Chemical and Biomolecular Engineering di Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST).

"Film quantum dot harus memenuhi beberapa persyaratan utama untuk penggunaan komersial, seperti konversi cahaya dan translucence yang efisien," ia menjelaskan.

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. 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.

Seiring meningkatnya minat terhadap quantum dot, 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.

"Legitimasi sebuah TV quantum dot terletak pada apakah TV ini benar-benar memanfaatkan efek quantum confinement atau tidak. Syarat mendasar yang pertama adalah penggunaan quantum dot untuk menciptakan warna," kata Hyeon.

Menurut Lee, untuk dapat dianggap sebagai TV quantum dot sejati, quantum dot harus berfungsi sebagai inti dari pengkonversi cahaya atau materi utama pemancar cahaya.

"Dalam hal quantum dot sebagai pengkonversi cahaya, layar harus mengandung jumlah quantum dot yang memadai untuk menyerap dan mengubah cahaya biru yang dipancarkan oleh unit backlight (pencahayaan latar)," paparnya.

Sementera Sohn menilai film quantum dot harus mengandung jumlah quantum dot yang cukup agar dapat berfungsi secara efektif. Ia juga 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," tuturnya memungkaskan.

Untuk diketahui, Samsung mulai mengembangkan teknologi quantum dot pada 2001. Lalu, pada 2015, perusahaan memperkenalkan TV quantum dot pertama di dunia tanpa kandungan kadmium: TV SUHD.

Pada tahun 2017, Samsung meluncurkan jajaran QLED premium, yang semakin memperkuat kepemimpinannya dalam industri layar berbasis quantum dot.