Artur Podhorodecki, z wykształcenia fizyk ciała stałego, zorganizował w 2009 roku na Politechnice Wrocławskiej zespół naukowców, z którymi pracował nad syntezą nanomateriałów, w tym półprzewodnikowych, koloidalnych kropek kwantowych. Gdy zauważył zainteresowanie wytwarzanymi kropkami ze strony przemysłu i potrzebę działania w większej skali, razem ze swoim kolegą Mateuszem Bańskim, założył firmę QNA Technology.
— Nasi pierwsi klienci był zadowoleni z otrzymanego od nas materiału. To pozwoliło nam uwierzyć w siebie i dostrzegliśmy w tej dziedzinie ogromny potencjał. Doszliśmy jednak do wniosku, że rynek czerwonych kropek jest już ukształtowany i bardzo konkurencyjny. Jako mały startup z Polski nie mielibyśmy szans walczyć ceną i ilością z firmami z Chin i USA. Dlatego, postanowiliśmy zaryzykować i skoncentrować się na opracowaniu technologii niebieskich kropek kwantowych, niezawierających metali ciężkich. Mieliśmy świadomość, że jest to materiał bardzo trudny do uzyskania, ale także wiedzieliśmy, że nikt go nie oferuje na rynku. Z drugiej strony, byliśmy przekonani, że branża wyświetlaczy nie poprzestanie na technologiach QLED czy OLED, bo znaliśmy ich ograniczenia i zarazem oczekiwania rynku. Uznaliśmy, że jednym ze scenariuszy rozwoju będzie zastąpienie barwników organicznych w wyświetlaczach OLED kropkami kwantowymi, które wówczas będą niezbędne, ponieważ do otrzymania obrazu potrzeba czerwonego, zielonego i niebieskiego emitera. Postanowiliśmy poświęcić swój czas i zasoby do stworzenia czegoś unikalnego w skali światowej, co otworzyłoby nam drzwi do dużych producentów wyświetlaczy. Postawiliśmy więc wszystko na niebieskie kropki kwantowe i czas pokazał, że była to dobra decyzja — powiedział podczas naszej rozmowy Artur Podhorodecki.
Kropki kwantowe to kryształy półprzewodnika o rozmiarach około 10-20 nanometrów, składające się z od kilkuset do kilku tysięcy atomów tworzących nano-kryształ. Ze względu na jego półprzewodnikową naturę, zdolne są do pochłaniania światła i następnie jego emisji, jednak przy bardzo wysokiej, sięgającej 100% wydajności konwersji. Zjawisko to zwane jest fotoluminescencją. Wysoka konwersja przekłada się na mniejsze zużycie energii urządzeń wykorzystujących kropki. Dodatkowo, dzięki efektom kwantowym, możliwe jest precyzyjne sterowanie kolorem światła emitowanego przez nano-kryształ poprzez kontrolę jego rozmiaru, a jakość koloru jest bliska tej otrzymywanej z pojedynczego atomu. Te cechy powodują, że kropki kwantowe znajdują coraz szersze zastosowanie w nowoczesnych wyświetlaczach telewizorów, ekranów komputerowych i smartfonów, w branży oświetleniowej, w fotonice, biomedycynie oraz w sensorach i ogniwach fotowoltaicznych nowej generacji, ponieważ potrafią też zamieniać światło na elektryczność i elektryczność na światło.
Technologie QLED, OLED i nieorganiczne kropki kwantowe
Pierwsze telewizory QLED (Quantum dot Light Emitting Diode), produkowane przez firmy Sony czy Samsung, opierały się na technologii LCD (Light Crystal Display), czyli niebieskich diodach, na które była nakładana folia z czerwonymi i zielonymi kropkami. W rezultacie uzyskiwano trzy wysokiej jakości składowe światła białego (RGB – Red Green Blue), które padało na ciekłe kryształy, co dawało w efekcie obraz wysokiej jakości i jasności. Rozwiązanie to nie ingerowało w technologie produkcji wyświetlaczy LCD, w związku z czym uzyskiwano lepsze kolory i mniejsze zużycie energii bez konieczności modyfikowania procesu produkcji. Skróciło to znacznie wdrożenie tego rozwiązania.
Kolejnym krokiem w rozwoju wyświetlaczy było wyeliminowanie ciekłych kryształów. Pojawiły się telewizory OLED (Organic Light Emitting Diode), gdzie każdy sub-piksel, czyli dioda stworzona z barwnika organicznego w kolorach RGB, sterowana jest elektronicznie. Przy wielu zaletach tej technologii, posiada ona jednak pewne wady, takie jak niska jasność obrazu i kolorów oraz ograniczona trwałość – szczególnie dla niebieskiego barwnika. To właśnie jednak te niedoskonałości napędzają branżę w poszukiwaniu usprawnień lub wprowadzeniu nowych rozwiązań.
W pierwszej kolejności, w celu poprawy jakości wyświetlaczy OLED, wyeliminowano z nich barwniki czerwone oraz zielone i zastąpiono je kropkami kwantowymi – tak powstał QD-OLED, który jest obecnie liderem na rynku. Kolejnym krokiem ma być zastąpienie barwnika niebieskiego. Nad tym rozwiązaniem, nazywanym QDEL (Quantum dots Electroluminescence) pracują m.in. firmy BOE, TCL, Sharp czy Samsung. Jednak do komercjalizacji tej technologii niezbędne są niebieskie kropki kwantowe, które nadal nie są komercyjnie dostępne na rynku.
Jak zupa w dużym garnku
Niebieski emiter jest ogromnym wyzwaniem dla każdej technologii materiałowej, o czym świadczy m.in. przyznanie nagrody Nobla z fizyki w 2014 za otrzymanie półprzewodnikowej diody niebieskiej. Światło niebieskie ma dużą energię, w związku z czym materiał emitera musi być odporny na ciągłe generowanie takiego wysokoenergetycznego promieniowania, inaczej stopniowo ulega degradacji, jak to się dzieje w przypadku barwników organicznych. Może też aktywować procesy fotochemiczne w otoczeniu emitera, również degradując. Dodatkowo, w technologii koloidalnej, związki chemiczne, które biorą udział w procesie syntezy są dość trudne w pracy, a szczególnie podczas dużych syntez.
— Kropki kwantowe świecą różnymi kolorami, zależnie od wielkości. O ich barwie może zadecydować nawet zmiana ich średnicy o jedną warstwę atomową. Żeby zatem uzyskać wysokiej jakości kolor z makroskopowego zbioru, wszystkie kropki w roztworze muszą mieć rozmiar nie różniący się między sobą więcej niż kilka warstw atomowych. Wyzwaniem jest to, że w 100 mililitrach roztworu jest około 10 do 17 potęgi kropek kwantowych i wszystkie muszą być niemal identyczne. Jakby tego było mało, za pierwszy etap wzrostu kropek tzw. nukleację, odpowiadają procesy losowe. To pokazuje pokazuje stopień trudności tej technologii i po części uzasadnia przyznanie nagrody Nobla w roku 2023, tym razem z chemii, za opracowanie podstaw kontrolowanego wzrostu kropek koloidalnych. Z tego też powodu na świecie jest mniej niż 10 firm, które potrafią robić wysokiej jakości kropki czerwone i zielone, z których niektóre zawierają toksyczny kadm. Jeszcze żadna firma nie dostarcza komercyjnie kropek niebieskich w dużych ilościach, chociaż intensywne prace w tym kierunku prowadzą dwie duże firmy w Korei i w USA oraz trzecia mniejsza w Chinach. No i jesteśmy jeszcze my, tutaj we Wrocławiu — powiedział prezes QNA Technology.
Firma ma ogromną szansę na skomercjalizowanie swojej produkcji i wejście do łańcucha dostaw dużych firm produkujących m.in. wyświetlacze. Ułatwi to niewątpliwie nowa linia pilotażowa do produkcji kropek kwantowych, której budowę wrocławska firma zakończyła na początku roku i po trwającym obecnie procesie walidacji powinna być gotowa do uruchomienia w ciągu kilku miesięcy. Oprócz przetestowania syntez w warunkach zbliżonych do produkcyjnych, linia ta pozwoli również na zaspokojenie popytu ze strony producentów w przypadku rozpoczęcia produkcji pilotażowej wyświetlaczy z niebieskimi kropkami kwantowymi.
Pilotażowa Linia Syntezy Kropek Kwantowych
— Nasze pierwsze niebieskie kropki kwantowe powstawały przy wykorzystaniu chemicznych układach laboratoryjnych — wspomina Artur Podhorodecki. — Razem z zespołem szukaliśmy najlepszych konfiguracji do ich wytwarzania. Kiedy udało się uzyskać pierwsze zadowalające wyniki, rozpoczęliśmy proces optymalizacji tego układu oraz procedur syntezy. Tak powstała eksperymentalna linia, która pozwala nam na otrzymywanie w sposób powtarzalny, wysokiej jakości materiału w ilościach spełniających oczekiwania naszych klientów oraz partnerów.
Rosnące zainteresowanie naszymi kropkami z jednej strony, a zarazem konieczność zapewnienia ciągłego przejścia naszym klientom z fazy testów do fazy prototypowania i dalej do produkcji urządzeń, wymaga większej skali i automatyzacji syntezy, niż ta, którą obecnie posiadamy. Dlatego bazując na wynikach linii eksperymentalnej opracowaliśmy projekt pilotażowej linii syntezy i w lutym tego roku zakończyliśmy jej budowę. W kolejnych krokach będziemy ją walidować i doposażać, a gdy zajdzie taka potrzeba również optymalizować. Jeżeli nie napotkamy większych przeszkód, to pod koniec 2024 roku chcielibyśmy nasze kropki wytwarzać już na linii pilotażowej. Wówczas ilości produkowanego materiału zagwarantują stałość i powtarzalność dostaw oraz zapewnią naszym partnerom możliwość tworzenia prototypów wyświetlaczy nowej generacji, a nam otworzą możliwość prowadzenia rozmów kontraktowych. Kolejnym etapem w rozwoju tej technologii będzie skalowanie syntezy i prace nad docelową linią produkcyjną.
Formulacja tuszu
Ogromną zaletą kropek koloidalnych jest to, że występują w postaci ciekłej. To otwiera drogę do formułowania różnego rodzaju tuszów i stwarza możliwość drukowania półprzewodników wieloma metodami i na różnych podłożach. Wyjściowy materiał jest zawsze ten sam – kropki kwantowe. Zmianie ulega ich powierzchnia. Formulacja tuszu w QNA Technology polega zatem na jej dostosowaniu do potrzeb technologicznych klienta, czyli sposobu nakładania kropek na wyświetlacze. Można je drukować, rozlewać lub rozpylać np. przy pomocy aerografu.
— Mamy już materiał na takim poziomie jakości, że nasi klienci i partnerzy z Azji i USA mogą budować na jego podstawie działające urządzenia prototypowe. Teraz pracujemy wspólnie z nimi nad tym, aby nasze kropki były kompatybilne z ich procesem nanoszenia materiałów. Może to być związane z koniecznością formułowania tuszów o zadanych parametrach, takich jak lepkość czy napięcie powierzchniowe. Na tym etapie jest to bliska praca z klientem, której sukces zależy od wielu czynników – nie zawsze jedynie technologicznych. Jeśli uda nam się spełnić oczekiwane parametry, kolejną fazą będzie uruchomienie produkcji pilotażowej nowych urządzeń przez naszych partnerów, a my zostaniemy ich dostawcą materiału kluczowego. Jest to trudny proces, pełen wyzwań po obu stronach. Mówimy jednak o współtworzeniu nowej, nieistniejącej jeszcze, globalnej technologii, która może istotnie wpłynąć na otaczający nas świat. Wizja rozpowszechnienia rozszerzonej rzeczywistości do takiego stopnia, jak dzisiaj telefony komórkowe, mocno nas motywuje do podejmowania ryzyka i ciężkiej pracy — zapewnił prezes Podhorodecki.
Elektronika tuszem drukowana
Niemieccy, chińscy i japońscy partnerzy wrocławskiej firmy pracują nad prototypowymi diodami elektroluminescencyjnymi zawierającymi niebieskie kropki kwantowe. Takie diody to niebieskie sub-piksele, które mają stanowić element matrycy wyświetlacza elektroluminescencyjnego. Zaletą takiego rozwiązania będą przede wszystkim lepsze kolory i duża jasność, bardzo ważne podczas pracy na zewnątrz przy słonecznej pogodzie oraz w motoryzacji i rozszerzonej rzeczywistości. Wyświetlacze tego rodzaju mogą być także drukowane, co ma istotny wpływ na obniżenie kosztów, a tym samym progu wejścia dla nowych podmiotów chcących zaistnieć w branży.
— Drukowanie kropek kwantowych może być wykorzystane obecnie w dwóch technologiach wyświetlaczy: w technologii microLED oraz QDEL. W technologii QDEL, każdy piksel może zostać wydrukowany osobno. To rozwiązanie jest odpowiednie dla dużych pikseli, a więc wszędzie tam, gdzie nie jest oczekiwana wysoka rozdzielczość przy małym rozmiarze wyświetlacza, np. TV. Gdy potrzebna jest wysoka rozdzielczość, np. do AR czy smartwatch, rozmiar sub-piksela to średnica 2-5 mikrometrów, co stanowi wyzwanie dla obecnej technologii druku. W takim przypadku nadal można kropki drukować, ale jako warstwę o grubości minimalnej 10-50 nm, natomiast rozdzielczość uzyskuje się innymi metodami. W przypadku technologii microLED, matryca wyświetlacza składa się z półprzewodnikowych diod LED. Mogą to być diody RBG, jedynie diody niebieskie lub jedynie diody UV. W tym ostatnim wariancie, na diody UV-LED nanosi się kropki czerwone, zielone i niebieskie i otrzymuje się w efekcie matrycę diod RGB. Preferowaną formą dostarczania kropek jest tutaj tusz UV utwardzalny, ponieważ z kropek robimy coś na podobieństwo filtra koloru, który powinien być trwały i zamieniać całe światło diody (tutaj UV) na kolor kropek (niebieski), do czego jest potrzebna gruba warstwa kropek 5-50 mikrometrów.
— Drukowanie kropek można także wykorzystać w innych aplikacjach z obszaru fotoniki czy optoelektroniki i integrować z powszechnymi obecnie w elektronice procesami drukowania metali. Opcja umieszczania kropek kwantowych w różnych mediach pozwala także na tworzenie z nich filamentów różnego rodzaju i druk 3D. Otwiera to ogromne możliwości na przyszłość i wiele korzyści dla różnych zastosowań. W Polsce jesteśmy liderem tej technologii. W Europie również nikt nie komercjalizuje niebieskich kropek kwantowych, a na świecie są poza nami jedynie trzy firmy pracujące nad podobnym rozwiązaniem. Chcemy wykorzystać jak najlepiej sprzyjający trend i mamy ambicje stać się globalnym producentem całej gamy nanomateriałów półprzewodnikowych i tuszów, na początek dla branży wyświetlaczy, a później dla kolejnych rynków — dodał mój rozmówca.
Chemicy i fizycy na wagę złota
Laboratorium QNA Technology znajduje się na terenie Wrocławskiego Parku Technologicznego. Firma zatrudnia obecnie 25 osób, z czego 19 pracuje w dziale R&D, a 8 ma stopień doktora.
— Jesteśmy otwarci na zatrudnienie nowych specjalistów, niezależnie od naszych bieżących potrzeb. Zapraszamy do pracy ludzi zdolnych, zaangażowanych i odważnych, którzy nie boją się mierzyć z globalnymi wyzwaniami i potrafią sobie radzić z porażką. Najbardziej poszukiwani są chemicy oraz technolodzy, ale jesteśmy także otwarci na inne kompetencje bo firma szybko się rozwija. W Polsce nie mamy zbyt wielu ekspertów od technologii półprzewodników, a tym bardziej półprzewodników koloidalnych, dlatego w większości przypadków sami uczymy pracowników naszego know-how, aby stali się specjalistami tej unikalnej technologii. Naszym pracownikom nie tylko stwarzamy możliwości rozwoju i badawczo-rozwojową atmosferę pracy ale także oferujemy udziały w spółce, tak, aby wspólnie z nami budowali naszą firmę. Globalnego sukcesu nie da się osiągnąć w pojedynkę i bez zaangażowania — przyznał na koniec Artur Podhorodecki.
Rozmawiała i opracowała Agnieszka Kubasik
