“Una de las razones por las que Samsung se enfocó en los puntos cuánticos es su excepcionalmente estrecho pico en el espectro de emisión.”
— Sanghyun Sohn, Samsung Electronics
En 2023, el Premio Nobel de Química fue otorgado por el descubrimiento y la síntesis de los puntos cuánticos. El Comité Nobel reconoció los logros innovadores de los científicos en este campo, destacando que los puntos cuánticos ya han hecho contribuciones significativas a las industrias de pantallas y medicina, y que se esperan aplicaciones más amplias en electrónica, comunicaciones cuánticas y celdas solares.
Los puntos cuánticos, partículas semiconductoras ultrafinas, emiten diferentes colores de luz dependiendo de su tamaño, generando tonos excepcionalmente puros y vívidos. Samsung Electronics, el principal fabricante de televisores del mundo, ha adoptado este material de vanguardia para mejorar el rendimiento de sus pantallas.
Samsung Newsroom conversó con Taeghwan Hyeon, profesor distinguido del Departamento de Ingeniería Química y Biológica en la Universidad Nacional de Seúl (SNU); Doh Chang Lee, profesor del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular en el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST); y Sanghyun Sohn, Head del Laboratorio de Pantallas Avanzadas, Visual Display Business en Samsung Electronics, para explorar cómo los puntos cuánticos están marcando el comienzo de una nueva era en la tecnología de pantallas.
- Comprendiendo la brecha de energía
- Puntos cuánticos – cuanto más pequeña la partícula, mayor la brecha de banda
- Ingeniería detrás de las láminas de puntos cuánticos
Los televisores QLED reales usan puntos cuánticos para crear color
Comprendiendo la brecha de banda
“”Para entender los puntos cuánticos, primero hay que comprender el concepto de brecha de banda.”
— Taeghwan Hyeon, Universidad Nacional de Seúl
El movimiento de los electrones genera electricidad. Normalmente, los electrones más externos, conocidos como electrones de valencia, participan en este proceso. La región energética donde estos electrones existen se llama banda de valencia, mientras que una región energética superior y desocupada, capaz de aceptar electrones, se denomina banda de conducción.
Un electrón puede absorber energía para saltar de la banda de valencia a la banda de conducción. Cuando libera esa energía, regresa a la banda de valencia. La diferencia de energía entre estas dos bandas, la cantidad de energía que un electrón debe ganar o perder para moverse entre ellas, se conoce como brecha de banda.
Los aislantes como el caucho y el vidrio tienen brechas de banda grandes, lo que impide que los electrones se desplacen libremente entre las bandas. En contraste, los conductores como el cobre y la plata tienen bandas de valencia y de conducción superpuestas, permitiendo un movimiento libre de electrones y una alta conductividad eléctrica.
Los semiconductores tienen una brecha de banda intermedia entre los aislantes y los conductores. Bajo condiciones normales, su conductividad es limitada, pero pueden conducir electricidad o emitir luz cuando los electrones son estimulados por calor, luz o electricidad.
“Para entender los puntos cuánticos, primero hay que comprender el concepto de brecha de banda,” enfatizó Hyeon, señalando que la estructura de bandas de energía de un material es clave para determinar sus propiedades eléctricas.
Puntos cuánticos – cuanto más pequeña la partícula, mayor la brecha de banda
“A medida que las partículas de puntos cuánticos se hacen más pequeñas, la longitud de onda de la luz emitida cambia de rojo a azul.”
— Doh Chang Lee, Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea
Los puntos cuánticos son cristales semiconductores a escala nanométrica con propiedades eléctricas y ópticas únicas. Medidos en nanómetros (nm), una milmillonésima parte de un metro, estas partículas tienen solo unas milésimas del grosor de un cabello humano. Cuando un semiconductor se reduce a la escala nanométrica, sus propiedades cambian drásticamente en comparación con su estado masivo.
En los estados masivos, las partículas son lo suficientemente grandes como para que los electrones dentro del material semiconductor puedan moverse libremente sin estar restringidos por su propia longitud de onda. Esto permite que los niveles de energía, los estados que ocupan las partículas al absorber o liberar energía, formen un espectro continuo, como un tobogán largo con una pendiente suave. En los puntos cuánticos, el movimiento de los electrones está restringido, ya que el tamaño de la partícula es menor que la longitud de onda del electrón.
Imagina sacar agua (energía) de una olla grande (estado en masa) con una cuchara (ancho de banda correspondiente a la longitud de onda de un electrón). Usando la cuchara, se puede ajustar libremente la cantidad de agua en la olla, desde estar llena hasta vacía, esto es equivalente a niveles de energía continuos. Sin embargo, cuando la olla se reduce al tamaño de una taza de té, como un punto cuántico, la cuchara ya no encaja. En ese momento, la taza solo puede estar llena o vacía. Esto ilustra el concepto de niveles de energía cuantizados.
“Cuando las partículas semiconductoras se reducen a la escala nanométrica, sus niveles de energía se vuelven cuantizados: solo pueden existir en pasos discontinuos”, dijo Hyeon. “Este efecto se llama ‘confinamiento cuántico’. Y a esta escala, el ancho de banda puede controlarse ajustando el tamaño de la partícula.”
El número de moléculas dentro de la partícula disminuye a medida que el tamaño del punto cuántico disminuye, lo que da lugar a interacciones más débiles de los orbitales moleculares. Esto refuerza el efecto de confinamiento cuántico y aumenta el ancho de banda[1] . Debido a que el ancho de banda corresponde a la energía liberada por la relajación de un electrón de la banda de conducción a la banda de valencia, el color de la luz emitida cambia en consecuencia.
“A medida que las partículas se hacen más pequeñas, la longitud de onda de la luz emitida cambia de rojo a azul”, dijo Lee. “En otras palabras, el tamaño del nanocristal de punto cuántico determina su color.”
Ingeniería detrás de las láminas de puntos cuánticos
“La película de puntos cuánticos es el núcleo de los televisores QLED, un testimonio de la profunda experiencia técnica de Samsung.”
— Doh Chang Lee, Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea
Los puntos cuánticos han atraído la atención en una variedad de campos, incluidas las celdas solares, la fotocatálisis, la medicina y la computación cuántica. Sin embargo, la industria de pantallas fue la primera en comercializar con éxito la tecnología.
“Una de las razones por las que Samsung se centró en los puntos cuánticos es por los picos excepcionalmente estrechos de su espectro de emisión”, dijo Sohn. “Su ancho de banda estrecho y su fuerte fluorescencia los hacen ideales para reproducir con precisión un amplio espectro de colores.”
[1] Cuando un material semiconductor está en su estado en masa, el ancho de banda permanece fijo en un valor característico del material y no depende del tamaño de la partícula.
Para aprovechar los puntos cuánticos de manera efectiva en la tecnología de pantallas, los materiales y las estructuras deben mantener un alto rendimiento a lo largo del tiempo y bajo condiciones adversas. Samsung QLED logra esto mediante el uso de una película de puntos cuánticos.
“La reproducción precisa del color en una pantalla depende de qué tan bien la película utilice las propiedades ópticas de los puntos cuánticos”, dijo Lee. “Una película de puntos cuánticos debe cumplir con varios requisitos clave para su uso comercial, como una conversión eficiente de luz y translucidez.”
La película de puntos cuánticos utilizada en las pantallas Samsung QLED se produce al añadir una solución de puntos cuánticos a una base de polímero calentada a una temperatura muy alta, extendiéndola en una capa delgada y luego curándola. Aunque esto suene sencillo, el proceso de fabricación real es altamente complejo.
“Es como intentar mezclar de manera uniforme polvo de canela en miel pegajosa sin hacer grumos, no es tarea fácil”, dijo Sohn. “Para dispersar uniformemente los puntos cuánticos a lo largo de la película, se deben considerar cuidadosamente varios factores, como los materiales, el diseño y las condiciones de procesamiento.”
A pesar de estos desafíos, Samsung llevó la tecnología más allá. Para garantizar la durabilidad a largo plazo en sus pantallas, la compañía desarrolló materiales poliméricos patentados específicamente optimizados para los puntos cuánticos.
“Hemos acumulado una amplia experiencia en tecnología de puntos cuánticos al desarrollar películas barrera que bloquean la humedad y materiales poliméricos capaces de dispersar uniformemente los puntos cuánticos”, añadió. “A través de esto, no solo logramos la producción en masa, sino que también redujimos costos.”
Gracias a este proceso avanzado, la película de puntos cuánticos de Samsung ofrece una expresión precisa del color y una eficiencia luminosa excepcional, todo respaldado por una durabilidad líder en la industria.
“La luminosidad se mide típicamente en nits, siendo un nit equivalente al brillo de una vela”, explicó Sohn. “Mientras que los LED convencionales ofrecen alrededor de 500 nits, nuestras pantallas de puntos cuánticos pueden alcanzar los 2,000 nits o más, lo equivalente a 2,000 velas, logrando un nuevo nivel de calidad de imagen.”
Aprovechando los puntos cuánticos, Samsung ha mejorado significativamente tanto el brillo como la expresión del color, ofreciendo una experiencia visual como nunca antes se había visto. De hecho, los televisores Samsung QLED logran una tasa de reproducción de color que supera el 90% del espacio de color DCI-P3 (Digital Cinema Initiatives – Protocol 3), el estándar de precisión de color en el cine digital.
“Incluso si has creado puntos cuánticos, necesitas asegurar la estabilidad a largo plazo para que sean útiles”, dijo Lee. “La síntesis de puntos cuánticos basada en fosfuro de indio (InP) y las tecnologías de producción de películas de Samsung son un testimonio de la profunda experiencia técnica de Samsung.”
Los televisores QLED reales usan puntos cuánticos para crear color
“La legitimidad de un televisor de puntos cuánticos radica en si aprovecha o no el efecto de confinamiento cuántico.”
— Taeghwan Hyeon, Universidad Nacional de Seúl A medida que el interés en los puntos cuánticos crece en la industria, han llegado al mercado una variedad de productos. Sin embargo, no todos los televisores etiquetados como de puntos cuánticos son iguales; los puntos cuánticos deben contribuir suficientemente a la calidad real de la imagen.
“La legitimidad de un televisor de puntos cuánticos radica en si aprovecha o no el efecto de confinamiento cuántico”, dijo Hyeon. “El primer requisito fundamental es usar los puntos cuánticos para crear color.”
“Para que se considere un televisor verdadero de puntos cuánticos, los puntos cuánticos deben servir como material principal para convertir o emitir luz”, dijo Lee. “Para los puntos cuánticos convertidores de luz, la pantalla debe contener una cantidad adecuada de puntos cuánticos para absorber y convertir la luz azul emitida por la unidad de retroiluminación.”
“La película de puntos cuánticos debe contener una cantidad suficiente de puntos cuánticos para funcionar de manera efectiva”, repitió Sohn, enfatizando la importancia del contenido de puntos cuánticos. “Samsung QLED utiliza más de 3,000 partes por millón (ppm) de materiales de puntos cuánticos. El 100% de los colores rojo y verde se crean a través de puntos cuánticos.”
Samsung comenzó a desarrollar la tecnología de puntos cuánticos en 2001 y, en 2015, introdujo el primer televisor con puntos cuánticos sin cadmio del mundo: el televisor SUHD. En 2017, la compañía lanzó su línea premium QLED, consolidando aún más su liderazgo en la industria de pantallas de puntos cuánticos.
En la segunda parte de esta serie de entrevistas, Samsung Newsroom examina más de cerca cómo Samsung no solo comercializó la tecnología de pantallas de puntos cuánticos, sino que también desarrolló un material de puntos cuánticos sin cadmio, una innovación reconocida por los investigadores ganadores del Premio Nobel de Química.
