El mundo académico tomó nota. La exitosa comercialización de televisores con puntos cuánticos libres de cadmio no solo marcó una nueva dirección para la investigación y el desarrollo, sino que también desempeñó un papel clave en la concesión del Premio Nobel de Química 2023 por el descubrimiento y la síntesis de los puntos cuánticos.

Dando continuidad a la Parte 1, Samsung Newsroom revela cómo Samsung ha contribuido al ámbito académico a través de avances revolucionarios en innovación de materiales.

▲ (De izquierda a derecha) Taeghwan Hyeon, Doh Chang Lee y Sanghyun Sohn

Por qué el cadmio fue el punto de partida para la investigación de los puntos cuánticos

“Quedé verdaderamente impresionado de que Samsung lograra comercializar un producto con pantalla de puntos cuánticos sin cadmio.”

— Taeghwan Hyeon, Universidad Nacional de Seúl

Los puntos cuánticos comenzaron a captar el interés científico en la década de 1980, cuando Aleksey Yekimov, exdirector científico de Nanocrystals Technology Inc., y Louis E. Brus, profesor emérito del Departamento de Química de la Universidad de Columbia, publicaron sus investigaciones sobre el efecto de confinamiento cuántico y las propiedades ópticas dependientes del tamaño de los puntos cuánticos.

El impulso se aceleró en 1993 cuando Moungi Bawendi, profesor del Departamento de Química del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), desarrolló un método confiable para sintetizar puntos cuánticos. En 2001, Taeghwan Hyeon, profesor distinguido del Departamento de Ingeniería Química y Biológica de la Universidad Nacional de Seúl (SNU), inventó el “proceso de calentamiento” —una técnica para producir nanopartículas uniformes sin necesidad de separación selectiva por tamaño. En 2004, Hyeon publicó un método de producción escalable en la revista académica Nature Materials —un descubrimiento ampliamente considerado como un posible cambio radical en la industria.

▲ Taeghwan Hyeon

Sin embargo, estos esfuerzos no condujeron de inmediato a la comercialización. En ese momento, los puntos cuánticos dependían en gran medida del cadmio (Cd) como material base —una sustancia conocida por ser perjudicial para los seres humanos y designada como material restringido por la Directiva sobre Restricción de Sustancias Peligrosas (RoHS) de la Unión Europea.

“Actualmente, los únicos materiales capaces de producir puntos cuánticos de manera confiable son el seleniuro de cadmio (CdSe) y el fosfuro de indio (InP)”, explicó Hyeon. “El seleniuro de cadmio, el material convencional para puntos cuánticos, es un compuesto de elementos del grupo II y grupo VI, mientras que el fosfuro de indio se forma a partir de elementos del grupo III y grupo V. Sintetizar puntos cuánticos a partir de elementos del grupo II y VI es relativamente sencillo, pero combinar elementos del grupo III y V es químicamente mucho más complejo.”

▲ Comparación entre puntos cuánticos basados en cadmio con enlaces iónicos y puntos cuánticos basados en indio con enlaces covalentes

El cadmio, un elemento con dos electrones de valencia, forma enlaces iónicos fuertes^[1] con elementos como el selenio (Se), el azufre (S) y el telurio (Te), cada uno con seis electrones de valencia. Estas combinaciones dan lugar a semiconductores estables, conocidos como semiconductores II–VI, materiales que han sido ampliamente utilizados en la investigación debido a su capacidad para producir nanocristales de alta calidad incluso a temperaturas relativamente bajas. Como resultado, el uso de cadmio en la síntesis de puntos cuánticos fue considerado durante muchos años un estándar académico.

En cambio, el indio (In), una alternativa al cadmio con tres electrones de valencia, forma enlaces covalentes [2] con elementos como el fósforo (P), que tiene cinco electrones de valencia. Los enlaces covalentes son generalmente menos estables que los iónicos y tienen una naturaleza direccional, lo que incrementa la probabilidad de defectos durante la síntesis de nanocristales. Estas características han hecho del indio un material desafiante tanto en la investigación como en la producción a gran escala.

“Es difícil lograr una alta cristalinidad en puntos cuánticos hechos con fosfuro de indio”, señaló Lee. “Se requiere un proceso de síntesis complejo y exigente para alcanzar los estándares de calidad necesarios para su comercialización.”

Sin compromisos – Del descubrimiento a la producción a gran escala

“No hay espacio para compromisos cuando se trata de la seguridad del consumidor.”

— Sanghyun Sohn, Samsung Electronics

Samsung, sin embargo, adoptó un enfoque diferente.

“Hemos estado investigando y desarrollando la tecnología de puntos cuánticos desde 2001,” dijo Sanghyun Sohn, jefe del Laboratorio de Pantallas Avanzadas de Visual Display Business en Samsung Electronics. “Pero desde el principio, determinamos que el cadmio, nocivo para el cuerpo humano, no era adecuado para su comercialización. Aunque las regulaciones en algunos países permiten técnicamente hasta 100 partes por millón (ppm) de cadmio en productos electrónicos, Samsung adoptó desde el inicio una política de cero cadmio. Sin cadmio, sin concesiones, esa fue nuestra estrategia. No hay espacio para compromisos cuando se trata de la seguridad del consumidor.”

▲ Sanghyun Sohn

El firme compromiso de Samsung con su principio de “La seguridad es nuestra prioridad absoluta” se evidenció en 2014, cuando la compañía desarrolló con éxito el primer material de puntos cuánticos sin cadmio del mundo. Para garantizar tanto la durabilidad como la calidad de imagen, Samsung introdujo una tecnología de recubrimiento protector de triple capa que protege las nanopartículas de fosfuro de indio contra factores externos como el oxígeno y la luz. Al año siguiente, Samsung lanzó el primer televisor SUHD comercial del mundo con puntos cuánticos sin cadmio, marcando un cambio de paradigma en la industria de pantallas y el resultado de años de investigación iniciados a principios de los años 2000.

“Los puntos cuánticos basados en fosfuro de indio son inherentemente inestables y más difíciles de sintetizar en comparación con los de cadmio, alcanzando inicialmente solo alrededor del 80% del rendimiento de los puntos cuánticos basados en cadmio,” explicó Sohn. “Sin embargo, a través de un proceso intensivo de desarrollo en el Instituto de Tecnología Avanzada de Samsung (SAIT), logramos aumentar el rendimiento al 100% y garantizar su confiabilidad por más de 10 años.”

▲ Los tres componentes de los puntos cuánticos

Los puntos cuánticos presentes en los QLED de Samsung están compuestos por tres componentes clave: un núcleo, donde se emite la luz; una carcasa, que protege el núcleo y estabiliza su estructura; y un ligando, un recubrimiento de polímero que mejora la estabilidad frente a la oxidación fuera de la carcasa. La esencia de la tecnología de puntos cuánticos radica en la integración precisa de estos tres elementos, un proceso industrial avanzado que abarca desde la adquisición de materiales y la síntesis, hasta la producción en masa y el registro de numerosas patentes.

“Ninguno de los tres componentes —núcleo, carcasa o ligando— puede pasarse por alto,” añadió Lee. “La tecnología de Samsung para la síntesis de fosfuro de indio es excepcional.”

“Desarrollar una tecnología en el laboratorio ya es un gran desafío, pero su comercialización exige un esfuerzo completamente diferente para garantizar la estabilidad del producto y una calidad de color constante,” afirmó Hyeon. “Me impresionó realmente que Samsung lograra comercializar un producto con pantalla de puntos cuánticos sin cadmio.”

Estableciendo el estándar en puntos cuánticos

“Las tendencias de investigación en la comunidad académica cambiaron notablemente antes y después del lanzamiento de los televisores con puntos cuánticos de Samsung.”

— Doh Chang Lee, Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST)

Las propiedades ópticas de los puntos cuánticos se están aplicando en una amplia gama de campos, como las celdas solares, la medicina y la computación cuántica. Sin embargo, la pantalla con puntos cuánticos sigue siendo la aplicación más investigada y comercializada hasta la fecha, con Samsung destacándose como pionero.

Basándose en años de investigación y en la introducción de sus televisores SUHD, Samsung lanzó sus QLED TVs en 2017, estableciendo un nuevo estándar para las pantallas de alta gama. En 2022, la compañía llevó la innovación un paso más allá con el debut de los QD-OLED TVs —la primera pantalla del mundo en combinar puntos cuánticos con una estructura OLED.

▲ Comparación entre estructuras LCD, QLED y QD-OLED

QD-OLED es una tecnología de pantalla de nueva generación que integra puntos cuánticos en la estructura auto emisiva del OLED. Este enfoque permite tiempos de respuesta más rápidos, negros más profundos y mayores relaciones de contraste. El QD-OLED de Samsung fue reconocido como Pantalla del Año en 2023 por la Society for Information Display (SID), la organización más grande del mundo dedicada a las tecnologías de pantallas.

“Samsung no solo ha liderado el mercado con sus televisores de puntos cuánticos basados en fosfuro de indio, sino que además sigue siendo la única empresa que ha logrado integrar y comercializar con éxito puntos cuánticos en pantallas OLED,” dijo Sohn. “Al aprovechar nuestro liderazgo en tecnología de puntos cuánticos, continuaremos liderando el futuro de la innovación en pantallas.”

▲ Doh Chang Lee

“Las tendencias de investigación en la comunidad académica cambiaron notablemente antes y después del lanzamiento de los televisores con puntos cuánticos de Samsung,” comentó Doh Chang Lee, profesor del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST). “Desde su lanzamiento, las discusiones se han centrado cada vez más en las aplicaciones prácticas en lugar de los materiales en sí, lo que refleja el potencial de implementación en el mundo real a través de las tecnologías de pantalla.”

“Ha habido muchos intentos de aplicar los puntos cuánticos en diversos campos, incluyendo la fotocatálisis,” añadió. “Pero estos esfuerzos aún se encuentran en etapas tempranas en comparación con su uso en pantallas.”

Hyeon también destacó que la exitosa comercialización de los televisores con puntos cuánticos de Samsung ayudó a allanar el camino para que Bawendi, Brus y Yekimov recibieran el Premio Nobel de Química en 2023.

“Uno de los criterios más importantes para el Premio Nobel es el grado en que una tecnología ha contribuido a la humanidad a través de su comercialización,” señaló. “El QLED de Samsung representa uno de los logros más significativos en nanotecnología. Sin su comercialización, habría sido difícil que los puntos cuánticos recibieran reconocimiento del Nobel.”

La visión de Samsung para las pantallas del mañana

Desde el lanzamiento de sus QLED TVs, Samsung ha acelerado el desarrollo de la tecnología de puntos cuánticos tanto en la industria como en la academia. Al ser consultados sobre el futuro de las pantallas con puntos cuánticos, los expertos compartieron sus perspectivas sobre lo que está por venir.

“Como tecnología de próxima generación, actualmente estamos explorando los puntos cuánticos auto emisivos,” explicó Sohn. “Hasta ahora, los puntos cuánticos han dependido de una fuente de luz externa para expresar los colores rojo y verde. En el futuro, nuestro objetivo es desarrollar puntos cuánticos que emitan luz de manera independiente mediante electroluminiscencia, produciendo los tres colores primarios mediante la inyección de energía eléctrica. También estamos trabajando en el desarrollo de puntos cuánticos azules.”

“Como los materiales electroluminiscentes permiten reducir el tamaño de los componentes de los dispositivos, podremos alcanzar la alta resolución, eficiencia y brillo necesarios para aplicaciones de realidad virtual y aumentada,” comentó Lee, anticipando una transformación importante en el futuro de las pantallas.

“Una buena pantalla es aquella que el espectador ni siquiera percibe como una pantalla,” afirmó Sohn. “El objetivo final es ofrecer una experiencia que se sienta indistinguible de la realidad. Como líderes en innovación de pantallas con puntos cuánticos, seguiremos avanzando con orgullo.”

Con su liderazgo constante y una audaz visión tecnológica, Samsung está dando forma al futuro de las pantallas y reescribiendo lo que es posible con los puntos cuánticos.

[1] Un enlace iónico es un tipo de enlace químico que se forma cuando los electrones se transfieren entre átomos, creando iones que se mantienen unidos por atracción eléctrica.

[2] Un enlace covalente es un tipo de enlace químico en el que dos átomos comparten electrones.

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.

▲ Comparación de estructuras de bandas de energía en aislantes, semiconductores y conductores

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.

▲ El tamaño determina el ancho de banda en los puntos cuánticos

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.”

▲Los puntos cuánticos crean colores ultra puros de rojo, verde y azul (RGB) al controlar la luz a escala nanométrica, produciendo un ancho de banda estrecho y una fuerte fluorescencia.

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.”

▲ Sanghyun Sohn

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.”

▲ Comparación del gamut RGB entre el espectro de luz visible, sRGB y DCI-P3 en un espacio de color CIE 1931

* CIE 1930: Un sistema de color ampliamente utilizado anunciado en 1931 por la Commission internationale de l’éclairage

* sRGB (RGB estándar): Un espacio de color creado cooperativamente por Microsoft y HP en 1996 para monitores e impresoras

* DCI-P3 (Digital Cinema Initiatives – Protocol 3): Un espacio de color ampliamente utilizado para contenido digital HDR, definido por Digital Cinema Initiatives para proyectores digitales

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.

▲ Taeghwan Hyeon

“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.”

▲ Doh Chang Lee

“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.

[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.