—  Taeghwan Hyeon, Universidad Nacional de Seúl

Los puntos cuánticos han estado a la vanguardia de la innovación en pantallas durante la última década, ofreciendo una de las reproducciones de color más precisas entre los materiales existentes. En 2015, Samsung Electronics allanó el camino para la comercialización de los puntos cuánticos con el lanzamiento de los televisores SUHD, un avance que superó el uso de cadmio (Cd), un metal pesado tradicionalmente utilizado en la síntesis de puntos cuánticos, al introducir la primera tecnología de puntos cuánticos sin cadmio del mundo.

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”, 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[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.

▲ La tecnología Quantum Dot convierte la luz en más de mil millones de colores puros

La tecnología de los Quantum Dots (puntos cuánticos) es desde hace años la vía escogida por Samsung para lograr una excepcional calidad visual en sus televisores de primera línea. Recientemente, esta tecnología ha vuelto a ser noticia con el emocionante anuncio de que tres científicos de diferentes nacionalidades han sido galardonados con el Premio Nobel de Química 2023. Esta distinción se debe a la dedicación de cada uno de ellos durante décadas para investigar, profundizar y contribuir a los avances en el estudio y la caracterización de este fenómeno, que tiene múltiples y valiosas aplicaciones en diversas áreas de la vida humana y, lo que es aún más importante, beneficios significativos para la humanidad.

Los laureados son el físico ruso Alexei I. Ekimov, de Nanocrystals Technology Inc., quien en la década de los 80’s, fue el primero en descubrir en cristales los puntos cuánticos,  años después, el químico estadounidense Louis E. Brus, de la Universidad de Columbia, quien determinó que los efectos cuánticos de las partículas que flotaban libremente en un líquido dependían de su tamaño; y en 1993, el químico francés Moungi Bawendi, del Massachusetts Institute of Technology, revolucionó la producción química de puntos cuánticos, creando partículas casi perfectas.

De la medicina a las pantallas de TV

Voceros de la Real Academia Suiza, que desde 1901 otorgan este reconocimiento de importancia mundial, al anunciar este veredicto señalaron que la potencialidad de las contribuciones de este logro científico “acaba de empezar”, e hicieron énfasis en una contundente declaración: “Los puntos cuánticos aportan un gran beneficio a la humanidad“.

Entre la multitud de aplicaciones prácticas, los minúsculos nanocristales semiconductores han revolucionado diversas industrias y ciencias como la medicina. Ha sido invaluable su contribución a la formulación de métodos curativos como, por ejemplo, los que se han ideado en biomedicina. Esta tecnología de ayuda para la salud humana, ha logrado obtener imágenes a nivel intracelular de utilidad en el diagnóstico y en el tratamiento de enfermedades como el cáncer.

▲ Las imágenes que permite obtener Quantum Dot son de máximo realismo, mayor luminosidad y contraste mejorado

En el área de la tecnología aplicada a la vida hogareña, este portento científico abrió las puertas al disfrute de una calidad de imagen sin precedentes en televisores de última generación. Uno de los resultados más impresionantes de la tecnología de Quantum Dots lo exhiben hoy las líneas de televisores Neo QLED, QLED y ahora más reciente OLED de Samsung, que se traduce en una experiencia visual que trasciende los límites convencionales de los modelos de TV que la preceden.

La tecnología Quantum Dot convierte la luz en más de mil millones de colores puros. En términos más sencillos, el nivel de sofisticación del uso de los puntos cuánticos -en base a la nanotecnología y la Inteligencia Artificial, entre otras herramientas-, pone al alcance de todos los usuarios la mayor fascinación posible cuando miran sus contenidos favoritos.   Esta funciona porque las pantallas de Samsung emiten colores con una precisión y pureza impresionante, para que los distintos productos audiovisuales que en ellas se reproducen luzcan con elevado realismo, al disponer de una gama de matices más amplia, una mayor luminosidad y un contraste mejorado en comparación con otras tecnologías de visualización.

En definitiva, gracias a la innovadora utilización de los Quantum dots, la tecnología de los televisores Neo QLED, QLED y OLED de Samsung son capaces de establecer una conexión especial con el mundo de la ciencia y la investigación, demostrando así el compromiso inquebrantable de Samsung por ofrecer a sus clientes los mejores productos con un enfoque en la vanguardia tecnológica y la excelencia en la experiencia visual.