“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.

▲ 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.

Para obtener más información sobre los logros alcanzados hasta ahora en el campo de la innovación tecnológica de televisores, así como sobre el futuro de las tecnologías de visualización en la era de las pantallas UHD, Samsung Newsroom se reunió con expertos en TV.

▲ (Desde la izquierda) Sangmin Lee, Head del Laboratorio de Soluciones de Calidad de Imagen, Hyunchul Song del Grupo de Desarrollo de Productos y Youngseok Han del Laboratorio de Plataforma H/W del Negocio de Pantallas Visuales de Samsung

Pioneros en el futuro del televisor a través de la innovación sin fin

En estos días, la calidad de la imagen se ha convertido en uno de los factores más importantes que los consumidores consideran al elegir un televisor. En 1977, Samsung tuvo éxito en el desarrollo y producción en masa de un televisor en color, el Color Economy TV, por primera vez en Corea, marcando el comienzo de la era del televisor en color para el país. Samsung recibió el título de primer fabricante de televisores a color en Corea gracias a su firme dedicación a la innovación, y la empresa nunca se conformó con el colosal éxito de su modelo de televisor en blanco y negro, el Econo TV, que tomó la mayor parte dentro del mercado de televisores mensuales en ese momento.

▲ El primer televisor LED de Samsung, lanzado en 2009, asombró al mundo como un gran avance en la tecnología de televisores.

El siguiente en desarrollarse fue el televisor LCD, y en 2009, Samsung presentó su modelo revolucionario: el televisor LED Samsung, la culminación de todas las tecnologías innovadoras disponibles en ese momento, lo que permitió una calidad de imagen inigualable gracias a los diodos emisores de luz. Todos los componentes del televisor LED de Samsung se diseñaron de nuevo, y el número de patentes adquiridas para este modelo superó las 3 mil.

▲ El televisor QLED de Samsung hizo su debut mundial en CES en 2017.

En 2017, Samsung pasó a presentar el primer televisor QLED del mundo basado en tecnología de puntos cuánticos sin cadmio en el Consumer Electronics Show (CES). El innovador televisor de la compañía estuvo en el centro de atención ese año, con una excelente calidad de imagen y el 100% de volumen de color.

Un año después, la compañía lanzó al mercado un modelo QLED 8K que incorporó la resolución 8K en la tecnología de puntos cuánticos propiedad de Samsung. Presentaba Direct Full Array, una tecnología de retroiluminación capaz de controlar con precisión el balance de iluminación en cada parte de la imagen en pantalla, así como 8K AI Upscaling, una tecnología diseñada para actualizar de manera inteligente videos de menor calidad a una resolución vívida de 8K por primera vez en la industria. Las innovadoras tecnologías QLED 8K de Samsung son las que lanzaron la era de 8K.

“En 2020, Samsung presentó el primer televisor sin marco del mundo, que eliminó por completo los marcos alrededor de la pantalla”, dijo Hyunchul Song del Grupo de Desarrollo de Productos. “Un año después, consolidamos aún más nuestra posición como líder de la industria al presentar nuestra tecnología Neo QLED basada en pantallas Quantum Mini LED. Desde FHD hasta 8K, hemos realizado esfuerzos incesantes para desarrollar productos innovadores que ofrecen experiencias diferenciadas basadas en las necesidades del consumidor”.

Luchando por una calidad de imagen superior a través de una investigación en profundidad sobre el comportamiento humano

Samsung continúa esforzándose por ofrecer las mejores experiencias de visualización posibles al brindar una calidad de imagen líder. Sin embargo, ¿qué significa “buena calidad de imagen” para alguien que trabaja en su desarrollo?

“La calidad de la imagen se considera buena cuando brinda una sensación de realidad al espectador, que se siente como si estuviera presenciando las imágenes en la pantalla de primera mano”, explicó Youngseok Han, un desarrollador del Laboratorio de H/W. “Para garantizar una buena calidad de imagen, los indicadores de rendimiento de la pantalla, como alta resolución, alta luminancia y excelente expresión de color, son esenciales. Lo que también importa es qué tan bien balanceadas están las otras tecnologías de vanguardia de la pantalla, incluido el diseño del chip, los algoritmos de calidad de imagen y el sonido”.

Han continuado brindando más información sobre la importancia del equilibrio para la calidad de imagen correspondiente. “Los factores que más abandonan la calidad de la imagen son qué tan bien organizan las diversas tecnologías relevantes. Esto incluye aquellos diseñados para reducir la distorsión y cualquier ruido de transmisión de imagen, aquellos que reproducen los colores con precisión y riqueza y crean un contraste nítido para imágenes más vívidas y claras, y aquellas tecnologías de movimiento que aseguran que el movimiento de los objetos en la pantalla parece suave y fluido”.

Sería imposible desarrollar una buena calidad de imagen con una sola tecnología, sin importar qué tan buena sea esa tecnología. Por eso, Samsung se compromete a desarrollar tecnologías innovadoras a través de todo tipo de enfoques diferentes sin cesar, como líder en la industria. Recientemente introducido en el televisor Neo QLED 2023, Real Depth Enhancer es una de las nuevas funciones que se desarrolló para mejorar aún más la calidad de la imagen.

Cuando los ojos humanos se enfocan en un objeto, la atención se dirige al objeto al optimizar la nitidez, la claridad y la textura, todo mientras se mantiene la escena de fondo. La tecnología Real Depth Enhancer de Samsung se desarrolló en base a la comprensión de este comportamiento humano y aprovecha la IA para separar automáticamente un objeto de su fondo para crear una mayor sensación de profundidad y hacer que las imágenes realmente se destaquen.

Además, la tecnología Neo Quantum Matrix Pro perfecciona la reproducción de detalles finos a través del control preciso de los mini LED cuánticos en un total de 16,384 niveles*. Este meticuloso ajuste añade aún más dimensión y un sentido de realidad a las imágenes en la pantalla.

“Nuestra tecnología Real Depth Enhancer es el resultado de una optimización de todas las tecnologías relevantes de una manera que tiene en cuenta la psicología humana, en lugar de ocupar solo en mejorar la resolución”, dijo Han.

De juegos 8K a obras de arte en televisores Samsung en la era de la tecnología 8K

En estos días, los usuarios están siendo bombardeados por nuevos contenidos. Todos los días se publican decenas de millas de nuevos medios y contenido en todo tipo de plataformas, pero ¿se aplica lo mismo a los contenidos que se crean en 8K?

“Tras el crecimiento reciente de los dispositivos 8K, incluidos los smartphones, cualquiera puede crear contenido 8K y verlo en resolución ultra alta”, dijo Sangmin Lee, Jefe del Laboratorio de Soluciones de Calidad de Imagen. “Las tarjetas gráficas de alto rendimiento ahora también permiten que los usuarios disfruten de juegos de 8K, lo que significa que ya estamos viviendo en la era de 8K UHD”.

Song detalló aún más el crecimiento del contenido 8K en el mercado de visualización actual. “Hay una cantidad creciente de contenido 8K disponible en los canales de redes sociales y los artistas están creando obras de arte digital en 8K”, explicó. “Agregamos la función ‘Videos de YouTube en 8K’ al televisor Neo QLED 2023 para permitir que los usuarios examinen el contenido 8K disponible en YouTube y exploren obras de arte digital, como una imagen en formato NFT1, de un solo vistazo”.

Samsung también está tomando la iniciativa en la expansión del ecosistema de contenido 8K al estar al frente de la Asociación 8K, una organización global sin fines de lucro creada en 2019 con el objetivo de establecer estándares 8K y expandir el contenido 8K. Desde febrero de 2023, la asociación tiene 33 miembros, incluidos Samsung, productores de paneles de TV, fabricantes de chips SoC y creadores de contenido líderes. El año pasado, Samsung lanzó un teaser de la serie El Señor de los Anillos: Los Anillos del Poder en 8K, desarrollado en colaboración con Amazon Prime Video, otro miembro de la Asociación 8K.

Desarrollo de una calidad de imagen óptima que lleva las experiencias de visualización al siguiente nivel

Para obtener más información sobre los próximos pasos del líder de la industria Samsung en términos de calidad de imagen en la era de la tecnología 8K, Samsung Newsroom preguntó a los tres profesionales de televisores que tienen sus objetivos.

“Como desarrollador, me siento más realizado cuando escucho comentarios de que los espectadores piensan que las imágenes en pantalla les parecen reales”, dijo Han. “Mi objetivo es perfeccionar aún más nuestros algoritmos mediante la optimización de una gama de componentes para ofrecer una calidad de imagen que sea ‘más real que real’ para los espectadores”.

Para Song, la creación de tecnologías que aportan valor real a los usuarios es de suma importancia. “Mientras que el departamento de desarrollo trabaja para crear la mejor calidad de imagen a través de la innovación tecnológica, yo estoy más involucrado en la optimización de productos para brindar experiencias de alta calidad a tantos espectadores como sea posible”, dijo Song. “Seguiré deliberando sobre qué otros tipos de valor para el usuario podemos aportar a nuestros espectadores”.

Finalmente, desde la perspectiva de Lee, el objetivo es y siempre ha sido brindar a los usuarios experiencias que van más allá de simplemente mirar contenido. “El valor más importante que puede brindar una pantalla es presentar imágenes que parecen más reales que la realidad”, explicó Lee. “A través de los mejores algoritmos de calidad de imagen y un rendimiento de sonido líder, la calidad de imagen óptima que se entrega permite que los usuarios disfruten de su contenido favorito sin tener que preocuparse por ajustar la configuración. Nuestro objetivo final es ofrecer una excelente calidad de imagen que permita que los usuarios disfruten plenamente de sus experiencias de visualización, que van más allá de la simple visualización de contenido”.

Estén atentos a Samsung Newsroom para la segunda y última parte de esta serie que destaca el papel del televisor 8K y las tecnologías innovadoras que Samsung ha estado desarrollando para brindar las mejores experiencias de visualización posibles a sus usuarios.

* El número de niveles en los Quantum Mini LED se ha corregido de 13.684 a 16.384 niveles a partir del 5 de abril de 2023.