El mundo académico tomó nota. La exitosa comercialización de televisores con Quantum Dots 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 Quantumm Dots

“Quedé verdaderamente impresionado de que Samsung lograra comercializar un producto con pantalla de Quantum Dots sin cadmio” — Taeghwan Hyeon, Universidad Nacional de Seúl

Los Quantum Dots 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 Quantum Dots. 

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 Quantum Dots. 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 Quantum Dots 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 Quantum Dots 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 Quantum Dots, 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 Quantum Dots 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 Quantum Dots basados en cadmio con enlaces iónicos y Quantum Dots 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 Quantum Dots 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 Quantum Dots 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 Quantum Dots 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 Quantum Dots 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 Quantum Dots 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 Quantum Dots 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 Quantum Dots 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 Quantum Dots

Los Quantum Dots 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 Quantum Dots 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 Quantum Dots sin cadmio”. 

Estableciendo el estándar en Quantum Dots 

“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 Quantum Dots se están aplicando en una amplia gama de campos, como las celdas solares, la medicina y la computación cuántica. Sin embargo, la pantalla con Quantum Dots 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 Quantum Dots 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 pantallas Quantum Dots basados en fosfuro de indio, sino que además sigue siendo la única empresa que ha logrado integrar y comercializar con éxito Quantum Dots en pantallas OLED”, dijo Sohn.“Al aprovechar nuestro liderazgo en tecnología de Quantum Dots, 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 las pantallas con Quantum Dots 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 Quantum Dots 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 televisiones con Quantum Dots 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 Quantum Dots 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 Quantum Dots tanto en la industria como en la academia. Al ser consultados sobre el futuro de las pantallas con Quantum Dots, los expertos compartieron sus perspectivas sobre lo que está por venir. 

“Como tecnología de próxima generación, actualmente estamos explorando los Quantum Dots auto emisivos”, explicó Sohn. “Hasta ahora, los Quantum Dots han dependido de una fuente de luz externa para expresar los colores rojo y verde. En el futuro, nuestro objetivo es desarrollar Quantum Dots 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 Quantum Dots 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 Quantum Dots, 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 Quantum Dots.

[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 Quantum Dots. partículas semiconductoras ultrafinas, emiten diferentes colores de luz dependiendo de su tamaño, generando tonos excepcionalmente puros y vívidos. Samsung Electronics, principal fabricante de televisores en el mundo, ha adoptado este material de vanguardia para mejorar el rendimiento de sus pantallas.

Samsung Newsroom sostuvo una conversación 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, líder del Laboratorio de Pantallas Avanzadas en el área de Visual Display Business de Samsung Electronics, para profundizar en cómo los Quantum Dots están dando paso a una nueva era en la tecnología de pantallas.

• Comprendiendo la brecha de energía
• Quantum Dots – 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 losQuantum Dots, primero hay que comprender el concepto de brecha de banda” — Taeghwan Hyeon, Universidad Nacional de Seúl

El movimiento de los electrones es lo que genera electricidad. En este proceso intervienen principalmente los electrones más externos de un átomo, conocidos como electrones de valencia. Estos se encuentran en una región energética llamada banda de valencia. Por encima de ella existe otra región, desocupada pero capaz de recibir electrones, conocida como banda de conducción.

Cuando un electrón absorbe energía suficiente, puede saltar de la banda de valencia a la banda de conducción. Al liberar esa energía, regresa a su posición original. La diferencia de energía entre ambas bandas, es decir, la cantidad necesaria para que un electrón realice este salto, que se conoce como brecha de banda.

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

Materiales como el caucho y el vidrio son aislantes porque tienen brechas de banda muy amplias, lo que dificulta que los electrones se muevan libremente entre las bandas. En cambio, en los conductores como el cobre o la plata, las bandas de valencia y de conducción están superpuestas, lo que permite que los electrones se desplacen con facilidad y se genere una alta conductividad eléctrica.  

Los semiconductores se encuentran en un punto intermedio: tienen una brecha de banda más estrecha. En condiciones normales, su capacidad para conducir electricidad es limitada, pero al recibir estímulos como calor, luz o electricidad, pueden conducir corriente o incluso emitir luz. 

“Para entender los Quantum Dots, primero hay que comprender el concepto de brecha de banda”, explicó Hyeon, quien subrayó que la estructura de bandas de energía de un material es fundamental para definir sus propiedades eléctricas. 

Quantum Dots, cuanto más pequña 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 Quantum Dots son cristales semiconductores diminutos, con un tamaño en escala nanométrica, que exhiben propiedades eléctricas y ópticas extraordinarias. Medidos en nanómetros (nm), es decir, milmillonésimas de metro, estas partículas tienen apenas una fracción del grosor de un cabello humano. Al reducir un semiconductor a esta escala, sus características cambian radicalmente en comparación con su forma a gran escala.

En estado masivo, las partículas son lo suficientemente grandes como para permitir que los electrones se desplacen libremente dentro del material, sin verse limitados por su propia longitud de onda. Esto da lugar a niveles de energía que forman un espectro continuo, como si se tratara de un tobogán de pendiente suave. En cambio, cuando el semiconductor se convierte en un punto cuántico, el movimiento de los electrones queda 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 dejan de ser continuos y solo pueden existir en pasos definidos”, explicó Hyeon. “Este fenómeno se conoce como confinamiento cuántico. Y en esta escala, el ancho de banda puede ajustarse según el tamaño de la partícula”. 

A medida que el tamaño del Quantum Dot se reduce, también disminuye el número de moléculas dentro de él. Esto debilita las interacciones entre los orbitales moleculares y refuerza el confinamiento cuántico, haciendo que el ancho de banda aumente [1]. Como este ancho de banda representa la energía liberada cuando un electrón cae de la banda de conducción a la banda de valencia, también cambia el color de la luz emitida. 

“Cuanto más pequeña es la partícula, más corta es la longitud de onda de la luz que emite: va de rojo a azul”, destacó Lee. “En otras palabras, el color del Quantum Dot depende directamente de su tamaño”.

Ingeniería detrás de las láminas de puntos cuánticos

“La imagen de Quantum Dots es el núcleo de las televisiones QLED, un testimonio de la profunda experiencia técnica de Samsung”  — Doh Chang Lee, Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea

Los Quantum Dots han despertado un gran interés en múltiples campos, desde las celdas solares y la fotocatálisis, hasta la medicina y la computación cuántica. Sin embargo, fue la industria de las pantallas la que logró dar el primer gran paso comercial con esta tecnología.

“Una de las razones por las que Samsung decidió enfocarse en los Quantum Dots es por la precisión con la que emiten luz”, explicó Sohn. “Tienen picos muy estrechos en su espectro de emisión, lo que, junto con su intensa fluorescencia, los convierte en una opción ideal para reproducir colores con una fidelidad extraordinaria”.

▲Los Quantum Dots 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 al máximo los Quantum Dots en la tecnología de pantallas, es fundamental que los materiales y las estructuras mantengan un rendimiento óptimo incluso en condiciones exigentes. Samsung QLED lo consigue a través del uso de una imagen de Quantum Dots que maximiza sus propiedades únicas.

“La precisión en la reproducción del color depende en gran medida de cómo esta imagen aprovecha las características ópticas de los Quantum Dots”, resaltó Lee. “Para que sea viable en productos comerciales, la imagen debe cumplir con criterios clave, como una conversión eficiente de la luz y un alto nivel de translucidez”.

▲ Sanghyun Sohn

La imagen de Quantum Dots utilizada en las pantallas Samsung QLED se produce al añadir una solución de Quantum Dots 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 Quantum Dots a lo largo de la imagen, 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 Quantum Dots.

“Hemos adquirido una gran experiencia en tecnología de Quantum Dots al desarrollar barreras que protegen contra la humedad y materiales poliméricos diseñados para dispersarlos de manera uniforme”, añadió. “Gracias a esto, no solo logramos escalar la producción, sino que también optimizamos los costos”.

Gracias a este proceso avanzado, la imagen de Quantum Dots 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 Quantum Dots 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 Quantum Dots, 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 Quantum Dots, necesitas asegurar la estabilidad a largo plazo para que sean útiles”, dijo Lee. “La síntesis de  Quantum Dots 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.”

Las pantallas QLED reales usan Quantum Dots 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 crece el interés por los Quantum Dots en la industria, han surgido diversos productos en el mercado. Sin embargo, no todos las televisiones que los incorporan ofrecen la misma experiencia: para que realmente marquen la diferencia, los Quantum Dots deben aportar de forma significativa a la calidad de imagen. 

▲ Taeghwan Hyeon

“La legitimidad de una pantalla de Quantum Dots radica en si aprovecha o no el efecto de confinamiento cuántico”, dijo Hyeon. “El primer requisito fundamental es usar los Quantum Dots para crear color”.

“Para que se considere una verdadera pantalla de Quantum Dots, los Quantum Dots deben servir como material principal para convertir o emitir luz”, explicó Lee. “Para los Quantum Dots convertidores de luz, la pantalla debe contener una cantidad adecuada de Quantum Dots para absorber y convertir la luz azul emitida por la unidad de retroiluminación”. 

▲ Doh Chang Lee

“La imagen de Quantum Dots debe contener una cantidad suficiente de estos materiales para funcionar de manera efectiva”, recalcó Sohn, subrayando la importancia de su concentración. “Samsung QLED incorpora más de 3,000 partes por millón (ppm) de Quantum Dots. El 100% de los colores rojo y verde en nuestras pantallas se genera mediante esta tecnología”. 

Samsung comenzó a explorar el potencial de los Quantum Dots desde 2001 y, en 2015, presentó la primera pantalla con Quantum Dots sin cadmio del mundo: el SUHD. Dos años más tarde, en 2017, la compañía marcó un nuevo hito al lanzar su línea premium QLED, reafirmando su liderazgo en el desarrollo y comercialización de esta tecnología.

En la segunda parte de esta serie de entrevistas, Samsung Newsroom profundiza en cómo la compañía no solo llevó la tecnología de pantallas de Quantum Dots al mercado, sino que también fue pionera en el desarrollo de materiales libres de cadmio, una innovación reconocida por los científicos galardonados con el Premio Nobel de Química.