«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 reconoció el descubrimiento y la síntesis de los Quantum Dots. El Comité Nobel destacó los avances revolucionarios de los científicos en este campo, subrayando que estas diminutas partículas ya han tenido un impacto notable en industrias como la de pantallas y la medicina, y que su potencial se extiende a aplicaciones futuras en electrónica, comunicaciones cuánticas y energía solar.
Los Quantum Dots, diminutas partículas semiconductoras, emiten distintos colores de luz según su tamaño, lo que permite obtener tonos excepcionalmente puros y vivos. Samsung Electronics, principal mundial en la fabricación de pantallas, ha incorporado esta innovadora tecnología para elevar la calidad de imagen en 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 Quantum Dots
- Las pantallas QLED usan Real Quantum Dots 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 pequeña la partícula, mayor la brecha de banda
“A medida que las partículas de Quantum Dots 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 Quantum Dots
“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”.
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, las televisiones 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 QuantumDots basada en fosfuro de indio (InP) y las tecnologías de producción de imágenes 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 Quantum Dots 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”.
“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.
