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 de la 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 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.
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, exploran cómo los puntos cuánticos están marcando el comienzo de una nueva era en la tecnología de pantallas.
Cuanto más pequeña la partícula, mayor la brecha de banda
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.
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.
Ingeniería detrás de las láminas de puntos cuánticos
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.
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”, afirma Doh Chang Lee, profesor del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular en el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST). “Una película de puntos cuánticos debe cumplir con varios requisitos clave para su uso comercial, como una conversión eficiente de luz y translucidez.”
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. “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”, recalca Lee.
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.
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. Mientras que los LED convencionales ofrecen alrededor de 500 nits, las pantallas de puntos cuánticos de Samsung pueden alcanzar los 2,000 nits o más, lo equivalente a 2,000 velas, logrando un nuevo nivel de calidad de imagen.
Quantum Dot Real
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.”
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.
Para que se considere un televisor verdadero de puntos cuánticos, los puntos cuánticos deben servir como material principal para convertir o emitir luz. Para eso, la pantalla debe contener una cantidad adecuada de puntos cuánticos para absorber y convertir la luz azul emitida por la unidad de retroiluminación. 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.
