Los puntos cuánticos han estado a la vanguardia de la innovación de pantallas en la última década, entregando algunas de las reproducciones de color más precisas entre los materiales existentes.
“La tecnología QLED de Samsung jugó un papel crucial para llevar los puntos cuánticos al nivel de reconocimiento necesario para el Premio Nobel de Química.”
— Taeghwan Hyeon, Universidad Nacional de Seúl
Los puntos cuánticos han estado a la vanguardia de la innovación de pantallas en la última década, entregando algunas de las reproducciones de color más precisas entre los materiales existentes. En 2015, Samsung Electronics allanó el camino para la comercialización de puntos cuánticos con el lanzamiento de TV SUHD —, un avance que se movió más allá del uso de cadmio (Cd), un metal pesado tradicionalmente utilizado en la síntesis de puntos cuánticos, al presentar primero a los worldwide no-cadmio tecnología de puntos cuánticos.
El mundo académico se dio cuenta. La comercialización exitosa de TV de punto cuántico sin cadmio no solo estableció una nueva dirección para la investigación y el desarrollo, sino que también jugó un papel fundamental en la adjudicación del 2023 Premio Nobel de Química para el descubrimiento y síntesis de puntos cuánticos.
Siguiendo Parte 1Samsung Newsroom descubre cómo Samsung ha contribuido a la academia a través de avances innovadores en innovación de materiales.
▲ (De la izquierda) Taeghwan Hyeon, Doh Chang Lee y Sanghyun Sohn
Por qué el Cadmio fue el Punto de Partida para la Investigación de Puntos Cuánticos
“Me impresionó mucho que Samsung lograra comercializar un producto de pantalla de puntos cuánticos sin cadmio.”
— Taeghwan Hyeon, Universidad Nacional de Seúl
Los puntos cuánticos comenzaron a atraer el interés científico en la década de 1980 cuando Aleksey Yekimov, ex Científico Jefe de Nanocrystals Technology Inc., y Louis E. Brus, profesor emérito del Departamento de Química de la Universidad de Columbia, publicó sus investigaciones sobre el efecto de confinamiento cuántico y las propiedades ópticas dependientes del tamaño de los puntos cuánticos.
Momentum aceleró en 1993 cuando Moungi Bawendi, profesor en el Departamento de Química del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), desarrolló un método confiable para sintetizar puntos cuánticos. En 2001, Taeghwan Hyeon, un distinguido profesor en el 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 la necesidad de separación selectiva por tamaño. En 2004Hyeon publicó un método de producción escalable en la revista académica Nature Materials —, un descubrimiento ampliamente considerado como un posible cambio de juego en la industria.
▲ Taeghwan Hyeon
Sin embargo, estos esfuerzos no condujeron inmediatamente a la comercialización. En ese momento, los puntos cuánticos dependían en gran medida del cadmio(Cd) como material central —, una sustancia conocida por ser dañina para los humanos y designada como material restringido bajo la Directiva de 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. “Seleniuro de cadmio, el material de punto cuántico convencional, es un compuesto de elementos del grupo II y del grupo VI, mientras que el fosfuro de indio se forma a partir de elementos del grupo III y del grupo V. Sintetizar puntos cuánticos de los elementos del grupo II y VI es relativamente sencillo, pero combinar los elementos del grupo III y V es químicamente mucho más complejo
▲ Una comparación de 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 fuertes enlaces iónicos1 con elementos como selenio (Se), azufre (S) y telurio (Te) — cada uno de los cuales tiene seis electrones de valencia. Estas combinaciones dan como resultado semiconductores estables, conocidos como semiconductores II–VI, materiales que durante mucho tiempo se han visto favorecidos en la investigación por 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 se consideró un estándar académico durante muchos años.
En contraste, el indio (In) — es una alternativa al cadmio con tres electrones de valencia — forma enlaces covalentes2 con elementos como el fósforo (P), que tiene cinco electrones de valencia. Los enlaces covalentes son generalmente menos estables que los enlaces iónicos y tienen una naturaleza direccional, lo que aumenta la probabilidad de defectos durante la síntesis de nanocristales. Estas características han hecho del indio un material desafiante para trabajar tanto en investigación como en producción en masa.
“Es difícil lograr una alta cristalinidad en puntos cuánticos hechos de fosfuro de indio, señaló” Lee. “Se requiere un proceso de síntesis complejo y exigente para cumplir con los estándares de calidad necesarios para la comercialización
Sin compromiso – Del Avance a la Producción en Masa
“Simplemente no hay espacio para el compromiso cuando se trata de la seguridad del consumidor.”
— Sanghyun Sohn, Samsung Electronics
Samsung, sin embargo, adoptó un enfoque diferente.
“Habíamos estado investigando y desarrollando tecnología de puntos cuánticos desde 2001,” dijo Sanghyun Sohn, Jefe de Advanced Display Lab, Visual Display (VD) Business en Samsung Electronics. “Pero desde el principio, determinamos que el cadmio — que es dañino para el cuerpo humano — no era adecuado para la comercialización. Mientras que las regulaciones en algunos países permiten técnicamente hasta 100 partes por millón (ppm) de cadmio en productos electrónicos, Samsung adoptó una política de cero cadmio desde el principio. Sin cadmio, sin compromiso — esa fue nuestra estrategia. Simplemente no hay espacio para el compromiso cuando se trata de la seguridad del consumidor.”
▲ Sanghyun Sohn
El compromiso de larga data de Samsung con su principio de “No Compromise on Safety” llegó a la vanguardia en 2014 cuando la compañía desarrolló con éxito el primer material de puntos cuánticos sin cadmio de la comunidad mundial. Para garantizar la durabilidad y la calidad de la imagen, Samsung introdujo una tecnología de recubrimiento protector de triple capa que protege las nanopartículas de fosfuro de indio de factores externos como el oxígeno y la luz. Al año siguiente, Samsung lanzó el primer TV SUHD comercial de la comunidad con puntos cuánticos sin cadmio —, un cambio de paradigma en la industria de la pantalla y la culminación de los esfuerzos de investigación que comenzaron a principios de la década de 2000.
“Los puntos cuánticos basados en fosfuro de indio son inherentemente inestables y más difíciles de sintetizar en comparación con sus contrapartes basadas en cadmio, inicialmente logrando solo alrededor del 80% del rendimiento de los puntos cuánticos basados en cadmio,” dijo Sohn. “Sin embargo, a través de un proceso de desarrollo intensivo en el Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT), aumentamos con éxito el rendimiento al 100% y garantizamos la confiabilidad durante más de 10 años
▲ Los tres componentes de los puntos cuánticos
Los puntos cuánticos que se encuentran en los QLED de Samsung están compuestos por tres componentes clave — un núcleo, donde se emite luz; una carcasa, que protege el núcleo y estabiliza su estructura; y un ligando, un recubrimiento de polímero que mejora la estabilidad a la oxidación fuera de la carcasa. La esencia de la tecnología de puntos cuánticos radica en la integración perfecta de estos tres elementos, un proceso industrial avanzado que abarca desde la adquisición y síntesis de materiales hasta la producción en masa y la presentación de numerosas patentes.
“Ninguno de los tres componentes — núcleo, carcasa o ligando se puede pasar por alto,” agregó Lee. “La tecnología de Samsung para la síntesis de fosfuro de indio es sobresaliente.”
“Desarrollar una tecnología en el laboratorio es un desafío en sí mismo, pero la comercialización requiere un nivel de esfuerzo completamente diferente para garantizar la estabilidad del producto y una calidad de color consistente,” dijo Hyeon. “Me impresionó mucho que Samsung lograra comercializar un producto de pantalla de puntos cuánticos sin cadmio.”
Configuración del Estándar de Punto Cuántico
“Las tendencias de investigación en la comunidad académica cambiaron notablemente antes y después del lanzamiento de Samsungs quantum dot TVs.”
— Doh Chang Lee, Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea
Las propiedades ópticas de los puntos cuánticos se están aplicando a una amplia gama de campos, incluidas las células solares, la medicina y la computación cuántica. Sin embargo, la pantalla de puntos cuánticos sigue siendo la aplicación más activamente investigada y ampliamente comercializada hasta la fecha — con Samsung emergiendo como pionero.
Sobre la base de años de investigación fundamental y la introducción de sus TV SUHD, Samsung lanzó sus TV QLED en 2017 y establezca un nuevo estándar para pantallas premium. En 2022, la compañía impulsó aún más la innovación con el debut de los televisores QD-OLED — la primera pantalla de la feria mundial en combinar puntos cuánticos con una estructura OLED.
▲ Una comparación de estructuras LCD, QLED y QD-OLED
QD-OLED es una tecnología de visualización de próxima generación que integra puntos cuánticos en la estructura autoemisiva de OLED. Este enfoque permite tiempos de respuesta más rápidos, negros más profundos y relaciones de contraste más altas. Samsungs QD-OLED fue galardonado con Display of the Year en 2023 por la Society for Information Display (SID), la mayor organización mundial dedicada a las tecnologías de visualización.
“Samsung no solo ha liderado el mercado con sus televisores de puntos cuánticos basados en fosfuro de indio, sino que también sigue siendo la única compañía que ha integrado y comercializado con éxito puntos cuánticos en OLED,” dijo Sohn. “Al aprovechar nuestro liderazgo en la tecnología de puntos cuánticos, continuaremos liderando el futuro de la innovación de pantallas.”
▲ Doh Chang Lee
“Las tendencias de investigación en la comunidad académica cambiaron notablemente antes y después del lanzamiento de los televisores de punto cuántico de Samsung,” dijo 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 aplicaciones prácticas en lugar de los materiales en sí, lo que refleja el potencial de implementación en el mundo real a través de tecnologías de visualización
“Ha habido muchos intentos de aplicar puntos cuánticos en varios campos, incluida la fotocatálisis,”, agregó. “Pero estos esfuerzos permanecen en las primeras etapas en comparación con su uso en displays.”
Hyeon también señaló que la comercialización exitosa de los televisores de punto cuántico de Samsung ayudó a allanar el camino para que Bawendi, Brus y Yekimov reciban el Premio Nobel de Química 2023.
“Uno de los criterios más importantes para el Premio Nobel es la medida en que una tecnología ha contribuido a la humanidad a través de la comercialización,”, dijo. “Samsungas QLED representa uno de los logros más significativos en nanotecnología. Sin su comercialización, habría sido difícil para los puntos cuánticos obtener el reconocimiento Nobel.”
Visión de Samsung para las pantallas de Tomorrow
Desde el lanzamiento de sus televisores QLED, Samsung ha acelerado el crecimiento de la tecnología de puntos cuánticos tanto en la industria como en la academia. Cuando se les preguntó sobre el futuro de las pantallas de puntos cuánticos, los expertos compartieron sus ideas sobre lo que se avecina.
“Como tecnología de próxima generación, actualmente estamos explorando puntos cuánticos autoemisivos,” dijo Sohn. “Hasta ahora, los puntos cuánticos se han basado en una fuente de luz externa para expresar rojo y verde. En el futuro, nuestro objetivo es desarrollar puntos cuánticos que emitan luz de forma independiente a través de la electroluminiscencia — produciendo los tres colores primarios inyectando energía eléctrica. También estamos trabajando en el desarrollo de puntos cuánticos azules.”
“Como los materiales electroluminiscentes permiten reducir el tamaño de los componentes del dispositivo, weiwell podrá lograr la alta resolución, eficiencia y brillo necesarios para las aplicaciones de realidad virtual y aumentada,” dijo Lee, prediciendo una transformación importante en el futuro de las pantallas.
“Una buena pantalla es una que el espectador ni siquiera reconoce como una pantalla,” dijo Sohn. “El objetivo final es ofrecer una experiencia que se sienta indistinguible de la realidad. Como líder en innovación de visualización de puntos cuánticos, con orgullo continuaremos avanzando.”
Con su liderazgo continuo y su visión tecnológica audaz, Samsung está dando forma al futuro de las pantallas y reescribiendo lo que es posible con puntos cuánticos.
1 Un enlace iónico es un enlace químico formado cuando los electrones se transfieren entre átomos, creando iones que se mantienen unidos por atracción eléctrica.
2 Un enlace covalente es un enlace químico en el que dos átomos comparten electrones.
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