Cómo la innovación en ingeniería de Samsung impulsó el avance científico e industrial [Entrevista sobre Real Quantum Dots – parte 2]

Los Quantum Dots han estado a la vanguardia de la innovación en pantallas durante la última década, ofreciendo una de las reproducciones de color más precisas entre los materiales existentes. En 2015, Samsung Electronics allanó el camino para la comercialización de los Quantum Dots con el lanzamiento de los televisores SUHD, un avance que superó el uso de cadmio (Cd), un metal pesado tradicionalmente utilizado en la síntesis de Quantum Dots, al introducir la primera tecnología de puntos cuánticos sin cadmio del mundo.

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.

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. 

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”. 

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”.

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 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.

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”.

“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.