Quantum dot displays (pantallas de puntos cuánticos)

22 Marzo 2017

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Desde hace unos años se están empezando a comercializar pantallas de televisión que incorporan la tecnología denominada “Quantum dot display”. Según sus fabricantes, estas pantallas basadas en puntos cuánticos permiten una fidelidad de colores y una gama tonal muy por encima de cualquier pantalla convencional con tecnología LCD (Liquid Crystal Display) comercializada hasta la fecha, presentando además una mejor eficiencia energética.

David Barcons Ruiz

En primer lugar, antes de tratar de comprender el funcionamiento de estos dispositivos debemos entender su componente principal: los puntos cuánticos, en inglés “quantum dots”. Los puntos cuánticos son nanocristales, semiconductores en su práctica totalidad, de unos pocos nanómetros de diámetro (lo que corresponde a sólo decenas o centenas de átomos en fila). Estas pequeñas estructuras presentan unas propiedades especiales debido a los efectos cuánticos característicos de sistemas extremadamente pequeños, casi de escala atómica, donde la física cuántica se hace relevante frente a la clásica. El principal efecto se conoce como confinamiento cuántico que, explicado brevemente, consiste en que los electrones presentan unos niveles de energía discretos, a diferencia de lo que ocurre en el material masivo. Estos niveles de energía vienen determinados por el tipo de compuesto y su tamaño. Por tanto, modificando el tamaño de los puntos cuánticos se pueden cambiar sus propiedades electrónicas y ópticas.

Figura 1. Puntos cuánticos de CdSe en suspensión. Se aprecia el cambio en su color en función de su diámetro. Fuente: Quantum materials corporation (http://photos.prnewswire.com/prnh/20130911/DA77803)

Tradicionalmente, los puntos cuánticos más estudiados han sido de CdSe. Estos emiten en color rojo cuando su diámetro es de unos 5 nm y en color violeta si su diámetro se ve reducido a 1.5 nm, como se observa en la imagen de la Figura 1. Como vemos, en función del tamaño con el que se crezcan dichos puntos cuánticos, se puede seleccionar el color en el que emitirán.

Para entender el funcionamiento de los dispositivos basados en puntos cuánticos, primero debemos explicar brevemente cómo funciona un panel LCD común retroiluminado con LEDs. En cada píxel de estos paneles la luz proviene de una serie de LED azul a la que se aplica un filtro de fósforo para conseguir luz blanca. Esta luz blanca se hace pasar por tres subpíxeles RGB, que son filtros que dejan pasar únicamente luz roja, verde o azul. Mediante el cristal líquido (LC) se controla con electrodos la cantidad de luz que se deja pasar de cada color a través de cada cristal. El principal problema de estos dispositivos es la poca fidelidad con que muestran los colores debido principalmente a la poca pureza de la luz blanca usada como retroiluminación.

Figura 2. Esquema de los componentes que forman una pantalla convencional LCD (derecha) frente a una que incorpora la tecnología Quantum dot (izquierda). Fuente: https://matterchatter.wordpress.com/

La implementación de los puntos cuánticos en estos dispositivos consiste en eliminar la capa de fósforo que produce la luz blanca y los filtros por los que se hace pasar esta luz a continuación, manteniendo el LED azul y el LCD, como se observa en la imagen de la Figura 2. En su lugar se introducen en cada píxel dos puntos cuánticos con un tamaño y composición que den como resultado una emisión de color rojo y verde. El espectro RGB (Red Green Blue) se forma entonces con el LED azul de retroiluminación, y los puntos cuánticos que sólo emiten en rojo y verde. Debido a lo comentado anteriormente, mediante el uso de puntos cuánticos, con niveles de energía discretos, se pueden conseguir emisiones con una longitud de onda (color) muy precisa y color muy puro (espectro muy estrecho).

Además, los paneles de puntos cuánticos son más sencillos y baratos de fabricar y presentan una mayor eficiencia energética (aquí se detalla la apuesta de Samsung por los paneles QD frente a los OLED). De hecho, el fabricante que más apuesta por esta tecnología (Samsung) es capaz de producir los paneles sin utilizar cadmio, un componente tóxico y contaminante prohibido en muchos países.

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