Em 2023, o Prêmio Nobel de Química foi concedido pela descoberta e síntese de pontos quânticos. O Comitê do prêmio reconheceu as conquistas revolucionárias dos cientistas da área, observando que os pontos quânticos já fizeram contribuições significativas para as indústrias de telas e de saúde, com aplicações mais amplas previstas em eletrônica, comunicações quânticas e células solares.

Os pontos quânticos – partículas semicondutoras ultrafinas – emitem diferentes cores, dependendo do seu tamanho, produzindo tons excepcionalmente puros e vívidos. A Samsung, líder mundial na fabricação de TVs, adotou esse material de última geração para melhorar o desempenho de suas telas.

A Samsung Newsroom conversou com Taeghwan Hyeon, professor renomado do Departamento de Engenharia Química e Biológica da Universidade Nacional de Seul (SNU); Doh Chang Lee, professor do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST); e Sanghyun Sohn, Líder do Laboratório de Display Avançado de Visual Display Business da Samsung Electronics, para explorar como os pontos quânticos estão trazendo uma nova era da tecnologia de telas.

Entendendo a lacuna de banda

“Para entender os pontos quânticos, é preciso primeiro entender o conceito de lacuna de banda”- Taeghwan Hyeon, Universidade Nacional de Seul

O movimento dos elétrons gera eletricidade. Normalmente, os elétrons mais externos – conhecidos como elétrons de valência – estão envolvidos nesse movimento. A faixa de energia em que esses elétrons existem é chamada de banda de valência, enquanto uma faixa de energia mais alta e não ocupada que pode aceitar elétrons é chamada de banda de condução.

Um elétron pode absorver energia para saltar da banda de valência para a banda de condução. Quando o elétron excitado libera essa energia, ele cai novamente na banda de valência. A diferença de energia entre essas duas bandas – ou seja, a quantidade de energia que um elétron precisa ganhar ou perder para se mover entre elas – é conhecida como lacuna de banda.

Uma comparação das estruturas de banda de energia em isoladores, semicondutores e condutores.

Isolantes como borracha e vidro têm grandes lacunas de banda, impedindo que os elétrons se movam livremente entre elas. Em contrapartida, os condutores, como o cobre e a prata, têm bandas de valência e de condução sobrepostas, permitindo que os elétrons se movimentem livremente para obter alta condutividade elétrica.

Os semicondutores têm uma lacuna de banda que fica entre os isolantes e os condutores, limitando a condutividade em condições normais, mas permitindo a condução elétrica ou a emissão de luz quando os elétrons são estimulados por calor, luz ou eletricidade.

“Para entender os pontos quânticos, é preciso primeiro entender o conceito de lacuna de banda”, disse Hyeon, enfatizando que a estrutura de banda de energia de um material é crucial para determinar suas propriedades elétricas.

Pontos quânticos: quanto menor a partícula, maior a lacuna de banda

“À medida que as partículas de pontos quânticos se tornam menores, o comprimento de onda da luz emitida muda de vermelho para azul.” – Doh Chang Lee, Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia

Os pontos quânticos são cristais semicondutores em nanoescala com propriedades elétricas e óticas exclusivas e são medidas em nanômetros (nm) — ou um bilionésimo de metro. Essas partículas têm apenas alguns milésimos da espessura de um fio de cabelo humano. Quando um semicondutor é reduzido à escala nanométrica, suas propriedades mudam significativamente em comparação com seu estado em massa.

Nos estados em massa, as partículas são suficientemente grandes para que os elétrons no material semicondutor possam se mover livremente sem serem limitados por seu próprio comprimento de onda. Isso permite que os níveis de energia – os estados que as partículas ocupam ao absorver ou liberar energia – formem um espectro contínuo, como um longo escorregador com uma inclinação suave. Nos pontos quânticos, o movimento dos elétrons é restrito porque o tamanho da partícula é menor do que o comprimento de onda do elétron.

O tamanho determina a lacuna de banda em pontos quânticos.

Imagine pegar água (energia) de um pote grande (estado de massa) com uma concha (a largura de banda é correspondente ao comprimento de onda de um elétron). Usando a concha, é possível ajustar livremente a quantidade de água no pote, de cheio para vazio, o que equivale a níveis contínuos de energia. Entretanto, quando o pote encolhe até o tamanho de uma xícara de chá – como um ponto quântico – a concha não cabe mais. Nesse momento, a xícara só pode estar cheia ou vazia. Isso ilustra o conceito de níveis de energia quantizados.

“Quando as partículas semicondutoras são reduzidas à escala nanométrica, seus níveis de energia tornam-se quantizados – elas só podem existir em etapas descontínuas”, disse Hyeon. “Esse efeito é chamado de ‘confinamento quântico’. E nessa escala, a lacuna de banda pode ser controlada pelo ajuste do tamanho da partícula.”

O número de moléculas dentro da partícula diminui à medida que o tamanho do ponto quântico diminui, resultando em interações mais fracas dos orbitais moleculares. Isso fortalece o efeito de confinamento quântico e aumenta a lacuna de banda¹. Como esse intervalo corresponde à energia liberada por meio do relaxamento de um elétron da banda de condução para a banda de valência, a cor da luz emitida muda de acordo.

“À medida que as partículas se tornam menores, o comprimento de onda da luz emitida muda do vermelho para o azul”, disse Lee. “Em outras palavras, o tamanho do nanocristal de pontos quânticos determina sua cor.”

Engenharia por trás dos filmes de pontos quânticos

“O filme de pontos quânticos está no centro das TVs QLED – uma prova da profunda experiência técnica da Samsung.” – Doh Chang Lee, Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia

Os pontos quânticos têm atraído a atenção em diversos campos, incluindo células solares, fotocatálise, medicina e computação quântica. Entretanto, o setor de telas foi o primeiro a comercializar a tecnologia com sucesso.

“Um dos motivos pelos quais a Samsung se concentrou nos pontos quânticos são os picos excepcionalmente estreitos de seu espectro de emissão”, disse Sohn. “Sua largura de banda estreita e forte fluorescência os tornam ideais para reproduzir com precisão um amplo espectro de cores.”

Os pontos quânticos criam cores vermelhas, verdes e azuis (RGB) ultrapuras por meio do controle da luz em escala nanométrica, produzindo uma largura de banda estreita e uma forte fluorescência.

Para aproveitar os pontos quânticos de forma eficaz na tecnologia de telas, os materiais e as estruturas devem manter o alto desempenho ao longo do tempo, sob condições adversas. A Samsung QLED consegue isso por meio do uso de um filme de pontos quânticos.

“A reprodução precisa de cores em uma tela depende de quão bem o filme utiliza as propriedades óticas dos pontos quânticos”, disse Lee. “Um filme de pontos quânticos deve atender a vários requisitos importantes para uso comercial, como conversão eficiente de luz e translucidez”.

Sanghyun Sohn

O filme de pontos quânticos usado nas telas QLED da Samsung é produzido pela adição de uma solução de pontos quânticos a uma base de polímero aquecida a uma temperatura muito alta, espalhando-a em uma camada fina e curando-a em seguida. Embora isso possa parecer simples, o processo de fabricação real é altamente complexo.

“É como tentar misturar uniformemente canela em pó em mel pegajoso sem fazer grumos – não é uma tarefa fácil”, disse Sohn. “Para dispersar uniformemente os pontos quânticos pelo filme, vários fatores, como materiais, design e condições de processamento, devem ser cuidadosamente considerados.”

Apesar desses desafios, a Samsung ultrapassou os limites da tecnologia. Para garantir a durabilidade a longo prazo de suas telas, a empresa desenvolveu materiais de polímero exclusivos, otimizados especificamente para pontos quânticos.

“Criamos uma ampla experiência em tecnologia de pontos quânticos ao desenvolver filmes de barreira que bloqueiam a umidade e materiais poliméricos capazes de dispersar uniformemente os pontos quânticos”, acrescentou. “Com isso, não só conseguimos a produção em massa, mas também reduzimos os custos.”

Graças a esse processo avançado, o filme de pontos quânticos da Samsung oferece uma expressão de cores precisa e uma eficiência luminosa excepcional – tudo isso com o respaldo de uma durabilidade líder do setor.

“O brilho é normalmente medido em nits, sendo que um nit equivale ao brilho de uma única vela”, explicou Sohn. “Enquanto os LEDs convencionais oferecem cerca de 500 nits, nossas telas de pontos quânticos podem atingir 2.000 nits ou mais – o equivalente a 2.000 velas – alcançando um novo nível de qualidade de imagem.”

Comparações de gama RGB entre o espectro de luz visível, sRGB e DCI-P3 em um espaço de cores CIE 1931

* CIE 1930: Um sistema de cores amplamente usado, anunciado em 1931 pela Commission internationale de l’éclairage

* sRGB (RGB padrão): Um espaço de cores criado cooperativamente pela Microsoft e pela HP em 1996 para monitores e impressoras

* DCI-P3 (Digital Cinema Initiatives – Protocol 3): Um espaço de cores amplamente usado para conteúdo digital HDR, definido pela Digital Cinema Initiatives para projetores digitais.

Ao aproveitar os pontos quânticos, a Samsung aprimorou significativamente o brilho e a expressão das cores, proporcionando uma experiência visual diferente de tudo o que já foi visto antes. De fato, as TVs QLED da Samsung atingem uma taxa de reprodução de cores superior a 90% do espaço de cores DCI-P3 (Digital Cinema Initiatives – Protocol 3), estabelecendo uma referência para a precisão de cores em produções no cinema digital.

“Mesmo que você tenha feito pontos quânticos, é preciso garantir a estabilidade a longo prazo para que eles sejam úteis”, disse Lee. “As tecnologias de síntese de pontos quânticos e de produção de filmes baseadas em fosfeto de índio (InP) da Samsung, líderes do setor, são uma prova da profunda experiência técnica da Samsung.”

TVs QLED usam pontos quânticos para criar cores

“A legitimidade de uma TV de ponto quântico está no fato de ela aproveitar ou não o efeito de confinamento quântico.” – Taeghwan Hyeon, Universidade Nacional de Seul

À medida que o interesse pelos pontos quânticos cresce em todo o setor, uma variedade de produtos entrou no mercado. No entanto, nem todas as TVs com pontos quânticos são iguais — estes devem contribuir suficientemente para a qualidade real da imagem.

Taeghwan Hyeon

“A legitimidade de uma TV de pontos quânticos está no fato de ela aproveitar ou não o efeito de confinamento quântico”, disse Hyeon. “O primeiro requisito fundamental é usar os pontos quânticos para criar cores.”

“Para ser considerada uma verdadeira TV de pontos quânticos, os pontos quânticos devem servir como o material principal de conversão de luz ou de emissão de luz”, disse Lee. “Para os pontos quânticos de conversão de luz, a tela deve conter uma quantidade adequada de pontos quânticos para absorver e converter a luz azul emitida pela unidade de luz de fundo.”

Doh Chang Lee

“O filme de pontos quânticos deve conter uma quantidade suficiente de pontos quânticos para ter um desempenho eficaz”, repetiu Sohn, enfatizando a importância do conteúdo de pontos quânticos. “A Samsung QLED usa mais de 3.000 partes por milhão (ppm) de materiais de pontos quânticos. 100% das cores vermelha e verde são produzidas por meio de pontos quânticos.”

A Samsung começou a desenvolver a tecnologia de pontos quânticos em 2001 e, em 2015, apresentou a primeira TV de pontos quânticos sem cádmio do mundo – a SUHD TV. Em 2017, a empresa lançou sua linha premium de QLED, solidificando ainda mais sua liderança² no setor de telas de pontos quânticos.

Na segunda parte desta série de entrevistas, a Samsung Newsroom analisa mais de perto como a Samsung não apenas comercializou a tecnologia de exibição de pontos quânticos, mas também desenvolveu um material de pontos quânticos sem cádmio – uma inovação reconhecida por pesquisadores vencedores do Prêmio Nobel de Química.

Para saber mais sobre as TVs da marca, fique ligado na Samsung Newsroom Brasil. 

¹ Quando um material semicondutor está em seu estado bruto, o intervalo de banda permanece fixo em um valor característico do material e não depende do tamanho da partícula.

² Líder em TVs há 19 anos, com base em estudo realizado pela Omdia, acessível em: Link.