Chấm lượng tử: Thế hệ tiếp theo của cải tiến màn hình

Chấm lượng tử là các hạt bán dẫn siêu mịn có kích thước mảnh hơn hàng chục nghìn lần so với sợi tóc của con người. Kể từ khi ra đời, những đặc tính vật lý cho phép chúng cung cấp độ chính xác màu sắc và độ sáng cao nhất trong số các vật liệu hiện có, khiến chấm lượng tử có vị trí quan trọng trong cách mạng hóa công nghệ màn hình.

Khi được ứng dụng trong màn hình, chấm lượng tử hỗ trợ một gam màu rộng gần giống với màu sắc mà mắt người cảm nhận được, giúp điều chỉnh ánh sáng theo từng pixel để đạt được sắc độ đen chính xác hơn. Chấm lượng tử phát ra ánh sáng theo mọi hướng, mang lại độ sáng đồng đều và màu sắc nhất quán từ mọi góc nhìn, đồng thời giảm thiểu tiếp xúc với ánh sáng xanh, mang đến trải nghiệm xem thoải mái hơn.

▲ TV SUHD tại CES 2015

Điều gì làm TV chấm lượng tử trở nên khác biệt: Hàm lượng chấm lượng tử, chất lượng lớp phim và công nghệ không chứa cadmium

Ngành công nghiệp TV vẫn tiếp tục nghiên cứu và phát triển việc thương mại hóa chấm lượng tử khi vật liệu này trở thành yếu tố thay đổi cuộc chơi trong công nghệ màn hình. Do đó, một loạt TV chấm lượng tử đã được ra mắt gần đây, cho người dùng nhiều lựa chọn hơn.

Tuy nhiên, điểm khác biệt chủ yếu ở TV chấm lượng tử nằm ở cách công nghệ được triển khai và chất lượng tổng thể của màn hình. Để đảm bảo trải nghiệm xem cao cấp, cần xem xét các yếu tố như hàm lượng chấm lượng tử, chất lượng lớp phim chấm lượng tử và việc sử dụng vật liệu không chứa cadmium.

▲ Các yếu tố cần cân nhắc khi lựa chọn TV chấm lượng chất lượng cao

Hàm lượng chấm lượng tử

Hàm lượng chấm lượng tử quyết định chất lượng thực sự của một TV chấm lượng tử. Lớp phim chấm lượng tử yêu cầu ít nhất 3.000 phần triệu (ppm) chấm lượng tử để đạt được chất lượng hình ảnh sống động, màu sắc phong phú mà chỉ công nghệ này mới có thể mang lại.

Màng chấm lượng tử

TV Samsung QLED loại bỏ sự cần thiết của một lớp phốt-pho (phosphor) riêng biệt, nâng cao hiệu quả ánh sáng và năng lượng, đồng thời mang lại màu sắc sống động hơn. Một bước tiến xa hơn trong việc cải thiện chất lượng hình ảnh là công nghệ OLED chấm lượng tử (QD-OLED), bao gồm lớp bóng dẫn màng mỏng (TFT)¹, một nguồn sáng tự phát và một màng chấm lượng tử sử dụng ánh sáng phát ra từ nguồn sáng. Trong cả hai trường hợp, màng chấm lượng tử chuyên dụng chứa đủ chấm lượng tử là yếu tố then chốt để mang lại chất lượng hình ảnh tuyệt vời và tuổi thọ lâu dài.

▲ So sánh màn hình QD-OLED và LCD

Không chứa Cadmium

Trong giai đoạn đầu phát triển TV chấm lượng tử, cadmium là thành phần thiết yếu để phát huy những điểm mạnh của công nghệ chấm lượng tử như tái tạo màu sắc và tỷ lệ tương phản. Vào thời điểm đó, cadmium được xem là vật liệu hiệu quả nhất để sản xuất chấm lượng tử.

Tuy nhiên, tính độc hại của cadmium đã trở thành trở ngại lớn trong việc thương mại hóa công nghệ chấm lượng tử. Nguyên tố này gây ra mối đe dọa nghiêm trọng với môi trường, khiến việc sử dụng rộng rãi trở nên khó khăn mặc dù đây là vật liệu phù hợp nhất để triển khai công nghệ chấm lượng tử.

Để giải quyết thách thức này, vào năm 2014, Samsung đã phát triển vật liệu chấm lượng tử không chứa cadmium đầu tiên trên thế giới và thành công trong việc thương mại hóa công nghệ chấm lượng tử với TV SUHD vào năm sau đó, mở ra một kỷ nguyên mới cho TV chấm lượng tử.

10 năm đổi mới và dẫn đầu công nghệ chấm lượng tử

Samsung đã nhanh chóng nhận ra tiềm năng của công nghệ chấm lượng tử và dẫn đầu đổi mới trong thị trường màn hình toàn cầu suốt một thập kỷ qua thông qua nghiên cứu và đầu tư liên tục.

▲ Quá trình phát triển công nghệ chấm lượng tử của Samsung từ năm 2001 đến năm 2022

Samsung bắt đầu nghiên cứu và phát triển công nghệ chấm lượng tử vào năm 2001 — khi còn rất ít nghiên cứu về các vật liệu không chứa cadmium. Để đạt được màu sắc sống động, việc làm cho các hạt nano đồng đều là điều cần thiết, nhưng sự thiếu hụt công nghệ và nghiên cứu đã khiến việc sản xuất hàng loạt trở nên cực kỳ khó khăn.

Dù gặp phải những trở ngại này, Samsung đã thành công trong việc tạo ra vật liệu tinh thể nano (nanocrystal) không chứa cadmium vào năm 2014. Kể từ đó, công ty đã tích lũy được nhiều chuyên môn — đăng ký hơn 150 bằng sáng chế — và liên tiếp tục cải tiến công nghệ. Cam kết lâu dài của Samsung đã đạt đỉnh cao vào năm 2015 khi công ty ra mắt TV SUHD đầu tiên trên thế giới với công nghệ chấm lượng tử không chứa cadmium.

▲ TV QLED (75Q8C và 88Q8F) tại sự kiện First Look 2017 của Samsung trong khuôn khổ CES 2017

Dòng sản phẩm QLED của Samsung được ra mắt vào năm 2017, thiết lập tiêu chuẩn mới cho TV cao cấp, vượt qua những hạn chế của TV OLED. Bằng cách áp dụng công nghệ chấm lượng tử kim loại, Samsung đã đạt được tiêu chuẩn màu DCI-P3 của Digital Cinema Initiative và đạt được 100% khối lượng màu lần đầu tiên trên thế giới — từ đó mang lại khả năng thể hiện màu sắc vô song. Đặc biệt, việc sử dụng công nghệ chấm lượng tử vô cơ đã bảo vệ màn hình khỏi hiện tượng lưu ảnh² nhằm đảm bảo chất lượng hình ảnh ổn định theo thời gian.

▲ (Từ trái sang phải) Kwang-Hee Kim, Tiến sĩ Taehyung Kim, Tiến sĩ Eunjoo Jang, Sungwoo Kim và Seon-Myeong Choi từ Viện Công nghệ Tiên tiến Samsung

Sau thành công trong việc phát triển thành phần phát sáng màu đỏ cho màn hình vào năm 2019, công ty đã nâng cao hiệu quả phát sáng của QLED tự phát màu xanh — được cho là khó triển khai nhất trong ba màu QLED chính³ — lên mức 20,2%, dẫn đầu ngành.

Tiến sĩ Eunjoo Chang, nghiên cứu viên tại Viện Công nghệ Tiên tiến Samsung cho biết: “Việc khám phá vật liệu màu xanh cho QLED tự phát sáng và chứng minh hiệu suất vượt trội trong ngành ở cấp độ thiết bị là những thành tựu quan trọng của nghiên cứu này. Công nghệ chấm lượng tử độc đáo của Samsung đã một lần nữa vượt qua các rào cản kỹ thuật.”

Những cải tiến đột phá này đã dẫn đến việc ra mắt TV QD-OLED, đánh dấu cột mốc lịch sử tại CES 2022 khi giành giải thưởng Best of Innovation nhờ việc tích hợp công nghệ chấm lượng tử và màn hình OLED.

Samsung vẫn cam kết phát triển công nghệ chấm lượng tử thông qua đổi mới không ngừng. Công ty tiếp tục đầu tư vào công nghệ màn hình hàng đầu — từ QLED đến Neo OLED — cung cấp độ sáng cao, độ chính xác màu sắc và tần số vượt trội. Nhờ những cải tiến độc quyền về chấm lượng tử, tương lai của công nghệ hiển thị hứa hẹn sẽ rực rỡ hơn bao giờ hết.

¹ Một mạch điện tử điều chỉnh và kiểm soát các lớp phát sáng.

² Hiện tượng xảy ra khi một hình ảnh tĩnh hiển thị quá lâu, gây ra biến dạng màu hoặc lưu ảnh mờ trên màn hình.

³ Đỏ, xanh lục và xanh lam

Vì xanh lam được biết là màu khó tái tạo nhất trong số ba màu QLED chính (đỏ, xanh dương và xanh lá cây), thành tích này – đến sau sự phát triển công nghệ QLED màu đỏ của Samsung vào tháng 11 năm ngoái – một lần nữa chứng minh sự xuất sắc của Samsung trong quả cầu công nghệ chấm lượng tử.

Màu xanh lam có độ khó nhất trong ba màu QLED chính

Chấm lượng tử (QDs) là các hạt bán dẫn có đường kính vài nanomet (hẹp hơn hàng chục nghìn lần so với một sợi tóc người). Khi được chiếu sáng, chúng phát ra ánh sáng có màu nhất định tùy thuộc vào kích thước của chúng.

Màu xanh lam QD, có độ rộng vùng cấm lớn nhất¹ trong số ba màu cơ bản, bị oxy hóa nhanh chóng khi tiếp xúc với ánh sáng bên ngoài, dẫn đến tuổi thọ ngắn và hiệu suất phát sáng thấp.² Vì lý do này, cho đến nay ngành công nghiệp này đã không thể phát triển ngay cả công nghệ cần thiết cho điốt phát sáng chấm lượng tử màu xanh lam.

Vượt qua thách thức bằng cách phát triển công nghệ QLED xanh lam 

Nhưng giờ đây, SAIT đã phát triển thành công công nghệ QLED màu xanh lam, đạt được các kết quả hàng đầu trong ngành như hiệu suất phát sáng được cải thiện 20,2%, độ sáng tối đa 88,900 nits và tuổi thọ QLED là 16.000 giờ (đo ở độ sáng ở phân nửa so với độ sáng 100 nit). Những kết quả này đã được ghi lại trong một nghiên cứu có tiêu đề “Điốt phát sáng chấm lượng tử màu xanh lam hiệu quả và ổn định”, được xuất bản bởi tạp chí Nature vào ngày 14 tháng 10 năm 2020. 

Jang Eunjoo, Thành viên Samsung

“Công nghệ chấm lượng tử đặc biệt của Samsung một lần nữa đã vượt qua những hạn chế của công nghệ hiện có trong ngành”, Tiến sĩ Jang Eunjoo, Thành viên Samsung và đồng tác giả của nghiên cứu lưu ý. “Tôi hy vọng rằng nghiên cứu này sẽ tiếp tục giúp đẩy nhanh việc thương mại hóa các điốt phát quang Chấm lượng tử (QLED).” 

Các chấm lượng tử được tạo thành từ cấu trúc cơ bản của một lõi, một lớp vỏ và nhiều phối tử. ³ Để ổn định tốt hơn các vật liệu chấm lượng tử và đảm bảo chức năng phản hồi quang lâu bền, các nhà nghiên cứu đã áp dụng một cấu trúc với các lớp phát xạ kép chấm lượng tử và các phối tử ngắn hơn trên bề mặt của các chấm lượng tử phát ra ánh sáng xanh đồng thời cải thiện tốc độ phun hiện tại. 

Kim Taehyung, Nghiên cứu viên chính

Tiến sĩ Kim Taehyung, Nhà nghiên cứu và tác giả chính của nghiên cứu, cho biết “Nghiên cứu này có ý nghĩa ở chỗ chúng tôi không chỉ thiết lập hiệu suất điốt phát quang chấm lượng tử mà còn chứng minh rằng công nghệ này có thể mang lại hiệu suất hàng đầu ở cấp phần tử.”

(Từ trái sang) Kwang-Hee Kim, Taehyung Kim, Eunjoo Jang, Sungwoo Kim, Seon-Myeong Choi từ SAIT

¹ Sự chênh lệch năng lượng giữa vùng hóa trị của electron và vùng dẫn.

² Tỷ số giữa quang thông phát ra với tổng quang thông đầu vào của nguồn.

³ Lõi hấp thụ và tái phát ánh sáng, trong khi lớp vỏ bao quanh lõi các chấm lượng tử cải thiện tuổi thọ và hiệu quả phát quang bằng cách ngăn ngừa thiệt hại liên quan đến nhiệt độ/độ ẩm. Các phối tử hình nhánh nằm trên bề mặt của lớp vỏ chấm lượng tử và giúp duy trì khoảng cách giữa các hạt.