Là một phần trong nỗ lực ứng dụng ảnh ba chiều vào nhiều lĩnh vực hơn, các nhà nghiên cứu từ Viện Nghiên cứu Công nghệ tiên tiến Samsung (SAIT), từ lâu đã nhận ra tiềm năng vô hạn của ảnh ba chiều và đã bắt đầu nghiên cứu về sự phát triển của màn hình ảnh ba chiều.1 Sau 8 năm thử nghiệm, nhóm nghiên cứu đã giới thiệu luận án của mình về màn hình mỏng ba chiều trên tạp chí khoa học nổi tiếng thế giới, Nature Communications.

Luận án của SAIT có ý nghĩa gì đối với việc nghiên cứu và phát triển hình ảnh ba chiều, và làm thế nào hình ảnh ba chiều cuối cùng có thể được ứng dụng vào cuộc sống hàng ngày của chúng ta? Để trả lời những câu hỏi trên cũng như nhiều vấn đề khác, Samsung Newsroom đã có buổi buổi trò chuyện với Tiến sĩ Lee Hong-Seok của Viện Nghiên cứu Công nghệ Tiên tiến Samsung, cùng với nhà nghiên cứu chính An Jungkwuen và nghiên cứu viên Won Kanghee.

Tạo nên chủ thể sống động như thật bằng ánh sáng

Ảnh ba chiều được hiều một cách đơn giản là tạo ra hình ảnh của các đối tượng không thực sự tồn tại. Về khả năng tạo ra hình ảnh chân thực, chúng tương tự như các màn hình có độ phân giải cao mà chúng ta thấy trong cuộc sống hàng ngày. Sự khác biệt chính giữa chúng nằm ở kích thước của hình ảnh được hiển thị. Như Tiến sĩ Lee Hong-Seok giải thích, “Trong khi màn hình thông thường mô tả hình ảnh dựa trên cường độ ánh sáng, hình ảnh ba chiều không chỉ kiểm soát cường độ ánh sáng mà còn cả pha của nó để tạo ra hình ảnh 3D”.

Theo nhà nghiên cứu chính An Jungkwuen, lý do chính khiến màn hình ba chiều được coi là màn hình hiển thị 3D lý tưởng nhất là do cách con người cảm nhận độ sâu. “Mắt người sử dụng các dấu hiệu nhận biết độ sâu khác nhau, bao gồm thị sai hai mắt, hai góc đồng tử, điều chỉnh tiêu điểm và thị sai chuyển động,2 để nhận biết độ sâu của một vật thể.” An Jungkwuen nói. “Trong khi hầu hết các phương pháp hiển thị 3D chỉ cung cấp một trong số những dâu hiệu trên, hình ảnh ba chiều cung cấp tất cả. Nó tái tạo hoàn hảo các vật thể bằng ánh sáng, tạo ra hình ảnh sống động như thật”.

Mở đường cho công cuộc thương mại hóa ảnh ba chiều

Từ việc tạo điều kiện cho bệnh nhân thăm khám trong bệnh viện trong quá trình cách ly đến tạo ra bản thiết kế ảo, tín hiệu điều hướng ảo và tái tạo các hiện vật cổ, các ứng dụng khả cho công nghệ ảnh ba chiều rất đa dạng. Tuy nhiên, trước khi ảnh ba chiều có thể được áp dụng cho nhiều lĩnh vực hơn, các nhà nghiên cứu sẽ cần giải quyết một trong những rào cản lớn nhất đối với việc thương mại hóa rộng rãi của công nghệ, liên quan đến mối tương quan giữa kích thước màn hình và góc nhìn.

Một trong những hạn chế chính của công nghệ ảnh ba chiều là góc nhìn tối ưu trở nên hẹp hơn khi màn hình được phóng to và khi màn hình thu nhỏ thì góc nhìn tăng lên. Điều này có nghĩa là nếu màn hình ba chiều full HD 2mmX1mm có góc xem 30°, việc tăng kích thước ảnh ba chiều lên 200mmX100mm sẽ thu hẹp góc nhìn xuống 0,3°.

Để giải quyết vấn đề góc nhìn hẹp, nhóm nghiên cứu màn hình ba chiều của SAIT đã phát triển một thiết bị quang học đặc biệt gọi là bộ phận đèn nền điều hướng (S-BLU). Nghiên cứu viên Won Kanghee giải thích, “S-BLU bao gồm một nguồn sáng mỏng, có dạng bảng được gọi là bộ phận đèn nền kết hợp (C-BLU). Bộ hận này biến chùm tia tới thành chùm chuẩn trực và một bộ làm lệch chùm, có thể điều chỉnh chùm tia tới một góc mong muốn. Màn hình 4K thông thường có kích thước 10 inch cung cấp góc nhìn rất nhỏ là 0,6°. Tuy nhiên, bạn có thể mở rộng góc xem gần 30 lần bằng cách uốn cong hình ảnh về phía người xem bằng cách sử dụng S-BLU”.

Trong quá trình khắc phục vấn đề góc nhìn hẹp, nhóm đã tạo ra một loại màn hình ba chiều mới có thiết kế mỏng, màn hình phẳng giống như những loại màn hình hiện nay trên thị trường. Một thành tựu đáng chú ý khác của nghiên cứu là đã xác định được một phương pháp tạo hình ảnh ba chiều 4K trong thời gian thực sử dụng chip đơn vi mạch FPGA3 để tính toán ảnh ba chiều. Phương pháp mới sử dụng thuật toán ‘dựa trên lớp’, trong khi hầu hết các phương pháp khác sử dụng thuật toán ‘dựa trên đám mây điểm’.

Với kỹ thuật tính toán ảnh ba chiều trong thời gian thực bằng FPGA, nó sẽ giúp tối ưu hóa thuật toán bằng cách áp dụng các điều kiện ngăn ngừa mất thông tin và lấy mẫu quá mức. Tiến sĩ Lee giải thích, những tiến bộ này có thể giúp mở đường cho ảnh ba chiều tìm đường vào nhiều khía cạnh hơn của cuộc sống hàng ngày. Lee cho biết: “Từ việc tạo ra đến tái tạo hình ảnh ba chiều, một hệ thống hoàn chỉnh đã được thực hiện để đảm bảo khả năng thương mại hóa.”

Chìa khóa cho tương lai của màn hình

Mặc dù việc ảnh ba chiều trở thành một phần của cuộc sống hàng ngày sẽ khiến nhiều người hào hứng, nhưng các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng công nghệ này vẫn còn một chặng đường dài phía trước khi nó thực sự giống với những hình ảnh ba chiều mà chúng ta đã thấy trong các bộ phim khoa học viễn tưởng. Điều này là do việc tạo ảnh ba chiều trở thành cách chúng ta quan sát hàng ngày sẽ đòi hỏi sự phát triển không chỉ của màn hình nổi ba chiều mà còn cả nội dung ảnh ba chiều, thiết bị quay phim ảnh ba chiều và các quy trình truyền tải lượng lớn dữ liệu mà ảnh ba chiều sẽ tạo ra.

Tuy nhiên, theo như nghiên cứu viên Won, sẽ không lâu nữa để các hình ảnh ba chiều bắt đầu xuất hiện trong cuộc sống của chúng ta. Won cho biết: “Ví dụ, chúng ta có thể bắt đầu thấy việc sử dụng ảnh ba chiều đơn giản để tạo ra những thứ như bàn phím và thậm chí cả menu ảnh ba chiều. Khi ảnh ba chiều trở nên phổ biến hơn, chúng ta cũng sẽ bắt đầu thấy nhiều hơn việc sử dụng giao diện người dùng không tiếp xúc dựa trên cử chỉ ngón tay, giọng nói, theo dõi mắt, nhận dạng sóng não và các hình thức đầu vào khác.”

Trong luận án của mình, các nhà nghiên cứu đề xuất rằng việc áp dụng một quá trình mới cho màn hình ba chiều sẽ là chìa khóa để giải quyết rào cản quan trọng nhất đối với thương mại hóa. Tiến sĩ Lee chia sẻ: “Chúng tôi sẽ tiếp tục nỗ lực hết sức để ảnh ba chiều là tương lai của màn hình.”

¹ Hình ảnh được tạo bằng công nghệ ảnh ba chiều được gọi là hình ảnh ba chiều. Một thiết bị tạo ra hình ảnh ba chiều được gọi là màn hình ba chiều.

² Hiệu ứng parallax (tạm dịch: Thị sai chuyển động) đề cập đến các vật thể chuyển động với tốc độ không đổi và dường như chuyển động nhanh hơn khi ở gần người xem hơn so với khi ở xa hơn.

³ FPGA là một loại chất bán dẫn không bộ nhớ có thể lập trình được. Không giống như chất bán dẫn thông thường không thể thay đổi mạch của chúng, FPGA có thể được lập trình lại cho phù hợp với mục đích mong muốn.

So với loại pin sử dụng chất điện phân lỏng đang được sử dụng rộng rãi lithium-ion, pin sử dụng chất điện phân rắn hỗ trợ mật độ năng lượng lớn hơn, mở rộng khả năng dự trữ năng lượng và an toàn hơn. Tuy nhiên, cực dương của kim loại lithium được sử dụng trong pin ở trạng thái rắn có xu hướng kích hoạt sự phát triển của dendrites1, có thể tạo ra các tác dụng phụ không mong muốn làm giảm tuổi thọ và độ an toàn của pin.

Để khắc phục những tác dụng phụ đó, lần đầu tiên các nhà nghiên cứu của Samsung đã đề xuất sử dụng lớp hỗn hợp bạc-carbon (Ag-C) làm cực dương cho pin. Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng việc kết hợp một lớp Ag-C vào một viên pin nguyên mẫu cho phép pin hỗ trợ công suất cao hơn, vòng đời dài hơn và tăng cường độ an toàn nói chung. Với độ dày chỉ 5µm (micromet), lớp nanocompozit Ag-C siêu mỏng cho phép nhóm nghiên cứu giảm độ dày các cực và tăng mật độ năng lượng lên tới 900Wh/L. Nó cũng cho phép họ chế tạo vật mẫu nhỏ hơn khoảng 50 phần trăm so với pin lithium-ion thông thường.

Cuộc nghiên cứu đầy hứa hẹn này dự kiến sẽ thúc đẩy việc mở rộng ngành xe điện (EVs). Các viên pin nguyên mẫu mà nhóm phát triển cho phép EV tăng khả năng di chuyển tới 800km trong một lần sạc và có vòng đời dài hơn 1.000 lần sạc pin.

(Từ trái qua) Yuichi Aihara, Principal Engineer từ SRJ, Yong-Gun Lee, Nghiên cứu viên chính và Dongmin Im, Thạc sĩ từ SAIT

Theo như lời của ông Dongmin Im, Thạc sĩ tại Phòng thí nghiệm pin thế hệ mới SAIT, người đứng đầu của dự án giải thích “Sản phẩm của nghiên cứu này có thể là hạt giống công nghệ cho loại pin có hiệu suất và độ an toàn cao hơn trong tương lai. Chúng tôi sẽ tiếp tục phát triển và cải tiến các công nghệ sản xuất pin trạng thái rắn để giúp pin EV được cải tiến lên một tầm cao mới.”

¹ Dendrites là những tinh thể giống như kim có thể phát triển trên cực dương của pin trong khi sạc.

Khám phá công nghệ pin thế hệ tiếp theo

Pin Lithium-ion lần đầu tiên được thương mại hóa vào năm 1991 và được áp dụng rộng rãi trên thị trường cho các thiết bị di động và xe điện. Tuy nhiên, pin lithium đòi hỏi thời gian sạc ít nhất một giờ để sạc đầy, ngay cả với công nghệ sạc nhanh, và tiêu chuẩn này được coi là đã đạt đến giới hạn về việc mở rộng công suất. Đến nay, đã có nhiều nỗ lực để khám phá về việc sử dụng các vật liệu mới. Trong các tài liệu nghiên cứu, Graphene đã trở thành nguồn vật liệu đại diện cho thế hệ vật liệu tiếp theo

Về lý thuyết, pin dựa trên vật liệu “Graphene ball” chỉ cần 12 phút để sạc đầy. Ngoài ra, pin có thể duy trì nhiệt độ 60 độ C mang tính ổn định cao, mà nhiệt độ pin ổn định lại đặc biệt quan trọng đối với các loại xe điện.

Trong nghiên cứu của mình, SAIT đã tìm cách áp dụng graphene, vật liệu có độ bền và độ dẫn điện cao, và phát hiện ra một cơ chế để tổng hợp khối lượng graphene thành dạng 3D như bỏng ngô sử dụng silica (SiO2). “graphene ball” này được sử dụng cho cả lớp bảo vệ anốt và vật liệu catốt trong pin lithium-ion. Điều này đảm bảo tăng công suất sạc, giảm thời gian sạc cũng như duy trì nhiệt độ ổn định.

Tiến sĩ Son In-hyuk, người đứng đầu dự án thay mặt cho SAIT, cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi cho phép tổng hợp khối lượng vật liệu composite đa chức năng với giá phải chăng. Đồng thời, chúng tôi đã có thể tăng đáng kể khả năng của pin lithium-ion trong môi trường nơi các thiết bị di động và xe điện đang phát triển nhanh chóng. Cam kết của chúng tôi là tiếp tục khám phá và phát triển công nghệ pin thứ cấp theo những xu hướng này.”

Kết quả nghiên cứu của SAIT đã được trình bày chi tiết trong ấn bản tháng 12 của tạp chí khoa học Nature Communications trong một bài báo có tựa đề “Các quả cầu Graphene dùng cho pin sạc lithium có tính sạc nhanh và mật độ năng lượng cao.” SAIT cũng đã đăng ký bằng sáng chế cho công nghệ “graphene ball ” ở Mỹ và Hàn Quốc.

*Graphene là một lớp các nguyên tử cacbon từ than chì và đang nhận được rất nhiều sự quan tâm của ngành công nghiệp pin và hiển thị do tính ổn định về thể chất và hóa học. Graphene có hiệu quả gấp 100 lần so với đồng trong việc dẫn điện và hiển thị sự di chuyển của điện tử một cách đáng kinh ngạc – gấp 140 lần so với silicon – làm cho nó trở thành một vật liệu lý tưởng trong việc sạc nhanh