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.

Trong những năm gần đây, một trong những thành tựu đột phá của các nhà nghiên cứu Samsung là sự phát triển của công nghệ chấm lượng tử không chứa cadmium, hiện đang được sử dụng trong các QLED TV  của Samsung. Trong khi chấm lượng tử mang lại ánh sáng tuyệt vời, công nghệ này lại gây hại cho môi trường bằng chất độc cadmium có nguy cơ bị thải ra qua quá trình phân hủy các hạt nanô. Tuy nhiên, các chấm lượng tử của Samsung lại không chứa cadmium và Samsung hiện là công ty duy nhất sản xuất ra các chấm lượng tử không chứa cadmium (hay còn gọi là phi Cd).

Kiến trúc sư phát triển công nghệ chấm lượng tử phi Cd là Tiến sĩ Eunjoo Jang tại Viện Công nghệ Tiên tiến Samsung (SAIT). Với thành tích của mình, Tiến sĩ Jang được bổ nhiệm chức vụ Samsung Fellow (người đồng hành cùng Samsung) vào ngày 16 tháng 11 – Đây là một chức vụ được vinh danh tại Samsung từ năm 2002 nhằm vinh danh những thành tựu xuất sắc trong nghiên cứu. Chức vụ này còn được gọi là “Giải Nobel của Samsung”.

Tiến sĩ Jang, người đã tham gia nghiên cứu về công nghệ chấm lượng tử phi Cd trong hơn 15 năm, gần đây đã chia sẻ với Samsung Newsroom câu chuyện đằng sau nghiên cứu của cô về công nghệ, cũng như những suy nghĩ của cô về tương lai của việc đổi mới hiển thị.

 “Tôi muốn làm việc không người nào có thể làm được”

Tiến sĩ Jang, người trước đây đã từng theo học các chất xúc tác tại POSTECH và Đại học Ottawa ở Canada, đã rất quan tâm đến việc phát triển công nghệ chấm lượng tử có thể thúc đẩy công nghệ xúc tác khi bắt đầu dự án tại SAIT năm 2002:

“Tôi nghĩ rằng công nghệ nano sẽ phù hợp với chấm lượng tử bởi vì nó là vật liệu bán dẫn. Vào thời điểm đó không có quá nhiều ứng dụng về chấm lượng tử, tuy nhiên, mục tiêu của chúng tôi là nhìn về phía trước 10 năm nữa. Khi tôi bắt đầu nghiên cứu, tôi là một trong số ít những người tìm kiếm ứng dụng tiềm năng trong tương lai, nhưng lại có nhiều người đặt rất ít niềm tin vào việc này và nghi ngờ rằng liệu các học tập và nghiên cứu có thể khả thi hay không.”

Tiến sĩ Jang nhớ lại việc phát triển công nghệ chấm lượng tử phi Cd là một thách thức. Trong khi chấm lượng tử được nghiên cứu rộng rãi vì khả năng hấp thụ và phát ra ánh sáng, và cũng được sử dụng trong các thiết bị chiếu sáng khác nhau, tuy nhiên ứng dụng của nó vào các lĩnh vực khác có vẻ bị hạn chế vì nó chứa lượng cadmium kim loại nặng nguy hiểm.

“Lúc đầu, chúng tôi thậm chí còn không thể hình dung ra dấu chấm lượng tử phi Cd là như thế nào. Tuy nhiên, cam kết của Samsung là trở thành một nhà sản xuất có trách nhiệm với toàn cầu và tầm nhìn là có thể làm cho chấm lượng tử có thể hoạt động được. Tôi đã có thể nhanh chóng tạo ra chấm lượng tử có chưa cadmium, nhưng tôi muốn làm điều mà không ai khác có thể làm được. Vì vậy, tôi đã làm việc thêm ba năm nữa để tạo ra chấm lượng tử phi Cd.”

Tiến sĩ Jang mô tả việc nghiên cứu khoa học của cô đã được ứng dụng cho một sản phẩm thương mại đặc biệt: “Đó là một khoảng thời gian tuyệt vời khi tôi đang giúp đỡ việc thiết kế ra một nhà máy sản xuất các sản phẩm chấm lượng tử phi Cd, một công nghệ đã thực sự được bắt đầu được áp dụng từ công việc trong phòng thí nghiệm. Nghiên cứu của tôi đã được sử dụng cho sản xuất thực tế, và khi chấm lượng tử phi Cd lần đầu tiên được giới thiệu tại CES 2015, đó là một trải nghiệm tuyệt vời “.

Sự mở rộng của chấm lượng tử phi Cd trên các sản phẩm Samsung

Tiến sĩ Jang giải thích: “Đã ba năm kể từ khi công nghệ chấm lượng tử đã được áp dụng cho các sản phẩm của Samsung. Công nghệ này đã được chứng minh là ổn định ngay cả khi chúng tôi thay đổi cấu trúc của nó để có độ sáng cao hơn, làm mờ cục bộ, hiển thị 8K và các tính năng khác.”

Tiến sĩ Jang cũng nhấn mạnh niềm tin của mình đối với môi trường làm việc của Samsung chính là chìa khóa thành công trong việc hình thành công nghệ. “Lý do tại sao Samsung Electronics có thể đạt được thành tựu trong lĩnh vực chấm lượng tử là bởi vì công ty đã bắt đầu sớm hơn các đối thủ cạnh tranh khác. Chúng tôi đã đặt ra một mục tiêu cụ thể từ giai đoạn đầu, và tập trung tài nguyên của chúng tôi vào đó.” Bà nói thêm rằng thành tích này đặc biệt có ý nghĩa đối với bà vì nó là một sự phát triển độc lập “Tôi tự hào rằng Samsung có khả năng phát triển công nghệ tiên tiến như vậy mà không cần phải nhờ đến lực lượng bên ngoài. Đây rõ ràng là minh chứng cho những điểm mạnh của con người cũng như môi trường của chúng tôi trong việc thúc đẩy đổi mới. ”

Trong tương lai: Chấm lượng tử tự phát sang và hơn thế nữa

Vậy, bước phát triển tiếp theo của TV Samsung là gì?

Tiến sĩ Jang giải thích sự khác biệt giữa QLED và OLED, “Cả hai đều có điểm mạnh và điểm yếu. OLED hiện đại vẫn chưa được hoàn thiện, và màn hình OLED TV có nhiều điểm yếu liên quan đến việc hiện tượng burn-in, độ sáng, màn hình lớn và dải màu xám mà tất cả là đều do sự ổn định thấp hơn”. Bà đặc biệt nhấn mạnh rằng thay thế lớp phát sáng bằng chấm lượng tử là thật sự rất cần thiết để vượt qua giới hạn của màn hình, “Sử dụng vật liệu hữu cơ hoặc vô cơ cho lớp phát sáng có thể ảnh hưởng đến độ bền của sản phẩm. Tôi muốn cải tiến lớp vật liệu này với các vật liệu vô cơ là các chấm lượng tử.”

Tiến sĩ Jang cũng nói rằng bà hiện đang dành nhiều nghiên cứu cho màn hình QLED tự phát sang cũng như việc ứng dụng nó, “Tôi hiện đang tham gia vào một nghiên cứu để sản xuất một màn hình hiển thị tốt hơn, có thể vượt qua giới hạn của OLED TV và có thể ứng dụng được trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Công nghệ chấm lượng tự phát sang đang được nghiên cứu cho mục đích này. Mục tiêu cuối cùng của tôi là phát triển công nghệ mang lại giá trị mới cho khách hàng và tạo ra một cuộc sống tiện lợi hơn. ”

Từ nghiên cứu đến thương mại hoá, Tiến sĩ Jang là một trong những nhà sáng tạo tài năng của Samsung, người đang giúp viết chương tiếp theo về công nghệ hiển thị. Khi bà tiếp tục công việc của mình trong việc phát triển khả năng lãnh đạo của công nghệ chấm lượng tử, sẽ rất thú khi nhìn thấy những đổi mới tiếp theo trong phòng khách của chúng tôi.

Tiến sĩ Eunjoo Jang và các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Tiên tiến Samsung (SAIT)