Một nanomet nhỏ đến mức nào? Nếu bạn có thể hình dung được độ nhỏ bé của một nanomet, bạn sẽ phần nào hình dung được cách mà các kỹ sư Samsung đã tiên phong tạo ra một cuộc cách mạng trong công nghệ màn hình thông qua công nghệ chấm lượng tử không cadmium.

Chấm lượng tử là các hạt bán dẫn siêu nhỏ đã thay đổi cách chúng ta trải nghiệm màu sắc và ánh sáng trên màn hình TV. Trong nhiều năm qua, Samsung đã dẫn đầu trong việc thương mại hóa và phổ cập công nghệ chấm lượng tử, đưa công nghệ này trở thành trung tâm trong các dòng TV cao cấp của hãng – bao gồm cả QLED và OLED – với khả năng tái tạo màu sắc chính xác và độ sáng vượt trội.

Nếu bạn đang sở hữu một chiếc TV Samsung QLED hoặc OLED, có lẽ bạn đã cảm nhận được trải nghiệm hình ảnh sống động và rực rỡ hơn. Với công nghệ chấm lượng tử làm nền tảng, dòng TV cao cấp của Samsung là lựa chọn lý tưởng cho game thủ, người yêu thể thao và những tín đồ giải trí muốn đắm chìm trong nội dung yêu thích với chất lượng hình ảnh chân thực nhất.

Hành trình phổ cập công nghệ chấm lượng tử đến đông đảo người dùng không hề dễ dàng, bởi mục tiêu không chỉ là mang đến trải nghiệm cao cấp, mà còn phải đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người sử dụng. Trong cuộc trò chuyện với ông Yohan Zondak, Giám đốc Bộ phận Màn hình Hiển thị tại Samsung khu vực Đông Nam Á và Châu Đại Dương, chúng ta sẽ cùng khám phá những đột phá khoa học, các thách thức trong quá trình phát triển, cũng như tương lai của công nghệ đột phá này – công nghệ đã tái định nghĩa khả năng giải trí tại gia.

Hành trình phát triển công nghệ chấm lượng tử không cadmium của Samsung như thế nào?

Ngay từ khi ra mắt, công nghệ chấm lượng tử đã gây tiếng vang lớn nhờ khả năng tái tạo màu sắc và độ tương phản vượt trội. Tuy nhiên, thời điểm đó, công nghệ này vẫn phụ thuộc vào các hợp chất cadmium – một vấn đề nghiêm trọng bởi cadmium là một trong 10 chất nằm trong danh mục hạn chế nghiêm ngặt theo chỉ thị RoHS (Restriction of Hazardous Substances), vốn nhằm giới hạn các hóa chất độc hại trong thiết bị điện tử. Nói một cách đơn giản, cadmium là chất độc gây hại cho cả sức khỏe con người và môi trường.

Chúng tôi đã tự đặt ra câu hỏi: Làm thế nào để đạt được hiệu suất màu sắc vượt trội mà công nghệ chấm lượng tử mang lại, nhưng không cần sử dụng cadmium?

Sau nhiều nỗ lực, vào năm 2014, chúng tôi đã thành công trong việc đăng ký bằng sáng chế cho vật liệu chấm lượng tử không cadmium đầu tiên trên thế giới, sử dụng phosphua indi (indium phosphide) như một giải pháp thay thế hiệu quả cho các màn hình chấm lượng tử, mang lại hiệu năng tương đương với hợp chất cadmium.

Đây là một bước đột phá đòi hỏi nhiều công sức, bởi các hợp chất phosphua indi có độ ổn định hóa học kém hơn so với cadmium. Điều này buộc chúng tôi phải sáng tạo các vật liệu polymer chuyên biệt cho lớp phim chấm lượng tử, cùng với các kỹ thuật ổn định mới để đảm bảo các chấm lượng tử không cadmium có thể chịu được nhiệt độ và ánh sáng đủ lớn mà không bị suy giảm chất lượng.

Điều quan trọng nhất là tác động tích cực đến môi trường mà phát minh này mang lại. Bằng cách loại bỏ cadmium khỏi các dòng TV QLED, chúng tôi đã loại bỏ được nguy cơ tồn tại một chất độc hại trong hàng triệu ngôi nhà, đồng thời vẫn mang đến màu sắc sống động và độ sáng vượt trội như người dùng kỳ vọng.

Người tiêu dùng nên chú ý điều gì khi lựa chọn công nghệ chấm lượng tử chính hiệu?

Trong TV QLED của Samsung, chấm lượng tử đóng vai trò là vật liệu cốt lõi có chức năng chuyển đổi hoặc phát sáng. Chúng là thành phần không thể thiếu trong hoạt động của màn hình. Tuy nhiên, khi công nghệ QLED của Samsung ngày càng được công nhận với chất lượng hình ảnh vượt trội, chúng tôi cũng nhận thấy thuật ngữ “QLED” đang bị sử dụng rộng rãi như một nhãn tiếp thị trên thị trường. Chúng tôi mong muốn người tiêu dùng hiểu rõ hơn về những gì một chiếc TV QLED thực thụ cần có.

Có ba yếu tố người tiêu dùng nên tìm kiếm khi đánh giá một màn hình chấm lượng tử chính hiệu:

Thứ nhất là hàm lượng chấm lượng tử thực tế – TV QLED của Samsung chứa lượng lớn vật liệu chấm lượng tử thực, vượt xa ngưỡng tối thiểu cần thiết để tạo ra sự cải thiện đáng kể về màu sắc, đặc biệt là trong dải màu đỏ và xanh lá.

Thứ hai là các thành phần quang học chuyên biệt cho chấm lượng tử, giúp tách phần điều chỉnh màu sắc khỏi đèn nền LED. Đây chính là yếu tố cho phép chúng tôi đạt được độ chính xác màu và độ sáng lên đến 2.000 nit. Chất lượng của lớp phim chấm lượng tử cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tái hiện màu sắc phong phú, ảnh hưởng đến cả hiệu năng và tuổi thọ của TV.

Thứ ba là không có cadmium. Samsung đã đầu tư mạnh mẽ để phát triển các dòng TV chấm lượng tử an toàn hơn mà không ảnh hưởng đến hiệu suất hình ảnh. Tính đến thời điểm hiện tại, chúng tôi đã đăng ký khoảng 150 bằng sáng chế liên quan đến công nghệ chấm lượng tử không cadmium.

Samsung xây dựng lòng tin của người tiêu dùng và sự xác thực trong các sản phẩm QLED như thế nào?

Niềm tin của người tiêu dùng bắt đầu từ tính minh bạch. Chúng tôi đã định nghĩa rõ ràng thế nào là một màn hình chấm lượng tử chính hiệu – đó là màn hình sử dụng chấm lượng tử cho quá trình chuyển đổi quang hoặc phát quang làm công nghệ hiển thị cốt lõi. Chúng tôi muốn khách hàng hiểu rõ về sản phẩm mà họ đang lựa chọn.

Để đảm bảo tính xác thực, chúng tôi thực hiện kiểm định nghiêm ngặt từ các tổ chức độc lập. Ví dụ, công nghệ chấm lượng tử không cadmium của chúng tôi đã được chứng nhận bởi SGS – một tổ chức hàng đầu thế giới về kiểm nghiệm và chứng nhận. Chúng tôi cũng tuân thủ chứng nhận Common Criteria – tiêu chuẩn đánh giá tính bảo mật của các sản phẩm CNTT; nền tảng bảo mật Knox của chúng tôi được tích hợp trong dòng TV 2024 và đã đạt chứng nhận này 10 năm liên tiếp.

Ngoài ra, khi tạp chí khoa học Nature Nanotechnology khảo sát các chuyên gia hàng đầu thế giới về một sản phẩm điển hình ứng dụng công nghệ nano vào năm 2019, kết quả đồng thuận là màn hình tăng cường chấm lượng tử – chính là những chiếc TV QLED mà Samsung đã phát triển.

Chúng tôi tin rằng người tiêu dùng xứng đáng được trải nghiệm hiệu năng xuất sắc mà vẫn yên tâm tuyệt đối. Đó là lý do vì sao chúng tôi không chỉ tập trung phát triển màn hình tốt hơn, mà còn an toàn hơn. Bằng cách loại bỏ các chất độc hại như cadmium và tích hợp bảo mật nâng cao qua Samsung Knox, chúng tôi chứng minh rằng hiệu năng cao cấp không nhất thiết phải đi kèm với đánh đổi.

Công nghệ QLED của Samsung đang phát triển như thế nào để đáp ứng nhu cầu giải trí tại gia ngày càng cao?

Sự phát triển không ngừng của công nghệ chấm lượng tử là nhờ vào các thế mạnh cốt lõi: tái tạo màu sắc chính xác, độ sáng cao và hiệu suất năng lượng ấn tượng. Đây là những yếu tố ngày càng quan trọng khi nội dung mà người dùng tiêu thụ trở nên ngày càng tinh vi và đòi hỏi cao hơn.

Một trong những hướng đi chúng tôi đang nghiên cứu là chấm lượng tử điện phát quang (electroluminescent quantum dots) – nơi các chấm lượng tử có thể trực tiếp chuyển đổi năng lượng điện thành ánh sáng. Điều này mở ra tiềm năng đưa công nghệ hiển thị tiến tới cấp độ nano thực sự.

Hiện tại, chúng tôi đã tích hợp các năng lực AI vào công nghệ hiển thị để nâng cao trải nghiệm xem. Ví dụ, công nghệ Samsung Vision AI giúp TV phân tích nội dung và môi trường xung quanh theo thời gian thực, từ đó tối ưu hình ảnh và âm thanh. Các công nghệ AI xử lý ngay trên thiết bị (on-device AI) mang lại trải nghiệm sống động và cá nhân hóa hơn cho người dùng.

Cuối cùng, mục tiêu của chúng tôi là giúp người xem thực sự đắm chìm vào nội dung, chứ không chỉ đơn thuần là xem qua một thiết bị trung gian. Với mỗi bước tiến mới trong công nghệ chấm lượng tử và hiển thị, chúng tôi ngày càng tiến gần hơn đến tầm nhìn này.

Chính nhờ chiến lược này, chúng tôi đã dẫn đầu thị trường TV toàn cầu suốt 19 năm liên tiếp kể từ năm 2006, với TV QLED hiện chiếm gần một nửa thị phần trong phân khúc của mình.

Trong suốt thập kỷ qua, chấm lượng tử đã dẫn đầu trong lĩnh vực đổi mới công nghệ hiển thị, mang đến khả năng tái tạo màu sắc chính xác bậc nhất trong số các vật liệu hiện có. Năm 2015, Samsung Electronics đã mở đường cho việc thương mại hóa chấm lượng tử với việc ra mắt dòng TV SUHD — một bước đột phá với việc loại bỏ cadmium (Cd), kim loại nặng vốn được dùng phổ biến trong quá trình tổng hợp chấm lượng tử, thay vào đó, hang giới thiệu công nghệ chấm lượng tử không cadimium đầu tiên trên thế giới.

Giới học thuật đã nhanh chóng ghi nhận điều này. Việc Samsung thương mại hóa thành công dòng TV sử dụng chấm lượng tử không cadimium không chỉ mở ra một hướng đi mới cho công tác nghiên cứu và phát triển, mà còn đóng vai trò then chốt trong việc trao Giải Nobel Hóa học năm 2023 cho công trình khám phá và tổng hợp chấm lượng tử.

Tiếp nối Phần 1, Samsung Newsroom tiếp tục khám phá cách Samsung đã đóng góp cho giới học thuật thông qua những bước tiến đột phá trong đổi mới vật liệu.

▲ (Từ trái sang) Ông Taeghwan Hyeon, Doh Chang Lee và Sanghyun Sohn

Tại sao Cadmium là điểm khởi đầu cho nghiên cứu về chấm lượng tử?

“Tôi thật sự ấn tượng khi Samsung đã thành công trong việc thương mại hóa sản phẩm hiển thị sử dụng chấm lượng tử không chứa camidum.” — Ông Taeghwan Hyeon, Đại học Quốc gia Seoul

Chấm lượng tử bắt đầu thu hút sự chú ý của các nhà khoa học vào những năm 1980 khi Aleksey Yekimov, cựu Giám đốc Khoa học tại Nanocrystals Technology Inc., và Louis E. Brus, giáo sư danh dự tại Khoa Hóa học của Đại học Columbia, lần lượt công bố nghiên cứu của họ về hiệu ứng giam cầm lượng tử và các đặc tính quang học phụ thuộc vào kích thước của chấm lượng tử.

Bước tiến quan trọng diễn ra vào năm 1993 khi Moungi Bawendi, giáo sư tại Khoa Hóa học của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), phát triển phương pháp tổng hợp chấm lượng tử đáng tin cậy. Đến năm 2001, Taeghwan Hyeon, giáo sư xuất sắc tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học của Đại học Quốc gia Seoul (SNU), phát minh ra “quy trình gia nhiệt” — một kỹ thuật sản xuất các hạt nano đồng nhất mà không cần phân tách chọn lọc theo kích thước. Năm 2004, ông Hyeon công bố phương pháp sản xuất có thể mở rộng trên tạp chí khoa học Nature Materials — một phát hiện được đánh giá là có thể thay đổi cục diện ngành công nghiệp.

▲ Ông Taeghwan Hyeon

Tuy nhiên, những nỗ lực này là chưa đủ để dẫn đến việc thương mại hóa ngay lập tức. Vào thời điểm đó, chấm lượng tử phụ thuộc nhiều vào camidum (Cd) như một vật liệu lõi — một chất được biết đến là có hại cho con người và được xếp vào danh mục vật liệu bị hạn chế theo Chỉ thị RoHS (Restriction of Hazardous Substances) của Liên minh Châu Âu về Hạn chế Chất Dễ Gây Hại.

“Hiện nay, các vật liệu duy nhất có khả năng sản xuất chấm lượng tử một cách đáng tin cậy là camidum selenide (CdSe) và indium phosphide (InP),” Hyeon giải thích. “Cadmium selenide, vật liệu chấm lượng tử truyền thống, là hợp chất của các nguyên tố nhóm II và nhóm VI, trong khi indium phosphide được hình thành từ các nguyên tố nhóm III và nhóm V. Tổng hợp chấm lượng tử từ các nguyên tố nhóm II và VI là khá đơn giản, nhưng việc kết hợp các nguyên tố nhóm III và V về mặt hóa học phức tạp hơn nhiều.”

▲ So sánh giữa chấm lượng tử dựa trên camidum với liên kết ion và chấm lượng tử dựa trên indium với liên kết cộng hóa trị

Cadmium, một nguyên tố có hai electron hóa trị, tạo thành các liên kết ion mạnh¹ với các nguyên tố như selenium (Se), sulfur (S) và tellurium (Te) — mỗi nguyên tố này có sáu electron hóa trị. Những tổ hợp này tạo ra các hợp chất bán dẫn ổn định, được gọi là chất bán dẫn II–VI. Nhờ khả năng sản xuất các tinh thể nano chất lượng cao ngay cả ở nhiệt độ tương đối thấp, các vật liệu trở thành lựa chọn phổ biến trong giới nghiên cứu suốt nhiều năm. Do đó, việc sử dụng cadmium trong tổng hợp chấm lượng tử đã được xem là một tiêu chuẩn học thuật.

Ngược lại, indium (In) — một lựa chọn thay thế cho cadmium với ba electron hóa trị — tạo thành các liên kết cộng hóa trị² với các nguyên tố như phospho (P), vốn có năm electron hóa trị. Tuy nhiên, liên kết cộng hóa trị thường kém ổn định hơn so với liên kết ion và có tính định hướng, dễ tạo ra sai lệch trong cấu trúc tinh thể khi tổng hợp tinh thể nano. Những đặc điểm này khiến indium trở thành một vật liệu khó xử lý trong cả nghiên cứu lẫn sản xuất hàng loạt.

“Rất khó để đạt được độ kết tinh cao trong các chấm lượng tử làm từ indium phosphide,” ông Lee lưu ý. “Quá trình tổng hợp đòi hỏi rất phức tạp và khắt khe để đáp ứng được các tiêu chuẩn chất lượng cần thiết cho việc thương mại hóa.”

Không thỏa hiệp – Từ đột phá đến sản xuất hàng loạt

“An toàn của người tiêu dùng là điều tuyệt đối không thể thỏa hiệp” — Ông Sanghyun Sohn, Samsung Electronics

Khác với nhiều đối thủ, Samsung đã chọn cho mình một hướng đi riêng.

“Chúng tôi đã nghiên cứu và phát triển công nghệ chấm lượng tử từ năm 2001,” ông Sanghyun Sohn, Giám đốc Bộ phận Nghiên cứu Màn hình Tiên tiến, mảng Kinh doanh Hiển thị Hình ảnh (VD) tại Samsung Electronics, cho biết. “Tuy nhiên, ngay từ đầu, chúng tôi đã xác định rằng cadmium — một chất có hại cho cơ thể con người — không phù hợp để thương mại hóa. Mặc dù quy định tại một số quốc gia về mặt kỹ thuật cho phép tới 100 phần triệu (ppm) cadmium trong các sản phẩm điện tử, Samsung đã áp dụng chính sách không cadmium ngay từ đầu. Không cadmium, không thỏa hiệp — đó là chiến lược của chúng tôi. Khi nói đến sự an toàn của người tiêu dùng, thì không có chỗ cho sự thỏa hiệp.”

▲ Ông Sanghyun Sohn

Cam kết kiên định của Samsung đối với nguyên tắc “Không thỏa hiệp về an toàn” đã được thể hiện rõ vào năm 2014, khi công ty phát triển thành công vật liệu chấm lượng tử không cadmium đầu tiên trên thế giới. Để đảm bảo cả độ bền và chất lượng hình ảnh, Samsung đã giới thiệu công nghệ phủ bảo vệ ba lớp, giúp bảo vệ các hạt nano indium phosphide khỏi các yếu tố bên ngoài như oxy và ánh sáng. Năm sau đó, Samsung ra mắt dòng TV SUHD thương mại đầu tiên trên thế giới sử dụng chấm lượng tử không cadmium — một bước ngoặt lớn trong ngành công nghiệp hiển thị và là thành quả của những nỗ lực nghiên cứu bắt đầu từ đầu những năm 2000.

“Chấm lượng tử dựa trên indium phosphide vốn dĩ không ổn định và khó tổng hợp hơn so với các loại dựa trên cadmium, ban đầu chỉ đạt khoảng 80% hiệu suất so với chấm lượng tử có cadmium,” ông Sohn cho biết. “Tuy nhiên, thông qua quá trình phát triển chuyên sâu tại Viện Công nghệ Tiên tiến Samsung (SAIT), chúng tôi đã nâng hiệu suất lên 100% và đảm bảo độ tin cậy trong hơn 10 năm.”

▲ Ba thành phần chính của chấm lượng tử

Chấm lượng tử trong các TV QLED của Samsung được cấu tạo từ ba thành phần chính — lõi (core), nơi phát ra ánh sáng; vỏ bọc (shell), có chức năng bảo vệ lõi và ổn định cấu trúc; và phối tử (ligand), một lớp phủ polymer giúp tăng cường độ ổn định chống oxy hóa. Cốt lõi của công nghệ chấm lượng tử nằm ở sự kết hợp hoàn hảo giữa ba yếu tố này, một quy trình công nghiệp tiên tiến trải dài từ việc thu thập và tổng hợp vật liệu đến sản xuất hàng loạt và đăng ký hàng loạt bằng sáng chế.

“Không thể bỏ qua bất kỳ thành phần nào — lõi, vỏ hay phối tử,” ông Lee bổ sung. “Công nghệ tổng hợp indium phosphide của Samsung thật sự xuất sắc.”

“Việc phát triển một công nghệ trong phòng thí nghiệm đã là một thử thách, nhưng việc thương mại hóa đòi hỏi một mức độ nỗ lực hoàn toàn khác để đảm bảo sự ổn định của sản phẩm và chất lượng màu sắc đồng nhất,” ông Hyeon chia sẻ. “Tôi thật sự ấn tượng khi Samsung đã thành công trong việc thương mại hóa sản phẩm hiển thị chấm lượng tử không cadmium.”

Thiết lập tiêu chuẩn chấm lượng tử

“Xu hướng nghiên cứu trong cộng đồng học thuật đã thay đổi rõ rệt trước và sau khi Samsung ra mắt các dòng TV chấm lượng tử.”
— Ông Doh Chang Lee, Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST)

Các đặc tính quang học của chấm lượng tử đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm pin mặt trời, y học và máy tính lượng tử. Tuy nhiên, màn hình chấm lượng tử vẫn là ứng dụng được nghiên cứu sôi nổi nhất và thương mại hóa rộng rãi nhất cho đến nay — với Samsung nổi lên như đơn vị tiên phong.

Dựa trên nền tảng nhiều năm nghiên cứu và việc ra mắt dòng TV SUHD, Samsung đã giới thiệu TV QLED vào năm 2017, thiết lập một tiêu chuẩn mới cho màn hình cao cấp. Đến năm 2022, hang tiếp tục thúc đẩy đổi mới với việc ra mắt TV QD-OLED — màn hình đầu tiên trên thế giới kết hợp giữa chấm lượng tử và cấu trúc OLED.

▲ So sánh cấu trúc LCD, QLED và QD-OLED

QD-OLED là công nghệ màn hình thế hệ tiếp theo, tích hợp chấm lượng tử vào cấu trúc phát sáng tự thân của OLED. Cách tiếp cận này mang lại thời gian phản hồi nhanh hơn, màu đen sâu hơn và tỷ lệ tương phản cao hơn. TV QD-OLED của Samsung đã được Hiệp hội Hiển thị Thông tin (SID) — tổ chức lớn nhất thế giới chuyên về công nghệ hiển thị — trao giải Màn hình của năm 2023.

“Samsung không chỉ dẫn đầu thị trường với các dòng TV chấm lượng tử sử dụng indium phosphide, mà còn là công ty duy nhất cho đến nay tích hợp và thương mại hóa thành công chấm lượng tử trong công nghệ OLED,” ông Sohn cho biết. “Bằng cách tận dụng vị thế dẫn đầu trong công nghệ chấm lượng tử, chúng tôi sẽ tiếp tục tiên phong trong việc định hình tương lai của ngành hiển thị.”

▲ Ông Doh Chang Lee

“Xu hướng nghiên cứu trong cộng đồng học thuật đã thay đổi rõ rệt trước và sau khi Samsung ra mắt các dòng TV chấm lượng tử,” ông Doh Chang Lee, giáo sư Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học Phân tử tại Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST), cho biết. “Kể từ khi ra mắt, các cuộc thảo luận ngày càng tập trung vào các ứng dụng thực tiễn hơn là bản thân vật liệu, phản ánh tiềm năng ứng dụng vào thế giới thực thông qua các công nghệ hiển thị.”

“Đã có nhiều nỗ lực áp dụng chấm lượng tử trong các lĩnh vực khác nhau, bao gồm cả xúc tác quang,” ông nói thêm. “Tuy nhiên, những nỗ lực này vẫn đang ở giai đoạn đầu so với việc ứng dụng trong công nghệ hiển thị.”

Ông Hyeon cũng cho rằng việc Samsung thương mại hóa thành công TV chấm lượng tử đã góp phần mở đường cho Bawendi, Brus và Yekimov nhận giải Nobel Hóa học năm 2023.

“Một trong những tiêu chí quan trọng nhất của giải Nobel là mức độ mà một công nghệ đóng góp cho nhân loại thông qua việc thương mại hóa,” ông nói. “QLED của Samsung là một trong những thành tựu đáng kể nhất trong lĩnh vực công nghệ nano. Nếu không có sự thương mại hóa này, sẽ rất khó để chấm lượng tử được công nhận bởi giải Nobel.”

Tầm nhìn của Samsung cho màn hình tương lai

Kể từ khi ra mắt TV QLED, Samsung đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ chấm lượng tử cả trong ngành công nghiệp và học thuật. Khi được hỏi về tương lai của màn hình chấm lượng tử, các chuyên gia đã chia sẻ những cái nhìn của họ về những gì đang chờ đón phía trước.

“Là một công nghệ thế hệ tiếp theo, chúng tôi hiện đang khám phá chấm lượng tử tự phát sáng,” ông Sohn cho biết. “Cho đến nay, chấm lượng tử phụ thuộc vào nguồn sáng bên ngoài để hiển thị màu đỏ và xanh lá cây. Trong tương lai, chúng tôi hướng đến phát triển chấm lượng tử phát sáng độc lập thông qua cơ chế điện phát quang — tạo ra ba màu cơ bản bằng cách truyền năng lượng điện. Chúng tôi cũng tập trung nghiên cứu phát triển chấm lượng tử màu xanh dương.”

“Vì vật liệu điện phát quang cho phép thu nhỏ kích thước linh kiện hiển thị, chúng ta sẽ có thể đạt được độ phân giải cao, hiệu suất và độ sáng cần thiết cho các ứng dụng thực tế ảo (VR) và thực tế tăng cường (AR),” ông Lee cho biết, dự đoán một sự chuyển mình lớn trong tương lai của màn hình.

“Một màn hình tốt là màn hình khiến người xem quên mất rằng họ đang nhìn vào một màn hình,” ông Sohn cho biết. “Mục tiêu hàng đầu của chúng tôi là mang lại trải nghiệm không thể phân biệt với thế giới thực. Là đơn vị dẫn đầu trong đổi mới công nghệ hiển thị chấm lượng tử, chúng tôi sẽ tự hào tiếp tục tiến về phía trước.”

Với vai trò dẫn dắt thị trường và tầm nhìn công nghệ táo bạo, Samsung đang định hình tương lai của ngành hiển thị – đồng thời viết lại những gì có thể đạt được với công nghệ chấm lượng tử.

¹ Liên kết ion là liên kết hóa học được hình thành khi các electron được chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác, tạo ra các ion liên kết với nhau bằng lực hút điện.

² Liên kết cộng hóa trị là liên kết hóa học trong đó hai nguyên tử chia sẻ electron.

Chấm lượng tử — các hạt bán dẫn siêu nhỏ — phát ra các màu sắc khác nhau tùy theo kích thước của chúng, tạo ra những sắc màu tinh khiết và sống động vượt trội. Samsung Electronics, nhà sản xuất TV hàng đầu thế giới, đã ứng dụng vật liệu tiên tiến này để nâng cao hiệu suất hiển thị.

Samsung Newsroom đã có buổi trò chuyện với Giáo sư Taeghwan Hyeon, một giáo sư danh tiếng tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học của Đại học Quốc gia Seoul (SNU); Giáo sư Doh Chang Lee thuộc Khoa Kỹ thuật Hóa học và Phân tử Sinh học tại Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST); và ông Sanghyun Sohn, Trưởng Phòng Thí nghiệm Màn Hình Tiên Tiến, mảng Kinh doanh Màn Hình Hiển Thị (VD) của Samsung Electronics, nhằm tìm hiểu cách chấm lượng tử đang mở ra một kỷ nguyên mới cho công nghệ hiển thị.

• Hiểu về dải cấm (Band Gap)
• Chấm lượng tử – Hạt càng nhỏ, dải cấm càng lớn
• Kỹ thuật đằng sau các lớp phim chấm lượng tử
• TV QLED thật sự sử dụng chấm lượng tử để tạo màu sắc

Hiểu về dải cấm (Band Gap)

“Để hiểu được chấm lượng tử, trước tiên cần nắm rõ khái niệm về dải cấm (band gap)”

— Taeghwan Hyeon, Đại học Quốc gia Seoul

Sự chuyển động của các electron tạo ra dòng điện. Thông thường, các electron ở lớp ngoài cùng — được gọi là electron hóa trị — tham gia vào quá trình này. Dải năng lượng mà các electron này tồn tại được gọi là dải hóa trị, trong khi dải năng lượng cao hơn, chưa có electron và có khả năng tiếp nhận electron, được gọi là dải dẫn.

Một electron có thể hấp thụ năng lượng để nhảy từ dải hóa trị lên dải dẫn. Khi electron kích thích này giải phóng năng lượng, nó sẽ rơi trở lại dải hóa trị. Sự chênh lệch năng lượng giữa hai dải này — tức là lượng năng lượng mà một electron cần hấp thụ hoặc giải phóng để di chuyển giữa chúng — được gọi là dải cấm (band gap).

▲ So sánh cấu trúc dải năng lượng trong chất cách điện, chất bán dẫn và chất dẫn điện

Các chất cách điện như cao su và thủy tinh có dải cấm lớn, ngăn cản electron di chuyển tự do giữa các dải. Ngược lại, các chất dẫn điện như đồng và bạc có dải hóa trị và dải dẫn chồng lên nhau — cho phép electron di chuyển tự do, dẫn đến độ dẫn điện cao.

Chất bán dẫn có dải cấm nằm giữa chất cách điện và chất dẫn điện — hạn chế khả năng dẫn điện trong điều kiện bình thường nhưng có thể dẫn điện hoặc phát ra ánh sáng khi các electron được kích thích bởi nhiệt, ánh sáng hoặc điện.

“Để hiểu được chấm lượng tử, trước hết cần nắm rõ khái niệm về dải cấm,” ông Hyeon chia sẻ, đồng thời nhấn mạnh rằng cấu trúc dải năng lượng của một vật liệu đóng vai trò then chốt trong việc quyết định tính chất điện của nó.

Chấm lượng tử – Hạt càng nhỏ, dải cấm càng lớn

“Khi các hạt chấm lượng tử trở nên nhỏ hơn, bước sóng của ánh sáng phát ra sẽ dịch chuyển từ đỏ sang xanh dương.”
— Doh Chang Lee, Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST)

Chấm lượng tử là các tinh thể bán dẫn có kích thước nano, sở hữu các tính chất điện và quang học độc đáo. Được đo bằng nanomet (nm) — tức một phần tỷ mét — những hạt này chỉ mỏng bằng vài phần nghìn độ dày của một sợi tóc người. Khi một chất bán dẫn được thu nhỏ đến kích thước nanomet, các đặc tính của nó thay đổi đáng kể so với trạng thái khối thông thường.

Ở trạng thái khối, các hạt có kích thước đủ lớn để các electron trong vật liệu bán dẫn có thể di chuyển tự do mà không bị giới hạn bởi bước sóng của chính chúng. Điều này cho phép các mức năng lượng — tức các trạng thái mà hạt có thể chiếm khi hấp thụ hoặc giải phóng năng lượng — hình thành nên một phổ liên tục, giống như một máng trượt dài với độ nghiêng nhẹ. Trong chấm lượng tử, chuyển động của electron bị giới hạn do kích thước hạt nhỏ hơn bước sóng của electron.

▲ Kích thước quyết định dải cấm trong chấm lượng tử

Hãy tưởng tượng bạn đang múc nước (năng lượng) từ một cái nồi lớn (trạng thái khối) bằng một cái vá (bề rộng năng lượng tương ứng với bước sóng của electron). Với chiếc vá này, bạn có thể điều chỉnh lượng nước trong nồi một cách tự do, từ đầy đến cạn — điều này tương đương với các mức năng lượng liên tục. Tuy nhiên, khi cái nồi thu nhỏ lại chỉ còn bằng một tách trà — giống như một chấm lượng tử — thì cái vá không còn vừa nữa. Lúc này, tách trà chỉ có thể ở trạng thái đầy hoặc cạn. Điều này minh họa cho khái niệm mức năng lượng được lượng tử hóa.

“Khi các hạt bán dẫn được thu nhỏ đến kích thước nanomet, các mức năng lượng của chúng trở nên lượng tử hóa — tức chỉ tồn tại ở những bước rời rạc,” ông Hyeon cho biết. “Hiện tượng này được gọi là ‘giam hãm lượng tử’. Và ở kích thước này, dải cấm có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi kích thước hạt.”

Khi kích thước của chấm lượng tử giảm, số lượng phân tử trong hạt cũng giảm theo, dẫn đến sự tương tác yếu hơn giữa các obitan phân tử. Điều này làm tăng hiệu ứng giam hãm lượng tử và mở rộng dải cấm.¹ Vì dải cấm tương ứng với năng lượng được giải phóng khi electron chuyển từ dải dẫn về dải hóa trị, nên màu sắc của ánh sáng phát ra cũng thay đổi theo.

“Khi các hạt trở nên nhỏ hơn, bước sóng của ánh sáng phát ra sẽ dịch chuyển từ đỏ sang xanh dương,” ông Lee chia sẻ. “Nói cách khác, kích thước của tinh thể nano chấm lượng tử quyết định màu sắc của nó.”

Kỹ thuật đằng sau các lớp phim chấm lượng tử

“Lớp phim chấm lượng tử là thành phần cốt lõi của TV QLED — minh chứng cho trình độ kỹ thuật sâu rộng của Samsung.”
— Doh Chang Lee, Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST)

Chấm lượng tử đã thu hút sự quan tâm trong nhiều lĩnh vực khác nhau như pin mặt trời, quang xúc tác, y học và máy tính lượng tử. Tuy nhiên, ngành công nghiệp hiển thị là lĩnh vực đầu tiên thương mại hóa thành công công nghệ này.

“Một trong những lý do Samsung tập trung vào chấm lượng tử là vì chúng có đỉnh phổ phát xạ cực kỳ hẹp,” ông Sohn chia sẻ. “Dải băng tần hẹp cùng với độ huỳnh quang mạnh khiến chúng trở thành lựa chọn lý tưởng để tái tạo chính xác một dải màu rộng.”

▲ Chấm lượng tử tạo ra các màu đỏ, xanh lá và xanh dương (RGB) siêu tinh khiết bằng cách kiểm soát ánh sáng ở cấp độ nano, mang lại dải băng tần hẹp và độ huỳnh quang mạnh.

Để khai thác hiệu quả chấm lượng tử trong công nghệ hiển thị, vật liệu và cấu trúc phải duy trì hiệu suất cao trong thời gian dài, kể cả trong các điều kiện khắc nghiệt. Samsung QLED đạt được điều này nhờ vào việc sử dụng lớp phim chấm lượng tử.

“Việc tái tạo màu sắc chính xác trên màn hình phụ thuộc vào mức độ khai thác các đặc tính quang học của chấm lượng tử trong lớp phim,” ông Lee chia sẻ. “Một lớp phim chấm lượng tử phải đáp ứng nhiều yêu cầu quan trọng để có thể thương mại hóa, chẳng hạn như khả năng chuyển đổi ánh sáng hiệu quả và độ trong suốt.”

▲ Ông Sanghyun Sohn

Lớp phim chấm lượng tử được sử dụng trong màn hình Samsung QLED được tạo ra bằng cách thêm dung dịch chấm lượng tử vào một lớp nền polymer được gia nhiệt ở nhiệt độ rất cao, sau đó trải đều thành một lớp mỏng và tiến hành quá trình làm cứng. Mặc dù nghe có vẻ đơn giản, nhưng quy trình sản xuất thực tế lại vô cùng phức tạp.

“Nó giống như cố gắng trộn đều bột quế vào mật ong đặc mà không tạo thành cục — không hề dễ dàng,” ông Sohn chia sẻ. “Để phân tán chấm lượng tử một cách đồng đều trong toàn bộ lớp phim, cần phải cân nhắc kỹ lưỡng nhiều yếu tố như vật liệu, thiết kế và điều kiện xử lý.”

Bất chấp những thách thức đó, Samsung vẫn không ngừng thúc đẩy giới hạn của công nghệ. Để đảm bảo độ bền lâu dài cho màn hình, công ty đã phát triển các vật liệu polymer độc quyền được tối ưu hóa đặc biệt dành cho chấm lượng tử.

“Chúng tôi đã tích lũy được kiến thức chuyên sâu về công nghệ chấm lượng tử thông qua việc phát triển các lớp phim ngăn ẩm và vật liệu polymer có khả năng phân tán chấm lượng tử một cách đồng đều,” ông bổ sung. “Nhờ đó, chúng tôi không chỉ đạt được khả năng sản xuất hàng loạt mà còn giảm thiểu chi phí.”

Nhờ quy trình tiên tiến này, lớp phim chấm lượng tử của Samsung mang lại khả năng hiển thị màu sắc chính xác và hiệu suất phát sáng vượt trội — tất cả đều được đảm bảo bằng độ bền hàng đầu trong ngành.

“Độ sáng thường được đo bằng nit, với một nit tương đương độ sáng của một ngọn nến,” ông Sohn giải thích. “Trong khi đèn LED thông thường chỉ đạt khoảng 500 nit, màn hình chấm lượng tử của chúng tôi có thể đạt tới 2.000 nit hoặc hơn — tương đương với 2.000 ngọn nến — mở ra một chuẩn mực mới về chất lượng hình ảnh.”

▲ So sánh gam màu RGB giữa phổ ánh sáng nhìn thấy, sRGB và DCI-P3 trong không gian màu CIE 1931

* CIE 1931: Một hệ thống màu sắc được sử dụng rộng rãi, được Ủy ban Quốc tế về Chiếu sáng (Commission internationale de l’éclairage) công bố vào năm 1931

* sRGB (chuẩn RGB): Một không gian màu được Microsoft và HP cùng phát triển vào năm 1996 dành cho màn hình và máy in

* DCI-P3 (Digital Cinema Initiatives – Protocol 3): Một không gian màu được sử dụng rộng rãi cho nội dung HDR kỹ thuật số, được Digital Cinema Initiatives định nghĩa dành cho các máy chiếu kỹ thuật số.

Bằng cách tận dụng công nghệ chấm lượng tử, Samsung đã nâng tầm đáng kể cả độ sáng lẫn khả năng tái tạo màu sắc — mang đến trải nghiệm hình ảnh chưa từng có. Trên thực tế, TV Samsung QLED đạt được tỷ lệ tái tạo màu vượt quá 90% không gian màu DCI-P3 (Digital Cinema Initiatives – Protocol 3), tiêu chuẩn tham chiếu về độ chính xác màu sắc trong điện ảnh kỹ thuật số.

“Ngay cả khi đã tạo ra được chấm lượng tử, bạn vẫn cần đảm bảo tính ổn định lâu dài để chúng thực sự hữu ích,” ông Lee chia sẻ. “Công nghệ tổng hợp chấm lượng tử dựa trên phosphide indi (InP) và quy trình sản xuất lớp phim tiên tiến hàng đầu của Samsung chính là minh chứng cho trình độ kỹ thuật vượt trội của hãng.”

 TV QLED thật sự sử dụng chấm lượng tử để tạo màu sắc

“Giá trị đích thực của một chiếc TV chấm lượng tử nằm ở việc nó có tận dụng hiệu ứng giam hãm lượng tử hay không.”
— Taeghwan Hyeon, Đại học Quốc gia Seoul

Khi sự quan tâm đến chấm lượng tử ngày càng gia tăng trong ngành, nhiều sản phẩm đa dạng đã xuất hiện trên thị trường. Tuy nhiên, không phải tất cả các TV gắn nhãn “chấm lượng tử” đều giống nhau — chấm lượng tử phải thực sự đóng góp vào chất lượng hình ảnh thì mới xứng đáng với tên gọi đó.

▲ Ông Taeghwan Hyeon

“Giá trị đích thực của một chiếc TV chấm lượng tử nằm ở việc nó có tận dụng hiệu ứng giam hãm lượng tử hay không,” ông Hyeon chia sẻ. “Yêu cầu đầu tiên và mang tính nền tảng là phải sử dụng chấm lượng tử để tạo ra màu sắc.”

“Để được xem là một chiếc TV chấm lượng tử thực thụ, chấm lượng tử phải đóng vai trò là vật liệu chuyển đổi ánh sáng cốt lõi hoặc là vật liệu phát sáng chính,” ông Lee chia sẻ. “Đối với chấm lượng tử chuyển đổi ánh sáng, màn hình cần chứa một lượng chấm lượng tử đủ lớn để hấp thụ và chuyển đổi ánh sáng xanh phát ra từ đơn vị đèn nền.”

“Lớp phim chấm lượng tử phải chứa một lượng chấm lượng tử đủ lớn để hoạt động hiệu quả,” ông Sohn nhấn mạnh lại tầm quan trọng của hàm lượng chấm lượng tử. “Samsung QLED sử dụng hơn 3.000 phần triệu (ppm) vật liệu chấm lượng tử. 100% màu đỏ và xanh lá đều được tạo ra từ chấm lượng tử.”

Samsung bắt đầu phát triển công nghệ chấm lượng tử từ năm 2001 và đến năm 2015 đã ra mắt chiếc TV chấm lượng tử không chứa cadmium đầu tiên trên thế giới — TV SUHD. Năm 2017, công ty tiếp tục khẳng định vị thế dẫn đầu trong ngành hiển thị chấm lượng tử với việc ra mắt dòng TV cao cấp QLED.

Trong phần hai của loạt bài phỏng vấn này, Samsung Newsroom sẽ đi sâu tìm hiểu cách Samsung không chỉ thương mại hóa công nghệ hiển thị chấm lượng tử mà còn phát triển thành công vật liệu chấm lượng tử không chứa cadmium — một bước đột phá đã được các nhà nghiên cứu đoạt giải Nobel Hóa học ghi nhận.

¹ Khi một vật liệu bán dẫn ở trạng thái khối (bulk state), khoảng cách vùng (band gap) giữ nguyên ở một giá trị đặc trưng cho vật liệu đó và không phụ thuộc vào kích thước hạt.

Hôm nay, Samsung Electronics thông báo rằng tấm nền chấm lượng tử Quantum Dot (QD) được sử dụng trong TV QD của hãng đạt chứng nhận tuân thủ quy định về Hạn chế các chất nguy hại (RoHS) và được tổ chức chứng nhận quốc tế Société Générale de Surveillance (SGS) xác nhận không chứa cadmium.

SGS, có trụ sở chính tại Geneva, Thụy Sĩ, là tổ chức kiểm định và chứng nhận hàng đầu thế giới. Đơn vị này cung cấp các dịch vụ nhằm đảm bảo doanh nghiệp tuân thủ các tiêu chuẩn khắt khe về chất lượng và an toàn trong nhiều lĩnh vực, bao gồm điện tử, thực phẩm và môi trường.

Bên cạnh công nhận từ SGS về công nghệ không chứa cadmium trong màng chấm lượng tử, Samsung còn tuân thủ quy định RoHS của EU nhằm đảm bảo trải nghiệm xem TV an toàn cho người dùng.

Taeyong Son, Phó Chủ tịch Ngành hàng Kinh doanh Màn hình hiển thị tại Samsung Electronics cho biết: “TV chấm lượng tử của Samsung được thiết kế trên nền tảng công nghệ an toàn, tuân thủ các quy định về hạn chế chất độc hại, đồng thời vẫn mang lại chất lượng hình ảnh vượt trội. Việc đạt chứng nhận từ SGS là minh chứng rõ ràng cho độ an toàn của sản phẩm. Với sự công nhận này, chúng tôi cam kết không ngừng phát triển các công nghệ hiển thị bền vững.”

Samsung bắt đầu nghiên cứu công nghệ chấm lượng tử vào năm 2001, với cam kết liên tục nghiên cứu và đầu tư, giúp hãng giữ vững vị thế tiên phong trong đổi mới thị trường TV toàn cầu.

Sau khi phát triển vật liệu chấm lượng tử không cadmium đầu tiên trên thế giới vào năm 2014, Samsung ra mắt TV ứng dụng công nghệ này vào năm sau đó. Kể từ đó, hãng đã dẫn đầu trong lĩnh vực công nghệ chấm lượng tử thông qua những cải tiến đột phá.

Đặc biệt, Samsung đã thành công trong việc tạo ra vật liệu nano tinh thể không chứa cadmium và sở hữu khoảng 150 bằng sáng chế cho công nghệ này. Với chuyên môn vững vàng và công nghệ vượt trội, công ty đã mở ra kỷ nguyên TV chấm lượng tử an toàn hơn, được chế tạo từ các vật liệu không chứa chất độc hại.