“Một trong những lý do Samsung tập trung vào chấm lượng tử là vì chúng có đỉnh phổ phát xạ cực kỳ hẹp.” — Sanghyun Sohn, Samsung Electronics
Năm 2023, Giải Nobel Hóa học đã được trao cho việc khám phá và tổng hợp chấm lượng tử. Ủy ban Nobel đã ghi nhận những thành tựu đột phá của các nhà khoa học trong lĩnh vực này — nhấn mạnh rằng chấm lượng tử đã đóng góp đáng kể cho ngành công nghiệp hiển thị và y tế, đồng thời được kỳ vọng sẽ có ứng dụng rộng rãi hơn trong điện tử, truyền thông lượng tử và pin mặt trời.
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.
