“Công nghệ QLED của Samsung đã đóng vai trò then chốt trong việc đưa chấm lượng tử lên tầm ảnh hưởng đủ để được công nhận với Giải Nobel Hóa học.”
— Taeghwan Hyeon, Đại học Quốc gia Seoul
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.
