Điểm ảnh nhỏ hơn hạt cát: Bước đột phá mở đường cho màn hình siêu nhỏ trên kính thông minh

Các nhà vật lý tại Đại học Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) vừa phát triển điểm ảnh phát sáng nhỏ nhất thế giới, đánh dấu một bước tiến quan trọng hướng tới các màn hình siêu nhỏ dành cho kính thông minh và các thiết bị đeo thế hệ mới.

Kính thông minh – loại thiết bị có khả năng chiếu thông tin kỹ thuật số trực tiếp vào tầm nhìn của người dùng – từ lâu đã được xem là nền tảng của công nghệ đeo trong tương lai. Tuy nhiên, cho đến nay, sự phát triển của lĩnh vực này vẫn bị giới hạn bởi kích thước linh kiện cồng kềnh và những ràng buộc quang học khiến việc phát sáng hiệu quả ở quy mô siêu nhỏ trở nên gần như bất khả thi.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại JMU đã đạt được một bước đột phá lớn khi chế tạo được điểm ảnh phát sáng siêu nhỏ nhờ công nghệ ăng-ten quang học. Dưới sự dẫn dắt của hai giáo sư Jens Pflaum và Bert Hecht, nhóm nghiên cứu đã công bố chi tiết kết quả này trên tạp chí Science Advances.

Màn hình trên diện tích chỉ 1 mm²

“Bằng cách sử dụng tiếp xúc kim loại cho phép dòng điện đi vào đi-ốt phát sáng hữu cơ (OLED) đồng thời khuếch đại và phát ra ánh sáng, chúng tôi đã tạo ra một điểm ảnh phát sáng màu cam có kích thước chỉ 300 x 300 nanomet. Dù nhỏ như vậy, nó vẫn sáng tương đương với điểm ảnh OLED thông thường kích thước 5 x 5 micromet,” giáo sư Bert Hecht chia sẻ.

Để dễ hình dung, một nanomet chỉ bằng một phần triệu milimet. Điều này đồng nghĩa với việc một màn hình độ phân giải Full HD (1920 x 1080 pixel) hoàn toàn có thể được thu nhỏ vừa trong diện tích chỉ khoảng 1 mm². Khi đó, màn hình có thể được tích hợp ngay trong gọng kính thông minh, nơi ánh sáng phát ra sẽ được phản chiếu lên thấu kính để hiển thị thông tin.

Nguyên lý hoạt động của OLED

Mỗi OLED bao gồm nhiều lớp hữu cơ siêu mỏng được kẹp giữa hai điện cực. Khi có dòng điện chạy qua, các electron và lỗ trống tái hợp, kích thích các phân tử hữu cơ trong lớp phát sáng, từ đó phát ra photon. Mỗi điểm ảnh phát sáng độc lập, nên không cần đèn nền, cho phép hiển thị màu đen sâu hơn, màu sắc rực rỡ hơn và tiết kiệm năng lượng – một yếu tố quan trọng với thiết bị AR và VR di động.

Tuy nhiên, việc thu nhỏ kích thước điểm ảnh lại nảy sinh nhiều vấn đề vật lý. “Nếu chỉ đơn giản giảm kích thước của cấu trúc OLED truyền thống, dòng điện sẽ chủ yếu tập trung ở các góc – tương tự nguyên lý cột thu lôi,” giáo sư Pflaum giải thích. Ăng-ten kim loại trong thiết kế này được làm bằng vàng, có dạng hình hộp chữ nhật kích thước 300 x 300 x 50 nanomet.

Các điện trường mạnh tại các góc sẽ khiến nguyên tử vàng di chuyển và xâm nhập dần vào lớp vật liệu phát sáng, hình thành các sợi mảnh (filament) dẫn điện không mong muốn. Khi những sợi này phát triển quá mức, điểm ảnh sẽ bị chập điện và hư hỏng hoàn toàn.

Nâng hiệu suất và mở rộng phổ màu

Để giải quyết vấn đề này, nhóm JMU đã thêm một lớp cách điện đặc biệt lên trên ăng-ten quang học, chỉ để lại một lỗ tròn nhỏ đường kính 200 nanomet ở trung tâm. Thiết kế này ngăn dòng điện tràn từ các mép và góc, giúp điểm ảnh vận hành ổn định lâu dài. Trong điều kiện thí nghiệm, các nano pixel đầu tiên vẫn hoạt động ổn định suốt hai tuần trong môi trường bình thường.

Bước tiếp theo của nhóm là nâng hiệu suất phát sáng từ mức hiện tại 1% lên cao hơn, đồng thời mở rộng khả năng hiển thị sang toàn dải màu RGB. Khi đó, sẽ không còn rào cản nào cho việc tạo ra thế hệ màn hình siêu nhỏ “Made in Würzburg”.

Với công nghệ này, trong tương lai, màn hình và máy chiếu có thể nhỏ tới mức gần như vô hình, đủ để tích hợp vào mọi thiết bị đeo – từ gọng kính cho đến kính áp tròng thông minh.