Nếu tháo rời màn hình máy tính xách tay, ở chính giữa màn hình, bạn sẽ tìm thấy một tấm bảng có hoa văn với các pixel đèn LED màu đỏ, xanh lá cây và xanh lam, được sắp xếp từ đầu đến cuối giống như một màn hình Lite Brite tỉ mỉ. Khi được cấp nguồn điện, các đèn LED kết hợp với nhau có thể tạo ra mọi sắc thái trong cầu vồng để tạo ra màn hình đủ màu.

Trong những năm qua, kích thước của từng điểm ảnh đã thu nhỏ lại, cho phép nhiều điểm ảnh hơn được đóng gói vào các thiết bị để tạo ra các màn hình kỹ thuật số có độ phân giải cao hơn, sắc nét hơn.

Nhưng giống như các bóng bán dẫn máy tính, đèn LED đang đạt đến giới hạn về mức độ nhỏ mà chúng có thể đạt được trong khi vẫn hoạt động hiệu quả. Giới hạn này đặc biệt đáng chú ý trong các màn hình tầm gần, chẳng hạn như thiết bị thực tế ảo, trong đó mật độ điểm ảnh hạn chế dẫn đến "hiệu ứng cửa màn hình" khiến người dùng cảm nhận được các sọc trong không gian giữa các điểm ảnh.

Giờ đây, các kỹ sư của MIT đã phát triển một phương pháp mới để tạo ra một màn hình sắc nét hơn không khiếm khuyết.

Thay vì xếp các đi-ốt phát sáng màu đỏ, lục và lam cạnh nhau theo chiều ngang, nhóm nghiên cứu đã phát minh ra cách xếp chồng các đi-ốt để tạo ra các điểm ảnh nhiều màu theo chiều dọc.

Mỗi pixel xếp chồng lên nhau có thể tạo ra dải màu đầy đủ và có kích thước rộng khoảng 4 micron. Các pixel siêu nhỏ, hay "đèn LED siêu nhỏ", có thể được gói gọn trong mật độ 5.000 pixel mỗi inch.

Ông Jeehwan Kim, phó giáo sư kỹ thuật cơ khí tại MIT cho biết: "Đây là mẫu pixel micro-LED nhỏ nhất với mật độ pixel cao nhất được báo cáo trong các tạp chí. Chúng tôi cho thấy rằng pixel dọc là cách để hiển thị độ phân giải cao hơn trong một diện tích nhỏ hơn".

Ông Jiho Shin, một nghiên cứu sinh trong nhóm nghiên cứu của phó G.S Kim chia sẻ thêm: “Giữa thực tế ảo và hiện tại có một giới hạn về mức độ chân thực của chúng. Với đèn LED dọc siêu nhỏ của chúng tôi, bạn có thể có hoàn toàn chìm đắm trong trải nghiệm và không thể phân biệt giữa ảo và thực".

Kết quả của nhóm được công bố vào đầu tháng 2 trên tạp chí Nature. Các đồng tác giả của ông Kim và ông Shin bao gồm các thành viên trong phòng thí nghiệm của Kim, các nhà nghiên cứu ở MIT và các cộng tác viên từ Georgia Tech Europe, Đại học Sejong và nhiều trường đại học ở Hoa Kỳ, Pháp và Hàn Quốc.

Đặt pixel

Các màn hình kỹ thuật số ngày nay được thắp sáng thông qua các đi-ốt nhựa phát quang hữu cơ (OLED) phát ra ánh sáng để phản ứng với dòng điện. OLED là công nghệ hiển thị kỹ thuật số hàng đầu, nhưng các đi-ốt có thể xuống cấp theo thời gian, dẫn đến hiệu ứng lưu ảnh vĩnh viễn trên màn hình.

Công nghệ này cũng đang đạt đến giới hạn về kích thước mà các đi-ốt có thể thu nhỏ lại, hạn chế độ sắc nét và độ phân giải của chúng.

Đối với công nghệ màn hình thế hệ tiếp theo, các nhà nghiên cứu đang khám phá các điốt LEDS siêu nhỏ vô cơ có kích thước bằng một phần trăm của đèn LED thông thường và được làm từ vật liệu bán dẫn đơn tinh thể vô cơ. Micro-LED có thể hoạt động tốt hơn, tiêu tốn ít năng lượng hơn và tồn tại lâu hơn OLED.

Tuy nhiên, việc chế tạo micro-LED đòi hỏi độ chính xác cao, vì các pixel cực nhỏ màu đỏ, xanh lá cây và xanh lam trước tiên cần được phát triển riêng biệt trên các tấm wafer, sau đó được đặt và căn chỉnh chính xác với nhau để phản chiếu và tạo ra nhiều màu sắc và sắc thái khác nhau. Đạt được độ chính xác vi mô như vậy là một nhiệm vụ khó khăn và toàn bộ hệ thống thiết bị sẽ bị loại bỏ nếu các pixel bị đặt sai chỗ.

Ông Kim nói: “Việc chế tạo và sắp đặt này rất có khả năng làm lệch các pixel ở quy mô rất nhỏ. Nếu bạn đặt lệch, bạn sẽ phải vứt vật liệu đó đi, nếu không nó có thể làm hỏng màn hình".

Chồng màu

Nhóm nghiên cứu đã nghĩ ra một cách có khả năng ít lãng phí hơn để chế tạo đèn LED siêu nhỏ mà không yêu cầu căn chỉnh chính xác từng pixel. Kỹ thuật này là một cách tiếp cận LED dọc, trái ngược với cách sắp xếp pixel theo chiều ngang thông thường.

Nhóm của ông Kim chuyên phát triển các kỹ thuật chế tạo màng tinh khiết, siêu mỏng, hiệu suất cao, nhằm hướng tới kỹ thuật điện tử nhỏ hơn, mỏng hơn, linh hoạt hơn.

Trước đây, nhóm đã phát triển một phương pháp để phát triển và bóc tách vật liệu đơn tinh thể, hai chiều từ các tấm silicon mỏng trên các bề mặt khác nhau, một phương pháp mà họ gọi là chuyển lớp dựa trên vật liệu 2D, hay 2DLT.

Trong nghiên cứu hiện tại, các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp tương tự này để phát triển các màng đèn LED siêu mỏng màu đỏ, lục và lam. Sau đó, họ bóc toàn bộ màng đèn LED ra khỏi tấm nền của chúng và xếp chúng lại với nhau để tạo thành một lớp màng màu đỏ, xanh lá cây và xanh dương. Sau đó, họ có thể khắc chúng thành các mẫu pixel nhỏ, dọc, mỗi pixel chỉ rộng 4 micron.

Ông Shin nói thêm: "Trong các màn hình thông thường, mỗi pixel R, G và B được sắp xếp theo chiều ngang, điều này giới hạn mức độ nhỏ mà bạn có thể tạo ra từng pixel. Bởi vì chúng tôi đang xếp chồng cả ba pixel theo chiều dọc, nên về lý thuyết, chúng tôi có thể giảm một phần ba diện tích pixel".

Để minh họa, nhóm đã chế tạo một pixel LED dọc và cho thấy rằng bằng cách thay đổi điện áp áp dụng cho từng màng màu đỏ, lục và lam của pixel, họ có thể tạo ra nhiều màu khác nhau trong một pixel.

Ông Shin cho hay: “Nếu bạn có dòng điện cao hơn đến màu đỏ và yếu hơn đến màu xanh lam, điểm ảnh sẽ có màu hồng, v.v. Chúng tôi có thể tạo ra tất cả các màu hỗn hợp và màn hình của chúng tôi có thể bao phủ gần với không gian màu thị trường hiện có".

Nhóm đang có kế hoạch cải thiện hoạt động của các pixel dọc. Cho đến nay, họ đã chỉ ra rằng họ có thể kích thích một cấu trúc riêng lẻ để tạo ra đầy đủ các màu sắc. Chúng sẽ hướng tới việc tạo ra một mảng gồm nhiều pixel micro-LED dọc.

Ông Shin nói: “Bạn cần một hệ thống để điều khiển riêng 25 triệu đèn LED. Ở đây, chúng tôi chỉ chứng minh một phần điều đó. Hoạt động ma trận tích cực là thứ chúng tôi cần phát triển thêm".

Ông Kim cho biết: “Hiện tại, chúng tôi đã cho cộng đồng thấy rằng chúng tôi có thể phát triển, bóc tách và xếp chồng các đèn LED siêu mỏng. Đây là giải pháp tối ưu cho các màn hình nhỏ như đồng hồ thông minh và thiết bị thực tế ảo, nơi bạn muốn có mật độ điểm ảnh cao để tạo ra hình ảnh sinh động, sống động".

Nghiên cứu này được hỗ trợ một phần bởi Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ, Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng Hoa Kỳ (DARPA), Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Không quân Hoa Kỳ, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, LG Electronics, Rohm Semiconductor, Cơ quan Nghiên cứu Quốc gia Pháp và Quỹ Nghiên cứu Quốc gia tại Hàn Quốc.

Như Ý