Công nghệ màn hình Perovskite chứng minh hiệu suất kỷ lục và tuổi thọ hoạt động ở cấp độ ngành
Bởi Đại học Quốc gia Seoul
Một HS cho phép liên kết giao diện mạng tinh thể, chuyển đổi các tinh thể nano perovskite dạng keo thành các chất phát xạ trạng thái rắn khả thi về mặt thương mại. Các lớp polymer PbSO4-SiO2 liên kết với nhau hạn chế sự giãn nở của mạng tinh thể và ổn định bề mặt, ngăn chặn sự suy thoái do mạng tinh thể mềm gây ra. Kết quả là, màng HS-PeNC duy trì PLQY gần bằng 1 với khả năng tái chế photon hiệu quả và đạt được hiệu suất lượng tử bên ngoài là 91,4%, cùng với độ ổn định khả thi về mặt thương mại (T90 > 3000 giờ ở 60°C, 90% RH; T90 > 27.000 giờ khi tiếp xúc với ánh sáng xanh). Nguồn: Science (2026). DOI: 10.1126/science.ady1370
Một nhóm nghiên cứu đã phát triển công nghệ tinh thể nano perovskite vỏ phân cấp, đồng thời khắc phục được sự không ổn định lâu nay của các chất phát xạ perovskite halogen kim loại, trong khi đạt được hiệu suất lượng tử, độ ổn định hoạt động và khả năng mở rộng kỷ lục. Công trình này mở đường cho các công nghệ màn hình màu sống động thế hệ tiếp theo.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science với tư cách là bài báo trang bìa.
Nhóm nghiên cứu được dẫn dắt bởi Giáo sư Tae-Woo Lee (Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Đại học Quốc gia Seoul, Hàn Quốc & Công ty TNHH Màn hình SN).
Bối cảnh ngành công nghiệp màn hình toàn cầu
Với hơn 70% khả năng tiếp nhận thông tin của con người dựa vào thị giác, công nghệ màn hình từ lâu đã được coi là một trong những ngành công nghiệp cốt lõi quan trọng nhất trong xã hội hiện đại. Vào những năm 1990, Nhật Bản thống trị thị trường màn hình toàn cầu, nhưng Hàn Quốc đã vươn lên dẫn đầu thông qua đầu tư mạnh mẽ vào công nghệ LCD và OLED.
Tuy nhiên, trong những năm gần đây, các nhà sản xuất màn hình Trung Quốc đã nhanh chóng mở rộng thị phần nhờ sự hỗ trợ mạnh mẽ của chính phủ, trong khi khoảng cách công nghệ OLED ngày càng thu hẹp. Trong bối cảnh này, việc phát triển một công nghệ màn hình hoàn toàn mới có thể vượt trội so với các hệ thống OLED hiện có đã trở thành một thách thức cấp bách của quốc gia và ngành công nghiệp.
Tiềm năng của chất phát quang perovskite
Từ góc nhìn này, chất phát quang perovskite, một lĩnh vực mà nhóm nghiên cứu của Giáo sư Lee đã đóng vai trò hàng đầu từ năm 2014, đã nổi lên như những ứng cử viên đầy triển vọng cho màn hình thế hệ tiếp theo. Perovskite sở hữu cấu trúc tinh thể ion bao gồm các cation hữu cơ hoặc vô cơ, cation kim loại trung tâm và anion halogenua, mang lại cho chúng độ tinh khiết màu sắc đặc biệt cao, tính chất quang điện tuyệt vời, chi phí vật liệu thấp và khả năng điều chỉnh bước sóng dễ dàng.
Những ưu điểm này đã đưa chất phát quang perovskite trở thành ứng cử viên mạnh mẽ cho tivi độ phân giải cực cao cũng như màn hình thực tế tăng cường và thực tế ảo đang nổi lên.
Để hiện thực hóa các màn hình thế hệ tiếp theo như vậy cần phải tuân thủ Rec. Tiêu chuẩn màu Rec. 2020 mở rộng dải màu có thể đạt được khoảng 40% so với tiêu chuẩn DCI-P3 được sử dụng rộng rãi, cho phép tái tạo màu sắc tự nhiên sống động và trung thực hơn.
Tuy nhiên, yêu cầu khắt khe này không thể đáp ứng được bởi các chất phát xạ hữu cơ thông thường hoặc chấm lượng tử, có phổ phát xạ vẫn tương đối rộng, với độ rộng toàn phần ở mức một nửa cực đại lần lượt khoảng 50 nm và 30 nm. Ngược lại, các chất phát xạ perovskite thể hiện độ rộng vạch phát xạ hẹp vốn có, khoảng 20 nm, khiến chúng có khả năng đáp ứng tiêu chuẩn Rec. 2020 một cách độc đáo.
Những cột mốc trong nghiên cứu LED perovskite
Trong thập kỷ qua, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Lee đã dẫn đầu lĩnh vực điốt phát quang perovskite (PeLED) toàn cầu bằng cách liên tục phá vỡ các kỷ lục về hiệu suất và độ ổn định. Kể từ lần công bố đầu tiên về đèn LED perovskite (PeLED) sáng và đa màu với hiệu suất lượng tử ngoài (EQE) khoảng 0,1% vào năm 2014, nhóm nghiên cứu đã tăng hiệu suất lượng tử ngoài của PeLED từ 0,1% lên 8,53% chỉ trong một năm, báo cáo cột mốc này trên tạp chí Science, được công nhận là PeLED hiệu quả đầu tiên trong lĩnh vực này và được trích dẫn hơn 3.100 lần.
Các nghiên cứu tiếp theo đã giới thiệu các tinh thể nano perovskite phát xạ cao và tiếp tục nâng cao hiệu suất thiết bị lên trên 20% (Nature Photonics 2021, Nature Nanotechnology 2022). Năm 2022, nhóm nghiên cứu đã đạt được hiệu suất lượng tử ngoài gần lý thuyết là 28,9% cùng với tuổi thọ hoạt động khoảng 30.000 giờ ở đèn LED perovskite, được báo cáo trên tạp chí Nature. Những thành tựu này đã chứng minh rằng đèn LED perovskite điều khiển bằng điện có thể đạt được hiệu suất thương mại.
Đột phá về độ ổn định của chất phát xạ trạng thái rắn
Trong nghiên cứu đăng trên tạp chí Science, nhóm nghiên cứu đã tiến xa hơn các minh chứng ở cấp độ thiết bị và giải quyết nút thắt quan trọng còn lại: chất phát xạ perovskite trạng thái rắn cho các ứng dụng màn hình chuyển đổi xuống.
Trong các hệ thống màn hình và chiếu sáng thực tế, đặc biệt là các nền tảng chuyển đổi màu được kích thích bằng ánh sáng xanh lam, chất phát xạ rắn phải đồng thời thể hiện khả năng hấp thụ mạnh và hiệu suất lượng tử phát quang (PLQY) cao, bởi vì hiệu suất chuyển đổi ánh sáng tổng thể được chi phối bởi hiệu suất lượng tử bên ngoài (EQY = a).
(Hiệu suất phát quang × EQY). Tuy nhiên, đối với hầu hết các chất phát quang rắn đã biết, việc tăng nồng độ để tăng cường khả năng hấp thụ chắc chắn sẽ gây ra hiện tượng suy giảm nồng độ và tổn thất phi bức xạ liên quan đến tự hấp thụ, giới hạn EQY xuống dưới khoảng 65%.
Tinh thể nano perovskite dạng keo (PeNCs) được coi là ứng cử viên lý tưởng cho các chất phát quang rắn có EQY cao nhờ độ tinh khiết màu sắc vượt trội và hệ số hấp thụ mạnh, và chúng có thể đạt giá trị PLQY vượt quá 95% trong các dung dịch được xử lý thụ động tốt. Tuy nhiên, mạng lưới ion mềm và bề mặt dễ bị biến đổi hóa học khiến chúng rất dễ bị ảnh hưởng bởi các tác nhân gây căng thẳng trong quá trình hoạt động như ánh sáng, nhiệt, độ ẩm và oxy, dẫn đến sự suy giảm PLQY nhanh chóng và tuổi thọ hoạt động ngắn trong các màng rắn.
Để khắc phục triệt để những hạn chế này, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Lee đã phát triển một chiến lược ổn định mới dựa trên cấu trúc vỏ phân cấp bao gồm các lớp PbSO₄, SiO₂ và polymer liên kết với nhau. Không giống như các phương pháp thông thường dựa vào các phối tử bề mặt liên kết yếu hoặc bao bọc thụ động, lớp vỏ phân cấp liên kết hóa học cả mạng tinh thể perovskite và bề mặt, ngăn chặn hiệu quả sự làm mềm mạng tinh thể, sự di chuyển ion và các phản ứng hóa học tại giao diện làm tăng tốc độ suy thoái trong điều kiện hoạt động.
Kết quả là, màng tinh thể nano perovskite đạt được hiệu suất lượng tử phát quang (PLQY) 100% trong khi vẫn duy trì độ ổn định chưa từng có trong các điều kiện liên quan đến hoạt động thực tế. Các màng ổn định thể hiện tuổi thọ T90 là 3.900 giờ trong điều kiện lão hóa nhiệt ẩm tăng tốc ở 60°C và độ ẩm tương đối 90%, cũng như tuổi thọ T90 ngoại suy là 27.234 giờ dưới bức xạ ánh sáng xanh liên tục.
Những giá trị này vượt xa các kết quả đã được báo cáo trước đây đối với tinh thể nano perovskite và vượt qua các tiêu chuẩn lão hóa thương mại được chấp nhận rộng rãi. Điều quan trọng là, hiệu suất phát quang lượng tử (PLQY) gần bằng 1 cho phép tái chế photon hiệu quả, giúp hiệu suất lượng tử bên ngoài của màng rắn đạt 91,4%, giá trị cao nhất được báo cáo trong số tất cả các chất phát xạ trạng thái rắn đã biết, bao gồm chất phát quang, chất phát xạ hữu cơ, chấm lượng tử, chấm carbon, cụm nano kim loại và các perovskite halide khác.
Khả năng xử lý, an toàn và khả năng mở rộng
Ngoài hiệu suất quang học, cấu trúc vỏ phân cấp còn mang lại khả năng xử lý tuyệt vời và an toàn môi trường. Vỏ ngăn chặn hiệu quả sự phát thải Pb²⁺ vào nước, đảm bảo an toàn môi trường vốn có, trong khi các thử nghiệm độc tính tế bào xác nhận sự tăng sinh tế bào khỏe mạnh tương đương với chất nền nuôi cấy polystyrene tiêu chuẩn. Hơn nữa, các tinh thể nano perovskite ổn định hoàn toàn tương thích với in phun và tạo mẫu quang khắc độ phân giải cao, cho phép mật độ điểm ảnh vượt quá 3.500 điểm ảnh trên mỗi inch, cần thiết cho màn hình micro-LED thế hệ tiếp theo và màn hình thực tế tăng cường và thực tế ảo.
Chiến lược này cũng thể hiện khả năng mở rộng và tính tương thích sản xuất vượt trội. Thông qua sự hợp tác với SN Display Co., Ltd., một công ty khởi nghiệp do Giáo sư Lee đồng sáng lập với sự hỗ trợ từ Đại học Quốc gia Seoul, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công màng chuyển đổi màu tinh thể nano perovskite đồng nhất trên diện tích lớn bằng phương pháp in cuộn liên tục 0,6 m × 3,2 m.
Bằng cách tận dụng khả năng tương thích này với các quy trình sản xuất màn hình tiêu chuẩn, các nguyên mẫu máy tính bảng 10,1 inch, màn hình 28 inch và 32 inch, và tivi 43 inch và 75 inch đã được trình diễn, tất cả đều thể hiện độ sáng đồng đều và khả năng tái tạo màu sắc sống động. Các màn hình này đạt tỷ lệ diện tích gam màu vượt quá 97% (tỷ lệ diện tích) của Rec. 2020, vượt trội hơn so với màn hình LCD thương mại, chấm lượng tử InP và các thiết bị dựa trên OLED.
Giáo sư Lee cho biết: "Bằng cách phát triển một lớp vỏ phân cấp khóa cả mạng tinh thể mềm và bề mặt dễ biến đổi của các tinh thể nano perovskite, chúng tôi đã đạt được hiệu suất gần bằng 1 và tuổi thọ hoạt động ở cấp độ thương mại cùng một lúc. Bước đột phá này chứng minh rằng các chất phát xạ perovskite có thể vượt ra khỏi nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và đóng vai trò là công nghệ công nghiệp cốt lõi cho các màn hình có độ tinh khiết màu cao trong tương lai."
Chi tiết bài báo
Qingsen Zeng và cộng sự, Một lớp vỏ phân cấp khóa và ổn định các tinh thể nano perovskite với hiệu suất lượng tử gần bằng 1, Science (2026). DOI: 10.1126/science.ady1370
Thông tin tạp chí: Nature Photonics, Nature Nanotechnology, Science, Nature
