Att stapla lysdioder istället för att placera dem sida vid sida kan möjliggöra helt uppslukande VR-skärmar

Plocka isär din bärbara datorskärm och i dess hjärta hittar du en pixelmönstrad platta med röda, gröna och blå lysdioder, ordnade ände till ände som en noggrann Lite Brite-skärm. När de är elektriskt drivna kan lysdioder producera alla nyanser av regnbågen tillsammans för att generera fullfärgsskärmar. Under årens lopp har storleken på enskilda pixlar minskat, vilket gör att många fler av dem kan integreras i enheter för att producera skarpare digitala skärmar med högre upplösning.

Men precis som datortransistorer når lysdioder en gräns för storleken samtidigt som de är effektiva. Denna begränsning är särskilt märkbar i skärmar med korta kast som till exempel augmented och virtual reality-enheter, där begränsad pixeltäthet resulterar i en “skärmdörrseffekt” så att användare uppfattar repor i utrymmet mellan skärmarna.

Nu har ingenjörer vid MIT utvecklat ett nytt sätt att skapa skarpare, felfria skärmar. Istället för att ersätta röda, gröna och blå lysdioder sida vid sida i ett horisontellt lapptäcke, uppfann teamet ett sätt att stapla dioderna för att skapa flerfärgade vertikala pixlar.

Varje staplad pixel kan generera hela kommersiella färgskala och är cirka 4 mikron bred. Mikroskopiska pixlar, eller “mikro-LEDs”, kan packas med en densitet på 5 000 pixlar per tum.

“Detta är den minsta mikro-LED-pixeln och den högsta pixeltätheten som rapporterats i recensioner”, säger Jeehwan Kim, docent i maskinteknik vid MIT. “Vi visar att vertikal pixelering är vägen framåt för skärmar med högre upplösning i ett mindre fotavtryck.”

“För virtuell verklighetjust nu finns det en gräns för hur verkliga de ser ut”, tillägger Jiho Shin, postdoktor i Kims forskargrupp. “Med våra vertikala mikro-LED kan du få en helt uppslukande upplevelse och inte skilja virtuellt från verkligt.”

Teamets resultat publiceras i tidskriften Natur. Kim och Shins medförfattare inkluderar medlemmar av Kims labb, MIT-forskare och medarbetare från Georgia Tech Europe, Sejong University och flera universitet i USA, Frankrike och Korea.

Placera pixlar

Dagens digitala skärmar är upplysta av organiska lysdioder (OLED): plastdioder som avger ljus som svar på en elektrisk ström. OLED är den primära digitala bildskärmstekniken, men dioder kan försämras med tiden, vilket orsakar permanenta inbränningseffekter på bildskärmar. Tekniken når också en gräns för storleken på dioder som kan krympas, vilket begränsar deras skärpa och upplösning.

För nästa generations bildskärmsteknik utforskar forskare oorganiska mikro-LED:er – dioder som är en hundradel av storleken på konventionella lysdioder och är gjorda av oorganiska enkristallhalvledarmaterial. Mikro-LED kan prestera bättre, kräver mindre ström och håller längre än OLED.

Men att tillverka mikro-LED kräver exakt precision, eftersom de mikroskopiska pixlarna i rött, grönt och blått först måste odlas separat på wafers och sedan placeras exakt på en platta, exakt i linje med varandra. andra för att reflektera korrekt och producera olika färger. och nyanser. Att uppnå en sådan mikroskopisk precision är en svår uppgift, och hela enheter måste skrotas om pixlar visar sig vara malplacerade.

“Denna pick-and-place-tillverkning är mycket känslig för pixelfeljustering i mycket små skalor”, säger Kim. “Om du har feljustering måste du kassera det här materialet, annars kan det förstöra en skärm.”

hög med färger

MIT-teamet hittade ett potentiellt billigare sätt att göra mikro-LED som inte kräver exakt pixel-för-pixel-justering. Tekniken är en helt annan vertikal LED-metod, till skillnad från det konventionella horisontella pixelarrangemanget.

Kims grupp är specialiserad på att utveckla tekniker för att tillverka rena, ultratunna, högpresterande membran för att designa mindre, tunnare, mer flexibel och funktionell elektronik. Teamet har tidigare utvecklat en metod för att odla och skala perfekt tvådimensionellt enkristallmaterial från kiselskivor och andra ytor – ett tillvägagångssätt som de kallar 2D Material-Based Layer Transfer, eller 2DLT.

I den aktuella studien använde forskarna samma tillvägagångssätt för att utveckla ultratunna membran av röda, gröna och blå lysdioder. De skalade sedan av hela LED-membranen från sina basskivor och staplade dem för att skapa en lagertårta av röda, gröna och blå membran. De kunde sedan skära kakan i mönster av små vertikala pixlar, var och en så liten som 4 mikron bred.

“I konventionella skärmar är varje R-, G- och B-pixel utlagd i sidled, vilket begränsar storleken på varje pixel,” noterar Shin. “Eftersom vi staplar de tre pixlarna vertikalt kan vi i teorin minska pixelarean med en tredjedel.”

Som en demonstration tillverkade teamet en vertikal LED-pixel och visade att genom att ändra spänningen på var och en av pixelns röda, gröna och blåa membran kunde de producera olika färger i en enda pixel.

“Om du har en högre ström mot rött och en lägre mot blått, pixel skulle se rosa ut och så vidare, säger Shin. “Vi kan skapa alla färger blandade tillsammans, och vår visa kan täcka nästan det tillgängliga kommersiella färgutrymmet.”

Teamet planerar att förbättra hur vertikala pixlar fungerar. Hittills har de visat att de kan stimulera en individuell struktur att producera hela färgspektrat. De kommer att arbeta med att skapa en uppsättning av många vertikala mikro-LED-pixlar.

“Du behöver ett system för att styra 25 miljoner lysdioder separat”, säger Shin. “Här har vi bara delvis visat det. Aktiv matrisdrift är något vi kommer att behöva utveckla ytterligare.”

“Hittills har vi visat samhället att vi kan växa, skala och stapla ultratunna lysdioder”, säger Kim. “Det är den ultimata lösningen för små skärmar som smartklockor och virtuella verklighetsenheterdär du vill ha högt förtätad pixel att göra levande, levande bilder.”