【導(dǎo)讀】麻省理工學(xué)院的工程師們已經(jīng)開發(fā)出一種新方法來制作更清晰、無缺陷的顯示器。該團隊并沒有在水平拼湊中并排更換紅色、綠色和藍(lán)色發(fā)光二極管，而是發(fā)明了一種堆疊二極管以創(chuàng)建垂直、多色像素的方法，可以實現(xiàn)完全身臨其境的虛擬現(xiàn)實顯示和更高分辨率的數(shù)字屏幕。
拆開您的筆記本電腦屏幕，您會發(fā)現(xiàn)在它的中心有一個帶有紅色、綠色和藍(lán)色 LED 像素圖案的板，首尾相連，就像一個細(xì)致的 Lite Brite 顯示屏。當(dāng)通電時，LED 一起可以產(chǎn)生彩虹中的每個陰影，從而產(chǎn)生全彩色顯示。多年來，單個像素的尺寸已經(jīng)縮小，使得更多的像素能夠被封裝到設(shè)備中以產(chǎn)生更清晰、更高分辨率的數(shù)字顯示。
但是，就像計算機晶體管一樣，LED在發(fā)揮有效性能的同時，也達(dá)到了其體積小的極限。
這種限制在近距離顯示器（如增強型和虛擬現(xiàn)實設(shè)備）中尤其明顯，在近距離顯示中，有限的像素密度會導(dǎo)致“屏幕門效應(yīng)”，從而用戶可以感知像素之間的條紋。
現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的工程師們已經(jīng)開發(fā)出一種新方法來制作更清晰、無缺陷的顯示器。該團隊并沒有在水平拼湊中并排更換紅色、綠色和藍(lán)色發(fā)光二極管，而是發(fā)明了一種堆疊二極管以創(chuàng)建垂直、多色像素的方法。
每個堆疊像素都可以生成完整的商業(yè)顏色范圍，寬度約為 4 微米。微型像素或“micro LED”可以封裝到每英寸 5,000 像素的密度。
“這是最小的微型 LED 像素，也是期刊中報道的最高像素密度，”麻省理工學(xué)院機械工程副教授 Jeehwan Kim 說。“我們發(fā)現(xiàn)，垂直像素化是在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)更高分辨率顯示的方式?！?/p>
“對于虛擬現(xiàn)實，目前它們看起來的真實程度是有限度的，”Kim 研究小組的博士后 Jiho Shin 補充道?！笆褂梦覀兊拇怪眒icro LED，您可以獲得完全身臨其境的體驗，并且無法區(qū)分虛擬與現(xiàn)實?！?/p>
該團隊的成果發(fā)表在《自然》雜志上。Kim 和 Shin 的合著者包括 Kim 實驗室的成員、麻省理工學(xué)院的研究人員，以及來自佐治亞理工學(xué)院歐洲分校、世宗大學(xué)以及美國、法國和韓國多所大學(xué)的合作者。
目前的數(shù)字顯示器是通過有機發(fā)光二極管(OLED) 點亮的——有機發(fā)光二極管是一種響應(yīng)電流而發(fā)光的塑料二極管。
OLED 是領(lǐng)先的數(shù)字顯示技術(shù)，但二極管會隨著時間的推移而退化，從而導(dǎo)致屏幕永久老化。該技術(shù)也達(dá)到了二極管可縮小尺寸的極限，從而限制了它們的清晰度和分辨率。
對于下一代顯示技術(shù)，研究人員正在探索無機微型 LED——尺寸僅為傳統(tǒng) LED 百分之一的二極管，由無機單晶半導(dǎo)體材料制成。與 OLED 相比，Micro-LED 性能更好、耗能更少且使用壽命更長。
但是微型 LED 制造需要極高的精度，因為紅色、綠色和藍(lán)色的微型像素需要首先在晶圓上單獨生長，然后精確地放置在板上，彼此精確對齊，以便正確反射和產(chǎn)生各種顏色和陰影。實現(xiàn)這種微觀精度是一項艱巨的任務(wù)，如果發(fā)現(xiàn)像素不合適，則需要報廢整個設(shè)備。
“這種拾取和放置制造很可能會在非常小的范圍內(nèi)錯位像素，”Kim 說?！叭绻阌幸粋€錯位，你必須扔掉那些材料，否則它會毀掉一個顯示器。”
麻省理工學(xué)院的團隊想出了一種可能減少浪費的方法來制造不需要精確的逐像素對齊的微型 LED。與傳統(tǒng)的水平像素排列相比，該技術(shù)是一種完全不同的垂直 LED 方法。
Kim 的團隊專注于開發(fā)制造純凈、超薄、高性能膜的技術(shù)，以期設(shè)計出更小、更薄、更靈活和更實用的電子產(chǎn)品。該團隊之前開發(fā)了一種方法，可以從硅晶圓和其他表面上生長和剝離完美的二維單晶材料——他們稱之為基于二維材料的層轉(zhuǎn)移或 2DLT 的方法。
在當(dāng)前的研究中，研究人員采用相同的方法來生長紅色、綠色和藍(lán)色 LED 的超薄膜。然后，他們將整個 LED 薄膜從其基礎(chǔ)晶圓上剝離，并將它們堆疊在一起，制成由紅色、綠色和藍(lán)色薄膜組成的層蛋糕。然后他們可以將蛋糕雕刻成微小的垂直像素圖案，每個像素只有 4 微米寬。
“在傳統(tǒng)顯示器中，每個 R、G 和 B 像素都是橫向排列的，這限制了您可以創(chuàng)建每個像素的大小，”Shin 指出?！耙驗槲覀兇怪倍询B所有三個像素，理論上我們可以將像素面積減少三分之一?！?/p>
作為演示，該團隊制造了一個垂直 LED 像素，并展示了通過改變施加到每個像素的紅色、綠色和藍(lán)色膜上的電壓，他們可以在單個像素中產(chǎn)生各種顏色。
“如果你有更高的紅色電流和更弱的藍(lán)色電流，像素就會呈現(xiàn)粉紅色，等等，”Shin 說?！拔覀兡軌騽?chuàng)建所有混合顏色，我們的顯示器可以覆蓋接近可用的商業(yè)色彩空間。”
該團隊計劃改進(jìn)垂直像素的操作。到目前為止，他們已經(jīng)證明他們可以刺激一個單獨的結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生全光譜的顏色。他們將致力于制造許多垂直微型 LED 像素的陣列。
“你需要一個系統(tǒng)來分別控制 2500 萬個 LED，”Shin 說?！霸谶@里，我們只是部分地證明了這一點。有源矩陣操作是我們需要進(jìn)一步開發(fā)的東西?！?/p>
“目前，我們已經(jīng)向社區(qū)展示了我們可以生長、剝離和堆疊超薄 LED，”Kim 說?！斑@是智能手表和虛擬現(xiàn)實設(shè)備等小型顯示器的終極解決方案，您需要高密度像素來制作生動、生動的圖像?！?/p>
參考鏈接：Engineers invent vertical, full-color microscopic LEDs;Demi Xia編譯
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