【導讀】麻省理工學(xué)院的工程師們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新方法來(lái)制作更清晰、無(wú)缺陷的顯示器。該團隊并沒(méi)有在水平拼湊中并排更換紅色、綠色和藍色發(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(shí)現完全身臨其境的虛擬現實(shí)顯示和更高分辨率的數字屏幕。
拆開(kāi)您的筆記本電腦屏幕，您會(huì )發(fā)現在它的中心有一個(gè)帶有紅色、綠色和藍色 LED 像素圖案的板，首尾相連，就像一個(gè)細致的 Lite Brite 顯示屏。當通電時(shí)，LED 一起可以產(chǎn)生彩虹中的每個(gè)陰影，從而產(chǎn)生全彩色顯示。多年來(lái)，單個(gè)像素的尺寸已經(jīng)縮小，使得更多的像素能夠被封裝到設備中以產(chǎn)生更清晰、更高分辨率的數字顯示。
但是，就像計算機晶體管一樣，LED在發(fā)揮有效性能的同時(shí)，也達到了其體積小的極限。
這種限制在近距離顯示器（如增強型和虛擬現實(shí)設備）中尤其明顯，在近距離顯示中，有限的像素密度會(huì )導致“屏幕門(mén)效應”，從而用戶(hù)可以感知像素之間的條紋。
現在，麻省理工學(xué)院的工程師們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新方法來(lái)制作更清晰、無(wú)缺陷的顯示器。該團隊并沒(méi)有在水平拼湊中并排更換紅色、綠色和藍色發(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(gè)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(shuō)?！拔覀儼l(fā)現，垂直像素化是在更小的空間內實(shí)現更高分辨率顯示的方式?！?/p>
“對于虛擬現實(shí)，目前它們看起來(lái)的真實(shí)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(wú)法區分虛擬與現實(shí)?！?/p>
該團隊的成果發(fā)表在《自然》雜志上。Kim 和 Shin 的合著(zhù)者包括 Kim 實(shí)驗室的成員、麻省理工學(xué)院的研究人員，以及來(lái)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。
目前的數字顯示器是通過(guò)有機發(fā)光二極管(OLED) 點(diǎn)亮的——有機發(fā)光二極管是一種響應電流而發(fā)光的塑料二極管。
OLED 是領(lǐng)先的數字顯示技術(shù)，但二極管會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而退化，從而導致屏幕永久老化。該技術(shù)也達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(wú)機微型 LED——尺寸僅為傳統 LED 百分之一的二極管，由無(wú)機單晶半導體材料制成。與 OLED 相比，Micro-LED 性能更好、耗能更少且使用壽命更長(cháng)。
但是微型 LED 制造需要極高的精度，因為紅色、綠色和藍色的微型像素需要首先在晶圓上單獨生長(cháng)，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(shí)現這種微觀(guān)精度是一項艱巨的任務(wù)，如果發(fā)現像素不合適，則需要報廢整個(gè)設備。
“這種拾取和放置制造很可能會(huì )在非常小的范圍內錯位像素，”Kim 說(shuō)?！叭绻阌幸粋€(gè)錯位，你必須扔掉那些材料，否則它會(huì )毀掉一個(gè)顯示器?！?/p>
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(lái)制造不需要精確的逐像素對齊的微型 LED。與傳統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(zhuān)注于開(kāi)發(fā)制造純凈、超薄、高性能膜的技術(shù)，以期設計出更小、更薄、更靈活和更實(shí)用的電子產(chǎn)品。該團隊之前開(kāi)發(fā)了一種方法，可以從硅晶圓和其他表面上生長(cháng)和剝離完美的二維單晶材料——他們稱(chēng)之為基于二維材料的層轉移或 2DLT 的方法。
在當前的研究中，研究人員采用相同的方法來(lái)生長(cháng)紅色、綠色和藍色 LED 的超薄膜。然后，他們將整個(gè) LED 薄膜從其基礎晶圓上剝離，并將它們堆疊在一起，制成由紅色、綠色和藍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(gè)像素只有 4 微米寬。
“在傳統顯示器中，每個(gè) 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(gè)像素的大小，”Shin 指出?！耙驗槲覀兇怪倍询B所有三個(gè)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(gè)垂直 LED 像素，并展示了通過(guò)改變施加到每個(gè)像素的紅色、綠色和藍色膜上的電壓，他們可以在單個(gè)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色電流，像素就會(huì )呈現粉紅色，等等，”Shin 說(shuō)?！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?！?/p>
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(gè)單獨的結構來(lái)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(gè)系統來(lái)分別控制 2500 萬(wàn)個(gè) LED，”Shin 說(shuō)?！霸谶@里，我們只是部分地證明了這一點(diǎn)。有源矩陣操作是我們需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的東西?！?/p>
“目前，我們已經(jīng)向社區展示了我們可以生長(cháng)、剝離和堆疊超薄 LED，”Kim 說(shuō)?！斑@是智能手表和虛擬現實(shí)設備等小型顯示器的終極解決方案，您需要高密度像素來(lái)制作生動(dòng)、生動(dòng)的圖像?！?/p>
參考鏈接：Engineers invent vertical, full-color microscopic LEDs;Demi Xia編譯
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