超高解析度納米光子顯示器meta-OLED最適用於VR眼鏡
有機發光二極體(OLED)已在高解析度,大面積電視以及智慧型手機和平板電腦的手持顯示器中得到廣泛應用。當屏幕離眼睛一定距離時,每英寸的典型像素數約為數百。對於近眼微型顯示器(例如,在虛擬和增強現實應用中),所需的像素密度達到每英寸幾千個像素,而當前的顯示技術無法滿足要求。
通過擴展超薄太陽能電池板電極的現有設計,韓國史丹福大學的研究人員和合作者開發了一種新的OLED架構-有機發光二極體-顯示器,可以使電視,智慧型手機以及虛擬實境或增強現實解析度高達每英寸10,000像素(PPI)的設備。(而目前智慧型手機的解析度約為400至500 PPI。) 這種高像素密度的顯示器將能夠提供逼真的細節的驚人圖像-對於設計成距我們臉部僅幾釐米的頭戴式顯示器而言,這一點尤為重要。
作者布隆格斯瑪(Brongersma)在《science》論文中說:"我們利用了這樣一個事實,在納米級,光可以在水等物體周圍流動。(Metasurface-driven OLED displays beyond 10,000 pixels per inch)。"納米級光子學領域不斷帶來新的驚喜,現在我們開始影響實際技術。我們的設計在太陽能電池上確實表現良好,現在我們有機會影響下一代顯示器。"
這項進步是基於史丹福大學材料科學家Mark Brongersma與三星技術學院(SAIT)合作進行的研究。Brongersma之所以最初走在這一研究道路上,是因為他想創建超薄的太陽能電池板設計。
除了具有創紀錄的像素密度之外,新型"元光子" OLED顯示器還將比現有版本更亮,具有更好的色彩精度,並且生產起來也更加容易且具有成本效益。
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meta-OLED顯示器和下面的超光子層的示意圖,它可以改善顯示器的整體亮度和顏色,同時保持其薄型和高能效
隱藏的寶石
OLED的核心是有機發光材料。這些電極夾在高反射和半透明電極之間,可將電流注入器件。當電流流過OLED時,發射器會發出紅色,綠色或藍色的光。OLED顯示器中的每個像素都由產生這些原色的較小子像素組成。當解析度足夠高時,人眼將像素視為一種顏色。OLED是一種有吸引力的技術,因為它們比其他類型的顯示器薄,輕且柔性,並且可以產生更明亮,更彩色的圖像。
這項研究旨在為目前市售的兩種類型的OLED顯示器提供替代方案:
一種類型稱為紅綠藍OLED,具有單獨的子像素,每個子像素僅包含一種顏色的發射器。這些OLED的製造方法是,通過細金屬絲網將每一層材料噴塗以控制每個像素的成分。但是,只能像在智慧型手機上使用的那樣小規模生產。
另一種是電視等較大的設備採用白色OLED顯示器。這些子像素中的每一個都包含所有三個發射器的堆棧,然後依靠濾鏡確定最終的子像素顏色,該顏色更易於製造。由於濾光片會降低總的光輸出,因此白色OLED顯示器更耗電,並且容易將圖像燒入屏幕。
科研靈感
OLED顯示器是SAIT科學家Won-Jae Joo在2016年至2018年訪問斯坦福時的腦海。在此期間,Joo聆聽了史丹福大學研究生Majid Esfandyarpour關於他正在開發的超薄太陽能電池技術的演講。 Brongersma的實驗室實現了除可再生能源之外的應用。
" Brongersma教授的研究主題在學術上都是非常深刻的,對於三星電子公司的工程師和研究員來說,這對我來說就像是隱藏的寶石,"《科學》論文的主要作者Joo說。
演講結束後,Joo向Esfandyarpour提出了自己的想法,並促使史丹福大學,SAI和韓國漢陽大學的研究人員進行了合作。
Esfandyarpour說:"看到我們已經在不同環境中考慮的問題可以對OLED顯示器產生如此重要的影響,這真是令人興奮。"
概念原型
太陽能電池板和新型OLED背後的關鍵創新是反射金屬的基層,該基層具有納米級(小於微觀)波紋,稱為光學超表面。超穎表面可以操縱光的反射特性,從而允許不同的顏色在像素中產生共振。這些共振是促進從OLED有效提取光的關鍵。
Brongersma說:"這類似於樂器利用共振產生美麗且易於聽見的音調的方式。"
例如,紅色發射器具有比藍色發射器更長的光波長,在傳統的RGB-OLED中,紅色發射器轉換為不同高度的子像素。為了總體上形成平面屏幕,沉積在發射器上方的材料必須以不相等的厚度放置。相比之下,在所提出的OLED中,基層波紋使每個像素具有相同的高度,這有利於簡化大規模和微型製造過程。
在實驗室測試中,研究人員成功地製作了微型概念驗證像素。與彩色濾光的白色OLED(用於OLED電視中)相比,這些像素具有更高的色純度和發光效率的兩倍提高-衡量屏幕亮度與使用能量的比較。它們還允許每英寸10,000像素的超高像素密度。
三星正在追求將這項工作整合到全尺寸顯示器中的下一步,Brongersma迫切地等待著結果,希望成為最早看到meta-OLED顯示器的人之一。