【導(dǎo)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(tuán)隊(duì)并沒(méi)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(shí)現(xiàn)完全身臨其境的虛擬現(xiàn)實(shí)顯示和更高分辨率的數(shù)字屏幕。
拆開(kāi)您的筆記本電腦屏幕，您會(huì)發(fā)現(xiàn)在它的中心有一個(gè)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(gè)細(xì)致的 Lite Brite 顯示屏。當(dāng)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(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(jì)算機(jī)晶體管一樣，LED在發(fā)揮有效性能的同時(shí)，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(qiáng)型和虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備）中尤其明顯，在近距離顯示中，有限的像素密度會(huì)導(dǎo)致“屏幕門(mén)效應(yīng)”，從而用戶(hù)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(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(tuán)隊(duì)并沒(méi)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(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(bào)道的最高像素密度，”麻省理工學(xué)院機(jī)械工程副教授 Jeehwan Kim 說(shuō)。“我們發(fā)現(xiàn)，垂直像素化是在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高分辨率顯示的方式。”
“對(duì)于虛擬現(xiàn)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(bǔ)充道。“使用我們的垂直micro LED，您可以獲得完全身臨其境的體驗(yàn)，并且無(wú)法區(qū)分虛擬與現(xiàn)實(shí)。”
該團(tuán)隊(duì)的成果發(fā)表在《自然》雜志上。Kim 和 Shin 的合著者包括 Kim 實(shí)驗(yàn)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(guó)、法國(guó)和韓國(guó)多所大學(xué)的合作者。
目前的數(shù)字顯示器是通過(guò)有機(jī)發(fā)光二極管(OLED) 點(diǎn)亮的——有機(jī)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(huì)隨著時(shí)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(duì)于下一代顯示技術(shù)，研究人員正在探索無(wú)機(jī)微型 LED——尺寸僅為傳統(tǒng) LED 百分之一的二極管，由無(wú)機(jī)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(zhǎng)。
但是微型 LED 制造需要極高的精度，因?yàn)榧t色、綠色和藍(lán)色的微型像素需要首先在晶圓上單獨(dú)生長(zhǎng)，然后精確地放置在板上，彼此精確對(duì)齊，以便正確反射和產(chǎn)生各種顏色和陰影。實(shí)現(xiàn)這種微觀精度是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，如果發(fā)現(xiàn)像素不合適，則需要報(bào)廢整個(gè)設(shè)備。
“這種拾取和放置制造很可能會(huì)在非常小的范圍內(nèi)錯(cuò)位像素，”Kim 說(shuō)。“如果你有一個(gè)錯(cuò)位，你必須扔掉那些材料，否則它會(huì)毀掉一個(gè)顯示器。”
麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)想出了一種可能減少浪費(fèi)的方法來(lái)制造不需要精確的逐像素對(duì)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(tuán)隊(duì)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(shè)計(jì)出更小、更薄、更靈活和更實(shí)用的電子產(chǎn)品。該團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)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(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(lái)生長(zhǎng)紅色、綠色和藍(lán)色 LED 的超薄膜。然后，他們將整個(gè) 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(gè)像素只有 4 微米寬。
“在傳統(tǒng)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。“因?yàn)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。”
作為演示，該團(tuán)隊(duì)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(lán)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(lán)色電流，像素就會(huì)呈現(xiàn)粉紅色，等等，”Shin 說(shuō)。“我們能夠創(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(tuán)隊(duì)計(jì)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(dú)的結(jié)構(gòu)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(tǒng)來(lái)分別控制 2500 萬(wàn)個(gè) LED，”Shin 說(shuō)。“在這里，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。”
“目前，我們已經(jīng)向社區(qū)展示了我們可以生長(zhǎng)、剝離和堆疊超薄 LED，”Kim 說(shuō)。“這是智能手表和虛擬現(xiàn)實(shí)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(lái)制作生動(dòng)、生動(dòng)的圖像。”
參考鏈接：Engineers invent vertical, full-color microscopic LEDs;Demi Xia編譯
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