Επεκτείνοντας τα υπάρχοντα σχέδια για ηλεκτρόδια εξαιρετικά λεπτών ηλιακών συλλεκτών, ερευνητές και συνεργάτες του Στάνφορντ στην Κορέα ανέπτυξαν μια νέα αρχιτεκτονική για OLED – οργανική δίοδο εκπομπής φωτός – οθόνες που θα μπορούσαν να επιτρέψουν σε τηλεοράσεις, smartphone και συσκευές εικονικής ή επαυξημένης πραγματικότητας αναλύσεις έως 10.000 pixel ανά ίντσα (PPI). (Για σύγκριση, οι αναλύσεις των νέων smartphone είναι περίπου 400 έως 500 PPI.)
Τέτοιες οθόνες υψηλής πυκνότητας pixel θα είναι σε θέση να παρέχουν εντυπωσιακές εικόνες με πραγματική λεπτομέρεια – κάτι που θα είναι ακόμη πιο σημαντικό για οθόνες που έχουν σχεδιαστεί για να κάθονται μόλις εκατοστά από τα πρόσωπά μας.
Η πρόοδος βασίζεται σε έρευνα του επιστήμονα υλικών του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ, Mark Brongersma, σε συνεργασία με το Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT). Ο Brongersma τέθηκε αρχικά σε αυτό το ερευνητικό μονοπάτι επειδή ήθελε να δημιουργήσει έναν εξαιρετικά λεπτό σχεδιασμό ηλιακού πλαισίου.
«Έχουμε εκμεταλλευτεί το γεγονός ότι, στη νανοκλίμακα, το φως μπορεί να ρέει γύρω από αντικείμενα όπως το νερό», δήλωσε ο Brongersma, ο οποίος είναι καθηγητής επιστήμης και μηχανικής υλικών και ανώτερος συγγραφέας της επιστημονικής εργασίας που δημοσιεύθηκε στις 22 Οκτωβρίου. «Το πεδίο της φωτονικής νανοκλίμακας συνεχίζει να φέρνει νέες εκπλήξεις και τώρα αρχίζουμε να επηρεάζουμε τις πραγματικές τεχνολογίες. Τα σχέδιά μας λειτούργησαν πολύ καλά για τα ηλιακά κύτταρα και τώρα έχουμε την ευκαιρία να επηρεάσουμε οθόνες επόμενης γενιάς».
Εκτός από το ότι έχει μια πυκνότητα εικονοστοιχείων που ρυθμίζει την εγγραφή, οι νέες «μεταφοτονικές» οθόνες OLED θα είναι επίσης φωτεινότερες και θα έχουν καλύτερη ακρίβεια χρώματος από τις υπάρχουσες εκδόσεις, και θα ήταν πολύ ευκολότερες και οικονομικότερες στην παραγωγή.
Κρυμμένα διαμάντια
Στην καρδιά ενός OLED υπάρχουν οργανικά υλικά που εκπέμπουν φως. Αυτά περικλείονται ανάμεσα σε πολύ αντανακλαστικά και ημιδιάφανα ηλεκτρόδια που επιτρέπουν την έγχυση ρεύματος στη συσκευή. Όταν η ηλεκτρική ενέργεια ρέει μέσω ενός OLED, οι εκπομποί εκπέμπουν κόκκινο, πράσινο ή μπλε φως. Κάθε pixel σε μια οθόνη OLED αποτελείται από μικρότερα δευτερεύοντα pixel που παράγουν αυτά τα κύρια χρώματα. Όταν η ανάλυση είναι αρκετά υψηλή, τα pixel θεωρούνται ως ένα χρώμα από το ανθρώπινο μάτι. Τα OLED είναι μια ελκυστική τεχνολογία επειδή είναι λεπτά, ελαφριά και εύκαμπτα και παράγουν φωτεινότερες και πιο πολύχρωμες εικόνες από άλλες οθόνες.
Αυτή η έρευνα στοχεύει να προσφέρει μια εναλλακτική λύση στους δύο τύπους οθονών OLED που διατίθενται επί του παρόντος στο εμπόριο. Ένας τύπος – που ονομάζεται OLED κόκκινου-πράσινου-μπλε – έχει μεμονωμένα υπο-pixel που το καθένα περιέχει μόνο ένα χρώμα πομπού. Αυτά τα OLED κατασκευάζονται με ψεκασμό κάθε στρώματος υλικών μέσω λεπτού μεταλλικού πλέγματος για έλεγχο της σύνθεσης κάθε εικονοστοιχείου. Μπορούν να παράγονται μόνο σε μικρή κλίμακα, ωστόσο, όπως αυτό που θα χρησιμοποιείται για ένα smartphone.
Μεγαλύτερες συσκευές όπως οι τηλεοράσεις χρησιμοποιούν λευκές οθόνες OLED. Κάθε ένα από αυτά τα δευτερεύοντα εικονοστοιχεία περιέχει μια στοίβα και των τριών εκπομπών και στη συνέχεια βασίζεται σε φίλτρα για να προσδιορίσει το τελικό χρώμα των υπο-pixel, το οποίο είναι πιο απλό στην κατασκευή. Δεδομένου ότι τα φίλτρα μειώνουν τη συνολική απόδοση φωτός, οι λευκές οθόνες OLED είναι πιο πεινασμένες για ενέργεια και είναι επιρρεπείς στο να καίνε εικόνες στην οθόνη.
Οι οθόνες OLED ήταν στο μυαλό του Won-Jae Joo, ενός επιστήμονα του SAIT, όταν επισκέφθηκε το Στάνφορντ από το 2016 έως το 2018. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, ο Joo άκουσε μια παρουσίαση από τον απόφοιτο φοιτητή του Στάνφορντ, Majid Esfandyarpour σχετικά με μια τεχνολογία υπεραθινικών ηλιακών κυττάρων στην οποία αναπτύχθηκε. Το εργαστήριο του Brongersma συνειδητοποίησε ότι είχε εφαρμογές πέρα από τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.
«Τα ερευνητικά θέματα του καθηγητή Brongersma ήταν πολύ βαθιά ακαδημαϊκά και ήταν σαν κρυμμένα πετράδια για μένα ως μηχανικός και ερευνητής της Samsung Electronics», δήλωσε ο Joo, ο οποίος είναι επικεφαλής συγγραφέας της επιστημονικής εργασίας.
Ο Joo πλησίασε τον Esfandyarpour μετά την παρουσίαση με την ιδέα του, η οποία οδήγησε σε συνεργασία μεταξύ ερευνητών στο Stanford, στο SAI και στο Πανεπιστήμιο Hanyang στην Κορέα.
«Ήταν πολύ συναρπαστικό να βλέπουμε ότι ένα πρόβλημα που έχουμε ήδη σκεφτεί σε διαφορετικό πλαίσιο μπορεί να έχει τόσο σημαντικό αντίκτυπο στις οθόνες OLED», δήλωσε ο Esfandyarpour.
Ένα βασικό θεμέλιο
Η κρίσιμη καινοτομία πίσω από το ηλιακό πλαίσιο και το νέο OLED είναι ένα βασικό στρώμα ανακλαστικού μετάλλου με κυματοειδείς νανοκλίμακες (μικρότερες από μικροσκοπικές), που ονομάζονται οπτική επιφάνεια. Η επιφάνεια μπορεί να χειριστεί τις ανακλαστικές ιδιότητες του φωτός και έτσι να επιτρέψει στα διαφορετικά χρώματα να «αντηχούν» στα pixel. Αυτοί οι συντονισμοί είναι το κλειδί για τη διευκόλυνση της αποτελεσματικής εξαγωγής φωτός από τα OLED.
«Αυτό μοιάζει με τον τρόπο με τον οποίο τα μουσικά όργανα χρησιμοποιούν ακουστικούς συντονισμούς για να παράγουν όμορφους και εύκολα ακουστικούς τόνους», δήλωσε ο Brongersma, ο οποίος διεξήγαγε αυτήν την έρευνα ως μέρος του εργαστηρίου Geballe για προηγμένα υλικά στο Stanford.
Για παράδειγμα, οι κόκκινοι πομποί έχουν μεγαλύτερο μήκος κύματος φωτός από τους μπλε πομπούς, το οποίο, σε συμβατικά RGB-OLED, μεταφράζεται σε υπο-pixel διαφορετικών υψών. Για να δημιουργηθεί μια επίπεδη οθόνη συνολικά, τα υλικά που εναποτίθενται πάνω από τους πομπούς πρέπει να τοποθετηθούν σε άνισα πάχη. Αντίθετα, στα προτεινόμενα OLED, οι κυματοειδείς στρώσεις βάσης επιτρέπουν σε κάθε εικονοστοιχείο να έχει το ίδιο ύψος και αυτό διευκολύνει μια απλούστερη διαδικασία για κατασκευή μεγάλης κλίμακας καθώς και μικρο-κλίμακας.
Σε εργαστηριακές δοκιμές, οι ερευνητές παρήγαγαν με επιτυχία μικροσκοπικά pixel proof-of-concept. Σε σύγκριση με τα λευκά OLED φιλτραρισμένα με χρώμα (τα οποία χρησιμοποιούνται σε τηλεοράσεις OLED) αυτά τα pixel είχαν μεγαλύτερη καθαρότητα χρώματος και διπλή αύξηση στην απόδοση φωτισμού – ένα μέτρο του πόσο φωτεινή είναι η οθόνη σε σύγκριση με την ενέργεια που χρησιμοποιεί. Επιτρέπουν επίσης μια εξαιρετικά υψηλή πυκνότητα pixel 10.000 pixels ανά ίντσα.
Τα επόμενα βήματα για την ενσωμάτωση αυτής της εργασίας σε οθόνη πλήρους μεγέθους ακολουθούνται από τη Samsung και ο Brongersma περιμένει με ανυπομονησία τα αποτελέσματα, ελπίζοντας να είναι μεταξύ των πρώτων ανθρώπων που θα δουν τη μετα-OLED οθόνη σε δράση.
Επιστημονικό Άρθρο:
Won-Jae Joo, Jisoo Kyoung, Majid Esfandyarpour, Sung-Hoon Lee, Hyun Koo, Sunjin Song, Young-Nam Kwon, Seok Ho Song, Jun Cheol Bae, Ara Jo, Myong-Jong Kwon, Sung Hyun Han, Sung-Han Kim, Sungwoo Hwang, Mark L. Brongersma. Metasurface-driven OLED displays beyond 10,000 pixels per inch. Science, 2020
