Исследователи из Samsung и ученые из Стэнфордского университета создали OLED-матрицу, плотность пикселей которой может достигать 10 000 на дюйм, что потенциально позволит совершить революцию в дисплеях и привести к появлению сверхчетких экранов для виртуальной и дополненной реальностей.

Для начала — минутка физики: поговорим об общем принципе работы OLED-матриц. Между катодом (1) и анодом (5) находится два полимерных (органических) слоя — эмиссионный (2) и проводящий (4). При подаче на электроды напряжения эмиссионный слой получает отрицательный заряд (электроны), а проводящий — положительный (отсутствие электронов — дырки). Под действием электростатических сил дырки и электроны движутся навстречу друг другу и при встрече рекомбинируют — то есть исчезают с выделением энергии, которая в данном случае выглядит как излучение фотонов в области видимого света (3) — так мы и получаем видимую картинку:



В итоге современный домашний 4K OLED-телевизор может иметь плотность пикселей (PPI) примерно от 100 до 200, тогда как OLED-дисплеи мобильных телефонов могут достигать плотности пикселей до 500 и даже 600 на дюйм.

При этом типы OLED-матриц, достигших коммерческого успеха для крупных устройств (телевизоров) и компактных девайсов (смартфоны и планшеты), ощутимо отличаются. Так, в мобильных устройствах в основном используются красные, зеленые и синие OLED-светодиоды, которые компании производят путем точечного нанесения органической пленки через металлические листы со множеством крошечных отверстий, пробитых в них. Однако толщина этих металлических листов ограничивает то, насколько маленькими могут быть получаемые таким образом точки, а провисание этих перфорированных листов ограничивает размер самих получающихся дисплеев на уровне пары десятков дюймов.

Поэтому для производства больших телевизоров используются белые OLED-светодиоды с размещенными поверх них цветными фильтрами. Но и здесь есть подводные камни: так, эти фильтры поглощают более 70% света, идущего от светодиодов. Таким образом, приходится сильно повышать яркость последних, из-за чего такие дисплеи потребляют много энергии и могут «выгорать», если вывести на них статичную картинку на большой промежуток времени. К тому же фильтры также накладывают ограничение на максимальный размер пикселей.

Однако новый тип OLED-матриц, реализованный Samsung, таких недостатков не имеет. В новом дисплее используются OLED-пленки для излучения белого света между двумя отражающими слоями, один из которых состоит из серебряной пленки, а другой представляет собой «метаповерхность», или лес микроскопических столбиков, расстояние между которыми меньше длин волн видимого света. Квадратные кластеры таких серебряных столбиков высотой 80 нанометров и шириной 100 нанометров и являются пикселями, каждый шириной примерно 2,4 микрона, или чуть меньше 1/10 000 дюйма, откуда и получается такая рекордная плотность их размещения.


Художественное изображение нового типа OLED-дисплеев.

Каждый пиксель на метаповерхности нового дисплея разделен на четыре субпикселя равного размера. При этом OLED-пленками можно управлять, чтобы они освещали только определенные субпиксели. Наностолбики в каждом субпикселе отражают лишь одну длину волну из всего спектра падающего на них белого света. Иными словами, каждый субпиксель может отражать свет только определенного цвета, в зависимости от расстояния между его наностолбиками: в каждом пикселе субпиксель с наиболее плотно упакованными наностолбиками дает красный свет, один с менее плотно упакованными наностолбиками дает зеленый свет, и два с наименее плотно упакованными наностолбиками излучают синий свет.

Таким образом, излучаемый свет отражается взад-вперед между отражающими слоями дисплея, пока, наконец, не выходит через серебряную пленку на поверхность дисплея. По словам исследователей, этот способ, благодаря которому свет может «накапливаться» внутри дисплея, дает последнему вдвое большую эффективность люминесценции, чем у стандартных белых OLED-дисплеев с цветной фильтрацией, а также более высокую чистоту цвета.

«Если мы говорим о музыкальных инструментах, то в них мы часто видим акустическую полость, в которой входящие звуки преобразуются в приятные и красивые чистые тона», — говорит старший автор исследования Марк Бронгерсма, инженер-оптик из Стэнфордского университета. «То же самое происходит и со светом — в этих пикселях могут резонировать разные длины волн света, давая различные цвета».

В ближайшей перспективе одним из потенциальных применений для такого нового типа дисплеев станет виртуальная реальность (VR). По словам Бронгерсмы, поскольку в VR-гарнитурах дисплеи размещаются очень близко к глазам пользователя, высокое разрешение является ключом к созданию иллюзии реальности.


Фото массива наностолбиков, сделанное под электронным микроскопом.

Более того, как бы впечатляюще не звучала цифра в 10 000 пикселей на дюйм, «согласно результатам нашего моделирования теоретический предел масштабирования плотности пикселей в новой технологии оценивается в 20 000 пикселей на дюйм», — говорит ведущий автор исследования Вон-Джэ Джу, инженер по нанофотонике в Samsung Advanced. «Проблема заключается в недостатке яркости, когда размер пикселя становится меньше одного микрометра».

Однако такие цифры являются рекордными только для OLED. Исследователи других компаний, таких как китайская Jade Bird Display и канадская VueReal, уже демонстрировали свои microLED-дисплеи, имеющие плотность пикселей в диапазоне от 10 000 до 30 000 на дюйм. Но у нового OLED-дисплея есть преимущество в сравнении с ними: «чистота цвета у нас очень высокая», — говорит Бронгерсма.

В будущем метаповерхности могут также найти применение для улавливания света в таких устройствах, как солнечные батареи и датчики света, добавил он.




iGuides в Telegram — t.me/igmedia
iGuides в Яндекс.Дзен — zen.yandex.ru/iguides.ru