Das Stapeln von LEDs statt sie nebeneinander zu platzieren, könnte vollständig immersive Virtual-Reality-Anzeigen ermöglichen

1. Februar 2023

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von Jennifer Chu, Massachusetts Institute of Technology

Nehmen Sie den Bildschirm Ihres Laptops auseinander, und in seinem Herzen finden Sie eine Platte mit gemusterten Pixeln aus roten, grünen und blauen LEDs, die wie bei einem sorgfältigen Lite-Brite-Display aneinandergereiht sind. Wenn die LEDs elektrisch betrieben werden, können sie zusammen jeden Farbton des Regenbogens erzeugen, um Vollfarbanzeigen zu erzeugen. Im Laufe der Jahre ist die Größe einzelner Pixel geschrumpft, so dass viel mehr davon in Geräte gepackt werden können, um schärfere, höher auflösende Digitalanzeigen zu erzeugen.

Aber ähnlich wie Computertransistoren stoßen auch LEDs an ihre Grenzen, wenn es darum geht, wie klein sie sein können, obwohl sie gleichzeitig effektiv sind. Diese Einschränkung macht sich besonders bei Displays im Nahbereich wie Augmented- und Virtual-Reality-Geräten bemerkbar, bei denen eine begrenzte Pixeldichte zu einem „Fliegengittereffekt“ führt, sodass Benutzer Streifen im Raum zwischen den Pixeln wahrnehmen.

Jetzt haben MIT-Ingenieure eine neue Methode entwickelt, um schärfere, fehlerfreie Displays herzustellen. Anstatt rote, grüne und blaue Leuchtdioden nebeneinander in einem horizontalen Patchwork zu ersetzen, hat das Team eine Möglichkeit erfunden, die Dioden zu stapeln, um vertikale, mehrfarbige Pixel zu erzeugen.

Jedes gestapelte Pixel kann die gesamte kommerzielle Farbpalette erzeugen und ist etwa 4 Mikrometer breit. Die mikroskopisch kleinen Pixel oder „Mikro-LEDs“ können auf eine Dichte von 5.000 Pixeln pro Zoll gepackt werden.

„Dies ist das kleinste Mikro-LED-Pixel und die höchste Pixeldichte, über die in Fachzeitschriften berichtet wird“, sagt Jeehwan Kim, außerordentlicher Professor für Maschinenbau am MIT. „Wir zeigen, dass die vertikale Pixelierung der richtige Weg für Displays mit höherer Auflösung auf kleinerem Raum ist.“

„Für die virtuelle Realität gibt es derzeit eine Grenze, wie real sie aussehen kann“, fügt Jiho Shin hinzu, ein Postdoktorand in Kims Forschungsgruppe. „Mit unseren vertikalen Mikro-LEDs könnte man ein völlig immersives Erlebnis erleben und wäre nicht in der Lage, Virtuelles von Realität zu unterscheiden.“

Die Ergebnisse des Teams werden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Zu den Co-Autoren von Kim und Shin gehören Mitglieder von Kims Labor, Forscher rund um das MIT sowie Mitarbeiter von Georgia Tech Europe, der Sejong University und mehreren Universitäten in den USA, Frankreich und Korea.

Heutige digitale Displays werden durch organische Leuchtdioden (OLEDs) beleuchtet – Kunststoffdioden, die als Reaktion auf elektrischen Strom Licht aussenden. OLEDs sind die führende digitale Anzeigetechnologie, allerdings können sich die Dioden mit der Zeit verschlechtern, was zu dauerhaften Einbrenneffekten auf Bildschirmen führt. Die Technologie stößt auch an Grenzen, was die Verkleinerung der Dioden angeht, was ihre Schärfe und Auflösung einschränkt.

Für die Display-Technologie der nächsten Generation erforschen Forscher anorganische Mikro-LEDs – Dioden, die ein Hundertstel so groß sind wie herkömmliche LEDs und aus anorganischen, einkristallinen Halbleitermaterialien hergestellt werden. Mikro-LEDs könnten eine bessere Leistung erbringen, weniger Energie benötigen und länger halten als OLEDs.

Die Herstellung von Mikro-LEDs erfordert jedoch höchste Genauigkeit, da mikroskopisch kleine Pixel in Rot, Grün und Blau zunächst getrennt auf Wafern gezüchtet und dann präzise auf einer Platte platziert werden müssen, in exakter Ausrichtung zueinander, um die verschiedenen Farben richtig zu reflektieren und zu erzeugen und Schattierungen. Eine solche mikroskopische Präzision zu erreichen ist eine schwierige Aufgabe, und wenn sich herausstellt, dass Pixel nicht am richtigen Platz sind, müssen ganze Geräte verschrottet werden.

„Bei dieser Pick-and-Place-Fertigung ist es sehr wahrscheinlich, dass Pixel in sehr kleinem Maßstab falsch ausgerichtet werden“, sagt Kim. „Wenn Sie eine Fehlausrichtung haben, müssen Sie das Material wegwerfen, sonst könnte es die Anzeige ruinieren.“

Das MIT-Team hat einen möglicherweise weniger verschwenderischen Weg zur Herstellung von Mikro-LEDs gefunden, der keine präzise Pixel-für-Pixel-Ausrichtung erfordert. Bei der Technik handelt es sich um einen völlig anderen vertikalen LED-Ansatz als bei der herkömmlichen horizontalen Pixelanordnung.

Kims Gruppe ist auf die Entwicklung von Techniken zur Herstellung reiner, ultradünner Hochleistungsmembranen spezialisiert, mit dem Ziel, kleinere, dünnere, flexiblere und funktionellere Elektronik zu entwickeln. Das Team hat zuvor eine Methode entwickelt, um perfektes, zweidimensionales, einkristallines Material von Wafern aus Silizium und anderen Oberflächen wachsen und ablösen zu lassen – ein Ansatz, den sie 2D-Material-basierter Schichttransfer oder 2DLT nennen.

In der aktuellen Studie verwendeten die Forscher denselben Ansatz, um ultradünne Membranen aus roten, grünen und blauen LEDs zu züchten. Anschließend lösten sie die gesamten LED-Membranen von ihren Basiswafern und stapelten sie zu einem Schichtkuchen aus roten, grünen und blauen Membranen. Anschließend konnten sie den Kuchen in Muster aus winzigen, vertikalen Pixeln schneiden, die jeweils nur 4 Mikrometer breit waren.

„Bei herkömmlichen Displays ist jedes R-, G- und B-Pixel seitlich angeordnet, was die Größe der einzelnen Pixel einschränkt“, bemerkt Shin. „Da wir alle drei Pixel vertikal stapeln, könnten wir die Pixelfläche theoretisch um ein Drittel reduzieren.“

Zur Demonstration stellte das Team ein vertikales LED-Pixel her und zeigte, dass durch Ändern der Spannung, die an jede der roten, grünen und blauen Membranen des Pixels angelegt wurde, verschiedene Farben in einem einzelnen Pixel erzeugt werden konnten.

„Wenn der Strom für Rot höher und für Blau schwächer ist, erscheint das Pixel rosa und so weiter“, sagt Shin. „Wir sind in der Lage, alle gemischten Farben zu erzeugen, und unser Display kann nahezu den kommerziell verfügbaren Farbraum abdecken.“

Das Team plant, die Funktionsweise der vertikalen Pixel zu verbessern. Bisher haben sie gezeigt, dass sie eine einzelne Struktur dazu anregen können, das gesamte Farbspektrum zu erzeugen. Sie werden daran arbeiten, ein Array aus vielen vertikalen Mikro-LED-Pixeln herzustellen.

„Man braucht ein System, um 25 Millionen LEDs separat zu steuern“, sagt Shin. „Hier haben wir das nur teilweise bewiesen. Den Aktivmatrixbetrieb müssen wir weiterentwickeln.“

„Im Moment haben wir der Community gezeigt, dass wir ultradünne LEDs wachsen, schälen und stapeln können“, sagt Kim. „Dies ist die ultimative Lösung für kleine Displays wie Smartwatches und Virtual-Reality-Geräte, bei denen Sie hochverdichtete Pixel benötigen, um lebendige, lebendige Bilder zu erzeugen.“

Mehr Informationen: Jeehwan Kim, Vertikale Vollfarb-Mikro-LEDs mittels 2D-materialbasierter Schichtübertragung, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05612-1. www.nature.com/articles/s41586-022-05612-1