Apilar LED en lugar de colocarlos uno al lado del otro podría permitir pantallas de realidad virtual totalmente inmersivas

1 de febrero de 2023

Este artículo ha sido revisado de acuerdo con el proceso editorial y las políticas de Science X. Los editores han resaltado los siguientes atributos al tiempo que garantizan la credibilidad del contenido:

verificado

publicación revisada por pares

fuente confiable

corregir

por Jennifer Chu, Instituto de Tecnología de Massachusetts

Desarme la pantalla de su computadora portátil y en su centro encontrará una placa estampada con píxeles de LED rojos, verdes y azules, dispuestos de extremo a extremo como una meticulosa pantalla Lite Brite. Cuando se alimentan eléctricamente, los LED juntos pueden producir todos los tonos del arco iris para generar pantallas a todo color. Con el paso de los años, el tamaño de los píxeles individuales se ha reducido, lo que ha permitido empaquetar muchos más en dispositivos para producir pantallas digitales más nítidas y de mayor resolución.

Pero al igual que los transistores de computadora, los LED están alcanzando un límite en cuanto a cuán pequeños pueden ser y al mismo tiempo funcionar de manera efectiva. Este límite es especialmente notable en pantallas de corto alcance, como dispositivos de realidad virtual y aumentada, donde la densidad de píxeles limitada da como resultado un "efecto de puerta mosquitera" tal que los usuarios perciben rayas en el espacio entre los píxeles.

Ahora, los ingenieros del MIT han desarrollado una nueva forma de crear pantallas más nítidas y sin defectos. En lugar de reemplazar los diodos emisores de luz rojos, verdes y azules uno al lado del otro en un mosaico horizontal, el equipo ha inventado una forma de apilar los diodos para crear píxeles verticales multicolores.

Cada píxel apilado puede generar toda la gama comercial de colores y mide aproximadamente 4 micras de ancho. Los píxeles microscópicos, o "micro-LED", se pueden empaquetar hasta una densidad de 5.000 píxeles por pulgada.

"Este es el píxel micro-LED más pequeño y la mayor densidad de píxeles reportada en las revistas", dice Jeehwan Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. "Demostramos que la pixelación vertical es el camino a seguir para pantallas de mayor resolución en un espacio más pequeño".

"En el caso de la realidad virtual, en este momento existe un límite en cuanto a cuán reales pueden parecer", añade Jiho Shin, postdoctorado en el grupo de investigación de Kim. "Con nuestros micro-LED verticales, podrías tener una experiencia completamente inmersiva y no serías capaz de distinguir lo virtual de la realidad".

Los resultados del equipo se publican en la revista Nature. Los coautores de Kim y Shin incluyen miembros del laboratorio de Kim, investigadores del MIT y colaboradores de Georgia Tech Europe, la Universidad Sejong y varias universidades de EE. UU., Francia y Corea.

Las pantallas digitales actuales se iluminan mediante diodos emisores de luz orgánicos (OLED), diodos de plástico que emiten luz en respuesta a una corriente eléctrica. Los OLED son la tecnología de visualización digital líder, pero los diodos pueden degradarse con el tiempo, lo que provoca efectos permanentes de desgaste en las pantallas. La tecnología también está llegando a un límite en el tamaño que se pueden reducir los diodos, lo que limita su nitidez y resolución.

Para la tecnología de visualización de próxima generación, los investigadores están explorando micro-LED inorgánicos: diodos que tienen una centésima parte del tamaño de los LED convencionales y están hechos de materiales semiconductores monocristalinos inorgánicos. Los micro-LED podrían funcionar mejor, requerir menos energía y durar más que los OLED.

Pero la fabricación de micro-LED requiere una precisión extrema, ya que los píxeles microscópicos de rojo, verde y azul deben primero crecer por separado en obleas y luego colocarse con precisión en una placa, en alineación exacta entre sí para reflejar y producir adecuadamente varios colores. y sombras. Lograr tal precisión microscópica es una tarea difícil y es necesario desechar dispositivos completos si se descubre que los píxeles están fuera de lugar.

"Es muy probable que esta fabricación de escoger y colocar desalinee los píxeles en una escala muy pequeña", dice Kim. "Si hay una desalineación, hay que tirar ese material, de lo contrario podría arruinar la exhibición".

El equipo del MIT ha ideado una forma potencialmente menos derrochadora de fabricar micro-LED que no requiere una alineación precisa píxel por píxel. La técnica es un enfoque de LED vertical completamente diferente, en contraste con la disposición de píxeles horizontal convencional.

El grupo de Kim se especializa en el desarrollo de técnicas para fabricar membranas puras, ultrafinas y de alto rendimiento, con miras a diseñar componentes electrónicos más pequeños, delgados, flexibles y funcionales. El equipo desarrolló previamente un método para cultivar y pelar material monocristalino bidimensional perfecto de obleas de silicio y otras superficies, un enfoque que llaman transferencia de capas basada en material 2D, o 2DLT.

En el estudio actual, los investigadores emplearon este mismo enfoque para hacer crecer membranas ultrafinas de LED rojos, verdes y azules. Luego, retiraron todas las membranas LED de sus obleas base y las apilaron para formar una torta de capas de membranas rojas, verdes y azules. Luego podrían tallar el pastel en patrones de pequeños píxeles verticales, cada uno de tan solo 4 micrones de ancho.

"En las pantallas convencionales, cada píxel R, G y B está dispuesto lateralmente, lo que limita el tamaño de cada píxel", señala Shin. "Debido a que apilamos los tres píxeles verticalmente, en teoría podríamos reducir el área de píxeles en un tercio".

Como demostración, el equipo fabricó un píxel LED vertical y demostró que al alterar el voltaje aplicado a cada una de las membranas roja, verde y azul del píxel, podían producir varios colores en un solo píxel.

"Si tienes una corriente más alta hacia el rojo y más débil hacia el azul, el píxel aparecerá rosa, y así sucesivamente", dice Shin. "Podemos crear todos los colores mezclados y nuestra pantalla puede cubrir casi el espacio de color comercial disponible".

El equipo planea mejorar el funcionamiento de los píxeles verticales. Hasta ahora, han demostrado que pueden estimular una estructura individual para producir el espectro completo de colores. Trabajarán para crear una serie de muchos píxeles micro-LED verticales.

"Se necesita un sistema para controlar 25 millones de LED por separado", afirma Shin. "Aquí lo hemos demostrado sólo parcialmente. El funcionamiento de matriz activa es algo que tendremos que desarrollar aún más".

"Por ahora, hemos demostrado a la comunidad que podemos cultivar, pelar y apilar LED ultrafinos", afirma Kim. "Esta es la solución definitiva para pantallas pequeñas como relojes inteligentes y dispositivos de realidad virtual, donde se necesitan píxeles muy densificados para generar imágenes vivas y vívidas".

Más información: Jeehwan Kim, MicroLED verticales a todo color mediante transferencia de capas basadas en materiales 2D, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05612-1. www.nature.com/articles/s41586-022-05612-1