堆叠LED而不是并排放置它们可以实现完全身临其境的虚拟现实显示

　　

　　拆开您的笔记本电脑屏幕，您会发现在它的中心有一个带有红色、绿色和蓝色 LED 像素图案的板，首尾相连的排列就像一个细致的 Lite Brite 显示屏。当通电时，LED 一起可以产生彩虹中的每个阴影，从而产生全彩色显示。多年来，单个像素的尺寸已经缩小，使得更多的像素能够被封装到设备中以产生更清晰、更高分辨率的数字显示。

　　但是，就像计算机晶体管一样，LED 正在达到它们在高效运行的同时可以有多小的极限。这种限制在增强现实和虚拟现实设备等近距离显示中尤为明显，其中有限的像素密度会导致“屏幕门效应”，从而使用户在像素之间的空间中感知到条纹。

　　现在，麻省理工学院的工程师们已经开发出一种新方法来制作更清晰、无缺陷的显示器。该团队并没有在水平拼凑中并排更换红色、绿色和蓝色发光二极管，而是发明了一种堆叠二极管以创建垂直、多色像素的方法。

　　每个堆叠像素都可以生成完整的商业颜色范围，宽度约为 4 微米。微型像素或“微型 LED”可以封装到每英寸 5，000 像素的密度。

　　“这是的微型 LED 像素，也是期刊中报道的像素密度，”麻省理工学院机械工程副教授 Jeehwan Kim 说。“我们表明，垂直像素化是在更小的空间内实现更高分辨率显示的方式。”

　　“对于虚拟现实，现在它们看起来的真实程度是有限的，”Kim 研究小组的博士后 Jiho Shin 补充道。“使用我们的垂直微型 LED，您可以获得完全身临其境的体验，并且无法区分虚拟与现实。”

　　该团队的成果发表在《自然》杂志上。Kim 和 Shin 的合著者包括 Kim 实验室的成员、麻省理工学院的研究人员，以及来自佐治亚理工学院欧洲分校、世宗大学以及美国、法国和韩国多所大学的合作者。

　　放置像素

　　今天的数字显示器是通过有机发光二极管（OLED） 点亮的--有机发光二极管是一种响应电流而发光的塑料二极管。OLED 是的数字显示技术，但二极管会随着时间的推移而退化，从而导致屏幕老化。该技术也达到了二极管可缩小尺寸的极限，从而限制了它们的清晰度和分辨率。

　　对于下一代显示技术，研究人员正在探索无机微型 LED--尺寸仅为传统 LED 百分之一的二极管，由无机单晶半导体材料制成。与 OLED 相比，Micro-LED 性能更好、耗能更少且使用寿命更长。

　　但是微型 LED 制造需要极高的精度，因为红色、绿色和蓝色的微型像素需要首先在晶圆上单独生长，然后地放置在板上，彼此对齐，以便正确反射和产生各种颜色和阴影。实现这种微观精度是一项艰巨的任务，如果发现像素不合适，则需要报废整个设备。

　　“这种拾取和放置制造很可能会在非常小的范围内错位像素，”Kim 说。“如果你有一个错位，你必须扔掉那些材料，否则它会毁掉一个显示器。”

　　颜色堆叠

　　麻省理工学院的团队想出了一种可能减少浪费的方法来制造不需要的逐像素对齐的微型 LED。与传统的水平像素排列相比，该技术是一种完全不同的垂直 LED 方法。

　　Kim 的团队专注于开发制造纯净、超薄、高性能膜的技术，以期设计出更小、更薄、更灵活和更实用的电子产品。该团队之前开发了一种方法，可以从硅晶圆和其他表面上生长和剥离完美的二维单晶材料--他们称之为基于二维材料的层转移或 2DLT 的方法。

　　在当前的研究中，研究人员采用相同的方法来生长红色、绿色和蓝色 LED 的超薄膜。然后，他们将整个 LED 薄膜从其基础晶圆上剥离下来，并将它们堆叠在一起，制成由红色、绿色和蓝色薄膜组成的层蛋糕。然后他们可以将蛋糕雕刻成微小的垂直像素图案，每个像素只有 4 微米宽。

　　“在传统显示器中，每个 R、G 和 B 像素都是横向排列的，这限制了您可以创建的每个像素的大小，”Shin 指出。“因为我们垂直堆叠所有三个像素，理论上我们可以将像素面积减少三分之一。”

　　作为演示，该团队制造了一个垂直 LED 像素，并展示了通过改变施加到每个像素的红色、绿色和蓝色膜上的电压，他们可以在单个像素中产生各种颜色。

　　“如果你有更高的红色电流和更弱的蓝色电流，像素就会呈现粉红色，等等，”Shin 说。“我们能够创建所有混合颜色，我们的显示器可以覆盖接近可用的商业色彩空间。”

　　该团队计划改进垂直像素的操作。到目前为止，他们已经证明他们可以刺激一个单独的结构来产生全光谱的颜色。他们将致力于制造许多垂直微型 LED 像素的阵列。

　　“你需要一个系统来分别控制 2500 万个 LED，”Shin 说。“在这里，我们只是部分地证明了这一点。有源矩阵操作是我们需要进一步开发的东西。”

　　“目前，我们已经向社区展示了我们可以生长、剥离和堆叠超薄 LED，”Kim 说。“这是智能手表和虚拟现实设备等小型显示器的解决方案，您需要高密度像素来制作生动、生动的图像。”