Revolutionære OLED-Metasurfaces sigter mod at gendefinere 3D-visuelle effekter

Nyt forskning har gjort en banebrydende fremgang i holografisk billedeprojektion, med potentiale anvendelser i underholdning, gaming, kommunikation og smarte enheder.

Holografi har længe været en fast bestanddel af science fiction, med film som Star Wars og Blade Runner 2049, der anvender hologrammer til at transmittere avanceret teknologi og futuristiske elementer.

Dette teknologi til at skabe interaktive 3D-visuelle effekter har længe fascineret ingeniører og videnskabsmænd, men at bringe det til live har ikke været let.

Holografi tillader en bølgefront at blive optaget og senere genskabt, hvilket giver en mulighed for at skabe et unikt fotografisk 3D-billede uden brug af en linse.

Konventionelle holografiske projektorer har dog brug for kraftige optiske opsætninger og en ekstern kilde til koherent lys, hvilket begrænser deres brug. Derfor har forskerne fra University of St Andrews afsløret en revolutionerende tilgang på tværs af nanofotonik og displayteknologi, hvor OLED’er integreres direkte med metasurfaces.

“Holografiske metasurfaces er en af de mest fleksible materialeplatforme til at kontrollere lys. Med dette arbejde har vi fjernet en af de teknologiske barrierer, der forhinder adoptionen af metamaterialer i hverdagsanvendelser. Dette gennembrud vil enable en ændring i arkitekturen af holografiske displays til fremtidige anvendelser, f.eks. i virtuel og forstærket virkelighed.”

– Andrea Di Falco, professor i nano-fotonik ved School of Physics and Astronomy

Studiet med titlen “OLED illuminated metasurfaces for holographic image projection¹,” der detaljerer teknologien, blev offentliggjort i Light: Science & Applications.

Organiske lys-emitterende dioder eller OLED’er er tynde-film optoelektroniske enheder med bred tunabilitet, let vægt og simpel fabrikation, hvilket gør dem bredt anvendt i i dagens mobiltelefoner og TV-displays.

Den globale OLED-markedstørrelse er aktuelt projiceret til at vokse med en CAGR på 19,4% fra 2024 til 2030 og nå 152,83 milliarder.

Som en overflade lyskilde bliver OLED’er også anvendt i sensing, biofotonik og trådløs kommunikation, hvor evnen til at integrere dem med andre teknologier gør OLED’er gode kandidater til miniaturiserede fotoniske platforme.

For både displays og fremtidige anvendelser er kontrollen over OLED’ens far-field emission meget vigtig, men som den seneste forskning bemærkede, er fokus på nuværende studier primært på at justere elektroluminescens (EL) spektrum og emissionsretning.

Det er dog særligt udfordrende at finjustere far-field emissionen og er begrænset af OLED’ens lave rumlige koherens.

Men den seneste studie har vist, at det er muligt for en enkelt OLED at projicere et højopløst billede, når den kombineres med en holografisk metasurface. Denne metasurface-OLED-projektor ermöglicer forskerne at manipulere far-field emissionen direkte, og dermed viser holografiske billeder på en skærm.

Den nye platform tilbyder en ubesvaret kontrol over holografiske displays, der udvider grænserne for optisk ingeniørarbejde og visuel oplevelse. Forskerne mener, at deres demonstration kan give en mulighed for at realisere højt integrerede og miniaturiserede metasurface-displays.

OLED’er til holografisk billedeprojektion

En essentiel komponent af elektroniske enheder, halvledere har enablede fremskridt i alt fra kommunikation, sundhedspleje, og transport til beregning, ren energi, militære systemer og utallige andre anvendelser.

Ved at tillade præcis kontrol over elektrisk strøm, ermöglicer halvledere funktionaliteten af moderne elektroniske enheder.

En halvleder er et materiale med elektrisk ledningsevne mellem en leder og en isolator. Og egenskaberne af en halvleder kan kontrolleres gennem en proces kaldet doping.

Nu er der forskellige typer af halvledere, kategoriseret efter deres materiale-sammensætning, struktur og hvordan de leder elektricitet.

Til at begynde med er intrinsiske halvledere rene uden betydelige urenheder som silicium (Si) og germanium (Ge), mens ekstrinsiske halvledere er doped med urenheder for at kontrollere ledningsevnen. N-types er doped med elementer, der tilføjer ekstra elektroner, mens p-types er doped med elementer, der skaber ‘huller’ eller positive ladningsbærere.
Swipe to scroll →

Baseret på struktur, er der amorfe halvledere med en ukarakteristisk atomisk struktur, polykristallinske halvledere lavet af multiple små krystaller og enkeltkristallinske halvledere med en perfekt krystallinsk struktur.

I forhold til materiale-sammensætning, kan halvledere være uorganiske, typisk krystallinske faststoffer som galliumarsenid (GaAs) og indiumfosfid, eller organiske, lavet af kulstof-baserede molekyler eller polymerer. Hybrid-halvledere kombinerer organiske og uorganiske materialer for at forbedre ydelsen, som ses i perovskitter anvendt i næste-generations solceller og fotodetektorer.

De bemærkelsesværdige optoelektroniske egenskaber af organiske halvledere gør dem højt egnede til displays, fotovoltaik og lasere. Deres anvendelse i OLED-displays er den mest udviklede anvendelse.

OLED’er er kendt for deres fleksible formfaktor og overlegne billedkvalitet. I sammenligning med lasere, er dog OLED’ens udgangslysstyrke lavere, og det resulterer i et holografisk billede med lav lysstyrke.

Men fordelene ved fleksibilitet, simpel fabrikation og evnen til at skabe store mængder af pixler i forskellige farver side om side på samme substrate gør OLED’er egnede til avancerede holografiske display-anvendelser.

OLED er en inkoherent lyskilde med en divergent emissionsprofil. At manipulere denne emission for at generere detaljerede billeder er ikke kun udfordrende, men også stort set uudforsket.

En måde at gøre det på er ved at anvende en holografisk metasurface (HM), som er en ultra-tynd filmstruktur kaldet en meta-atom med evnen til at manipulere lysets opførsel på en præcis måde. Mens anvendt bredt i anvendelser som billede-sensing, data-lagring, forstærket virkelighed (AR), anti-counterfeiting og sikkerheds-kryptering, er de fleste rapporterede holografiske metasurfaces designet til koherente lyskilder (lasere) og er uegnede til brug med inkoherente lyskilder (OLED’er).

Kun et fåtal metasurfaces, der anvender inkoherente lyskilder, er rapporteret indtil nu, og selv da, involverer de fleste af dem komplicerede opsætninger, der begrænser deres udvikling i hverdagsanvendelser.

Så, forskerne i den seneste studie udviklede en ny type optoelektronisk enhed, der kombinerer det bedste af OLED’er og metasurfaces.

“Vi er begejstrede for at demonstrere denne nye retning for OLED’er. Ved at kombinere OLED’er med metasurfaces, åbner vi også en ny vej til at generere hologrammer og forme lys.”

– Professor Ifor Samuel fra School of Physics and Astronomy

Den nyligt udviklede kompakte system består af en OLED, et bandpass-filter og en holografisk metasurface (HM), der er særligt designet til koherente lyskilder.

Ved at forme hver meta-atom til at modificere egenskaberne af lysets bølge, der passerer gennem HM, blev det muligt at skabe et foruddefineret billede på den anden side af skærmen. Dette muliggør potentielt, at holografiske displays bliver mere kost-effektive, energi-effektive og kompatible med fleksible substrater.

How OLED-Metasurface Displays Work (and Why They Matter)

Forskere fra SUPA, School of Physics and Astronomy, University of St Andrews, UK, udviklede den innovative metode, der ubesværet fusionerer OLED’er og metasurfaces i en monolitisk struktur.

Fusionen ermöglicer OLED’en selv at fungere som lyskilden samt modulator for holografisk bølgeformning. Dette fjerner behovet for eksterne lasere eller en enhed som en spatial lysmodulator, der kontrollerer lysets intensitet.

Kernen i denne nye teknologi ligger i metasurfaces, der er planære arrays af nanostrukturer designet til at forme elektromagnetiske bølger på en valgt måde, ofte ved at kontrollere polarisation, amplitude eller fase med ekstraordinær rumlig opløsning.

Mens eksterne lasere er tidligere blevet anvendt til at belyse metasurfaces, kombinerer man dem med OLED’er og skaber en intrinsisk lyskilde, mønstret på mikroskala, og tilbyder en elektrisk drevet platform, der er stabil og kan skaleres på tværs af forskellige bølgelængder med evnen til at projicere holografiske billeder med høj klarhed.

Dette mærker et stort spring fra konventionelle bulksystemer.

Mens OLED’ens inkoherente, bredbåndsemission længe har været en udfordring for holografi, har forskerne designet metasurfaces til at matche OLED’ens emissions-spektrum samt dets rumlige koherens-egenskaber.

Holdet tilpassede nanostrukturer til at udnytte og justere det delvist koherente lys til at forme højopløste holografiske billeder uden at skulle afhænge af lasere.

For at få præcis nano-arkitektur, der er påkrævet for funktionelle metasurfaces lige på OLED’er, anvendte holdet avancerede litografiteknikker.

Ved at anvende et særligt Electron Beam Lithography (EBL)-system, mønstrede de metalliske og dielektriske nanostrukturer over OLED-overfladen, og sikrede effektiv fase-modulation, mens de opretholdt OLED’ens ydelse og holdbarhed.

Denne succesfulde integration understreger kompatibiliteten af nanofabrikationsteknologier med organiske elektroniske enheder, og åbner dørene til multifunktionelle fotoniske platforme.

Ved at teste enheden, demonstrerede holdet klare holografiske projektioner af simple samt geometriske former med intrikate dybde-kurve. Holdet kunne få høj-kvalitets holografiske billeder på en afstand af kun 3 cm.

De genskabte billeder viser både lysniveauer og vinkel-robusthed, der normalt ikke er mulig med inkoherent belysning.

Evnen til, at systemet kan modulere bølgeformen dynamisk, er opnået ved at kontrollere pixelerede metasurface-områder i takt med OLED-emissionen, og indikerer muligheden for real-tids holografiske videoer.

“OLED-displays har normalt brug for tusindvis af pixler for at skabe et enkelt billede. Denne nye tilgang ermöglicer en komplet image at blive projiceret fra en enkelt OLED-pixel!”

– Professor Graham Turnbull, fra School of Physics and Astronomy

OLED-lysbelysning holografisk projektor, studiet bemærkede, kunne anvendes i anvendelser som menneske-computer-interaktioner og AR- og VR-headsets.

En stor fordel ved denne OLED-metasurface-platform er dens fleksibilitet og skalerbarhed.

Med OLED-fabrikation allerede bredt anvendt i kommerciel display-fabrikation, kan metasurfaces integreres i eksisterende produktionslinjer, hvilket kan accelerere deres udvikling til bærbare hologrammer og forbruger-elektronik.

Desuden er kompaktheden, fleksibiliteten og den lave strømforbrug af teknologien positioneret for næste-generations immersive displays.

Platformen kan yderligere anvendes til adaptive belysningssystemer, biomedicinsk billedbehandling og sikker optisk kryptering.

Med denne proof of concept, anvendte holdet et bandpass-optisk filter for at indsnævre OLED’ens emissions-spektrum—forbedring den rumlige koherens, som metasurfacen har brug for til at genskabe skarpe hologrammer. Men forskerne bemærkede, at en polariton eller tyndfilmsfilter også kunne anvendes med OLED eller metasurfacen til at bygge et mere kompakt system.

Når det kommer til metasurfacen, bemærkede holdet, at deres system også kan fungere med andre typer metasurfaces, og tilbyder potentiale for masseproduktion af disse enheder, således faciliterer deres udvikling til billedeprojektion.

Mens kommerciel anvendelse af enheden står over for udfordringer i forhold til at minimere tab, maksimere lysstyrke og optimere effektiviteten af metasurface-modulationen, har holdet demonstreret en teknologisk fremgang, der tager en kreativ tilgang til design af holistiske fotoniske systemer.

I modsætning til traditionelle designs, hvor modulatorer og emittorer er overvejet uafhængigt, anvendte holdet en integreret tilgang med samtidig optimering af OLED’ers emissions-egenskaber og metasurfaces’ fase- og amplitude-svar.

Så, ved at kombinere fordelene ved organisk optoelektronik og nanofotonik, har holdet skabt en ny standard for holografiske displays. De forestiller sig en fremtid, hvor fuld-farve holografiske displays med ultra-høj opløsning vil være integreret direkte i transparente vinduer, stof-bærbare eller kurvede overflader på køretøjer og arkitektoniske elementer.

Investering i holografiske OLED’er

Nu, hvis vi ser på et firma som udvikler dette felt, Corning Incorporated (GLW ) står ud for at være tungt involveret i avancerede display-teknologier og materialer, der er kritiske for OLED-paneller og fleksible skærme, og tilbyder infrastruktur for holografisk integration.

Det opererer gennem flere nøgle-segmenter, herunder:

• Optisk Kommunikation
• Display-teknologier
• Specialmateriale
• Miljøteknologier
• Life Sciences

Primært et materiale-virksomhed, Corning specialiserer sig i optisk fiber, der er en type glas, der transmitterer lys og spiller en integreret rol i moderne telekommunikationsnetværk. Det anvendes også i datacentre.

Corning producerer også en bred vifte af andre glas- og keramiske produkter. Bemærkelsesværdigt, producerer virksomheden Gorilla Glass, der anvendes i iPhone-skærme og andre elektroniske enheder.

Tidligere i år annoncerede Samsung Electronics, at deres Galaxy S25 Edge vil have Corning’s nye glas-keramiske produkt kaldet Gorilla Glass Ceramic 2, der tilbyder avanceret beskyttelse i en ekstremt tynd enhedsformfaktor. Den seneste produkt har krystaller indlejret i glas-matrix for at forbedre skærmens styrke.

“Galaxy S25 Edge vil sætte en ny standard for håndværk og ydelse som vores slimmest Galaxy S-serie enhed endnu,” sagde Kwangjin Bae, EVP og leder af det mekaniske R&D-hold af MX i Samsung Electronics. “For at støtte denne gennembruds design, var det essentiel at udvikle en display-materiale, der både var ekstremt tynd og pålideligt stærk – en udfordring, der fik Corning og Samsung sammen, forenet af en fælles vision for formål– centreret ingeniørarbejde og bruger– centreret innovation. Denne vision er indlejret i hvert enkelt detalje af Galaxy S25 Edge.

Med en markedsværdi på 67,4 milliarder dollars, handler GLW-aktier for nuværende til 78,67 dollars, op 65,6% siden årets begyndelse. Denne uge nåede GLW et 52-uge højdepunkt på 78,81 dollars.

Virksomheden har aktuelt en EPS (TTM) på 0,94 og en P/E (TTM) på 83,55. Virksomheden tilbyder også sine aktionærer en udbytte på 1,42%.