Vallankumoukselliset OLED-metasurfaces pyrkivät uudistamaan 3D-kuvat

Uusi tutkimus on saavuttanut mullistavan edistysaskeleen holografisessa kuvaprojektiossa, jonka mahdolliset sovellukset kattavat viihteen, pelit, viestinnän ja älylaitteet.

Holografia on pitkään ollut tieteiskirjallisuuden kulmakivi, ja elokuvat kuten Star Wars ja Blade Runner 2049 ovat käyttäneet hologrammeja edistyneen teknologian ja futurististen elementtien esittämiseen.

Tämä teknologia interaktiivisten 3D-kuvien luomiseen on pitkään kiehtonut insinöörejä ja tutkijoita, mutta sen toteuttaminen ei ole ollut helppoa.

Holografia mahdollistaa aaltokuvan tallentamisen ja myöhemmän rekonstruoinnin, tarjoten keinon luoda ainutlaatuinen valokuvallinen 3D-kuva ilman linssin käyttöä.

Perinteiset holografiset projektorit kuitenkin vaativat kömpelön optisen järjestelmän ja ulkoisen koherenttilähteen, mikä rajoittaa niiden käyttöä. Siksi St Andrewsin yliopiston tutkijat ovat esittäneet mullistavan lähestymistavan nanofotonikan ja näyttötekniikan risteyskohdassa, jossa OLEDit integroidaan suoraan metasurfaceihin.

“Holografiset metasurfacet ovat yksi monipuolisimmista materiaalialustoista valon hallintaan. Tällä työllä olemme poistaneet yhden teknologisista esteistä, jotka estävät metamateriaalien omaksumista jokapäiväisissä sovelluksissa. Tämä läpimurto mahdollistaa merkittävän muutoksen holografisten näyttöjen arkkitehtuurissa nouseville sovelluksille, esimerkiksi virtuaali- ja lisätyn todellisuuden alalla.”

– Andrea Di Falco, professori nanofotonikassa Fysiikan ja tähtitieteen koulussa

Tutkimus nimeltä “OLED illuminated metasurfaces for holographic image projection”, joka kuvaa tekniikkaa, julkaistiin lehdessä Light: Science & Applications.

Orgaaniset valoa säteilevät diodit eli OLEDit ovat ohutkalvotekniikkaa hyödyntäviä optoelektronisia laitteita, joilla on laaja säädettävyys, kevyt paino ja yksinkertainen valmistus, mikä tekee niistä laajasti käytettyjä nykypäivän matkapuhelimissa ja TV-näytöissä.

Globaalin OLED-markkinan koko on todellakin ennustettu kasvavan CAGR:lla 19,4 % vuodesta 2024 vuoteen 2030 jasaavuttaa 152,83 miljardia.

Koska OLEDit ovat pinnallisia valonlähteitä, niitä käytetään myös tunnistuksessa, biophotonikassa ja langattomassa viestinnässä, missä niiden yhdistettävyyden mahdollisuus muihin tekniikoihin tekee OLEDeista hyviä ehdokkaita miniaturisoituihin fotoniikkaplatformeihin.

Sekä näytöissä että nousevissa sovelluksissa OLEDin kaukokenttäemission hallinta on erittäin tärkeää, mutta kuten viimeisin tutkimus totesi, nykyisten tutkimusten painopiste on pääasiassa elektroluminesenssi (EL) -spektrin ja säteilyn suuntauksen säätämisessä.

Ongelma on, että kaukokenttäemission hienosäätö on erityisen haastavaa ja rajoittuu OLEDien alhaiseen spatiaaliseen koherenssiin.

Mutta viimeisin tutkimus on osoittanut, että on todellakin mahdollista, että yksittäinen OLED projisoi korkean tarkkuuden kuvan yhdistettynä holografiseen metasurfaceen. Tämä metasurface-OLED-projektori mahdollistaa tutkijoille suoran kaukokenttäemission manipuloimisen, jolloin holografiset kuvat näytetään näytöllä.

Uusi alusta tarjoaa vertaansa vailla olevan hallinnan holografisissa näytöissä, laajentaen optisen tekniikan ja visuaalisen kokemuksen rajoja. Tutkijat uskovat, että heidän demonstraationsa voi tarjota tavan toteuttaa erittäin integroidut ja miniaturisoidut metasurface-näytöt.

OLEDit holografiseen kuvaprojektioon

Elektronisten laitteiden olennaisen komponentin, puolijohteiden, ansiosta on tapahtunut edistysaskelia kaikessa viestinnästä, terveydenhuollosta ja liikenteestä tietojenkäsittelyyn, puhtaaseen energiaan, sotilasjärjestelmiin ja lukemattomiin muihin sovelluksiin.

Sallimalla tarkan sähkövirran hallinnan, puolijohteet mahdollistavat nykyaikaisten elektronisten laitteiden toiminnallisuuden.

Puolijohde on materiaali, jonka sähkönjohtavuus on johtimen ja eristeen välillä. Ja puolijohteen ominaisuuksia voidaan hallita prosessin avulla, jota kutsutaan dopingiksi.

Nykyään on olemassa erilaisia puolijohteita, jotka on luokiteltu niiden materiaalikoostumuksen, rakenteen ja sähkönjohtotavan perusteella.

Aluksi, sisäiset puolijohteet ovat puhtaita ilman merkittäviä epäpuhtauksia, kuten piitä (Si) ja germania (Ge), kun taas ulkoiset puolijohteet on dopattu epäpuhtauksilla johtavuuden säätämiseksi. N-tyypit dopataan alkuaineilla, jotka lisäävät ylimääräisiä elektroneja, kun taas p-tyypit dopataan alkuaineilla, jotka luovat ‘reikiä’ tai positiivisia varauksenkantajia.
Swipe to scroll →

Rakenneperusteisesti on amorfisia puolijohteita, joissa on epäjärjestynyt atomijärjestys, polykrystalisia puolijohteita, jotka koostuvat useista pienistä kiteistä, sekä yksikiteisiä puolijohteita, joilla on täydellinen kiteinen rakenne.

Materiaalikoostumuksen osalta puolijohteet voivat olla epäorgaanisia, tyypillisesti kiteisiä kiinteitä aineita kuten galliumarsenidi (GaAs) ja indiumfosfidit, tai orgaanisia, jotka on valmistettu hiilipohjaisista molekyyleistä tai polymeereistä. Hybridipuolijohteet yhdistävät orgaanisia ja epäorgaanisia materiaaleja suorituskyvyn parantamiseksi, kuten perovskiitteja, joita käytetään seuraavan sukupolven aurinkokennoissa ja valodetektoreissa.

Orgaanisten puolijohteiden merkittävät optoelektroniset ominaisuudet tekevät niistä erittäin sopivia näytöihin, fotovoltaiikkiin ja lasertointiin. Niiden käyttö OLED-näytöissä on kehittynein sovellus.

OLEDit tunnetaan joustavasta muotoilustaan ja erinomaisesta kuvanlaadustaan. Verrattuna laseriin, OLEDien lähtötehotiheys on kuitenkin alhaisempi, mikä johtaa holografiseen kuvaan, jonka kirkkaus on vähäinen.

Kuitenkin joustavuuden, yksinkertaisen valmistuksen ja kyvyn luoda suuri määrä pikseleitä eri väreissä samalle alustoille tekevät OLEDeista sopivia edistyneisiin holografisiin näyttösovelluksiin.

OLED on koherentiton valonlähde, jonka säteilyprofiili on hajautunut. Tämän säteilyn manipuloiminen yksityiskohtaisten kuvien tuottamiseksi on paitsi haastavaa, myös suurelta osin tutkimaton.

Yksi tapa tehdä tämä on käyttää holografista metasurfaceä (HM), joka on ultraohut kalvostruktuuri, jota kutsutaan meta-atomiksi ja jolla on kyky manipuloida valon käyttäytymistä tarkasti. Vaikka sitä käytetään laajasti sovelluksissa kuten kuvantunnistuksessa, tiedon tallennuksessa, lisätyssä todellisuudessa (AR), väärennösten torjunnassa ja turvallisuus-salaus, suurin osa raportoituista holografisista metasurfacesistä on suunniteltu koherenttien valonlähteiden (laserien) käyttöön, eikä ne sovellu koherentittomien (OLEDien) kanssa.

Vain muutama metasurface, joka käyttää koherentittomia valonlähteitä, on tähän mennessä raportoitu, ja jopa silloin suurin osa niistä vaatii monimutkaisia asetuksia, mikä rajoittaa niiden käyttöönottoa jokapäiväisissä sovelluksissa.

Joten viimeisimmän tutkimuksen tutkijat kehittivät uuden tyyppisen optoelektronisen laitteen, joka yhdistää OLEDien ja metasurfacesien parhaat puolet.

“Olemme innoissamme voidessamme demonstroa tätä uutta suuntaa OLEDeille. Yhdistämällä OLEDit metasurfacesiin avaamme myös uuden tavan luoda hologrammeja ja muokata valoa.”

– Professori Ifor Samuel Fysiikan ja tähtitieteen koulusta

Uudeksi kehitetty kompaktijärjestelmä koostuu OLEDista, kaistapäästösuodattimesta ja holografisesta metasurfacesta (HM), joka on erityisesti suunniteltu koherentteja valonlähteitä varten.

Muokkaamalla huolellisesti kutakin meta-atomia valon ominaisuuksien muuttamiseksi, HM:n läpi kulkeva valonsäde voidaan muokata siten, että näytön toisella puolella syntyy ennalta suunniteltu kuva. Tämä tekee mahdollisesti holografisista näytöistä kustannustehokkaampia, energiatehokkaampia ja yhteensopivia joustavien alustoiden kanssa.

Kuinka OLED-Metasurface-näytöt toimivat (ja miksi ne ovat tärkeitä)

SUPA:n, Fysiikan ja tähtitieteen koulun, St Andrewsin yliopiston (UK) tutkijat kehittivät innovatiivisen menetelmän, joka saumattomasti yhdistää OLEDit ja metasurfacet monoliittiseksi rakenteeksi.

Yhdistäminen mahdollistaa OLEDin toimia sekä valonlähteenä että holografisen aaltokuvion muokkaajana. Tämä poistaa tarpeen ulkoisille laseille tai laitteelle, kuten spatiaalinen valonmodulaattori, joka säätelee valon intensiteettiä.

Tämän uuden teknologian ydin on metasurfacesissä, jotka ovat tasomaisia nanorakenteiden rivejä, suunniteltuja muokkaamaan sähkömagneettisia aaltoja valitulla tavalla, usein halliten polarisaatiota, amplitudia tai vaihetta poikkeuksellisen spatiaalisen tarkkuuden avulla.

Vaikka ulkoisia laseja on aiemmin käytetty metasurfacesien valaisemiseen, niiden yhdistäminen OLEDeihin luo sisäisen valonlähteen, joka on kuvioitu mikroskaalassa, tarjoten sähköisesti ohjattua alustaa, joka on vakaa ja skaalautuva eri aallonpituuksille, ja jolla on kyky projisoida holografisia kuvia korkealla tarkkuudella.

Tämä merkitsee merkittävää harppausta perinteisistä kömpelöistä järjestelmistä.

Vaikka OLED-kerroksen koherentiton, laajakaistainen säteily on pitkään ollut haaste holografialle, tutkijat suunnittelivat metasurfacet vastaamaan OLEDin emisiospektriä sekä sen spatiaalisen koherenssin ominaisuuksia.

Tiimi räätälöi nanorakenteet hyödyntämään ja säätämään osittain koherenttia valoa muodostaen korkean resoluution holografisia kuvia ilman laserien riippuvuutta.

Saadakseen tarkan nanoarkkitehtuurin, joka vaaditaan toimiville metasurfacesille suoraan OLEDeissa, tiimi käytti kehittyneitä litografia-menetelmiä.

Käyttäen erityistä elektronisuihkulitografia (EBL) -järjestelmää, he kuvioivat metallisia ja dielektrisiä nanorakenteita OLED-pinnalle, varmistaen tehokkaan vaihemodulaation samalla säilyttäen OLEDin suorituskyvyn ja pitkäikäisyyden.

Tämä onnistunut integraatio korostaa nanovalmistusteknologioiden yhteensopivuutta orgaanisten elektronisten laitteiden kanssa, mikä avaa ovet monitoimisiin fotoniikka-alustoihin.

Laitetta testattaessa tiimi esitteli selkeitä holografisia projekteja yksinkertaisista sekä geometrisista muodoista, joissa oli monimutkaisia syvyysvihjeitä. Tiimi pystyi saamaan korkealaatuisia holografisia kuvia vain 3 cm:n etäisyydellä.

Uudelleenrakennetut kuvat osoittavat sekä kirkkaustasot että kulmavakavuuden, jotka eivät yleensä ole mahdollisia koherentittomalla valaistuksella.

Järjestelmän kyky moduloida aaltokuvaa dynaamisesti, mikä saavutetaan ohjaamalla pikselöityjä metasurface-alueita synkronoituna OLED-emission kanssa, viittaa mahdollisuuteen reaaliaikaisiin holografisiin videoihin.

“OLED-näytöt tarvitsevat normaalisti tuhansia pikseleitä yksinkertaisen kuvan luomiseen. Tämä uusi lähestymistapa mahdollistaa koko kuvan projisoimisen yhdestä OLED-pikselistä!”

– Professori Graham Turnbull Fysiikan ja tähtitieteen koulusta

Tutkimuksen mukaan OLED-valaistua holografista projektoria voitaisiin käyttää sovelluksissa kuten ihmisen ja tietokoneen vuorovaikutus sekä AR- ja VR-lasit.

Tämän OLED-metasurface-alustan suuri etu on sen monipuolisuus ja skaalautuvuus.

Koska OLED-valmistus on jo laajasti käytössä kaupallisessa näyttövalmistuksessa, metasurfacet voidaan integroida olemassa oleviin tuotantolinjoihin, mikä voi nopeuttaa niiden kehitystä kannettaviksi hologrammeiksi ja kuluttajaelektroniikaksi.

Lisäksi teknologian kompaktisuus, joustavuus ja alhainen energiankulutus asettavat sen seuraavan sukupolven immersiivisille näytöille.

Alustaa voidaan käyttää myös adaptiivisissa valaistusjärjestelmissä, biolääketieteellisessä kuvantamisessa ja turvallisessa optisessa salauksessa.

Tämän konseptin todistuksella tiimi käytti kaistapäästösuodatinta kapeuttaakseen OLEDin emisiospektriä — parantaen spatiaalista koherenssia, jota metasurface tarvitsee terävien hologrammien rekonstruointiin. Tutkijat kuitenkin huomauttivat, että polariton- tai ohutkalvosuodatin voitaisiin myös käyttää OLEDin tai metasurfacen kanssa kompaktimman järjestelmän rakentamiseksi.

Metasurfacen osalta tiimi totesi, että heidän järjestelmänsä voi toimia myös muiden metasurface-tyyppien kanssa, tarjoten potentiaalia näiden laitteiden massatuotantoon, mikä helpottaa niiden käyttöönottoa kuvaprojektioissa.

Vaikka laitteen kaupallinen käyttö kohtaa haasteita häviöiden minimoinnissa, kirkkauden maksimoimisessa ja metasurface-modulaation tehokkuuden optimoimisessa, tiimi on osoittanut teknologisen edistysaskeleen, joka ottaa luovan lähestymistavan holististen fotoniikkajärjestelmien suunnitteluun.

Perinteisiin suunnitelmiin verrattuna, joissa modulaattorit ja lähettimet käsitellään erillisinä, tiimi käytti integroitua lähestymistapaa, jossa optimoitiin samanaikaisesti OLEDien emissio-ominaisuudet ja metasurfacesien vaihe- ja amplitudivaste.

Joten yhdistämällä orgaanisen optoelektroniikan ja nanofotonikan edut, tiimi on luonut uuden standardin holografisille näytöille. He näkevät tulevaisuuden, jossa täysväriset holografiset näytöt, joissa on erittäin korkea resoluutio, upotetaan suoraan läpinäkyviin ikkunoihin, kankaisiin kannettaviin laitteisiin tai kaareviin pintoihin ajoneuvoissa ja arkkitehtonisissa elementeissä.

Sijoittaminen holografisiin OLEDeihin

Jos tarkastelemme yritystä, joka edistää tätä alaa, Corning Incorporated (GLW ) erottuu siitä, että se on vahvasti mukana kehittyneissä näyttötekniikoissa ja materiaaleissa, jotka ovat kriittisiä OLED-paneeleille ja joustaville näytöille, tarjoten infrastruktuurin holografiseen integraatioon.

Se toimii muutaman keskeisen segmentin kautta, mukaan lukien:

• Optinen viestintä
• Näyttötekniikat
• Erikoismateriaalit
• Ympäristötekniikat
• Eläintieteet

Ensisijaisesti materiaalitieteen yritys, Corning erikoistuu optiseen kuituun, joka on lasityyppi, joka siirtää valoa ja on olennainen osa nykyaikaisia telekommunikaatioverkkoja. Sitä käytetään myös datakeskuksissa.

Corning valmistaa myös laajan valikoiman muita lasi- ja keraamisia tuotteita. Erityisesti yritys valmistaa Gorilla Glassia, jota käytetään iPhone-näytöissä ja muissa elektroniikkalaitteissa.

Tänä vuonna Samsung Electronics ilmoitti, että sen Galaxy S25 Edge -malli sisältää Corningin uuden lasikeraamisen tuotteen nimeltä Gorilla Glass Ceramic 2, joka tarjoaa edistynyttä suojaa äärimmäisen ohuessa laiteformaatissa. Uusimmassa tuotteessa kiteet on upotettu lasimatriisiin vahvistamaan näytön suojan kestävyyttä.

“Galaxy S25 Edge asettaa uuden standardin käsityölle ja suorituskyvylle, sillä se on tähän mennessä ohutimmainen Galaxy S -sarjan laitteemme,” sanoi Kwangjin Bae, EVP ja Mekaanisen R&D -tiimin johtaja MX:ssä Samsung Electronicsilla. “Tämän läpimurron suunnittelun tukemiseksi oli olennaista kehittää näyttömateriaali, joka on sekä poikkeuksellisen ohut että luotettavan vahva – haaste, joka yhdisti Corningin ja Samsungin, yhdistyneinä yhteisen vision kautta tarkoitukselliseen tekniikkaan ja käyttäjäkeskeiseen innovaatioon. Tämä visio on upotettu jokaiselle Galaxy S25 Edge -yksityiskohdalle.”

Markkina-arvolla 67,4 miljardia dollaria GLW-osakkeet käyvät tällä hetkellä 78,67 dollaria, nousussa 65,6 % kuluvan vuoden alusta. Tällä viikolla GLW saavutti 52 viikon huippunsa 78,81 dollaria. Yritys on todellakin nauttinut massiivisesta noususta viimeisten kahden vuoden aikana.

Sillä on EPS (TTM) 0,94 ja P/E (TTM) 83,55. Yritys tarjoaa myös osakkeenomistajilleen osinkotuoton 1,42 %.