Le OLED-Metasuperfici rivoluzionarie mirano a ridefinire le visualizzazioni 3D

Una nuova ricerca ha compiuto un avanzamento rivoluzionario nella proiezione di immagini olografiche, con potenziali applicazioni nell’intrattenimento, nei videogiochi, nelle comunicazioni e nei dispositivi intelligenti.

L’olografia è da tempo un elemento fondamentale della fantascienza, con film come Star Wars e Blade Runner 2049 che utilizzano ologrammi per trasmettere tecnologia avanzata ed elementi futuristici.

Questa tecnologia per creare visualizzazioni 3D interattive ha da tempo affascinato ingegneri e scienziati, ma realizzarla non è stato facile.

L’olografia consente di registrare un fronte d’onda per poi ricostruirlo, offrendo un modo per creare un’immagine 3D fotografica unica senza l’uso di una lente.

I proiettori olografici convenzionali, tuttavia, richiedono configurazioni ottiche ingombranti e una sorgente esterna di luce coerente, il che ne limita l’uso. Così, i ricercatori dell’Università di St Andrews hanno presentato un approccio rivoluzionario all’intersezione tra nanofotonica e tecnologia dei display, dove gli OLED sono integrati direttamente con le metasuperfici.

Le metasuperfici olografiche sono una delle piattaforme materiali più versatili per controllare la luce. Con questo lavoro, abbiamo rimosso una delle barriere tecnologiche che impediscono l’adozione dei metamateriali nelle applicazioni quotidiane. Questa svolta consentirà un cambiamento significativo nell’architettura dei display olografici per applicazioni emergenti, ad esempio nella realtà virtuale e aumentata.

– Andrea Di Falco, professore di nano-fotonica presso la School of Physics and Astronomy

Lo studio intitolato “OLED illuminated metasurfaces for holographic image projection¹“, che dettaglia la tecnologia, è stato pubblicato su Light: Science & Applications.

I diodi organici a emissione di luce, o OLED, sono dispositivi optoelettronici a film sottile caratterizzati da ampia sintonizzabilità, leggerezza e fabbricazione semplice, il che li rende ampiamente utilizzati negli smartphone e nei display TV odierni.

La dimensione del mercato globale degli OLED è in realtà prevista a crescere a un CAGR del 19,4% dal 2024 al 2030 e raggiungere 152,83 miliardi.

Essendo una sorgente di luce superficiale, gli OLED sono anche utilizzati in sensori, biofotonica e comunicazioni wireless, dove la capacità di integrarli con altre tecnologie li rende buoni candidati per piattaforme fotoniche miniaturizzate.

Per entrambi i display e le applicazioni emergenti, il controllo dell’emissione a campo lontano degli OLED è molto importante, ma come ha notato la ricerca più recente, l’attenzione degli studi attuali è principalmente sull’adeguamento dello spettro elettroluminescente (EL) e della direzionalità dell’emissione. 

Il punto è che è particolarmente difficile perfezionare l’emissione a campo lontano e è limitata dalla bassa coerenza spaziale degli OLED.

Ma lo studio più recente ha dimostrato che è in realtà possibile per un singolo OLED proiettare un’immagine ad alta risoluzione quando combinato con una metasuperficie olografica. Questo proiettore metasuperficie-OLED consente ai ricercatori di manipolare direttamente l’emissione a campo lontano, mostrando così immagini olografiche su uno schermo. 

La nuova piattaforma offre un controllo senza pari sui display olografici, estendendo i limiti dell’ingegneria ottica e dell’esperienza visiva. I ricercatori credono che la loro dimostrazione possa fornire un modo per realizzare display metasuperfici altamente integrati e miniaturizzati.

OLED per la proiezione di immagini olografiche

Un componente essenziale componente dei dispositivi elettronici, semiconduttori hanno consentito progressi in tutto, da comunicazioni, assistenza sanitaria, e trasporti a calcolo, energia pulita, sistemi militari, e innumerevoli altre applicazioni.

Consentendo il controllo preciso della corrente elettrica, i semiconduttori abilitano la funzionalità dei moderni dispositivi elettronici.

Un semiconduttore è un materiale con conduttività elettrica intermedia tra quella di un conduttore e un isolante. E le proprietà di un semiconduttore possono essere controllate attraverso un processo chiamato drogaggio.

Ora, esistono diversi tipi di semiconduttori, categorizzati in base alla loro composizione materiale, struttura e al modo in cui conducono l’elettricità.

Per cominciare, i semiconduttori intrinseci sono puri senza impurità significative come silicio (Si) e germanio (Ge), mentre i semiconduttori estrinseci sono drogati con impurità per controllare la conduttività. I tipi N sono drogati con elementi che aggiungono elettroni extra, mentre i tipi P sono drogati con elementi che creano ‘buchi’ o portatori di carica positiva.
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In base alla struttura, esistono semiconduttori amorfi con un arrangiamento atomico disordinato, semiconduttori policristallini composti da più piccoli cristalli, e semiconduttori monocristallini con una struttura cristallina perfetta.

In termini di composizione materiale, i semiconduttori possono essere inorganici, tipicamente solidi cristallini come il gallio arsenico (GaAs) e il fosfuro di indio, oppure organici, realizzati con molecole o polimeri a base di carbonio. I semiconduttori ibridi combinano materiali organici e inorganici per migliorare le prestazioni, come si vede nei perovskiti usati in celle solari di nuova generazione e fotodetettori.

Le notevoli proprietà optoelettroniche dei semiconduttori organici li rendono altamente adatti per display, fotovoltaico e laser. Il loro utilizzo nei display OLED è l’applicazione più sviluppata.

Gli OLED sono noti per il loro fattore di forma flessibile e la qualità dell’immagine superiore. Rispetto ai laser, però, la densità di potenza in uscita degli OLED è inferiore, il che porta a un’immagine olografica con bassa luminosità.

Tuttavia, i vantaggi di flessibilità, fabbricazione semplice e la capacità di creare un gran numero di pixel in diversi colori affiancati sullo stesso substrato rendono gli OLED adatti per applicazioni avanzate di display olografici.

L’OLED è una sorgente di luce incoerente con un profilo di emissione divergente. Manipolare questa emissione per generare immagini dettagliate è non solo difficile ma anche in gran parte inesplorato.

Un modo per farlo è utilizzare una metasuperficie olografica (HM), che è una struttura a film ultra-sottile chiamata meta-atomo con la capacità di manipolare il comportamento della luce in modo preciso. Mentre è ampiamente usata in applicazioni come rilevamento di immagini, archiviazione dati, realtà aumentata (AR), anti-contraffazione e crittografia di sicurezza, la maggior parte delle metasuperfici olografiche riportate sono progettate per sorgenti di luce coerente (laser) e non sono adatte per l’uso con sorgenti incoerenti (OLED).

Solo una manciata di metasuperfici che utilizzano sorgenti di luce incoerenti sono state segnalate finora, e anche in tal caso, la maggior parte di esse coinvolge configurazioni complesse, limitando la loro diffusione nelle applicazioni quotidiane.

Così, i ricercatori nello studio più recente hanno sviluppato un nuovo tipo di dispositivo optoelettronico che combina il meglio degli OLED e delle metasuperfici.

Siamo entusiasti di dimostrare questa nuova direzione per gli OLED. Combinando gli OLED con le metasuperfici, apriamo anche un nuovo modo di generare ologrammi e modellare la luce.

– Professor Ifor Samuel della School of Physics and Astronomy

Il nuovo sistema compatto è composto da un OLED, un filtro passa-banda e una metasuperficie olografica (HM), che è particolarmente progettata per sorgenti di luce coerente. 

Modellando accuratamente ogni meta-atomo per modificare le proprietà del fascio di luce che attraversa l’HM, è stato possibile creare un’immagine pre-progettata sull’altro lato dello schermo. Questo potenzialmente rende i display olografici più economici, energeticamente efficienti e compatibili con substrati flessibili.

Come funzionano i display OLED-Metasuperficie (e perché sono importanti)

I ricercatori del SUPA, School of Physics and Astronomy, University of St Andrews, UK, hanno sviluppato il metodo innovativo che fonde senza soluzione di continuità OLED e metasuperfici in una struttura monolitica. 

La fusione consente all’OLED stesso di fungere da sorgente di illuminazione oltre che da modulatore per la modellazione del fronte d’onda olografico. Questo elimina la necessità di laser esterni o di un dispositivo come un modulatore di luce spaziale, che controlla l’intensità della luce.

Il cuore di questa nuova tecnologia risiede nelle metasuperfici, che sono array planari di nanostrutture progettate per modellare le onde elettromagnetiche in modo selezionato, spesso controllando polarizzazione, ampiezza o fase con straordinaria risoluzione spaziale.

Mentre i laser esterni sono stati precedentemente utilizzati per illuminare le metasuperfici, la loro fusione con gli OLED crea una sorgente di luce intrinseca strutturata a livello microscopico, offrendo una piattaforma elettricamente alimentata stabile e scalabile su diverse lunghezze d’onda con la capacità di proiettare immagini olografiche ad alta chiarezza.

Questo segna un grande salto rispetto ai sistemi convenzionali ingombranti.

Mentre l’emissione incoerente e a banda larga del layer OLED è stata a lungo una sfida per l’olografia, i ricercatori hanno progettato metasuperfici per corrispondere allo spettro di emissione dell’OLED così come alle sue proprietà di coerenza spaziale.

Il team ha personalizzato nanostrutture per utilizzare e regolare la luce parzialmente coerente per formare immagini olografiche ad alta risoluzione senza dover dipendere dai laser.

Per ottenere una nano-architettura precisa, che è necessaria per metasuperfici funzionali direttamente sugli OLED, il team ha utilizzato metodi avanzati di litografia.

Utilizzando un sistema speciale di litografia a fascio di elettroni (EBL), hanno strutturato nanostrutture metalliche e dielettriche sulla superficie OLED, garantendo una modulazione di fase efficace mantenendo le prestazioni e la longevità dell’OLED.

Questa integrazione riuscita enfatizza la compatibilità delle tecnologie di nanofabbricazione con i dispositivi elettronici organici, aprendo le porte a piattaforme fotoniche multifunzionali.

Durante i test del dispositivo, il team ha mostrato proiezioni olografiche chiare di forme semplici e geometriche con indizi di profondità intricati. Il team è riuscito a ottenere immagini olografiche di alta qualità a una distanza di appena 3 cm.

Le immagini ricostruite mostrano sia livelli di luminosità che robustezza angolare che di solito non sono possibili con illuminazione incoerente.

La capacità del sistema di modulare dinamicamente il fronte d’onda, che è ottenuta controllando regioni metasuperficie pixelate in sincronia con l’emissione OLED, indica la possibilità di video olografici in tempo reale.

“I display OLED normalmente necessitano di migliaia di pixel per creare un’immagine semplice. Questo nuovo approccio consente a un’immagine completa di essere proiettata da un singolo pixel OLED!”

– Professor Graham Turnbull, della School of Physics and Astronomy

Il proiettore olografico illuminato da OLED, come notato nello studio, potrebbe essere usato in applicazioni come interazioni uomo-computer e visori AR e VR.

Un grande vantaggio di questa piattaforma OLED-metasuperficie è la sua versatilità e scalabilità. 

Con la fabbricazione OLED già ampiamente usata nella produzione commerciale di display, le metasuperfici possono essere integrate nelle linee di produzione esistenti, ciò può accelerare il loro sviluppo verso ologrammi indossabili ed elettronica di consumo.

Inoltre, la compattezza, flessibilità e basso consumo energetico della tecnologia la posizionano per display immersivi di nuova generazione.

La piattaforma può inoltre essere usata per sistemi di illuminazione adattiva, imaging biomedicale e crittografia ottica sicura.

Con questa prova di concetto, il team ha usato un filtro ottico passa-banda per restringere lo spettro di emissione dell’OLED—migliorando la coerenza spaziale necessaria alla metasuperficie per ricostruire ologrammi nitidi. Ma i ricercatori hanno osservato che un filtro polaritono o a film sottile potrebbe anche essere usato con l’OLED o la metasuperficie per costruire un sistema più compatto.

Per quanto riguarda la metasuperficie, il team ha osservato che il loro sistema può anche funzionare con altri tipi di metasuperfici, offrendo potenziale per la produzione di massa di questi dispositivi, facilitando così il loro impiego per la proiezione di immagini.

Mentre l’uso commerciale del dispositivo affronta sfide in termini di minimizzare le perdite, massimizzare la luminosità e ottimizzare l’efficienza della modulazione della metasuperficie, il team ha dimostrato un avanzamento tecnologico che adotta un approccio creativo alla progettazione di sistemi fotonici olistici.

In contrasto con i progetti tradizionali, dove i modulatori e gli emettitori sono considerati indipendentemente, il team ha usato un approccio integrato con l’ottimizzazione simultanea delle proprietà di emissione degli OLED e della risposta di fase e ampiezza delle metasuperfici.

Quindi, combinando i vantaggi dell’optoelettronica organica e della nanofotonica, il team ha creato un nuovo standard per i display olografici. Prevede un futuro in cui i display olografici a colori completi con ultrahigh risoluzione saranno integrati direttamente in finestre trasparenti, indumenti tessili o superfici curve su veicoli ed elementi architettonici.

Investire negli OLED olografici

Ora, se guardiamo a un’azienda che sta avanzando in questo campo, Corning Incorporated (GLW ) si distingue per essere fortemente coinvolta in tecnologie di display avanzate e materiali critici per pannelli OLED e schermi flessibili, fornendo infrastrutture per l’integrazione olografica.

Opera attraverso alcuni segmenti chiave, tra cui:

• Comunicazioni ottiche
• Tecnologie display
• Materiali speciali
• Tecnologie ambientali
• Scienze della vita

Principalmente un’azienda di scienze dei materiali, Corning è specializzata in fibra ottica, che è un tipo di vetro che trasmette luce e svolge un ruolo fondamentale nelle moderne reti di telecomunicazioni. Essa è anche utilizzata nei data center. 

Corning produce anche una vasta gamma di altri prodotti in vetro e ceramica. In particolare, l’azienda produce Gorilla Glass, che è usato negli schermi iPhone e altri dispositivi elettronici. 

All’inizio di quest’anno, Samsung Electronics ha annunciato che il suo Galaxy S25 Edge presenterà la nuova offerta di vetro ceramico di Corning chiamata Gorilla Glass Ceramic 2, che fornisce protezione avanzata in un fattore di forma estremamente sottile. Il prodotto più recente ha cristalli impiantati nella matrice del vetro per aumentare la resistenza della copertura del display.

“Galaxy S25 Edge stabilirà un nuovo standard per l’artigianato e le prestazioni come il nostro dispositivo più sottile della serie Galaxy S finora,” ha detto Kwangjin Bae, EVP e capo del Mechanical R&D Team di MX presso Samsung Electronics. “Per supportare questo design rivoluzionario, è stato essenziale sviluppare un materiale per display che fosse sia eccezionalmente sottile che affidabilmente resistente – una sfida che ha unito Corning e Samsung, unite da una visione condivisa per un’ingegneria mirata e un’innovazione centrata sull’utente. Quella visione è incorporata in ogni dettaglio del Galaxy S25 Edge.”

Con una capitalizzazione di mercato di $67.4 miliardi, le azioni GLW sono attualmente scambiate a $78.67, in rialzo del 65.6% anno fino ad oggi. Questa settimana, GLW ha raggiunto un massimo di 52 settimane di $78.81. L’azienda ha in realtà goduto di un massiccio rally negli ultimi due anni.

Ha un EPS (TTM) di 0.94 e un P/E (TTM) di 83.55. L’azienda offre anche ai suoi azionisti un rendimento del dividendo dell’1.42%.