Revolutionaire OLED-metasurfaces streven ernaar 3D-beelden te herdefiniëren

Nieuw onderzoek heeft een baanbrekende vooruitgang geboekt in holografische beeldprojectie, met potentiële toepassingen in entertainment, gaming, communicatie en slimme apparaten.

Holografie is al lange tijd een vaste waarde in sciencefiction, waarbij films als Star Wars en Blade Runner 2049 hologrammen gebruiken om geavanceerde technologie en futuristische elementen over te brengen.

Deze technologie voor het creëren van interactieve 3D-visuals heeft ingenieurs en wetenschappers al lange tijd gefascineerd, maar het tot leven brengen is niet eenvoudig geweest.

Holografie maakt het mogelijk een golffront op te nemen en later te reconstrueren, waardoor een unieke fotografische 3D-afbeelding kan worden gecreëerd zonder gebruik van een lens.

Conventionele holografische projectoren hebben echter omvangrijke optische opstellingen en een externe bron van coherente licht nodig, wat hun gebruik beperkt. Daarom hebben de onderzoekers van de Universiteit van St Andrews een revolutionaire benadering onthuld op het snijvlak van nanofotonica en displaytechnologie, waarbij OLED’s direct worden geïntegreerd met metasurfaces.

“Holografische metasurfaces zijn een van de meest veelzijdige materiaalplatforms om licht te beheersen. Met dit werk hebben we een van de technologische barrières weggenomen die de adoptie van metamaterialen in alledaagse toepassingen belemmeren. Deze doorbraak zal een sprong in de architectuur van holografische displays mogelijk maken voor opkomende toepassingen, bijvoorbeeld in virtual en augmented reality.”

– Andrea Di Falco, professor in nanofotonica aan de School of Physics and Astronomy

De studie getiteld “OLED illuminated metasurfaces for holographic image projection”, waarin de technologie wordt uitgelegd, werd gepubliceerd in Light: Science & Applications.

Organische lichtemitterende diodes, of OLED’s, zijn dunne film opto-elektronische apparaten met brede afstelbaarheid, lichtgewicht en eenvoudige fabricage, waardoor ze veelvuldig worden gebruikt in de hedendaagse mobiele telefoons en tv-displays.

De wereldwijde OLED-marktomvang wordt naar verwachting met een CAGR van 19,4% groeien van 2024 tot 2030 en bereiken 152,83 miljard.

Als oppervlakte-lichtbron worden OLED’s ook gebruikt in sensortechnologie, biofotonica en draadloze communicatie, waarbij de mogelijkheid om ze met andere technologieën te integreren OLED’s tot goede kandidaten maakt voor miniaturiseerde fotonische platforms.

Voor zowel displays als opkomende toepassingen is controle over de verafgelegen emissie van OLED’s zeer belangrijk, maar zoals het nieuwste onderzoek opmerkt, richt de huidige studie zich voornamelijk op het aanpassen van het elektroluminescentiespectrum (EL) en de emissierichting.

Het probleem is dat het bijzonder uitdagend is om de verafgelegen emissie fijn af te stemmen en dit wordt beperkt door de lage ruimtelijke coherentie van OLED’s.

Maar de nieuwste studie heeft aangetoond dat het inderdaad mogelijk is voor een enkele OLED om een hoge-resolutie afbeelding te projecteren wanneer deze wordt gecombineerd met een holografische metasurface. Deze metasurface-OLED projector stelt de onderzoekers in staat de verafgelegen emissie direct te manipuleren, waardoor holografische beelden op een scherm worden weergegeven.

Het nieuwe platform biedt ongeëvenaarde controle over holografische displays, waardoor de grenzen van optische engineering en visuele beleving worden verlegd. De onderzoekers geloven dat hun demonstratie een manier kan bieden om sterk geïntegreerde en miniaturiseerde metasurface-displays te realiseren.

OLED’s voor Holografische Beeldprojectie

Een essentieel onderdeel van elektronische apparaten, halfgeleiders, hebben vooruitgang mogelijk gemaakt in alles, van communicatie, gezondheidszorg en transport tot computertechnologie, schone energie, militaire systemen en talloze andere toepassingen.

Door de precieze controle van elektrische stroom mogelijk te maken, stellen halfgeleiders de functionaliteit van moderne elektronische apparaten mogelijk.

Een halfgeleider is een materiaal met een elektrische geleidbaarheid tussen die van een geleider en een isolator. En de eigenschappen van een halfgeleider kunnen worden gecontroleerd via een proces dat doping wordt genoemd.

Nu zijn er verschillende soorten halfgeleiders, gecategoriseerd op basis van hun materiaalsamenstelling, structuur en hoe ze elektriciteit geleiden.

Om te beginnen zijn intrinsieke halfgeleiders zuiver zonder significante onzuiverheden zoals silicium (Si) en germanium (Ge), terwijl extrinsieke halfgeleiders gedopeerd zijn met onzuiverheden om de geleidbaarheid te regelen. N-type halfgeleiders zijn gedopeerd met elementen die extra elektronen toevoegen, terwijl p-type halfgeleiders gedopeerd zijn met elementen die ‘gaten’ of positieve ladingsdragers creëren.
Veeg om te scrollen →

Op basis van structuur zijn er amorfe halfgeleiders met een wanordelijke atomaire rangschikking, polycristallijne halfgeleiders bestaande uit meerdere kleine kristallen, en enkelkristallijne halfgeleiders met een perfecte kristallijne structuur.

Wat betreft materiaalsamenstelling kunnen halfgeleiders anorganisch zijn, meestal kristallijne vaste stoffen zoals galliumarsenide (GaAs) en indiumfosfide, of organisch, gemaakt van koolstofgebaseerde moleculen of polymeren. Hybride halfgeleiders combineren organische en anorganische materialen om de prestaties te verbeteren, zoals te zien is bij perovskieten die worden gebruikt in de volgende generatie zonnecellen en fotodetectoren.

De opmerkelijke opto-elektronische eigenschappen van organische halfgeleiders maken ze zeer geschikt voor displays, fotovoltaïsche toepassingen en lasertechnologie. Hun gebruik in OLED-displays is de meest ontwikkelde toepassing.

OLED’s staan bekend om hun flexibele vormfactor en superieure beeldkwaliteit. Vergeleken met lasers is echter de uitgangsvermogen-dichtheid van OLED’s lager, wat resulteert in een holografisch beeld met lage helderheid.

Echter, de voordelen van flexibiliteit, eenvoudige fabricage en de mogelijkheid om een groot aantal pixels in verschillende kleuren naast elkaar op hetzelfde substraat te creëren, maken OLED’s geschikt voor geavanceerde holografische displaytoepassingen.

OLED is een incoherente lichtbron met een divergerend emissieprofiel. Het manipuleren van deze emissie om gedetailleerde beelden te genereren is niet alleen uitdagend maar ook grotendeels onontgonnen.

Een manier om dat te doen is door gebruik te maken van een holografische metasurface (HM), een ultradunne filmstructuur genaamd een meta-atom met de mogelijkheid om het gedrag van licht nauwkeurig te manipuleren. Hoewel breed toegepast in onder andere beelddetectie, gegevensopslag, augmented reality (AR), anti-nakijken en beveiligingsencryptie, zijn de meeste gerapporteerde holografische metasurfaces ontworpen voor coherente lichtbronnen (lasers) en ongeschikt voor gebruik met incoherente bronnen (OLED’s).

Tot nu toe zijn er slechts enkele metasurfaces gemeld die incoherente lichtbronnen gebruiken, en zelfs dan omvatten de meeste ingewikkelde opstellingen, waardoor hun inzet in alledaagse toepassingen beperkt wordt.

Dus ontwikkelden de onderzoekers in de nieuwste studie een nieuw type opto-elektronisch apparaat dat het beste van OLED’s en metasurfaces combineert.

“We zijn enthousiast om deze nieuwe richting voor OLED’s te demonstreren. Door OLED’s te combineren met metasurfaces, openen we ook een nieuwe manier om hologrammen te genereren en licht te vormen.”

– Professor Ifor Samuel van de School of Physics and Astronomy

Het nieuw ontwikkelde compacte systeem bestaat uit een OLED, een bandpassfilter en een holografische metasurface (HM), die speciaal is ontworpen voor coherente lichtbronnen.

Door elke meta-atom zorgvuldig te vormen om de eigenschappen van de lichtstraal die door de HM gaat te wijzigen, werd het mogelijk een vooraf ontworpen afbeelding aan de andere kant van het scherm te creëren. Dit maakt holografische displays mogelijk kosteneffectiever, energiezuiniger en compatibel met flexibele substraten.

Hoe OLED-Metasurface Displays Werken (en Waarom Ze Van Belang Zijn)

Onderzoekers van de SUPA, School of Physics and Astronomy, Universiteit van St Andrews, VK, ontwikkelden de innovatieve methode die OLED’s en metasurfaces naadloos tot een monolithische structuur fuseert.

De fusie maakt het mogelijk dat de OLED zelf fungeert als lichtbron en als modulator voor holografische wavefront-vormgeving. Dit elimineert de noodzaak voor externe lasers of een apparaat zoals een ruimtelijke lichtmodulator, die de intensiteit van licht regelt.

De kern van deze nieuwe technologie ligt in metasurfaces, die platte arrays van nanostructuren zijn ontworpen om elektromagnetische golven op een geselecteerde manier te vormen, vaak door polarisatie, amplitude of fase te regelen met buitengewone ruimtelijke resolutie.

Hoewel externe lasers eerder werden gebruikt om metasurfaces te belichten, creëert de combinatie met OLED’s een intrinsieke lichtbron die op microschaal is gepatternd, wat een elektrisch aangedreven platform biedt dat stabiel is en over verschillende golflengten kan worden geschaald met de mogelijkheid om holografische beelden met hoge helderheid te projecteren.

Dit markeert een grote sprong ten opzichte van conventionele omvangrijke systemen.

Hoewel de incoherente, breedbandige emissie van de OLED-laag al lange tijd een uitdaging vormt voor holografie, hebben de onderzoekers metasurfaces ontwikkeld die overeenkomen met het emissiespectrum van de OLED evenals de ruimtelijke coherentie-eigenschappen.

Het team heeft nanostructuren aangepast om het gedeeltelijk coherente licht te benutten en af te stemmen om hoge-resolutie holografische beelden te vormen zonder afhankelijk te zijn van lasers.

Om een precieze nano-architectuur te verkrijgen, die vereist is voor functionele metasurfaces direct op OLED’s, gebruikte het team geavanceerde lithografiemethoden.

Met behulp van een speciaal Electron Beam Lithography (EBL) systeem patreerden ze metalen en dielektrische nanostructuren over het OLED-oppervlak, waardoor effectieve fasemodulatie werd gegarandeerd terwijl de prestaties en levensduur van de OLED behouden bleven.

Deze succesvolle integratie benadrukt de compatibiliteit van nanofabricatietechnologieën met organische elektronische apparaten, wat de deuren opent naar multifunctionele fotonische platforms.

Bij het testen van het apparaat toonde het team duidelijke holografische projecties van zowel eenvoudige als geometrische vormen met ingewikkelde diepte-indicaties. Het team kon holografische beelden van hoge kwaliteit verkrijgen op een afstand van slechts 3 cm.

De gereconstrueerde beelden tonen zowel helderheidsniveaus als hoekrobustheid die normaal niet mogelijk is met incoherente verlichting.

Het vermogen van het systeem om de wavefront dynamisch te moduleren, wat wordt bereikt door pixelachtige metasurface-regio’s in synchronisatie met de OLED-emissie te controleren, duidt op de mogelijkheid voor realtime holografische video’s.

“OLED-displays hebben normaal duizenden pixels nodig om een eenvoudige afbeelding te maken. Deze nieuwe benadering maakt het mogelijk een volledige afbeelding te projecteren vanaf een enkele OLED-pixel!”

– Professor Graham Turnbull, van de School of Physics and Astronomy

De OLED-verlichte holografische projector, zo noteerde de studie, zou kunnen worden gebruikt in toepassingen zoals mens-computerinteracties en AR- en VR-headsets.

Een groot voordeel van dit OLED-metasurface-platform is zijn veelzijdigheid en schaalbaarheid.

Aangezien OLED-fabricage al breed wordt gebruikt in de commerciële displayproductie, kunnen metasurfaces worden geïntegreerd in bestaande productielijnen, wat hun ontwikkeling naar draagbare hologrammen en consumentenelektronica kan versnellen.

Bovendien positioneert de compactheid, flexibiliteit en het lage energieverbruik van de technologie het voor de volgende generatie meeslepende displays.

Het platform kan verder worden gebruikt voor adaptieve verlichtingssystemen, biomedische beeldvorming en veilige optische encryptie.

Met dit proof of concept gebruikte het team een bandpass-optisch filter om het emissiespectrum van de OLED te vernauwen — waardoor de ruimtelijke coherentie die de metasurface nodig heeft om scherpe hologrammen te reconstrueren, verbetert. Maar de onderzoekers merkten op dat een polariton- of dunfilmfilter ook met de OLED of de metasurface kan worden gebruikt om een compacter systeem te bouwen.

Wat de metasurface betreft, merkte het team op dat hun systeem ook kan werken met andere soorten metasurfaces, wat potentieel biedt voor massaproductie van deze apparaten, en zo hun inzet voor beeldprojectie vergemakkelijkt.

Hoewel commercieel gebruik van het apparaat uitdagingen kent op het gebied van verliesminimalisatie, maximale helderheid en optimalisatie van de efficiëntie van de metasurface-modulatie, heeft het team een technologische vooruitgang aangetoond die een creatieve benadering hanteert voor het ontwerpen van holistische fotonische systemen.

In tegenstelling tot traditionele ontwerpen, waarbij modulatoren en emitters onafhankelijk worden beschouwd, gebruikte het team een geïntegreerde aanpak met gelijktijdige optimalisatie van de emissie-eigenschappen van OLED’s en de fase- en amplitude-respons van metasurfaces.

Dus, door de voordelen van organische opto-elektronica en nanofotonica te combineren, heeft het team een nieuwe norm voor holografische displays gecreëerd. Het voorziet een toekomst waarin full-color holografische displays met ultrahoge resolutie direct in transparante ramen, textielwearables of gebogen oppervlakken van voertuigen en architecturale elementen worden geïntegreerd.

Investeren in Holografische OLED’s

Als we nu naar een bedrijf kijken dat dit veld vooruitstuwt, valt Corning Incorporated (GLW ) op omdat het sterk betrokken is bij geavanceerde displaytechnologieën en materialen die cruciaal zijn voor OLED-panelen en flexibele schermen, en infrastructuur biedt voor holografische integratie.

Het opereert via enkele belangrijke segmenten, waaronder:

• Optische Communicatie
• Displaytechnologieën
• Speciale Materialen
• Milieutechnologieën
• Levenswetenschappen

Primair een materiaalkundig bedrijf, specialiseert Corning zich in optische vezels, een type glas dat licht overbrengt en een integrale rol speelt in moderne telecommunicatienetwerken. Het wordt ook gebruikt in datacenters.

Corning produceert ook een breed scala aan andere glas- en keramische producten. Opmerkelijk is dat het bedrijf Gorilla Glass vervaardigt, dat wordt gebruikt in iPhone-schermen en andere elektronica.

Eerder dit jaar kondigde Samsung Electronics aan dat de Galaxy S25 Edge zal beschikken over Corning’s nieuwe glas-keramiekproduct genaamd Gorilla Glass Ceramic 2, dat geavanceerde bescherming biedt in een uiterst dun apparaatformaat. Het nieuwste product heeft kristallen geïmplanteerd in de glasmatrix om de sterkte van de displaycover te vergroten.

“Galaxy S25 Edge zal een nieuwe standaard zetten voor vakmanschap en prestaties als ons slankste Galaxy S-serie apparaat tot nu toe,” zei Kwangjin Bae, EVP en hoofd van het Mechanical R&D Team van MX bij Samsung Electronics. “Om dit baanbrekende ontwerp te ondersteunen, was het essentieel een displaymateriaal te ontwikkelen dat zowel uitzonderlijk dun als betrouwbaar sterk is – een uitdaging die Corning en Samsung samenbracht, verenigd door een gedeelde visie op doelgerichte engineering en gebruiksgerichte innovatie. Die visie is ingebed in elk detail van de Galaxy S25 Edge.”

Met een marktkapitalisatie van $67,4 miljard worden GLW-aandelen momenteel verhandeld tegen $78,67, een stijging van 65,6% jaar-tot-datum. Deze week bereikte GLW een 52-wekelijkse piek van $78,81. Het bedrijf heeft de afgelopen twee jaar een enorme rally gekend.

Het heeft een EPS (TTM) van 0,94 en een P/E (TTM) van 83,55. Het bedrijf biedt zijn aandeelhouders ook een dividendrendement van 1,42%.