Revolusjonerende OLED-Metasurfaces tar sikte på å redefinere 3D-visualer

Ny forskning har gjort et banebrytende fremskritt innen holografisk bildeprojeksjon, med potensielle anvendelser innen underholdning, spill, kommunikasjon og smarte enheter.

Holografi har lenge vært en fast bestanddel i science fiction, med filmer som Star Wars og Blade Runner 2049 som bruker hologrammer for å formidle avansert teknologi og futuristiske elementer.

Denne teknologien for å lage interaktive 3D-visualer har lenge fascinert ingeniører og forskere, men å realisere den har ikke vært enkelt.

Holografi gjør det mulig å registrere en bølgefront og senere rekonstruere den, og gir en metode for å skape et unikt fotografisk 3D-bilde uten bruk av linse.

Konvensjonelle holografiske projektorer krever imidlertid klumpete optiske oppsett og en ekstern kilde til koherent lys, noe som begrenser bruken. Derfor har forskerne fra University of St Andrews avdekket en revolusjonerende tilnærming i skjæringspunktet mellom nanofotonikk og skjermteknologi, hvor OLED-er er integrert direkte med metasurfaces.

«Holografiske metasurfaces er en av de mest allsidige materialplattformene for å kontrollere lys. Med dette arbeidet har vi fjernet en av de teknologiske barrierene som hindrer adopsjon av metamaterialer i hverdagsapplikasjoner. Dette gjennombruddet vil muliggjøre et steg i arkitekturen til holografiske skjermer for nye anvendelser, for eksempel i virtuell og utvidet virkelighet.»

– Andrea Di Falco, professor i nanofotonikk ved School of Physics and Astronomy

Studien med tittelen “OLED illuminated metasurfaces for holographic image projection¹“, som beskriver teknologien, ble publisert i Light: Science & Applications.

Organiske lysdioder eller OLED-er er tynnfilm optoelektroniske enheter med bred justerbarhet, lav vekt og enkel produksjon, noe som gjør dem mye brukt i dagens mobiltelefoner og TV-skjermer.

Det globale OLED-markedsstørrelsen er faktisk projisert til å vokse med en CAGR på 19,4% fra 2024 til 2030 og nå 152,83 milliarder.

Som en overflatelyskilde blir OLED-er også brukt i sensoring, biofotonikk og trådløs kommunikasjon, hvor evnen til å integrere dem med andre teknologier gjør OLED-er til gode kandidater for miniaturiserte fotoniske plattformer.

For både skjermer og nye anvendelser er kontroll av OLED-ens fjernfeltutslipp veldig viktig, men som den nyeste forskningen påpeker, er fokuset i nåværende studier primært på justering av elektroluminans (EL)-spekteret og utslippsretningen.

Problemet er at det er spesielt utfordrende å finjustere fjernfeltutslippet, og det er begrenset av OLED-ens lave romlige koherens.

Men den nyeste studien har vist at det faktisk er mulig for en enkelt OLED å projisere et høyoppløselig bilde når den kombineres med en holografisk metasurface. Denne metasurface-OLED-projektoren gjør det mulig for forskerne å direkte manipulere fjernfeltutslippet, og dermed vise holografiske bilder på en skjerm.

Den nye plattformen gir enestående kontroll over holografiske skjermer, og utvider grensene for optisk ingeniørkunst og visuell opplevelse. Forskerne tror at demonstrasjonen deres kan gi en vei til å realisere høyt integrerte og miniaturiserte metasurface-skjermer.

OLED-er for holografisk bildeprojeksjon

En essensiell komponent i elektroniske enheter, halvledere har muliggjort fremskritt i alt fra kommunikasjon, helsevesen, og transport til databehandling, ren energi, militærsystemer, og utallige andre anvendelser.

Ved å tillate presis kontroll av elektrisk strøm gjør halvledere funksjonaliteten i moderne elektroniske enheter mulig.

Et halvledermateriale har en elektrisk ledningsevne mellom en leder og en isolator. Og egenskapene til et halvledermateriale kan kontrolleres gjennom en prosess kalt doping.

Nå finnes det ulike typer halvledere, kategorisert etter materialkomposisjon, struktur og hvordan de leder elektrisitet.

For å begynne med, er intrinsiske halvledere rene uten betydelige urenheter som silisium (Si) og germanium (Ge), mens ekstrinsiske halvledere er dopet med urenheter for å kontrollere ledningsevnen. N-typer er dopet med elementer som tilfører ekstra elektroner, mens p-typer er dopet med elementer som skaper ‘hull’ eller positive ladningsbærere.
Sveip for å rulle →

Basert på struktur finnes det amorfe halvledere med en uordnet atomarrangement, polykrystallinske halvledere laget av flere små krystaller, og enkeltkrystallinske halvledere med en perfekt krystallstruktur.

Når det gjelder materialkomposisjon, kan halvledere være uorganiske, vanligvis krystallinske faste stoffer som galliumarsenid (GaAs) og indiumfosfid, eller organiske, laget av karbonbaserte molekyler eller polymerer. Hybride halvledere kombinerer organiske og uorganiske materialer for å forbedre ytelsen, som sett i perovskitter brukt i neste generasjons solceller og fotodetektorer.

De bemerkelsesverdige optoelektroniske egenskapene til organiske halvledere gjør dem svært egnet for skjermer, fotovoltaikk og lasere. Deres bruk i OLED-skjermer er den mest utviklede anvendelsen.

OLED-er er kjent for sin fleksible formfaktor og overlegne bildekvalitet. Sammenlignet med lasere er imidlertid utgangseffekt-tettheten til OLED-er lavere, noe som resulterer i et holografisk bilde med lav lysstyrke.

Imidlertid gjør fordelene med fleksibilitet, enkel produksjon og evnen til å lage store mengder piksler i ulike farger side om side på samme substrat OLED-er egnet for avanserte holografiske skjermapplikasjoner.

OLED er en inkohærent lyskilde med en divergerende utslippsprofil. Å manipulere dette utslippet for å generere detaljerte bilder er ikke bare utfordrende, men også stort sett uutforsket.

En måte å gjøre dette på er ved å bruke en holografisk metasurface (HM), som er en ultratynn filmstruktur kalt en meta-atom med evnen til å manipulere lysets oppførsel på en presis måte. Mens den er mye brukt i applikasjoner som bildesensing, datalagring, utvidet virkelighet (AR), antikopiering og sikkerhetskryptering, er de fleste rapporterte holografiske metasurfaces designet for koherente lyskilder (lasere) og er uegnet for bruk med inkohærente (OLED-er).

Kun et håndfull metasurfaces som bruker inkohærente lyskilder har blitt rapportert så langt, og selv da involverer de fleste kompliserte oppsett, noe som begrenser deres bruk i hverdagsapplikasjoner.

Dermed utviklet forskerne i den siste studien en ny type optoelektronisk enhet som kombinerer det beste fra OLED-er og metasurfaces.

«Vi er begeistret for å demonstrere denne nye retningen for OLED-er. Ved å kombinere OLED-er med metasurfaces åpner vi også en ny måte å generere hologrammer og forme lys på.»

– Professor Ifor Samuel fra School of Physics and Astronomy

Det nyutviklede kompakte systemet er sammensatt av en OLED, et båndpassfilter og en holografisk metasurface (HM), som er spesielt designet for koherente lyskilder.

Ved nøye å forme hver meta-atom for å endre egenskapene til lysstrålen som passerer gjennom HM, ble det mulig å skape et forhåndsdesignet bilde på den andre siden av skjermen. Dette gjør potensielt holografiske skjermer mer kostnadseffektive, energieffektive og kompatible med fleksible substrater.

Hvordan OLED-Metasurface-skjermer fungerer (og hvorfor de er viktige)

Forskere fra SUPA, School of Physics and Astronomy, University of St Andrews, Storbritannia, utviklet den innovative metoden som sømløst forener OLED-er og metasurfaces til en monolitisk struktur.

Flettingen gjør at OLED-en selv fungerer som lyskilde samt modulator for holografisk bølgefrontforming. Dette fjerner behovet for eksterne lasere eller en enhet som en romlig lysmodulator, som kontrollerer lysintensiteten.

Kjernen i denne nye teknologien ligger i metasurfaces, som er plane matriser av nanostrukturer designet for å forme elektromagnetiske bølger på en valgt måte, ofte ved å kontrollere polarisation, amplitude eller fase med ekstraordinær romlig oppløsning.

Mens eksterne lasere tidligere har blitt brukt til å belyse metasurfaces, skaper sammenslåingen med OLED-er en innebygd lyskilde mønstret på mikroskala, og tilbyr en elektrisk drevet plattform som er stabil og kan skaleres over ulike bølgelengder med evnen til å projisere holografiske bilder med høy klarhet.

Dette markerer et stort sprang fra konvensjonelle klumpete systemer.

Mens den inkohærente, brede spektrale utslipp fra OLED-laget lenge har vært en utfordring for holografi, har forskerne konstruert metasurfaces for å matche OLED-ens utslippsspekter samt dens romlige koherensegenskaper.

Teamet tilpasset nanostrukturer for å utnytte og justere det delvis koherente lyset for å danne høyoppløselige holografiske bilder uten å måtte være avhengig av lasere.

For å oppnå presis nanoarkitektur, som kreves for funksjonelle metasurfaces direkte på OLED-er, brukte teamet avanserte litografimetoder.

Ved å bruke et spesialtilpasset Elektronstråle-litografisystem (EBL) mønstrede de metalliske og dielektriske nanostrukturer over OLED-overflaten, og sikret effektiv fase-modulering samtidig som de opprettholdt OLED-ens ytelse og levetid.

Denne vellykkede integrasjonen understreker kompatibiliteten mellom nanofabrikasjonsteknologier og organiske elektroniske enheter, noe som åpner dørene til multifunksjonelle fotoniske plattformer.

Ved testing av enheten demonstrerte teamet klare holografiske projeksjoner av både enkle og geometriske former med intrikate dybdeindikatorer. Teamet klarte å oppnå høy kvalitet på holografiske bilder på en avstand på kun 3 cm.

De rekonstruerte bildene viser både lysstyrkenivåer og vinkelrobusthet som vanligvis ikke er mulig med inkohærent belysning.

Systemets evne til dynamisk å modulere bølgefronten, som oppnås ved å kontrollere pikselerte metasurface-områder i takt med OLED-utslippet, indikerer muligheten for sanntids holografiske videoer.

«OLED-skjermer krever vanligvis tusenvis av piksler for å lage et enkelt bilde. Denne nye tilnærmingen gjør det mulig å projisere et komplett bilde fra en enkelt OLED-piksel!»

– Professor Graham Turnbull, fra School of Physics and Astronomy

OLED-illuminert holografisk projektor, som studien bemerker, kan brukes i applikasjoner som menneske-datamaskin-interaksjon samt AR- og VR-headset.

En stor fordel med denne OLED-metasurface-plattformen er dens allsidighet og skalerbarhet.

Siden OLED-fremstilling allerede er mye brukt i kommersiell skjermproduksjon, kan metasurfaces integreres i eksisterende produksjonslinjer, noe som kan akselerere deres utvikling til bærbare hologrammer og forbrukerelektronikk.

Videre plasserer kompaktheten, fleksibiliteten og det lave strømforbruket til teknologien den for neste generasjons immersive skjermer.

Plattformen kan også brukes til adaptive belysningssystemer, biomedisinsk avbildning og sikker optisk kryptering.

Med dette beviset på konseptet brukte teamet et båndpassoptisk filter for å innsnevre OLED-ens utslippsspektrum—og forbedre den romlige koherensen som metasurface trenger for å rekonstruere skarpe hologrammer. Men forskerne bemerket at et polariton- eller tynnfilmfilter også kunne brukes med OLED-en eller metasurface for å bygge et mer kompakt system.

Når det gjelder metasurface, bemerket teamet at systemet deres også kan fungere med andre typer metasurfaces, og gir potensial for masseproduksjon av disse enhetene, og dermed letter deres distribusjon for bildeprojeksjon.

Selv om kommersiell bruk av enheten møter utfordringer med å minimere tap, maksimere lysstyrke og optimalisere effektiviteten til metasurface-moduleringen, har teamet demonstrert en teknologisk fremgang som tar en kreativ tilnærming til å designe helhetlige fotoniske systemer.

I motsetning til tradisjonelle design, hvor modulatorer og emittere betraktes uavhengig, brukte teamet en integrert tilnærming med samtidig optimalisering av OLED-ens utslipps-egenskaper og metasurfaces’ fase- og amplituderespons.

Dermed, ved å kombinere fordelene med organisk optoelektronikk og nanofotonikk, har teamet skapt en ny standard for holografiske skjermer. De ser for seg en fremtid hvor fullfarge holografiske skjermer med ultrahøy oppløsning vil bli integrert direkte i transparente vinduer, tekstil-bærbare enheter eller buede overflater på kjøretøy og arkitektoniske elementer.

Investere i holografiske OLED-er

Nå, hvis vi ser på et selskap som driver dette feltet fremover, Corning Incorporated (GLW ) skiller seg ut for å være sterkt involvert i avanserte skjermteknologier og materialer som er kritiske for OLED-paneler og fleksible skjermer, og gir infrastruktur for holografisk integrasjon.

Det opererer gjennom noen få nøkkelsegmenter, inkludert:

• Optisk kommunikasjon
• Skjermteknologier
• Spesialmaterialer
• Miljøteknologier
• Livsvitenskap

Primært et materialvitenskapsselskap, spesialiserer Corning seg på optisk fiber, som er en type glass som overfører lys og spiller en integrert rolle i moderne telekommunikasjonsnettverk. Det brukes også i datasentre.

Corning produserer også et bredt spekter av andre glass- og keramikkprodukter. Merkverdig er at selskapet produserer Gorilla Glass, som brukes i iPhone-skjermer og andre elektroniske enheter.

Tidligere i år kunngjorde Samsung Electronics at deres Galaxy S25 Edge vil ha Corning sitt nye glasskeramikkprodukt kalt Gorilla Glass Ceramic 2, som gir avansert beskyttelse i en ekstremt tynn enhetsformfaktor. Det nyeste produktet har krystaller innplassert i glassmatrisen for å styrke skjermdekselet.

“Galaxy S25 Edge vil sette en ny standard for håndverk og ytelse som vår tynneste Galaxy S-serie-enhet hittil,” sa Kwangjin Bae, EVP og leder for Mechanical R&D Team i MX hos Samsung Electronics. “For å støtte dette banebrytende designet var det avgjørende å utvikle et skjermmateriale som både var ekstremt tynt og pålitelig sterkt – en utfordring som brakte Corning og Samsung sammen, forent av en felles visjon for målrettet ingeniørkunst og bruker-sentrert innovasjon. Den visjonen er innebygd i hver detalj av Galaxy S25 Edge.”

Med en markedsverdi på 67,4 milliarder dollar, handles GLW-aksjene for øyeblikket til 78,67 dollar, opp 65,6 % år‑til‑dato. Denne uken nådde GLW et 52‑ukers høyde på 78,81 dollar. Selskapet har faktisk opplevd en massiv oppgang de siste to årene.

Den har en EPS (TTM) på 0,94 og en P/E (TTM) på 83,55. Selskapet tilbyr også sine aksjonærer et utbytte på 1,42 %.