Revolutionerande OLED-metasurfaces syftar till att omdefiniera 3D-visualiseringar

Ny forskning har gjort ett banbrytande framsteg inom holografisk bildprojektion, med potentiella tillämpningar inom underhållning, spel, kommunikation och smarta enheter.

Holografi har länge varit en grundpelare i science fiction, med filmer som Star Wars och Blade Runner 2049 som använder hologram för att förmedla avancerad teknik och futuristiska element.

Denna teknik för skapande av interaktiva 3D-visualiseringar har länge fascinerat ingenjörer och forskare, men att förverkliga den har inte varit enkelt.

Holografi möjliggör att en vågfront kan spelas in och senare rekonstrueras, vilket ger ett sätt att skapa en unik fotografisk 3D-bild utan användning av en lins.

Konventionella holografiska projektorer kräver dock skrymmande optiska uppställningar och en extern källa av koherent ljus, vilket begränsar deras användning. Så har forskarna från University of St Andrews presenterat ett revolutionerande tillvägagångssätt i skärningspunkten mellan nanofotonik och displayteknik, där OLEDs integreras direkt med metasurfaces.

“Holografiska metasurfaces är en av de mest mångsidiga materialplattformarna för att kontrollera ljus. Med detta arbete har vi avlägsnat en av de teknologiska barriärerna som hindrar antagandet av metamaterial i vardagliga tillämpningar. Detta genombrott kommer att möjliggöra ett steg förändring i arkitekturen för holografiska skärmar för framväxande applikationer, till exempel inom virtuell och förstärkt verklighet.”

– Andrea Di Falco, professor i nanofotonik vid School of Physics and Astronomy

Studien med titeln “OLED illuminated metasurfaces for holographic image projection¹, som beskriver tekniken, publicerades i Light: Science & Applications.

Organiska ljusemitterande dioder eller OLEDs är tunna film‑optoelektroniska enheter med bred justerbarhet, låg vikt och enkel tillverkning, vilket gör dem allmänt använda i dagens mobiltelefoner och TV-skärmar.

Den globala OLED-marknadens storlek förväntas faktiskt växa med en CAGR på 19,4 % från 2024 till 2030 och nå 152,83 miljarder.

Som en ytljuskälla används OLEDs också inom sensorteknik, biophotonik och trådlös kommunikation, där möjligheten att integrera dem med annan teknik gör OLEDs till bra kandidater för miniatyriserade fotoniska plattformar.

För både skärmar och framväxande tillämpningar är kontroll av OLED:s fjärrfältsemission mycket viktig, men som den senaste forskningen påpekar är fokus i nuvarande studier främst på att justera elektroluminiscens (EL)-spektrumet och emissionsriktningen.

Problemet är att det är särskilt utmanande att finjustera fjärrfältsemissionen och den begränsas av OLED:ernas låga rumsliga koherens.

Men den senaste studien har visat att det faktiskt är möjligt för en enskild OLED att projicera en högupplöst bild när den kombineras med en holografisk metasurface. Denna metasurface-OLED-projektor möjliggör för forskarna att direkt manipulera fjärrfältsemissionen, vilket därmed visar holografiska bilder på en skärm.

Den nya plattformen erbjuder oöverträffad kontroll över holografiska skärmar, vilket utökar gränserna för optisk ingenjörskonst och visuell upplevelse. Forskarna tror att deras demonstration kan erbjuda ett sätt att realisera högintegrerade och miniatyriserade metasurface‑skärmar.

OLEDs för holografisk bildprojektion

En väsentlig komponent i elektroniska enheter, halvledare har möjliggjort framsteg inom allt från kommunikation, sjukvård och transport till databehandling, ren energi, militära system och otaliga andra tillämpningar.

Genom att möjliggöra exakt kontroll av elektrisk ström möjliggör halvledare funktionaliteten i moderna elektroniska enheter.

En halvledare är ett material med elektrisk ledningsförmåga mellan en ledare och en isolator. Och egenskaperna hos en halvledare kan kontrolleras genom en process som kallas doping.

Nu finns det olika typer av halvledare, kategoriserade baserat på deras materialkomposition, struktur och hur de leder elektricitet.

Till att börja med är intrinsiska halvledare rena utan betydande föroreningar såsom kisel (Si) och germanium (Ge), medan extrinsiska halvledare är dopade med föroreningar för att kontrollera ledningsförmågan. N‑typ är dopad med element som tillför extra elektroner, medan p‑typ är dopad med element som skapar ‘hål’ eller positiva laddningsbärare.Swipe to scroll →

Baserat på struktur finns amorfa halvledare med en oordnad atomarrangemang, polykrystallina halvledare bestående av flera små kristaller och enkristallina halvledare med en perfekt kristallstruktur.

När det gäller materialkomposition kan halvledare vara oorganiska, vanligtvis kristallina fasta ämnen som galliumarsenid (GaAs) och indiumfosfid, eller organiska, tillverkade av kolbaserade molekyler eller polymerer. Hybridhalvledare kombinerar organiska och oorganiska material för att förbättra prestanda, som man ser i perovskiter som används i nästa generations solceller och fotodetektorer.

De anmärkningsvärda optoelektroniska egenskaperna hos organiska halvledare gör dem mycket lämpliga för skärmar, fotovoltaik och lasrar. Deras användning i OLED‑skärmar är den mest utvecklade applikationen.

OLEDs är kända för sin flexibla formfaktor och överlägsna bildkvalitet. Jämfört med laser är dock uteffektens täthet för OLEDs lägre, vilket resulterar i en holografisk bild med låg ljusstyrka.

Dock gör fördelarna med flexibilitet, enkel tillverkning och möjligheten att skapa ett stort antal pixlar i olika färger sida vid sida på samma substrat OLEDs lämpliga för avancerade holografiska displayapplikationer.

OLED är en inkoherent ljuskälla med en divergerande emissionsprofil. Att manipulera denna emission för att generera detaljerade bilder är inte bara utmanande utan också i stor utsträckning outforskad.

Ett sätt att göra detta är genom att använda en holografisk metasurface (HM), som är en ultratunn filmstruktur kallad en meta‑atom med förmågan att manipulera ljusets beteende på ett exakt sätt. Medan den används i stor utsträckning i applikationer som bildsensorer, datalagring, förstärkt verklighet (AR), antikopiering och säkerhetskryptering, är de flesta rapporterade holografiska metasurfaces designade för koherenta ljuskällor (laser) och är olämpliga för användning med inkoherenta (OLEDs).

Endast ett fåtal metasurfaces som använder inkoherenta ljuskällor har rapporterats hittills, och även då involverar majoriteten av dem komplicerade uppställningar, vilket begränsar deras användning i vardagliga tillämpningar.

Så utvecklade forskarna i den senaste studien en ny typ av optoelektronisk enhet som kombinerar det bästa av OLEDs och metasurfaces.

“Vi är glada över att demonstrera detta nya riktning för OLEDs. Genom att kombinera OLEDs med metasurfaces öppnar vi också ett nytt sätt att generera hologram och forma ljus.”

– Professor Ifor Samuel från School of Physics and Astronomy

Det nyutvecklade kompakta systemet består av en OLED, ett bandpassfilter och en holografisk metasurface (HM), som är speciellt designad för koherenta ljuskällor.

Genom att noggrant forma varje meta‑atom för att ändra egenskaperna hos ljusstrålen som passerar genom HM, blev det möjligt att skapa en fördesignad bild på andra sidan skärmen. Detta gör potentiellt holografiska skärmar mer kostnadseffektiva, energieffektiva och kompatibla med flexibla substrat.

Hur OLED‑Metasurface‑skärmar fungerar (och varför de är viktiga)

Forskare från SUPA, School of Physics and Astronomy, University of St Andrews, Storbritannien, utvecklade den innovativa metoden som sömlöst förenar OLEDs och metasurfaces till en monolitisk struktur.

Fusionen gör att OLED:n själv kan fungera som både ljuskälla och modulator för holografisk vågfrontformning. Detta eliminerar behovet av externa laser eller en enhet som ett spatialt ljusmodulator, som styr ljusintensiteten.

Kärnan i denna nya teknik ligger i metasurfaces, som är plana matriser av nanostrukturer designade för att forma elektromagnetiska vågor på ett valt sätt, ofta genom att kontrollera polarisation, amplitud eller fas med extraordinär rumslig upplösning.

Medan externa laser tidigare har använts för att belysa metasurfaces, skapar sammanslagningen med OLEDs en inbyggd ljuskälla mönstrad på mikroskala, vilket erbjuder en elektriskt driven plattform som är stabil och kan skalas över olika våglängder med förmågan att projicera holografiska bilder med hög klarhet.

Detta markerar ett stort steg från konventionella skrymmande system.

Medan den inkoherenta, bredbandiga emissionen från OLED‑lagret länge har varit en utmaning för holografi, har forskarna konstruerat metasurfaces för att matcha OLED:ens emissionsspektrum samt dess rumsliga koherensegenskaper.

Teamet anpassade nanostrukturer för att utnyttja och justera det delvis koherenta ljuset för att skapa högupplösta holografiska bilder utan att behöva förlita sig på laser.

För att få en exakt nanoarkitektur, som krävs för funktionella metasurfaces direkt på OLEDs, använde teamet avancerade litografimetoder.

Genom att använda ett speciellt Elektronstråle‑litografisystem (EBL) mönstrade de metalliska och dielektriska nanostrukturer över OLED‑ytan, vilket säkerställde effektiv fasmodulering samtidigt som OLED‑prestanda och livslängd bevarades.

Denna framgångsrika integration betonar kompatibiliteten mellan nanofabrikeringstekniker och organiska elektroniska enheter, vilket öppnar dörrarna till multifunktionella fotoniska plattformar.

Vid testning av enheten demonstrerade teamet tydliga holografiska projektioner av både enkla och geometriska former med intrikata djupindikationer. Teamet lyckades få högkvalitativa holografiska bilder på ett avstånd av endast 3 cm.

De rekonstruerade bilderna visar både ljusstyrkenivåer och vinkelrobusthet som vanligtvis inte är möjlig med inkoherent belysning.

Systemets förmåga att dynamiskt modulera vågfronten, vilket uppnås genom att kontrollera pixelerade metasurface‑regioner i synk med OLED‑emissionen, indikerar möjligheten till realtids‑holografiska videor.

“OLED‑skärmar kräver normalt tusentals pixlar för att skapa en enkel bild. Detta nya tillvägagångssätt möjliggör att en komplett bild projiceras från en enda OLED‑pixel!”

– Professor Graham Turnbull, från School of Physics and Astronomy

OLED‑belyst holografisk projektor, enligt studien, kan användas i applikationer som människa‑datorinteraktioner samt AR‑ och VR‑headsets.

En stor fördel med denna OLED‑metasurface‑plattform är dess mångsidighet och skalbarhet.

Eftersom OLED‑tillverkning redan är allmänt använd i kommersiell displayproduktion, kan metasurfaces integreras i befintliga produktionslinjer, vilket kan påskynda deras utveckling till bärbara hologram och konsumentelektronik.

Dessutom placerar kompaktheten, flexibiliteten och den låga energiförbrukningen tekniken för nästa generations immersiva skärmar.

Plattformen kan även användas för adaptiva belysningssystem, biomedicinsk avbildning och säker optisk kryptering.

Med detta bevis på konceptet använde teamet ett bandpassoptiskt filter för att begränsa OLED‑ens emissionsspektrum—vilket förbättrade den rumsliga koherensen som metasurfacen behöver för att rekonstruera skarpa hologram. Men forskarna påpekade att ett polariton‑ eller tunnfilmfilter också skulle kunna användas med OLED‑en eller metasurfacen för att bygga ett mer kompakt system.

När det gäller metasurfacen noterade teamet att deras system även kan fungera med andra typer av metasurfaces, vilket ger potential för massproduktion av dessa enheter och därmed underlättar deras användning för bildprojektion.

Även om kommersiell användning av enheten möter utmaningar när det gäller att minimera förluster, maximera ljusstyrka och optimera metasurface‑modulationens effektivitet, har teamet demonstrerat ett teknologiskt framsteg som tar ett kreativt tillvägagångssätt för att designa holistiska fotoniska system.

I kontrast till traditionella designer, där modulatorer och emitterare betraktas oberoende, använde teamet ett integrerat tillvägagångssätt med samtidig optimering av OLED‑ernas emissionsegenskaper och metasurfacens fas‑ och amplitudrespons.

Så, genom att kombinera fördelarna med organisk optoelektronik och nanofotonik har teamet skapat en ny standard för holografiska skärmar. De föreställer sig en framtid där färgfulla holografiska skärmar med ultrahög upplösning integreras direkt i transparenta fönster, tygbärbara enheter eller krökta ytor på fordon och arkitektoniska element.

Investera i holografiska OLEDs

Om vi nu tittar på ett företag som driver detta område, Corning Incorporated (GLW ) utmärker sig för att vara starkt involverat i avancerad displayteknik och material som är kritiska för OLED‑paneler och flexibla skärmar, och tillhandahåller infrastruktur för holografisk integration.

Det verkar genom några nyckelsegment, inklusive:

• Optisk kommunikation
• Displayteknik
• Specialmaterial
• Miljöteknik
• Livsvetenskaper

Primärt ett materialvetenskapsföretag, specialiserar Corning sig på optisk fiber, en typ av glas som överför ljus och spelar en integrerad roll i moderna telekommunikationsnätverk. Den används också i datacenter.

Corning producerar också ett brett sortiment av andra glas‑ och keramiska produkter. Noterbart är att företaget tillverkar Gorilla Glass, som används i iPhone‑skärmar och annan elektronik.

Tidigare i år meddelade Samsung Electronics att deras Galaxy S25 Edge kommer att ha Corning:s nya glas‑keramiska erbjudande kallat Gorilla Glass Ceramic 2, vilket ger avancerat skydd i en extremt tunn enhetsformfaktor. Den senaste produkten har kristaller inplanterade i glasmatrisen för att förstärka displayskyddets styrka.

“Galaxy S25 Edge kommer att sätta en ny standard för hantverk och prestanda som vår tunnaste Galaxy S‑serieenhet hittills,” sade Kwangjin Bae, EVP och chef för Mechanical R&D Team of MX på Samsung Electronics. “För att stödja denna banbrytande design var det avgörande att utveckla ett displaymaterial som både var exceptionellt tunt och pålitligt starkt – en utmaning som förde samman Corning och Samsung, förenade av en gemensam vision för målmedveten ingenjörskonst och användarcentrerad innovation. Den visionen är inbäddad i varje detalj av Galaxy S25 Edge.”

Med ett börsvärde på 67,4 miljarder dollar handlas GLW‑aktier för närvarande till 78,67 $, upp 65,6 % år till datum. Denna vecka nådde GLW ett 52‑veckors högsta värde på 78,81 $. Företaget har faktiskt haft en enorm uppgång under de senaste två åren.

Det har ett EPS (TTM) på 0,94 och ett P/E (TTM) på 83,55. Företaget erbjuder också sina aktieägare en utdelningsavkastning på 1,42 %.