Умные очки считаются революционной технологией, поскольку они могут проецировать цифровую информацию прямо в поле зрения человека. Однако их внедрение в повседневную жизнь пока не получило широкого распространения, в основном из-за того, что оборудование, необходимое для работы таких дисплеев, громоздкое и непрактичное. Серьезным препятствием является классическая оптика, которая предполагает, что уменьшение размера эффективных светоизлучающих пикселей до размеров, сопоставимых с длиной световой волны, невозможно.
Физики из Вюрцбургского университета имени Юлиуса и Максимилиана (Вюрцбургский университет) преодолели этот барьер. С помощью специально разработанных оптических антенн команда создала то, что они называют самым маленьким из когда-либо созданных пикселей. Исследовательская группа под руководством профессоров Йенса Пфлаума и Берта Хехта сообщила об этом достижении в журнале Science Advances.
Дисплей Full HD на площади в один квадратный миллиметр
«С помощью металлического контакта, который позволяет подавать ток в органический светоизлучающий диод, одновременно усиливая и излучая генерируемый свет, мы создали пиксель для оранжевого света размером всего 300 на 300 нанометров. Этот пиксель такой же яркий, как обычный OLED-пиксель с обычными размерами 5 на 5 микрометров», — говорит Берт Хехт, описывая ключевое открытие исследования.
Для сравнения: нанометр — это одна миллионная часть миллиметра. Пиксели размером 300 на 300 нанометров чрезвычайно малы. На самом деле проектор или дисплей с разрешением 1920 x 1080 пикселей может уместиться на площади всего в один квадратный миллиметр. Благодаря таким компактным размерам дисплей можно встроить прямо в дужки очков, направив проецируемый свет на линзы.
Технология OLED основана на использовании множества ультратонких органических слоев, расположенных между двумя электродами. При прохождении электрического тока электроны и дырки рекомбинируют внутри активного слоя. Этот процесс возбуждает органические молекулы, которые затем высвобождают энергию в виде световых квантов. Поскольку каждый пиксель излучает собственный свет, отдельная подсветка не требуется. Такая конструкция обеспечивает глубокий черный цвет, яркие цвета и энергоэффективность устройств дополненной и виртуальной реальности (AR и VR).
Почему так сложно уменьшить размер пикселей OLED-дисплеев?
Простое уменьшение размеров существующих OLED-дисплеев не работает на наноуровне. Команда из Вюрцбурга выяснила, что электрический ток не распространяется равномерно, когда структура становится очень маленькой. «Как и в случае с громоотводом, если просто уменьшить размер существующей OLED-концепции, то ток будет исходить в основном из углов антенны», — говорит Йенс Пфлаум, объясняя физические принципы, лежащие в основе устройства. Золотая антенна, используемая в устройстве, имеет форму куба размером 300 на 300 на 50 нанометров.
«Возникающие в результате электрические поля создают настолько сильное воздействие, что атомы золота, становясь подвижными, постепенно превращаются в оптически активный материал», — продолжает Пфлаум. Эти нитевидные наросты, называемые филаментами, будут расти до тех пор, пока не создадут короткое замыкание и не разрушат пиксель.
Изоляционный слой предотвращает короткие замыкания
Чтобы решить эту проблему, исследователи нанесли на оптическую антенну точно выверенный изолирующий слой. В этом слое осталось только круглое отверстие диаметром 200 нанометров в центре. Благодаря тому, что ток не проходит по краям и углам, конструкция обеспечивает стабильную и надёжную работу наносветодиода. В таких условиях образование нитей предотвращается. «Даже первые нанопиксели сохраняли стабильность в течение двух недель при обычных условиях», — говорит Берт Хехт, описывая полученный результат.
Следующая цель команды — повысить эффективность до уровня выше одного процента и расширить цветовую гамму, чтобы охватить весь спектр RGB. Достижение этих целей откроет путь к созданию нового поколения миниатюрных дисплеев «сделано в Вюрцбурге». В будущем дисплеи и проекторы на основе этой технологии могут стать настолько компактными, что их можно будет практически незаметно встраивать в носимые устройства — от оправ для очков до контактных линз.