当前,液晶显示仍是电视、电脑显示器中占据主导地位且最受欢迎的显示技术,但未来其很难再实现大幅改进。最近的一项新研究表明,实现微观“隐形斗篷”的超构表面(metasurface)技术有望催生下一代新型超薄显示器,其厚度仅约为人类头发丝平均直径的1/100,分辨率有望达到液晶显示器(LCD)的10倍,但能耗则仅为LCD的一半。
LCD技术依赖由背光持续照明的液晶单元。像素前后的偏振滤光器根据光波的极性或偏振方向过滤光波,液晶单元可以按照这些滤光器的方向旋转,以打开和关闭光传输。
科学家们正在探索实现下一代平板显示的候选技术——超构表面。超构表面经过设计具有自然界不常见的功能,例如,能够以意想不到的方式弯曲光线。对超构表面和其他超构材料的研究已经实现了隐形斗篷,可以使物体隐身于光、声、热和其他类型的波。
旨在操纵光波的光学超构材料具有周期性的亚波长图案化结构,其尺度小于其操纵的光波长。然而,超构表面的结构通常是静态的。这对许多需要可变光学特性的应用(例如显示器)来说是一个障碍。
此前,已有研究很多不同的方法来对超构表面的特性进行电调谐。然而,到目前为止,这些方法都无法同时实现显示器和激光雷达等应用所需要的速度、大尺寸、透明度以及固态可调节性。
据麦姆斯咨询报道,在一项新的科学研究中,英国诺丁汉特伦特大学(Nottingham Trent University)的研究人员开发出一种与标准CMOS生产工艺兼容的电调谐超构表面。该研究依赖于硅的热光效应,即温度的变化会显著改变硅的光学特性。
用于原型显示器的超构表面像素比液晶单元更薄、分辨率更高、能耗更低
“我们的超构表面像素与当前的硅芯片制造技术兼容,这使其生产成本较低。”该研究共同作者、诺丁汉特伦特大学工程教授Mohsen Rahmani说道。
这种新型全固态器件的核心由硅超构表面组成,具体来说,是一层155纳米厚的薄膜,其中以精确阵列排列着78到101纳米宽的孔。该超构表面由透明导电的380纳米厚氧化铟锡条封装,氧化铟锡条可以用作电驱动加热器。
“超构表面领域的一个重要研究方向是可重构性。”纽约城市大学(City University of New York)研究生中心的电气工程师Andrea Alù评价称,“这项新成果提供了一种快速、高效且紧凑的方式来调整超构表面的响应,推动了该领域的发展。”
研究人员制作的四像素原型器件,可以在625微秒内以低于5伏的电压将其切换传输的可见光和近红外光量提高九倍,在不考虑其他因素的情况下,这至少相当于每秒1600帧。换句话说,这项技术的帧速率可以达到当前视频帧速率的10倍以上。这项研究成果已发表于Light: Science & Applications期刊。
可寻址超构表面像素
相比LCD,这种超构表面显示器有何优势?
科学家们指出,这种新方案的一个关键优势是稳定性。“硅纳米结构以其耐用性而闻名,这也是其仍然是微电子芯片行业最受欢迎材料的原因之一。”该研究共同作者、澳大利亚国立大学(Australian National University)物理学教授Dragomir Neshev说,“我们在几个月内多次运行了原型样品,没有出现任何退化。”
Neshev表示,他们收到的关于这项研究的一个常见问题是冷却速度,“这仍然在人眼响应的数量级内。通过进一步的工程设计,例如采用主动冷却方法,或在像素周围使用空气槽,可以显著提高冷却效果。”
研究人员表示,这种新型超构表面可以取代LCD显示器中的液晶层。同时,其不需要LCD中的偏振滤光器,而这耗费了LCD显示器中一半的光强度和能量。
Rahmani指出,目前的LCD生产线通过很少的改进就可以用超构表面像素取代液晶像素。整合这项技术,不需要对生产线进行大额投资。
尽管超构表面显示器很有前景,但OLED显示器是目前LCD最主要且有力的竞争对手,它也不需要液晶层。
OLED已经在大约一半的智能手机中获得应用,电视中的应用也终于开始起飞,笔记本电脑中的普及率也在上升。LCD不会完全被替代,很可能仍然是大多数入门级到中端显示器的首选技术,但LCD市场空间正在缩小。因此,尽管显示器制造商计划保留其LCD制造基础设施,但大多已经停止投资新的LCD制造厂。
Rahmani认为OLED“价格昂贵,寿命短”,而硅的寿命相对较长,所以硅超构表面显示器更稳定。
然而,OLED在成本、性能和制造工艺方面进展迅速。三星最近将一种用于电视和显示器的新型OLED架构商业化,将蓝色OLED和量子点结合在一起,也就是“QD-OLED”。未来几年,更高效的蓝色OLED材料应该会上市,有助于进一步提高其亮度、延长寿命并降低功耗。
此外,从长远来看,业界还在努力开发microLED和电致发光量子点技术。因此,总体而言,显示行业并没有失去创新的动力。
因此,为了打入显示器市场,研究人员希望通过改进电驱动加热器的尺寸、电输入和冷却方法来优化他们的超构表面显示器。人工智能(AI)和机器学习(ML)技术也可以帮助设计更小、更薄、更高效的超构表面显示器。此外,更小的像素尺寸也是方向之一。
研究人员的目标是在未来5年内打造一款能够生成图像的大尺寸超构表面显示器原型。他们希望在未来10年内将其技术集成到公众可以使用的平板显示器中。
回顾OLED的发展历史,聚合物材料的电致发光是在50年代发现的,30多年后展示了第一款实用器件,第一款商业化显示器则一直到21世纪初才得以进入市场。而对microLED显示器的研究始于21世纪初,预计在2025年之前还不会有大规模商业化的microLED显示器上市。
鉴于LCD制造商在现有制造厂已经累积投入了1000多亿美元,显示器制造商可能很乐意找到一种新技术,让他们老旧的LCD制造厂重获新生。研究人员应该尽一切可能确保超构表面显示器与现有的LCD制造基础设施兼容。
审核编辑:刘清
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原文标题:超薄的超构表面显示器替代液晶显示器(LCD)?
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