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Desmonte la pantalla de su computadora portátil y en su centro encontrará una placa con patrón de píxeles de LED rojos, verdes y azules, dispuestos de extremo a extremo como una meticulosa pantalla Lite Brite. Cuando se alimentan eléctricamente, los LED pueden producir todos los tonos del arcoíris juntos para generar pantallas a todo color. A lo largo de los años, el tamaño de los píxeles individuales ha disminuido, lo que ha permitido incorporar muchos más a los dispositivos para producir pantallas digitales más nítidas y de mayor resolución.
Pero al igual que los transistores de computadora, los LED alcanzan un límite en su tamaño sin dejar de ser eficientes. Esta limitación es particularmente notable en las pantallas de corto alcance, como los dispositivos de realidad virtual y aumentada, donde la densidad de píxeles limitada da como resultado un «efecto de puerta de pantalla» en el que los usuarios perciben rayones en el espacio entre las pantallas.
Ahora, los ingenieros del MIT han desarrollado una nueva forma de crear pantallas más nítidas e impecables. En lugar de reemplazar los LED rojos, verdes y azules uno al lado del otro en un mosaico horizontal, el equipo inventó una forma de apilar los diodos para crear píxeles verticales de varios colores.
Cada píxel apilado puede generar la gama comercial completa de colores y tiene aproximadamente 4 micrones de ancho. Los píxeles microscópicos, o «micro-LED», se pueden empaquetar a una densidad de 5000 píxeles por pulgada.
«Este es el píxel micro-LED más pequeño y la mayor densidad de píxeles reportada en las revisiones», dice Jeehwan Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. «Demostramos que la pixelación vertical es el camino a seguir para pantallas de mayor resolución en un espacio más pequeño».
«Para la realidad virtual, actualmente hay un límite en lo reales que se ven», agrega Jiho Shin, becario postdoctoral en el grupo de investigación de Kim. «Con nuestros micro-LED verticales, podría tener una experiencia completamente inmersiva y no podría distinguir lo virtual de lo real».
Los hallazgos del equipo se publican hoy en la revista Naturaleza. Los coautores de Kim y Shin incluyen miembros del laboratorio de Kim, investigadores del MIT y colaboradores de Georgia Tech Europe, la Universidad Sejong y varias universidades en los Estados Unidos, Francia y Corea.
Colocar píxeles
Las pantallas digitales actuales están iluminadas por diodos orgánicos emisores de luz (OLED), diodos de plástico que emiten luz en respuesta a una corriente eléctrica. Los OLED son la principal tecnología de visualización digital, pero los diodos pueden degradarse con el tiempo, causando efectos de quemado permanentes en las pantallas. La tecnología también está llegando a un límite en el tamaño de los diodos que se pueden encoger, limitando su nitidez y resolución.
Para la tecnología de visualización de próxima generación, los investigadores están explorando los micro-LED inorgánicos, diodos que tienen una centésima parte del tamaño de los LED convencionales y están hechos de materiales semiconductores monocristalinos inorgánicos. Los micro-LED podrían funcionar mejor, requerir menos energía y durar más que los OLED.
Pero la fabricación de micro-LED requiere una precisión milimétrica, porque los píxeles microscópicos de rojo, verde y azul primero deben crecer por separado en obleas, luego colocarse con precisión en una placa, en alineación exacta entre sí para que se reflejen correctamente y produzcan. Colores diferentes. y sombras Lograr tal precisión microscópica es una tarea difícil, y los dispositivos completos deben desecharse si se descubre que los píxeles están fuera de lugar.
«Esta fabricación de recoger y colocar es muy susceptible a la desalineación de píxeles a escalas muy pequeñas», dice Kim. «Si tiene una desalineación, debe desechar este material, de lo contrario, podría arruinar una pantalla».
pila de colores
El equipo del MIT encontró una forma potencialmente menos costosa de fabricar micro-LED que no requieren una alineación precisa píxel por píxel. La técnica es un enfoque de LED vertical completamente diferente, a diferencia de la disposición de píxeles horizontales convencional.
El grupo de Kim se especializa en el desarrollo de técnicas para fabricar membranas puras, ultradelgadas y de alto rendimiento para diseñar componentes electrónicos más pequeños, delgados, flexibles y funcionales. El equipo desarrolló previamente un método para hacer crecer y pelar material monocristalino bidimensional perfecto a partir de obleas de silicio y otras superficies, un enfoque que llaman Transferencia de capa basada en material 2D, o 2DLT.
En el estudio actual, los investigadores utilizaron este mismo enfoque para desarrollar membranas ultrafinas de LED rojos, verdes y azules. Luego, despegaron las membranas LED completas de sus rebanadas base y las apilaron para crear una torta de capas de membranas rojas, verdes y azules. Luego podrían cortar el pastel en patrones de pequeños píxeles verticales, cada uno tan pequeño como 4 micrones de ancho.
«En las pantallas convencionales, cada píxel R, G y B está dispuesto lateralmente, lo que limita el tamaño de cada píxel», señala Shin. «Debido a que apilamos los tres píxeles verticalmente, en teoría podríamos reducir el área de píxeles en un tercio».
Como demostración, el equipo fabricó un píxel LED vertical y demostró que al cambiar el voltaje aplicado a cada una de las membranas roja, verde y azul del píxel, podían producir diferentes colores en un solo píxel.
«Si tienes una corriente más alta hacia el rojo y una más baja hacia el azul, el píxel aparecerá rosado y así sucesivamente», explica Shin. «Podemos crear todos los colores mezclados y nuestra pantalla puede cubrir casi el espacio de color comercial disponible».
El equipo planea mejorar el funcionamiento de los píxeles verticales. Hasta ahora han demostrado que pueden estimular una estructura individual para producir el espectro de colores completo. Trabajarán en la creación de una matriz de muchos píxeles micro-LED verticales.
“Se necesita un sistema para controlar 25 millones de LED por separado”, dice Shin. “Aquí solo lo hemos demostrado parcialmente. La operación de matriz activa es algo que necesitaremos desarrollar más.
«Hasta ahora, le hemos mostrado a la comunidad que podemos cultivar, pelar y apilar LED ultradelgados», dice Kim. «Es la solución definitiva para pantallas pequeñas como relojes inteligentes y dispositivos de realidad virtual, donde desea píxeles altamente densificados para crear imágenes vívidas y vibrantes».
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU. (DARPA), el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de EE. UU., el Departamento de Energía de EE. UU., LG Electronics, Rohm Semiconductor, la Agencia Nacional de Investigación Francesa. y la Fundación Nacional de Investigación de Corea.
