Desmonte la pantalla de su computadora portátil y en su centro encontrará una placa estampada con píxeles de LED rojos, verdes y azules, dispuestos de extremo a extremo como una meticulosa pantalla Lite Brite. Cuando se alimentan eléctricamente, los LED juntos pueden producir todos los tonos del arcoíris para generar pantallas a todo color. A lo largo de los años, el tamaño de los píxeles individuales se ha reducido, lo que permite empaquetar muchos más en dispositivos para producir pantallas digitales más nítidas y de mayor resolución.

Pero al igual que los transistores de computadora, los LED están llegando al límite de lo pequeños que pueden ser y al mismo tiempo funcionan de manera efectiva. Este límite es especialmente notable en pantallas de corto alcance, como 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 rayas en el espacio entre los píxeles.

Ahora, los ingenieros del MIT han desarrollado una nueva forma de hacer pantallas más nítidas y sin defectos. En lugar de reemplazar los diodos emisores de luz rojo, verde y azul uno al lado del otro en un mosaico horizontal, el equipo ha inventado una forma de apilar los diodos para crear píxeles multicolores verticales.

Cada píxel apilado puede generar la gama comercial completa de colores y mide unas 4 micras de ancho. Los píxeles microscópicos, o « micro-LED », se pueden empaquetar hasta una densidad de 5000 píxeles por pulgada.

« Este es el píxel micro-LED más pequeño y la densidad de píxeles más alta reportada en las revistas », 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, en este momento hay un límite en lo reales que pueden parecer », agrega Jiho Shin, un postdoctorado en el grupo de investigación de Kim. « Con nuestros micro-LED verticales, podría tener una experiencia completamente inmersiva y no sería capaz de distinguir lo virtual de la realidad ».

Los resultados del equipo se publican en la revista Nature. Los coautores de Kim y Shin incluyen miembros del laboratorio de Kim, investigadores del MIT y colaboradores de Georgia Tech Europe, la Universidad de Sejong y varias universidades de EE. UU. Francia y Corea.

Colocación de píxeles

Las pantallas digitales de hoy en día se iluminan a través de diodos orgánicos emisores de luz (OLED), diodos de plástico que emiten luz en respuesta a una corriente eléctrica. Los OLED son la tecnología de visualización digital líder, pero los diodos pueden degradarse con el tiempo, lo que da como resultado efectos de quemado permanentes en las pantallas. La tecnología también está llegando a un límite en el tamaño que se pueden encoger los diodos, lo que limita 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 extrema, ya que los píxeles microscópicos de rojo, verde y azul primero deben crecer por separado en obleas y luego colocarse con precisión en una placa, en alineación exacta entre sí para reflejar correctamente y producir varios colores. 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.

« Es muy probable que esta fabricación de recoger y colocar desalinee los píxeles en una escala muy pequeña », dice Kim. « Si tiene una desalineación, debe tirar ese material, de lo contrario podría arruinar una pantalla ».

pila de colores

El equipo del MIT ha ideado una forma potencialmente menos derrochadora de fabricar micro-LED que no requiere una alineación precisa píxel por píxel. La técnica es un enfoque de LED vertical completamente diferente, en contraste con la disposición de píxeles horizontal convencional.

El grupo de Kim se especializa en el desarrollo de técnicas para fabricar membranas puras, ultradelgadas y de alto rendimiento, con miras a diseñar dispositivos electrónicos más pequeños, más delgados, más flexibles y funcionales. El equipo desarrolló previamente un método para hacer crecer y pelar material perfecto, bidimensional y monocristalino 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 emplearon este mismo enfoque para hacer crecer membranas ultrafinas de LED rojos, verdes y azules. Luego, despegaron todas las membranas de LED de sus obleas base y las apilaron para formar una torta de capas de membranas rojas, verdes y azules. Luego podrían tallar 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 estamos apilando 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 alterar el voltaje aplicado a cada una de las membranas roja, verde y azul del píxel, podían producir varios colores en un solo píxel.

« Si tienes una corriente más alta hacia el rojo y más débil hacia el azul, el píxel aparecerá rosado, y así sucesivamente », dice Shin. « Podemos crear todos los colores mezclados y nuestra pantalla puede cubrir casi el espacio de color comercial que está 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 completo de colores. Trabajarán para crear 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 ».

« Por ahora, le hemos demostrado a la comunidad que podemos cultivar, pelar y apilar LED ultradelgados », dice Kim. « Esta es la solución definitiva para pantallas pequeñas como relojes inteligentes y dispositivos de realidad virtual, en los que desearía píxeles altamente densificados para crear imágenes vívidas y vívidas ».

Esta investigación fue financiada en parte por la Fundación Nacional de Ciencias, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU. (DARPA), el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea, el Departamento de Energía, LG Electronics, Rohm Semiconductor, la Agencia Nacional de Investigación de Francia y el Instituto Nacional de Investigación. Fundación en Corea.