Des ingénieurs inventent des LED microscopiques verticales en couleur

Démontez l’écran de votre ordinateur portable et vous trouverez en son cœur une plaque à motifs de pixels de LED rouges, vertes et bleues, disposées bout à bout comme un méticuleux écran Lite Brite. Lorsqu’elles sont alimentées électriquement, les LED peuvent produire ensemble toutes les nuances de l’arc-en-ciel pour générer des affichages en couleur. Au fil des ans, la taille des pixels individuels a diminué, permettant à beaucoup plus d’entre eux d’être intégrés dans des appareils pour produire des affichages numériques plus nets et à plus haute résolution.

Mais tout comme les transistors informatiques, les LED atteignent une limite à leur taille tout en étant efficaces. Cette limite est particulièrement visible dans les écrans à courte portée tels que les appareils de réalité augmentée et virtuelle, où une densité de pixels limitée entraîne un effet de porte d’écran tel que les utilisateurs perçoivent des rayures dans l’espace entre les pixels.

Maintenant, les ingénieurs du MIT ont développé une nouvelle façon de créer des écrans plus nets et sans défaut. Au lieu de remplacer les diodes électroluminescentes rouges, vertes et bleues côte à côte dans un patchwork horizontal, l’équipe a inventé un moyen d’empiler les diodes pour créer des pixels verticaux multicolores.

Chaque pixel empilé peut générer la gamme commerciale complète de couleurs et mesure environ 4 microns de large. Les pixels microscopiques, ou micro-LED, peuvent être emballés à une densité de 5 000 pixels par pouce.

Il s’agit du plus petit pixel micro-LED et de la densité de pixels la plus élevée rapportée dans les revues, déclare Jeehwan Kim, professeur agrégé de génie mécanique au MIT. Nous montrons que la pixellisation verticale est la voie à suivre pour des écrans à plus haute résolution dans un encombrement réduit.

Pour la réalité virtuelle, il y a actuellement une limite à leur apparence réelle, ajoute Jiho Shin, postdoctorant dans le groupe de recherche Kims. Avec nos micro-LED verticales, vous pourriez avoir une expérience complètement immersive et ne pourriez pas distinguer le virtuel de la réalité.

Les résultats des équipes sont publiés aujourd’hui dans la revue Nature. Les co-auteurs de Kim et Shins comprennent des membres du laboratoire Kims, des chercheurs du MIT et des collaborateurs de Georgia Tech Europe, de l’Université Sejong et de plusieurs universités aux États-Unis, en France et en Corée.

Placer des pixels

Les écrans numériques d’aujourd’hui sont éclairés par des diodes électroluminescentes organiques (OLED), des diodes en plastique qui émettent de la lumière en réponse à un courant électrique. Les OLED sont la principale technologie d’affichage numérique, mais les diodes peuvent se dégrader avec le temps, entraînant des effets permanents de rodage sur les écrans. La technologie atteint également une limite à la taille des diodes pouvant être réduites, limitant leur netteté et leur résolution.

Pour la technologie d’affichage de nouvelle génération, les chercheurs explorent des diodes micro-LED inorganiques qui font un centième de la taille des LED conventionnelles et sont fabriquées à partir de matériaux semi-conducteurs monocristallins inorganiques. Les micro-LED pourraient mieux fonctionner, nécessiter moins d’énergie et durer plus longtemps que les OLED.

Mais la fabrication de micro-LED nécessite une précision extrême, car les pixels microscopiques de rouge, de vert et de bleu doivent d’abord être cultivés séparément sur des plaquettes, puis placés avec précision sur une plaque, en alignement exact les uns avec les autres afin de refléter correctement et de produire différentes couleurs. et nuances. Atteindre une telle précision microscopique est une tâche difficile, et des appareils entiers doivent être mis au rebut si des pixels s’avèrent déplacés.

Cette fabrication de type pick-and-place est très susceptible de désaligner les pixels à très petite échelle, dit Kim. Si vous avez un désalignement, vous devez jeter ce matériau, sinon cela pourrait ruiner un affichage.

Pile de couleurs

L’équipe du MIT a trouvé un moyen potentiellement moins coûteux de fabriquer des micro-LED qui ne nécessitent pas d’alignement précis pixel par pixel. La technique est une approche LED verticale entièrement différente, contrairement à l’arrangement de pixels horizontal conventionnel.

Le groupe Kims est spécialisé dans le développement de techniques de fabrication de membranes pures, ultrafines et hautes performances, en vue de concevoir une électronique plus petite, plus fine, plus flexible et fonctionnelle. L’équipe a précédemment développé une méthode pour développer et décoller un matériau monocristallin bidimensionnel parfait à partir de tranches de silicium et d’autres surfaces, une approche qu’ils appellent le transfert de couche à base de matériau 2D, ou 2DLT.

Dans la présente étude, les chercheurs ont utilisé cette même approche pour développer des membranes ultrafines de LED rouges, vertes et bleues. Ils ont ensuite décollé les membranes LED entières de leurs tranches de base et les ont empilées pour créer un gâteau en couches de membranes rouges, vertes et bleues. Ils pourraient ensuite découper le gâteau en motifs de minuscules pixels verticaux, chacun aussi petit que 4 microns de large.

Dans les écrans conventionnels, chaque pixel R, G et B est disposé latéralement, ce qui limite la taille de chaque pixel, note Shin. Parce que nous empilons les trois pixels verticalement, en théorie, nous pourrions réduire la zone de pixels d’un tiers.

À titre de démonstration, l’équipe a fabriqué un pixel LED vertical et a montré qu’en modifiant la tension appliquée à chacune des membranes rouges, vertes et bleues des pixels, ils pouvaient produire différentes couleurs dans un seul pixel.

Si vous avez un courant plus élevé vers le rouge et plus faible vers le bleu, le pixel apparaîtra rose, et ainsi de suite, dit Shin. Nous avons pu créer toutes les couleurs mélangées, et notre écran peut couvrir près de l’espace colorimétrique commercial disponible.

L’équipe prévoit d’améliorer le fonctionnement des pixels verticaux. Jusqu’à présent, ils ont montré qu’ils pouvaient stimuler une structure individuelle pour produire le spectre complet des couleurs. Ils travailleront à la création d’un réseau de nombreux pixels micro-LED verticaux.

Vous avez besoin d’un système pour contrôler 25 millions de LED séparément, dit Shin. Ici, nous ne l’avons que partiellement démontré. L’opération de matrice active est quelque chose qu’il faut développer davantage.

Pour l’instant, nous avons montré à la communauté que nous pouvons faire pousser, décortiquer et empiler des LED ultra-minces, déclare Kim. C’est la solution ultime pour les petits écrans comme les montres intelligentes et les appareils de réalité virtuelle, où vous voudriez que des pixels hautement densifiés créent des images vivantes et éclatantes.

Cette recherche a été soutenue, en partie, par la US National Science Foundation, la US Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), le US Air Force Research Laboratory, le US Department of Energy, LG Electronics, Rohm Semiconductor, l’Agence nationale de la recherche française. , et la National Research Foundation en Corée.