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Desmonte a tela do seu laptop e, no centro, você encontrará uma placa padronizada com pixels de LEDs vermelhos, verdes e azuis, dispostos de ponta a ponta como uma meticulosa tela Lite Brite. Quando alimentados eletricamente, os LEDs juntos podem produzir todas as tonalidades do arco-íris para gerar telas coloridas. Ao longo dos anos, o tamanho de pixels individuais diminuiu, permitindo que muitos mais deles fossem colocados em dispositivos para produzir exibições digitais mais nítidas e de resolução mais alta.
Mas, assim como os transistores de computador, os LEDs estão atingindo um limite de quão pequenos podem ser enquanto funcionam de forma eficaz. Esse limite é especialmente perceptível em exibições de curto alcance, como dispositivos de realidade aumentada e virtual, onde a densidade limitada de pixels resulta em um “efeito de porta de tela” de modo que os usuários percebem listras no espaço entre os pixels.
Agora, os engenheiros do MIT desenvolveram uma nova maneira de fazer telas mais nítidas e sem defeitos. Em vez de substituir os diodos emissores de luz vermelho, verde e azul lado a lado em uma colcha de retalhos horizontal, a equipe inventou uma maneira de empilhar os diodos para criar pixels multicoloridos verticais.
Cada pixel empilhado pode gerar toda a gama comercial de cores e mede cerca de 4 mícrons de largura. Os pixels microscópicos, ou “micro-LEDs”, podem ser compactados em uma densidade de 5.000 pixels por polegada.
“Este é o menor pixel de micro-LED e a maior densidade de pixels relatada nas revistas”, diz Jeehwan Kim, professor associado de engenharia mecânica do MIT. “Mostramos que a pixelização vertical é o caminho a seguir para telas de alta resolução em um espaço menor.”
“Para a realidade virtual, agora há um limite para o quão real eles podem parecer”, acrescenta Jiho Shin, um pós-doutorando no grupo de pesquisa de Kim. “Com nossos micro-LEDs verticais, você pode ter uma experiência completamente imersiva e não conseguir distinguir o virtual da realidade.”
Os resultados da equipe são publicados na revista Natureza. Os co-autores de Kim e Shin incluem membros do laboratório de Kim, pesquisadores do MIT e colaboradores da Georgia Tech Europe, Sejong University e várias universidades nos EUA, França e Coréia.
Colocando pixels
Os monitores digitais de hoje são iluminados por diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs) – diodos de plástico que emitem luz em resposta a uma corrente elétrica. Os OLEDs são a principal tecnologia de exibição digital, mas os diodos podem se degradar com o tempo, resultando em efeitos permanentes de queima nas telas. A tecnologia também está atingindo um limite para o tamanho dos diodos que podem ser reduzidos, limitando sua nitidez e resolução.
Para a tecnologia de exibição de próxima geração, os pesquisadores estão explorando micro-LEDs inorgânicos – diodos que têm um centésimo do tamanho dos LEDs convencionais e são feitos de materiais semicondutores monocristalinos inorgânicos. Os micro-LEDs podem ter um desempenho melhor, requerem menos energia e duram mais do que os OLEDs.
Mas a fabricação de micro-LED requer extrema precisão, pois os pixels microscópicos de vermelho, verde e azul precisam primeiro ser cultivados separadamente em bolachas e, em seguida, colocados com precisão em uma placa, em alinhamento exato uns com os outros, a fim de refletir adequadamente e produzir várias cores. e sombras. Alcançar tal precisão microscópica é uma tarefa difícil, e dispositivos inteiros precisam ser descartados se os pixels estiverem fora do lugar.
“Essa fabricação de pick-and-place tem grande probabilidade de desalinhar os pixels em uma escala muito pequena”, diz Kim. “Se você tiver um desalinhamento, deve jogar fora esse material, caso contrário, pode estragar a exibição.”
Pilha de cores
A equipe do MIT criou uma maneira potencialmente menos dispendiosa de fabricar micro-LEDs que não requer alinhamento preciso pixel a pixel. A técnica é uma abordagem de LED vertical totalmente diferente, em contraste com o arranjo de pixel horizontal convencional.
O grupo de Kim é especializado no desenvolvimento de técnicas para fabricar membranas puras, ultrafinas e de alto desempenho, com vistas à engenharia de eletrônicos menores, mais finos, mais flexíveis e funcionais. A equipe desenvolveu anteriormente um método para crescer e descascar material bidimensional perfeito e monocristalino de pastilhas de silício e outras superfícies – uma abordagem que eles chamam de transferência de camada baseada em material 2D, ou 2DLT.
No estudo atual, os pesquisadores empregaram essa mesma abordagem para cultivar membranas ultrafinas de LEDs vermelhos, verdes e azuis. Eles então retiraram todas as membranas de LED de seus wafers de base e as empilharam para fazer um bolo de camada de membranas vermelhas, verdes e azuis. Eles poderiam então esculpir o bolo em padrões de minúsculos pixels verticais, cada um com apenas 4 mícrons de largura.
“Em exibições convencionais, cada pixel R, G e B é organizado lateralmente, o que limita o quão pequeno você pode criar cada pixel”, observa Shin. “Como estamos empilhando todos os três pixels verticalmente, em teoria poderíamos reduzir a área do pixel em um terço.”
Como demonstração, a equipe fabricou um pixel de LED vertical e mostrou que, alterando a voltagem aplicada a cada uma das membranas vermelha, verde e azul do pixel, eles poderiam produzir várias cores em um único pixel.
“Se você tiver uma corrente mais alta para o vermelho e mais fraca para o azul, o pixel aparecerá rosa e assim por diante”, diz Shin. “Somos capazes de criar todas as cores misturadas e nossa tela pode cobrir quase o espaço de cores comercial disponível.”
A equipe planeja melhorar o funcionamento dos pixels verticais. Até agora, eles mostraram que podem estimular uma estrutura individual para produzir todo o espectro de cores. Eles trabalharão para criar uma matriz de muitos pixels verticais de micro-LED.
“Você precisa de um sistema para controlar 25 milhões de LEDs separadamente”, diz Shin. “Aqui, demonstramos isso apenas parcialmente. A operação da matriz ativa é algo que precisaremos desenvolver ainda mais.”
“Por enquanto, mostramos à comunidade que podemos cultivar, descascar e empilhar LEDs ultrafinos”, diz Kim. “Esta é a solução definitiva para telas pequenas, como relógios inteligentes e dispositivos de realidade virtual, onde você deseja pixels altamente densificados para criar imagens vivas e vivas”.
Esta pesquisa foi apoiada em parte pela National Science Foundation, a Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa dos EUA (DARPA), o Laboratório de Pesquisa da Força Aérea, o Departamento de Energia, a LG Electronics, a Rohm Semiconductor, a Agência Nacional de Pesquisa Francesa e a Agência Nacional de Pesquisa Fundação na Coreia.
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