Kiedy myślimy o okularach AR, zwykle wyobrażamy sobie nieporęczne urządzenia przypominające gogle. Tymczasem nowa technologia może pozwolić na stworzenie tak kompaktowych i lekkich soczewek, że będą praktycznie nieodróżnialne od zwykłych okularów korekcyjnych. To przybliża nas do wizji znanych z powieści SF, gdzie wyświetlacze stają się niemal niewidoczną częścią codziennych akcesoriów.
Czytaj też: Ekrany przyszłości. Naukowcy drukują w pełni recyklingowalną elektronikę
Zespół z Julius-Maximilians-Universität Würzburg opracował struktury, które biją wszelkie rekordy miniaturyzacji. Stworzyli najmniejsze piksele na świecie o wymiarach zaledwie 300 x 300 nm. Dla porównania, standardowe piksele OLED mają rozmiary około 5 x 5 mikrometrów, co oznacza, że niemiecki wynalazek jest ponad szesnaście razy mniejszy. Szczegóły opisano w Science Advances.
Jak małe są najmniejsze piksele na świecie?
Te nanopiksele emitują pomarańczowe światło i osiągają luminancję na poziomie 3000 kandeli na m2, co jest wartością porównywalną z wyświetlaczami współczesnych smartfonów. Technologia łączy organiczne diody elektroluminescencyjne ze specjalną anteną optyczną wykonaną ze złota. Ta nietypowa kombinacja nie tylko umożliwia precyzyjne wstrzykiwanie prądu do diody, ale również wzmacnia i kieruje generowane światło w kontrolowany sposób. Można to porównać do miniaturowego systemu optycznego, który działa z zaskakującą efektywnością.
Czytaj też: Rewolucyjny implant oka. Mikroekran, który przywraca wzrok bez przeszczepu rogówki
Potencjał tej innowacji jest naprawdę imponujący. Wyświetlacz o rozdzielczości Full HD mógłby teoretycznie zmieścić się na powierzchni 1 mm2. Oznacza to gęstość pikseli przekraczającą 10 tys. na cal, co stanowiłoby absolutny rekord w dziedzinie miniaturyzacji wyświetlaczy.
Droga do sukcesu nie była jednak usłana różami. Głównym problemem okazało się nierównomierne rozprowadzanie prądu w tak drobnych strukturach. Podobnie jak w przypadku piorunochronu, energia elektryczna koncentrowała się głównie na krawędziach i rogach anteny, tworząc niebezpieczne punkty o ekstremalnie wysokim natężeniu pola elektrycznego.
Te intensywne pola generowały siły na tyle potężne, że powodowały migrację atomów złota z elektrody do organicznego materiału. Powstawały tzw. filamenty, czyli nitkowate struktury z przemieszczonych atomów, które szybko niszczyły cały piksel i uniemożliwiały jego poprawne funkcjonowanie.
Przełomem okazało się opracowanie specjalnej warstwy izolacyjnej pokrywającej całą antenę z wyjątkiem małego, okrągłego otworu o średnicy 200 nm w samym centrum. Ta warstwa pasywująca skutecznie blokuje przepływ prądu z problematycznych krawędzi, kierując go wyłącznie przez kontrolowaną nanoaperturę.
Efekty są więcej niż zadowalające – 91 proc. wyprodukowanych nanoprzełączy wykazuje stabilność przeciwko tworzeniu się filamentów. Urządzenia zachowują pełną funkcjonalność przez co najmniej 2 tygodnie w warunkach otoczenia, co potwierdza trwałość całej konstrukcji i stabilność interfejsów pomiędzy metalem a materiałem organicznym.
Nanopiksele charakteryzują się również szybkimi czasami reakcji – czas narastania wynosi 50 mikrosekund, a opadania 100 mikrosekund. Te parametry znacznie przekraczają standardowe częstotliwości odświeżania wideo, co czyni je odpowiednimi nawet do najbardziej wymagających zastosowań związanych z płynnym wyświetlaniem obrazu.
Najbardziej obiecującym kierunkiem rozwoju wydają się inteligentne okulary wyświetlające informacje bezpośrednio w polu widzenia użytkownika. Dzięki ekstremalnej miniaturyzacji możliwe stanie się stworzenie urządzeń AR praktycznie nieodróżnialnych od zwykłych okularów korekcyjnych.
Technologia otwiera również drogę do rozwoju innych urządzeń noszonych – od inteligentnych zegarków z wyświetlaczami o niespotykanej dotąd rozdzielczości, po futurystyczne soczewki kontaktowe z wbudowanymi mikrowyświetlaczami. Obecnie technologia ma jednak swoje ograniczenia, o których warto wspomnieć. Wydajność kwantowa wynosi zaledwie 1 proc., co oznacza, że tylko jeden procent energii elektrycznej przekształca się w światło. Nanopiksele emitują obecnie jedynie pomarańczowe światło, co ogranicza ich zastosowanie do wyświetlaczy monochromatycznych.
Naukowcy już pracują nad rozwiązaniem tych problemów. Planują zwiększenie wydajności poprzez optymalizację konstrukcji anteny i stosów organicznych materiałów. Równolegle rozwijają technologię w kierunku pełnego spektrum RGB, co umożliwi tworzenie kolorowych wyświetlaczy.