拆開您的筆記本電腦屏幕，您會發現在它的中心有一個帶有紅色、綠色和藍色 LED 像素圖案的板，首尾相連的排列就像一個細致的 Lite Brite 顯示屏。當通電時，LED 一起可以產生彩虹中的每個陰影，從而產生全彩色顯示。多年來，單個像素的尺寸已經縮小，使得更多的像素能夠被封裝到設備中以產生更清晰、更高分辨率的數字顯示。

　　但是，就像計算機晶體管一樣，LED 正在達到它們在高效運行的同時可以有多小的極限。這種限制在增強現實和虛擬現實設備等近距離顯示中尤為明顯，其中有限的像素密度會導致“屏幕門效應”，從而使用戶在像素之間的空間中感知到條紋。

　　現在，麻省理工學院的工程師們已經開發出一種新方法來制作更清晰、無缺陷的顯示器。該團隊并沒有在水平拼湊中并排更換紅色、綠色和藍色發光二極管，而是發明了一種堆疊二極管以創建垂直、多色像素的方法。

　　每個堆疊像素都可以生成完整的商業顏色范圍，寬度約為 4 微米。微型像素或“微型 LED”可以封裝到每英寸 5，000 像素的密度。

　　“這是的微型 LED 像素，也是期刊中報道的像素密度，”麻省理工學院機械工程副教授 Jeehwan Kim 說。“我們表明，垂直像素化是在更小的空間內實現更高分辨率顯示的方式。”

　　“對于虛擬現實，現在它們看起來的真實程度是有限的，”Kim 研究小組的博士后 Jiho Shin 補充道。“使用我們的垂直微型 LED，您可以獲得完全身臨其境的體驗，并且無法區分虛擬與現實。”

　　該團隊的成果發表在《自然》雜志上。Kim 和 Shin 的合著者包括 Kim 實驗室的成員、麻省理工學院的研究人員，以及來自佐治亞理工學院歐洲分校、世宗大學以及美國、法國和韓國多所大學的合作者。

　　放置像素

　　今天的數字顯示器是通過有機發光二極管（OLED） 點亮的--有機發光二極管是一種響應電流而發光的塑料二極管。OLED 是的數字顯示技術，但二極管會隨著時間的推移而退化，從而導致屏幕老化。該技術也達到了二極管可縮小尺寸的極限，從而限制了它們的清晰度和分辨率。

　　對于下一代顯示技術，研究人員正在探索無機微型 LED--尺寸僅為傳統 LED 百分之一的二極管，由無機單晶半導體材料制成。與 OLED 相比，Micro-LED 性能更好、耗能更少且使用壽命更長。

　　但是微型 LED 制造需要極高的精度，因為紅色、綠色和藍色的微型像素需要首先在晶圓上單獨生長，然后地放置在板上，彼此對齊，以便正確反射和產生各種顏色和陰影。實現這種微觀精度是一項艱巨的任務，如果發現像素不合適，則需要報廢整個設備。

　　“這種拾取和放置制造很可能會在非常小的范圍內錯位像素，”Kim 說。“如果你有一個錯位，你必須扔掉那些材料，否則它會毀掉一個顯示器。”

　　顏色堆疊

　　麻省理工學院的團隊想出了一種可能減少浪費的方法來制造不需要的逐像素對齊的微型 LED。與傳統的水平像素排列相比，該技術是一種完全不同的垂直 LED 方法。

　　Kim 的團隊專注于開發制造純凈、超薄、高性能膜的技術，以期設計出更小、更薄、更靈活和更實用的電子產品。該團隊之前開發了一種方法，可以從硅晶圓和其他表面上生長和剝離完美的二維單晶材料--他們稱之為基于二維材料的層轉移或 2DLT 的方法。

　　在當前的研究中，研究人員采用相同的方法來生長紅色、綠色和藍色 LED 的超薄膜。然后，他們將整個 LED 薄膜從其基礎晶圓上剝離下來，并將它們堆疊在一起，制成由紅色、綠色和藍色薄膜組成的層蛋糕。然后他們可以將蛋糕雕刻成微小的垂直像素圖案，每個像素只有 4 微米寬。

　　“在傳統顯示器中，每個 R、G 和 B 像素都是橫向排列的，這限制了您可以創建的每個像素的大小，”Shin 指出。“因為我們垂直堆疊所有三個像素，理論上我們可以將像素面積減少三分之一。”

　　作為演示，該團隊制造了一個垂直 LED 像素，并展示了通過改變施加到每個像素的紅色、綠色和藍色膜上的電壓，他們可以在單個像素中產生各種顏色。

　　“如果你有更高的紅色電流和更弱的藍色電流，像素就會呈現粉紅色，等等，”Shin 說。“我們能夠創建所有混合顏色，我們的顯示器可以覆蓋接近可用的商業色彩空間。”

　　該團隊計劃改進垂直像素的操作。到目前為止，他們已經證明他們可以刺激一個單獨的結構來產生全光譜的顏色。他們將致力于制造許多垂直微型 LED 像素的陣列。

　　“你需要一個系統來分別控制 2500 萬個 LED，”Shin 說。“在這里，我們只是部分地證明了這一點。有源矩陣操作是我們需要進一步開發的東西。”

　　“目前，我們已經向社區展示了我們可以生長、剝離和堆疊超薄 LED，”Kim 說。“這是智能手表和虛擬現實設備等小型顯示器的解決方案，您需要高密度像素來制作生動、生動的圖像。”