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May 27, 2023

Ultradünne Metasurface-Displays nehmen das LCD ins Visier

Derzeit sind LCD-Bildschirme die dominierende und beliebteste Anzeigetechnologie für

Derzeit sind LCD-Bildschirme die dominierende und beliebteste Anzeigetechnologie für Fernseher und Monitore, es ist jedoch unwahrscheinlich, dass sie in Zukunft wesentlich besser werden. Jetzt kommt eine neue Studie zu dem Ergebnis, dass die Art von Physik, die mikroskopisch kleine „Unsichtbarkeitsmäntel“ ermöglicht, zu „Metaoberflächen“-Displays der nächsten Generation führen könnte, die etwa 1/100 der Dicke eines durchschnittlichen menschlichen Haares haben, eine zehnfache Auflösung bieten und halb so viel verbrauchen könnten Energie wie LCD-Bildschirme.

Die LCD-Technologie basiert auf Flüssigkristallzellen, die ständig von einer Hintergrundbeleuchtung beleuchtet werden. Polarisatoren vor und hinter den Pixeln filtern Lichtwellen basierend auf ihrer Polarität oder der Richtung, in der sie schwingen, und die Flüssigkristallzellen können sich entsprechend der Ausrichtung dieser Filter drehen, um die Lichtübertragung ein- und auszuschalten.

Bei LCD-Bildschirmen gibt es weiterhin Fortschritte durch die Verbesserung der Flüssigkristalle, der Anzeigetechnologie oder der Hintergrundbeleuchtung. „Allerdings sind Verbesserungen bei LCD-Technologien mittlerweile meist nur noch inkrementell“, sagt Eric Virey, leitender Display-Analyst beim Marktforschungsunternehmen Yole Intelligence in Lyon, Frankreich.

Der Prototyp eines Vier-Pixel-Geräts kann seine Lichtdurchlässigkeit mit weniger als 5 Volt in nur 625 Mikrosekunden umschalten – was mehr als 1.000 Bildern pro Sekunde entsprechen würde.

Eine Möglichkeit, die Wissenschaftler für Flachbildschirme der nächsten Generation erforschen, sind Metaoberflächen, die so konstruiert sind, dass sie Eigenschaften besitzen, die in der Natur normalerweise nicht zu finden sind, wie etwa die Fähigkeit, Licht auf unerwartete Weise zu biegen. Forschungen zu Metaoberflächen und anderen Metamaterialien haben unter anderem zu Unsichtbarkeitsmänteln geführt, die Objekte vor Licht, Schall, Hitze und anderen Arten von Wellen verbergen können.

Optische Metamaterialien, die dazu dienen, Licht zu manipulieren, enthalten Strukturen mit sich wiederholenden Mustern in Maßstäben, die kleiner sind als die Wellenlängen des Lichts, die sie beeinflussen. Ihre Strukturen sind jedoch typischerweise statisch. Dies ist ein Hindernis für viele Anwendungen, die veränderbare optische Eigenschaften erfordern, wie beispielsweise Displays.

Frühere Forschungen haben verschiedene Möglichkeiten untersucht, die Eigenschaften von Metaoberflächen elektrisch abzustimmen. Bisher konnte jedoch keiner dieser Ansätze gleichzeitig eine schnelle, große, transparente Festkörperverstellbarkeit ermöglichen, die für den Einsatz in Displays und Lidars erforderlich ist.

In einer neuen Studie experimentierten Forscher jedoch mit elektrisch abstimmbaren Metaoberflächen, die mit Standard-CMOS-Produktionstechniken kompatibel sind. Diese beruhen auf dem großen thermooptischen Effekt von Silizium – das heißt, eine Temperaturänderung kann die optischen Eigenschaften von Silizium erheblich verändern.

„Unsere Metaoberflächenpixel sind mit aktuellen Technologien zur Herstellung von Siliziumchips kompatibel, was die Produktionskosten niedrig hält“, sagt der Co-Seniorautor der Studie, Mohsen Rahmani, Professor für Ingenieurwissenschaften an der Nottingham Trent University in England.

Der Kern des neuen Festkörpergeräts besteht aus einer Silizium-Metaoberfläche – genauer gesagt einem 155 Nanometer dicken Film mit 78 bis 101 nm breiten Löchern, die in einer präzisen Anordnung darin angeordnet sind. Diese Metaoberfläche ist von transparenten, elektrisch leitenden 380 Nanometer dicken Indium-Zinn-Oxid-Streifen umgeben, die als elektrisch betriebene Heizgeräte dienen können.

„Eine der wichtigen Richtungen im Bereich der Metaoberflächen ist die Notwendigkeit der Rekonfigurierbarkeit“, sagt Elektroingenieurin Andrea Alù vom Graduate Center der City University of New York, die nicht an dieser Forschung beteiligt war. Diese neue Arbeit „ermöglicht eine schnelle, effiziente und kompakte Möglichkeit, die Reaktion von Metaoberflächen abzustimmen, was das Gebiet voranbringt.“

„Für die Integration dieser Technologie sind keine nennenswerten Investitionen in völlig neue Produktionslinien erforderlich.“ —Mohsen Rahmani, Nottingham Trent University

Der Prototyp eines Vier-Pixel-Geräts kann die Menge an sichtbarem und nahinfrarotem Licht, die es durchlässt, mit weniger als 5 Volt in nur 625 Mikrosekunden um das Neunfache umschalten – was, wenn man zumindest andere Faktoren nicht berücksichtigt, einer Bildrate von 1.600 Bildern pro Sekunde entsprechen würde. Mit anderen Worten: Die Technologie hat eine Bildrate, die mehr als zehnmal so hoch ist wie die heutiger Videos. Die Forscher erläuterten ihre Ergebnisse online am 22. Februar in der Zeitschrift Light: Science & Applications.

„Ich finde diese Arbeit ziemlich bemerkenswert, insbesondere die Fähigkeit, den Zustand der Metaoberfläche dynamisch zu verändern, und das mit so hoher Geschwindigkeit“, sagt Virey, der nicht an der neuen Studie teilgenommen hat. „Es zeigt, dass es viele noch unerforschte potenzielle Anwendungen und Eigenschaften von Metaoberflächen gibt und wir wahrscheinlich nur an der Oberfläche kratzen.“

Die Wissenschaftler stellen fest, dass ein wesentlicher Vorteil dieses neuen Ansatzes die Stabilität ist. „Silizium-Nanostrukturen sind für ihre Haltbarkeit bekannt, was einer der Gründe dafür ist, dass sie immer noch das beliebteste Material in der Mikrochip-Industrie sind“, sagt Studienleiter Dragomir Neshev, Professor für Physik an der Australian National University in Canberra. „Wir haben unsere Prototypenmuster über mehrere Monate hinweg viele Male getestet und konnten keine Verschlechterung feststellen.“

Eine häufige Frage, die den Wissenschaftlern im Zusammenhang mit ihrer Arbeit gestellt wird, ist die Geschwindigkeit der Abkühlung, „die immer noch in der Größenordnung der Reaktion des menschlichen Auges liegt“, sagt Neshev. Er stellt fest: „Man kann den Kühleffekt durch weitere technische Maßnahmen deutlich steigern, beispielsweise durch den Einsatz aktiver Kühlmethoden oder die Verwendung von Luftrillen um die Pixel.“

Die Forscher sagen, dass die neuen Metaoberflächen die Flüssigkristallschicht in LCD-Displays ersetzen können. Gleichzeitig bräuchten sie im Gegensatz zu Flüssigkristallen keine Polarisatoren, die für die Hälfte der verschwendeten Lichtintensität und des Energieverbrauchs dieser Displays verantwortlich sind.

„Langfristig gibt es auch viele Anstrengungen im Bereich microLED-Technologien und elektrolumineszierender Quantenpunkte. Insgesamt geht der Display-Industrie also nicht die Kraft für Innovationen aus.“ – Eric Virey, Yole Intelligence

Aktuelle Produktionslinien für LCD-Displays können mit minimalen Modifikationen aktualisiert werden, um Flüssigkristallpixel durch Metaoberflächenpixel zu ersetzen, bemerkt Rahmani. „Um diese Technologie zu integrieren, sind keine nennenswerten Investitionen in völlig neue Produktionslinien erforderlich“, sagt er.

So vielversprechend Metasurface-Displays auch sind, Virey warnt davor, dass organische LED-Displays (OLED), die derzeit die Hauptkonkurrenten von LCDs sind, starke Konkurrenten sind und keine Flüssigkristallschichten benötigen.

„OLEDs werden bereits in etwa der Hälfte der Smartphones verwendet“, sagt Virey. „Die Akzeptanz im Fernsehen nimmt endlich Fahrt auf, ebenso wie die Akzeptanz bei Notebooks. LCD wird nicht verschwinden und wahrscheinlich die Technologie der Wahl für den Großteil der Einsteiger- bis Mittelklasse-Displays bleiben, aber ihr Platz wird immer kleiner. Das hat zur Folge.“ Während sie planen, ihre LCD-Fertigungsinfrastruktur beizubehalten, haben die meisten Display-Hersteller aufgehört, in neue LCD-Fabriken zu investieren.

Rahmani argumentiert, dass OLEDs „teuer und eine kurze Lebensdauer haben“, sagt Rahmani. Silizium hat eine relativ lange Lebensdauer, stellen die Forscher fest.

Allerdings machen „OLEDs hinsichtlich Kosten, Leistung und Herstellungsverfahren rasante Fortschritte“, stellt Virey fest. „Samsung hat kürzlich eine neue OLED-Architektur für Fernseher und Monitore kommerzialisiert, die blaue OLED und Quantenpunkte, auch bekannt als ‚QD-OLED‘, kombiniert.“ Effizientere blaue OLED-Materialien sollten in den nächsten Jahren auf den Markt kommen und dazu beitragen, die Helligkeit zu verbessern, die Lebensdauer zu verlängern und den Stromverbrauch zu senken.“

Darüber hinaus „gibt es längerfristig auch große Anstrengungen zu microLED-Technologien und elektrolumineszierenden QDs“, sagt Virey. „Insgesamt geht der Innovationskraft der Display-Industrie also nicht die Kraft aus.“

In der Hoffnung, in den Display-Markt vorzudringen, hoffen die Forscher nun, ihr Gerät zu optimieren, indem sie an den Abmessungen der Heizung, der elektrischen Leistungsaufnahme und den Kühlansätzen herumbasteln. Sie fügen hinzu, dass künstliche Intelligenz und Techniken des maschinellen Lernens auch dabei helfen könnten, kleinere, dünnere und effizientere Metasurface-Displays zu entwerfen. Alù von der City University of New York weist darauf hin, dass auch kleinere Pixelgrößen wünschenswert sind.

Ziel der Wissenschaftler ist es, innerhalb der nächsten fünf Jahre einen großformatigen Prototyp zu bauen, der Bilder erzeugen kann. Sie hoffen, ihre Technologie innerhalb der nächsten 10 Jahre in Flachbildschirme zu integrieren, die der Öffentlichkeit zugänglich sind.

Für Virey macht ein solcher Zeitplan Sinn. „Rückblickend auf OLEDs: Die Elektrolumineszenz von Polymermaterialien wurde in den 50er Jahren entdeckt, das erste praktische Gerät wurde mehr als 30 Jahre später vorgestellt und die ersten kommerziellen Displays kamen erst Anfang der 2000er Jahre auf den Markt“, sagt Virey. „Die Forschung an microLED-Displays begann in den frühen 2000er Jahren und wir gehen nicht davon aus, dass wir vor 2025 die ersten großvolumigen kommerziellen Geräte haben werden.“

Angesichts der Tatsache, dass LCD-Hersteller mehr als 100 Milliarden US-Dollar für aktuelle Fabriken ausgegeben haben, „könnten Display-Hersteller froh sein, eine neue Technologie zu finden, die ihren alternden LCD-Fabriken ein zweites Leben geben könnte“, sagt Virey. „Die Forscher sollten alle Anstrengungen unternehmen, um sicherzustellen, dass es so kompatibel wie möglich mit der bestehenden LCD-Herstellungsinfrastruktur ist. Kann der gleiche Dünnschichttransistorprozess verwendet werden? Kann man die Technologie mit minimalen Änderungen und Investitionen in eine bestehende LCD-Fabrik integrieren?“

Dieser Artikel erscheint in der Printausgabe vom Mai 2023 mit dem Titel „Metasurface Displays Target the LCD.“