AC in plaats van DC ontgrendelt nano-LED’s voor VR-headsets en displays voor dichtbij de ogen

LED’s, of light-emitting diodes, zijn essentiële componenten in near-eye-displays zoals virtual reality en augmented reality-headsets en slimme brillen, samen met elektronica zoals camera’s en medische apparatuur.

Conventionele LED’s gebruiken gelijkstroom, waarvoor twee contacten nodig zijn, zoals de positieve en negatieve contacten om een ​​batterij aan te sluiten. Terwijl de vormfactoren van apparaten blijven krimpen, vereist het vervaardigen van nano-LED’s dat elk van de honderden microscopisch kleine componenten beide contacten raakt, wat een ingewikkeld uitlijningsprobleem oplevert voor fabrikanten van apparaten.

In Technische natuurkundebrieven, onderzoekers van de Universiteit van Nanjing gebruikten wisselstroom om een ​​LED-apparaat aan te drijven in plaats van gelijkstroom, waardoor de complexiteit van het vervaardigen van LED-apparaten op nanoschaal aanzienlijk werd verminderd.

“Het gebruik van AC was absoluut essentieel voor ons ontwerp”, zegt auteur Tao Tao. “Het stelde ons in staat een nieuw regime van LED-gedrag te verkennen.”

Naast het vereenvoudigen van het ontwerp door het gebruik van wisselstroom en slechts één contact, ontwikkelden de onderzoekers belangrijke verbeteringen tijdens het fabricageproces en de algehele prestaties van het apparaat.

“We wilden bewijzen dat een nano-LED met één contact, aangedreven door wisselstroom, effectief kan werken, maar we stopten niet bij een simpele demonstratie”, zei Tao. “We hebben het apparaat niet alleen gebouwd, maar ook het elektro-optische gedrag ervan geanalyseerd en een model ontwikkeld om de onderliggende mechanismen te verklaren.”

Door de wisselstroomfrequentie te regelen, testten de onderzoekers hoe het apparaat presteert op kwantumniveau, waar elektronen in fotonen veranderen en waar elektrische stroom in licht wordt omgezet.

“Het is net alsof je de knop op een wisselstroombron afstemt en de juiste frequentie voor de toepassing selecteert”, zei Tao. “Voor een weergave dichtbij de ogen kun je bijvoorbeeld een frequentie kiezen die hoog genoeg is zodat elke flikkering ver boven het bereik van het menselijk zicht ligt, maar je moet ook opletten voor dat verzadigingspunt waarbij elke cyclus te kort is om fotonen te genereren.”

Hun prototype werd vervaardigd door halfgeleidermaterialen in lagen te leggen en een etsproces te gebruiken om een ​​reeks van 300 nanometer dikke nanostaafjes op het oppervlak te creëren. Gladde, uniforme nanostaafjes zonder ruwe randen of defecten zorgen ervoor dat de kwantumefficiëntie van het apparaat, de vertaling van elektrische stroom naar licht, wordt verbeterd.

“Dit is waar het nanoformaat echt een game-changer is: je kunt de pixeldichtheden die vereist zijn voor de volgende generatie AR-brillen niet bereiken met traditionele LED-formaten,” zei Tao.

Hoewel hun analyse vooral relevant is voor displays die dichtbij de ogen staan, heeft deze ook toepassingen voor optische communicatie en biomedische apparaten.

“Er ligt zowel academisch als toegepast onderzoek in het verschiet”, zei Tao. “De potentiële winst is dat apparaten kleiner en efficiënter zijn en visuele ervaringen bieden die een sprong verder gaan dan wat we vandaag hebben.”