當(dāng)前，液晶顯示仍是電視、電腦顯示器中占據(jù)主導(dǎo)地位且最受歡迎的顯示技術(shù)，但未來(lái)其很難再實(shí)現(xiàn)大幅改進(jìn)。最近的一項(xiàng)新研究表明，實(shí)現(xiàn)微觀“隱形斗篷”的超構(gòu)表面（metasurface）技術(shù)有望催生下一代新型超薄顯示器，其厚度僅約為人類(lèi)頭發(fā)絲平均直徑的1/100，分辨率有望達(dá)到液晶顯示器（LCD）的10倍，但能耗則僅為L(zhǎng)CD的一半。
LCD技術(shù)依賴(lài)由背光持續(xù)照明的液晶單元。像素前后的偏振濾光器根據(jù)光波的極性或偏振方向過(guò)濾光波，液晶單元可以按照這些濾光器的方向旋轉(zhuǎn)，以打開(kāi)和關(guān)閉光傳輸。
科學(xué)家們正在探索實(shí)現(xiàn)下一代平板顯示的候選技術(shù)——超構(gòu)表面。超構(gòu)表面經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)具有自然界不常見(jiàn)的功能，例如，能夠以意想不到的方式彎曲光線。對(duì)超構(gòu)表面和其他超構(gòu)材料的研究已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了隱形斗篷，可以使物體隱身于光、聲、熱和其他類(lèi)型的波。
旨在操縱光波的光學(xué)超構(gòu)材料具有周期性的亞波長(zhǎng)圖案化結(jié)構(gòu)，其尺度小于其操縱的光波長(zhǎng)。然而，超構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)通常是靜態(tài)的。這對(duì)許多需要可變光學(xué)特性的應(yīng)用（例如顯示器）來(lái)說(shuō)是一個(gè)障礙。
此前，已有研究很多不同的方法來(lái)對(duì)超構(gòu)表面的特性進(jìn)行電調(diào)諧。然而，到目前為止，這些方法都無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)顯示器和激光雷達(dá)等應(yīng)用所需要的速度、大尺寸、透明度以及固態(tài)可調(diào)節(jié)性。
據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，在一項(xiàng)新的科學(xué)研究中，英國(guó)諾丁漢特倫特大學(xué)（Nottingham Trent University）的研究人員開(kāi)發(fā)出一種與標(biāo)準(zhǔn)CMOS生產(chǎn)工藝兼容的電調(diào)諧超構(gòu)表面。該研究依賴(lài)于硅的熱光效應(yīng)，即溫度的變化會(huì)顯著改變硅的光學(xué)特性。
用于原型顯示器的超構(gòu)表面像素比液晶單元更薄、分辨率更高、能耗更低
“我們的超構(gòu)表面像素與當(dāng)前的硅芯片制造技術(shù)兼容，這使其生產(chǎn)成本較低。”該研究共同作者、諾丁漢特倫特大學(xué)工程教授Mohsen Rahmani說(shuō)道。
這種新型全固態(tài)器件的核心由硅超構(gòu)表面組成，具體來(lái)說(shuō)，是一層155納米厚的薄膜，其中以精確陣列排列著78到101納米寬的孔。該超構(gòu)表面由透明導(dǎo)電的380納米厚氧化銦錫條封裝，氧化銦錫條可以用作電驅(qū)動(dòng)加熱器。
“超構(gòu)表面領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向是可重構(gòu)性。”紐約城市大學(xué)（City University of New York）研究生中心的電氣工程師Andrea Alù評(píng)價(jià)稱(chēng)，“這項(xiàng)新成果提供了一種快速、高效且緊湊的方式來(lái)調(diào)整超構(gòu)表面的響應(yīng)，推動(dòng)了該領(lǐng)域的發(fā)展。”
研究人員制作的四像素原型器件，可以在625微秒內(nèi)以低于5伏的電壓將其切換傳輸?shù)目梢?jiàn)光和近紅外光量提高九倍，在不考慮其他因素的情況下，這至少相當(dāng)于每秒1600幀。換句話說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)的幀速率可以達(dá)到當(dāng)前視頻幀速率的10倍以上。這項(xiàng)研究成果已發(fā)表于Light: Science & Applications期刊。
可尋址超構(gòu)表面像素
相比LCD，這種超構(gòu)表面顯示器有何優(yōu)勢(shì)？
科學(xué)家們指出，這種新方案的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是穩(wěn)定性。“硅納米結(jié)構(gòu)以其耐用性而聞名，這也是其仍然是微電子芯片行業(yè)最受歡迎材料的原因之一。”該研究共同作者、澳大利亞國(guó)立大學(xué)（Australian National University）物理學(xué)教授Dragomir Neshev說(shuō)，“我們?cè)趲讉€(gè)月內(nèi)多次運(yùn)行了原型樣品，沒(méi)有出現(xiàn)任何退化。”
Neshev表示，他們收到的關(guān)于這項(xiàng)研究的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是冷卻速度，“這仍然在人眼響應(yīng)的數(shù)量級(jí)內(nèi)。通過(guò)進(jìn)一步的工程設(shè)計(jì)，例如采用主動(dòng)冷卻方法，或在像素周?chē)褂每諝獠郏梢燥@著提高冷卻效果。”
研究人員表示，這種新型超構(gòu)表面可以取代LCD顯示器中的液晶層。同時(shí)，其不需要LCD中的偏振濾光器，而這耗費(fèi)了LCD顯示器中一半的光強(qiáng)度和能量。
Rahmani指出，目前的LCD生產(chǎn)線通過(guò)很少的改進(jìn)就可以用超構(gòu)表面像素取代液晶像素。整合這項(xiàng)技術(shù)，不需要對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行大額投資。
盡管超構(gòu)表面顯示器很有前景，但OLED顯示器是目前LCD最主要且有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，它也不需要液晶層。
OLED已經(jīng)在大約一半的智能手機(jī)中獲得應(yīng)用，電視中的應(yīng)用也終于開(kāi)始起飛，筆記本電腦中的普及率也在上升。LCD不會(huì)完全被替代，很可能仍然是大多數(shù)入門(mén)級(jí)到中端顯示器的首選技術(shù)，但LCD市場(chǎng)空間正在縮小。因此，盡管顯示器制造商計(jì)劃保留其LCD制造基礎(chǔ)設(shè)施，但大多已經(jīng)停止投資新的LCD制造廠。
Rahmani認(rèn)為OLED“價(jià)格昂貴，壽命短”，而硅的壽命相對(duì)較長(zhǎng)，所以硅超構(gòu)表面顯示器更穩(wěn)定。
然而，OLED在成本、性能和制造工藝方面進(jìn)展迅速。三星最近將一種用于電視和顯示器的新型OLED架構(gòu)商業(yè)化，將藍(lán)色OLED和量子點(diǎn)結(jié)合在一起，也就是“QD-OLED”。未來(lái)幾年，更高效的藍(lán)色OLED材料應(yīng)該會(huì)上市，有助于進(jìn)一步提高其亮度、延長(zhǎng)壽命并降低功耗。
此外，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，業(yè)界還在努力開(kāi)發(fā)microLED和電致發(fā)光量子點(diǎn)技術(shù)。因此，總體而言，顯示行業(yè)并沒(méi)有失去創(chuàng)新的動(dòng)力。
因此，為了打入顯示器市場(chǎng)，研究人員希望通過(guò)改進(jìn)電驅(qū)動(dòng)加熱器的尺寸、電輸入和冷卻方法來(lái)優(yōu)化他們的超構(gòu)表面顯示器。人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）技術(shù)也可以幫助設(shè)計(jì)更小、更薄、更高效的超構(gòu)表面顯示器。此外，更小的像素尺寸也是方向之一。
研究人員的目標(biāo)是在未來(lái)5年內(nèi)打造一款能夠生成圖像的大尺寸超構(gòu)表面顯示器原型。他們希望在未來(lái)10年內(nèi)將其技術(shù)集成到公眾可以使用的平板顯示器中。
回顧OLED的發(fā)展歷史，聚合物材料的電致發(fā)光是在50年代發(fā)現(xiàn)的，30多年后展示了第一款實(shí)用器件，第一款商業(yè)化顯示器則一直到21世紀(jì)初才得以進(jìn)入市場(chǎng)。而對(duì)microLED顯示器的研究始于21世紀(jì)初，預(yù)計(jì)在2025年之前還不會(huì)有大規(guī)模商業(yè)化的microLED顯示器上市。
鑒于LCD制造商在現(xiàn)有制造廠已經(jīng)累積投入了1000多億美元，顯示器制造商可能很樂(lè)意找到一種新技術(shù)，讓他們老舊的LCD制造廠重獲新生。研究人員應(yīng)該盡一切可能確保超構(gòu)表面顯示器與現(xiàn)有的LCD制造基礎(chǔ)設(shè)施兼容。
延伸閱讀：
《光學(xué)和射頻應(yīng)用的超構(gòu)材料-2022版》
《光學(xué)和射頻領(lǐng)域的超構(gòu)材料和超構(gòu)表面-2022版》
《MicroLED顯示技術(shù)、市場(chǎng)及機(jī)遇-2021版》
