رسیدن به تراکم پیکسلی ۱۰ هزار ppi حاصل پژوهش یکی از دانشمندان علم مواد در دانشگاه استنفورد به نام “مارک برانگرزما” (Mark Brongersma) است که در نتیجه همکاری او با “مؤسسه پیشرفته تکنولوژی سامسونگ” یا SAIT به دست آمده است. برانگرزما در ابتدا با هدف ایجاد پنل‌های خورشیدی فوق نازک وارد این پژوهش شد.
مارک برانگرزما، استاد مهندسی مواد در دانشگاه استنفورد، با انتشار مقاله‌ای در مجله معتبر Science به تاریخ ۲۲ اکتبر (۱ آبان)، به تشریح پژوهش خود پرداخت. وی می‌گوید: «ما از این حقیقت بهره گرفته‌ایم که در مقیاس نانو، نور می‌تواند همانند آب به دور اجسام شناور شود. شاخه فوتونیک در مقیاس نانو، همواره آبستن شگفتی‌های جدیدی بوده و هم‌اکنون ما تأثیرگذاری بر تکنولوژی‌های واقعی را آغاز کرده‌ایم. طراحی‌های ما برای سلول‌های خورشیدی خیلی خوب جواب داد و حالا این فرصت را داریم تا بر نسل آینده نمایشگرها تأثیرگذار باشیم.»
نمایشگرهای اولدِ “فرافوتونی” یا metaphotonic، ضمن اینکه رکورد جدیدی را در زمینه تراکم پیکسلی ثبت می‌کنند، در مقایسه با ورژن‌های کنونی روشن‌تر بوده و دقت رنگ بالاتری دارند. به علاوه، تولید این نمایشگرها آسان‌تر و کم‌هزینه‌تر خواهد بود.
جواهرهای پنهان
در قلب یک نمایشگر OLED، مواد ارگانیک گسیل‌دهنده نور قرار دارد. این مواد از بالا و پایین بین الکترودهای به شدت صیقلی و نیمه‌شفاف قرار گرفته‌اند که امکان تزریق جریان به دیوایس را فراهم می‌کنند. با جریان یافتن الکتریسیته به درون OLED، گسیل‌دهنده‌ها نور قرمز، سبز یا آبی از خود ساطع می‌کنند. تک‌تک پیکسل‌ها در یک نمایشگر OLED، از زیرپیکسل‌های کوچک‌تری تشکیل شده‌اند که این رنگ‌های اصلی را تولید می‌کنند. زمانی که رزولوشن به اندازه کافی بالا باشد، این پیکسل‌ها برای چشم انسان در قالب یک رنگ مشاهده می‌شوند. OLEDها تکنولوژی جذابی هستند زیرا نازک، سبک و انعطاف‌پذیر بوده و در مقایسه با انواع دیگر نمایشگر، تصاویر روشن‌تر و رنگارنگ‌تری را تولید می‌کنند.
در مجموع دو نوع نمایشگر OLED داریم و این پژوهش قصد دارد جایگزینی برای این دو نوع ارائه کند. نوع اول – که به آن OLED قرمز-سبز-آبی (RGB) می‌گویند – زیرپیکسل‌های تکی دارد که هر کدام از آنها تنها یک رنگ از گسیل‌دهنده را در بر دارد. پروسه تولید این OLEDها با اسپری کردن هر لایه از مواد از میان یک توری فلزی ریز انجام می‌شود تا بدین‌وسیله ترکیب هر پیکسل کنترل شود. البته لازم به ذکر است این نوع OLEDها تنها می‌توانند در مقیاس کوچک تولید شوند، مثل نمایشگری که در اسمارت‌فون‌ها استفاده می‌شود.
اما نوع دوم OLEDها – که OLED سفید نام دارد – در دیوایس‌های بزرگ‌تری مثل تلویزیون‌ها به کار می‌روند. در این نوع از OLEDها، هر زیرپیکسل شامل مجموعه‌ای از هر ۳ گسیل‌دهنده بوده و برای تعیین رنگِ زیرپیکسل نهایی از فیلتر استفاده می‌شود. به این ترتیب، ساخت این نوع OLEDها ساده‌تر خواهد بود. از آنجا که فیلترها خروجی نور را کاهش می‌دهند، نمایشگرهای OLED سفید، پرمصرف‌ترند.
زمانی که وون-جائه جو (Won-Jae Joo)، از دانشمندان SAIT (انستیتو فناوری پیشرفته سامسونگ)، بین سال‌های ۲۰۱۶ تا ۲۰۱۸ از دانشگاه استنفورد بازدید می‌کرد، ایده‌هایی درباره نمایشگرهای OLED در ذهن داشت. در آن زمان، جو پای سخنرانی یکی از فارغ‌التحصیلان دانشگاه استنفورد به نام مجید اسفندیارپور درباره تکنولوژی فوق‌نازک سلول‌های خورشیدی نشست. اسفندیارپور در حال توسعه این سلول‌ها در آزمایشگاه برانگرزما بود و متوجه شد این سلول‌ها علاوه بر تولید انرژی تجدیدپذیر از خورشید، کاربردهای دیگری نیز دارند.
پس از اتمام سخنرانی اسفندیارپور، جو با ایده‌ای که در ذهن داشت به او نزدیک شد و این امر موجب شکل گرفتن همکاری بین پژوهشگران استنفورد، SAIT و دانشگاه Hanyang در کره جنوبی شد. به گفته اسفندیارپور، خیلی جالب است که مسأله‌ای که تا پیش از این در یک زمینه متفاوت به آن فکر می‌شد، بتواند چنین تأثیر مهمی روی نمایشگرهای OLED داشته باشد. جو، که یکی از مؤلفین اصلی مقاله‌ای‌ست که در مجله Science منتشر شده، می‌گوید: «موضوع‌های پژوهشی برانگرزما همگی از لحاظ آکادمیک بسیار ژرف و بنیادی بوده و برای من به عنوان یک مهندس و پژوهشگر در سامسونگ الکترونیکس، مثل جواهرهایی پنهان بود.»
یک مبنای اساسی
نوآوری اصلی که در پس پنل‌های خورشیدی و نمایشگر OLED جدید وجود دارد، یک لایه پایه از فلز صیقلی با چین‌خوردگی‌هایی بسیار کوچک در مقیاس نانو (کوچک‌تر از مقیاس میکروسکوپی) است. این لایه، “فراسطح نوری” (optical metasurface) نامیده می‌شود. این فراسطح می‌تواند با دستکاری خواص انعکاسیِ نور، امکان تشدید رنگ‌های مختلف در پیکسل‌ها را فراهم کند. این تشدیدها در تسهیل استخراج مؤثر نور از OLEDها، نقش مهمی دارند.
به گفته برانگرزما، این درست شبیه پروسه‌ای‌ست که در آن آلات موسیقی با استفاده از طنین‌های آکوستیک، الحان زیبایی را تولید می‌کنند که به‌راحتی قابل شنیدن هستند.
به عنوان مثال، گسیل‌دهنده‌های قرمز در مقایسه با گسیل‌دهنده‌های آبی، طول موج بیشتری داشته و این امر در OLEDهای RGB به معنای زیرپیکسل‌هایی با ارتفاع‌های مختلف است. لذا، برای آنکه نمایشگر سطحی تخت داشته باشد، موادی که در بالای گسیل‌دهنده‌ها انباشته شده، بایستی در ضخامت‌های نامساوی روی هم قرار بگیرند. در مقابل، در این OLED جدید، چین‌خوردگی‌های موجود در لایه پایه، باعث می‌شود که هر پیکسل دارای ارتفاع یکسانی باشد و همین امر، پروسه تولید نمایشگر (چه در مقیاس بزرگ و چه در مقیاس کوچک) را ساده‌تر می‌کند.
لازم به ذکر است، پژوهشگران در تست‌های آزمایشگاهی موفق به تولید پیکسل‌های مینیاتوری (از نوع اثبات مفهوم یا proof-of-concept) شدند. در مقایسه با OLEDهای سفید (دارای فیلترهای رنگی) – که در حال حاضر در تلویزیون‌های OLED به کار می‌روند – این پیکسل‌های جدید از خلوص رنگ بالاتری برخوردار بوده و بازدهی درخشندگی آنها تا دو برابر افزایش یافته است. منظور از بازدهی درخشندگی، درجه روشنایی نمایشگر در قبال میزان مصرف آن است.
همان‌طور که قبلا هم گفته شد، در هر اینچ از نمایشگری که از این پیکسل‌ها درست شود، حدود ۱۰ هزار پیکسل قرار می‌گیرد. تراکم ۱۰ هزار پیکسل در اینچ می‌تواند تصاویری خیره‌کننده با جزییاتی در حد دنیای واقعی را به دست دهد. این ویژگی‌ها، چنین نمایشگری را به گزینه‌ای مناسب برای استفاده در هدست‌های واقعیت مجازی و واقعیت افزوده مبدل می‌کند که تنها چند سانتی‌متر با صورت فاصله دارند. ناگفته نماند، این نمایشگر فعلا در آزمایشگاه ساخته شده و قدم بعدی، تولید تجاری آن است که از سوی شرکت سامسونگ پیگیری می‌شود.
شاید خیال کنید رسیدن به تراکمی بالاتر از ۱۰ هزار ppi غیرممکن باشد، اما شبیه‌سازی‌های این تیم پژوهشی نشان می‌دهد که از لحاظ نظری، حداکثر تراکمی که برای یک نمایشگر می‌توان تصور کرد، ۲۰ هزار پیکسل در اینچ است. البته برای رسیدن به چنین تراکمی یک چالش جدی بر سر راه پژوهشگران قرار دارد: ایجاد توازن در روشنایی، زمانی که ابعاد پیکسل به کمتر از ۱ میکرون کاهش می‌یابد.
ناگفته نماند، برخی گروه‌های پژوهشی دیگر نیز اقدام به توسعه نمایشگرهایی کرده‌اند که گفته می‌شود تراکم آنها بین ۱۰ هزار تا ۳۰ هزار پیکسل متغیر است. از جمله این نمایشگرها – که به لطف تکنولوژی میکرو-ال‌ای‌دی طراحی شده‌اند – می‌توان به Jade Bird Display در چین و VueReal در کانادا اشاره کرد. البته برانگرزما مدعی شده که نمایشگر آنها خلوص رنگی بالاتری دارد.
