堆叠LED而不是并排放置可以实现完全身临其境的虚拟现实显示器

垂直堆叠的全彩色μLED，由2DLT启用

拆开你的笔记本电脑屏幕，你会发现它的核心是一块由红色、绿色和蓝色LED像素组成的平板，端对端排列，就像一个细致的Lite Brite显示屏。当通电时，LED一起可以产生彩虹中的每一个阴影，从而产生全彩显示器。多年来，单个像素的尺寸已经缩小，使得更多的像素可以被封装到设备中，以生产更清晰、更高分辨率的数字显示器。

但与计算机晶体管一样，LED在发挥有效性能的同时，也达到了其体积小的极限。这种限制在近距离显示器（如增强型和虚拟现实设备）中尤其明显，在近距离显示中，有限的像素密度会导致“屏幕门效应”，从而用户可以感知像素之间的条纹。

现在，麻省理工学院的工程师们已经开发出一种新的方法来制造更清晰、无缺陷的显示器。该团队发明了一种堆叠二极管的方法，以创建垂直的多色像素，而不是在水平拼接中并排替换红色、绿色和蓝色发光二极管。

每个堆叠的像素可以产生全商业范围的颜色，宽度约为4微米。微型像素或“微型LED”的密度可以达到每英寸5000像素。

麻省理工学院机械工程副教授Jeehwan Kim表示：“这是最小的微型LED像素，也是期刊上报道的最高像素密度。”。“我们表明，垂直像素化是以更小的占地面积实现更高分辨率显示器的方法。”

“对于虚拟现实来说，现在它们看起来的真实程度是有限的，”金研究小组的博士后Jiho Shin补充道。“使用我们的垂直微型LED，您可以获得完全沉浸式的体验，而且无法区分虚拟与现实。”

今天的数字显示器是通过有机发光二极管（OLED）来发光的，OLED是一种塑料二极管，可以响应电流发光。OLED是领先的数字显示技术，但随着时间的推移，二极管会退化，导致屏幕永久老化。这项技术也达到了二极管缩小的极限，限制了它们的清晰度和分辨率。

对于下一代显示技术，研究人员正在探索无机微型LED二极管，其尺寸是传统LED的百分之一，由无机单晶半导体材料制成。微型LED可以比OLED表现更好，需要更少的能量，使用时间更长。

但微型LED制造需要极高的精度，因为红色、绿色和蓝色的微型像素需要首先在晶片上单独生长，然后精确地放置在板上，彼此精确对齐，以便正确反射并产生各种颜色和色调。实现这样的微观精度是一项艰巨的任务，如果发现像素不在适当位置，则需要报废整个设备。

“这种拾取和放置的制造很可能会在很小的范围内使像素错位，”Kim说。“如果你有错位，你必须扔掉这些材料，否则可能会毁了一场展览。”

麻省理工学院的团队提出了一种潜在的更少浪费的方法来制造微型LED，这种方法不需要精确的逐像素对准。与传统的水平像素排列相比，该技术是一种完全不同的垂直LED方法。

Kim的团队致力于开发制造纯、超薄、高性能薄膜的技术，以期设计出更小、更薄、更灵活、更实用的电子产品。该团队先前开发了一种从硅晶片和其他表面生长和剥离完美的二维单晶材料的方法，他们称之为基于二维材料的层转移（2DLT）。

在目前的研究中，研究人员采用了同样的方法来生长红色、绿色和蓝色LED的超薄膜。然后，他们将整个LED膜从基片上剥离，并将它们堆叠在一起，形成一层由红色、绿色和蓝色膜组成的蛋糕。然后，他们可以将蛋糕切成微小的垂直像素图案，每个像素的宽度只有4微米。

Shin指出：“在传统显示器中，每个R、G和B像素都是横向排列的，这限制了您可以创建每个像素的大小。”。“因为我们垂直堆叠所有三个像素，理论上我们可以将像素面积减少三分之一。”

作为演示，该团队制作了一个垂直LED像素，并表明通过改变施加到每个像素的红、绿和蓝膜的电压，它们可以在单个像素中产生各种颜色。

Shin说：“如果红色的电流更高，而蓝色的电流更弱，像素就会呈现粉 红色，以此类推。”。“我们能够创造所有的混合颜色，我们的显示器可以覆盖接近可用的商业色彩空间。”

该团队计划改进垂直像素的操作。到目前为止，他们已经表明，他们可以刺 激一个单独的结构，产生全光谱的颜色。他们将致力于制作一个由许多垂直微型LED像素组成的阵列。

“你需要一个单独控制2500万个LED的系统，”Shin说。“在这里，我们只是部分证明了这一点。有源矩阵运算是我们需要进一步发展的。”

“目前，我们已经向社区展示了我们可以生长、剥离和堆叠超薄LED，”Kim说。“这是智能手表和虚拟现实设备等小型显示器的终极解决方案，在这些设备中，您需要高密度像素来生成生动、生动的图像。”