به گزارش گروه علمی ایرنا از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، رقابت برای ساخت نسل آینده هدستهای واقعیت افزوده (Augmented Reality) و واقعیت مجازی (Virtual Reality) تنها به تولید نمایشگرهای روشنتر یا کممصرفتر محدود نمیشود. یکی از مهمترین چالشهای این حوزه، افزایش تراکم پیکسلها تا حدی است که چشم انسان دیگر نتواند ساختار شبکهای نمایشگر را تشخیص دهد. اکنون پژوهشگران با ارائه روشی تازه برای مونتاژ نانوالایدیها، گام مهمی در مسیر تحقق این هدف برداشتهاند.
در نمایشگرهای نزدیک به چشم، هر پیکسل کوچکترین واحد تولید تصویر به شمار میرود. هرچه ابعاد این پیکسلها بزرگتر باشد، ساختار شبکهای آنها برای کاربر قابل مشاهدهتر خواهد بود و تصویر، بهجای آنکه یکپارچه و طبیعی به نظر برسد، مجموعهای از نقاط نورانی مجزا دیده میشود. از آنجا که عدسیهای هدستهای واقعیت افزوده و واقعیت مجازی نمایشگر را در فاصله بسیار نزدیک به چشم قرار داده و آن را بزرگنمایی میکنند، این مشکل بیش از نمایشگرهای معمولی خود را نشان میدهد.
بر اساس برآورد پژوهشگران، برای حذف این شبکه قابل مشاهده، نمایشگرهای نسل آینده باید به تراکمی در حدود دو هزار پیکسل در هر اینچ یا حتی بیشتر دست یابند؛ تراکمی که چندین برابر بسیاری از نمایشگرهای پیشرفته تلفنهای هوشمند امروزی است. برای نمونه، نمایشگر گوشی آیفون ۱۶ پرو (iPhone ۱۶ Pro) دارای تراکم ۴۶۰ پیکسل در هر اینچ است.
رسیدن به چنین تراکمی تنها با کوچکتر کردن منابع نور امکانپذیر نیست. هرچه ابعاد منابع نوری کاهش یابد، دقت مورد نیاز برای قرار دادن هر نانوالایدی در محل تعیینشده نیز بهشدت افزایش پیدا میکند. کوچکترین خطا در جایگذاری میتواند عملکرد پیکسل را مختل کرده و کیفیت تصویر نهایی را کاهش دهد.
به همین دلیل، پژوهشگران در مطالعهای که نتایج آن در نشریه ادونسد فانکشنال متریالز (Advanced Functional Materials) منتشر شده است، روشی نوآورانه برای مونتاژ نانوالایدیها ارائه کردهاند.
در این پژوهش، از نانوالایدیهای آبی ساختهشده از نیترید گالیم (Gallium Nitride) و نیترید ایندیوم گالیم (Indium Gallium Nitride) استفاده شد. این منابع نوری که به شکل میلههای بسیار ریز ساخته شدهاند، پس از جداسازی از ویفر یاقوت کبود، وارد محلول استون شدند و به ذراتی معلق در مایع تبدیل شدند.
در ادامه، پژوهشگران با استفاده از میدانهای الکتریکی متناوب، این ذرات را به سمت محلهای از پیش تعیینشده هدایت کردند. این پدیده که «دیالکتروفورز» نام دارد، باعث میشود ذرات در نقاطی که تغییرات میدان الکتریکی بیشتر است، جذب شوند و همزمان جهتگیری آنها نیز اصلاح شود.
اما میدان الکتریکی بهتنهایی برای دستیابی به دقت مورد نیاز کافی نبود. به همین دلیل، پژوهشگران در سطح زیرلایه، چاهکهایی بسیار کوچک ایجاد کردند که هر یک تنها برای استقرار یک نانوالایدی طراحی شده بود. این چاهکها ضمن تغییر توزیع میدان الکتریکی، محل دقیقی را برای قرار گرفتن هر منبع نور فراهم کردند.
در طراحیهای قبلی، فضای بازتر موجب میشد نانوالایدیها جابهجا شوند، کج قرار بگیرند یا حتی بیش از یک ذره در یک محل جمع شود. اما در طراحی جدید، پس از ورود نخستین نانوالایدی به داخل چاهک، فضای کافی برای ورود ذره دوم باقی نمیماند و احتمال استقرار چندگانه به حداقل میرسید.
پژوهشگران همچنین دریافتند تنظیم دقیق شدت میدان الکتریکی، غلظت ذرات در محلول و ابعاد چاهکها نقش تعیینکنندهای در موفقیت این فرایند دارد. اگر میدان بیش از حد قوی باشد، احتمال ورود چند نانوالایدی به یک محل افزایش مییابد و اگر تعداد ذرات معلق بیش از اندازه باشد، آنها به یکدیگر متصل شده یا در محلهای اشغالشده تجمع پیدا میکنند.
پس از بهینهسازی این پارامترها، سامانه مونتاژ توانست به بازدهی متوسط ۹۹.۷۴ درصد روی زیرلایههایی با تراکم بیش از پنج هزار پیکسل در هر اینچ دست یابد. برای ارزیابی عملکرد این فناوری، بیش از ۸ میلیون و ۸۱۳ هزار محل نصب نانوالایدی بهطور خودکار مورد بررسی قرار گرفت که نشاندهنده یکنواختی بسیار بالای فرایند در سطحی وسیع است.
دقت جایگذاری نیز یکی دیگر از نقاط قوت این فناوری به شمار میرود. میانگین خطای مکانیابی تنها حدود ۰٫۰۶ میکرومتر گزارش شده و تقریباً تمامی نانوالایدیهای نصبشده، کمتر از ۰٫۵ میکرومتر با موقعیت ایدهآل خود اختلاف داشتهاند. چنین دقتی برای مرحله بعدی ساخت نمایشگر، یعنی ایجاد اتصالات الکتریکی، اهمیت حیاتی دارد.
پس از پایان مونتاژ، پژوهشگران لایهای شفاف از اکسید ایندیوم قلع (Indium Tin Oxide) را بهعنوان الکترود روی ساختار ایجاد کردند تا جریان الکتریکی به دو سر نانوالایدیها منتقل شود. اگر حتی یکی از این منابع نوری اندکی از محل اصلی خود منحرف شده باشد، اتصال الکتریکی ممکن است بهدرستی برقرار نشود یا بخش فعال تولید نور آسیب ببیند. نتایج نشان داد دقت بالای این روش از بروز چنین مشکلاتی جلوگیری کرده است.
در نهایت، پژوهشگران موفق شدند نمایشگری آبیرنگ شامل ۹۵۹ هزار و ۵۲۰ نانوالایدی را در ابعاد ۱۴ در ۱۵ میلیمتر مربع و با تراکم ۲ هزار و ۹۳۶ پیکسل در هر اینچ تولید کنند. این نمایشگر در آزمایشهای انجامشده، جریان نشتی بسیار پایین و تابش الکترولومینسانس آبی پایداری از خود نشان داد.
اگرچه این فناوری در حال حاضر تنها برای نور آبی به نمایش درآمده و برای تولید نمایشگرهای تمامرنگی هنوز باید راهکارهایی برای نور قرمز و سبز یا فناوریهای تبدیل رنگ توسعه یابد، اما پژوهشگران معتقدند این دستاورد یکی از مهمترین گامها در مسیر تولید نمایشگرهای فوقمتراکم آینده است. آنها تأکید میکنند که موفقیت اصلی این پژوهش، تنها ساخت نانوالایدیهای کوچکتر نیست، بلکه اثبات امکان مونتاژ دقیق، یکنواخت و انبوه این منابع نوری در مقیاسی است که بتوان از آنها در نمایشگرهای تجاری نسل آینده استفاده کرد.
