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Los científicos toman prestada tecnología de paneles solares para crear una nueva pantalla OLED de ultra alta resolución

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Al ampliar los diseños existentes para electrodos de paneles solares ultradelgados, los investigadores y colaboradores de Stanford en Corea han desarrollado una nueva arquitectura para pantallas OLED (diodos emisores de luz orgánicos) que podrían habilitar televisores, teléfonos inteligentes y dispositivos de realidad virtual o aumentada con resoluciones de hasta 10,000 píxeles por pulgada (PPI). 
(A modo de comparación, las resoluciones de los nuevos teléfonos inteligentes son de alrededor de 400 a 500 PPI).

Estas pantallas de alta densidad de píxeles podrán proporcionar imágenes asombrosas con detalles realistas, algo que será aún más importante para las pantallas de auriculares diseñadas para ubicarse a solo centímetros de nuestras caras.

El avance se basa en una investigación del científico de materiales de la Universidad de Stanford, Mark Brongersma, en colaboración con el Instituto de Tecnología Avanzada de Samsung (SAIT). Brongersma se puso inicialmente en este camino de investigación porque quería crear un diseño de panel solar ultradelgado.

"Hemos aprovechado el hecho de que, en la nanoescala, la luz puede fluir alrededor de objetos como el agua", dijo Brongersma, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y autor principal del artículo de Science del 22 de octubre que detalla esta investigación. "El campo de la fotónica a nanoescala sigue trayendo nuevas sorpresas y ahora estamos empezando a impactar en tecnologías reales. Nuestros diseños funcionaron muy bien para  y ahora tenemos la oportunidad de impactar en las pantallas de próxima generación".

Además de tener una densidad de píxeles récord, las nuevas pantallas OLED "metafotónicas" también serían más brillantes y tendrían una mejor precisión de color que las versiones existentes, y también serían mucho más fáciles y rentables de producir.

Gemas ocultas

En el corazón de un OLED hay materiales orgánicos emisores de luz. Estos están intercalados entre electrodos altamente reflectantes y semitransparentes que permiten la inyección de corriente en el dispositivo. Cuando la electricidad fluye a través de un OLED, los emisores emiten  roja, verde o  . Cada píxel de una pantalla OLED se compone de subpíxeles más pequeños que producen estos colores primarios. Cuando la resolución es suficientemente alta, el ojo humano percibe los píxeles como un solo color. Los OLED son una tecnología atractiva porque son delgados, ligeros y flexibles y producen imágenes más brillantes y coloridas que otros tipos de pantallas.

Esta investigación tiene como objetivo ofrecer una alternativa a los dos tipos de pantallas OLED que están actualmente disponibles comercialmente. Un tipo, llamado OLED rojo-verde-azul, tiene subpíxeles individuales y cada uno contiene solo un color de emisor. Estos OLED se fabrican rociando cada capa de materiales a través de una fina malla metálica para controlar la composición de cada píxel. Sin embargo, solo se pueden producir a pequeña escala, como lo que se usaría para un teléfono inteligente.

Los dispositivos más grandes, como los televisores, emplean pantallas OLED blancas. Cada uno de estos subpíxeles contiene una pila de los tres emisores y luego se basa en filtros para determinar el color final del subpíxel, que es más sencillo de fabricar. Dado que los filtros reducen la salida general de luz, las pantallas OLED blancas consumen más energía y son más propensas a que las imágenes se quemen en la pantalla.

Las pantallas OLED estaban en la mente de Won-Jae Joo, un científico de SAIT, cuando visitó Stanford de 2016 a 2018. Durante ese tiempo, Joo escuchó una presentación del estudiante graduado de Stanford Majid Esfandyarpour sobre una tecnología de células solares ultradelgadas en la que estaba desarrollando El laboratorio de Brongersma y se dio cuenta de que tenía aplicaciones más allá de las energías renovables.

"Los temas de investigación del profesor Brongersma eran todos muy profundos académicamente y eran como gemas ocultas para mí como ingeniero e investigador de Samsung Electronics", dijo Joo, autor principal del artículo de Science.

Joo se acercó a Esfandyarpour después de la presentación con su idea, lo que condujo a una colaboración entre investigadores de Stanford, SAI y la Universidad de Hanyang en Corea.

"Fue muy emocionante ver que un problema en el que ya hemos pensado en un contexto diferente puede tener un impacto tan importante en las pantallas OLED", dijo Esfandyarpour.

Una base fundamental

La innovación crucial detrás del panel solar y el nuevo OLED es una capa base de metal reflectante con corrugaciones a nanoescala (más pequeñas que microscópicas), llamada metasuperficie óptica. La metasuperficie puede manipular las propiedades reflectantes de la luz y así permitir que los diferentes colores resuenen en los píxeles. Estas resonancias son clave para facilitar la extracción de luz efectiva de los OLED.

"Esto es similar a la forma en que  usan resonancias acústicas para producir tonos hermosos y fácilmente audibles", dijo Brongersma, quien realizó esta investigación como parte del Laboratorio Geballe de Materiales Avanzados en Stanford.

Por ejemplo, los emisores rojos tienen una longitud de onda de luz más larga que los emisores azules, lo que, en los OLED RGB convencionales, se traduce en subpíxeles de diferentes alturas. Para crear una pantalla plana en general, los materiales depositados sobre los emisores deben colocarse en espesores desiguales. Por el contrario, en los OLED propuestos, las corrugaciones de la capa base permiten que cada píxel tenga la misma altura y esto facilita un proceso más simple para la fabricación a gran escala y a microescala.

En pruebas de laboratorio, los investigadores produjeron con éxito píxeles de prueba de concepto en miniatura. En comparación con los OLED blancos con filtro de color (que se utilizan en los televisores OLED), estos píxeles tenían una mayor pureza de color y un aumento doble en la eficiencia de la luminiscencia, una medida de qué tan brillante es la pantalla en comparación con la cantidad de energía que usa. También permiten una densidad de  ultra alta de 10.000 píxeles por pulgada.

Samsung está siguiendo los siguientes pasos para integrar este trabajo en una pantalla de tamaño completo, y Brongersma espera ansiosamente los resultados, con la esperanza de estar entre las primeras personas en ver la  meta-OLED en acción.

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