拆开你的笔记本电脑屏幕，在它的中心你会发现一个由红色、绿色和蓝色 LED 像素图案排列的板，首尾相连，就像一个细致的 Lite Brite 显示屏。当电力供电时，LED一起可以产生彩虹中的每个阴影，以产生全彩显示。多年来，单个像素的尺寸已经缩小，使得更多的像素能够封装到设备中，以产生更清晰、更高分辨率的数字显示器。

但就像计算机晶体管一样，LED正在达到极限，它们可以有多小，同时也能有效地工作。这种限制在增强现实和虚拟现实设备等近距离显示器中尤其明显，其中有限的像素密度会导致“纱门效应”，从而使用户感知像素之间空间中的条纹。

现在，麻省理工学院的工程师们已经开发出一种制造更清晰、无缺陷显示器的新方法。该团队没有在水平拼凑中并排替换红色、绿色和蓝色发光二极管，而是发明了一种堆叠二极管以创建垂直、多色像素的方法。

每个堆叠像素可以生成完整的商业颜色范围，尺寸约为4微米宽。微观像素或“微型LED”可以封装到每英寸5，000像素的密度。

“这是最小的micro-LED像素，也是期刊报道的最高像素密度，”麻省理工学院机械工程副教授Jeehwan Kim说。“我们表明，垂直像素化是在更小的占地面积内实现更高分辨率显示器的方法。

“对于虚拟现实，现在它们看起来的真实程度是有限的，”Kim研究小组的博士后Jiho Shin补充道。“使用我们的垂直微型LED，您可以获得完全身临其境的体验，并且无法区分虚拟和现实。

该团队的结果发表在《自然》杂志上。Kim和Shin的共同作者包括Kim实验室的成员，麻省理工学院的研究人员，以及来自佐治亚理工学院欧洲，世宗大学以及美国，法国和韩国多所大学的合作者。

放置像素

当今的数字显示器通过有机发光二极管(OLED)点亮，OLED是响应电流发光的塑料二极管。OLED是领先的数字显示技术，但二极管会随着时间的推移而退化，导致屏幕上的永久性老化效果。该技术也达到了二极管可以缩小尺寸的极限，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，即由无机单晶半导体材料制成的二极管，其尺寸是传统LED的百分之一。微型LED可以比OLED表现更好，需要更少的能量，并且使用寿命更长。

但是micro-LED制造需要极高的精度，因为红色，绿色和蓝色的微观像素需要首先在晶圆上单独生长，然后精确地放置在板上，彼此精确对齐，以便正确反射和产生各种颜色和阴影。实现如此微观的精度是一项艰巨的任务，如果发现像素不合适，则需要报废整个设备。

“这种拾取和放置制造很可能会在非常小的范围内错位像素，”Kim说。“如果你有错位，你必须把材料扔掉，否则它可能会毁掉显示器。

颜色堆栈

麻省理工学院的团队提出了一种可能更少浪费的方法来制造不需要精确的逐像素对齐的微型LED。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的团队专门开发制造纯，超薄，高性能膜的技术，以期设计更小，更薄，更灵活和功能性的电子产品。该团队之前开发了一种方法，可以从硅晶片和其他表面生长和剥离完美的二维单晶材料 - 他们称之为基于2D材料的层转移或2DLT。

在目前的研究中，研究人员采用了相同的方法来生长红色，绿色和蓝色LED的超薄膜。然后，他们将整个LED膜从基晶圆上剥离出来，并将它们堆叠在一起，制成红色，绿色和蓝色膜的层蛋糕。然后，他们可以将蛋糕雕刻成微小的垂直像素图案，每个像素小至4微米宽。

“在传统显示器中，每个R，G和B像素都是横向排列的，这限制了你创建每个像素的尺寸，”Shin指出。“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，该团队制造了一个垂直LED像素，并表明通过改变施加到每个像素的红色，绿色和蓝色膜的电压，他们可以在单个像素中产生各种颜色。

“如果你的电流较高到红色，而较弱的电流到蓝色，像素就会显示为粉红色，依此类推，”Shin说。“我们能够创建所有混合颜色，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，他们已经证明它们可以刺激单个结构以产生全光谱的颜色。他们将致力于制造许多垂直微型LED像素的阵列。

“你需要一个系统来分别控制25万个LED，”Shin说。“在这里，我们只是部分证明了这一点。主动矩阵运算是我们需要进一步发展的东西。

“目前，我们已经向社区展示了我们可以种植、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，在这些显示器中，您需要高度密集的像素来制作生动，生动的图像。