Van televisie, naar smartphone, naar VR-bril: schermen bevatten steeds kleinere LEDs. Maar nu zijn ze zo klein dat er nauwelijks nog licht uitkomt. Verdere verbetering is tóch mogelijk, dankzij computerchips met lasers erop.
Toen ik jong was ging ik af en toe wel eens – ondanks protesten van mijn ouders – dichtbij de televisie zitten. Van heel dichtbij kon ik zien dat het beeld niet scherp meer was en dat je de verschillende lichtbronnen kon tellen: rood, groen en blauw, herhalend in een patroon. Tegenwoordig is dat veel moeilijker – probeer maar eens de lichtbronnen te tellen van het scherm waarop je dit leest. De lichtbronnen bij de modernste schermen zijn zo klein, dat je letterlijk met je oog op het scherm moet zitten vooraleer het beeld van slechte kwaliteit wordt. En daar knelt nu net het schoentje: we wíllen net met ons oog op het scherm zitten!
Door de jaren heen slagen we erin om steeds kleinere lichtbronnen te maken, en daarmee ook schermen met hogere resolutie. Deze vooruitgang is allemaal gestoeld op dezelfde technologie, die van de ‘light emitting diode’ of LED. Deze lichtbronnen worden tegenwoordig overal gebruikt, in verlichting, schermen en allerhande elektronica. Je kan LEDs beschouwen als een simpele lamp: licht wordt uitgestuurd in alle richtingen. We kunnen LEDs op computerchips produceren, waardoor het mogelijk is ze heel klein te maken – denk een duizendste van een centimeter. Als je schermen maakt die maar enkele centimeters groot zijn met duizenden LEDs op, krijg je wat men de micro-LED scherm noemt, zoals in de VR-bril. Maar kleinere en kleinere LEDs botsen op de limiet waar er maar heel weinig licht uitkomt. Bovendien sturen LEDs veel kleurentinten tegelijkertijd uit. Dit maakt het onmogelijk om heel pure kleuren te maken met LED schermen.
Beter dan een LED scherm
Lasers versterken, verscherpen en richten licht, in tegenstelling tot LEDs. Zelfs een heel kleine laser – kleiner dan een LED die nog amper licht uitstuurt – kan intens en scherp licht richtten naar het oog. Ze lossen dus de beperkingen van LEDs op: de versterking van het licht zorgt voor heel heldere lichtbronnen, en aangezien ze gericht licht uitsturen werken ze veel efficiënter.
Om een laser te maken, zijn twee bouwblokken nodig. Ten eerste is een speciaal materiaal nodig dat licht kan versterken, en ten tweede zijn spiegels nodig om het licht gevangen te houden en heen en weer te laten kaatsen. Dit werkt al in bestaande lasers, maar om heel kleine lasers op computerchips te maken, zijn nieuwe materialen en soorten spiegels nodig. In mijn werk ga ik op zoek naar beide.
Materialen voor in lasers
Het is al niet vanzelfsprekend om materialen te vinden die licht kunnen uitsturen. Materialen vinden die licht kunnen versterken – zodat ze in lasers kunnen gebruikt worden – is nog een stap moeilijker. In de Universiteit van Gent wordt onderzoek gedaan naar een klasse materialen die bestaan uit nanodeeltjes, opgelost in een vloeistof. Deze nanodeeltjes kunnen heel efficiënt licht geven en worden daardoor onder andere in LED schermen gebruikt, zoals de QLED televisie gemaakt door Samsung. Ik ga deze materialen specifiek onderzoeken voor hun lichtversterkende eigenschappen om ze te gebruiken in lasers. Omdat ze in vloeistof zitten, kunnen we ze eenvoudig verwerken in computerchips door ze te printen als inkt. Zo kan je heel lokaal lichtgevende of lichtversterkende materialen afzetten.
Ik kan lasers maken die tot honderdduizend keer meer licht uitsturen dan een LED van dezelfde grootte
Met een goed materiaal in handen volgt de tweede stap in mijn onderzoek: microscopisch kleine lasers op een computerchip maken, waarvoor nog spiegels nodig zijn. Het concept van een spiegel ziet er wat anders uit op een computerchip dan wat we gewend zijn. Ze zijn namelijk heel kleine roosters die gemaakt worden in een bepaalde laag. Dit rooster gaat licht gevangen houden, laten weerkaatsen, en gericht uitsturen. In dit geval recht naar boven. Zo gaat niets verloren naar de omgeving, want al het licht komt op het oog terecht. Nu kunnen we op dit rooster de nanomaterialen printen. Door de verschillende rode, groene en blauwe lasers duizenden tot miljoenen keren naast elkaar te maken, kan een micro-scherm gemaakt worden. Elke laser stelt dan een lichtbron in het scherm voor: een heel heldere en gerichte bron, die ook heel puur is van kleur.
Door het onderzoek naar lichtversterkende materialen en ontwerp van de laser te combineren kon ik aantonen dat dit concept werkt voor beide rode en groene lasers. Specifiek slaag ik erin om lasers te maken die tien- tot honderdduizend keer meer licht uitstuurt dan een LED van dezelfde grootte. En dit voor slechts een honderdste van de hoeveelheid kleurentinten, wat zorgt voor pure kleuren. De volgende stappen zijn om ook blauwe lasers te maken, en vervolgens rood, groen en blauw te combineren, en verder te verkleinen. Zo krijg je een microscopisch klein scherm, gebaseerd op lasers.
Ivo Tanghe dingt mee naar de Vlaamse PhD Cup 2024. Ontdek meer over dit onderzoek op www.phdcup.be.
