Multifunktionale Displays mit LEDs als Photodetektoren

Mobiltelefone und andere Geräte könnten vielleicht bald berührungslos mit Gesten gesteuert werden und sich mit Umgebungslicht aufladen. Das sollen neuartige LEDs bewerkstelligen, die sowohl Licht emittieren als auch erfassen können.

Als Nanostäbchen in einem dünnen Film angeordnet können die LEDs neue interaktive Funktionen und Multitasking-fähige Geräte ermöglichen. Forscher an der University of Illinois in Urbana-Champaign und von Dow Electronic Materials in Marlborough, Massachusetts, berichten von dieser Arbeit in der Zeitschrift Science.

Diese LEDs seien der Auftakt dafür, Displays völlig andere Dinge und sie weit mehr tun zu lassen, als nur Informationen anzuzeigen, so Moonsub Shim, Professor of materials science and engineering an der University of Illinois und Leiter der Studie. Sie könnten die Grundlage für neue und interessante Designs für jegliche Elektronik bilden.

Die Nanostäbchen, jedes kleiner als 5 Nanometer im Durchmesser, bestehen aus drei Arten von Halbleitern. Einer emittiert und absorbiert das sichtbare Licht. Die anderen beiden steuern den Ladungsfluss durch das erstgenannte Material. Diese Kombination ermöglicht den LEDs, Licht zu emittieren, aufzuspüren und darauf zu reagieren.

Durch das schnelle Umschalten vom Emittieren zum Erfassen können die LEDs beide Funktionen wahrnehmen. Das passiert in einem Tempo, dass es für das menschliche Auge nicht erkennbar ist und das Display kontant hell zu sein scheint. Die Refreshraten sind um das dreifache höher als die herkömmlicher Displays. Zusätzlich können die LEDs auch nahezu ständig Licht erfassen und absorbieren, und ein Display aus diesen LEDs kann auf verschiedene Arten programmiert werden, auf Licht zu reagieren. So könnte sich die Helligkeit je nach Umgebungslicht auf Pixelbasis anpassen. Fällt beispielsweise partiell ein Schatten auf ein Tablet-PCs, so könnte genau dieser Bereich abgeblendet werden, so dass man einen gleichmäßigen Kontrast erhielte.

Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass die Pixel automatisch ihre Helligkeit anpassen und das Pixel auf einen sich nähernden Finger reagieren. Dies ließe sich in interaktive Displays integrieren, die auf berührungslose Gesten antworten oder Objekte erkennen sollen. Sie haben außerdem eine Anordnung demonstriert, die auf einen Laserstift anspricht, was für Smart Whiteboards, Tablets oder andere Oberflächen für das Schreiben oder Zeichnen mit Licht von Nutzen sein könnte. Und schließlich können die LEDs auch Licht in Elektrizität verwandeln.

Das funktioniert wie bei einer Solarzelle, wie Shim ausführt. So könne man nicht nur die Interaktion zwischen Anwendern und Geräten oder Displays verbessern, man könne die Displays vielmehr verwenden, um Licht aufzufangen. Das Mobiltelefon würde sich mit dem Umgebungslicht aufladen. Shim schränkt aber ein, dass man noch eine Menge Entwicklungsarbeit zu leisten habe, bevor sich ein Display vollkommen selbständig aufladen könne. Doch denkt er, dass die Lademöglichkeiten nicht zulasten der LED-Leistung gehen müssten.

Abgesehen von der Interaktion mit Anwendern und deren Umgebung können die neuartigen LED-Displays auch parallel miteinander kommunizieren. Das würde langsamer passieren als mit den Gerät-zu-Gerät-Technologien wie Bluetooth, aber diese Technologien arbeiteten seriell und könnten lediglich ein Bit gleichzeitig losschicken. Zwei LED-Arrays könnten hingegen mit so vielen Bits interagieren, wie Pixel vorhanden sind.

Alle Ausführungen fanden mit Arrays von roten LEDs statt. Die Wissenschaftler arbeiten derzeit an Verfahren, dreifarbige Displays mit roten, blauen und grünen Pixeln zu gestalten und die Kapazitäten zum Auffangen von Licht durch das Anpassen des Nanostäbchen-Designs zu steigern.

Referenz: Nuri Oh et al. Double-heterojunction nanorod light-responsive LEDs for display applications. Science, 2017 DOI:
10.1126/science.aal2038

 

Bild: Ein Laserstift schreibt auf ein kleines Array multifunktionaler Pixel aus LEDs, die Licht emittieren und erfassen können. Credit: Image courtesy of Moonsub Shim, University of Illinois

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