Les lunettes intelligentes qui affichent des informations directement dans le champ de vision sont considérées comme une technologie clé du futur, mais jusqu'à présent, leur utilisation a souvent échoué en raison de la lourdeur de la technologie. Cependant, les pixels émetteurs de lumière efficaces sont exclus par l’optique classique si leur taille est réduite à la longueur d’onde de la lumière émise.
Aujourd'hui, les physiciens de l'Université Julius-Maximilians de Würzburg (JMU) ont franchi une étape décisive vers des écrans miniatures lumineux et, à l'aide d'antennes optiques, ont créé le plus petit pixel au monde à ce jour.
Un groupe de recherche dirigé par les professeurs Jens Pflaum et Bert Hecht était responsable du travail ; le groupe a maintenant publié les résultats de ses travaux dans Avancées scientifiques.
Un affichage sur un millimètre carré
« À l'aide d'un contact métallique qui permet l'injection de courant dans une diode électroluminescente organique tout en amplifiant et en émettant simultanément la lumière générée, nous avons créé un pixel pour une lumière orange sur une zone mesurant seulement 300 sur 300 nanomètres. Ce pixel est tout aussi brillant qu'un pixel OLED classique avec des dimensions normales de 5 sur 5 micromètres », explique Hecht, décrivant la principale conclusion de l'étude.
Pour mettre les choses en perspective, un nanomètre équivaut à un millionième de millimètre. Cela signifie qu'un écran ou un projecteur d'une résolution de 1 920 x 1 080 pixels pourrait facilement s'adapter à une surface d'à peine un millimètre carré. Ceci permet par exemple d'intégrer l'écran dans les branches d'une paire de lunettes d'où la lumière générée serait projetée sur les verres.
Une OLED se compose de plusieurs couches organiques ultra-fines intégrées entre deux électrodes. Lorsque le courant traverse cet empilement, les électrons et les trous se recombinent et excitent électriquement les molécules organiques de la couche active, qui libèrent alors cette énergie sous forme de quanta de lumière.
Puisque chaque pixel brille tout seul, aucun rétroéclairage n'est nécessaire, ce qui permet des noirs particulièrement profonds, des couleurs vives et une gestion efficace de l'énergie pour les appareils portables dans le domaine de la réalité augmentée et virtuelle (AR et VR).
La simple miniaturisation ne fonctionne pas
Un problème clé auquel les chercheurs de Würzburg étaient confrontés en miniaturisant davantage leurs pixels était la répartition inégale des courants dans ces petites dimensions.
« Comme pour un paratonnerre, la simple réduction de la taille du concept OLED établi entraînerait l'émission de courants principalement depuis les coins de l'antenne », explique Pflaum, décrivant le contexte physique. Cette antenne, réalisée en or, aurait la forme d'un cuboïde dont les bords mesureraient 300 x 300 x 50 nanomètres.
« Les champs électriques résultants généreraient des forces si puissantes que les atomes d'or devenant mobiles se transformeraient progressivement en matériau optiquement actif », poursuit Pflaum. Ces structures ultrafines, également appelées « filaments », continueraient alors à croître jusqu'à ce que le pixel soit détruit par un court-circuit.
Prochaine étape : accroître l'efficacité
La structure, désormais développée à Würzburg, contient une nouvelle couche isolante spécialement fabriquée au-dessus de l'antenne optique, qui ne laisse qu'une ouverture circulaire d'un diamètre de 200 nanomètres au centre de l'antenne. Cet agencement bloque les courants qui seraient injectés depuis les bords et les coins, permettant ainsi un fonctionnement fiable et durable de la nanodiode électroluminescente.
Dans ces conditions, les filaments ne peuvent plus se former. « Même les premiers nanopixels sont restés stables pendant deux semaines dans des conditions ambiantes », explique Hecht en décrivant le résultat.
Dans les prochaines étapes, les physiciens souhaitent augmenter encore l'efficacité par rapport au niveau actuel de 1 % et étendre la gamme de couleurs à la gamme spectrale RVB. Il n'y aura alors pratiquement plus aucun obstacle à une nouvelle génération de présentoirs miniatures « made in Würzburg ».
Grâce à cette technologie, les écrans et les projecteurs pourraient devenir si petits à l’avenir qu’ils pourraient être intégrés de manière presque invisible dans les appareils portés sur le corps, des montures de lunettes aux lentilles de contact.
