Metamaterial: Ein Display mit 1.600 Bildern pro Sekunde

Halbierte Leistungsaufnahme, zehnfache Auflösung, extrem kurze Schaltzeit: Forscher wollen mit Metamaterial LCDs verbessern.

Artikel veröffentlicht am 20. März 2023, 12:57 Uhr, Johannes Hiltscher

Ein Rendering des Prototyps - noch sind die Kontaktflächen größer als die Filter. (Bild: Andrey Miroshnichenko, UNSW Canberra)

Flüssigkristallbildschirme haben einen großen Nachteil: In ihren Polarisationsfiltern, mit denen die Beleuchtung der einzelnen Subpixel variiert wird, geht viel Licht verloren. Dafür sind sie einfach und daher günstig herzustellen, große Produktionskapazitäten sind vorhanden. Forscher aus Australien und Großbritannien wollen die Flüssigkristalle durch Silizium ersetzen – das soll die Filter überflüssig, die Displays einfacher, dünner und effizienter machen.

Möglich macht das ein Metamaterial, wie die Forscher in der Veröffentlichung in Nature Light Science & Applications beschreiben. Das besitzt optische Eigenschaften, wie sie in der Natur nicht vorkommen, was nicht nur winzige Kameras ermöglicht, sondern auch optische Frequenzfilter. Der Effekt ist bekannt, den beteiligten Forschern gelang es aber erstmals, die ausgefilterte Frequenz gleichzeitig schnell und mit großem Kontrast zu variieren.

Möglich wird das durch den ausgeprägten thermo-optischen Effekt des verwendeten Siliziums. Das wurde mit nur 155 nm Stärke auf ein Glassubstrat aufgebracht und anschließend mit einem Muster von Löchern versehen. Hierdurch entsteht zunächst das Frequenzfilter. Wird das Silizium erwärmt, ändert sich sein Brechungsindex, die Resonanzfrequenz des Filters wird verschoben.

Durch eine Änderung der Lochgrößen lassen sich unterschiedliche Resonanzfrequenzen erreichen. Wie bei einem LCD werden einzelne Spektralkomponenten aus weißem Licht herausgefiltert. Ein solches Meta-Display wäre genauso aufgebaut wie ein LCD und daher mit den existierenden Fertigungsanlagen für LCDs kompatibel.

Bis zu 1.600 Bilder pro Sekunde mit einem Trick

Das Heizelement fertigten die Forscher mit einem Material, das bei der Herstellung von Displays bereits gebräuchlich ist: Indiumzinnoxid, kurz ITO. Das transparente Material brachten sie als 380 nm starke Schicht auf die durchlöcherte Siliziumschicht auf und formten damit Heizelemente.

In ihren Experimenten erreichten die Forscher durch Anlegen einer Spannung von 4 V eine Verschiebung der Resonanzfrequenz um 20 nm. Da die Temperatur nur langsam anstieg, dauerte das jedoch 13 ms. Durch kurzzeitiges Erhöhen der Spannung auf 5 V ließ sich die Aufheizzeit drastisch auf 625 μs verkürzen. Die damit theoretisch möglichen 1.600 Farbwechsel pro Sekunde sind aber nur beim Aufheizen erreichbar.

Zum Abkühlen benötigte der Prototyp 68 ms, was lediglich noch knapp 15 Bildwechsel erlaubt. Allerdings haben die Forscher bereits Ideen, wie sich das beschleunigen ließe. Da die einzelnen Filter sehr klein sind, sollen hohe Auflösungen möglich sein.

Bis zur Marktreife dauert es noch

Bislang haben die Forscher nur einen Prototyp mit vier Modulatoren hergestellt. Die arbeiten alle bei derselben Frequenz, können aber unabhängig geschaltet werden. Damit zeigten sie, dass der Ansatz funktioniert.

Als Nächstes soll ein vollständiges Display hergestellt werden. Das Prinzip des ersten Prototyps bleibt dabei erhalten: Jedes Pixel soll vier Subpixel haben. Eine Übernahme durch die Industrie können sich die Forscher in zehn Jahren vorstellen.