Ein neuer Typ OLED (organische Leuchtdiode) könnte sperrige Nachtsichtbrillen durch leichte Brillen ersetzen und sie so billiger und praktischer für den längeren Gebrauch machen, sagen Forscher der University of Michigan.
Ihre Forschung ist veröffentlicht im Journal Naturphotonik.
Ein Memory-Effekt in den OLEDs könnte außerdem zu Computer-Vision-Systemen führen, die eingehende Lichtsignale und Bilder sowohl erfassen als auch interpretieren.
Aktuelle Nachtsichtsysteme basieren auf Bildverstärkern, die eingehendes Nahinfrarotlicht in Elektronen umwandeln, die dann durch ein Vakuum in eine dünne Scheibe mit Hunderten winziger Kanäle beschleunigt werden. Beim Durchqueren und Aufprallen auf die Kanalwände setzen die Elektronen Tausende weiterer Elektronen frei und treffen auf einen Leuchtschirm, der sie in sichtbares Licht umwandelt. Das eingehende Licht wird bei diesem Prozess 10.000-fach verstärkt, sodass der Träger nachts sehen kann.
Das neu entwickelte OLED-Gerät wandelt ebenfalls Nahinfrarotlicht in sichtbares Licht um und verstärkt es um mehr als das 100-fache, allerdings ohne das Gewicht, die hohe Spannung und die sperrige Vakuumschicht, die herkömmliche Bildverstärker erfordern. Die Forscher sagen, dass durch eine Optimierung des Gerätedesigns eine noch höhere Verstärkung möglich ist.
„Eines der attraktivsten Merkmale dieses neuen Ansatzes ist, dass er das Licht innerhalb eines dünnen Filmstapels verstärkt, der weniger als einen Mikrometer dick ist. Das ist viel dünner als ein Haarstrang, der etwa 50 Mikrometer dick ist“, sagte Chris Giebink, UM-Professor für Elektro- und Computertechnik und Physik und korrespondierender Autor der Studie.
Da das Gerät mit einer viel niedrigeren Spannung als ein herkömmlicher Bildverstärker arbeitet, lässt sich der Stromverbrauch deutlich senken und dadurch die Batterielebensdauer verlängern.
Das Gerät funktioniert durch die Integration einer Photonen absorbierenden Schicht, die Infrarotlicht in Elektronen umwandelt, und eines fünfschichtigen OLED-Stapels, in dem diese Elektronen in sichtbare Lichtphotonen umgewandelt werden. Im Idealfall werden für jedes Elektron, das den OLED-Stapel durchläuft, fünf Photonen erzeugt.
Einige dieser Photonen werden in das Auge des Benutzers emittiert, andere werden jedoch in der Photonenabsorptionsschicht wieder absorbiert, wodurch noch mehr Elektronen entstehen, die sich in einem positiven Rückkopplungszyklus durch die OLED bewegen. Diese Kettenreaktion verstärkt die Menge des ausgegebenen Lichts, die zu einer bestimmten Menge an Eingangslicht führt, erheblich.
Frühere OLEDs konnten Nahinfrarotlicht in sichtbares Licht umwandeln, allerdings ohne Gewinn, d. h. ein Eingangsphoton ergab ein Ausgangsphoton.
„Dies ist der erste Nachweis einer hohen Photonenverstärkung in einem Dünnschichtgerät“, sagte Raju Lampande, Postdoktorand für Elektro- und Computertechnik an der UM und Hauptautor der Studie.
Das Gerät weist außerdem eine Art Gedächtnisverhalten auf, das in der Computervision Anwendung finden könnte. Die sogenannte Hysterese zeigt, dass die Lichtleistung zu einem bestimmten Zeitpunkt von der Intensität und Dauer der vorherigen Lichteinstrahlung abhängt.
„Normalerweise beginnt ein Upconversion-OLED, Licht auszugeben, wenn man es einschaltet, und wenn man die Beleuchtung ausschaltet, hört es auf, Licht auszugeben. Dieses Gerät kann hängen bleiben und sich mit der Zeit Dinge merken, was ungewöhnlich ist“, sagte Giebink.
Obwohl das Gedächtnisverhalten einige Herausforderungen für Nachtsichtanwendungen mit sich bringt, könnte es eine Möglichkeit für eine Bildverarbeitung schaffen, die eher wie das menschliche visuelle System funktioniert – wo biologische Neuronen Signale je nach Zeitpunkt und Stärke eingehender Signale weitergeben oder nicht. Die Fähigkeit, sich an vergangene Eingaben zu erinnern, könnte diese OLEDs zu einem guten Kandidaten für die Art von neuronenähnlichen Verbindungen machen, die es ermöglichen, ein Eingabebild zu interpretieren und zu klassifizieren, ohne die Daten in einer separaten Recheneinheit verarbeiten zu müssen.
Die Forscher stellten das Gerät unter Verwendung handelsüblicher Materialien und Methoden her, die bei der OLED-Herstellung bereits weit verbreitet sind. Dies dürfte sowohl die Kosteneffizienz als auch die Skalierbarkeit für zukünftige Anwendungen der Technologie verbessern.
Weitere Informationen:
Raju Lampande et al., Organische Leuchtdioden und Upconverter mit positiver Rückkopplung, Naturphotonik (2024). DOI: 10.1038/s41566-024-01520-0