Ya bir akıllı telefon ekranı sadece görüntüleri göstermekle kalmayıp, aynı zamanda kendisine dokunan bir parmak izini "görebilseydi" veya üzerinde gezinen hareketleri (jestleri) algılayabilseydi? Görüntüleme ve algılama işlevlerini aynı pikselde birleştirmek, yeni nesil etkileşimli ekranların pasif çıktıdan aktif algılamaya doğru evrilmesinde çok önemli bir adımdır.
Şekil 1: Ekran teknolojisinde ışık yayımı ve algılama için piksel mimarilerinin evrimi
Mevcut Sınırlamalar
Mevcut ekran altı optik çözümler, genellikle foto-detektörleri ekranın altına yerleştirir veya piksellerin yanına konumlandırır (Şekil 1a). Bu yaklaşımlar kaçınılmaz olarak piksel doluluk oranından (aperture ratio) ve hassasiyetten ödün verir. Akademi, pasif matris mimarilerinde birleşik ışık yayımı ve algılamanın uygulanabilirliğini kanıtlamış olsa da, bağımsız adresleme ve sinyal yükseltme eksikliği, yüksek çözünürlüklü ve yüksek hassasiyetli uygulamaları engellemiştir. Gerçek atılımlar, piksel düzeyinde kontrol ve hızlı yanıt sağlayan ince film transistörlere (TFT) sahip bir aktif matris temeli gerektirir.
Ancak, aynı aktif matris pikseli içinde hem verimli ışık yayımını hem de hassas algılamayı gerçekleştirmek kolay değildir. Işık yayan katman genellikle gelen ışığı zayıf bir şekilde emer ve ışık yayan diyotlardaki (LED) içsel taşıyıcı ayrışma verimliliği sınırlıdır. Bu durum, aynı cihazı doğası gereği ışık algılamada yetersiz kılar. Zayıf soğurmaya ve düşük ayrışma verimliliğine sahip bir diyot, nasıl yüksek hassasiyetli optik algılama gerçekleştirebilir? Bu, alanın temel zorluğu olmuştur.
Üç Yönlü Çözüm
Sun Yat-sen Üniversitesi ve Zhejiang Üniversitesi'nden ortak bir araştırma ekibi, Advanced Materials dergisinde malzemelerin, arayüzlerin ve devre mimarisinin koordineli optimizasyonu yoluyla bu zorluğu çözen bir çalışma yayımladı. Araştırmacılar, aktif matris yapıda entegre kendi kendine ışık yayımı ve zayıf ışık görüntüleme sağlayan ve piksel düzeyinde hassasiyeti yaklaşık 10⁵ kat artıran opto-DRAM piksel kavramını tanıttı.
Ekran Altı Algılamadan Piksel Kendinden Algılamaya
Günümüzün akıllı telefonlarında optik algılama işlevleri, genellikle ekranın altına bağımsız foto-detektörler yerleştirilerek gerçekleştirilir. Bu ekran altı yaklaşım pratiktir ancak görüntüleme ve algılamayı temelden ayırır: pikseller ışık yayarken, dedektörler sinyalleri alır.
Samsung Display'in Display Week 2025'te gösterdiği gibi daha gelişmiş yollar, daha yüksek entegrasyon için LED'leri ve foto-detektörleri piksel alanı içinde yan yana yerleştirir. Ancak bu yaklaşım hala dedektör için alan ayrılmasını gerektirir ve bu da kaçınılmaz olarak piksel doluluk oranını düşürür.
Bu yeni çalışma ise bir adım daha ileri gidiyor. Detektörleri üst üste veya yan yana yerleştirmek yerine, sinyal yükseltme ve bağımsız okuma için bir aktif matris devresi kullanarak aynı ışık yayan diyotun hem yayma hem de algılama işlevlerini gerçekleştirmesini sağlıyor. Böylece her piksel, ek dedektörlere ihtiyaç duymadan veya alandan ödün vermeden hem ışık yayabiliyor hem de "görebiliyor".
Ekran altı algılamadan piksel kendinden algılamaya (self-sensing) geçiş, ekranın kendisini pasif bir çıktı terminali olmaktan çıkarıp aktif bir algılama arayüzüne dönüştürür.
Opto-DRAM Piksel Mimarisi
DRAM'in iki transistörlü, bir kapasitörlü kazanç hücresinden ilham alan ekip; opto-DRAM adı verilen iki transistörlü, tek diyotlu ve foto-voltaj güdümlü bir piksel mimarisi önermektedir (Şekil 1b-d). Buradaki kilit nokta, optik sinyalin okuma şeklini değiştirmektir. Geleneksel foto-detektörler foto-akıma güvenir; ancak zayıf soğurma ve sınırlı ayrışmaya sahip ışık yayan diyotlar için bu sinyal son derece zayıftır. Foto-voltaj modu ise doğrudan foto-voltajı ölçer. Foto-akım küçük olsa bile, taşıyıcılar arayüzde etkili bir şekilde ayrılıp biriktiği sürece kararlı ve okunabilir bir voltaj üretilebilir.
Şekil 2: Opto-DRAM pikselinin tasarım konsepti ve 64 piksellik dizi gösterimi
Opto-DRAM pikselinde, perovskit diyot DRAM'deki kapasitörün yerini alır. Işık yayma modunda, bir transistör diyotu ışık yayması için sürer. Algılama modunda ise diyot tarafından üretilen foto-voltaj geçici olarak bir düğümde (node) depolanır ve başka bir transistör bunu okurken piksel içi yükseltme (amplification) için kendi geçiş iletkenliğini (transconductance) kullanır. Bu sayede optik sinyal aynı piksel içinde algılanır, geçici olarak depolanır, modüle edilir ve yükseltilir.
Malzeme ve Arayüz Optimizasyonu
Ekip, ışık yayan bir diyotun algılama modundaki yapısal sınırlamalarını aşmasını sağlamak amacıyla malzemeleri ve arayüzleri sistematik olarak optimize etti.
Malzeme Optimizasyonu: Yarı boyutlu perovskitler, üretilen taşıyıcıları verimli bir şekilde yönlendiren benzersiz bir enerji basamağı yapısına sahiptir ve zayıf ışık altında bile kararlı bir foto-voltaj üretir. Araştırmacılar, florlu fenilasetik asit çok işlevli katkı maddesini sisteme dahil ederek, hidrojen bağı yoluyla yerel kimyasal ortamı düzenlediler, kusurları ve ışınımsız birleşmeleri bastırdılar ve ışıma verimliliğini önemli ölçüde artırdılar.
Arayüz Mühendisliği: TPBi gibi geleneksel elektron taşıma katmanları, perovskit ile Tip-I hizalaması oluşturur; bu durum ışımayı desteklese de taşıyıcı ayrışmasını engeller. Ekip, yüksek mobiliteye sahip PO-T2T kullanarak Tip-II ayrıştırıcı heterojonksiyon oluşturdu. Bu yapı, ışıma verimliliğini korurken taşıyıcı çıkarımını kolaylaştırdı.
Elde edilen gök mavisi perovskit LED, ekran parlaklığı için kritik olan 100 cd m⁻² değerinde %20'nin üzerinde bir dış kuantum verimliliğine (EQE) ve 41.8 lm W⁻¹ maksimum güç verimliliğine ulaştı. Bu performans, benzer perovskit LED'ler için öncü düzeyde olup, geleneksel akkor ampullerin güç verimliliğinin iki katından fazladır.
Piksel İçi Kazanç (In-Pixel Gain)
Bu diyot, IGZO ince film transistörleri ile entegre edilerek iki transistörlü, tek diyotlu piksel oluşturulduğunda algılama performansı çarpıcı biçimde artar. Geliştirilmiş algılama modunda, diyotun ürettiği foto-voltaj transistörün geçiş iletkenliği ile yükseltilir ve tek başına diyota kıyasla hassasiyet yaklaşık 10⁵ kat artış gösterir.
Bu piksel içi kazanç mekanizması, opto-DRAM mimarisinin temelini oluşturur. Zayıf optik sinyaller önce kararlı bir foto-voltaja dönüştürülür, ardından transistör tarafından modüle edilerek yükseltilir. Transistörün çalışma noktası ayarlanabildiği için piksel, tepki genliğini ayarlayabilir ve yüksek hassasiyetli okuma sağlar.
Bu temele dayanarak ekip, 64 piksellik aktif matris bir dizi inşa etti (Şekil 2). Ekran modunda desenleri net bir şekilde gösterebilen bu ekran, görüntüleme modunda ise yansıtılan optik desenleri gerçek zamanlı olarak algılayıp görüntüleyebilir ve piksel düzeyinde yayma ile algılama arasında geçiş yapabilir.
Gelecek Öngörüsü
Malzeme ve arayüz optimizasyonu yoluyla ışık yayma ve algılama gereksinimlerinin uyumlu hale getirilmesi ve foto-voltaj depolama ile piksel içi kazanç sağlayan devre yeniliği sayesinde, tek bir perovskit diyot aktif matris yapısında her iki işleve de hizmet edebilir.
Opto-DRAM mimarisi, sadece yeni nesil etkileşimli ekranlar, biyometrik algılama ve akıllı algılama için kompakt bir çözüm sunmakla kalmaz, aynı zamanda basit ışık yayımının ötesine geçen işlevsel pikseller için yeni bir yol açar. Her piksel "görebildiğinde", tam ekran algılama teknolojisi akıllı ekranların yeni odak noktası haline gelecektir.
Daha fazlası için: Ekran bileşenlerinde ölçüm zorlukları.