Siliciumcarbide: een nieuw materiaal om het knelpunt van het beeldscherm van AR-brillen te doorbreken

Nu de integratie van kunstmatige intelligentie en augmented reality (AR)-technologie steeds dichterbij komt, worden AR-brillen gezien als een belangrijke toekomstige slimme terminal. Bij het nastreven van een breder gezichtsveld, een dunnere vormfactor en een langere levensduur van de batterij zijn traditionele optische materialen echter op een kernknelpunt gestuit. De afgelopen jaren heeft een materiaal dat al veel wordt gebruikt in de nieuwe energiesector – siliciumcarbide – een nieuwe oplossing gebracht voor de full-color weergave-uitdagingen van AR-brillen.

Het displayknelpunt van AR-brillen: waarom nieuwe materialen nodig zijn

De huidige reguliere optische oplossing voor AR-brillen is diffractieve golfgeleidertechnologie, waardoor lenzen dunner kunnen zijn en een groter gezichtsveld (FOV) kunnen bieden. De substraatmaterialen waar deze technologie op vertrouwt, of het nu glas of hars is, hebben echter aanzienlijke beperkingen: ten eerste een beperkt gezichtsveld vanwege de lage brekingsindex van traditionele materialen; ten tweede, interferentie van regenboogartefacten, waarbij dispersie regenboogachtig strooilicht veroorzaakt wanneer licht door de roosterstructuur gaat; en ten derde, een uitdaging op het gebied van thermische dissipatie, omdat de slechte geleidbaarheid van traditionele materialen omvangrijke extra koeling noodzakelijk maakt voor beeldschermen en processors met hoge helderheid, waardoor het gewicht en de complexiteit van het apparaat toenemen.

Siliciumcarbide: voordelen van hoge brekingsindex en hoge thermische geleidbaarheid

De reden dat siliciumcarbide onder de aandacht van de AR-industrie is gekomen, ligt in de twee uitstekende fysieke eigenschappen ervan: een hoge brekingsindex en een hoge thermische geleidbaarheid.

1. Een breder gezichtsveld bereiken
Hoe hoger de brekingsindex van een materiaal, hoe groter het gezichtsveld dat een golfgeleider kan bereiken. Gewoon glas heeft een brekingsindex van ongeveer 1,5, terwijl siliciumcarbide meer dan 2,6 kan bereiken. Dit betekent dat het gebruik van een enkellaags siliciumcarbidelens potentieel een gezichtsveld van meer dan 80 graden kan bereiken, wat het niveau van ongeveer 40 graden van traditionele glasstapeloplossingen ruimschoots overtreft en een meer meeslepende visuele ervaring mogelijk maakt.

2. Regenboogartefacten effectief onderdrukken
De hoofdoorzaak van regenboogartefacten is verspreiding. De hoge brekingsindex van siliciumcarbide comprimeert de effectieve golflengte van licht in het materiaal, waardoor de vereiste roosterperiode wordt verkort en de diffractiehoek van omgevingslicht groter wordt dan het waarneembare bereik van het menselijk oog. Dit vermindert of elimineert interferentie van regenboogartefacten fundamenteel.

3. Uitstekende thermische prestaties
De thermische geleidbaarheid van siliciumcarbide bedraagt ​​ongeveer 490 W/(m·K), terwijl die van glas slechts ongeveer 1 W/(m·K) bedraagt. Deze uitzonderlijke thermische geleidbaarheid zorgt voor een snelle en gelijkmatige geleiding en afvoer van de warmte die wordt gegenereerd door de optische engine en processor, waardoor prestatieverlies als gevolg van plaatselijke oververhitting wordt voorkomen. Hierdoor kunnen AR-brillen schermen met een hogere helderheid ondersteunen (bijvoorbeeld een piekhelderheid van 5000 nits) en kan de warmteafvoerfunctie in de lens zelf worden geïntegreerd, waardoor het structurele ontwerp wordt vereenvoudigd en ruimte wordt vrijgemaakt voor de integratie van meer sensoren.

Technologische implementatie en industriële vooruitgang

Het toepassen van siliciumcarbide op optische golfgeleiders is geen eenvoudige transplantatie. Het vereist innovatie in de hele keten, van materiaalvoorbereiding en chipontwerp tot productieprocessen.

Op het gebied van de productie hebben onderzoeksinstellingen nano-imprint-lithografie- en stripprocessen ontwikkeld die geschikt zijn voor massaproductie en die op efficiënte wijze fijne roosterpatronen op siliciumcarbidewafels kunnen overbrengen. Bovendien kan door de introductie van ultradunne verpakkingsprocessen die de golfgeleider inkapselen met een sandwichstructuur van harde coating en antireflectiecoating de lichttransmissie worden verbeterd terwijl de microstructuur ervan wordt beschermd. Een monolithische golfgeleider van siliciumcarbide die met behulp van dergelijke geavanceerde processen is vervaardigd, kan met een dikte van slechts 0,75 mm en een gewicht van minder dan 4 gram al een ultradunne en lichte vormfactor bereiken, wat een aanzienlijke doorbraak betekent.

Samenwerking zowel upstream als downstream van de industriële keten is eveneens van cruciaal belang. Bedrijven en technische teams uit alle segmenten – van substraatmaterialen en waferproductie tot golfgeleiderontwerp en complete AR-apparaten – versterken de samenwerking om gezamenlijk de afstemming van ontwerpvereisten op materiaaleigenschappen te bevorderen. Het doel is om het belangrijkste obstakel aan te pakken dat momenteel de grootschalige toepassing van siliciumcarbide beperkt: de kosten en tegelijkertijd de prestaties verbeteren.

Concluderend: siliciumcarbide pakt de fundamentele beperkingen van AR-displays aan door zijn superieure brekingsindex en thermische geleidbaarheid. De weg naar wijdverbreid gebruik hangt af van het overwinnen van kostenbarrières via volwassen processen en sterkere industriële ketens. Als de visie voor AR-brillen zich in de toekomst uitbreidt van beeldschermen naar volwaardige AI-aangedreven ruimtelijke computers, zal siliciumcarbide meer zijn dan alleen een beter materiaal: het zal een fundamentele factor zijn voor het hele systeem, dat de integratie van geavanceerde detectie en computergebruik in steeds dunnere vormfactoren ondersteunt.