XK星空官网 用氧化物半导体实现柔性透明电子器件
开发下一代显示器的高性能薄膜晶体管
薄膜显示器广泛应用于电视、个人电脑和智能手机中。近年来，高清技术突飞猛进。目前电视上的高清晰度广播使用约200万像素的图像，但NHK计划在2020年实现的超高清广播的像素数是该像素数的16倍。古田教授表示：“过去五年来，广播技术似乎发生了巨大变化，能够通过超高清再现高度真实的印象。”
目前，大多数薄膜显示器都是采用硅基薄膜晶体管技术控制的，但随着超高清大屏幕显示器的进步，出现了一些问题。
教授。古田解释说：“个人电脑和手机的显示器是由大量被称为精细像素的原色（红、绿、蓝）元件组成的阵列。每个像素中包含的极小晶体管控制着像素的发光方式，但最近据说基础材料硅即将达到其容量的极限。也就是说，硅在原子规则排列的结晶状态下表现出高性能，但如果原子排列受到干扰，性能会立即下降。目前，还没有使用晶体硅来制造显示器等大尺寸器件的技术，因此只能继续使用非晶硅，因为非晶硅的原子是随机排列的，性能只有晶体硅的千分之一。”
换句话来说，硅晶体管很难在保持性能的同时扩大显示面积，因此需要更高性能的材料。因此，最近人们开始关注氧化物半导体，它可以部署在大面积器件中，同时保持高性能。据称，这些新型半导体的性能比非晶硅半导体至少高出 10 倍。 Furuta 教授一直在研究氧化物半导体在下一代显示器薄膜晶体管中的应用。
2005年，古田教授的研究小组在世界上首次成功地使用氧化锌基氧化物半导体晶体管在液晶显示器中显示图像。该集团的成功受到了全世界的高度评价。
教授。 Furuta 补充道：“2006 年，我们在美国举行的国际显示技术会议上展示了这一成果。在大约 500 场演讲中，只有 3 场演讲涉及氧化物晶体管的使用。然而，目前有关该主题的演讲数量超过该学会演讲数量的一半。显然，不仅学术界，工业界也对这项技术给予了高度关注。”
目前，Furuta 教授正在进一步开发这些研究成果，并与公司进行合作研究，以完善材料的特性并提高其设备性能和可靠性。
“为了实现新材料的工业化，这些材料必须具有所需的性能，但它们也必须可靠和安全，并且必须有控制它们的技术。考虑到所有这些问题，我正在作为工业界和学术界之间的桥梁进行研究，”Furuta 教授说道。
教授。古田曾在一家大型家电制造商工作，对于新技术的开发、向社会传播以及实现量产（即从研发到商业化，再到量产工厂的建设）的过程有着丰富的经验。他在那里获得的广阔视野已成为他研究生涯的基础。
高分辨率图像传感器：利用氧化物半导体的透明度
教授。古田还致力于利用氧化物半导体对可见光的透明性，将该技术应用于新领域。作为这项工作的一部分，他和他的团队与科学技术研究实验室 (NHK STRL) 合作，开发了一种新的图像传感器，有助于超高清摄像机的小型化。
为了用目前试制的超高清摄像机获得高质量的彩色图像，广泛使用分色光学器件，将入射光分离成蓝、绿、红三基色，并用三个独立的成像器件捕获它们。然而，该系统的规模只能缩小这么多。另一方面，具有滤色功能的单图像传感器可以实现比三传感器设备更紧凑的相机尺寸。不过：只有三分之一的入射光可以转换成信号。此外，当像素密度增加时，每个像素的光检测面积变小，入光量减少，这会导致在弱光条件下无法捕获清晰图像的问题。换句话说，为了捕捉高灵敏度、高清晰度的图像，入射光的转换效率非常重要。
另一方面，目前的单传感器彩色成像设备在灵敏度和分辨率方面与三传感器类型设备相比原理较差，因此不适合对图像质量要求高的超高清摄像机。
为了克服这些问题，可以想象使用三个单板彩色成像设备的堆叠。这将在没有分色光学器件的情况下将入射光在深度方向上分离成三基色，理论上这将使得 100% 的入射光转换成为可能。
教授。 Furuta 解释说：“这种方法很早以前就被提出了，但尚未实现。问题是每个单独的传感器都需要一个信号读出电路，用于将吸收的光作为电信号从外部提取。由于传统的硅基电路在可见光中不透明，因此光无法向下穿透。”
到目前为止，还没有人创造出一种透明电路，即一种将电气功能与允许光穿过到下层的能力结合在一起的电路。'
教授。 Furuta 继续说道，“由于硅晶体管对可见光不透明，因此光线不会到达器件的底部。然后我想，如果我使用透明材料来创建一个可以读取信号的电路，该透明电路可以读取有关该层中完成了多少光电转换的信息，并允许入射光穿过到下一层。”
他和他的团队制造了一种由三个电池层压而成的图像传感器。每个单元包含一个有机光电转换膜（带有透明信号读出电路），仅对红光、绿光或蓝光敏感。该团队实现了一种通过依次吸收沿深度方向穿过的三种颜色的光来进行分色的图像传感器，并成功实现了无需分色光学器件的彩色成像。凭借这一进步，超高清摄像机的小型化成为现实：成功开发出具有透明信号读出电路的堆叠式图像传感器。
透明电子产品改变我们生活的潜力
目前，Furuta 教授已开始致力于“透明环境”的开发感觉不包含功能材料的电子产品。在他开发一种由玻璃等透明基板上的功能性氧化物半导体组成的隐形电路的工作中，他的想法正在稳步扩展，以实现前所未有的功能性设备，例如仅在需要时显示信息的透明显示器和透明 ID 标签。
教授。 Furuta 表示：“通过在窗户等玻璃中集成透明电路，可以将显示传感器和透明太阳能电池等各种设备集成到玻璃中。同样，可以在周围任何地方提供信息的无处不在的环境将不再是梦想。”
现在，Furuta 教授将目光投向了使用塑料和薄膜等透明弹性基材的柔性电子产品在医疗和健康领域的应用的可能性，以及用于监测人类健康的可穿戴传感器等设备，以及通过使用高清图像传感器而具有人工视网膜功能的隐形眼镜。
“通过赋予设备形状一定程度的自由度，将有可能扩大应用范围。由于这些设备是隐形的，人们不会意识到自己戴着它们，甚至不会意识到它们的存在。我相信现在可以创建许多新的应用来支持我们的日常生活，不久之后，电子产品的新未来可能会开启。”
透明电子产品打开了通往以前无法创造的新未来的大门。看来这将显着改善我们的生活。