芯耀
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CINNO Research產(chǎn)業(yè)資訊，隨著增強現(xiàn)實（AR）和虛擬現(xiàn)實（VR）技術的出現(xiàn)，市場對微型顯示器性能的要求也越來越高。雖然OLED微型顯示器可以滿足這些性能要求中的大部分，但還是有些規(guī)格仍有待提高。
根據(jù)SID官網(wǎng)顯示，通常，沉浸式VR和AR可穿戴設備都需要搭配一些具有高亮度和高分辨率規(guī)格的顯示器，除了這些要求以外，其他規(guī)格還包括高對比度、高色域、高像素密度以及輕薄低功耗。雖然使用LCD微型顯示器可以實現(xiàn)超高亮度目標，但卻不能滿足其他一些規(guī)格，例如對比度。
OLED微型顯示器可以顯示許多虛擬世界應用所需求的高質量視頻。但是，傳統(tǒng)全彩色OLED微型顯示器的最大亮度仍非常低，還不能達到VR/AR應用所需要的最低要求。一款高質量的VR設備通常需要具有非常高的調制傳遞函數(shù) (MTF)和低占空比光學設計來消除運動偽影。
表 1. 人眼直接感受到的VR設備亮度為150尼特時所需的顯示器亮度，該數(shù)值和占空比與光學效率設計有關
表1顯示了具有不同光學效率和占空比的VR設備，讓用戶感受到150尼特亮度所需顯示器的顯示亮度。很明顯，即使在通常被遮擋的VR應用情況下，也需要非常高亮度的顯示器。目前，最先進的傳統(tǒng)OLED微型顯示器也無法實現(xiàn)如此高的亮度。亮度之所以無法進一步提高主要因為受到產(chǎn)品功能層疊構的限制。事實上，所有傳統(tǒng)的全彩色OLED微型顯示器都使用白色OLED和紅色、綠色和藍色彩色濾光片（Color Filter）來實現(xiàn)原色（圖 1a）。這種設計中，彩色濾光片透過率低，會吸收很大一部分能量，降低幅度達驚人的80%。
圖1. (a) 具有彩色濾光片陣列設計的傳統(tǒng)白色OLED的結構，與 (b)具有獨立紅色、綠色和藍色發(fā)光層 (EML) 的直接圖案化OLED結構相比具有透過率低的劣勢
可以看出，取消彩色濾光片設計而直接圖案化獨立的紅綠藍三色發(fā)光層（圖 1b）可顯著提高器件的光學效率和最終的顯示亮度。不過，如此小的子像素尺寸（通常約為3 × 10微米）讓OLED子像素的圖案化設計變得特別困難。通常使用的精細金屬掩模（FMM）方案，在圖案化時填充因子（Fill Factor）非常低。在此背景下，eMagin開發(fā)了一種非FMM的圖案化技術——直接圖案化（dPd, Direct patterned Display）技術。該技術可以讓高分辨率像素陣列的圖案化過程具有非常高的填充因子。
借助該技術，eMagin團隊首先開發(fā)了一款像素尺寸小于10微米的高亮度、直接圖案化RGB OLED微型顯示器。通過不斷改進工藝和改進材料組，該團隊實現(xiàn)了從2,000尼特到5,000尼特，再到7,500尼特的提升。在最近，eMagin更是基于CMOS驅動背板開發(fā)了一款亮度突破10,000尼特的WUXGA（1,920 × 1,200像素）分辨率顯示器。
眾所周知，傳統(tǒng)的有源矩陣OLED (AMOLED)微型顯示器是通過在顯示區(qū)域沉積單一白色OLED疊層制造出來的。這種OLED顯示器具有彩色濾光片陣列（圖 1a）——在薄膜密封層頂部或在與 OLED 基板對齊的另一片玻璃基板上進行光刻圖案化。eMagin的dPd型OLED微型顯示器是通過單獨圖案化每種顏色（紅綠藍）發(fā)光層材料來制造的，它不需要沉積彩色濾光片（圖 1b）。
方法
eMagin最初是在一塊具有9.6微米像素間距（每英寸2,645像素，2645ppi）的WUXGA分辨率CMOS驅動背板上完成dPd技術的開發(fā)的。截至目前，公司在其他分辨率（包括 2K、3K 和 4K）驅動背板上也完成了dPd技術的演示。
在應用dPd技術前，通常會在驅動背板陣列上沉積空穴注入層和空穴傳輸層，盡管原則上，這些材料也可以通過直接圖案化技術制作。緊接著，在這些基本層之上，eMagin通過直接圖案化技術制成獨立的紅綠藍三基色像素。因為目前市場上還沒藍色磷光發(fā)光材料，我們使用了藍色熒光發(fā)光材料，而紅色和綠色還是使用磷光發(fā)光材料。
一般情況下，小像素間距需要非常高的對位精度，不過eMagin的dPd技術可以輕松實現(xiàn)0.1 微米的對位精度。在制作完這些發(fā)光層之后，上述基板還會沉積電子傳輸層和陰極，最后應用了eMagin自有工藝完成薄膜封裝。
因為這種基于dPd技術開發(fā)出的微型AMOLED現(xiàn)在可以獨立發(fā)出紅綠藍三基色光，所以我們不需要再制作彩色濾光片陣列，這一點可以極大簡化整個器件的制造工藝；不過，這之后的所有其他OLED工藝都與傳統(tǒng)AMOLED微型顯示器一樣。封裝好的AMOLED微型顯示器，我們使用Photo Research PR680分光輻射計/分光光度計進行了光學測試，另外顯示器的顯微鏡圖像使用Carl Zeiss顯微鏡拍攝。
開發(fā)階段
圖2展示了我們目前的各個不同開發(fā)階段。首先，我們制作了單綠色OLED微型顯示器，這主要是為了驗證直接圖案化方法的可行性。緊接著，在完成技術可行性驗證后，我們進一步制作了一款雙色（紅-綠）OLED微型顯示器。在這之后，我們開發(fā)開發(fā)全彩色（紅綠藍）OLED微型顯示器。
圖2. eMagin公司dPd技術的各個開發(fā)階段——單綠色OLED微型顯示器、雙色（紅-綠）OLED微型顯示器和全彩色OLED微型顯示器
1. 單綠色OLED微型顯示器
eMagin公司基于專有的dPd技術，使用綠色磷光發(fā)光材料制成了這款單綠色OLED微型顯示器——所有顯示像素都是圖案化的綠色發(fā)光像素。綠色發(fā)光材料的對準和覆蓋性能都非常好。結果表明，借助eMagin專有的直接圖案化技術，該器件沒有出現(xiàn)性能下降問題。
2. 雙色（紅-綠）OLED微型顯示器
eMagin這款紅綠雙色OLED微型顯示器是在WUXGA CMOS驅動背板上使用單獨的紅色和綠色磷光制成的。由于綠色像素所發(fā)光強度遠大于紅色像素所發(fā)光強度，我們設計上每個綠色像素對應沉積兩個紅色像素。與上述單綠色OLED微型顯示器一樣，這款雙色OLED微型顯示器只有發(fā)光層直接在子像素上圖案化形成。據(jù)評估，這款雙色顯示器的性能令人滿意（圖2），鑒于此團隊決定進行下一階段全彩色 dPd顯示技術的開發(fā)。
3. 全彩色（紅綠藍）OLED微型顯示器
最后，eMagin在標準WUXGA CMOS驅動背板（2645 ppi）上制造了全彩色（紅綠藍）直接圖案化的OLED微型顯示器。和之前各階段的開發(fā)設計一樣，該全彩色OLED微型顯示器對標準器件結構的唯一修改是，使用直接圖案化技術制作紅綠藍三色發(fā)光層。
結果
圖3a-b將直接圖案化技術制成的OLED微型顯示器與eMagin使用“帶彩色濾光片白色”方案制成的傳統(tǒng)WUXGA OLED微型顯示器進行了比較。與具有濾光片設計的OLED微型顯示器相比，直接圖案化技術制成的顯示器在給定電流和電壓下可以實現(xiàn)更高亮度的顯示畫面。另外，這里應該注意的是，這些還只是dPd技術開發(fā)工作的初步結果。
圖3. 直接圖案化技術和傳統(tǒng)帶彩色濾光片技術制成的OLED微型顯示器在(a) 亮度與電流密度 (L-J)曲線，以及 (b) 亮度與電壓 (L-V) 曲線方面的對比。
增強色域
為了進一步提升dPd技術開發(fā)出的OLED微型顯示器，eMagin引入了額外的色彩增強層來進一步改善，這些色彩增強層不僅可用于縮小每種顏色發(fā)射光譜的寬度（即顏色的純度），還能調整所發(fā)光主波長對應的顏色坐標。
eMagin將這種額外的色彩增強層用于了其基于dPd技術WUXGA OLED微型顯示器的開發(fā)。如下表2和、圖4和5具體展示了這些色彩增強層的效果，為了更好的對比，這些對比中還展示了不含色彩增強層設計的數(shù)據(jù)。
從表2可以看出，色彩增強層將所發(fā)光顏色轉移到了更純的位置，其中引入色彩增強層的dPd OLED 微型顯示器，其色域達到了標準RGB（sRGB）色域的133%，作為對比，沒有引入色彩增強層的dPd OLED微型顯示器的色域為sRGB的 86.3%。
這里值得注意的是，雖然引入色彩增強層可以顯著提升顯示器的色域，但是同時也會降低顯示器的發(fā)光效率。在同樣的驅動條件下，引入色彩增強層的dPd OLED微型顯示器發(fā)出的光比沒有引入色彩增強層的dPd OLED微型顯示器少35-45%。不過，我們可以通過一些設計上的優(yōu)化顯著減少這種光效的損失。
表 2. 非增強 dPd 和增強色域 dPd WUXGA∗ 微顯示器之間的色坐標比較
圖4. 增強型 dPd WUXGA OLED 微型顯示器的發(fā)射光譜
圖5. 增強型 dPd 和 sRGB 標準的色域比較
世界上亮度最高的 WUXGA OLED 微型顯示器
通過對上述dPd技術的不斷優(yōu)化，該團隊最終制成了目前世界上亮度最高的WUXGA OLED微型顯示器。此外，隨著OLED疊夠材料的更新和優(yōu)化開發(fā)，eMagin有望開發(fā)出亮度超過10000尼特的dPd OLED微型顯示器。
圖6. 以無源模式驅動的最高亮度dPd WUXGAOLED微型顯示器，其中(a)為亮度與驅動電壓的關系；(b) 為亮度與驅動電流的關系
圖7展示了eMagin最新開發(fā)的這款全彩色WUXGA dPd OLED微型顯示器。該微型顯示器在2021年10月29日的分析師活動中進行了展示。相關分析師在活動期間進行的實際測量亮度為11,300尼特。據(jù)我們所知，這是世界上目前所展示最亮的高分辨率OLED微型顯示器。我們相信這種亮度水平和分辨率的OLED微型顯示器可以將AR和VR應用的性能提升到一個新的水平。
圖7. eMagin在紐約工廠制造的實際亮度達 10,000尼特的全彩色WUXGA分辨率OLED微型顯示器
未來展望
展望未來，eMagin有望通過對其dPd技術的優(yōu)化，進一步提升OLED微型顯示器的性能。事實上，傳統(tǒng)OLED技術的改善方向——例如串聯(lián)堆疊架構、微透鏡陣列和材料改進——都可以很容易地整合到dPd技術中。這些改進有望將最終的OLED顯示器亮度提高到超過25,000 尼特?；谶@些考慮，基于dPd技術的OLED微型顯示器已經(jīng)并將繼續(xù)領先于傳統(tǒng)的OLED微型顯示器技術。
