eMagin解密世界上最亮的WUXGA OLED微型顯示器研發(fā)過程

CINNO Research產(chǎn)業(yè)資訊，隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)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(shè)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(shí)現(xiàn)超高亮度目標(biāo)，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(yīng)用所需求的高質(zhì)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(dá)到VR/AR應(yīng)用所需要的最低要求。一款高質(zhì)量的VR設(shè)備通常需要具有非常高的調(diào)制傳遞函數(shù) (MTF)和低占空比光學(xué)設(shè)計(jì)來消除運(yùn)動(dòng)偽影。

表 1. 人眼直接感受到的VR設(shè)備亮度為150尼特時(shí)所需的顯示器亮度，該數(shù)值和占空比與光學(xué)效率設(shè)計(jì)有關(guān)

表1顯示了具有不同光學(xué)效率和占空比的VR設(shè)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(yīng)用情況下，也需要非常高亮度的顯示器。目前，最先進(jìn)的傳統(tǒng)OLED微型顯示器也無法實(shí)現(xiàn)如此高的亮度。亮度之所以無法進(jìn)一步提高主要因?yàn)槭艿疆a(chǎn)品功能層疊構(gòu)的限制。事實(shí)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(lán)色彩色濾光片（Color Filter）來實(shí)現(xiàn)原色（圖 1a）。這種設(shè)計(jì)中，彩色濾光片透過率低，會(huì)吸收很大一部分能量，降低幅度達(dá)驚人的80%。

圖1. (a) 具有彩色濾光片陣列設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)白色OLED的結(jié)構(gòu)，與 (b)具有獨(dú)立紅色、綠色和藍(lán)色發(fā)光層 (EML) 的直接圖案化OLED結(jié)構(gòu)相比具有透過率低的劣勢

可以看出，取消彩色濾光片設(shè)計(jì)而直接圖案化獨(dú)立的紅綠藍(lán)三色發(fā)光層（圖 1b）可顯著提高器件的光學(xué)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(shè)計(jì)變得特別困難。通常使用的精細(xì)金屬掩模（FMM）方案，在圖案化時(shí)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(shù)——直接圖案化（dPd, Direct patterned Display）技術(shù)。該技術(shù)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(shù)，eMagin團(tuán)隊(duì)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(jìn)工藝和改進(jìn)材料組，該團(tuán)隊(duì)實(shí)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(qū)動(dòng)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(jìn)行光刻圖案化。eMagin的dPd型OLED微型顯示器是通過單獨(dú)圖案化每種顏色（紅綠藍(lán)）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(qū)動(dòng)背板上完成dPd技術(shù)的開發(fā)的。截至目前，公司在其他分辨率（包括 2K、3K 和 4K）驅(qū)動(dòng)背板上也完成了dPd技術(shù)的演示。

在應(yīng)用dPd技術(shù)前，通常會(huì)在驅(qū)動(dòng)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(shù)制作。緊接著，在這些基本層之上，eMagin通過直接圖案化技術(shù)制成獨(dú)立的紅綠藍(lán)三基色像素。因?yàn)槟壳笆袌錾线€沒藍(lán)色磷光發(fā)光材料，我們使用了藍(lán)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(shù)可以輕松實(shí)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(huì)沉積電子傳輸層和陰極，最后應(yīng)用了eMagin自有工藝完成薄膜封裝。

因?yàn)檫@種基于dPd技術(shù)開發(fā)出的微型AMOLED現(xiàn)在可以獨(dú)立發(fā)出紅綠藍(lán)三基色光，所以我們不需要再制作彩色濾光片陣列，這一點(diǎn)可以極大簡化整個(gè)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(jì)/分光光度計(jì)進(jìn)行了光學(xué)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(gè)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(yàn)證直接圖案化方法的可行性。緊接著，在完成技術(shù)可行性驗(yàn)證后，我們進(jìn)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(lán)）OLED微型顯示器。

圖2. eMagin公司dPd技術(shù)的各個(gè)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(shù)，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(zhǔn)和覆蓋性能都非常好。結(jié)果表明，借助eMagin專有的直接圖案化技術(shù)，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(qū)動(dòng)背板上使用單獨(dú)的紅色和綠色磷光制成的。由于綠色像素所發(fā)光強(qiáng)度遠(yuǎn)大于紅色像素所發(fā)光強(qiáng)度，我們設(shè)計(jì)上每個(gè)綠色像素對應(yīng)沉積兩個(gè)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(tuán)隊(duì)決定進(jìn)行下一階段全彩色 dPd顯示技術(shù)的開發(fā)。

3. 全彩色（紅綠藍(lán)）OLED微型顯示器

最后，eMagin在標(biāo)準(zhǔn)WUXGA CMOS驅(qū)動(dòng)背板（2645 ppi）上制造了全彩色（紅綠藍(lán)）直接圖案化的OLED微型顯示器。和之前各階段的開發(fā)設(shè)計(jì)一樣，該全彩色OLED微型顯示器對標(biāo)準(zhǔn)器件結(jié)構(gòu)的唯一修改是，使用直接圖案化技術(shù)制作紅綠藍(lán)三色發(fā)光層。

結(jié)果

圖3a-b將直接圖案化技術(shù)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(jìn)行了比較。與具有濾光片設(shè)計(jì)的OLED微型顯示器相比，直接圖案化技術(shù)制成的顯示器在給定電流和電壓下可以實(shí)現(xiàn)更高亮度的顯示畫面。另外，這里應(yīng)該注意的是，這些還只是dPd技術(shù)開發(fā)工作的初步結(jié)果。

圖3. 直接圖案化技術(shù)和傳統(tǒng)帶彩色濾光片技術(shù)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(qiáng)色域

為了進(jìn)一步提升dPd技術(shù)開發(fā)出的OLED微型顯示器，eMagin引入了額外的色彩增強(qiáng)層來進(jìn)一步改善，這些色彩增強(qiáng)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(diào)整所發(fā)光主波長對應(yīng)的顏色坐標(biāo)。

eMagin將這種額外的色彩增強(qiáng)層用于了其基于dPd技術(shù)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(qiáng)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(qiáng)層設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)。

從表2可以看出，色彩增強(qiáng)層將所發(fā)光顏色轉(zhuǎn)移到了更純的位置，其中引入色彩增強(qiáng)層的dPd OLED 微型顯示器，其色域達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)RGB（sRGB）色域的133%，作為對比，沒有引入色彩增強(qiáng)層的dPd OLED微型顯示器的色域?yàn)閟RGB的 86.3%。

這里值得注意的是，雖然引入色彩增強(qiáng)層可以顯著提升顯示器的色域，但是同時(shí)也會(huì)降低顯示器的發(fā)光效率。在同樣的驅(qū)動(dòng)條件下，引入色彩增強(qiáng)層的dPd OLED微型顯示器發(fā)出的光比沒有引入色彩增強(qiáng)層的dPd OLED微型顯示器少35-45%。不過，我們可以通過一些設(shè)計(jì)上的優(yōu)化顯著減少這種光效的損失。

表 2. 非增強(qiáng) dPd 和增強(qiáng)色域 dPd WUXGA∗ 微顯示器之間的色坐標(biāo)比較

圖4. 增強(qiáng)型 dPd WUXGA OLED 微型顯示器的發(fā)射光譜

圖5. 增強(qiáng)型 dPd 和 sRGB 標(biāo)準(zhǔn)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(shù)的不斷優(yōu)化，該團(tuán)隊(duì)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(qū)動(dòng)的最高亮度dPd WUXGAOLED微型顯示器，其中(a)為亮度與驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系；(b) 為亮度與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)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(dòng)中進(jìn)行了展示。相關(guān)分析師在活動(dòng)期間進(jìn)行的實(shí)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(yīng)用的性能提升到一個(gè)新的水平。

圖7. eMagin在紐約工廠制造的實(shí)際亮度達(dá) 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(shù)的優(yōu)化，進(jìn)一步提升OLED微型顯示器的性能。事實(shí)上，傳統(tǒng)OLED技術(shù)的改善方向——例如串聯(lián)堆疊架構(gòu)、微透鏡陣列和材料改進(jìn)——都可以很容易地整合到dPd技術(shù)中。這些改進(jìn)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(shù)的OLED微型顯示器已經(jīng)并將繼續(xù)領(lǐng)先于傳統(tǒng)的OLED微型顯示器技術(shù)。