硅基OLED微顯示技術(shù)的優(yōu)勢與發(fā)展現(xiàn)狀
與傳統(tǒng)的AMOLED顯示技術(shù)相比,OLED微顯示技術(shù)有以下突出特點(diǎn):1) 基底芯片采用成熟的集成電路工藝,可通過集成電路代工廠制造,制造良率更是大大高于目前主流的LTPS技術(shù)。2) 采用單晶硅,遷移率高、性能穩(wěn)定,壽命高于AMOLED顯示器。3) 200mm×200mm的OLED蒸鍍封裝設(shè)備就可滿足制造要求(與8英寸晶圓尺寸兼容),而不像AMOLED需要追求高世代產(chǎn)線。4) OLED微顯示器體積小,非常便于攜帶,并且其依借小身材提供的近眼顯示效果可以與大尺寸AMOLED顯示器相媲美。
與其他微顯示技術(shù)相比,OLED微顯示技術(shù)亦具有不少優(yōu)點(diǎn):1) 低功耗,比LCD功耗小20%,電池重量可以更輕。2) 工作溫度寬,LCD不能在極端溫度如0℃下工作,必須額外加熱元件,而在高溫下又必須使用冷卻系統(tǒng),所有這些解決方案都會增加整個(gè)顯示器的重量、體積和功耗。而OLED為全固態(tài)器件,不需要加熱和冷卻就可以工作在-46℃~70℃的溫度范圍內(nèi)。3) 高對比度,LCD使用內(nèi)置背光源,其對比度為60:1,而OLED微顯示器的對比度可以達(dá)到10,000:1。4) 響應(yīng)速度快,OLED像素更新所需時(shí)間小于1s,而LCD的更新時(shí)間通常為10~15ms,相差了1,000到1,500倍,OLED的顯示畫面更流暢從而減小視疲勞。
下面,我們將重點(diǎn)介紹硅基OLED微顯示技術(shù),從它的應(yīng)用、國內(nèi)外生產(chǎn)研發(fā)狀況等出發(fā)對現(xiàn)有OLED微顯示技術(shù)做一詳細(xì)闡述。
OLED微顯示的應(yīng)用領(lǐng)域
硅基AMOLED微顯示器具有廣闊的市場應(yīng)用空間,特別適合應(yīng)用于頭盔顯示器、立體顯示鏡以及眼睛式顯示器等。如與移動通訊網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星定位等系統(tǒng)聯(lián)在一起則可在任何地方、任何時(shí)間獲得精確的圖像信息,這在國防、航空、航天乃至單兵作戰(zhàn)等軍事應(yīng)用上具有非常重要的軍事價(jià)值。硅基AMOLED微顯示器能夠?yàn)楸銛y式計(jì)算機(jī)、無線互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器、便攜式DVD、游戲平臺及可戴式計(jì)算機(jī)等移動信息產(chǎn)品提供高畫質(zhì)的視頻顯示??梢哉f,硅基AMOLED微顯示無論是對于民用消費(fèi)領(lǐng)域還是工業(yè)應(yīng)用乃至軍事用途都提供了一個(gè)極佳的近眼應(yīng)用(如頭盔顯示)解決途徑。但由于目前硅基AMOLED微顯示頭盔顯示器價(jià)格較高,主要應(yīng)用于高端產(chǎn)品,其價(jià)格還不能為廣大消費(fèi)者接受,所以目前的市場應(yīng)用主要是面向軍事領(lǐng)域。頭盔顯示器將是21世紀(jì)數(shù)字化戰(zhàn)場下一代步兵的得力工具,是實(shí)現(xiàn)單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)中軍事信息化的重要組成部分。硅基AMOLED頭盔顯示器可用于海、陸、空三軍軍械的戰(zhàn)場裝備,基于虛擬現(xiàn)實(shí)軍事訓(xùn)練、戰(zhàn)事模擬訓(xùn)練等。
現(xiàn)階段國內(nèi)外研發(fā)生產(chǎn)狀況
目前全球從事開發(fā)、生產(chǎn)OLED微顯示器的廠商并不多,主要集中在歐美國家,包括美國eMagin公司、英國Micro Emissive Displays(MED)公司、德國Fraunhofer IPMS研究機(jī)構(gòu)、法國MicroOLED公司、日本索尼以及中國云南北方奧雷德。其中eMagin是全球首家進(jìn)入OLED微顯示領(lǐng)域的廠商,也是目前為止推出產(chǎn)品最多、規(guī)模最大、技術(shù)最為先進(jìn)的一家廠商。盡管國內(nèi)廠商在微顯示方面做出了一定的努力,并獲得了相應(yīng)的成果,但歐美廠商在OLED微顯示的專利與創(chuàng)意等領(lǐng)域內(nèi)仍然保持了相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。
eMagin公司:成立于2000年6月,是全球首家AMOLED微顯示器制造商。2001年,eMagin公司首個(gè)SVGAOLED微顯示器開始商業(yè)化供樣,至今該公司已經(jīng)推出了三代OLED微顯示產(chǎn)品。其第三代產(chǎn)品分辨率達(dá)到了1920×(3)×1200,像素尺寸縮至9.6m,產(chǎn)品中還加入了最新的設(shè)計(jì)用以提高對比度、色域等光學(xué)性能。圖1是eMagin公司的硅基OLED微顯示器件結(jié)構(gòu)示意圖。該器件采用了頂發(fā)射OLED技術(shù),以白光透過彩色濾光片的方式實(shí)現(xiàn)全彩,配合薄膜封裝技術(shù)在制作彩色濾光片時(shí)對OLED器件形成保護(hù)。到目前為止,硅基OLED微顯示器基本都采用這種工藝技術(shù)制造。從文中表格可以看到微顯示產(chǎn)品是朝著高分辨率、數(shù)字化方向發(fā)展。
為了獲得高分辨率,需要進(jìn)一步縮小像素尺寸,為此eMagin將像素驅(qū)動方式從第一代產(chǎn)品的電流方式換成了電壓方式(如圖2所示)。電流驅(qū)動方式中,電流源IDATA通過行線對像素進(jìn)行寫入,存于驅(qū)動管QP1的電流用于驅(qū)動OLED。程序電流通過位于背板的簡單的電壓電流轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn),最終實(shí)現(xiàn)灰度顯示。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是背板設(shè)計(jì)簡單,特別適用于模擬視頻界面;缺點(diǎn)是像素存儲電容的面積較大,限制了像素變小。驅(qū)動像素的電流對存儲電容的信號變化很敏感,所以需要電容足夠大以降低硅寄生漏電流造成的亮度干擾。在電壓驅(qū)動模式中,電壓源VDATA用來對像素進(jìn)行寫入。OLED通過QN1管上存儲的柵壓相應(yīng)信號來驅(qū)動,由于OLED亮度與偏壓是非線性的,寫入電壓VDATA必須進(jìn)行伽瑪校正。這種模式的優(yōu)點(diǎn)是信號對存儲電容的干擾不敏感,電容縮小自由度大,可以減小像素尺寸。
eMagin除推出OLED微顯示模組外,還推出了集OLED技術(shù)、頭盔技術(shù)和3D立體視像技術(shù)于一體的個(gè)人顯示系統(tǒng)Z800 3D Visor。盡管僅有0.59英寸的對角尺寸,但它卻能提供相當(dāng)于3米處105英寸電影屏幕大小的寬大畫面。
Micro Emissive Displays(MED)公司:1999年成立,致力于P-OLED微顯示器技術(shù)的開發(fā)。2005年11月,MED公司發(fā)布第一款商業(yè)化微顯示器eyescreen,并商業(yè)出貨。2007年5月,該公司位于德國德累斯頓的批量制造工廠正式投入運(yùn)營。公司主要用戶有美國Vuzix公司的iWear系列頭戴式眼鏡。
MED公司推出的eyescreen技術(shù)是在CMOS襯底上將P-OLED和顯示驅(qū)動電路整合在一起,從而在同一芯片上實(shí)現(xiàn)圖像大小調(diào)整等更多功能。eyescreen可提供一流的圖像質(zhì)量(QVGA分辨率(320×240,230k像素點(diǎn)))和超低功耗,對角線像素?cái)?shù)組的間距僅為0.24英寸(6mm);集成了顯示驅(qū)動電子電路和數(shù)字視頻接口,可直接無縫集成多系統(tǒng),使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)師能夠開發(fā)更小、更輕的產(chǎn)品。
MicroOLED公司:成立于2007年,與法國原子能機(jī)構(gòu)CEA-Leti合作開發(fā)出了世界上最高效的OLED微顯示器。其開發(fā)的OLED技術(shù)基于特殊的有機(jī)薄膜結(jié)構(gòu)和改進(jìn)的制造工藝,開啟電壓低、制造工藝穩(wěn)定、溫度穩(wěn)定性高、散熱低而且高效。[!--empirenews.page--]
2008年MicroOLED開發(fā)了0.38英寸WVGA硅基OLED微顯示器,2012年該公司接著推出了0.61英寸硅基OLED微顯示器,采用了四點(diǎn)像素設(shè)計(jì),擁有彩色、黑白兩個(gè)型號,其中彩色型號分辨率為1280×1024,黑白的是2560×2048。
Fraunhofer IPMS研究機(jī)構(gòu):2009年6月,F(xiàn)raunhofer IPMS發(fā)布了OLED微型投影產(chǎn)品的研究新成果,該顯示器的硅基芯片采用0.35m高壓集成電路工藝,分辨率為320×240(QVGA),基于P-OLED技術(shù)。
2010年該機(jī)構(gòu)參與研發(fā)成功HYPOLED OLED微型顯示器(如圖3(b)所示),顯示區(qū)有效面積為7.68×5.76mm2,具有VGA(640x480)分辨率。整個(gè)芯片采用0.18m制程CMOS工藝制造,核心電壓與數(shù)字I/O電壓為1.8V,OLED負(fù)向偏壓值最大為-5.5V,可提供10,000cd/m2的單色以及1,000cd/m2的全彩畫面。該顯示器基于頂發(fā)光(Top-emitting)PIN結(jié)構(gòu)的OLED技術(shù)。
2011年,IPMS還開發(fā)展示了雙向OLED微顯示器,有效顯示面積達(dá)11.52×8.64mm2,解析度為QVGA(320×240,單色),如果內(nèi)嵌影像感測器,其解析度則為QQVGA(160×120)。硅芯片采用0.35m 3.3V/12V CMOS工藝。OLED通過Shadow Mask直接制作在硅芯片上,封裝采用薄膜封裝以及玻璃復(fù)合封裝技術(shù)。
索尼:2011年,索尼發(fā)布了0.5英寸及0.7英寸OLED微顯示屏產(chǎn)品。0.5英寸屏的分辨率達(dá)1024×768,像素尺寸為9.9m;0.7英寸屏分辨率為1024×720。這兩款OLED微顯示屏色域可達(dá)90% NTSC,對比度高達(dá)10,000:1,響應(yīng)時(shí)間為0.01ms。這種全新超高顯示密度OLED微顯示屏是專門設(shè)計(jì)用于數(shù)碼相機(jī)電子取景器等領(lǐng)域使用的,它可以提供97%的NSTC色域,采用了白色OLED以及彩色濾光片結(jié)構(gòu)。
北方奧雷德:成立于2008年5月12日,致力于為全球用戶提供優(yōu)秀的AMOLED微型顯示器產(chǎn)品及技術(shù)支持。其在短短兩年時(shí)間實(shí)現(xiàn)了OLED微型顯示技術(shù)的突破和產(chǎn)業(yè)化,其產(chǎn)品技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到或超過了國外水平,填補(bǔ)了國內(nèi)OLED微型顯示器批量生產(chǎn)的空白。
奧雷德開發(fā)了0.5英寸、0.6英寸、0.97英寸SVGA(800×600)硅基AMOLED微型顯示器,具有全彩色、單色白光、單色綠光、單色紅光等規(guī)格型號。其硅基襯底采用0.18m CMOS技術(shù),集成了全數(shù)字視頻信號處理及804×3×604個(gè)驅(qū)動單元等電路。0.5英寸的像素尺寸達(dá)到了12.6m×12.6m,與eMagin公司第二代產(chǎn)品接近。全彩微顯示像素采用垂直RGB條狀排列,可廣泛應(yīng)用于各種近眼顯示系統(tǒng)中。2010年,該公司的0.5英寸產(chǎn)品開始批量生產(chǎn)。
結(jié)論
硅基OLED微顯示器憑借具有傳統(tǒng)AMOLED顯示屏不具備的超高分辨率、體積小易攜帶、可制作成媲美大屏顯示的近眼顯示產(chǎn)品,以及具有優(yōu)于其他微顯示技術(shù)的特點(diǎn),得到了廣泛關(guān)注?;谄浼夹g(shù)優(yōu)勢和廣闊的市場,在軍事以及消費(fèi)電子領(lǐng)域,硅基OLED微顯示都將掀起近眼顯示的新浪潮,為用戶帶來前所未有的視覺體驗(yàn)?,F(xiàn)今全球制造硅基OLED微顯示器的廠商有6家,eMagin目前仍是推出產(chǎn)品最多、技術(shù)最為先進(jìn)的廠商。