技术课堂|eMagin解密世界上最亮的WUXGAOLED微型显示器研发过程

CINNO Research产业资讯，随着增强现实（AR）和虚拟现实（VR）技术的出现，市场对微型显示器性能的要求也越来越高。虽然OLED微型显示器可以满足这些性能要求中的大部分，但还是有些规格仍有待提高。

 

根据SID官网显示，通常，沉浸式VR和AR可穿戴设备都需要搭配一些具有高亮度和高分辨率规格的显示器，除了这些要求以外，其他规格还包括高对比度、高色域、高像素密度以及轻薄低功耗。虽然使用LCD微型显示器可以实现超高亮度目标，但却不能满足其他一些规格，例如对比度。

 

OLED微型显示器可以显示许多虚拟世界应用所需求的高质量视频。但是，传统全彩色OLED微型显示器的最大亮度仍非常低，还不能达到VR/AR应用所需要的最低要求。一款高质量的VR设备通常需要具有非常高的调制传递函数 (MTF)和低占空比光学设计来消除运动伪影。

 

表 1. 人眼直接感受到的VR设备亮度为150尼特时所需的显示器亮度，该数值和占空比与光学效率设计有关

表1显示了具有不同光学效率和占空比的VR设备，让用户感受到150尼特亮度所需显示器的显示亮度。很明显，即使在通常被遮挡的VR应用情况下，也需要非常高亮度的显示器。目前，最先进的传统OLED微型显示器也无法实现如此高的亮度。亮度之所以无法进一步提高主要因为受到产品功能层叠构的限制。事实上，所有传统的全彩色OLED微型显示器都使用白色OLED和红色、绿色和蓝色彩色滤光片（Color Filter）来实现原色（图 1a）。这种设计中，彩色滤光片透过率低，会吸收很大一部分能量，降低幅度达惊人的80%。

图1. (a) 具有彩色滤光片阵列设计的传统白色OLED的结构，与 (b)具有独立红色、绿色和蓝色发光层 (EML) 的直接图案化OLED结构相比具有透过率低的劣势

 

可以看出，取消彩色滤光片设计而直接图案化独立的红绿蓝三色发光层（图 1b）可显著提高器件的光学效率和最终的显示亮度。不过，如此小的子像素尺寸（通常约为3 × 10微米）让OLED子像素的图案化设计变得特别困难。通常使用的精细金属掩模（FMM）方案，在图案化时填充因子（Fill Factor）非常低。在此背景下，eMagin开发了一种非FMM的图案化技术——直接图案化（dPd, Direct patterned Display）技术。该技术可以让高分辨率像素阵列的图案化过程具有非常高的填充因子。

 

借助该技术，eMagin团队首先开发了一款像素尺寸小于10微米的高亮度、直接图案化RGB OLED微型显示器。通过不断改进工艺和改进材料组，该团队实现了从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驱动背板开发了一款亮度突破10,000尼特的WUXGA（1,920 × 1,200像素）分辨率显示器。

 

众所周知，传统的有源矩阵OLED (AMOLED)微型显示器是通过在显示区域沉积单一白色OLED叠层制造出来的。这种OLED显示器具有彩色滤光片阵列（图 1a）——在薄膜密封层顶部或在与 OLED 基板对齐的另一片玻璃基板上进行光刻图案化。eMagin的dPd型OLED微型显示器是通过单独图案化每种颜色（红绿蓝）发光层材料来制造的，它不需要沉积彩色滤光片（图 1b）。

方法

eMagin最初是在一块具有9.6微米像素间距（每英寸2,645像素，2645ppi）的WUXGA分辨率CMOS驱动背板上完成dPd技术的开发的。截至目前，公司在其他分辨率（包括 2K、3K 和 4K）驱动背板上也完成了dPd技术的演示。

 

在应用dPd技术前，通常会在驱动背板阵列上沉积空穴注入层和空穴传输层，尽管原则上，这些材料也可以通过直接图案化技术制作。紧接着，在这些基本层之上，eMagin通过直接图案化技术制成独立的红绿蓝三基色像素。因为目前市场上还没蓝色磷光发光材料，我们使用了蓝色荧光发光材料，而红色和绿色还是使用磷光发光材料。

 

一般情况下，小像素间距需要非常高的对位精度，不过eMagin的dPd技术可以轻松实现0.1 微米的对位精度。在制作完这些发光层之后，上述基板还会沉积电子传输层和阴极，最后应用了eMagin自有工艺完成薄膜封装。

 

因为这种基于dPd技术开发出的微型AMOLED现在可以独立发出红绿蓝三基色光，所以我们不需要再制作彩色滤光片阵列，这一点可以极大简化整个器件的制造工艺；不过，这之后的所有其他OLED工艺都与传统AMOLED微型显示器一样。封装好的AMOLED微型显示器，我们使用Photo Research PR680分光辐射计/分光光度计进行了光学测试，另外显示器的显微镜图像使用Carl Zeiss显微镜拍摄。

 

开发阶段

图2展示了我们目前的各个不同开发阶段。首先，我们制作了单绿色OLED微型显示器，这主要是为了验证直接图案化方法的可行性。紧接着，在完成技术可行性验证后，我们进一步制作了一款双色（红-绿）OLED微型显示器。在这之后，我们开发开发全彩色（红绿蓝）OLED微型显示器。

 

图2. eMagin公司dPd技术的各个开发阶段——单绿色OLED微型显示器、双色（红-绿）OLED微型显示器和全彩色OLED微型显示器

 

1. 单绿色OLED微型显示器

eMagin公司基于专有的dPd技术，使用绿色磷光发光材料制成了这款单绿色OLED微型显示器——所有显示像素都是图案化的绿色发光像素。绿色发光材料的对准和覆盖性能都非常好。结果表明，借助eMagin专有的直接图案化技术，该器件没有出现性能下降问题。

 

2. 双色（红-绿）OLED微型显示器

eMagin这款红绿双色OLED微型显示器是在WUXGA CMOS驱动背板上使用单独的红色和绿色磷光制成的。由于绿色像素所发光强度远大于红色像素所发光强度，我们设计上每个绿色像素对应沉积两个红色像素。与上述单绿色OLED微型显示器一样，这款双色OLED微型显示器只有发光层直接在子像素上图案化形成。据评估，这款双色显示器的性能令人满意（图2），鉴于此团队决定进行下一阶段全彩色 dPd显示技术的开发。

 

3. 全彩色（红绿蓝）OLED微型显示器

最后，eMagin在标准WUXGA CMOS驱动背板（2645 ppi）上制造了全彩色（红绿蓝）直接图案化的OLED微型显示器。和之前各阶段的开发设计一样，该全彩色OLED微型显示器对标准器件结构的唯一修改是，使用直接图案化技术制作红绿蓝三色发光层。

 

结果

图3a-b将直接图案化技术制成的OLED微型显示器与eMagin使用“带彩色滤光片白色”方案制成的传统WUXGA OLED微型显示器进行了比较。与具有滤光片设计的OLED微型显示器相比，直接图案化技术制成的显示器在给定电流和电压下可以实现更高亮度的显示画面。另外，这里应该注意的是，这些还只是dPd技术开发工作的初步结果。

 

图3. 直接图案化技术和传统带彩色滤光片技术制成的OLED微型显示器在(a) 亮度与电流密度 (L-J)曲线，以及 (b) 亮度与电压 (L-V) 曲线方面的对比。

增强色域

为了进一步提升dPd技术开发出的OLED微型显示器，eMagin引入了额外的色彩增强层来进一步改善，这些色彩增强层不仅可用于缩小每种颜色发射光谱的宽度（即颜色的纯度），还能调整所发光主波长对应的颜色坐标。

 

eMagin将这种额外的色彩增强层用于了其基于dPd技术WUXGA OLED微型显示器的开发。如下表2和、图4和5具体展示了这些色彩增强层的效果，为了更好的对比，这些对比中还展示了不含色彩增强层设计的数据。

 

从表2可以看出，色彩增强层将所发光颜色转移到了更纯的位置，其中引入色彩增强层的dPd OLED 微型显示器，其色域达到了标准RGB（sRGB）色域的133%，作为对比，没有引入色彩增强层的dPd OLED微型显示器的色域为sRGB的 86.3%。

 

这里值得注意的是，虽然引入色彩增强层可以显著提升显示器的色域，但是同时也会降低显示器的发光效率。在同样的驱动条件下，引入色彩增强层的dPd OLED微型显示器发出的光比没有引入色彩增强层的dPd OLED微型显示器少35-45%。不过，我们可以通过一些设计上的优化显著减少这种光效的损失。

 

表 2. 非增强 dPd 和增强色域 dPd WUXGA∗ 微显示器之间的色坐标比较

 

图4. 增强型 dPd WUXGA OLED 微型显示器的发射光谱

图5. 增强型 dPd 和 sRGB 标准的色域比较

 世界上亮度最高的 WUXGA OLED 微型显示器

通过对上述dPd技术的不断优化，该团队最终制成了目前世界上亮度最高的WUXGA OLED微型显示器。此外，随着OLED叠够材料的更新和优化开发，eMagin有望开发出亮度超过10000尼特的dPd OLED微型显示器。

 

图6. 以无源模式驱动的最高亮度dPd WUXGAOLED微型显示器，其中(a)为亮度与驱动电压的关系；(b) 为亮度与驱动电流的关系

 

图7展示了eMagin最新开发的这款全彩色WUXGA dPd OLED微型显示器。该微型显示器在2021年10月29日的分析师活动中进行了展示。相关分析师在活动期间进行的实际测量亮度为11,300尼特。据我们所知，这是世界上目前所展示最亮的高分辨率OLED微型显示器。我们相信这种亮度水平和分辨率的OLED微型显示器可以将AR和VR应用的性能提升到一个新的水平。

 

图7. eMagin在纽约工厂制造的实际亮度达 10,000尼特的全彩色WUXGA分辨率OLED微型显示器

 

未来展望

展望未来，eMagin有望通过对其dPd技术的优化，进一步提升OLED微型显示器的性能。事实上，传统OLED技术的改善方向——例如串联堆叠架构、微透镜阵列和材料改进——都可以很容易地整合到dPd技术中。这些改进有望将最终的OLED显示器亮度提高到超过25,000 尼特。基于这些考虑，基于dPd技术的OLED微型显示器已经并将继续领先于传统的OLED微型显示器技术。