Science | 三星：像素密度高達1萬的OLED屏

2020-10-27 06:53

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

原創長光所Light中心中國光學收錄于話題#顯示技術9個

撰稿 | Yue（哈工大博士生）

有機發光二極管（OrganicLight-Emitting Diode，OLED），又稱為有機電激光顯示、有機發光半導體，是指在電場驅動下，可以通過載流子注入和復合產生發光現象的有機半導體器件，目前已廣泛應用于大尺寸電視、智能手機和平板電腦等顯示屏中。

對于普通顯示屏來說，現階段數百ppi（pixels per inch，像素每英寸）的要求利用OLED便可滿足，如圖1所示，為近期蘋果公司最新發布的IPhone12 Pro和IPhone12 Pro Max的顯示屏，其像素已達到了460ppi和458ppi，仍在OLED技術參數范圍內，但對于虛擬顯示和增強現實等微型顯示屏中，對像素密度的要求已經達到了幾千個ppi，完全超出了現階段OLED顯示屏所能達到的最高像素密度。

圖1 IPhone12 Pro和IPhone12 Pro Max的顯示屏參數

圖源：蘋果官網

超構表面（Metasurface）是一種厚度小于波長的人工層狀材料，可視為超構材料的二維對應，已有研究證明可以將其應用于光學集成設備中，以實現增強和調控光波發射、調制、動態整形和探測等功能。

韓國三星先進技術研究院的Won-Jae Joo和美國斯坦福大學的Mark L. Brongersma等人基于超構表面的這種特性，將其與OLED顯示屏結構相結合設計了一種全彩色、高亮度的新型OLED架構，并通過實驗證明，該架構可以將OLED屏的像素密度從目前400ppi提升至10000ppi，完全滿足下一代微型顯示屏的要求。相關研究成果于10月23日以“Metasurface-driven OLED displays beyond 10,000 pixels per inch”為題發表在Science。

圖源：三星官網

如圖2所示為該團隊提出的新型OLED器件設計，該器件具有空間可變的超光子FP腔，即超光子OLED（Meta-OLED）。

圖2 Meta-OLED的設計示意圖（譯）

圖源：Science 370, 459-463 (2020). Fig1（A）

與傳統OLED相比，Meta-OLED具有其獨特的性質及優勢：

1、制造工藝

傳統RGB-OLED采用精細金屬掩模(FMM)的材料沉積工藝，該工藝由于沉積中的陰影效應而無法實現單元結構尺寸的縮小，同時由于大面積FMM的下垂而無法實現整體尺寸的放大，從而對RGB-OLED顯示屏的縮放產生了巨大的挑戰。

Meta-OLED是基于納米結構的超構表面而設計的整體架構，可以通過納米壓印的方式對其進行加工制造并可進一步對其進行縮放，徹底擺脫FMM制造工藝的依賴。

2、發射光譜可調

如圖3（a）、（b）所示，為不同結構參數設計下的三像素乘三像素陣列的高空間分辨率電致發光(EL)圖像和發射光譜連續調控曲線，該結果證明可以通過改變超構表面的納米結構尺寸（即圓柱體半徑、密度等）的方式，改變FP腔種反射鏡的反射相位，進而實現諧振頻率的調控，最終達到在可見光譜范圍內任意波長可調的效果。

圖3 （a）不同結構設計下的陣列電致發光圖像；

（b）發射光譜隨納米柱間距的連續光譜調控

圖源：Science 370, 459-463 (2020). Fig1 (D)、(E)

3、發光效率高、色純度高

帶有彩色濾波片的白色OLED是為了解決FMM制造工藝問題所提出來的一項技術，也是當前絕大部分電視顯示屏中采用的技術。如圖4所示，為Meta-OLED與該白色OLED的性能比較圖，從圖中可以看出，Meta-OLED具有兩倍的發光效率和非常出色的色純度（R，G和B像素的半高全寬FWHM反映了顯示屏的色純度）。