Science三星像素密度高达1万的OLED屏

原创 长光所Light中心 中国光学 收录于话题#显示技术9个

撰稿 | Yue（哈工大 博士生）

有机发光二极管（OrganicLight-Emitting Diode，OLED），又称为有机电激光显示、有机发光半导体，是指在电场驱动下，可以通过载流子注入和复合产生发光现象的有机半导体器件，目前已广泛应用于大尺寸电视、智能手机和平板电脑等显示屏中。

对于普通显示屏来说，现阶段数百ppi（pixels per inch，像素每英寸）的要求利用OLED便可满足，如图1所示，为近期苹果公司最新发布的IPhone12 Pro和IPhone12 Pro
Max的显示屏，其像素已达到了460ppi和458ppi，仍在OLED技术参数范围内，但对于虚拟显示和增强现实等微型显示屏中，对像素密度的要求已经达到了几千个ppi，完全超出了现阶段OLED显示屏所能达到的最高像素密度。

图1 IPhone12 Pro和IPhone12 Pro Max的显示屏参数

图源：苹果官网

超构表面（Metasurface）是一种厚度小于波长的人工层状材料，可视为超构材料的二维对应，已有研究证明可以将其应用于光学集成设备中，以实现增强和调控光波发射、调制、动态整形和探测等功能。

韩国三星先进技术研究院的Won-Jae Joo和美国斯坦福大学的Mark L. Brongersma等人基于超构表面的这种特性，将其与OLED显示屏结构相结合设计了一种全彩色、高亮度的新型OLED架构，并通过实验证明，该架构可以将OLED屏的像素密度从目前400ppi提升至10000ppi，完全满足下一代微型显示屏的要求。相关研究成果于10月23日以“Metasurface-driven
OLED displays beyond 10,000 pixels per inch”为题发表在Science。

图源：三星官网

如图2所示为该团队提出的新型OLED器件设计，该器件具有空间可变的超光子FP腔，即超光子OLED（Meta-OLED）。

图2 Meta-OLED的设计示意图（译）

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

与传统OLED相比，Meta-OLED具有其独特的性质及优势：

1、制造工艺

传统RGB-OLED采用精细金属掩模(FMM)的材料沉积工艺，该工艺由于沉积中的阴影效应而无法实现单元结构尺寸的缩小，同时由于大面积FMM的下垂而无法实现整体尺寸的放大，从而对RGB-OLED显示屏的缩放产生了巨大的挑战。

Meta-OLED是基于纳米结构的超构表面而设计的整体架构，可以通过纳米压印的方式对其进行加工制造并可进一步对其进行缩放，彻底摆脱FMM制造工艺的依赖。

2、发射光谱可调

如图3（a）、（b）所示，为不同结构参数设计下的三像素乘三像素阵列的高空间分辨率电致发光(EL)图像和发射光谱连续调控曲线，该结果证明可以通过改变超构表面的纳米结构尺寸（即圆柱体半径、密度等）的方式，改变FP腔种反射镜的反射相位，进而实现谐振频率的调控，最终达到在可见光谱范围内任意波长可调的效果。

图3 （a）不同结构设计下的阵列电致发光图像；

（b）发射光谱随纳米柱间距的连续光谱调控

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

3、发光效率高、色纯度高

带有彩色滤波片的白色OLED是为了解决FMM制造工艺问题所提出来的一项技术，也是当前绝大部分电视显示屏中采用的技术。如图4所示，为Meta-OLED与该白色OLED的性能比较图，从图中可以看出，Meta-OLED具有两倍的发光效率和非常出色的色纯度（R，G和B像素的半高全宽FWHM反映了显示屏的色纯度）。

图4 Meta-OLED(实线曲线)和滤色白光OLED(虚线曲线)的电致发光性能对比图

图源：Science 370, 459-463 (2020). Fig2 (A)、(B)

4、超高像素密度

如图5所示为常规光学显微镜下RGB像素化的Meta-OLED电致发光图像，从图中可以看出RGB子像素为正方形，具有交替的RGB图案，并且尺寸可以从移动显示级别（400PPI）减小到超高密度微米显示级别（10,000PPI）。

图5 超高密度、RGB像素化Meta-OLED的EL图像

图源：Science 370, 459-463 (2020). Fig4 (A)

综上所述，该Meta-OLED显示屏可以克服FMM和彩色滤光片的众多技术限制，并具备比传统OLED更高的发光效率、更高的色纯度和超高的像素密度。并且还可以通过对超构表面纳米结构的设计，实现微腔自由光谱范围的主动调控，另外还可以进一步扩展超构表面在OLED中的作用，以解决传统微腔的其他固有问题。

目前，Meta-OLED已表现出众多优势，有望成为下一代微型显示屏的领先技术，并成为超光子技术最实际的应用之一。

文章信息

Joo, W.-J. et al. Metasurface-driven OLED displays beyond 10,000 pixels per inch. Science 370, 459-463, doi:10.1126/science.abc8530 (2020).

论文地址

https://doi.org/10.1126/science.abc8530

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