像素密度 Science 三星：像素密度高达1万的OLED屏

2022-01-09 21:37

原创长光所Light中心中国光学收录于话题#显示技术9个

作者|岳

有机发光二极管，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。

对于普通显示器，有机发光二极管现阶段可以满足数百ppi的要求。如图1所示，苹果最近发布的IPhone12 Pro和IPhone12 Pro Max的像素已经达到了460ppi和458ppi，还在有机发光二极管的技术参数范围内。然而，对于虚拟显示和增强现实等微型显示器，对每英寸像素的要求已经达到了几千ppi，完全超过了有机发光二极管显示器现阶段所能达到的最高每英寸像素。

图1 iPhone 12 Pro和IPhone12 Pro Max的显示参数

图源：苹果官网

上层建筑表面是一种厚度小于波长的人工层状材料，可视为上层建筑材料的二维对应。事实证明，它可用于光学集成设备中，以增强和控制光发射、调制、动态整形和检测。

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。

来源: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。

图2元有机发光二极管设计示意图

图源：Science 370, 459-463 . Fig1

与传统的有机发光二极管相比，元有机发光二极管有其独特的属性和优势:

1、制造工艺

传统的RGB-有机发光二极管采用精细金属掩膜的材料沉积工艺，沉积时由于阴影效应无法缩小单元结构尺寸，大面积FMM下垂导致整体尺寸无法放大，给RGB-有机发光二极管显示屏的缩放带来巨大挑战。

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.可调发射光谱

如图3、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不同结构设计下的阵列电致发光图像；

发射光谱随纳米柱间距的连续光谱调控

资料来源:科学370，459-463。图1，

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。

带滤色器的白色有机发光二极管是为解决FMM制造工艺问题而提出的技术，也是目前大多数电视显示屏使用的技术。如图4所示，是元有机发光二极管和白有机发光二极管的性能对比图。从图中可以看出，Meta-有机发光二极管具有双倍的发光效率和出色的色纯度。

图4元有机发光二极管和滤色白有机发光二极管电致发光性能的比较

图源：Science 370, 459-463 . Fig2 、

4.每英寸超高像素

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减小到超高密度微米显示级别。

图5超高密度、RGB像素化元有机发光二极管的EL图像

图源：Science 370, 459-463 . Fig4

综上所述，Meta-有机发光二极管显示器可以克服FMM和彩色滤光片的诸多技术限制，比传统有机发光二极管具有更高的发光效率、更高的色纯度和超高的每英寸像素。此外，通过设计超结构表面的纳米结构，可以实现微腔自由光谱范围的主动调控，进一步拓展超结构表面在有机发光二极管中的作用，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 .

论文地址

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

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