索尼8K VR頭顯原型背后Micro-OLED顯示技術(shù)的研發(fā)、挑戰(zhàn)與探索

　　索尼的Micro-OLED顯示器是一種非常小的高分辨率顯示器，并且具有高對(duì)比度、寬色域和快速響應(yīng)時(shí)間。它已經(jīng)用于相機(jī)的電子取景器等設(shè)備，并收獲了廣泛的好評(píng)。未來(lái)，這家公司預(yù)計(jì)相關(guān)用例將能擴(kuò)展到虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備。

　　在日前舉行的索尼科技日活動(dòng)中，索尼展示了一款搭載4K Micro-OLED顯示屏的VR頭顯原型。同時(shí)，索尼研究人員高木昭綱和木村圭撰文介紹了團(tuán)隊(duì)在這方面的研究，下面是映維網(wǎng)的具體整理：

　　OLED顯示器是自發(fā)光顯示器，具有出色的視頻響應(yīng)時(shí)間和鮮明的色彩表現(xiàn)。它們廣泛應(yīng)用于電視、顯示器和智能手機(jī)。

　　索尼利用專(zhuān)有的OLED技術(shù)和硅半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)技術(shù)，成功地將通常為幾十到幾百微米(μm)的像素尺寸縮小到幾微米。所以，既保留OLED優(yōu)勢(shì)又創(chuàng)造1平方英寸的高分辨率面板成為了可能。這就是所謂的Micro-OLED顯示技術(shù)(索尼將Micro-OLED顯示器定義為通過(guò)位于硅襯底的CMOS電路驅(qū)動(dòng)尺寸約為10μm或更小像素的顯示器)。

　　與LC和LED等顯示技術(shù)相比，Micro-OLED顯示器以其高圖像質(zhì)量和分辨率、小尺寸和快速響應(yīng)時(shí)間占據(jù)了獨(dú)特的地位。特別是，它們用于DSLR相機(jī)電子取景器和頭顯等設(shè)備時(shí)的評(píng)價(jià)很高。索尼目前正在進(jìn)行相關(guān)的研發(fā)，并預(yù)計(jì)需求將隨著AR眼鏡和VR頭顯等可穿戴顯示器的普及而增加。

　　2. 始于相機(jī)電子取景器

　　索尼于2009年開(kāi)始研發(fā)為后來(lái)Micro-OLED奠定基礎(chǔ)的顯示技術(shù)。當(dāng)時(shí)，可換鏡頭相機(jī)正在蓬勃發(fā)展，而液晶微型顯示器的性能與光學(xué)取景器相比不足的事實(shí)正在成為一個(gè)問(wèn)題。

　　與液晶微型顯示器相比，Micro-OLED顯示器的主要區(qū)別在于它是自發(fā)光顯示器。所以，它們的對(duì)比度非常鮮明，并且它們能夠正確地再現(xiàn)黑色色調(diào)，而這正是液晶需要面臨的問(wèn)題。另外，在相機(jī)晃動(dòng)時(shí)，液晶微型顯示器有時(shí)會(huì)出現(xiàn)色散現(xiàn)象，而由于響應(yīng)時(shí)間快，這在OLED顯示器中不會(huì)出現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)模糊很難發(fā)生。

　　第一款Micro-OLED顯示器最初在2011年實(shí)現(xiàn)，并在隨后廣泛用于相機(jī)取景器。這是它們目前的主要用例。

　　3. 實(shí)現(xiàn)小型化和高分辨率的工程原理

　　為了實(shí)現(xiàn)高圖像質(zhì)量，索尼正在使用包含彩色濾光片(CF)的Top-Emitting White OLED作為Micro-OLED顯示器的組件。向上發(fā)光白色OLED的發(fā)光結(jié)構(gòu)和所使用的技術(shù)如上圖所示。

　　Micro-OLED顯示器中使用的硅襯底不傳輸可見(jiàn)光，所以通過(guò)op-Emitting方法從CF玻璃襯底側(cè)提取光。OLED顯示器有兩種形成彩色像素的方法：White OLED方法和Shadow-Mask Patterning OLED方法。索尼于2007年發(fā)布的Super Top Emission方案采用Shadow-Mask Patterning OLED方法為每個(gè)像素形成發(fā)光材料薄膜。

　　例如，Micro-OLED顯示器的像素比例不到普通OLED顯示器的十分之一，例如低于3μm�，F(xiàn)有的Fine Metal Mask(FMM)很難處理所述問(wèn)題。所以，索尼使用White OLED方法，從而在整個(gè)表面形成相同有機(jī)材料的薄膜。

　　通過(guò)向硅襯底OLED層兩端的電極施加電壓，發(fā)光材料發(fā)射白光，然后通過(guò)不同的CF對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行分散，并傳輸通過(guò)玻璃基板。

　　通常，子像素尺寸越小，相鄰像素中混合的光和電流就越多，特性和圖像質(zhì)量就越可能惡化。索尼通過(guò)優(yōu)化CF結(jié)構(gòu)，控制硅襯底和CF襯底之間的對(duì)準(zhǔn)，以及優(yōu)化電極和OLED層之間的材料和層組成來(lái)抑制退化。

　　為了建立這種方法，索尼利用了一系列的技術(shù)資產(chǎn)，例如公司多年來(lái)開(kāi)發(fā)的OLED器件設(shè)計(jì)技術(shù)，以及與材料制造商聯(lián)合開(kāi)發(fā)的高效長(zhǎng)壽命器件。另外，3μm CF RGB處理技術(shù)采用了為CCD圖像傳感器開(kāi)發(fā)的技術(shù)。

　　4. 精確控制微電流的挑戰(zhàn)

　　當(dāng)團(tuán)隊(duì)嘗試開(kāi)發(fā)更高效的高分辨率Micro-OLED顯示器時(shí)，其面臨的一個(gè)問(wèn)題是用硅襯底上的晶體管控制電流。

　　要令精細(xì)間距像素發(fā)光，你必須精確控制電流。其中，相關(guān)電流是智能手機(jī)OLED中的1/1000。電壓控制和電流發(fā)射關(guān)系如下表所示：

　　縱軸顯示電流，橫軸顯示控制電壓。在智能手機(jī)OLED的TFTs中，電流控制在由控制電壓和晶體管閾值電壓的平方所定義的區(qū)域內(nèi)，但對(duì)于Micro-OLED顯示器，其需要使用常規(guī)CMOS邏輯控制由指數(shù)函數(shù)定義的微電流區(qū)域。在所述區(qū)域，即使是電壓的微小變化都會(huì)導(dǎo)致電流量呈指數(shù)級(jí)增加或減少。所以，每個(gè)像素的亮度變化很大。

　　在這種情況下，如何控制電流的絕對(duì)值呢?你無(wú)法簡(jiǎn)單地在反復(fù)試驗(yàn)中改變條件，從而優(yōu)化用于控制微電流的晶體管的性能。相反，索尼回到了基礎(chǔ)物理，根據(jù)物理性質(zhì)創(chuàng)建了公式，然后進(jìn)行模擬以支持理論。在保證了理論的有效性后，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了試產(chǎn)并得到了預(yù)期的結(jié)果。

　　團(tuán)隊(duì)同時(shí)利用了索尼多年來(lái)開(kāi)發(fā)的像素電路驅(qū)動(dòng)技術(shù)資產(chǎn)。盡管TFTs和CMOS電路的要求不同，但索尼尋求硅襯底的最佳像素電路技術(shù)，強(qiáng)調(diào)特性穩(wěn)定性。終于，他們?cè)?017年成功建立了所述技術(shù)。

　　5. 目標(biāo)是高分辨率、高亮度、快速響應(yīng)時(shí)間和低功耗

　　索尼的Micro-OLED顯示器利用了公司先進(jìn)的技術(shù)知識(shí)和多年的制造經(jīng)驗(yàn)。為了在未來(lái)的電子取景器和可穿戴設(shè)備顯示器中創(chuàng)建真實(shí)感的圖像，需要更高的分辨率、更高的亮度、更快的響應(yīng)時(shí)間和更低的功耗。特別是對(duì)于可穿戴設(shè)備而言，更高的功耗會(huì)造成設(shè)備過(guò)熱，并成為用戶體驗(yàn)的障礙。另外，在娛樂(lè)行業(yè)，更高的刷新率對(duì)游戲非常重要。

　　6. 利用開(kāi)放式創(chuàng)新研究來(lái)探索新光源

　　擴(kuò)大Micro-OLED顯示器可能性的挑戰(zhàn)正在進(jìn)行中。它涉及將現(xiàn)有的可見(jiàn)光Micro-OLED顯示技術(shù)與人類(lèi)看不見(jiàn)的近紅外發(fā)光材料相結(jié)合，從而探索新光源。索尼是世界第一家將近紅外OLED集成到微型顯示器中的公司。

　　在這項(xiàng)研究中， Super Top Emission采用了微腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)(利用上下電極之間的光共振效應(yīng)，使外部發(fā)射的光產(chǎn)生陡峭而強(qiáng)烈的光譜)，以及目前的控制技術(shù)是預(yù)期用于近紅外光的技術(shù)之一。然而，團(tuán)隊(duì)對(duì)發(fā)射近紅外光的OLED組件缺乏經(jīng)驗(yàn)，并且面臨著與低發(fā)光效率相關(guān)的問(wèn)題。

　　發(fā)射的近紅外光的數(shù)量不能用坎德拉表示，而是使用術(shù)語(yǔ)外量子效率(External Quantum Efficiency，EQE)。這是耦出光子數(shù)與注入發(fā)光元件的電子數(shù)之比。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)可見(jiàn)光獲得的EQE最多為30%左右。但當(dāng)近紅外光譜的波長(zhǎng)超過(guò)900nm時(shí)，它會(huì)下降到1%以下。

　　為了解決這個(gè)問(wèn)題，索尼決定把目光投向第三方研究。

　　團(tuán)隊(duì)與正在研究下一代高性能發(fā)光材料的日本九州大學(xué)有機(jī)光子學(xué)和電子學(xué)研究中心合作。一開(kāi)始，EQE一直停留在0.1%以下。然而，通過(guò)將索尼的Top-Emission技術(shù)與利用九州大學(xué)材料技術(shù)開(kāi)發(fā)的新材料相融合，實(shí)現(xiàn)900nm波段近紅外OLED的實(shí)用EQE成為了可能。

　　7. 傳感領(lǐng)域的預(yù)期用途

　　除了用于元宇宙的AR和VR之外，近紅外傳感有望在物聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器人技術(shù)的新領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。結(jié)合索尼傳感器和小型高分辨率光源的三維測(cè)量將允許對(duì)物體形狀進(jìn)行更精確和更快速的觀察，并可能帶來(lái)傳感技術(shù)的快速進(jìn)步。另外，通過(guò)為可見(jiàn)光顯示器添加近紅外光，可以開(kāi)發(fā)具有顯示和傳感功能的設(shè)備。

　　用亮度計(jì)測(cè)量了常規(guī)Micro-OLED顯示器的特性。對(duì)于近紅外光，索尼使用近紅外光電二極管和圖像傳感器捕獲光并對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。

　　一系列的索尼工程師都已經(jīng)參與到開(kāi)發(fā)Micro-OLED顯示技術(shù)，包括半導(dǎo)體器件(如晶體管和布線)的設(shè)計(jì)和制造工藝、像素電路和輕量元件設(shè)計(jì)、薄膜形成、CF圖案和玻璃封裝等等。這項(xiàng)范圍廣泛的技術(shù)能夠允許各種專(zhuān)家發(fā)揮其全部潛力，而索尼通過(guò)令人印象深刻的圖像質(zhì)量來(lái)為客戶提供獨(dú)特價(jià)值的努力依然在繼續(xù)。