10000 PPI 的 OLED 屏誕生!三星聯手斯坦福設計,新型架構可用於 VR

雷鋒網 於 27/10/2020 發表 收藏文章
談及 OLED,有人時常會冒出一句:

引用LCD 永不為奴。

不過就在最近,OLED 技術再次獲得了新突破:PPI 達到 10000!

韓國三星電子三星綜合技術院(Samsung Advanced Institute of Technology)聯合美國斯坦福大學 Geballe 先進材料實驗室、韓國漢陽大學物理系,設計出了每英寸 10000 像素的全綵色、高亮度 OLED 顯示器,這一成果有望在 VR、AR 中得以應用。

2020 年 10 月 23 日,相關論文發表於知名學術期刊 Science,題為 Metasurface-driven OLED displays beyond 10,000 pixels per inch(超表面驅動 OLED 顯示器每英寸像素超 10000)。


LCD 與繼任者 OLED

OLED,全稱 Organic Light-Emitting Diode,即「有機發光二級管」,是 LCD(Liquid Crystal display,液晶顯示)技術公認的繼任者。

LCD 的原理大致是:將一個液晶盒放在平行的 2 塊玻璃基板中間,下基板設置了薄膜晶體管,上基板設置了彩色濾光片。薄膜晶體管上的信號、電壓變化可以控制液晶分子的轉動,由此控制每個像素點偏振光出射與否,顯示的目的也便達到了。

而 OLED 技術是由電場驅動——採用的是有機材料塗層和玻璃基板,當電流通過時,有機材料就會發光。OLED 的每個像素點自身都能獨立發光,而每個像素點是由紅綠藍 3 個次像素組成的。每個子像素點都可以看作是一顆 LED 燈,像素組成的陣列就是 OLED 面板了。

説到紅綠藍次像素,很多人可能還記得之前上過熱搜的一個詞:「周冬雨排列」。

「周冬雨排列」到底是什麼,就連周冬雨本人都搞不明白,還跑到知乎提問。


據網友解釋,「周冬雨排列」長下面這樣,神似一個個“周冬雨的凝視”。


實際上它是指京東方(BOE)的 Triangular PenTile 排列,是一種屏幕次像素的排列方式。

從專業角度來看,OLED 屏不同顏色像素點的材質不同,藍色像素點壽命較短。

為解決這個問題,像素點可以有多種排列方式,排列方式直接影響着屏幕清晰度,而京東方的這種排列在某些方向實際分辨率會下降,使用了京東方 OLED 屏的華為 Mate 20 Pro 還曾爆出了屏幕邊緣出現綠色調的光暈,因此外界對其的吐槽也不少。相比於這種排列,世界級面板產商三星的「鑽石排列」清晰度更佳。

簡單總結一下,LCD 的光源層和顯示層分離,OLED 光源層和顯示層合二為一。

基於此,OLED 顯示屏相比之下有不少優勢,比如輕薄、可視角度大、能耗低、亮度高,還可以顯示純黑色、可以彎曲,能夠滿足曲屏電子設備的製造。

但 OLED 並不是完全吊打 LCD,LCD 黨的論據在於,OLED 壽命較短不耐用、燒屏頻閃易傷眼。


PPI 達到 10000

實際上,在 OLED 顯示屏領域,三星(以及 LG)可謂是遙遙領先的巨頭,不僅在競爭激烈的市場中積極地進行戰略部署,技術上也總是快人一步。

正如 IEEE 所説,OLED 屏實現了商業成功,但自然還有提升空間。

目前,當屏幕和眼睛保持一定距離時,每英寸像素數大約在幾百左右,智能手機屏幕每英寸只能容納 400-500 像素(iPhone 12 Pro 的超視網膜 XDR 顯示屏為 460PPI),電視屏幕每英寸僅 100-200 像素。而對於 VR、AR 設備,所需的像素密度為每英寸幾千個像素,而當前的顯示技術還無法滿足要求。

基於此,研究團隊設計了全綵色、高亮度的新型 OLED 顯示器,利用 OLED 薄膜在兩層反射層之間發射白光:

  • 一層由銀薄膜構成;
  • 另一層是作為可調後向反射器(tunable back-reflector)的“超表面”,就像由一個個 80 納米高、100 納米寬的柱子組成的森林,每一根柱子的間距小於光的波長。


研究人員表示:

引用每英寸 10000 像素的超高密度,輕鬆滿足了在眼鏡或隱形眼鏡上製造下一代微型顯示器的需求。

具體來講,顯示器超表面的每個像素都被分成了 4 個大小相同的亞像素。

原則上,OLED 薄膜可以指定它們照射的亞像素,亞像素中的納米柱可以操縱落在它們上面的白光。

這樣一來,每個亞像素可以反射特定顏色的光,而這是由納米柱之間的間距決定的——在每個像素中:

  • 納米柱排列最密集的亞像素產生紅光;
  • 納米柱密度適中的亞像素產生綠光;
  • 納米柱密度最小的亞像素產生藍光。


上圖是掃描電子顯微鏡下的「納米柱森林」。發出的光在 OLED 顯示器的反射層之間來回反射,直到最終通過銀薄膜從顯示器表面逃逸。

據瞭解,這種光線在顯示器內部積聚的方式,將使其發光效率成為標準顏色過濾白色 OLED 顯示器的 2 倍,且顏色純度也更高。斯坦福大學光學工程師、論文合著者之一 Mark Brongersma 表示:

引用樂器要想發出聲音,常常需要一種共鳴腔,它能產生優美的純音。光線也是同樣的道理,不同顏色的光會在這些像素上產生“共鳴”。

另外,論文第一作者、三星綜合技術院(三星電子的中央研究所)的納米光子工程師 Won-Jae Joo 還透露:

引用每英寸達到 10000 像素的結果振奮人心,根據我們的模擬結果,像素密度的理論縮放極限估計是每英寸 20000 像素。

就潛在應用而言,Mark Brongersma 認為短期而言團隊的關注點在於 VR 設備——由於 VR 顯示器離用户的眼睛很近,高分辨率是創造幻覺的關鍵;在未來,超表面還可能在太陽能電池和光傳感器等應用中用於捕獲光線。

由此可見,這一研究對於 OLED 領域來講是一次不小的突破。

三星連發 Nature、Science

實際上,作為顯示屏霸主,僅僅是在科研方面,三星的成果有目共睹。

早在 2016 年,三星就聯合哈佛大學、MIT,篩選出了超過 1000 個用於 OLED 的藍光分子,一個主要的目的就是大幅降低生產成本,並提升 OLED 屏的性能。

這項研究在當時的意義就在於,不少人認為 OLED 取代 LCD 只是時間的問題,但主要的問題之一就是 OLED 的製造成本過高,與 LCD 的價差降低,才會更能顯示出 OLED 的優勢。

2019 年 11 月 27 日,三星在 Nature 上發佈了 QLED(Quantum Dot Light Emitting Diodes,量子點發光二極管)的潛在商業化研究。在這項研究中,團隊通過改善量子點的結構,將量子效率提高了 21.4%,並將 QLED 壽命延長至一百萬小時。

前不久的 10 月 14 日,三星再次在 Nature 上發表有關 QD-LED 技術的論文。團隊實現了 20.2% 的發光效率提升、88900 尼特的最大亮度和 16000 個小時的 QLED 壽命。


前後不到 10 天,三星就又發表了 OLED 屏的重要突破。

一般而言,OLED 被認為是下一代智能手機顯示屏的最佳方案,今年 4 月三星也宣佈關閉中國、韓國的 LCD 面板生產線。未來 OLED 技術將會有怎樣的飛躍,我們拭目以待。

引用來源:

https://spectrum.ieee.org/tech-talk/consumer-electronics/audiovideo/metasurface-oled-display

https://science.sciencemag.org/content/370/6515/459

https://www.leiphone.com/news/202003/cijOxdWFlVjH0CEE.html

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資料來源:雷鋒網
作者/編輯:付靜

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