硅基OLED微显示技术的优势与发展现状
时间：2012-11-07 09:58:34
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[导读]硅基OLED微显示器件区别于常规利用非晶硅、微晶硅或低温多晶硅薄膜晶体管为背板的AMOLED器件，它以单晶硅芯片为基底，像素尺寸为传统显示器件的1/10，精细度远远高于传统器件。单晶硅芯片采用现有成熟的集成电路CMOS
硅基OLED微显示器件区别于常规利用非晶硅、微晶硅或低温多晶硅薄膜晶体管为背板的AMOLED器件，它以单晶硅芯片为基底，像素尺寸为传统显示器件的1/10，精细度远远高于传统器件。单晶硅芯片采用现有成熟的集成电路CMOS工艺，不但实现了显示屏像素的有源寻址矩阵，还在硅芯片上实现了如SRAM存储器、T-CON等多种功能的驱动控制电路，大大减少了器件的外部连线，增加了可靠性，实现了轻量化。
与传统的AMOLED显示技术相比，OLED微显示技术有以下突出特点：1) 基底芯片采用成熟的集成电路工艺，可通过集成电路代工厂制造，制造良率更是大大高于目前主流的LTPS技术。2) 采用单晶硅，迁移率高、性能稳定，寿命高于AMOLED显示器。3) 200mm×200mm的OLED蒸镀封装设备就可满足制造要求(与8英寸晶圆尺寸兼容)，而不像AMOLED需要追求高世代产线。4) OLED微显示器体积小，非常便于携带，并且其依借小身材提供的近眼显示效果可以与大尺寸AMOLED显示器相媲美。
与其他微显示技术相比，OLED微显示技术亦具有不少优点：1) 低功耗，比LCD功耗小20%，电池重量可以更轻。2) 工作温度宽，LCD不能在极端温度如0℃下工作，必须额外加热元件，而在高温下又必须使用冷却系统，所有这些解决方案都会增加整个显示器的重量、体积和功耗。而OLED为全固态器件，不需要加热和冷却就可以工作在-46℃~70℃的温度范围内。3) 高对比度，LCD使用内置背光源，其对比度为60:1，而OLED微显示器的对比度可以达到10,000:1。4) 响应速度快，OLED像素更新所需时间小于1s，而LCD的更新时间通常为10~15ms，相差了1,000到1,500倍，OLED的显示画面更流畅从而减小视疲劳。
下面，我们将重点介绍硅基OLED微显示技术，从它的应用、国内外生产研发状况等出发对现有OLED微显示技术做一详细阐述。
OLED微显示的应用领域
硅基AMOLED微显示器具有广阔的市场应用空间，特别适合应用于头盔显示器、立体显示镜以及眼睛式显示器等。如与移动通讯网络、卫星定位等系统联在一起则可在任何地方、任何时间获得精确的图像信息，这在国防、航空、航天乃至单兵作战等军事应用上具有非常重要的军事价值。硅基AMOLED微显示器能够为便携式计算机、无线互联网浏览器、便携式DVD、游戏平台及可戴式计算机等移动信息产品提供高画质的视频显示。可以说，硅基AMOLED微显示无论是对于民用消费领域还是工业应用乃至军事用途都提供了一个极佳的近眼应用(如头盔显示)解决途径。但由于目前硅基AMOLED微显示头盔显示器价格较高，主要应用于高端产品，其价格还不能为广大消费者接受，所以目前的市场应用主要是面向军事领域。头盔显示器将是21世纪数字化战场下一代步兵的得力工具，是实现单兵作战系统中军事信息化的重要组成部分。硅基AMOLED头盔显示器可用于海、陆、空三军军械的战场装备，基于虚拟现实军事训练、战事模拟训练等。
现阶段国内外研发生产状况
目前全球从事开发、生产OLED微显示器的厂商并不多，主要集中在欧美国家，包括美国eMagin公司、英国Micro Emissive Displays(MED)公司、德国Fraunhofer IPMS研究机构、法国MicroOLED公司、日本索尼以及中国云南北方奥雷德。其中eMagin是全球首家进入OLED微显示领域的厂商，也是目前为止推出产品最多、规模最大、技术最为先进的一家厂商。尽管国内厂商在微显示方面做出了一定的努力，并获得了相应的成果，但欧美厂商在OLED微显示的专利与创意等领域内仍然保持了相当的优势。
eMagin公司：成立于2000年6月，是全球首家AMOLED微显示器制造商。2001年，eMagin公司首个SVGAOLED微显示器开始商业化供样，至今该公司已经推出了三代OLED微显示产品。其第三代产品分辨率达到了1920×(3)×1200，像素尺寸缩至9.6m，产品中还加入了最新的设计用以提高对比度、色域等光学性能。图1是eMagin公司的硅基OLED微显示器件结构示意图。该器件采用了顶发射OLED技术，以白光透过彩色滤光片的方式实现全彩，配合薄膜封装技术在制作彩色滤光片时对OLED器件形成保护。到目前为止，硅基OLED微显示器基本都采用这种工艺技术制造。从文中表格可以看到微显示产品是朝着高分辨率、数字化方向发展。
为了获得高分辨率，需要进一步缩小像素尺寸，为此eMagin将像素驱动方式从第一代产品的电流方式换成了电压方式(如图2所示)。电流驱动方式中，电流源IDATA通过行线对像素进行写入，存于驱动管QP1的电流用于驱动OLED。程序电流通过位于背板的简单的电压电流转换实现，最终实现灰度显示。这种方式的优点是背板设计简单，特别适用于模拟视频界面；缺点是像素存储电容的面积较大，限制了像素变小。驱动像素的电流对存储电容的信号变化很敏感，所以需要电容足够大以降低硅寄生漏电流造成的亮度干扰。在电压驱动模式中，电压源VDATA用来对像素进行写入。OLED通过QN1管上存储的栅压相应信号来驱动，由于OLED亮度与偏压是非线性的，写入电压VDATA必须进行伽玛校正。这种模式的优点是信号对存储电容的干扰不敏感，电容缩小自由度大，可以减小像素尺寸。
eMagin除推出OLED微显示模组外，还推出了集OLED技术、头盔技术和3D立体视像技术于一体的个人显示系统Z800 3D Visor。尽管仅有0.59英寸的对角尺寸，但它却能提供相当于3米处105英寸电影屏幕大小的宽大画面。
Micro Emissive Displays(MED)公司：1999年成立，致力于P-OLED微显示器技术的开发。2005年11月，MED公司发布第一款商业化微显示器eyescreen，并商业出货。2007年5月，该公司位于德国德累斯顿的批量制造工厂正式投入运营。公司主要用户有美国Vuzix公司的iWear系列头戴式眼镜。
MED公司推出的eyescreen技术是在CMOS衬底上将P-OLED和显示驱动电路整合在一起，从而在同一芯片上实现图像大小调整等更多功能。eyescreen可提供一流的图像质量(QVGA分辨率(320×240，230k像素点))和超低功耗，对角线像素数组的间距仅为0.24英寸(6mm)；集成了显示驱动电子电路和数字视频接口，可直接无缝集成多系统，使得产品设计师能够开发更小、更轻的产品。
MicroOLED公司：成立于2007年，与法国原子能机构CEA-Leti合作开发出了世界上最高效的OLED微显示器。其开发的OLED技术基于特殊的有机薄膜结构和改进的制造工艺，开启电压低、制造工艺稳定、温度稳定性高、散热低而且高效。[!--empirenews.page--]
2008年MicroOLED开发了0.38英寸WVGA硅基OLED微显示器，2012年该公司接着推出了0.61英寸硅基OLED微显示器，采用了四点像素设计，拥有彩色、黑白两个型号，其中彩色型号分辨率为1280×1024，黑白的是2560×2048。
Fraunhofer IPMS研究机构：2009年6月，Fraunhofer IPMS发布了OLED微型投影产品的研究新成果，该显示器的硅基芯片采用0.35m高压集成电路工艺，分辨率为320×240(QVGA)，基于P-OLED技术。
2010年该机构参与研发成功HYPOLED OLED微型显示器(如图3(b)所示)，显示区有效面积为7.68×5.76mm2，具有VGA(640x480)分辨率。整个芯片采用0.18m制程CMOS工艺制造，核心电压与数字I/O电压为1.8V，OLED负向偏压值最大为-5.5V，可提供10,000cd/m2的单色以及1,000cd/m2的全彩画面。该显示器基于顶发光(Top-emitting)PIN结构的OLED技术。
2011年，IPMS还开发展示了双向OLED微显示器，有效显示面积达11.52×8.64mm2，解析度为QVGA(320×240，单色)，如果内嵌影像感测器，其解析度则为QQVGA(160×120)。硅芯片采用0.35m 3.3V/12V CMOS工艺。OLED通过Shadow Mask直接制作在硅芯片上，封装采用薄膜封装以及玻璃复合封装技术。
索尼：2011年，索尼发布了0.5英寸及0.7英寸OLED微显示屏产品。0.5英寸屏的分辨率达1024×768，像素尺寸为9.9m；0.7英寸屏分辨率为1024×720。这两款OLED微显示屏色域可达90% NTSC，对比度高达10,000:1，响应时间为0.01ms。这种全新超高显示密度OLED微显示屏是专门设计用于数码相机电子取景器等领域使用的，它可以提供97%的NSTC色域，采用了白色OLED以及彩色滤光片结构。
北方奥雷德：成立于2008年5月12日，致力于为全球用户提供优秀的AMOLED微型显示器产品及技术支持。其在短短两年时间实现了OLED微型显示技术的突破和产业化，其产品技术性能指标达到或超过了国外水平，填补了国内OLED微型显示器批量生产的空白。
奥雷德开发了0.5英寸、0.6英寸、0.97英寸SVGA(800×600)硅基AMOLED微型显示器，具有全彩色、单色白光、单色绿光、单色红光等规格型号。其硅基衬底采用0.18m CMOS技术，集成了全数字视频信号处理及804×3×604个驱动单元等电路。0.5英寸的像素尺寸达到了12.6m×12.6m，与eMagin公司第二代产品接近。全彩微显示像素采用垂直RGB条状排列，可广泛应用于各种近眼显示系统中。2010年，该公司的0.5英寸产品开始批量生产。
结论
硅基OLED微显示器凭借具有传统AMOLED显示屏不具备的超高分辨率、体积小易携带、可制作成媲美大屏显示的近眼显示产品，以及具有优于其他微显示技术的特点，得到了广泛关注。基于其技术优势和广阔的市场，在军事以及消费电子领域，硅基OLED微显示都将掀起近眼显示的新浪潮，为用户带来前所未有的视觉体验。现今全球制造硅基OLED微显示器的厂商有6家，eMagin目前仍是推出产品最多、技术最为先进的厂商。
与传统的AMOLED显示技术相比，OLED微显示技术有以下突出特点：1) 基底芯片采用成熟的集成电路工艺，可通过集成电路代工厂制造，制造良率更是大大高于目前主流的LTPS技术。2) 采用单晶硅，迁移率高、性能稳定，寿命高于AMOLED显示器。3) 200mm×200mm的OLED蒸镀封装设备就可满足制造要求(与8英寸晶圆尺寸兼容)，而不像AMOLED需要追求高世代产线。4) OLED微显示器体积小，非常便于携带，并且其依借小身材提供的近眼显示效果可以与大尺寸AMOLED显示器相媲美。
与其他微显示技术相比，OLED微显示技术亦具有不少优点：1) 低功耗，比LCD功耗小20%，电池重量可以更轻。2) 工作温度宽，LCD不能在极端温度如0℃下工作，必须额外加热元件，而在高温下又必须使用冷却系统，所有这些解决方案都会增加整个显示器的重量、体积和功耗。而OLED为全固态器件，不需要加热和冷却就可以工作在-46℃~70℃的温度范围内。3) 高对比度，LCD使用内置背光源，其对比度为60:1，而OLED微显示器的对比度可以达到10,000:1。4) 响应速度快，OLED像素更新所需时间小于1s，而LCD的更新时间通常为10~15ms，相差了1,000到1,500倍，OLED的显示画面更流畅从而减小视疲劳。
下面，我们将重点介绍硅基OLED微显示技术，从它的应用、国内外生产研发状况等出发对现有OLED微显示技术做一详细阐述。
OLED微显示的应用领域
硅基AMOLED微显示器具有广阔的市场应用空间，特别适合应用于头盔显示器、立体显示镜以及眼睛式显示器等。如与移动通讯网络、卫星定位等系统联在一起则可在任何地方、任何时间获得精确的图像信息，这在国防、航空、航天乃至单兵作战等军事应用上具有非常重要的军事价值。硅基AMOLED微显示器能够为便携式计算机、无线互联网浏览器、便携式DVD、游戏平台及可戴式计算机等移动信息产品提供高画质的视频显示。可以说，硅基AMOLED微显示无论是对于民用消费领域还是工业应用乃至军事用途都提供了一个极佳的近眼应用(如头盔显示)解决途径。但由于目前硅基AMOLED微显示头盔显示器价格较高，主要应用于高端产品，其价格还不能为广大消费者接受，所以目前的市场应用主要是面向军事领域。头盔显示器将是21世纪数字化战场下一代步兵的得力工具，是实现单兵作战系统中军事信息化的重要组成部分。硅基AMOLED头盔显示器可用于海、陆、空三军军械的战场装备，基于虚拟现实军事训练、战事模拟训练等。
现阶段国内外研发生产状况
目前全球从事开发、生产OLED微显示器的厂商并不多，主要集中在欧美国家，包括美国eMagin公司、英国Micro Emissive Displays(MED)公司、德国Fraunhofer IPMS研究机构、法国MicroOLED公司、日本索尼以及中国云南北方奥雷德。其中eMagin是全球首家进入OLED微显示领域的厂商，也是目前为止推出产品最多、规模最大、技术最为先进的一家厂商。尽管国内厂商在微显示方面做出了一定的努力，并获得了相应的成果，但欧美厂商在OLED微显示的专利与创意等领域内仍然保持了相当的优势。
eMagin公司：成立于2000年6月，是全球首家AMOLED微显示器制造商。2001年，eMagin公司首个SVGAOLED微显示器开始商业化供样，至今该公司已经推出了三代OLED微显示产品。其第三代产品分辨率达到了1920×(3)×1200，像素尺寸缩至9.6m，产品中还加入了最新的设计用以提高对比度、色域等光学性能。图1是eMagin公司的硅基OLED微显示器件结构示意图。该器件采用了顶发射OLED技术，以白光透过彩色滤光片的方式实现全彩，配合薄膜封装技术在制作彩色滤光片时对OLED器件形成保护。到目前为止，硅基OLED微显示器基本都采用这种工艺技术制造。从文中表格可以看到微显示产品是朝着高分辨率、数字化方向发展。
为了获得高分辨率，需要进一步缩小像素尺寸，为此eMagin将像素驱动方式从第一代产品的电流方式换成了电压方式(如图2所示)。电流驱动方式中，电流源IDATA通过行线对像素进行写入，存于驱动管QP1的电流用于驱动OLED。程序电流通过位于背板的简单的电压电流转换实现，最终实现灰度显示。这种方式的优点是背板设计简单，特别适用于模拟视频界面；缺点是像素存储电容的面积较大，限制了像素变小。驱动像素的电流对存储电容的信号变化很敏感，所以需要电容足够大以降低硅寄生漏电流造成的亮度干扰。在电压驱动模式中，电压源VDATA用来对像素进行写入。OLED通过QN1管上存储的栅压相应信号来驱动，由于OLED亮度与偏压是非线性的，写入电压VDATA必须进行伽玛校正。这种模式的优点是信号对存储电容的干扰不敏感，电容缩小自由度大，可以减小像素尺寸。
eMagin除推出OLED微显示模组外，还推出了集OLED技术、头盔技术和3D立体视像技术于一体的个人显示系统Z800 3D Visor。尽管仅有0.59英寸的对角尺寸，但它却能提供相当于3米处105英寸电影屏幕大小的宽大画面。
Micro Emissive Displays(MED)公司：1999年成立，致力于P-OLED微显示器技术的开发。2005年11月，MED公司发布第一款商业化微显示器eyescreen，并商业出货。2007年5月，该公司位于德国德累斯顿的批量制造工厂正式投入运营。公司主要用户有美国Vuzix公司的iWear系列头戴式眼镜。
MED公司推出的eyescreen技术是在CMOS衬底上将P-OLED和显示驱动电路整合在一起，从而在同一芯片上实现图像大小调整等更多功能。eyescreen可提供一流的图像质量(QVGA分辨率(320×240，230k像素点))和超低功耗，对角线像素数组的间距仅为0.24英寸(6mm)；集成了显示驱动电子电路和数字视频接口，可直接无缝集成多系统，使得产品设计师能够开发更小、更轻的产品。
MicroOLED公司：成立于2007年，与法国原子能机构CEA-Leti合作开发出了世界上最高效的OLED微显示器。其开发的OLED技术基于特殊的有机薄膜结构和改进的制造工艺，开启电压低、制造工艺稳定、温度稳定性高、散热低而且高效。[!--empirenews.page--]
2008年MicroOLED开发了0.38英寸WVGA硅基OLED微显示器，2012年该公司接着推出了0.61英寸硅基OLED微显示器，采用了四点像素设计，拥有彩色、黑白两个型号，其中彩色型号分辨率为1280×1024，黑白的是2560×2048。
Fraunhofer IPMS研究机构：2009年6月，Fraunhofer IPMS发布了OLED微型投影产品的研究新成果，该显示器的硅基芯片采用0.35m高压集成电路工艺，分辨率为320×240(QVGA)，基于P-OLED技术。
2010年该机构参与研发成功HYPOLED OLED微型显示器(如图3(b)所示)，显示区有效面积为7.68×5.76mm2，具有VGA(640x480)分辨率。整个芯片采用0.18m制程CMOS工艺制造，核心电压与数字I/O电压为1.8V，OLED负向偏压值最大为-5.5V，可提供10,000cd/m2的单色以及1,000cd/m2的全彩画面。该显示器基于顶发光(Top-emitting)PIN结构的OLED技术。
2011年，IPMS还开发展示了双向OLED微显示器，有效显示面积达11.52×8.64mm2，解析度为QVGA(320×240，单色)，如果内嵌影像感测器，其解析度则为QQVGA(160×120)。硅芯片采用0.35m 3.3V/12V CMOS工艺。OLED通过Shadow Mask直接制作在硅芯片上，封装采用薄膜封装以及玻璃复合封装技术。
索尼：2011年，索尼发布了0.5英寸及0.7英寸OLED微显示屏产品。0.5英寸屏的分辨率达1024×768，像素尺寸为9.9m；0.7英寸屏分辨率为1024×720。这两款OLED微显示屏色域可达90% NTSC，对比度高达10,000:1，响应时间为0.01ms。这种全新超高显示密度OLED微显示屏是专门设计用于数码相机电子取景器等领域使用的，它可以提供97%的NSTC色域，采用了白色OLED以及彩色滤光片结构。
北方奥雷德：成立于2008年5月12日，致力于为全球用户提供优秀的AMOLED微型显示器产品及技术支持。其在短短两年时间实现了OLED微型显示技术的突破和产业化，其产品技术性能指标达到或超过了国外水平，填补了国内OLED微型显示器批量生产的空白。
奥雷德开发了0.5英寸、0.6英寸、0.97英寸SVGA(800×600)硅基AMOLED微型显示器，具有全彩色、单色白光、单色绿光、单色红光等规格型号。其硅基衬底采用0.18m CMOS技术，集成了全数字视频信号处理及804×3×604个驱动单元等电路。0.5英寸的像素尺寸达到了12.6m×12.6m，与eMagin公司第二代产品接近。全彩微显示像素采用垂直RGB条状排列，可广泛应用于各种近眼显示系统中。2010年，该公司的0.5英寸产品开始批量生产。
结论
硅基OLED微显示器凭借具有传统AMOLED显示屏不具备的超高分辨率、体积小易携带、可制作成媲美大屏显示的近眼显示产品，以及具有优于其他微显示技术的特点，得到了广泛关注。基于其技术优势和广阔的市场，在军事以及消费电子领域，硅基OLED微显示都将掀起近眼显示的新浪潮，为用户带来前所未有的视觉体验。现今全球制造硅基OLED微显示器的厂商有6家，eMagin目前仍是推出产品最多、技术最为先进的厂商。
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