OLEDoS技术的发展趋势与应用

以CMOS制程制造具备OLED发光源，以及可看透的半透明型的双向微型显示器，除了应用在驾驶的导航资讯提供、军事的追踪目标之外，也能运用作为微型投影的应用。来自德国Fraunhofer IPMS光电微系统研究所，所进行的HYPOLED与iSTAR计画，纷纷呈现了以CMOS制程制造的OLED显示器的应用新纪元。

OLEDoS于微显示器、微投影机、AR扩增实境的应用

来自德国Dresden郡弗劳恩霍夫光电微系统研究所(Fraunhofer Institute Photonic Microsystems;IPMS) 微显示器与感测事业部首席负责人Uwe Vogel博士，介绍OLDE on CMOS(OLEDoS)矽晶OLED面板技术的发展趋势。他指出行动显示技术(Mobile Display) 得以蓬勃发展的关键驱动力量，是多媒体内容、驾驶时所需要的导航资讯、用户互动(像萤幕触控)、扩增实境(augmented-reality;AR)等。

Dresden郡弗劳恩霍夫光电微系统研究所(Fraunhofer　Institute　Photonic　Microsystems;IPMS)　微显示器与感测事业部首席负责人Uwe　Vogel博士

但目前作为行动显示技术有小于1.3吋的微型显示器(Microdisplays)以及行动投影显示器(Mobile Projection Display)，而IPMS正在研究一种结合微型显示器与行动投影显示器两种技术于一体的Hypoled，也就是可透视微型显示器(See-through MicroDisplay)。

Uwe Vogel指出，微型显示器实体外观都相当小，但可以显示相当多资料内容，至少是电视(640x480)解析度等级，而且采主动阵列基板(通常是CMOS设计)，具备低功耗，且通过放大镜以光学方式观看放大图像。

应用上可以用来做：1.投影显示，像背投影(Rear projection)、前方投影(Front projection)以及微投影(Micro projection)。 2.近眼显示(Near to Eye;NTE)应用，如数位相机、摄录影机常使用的电子观景窗(Electronic Viewfinder;EVF)、手持式行动装置显示应用。 3.头戴显示器(Head Mounted Display;HMD)，分专业级以及一般消费型HMD。

OLEDoS技术原理与制作技术

Uwe Vogel进一步介绍OLED on CMOS(OLEDoS)的原理与制作技术。 OLEDoS的主要特点有：1.以CMOS制程制造的高效率光源，仅100奈米(100nm)的超薄厚度，由小分子气相处理(small-molecules/vapor phase)的SM-OLED)与聚合物╱液态(polymers/ liquid phase )P-LED所组成。可具备任何形状，颜色输出为单调色、白色或近红外线(Near Infrared;NIR)呈现;出色的电流/功率效率(低电压、低功耗)，运作良好且提高工作寿命达数万小时，具备自发光、快速反应时间(可到MHz)。

而OLEDoS可整合电子功能，如驾驶、撷取、处理、控制，与感应器共同结合成CMOS制程的感应器，像嵌入式光感测器(Embedded photodetectors)、温度感应器、磁感应器、MEMS感测器等。

原本微型显示器产线为德国MicroEmissive Displays公司所有，随后2009年被IPMS并购下来成为自家产线。 IPMS以顶发光(Top-emitting)的pin OLED元件，由NOVALED AG提供的小分子发光磊晶，以蒸发气相沉积到矽晶圆的非透明底电极基板(Si-CMOS substrate)，透明顶电极(transparent top electrode)则以高透明率、低电阻的Ag(银)、Al(铝) 或Yb(镱)材料;再掺杂电荷传输层可改善OLED效能，减少操作电压并降低功耗。至于CMOS制程制造SM-OLED部份，采用标准1、0.6、0.35、0.18 μm CMOS制程，并可整合由IPMS/COMEDD设计的类比讯号电路层，矽晶圆由有签约的晶圆代工厂供应。

OLEDoS晶片中SM-OLED元件层​​部份，由韩国SUNICEL plus200机台进行OLED后端处理。该设备可处理厚度0.6~0.8mm的6吋或8吋晶圆，系统设置成具备7道chambers、12道有机来源、5道非有机来源、2道PVD来源以及二氧化氩雷射(ArO2)电浆激发室，一次处理周期为60分钟，试产产能可达每月6,000片。

至于OLEDoS晶片的P-LED元件层​​，由8吋矽晶圆经过Clustex 200机台进行蚀刻(Etching)、溅镀(Sputtering)，EVG120机台旋转涂布、MBraun MB-OV机台氮化，以及晶圆绑线(Wafter bonding)、晶圆探测、显微蚀刻、分子扫描等程序。

OLED on CMOS的应用

Uwe Vogel提到，OLED on CMOS(OLEDoS)的应用，主要可以做为：1.微型显示器(Microdisplays)，如HMD头戴显示器、行动装置或微投影装置、HUD抬头显示器、电子观景窗等。具备穿透显示与摄录影的双向微显示器(Bi-directional microdisplay)，如互动式HMD、光学检查等。 2.感测器。如光学感测器，能做萤光、颜色，流量测定与光电容积，做为影像感测器的嵌入式照明或图案照明，光学指纹辨识、反射式障碍灯、光耦合器、自动立体3D显示器，以及供行动装置设计单、多视点的显示器。

而IPMS研发的HYPOLED OLED微型显示器，提供VGA等级(640x480)微型显示与微投影功能，采24bit平行视讯介面设计，可提供黑白256色灰阶或24bit全彩显示能力，采数位像素细胞单元设计，由脉冲宽度控制照度，透过I2C色彩、对比与亮度的控制。

整个晶片由180nm CMOS代工厂制程制造，核心电压与数位I/O电压为1.8V，OLED负向偏压值最大-5.5V，可显示区域为7.68mm x 5.76mm，可提供10,000流明的单色照度，以及1,000流明的全彩画面照度。

在系统整合性部份，IPMS也开发一套展示工具，大小跟一般小型主机板相当，有经排线连接的全彩微型显示器(Microdisplay)，以及具备数位广播接收功能(DVB-T、DVB- H)与无线网路(WiFi WLAN)的多媒体工具盒。而Fraunhofer IPMS以开发出HYPOLED OLED微投影机、HMD头戴显示器参考设计套件，并且MOBINTECH已实际采用并推出眼镜大小的HUD显示器。

OLED-on-CMOS采取内嵌光感应器(embedded photodetectors)整合CMOS光二极体，制程上比一般OLED还要低阶简易，只须注意要以边对边的方式，在光感应器旁边设计主动式发光源并交叉隔开。而发光与感光可以并行操作或循序操作integration，OLED发光源的可硕性，包含发光角度、频谱宽度等。

目前IPMS开发、展示出来的双向OLED微显示器，解析度为QVGA等级(320x240)，若内嵌影像感测器的双向微显示器，解析度则为QQVGA(160x120)，像是放置物件在上面，随即反应显示该项物件影像的的回馈型展示器(Feedback-mode demonstrator)，就完全没有用到任何光学成像的镜头或其他装置。

Uwe Vogel提到双向OLED微显示器在HMD头戴式显示器的应用。 HMD可以用来瞄准并跟踪用户的眼球运动，了解用户的目光、用户的意识，凝视人类的显示互动，个人化视觉输入/输出资讯管理，互动式扩增实境的应用。

iSTAR是Fraunhofer IPMS学院进行的一项“互动式可看透的扩增实境显示器(interative see-through argument reality display)”研发计画。这个iSTAR外观是一个看起来像墨镜的一种近眼显示装置，显示能力为VGA 640x480全彩模式;镜片内嵌解析度128x96的影像感测器，同时另外内嵌解析度1280x800的页框摄影机。

预估这种iSTAR双向穿透型显示器的市场，对消费者而言，像是能提供头载式显示功能的智慧手机、电子观景窗;工控部份像是头戴显示器(HMD)、光学检查，医疗部份像是HMD头戴显示功能的显微镜，汽车电子部份​​像是HMD光耦合器，以及军事用途的标准HMD头盔显示器等。

Uwe Vogel最后提到OLEDoS技术将来的展望。藉由Organic micro-patterning制程，藉由Orthogonal Photolithography (OLITH)正交光显影技术制造OLED微显示晶片，可以做到无须彩色滤光片、更薄的全彩OLED microdisplay，更高解析度(<5μm )、高良率(>90%)，并可延展到8吋以上的晶圆。其效益在于提高OLED效率到10倍，更佳的稳定性、更广域色彩表现以及没有穿透颜色混淆的问题。

而IPMS也正就SM-OLED与P-LED厂房与制造路线进行延伸整合、一贯化的作业的制造工具进行延伸，而微型显示器、感测器整合的研发与前端试产工作，则由COMEDD也就是IPMS的OLED微显示器与感测器事业群统筹负责。