原創 長光所Light中心 中國光學 收錄於話題#顯示技術9個
撰稿 | Yue（哈工大 博士生）
有機發光二極體（OrganicLight-Emitting Diode，OLED），又稱為有機電雷射顯示、有機發光半導體，是指在電場驅動下，可以通過載流子注入和複合產生發光現象的有機半導體器件，目前已廣泛應用於大尺寸電視、智慧型手機和平板電腦等顯示屏中。
對於普通顯示屏來說，現階段數百ppi（pixels per inch，像素每英寸）的要求利用OLED便可滿足，如圖1所示，為近期蘋果公司最新發布的IPhone12 Pro和IPhone12 Pro Max的顯示屏，其像素已達到了460ppi和458ppi，仍在OLED技術參數範圍內，但對於虛擬顯示和增強現實等微型顯示屏中，對像素密度的要求已經達到了幾千個ppi，完全超出了現階段OLED顯示屏所能達到的最高像素密度。
圖1 IPhone12 Pro和IPhone12 Pro Max的顯示屏參數
圖源：蘋果官網
超構表面（Metasurface）是一種厚度小于波長的人工層狀材料，可視為超構材料的二維對應，已有研究證明可以將其應用於光學集成設備中，以實現增強和調控光波發射、調製、動態整形和探測等功能。
韓國三星先進技術研究院的Won-Jae Joo和美國史丹福大學的Mark L. Brongersma等人基於超構表面的這種特性，將其與OLED顯示屏結構相結合設計了一種全彩色、高亮度的新型OLED架構，並通過實驗證明，該架構可以將OLED屏的像素密度從目前400ppi提升至10000ppi，完全滿足下一代微型顯示屏的要求。相關研究成果於10月23日以「Metasurface-driven OLED displays beyond 10,000 pixels per inch」為題發表在Science。
圖源：三星官網
如圖2所示為該團隊提出的新型OLED器件設計，該器件具有空間可變的超光子FP腔，即超光子OLED（Meta-OLED）。
圖2 Meta-OLED的設計示意圖（譯）
圖源：Science 370, 459-463 (2020). Fig1（A）
與傳統OLED相比，Meta-OLED具有其獨特的性質及優勢：
1、製造工藝
傳統RGB-OLED採用精細金屬掩模(FMM)的材料沉積工藝，該工藝由於沉積中的陰影效應而無法實現單元結構尺寸的縮小，同時由於大面積FMM的下垂而無法實現整體尺寸的放大，從而對RGB-OLED顯示屏的縮放產生了巨大的挑戰。
Meta-OLED是基於納米結構的超構表面而設計的整體架構，可以通過納米壓印的方式對其進行加工製造並可進一步對其進行縮放，徹底擺脫FMM製造工藝的依賴。
2、發射光譜可調
如圖3（a）、（b）所示，為不同結構參數設計下的三像素乘三像素陣列的高空間解析度電致發光(EL)圖像和發射光譜連續調控曲線，該結果證明可以通過改變超構表面的納米結構尺寸（即圓柱體半徑、密度等）的方式，改變FP腔種反射鏡的反射相位，進而實現諧振頻率的調控，最終達到在可見光譜範圍內任意波長可調的效果。
圖3 （a）不同結構設計下的陣列電致發光圖像；
（b）發射光譜隨納米柱間距的連續光譜調控
圖源：Science 370, 459-463 (2020). Fig1 (D)、(E)
3、發光效率高、色純度高
帶有彩色濾波片的白色OLED是為了解決FMM製造工藝問題所提出來的一項技術，也是當前絕大部分電視顯示屏中採用的技術。如圖4所示，為Meta-OLED與該白色OLED的性能比較圖，從圖中可以看出，Meta-OLED具有兩倍的發光效率和非常出色的色純度（R，G和B像素的半高全寬FWHM反映了顯示屏的色純度）。
圖4 Meta-OLED(實線曲線)和濾色白光OLED(虛線曲線)的電致發光性能對比圖
圖源：Science 370, 459-463 (2020). Fig2 (A)、(B)
4、超高像素密度
如圖5所示為常規光學顯微鏡下RGB像素化的Meta-OLED電致發光圖像，從圖中可以看出RGB子像素為正方形，具有交替的RGB圖案，並且尺寸可以從移動顯示級別（400PPI）減小到超高密度微米顯示級別（10,000PPI）。
圖5 超高密度、RGB像素化Meta-OLED的EL圖像
圖源：Science 370, 459-463 (2020). Fig4 (A)
綜上所述，該Meta-OLED顯示屏可以克服FMM和彩色濾光片的眾多技術限制，並具備比傳統OLED更高的發光效率、更高的色純度和超高的像素密度。並且還可以通過對超構表面納米結構的設計，實現微腔自由光譜範圍的主動調控，另外還可以進一步擴展超構表面在OLED中的作用，以解決傳統微腔的其他固有問題。
目前，Meta-OLED已表現出眾多優勢，有望成為下一代微型顯示屏的領先技術，並成為超光子技術最實際的應用之一。
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 (2020).
論文地址
https://doi.org/10.1126/science.abc8530
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原標題：《Science | 三星：像素密度高達1萬的OLED屏》
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