OLEDoS技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用

以CMOS制程制造具備OLED發(fā)光源，以及可看透的半透明型的雙向微型顯示器，除了應(yīng)用在駕駛的導(dǎo)航資訊提供、軍事的追蹤目標(biāo)之外，也能運(yùn)用作為微型投影的應(yīng)用。來自德國(guó)Fraunhofer IPMS光電微系統(tǒng)研究所，所進(jìn)行的HYPOLED與iSTAR計(jì)畫，紛紛呈現(xiàn)了以CMOS制程制造的OLED顯示器的應(yīng)用新紀(jì)元。

OLEDoS于微顯示器、微投影機(jī)、AR擴(kuò)增實(shí)境的應(yīng)用

來自德國(guó)Dresden郡弗勞恩霍夫光電微系統(tǒng)研究所(Fraunhofer Institute Photonic Microsystems;IPMS) 微顯示器與感測(cè)事業(yè)部首席負(fù)責(zé)人Uwe Vogel博士，介紹OLDE on CMOS(OLEDoS)矽晶OLED面板技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。他指出行動(dòng)顯示技術(shù)(Mobile Display) 得以蓬勃發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力量，是多媒體內(nèi)容、駕駛時(shí)所需要的導(dǎo)航資訊、用戶互動(dòng)(像螢?zāi)挥|控)、擴(kuò)增實(shí)境(augmented-reality;AR)等。

Dresden郡弗勞恩霍夫光電微系統(tǒng)研究所(Fraunhofer　Institute　Photonic　Microsystems;IPMS)　微顯示器與感測(cè)事業(yè)部首席負(fù)責(zé)人Uwe　Vogel博士

但目前作為行動(dòng)顯示技術(shù)有小于1.3吋的微型顯示器(Microdisplays)以及行動(dòng)投影顯示器(Mobile Projection Display)，而IPMS正在研究一種結(jié)合微型顯示器與行動(dòng)投影顯示器兩種技術(shù)于一體的Hypoled，也就是可透視微型顯示器(See-through MicroDisplay)。

Uwe Vogel指出，微型顯示器實(shí)體外觀都相當(dāng)小，但可以顯示相當(dāng)多資料內(nèi)容，至少是電視(640x480)解析度等級(jí)，而且采主動(dòng)陣列基板(通常是CMOS設(shè)計(jì))，具備低功耗，且通過放大鏡以光學(xué)方式觀看放大圖像。

應(yīng)用上可以用來做：1.投影顯示，像背投影(Rear projection)、前方投影(Front projection)以及微投影(Micro projection)。 2.近眼顯示(Near to Eye;NTE)應(yīng)用，如數(shù)位相機(jī)、攝錄影機(jī)常使用的電子觀景窗(Electronic Viewfinder;EVF)、手持式行動(dòng)裝置顯示應(yīng)用。 3.頭戴顯示器(Head Mounted Display;HMD)，分專業(yè)級(jí)以及一般消費(fèi)型HMD。

OLEDoS技術(shù)原理與制作技術(shù)

Uwe Vogel進(jìn)一步介紹OLED on CMOS(OLEDoS)的原理與制作技術(shù)。 OLEDoS的主要特點(diǎn)有：1.以CMOS制程制造的高效率光源，僅100奈米(100nm)的超薄厚度，由小分子氣相處理(small-molecules/vapor phase)的SM-OLED)與聚合物╱液態(tài)(polymers/ liquid phase )P-LED所組成。可具備任何形狀，顏色輸出為單調(diào)色、白色或近紅外線(Near Infrared;NIR)呈現(xiàn);出色的電流/功率效率(低電壓、低功耗)，運(yùn)作良好且提高工作壽命達(dá)數(shù)萬小時(shí)，具備自發(fā)光、快速反應(yīng)時(shí)間(可到MHz)。

而OLEDoS可整合電子功能，如駕駛、擷取、處理、控制，與感應(yīng)器共同結(jié)合成CMOS制程的感應(yīng)器，像嵌入式光感測(cè)器(Embedded photodetectors)、溫度感應(yīng)器、磁感應(yīng)器、MEMS感測(cè)器等。

原本微型顯示器產(chǎn)線為德國(guó)MicroEmissive Displays公司所有，隨后2009年被IPMS并購(gòu)下來成為自家產(chǎn)線。 IPMS以頂發(fā)光(Top-emitting)的pin OLED元件，由NOVALED AG提供的小分子發(fā)光磊晶，以蒸發(fā)氣相沉積到矽晶圓的非透明底電極基板(Si-CMOS substrate)，透明頂電極(transparent top electrode)則以高透明率、低電阻的Ag(銀)、Al(鋁) 或Yb(鐿)材料;再摻雜電荷傳輸層可改善OLED效能，減少操作電壓并降低功耗。至于CMOS制程制造SM-OLED部份，采用標(biāo)準(zhǔn)1、0.6、0.35、0.18 μm CMOS制程，并可整合由IPMS/COMEDD設(shè)計(jì)的類比訊號(hào)電路層，矽晶圓由有簽約的晶圓代工廠供應(yīng)。

OLEDoS晶片中SM-OLED元件層​​部份，由韓國(guó)SUNICEL plus200機(jī)臺(tái)進(jìn)行OLED后端處理。該設(shè)備可處理厚度0.6~0.8mm的6吋或8吋晶圓，系統(tǒng)設(shè)置成具備7道chambers、12道有機(jī)來源、5道非有機(jī)來源、2道PVD來源以及二氧化氬雷射(ArO2)電漿激發(fā)室，一次處理周期為60分鐘，試產(chǎn)產(chǎn)能可達(dá)每月6,000片。

至于OLEDoS晶片的P-LED元件層​​，由8吋矽晶圓經(jīng)過Clustex 200機(jī)臺(tái)進(jìn)行蝕刻(Etching)、濺鍍(Sputtering)，EVG120機(jī)臺(tái)旋轉(zhuǎn)涂布、MBraun MB-OV機(jī)臺(tái)氮化，以及晶圓綁線(Wafter bonding)、晶圓探測(cè)、顯微蝕刻、分子掃描等程序。

OLED on CMOS的應(yīng)用

Uwe Vogel提到，OLED on CMOS(OLEDoS)的應(yīng)用，主要可以做為：1.微型顯示器(Microdisplays)，如HMD頭戴顯示器、行動(dòng)裝置或微投影裝置、HUD抬頭顯示器、電子觀景窗等。具備穿透顯示與攝錄影的雙向微顯示器(Bi-directional microdisplay)，如互動(dòng)式HMD、光學(xué)檢查等。 2.感測(cè)器。如光學(xué)感測(cè)器，能做螢光、顏色，流量測(cè)定與光電容積，做為影像感測(cè)器的嵌入式照明或圖案照明，光學(xué)指紋辨識(shí)、反射式障礙燈、光耦合器、自動(dòng)立體3D顯示器，以及供行動(dòng)裝置設(shè)計(jì)單、多視點(diǎn)的顯示器。

而IPMS研發(fā)的HYPOLED OLED微型顯示器，提供VGA等級(jí)(640x480)微型顯示與微投影功能，采24bit平行視訊介面設(shè)計(jì)，可提供黑白256色灰階或24bit全彩顯示能力，采數(shù)位像素細(xì)胞單元設(shè)計(jì)，由脈沖寬度控制照度，透過I2C色彩、對(duì)比與亮度的控制。

整個(gè)晶片由180nm CMOS代工廠制程制造，核心電壓與數(shù)位I/O電壓為1.8V，OLED負(fù)向偏壓值最大-5.5V，可顯示區(qū)域?yàn)?.68mm x 5.76mm，可提供10,000流明的單色照度，以及1,000流明的全彩畫面照度。

在系統(tǒng)整合性部份，IPMS也開發(fā)一套展示工具，大小跟一般小型主機(jī)板相當(dāng)，有經(jīng)排線連接的全彩微型顯示器(Microdisplay)，以及具備數(shù)位廣播接收功能(DVB-T、DVB- H)與無線網(wǎng)路(WiFi WLAN)的多媒體工具盒。而Fraunhofer IPMS以開發(fā)出HYPOLED OLED微投影機(jī)、HMD頭戴顯示器參考設(shè)計(jì)套件，并且MOBINTECH已實(shí)際采用并推出眼鏡大小的HUD顯示器。

OLED-on-CMOS采取內(nèi)嵌光感應(yīng)器(embedded photodetectors)整合CMOS光二極體，制程上比一般OLED還要低階簡(jiǎn)易，只須注意要以邊對(duì)邊的方式，在光感應(yīng)器旁邊設(shè)計(jì)主動(dòng)式發(fā)光源并交叉隔開。而發(fā)光與感光可以并行操作或循序操作integration，OLED發(fā)光源的可碩性，包含發(fā)光角度、頻譜寬度等。

目前IPMS開發(fā)、展示出來的雙向OLED微顯示器，解析度為QVGA等級(jí)(320x240)，若內(nèi)嵌影像感測(cè)器的雙向微顯示器，解析度則為QQVGA(160x120)，像是放置物件在上面，隨即反應(yīng)顯示該項(xiàng)物件影像的的回饋型展示器(Feedback-mode demonstrator)，就完全沒有用到任何光學(xué)成像的鏡頭或其他裝置。

Uwe Vogel提到雙向OLED微顯示器在HMD頭戴式顯示器的應(yīng)用。 HMD可以用來瞄準(zhǔn)并跟蹤用戶的眼球運(yùn)動(dòng)，了解用戶的目光、用戶的意識(shí)，凝視人類的顯示互動(dòng)，個(gè)人化視覺輸入/輸出資訊管理，互動(dòng)式擴(kuò)增實(shí)境的應(yīng)用。

iSTAR是Fraunhofer IPMS學(xué)院進(jìn)行的一項(xiàng)“互動(dòng)式可看透的擴(kuò)增實(shí)境顯示器(interative see-through argument reality display)”研發(fā)計(jì)畫。這個(gè)iSTAR外觀是一個(gè)看起來像墨鏡的一種近眼顯示裝置，顯示能力為VGA 640x480全彩模式;鏡片內(nèi)嵌解析度128x96的影像感測(cè)器，同時(shí)另外內(nèi)嵌解析度1280x800的頁(yè)框攝影機(jī)。

預(yù)估這種iSTAR雙向穿透型顯示器的市場(chǎng)，對(duì)消費(fèi)者而言，像是能提供頭載式顯示功能的智慧手機(jī)、電子觀景窗;工控部份像是頭戴顯示器(HMD)、光學(xué)檢查，醫(yī)療部份像是HMD頭戴顯示功能的顯微鏡，汽車電子部份​​像是HMD光耦合器，以及軍事用途的標(biāo)準(zhǔn)HMD頭盔顯示器等。

Uwe Vogel最后提到OLEDoS技術(shù)將來的展望。藉由Organic micro-patterning制程，藉由Orthogonal Photolithography (OLITH)正交光顯影技術(shù)制造OLED微顯示晶片，可以做到無須彩色濾光片、更薄的全彩OLED microdisplay，更高解析度(<5μm )、高良率(>90%)，并可延展到8吋以上的晶圓。其效益在于提高OLED效率到10倍，更佳的穩(wěn)定性、更廣域色彩表現(xiàn)以及沒有穿透顏色混淆的問題。

而IPMS也正就SM-OLED與P-LED廠房與制造路線進(jìn)行延伸整合、一貫化的作業(yè)的制造工具進(jìn)行延伸，而微型顯示器、感測(cè)器整合的研發(fā)與前端試產(chǎn)工作，則由COMEDD也就是IPMS的OLED微顯示器與感測(cè)器事業(yè)群統(tǒng)籌負(fù)責(zé)。