工程師突破超高分辨率顯示屏技術(shù)瓶頸

Mitch Leslie

Senior Technology Writer

憑借清晰的圖像和鮮明的對比度，每英寸數(shù)百像素（ppi）的有機發(fā)光二極管（OLED）顯示屏已成為大多數(shù)智能手機和許多高端電視機的首選屏幕技術(shù)[1]。但是在具體應(yīng)用時，特別是對于升級改良后的虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）和混合現(xiàn)實（MR）設(shè)備，需要具有比當(dāng)前OLED顯示屏更高的像素密度[2]。2020年年底，美國斯坦福大學(xué)和韓國三星公司的研究人員描述了一種顯示屏像素密度超過10 000 ppi的設(shè)計，創(chuàng)下OLED紀錄[3]。這一發(fā)現(xiàn)將有助于各種基于OLED的新型電子產(chǎn)品的開發(fā)。然而，專家警告說，技術(shù)限制和來自其他類型顯示屏的競爭可能會抑制這種超高分辨率OLED顯示屏的實際使用。

2010年，蘋果公司因推出iPhone 4而引起轟動，這款手機配備了像素密度為326 ppi（是之前型號的4倍）的液晶顯示屏[4]。從那以后，制造商在顯示屏上壓縮了更多的像素。現(xiàn)在，大多數(shù)智能手機都配備可提供400～500 ppi像素密度的OLED顯示屏[5]。同樣，電視機顯示屏的像素密度隨著時間的推移也在增加，現(xiàn)在許多OLED電視機顯示屏的像素密度根據(jù)尺寸可以達到100～200 ppi [6]?？墒菍τ谑謾C和其他移動設(shè)備而言，增大像素密度是有代價的，電池的電量消耗會更快[7]。此外，人眼是否可以區(qū)分不同像素密度的手機顯示屏仍然備受爭議[8,9]。

然而，VR、AR和MR設(shè)備需要更高的像素密度，這是毫無疑問的。它們要么像VR那樣將用戶置于計算機生成的世界中，要么在用戶的真實世界中添加圖像[10]。這些技術(shù)在Pokemon Go等游戲以及各種工業(yè)、軍事和教育應(yīng)用中已經(jīng)很常見，但視覺體驗效果可能令人失望。例如，像素之間的間隙可能是可見的，從而產(chǎn)生所謂的紗窗效應(yīng)[11]。標準VR頭戴式設(shè)備的設(shè)計解釋了為什么在此類設(shè)備中視覺缺陷更明顯。頭戴式設(shè)備的顯示屏距離用戶的眼睛只有幾厘米（而用戶通常與手機顯示屏之間的距離為25～30 cm），而且設(shè)備還包含放大鏡[11]。研究人員估計，更平滑、更逼真的顯示屏要求更亮，并且需要超過5000 ppi的像素密度[3]。臺灣大學(xué)電氣工程學(xué)教授Jiun-Haw Lee說：“發(fā)現(xiàn)增加像素數(shù)量的新方法十分重要。”他并沒有參與斯坦福大學(xué)與三星公司的研究。

為了提高OLED顯示屏的分辨率，斯坦福大學(xué)和三星公司的研發(fā)團隊不得不應(yīng)對當(dāng)前技術(shù)的兩個限制。大多數(shù)智能手機的OLED顯示屏的制造過程包括通過精細的金屬掩模（一種擁有許多微孔的薄材料）將發(fā)光有機化合物涂到表面上[12]。掩?？梢栽诿總€像素內(nèi)精確定位紅色、綠色和藍色子像素，這些子像素以各種組合形式發(fā)光來產(chǎn)生不同的顏色[13]。在掩模上增加更多的孔可以提高像素密度，但越來越多的孔會導(dǎo)致圖像質(zhì)量變差。因此，大多數(shù)手機顯示屏的像素密度仍保持在400～500 ppi [12]。另一個限制適用于OLED電視。隨著精細金屬掩模尺寸變大，它們往往會下垂，因此制造商通常使用不同的工藝來制造大顯示屏[12]。一臺電視機顯示屏上的子像素包括三層有機化合物，每一層都發(fā)出紅光、綠光或藍光[1]。這些層合在一起就會產(chǎn)生白光，白光通過濾光器阻擋某些特定波長的光，從而在顯示屏上產(chǎn)生不同的顏色[1,12]。Lee說，這種方法的缺點是效率低、亮度有限，“它浪費了2/3的能量”，原因是濾光器阻擋了大部分發(fā)出的光。

圖1. 斯坦福大學(xué)和三星公司研究人員推出的新OLED設(shè)計，將發(fā)光層夾在兩個反射面之間，即“元鏡”（meta mirror）和覆蓋層正下方的銀鎂陰極?！霸R”的表面布滿了微小的柱子，這些柱子改變了反射光的傳播距離。從納米柱陣列中發(fā)出的光的顏色取決于它們的大小和密度（插圖）。圖片來源：Samsung Advanced Institute of Technology (public domain)。

斯坦福大學(xué)和三星公司研究人員的設(shè)計與OLED電視顯示屏的核心相似，因為每個像素都包含了可產(chǎn)生紅光、綠光和藍光的多層有機化合物。然而，他們將這些層放置在兩個鏡子之間，其中一個鏡子上布滿了直徑為80～120 nm的納米柱陣列（圖1）[12]。來自O(shè)LED層的白光在鏡子之間反射，但也在納米柱之間來回反射。這種設(shè)計會產(chǎn)生共振，放大某些波長。研究人員證明，他們可以通過改變納米柱的大小和排列來調(diào)整光的顏色。例如，納米柱密集的陣列發(fā)出紅光，而稀疏的陣列則產(chǎn)生藍光[5]。通過調(diào)整納米柱整列，研究人員可以生成所有波長的可見光[3]。

由于該團隊沒有使用精細的金屬掩模，因此他們可以壓縮更多像素——他們的計算表明該設(shè)計甚至可以使像素密度超過10 000 ppi [3]。由于不需要濾光器，使用該技術(shù)的設(shè)備應(yīng)該會更高效、更明亮。研究人員說，他們的設(shè)計相比OLED裝置的發(fā)光效率提高了一倍。該技術(shù)的另一個優(yōu)點是，用納米壓印光刻技術(shù)可以制造帶有納米柱排列的鏡子，該技術(shù)已經(jīng)成為制造太陽能電池和其他產(chǎn)品的標準技術(shù)。美國中佛羅里達大學(xué)的光學(xué)研究員Tao Zhan說：“這項研究非常重要?！比欢?，他沒有參與這項研究。他說，這項研究表明“你可以簡化制造過程并顯著增加像素密度”。

斯坦福大學(xué)和三星公司的研究人員分析了一個小型測試陣列，但沒有構(gòu)建全屏或?qū)㈥嚵羞B接到手機或其他設(shè)備。盡管如此，Lee表示，該團隊證明納米柱方法“是可行的”。他說，現(xiàn)在該小組可以開始嘗試制造帶有納米柱排列鏡子的顯示屏，并確定它們適用于哪些產(chǎn)品。

但Lee提醒說，OLED有一些缺點，可能會降低其普及程度。這些設(shè)備可能會出現(xiàn)老化現(xiàn)象，圖像會永久印在顯示屏上[14]。老化對手機來說不是大問題，因為用戶通常每隔幾年就會購買新機型。然而，這對于VR、AR或MR設(shè)備來說將是一場災(zāi)難。此外，其他顯示技術(shù)也在爭奪市場份額。加拿大VueReal公司（位于加拿大安大略省滑鐵盧市）已經(jīng)銷售了采用微型發(fā)光二極管（microLED）的顯示屏，顯示屏的像素密度可達30 000 ppi [5]。microLED顯示屏中的每個像素都是一個微觀的銦鎵氮化物半導(dǎo)體，使用這種技術(shù)的大顯示屏電視機才剛剛進入市場[15,16]。與OLED一樣，microLED也可以產(chǎn)生清晰的圖像，但它們老化的可能性更低[16]。然而，microLED也有幾個缺點，即它更耗電、會產(chǎn)生大量熱量且價格昂貴，因此哪種技術(shù)將點亮未來的顯示屏尚不清楚[16]。

Lee補充說，試圖開發(fā)更具細節(jié)、更生動、更逼真的VR、AR和MR產(chǎn)品的研究人員還面臨其他設(shè)計挑戰(zhàn)，包括如何提高數(shù)據(jù)傳輸速度。他說：“高分辨率是必不可少的，但這并不是唯一需要解決的問題?！?/p>