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OLED微型显示器研发与产业化

      项目源于核心团队承担的3项国家自然科学基金、1项上海市科委基金以及2项对外合作的美国国家科学基金。项目以超高清分辨率硅基OLED微型显示器为对象开展。硅基OLED微显示器是在集成有驱动电路的单晶硅芯片基底上制作有机发光材料形成的一种特殊显示器,其自身物理尺寸很小,但可以通过光学系统形成大屏幕显示效果,非常适合于便携、穿戴式近眼应用。

      目标产品为硅基OLED微显示器,结合了微电子技术和光电子技术,在硅基芯片上制作有机发光材料并封装后形成,具有小尺寸、大视场的特点,1英寸显示屏可形成2K×2K以上分辨率。项目针对消费电子展开产业化,包括VR(虚拟现实)和AR(增强现实),也可用于军事(空军头盔、陆军单兵、夜视仪等)、医疗(穿戴式诊断系统)、培训(智能眼镜)、工业(远程监控)等其他领域。

      现有头戴式VR/AR设备尚不能带来较好用户体验,表现在:头戴VR/AR设备体积大而笨重,不便于佩戴和携带;显示分辨率不足而造成纱窗效应,颗粒感强;刷新率低导致晕感,使用时间不长;显示视场角有限,沉浸感不强。这些问题本质来源于VR/AR所采用的TFT显示器的体积偏大且性能不足,而本项目正是为了解决这一问题,提供一种体积小、重量轻、但是像素精细、分辨率高、刷新速度快、视场角大、功耗低的新型显示器,具有非常大的产品优势。


  • 硅基OLED微显示器
  • 单晶硅芯片基底
  • 尺寸小
  • 视场大
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OLED微型显示器研发与产业化
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OLED微型显示器研发与产业化
OLED微型显示器研发与产业化

项目介绍

■ 项目背景


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。硅基LED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。


■ 技术关键点及创新点


OLED微显示器处于光电子和微电子两大领域技术交叉点,需要同时深入这两个领域,技术门槛相当高,目前全球仅少数几个研究机构和公司进行相关研究,仅极少数单位有能力提供高清OLED微显示器产品或样机。项目团队通过近十年自主研发已获取关键技术,已掌握了超高清分辨率技术和降低产品成本的解决方案,达到世界领先水平,技术创新点包括:

(a)产品创新:光电子技术和微电子技术结合创新,用成熟的CMOS工艺解决物理体积小型化的高分辨率显示问题,将显示器产品点距从普通显示器的300PPI(Pixel per inch)提高到3000PPI以上。

(b)理论创新:传统显示受CRT电子木仓逐点扫描思维约束,存在大量时间冗余,致使亮度和性能损失。项目团队采用独创3D分形扫描方法使亮度效率达到100%,该成果获2013年上海市科技进步一等奖。


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传统扫描(左)和分形扫描(右)原理



(c)工艺创新:目前OLED微显示器厂商大都采用二次图形化方案,阳极像素图案化工艺在CMOS工厂和OLED工厂中分别完成,器件界面特性难以控制,良率难以保障,且需要新建专用光刻生产线,固定资产投资规模巨大。项目团队创造性地提出一次图案化方案,充分利用CMOS工艺兼容材料在CMOS工厂中一次性完成像素阳极制作,大幅提升良率,节省设备投资成本,使集成电路设计公司制作OLED微显示器成为可能。

(d)结构创新:在硅基一次图案化基础上采用低压高亮OLED器件结构,4V电压时的亮度即可达5000cd/m2(同类产品约为1500cd/m2)。且采用独创的硅基ALD封装方法,有效降低封装复杂度和成本。

(e)设计创新:研发了一种具有衰退补偿自校正功能的数字恒流源像素驱动电路,可提高像素亮度不一致性。且该电路仅采用3个晶体管,较现有普遍采用的4T/5T像素电路面积更小,像素密度可达3500PPI以上。


■ 技术优势


技术优势:常规平板显示器的基板为非晶硅或多晶硅,晶体分子结构较大,像素点距一般为几百PPI,用于电视机、平板电脑、手机等。而微型显示器以单晶硅为基底,PPI至少1500以上,可实现“小尺寸,大显示”效果。另一方面,与DMD和LCOS微显示相比,OLED微显示的特性更加优秀:主动发光、色彩丰富、对比度高、驱动电压低、发光效率高、响应速度快、功耗低、温度范围广,非常适用于像素密度要求高、系统尺寸小、响应速度快、对比度高的近眼显示应用,如虚拟现实(VR)/增强现实(AR)等。


■ 应用案例


已与2家客户签定了战略开发合作协议和采购意向:A客户需求4~5万片/年,用于VR头盔;B客户需求1~2万片/年,用于AR智能眼镜。



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杭州归新信息科技有限公司

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