像素密度高達10000PPI！OLED屏幕技術(shù)再獲重大突破

談及 OLED，有人時常會冒出一句：

LCD 永不為奴。

不過就在最近，OLED 技術(shù)再次獲得了新突破：PPI 像素密度達到 10000！

韓國三星電子三星綜合技術(shù)院（Samsung Advanced Institute of Technology）聯(lián)合美國斯坦福大學 Geballe 先進材料實驗室、韓國漢陽大學物理系，設(shè)計出了每英寸 10000 像素的全彩色、高亮度 OLED 顯示器，這一成果有望在 VR、AR 中得以應(yīng)用。

2020 年 10 月 23 日，相關(guān)論文發(fā)表于知名學術(shù)期刊 Science，題為 Metasurface-driven OLED displays beyond 10，000 pixels per inch（超表面驅(qū)動 OLED 顯示器每英寸像素超 10000）。

LCD 與繼任者 OLED

OLED，全稱 Organic Light-Emitting Diode，即“有機發(fā)光二級管”，是 LCD（Liquid Crystal display，液晶顯示）技術(shù)公認的繼任者。

LCD 的原理大致是：將一個液晶盒放在平行的 2 塊玻璃基板中間，下基板設(shè)置了薄膜晶體管，上基板設(shè)置了彩色濾光片。薄膜晶體管上的信號、電壓變化可以控制液晶分子的轉(zhuǎn)動，由此控制每個像素點偏振光出射與否，顯示的目的也便達到了。

而 OLED 技術(shù)是由電場驅(qū)動——采用的是有機材料涂層和玻璃基板，當電流通過時，有機材料就會發(fā)光。OLED 的每個像素點自身都能獨立發(fā)光，而每個像素點是由紅綠藍 3 個次像素組成的。每個子像素點都可以看作是一顆 LED 燈，像素組成的陣列就是 OLED 面板了。

說到紅綠藍次像素，很多人可能還記得之前上過熱搜的一個詞：“周冬雨排列”。

“周冬雨排列”到底是什么，就連周冬雨本人都搞不明白，還跑到知乎提問。

據(jù)網(wǎng)友解釋，“周冬雨排列”長下面這樣，神似一個個“周冬雨的凝視”：

實際上它是指京東方（BOE）的 Triangular PenTile 排列，是一種屏幕次像素的排列方式。

從專業(yè)角度來看，OLED 屏不同顏色像素點的材質(zhì)不同，藍色像素點壽命較短。

為解決這個問題，像素點可以有多種排列方式，排列方式直接影響著屏幕清晰度，而京東方的這種排列在某些方向?qū)嶋H分辨率會下降，使用了京東方 OLED 屏的華為 Mate 20 Pro 還曾爆出了屏幕邊緣出現(xiàn)綠色調(diào)的光暈，因此外界對其的吐槽也不少。相比于這種排列，世界級面板產(chǎn)商三星的“鉆石排列”清晰度更佳。

簡單總結(jié)一下，LCD 的光源層和顯示層分離，OLED 光源層和顯示層合二為一。

基于此，OLED 顯示屏相比之下有不少優(yōu)勢，比如輕薄、可視角度大、能耗低、亮度高，還可以顯示純黑色、可以彎曲，能夠滿足曲屏電子設(shè)備的制造。

但 OLED 并不是完全吊打 LCD，LCD 黨的論據(jù)在于，OLED 壽命較短不耐用、燒屏頻閃易傷眼。

PPI 達到 10000

實際上，在 OLED 顯示屏領(lǐng)域，三星（以及 LG）可謂是遙遙領(lǐng)先的巨頭，不僅在競爭激烈的市場中積極地進行戰(zhàn)略部署，技術(shù)上也總是快人一步。

正如 IEEE 所說，OLED 屏實現(xiàn)了商業(yè)成功，但自然還有提升空間。

目前，當屏幕和眼睛保持一定距離時，每英寸像素數(shù)大約在幾百左右，智能手機屏幕每英寸只能容納 400-500 像素（iPhone 12 Pro 的超視網(wǎng)膜 XDR 顯示屏為 460PPI），電視屏幕每英寸僅 100-200 像素。而對于 VR、AR 設(shè)備，所需的像素密度為每英寸幾千個像素，而當前的顯示技術(shù)還無法滿足要求。

基于此，研究團隊設(shè)計了全彩色、高亮度的新型 OLED 顯示器，利用 OLED 薄膜在兩層反射層之間發(fā)射白光：

一層由銀薄膜構(gòu)成；

另一層是作為可調(diào)后向反射器（tunable back-reflector）的“超表面”，就像由一個個 80 納米高、100 納米寬的柱子組成的森林，每一根柱子的間距小于光的波長。

研究人員表示：

每英寸 10000 像素的超高密度，輕松滿足了在眼鏡或隱形眼鏡上制造下一代微型顯示器的需求。

具體來講，顯示器超表面的每個像素都被分成了 4 個大小相同的亞像素。

原則上，OLED 薄膜可以指定它們照射的亞像素，亞像素中的納米柱可以操縱落在它們上面的白光。

這樣一來，每個亞像素可以反射特定顏色的光，而這是由納米柱之間的間距決定的——在每個像素中：

納米柱排列最密集的亞像素產(chǎn)生紅光；

納米柱密度適中的亞像素產(chǎn)生綠光；

納米柱密度最小的亞像素產(chǎn)生藍光。

上圖是掃描電子顯微鏡下的“納米柱森林”。發(fā)出的光在 OLED 顯示器的反射層之間來回反射，直到最終通過銀薄膜從顯示器表面逃逸。

據(jù)了解，這種光線在顯示器內(nèi)部積聚的方式，將使其發(fā)光效率成為標準顏色過濾白色 OLED 顯示器的 2 倍，且顏色純度也更高。斯坦福大學光學工程師、論文合著者之一 Mark Brongersma 表示：

樂器要想發(fā)出聲音，常常需要一種共鳴腔，它能產(chǎn)生優(yōu)美的純音。光線也是同樣的道理，不同顏色的光會在這些像素上產(chǎn)生“共鳴”。

另外，論文第一作者、三星綜合技術(shù)院（三星電子的中央研究所）的納米光子工程師 Won-Jae Joo 還透露：

每英寸達到 10000 像素的結(jié)果振奮人心，根據(jù)我們的模擬結(jié)果，像素密度的理論縮放極限估計是每英寸 20000 像素。

就潛在應(yīng)用而言，Mark Brongersma 認為短期而言團隊的關(guān)注點在于 VR 設(shè)備——由于 VR 顯示器離用戶的眼睛很近，高分辨率是創(chuàng)造幻覺的關(guān)鍵；在未來，超表面還可能在太陽能電池和光傳感器等應(yīng)用中用于捕獲光線。

由此可見，這一研究對于 OLED 領(lǐng)域來講是一次不小的突破。

三星連發(fā) Nature、Science

實際上，作為顯示屏霸主，僅僅是在科研方面，三星的成果有目共睹。

早在 2016 年，三星就聯(lián)合哈佛大學、MIT，篩選出了超過 1000 個用于 OLED 的藍光分子，一個主要的目的就是大幅降低生產(chǎn)成本，并提升 OLED 屏的性能。

這項研究在當時的意義就在于，不少人認為 OLED 取代 LCD 只是時間的問題，但主要的問題之一就是 OLED 的制造成本過高，與 LCD 的價差降低，才會更能顯示出 OLED 的優(yōu)勢。

2019 年 11 月 27 日，三星在 Nature 上發(fā)布了 QLED（Quantum Dot Light Emitting Diodes，量子點發(fā)光二極管）的潛在商業(yè)化研究。在這項研究中，團隊通過改善量子點的結(jié)構(gòu)，將量子效率提高了 21.4％，并將 QLED 壽命延長至一百萬小時。

前不久的 10 月 14 日，三星再次在 Nature 上發(fā)表有關(guān) QD-LED 技術(shù)的論文。團隊實現(xiàn)了 20.2％ 的發(fā)光效率提升、88900 尼特的最大亮度和 16000 個小時的 QLED 壽命。

前后不到 10 天，三星就又發(fā)表了 OLED 屏的重要突破。

一般而言，OLED 被認為是下一代智能手機顯示屏的最佳方案，今年 4 月三星也宣布關(guān)閉中國、韓國的 LCD 面板生產(chǎn)線。未來 OLED 技術(shù)將會有怎樣的飛躍，我們拭目以待。
責編AJX