OLEDoS技術的發展趨勢與應用
2012-06-24 21:20:26 本站原創以CMOS制程制造具備OLED發光源，以及可看透的半透明型的雙向微型顯示器，除了應用在駕駛的導航資訊提供、軍事的追蹤目標之外，也能運用作為微型投影的應用。來自德國Fraunhofer IPMS光電微系統研究所，所進行的HYPOLED與iSTAR計畫，紛紛呈現了以CMOS制程制造的OLED顯示器的應用新紀元。
OLEDoS于微顯示器、微投影機、AR擴增實境的應用
來自德國Dresden郡弗勞恩霍夫光電微系統研究所(Fraunhofer Institute Photonic Microsystems;IPMS) 微顯示器與感測事業部首席負責人Uwe Vogel博士，介紹OLDE on CMOS(OLEDoS)矽晶OLED面板技術的發展趨勢。他指出行動顯示技術(Mobile Display) 得以蓬勃發展的關鍵驅動力量，是多媒體內容、駕駛時所需要的導航資訊、用戶互動(像螢幕觸控)、擴增實境(augmented-reality;AR)等。
Dresden郡弗勞恩霍夫光電微系統研究所(Fraunhofer Institute Photonic Microsystems;IPMS) 微顯示器與感測事業部首席負責人Uwe Vogel博士
但目前作為行動顯示技術有小于1.3吋的微型顯示器(Microdisplays)以及行動投影顯示器(Mobile Projection Display)，而IPMS正在研究一種結合微型顯示器與行動投影顯示器兩種技術于一體的Hypoled，也就是可透視微型顯示器(See-through MicroDisplay)。
Uwe Vogel指出，微型顯示器實體外觀都相當小，但可以顯示相當多資料內容，至少是電視(640x480)解析度等級，而且采主動陣列基板(通常是CMOS設計)，具備低功耗，且通過放大鏡以光學方式觀看放大圖像。
應用上可以用來做：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)應用，如數位相機、攝錄影機常使用的電子觀景窗(Electronic Viewfinder;EVF)、手持式行動裝置顯示應用。 3.頭戴顯示器(Head Mounted Display;HMD)，分專業級以及一般消費型HMD。
OLEDoS技術原理與制作技術
Uwe Vogel進一步介紹OLED on CMOS(OLEDoS)的原理與制作技術。 OLEDoS的主要特點有：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(polymers/ liquid phase )P-LED所組成。可具備任何形狀，顏色輸出為單調色、白色或近紅外線(Near Infrared;NIR)呈現;出色的電流/功率效率(低電壓、低功耗)，運作良好且提高工作壽命達數萬小時，具備自發光、快速反應時間(可到MHz)。
而OLEDoS可整合電子功能，如駕駛、擷取、處理、控制，與感應器共同結合成CMOS制程的感應器，像嵌入式光感測器(Embedded photodetectors)、溫度感應器、磁感應器、MEMS感測器等。
原本微型顯示器產線為德國MicroEmissive Displays公司所有，隨后2009年被IPMS并購下來成為自家產線。 IPMS以頂發光(Top-emitting)的pin OLED元件，由NOVALED AG提供的小分子發光磊晶，以蒸發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，采用標準1、0.6、0.35、0.18 μm CMOS制程，并可整合由IPMS/COMEDD設計的類比訊號電路層，矽晶圓由有簽約的晶圓代工廠供應。
OLEDoS晶片中SM-OLED元件層部份，由韓國SUNICEL plus200機臺進行OLED后端處理。該設備可處理厚度0.6~0.8mm的6吋或8吋晶圓，系統設置成具備7道chambers、12道有機來源、5道非有機來源、2道PVD來源以及二氧化氬雷射(ArO2)電漿激發室，一次處理周期為60分鐘，試產產能可達每月6,000片。
至于OLEDoS晶片的P-LED元件層，由8吋矽晶圓經過Clustex 200機臺進行蝕刻(Etching)、濺鍍(Sputtering)，EVG120機臺旋轉涂布、MBraun MB-OV機臺氮化，以及晶圓綁線(Wafter bonding)、晶圓探測、顯微蝕刻、分子掃描等程序。
OLED on CMOS的應用
Uwe Vogel提到，OLED on CMOS(OLEDoS)的應用，主要可以做為：1.微型顯示器(Microdisplays)，如HMD頭戴顯示器、行動裝置或微投影裝置、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)，如互動式HMD、光學檢查等。 2.感測器。如光學感測器，能做螢光、顏色，流量測定與光電容積，做為影像感測器的嵌入式照明或圖案照明，光學指紋辨識、反射式障礙燈、光耦合器、自動立體3D顯示器，以及供行動裝置設計單、多視點的顯示器。
而IPMS研發的HYPOLED OLED微型顯示器，提供VGA等級(640x480)微型顯示與微投影功能，采24bit平行視訊介面設計，可提供黑白256色灰階或24bit全彩顯示能力，采數位像素細胞單元設計，由脈沖寬度控制照度，透過I2C色彩、對比與亮度的控制。
整個晶片由180nm CMOS代工廠制程制造，核心電壓與數位I/O電壓為1.8V，OLED負向偏壓值最大-5.5V，可顯示區域為7.68mm 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。
在系統整合性部份，IPMS也開發一套展示工具，大小跟一般小型主機板相當，有經排線連接的全彩微型顯示器(Microdisplay)，以及具備數位廣播接收功能(DVB-T、DVB- H)與無線網路(WiFi WLAN)的多媒體工具盒。而Fraunhofer IPMS以開發出HYPOLED OLED微投影機、HMD頭戴顯示器參考設計套件，并且MOBINTECH已實際采用并推出眼鏡大小的HUD顯示器。
OLED-on-CMOS采取內嵌光感應器(embedded photodetectors)整合CMOS光二極體，制程上比一般OLED還要低階簡易，只須注意要以邊對邊的方式，在光感應器旁邊設計主動式發光源并交叉隔開。而發光與感光可以并行操作或循序操作integration，OLED發光源的可碩性，包含發光角度、頻譜寬度等。
目前IPMS開發、展示出來的雙向OLED微顯示器，解析度為QVGA等級(320x240)，若內嵌影像感測器的雙向微顯示器，解析度則為QQVGA(160x120)，像是放置物件在上面，隨即反應顯示該項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頭戴式顯示器的應用。 HMD可以用來瞄準并跟蹤用戶的眼球運動，了解用戶的目光、用戶的意識，凝視人類的顯示互動，個人化視覺輸入/輸出資訊管理，互動式擴增實境的應用。
iSTAR是Fraunhofer IPMS學院進行的一項“互動式可看透的擴增實境顯示器(interative see-through argument reality display)”研發計畫。這個iSTAR外觀是一個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;鏡片內嵌解析度128x96的影像感測器，同時另外內嵌解析度1280x800的頁框攝影機。
預估這種iSTAR雙向穿透型顯示器的市場，對消費者而言，像是能提供頭載式顯示功能的智慧手機、電子觀景窗;工控部份像是頭戴顯示器(HMD)、光學檢查，醫療部份像是HMD頭戴顯示功能的顯微鏡，汽車電子部份像是HMD光耦合器，以及軍事用途的標準HMD頭盔顯示器等。
Uwe Vogel最后提到OLEDoS技術將來的展望。藉由Organic micro-patterning制程，藉由Orthogonal Photolithography (OLITH)正交光顯影技術制造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，更佳的穩定性、更廣域色彩表現以及沒有穿透顏色混淆的問題。
而IPMS也正就SM-OLED與P-LED廠房與制造路線進行延伸整合、一貫化的作業的制造工具進行延伸，而微型顯示器、感測器整合的研發與前端試產工作，則由COMEDD也就是IPMS的OLED微顯示器與感測器事業群統籌負責。
