10000 PPI 的 OLED 屏诞生！三星联手斯坦福设计，新型架构可用于 VR

谈及 OLED，有人时常会冒出一句：

LCD 永不为奴。

不过就在最近，OLED 技术再次获得了新突破：PPI 达到 10000！

韩国三星电子三星综合技术院（Samsung Advanced Institute of Technology）联合美国斯坦福大学 Geballe 先进材料实验室、韩国汉阳大学物理系，设计出了每英寸 10000 像素的全彩色、高亮度 OLED 显示器，这一成果有望在 VR、AR 中得以应用。

2020 年 10 月 23 日，相关论文发表于知名学术期刊 Science，题为 Metasurface-driven OLED displays beyond 10,000 pixels per inch（超表面驱动 OLED 显示器每英寸像素超 10000）。

LCD 与继任者 OLED

OLED，全称 Organic Light-Emitting Diode，即「有机发光二级管」，是 LCD（Liquid Crystal display，液晶显示）技术公认的继任者。

LCD 的原理大致是：将一个液晶盒放在平行的 2 块玻璃基板中间，下基板设置了薄膜晶体管，上基板设置了彩色滤光片。薄膜晶体管上的信号、电压变化可以控制液晶分子的转动，由此控制每个像素点偏振光出射与否，显示的目的也便达到了。

而 OLED 技术是由电场驱动——采用的是有机材料涂层和玻璃基板，当电流通过时，有机材料就会发光。OLED 的每个像素点自身都能独立发光，而每个像素点是由红绿蓝 3 个次像素组成的。每个子像素点都可以看作是一颗 LED 灯，像素组成的阵列就是 OLED 面板了。

说到红绿蓝次像素，很多人可能还记得之前上过热搜的一个词：「周冬雨排列」。

「周冬雨排列」到底是什么，就连周冬雨本人都搞不明白，还跑到知乎提问。

据网友解释，「周冬雨排列」长下面这样，神似一个个“周冬雨的凝视”。

实际上它是指京东方（BOE）的 Triangular PenTile 排列，是一种屏幕次像素的排列方式。

从专业角度来看，OLED 屏不同颜色像素点的材质不同，蓝色像素点寿命较短。

为解决这个问题，像素点可以有多种排列方式，排列方式直接影响着屏幕清晰度，而京东方的这种排列在某些方向实际分辨率会下降，使用了京东方 OLED 屏的华为 Mate 20 Pro 还曾爆出了屏幕边缘出现绿色调的光晕，因此外界对其的吐槽也不少。相比于这种排列，世界级面板产商三星的「钻石排列」清晰度更佳。

简单总结一下，LCD 的光源层和显示层分离，OLED 光源层和显示层合二为一。

基于此，OLED 显示屏相比之下有不少优势，比如轻薄、可视角度大、能耗低、亮度高，还可以显示纯黑色、可以弯曲，能够满足曲屏电子设备的制造。

但 OLED 并不是完全吊打 LCD，LCD 党的论据在于，OLED 寿命较短不耐用、烧屏频闪易伤眼。

PPI 达到 10000

实际上，在 OLED 显示屏领域，三星（以及 LG）可谓是遥遥领先的巨头，不仅在竞争激烈的市场中积极地进行战略部署，技术上也总是快人一步。

正如 IEEE 所说，OLED 屏实现了商业成功，但自然还有提升空间。

目前，当屏幕和眼睛保持一定距离时，每英寸像素数大约在几百左右，智能手机屏幕每英寸只能容纳 400-500 像素（iPhone 12 Pro 的超视网膜 XDR 显示屏为 460PPI），电视屏幕每英寸仅 100-200 像素。而对于 VR、AR 设备，所需的像素密度为每英寸几千个像素，而当前的显示技术还无法满足要求。

基于此，研究团队设计了全彩色、高亮度的新型 OLED 显示器，利用 OLED 薄膜在两层反射层之间发射白光：

• 一层由银薄膜构成；

• 另一层是作为可调后向反射器（tunable back-reflector）的“超表面”，就像由一个个 80 纳米高、100 纳米宽的柱子组成的森林，每一根柱子的间距小于光的波长。

研究人员表示：

每英寸 10000 像素的超高密度，轻松满足了在眼镜或隐形眼镜上制造下一代微型显示器的需求。

具体来讲， 显示器超表面的每个像素都被分成了 4 个大小相同的亚像素。

原则上，OLED 薄膜可以指定它们照射的亚像素，亚像素中的纳米柱可以操纵落在它们上面的白光。

这样一来，每个亚像素可以反射特定颜色的光，而这是由纳米柱之间的间距决定的——在每个像素中：

• 纳米柱排列最密集的亚像素产生红光；

• 纳米柱密度适中的亚像素产生绿光；

• 纳米柱密度最小的亚像素产生蓝光。

上图是扫描电子显微镜下的「纳米柱森林」。发出的光在 OLED 显示器的反射层之间来回反射，直到最终通过银薄膜从显示器表面逃逸。

据了解，这种光线在显示器内部积聚的方式，将使其发光效率成为标准颜色过滤白色 OLED 显示器的 2 倍，且颜色纯度也更高。斯坦福大学光学工程师、论文合著者之一 Mark Brongersma 表示：

乐器要想发出声音，常常需要一种共鸣腔，它能产生优美的纯音。光线也是同样的道理，不同颜色的光会在这些像素上产生“共鸣”。

另外，论文第一作者、三星综合技术院（三星电子的中央研究所）的纳米光子工程师 Won-Jae Joo 还透露：

每英寸达到 10000 像素的结果振奋人心，根据我们的模拟结果，像素密度的理论缩放极限估计是每英寸 20000 像素。

就潜在应用而言，Mark Brongersma 认为短期而言团队的关注点在于 VR 设备——由于 VR 显示器离用户的眼睛很近，高分辨率是创造幻觉的关键；在未来，超表面还可能在太阳能电池和光传感器等应用中用于捕获光线。

由此可见，这一研究对于 OLED 领域来讲是一次不小的突破。

三星连发 Nature、Science

实际上，作为显示屏霸主，仅仅是在科研方面，三星的成果有目共睹。

早在 2016 年，三星就联合哈佛大学、MIT，筛选出了超过 1000 个用于 OLED 的蓝光分子，一个主要的目的就是大幅降低生产成本，并提升 OLED 屏的性能。

这项研究在当时的意义就在于，不少人认为 OLED 取代 LCD 只是时间的问题，但主要的问题之一就是 OLED 的制造成本过高，与 LCD 的价差降低，才会更能显示出 OLED 的优势。

2019 年 11 月 27 日，三星在 Nature 上发布了 QLED（Quantum Dot Light Emitting Diodes，量子点发光二极管）的潜在商业化研究。在这项研究中，团队通过改善量子点的结构，将量子效率提高了 21.4％，并将 QLED 寿命延长至一百万小时。

前不久的 10 月 14 日，三星再次在 Nature 上发表有关 QD-LED 技术的论文。团队实现了 20.2％ 的发光效率提升、88900 尼特的最大亮度和 16000 个小时的 QLED 寿命。

前后不到 10 天，三星就又发表了 OLED 屏的重要突破。

一般而言，OLED 被认为是下一代智能手机显示屏的最佳方案，今年 4 月三星也宣布关闭中国、韩国的 LCD 面板生产线。未来 OLED 技术将会有怎样的飞跃，我们拭目以待。

引用来源：

https://spectrum.ieee.org/tech-talk /consumer-electronics/audiovideo/metasurface-oled-display

https://science.sciencemag.org/content/370/6515/459

https://www.leiphone.com/news/202003/cijOxdWFlVjH0CEE.html

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