北京時間06月13日消息，中國觸摸屏網(wǎng)訊， 專訪昀光｜硅基OLED：下一代虛擬世界“元宇宙”首選顯示方案。2022年世界正站在元宇宙時代入口，而AR/VR作為元宇宙最重要的人機界面，是電子信息行業(yè)的下一個突破口，即將進入黃金發(fā)展期。在國家政策、產(chǎn)業(yè)投資、配套以及5G應用的擴張下，AR/VR產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑和前景愈發(fā)清晰。
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作為元宇宙的重要入口之一，VR在經(jīng)歷了初期快速發(fā)展后，目前也迫切需要自我革新。為了解決以往VR終端大而笨重、顯示細膩度不足、功耗大等缺點，迫切需要一種輕薄、低功耗、高顯示質量、長壽命的微顯示方案。
近年來AR/VR開始陸續(xù)采用一種新型近眼顯示技術OLED on Silicon，即 硅基OLED，也稱Micro OLED。與現(xiàn)在主流VR產(chǎn)品使用的Fast-LCD相比，硅基OLED在亮度、對比度、響應時間、功耗、體積等方面優(yōu)勢巨大，成為AR/VR頭顯方案新選擇。
以蘋果為代表的大廠正式以硅基 OLED 技術路線進軍 AR/VR 市場，將為硅基 OLED 技術帶來新一輪的增長。使其從原本僅作為軍用和專業(yè)用途的小眾產(chǎn)品開始走入大眾消費市場。
受AR/VR產(chǎn)業(yè)發(fā)展牽引，硅基OLED顯示面板市場規(guī)模有望迅速擴張。CINNO Research統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2021年全球AR/VR硅基OLED顯示面板市場規(guī)模為1.7億美元，未來隨著AR/ VR產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及硅基OLED技術的進一步滲透，預計至2025年全球AR/VR硅基OLED顯示面板市場規(guī)模將達到16.7億美元，2021年至2025年年均復合增長率CAGR將達到77.1%。 AR/VR對顯示技術提出了更高的挑戰(zhàn)，而硅基OLED會成為AR/VR產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的核心所在。
那么硅基OLED究竟是一種怎樣的技術？為什么說它符合目前AR/VR設備的發(fā)展趨勢？其應用范圍和前景如何？帶著這些問題，CINNO與南京昀光科技有限公司（簡稱南京昀光）創(chuàng)始人季淵博士展開了一場關于“元宇宙”顯示入口的對話。
硅基OLED是什么？優(yōu)點在哪？
OLED顯示器是一種利用有機材料自發(fā)光特性而制成的顯示器件。而硅基OLED微顯示器以單晶硅為襯底（OLED器件結構中的基板），集成CMOS驅動電路，是一種結合了半導體與OLED的微顯示器技術。
南京昀光科技有限公司 創(chuàng)始人兼CEO
季淵博士表示：“硅基OLED依托半導體工藝成熟發(fā)展，將像素點直接置于硅晶圓上，而不是玻璃基版，因此像素尺寸可以做到更小，像素密度更高。”
硅基OLED在微顯領域的優(yōu)勢之一便是能做到超高PPI。“以極小的物理尺寸（1.5”以下）達到極高像素密度（3000PPI以上）。”季淵博士舉例。
此外，因為自發(fā)光的特性，不需要背光的介入，這意味著在純黑背景下不會發(fā)生漏光現(xiàn)象，因此不會出現(xiàn)LCD屏幕下“灰底白字”情況的發(fā)生。對比度較LCD更好，暗部和亮部的細節(jié)更清晰，能夠涵蓋各類色彩空間，色彩表現(xiàn)也更好。
一般來說，與硅基OLED顯示器相對應的是LTPS-TFT驅動的普通OLED。與LTPS基板相比，硅基OLED采用成熟的半導體工藝，通過晶圓代工廠制造；硅基OLED微顯示器的像素點間距很小，一般小于15um，而普通OLED顯示器的像素間距在25~80um，這種特性導致硅基OLED更適用于微顯示器；硅基OLED的穩(wěn)定性、驅動性能更好，因而具有更好的顯示效果。
概括來說，硅基OLED屏幕具有自發(fā)光、輕薄小巧、響應時間短以及像素密度高、亮度高等眾多優(yōu)點，是近眼顯示設備首選的屏幕技術。
“元宇宙”需求推動硅基OLED產(chǎn)業(yè)發(fā)展
2021年，隨著Facebook更名為Meta，元宇宙作為一個新興概念，受到了來自社會各界的廣泛關注。該詞最早出現(xiàn)于科幻小說《雪崩》，指代一種由計算機模擬、與真實世界平行的虛擬空間。作為元宇宙的硬件基礎，AR/VR等可穿戴設備等產(chǎn)業(yè)真正迎來了發(fā)展窗口。
硅基OLED在此期間迅速成為了VR等近眼顯示設備的優(yōu)選。“因為硅基OLED最早在2000年剛研發(fā)出來之時，盡管擁有小尺寸超高PPI等特性，但近眼顯示概念在當時還是比較超前的，加上成本等問題，一直沒有在消費領域普及。”季淵博士說起硅基OLED的發(fā)展歷史。
“硅基OLED微顯示最早的應用領域實際是軍方，這是因為當時攜帶上飛機的顯示設備有輕薄的需求，加上軍方可以負擔相對高昂的價格。現(xiàn)在硅基OLED已經(jīng)是戰(zhàn)斗機、武裝直升機、坦克的頭戴式觀瞄設備的核心顯示技術，也是未來數(shù)字士兵和數(shù)字信息作戰(zhàn)系統(tǒng)中的重要組成部分。”季淵博士補充。
一直到2010年左右，谷歌第一次推出了名為谷歌眼鏡的新物種，近眼顯示在消費電子領域的市場被打開，緊接著AR/VR相關概念和終端才開始發(fā)展。
初代VR由于技術、成本等限制，使用的是LCD顯示技術，存在色彩顯示不夠豐富、對比度不高、功耗和體積大等缺點。目前半導體和顯示技術相比當時發(fā)展更為成熟，AR/VR頭顯設備輕量化已勢在必行。
于是硅基OLED便成為了“元宇宙”顯示市場繼續(xù)發(fā)展的底層技術，季淵博士認為：“元宇宙的到來可以看做是互聯(lián)網(wǎng)3.0版本，元宇宙提出了一個革新性需求，即更加沉浸式的體驗，這也是近眼顯示與傳統(tǒng)顯示最重要的區(qū)別。”傳統(tǒng)平板顯示（非近眼顯示方案）實現(xiàn)沉浸式體驗的成本較高，需要在空間四周、地板和房間頂部鋪設顯示屏（例如LED大屏幕）或者架設多個投影機/投影儀，成本較高，移動性有限，僅適合某些特殊場景應用。而近眼顯示方案就可以采用“微顯示器+光學”的方案，以較低的成本，實現(xiàn)沉浸式體驗。
硅基OLED將會成為VR行業(yè)趨勢選擇
行業(yè)消息指出蘋果公司的首款VR/MR頭顯有望在年內或明年推出，這款頭顯產(chǎn)品將配備三塊屏幕，其中有兩塊采用硅基OLED顯示屏。
行業(yè)龍頭對技術路線的選擇往往具有引領供應鏈趨勢的作用，選擇硅基OLED路線標志著其在VR設備方面的應用前景已得到認可。
季淵博士指出：“目前硅基OLED在VR應用上的綜合優(yōu)勢比較明顯，相比較Fast-LCD和Micro LED，其色彩表現(xiàn)要更強，沉浸體驗更好。并且由于VR是相對封閉的顯示環(huán)境，并不需要后兩者的超高亮度便可以滿足要求。”
此外對于LCD屏幕來說，由于其擁有黑矩陣的工藝，因而限制了LCD的PPI提高，即便像素密度提高到1000ppi以上也難以完全消除紗窗效應；對于Micro LED來說，尚存在工藝和產(chǎn)業(yè)化問題，成熟度不夠高，而且也可能會存在像素點亮度不一致較大的問題。
從技術角度看，硅基OLED已經(jīng)進入成熟量產(chǎn)階段。其技術工藝主要分為單晶硅光刻的基底驅動層技術和OLED蒸鍍技術。
對于單晶硅光刻的基底驅動層技術而言，硅基OLED采用的是28nm、55nm、或者180nm成熟的CMOS工藝，其工藝難度要遠低于目前的頂級光刻單晶硅技術。由于28nm、55nm甚至更早的CMOS工藝制程此前被光電傳感器所廣泛采用，已經(jīng)踏入了成熟階段，因此硅基OLED可以采用半導體工藝成熟且低成本的技術和設備便能夠滿足生產(chǎn)制造要求，享受半導體端的成熟體系紅利。
對于OLED蒸鍍工藝而言，難點核心在于“均勻性”。不過制約均勻性的最大難題往往是蒸鍍面積過大，而硅基OLED蒸鍍工藝主要集中在8”和12”硅晶圓上，面積小，難度相對低很多，一致性問題也能夠有效保證。
從工藝角度看，硅基OLED可以說是受到半導體芯片光刻技術與OLED蒸鍍技術兩方面發(fā)展水平紅利的影響，可以利用成熟技術、材料制作。相比較大尺寸液晶或者OLED面板，硅基OLED的生產(chǎn)線的投資規(guī)模更低，可以快速實現(xiàn)建線到量產(chǎn)。
除了生產(chǎn)制造工藝外，還需要關注硅基OLED顯示的實際規(guī)格參數(shù)。以南京昀光研發(fā)的硅基OLED產(chǎn)品為例，其最新開發(fā)的第四代有源芯片，能夠在1.31”上實現(xiàn)2.5K×2.5K分辨率。
季淵博士表示：“初代工程樣品分辨率為2K，與同樣分辨率的LCD比較，硅基OLED顯示效果更勝一籌。”
“目前我們已經(jīng)可以將分辨率提升至2.5K，未來會朝著4K分辨率邁進。理論計算上，在FOV為100度的情況下，6K分辨率就是人眼分辨率的極限，而4K基本上是接近這個極限，2.5K距離極限還有一點距離。”季淵博士告訴CINNO。
在近眼顯示中，人眼感知的臨界點在2K-2.5K之間，如果分辨率在2K以下，使用者會明顯感受到顆粒感，眼部肌肉需要不停對焦，容易導致眼部干澀甚至流淚，而分辨率超過2K后，眼部疲勞會有所改善，但仍會感覺圖像不是十分清晰。
早年的VR分辨率在1.2K或1.4K，這時大部分使用者無法長時間觀看。季淵博士指出：“通過實驗，在分辨率達到4K級別的時候，使用者感受到的畫面會非常清晰，視力仿佛恢復到1.5甚至2.0，因此達到4K分辨率對于硅基OLED的VR應用是一個很重要的指標。”
硅基OLED憑借著工藝制造、產(chǎn)業(yè)投資、性能參數(shù)等一系列的優(yōu)勢，在新型顯示產(chǎn)品中具有不俗的成熟度，成為VR行業(yè)主流選擇順理成章。
技術驅動實現(xiàn)硅基OLED創(chuàng)新成長
乘著元宇宙的東風，中國硅基OLED產(chǎn)業(yè)也在快速增長，不少公司提早從事硅基OLED相關的研發(fā)和布局，南京昀光是當中的佼佼者。
除了其開發(fā)的硅基OLED產(chǎn)品擁有極高的2.5K級別分辨率（4K級別開發(fā)中）外，不得不提的是其采用了獨特的數(shù)字驅動方案。與傳統(tǒng)的模擬驅動相比，數(shù)字驅動硅基OLED微顯示器在顯示質量、功耗、壽命等性能上占有顯著優(yōu)勢，相較同類微顯示器產(chǎn)品具有更高的刷新率、對比度以及更低的功耗（功耗約為模擬驅動方案的1/3）。
季淵博士強調：“南京昀光擁有全球領先的數(shù)字驅動技術，該技術十年前便已經(jīng)著手研發(fā)，判斷將會取代目前的模擬驅動方式。數(shù)字驅動方式不但能讓刷新提高，而且還能讓功耗有效降低，實現(xiàn)用更低成本去實現(xiàn)更高分辨率的目標。”
針對OLED壽命的問題，昀光發(fā)現(xiàn)采用數(shù)字驅動的OLED壽命要比模擬驅動的壽命更長。有OLED本質老化研究結果顯示，以直流電驅動點亮組件一段時間，再將組件的電源切斷幾分鐘（5min~10min），可以發(fā)現(xiàn)器件由壽命測試所造成的亮度衰退可以得到一定程度的恢復。因此將器件在常溫放置后出現(xiàn)的亮度回升現(xiàn)象稱為OLED器件的自發(fā)性亮度恢復。
在數(shù)字驅動方式下，某個像素點在某個比特位為0時，這個像素點相當于處于電源切斷狀態(tài)，不會被點亮；模擬驅動方式下被點亮時，灰度依靠電流/電壓大小來表示，相當于一直被點亮，沒有關斷狀態(tài)。可以推斷，當OLED在相同電壓下以這兩種方式驅動點亮時，僅有數(shù)字驅動方式可給予OLED發(fā)生自發(fā)性亮度恢復的條件，可得到更長的壽命。
季淵博士設計了一組實驗，結果顯示盡管電壓將加速OLED老化，數(shù)字驅動方式下，占空比越小，OLED的壽命越高；模擬驅動實驗組的電壓最小，但壽命性能最差。這個實驗可以說明，因為OLED的自發(fā)性亮度恢復特性，數(shù)字驅動方式比模擬驅動方式的壽命性能更好。該結果已經(jīng)發(fā)表于行業(yè)知名期刊《光學學報》2021年第10期。
“我們對三種不同的硅基OLED微顯示器都進行了相同的測試，結果證明這不屬于偶然現(xiàn)象，這驗證了數(shù)字驅動技術在壽命性能上的優(yōu)越性。” 季淵博士補充，“數(shù)字驅動技術是南京昀光的獨有技術，國內目前尚未見其他公司效仿。”
季淵博士總結了南京昀光在硅基OLED方面的核心技術，主要有四點：第一，通過獨創(chuàng)陽極一次圖形化工藝技術，解決工藝兼容問題，大幅降低投資成本（節(jié)省千萬元光刻設備）、提升良率；第二，采用數(shù)字PWM恒流像素單元驅動技術，解決了傳統(tǒng)模擬驅動精度不高、亮度和對比度低、功耗大的問題；第三，國際唯一3D分形掃描控制算法，亮度效率接近100%；第四，基于人眼凝視的圖像編碼和超像素技術，達到行業(yè)最高的4K單目分辨率，這是蘋果2022年底計劃達到的規(guī)格指標。
目前南京昀光依托國內新型顯示技術高地——上海大學微電子中心、新型顯示技術教育部重點實驗室進行相關技術研發(fā)，已申請發(fā)明專利 58項，集成電路布圖保護專利6項。
錨定XR產(chǎn)業(yè)，推動生態(tài)圈組建
南京昀光是一家面向各類超高像素密度微型顯示器產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的公司，是解決國內新型顯示和半導體領域科技創(chuàng)新體系“卡脖子”難題的技術突破型企業(yè)。
季淵博士為南京昀光創(chuàng)始人和CEO，他解釋道：“昀光的意思就是日光，我們希望做出的顯示屏像日光一樣均勻而柔和，能帶給消費者細膩自然的感覺，這是昀光公司始終如一的追求。”
目前南京昀光建有一條8”硅基OLED量產(chǎn)線，可以制作高性能硅基OLED微顯示器，還擁有一支高素質的顯示驅動芯片研發(fā)團隊。季淵博士是微型顯示器行業(yè)領軍人才、集成電路專家，擁有近20年的行業(yè)背景，以其為首，匯聚了顯示專業(yè)研發(fā)人員近50名，核心成員來自華為海思、中芯國際、京東方、華星光電等產(chǎn)業(yè)化團隊，行業(yè)經(jīng)驗豐富，博士、碩士比例達到了80%。
按計劃，公司一期生產(chǎn)線年產(chǎn)能達30萬片硅基OLED微顯示器（1.3”規(guī)格），銷售產(chǎn)值約2億元人民幣。本輪融資7500萬元，目標為達成一期建設目標。二期擴產(chǎn)生產(chǎn)線將達300萬片，預計2023年開始建設。
“在融資和技術雙重推動下，產(chǎn)品研發(fā)時間大大縮短。實際我們第一條8”生產(chǎn)線2020年9月才開始建設，而我們1.3”產(chǎn)品點亮時間是2021年10月。我們只花了一年多的時間就從無到有，把產(chǎn)品研發(fā)出來，傳統(tǒng)的行業(yè)公司普遍需要二、三年的時間，足可以看出我們團隊的專業(yè)程度。”季淵博士告訴我們。
巨大的市場存量需求以及日益豐富的XR應用內容，成為南京昀光發(fā)展所錨定的方向。“我們是把自身定位為基礎器件供應商，提供顯示屏產(chǎn)品，實際上南京昀光采用了相對簡單的商業(yè)模式。”季淵博士表示。
不過由于元宇宙下的AR/VR概念尚比較前沿，硅基OLED仍是一種新型顯示技術，南京昀光不但會為客戶提供屏幕產(chǎn)品，而且還會為其提供一整套的解決方案，幫助對接他們的應用需求。
此外南京昀光為了打通整個XR產(chǎn)業(yè)，作為上游屏提供商，也在嘗試依靠自身的經(jīng)驗和認知賦能到行業(yè)，包括內容構建、與中下游廠商合作提供端到端的終端解決方案等。元宇宙與XR產(chǎn)業(yè)的生態(tài)發(fā)展，不僅需要上游器件供應商，也需要整個產(chǎn)業(yè)中下游玩家深度參與。
“我們非常樂意與產(chǎn)業(yè)朋友一道，把生態(tài)圈搭建起來，包括上游器件、設備廠商、下游應用團隊、內容團隊、運營團隊等。只有上下游協(xié)同才能有效推進產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈的做大做強。”季淵博士強調，“南京昀光期盼加入到這個生態(tài)里一并努力。”
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