由SID 2013看擴增實境顯示技術及OLED最新發展趨勢
■ 前言
今年國際資訊顯示協會大會(Society for Information Display’s Display Week 2013; SID 2013) 從5月21日至5月24日在加拿大溫哥華的Convention Centre舉行，相關的論文與議程分布如表所示，由論文與議程的數量分佈可瞭解，OLED技術仍為目前顯示技術中最熱門的議題，另值得一提的是擴增實境(Augmented Reality)顯示技術，由於Google glass的發表而備受關注，在本屆SID 2013中與擴增實境相關的技術有10篇的文獻發表，展示會場也有多家廠商發表與擴增實境相關的技術，本文第一部份將針對SID 2013中關於擴增實境顯示相關的技術進行介紹。
SID 2013各項主要技術的論文數分佈
■ 擴增實境技術
所謂擴增實境技術主要是將虛擬的影像與現實世界進行結合讓使用者對於現實環境獲得更豐富的資訊，根據北卡大學的Ronald Azuma定義[1]，廣義的擴增實境可包含三個要素：1.將實體與虛擬影像結合2.可即時互動3.3D定位。擴增實境顯示技術可應用於醫學、商業、軍事與交通等領域，如下圖所示、依據技術可分為透明顯示技術(transparent display)、近眼式顯示技術(Near to eye display)、投影顯示技術(projection display)。以下章節將依照技術分類進行介紹。
擴增實境顯示技術的應用
(a)軍事用抬頭顯示器 (b)手持式裝置 (c)交通工具應用(d)商品櫥窗應用
■ 透明顯示技術於擴增實境的應用
透明顯示器與傳統的顯示器差異在於透明顯示器本身除了可顯示影像外，使用者還可透過顯示面板觀測到其後方的影像，藉由顯示器本身提供的資訊與後方的現實影像結合達成擴增實境的目的。與投影技術相比，由於透明顯示器面板本身即具備影像顯示的功能，因此結構較簡單、安裝便利且較無空間限制，可被應用於手持式裝置與商品櫥窗。目前可應用於透明顯示器的技術包含液晶顯示技術(Liquid Crystal Display; LCD)、有機發光二極體顯示技術(Organic Light Emitting Diode; OLED)與電濕潤顯示技術(Electrowetting Display; EWD)，透明顯示器的國際發展現況如表所示。
透明顯示器國際發展現況
全圖請參考原文
由國際現況分析可知，包含三星、LG與友達等國際知名的面板廠皆投入透明顯示器的開發，以液晶技術開發的透明顯示器為目前的主流技術，三星自SID 2010首次發表以液晶技術的透明顯示器，並於2013年初推出透明液晶顯示器商品，LG與友達也以液晶技術開發47~65吋的透明顯示器。商品櫥窗展示與販賣機為目前透明顯示器的主要應用，藉由資訊顯示與商品實體結合達到廣告的目的。經過畫素設計，有機發光二極體顯示器也可達成透明顯示的效果，然而以此技術製作透明顯示器會遭遇兩個問題，一是透明有機發光二極體顯示器的成本是透明液晶顯示器的3倍[6]，二是此顯示模式無法遮蔽光線因此導致在光線較強的環境下對比偏低。電濕潤顯示技術源自荷蘭的Liquavista，主要利用電壓控制疏水介電層上的靜電分佈驅動極性液體達成顯示的目的，工研院利用此技術開發透明顯示器，與液晶顯示器相比之下由於電濕潤顯示器不需要偏光板與配向膜因此有結構簡單與穿透率高的優勢，為一深具潛力之透明顯示模式。
SID'2013的Keynote speech由三星顯示器的執行長Dr. Kinam Kim提出三星對於未來顯示器的展望，為了拓展顯示器的應用範圍，三星預計開發包含軟性顯示技術與透明顯示技術，如圖所示，透明型的顯示器應用於手持式裝置可增加擴增實境的效果，透明顯示器亦可應用於車用顯示器，如圖所示，將路況資訊結合實體環境達成導航的目的，三星預估到2018年時，車用顯示器的數量將達1億5000萬台。擴增實境顯示器在零售業的應用包含了透明櫥窗與試衣鏡等，如圖所示，預估到2015年時擴增實境顯示器在零售業的應用市場將達52億美元。
友達所開發的65吋透明液晶顯示器首次在2011年於日本發表，應用於飲料販賣機的互動介面，在SID 2013的session 8.3中友達為了解決透明液晶顯示器的邊界模糊問題(Blurring)而針對透明液晶顯示器的結構進行研究[7]，透過透明顯示器觀看後方的物體常有邊界模糊的現象，其主要原因是一般的顯示器多為重複規律排列的微小畫素所構成，而此重複規律的結構容易導致透過的光線發生干涉因此產生邊界模糊的現象，影響光線干涉的畫素結構包含薄膜電晶體與其線路、彩色濾光片與液晶配向等。由友達的研究結果顯示，液晶配向的方式是影響邊界模糊現象的主因，如圖所示，透過透明液晶顯示器觀測兩條平行線，不同配向方式的液晶顯示器造成的邊界模糊程度也不同。
4-domain與2-domain配向液晶面板對於圖案造成的邊界模糊現象
(資料來源：SID 2013 session 8.3研討會資料)
光穿透率低為透明液晶顯示器另一個亟待克服的問題，傳統液晶顯示器的偏光膜與彩色濾光片結構會造成80%以上的光利用率損失，因此目前以液晶技術為基礎開發的透明顯示器穿透率最高約15%，使用光穿透率較高或RGBW四色排列的彩色濾光片可提高透明液晶顯示器的穿透率，然而卻會造成色彩表現的下降。友達於SID 2013發表的透明液晶顯示器畫素結構如圖所示，在單一畫素內設置彩色區域(R/G/B)與透明區域(White)，並以獨立的TFT進行驅動，製作出來的65-inch透明顯示器在高穿透模式下可達穿透率10%，NTSC 10%，在高彩度模式下可達穿透率3.6%，NTSC 70%的效果。
友達透明液晶顯示器單一畫素內以雙TFT控制透明區與彩色區
(資料來源：SID 2013 session 8.3研討會資料)
LG在SID2013的展示會場發表了應用於飲料販賣機的47吋IPS透明液晶顯示器，如圖所示，穿透率為15%，NTSC 72%，對比1400:1，與三星發表的透明液晶顯示器相較之下，透明度並無明顯的提升，但是色彩表現明顯較佳，物體邊界模糊的現象也獲得大幅的改善。BSI公司於會場所展示的透明液晶顯示器，雖然穿透率也可達15%，但是邊界模糊的現象較為明顯。由SID 2013中關於透明液晶顯示器的發表可知，由於液晶顯示器必須搭配偏光膜與彩色濾光片，在穿透率上有其限制，因此目前的研究方向多在利用畫素結構的改善以減少邊界模糊的問題，在適當的光源搭配之下同樣可將透明顯示器後方的物體真實的呈現。
LG所展示的47吋透明液晶顯示器
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BSI所展示的47吋透明液晶顯示器
台灣的晶達光電所展示的透明顯示器如圖所示，尺寸28吋～14吋，主要應用於酒、皮件等精品展示櫥窗，晶達光電所提供的技術服務在於可針對面板廠所提供固定尺寸的面板進行重新切割成顧客需要的尺寸，此技術對於商品櫥窗應用的顯示器格外重要，因為一般的商品櫥窗並無固定的尺寸，如果要面板廠針對各種尺寸的面板製作透明顯示器將會大幅增加成本，如果能在固定尺寸的面板上進行切割成顧客需要的尺寸將能有效降低此產品進入市場的門檻。
晶達光電提供的28吋透明顯示器，應用於商品櫥櫃展示
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晶達光電提供的28吋透明顯示器，應用於商品櫥櫃展示
■ 近眼式顯示技術於擴增實境的應用
近眼式顯示器屬於穿戴式顯示器的一種，為了縮小系統的體積增加攜帶的便利性，因此在設計上必須靠近眼睛，近眼式顯示器早期多應用於軍事用途，最近被熱烈討論的近眼顯示器產品為Google glass，利用微投影的技術在眼前形成影像，另一種近眼顯示技術則是將微型顯示器放置在眼前的鏡片上，由於人眼僅能聚焦於眼前25cm以外的物體，因此還必需搭配一光學透鏡模組才能達到在視網膜清楚成像的目的，如圖為eMagin公司於SID 2013所發表的有機發光二極體微顯示器，解析度可達1280x1024，單一畫素尺寸為9.6μm，可透過它的攝影系統將外界的影像與資訊進行結合並利用光學透鏡模組使其在眼前清楚的成像。
eMagin的微顯示器
SID 2013 Session 27.3由德國法蘭克福有機材料與電子元件研發中心(Fraunhofer Research Institution for Organics, Materials and Electronic Device) 提出的應用於近眼式顯示器的有機發光二極體微顯示器製作概念[8]，利用Flash-Mask-Transfer-Lithgraphy (FMTL)的技術以提供熱量的方式將R,G,B的OLED材料蒸發後轉印到製作完電路的晶圓上形成side by side的彩色有機發光二極體，如圖所示，與搭配彩色濾光片的微顯示器相較之下此結構可提高光的利用率以減低耗能，然而該技術還在研發階段，目前並未有真正的原型產出。
利用FMTL技術製作彩色有機發光二極體微顯示器
(資料來源：SID 2013 session 27.3研討會資料)
Innovega在SID展場發表的近眼顯示器光學透鏡模組概念，其運作原理如圖所示[9]，在一隱形眼鏡上具備一中心透鏡(center lenslet)、中心濾鏡(center filter)與外濾鏡(outer filter)，鏡片上微顯示器生成的影像可透過中心透鏡準確的聚焦在視網膜上，外界光則會被中心濾鏡阻隔，而不會與顯示器產生的影像互相干擾，外濾鏡則被設計成可接受環境光而阻隔顯示器的影像，因此實體影像與顯示器的影像可良好的在視網膜上重合。
Innovega發表的近眼顯示器及光學透鏡原理
Session 64.2 瑞士的Linkoping大學發表利用透鏡組合的方式讓微顯示器的影像可良好的在視網膜上聚焦如圖所示[10]。
瑞士的Linkoping大學發表的近眼式顯示器光學模組
(資料來源：SID 2013 session 64.2研討會資料)
■ 投影顯示技術於擴增實境的應用
與透明顯示技術相較之下，以投影技術開發擴增實境顯示器最大的優勢在於將影像投射在一結構簡單的屏幕上可克服透明顯示器穿透率不佳的問題。由於其高穿透率的特性使其更適於穿戴式顯示器或抬頭顯示器等環境光源不穩定的應用環境。抬頭顯示器目前主要的應用為行車資訊顯示，開發的重點是讓顯示的資訊與駕駛觀察到的物體盡量接近以避免駕駛必需不停變換焦距以獲取行車所需的資訊，Pioneer在Session 40.1發表的抬頭顯示器概念，衛星導航(Navigation)的資訊透過藍芽傳送給抬頭顯示器(AR HUD)，抬頭顯示器在將影像投影到透明的屏幕(Combiner)上，透過投影技術的改善可將行車資訊投影到距離駕駛約3公尺的地方，使駕駛可以容易的在行車時辨識所需的資訊，抬頭顯示器的規格如表所示，針對不同的車型與駕駛的身材，Pioneer也設計了校正的工具以求駕駛可以在正確的環境下使用該設備。
Pioneer抬頭顯示器規格
(資料來源：SID 2013 session 40.1研討會資料)
Session 40.3由台灣清華大學動機系陳政寰教授所發表可變更觀測距離的車用抬頭顯示器[12]，開發的重點是針對不同行駛速度下提供駕駛不同觀測距離的影像，概念如圖所示，當行車距離較快時，駕駛會聚焦在較遠的物體上，因此可利用抬頭顯示器unit B將影像投影在較遠的地方，當行車距離較慢時，表示駕駛在尋找較近的地點，因此利用抬頭顯示器unit A將影像投影在較近的地方，該技術的關鍵在於抬頭顯示器unit A與unit B的投射的影像為正交的偏振光，透過一反射偏光片(Combiner)，unit A的偏振光與Combiner的偏光片同一角度，因此可穿透combiner形成影像，Unit B的偏振光與combiner的偏振角度成直角，因此光線可被反射形成影像，利用此一機制可同時形成A’與B’的影像。
清華大學動機系提出的雙模抬頭顯示器概念
(資料來源：SID 2013 session 40.3研討會資料)
清大動機開發的車用抬頭顯示器之不同可視距離觀測的影像
Session 54.4為Sun Innovation Inc.提出投射自發光顯示器(emissive projective display; EPD)[13]，與傳統的CRT螢幕發光原理類似，利用雷射光激發透明基板上的螢光材料發射可見光，由於使用的螢光材料為奈米等級，不會造成光線的散射而具有高度的穿透特性，與透明液晶顯示器相比，此種透明顯示器具備高穿透率、不需背光與可在不同形狀的玻璃上成像等優勢，投射自發光顯示器的運作原理如圖所示，透明的顯示螢幕上有RGB三層的奈米螢光層，經由不同波長的雷射光激發可發出不同色彩的光線達成彩色化的目的，螢光層的後面有一光吸收層，吸收其餘的雷射光避免雷射光對螢幕對向的觀眾造成傷害。
Emissive projective display顯示原理
(資料來源：SID 2013 session 54.4研討會資料)
藍色螢光材料可以波長420nm~440nm的光激發，紅色螢光材料可以波長390nm~410nm的光激發，綠色螢光材料可以波長490nm~510nm的光激發，三個色光構成的NTSC可達95%，在超過1000次的溫度循環下，發光效率不會有明顯的下降。雷射光的功率與螢光發光強度具有線性關係，表示此元件經光源控制可得良好的灰階。
Sun Innovation Inc.展示EPD的顯示效果
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以上全文請參考材料世界網技術專文：
由SID 2013看擴增實境顯示技術
■ OLED最新發展趨勢
在可攜式裝置中，AMOLED可以提供高品質的顯示介質，包含了高品質的色彩、反應時間與對比表現，具軟性與透明顯示的可能性，以及外加感光或生化感測元件的可行性。AMOLED顯示器除了有傳統單獨顯示功能之外，還包含具觸控輸入功能，及如聲控與感測等多項功能。
■ Samsung Display
在Keynote演講會中，Samsung Display提到AMOLED顯示器未來在技術層次上會遇到的挑戰，包括塑膠基材的硬度與強度不夠、ITO材料易碎裂、塑膠基材的封裝阻水(Encapsulation is the key tech. for flexible AMOLED)、軟性背板技術(多晶矽與有機TFT)、高穿透率的透明顯示器(透明高溫基材、元件pixel設計與新的陰極上電極材料)、AMOLED的pixel排列(由於是上發光，解析度多寡與開口率關係較小。使用Diamond排列RGBG四個sub-pixel定義為2個pixel)、高效率發光材料(手機中40%能耗為面板，其中80%能耗為OLED材料，三星自今年起是採用R+G用磷光材料，耗電可估計減少一半，若未來RGB皆使用磷光材料，則節能達300%，能耗1/3。)、結晶矽的高mobility才足以應付未來高解析度的時代、感測裝置內建於顯示器以提供面板多功能應用、生化功能應用(例如藍光可除痘、紅光可防皺紋等)。
AMOLED仍舊面臨十項技術上的挑戰
(資料來源：Samsung Display; SID 2013)
以上十項挑戰，其實很多都是老問題。如塑膠基材的耐溫性、阻水性不佳。ITO太脆弱。多晶矽與Oxide TFT之爭。為遷就省電而不得不使用的RGB FineMetalMask (FMM)蒸鍍製程，而該製程由於無法蒸鍍太精細的Sub-pixel而不得不去重新定義Pentile或Diamond排列法，用4個sub pixel充當2個pixel。還有長久以來磷光藍光壽命的問題。其實總著來看，這些問題在近十年來，其實一直存在著，整個OLED在材料上的進步其實並不顯著。近五年來，三星與LG雖然致力於製程技術的提升，但大面板的生產成本還是過高，加上其他廠牌高階手機在2013年以後也不以上述重新定義的Pentile及Diamond排列法用在AMOLED小面板來看，未來AMOLED所要面對的挑戰應該不小。
■ Ukai Display Device Institute
針對TFT-LCD與AMOLED優劣勢比較，日本Ukai Display Device Institute的Yauhiro Ukai認為，TFT-LCD與AMOLED在技術表現上互有優劣，但在成本上OLED還是過高。LCD在解析度、壽命以及能耗上有優勢，而OLED在色彩表現、模組厚度、對比、反應時間及視角有優勢。若特別強調成本、能耗與壽命的話未來恐怕還是LCD的天下。總體而言，AMOLED與TFT-LCD對消費者差異並不顯著，最後將由成本決定成敗。
TFT-LCD 與AMOLED之各項性能比較
(資料來源：Ukai Display Device Institute; SID 2013)
■ LG
以AH-IPS, Superb Display for Mobile Device 為題，LG在行動裝置上的顯示應用，強調以高解析度來回應Samsung在AMOLED無法有效提升解析度與大尺寸的窘境。雖同為韓廠，但是Samsung與LG對於AMOLED的應用範圍有著天壤之別的差異。Samsung認為，OLED應該是大小尺寸兼容，但是小尺寸先量產；而LG則認為，隨身裝置會越來越強調解析度與大尺寸，2013年出貨產品的解析度約在326ppi，預估到2016年，出貨的產品主力將會是440 ppi以上。而OLED在這些強調的特性中並沒有利基，所以只限縮OLED在大尺寸電視的應用。在小尺寸上，還是固守IPS-LCD的技術。
智慧型手機面板解析度需求將逐年升高，估計到2016年的出貨主力會到達441ppi
(資料來源：LG; SID 2013)
LG指出，雖然Samsung推出了Galaxy S4的AMOLED手機，也號稱441ppi，但由於子畫素(sub-pixel)的重新定義，將GRGB的4個sub-pixel定義為2個pixel。當然，在顯示器的世界裡，重新定義子畫素並不是甚麼了不起的事情，常見的有Sharp(Quattron四原色)在大型的LCD內，將1個pixel定義為RGBY，加了1個黃色的子畫素。OLED裡面，Kodak與繼承其專利的LG也重新定義RGBW，多加了1個白光的子畫素。所以一般通常是3~4個子畫素定義為1個畫素，而不是如Samsung的將4個子畫素定義為2個畫素(亦即2個子畫素定義為1個畫素)，使得實際上可定址解析的sub-pixel是傳統RGB的2/3而已。由於Samsung使用的RGB side by side蒸鍍技術，無法克服Fine Metal Mask製作與製程上的物理天然界線，所以就自然而然地重新定義了畫素。雖然LG在OLED技術上並不採用RGB side by side蒸鍍方法，而是繼承Kodak的RGBW白光+color filter的方式，且這種方法由於不需要蒸鍍遮罩，所以比較沒有解析度的問題，但是可能的較高能耗以及比較差的色飽和度，卻依舊對於小尺寸隨身裝置的應用蒙上陰影，而這種尷尬的情境，或許是LG一開始就注意到而限制OLED在小尺寸上發展的先見之明。
相較於Samsung重新定義的Pixel，同樣號稱441ppi的面板，LG 的IPS-LCD實際可定址子畫素為Samsung的1.5倍
(資料來源：LG; SID 2013)
■ Sharp
日本半導體能源研究所 (SEL), Advanced Film Device (SEL 100%持有之公司)與Sharp公司三方共同發表4吋可撓式高解析全彩上發射型AMOLED顯示器。自從SEL與Sharp成功推出IGZO技術之後，這兩家公司的下一個目標似乎就是搭配IGZO的軟性AMOLED顯示器了。
SEL與Sharp開發的軟性技術出乎意料之外的複雜，不禁讓人懷疑起其量產性。其核心技術是在玻璃上有一離型層(Separation Layer)，在離型層上先製作阻氣層(Passivation Layer)後，一片上面做了TFT+白光OLED，另一片上做了CF。然後將兩片用膠對位貼合，再將CF上的離型層+玻璃基板移除，改用膠貼合塑膠基板。另一邊的TFT+W-OLED也相同，貼上塑膠基板，大功告成。形成上下皆為塑膠基板，包住阻氣層的軟性結構，總厚度為70μm，比之前SONY的80μm還薄。由於高溫的TFT製程是以玻璃為基板，塑膠基板是所有製程完之後再轉移過去的，所以不需要執著於高溫的塑膠基材。由於使用白光+color filter技術，解析度達326 ppi。
複雜的離型貼合後，基板撓曲10萬次依舊正常表現
(資料來源：SEL; Sharp; SID 2013)
Sharp展示軟性顯示塑膠基材
■ 友達
國內的友達公司也發表了該公司在廠內成功試製出65吋下發光大面板OLED TV，使用的是IGZO oxide TFT，2T1C結構，以及使用世界最大遮罩蒸鍍side by side RGB三色pixel。由於仍為試製品，雖然比LG的55吋大上了10吋，不過技術成熟度應該還有一段距離。該公司使用較為深藍及深綠的材料提升色飽和度，以彌補下發光色飽和度不足的問題。
友達搭配全球最大FMM展示全球最大65吋AMOLED面板
(資料來源：AUO ; SID 2013)
■ 日立
日立公司發表了溶液製程的元件，發光層的不同顏色dopant在塗佈完後會自動分層，增加效率。不確定是否為RGB三種顏色或是BR兩色，從發光層縱向剖面濃度看來，的確紅色dopant集中在上方，然而藍色並未分層，還是均勻分布於上中下，效率增加真的是因為顏色分開導致的，亦或者是為了要分層而改質，但越改效率越好，單純的只是材料進步而已。由於資訊十分有限，無從判斷起。另外，取光效率高達2.3倍(30 lm/W提升至70 lm/W)，雖然不知道其結構，但已是相當了不起。
Hitachi的dopant分層技術示意圖
(資料來源：Hitachi ; SID 2013)
日立公司展示利用溶液製程的元件製作出實體的光片
作者：羅國隆、廖鎔榆/工研院；材料世界網編輯室整理
參考文獻
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14. Display bank Co., Ltd., “Transparent display technology & market forecast”, chapter 6. (2011)
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