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OLED显示技术特点分析
更新时间:2021-06-10

  在众多的平面显示技术中,用比较简单的方法来分类的话,可分成「非自发光」及「自发光」两类,像目前生产技术较成熟的液晶显示器,就属于「非自发光」的平面显示技术,但液晶显示器需要靠背光模块来发光,能源消耗比较大,这也是它受人诟病的地方。因此,不需要靠背光模块,就能显像的「自发光」显示技术,便成为显示产业极力开发的重点技术, 其中又以「有机发光二极管」(OLED ,Organic Light Emitting Diode)最受青睐。

  OLED 属于EL(电激发光组件 )领域,为自发光显示技术的一种, 其主要是施加电流,将载子注入具发光特性的半导体组件,以达到发光效果的新兴显示技术。而EL依其采用之发光特性的半导体组件, 是属于有机化合物材料或是无机化合物材料, 又可分为有机EL(Organic EL)及无机EL(Inorganic EL) 。其中有机 EL 又称为 OLED ,是目前发展显示器进度较快的一类,一般认为有机 EL 显示器具有分辨率、使用寿命方面的优势,而无机 EL 显示器则是在色彩方面表现较佳。

  此种有机 EL 显示技术起源于 1963 年 Pope 、Kallmann 将高压电流外加 Anthracene分子之单晶所产生之发光现象。到了 1987 年, Kodak 实验室采用蒸镀方式,制作出含电子电洞传递层之有机薄膜组件,该组件具有 1%的外部量子效率 (亮度为 1000cd/m),在特性获得大幅改善的情形下而备受瞩目。而另一方面,剑桥大学利用分子聚合物(polymer) 作为 OLED 发光材料,此组件发黄绿光,量子效率为 0.05% 。由于颇具发展潜力,故另成立 CDT(Cambridge Display Technology) ,其所开发之 OLED 相关技术又被称为 PLED 。

  近几年来,投入 OLED 组件研发之厂商数目愈来愈多,研发速度发展相当快速,1993 年 Pioneer 对外宣布开发出 10 万 cd/m2 的高亮度绿光面板,外部量子效率达到3.8% 。1995 年出光兴产开发成功的 16*16 画素产品,以及 TDK 小型全彩面板的成果发表会, 同年高分子有机电激发光组件也展示了小型面板成果发表会, 其产业发展之速度另人侧目。探讨主要原因,应和其本身特性有极大的关联性。若归纳其特性,应可分为以下几点:

  1.OLED 制程中不需要长晶及晶粒制造的程序,而是大面积的涂布制程,故制作过程较为容易,投资金额远较 TFT-LCD 为低 (背光源 +彩色滤光片占 TFT-LCD 成本的 1/4,OLED 不需背光源,故成本较低 )。

  2.OLED 适合耐震性高,温度变化范围大 (Wide Temperature Ranges) 的地方使用,例如汽车及工业用显示器,并具备可挠曲性 (高分子优于小分子 )。

  3.视角达 170 度以上, 且反应速度亦优于 TFT-LCD 、STN-LCD ,故在动作画面的呈现上表现较优。

  4.OLED 不需背光源,故面板厚度较薄可至 2mm(Thickness) ,另外低电压驱动 (LowVoltage ,出光之 5 吋试做样品耗电量仅 4W) 加上发光效率佳 (Pioneer 曾发窗体色OLED 产品为 16lm/W) ,未来相当适合大尺寸的发展方向。

  OLED 在发光原理及显示器驱动方式等皆与 LED 十分相似,主要利用电流使电子及电洞分别由正、 负极出发,并注入两个电极间 (阳极为 ITO 导电玻璃模、 阴极则有 Mg 、Al、 Li 等金属 )的有机薄膜区因相遇而产生发光现象 (发光的颜色取决于有机发光层的材料)。该有机薄膜区包括电子传递层、有机发光层、电洞传递层、电洞注入层。 「电洞传递层」是部分厂商为增加有效率的发光现象而增设,负极与发光层间增加的「电子传递层」是为了增加有机材料发光亮度与量子效率,以及降低起动电压。

  有机电激发光组件依其所使用的有机薄膜材料,大致可分为两类,小分子组件(molecule-based device) 及高分子组件 (polymer-based device ) 。小分子组件是以染料及颜料为材料,分子量一般约在数百,而高分子组件则以共轭高分子为材料,分子量则高达数万至数百万之间。其中小分子有机电激发光组件被称为 OLED ,高分子有机电激发光组件则是被称为 PLED 。

  上述两类系统各有其优缺点, OLED 是以低分子量的染料及颜料为材料,主要技术是采用真空蒸镀,将有机化学材料蒸镀在玻璃上,因其容易彩色化、蒸镀全自动制程技术成熟,且与材料的合成和纯化较为容易,故投入的厂商较多。

  而在 PLED 方面,是以共轭高分子为材料,制程则是采涂布技术,涂上有机化学物质,因此材料是否能稳定取得,是最大的关键技术, PLED 在制程上类似于半导体的制程,所以量产能力较 OLED 具优势,若 PLED 良率达稳定的程度,将能大幅在成本上取得优势。

  有机电激发光平面显示器可分为单色、 多彩及全彩等种类, 多彩主要由数个单色显示区域组合而成, 每个区域其实仍是单色。 全彩显示器就目前 OLED 技术而言仍十分困难,但唯有发展出全彩显示器 (大型化 )才能和 LCD 一较长短的情况下, 是各家投入厂商不得不朝向的努力目标。

  OLED 的驱动方式可分为被动矩阵 (Passive Matrix ,PMOLED) 及主动矩阵 (ActiveMatrix ,AMOLED) 两种方式。 由于采取被动式 OLED 架构较为简单 (主动式 OLED 架构需使用低温多晶硅技术 ),同时生产成本相对较低,故商品化脚步较快 (发展尺寸多在5吋以下 ),应用产品初期仍以手机占最大比重 (参照图二)。不过,主动式 OLED 架构具备低耗电、高分辨率的潜在优势,未来可开发适用于大尺寸 (电荷在 Poly-si TFT 移动速度较快,较易获得一致性的驱动,此种需求对大尺寸面板尤其重要 )或强调性能差距化的产品(预计 2002 年有商品化产品推出)。除此之外,对OLED 而言,整流性亦相当重要,主动式 OLED 架构的各 Pixel 是使用独立的 TFT 电路驱动,因整流性较被动式 OLED架构为佳,故较不易发生漏电现象。

  目前在 OLED 全彩显示器技术方面, 计有光色转换法、 彩色滤光薄膜法、 独立发光材料法等三种, 因 OLED 全彩显示器技术仍在发展当中, 故上述三种方法并非最终解决技术。光色转换法 (Blue OLED With CCM array) 主要是利用篮光为发光源,经由光色转换薄膜将光色转换成红绿篮三色光,篮光发光材料虽不需制造对应 pixel 图形,但光色转换薄膜需要制作对应 pixel 图形,此种方法转换率是重要关键 (出光兴产可至 30%),出光兴产具相关技术专利权, 此种方法之发光效率虽优于彩色滤光薄膜法, 但却不及三色独立发光材料法。彩色滤光薄膜法 (White OLED with color filter arrays) 是以白色为背光源材料,透过类似 LCD 之彩色滤光片来达到全彩效果,此种全彩方法的最大优点是可直接应用 LCD 之彩色滤光片,其技术重要关键在于白色光源的纯度 (也是目前最大瓶颈所在)及彩色滤光薄膜的成本,以TDK 为主要参与厂商。

  三色独立发光材料法 (Blue & Green & Red EL) 是将三种发光材料分别精密涂装于画素中,小分子发光材料是采取热蒸镀搭配金属的技术 (metal mask) ,高分子发光材料则是使用旋转涂布 (Spin Coating) 或喷墨印刷 (Ink Jet Printing) 的方式。投入此法的厂商有Pioneer 、NEC 、Sanyo 、Toshiba 、Universal Display 、Seiko-Epson 等。整体而言,此种方法的问题点以小分子发光材料而言, 所面对的最大瓶颈在于红色材料纯度、 寿命等问题,而高分子 OLED 则存在 RGB 定位的问题。此外, mask 有其尺寸上的限制,是未来 OLED 尺寸朝向大型化发展, 所必须解决的重要问题点。 另外在精细度方面, 此种方法略逊于其它两种方法, 但发光效率较优, 故仍是目前最常被厂商采用的主流方法。

  在上述两大材料体系小分子有机电激发光组件 (OLED) 及高分子有机电激发光组件中(PLED),目前在小分子组件技术方面由日本厂商 (Sanyo 、Pioneer) 及 Kodak 所掌握。而在高分子组件技术方面,已有 Philips 、Unax 自 CDT 移转技术。

  2 年前由于 Kodak 担心 PLED 未来开发速度超越 OLED ,对于专利权问题一改过去保守态度, 目前已授权包括东北先锋 (Pioneer) 、日本精机 (Nippon Seiko) 、三洋(Sanyo)、TDK 、日本罗沐(Rohm ,日前刚获得授权)、东元激光、铼宝、及一家美国业者共计全球8 家业者投入 OLED 研发生产。而 Pioneer 在获得 Kodak 授权后开始加速研发 OLED ,目前已有被动式多彩汽车音响面板产品,去年亦接获 Motorola 手机面板 (被动式)订单,而各国际大厂也陆续推出不少相关产品。

  在国内厂商方面, 技术平均约落后日本厂商三年水准。 目前在台面上正式对外宣布者包括铼宝、东元激光、光磊、悠景科技及翰立光电(PLED)等厂商。其中铼宝动作较快,已有小量产品出货外, 东元激光最近刚与美国尹士曼柯达 (Eastman Kodak) 签约获得授权。光磊则对外宣布与工研院材料所合作开发出 2.5 吋及 3.3 吋 OLED 面板。以工研院团队为核心的悠景科技,因自行拥有材料纯化、蒸镀、封装、测试等技术,故较无相关专利技术授权问题。 目前基板尺寸 100 毫米 *100 毫米的 OLED 试产线 毫米)已经架设完成, 并有少量样品试产, 预计明年可望进行小量量产。翰立光电则和英国 CDT 签约,且设立一条生产线,小量生产 PLED 中。

  随着科技迅速发展,轻、薄、高画质的平面显示器将成为显示器的主流。目前显示器仍以技术最成熟的液晶显示器为主,但由于有机发光二极管平面显示器具有自然光、广视角、 制程简易及对温度较稳定等优点, 未来 OLED 非常有机会, 成为下一世代中小型显示器的主流。


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