AM OLED：OLED的“明日之星”

摘要： 本文對(duì)近期平板顯示市場(chǎng)的一些變化,如液晶的大幅降價(jià)對(duì)PMOLED（被動(dòng)式OLED)的沖擊，AMOLED（主動(dòng)式OLED)的最新變化及技術(shù)趨勢(shì)進(jìn)行了概括分析。

關(guān)鍵詞： AM OLED；TFT；LTPS；a-Si

目前OLED市場(chǎng)上占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的PM OLED，因局限于中小尺寸顯示屏市場(chǎng)，并且在技術(shù)與價(jià)格上與LCD相比優(yōu)勢(shì)不明顯，受LCD降價(jià)沖擊很大，未來(lái)并不被業(yè)界看好。相反，AM OLED技術(shù)卻在市場(chǎng)一片叫好聲中，日漸成熟，蓄勢(shì)待發(fā)。三星SDI預(yù)計(jì)在2007年進(jìn)入市場(chǎng)，開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn)2英寸~2.6英寸AM OLED，大舉進(jìn)軍手機(jī)主屏市場(chǎng)。而另一手機(jī)巨頭—諾基亞也聲稱將于2007年開(kāi)始在手機(jī)主屏上大批量使用AM OLED屏。因此，讓我們來(lái)了解一下OLED的“明日之星”—AM OLED技術(shù)及近期進(jìn)展情況。

AM OLED VS OLED未來(lái)市場(chǎng)趨勢(shì)比較圖

AM OLED技術(shù)及應(yīng)用

彩色化技術(shù)

在彩色化方面，一般說(shuō)來(lái)有三種方式：三色發(fā)光法、濾光法(白色法)、色變換法及最新的RGBW，其中三色發(fā)光法為采用廠商較多的方式。發(fā)光層使用紅、綠、藍(lán)三種發(fā)光材料分開(kāi)涂布配置。優(yōu)點(diǎn)是充分利用三種顏色的發(fā)光材料，但缺點(diǎn)則是當(dāng)三種材料壽命不同時(shí)，則整體的壽命受制于較短壽命的材料。另外，在制程中采用光罩分開(kāi)涂布時(shí)，全體光罩將由于受熱而引起熱膨脹問(wèn)題，控制頗為困難，因此在追求高精細(xì)化時(shí)將會(huì)遇到一些困難。

圖2  AM OLED工作原理圖

解決三色發(fā)光的缺點(diǎn)，近年來(lái)開(kāi)發(fā)的新方法有濾光法(白色法)和色變換法。這兩種方法毋須使用光罩，精細(xì)度也可以大幅提高。濾光法(白色法)的原理為發(fā)光層部分涂滿白光材料，利用液晶顯示器用的彩色濾光片產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)三種顏色。不過(guò)也由于使用彩色濾光片的緣故，使得發(fā)光效率減低，因此如何開(kāi)發(fā)高效率白光材料就成了關(guān)鍵。

圖3  RGBW的布局

目前，學(xué)術(shù)界討論最熱的是RGBW技術(shù)，即通過(guò)白光加彩色濾光膜濾出四種光。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：色彩的真實(shí)性和飽和度更高，色彩更加豐富。

材料的發(fā)展

有機(jī)電致發(fā)光材料根據(jù)其發(fā)光機(jī)制大致可區(qū)分為螢光材料與磷光材料(Fluorescence and phosphorescence materials)，其中螢光材料是利用單重態(tài)激子放光、組件內(nèi)部量子效率最高只達(dá)到25 %，而磷光材料因可充分利用三重態(tài)激子放光、組件內(nèi)部量子效率可提升至接近100 %。因此，有機(jī)電激發(fā)光材料也由過(guò)去螢光材料之電激發(fā)光特性改良，轉(zhuǎn)而朝向新型磷光材料之開(kāi)發(fā)。目前在螢光材料之開(kāi)發(fā)上主要有美國(guó)柯達(dá)、日本出光興產(chǎn)公司與國(guó)內(nèi)各材料開(kāi)發(fā)公司，而磷光材料之開(kāi)發(fā)則主要為美國(guó)之UDC 公司。當(dāng)前，產(chǎn)業(yè)化最成熟的是熒光發(fā)光材料，因?yàn)樗陌l(fā)光效率最穩(wěn)定，但是它的光轉(zhuǎn)換率比較低。目前，各大公司的研究熱點(diǎn)還是磷光材料，下面我們就簡(jiǎn)單介紹一下磷光材料。

圖4  RGB與RGBW的顯示效果對(duì)比

由于磷光有機(jī)發(fā)光材料之發(fā)光效率遠(yuǎn)大于螢光材料，從降低顯示面板之功耗方面考慮將是一良好選擇。美國(guó)Princeton 大學(xué)及Southern California 大學(xué)研發(fā)出一系列以過(guò)渡金屬銥(Ir)為金屬中心之有機(jī)金屬錯(cuò)合物，經(jīng)制作成發(fā)光組件、可以磷光方式發(fā)光，具有相當(dāng)高的發(fā)光效率。如圖5所示，即為其所開(kāi)發(fā)之藍(lán)色(Firpic)、綠色(Irppy3)、黃色(Bt2Ir(acac))及紅色(BtP2Ir(acac))磷光材料。

磷光材料具有優(yōu)越之色純度、在低電流驅(qū)動(dòng)下具有高的發(fā)光效率，并且在低的起始亮度驅(qū)動(dòng)下具有優(yōu)越之組件操作壽命。相較于螢光材料而言，磷光材料雖具有較高之發(fā)光效率，但在組件壽命方面仍遠(yuǎn)低于熒光材料。特別是藍(lán)光之磷光材料，在組件效率與操作壽命方面仍有相當(dāng)大之研究發(fā)展空間。

2006年7月，柯尼卡美能達(dá)技術(shù)中心開(kāi)發(fā)成功了1000cd/m2初始亮度下，發(fā)光效率64lm/W、亮度半衰期約1萬(wàn)小時(shí)的OLED白色發(fā)光元件。計(jì)劃用于液晶面板背照燈和普通照明?？赏瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)1萬(wàn)小時(shí)壽命和高發(fā)光效率的白色OLED發(fā)光元件。

該公司在OLED發(fā)光材料方面，一直在進(jìn)行比熒光材料發(fā)光效率更高的磷光材料的研究。磷光材料的發(fā)光效率高于熒光材料，作為發(fā)光材料被寄予厚望。但在此之前，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)1萬(wàn)小時(shí)左右亮度半衰期和高發(fā)光效率的只有綠色和紅色磷光材料。此次 ，該公司采用藍(lán)色磷光材料開(kāi)發(fā)成功了可同時(shí)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命和高發(fā)光效率的發(fā)光材料。在300cd/m2初始亮度下，實(shí)現(xiàn)了1.6萬(wàn)小時(shí)的亮度半衰期。通過(guò)組合其他公司已開(kāi)發(fā)并實(shí)際應(yīng)用的紅色和綠色磷光材料，試制成功了亮度半衰期約1萬(wàn)小時(shí)的白色發(fā)光元件。通過(guò)改變各種顏色發(fā)光材料的比例，可實(shí)現(xiàn)從電燈顏色到熒光燈顏色的白色控制。

2006年9月，英國(guó)劍橋顯示科技公司(CDT)和日本Sumation公司共同開(kāi)發(fā)出了初期亮度為400cd/m2、亮度半衰壽命為2萬(wàn)小時(shí)(按100cd/m2換算，為32萬(wàn)小時(shí))的藍(lán)色OLED材料。與2005年發(fā)表的材料相比，壽命延長(zhǎng)到了3倍。

圖5  磷光有機(jī)發(fā)光材料分子結(jié)構(gòu)圖

在壽命延長(zhǎng)的同時(shí)色純度也有所提高。色坐標(biāo)為x＝0.14、y＝0.21，適用于全彩顯示器。發(fā)光效率約為9cd/A。

驅(qū)動(dòng)技術(shù)

主動(dòng)式有機(jī)電激發(fā)光顯示器是在基板上之象素制作薄膜晶體管(TFT)、再蒸鍍上有機(jī)發(fā)光膜層，藉由晶體管直接驅(qū)動(dòng)各象素達(dá)到影像顯示。如圖6中所示，主動(dòng)式驅(qū)動(dòng)電路包含一個(gè)切換薄膜晶體管(Switch TFT)、電容儲(chǔ)存器(Storage Capacitor)及驅(qū)動(dòng)薄膜晶體管(Drive TFT)。藉由切換薄膜晶體管將影像資料儲(chǔ)存于電容儲(chǔ)存器，并利用驅(qū)動(dòng)薄膜晶體管將電容儲(chǔ)存器之電壓值轉(zhuǎn)換成電流值，直接驅(qū)動(dòng)有機(jī)發(fā)光二極管。此驅(qū)動(dòng)方式有別于被動(dòng)式脈沖掃描方式，所輸入于像素之電流值遠(yuǎn)低于被動(dòng)式面板，并可呈現(xiàn)相同之畫(huà)面亮度。也無(wú)正電極之線電阻問(wèn)題，主要應(yīng)用于高分辨率與大尺寸之顯示面板。

AM OLED的特色、優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)為；1、特色：面板每一像素皆可獨(dú)立運(yùn)作并連續(xù)驅(qū)動(dòng)，可搭配TFT 驅(qū)動(dòng)電路，可連續(xù)發(fā)光，全彩顯示。2、優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電壓、耗電力皆低、適合大尺寸發(fā)展、發(fā)光壽命長(zhǎng)及亮度提高容易。3、缺點(diǎn)：需配合LTPS 或a-Si TFT LCD 驅(qū)動(dòng)技術(shù)，技術(shù)障礙較高；材料及生產(chǎn)成本高。

低溫多晶硅( LTPS ) 是一個(gè)在制造 TFT OLED 方面的先進(jìn)制程技術(shù)。 LTPS 可以達(dá)到極佳的影像品質(zhì)及反應(yīng)時(shí)間，具備雷射回火技術(shù)，可以在低于攝氏 400 度溫度下達(dá)成硅膜結(jié)晶并提供更快的電子反應(yīng)，使用的接點(diǎn)及組件更少，且功率消耗更低。

圖6  AM OLED驅(qū)動(dòng)電路

更強(qiáng)的載子率動(dòng)力讓電路可以整合在基板上并且可以縮小 TFT 的尺寸。除此之外， LTPS 也可以將驅(qū)動(dòng)回路整合在基板上。由于外部連接數(shù)和基板面積都可以減少，可以以極低的成本來(lái)提升整體系統(tǒng)的耐久性。而且由于 LTPS OLED 的 TFT 比 a-Si 的 TFT 更小，透光開(kāi)口率和屏幕的亮度都可以顯著增加。

圖7  在”KES 2006”上，三星SDI展示的17英寸的AM OLED電視，厚度僅12mm，亮度達(dá)400cd，對(duì)比度為 1,000:1，170寬視角

目前，日本廠商主要是以低溫多晶硅(LTPS)技術(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)，如SK Display、ST LCD、TMD，而東北P(pán)ioneer也與Sharp、半導(dǎo)體能源研究所合資ELDis，提供低溫多晶硅TFT基板作為主動(dòng)式OLED的基板。至于采用非晶硅(a-Si)技術(shù)方式來(lái)驅(qū)動(dòng)，臺(tái)灣省TFT LCD廠商友達(dá)、奇美，也投入相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)品研發(fā)。

圖8  在CEATEC 2006上，日本東芝推出的3.5寸AM OLED面板

友達(dá)2002年于德國(guó)CeBIT展出全球第一片a-Si全彩AMOLED面板，2003年也曾于美國(guó)UDC發(fā)表過(guò)運(yùn)用磷光技術(shù)的4英寸a-Si全彩AMOLED面板。

圖9  BenQ Siemens S88

奇美也曾于2003年3月發(fā)表過(guò)20英寸a-Si驅(qū)動(dòng)的全彩AMOLED面板，并且于2004年1月底將OLED的技術(shù)授權(quán)給京瓷(Kyocera)，希望藉由技術(shù)的授權(quán)，促使更多廠商投入相關(guān)技術(shù)研究。

不過(guò)以非晶硅驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)式OLED導(dǎo)入商品化，仍存在難以克服的問(wèn)題。

以a-Si驅(qū)動(dòng)的AMOLED最大的問(wèn)題在于其穩(wěn)定性(stability)不佳，驅(qū)動(dòng)OLED的臨界電壓值(VTH)會(huì)隨著時(shí)間增加不斷升高，對(duì)于決定驅(qū)動(dòng)電壓的數(shù)值造成很大的困擾。另外，a-Si的物理特性如耐熱度也不及p-Si。因此目前面板廠多數(shù)仍選擇以p-Si低溫多晶硅驅(qū)動(dòng)的AMOLED，作為正式商品化的第一步。目前友達(dá)L3廠的OLED生產(chǎn)線所計(jì)劃生產(chǎn)的數(shù)碼相機(jī)面板，也是以p-Si驅(qū)動(dòng)的AM OLED面板。

市場(chǎng)應(yīng)用產(chǎn)品一覽

目前OLED應(yīng)用市場(chǎng)狀況，通用型應(yīng)用占25%，屬于較早開(kāi)發(fā)的機(jī)種，適合應(yīng)用在MP3或是手機(jī)副面板，相對(duì)分辨率比較低；應(yīng)用在手機(jī)主屏占44%，幾乎是AMOLED，尺寸在1.8～3.5英寸之間，因此成為2006年OLED的主要應(yīng)用領(lǐng)域。此外，手機(jī)應(yīng)用如友達(dá)AUO兩英寸QCIF的AMOLED面板，應(yīng)用在明基西門(mén)子(BenQ Siemens)S88手機(jī)，成為AMOLED手機(jī)應(yīng)用里程碑，代表從手機(jī)副面板轉(zhuǎn)到手機(jī)主面板，預(yù)計(jì)未來(lái)將有更多AMOLED手機(jī)主屏導(dǎo)入，如功能性手機(jī)與智能型手機(jī)，且根據(jù)各家量產(chǎn)時(shí)程，2006年底到2007年第一季，預(yù)計(jì)消費(fèi)者將會(huì)有更多的選擇。

抵御來(lái)自LCD寒流的應(yīng)對(duì)措施

面對(duì)來(lái)自LCD的猛烈沖擊，OLED在工藝技術(shù)上，需要提高基板技術(shù)和真空技術(shù)，才能將產(chǎn)品的良率提高。伴隨磷光材料的成熟，材料壽命的提高，以及彩色化RGBW技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，來(lái)提高色彩的豐富程度，以對(duì)陣來(lái)自LCD的沖擊，在未來(lái)平板顯示市場(chǎng)上大展宏圖。另外，在市場(chǎng)應(yīng)用上，OLED應(yīng)根據(jù)自身的一些獨(dú)特性，比如寬溫、超輕薄開(kāi)發(fā)出一些更具特色的便攜式OLED產(chǎn)品，應(yīng)用在醫(yī)療、軍事、室外作業(yè)儀器設(shè)備等一些特殊行業(yè)領(lǐng)域中，比如在我國(guó)的東北或西伯利亞及南北極、高原雪域科學(xué)考察所使用的裝備等。美國(guó)的軍方已經(jīng)開(kāi)始向一些OLED技術(shù)開(kāi)發(fā)商投入巨資，研發(fā)軍用便攜式OLED顯示產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)：
1.  應(yīng)根裕、胡文波、邱勇等編著，新型平板顯示技術(shù)，人民郵電出版社
2.  SID Journal 2006
3.  SID 2006 Seminar Proceeding