OLED產(chǎn)業(yè)的技術及發(fā)展狀況

March 28, 2019

OLED基本原理

 

    有機發(fā)光二極體顯示面板(Organic Light-Emitting Diode； OLED)，又稱為有機電激發(fā)光顯示器(Organic Electroluminesence； OEL)是一門相當年輕的顯示技術。OLED目前普遍的基本結構，是利用一薄而透明具導電性質(zhì)的銦錫氧化物(ITO)為正極，與另一金屬陰極以如同三明治般的架構，將有機材料層包夾其中，有機材料層包括電洞傳輸層(HTL)、發(fā)光層(EL)、與電子傳輸層(ETL)。當通入適當?shù)碾娏?，此時注入正極的電洞與陰極來的電荷在發(fā)光層結合時，即可激發(fā)有機材料產(chǎn)生光線，而不同成分的有機材料會發(fā)出不同顏色的色光，就材料的組成分子來看，可分為小分子及高分子二種，就驅(qū)動方式來分，則可分為被動式及主動式。

 

小分子商業(yè)化領先一步

 

    依OLED使用的有機發(fā)光材料來看，可區(qū)分為小分子材料(分子量小于1,000)，及高分子材料(分子量大于10000)兩大類。小分子OLED是利用蒸鍍法(Evaporating)作為制程，并利用多層結構達到高發(fā)光效率，美商柯達公司(Kodak)，為最早研發(fā)出小分子OLED顯示技術的廠商，在1987年由包括鄧青云(Ching W. Tang，目前仍在柯達顯示器部門任職)所屬的研究小組，成功研發(fā)出使用熱蒸鍍方式制成的OLED元件，成為第一批將OLED實做出來的科學家。當時一同參與的尚有目前在交大教書的陳金鑫教授，及鄧青云的同事石建民，三位皆為華人且共同在柯達服務。由于這些科學家領先業(yè)界的研發(fā)，使得目前小分子OLED基本專利權，大都掌握在先驅(qū)者Kodak手上。

 

    高分子OLED則是在1990年，由英國劍橋大學的科學家所組成的研究小組，首次發(fā)表使用高分子材料制成的OLED元件，高分子OLED一般為與小分子OLED作區(qū)隔，因此又稱PLED。劍橋大學的PLED研發(fā)后來移轉至新公司Cambridge Display Technology(簡稱CDT)，而PLED的基本專利權，也由CDT所掌握。其依發(fā)光材料區(qū)分又可分成π共軛高分子及色素高分子，此類高分子材料大多是以涂布法(Coating)來制造。此外，廠商也開始利用噴墨式(Ink-Jet Printing)制程來開發(fā)高分子全彩OLED，可大幅簡化制程，以降低成本。

 

    高分子雖然是新一代有機材料發(fā)展方向，但目前其缺點仍多尚需解決，PLED發(fā)光材料目前在壽命、發(fā)光效率等顯示性能上，較OLED略遜一籌，但CDT認為，PLED可望于2005年在技術上與OLED達到相同水準。其實高分子有機發(fā)光材料還有相當多問題需要解決，目前藍色的發(fā)光材料的壽命離實用距離，還有好一大段路要走，再來就是電力效率的改善，為了改善電力消耗的問題還要在材料特性的配合上下工夫，而色光的安定性及色純度亦為急需改善的問題。

 

　  就高分子發(fā)光材料的優(yōu)點來看，由于可以溶于溶媒之中，因此，可利用涂布法或更進步的噴墨式制程制造，噴墨法的特色包括制造上由于不需使用大型的真空設備，因此制程可大幅簡化，此外有機材料的使用效率也高，不但在生產(chǎn)成本上具優(yōu)勢，加上基板尺寸無太大的限制，在大型基板需求越來越高的未來顯示器市場需求來看，是極有發(fā)展希望的。

 

　  小分子及高分子OLED在材料特性上可說是各有千秋，但以現(xiàn)有技術發(fā)展來看，如作為顯示器的信賴性上，及電氣特性、生產(chǎn)安定性上來看，小分子OLED現(xiàn)在是處于領先地位，目前投入量產(chǎn)的OLED元件，全是使用小分子有機發(fā)光材料。

 

　  但小分子材料并非全無問題，因小分子材料無法與溶劑配合，加上極易為氧氣及水分所破壞，所以必須使用真空蒸鍍及封裝設備，這使制程的復雜及困難度大為提高，制程設備由于需要有高度的真空性能，設備及運營成本亦相當高昂。而高溫蒸鍍法對材料的利用效率亦低，有機材料最后直接蒸鍍到基板上的比例極低，大多附著在MASK及真空槽壁上造成浪費。加上真空制程的大尺寸化有其實現(xiàn)上的困難，使得目前小分子OLED的應用多為小尺寸面板。

 

被動式構造簡單為目前主流

 

　  就驅(qū)動方式來看，就如前述可分為主動式(AM)及被動式(PM)，由于近年業(yè)者大量投入研發(fā)，被動式(passive matrix；PM)OLED在壽命、發(fā)色、耗電量等議題上都獲得了長足進步，目前市面上推出的OLED產(chǎn)品幾乎全為PMOLED，但其制程技術仍未完全成熟。目前PMOLED雖已進入量產(chǎn)，但因尚未有一標準化制程，各廠商多采用自行開發(fā)的制程，因此，無法大幅提高產(chǎn)量及減少成本。

 

　  PMOLED與AMOLED相比，雖然有消費電力高、壽命短、顯示元件較易劣化、不適合大畫面高解析度發(fā)展等缺點，但其優(yōu)點亦多，例如由于不使用TFT，可大幅提高其開口率，與AMOLED一般的30％前后相比，PMOLED可達到60％以上，這不僅可提升畫質(zhì)及亮度，在省電上及亮度的壽命延長亦相當有利。此外，由于構造簡單，與AMOLED相比生產(chǎn)時間不僅為短良率亦高，成本考量上也相當有利。

 

　  至于主動式OLED(AMOLED)，因OLED基本構造是屬于電流驅(qū)動，需要穩(wěn)定的電流來控制發(fā)光，與TFT-LCD利用穩(wěn)定電壓控制發(fā)光不同，AMOLED為了達到足夠的亮度，需要有較大電流流動度的TFT，此時電子流動度高的低溫多晶硅薄膜電晶體(LTPS TFT)技術，便成為AMOLED的主要驅(qū)動考量，利用LTPS先行取得穩(wěn)定電壓后，再轉換成穩(wěn)定的電流來控制OLED發(fā)光，這也使得LTPS技術成為開發(fā)AMOLED所必須具備的技術之一。

 

AMOLED另一條出路--非晶硅TFT

 

　  但也有廠商持不同意見，認為可使用非晶硅a-Si TFT配合適合的驅(qū)動回路，來生產(chǎn)AMOLED，并有相當不錯的成果，友達光電于2002年便發(fā)表，成功使用a-Si TFT驅(qū)動的小尺寸AMOLED面板。接著2003年3月12日奇美電子宣布，成功開發(fā)出全彩之20吋全球最大AMOLED，此為由奇美電子、IDTech公司(奇美電子與日本IBM合組之公司)，與IBM位于瑞士、美國及日本之研究實驗室共同開發(fā)的成果。這20吋的AMOLED面板在技術上的突破不僅在于是目前單一面板中最大尺寸的AMOLED面板(之前SONY曾發(fā)表使用4片12吋面板并合而成的AMOLED顯示器)，且是使用非晶硅a-Si TFT作為驅(qū)動，奇美電子與IDTech將于2003年5月份于美國SID展中作實機展示。據(jù)了解，奇美電子的OLED產(chǎn)品還處于研發(fā)階段，目前并無明確的量產(chǎn)計畫，此次宣布開發(fā)出20吋AMOLED，技術能力宣示的意味較濃。

 

　  雖然LTPS TFT是理想的AMOLED驅(qū)動載臺，但目前LTPS TFT的生產(chǎn)成本，及價格都不低，產(chǎn)能是否支撐未來AMOLED的成長亦為隱憂，加上LTPS表面晶體形成上的誤差不易控制，使得OLED在發(fā)光時，因不平均而形成波紋(MURA)等問題，一直是困擾LTPS-TFT AMOLED發(fā)展之所在。相對的a-Si TFT的生產(chǎn)技術已相當成熟，且大小尺寸基板的產(chǎn)能相當充裕，成本也較LTPS-TFT低，如果能順利應用在OLED的量產(chǎn)上，將能大幅降低AMOLED制造成本。

 

　  目前LTPS的產(chǎn)能技術大部分還掌握在日本廠商手里，臺灣方面目前擁有大尺寸LTPS產(chǎn)能的廠商只有統(tǒng)寶光電，雖然統(tǒng)寶會繼續(xù)增建生產(chǎn)線，友達光電也正在進行L3廠換裝LTPS制程設備的工程，但短期內(nèi)產(chǎn)能是否能有足夠產(chǎn)量支撐AMOLED的需求，還有待觀察。相對的如能使用a-Si TFT代替LTPS TFT，則成本及產(chǎn)能供應問題，以臺灣TFT-LCD產(chǎn)業(yè)的實力，應可迎刃而解。因此，友達光電及奇美電子在這方面的發(fā)展，值得期待。

 

千呼萬喚始出來，AMOLED市場前景尚需觀察

 

　  AMOLED在實際量產(chǎn)上，還是遭遇到不少困難，使得參與研發(fā)的廠商，均一再延后量產(chǎn)時程，例如2003年3月初，日本三洋電機、美國柯達及雙方合資的SKDisplay聯(lián)合宣布，正式量產(chǎn)2.16吋全彩AMOLED，這也是全球最早宣布進入量產(chǎn)的AMOLED產(chǎn)品，但量產(chǎn)時程也距離原本宣稱的2002年2月延遲了1年以上，以三洋電機在TFT-LCD技術上深厚的經(jīng)驗，加上小分子OLED專利權持有者Kodak的開發(fā)實力，雙方聯(lián)手合作都無法擺脫延遲量產(chǎn)的結果，可見AMOLED目前要走的路，還不是條平坦大道。

 

廠商百家爭鳴　日商技術領先

 

　  現(xiàn)在加入OLED市場參加競逐的廠商全球合計有百家以上，都想在這新興顯示器技術的未來市場上占得先機。日本廠商在OLED的技術上起步較早，以東北Pioneer為首，TDK、三洋電機、SONY、SEIKO EPSON、NEC等大廠在OLED技術的開發(fā)上都投下不少心力，而日本以外的廠商如Royal Philips、錸寶科技、Kodak、三星SDI、LG電子等廠商等都加入了OLED的研發(fā)及生產(chǎn)。

 

　  日商東北PIONEER是最早進入量產(chǎn)的廠商，該公司于1999年5月開始為PIONEER生產(chǎn)汽車音響用顯示面板，2000年1月開始生產(chǎn)行動電話用OLED面板。東北PIONEER于2002年11月宣布，OLED單色及區(qū)域多色面板累計出貨數(shù)已達500萬片，且還在繼續(xù)成長中。

 

　  如此高的出貨量，要歸功于NTT DoCoMo及LG電子，采用OLED面板的行動電話大賣的帶動，但東北PIONEER的OLED部門2002年估計，還是處于虧損狀態(tài)，而日前也發(fā)表原先預定自2002年秋季開始，每月量產(chǎn)50萬片(以2吋計)AMOLED的生產(chǎn)計畫，也因故延后至2004年以后實行，原因是目前在生產(chǎn)技術及成本控制上，仍未達預定標準的考量。

 

　  TDK的PMOLED是從2000年2月開始出貨，同時進入量產(chǎn)的有白光OLED搭配彩色濾光片的多色面板，也是以汽車音響顯示用面板為主。而2002年10月TDK與有機發(fā)光材料大廠出光興產(chǎn)簽訂OLED專利交叉授權協(xié)定，合作進行OLED技術開發(fā)，并預定于2003年春季，開始量產(chǎn)汽車音響顯示用的全彩PMOLED面板。

 

　  SEIKO EPSON是噴墨印表機技術的領先廠商，憑藉自身噴墨技術的研發(fā)實力，押寶在可使用噴墨制程的PLED上，該公司并與高分子OLED專利權持有者CDT，合作進行PLED生產(chǎn)制程設備的開發(fā)，目前有2.1吋26萬色的高分子AMOLED試作品問世，采用的便是CDT開發(fā)的高分子有機發(fā)光材料。

 

　  東芝憑藉自身在LTPS上的技術及量產(chǎn)實力，在小分子及高分子AMOLED上都有進行研發(fā)。而三洋電機、美國柯達及雙方合資的SKDisplay，在AMOLED的量產(chǎn)上態(tài)度最為積極，不僅領先全球最早量產(chǎn)2.16吋全彩AMOLED，在AMOLED的實用化上也不遺余力，三洋電機已預定要推出使用全彩AMOLED為主螢幕的行動電話，目前已進入試用階段。而KODAK新推出的LS-633數(shù)位相機，也采用剛量產(chǎn)的2.16吋全彩AMOLED為顯示面板，將于2003年4月推出上市，主攻歐洲、澳洲及日本之外的亞洲市場，企圖心十分強烈。

 

臺灣廠商量產(chǎn)能力不容小覷

 

　  臺灣的廠商也沒缺席，現(xiàn)有十余家相關廠商進行OLED的研發(fā)及量產(chǎn)，并有不輸世界大廠的成績。Kodak的PMOLED技術專利授權，臺灣廠商目前有錸寶、東元激光、光磊三家取得授權，大致上權利金除簽約金300萬美元外，需再支付PMOLED營收的5％～10％。

 

　  其中步伐最快的錸寶科技，可說是臺灣相關廠商中動作最積極的一家，也是產(chǎn)品研發(fā)與導入量產(chǎn)速度最快的一家。錸寶除積極與杜邦等國外大廠技術合作之外，在量產(chǎn)速度方面，也是全球僅次于日本東北先鋒的第二家專業(yè)OLED制造商。

 

　  錸寶不僅是臺灣第一家投入OLED研發(fā)與制造的公司，亦是全球首先同時擁有小分子，及高分子生產(chǎn)線的OLED制造商。第一條單色OLED生產(chǎn)線，在2000年第3季便架設完成進入量產(chǎn)，月產(chǎn)能達1.5萬片400mm×400mm玻璃基板，而全彩OLED也已在實驗機臺上成功開發(fā)出試作品。此外，全彩OLED與PLED量產(chǎn)生產(chǎn)線，也已分別建置完成，月產(chǎn)能為5萬片與3萬片，基板尺寸皆為370mm×470mm，于2002年第四季及2003年第一季開始量產(chǎn)。

 

　  2002年錸寶全球市占率僅有17％，與第一名的東北先鋒的77％相差甚遠。但2003年全球OLED版圖可能有極大轉變，錸寶預估，2003年該廠全年出貨量可達742萬片，為2002年的11倍以上，其中9成為手機用顯示面板，并以次顯示面板用途為主。以此出貨量來計算，2003年錸寶產(chǎn)量將占全球OLED市場的3分之1，躍升為世界第一位，而東北先鋒將退至第三位，市占率減為22％。不過，韓國三星SDI與日本NEC合作投資的SNMD，2003年出貨量也將大增，預計將達到31％，與錸寶爭奪OLED全球龍頭寶座的地位。

 

　  東元集團轉投資的東元激光，在2001年3月取得Kodak技術授權后，已完成玻璃基板尺寸370mm×470mm的生產(chǎn)線建置，于2002年第四季開始量產(chǎn)，東元激光是繼錸寶后，第二家將OLED商品化的臺灣廠商。目前其多彩OLED產(chǎn)品，顏色可分綠、藍、紅、白、黃等，有3種顏色可混合出貨，主要鎖定中小尺寸應用如手機、PDA、游戲機、家電顯示器等，公司預估，小尺寸面板年產(chǎn)量約300萬～400萬片。東元激光計劃2003年將投資興建第2條OLED生產(chǎn)線，并跨足全彩OLED的生產(chǎn)。對于未來發(fā)展主動式全彩AMOLED產(chǎn)品，東元激光為掌握關鍵零組件LTPS TFT來源，也轉投資統(tǒng)寶，成為統(tǒng)寶股東之一。

 

　  LED大廠光磊科技于2002年9月3日與Kodak簽約，取得PMOLED技術專利授權，光磊在取得柯達的授權后，計劃投資13億元，2003年正式投入OLED生產(chǎn)線建置，預期2004年OLED生產(chǎn)線將可有正式的產(chǎn)出，產(chǎn)品規(guī)格將先以5吋為主，初期以開發(fā)被動式OLED為主，主動式OLED則將采與TFT-LCD廠策略聯(lián)盟方式合作，預期在2006年市場跨進7～10吋，至2009年，則可望切入14～20吋的大尺寸市場。

 

　  相對于Kodak的小分子陣營，由臺達電子轉投資的翰立光電，則加入高分子陣營直接投入PLED研發(fā)，并自CDT移轉PLED技術及獲得專利授權。但為何跳過目前市場較成熟的小分子OLED，原因是達電評估PLED與小分子OLED都是未來前景看好的技術，但小分子OLED須投入昂貴的真空設備，在考量成本效益下，最后選擇投入PLED。

 

　  翰立光電在臺達電子支援下，已成功開發(fā)出高分子有機發(fā)光層鍍膜設備，目前有一條300mm×300mm試產(chǎn)線，每月投片基板數(shù)為3,000片，與一條3萬片量產(chǎn)線。翰立光電已成功開發(fā)出R、G、B三個單色的PLED，但仍以全彩PLED為最終研發(fā)目標。

 

OLED未來發(fā)展?jié)摿κ?/p>

 

　  相較于其他薄型平面顯示器技術，如LCD 、PDP相比，OLED還是個剛起步、正要進入商業(yè)化的年輕新面孔，由于有太多的未確定要素，使得OLED的市場遲遲無法擴大，目前還在蹲馬步練功研發(fā)的公司居多。但OLED有相當多的優(yōu)點勝于其他技術，不僅吸引眾多廠商紛紛投入，像友達、奇美等TFT-LCD大廠也都不敢忽視OLED的前景，并規(guī)劃不少的人力物力進行相關技術的研發(fā)。

 

　  OLED不僅生產(chǎn)所需的資本門檻較小，且本身有自發(fā)色光性質(zhì)(不需背光源、彩色濾光片)可大幅降低成本及顯示模組厚度，使其更輕薄(≦2mm)、高亮度、較無視角限制(＞165度)、高反應速度(10μs以下)、低驅(qū)動電壓(5～15V)、低耗電(目前耗電仍較TFT-LCD為高，在理想情況下應可以達到更低的耗電量)、可撓曲(適用于塑膠基板)與制程簡單等優(yōu)點，為眾多業(yè)者看好其未來市場潛力及產(chǎn)品競爭力的主因。

 

    液晶自19世紀末被發(fā)現(xiàn)以來，經(jīng)過上百年間的進步演化，終于發(fā)展出現(xiàn)有的大規(guī)模TFT-LCD產(chǎn)業(yè)。與LCD相較，OLED現(xiàn)在就像剛學會走路的小孩，但不知未來小孩會不會長成巨人？有待未來持續(xù)的觀察。

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