一文淺析顯示行業(yè)OLED技術

顯示屏作為為用戶帶來直接感官體驗的產品，對卓越性能的追求從未止步 —— 高畫質、超輕薄、長壽命、低功耗等均是衡量平板顯示器產品的重要指標。AMOLED (Active Matrix/Organic Light Emitting Diode)，即有源矩陣有機發(fā)光二極體顯示面板，以其卓越畫質、輕薄外形、寬溫操作、戶外可視、節(jié)能省電等特性，尤其是在健康護眼方面的巨大優(yōu)勢，得到了業(yè)界的廣泛關注，有望成為繼陰極射線管顯示技術（CRT），液晶顯示技術（LCD）之后的第三代主流顯示技術。

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發(fā)光原理

OLED器件結構為陽極、金屬陰極以及夾在中間的有機功能層，呈現(xiàn)三明治結構。常規(guī)有機功能層包括空穴傳輸層，電子傳輸層，有機發(fā)光層。

OLED的發(fā)光過程通常有以下5個基本階段：

載流子注入：在外加電場作用下，電子和空穴分別從陰極和陽極向夾在電極之間的有機功能層注入。

載流子傳輸：注入的電子和空穴分別從電子傳輸層和空穴傳輸層向發(fā)光層遷移。

載流子復合：電子和空穴注入到發(fā)光層后，由于庫倫力的作用束縛在一起形成電子空穴對，即激子。

激子遷移：由于電子和空穴傳輸的不平衡，激子的主要形成區(qū)域通常不會覆蓋整個發(fā)光層，因而會由于濃度梯度產生擴散遷移。

激子輻射退激發(fā)出光子：激子輻射躍遷，發(fā)出光子，釋放能量。

OLED發(fā)光的顏色取決于發(fā)光層有機分子的類型，在同一片OLED上放置幾種有機薄膜，就構成彩色顯示器。光的亮度或強度取決于發(fā)光材料的性能以及施加電流的大小，對同一OLED，電流越大，光的亮度就越高。

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驅動模式

OLED驅動模式分為被動(PMOLED)與主動(AMOLED)兩種。

PMOLED的結構簡單，每個像素點由分立的陰極陽極控制，不需要額外的驅動電路，但是太多的控制線路限制其在大尺寸高分辨率屏幕上的應用。

AMOLED則是通過驅動電路來驅動發(fā)光二極管，最大程度的減少了控制線路的數量，使其具備低能耗，高分辨率，快速響應和其他優(yōu)良光電特性，因此AMOLED逐漸成為OLED顯示的主流技術。

無源矩陣 OLED （PMOLED） ?

結構簡單，成本低 ? 時間分辨動態(tài)驅動（線路順序驅動）需要比AMOLED更高的電壓 屏幕越大，占空比（對每個像素施加電壓的時間）越短，亮度越低。 ?

?中小型顯示器可以以低成本制造。 ?

有源矩陣 OLED （AMOLED） ?

在每個像素中形成半導體元件會使電路和制造工藝復雜化，并增加成本。 ?

開關可以防止電流泄漏（串擾） ?

由于電容器存儲不會立即降低電壓，因此即使縮短占空比也可以保持亮度。 ?

?成本高，但適合制造大中型顯示器。 ?

由于這種差異，PMOLED通常適用于小于4英寸的尺寸，而AMOLED適用于較大的尺寸。 ?

高分辨率AMLOED的驅動電路越來越小，但是相應的電學性能要求則越來精高，所以常規(guī)的非晶硅技術已經很難滿足新的需求。低溫多晶硅(LTPS)則可以迎合新的發(fā)展要求，其核心技術是將非晶硅經過”準分子激光晶化法”形成多晶硅。低溫多晶硅相較于非晶硅有著更高的載流子遷移率，更低的缺陷密度，以及更好的電學特性。

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AMOLED結構

LTPS-AMOLED的與LCD的結構在驅動電路的結構基本相同，但由于AMOLED是自發(fā)光結構，不需要背光源，因此體積更輕薄。同時，也由于自發(fā)光的特性，使得暗畫面下的功耗遠低于LCD的背光恒定功耗，使AMOLED顯示面板擁有節(jié)能的特性。

OLED的基本結構如圖所示：

基板（可以是塑料、玻璃或金屬箔）——OLED 的基礎

陽極（可能是透明的，也可能不是透明的，取決于OLED的類型） - 帶正電荷以將空穴（沒有電子）注入構成OLED器件的有機層中

空穴注入層 （HIL） – 沉積在陽極頂部，該層接收來自陽極的孔并將它們注入更深的設備中

孔傳輸層 （HTL） – 該層支持孔在其上的傳輸，以便它們可以到達自發(fā)光層

Emissive?層 – 設備的心臟和制造光的地方，發(fā)射層由摻雜到主機中的顏色定義發(fā)射器組成。這是電能直接轉化為光的層。

阻擋層 （BL） – 通常用于通過將電子（電荷載流子）限制在發(fā)射層來改進 OLED 技術

電子傳輸層 （ETL） – 支持電子在其上的傳輸，以便它們可以到達發(fā)射層。

陰極（可能是透明的，也可能不是透明的，具體取決于OLED的類型） - 帶負電以將電子注入構成OLED器件的有機層中。

AMOLED也擁有底發(fā)光與頂發(fā)光兩種結構。頂發(fā)光結構中，光線不會受到驅動電路的遮擋，相比底發(fā)光結構擁有更高的開口率，從而在高解析度的應用中具有更大的優(yōu)勢，因此逐漸成為了AMOLED的主流。

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AMOLED工藝流程

AMOLED工藝流程

LTPS-AMOLED的制作工藝囊括了顯示面板行業(yè)的諸多尖端技術，其主要分為背板段，前板段以及模組段三道工藝。

背板段工藝通過成膜，曝光，蝕刻疊加不同圖形不同材質的膜層以形成LTPS（低溫多晶硅）驅動電路，其為發(fā)光器件提供點亮信號以及穩(wěn)定的電源輸入。其技術難點在于微米級的工藝精細度以及對于電性指標的極高均一度要求。

鍍膜工藝是使用鍍膜設備，用物理或化學的方式將所需材質沉積到玻璃基板上（2）；

曝光工藝是采用光學照射的方式，將光罩上的圖案通過光阻轉印到鍍膜后的基板上（3、4、5）；

蝕刻工藝是使用化學或者物理的方式，將基板上未被光阻覆蓋的圖形下方的膜蝕刻掉，最后將覆蓋膜上的光阻洗掉，留下具有所需圖形的膜層（6、7）。

前板段工藝通過高精度金屬掩膜板（FMM）將有機發(fā)光材料以及陰極等材料蒸鍍在背板上，與驅動電路結合形成發(fā)光器件，再在無氧環(huán)境中進行封裝以起到保護作用。蒸鍍的對位精度與封裝的氣密性都是前板段工藝的挑戰(zhàn)所在。

高精度金屬掩膜板(FMM):其主要采用具有極低熱變形系數的材料制作，是定義像素精密度的關鍵。制作完成后的FMM由張網機將其精確地定位在金屬框架上并送至蒸鍍段（2）；

蒸鍍機在超高真空下，將有機材料透過FMM蒸鍍到LTPS基板限定區(qū)域上（3）；

蒸鍍完成后將LTPS基板送至封裝段，在真空環(huán)境下，用高效能阻絕水汽的玻璃膠將其與保護板進行貼合。玻璃膠的選用及其在制作工藝上的應用，將直接影響OLED的壽命（5、6）。

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技術優(yōu)勢

超高對比

AMOLED 1,000,000:1 vs. LCD 1,000:1對比度高1,000倍，畫面更清晰，展現(xiàn)所有細節(jié)

色彩逼真

AMOLED 色彩飽和度達到105%，而LCD僅為70%，AMOLED1.5倍更寬廣色域，完美呈現(xiàn)大自然最真實的色彩

寬廣視角

85°視角時AMOLED對比度＞1,000:1,LCD對比度＞10:1，AMOLED高出100倍的視角優(yōu)勢，無論在任何角度觀看，畫面始終如一

節(jié)能省電

AMOLED 表現(xiàn)全彩影像時更加節(jié)能省電，一般使用情況下，動態(tài)加權功耗僅為LCD的60%

異形顯示

可以應需求切割成純圓形或者其他不規(guī)則形狀，不受傳統(tǒng)形式束縛，適用于更多的應用領域

時尚輕薄

無需背光源，結構更加簡單，厚度比LCD減少40%以上，讓終端產品時尚輕薄

柔性顯示

可實現(xiàn)固定曲面、可彎曲、可卷曲到可折疊等形式的柔性顯示，在未來終端應用中擁有無限創(chuàng)新可能

低亮度高對比

AMOLED對比度高于LCD，因而具有更高感知亮度。在黑暗中，使用者可以在低顯示亮度下獲得清晰畫面，使眼睛免受強光刺激

低藍光傷害

AMOLED在435納米以下的高能有害藍光值（mW/sr/m2）僅為0.1，而LCD為33。AMOLED低300倍的高能藍光強度，有效減少對于眼睛及內分泌系統(tǒng)傷害的風險

快速響應

AMOLED響應時間小于1ms，LTPS AMOLED小于20ms。20倍響應速度，實現(xiàn)高速動態(tài)響應，有效降低虛擬現(xiàn)實用戶的眩暈感

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技術缺陷

OLED似乎是一項完美無缺的技術，適合各類的顯示器，但它也存在一些問題：

1、壽命

盡管紅色和綠色的OLED薄膜壽命較長（10000-40000小時），但根據目前的技術水準，藍色有機物的壽命要短的多（僅有約1000小時）。

2、水

OLED如果遇水，很容易就會損毀。

3、烙印、色衰:

因OLED的材質限制，像素點有壽命限制，用久了屏幕容易產生顏色偏移、色衰、烙印的痕跡。但這不是OLED手機獨有的問題──LCD屏幕也容易有類似問題。

4、閃屏:

因OLED的調光方式，導致可能出現(xiàn)閃屏的現(xiàn)象，閃屏指的是屏幕以低頻率閃爍，雖然視覺上看不出閃爍，看久了可能會產生視覺疲勞的現(xiàn)象，但這部分因人而異，有些人感覺不出來。

5、成本高：

目前OLED制作難度及材料成本較LCD來得高，雖然市占率逐漸提升，但仍未完全取代LCD屏幕；

6.頻閃傷眼睛

LCD屏幕通過調整背光層的電壓或者電流控制屏幕的亮度（DC調光），如果OLED屏幕采用DC調光，在低電壓下會出現(xiàn)不均勻的果凍效應，因此OLED屏幕采用了PWM調光方式。

根據IEEE文獻所述，OLED屏幕的頻閃會造成眼睛疲勞、偏頭痛等問題。PWM調光至少要在1250Hz以上，才會對人眼無害，否則可能引起不適。目前，主流的OLED屏幕，頻閃次數在250Hz左右，遠遠低于標準。

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OLED實現(xiàn)彩色化技術方法

RGB象素獨立發(fā)光

利用發(fā)光材料獨立發(fā)光是目前采用最多的彩色模式。它是利用精密的金屬掩膜板（FMM）與CCD像素對位技術，首先制備紅、綠、藍三基色發(fā)光中心，然后調節(jié)三種顏色組合的混色比，產生真彩色，使三色OLED元件獨立發(fā)光構成一個像素。該項技術的關鍵在于提高發(fā)光材料的色純度和發(fā)光效率，同時金屬掩膜板刻蝕技術也至關重要。

隨著OLED顯示器的彩色化、高分辨率和大面積化，金屬掩膜板刻蝕技術直接影響著顯示板畫面的質量，所以對金屬掩膜板圖形尺寸精度及定位精度提出了更加苛刻的要求。

光色轉換

光色轉換是以藍光OLED結合光色轉換膜陣列，首先制備發(fā)藍光OLED的器件，然后利用其藍光激發(fā)光色轉換材料得到紅光和綠光，從而獲得全彩色。該項技術的關鍵在于提高光色轉換材料的色純度及效率。

這種技術不需要金屬掩膜板對位技術，只需蒸鍍藍光OLED元件，是未來大尺寸全彩色OLED顯示器極具潛力的全彩色化技術之一。但它的缺點是光色轉換材料容易吸收環(huán)境中的藍光，造成圖像對比度下降，同時光導也會造成畫面質量降低的問題。

彩色濾光膜

此種技術是利用白光OLED結合彩色濾光膜，首先制備發(fā)白光OLED的器件，然后通過彩色濾光膜得到三基色，再組合三基色實現(xiàn)彩色顯示。

該項技術的關鍵在于獲得高效率和高純度的白光。它的制作過程不需要金屬掩膜板對位技術，可采用成熟的液晶顯示器LCD的彩色濾光膜制作技術。所以是未來大尺寸全彩色OLED顯示器具有潛力的全彩色化技術之一，但采用此技術使透過彩色濾光膜所造成光損失高達三分之二。

RGB象素獨立發(fā)光，光色轉換和彩色濾光膜三種制造OLED顯示器全彩色化技術，各有優(yōu)缺點?？筛鶕に嚱Y構及有機材料決定。

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評價OLED性能的主要參數

通常，OLED發(fā)光材料及器件的性能可以從發(fā)光性能和電學性能兩個方面來評價。發(fā)光性能主要包括發(fā)射光譜、發(fā)光亮度、發(fā)光效率、發(fā)光色度和壽命；而電學性能則包括電流與電壓的關系、發(fā)光亮度與電壓的關系等，這些都是衡量OLED材料和器件性能的主要參數。

發(fā)射光譜

發(fā)射光譜指的是在所發(fā)射的熒光中各種波長組分的相對強度，也稱為熒光的相對強度隨波長的分布。發(fā)射光譜一般用各種型號的熒光測量儀來測量，其測量方法是：熒光通過單色發(fā)射器照射于檢測器上，掃描單色發(fā)射器并檢測各種波長下相對應的熒光強度，然后通過記錄儀記錄熒光強度對發(fā)射波長的關系曲線，就得到了發(fā)射光譜。

OLED的發(fā)光光譜有兩種，即光致發(fā)光

（PL）光譜和電致發(fā)光（EL）光譜。PL光譜需要光能的激發(fā)，并使激發(fā)光的波長和強度保持不變；EL光譜需要電能的激發(fā)，可以測量在不同電壓或電流密度下的EL光譜。通過比較器件的EL光譜與不同載流子傳輸材料和發(fā)光材料的PL光譜，可以得出復合區(qū)的位置以及實際發(fā)光物質的有用信息。

發(fā)光亮度

發(fā)光亮度的單位是cd/㎡，表示每平方米的發(fā)光強度，發(fā)光亮度一般用亮度計來測量。最早制作的OLED器件的亮度已超過了1000cd/㎡，而目前最亮的OLED亮度可以超過140000cd/㎡。

發(fā)光效率

OLED的發(fā)光效率可以用量子效率、功率效率和流明效率來表示。?量子效率ηq是指輸出的光子數Nf與注入的電子空穴對數Nx之比。衡量一個發(fā)光器件的功能時，多用流明效率這個參量。流明效率ηl，也叫光度效率，是發(fā)射的光通量L（以流明為單位）與輸入的電功率Px之比。其中，S為發(fā)光面積（㎡），B為發(fā)光亮度（cd/㎡），I和V分別為測量亮度時所加的偏置電流和電壓，J為相應的電流密度（A/㎡），流明效率的單位是lm/W。

發(fā)光色度

發(fā)光色度用色坐標（x，y，z）來表示，x表示紅色值，y表示綠色值，Z表示藍色值，通常x，y兩個色品就可表注顏色。

發(fā)光壽命

壽命是指為亮度降低到初始亮度的50％所需的時間。對商品化的OLED器件要求連續(xù)使用壽命達到10000小時以上，存儲壽命要求5年。在研究中發(fā)現(xiàn)影響OLED器件壽命的因素之一是水和氧分子的存在，因此在器件封裝時一定要隔絕水和氧分子。

電流密度－電壓關系

在OLED器件中，電流密度隨電壓的變化曲線反映了器件的電學性質，它與發(fā)光二極管的電流密度－電壓的關系類似，具有整流效應。在低電壓時，電流密度隨著電壓的增加而緩慢增加，當超過一定的電壓電流密度會急劇上升。

亮度－電壓關系

亮度-電壓的關系曲線反映的是OLED器件的光學性質，與器件的電流－電壓關系曲線相似，即在低驅動電壓下，電流密度緩慢增加，亮度也緩慢增加，在高電壓驅動時，亮度伴隨著電流密度的急劇增加而快速增加。從亮度－電壓的關系曲線中，還可以得到啟動電壓的信息。啟動電壓指的是亮度為1cd/㎡的電壓。

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結束語

隨著技術的發(fā)展，大尺寸OLED也取得突破。同樣是基于自發(fā)光帶來的優(yōu)勢，OLED屏幕不僅能做到1mm以內的極致超薄，還能夠實現(xiàn)卷曲、折疊、透明、雙面顯示等未來顯示形態(tài)。在理論上，OLED屏可以附著在任何透明或不規(guī)則的物體表面，打造“顯示無處不在”的未來世界，OLED未來應用前景非常誘人。

審核編輯：劉清