“万物皆显示”的OLED,如何打破上升通道的瓶颈?

haiyicha haiyicha
298
2022-05-28
今年以来,各手机厂商纷纷推出“全面屏”手机,OLED屏幕成为了手机面板界的新宠。据权威机构分析,到2019年,全世界的智能手机将有60%以上使用OLED屏,而LCD(液晶显示)屏将慢慢被市场所淘汰。 虽然,在全球下一代高科技面板OLED的竞争中,韩国企业一直在垄断技术,...

今年以来,各手机厂商纷纷推出“全面屏”手机,OLED屏幕成为了手机面板界的新宠。据权威机构分析,到2019年,全世界的智能手机将有60%以上使用OLED屏,而LCD(液晶显示)屏将慢慢被市场所淘汰。

虽然,在全球下一代高科技面板OLED的竞争中,韩国企业一直在垄断技术,以至于在手机面板上像苹果这样的公司也一直被掣肘。但是,最近两年来,中国大陆市场需求旺盛、国内资金充沛、加上政府支持新型显示技术研发的“三重加持”,国内纷纷开始布局OLED。近期,中国的第6代柔性AMOLED生产线已经实现小批量量产出货。“中国玩家”的加入让这场OLED市场的竞争变得高潮迭起。

那么问题来了,OLED到底是什么材料?为什么可以取代LCD屏幕,成为大家争相追逐的科技热点?

(一)OLED到底是啥?

OLED(Organic Light-Emitting Diode),又称为有机电激光显示,由美籍华裔教授邓青云(Ching W. Tang)于1979年在实验室中发现。它是一种非常薄的有机材料涂层,具有自发光特性,换句话说,当有电流通过时,这些有机材料就会发光。

OLED的发光原理是用导电玻璃(ITO)透明电极和金属电极分别作为器件的阳极和阴极,在一定电压驱动下,电子和空穴分别从阴极和阳极注入到电子和空穴传输层,迁移到发光层,并在发光层中相遇,形成激子并使发光分子激发,后者经过辐射驰豫(radiationrelaxation)而发出可见光。辐射光可从ITO一侧观察到,金属电极膜一侧则起到反射的作用。

一个OLED器件的基本组成有以下几个部分:

· 基板(Substrate):通常是玻璃或者透明塑料。

· 阳极(Anode):归根到底,这是一个闭合的回路,阳极的作用是提供吸收电子的空穴,所以它是透明的,允许光通过。

· 导电层(ConductiveLayer):传递由阳极而来的空穴(在固体物理学中指共价键上流失一个电子,最后在共价键上留下空位的现象),吸收多余电子。材料主要是有机聚合物。当年,邓青云使用三芳胺作空穴传输层。

· 发光层(EmissionLayer):这就是OLED的核心部件,整个器件在这里发光,它的材料也就是发光有机物。有机发光材料具有特殊的能带结构,可以在吸收阴极过来的电子后再散发出来一定波长的光子,对于人的视觉来说就是不同的色彩。

· 阴极(Cathode):通常是低逸出功的合金,在给定电压下产生电子。这部分必须对于上层的有机物而言是极为稳定的。当年,邓青云使用的是镁/银合金作为阴极。

从发光材料上看,现在OLED器件分为两大类:一类是以染料及颜料为材料的小分子器件系统,另一类则是以共轭性高分子(一种导电聚合物材料)为材料的高分子器件系统。当前投入量产的OLED组件,使用的基本都是小分子有机发光材料。

如果按发光方式分类,OLED家族成员可以分为荧光发光材料和磷光发光材料两种。我们在前面提到,OLED发光的机理是辐射驰豫(radiationrelaxation),是分子从能量较高的激发态通过弛豫过程回到基态并发射光子的衰变过程。当一个分子从最低单线激发(S1)自发地发射光子回到基态(S0),此辐射弛豫称“荧光”;若从最低三重态(T1)自发的发射光子回到基态,此辐射弛豫过程称“磷光”,磷光的波长比荧光的要长。磷光材料(PHOLED)因为充分利用了激发三线态的能量,所以能明显提高器件的外量子效率,相比荧光发光材料而言发光效率更高、寿命更长。

和其他显示器一样,OLED屏幕上丰富的色彩依旧是由红、蓝、绿三种颜色混合得到的。目前绿色和红色小分子磷光材料的寿命已经有所突破,而蓝色磷光材料的寿命依然不容乐观。所以即使在主流的AMOLED(Active Matrix/ Organic Light Emitting Diode,包括所谓“SuperAMOLED"),蓝光的部分也是使用“荧光发光材料”,而绿、红光则使用“磷光发光材料”。这种材料的混搭保证了使用的寿命,最终混合发出稳定的白光。

AMOLED是有源矩阵有机发光二极体面板。AM(有源矩阵)指的是背后的像素寻址技术。它最大程度地减少了控制线路的数量,使其具备低能耗、高分辨率、快速响应和其他优良光电特性,因此,AMOLED逐渐成为OLED显示的主流技术。

(二)OLED显示器件是如何制造出来的?

既然了解了OLED“三明治”的结构,那么如何来制造OLED显示器件呢?

相比于传统的显示器件,OLED的制备工艺反而简单。

OLED显示器件的制备工艺包括:ITO玻璃清洗——光刻——再清洗——前处理——真空蒸镀有机层——真空蒸镀背电极——真空蒸镀保护层——封装——切割——测试——模块组装——产品检验及老化实验等十几道工序。

根据功能的不同,这十道工序可以分为三大部分。

背板段:TFT基板的制造

无论是AMOLED还是TFT-LCD,其制作过程的第一步是背板段工艺,也就是制作TFT基板。Thin Film Transistor(TFT,薄膜场效应晶体管),是用来驱动集成在其上面的每一液晶象素点。

由于OLED属于电流驱动器件,对电流的稳定性要求很高。电流的稳定性是与电子的迁移率相关,所以寻找到合适的最佳半导体薄膜至关重要。低温多晶硅技术(LTPS,Low Temperature Poly-silicon)是合适做TFT的最佳半导体薄膜。

背板段工艺主要通过成膜,曝光,蚀刻叠加不同图形不同材质的膜层以形成LTPS。它最大的技术难点在于微米级的工艺精细度和对于电性指标的极高均一度要求。

此外,TFT在OLED中起开关的作用,通过TFT开关控制电流大小进而控制发光亮度。

LCD和OLED在制备TFT阵列中的不同之处在于,LCD中一个像素只需要一个TFT,而OLED中至少需要4个TFT;同时,OLED对TFT的制备工艺要求极高,这制约了OLED的量产,提高了OLED器件的造价。

前板段:有机发光材料制备到基板上

前板段制程是整个AMOLED工艺中的最重要的环节。在这个阶段,就要将有机发光材料制备到基板上。

AMOLED的像素点全部都是蒸镀到基板上的:在真空中通过不同的热源,如电流加热、激光加热、电子束轰击加热等方法,将材料气化成为原子或是分子态,之后在辅以力场产生较大自由的直线运动,撞击到基体表面而凝结,形成薄膜。蒸镀有机材料时,在高真空腔室中会设有多个放置有机材料的蒸发舟,加热蒸发舟蒸镀有机材料,并利用石英晶体振荡器就能控制膜厚。

蒸镀是OLED制作的核心技术,不仅仅是有机发光材料,金属电极等也都是后续蒸镀上去的。

金属电极的蒸镀仍要在真空腔中进行。金属电极通常使用低功函数的活泼金属,因此在有机材料薄膜蒸镀完成后进行蒸镀。常用的金属电极有Mg/Ag、Mg:Ag/Ag、Li/Al、LiF/Al等。用于金属电极蒸镀的舟通常采用钼、钽和钨等材料制作,以便用于不同的金属电极蒸镀(主要是防止舟金属与蒸镀金属起化学反应)。

模组段:检查面板品质的最后一环

制备好的AMOLED面板在这里要进行最后的模组装配,形成最终的产品。

AMOLED模组段和LCM模组段相似,只不过,LCD需要与背光源进行组装,还需要贴合彩色滤光片,而这些在OLED中都不需要,所以OLED的模组段更加简单。

由于OLED器件的有机薄膜及金属薄膜遇水和空气后会立即氧化,使器件性能迅速下降,因此,OLED的封装工艺一定要在无水无氧的、通有惰性气体(如氩气)的手套箱中进行。

(三)OLED为什么能够取代液晶屏?

既然传统的LCD(液晶显示)技术已经十分成熟,OLED技术在显示屏上为何能够替代LCD成为下一代显示屏技术呢?

这是由于,OLED相比于传统显示屏幕,在技术优势上可以说是划时代的。

首先从原理上看,OLED屏就比LCD屏简单:

打个比方,LCD屏幕的显示原理,类似于广告灯箱,外面是彩色玻璃或树脂材料,里面有一个光源发出白色的光,然后透过彩色玻璃显出不同的颜色,呈现一个有色彩的像素点。而OLED呢,并不需要里面的光源,它自己就是灯本身,只要给它通电就能够发光,类似于平时看到的彩色灯管。

由于省去了背光的结构,OLED更薄。OLED的厚度小于1毫米,只有传统LCD屏幕的三分之一。同时,由于材料组成的特点,OLED抗震性能更好,不怕摔。

1、黑位水平:OLED究竟有多“黑”?

所谓“黑位水平”指的是画面在显示最深的颜色时,究竟能“黑”到什么程度。由于LCD屏的黑色是依赖对于白色背光的过滤和屏蔽,所以无法做到完全的黑,而OLED是自发光,只要关闭发光机制,就会彻底“黑掉”——24K纯黑。

这随之带来另一个特点,就是OLED在对比度上的优点。对比度就是屏幕最深的黑与最亮的白之间的差异,由于OLED在“黑”上的出色发挥,所以在更高的对比度上具有优势。

2、视角:画面360°无死角保真

视角方面,或许只有世界上最好的IPS屏幕才可以与OLED媲美,而传统的LCD,特别是手机和电视上使用的屏幕在视角上都无法与OLED对比。OLED几乎没有可视角度的问题,即使在很大的视角下,画面仍然不会失真。毕竟,人家是玩卷曲的嘛,画面失真还怎么混。

3、色域:良好的色彩准确度和视觉体验

色域指一个技术系统能够产生的颜色的总和。从理论上来说,OLED在色域上并不具备明显优势。基本上最好的OLED电视和顶级量子点LCD电视在色域表现上难分伯仲。但是,这是顶级量子点LCD,大多数的LCD屏幕是没有如此好的表现的。

4、颜色均匀性:即使在柔性状态下,色彩均匀性依旧优秀

OLED面板上由于每个像素都能自己发光,因此不需要光源扩散,所以在颜色均匀性上要表现好得多。LCD屏主要是由于背光通常来自于边缘,因此在照射均匀性上比较一般。而OLED即使在柔性状态下整体依然要优于LCD。

此外,OLED屏还有自身的优点,它的响应速度只有10微秒,特别适合高刷新率的显示需求,对于运动画面也不会出现拖影现象。而它的工作温度在-40到75℃之间,相比于传统屏幕更“全天候”。另外,OLED屏幕最大的特点就是可弯曲,能够在不同材质的基板上制造。

(四)OLED仍不完美,需要逾越“三座大山”

当然,夸了OLED这么多,并不代表OLED就是完美的下一代显示屏。它也有着自身发展必须逾越的“三座大山”——寿命、烧屏、良率!

显示屏的“使用寿命”,通常指的是 “观看普通影像时显示产品的亮度下降50%所需要的时间”。如今世界最成熟的OLED技术可以做到的寿命是50000个小时以上,这个寿命目前来说是比LCD短的。按照每天使用16小时(除了睡觉一直用手机,应该是手机使用的最高时间了),一款OLED屏的手机理论上只可以使用8年左右。

第二个缺点是“烧屏”,也就是残留影像,指的是长时间观看固定画面时,屏幕留下的印记。比如常看某台电视剧,右上角的LOGO就会印在上面,早期的等离子电视就有这个问题。目前,最新的OLED技术可以做到10000个小时以上杜绝此现象。

第三个,也是OLED走向市场最大的缺点就是“良品率”低,导致了OLED屏相比于同尺寸的LCD屏造价更高,以至于很多手机知名品牌多年来拒绝使用OLED屏。OLED屏起步时良品率不到30%,经过多年发展,某些企业可以做到80%,而高昂的研发成本也是OLED造价走高的原因之一。

结语

从“把显示器穿在身上”到“把手机卷起来”,十年前“柔性显示材料”在航空领域刚刚亮相时,人们恐怕很难想到,仅仅十年时间,这种新型显示材料和制造技术就“飞入寻常百姓家”。

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