OLED技术分析

OLED技术分析 简介 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。 发展沿革 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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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(Low Voltage，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发光原理及构造 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。 图一、有机发光二极管的内部主要构造 阴极电极 电子传递层 发光层(EML) 电洞传递层 电洞注入层 阳极(Anode) 玻璃基板 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。 表一、小分子组件及高分子组件特性比较 项目 小分子组件 高分子组件 耐热性 较低 较高 制膜法 真空热蒸镀 旋转涂布法 纯度 较高 较低 最高辉度(cd/m2) 140000 70000 效率(lm/W) 10 7 寿命 >10000 <10000 资料来源：工研院化工所 IT IS, FPDisplay整理， 2004/10 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。 全彩化及驱动方式 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(Active Matrix，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。 图二、被动式 OLED应用市场分析 资料来源：Display Search, FPDisplay整理, 2004/10 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。 厂商投入状况 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(最大可调整 至 200毫米*200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。 结论 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。