AMOLED 未來的軟性顯示技術(shù)

繼薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)之后，主動有機發(fā)光二極管(AMOLED)被視為下一世代面板的最佳技術(shù)，其中有機發(fā)光二極管(OLED)為固態(tài)自發(fā)光顯示器，具有結(jié)構(gòu)簡單、自發(fā)光無需背光源、視角廣、影像色澤佳以及省電等優(yōu)勢，在中小面板市場可望得到廣泛應(yīng)用。

目前AMOLED技術(shù)不易做太大尺寸面板，且背光源的藍光部分壽命偏短，不過它通常用在智能手機上，而這類手機的替換率相當高，因此正好可以回避藍光壽命短的技術(shù)問題，只要在使用期間色澤優(yōu)點發(fā)揮到極致即可，而且手機面板也不用太大。AMOLED現(xiàn)階段已開始應(yīng)用于手機、MP3、數(shù)碼相機、數(shù)碼相框等中小尺寸顯示器產(chǎn)品。根據(jù)DisplaySearch數(shù)據(jù)顯示(圖1)，全球OLED面板產(chǎn)值將從2008年的6億美元增長到2016年的71億美元，年復合增長率達36%，這樣高的增長趨勢主要來自AMOLED的成長，其在2009年一季度面板產(chǎn)值已首度超越PMOLED，預期在2010年亦將超越PMOLED，成為推動OLED市場發(fā)光發(fā)熱的主要力量。

雖然AMOLED面板價格仍高于TFT LCD約50~100%，但未來2~3年內(nèi)可望降至10%，成為替代性技術(shù)。未來AMOLED面板尺寸以及亮度都會有不同程度的提升，預計尺寸將由現(xiàn)行的2.2~2.8寸放大到3寸以上，亮度則由目前的200nits進一步提升至300nits，以彰顯OLED在色彩鮮艷度、高對比度以及自發(fā)光方面的優(yōu)勢。這些特性提高了AMOLED應(yīng)用于高端智能手機面板的機會。

AMOLED制造廠商目前以韓國三星移動顯示(SMD)為主，出貨量約為每月200萬片，該公司于2010年4月20日宣布將投資次世代生產(chǎn)線，規(guī)劃在韓國忠清南道天安市的工廠投資建設(shè)可生產(chǎn)較大尺寸電視以及較大尺寸主動矩陣OLED基板的5.5代規(guī)格生產(chǎn)線，預計于2011年1月正式進入量產(chǎn)階段;同一時間負責生產(chǎn)玻璃基板的三星康寧預定2010年在韓國投資OLED用玻璃基板生產(chǎn)線。簡單來說，三星集團已經(jīng)作好了迎接主動矩陣OLED市場來臨的準備。樂金顯示(LGD)在今年預期會擴大AMOLED生產(chǎn)，并于下半年拉升整體出貨量至每月500~1,000萬片。

根據(jù)OLED Association評估，AMOLED面板將從中小尺寸面板出發(fā)，待生產(chǎn)規(guī)模放大后，才可能生產(chǎn)具價格競爭力的大尺寸TV，而大尺寸TV的畫質(zhì)表現(xiàn)將會是AMOLED的殺手級應(yīng)用。中小尺寸的產(chǎn)值預期可在2015年達到30~40億美元，未來若加上大尺寸則可進一步成長至120億美元。繼SMD與LGD大舉擴張AMOLED顯示面板制造產(chǎn)能后，友達也宣布于2010年底開始量產(chǎn)小尺寸AMOLED面板，迎接2011年手機市場對該面板的強勁需求，以期能夠趕上智能手機大量采用OLED面板的風潮。

目前除了許多智能手機開始采用主動矩陣OLED面板之外，以iPad為首的平板電腦也將從2011年開始進入OLED時代，右表為國際即將量產(chǎn)的不同廠商布局主動矩陣OLED情況，他們未來在中小尺寸的市場表現(xiàn)令人期待。

軟性AMOLED發(fā)展現(xiàn)況

目前大多數(shù)顯示器都是采用TFT LCD，若想做到輕薄短小、方便隨身攜帶，屏幕顯示的信息量就不夠;若想一次顯示足夠信息量，體積又會太大而不易攜帶，而且可能耗電太大。對于未來的顯示器，消費者希望其能夠具有信息量大、收藏方便、耗電低、摔不破、可彎曲折迭或收卷容易等特性。

除了優(yōu)異的畫質(zhì)表現(xiàn)，由晶體管驅(qū)動的AMOLED具備了以上消費者所希望的所有特質(zhì)，完全符合未來信息社會對于移動裝置顯示器的需求。若與TFT-LCD技術(shù)比較，AMOLED結(jié)構(gòu)簡單，不需背光、擴散板、配向膜、間隙子等繁復零組件，同時有機發(fā)光層的機械特性較接近軟性基板，因此更適合用于制作可彎可卷的軟性顯示器。

目前許多研究單位正致力于開發(fā)軟性AMOLED面板，并在專業(yè)期刊及國際研討會上展示了相關(guān)技術(shù)。例如日本索尼于2010 SID展示了4.1寸QVGA的軟性AMOLED顯示器，該顯示器在PES基板上制作有機晶體管(OTFT)背板，并搭配頂部發(fā)光OLED結(jié)構(gòu)，像素為432×240，分辨率121ppi，厚度80μm，曲率半徑為4mm。

另外，韓國廠商三星在2010 SID展出6.5寸與2.8寸的WQVGA軟性AMOLED顯示器，主動背板分別是金屬氧化物晶體管(Metal-oxide TFT;MOx TFT)與LTPS-TFTs。其中6.5寸AMOLED是在塑料基板上以250~300℃的制程溫度制作的金屬氧化物晶體管背板，搭配發(fā)光OLED結(jié)構(gòu)。Oxide TFT(17.8cm2/vs)組件是繼LTPS-TFT之后具有較a-Si TFT與OTFT更高載流子遷移率與驅(qū)動穩(wěn)定性的主動組件，因而適合驅(qū)動OLED這樣的電流組件。

Oxide TFT應(yīng)用范圍非常廣泛，包括可撓式顯示器、透明顯示器等應(yīng)用。以可撓式顯示器為例，因Oxide TFT可采用低溫制程制作，故搭配塑料基板可形成可撓性顯示器。因此，三星在可撓式顯示器發(fā)展中亦將導入該技術(shù)，其樣品像素為160×272，分辨率52ppi，彎曲的曲率半徑可達10mm。

另一家韓國廠商LGD亦對投入AMOLED十分積極，除了在2009橫濱光電展展出即將商品化的15寸AMOLED TV產(chǎn)品外，還在2010 SID展示了4.3寸HVGA軟性AMOLED面板。該面板采用不透明的不銹鋼金屬基板，在基板上制作低溫非晶硅晶體管(a-Si TFT)背板，并搭配倒置式頂部發(fā)光OLED結(jié)構(gòu)，其像素為480×320，分辨率134ppi，厚度0.3mm，彎曲曲率半徑小于50mm。

軟性AMOLED關(guān)鍵技術(shù)

軟性AMOLED的關(guān)鍵開發(fā)技術(shù)包括軟性基板、軟性TFT背板、軟性O(shè)LED發(fā)光層與封裝及保護層等，以下即針對這幾個關(guān)鍵技術(shù)進行深入探討。

軟性基板包括金屬箔、薄化玻璃、塑料基板。金屬箔因不透光因而使用上較具限制;薄化玻璃最大的問題在于易碎裂;以軟性的塑料基板來取代傳統(tǒng)如玻璃與金屬基板將面臨兩個重大技術(shù)問題，首先是基板本身的耐熱、光學、機械以及阻水氧等特性能否滿足組件應(yīng)用需求，其次是與TFT及OLED制程的兼容性。

塑料基板的耐熱特性包括熱裂解溫度、玻璃轉(zhuǎn)移溫度、熱膨脹系數(shù)等，在TFT制程中，塑料基板必須歷經(jīng)多次至少200℃以上的溫度考驗以及在真空鍍膜時的電漿轟擊，具備耐熱穩(wěn)定性與本質(zhì)化特性表現(xiàn)是成功的關(guān)鍵;光學特性則包括光穿透度、光色澤、折射系數(shù)等，作為顯示器的顯示面基板，優(yōu)異的光學特性是成像質(zhì)量的重要因素;機械特性包括表面平坦性與粗糙度、表面硬度、機械強度等，因為顯示器必須能承受人為的使用觸碰、收納攜帶等嚴苛環(huán)境考驗，所以使用過程中能夠不受損傷而有良好壽命也是重要的一環(huán);至于阻水氧穿透特性，則包括水氣穿透率(WVTR)及氧氣穿透率(OTR)，此二參數(shù)最常被用來說明基板與薄膜封裝阻水能力的好壞，有研究指出OLED壽命要達到10,000小時以上，薄膜封裝WVTR須小于1×10-6g/m2/天，而OTR則須小于1×10-5g/m2/天。

OLED的亮度對水氣與氧氣極為敏感，傳統(tǒng)AMOLED技術(shù)使用玻璃基板就可以有效阻擋水氣、氧氣對OLED組件的傷害，而現(xiàn)行塑料基板阻水氧特性皆在1g/m2/天以上，因此軟性AMOLED須再搭配阻隔結(jié)構(gòu)與薄膜封裝技術(shù)，才能達到有效的阻水氧穿透特性。如何在軟性顯示器上制造出類似玻璃封裝的高信賴性封裝結(jié)構(gòu)且具備撓曲特性是提高軟性AMOLED壽命最重要的課題。

采用現(xiàn)有半導體制程技術(shù)，直接將電子組件制作在塑料基板上仍有相當困難。較容易的做法是將塑料基板固著于支撐的玻璃載板上，再進行后續(xù)的組件制作，可行的技術(shù)包括貼附法以及直接涂布法。貼附法是利用貼合膠材或靜電吸附將塑料基板貼附于玻璃載板，可使用的基板包括PC、PET、PEN、PES、PI等;直接涂布法則使用涂布型的PI塑料基板，直接涂布于玻璃載板之上，中間夾以離型層以利于組件制程完成后取下塑料基板。以上技術(shù)各有其優(yōu)缺點，差異在于靜電吸附法須全程使用采印方法制作組件，制程較受限制;貼附法則須使用貼合膠材，膠材易受組件制程溫度影響產(chǎn)生形變，導致組件對位誤差而影響電子組件的特性表現(xiàn);直接涂布法可利用塑料基板與玻璃載板間良好的附著特性，故無須使用膠材，但衍生的問題是在離型層與電子組件制作完成后面板如何完整取下，目前較為成功的有飛利浦的接著犧牲層與激光取下方式組合和工研院的特殊離型層結(jié)構(gòu)與直接切割快速取下方式組合兩種技術(shù)。

另外，軟性TFT背板是驅(qū)動軟性AMOLED面板最為關(guān)鍵的技術(shù)，現(xiàn)階段研發(fā)中的技術(shù)包括硅基晶體管(Si TFT)、有機晶體管(OTFT)，以及最近熱門的金屬氧化物半導體晶體管。以上三種技術(shù)都可以在不同低溫下制作，故可與前述軟性塑料基板搭配。

軟性TFT背板開發(fā)需解決兩大技術(shù)瓶頸，即低溫制程與無應(yīng)力薄膜技術(shù)。一方面，為了將TFT制作于軟性基板，制程溫度需符合基板所能承受的耐溫極限，而低溫制程TFT將使組件特性面臨極大挑戰(zhàn);另一方面，低溫成長的薄膜其本質(zhì)應(yīng)力較小，更適合于軟性組件所使用，然而，低溫沉積的薄膜其膜內(nèi)缺陷較高溫沉積的薄膜高，從而影響到組件的電性與可靠度表現(xiàn)，因此制程溫度也要兼顧薄膜的電氣特性而不能無限制地降低。

軟性基板必須考慮到組件各層薄膜的應(yīng)力影響，因此無應(yīng)力薄膜技術(shù)的開發(fā)成為軟性TFT背板制作必須優(yōu)先考慮的環(huán)節(jié)，減少接口之間的應(yīng)力可以提升TFT特性。因此在軟性TFT背板技術(shù)的開發(fā)上，不僅基板材料、制程溫度，甚至連基板處理與制程中產(chǎn)生的本質(zhì)應(yīng)力等都要互相配合才能制作出適用于軟性顯示器的軟性TFT背板。

由于硅基技術(shù)比其他材料更為成熟，目前仍以軟性硅基TFT背板技術(shù)最為普遍，其中a-Si TFT具有制程簡單以及組件均勻性優(yōu)越等優(yōu)點，但電流驅(qū)動可靠度較差。此外開發(fā)高載流子遷移率技術(shù)將有助于AMOLED所需的高穩(wěn)定性電流，如微晶硅TFT與低溫多晶硅(LTPS)TFT等，就材料而言兩者具有較佳的硅結(jié)晶質(zhì)量，但需克服制程溫度與塑料基板制程兼容性的問題。

另一研發(fā)重點為撓曲操作下軟性TFT出現(xiàn)的臨界電壓漂移現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因首先是外加應(yīng)力造成門極絕緣層與主動層內(nèi)產(chǎn)生深層缺陷所致，其次是載流子移動率與次臨界斜率等特性較不為外加應(yīng)力而改變。這些TFT特性的變化對于整合到軟性TFT背板十分重要，如何避免因軟性撓曲而造成TFT背板電性變化將是軟性AMOLED面板結(jié)構(gòu)設(shè)計與驅(qū)動電路設(shè)計之重點。

結(jié)語

與其他軟性顯示器技術(shù)如EPD、Ch-LC電子紙相比，軟性AMOLED顯示器在顯示畫質(zhì)上具有全彩顯示與高對比度等優(yōu)點，可播放多媒體影音等動態(tài)視頻內(nèi)容，適合高端智能移動裝置應(yīng)用，其可彎卷軟性面板與現(xiàn)有玻璃基板顯示器具有明顯的差異。DisplaySearch對全球軟性O(shè)LED顯示器成長趨勢的預測(如圖4)顯示，2011年將開始有相關(guān)產(chǎn)品進入市場，出貨量于2013年超過千萬片，而在2015年軟性OLED面板將達到十億美元的產(chǎn)值規(guī)模。

雖然現(xiàn)在軟性O(shè)LED仍處于技術(shù)研發(fā)與樣品研制階段，但隨著軟性基板、TFT背板與OLED及封裝等相關(guān)技術(shù)發(fā)展，目前除了日韓廠商均積極開發(fā)技術(shù)，臺灣地區(qū)企業(yè)也持續(xù)加大相關(guān)的研發(fā)力度，這意味著未來軟性AMOLED產(chǎn)品化的可能性日益增高。此外，軟性AMOLED將有助于臺灣地區(qū)顯示器上中下游產(chǎn)業(yè)持續(xù)升級，除了將較不具競爭力的五代以下生產(chǎn)線重新轉(zhuǎn)型到發(fā)展具高附加價值的軟性AMOLED顯示器，也可協(xié)助臺灣地區(qū)其他產(chǎn)業(yè)，如塑化、設(shè)備等跨足電子顯示領(lǐng)域，并加速材料廠商提升技術(shù)競爭力，為顯示產(chǎn)業(yè)帶來智能化生活與節(jié)能減碳的新契機。