三星以及部分國產(chǎn)智能手機早已用上了AMOLED顯示屏，不過傳言iPhone8將采用AMOLED顯示屏的消息再一次推高了OLED技術(shù)的熱度。雖然經(jīng)常聽說AMOLED，但你知道它與OLED的關(guān)系嗎?手機廠商為何要爭搶OLED面板?智能手機和VR能讓OLED成為主流嗎?帶著一連串的問題，讓我們來全面了解一下OLED技術(shù)。
OLED的結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理
有機發(fā)光二極管(OLED)是一種由柯達公司開發(fā)并擁有專利的顯示技術(shù)，這項技術(shù)使用有機聚合材料作為發(fā)光二極管中的半導體(semiconductor)材料。聚合材料可以是天然的，也可能是人工合成的，可能尺寸很大，也可能尺寸很小。蛋白質(zhì)和DNA就是有機聚合物的例子。
OLED基本架構(gòu)是由ITO(氧化銦錫)與電力的正極相連，再加上一個金屬陰極，包成如三明治的結(jié)構(gòu)。整個架構(gòu)層中包括了：空穴傳輸層、發(fā)光層和電子傳輸層。在電場的作用下，陽極產(chǎn)生的空穴和陰極產(chǎn)生的電子就會發(fā)生移動，分別向空穴傳輸層和電子傳輸層注入，遷移到發(fā)光層。當而正在發(fā)光層相遇時，產(chǎn)生能量激子，從而激發(fā)發(fā)光分子產(chǎn)生可見光。當電力供應至適當電壓時，正極空穴與陰極電荷就會在發(fā)光層中結(jié)合，產(chǎn)生光亮，依其配方不同產(chǎn)生紅綠藍光，按照三基色原理形成基本色彩。
OLED具備自發(fā)光功能，而LCD自身不發(fā)光，需要背光源支持，即光源來自顯示面板下方。LCD與背光源共同構(gòu)成LCM，其中LCD一般采用多層級結(jié)構(gòu)，主要由偏光片、玻璃基板、彩色濾光片、透明電極、TFT、液晶等面板材料組成，而背光源主要由光源、導光板、光學用模片、結(jié)構(gòu)件等組成。
OLED分類及特點
按照驅(qū)動方式分類，OLED可以分為AMOLED(AcTIve MatrixOLED，主動矩陣OLED，或稱有源矩陣OLED)和PMOLED(Passive MatrixOLED，被動矩陣OLED，或稱無源矩陣OLED)。
其中PMOLED單純的以陰陽極構(gòu)成矩陣狀，以掃描方式點亮陣列中的像素，每個像素都是操作在脈沖模式下，為瞬間高亮度發(fā)光，優(yōu)點是工藝簡單、成本較低，缺點是不適合應用在大尺寸與高分辨率面板上，不符合發(fā)展趨勢。
AMOLED則是采用獨立的TFT去控制每個像素，每個像素皆可以連續(xù)且獨立發(fā)光，優(yōu)點是驅(qū)動電壓低，發(fā)光組件壽命長，缺點是工藝復雜，成本不易控制。AMOLED占據(jù)了OLED市場的絕大部分份額，代表著主流的發(fā)展方向，目前市場上所說的OLED產(chǎn)品一般默認是AMOLED。
OLED的特色在于其核心可以做得很薄，厚度為目前液晶的1/3，加上有機發(fā)光半導體為全固態(tài)組件，抗震性好，能適應惡劣環(huán)境。有機發(fā)光半導體主要是自體發(fā)光的，讓其幾乎沒有視角問題;與LCD技術(shù)相比，即使在大的角度觀看，顯示畫面依然清晰可見。有機發(fā)光半導體的組件為自發(fā)光且是依靠電壓來調(diào)整，反應速度要比液芯片件來得快許多，比較適合當作高清電視使用。2007年底SONY推出的11吋有機發(fā)光半導體電視XEL-1，反應速度就比LCD快了1000倍。
有機發(fā)光半導體的另一項特性是對低溫的適應能力，舊有的液晶技術(shù)在零下75度時，即會破裂故障，有機發(fā)光半導體只要電路未受損仍能正常顯示。此外，有機發(fā)光半導體的效率高，耗能較液晶略低還可以在不同材質(zhì)的基板上制造，甚至能成制作成可彎曲的顯示器，應用范圍日漸增廣。
有機發(fā)光半導體與LCD比較之下較占優(yōu)勢，數(shù)年前OLED的使用壽命仍然難以達到消費性產(chǎn)品(如PDA、移動電話及數(shù)碼相機等)應用的要求，但近年來已有大幅的突破，許多移動電話的屏幕已采用OLED，然而在價格上仍然較LCD貴許多，這也是未來量產(chǎn)技術(shù)等待突破的。
AMOLED生產(chǎn)工藝
由于AMOLED占據(jù)了OLED絕大部分市場份額，因此我們主要闡述AMOLED的制作工藝。
背板段
無論是AMOLED還是TFT-LCD，其制作過程的第一步是背板段工藝，即制作TFT基板。由于OLED屬于電流驅(qū)動器件，對電流的穩(wěn)定性要求很高，而電流的穩(wěn)定性又與電子的遷移率有關(guān)，因此LTPS是適合做OLED用TFT的最佳半導體薄膜，一般來說AMOLED均采用LTPS基板搭載TFT。而LCD中由于成本及工藝的原因，采用a-Si的最多。
值得注意的是，TFT指薄膜晶體管，在LCD中起驅(qū)動開關(guān)的作用，通過TFT開關(guān)控制液晶的電壓大小，進而控制液晶分子的旋轉(zhuǎn)角度，通過遮光和透光來達到顯示的目的;在OLED中同樣起開關(guān)的作用，通過TFT開關(guān)控制電流大小進而控制發(fā)光亮度。LCD和OLED在制備TFT陣列中的不同點：1)OLED對TFT需求數(shù)量較多，LCD中一個像素只需要一個TFT，而OLED中至少需要4個TFT;2)OLED對TFT的制備工藝要求極高，同樣是TFT，OLED中的TFT良率要遠低于LCD中的TFT。
背板段工藝主要通過成膜，曝光，蝕刻疊加不同圖形不同材質(zhì)的膜層以形成LTPS，技術(shù)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，具體流程見下圖。背板段流程中涉及的設(shè)備有：光刻機、濕刻機、干刻機、ICP-干刻機、PVD、CVD、TEOSCVD、HF清洗機、激光晶化機、離子注入機、快速熱退火機等。
前板段
前板段制程是整個AMOLED工藝中的最重要的環(huán)節(jié)。具體流程為：對LTPS-TFT基板進行不同方式的清洗、干燥之后，送入氮氣環(huán)境中進行降溫，并反轉(zhuǎn)基板，使膜面朝下。對于處理后的基板，送入5x10—5Mpa的真空室內(nèi)進行各功能層、發(fā)光層的蒸鍍。蒸鍍之后對AMOLED進行功能性和外觀性的檢測以及偏光片的貼附，最后進入模組段制程。前板段涉及到的主要設(shè)備有：基板轉(zhuǎn)移設(shè)備、基板清洗設(shè)備、蒸鍍機、張緊機、老化機、固化機等設(shè)備。
與蓋板玻璃核心工藝在于“雕”字類似，AMOLED制備工藝的核心在于“蒸”字，也即AMOLED的像素點全部都是蒸鍍到LTPS上的。所謂蒸鍍，就是真空中通過電流加熱，電子束轟擊加熱和激光加熱等方法，使被蒸材料蒸發(fā)成原子或分子，它們隨即以較大的自由程作直線運動，碰撞基片表面而凝結(jié)，進而形成薄膜?？梢哉f，蒸鍍是OLED制造工藝的精華部分，而且不僅是發(fā)光材料，金屬電極等等之類也是蒸鍍上去的。
蒸鍍工藝難度極高，需要專用的蒸鍍機才能夠完成。目前業(yè)界公認日本Canon旗下子公司Tokki的技術(shù)能力最佳，全球范圍內(nèi)擁有大規(guī)模量產(chǎn)實際業(yè)績的蒸鍍設(shè)備也僅有日本Tokki一家，實際上Tokki基本壟斷了全球蒸鍍機的供應。Tokki公司于1986年由三家公司合并成立，于1993年研制出中小尺寸蒸鍍機，1996年研發(fā)出用于量產(chǎn)的蒸鍍機，2007年被Canon公司收購。
模組段
對制作好的AMOLED面板進行模組裝配是產(chǎn)品面向應用的最后一道工序，也是檢測面板品質(zhì)的最后一道環(huán)節(jié)。AMOLED模組段和LCM模組段相似，但由于LCD需要與背光源進行組裝，且LCD需要貼合彩色濾光片而AMOLED不需要等，總體來看在模組段的工序上AMOLED要比LCM簡單?；玖鞒虨椋菏紫葘γ姘暹M行切割、裂片、清洗和干燥，然后再進行面板的ACF貼附，接著做COG、FOG、TAB的綁定，經(jīng)模組電測之后，涂保護膠并固化，最后完成外引線和驅(qū)動板裝配，進行包裝入庫。其中涉及到的設(shè)備主要有：清洗機、板材切合機、粒子檢測機、偏光片貼合機、ACF貼附機(貼附異向?qū)щ娔z膜的機器)、COG邦定機(綁定控制IC的機器)、FOG邦定機(綁定FPC的機器)、OLB邦定機(綁定外引腳TAB的機器)、老化測試機、AOI自動檢測機等等。
OLED的技術(shù)及應用挑戰(zhàn)
OLED是行業(yè)共同關(guān)注的未來顯示技術(shù)方向，但相對于應用低溫多晶硅技術(shù)的中小尺寸OLED屏幕，應用氧化物技術(shù)的大尺寸OLED屏幕在普及中遇到了眾多技術(shù)難點，目前受制于一些關(guān)鍵技術(shù)、成本及良品率偏低等因素影響，OLED面板規(guī)模性應用及大尺寸產(chǎn)業(yè)化尚有較長一段進程。
采用OLED大屏幕的產(chǎn)品
面板、有機材料鍍膜及封裝為OLED大屏幕產(chǎn)品量產(chǎn)化的三大指標，由于開發(fā)大尺寸設(shè)備的瓶頸難以突破，低溫多晶矽(LTPS)面板制程難以跨越5.5代OLED面板生產(chǎn)線，因為這種技術(shù)是把紅、綠、藍有機發(fā)光體在玻璃面板上水平蒸鍍，由于在蒸鍍時必須要使用金屬遮罩，在做大面板時由于重力會造成金屬遮罩下沉及混色等問題，因此不適合實現(xiàn)大尺寸和高分辨率。
面板技術(shù)比較表
采用OLED透明屏幕的產(chǎn)品
常見的氧化物薄膜晶體管元件結(jié)構(gòu)主要有共平面(Coplanar)、蝕刻阻障層(Island Stop/Etch Stop Layer，IS/ESL)和背通道蝕刻(Back Channel Etch，BCE)這三種。共平面結(jié)構(gòu)制程簡單，但因為氧化物半導體層要攀爬源汲極金屬，容易導致電特性與接觸問題，且可靠度不佳。
至于背通道蝕刻和蝕刻阻障層結(jié)構(gòu)在元件特性及制程良品率上則較具優(yōu)勢，尤其是背通道蝕刻結(jié)構(gòu)相容于標準非晶矽結(jié)構(gòu)，極具競爭力。但若考量可靠度，則以蝕刻阻障層結(jié)構(gòu)最為理想，原因主要在于蝕刻阻擋層可保護元件的背通道，不受制程影響產(chǎn)生特性 差異，但缺點是復雜的制程導致成品與良品率問題。
常見的氧化物薄膜晶體管元件結(jié)構(gòu)比較表
氧化物薄膜晶體管技術(shù)的重要性在于其量產(chǎn)機型相容于現(xiàn)有主流技術(shù)非晶硅的設(shè)備，由于氧化物薄膜晶體管材料特性對光與熱會導致電特性的改變，即臨界電壓偏移(Threshold Voltage Shift，Vth Shift)，甚至可以運用在光感應器(Photo Sensor)上，所以如何改善均勻度與可靠度將是一大難題，制程的調(diào)校相當困難與敏感，制程穩(wěn)定度要求也相對高。
OLED屏幕采用紅、綠、藍(R、G、B)像素組成，其使用主流的有機材料鍍膜技術(shù)——真空蒸鍍注，這種制作方式要平衡每個像素內(nèi)紅、綠、藍有機發(fā)光體的放置量，維持亮度的均勻性，隨著OLED屏幕尺寸加大，會導致生產(chǎn)良品率下降，由于藍色有機發(fā)光體的壽命短，為了修復其缺陷，會稍微多蒸鍍一點藍色OLED有機發(fā)光體，但導致的結(jié)果是紅、綠、藍像素構(gòu)造中的色彩歪曲現(xiàn)象。除因蒸鍍槽設(shè)計緣故，致使蒸鍍技術(shù)的生產(chǎn)效率欠佳之外，也面臨適使用8代OLED面板生產(chǎn)線的蒸鍍設(shè)備的難產(chǎn)窘境。
常見全彩OLED技術(shù)比較表
雖然制程相對較難的精細金屬遮罩(Fine Metal Mask，F(xiàn)MM，也叫精細金屬掩膜板)像素技術(shù)的色彩表現(xiàn)較佳、省電，但立刻就會遇到大尺寸化的挑戰(zhàn)，包括挑戰(zhàn)精細金屬遮罩與無混色(Color Mixing)需求，以及挑戰(zhàn)溫度超過1000℃以上的金屬蒸鍍制程。研究人員嚴格地執(zhí)行制程控制，有效率地回饋制程參數(shù)，并且搭配精細分片(Fine Divided Sheet，F(xiàn)DS)技術(shù)后，終于成功開發(fā)出不混色技術(shù)，達成前端氧化物薄膜晶體管與后端OLED皆可全板(Full Sheet)制作的里程碑。
采用OLED曲面屏幕的產(chǎn)品
自從串級式(Tandem)OLED結(jié)構(gòu)被發(fā)表后，高效率白光OLED已經(jīng)逐步成真，并且隨著材料與元件的技術(shù)演進，白光OLED技術(shù)已到達照明領(lǐng)域與顯示器領(lǐng)域上可被接受的水準。然而，相較于采用紅、綠、藍像素并置法的OLED的廣色域與高色純度，白光OLED元件卻難以望其項背。除此之外，組成白光元件至少需要10層膜以上，在長時間下，每一片OLED元件上的膜的厚度均一性也是金屬蒸鍍設(shè)備上亟待解決的一大問題。
目前，有機光電子學在材料、功效、壽命、彩色化、大尺寸、柔性化、封裝和生產(chǎn)工藝等方面尚有一系列理論、技術(shù)和工藝問題亟待解決，這些環(huán)節(jié)上存在的不足都相當程度地制約了有機光電功能材料與技術(shù)在產(chǎn)業(yè)化方向的發(fā)展。其中，OLED技術(shù)要達到大規(guī)模的應用，取決于材料、設(shè)計和制備工藝等的全面進步，還需要對材料和器件結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新，以提高功效、增加穩(wěn)定性和降低成本。
與OLED競爭的下一代平板顯示技術(shù)MICRO LED、QLED
OLED、MICROLED、QLED這個三個技術(shù)，由于可以采用三原色亞像素自發(fā)光的結(jié)構(gòu)，其光效率理論上可以達到95%。即只要不斷改善發(fā)光材料的電光轉(zhuǎn)化率，這些技術(shù)的節(jié)能水平就可以遠超過液晶——這一點對于移動設(shè)備、穿戴設(shè)備意義非比尋常。
從最終顯示產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)上看，OLED、MICROLED、QLED都是TFT結(jié)構(gòu)上排列電光轉(zhuǎn)化材料。這個結(jié)構(gòu)上的一致性，決定了三種顯示技術(shù)的不同之處，主要由這三種顯示技術(shù)所用到的電光轉(zhuǎn)化材料的差異決定。
如果將視角從產(chǎn)品體驗上，轉(zhuǎn)移到制造過程上，OLED、MICROLED、QLED具有非常多的相似點，正是因為在制造工藝上這些技術(shù)的相似性，業(yè)內(nèi)才認為下一代顯示技術(shù)路線之爭，遠沒有當年液晶和等離子“你死我活”般的激烈，畢竟這三種顯示技術(shù)，通用設(shè)備與工藝的比例在7成左右。
從缺點看，OLED作為有機材料、有機物質(zhì)，有其固有缺陷——即壽命和穩(wěn)定性，難以媲美無機材料的QLED和MICROLED、QLED產(chǎn)品，雖然性能品質(zhì)出色，但產(chǎn)業(yè)化進程不佳，或者說規(guī)模制備的難度不小。
MICROLED產(chǎn)品發(fā)光器件是固體化的微型LED燈珠(微米量級)，雖然其制備與傳統(tǒng)LED燈珠差異較大，但是也可很好繼承傳統(tǒng)LED產(chǎn)業(yè)的巨大產(chǎn)能和技術(shù)積累，不存在規(guī)模化生產(chǎn)的問題，但是MICROLED燈珠是一種正負電極性的微結(jié)構(gòu)，不像OLED和QLED是一種單純材料，其產(chǎn)品在TFT基板上的遷移過程、移植工藝難度最高，工藝可靠性也最低。
但MICROLED也有其獨特優(yōu)勢：1、發(fā)光效率上，目前MICROLED最高，且還在大幅提升空間;2、發(fā)光能量密度上，MICROLED最高，且還有提升空間。——前者，有利于顯示設(shè)備的節(jié)能;后者則可以節(jié)約顯示設(shè)備有限的表面積，并部署更多的傳感器。目前的理論結(jié)果是，MICROLED和OLED比較，達到同等顯示器亮度，只需要后者10%左右的涂覆面積。
雖然，OLED/MICROLED/QLED的各自的特點如此鮮明，但是更大的一個問題是，從應用角度看，這三者幾乎不具有“對手完全不具備的”優(yōu)勢。例如，OLED的核心問題“壽命”不及后兩者，但是卻也足以滿足家用電視機10年以上的使用需求——至于QLED理論上三五十年的使用其，則不具有實踐上的意義。
所以，OLED/MICROLED/QLED這些技術(shù)哪一個能夠最終成為贏家，更多的不是取決于技術(shù)性能的對比，而是工程實踐、規(guī)模制造下的成本性、可靠性。
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