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    一文让你全面了解OLED技术以及AMOLED屏

      发布时间:2019-05-16 22:08

      三星以及部分国产智能手机早已用上了AMOLED显示屏,不过传言iPhone8将采用AMOLED显示屏的消息再一次推高了OLED技术的热度。虽然经常听说AMOLED,但你知道它与OLED的关系吗?手机厂商为何要争抢OLED面板?智能手机和VR能让OLED成为主流吗?带着一连串的问题,让我们来全面了解一下OLED技术。

      有机发光二极管(OLED)是一种由柯达公司开发并拥有专利的显示技术,这项技术使用有机聚合材料作为发光二极管中的半导体(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。蛋白质和DNA就是有机聚合物的例子。

      OLED基本架构是由ITO(氧化铟锡)与电力的正极相连,再加上一个金属阴极,包成如三明治的结构。整个架构层中包括了:空穴传输层、发光层和电子传输层。在电场的作用下,阳极产生的空穴和阴极产生的电子就会发生移动,分别向空穴传输层和电子传输层注入,迁移到发光层。当而正在发光层相遇时,产生能量激子,从而激发发光分子产生可见光。当电力供应至适当电压时,正极空穴与阴极电荷就会在发光层中结合,产生光亮,依其配方不同产生红绿蓝光,按照三基色原理形成基本色彩。

      OLED具备自发光功能,而LCD自身不发光,需要背光源支持,即光源来自显示面板下方。LCD与背光源共同构成LCM,其中LCD一般采用多层级结构,主要由偏光片、玻璃基板、彩色滤光片、透明电极、TFT、液晶等面板材料组成,而背光源主要由光源、导光板、光学用模片、结构件等组成。

      其中PMOLED单纯的以阴阳极构成矩阵状,以扫描方式点亮阵列中的像素,每个像素都是操作在脉冲模式下,为瞬间高亮度发光,优点是工艺简单、成本较低,缺点是不适合应用在大尺寸与高分辨率面板上,不符合发展趋势。

      AMOLED则是采用独立的TFT去控制每个像素,每个像素皆可以连续且独立发光,优点是驱动电压低,发光组件寿命长,缺点是工艺复杂,成本不易控制。AMOLED占据了OLED市场的绝大部分份额,代表着主流的发展方向,目前市场上所说的OLED产品一般默认是AMOLED。

      OLED的特色在于其核心可以做得很薄,厚度为目前液晶的1/3,加上有机发光半导体为全固态组件,抗震性好,能适应恶劣环境。有机发光半导体主要是自体发光的,让其几乎没有视角问题;与LCD技术相比,即使在大的角度观看,显示画面依然清晰可见。有机发光半导体的组件为自发光且是依靠电压来调整,反应速度要比液芯片件来得快许多,比较适合当作高清电视使用。2007年底SONY推出的11吋有机发光半导体电视XEL-1,反应速度就比LCD快了1000倍。

      有机发光半导体的另一项特性是对低温的适应能力,旧有的液晶技术在零下75度时,即会破裂故障,有机发光半导体只要电路未受损仍能正常显示。此外,有机发光半导体的效率高,耗能较液晶略低还可以在不同材质的基板上制造,甚至能成制作成可弯曲的显示器,应用范围日渐增广。

      有机发光半导体与LCD比较之下较占优势,数年前OLED的使用寿命仍然难以达到消费性产品(如PDA、移动电话及数码相机等)应用的要求,但近年来已有大幅的突破,许多移动电话的屏幕已采用OLED,然而在价格上仍然较LCD贵许多,这也是未来量产技术等待突破的。

      无论是AMOLED还是TFT-LCD,其制作过程的第一步是背板段工艺,即制作TFT基板。由于OLED属于电流驱动器件,对电流的稳定性要求很高,而电流的稳定性又与电子的迁移率有关,因此LTPS是适合做OLED用TFT的最佳半导体薄膜,一般来说AMOLED均采用LTPS基板搭载TFT。而LCD中由于成本及工艺的原因,采用a-Si的最多。

      值得注意的是,TFT指薄膜晶体管,在LCD中起驱动开关的作用,通过TFT开关控制液晶的电压大小,进而控制液晶分子的旋转角度,通过遮光和透光来达到显示的目的;在OLED中同样起开关的作用,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阵列中的不同点:1)OLED对TFT需求数量较多,LCD中一个像素只需要一个TFT,而OLED中至少需要4个TFT;2)OLED对TFT的制备工艺要求极高,同样是TFT,OLED中的TFT良率要远低于LCD中的TFT。

      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,技术难点在于微米级的工艺精细度以及对于电性指标的极高均一度要求,具体流程见下图。背板段流程中涉及的设备有:光刻机、湿刻机、干刻机、ICP-干刻机、PVD、CVD、TEOSCVD、HF清洗机、激光晶化机、离子注入机、快速热退火机等。

      前板段制程是整个AMOLED工艺中的最重要的环节。具体流程为:对LTPS-TFT基板进行不同方式的清洗、干燥之后,送入氮气环境中进行降温,并反转基板,使膜面朝下。对于处理后的基板,送入5x105Mpa的真空室内进行各功能层、发光层的蒸镀。蒸镀之后对AMOLED进行功能性和外观性的检测以及偏光片的贴附,最后进入模组段制程。前板段涉及到的主要设备有:基板转移设备、基板清洗设备、蒸镀机、张紧机、老化机、固化机等设备。

      与盖板玻璃核心工艺在于“雕”字类似,AMOLED制备工艺的核心在于“蒸”字,也即AMOLED的像素点全部都是蒸镀到LTPS上的。所谓蒸镀,就是真空中通过电流加热,电子束轰击加热和激光加热等方法,使被蒸材料蒸发成原子或分子,它们随即以较大的自由程作直线运动,碰撞基片表面而凝结,进而形成薄膜。可以说,蒸镀是OLED制造工艺的精华部分,而且不仅是发光材料,金属电极等等之类也是蒸镀上去的。

      蒸镀工艺难度极高,需要专用的蒸镀机才能够完成。目前业界公认日本Canon旗下子公司Tokki的技术能力最佳,全球范围内拥有大规模量产实际业绩的蒸镀设备也仅有日本Tokki一家,实际上Tokki基本垄断了全球蒸镀机的供应。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镀机,1996年研发出用于量产的蒸镀机,2007年被Canon公司收购。

      对制作好的AMOLED面板进行模组装配是产品面向应用的最后一道工序,也是检测面板品质的最后一道环节。AMOLED模组段和LCM模组段相似,但由于LCD需要与背光源进行组装,且LCD需要贴合彩色滤光片而AMOLED不需要等,总体来看在模组段的工序上AMOLED要比LCM简单。基本流程为:首先对面板进行切割、裂片、清洗和干燥,然后再进行面板的ACF贴附,接着做COG、FOG、TAB的绑定,经模组电测之后,涂保护胶并固化,最后完成外引线和驱动板装配,进行包装入库。其中涉及到的设备主要有:清洗机、板材切合机、粒子检测机、偏光片贴合机、ACF贴附机(贴附异向导电胶膜的机器)、COG邦定机(绑定控制IC的机器)、FOG邦定机(绑定FPC的机器)、OLB邦定机(绑定外引脚TAB的机器)、老化测试机、AOI自动检测机等等。

      OLED是行业共同关注的未来显示技术方向,但相对于应用低温多晶硅技术的中小尺寸OLED屏幕,应用氧化物技术的大尺寸OLED屏幕在普及中遇到了众多技术难点,目前受制于一些关键技术、成本及良品率偏低等因素影响,OLED面板规模性应用及大尺寸产业化尚有较长一段进程。

      面板、有机材料镀膜及封装为OLED大屏幕产品量产化的三大指标,由于开发大尺寸设备的瓶颈难以突破,低温多晶矽(LTPS)面板制程难以跨越5.5代OLED面板生产线,因为这种技术是把红、绿、蓝有机发光体在玻璃面板上水平蒸镀,由于在蒸镀时必须要使用金属遮罩,在做大面板时由于重力会造成金属遮罩下沉及混色等问题,因此不适合实现大尺寸和高分辨率。

      常见的氧化物薄膜晶体管元件结构主要有共平面(Coplanar)、蚀刻阻障层(Island Stop/Etch Stop Layer,IS/ESL)和背通道蚀刻(Back Channel Etch,BCE)这三种。共平面结构制程简单,但因为氧化物半导体层要攀爬源汲极金属,容易导致电特性与接触问题,且可靠度不佳。

      至于背通道蚀刻和蚀刻阻障层结构在元件特性及制程良品率上则较具优势,尤其是背通道蚀刻结构相容于标准非晶矽结构,极具竞争力。但若考量可靠度,则以蚀刻阻障层结构最为理想,原因主要在于蚀刻阻挡层可保护元件的背通道,不受制程影响产生特性 差异,但缺点是复杂的制程导致成品与良品率问题。

      氧化物薄膜晶体管技术的重要性在于其量产机型相容于现有主流技术非晶硅的设备,由于氧化物薄膜晶体管材料特性对光与热会导致电特性的改变,即临界电压偏移(Threshold Voltage Shift,Vth Shift),甚至可以运用在光感应器(Photo Sensor)上,所以如何改善均匀度与可靠度将是一大难题,制程的调校相当困难与敏感,制程稳定度要求也相对高。

      OLED屏幕采用红、绿、蓝(R、G、B)像素组成,其使用主流的有机材料镀膜技术真空蒸镀注,这种制作方式要平衡每个像素内红、绿、蓝有机发光体的放置量,维持亮度的均匀性,随着OLED屏幕尺寸加大,会导致生产良品率下降,由于蓝色有机发光体的寿命短,为了修复其缺陷,会稍微多蒸镀一点蓝色OLED有机发光体,但导致的结果是红、绿、蓝像素构造中的色彩歪曲现象。除因蒸镀槽设计缘故,致使蒸镀技术的生产效率欠佳之外,也面临适使用8代OLED面板生产线的蒸镀设备的难产窘境。

      虽然制程相对较难的精细金属遮罩(Fine Metal Mask,FMM,也叫精细金属掩膜板)像素技术的色彩表现较佳、省电,但立刻就会遇到大尺寸化的挑战,包括挑战精细金属遮罩与无混色(Color Mixing)需求,以及挑战温度超过1000℃以上的金属蒸镀制程。研究人员严格地执行制程控制,有效率地回馈制程参数,并且搭配精细分片(Fine Divided Sheet,FDS)技术后,终于成功开发出不混色技术,达成前端氧化物薄膜晶体管与后端OLED皆可全板(Full Sheet)制作的里程碑。

      自从串级式(Tandem)OLED结构被发表后,高效率白光OLED已经逐步成真,并且随着材料与元件的技术演进,白光OLED技术已到达照明领域与显示器领域上可被接受的水准。然而,相较于采用红、绿、蓝像素并置法的OLED的广色域与高色纯度,白光OLED元件却难以望其项背。除此之外,组成白光元件至少需要10层膜以上,在长时间下,每一片OLED元件上的膜的厚度均一性也是金属蒸镀设备上亟待解决的一大问题。

      目前,有机光电子学在材料、功效、寿命、彩色化、大尺寸、柔性化、封装和生产工艺等方面尚有一系列理论、技术和工艺问题亟待解决,这些环节上存在的不足都相当程度地制约了有机光电功能材料与技术在产业化方向的发展。其中,OLED技术要达到大规模的应用,取决于材料、设计和制备工艺等的全面进步,还需要对材料和器件结构进行创新,以提高功效、增加稳定性和降低成本。

      OLED、MICROLED、QLED这个三个技术,由于可以采用三原色亚像素自发光的结构,其光效率理论上可以达到95%。即只要不断改善发光材料的电光转化率,这些技术的节能水平就可以远超过液晶这一点对于移动设备、穿戴设备意义非比寻常。

      从最终显示产品的结构上看,OLED、MICROLED、QLED都是TFT结构上排列电光转化材料。这个结构上的一致性,决定了三种显示技术的不同之处,主要由这三种显示技术所用到的电光转化材料的差异决定。

      如果将视角从产品体验上,转移到制造过程上,OLED、MICROLED、QLED具有非常多的相似点,正是因为在制造工艺上这些技术的相似性,业内才认为下一代显示技术路线之争,远没有当年液晶和等离子“你死我活”般的激烈,毕竟这三种显示技术,通用设备与工艺的比例在7成左右。

      从缺点看,OLED作为有机材料、有机物质,有其固有缺陷即寿命和稳定性,难以媲美无机材料的QLED和MICROLED、QLED产品,虽然性能品质出色,但产业化进程不佳,或者说规模制备的难度不小。

      MICROLED产品发光器件是固体化的微型LED灯珠(微米量级),虽然其制备与传统LED灯珠差异较大,但是也可很好继承传统LED产业的巨大产能和技术积累,不存在规模化生产的问题,但是MICROLED灯珠是一种正负电极性的微结构,不像OLED和QLED是一种单纯材料,其产品在TFT基板上的迁移过程、移植工艺难度最高,工艺可靠性也最低。

      但MICROLED也有其独特优势:1、发光效率上,目前MICROLED最高,且还在大幅提升空间;2、发光能量密度上,MICROLED最高,且还有提升空间。前者,有利于显示设备的节能;后者则可以节约显示设备有限的表面积,并部署更多的传感器。目前的理论结果是,MICROLED和OLED比较,达到同等显示器亮度,只需要后者10%左右的涂覆面积。

      虽然,OLED/MICROLED/QLED的各自的特点如此鲜明,但是更大的一个问题是,从应用角度看,这三者几乎不具有“对手完全不具备的”优势。例如,OLED的核心问题“寿命”不及后两者,但是却也足以满足家用电视机10年以上的使用需求至于QLED理论上三五十年的使用其,则不具有实践上的意义。

      所以,OLED/MICROLED/QLED这些技术哪一个能够最终成为赢家,更多的不是取决于技术性能的对比,而是工程实践、规模制造下的成本性、可靠性。

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