AM OLED：OLED的“明日之星”

摘要： 本文對近期平板顯示市場的一些變化,如液晶的大幅降價對PMOLED（被動式OLED)的沖擊，AMOLED（主動式OLED)的最新變化及技術趨勢進行了概括分析。

關鍵詞： AM OLED；TFT；LTPS；a-Si

目前OLED市場上占據絕對優勢的PM OLED，因局限于中小尺寸顯示屏市場，并且在技術與價格上與LCD相比優勢不明顯，受LCD降價沖擊很大，未來并不被業界看好。相反，AM OLED技術卻在市場一片叫好聲中，日漸成熟，蓄勢待發。三星SDI預計在2007年進入市場，開始大規模生產2英寸~2.6英寸AM OLED，大舉進軍手機主屏市場。而另一手機巨頭—諾基亞也聲稱將于2007年開始在手機主屏上大批量使用AM OLED屏。因此，讓我們來了解一下OLED的“明日之星”—AM OLED技術及近期進展情況。

AM OLED VS OLED未來市場趨勢比較圖

AM OLED技術及應用

彩色化技術

在彩色化方面，一般說來有三種方式：三色發光法、濾光法(白色法)、色變換法及最新的RGBW，其中三色發光法為采用廠商較多的方式。發光層使用紅、綠、藍三種發光材料分開涂布配置。優點是充分利用三種顏色的發光材料，但缺點則是當三種材料壽命不同時，則整體的壽命受制于較短壽命的材料。另外，在制程中采用光罩分開涂布時，全體光罩將由于受熱而引起熱膨脹問題，控制頗為困難，因此在追求高精細化時將會遇到一些困難。

圖2  AM OLED工作原理圖

解決三色發光的缺點，近年來開發的新方法有濾光法(白色法)和色變換法。這兩種方法毋須使用光罩，精細度也可以大幅提高。濾光法(白色法)的原理為發光層部分涂滿白光材料，利用液晶顯示器用的彩色濾光片產生紅、綠、藍三種顏色。不過也由于使用彩色濾光片的緣故，使得發光效率減低，因此如何開發高效率白光材料就成了關鍵。

圖3  RGBW的布局

目前，學術界討論最熱的是RGBW技術，即通過白光加彩色濾光膜濾出四種光。這種技術的優點是：色彩的真實性和飽和度更高，色彩更加豐富。

材料的發展

有機電致發光材料根據其發光機制大致可區分為螢光材料與磷光材料(Fluorescence and phosphorescence materials)，其中螢光材料是利用單重態激子放光、組件內部量子效率最高只達到25 %，而磷光材料因可充分利用三重態激子放光、組件內部量子效率可提升至接近100 %。因此，有機電激發光材料也由過去螢光材料之電激發光特性改良，轉而朝向新型磷光材料之開發。目前在螢光材料之開發上主要有美國柯達、日本出光興產公司與國內各材料開發公司，而磷光材料之開發則主要為美國之UDC 公司。當前，產業化最成熟的是熒光發光材料，因為它的發光效率最穩定，但是它的光轉換率比較低。目前，各大公司的研究熱點還是磷光材料，下面我們就簡單介紹一下磷光材料。

圖4  RGB與RGBW的顯示效果對比

由于磷光有機發光材料之發光效率遠大于螢光材料，從降低顯示面板之功耗方面考慮將是一良好選擇。美國Princeton 大學及Southern California 大學研發出一系列以過渡金屬銥(Ir)為金屬中心之有機金屬錯合物，經制作成發光組件、可以磷光方式發光，具有相當高的發光效率。如圖5所示，即為其所開發之藍色(Firpic)、綠色(Irppy3)、黃色(Bt2Ir(acac))及紅色(BtP2Ir(acac))磷光材料。

磷光材料具有優越之色純度、在低電流驅動下具有高的發光效率，并且在低的起始亮度驅動下具有優越之組件操作壽命。相較于螢光材料而言，磷光材料雖具有較高之發光效率，但在組件壽命方面仍遠低于熒光材料。特別是藍光之磷光材料，在組件效率與操作壽命方面仍有相當大之研究發展空間。

2006年7月，柯尼卡美能達技術中心開發成功了1000cd/m2初始亮度下，發光效率64lm/W、亮度半衰期約1萬小時的OLED白色發光元件。計劃用于液晶面板背照燈和普通照明。可同時實現1萬小時壽命和高發光效率的白色OLED發光元件。

該公司在OLED發光材料方面，一直在進行比熒光材料發光效率更高的磷光材料的研究。磷光材料的發光效率高于熒光材料，作為發光材料被寄予厚望。但在此之前，能夠同時實現1萬小時左右亮度半衰期和高發光效率的只有綠色和紅色磷光材料。此次 ，該公司采用藍色磷光材料開發成功了可同時實現長壽命和高發光效率的發光材料。在300cd/m2初始亮度下，實現了1.6萬小時的亮度半衰期。通過組合其他公司已開發并實際應用的紅色和綠色磷光材料，試制成功了亮度半衰期約1萬小時的白色發光元件。通過改變各種顏色發光材料的比例，可實現從電燈顏色到熒光燈顏色的白色控制。

2006年9月，英國劍橋顯示科技公司(CDT)和日本Sumation公司共同開發出了初期亮度為400cd/m2、亮度半衰壽命為2萬小時(按100cd/m2換算，為32萬小時)的藍色OLED材料。與2005年發表的材料相比，壽命延長到了3倍。

圖5  磷光有機發光材料分子結構圖

在壽命延長的同時色純度也有所提高。色坐標為x＝0.14、y＝0.21，適用于全彩顯示器。發光效率約為9cd/A。

驅動技術

主動式有機電激發光顯示器是在基板上之象素制作薄膜晶體管(TFT)、再蒸鍍上有機發光膜層，藉由晶體管直接驅動各象素達到影像顯示。如圖6中所示，主動式驅動電路包含一個切換薄膜晶體管(Switch TFT)、電容儲存器(Storage Capacitor)及驅動薄膜晶體管(Drive TFT)。藉由切換薄膜晶體管將影像資料儲存于電容儲存器，并利用驅動薄膜晶體管將電容儲存器之電壓值轉換成電流值，直接驅動有機發光二極管。此驅動方式有別于被動式脈沖掃描方式，所輸入于像素之電流值遠低于被動式面板，并可呈現相同之畫面亮度。也無正電極之線電阻問題，主要應用于高分辨率與大尺寸之顯示面板。

AM OLED的特色、優點、缺點為；1、特色：面板每一像素皆可獨立運作并連續驅動，可搭配TFT 驅動電路，可連續發光，全彩顯示。2、優點：驅動電壓、耗電力皆低、適合大尺寸發展、發光壽命長及亮度提高容易。3、缺點：需配合LTPS 或a-Si TFT LCD 驅動技術，技術障礙較高；材料及生產成本高。

低溫多晶硅( LTPS ) 是一個在制造 TFT OLED 方面的先進制程技術。 LTPS 可以達到極佳的影像品質及反應時間，具備雷射回火技術，可以在低于攝氏 400 度溫度下達成硅膜結晶并提供更快的電子反應，使用的接點及組件更少，且功率消耗更低。

圖6  AM OLED驅動電路

更強的載子率動力讓電路可以整合在基板上并且可以縮小 TFT 的尺寸。除此之外， LTPS 也可以將驅動回路整合在基板上。由于外部連接數和基板面積都可以減少，可以以極低的成本來提升整體系統的耐久性。而且由于 LTPS OLED 的 TFT 比 a-Si 的 TFT 更小，透光開口率和屏幕的亮度都可以顯著增加。

圖7  在”KES 2006”上，三星SDI展示的17英寸的AM OLED電視，厚度僅12mm，亮度達400cd，對比度為 1,000:1，170寬視角

目前，日本廠商主要是以低溫多晶硅(LTPS)技術來驅動，如SK Display、ST LCD、TMD，而東北Pioneer也與Sharp、半導體能源研究所合資ELDis，提供低溫多晶硅TFT基板作為主動式OLED的基板。至于采用非晶硅(a-Si)技術方式來驅動，臺灣省TFT LCD廠商友達、奇美，也投入相關技術及產品研發。

圖8  在CEATEC 2006上，日本東芝推出的3.5寸AM OLED面板

友達2002年于德國CeBIT展出全球第一片a-Si全彩AMOLED面板，2003年也曾于美國UDC發表過運用磷光技術的4英寸a-Si全彩AMOLED面板。

圖9  BenQ Siemens S88

奇美也曾于2003年3月發表過20英寸a-Si驅動的全彩AMOLED面板，并且于2004年1月底將OLED的技術授權給京瓷(Kyocera)，希望藉由技術的授權，促使更多廠商投入相關技術研究。

不過以非晶硅驅動的主動式OLED導入商品化，仍存在難以克服的問題。

以a-Si驅動的AMOLED最大的問題在于其穩定性(stability)不佳，驅動OLED的臨界電壓值(VTH)會隨著時間增加不斷升高，對于決定驅動電壓的數值造成很大的困擾。另外，a-Si的物理特性如耐熱度也不及p-Si。因此目前面板廠多數仍選擇以p-Si低溫多晶硅驅動的AMOLED，作為正式商品化的第一步。目前友達L3廠的OLED生產線所計劃生產的數碼相機面板，也是以p-Si驅動的AM OLED面板。

市場應用產品一覽

目前OLED應用市場狀況，通用型應用占25%，屬于較早開發的機種，適合應用在MP3或是手機副面板，相對分辨率比較低；應用在手機主屏占44%，幾乎是AMOLED，尺寸在1.8～3.5英寸之間，因此成為2006年OLED的主要應用領域。此外，手機應用如友達AUO兩英寸QCIF的AMOLED面板，應用在明基西門子(BenQ Siemens)S88手機，成為AMOLED手機應用里程碑，代表從手機副面板轉到手機主面板，預計未來將有更多AMOLED手機主屏導入，如功能性手機與智能型手機，且根據各家量產時程，2006年底到2007年第一季，預計消費者將會有更多的選擇。

抵御來自LCD寒流的應對措施

面對來自LCD的猛烈沖擊，OLED在工藝技術上，需要提高基板技術和真空技術，才能將產品的良率提高。伴隨磷光材料的成熟，材料壽命的提高，以及彩色化RGBW技術的產業化應用，來提高色彩的豐富程度，以對陣來自LCD的沖擊，在未來平板顯示市場上大展宏圖。另外，在市場應用上，OLED應根據自身的一些獨特性，比如寬溫、超輕薄開發出一些更具特色的便攜式OLED產品，應用在醫療、軍事、室外作業儀器設備等一些特殊行業領域中，比如在我國的東北或西伯利亞及南北極、高原雪域科學考察所使用的裝備等。美國的軍方已經開始向一些OLED技術開發商投入巨資，研發軍用便攜式OLED顯示產品。

參考文獻：
1.  應根裕、胡文波、邱勇等編著，新型平板顯示技術，人民郵電出版社
2.  SID Journal 2006
3.  SID 2006 Seminar Proceeding