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OLED产业的技术及发展状况



OLED基本原理

 

    有机发光二极体显示面板(Organic Light-Emitting Diode; OLED),又称为有机电激发光显示器(Organic Electroluminesence; OEL)是一门相当年轻的显示技术。OLED目前普遍的基本结构,是利用一薄而透明具导电性质的铟锡氧化物(ITO)为正极,与另一金属阴极以如同三明治般的架构,将有机材料层包夹其中,有机材料层包括电洞传输层(HTL)、发光层(EL)、与电子传输层(ETL)。当通入适当的电流,此时注入正极的电洞与阴极来的电荷在发光层结合时,即可激发有机材料产生光线,而不同成分的有机材料会发出不同颜色的色光,就材料的组成分子来看,可分为小分子及高分子二种,就驱动方式来分,则可分为被动式及主动式。

 

小分子商业化领先一步

 

    依OLED使用的有机发光材料来看,可区分为小分子材料(分子量小于1,000),及高分子材料(分子量大于10000)两大类。小分子OLED是利用蒸镀法(Evaporating)作为制程,并利用多层结构达到高发光效率,美商柯达企业(Kodak),为最早研发出小分子OLED显示技术的厂商,在1987年由包括邓青云(Ching W. Tang,目前仍在柯达显示器部门任职)所属的研究小组,成功研发出使用热蒸镀方式制成的OLED元件,成为第一批将OLED实做出来的科学家。当时一同参与的尚有目前在交大教书的陈金鑫教授,及邓青云的同事石建民,三位皆为华人且共同在柯达服务。由于这些科学家领先业界的研发,使得目前小分子OLED基本专利权,大都掌握在先驱者Kodak手上。

 

    高分子OLED则是在1990年,由英国剑桥大学的科学家所组成的研究小组,首次发表使用高分子材料制成的OLED元件,高分子OLED一般为与小分子OLED作区隔,因此又称PLED。剑桥大学的PLED研发后来移转至新企业Cambridge Display Technology(简称CDT),而PLED的基本专利权,也由CDT所掌握。其依发光材料区分又可分成π共轭高分子及色素高分子,此类高分子材料大多是以涂布法(Coating)来制造。此外,厂商也开始利用喷墨式(Ink-Jet Printing)制程来开发高分子全彩OLED,可大幅简化制程,以降低成本。

 

    高分子虽然是新一代有机材料发展方向,但目前其缺点仍多尚需解决,PLED发光材料目前在寿命、发光效率等显示性能上,较OLED略逊一筹,但CDT认为,PLED可望于2005年在技术上与OLED达到相同水准。其实高分子有机发光材料还有相当多问题需要解决,目前蓝色的发光材料的寿命离实用距离,还有好一大段路要走,再来就是电力效率的改善,为了改善电力消耗的问题还要在材料特性的配合上下工夫,而色光的安定性及色纯度亦为急需改善的问题。

 

   就高分子发光材料的优点来看,由于可以溶于溶媒之中,因此,可利用涂布法或更进步的喷墨式制程制造,喷墨法的特色包括制造上由于不需使用大型的真空设备,因此制程可大幅简化,此外有机材料的使用效率也高,不但在生产成本上具优势,加上基板尺寸无太大的限制,在大型基板需求越来越高的未来显示器市场需求来看,是极有发展希翼的。

 

   小分子及高分子OLED在材料特性上可说是各有千秋,但以现有技术发展来看,如作为显示器的信赖性上,及电气特性、生产安定性上来看,小分子OLED现在是处于领先地位,目前投入量产的OLED元件,全是使用小分子有机发光材料。

 

   但小分子材料并非全无问题,因小分子材料无法与溶剂配合,加上极易为氧气及水分所破坏,所以必须使用真空蒸镀及封装设备,这使制程的复杂及困难度大为提高,制程设备由于需要有高度的真空性能,设备及运营成本亦相当高昂。而高温蒸镀法对材料的利用效率亦低,有机材料最后直接蒸镀到基板上的比例极低,大多附着在MASK及真空槽壁上造成浪费。加上真空制程的大尺寸化有其实现上的困难,使得目前小分子OLED的应用多为小尺寸面板。

 

被动式构造简单为目前主流

 

   就驱动方式来看,就如前述可分为主动式(AM)及被动式(PM),由于近年业者大量投入研发,被动式(passive matrix;PM)OLED在寿命、发色、耗电量等议题上都获得了长足进步,目前市面上推出的OLED产品几乎全为PMOLED,但其制程技术仍未完全成熟。目前PMOLED虽已进入量产,但因尚未有一标准化制程,各厂商多采用自行开发的制程,因此,无法大幅提高产量及减少成本。

 

   PMOLED与AMOLED相比,虽然有消费电力高、寿命短、显示元件较易劣化、不适合大画面高解析度发展等缺点,但其优点亦多,例如由于不使用TFT,可大幅提高其开口率,与AMOLED一般的30%前后相比,PMOLED可达到60%以上,这不仅可提升画质及亮度,在省电上及亮度的寿命延长亦相当有利。此外,由于构造简单,与AMOLED相比生产时间不仅为短良率亦高,成本考量上也相当有利。

 

   至于主动式OLED(AMOLED),因OLED基本构造是属于电流驱动,需要稳定的电流来控制发光,与TFT-LCD利用稳定电压控制发光不同,AMOLED为了达到足够的亮度,需要有较大电流流动度的TFT,此时电子流动度高的低温多晶硅薄膜电晶体(LTPS TFT)技术,便成为AMOLED的主要驱动考量,利用LTPS先行取得稳定电压后,再转换成稳定的电流来控制OLED发光,这也使得LTPS技术成为开发AMOLED所必须具备的技术之一。

 

AMOLED另一条出路--非晶硅TFT

 

   但也有厂商持不同意见,认为可使用非晶硅a-Si TFT配合适合的驱动回路,来生产AMOLED,并有相当不错的成果,友达光电于2002年便发表,成功使用a-Si TFT驱动的小尺寸AMOLED面板。接着2003年3月12日奇美电子宣布,成功开发出全彩之20吋全球最大AMOLED,此为由奇美电子、IDTech企业(奇美电子与日本IBM合组之企业),与IBM位于瑞士、美国及日本之研究实验室共同开发的成果。这20吋的AMOLED面板在技术上的突破不仅在于是目前单一面板中最大尺寸的AMOLED面板(之前SONY曾发表使用4片12吋面板并合而成的AMOLED显示器),且是使用非晶硅a-Si TFT作为驱动,奇美电子与IDTech将于2003年5月份于美国SID展中作实机展示。据了解,奇美电子的OLED产品还处于研发阶段,目前并无明确的量产计画,此次宣布开发出20吋AMOLED,技术能力宣示的意味较浓。

 

   虽然LTPS TFT是理想的AMOLED驱动载台,但目前LTPS TFT的生产成本,及价格都不低,产能是否支撑未来AMOLED的成长亦为隐忧,加上LTPS表面晶体形成上的误差不易控制,使得OLED在发光时,因不平均而形成波纹(MURA)等问题,一直是困扰LTPS-TFT AMOLED发展之所在。相对的a-Si TFT的生产技术已相当成熟,且大小尺寸基板的产能相当充裕,成本也较LTPS-TFT低,如果能顺利应用在OLED的量产上,将能大幅降低AMOLED制造成本。

 

   目前LTPS的产能技术大部分还掌握在日本厂商手里,台湾方面目前拥有大尺寸LTPS产能的厂商只有统宝光电,虽然统宝会继续增建生产线,友达光电也正在进行L3厂换装LTPS制程设备的工程,但短期内产能是否能有足够产量支撑AMOLED的需求,还有待观察。相对的如能使用a-Si TFT代替LTPS TFT,则成本及产能供应问题,以台湾TFT-LCD产业的实力,应可迎刃而解。因此,友达光电及奇美电子在这方面的发展,值得期待。

 

千呼万唤始出来,AMOLED市场前景尚需观察

 

   AMOLED在实际量产上,还是遭遇到不少困难,使得参与研发的厂商,均一再延后量产时程,例如2003年3月初,日本三洋电机、美国柯达及双方合资的SKDisplay联合宣布,正式量产2.16吋全彩AMOLED,这也是全球最早宣布进入量产的AMOLED产品,但量产时程也距离原本宣称的2002年2月延迟了1年以上,以三洋电机在TFT-LCD技术上深厚的经验,加上小分子OLED专利权持有者Kodak的开发实力,双方联手合作都无法摆脱延迟量产的结果,可见AMOLED目前要走的路,还不是条平坦大道。

 

厂商百家争鸣 日商技术领先

 

   现在加入OLED市场参加竞逐的厂商全球合计有百家以上,都想在这新兴显示器技术的未来市场上占得先机。日本厂商在OLED的技术上起步较早,以东北Pioneer为首,TDK、三洋电机、SONY、SEIKO EPSON、NEC等大厂在OLED技术的开发上都投下不少心力,而日本以外的厂商如Royal Philips、铼宝科技、Kodak、SAMSUNGSDI、LG电子等厂商等都加入了OLED的研发及生产。

 

   日商东北PIONEER是最早进入量产的厂商,该企业于1999年5月开始为PIONEER生产汽车音响用显示面板,2000年1月开始生产行动电话用OLED面板。东北PIONEER于2002年11月宣布,OLED单色及区域多色面板累计出货数已达500万片,且还在继续成长中。

 

   如此高的出货量,要归功于NTT DoCoMo及LG电子,采用OLED面板的行动电话大卖的带动,但东北PIONEER的OLED部门2002年估计,还是处于亏损状态,而日前也发表原先预定自2002年秋季开始,每月量产50万片(以2吋计)AMOLED的生产计画,也因故延后至2004年以后实行,原因是目前在生产技术及成本控制上,仍未达预定标准的考量。

 

   TDK的PMOLED是从2000年2月开始出货,同时进入量产的有白光OLED搭配彩色滤光片的多色面板,也是以汽车音响显示用面板为主。而2002年10月TDK与有机发光材料大厂出光兴产签订OLED专利交叉授权协定,合作进行OLED技术开发,并预定于2003年春季,开始量产汽车音响显示用的全彩PMOLED面板。

 

   SEIKO EPSON是喷墨印表机技术的领先厂商,凭藉自身喷墨技术的研发实力,押宝在可使用喷墨制程的PLED上,该企业并与高分子OLED专利权持有者CDT,合作进行PLED生产制程设备的开发,目前有2.1吋26万色的高分子AMOLED试作品问世,采用的便是CDT开发的高分子有机发光材料。

 

   东芝凭藉自身在LTPS上的技术及量产实力,在小分子及高分子AMOLED上都有进行研发。而三洋电机、美国柯达及双方合资的SKDisplay,在AMOLED的量产上态度最为积极,不仅领先全球最早量产2.16吋全彩AMOLED,在AMOLED的实用化上也不遗余力,三洋电机已预定要推出使用全彩AMOLED为主萤幕的行动电话,目前已进入试用阶段。而KODAK新推出的LS-633数位相机,也采用刚量产的2.16吋全彩AMOLED为显示面板,将于2003年4月推出上市,主攻欧洲、澳洲及日本之外的亚洲市场,企图心十分强烈。

 

台湾厂商量产能力不容小觑

 

   台湾的厂商也没缺席,现有十余家相关厂商进行OLED的研发及量产,并有不输世界大厂的成绩。Kodak的PMOLED技术专利授权,台湾厂商目前有铼宝、东元激光、光磊三家取得授权,大致上权利金除签约金300万美金外,需再支付PMOLED营收的5%~10%。

 

   其中步伐最快的铼宝科技,可说是台湾相关厂商中动作最积极的一家,也是产品研发与导入量产速度最快的一家。铼宝除积极与杜邦等国外大厂技术合作之外,在量产速度方面,也是全球仅次于日本东北先锋的第二家专业OLED制造商。

 

   铼宝不仅是台湾第一家投入OLED研发与制造的企业,亦是全球首先同时拥有小分子,及高分子生产线的OLED制造商。第一条单色OLED生产线,在2000年第3季便架设完成进入量产,月产能达1.5万片400mm×400mm玻璃基板,而全彩OLED也已在实验机台上成功开发出试作品。此外,全彩OLED与PLED量产生产线,也已分别建置完成,月产能为5万片与3万片,基板尺寸皆为370mm×470mm,于2002年第四季及2003年第一季开始量产。

 

   2002年铼宝全球市占率仅有17%,与第一名的东北先锋的77%相差甚远。但2003年全球OLED版图可能有极大转变,铼宝预估,2003年该厂全年出货量可达742万片,为2002年的11倍以上,其中9成为手机用显示面板,并以次显示面板用途为主。以此出货量来计算,2003年铼宝产量将占全球OLED市场的3分之1,跃升为世界第一位,而东北先锋将退至第三位,市占率减为22%。不过,韩国SAMSUNGSDI与日本NEC合作投资的SNMD,2003年出货量也将大增,预计将达到31%,与铼宝争夺OLED全球龙头宝座的地位。

 

   东元集团转投资的东元激光,在2001年3月取得Kodak技术授权后,已完成玻璃基板尺寸370mm×470mm的生产线建置,于2002年第四季开始量产,东元激光是继铼宝后,第二家将OLED商品化的台湾厂商。目前其多彩OLED产品,颜色可分绿、蓝、红、白、黄等,有3种颜色可混合出货,主要锁定中小尺寸应用如手机、PDA、游戏机、家电显示器等,企业预估,小尺寸面板年产量约300万~400万片。东元激光计划2003年将投资兴建第2条OLED生产线,并跨足全彩OLED的生产。对于未来发展主动式全彩AMOLED产品,东元激光为掌握关键零组件LTPS TFT来源,也转投资统宝,成为统宝股东之一。

 

   LED大厂光磊科技于2002年9月3日与Kodak签约,取得PMOLED技术专利授权,光磊在取得柯达的授权后,计划投资13亿元,2003年正式投入OLED生产线建置,预期2004年OLED生产线将可有正式的产出,产品规格将先以5吋为主,初期以开发被动式OLED为主,主动式OLED则将采与TFT-LCD厂策略联盟方式合作,预期在2006年市场跨进7~10吋,至2009年,则可望切入14~20吋的大尺寸市场。

 

   相对于Kodak的小分子阵营,由台达电子转投资的翰立光电,则加入高分子阵营直接投入PLED研发,并自CDT移转PLED技术及获得专利授权。但为何跳过目前市场较成熟的小分子OLED,原因是达电评估PLED与小分子OLED都是未来前景看好的技术,但小分子OLED须投入昂贵的真空设备,在考量成本效益下,最后选择投入PLED。

 

   翰立光电在台达电子支援下,已成功开发出高分子有机发光层镀膜设备,目前有一条300mm×300mm试产线,每月投片基板数为3,000片,与一条3万片量产线。翰立光电已成功开发出R、G、B三个单色的PLED,但仍以全彩PLED为最终研发目标。

 

OLED未来发展潜力十足

 

   相较于其他薄型平面显示器技术,如LCD 、PDP相比,OLED还是个刚起步、正要进入商业化的年轻新面孔,由于有太多的未确定要素,使得OLED的市场迟迟无法扩大,目前还在蹲马步练功研发的企业居多。但OLED有相当多的优点胜于其他技术,不仅吸引众多厂商纷纷投入,像友达、奇美等TFT-LCD大厂也都不敢忽视OLED的前景,并规划不少的人力物力进行相关技术的研发。

 

   OLED不仅生产所需的资本门槛较小,且本身有自发色光性质(不需背光源、彩色滤光片)可大幅降低成本及显示模组厚度,使其更轻薄(≦2mm)、高亮度、较无视角限制(>165度)、高反应速度(10μs以下)、低驱动电压(5~15V)、低耗电(目前耗电仍较TFT-LCD为高,在理想情况下应可以达到更低的耗电量)、可挠曲(适用于塑胶基板)与制程简单等优点,为众多业者看好其未来市场潜力及产品竞争力的主因。

 

    液晶自19世纪末被发现以来,经过上百年间的进步演化,终于发展出现有的大规模TFT-LCD产业。与LCD相较,OLED现在就像刚学会走路的小孩,但不知未来小孩会不会长成巨人?有待未来持续的观察。

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