王大巍

（京東方科技集團股份有限公司，北京 100176）

1 引 言

顯示屏作為人機交互界面，隨著手機、計算機和電視的發(fā)展，技術也不斷發(fā)展變化。陰極射線管（CRT）從電視應用開始，隨著計算機的發(fā)展拓展到桌面電腦顯示器；等離子顯示器（PDP）主要應用在電視上，在與液晶顯示器（LCD）競爭中逐步退出；LCD 隨著便攜筆記本電腦顯示屏需求而發(fā)展起來，逐步擴展到手機、桌面顯示器和電視等幾乎所有顯示應用。從LCD 開始薄膜晶體管（TFT）驅動方式成為主流，即半導體顯示的產業(yè)化開始。LCD 器件中的TFT 僅起開關的作用，一個子像素配備一個TFT 即可，有機發(fā)光二極管（OLED）也是TFT 驅動，但其不僅要作為開關，也要通過其控制流經OLED 的電流，并保證驅動所有像素的TFT 性能差異最小。要達到上述要求，一個子像素至少需要3 個以上的TFT 才能驅動，因此其要求大幅提升。LCD 和OLED存在相似性和產業(yè)化工藝的繼承性。OLED 伴隨著LCD 的發(fā)展不斷進行改進和產業(yè)化探索，鑒于LCD 的應用拓展，人們也期望OLED 能和LCD 一樣不斷拓展其應用領域。眾所周知，OLED 生產線的固定資產投資遠高于LCD 生產線［1］，OLED 產品只有提供更大的附加價值才能獲得市場的認可。游戲和照相等應用的發(fā)展，給顯示提出了更多更高的要求，也為OLED 的發(fā)展提供了機會。但OLED 在手機產品上量產已經超過10 年，其在其他更大尺寸應用上進展不大。本文通過對OLED 技術產業(yè)化歷程的回溯，對已量產技術方案的產品性能分析及與LCD 的對比，分析了存在的問題并探索了未來發(fā)展需解決的難點。

2 產業(yè)化回顧

OLED 產業(yè)化探索首先是被動驅動OLED（PMOLED）產品，該技術驅動簡單，雖然在尺寸和分辨率上有限制，但前期廠商可利用其改善了OLED 發(fā)光器件性能和發(fā)光材料的成熟度。在2000 年左右，不同公司開始探索主動驅動OLED（AMOLED）應用，包括日本先鋒公司在汽車音響顯示面板上，日本三洋公司和美國柯達聯(lián)手在數碼相機上，摩托羅拉和友達光電在手機上，日本Sony 公司在顯示器和電視上的應用［2］。

AMOLED 大批量量產是2010 年左右三星公司在手機上實現的，技術方案是低溫多晶硅薄膜晶體管（LTPS-TFT）和頂發(fā)射紅綠藍三色有機發(fā)光材料蒸鍍。初期是以玻璃為基板，玻璃粉激光熔封的剛性OLED，其結構簡圖見圖1（a）；幾年后又量產以聚酰亞胺為基板，薄膜封裝的柔性OLED，其結構簡圖見圖1（b）。這兩種在手機等小尺寸應用的技術方案均使用了高精細金屬掩模板進行三色有機發(fā)光材料的蒸鍍。鑒于初期柔性OLED 在折疊等應用上技術尚不成熟，三星公司設計了一種在寬度方向略彎曲的手機（Galaxy Round），而LGD 公司則探索了一種在長度方向整體略有彎曲的手機（G-Flex），見圖2。這兩種柔性應用沒有進一步推廣。接下來三星公司推出了一種在屏幕側邊略彎曲的手機Galaxy Edge（單邊和雙邊），該設計概念在柔性OLED 應用上獲得進一步推廣，推動了全面屏手機的不斷發(fā)展。直到2019 年，京東方和三星公司分別大批量量產了外折疊（Mate X）和內折疊（Galaxy Fold）的柔性OLED，首次發(fā)揮了OLED 的柔性優(yōu)勢。2020 年，手機用OLED 出貨量約4.5 億片，全面占領高端手機市場，不斷向中端手機市場滲透。

圖1 OLED 結構簡圖Fig.1 Structural sketch of OLED

圖2 OLED 階段性代表產品圖Fig.2 Representative product photo of OLED

2013 年，LGD 公 司 推 出 大 尺 寸OLED 電 視屏，技術方案是氧化物薄膜晶體管和底發(fā)射白光加彩色濾光片［3］，其結構見圖1（c）。到2018 年，全球OLED 電視出貨量超過200 萬臺，滲透率約為1%［4］。

隨著手機和電視用屏幕的產線建設的增多，為了提高產線的利用率，更多應用領域的產業(yè)化探索也逐漸增多。筆記本電腦是其中比較大的可能市場，據市場研究機構Omdia 統(tǒng)計，全球筆記本電腦年銷售超過2 億臺，而OLED 在2019 年出貨量僅為15 萬臺，2020 年98 萬臺，迄今為止?jié)B透率不及1%。

3 問題分析

TFT-LCD 的大批量產業(yè)化應用是從筆記本電腦用屏幕開始的，當時沒有其他競爭技術存在，而后分別向小尺寸和大尺寸拓展，不同尺寸應用的產品結構沒有大的變化。與TFT-LCD技術的產業(yè)化路徑不同，AMOLED 產業(yè)化分別從小尺寸和大尺寸開始，產業(yè)化初期就面臨既有技術TFT-LCD 的競爭，且應用于小尺寸和大尺寸的產品結構和技術方案差異較大，難以形成合力促進技術的進步和產業(yè)鏈的優(yōu)化。手機上的技術方案應用發(fā)展較快，電視技術方案的應用滲透率不及預期，筆記本電腦上的技術方案目前以小尺寸方案居多，但明顯需要較大變化才能進一步拓展應用。除了成本上和競爭技術相比還比較高，技術上也存在很多需要解決的問題。

3.1 性能預期優(yōu)勢不夠突出

首先，OLED 技術被認為屬于自發(fā)光器件，有高對比度、輕薄、可彎折、低功耗、寬視角、廣色域、快速響應等［5-9］技術優(yōu)勢。利用OLED 制作的顯示屏，與現有TFT-LCD 對比，只有高對比度和可彎折的優(yōu)勢有所體現，其他優(yōu)勢并不突出，甚至有所不如，下面將逐項分析其原因。

（1）高對比度。OLED 像素是主動發(fā)光，因此對比度可以非常高，至少100 000∶1 以上，該優(yōu)勢能否在產品中體現出來需要考慮人眼的分辨能力和競爭技術的性能提升。人眼能感知并分辨的對比度為10 000∶1［10］，但人類視覺系統(tǒng)是一個高度復雜的視覺信息處理系統(tǒng)，涉及生物學和心理物理學特性。研究發(fā)現，人的視覺系統(tǒng)能夠主動適應的光強度級別范圍很寬，在進入特定環(huán)境下，人眼會根據環(huán)境亮度調整，即亮度適應現象。在特定亮度下，人眼分辨亮度變化的能力是有限的。在視覺系統(tǒng)的亮度分辨能力研究方面有一個著名的韋伯實驗，研究的內容是人眼視覺系統(tǒng)在一定背景亮度下的亮度分辨能力，即亮度敏感性。圖3 顯示的是人眼在不同亮度灰度級下對數字圖像的敏感性曲線［11］，從圖中可知，人眼對偏暗和偏亮環(huán)境敏感性弱于中間亮度，也就是說在偏暗和偏亮環(huán)境下需要更高對比度才能讓人眼感知到差別。最明顯的例子是在戶外太陽光比較強的情況下，顯示屏需要高對比度才能保證可視性。在中間亮度環(huán)境下保持顯示質量所需的對比度將低于10 000∶1。在室內的亮度環(huán)境下，如果不是兩個顯示產品放在一起，對比度超過1 000∶1 后，對使用者來說，變化的可感知度變低。一般顯示器的對比度指標為靜態(tài)對比度，屬于暗室測量值。當環(huán)境亮度升高后，顯示器自身亮度是另外一個影響因素，環(huán)境亮度越高，顯示屏自身亮度在對比度中所占比重越大。另外一個需要考慮的是競爭技術，即TFT-LCD 的對比度提升，為提升戶外等高亮度環(huán)境下可視性［12-13］，TFT-LCD 一 直 在 優(yōu) 化 設 計、工 藝 和 材料，通過液晶材料的變化、背光源控制以及雙盒設計不斷提升對比度［14］，使其對比度可以超過10 000∶1。從上面的分析可知，OLED 高對比度的優(yōu)勢并不明顯。

圖3 數字圖像的亮度適應性圖［11］Fig.3 Luminance adaptation for digital images

（2）輕薄。OLED 產品與LCD 產品比較確實可以做到更輕更薄，特別是柔性OLED 可以做到輕薄50%以上，但帶來的用戶體驗不如預期好。以厚度為例，如表1 所示，TFT-LCD 產品也做到了相當好的水平，一般可以做到1.5 mm 以下。由于少了背光源和一片偏光片，基板厚度變薄，柔性OLED 可以做到小于1 mm，甚至0.5 mm，雖然降低的幅度很大，但從使用者來看，絕對值變化帶來的價值沒有預期大。

表1 小尺寸LCD 與OLED 產品厚度分解表Tab.1 Thickness decomposition of small size LCD and OLED （mm）

（3）可彎折。柔性OLED 可彎折的特性是其獨特的優(yōu)勢，但在應用推廣中進展比較慢［15］。一方面是柔性OLED 改變了消費者的使用習慣，與可以以標準化可控品質產品提交給客戶的LCD或剛性OLED 比較，柔性OLED 在使用時屏幕會發(fā)生彎折變化，需要和整機的結構件相互配合才能實現柔性的折疊、卷曲等動作，其屏幕設計和整機設計目前分別是不同廠商負責，這導致開發(fā)周期變長，開發(fā)成本增加，涉及產業(yè)鏈變化較大。另一方面是因為彎折性能所需的材料特性改善和搭配難度較大，最大的問題來自于顯示屏結構強度與小彎折半徑之間的矛盾。在滿足小半徑折疊可靠性的前提下，還要考慮表面抗沖擊、刮擦、屏幕折痕等整機外觀和結構強度［16-17］。這些對蓋板材料、粘結層材料、背膜材料性能的調整以及其他功能膜層的搭配提出了相當高的要求，即使將所有材料性能最優(yōu)化后應用到折疊產品中，屏幕折痕在現有技術水平下也不能完全消除。而且為了保證小半徑彎折特性，表面防劃傷的性能基本在H 硬度以下。三星公司首款折疊手機形態(tài)確定為內折也應該有這方面的原因，內折形態(tài)對表面防劃傷要求不需要太高，但因為內折不符合通常使用習慣，在其外邊必須增加一塊非折疊屏幕，從這方面看外折手機對屏幕要求更高。這些技術問題的不斷改善，柔性手機特色應用的開發(fā)與使用推廣將是可彎折產品應用拓展的關鍵。

（4）低功耗。OLED 顯示屏每個像素的靜態(tài)功耗（P）可以表示為流經OLED 的電流（I）乘以跨壓（U）：P=UI?？鐗褐饕? 部分電壓構成：U=UOLED+UTFT+UIRDrop。首先是直接加載在OLED 材料上的驅動電壓（UOLED），不同顏色的OLED 的驅動電壓是不同的；其次是驅動TFT電壓（UTFT），通過控制該電壓獲得不同的OLED工作電流；最后是補償像素位置距離驅動IC 不同造成的電壓下降（UIRDrop），該部分電壓與顯示屏的尺寸相關，尺寸越大，電壓下降越大，所需補償電壓越大，在功耗上的損耗也就越大。這也是大尺寸產品應用推廣的難點之一，表2 對比了152.4 mm（6 in）手機和431.8 mm（17 in）筆記本電腦用屏的跨壓分解對比。同樣的器件結構下，OLED 材料上的電壓約為3.5 V，驅動TFT的電壓約3 V，152.4 mm（6 in）手機需補償電壓下降約1 V，431.8 mm（17 in）筆記本電腦用屏的補償電壓下降約為4 V，在功耗中所占比例已經接近40%，更大尺寸電視其所占比例更大。電流與顯示亮度和OLED 器件發(fā)光效率及透過率直接相關。如果只從上述靜態(tài)功耗看，隨著OLED 發(fā)光材料效率的提升，在一定尺寸下與液晶顯示相比較確實有低功耗的優(yōu)勢，但受限于像素設計和保證封裝的環(huán)境信賴性，其光取出的比例一直比較低，同時為了防止外部環(huán)境光的反射，在出光路線上一般要放置圓偏光片，其對顯示屏像素點發(fā)光的阻隔超過50%，因此OLED 在功耗上的優(yōu)勢有限，且超過一定屏幕尺寸，功耗會變成劣勢。

表2 不同尺寸OLED 顯示屏的跨壓對比Tab.2 Cross-voltage comparison of different sizes OLED displays （V）

從單像素發(fā)光效率比較，OLED 可能比LCD省電。目前隨著OLED 材料效率的改善，在152.4 mm（6 in）左右手機應用上功耗略優(yōu)于LCD，但隨著顯示尺寸的增大，OLED 功耗增加速度比LCD 大。兩種技術的功耗模型不同，LCD 是側向背光源通過導光板以光路形式形成面光源，顯示尺寸增大在光路上的能量損失較小，因此其功耗改善以背光效率提升為主。隨著LED 的應用，其功耗改善較大。OLED 則不同，隨著顯示尺寸的增大，除了像素數量和面積增加外，還需要考慮引線電壓下降的損失，且這部分損失隨顯示尺寸增大而增加，因此在大尺寸電視應用上，一方面要使用厚銅電極盡量降低引線電阻，另一方面通過疊層OLED 器件的使用，通過提高工作電壓來降低工作電流，這兩方面共同作用降低了在引線上的功耗損失。

（5）寬視角。在OLED 產品量產前，視角的主要評判方法是測量對比度的下降，雖然也有對視角色偏的考量，但不是主要的評價方法。而OLED 不顯示時是不發(fā)光的，對比度比較高，反而是在一定角度下色偏和亮度下降的感覺更明顯，因此視角的測量方法也發(fā)生了變化，引入了視角色偏來評價OLED 視角特性，指標分別是Δu'v'和最小可視色偏差別JNCD（Just Noticeble Color Difference）。這兩個指標越小，視角色偏越小。小尺寸手機技術方案采用的是頂發(fā)射器件設計，即OLED 發(fā)光材料處于全反射金屬陽極和半透半反金屬陰極之間，陽極和陰極之間將形成微腔效應，OLED 發(fā)出的光在微腔中會產生干涉現象。微腔對光具有高度波長選擇性，特定波長的光沿特定方向出射，因此不同視角下光強、光譜均會發(fā)生變化，且相當敏感［18-20］。根據微腔效應機理可知，OLED 發(fā)光層中激子復合發(fā)光位置也會影響到視角特性，復合位置越靠近陰極，其視角特性越好。研究發(fā)現，陰極厚度和不同發(fā)光層主客體摻雜比對視角影響也比較明顯。為減弱微腔效應對OLED 視角特性的影響，最常用的方法是在靠近陰極出光一側蒸鍍一層有機材料作為光耦合層（CPL），該材料具有可見光波段的高折射率和低吸收系數，且一般不會影響器件的效率和壽命，提高出光效率。

從上面研究結果可以看出，微腔效應造成不同顏色光隨視角變化不一致的色偏，相關影響在OLED 陰陽極之間，該距離小于1 μm，也就是需要在小于1 μm 的范圍內控制位置精度、材料厚度和整個顯示面的均勻性，可見其視角特性的敏感性之大，所以器件需要非常精巧的設計和工藝實現。雖然用于大尺寸的底發(fā)射方案的微腔效應非常弱［21］，以犧牲透過率、降低器件效率、增加功耗的代價獲得了視角上的相對提升。而其競爭技術LCD 通過寬視角液晶模式的應用，視角特性獲得大幅提升，OLED 在視角方面沒有絕對優(yōu)勢。

（6）廣色域。小尺寸三色蒸鍍方案的色域取決于紅綠藍三色發(fā)光材料的選擇和顯示器件的結構設計。三色材料同時要滿足效率和壽命的要求，而三色材料要形成一個器件，相互之間也有搭配的問題，因此，很難在滿足效率和壽命的同時實現廣色域的提升。特別是在LED 背光應用在液晶顯示器件中后，其色域與OLED 相比較不相上下。三色蒸鍍OLED 通過增加彩色濾光片可以提升不同視角的色域，但會影響甚至犧牲其他方面的性能水平。大尺寸白光加彩色濾光片方案的色域取決于彩色濾光片的材料特性［22］，與液晶顯示中彩色濾光片比較，其發(fā)展時間較短，因此量產大尺寸OLED 電視的色域一直不比液晶電視的色域更廣。但OLED 因為其色譜可由使用的發(fā)光材料及結構設計調整，所以有獲得更廣色域的可能，但要在效率和視角特性等方面有所犧牲。另外在色彩管理方面的改善需要信號處理來配合，除了擴展色域還希望能更好地還原真實世界的色彩，即色彩還原能力。

（7）快速響應。該特性主要是針對顯示器畫面質量，特別是運動圖像的顯示質量，因此評 價 指 標 為 運 動 圖 像 響 應 時 間（MPRT）［23-24］。OLED 和LCD 都是薄膜晶體管控制的顯示器件，屬于保持型顯示，因此其運動圖像響應時間由兩部分控制：液晶或發(fā)光材料的響應時間和薄膜晶體管電路的響應時間，薄膜晶體管電路響應時間又分為采樣和保持時間。對液晶顯示技術來說，材料響應時間是指液晶偏轉控制顯示屏亮暗轉換的時間，通常是10 ms 級別。而OLED 材料發(fā)光過程的響應時間是納秒級別，因此OLED器件被認為響應速度很快。而薄膜晶體管電路的響應時間與顯示屏的尺寸和分辨率有關，在幾毫秒到幾十毫秒范圍。從上面的分析可知，對液晶顯示技術而言，關鍵控制因素是液晶材料偏轉速度；對OLED 器件而言，其關鍵控制因素則變?yōu)轵寗颖∧ぞw管電路的響應時間。隨著液晶材料的優(yōu)化，其響應時間已經下降到5 ms 以下。薄膜晶體管電路的響應時間可以通過提高輸入信號的頻率和插黑幀縮短。圖4 是韓國LGD公司對比各種電視技術的結果［25］。從圖中可以看出，人眼可感知的的運動物體響應時間為5.7 ms，因此LCD 和OLED 的響應速度都取決于薄膜晶體管電路的響應時間。即使將頻率提升到120 Hz，LCD 和OLED 電視的響應時間都高于6 ms，對于電壓驅動型的LCD，頻率提升到240 Hz 即可低于5 ms；而對于電流驅動的OLED來說，信號頻率再提升比較困難，但利用插黑幀等方式也可以達成5 ms 以下的水平，因此LCD和OLED 在響應速度方面差異不大［26-28］。

圖4 各種電視技術的運動圖像響應時間比較［25］Fig.4 Comparison of the MPRT characteristics classified by the display type

3.2 技術方案在設計和工藝能力上的進一步優(yōu)化難度大

AMOLED 分別在小尺寸手機和大尺寸電視方面開始大批量量產，但這兩種應用的技術路線完全不同，相同的是這兩種技術幾乎都達到了性能的極限，技術本身已經無法達成所需的性能指標，必須通過各種補償技術。電學補償通過屏幕內部和外部的電路設計使薄膜晶體管的各項性能穩(wěn)定可控；光學補償通過對屏幕光學性能的獲取和分析后進行相對校正，使顯示屏光學性能更均勻穩(wěn)定。小尺寸蒸鍍用的高精細掩模版的厚度已經低于30 μm，在兼顧機械強度和位置精度的情況下已經達到挑戰(zhàn)極限。小尺寸手機應用單個子像素驅動電路需要6 個以上的薄膜晶體管，對于400 ppi 以上的設計，已經在平面上塞滿整個子像素區(qū)域，為了提高分辨率不得不利用虛擬像素技術，并對子像素排列進行渲染［29］。OLED 是自發(fā)光的電流器件，除了需要通過薄膜晶體管控制像素的通斷，還需要控制通過電流的大小，這樣的要求即使將薄膜晶體管的閾值漂移控制在0.2 V 以內，仍然需要電路和光學補償來保證畫質的均勻性和一致性。

4 未來思考

針對現有已量產技術方案性能優(yōu)勢不足，且設計和加工工藝都難以大幅提升的問題，要想在除手機外的應用上拓展OLED 應用需要對技術方案有較大改進。目前比較集中的研究方向有兩個：

（1）柔性OLED 的應用拓展。包括不同于直板平面顯示以外的多樣化形態(tài)以及更大尺寸便攜產品應用拓展，例如筆記本電腦。需解決和提升的主要技術問題首先是壽命提升［30］。移動筆記本電腦用顯示屏壽命需要現有手機用器件壽命的3 倍以上，而有機發(fā)光材料的壽命提升一般會導致效率的下降，如何在提升壽命的同時保證器件效率不下降將是開發(fā)的難點［31］。其次尺寸增大后功耗的降低將是最大問題。發(fā)光器件設計上可以采用疊層設計，增加器件電壓，減小電流，以減少屏幕尺寸增大造成的電壓下降所需的補償，同時要考慮材料和工藝上的改進，進一步降低因尺寸增大帶來的屏幕兩端的電壓差，即使如此其功耗和同尺寸LCD 相比仍然沒有優(yōu)勢，需要進一步提升器件效率。最后是柔性在形態(tài)優(yōu)勢上的發(fā)揮，除目前已量產的折疊形態(tài)外，還要著重于滑卷、卷曲等新形態(tài)的屏幕開發(fā)與優(yōu)化以及整機結構和系統(tǒng)的應用開發(fā)，最大程度提升柔性OLED 的附加價值才能彌補成本增加的劣勢。

（2）印刷工藝的應用。采用印刷工藝的目的是降低成本和應對小批量定制化開發(fā)。解決目前技術方案投資成本和產品開發(fā)成本高的問題。理想的工藝路線是全印刷方案，即TFT 和有機發(fā)光層均采用印刷工藝。有機發(fā)光層的印刷工藝研究較多，噴墨打印工藝也有少量量產的嘗試［32］，但一方面印刷需要考慮溶劑的相容性使材料選擇范圍受限［33］，另一方面加入溶劑使發(fā)光材料效率和壽命受到影響，性能發(fā)生不同程度下降。而TFT 的印刷工藝尚在探索階段，印刷方式、引線和半導體材料選擇還存在諸多不確定性，需要新材料和新工藝方面的突破。在印刷工藝的產業(yè)化方面也有兩個通用性問題需要不斷優(yōu)化和改善：首先是大面積印刷的工藝均勻性和一致性。與光刻和蒸鍍的整面薄膜制備不同，印刷的逐點工藝方式的工藝均勻性和一致性其本身難度就很大，而且印刷一般需要干燥過程，由于無法同時完成整面印刷，各點干燥時間不同造成畫面質量差異的情況會影響產品品質。其次是印刷工藝的精度提升。目前印刷工藝可對應的顯示屏分辨率在200 ppi 左右，隨著顯示分辨率的提升，印刷的量產穩(wěn)定性會大幅下降。綜上，印刷工藝開發(fā)包括新材料開發(fā)與印刷墨水調控、印刷設備優(yōu)化、成膜及干燥后處理等工藝優(yōu)化、環(huán)境控制及器件設計優(yōu)化等多方面的突破。