有機(jī)EL，柔性顯示器中的主流技術(shù)

　　1.前言

　　本文將以“有機(jī)EL，柔性顯示器的中流砥柱”為題，介紹柔性顯示器的開發(fā)、實(shí)用化現(xiàn)狀與展望。有機(jī)EL也叫 OLED（Organic Light Emitting Diode），尤其是驅(qū)動(dòng)元件采用TFT的有源矩陣驅(qū)動(dòng)式有機(jī)EL（AMOLED：Active Matrix Organic Light Emitting Diode），能夠?qū)崿F(xiàn)高清晰度的全彩顯示。

　　在進(jìn)入正題之前，筆者將首先比較液晶與有機(jī)EL兩種顯示器的器件構(gòu)造。然后明確大型有機(jī)EL電視的量產(chǎn)課題；接著介紹2015年11月初發(fā)表的單層構(gòu)造的有機(jī)EL；最后講解正題“柔性有機(jī)EL的現(xiàn)狀”，希望通過(guò)筆者的講解，讓大家認(rèn)識(shí)到現(xiàn)狀與最終目標(biāo)存在的差距。

　　2. 液晶 vs. 有機(jī)EL

　　2.1　顯示器的器件構(gòu)造與直接材料成本比率

　　筆者目睹了顯示器市場(chǎng)從長(zhǎng)期占據(jù)主流的顯像管（CRT）到液晶的變遷。不只是CRT和液晶，在形形色色的顯示中，部件和材料的作用乍看普通，其實(shí)都非常重要，是在顯示技術(shù)發(fā)展中決定產(chǎn)品優(yōu)劣的最大要素之一。

　　CRT 與液晶的共同點(diǎn)是部件數(shù)量多、通用性高。CRT廠商和液晶面板廠商很容易就能更換部件供貨廠商，在市場(chǎng)成熟之后，依然有新企業(yè)不斷涌入。部件廠商之間，改 善性能、降低成本的競(jìng)爭(zhēng)增加。通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)，改善性能、降低成本兩個(gè)原本相悖的趨勢(shì)實(shí)現(xiàn)了齊頭并進(jìn)。在激烈競(jìng)爭(zhēng)的洗禮下，技術(shù)的進(jìn)步令人嘆為觀止。筆者認(rèn)為， 部件通用性高、涉足門檻低的技術(shù)，是成為顯示器主力軍的必備條件。

　　現(xiàn)在，以有機(jī)EL為中心，新一代顯示器的開發(fā)和實(shí)用化進(jìn)行得如火如荼。新一代顯示器一般傾向于把部件數(shù)量少、構(gòu)造簡(jiǎn)單作為理想狀態(tài)。構(gòu)造簡(jiǎn)單當(dāng)然最好不過(guò)，但不可否認(rèn)的是，部件數(shù)量少可能會(huì)導(dǎo)致參與開發(fā)的企業(yè)少，競(jìng)爭(zhēng)有限。

　　液晶的一大優(yōu)勢(shì)，在于部件廠商的技術(shù)提案非常多。顯示性能好的顯示器，并不一定就能成為主流。還必須看起能夠占領(lǐng)市場(chǎng)的投資和部件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?，F(xiàn)在已經(jīng)建立起穩(wěn)固地位的液晶，還有激光源、量子點(diǎn)等部件新選擇，所以今后，其地位估計(jì)今后也不會(huì)動(dòng)搖。

　　圖 1是液晶和有機(jī)EL（這里分別為TFT-LCD和AMOLED）的器件構(gòu)造。圖中（）內(nèi)的數(shù)字代表成本比率。AMOLED是自發(fā)光器件，無(wú)需背光單元 （BLU）。而TFT-LCD（一般使用的透射型），背光單元是必需品，占總成本的比率高達(dá)50％。從削減成本的角度出發(fā)，背光單元等部件也是重要項(xiàng)目。 因?yàn)樵赥FT-LCD的成本構(gòu)成中，直接材料成本（部件成本）占到了60～70％，如果不從這里著手改良，根本不可能削減成本。通過(guò)TFT-LCD基板的 大型化削減成本的方式已經(jīng)達(dá)到了極限。

　?。╞）AMOLED的器件構(gòu)造

　　圖1：TFT-LCD與AMOLED的器件構(gòu)造與成本構(gòu)成

　　TFT- LCD如圖1所示，包括作為透射型顯示器光源的BLU、隨著加載電場(chǎng)開關(guān)燈光的液晶和偏光板，以及實(shí)現(xiàn)彩色化的彩色濾光片（CF），部件的功能各自獨(dú)立。 而且，TFT基板與CF基板基本上是通過(guò)不同的工序制作。因此可以逐道工序進(jìn)行檢查及修復(fù)。這特別有助于提高使用大型基板的大屏幕TFT-LCD（1枚基 板可以制作的數(shù)量少）的成品率。

　　而AMOLED則是通過(guò)在TFT陣列的基板上疊加納米級(jí)有機(jī)膜的方式制作。因此，從器件構(gòu)造來(lái)說(shuō)，雖然每層有機(jī)膜的功能各自獨(dú)立，但無(wú)法在加工過(guò)程中進(jìn)行檢查和修復(fù)。可以稱之為“功能集成器件”。

　　2.2 量產(chǎn)有機(jī)EL電視面臨的課題

　　2013 年的“SID”舉辦的“LCD or OLED？”講座（Session 3）上，筆者以“TFT-LCD as leading role in FPD”為題發(fā)表了特邀演講。在演講中，列舉了有機(jī)EL電視存在的5個(gè)量產(chǎn)課題，指出“重要的是解決這些課題，向消費(fèi)者展示與液晶電視的差別，并且具有價(jià) 格競(jìng)爭(zhēng)力”。

　?。╝）發(fā)光材料：低分子（真空蒸鍍）或高分子（印刷）、熒光或磷光

　?。╞）需要解決耗電量、壽命、殘影等問(wèn)題

　?。╟）支持第10代面板的TFT陣列制造裝置

　?。╠）替代掩模蒸鍍的分涂技術(shù)和裝置

　?。╡）支持大型面板的封裝技術(shù)和裝置

　　那 場(chǎng)演講已經(jīng)過(guò)去了2年多，現(xiàn)在量產(chǎn)大屏幕電視用有機(jī)EL面板的企業(yè)，只有韓國(guó)LG顯示器一家。聽說(shuō)該公司雖然沒(méi)有取得明顯的技術(shù)突破，但通過(guò)改變器件構(gòu) 造，提高了成品率。不過(guò)，產(chǎn)量等于［（成品率×開工率）/工期時(shí)間］，由此推測(cè)，IGZO的成膜和發(fā)光層蒸鍍工序的開工率絕對(duì)不高。

　　3. 有機(jī)EL的器件構(gòu)造與制造工藝

　?。╝）有機(jī)EL（OLED）

　?。╞）有機(jī)EL（OLED）

　　圖2：過(guò)去的多層構(gòu)造與新開發(fā)的單層構(gòu)造的有機(jī)EL（OLED）

　　現(xiàn)在的有機(jī)EL通過(guò)使用磷光發(fā)光材料，量子效率達(dá)到了100％的理論極值。器件構(gòu)造如圖2（a）所示，采用多層構(gòu)造。各層使用真空蒸鍍法，層疊納米級(jí)有機(jī)材料。構(gòu)成了多層分擔(dān)有機(jī)EL的各項(xiàng)功能的構(gòu)造。

　　圖3：利用單層構(gòu)造有機(jī)EL（OLED）實(shí)現(xiàn)的白色顯示

　　東 北大學(xué)教授磯部寬之等人得到了一個(gè)顛覆常識(shí)的發(fā)現(xiàn)：“通過(guò)設(shè)計(jì)1種基礎(chǔ)材料，可以制作出單層、發(fā)光效率接近理論極值的有機(jī)EL”（圖2（b））。使用的有 機(jī)材料，是僅由碳和氫兩種元素組成的有機(jī)物（碳?xì)浠衔铮?。從分子設(shè)計(jì)的本質(zhì)出發(fā)，成功簡(jiǎn)化了有機(jī)EL的設(shè)計(jì)方針。從“最大限度激發(fā)元素性能”的元素戰(zhàn)略 的角度來(lái)看，也是一項(xiàng)重要的發(fā)現(xiàn)。該研究組已經(jīng)證實(shí)，這種新型的碳?xì)浠衔?，能夠利用磷光發(fā)光材料，實(shí)現(xiàn)紅、綠、藍(lán)三原色。如圖3所示，成功制作出了白色 發(fā)光器件。

　　這一發(fā)現(xiàn)的重點(diǎn)，是使用苯周圍有甲基（CH3）的甲苯，可以制作出功能更強(qiáng)，單層且具有高發(fā)光效率的有機(jī)EL基礎(chǔ)材料。通過(guò)對(duì) 樹木中分離出的天然物（甲苯）進(jìn)行分子設(shè)計(jì)、化學(xué)轉(zhuǎn)化，形成5個(gè)相連的分子（5Me-［5］CMP），即可制作出高功能電子材料。這種電子材料只使用碳和 氫元素。在不久的未來(lái)，有望實(shí)現(xiàn)“輕輕一噴就能制造”。

　　4. 柔性有機(jī)EL的現(xiàn)狀與展望

　　圖4是已經(jīng)投入量產(chǎn)或正在開發(fā)的 有機(jī)EL顯示器?，F(xiàn)在的大屏幕有機(jī)EL電視使用的顯示器，是截面固定的曲線（Fixed Curve）形狀，曲線的半徑R為4500mm。還算不上是柔性顯示器。已經(jīng)投產(chǎn)的智能手機(jī)用“柔性有機(jī)EL”，其實(shí)是固定曲線或是固定邊緣曲線 （Fixed Edge Curve），也談不上柔性（半徑R方面，固定曲線為700mm，固定邊緣曲線為10mm）?？纱┐饔蔑@示屏也是固定曲線（R＝5～10mm），同樣不是 柔性?，F(xiàn)在正在開發(fā)的折疊（Large Fold）和多層折疊（Acute Foldable）應(yīng)該可以稱為柔性顯示器。半徑R方面，折疊為3mm，多層折疊為1mm以下。

　　圖4：已經(jīng)投入實(shí)用和正在開發(fā)的柔性有機(jī)EL（OLED）

　　現(xiàn) 在，大屏幕電視用有機(jī)EL面板，只有LG顯示器投入了量產(chǎn)。其配備的TFT使用IGZO，是在玻璃基板上制作。而移動(dòng)產(chǎn)品使用的面板，則有韓國(guó)三星顯示器 和LG顯示器兩家進(jìn)行量產(chǎn)。其中也有使用樹脂基板的類型。這些面板都是在玻璃基板上涂布聚酰亞胺膜，在上面制作低溫多晶硅（LTPS）TFT，然后層疊有 機(jī)EL，從玻璃基板上剝離聚酰亞胺膜。移動(dòng)產(chǎn)品用與電視用不同，功耗必須要低，因此只能使用可以形成COMS電路的LTPS TFT。這些都是基于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的TFT，可以彎曲的半徑存在限制。

　　5. JOLED的戰(zhàn)略

　　下面來(lái)介紹匯集日本的最尖端有機(jī)EL技術(shù)（索尼和松下），于2015年1月5日誕生的“JOLED”公司的技術(shù)。JOLED將利用下面的技術(shù)，確立OLED的優(yōu)勢(shì)地位。

　　5.1 有機(jī)EL印刷技術(shù)（Printed OLED）

　　這項(xiàng)技術(shù)采用無(wú)需RGB真空鍍膜的印刷方式。這種方式是通過(guò)在空氣中印刷材料形成發(fā)光層（EL層），“無(wú)需真空環(huán)境”、“無(wú)需掩?！?，制造工藝需要的投資少，維護(hù)簡(jiǎn)單。而且容易支持面板的大型化。因?yàn)橹恍枰谛枰奈恢猛坎夹枰姆至浚圆牧系膿p耗少。

　　但是，這樣制作出來(lái)的有機(jī)EL，是否具有與蒸鍍法相同的特性和壽命？印刷方式能夠?qū)崿F(xiàn)多高的清晰度？在思考有機(jī)EL的應(yīng)用時(shí)，這些是非常重要的課題。通過(guò)在中型TFT液晶中應(yīng)用，4K、8K的高清晰度面板正在開發(fā)或已經(jīng)投入了實(shí)用。

　　5.2 氧化物半導(dǎo)體技術(shù)

　　這項(xiàng)技術(shù)采用索尼開發(fā)的自對(duì)準(zhǔn)型頂柵構(gòu)造，使用5枚掩模制作TFT。利用自主開發(fā)的金屬反應(yīng)，降低了TFT電極部分的電阻。這項(xiàng)技術(shù)確保了TFT的高穩(wěn)定性。還將通過(guò)組合自主開發(fā)的補(bǔ)償電路技術(shù)，在中型以上尺寸充分發(fā)揮有機(jī)EL的性能，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)高清晰度、低成本的顯示器。

　　不 過(guò)，氧化物半導(dǎo)體的真空鍍膜（濺射）與非晶Si（a-Si）鍍膜使用的等離子CVD相比，裝置的開工率和成品率存在課題。而且，以IGZO為代表的氧化物 半導(dǎo)體為多元材料（例如四元），不容易以均勻的成分和厚度，在大面積基板上制作。從綠色工藝的觀點(diǎn)出發(fā)，筆者衷心希望開發(fā)出涂布型的氧化物半導(dǎo)體TFT技 術(shù)，并將其投入實(shí)用。

　　5.3 柔性面板

　　JOLED正在利用在玻璃基板上成膜并轉(zhuǎn)印至薄膜的技術(shù)，開發(fā)柔性面板。但是，柔性顯示器的實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵在于利用卷對(duì)卷（R2R）方式進(jìn)行生產(chǎn)，而非單張方式。重要的是以有別于現(xiàn)有廠商的技術(shù)，提供用戶需要的柔性顯示器。

　　6. 結(jié)語(yǔ)

　　有 機(jī)EL具有液晶難以實(shí)現(xiàn)的顯示特性，所以它一直被看作是柔性顯示器的主流。本欄目比較了二者的器件構(gòu)造及成本構(gòu)成。在明確大型有機(jī)EL電視存在的量產(chǎn)課題 的同時(shí)，介紹了當(dāng)前的柔性有機(jī)EL。這些有機(jī)EL現(xiàn)在采用的生產(chǎn)方式，與綠色工藝還相去甚遠(yuǎn)，換言之，日本廠商還有機(jī)會(huì)扳回劣勢(shì)。筆者這次介紹的都是“日 本發(fā)明”的技術(shù)，希望這些新技術(shù)能夠引領(lǐng)世界的顯示器產(chǎn)業(yè)和學(xué)會(huì)不斷向前發(fā)展。（特約撰稿人：鵜飼育弘，Ukai Display Device Institute代表）技術(shù)在線