一文讓你全面了解OLED技術以及AMOLED屏

三星以及部分國產智慧型手機早已用上了AMOLED顯示屏，不過傳言iPhone8將採用AMOLED顯示屏的消息再一次推高了OLED技術的熱度。雖然經常聽說AMOLED，但你知道它與OLED的關係嗎？手機廠商為何要爭搶OLED面板？智慧型手機和VR能讓OLED成為主流嗎？帶著一連串的問題，讓我們來全面了解一下OLED技術。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/365551.htm

OLED的結構及發光原理

有機發光二極體（OLED）是一種由柯達公司開發並擁有專利的顯示技術，這項技術使用有機聚合材料作為發光二極體中的半導體（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。蛋白質和DNA就是有機聚合物的例子。

OLED基本架構是由ITO（氧化銦錫）與電力的正極相連，再加上一個金屬陰極，包成如三明治的結構。整個架構層中包括了：空穴傳輸層、發光層和電子傳輸層。在電場的作用下，陽極產生的空穴和陰極產生的電子就會發生移動，分別向空穴傳輸層和電子傳輸層注入，遷移到發光層。當而正在發光層相遇時，產生能量激子，從而激發發光分子產生可見光。當電力供應至適當電壓時，正極空穴與陰極電荷就會在發光層中結合，產生光亮，依其配方不同產生紅綠藍光，按照三基色原理形成基本色彩。

OLED具備自發光功能，而LCD自身不發光，需要背光源支持，即光源來自顯示面板下方。LCD與背光源共同構成LCM，其中LCD一般採用多層級結構，主要由偏光片、玻璃基板、彩色濾光片、透明電極、TFT、液晶等面板材料組成，而背光源主要由光源、導光板、光學用模片、結構件等組成。

OLED分類及特點

按照驅動方式分類，OLED可以分為AMOLED（AcTIve MatrixOLED，主動矩陣OLED，或稱有源矩陣OLED）和PMOLED（Passive MatrixOLED，被動矩陣OLED，或稱無源矩陣OLED）。

其中PMOLED單純的以陰陽極構成矩陣狀，以掃描方式點亮陣列中的像素，每個像素都是操作在脈衝模式下，為瞬間高亮度發光，優點是工藝簡單、成本較低，缺點是不適合應用在大尺寸與高解析度面板上，不符合發展趨勢。

AMOLED則是採用獨立的TFT去控制每個像素，每個像素皆可以連續且獨立發光，優點是驅動電壓低，發光組件壽命長，缺點是工藝複雜，成本不易控制。AMOLED佔據了OLED市場的絕大部分份額，代表著主流的發展方向，目前市場上所說的OLED產品一般默認是AMOLED。

OLED的特色在於其核心可以做得很薄，厚度為目前液晶的1/3，加上有機發光半導體為全固態組件，抗震性好，能適應惡劣環境。有機發光半導體主要是自體發光的，讓其幾乎沒有視角問題；與LCD技術相比，即使在大的角度觀看，顯示畫面依然清晰可見。有機發光半導體的組件為自發光且是依靠電壓來調整，反應速度要比液晶片件來得快許多，比較適合當作高畫質電視使用。2007年底SONY推出的11吋有機發光半導體電視XEL-1，反應速度就比LCD快了1000倍。

有機發光半導體的另一項特性是對低溫的適應能力，舊有的液晶技術在零下75度時，即會破裂故障，有機發光半導體只要電路未受損仍能正常顯示。此外，有機發光半導體的效率高，耗能較液晶略低還可以在不同材質的基板上製造，甚至能成製作成可彎曲的顯示器，應用範圍日漸增廣。

有機發光半導體與LCD比較之下較佔優勢，數年前OLED的使用壽命仍然難以達到消費性產品（如PDA、行動電話及數位相機等）應用的要求，但近年來已有大幅的突破，許多行動電話的屏幕已採用OLED，然而在價格上仍然較LCD貴許多，這也是未來量產技術等待突破的。

AMOLED生產工藝

由於AMOLED佔據了OLED絕大部分市場份額，因此我們主要闡述AMOLED的製作工藝。

背板段

無論是AMOLED還是TFT-LCD，其製作過程的第一步是背板段工藝，即製作TFT基板。由於OLED屬於電流驅動器件，對電流的穩定性要求很高，而電流的穩定性又與電子的遷移率有關，因此LTPS是適合做OLED用TFT的最佳半導體薄膜，一般來說AMOLED均採用LTPS基板搭載TFT。而LCD中由於成本及工藝的原因，採用a-Si的最多。

值得注意的是，TFT指薄膜電晶體，在LCD中起驅動開關的作用，通過TFT開關控制液晶的電壓大小，進而控制液晶分子的旋轉角度，通過遮光和透光來達到顯示的目的；在OLED中同樣起開關的作用，通過TFT開關控制電流大小進而控制發光亮度。LCD和OLED在製備TFT陣列中的不同點：1）OLED對TFT需求數量較多，LCD中一個像素只需要一個TFT，而OLED中至少需要4個TFT；2）OLED對TFT的製備工藝要求極高，同樣是TFT，OLED中的TFT良率要遠低於LCD中的TFT。

背板段工藝主要通過成膜，曝光，蝕刻疊加不同圖形不同材質的膜層以形成LTPS，技術難點在於微米級的工藝精細度以及對於電性指標的極高均一度要求，具體流程見下圖。背板段流程中涉及的設備有：光刻機、溼刻機、幹刻機、ICP-幹刻機、PVD、CVD、TEOSCVD、HF清洗機、雷射晶化機、離子注入機、快速熱退火機等。

前板段

前板段製程是整個AMOLED工藝中的最重要的環節。具體流程為：對LTPS-TFT基板進行不同方式的清洗、乾燥之後，送入氮氣環境中進行降溫，並反轉基板，使膜面朝下。對於處理後的基板，送入5x10—5Mpa的真空室內進行各功能層、發光層的蒸鍍。蒸鍍之後對AMOLED進行功能性和外觀性的檢測以及偏光片的貼附，最後進入模組段製程。前板段涉及到的主要設備有：基板轉移設備、基板清洗設備、蒸鍍機、張緊機、老化機、固化機等設備。

與蓋板玻璃核心工藝在於「雕」字類似，AMOLED製備工藝的核心在於「蒸」字，也即AMOLED的像素點全部都是蒸鍍到LTPS上的。所謂蒸鍍，就是真空中通過電流加熱，電子束轟擊加熱和雷射加熱等方法，使被蒸材料蒸發成原子或分子，它們隨即以較大的自由程作直線運動，碰撞基片表面而凝結，進而形成薄膜。可以說，蒸鍍是OLED製造工藝的精華部分，而且不僅是發光材料，金屬電極等等之類也是蒸鍍上去的。

蒸鍍工藝難度極高，需要專用的蒸鍍機才能夠完成。目前業界公認日本Canon旗下子公司Tokki的技術能力最佳，全球範圍內擁有大規模量產實際業績的蒸鍍設備也僅有日本Tokki一家，實際上Tokki基本壟斷了全球蒸鍍機的供應。Tokki公司於1986年由三家公司合併成立，於1993年研製出中小尺寸蒸鍍機，1996年研發出用於量產的蒸鍍機，2007年被Canon公司收購。

模組段

對製作好的AMOLED面板進行模組裝配是產品面向應用的最後一道工序，也是檢測面板品質的最後一道環節。AMOLED模組段和LCM模組段相似，但由於LCD需要與背光源進行組裝，且LCD需要貼合彩色濾光片而AMOLED不需要等，總體來看在模組段的工序上AMOLED要比LCM簡單。基本流程為：首先對面板進行切割、裂片、清洗和乾燥，然後再進行面板的ACF貼附，接著做COG、FOG、TAB的綁定，經模組電測之後，塗保護膠並固化，最後完成外引線和驅動板裝配，進行包裝入庫。其中涉及到的設備主要有：清洗機、板材切合機、粒子檢測機、偏光片貼合機、ACF貼附機（貼附異嚮導電膠膜的機器）、COG邦定機（綁定控制IC的機器）、FOG邦定機（綁定FPC的機器）、OLB邦定機（綁定外引腳TAB的機器）、老化測試機、AOI自動檢測機等等。

OLED的技術及應用挑戰

OLED是行業共同關注的未來顯示技術方向，但相對於應用低溫多晶矽技術的中小尺寸OLED屏幕，應用氧化物技術的大尺寸OLED屏幕在普及中遇到了眾多技術難點，目前受制於一些關鍵技術、成本及良品率偏低等因素影響，OLED面板規模性應用及大尺寸產業化尚有較長一段進程。

採用OLED大屏幕的產品

面板、有機材料鍍膜及封裝為OLED大屏幕產品量產化的三大指標，由於開發大尺寸設備的瓶頸難以突破，低溫多晶矽（LTPS）面板製程難以跨越5.5代OLED面板生產線，因為這種技術是把紅、綠、藍有機發光體在玻璃面板上水平蒸鍍，由於在蒸鍍時必須要使用金屬遮罩，在做大面板時由於重力會造成金屬遮罩下沉及混色等問題，因此不適合實現大尺寸和高解析度。

面板技術比較表

採用OLED透明屏幕的產品

常見的氧化物薄膜電晶體元件結構主要有共平面（Coplanar）、蝕刻阻障層（Island Stop/Etch Stop Layer，IS/ESL）和背通道蝕刻（Back Channel Etch，BCE）這三種。共平面結構製程簡單，但因為氧化物半導體層要攀爬源汲極金屬，容易導致電特性與接觸問題，且可靠度不佳。

至於背通道蝕刻和蝕刻阻障層結構在元件特性及製程良品率上則較具優勢，尤其是背通道蝕刻結構相容於標準非晶矽結構，極具競爭力。但若考量可靠度，則以蝕刻阻障層結構最為理想，原因主要在於蝕刻阻擋層可保護元件的背通道，不受製程影響產生特性 差異，但缺點是複雜的製程導致成品與良品率問題。

常見的氧化物薄膜電晶體元件結構比較表

氧化物薄膜電晶體技術的重要性在於其量產機型相容於現有主流技術非晶矽的設備，由於氧化物薄膜電晶體材料特性對光與熱會導致電特性的改變，即臨界電壓偏移（Threshold Voltage Shift，Vth Shift），甚至可以運用在光感應器（Photo Sensor）上，所以如何改善均勻度與可靠度將是一大難題，製程的調校相當困難與敏感，製程穩定度要求也相對高。

OLED屏幕採用紅、綠、藍（R、G、B）像素組成，其使用主流的有機材料鍍膜技術——真空蒸鍍注，這種製作方式要平衡每個像素內紅、綠、藍有機發光體的放置量，維持亮度的均勻性，隨著OLED屏幕尺寸加大，會導致生產良品率下降，由於藍色有機發光體的壽命短，為了修復其缺陷，會稍微多蒸鍍一點藍色OLED有機發光體，但導致的結果是紅、綠、藍像素構造中的色彩歪曲現象。除因蒸鍍槽設計緣故，致使蒸鍍技術的生產效率欠佳之外，也面臨適使用8代OLED面板生產線的蒸鍍設備的難產窘境。

常見全彩OLED技術比較表

雖然製程相對較難的精細金屬遮罩（Fine Metal Mask，FMM，也叫精細金屬掩膜板）像素技術的色彩表現較佳、省電，但立刻就會遇到大尺寸化的挑戰，包括挑戰精細金屬遮罩與無混色（Color Mixing）需求，以及挑戰溫度超過1000℃以上的金屬蒸鍍製程。研究人員嚴格地執行製程控制，有效率地回饋製程參數，並且搭配精細分片（Fine Divided Sheet，FDS）技術後，終於成功開發出不混色技術，達成前端氧化物薄膜電晶體與後端OLED皆可全板（Full Sheet）製作的裡程碑。

採用OLED曲面屏幕的產品

自從串級式（Tandem）OLED結構被發表後，高效率白光OLED已經逐步成真，並且隨著材料與元件的技術演進，白光OLED技術已到達照明領域與顯示器領域上可被接受的水準。然而，相較於採用紅、綠、藍像素並置法的OLED的廣色域與高色純度，白光OLED元件卻難以望其項背。除此之外，組成白光元件至少需要10層膜以上，在長時間下，每一片OLED元件上的膜的厚度均一性也是金屬蒸鍍設備上亟待解決的一大問題。

目前，有機光電子學在材料、功效、壽命、彩色化、大尺寸、柔性化、封裝和生產工藝等方面尚有一系列理論、技術和工藝問題亟待解決，這些環節上存在的不足都相當程度地制約了有機光電功能材料與技術在產業化方向的發展。其中，OLED技術要達到大規模的應用，取決於材料、設計和製備工藝等的全面進步，還需要對材料和器件結構進行創新，以提高功效、增加穩定性和降低成本。

與OLED競爭的下一代平板顯示技術MICRO LED、QLED

OLED、MICROLED、QLED這個三個技術，由於可以採用三原色亞像素自發光的結構，其光效率理論上可以達到95%。即只要不斷改善發光材料的電光轉化率，這些技術的節能水平就可以遠超過液晶——這一點對於行動裝置、穿戴設備意義非比尋常。

從最終顯示產品的結構上看，OLED、MICROLED、QLED都是TFT結構上排列電光轉化材料。這個結構上的一致性，決定了三種顯示技術的不同之處，主要由這三種顯示技術所用到的電光轉化材料的差異決定。

如果將視角從產品體驗上，轉移到製造過程上，OLED、MICROLED、QLED具有非常多的相似點，正是因為在製造工藝上這些技術的相似性，業內才認為下一代顯示技術路線之爭，遠沒有當年液晶和等離子「你死我活」般的激烈，畢竟這三種顯示技術，通用設備與工藝的比例在7成左右。

從缺點看，OLED作為有機材料、有機物質，有其固有缺陷——即壽命和穩定性，難以媲美無機材料的QLED和MICROLED、QLED產品，雖然性能品質出色，但產業化進程不佳，或者說規模製備的難度不小。

MICROLED產品發光器件是固體化的微型LED燈珠（微米量級），雖然其製備與傳統LED燈珠差異較大，但是也可很好繼承傳統LED產業的巨大產能和技術積累，不存在規模化生產的問題，但是MICROLED燈珠是一種正負電極性的微結構，不像OLED和QLED是一種單純材料，其產品在TFT基板上的遷移過程、移植工藝難度最高，工藝可靠性也最低。

但MICROLED也有其獨特優勢：1、發光效率上，目前MICROLED最高，且還在大幅提升空間；2、發光能量密度上，MICROLED最高，且還有提升空間。——前者，有利於顯示設備的節能；後者則可以節約顯示設備有限的表面積，並部署更多的傳感器。目前的理論結果是，MICROLED和OLED比較，達到同等顯示器亮度，只需要後者10%左右的塗覆面積。

雖然，OLED/MICROLED/QLED的各自的特點如此鮮明，但是更大的一個問題是，從應用角度看，這三者幾乎不具有「對手完全不具備的」優勢。例如，OLED的核心問題「壽命」不及後兩者，但是卻也足以滿足家用電視機10年以上的使用需求——至於QLED理論上三五十年的使用其，則不具有實踐上的意義。

所以，OLED/MICROLED/QLED這些技術哪一個能夠最終成為贏家，更多的不是取決於技術性能的對比，而是工程實踐、規模製造下的成本性、可靠性。