一般認為主動式矩陣驅動OLED顯示器,未來可望扮演牽引市場成長的重責大任,尤其是主動式OLED顯示器持續高精細化、大畫面化進化的結果,OLED顯示器已經可以作文字與動態影像顯示,因此全球業者計劃以OLED顯示器進軍大型電視市場,加上SONY副社長公開宣佈加入戰局,未來OLED市場可能會出現爆炸性擴大。
SONY副社長最近在公開場所對外宣佈,該公司將在2007年推出OLED電視,立即在顯示器業界引發一陣譁然,業者普遍認為SONY終於發揮引爆劑角色,新世代電視可望透過OLED脫離紙上作業獲得實現。
OLED面板基板結構問世至今歷經20年摸索歲月,PIONEER公司在10年前推出全球首度的OLED面板應用商品,小尺寸被動式矩陣驅動OLED面板成為可以顯示文字的次元件,廣泛應用在行動電話與MP3等可攜式電子機器等領域。
雖然被動式矩陣驅動OLED顯示器的市場拓展達到巔峰狀態,不過單價卻急遽下跌,美國iSuppli市調公司甚至大膽預測,09年被動式矩陣驅動OLED顯示器的市場成長會停止。
圖說:SONY在CES2007的會場上展出27吋OLED電視,一時之間吸引了眾多參觀者的目光
OLED成為SONY擺脫現狀的復活籌碼
一般認為主動式矩陣驅動OLED顯示器,未來可望扮演牽引市場成長的重責大任,尤其是主動式OLED顯示器持續高精細化、大畫面化進化的結果,OLED顯示器已經可以作文字與動態影像顯示,因此全球業者計劃以OLED顯示器進軍大型電視市場,加上SONY副社長公開宣佈加入戰局,未來OLED市場可能會出現爆炸性擴大。
長久以來家電霸主SONY公司一直利用獨自開發的顯示器技術,在電視機領域中縱橫數十年,2002年該公司的電視機事業收益達到巔峰之後,未順利跨入平面顯示器時代潮流,陷入經營苦戰局面,直到2005年與韓國合資設立S-LCD公司之後,才逐漸扭轉頹勢,事業收益也暫時回復,在此前提下OLED顯示器成為SONY擺脫現狀達成完全復活的重要籌碼。
事實上SONY早在10年前就已經展開OLED顯示器的開發,當時電視主流為CRT,因此SONY同時開發OLED顯示器與場發射顯示器(FED: Field Emission Display),2001年開發13吋OLED顯示器時,首度採用高輝度化技術改善顯示器面內的輝度分佈不均問題,透過電流程式方式的分佈不均補償電路,可以同時獲得高精細、高穿透率雙重效果,2003年SONY使用4片12.1吋組合彩色濾光膜片與微型槽穴結構,製作24吋大型OLED顯示器。
2007年SONY的11吋寬銀幕OLED顯示器商品化,主要原因是SONY認為低溫多晶矽TFT基板與光罩蒸鍍等成熟技術,適合應用在1024×600畫素OLED面板的製作。
有關OLED顯示器的使用壽命,SONY表示除了已經完全排除技術問題達到實用化階段,與OLED材料大廠出光興業共同開發也發揮重大貢獻。2007年兩公司同意相互共享包含OLED材料與元件專利,並持續進行新技術的開發。
SONY將OLED電視視為殺手級應用(Killer Application),該公司採用垂直整合方式來開發OLED顯示器,相較之下其它OLED顯示器開發廠商則採取水平分工方式,主要原因是這類廠商比照其它顯示元件與半導體發展模式,計劃未來大量提供面板給為數眾多的下游系統廠商,不過這種經營模式除了必需主動提供客戶殺手?產品之外,同時還需要提供可以滿足客戶需求的面板數量。
拓展OLED電視必需克服四大課題
OLED顯示器市場時,面臨成本比液晶電視高的嚴苛環境,因此首要條件除了輕巧、高畫質之外,還需創造具有說服力的革命性特徵。OLED顯示器主要特徵並不是主動發光、輕巧、高畫質,而是具備在樹脂膜片形成OLED膜層,製作可撓曲的全彩電視的發展潛力,例如透過印刷、噴墨技術都可以輕易達成上述要求。
此外不易在價格上決定勝負的OLED電視,提供有魅力、高附加價值的商品,反而成為各系統廠商可以自由發揮的空間。
SONY認為OLED電視的商品化,必需克服大型化、性能、成本、使用壽命四大課題,上述四大課題涉及:TFT基板技術、製程技術、驅動技術,以及OLED材料技術,等四大領域。
有關TFT基板技術,它要求擺脫傳統利用準分子雷射退火技術製作低溫多晶矽TFT基板的方式,主要原因是準分子雷射退火設備無法製作20吋以上大型基板,30吋以上基板必需開發全新材料。有關OLED的製程技術,主要原因是蒸鍍用光罩大型化、精細化已經接近極限,必需開發可以低成本製作30吋以上面板的製程技術。
圖說2:OLED顯示器成為SONY擺脫現狀達成完全復活的重要籌碼
有關驅動技術,TFT特性分佈不均、峰值電壓漂移補償技術必需進行改善,主要原因是隨著畫面大型化,未來無法維持分佈特性的均勻性,尤其是電流驅動的OLED,它的TFT特性分佈均勻性直接影響輝度的均勻性,因此扮演補償功能驅動電路設計技巧成為成敗關鍵。
有關OLED材料技術,基於長使用壽命的需求必需持續開發材料,尤其是抑制輝度劣化,開發高耐久性材料,即使微少電流也能夠以高電流效率發光的材料非常重要。
2007年SONY在SID 2007發表了,利用微結晶(μC-Si)(Micro Crystal)的TFT基板,和利用LIPS(Laser Induced Pattern wise Sablimation)雷射轉寫法的製程兩項技術,在2007年CES首度公佈的27.3吋OLED電視試作機型,就是採用這兩項技術。隨著SONY的OLED電視商品化宣佈,該公司非常積極進行材料與製作設備的開發,此外還加快步伐與出光興業共同開發螢光材料。
有關製作設備的開發,OLED製作設備大廠TOKKI公司利用平行擊發(Parallel shot)蒸鍍源技術,開發600×720mm大型基板用高材料利用效率的蒸鍍長膜設備,該蒸鍍長膜設備最大特徵,是15~20%的材料使用效率是傳統設備的2~4倍,由於該設備設有複數個蒸鍍源,即使基板靠近蒸鍍源也能夠維持長膜的均勻性。
SONY下一階段積極開發可撓曲化與印刷技術
為拓展OLED的應用,可撓曲化與印刷技術的開發正積極展開。SONY在SID2007發表樹脂膜片製成的2.5吋120×160畫素,解析度80ppi的OLED TFT驅動彩色面板。
上述OLED TFT驅動彩色面板的有機半導體材料為五苯(Pentacene),樹脂膜片材料為厚200μm的聚琥珀酸二乙酯(PES: Poly Ether Sulfone),SONY發表該OLED面板主要目的,是要證實TFT絕緣膜改用有機材料,即使彎曲狀態仍然可以顯示影像。SONY還開發有機TFT的微細加工、不使用溶媒的加工技術,具體開發內容是直接與無傷害性的半導體層、有機TFT的電流層接觸時,可以降低寄生阻抗的電極結構,以及經過微細化製程仍具備有機絕緣膜,可以實現1670萬色全彩顯示等等。
利用dLTA退火處理,提高矽的結晶性
傳統液晶電視用液晶面板製造設備已經跨入第8代(2200×2500mm),低溫複晶矽面板製造設備卻停留在第4代(730×920mm),40吋面板第8代設備可能取8片,第4代只能取1片,換句話說利用低溫複晶矽(p-Si)製作OLED時,它的製作成本勢必比液晶面板高,如果改用一般非晶矽(a-Si)製作TFTOLED面板,TFT的峰值電壓漂移非常大,不易使OLED長時間穩定發光,因此SONY利用dLTA(diode Laser Thermal Anneal)的紅外雷射二極體對非晶矽進行退火處理,藉此提高矽的結晶性,因為峰值電壓的電晶體特性穩定度,對矽材料的結晶性有依存性。
上述利用微結晶(μC-Si)製作的TFT基板,它的峰值電壓漂移比傳統非晶矽(a-Si)低一位數,穩定性幾乎與低溫複晶矽(p-Si)相同。
三星/飛利浦公司在DIS2007發表利用固相長膜技術,取代準分子雷射退火方式製成的OLED面板,由於固相長膜技術可以獲得p通道(channel)TFT特性,因此該公司認為固相長膜技術適合應用在所有尺寸的OLED面板製作。
有關使用金屬觸媒促進玻璃基板面內方向長晶的MILC(Metal Induced Crystallization)技術發展,由於製作後金屬觸媒會殘留在TFT元件內部,造成TFT可靠性劣化,因此香港科技大學在SID2007發表解決技術,它是在鈍化層(Passivation)設置孔穴,利用該孔穴去除鎳金屬觸媒。
實用化OLED面板大多透過遮光光罩在真空中進行蒸鍍,依序塗佈RGB三種OLED材料,隨著OLED面板的大型化,遮光光罩歪曲變形問題越來越嚴重,無法維持塗佈圖案要求的精度,因此SONY開發LIPS(Laser Induced Pattern wise Sablimation)雷射轉技術,它是在將雷射照射在已經塗佈發光材料的玻璃表面所構成寄生體(donor)基板使發光材料昇華,接著再轉印到設置在對向位置的TFT基板表面,此時若對長膜部位照射選擇性雷射,可以獲得無光罩的圖案。
不過LIPS法在大氣中直接將發光材料轉印到TFT基板表面,因此會有水份、氣體混入造成特性劣化的困擾,必需在真空中使寄生基板密貼於TFT基板,接著使TFT基板上的PDL,亦即包圍在外壁的內部減壓,消除造成劣化要因的混入。
杜邦發現可以溶解於溶媒的低分子系OLED材料
美國杜邦顯示器公司則發表溶液化OLED材料塗佈技術。以往大多使用容易溶解於溶媒的高分子系OLED材料,不過高分子系OLED材料的發光效率與使用壽命,都比低分子系OLED材料低。
杜邦公司發現可以溶解於溶媒的低分子系OLED材料,同時開發可以同時進行長膜與圖案化的溶液塗佈技術,它是透過OLED材料底部聚合物層的濕潤性控制,在已經提高濕潤性領域可以塗佈OLED發光材料,同時進行長膜與圖案化作業。該公司利用上述塗佈技術,在SID2007發表6.1吋,420×240畫素,解析度80ppi的低分子系主動型矩陣驅動OLED面板。
杜邦公司曾經試算採取溶液塗佈技術的製作成本削減效果,發現雖然OLED面板的製作成本比傳統光罩蒸鍍法高,不過改用溶液塗佈方式反而比液晶顯示器低,而且隨著玻璃基板的大型化,反而更容易發揮溶液塗佈方式的成本優勢。
三星採用白光OLED與彩色濾光膜片組合
三星則捨棄三色OLED材料的依序塗佈方式,採用白光OLED與彩色濾光膜片組合,這種使用彩色濾光膜片的方式會犧牲光線穿透率,為克服該缺點該公司採用RGB加上白色的4四次畫素(sub pixel)構成的色彩配列,藉此彌補光線穿透率降低的缺點。
該公司利用上述新技術製作14.1吋,1280×768畫素,與80%以上NTSC色再現範圍特性。
有關TFT特性分佈與峰值電壓漂移的補償技術,主要是將外置的驅動IC內建於補償電路。LG飛利浦與柯達兩公司在SID2007發表GMC(Global Mura Compensation)補償技術,同時還推出利用該技術製作的3吋低溫複晶矽(p-Si)TFT驅動OLED面板。由於補償電路內嵌單結晶矽晶片,因此適應於任何邏輯電路,它可以輕易支援所有輝度不均(MURA)問題,而且不需追加TFT電路可以使畫素結構單純化,對TFT面板的製作成本削減非常有利。
柯達公司利用上述技術完成OLED面板的量產化與客戶評鑑,根據評鑑結果顯示幾乎所有客戶都認為OLED面板的輝度均勻性與傳統液晶面板一致。
九州大學服部勵治助教認為外置校正用記憶IC,可以更精確進行輝度均勻性補償,尤其是大型面板若與小尺寸面板比較時,這種方法可以使面板整體的周邊LSI成本比率大幅降低,對抑制面板製作成本非常有效。
圖說3:除了日本業者積極投入OLED TV之外,韓國三星電子與LG也相當積極的開發
改善膜層結構延長元件壽命
上述適合應用在30吋以上OLED面板的製作技術與驅動技術定案之後,接著焦點幾乎都集中在發光效率與使用壽命兩課題。
事實上材料業者並未袖手旁觀,例如對發光材料開發與周邊有機材料改善都非常積極的出光興產,採用全新的電子輸送材料與電洞注入材料,獲利驅動電壓降低、輝度的電流效率提升等多重效益。出光興產透過OLED元件膜層結構的最佳化設計,發現可以使元件壽命延長的方法。
此外OLED面板廠商同時與複數材料廠商合作,元件廠商提示元件結構並鎖定開發項目,合作業者則提供最擅長的技術,藉此縮短開發行程。例如SONY與出光興產的合作案例,出光興產的開發成果可以提供給SONY以外的廠商,主要理由是材料廠商拓展商機可以加速開發時程,同時元件廠商也能夠獲得新材料,這比以往獨佔開發成果更容易獲得商業利益。