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軟性顯示大未來:AMOLED
 

【作者: 鄭華琦】   2010年11月09日 星期二

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市場變革-- AMOLED正式起飛

繼薄膜電晶體液晶顯示器(TFT-LCD)之後,主動有機發光二極體(AMOLED)被喻為下一世代面板。其中有機發光二極體(Organic Light-Emitting Diode;OLED)為一固態自發光顯示器,具有結構簡單、自發光無需背光源、廣視角、影像色澤美麗、省電等優勢,在中小面板市場可望大幅成長。


目前AMOLED技術不易做太大尺寸面板,且背光源的藍光部分壽命偏短,但以智慧型手機搭配門號促銷,汰換率相當高的情況,正好可以避掉藍光壽命短的技術問題,只要使用期間色澤優點發揮到極致即可,另外,手機面板也不用太大,AMOLED正可打入智慧型手機市場。現階段已開始應用於手機、mp3、數位相機、數位相框等中小尺寸顯示器產品。根據DisplaySearch估計(圖一),全球OLED 面板產值將從2008年的6億美金,成長到2016年的71億美金,年複合成長率達36%,這樣高的成長趨勢主要來自於主動式有機發光二極體AMOLED之成長。並且於2009的第一季AMOLED面板產值已首度超越PMOLED,預期在2010年AMOLED面板之出貨量亦將超越PMOLED,成為推動OLED於市場發光發熱之主要力量。



《圖一 全球OLED市場發展預測》
《圖一 全球OLED市場發展預測》資料來源:DisplaySearch

雖然AMOLED面板價格仍高於TFT LCD約50~100%,未來2~3年內可望降至10%,居於替代性之角色。未來面板尺寸以及亮度都會有不等程度的的升級;預計尺寸將由現行的2.2~2.8吋放大到3吋以上,亮度則可由目前之200 nits進一步推升至300 nits,以彰顯OLED在色彩鮮豔度、高對比之優勢,以及sunlight readability的優勢。這些特性提高AMOLED應用於高階智慧手機面板的利機。


製造廠商(如表一)目前以韓國Samsung Mobile Display;SMD為主,出貨量約為每月200萬片,於2010年4月20日宣布將投資次世代生產線,規劃在南韓忠清南道天安市的工廠投資建設具備生產較大尺吋電視以及較大尺寸主動矩陣OLED基板的5.5代規格生產線,預計於2011年1月正式進入量產階段;同一時間負責生產玻璃基板的三星康寧預定2010年在南韓投資OLED用玻璃基板生產線。簡單來說,三星集團已經嗅覺到主動矩陣OLED市場即將來臨。LG Display在明年預期會擴建AMOLED生產,於下半年整體出貨量會拉升至每月500~1000萬片。


根據OLED Association評估,AMOLED面板將以中小尺寸面板出發,漸次放大生產規模後,才可能生產具價格競爭力的大尺寸TV,而大尺寸TV的畫質表現將會是AMOLED的殺手級應用。中小尺寸AMOLED的產值預期可在2015年達到30~40億美金,未來若加上大尺寸AMOLED,可進一步成長至120億美金。繼三星行動顯示(SMD)與樂金顯示(LGD)大舉擴張主動矩陣式有機發光二極體(AMOLED)顯示面板製造產能後,友達也宣布將於今年底開始量產小尺寸AMOLED面板,迎接2011年手機市場對AMOLED強勁需求商機,期望能夠趕上智慧型手機大量採用OLED面板之風潮。


(表一) 不同廠商佈局主動矩陣OLED情況<資料來源 : 科技政策研究與資訊中心—科技產業資訊室整理,2010年4月>

 

SMD

LG Display

AUO

OLED佈局

投資5.5代OLED面板,預計2011年1月進入量產

擴建OLED產能於2011年下半年達到每月1,000萬片

預計2011年重新開啟生產OLED事業

目標市場

Smart Phone
平板機

Smart Phone
TV

Smart Phone


目前隨著許多款的智慧型手機開始採用主動矩陣OLED面板之外,未來以iPad為首的平板機將從2011年開始也進入OLED時代,表一為國際即將量產之不同廠商佈局主動矩陣OLED情況,未來在中小尺寸之目標市場令人期待。


軟性AMOLED發展現況

目前大多數的顯示器,都是採用TFT LCD,若想做到輕薄短小,方便隨身攜帶,螢幕顯示的資訊量就不夠;若想一次顯示足夠資訊量,體積就太大而不易攜帶,也可能耗電太大。對於未來的顯示器,消費者希望能夠擁有資訊量夠大,收藏起來方便,並且低耗電、摔不破、可彎曲折疊或收捲容易之產品。


除了優異的畫質表現,由電晶體驅動的AMOLED,具備以上特質,完全符合未來資訊社會對於行動裝置顯示器的需求。若與TFT-LCD技術比較,AMOLED結構簡單,不須背光、擴散板、配向膜、間隙子等繁複零組件,同時有機發光層之機械特性較接近軟性基板,因此更適合用於製做可彎可捲的軟性顯示器。


目前有許多研究單位正致力於開發軟性AMOLED面板,並發表展示相關技術於期刊及國際研討會上。例如日本SONY於2010 SID展示4.1吋QVGA的軟性AMOLED顯示器,在PES基板上製作有機電晶體(Organic TFT;OTFT)背板,並搭配頂部發光(Top Emission) OLED結構。SONY之軟性AMOLED試製品畫素為432×240,解析度121ppi,厚度80μm,曲率半徑為4mm。


《圖二 SONY於 2010 SID展示之4.1吋Flexible AMOLED》
《圖二 SONY於 2010 SID展示之4.1吋Flexible AMOLED》

另外,韓國廠商如Samsung在2010 SID展出之6.5吋與2.8吋的WQVGA軟性AMOLED顯示器,主動背板分別是金屬氧化物電晶體(Metal-oxide TFT;MOx TFT)與LTPS-TFTs;其中6.5吋之AMOLED是在塑膠基板上以250~300℃的製程溫度製作金屬氧化物電晶體背板,搭配上發光OLED結構。Oxide TFT (17.8cm2/vs) 元件是繼LTPS-TFT之後具有較a-Si TFT與OTFT更高的載子遷移率與驅動穩定性之主動元件,而適合於驅動OLED這樣的電流元件。


Oxide TFT應用範圍亦非常廣泛,包括可撓式顯示器、透明顯示器等應用。以可撓式顯示器為例,因Oxide TFT可採低溫製程製作,故搭配塑膠基板可形成可撓性顯示器。因此,三星在可撓式顯示器發展亦將導入Oxide TFT技術。Samsung之軟性AMOLED試製品畫素為160×272,解析度52ppi,彎曲之曲率半徑可達10mm。


《圖三 Samsung於2010 SID展示之Flexible AMOLED》
《圖三 Samsung於2010 SID展示之Flexible AMOLED》左圖:6.5吋,右圖:2.8吋

另一家韓國廠商LG Display亦對投入AMOLED十分積極。除了在2009橫濱光電展,展出即將商品化的15吋AMOLED TV產品外,並於2010 SID展示4.3吋HVGA 的軟性AMOLED面板,採用不透明的不鏽鋼(Stainless steel;STS)金屬基板,在其上製作低溫非晶矽電晶體(a-Si TFT)背板,並搭配倒置式頂部發光OLED結構。LG之軟性AMOLED試製品畫素為480×320,解析度134ppi,厚度0.3mm,彎曲之曲率半徑小於50mm。


《圖四 LG於2009 橫濱光電展展示之4.3吋Flexible AMOLED》
《圖四 LG於2009 橫濱光電展展示之4.3吋Flexible AMOLED》

軟性AMOLED之關鍵技術

軟性AMOLED之關鍵開發技術包括軟性基板、軟性TFT背板、軟性OLED發光層與封裝及保護層等(如圖五),以下即針對這幾個關鍵技進行深入探討。



《圖五 Flexible AMOLED之關鍵技術》
《圖五 Flexible AMOLED之關鍵技術》

軟性基板包括金屬箔、薄化玻璃、與塑膠基板,金屬箔因不透光使用上較具限制,薄化玻璃最大的問題在於易碎裂;以軟性的塑膠基板來取代傳統如玻璃與金屬基板,將面臨兩個重大技術問題。首先是基板本身之耐熱、光學、機械以及阻水氧等特性能否滿元件應用需求,其次是與TFT與OLED製程之相容性。


塑膠基板之耐熱特性包括熱裂解溫度、玻璃轉移溫度、熱膨脹係數等,在TFT製程中,塑膠基板必須歷經多次至少200℃以上的溫度考驗以及在真空鍍膜時的電漿轟極,具備耐熱穩定與本身化性表現是成功的關鍵;光學特性則包括光穿透度、光色澤、折射係數等,作為顯示器的顯示面基板,優異的光學特性是成像品質的要件;機械特性包括表面平坦性與粗糙度、表面硬度,機械強度等,因為顯示器必須能承受人為的使用觸碰,收納攜帶等嚴苛環境考驗,所以使用過程能夠不受損傷而有良好壽命也是重要的一環;至於阻水氧穿透特性,則包括水氣穿透率(Water Vapor Transmission Rate;WVTR)及氧氣穿透率OTR(Oxygen Transmission Rate),此二參數最常被用來說明基板與薄膜封裝阻水能力的好與壞,例如文獻即指出OLED壽命要達到10,000小時以上,薄膜封裝之WVTR須小於1×10-6g/m2.day [1],而OTR則須小於1×10-5g/m2/day[2]。


OLED之亮度對水氣與氧氣極為敏感,傳統AMOLED技術使用玻璃基板,可以有效阻擋水、氧氣對OLED元件傷害,而現行塑膠基板阻水氧特性皆在1g/m2-day以上,因此軟性AMOLED須再搭配阻隔結構(Barrier)與薄膜封裝(Thin Film Encapsulation)技術,達到有效的阻水氧穿透特性。如何在軟性顯示器上製造類玻璃封裝般之高信賴性封裝結構與具備撓曲特性的製程,是提高軟性AMOLED壽命最重要的課題。


採用現有半導體製程技術,直接將電子元件製作於塑膠基板上仍有相當困難。較容易的作法,是將塑膠基板固著於支撐的玻璃載板(carrier glass)上,再進行後續的元件製作,可行的技術包括貼附法、以及直接塗佈法。貼附法是利用貼合膠材或靜電吸附將塑膠基板貼附於玻璃載板,可使用的基板包括PC、PET、PEN、PES、PI等;直接塗佈法則使用塗佈型的PI塑膠基板,直接塗佈於玻璃載板之上,中間夾以離型層以利元件製程完成後塑膠基板之取下。以上技術各有其優缺點,差異在於靜電吸附法須全程採印方法製作元件,製程較受限制,貼附法須使用貼合膠材,膠材易受元件製程溫度影響產生形變,導致元件對位誤差而影響電子元件之特性表現。直接塗佈法則可透過塑膠基板與玻璃載板間良好的附著特性,故毋須使用膠材。衍生的問題是在離型層的技術與電子元件製作完成後的面板如何能夠完整取下,目前較為成功的有Philips的接著犧牲層與雷射取下方式之組合和工研院的特殊離型層結構與直接切割快速取下方式之組合兩種技術。


另外一重要技術,軟性TFT背板是驅動軟性AMOLED面板最為關鍵之技術,現階段研發中技術包括矽基電晶體(Silicon TFT;Si TFT)、有機電晶體(Organic TFT;OTFT)、以及最近熱門的金屬氧化物半導體電晶體(Metal-oxide TFT;MOx TFT)。以上三種技術,可在不同低溫下製作,故可與前述之軟性塑膠基板搭配。


軟性TFT背板之開發須解決兩大技術瓶頸,即低溫製程與無應力薄膜技術。為了將TFT製作於軟性基板,製程溫度須符合基板所能承受的耐溫極限,低溫製程TFT將使元件特性面臨極大挑戰。另一方面,低溫成長的薄膜其本質應力較小,更適合於軟性元件所使用。然而,低溫沉積的薄膜其膜內缺陷較高溫沉積之薄膜來的高,而影響元件之電性與可靠度表現,因此製程溫度亦須兼顧薄膜之電氣特性而不能無限制的降低。


軟性基板必須考慮到元件各層薄膜的應力影響,因此無應力(Stress-free)薄膜技術的開發成為軟性TFT背板製作必須優先考慮的環節,減少介面之間的應力可以提升TFT特性。是故在軟性TFT背板技術的開發上,不僅是基板材料、製程溫度,甚至連基板處理與製程中產生的本質應力等彼此間都要互相配合,才能製作出適用於軟性顯示器的軟性TFT背板。


由於矽基技術相較於其他材料較為成熟,目前仍以軟性矽基TFT背板技術最為普遍,其中a-Si TFT具有製程簡單以及優越的元件均勻性之優點,但是電流驅動之可靠度較差。此外開發高載子遷移率(Carrier Mobility)技術將有助於AMOLED所需的高穩定性電流需求,如微晶矽(Micro-Crystalline Si;C-Si) TFT與低溫多晶矽(LTPS)TFT等,就材料而言具有較佳的矽結晶品質,但需克服製程溫度與塑膠基板製程相容性。


另一研發重點為撓曲操作下,軟性TFT會出現臨界電壓瓢移(Threshold Voltage Shift)的現象,主要是因為外加應力造成閘極絕緣層與主動層內產生深層缺陷所致。其次像是載子移動率與次臨界斜率等特性則較不為外加應力而改變。這些TFT特性的變化對於整合到軟性TFT背板十分重要,如何避免因軟性撓曲而造成TFT背板電性變化,將是軟性AMOLED面板結構設計與驅動電路設計之重點。


工研院開發現況

圖六所示為工研院顯示中心於2010台灣光電展發表之摔不破的彩色螢幕-6吋AMOLED,採用塗佈型的透明PI基板,在其上製作低溫a-Si TFT與C-Si TFT背板,搭配自有的取下技術,可以輕易將背板取下,OLED則採用底部發光結構。面板亮度可達150nits,畫素為320(RGB)×240,解析度66ppi,厚度0.2mm,可彎曲之曲率半徑小於50mm,並可連續彎曲超過5000次後AMOLED仍維持顯示狀態。



《圖六 工研院顯示中心於2010年台灣光電展發表之6.1吋軟性AMOLED面板》
《圖六 工研院顯示中心於2010年台灣光電展發表之6.1吋軟性AMOLED面板》

在軟性基板技術方面,採用高透明度(>90%)、低熱膨脹係數(<60PPM/℃)與高製程耐熱性(>200℃)之PI基板材料,並搭配特殊的離型層技術而直接將PI基板成膜於現有玻璃載板上;由於不需要貼合之黏膠,因此在TFT製程中經過多道的黃光與蝕刻製程仍可以保有準確的對位性精度,製程完成後可輕易取下,無殘膠問題。因為基板已包含高透光性(>90%)與高阻水氧性的阻隔層結構而可以有效提升OLED元件的使用壽命。


在軟性TFT技術方面,利用低溫製程之a-Si TFT與C-Si TFT背板製作於透明的PI塑膠基板上,並降低薄膜本質應力使得軟性TFT背板不僅有良好的元件均勻性,同時在撓曲測試下仍擁有不錯的元件可靠度,因此面板在製作完成取下後經過多次撓曲,用於驅動AMOLED面板依然展現不錯的顯示畫面。


軟性OLED元件方面,其中的有機發光材料是採用國內供應商提供,已自行設計之OLED Test Element Group(TEG)將玻璃上的底部發光結構轉換至軟性基板之上。以玻璃上OLED TEG元件之發光效率做為參考標準,效率分別為:綠色(螢光)11.5cd/A、藍色(螢光)8.0cd/A、紅色(磷光)7.5cd/A;另外在軟性PI基板上OLED TEG元件之發光效率則為:綠色9.3cd/A、藍色6.1 cd/A、紅色6.4 cd/A。實際量測結果顯示,軟性OLED元件之上發光效率可維持在相較於玻璃OLED元件效率之75~85%。


軟性封裝與保護層必須經過特殊設計,才能確保無水氧滲透,經使用薄金屬基板作為軟性封裝蓋,以全面封止膠貼合方式製作全固態的軟性AMOLED元件,以商品之一般規範60℃/90RH高溫高濕作為AMOLED元件軟性封裝技術開發的驗證指標,將軟性封裝元件在高溫高濕60℃/90RH環境儲存後檢視元件發光區暗點(Dark Spots)狀況,這樣的標準有助於未來在軟性封裝材料、結構與製程上更符合未來量產的應用。


結語

與其他軟性顯示器技術如EPD與Ch-LC電子紙相比,軟性AMOLED顯示器在顯示畫質上可展現全彩顯示與高對比之優點,與播放多媒體影音等動態視頻內容,適合高階智慧式行動裝置之應用,其可彎捲軟性面板與現有之玻璃基板顯示器明顯產生差異性。經DisplaySearch(圖七)預測之全球軟性OLED顯示器成長趨勢顯示,預期在2011年將開始出現相關產品進入市場,並於2013年出貨量將超過千萬片,而在2015年,軟性OLED面板將達到一億元美金之產值規模。


《圖七 全球軟性OLED市場發展預測》
《圖七 全球軟性OLED市場發展預測》資料來源:DisplaySearch

雖然現在軟性OLED仍處於技術研發與試製品階段,隨著軟性基板、TFT背板與OLED及封裝等相關技術之發展,目前日韓廠商均積極開發相關技術,國內亦持續加碼相關之研發推動之趨勢,顯示未來軟性AMOLED產品化的可能性日益增高。此外軟性AMOLED技術將有助於國內之顯示器上中下游產業持續升級,除了將生產效能較不具競爭力之五代以下生產線重新轉型於發展高附加價值之軟性AMOLED顯示器,亦可協助台灣其他產業,如塑化、設備等跨足電子顯示領域,並加速材料廠商提升其技術競爭力,為我國顯示產業再啟一智慧化生活與節能減碳之新契機。


---作者任職於工研院顯示科技中心---


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Only Chen發言於2011.01.14 11:35:21 AM

全新螢幕技術隱形眼鏡上的超級LED液晶屏

http://tech.weiphone.com/2011-01-13/The_new_screen_technology_229323.shtml

Tommy Chung發言於2011.01.10 11:55:01 AM

告別玻璃螢幕CES 2011三星展示可彎曲的的AMOLED螢幕

http://tech.weiphone.com/2011-01-07/Bid_farewell_to_the_glass_screen__229015.shtml

Tommy Chung發言於2011.01.06 11:42:11 AM

Samsung to unveil next-gen flexible and transparent AMOLED displays at CES 2011

 

Samsung Mobile Display is set to unveil a pair of next-gen AMOLED display prototypes at CE...

Samsung Mobile Display is set to unveil a pair of next-gen AMOLED display prototypes at CES 2011

There’s bound to be all manner of display technologies vying for eyeballs at CES 2011 when it kicks off in Las Vegas next week and two prototype AMOLED displays from Samsung Mobile Display (SMD) will definitely be high on our list of things to check out. The first is a 4.5-inch 800 x 480 (WVGA) resolution flexible AMOLED display concept prototype for mobile devices, while the second is the world’s largest transparent AMOLED display prototype for use in PC monitors and TVs.

Flexible AMOLED display prototype

SMD’s 4.5-inch flexible AMOLED display is two millimeters (0.08-in) thick and can be rolled down to a radius of one centimeter (0.39-in). The concept prototype’s 800 x 480 resolution, which Samsung claims is four times that of the previous most flexible AMOLED prototype constructed, comes courtesy of a new plastic substrate that can withstand the 450-500 degree Celsius temperatures required in the manufacturing process.

As this overcomes the problem of previous plastic materials melting during the manufacturing process that made commercialization of such devices difficult, Samsung says the concept display on show marks a major step on the road to mass production for the next-gen display, which is aimed at smartphones and tablet PCs.

Transparent AMOLED display prototype

The second prototype display to be unveiled is aimed at larger screen applications such as TVs and PC monitors. The 19-inch transparent AMOLED display prototype sports a qFHD (quad Full High Definition) resolution. This is a non-standard resolution of 3840 x 2160 pixels arranged in a 16:9 aspect ratio that gets its name from being four times the resolution of 1080p.

The prototype display is the world’s first large transparent AMOLED display prototype and, while the average amount of transparency previously achieved has been below 10 percent, SMD’s display maintains up to 30 percent transparency whether it is turned on or off. Samsung says this will allow the technology to be used for surfing the internet while watching TV or even watching TV on windows – and by that it means the glass kind, including car windows, not the operating system.

As well as the 19-inch prototype, SMD will also be exhibiting a 14-inch qFHD transparent AMOLED display designed for notebooks.

(gizmag)

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看來flexible Display,日韓也是競爭對手...

Tommy Chung發言於2010.12.08 11:16:02 AM

三星可彎曲電視有望3年後問世

http://tech.weiphone.com/2010-12-08/Samsung_TV_is_expected_to_be_bent_came_after_3_years_227608.shtml

Only Chen發言於2010.12.02 11:19:35 AM

Flexible OLED 3DTV From Samsung Wraps Around Walls...Or Anything, Really

Flexible OLED 3DTV From Samsung Wraps Around Walls...Or Anything, ReallyWe've seen all manner of crazy prototypes involving flexible OLED panels (even one which wrapped around a pencil), but a flexible OLED which just so happens to be 3D? Sign us up for warped Avatar viewing, Samsung. [SamsungOLED via OLED-Display]

(gizmodo)

Only Chen發言於2010.11.24 12:07:09 PM

軟性顯示整合 面板雙虎入列

http://news.chinatimes.com/tech/0,5249,12050902x122010112400388,00.html

高通、元太 布局軟性電子紙

http://news.chinatimes.com/tech/0,5249,12050902x122010112400387,00.html

 

Adam Chen發言於2010.11.18 09:02:52 AM
10"以上都算O.K. ,當E-Reader應不錯,但太大如超過50"是否不好攜帶?
Gordan Hsu發言於2010.11.18 01:23:42 AM
Adam Chen 提到:
應該會 !! 由於簡易攜帶性與可捲曲特性,大大省掉空間:其影像品質、亮度、價格、防水性、耐用耐摔性、省電性、尺寸大小與重量、網路雲端應用、周邊應用...也是觀察要項。

But, who needs a flexible "small" displays? No one wants to see a twist images.

Adam Chen發言於2010.11.17 09:13:20 AM
應該會 !! 由於簡易攜帶性與可捲曲特性,大大省掉空間:其影像品質、亮度、價格、防水性、耐用耐摔性、省電性、尺寸大小與重量、網路雲端應用、周邊應用...也是觀察要項。
Gordan Hsu發言於2010.11.17 12:22:14 AM
Do you think Flexible displays will rule the future market?
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