OLED產(chǎn)業(yè)化歷程與問題分析

首先，OLED技術(shù)被認(rèn)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(yīng)等^［5-9］技術(shù)優(yōu)勢。利用OLED制作的顯示屏，與現(xiàn)有TFT-LCD對比，只有高對比度和可彎折的優(yōu)勢有所體現(xiàn)，其他優(yōu)勢并不突出，甚至有所不如，下面將逐項(xiàng)分析其原因。

（1） 高對比度。OLED像素是主動(dòng)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(chǎn)品中體現(xiàn)出來需要考慮人眼的分辨能力和競爭技術(shù)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(gè)高度復(fù)雜的視覺信息處理系統(tǒng)，涉及生物學(xué)和心理物理學(xué)特性。研究發(fā)現(xiàn)，人的視覺系統(tǒng)能夠主動(dòng)適應(yīng)的光強(qiáng)度級別范圍很寬，在進(jìn)入特定環(huán)境下，人眼會(huì)根據(jù)環(huán)境亮度調(diào)整，即亮度適應(yīng)現(xiàn)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(gè)著名的韋伯實(shí)驗(yàn)，研究的內(nèi)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(shù)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(qiáng)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(zhì)量所需的對比度將低于10 000∶1。在室內(nèi)的亮度環(huán)境下，如果不是兩個(gè)顯示產(chǎn)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(biāo)為靜態(tài)對比度，屬于暗室測量值。當(dāng)環(huán)境亮度升高后，顯示器自身亮度是另外一個(gè)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(gè)需要考慮的是競爭技術(shù)，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(shè)計(jì)、工藝和材料，通過液晶材料的變化、背光源控制以及雙盒設(shè)計(jì)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(shù)字圖像的亮度適應(yīng)性圖^［11］

Fig.3  Luminance adaptation for digital images

（2）輕薄。OLED產(chǎn)品與LCD產(chǎn)品比較確實(shí)可以做到更輕更薄，特別是柔性O(shè)LED可以做到輕薄50%以上，但帶來的用戶體驗(yàn)不如預(yù)期好。以厚度為例，如表1所示，TFT-LCD產(chǎn)品也做到了相當(dāng)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O(shè)LED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(jià)值沒有預(yù)期大。

（3）可彎折。柔性O(shè)LED可彎折的特性是其獨(dú)特的優(yōu)勢，但在應(yīng)用推廣中進(jìn)展比較慢^［15］。一方面是柔性O(shè)LED改變了消費(fèi)者的使用習(xí)慣，與可以以標(biāo)準(zhǔn)化可控品質(zhì)產(chǎn)品提交給客戶的LCD或剛性O(shè)LED比較，柔性O(shè)LED在使用時(shí)屏幕會(huì)發(fā)生彎折變化，需要和整機(jī)的結(jié)構(gòu)件相互配合才能實(shí)現(xiàn)柔性的折疊、卷曲等動(dòng)作，其屏幕設(shè)計(jì)和整機(jī)設(shè)計(jì)目前分別是不同廠商負(fù)責(zé)，這導(dǎo)致開發(fā)周期變長，開發(fā)成本增加，涉及產(chǎn)業(yè)鏈變化較大。另一方面是因?yàn)閺澱坌阅芩璧牟牧咸匦愿纳坪痛钆潆y度較大，最大的問題來自于顯示屏結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jī)外觀和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度^［16-17］。這些對蓋板材料、粘結(jié)層材料、背膜材料性能的調(diào)整以及其他功能膜層的搭配提出了相當(dāng)高的要求，即使將所有材料性能最優(yōu)化后應(yīng)用到折疊產(chǎn)品中，屏幕折痕在現(xiàn)有技術(shù)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(jī)形態(tài)確定為內(nèi)折也應(yīng)該有這方面的原因，內(nèi)折形態(tài)對表面防劃傷要求不需要太高，但因?yàn)閮?nèi)折不符合通常使用習(xí)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(jī)對屏幕要求更高。這些技術(shù)問題的不斷改善，柔性手機(jī)特色應(yīng)用的開發(fā)與使用推廣將是可彎折產(chǎn)品應(yīng)用拓展的關(guān)鍵。

（4）低功耗。OLED顯示屏每個(gè)像素的靜態(tài)功耗（P）可以表示為流經(jīng)OLED的電流（I）乘以跨壓（U）：P=UI?？鐗褐饕?部分電壓構(gòu)成：U=U_OLED+U_TFT+U_{IR Drop}。首先是直接加載在OLED材料上的驅(qū)動(dòng)電壓（U_OLED），不同顏色的OLED的驅(qū)動(dòng)電壓是不同的；其次是驅(qū)動(dòng)TFT電壓（U_TFT），通過控制該電壓獲得不同的OLED工作電流；最后是補(bǔ)償像素位置距離驅(qū)動(dòng)IC不同造成的電壓下降（U_{IR Drop}），該部分電壓與顯示屏的尺寸相關(guān)，尺寸越大，電壓下降越大，所需補(bǔ)償電壓越大，在功耗上的損耗也就越大。這也是大尺寸產(chǎn)品應(yīng)用推廣的難點(diǎn)之一，表2對比了152.4 mm （6 in）手機(jī)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(jié)構(gòu)下，OLED材料上的電壓約為3.5 V，驅(qū)動(dòng)TFT的電壓約3 V，152.4 mm （6 in）手機(jī)需補(bǔ)償電壓下降約1 V，431.8 mm （17 in）筆記本電腦用屏的補(bǔ)償電壓下降約為4 V，在功耗中所占比例已經(jīng)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(guān)。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(shí)有低功耗的優(yōu)勢，但受限于像素設(shè)計(jì)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(shí)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(diǎn)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(huì)變成劣勢。

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(jī)應(yīng)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(shù)的功耗模型不同，LCD是側(cè)向背光源通過導(dǎo)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(yīng)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?cái)?shù)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(yīng)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(chǎn)品量產(chǎn)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(jià)方法。而OLED不顯示時(shí)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(jià)OLED視角特性，指標(biāo)分別是Δu'v'和最小可視色偏差別JNCD（Just Noticeble Color Difference）。這兩個(gè)指標(biāo)越小，視角色偏越小。小尺寸手機(jī)技術(shù)方案采用的是頂發(fā)射器件設(shè)計(jì)，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(yīng)，OLED發(fā)出的光在微腔中會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)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(qiáng)、光譜均會(huì)發(fā)生變化，且相當(dāng)敏感^［18-20］。根據(jù)微腔效應(yīng)機(jī)理可知，OLED發(fā)光層中激子復(fù)合發(fā)光位置也會(huì)影響到視角特性，復(fù)合位置越靠近陰極，其視角特性越好。研究發(fā)現(xiàn)，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(yīng)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(cè)蒸鍍一層有機(jī)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(shù)，且一般不會(huì)影響器件的效率和壽命，提高出光效率。

從上面研究結(jié)果可以看出，微腔效應(yīng)造成不同顏色光隨視角變化不一致的色偏，相關(guān)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(nèi)控制位置精度、材料厚度和整個(gè)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(shè)計(jì)和工藝實(shí)現(xiàn)。雖然用于大尺寸的底發(fā)射方案的微腔效應(yīng)非常弱^［21］，以犧牲透過率、降低器件效率、增加功耗的代價(jià)獲得了視角上的相對提升。而其競爭技術(shù)LCD通過寬視角液晶模式的應(yīng)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(lán)三色發(fā)光材料的選擇和顯示器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。三色材料同時(shí)要滿足效率和壽命的要求，而三色材料要形成一個(gè)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(shí)實(shí)現(xiàn)廣色域的提升。特別是在LED背光應(yīng)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(huì)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(shí)間較短，因此量產(chǎn)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?yàn)槠渖V可由使用的發(fā)光材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)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(kuò)展色域還希望能更好地還原真實(shí)世界的色彩，即色彩還原能力。

（7）快速響應(yīng)。該特性主要是針對顯示器畫面質(zhì)量，特別是運(yùn)動(dòng)圖像的顯示質(zhì)量，因此評價(jià)指標(biāo)為運(yùn)動(dòng)圖像響應(yīng)時(shí)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(yùn)動(dòng)圖像響應(yīng)時(shí)間由兩部分控制：液晶或發(fā)光材料的響應(yīng)時(shí)間和薄膜晶體管電路的響應(yīng)時(shí)間，薄膜晶體管電路響應(yīng)時(shí)間又分為采樣和保持時(shí)間。對液晶顯示技術(shù)來說，材料響應(yīng)時(shí)間是指液晶偏轉(zhuǎn)控制顯示屏亮暗轉(zhuǎn)換的時(shí)間，通常是10 ms級別。而OLED材料發(fā)光過程的響應(yīng)時(shí)間是納秒級別，因此OLED器件被認(rèn)為響應(yīng)速度很快。而薄膜晶體管電路的響應(yīng)時(shí)間與顯示屏的尺寸和分辨率有關(guān)，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(shù)而言，關(guān)鍵控制因素是液晶材料偏轉(zhuǎn)速度；對OLED器件而言，其關(guān)鍵控制因素則變?yōu)轵?qū)動(dòng)薄膜晶體管電路的響應(yīng)時(shí)間。隨著液晶材料的優(yōu)化，其響應(yīng)時(shí)間已經(jīng)下降到5 ms以下。薄膜晶體管電路的響應(yīng)時(shí)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(shù)的結(jié)果^［25］。從圖中可以看出，人眼可感知的的運(yùn)動(dòng)物體響應(yīng)時(shí)間為5.7 ms，因此LCD和OLED的響應(yīng)速度都取決于薄膜晶體管電路的響應(yīng)時(shí)間。即使將頻率提升到120 Hz，LCD和OLED電視的響應(yīng)時(shí)間都高于6 ms，對于電壓驅(qū)動(dòng)型的LCD，頻率提升到240 Hz即可低于5 ms；而對于電流驅(qū)動(dòng)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(dá)成5 ms以下的水平，因此LCD和OLED在響應(yīng)速度方面差異不大^［26-28］。

圖4  各種電視技術(shù)的運(yùn)動(dòng)圖像響應(yīng)時(shí)間比較^［25］

Fig.4  Comparison of the MPRT characteristics classified by the display type

AMOLED分別在小尺寸手機(jī)和大尺寸電視方面開始大批量量產(chǎn)，但這兩種應(yīng)用的技術(shù)路線完全不同，相同的是這兩種技術(shù)幾乎都達(dá)到了性能的極限，技術(shù)本身已經(jīng)無法達(dá)成所需的性能指標(biāo)，必須通過各種補(bǔ)償技術(shù)。電學(xué)補(bǔ)償通過屏幕內(nèi)部和外部的電路設(shè)計(jì)使薄膜晶體管的各項(xiàng)性能穩(wěn)定可控；光學(xué)補(bǔ)償通過對屏幕光學(xué)性能的獲取和分析后進(jìn)行相對校正，使顯示屏光學(xué)性能更均勻穩(wěn)定。小尺寸蒸鍍用的高精細(xì)掩模版的厚度已經(jīng)低于30 μm，在兼顧機(jī)械強(qiáng)度和位置精度的情況下已經(jīng)達(dá)到挑戰(zhàn)極限。小尺寸手機(jī)應(yīng)用單個(gè)子像素驅(qū)動(dòng)電路需要6個(gè)以上的薄膜晶體管，對于400 ppi以上的設(shè)計(jì)，已經(jīng)在平面上塞滿整個(gè)子像素區(qū)域，為了提高分辨率不得不利用虛擬像素技術(shù)，并對子像素排列進(jìn)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(nèi)，仍然需要電路和光學(xué)補(bǔ)償來保證畫質(zhì)的均勻性和一致性。