OLED為什麼能夠取代液晶屏？

出品| 網易新聞

作者| 常松，清華大學材料加工工程系博士

今年以來，各手機廠商紛紛推出「全面屏」手機，OLED屏幕成為了手機面板界的新寵。據權威機構分析，到2019年，全世界的智能手機將有60%以上使用OLED屏，而LCD（液晶顯示）屏將慢慢被市場所淘汰。

雖然，在全球下一代高科技面板OLED的競爭中，韓國企業一直在壟斷技術，以至於在手機面板上像蘋果這樣的公司也一直被掣肘。但是，最近兩年來，中國大陸市場需求旺盛、國內資金充沛、加上政府支持新型顯示技術研發的「三重加持」，國內紛紛開始布局OLED。近期，中國的第6代柔性AMOLED生產線已經實現小批量量產出貨。「中國玩家」的加入讓這場OLED市場的競爭變得高潮迭起。

那麼問題來了，OLED到底是什麼材料？為什麼可以取代LCD屏幕，成為大家爭相追逐的科技熱點？

（一）OLED到底是啥？

OLED（Organic Light-Emitting Diode），又稱為有機電激光顯示，由美籍華裔教授鄧青雲（Ching W. Tang）於1979年在實驗室中發現。它是一種非常薄的有機材料塗層，具有自發光特性，換句話說，當有電流通過時，這些有機材料就會發光。

OLED的發光原理是用導電玻璃（ITO）透明電極和金屬電極分別作為器件的陽極和陰極，在一定電壓驅動下，電子和空穴分別從陰極和陽極注入到電子和空穴傳輸層，遷移到發光層，並在發光層中相遇，形成激子並使發光分子激發，後者經過輻射馳豫（radiationrelaxation）而發出可見光。輻射光可從ITO一側觀察到，金屬電極膜一側則起到反射的作用。

一個OLED器件的基本組成有以下幾個部分：

· 基板（Substrate）：通常是玻璃或者透明塑料。

· 陽極（Anode）：歸根到底，這是一個閉合的迴路，陽極的作用是提供吸收電子的空穴，所以它是透明的，允許光通過。

· 導電層（ConductiveLayer）：傳遞由陽極而來的空穴（在固體物理學中指共價鍵上流失一個電子，最後在共價鍵上留下空位的現象），吸收多餘電子。材料主要是有機聚合物。當年，鄧青雲使用三芳胺作空穴傳輸層。

· 發光層（EmissionLayer）：這就是OLED的核心部件，整個器件在這裡發光，它的材料也就是發光有機物。有機發光材料具有特殊的能帶結構，可以在吸收陰極過來的電子後再散發出來一定波長的光子，對於人的視覺來說就是不同的色彩。

· 陰極（Cathode）：通常是低逸出功的合金，在給定電壓下產生電子。這部分必須對於上層的有機物而言是極為穩定的。當年，鄧青雲使用的是鎂/銀合金作為陰極。

從發光材料上看，現在OLED器件分為兩大類：一類是以染料及顏料為材料的小分子器件系統，另一類則是以共軛性高分子（一種導電聚合物材料）為材料的高分子器件系統。當前投入量產的OLED組件，使用的基本都是小分子有機發光材料。

如果按發光方式分類，OLED家族成員可以分為熒光發光材料和磷光發光材料兩種。我們在前面提到，OLED發光的機理是輻射馳豫（radiationrelaxation），是分子從能量較高的激發態通過弛豫過程回到基態並發射光子的衰變過程。當一個分子從最低單線激發（S1）自發地發射光子回到基態（S0），此輻射弛豫稱「熒光」；若從最低三重態（T1）自發的發射光子回到基態，此輻射弛豫過程稱「磷光」，磷光的波長比熒光的要長。磷光材料（PHOLED）因為充分利用了激發三線態的能量，所以能明顯提高器件的外量子效率，相比熒光發光材料而言發光效率更高、壽命更長。

和其他顯示器一樣，OLED屏幕上豐富的色彩依舊是由紅、藍、綠三種顏色混合得到的。目前綠色和紅色小分子磷光材料的壽命已經有所突破，而藍色磷光材料的壽命依然不容樂觀。所以即使在主流的AMOLED（Active Matrix/ Organic Light Emitting Diode，包括所謂「SuperAMOLED"），藍光的部分也是使用「熒光發光材料」，而綠、紅光則使用「磷光發光材料」。這種材料的混搭保證了使用的壽命，最終混合發出穩定的白光。

AMOLED是有源矩陣有機發光二極體面板。AM（有源矩陣）指的是背後的像素定址技術。它最大程度地減少了控制線路的數量，使其具備低能耗、高解析度、快速響應和其他優良光電特性，因此，AMOLED逐漸成為OLED顯示的主流技術。

（二）OLED顯示器件是如何製造出來的？

既然了解了OLED「三明治」的結構，那麼如何來製造OLED顯示器件呢？

相比於傳統的顯示器件，OLED的製備工藝反而簡單。

OLED顯示器件的製備工藝包括：ITO玻璃清洗——光刻——再清洗——前處理——真空蒸鍍有機層——真空蒸鍍背電極——真空蒸鍍保護層——封裝——切割——測試——模塊組裝——產品檢驗及老化實驗等十幾道工序。

根據功能的不同，這十道工序可以分為三大部分。

背板段：TFT基板的製造

無論是AMOLED還是TFT-LCD，其製作過程的第一步是背板段工藝，也就是製作TFT基板。Thin Film Transistor(TFT，薄膜場效應晶體管)，是用來驅動集成在其上面的每一液晶象素點。

由於OLED屬於電流驅動器件，對電流的穩定性要求很高。電流的穩定性是與電子的遷移率相關，所以尋找到合適的最佳半導體薄膜至關重要。低溫多晶硅技術（LTPS，Low Temperature Poly-silicon）是合適做TFT的最佳半導體薄膜。

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。它最大的技術難點在於微米級的工藝精細度和對於電性指標的極高均一度要求。

此外，TFT在OLED中起開關的作用，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陣列中的不同之處在於，LCD中一個像素只需要一個TFT，而OLED中至少需要4個TFT；同時，OLED對TFT的製備工藝要求極高，這制約了OLED的量產，提高了OLED器件的造價。

前板段：有機發光材料製備到基板上

前板段製程是整個AMOLED工藝中的最重要的環節。在這個階段，就要將有機發光材料製備到基板上。

AMOLED的像素點全部都是蒸鍍到基板上的：在真空中通過不同的熱源，如電流加熱、激光加熱、電子束轟擊加熱等方法，將材料氣化成為原子或是分子態，之後在輔以力場產生較大自由的直線運動，撞擊到基體表面而凝結，形成薄膜。蒸鍍有機材料時，在高真空腔室中會設有多個放置有機材料的蒸發舟，加熱蒸發舟蒸鍍有機材料，並利用石英晶體振蕩器就能控制膜厚。

蒸鍍是OLED製作的核心技術，不僅僅是有機發光材料，金屬電極等也都是後續蒸鍍上去的。

金屬電極的蒸鍍仍要在真空腔中進行。金屬電極通常使用低功函數的活潑金屬，因此在有機材料薄膜蒸鍍完成後進行蒸鍍。常用的金屬電極有Mg/Ag、Mg:Ag/Ag、Li/Al、LiF/Al等。用於金屬電極蒸鍍的舟通常採用鉬、鉭和鎢等材料製作，以便用於不同的金屬電極蒸鍍（主要是防止舟金屬與蒸鍍金屬起化學反應）。

模組段：檢查面板品質的最後一環

製備好的AMOLED面板在這裡要進行最後的模組裝配，形成最終的產品。

AMOLED模組段和LCM模組段相似，只不過，LCD需要與背光源進行組裝，還需要貼合彩色濾光片，而這些在OLED中都不需要，所以OLED的模組段更加簡單。

由於OLED器件的有機薄膜及金屬薄膜遇水和空氣後會立即氧化，使器件性能迅速下降，因此，OLED的封裝工藝一定要在無水無氧的、通有惰性氣體（如氬氣）的手套箱中進行。

（三）OLED為什麼能夠取代液晶屏？

既然傳統的LCD（液晶顯示）技術已經十分成熟，OLED技術在顯示屏上為何能夠替代LCD成為下一代顯示屏技術呢？

這是由於，OLED相比於傳統顯示屏幕，在技術優勢上可以說是劃時代的。

首先從原理上看，OLED屏就比LCD屏簡單：

打個比方，LCD屏幕的顯示原理，類似於廣告燈箱，外面是彩色玻璃或樹脂材料，裡面有一個光源發出白色的光，然後透過彩色玻璃顯出不同的顏色，呈現一個有色彩的像素點。而OLED呢，並不需要裡面的光源，它自己就是燈本身，只要給它通電就能夠發光，類似於平時看到的彩色燈管。

由於省去了背光的結構，OLED更薄。OLED的厚度小於1毫米，只有傳統LCD屏幕的三分之一。同時，由於材料組成的特點，OLED抗震性能更好，不怕摔。

1、黑位水平：OLED究竟有多「黑」？

所謂「黑位水平」指的是畫面在顯示最深的顏色時，究竟能「黑」到什麼程度。由於LCD屏的黑色是依賴對於白色背光的過濾和屏蔽，所以無法做到完全的黑，而OLED是自發光，只要關閉發光機制，就會徹底「黑掉」——24K純黑。

這隨之帶來另一個特點，就是OLED在對比度上的優點。對比度就是屏幕最深的黑與最亮的白之間的差異，由於OLED在「黑」上的出色發揮，所以在更高的對比度上具有優勢。

2、視角：畫面360°無死角保真

視角方面，或許只有世界上最好的IPS屏幕才可以與OLED媲美，而傳統的LCD，特別是手機和電視上使用的屏幕在視角上都無法與OLED對比。OLED幾乎沒有可視角度的問題，即使在很大的視角下，畫面仍然不會失真。畢竟，人家是玩捲曲的嘛，畫面失真還怎麼混。

3、色域：良好的色彩準確度和視覺體驗

色域指一個技術系統能夠產生的顏色的總和。從理論上來說，OLED在色域上並不具備明顯優勢。基本上最好的OLED電視和頂級量子點LCD電視在色域表現上難分伯仲。但是，這是頂級量子點LCD，大多數的LCD屏幕是沒有如此好的表現的。

4、顏色均勻性：即使在柔性狀態下，色彩均勻性依舊優秀

OLED面板上由於每個像素都能自己發光，因此不需要光源擴散，所以在顏色均勻性上要表現好得多。LCD屏主要是由於背光通常來自於邊緣，因此在照射均勻性上比較一般。而OLED即使在柔性狀態下整體依然要優於LCD。

此外，OLED屏還有自身的優點，它的響應速度只有10微秒，特別適合高刷新率的顯示需求，對於運動畫面也不會出現拖影現象。而它的工作溫度在-40到75℃之間，相比於傳統屏幕更「全天候」。另外，OLED屏幕最大的特點就是可彎曲，能夠在不同材質的基板上製造。

（四）OLED仍不完美，需要逾越「三座大山」

當然，誇了OLED這麼多，並不代表OLED就是完美的下一代顯示屏。它也有著自身發展必須逾越的「三座大山」——壽命、燒屏、良率！

顯示屏的「使用壽命」，通常指的是 「觀看普通影像時顯示產品的亮度下降50%所需要的時間」。如今世界最成熟的OLED技術可以做到的壽命是50000個小時以上，這個壽命目前來說是比LCD短的。按照每天使用16小時（除了睡覺一直用手機，應該是手機使用的最高時間了），一款OLED屏的手機理論上只可以使用8年左右。

第二個缺點是「燒屏」，也就是殘留影像，指的是長時間觀看固定畫面時，屏幕留下的印記。比如常看某台電視劇，右上角的LOGO就會印在上面，早期的等離子電視就有這個問題。目前，最新的OLED技術可以做到10000個小時以上杜絕此現象。

第三個，也是OLED走向市場最大的缺點就是「良品率」低，導致了OLED屏相比於同尺寸的LCD屏造價更高，以至於很多手機知名品牌多年來拒絕使用OLED屏。OLED屏起步時良品率不到30%，經過多年發展，某些企業可以做到80%，而高昂的研發成本也是OLED造價走高的原因之一。

結語

從「把顯示器穿在身上」到「把手機捲起來」，十年前「柔性顯示材料」在航空領域剛剛亮相時，人們恐怕很難想到，僅僅十年時間，這種新型顯示材料和製造技術就「飛入尋常百姓家」。

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　　編輯| 史文慧

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