AMOLED 未来的软性显示技术

    继薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)之后，主动有机发光二极管(AMOLED)被视为下一世代面板的最佳技术，其中有机发光二极管(OLED)为固态自发光显示器，具有结构简单、自发光无需背光源、视角广、影像色泽佳以及省电等优势，在中小面板市场可望得到广泛应用。

    目前AMOLED技术不易做太大尺寸面板，且背光源的蓝光部分寿命偏短，不过它通常用在智能手机上，而这类手机的替换率相当高，因此正好可以回避蓝光寿命短的技术问题，只要在使用期间色泽优点发挥到极致即可，而且手机面板也不用太大。AMOLED现阶段已开始应用于手机、MP3、数码相机、数码相框等中小尺寸显示器产品。根据DisplaySearch数据显示(图1)，全球OLED面板产值将从2008年的6亿美元增长到2016年的71亿美元，年复合增长率达36％，这样高的增长趋势主要来自AMOLED的成长，其在2009年一季度面板产值已首度超越PMOLED，预期在2010年亦将超越PMOLED，成为推动OLED市场发光发热的主要力量。

    虽然AMOLED面板价格仍高于TFT LCD约50~100％，但未来2~3年内可望降至10％，成为替代性技术。未来AMOLED面板尺寸以及亮度都会有不同程度的提升，预计尺寸将由现行的2.2~2.8寸放大到3寸以上，亮度则由目前的200nits进一步提升至300nits，以彰显OLED在色彩鲜艳度、高对比度以及自发光方面的优势。这些特性提高了AMOLED应用于高端智能手机面板的机会。

    AMOLED制造厂商目前以韩国三星移动显示(SMD)为主，出货量约为每月200万片，该公司于2010年4月20日宣布将投资次世代生产线，规划在韩国忠清南道天安市的工厂投资建设可生产较大尺寸电视以及较大尺寸主动矩阵OLED基板的5.5代规格生产线，预计于2011年1月正式进入量产阶段；同一时间负责生产玻璃基板的三星康宁预定2010年在韩国投资OLED用玻璃基板生产线。简单来说，三星集团已经作好了迎接主动矩阵OLED市场来临的准备。乐金显示(LGD)在今年预期会扩大AMOLED生产，并于下半年拉升整体出货量至每月500~1,000万片。

    根据OLED Association评估，AMOLED面板将从中小尺寸面板出发，待生产规模放大后，才可能生产具价格竞争力的大尺寸TV，而大尺寸TV的画质表现将会是AMOLED的杀手级应用。中小尺寸的产值预期可在2015年达到30~40亿美元，未来若加上大尺寸则可进一步成长至120亿美元。继SMD与LGD大举扩张AMOLED显示面板制造产能后，友达也宣布于2010年底开始量产小尺寸AMOLED面板，迎接2011年手机市场对该面板的强劲需求，以期能够赶上智能手机大量采用OLED面板的风潮。

    目前除了许多智能手机开始采用主动矩阵OLED面板之外，以iPad为首的平板电脑也将从2011年开始进入OLED时代，右表为国际即将量产的不同厂商布局主动矩阵OLED情况，他们未来在中小尺寸的市场表现令人期待。

    软性AMOLED发展现况

    目前大多数显示器都是采用TFT LCD，若想做到轻薄短小、方便随身携带，屏幕显示的信息量就不够；若想一次显示足够信息量，体积又会太大而不易携带，而且可能耗电太大。对于未来的显示器，消费者希望其能够具有信息量大、收藏方便、耗电低、摔不破、可弯曲折迭或收卷容易等特性。

    除了优异的画质表现，由晶体管驱动的AMOLED具备了以上消费者所希望的所有特质，完全符合未来信息社会对于移动装置显示器的需求。若与TFT-LCD技术比较，AMOLED结构简单，不需背光、扩散板、配向膜、间隙子等繁复零组件，同时有机发光层的机械特性较接近软性基板，因此更适合用于制作可弯可卷的软性显示器。

    目前许多研究单位正致力于开发软性AMOLED面板，并在专业期刊及国际研讨会上展示了相关技术。例如日本索尼于2010 SID展示了4.1寸QVGA的软性AMOLED显示器，该显示器在PES基板上制作有机晶体管(OTFT)背板，并搭配顶部发光OLED结构，像素为432×240，分辨率121ppi，厚度80μm，曲率半径为4mm。

    另外，韩国厂商三星在2010 SID展出6.5寸与2.8寸的WQVGA软性AMOLED显示器，主动背板分别是金属氧化物晶体管(Metal-oxide TFT；MOx TFT)与LTPS-TFTs。其中6.5寸AMOLED是在塑料基板上以250~300℃的制程温度制作的金属氧化物晶体管背板，搭配发光OLED结构。Oxide TFT(17.8cm2/vs)组件是继LTPS-TFT之后具有较a-Si TFT与OTFT更高载流子迁移率与驱动稳定性的主动组件，因而适合驱动OLED这样的电流组件。

    Oxide TFT应用范围非常广泛，包括可挠式显示器、透明显示器等应用。以可挠式显示器为例，因Oxide TFT可采用低温制程制作，故搭配塑料基板可形成可挠性显示器。因此，三星在可挠式显示器发展中亦将导入该技术，其样品像素为160×272，分辨率52ppi，弯曲的曲率半径可达10mm。

    另一家韩国厂商LGD亦对投入AMOLED十分积极，除了在2009横滨光电展展出即将商品化的15寸AMOLED TV产品外，还在2010 SID展示了4.3寸HVGA软性AMOLED面板。该面板采用不透明的不锈钢金属基板，在基板上制作低温非晶硅晶体管(a-Si TFT)背板，并搭配倒置式顶部发光OLED结构，其像素为480×320，分辨率134ppi，厚度0.3mm，弯曲曲率半径小于50mm。

    软性AMOLED关键技术

    软性AMOLED的关键开发技术包括软性基板、软性TFT背板、软性OLED发光层与封装及保护层等，以下即针对这几个关键技术进行深入探讨。

    软性基板包括金属箔、薄化玻璃、塑料基板。金属箔因不透光因而使用上较具限制；薄化玻璃最大的问题在于易碎裂；以软性的塑料基板来取代传统如玻璃与金属基板将面临两个重大技术问题，首先是基板本身的耐热、光学、机械以及阻水氧等特性能否满足组件应用需求，其次是与TFT及OLED制程的兼容性。

    塑料基板的耐热特性包括热裂解温度、玻璃转移温度、热膨胀系数等，在TFT制程中，塑料基板必须历经多次至少200℃以上的温度考验以及在真空镀膜时的电浆轰击，具备耐热稳定性与本质化特性表现是成功的关键；光学特性则包括光穿透度、光色泽、折射系数等，作为显示器的显示面基板，优异的光学特性是成像质量的重要因素；机械特性包括表面平坦性与粗糙度、表面硬度、机械强度等，因为显示器必须能承受人为的使用触碰、收纳携带等严苛环境考验，所以使用过程中能够不受损伤而有良好寿命也是重要的一环；至于阻水氧穿透特性，则包括水气穿透率(WVTR)及氧气穿透率(OTR)，此二参数最常被用来说明基板与薄膜封装阻水能力的好坏，有研究指出OLED寿命要达到10,000小时以上，薄膜封装WVTR须小于1×10-6g/m2/天，而OTR则须小于1×10-5g/m2/天。

    OLED的亮度对水气与氧气极为敏感，传统AMOLED技术使用玻璃基板就可以有效阻挡水气、氧气对OLED组件的伤害，而现行塑料基板阻水氧特性皆在1g/m2/天以上，因此软性AMOLED须再搭配阻隔结构与薄膜封装技术，才能达到有效的阻水氧穿透特性。如何在软性显示器上制造出类似玻璃封装的高信赖性封装结构且具备挠曲特性是提高软性AMOLED寿命最重要的课题。

    采用现有半导体制程技术，直接将电子组件制作在塑料基板上仍有相当困难。较容易的做法是将塑料基板固着于支撑的玻璃载板上，再进行后续的组件制作，可行的技术包括贴附法以及直接涂布法。贴附法是利用贴合胶材或静电吸附将塑料基板贴附于玻璃载板，可使用的基板包括PC、PET、PEN、PES、PI等；直接涂布法则使用涂布型的PI塑料基板，直接涂布于玻璃载板之上，中间夹以离型层以利于组件制程完成后取下塑料基板。以上技术各有其优缺点，差异在于静电吸附法须全程使用采印方法制作组件，制程较受限制；贴附法则须使用贴合胶材，胶材易受组件制程温度影响产生形变，导致组件对位误差而影响电子组件的特性表现；直接涂布法可利用塑料基板与玻璃载板间良好的附着特性，故无须使用胶材，但衍生的问题是在离型层与电子组件制作完成后面板如何完整取下，目前较为成功的有飞利浦的接着牺牲层与激光取下方式组合和工研院的特殊离型层结构与直接切割快速取下方式组合两种技术。

    另外，软性TFT背板是驱动软性AMOLED面板最为关键的技术，现阶段研发中的技术包括硅基晶体管(Si TFT)、有机晶体管(OTFT)，以及最近热门的金属氧化物半导体晶体管。以上三种技术都可以在不同低温下制作，故可与前述软性塑料基板搭配。

    软性TFT背板开发需解决两大技术瓶颈，即低温制程与无应力薄膜技术。一方面，为了将TFT制作于软性基板，制程温度需符合基板所能承受的耐温极限，而低温制程TFT将使组件特性面临极大挑战；另一方面，低温成长的薄膜其本质应力较小，更适合于软性组件所使用，然而，低温沉积的薄膜其膜内缺陷较高温沉积的薄膜高，从而影响到组件的电性与可靠度表现，因此制程温度也要兼顾薄膜的电气特性而不能无限制地降低。

    软性基板必须考虑到组件各层薄膜的应力影响，因此无应力薄膜技术的开发成为软性TFT背板制作必须优先考虑的环节，减少接口之间的应力可以提升TFT特性。因此在软性TFT背板技术的开发上，不仅基板材料、制程温度，甚至连基板处理与制程中产生的本质应力等都要互相配合才能制作出适用于软性显示器的软性TFT背板。

    由于硅基技术比其他材料更为成熟，目前仍以软性硅基TFT背板技术最为普遍，其中a-Si TFT具有制程简单以及组件均匀性优越等优点，但电流驱动可靠度较差。此外开发高载流子迁移率技术将有助于AMOLED所需的高稳定性电流，如微晶硅TFT与低温多晶硅(LTPS)TFT等，就材料而言两者具有较佳的硅结晶质量，但需克服制程温度与塑料基板制程兼容性的问题。

    另一研发重点为挠曲操作下软性TFT出现的临界电压漂移现象。出现这种现象的主要原因首先是外加应力造成门极绝缘层与主动层内产生深层缺陷所致，其次是载流子移动率与次临界斜率等特性较不为外加应力而改变。这些TFT特性的变化对于整合到软性TFT背板十分重要，如何避免因软性挠曲而造成TFT背板电性变化将是软性AMOLED面板结构设计与驱动电路设计之重点。

    结语

    与其他软性显示器技术如EPD、Ch-LC电子纸相比，软性AMOLED显示器在显示画质上具有全彩显示与高对比度等优点，可播放多媒体影音等动态视频内容，适合高端智能移动装置应用，其可弯卷软性面板与现有玻璃基板显示器具有明显的差异。DisplaySearch对全球软性OLED显示器成长趋势的预测(如图4)显示，2011年将开始有相关产品进入市场，出货量于2013年超过千万片，而在2015年软性OLED面板将达到十亿美元的产值规模。

    虽然现在软性OLED仍处于技术研发与样品研制阶段，但随着软性基板、TFT背板与OLED及封装等相关技术发展，目前除了日韩厂商均积极开发技术，台湾地区企业也持续加大相关的研发力度，这意味着未来软性AMOLED产品化的可能性日益增高。此外，软性AMOLED将有助于台湾地区显示器上中下游产业持续升级，除了将较不具竞争力的五代以下生产线重新转型到发展具高附加价值的软性AMOLED显示器，也可协助台湾地区其他产业，如塑化、设备等跨足电子显示领域，并加速材料厂商提升技术竞争力，为显示产业带来智能化生活与节能减碳的新契机。