OLED产业化历程与问题分析

首先，OLED技术被认为属于自发光器件，有高对比度、轻薄、可弯折、低功耗、宽视角、广色域、快速响应等^［5-9］技术优势。利用OLED制作的显示屏，与现有TFT-LCD对比，只有高对比度和可弯折的优势有所体现，其他优势并不突出，甚至有所不如，下面将逐项分析其原因。

（1） 高对比度。OLED像素是主动发光，因此对比度可以非常高，至少100 000∶1 以上，该优势能否在产品中体现出来需要考虑人眼的分辨能力和竞争技术的性能提升。人眼能感知并分辨的对比度为10 000∶1^［10］，但人类视觉系统是一个高度复杂的视觉信息处理系统，涉及生物学和心理物理学特性。研究发现，人的视觉系统能够主动适应的光强度级别范围很宽，在进入特定环境下，人眼会根据环境亮度调整，即亮度适应现象。在特定亮度下，人眼分辨亮度变化的能力是有限的。在视觉系统的亮度分辨能力研究方面有一个著名的韦伯实验，研究的内容是人眼视觉系统在一定背景亮度下的亮度分辨能力，即亮度敏感性。图3显示的是人眼在不同亮度灰度级下对数字图像的敏感性曲线^［11］，从图中可知，人眼对偏暗和偏亮环境敏感性弱于中间亮度，也就是说在偏暗和偏亮环境下需要更高对比度才能让人眼感知到差别。最明显的例子是在户外太阳光比较强的情况下，显示屏需要高对比度才能保证可视性。在中间亮度环境下保持显示质量所需的对比度将低于10 000∶1。在室内的亮度环境下，如果不是两个显示产品放在一起，对比度超过1 000∶1后，对使用者来说，变化的可感知度变低。一般显示器的对比度指标为静态对比度，属于暗室测量值。当环境亮度升高后，显示器自身亮度是另外一个影响因素，环境亮度越高，显示屏自身亮度在对比度中所占比重越大。另外一个需要考虑的是竞争技术，即TFT-LCD的对比度提升，为提升户外等高亮度环境下可视性^［12-13］，TFT-LCD一直在优化设计、工艺和材料，通过液晶材料的变化、背光源控制以及双盒设计不断提升对比度^［14］，使其对比度可以超过10 000∶1。从上面的分析可知，OLED高对比度的优势并不明显。

图3  数字图像的亮度适应性图^［11］

Fig.3  Luminance adaptation for digital images

（2）轻薄。OLED产品与LCD产品比较确实可以做到更轻更薄，特别是柔性OLED可以做到轻薄50%以上，但带来的用户体验不如预期好。以厚度为例，如表1所示，TFT-LCD产品也做到了相当好的水平，一般可以做到1.5 mm以下。由于少了背光源和一片偏光片，基板厚度变薄，柔性OLED可以做到小于1 mm，甚至0.5 mm，虽然降低的幅度很大，但从使用者来看，绝对值变化带来的价值没有预期大。

（3）可弯折。柔性OLED可弯折的特性是其独特的优势，但在应用推广中进展比较慢^［15］。一方面是柔性OLED改变了消费者的使用习惯，与可以以标准化可控品质产品提交给客户的LCD或刚性OLED比较，柔性OLED在使用时屏幕会发生弯折变化，需要和整机的结构件相互配合才能实现柔性的折叠、卷曲等动作，其屏幕设计和整机设计目前分别是不同厂商负责，这导致开发周期变长，开发成本增加，涉及产业链变化较大。另一方面是因为弯折性能所需的材料特性改善和搭配难度较大，最大的问题来自于显示屏结构强度与小弯折半径之间的矛盾。在满足小半径折叠可靠性的前提下，还要考虑表面抗冲击、刮擦、屏幕折痕等整机外观和结构强度^［16-17］。这些对盖板材料、粘结层材料、背膜材料性能的调整以及其他功能膜层的搭配提出了相当高的要求，即使将所有材料性能最优化后应用到折叠产品中，屏幕折痕在现有技术水平下也不能完全消除。而且为了保证小半径弯折特性，表面防划伤的性能基本在H硬度以下。三星公司首款折叠手机形态确定为内折也应该有这方面的原因，内折形态对表面防划伤要求不需要太高，但因为内折不符合通常使用习惯，在其外边必须增加一块非折叠屏幕，从这方面看外折手机对屏幕要求更高。这些技术问题的不断改善，柔性手机特色应用的开发与使用推广将是可弯折产品应用拓展的关键。

（4）低功耗。OLED显示屏每个像素的静态功耗（P）可以表示为流经OLED的电流（I）乘以跨压（U）：P=UI。跨压主要由3部分电压构成：U=U_OLED+U_TFT+U_{IR Drop}。首先是直接加载在OLED材料上的驱动电压（U_OLED），不同颜色的OLED的驱动电压是不同的；其次是驱动TFT电压（U_TFT），通过控制该电压获得不同的OLED工作电流；最后是补偿像素位置距离驱动IC不同造成的电压下降（U_{IR Drop}），该部分电压与显示屏的尺寸相关，尺寸越大，电压下降越大，所需补偿电压越大，在功耗上的损耗也就越大。这也是大尺寸产品应用推广的难点之一，表2对比了152.4 mm （6 in）手机和431.8 mm （17 in）笔记本电脑用屏的跨压分解对比。同样的器件结构下，OLED材料上的电压约为3.5 V，驱动TFT的电压约3 V，152.4 mm （6 in）手机需补偿电压下降约1 V，431.8 mm （17 in）笔记本电脑用屏的补偿电压下降约为4 V，在功耗中所占比例已经接近40%，更大尺寸电视其所占比例更大。电流与显示亮度和OLED器件发光效率及透过率直接相关。如果只从上述静态功耗看，随着OLED发光材料效率的提升，在一定尺寸下与液晶显示相比较确实有低功耗的优势，但受限于像素设计和保证封装的环境信赖性，其光取出的比例一直比较低，同时为了防止外部环境光的反射，在出光路线上一般要放置圆偏光片，其对显示屏像素点发光的阻隔超过50%，因此OLED在功耗上的优势有限，且超过一定屏幕尺寸，功耗会变成劣势。

从单像素发光效率比较，OLED可能比LCD省电。目前随着OLED材料效率的改善，在152.4 mm （6 in）左右手机应用上功耗略优于LCD，但随着显示尺寸的增大，OLED功耗增加速度比LCD大。两种技术的功耗模型不同，LCD是侧向背光源通过导光板以光路形式形成面光源，显示尺寸增大在光路上的能量损失较小，因此其功耗改善以背光效率提升为主。随着LED的应用，其功耗改善较大。OLED则不同，随着显示尺寸的增大，除了像素数量和面积增加外，还需要考虑引线电压下降的损失，且这部分损失随显示尺寸增大而增加，因此在大尺寸电视应用上，一方面要使用厚铜电极尽量降低引线电阻，另一方面通过叠层OLED器件的使用，通过提高工作电压来降低工作电流，这两方面共同作用降低了在引线上的功耗损失。

（5）宽视角。在OLED产品量产前，视角的主要评判方法是测量对比度的下降，虽然也有对视角色偏的考量，但不是主要的评价方法。而OLED不显示时是不发光的，对比度比较高，反而是在一定角度下色偏和亮度下降的感觉更明显，因此视角的测量方法也发生了变化，引入了视角色偏来评价OLED视角特性，指标分别是Δu'v'和最小可视色偏差别JNCD（Just Noticeble Color Difference）。这两个指标越小，视角色偏越小。小尺寸手机技术方案采用的是顶发射器件设计，即OLED发光材料处于全反射金属阳极和半透半反金属阴极之间，阳极和阴极之间将形成微腔效应，OLED发出的光在微腔中会产生干涉现象。微腔对光具有高度波长选择性，特定波长的光沿特定方向出射，因此不同视角下光强、光谱均会发生变化，且相当敏感^［18-20］。根据微腔效应机理可知，OLED发光层中激子复合发光位置也会影响到视角特性，复合位置越靠近阴极，其视角特性越好。研究发现，阴极厚度和不同发光层主客体掺杂比对视角影响也比较明显。为减弱微腔效应对OLED视角特性的影响，最常用的方法是在靠近阴极出光一侧蒸镀一层有机材料作为光耦合层（CPL），该材料具有可见光波段的高折射率和低吸收系数，且一般不会影响器件的效率和寿命，提高出光效率。

从上面研究结果可以看出，微腔效应造成不同颜色光随视角变化不一致的色偏，相关影响在OLED阴阳极之间，该距离小于1 µm，也就是需要在小于1 µm的范围内控制位置精度、材料厚度和整个显示面的均匀性，可见其视角特性的敏感性之大，所以器件需要非常精巧的设计和工艺实现。虽然用于大尺寸的底发射方案的微腔效应非常弱^［21］，以牺牲透过率、降低器件效率、增加功耗的代价获得了视角上的相对提升。而其竞争技术LCD通过宽视角液晶模式的应用，视角特性获得大幅提升，OLED在视角方面没有绝对优势。

（6）广色域。小尺寸三色蒸镀方案的色域取决于红绿蓝三色发光材料的选择和显示器件的结构设计。三色材料同时要满足效率和寿命的要求，而三色材料要形成一个器件，相互之间也有搭配的问题，因此，很难在满足效率和寿命的同时实现广色域的提升。特别是在LED背光应用在液晶显示器件中后，其色域与OLED相比较不相上下。三色蒸镀OLED通过增加彩色滤光片可以提升不同视角的色域，但会影响甚至牺牲其他方面的性能水平。大尺寸白光加彩色滤光片方案的色域取决于彩色滤光片的材料特性^［22］，与液晶显示中彩色滤光片比较，其发展时间较短，因此量产大尺寸OLED电视的色域一直不比液晶电视的色域更广。但OLED因为其色谱可由使用的发光材料及结构设计调整，所以有获得更广色域的可能，但要在效率和视角特性等方面有所牺牲。另外在色彩管理方面的改善需要信号处理来配合，除了扩展色域还希望能更好地还原真实世界的色彩，即色彩还原能力。

（7）快速响应。该特性主要是针对显示器画面质量，特别是运动图像的显示质量，因此评价指标为运动图像响应时间（MPRT）^［23-24］。OLED和LCD都是薄膜晶体管控制的显示器件，属于保持型显示，因此其运动图像响应时间由两部分控制：液晶或发光材料的响应时间和薄膜晶体管电路的响应时间，薄膜晶体管电路响应时间又分为采样和保持时间。对液晶显示技术来说，材料响应时间是指液晶偏转控制显示屏亮暗转换的时间，通常是10 ms级别。而OLED材料发光过程的响应时间是纳秒级别，因此OLED器件被认为响应速度很快。而薄膜晶体管电路的响应时间与显示屏的尺寸和分辨率有关，在几毫秒到几十毫秒范围。从上面的分析可知，对液晶显示技术而言，关键控制因素是液晶材料偏转速度；对OLED器件而言，其关键控制因素则变为驱动薄膜晶体管电路的响应时间。随着液晶材料的优化，其响应时间已经下降到5 ms以下。薄膜晶体管电路的响应时间可以通过提高输入信号的频率和插黑帧缩短。图4是韩国LGD公司对比各种电视技术的结果^［25］。从图中可以看出，人眼可感知的的运动物体响应时间为5.7 ms，因此LCD和OLED的响应速度都取决于薄膜晶体管电路的响应时间。即使将频率提升到120 Hz，LCD和OLED电视的响应时间都高于6 ms，对于电压驱动型的LCD，频率提升到240 Hz即可低于5 ms；而对于电流驱动的OLED来说，信号频率再提升比较困难，但利用插黑帧等方式也可以达成5 ms以下的水平，因此LCD和OLED在响应速度方面差异不大^［26-28］。

图4  各种电视技术的运动图像响应时间比较^［25］

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

AMOLED分别在小尺寸手机和大尺寸电视方面开始大批量量产，但这两种应用的技术路线完全不同，相同的是这两种技术几乎都达到了性能的极限，技术本身已经无法达成所需的性能指标，必须通过各种补偿技术。电学补偿通过屏幕内部和外部的电路设计使薄膜晶体管的各项性能稳定可控；光学补偿通过对屏幕光学性能的获取和分析后进行相对校正，使显示屏光学性能更均匀稳定。小尺寸蒸镀用的高精细掩模版的厚度已经低于30 µm，在兼顾机械强度和位置精度的情况下已经达到挑战极限。小尺寸手机应用单个子像素驱动电路需要6个以上的薄膜晶体管，对于400 ppi以上的设计，已经在平面上塞满整个子像素区域，为了提高分辨率不得不利用虚拟像素技术，并对子像素排列进行渲染^［29］。OLED是自发光的电流器件，除了需要通过薄膜晶体管控制像素的通断，还需要控制通过电流的大小，这样的要求即使将薄膜晶体管的阈值漂移控制在0.2 V以内，仍然需要电路和光学补偿来保证画质的均匀性和一致性。