OLED:平板显示的明日之光

有机发光显示器（Organic Light-Emitting Diode Display，OLED）具有视角宽、成本低、厚度薄、响应速度快、对比度高、可实现软屏显示等优点，在多元化的平板显示器市场中被视为极具发展前途的新型显示产品。市场研究公司iSuppli认为，OLED显示器市场正在发生重大变化，它在产品与应用方面取得的进步，正在为销售的强劲增长铺平道路。 　　OLED技术的原理与特点 　　OLED的原理 　　OLED是指在电场驱动下，通过载流子注入和复合导致发光的现象。其原理是用ITO玻璃透明电极和金属电极分别作为器件的阳极和阴极，在一定电压驱动下，电子和空穴分别从阴极和阳极注入到电子和空穴传输层，然后分别迁移到发光层，相遇形成激子使发光分子激发，后者经过辐射后发出可见光。辐射光可从ITO一侧观察到，金属电极膜同时也起了反射层的作用。 　　OLED的分类 　　根据使用有机功能材料的不同，OLED器件可以分为两大类：小分子器件和高分子器件。小分子OLED技术发展得较早（1987年），而且技术已经达到商业化生产水平。高分子OLED又被称为PLED（Polymer LED），其发展始于1990年，由于聚合物可以采用旋涂、喷墨印刷等方法制备薄膜，从而有可能大大降低器件生产成本，但目前该技术远未成熟。 　　根据驱动方式的不同，OLED器件也可以分为无源驱动型（Passive Matrix，PM，亦称被动驱动）和有源驱动型（Active Matrix，AM，亦称主动驱动）两种。无源驱动型不采用薄膜晶体管（TFT，Thin Film Transistor）基板，一般适用于中小尺寸显示；有源驱动型则采用TFT基板，适用于中大尺寸显示，特别是大尺寸全彩色动态图像显示。目前，无源驱动型OLED技术已经比较成熟，商业化的产品绝大部分是无源驱动型；有源驱动型OLED技术发展很快，但还需要一定时间才能大批量推出商用产品。 　　根据使用基板的材质不同，OLED器件可以分为硬屏和软屏。与用玻璃作为基板的普通OLED显示器相比，柔软OLED（Flexible OLED，FOLED）显示器有许多优势：可卷曲和折叠、更轻更薄、防撞击等。全球许多研发机构和企业加大了对OLED柔软显示器的研发，但目前只有美国的UDC、日本的东北先锋等为数不多的研发机构或公司推出了柔软OLED样品，以清华大学技术为基础的北京维信诺公司已于2003年11月23日推出了我国内地首款单色点阵柔软OLED显示屏。 　　OLED的特点 　　有机发光显示器件之所以受到人们的青睐，是因为其与LCD为代表的第二代显示器相比，有着突出的技术优点： 　　●具有低成本特性，工艺简单，使用原材料少； 　　●具有自发光特性，不需要背光源； 　　●具有低压驱动和低功耗特性，直流驱动电压在10伏以下，易于用在便携式移动显示终端上； 　　●具有全固态特性，无真空腔，无液态成份，机械性能好，抗震动性强，可实现软屏显示； 　　●具有快速响应特性，响应时间为微秒级，比普通液晶显示器响应时间快1000倍，适于播放动态图像；具有宽视角特性，上下、左右的视角接近180度； 　　●具有高效发光特性，可作为新型环保光源； 　　●具有宽温度范围特性，在零下40摄氏度至零上85摄氏度范围内都可正常工作； 　　●具有高亮度特性，显示效果鲜艳、细腻。 　　OLED技术的发展 　　有机发光显示技术在过去十多年的时间里取得了巨大的进展。在发光效率方面，OLED远远高于PDP、CRT的水平，目前荧光小分子器件的发光效率已经超过16lm/W，而磷光小分子器件的发光效率则已接近30lm/W，绿光器件的寿命达到了1万小时以上，红光器件和蓝光器件的寿命也已达到实用化的基本要求。能够推出全彩色OLED的公司和研究单位越来越多，采用低温多晶硅TFT驱动的全彩色器件也已经被开发出来；白光OLED得到了广泛的重视，目前的白光实验片可以在100cd/m2的亮度下保持10万小时之久。 　　OLED近期的技术发展方向是解决器件的成品率、寿命和彩色化问题。从长远来看，OLED未来的发展必将沿着小尺寸－中尺寸－大尺寸－超大尺寸、单色－多色－彩色、无源－有源、硬屏－软屏的脉络进行发展，最理想的OLED显示器应该是LTPS-TFT OLED。 　　据统计，目前国际上与OLED有关的专利已经超过6000份，其中最根本的专利技术有两类。小分子材料和器件的基本专利由美国Kodak公司所有，高分子材料和器件的专利由英国CDT公司和已被杜邦收购的Uniax公司拥有。此外，磷光材料和器件的开发也已取得突破，磷光材料的主要专利由美国UDC公司所有。当前小分子OLED 全彩产品已经问世，由于材料供应较为稳定，且不像PLED受限于彩色化困难的瓶颈，众多厂商以小分子OLED为主流技术。 　　OLED的产业化现状 　　在量产技术逐渐成熟的情况下，OLED产业将持续成长，世界各大光电厂商纷纷加入竞争行列。目前国际上从事有机发光显示研究开发及产业化的公司有100家以上，其中一部分公司已开始进行批量生产。欧美地区也有众多公司投入研发，如CDT、Kodak、DuPont、UDC、eMagin、PHILIPS等；在日本的主要公司包括三洋、东芝、东北先锋、索尼、精工爱普生等；韩国已有三星、LG电子、现代电子等10余家企业宣布涉足OLED产业；我国台湾省也有铼宝、东元激光、友达、悠景等多家厂商投入到OLED产业。

　我国有30多家科研机构和企业从事OLED的研发和产业化工作，主要包括清华大学、华南理工大学、吉林大学、上海大学、香港城市大学、长春光机所、北京化学所、北京维信诺公司、上海航天上大欧德公司、上海广电电子集团、广东信利公司、TCL集团和五粮液集团等。其中，在从基础研究到工艺技术开发和中试生产的整个过程中，维信诺公司与清华大学一道建立了国内完善的OLED科研开发体系。维信诺公司与清华大学建立了联合实验室，并通过该实验室开发了大量的专利技术，到目前为止，已经申请了近40项国内外OLED专利，内容覆盖了材料、器件结构、器件工艺和驱动电路等。此外，维信诺公司和清华大学还积累了大量有关OLED研发和产品开发的Know-how技术。据悉，维信诺公司拥有我国内地第一条OLED中试生产线，开发出了多款产品，是目前我国内地第一家也是惟一一家能向客户批量提供自产OLED产品的厂家。维信诺公司目前正在紧锣密鼓地筹建OLED大规模生产线。 　　1998年，日本先锋公司率先推出了OLED车载显示器；2000年9月，Motorola推出第一部采用OLED显示屏的手机；2001年12月，铼宝公司推出了使用自产的单色OLED显示屏的手机产品；2002年9月起，三星公司开始批量推出使用256色OLED副屏的手机；2003年，柯达推出第一部使用OLED显示器的数码相机；2003年下半年到现在，国内外有多家公司推出带有OLED显示模块的手机产品和MP3产品。 　　据市场调研公司iSuppli的数据显示，2003年OLED显示器生产商共出货1730万个OLED，其中东北先锋占据了40%的市场份额，三星（Samsung OLED）占据了33%，铼宝占23%， SKD公司占约2%，其余2%被其他公司分享。手机副屏和汽车立体声音响显示屏几乎垄断了OLED的应用市场，两者占到整个OLED产品应用市场98.1%的份额（出货量计），其他的应用包括数码相机、MP3播放器、剃须刀、手机主屏和其他微显示产品等。2004年，OLED显示器生产商搭上数字随身听的顺风车，找到另一个OLED可以发挥的市场——微型便携数码市场。我国台湾省铼宝、悠景、东元激光等厂商，都已经出货给数字随身听业者。业者估计，今年全OLED出货3000多万片当中，七成是供给手机副屏用，三成是提供给数字随身听之用。 　　Display Search认为，随着在材料研究、生产工艺、成本控制、市场应用等方面的进展，2003年以后OLED市场的增长势头会更大，2008年，OLED市场将达到35亿美元（约合人民币290亿元），从2003年到2008年，平均年增长率达68%。 　　OLED的市场趋势 　　从OLED的发展趋势看，初期OLED将以单彩无源PM-OLED产品为主，主要应用在小型便携式产品上，如手机、PDA、掌上游戏机、车载显示器等，以发挥体积小功耗低的优势。2～3年后，随着低温多晶硅技术的发展和完善，可生产13～15英寸乃至更大尺寸的有源AM-OLED显示屏，产品延伸至笔记本电脑、电视等领域。研究人员已用弯曲的塑料基板替代现有的玻璃面板，实现了软屏显示，柔软的OLED显示屏批量生产后还可望进入电子纸市场，另外白光OLED可能在未来成为新型平面光源。 　　2001年，Sony和三星公司分别研制成功13英寸和15.1英寸有源有机发光显示屏；2002年，17英寸TFT OLED样机由日本东芝公司研制成功；2003年，日本索尼更推出了24英寸TFT OLED样品；2004年5月，爱普生公司推出了40英寸采用喷墨技术制备的高分子OLED显示器，并预计2007年将可以提供产品。 　　OLED目前存在的主要问题 　　OLED虽然已有了长足进展并已给平板显示领域带来新的曙光，业界已经不再怀疑OLED的光明前景。但同传统显示器产业不同的是，OLED技术仍然处在发展期，主要表现在两个方面：一是OLED仍有很多关键技术处于空白状态，无法最大程度发挥出OLED的技术特点和优势；二是不论是产品开发还是产业化技术，仍没有完全成熟标准的方案，OLED设备已经能够满足大规模生产要求，但还没有标准化，设备厂家对OLED生产技术的了解远不如拥有长期研发和中试生产经验的OLED业者。借鉴目前全球OLED厂商发展的经验，一些业者在技术积累不充分的情况下直接进行大规模生产，不得不在大生产线上进行本应在中试线上进行的技术积累，造成了资金、设备、人力和时间的浪费。 　　有机功能材料仍是OLED最主要的制约因素，OLED三基色发光材料的发展很不平衡，绿光材料发展最快，已满足实用化需要。相比之下，红光材料的量子效率较低，色饱和度较差。蓝光材料的问题最大，不仅量子效率偏低，稳定性也是大问题，目前蓝光材料的稳定性刚刚达到几千小时，仅能满足部分领域的应用。 　　能否以较低的成本制作彩色显示器件，关系到OLED的应用范围能否迅速扩展。目前的彩色化方案主要有“RGB三色发光法”、以蓝光材料为基础的“色变换法”和以白光发光层搭配彩色滤光片的“白光法”等，三种方案各有其优缺点，如何获得大批量、高成品率、低成本、长寿命的彩色OLED产品，已成为全球性的研究重点。目前RGB三基色法为实现彩色的主要方式，蓝光＋CCM法、白光＋CF法是非常有发展潜力的技术发展方向。同时材料的寿命和发光材料亮度衰减的一致性也是突破彩色化需要解决的问题。 　　由于OLED中的有机功能层对水、氧非常敏感，OLED对封装工艺的要求要比LCD严格得多。

封装工艺是目前影响OLED产品寿命的最主要因素之一，同时封装设备也是非常关键的因素，OLED的封装工艺和封装设备都有很大的发展余地。 　　显示效果除了与屏的质量有关外，与模块驱动技术也有关系。目前，单色、多色驱动IC已经比较成熟，但款式有限，一般只有通用的几款；彩色驱动IC难度较大，仍需要改进。我国内地还没有能设计OLED专用IC的公司，国际上实力比较强的是美国的Clair公司和我国香港的Solomon公司，韩国和我国台湾省也有多家公司在从事OLED专用IC的设计工作。 　　制膜技术是制备OLED的核心工艺，为了解决制膜成本和制膜速度的问题，人们提出了喷墨法和印刷法等技术。喷墨法是剑桥显示技术公司（CDT）和精工爱普生的专利技术。以往喷墨法和印刷法仅限于高分子材料制膜，但因为小分子器件在实用化和性能方面更成熟，已有单位开始研究可溶性小分子制膜工艺。 　　目前，全球已经量产的OLED生产线已有十几条，但没有一条解决了OLED大规模生产所面临的全部问题。随着OLED产业化的临近，OLED设备也将成为颇有前途的产业，在这方面我国还比较落后，也是很需要关注的。 　　OLED未来之路 　　OLED产业处于飞速发展阶段，2003年被业界称为OLED产业化元年，其特征在于多家公司进入量产阶段，产品种类显著增多，OLED产品逐渐被下游厂家所认可，上下游产业链逐渐配套，产业上游原材料和设备逐渐成熟，而下游需求量明显加大，出现了严重的供不应求。 　　在未来一段时期内，OLED厂商间的产品规模和成本竞争不会太明显，而是处于共同开拓市场的阶段，市场上主要表现是供不应求和OLED与LCD等传统显示器之间的竞争。相对而言，OLED厂商和研究单位直接的竞争主要表现在技术开发方面，知识产权的布局、新材料、新器件结构、新工艺和后备技术的创新和应用。

1997年10月，在时任电子工业部部长胡启立的推荐下，彩虹集团对OLED的实验室样品产生了浓厚的兴趣，先后出资3600多万元人民币，帮助邱勇的项目组度过了建立初期最困难的时期；而且，一直支持项目组开始建立中试生产线。至今，维信诺的公司及其400平方米的中试生产车间，还都设在北京上地信息产业基地的彩虹大厦中。

维信诺欲突围"梦幻显示器"30亿美元市场

“有些日本专家把有机发光显示器（OLED）称作‘梦幻显示器’，从这个称呼上，你就可以看出它的魅力。”北京维信诺科技有限公司副总裁陈耀南如是说。“但中国在OLED技术上的暂时领先能否转化为市场优势，正经历着生死攸关的考验。”

理智冷静的陈谈起OLED，表情泛起一丝期许。“OLED完全可能替代液晶成为未来高清晰显示器的主流产品。”

2003年，OLED的产业化已经开始，显示器换代战役悄然打响。业界普遍认为，今后3年至5年是OLED技术走向成熟和市场高速增长的阶段。美国著名的显示器市场调查公司DisplaySearch预测，2007年OLED全球市场将达到31亿美元。

目前，中国台湾、日本、韩国几家实力雄厚的公司厉兵秣马，购进OLED大规模生产线，准备争夺第三代显示器市场。

在这个产业化的梯队中，维信诺公司紧随其后。“抓住了OLED就意味着我们抓住了显示器换代的绝佳市场进入机会。”陈耀南深谙此道。

中国机会

1996年，清华大学设立了OLED项目组，由年轻的化学系讲师邱勇博士主持研究。他便是维信诺公司的创始人。

立项一年后，邱勇带领研究生张德强制作出了中国第一个OLED显示器样品。当年夏天，邱勇和OLED的命运发生了转折。

原因很简单：显示屏与芯片、电池被国外列为三大信息产业关键元器件，显示屏及其相关产品产值占到中国信息产业45％左右份额。然而，中国显示器行业显然落后国际市场数个节拍，产品大都为低端产品，而高端高利润产品几乎完全依赖进口，被国外厂家占据。

“梦幻显示器”OLED被各国专家看好，很可能成为第三代显示器：它符合国际显示器平板化趋势，资金投入和半导体技术门槛相对较低；同时，由于诞生时间短，全球还没有成熟产品出现，OLED将是中国显示器行业实现跨越式发展的一个机会。

邱勇眼光于是从实验室扩展到了世界显示器行业。他开始把精力放在了OLED项目产业化上。

经过有关部门穿针引线，当时中国最大的显像管生产企业彩虹集团主动找到了邱勇实验室，1997年12月两者达成协议：彩虹集团提供600万人民币的资助，要求实验室三年内完成规定的研发任务。

1999年下半年，研发任务提前一年完成。于是，两者继续签订协议。彩虹集团再次投入3000万元，协助邱勇建设中试生产线。生产基地也随之迁往彩虹集团北京总部———上地信息产业基地。科研和实业结合之后，邱勇开始了中国OLED产业化的投石问路。

2001年，维信诺公司正式成立。邱勇任公司总裁；同时维信诺和清华大学有机光电实验室还承担国家科技部“863计划”新材料领域的高清晰度平板显示技术开发项目，邱担任该项目总体专家组组长。

维信诺的股东有四家：清华大学企业集团、清华创投公司、山西南风化工集团（上市公司）和彩虹集团。注册资金6000万元人民币。其间国家计委于2001年拨付维信诺1200万的资金，用于OLED的产业化进程。

同年，维信诺建成中国内地第一个400平方米的OLED中试车间。

一切就绪，维信诺独立门户，开始了OLED的产业化历程。

技术较量

在OLED产业化环节上，美国、日本公司领先一步。

日本先锋公司早在1997年就将此技术应用于汽车内部音响面板。2000年，摩托罗拉公司从先锋公司购进OLED显示屏，首次用于手机显示。之后，手机成了OLED的主流使用领域。

“OLED还有待完善，因此产业化进程伴随着的技术较量。必须争分夺秒呀！”陈耀南忆起往事，感慨颇多，“因为上游设备和部分原材料依赖进口，如果有生产配件需要到国外加工，一个来回需要一个月时间，而竞争对手在当地几天就能解决。即使这样，我们的研发速度依然让对手吃惊。”

在OLED业界，绿光已经顺利过关，但红光技术显示还迟迟未被攻克。

维信诺恰恰在红光有机材料设计方面异军突起。2002年6月，维信诺获得一项由美国专利商标局授予的有关红光OLED材料合成的专利。依靠红光优势，维信诺乘胜追击。

2002年7月，维信诺成功研制出国内首款单色OLED手机模块；9月，维信诺研制成功国内首款多色OLED手机模块；10月，邱勇代表中国首次参与OLED国际标准制定并被提名为OLED国际标准测试小组的负责人；11月，内地首款彩色OLED显示屏研制成功；12月，维信诺公司成功研制中国大陆地区最大的OLED动态显示屏——4.82英寸OLED显示屏。

这是一场速度的较量，谁领先于技术，谁就占得了市场的先机。

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