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Barix技術帶來OLED顯示器的性能和應用突破

上網時間: 2003年11月30日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:平板顯示技術,Flat Panel Displays,有機發光二極體(OLED)  有機光至發光二極體,organic light emitting diodes(OLED),液晶顯示,LCD,蜂巢式手機,cell phones  個人數位助理(PDA),personal digital assistants (PDA),吸潮劑,desiccant,濕氣和氧氣滲透率,moisture and oxygen permeability,聚合體膜和瓷膜,polymer and ceramic film,Barix 密封,Barix Encapsulation,OLED電視機,OLED TVs,可撓性顯示器,Flexible Display, 

OLED有機材料對氧氣和濕氣都極度感應,必須採用密封性能比LCD高出10,000倍的密閉封裝方法。Barix封裝技術採用聚合物層和陶瓷層堆疊方法有效地實現了OLED的密閉封裝,相對傳統的機械封裝具有低成本、更輕、更薄的優點,並能有效延長OLED顯示器壽命。本文詳細介紹了Barix技術的實現方法和一些突破性應用。圖1:不帶Barix塗層和帶Barix塗層的PET顯微圖對比。

平板顯示器產業正醞釀著一場變革,這場變革是由一種稱為有機發光二極體(OLED)的新型固體材料所推動,這種有機材料以薄膜形式實現,厚度不超過紙張上墨水的厚度。OLED的獨特性能是當有電流通過時就會發光,光的顏色取決於有機分子的結構,不同的分子結構可以分別產生紅光、綠光或藍光,因而得到全彩色顯示示所需的RGB畫素。因此,可以把薄膜材料沈積在一塊玻璃基板上,然後加以封裝來得到一個全彩平板顯示器。這種顯示技術比LCD所用的元件少很多,因為LCD顯示器必須使用背光、彩色濾光器、偏光器、對準層(alignment layer)、單元襯墊(cell spacer)等。由於OLED顯示不需要背光,所以它的厚度和重量可以比LCD小一半以上,這對於像手機、PDA這類可攜產品而言是一個很大的優點。

OLED的一個關鍵特性是它自身發光,而不像LCD那樣靠反射或傳導發光,這意味著OLED顯示器可產生比LCD更為生動和更令人滿意的圖像,實現更高的亮度、對比度、色彩飽和度以及180度視角。此外,OLED可以在幾個微秒中完成通斷,而LCD畫素通斷時間為若干毫秒。因此,對於像電視這類完全運動的視訊應用而言,OLED顯示器是一種理想的選擇,因為它不會產生重影問題,而LCD電視在顯示快速運動圖像時會產生這類問題。

目前,OLED類技術已經在很多小尺寸產品上得到應用,如手機、手持遊戲機等。OLED與傳統的LCD技術相較有它固有的優點,包括視角更寬、響應時間更快、更堅固且重量更輕。然而,有機物質對濕氣和氧氣的感應性限制了其廣泛應用,如果保護不當將會很快損壞OLED顯示器。

保護OLED顯示器的傳統方法

由於OLED元件固態層極薄,有一些物質是化學活性材料,暴露在水或氧氣中會立刻氧化,產生黑點因而損壞顯示器。因此,OLED材料對濕氣和氧氣極為感應,比LCD感應一萬倍以上。

為保護OLED材料,顯示器製造商目前使用玻璃作為基板材料(與LCD相同),然後黏合一個金屬外殼或玻璃蓋在OLED顯示器的背面,用以防水和氧氣。但這樣做還不夠,因為仍然會有極少量的濕氣滲透黏膠進入顯示器,因而產生黑點。因此,製造商在玻璃基板和金屬外殼或玻璃蓋之間放置一種稱為吸潮劑的不透明粉末,用來吸收滲過膠縫的濕氣。這種方法雖然有效但很笨拙,並且成本很高,對於手機顯示器而言,玻璃蓋、膠和吸潮劑加起來的成本約為1.2美元,這使得顯示器在不計電子元件的情況下成本約3美元。然而顯示器製造商的利潤本來就很薄,因此必須找到一種低成本的固態薄膜封裝技術來替代機械封裝。如果OLED還是採用這些機械元件來封裝,它們在價位上很難與LCD競爭。

Barix隔離層

Vitex圖2:應用在OLED顯示器上的Barix封裝結構示意圖。 Systems公司開發出了一種獨特的薄膜隔離層,它對濕氣和氧氣的滲透性相當於一張玻璃的效果。該保護層稱為Barix,是由聚合物膜和陶瓷膜在真空中迭加而成,總厚度僅為3微米,大約人頭發直徑的二十分之一。該隔離層能直接加在OLED顯示器的上面,而不再需要使用機械封裝元件就可實現對OLED的濕氣和氧氣隔離保護。Vitex的Barix技術將極有可能推進OLED更廣泛的產業應用,使OLED成為零邊界、超薄顯示器中的一種有力的競爭技術。

Vitex技術的獨特之處在於聚合物層的形成方法:先將一種母液(liquid precursor)快速蒸發到一種氣體中,然後氣體流入一個真空室,在真空室中以液體形式凝聚在基板上。這種在真空中的液體應用正是Vitex技術的獨特之處,它不同於蒸發、陰極真空噴鍍或化學汽相沈積(CVD)這類傳統的真空製程。這些製程都採用氣體-固體沈積製程,在這種製程中,原子或分子以瞄準線(line-of-sight)路徑打在基板上並轉變為固態。根據其特性,這種沈積製程將產生與下面基板的拓樸結構和表面粗糙度相同的覆蓋層。而在Vitex製程中,基板上形成的液體母液實際上是氣體至液體的凝聚而不是沈積。母液氣體分子運動到基板上並在基板的所有表面上凝聚為液體,因而使整個結構完全密封和平整化。圖1為一層聚合物薄膜粒子的顯微圖,該圖顯示了Barix塗層如何覆蓋所有不平整的地方,並實現一個原子級的平滑表面。

此外,由於單體(monomer)是液體物質,其頂部表面具有原子級的平滑度,可以產生一個用來沈積保護膜的理想表層。然後,將基板行動到一個紫外(UV)光源處,使液體產生聚合反應,產生固態聚合物膜,它的頂面仍保持原子級的平滑度。下一步驟是將一個厚度僅為500埃的陶瓷膜沈積在聚合物層的上面。由於聚合物層表面很平滑,陶瓷膜只有非常少的缺陷,所以能形成一個幾乎完美的濕氣隔離層。但這種品質並不能滿足OLED顯示器的要求,因此還必須重覆這個過程,產生一個多層聚合物層和陶瓷層的堆疊,這其中每一個陶瓷層都是幾乎完美的濕氣隔離層,這個陶瓷層和聚合物層的組合總厚度大約為3微米。經測量,所形成的濕氣隔離層的滲水率大約為每平方公尺每天10-6gm,該指標可以滿足OLED顯示器對滲水率的技術要求。

Barix封裝技術的優點圖3:飛利浦公司生產的行動設備用OLED顯示器。

在過去的三年中,Vitex公司一直在開發Barix封裝技術,即將隔離層直接加在OLED顯示玻璃基板上面。開發過程包括對稱為Guardian System的一個完整系統的設計和實現,該系統是一個內嵌的沈積模組,能夠直接將OLED基板從OLED沈積工具中取出並添加Barix隔離層。在Barix封裝完成後,成品OLED可以在大氣環境中進行其餘的顯示器裝配工作。圖2為將Barix封裝應用到OLED顯示器的示意圖。

由於不再使用金屬外殼、玻璃蓋、黏膠和去潮劑,Barix封裝為OLED製造商帶來了以下三個重要的優點:


1. 顯示器的重量和厚度減半。這對於行動設備設計者來說十分重要,例如,有很多新型帶數位相機的手機在機身上採用了一個小的顯示器作為取景器,在一個翻蓋手機中,該顯示器與主顯示器背靠背安裝。如果兩個顯示器都是帶背光的LCD,結果將使手機體積變得很大,而使用OLED就不存在背光問題,總厚度可以減少一半,而如果近一步用Barix封裝來替代機械封裝,每個顯示器就像一塊玻璃,這樣就能製造出一個極薄的手機;


2. 用薄膜濕氣隔離層來替代機械封裝件,大幅降低了成本;


3. 機械密封的OLED顯示器需用一條3毫米寬的黏膠帶,這在顯示器上會形成一個死角。對於小型的行動設備而言是一個很大的缺陷,而使用Barix封裝的OLED顯示器只有一個小於1毫米寬的邊緣,給設計工程師帶來了極大的設計靈活性。

圖3為飛利浦公司製造的一個OLED行動設備顯示器的原型,從圖中可以注意到整個顯示器僅僅是一塊玻璃。背面的Barix發配層很薄,根本就看不見。

隔離薄膜層可延長OLED電視壽命

除了極薄並能防滲水外,Barix發配層對可見光是透明的,這意味著OLED顯示器製造商完全可以避免生產底部發光的顯示器,因為底部發光顯示器的光通路有一部份被基板上的TFT矽電晶體所阻擋,降低了顯示效率和解析度。如果用透明薄膜封裝來替代金屬外殼、玻璃蓋和吸潮劑等機械封裝,可將顯示器設計成所有的光從頂部射出,將有效地提高電源效率,並實現更高的解析度。這不僅提高了效率還可延長OLED的使用壽命。目前,限制OLED顯示器大量應用的因素除了濕氣和氧氣的損壞外,還有發光物質的壽命問題,特別是藍色發光材料的壽命。與LCD採用電壓驅動不同的是,OLED是採用電流驅動,流過發光物質的電流總量對OLED壽命有很大影響。相較於光線部份被擋的低效率底部發光顯示器,效率更高的頂部發光顯示器只需要較小的電流,故而具有更長的壽命。

目前,一些重要的顯示器製造商正積極地開發OLED電視,包括新力、東芝-松下顯示器公司、Samsung SDI、Chi Mei/IDTech和SK顯示器公司以及三洋-柯達合資公司。為了滿足性能和顯示壽命的要求,OLED電視必須是頂部發光的。因此,滿足OLED要求的薄膜濕氣隔離層是使OLED電視得以實現的關鍵技術。圖4:采用Barix隔离層前后的效果對比。

可撓性顯示技術帶來的突破性應用

一直以來,平板顯示製造商都夢想有一天能不用玻璃基板,而將顯示器做在可撓性塑料膜上。是什麼因素阻止了該類產品的發展呢?答案非常簡單:滲透性,水滲入塑料膜因而毀壞顯示器。例如,聚酯(PET)膜每平方公尺每天會滲過大約10克水,如果在PET上增加一般的商用濕氣隔離層,滲透率會減少到大約每平方公尺每天0.1克,改進了不到100倍。這作為食品包裝而言是足夠的,但如果要製造一個塑料LCD,則必須將滲透率降到0.01以下,而目前還沒有這麼低滲透率的商用濕氣隔離膜。

而對於OLED顯示器而言,濕氣隔離的要求更高,其指標要求比任何產業用塑料濕氣隔離膜高一萬倍,Barix技術可以滿足這種應用要求。透過真空逐卷生產製程,Vitex將Barix塗覆加到成卷的PET膜上,形成了Flexible Glass隔離基板。就像使用Barix封裝一樣,Flexible Glass的滲透率大約相當於一張玻璃的效果。Vitex公司目前正提供成卷的Flexible Glass給很多OLED顯示器製造商,這些顯示器製造商正了解如何在塑料基底上實現可撓性OLED顯示器的生產。例如,Vitex與杜邦顯示器公司有一個合作開發協議,杜邦公司正努力把第一台塑膠OLED顯示器推出市場。最近,Universal Display公司(UDC)在Intertech 2003上展示了一個‘Barix enabled’可撓性顯示器,該顯示器使用了Flexible Glass膜基板,即為UDC的OLED技術加上Barix封裝技術。

塑膠OLED顯示器進入市場後將帶來很多變革性的應用,這些應用在以前看來是不可思議的,包括:


1.一個全彩色OLED顯示器就像一塊架空的彩色玻璃,既輕又薄;


2. 顯示器在關機時是透明的;


3. 平板顯示器不再要求一定要平,可以與一個曲面貼合,如與汽車儀表盤;


4. 顯示器掉到地下時不會摔碎;


5. 將顯示器製作在衣服上;


6. 可以把一個顯示器像窗簾一樣卷起來。

顯然,這種技術真正商用後將帶來很多富有創意的應用和產品。當Vitex的薄膜防潮技術投入使用後,將使平板顯示器產業能生產出低成本、塑膠的可撓性OLED顯示器,這些顯示器的應用前景將無可限量。

作者: John McMahon


行銷副總裁.


Vitex Systems公司




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