OLED 市場展望 1987 年美國 Kodak 公司發明了第一個 OLED 光發射器,1997 年日本東北 Pioneer 首先將 OLED 商品化, 推出汽車用音響面板 歷經商品化後 10 年,Sony 開始銷售全球第一台 OLED TV, 雖然只有 11 吋大小而且價格不斐, 但對於未來 OLED 成為主流顯示器的時代向前邁進了一大步 文 / 鍾孟翰 何孟穎 ( 光電協進會產業分析師 ) 歷史簡介 有機電激發光 ( O r g a n i c Electroluminescence, 簡稱 OEL) 又可稱為有機發光二極體 (Organic Light Emitting Diode, 簡稱 OLED) 最早在 1963 年時, Pope 等人之研究小組發現當外加高電壓於 Anthracene 單晶體時, 觀察到藍色的電激發光 由於較厚之層狀結構造成外加電壓高達數百伏特, 再加上載子不平衡之緣故, 使得量子效率相當的低 1987 年, 美國 Kodak 公司的 Tang 與 VanSlyke 等人發表一雙層結構之小分子 OLED (Small Molecular OLED, 簡稱 SMOLED 或 OLED), 利用高真空下蒸鍍製作之有機發光元件 而 1990 年英國劍橋大學的 Friend 等人成功的開發出以塗佈方式將高分子應用在 OLED 上, 即 Polymer LED, 亦稱為 PLED 幾乎在同時,Braun 與 Heeger 也在美國發表類似的結果 OLED 與 PLED 的操作原理基本上極為類似, 差別在於所使用之材料分子量與製程方法不同 OLED 發光原理 有機材料的能態可利用分子軌域來描述, 根據鮑立不相容原理, 每一分子軌域只能由兩個原子佔據, 當電子只填滿最高佔有軌域 (HOMO) 時, 此分子處於所謂的基 態 當電子被激發時, 電子將躍遷至較高能階的原子軌域, 第一個被激發的能態我們就稱它為最低未佔有軌域 (LUMO) LUMO 與 HOMO 在有機材料中所扮演之角色即同等於無機半導體中的導電帶 (conduction band) 與價帶 (valence band) 如圖 1,OLED 元件最基本結構是由二電極包夾一層有機發光材料, 當施加電壓時, 電極二端會形成電場, 會使得電子與電洞在有機材料中移動並產生再結合, 形成不帶電之激子 (exciton) 此時處於激發態之激子會以輻射或是非輻射方式釋放其所擁有的能量而回到基態 其中一部分的輻射會以光的形式放出, 所放出的光即為有機電激發光 經由吸收所形成的激發態以單重激發態 (singlet state) 為主, 三重激發態 (triplet state) 由於涉及電子的自旋反轉, 產生此能量躍遷的機率非常的低, 由於其自旋動量的差異, 單重激發態與三重激發態將處於不同的能量狀態 一般來說, 三重激發態較單重激發態有著較低的能量 由單重激發態與三重激發態落至低能態所產生的放光分別稱之為螢光與燐光 OLED 分類 OLED 依照發光材料類型又可分為小分子 (SM-OLED, 簡稱 OLED) 及高分子 (PLED) 二種, 如表 1 OLED 發光層製程方式以蒸鍍法 (Evaporation) 為主,PLED 則 6
圖 1 有機發光二極體基本結構 表 1 OLED 顯示器分類 驅動方式 Passive Matrix Active Matrix 材料 SM-OLED PLED SM-OLED PLED 製程 Evaporation LITI / LIPS / RIST Inkjet Printing Evaporation LITI / LIPS / RIST Inkjet Printing 應用小尺寸中 / 大尺寸 資料來源 : 國立台灣大學 以噴墨式印刷 (Inkjet Printing) 法製作 目前 OLED 不論在材料 製程 元件結構等開發上皆較 PLED 進展快速, 因此在產品商用化 OLED 較為領先 不過在大型化方面,PLED 的噴墨式印刷製程較有潛力實現低成本量產目標, 蒸鍍法則受限於金屬遮罩 (metal mask) 限制而難以朝向大型化發展, 因此也有廠商發展出雷射轉寫方式之製程, 如 Samsung SDI 的 LITI 製程及 Sony 的 LIPS 製程 若依驅動方式 OLED 可分為被動式矩陣 (Passive Matrix, PM) 及主動式矩陣 (Active Matrix, AM) 二者的差異在於是否有薄膜電晶體 (TFT) 作為控制 OLED 亮度表現 因無須利用 TFT 來驅動, 因此製作 方式較簡單, 成本也較低, 然而卻難以實現高精細畫面, 因而被限制在低解析度小尺寸應用市場 相較之下, 利用 TFT 驅動方式, 可自由控制各個畫素之發光亮度, 達到高解析度之要求, 而且 OLED 不須驅動到非常高的亮度, 對材料壽命也有顯著的提昇 可想而知, 未來 將是主導 OLED 產業發展成長的最大動力 按照發光層結構又可分為頂部發光 (top emission) 及底部發光 (bottom emission) 如圖 2, 頂部發光結構中, 在下面的金屬或合金材料作陽極, 上面的透明導電膜作陰極, 電致發光時其往下方向的光將被底下陽極反射, 最後光從上面反射出去 這 圖 2 發光層結構種類 Glass circuitry board Cathode metal electrode Organic layer Anode Translucent electrode Bottom Emission Glass circuitry board *High level of color gamut *High-level of brightness Cathode (semi-transparent) Organic layer Anode (Metal electrode) Top Emission Glass circuitry board Top Emission *High level of brightness At the emission passes through the spacing of the electrode and wiring of TFT, the opening % is limited SUPER TOP EMISSION TM 資料來源 :SONY;PIDA 整理,2007/12 7
樣的好處是開口率較高且不會受 TFT 數目增 加影響, 同時也減少光照 OLED 元件時間而 延長壽命, 不過封裝的困難度相對也較高, 底部發光 OLED 的情形則剛好相反 OLED v.s TFT LCD OLED 與 LCD 顯示器最大的差異在於 OLED 是以電流直接注入發光材料中來發光並 以電流大小控制亮度, 屬自行發光元件, 而 LCD 是利用電壓控制液晶旋光性改變光穿透 偏光片之強度來決定亮度, 光源來自背光模 組中的燈管, 因此屬於非自發光元件 在完 全不同的發光原理之下, 產生出來的畫面特 性也有所不同 表 2 OLED 與 TFT LCD 比較 資料來源 :PIDA,2008/1 由於 OLED 可自行控制發光與否, 無須 配置背光模組, 因此在暗畫面完全不發光, 具有高對比 低耗電特性 反觀 LCD 不論亮 或黑畫面, 背光模組仍不斷啟動, 因此在低 耗電的改善空間並不大, 另外, 雖然 LCD 在 彩色濾光片結構上製作遮光層黑矩陣 (Black TFT LCD 亮度穿透率高穿透率低 (6~7%) 對比百萬 :1 數千 :1 反應速度 μs level ms level 視角範圍 180 度 170 度但有色偏問題 耗電性低 ( 暗畫面不發光 ) 高 ( 背光固定開啟 ) 色域 70~110% 操作溫度 廣 (-40~100 ) CCFL:70~95% LED:105~150% 較窄 (-30~85 ) ( 高低溫反應速度變慢 ) 厚度 / 重量 Mm/ 輕 cm/ 重 壽命 5,000~30,000 小時 >50,000 小時 大型化 量產 : 中小尺寸展示 :40 吋 TV 量產 :65 吋展示 :108 吋 TV Matrix, BM) 阻擋暗態的漏光現象, 但在光學繞射的限制之下, 仍會有微量漏光, 導致 LCD 對比度來到數千比一後, 難以再大幅提高 表 2 為 OLED 與 TFT LCD 比較表, 除上述所提對比與低耗電不同外, 在反應速度 產品厚度 觀看視角等特性上也都有很大的差異 由於 OLED 的自發光性, 本身就是光源, 決定了 OLED 的亮度 寬視角 反應效率都優於 LCD, 而 LCD 因結構上需要背光模組使得穿透率僅存 6 ~ 7% LCD 因背光必須靠透過液晶旋轉角度的改變, 從而完成圖像的傳遞過程, 造成反應速度受限於液晶旋轉速度的特性機制, 僅能達到 ms 數量級, 遠遜於 OLED 可達 µs 數量級的反應速率 視角方面也因為是透過液晶旋轉角度控制光量, 因此在大角度看會有對比變差以及色偏現象產生 此外,OLED 不須背光源, 在厚度與重量上也具備遠較 LCD 輕 薄的特性 ; 加上 OLED 的耐震性高, 使其操作溫度的範圍較廣, 可達 -40 ~ 100, 且具備可撓曲的特性, 而 LCD 的可操作溫度範圍則較窄, 約在 -30 ~ 85, 且在高低溫時尚有反應速度變慢的疑慮 ; 在色域方面,OLED 目前約達 70 ~ 110 %, 而 CCFL 燈管背光模組的 LCD 色域約為 70 ~ 95%, 若用 RGB 的 LED 背光模組則可達 105 ~ 150% 雖然 OLED 與 LCD 比較起來擁有不少的強項, 但相較於 LCD 成熟技術下壽命可達 50,000 小時以上, 大型化技術上已有 65 吋電視的量產下,OLED 的壽命目前只發展到 5,000 ~ 30,000 小時, 商品化上目前也仍多應用於 8
中小尺寸, 較難大型化 然而 OLED 在色域 壽命上的問題可 從材料的選擇有所演進, 其高亮 度 高對比 廣視角 輕薄等優 勢, 都使 OLED 未來潛力仍然大 有可期 應用市場發展趨勢 : 如圖 3,2007 年全球 OLED 市場規模為 3 億 8,900 萬美 元, 較 2006 年衰退約 10 %, 最主要原因為 OLED 市場仍以 為主, 大多應用於手 機次面板 MP3 及車用影音設 備等 在 TFT LCD 價格不斷下 降, 性能也不斷提升的壓力下, 不僅難以打入龐大的手機主面板 市場, 價格也被迫下 降, 因此整體產值不進反退 所幸 優異的畫 質特性被譽為下一世代顯示技 術, 許多大廠仍推出新產品, 並擴大生產線, 如韓國 Samsung 及 LPL 日本 Sony 台灣奇美 等大廠 由圖 3 可知, 至 2010 年,OLED 市場規模可望成長至 15 億美元, 將是帶動快速成長的最大推手, 反 觀 在部分廠商退出, 以及應用市 場在 TFT LCD 競爭之下, 預計將呈現衰退趨 勢 在應用市場方面, 如圖 4,OLED 仍以 小尺寸產品為主, 以手機面板 ( 包含主及次 面板 ) 為最大宗, 次面板以 為主, 主面板則為 就目前的手機市場來 看, 中 高階市場以 a-si TFT 及 LTPS 面板為 主要技術, 低階市場則以 Mono / Color-STN 為主, 雖然 面板的價格較 a-si 或 圖 3 全球 OLED 市場規模預估 全球產值 1,600 1,400 1,200 1,000 1,800 1,600 1,400 1,200 600 400 200 800 600 400 200 產 1,000 值 800 0 0 2005 2006 2007(e) 2008(f) 2009(f) 2010(f) 圖 4 OLED 產品應用市場產值比重預估 Cell Phone MP3/PMP/P-DVD Automobile DSC/Camecord TV Other 2005 2006 2007(e) 2008(f) 2009(f) 2010(f) LTPS TFT LCD 來得高, 但其影像畫質也是 TFT LCD 難以望其項背, 因此 將 很有機會先滲入高階手機市場 單位 : 百萬美元 單位 : 百萬美元 以 2007 年為例,Nokia Samsung 及 日本 KDDI 等手機大廠與電信業者皆已推出 以 為面板之手機產品, 預期 2008 年後陸續會有更多新產品上市 根據日本 Techno Times 預測,2010 年前 QVGA 以上的 手機將有 7% 會採用 作為面板 其次為 MP3 及 PMP 等多媒體產品, 過 去小型 MP3 的快速成長帶動了 市 場成長規模, 然而現今許多 MP3 產品亦結 9
圖 5 OLED 產品發展進程 SIZE 30" TV >30" 20" TV >20" 10" Sony TV 11" QHD 4" 3" Pioneer 汽車音響 Sony PDA 3.8" HVGA NB 11~15" 2" 1" Motorola 手機主面板 1.8" Fujitsu 手機次面板 1" QVGA Kodak DSC 2.2" PGB+PSM 2 Nokia 手機 2" QVGA DPF 7~8" year 1997 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010~2012 資料來源 :PIDA,2008/1 合影片或照片播放功能, 對於色彩與解析度要求高, 因此未來此應用領域的成長將仰賴 的普及速度 在車用市場方面, 主要是 應用在音響面板 傳統的音響面板是用 VFD ( 螢光管顯示器 ), 然而在 動畫性能較為優異的情形下, 受到美國車廠青睞而被使用 不過, 在 TFT LCD 成本快速下滑, 性能大幅提升後,OLED 在車用市場也漸漸受到 TFT LCD 挑戰 除了車用音響外, 近期亦有歐美車廠將 OLED 面板用作為高級車的儀表板, 主要理由是 OLED 比其它顯示器更清晰易於讀取, 值得注意的是, 目前單色 已能夠適用在 -30 至 95 使用, 壽命也能符合車廠嚴格的測試要求 TV 產品目前在整體 OLED 市場比重極低, 主要是因為 OLED TV 雖每年皆有廠商推出實驗性機種, 然而 TV 製程難度較高, 生產良率低 成本高, 一直未有實質商品在市場販售, 直至 2007 年底才有 Sony 推出售價 20 萬日圓的 11 吋 OLED TV 如此 高售價可看出, 初期 OLED 在 TV 應用會以 專業玩家型的高階市場為主, 同時也突顯了 OLED TV 與 LCD TV 在製造成本上的差異 然而由於 TV 單價相較於中小尺寸產品高出許 多, 因此未來幾年 OLED TV 的數量成長不若 手機或 MP3 等快速, 其貢獻的產值仍有相當 的成長 未來要擴大 TV 應用市場成長, 如何 降低生產成本將是廠商最主要面臨的問題之 一 就如同 TFT LCD 產業, 大尺寸 TV 將需 朝向 5 代線以上產線發展才能有效擴大產能 並降低生產成本 產業發展動向 : 未來商品化發展向大型化邁進 目前投入在 OLED 產業的國家主要有歐 美 日本 韓國及台灣等國家 最早是由美 國 Kodak 公司於 1987 年 Kodak 公司製作出低 操作電壓 高效率的 OLED, 接著英國劍橋大 學在 1990 年研發出 poly(phenylene vinyleue) 10
表 3 全球 OLED 相關主要供應廠商 OLED PLED Licensor Kodak UDC Unlicensed CDT UDC Unlicensed Panel maker (PM) LiteArray Pioneer, Nippon Seiki, Tohoku Device, TDK, Rohm, Denso, Optrex Korea : Samsung SDI, LPL, Orion, Kolon Taiwan:RiTdisplay China:Truly, Varitronix Korea : Samsung SDI Pioneer Korea : NESS, Elia Tech China : Visionox Add-Vision, Osram, Mark IV DNP Singapore : Innoled Taiwan : RiTdisplay Panel maker (AM) emagin Korea : Samsung SDI, LPL Taiwan : CMEL Sony, TMD, Hitachi MED, Plastic Logic Epson, Toppan Printing Canon, Casio, Sharp Korea : Samsung Electronics 發光材料 Fuji Electric US & EU : PPG, Motorola, Novaled, Dupont Mitsubishi Chem., Toyota, Nippon Steel Chem., Idemitsu Kosan Bayer, Merck Sumation DuPont Epson 資料來源 :Techno Times;PIDA 整理,2007/12 (PPV)PLED 元件後,OLED 相關應用即開始蓬勃發展 從圖 5 可見 OLED 的產品演進發展, OLED 產品的濫觴是在 1997 年由日本東北 Pioneer 推出第一個解析度為 256 64 的單色 面板的車用音響 ; 接著在 2000 年由手機大廠 Motorola 推出型號為 Timeport 的手機, 採用 Tohoku Pioneer 之 1.8 吋多彩 (Area color) 的 面板, 成為史上第一支採用 為主面板的手機 ; 2002 年 Fujitsu 也推出首支 次面板的手機 F505i, 搭配 Tohoku Pioneer 解析度 320 240(QVGA) 之 1.0 吋全彩 面板 ; 緊接著的 2003 年和 2004 年,Kodak 和 Sony 又先後實現了 面板在數位相機和 PDA 的商品化,Kodak 首台應用 2.2 吋 面板的數位相機 LS633 ALE251, 解析度 521 218(RGB+PSM 2 ), Sony 則結合 3.8 吋 面板的 PDA PEG-VZ90, 解析度達 480 RGB 320 (HVGA) 到了 2007 年,Nokia 祭出了首台高達 1670 萬色的 2.0 吋 主面板之手機 7900 Prism, 厚度僅有 11.3mm, 解析度可達 240 320(QVGA); 同時,Sony 也量產了 11 吋解析度 960 540(QHD) 的 電視 XEL-1, 機身最薄處只有 3mm, 廣受市場矚目, 並在 2008 年 1 月於北美市場販售 此外,Kodak 與奇晶預計在 2008 年合作推出 7 吋 面板的數位相框,2009 年可能出現搭載 面板的筆記型電腦及 20 吋以上的電視,2010 ~ 2012 年之際, 廠商亦將可能推出大於 30 吋的 TV,OLED 的商品化發展未來將逐步臻至大型化軌徑 OLED 產業歷經 10 年來的變遷, 目前最主要的廠商整理如表 3 OLED 主要廠商包括美國 Kodak 日本東北 Pioneer TDK Sony 出光興產 韓國 Samsung SDI LG- Philips 及台灣錸寶 奇晶光電等 PLED 主要 11
表 4 OLED 現階段挑戰 市場研發製造 TFT LCD 價格下降 TFT LCD 性能改善 高階市場接受度 產業規模小 發光材料之效率與壽命 基板技術開發 (LTPS a-si plastic ) 封裝技術 良率約 6~7 成 TAC 時間較 LCD 長 大型化困難 製程標準化 廠商則為英國 Cambridge Display Technology (CDT) 日本 Seiko-Epson 凸版印刷 住友化學等公司 以面板製造商而言,Samsung SDI 為最大廠商, 已使用 4.5 代線來生產 面板, 以中小尺寸為主, 月產能約為 400 萬片 2 吋級產品, 預計 2008 年將擴增至月產能 800 萬片, 並計劃在 2009 年要導入 5 代線來生產較大尺寸產品 台灣廠商以錸德集團下的錸寶光電與奇美集團下的奇晶光電為主 錸寶主要生產, 而奇晶則專攻 奇晶的產線為 3.5 代線, 月產能約為 50 萬片 2 吋級產品, 並計劃再將新增一條生產線, 預計在 2008 年第三季量產 市場接受度待考驗 OLED 擁有超高對比 反應速度快 無視角限制 低耗電量等 TFT LCD 無法達到的天生優勢, 因此一直為產業界寄予成為下一世代顯示器主流的厚望 然而, 在面對 TFT LCD 的顯像性能提昇 價格快速下滑 產業鏈規模龐大且完整的壓力下, 現階段 OLED 仍存在許多挑戰要克服, 表 4 整理出市場 研發與製造等不同層面所須克服的難題 整體而言, 價格仍為市場接受度的最主要考量因素 目前顯示器市場從小尺寸到大尺寸皆以 TFT LCD 為主流, 雖然 OLED 畫質優異, 但其過高的價格難以打入主流市場 再者,OLED 目前最大世代生產線為 4.5 代 線, 即便良率再高也無法大量生產電視用面板, 因此, 現階段 OLED 將從中小尺寸應用產品市場出發 2007 年起, 已陸續有廠商發表 面板產品, 預計 2008 年將有更多新產品推出, 但皆屬於高單價產品, 而市場對於高性能與高單價的 OLED 面板接受度則需經過時間的驗證 為 OLED 發展成敗關鍵 過去 10 年來,OLED 產業歷經新企業的加入 舊企業的脫手與退出 同業的整合等, 目前所剩廠商不多, 材料及設備開發主要集中在歐 美 日地區, 面板製造則以日 韓 台為主 不過從近期韓國 Samsung LPL 台灣奇晶相繼擴大投資, 日本 Sony 積極推出 OLED TV 產品以及日本 PDP 龍頭松下電器佈局 TFT LCD 同時也投入 OLED 開發, 不難發現投入 面板製造者皆為 TFT LCD 面板大廠相關企業, 可見 不但是現階段顯示器領導廠商們冀望的下一世代顯示技術, 也將會是 OLED 發展成敗的關鍵因素 從顯示器的歷史來看,CRT 自商品化發展以來已超過 60 個年頭而進入快速衰退期, LCD 則發展超過 30 年, 漸漸邁入成長趨緩的成熟期, 相較之下,OLED 現階段商品化發展才 10 年, 相信未來 10 ~ 20 年將有可能會進入高度成長的階段 12