В настоящее время многие высококлассные смартфоны оснащены AMOLED-дисплеями. Хотя термин AMOLED часто упоминается, действительно ли вы понимаете его связь с OLED? Почему производители смартфонов стремятся заполучить OLED-панели? Могут ли смартфоны и VR-устройства вывести OLED на передовые позиции в качестве основной технологии отображения?

С учетом этих вопросов, давайте всесторонне рассмотрим технологию OLED.

Структура OLED-дисплея и принцип его излучения

Органический светодиод (OLED) — это технология отображения информации, первоначально разработанная и запатентованная компанией Kodak. В этой технологии в качестве полупроводниковых материалов в светодиодах используются органические полимеры. Эти полимеры могут быть природными или синтетическими, иметь большой или малый размер молекул. Примерами органических полимеров являются белки и ДНК.

Базовая структура OLED напоминает сэндвич, состоящий из слоя ITO (оксид индия-олова), соединенного с положительным электродом, и металлического катода. Слоистая структура включает слой переноса дырок, излучающий слой и слой переноса электронов.

Под воздействием электрического поля дырки, генерируемые анодом, и электроны, генерируемые катодом, движутся соответственно к слою переноса дырок и слою переноса электронов и инжектируются в излучающий слой. Когда электроны и дырки встречаются в излучающем слое, образуются экситоны, которые возбуждают светоизлучающие молекулы, генерируя видимый свет.

Когда приложенное напряжение достигает соответствующего уровня, дырки с анода соединяются с электронами с катода в излучающем слое, генерируя свет. В зависимости от состава материала излучается красный, зеленый или синий свет, который затем формирует полноцветные изображения на основе принципа смешивания цветов RGB.

OLED против LCD

OLED-дисплеи являются самоизлучающими, то есть каждый пиксель излучает собственный свет. В отличие от них, ЖК-дисплеи не излучают свет и требуют наличия источника подсветки под панелью.

ЖК-модуль (LCM) состоит из ЖК-панели и блока подсветки. ЖК-панель обычно включает поляризаторы, стеклянные подложки, цветовые фильтры, прозрачные электроды, тонкопленочные транзисторы (TFT) и жидкие кристаллы. Блок подсветки включает источники света, световодные пластины, оптические пленки и конструктивные элементы.

Классификация и характеристики OLED-дисплеев

В зависимости от способа управления, OLED-дисплеи можно разделить на следующие категории:

• PMOLED (пассивная матрица OLED)
• AMOLED (активная матрица OLED)

PMOLED

В PMOLED используется матрица, образованная катодами и анодами, пиксели подсвечиваются методом сканирования. Каждый пиксель работает в импульсном режиме, излучая высокую яркость в течение короткого времени.
Преимущества: Простой производственный процесс, более низкая стоимость
Минусы: Не подходит для больших дисплеев или дисплеев с высоким разрешением.

AMOLED

В технологии AMOLED для управления каждым пикселем используются независимые TFT-транзисторы. Каждый пиксель может непрерывно и независимо излучать свет.
Преимущества: Низкое рабочее напряжение, более длительный срок службы светоизлучающих компонентов.
Минусы: Сложный производственный процесс, трудный контроль затрат.

AMOLED-дисплеи занимают подавляющую часть рынка OLED и представляют собой основное направление развития. На современном рынке, когда говорят об «OLED-дисплеях», обычно подразумевают AMOLED.

Основные преимущества технологии OLED

• Сверхтонкая структура, примерно в три раза тоньше ЖК-дисплеев.
• Твердотельные компоненты с высокой ударопрочностью
• Широкие углы обзора с минимальным изменением цвета
• Более быстрое время отклика по сравнению с ЖК-дисплеями (до 1000 раз быстрее в первых OLED-телевизорах, таких как 11-дюймовый Sony XEL-1, выпущенный в 2007 году).
• Превосходные характеристики при низких температурах (работоспособность даже при температуре ниже -75°C при исправной схеме).
• Более высокая энергоэффективность по сравнению с ЖК-дисплеями.
• Может быть изготовлен на различных подложках, включая гибкие материалы.

Хотя первые OLED-дисплеи страдали от ограниченного срока службы, значительные улучшения в последние годы позволили широко использовать их в мобильных телефонах. Однако OLED-панели по-прежнему дороже, чем LCD-дисплеи, и необходимы дальнейшие прорывы в массовом производстве.

Процесс производства AMOLED-дисплеев

Поскольку AMOLED-технология доминирует на рынке OLED, мы сосредоточимся на процессе её производства:

Процесс сборки объединительной платы → Процесс сборки лицевой платы → Сборка модуля

Процесс задней панели

Первым этапом в производстве как AMOLED, так и TFT-LCD является изготовление подложки для TFT-транзисторов.

OLED-дисплей — это устройство, работающее на основе тока и требующее высокой стабильности тока, которая зависит от подвижности носителей заряда. Поэтому низкотемпературный поликристаллический кремний (LTPS) является наиболее подходящей полупроводниковой тонкой пленкой для OLED-транзисторов. В большинстве AMOLED-панелей используются подложки из LTPS, в то время как в ЖК-дисплеях обычно используется аморфный кремний (a-Si) из-за соображений стоимости и технологического процесса.

Основные различия в использовании TFT-транзисторов в ЖК- и OLED-дисплеях:

1. Для пикселей ЖК-дисплея достаточно одного TFT-транзистора, тогда как для пикселей OLED-дисплея требуется как минимум четыре TFT-транзистора.
2. Для изготовления OLED-транзисторов требуется гораздо более высокая точность, что приводит к снижению выхода годных изделий.

Процесс изготовления подложки включает в себя осаждение пленки, фотолитографию и травление для формирования структур LTPS с точностью до микрона и чрезвычайно высокими требованиями к однородности.

В состав основного оборудования входят:

• Системы фотолитографии
• Машины для влажного и сухого травления
• травильных установок ICP
• Системы PVD и CVD
• Системы лазерной кристаллизации
• аппараты ионной имплантации
• Оборудование для быстрого термического отжига

Процесс фронтальной плоскости

Процесс изготовления лицевой подложки является наиболее важным этапом в производстве AMOLED-дисплеев.

После очистки и сушки подложка LTPS-TFT помещается в азотную среду для охлаждения и переворачивается так, чтобы сторона с пленкой была обращена вниз. Затем подложка помещается в камеру с высоким вакуумом (приблизительно 5×10⁻⁵ МПа) для напыления функциональных и излучающих слоев.

После нанесения покрытия панель проходит функциональную и визуальную проверку, установку поляризатора, а затем начинается сборка модуля.

В состав основного оборудования входят:

• системы переноса субстрата
• Чистящее оборудование
• Испарительные машины
• Натяжные машины
• Системы старения и отверждения

В основе производства AMOLED лежит вакуумное напыление , при котором органические материалы и металлические электроды наносятся на подложку из LTPS. Этот процесс требует крайне специализированного оборудования.

В настоящее время компания Canon Tokki (дочернее предприятие Canon) широко признана мировым лидером в производстве оборудования для напыления OLED-дисплеев и обладает почти монополией на инструменты для крупномасштабного массового производства.

Процесс сборки модуля

Заключительный этап включает в себя сборку AMOLED-панели в пригодный для использования модуль.

По сравнению с ЖК-модулями, AMOLED-модули проще, поскольку им не требуются подсветка или цветовые фильтры.

Основные шаги включают в себя:

• Раскрой, очистка и сушка панелей.
• ACF-крепление
• Соединение COG, FOG и TAB
• Электрические испытания
• Защитное покрытие и отверждение
• Окончательная сборка и упаковка

В состав основного оборудования входят:

• Чистящие машины
• Режущие машины
• Машины для склеивания ACF
• Оборудование для соединения COG/FOG/OLB
• системы испытаний на старение
• Системы инспекции AOI

Технические и прикладные проблемы OLED-технологий

OLED-технологии широко считаются будущим дисплейных технологий. Однако крупногабаритные OLED-панели, особенно те, которые используют технологию оксидных тонкопленочных транзисторов (TFT), сталкиваются со значительными проблемами, связанными с выходом годных изделий, стоимостью и масштабируемостью.

К основным препятствиям относятся:

• Изготовление панелей больших размеров
• равномерность осаждения органического материала
• Надежность инкапсуляции

Проблемы, связанные с крупногабаритными OLED-панелями.

Процессы LTPS испытывают трудности на производственных линиях, выходящих за рамки 5.5-го поколения, из-за ограничений горизонтального испарения RGB с использованием тонких металлических масок (FMM). По мере увеличения размеров панелей гравитация вызывает провисание маски, что приводит к смешиванию цветов и снижению разрешения.

Вопросы, касающиеся технологии оксидных тонкопленочных транзисторов (TFT).

К распространенным структурам оксидных тонкопленочных транзисторов относятся:

• копланарный
• Слой, препятствующий травлению (ESL)
• Травление обратным каналом (BCE)

Хотя копланарные структуры проще, они страдают от проблем с надежностью. Структуры BCE и ESL обеспечивают лучшую производительность и выход годной продукции, при этом ESL обеспечивает наивысшую надежность за счет сложности технологического процесса.

Оксидные тонкопленочные транзисторы чувствительны к свету и теплу, что вызывает сдвиги порогового напряжения и усложняет обеспечение стабильности и однородности технологического процесса.

Проблемы, связанные с цветом и осаждением OLED-технологии.

В OLED-дисплеях используются субпиксели RGB, нанесенные методом вакуумного испарения. Поддержание равномерной яркости и цветового баланса становится все более сложной задачей по мере увеличения размера панели. Синие OLED-материалы имеют более короткий срок службы, что требует компенсации, которая может искажать точность цветопередачи.

Изогнутые и белые OLED-дисплеи

Тандемные OLED-структуры позволили создать высокоэффективные белые OLED-дисплеи, подходящие для освещения и дисплеев. Однако белые OLED-дисплеи уступают RGB OLED-дисплеям по цветовому охвату и чистоте цвета и требуют более десяти тонкопленочных слоев, что обуславливает чрезвычайно высокую однородность толщины.

Перспективы развития и конкурирующие технологии отображения

OLED, MicroLED и QLED считаются технологиями отображения следующего поколения. Все три используют самоизлучающие RGB-субпиксели и теоретически могут достигать светоэффективности до 95%.

С точки зрения производства, эти технологии используют примерно 70% общего оборудования и процессов, что делает конкуренцию менее жесткой, чем в прошлых противостояниях между ЖК-дисплеями и плазменными экранами.

Сравнение технологий

• ОЛИД: Зрелая экосистема, гибкая, но с ограниченной продолжительностью жизни и стабильностью.
• КЛЭД: Неорганические материалы с превосходной долговечностью, но сложными в крупномасштабном производстве.
• Микросветодиод: Максимальная эффективность и потенциальная яркость, но чрезвычайно сложные процессы массопереноса и сборки.

Технология MicroLED обеспечивает превосходную энергоэффективность и плотность яркости, занимая всего около 10% площади излучающего элемента по сравнению с OLED при той же яркости.

В конечном итоге, будущий победитель среди OLED, MicroLED и QLED будет определяться не только показателями производительности, но и технологической осуществимостью, выходом годной продукции, экономической эффективностью и долгосрочной надежностью при крупномасштабном производстве.

Несмотря на свои ограничения, технология OLED уже отвечает практическим требованиям потребительской электроники и остается доминирующей силой в современной индустрии дисплеев.