OLED

產業研究機構Yole Développement(Yole)近期研究指出，MiniLED在尺寸、應用、架構和製造基礎設施方面具備更好的發展條件，MicroLED要求重大的技術突破，組裝和模具結構的破壞，以及製造基礎設施的重大檢修。MiniLED晶片只需要對具有非常相似架構的標準LED晶片進行漸進式升級，並且只需少量的升級就可以在同一座工廠中製造。 在過去的幾年中，出現了前所未有的各種顯示技術，包括OLED、量子點、雙單元LCD、MiniLED和MicroLED。其中，MiniLED的一個主要優點是它們利用了經過驗證的技術，因此資本支出較低、開發進度也更快。MiniLED可以分為兩個主要的顯示應用部分：LCD背光和直視顯示。每個部分主要涉及不同的技術要求和生態系統。 對於LCD背光源，與標準LCD面板相比，MiniLED是縮小與OLED差距的一種方法，可提供更高的亮度並控制局部黑色水平。Yole認為，儘管不如OLED的像素級調光完美，但MiniLED LCD確實縮小了差距，正如各種顯示製造商提供的許多原型所顯示的那樣。MiniLED的優勢主要在三個應用中：電視，顯示器和汽車顯示器。 電視是最有前途的市場銷售機會，並有可能推動MiniLED的出貨量。自2019年10月以來，TCL已經成為第一家在其8系列產品系列中實現MiniLED電視商業化的公司。該技術可以幫助LCD縮小差距，並從高階大尺寸OLED上奪回部分市場。 對於高階顯示器而言，OLED在可用性和壽命方面仍未克服挑戰，MiniLED LCD可以以較低的成本提供出色的對比度和高亮度。平板電腦、智慧手機以及某些汽車應用可能是MiniLED製造商的商機。對於直視式LED顯示器，與COB架構配合使用的MiniLED可以使NPP LED顯示器在多種應用中具有更高的滲透率，增加可服務的市場。模具尺寸可以朝著較小的尺寸連續發展，可能減小到30-50μm，以降低成本。 另外，MiniLED也正在進入照明應用。在該領域，從中長期來看，諸如智慧大燈之類的先進汽車前照明系統也可能代表MiniLED的真正優勢。在供應鏈的上游，MiniLED應該使晶片和BLU/模組/面板製造商受益。由於MiniLED應用主要是在COB製程中構建的，因此存在LED封裝商可能被擠出供應鏈的風險。  

隨著LED打件速率提升及Mini LED晶片價格下滑，同時間Open Cell面板的價格也來到新低，採用Mini LED背光的顯示器成本明顯下降。根據市場調研機構集邦科技(TrendForce)光電研究(WitsView)的新型顯示技術成本分析報告指出，65吋4K電視若採用Mini LED背光，整個顯示器模組生產成本預估較2018年下降約5~10%，對於Mini LED推廣將有助益。 TrendForce研究副理李志豪表示，Mini LED自2017下半年化身市場焦點以來，從技術浮現至進入商業化約兩年發展歷程，效率相較過去顯示技術演進過程高。由於Mini LED依然立基於LCD架構，將可推升直下式區域調光背光規格至極致，為現有技術的重要升級。同時隨TCL於2019年第四季在北美推出65吋及75吋搭載Mini LED背光電視，增加消費者於高階電視市場的選擇。 TrendForce指出，65吋4K電視若採Mini LED背光，顯示器全模組生產成本預估較2018年下降約5-10%，利於推廣Mini LED。65吋UHD 4K電視於不同技術成本表現—高階側入式背光顯示器模組生產成本約350美元；採被動式驅動的Mini LED背光（LED使用顆數約16,000顆）顯示器模組則落於650~690美元間。至於海信2019年發表的疊屏電視(Dual Cell)，推算顯示器模組成本約630美元，即便生產成本仍略高，但已開始具備市場競爭力。 依據報告顯示，由於LED驅動IC用量隨背光分區數提升而同步增加，除需要用較大的驅動板外亦提高生產成本。像2019年量產的Mini LED背光電視產品多採被動式驅動(PM)，但若採主動式驅動(AM)Mini LED背光顯示器，分區數越多越能顯現其優勢，除使成本更具競爭力，規格亦能媲美OLED水準。像是群創、友達、京東方以及華星光電等面板廠積極開發的主動式驅動產品，有望成為推升Mini LED背光在高階電視市占的關鍵。

早期的採用者樂於接受市場推出的這類令人振奮的新技術(圖1)。但從業界廣泛觀點來看，哪一種手機設計才會嬴得消費者的歡心，又必須克服哪些科技和技術性障礙才可實現量產？ 圖1　折疊裝置類型 資料來源：Technobezz/itechfuture/mspoweruser/Forbes 折疊手機挑戰眾多 在開發折疊手機或其他裝置時，有很多問題需要解決，包括電池壽命、外形因素、製造成本和價格。當然，最明顯和最困難的問題是開發出可支援經常彎折的顯示螢幕，因為使用者將在好幾年的時間內經常開合他們的裝置，以下內文將深入探討。 電池壽命 折疊式設計可能是減少電池壽命的一個主要原因，因為這類手機要為兩個顯示螢幕提供電池電力。 智慧型手機的電池容量通常是4,380mAh，視使用頻率而定可能可以待機兩天，但支援大於7吋的迷你平板螢幕運作需要更多的電力，同時折疊螢幕的開合以及螢幕之間的切換，也會消耗電力。因此，留給消費者的是更短的電池壽命，或更厚重的手機。 外型因素 智慧型手機的趨勢是螢幕越來越大，手機整體越來越薄，並且隨著採用OLED和電池技術的進步而具備愈來愈好的性能。但當口袋中的手機厚度變為原來習慣的兩倍，消費者是否會感到滿意是未來業者重要的設計考量。 成本和價格 根據OLED顯示器成本模型來看，標準的7.3 QHD OLED顯示螢幕的成本是50~35美元，觸控組件的成本是15美元。相較之下，折疊式7.3 WQHD OLED折疊顯示螢幕的成本是100~70美元，觸控模組的成本是25美元，觸控層和封裝的特殊材料占增加成本中的大部分。 另外，製程不成熟造成生產良率低，也是使成本增加的原因。標準智慧型手機 OLED顯示螢幕的良率是60~70%，而折疊螢幕的良率卻低於30%；此外，現在仍難以衡量消費者對折疊式行動裝置的接受度以及普及的程度。雖然初步預測顯示消費者有很強烈的興趣(圖2)，但初期銷售量卻很低，這顯示消費者對這類技術有高度的興趣，但從零售層面來看則抱持觀望態度。 圖2　折疊OLED出貨預測 資料來源：IHS Market 挑戰彎曲極限 在彎曲問題上，目前還未開發出明確解決方案，但半導體產業正針對該問題進行大規模的研究。可彎曲折疊裝置必須採用柔性OLED技術，因為現行的LCD薄膜電晶體(TFT)無法適用在重複彎曲的裝置，基於相同原因，基板必須是聚醯亞胺，而不是玻璃。 另外，組成顯示螢幕的整體層堆疊必須超薄和非常堅固，整體厚度(包括OLED裝置)要小於1.0mm。需要的膜層包括：折疊基板上的TFT、覆蓋TFT的隔離層、隔離層上的OLED、基板上的封裝層、與封裝層結合的柔性觸控式螢幕面板，以及一層保持顯示膜的光學性質的硬塗層窗膜，(可能)使顯示螢幕表層可以抗刮、耐磨損和撞擊，手機彎曲時，所有這些膜層必須保持正常功能。 彎曲這種堆疊的多層膜時，堆疊中有個位置稱為中性軸或(中性彎曲面)，該處的應變力為零，找出中性面內的顯示模組位置可將應變和應力降到最小。這之所以這麼重要是因為在向內彎曲上的太多壓縮應力會導致屈曲和剝離，而過大的拉伸應力可能會導致破裂和剝離(圖3)。 圖3　彎曲測試失敗模式 資料來源：Yves Leterrier, in Handbook of Flexible Organic Electronics:Materials,  Manufacturing and Applications, Woodhead, 2015 雖然作為獨立的薄膜，顯示螢幕堆疊中的每個元件可以彎曲到相對較小的半徑(小於5mm)，但當元件黏合後彎曲時，機械應力在結合層之間傳遞，在堆疊的多層膜中出現拉伸和壓縮力，導致結合層的剝離和屈曲。 因此，工程師對黏合的方式進行改善，使堆疊膜層作為單獨的元件起作用，而不受相鄰膜層的約束。這是為了在顯示螢幕堆疊彎曲(特別是彎曲半徑小於5mm)時，可以防止機層的剝離和屈曲。 彎曲測試 彎曲測試也是實現折疊螢幕的重要步驟。對此，半導體設備業者如應用材料公司顯示及柔性技術事業群(DFT)的研發部門，便測試了聚二甲酸乙二醇酯(PEN)膜的薄膜封裝，以評估薄膜的可靠度，以及是否能夠保留原有特性來作為防止空氣和水氣侵入OLED材料的屏障。 低於1%的整體臨界應變目標是楊氏模數的一個函數，或定義材料中的應力和應變之間的關係，以及基板整體厚度(圖4)的機械特性。DFT事業群測試了堆疊在 50μm PEN基板上的多層薄膜封裝膜，這項測試包括在專門的彎曲測試機器(圖5)上，將基板以半徑2.5mm彎曲200,000 次。 圖4　折疊基板的臨界應變公式 資料來源：Yves Leterrier, in Handbook...

根據IHS統計，電競顯示器市場在2016~2017年快速成長，到了2018年成長漸趨平緩。2018年電競顯示器出貨量成長率明顯較以往低，總出貨量547萬台，占整體顯示器4.3%。而同時新競爭者主打低價位加入市場，廠商為求提高產品品質選擇採用Mini LED作為背光源，以提升附加價值及產品競爭力。 工研院產科國際所電子與系統組產業分析師林松耀表示，由於Mini LED技術利用封裝尺寸更小、數量更多、密度更高的LED晶粒為背光來源，其區域背光調整功能最小單位為單一LED，採用300~1,000區域獨立控制，相對一般直下式區域背光調整，Mini LED同時具降低面板背光模組厚度、光暈、漏光現象，更有望在對比度、色域、亮度等方面更接近OLED。Mini LED為固體材料，故可以做成曲面，同時在高動態範圍成像(HDR)以及低功耗方面都具備優勢。 從2019年的CES和Computex都可以看出，目前高階的電競顯示器都非常強調曲率(Curved)。另外，高影格率(Frame Rate)、大尺寸、高解析度、窄邊框、HDR等都是電競螢幕現在的技術規格發展重點。 過去電競顯示器主要競爭者為ASUS、ACER、DELL等，而AOC與HKC等廠商低價加入市場，AOC從2017年的24.9萬台成長到2018年的96.6萬台，成長率為196%；HKC則從2017年的25.0萬台成長至2018年的88.3萬台，成長率為181%。在2018年AOC與HKC出貨量已超越傳統競爭者ASUS與ACER，可見新競爭者來勢洶洶。 林松耀指出，廠商為提高競爭力，紛紛轉戰高階電競顯示器。舉例來說，ACER在2019 CES展出的ConceptD系列CM7321K螢幕即採用Mini LED作為背光源，可獨立調整1,152區背光亮度，HDR標準達VESA DisplayHDR 1,000，峰值亮度可達1,000nits。預計於2019年9月推出，目前定價為2,990美元。 林松耀進一步說明，現階段Mini LED背光產品的發展主要挑戰仍在於成本。LED晶片數量以及驅動IC的增加，再加上良率與均勻性等因素，導致價格高居不下。

然而，手機面板的面積畢竟有限，無法支撐一個顯示產業，因此，OLED從小尺寸的應用在技術成熟後進入中大尺寸的應用市場是必然的趨勢，也是主流顯示器技術能夠存活的必然途徑。 不過，未來在中大尺寸應用市場以OLED取代LCD的競爭中，目前OLED高成本的真空蒸鍍製程是降低成本的一大障礙，因此開發低成本的OLED製程成為OLED能否取代LCD的關鍵。噴墨印刷不須在真空進行，高世代大型噴墨設備價格比真空設備低廉，採用按需供給(Drop on Demand)的圖案畫方式，材料使用率高，在大尺寸世代設備價格低廉與提高材料使用率的考量下，大尺寸OLED製造採用溶液式的噴墨印刷製程是降低OLED成本的最佳選擇。 本文從顯示器發展的趨勢探討OLED技術勝出的機會，從技術面檢討目前OLED製造成本高昂的問題與噴墨印刷OLED的解決方案，同時深入的回顧噴墨OLED的發展經歷、現況與未來展望。 顯示器發展趨勢與OLED發展瓶頸 每一種新技術要產業化成產品都必須經過市場嚴苛的考驗，新產品進到市場大致可以區分為兩大類：第一類為創新性應用(Innovative Application)，另一類為取代性應用(Replacement Application)。 創新性應用產品在市場上尚無參考比較，成功與否常決定於產品功能能否為客戶帶來全新價值感受，因此市場上能夠容許比較高的產品價格。而取代性應用則以現有產品技術為標竿，勝出的機會在於新技術是否能夠帶來比舊技術更高的價值感受，這些比較的標竿包括產品的價格、功能與產業環境。若以此準則來檢視顯示器發展的歷史就可以感受各種顯示技術發展的成敗興衰。 LCD取代CRT技術關鍵在於LCD找到了筆記型電腦的創新型應用，使LCD技術存活下來並且茁壯到取代CRT。已經退出舞台的電漿顯示技術PDP就找不到創新的應用空間，在取代性應用則面臨無法超越CRT、LCD的標竿而黯然下台。 當今顯示技術是LCD當道標竿，OLED技術要存活只有找到一個可以成為創新應用的產品舞台來擺脫LCD的競爭，使技術得以有繼續發展的空間，很幸運的，在LCD生產逐漸過剩與手機通訊改朝換代的產業環境配合機緣下，折疊手機產品為OLED找到一個折疊面板的藍海，OLED將以折疊手機應用為生存基礎，逐漸建立起有競爭力的技術與產業環境。 然而，手機是以攜帶性功能設計的行動裝置，面板尺寸面積畢竟有限，以產能面積來估算，到了2022年全球OLED規劃的產能達到8,300萬平方公尺，若只應用於折疊手機，無法支撐整個OLED產業。因此，OLED從折疊手機的小尺寸應用，在技術成熟後進入中大尺寸的市場是必然的趨勢，以創新性應用為基礎，擴大到取代性應用是主流顯示器技術能夠存活的必然途徑。 因為LCD面板無法彎折，因此OLED在折疊手機的應用，是創新型應用，客戶在意的是折疊面板本身功能能否符合產品需求，產品能否為客戶帶來全新的價值感受。然而，當OLED產品進入到監視器、電視等非折疊的中大尺寸應用時，OLED變成取代型的應用，這些應用就必須以LCD為標竿，來檢視OLED各項技術指標與價格競爭力。 從技術的角度來看，OLED面板可以從輕、薄、省電、反應快、色域廣等勝出沒問題，但是最終還得面臨成本的比較，意即最終產品價格競爭力是否與LCD相當或者更低是能否取代成功的關鍵。在2000年，OLED技術剛萌芽時，我們都認為OLED的結構比LCD簡單很多(圖1)，所以理當具有成本競爭力，但是近20年過去了，最終成本競爭力這一部分仍然很模糊，以目前的製程技術、材料使用率的角度來看，有不容樂觀的理由，若是OLED的成本無法與LCD抗衡，即使有諸多影像的技術優勢，要有絕對性的取代仍很困難，因此降低OLED的製造成本是OLED在站穩折疊手機軟性面板的應用基礎上，擴大到中大尺寸應用成功的關鍵。 圖1　OLED與LCD結構比較圖 降低OLED製造成本有三個途徑(圖2)： 圖2　OLED降低成本之三大途徑 1.產業規模化：從材料、設備建立完整規模化的產業鏈，並加速生產技術的建立與良率提升，以達到降低成本的目的。這部分目前OLED產業鏈由於面板廠龐大投資的牽引，逐漸建立中，降低成本的效果指日可待。 2.模組元件結構整合優化：過去OLED發展主要著重於面板結構的優化，包括有機材料發光效率與壽命提升、增加封裝製程的生產力等，未來對於包括圓偏光片、觸控與蓋板等功能性膜材的整合優化將有助於進一步降低成本。 3.新製程：開發新製程以取代目前昂貴的真空蒸鍍與薄膜封裝製程。 OLED在2000年左右萌芽時，就有溶液印刷與真空蒸鍍製程方向兩大流派，這兩大製程方向各有其優劣。當時溶液印刷製程僅有荷蘭飛利浦與台達電投資的翰立光電有生產線，在2007年，翰立光電結束後，全世界也就沒有溶液印刷製程的OLED生產線；另一方面，投入真空蒸鍍製程的廠家較多，目前大部分投入OLED生產的廠家也都採用真空蒸鍍方式，因此，真空蒸鍍製程技術相對成熟很多，帶動相對應的材料與設備技術也比較成熟。 成本昂貴為OLED真空蒸鍍製程發展瓶頸 OLED是自我發光的顯示機制，透過電子(Electron)與電洞(Hole)在有機發光材料複合，使發光材料發光，OLED元件是一種將電能轉換成光能的機制。為了增加光電轉換效率，OLED的陽極與陰極分別置入電洞注入層(Hole Injection Layer, HIL)、電洞傳導層(Hole Transporting Layer, HTL)、電子注入層(Electron Injection Layer, EIL)，以及電子傳輸層(Electron Transporting Layer, ETL)。彩色主動矩陣有機發光顯示器(Active Matrix OLED, AMOLED)每一個像素(Pixel)都需要有控制驅動電路，這個電路以目前用於高解析度LCD的低溫多晶矽(Low Temperature Polysilicon, LTPS)薄膜電晶體(TFT)技術最適合。其結構與製程如圖3所示： 圖3　典型主動驅動的AMOLED結構 AMOLED的製程可分為三大部分，驅動的LTPS TFT、OLED蒸鍍製程與封裝製程。驅動AMOLED的TFT與驅動LCD結構雖然有些差異，但是基本上都是塗布、顯影、蝕刻的黃光製程，採用的製程與設備與LTPS...

傳統照明是一個典型的紅海市場，除了產品用途單一之外，更有為數眾多的供應商搶食這個成長空間有限的市場大餅。但隨著LED、OLED等新光源技術逐漸普及，照明結合生醫、人因工程等跨界技術，將為這個產業帶來新的發展契機。 在2019台灣國際照明科技展期間，工研院電光所與多家光電業者聯合展出多款跨界應用，諸如紫外線LED淨水設備、同色異譜照明，乃至利用OLED的輕薄特性，開發出尺寸更薄的OLED後車燈，讓車廠得以保留更多空間給後行李箱等。未來照明技術的價值顯然已經不僅於提供光源，點亮人類的生活，還有更多高附加價值應用的發展空間。 工研院電光所磊晶元件技術部工程師盧建均介紹，紫外線殺菌已經是很成熟的技術，但以往都是以汞燈作為紫外線光源，除了尺寸大之外，因為燈管含汞，萬一燈管破裂，還可能造成汞汙染，因此在應用上受到比較多局限。有鑑於此，工研院研發出波長270~280奈米的紫外線LED，以取代紫外線燈管。改用LED不僅可以縮小設備尺寸，而且還不用擔心汞汙染的問題，因此紫外線LED的問世，將使紫外線殺菌可以應用在更多場合。 目前工研院電光所已經發展出可攜式的紫外光淨水設備，其外觀尺寸約莫巴掌大小，以標準18650電池供電，便可淨化約100公升的水，且殺菌率達到99.99%。若搭配RO逆滲透淨水設備和食品級塑料管線，經過此系統處理的水，基本上可安全生飲。目前該技術已經技轉給台灣數家淨水設備業者進一步商品化。此一研發成果也可以在緊急災難發生，缺乏清潔水源時作為應急使用。 除了淨水應用外，同色異譜調光技術也已經進入商品化階段。光線對人類生理時鐘的影響已經被醫學證實，在電燈跟日光燈管發明前，人體的賀爾蒙(主要是褪黑激素)分泌是按照晝夜變化而起伏，但電燈跟日光燈管問世後，這個正常的循環被打亂，導致現代人睡眠品質不佳，甚至可能與某些癌症有所關聯。同色異譜調光技術可以在夜晚抑制LED光譜中的藍光成分，避免干擾褪黑激素分泌，或是在白天時增加藍光成分，讓人們在工作時覺得更有精神。 至於在OLED照明的應用進展方面，工研院展示了與帝寶合作開發的OLED 車用先進環保車燈。該車尾燈採用OLED燈片，省去導光板，組合簡單，不但輕量化，且輕薄短小、防炫光，可節省尾燈的尺寸厚度，無形中可增大後行李箱的空間，搶攻車用照明利基市場，已獲國際大廠的關注。 工研院電光所副所長胡紀平表示，目前工研院已經在有機材料配方、封裝技術方面取得許多突破，讓OLED得以應用在高溫、高振動的車規環境。目前這款與帝寶合作開發的車尾燈，正在進行車規驗證作業，預計在未來幾個月內就能傳出好消息。 工研院具備完整的OLED照明開發能量及試量產實力，整合台灣8台設備及4家OLED光源材料商等共同建置30公分幅寬的卷對卷(Roll-to-Roll)試量產線，並利用此試量產線成功導入高階FOLED新產品，克服卷對卷製程所面臨軟性基板傳輸、卷對卷製程整合及軟性光源系統設計等高難度議題，大幅降低現行製造流程與成本，目前月產能已可達5萬片，並能協助產業進行OLED照明客製化，以創新能力擴散至新場域應用。

・LG Chem、JOLED、友達，近期紛紛投入印刷式OLED技術布局，引發關注。 ・折疊手機是OLED應用新美地，但能成功跨入大尺寸才是OLED問鼎主流地位的關鍵。 ・目前大尺寸OLED量產最大瓶頸在於蒸鍍段生產成本高昂，而印刷式OLED製造技術則具成本優勢，惟亦有挑戰待解。 ・印刷式OLED是OLED技術能夠真正擴大應用，甚至將來取代LCD成敗的里程碑。 圖片來源：Kateeva 近日，外電報導，LG Chem收購美國杜邦(DuPont)公司「可溶性OLED」材料技術，此次的收購範圍包括杜邦的可溶性OLED材料技術與工程專利等無形資產，以及研發與生產設備等有形資產；日本「JOLED」近日也宣布籌得了 255 億日圓資金，於千葉事業所內開始構築全球首見採用「印刷式OLED」技術製作面板生產線；報載國內面板大廠友達已在林口架設印刷式OLED實驗線，一時間，似乎又有新的顯示技術興起，引起大家的關注。 折疊手機的應用使OLED找的一個可以擺脫LCD競爭的產品空間，不過手機面板的面積畢竟有限，無法支撐一個顯示產業，因此，OLED從小尺寸的應用在技術成熟後進入中大尺寸的市場是必然的趨勢，也是主流顯示器技術能夠存活的必然途徑。然而，以目前OLED的蒸鍍製程工藝推演可以發現，未來中大尺寸OLED與LCD的競爭，成本是一個難以跨越的瓶頸。 目前主流的OLED製程需要非常昂貴的精密真空蒸鍍設備，在大面積的高世代，除了可以預期精密真空蒸鍍設備的昂貴天價以外，在技術上，大面積高精度遮罩技術是否能夠突破仍不確定；此外、遮罩蒸鍍製程的發光有機材料使用率非常低，致使OLED蒸鍍段的生產成本非常的高。 採用溶液型的噴墨圖案化技術是克服材料使用率低落問題最直接有效的解決方案；噴墨印刷不必在真空進行，高世代大型噴墨設備價格比真空設備低廉，採用按需供給(Drop on Demand)的圖案化方式，材料使用率可超過90%。在高世代設備價格與提高材料使用率的考量下，大尺寸OLED的製造採用溶液式的噴墨印刷製程是最佳的選擇。據此，一直都以大尺寸OLED為產品的LG，自然要布局溶液型的製程技術，而日本面板廠商為擺脫中國大陸廠商在顯示產業的纏鬥，自然也選擇開始踏入中國業者著力未深的下世代技術。 溶液型的噴墨OLED圖案化技術發展已經超過15年，台達電投資的翰立光電在2004年即與英國CDT合作，引進噴墨印刷彩色OLED技術，惟當時LCD發展正興盛，彩色OLED成本高，技術不成熟，無法在市場上與LCD相抗衡而黯然退場。然而，噴墨印刷OLED相關的研發並沒有停止，在材料上，有DuPont、Sumitomo、Merck等，在設備上，包括ULVAC、TEL、Kateeva等國際大廠持續投入，致使噴墨印刷OLED技術逐漸產業化。友達在2014年即以噴墨印刷技術展示65吋彩色面板；2017年中JOLED就交予華碩21.6吋噴墨印刷4K OLED的樣機；2018年包括華星光電展示31吋UHD面板、京東方展示55吋面板，這些跡象都顯示，面板廠已開始布局下世代的製程技術以解決未來OLED在大尺寸將面臨的瓶頸。 噴墨印刷OLED製程技術對設備、材料依存度非常高，噴墨印刷雖然已經發展很久，但是應用到具有光電特性需求的薄膜製造仍有許多技術需要克服。過去發展最大的瓶頸在於OLED材料與噴墨設備的搭配無法優化，導致噴墨印刷OLED的量產進展緩慢。近年來，由於面板廠受到未來需求的驅動，加上國際間材料與設備廠的合作，使噴墨印刷OLED的相關技術發展逐漸加快，估計在面板廠積極帶動下，印刷OLED的產品上市時程指日可待。 OLED在折疊手機的應用是OLED技術存活下來的關鍵，而印刷式OLED是OLED技術能夠真正擴大應用，甚至將來取代LCD成敗的里程碑。 (本文作者陳來成博士為艾圖雅科技總經理，專長為柔性光電與柔性顯示技術，在台灣光電業界有數十年資歷) 本文作者其他文章推薦： ・折疊手機引爆新話題 ・軟性基板/薄膜漸成熟　折疊顯示器喜迎新商機 ・(更新)折疊手機是OLED與LCD的分水嶺 ・技術瓶頸逐步攻克　奈米銀線應用路更寬 ・軟性電子產品崛起　軟性透明導電膜躍居關鍵材料 ・奈米壓印技術助力　捲對捲軟性基板製程前景可期 ・軟性電子前景可期　新興材料群雄並起 ・相關計畫/資金前仆後繼投入　軟性電子四大應用商機可期

例如，現今智慧型手機、電腦和電視所使用的電子顯示器能夠顯示數百萬種顏色。電子裝置製造業者已能掌握環境光顏色對顯示器感知顏色的影響，且了解如何根據不斷變化的場景光源動態改變這些顏色。本文將討論白平衡技術的效益，以及其對於螢幕顯示顏色的真實性和準確性的顯著影響。 光源變化影響人眼顏色感知 光源，也就是環境光的光譜含量，會影響人眼對被觀察物體的顏色感知。物體被放在中午的日光下，則人眼會看到藍色色調被強化。原因在於，此時的日光是來自於陽光和天光的獨特組合。在白熾燈泡(相關色溫可能為2700K)的人工照明環境中，人眼看到的相同物體會顯得更有金黃色調。各種光源的光譜含量比較如圖1所示。 圖1　各種標準國際照明委員會(CIE)光源的光譜功率分布。 圖片來源：SchwartzD 當在不同光照條件下觀看印刷在紙上的圖像時，眼睛易於察覺色彩隨著光源變化而有不同的效果，然而，顯示器不是以這種方式工作。在環境光感測器被普遍整合至智慧型手機和筆記型電腦之前，顯示器的控制器並未考慮顯示器被觀看時的環境光特性。基於這個理由，顯示器是固定預設白點色溫6500K的液晶顯示器(LCD)，最近則有有機發光二極體(OLED)螢幕。6,500K是由國際照明委員會(CIE)產業標準機構所明定，如圖1所示的D65參考光源，其相關色溫(CCT)值類似於明亮的正午日光，藍色部分在光譜功率分布中占有極大比例。 這意味著，在與正午陽光相同的環境條件下，顯示器螢幕上的圖像顯示方式，非常相似於印刷在紙張上的相同圖像的呈現方式。螢幕顯示和印刷圖像都偏藍色。但是，在偏向暖光的照明環境，例如暖白色3,000K LED下觀看時，印刷圖像看起來比較橙黃色，這是因為光源具有更大的紅色/黃色光譜部分，藍色部分較小。沒有調整顯示器白點的強大方法，電子產品製造商僅針對其顯示器提供一個固定的D65白點預設選擇 ，如此就造成在螢幕上呈現的圖像具有強烈藍色色調，與之前相同。 印刷閱讀與顯示器閱讀之差異 閱讀紙張印刷內容時，人類可以閱讀很長時間，眼睛的壓力最小。在具有固定D65白點的顯示器觀看相同內容，顯示器發出的大量藍光會產生不利影響，導致數位用眼過勞，並影響人們的良好睡眠品質。 智慧型手機市場近期成長趨緩，希望創造產品差異化的手機OEM業者，現在可以提供一種被稱為「紙張式(Paper Like)」閱讀的顯示器新功能，作法是將顯示器的白點改變至較溫暖的色溫。新型高精度XYZ色彩感測器最近開始供應，這讓紙張式閱讀得以實現，此一新型感測器具有最佳光環境色溫測量功能，用於調整顯示器的白點(從D65冷藍色到暖白色)。 不過，紙張式閱讀可以最大限度地減少數位用眼疲勞，此外，在睡眠前幾小時自動將顯示器調整到較暖的白點，能為用戶帶來生理上的好處。科學已證明人眼的光學生物效應，以及接收藍光如何刺激喚醒時間的生理機制。科學研究證明，藍光可以抑制褪黑激素的產生，而褪黑激素是人體的天然鬆弛劑，有助於人們獲得良好的睡眠。缺乏褪黑激素使人感到清醒，這可能會影響身體的晝夜節律週期。 XYZ色彩科學已可用於量產紙張 利用現代光學濾波器技術，我們現在能以適合消費電子應用的成本，採用濾色器來匹配人眼的精度。電子製造商已有能力採用XYZ彩色濾光片，進而量產紙張式技術。這些濾光器直接沉積在光學感測器產品的裸晶片上。不像傳統的RGB色彩感測器提供±10%的CCT精度，CIE XYZ彩色濾光片的精度優於±1~5%。CCT精度需求源於1931年發展的色彩空間標準，稱為CIE xy色度圖(圖2)。 圖2　標準CIE色度圖說明 人造光源往往採用較暖的色溫，住宅照明為最溫暖的2,700~3,100K。辦公室照明通常是3,100~4,500K。日光色溫可以從中午的6,000K，到日出前，或是日落之後無雲陰涼處的15,000K。若我們觀看的顯示器白點色溫不同於周圍環境，則我們對各種色彩的感知會受到影響。 在暖光燈光環境中觀看具有中性或冷白點的彩色顯示器，相較於在冷光照明環境中觀看，前者看起來更藍。調整顯示器的白點以匹配環境照明，將盡可能最小化(如果不能消除)此影響。CIE色度圖擷取電磁能譜中380nm至780nm之間的可見光波長，這是人眼能感知的範圍。圖3顯示了人眼的錐狀細胞對於短、中、長等波長類型的歸一化光譜靈敏度。   圖3　人眼的錐狀細胞對於短、中、長等波長類型的歸一化光譜靈敏度。 這種反應是由視網膜的短、中和長型錐狀細胞的神經反應所驅動，對可見光譜的紅色、綠色或藍色部分波長的敏感度最高。錐狀細胞的波長靈敏度跨越相當大的範圍並相互重疊；為簡單起見，將每條曲線歸一在此圖。視網膜中三種錐狀細胞的相對反應，足以解釋色彩視覺，以及色彩可以透過多組色彩匹配函數來表徵，所有色彩匹配函數都是錐狀細胞反應函數的線性變換，且是透過彼此延伸。 圖4顯示了中(M)波長反應如何被定義為適光視圖(Photopic View)，並且被用於定義照度(In Lux)，而這是因為綠色波長最接近人類所見；人類對綠色更敏感，對紅色和藍色較不敏感。   圖4　綠色通道適光反應最接近人類所見，來自CIE適光光度函數。 測量平面上方從各個方向照射至表面某個點上的所有可見光總量，這就是照度(Lux)，這是亮度的度量單位。XYZ三色刺激(Tristimulus)人眼反應(圖5)被定義而且被稱為CIE1931 2Ｏ標準觀測者(Standard Ob-server)，並且用於連結可見光譜波長，以及用於色彩視覺的生理感知顏色。   圖5　CIE1931 2O標準觀測者色彩匹配函數或XYZ 三色刺激(Tristimulus)人眼反應 色彩可分為亮度(或照度，以Lux測量)和色度(以xy色度參數測量)。圖2的色度圖是一個工具，用以指名人眼如何經驗特定光譜的光線。它沒有指定物件的顏色，因為在觀看物件時觀察到的色度，取決於用戶周圍的環境光。 人類視覺系統 人類的視覺系統非常複雜，它與我們大腦的視覺處理引擎，也就是視覺皮層緊密耦合。即使光照條件發生變化，人腦也能夠識別物體的顏色。我們看待色彩的方式並不固定；相反的，它是一種相對的感知。當光源類型改變時，人類會改變他們對所觀看顏色的「感知」，因為物體的表面、光源類型和我們的眼睛之間存在動態關係。 我們的視覺系統可以調整長、中、短錐狀細胞對光譜含量的反應。人眼具有色彩適應機制，以了解不同的環境光條件，如此一來，我們能做出反應，使白色和灰色物體在不同的環境光照條件下看起來仍是白色和灰色的。色度自適應原理的光學增益調整如圖6所示。   圖6　色度適應 提供光譜功率分布(SPD)反應的XYZ色彩感測器如圖7所示。   圖7　TCS3430的XYZ光譜功率分布 XYZ光譜反應是基於人眼，以此提供關於人們如何感知顏色的更準確的資訊。雖然有將RGB值轉換為XYZ的方法，但RGB光譜反應函數並不是精確的色彩匹配函數，因此轉換產生的數值與人眼感知色彩的方式並不匹配。透過緊密匹配人眼的色彩反應，來自XYZ感測器的數據能以一種與人眼相似的方式偵測色彩差異。使用高精度XYZ色彩感測器輸出測量入射光的CIE XYZ三色刺激值，可在測量環境光照條件時提供最佳結果。在圖8中，我們顯示了CIE色度圖中的普朗克軌跡(Lanckian Locus)。   圖8　CIE1931色彩空間色度圖，圖解普朗克軌跡 在圖示中，中間的實曲線被稱為普朗克軌跡。軌跡上的每個點對應於黑體色溫以及相應的CCT值。將顯示器的白點調整至環境色溫，假定顯示器實際知道環境光的色溫。由於螢光燈和LED光源並不總是完全落在這個普朗克軌跡上，因此最好將白點驅動到環境照明的實際色度座標值，而不是默認為普朗克軌跡上的相對應色溫。 自適應顯示技術改變色彩反射感知 圖9說明這種自適應顯示技術的工作原理。在下面的燈箱中，兩支智慧手機嵌入至兩張相同的圖片中。透過改變光源來展示紙張式技術。這樣做也會改變我們對反射色彩的感知。   圖9　紙張式技術展示，顯示在較溫暖的照明環境中，藍光非常明顯 在圖示中，右側的顯示器缺少XYZ色彩感測器並連續發出D65光。左側顯示器有一個TCS3430色彩感測器，可精確測量環境光照條件的任何變化，並使用顯示演算法(圖10)，讓顯示器呈現類似印刷紙張的效果。   圖10　環境測量色溫的RGB乘數值建議。 此顯示器具有8位元RGB乘數值，因此y軸上的數值範圍建議為0到256(因為28 =256)，x軸上的值是來自XYZ色彩感測器的色溫測量值。從圖10可以看出，針對6500K的測量色溫，建議的RGB主顯示驅動器數值應設定為256紅色、256綠色和256藍色，將顯示器驅動到D65白點。例如，當從2,700K白熾燈測量到較低色溫時，應顯示256紅色、195綠色和130藍色。 當6,500K燈泡點亮時，左側顯示器測量環境光，應用演算法推薦RGB值256, 256, 256，將顯示器驅動至與右側顯示器完全相同的白點。結果是兩個顯示器看起來相同。印刷的背板顏色完全融入兩個顯示器的顯示內容。 當關閉6,500K燈泡並開啟溫度較高的3,000K螢光燈時，環境光線會變暖，左側顯示螢幕會自動調整到較暖的白點以匹配新的3,000K環境光線。由於藍光成分減少，印刷圖像看起來更為橙黃色。我們觀看印刷圖片所感知的顏色略有變化。沒有色彩感測器的顯示器持續顯示相同的偏藍D65白點，在暖光的3,000K環境中非常明顯。在這種情況下，很明顯地，右側顯示器看起來更藍，而左側顯示器針對3,000K照明環境自動調整白點，使其顯示器產生類似印刷的可讀性。 關閉3,000K燈泡並開啟更溫暖的2,700K白熾燈，由於藍光含量較少，環境光線變得更加溫暖，更加黃橙色。此外，左顯示器和我們對印刷圖像內容的感知顏色進一步改變。左側顯示器自動將其白點調整為有利於2,700K環境照明環境的白點，其中右側D65白點顯示器發出相同的偏藍的藍光內容。 光學濾波器技術大增減少用眼疲勞 傳統上，智慧型手機、電腦和電視OEM製造商為顯示器提供固定白點，並針對單一預設白點提供手動或當天時間設定，但是效果有限，因為它無法涵蓋不同的照明條件。幸運的是，透過光學濾波器技術的進步，能以大量消費電子市場可接受的價格提供人眼水準的精度，這是一種能夠自動測量環境照明條件的好方法，讓顯示器可以呈現紙張式的觀看效果。 當我們在反射光環境中，以及在電子顯示器上觀看內容時，環境照明條件的改變將顯著影響我們對觀看色彩的感知。現在，科學已證明具有固定D65白點的顯示器對我們的身體有著生理作用影響。在環境照明條件改變下，自動將顯示器白點調整為最佳化設定，已被證明能提供生理上的好處，可以最大幅減少數位用眼疲勞，同時幫助我們在夜間擁有更佳的睡眠品質。 (本文作者為ams進階光學解決方案部門的資深產品行銷經理)

從技術角度來看，以塑膠為基礎的軟性顯示技術將會改變傳統玻璃基材的面板結構與材料系統，進而影響到目前的產業供應鏈，玻璃相關供應鏈在軟性顯示器的空間會被新的軟性膜材取代，這種由新材料、新結構帶動新製程對顯示器技術發展來說，無疑是一個革命性的里程碑。 本文從顯示器產品發展軌跡探索折疊顯示器與可撓性顯示器市場發展趨勢，進而確定未來OLED在顯示器技術勝出的機會，並從材料的觀點找出軟性基板與薄膜封裝技術應用於軟性顯示器的解決方案：以中性應力層結構來克服OLED脆性膜層避免應力破壞的特殊設計。另外，軟性OLED模組的圓偏光片、觸控模組與蓋板模組都因為可撓的需求而有重大的改變，本文也從這些改變分析探討未來諸多功能膜材發展的商機。 折疊手機成OLED顯示技術發展轉捩點 顯示器是人機介面，顯示器技術演進與應用產品對顯示需求有極密切的關係，陰極映像管(Cathode Ray Tube, CRT)時代，影像傳播剛起步，顯示技術發展以影像品質為優先，厚、重的特性雖然厭惡，但是別無選擇的接受，到了筆記型電腦時代，CRT的厚、重與耗電已經無法滿足產品需求，這提供了液晶顯示器(Liquid Crystal Display, LCD)技術發展的市場隙縫，使LCD能夠在這隙縫中逐漸成熟，最後取代CRT成為技術主流。 而有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode, OLED)正循著LCD取代CRT市場的模式，在可折疊的市場隙縫中找到取代LCD的絕對優勢，未來幾年，OLED技術將擴大折疊面板、捲曲面板的優勢，進而蠶食目前LCD的產品應用，2019年無疑是OLED顯示技術發展的轉捩點。 盱衡顯示器LCD與OLED兩大陣營對產能的布局不難看出市場未來的走向。在LCD方面，從1988年Sharp開發全世界第一個14吋TFT LCD起已經30年，生產製造的技術已經來到面板長寬3米以上的10.5/11世代廠，生產技術成熟，近來擴廠雖然緩下來，但是往後幾年累積的產能高達每年2億平方米以上。 在OLED方面，雖然從2001年新力(Sony)推出全彩13.3吋主動式大尺寸OLED面板，韓國大廠三星(Samsung)展出15吋全彩主動式OLED面板以來也近20年，在此期間，剛萌芽的OLED在市場上挑戰已經成熟的LCD，由於找不到獨特的產品定位，自然推廣極其辛苦，許多早期投入OLED的廠商包括:三洋電機、日本精機(Nippon Seiki)、東芝(Toshiba)、Seiko Epson、先鋒(Pioneer)等廠商紛紛退出，而友達、奇美等台廠則在以LCD為主軸的方向下，維持一定的研發與少量生產的能量。 韓廠三星在2010以自家手機為市場，讓OLED技術能夠正式大規模的推向產品；LG則以大型電視產品為市場，用高端市場的高價產品來取得新技術存活的空間。大陸面板產業雖然起步較晚，但是大陸廠商挾其市場與資金的優勢，在OLED領域急起直追。從2010年京東方在鄂爾多斯建立5.5代OLED生產線起，包括京東方、華星光電、天馬、維信諾、信利、和輝等均規劃投資OLED的生產線，且多數的產線具有柔性OLED產品的生產能力。 就目前既有與未來規畫的產能分析，可以看出未來產品市場的發展趨勢。圖1是平面顯示器的產能，由圖可以發現，未來幾年平面顯示器的年產能將高達3億平米以上，其中OLED占不到15%。 圖1　全世界平面顯示器的產能 LCD由於技術成熟，生產成本低，因此產品價格低廉，在大尺寸的電視、中尺寸的監視器、筆電到小尺寸的手機面板、穿戴裝置等產品在價格上都有難以取代的競爭性；反觀OLED方面，生產技術仍然發展中，相對產能不到LCD的15%，產業鏈正在建立、設備建置昂貴、良率還爬升中，因此，生產成本高昂，價格競爭力有限。 在這種產業環境下，OLED只有找到一個LCD無法進入的產品市場，方得以生存下來，OLED可藉由這個獨有的市場空間使技術、產業鏈能有健全的發展機會，最後反過來競爭LCD的產品市場。折疊面板便是這個專屬OLED的市場區塊，因此，未來幾年，OLED將全力推展折疊面板的應用，藉由折疊面板甚至卷曲面板的產品來將LCD擠出市場，這種發展軌跡與LCD取代CRT相似。 行動裝置是折疊面板最適用的產品，手機市場成長已經趨緩，急需有新功能來刺激換機需求。訊息傳輸量大的5G在2019年開始上路，6~10吋平板大小的螢幕方能發揮大資訊量顯示的功能，在攜帶便利與大螢幕雙重功能需求下，折疊面板無疑是最理想的解決方案，況且折疊面板還有不易摔破的絕對優勢，OLED在可折疊面板的技術突破後，將致力推進「可撓」這個LCD無法染指的應用。 折疊手機無疑是當下最有機會發揮折疊面板特色的產品。圖2是市調機構DSCC在2018年發表不同面板的手機數量預測，圖中即預測可折疊手機從2019年開始上市，並且以每年近1倍的數量成長，而LCD則逐年下降。折疊手機從2013年三星推出概念機開始，都未見產品真正的商品化銷售，直到去年底大陸柔宇發布推出全球首台「可摺疊手機」上市消息，一時間，三星、小米、華為、蘋果等手機大廠都傳出折疊手機於2019年上市的新聞。 圖2　以顯示面板分類的手機出貨 從面板技術的演進來看，折疊手機的實現是OLED技術從玻璃基板突破到塑膠基板的結果，面板曲面(Curved)、可彎曲(Bendable)、可摺疊(Foldable)、可捲曲(Rollable)的發展趨勢已經確立，未來OLED將以LCD無法折疊彎曲的特性勝出，並逐漸滲透取代LCD市場。 折疊面板技術突破　OLED成長逐漸上揚 顯示技術基本上分為自發光與不自發光兩大類如圖3所示。其中，LCD屬於不自發光顯示技術，其影像是靠液晶轉動來控制背光源的光線通過與否，而達到成像的目的。 圖3　顯示技術兩大類別 當LCD折疊時，液晶受力扭曲，光的路徑受到影響而扭曲，因此當LCD折疊扭曲時，影像扭曲或是漏光等缺陷無法避免，雖然在小區域做些隔離可改善扭曲漏光，但是經過幾年的研發仍無可靠的產品上市。OLED是自發光的顯示技術，靠的是載子(電子與電洞)在發光層複合產生光線而成像，因此扭曲、彎折對發光影響極微，這些LCD與OLED在先天上成像機制的差異，就決定LCD在折疊或捲曲面板應用出局的命運。 OLED是以低溫多晶矽(Low Temperature Poly Silicon, LTPS)的薄膜電晶體(Thin Film Transistor, TFT)來驅動，LTPS在玻璃基板的製程技術已經非常成熟，因此，柔性OLED工程問題的關鍵在如何突破於軟性基板上製作LTPS的薄膜電晶體。 玻璃長久以來就是顯示器的關鍵性基材，LCD用玻璃的應變點(Strain Point)高達600℃以上，熱膨脹係數低，具有極佳的水氧阻絕性，是面板製程非常理想的基材，惟玻璃是剛性材料，楊式係數(Young's Modulus)高達80GPa，些微的應變即產生極大的應力，因此彎曲不易。 雖然降低玻璃材料厚度能使玻璃有一定程度的彎曲，但是即使薄到50um以下，仍然無法彎曲到折疊面板需求的曲率半徑，因此，對於折疊面板來說，薄玻璃無法滿足低曲率彎折的功能需求。 撇開玻璃材料，柔軟的塑膠材料是軟性顯示基板材料的希望，惟其基本的要求是塑膠基材必須在LTPS高溫製程有一定的安定性。玻璃轉化溫度(Glass Transition...

2019年世界通訊大會MWC(Mobile World Congress)最主要的亮點之一就是可摺疊螢幕智慧手機，這個已為業界討論多時的產品終於現身，在消費者認為智慧手機機身已不能再「成長」，又希望可以擁有更大螢幕體驗的期待之下，過去幾年曲面螢幕在市場上取得成功，工研院產科國際所認為，2019年折疊式螢幕開始發展，2021年可捲曲螢幕將投入市場，智慧手機走向軟性化顯示發展，UI設計也將改變，並帶動軟性材料如塑膠基板、軟性電路板，電池、軸承等的商機。 而繼2017年ZTE推出Foldable phone Axon M之後，華為與三星今年在MWC互別苗頭，同時對外宣稱推出首支可摺疊螢幕的智慧手機，在出貨量部分，由於目前可摺疊手機價格高昂，產業研究機構Strategy Analytics預測2019年出貨量市占約0.1%，以智慧手機一年約15億隻的市場規模來看，2019年可摺疊螢幕手機出貨量約150萬隻，2020年市占率約0.5%，2021年成長至約1.1%，2022年市占率預期到2.7%，初期幾年應該是定位在高階市場。 而從技術或關鍵零組件角度上來看，可摺疊的OLED螢幕為一般軟性OLED螢幕生產成本3.6倍，不僅生產難度高、產品量率低，目前具備供貨能力的廠商也有限。另外，塑膠基板的折疊耐受度與摺疊處的絞鏈(Hinge)都還有待技術改善與突破，各廠商在過去幾年與接下來幾年將持續發展與布局相關專利。