有机EL，柔性显示器中的主流技术

　　1.前言

　　本文将以“有机EL，柔性显示器的中流砥柱”为题，介绍柔性显示器的开发、实用化现状与展望。有机EL也叫 OLED（Organic Light Emitting Diode），尤其是驱动元件采用TFT的有源矩阵驱动式有机EL（AMOLED：Active Matrix Organic Light Emitting Diode），能够实现高清晰度的全彩显示。

　　在进入正题之前，笔者将首先比较液晶与有机EL两种显示器的器件构造。然后明确大型有机EL电视的量产课题；接着介绍2015年11月初发表的单层构造的有机EL；最后讲解正题“柔性有机EL的现状”，希望通过笔者的讲解，让大家认识到现状与最终目标存在的差距。

　　2. 液晶 vs. 有机EL

　　2.1　显示器的器件构造与直接材料成本比率

　　笔者目睹了显示器市场从长期占据主流的显像管（CRT）到液晶的变迁。不只是CRT和液晶，在形形色色的显示中，部件和材料的作用乍看普通，其实都非常重要，是在显示技术发展中决定产品优劣的最大要素之一。

　　CRT 与液晶的共同点是部件数量多、通用性高。CRT厂商和液晶面板厂商很容易就能更换部件供货厂商，在市场成熟之后，依然有新企业不断涌入。部件厂商之间，改 善性能、降低成本的竞争增加。通过竞争，改善性能、降低成本两个原本相悖的趋势实现了齐头并进。在激烈竞争的洗礼下，技术的进步令人叹为观止。笔者认为， 部件通用性高、涉足门槛低的技术，是成为显示器主力军的必备条件。

　　现在，以有机EL为中心，新一代显示器的开发和实用化进行得如火如荼。新一代显示器一般倾向于把部件数量少、构造简单作为理想状态。构造简单当然最好不过，但不可否认的是，部件数量少可能会导致参与开发的企业少，竞争有限。

　　液晶的一大优势，在于部件厂商的技术提案非常多。显示性能好的显示器，并不一定就能成为主流。还必须看起能够占领市场的投资和部件产业的发展。现在已经建立起稳固地位的液晶，还有激光源、量子点等部件新选择，所以今后，其地位估计今后也不会动摇。

　　图 1是液晶和有机EL（这里分别为TFT-LCD和AMOLED）的器件构造。图中（）内的数字代表成本比率。AMOLED是自发光器件，无需背光单元 （BLU）。而TFT-LCD（一般使用的透射型），背光单元是必需品，占总成本的比率高达50％。从削减成本的角度出发，背光单元等部件也是重要项目。 因为在TFT-LCD的成本构成中，直接材料成本（部件成本）占到了60～70％，如果不从这里着手改良，根本不可能削减成本。通过TFT-LCD基板的 大型化削减成本的方式已经达到了极限。

　　

　　（b）AMOLED的器件构造

　　图1：TFT-LCD与AMOLED的器件构造与成本构成

　　TFT- LCD如图1所示，包括作为透射型显示器光源的BLU、随着加载电场开关灯光的液晶和偏光板，以及实现彩色化的彩色滤光片（CF），部件的功能各自独立。 而且，TFT基板与CF基板基本上是通过不同的工序制作。因此可以逐道工序进行检查及修复。这特别有助于提高使用大型基板的大屏幕TFT-LCD（1枚基 板可以制作的数量少）的成品率。

　　而AMOLED则是通过在TFT阵列的基板上叠加纳米级有机膜的方式制作。因此，从器件构造来说，虽然每层有机膜的功能各自独立，但无法在加工过程中进行检查和修复。可以称之为“功能集成器件”。

　　2.2 量产有机EL电视面临的课题

　　2013 年的“SID”举办的“LCD or OLED？”讲座（Session 3）上，笔者以“TFT-LCD as leading role in FPD”为题发表了特邀演讲。在演讲中，列举了有机EL电视存在的5个量产课题，指出“重要的是解决这些课题，向消费者展示与液晶电视的差别，并且具有价 格竞争力”。

　　（a）发光材料：低分子（真空蒸镀）或高分子（印刷）、荧光或磷光

　　（b）需要解决耗电量、寿命、残影等问题

　　（c）支持第10代面板的TFT阵列制造装置

　　（d）替代掩模蒸镀的分涂技术和装置

　　（e）支持大型面板的封装技术和装置

　　那 场演讲已经过去了2年多，现在量产大屏幕电视用有机EL面板的企业，只有韩国LG显示器一家。听说该公司虽然没有取得明显的技术突破，但通过改变器件构 造，提高了成品率。不过，产量等于［（成品率×开工率）/工期时间］，由此推测，IGZO的成膜和发光层蒸镀工序的开工率绝对不高。

　　3. 有机EL的器件构造与制造工艺

　　

　　（a）有机EL（OLED）

　　

　　（b）有机EL（OLED）

　　图2：过去的多层构造与新开发的单层构造的有机EL（OLED）

　　现在的有机EL通过使用磷光发光材料，量子效率达到了100％的理论极值。器件构造如图2（a）所示，采用多层构造。各层使用真空蒸镀法，层叠纳米级有机材料。构成了多层分担有机EL的各项功能的构造。

　　

　　图3：利用单层构造有机EL（OLED）实现的白色显示

　　东 北大学教授矶部宽之等人得到了一个颠覆常识的发现：“通过设计1种基础材料，可以制作出单层、发光效率接近理论极值的有机EL”（图2（b））。使用的有 机材料，是仅由碳和氢两种元素组成的有机物（碳氢化合物）。从分子设计的本质出发，成功简化了有机EL的设计方针。从“最大限度激发元素性能”的元素战略 的角度来看，也是一项重要的发现。该研究组已经证实，这种新型的碳氢化合物，能够利用磷光发光材料，实现红、绿、蓝三原色。如图3所示，成功制作出了白色 发光器件。

　　这一发现的重点，是使用苯周围有甲基（CH3）的甲苯，可以制作出功能更强，单层且具有高发光效率的有机EL基础材料。通过对 树木中分离出的天然物（甲苯）进行分子设计、化学转化，形成5个相连的分子（5Me-［5］CMP），即可制作出高功能电子材料。这种电子材料只使用碳和 氢元素。在不久的未来，有望实现“轻轻一喷就能制造”。

　　4. 柔性有机EL的现状与展望

　　图4是已经投入量产或正在开发的 有机EL显示器。现在的大屏幕有机EL电视使用的显示器，是截面固定的曲线（Fixed Curve）形状，曲线的半径R为4500mm。还算不上是柔性显示器。已经投产的智能手机用“柔性有机EL”，其实是固定曲线或是固定边缘曲线 （Fixed Edge Curve），也谈不上柔性（半径R方面，固定曲线为700mm，固定边缘曲线为10mm）。可穿戴用显示屏也是固定曲线（R＝5～10mm），同样不是 柔性。现在正在开发的折叠（Large Fold）和多层折叠（Acute Foldable）应该可以称为柔性显示器。半径R方面，折叠为3mm，多层折叠为1mm以下。

　　

　　图4：已经投入实用和正在开发的柔性有机EL（OLED）

　　现 在，大屏幕电视用有机EL面板，只有LG显示器投入了量产。其配备的TFT使用IGZO，是在玻璃基板上制作。而移动产品使用的面板，则有韩国三星显示器 和LG显示器两家进行量产。其中也有使用树脂基板的类型。这些面板都是在玻璃基板上涂布聚酰亚胺膜，在上面制作低温多晶硅（LTPS）TFT，然后层叠有 机EL，从玻璃基板上剥离聚酰亚胺膜。移动产品用与电视用不同，功耗必须要低，因此只能使用可以形成COMS电路的LTPS TFT。这些都是基于无机半导体的TFT，可以弯曲的半径存在限制。

　　5. JOLED的战略

　　下面来介绍汇集日本的最尖端有机EL技术（索尼和松下），于2015年1月5日诞生的“JOLED”公司的技术。JOLED将利用下面的技术，确立OLED的优势地位。

　　5.1 有机EL印刷技术（Printed OLED）

　　这项技术采用无需RGB真空镀膜的印刷方式。这种方式是通过在空气中印刷材料形成发光层（EL层），“无需真空环境”、“无需掩模”，制造工艺需要的投资少，维护简单。而且容易支持面板的大型化。因为只需要在需要的位置涂布需要的分量，所以材料的损耗少。

　　但是，这样制作出来的有机EL，是否具有与蒸镀法相同的特性和寿命？印刷方式能够实现多高的清晰度？在思考有机EL的应用时，这些是非常重要的课题。通过在中型TFT液晶中应用，4K、8K的高清晰度面板正在开发或已经投入了实用。

　　5.2 氧化物半导体技术

　　这项技术采用索尼开发的自对准型顶栅构造，使用5枚掩模制作TFT。利用自主开发的金属反应，降低了TFT电极部分的电阻。这项技术确保了TFT的高稳定性。还将通过组合自主开发的补偿电路技术，在中型以上尺寸充分发挥有机EL的性能，争取实现高清晰度、低成本的显示器。

　　不 过，氧化物半导体的真空镀膜（溅射）与非晶Si（a-Si）镀膜使用的等离子CVD相比，装置的开工率和成品率存在课题。而且，以IGZO为代表的氧化物 半导体为多元材料（例如四元），不容易以均匀的成分和厚度，在大面积基板上制作。从绿色工艺的观点出发，笔者衷心希望开发出涂布型的氧化物半导体TFT技 术，并将其投入实用。

　　5.3 柔性面板

　　JOLED正在利用在玻璃基板上成膜并转印至薄膜的技术，开发柔性面板。但是，柔性显示器的实现，关键在于利用卷对卷（R2R）方式进行生产，而非单张方式。重要的是以有别于现有厂商的技术，提供用户需要的柔性显示器。

　　6. 结语

　　有 机EL具有液晶难以实现的显示特性，所以它一直被看作是柔性显示器的主流。本栏目比较了二者的器件构造及成本构成。在明确大型有机EL电视存在的量产课题 的同时，介绍了当前的柔性有机EL。这些有机EL现在采用的生产方式，与绿色工艺还相去甚远，换言之，日本厂商还有机会扳回劣势。笔者这次介绍的都是“日 本发明”的技术，希望这些新技术能够引领世界的显示器产业和学会不断向前发展。（特约撰稿人：鹈饲育弘，Ukai Display Device Institute代表）技术在线