OLED蒸镀工艺的起源与发展

时间:2017年01月31日作者:xyzvlf评论次数:0

OLED蒸镀工艺的起源与发展

简单谈谈OLED制造工艺中的一个组成部分:蒸镀,以及如松下这样的厂商如何在这部分工艺中做出进一步节省成本的努力,还有索尼是如何改良这个步骤的。

你知道吗?OLED屏幕每个像素“灯泡”都是蒸上去的

延续我们文首提到的那则相关iPhone 8可能采用OLED屏幕的传言。韩国媒体ET News上个月月末提到,在新款iPhone上,三星可能会成为苹果第一大OLED面板供应商,随后是LG、夏普等等,三星在这其中可能占到5-8成的订单份额。

这则消息还提到,LG可能无缘成为第二大供应商,原因是LG的蒸镀装置数量不足,所以OLED面板产量无法满足苹果需要。意思大致也就是,三星的蒸镀机很足量——三星的蒸镀机当然不是他们自己造的,其再上一级供应商乃是Canon Tokki——没错,这是佳能旗下的子公司。所以或许在未来的iPhone 8中,Canon Tokki的蒸镀机将扮演至关重要的角色。

那么究竟什么是蒸镀?这得从OLED的结构讲起。如上图所示,典型结构是在ITO玻璃上制作一层几十纳米厚的发光材料——也就是人们通常所说OLED屏幕像素自发光的材料,发光层上方有一层金属电极,电极加电压,发光层产生光辐射;从阴阳两级分别注入电子和空穴,被注入的电子和空穴在有机层传输,并在发光层复合,激发发光层分子产生单态激子,单态激子辐射衰减发光。

这解释得有些复杂了,不过大致上,就是你看到的红绿蓝三个次像素会自己发光。当然了,具体到整块面板,结构也就复杂很多,包括次像素间需要隔离柱、绝缘层之类。AMOLED则还有TFT backplane这种控制每个像素开关的东西。

这种复杂的结构,靠人手用小刀去微雕是不可能的。如果将这些结构付诸实现,就是制造工艺的问题了。OLED的制造工艺涉及到ITO玻璃洗净、光刻处理之类的东西,都需要很高科技,我们一般人没见过的东西去搞定,总之就是通过光刻就能在基板上形成电极图案、ITO图案、隔离柱图案等等——你可以假想成是有人用小刀刻上去的…

随后的工艺部分,在OLED面板的制造上才显得至关重要,即蒸镀。真空腔室内,把ITO玻璃基板放置在可加热的旋转样品托架上,然后放把火在下面烧坩埚(当然不是真的放把火),你看到的发光材料就这么蒸上去了,红绿蓝三色灯泡(当然不是真的灯泡)就这么蒸上去了。

说得高大上一点,蒸镀就是真空中通过电流加热,电子束轰击加热和激光加热等方法,使被蒸材料蒸发成原子或分子,它们随即以较大的自由程作直线运动,碰撞基片表面而凝结,形成薄膜。

可以说,蒸镀是OLED制造工艺的精华部分,而且不仅是发光材料,金属电极等等之类也是这么蒸上去的。虽然我们把蒸镀说得跟蒸馒头一样,但实际操作还是非常复杂的,比如如何控制像素区域,像素要怎么对齐,还有控制蒸上去的薄膜的厚度,什么前处理、蒸镀室的真空度等,都不是我们一般人可以参透的。除了蒸镀之外,随后还有点胶、封装、老化、切割、测试等等过程。

实际上,蒸镀也的确是OLED屏幕成本高的一个重要原因,于是LG买不到太多蒸镀机,自然就搞不定iPhone 8的订单。而即便是Canon Tokki,要消化三星那么多订单,本身也就不是很容易的事情。

然而除了把灯泡“蒸”出来 还可以选择“印”出来

上面提到的这种高端大气上档次的“蒸镀”法,主要应用于RGB三色排列的典型OLED屏幕。三星的诸多OLED电视产品都是基于这种方法蒸出来的,效果很不错,三原色都非常纯粹,但成本可观。这类蒸镀所用的技术叫FMM,精细金属掩模板,就是蒸镀的时候为了区分像素,盖个掩膜,所以怎么对齐,以及掩膜材料本身都会成为技术难点。

实际上,人类为了控制成本,OLED电视不止上述一种,有一类蓝光+色变换层:这种方案只需要蒸镀蓝光OLED元件,经过变换层将光转为RGB三色,这类技术受到色彩转换器开发难度的限制,并未被大规模采用。

还有一类OLED电视是白光+三种彩色滤光片,原理上和LCD液晶面板有些类似,以白色为背光,再加彩色滤光片——这种方式在成本上显然就低了很多,LG就曾推出过这种类别的OLED电视,白光OLED+彩色滤光片也一度被认为是OLED进一步实现低成本的方案。只不过加上滤光片,透光率光色纯度都更成问题,所以亮度、对比度、色彩、节能表现理论上都不及RGB OLED。至于还有像是LG的WRGB OLED之类,这里就不再做细致的讨论了。

松下认为,最后这一种方法存在画质牺牲,成本也不见得多低,还是RGB OLED靠谱,但是FMM蒸镀成本又很高。所以他们在2013年的CES展会上,展示了一种采用自主研发“印刷”工艺的、而且据他们自己说是当时全球最大4K OLED电视(56寸)。

其实“印刷”技术不算新鲜,LCD液晶屏广泛应用这种技术,像LCD所用的彩色滤光片,RGB三种颜色色块就是犹如喷墨打印机一样印刷上去的。只需要确定RGB三个次像素之间的点距,就可以开始印刷啦:松下针对OLED的印刷技术是直接在大尺寸的玻璃基板上涂色,相比FMM蒸镀,不需要高温真空环境,制造工艺要求低不少,成本也自然就更低了。

这种工艺实际上也并非尽善尽美,尤其蓝色材料效率与寿命是个大问题。这也是在很多人看来,为什么松下的这类电视会有偏黄的原因所在。当年的CES展会上,就有人提出过这个问题。

不过上个月月底的最新消息,日本的许多企业似乎有意这种技术。三菱化学就在开发“印刷方式”生产OLED面板的新材料,虽然最早也要等到2017才会进入量产,当前三菱化学已经向日本国内外的面板厂商提供样品。据说他们的“印刷”方式相比“蒸镀”,可将材料费控制在1/10,这无疑是生产成品的大幅降低——而且此前并没有微米单位的细微分涂技术,三菱化学开发出了能被薄薄地准确涂在狭小面积上的新材料。

想想OLED电视的成本真正能降下来,还有点小激动呢。

索尼的改良:把蒸镀与印刷结合起来

其实FMM蒸镀和印刷(或者叫湿法制备)并非这道工序中的唯二解决方案,还有激光转印这样的方案(虽然也需要蒸镀)。不过印刷是当前最具诱惑力的一种技术,因为成本低、效率高,也是未来生产柔性OLED最理想的技术。

索尼瞅准了这一点,不过显然也已经发觉了蓝色发光材料的问题。所以索尼想到了将蒸镀和印刷结合起来的方案,红绿蓝三色发光材料也就有了上图这种比较奇特的立体排列造型。

简单说来,就是先将蓝色涂料涂上形成通用层,再将红绿两种颜色先印刷、再蒸镀连接,按照上面这样的设计制造能够保证蓝色材料的寿命和发光效率。所以同在CES 2013展上,索尼同样也发布了全球最大OLED电视(貌似相比松下还在前面多加了个first的单词)。

据说采用这种工艺达成的索尼电视,完全不存在偏色的问题,甚至在观感上,能够超过成本更高、只采用蒸镀的三星、LG一类韩系电视厂商。松下和索尼早在2012年时就在TFT部分有合作,所以两者同推印刷OLED电视,而且同时全球最大尺寸,看起来也就不奇怪了。

随我们上述提到三菱化学这类日系厂商的努力,单有机成膜技术这一块,或许随着印刷技术在墨水材料、印刷设备和工艺控制等方面的进一步改善,OLED降低成本是指日可待的,即便当前OLED电视产品的价格还是颇高,毕竟有机成膜并非OLED制造中的唯一部分,比如封装也在其中起着至关重要的作用,这就是另外的篇章了。

人类设想中,已经放到原型产品层面的OLED产品,起码已经在展台上出现了可卷曲、如纸一样轻薄的屏幕产品,这便是可观的屏幕技术未来。值得一提的是,本文提到的有机成膜技术,只不过是OLED工艺改良发展中的一部分罢了。未来我们有机会还可详解更多技术细节,比如松下将OLED结构中的阴极采用透明材料,被称为“顶部发光”技术,自然就提高了发光效率。

我们先回顾下面这张屏幕技术体系架构图:

屏幕技术对应屏幕结构关系图

我们今天的重点内容为倒数第二列内容的上半部分,也就是RGB排列和Pentile排列。在介绍OLED屏幕时候我们说过三星在研发SuperAMOLED屏幕过程中发现红、绿、蓝三原色次像素寿命并不是一样长的,红色和蓝色次像素的寿命相对比较短,尤其是蓝色。摆在三星面前有两条路,要么就坚持使用传统的RGB排列方式,但是像素密度一旦突破300ppi之后屏幕的寿命很难保证,除非更换次像素发光材料。这条路对于当时三星来说并不现实,研发技术瓶颈注定只能够走第二条路,那就是更换次像素排列方式,也就是从RGB排列变更为Pentile排列。

Pentile排列和RGB排列有啥区别?RGB排列屏幕会将红、绿、蓝三原色的次像素比例控制在1:1:1,从而确保显示屏色彩趋向标准化。经典代表就有三星S2、第一代Moto X、三星Note II和OPPO Finder。采用这种排列方式的AMOLED屏幕在日常显示效果相比普通的LCD屏幕并没有什么不同,并不会出现Pentile排列常见的一些问题,例如文字和图标边缘出现锯齿感、彩边现象以及屏幕色彩偏移。

虽然都是RGB排列,但是上述四款代表机型中,三星S2、OPPO Finder采用的排列形状和三星Note II、第一代Moto X的排列形状并不相似,请看下图:

三星S2(左)和三星Note II(右)

我们称左边的RGB排列为标准RGB排列,和LCD屏幕的液晶分子IPS排列差不太多,而称右边的RGB排列为新型RGB排列。两者相似之处在于红、绿、蓝三原色次像素采用了1:1:1比例。不同地方在于后者将蓝色次像素稍微做大,但是又不至于像Pentile排列那样夸张,之后降低蓝色次像素的亮度从而保证寿命。所以在三星Note II和第一代Moto X上看到的屏幕显示效果相比普通IPS LCD屏幕并没有相差太多。采用RGB排列的AMOLED屏幕机型在相同屏幕尺寸和分辨率情况下,相比LCD机型并不会出现细腻度不足等问题。

随着LCD阵营不断推高ppi,1080P、2K分辨率一步一步碾压OLED阵营,三星发现如果继续采用RGB排列方式研发AMOLED屏幕肯定会被市场淘汰。在三星S4开始重新启用了Pentile排列,并且将分辨率从720P进一步提升到1080P从而驯服Pentile排列带来的副作用。Pentile排列有啥副作用?我们继续用图片解释一下。

Pentile排列(左)和RGB排列(右)

如上图所示,为了解决次像素寿命问题,Pentile排列选择将红色和蓝色次像素数量削减一半,同时为了保持三原色混合时候的色准必须将这两种次像素面积增大,最后还适当降低这两种次像素的亮度。看上去和三星Note II的次像素排列貌似差不多,错了,问题就出在削减一半次像素这个步骤。我们从上图就能够清晰看到Pentile排列下每一行的次像素分子都少了三个,反映到最终总次像素数量则会减少1/3,带来第一个问题就是ppi下降。相同尺寸机身都是720P的IPS LCD和Pentile排列AMOLED屏幕相比,后者的细腻度明显不足,这在以前的文章中已经对比过。

单个像素的组成

第二个问题就是色准问题,众所周知自然界所有颜色都能够用三原色通过不同的混合比例形成。如上图所示,RGB排列AMOLED屏幕(右图)以白色区域为一个像素点,能够100%占用红、绿、蓝三原色次像素。而Pentile排列AMOLED屏幕(左图)也是以白色区域为一个像素点,显然不能够100%占用红色和蓝色的次像素,必须和旁边的像素点共享。感兴趣的读者可以自己划分一下区域,最终发现总有些次像素不能够组成一个完整三原色像素点,这样屏幕自然就无法显示准确的颜色了,有些点欠缺红色,有些点欠缺蓝色,有些点多了绿色。

上面的问题还会延伸出第三个弊端,我们将视线转移到Pentile排列那张图的边缘部分,如下图所示:

彩边现象

由于边缘部分的次像素无法形成正常的白色,导致显示白色文字和图案的时候出现彩色围边,就像自带文字特效一般,放大文字和图案时候真心纠结。结合上面提到细腻度不足问题,最终导致这些文字和图案边缘位置同时出现彩边现象和锯齿感。

综上所述,Pentile排列为AMOLED屏幕带来细腻度不足、锯齿感、彩边等问题,当然还有大蓝屏和蓝绿屏的骂名。

三星S4通过提高屏幕分辨率来克服细腻度不足的措施却为三星带来了另一个难题。4.8英寸三星S3和5英寸三星S4相比之下屏幕尺寸并没有增大多少,但是需要将分辨率从720P提高到1080P,这就需要三星重新修改Pentile排列的方式,否则肯定塞不下那么多的次像素分子。为啥塞不下?还记得之前和各位读者介绍过的ISO Cell吗?摄像头传感器喜欢飙像素,这和屏幕分辨率喜欢彪ppi是一个道理,但是它们都遇到了空间面积受限的瓶颈。ISO Cell的三原色传感器之间存在着格栅,类似AMOLED屏幕三种次像素之间也存在着格栅,通过缩小这个格栅确实能够进一步在相同空间面积上堆像素,原理类似一间大房间人为改建成两间小房间出租一样。但是凡事都有个度,一旦这个格栅削薄到一定程度,次像素之间就会互相干扰从而导致显示效果出现问题。

格栅不能够进一步缩减体积,那么三星就只能够从次像素的大小和材料上入手,三星S4更换了体积更小的次像素,之后再改变次像素之间排列方式从而让屏幕尺寸并没有大幅提升前提下也能够啃下1080P分辨率。

三星S4次像素排列方式

三星S4出现的排列方式经常被戏称钻石排列或者菱形排列。虽然上面三幅图看上去并不一样,但是万变不离其宗都是Pentile排列。我们先划分一下单个像素是由哪些次像素单元组成的。

单个像素的次像素组成比例

如上图所示的白色方框区域,我们看到三星S4上Pentile排列的单个像素组成依然是一个完整的绿色次像素以及半个红色次像素和半个蓝色次像素。虽然次像素体积缩小了,但是彩边问题却严重了,在中间那幅图更能够明显看出来。极端情况下边缘部分绿色次像素连成一片,那种大绿屏的感觉想必不少三星S4用户从入手之后到更换新手机之前也一直在吐槽吧?

三星Note 4次像素排列方式

屏幕尺寸更大的三星Note 4将分辨率进一步提高到2K,相比相同尺寸的三星Note 3(1080P分辨率)塞下了更多的像素单元,细腻度自然已经超越了人眼分辨能力。三星Note 4和三星S4上面的Pentile排列方式保持一致,也是这种钻石像素。

三星Note 4在相同面积下增加了14%左右的像素单元

来到三星S6、三星S6 Edge,三星Note 5、三星S6 edge+和三星S7、三星S7 edge上,Pentile排列的形式还是维持着三星Note 4的形状,红色和蓝色次像素是菱形形状,绿色次像素则是椭圆形的,并没有发生明显的改变。需要强调的是,上述几款旗舰机中部分机型在机身尺寸缩小的前提下依然维持着2K分辨率,从而让ppi进一步提升到全新的高度,这也是AMOLED技术进步带来的变化,能够往更小的空间塞下更多的像素单元。

三星S6 Edge次像素排列方式

我们好像跳过了三星Note 3和三星S5两款旗舰,它们在宏观上依然采用了类似三星S4那种钻石排列的方式,但是微观上还是微调了次像素的形状,将绿色次像素也调整为菱形形状。不过也有不少媒体认为三星Note 3的绿色次像素沿用了三星S4那种椭圆形。其实无论是菱形还是椭圆形,自三星S4开始的Pentile排列方式也基本上定型了,之后的旗舰机基本上也是围绕着更高分辨率和更高ppi努力。

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