OLED技术的颠覆性创新突破

摘要:有源有机发光二极管显示器(AMoled)在显示和照明领域的潜在颠覆性创新优势已经逐渐被人们所认识,预计AMOLED将带来一次产业创新革命。

关键词:有机发光二极管;有源有机发光二极管;OLED产业

中图分类号: TN873.3 文献标识码:B

Disruptive Factors in the OLED Business Ecosystem

Antti Laaperi

(Nokia Corp., Helsinki, Finland)

Abstract:AMOLEDs have several key, potentially disruptive elements in both display and lighting technology.

Keywords:OLED; AMOLED; OLED industry

引言

美国哈佛商学院著名教授Clayton M. Christensen以“颠覆性创新理论”闻名于世,并著有《创新者的窘境》、《创新者的解答》、《应对颠覆性变革的挑战》等著作。通过大量的调研分析,他推出了两种颠覆性创新商业模式:“低端战略模式”和“新市场战略模式”。低端战略模式主要内容是以规格较低、方便实用且价格低廉的产品去满足一般消费者的需求,而这部分市场正是技术领先的行业领先者们所忽视的,“够用就好”是对这一商业模式的最好诠释;新市场战略模式是指扩大客户范围,创造新的市场机会。Christensen教授还指出,至少在近期,低端策略产品还将对主流产品市场造成极大的冲击,并且会充分引导客户需求。

早在上世纪七十年代,显示行业就爆发过颠覆性创新技术革命。在美国华盛顿和苏格兰邓迪大学的研究者们几乎同时完成了一次技术实验――将液晶单元置于TFT基板上,通过TFT控制液晶显示,从而大大提升性能参数。正是这项技术创新打破了原有的产业格局。

目前看来,虽然OLED技术被认为将是带来下一次技术创新革命的领跑者,但根据Christensen教授的理论认为,该项技术暂时未完全达到颠覆性创新技术的要求。本文将详细介绍OLED技术在颠覆性创新方面的优势。

一项新技术的出现,通过其对产业结构的影响,便可有效地衡量该项创新技术的实力。结合近期的专业学术论文,我们认为:新技术的核心实力在于它是否能够突破原有产业结构,开创新的市场领域并填补技术空白。由此可见,OLED的技术指标已经超乎寻常,例如显示光谱宽、显示色彩更加绚丽等等。然而,对于目前的产业结构,OLED尚缺少可具突破性的核心技术实力,所以预计在近十年的时间内,OLED仍难以撼动TFT液晶显示器(TFT-LCD)的主流地位。

1TFT-LCD产业现状

据不完全统计,2009年中小尺寸显示屏的市场需求量约为10.9亿,主要是手机和手持移动设备显示屏,目前这部分市场主要被TFT-LCD所占据。自21世纪初,TFT-LCD崭露头角以来,它的市场占有率急剧上升,目前已超过50%,2007年全年的市场销售量达6亿。AMOLED和TFT-LCD的光学性能相近,且前者市场潜在竞争力较大。2009年8月,韩国三星的专家们预测:到2015年,AMOLED的市场占有率将达到40%(目前仅为2.3%)。目前AMOLED已成功占领微软智能手机显示屏的市场,取得先机,同时将目标市场定位在笔记本电脑和低功耗超薄电视机。

2OLED产业现状

2000年前后,OLED由于绚丽画质、超薄体积和快速响应等优势,以替代中小尺寸TFT-LCD之势,被媒体各界大力炒作。然而在过去的十年间,TFT-LCD的画面质量持续提升,加之在大尺寸显示屏方面的投入增加,使得单位成本下降。

不可置疑,基于上述原因,OLED的颠覆性创新优势受到了TFT-LCD发展的制约。然而,OLED的技术性能指标仍然非常出色,例如,系统结构较TFT-LCD更加简单,并且长时间使用功耗低;有机发光材料的使用量仅为同尺寸TFT-LCD的1%;无需彩色滤光膜和背光单元,而彩色滤光膜正是TFT-LCD的主要成本之一。具体内容如表1所示。

目前AMOLED的成本偏高主要是由于发光材料价格和新建生产线前期资本投入较高,发光材料价格昂贵的主要原因是材料产量较低,与液晶材料的规模化生产相距甚远,此外,在OLED制成过程中,蒸镀成膜工艺会造成大量材料浪费。

3中小尺寸AMOLED

AMOLED用于手机显示屏至今已两年有余,用户对其实际表现褒贬不一。从反馈信息来看,在画面质量和功耗方面还未达到用户所期待的水平,因此很难有足够的理由说服手机制造商们放弃TFT-LCD而改选AMOLED。实际上,在浏览网页时AMOLED的功耗是偏高的,而且在户外环境下的显示效果逊于反射型TFT-LCD。为了使AMOLED更好地适用于智能手机等应用,功耗必须降低(低于TFT-LCD的水平),这项技术难关有望在2011年突破。

图1所示为TFT-LCD和AMOLED的功耗变化趋势图。AMOELD的功耗主要由显示内容所决定,播放电影时的功耗仅为最大功耗的10%,浏览网页时功耗则达到80%。AMOLED的功耗降低速度较快,主要是由于其电光转换效率有效提升――绿色磷光发光材料的应用,但是蓝色磷光发光材料由于寿命原因,目前还不具有商业价值。TFT-LCD的功耗以每年10%的速度降低,主要源于背光效率的提升。其功耗基本与显示内容无关,因此,可以在播放电影时降低整体亮度,然后通过运算局部处理,使特定部分亮度提升,既达到显示效果,又能有效降低功耗近10%,但浏览网页时此种方法收效甚微。

智能手机要求显示屏功耗低主要出于两点考虑:每天显示屏要有长时间显示动态画面,同时,用户一般希望从现有大小的屏幕上看到更多的信息内容。如果TFT-LCD性能没有得到实质性的提升,AMOLED将会逐步占领智能手机显示屏市场,并且随着产量上升,单位成本和价格也将随之下降,使优势更加明显。

3AMOLED电视

电视机的使用寿命一般比较长,且主要显示动态变化图像,拖尾和残影现象是电视的致命缺陷。

显示器或发光材料的使用寿命定义为其发光亮度衰减至初始值的一半时所经历的时间。OLED三基色发光材料的使用寿命是不同的,蓝光材料寿命低于红光和绿光材料,因此长时间使用后,显示画面会偏绿。显示器制造者们一般通过加大蓝光像素点的面积,以降低电流密度,从而达到延长使用寿命的目的。当显示屏中邻近像素点亮度出现10%的差异时,就会很容易被人眼所感知,但是50%的整体亮度衰减却不易被察觉。目前OLED的使用寿命已经可以达到10年,更多的技术问题指向了画面残影。

当需要OLED在某些固定位置持续显示快捷菜单的时候,出现了一个新的技术问题:出于高对比度的考虑,一般采用“黑底白字”的样式,但是这些固定显示位置的材料老化程度高于其它位置,以至于该位置在显示其它画面时会出现原有字样的残影。如图2所示,“camera”字样经过加速老化试验后,在色彩条纹测试画面仍然有残影,有关资料在2007年SID年会论文集中《OLED使用寿命对其应用于移动电话的影响》一文里有详细介绍,文中提及:只有当衰减率低于5%时,显示异常才不易被人眼所察觉。图2中经过6年老化试验后的测试屏,红光和绿光材料已有8.5%的衰减,蓝光已有16%的衰减,色彩条纹测试画面中“Camera”、“Options”和“Exit”的固定菜单字样残影清晰可见,因此尤其需要延长蓝光材料的使用寿命,以减轻图像“老化”现象的影响。第二幅色彩条纹测试画面是经过30年仿真老化时间后的结果,右下角的“2M”和左上角的信号图标也出现了轻微残影。

测试屏的初始亮度为250nits,经过老化试验后,测定红光和绿光材料的使用寿命为100,000小时,蓝光材料仅为50,000小时。目前多家材料研制公司投入大量资金,致力于研制更长寿命的蓝光材料,另据有关报道,使用寿命更长的蓝光材料目前已研发成功。

该试验结果表明,目前OLED材料还不能满足“黑底白字”字样长期显示的要求,以6年使用时间为例,为了不出现残影现象,材料衰减率应小于5%,也就是说,材料使用寿命应在175,000小时左右。

4AMOLED笔记本电脑

TFT-LCD的主要应用市场是笔记本电脑。迄今为止,AMOLED在浏览网页时的功耗高于TFT-LCD,且用作笔记本电脑显示器的中型尺寸AMOLED价格很高。如图1所示,功耗方面的不足将在近些年得到改善,但成本和价格问题仍是一大困扰。

针对使用寿命和材料老化问题,实验者们进行了一系列相关实验。如图3所示,按照笔记本电脑的一般使用特点,以手机的三个常用画面(两幅静态画面、一副动态画面)进行试验,并得出测试结果:红光和绿光材料的使用寿命为100,000小时,蓝光材料的使用寿命为50,000小时。

实验结果表明,经过5年的加速老化时间,红光和绿光材料的衰减率为4%,蓝光材料的衰减率为7%,在色彩测试画面几乎没有残影现象发生。继续实验至8年老化的时间点后,红光和绿光材料的衰减率为6%,蓝光材料的衰减率为11%,此时才出现轻微残影。通过实验结果初步认为:当中型尺寸的AMOLED价格下降后,将会成为笔记本电脑制造商们的首要选择。

5AMOLED电脑显示器

台式电脑显示器和笔记本电脑显示屏对使用性能的要求基本相似,只是对台式电脑显示器而言功耗不再是主要问题,而使用寿命需要更长,并且对价格更加敏感。当电脑较长时间处于无输入静态时,将会自动启动屏幕保护程序,动态画面的保护程序对保护AMOLED非常有益处。以电脑显示器模式(含屏幕保护程序)对AMOLED进行加速老化试验,如图4所示,经历10年老化时间后,红光和绿光材料的衰减率为9%,蓝光材料的衰减率为16%,且未有老化残影;6年老化时间后红光和绿光材料的衰减率为5%,蓝光材料的衰减率为10%,同样没有残影现象发生。

6OLED照明

随着电光转换效率的提升,AMOLED开始逐步被用作采光照明,而且其在照明领域的颠覆性创新甚至超越了显示领域。

AMOLED照明为室内装潢设计师们提供了一种新的采光模式――取代一般点式光源,AMOLED可制作成面光源,颜色可变调节,产品定位于高端,未来将广泛应用于室内和公共场所。

一般材料寿命为100,000小时的AMOLED照明设备,假设每天点亮12小时,则总共可使用23年,亮度半衰期约为10年,期间包括必要的保养与维修。目前AMOLED已作为背光单元,应用于TFT-LCD电视机。LED以低功耗的优势取代了灯泡和卤素灯,OLED带来的是新的采光设计思路。

7结论

结合Christensen教授的“颠覆性创新理论”,通过对TFT-LCD和OLED产业的形势分析,我们发现了一种新的颠覆性创新模式――“高端技术创新”,例如显示行业,用户所期待的新技术总是以昂贵的价格面市,并可获得成功,就像早先人们期待能够将电视挂在墙上,TFT-LCD随之应运而生,预计未来OLED电视将以体积更薄、色彩绚丽、宽视角、高对比度以及低功耗等一系列优势抢占市场。

上世纪70年代,欧美人最先发明出将TFT基板与液晶单元组合的技术专利,但真正将TFT技术产业化的国家是日本,并超越欧美等国家,引领TFT-LCD技术产业发展。TFT-LCD的最主要应用是笔记本电脑,虽然当时价格很高,并且在产品质量方面逊于CRT,但“平面显示”这一颠覆性创新技术,彻底赢得了用户的认可与接受。

AMOLED以一系列的竞争优势和高端产品的定位,对TFT-LCD产业形成了巨大威胁,从长远角度看,其成本和价格都将低于TFT-LCD。尽管在浏览网页等情况时功耗略高,但 AMOLED将以中小尺寸显示屏首先占领大量手持便携设备市场,这将促使制造者们投资力度的增大。一旦AMOLED的成本降低,它将很快被应用于笔记本电脑和台式电脑。在这些应用方面,经过初步实验后分析认为:使用寿命和残影现象已基本可以接受,但仍需进一步提升技术,持续改进。电视显示模式的实验结果表明,AMOLED在显示动态画面和固定位置标示不存在问题,但“黑底白字”的字样模式在一定时间后会产生老化残影现象,因此必须提升发光材料的使用寿命或适度降低对比度。

简而言之,近些年OLED的潜在颠覆性创新技术将在显示和照明领域得到充分发挥,在未来将大有作为,让我们拭目以待吧。

参考文献

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作者简介:Antti Laaperi,就职于位于芬兰赫尔辛基的诺基亚公司,E-mail:,。

(中福特科技有限公司 王鹏

译自《Informatin Display》 09/09)