Hello，大家好，新一期的《探索“芯”詞典》又和大家見面啦，本欄目將從半導(dǎo)體技術(shù)詞匯入手，在介紹概念的同時(shí)，也說一說技術(shù)背后的故事。OLED（Organic Light Emitting Diode，有機(jī)發(fā)光顯示技術(shù)），諧音：歐萊德，像是一種化妝品品牌。在科技領(lǐng)域，這位“歐”先生的故事幾乎每天都在上演。

昨日， LG Display宣稱將向韓國的OLED面板生產(chǎn)線投資3萬億韓元(約合26億美元)。去年被選為蘋果iPhone第二家OLED屏幕供應(yīng)商之后，LG Display正加大產(chǎn)業(yè)投資，而此前iPhone的OLED屏幕一直是被三星獨(dú)占。

中國在該領(lǐng)域的投資消息也不斷曝出，OLED市場(chǎng)的戰(zhàn)火似乎燃燒到了一個(gè)新的高度。既然OLED是關(guān)注的焦點(diǎn)，那么大家對(duì)OLED真的了解嗎？閱讀完本文，相信會(huì)對(duì)OLED有更深入的認(rèn)識(shí)。

本期《探索“芯”詞典》的主角就是OLED。

誕生

談到OLED，不得不說這一位大牛——美籍華裔科學(xué)家鄧青云博士，他不僅是OLED的發(fā)明者，更為OLED顯示技術(shù)做出了極大的貢獻(xiàn)，在業(yè)界享有很高的聲譽(yù)。

鄧青云博士出生于1947年的香港。在1970年獲英屬哥倫比亞大學(xué)化學(xué)理學(xué)士學(xué)位。5年后獲康奈爾大學(xué)物理化學(xué)博士學(xué)位。此后，他在位于紐約羅切斯特的柯達(dá)研究實(shí)驗(yàn)室做研究科學(xué)家，從事有機(jī)半導(dǎo)體材料和電子應(yīng)用設(shè)備開發(fā)。

鄧青云博士

畢業(yè)后4年，鄧青云似乎就迎來了人生顛覆，像是上帝直接給他頒發(fā)了獎(jiǎng)杯。1979年的某天晚上，在柯達(dá)公司從事科學(xué)研究工作的鄧青云博士在回家的時(shí)候發(fā)現(xiàn)自己落了東西在實(shí)驗(yàn)室。等他回到實(shí)驗(yàn)室后，發(fā)現(xiàn)一塊做實(shí)驗(yàn)用的有機(jī)蓄電池在黑暗中閃閃發(fā)光！這個(gè)意外發(fā)現(xiàn)為OLED的誕生拉開了序幕，而鄧博士也因此被稱為“OLED之父”。

1987年，鄧青云博士在《應(yīng)用物理快報(bào)》（Appl. Phys. Lett. ）上發(fā)表了著名論文《有機(jī)場(chǎng)致發(fā)光二極管》（Organic Electroluminescent Diodes ），首次報(bào)道了基于具有雙層夾心式結(jié)構(gòu)的高亮度、低驅(qū)動(dòng)電壓、高效率的有機(jī)發(fā)光二極管，在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界引起了巨大的轟動(dòng)。隨后，他的人生便平步青云。

在2006年，鄧青云博士因?yàn)槠湓谟袡C(jī)發(fā)光二極體和異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池上取得的開創(chuàng)性的成就被選為美國工程院院士。

2011年，鄧青云博士與芝加哥大學(xué)的斯圖爾特·賴斯教授和卡耐基梅隆大學(xué)的克里茲托夫·馬特加茲維斯基教授共同獲得了由沃爾夫基金會(huì)頒發(fā)的沃爾夫化學(xué)獎(jiǎng)，這是在化學(xué)領(lǐng)域僅次于諾貝爾獎(jiǎng)的國際性大獎(jiǎng)。

當(dāng)然，推動(dòng)OLED技術(shù)發(fā)展的不僅僅是鄧青云博士一位。

早在1990年，也就是鄧青云博士“神作”論文發(fā)表的第三年。英國劍橋大學(xué)的Burroughes、Friend等人發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電高分子材料PPV具有良好的電致發(fā)旋光性能，并成功的開發(fā)出以涂布方式將高分子材料應(yīng)用在OLED上，制成聚合物OLED器件，即Polymer LED，亦稱為PLED。由于聚合物材料的熱穩(wěn)定性、柔韌性和機(jī)械加工性能都比有機(jī)小分子材料優(yōu)越，并且器件的制作工藝更加簡(jiǎn)單，因而聚合物正逐漸成為有機(jī)EL領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。

1992年Heeger等人第一次發(fā)明了用塑料作為襯底制備可變性的柔性顯示器，將有機(jī)電致發(fā)光顯示器最為迷人的一面展現(xiàn)在人們的面前。

PLED

1997年，F(xiàn)orrest等發(fā)現(xiàn)磷光電致發(fā)光現(xiàn)象，突破了有機(jī)電子發(fā)光量子效率低于25%的限制。自這時(shí)起，OLED技術(shù)告別了以基礎(chǔ)科學(xué)研究為主的階段，進(jìn)入了以商業(yè)應(yīng)用為主的時(shí)期。

OLED到底是什么？

OLED的原文是Organic Light Emitting Diode，中文意思就是“有機(jī)發(fā)光顯示技術(shù)”。其原理是在兩電極之間夾上有機(jī)發(fā)光層，當(dāng)正負(fù)極電子在此有機(jī)材料中相遇時(shí)就會(huì)發(fā)光，其組件結(jié)構(gòu)比目前流行的TFT LCD簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本只有TFT LCD的三到四成左右。除了生產(chǎn)成本便宜之外，OLED還有許多優(yōu)勢(shì)，比如自身發(fā)光的特性，目前LCD都需要背光模塊（在液晶后面加燈管），但OLED通電之后就會(huì)自己發(fā)光，可以省掉燈管的重量體積及耗電量（燈管耗電量幾乎占整個(gè)液晶屏幕的一半），不僅讓產(chǎn)品厚度只剩兩厘米左右，操作電壓更低到2至10伏特，加上OLED的反應(yīng)時(shí)間（小于10ms）及色彩都比TFT LCD出色，更有可彎曲的特性，讓它的應(yīng)用范圍極廣。

從最基本的結(jié)構(gòu)來看，OLED是在銦錫氧化物（ITO）玻璃上制作一層幾十納米厚的有機(jī)發(fā)光材料作發(fā)光層，發(fā)光層上方有一層低功函數(shù)的金屬電極，構(gòu)成如三明治的結(jié)構(gòu)。

OLED結(jié)構(gòu)

具體如下：

基板（透明塑料、玻璃、金屬箔）——基層用來支撐整個(gè)OLED。

陽極（透明）——陽極在電流流過設(shè)備時(shí)消除電子（增加電子“空穴”）。

空穴傳輸層——該層由有機(jī)材料分子構(gòu)成，這些分子傳輸由陽極而來的“空穴”。

發(fā)光層——該層由有機(jī)材料分子（不同于導(dǎo)電層）構(gòu)成，發(fā)光過程在這一層進(jìn)行。

電子傳輸層——該層由有機(jī)材料分子構(gòu)成，這些分子傳輸由陰極而來的“電子”。

陰極（可以是透明的，也可以不透明，視OLED類型而定）——當(dāng)設(shè)備內(nèi)有電流流通時(shí)，陰極會(huì)將電子注入電路。

OLED是雙注入型發(fā)光器件，在外界電壓的驅(qū)動(dòng)下，由電極注入的電子和空穴在發(fā)光層中復(fù)合形成處于束縛能級(jí)的電子空穴對(duì)即激子，激子輻射退激發(fā)發(fā)出光子，產(chǎn)生可見光。為增強(qiáng)電子和空穴的注入和傳輸能力，通常在ITO與發(fā)光層之間增加一層空穴傳輸層，在發(fā)光層與金屬電極之間增加一層電子傳輸層，從而提高發(fā)光性能。其中，空穴由陽極注入，電子由陰極注入?？昭ㄔ谟袡C(jī)材料的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）上跳躍傳輸，電子在有機(jī)材料的最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）上跳躍傳輸。

OLED的發(fā)光過程通常有以下5個(gè)基本階段：

載流子注入：在外加電場(chǎng)作用下，電子和空穴分別從陰極和陽極向夾在電極之間的有機(jī)功能層注入。

載流子傳輸：注入的電子和空穴分別從電子傳輸層和空穴傳輸層向發(fā)光層遷移。

載流子復(fù)合：電子和空穴注入到發(fā)光層后，由于庫倫力的作用束縛在一起形成電子空穴對(duì)，即激子。

激子遷移：由于電子和空穴傳輸?shù)牟黄胶?，激子的主要形成區(qū)域通常不會(huì)覆蓋整個(gè)發(fā)光層，因而會(huì)由于濃度梯度產(chǎn)生擴(kuò)散遷移。

激子輻射退激發(fā)出光子：激子輻射躍遷，發(fā)出光子，釋放能量。

OLED發(fā)光的顏色取決于發(fā)光層有機(jī)分子的類型，在同一片OLED上放置幾種有機(jī)薄膜，就構(gòu)成彩色顯示器。光的亮度或強(qiáng)度取決于發(fā)光材料的性能以及施加電流的大小，對(duì)同一OLED，電流越大，光的亮度就越高。

OLED技術(shù)發(fā)展至今，分類可是多種多樣的，但是它們的結(jié)構(gòu)是類似的，而且比較簡(jiǎn)單。發(fā)光材料就是夾在中間的蔬菜。每個(gè)OLED的顯示單元都能受控制地產(chǎn)生三種不同顏色的光。

按發(fā)光材料可分為低分子OLED（日本公司掌握核心技術(shù)，更易彩色化）和高分子OLED（由英國CDT公司掌握核心技術(shù)）；按照驅(qū)動(dòng)方式，又可以將OLED分為無源驅(qū)動(dòng)OLED（PM-OLED）和有源驅(qū)動(dòng)OLED（AM-OLED）兩種；按基板材料，OLED的襯底材料可分為玻璃、塑料以及金屬薄膜等，塑料和金屬薄膜主要用于制造柔性O(shè)LED。

說到錢的問題，OLED生產(chǎn)線投資最貴，其不僅高于CRT、等離子，還高于液晶顯示技術(shù)。LG在中國國內(nèi)投資最大的項(xiàng)目是LGD廣州8.5代液晶面板線，投資金額高達(dá)40億美元，但同等規(guī)模的OLED生產(chǎn)線投資則可能高達(dá)50億美元以上，其貴的原因主要在于生產(chǎn)工藝的難點(diǎn)——OLED技術(shù)主要由固體材料構(gòu)成，而這些材料的涂布必須在液態(tài)、溶解態(tài)或者汽化態(tài)下進(jìn)行。

然而OLED生產(chǎn)線卻可以由LCD液晶面板生產(chǎn)線改造而來，所以其整體產(chǎn)業(yè)投資卻幾乎是最低的。如果一條已經(jīng)幾乎完善的8.5代LCD生產(chǎn)線轉(zhuǎn)產(chǎn)OLED面板，投資通常在20億美元多一些，遠(yuǎn)低于一條新的8.5代液晶面板線投資。

其次OLED的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，相比液晶要簡(jiǎn)單得多。這樣就說明了如果OLED顯示技術(shù)一旦大規(guī)模應(yīng)用，必然會(huì)在成本上表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。事實(shí)上，OLED顯示技術(shù)在理論看來，也可能是目前為止成本最低的顯示器件。

從各種綜合因素來看，理論上OLED產(chǎn)品在量產(chǎn)時(shí)，成本是有一定優(yōu)勢(shì)的。當(dāng)然，目前OLED還是處于初級(jí)階段，成本依然相當(dāng)高。

現(xiàn)狀

OLED面板產(chǎn)業(yè)鏈比較復(fù)雜，涉及到的零部件、產(chǎn)品多魚龍混雜。OLED產(chǎn)業(yè)鏈包括相關(guān)設(shè)備的制造、上游材料制造、及組裝零部件；中游包括OLED面板的制作和模具組裝；下游包括電腦 顯示器、手機(jī)、電視、車載顯示屏等各種應(yīng)用領(lǐng)域。目前國內(nèi)的OLED產(chǎn)業(yè)鏈主要集中在中游制造環(huán)節(jié)，絕大部分昂貴的上游設(shè)備和原材料尚未實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。隨著國內(nèi)相關(guān) 企業(yè)對(duì)OLED產(chǎn)業(yè)的參與度日趨加深，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈也將逐漸成熟，國內(nèi)的相關(guān)企業(yè)也將迎來絕佳的發(fā)展機(jī)會(huì)。

長遠(yuǎn)來看OLED應(yīng)用前景廣闊，市場(chǎng)增長強(qiáng)勁，在主流的顯示面板技術(shù)中,OLED是繼CRT、LCD之后的第三代顯示技術(shù),目市場(chǎng)正處在快 速發(fā)展的時(shí)期。在下游應(yīng)用方面，OLED屏幕率先在智能手機(jī)、智能手表、VR等小尺寸領(lǐng)域發(fā)力。相比LCD屏幕，OLED屏幕具有纖薄、柔性、色彩豐富等特點(diǎn)，應(yīng)用范圍廣泛。

OLED產(chǎn)業(yè)目前處于高速發(fā)展期，市場(chǎng)前途光明，未來隨著技術(shù)的進(jìn)步，OLED屏幕有望滲透進(jìn)各種應(yīng)用領(lǐng)域。根據(jù)DSCC的測(cè)算，2018年全球OLED產(chǎn)業(yè)的收入達(dá)到了265億美元，應(yīng)用范圍以智能手機(jī)屏幕為主，在電視、智能手表等領(lǐng)域內(nèi)也有應(yīng)用；到2022年，全球OLED產(chǎn)業(yè)的收入將達(dá)到489億美元，復(fù)合年增長率為16%，顯示器、筆記本電腦屏幕、汽車屏幕等領(lǐng)域也將成為OLED面板市場(chǎng)新的增長點(diǎn)。

來源：HIS Markit

在國內(nèi)廠商搶占LCD面板制造市場(chǎng)的背景下，韓國企業(yè)轉(zhuǎn)而發(fā)展OLED面板，經(jīng)過多年的積累，韓國在OLED產(chǎn)業(yè)具有絕對(duì)的領(lǐng)軍地位。從IHS Markit統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)來看，在智能手機(jī)中應(yīng)用的OLED屏市場(chǎng)，尤其是柔性O(shè)LED市場(chǎng)，三星一家獨(dú)大。2017年，三星OLED屏出貨量4.22億片，其中柔性O(shè)LED出貨量為1.5億片。相比之下，國內(nèi)廠商維信諾在2017年只有330萬片的出貨量，京東方、深天馬出貨不到100萬片。

中國是全球最大的消費(fèi)類電子產(chǎn)品市場(chǎng)，因此對(duì)OLED屏幕市場(chǎng)需求巨大，同時(shí)國家也在積極扶持OLED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在政策的扶持和巨大市場(chǎng)需求的背景下，國內(nèi)京東方、華星光電、維信諾等廠家開始加大對(duì)OLED產(chǎn)業(yè)的投入。據(jù)萬聯(lián)證券今年3月份統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)目前在建產(chǎn)線的 總投資額為3285億元，新建產(chǎn)能將在2019-2021年逐漸釋放。根據(jù)IHS Markit的預(yù)測(cè)，2018-2020年我國新增的OLED產(chǎn)量將遠(yuǎn)超日韓兩國，隨著中國企業(yè)對(duì)OLED產(chǎn)業(yè)的深度 參與，到2022年中國OLED手機(jī)屏幕的生產(chǎn)能力將上升到全球產(chǎn)能的34%，未來中國的OLED產(chǎn)業(yè)有望復(fù)制LCD的道路，在全球市場(chǎng)上占據(jù)重要地位。