03.01 OLED用偏光片的研究进展

作者:马佳春,李铭全(佛山纬达光电材料有限公司)

引 言

OLED(Organic light-emitting diode)也称为有机发光二极管,其和目前市场主流的LCD显示技术最大的区别就是通过有机材料自发光控制显示的信息｡OLED具有全固态､主动发光､超高对比､超薄､低功耗､无视角限制､易于实现柔性显示和3D显示等诸多特点,将成为未来20年最具“钱景”的显示技术｡本文简述了OLED用偏光片材料的进展,对面板生产中的关键材料偏光片的效用,以及随着OLED研发技术及应用的发展,对偏光片的需求趋势做了讨论｡

1.OLED用偏光片的发展历程

目前,市场上偏光片生产使用量最大的原材料是TAC膜,而为了达到特定的光学效果,综合成本等因素,市场已经使用PET､COP､PMMA 等材料去取代一部分TAC材料｡在OLED 使用的产品中,对于其核心的PVA部分,日东在IPHONE6中已开始使用PVA涂布的方式来实现5μm 的偏光子｡

目前OLED的发光材料寿命最短的是蓝光部分,日本的Masaya Adachi等提出了BECP的概念,通过在圆偏光片内层增加一层胆固醇液晶以实现OLED蓝光部分的透出效率提升近50%,而整体的OLED耗能可以降低17%｡

2012年,Norio Koma等研究人员提出:在偏光片的外层增加光致变色可用来提升产品在室外阳光下显示的对比度｡

OLED面板中的有机功能层和电极对空气中的氧气和水很敏感,接触后容易使得OLED面板遭到腐蚀而降低寿命｡2014年,和辉光电申请的一份关于“用于柔性OLED屏幕的偏光片专利”里面提到:为了进一步降低偏光片的反射光,及提升对水汽和氧气的阻隔能力,其在圆偏光片的下方增加了散射层和阻隔层｡

2014年,台湾工研院的彭梅织等人联合发表了关于AMOLED用的补偿膜技术的研究成果,其中提到了目前业界有两种工艺生产的补偿膜,一种是延伸工艺,另一种是液晶涂布的方式｡目前延伸工艺大多是窄波长范围的补偿,要实现宽波长范围的补偿则需要通过多层膜堆叠来实现｡而液晶涂布产品的光学特性易于调整,且可以实现更薄的补偿方式,业界巨头日东电工､富士和DNP都已投入开发｡

2016年8月,台湾工研院在触控面板暨光学膜制程､设备､材料展览会上发布了采用全涂布方式制造的圆偏光片,总厚度只有30μm,更耐高达100℃的制程,通过了3mm 曲率10万次挠曲测试,可率先应用在可挠曲OLED产品中｡

2016年12月7日至9日在日本福冈开幕的IDW 显示大器国际会议上,友达光电(AUO)展示了双向可折叠AMOLED显示屏,内部和外部显示器均可弯曲180度｡

OLED偏光片的基本结构分为偏光部分(偏光片)和1/4λ功能性补偿部分(1/4λ波片)｡偏光片最理想的状态需要偏光度>99.9%,透过率达到45%以上,而1/4λ补偿部分要求可见光区全波长进行补偿｡

目前,业界常规达到理想状况的高偏高透的偏光片的光学参数是偏光度>99.9%,而透过率在43%左右｡近期OLED的发光寿命问题已经得到了改善,从过去的5 000h达到了50 000h,但是从OLED的节能角度来看还是需要更高的透过率,考虑到OLED的发光效率和寿命的平衡问题,透过率在基本满足一体黑的情况下需要尽可能的提高,目前业内已有对偏光度做出调整以实现更高透过率的成功先例｡

3.OLED用偏光片的功能要求

OLED用偏光片的功能要求分三个方面:

可弯曲要求:为配合OLED 面板的可绕曲性能,OLED用的圆偏光片需要足够薄,而且具有一定的可弯折性能｡业界目前对可弯曲部分的需求基本是需要达到60~70μm之间,在弯折性能方面需要能够在2mm曲率条件下完成10万次测试｡

可靠性要求:OLED显示面板的应用目前已经涵盖了从消费类产品到工控车载类产品,LG和汽车厂商合作把OLED面板导入到汽车产品中｡由于偏光片是处于最外层部分,所以对于其耐高温和耐温湿性能都要求达到车载产品的标准,如满足高温95℃*500hrs,温湿5℃*93%*500hrs等条件｡产品在经过此类严苛测试后,需要保证其光学变化少于3%,而且不可出现气泡､分层或者剥离现象｡

防刮性能要求:考虑到用户直接接触到偏光片的表面,若没有硬化处理,表面容易出现划痕而影响屏幕显示,故表面需要有硬化处理,同时要达到一定的耐摩擦要求｡

4.OLED用偏光片的效用

OLED显示面板本身是自发光的显示模式,但是当外界光源照射到OLED的金属电极上反射回来,就会在OLED的显示屏表面造成反射光干扰,降低对比度｡因此,在OLED的结构设计(如图1)中,会在外层放有一层带1/4λ波片的偏光片来阻隔外界光的反射,以确保屏幕保持较高的对比度｡早期的PMOLED产品只有单色､双色等,对于偏光片的要求只是单纯降低外界反射光,并没有对其提出需达到整体黑态的要求｡当时使用的偏光片只需要一般Polarizer搭配1/4λ波片就可以满足需求｡而到了现在AMOLED的阶段,产品已经是全彩色,而且对比度达到了10000∶1以上,这就要求偏光片能够实现全面隔断外界可见光谱,从而达到一体黑的效果｡从图2可以看出搭配偏光片前后的OLED呈现出的暗态效果的差别｡

另一方面,为取得更佳的一体黑效果,全可见光谱反射率需要足够低､且不会有特别的色光显示出来,在使用足够偏光度的偏光片的同时需要搭配理想的全可见光谱的1/4λ材料｡按照业界早期对不同材料的位相差光谱的分析,大部分材料都是正波长分布｡图3为一般单一光轴材料位相差分布情况,其中APO材料的分布最为理想,而进一步通过1/4λ和1/2λ的A-PO材料的叠加可以得到更接近理想状态的1/4λ材料———也就是逆波长分布｡图4为多层a-PO 材料叠加位相差分布图｡本文用PC､COP和液晶这三种目前最常用的补偿材料搭配偏光片做了一个实际对比测试｡理论上来说反射率越低,一体黑的效果越好｡从数据对比结果来看,COP补偿膜一体黑效果最好｡而从实际效果来看,也是COP补偿膜的一体黑效果最好｡但如果结合透过率来考虑(使用相同的偏光片,透过率是45.2%),贴合液晶补偿膜､PC补偿膜和COP补偿膜后,得到图7为不同补偿材料反射率Rt和透过率Tt对比图,可以看出:液晶补偿膜对贴合后的整体透过率基本没有影响,而PC补偿膜和COP补偿膜对贴合后的整体透过率均有影响｡随着OLED向薄型化和柔性化发展,厚度只有2~10μm 的液晶补偿膜将会成为其最大的优势｡所以,综合以上评价,液晶补偿膜将会成为OLED偏光片未来的主要发展方向｡OLED显示设备正快速的向曲面和柔性方向发展｡为满足曲面和柔性的要求,与其搭配的OLED用偏光片也会向薄型化和柔性化方向发展｡

5.OLED用偏光片市场预测

市场研究机构UBI Research表示,2017年第一季度AMOLED收入达43.1亿美元,较去年同期增长15%｡数量方面,一季度AMOLED面板出货9910万片,同比增长9%｡由此可以看出,面板单价有所上涨,这或许是因为绝大部分的增长是来自高端柔性AMOLED显示屏和大尺寸OLED电视面板｡UBI预计,未来几个季度内,将有超1 亿片AMOLED面板出货,OLED 电视面板将超30万片｡AMOLED 市场将以33%的复合年增长率增长,到2020年将达593亿美元,见图8｡

到2020年将达593亿美元,见图8｡未来几年内柔性曲面显示设备市场预计将强势增长｡据行业研究机构Touch Display Research的市场分析师预测,2023年柔性和曲面显示器将占据全球设备市场16%的份额｡

6.结束语

现在的OLED屏幕的光学性能在不断提升,能够在实现平衡透光效果的同时实现一体黑的效果,这就要求偏光片的光学性能发挥到极致｡一方面为满足AMOLED实现更高的光学性能,兼顾一体黑效果和产品的透光率,另一方面为了适应未来柔性显示化的需求,业界在不断的研发改进,通过使用新方式､新材料来进一步降低偏光片的厚度｡从最早的TAC基材到COP,PMMA,PVA的采用,延伸方式也从无载体的湿式延伸到日东发布的在载体上延伸,一切都是为了达到更薄化的效果｡同时,补偿膜已经进一步从PC,COP,到LC逐步变化,以实现在一体黑化的同时整体厚度进一步降低｡