椭圆型发光二极管(OLED偏光片技术汇总)

Posted 2023-05-30

篇首语：不要以为你的努力可以一劳永逸，权当做你始终一无所有。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了椭圆型发光二极管(OLED偏光片技术汇总)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

椭圆型发光二极管(OLED偏光片技术汇总)

近日，韩国ETNews发表报道，详细介绍了三星显示为推出无偏光OLED显示器所做的努力，他们将其称为POL-LESS OLED，这种结构被称为Color On Encapsulation（COE），有望在今年第三季度的Galaxy Fold 3中使用首批去偏光片AMOLED。

别急别急，介绍这个新技术前，我得先说说OLED这个偏光片的故事。

LCD显示器是一个背光穿透与否的开关，需要背光源及上下偏光片才能产生有效的信息。

而OLED为可发彩色光的发光二极管，不需要背光源也不需要彩色滤光片，就彩色显示而言，OLED结构相对简单许多，一直被认为是完美显示器。

可是为啥还需要偏光片呢？

（注：下文所提的偏振片即偏光片）

背景：AMOLED的光反射问题

原来完美的OLED显示器也有不足的地方，就是外界自然光也会照射到OLED屏幕上，当穿透过封装层之后就会从金属阴极反射回来；

【阴极的材料Mg/Ag厚度很薄，具有半穿半反效果】

因此从阴极出来的反射光会造成很大的成像干扰，降低显示对比度，造成阅读的干扰，暗态不暗。

如下图最右侧图片（实在找不到更好的照片。。。）

OLED面板黑态效果图从左到右：

①一体黑效果；②普通片1/4λ偏光片抗反射的效果；③无偏光片的效果

所以AMOLED显示器所面临的挑战之一，是如何有效抵抗环境光、减少显示方面的干扰？

在OLED外部再加上圆偏振片便是其中一个解决方法。

外界自然光经过线偏光膜、1/4相位延迟片，依次变成线偏振光、圆偏振光；

经过OLED金属阴极反射后，变成旋向相反的圆偏振光；

再经过1/4相位延迟膜，变成振动方向与线偏光膜偏振方向垂直的线偏振光；

线偏振光不能透过，从而抑制了外界环境光的反射干扰。

原理1：圆偏振片的光转换原理

圆偏振片是一种可以生成圆偏振光的光学元件，是由一个线偏振片和一个四分之一波片组成。其中，四分之一波片的快轴相对线偏振片的透射轴方向呈45°。

【四分之一波片有以下特点：产生π/2奇数倍的相位延迟，能使入射线偏振光变为椭圆偏振光。若入射线偏振光的光矢量与波片快慢轴成±45°，将得到圆偏振光。】

圆偏振光是一种特殊的椭圆偏振光，其偏振面相对于传播方向随时间以圆频率w旋转，光矢量末端的轨迹位于一个圆上。

根据光矢量旋转方向的不同，圆偏振光分为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。

>> 迎着光传播方向观察，若光矢量沿着逆时针方向旋转，则为左旋圆偏振光；

>> 迎着光传播方向观察，若光矢量沿着顺时针方向旋转，则为右旋圆偏振光。

圆偏振光可以看作是：

振幅相等、振动方向正交、相位差为±π/2的两个同频率的平面偏振光的合成。

其中相位差为 π/2时为左旋圆偏振光，相位差为-π/2时为右旋圆偏振光。

圆偏振片可使线偏振光与圆偏振光任意转换。

>> 圆偏振片可使任意偏振态的入射光变为圆偏振光。

当任意偏振态的光束从线偏振片一侧入射时，光束经过线偏振片后变为线偏振光，再经过四分之一波片出射为圆偏振光。

>> 圆偏振片可使任意偏振态的入射光变为线偏振光。

当任意偏振态的光束从波片一侧入射时，光束经过波片后变为线偏振光和椭圆偏振光的混合光束，再经过线偏振片后出射为线偏振光，出射光束的偏振方向与线偏振片的透振方向一致。

如果入射光为圆偏振光，且方向与圆偏振片一致时，圆偏振片可直接将圆偏振光转换为线偏振光。

相对比于仅用线偏振片，该过程可保留大部分光能量。

原理2：AMOLED抗反射层相位差的补偿原理

下图说明了OLED采用圆偏光片后的抗反射原理：

经过最外的线偏光片，光源仅剩一半的线性偏振，经过下夹角45˚的1/4λ波长波板可将线性偏振转换至圆偏振光（ex.左旋光）；

当光被金属电极反射后会形成直交的圆偏振光（ex.右旋光），如此虽再经过1/4λ波长波板，

最终偏光呈现与原偏光片透过轴垂直的偏振，无法再出光，外界光就被阻隔在圆偏光片之内。

同时，OLED像素自发光为自然光，经过1/4相位延迟膜后还是自然光

（注：1/4相位延迟膜只对偏振光产生作用）

再经过线偏振膜，最后从屏幕出射的为线偏振光。

可通过转动线偏振片验证OLED发光的偏振状态。

因此，有了这片圆偏振片的遮蔽，即使在太阳光下，OLED显示的信息依然清楚可见。

【特别说明：为了减少线偏振光对人眼的损伤，部分LCD和OLED屏幕还会在最外面再额外加上一片1/4相位延迟膜，将屏幕出射的光变为圆偏振光（实际是椭圆偏振光），这时候转动线偏振片，会发现屏幕发出的光有一定的亮度变化，但不会呈现出亮→暗→亮→暗的循环。】

应用：AMOLED面板圆偏光片技术应用

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，因此只需要常规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，提出需达到整体黑态的要求，这就要求偏光片能够实现全面隔断外界可见光谱，才能达到一体黑的效果。

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。

目前圆偏光片是以1/4波长相位膜与传统偏光片结合成的抗反射片。

为有效提升对比，1/4波长相位膜是关键材料，原因在于环境光的波长范围，能涵盖可见光区的宽波域1/4波长相位膜才是首选。

三星智能型手机Galaxy系列皆使用AMOLED面板，从第一代产品Galaxy S开始，这一整个系列面板，评估选择的偏光片所需搭配之宽波域补偿膜，因成本问题与补偿效果之间存在着角力拉锯。

在Galaxy系列产品被导入的宽波域补偿膜有WR Film（帝人）、1/2λ Film 1/4λFilm (Zeon)、RM Film（帝人）、Amond Film(Kanaka)。

其中，在颜色补偿表现上仅1/2λFilm 1/4λ Film达到三星需求目标，其余皆有暗态(Real Black)不足问题，但1/2λ Film 1/4λ Film的价格为其他宽波域补偿膜之1.3~1.6倍，对于AMOLED产品将是不小的负担。

三星Galaxy系列偏光片所搭配之宽波域补偿膜结构

因环境光的波长范围涵盖极宽，因此首选的1/4波长相位膜至少要能涵盖大部分的可见光区。

不过目前皆以对应单波长的1/4波长相位膜为大宗，而违反自然定律的宽波域(Wideband) 1/4波长相位补偿膜因着必须有特殊设计而奇货可居，价格更是居高不下。

因此，虽然在三星主导的AMOLED产品中，以1/2λ 1/4λ延伸型相位差膜迭层的方式补偿效果最好，但相对厚度及成本都相当可观。

最终，业界将在高对比度、薄型与价格间作取舍。

液晶涂布型相位差补偿膜技术发展多年，以日本大厂最积极投入研究，透过分子的操控，具有可调的光学补偿特性、可任意调整光轴、且厚度薄、成本低等优点，期望在不久的将来有更突破性的发展。

AMOLED偏光片用之宽波域补偿膜发展方向包括：

Real Black

薄型化

透明导电功能

能开发出拥有市场需求功能之宽波域补偿膜，并且顾及价格成本，将会胜出，成为大赢家。

因此，开发出与1/2λ Film 1/4λ Film补偿膜同等补偿效果之宽波域1/4λ Film，且价格优于1/2λ Film 1/4λ Film，有其利基及市场急迫性。

工艺：宽波域补偿膜工艺技术的开发

目前市面上宽波域补偿膜产品工艺有:

延伸型：为主流工艺，基材为PC、COP等。

液晶涂布型：市场尚未出现液晶涂布型宽波域补偿膜，然而许多知名日本大厂正积极开发中，如富士、DNP、日东电工等，1/2λ 1/4λ双层液晶涂布方式、液晶涂布转写方式等皆在开发中。

下表为目前宽波域补偿膜商品及现况（如果更新可联系我们）

延伸型相位差补偿膜

将溶融押出后的COP树脂，先进行纵向延伸，再进行横向延伸，一次制程便能制造出双光轴相位差膜，用于补偿VA模式大尺寸液晶电视的视角。

然而，此技术的困难点在于膜厚的控制，目前ZEON所开发的双光轴相位差膜，膜厚误差仅±0.5%。

溶融押出法示意图

ZEON开发的逐次二轴延伸技术

同时，延伸后的相位差膜幅宽等同偏光片，可以与偏光片直接进行卷对卷贴合，不但可以精简制程，同时可以省去偏光片的保护膜及中间资材等，大幅节省成本并提高良率。

一般光学膜，透明树脂膜延伸的方向即为分子配列的方向，但因为目前手持式装置在设计上，其相位差膜分子配列方向与偏光片的透过轴方向需有一定的夹角。

因此，主流的方式是先将相位差膜以特定角度裁切后，再以片式的方式与偏光片贴合。

一般相位差膜与使用斜向延伸相位差膜之偏光片制程比较

此方式不但费工，而且裁切后剩余的部分便成为无法再利用的废料，膜的利用效率变差，同时成本也会提高。

因此，若能在膜延伸时，即以所设定的角度斜向延伸，则可以和偏光片进行卷对卷贴合，可以减少工数及膜的浪费。

斜向延伸的困难点在于一般纵向延伸时，膜的幅方向产生的应力是左右对称的，然而，进行斜向延伸的话，幅方向产生的应力左右会有差别，如此会造成幅方向厚度及光学特性（配向角，Re）不均一。

因此，ZEON由延伸机的改造做起：

逐步调整押出机涂头唇嘴的开度、树脂押出流量、冷却滚轮的速度、温度以及Edge Pin-ning等参数，才成功开发出业界最先进的斜向延伸制程。

并在2011年底建置斜向延伸专用制造线，正式迈入量产。

ZEON斜向延伸用 (a)押出成形机 (b)斜向延伸机

由于斜向延伸，膜的分子配列方向可以配合偏光片透过轴的方向改变，因此便可以实施卷对卷贴合，如此一来，材料的减少、制程的减少、超薄型偏光片都成为可能。

斜向延伸相位差膜（ZEON之ZD系列）目前可应用于AMOLED、中小型VA LCD、3D电视等。用于行动装置上，可兼具反射防止、提高对比度，以及液晶光学补偿的作用，因具有反射防止的机能，也可应用于数字电子广告牌(Digital Signage)。

目前ZEON斜向延伸相位差膜在行动装置使用的市占率约70%。

此外，斜向延伸膜还可以应用于3D电视，即使眼睛不与画面呈水平，甚至是躺卧着看，也能享受到鲜明的三维效果。

虽然ZEON在相位差膜的押出、延伸上拥有优异的技术，然而，

由于一般单一光轴材料双折射率Δn > 0时，其吸收极大波长会在长波长侧，

因此在可见光范围之折射率分布为正斜率，造成其相位差膜大多为窄波域(Narrow Band)，仅在波长550nm附近可将光完全转换成另一个偏振态。

因此，暗态时部分的光会损失，用于AMOLED时，显示器的对比会降低并发生漏光和色差。

所以AMOLED用的圆偏光片如欲得到较佳的补偿效果，便需要具有理想相位值的宽波域1/4λ相位差补偿膜：一般必须利用两层以上之相位差膜进行加成削减。

例如多相位差膜堆栈方式：

折射率分布差异不大(Flat Dis-persion)材料做成1/2λ波板，再与窄波域正常分布(Normal Dispersion) 的1/4λ波板，以直交或非直交的方向堆栈，Re值相减后，便可对光波长形成一近似理想线性的关系，可有效提升圆偏光在暗态的遮蔽情形。

一般单一光轴材料相位差分布

日东与住友皆是利用此法制成宽波域相位差膜。

以a-PO (Amorphous Polyolefin)材料为例，做成一层λ/2波板与一层1/4λ波板堆栈成的宽波域相位差膜，其相位差分布最接近理想值。

多层a-PO材料堆栈之相位差分布

相对于上述几种相位差膜利用光学设计的方式堆栈，帝人化成则是由树脂材料着手：

开发出具有正、负双折射率分散性的构成单元体(Segment Unit)，依体积分率调整形成共聚合物(Copolymer)或混合聚合物(Blend Polymer)，以单轴延伸方式配向高分子链，形成单层宽波域1/4λ相位差膜。

下表为帝人化成在专利中发表的结构

制膜法可采用溶融押出法或溶液浇铸法，拉伸则可采横向/纵向单轴拉伸，制法简单。

帝人化成数个系列产品之相位差分布

图为帝人化成数个系列产品的相位差对波长关系。

其中WR-S、WR-W及RM型均为宽波域产品。

单层宽波域1/4λ相位差膜的优点在于可以节省成本、重量及厚度，在目前手持式行动装置应用上，是业界极力追求的目标。

因此，三星Galaxy S及S4产品均采用了帝人化成宽波域1/4λ相位差膜搭配偏光片，以提高AMOLED面板的对比。

液晶涂布型相位差补偿膜

以延伸法制作相位差补偿膜时，高分子材料因热延伸导致的裂解再配列，会使折射率减小，所以想要获得理想的相位延迟值，商品化的膜厚度会增加，然而膜厚度的增加又会引起光的损耗。

而液晶分子本身具有双折射率的特性且液晶折射率大，所需厚度较薄，并且可用配向方式调整任意角度以搭配偏光片轴向，减少废料，降低对贴难度及成本。

因此，许多知名日本大厂正积极开发中。例如日东电工便提出一种可应用在AMOLED面板的宽波域、宽视角薄型椭圆偏光片。

如表四所示：分别利用1/2λ液晶涂布膜 1/4λ液晶涂布膜的组合及1/2λ液晶涂布膜 1/4λ延伸膜的组合为宽波域椭圆偏光片。

日东电工所提AMOLED用宽波域、宽视角薄型椭圆偏光片

另外，为了得到宽波域相位延迟片，常需要将两片聚合液晶膜以特定的角度贴合。

因此必须先裁切成小片，再将小片对贴。

但因轴向角度不容易对位，贴合后的膜片常有质量不良、生产率下降等问题，造成生产成本增加。

为了解决此问题，Fu-jifilm提出利用一种液晶组合物如下表所示，即可达到宽波域波长分布的专利，类似帝人化成单膜宽波域的概念。

Fujifilm一种液晶组合物，即可达到宽波域波长分布的专利

涂布液晶组合物于配向层上，配向层的角度可视需求定义，以一般涂布方式（例如线棒涂布法、挤出涂布法、直接凹版涂布法、反向凹版涂布法及模涂法）涂布液晶溶液后，再以UV光固化，制程相当简便快速。

成品即为单膜宽波域1/4λ相位差膜，而且可以随偏光片的需求调整相位差膜的光轴角度，有利于卷对卷贴合制程。

下文用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。

不同材料反射率对比图

实际效果图

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，下图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。

不同材料反射率Ｒt和透过率Ｔt对比图

随着OLED向薄型化和柔性化发展，厚度只有2～10微米的液晶补偿膜将会成为其最大的优势，将会成为OLED偏光片未来的主要发展方向。

发展：OLED圆偏光片的发展总结

理想的AMOLED用圆偏光片，应具备：

在可见光波长范围内有高穿透度、补偿膜与线偏振光匹配良好、可以实施高量产性之卷对卷贴合、低材料成本等条件，

才能将AMOLED显示器的整体表现再往上提升。

目前搭配偏光片的宽波域1/4λ相位补偿膜有延伸型及涂布型两种方式，由于延伸型多属窄波域，须以迭层的方式来达到宽波域的要求，因此，其厚度目前仍无法小于50 μm，售价也居高不下，不利于未来行动装置薄型化的趋势。至于单层宽波域的产品，其暗态补偿的效果目前还无法完全赶上迭层的作法。

OLED显示设备正快速的向曲面和柔性方向发展，因此，业界极需暗态完美补偿，满足曲面柔性，薄型且价格具竞争力的产品。

液晶涂布型相位差补偿膜目前技术发展虽还未成熟，但因其光学补偿特性佳且易于调整，厚度薄相对地成本也可降低，同时，透过斜向配向液晶即可达成如同斜向延伸的效果，大大降低制程难度，亦可以实现与偏光片卷对卷贴合，进一步降低成本。

许多日本大厂正积极投入研究，足见液晶涂布型相位差补偿膜技术将是极具潜力的明日之星，可望在不久的将来推出满足业界需求的产品。

创新：OLED去偏光片黑科技-COE工艺AMOLED中的圆偏光片用于减少反射。虽然它在减少反射方面做得很出色，但是却将显示厚度增加了50µm至100µm，并降低了亮度。

尤其是在可折叠显示阶段，不管是偏光层还是补偿层的存在，都极大的影响了OLED产品的折叠性能，所以彻底解决OLED的反射光干扰，去掉所谓的偏光片和补偿层，就成了OLED面板企业研究的重要课题。

在可折叠OLED开发的COE技术就是，去除圆偏光片并形成小于5µm的薄滤色器结构以替代此功能，将显著减少约20%的显示器厚度并提升亮度，面板供应商也能更好地控制其成本结构。

Color On Encapsulation（COE）,顾名思义，就是在封装层外面再做一层Color Fliter。

OLED结构整体变化如下：

去除偏光片需要增加一层彩色滤光片并更换PDL材料，包含：

黑色不透明的像素定义材料（PDL），优点是可以降低圆偏光片反射光，提高对比度；

新加滤色片

新加黑色矩阵

新加平坦化层

PDL是TFT工艺中位于OLED层下面的最后一个掩模。它是一个相对较厚的层，用于定义每个子像素OLED开口，以便OLED颜色不会相互干扰。更换为黑色PDL可以吸收上方的光线，同时阻挡下方的TFT金属反光。

日本东丽被认为在PDL材料中拥有最高的市场份额，其材料通常是透明的。Neolux则研发了一款黑色PDL材料, SDC正在评估。

在OLED图层上方的彩色滤光片和黑矩阵图案将是改善反射的主要方式。

上面所提的材料里面BM和PDL都是黑色有机材料，也是去除偏光片后抑制反射率的关键材料。匹配的材料开发是当前的重点。BM需要能够把吸收外部光线，同时也要阻挡内部不必要的光线漏出，原理很简单，就是在有机膜里添加黑色色粉，让其吸收光线。一般的BM都有掺杂碳黑材料，具有一定导电性能，放置在OLED表面封装层外侧，让其与OLED显示层完全隔离开来，也能有效避免材料绝缘性不佳难题。

但是PDL材料变更对底下TFT器件以及上方OLED器件的影响也是必须要关注的部分，同时不同层的图形化干涉风险也是可能需要克服的问题。

当然除了材料开发，为使这一新工艺实现商业化，还需要克服例如产能，良率等的挑战。新技术增加了制造工艺的复杂程度，预计还需要另外五道光罩来添加BM、RGB彩色滤光片和OC层。此外，由于低温与保护底层的要求，导致与这些步骤相关联的生产速度较慢，这将导致在曝光设备上的巨额资本支出，随着工艺步骤数量的增加，良率降低，产量降低的风险也进一步提高。

当然该技术开发成功的好处也是显而易见：

作为替代偏光片技术中的一种，能将抗反射层（原本为圆偏光片）厚度大幅减少90%以上，因此非常有利于应用在极小内弯半径可折叠AMOLED技术中。

由于相同颜色的OLED和CF正对，因此具有很高的透过率，预计将亮度提高了20％至30％，高透过率可以大大降低功耗，如果将COE和LTPO结合使用可减少30％以上的功耗，从而提升电池的使用寿命，并且可以潜在提升OLED器件的寿命。

制程方面，采用成熟的半导体曝光工艺即可实现大规模生产。

成本上，需要对比材料成本与制程良率的部分进行平衡。

当然我们可能会想，为什么以前不采用这种技术?

主要是因为OLED本身的良率就较低，如果在制程中继续增加类似BM这样的湿制程工序，对OLED器件的可靠性能破坏性很大，在拉低产线良率的同时，成本也会大幅上升。

实际上三星显示仍然在攻克直接对金属导电电路直接进行黑化的技术。

这种金属线路直接黑化技术最早由日本LCD厂商提出并使用，如松下就曾直接在金属线路上增加黑色绝缘钝化层制作高性能的超黑LCD显示屏，

另外索尼则把类似的技术用在了影像传感器的CMOS相素感应电路上，以增强相机输出的色彩纯正性与对比度。

三星显示预计在下一代的可折叠OLED显示屏上采用金属线路黑化技术，同样配合COE技术，采用类似BM排版方式，把RGB发光相素给独立隔离开来，在不发光的区域实现纯黑底色的同时，大幅度消除发光显示区域来自外界环境光的反射光。

如果在今年第三季度用于Galaxy Fold 3的生产，并可能在可卷曲和柔性OLED上使用，这也代表了三星显示器在竞争中脱颖而出的另一种方式。

面对这一趋势，对偏光片供应商而言，日本日东是SDC在目前可折叠AMOLED上的首选选择，尽管它的可折叠产品的数量仍然相对较小，但日本日东仍面临最直接的风险。如果这一过程在其他柔性显示器上逐步实施，作为三星和苹果公司SDC柔性OLED的主要供应商的住友化学也将面临较大风险。

文章来源：海基科技