文/IHS Markit 李耘
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AMOLED市场展望
虽然增长势头不达2017年的预期, 但是在各大面板生产商和终端厂的努力下, AMOLED屏幕逐步地在手机和电视端进行渗透同时, 也在慢慢地开发了如车载显示等众多的新兴市场。可见, 随着AMOLED技术的进一步成熟, AMOLED 的市场份额会得到进一步的扩展。
根据IHS Markit的预测, 携带AMOLED显示屏的器件在2022年出货会达到7.5亿台。其中手机端的AMOLED屏幕出货占总体AMOLED屏幕器件出货量的92%以上。
AMOLED市场的兴起也反映在显示屏设备的投资市场上。得力于2016-2017年的中韩面板厂商对AMOLED和LCD大幅度的投资, 设备生产厂商的收益在2017年达到了历史最高。但是进入2018年后, LCD端设备因为整体市场产能趋于饱和和产能扩展的放缓, 所以LCD端的设备投资会逐渐放缓。于此同时AMOLED的投资也逐渐的放缓, 从而使得整体仪器设备供应收入市场从2017年开始逐步下滑。在下滑期间, 设备厂商的收益组成和2017年不同。在2017年设备厂商收益大部分来自于新增产线项目。
而进入2018年, 设备生产厂的收入来源主要会被分为三块:
一部分收入来源于现有在建工程的订单: 不少规划于2016和2017的工厂其还在建设和产能扩充期。设备厂商可以依靠之前在这些项目内拿到的PO订单来维持收入。
一部分收入来源于新增项目。虽然进入2018年, 不少面板生产厂对其产能扩张计划都存在不同程度的放缓。但是部分中国厂商依然持续的在进行产能的扩增。这部分新增的产能会给予设备生产厂商额外的收入来源。
最后一部分来自于AMOLED产线的改造。虽然中小尺寸的AMOLED产能扩张逐渐放缓, 但是随着一些LCD Gen 8 代线的转型和改建, 市场上也出现了更多的设备需求。但是因为在大尺寸AMOLED面板制作所采用的是WOLED + Oxide TFT技术, 且Oxide TFT和a-Si TFT的设备组成相似。所以在产线改造中, 更多的设备需求是来自于蒸镀段, 而不是前段。
虽然就现阶段而言, 韩系面板厂利用其较好的成本控制和生产技术优势在中小尺寸和大尺寸OLED屏幕的市场上都占有接近垄断的地位。但是随着中国面板厂商对AMOLED技术上投资的逐渐加码, 以及中国政府补贴的增强, 中国面板厂商和韩系生产厂之间的技术和成本差距也会逐渐的减小, 从而使得未来在AMOLED面板产业呈现百家争鸣的现象。
现有主流的AMOLED生产技术还是以蒸镀技术为主, 并依托于蒸镀机、蒸发源和掩模板(FMM or OPM)等设备完成器件的制作。以下将对现有蒸镀技术进行简要讨论。
蒸镀技术简介
无论是用于中小尺寸运用场景的RGB分色 AMOLED显示屏或者是用于大尺寸运用场景的WOLED显示屏, 其制作工艺还是真空蒸镀技术。所以在这些器件中, 如HIL、HTL、EML(R & G & B等颜色)、ETL、EIL、 Cathode和Charge Generation Layer等功能层还是采用真空蒸镀方式、连续地沉积在TFT基板之上。
由于工艺参杂的需要和为了避免交叉污染, 不同的功能层需要在不同的蒸镀机腔体内蒸镀, 同时在蒸镀完成后通过机械手将基板在不同的腔体之间进行转移。
在显示器面板生产中, 材料成膜方式可以大致的分为PVD物理气象沉积方法(Physical Vapor Deposition)和CVD化学气象沉积方法(Chemical Vapor Deposition)。而蒸镀技术是物理气象沉积方法的一种。
和CVD技术不同, 作为PVD技术之一的真空蒸镀在成膜的过程中具有以下几个特点:
需要使用固态的或者熔化态的物质作为沉积过程的蒸发源。
薄膜沉积时, 蒸发源物质要经过物理蒸发过程进入气相。
在蒸发成膜时, 气相分子的运动路径近似为一条直线。
在沉底和基板上成膜时, 蒸发源的气相物质在沉积时不发生化学反应。
和同属于PVD方式的溅射成膜法相比, 蒸镀技术还需要更高的真空度来增加其气态分子的平均自由程。但是蒸镀技术的薄膜沉积速度较高且薄膜纯度较好。
蒸镀的原理基本上可以简化为材料受热升华, 其后再在较冷的基板上再沉积的一个过程。当材料被加热分离时,每单位蒸馏面积单位时间(m2s)内蒸发的分子数J和为蒸汽压强、材料的分子质量M和温度T呈现一定的正比关系。 由此可见, 随着蒸汽压的增加, 沉积速度也在增加。同时温度T亦是决定蒸发速率大小的一个重要因素。
蒸镀腔内有蒸镀源、张网机、玻璃基板和冷却板等设备。在进行有机薄膜蒸镀时, 需要先将带有TFT的基板进行反转, 其后通过张网机将Mask和基板对齐, 再将蒸镀源打开对基板进行蒸镀。
在整个蒸镀系统中, 蒸镀机、掩模板和蒸镀源都由不同的设备供应厂商来进行供应。在中小尺寸AMOLED面板产线中采用最多蒸镀机是日本Cannon Tokki, 而FMM的主要供应商为DNP和Darwin等。在蒸镀机市场而言, 虽然Cannon Tokki还是面板厂首选蒸镀机供应商, 其他蒸镀机设备厂如Ulvac等也在积极尝试进入这一市场。与此同时, FMM技术为AMOLED蒸镀技术的核心技术之一, 近年来一些中国厂商也在FMM技术上增大了投资和布局。比如上海和辉光电在上海Gen 4.5厂区已经建立了自己的FMM研究生产产线。
蒸发源简介
蒸发源是另一个蒸镀技术的核心部件。根据蒸发的材料蒸发时物质相态的不同, 可以大致将蒸发材料分为:
熔化型材料( melting - type material): 一般熔化型材料都为金属。该类型材料在蒸发时会先熔化, 即当温度达到熔点时, 其平衡蒸气压也低于10-1 Pa。
升华型材料(sublimation - type material): 对于升华型材料而言, 其材料的蒸发不必经历熔化过程而时直接升华。该种物质在加热低于熔点时, 平衡蒸气压已经相对较高。常见的集中材料为Cr、Ti、Mo、Fe、Si。对于OLED而言, 其大部分所采用的材料都是小分子有机物, 则都为升华型材料。
从纯学术的角度来看, 理论上的蒸发源有三种:
自由蒸发源: 其蒸发速率不仅仅取决于物质的平衡蒸汽压Pe, 还和蒸发物质的实际分压Ph有关。
克努森蒸发源(Knudsen Cell) : 该类型蒸发源特点是蒸发面积小、蒸发速率低、蒸发束流方向性好, 且温度、蒸发速率等可以准确控制。
坩埚蒸发源: 该类型蒸发速率可控性介于上面两种蒸发源之间。一般小型实验室会采用该类型的蒸发源。
假设蒸发源和基板的距离为r。则简单的来说, 普通自由蒸发源在蒸发的过程中薄膜沉积速率和蒸发源到基板的距离r2成反比, 且受到衬底和蒸发源之间方向夹角θ的影响。当θ =0且r较小时, 沉底与蒸发源距离较近, 沉积速率大。而在克努森蒸发源中, 材料的蒸发遵从Knudsen 余弦定律, 即在Φ角上的材料质量和cosΦ 成正比, 由此通过该类型蒸发源蒸发出来的物质束流具有较强的方向性和可控制性。
得利于良好的物质束流方向性和蒸发的可控制性, 克努森蒸发源被大量的运用的高精度的蒸镀生产中。如果为了得到更好的材料厚度和均匀性, 装配了克努森蒸发源的蒸镀装置也还可以进一步通过增大靶材-源距离(Target Source Distance. T/S)、转动基板和将蒸发源和基板表面置于同一个圆周上等方式提高薄膜的沉积均匀性。
以上为从纯理论角度对蒸发源的分类。但是从显示行业生产来看, 蒸发源根据其宏观形状的不同可以分为:
点源(Point Source): 主要为单个Knudsen Cell。其设备设计时, 需要在蒸镀均匀性、Source和基板距离、off-axis location、材料利用率、沉积速率等参数之间寻找最理想的工艺窗口。
线源(Line Source): 主要为并联的Knudsen Cell, 其技术特点是蒸发源或基板在蒸镀是进行移动。与Point Source相比, 因为有更小的Source与基板间距、更好的沉积均匀性和更好的材料利用率, 理论上线源有更好的沉积效果。根据加热装置Heater的位置不同, Line Source 又可以进一步分为Top Heater 和Side Heater型。
面源(Planar/Area Source)以及其延伸技术: 和Line Source和Point Source 不同, 该技术特点是先将OLED材料蒸发到一个平面Substrate, 其后再将面上的OLED材料蒸发到目标基板上。与其他蒸发结构相比, 该结构的设备设计更加简单, 且理论上其制作AMOLED器件时Dead Zone/Shadow Area的区域会更小。但是因为其需要先将材料蒸发到一中介平面, 所以工艺步骤会更加的复杂。该技术暂时还未能进入产线进行运用。
未来OLED生产技术发展
虽然通过用蒸镀的方式来制作AMOLED技术成熟, 且已经得到大规模的应用。但是该AMOLED技术依然有其局限性, 且OLED显示屏生产技术还拥有广阔的革新空间。其中一个OLED生产技术革新的发展方向是印刷OLED制程。
印刷OLED技术和传统的AMOLED蒸镀技术相比, 印刷OLED技术存在以下几个优点:
不逊于统的AMOLED蒸镀技术的显示效果: 现阶段通过加入隔断层的方式, 印刷OLED已经实现了400 PPI AMOLED 的demo。随着技术的进一步进步, 印刷OLED理论上可以实现500 PPI 左右AMOLED 器件的制作。该分辨率已经达到现有中小尺寸显示屏幕运用场景的需要。和现有蒸镀的AMOLED Pentile像素排列不同, 加入隔断层的印刷OLED器件中每个像素内都拥有独立的RGB三色子像素。这代表了在同样的白光显示场景下, 用印刷OLED制作的器件其能耗更低的同时使用寿命会略长于蒸镀的器件。于此同时, 通过将同像素内切同颜色像素进一步切割并独立点亮, 使得在低亮度条件下采取PWM调光时分割后各单色子像素可以独立交叉点亮和插黑实现灰度显示。通过该方法理论上可以减少现有小尺寸AMOLED面板在低亮度条件下采用PWM插黑导致人眼不舒服问题。
更低的生产成本: 和传统的AMOLED蒸镀技术相比, 印刷OLED技术在于对于设备和耗材上面的成本控制更优。理论上印刷打印机的价格低于Cannon Tokki蒸镀机的价格。同时打印时只需要Photo mask制作一个储墨Bank层, 而不需要大量的FMM, 同时材料利用率可以提高的90% - 95%。如果印刷OLED能达到传统AMOLED蒸镀技术的良率的话, 印刷AMOLED的产品更有成本优势。
更低的技术壁垒和弯道超车的机会: 虽然在政策的支持下, 各个面板厂商在AMOLED行业内展开了积极的布局且取得了不错的成绩。但是和行业领头者相比, 国内面板厂商在技术实力和上下游原材料控制等方面还存在不少的差距。对于行业领导者在设备和材料上提前布局并设下壁垒, 无疑增加了中国厂商在AMOLED市场竞争的难度。相对于韩国厂商在传统AMOLED蒸镀技术长期的浸染不同, 印刷OLED相对而言还是一个新兴的领域。其上下游原材料供应、器件结构和像素布局等方面都存在很大的机会空间和较低的进入壁垒。随着印刷OLED技术的进一步发展, 其无疑会成为中国面板厂商在显示技术上进行追赶和超越的一个机遇。
虽然印刷显示拥有众多潜在的优点, 但是该技术还在研发阶段。全球来看, 在印刷显示技术上投入研发力量的单位主要有韩国三星和LG、日本JOLED、中国大陆的BOE合肥卓印、华星光电和聚华印刷显示等。虽然各家都在印刷显示技术上进行了大量的投入, 但是该技术略长的工艺流程、较低的器件寿命和复杂的干燥工艺暂时制约了其在大规模量产中的使用。 但随着印刷显示技术的发展和这些技术难点的逐一克服, 印刷OLED有望部分替代蒸镀技术, 从而进一步加大AMOLED对传统LCD显示市场的渗透。
匿名