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OLED照明的發展正日益茁壯。由於OLED照明具有平坦式發光,且不傷眼的優勢,因而吸引面板、材料和設備業者相繼投入發展,並積極研發新材料、設備與製程方案,期待克服材料劣化與大尺寸發展挑戰,進而瓜分照明市場龐大商機。
有機發光二極體(OLED)在2009年僅有5億美元市場規模,但後續幾年卻不斷吸引業者投入資金發展,著實耐人尋味。事實上,OLED之所以掀起開發熱潮,部分原因是可用在手機螢幕上,如三星(Samsung)Galaxy系列產品;手機螢幕的導入助長OLED營收於2011年攀升至30億美元,並於2012年達到60億美元。
除手機螢幕外,照明亦是OLED另一個極有潛力的應用,雖目前OLED照明只佔整體產值的一小部分,但龐大的潛在照明市場將有望為OLED業者帶來新的營收契機?
LED效能/成本佔盡優勢OLED照明還須時間發展
現階段,LED照明發光效率為110每瓦流明(lm/W),而商用OLED產品最多達到60lm/W;至於成本方面,LED技術成本差不多是5美元/千流明(klm),OLED則約350美元/klm,足見兩種技術在照明應用的發展上仍有一段明顯差距。如此一來,OLED技術勢必要利用其光線不刺眼、燈具尺寸可做大且平坦化的獨特優勢,才能順利搶佔照明市場一席之地。
相較於標準LED和其他燈源均需要遮光物覆蓋強光,可能造成視力減退的問題,OLED發光源不須遮蔽即可提供照明,是還在發展中的另一個照明未來;此外,OLED可使用許多不同樣式的材料組合及結構,在發光效能上有機會大幅躍升。
目前OLED製造商已透過提高驅動電流的方式增加功效,但代價是元件壽命將變短;同時,藉由串聯堆疊OLED結構亦能提升發光效率,如將兩個不同結構在沈積過程中堆疊在一起,以同樣電流驅動將產生幾乎強兩倍的光。如此一來,相關業者亦可選用較低電流驅動堆疊型OLED面板,可產生同樣的光度並增加可靠度,克服因調高電流而影響OLED壽命的問題。
OLED照明雖有發展潛力,但若被視為LED在照明市場的直接對手,效能和成本差異可能讓OLED在可預見的未來出局。然而,在OLED照明技術和燈具設計迭有進展的情況下,兩種固態照明技術還是有必要同時存在,這跟OLED是否要和LED競爭,或是不是更好的技術沒有關係,因為兩者鎖定的應用並不完全相同。
考量成本及發光效率以外的技術差異,如果OLED完全達到與LED相同的水準,將會是很大的成就。一般來說,商用LED產品有20~25年保證壽命,OLED則僅有5~10年,主因系OLED中某些材料銷蝕的速度比其他材料快,顏色也會改變,這在一些工業或汽車應用上令人無法接受。
材料成本/阻隔層設計成OLED突破重點
OLED材料的銷蝕是因為有機材料層對氧氣及濕氣很敏感,須採用滲入阻隔層(PermeationBarrier)小心包覆及保護,這對OLED面板的彈性設計將形成嚴重挑戰,目前製造商很難做出具成本效益,並兼顧透明、可彎曲,且在製造過程中可耐高溫的滲入阻隔層。
現階段,100%的商用照明OLED使用玻璃做為薄膜層的基板,並放上一片玻璃板,當做物理保護層及水分/氧氣阻隔層(圖1),然而,即便採用這些元件,OLED有機材料還是會在高溫環境中銷蝕,此一情形在車規溫度85°C以上的加速壓力測試將造成問題。
另一方面,對具傳統照明背景的製造商來說,難以用OLED專業技術做照明設備,因此OLED業者也須提出對策,克服用在照明的商業及技術挑戰。尤其現在OLED面板和傳統照明設備製造商各自為政,短時間內OLED將很難滲透照明市場,未來可能的解決之道是由OLED面板製造商生產自己的照明設備,由技術推動商用化,而非採取傳統的行銷策略。
但另一個挑戰是如何減少OLED製造支出,從商用OLED面板成本細項中可發現三個主要問題。第一,OLED製造良率很低,製造商在高良率製程上沒有足夠控制能力、技術或經驗;第二,建構OLED生產線的成本很大,例如歐司朗(OSRAM)已投資2,000萬英鎊在德國雷根斯堡(Regensburg)的OLED試產線。第三則是材料和設備成本高昂,OLED產線成本居高不下主因為這是新興技術,因此沒有標準設備。
由於每一條OLED試產線須時好幾個月建置,因此設備製造商也要分擔費用。雖然OLED製造商聲稱改用超薄層,可抵銷複雜分子材料的高成本,但多數分析師皆認為只說對了一半,因材料成本和製造及發光面板內的材料有關,大部分生產用的材料是沈積於反應器壁上或根本就沒沈積,造成材料浪費。
無論如何,OLED照明具有一定的應用優勢,且製造技術未來還有很多改善的機會,因此,YoleDeveloppement預測未來2年OLED成本可望降到目前的三分之一水準,主要是業者導入更新世代的生產設備,將更大的母玻璃基板用於沈積反應器中,提升量產效益。目前製造商最常用47公分×37公分的第二代母玻璃板,可產出幾個標準10公分×10公分的OLED發光面板。
供應鏈全力扶植大尺寸OLED商用可期
未來母玻璃和OLED面板成品將持續朝大尺寸方向演進,主要考量10公分×10公分OLED面板不足以照亮一個房間,可能要十片或更多片,將導致每片面板將產生額外成本,如裁切及所需的連接組件,如果只是一片較大面板,那些製造成本自然會減少。
不過,對大尺寸OLED面板而言,如何在整個面板表面取得相同發光度將是一大挑戰,不少企業已著手解決這個問題,例如歐司朗在電極導入金屬網,以改善發光均衡性。據YoleDeveloppement最新研究報告指出,在大尺寸OLED面板的發展出現重大突破前,OLED照明只能取得一小塊市場,聚焦於一般照明及汽車應用。
初期整合OLED技術的將是特殊照明,再來是高階辦公室及商業用途;中期來說,高階住宅照明設備也會逐漸使用OLED,整體市場滲透率到2020年將有接近1.5%的水準,產值為17億美元(圖2),其中80%為一般照明應用。
對OLED來說,開發新材料是首要重點,因此化學很強的國家或區域可能是較強勁企業誕生地的第一個觀察點。第二,帶動有機OLED市場的實際上是螢幕,而亞洲國家在這方面的投資動作很大,特別是韓國,目前SamsungSDI和樂金顯示(LGD)是OLED螢幕的兩大生產商,而韓國的化學實力也很強。值得注意的是,德國亦具備非常堅強的化學研究背景,且已有OLED新興業者,未來發展可期。
由於OLED未來展望是這樣的狀況,包括設備製造商、螢光及磷光發光材料供應商、聚合物材料開發商,以及軟性基板的玻璃、塑膠或金屬箔片製造商均已大舉投入發展,甚至有幾家企業正積極開發新的OLED結構、封裝、滲入阻隔及新款電極的塑膠或特殊技術方案。有如此眾多的企業涉及OLED照明領域可能頗令人意外,但這與有多少業者涉入整個價值鏈有關,而不只是有多少廠商在製造OLED面板。
也因此,當科技歷史學家回顧及評估OLED照明的貢獻時,可能發現其影響所及超越市佔率的表現,目前許多推動此技術的業者即強調,正在發展中的OLED照明新材料將使世界更美好。不過,並非全數廠商都絕對相信OLED照明市場規模會很大,他們採取分散風險的策略,運用投資資金開發不同的應用,將研究結果同步用於開發有機電子或有機太陽能電池,此外,良好的OLED水分滲入阻隔層或軟性超薄玻璃亦可開創許多新的應用。