从COE/CFOT技术说起 — 如何去掉OLED的偏光片(上）

“ 最近去了解了一下COE技术，才发现这个技术其实是AMOLED屏去偏光片技术发展的一个结果，各大厂商在近期推出原型机，并不是偶然的技术事件。它包含了技术发展、量产要求等内在推动力。

而COE技术并不是AMOLED去偏振片技术的唯一方案，我们今天也看看这种方案是否一定会胜出，达到量产的需求。

”

引子

在本次的SID Display Week 2021的展台上，不出意料再次出现COE或称为CFOT技术的身影。

天马展出的是一款可完美贴合转轴进行卷曲的AMOLED屏，通过集成CFOT技术，据称可以降低屏幕30%的厚度和20%的功耗，并可以实现更小的卷曲半径，弯折的可靠性也将大为提高。

▲天马SID上集成CFOT的AMOLED屏

其实，今年3月28日，在天马的全资子公司——湖北长江新型显示产业创新中心有限公司举行的实验线首款产品点亮仪式上，点亮的8.3寸AMOLED折叠屏就集成了该技术。

▲天马8.3寸CFOT柔性AMOLED屏

本次SID显示周上，京东方展出了集成了LTPO+COE的智能手表，1.57寸的AMOLED屏可通过LTPO技术及COE技术降低25%的功耗。

▲京东方SID上集成LTPO和COE的智能手表

友达（AUO）也在SID显示周上介绍了他们开发的用彩色滤光片（Color Filter, CF）取代圆形偏光片（Circle Polarizer）的AMOLED屏，据称可以降低显示器模块的50%厚度，并维持一定的亮度呈现，目前已通过曲率半径9mm达10万次以上的卷曲测试。但目前还不清楚友达是如何命名这种技术。

其实COE这个名词被引起业界的大量关注也是最近几年的事情。COE的全称是Colorfilter On Encapsulation，也就是说在AMOLED的封装后再沉积一层彩膜。需要注意的是，这个技术术语并不是业界的标准。同样的技术，在天马被称为CFOT，即Color Filter On TFE，这个定义进一步说明是在薄膜封装（TFE）之后沉积的彩膜。而在三星，这种技术先是被称为Polarizer Free，后又称为Pol-less，这个名称不是从技术实现的手段出发，而是从技术实现的目的出发去下的定义，即其目的是要去除目前OLED屏上面的偏光片。

在本文中，我将统一以COE来作为这个技术的名称。

笔者调研了相关的业界资料和学术论文，发现早在2007年的SID上，来自Eastman Kodak的Ronald S. Cok和Andrew D. Arnold就在他们的论文中提出了采用CF及黑矩阵的AMOLED屏结构[1]。

可见，COE技术并不是一种全新的概念，但是这种技术为何没有更早进入到大众的视野呢？

一种新的技术的出现、发展，到实现大规模量产，其中一定有其内在的逻辑推动。如前所述，COE技术的主要目的其实是要去掉AMOLED的偏光片，今天我们就以去除AMOLED偏光片的技术发展为线索，来看看COE技术是如何从最初的技术萌芽阶段，最终走到SID展台的聚光灯下的。

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1. AMOLED屏与偏光片

我们知道，与LCD需要液晶偏转和偏光片一起来控制光的通过不同，AMOLED是一种主动发光技术，其像素的发光强度可以通过像素驱动电路精确进行控制，因此并不需要偏光片来实现像素的开关。

看起来AMOLED和偏光片是没有什么关系的，但是为什么从最初AMOLED屏推出市场开始，偏光片就成为其形影不离的“好基友”呢？

确实，在黑暗的屋子里面，进入到人眼的光完全由OLED像素发出，因此在这种情况下是不需要偏光片的。

但是AMOLED屏的像素结构中，OLED器件的阴极由金属制作而成，当环境光较强的时候，入射的环境光会被金属电极反射进人眼中，这会对AMOLED屏的对比度产生影响。

可以参考如下AMOLED对比度的计算公式：

其中，CR为对比度，LON和LOFF分别为显示器亮态和暗态的发光强度，RD为显示屏的反射率，Lambient/α为照射到显示屏上的环境光强度，RD可由如下公式得到，α也用于这个公式中。

这里的V(λ)为配光函数，R(λ)为显示屏的反射光谱，S(λ)为标准照明体光谱，α为几何引子。

根据VESA 302-8照明标准，显示器对比度CR的测量在环境光为500勒克斯下进行。

熟悉色度测试的朋友可能会比较了解上面公式的含义，不熟悉的可以去了解一下颜色的测试原理，这里就不展开进行说明。重点在于这个公式告诉我们，在环境光强烈的情况下，这些环境光就变成干扰因素，导致AMOLED屏画面的对比度急剧下降。

▲常见环境的光照亮度

因此，要实现AMOLED屏量产，提高室外AMOLED屏对比度就成为亟需解决的问题。

但在将OLED产品推向量产的初期阶段，我们可以想象一下，最优的策略一定不是马上开发出各方面性能都最优的产品，而是在代价合理的情况下尽可能快地实现可用的产品。

举一个例子，在显示市场上LCD技术占据主流的时候，当三星第一个开发出量产的AMOLED屏，这给他们带来的品牌价值和实际经济价值都是难以估量的。谁现在能想起来那个时候AMOLED屏还有着很多的缺点，而且生产的成本也非常高昂呢？

因此在这个阶段，AMOLED屏研发的重点集中在工艺开发和器件设计等方面。而对于提高对比度，虽然此时已经有好几个技术方向，稍后我也将对这些方向进行说明，但贴附偏光片最终成为量产的胜出方案。

偏光片方案的胜出，原因有如下几个方面：

• 通过贴附线偏光片加圆偏光片可以有效降低OLED电极对环境光的反射，提升OLED屏幕的对比度。

  其原理如下图所述，偏光片对入射光和反射光的偏振态进行调制，使反射光通过圆偏光片后又变成线偏振光，但是其偏振方向与线偏光片的透光轴方向垂直，因此不能够透过而进入到人眼中。

▲AMOLED偏光片原理

• 偏光片贴附技术在LCD屏工艺中非常成熟，因此研发的成本会较低。
  

• 偏光片贴附在OLED盖板表面，这个方案不会对OLED器件本身造成影响，这也降低了研发的技术难度。

但贴偏光片的方案也不是没有缺点，主要的缺点包括如下：

• 需要额外的偏光片材料，增加了总体成本。
  

• 由于线偏光片的存在，在理论上OLED器件发出的光至少会有50%不能透过，从而使出光的效率下降

• 偏光片的厚度较大，弯折特性也不够好，不容易实现更薄、弯折性能更好的柔性屏。
  

但在AMOLED最初阶段，成本（只要不是特别离谱）、高亮度和柔性等均不是最优先考虑的，快速量产才是。因此偏光片方案以其成熟、有效，而成为一种理性的选择。

也正是由于这样的原因，工厂生产出来的AMOLED的屏幕，从此都贴上了一层偏光片面纱，它虽然遮住了AMOLED脸上的一些瑕疵，但也让AMOLED的美丽打了一个折扣。

历年来，无数显示技术专家学者和工程技术人员，花费大量的精力想要去除这一层偏光片，让AMOLED屏幕能够展现出最真实的美丽。

下面我们就来谈一谈这些去除偏光片的努力吧。

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2. 去偏振片的努力

正如前面所述，OLED的偏光片的目的是去除OLED器件阴极金属所反射的环境光，达到提高对比度的功能。因此要实现高的对比度，有两个大致的方向。一是让金属电极不反射环境光，这个方向可以被称为黑色电极技术。另外一个方向就是通过某种材料或结构，让环境光不能够被反射出去，贴偏光片和COE均属于这个方向。下面我将对这些技术方向进行一个简单的介绍。

2.1 黑色电极（Black Electrode)

如下图为采用黑色电极技术的原理示意图，当环境光入射到金属电极表面，因为电极为黑色电极，因此不反射环境光，从而实现了高的对比度。

要实现黑色电极，有两个方法可以实现。

第一种是就是采用对光吸收强烈的材料作为OLED器件的阴极，或在阴极上沉积一层吸收光的缓冲层。

第二种是在反射阴极上制作相消干涉膜层，从而降低反射光的强度。

现在我们按照时间线来看看黑色电极层的研究情况。

2000年，O.Renaulta等人采用了Al/C/Mg的叠层结构来作为OLED的阴极。这种三明治叠层结构也成为黑色电极的一种典型结构。其中的薄层金属Mg与有机层接触，保证功函数的匹配以得到足够的电子注入效率。中间的碳膜既具有导电性，又具有高的光线吸收系数。而最上层的厚金属铝具有良好的导电性，可以改善电极的电学性能[2]。

2001年，Hung等人报道了一种在阴极上生长一层氧化锌薄膜的方案，薄膜中的氧含量要低于ZnO2的化学计量比。在他们的方案中制作了一种LiF(0.3 nm)/Al (0.6 nm)/Zinc Oxide (90 nm)/Al (100 nm)结构的电极，可以显著降低环境光的反射[3]。

2002年，加拿大的Alexey N. Krasnova就介绍了一种他称为CES(contrast-enhancing stack)的提升屏幕对比度的叠层膜方案[4]。

该CES方案是将反射率高的金属电极做成多层结构，这里具体指的是厚金属膜/TCO/超薄金属/LiF叠层。这样的叠层结构不会影响OLED器件的电子注入水平，但因为多层的电极结构，对反射的光形成相消干涉，可以大幅度降低反射光的强度。如下所示，在不同的基底上采用了CES结构的OLED器件，其反射率均大幅度降低。

2004年F.L. Wong等研究人员采用的Al/SiO+Al/Al/LiF的电极结构，因为有报道不完全氧化的AlO薄膜具有好的吸光特性，因此他们采用在Al薄膜中掺杂SiO，通过这层薄膜来实现对光的吸收[5,6]。

Feng等人报道了一种金属-有机-金属结构的电极方案，称为MOM结构。采用在金属中嵌入有机层，有机层的材料为OLED的ETL层，可以利用蒸镀线完成电极的制作[7]。

2005年，Yen等人通过特别的设计，将电极的三明治结构中间层设计为绝缘层，这种结构采用通常所用的阴极金属，而主要通过绝缘层的光学性质及膜厚设计来吸收和降低反射[8]。

Li等研究人员采用Al/Ag的交叠层来制作OLED的电极，这种交叠层的纳米结构可以显著提升器件的对比度[9]。

Kang等人制作了采用黑色电极层的1.5寸全彩OLED屏，其电极结构为四层，其中三层为不同SiO浓度掺杂的Al和一层厚的Al膜。这种方案和前面Wong等人的方案类似[10]。

2006年，吉林大学的W. F. Xie等研究人员报道了一种黑色电极，采用的是Sm:Ag电极。香港的Lau等人的工作也采用了Sm:Ag来制作黑色电极[11,12]。

长春应化所的Xie等人报道了一种Al，Ag, Sm和有机的不同叠层结构的黑色电极方案[13]。

2008年，Huang等人报道了采用Al/CuPc/Al/CuPc/Al作为黑色电极的方案[14]。

2009年，CHO等人制作了SiO2/Cr/SiO2/Al这样的四层结构作为黑色电极[15]。

2012年，chen等人的团队报道了采用Ni/ZnS/MgF2/Ni的结构的提高对比度的电极结构和CuPc/C60的双层减反膜结构[16]。

Ding等研究人员一种Al/LiF/Alq3DCM1/NPB/C60/Al的叠层电极结构[17]。

2013年，Hou等人报道了采用Ag/V2O5等交叠层制作的Black Layer[18].

2014年，Chen等研究人员报道了采用Sputter工序调节Ar/O的流量，来得到黑色导电的电极，得到的反射率为28.1%，导电率为4.6e-5Ω[19]。

2017年Man等人采用了如下图所示的结构来做阴极，称为相位变化阴极（PC-Cathode)。其相位变化层可以采用C60，PbPc，SubPc等材料[20]。

2.2 表面减反层

表面减反层有单层减反层和多层减反层的设计，但目前看起来主要是玻璃盖板表面的减反效果明显，而且其减反的光学频段也受到一定的限制，因此并不是去偏光片技术的主流。

2.3 中性滤光片

这个方案是采用在OLED屏上贴附中性滤光片的方法来减少反射的环境光。但这个方案也并不是主流，中性滤光片必然对OLED的光也具有相当的吸收率，而且很难实现更薄的显示屏和柔性显示，其技术上的优势并不明显。

2.4 小结

从前面可以看出，业界对于提升OLED屏的对比度以去除偏光片的研究主要集中在采用黑色电极的方案。黑色电极的实现是通过采用合适的吸光材料或设计合理的电极叠层结构，通过吸收或干涉的原理来降低对环境光的反射。

采用黑色电极可以在OLED器件制造的过程中就将环境光的影响去除掉，因此如果工艺成熟的化，有利于工艺的集成。并且电极的膜层结构厚度很低，可以显著降低OLED屏的厚度。

但是目前我们看到的资料，要实效果良好的黑色电极并不容易。一是工艺过程的复杂程度大大增加，二是这些材料和目前量产线的工艺大多不匹配，三是这些电极层作为OLED器件结构的一部分，必须在减反射和实现良好的OLED效率之间进行优化，这也影响到工艺的开发。

除了前面说到的去偏光片的方案，下一部分我们来专门介绍COE方案，来看看为什么现在COE技术开始得到重视，各大厂商都开始推出原型机来。

（未完待续...)

参考文献

[1] Ronald S. Cok and Andrew D. Arnold, Ambient Contrast for OLED Displays, 2007 SID

[2] O. Renaulta, O.V. Salatac,, M. Etchellsa, P.J. Dobsona, V. Christoub (2000): A low reflectivity multilayer cathode for organic light-emitting diodes.

[3] Liang-sun Hung and Joseph Madathil (2001): Reduction of Ambient Light Reflection in Organic Light-Emitting Diodes.

[4] Krasnov, Alexey N. (2002): High-contrast organic light-emitting diodes on flexible substrates. In Appl. Phys. Lett. 80 (20), pp. 3853–3855.

[5] Wong, F. L.; Fung, M. K.; Jiang, X.; Lee, C.S; Lee, S. T. (2004): Non-reflective black cathode in organic light-emitting diode. In Thin Solid Films 446 (1), pp. 143–146.

[6] I. Hamberg, C.G. Granqvist, J. Appl. Phys. 60 (11)(1986) R123.

[7] Feng, X. D.; Khangura, R.; Lu, Z. H. (2004): Metal–organic–metal cathode for high-contrast organic light-emitting diodes. In Appl. Phys. Lett. 85 (3), pp. 497–499.

[8] Chia-Kuo Yen; Ching-Ian Chao; En-Chung Chang; Chien-To Yueh (2005): Black Electrode for Organic Light-Emitting Device.

[9] Li, S. H.; Liem, H.; Chen, C. W.; Wu, E. H.; Xu, Z.; Yang, Y. (2005): Stacked metal cathode for high-contrast-ratio polymeric light-emitting devices. In Appl. Phys. Lett. 86 (14), p. 143514.

[10] Seong Jong Kang, Jung Yoon E, Byeong Gyu Roh, Jong Ho Lee (2005): 1.5” Full Color ECR(Enhanced Contrast Ratio) OLED Using Black Layer Technology.

[11] W. F. Xie, L. T. Zhang, and S. Y. Liu (2006): White organic light-emitting devices with Sm:Ag black cathode.

[12] Lau, K. C.; Xie, W. F.; Sun, H. Y.; Lee, C. S.; Lee, S. T. (2006): Contrast improvement of organic light-emitting devices with Sm:Ag cathode. In Appl. Phys. Lett. 88 (8), p. 83507

[13] Xie, Zhi-yuan; Zhao, Yun; Niu, Xiao-di (2006): Reduced ambient reflection of organic light-emitting diodes by utilizing multilayer low-reflection cathodes. In Semicond. Sci. Technol. 21 (8), pp. 1077–1082. 

[14] Huang, Jian-Ji; Lin, Yi-Cheng; Su, Yan-Kuin; Wu, Yi-Lin; Juang, Fuh-Shyang (2008): Black film for improving the contrast ratio of organic light emitting diodes. In Journal of nanoscience and nanotechnology 8 (10), pp. 5227–5231. 

[15] Cho, Sang-Hwan; Seo, Min-Kyo; Kang, Ju-Hyung; Yang, Jin-Kyu; Kang, Sung-Yong; Lee, Yong-Hee et al. (2009): A Black Metal-dielectric Thin Film for High-contrast Displays. In J. Korean Phy. Soc. 55 (2), pp. 501–507.

[16] Chen, Shufen; Shi, Hongying; Cheng, Fan; Chen, Chunyan; Huang, Wei (2012): A very high-contrast top-emitting organic light-emitting diode with a Ni/ZnS/MgF2/Ni contrast-enhancing stack and a CuPc/C60 anti-reflection bilayer. In Organic Electronics 13 (12), pp. 3263–3267.

[17] Ding, Bao-Fu; Alameh, Kamal (2012): High-Contrast Tandem Organic Light-Emitting Devices Employing Semitransparent Intermediate Layers of LiF/Al/C 60. In J. Phys. Chem. C 116 (46), pp. 24690–24694.

[18] Hou, Jianhua; Gao, Shang; Zhao, Jianxun; Liang, Qingcheng; Qin, Jieming; Jiang, Dayong (2013): Improving the contrast of top-emitting organic light-emitting diodes with alternating V2O5/Ag layers. In Thin Solid Films 534, pp. 645–649.

[19] Chen, Shuming; Yu, Jianning (2014): High-contrast top-emitting organic light-emitting diodes with AlO 1.086 dark-and-conductive electrodes. In Organic Electronics 15 (12), pp. 3552–3557. 

[20]Jia-Xiu Man, Shou-Jie He, Tao Zhang, Deng-Ke Wang, Nan Jiang, and Zheng-Hong Lu (2017): Black Phase-changing Cathodes for High-contrast Organic Light-Emitting Diodes.