Introduce to market and development of OLED

1. INTRODUCTION TO
OLED
Albert
2011.12.01

2. 摘要—MARKET OVERVIEW
產業名稱：OLED
Existing and Potential 1. Display: mobile phones (smart phone), portable media
Offerings, Customers, players (MP3…), televisions, digital cameras, automotive
and Customers’ applications (GPS, Radio…), Tablet, NB
customer 2. Lighting: (利基市場)
1. 歐美: UDC, Osram, Philips, DuPont, GE, eMagin, Novaled,
Merck
2. 韓: Samsung, LG
Key Players 3. 日: Sony, Mitsubishi, Lumiotec, Konica Minolta, Pioneer,
TDK, Panasonic
4. 台灣 : 錸寶, CMO, AUO, 悠景, 勝華(研發)
5. 大陸: 彩虹, 維信諾,上海天馬
1. 預估OLED的全球產值(包含Display及Lighting)於2011年為19.11
億美金(約554億台幣) ，2014年產值為53.84億美金(約1561億台
Market size and Growth 幣)
2. OLED產值成長率預估於2012年為58.7%、2013年為44.8%、
2014年為22.5%
1. 目前整個OLED產業主要面臨的問題有: 成本、壽命、良率及發光
Market Trend / 效率
Characteristics or Key 2. AMOLED應用於Smartphone及portable電子產品會急速增加；
Issues 而OLED TV預估到2013年後才會有較明顯的市場
3. AMOLED到2015年皆會處於供不應求的狀況

3. WHAT IS OLED ?
 Organic Light Emitting Diode，又可稱為有機電激發光(Organic
Electroluminescence，簡稱OEL)
 OLEDs rely on organic materials (polymers or small molecules) that
give off light when tweaked with an electrical current
 Electrons injected from cathode
 Holes injected from anode
 Transport and radiative recombination of electron-hole pairs at the emissive
polymer
Source : http://www.inside-handy.de/img/news

4. 特性
 OLED是屬於可自發光的有機材料，與需要背光源的LCD不同，
OLED本身就具有高對比的顯示特性， 它可以製作為顯示器(Display)
的顯示像素，也可被製作為照明(Lighting)的產品。
 目前主要將OLED製作在玻璃基板上，已有研發機構將OLED製作在塑膠基板
上，實現flexible OLED電子元件的需求，使得OLED具有輕、薄、軟的特性。
(Thk.~1 mm) Source : 材料世界
網

5. DISADVANTAGES
 Current costs: OLED manufacture currently requires
process steps that make it extremely expensive. (Specifically,
it requires the use of LTPS backplanes)
 Lifespan: The biggest technical problem for OLEDs was the
limited lifetime of the organic materials. In particular, blue
OLEDs have had a lifetime of around 14,000 hours to half
original brightness (five years at 8 hours a day).
 Color balance issues: Additionally, as the OLED material used
to produce blue light degrades significantly more rapidly than the
materials that produce other colors, blue light output will decrease
relative to the other colors of light
 Water damage: Water can damage the organic materials of
the displays. Therefore, improved sealing processes are
important for practical manufacturing.

6. GENERAL DEVICE ARCHITECTURES
Source : 材料世界
網

7. PROCESS – APPLIED MATERIALS
Source : Applied公司網
站
Without
Sputtering

8. APPLICATION – DISPLAY
 利用OLED所製成的顯示器具有輕薄(厚度約1.4mm )、回應速度快、可撓曲
式、易攜性、全彩高亮度、省電(不需背光模組、低電壓操作) 、可視角廣
(~180°，LCDs 視角約160°)及無影像殘影……等優點，為未來平面顯示器的
新趨勢
 OLED顯示技術依驅動方式不同，分為PMOLED和AMOLED兩種
Source :
http://electronics.howstuffworks.com/oled3.htm

9. DISPLAY DEVICE ARCHITECTURES
Source : 材料世界網
目前在OLED 的結構大都採用Bottom emission 結構，未來則是Top
emission 結構

10. APPLICATION – LIGHTING
 固態光源 : LED & OLED，LED屬於點光源，具有效率高，驅動電壓低的
優勢，OLED為面光源，發光更加均勻，顯色指數更高，且可實現大面積
照明，高發光效率和低驅動電壓
 OLED的驅動電壓只需低於15 V的直流電，無需升高
電壓來點亮燈源，使得OLED的點亮速度比傳統燈源還
要快，再加上具有高發光效率及低驅動電壓的特性，
讓OLED比傳統燈源更為省電。
 再加上OLED屬於面光源的燈源，在被點亮時，所產生
的熱可以很容易地發散出去，使得觸摸到OLED時不會
有灼熱感，OLED是個不燙手的發光源。
 藉由不同OLED材料就可以發出不同顏色的光，使得
OLED除了發出白色光之外，也可配合情境的設計，發
出其他光色，對於照明設計的自由度，遠勝於傳統燈
源。
 可藉由特殊的製程技術，製作出透明的OLED元件
 因OLED材料為有機材料，本身並不含汞，不會像螢光
燈管一樣，會有汞污染的問題，對於環境十分友善。
Source : 材料世界網

11. OLED VS. LED & FLUORESCENCE
Source : 材料世界網

12. OLED DISPLAY VS. LIGHTING
Source : 材料世界
網

13. 市場概況
 目前全球已有超過200家廠商陸續進入OLED材料、生產設備、
技術研發和大規模生產
 主要發展國家: 韓國、日本、美國和臺灣
 據DisplaySearch估計，
 隨著全球經濟的復甦，OLED市場營收的平均年複合成長率可達到
33%左右，到2016年，市場規模可達到55.9億美元左右
 預估明年中 全球的OLED產量將擴增10倍 (???)
 NanoMarkets預估，全球OLED市場到2016年將達到48億美
元，其中歐洲將佔15億美元的銷售額，而亞洲部分預期為21
億美元
 據法人推估，未來OLED市場需求強勁，市場規模可望由2010
年的12億美元，於2013年揚升至32.5億美元，2016年時產值
還可突破70億美元

14. 市場概況 -- DISPLAY
 目前OLED display主要集中在小尺寸產品上，比如MP3、
MP4、手機顯示幕等，大尺寸高世代OLED產品需要TFT技
術(AMOLED)。
 根據IHS iSuppli預估，AMOLED出貨量將從2010年的4,940
萬片，成長至2015年的2.712億片，年複合平均成長率將可
達到40.6%。以銷售額計算，其預計將從2010年的8.921億
美元，成長至2015年的36億美元，年複合平均成長率將達
31.9%。
 三星將於2012及2013年，各設1條8代AMOLED產線，用於
生產AMOLED TV。
 三星2012年下半將會實驗性投入32吋AMOLED TV生產，且
2013年將會投入實質的量產體系
 預估2015年AMOLED TV銷售量將佔全球整體電視銷售量
10~20% (DisplaySearch)

15. 市場 –全球中小型面板之技術比重
目前中小型面板之技術比重仍以a-Si占最大,約63~64%
以未來三年發展來看,a-Si 和LTPS的比重將增加
CSTN和TFT-LCD價差未呈現區隔,所以比重將快速減少,被TFT取代
MSTN&TN,與TFT-LCD有價差空間,因此比重呈現緩慢減少
PMOLED將持續著重在低階市場,由於價格低廉應用廣泛,未來雖不會大幅成長,
但每年仍有1%的成長空間
AMOLED在產能,技術受限之情況下,目前比重僅佔1%,但繼大廠擴產之勢,以及
2011年可量產之情況來看,未來比重將增加

16. 市場 – OLED面板之應用市場比重
目前OLED面板應用仍以手機
佔最多

17. KEY OLED DISPLAY TRENDS
 Back panel
 有鑒於氧化物半導體TFT的優點(低溫, mobility > a-Si, 開口率高, 與現有TFT LCD
製程一致)，Samsung 、LG 、友達、Toshiba、DNP、SONY 、Sharp等面板廠商
紛紛投入開發
 Sony :以In-Sn-Zn-O TFT形成掃描驅動電路和DeMUX選擇器電路。
 IGZO的遷移率為11.5cm2/Vs，而採用In-Sn-Zn-O提高到 30.9cm2/Vs。其中In-Sn-Zn-O的
濺鍍靶為日本出光興產製造
 其餘廠商主要以開發IGZO為主
 IEK分析師指出，由於AMOLED面板在手機應用將快速成長，並將逐步擴
及數位相機市場，但受到AMOLED生產良率及新產能開出數量有限等因素
影響，預估到2015年以前，全球AMOLED面板可能都將是供不應求局面
(如下表)
 OLED Display需求會在2011起飛
 截至目前為止，Apple尚未在產品上使用OLED面板，但從3項蘋果剛取得
的專利顯示，未來蘋果可能將OLED面板運用到各項產品中，包括iPad、
iPod Touch及MacBooks，甚至推出內建螢幕的一體式Apple TV
2010 2011 2012 2013 2014 2015
供給 146.7 282.5 551 910 995 1103
需求 176.2 647.3 1250 2049 3187 4948
Source: IEK, 單位: 千平方米

18. 市場 – OLED DISPLAY產值推導
假設條件:
1. AMOLED: 以2010年的PIDA估算9.62億美金及IHS iSuppli估算的8.92億美金的平均
值為基準(9.27億美金)；年複合成長率取IEK的39%及IHS iSuppli的31.9%計算平均
值(CAGR=35.45%)
2. PMOLED: 以2010年的PIDA估算2.98億美金為基準，其CAGR為1%
由IEK及IHS iSuppli所估算的AMOLED產量來做每年實際產值的推估.
產量 (供給) 2010 2011 2012 2013 2014 2015
IEK (千m2) 146.7 282.5 551 910 995 1103
IEK YOY 0.93 0.95 0.65 0.09 0.11
IHS (萬片) 4940 6945.64 9765.57 13730.39 19304.93 27142.73
IHS YOY 0.406 0.406 0.406 0.406 0.406
年成長(值)
0.66 0.68 0.46 0.07 0.08
Ave. & modified
預估產量
2010 2011 2012 2013 2014 2015
(千m2)
AMOLED 146.7 270.06 503.24 801.10 869.08 954.77
PMOLED 235.80 264.07 296.20 325.14 334.00 343.98
預估產值(億美金) 2010 2011 2012 2013 2014 2015
AMOLED 9.27 15.39 25.82 37.82 40.34 43.47
PMOLED 2.98 3.01 3.04 3.07 3.10 3.13
Total 12.25 18.40 28.86 40.89 43.45 46.60

19. 市場概況—LIGHTING
只有IEK的研究產出於金融風暴後，故其準確性應較高
目前影響白光OLED技術產業化的三個關鍵指標是效率、壽命與成
本，而影響這些關鍵指標的來源即材料、元件結構與製程

20. 市場 – OLED 照明市場成長預測
Display Search預估OLED照明市場將於2011開始快速起飛，到2018年可達60億美元，
與OLED顯示器並駕齊驅
NanoMarkets研究顯示，全球OLED照明市場到2016年將達到48億美元。其中，歐洲在
OLED照明面板的銷售額方面將佔去15億美元，而亞洲部份的銷售額將可達到21億美元
如果將白熾燈替換成OLED電燈，可以實現CO2減排90%
日本 : 2009年7月前，OLED電燈的市場價格每個約1萬日元。但是，Sharp隨後推出了
售價4000日元的OLED電燈
東芝照明技術、三菱電機歐司朗、NEC-LIGHTING、松下、日立-LIGHTING等所有
大型照明廠商都隨之相應推出了4000日元價位的OLED電燈。

21. 市場 –美國白光LED及OLED發展趨勢
資料來源：DOE，2010/12
略遜於日本目標
OLED照明發展時程，以目前廠商已銷售產品來看，發光效率僅20~30 lm/W，低
於DOE所訂的60 lm/W，且OLED目前製造成本仍高，因此DIGITIMES預估到
2015年以前，OLED照明對LED尚不具威脅

22. OLED LIGHTING MARKET DRIVERS
 Who is investing and why ?
 Governments – US, EU, Asia
 Known lighting industry players
and more
 Philips, Osram, GE, Konica Minolta,
Lumiotec
 Supply chain participants
 Materials, devices, and IP
 Kodak, Universal Display, CDT,
 Equipment suppliers
 Applied Materials, Aixtron, Sunic, …
 Other entrants?
 Samsung, PMOLED manufacturers, …

23. 市場 – OLED LIGHTING產值推導
假設條件:
1. 以2016年Nanomarkets及DisplaySearch預估值的平均為基準 (37.25億美金)
2. 各年的成長率以IEK及DisplaySearch預估值的平均值來計算
3. 各年的產值為以基準值及年成長率來推算
2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018
IEK(M $) 385 795.8 1645 2720 4685
YOY 1.067 1.067 0.65 0.72
DisplaySearch (M$) 135 700 1350 2650 4200 6100
YOY 4.18 0.92 0.96 0.58 0.45
Nanomarkets (M$) 4800
YOY
1039.5 1897.6 5903.7 8574.5
Cal. Revenue (M$) 71.15 147.07 304.01 3725
1 4 7 2
YOY 1.067 1.067 2.41 0.82 0.96 0.58 0.45

24. 市場 – 全球OLED產值趨勢與廠商市佔
 計算出OLED 2011~2015全球產值如下表 (單位:億美金)(大於
Page 13的預估)
2011 2012 2013 2014 2015
Display 18.40 28.86 40.89 43.44 46.59
Lighting 0.71 1.47 3.04 10.39 18.97
Total 19.11 30.33 43.93 53.84 65.57
 根據市調機構報告，以銷售額為基準，三星
行動顯示(SMD) 2010年在全球OLED市場上
市佔率為81.8%，獨佔OLED市場。以出貨
量為基準，三星行動顯示以48.8%市佔率位
居第1，日本TDK則以14.7%擠下錸寶，躍居
第2

25. OLED成本結構
2011年SMD手機用AMOLED生產
成本結構推估 OLED material breakdown
Source : JP Morgan
1. TCO包含於Glass中
2. Cathode ???
1. 折舊的組成絕大多數是設備投資(80~85%以上來自於設備投資)，因此機器設
備為成本的關鍵之一
2. 有機材料價位高昂，且採用蒸發製程會造成約有4/5的材料浪費

26. OLED目前的挑戰
 良率過低: 據瞭解，目前投產大尺寸OLED面板的良率不到
30% (LCD面板量產良率可到99%)
 OLED是技術資金密集型產業 (還未形成龐大產業族群)
 成本: 因為OLED是電流型元件，需要比較高的電流驅動，
因此需要LTPS TFT基板。LTPS就註定了OLED的成本將居
高不下。
 變色: OLED產品中藍、綠、紅三原色有機分子的發光壽命
不一樣，長時間使用後，顏色的品質會發生變化
 OLED封裝時特別怕水 (有機發光材料怕水)

27. RAW MATERIAL SUPPLIER’S OPPORTUNITY IN OLED
 為了提高注入發光層的電子與電洞數目(提高發光效率)，通常會選用
功函數(work function)分別接近發光層之最低未佔據分子軌域
(LUMO)和最高佔據分子軌域(HOMO)電位值的材料，來製作陰極及
陽極
 陰極的金屬必需具備低功函數的特性，才能有效的將電子注入有機
層內，Mg及Ca的功函數夠低(3.66及2.87 eV)，也相當穩定，十分符
合元件的要求。而當鎂-銀以十比一的比例形成合金後，少量的銀可
以提供成核點(nucleating site)給鎂，使得鎂可以順利的在有機層上
成膜。這樣的合金與比例便成為後續研究的範本。
 另外鋰(2.93 eV)的化合物如LiF、Li2O等，與鋁(Al)金屬(4.1 eV)的化合物，
也是另一種普遍使用在陰極上的材料
 Ca/Al、LiF/Al、Mg/Ag
 在陽極的選擇上，則必需是一個高功函數的材質
 Bottom emission : 需可透光的材質，這樣的選擇並不多，ITO不但具有
4.5~5.3 eV的高功函數，且性質穩定又透光，便成了最佳的選擇
 Top emission : 需反射率高的材質，Ag合金是最適合的材料；另有人採用
ITO/Al雙層的結構

28. RAW MATERIAL SUPPLIER’S OPPORTUNITY IN OLED
 TFT for AMOLED
 Sony開發出新的製程技術，主要是由四個製程組成：
1. 在玻璃基板形成氧化物半導體IGZO，gate insulating film與
gate electrodes採用dry-etching method；
2. 採用sputtering method形成Al thin film；
3. 以氧氣退火製程使鋁表面氧化，以形成Al2O3保護層；
4. 以coating process形成有機層之後，以opening via holes形成
source electrode (Mo/Al/Ti)
 Toshiba Corp.開發出以氧化物半導體 (IGZO) TFT驅動的軟性有機
EL面板，藉著將氧化物半導體TFT形成的最高製程溫度控制在
200℃，因而能夠使用塑膠基板。
1. 現有的TFT製程大多為LTPS
2. 未來的TFT製程會大量轉換成IGZO (or ITZO)

29. RAW MATERIAL SUPPLIER’S OPPORTUNITY IN OLED
 為了要達成高效率的白光OLED 元件，則需要全磷光材料的搭配才
有可能實現
 在1998年，美國的Baldo等人研究出以銥金屬錯合物（iridium
complex）製成的元件，可以把原先三重態中流失的能量補救回來，
將OLED元件的發光效率大幅提昇三倍以上，是近來OLED技術開發
上的一大突破
 磷光有機材料結構中具有過渡金屬原子（如Ir 、Pt 、Os），使得原本會以
熱運動將三重態能量釋放的情況，經由過渡金屬產生的重原子效應而得以
放光回到基態，在學理上，磷光有機材料發光效率是螢光有機材料的四倍，
所以理論上使用磷光有機材料可以達到100 % 的內部量子效率，使得有機
電激發光元件在發光效率上有突破性的進展

30. 材料需求預估
假設條件:
1. TFT of AMOLED : IGZO厚度為50 nm, Ti/Al/Mo的厚度為50/150/50 nm
2. OLED: Ba,Ca,Mg,Li(F)的厚度為117 nm, Al,Ag的厚度為117 nm, ITO厚度為113nm, Emissive
layer(EML)厚度為45 nm
3. AMOLED目前良率35%, 2013年良率70%
4. AMOLED價格為PMOLED的五倍
5. 2010年Samsung出貨量佔全球OLED的48.8%，而AMOLED市佔率約為98~99%
6. Lighting與PMOLED的結構較類似，故以類似的售價來回推Lighting的產量
7. IGZO取代率: 2011-1/4, 2012-1/3, 2013-1/2
8. AMOLED top/bottom比emission比例 : 2011-50/50, 2012-70/30, 2013-90/10
9. 金屬要能透光,厚度大約在10~20 um (cathode取20um，各10um)
TFT for AMOLED
材料使用量 ITO Ag Ca,Mg,Li Al,Ag
(Kg) (Anode) (Anode) (Cathode) (Cathode)
IGZO Ti Al Mo
2011 750.3 404.7 196.0 1181.8 59.89 173.88 312.50 396.60
2012 750.2 739.0 201.6 1215.1 104.17 226.81 407.62 517.33
2013 744.9 1080.4 205.9 1241.2 177.67 257.89 463.49 588.23
1. 若純以Sputter製程來估計靶材需求量，則上列數據皆需乘以9
2. 若純以Evaporation製程來估計原料需求量，則上列數據約需乘以5

31. CONCLUSION
 OLED主要的應用市場在Display及Lighting兩部份，近期的
動能主要來自於Smartphone
 至2015年，AMOLED市場需求皆大於供給
 原物料公司於OLED產業較有機會跨入的有
 有機磷光材料 : 貴重金屬(Ir)
 Anode: ITO & Ag (alloy) target
 Cathode: Ca/Al, Mg/Ag, LiF/Al (目前大部分使用蒸鍍製程)
 TFT of AMOLED: Al, Mo, (Ti), IGZO, (ITZO)

32. 2012/1/9
32
附錄

33. 廠商近期動態
 Sharp :與蘋果在未來1年至2年內共同開發iPhone與iPad使用的OLED面板，預期會在
2012年中開出生產線測試，並在2013年量產。
 OLED面板初期僅用會在中小型尺寸應用，如iPad與iPhone。iTV至少要到2015年才可能改用
OLED。
 三星計劃2012年於AMOLED面板再投資5兆~7兆韓元(約45億~64億美元)，而LG Display
預計2012年將再投資逾1兆韓元(約9.9億美元)，由於2012年LG Display總資本支出恐減少
至2兆韓元(約19億美元)左右，屆時AMOLED所佔金額比重可望在50%以上。
 三星電子與LG Display都即將在2012年各開啟一條8.5代線，OLED面板會漸漸威脅TFT LCD的
主流地位
 目前LG Display的第2條8代線(P82)正在進行生產氧化物半導體的準備工程，一旦決定OLED電視
壽命的有機物蒸鍍及封裝工程技術確定，LG Display的OLED電視面板生產作業，大致就準備完
成了。
 Sumitomo Chemical已開發出新的發光材料技術，不但能夠降低50%的成本，且可以解決
使用壽命不足的問題，將使OLED拉近通往大尺寸面板量產的腳步。
 PLED與小分子OLED相較，前者將可免於真空蒸鍍，甚至可透過噴墨製程生產，高分子OLED在
構造上較為單純，故較適合應用於30吋以上大尺寸面板，預估將是發展大型AMOLED較為適當
的方向。
2012/1/9 33

34. 發光材料供應商
2012/1/9 34

35. OLED陰極材料
為提高電子的注入效率，要求選用功函數
單層金屬陰極 儘可能低且耐腐蝕的材料做陰極，功函數
如Ag 、Al 、Li 、Mg 、Ca 、In等 越低，發光亮度越高，使用壽命越長。
其中以鎂銀合金(Mg:Ag)或鋰鋁(Li:Al)合
合金陰極 金較為常見。
將性質活潑的低功函數金屬和化學
性能較穩定的高功函數金屬一起蒸
發形成金屬陰極、如Mg: Ag（10: 效 TW574383
果 專利技術
1），Li:Al (0.6%Li)合金電極。
愈 (中華民國專利資料庫)
Ag/Cu/Pd (Au, Pt)
好
光洋/錸寶
,
層狀陰極
製
程 導電性及附著性優良
由一層極薄的絕緣材料如LiF,Li2O， 愈 TW200912021
MgO，Al2O3等和外面一層較厚的 複
Al組成，其電子注入性能較純Al電 雜 Al/Li
極高，可得到更高的發光效率和更 ULVAC Materials TW200512307
好的I-V特性曲線。
環境安定性高 Ag/Cu/Pd/Ge
摻雜複合型電極 FURUYA Metal
將摻雜有低功函數金屬的有機層夾 耐熱性及耐硫化性優
在陰極和有機發光層之間
(如:ITO/NPD/AlQ/AlQ（Li）/Al)，
可改善元件性能。

36. 發光材料
 目前最常使用的電子傳輸層材料為氫氧奎寧鋁(Alq3)，
是一發綠光的材料，發光波長為520 × 10−9 公尺
 電洞傳輸層的材料為雙雙酚苯(Spiro-NPB)，是一發
藍光的材料，發光波長為 450 × 10−9 公尺
 因為電洞移動率比電子快，所以電子─電洞的結合大
都發生在電子傳輸層（Alq3），只會產生綠光
 可以利用多層的結構使得電子和電洞在電洞傳輸層
（ Spiro-NPB ）再結合產生藍光，而紅光目前沒有
適合的材料，所以研究上一般是利用摻雜染料的方
式產生紅光。

37. 各種照明用具的發展史與效率的比較圖
Source : Mitsubishi Chemical

38. 市場概況 -- DISPLAY

39. PERFORMANCE COMPARISON
AMOLED only shows few advantage than LCD
Source : AUO