從需求到製成困難：OLED 顯示器製造的挑戰與突破
到底需要多高的解析度?
人類的眼睛是一個非常精密的光學儀器，可以快速變焦、對焦，就算是近視了仍然比市面上許多高級相機還精密，稍微有一些差距，人眼便能看出端倪，因此螢幕的解析度變得非常重要，當螢幕解析度低到一定程度時，人眼就能分辨出一顆一顆的像素 (pixel)，使用者觀看螢幕的體驗就會變差，會覺得畫面的細節不足。但是螢幕解析度愈高，製成困難度愈高，因此需要在解析度和人眼辨識度之間取得一個平衡，要讓使用者幾乎看不出像素的同時降低製造螢幕的困難度。
好家在，經過前人們的不斷努力和實驗推導出了下方的公式 (圖一)。我們最終要求得的是PPI (Pixels Per inch)，也就是在製作螢幕過程中，一英吋需要塞下多少個像素，可以想像PPI愈高，製造的困難度便會提高。在(圖二) 中，我們可以看到當眼睛距離螢幕愈近，需要的PPI就愈高，以VR設備為例，VR的螢幕距離眼睛非常近，因此若PPI不夠高，很容易就可以看出畫面的顆粒感，畫質就會看起來很差。早年推出的VR設備大部分都會有類似的問題，近幾年推出的進階款VR設備如Apple Vision Pro，由於製造技術提升，便幾乎看不出像素的感覺。
圖一、觀看角度 (α)、像素數量 (pd)、螢幕解析度(PPI)和眼睛和螢幕距離 (d) 的關係，我們最終須求得PPI，得出PPI便能知道在一英吋內需要塞入多少個像素，也就是螢幕製成需要做到多細緻的程度。注意: 觀看角度是指眼睛跟螢幕兩邊張出來的角度，而不是頭水平向下觀看螢幕的角度。
我們可以來嘗試算一下一台筆電橫向的PPI需要多少。我們先假設一些基本的條件: 我們使用筆電的觀看角度大約落在50°，而眼睛距離筆電螢幕大約50 cm (要記得換成英吋喔)，最後我們假設螢幕長邊的像素數量是1920個像素。我們把這些條件帶入到 (圖一)的公式中便能得到大約是209 PPI，跟圖二中的數值接近。各位有興去可以自己算算看其他顯示器所需要的PPI值喔。另外補充一下各個顯示器與眼睛的觀看角度:
VR 螢幕: ~1.5°
手機螢幕: ~15°
電腦螢幕: ~50°
電視螢幕: ~150°
有沒有辦法騙過人類的眼睛?
我們是否有辦法同時降低螢幕PPI，但又同時維持高畫質的螢幕品質呢?
答案是可以! 人類的眼睛其實是可以被蒙混過去的。
我們其實不用把像素提升到(圖二)中要求的高度，只要在像素的排列上稍微動一點手腳，就可以讓使用者"覺得"畫質有提高。那要怎麼做呢?🤔
要知道怎麼騙過人眼，就必須先知道人眼是怎麼感測光線的。
人眼視網膜負責感測光線亮暗的細胞稱為視桿細胞 (rod cell)，負責感測顏色的細胞稱為視錐細胞 (cone cell)，而人類的視錐細胞又分化成三種，他們分別可以感測紅色、藍色、綠色光譜。
我們可以看到 (圖三) 中的九張照片都是正常辨色能力的人眼取下的視網膜，其中的每張照片中的紅、藍、綠點分別對應了感測紅、藍、綠光的視錐細胞。仔細觀察可以發現，人眼視網膜感測紅色和綠色的視錐細胞比例很高，這就代表了人眼對於紅色和綠色較藍色敏感。我們可以回想一下生活中其實有大量的應用是利用了這個特點，舉例幾個例子: 高速公路上的路牌都是綠色的，原因是在夜晚時，人眼對於綠色較敏感，使用綠底白字較容易看清楚路牌；在一個昏暗的禮堂內講者的投影片選用黑底黃字的話，比較容易看得清楚，原因是黃光是紅光加上綠光。是不是非常酷呢~生活中對於色彩的應用比比皆是，有興趣的話可以多觀察一下生活週遭喔~😎
了解了人眼對於紅色和綠色較藍色敏感，我們便很容易可以猜出來手機的像素要怎麼排列了~ 就是把紅色和綠色像素點增多 (通常只會增加綠色像素點)，這麼一來使用者便會覺得畫質有提高了，此技術稱為 Pixel Pentile/Rendering。若使用true pixel，一個像素內會包含了12個子像素 (subpixel)，而使用Pixel Pentile/Rendering則可以將子像素減少到8個，可以做到在幾乎不改變螢幕解析度的情況下降低成本和製程困難。
Pixel Pentile/Rendering 可以理解成是一種廠商為了兼顧製成和畫質的權宜之計或是想得比較黑暗一點是一種"欺騙"消費者的手法，可以宣稱自己的產品具有高畫質。無論如何，目的都是讓消費者"認為"畫質提高了。我們接下來來深入看一下各家廠商的Pixel Pentile/Rendering方法吧~
在 (圖五) 中，我們可以看到蘋果和三星兩大廠商都選用了Pixel Pentile/Rendering的方法來提高視覺上的畫面解析度。Pixel Pentile/Rendering的優點是一個像素內的子像素較少，代表製成的難度降低，此外使用到的驅動程式較簡單，畢竟需要驅動的子像素變少了，最後一個優點是螢幕耗電量可以降低，同樣也是因為子像素的數量降低了。
三種主流OLED螢幕的優勢與挑戰
目前OLED螢幕主要有三種發出RGB色彩的方式，我們可以參考 (圖六)的表格。此表格總結了三種OLED螢幕優缺點。
第一種OLED螢幕稱為Side-by-side RGB: 顧名思義就是讓紅、綠、藍光OLED並排在一起，透過控制個別OLED的電壓達到控制發出不同顏色光的效果。使用這種OLED螢幕會遇到解析度稍低的缺點，因為製成的方式是採用精度不高的列印 (printing)的方式，精度不高的主要成因是在列印時的噴嘴在注入材料時，若指定的區域過小，容易把材料塗在非指定區域。一個生活中可以類比的例子是在到水時，如果水杯開口很大，那麼從水壺倒至水杯的水幾乎不會跑出杯子，但是若杯口很小，則容易不小心將水倒至水杯外。有鑑於此，Side-by-side RGB通常用於低解析度的小螢幕。
第二種OLED螢幕稱為White OLED with Color Filters (WOLED+CFs): 同樣從名字裡可以看出一些端倪，此種螢幕只使用白光OLED。透過在白光OLED前方加上RGB三種顏色的濾光片(color filter) 達到發出不同色光的效果。使用WOLED+CFs的缺點是發光效率差，因為白光還需要透過濾光片才能轉成其他顏色的光，這就代表有2/3的能量被濾光片擋掉，使得出光效果差。WOLED+CFs 的優點是製程過程簡單，因為只需要製造單一一種顏色的OLED。此外，WOLED+CFs 的製程採用蒸鍍 (evaporation) 的方式製作OLED陣列，使得每一個OLED都可以做得很小，提高了螢幕的解析度。知名廠商LG的OLED螢幕便是使用此種製程技術來製作大面積的OLED螢幕。
第三種OLED螢幕稱為Blue OLED with color changing/conversion materials (Blue OLED with CCMs): 從名字中可以看出此種OLED螢幕只有藍光OLED，透過藍光OLED搭配顏色轉換 (color conversion)的材料，便能將藍光轉換成綠光和紅光。顏色轉換的材料有三種，第一種材料是有機染劑 (organic dye)，第二種材料是磷光粉 (phosphor)，第三種材料是目前主要使用的量子點 (quantum dot)。使用這三種材料的好處是，這三種材料的製程都可以在黃光室內完成，因此和黃光製程整合可以說是天作之合。使用Blue OLED with CCMs的優點是發光效率較WOLED+CFs好，畢竟不需要讓光透過濾光片的遮擋來轉換色光，而缺點是藍光OLED的壽命不如紅光和綠光OLED長，因此螢幕的汰換率會較其他兩種高。知名廠商三星電子的OLED螢幕便是使用此種製程技術來製作大面積的OLED螢幕。
接下來就讓我們來看看實際在製程這些OLED面板的方法和目前的困難吧~ 😶🌫️
小還要再更小: OLED製成方法以及目前的困難
目前OLED螢幕每一層的成型主要是透過蒸鍍的方式完成，如果沒有聽過蒸鍍的讀者可以先想像一個充滿水蒸氣的淋浴間，如果今天你從外面乾燥的環境中進入到這個淋浴間的瞬間，全身上下便會沾滿細微的水滴，等到你走出這個淋浴間時，身上便會覆蓋一層小水滴，整個人像是剛洗完澡一樣濕漉漉的。如果今天你身上有一個傷口且醫生囑咐你不能讓傷口碰水，那麼你應該會用一片防水膠帶把傷口貼起來吧，等到出了這個蒸氣室，把防水膠帶斯起來，傷口便仍然是乾燥的。
在這裡舉的例子其實就跟蒸鍍的原理類似，假設今天我們想要在一片基板 (Substrate)上分別鍍上紅、綠、藍的發光層 (圖七)，那麼首先要做的是只讓該基板上要鍍紅色的區域露出來，其他地方用遮罩 (mask)擋起來，然後將基板送進一個充滿紅色發光層材料的蒸氣室中，等到紅色發光層的材料黏附上基板的厚度達到需求時，便將基板從蒸氣室裡取出。接下來的綠色、藍色發光層的製作也遵循相同原理。對應到上面淋浴間的例子，充滿發光層材料的蒸氣室相當於就是淋浴間；基板上覆蓋一定厚度的材料相當於身上覆蓋的小水滴；遮罩相當於防水膠帶；其他不需要碰到材料的部分相當於身上的傷口。這樣是不是有比較好理解了呢? 🧐
目前蒸鍍源分為三種:
單點蒸鍍源 (Point Source)、線狀蒸鍍源 (Linear Source)、層板狀蒸鍍源(Plane Source)。
我們直接看 (圖八) 便會很清楚了解這三種蒸鍍源的差異。Point Source 噴出的材料方向為一角錐形狀，因此若要蒸鍍得均勻，必須不停旋轉基板，這使得基板大小不能太大，不然在蒸鍍腔體內無法選轉，此外我們可以看到point source的蒸鍍角 (evaporation angle) 是三者中最大的，也就是噴出材料時散出的角度大，因此必須將蒸鍍源和基板的距離拉開，才能保持基板上材料的均勻度。聰明的讀者們應該已經猜到了，用這種蒸鍍源蒸鍍出來的基板均勻度應該是低的，且由於蒸鍍源和基板距離遠，在蒸鍍過程有很多鍍料都噴濺到非目標區，如腔體壁面上，導致材料使用率 (Material utilization)低。
Linear Source 改進了Point Source的蒸鍍不均勻缺點，改採用線狀的蒸鍍源搭配可以橫向移動的基板載台，在蒸鍍過程中不斷橫向移動載台，實現了比Point Source 更高的蒸鍍均勻度。此外，由於蒸鍍角變小了，因此蒸鍍源可以更靠近基板提高了材料的使用率。
Plane Source 則是更提高了 Linear Source 的蒸鍍均勻度，直接讓蒸鍍源呈現一整個平面，這麼一來不僅提高了蒸鍍的均勻度，也提高了蒸鍍的效率。此外，Plane Source 的蒸鍍角又比Linear Source 還要更小，使蒸鍍源可以更貼近基板，更加提高了材料的使用率。聰明的讀者們應該可以猜到Linear Source 和 Plane Source的蒸鍍源是非常適合用於大面積OLED 顯示器的製作，畢竟這兩種蒸鍍源均勻度高且製成的過程基板只需水平移動不需旋轉，大大提高了大面積OLED 螢幕的製程良率。
了解了三種蒸鍍方法的優缺點和使用時機後，我們接著來看蒸鍍所使用到的遮罩，以及使用這些遮罩的目的以及優缺點吧~
回顧先前淋浴間的例子，遮罩就像防水膠布一樣，擋起來的地方就不會被鍍料黏附上。在鍍OLED面板時，主流會使用兩種遮罩，分別為比較厚的common metal mask (CMM) 和比較薄的 fine metal mask (FMM)。之所以要有不同厚度的遮罩的原因是，當要鍍的孔洞愈小時，若遮罩愈厚，則愈難將材料鍍進孔洞之中。可以看到 (圖九)，比較厚與薄的遮罩對於蒸鍍的效果的影響可以看出，使用厚的遮罩會阻擋鍍料進入到孔洞之中，鍍料大部分會黏在遮罩孔洞的壁面上，而不會黏到基板上。
圖九、厚與薄的遮罩比較。圖源: 我自己畫的。
那麼 CMM 和 FMM 的使用時機分別為何呢?
CMM 由於厚度厚 (~100 μm)，因此適合用於孔洞大的區域，例如共同區域都會使用到的材料層，就很適合使用 CMM 來當作遮罩。而 FMM 由於厚度薄 (~10 μm)，因此適合用於孔洞小的區域，例如單一子像素會用到的材料層，就很適合使用 FMM 來當作遮罩。
到目前為止看起來好像 FMM 作為遮罩的效果非常好，好像也沒有甚麼缺點，但真的是這樣嗎? 我們可以先用一個生活中的例子來體會一下，使用 FMM 的缺點。
各位是否有使用過錫箔紙或是鋁箔紙的經驗呢? 當一片錫箔剛從一綑錫箔捲上被撕下來時，是否會有一種"它好容易變皺喔" 還有"它跟紙一樣，拿著兩端中間會下垂"的感覺呢? 在FMM也會有類似的現象。
為了避免FMM產生皺摺，因此在蒸鍍時，會在FMM周圍施加張力 (tension)，好讓FMM可以在完全撐開的情況下完成它的工作。但是施加張力會引入一個新的問題，就是當張力不平均時，容易將FMM上的孔洞拉伸成非原來的形狀，這會造成蒸鍍完的圖案形狀不如預期 (Patterning Error)，這種製成缺失稱為 Tensioning Error。此外，由於FMM非常的薄，因此很容易受到重力的影響，儘管在其四周已施加張力，但是FMM仍然會有在遮罩中央區域出現下垂的現象，這同樣也會導致在蒸鍍完後圖案形狀不如預期的狀況發生。
除了上述兩種導致Patterning Error的問題以外，其他造成Patterning Error的成因還有遮罩本身在製程時產生的公差或是製成缺陷，稱為Fabrication Error；遮罩自身厚度導致基板有部分區域在蒸鍍時被遮擋住的 Shadowing Effect ；遮罩在對準機板時出現沒有對準好的情況的Optical Alignment Error ； 遮罩在受熱不平均而導致不同區域孔洞膨脹不均一所產生的Thermal Effect Error等等，都會造成在製程上的良率降低。
總結
在本篇文章中，我們從人眼對於畫質的需求一路講到了OLED 螢幕種類，接著講到了各種不同的蒸鍍法，最後講到了製成的困難以及突破。希望各位讀完後對於目前OLED的製程技術以及需求，都有一點了解~
那我們下次見囉~Bye~Bye~
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