增加有機發光顯示器發光效率並保持影像品質之微透鏡增光膜設計

增加有機發光顯示器發光效率並保持影像品質之 微透鏡增光膜設計

陳冠宇 林晃巖 李君浩 何羽軒 蕭宇廷

臺灣大學光電所

魏茂國 林家榮

東華大學材料所

摘 要

使用表面微結構的方式來增加有機發光顯示器 (OLED, organic light- emitting displays) 的光萃取效率 (light-extraction efficiency) 或簡稱出光效 率，是常為人所熟知或應用的技巧－此外亮度 (luminance or nits = cd/m²) 是顯 示器最重要的規格之一，在這裡我們主要用亮度比值 (luminance ratio) 當作比 較增光膜優劣的基準－然而表面微結構用在顯示器上時，除了效率的提升，還 會因微結構造成雜散光的增加，進而使影像畫質變差。本文的目標即是利用微 結構設計解決增加出光效率與維持影像畫質的兩難。本文第一先定量描述影像 品質變差的程度；第二用光學模擬及實驗量測傳統的單一週期微結構貼附於有 機發光顯示器，探討亮度比值與影像品質變差的關係，及描述前人解決問題的 方法與缺點；第三我們提出創新的微結構排列方式，不但增加了出光效率並且 維持與原來相當的影像品質。我們先由模擬方式得出：63%的正向增光比及 79%的總能量 (正比於出光效率) 增加，同時達成模糊寬度 (blur-width) 在 X 方向為 24 μm、Y 方向為 9 μm；實驗上更大為增加 120%的發光亮度，也就是 亮度比值為本來的 2.2 倍；影像品質方面，單一像素模糊寬度控制為 15 μm，

影像品質係數只從 1 稍稍減低為 0.9445，與無貼附微結構的對照組相差無幾，

為一成功的解決方式。

關鍵詞：有機發光顯示器，微透鏡，增光膜，影像品質，光線追跡模擬。

PATTERNED MICROLENS-ARRAY FILM ATTACHED TO ORGANIC LIGHT-EMITTING DISPLAY FOR IMPROVING LIGHT-EXTRACTION

EFFICIENCY WHILE MAINTAINING IMAGE QUALITY

Kuan-Yu Chen Hoang-Yan Lin Jiun-Haw Lee Yu-Hsuan Ho Yu-Ting Hsiao Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics and Department of Electrical Engineering

National Taiwan University Taipei, Taiwan 10617, R.O.C.

Mao-Kuo Wei Jia-Rong Lin

Institute of Opto-Electronic Engineering and Department of Materials Science and Engineering National Dong Hwa University

Hualien, Taiwan 97401, R.O.C.

Key Words: OLED, microlens, brightness enhancement film, image quality, ray-tracing simulation.

ABSTRACT

Conventionally, micro-structured films (e.g. microlens array films) are often applied to enhance light-extraction efficiency and increase luminance of organic light-emitting displays. However, this approach suffers from poor image quality due to stray rays caused by micro-structures. This trade-off between efficiency and image quality can be solved by our novel microlens array arrangement. Luminance enhancement of 120% without observable image degradation was achieved in our experiment.

一、文獻回顧

有機發光顯示器因為其自發光的特性，所以具有廣視 角、反應迅速、製程簡單、可應用於可撓曲式基板 (flexible substrate) 上等種種優點，所以被廣泛應用在手機、MP3 等手持顯示裝置，近來更有 OLED 電視問世；另因其具有 環保無汞與可採捲式製程 (roll to roll process) 之優點，加 上可利用噴墨印刷 (inkjet printing) 方式大量生產，因此被 認為是可望蓬勃發展的固態照明光源。但是由於其發光的 外部量子效率 (external quantum efficiency, EQE) 一般來 說均少於 30%，還有很多改善的空間[1]；一般大家都會使 用貼附微結構膜的方式來破壞介面全反射[2-4]，以增加出 光效率或亮度，但此時影像顯示器的畫質通常會變差，因 為增加的光線多為大角度的雜散光會影響到周圍畫素，這 是傳統上大家遇到的兩難。

我們之前曾進行了一系列探討覆蓋率 (coverage ratio 或 fill factor)、高徑比 (height ratio 或 aspect ratio) 和透鏡 底部直徑對於增光比影響的實驗；得出高的覆蓋率、高的 高徑比和小的透鏡直徑會有較佳的增光比[5-7]，但是高的 覆蓋率和高的高徑比會造成嚴重的影像模糊 (本文首先探 討定量影像模糊的影響)。前人對於這個問題採取的辦法就 是把微結構的尺度變小，這樣一來微結構的尺度遠小於次 畫素 (sub-pixel) 的大小，雜散光線造成影像的模糊程度也 可以受到控制；然而結構不可能無限制縮小，且變小的微 結構有著製造與複製上的困難處，並不是一個非常適宜的 解決之道。

所以我們先發展了一個測定影像變差程度的定量方 法來評估影像品質，藉由這個方法找出增光比與影像品質 的關係；最後我們再提出創新的中空排列微結構設計，在 模擬及實驗上達成增光效果同時兼顧影像品質。

二、實驗及模擬條件

1. 實驗設定

我們使用 Minolta CS-1000 來量測 OLED 的亮度，進 而計算「貼附微透鏡膜的元件亮度」除以「原來元件亮度」

= 亮度比例 (luminance ratio) = 增光比 + 1。

2. 模擬條件

我們使用光線追跡光學模擬軟體 LightTools，模擬的 OLED 元件架構為：反射陰極/電洞傳輸層 (60 nm) / 發光 層 (60 nm) / ITO (110 nm) / 玻璃 (0.7 mm) / 微透鏡膜 (0.1 mm)，微結構尺寸與實驗上 SEM 圖所測量出尺寸相 同；假設光源為發光層與電洞傳輸層介面上均勻分佈且在 各角度發光強度均相同之點光源集合。

模擬的光度計置於距玻璃與空氣介面 4 cm 的位置，收 光的張角為 1.58 度，與實驗 CS-1000 量測條件相同。

三、設計原理分析

此篇的新發現適用於大部分規則排列之微結構，在此 我們用微透鏡結構作說明與探討。

1. 微透鏡參數介紹

覆蓋率 (coverage ratio 或 fill factor) = 微透鏡總所佔 面積除以膜之總面積

高徑比 (height ratio 或 aspect ratio) = 微透鏡高度除以 微透鏡底部半徑

固定微透鏡底部半徑之下，微透鏡越高表示曲率半徑 越小，越接近半球形。

2. 定量影像品質

如圖 1；左半部是實驗結果，右半部是模擬結果，上 半部是沒有微透鏡膜的原始畫素 (pixel)，下半部是有貼附 微透鏡膜的畫素，我們可以觀察到加上微透鏡膜之後，影 像變得很模糊；我們定義 L 是原本畫素的發光寬度、L’是 貼附微透鏡膜後最亮處 1/e²強度的寬度；最後定義模糊寬 度 (blur-width) = (L’ - L) / 2，如此我們就有個定量基準來 比較各種微結構所造成影像品質的影響了[8]。

3. 變化各種參數對增光比與模糊寬度的探討 (一) 覆蓋率的影響

−400 −200 0 200 400

−400 −200 0 200 400

−400 −200 0 200 400 500 400 300 200 100 0

−100

−200

−300

−400

−500 500

400 300 200 100 0

−100

−200

−300

−400

−500

500 400 300 200 100 0

−100

−200

−300

−400

−500

Y (μm)μ

500 400 300 200 100 0

−100

−200

−300

−400

−500

Y (μm)μ

X (μμm)

X (μμm)

−400 −200 0 200 400

(a) (b)

L L’

圖1 由實驗與模擬照片定義模糊寬度 (blur-width)

70%

150 μm20%

60%

130 μm15%

50%

12.5%

115 μm

40%

100 μm7.5%

20%

80 μm5%

圖2 實驗上覆蓋率對亮度增加比與模糊寬度的比較 (微 透鏡為正方排列、每個高約5.1 μm)

(1) 模擬結果

覆蓋率與增光比是成正比的，同時覆蓋率與模糊 寬度也成正比。

(2) 實驗結果

如圖 2；照片是用顯微鏡接上數位相機，固定光 圈、快門與 ISO 值之下所拍攝的，覆蓋率由右至 左漸增，增光比漸增同時模糊寬度也漸增，與模 擬結果相符合。

(二) 高徑比的影響 (1) 模擬結果

模擬中得出，曲率半徑與增光比是成反比的且曲 率半徑與模糊寬度是也是成反比的；這表示高徑 比對增光比與模糊寬度都是正比的關係。

(2) 實驗結果

如圖 3；高徑比由右至左漸增，增光比漸增同時模 糊寬度也漸增，與模擬結果相符合。

(三) 微透鏡直徑大小的影響

這個部分只有模擬的結果，從圖 4 可知，上半部是模 擬發光的圖案，由右至左的透鏡底部直徑漸小，下半 左圖可看出透鏡底部直徑與能量是成反比的，下半右 圖可看出透鏡底部直徑與模糊寬度是成正比的；換句

0.356 200 25%μm

0.204 12%105 μm

0.152 5%90 μm

0 ( )

00

圖3 實驗上高徑比對亮度增加比與模糊寬度的比較 (微 透鏡為六角排列、覆蓋率90%，畫素88 x 96 μm)

D = 12.5 μμm D = 25 μmμ D = 50 μμm

Power = 2.33 mW Blur-width = 37.5 μμm

Power = 2.27 mW Blur-width = 115 μmμ

Power = 1.88 mW Blur-width = 182.5 μμm

500 400 300 200 100 0

−100−200

−300−400

−500 400 200

−200 0

−400 400 200

−200 0

−400 400 200

−200 0

−400 μmμ

Recived power NoFilm

Blur width 220

200 180 160 140 120 100 80 60 40 20

Blur width ( m)μ

D ( m)μ

0 20 40 60 80 100

2.42.3 2.22.1 2.01.9 1.81.7 1.61.5 1.41.3 1.21.1 1.0

Received power ( m)μ

D ( m)μ

0 102030405060708090100 110

圖4 模擬結果：透鏡底部直徑對正向亮度增加比與模糊 寬度的比較；上半為模擬照片 (微透鏡為正方排 列，高與半徑相同)

話說，只要透鏡底部直徑變小，就同時可以獲得高效 率與好影像；這就是傳統上出光效率與影像品質兩難 的解決之道，但是微結構不可能無限小，很小的結構 在製作與複製上也會有所困難。

4. 全新的微結構排列方式

在這裡我們用三個次畫素 (sub-pixel) 去代表全彩 OLED 中的 RGB 畫素；圖 5 中可以看到上半部是傳統單一 週期微結構的方式，下半部是我們所提出的新的微結構排 列方式：中空式的排列，在發光畫素的正上方不要佈微結 構，如此可以使正向的光線直接透射出玻璃，而不會在透 鏡的邊緣因大入射角造成全反射，所以會增加正向的效 率；右半部是微結構安排的圖示，左半部是發光區域的模 擬圖示，其中可以觀察到，單一週期微結構貼附的 OLED 影像畫質很差，而中空形式微結構貼附的 OLED 影像畫質 幾乎不受影響。

從表一中可以發現，這種中空排列微結構的方式可以 有 79%的能量增加與 63%的正向增光比，正向亮度比值還

表一 模擬上相對總能量、相對亮度和模糊寬度對原始畫素、單一週期和中空形式的比較

畫素大小 = 157 × 39 Power Luminance Blur-width (X) Blur-width (Y)

Unit (micron) Ratio Ratio Unit (micron) Unit (micron)

原始畫素 覆蓋率 0% 1 1 x x

單一週期 覆蓋率 54.5% 1.93 1.55 124 79 中空排列 覆蓋率 37.8% 1.79 1.63 24 9

50 40 30 20 10 0

−10

−20

−30

−40

−50

Y (micron)

50 40 30 20 10 0

−10

−20

−30

−40

−50

Y (micron)

X (micron)

−40 −20 0 20 40

圖5 模擬結果：微結構排列方式 (右半)與其發光圖案的 比較：上半兩圖為單一週期，下半兩圖為中空排列 的結果

(a) No microlens (b) Fully filled microlens (c) Hollow arranged microlens array

0 0.1

0.2 (mm)

圖6 正向的亮度比例 (a) 原始：100% (b) 全佈滿：

140% (c) 中空排列：220%

大於傳統的單一週期微結構，只有在總能量比值上稍減；

但是在影像畫質上則有大幅改進：X 方向的模糊寬度從 124 μm 降為 24 μm，Y 方向從 79 μm 降為 9 μm，也就是說只 會比本來的畫素多出數個μm 的雜散光區域，在畫質上小 小犧牲卻可換來超過 60%的效率提升[9]。

而在實驗上我們在正向亮度達到了 120%的增光比，

詳細的元件結構請參考這兩篇論文[10, 11]，如圖 6，且單 一像素的模糊寬度從單一週期微結構貼附 OLED 的大於 24 μm 變成中空排列微結構貼附 OLED 的 15 μm；並且這

0 10 20 30 40 50 60 70

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2

Without MAF

With hollow arranged MAF

Luminance ratio

Viewing angle (degree)

圖7 貼附中空排列微透鏡膜的OLED視角特性

圖8 影像品質係數 (a) 原始：1 (b) 單一週期：0.7512 (c) 中空排列：0.9445

種排列方式並不影響顯示器視角特性，從 0 到 70 度均維持 超過原始畫素的亮度，如圖 7；影像品質係數 (image quality index，計算方式出自[12]) 更只有從 1 稍稍降為 0.9445，

反觀單一週期微結構形式劇降為 0.7512，如圖 8。

除此之外，我們模擬上證明了這種中空的排列方式特 別適合小發光畫素，如顯示器方面的應用；如圖 9，把一 個 1000 × 1000 μm 的發光畫素切割成四等分 (也就是每個 子畫素為 500 × 500 μm)、16 等分 (每個子畫素為 250 × 250 μm)、25 等分 (每個子畫素為 200 × 200 μm 與 100 等分 (每 個子畫素為 100 × 100 μm，與一般手機面板子畫素大小相 當)，我們發現，在同等的總發光面積下，把畫素畫分得越 小，中空排列微透鏡的方式會比本來無結構之大面積畫素 有著更高的亮度比增加；相反的，單一週期微結構形式看 不出把畫素變小的優勢；此外，無結構的畫素只要總面積 一樣，正向發光強度均同。

100 200 300 400 500 1.0

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

Luminance ratio

Sub-pixel edge length (mm) Full of microlens Hollow arranged with 2 rows of microlens in between sub-pixels

圖9 分割過後的小發光畫素與本來大面積無結構發光 畫素的正向亮度比

四、結 論

我們知道微透鏡增光膜中的微透鏡覆蓋率越高、高 徑比趨近於 1，就會有好的效率，然而此時會造成嚴重的 的影像品質衰減；只有把微透鏡的直徑縮小才可以都達 到好的結果，但是縮小透鏡的製程方法不易。由於直射 出玻璃面光線會在微透鏡邊緣造成全反射的觀察，我們 提出了創新的中空排列微透鏡的方式，這個方法比減小 透鏡底部直徑能增加更多的效率，且影像品質更好，是 真正雙贏之道！

參考文獻

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2009 年 02 月 05 日 收稿 2009 年 02 月 13 日 初審 2009 年 03 月 18 日 複審 2009 年 04 月 03 日 接受