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柔性O(shè)LED很火！印刷OLED技術(shù)的工藝、難點(diǎn)你也應(yīng)該深入了解

編輯：songqiuxia 2017-11-22 09:04:41 瀏覽：7480 來(lái)源：未知

　　在今年Q2，JOLED宣布，已研發(fā)出全球首款采用印刷式技術(shù)的4KOLED 面板產(chǎn)品，該面板產(chǎn)品尺寸為21.6 英寸，已于 4 月開(kāi)始提供樣品給醫(yī)療用顯示器使用，之后計(jì)劃將應(yīng)用對(duì)象擴(kuò)大至電視、游戲機(jī)等用途。

　　目前“印刷顯示技術(shù)”僅能實(shí)現(xiàn)部分印刷顯示器件，即實(shí)現(xiàn)了OLED材料的印刷，但在TFT背板的印刷上尚未形成突破。

　　與傳統(tǒng)的蒸鍍工藝相比，印刷式具有工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、材料利用率高和更適合大尺寸面板的優(yōu)點(diǎn)，一旦印刷OLED 跨越了量產(chǎn)的瓶頸，將迎來(lái)極大的發(fā)展機(jī)遇。

　　“印刷”和“蒸鍍”

　　OLED 的發(fā)光原理是在ITO 玻璃上制作一層幾十納米厚的發(fā)光材料——也就是人們通常所說(shuō)OLED 屏幕像素自發(fā)光的材料，發(fā)光層上方有一層金屬電極，電極加電壓，發(fā)光層產(chǎn)生光輻射；從陰陽(yáng)兩級(jí)分別注入電子和空穴，被注入的電子和空穴在有機(jī)層傳輸，并在發(fā)光層復(fù)合，激發(fā)發(fā)光層分子產(chǎn)生單態(tài)激子，單態(tài)激子輻射衰減發(fā)光，從而形成一個(gè)個(gè)的像素點(diǎn)。

　　發(fā)光材料在OLED 像素化的過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，目前其制造方法可分為蒸鍍和印刷兩種。

　　蒸鍍，是真空中通過(guò)電流加熱，電子束轟擊加熱和激光加熱等方法，使被蒸材料蒸發(fā)成原子或分子，它們隨即以較大的自由程作直線運(yùn)動(dòng)，碰撞基片表面而凝結(jié)，形成薄膜。

　　印刷顯示，就是使用印刷方式制作顯示器的有機(jī)材料膜層。具體而言，就是通過(guò)噴墨印刷設(shè)備上的多個(gè)印刷噴頭，將不同顏色的聚合物發(fā)光材料溶液精確的沉積在ITO 玻璃基板的隔離柱槽中，溶劑揮發(fā)后會(huì)形成100 納米左右厚度的薄層，構(gòu)成可發(fā)光的像素。

　　印刷工藝相對(duì)于蒸鍍工藝有以下優(yōu)勢(shì)：

　　1.工藝更加簡(jiǎn)單；

　　2.有機(jī)發(fā)光材料蒸發(fā)效率更高，材料利用率而蒸鍍時(shí)有機(jī)材料氣體無(wú)差別沉積在玻璃基板上，材料利用率低。

　　3.更容易處理大型基板，尤其是Gen8 及以上尺寸面板；而蒸鍍受限于設(shè)備與技術(shù)，很難制作大尺寸精細(xì)金屬掩模板，導(dǎo)致該工藝無(wú)法應(yīng)用在大尺寸面板的制造上

　　4.制造成本更低，在OLED 面板的原材料使用上，印刷OLED 就比蒸鍍技術(shù)節(jié)省90%左右。

　　蒸鍍工藝印刷工藝

　　材料固體小分子溶液

　　工藝難度復(fù)雜簡(jiǎn)單

　　材料使用效率10-20%80-90%

　　適用產(chǎn)品規(guī)格中小尺寸大尺寸，尤其是Gen8 及以上尺寸

　　制造成本昂貴便宜

　　印刷OLED 發(fā)展

　　材料方面，德國(guó)默克、美國(guó)杜邦、英國(guó)劍橋顯示以及日本住友化學(xué)等公司不僅擁有大量的專利，也建立了相應(yīng)的生產(chǎn)線。

　　而5 月17 日日本JOLED 發(fā)布的首款印刷4K OLED 面板產(chǎn)品，并計(jì)劃2018 年初開(kāi)賣，也標(biāo)志著印刷OLED 技術(shù)正在加速走向商業(yè)化。

　　我國(guó)印刷 OLED 顯示材料方面，華南理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所、天津大學(xué)分別在熒光材料、磷光材料和載流子傳輸材料方面在國(guó)內(nèi)外發(fā)表大量的相關(guān)研究工作。

　　華南理工大學(xué)基于自主發(fā)展的聚合物發(fā)光材料及印刷陰極材料，成功制備了首個(gè)全噴墨打印的彩色顯示器件，從原理上實(shí)現(xiàn)了全印刷技術(shù)器件。

　　國(guó)內(nèi)印刷 OLED 顯示存在的主要問(wèn)題在于材料廠商的參與缺位，優(yōu)勢(shì)技術(shù)集成度低，這成為我國(guó)印刷OLED 顯示產(chǎn)業(yè)發(fā)展遲滯的主要原因。

　　印刷OLED 專利（部分）

　　在OLED領(lǐng)域中，通過(guò)印刷顯示技術(shù)替代原有有機(jī)材料蒸鍍的工藝。此種方式確實(shí)能大大提升材料利用效率，并且預(yù)期未來(lái)將有助于降低顯示屏制造的直接成本。

　　但相比蒸鍍方法，打印技術(shù)目前在器件最終光效、高分辨率圖形化等方面還存在差距，需要進(jìn)一步提升才能達(dá)到生產(chǎn)水平。

　　印刷顯示是采用可溶液化加工的有機(jī)、無(wú)機(jī)、納米功能材料(包括金屬、半導(dǎo)體、電介質(zhì)、光電材料等)，通過(guò)印刷或涂布技術(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)半導(dǎo)體工藝/真空工藝來(lái)制作顯示器。

　　目前主要應(yīng)用方向是印刷OLED/印刷QLED；未來(lái)，TFT陣列也可采用印刷工藝來(lái)制作。

　　同時(shí)，印刷與柔性是一對(duì)天生的孿生兄弟，兩者可完美結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)Roll-To-Roll(卷對(duì)卷)的柔性印刷顯示技術(shù)，像印報(bào)紙一樣制造顯示屏。

　　印刷OLED 技術(shù)難點(diǎn)

　　雖然印刷OLED 的前景非常具有吸引力，但目前離量產(chǎn)仍有一段路要走，還要解決很多技術(shù)難點(diǎn)，其主要來(lái)自于工藝穩(wěn)定性的壓力，可分為以下三方面。

　　1墨水

　　墨水的穩(wěn)定性是印刷制成的關(guān)鍵因素，且除去其自身性質(zhì)變化因素外，影響墨水穩(wěn)定性的較大的因素是氣泡。假設(shè)現(xiàn)有廠商能穩(wěn)定且大量提供無(wú)雜質(zhì)墨水的前提下，墨水在運(yùn)輸、灌入過(guò)程中會(huì)引入氣泡，而如何去除氣泡暫時(shí)還沒(méi)有良好的解決方法。

　　常規(guī)實(shí)驗(yàn)室工藝為將墨水長(zhǎng)時(shí)間負(fù)壓靜置，以便較大氣泡上浮至表面破裂。這種處理方法在工業(yè)上是否適用有待考證。同時(shí)靜置法能去除較大的氣泡，但是較小的氣泡能夠存在于液體中很長(zhǎng)時(shí)間。

　　考慮到常用工業(yè)用噴頭單次出墨量為10pl，則其噴頭尺寸一般為20-30 um。則整個(gè)打印系統(tǒng)對(duì)微小氣泡異常敏感。

　　氣泡的存在不僅僅會(huì)存在氣栓現(xiàn)象，影響墨水的流動(dòng)；同時(shí)因?yàn)闅馀菘梢砸苿?dòng)和壓縮，則其會(huì)在噴墨頭內(nèi)游動(dòng)，造成單噴頭或多噴頭的出墨不穩(wěn)或無(wú)法出墨現(xiàn)象。

　　2噴頭

　　除去在小型研發(fā)機(jī)臺(tái)上部分會(huì)采用單噴頭單噴嘴系統(tǒng)外，在中型平臺(tái)以上一般均會(huì)采用單噴頭多噴頭嘴系統(tǒng)。該噴頭可以在印刷過(guò)程中用多噴頭進(jìn)行噴印，從而在提高生產(chǎn)效率的前提下，能夠達(dá)到均化每個(gè)像素點(diǎn)內(nèi)墨水體積的作用。

　　印刷上的穩(wěn)定性體現(xiàn)在為噴頭的穩(wěn)定性。

　　與蒸鍍不同，一般在印刷工藝前會(huì)對(duì)噴頭進(jìn)行校準(zhǔn)，其后再進(jìn)行印刷。但是印刷過(guò)程中無(wú)法對(duì)噴頭狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè)（出墨速度快，需要專用高速攝像頭延時(shí)抓拍），則一旦噴印中1 個(gè)噴頭出現(xiàn)故障，則其不僅僅影響1 個(gè)像素，而是會(huì)影響1 列、甚至多列像素。

　　比如因?yàn)槌瞿^少導(dǎo)致功能層較薄，導(dǎo)致屏幕出現(xiàn)Mura（部分可通過(guò)TFT調(diào)節(jié)），或者印刷EML時(shí)偶然歪斜，出現(xiàn)紅綠像素混色現(xiàn)象（混色會(huì)連續(xù)性出現(xiàn)，之間影響整體印刷效果）。

　　3成膜

　　成膜亦是溶液法印刷的難點(diǎn)之一。墨水在印刷上去時(shí)已然在表面開(kāi)始揮發(fā)，一般墨水邊緣揮發(fā)速度較快，則會(huì)出現(xiàn)咖啡環(huán)現(xiàn)象。

　　該現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)有較為成熟的解決方案。但實(shí)驗(yàn)室僅對(duì)30 mm x 30 mm大小的基板進(jìn)行測(cè)試，現(xiàn)在面臨的難點(diǎn)是對(duì)于大尺寸面板的干燥問(wèn)題。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　即便是在200 mm x 200 mm平臺(tái)上，大規(guī)模均勻成膜還是難點(diǎn)之一。

　　主要難點(diǎn)體現(xiàn)在印刷完基板中部和基板邊緣處揮發(fā)速度呈現(xiàn)較大差異，比如中間揮發(fā)較慢，邊緣揮發(fā)較快，則器件點(diǎn)亮?xí)r呈現(xiàn)明顯無(wú)法修復(fù)的Mura。

　　這是也是造成印刷 OLED 顯示面板無(wú)法達(dá)到市場(chǎng)化要求的主要問(wèn)題。

　　設(shè)備

　　大規(guī)模量產(chǎn)印刷OLED 產(chǎn)品，需要在8.5 代以上噴墨印刷設(shè)備、可溶性O(shè)LED 材料及墨水、噴墨印刷技術(shù)、薄膜封裝技術(shù)、氧化物TFT 背板技術(shù)以及驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)等等實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的突破。

　　若采用高沸點(diǎn)溶劑，則在現(xiàn)階段依然需要真空設(shè)備。和常規(guī)Mask技術(shù)不同，印刷用的真空設(shè)備對(duì)真空度要求不高，但是為了穩(wěn)定成膜，對(duì)真空設(shè)備抽速和真空恒壓性能有很高要求。

　　以常規(guī)印刷OLED器件制成來(lái)看，除去array段與ITO圖形化與蒸鍍段相同外，印刷制成需要以下工藝流程：

　　1Bank（PDL）結(jié)構(gòu)

　　在array上均勻制作一層Bank以限定溶液流動(dòng)，制作方式可以為小型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)或Slit/ Slot Dye方式制作。

　　材料為光刻膠，其后通過(guò)曝光、顯影、刻蝕、清洗后才能形成可用圖案，則在該階段需要一張Mask。

　　2疊層結(jié)構(gòu)

　　假設(shè)常規(guī)印刷OLED中HIL、HTL和EML為印刷層，則其制作完Mask后基本需要經(jīng)過(guò)以下流程：

　　- HIL印刷，印刷完畢后真空干燥（聚合物需加熱交聯(lián)）；

　　- HTL印刷，印刷完畢后真空干燥（聚合物需加熱交聯(lián)）；

　　- EML 印刷，若RGB為同體系溶液，可一并印刷后真空干燥（聚合物需加熱交聯(lián)）；

　　即便在沒(méi)有聚合物的前提下，每層的制作最少經(jīng)過(guò)打印-轉(zhuǎn)移至真空腔-真空腔干燥-轉(zhuǎn)移出等幾個(gè)步驟。

　　與傳統(tǒng)工藝相比，除去設(shè)備的增加外，印刷的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)亦提高了制作成本。

　　制作完EML后，再以蒸鍍方式制作ETL、EIL和電極，完成器件封裝。

　　在假設(shè)3個(gè)功能層真空條件且不需要Baking的條件下，則除去打印機(jī)外，額外需要設(shè)備為：

　　制作Bank：Slit 機(jī)器、Baking設(shè)備、真空Chamber、曝光刻蝕設(shè)備。

　　功能層：理想情況各功能層為同一材料體系、有相同的干燥工藝且不需要Baking交聯(lián)，則需要1個(gè)真空Chamber；若三層材料體系不同、干燥工藝不同且需要Baking，則需要3個(gè)獨(dú)立真空Chamber（可集成熱臺(tái)功能）。

　　廢液處理和收集設(shè)備：需注意的是大部分有機(jī)良溶劑為有機(jī)溶劑，呈現(xiàn)一定的毒性，無(wú)法直接排放。同時(shí)較高的沸點(diǎn)也使得該類液體回收困難。

　　工藝時(shí)長(zhǎng)

　　印刷為溶液法制程，一般印刷OLED器件中需要印刷1-3層，其中1-2層為共用功能層，而第三層為EML層。

　　耗時(shí)較長(zhǎng)主要表現(xiàn)為工藝處理時(shí)間較長(zhǎng)。以常見(jiàn)OLED器件為例，因?yàn)樾枰谱?層功能層，則需要分別進(jìn)行三次打印。

　　為了避免溶液在低溫?fù)]發(fā)損壞噴頭，一般印刷用墨水沸點(diǎn)在150℃-250℃以上，造成該溶液揮發(fā)困難，則在現(xiàn)階段依然需要真空設(shè)備。

　　每次打印需要真空干燥，部分材料為了提高性能還需要烘烤。則為了打印1個(gè)OLED器件，其需要重復(fù)進(jìn)行印刷-干燥-烘烤3次。干燥為低壓或真空，意味這需要真空Chamber。

　　易耗品

　　對(duì)印刷打印來(lái)看，其噴頭是易耗品。即便對(duì)于最便宜的Fujifilm噴頭其價(jià)格也在數(shù)千至數(shù)萬(wàn)美金不等。

　　即便以研發(fā)平臺(tái)為準(zhǔn)來(lái)看，印刷OLED設(shè)備最少需要5個(gè)噴頭來(lái)對(duì)應(yīng)5個(gè)不同功能層，在產(chǎn)線上為了提高效率，對(duì)于同一功能層的印刷需要多個(gè)噴頭系統(tǒng)進(jìn)行打印，則產(chǎn)線上噴頭使用數(shù)量在10個(gè)以上。無(wú)形中直接提高了生產(chǎn)成本和維護(hù)成本。