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        1. 行業動態

          印刷OLED技術的工藝、難點了解

                在今年Q2,JOLED宣布,已研發出全球首款采用印刷式技術的4KOLED 面板產品,該面板產品尺寸為21.6 英寸,已于 4 月開始提供樣品給醫療用顯示器使用,之后計劃將應用對象擴大至電視、游戲機等用途。

          目前“印刷顯示技術”僅能實現部分印刷顯示器件,即實現了OLED材料的印刷,但在TFT背板的印刷上尚未形成突破。

          與傳統的蒸鍍工藝相比,印刷式具有工藝簡單、成本低廉、材料利用率高和更適合大尺寸面板的優點,一旦印刷OLED 跨越了量產的瓶頸,將迎來極大的發展機遇。

          “印刷”和“蒸鍍”

          OLED 的發光原理是在ITO 玻璃上制作一層幾十納米厚的發光材料——也就是人們通常所說OLED 屏幕像素自發光的材料,發光層上方有一層金屬電極,電極加電壓,發光層產生光輻射;從陰陽兩級分別注入電子和空穴,被注入的電子和空穴在有機層傳輸,并在發光層復合,激發發光層分子產生單態激子,單態激子輻射衰減發光,從而形成一個個的像素點。

          發光材料在OLED 像素化的過程中起著至關重要的作用,目前其制造方法可分為蒸鍍印刷兩種。

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

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

          印刷工藝相對于蒸鍍工藝有以下優勢:

          1.工藝更加簡單;

          2.有機發光材料蒸發效率更高,材料利用率而蒸鍍時有機材料氣體無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;而蒸鍍受限于設備與技術,很難制作大尺寸精細金屬掩模板,導致該工藝無法應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 就比蒸鍍技術節省90%左右。

           

          蒸鍍工藝

          印刷工藝

          材料

          固體小分子

          溶液

          工藝難度

          復雜

          簡單

          材料使用效率

          10-20%

          80-90%

          適用產品規格

          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 發展

          材料方面,德國默克、美國杜邦、英國劍橋顯示以及日本住友化學等公司不僅擁有大量的專利,也建立了相應的生產線。

          而5 月17 日日本JOLED 發布的首款印刷4K OLED 面板產品,并計劃2018 年初開賣,也標志著印刷OLED 技術正在加速走向商業化。

          我國印刷 OLED 顯示材料方面,華南理工大學、中國科學院長春應用化學研究所、天津大學分別在熒光材料、磷光材料和載流子傳輸材料方面在國內外發表大量的相關研究工作。

          華南理工大學基于自主發展的聚合物發光材料及印刷陰極材料,成功制備了首個全噴墨打印的彩色顯示器件,從原理上實現了全印刷技術器件。

          國內印刷 OLED 顯示存在的主要問題在于材料廠商的參與缺位,優勢技術集成度低,這成為我國印刷OLED 顯示產業發展遲滯的主要原因。


          印刷OLED 專利(部分)

          在OLED領域中,通過印刷顯示技術替代原有有機材料蒸鍍的工藝。此種方式確實能大大提升材料利用效率,并且預期未來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,需要進一步提升才能達到生產水平。

          印刷顯示是采用可溶液化加工的有機、無機、納米功能材料(包括金屬、半導體、電介質、光電材料等),通過印刷或涂布技術,代替傳統半導體工藝/真空工藝來制作顯示器。

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

          同時,印刷與柔性是一對天生的孿生兄弟,兩者可完美結合,最終實現Roll-To-Roll(卷對卷)的柔性印刷顯示技術,像印報紙一樣制造顯示屏。

           

          印刷OLED 技術難點

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

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          墨水

          墨水的穩定性是印刷制成的關鍵因素,且除去其自身性質變化因素外,影響墨水穩定性的較大的因素是氣泡。假設現有廠商能穩定且大量提供無雜質墨水的前提下,墨水在運輸、灌入過程中會引入氣泡,而如何去除氣泡暫時還沒有良好的解決方法。

          常規實驗室工藝為將墨水長時間負壓靜置,以便較大氣泡上浮至表面破裂。這種處理方法在工業上是否適用有待考證。同時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時間。

          考慮到常用工業用噴頭單次出墨量為10pl,則其噴頭尺寸一般為20-30 um。則整個打印系統對微小氣泡異常敏感。

          氣泡的存在不僅僅會存在氣栓現象,影響墨水的流動;同時因為氣泡可以移動和壓縮,則其會在噴墨頭內游動,造成單噴頭或多噴頭的出墨不穩或無法出墨現象。

          2
          噴頭
           

          除去在小型研發機臺上部分會采用單噴頭單噴嘴系統外,在中型平臺以上一般均會采用單噴頭多噴頭嘴系統。該噴頭可以在印刷過程中用多噴頭進行噴印,從而在提高生產效率的前提下,能夠達到均化每個像素點內墨水體積的作用。

          印刷上的穩定性體現在為噴頭的穩定性。

          與蒸鍍不同,一般在印刷工藝前會對噴頭進行校準,其后再進行印刷。但是印刷過程中無法對噴頭狀態進行觀測(出墨速度快,需要專用高速攝像頭延時抓拍),則一旦噴印中1 個噴頭出現故障,則其不僅僅影響1 個像素,而是會影響1 列、甚至多列像素。

          比如因為出墨較少導致功能層較薄,導致屏幕出現Mura(部分可通過TFT調節),或者印刷EML時偶然歪斜,出現紅綠像素混色現象(混色會連續性出現,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之一。墨水在印刷上去時已然在表面開始揮發,一般墨水邊緣揮發速度較快,則會出現咖啡環現象。

          該現象在實驗室中已經有較為成熟的解決方案。但實驗室僅對30 mm x 30 mm大小的基板進行測試,現在面臨的難點是對于大尺寸面板的干燥問題。

          即便是在200 mm x 200 mm平臺上,大規模均勻成膜還是難點之一。

          主要難點體現在印刷完基板中部和基板邊緣處揮發速度呈現較大差異,比如中間揮發較慢,邊緣揮發較快,則器件點亮時呈現明顯無法修復的Mura。

          這是也是造成印刷 OLED 顯示面板無法達到市場化要求的主要問題。

          設備

          大規模量產印刷OLED 產品,需要在8.5 代以上噴墨印刷設備、可溶性OLED 材料及墨水、噴墨印刷技術、薄膜封裝技術、氧化物TFT 背板技術以及驅動補償技術等等實現全產業鏈的突破。

          若采用高沸點溶劑,則在現階段依然需要真空設備。和常規Mask技術不同,印刷用的真空設備對真空度要求不高,但是為了穩定成膜,對真空設備抽速和真空恒壓性能有很高要求。

          以常規印刷OLED器件制成來看,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:
           


          1
          Bank(PDL)結構

          在array上均勻制作一層Bank以限定溶液流動,制作方式可以為小型實驗平臺或Slit/ Slot Dye方式制作。

          材料為光刻膠,其后通過曝光、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
          疊層結構

          假設常規印刷OLED中HIL、HTL和EML為印刷層,則其制作完Mask后基本需要經過以下流程:

          - HIL印刷,印刷完畢后真空干燥(聚合物需加熱交聯);

          - HTL印刷,印刷完畢后真空干燥(聚合物需加熱交聯);

          - 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);

          即便在沒有聚合物的前提下,每層的制作最少經過打印-轉移至真空腔-真空腔干燥-轉移出等幾個步驟。

          與傳統工藝相比,除去設備的增加外,印刷的時間過長亦提高了制作成本。

          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3個功能層真空條件且不需要Baking的條件下,則除去打印機外,額外需要設備為:

          制作Bank:Slit 機器、Baking設備、真空Chamber、曝光刻蝕設備。

          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,則需要1個真空Chamber;若三層材料體系不同、干燥工藝不同且需要Baking,則需要3個獨立真空Chamber(可集成熱臺功能)。

          廢液處理和收集設備:需注意的是大部分有機良溶劑為有機溶劑,呈現一定的毒性,無法直接排放。同時較高的沸點也使得該類液體回收困難。

          工藝時長

          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。

          耗時較長主要表現為工藝處理時間較長。以常見OLED器件為例,因為需要制作3層功能層,則需要分別進行三次打印。

          為了避免溶液在低溫揮發損壞噴頭,一般印刷用墨水沸點在150℃-250℃以上,造成該溶液揮發困難,則在現階段依然需要真空設備。

          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OLED器件,其需要重復進行印刷-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

          對印刷打印來看,其噴頭是易耗品。即便對于最便宜的Fujifilm噴頭其價格也在數千至數萬美金不等。

          即便以研發平臺為準來看,印刷OLED設備最少需要5個噴頭來對應5個不同功能層,在產線上為了提高效率,對于同一功能層的印刷需要多個噴頭系統進行打印,則產線上噴頭使用數量在10個以上。無形中直接提高了生產成本和維護成本。

          來源:OLEDindustry
           

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