印刷OLED顯示屏工藝過程簡介

添加時間：2020/11/20

    隨著中國制造2025 政策的指引，作為中國第三大進口產品之一的顯示屏生產產業越發火熱。TCL 華星光電、BOE 京東方、天馬、和輝維信諾等企業在盈利能力大幅改善的同時，亦加大了在顯示技術上的投入，謀求在顯示屏生產產業鏈中高端研發位置占據一席之地。
    隨著玻璃尺寸一再變大，大尺寸屏幕的生產從8.5 代直接跨度到10 代和10.5 代，根據邊際效益遞減原理，傳統生產工藝的弊端也越發明顯。
    由此各大廠商均在尋求新的顯示制作技術，以降低大尺寸屏幕生產成本的同時，從長遠來看實現柔性、R2R 等工藝的制作技術。由此，印刷顯示的研究逐漸的被提上了日程。
    國內各大廠商，如BOE 在合肥，而華星光電和天馬（廣東聚華）在廣州均成立相應的印刷顯示技術研究所，希望能和日韓系廠商站在同一起跑線上進行競爭。
    誠然，印刷顯示是未來顯示技術發展的一個方向，且和傳統的生產方式相比有各種優勢，但是該技術也存在一些先天的局限，其未來的發展依然充滿了變數。雖然近年來印刷技術已經取得了不少成就，但是和傳統行業相比，印刷工藝還有很長的道路要走。本文對印刷工藝制成面臨的困難進行簡單的解讀，以供大家參考。（本文的印刷制成僅考慮噴墨印刷制程）
    簡而言之，印刷顯示在大規模生產前所面臨的問題如下：
    技術
    現在打印的器件性能總體上接近于旋涂器件，但是離蒸鍍器件還有相當長的一段距離。
    除去器件性能以外，現有印刷技術還面臨的問題有：
    工藝穩定性不高：在生產上穩定性壓倒一切
    于噴墨印刷過程來說，其工藝上穩定性的壓力來自于以下3個方面：
    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。
    印刷
    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）。
    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。
    工藝耗時較長
    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。
    備需求復雜
    配套設備需求較多
    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：
    制作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。
    印刷為疊層結構
    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。
    易耗品的增加
    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。