深圳OLED显示屏_专业定制点阵屏_TFT-LCD液晶屏-打印AMOLED技术难在哪里?
2019-12-18

深圳OLED显示屏_专业定制点阵屏_TFT-LCD液晶屏-打印AMOLED技术难在哪里?

打印AMOLED技术的难点与高PPI实现方法全析

随着AMOLED的产业逐渐成型,并开始成为主流。对于成本高,工艺难度大,材料利用率低等问题的出现,喷墨打印技术也被推到了台前。


打印技术有着蒸镀技术很多达不到的优点,但是蒸镀技术是目前最成熟的AMOLED技术。这也是目前各家布局蒸镀技术的原因,虽然也在打印上投入很多年,但是距离量产还有一段距离。



关于打印技术在AMOLED里对应的是蒸镀技术,也就是说这两个工艺完成的部分差不多。回到实际工艺中就是在OLED显示屏制作过程中,在电致发光材料(EL)成膜工序中,可用蒸镀制程的方式,也可用喷墨打印制程的方式。而这个用喷墨打印工艺代替传统的蒸镀工艺就叫喷墨打印OLED技术。





喷墨打印OLED显示屏的制备方法,主要是使用溶剂将OLED有机材料溶解,然后将材料直接喷印在基板表面形成R(红)、G(绿)、B(蓝)有机发光层。喷墨打印OLED技术在制程,工艺,良率和成本等方面相比蒸镀技术优势明显,但工艺过程存在的一系列难点也使得喷墨打印技术发展受限。



难点一、喷墨打印聚合物材料
由于聚合物分子量较大,在制备OLED显示屏时,主要采用溶液加工成膜(如旋涂或印刷),其中,喷墨打印技术被证明是制备发光聚合物溶液的最佳方法。具有高效率、可打印的特点。如今,聚合物发光材料的研发已有较大发展,喷墨打印设备以及相关成膜工艺也基本上能满足制备高分辨率显示屏的要求。但目前的问题在于,发光聚合物性能较差,因此只有开发出发光效率更高、寿命更长且成本低廉的聚合物材料,才能满足日益增长的






难点二、喷墨打印小分子材料






目前,聚合物发光器件(PLED)的效率(6~8 cd/A)和寿命一般较低,而小分子发光器件(SM-OLED)则具有明显的性能优势,具有高效率(84 cd/A)和长寿命等特点。小分子材料一般使用传统的热蒸镀工艺,其中,喷墨打印小分子的研究是关注的热点。该技术难点在于一般的小分子材料成膜性较差,液膜在基板上干燥过程中,容易发生去润湿现象而形成不连续的薄膜。因此,如何获得高质量的功能薄膜是制作高效率、长寿命器件的必要条件。






难点三、喷墨打印阴极






与蒸镀小分子原理相同,OLED显示屏的阴极一般也是通过真空蒸镀工艺制作的,但问题是所使用的蒸镀设备和掩模板比较昂贵。用喷墨打印技术制备阴极,则可大幅度降低成本。其中最大的难题在于,可印刷阴极墨水的开发以及如何大面积均匀成膜。包括:






1.必须保证阴极材料与有机功能层的亲和性,确保印刷的阴极能稳定成膜;






2.必须保证印刷图案的精细度,确保显示图像的高分辨率;






3.必须避免阴极胶浆对底层的破坏;






4.必须保证载流子的有效注入,以确保高亮度、高效率的显示






难点四、喷墨打印OLED显示屏工艺






喷墨打印功能薄膜时,液滴间距(μm)和液滴体积(pl)都需达到较高的精度,才能满足薄膜的均匀性和厚度的要求。液滴定位或体积的微小变化,都有可能引起显示屏像素坑的发光亮度不均匀甚至短路完全不发光,从而导致OLED显示屏出现大量缺陷。






OLED功能层必须膜厚均匀,而且还要保持其自身的光电特性。因此,薄膜形成过程中溶剂必须干燥后去除。此外,墨水中的其他添加剂也必须去除至含量最低,以免影响有机半导体薄膜的性能。






OLED显示屏由像素阵列组成,每个像素又由红、绿、蓝3色的子像素坑组成,一般其几何形状为下图所示的圆角矩形。






而像素坑的尺寸和个数是由显示屏的应用特点决定的:对于高清电视机(HDTV),在像素阵列为1080×1920、尺寸为94~165 cm的规格下,子像素坑的尺寸分别为140和250 μm;而对于移动设备如智能手机,其像素为广视频图像阵列(WVGA,480×800个像素),7.37~9.65 cm的规格下,子像素坑尺寸分别为26 μm和35 μm。






由于彩色显示屏相邻的子像素坑发光材料的颜色不同,印刷时必须防止溶液溢出到相邻像素坑中。所以在像素坑之间需要创建出低表面能的隔离区,科研人员一般会使用光刻胶树脂做隔离材料。需要注意的是,在向像素坑中打印墨水时,首先要考虑墨水体积是否满足薄膜厚度的要求。






由于像素坑的面积和深度是一定的,墨水体积既要铺满像素坑,又不能溢出像素坑,所以打印墨水的体积是有限的。假设把浓度为1%(质量分数)的墨水印刷到像素坑中,就要求薄膜厚度恰好为70 nm。小像素坑的最大容积如果小于满足厚度需求的墨水体积(设液体与基板接触角为70°)(即墨水填满像素坑后最大膜厚仍然小于70 nm),说明墨水中固体含量过低,此时就需要增加墨水的浓度并降低印刷体积。大像素坑中达到70 nm膜厚所需要的墨水体积如小于最低润湿体积(设墨水与基板的接触角是15°)(即墨水不足以铺满像素坑),说明墨水中固体含量过高,需要降低墨水的浓度并增加印刷墨水的体积。






在墨水浓度和液滴体积都确定的情况下,可根据膜厚要求计算每一像素坑需要的墨水体积和墨滴数量。由于液滴体积是由打印头直径决定的,因此可以根据像素坑的尺寸需要,选择相应的直径的打印头。像素坑尺寸越小,意味着选择的打印头直径越小,技术要求也越高。






难点五、墨水成膜过程控制






喷墨打印OLED显示屏的溶液主要是由光电材料和溶剂组成,因此,需要从流体特性、铺展程度和干燥成膜等方面考虑墨水的配制:






1.为确保墨水的稳定性,就需要溶质的溶解度高或分散均匀,从而保证液滴稳定以及材料在基板上成膜均匀;






2.溶液的流变性(粘度,表面张力及剪切速率)需满足喷墨打印设备的要求,并能够形成稳定的液滴(包括液滴无卫星点、重复性好、定位精确等);






3.溶剂不能挥发得太快,从而防止干燥后的溶质堵塞打印头导致打印失效。






墨水的可打印性主要是由粘度、表面张力和剪切速率变化量决定的,而分子结构、分子量、固体含量以及选择的溶剂则是影响这些物理参数的主要因素。喷墨打印设备对墨水粘度的要求一般在1~20 cP之间。






对于聚合物墨水来说,溶质含量越高墨水粘度越大,固体含量一般在0.2%~2.5%(质量分数)之间;而对于小分子来说,溶质含量对溶液粘度的影响很小,科研人员一般通过选择高粘度溶剂和加入添加剂等方式提高溶液的粘度。此外,溶剂的沸点和表面张力,决定了墨水的干燥速率及其对基板的润湿性。所以需要选择物理性质适当的溶剂,才能达到控制溶质在像素坑中的成膜形貌的目的。






难点六、液滴定位偏差与控制






喷墨打印机/打印头的重要技术指标包括:液滴的定位精度、喷墨液滴体积、印刷可靠性和产量等。液滴下落的目标位置由显示屏的几何图案确定的,而液滴体积主要由打印头直径决定。






由于显示屏的像素尺寸一般在微米量级,分辨率越高就要求液滴的体积越小、定位越精确。比如在像素分辨率为100~150 ppi(子像素大小约为85~55 μm),大小为35.56 cm的彩色显示基板上,需要沉积1~2千万个直径约25 μm液滴,这就意味着液滴定位稍有偏差,就可能引起整个像素基板的印刷错误。所以打印头尺寸必须精确在10 pl左右,液滴下落精度则需在±10 μm内,只有这样才能获得印刷定位精确、高分辨率的器件。






液滴定位偏差,主要是由打印平台的机械偏移和液滴在打印头出口的偏移角度引起的。用于制造喷墨打印显示屏的设备,一般都具备专业的高精度印刷平台(如气浮轴承平台),使其可以达到机械位移精度的要求。






液滴在打印头出口处的偏移角度,则受打印头的设计和墨水配方的影响。由于用于生产显示屏的打印头都是经过专门设计制造的,因此液滴偏移程度较小。通常情况下,液滴偏移角一般不超过10 mrad。通过打印头的设计和墨水的优化,液滴偏移角度可达±2 mrad,对应的印刷分辨率则可达到200 ppi。






此外,通过优化墨水的化学组成、调控基材表面的化学组成或物理结构等方法,都可以减少喷射墨滴的尺寸或者控制墨滴在基材表面的铺展润湿行为,也可以有效提高喷墨打印的分辨率。在制作OLED显示屏中,这些提高印刷分辨率的方法都是非常重要的。






打印技术如何实现OLED高PPI ?






对于打印OLED显示屏本身工艺难点需要攻破这些,同时还有个打印问题就是如何实现打印技术的高PPI。目前蒸镀AMOLED的PPI轻松实现超过400。但是打印OLED要突破这个PPI很难,目前公开资讯的是京东方对外的400PPI。那要实现打印技术的高PPI有哪些难点呢?






一、高解析度打印技术难点






影响打印解析度提高的主要因素是设备能力。影响设备精度的原因可以分为两部分,一部分是设备的对位及运动精度,另一部分是打印喷头吐出墨滴体积的大小。






a)设备运动系统限制






打印设备的主要结构如图表20(a)所示,打印设备主要包括工作台(Stage)和供液系统。设备的Stage是用来承载玻璃的,Stage可以在一定范围内转动(±5°),也可以在Y方向上进行移动。设备的供液系统是给喷头提供墨水的结构,在其最下方挂载喷头。设备的供液系统包括墨水瓶、过滤装置、脱泡装置和注射装置(syringe)等,墨水进入 syringe装置后就可以进行打印了,通过喷头将墨水打印在基板上。供墨系统和喷头可以整体在X方向移动,这样,通过喷头和Stage的配合移动实现在基板上的整面打印。设备对位系统主要是为了调整打印喷头和Stage之间的相对角度和位置坐标,由对位标记(mark)标定,标记图形如图20(b)所示。通常情况下,为了满足高精细打印,要求运动马达的精度要小于1μm,这样才能保证喷头调整时具有最小的相对误差。对于喷头的对位精度,通常也是要求小于1μm,甚至是0误差,这对镜头的解析能力和软件的图形识别能力提出了很高的要求,只有做到了极小的误差,才能确保喷头在长程运动时不把误差放大。



打印设备结构


图表20:(a)打印设备结构示意图;(b)对位mark




b)打印喷头限制




打印喷头吐出墨滴的能力是制约产品解析度提高的另一个重要因素,通常情况下,打印喷头吐出的墨滴体积范围是1~50pL,墨滴吐出越大,喷头制作难度越低,喷墨越稳定,但是只能应用于低解析度产品。反之,喷墨体积越小,喷头制作难度越大,喷墨稳定性也下降,而且很容易出现喷头堵塞的现象,但却是制作高解析度产品的必须条件。以10pL喷头为例,说明墨滴体积对打印精度的影响。图表21中以300ppi的像素尺寸为例,像素的长边长约为75μm,短边长度为25μm。10pL喷头吐出的墨滴体积为8pL,相当于直径24μm的球体。每个喷头中含有256个Nozzle,不同Nozzle吐出的墨滴位置差异范围是±10μm,这样,考虑到墨滴的直径和墨滴落点的差异,Pixel的短边宽度应不小于42μm(喷头打印方向是长边方向),再考虑到Bank占用的宽度,Pixel的短边尺寸因不小50μm,这种情况下,产品的解析度在160ppi左右。
打印喷头



图表21:300ppi像素尺寸

示意图


22:10pL喷头墨滴体积及落点精度示意图




二、实现高解析度打印的方法




a)提高设备的硬件能力




打印设备的主要瓶颈是在打印喷头的设计和与之匹配的供墨系统设计,要实现产品解析度的提高必须要先提高打印喷头吐出墨滴的解析度。下图在多个维度上给出了喷头和产品尺寸,产品解析度,产品规格及产线基板尺寸的关系。从图表可以看出,要实现产品解析度的提高,必须降低墨滴的吐出体积,而墨滴的吐出体积减小后,考虑到墨滴的稳定性,能够对应的产品尺寸相应的减少,对应的产线基板尺寸也变小。相反,墨滴的体积变大,产品解析度下降,但是可以对应较大尺寸的产品和较大的产线基板。
打印喷头示例




图表23:打印喷头规格及相应的产品和产线对应图




b)在像素设计上做调整




除了提高打印设备的能力,优化像素设计也是一种实现高解析度打印的重要手段。对于像素设计的改进可以通过以下几种方式。OLED显示屏




首先,可以将原本是单个的亚像素(Subpixel)修改为以行或者列为单位的像素排列,这样,我们在打印时不再是逐个Pixel的打印,变为逐行打印,降低了打印的难度,提高了打印的解析度。




其次,我们可以将几个相邻的Pixel作为一个打印Pixel,相当于实际打印的Pixel面积放大了很多,打印的难度随之降低,打印解析度也随之提高,再通过特殊的像素显示方法,实现全彩显示。




此外,还可以设计其他非常规的像素排列方式,通过像素排列方式的改变,增加实际打印的Pixel的面积,以便在提高解析度的同时,降低打印的难度,再通过相应的算法,实现全彩显示。




以目前的技术条件,通过提高设备能力和重新排布像素结构都是提高产品解析度的有效方法,相对于提高设备能力,进行像素结构重新设计要容易一些。



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