一个“疯子”工程师的自白:干印刷OLED显示会经历这些痛!

林契于宸
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随着中国制造2025 政策的指引,作为中国第三大进口产品之一的显示屏生产产业越发火热。TCL 华星光电、BOE 京东方、天马、和辉维信诺等企业在盈利能力大幅改善的同时,亦加大了在显示技术上的投入,谋求在显示屏生产产业链中高端研发位置占据一席之地。

随着玻璃尺寸一再变大,大尺寸屏幕的生产从8.5 代直接跨度到10 代和10.5 代,根据边际效益递减原理,传统生产工艺的弊端也越发明显。

由此各大厂商均在寻求新的显示制作技术,以降低大尺寸屏幕生产成本的同时,从长远来看实现柔性、R2R 等工艺的制作技术。由此,印刷显示的研究逐渐的被提上了日程。

国内各大厂商,如BOE 在合肥,而华星光电和天马(广东聚华)在广州均成立相应的印刷显示技术研究所,希望能和日韩系厂商站在同一起跑线上进行竞争。

诚然,印刷显示是未来显示技术发展的一个方向,且和传统的生产方式相比有各种优势,但是该技术也存在一些先天的局限,其未来的发展依然充满了变数。虽然近年来印刷技术已经取得了不少成就,但是和传统行业相比,印刷工艺还有很长的道路要走。本文对印刷工艺制成面临的困难进行简单的解读,以供大家参考。(本文的印刷制成仅考虑喷墨印刷制程)

简而言之,印刷显示在大规模生产前所面临的问题如下:

技术

现在打印的器件性能总体上接近于旋涂器件,但是离蒸镀器件还有相当长的一段距离。

除去器件性能以外,现有印刷技术还面临的问题有:

工艺稳定性不高:在生产上稳定性压倒一切

对于喷墨印刷过程来说,其工艺上稳定性的压力来自于以下3个方面:

墨水

墨水的稳定性是印刷制成的关键因素,且除去其自身性质变化因素外,影响墨水稳定性的较大的因素是气泡。假设现有厂商能稳定且大量提供无杂质墨水的前提下,墨水在运输、灌入过程中会引入气泡,而如何去除气泡暂时还没有良好的解决方法。

常规实验室工艺为将墨水长时间负压静置,以便较大气泡上浮至表面破裂。这种处理方法在工业上是否适用有待考证。同时静置法能去除较大的气泡,但是较小的气泡能够存在于液体中很长时间。

考虑到常用工业用喷头单次出墨量为10pl,则其喷头尺寸一般为20-30 um。则整个打印系统对微小气泡异常敏感。

气泡的存在不仅仅会存在气栓现象,影响墨水的流动;同时因为气泡可以移动和压缩,则其会在喷墨头内游动,造成单喷头或多喷头的出墨不稳或无法出墨现象。

印刷

除去在小型研发机台上部分会采用单喷头单喷嘴系统外,在中型平台以上一般均会采用单喷头多喷头嘴系统。该喷头可以在印刷过程中用多喷头进行喷印,从而在提高生产效率的前提下,能够达到均化每个像素点内墨水体积的作用。

印刷上的稳定性体现在为喷头的稳定性。

与蒸镀不同,一般在印刷工艺前会对喷头进行校准,其后再进行印刷。但是印刷过程中无法对喷头状态进行观测(出墨速度快,需要专用高速摄像头延时抓拍),则一旦喷印中1 个喷头出现故障,则其不仅仅影响1 个像素,而是会影响1 列、甚至多列像素。

比如因为出墨较少导致功能层较薄,导致屏幕出现Mura(部分可通过TFT调节),或者印刷EML时偶然歪斜,出现红绿像素混色现象(混色会连续性出现,之间影响整体印刷效果)。

成膜

成膜亦是溶液法印刷的难点之一。墨水在印刷上去时已然在表面开始挥发,一般墨水边缘挥发速度较快,则会出现咖啡环现象。

该现象在实验室中已经有较为成熟的解决方案。但实验室仅对30 mm x 30 mm大小的基板进行测试,现在面临的难点是对于大尺寸面板的干燥问题。

即便是在200 mm x 200 mm平台上,大规模均匀成膜还是难点之一。

主要难点体现在印刷完基板中部和基板边缘处挥发速度呈现较大差异,比如中间挥发较慢,边缘挥发较快,则器件点亮时呈现明显无法修复的Mura。

工艺耗时较长

印刷为溶液法制程,一般印刷OLED器件中需要印刷1-3层,其中1-2层为共用功能层,而第三层为EML层。

耗时较长主要表现为工艺处理时间较长。以常见OLED器件为例,因为需要制作3层功能层,则需要分别进行三次打印。

为了避免溶液在低温挥发损坏喷头,一般印刷用墨水沸点在150℃-250℃以上,造成该溶液挥发困难,则在现阶段依然需要真空设备。

每次打印需要真空干燥,部分材料为了提高性能还需要烘烤。则为了打印1个OLED器件,其需要重复进行印刷-干燥-烘烤3次。干燥为低压或真空,意味这需要真空Chamber。

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