柔性印刷機實(shí)驗步驟的簡(jiǎn)單介紹

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* KOLED 面板產(chǎn)品，該面板產(chǎn)品尺寸為21.* 英寸，已于 * 月開(kāi)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(shù)”僅能實(shí)現部分印刷顯示器件，即實(shí)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(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(fā)光層復合，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(zhù)至關(guān)重要的作用，目前其制造方法可分為蒸鍍吉印通 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(xiàn)運動(dòng)，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(guò)噴墨印刷設備上的多個(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，構成可發(fā)光的像素。

印刷工藝相對于蒸鍍工藝有以下優(yōu)勢：

1.工藝更加簡(jiǎn)單；

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

* .更容易處理大型基板，尤其是Gen* 及以上尺寸面板；而蒸鍍受限于設備與技術(shù)，很難制作大尺寸精細金屬掩模板，導致該工藝無(wú)法應用在大尺寸面板的制造上。

* .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(jiǎn)單

材料使用效率

10-20%

* 0-90%

適用產(chǎn)品規格

中小尺寸

大尺寸，尤其是Gen* 及以上尺寸

制造成本

昂貴

便宜

印刷OLED 發(fā)展

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

而* 月17日日本JOLED 發(fā)布的首款印刷* K OLED 面板產(chǎn)品，并計劃201* 年初開(kāi)賣(mài)，也標志著(zhù)印刷OLED 技術(shù)正在加速走向商業(yè)化。

我國印刷 OLED 顯示材料方面，華南理工大學(xué)、中國科學(xué)院長(cháng)春應用化學(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內外發(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)現了全印刷技術(shù)器件。

國內印刷 OLED 顯示存在的主要問(wèn)題在于材料廠(chǎng)商的參與缺位，優(yōu)勢技術(shù)集成度低，這成為我國印刷OLED 顯示產(chǎn)業(yè)發(fā)展遲滯的主要原因。

印刷OLED 專(zhuān)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)一步提升才能達到生產(chǎn)水平。

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

目前主要應用方向是印刷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)，印刷與柔性是一對天生的孿生兄弟，兩者可完美結合，最終實(shí)現Roll-To-Roll(卷對卷)的柔性印刷顯示技術(shù)，像印報紙一樣制造顯示屏。

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)自于工藝穩定性的壓力，可分為以下三方面。

1.墨水

墨水的穩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，影響墨水穩定性的較大的因素是氣泡。

假設現有廠(chǎng)商能穩定且大量提供無(wú)雜質(zhì)墨水的前提下，墨水在運輸、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。

常規實(shí)驗室工藝為將墨水長(cháng)時(shí)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(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(cháng)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-* 0 um。則整個(gè)打印系統對微小氣泡異常敏感。

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

2.噴頭

除去在小型研發(fā)機臺上部分會(huì )采用單噴頭單噴嘴系統外，在中型平臺以上一般均會(huì )采用單噴頭多噴頭嘴系統。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，能夠達到均化每個(gè)像素點(diǎn)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(huì )對噴頭進(jìn)行校準，其后再進(jìn)行印刷。但是印刷過(guò)程中無(wú)法對噴頭狀態(tài)進(jìn)行觀(guān)測（出墨速度快，需要專(zhuān)用高速攝像頭延時(shí)抓拍），則一旦噴印中1 個(gè)噴頭出現故障，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。

比如因為出墨較少導致功能層較薄，導致屏幕出現Mura（部分可通過(guò)TFT調節），或者印刷EML時(shí)偶然歪斜，出現紅綠像素混色現象（混色會(huì )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(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 )出現咖啡環(huán)現象。

該現象在實(shí)驗室中已經(jīng)有較為成熟的解決方案。但實(shí)驗室僅對* 0 mm x * 0 mm大小的基板進(jìn)行測試，現在面臨的難點(diǎn)是對于大尺寸面板的干燥問(wèn)題。

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

主要難點(diǎn)體現在印刷完基板中部和基板邊緣處揮發(fā)速度呈現較大差異，比如中間揮發(fā)較慢，邊緣揮發(fā)較快，則器件點(diǎn)亮時(shí)呈現明顯無(wú)法修復的Mura。

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

設備

大規模量產(chǎn)印刷OLED 產(chǎn)品，需要在* .* 代以上噴墨印刷設備、可溶性OLED 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)以及驅動(dòng)補償技術(shù)等等實(shí)現全產(chǎn)業(yè)鏈的突破。

若采用高沸點(diǎn)溶劑，則在現階段依然需要真空設備。和常規Mask技術(shù)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(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：

1.Bank（PDL）結構

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)驗平臺或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(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-轉移至真空腔-真空腔干燥-轉移出等幾個(gè)步驟。

與傳統工藝相比，除去設備的增加外，印刷的時(shí)間過(guò)長(cháng)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* 個(gè)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(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* 個(gè)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(wú)法直接排放。同時(shí)較高的沸點(diǎn)也使得該類(lèi)液體回收困難。

工藝時(shí)長(cháng)

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

耗時(shí)較長(cháng)主要表現為工藝處理時(shí)間較長(cháng)。以常見(jiàn)OLED器件為例，因為需要制作* 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揮發(fā)損壞噴頭，一般印刷用墨水沸點(diǎn)在1* 0℃-2* 0℃以上，造成該溶液揮發(fā)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(gè)OLED器件，其需要重復進(jìn)行印刷-干燥-烘烤* 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(lái)看，其噴頭是易耗品。即便對于最便宜的Fujifilm噴頭其價(jià)格也在數千至數萬(wàn)美金不等。

即便以研發(fā)平臺為準來(lái)看，印刷OLED設備最少需要* 個(gè)噴頭來(lái)對應* 個(gè)不同功能層，在產(chǎn)線(xiàn)上為了提高效率，對于同一功能層的印刷需要多個(gè)噴頭系統進(jìn)行打印，則產(chǎn)線(xiàn)上噴頭使用數量在10個(gè)以上。無(wú)形中直接提高了生產(chǎn)成本和維護成本。

來(lái)源：OLEDindustry