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OLED生产技术详解

来源:光电与显示,显示说|

发表时间:2017-06-08

点击:8994

相比早期就发展十分成熟的LCD(液晶)相比,OLED技术作为具有全固态、主动发光、超轻薄、色彩鲜艳、高对比度、耐高低温性能好、可实现柔性显示等优点的新一代显示技术,被誉为“全球下一代显示技术”,对全球显示产业的发展有重要意义,被业内广泛看好。


OLED的发光过程

    具体过程如下:

    1、OLED设备的电池或电源会在OLED两端施加一个电压。

    2、电流从阴极流向阳极,并经过有机层(电流指电子的流动)。

    3、阴极向有机分子发射层输出电子。

    4、阳极吸收从有机分子传导层传来的电子。(这可以视为阳极向传导层输出空穴,两者效果相等。

    5、 在发射层和传导层的交界处,电子会与空穴结合。

    6、电子遇到空穴时,会填充空穴(它会落入缺失电子的原子中的某个能级)。

    7、这一过程发生时,电子会以光子的形式释放能量。

    8、OLED发光。

    9、光的颜色取决于发射层有机物分子的类型。生产商会在同一片OLED上放置几种有机薄膜,这样就能构成彩色显示器。

    10、光的亮度或强度取决于施加电流的大小。电流越大,光的亮度就越高。


OLED的分类

    以下是几种OLED:被动矩阵OLED、 主动矩阵OLED、透明OLED、顶部发光OLED、可折叠OLED、白光OLED等。

    每一种OLED都有其独特的用途。接下来,我们会逐一讨论这几种OLED。首先是被动矩阵和主动矩阵OLED。


    被动矩阵OLED(PMOLED)

    被动矩阵OLED结构

    PMOLED具有阴极带、有机层以及阳极带。阳极带与阴极带相互垂直。阴极与阳极的交叉点形成像素,也就是发光的部位。外部电路向选取的阴极带与阳极带施加电流,从而决定哪些像素发光,哪些不发光。此外,每个像素的亮度与施加电流的大小成正比。

    PMOLED易于制造,但其耗电量大于其他类型的OLED,这主要是因为它需要外部电路的缘故。 PMOLED用来显示文本和图标时效率最高,适于制作小屏幕(对角线2-3英寸),例如人们在移动电话、掌上型电脑 以及MP3播放器上经常能见到的那种。即便存在一个外部电路,被动矩阵OLED的耗电量还是要小于这些设备当前采用的LCD。


    主动矩阵OLED(AMOLED)

    主动矩阵OLED结构

    AMOLED具有完整的阴极层、有机分子层以及阳极层,但阳极层覆盖着一个薄膜晶体管(TFT)阵列,形成一个矩阵。TFT阵列本身就是一个电路,能决定哪些像素发光,进而决定图像的构成。

    AMOLED的耗电量低于PMOLED,这是因为TFT阵列所需电量要少于外部电路,因而AMOLED适合用于大型显示屏。AMOLED还具有更高的刷新率,适于显示视频。AMOLED的最佳用途是电脑显示器、大屏幕电视以及电子告示牌或看板。


    透明OLED

    透明OLED结构

    透明OLED只具有透明的组件(基层、阳极、阴极),并且在不发光时的透明度最高可达基层透明度的85%。当透明OLED显示器通电时,光线可以双向通过。透明OLED显示器既可采用被动矩阵,也可采用主动矩阵。这项技术可以用来制作多在飞机上使用的平视显示器。


    顶部发光OLED

    顶部发光OLED具有不透明或反射性的基层。它们最适于采用主动矩阵设计。生产商可以利用顶部发光OLED显示器制作智能卡。


OLED的制造

OLED生产过程中最重要的一环是将有机层敷涂到基层上。完成这一工作,有三种方法:

    1、真空沉积或真空热蒸发(VTE)

    位于真空腔体内的有机物分子会被轻微加热(蒸发),然后这些分子以薄膜的形式凝聚在温度较低的基层上。这一方法成本很高,但效率较低。

    2、有机气相沉积(OVPD)

    在一个低压热壁反应腔内,载气将蒸发的有机物分子运送到低温基层上,然后有机物分子会凝聚成薄膜状。使用载气能提高效率,并降低OLED的造价。

    3、喷墨打印

    利用喷墨技术可将OLED喷洒到基层上,就像打印时墨水被喷洒到纸张上那样。喷墨技术大大降低了OLED的生产成本,还能将OLED打印到表面积非常大的薄膜上,用以生产大型显示器,例如80英寸大屏幕电视或电子看板。

OLED主流生产技术

蒸镀技术

首先,要了解蒸镀技术,这得从OLED的结构讲起。如下图所示,典型结构是在ITO玻璃上制作一层几十纳米厚的发光材料,ITO透明电极和金属电极分别作为器件的阳极和阴极电极加电压,在一定电压驱动下,电子和空穴分别从阴极和阳极注入到电子和空穴传输层,电子和空穴分别经过电子和空穴传输层迁移到发光层,并在发光层中相遇复合,形成激子并使发光分子激发,后者经过辐射弛豫而发出可见光。辐射光可从ITO一侧观察到,金属电极膜同时也起了反射层的作用。

OLED结构原理图

当然了,具体到整块面板,结构也就复杂很多,包括次像素间需要隔离柱、绝缘层之类。AMOLED则还有TFT backplane这种控制每个像素开关的东西。

OLED像素结构示意图

简单来说,蒸镀就是真空中通过电流加热,电子束轰击加热和激光加热等方法,使被蒸材料蒸发成原子或分子,它们随即以较大的自由程作直线运动,碰撞基片表面而凝结,形成薄膜。

蒸镀技术制造OLED面板的核心设备是蒸镀机,而这个设备在面板制造企业的上游,主要供应商是佳能旗下一间名为Canon   Tokki的企业。随着全球   OLED市场的风起云涌,Tokki公司不断投入开发产能,但是仍然难以满足客户的需要。据说,Tokki一年的蒸镀机产能也就区区几台而已,如LG   Display这样的大客户也不得不因为蒸镀机数量有限而无奈的失去苹果订单。

PMOLED的典型工艺流程

(备注:PMOLED也属于OLED,但结构比AMOLED简单,没有TFT。)

印刷技术

OLED屏幕每个像素“灯泡”除了是蒸上去的,还可以选择“印”出来。用喷墨打印机来举个例子,喷墨打印机是把墨水喷到纸上,从而呈现出文稿或图片。而印刷显示是使用印刷方式制作显示器的有机材料膜层,是一种工艺方法。实现了印刷显示后,可以印刷不同面板,如果“喷”的是OLED材料,那就是OLED面板;“喷”的是量子点材料,那就是量子点显示面板。印刷OLED,简单说,就是通过喷墨印刷设备上的多个印刷喷头,将不同颜色的聚合物发光材料溶液精确的沉积在ITO玻璃基板的隔离柱槽中,溶剂挥发后会形成100纳米左右厚度的薄层,构成可发光的像素。

为什么说印刷显示技术是下一代显示革命?真空蒸镀工艺,受限于设备与技术,很难制作大尺寸精细金属掩模板,导致该工艺无法应用在大尺寸面板的制造上。蒸镀过程中,     有机材料气体无差别沉积在玻璃基板上,导致材料利用率低。也许由于不需要真空蒸镀腔体、不需要精密金属掩模板、不需要彩色滤光片等等,松下在2013年的CES展会上,展示了一种采用自主研发“印刷”工艺的、而且据他们自己说是当时全球最大4K   OLED电视(56寸)。

印刷OLED有哪些优势足以挑战相对成熟的蒸镀技术呢?首先就是成本低廉,在OLED面板的原材料使用上,印刷OLED就比蒸镀技术节省90%;印刷OLED技术可以有效提升成品的寿命;喷墨打印的制程要比蒸镀制程更容易适应大基板的切割的需要,这更利于高代线处理大尺寸基板的趋势。

印刷OLED实现技术示意图

据业界人士的介绍称,印刷OLED最大的瓶颈在于每一个微小印刷点之间的差异性控制(减小像素间的差异),以及对于极小亚像素单位印刷的设备研发(提升设备精度)。前者是整个印刷显示行业的关键瓶颈,后者则主要是对于中小尺寸显示产品而言的问题。或者说,对于印刷OLED,油墨稳定性不是最终的大问题,设备精度和稳定性才是真正的考验。这个问题恰恰必须在建立示范性生产线后才能真正从工程上解决。

国内华星光电联合国内多家印刷显示骨干单位,共同建立全国第一个“印刷显示技术和材料技术创新联盟”,搭建印刷及柔性显示公共技术服务平台,并以广东聚华印刷显示技术有限公司作为平台运营实体。

OLED屏幕颜色三种实现方案

上面提到的这种高端大气上档次的“蒸镀”法,主要应用于RGB三色排列的典型OLED屏幕。三星的诸多OLED电视产品都是基于这种方法蒸镀出来的,效果很不错,三原色都非常纯粹,但成本非常高昂。这类蒸镀所用的技术叫FMM,精细金属掩模板,就是蒸镀的时候为了区分像素,盖个掩膜,所以对齐的问题,以及掩膜材料本身都会成为技术难点。

实际上,人类为了控制成本,OLED电视不止上述一种,有一类蓝光+色变换层:这种方案只需要蒸镀蓝光OLED元件,经过变换层将光转为RGB三色,这类技术受到色彩转换器开发难度的限制,并未被大规模采用。

还有一类OLED电视是白光+三种彩色滤光片,原理上和LCD液晶面板有些类似,以白色为背光,再加彩色滤光片—这种方式在成本上显然就低了很多,LG就曾以这种方案生产OLED电视,白光OLED+彩色滤光片也一度被认为是OLED进一步实现低成本的方案。只不过加上滤光片,透光率光色纯度都更成问题,所以亮度、对比度、色彩、节能表现理论上都不及RGB+OLED。

AMOLED平板显示研发过程和技术难点

AMOLED技术的开发主要涉及到TFT背板和OLED器件两个方面。在技术路线的选择上,目前国际上尚未统一,有多种技术方案在开发中。

发光器件即OLED的性能决定了AMOLED显示屏的色彩表现力、功耗等品质,因此OLED器件技术的开发对产品竞争力的提高具有非常重要的意义。     OLED器件制备技术主要有两个关键点,一个是开发高迁移率的传输材料和高效率、长寿命发光材料,另一个是开发新型器件结构,提高器件性能。因此,开发新型有机材料、设计新型器件结构和改进真空蒸镀技术将是研究的重点。

目前,TFT背板中的沟道层半导体材料主要有非晶硅(a-Si)、微晶硅(μ-Si)、低温多晶硅(LTPS)、单晶硅、有机物和氧化物等。由于     OLED是电流驱动型器件,需要稳定的电流来控制发光特性。为了达到足够的亮度,AMOLED需要TFT的沟道材料具有较高的迁移率,以提供较高的电流密度,因此目前普遍应用于TFT-LCD中的非晶硅TFT由于迁移率较低很难满足要求。另外,与TFT-LCD所不同的是,AMOLED需要TFT长时间处于开启状态,非晶硅TFT的阈值电压漂移问题也使其很难应用在AMOLED中。从技术发展现状来看,较有希望的是LTPS   TFT和氧化物TFT等技术,但也存在很多难点。

目前,应用在AMOLED中最成熟的TFT背板技术是低温多晶硅(LTPS)技术。在LTPS技术中,最重要的工艺难点即为多晶硅沟道层的制备。工艺流程中首先使用PECVD等方法在不含碱离子的玻璃基板上淀积一层非晶硅,而后采用激光或者非激光的方式使非晶硅薄膜吸收能量,原子重新排列以形成多晶硅结构,从而减少缺陷并得到较高的电子迁移率。

对LTPS结晶化技术而言,激光结晶化技术尤其是准分子激光退火(ELA)技术目前在小尺寸应用方面已经较为成熟,全球已经量产的AMOLED产品基本都使用了ELA技术。ELA技术的难点在于TFT的一致性问题,各像素间TFT特性的不同导致OLED的发光强度出现不均匀,进而导致面板成品率无法保障,因此提高ELA技术制备的TFT一致性一直是国内外各单位研发的重点。另外,ELA技术在大尺寸基板的量产方面也存在较大的问题。

另一方面,非激光结晶化技术在实现大尺寸基板量产并降低成本,以及在TFT均匀性方面具有很大优势。但非激光结晶化技术在现阶段也同样存在着技术难题。其中金属诱导晶化(MIC)技术因为金属污染导致的漏电流等问题,使得缺陷和寿命问题很难解决;固相结晶化(SPC)技术在大尺寸AMOLED的制备上具有较大的综合性优势,但其载流子迁移率与激光结晶化技术相比较低,而且在量产技术方面仍然需要进一步完善。

AMOLED制作工艺

LTPS-AMOLED的制作工艺囊括了显示面板行业的诸多尖端技术,其主要分为背板段,前板段以及模组段三道工艺。 背板段工艺通过成膜,曝光,蚀刻叠加不同图形不同材质的膜层以形成LTPS(低温多晶硅)驱动电路,其为发光器件提供点亮信号以及稳定的电源输入。其技术难点在于微米级的工艺精细度以及对于电性指标的极高均一度要求。

镀膜工艺是使用镀膜设备,用物理或化学的方式将所需材质沉积到玻璃基板上(2);

曝光工艺是采用光学照射的方式,将光罩上的图案通过光阻转印到镀膜后的基板上(3、4、5);

蚀刻工艺是使用化学或者物理的方式,将基板上未被光阻覆盖的图形下方的膜蚀刻掉,最后将覆盖膜上的光阻洗掉,留下具有所需图形的膜层(7、8)。

驱动背板工艺流程图

前板段工艺通过高精度金属掩膜板(FMM)将有机发光材料以及阴极等材料蒸镀在背板上,与驱动电路结合形成发光器件,再在无氧环境中进行封装以起到保护作用。蒸镀的对位精度与封装的气密性都是前板段工艺的挑战所在。

高精度金属掩膜板(FMM):其主要采用具有极低热变形系数的材料制作,是定义像素精密度的关键。制作完成后的FMM由张网机将其精确地定位在金属框架上并送至蒸镀段(2);

蒸镀机在超高真空下,将有机材料透过FMM蒸镀到LTPS基板限定区域上(3);

蒸镀完成后将LTPS基板送至封装段,在真空环境下,用高效能阻绝水汽的玻璃胶将其与保护板进行贴合。玻璃胶的选用及其在制作工艺上的应用,将直接影响OLED的寿命(5、6)。

有机镀膜段工艺流程图

模组段工艺将封装完毕的面板切割成实际产品大小,之后再进行偏光片贴附、控制线路与芯片贴合等各项工艺,并进行老化测试以及产品包装,最终呈现为客户手中的产品。

切割:封装好的AMOLED基板切割为面板(pannel)(1);

面板测试:进行面板点亮检查(2);

偏贴:将AMOLED面板贴附上偏光板(3);

IC+FPC绑定:将驱动IC和柔性印刷线路板(FPC)与AMOLED面板的链接(4);

TP贴附:将AMOLED面板与含触控感应器的强化盖板玻璃(cover Lens)贴合(5);

模组测试:模组的老化测试与点亮检查(6)。

模组段工艺流程图



来源:光电与显示,显示说。

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