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          OLED經典培訓教材
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          OLED經典培訓教材

          • 分類:行業資訊
          • 作者:
          • 來源:
          • 發布時間:2020-09-12 14:43
          • 訪問量:

          【概要描述】  OLED顯示技術簡介   OLED(Organic Light-Emitting Diode,又稱有機電激發光顯示、有機發光半導體)是有機發光二極管的英文縮寫。其是一種利用多層有機薄膜結構產生電致發光的器件,它很容易制作,只需要低的驅動電壓,這些特征使得OLED在滿足平面顯示器的應用上顯得非常突出。OLED顯示屏比LCD更輕薄、亮度高、功耗低、響應快、清晰度高、柔性好、發光效率高。

          OLED經典培訓教材

          【概要描述】  OLED顯示技術簡介

            OLED(Organic Light-Emitting Diode,又稱有機電激發光顯示、有機發光半導體)是有機發光二極管的英文縮寫。其是一種利用多層有機薄膜結構產生電致發光的器件,它很容易制作,只需要低的驅動電壓,這些特征使得OLED在滿足平面顯示器的應用上顯得非常突出。OLED顯示屏比LCD更輕薄、亮度高、功耗低、響應快、清晰度高、柔性好、發光效率高。

          • 分類:行業資訊
          • 作者:
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          • 發布時間:2020-09-12 14:43
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          詳情
           
            OLED顯示技術簡介
           
            OLED(Organic Light-Emitting Diode,又稱有機電激發光顯示、有機發光半導體)是有機發光二極管的英文縮寫。其是一種利用多層有機薄膜結構產生電致發光的器件,它很容易制作,只需要低的驅動電壓,這些特征使得OLED在滿足平面顯示器的應用上顯得非常突出。OLED顯示屏比LCD更輕薄、亮度高、功耗低、響應快、清晰度高、柔性好、發光效率高。
           
           
            與LCD(Liquid Crystal Display)相似,OLED的驅動背板也分為有源驅動(AMOLED-Active Matrix OLED)和無源驅動(PMOLED-Passive Matrix OLED)兩種。其中PMOLED的驅動方式較為落后,需要對整個背板進行掃描,當面積大時刷新率變慢、電流降低,難以實現高分辨率、大面積和高亮度,僅能用于較低端的小屏幕產品;AMOLED是目前的主流技術,通過LTPS-TFT(Low Temperature Poly-Si Thin Film Transistor),即低溫多晶硅薄膜晶體管,對每個像素精確控制進行驅動。該驅動技術與目前市面流行的TFT-LCD一致。
           
           
            OLED與LCD相比,其最大的特點就在于自發光,無需背光源,該特點帶來了許多優點:自發光帶來的色域控制、視角控制都要優于LCD;由于不需對光路進行偏振,因此發光效率也顯著提高、響應時間快、對比度高、功耗低;去除了背光源有效降低質量、減薄厚度;而且現在的技術可以將電路板涂布在柔性薄膜上,將整個OLED顯示屏柔性化,這是LCD所不能做到的。這些性能上面的優勢可以滿足許多新興出現的消費需求,使得OLED成為發展迅猛的新一代顯示技術。
           
            OLED的三種彩色顯示發光原理:
           
           
            OLED(OrganicLight-Emitting Diode),又稱為有機電激光顯示、有機發光半導體(OrganicElectroluminesence Display,OLED)。OLED屬于一種電流型的有機發光器件,是通過載流子的注入和復合而致發光的現象,發光強度與注入的電流成正比。OLED在電場的作用下,陽極產生的空穴和陰極產生的電子就會發生移動,分別向空穴傳輸層和電子傳輸層注入,遷移到發光層。當二者在發光層相遇時,產生能量激子,從而激發發光分子最終產生可見光。
           
            OLED是一種利用多層有機薄膜結構產生電致發光的器件,它很容易制作,而且只需要低的驅動電壓,這些主要的特征使得OLED在滿足平面顯示器的應用上顯得非常突出。OLED顯示屏比LCD更輕薄、亮度高、功耗低、響應快、清晰度高、柔性好、發光效率高,能滿足消費者對顯示技術的新需求。全球越來越多的顯示器廠家紛紛投入研發,大大的推動了OLED的產業化進程。那么作為OLED顯示中的關鍵材料——OLED有機發光材料,國內有哪些企業能生產,產品銷售如何,企業狀況如何?
           
            目前市面的AMOLED技術主要分為兩種,其區別在于發色的方式。目前以LG為代表的采用WOLED(White-OLED)技術,即發光層發白光,再通過濾色片進行過濾發出不同顏色的光,目前主要用于中大型面板如電視面板的制作;而其他廠商,包括三星和國內的面板廠商,主要采用RGB-OLED(Red Green Blue OLED)技術,即通過FMM(Fine Metal Mask)精密金屬光學掩模板蒸鍍,使像素點分別能夠發出紅/綠/藍三原色,再經過色光疊加成其他顏色,目前主要用于中小面板,如手機面板的制作。
           
            兩種方法之間互有優劣,WOLED由于多經過一層濾色片,因此亮度較低、能耗較高,且色域由濾色片控制,不如RGB-OLED廣;RGB-OLED主要不足在于三種不同顏色的材料壽命不同,因此長時間使用之后會造成偏色,嚴重影響用戶體驗,壽命較為短暫。
           


           
            無需背光源使OLED面板結構相對較為簡單、層數較少。
           
            OLED量產工藝
           
            OLED制備的工藝主要分為三個部分:背板段、前板段及模組段。
           
           
            背板段工藝通過在玻璃基板或柔性基板上多次反復的成膜、曝光、蝕刻形成LTPS(低溫多晶硅)驅動電路,為發光器件提供信號和電源輸入。
           
            前板段工藝通過蒸鍍設備將有機發光材料通過高精度金屬掩模板精準地沉積在背板上,與驅動電路結合形成發光器件,并在無水無氧環境中封裝。
           
           
            蒸鍍完成后,模組段工藝負責將封裝完畢的面板切割成實際產品大小,再進行面板測試、偏光膜貼附、IC綁定、TP、玻璃蓋板貼附及最終的模組測試,即將像素陣列面板切割成適合下游應用的大小后與其他部分的材料結合起來。
           
           
            OLED蒸鍍技術(節選IHS)
           
            無論是用于中小尺寸運用場景的RGB分色 AMOLED顯示屏或者是用于大尺寸運用場景的WOLED顯示屏, 其制作工藝還是真空蒸鍍技術。所以在這些器件中, 如HIL、HTL、EML(R & G & B等顏色)、ETL、EIL、 Cathode和Charge Generation Layer等功能層還是采用真空蒸鍍方式、連續地沉積在TFT基板之上。
           
            由于工藝參雜的需要和為了避免交叉污染, 不同的功能層需要在不同的蒸鍍機腔體內蒸鍍, 同時在蒸鍍完成后通過機械手將基板在不同的腔體之間進行轉移。
           
           
            蒸鍍的原理基本上可以簡化為材料受熱升華, 其后再在較冷的基板上再沉積的一個過程。
           
            蒸鍍腔內有蒸鍍源、張網機、玻璃基板和冷卻板等設備。在進行有機薄膜蒸鍍時, 需要先將帶有TFT的基板進行反轉, 其后通過張網機將Mask和基板對齊, 再將蒸鍍源打開對基板進行蒸鍍。
           
            在整個蒸鍍系統中, 蒸鍍機、掩模板和蒸鍍源都由不同的設備供應廠商來進行供應。在中小尺寸AMOLED面板產線中采用最多蒸鍍機是日本Cannon Tokki, 而FMM的主要供應商為DNP和Darwin等。
           
            FMM掩模板介紹
           
           
            在有機發光二極管OLED面板制造過程中,蒸鍍、化學氣相沉積CVD工藝由于只需要在基板特定的地方蒸鍍上有機物、金屬等材料或者CVD成膜,因此需要使用掩膜Mask來保證材料蒸鍍位置或者CVD成膜位置的精確度。
           
            掩膜版是什么呢?即:在薄膜、塑料或玻璃基體材料上制作各種功能圖形并精確定位,以便用于光致抗蝕劑涂層選擇性曝光的一種結構。
           
            掩膜版為Open Mask(中文:開放掩膜版)或精細金屬掩膜版(英文:Fine Metal Mask;簡稱:FMM)。
           
           
            目前整體的OLED蒸鍍金屬FMM掩膜板由掩膜板框架、金屬掩膜基板、支撐條以及遮擋條組成。制作整體的蒸鍍金屬掩膜板過程是將遮擋條與支撐條張緊固定在掩膜板框架上,最后將掩膜基板張緊后固定在掩膜框架上。
           
            其中遮擋條的作用是遮蔽相鄰兩條掩模基板之間的間隙,支撐條的作用是對掩模基板及遮擋條起一個支撐的作用。而實際生產中,由于工藝參數的設定及制作精度的問題,導致遮擋條干擾到了掩模基板的正常形態,從而導致掩膜板用在蒸鍍工藝中出現色混、色偏等蒸鍍不良。
           
            FMM掩膜板主要包括兩部:掩膜框架Mask Frame和掩膜鏈膜Mask sheet Jask Sheet保證了材料蒸鍍位置的精確度,Mask Frame為支撐框架,用于固定以及支撐Mask sheet Jasksheet通過激光焊接在Mask Frame上。每蒸鍍一段時間后,掩膜鍍膜由于其他因素的影響會造成自身的損傷,影響蒸鍍的精確度,不能滿足產品對精度的要求,因此Mask sheet需要更換,更換時需要解焊Mask sheet,解焊之后Mask Frame上會留下焊接癥痕,需要打磨癥痕后重新焊接新的Mask sheet,重新焊接過幾次后就需要對Mask Frame整體打磨,打磨3、4次后Mask Frame需要廢棄。
           
           
            由于現有的掩膜框架為一體化設計,因此報廢就必須整體報廢掩膜框架,同時由于掩膜框架價格昂貴,造成了生產中掩膜框架的運用成本running cost親升。
           
            例如,按照目前Mask Frame的價格,不脹鋼掩膜框架Invar Frame 200萬一張,不銹鋼掩膜框架SUS Frame的價格20萬,IK產能需要出廠打磨一次,4K產能就需要報廢一臺MaskFrame,如果以整個產線來講,需要報廢三臺Mask Frame:有機蒸鍍用Mask Frame,金屬蒸鍍用Mask Frame以及CVD用Mask Frame,即每產生4K產能就需要報廢600萬價格的MaskFrame ,Running Cost過高。
           
           
            真空熱蒸鍍
           
            傳統熱蒸鍍的真空度大致在10-4 Pa以上,真空度越高,形成薄膜的缺陷越少,膜中材料純度越高。有機材料在真空下加熱,依材料特性不同,有些材料會先液化再氣化,有些則直接升華,然后以一定的初始速度脫離材料表面向外飛散,運動到ITO表面,冷卻沉積下來形成一層薄膜。
           
            如果真空度低于10-4 Pa,真空腔內充斥著水分子、氧分子和其他雜質氣體在蒸發過程中與有機小分子材料相互碰撞,將嚴重降低成膜質量,甚至使器件性能降低乃至失效。在OLED研究初期,一般使用機械泵、分子泵聯動的兩級抽真空系統保證高真空度。
           
            近年來,在分子泵之后用濺射離子泵可抽到超高真空來制備高性能OLED。檢測腔體真空度的設備有兩種:用于測量0.1 Pa以下低真空的熱傳導真空規,即熱偶規和電阻規,用于測量0.1 Pa以上高真空的電離規。功能層的厚度用振蕩晶片檢測,有機材料的蒸鍍速率一般為0.5~2 ?/s;金屬的蒸鍍速率一般為2~5 ?/s,厚度為80~100 nm。
           

           
            新型FMM面源技術
           
            在2018年SID顯示周中,OLEDON首席執行官Hwang Chang-Hoon宣布了一種新的平面源FMM沉積技術,可以生產2250ppi的AMOLED。
           
            據公開消息,目前應用于大規模生產的線性光源存在一個問題,就是由于3μm的陰影距離,要實現高分辨率會造成相鄰圖案的疊加。但是Hwang說,他使用平面光源成功地將圖像的陰影距離減少0.18um,這是有史以來引入的最小陰影距離。
           
            Hwang開發了“X-mixing”技術,在該技術中主體和摻雜劑薄膜分別沉積在金屬表面上,然后主體分子和摻雜劑分子通過平面蒸發自動擴散形成發光層。“通過使用線性源蒸發技術來控制摻雜劑的成分并不容易,該技術可同時蒸發主體材料和摻雜劑材料。但是,由于“X-mixing”技術可以控制組成,所以可以實現比傳統方法高4倍的材料利用率。”
           
            OLED材料
           
           
            OLED是雙注入型發光器件,在外界電壓的驅動下,由電極注入的電子和空穴在發光層中復合形成處于束縛能級的電子空穴對即激子,激子輻射退激發發出光子,產生可見光。
           
           
            OLED的發光過程通常有以下5個基本階段:
           
           
           
            載流子注入:在外加電場作用下,電子和空穴分別從陰極和陽極向夾在電極之間的有機功能層注入。
           
            載流子傳輸:注入的電子和空穴分別從電子傳輸層和空穴傳輸層向發光層遷移。
           
            載流子復合:電子和空穴注入到發光層后,由于庫倫力的作用束縛在一起形成電子空穴對,即激子。
           
            激子遷移:由于電子和空穴傳輸的不平衡,激子的主要形成區域通常不會覆蓋整個發光層,因而會由于濃度梯度產生擴散遷移。
           
            激子輻射退激發出光子:激子輻射躍遷,發出光子,釋放能量。
           
            OLED組件系由n型有機材料、p型有機材料、陰極金屬及陽極金屬所構成。電子(空穴)由陰極(陽極)注入,經過n型(p型)有機材料傳導至發光層(一般為n型材料),經由再結合而放光。
           
            一般而言,OLED元件制作的玻璃基板上先濺鍍ITO作為陽極,再以真空熱蒸鍍之方式,依序鍍上p型和n型有機材料,及低功函數之金屬陰極。由于有機材料易與水氣或氧氣作用,產生暗點(Dark spot)而使元件不發亮。因此此元件于真空鍍膜完畢后,必須于無水氣及氧氣之環境下進行封裝工藝。
           
           
            在陰極金屬與陽極ITO之間,目前廣為應用的元件結構一般而言可分為5層。如圖所示,從靠近ITO側依序為:空穴注入層、空穴傳輸層、發光層、電子傳輸層、電子注入層。
           
            OLED材料主要包括發光材料和基礎材料兩部分,兩者占OLED屏幕物料成本的30%左右。OLED發光材料主要包括紅光主體/客體材料、綠光主體/客體材料、藍光主體/客體材料等。
           
            OLED通用材料,主要包括電子傳輸層ETL、電子注入層EIL、空穴注入層HIL、空穴傳輸層HTL、空穴阻擋層HBL、電子阻擋層EBL等,隨著器件結構的優化,材料的種類在不斷變多。其中,有機發光層材料和傳輸層材料為OLED的關鍵材料。
           
           
            OLED發光材料層的形成需要經過三大環節,首先是將化工原材料有機合成中間體或單體粗品;然后再合升華成OLED單體,再進一步合成升華前材料或升華材料,再由面板生產企業蒸鍍到基板上,形成OLED有機發光材料層。
           
            OLED封裝技術
           
            有機發光二極管(Organic Light-Emitting Diode),具有全固態結構、高亮度、全視角、響應速度快、工作溫度范圍寬、可實現柔性顯示等一系列優點,目前已經成為極具競爭力和發展前景的下一代顯示技術。OLED器件中使用的陰極材料和有機發光材料對水蒸氣和氧氣特別敏感,如果要達到設計的使用壽命10000h,水、氧的滲透率要分別小于5╳10-6g/m2·day和10-3g/m2·day。水透過率等于10-6 g/m2·day相當于24h內只允許1滴水滲入6個足球場大小的面積內(如下圖1所示)。為了有效的阻隔水和氧對OLED器件的影響,研究人員研發出Getter & Dispenser封裝、Frit 封裝、TFE封裝等多種封裝技術。
           
           
            圖1. OLED器件要求水透過率
           
            1、Getter & Dispenser封裝
           
            為了阻隔水和氧,最初始的封裝方案就是在OLED器件四周涂上一圈密封膠,然后在OLED器件上方蓋上一塊玻璃,最后再將密封膠固化以完成封裝,其結構圖如下圖2所示。
           
           
            圖2. 密封膠封裝結構
           
            因為密封膠多為有機材料,有機物的水透過率只能達到10-1g/m2·day,無法滿足產品需求,所以需要在涂布密封膠的同時帖附干燥劑(Getter)。干燥劑,也稱吸氣劑,其主要作用是吸收密封膠封閉后密閉空間內的水汽。Getter的主要成分為氧化鈣(CaO)和氧化鍶(SrO),Getter吸收水汽的化學原理如下公式:
           
            CaO+H2O→Ca(OH)2
           
            SrO+H2O→Sr(OH)2
           
            Getter & Dispenser封裝結構如下圖3所示,雖然少量水能夠透過密封膠,但是會被封裝結構內的Getter吸收,從而保證OLED器件不受侵蝕。
           
           
            圖3. Getter & Dispenser封裝結構
           
            Getter & Dispenser封裝工藝流程如下圖4所示。因為干燥劑有0.1-0.3mm的厚度,所以封裝玻璃上要開有凹槽,在凹槽中帖附干燥劑(Getter Attach)。干燥劑帖附完成后,在屏的四周用Dispenser工藝涂覆一圈密封膠(Seal Dispenser)。同時,TFT玻璃上制作OLED器件(EV),制作好的OLED器件和封裝玻璃在一定的真空度下進行成盒工藝(Assembly),讓密封膠把兩張玻璃粘合并固化,OLED器件的四周被密封膠封閉,形成一個閉合的封裝結構。
           
           
            圖4. Getter & Dispenser封裝工藝流程圖
           
            Getter & Dispenser封裝有兩個缺點:
           
            1.干燥劑有一定的厚度,所以需要在玻璃基板上制作凹槽,增加了玻璃基板的厚度,不利于產品的輕薄化;
           
            2.干燥劑一般為不透明材料,如果帖附在OLED器件上方會影響透光,所以很難在頂發射OLED器件中應用。
           
            2、Frit封裝
           
            為了克服Getter & Dispenser封裝的缺點,研究人員找到了一種即能在玻璃上涂覆,同時固化后阻水氧性能極佳的材料——玻璃膠(Frit Seal)。玻璃膠為玻璃粉和溶劑等混合而成,使用玻璃膠封裝方法叫做Frit封裝,其封裝結構如下圖5所示。OLED器件上方為封裝玻璃,下方為TFT玻璃,四周被玻璃膠密封。因為玻璃膠熔融固化后能夠達到類似玻璃的優良的阻水氧效果,所有此種封裝結構廣泛應用于手機、平板電腦等產品。
           
           
            圖5. Frit封裝結構
           
            Frit Seal封裝的工藝流程圖如下圖6所示。首先,用涂布(Dispenser)或絲網印刷(Screen Printer)工藝將玻璃膠制作在封裝玻璃上,把封裝玻璃用高溫烘烤(Frit Seal Bake)將玻璃膠中的溶劑揮發掉,只剩下固體的玻璃粉。因為固體玻璃粉沒有粘性,無法和TFT玻璃粘合,只能在封裝玻璃的最外圍涂布一圈Dummy UV膠(Dummy UV Dispenser)。在成盒工藝中(Assembly),將帶有OLED器件的TFT玻璃和封裝玻璃貼合,固化Dummy UV膠,確保OLED器件四周被玻璃膠包圍。之后,固體玻璃粉需要用激光燒結,重新熔融再固化后才能夠達到類似玻璃的阻水氧能力。
           
           
            圖6. Frit封裝工藝流程圖
           
            Frit封裝最大的缺點是玻璃粉熔融固化后的硬度和脆性與玻璃相近,這就決定了其無法應用于彎曲產品。
           
            3
           
            TFE封裝
           
            隨著OLED顯示技術的更新換代,彎曲、折疊產品不斷推陳出新,對OLED封裝技術的要求也逐步提升。現有彎曲Mobile產品的封裝技術主要為TFE(Thin Film Encapsulation)封裝。TFE封裝的前身是美國Vitex System公司開發的有機-無機多層薄膜封裝技術,又稱為Barix封裝,其封裝結構如下圖7所示。
           
           
            圖7. Barix封裝結構圖
           
            TFE封裝結構依據Barix封裝結構進行了簡化,目前主流產品使用的TFE封裝基本結構如下圖8所示,OLED器件上方直接覆蓋一層無機阻水層1,無機阻水層1上制作有有機平坦層,有機平坦層上再覆蓋有第二層無機阻水層2,最后在整個屏幕的表面帖附上保護膜(Cover Film)。
           
           
            圖8. TFE封裝結構
           
            TFE封裝的工藝流程圖如下圖9所示。首先,在TFT玻璃上制作OLED器件(EV),OLED器件制作完成后沉積第一層無機阻水層1(Inorganic 1),無機阻水層1完成后在其上用涂布(Dispenser)或噴墨打印(Ink Jet Print)工藝制作有機平坦層(Organic),有機平坦層材料可以使用UV(ultraviolet)或熱進行固化。固化完成后在有機平坦層上繼續沉積第二層無機阻水層2(Inorganic 2),沉積完成后再帖附保護膜(Cover Film)。
           
           
            圖9. TFE封裝工藝流程圖
           
            TFE封裝能夠兼顧柔性OLED顯示需求的阻水氧性能和彎曲性能,已經成為目前OLED Mobile產品的主流封裝技術。
           
           
           
           

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