OLED噴墨印刷制程技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

圖1 蒸鍍與噴墨印刷制程技術(shù)示意圖

2017年，JOLED推出了21.6寸的噴墨印刷OLED面板，分辨率為3840x2160（4K，204 PPI），亮度為350cd/m2，整個(gè)面板厚度僅為1.3毫米，重量?jī)H為500克。此后，華碩的ProArt PQ22UC顯示器開始采用JOLED的印刷OLED面板，吸引了無數(shù)關(guān)注。

噴墨印刷技術(shù)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)大尺寸、低成本OLED的途徑之一，本文對(duì)于當(dāng)前噴墨印刷OLED生產(chǎn)技術(shù)的原理、優(yōu)勢(shì)、難點(diǎn)、現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)分析。

噴墨印刷制程的原理

目前AMOLED主流的制程是采用真空蒸鍍制程。將固態(tài)的OLED發(fā)光材料在真空設(shè)備中加熱成氣態(tài)，并以精密金屬遮罩（Fine Metal Mask）形成紅藍(lán)綠三種顏色的畫素圖形。但在大尺寸OLED面板則是紅藍(lán)綠三色發(fā)光材料堆疊，混光成白光，再加上彩色濾光片發(fā)出紅藍(lán)綠三種不同色光。

噴墨印刷制程是將有機(jī)發(fā)光材料由噴頭噴出，不用透過精密金屬遮罩就可形成紅綠藍(lán)三種顏色的畫素圖形，在支撐上相對(duì)于蒸鍍更為簡(jiǎn)單，也不受限于蒸鍍?cè)O(shè)備的大小，因此生產(chǎn)大尺寸OLED面板更為容易。

精密金屬遮罩蒸鍍與噴墨印刷之間的主要差異是形成有機(jī)發(fā)光層的設(shè)備和材料。

采用FMM形成有機(jī)發(fā)光層，需要用到真空設(shè)備，固態(tài)有機(jī)發(fā)光材料被放置真空裝置中，蒸發(fā)源通過遮罩以像素圖案方式涂布在基板表面。

但噴墨印刷OLED的工作原理不同，噴墨印刷方法主要是使用溶劑將OLED有機(jī)材料溶解，然后將材料直接噴印在基板表面形成紅綠藍(lán)有機(jī)發(fā)光層。

噴墨印刷與蒸鍍的差異

蒸鍍與噴墨印刷兩種制程所采用的OLED材料有很多不同。對(duì)于蒸鍍制程而言，OLED材料基本上是固體形態(tài)，對(duì)于噴墨印刷制程，材料則是液體形態(tài)，有機(jī)材料的特點(diǎn)基本上較為不穩(wěn)定，因此，要開發(fā)出可以同時(shí)滿足大量生產(chǎn)與所需性能的有機(jī)發(fā)光材料，仍有許多困難待克服。

另外，對(duì)于印刷制程，由于這些材料是液體形態(tài)，在印刷后還應(yīng)進(jìn)行干燥處理，這也會(huì)造成材料變化跟良率損失。

噴墨印刷與蒸鍍制程最大的差別，是噴墨印刷以噴頭直接將紅綠藍(lán)三色有機(jī)發(fā)光材料直接列印在基板上，材料利用率很高；但蒸鍍制程則是透過精密金屬遮罩，分別將紅藍(lán)綠三種有機(jī)材料蒸鍍到基板上，因此只有少部分的材料被利用，大部分的材料被浪費(fèi)掉。

另外，蒸鍍制程也受限于蒸鍍?cè)O(shè)備，目前可做到4.5代基板整面蒸鍍，6代基板對(duì)切成二分之一再進(jìn)行蒸鍍，因此限制了大尺寸OLED面板的生產(chǎn)。

噴墨印刷的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

OLED印刷制程相對(duì)于采用FMM的蒸鍍制程具有以下優(yōu)勢(shì)。首先，噴墨印刷制程更加簡(jiǎn)單；其次，有機(jī)發(fā)光材料利用率高達(dá)95%，遠(yuǎn)高于蒸鍍制程的20%；第三，更容易生產(chǎn)大尺寸OLED面板，尤其是8.5代及8.5代以上尺寸面板；最后是制造成本理論上可以降得更低。

表2 OLED蒸鍍制程與噴墨印刷制程的差異

噴墨印刷制程主要針對(duì)大尺寸基板，特別是8.5代及8代以上面板生產(chǎn)，然而，噴墨印刷制程也存在一些缺陷。事實(shí)上，噴墨印刷式OLED制程的材料尚不足以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。

噴墨印刷制程所面臨的挑戰(zhàn)

雖然印刷OLED的前景看好，但目前離量產(chǎn)仍有一段距離，還要解決很多技術(shù)難題，主要來自于制程穩(wěn)定性的壓力。

在墨水方面，墨水的穩(wěn)定性是噴墨印刷制程的關(guān)鍵因素，墨水在運(yùn)輸、灌入過程中會(huì)引入氣泡，如何解決氣泡問題仍有待持續(xù)努力。氣泡的存在不僅僅會(huì)產(chǎn)生氣栓，影響墨水的流動(dòng)；也由于氣泡會(huì)移動(dòng)和壓縮，會(huì)在噴墨頭內(nèi)游動(dòng)，造成單噴頭或多噴頭的出墨不穩(wěn)或無法出墨現(xiàn)象。

在噴頭方面，在噴墨印刷制程前會(huì)對(duì)噴頭進(jìn)行校準(zhǔn)，再進(jìn)行噴墨印刷，但在印刷過程中無法對(duì)噴頭狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè)，一旦噴印中一個(gè)噴頭出現(xiàn)故障，不只會(huì)影響一個(gè)畫素，而是會(huì)影響一列，甚至多列畫素。

在成膜方面，溶劑揮發(fā)后在噴印的位置形成畫素，畫素?fù)]發(fā)成膜過程中，受到溶劑表面張力、溶質(zhì)結(jié)晶特性的影響，極易形成邊緣厚、中間薄的形態(tài)，俗稱為“咖啡環(huán)”效應(yīng)，這也是造成噴墨印刷OLED顯示面板無法達(dá)到市場(chǎng)要求的主要問題。

雖然噴墨印刷制程可以大幅度提升材料利用率，并且進(jìn)行大尺寸OLED面板生產(chǎn)，但是噴墨印刷OLED仍面臨許多的挑戰(zhàn)，包括材料發(fā)光效率和使用壽命的改進(jìn)。之前噴墨印刷材料中藍(lán)色發(fā)光的使用壽命和發(fā)光效率均低于紅綠色的材料，因此曾經(jīng)開發(fā)出使用精密金屬遮罩與噴墨印刷制程相混合的技術(shù)，也就是紅綠色有機(jī)材料使用噴墨印刷制程，而藍(lán)色有機(jī)材料則使用精密金屬遮罩的蒸鍍制程。但是因?yàn)樗{(lán)色有機(jī)材料越來越成熟，現(xiàn)在面板廠要求紅綠藍(lán)都必須用噴墨印刷制程。

在有機(jī)發(fā)光材料的供應(yīng)上，目前有能力發(fā)展噴墨印刷OLED材料研究的廠商屈指可數(shù)，只有默克公司、杜邦公司、住友化學(xué)和日產(chǎn)化學(xué)。

Universal Display Corporation的OVJP技術(shù)

除了噴墨印刷制程之外，Universal Display公司（UDC）于2017年7月宣布正在加速OVJP（有機(jī)氣體噴墨印刷技術(shù)）研發(fā)，UDC正在尋求合作伙伴，將此技術(shù)商業(yè)化，但是OVJP技術(shù)用于生產(chǎn)還需要幾年時(shí)間。

OVJP代表有機(jī)氣體噴墨印刷技術(shù)，其基本原理是使用類似于噴墨印刷的氣流制程，但使用蒸發(fā)OLED材料。在OVJP制程中，OLED材料被蒸發(fā)成氣體狀態(tài)，將其傳送到噴射發(fā)動(dòng)機(jī)，以直接印刷圖案化的OLED層。根據(jù)UDC表示，OVJP適用于大面積OLED顯示面板，可用到十代基板上。UDC希望OVJP能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、高性能、大面積OLED制造制程。