打印AMOLED技術的6大難點與高PPI實現(xiàn)方法全析

【中玻網(wǎng)】隨著AMOLED的產(chǎn)業(yè)逐漸成型，并開始成為主流。對于成本高，工藝難度大，材料利用率低等問題的出現(xiàn)，噴墨打印技術也被推到了臺前。

　　打印技術有著蒸鍍技術很多達不到的優(yōu)點，但是蒸鍍技術是目前成熟的AMOLED技術。這也是目前各家布局蒸鍍技術的原因，雖然也在打印上投入很多年，但是距離量產(chǎn)還有一段距離。

　　關于打印技術在AMOLED里對應的是蒸鍍技術，也就是說這兩個工藝完成的部分差不多�；氐綄嶋H工藝中就是在OLED顯示屏制作過程中，在電致發(fā)光材料（EL）成膜工序中，可用蒸鍍制程的方式，也可用噴墨打印制程的方式。而這個用噴墨打印工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蒸鍍工藝就叫噴墨打印OLED技術。

　　噴墨打印OLED屏幕的制備方法，主要是使用溶劑將OLED農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系材料溶解，然后將材料直接噴印在基板表面形成R(紅)、G(綠)、B(藍)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系發(fā)光層。噴墨打印OLED技術在制程，工藝，良率和成本等方面相比蒸鍍技術優(yōu)勢明顯，但工藝過程存在的一系列難點也使得噴墨打印技術發(fā)展受限。

　　難點一、噴墨打印聚合物材料

　　由于聚合物分子量非常大，在制備OLED屏幕時，主要采用溶液加工成膜（如旋涂或印刷），其中，噴墨打印技術被證明是制備發(fā)光聚合物溶液的方法。具有效率高率、可打印的特點。如今，聚合物發(fā)光材料的研發(fā)已有非常大發(fā)展，噴墨打印設備以及相關成膜工藝也基本上能滿足制備高分辨率顯示屏的要求。但目前的問題在于，發(fā)光聚合物性能較差，因此只有開發(fā)出發(fā)光效率更高、壽命更長且成本低廉的聚合物材料，才能滿足日益增長的

　　難點二、噴墨打印小分子材料

　　目前，聚合物發(fā)光器件（PLED）的效率（6～8 cd/A）和壽命一般較低，而小分子發(fā)光器件（SM-OLED）則具有明顯的性能優(yōu)勢，具有效率高率（84 cd/A）和長壽命等特點。小分子材料一般使用傳統(tǒng)的熱蒸鍍工藝，其中，噴墨打印小分子的研究是關注的熱點。該技術難點在于一般的小分子材料成膜性較差，液膜在基板上干燥過程中，容易發(fā)生去潤濕現(xiàn)象而形成不連續(xù)的薄膜。因此，如何獲得高質(zhì)量的功能薄膜是制作效率高率、長壽命器件的必要條件。

　　難點三、噴墨打印陰較

　　與蒸鍍小分子原理相同，OLED器件的陰較一般也是通過真空蒸鍍工藝制作的，但問題是所使用的蒸鍍設備和掩模板比較昂貴。用噴墨打印技術制備陰較，則可大幅度降低成本。其中難題在于，可印刷陰較墨水的開發(fā)以及如何大面積均勻成膜。包括：

　　1．必須保證陰較材料與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系功能層的親和性，確保印刷的陰較能穩(wěn)定成膜；

　　2．必須保證印刷圖案的精細度，確保顯示圖像的高分辨率；

　　3．必須避免陰較膠漿對底層的破壞；

　　4．必須保證載流子的有效注入，以確保高亮度、效率高率的顯示

　　難點四、噴墨打印OLED顯示屏工藝

　　噴墨打印功能薄膜時，液滴間距（μm）和液滴體積（pl）都需達到較高的精度，才能滿足薄膜的均勻性和厚度的要求。液滴定位或體積的微小變化，都有可能引起顯示屏像素坑的發(fā)光亮度不均勻甚至短路完全不發(fā)光，從而導致OLED顯示屏出現(xiàn)大量缺點。

　　OLED功能層必須膜厚均勻，而且還要保持其自身的光電特性。因此，薄膜形成過程中溶劑必須干燥后去除。此外，墨水中的其他添加劑也必須去除至含量低，以免影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系半導體薄膜的性能。

　　OLED顯示屏由像素陣列組成，每個像素又由紅、綠、藍3色的子像素坑組成，一般其幾何形狀為下圖所示的圓角矩形。

　　而像素坑的尺寸和個數(shù)是由顯示屏的應用特點決定的：對于高清電視機（HDTV），在像素陣列為1080×1920、尺寸為94～165 cm的規(guī)格下，子像素坑的尺寸分別為140和250μm；而對于移動設備如智能手機，其像素為廣視頻圖像陣列（WVGA，480×800個像素），7.37～9.65 cm的規(guī)格下，子像素坑尺寸分別為26μm和35μm。

　　由于彩色顯示屏相鄰的子像素坑發(fā)光材料的顏色不同，印刷時必須防止溶液溢出到相鄰像素坑中。所以在像素坑之間需要創(chuàng)建出低表面能的隔離區(qū)，科研人員一般會使用光刻膠樹脂做隔離材料。需要注意的是，在向像素坑中打印墨水時，首先要考慮墨水體積是否滿足薄膜厚度的要求。

　　由于像素坑的面積和高層度是一定的，墨水體積既要鋪滿像素坑，又不能溢出像素坑，所以打印墨水的體積是有限的。假設把濃度為1%（質(zhì)量分數(shù)）的墨水印刷到像素坑中，就要求薄膜厚度恰好為70 nm。小像素坑的大容積如果小于滿足厚度需求的墨水體積（設液體與基板接觸角為70°）（即墨水填滿像素坑后大膜厚仍然小于70 nm），說明墨水中固體含量過低，此時就需要增加墨水的濃度并降低印刷體積。大像素坑中達到70 nm膜厚所需要的墨水體積如小于低潤濕體積（設墨水與基板的接觸角是15°）（即墨水不足以鋪滿像素坑），說明墨水中固體含量過高，需要降低墨水的濃度并增加印刷墨水的體積。

　　在墨水濃度和液滴體積都確定的情況下，可根據(jù)膜厚要求計算每一像素坑需要的墨水體積和墨滴數(shù)量。由于液滴體積是由打印頭直徑?jīng)Q定的，因此可以根據(jù)像素坑的尺寸需要，選擇相應的直徑的打印頭。像素坑尺寸越小，意味著選擇的打印頭直徑越小，技術要求也越高。

　　難點五、墨水成膜過程控制

　　噴墨打印OLED顯示屏的溶液主要是由光電材料和溶劑組成，因此，需要從流體特性、鋪展程度和干燥成膜等方面考慮墨水的配制：

　　1．為確保墨水的穩(wěn)定性，就需要溶質(zhì)的溶解度高或分散均勻，從而保證液滴穩(wěn)定以及材料在基板上成膜均勻；

　　2．溶液的流變性（粘度，表面張力及剪切速率）需滿足噴墨打印設備的要求，并能夠形成穩(wěn)定的液滴（包括液滴無衛(wèi)星點、重復性好、定位等）；

　　3．溶劑不能揮發(fā)得太快，從而防止干燥后的溶質(zhì)堵塞打印頭導致打印失效。

　　墨水的可打印性主要是由粘度、表面張力和剪切速率變化量決定的，而分子結(jié)構(gòu)、分子量、固體含量以及選擇的溶劑則是影響這些物理參數(shù)的主要因素。噴墨打印設備對墨水粘度的要求一般在1～20 cP之間。

　　對于聚合物墨水來說，溶質(zhì)含量越高墨水粘度越大，固體含量一般在0.2%～2.5%（質(zhì)量分數(shù)）之間；而對于小分子來說，溶質(zhì)含量對溶液粘度的影響很小，科研人員一般通過選擇高粘度溶劑和加入添加劑等方式提高溶液的粘度。此外，溶劑的沸點和表面張力，決定了墨水的干燥速率及其對基板的潤濕性。所以需要選擇物理性質(zhì)適當?shù)娜軇�，才能達到控制溶質(zhì)在像素坑中的成膜形貌的目的。

　　難點六、液滴定位偏差與控制

　　噴墨打印機/打印頭的重要技術指標包括：液滴的定位精度、噴墨液滴體積、印刷可靠性和產(chǎn)量等。液滴下落的目標位置由顯示屏的幾何圖案確定的，而液滴體積主要由打印頭直徑?jīng)Q定。

　　由于顯示屏的像素尺寸一般在微米量級，分辨率越高就要求液滴的體積越小、定位越準確。比如在像素分辨率為100～150 ppi（子像素大小約為85～55μm），大小為35.56 cm的彩色顯示基板上，需要沉積1～2千萬個直徑約25μm液滴，這就意味著液滴定位準確稍有偏差，就可能引起整個像素基板的印刷錯誤。所以打印頭尺寸必須在10 pl左右，液滴下落精度則需在±10μm內(nèi)，只有這樣才能獲得印刷定位準確、高分辨率的器件。

　　液滴定位偏差，主要是由打印平臺的機械偏移和液滴在打印頭出口的偏移角度引起的。用于制造噴墨打印顯示屏的設備，一般都具備有經(jīng)驗的高精度印刷平臺（如氣浮軸承平臺），使其可以達到機械位移精度的要求。

　　液滴在打印頭出口處的偏移角度，則受打印頭的設計和墨水配方的影響。由于用于生產(chǎn)顯示屏的打印頭都是經(jīng)過專門設計制造的，因此液滴偏移程度較小。通常情況下，液滴偏移角一般不超過10 mrad。通過打印頭的設計和墨水的優(yōu)化，液滴偏移角度可達±2 mrad，對應的印刷分辨率則可達到200 ppi。

　　此外，通過優(yōu)化墨水的化學組成、調(diào)控基材表面的化學組成或物理結(jié)構(gòu)等方法，都可以減少噴射墨滴的尺寸或者控制墨滴在基材表面的鋪展?jié)櫇裥袨椋部梢杂行岣邍娔蛴〉姆直媛省Ｔ谥谱鱋LED顯示屏中，這些提高印刷分辨率的方法都是非常重要的。

　　打印技術如何實現(xiàn)OLED高PPI？

　　對于打印OLED本身工藝難點需要攻破這些，同時還有個打印問題就是如何實現(xiàn)打印技術的高PPI。目前蒸鍍AMOLED的PPI輕松實現(xiàn)超過400。但是打印OLED要打破這個PPI很難，目前公開資訊的是京東方對外的400PPI。那要實現(xiàn)打印技術的高PPI有哪些難點呢？

　　一、高解析度打印技術難點

　　影響打印解析度提高的主要因素是設備能力。影響設備精度的原因可以分為兩部分，一部分是設備的對位及運動精度，另一部分是打印噴頭吐出墨滴體積的大小。

　　a）設備運動系統(tǒng)限制

　　打印設備的主要結(jié)構(gòu)如圖表20（a）所示，打印設備主要包括工作臺（Stage）和供液系統(tǒng)。設備的Stage是用來承載玻璃的，Stage可以在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動（±5°），也可以在Y方向上進行移動。設備的供液系統(tǒng)是給噴頭提供墨水的結(jié)構(gòu)，在其下方掛載噴頭。設備的供液系統(tǒng)包括墨水瓶、過濾裝置、脫泡裝置和注射裝置（syringe）等，墨水進入syringe裝置后就可以進行打印了，通過噴頭將墨水打印在基板上。供墨系統(tǒng)和噴頭可以整體在X方向移動，這樣，通過噴頭和Stage的配合移動實現(xiàn)在基板上的整面打印。設備對位系統(tǒng)主要是為了調(diào)整打印噴頭和Stage之間的相對角度和位置坐標，由對位標記（mark）標定，標記圖形如圖20（b）所示。通常情況下，為了滿足高精細打印，要求運動馬達的精度要小于1μm，這樣才能保證噴頭調(diào)整時具有小的相對誤差。對于噴頭的對位精度，通常也是要求小于1μm，甚至是0誤差，這對鏡頭的解析能力和軟件的圖形識別能力提出了很高的要求，只有做到了較小的誤差，才能確保噴頭在長程運動時不把誤差放大。

　　圖表20:（a）打印設備結(jié)構(gòu)示意圖;（b）對位mark

　　b）打印噴頭限制

　　打印噴頭吐出墨滴的能力是制約產(chǎn)品解析度提高的另一個重要因素，通常情況下，打印噴頭吐出的墨滴體積范圍是1~50pL，墨滴吐出越大，噴頭制作難度越低，噴墨越穩(wěn)定，但是只能應用于低解析度產(chǎn)品。反之，噴墨體積越小，噴頭制作難度越大，噴墨穩(wěn)定性也下降，而且很容易出現(xiàn)噴頭堵塞的現(xiàn)象，但卻是制作高解析度產(chǎn)品的必須條件。以10pL噴頭為例，說明墨滴體積對打印精度的影響。圖表21中以300ppi的像素尺寸為例，像素的長邊長約為75μm，短邊長度為25μm。10pL噴頭吐出的墨滴體積為8pL，相當于直徑24μm的球體。每個噴頭中含有256個Nozzle，不同Nozzle吐出的墨滴位置差異范圍是±10μm，這樣，考慮到墨滴的直徑和墨滴落點的差異，Pixel的短邊寬度應不小于42μm（噴頭打印方向是長邊方向），再考慮到Bank占用的寬度，Pixel的短邊尺寸因不小50μm，這種情況下，產(chǎn)品的解析度在160ppi左右。

　　圖表21:300ppi像素尺寸

　　圖表22:10pL噴頭墨滴體積及落點精度示意圖

　　二、實現(xiàn)高解析度打印的方法

　　a）提高設備的硬件能力

　　打印設備的主要瓶頸是在打印噴頭的設計和與之匹配的供墨系統(tǒng)設計，要實現(xiàn)產(chǎn)品解析度的提高必須要先提高打印噴頭吐出墨滴的解析度。下圖在多個維度上給出了噴頭和產(chǎn)品尺寸，產(chǎn)品解析度，產(chǎn)品規(guī)格及產(chǎn)線基板尺寸的關系。從圖表可以看出，要實現(xiàn)產(chǎn)品解析度的提高，必須降低墨滴的吐出體積，而墨滴的吐出體積減小后，考慮到墨滴的穩(wěn)定性，能夠?qū)漠a(chǎn)品尺寸相應的減少，對應的產(chǎn)線基板尺寸也變小。相反，墨滴的體積變大，產(chǎn)品解析度下降，但是可以對應非常大尺寸的產(chǎn)品和非常大的產(chǎn)線基板。

　　圖表23:打印噴頭規(guī)格及相應的產(chǎn)品和產(chǎn)線對應圖

　　b）在像素設計上做調(diào)整

　　除了提高打印設備的能力，優(yōu)化像素設計也是一種實現(xiàn)高解析度打印的重要手段。對于像素設計的改進可以通過以下幾種方式。

　　首先，可以將原本是單個的亞像素（Subpixel）修改為以行或者列為單位的像素排列，這樣，我們在打印時不再是逐個Pixel的打印，變?yōu)橹鹦写蛴�，降低了打印的難度，提高了打印的解析度。

　　其次，我們可以將幾個相鄰的Pixel作為一個打印Pixel，相當于實際打印的Pixel面積放大了很多，打印的難度隨之降低，打印解析度也隨之提高，再通過特殊的像素顯示方法，實現(xiàn)全彩顯示。

　　此外，還可以設計其他非常規(guī)的像素排列方式，通過像素排列方式的改變，增加實際打印的Pixel的面積，以便在提高解析度的同時，降低打印的難度，再通過相應的算法，實現(xiàn)全彩顯示。

　　以目前的技術條件，通過提高設備能力和重新排布像素結(jié)構(gòu)都是提高產(chǎn)品解析度的有效方法，相對于提高設備能力，進行像素結(jié)構(gòu)重新設計要容易一些。（文章整合來源：BOE、鈦科技、鳳凰網(wǎng)中韓交流）