喷墨打印技术在AMOLED领域的应用

前言

目前，小尺寸AMOLED显示屏的有机发光部分使用的是FMM+（Fine Metal Mask）蒸镀的技术方案量产，代表厂商是三星，其绝大多数AMOLED产能都应用在galaxy系列手机上。但是FMM+技术方案在大尺寸AMOLED显示模组上却无法使用，因为金属掩膜板的金属形变问题，蒸镀工艺中均一性难以保证，以及为了解决大尺寸mask难以对位的问题。另一家韩国面板厂LGD选择了某种程度上的权宜之计，即使用白光OLED添加彩膜的方案，来实现RGB的图形化显示。但是由于其白光有机发光层仍然采用蒸镀工艺的高真空制程，故设备昂贵；另一方面，材料利用率也较低，此外其在大尺寸的量产表现上一直良率不高，最终产品的价格高昂，所以市场的接受度一直无显著提升。

最近几年随着喷墨打印设备和溶液型AMOLED材料性能的不断进步，喷墨打印AMOLED的技术开发不断受到业内关注。

喷墨打印制程工艺是将数十兆分之一升（皮升）的溶液（通常在一皮升到几十皮升之间），以每秒数百次以上的频率喷洒在特定的对象上，然后将溶剂去除形成干燥薄膜的成膜制程技术。比起传统真空蒸镀制程，其材料使用效率大大提升，此外，由于器件结构简单，没有Mask对位等问题，理论上良率也可大幅度提升。

如下是常规的OLED器件结构示意图，目前的喷墨打印技术主要是替代OLED的底层，后面几层仍然是采用蒸镀制程。这主要是考虑到各层材料在成膜工艺中之间的互溶等工艺问题，现在还难以做到全部替代。

喷墨打印关键设备构造

喷墨打印技术有两种基本类型：连续式喷墨 (CIJ)和按需式喷墨 (DOD IJ)。连续式喷墨技术多用在喷码机、部分数字印刷机领域，本文不做详述。DOD模式具有液滴尺寸小，墨滴落点精确可控等优点，使其更易在图形化要求高的领域得到应用。在AMOLED显示领域，DOD模式的喷墨打印技术可以以0到25kHz的频率分散出150μm（液滴直径） 甚至小至15μm的液滴。按需式喷墨头从工作原理上主要分为压电式、静电式、热发泡式、超声波式4种，目前业界主要使用的是压电式。

以下对其进行简要介绍：

为了更好理解按需式喷墨头的工作原理，首先介绍压电式喷头的构造，下图是一个常规的压电式喷墨打印头的内部构造示意图。压电元件（通常为陶瓷材料）以水平片状形式封装在振动板（同时也是隔膜）上，电极沉积在压电元件上下两面，电场方向与压电元件的极化方向平行。当电极两端施加电压时，压电元件弯曲，导致振动板向压力腔内部弯曲，将墨水从压力腔中挤压出去。电压释放后，振动板恢复原状，墨水容腔增大，墨水向回收缩，斩断墨水，形成墨滴喷出。每个喷头通常包含有多个（如128或256等）等间距排列的喷嘴，每一个喷嘴的至少一个腔壁覆盖有压电材料薄膜，工作时，压电材料薄膜由于逆压电效应，将施加在其上的电脉冲信号（即电能）转化成机械能，从而完成吸墨、喷墨的过程。由于压电元件的形变程度与驱动电压成正比，通过电压波形控制，能较容易地改变墨滴大小和喷射速度。

影响喷墨打印OLED品质的主要因素

利用打印方式制备有机电致发光器件的工艺中，影响屏幕点亮效果的两个最重要的因素就是干燥后的薄膜形貌和厚度均一性。

影响形貌的因素是割墙的材料属性和结构、界面处理工艺、墨水特性以及干燥工艺等；而厚度的均一性差异则主要取决于不同喷头的液滴体积的均一性控制。设备、材料、工艺等都会对如上的多重因素造成影响，因此要达到良好的整屏点亮均一性效果，具有很大的难度。

如下图所示，点亮的OLED瓶上沿着打印方向有一系列的明暗亮度不一的条纹，其主要是由于喷嘴间的喷墨体积不一致造成的一种显示mura，业内称之为Suji mura，其通常为像素级别的宽度。研究发现，通常当相邻子像素间的墨滴体积偏差大于0.5%以上就可以在点亮产品上看到Suji mura。

对于喷墨打印技术来说，Suji mura是非常常见的，也是必须要克服的。其产生的原因比较明确，但是解决起来却较复杂。主要和喷头液滴体积的精确控制能力以及打印方式有关。液滴体积的精确控制，一方面要求喷头的加工精度必须很高，所有喷嘴本身加工精度偏差必须在一定范围内。另一方面，还必须通过电压波形的调节对每个喷嘴喷墨的体积进行校准，使其达到一定的偏差范围内。

Swath mura及产生原理示意图

作者简介：代青，博士，高级工程师。2011年毕业于中国科学院理化技术研究所，现就职于BOE。入职以来一直从事AMOLED溶液制程，尤其是喷墨打印技术相关的研究工作。

最近一年来，印刷显示技术、柔性显示技术已成为产业界重点关注的发展方向。然而，究竟什么才是真正印刷显示器件？对于电致发光显示器件来说，如果要真正实现印刷显示，就要解决发光显示器件全生产过程的印刷工艺，包括TFT、透明导电层、发光层、各种功能膜层等都要实现印刷工艺。实现上述目标，对器件的各类材料提出了巨大的挑战，寻找较好可溶性或具有较好分散性和稳定性的材料非常有难度，而有机材料则是其中最合理的选择。

印刷显示技术并非新概念

1977年，Ziegler-Natta被合成了导电高分子聚乙炔。

实际上，印刷显示技术并非是近几年才有的新概念。1977年，Heeger、Macdiarmid和Shirakawa用Ziegler-Natta催化合成了导电高分子聚乙炔，这一原创性的工作揭示了有机材料导电的事实：经过适当的掺杂，有机高分子是可以导电的。因此此三人获得了2000年的诺贝尔化学奖，而印刷电子学技术也从此发展起来。

近年来，随着有机电致发光二极管（OLED）技术和产业的成熟，印刷电子在材料和装备方面拥有更好的积累和发展基础，应用以及工艺均获得了较快的发展。

1998年，Yang等人在SID会议上展出了使用喷墨打印技术制备聚合物PLED器件，同年11月他们又使用喷墨打印技术成功制备出双色PLED器件。1999年SeikoEpson与CDT合作在美SID上展示第一台采用喷墨打印技术制造的PLED全彩显示器，16灰阶可显4096色，达120ppi，采用主动式TFT驱动。此后，喷墨打印技术制备的PLED器件快速发展，现在PLED喷墨打印设备已经可以商业化生产。

印刷显示材料是印刷电子学的其中一大支柱。印刷显示材料不只是有机发光材料，还有金属材料、无机材料。目前以金属浆料较为成熟，但主要仍限于银和铜材料；有机材料在有机半导体器件和有机光电器件中已取得大量应用，但还存在“相对可靠性略差”、“寿命需进一步提高”及“载流子迁移率较低”等问题。

采用OLED材料是较成熟的技术方案

印刷显示技术是将印刷电子学应用于显示领域。

印刷显示技术是将印刷电子学应用于显示领域，指以旋涂、丝印或喷墨打印等印刷方法，将金属、无机材料、有机材料转移到基板上，制成发光显示器件。印刷显示技术的终极目标是实现全印刷发光显示器件，在常温、常压下以按需给料方式实现低成本制造。在目前印刷显示技术中，采用OLED材料来实现显示是主流且比较成熟的技术。

从制备方法来说，一般而言OLED可分为两种。一是小分子发光材料OLED，用蒸镀方法制备;另一种是共扼高分子发光材料PLED，用印刷方法制备。

对比目前应用的真空蒸镀制造OLED显示屏的工艺，第一是材料利用率高达95%，而真空蒸镀工艺材料利用率仅有20%。与蒸镀工艺中有机材料无选择性沉积不同，印刷显示工艺只是在需要的地方才喷涂有机发光材料，极大提高了有机材料的利用率，也更加环保；第二是不受设备与大尺寸精细金属掩模板的限制，印刷工艺可以制备大尺寸显示面板；第三是由于印刷工艺不需要真空蒸镀腔体和精密金属掩模板等等，再加上节省材料及维护真空蒸镀设备，可有效降低成本。另外，由于器件结构相对简单，功耗更低、良率更高，一直以来制约着OLED电视发展的高成本、低良率、大面积制备等问题会得到解决。

量子点是印刷电致发光器件研究新方向

量子点比有机发光材料的化学结构更稳定。

随着OLED技术的发展，科研工作者又开始用量子点材料代替有机电致发光材料制备发光器件，也称为量子点电致发光器件。由于OLED发光层为有机材料，有机物对氧气、水汽非常敏感，稳定性差；发热效应下的材料分解或者改性会导致器件寿命缩短。而且多数有机材料具有很高的空穴迁移率，但电子迁移率相对较低，导致了载流子注入的不平衡，制约了其发光效率的提高，并导致发光色度随电压变化造成色漂移、色纯度低等。因此，将量子点材料引入到OLED器件中期望弥补有机材料的不足。量子点作为无机发光材料，比有机发光材料的化学结构和寿命构成都更为稳定。

理论上，QLED的“薄膜化点阵涂覆”则更适合于印刷技术，成品率也会更高、材料成本比真空蒸镀节省九成，且大尺寸化的技术难度增长有限，因此成为当前印刷电致发光器件研究的新方向。但是无机材料量子点存在可印刷工艺性较差，制备条件较苛刻，并且较难形成均匀膜层等问题，所以发展仍然需要一个过程。

量子点电致发光二极管的工作原理与有机电致发光器件是类似的复合发光机理。QLED电致发光器件的基本结构和OLED器件也基本一样，也就是用量子点材料取代有机发光器件中的有机发光材料。而量子点发光材料可以像高分子发光材料和可溶性小分子发光材料一样采用合适的分散方式以印刷涂覆的工艺来制备显示器件。

究竟什么是真正印刷显示器件？

采用印刷方式来制备一直是科研工作者追求的目标。

采用印刷工艺制备有机电致发光器件的工作已经进行了多年，从OLED和PLED之别到今天的可溶性小分子电致发光材料和量子点电致发光材料的发展。该技术完全省去真空蒸镀这一环节，转而采用工艺简单、节省设备投资和材料的印刷方式来制备有机电致发光器件一直是科研工作者追求的目标。如果要真正实现有机电致发光显示器件的全印刷制备，就要解决有机电致发光显示器件全生产过程的印刷工艺。

有机电致发光显示器件主要是由薄膜晶体管TFT控制单元和有机电致发光单元组成，因此，这两个组成部分应当都是用印刷工艺制备才是真正的印刷显示器件。现在对于薄膜晶体管TFT的印刷制备工艺，一种是有机材料的OTFT，另外一种是无机材料的TFT印刷方式制程。

有机薄膜晶体管具有“可用柔性衬底在低温工艺和印刷工艺等多种手段制备”以及“易于大面积制备”等特点。然而，目前国际报道的OTFT-OLED器件多限于OTFT驱动有机小分子发光二极管，对于OTFT驱动聚合物发光二极管POLED均采用印刷方式制备的OTFT-PLED器件，鲜有报道。

美国宾州大学的团队使用无机材料以印刷工艺制备出了TFT器件。印刷工艺如喷墨打印技术等，不仅在有机电致发光显示器件制造领域有所应用，也是LCD彩色滤光膜的新一代制造技术，与现有技术相比，在节约原料、降低成本方面有一定优势。通过与真空蒸镀工艺制作有机材料膜层的工艺对比，我们可以看到印刷显示技术的优势所在。

华南理工联合广州新视界研制成功首款基于稀土掺杂氧化物 TFT 技术的全彩色量子点电致发光显示屏