经典OLED培训教材
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2020-04-08
经典OLED培训教材
第866推文
OLED显示技术简介
OLED（Organic Light-Emitting Diode，又称有机电激发光显示、有机发光半导体）是有机发光二极管的英文缩写。其是一种利用多层有机薄膜结构产生电致发光的器件，它很容易制作，只需要低的驱动电压，这些特征使得OLED在满足平面显示器的应用上显得非常突出。OLED显示屏比LCD更轻薄、亮度高、功耗低、响应快、清晰度高、柔性好、发光效率高。
与LCD（Liquid Crystal Display）相似，OLED的驱动背板也分为有源驱动（AMOLED-Active Matrix OLED）和无源驱动（PMOLED-Passive Matrix OLED）两种。其中PMOLED的驱动方式较为落后，需要对整个背板进行扫描，当面积大时刷新率变慢、电流降低，难以实现高分辨率、大面积和高亮度，仅能用于较低端的小屏幕产品；AMOLED是目前的主流技术，通过LTPS-TFT（Low Temperature Poly-Si Thin Film Transistor），即低温多晶硅薄膜晶体管，对每个像素精确控制进行驱动。该驱动技术与目前市面流行的TFT-LCD一致。
OLED与LCD相比，其最大的特点就在于自发光，无需背光源，该特点带来了许多优点：自发光带来的色域控制、视角控制都要优于LCD；由于不需对光路进行偏振，因此发光效率也显着提高、响应时间快、对比度高、功耗低；去除了背光源有效降低质量、减薄厚度；而且现在的技术可以将电路板涂布在柔性薄膜上，将整个OLED显示屏柔性化，这是LCD所不能做到的。这些性能上面的优势可以满足许多新兴出现的消费需求，使得OLED成为发展迅猛的新一代显示技术。
OLED的三种彩色显示发光原理：
OLED（OrganicLight-Emitting Diode），又称为有机电激光显示、有机发光半导体（OrganicElectroluminesence Display，OLED）。OLED属于一种电流型的有机发光器件，是通过载流子的注入和复合而致发光的现象，发光强度与注入的电流成正比。OLED在电场的作用下，阳极产生的空穴和阴极产生的电子就会发生移动，分别向空穴传输层和电子传输层注入，迁移到发光层。当二者在发光层相遇时，产生能量激子，从而激发发光分子最终产生可见光。
OLED是一种利用多层有机薄膜结构产生电致发光的器件，它很容易制作，而且只需要低的驱动电压，这些主要的特征使得OLED在满足平面显示器的应用上显得非常突出。OLED显示屏比LCD更轻薄、亮度高、功耗低、响应快、清晰度高、柔性好、发光效率高，能满足消费者对显示技术的新需求。全球越来越多的显示器厂家纷纷投入研发，大大的推动了OLED的产业化进程。那么作为OLED显示中的关键材料——OLED有机发光材料，国内有哪些企业能生产，产品销售如何，企业状况如何？
目前市面的AMOLED技术主要分为两种，其区别在于发色的方式。目前以LG为代表的采用WOLED（White-OLED）技术，即发光层发白光，再通过滤色片进行过滤发出不同颜色的光，目前主要用于中大型面板如电视面板的制作；而其他厂商，包括三星和国内的面板厂商，主要采用RGB-OLED（Red Green Blue OLED）技术，即通过FMM（Fine Metal Mask）精密金属光学掩模板蒸镀，使像素点分别能够发出红/绿/蓝三原色，再经过色光叠加成其他颜色，目前主要用于中小面板，如手机面板的制作。
两种方法之间互有优劣，WOLED由于多经过一层滤色片，因此亮度较低、能耗较高，且色域由滤色片控制，不如RGB-OLED广；RGB-OLED主要不足在于三种不同颜色的材料寿命不同，因此长时间使用之后会造成偏色，严重影响用户体验，寿命较为短暂。
无需背光源使OLED面板结构相对较为简单、层数较少。
OLED量产工艺
OLED制备的工艺主要分为三个部分：背板段、前板段及模组段。
背板段工艺通过在玻璃基板或柔性基板上多次反复的成膜、曝光、蚀刻形成LTPS（低温多晶硅）驱动电路，为发光器件提供信号和电源输入。
前板段工艺通过蒸镀设备将有机发光材料通过高精度金属掩模板精准地沉积在背板上，与驱动电路结合形成发光器件，并在无水无氧环境中封装。
蒸镀完成后，模组段工艺负责将封装完毕的面板切割成实际产品大小，再进行面板测试、偏光膜贴附、IC绑定、TP、玻璃盖板贴附及最终的模组测试，即将像素阵列面板切割成适合下游应用的大小后与其他部分的材料结合起来。
OLED蒸镀技术（节选IHS）
无论是用于中小尺寸运用场景的RGB分色 AMOLED显示屏或者是用于大尺寸运用场景的WOLED显示屏, 其制作工艺还是真空蒸镀技术。所以在这些器件中, 如HIL、HTL、EML(R & G & B等颜色)、ETL、EIL、 Cathode和Charge Generation Layer等功能层还是采用真空蒸镀方式、连续地沉积在TFT基板之上。
由于工艺参杂的需要和为了避免交叉污染, 不同的功能层需要在不同的蒸镀机腔体内蒸镀, 同时在蒸镀完成后通过机械手将基板在不同的腔体之间进行转移。
蒸镀的原理基本上可以简化为材料受热升华, 其后再在较冷的基板上再沉积的一个过程。
蒸镀腔内有蒸镀源、张网机、玻璃基板和冷却板等设备。在进行有机薄膜蒸镀时, 需要先将带有TFT的基板进行反转, 其后通过张网机将Mask和基板对齐, 再将蒸镀源打开对基板进行蒸镀。
在整个蒸镀系统中, 蒸镀机、掩模板和蒸镀源都由不同的设备供应厂商来进行供应。在中小尺寸AMOLED面板产线中采用最多蒸镀机是日本Cannon Tokki, 而FMM的主要供应商为DNP和Darwin等。
FMM掩模板介绍
在有机发光二极管OLED面板制造过程中，蒸镀、化学气相沉积CVD工艺由于只需要在基板特定的地方蒸镀上有机物、金属等材料或者CVD成膜，因此需要使用掩膜Mask来保证材料蒸镀位置或者CVD成膜位置的精确度。
掩膜版是什么呢？即：在薄膜、塑料或玻璃基体材料上制作各种功能图形并精确定位，以便用于光致抗蚀剂涂层选择性曝光的一种结构。
掩膜版为Open Mask(中文:开放掩膜版)或精细金属掩膜版(英文:Fine Metal Mask；简称:FMM)。
目前整体的OLED蒸镀金属FMM掩膜板由掩膜板框架、金属掩膜基板、支撑条以及遮挡条组成。制作整体的蒸镀金属掩膜板过程是将遮挡条与支撑条张紧固定在掩膜板框架上，最后将掩膜基板张紧后固定在掩膜框架上。
其中遮挡条的作用是遮蔽相邻两条掩模基板之间的间隙，支撑条的作用是对掩模基板及遮挡条起一个支撑的作用。而实际生产中，由于工艺参数的设定及制作精度的问题，导致遮挡条干扰到了掩模基板的正常形态，从而导致掩膜板用在蒸镀工艺中出现色混、色偏等蒸镀不良。
FMM掩膜板主要包括两部:掩膜框架Mask Frame和掩膜链膜Mask sheet Jask Sheet保证了材料蒸镀位置的精确度，Mask Frame为支撑框架，用于固定以及支撑Mask sheet Jasksheet通过激光焊接在Mask Frame上。每蒸镀一段时间后，掩膜镀膜由于其他因素的影响会造成自身的损伤，影响蒸镀的精确度，不能满足产品对精度的要求，因此Mask sheet需要更换，更换时需要解焊Mask sheet，解焊之后Mask Frame上会留下焊接症痕，需要打磨症痕后重新焊接新的Mask sheet，重新焊接过几次后就需要对Mask Frame整体打磨，打磨3、4次后Mask Frame需要废弃。
由于现有的掩膜框架为一体化设计，因此报废就必须整体报废掩膜框架，同时由于掩膜框架价格昂贵，造成了生产中掩膜框架的运用成本running cost亲升。
例如，按照目前Mask Frame的价格，不胀钢掩膜框架Invar Frame 200万一张，不锈钢掩膜框架SUS Frame的价格20万，IK产能需要出厂打磨一次，4K产能就需要报废一台MaskFrame，如果以整个产线来讲，需要报废三台Mask Frame:有机蒸镀用Mask Frame，金属蒸镀用Mask Frame以及CVD用Mask Frame，即每产生4K产能就需要报废600万价格的MaskFrame ,Running Cost过高。
真空热蒸镀
传统热蒸镀的真空度大致在10-4 Pa以上，真空度越高，形成薄膜的缺陷越少，膜中材料纯度越高。有机材料在真空下加热，依材料特性不同，有些材料会先液化再气化，有些则直接升华，然后以一定的初始速度脱离材料表面向外飞散，运动到ITO表面，冷却沉积下来形成一层薄膜。
如果真空度低于10-4 Pa，真空腔内充斥着水分子、氧分子和其他杂质气体在蒸发过程中与有机小分子材料相互碰撞，将严重降低成膜质量，甚至使器件性能降低乃至失效。在OLED研究初期，一般使用机械泵、分子泵联动的两级抽真空系统保证高真空度。
近年来，在分子泵之后用溅射离子泵可抽到超高真空来制备高性能OLED。检测腔体真空度的设备有两种：用于测量0.1 Pa以下低真空的热传导真空规，即热偶规和电阻规，用于测量0.1 Pa以上高真空的电离规。功能层的厚度用振荡晶片检测，有机材料的蒸镀速率一般为0.5~2 ?/s；金属的蒸镀速率一般为2~5 ?/s，厚度为80~100 nm。
新型FMM面源技术
在2018年SID显示周中，OLEDON首席执行官Hwang Chang-Hoon宣布了一种新的平面源FMM沉积技术，可以生产2250ppi的AMOLED。
据公开消息，目前应用于大规模生产的线性光源存在一个问题，就是由于3μm的阴影距离，要实现高分辨率会造成相邻图案的叠加。但是Hwang说，他使用平面光源成功地将图像的阴影距离减少0.18um，这是有史以来引入的最小阴影距离。
Hwang开发了“X-mixing”技术，在该技术中主体和掺杂剂薄膜分别沉积在金属表面上，然后主体分子和掺杂剂分子通过平面蒸发自动扩散形成发光层。“通过使用线性源蒸发技术来控制掺杂剂的成分并不容易，该技术可同时蒸发主体材料和掺杂剂材料。但是，由于“X-mixing”技术可以控制组成，所以可以实现比传统方法高4倍的材料利用率。”
OLED材料
OLED是双注入型发光器件，在外界电压的驱动下，由电极注入的电子和空穴在发光层中复合形成处于束缚能级的电子空穴对即激子，激子辐射退激发发出光子，产生可见光。
OLED的发光过程通常有以下5个基本阶段：
载流子注入：在外加电场作用下，电子和空穴分别从阴极和阳极向夹在电极之间的有机功能层注入。
载流子传输：注入的电子和空穴分别从电子传输层和空穴传输层向发光层迁移。
载流子复合：电子和空穴注入到发光层后，由于库伦力的作用束缚在一起形成电子空穴对，即激子。
激子迁移：由于电子和空穴传输的不平衡，激子的主要形成区域通常不会覆盖整个发光层，因而会由于浓度梯度产生扩散迁移。
激子辐射退激发出光子：激子辐射跃迁，发出光子，释放能量。
OLED组件系由n型有机材料、p型有机材料、阴极金属及阳极金属所构成。电子(空穴)由阴极(阳极)注入，经过n型(p型)有机材料传导至发光层(一般为n型材料)，经由再结合而放光。
一般而言，OLED元件制作的玻璃基板上先溅镀ITO作为阳极，再以真空热蒸镀之方式，依序镀上p型和n型有机材料，及低功函数之金属阴极。由于有机材料易与水气或氧气作用，产生暗点(Dark spot)而使元件不发亮。因此此元件于真空镀膜完毕后，必须于无水气及氧气之环境下进行封装工艺。
在阴极金属与阳极ITO之间，目前广为应用的元件结构一般而言可分为5层。如图所示，从靠近ITO侧依序为：空穴注入层、空穴传输层、发光层、电子传输层、电子注入层。
OLED材料主要包括发光材料和基础材料两部分，两者占OLED屏幕物料成本的30％左右。OLED发光材料主要包括红光主体／客体材料、绿光主体／客体材料、蓝光主体／客体材料等。
OLED通用材料，主要包括电子传输层ETL、电子注入层EIL、空穴注入层HIL、空穴传输层HTL、空穴阻挡层HBL、电子阻挡层EBL等，随着器件结构的优化，材料的种类在不断变多。其中，有机发光层材料和传输层材料为OLED的关键材料。
OLED发光材料层的形成需要经过三大环节，首先是将化工原材料有机合成中间体或单体粗品；然后再合升华成OLED单体，再进一步合成升华前材料或升华材料，再由面板生产企业蒸镀到基板上，形成OLED有机发光材料层。
OLED封装技术
有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode），具有全固态结构、高亮度、全视角、响应速度快、工作温度范围宽、可实现柔性显示等一系列优点，目前已经成为极具竞争力和发展前景的下一代显示技术。OLED器件中使用的阴极材料和有机发光材料对水蒸气和氧气特别敏感，如果要达到设计的使用寿命10000h，水、氧的渗透率要分别小于5╳10-6g/m2·day和10-3g/m2·day。水透过率等于10-6 g/m2·day相当于24h内只允许1滴水渗入6个足球场大小的面积内（如下图1所示）。为了有效的阻隔水和氧对OLED器件的影响，研究人员研发出Getter & Dispenser封装、Frit 封装、TFE封装等多种封装技术。
图1. OLED器件要求水透过率
1、Getter & Dispenser封装
为了阻隔水和氧，最初始的封装方案就是在OLED器件四周涂上一圈密封胶，然后在OLED器件上方盖上一块玻璃，最后再将密封胶固化以完成封装，其结构图如下图2所示。
图2. 密封胶封装结构
因为密封胶多为有机材料，有机物的水透过率只能达到10-1g/m2·day，无法满足产品需求，所以需要在涂布密封胶的同时帖附干燥剂（Getter）。干燥剂，也称吸气剂，其主要作用是吸收密封胶封闭后密闭空间内的水汽。Getter的主要成分为氧化钙（CaO）和氧化锶（SrO），Getter吸收水汽的化学原理如下公式：
CaO+H2O→Ca(OH)2
SrO+H2O→Sr(OH)2
Getter & Dispenser封装结构如下图3所示，虽然少量水能够透过密封胶，但是会被封装结构内的Getter吸收，从而保证OLED器件不受侵蚀。
图3. Getter & Dispenser封装结构
Getter & Dispenser封装工艺流程如下图4所示。因为干燥剂有0.1-0.3mm的厚度，所以封装玻璃上要开有凹槽，在凹槽中帖附干燥剂（Getter Attach）。干燥剂帖附完成后，在屏的四周用Dispenser工艺涂覆一圈密封胶（Seal Dispenser）。同时，TFT玻璃上制作OLED器件（EV），制作好的OLED器件和封装玻璃在一定的真空度下进行成盒工艺（Assembly），让密封胶把两张玻璃粘合并固化，OLED器件的四周被密封胶封闭，形成一个闭合的封装结构。
图4. Getter & Dispenser封装工艺流程图
Getter & Dispenser封装有两个缺点：
1.干燥剂有一定的厚度，所以需要在玻璃基板上制作凹槽，增加了玻璃基板的厚度，不利于产品的轻薄化；
2.干燥剂一般为不透明材料，如果帖附在OLED器件上方会影响透光，所以很难在顶发射OLED器件中应用。
2、Frit封装
为了克服Getter & Dispenser封装的缺点，研究人员找到了一种即能在玻璃上涂覆，同时固化后阻水氧性能极佳的材料——玻璃胶（Frit Seal）。玻璃胶为玻璃粉和溶剂等混合而成，使用玻璃胶封装方法叫做Frit封装，其封装结构如下图5所示。OLED器件上方为封装玻璃，下方为TFT玻璃，四周被玻璃胶密封。因为玻璃胶熔融固化后能够达到类似玻璃的优良的阻水氧效果，所有此种封装结构广泛应用于手机、平板电脑等产品。
图5. Frit封装结构
Frit Seal封装的工艺流程图如下图6所示。首先，用涂布（Dispenser）或丝网印刷（Screen Printer）工艺将玻璃胶制作在封装玻璃上，把封装玻璃用高温烘烤（Frit Seal Bake）将玻璃胶中的溶剂挥发掉，只剩下固体的玻璃粉。因为固体玻璃粉没有粘性，无法和TFT玻璃粘合，只能在封装玻璃的最外围涂布一圈Dummy UV胶（Dummy UV Dispenser）。在成盒工艺中（Assembly），将带有OLED器件的TFT玻璃和封装玻璃贴合，固化Dummy UV胶，确保OLED器件四周被玻璃胶包围。之后，固体玻璃粉需要用激光烧结，重新熔融再固化后才能够达到类似玻璃的阻水氧能力。
图6. Frit封装工艺流程图
Frit封装最大的缺点是玻璃粉熔融固化后的硬度和脆性与玻璃相近，这就决定了其无法应用于弯曲产品。
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TFE封装
随着OLED显示技术的更新换代，弯曲、折叠产品不断推陈出新，对OLED封装技术的要求也逐步提升。现有弯曲Mobile产品的封装技术主要为TFE（Thin Film Encapsulation）封装。TFE封装的前身是美国Vitex System公司开发的有机-无机多层薄膜封装技术，又称为Barix封装，其封装结构如下图7所示。
图7. Barix封装结构图
TFE封装结构依据Barix封装结构进行了简化，目前主流产品使用的TFE封装基本结构如下图8所示，OLED器件上方直接覆盖一层无机阻水层1，无机阻水层1上制作有有机平坦层，有机平坦层上再覆盖有第二层无机阻水层2，最后在整个屏幕的表面帖附上保护膜（Cover Film）。
图8. TFE封装结构
TFE封装的工艺流程图如下图9所示。首先，在TFT玻璃上制作OLED器件（EV），OLED器件制作完成后沉积第一层无机阻水层1（Inorganic 1），无机阻水层1完成后在其上用涂布（Dispenser）或喷墨打印（Ink Jet Print）工艺制作有机平坦层（Organic），有机平坦层材料可以使用UV（ultraviolet）或热进行固化。固化完成后在有机平坦层上继续沉积第二层无机阻水层2（Inorganic 2），沉积完成后再帖附保护膜（Cover Film）。
图9. TFE封装工艺流程图
TFE封装能够兼顾柔性OLED显示需求的阻水氧性能和弯曲性能，已经成为目前OLED Mobile产品的主流封装技术。
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