喷墨打印技术在AMOLED领域的应用介绍

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 VOSBU新技术研发部。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。作为核心成员参与或主持多个溶液制程技术的研发项目，其中包括集团年度优秀研发项目一等奖一个，现作为PM主持集团一个重大战略专项项目。

延伸阅读：OLED面板溶液制程　可望大幅降低生产成本

有机发光二极管(OLED)面板溶液制程比传统真空蒸镀法更省材料，而且设备投资费用较低、制程时间更短，一旦用于量产，将可大幅降低大尺寸OLED电视生产成本，因此受到乐金显示器(LG Display；LGD)、三星显示器(Samsung Display)等业者的关注。

根据韩媒D-Daily的报导，目前OLED电视市场唯一的推动者LGD，使用白光OLED蒸镀技术，必须透过外加的RGBW彩色滤光片发出色光，因此生产成本高昂；而中小尺寸面板使用的精密金属屏蔽(FineMetal Mask；FMM)蒸镀技术，直接使用发出色光的RGB材料，可省略彩色滤光片，但应用于大尺寸面板，却有屏蔽下垂，以及材料过度使用等多种问题。

目前受到瞩目的OLED面板溶液制程，是将溶液状态的RGB发光材料以喷墨喷嘴细微地喷洒于所需之处，与在真空室内将有机材料汽化的传统真空蒸镀法相比，可减少有机材料的浪费。投资印刷设备的费用也比真空蒸镀设备要低。与白光OLED相比，因为不需要彩色滤光片，将可大幅节省生产成本。

不过低分子溶液材料的发光效率、寿命与均匀度都比传统的高分子材料差，技术有待改良。主要显示器业者们，为提高低分子溶液的性能，也积极行动中。LGD京畿道坡州工厂中，应用喷墨印刷技术的溶液制程OLED生产线「M2-Inkjet」自6月起开始稼动进行试产。为了启动该生产线，也与设备业者东京威力科创(Tokyo Electron)、喷墨喷嘴业者爱普生(Epson)，以及材料领域的默克(Merck)、住友化学(Sumitomo Chemical)等合作。

据传台湾友达(AUO)与大陆京东方(BOE)也在研发溶液制程。日本Panasonic与友达更曾发表过以溶液制程生产的OLED电视面板。另外三星显示器也默默准备当中。

三星创投(Samsung Venture Investment)2014年9月收购拥有喷墨印刷技术的美国新创公司Kateeva股份。该公司薄膜封装设备已应用在三星显示器新稼动的可挠式(Flexible)OLED面板生产线。Kateeva为了以印刷技术生产大尺寸OLED电视面板，也在1月跟日本材料业者住友化学进行合作。此外，三星显示器也持续与美国杜邦(DuPont)共同开发印刷式的溶液制程技术。

Kateeva技术长(CTO)Steven Van Slyke表示，以喷墨印刷方式制造的高性能OLED面板一旦问世，就能量产低价OLED电视。南韩业界预估正式使用溶液制程量产OLED的时机将在2017年，届时溶液制程市场可达3.8亿美元规模，并延续每年平均141%的高成长率。

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