基於OLED柔性顯示的關鍵工藝介紹

轉自微信公眾號：柔性電子服務平臺

作者：Lee

OLED作為一種新型顯示技術，具有視角範圍廣，響應速度快，色彩純度高等特點，並作為背光源廣泛應用於液晶LCD顯示。OLED的獨特之處在於其能夠實現柔性可彎曲。然而，由於液晶顯示中的背光單元結構和液晶控制電路之間的微小空間結構，現有的基於OLED的液晶顯示很難實現真正的彎曲。目前，隨著技術的快速發展，基於OLED顯示的市場份額逐漸增加。推動OLED市場份額增長的下一個引擎將是OLED柔性顯示。

目前，OLED顯示器的成熟產品主要有兩種類型，包括硬質平面型和固定曲率型。所謂的硬質平面型，通常都是由兩片剛性玻璃構成，一片是包含控制電路和OLED器件的，另一個是集成觸摸板功能。兩片玻璃通過雷射焊接工藝集成一體。而所謂的固定曲率型是基於柔性OLED技術，在柔性基板依次製備控制電路、OLED器件和薄膜封裝層，並將所製備的柔性LED器件壓合在固定曲率的玻璃基底上，從而得到具有一定彎曲的OLED器件。雖然OELD器件本身可可以彎曲，但最終產品本身不能實現彎曲和摺疊，這也限制了消費者根據自己的使用需求來進行個性化體驗和定製。不論是消費者還是從業者，希望儘快推出真正的柔性彎曲OLED顯示產品。眾所周知，柔性OLED的製備工藝複雜，而為了實現良好的產品特性，有一些關鍵步驟需要必須克服。

本文主要介紹一下OLED柔性顯示的一些關鍵工藝，主要從柔性襯底材料，低溫半導體電路層製備，薄膜封裝這三個方面進行概要介紹。

柔性襯底材料

柔性和剛性OLED器件的最大區別並非是功能材料，而是襯底材料。剛性OLED通常採用玻璃作為襯底材料，而柔性OLED則使用塑料基底作為柔性襯底。目前襯底材料的篩選需要考慮的因素包括熱承受溫度和耐水氧穿透特性，以及膨脹特性等。

柔性基底的耐溫特性通常與OLED的製備工藝相關，在OLED器件製備工藝中，包括半導體層和有機功能層多採用熱蒸鍍工藝來製備，工藝溫度高於400℃。普通的塑料襯底在這個溫度難以保持穩定。目前，聚醯亞胺（PI）能夠實現更好的耐熱性和穩定性，因此廣泛作為OLED的柔性顯示襯底材料。然而，普通的聚醯亞胺材料呈現出透明黃色，這限制了底部發光OLED中的應用。針對這個問題，目前市場已經有透明聚醯亞胺材料可以規避這個問題。

此外，聚醯亞胺的另一個缺點，而這也是所有聚合物材料所面臨的問題，即為較高的水蒸氣傳輸速率（WVTR）。較高的水分傳輸速率意味著水分將通過聚合物層以破壞TFT特性，甚至降低OLED性能。通常無機材料具有較低的傳輸速率，然而剛性結構難以適用於柔性OLED器件。近期的研究表明，通過製備聚合物/納米無機的多層疊層結構可以極大改善純聚合物材料的水汽傳輸特性，並且能夠保持柔性可彎曲。近期的研究人員製備了基於PI/無機材料的疊層襯底材料，研究結果表明，疊層結構表現出比單層PI基板更低的WVTR係數。實際測試中，疊層結構襯底的OLED樣品中，384小時依然保持良好的工作穩定性，沒有明顯的暗點和壞點產生。相反，在相同測試條件下，單層PI襯底的OLED器件性能衰減明顯，有許多暗點和壞點產生。

疊層結構襯底材料的另外一個優勢就是膨脹穩定性。圖1的結果是不同的襯底材料在不同的變化溫度下的尺寸變化情況。從圖中可以明顯看出，疊層結構在高溫下表現出比單層基板低的尺寸變化，其膨脹特性接近玻璃，充分表明這種結構能夠實現良好的工藝匹配性。

圖1.不同封裝基板的在不同溫度下的尺寸穩定性

半導體製程工藝

傳統的玻璃襯底能夠承受最高800℃的工藝溫度。然而，由於柔性PI襯底材料的耐溫特性有限，只能承受小於450℃的熱蒸發製備工藝，而這對OLED器件的半導體製備工藝提出了極大的考驗。目前的製備工藝主要採用蒸鍍方式實現功能層製備。首先，將一層聚醯亞胺漿料塗覆在載體玻璃上並固化作為柔性襯底，進行低溫半導體工藝製備。在半導體電路製備完成後，然後進行OLED功能層製備，將其從玻璃上剝離。為了避免來自隨後的結晶過程的汙染和損壞，需要使用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）方法將SiNx和SiOx的緩衝層沉積在PI基板上。然後通過準分子雷射退火（ELA）沉積一層a-Si膜，以用作多晶矽溝道層。在柵極-絕緣體（GI）沉積之後，濺射鉬並且圖案作為柵極切斷。隨後進行P +注入，形成源極/漏極結區。在層間電介質（ILD）沉積之後，然後進行低於450℃的退火以激活注入的摻雜劑並增強TFT特性。然後通過金屬層形成觸點和源/漏電極。得到的TFT結構如圖2所示。

圖2. P型TFT結構圖

圖3為採用低溫半導體工藝製備的p型TFT的Id-Vg曲線，其特徵是漏極電壓分別為0.1 V和10 V，PTFT的尺寸為3μm/3μm，在玻璃基板上具有高退火溫度，在柔性基板上具有低退火溫度。結果表明，TFT在柔性基板上具有較低的退火溫度，具有較小的導通電流，較大的截止電流和較低的遷移率。並且Ion/Ioff比率約為玻璃基板上的高退火溫度的五分之一。

圖3. p型TFT的Id-Vg曲線，其特徵是漏極電壓分別為0.1 V和10 V，PTFT的尺寸為3μ

薄膜封裝

薄膜封裝是影響OLED特性的關鍵工藝之一。研究結果表明，多層薄膜封裝（TFE）為柔性OLED顯示器提供了良好的水氧隔絕特性。然而，TFE的阻擋層通常會在反覆的彎曲過程中產生較大的應力變化從而破壞。因此，如何進行良好的薄膜封裝結構設計來緩解彎曲中產生的應力的破壞。目前的方案是在彎曲應力集中的區域放置阻擋層結構，目的是是通過調節薄膜封裝結構的結構和厚度，來平衡由彎曲引起的應力。

薄膜封裝工藝對於微粒子的覆蓋能力也是評價封裝工藝的標準之一。在圖4中展示了多層封裝工藝對於顆粒的覆蓋效果。實驗中中設計了一個尺寸為11um高度的聚苯乙烯（PS）微粒子，並使用三層TFE來對PS粒子進行封裝補償。同時測試了不同厚度的有機層的補償能力。分別使用無機材料和有機材料作為封裝層，封裝測過的厚度為8.2um和10um才可以實現覆蓋PS粒子，並可以為內部環境和空間提供良好的密封特性。然而，較低的封裝層厚度意味著頂部的應力集中現象更加明顯，長期使用穩定性會面臨更大的考驗。

圖4.在上塗層上製造的PS顆粒的橫截面圖。並在上面分別進行無機/有機/無機的沉積封裝。

參考文獻：The Challenges of Flexible OLED Display Development.Shan-Chen Kao,Liang-Jian Li, Ming-Che Hsieh, Song Zhang, Pao-Ming Tsai,Zhong-Yuan Sun, Da-WeiWang.

轉發此篇文章請標明出處