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        OLED屏幕將進(jìn)入噴墨打印時(shí)代

        2021-03-11 02:03:17
        科學(xué)導(dǎo)報(bào) 2021年13期
        關(guān)鍵詞:噴墨圍欄墨水

        輕、薄、功耗低、主動(dòng)發(fā)光、無視角限制……在顯示領(lǐng)域,有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)因這些特性,被寄予厚望,已經(jīng)成為智能手機(jī)顯示屏的主流。

        不過,現(xiàn)階段的OLED面板普遍采用真空蒸鍍制備工藝,其嚴(yán)苛的工藝要求與高昂的成品價(jià)格,限制了其在更大尺寸顯示產(chǎn)品上的大規(guī)模普及應(yīng)用。

        而噴墨打印可以在常溫常壓的環(huán)境下,在更大尺寸玻璃基板上快速連續(xù)地制備紅綠藍(lán)像素陣列,為制備大尺寸OLED顯示屏創(chuàng)造了條件。然而,目前OLED印刷技術(shù)才剛剛起步,產(chǎn)業(yè)化印刷OLED還面臨著諸多挑戰(zhàn)。

        前路漫漫,但曙光已現(xiàn)。近日,從科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心獲悉,“戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料”重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目——國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃8.5代印刷OLED顯示產(chǎn)業(yè)化示范中的“基于產(chǎn)業(yè)化印刷材料器件與工藝開發(fā)”課題,已經(jīng)取得一系列成果,例如開發(fā)或評(píng)測(cè)出超過10種面向印刷工藝的新型發(fā)光層、空穴傳輸層、電極層材料;制備出讓像素點(diǎn)均勻分布,且耐受打印溶劑溶解的圍欄材料;研發(fā)出膜表面粗糙度小于5納米的大面積發(fā)光薄膜。

        1、將發(fā)光材料打成像素圖案

        “中國(guó)在信息顯示領(lǐng)域長(zhǎng)期處于落后追趕的境地,而以O(shè)LED為代表的第三代顯示技術(shù)的誕生,為我們?cè)陲@示領(lǐng)域的彎道超車提供了契機(jī)?!痹谀暇┕I(yè)大學(xué)先進(jìn)材料研究院江蘇省柔性電子重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,課題牽頭人秦天石教授一邊說著,一邊拿出兩個(gè)裝滿OLED粉末的小瓶子。

        這是他的課題團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)的黃光OLED材料,在手電筒的光照下,瓶子內(nèi)的粉末正發(fā)出耀眼的黃光。“該黃光材料可以提升顯示面板的色彩飽和度,同時(shí)有效降低面板能耗?!鼻靥焓f。

        OLED顯示技術(shù)是一種主動(dòng)式發(fā)光技術(shù),當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓施加在紅綠藍(lán)三基色像素上時(shí),顯示面板會(huì)發(fā)出紅綠藍(lán)三色光,再通過不同排列組合產(chǎn)生人眼可視的全部色彩。與被動(dòng)式液晶顯示技術(shù)相比,OLED技術(shù)無需背光源,亮度高、能效低、可視角度大、色彩鮮艷,成為最有發(fā)展?jié)摿Φ南乱淮@示技術(shù)。

        目前,OLED面板主要有兩種制作工藝,一種是真空蒸鍍工藝,另一種則是噴墨印刷工藝。

        “這兩種工藝有很大差別,主要在于制備OLED顯示屏的裝備和材料不同?!鼻靥焓f,現(xiàn)階段量產(chǎn)OLED屏幕主要是依靠真空蒸鍍工藝來制備,即在高真空環(huán)境的腔室內(nèi),將OLED發(fā)光材料放在蒸發(fā)源上高溫加熱,材料受熱升華成氣體,再重新凝結(jié)到基板上形成OLED像素陣列。但蒸鍍工藝也存在一些難以克服的問題,蒸鍍過程中像素周圍的掩膜版上會(huì)有很多材料殘留,造成材料浪費(fèi)和腔室污染。

        “更重要的是,蒸鍍裝備的制造難度大、成本高,達(dá)到高真空環(huán)境需要更嚴(yán)格的條件,所以蒸鍍工藝難以規(guī)?;苽浯蟪叽绲腛LED電視屏幕。即使個(gè)別廠商用蒸鍍工藝制備出一些高端產(chǎn)品,其成本和價(jià)格也遠(yuǎn)超大眾的接受能力。”秦天石說。

        2、篩選出最佳發(fā)光材料

        相比蒸鍍技術(shù),噴墨印刷技術(shù)可大大提高生產(chǎn)效率和發(fā)光材料的利用率,顯著降低制造OLED顯示屏的直接成本,有效制備大面積OLED顯示屏。

        但是,搭建印刷OLED生產(chǎn)示范線,面臨諸多挑戰(zhàn)。這也是印刷OLED顯示產(chǎn)業(yè)化立項(xiàng)的意義所在。

        OLED發(fā)光材料是顯示技術(shù)的源頭活水?!澳壳俺墒斓腛LED發(fā)光材料,主要是真空蒸鍍工藝的小分子發(fā)光材料,并不一定適用于印刷工藝。因此,如何通過分子設(shè)計(jì),用溶劑使OLED材料溶解成墨水,并兼容印刷制備工藝,是本課題需要攻關(guān)的難點(diǎn)之一?!鼻靥焓硎?,更重要的是,目前兼容印刷工藝的OLED材料,大部分都是在歐美日韓的專利材料體系上研發(fā)出來的。開發(fā)出具有中國(guó)核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)的發(fā)光材料,迫在眉睫。

        從2017年起,秦天石所在的南京工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)開始開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型發(fā)光材料?!拔覀?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn),目前大部分商用的發(fā)光材料都是基于稀土元素銥和釕配合物體系的,這兩種元素在自然界分布稀少,原料成本極高?!?/p>

        于是,團(tuán)隊(duì)嘗試開發(fā)金屬鉑基發(fā)光材料,雖然鉑屬于貴金屬,但市場(chǎng)價(jià)格比起以上兩種稀土元素低了很多。此外,鉑的化學(xué)穩(wěn)定性比銥和釕好,這意味著做成顯示器件的話,其使用壽命會(huì)比銥和釕基配合物材料更長(zhǎng)。同時(shí),鉑基材料也更易于突破國(guó)外的專利壁壘。對(duì)此,他們?cè)谝稽c(diǎn)點(diǎn)摸索中尋找希望。

        “例如,傳統(tǒng)銥基發(fā)光材料利用的是一種六配位化學(xué)結(jié)構(gòu),我們最初也將鉑基材料設(shè)計(jì)成六配位的,但其發(fā)光效率并不高。隨著研究的深入,我們發(fā)現(xiàn)將其制備成四配位結(jié)構(gòu),材料可以發(fā)出很好的深藍(lán)色磷光,發(fā)光效率是此前的3倍?!鼻靥焓f,三年間,團(tuán)隊(duì)共設(shè)計(jì)開發(fā)了百余種發(fā)光材料,最終才制備出一款高效深藍(lán)光磷光材料,可謂百里挑一。

        目前,團(tuán)隊(duì)已開發(fā)或評(píng)測(cè)出3種適用于印刷工藝的發(fā)光層材料,3種適用于印刷工藝的電荷傳輸層材料,以及5種新型發(fā)光金屬配合物和電極材料。

        3、讓發(fā)光材料指哪打哪

        我們?cè)谑謾C(jī)上、電視上看到的畫面,由許多肉眼難以察覺的彩色顆粒組成,這些顆粒就是像素點(diǎn)。每個(gè)像素點(diǎn)包括紅綠藍(lán)三種顏色,紅綠藍(lán)通過不同的發(fā)光組合,形成所有顏色。像素點(diǎn)體積越小、排布越緊密,形成的畫面就越細(xì)膩、真實(shí)。

        如何讓發(fā)光材料形成一個(gè)個(gè)像素,均勻地分布在顯示屏幕上,對(duì)印刷工藝是一大挑戰(zhàn)。

        “噴墨印刷時(shí),需要用溶劑將OLED發(fā)光材料溶解形成配方墨水,再將紅黃藍(lán)三種配方墨水按照一定的陣列分布,打印到相應(yīng)的位置中。因此,在打印墨水之前,需要在基板上鋪一層‘圍欄材料,從而使打印的每一滴墨水都準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)設(shè)的圍欄中,實(shí)現(xiàn)高分辨全彩顯示。而目前的圍欄材料仍依賴進(jìn)口,國(guó)產(chǎn)材料的溶劑耐受性差,在打印OLED墨水時(shí),圍欄容易被溶解,導(dǎo)致薄膜厚度不均勻、顯示板顏色失真。這幾年,我們?cè)趦?yōu)化工藝讓‘圍欄變得‘堅(jiān)強(qiáng)?!敝袊?guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所團(tuán)隊(duì)印刷電子中心高級(jí)工程師張東煜說,他們以國(guó)產(chǎn)光敏膠為基礎(chǔ),調(diào)配墨水、控制曝光、顯影的溫度、時(shí)間,優(yōu)化烘干等工藝,讓國(guó)產(chǎn)圍欄材料的抗溶解性增強(qiáng)。

        制備完成后,團(tuán)隊(duì)將圍欄放到溶解性很強(qiáng)的丙酮溶液里,超聲處理20分鐘,結(jié)果發(fā)現(xiàn)圍欄的性能、高度都沒有變。

        “我們希望,未來能攻克打印OLED的關(guān)鍵材料與共性技術(shù)的瓶頸,將越來越多地具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)材料與裝備,引進(jìn)到打印OLED電視生產(chǎn)線中,為OLED電視屏幕國(guó)產(chǎn)化貢獻(xiàn)力量?!鼻靥焓f。

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