朱紅，陳建魁*，岳曉，熊鏡凱，熊佳聰，高國雄

（1.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；2.武漢國創(chuàng)科光電裝備有限公司，湖北 武漢 430078）

1 引言

中國在新型顯示產(chǎn)業(yè)總投資已超過1.3萬億元，成為全球最大的顯示面板生產(chǎn)基地和應(yīng)用市場。在“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃中，將印刷及柔性顯示規(guī)劃為新型顯示的重要技術(shù)領(lǐng)域［1］。有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）具有柔性、低功耗、自發(fā)光、廣視角、色彩豐富和響應(yīng)速度快等優(yōu)勢［2-3］，成為最具發(fā)展?jié)摿Φ南乱淮@示量產(chǎn)技術(shù)。與真空蒸鍍相比，噴墨打印流程更為簡單、材料利用率更高、生產(chǎn)周期較短、成本更低，在制備高分辨率、大尺寸柔性O(shè)LED器件方面更具優(yōu)勢［4-5］。然而受到發(fā)光材料［6］、干燥過程［7］和設(shè)備性能等的影響，噴墨打印制備的OLED器件在性能（如發(fā)光效率和壽命等）上仍有很大的提升空間［8-9］。

在大面積噴墨打印OLED膜層制備過程中，受到噴頭制造誤差、溶液性質(zhì)和印刷工藝等因素的影響，陣列化噴孔噴射液滴均勻性難以控制［10-11］。同時(shí)，在高速移動(dòng)基板上，使液滴精準(zhǔn)沉積至圖案規(guī)劃對應(yīng)的像素坑中［12］，是確保顯示質(zhì)量的另一關(guān)鍵。液滴體積或定位的微小變化都可能引起像素坑內(nèi)溶液量的變化，造成干燥固化后各像素坑薄膜厚度波動(dòng)，導(dǎo)致OLED發(fā)光器件產(chǎn)生Mura缺陷［13-17］。

通過調(diào)控脈沖波形［18-19］達(dá)到最佳液滴噴射效果是印刷OLED功能層中較常用的優(yōu)化方法，可將噴射的液滴體積偏差控制在±5%內(nèi)［20］，對每個(gè)噴孔進(jìn)行單獨(dú)的波形調(diào)整［21］被用來進(jìn)一步減小噴孔間的液滴體積差異。Madigan等人［22］提出對每個(gè)噴孔單獨(dú)施加波形，使用噴孔組合打印減小像素間墨水體積差異，通過測量多個(gè)噴孔組合后打印的溶液總體積，篩選出符合體積要求的噴孔組合進(jìn)行像素坑打印，使OLED器件均勻發(fā)光。

為了控制OLED發(fā)光層像素坑的薄膜厚度均一性，本文通過對功能層成膜厚度影響因素進(jìn)行分析，提出多噴孔圖案化均勻成膜控制方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的有效性。

2 發(fā)光層像素坑膜厚變化分析

噴墨打印制備OLED發(fā)光層薄膜過程如圖1所示。在控制波形驅(qū)動(dòng)下，噴孔產(chǎn)生液滴落入到像素坑中，一個(gè)或多個(gè)液滴在像素坑內(nèi)融合達(dá)到溶液體積要求，打印完成后通過真空干燥（Vacuum drying，VCD）和熱板烘烤（Hot plate baking，HPB）去除溶劑，溶質(zhì)在像素坑內(nèi)形成發(fā)光層薄膜。

圖1 噴墨打印制備OLED發(fā)光層薄膜示意圖Fig.1 Schematic diagram of the preparation of OLED emitting layer film by inkjet printing

像素坑內(nèi)溶液體積由噴孔單液滴的體積與所需液滴數(shù)獲得，像素坑內(nèi)形成的薄膜厚度由式（1）估算：

式中，d為像素坑內(nèi)成膜厚度，Vpit為像素坑內(nèi)溶液體積，ω為溶液濃度，S為像素坑底面積，Vd為液滴標(biāo)準(zhǔn)體積，n為打印液滴數(shù)。

在實(shí)際生產(chǎn)中，通常根據(jù)發(fā)光所需膜層厚度確定溶液體積，以此獲得每個(gè)噴孔產(chǎn)生的液滴體積：

在噴墨打印中通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)波形使噴孔產(chǎn)生的液滴體積分布在Vd附近。當(dāng)像素坑內(nèi)的液滴只來自同一噴孔時(shí)，薄膜的實(shí)際厚度與理論厚度不可避免地存在差異，且膜厚差異Δd與液滴數(shù)n線性相關(guān)：

式中，Vd，k為k號(hào)噴孔的液滴體積（k=｛1，2，…，m｝，m為噴孔個(gè)數(shù)）。

如果噴孔k有n1個(gè)液滴未落到對應(yīng)的像素坑內(nèi)，膜厚差異將急劇增大：

當(dāng)所有液滴準(zhǔn)確落入到像素坑中，像素坑之間的最大膜厚差異Δdmax由參與打印噴孔液滴體積最大值噴孔和最小值噴孔決定：

因此，控制液滴精準(zhǔn)沉積，減小噴孔間體積差異或像素內(nèi)溶液體積差異，對提高像素坑之間的膜厚一致性至關(guān)重要。

3 多噴孔圖案化均勻成膜控制

成膜厚度控制原理如圖2所示。首先根據(jù)OLED像素坑內(nèi)發(fā)光層目標(biāo)厚度，確定需打印的溶液體積和單液滴體積；然后調(diào)節(jié)波形使噴孔的液滴體積達(dá)到Vd附近，測量所有噴孔噴射出的單個(gè)液滴體積；再測量各噴孔液滴沉積定位誤差，通過偏移補(bǔ)償保證液滴沉積定位精度；屏蔽噴射不穩(wěn)定的噴孔后，使用液滴混合策略使像素坑內(nèi)的溶液體積達(dá)到Vpit附近；最后將打印完成后的基板干燥固化成膜，進(jìn)行膜厚測量和一致性分析。通過多個(gè)參數(shù)變量的實(shí)時(shí)調(diào)整以達(dá)到最佳的成膜效果，其中最關(guān)鍵的是液滴體積、落點(diǎn)位置和像素坑內(nèi)溶液體積的調(diào)控。圖2中噴孔禁用率（≤30%）、膜厚一致性（≥95%）可根據(jù)不同工藝要求做調(diào)整。

圖2 成膜厚度控制原理Fig.2 Film forming control process

3.1 液滴體積控制

為了實(shí)現(xiàn)液滴體積快速檢測，保證測量結(jié)果準(zhǔn)確性，本文基于立體視覺的飛行滴液測量方法使液滴體積測量精度達(dá)到±3%［23］。如圖3所示，該方法使用雙目相機(jī)獲得液滴的多視角圖像，利用圖像分割算法對液滴圖像進(jìn)行精確分割，基于兩幅投影圖像的輪廓，使用基于極坐標(biāo)的Hermite插值的液滴重建算法實(shí)現(xiàn)液滴三維重構(gòu)并計(jì)算液滴體積。

圖3 液滴體積測量原理［23］Fig.3 Principle of drop volume measurement［23］

調(diào)節(jié)波形使噴孔產(chǎn)生合適的液滴，調(diào)控方式如圖4所示。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測下落液滴的噴射速度、體積等參數(shù)，并反復(fù)修改驅(qū)動(dòng)脈沖（如穩(wěn)壓時(shí)間Tp、電壓V等參數(shù)），比較波形修改前后的噴射差異，從而獲得優(yōu)化后的波形參數(shù)，使絕大多數(shù)噴孔的液滴體積Vd，k分布在標(biāo)準(zhǔn)體積Vd附近，并使噴孔間的液滴體積差異最小，方便液滴混合時(shí)有更多的噴孔參與打?。?/p>

圖4 液滴體積調(diào)控Fig.4 Droplet volume control

式中，ε為設(shè)置的液滴體積誤差系數(shù)。

3.2 液滴沉積定位控制

如圖5（a）所示，本文視液滴完全落入像素坑內(nèi)為正確沉積，即液滴下落過程中不超出像素坑邊緣。液滴的落點(diǎn)范圍由像素坑尺寸、液滴半徑、以及打印時(shí)設(shè)置的噴孔容許偏離像素坑中心的閾值確定：

式中，（Xd，k，Yd，k）為液滴沉積位置，（xo，yo）為像素坑中心位置，l和w為像素坑的長和寬，r為液滴半徑，yerr為設(shè)置的噴孔容許偏離像素坑中心的域值。由于噴孔沿y向等距分布且噴孔間距與像素坑間距不等，引入yerr是為了使更多噴孔參與打印。

液滴落入像素坑內(nèi)會(huì)迅速鋪展，為了獲得液滴準(zhǔn)確的落點(diǎn)位置，通過與打印前預(yù)設(shè)的落點(diǎn)位置對比測量獲得液滴實(shí)際偏離的距離，如圖5（b）所示。在穩(wěn)定噴射的前提下，噴孔k的液滴落點(diǎn)偏差Xoffset，k和Yoffset，k通過測量多滴的落點(diǎn)偏差取均值獲得：

圖5 液滴沉積定位控制。（a）液滴落點(diǎn)范圍；（b）偏差測量；（c）多噴孔打印形成的點(diǎn)陣；（d）異常噴孔的液滴落點(diǎn)。Fig.5 Droplet landing position control.（a）Normal landing position range；（b）Offset measurement；（c）Array formed by multiple nozzles printing；（d）Wrong landing position of droplets printed by abnormal nozzles.

對于穩(wěn)定噴射的單個(gè)噴孔，通過補(bǔ)償測量獲得的位置偏移，使液滴落到預(yù)設(shè)的位置附近。

推廣到具有m個(gè)噴孔并以等間距L分布的噴頭，使所有噴孔同時(shí)噴墨，每個(gè)噴孔以等間距L1打印c個(gè)液滴，理論上會(huì)在平面基板上形成1個(gè)行距和列距分別為L1和L的m×c液滴點(diǎn)陣，如圖5（c）所示。測量液滴理論沉積位置與實(shí)際位置的偏差值，獲得各噴孔液滴的實(shí)際偏差和波動(dòng)范圍，通過補(bǔ)償噴孔的平均偏移值，使整只噴頭產(chǎn)生的液滴落在像素坑中心附近。平均偏移值Xmean和Ymean通過式（9）計(jì)算：

通過式（7）設(shè)置液滴沉積定位范圍，若出現(xiàn)如圖5（d）所示落點(diǎn)位置異常（如散點(diǎn)、大偏差、少噴、多噴或不噴等），則屏蔽異常噴射對應(yīng)的噴頭噴孔。

3.3 像素內(nèi)溶液體積控制

各噴孔液滴體積或沉積定位偏差測量完成后，采用液滴混合策略控制像素坑內(nèi)的溶液量。在液滴混合過程中，像素坑接收的液滴來自一個(gè)或多個(gè)噴孔，并通過式（10）確定液滴混合后像素坑內(nèi)的溶液體積：

式中，?為設(shè)置的溶液體積誤差系數(shù)，Vi為像素坑溶液體積（i=｛1，2，…，b｝，b為像素坑列數(shù)）。

打印時(shí)間過長會(huì)影響成膜質(zhì)量，因此液滴混合打印時(shí)應(yīng)選擇最佳的打印路徑，以控制基板圖案化時(shí)長。由于噴孔間距與基板像素陣列排布間距不一致，需要噴頭進(jìn)行y向運(yùn)動(dòng)來完成對所有列的打印，噴頭和基板的運(yùn)動(dòng)過程如圖6所示。

圖6 噴頭和基板的運(yùn)動(dòng)過程Fig.6 Motion process of nozzle and substrate

在打印路徑規(guī)劃時(shí)，為了使每個(gè)?？奎c(diǎn)有更多的噴孔參與打印，當(dāng)噴孔與像素坑中心的距離小于等于yerr時(shí)，允許噴孔噴射：

其中，yi為像素i坑的中心y坐標(biāo)，yn，k為該?？奎c(diǎn)離像素坑i最近的噴孔k的y坐標(biāo)。

設(shè)置yerr后，可計(jì)算出噴頭y向移動(dòng)完成整塊基板打印所需的?？奎c(diǎn)個(gè)數(shù)p。在實(shí)際生產(chǎn)中，像素坑溶液體積Vpit和液滴標(biāo)準(zhǔn)體積Vd確定后，每個(gè)像素坑內(nèi)噴印次數(shù)是定值。如圖7所示，在噴頭的每個(gè)?？奎c(diǎn)，同列像素坑僅有一個(gè)噴孔參與打印，因此可將同一列的像素坑簡化為一個(gè)像素坑進(jìn)行描述。對于?？奎c(diǎn)j（j=｛1，2…，p｝），當(dāng)噴孔k與像素坑i的距離小于yerr時(shí)，像素坑中接收到液滴，否則噴孔不產(chǎn)生液滴：

圖7 圖案化示意圖Fig.7 Patterned schematic

每個(gè)停靠點(diǎn)噴頭可打印多次，噴頭打印次數(shù)xj（對應(yīng)簡化前該停靠點(diǎn)基板來回移動(dòng)的次數(shù)）不小于各噴孔在該?？奎c(diǎn)打印次數(shù)xjk的最大值：

像素坑i內(nèi)實(shí)際打印的溶液體積Vi為所有?？奎c(diǎn)接收到的各噴孔的液滴體積之和：

噴頭打印的總次數(shù)xsum（基板來回移動(dòng)的總次數(shù)）為所有?？奎c(diǎn)噴頭打印次數(shù)的總和：

整塊基板的總噴射次數(shù)是定值，如果基板在每個(gè)來回接收的液滴越多，則打印的次數(shù)xsum最少，打印時(shí)長最短。在考慮液滴混合后的體積要求后，多噴孔圖案化變?yōu)榍蠼庖粋€(gè)多約束條件下噴頭最少打印次數(shù)的整數(shù)規(guī)劃問題。目標(biāo)函數(shù)為

約束條件為

通過求解目標(biāo)函數(shù)，完成整塊基板的打印規(guī)劃和像素坑內(nèi)溶液量的控制。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用ITO基板尺寸為200 mm×200 mm，像素坑長和寬為180 μm×60 μm，分辨率為85 ppi。使用由華中科技大學(xué)與武漢國創(chuàng)科公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開發(fā)的NEJ-PR200型裝備（圖8）進(jìn)行OLED發(fā)光層的噴墨打印。該設(shè)備配有多個(gè)噴頭模組，每只噴頭具有256個(gè)噴孔，噴孔間距為254 μm，各運(yùn)動(dòng)軸定位精度為±3 μm，配備了VCD和HPB裝置，可同時(shí)完成OLED器件中空穴注入層、空穴傳輸層和發(fā)光層的制備。使用垂直分辨率達(dá)到0.1 nm的Bruker ContourGT-K白光干涉儀測量干燥固化后像素坑內(nèi)的薄膜厚度。

圖8 NEJ-PR200型裝備。（a）外觀；（b）噴墨打印機(jī)內(nèi)部。Fig.8 Inkjet printing equipment.（a）Overall appearance；（b）Inside the inkjet printer.

4.2 液滴體積和沉積定位誤差測量

實(shí)驗(yàn)中將液滴誤差系數(shù)ε設(shè)置為0.05去尋找可用波形，圖9為Tp=2 μs，V=56 V時(shí)液滴的體積測量結(jié)果，噴孔的液滴體積分布為6.4～7.1 pL，平均體積為6.7 pL，液滴半徑約為12 μm，各噴孔液滴體積變化控制在標(biāo)準(zhǔn)體積的±5%范圍內(nèi)。

圖9 液滴體積測量結(jié)果Fig.9 Droplet volume measurement results

根據(jù)式（7），同時(shí)考慮軸的運(yùn)動(dòng)誤差，液滴x向偏差應(yīng)控制在±15 μm，y向偏差應(yīng)控制在±25 μm（yerr取50 μm）。如圖10所示，首次打印點(diǎn)陣時(shí)，檢測到液滴的落點(diǎn)位置在x向整體偏移了-9.4 μm，y向整體偏移了1.7 μm；對噴頭位置進(jìn)行偏移補(bǔ)償后，再次打印點(diǎn)陣后檢測獲得液滴的x向平均偏移和y向平均偏移分別補(bǔ)償?shù)?.1 μm和0.2 μm，噴孔的液滴落點(diǎn)位置分布在理論位置±10 μm范圍內(nèi)，滿足液滴正確沉積定位要求。

圖10 液滴沉積定位檢測結(jié)果。（a）補(bǔ)償前；（b）補(bǔ)償后。Fig.10 Droplet landing position measurement results.（a）Before compensation；（b）After compensation.

4.3 液滴混合打印

若像素坑內(nèi)接收的液滴只來自同一個(gè)噴孔，隨著液滴數(shù)的增加，像素間會(huì)產(chǎn)生巨大的墨水體積差異。采用不同液滴混合策略可降低多個(gè)液滴融合體積的偏差，按照（60±0.6）pL（?設(shè)置為0.01）進(jìn)行圖案化計(jì)算。考慮到液滴存在±3%的測量偏差，理論上像素內(nèi)墨水體積差異控制在±4%內(nèi)。

圖11（a）所示為屏蔽體積和落點(diǎn)位置異常的噴孔打印后形成的點(diǎn)陣，從圖中看出液滴在平面基板上均勻分布。最終液滴不混合打印結(jié)果如圖11（b）所示，融合后體積有明顯差異。液滴混合打印的結(jié)果如圖11（c）所示，形貌結(jié)構(gòu)一致性較好。

圖11 液滴沉積。（a）點(diǎn)陣；（b）不混合打印；（c）液滴混合打印。Fig.11 Droplets deposition.（a）Droplets array；（b）Printing by droplets unmixing method；（c）Printing by droplets mixing method.

4.4 膜厚一致性分析和器件點(diǎn)亮結(jié)果

圖12 為白光干涉儀測量獲得的部分像素坑的薄膜形貌，綠色區(qū)域的像素坑內(nèi)薄膜厚度變化在平均厚度±5 nm范圍內(nèi)。

圖12 像素坑內(nèi)成膜形貌Fig.12 Morphology of film in the pixel pit

由于實(shí)驗(yàn)基板上像素坑數(shù)量超過10萬，無法對每個(gè)像素坑的成膜形貌都進(jìn)行測量，故對整塊基板按等間距均勻取樣，各坑膜厚使用該像素坑內(nèi)整塊薄膜的平均厚度表示。使用液滴混合與不混合方法打印60，115，165 pL溶液數(shù)據(jù)。如圖13所示，每次測量基板上32個(gè)像素坑以分析薄膜厚度分布，并獲得3種打印工況對應(yīng)的膜厚變化規(guī)律。膜厚一致性通過式（18）計(jì)算：

圖13 像素坑膜厚測量結(jié)果Fig.13 Measurement results of film thickness in pixel pits

通過計(jì)算獲得60，115，165 pL不混合打印時(shí)膜厚一致性分別為89.4%、89.7%和92.6%，液滴混合打印時(shí)膜厚一致性分別為95.0%、96.8%和97.2%。與不混合打印相比，使用液滴混合方法后像素坑之間膜厚差異明顯減小，膜厚一致性提升至95%以上。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證方法的可行性，制備了兩片OLED基板進(jìn)行點(diǎn)亮對比測試，分別制備空穴注入層、空穴傳輸層和發(fā)光層。器件1每列像素所需的液滴均由一個(gè)噴孔產(chǎn)生，而器件2使用液滴混合策略對像素內(nèi)溶液體積進(jìn)行控制，每列像素所需的液滴來自一個(gè)或多個(gè)噴孔。將基板切割為20 mm×20 mm大小，封裝后進(jìn)行點(diǎn)亮測試。液滴不混合打印的器件1（圖14（a））在點(diǎn)亮后有明顯的Mura條紋產(chǎn)生，說明噴孔間較大的體積差異引起了像素列之間明顯的膜厚變化。而采用液滴混合策略制備的器件2（圖14（b））點(diǎn)亮后無明顯的條紋產(chǎn)生，像素坑之間膜厚差異的減小使器件發(fā)光更加均勻。

圖14 OLED器件點(diǎn)亮結(jié)果。（a）液滴不混合；（b）液滴混合。Fig.14 OLED device lighting results.（a）Droplets unmixing;（b）Droplets mixing.

5 結(jié)論

為抑制因噴孔間液滴體積變化引起的OLED功能層膜厚變化，本文提出了多噴孔圖案化均勻成膜控制方法。該方法基于液滴體積優(yōu)選和沉積定位補(bǔ)償?shù)囊旱位旌喜呗钥刂葡袼乜觾?nèi)溶液體積，最終實(shí)現(xiàn)對像素坑內(nèi)薄膜厚度控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，OLED各像素坑溶液干燥固化后的膜厚一致性提升至95%以上，所制備的OLED器件發(fā)光更均勻。隨著噴印設(shè)備精度提升和墨水材料改進(jìn)，該方法有望持續(xù)提升膜厚一致性，在消除Mura缺陷、提升面板良率和改善器件發(fā)光性能上具有應(yīng)用價(jià)值。