1979年，在美國(guó)柯達(dá)公司從事科研工作的華裔科學(xué)家鄧青云博士發(fā)現(xiàn)了有機(jī)材料發(fā)光現(xiàn)象，OLED研究從此開(kāi)始。1987年，柯達(dá)公司推出了一款OLED雙層器件，開(kāi)啟了OLED商用之路。此后，OLED由于其優(yōu)異的性能——更薄、更黑、響應(yīng)更快受到了廣泛關(guān)注，并得到了長(zhǎng)足發(fā)展。OLED相關(guān)的研究有很多方面，本文主要針對(duì)OLED的彩色化技術(shù)進(jìn)行一些探討。OLED屬于自發(fā)光技術(shù)，因此可以采用直接RGB單獨(dú)發(fā)光的方式顯示，但是由于材料和工藝限制，某些產(chǎn)品不得不選擇白光+濾光片等間接彩色化方式。在大中小屏顯示和微顯示領(lǐng)域，常見(jiàn)的OLED彩色化技術(shù)主要有以下幾種：1，WOLED+CF；2，BOLED+QD色轉(zhuǎn)換；3，F(xiàn)MM（Fine-Metal Mask）掩膜蒸鍍；4，dPd工藝（利用SiN mask進(jìn)行掩膜蒸鍍）；5，IJP工藝（Ink-Jet Printing）；6，eLEAP；7，正交光刻。根據(jù)已公開(kāi)的資料，當(dāng)前幾種技術(shù)特點(diǎn)如下表所示。
表一：各種OLED彩色化技術(shù)簡(jiǎn)介下文針對(duì)各項(xiàng)技術(shù)分別進(jìn)行介紹，并重點(diǎn)著眼于微顯示領(lǐng)域，探討各技術(shù)在硅基OLED中的應(yīng)用。
WOLED+CF是OLED電視最常見(jiàn)的OLED彩色化方案，該技術(shù)是先制備白光OLED器件，然后通過(guò)彩色濾光膜得到三基色，實(shí)現(xiàn)彩色顯示。其技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)在于獲得高效率和高純度的白光。WOLED+CF技術(shù)采用成熟的光刻工藝制備CF膜，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)高PPI。目前大部分OLED電視采用該技術(shù)，如LG Display。
圖一：LG OLED電視及結(jié)構(gòu)示意圖微顯示領(lǐng)域，硅基OLED由于需要非常高的PPI(> 2,000 ppi)，F(xiàn)MM無(wú)法滿足，因此目前量產(chǎn)品多采用WOLED+CF技術(shù)實(shí)現(xiàn)彩色化，如Sony、視涯。但由于該技術(shù)使用彩色濾光膜，會(huì)造成較大的光損，約為三分之二。該方案最大的問(wèn)題是亮度不足，為提高亮度同時(shí)保證壽命，一種方法是在RGB像素點(diǎn)之外加入白色像素點(diǎn)，一種方法是通過(guò)疊層OLED器件提升發(fā)光效率。?
BOLED+QD色轉(zhuǎn)換技術(shù)通過(guò)制備藍(lán)光OLED器件，然后利用藍(lán)光激發(fā)光色轉(zhuǎn)換材料得到紅光和綠光，從而獲得全彩色。QD色轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的紅光和綠光，半峰寬窄，色純度高，因此其色域最佳。理想狀態(tài)下，QD色轉(zhuǎn)換效率可達(dá)100%，無(wú)濾光片造成的光損，同時(shí)三星采用了頂發(fā)射模式（LG的WOLED+CF為底發(fā)射）提高了開(kāi)口率，因此其亮度相比WOLED+CF要高很多，但該電視相比于WOLED+CF的OLED電視價(jià)格也更加昂貴。目前QD film需要用打印的方法制備，因此PPI受限，在微顯示器領(lǐng)域還未看到該技術(shù)的應(yīng)用。QD光阻在開(kāi)發(fā)中，但還存在很多問(wèn)題，隨著材料和技術(shù)的突破，希望能在硅基OLED領(lǐng)域也可以看到該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。
圖四：QD-OLED的結(jié)構(gòu)示意圖（圖源：CINNO）
FMM是OLED手機(jī)采用的彩色化方式。FMM全稱(chēng)Fine Metal Mask，中文名精細(xì)金屬掩模，它是一層薄薄的金屬即Invar合金箔，厚度一般在100 μm之內(nèi)，根據(jù)需要會(huì)在薄膜上制備相應(yīng)的孔洞，OLED材料通過(guò)這些孔洞蒸鍍?cè)诨迳喜⑿纬蓪?duì)應(yīng)的圖案。
OLED材料對(duì)水氧非常敏感，難以用光刻的方法制備，因此目前直接彩色化的成熟工藝是采用FMM，通過(guò)蒸鍍的方式，分別蒸鍍RGB材料，實(shí)現(xiàn)彩色化。該技術(shù)特點(diǎn)是工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，適合小尺寸OLED制備，PPI最高可達(dá)600，介于IJP和光刻之間，滿足手機(jī)屏的需求，一般在400左右，如iPhone 13為460 ppi。
圖五：蘋(píng)果手機(jī)和OLED結(jié)構(gòu)圖
前文提到在微顯示領(lǐng)域，硅基OLED一般要求PPI大于2,000，因此當(dāng)前工藝還難以滿足，為了提升PPI，一種方法是改進(jìn)蒸發(fā)源和蒸鍍模式，如采用面蒸發(fā)源的方式可實(shí)現(xiàn)2,250 ppi，滿足硅基OLED需求，不同蒸發(fā)源的特點(diǎn)如表二所示。
表二：不同OLED蒸發(fā)模式特點(diǎn)（來(lái)源：公眾號(hào)AMOLED）
另外一種提升PPI的方式是制備更加精密的FMM，常見(jiàn)的FMM的制備方法一般是濕法化學(xué)蝕刻，然后配以光刻技術(shù)。由于在蝕刻過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)光刻膠掩模咬邊現(xiàn)象，即使采用雙面蝕刻技術(shù)來(lái)改善，也會(huì)在開(kāi)孔區(qū)tape角周邊造成shadow效應(yīng)。為解決該問(wèn)題，可以采用激光技術(shù)，同時(shí)搭配更薄的Invar Mask便可以得到更高的PPI的FMM。最新研究表明，韓國(guó)APS公司通過(guò)光斑2 μm的UV激光，搭配8 μm的Invar Mask，可實(shí)現(xiàn)2,400 ppi的蒸鍍精度。可以想到，無(wú)論是采用面蒸發(fā)源還是更精密的Invar Mask，要實(shí)現(xiàn)如此高的PPI，對(duì)mask的對(duì)位精度必然要提出非常高的要求，是否具備量產(chǎn)性有待更深入的探討。
圖六：FMM的精進(jìn)方案
dPd工藝全稱(chēng)Direct Patterning Technology，是eMagin公司開(kāi)發(fā)的一種針對(duì)硅基OLED實(shí)現(xiàn)直接彩色化的技術(shù)。其工藝流程類(lèi)似于FMM，重點(diǎn)在于要制備更高精度的Mask。前文提到FMM采用Invar合金，利用激光技術(shù)和超薄的mask可以實(shí)現(xiàn)2,400 ppi的OLED器件。dPd工藝則是采用硅片，通過(guò)KOH雙面刻蝕得到SiNx Mask，然后利用該SiNx Mask進(jìn)行OLED蒸鍍，制備出了2,645 ppi的硅基OLED器件，同時(shí)具備7,500 nit的亮度。該工藝同樣需求極高的對(duì)位精度，設(shè)備是否支持有待進(jìn)一步確認(rèn)。
圖七：SiNx Mask制備工藝（圖源：公眾號(hào)顯示工程師）
IJP工藝全稱(chēng)Ink-Jet Printing，即采用噴墨打印的方式直接制備OLED RGB子像素，其特點(diǎn)是需先制備對(duì)應(yīng)墨水，這對(duì)OLED和溶劑材料均要求很高，IJP技術(shù)的初衷是節(jié)約OLED材料降低成本，但實(shí)際增加了溶劑成本且打印用的OLED材料單價(jià)昂貴，導(dǎo)致整體成本依然很高。目前主要是TCL和JOLED在開(kāi)發(fā)該項(xiàng)技術(shù)。IJP受打印精度限制，其PPI一般在100~250之間，因此只能用于大屏顯示領(lǐng)域，此外該工藝為溶液加工，需要考慮上下層的互溶問(wèn)題，難以制備疊層器件，發(fā)光效率受限，導(dǎo)致器件壽命相比其他工藝較差。另一方面，IJP模式的膜面均一性相比蒸鍍要差，以及如何解決咖啡環(huán)問(wèn)題，如何精準(zhǔn)控制噴嘴路徑和液滴等都是工業(yè)難題。綜合上述原因，在硅基OLED領(lǐng)域，基本不考慮IJP工藝。
圖八：IJP OLED電視（圖源：SID2022）
eLEAP是JDI近期宣布開(kāi)發(fā)出的一種結(jié)合無(wú)mask蒸鍍和光刻工藝實(shí)現(xiàn)高PPI的OLED直接彩色化技術(shù)。eLEAP的含義為：environment positive；Lithography with maskless deposition；Extreme long life, low power, and high luminance；Any shape Patterning。根據(jù)報(bào)道，該工藝在保持現(xiàn)有FMM-OLED的超薄輕量、高對(duì)比度、高速響應(yīng)特征的同時(shí)，還解決了壽命老化問(wèn)題，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了高孔徑比、高峰值亮度和高清晰度，同時(shí)可達(dá)2,000 ppi，從TV到VR均可適用。JDI表示：“eLEAP在所有顯示屏特性中，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越現(xiàn)有的OLED，為顯示屏技術(shù)帶來(lái)飛躍性變革”。據(jù)報(bào)道，JDI欲向擁有G8、G10產(chǎn)線企業(yè)提供eLEAP技術(shù)展開(kāi)合作，讓我們一起期待該技術(shù)的量產(chǎn)。
圖九：eLEAP適用范圍（圖源：CINNO）
根據(jù)公開(kāi)的資料，我們推測(cè)一下eLEAP的工藝制程應(yīng)該大致如下：蒸鍍R材料，然后采用負(fù)性光阻進(jìn)行光刻，然后干刻R材料，然后很重要的一步，在帶有光阻的情況下沉積G材料，然后光刻再干刻G材料，然后沉積B材料，然后光刻再干刻B材料，最后剝離光阻，同時(shí)帶走多余的OLED材料，如圖十所示。
可見(jiàn)該方法會(huì)交替進(jìn)行OLED蒸鍍、光刻、干刻，因此設(shè)備面就要求從蒸鍍艙室到黃光到干刻都必須是真空或惰性氣體氛圍。且如何避免干刻蝕對(duì)OLED側(cè)面的影響和避免光阻剝離時(shí)對(duì)OLED的影響，以及保證光阻剝離時(shí)多余OLED的徹底去除應(yīng)該都是一些不太容易解決的問(wèn)題。同時(shí)，該技術(shù)目前宣傳的PPI為2,000，這在硅基OLED領(lǐng)域還是相對(duì)較低的，根據(jù)其工藝特點(diǎn)，要做到更高PPI也存在一定難度。以上為根據(jù)公開(kāi)資料的一些猜測(cè)，歡迎小伙伴們一起討論研究。
正交溶劑的概念在溶液法制備多層器件的工藝中比較常見(jiàn)，通常指利用極性和非極性的溶液交替成膜，避免上層溶劑侵蝕下層材料。正交光刻可以理解為利用多層材料的正交溶液體系，結(jié)合光刻工藝實(shí)現(xiàn)OLED彩色化的一種方法，具體工藝流程如下：在做好陽(yáng)極和PDL之后，制備犧牲層，犧牲層要保證和RGB材料為正交體系（這里必須強(qiáng)調(diào)，OLED為有機(jī)材料，但不能簡(jiǎn)單地采用水系材料作為正交溶劑，因?yàn)镺LED不能碰水，這里采用的是含氟聚合物，后續(xù)采用氟溶劑進(jìn)行濕法剝離，避免對(duì)OLED材料的損傷），然后光阻涂布曝光顯影，再采用一種氟化顯影劑對(duì)犧牲層進(jìn)行顯影，然后蒸鍍R材料，然后用氟溶劑剝離犧牲層，可同時(shí)去除多余的R材料和光阻，此步類(lèi)似liftoff工藝，然后用同樣的方法制備G、B子像素。
該方法與eLEAP相比，減少了干刻蝕步驟，但需要特殊的材料，該方法會(huì)在OLED材料上反復(fù)進(jìn)行溶液加工，應(yīng)該難以避免對(duì)有機(jī)材料的損傷，同時(shí)采用濕法剝離工藝實(shí)現(xiàn)高PPI應(yīng)該也比較困難。目前該方法還在研發(fā)階段，后續(xù)根據(jù)其進(jìn)展和更多的公開(kāi)資料進(jìn)行探討。- IMEC專(zhuān)利中的OLED彩色化技術(shù)
在eLEAP的介紹資料中，提到了一項(xiàng)IMEC的OLED直接彩色化的專(zhuān)利，這里也做一下簡(jiǎn)單介紹，該工藝非常復(fù)雜，既用到正交材料，又采用光刻工藝，做了一層shielding layer實(shí)現(xiàn)正交，做了一層protection layer保護(hù)OLED材料（該方法可能同樣適用于正交光刻工藝），具體流程如下圖，這里不做詳細(xì)介紹，有興趣的小伙伴可以留言交流。
圖十二：IMEC專(zhuān)利的OLED彩色化工藝流程以上簡(jiǎn)單介紹了較為常見(jiàn)的OLED彩色化工藝，各有其特點(diǎn)，適用范圍也不同，而在微顯示屏硅基OLED領(lǐng)域，可選用的技術(shù)并不多。本文主要從工藝角度簡(jiǎn)單介紹，并未從性能角度做深入探討。在硅基OLED領(lǐng)域，一個(gè)重要的研究課題是亮度的提高，因此很自然地會(huì)想到從WOLED+CF的方式轉(zhuǎn)向直接彩色化技術(shù)，通過(guò)上述介紹，小伙伴們應(yīng)該可以感受到，直接彩色化技術(shù)同樣具備諸多問(wèn)題，并不一定是最佳方案。后續(xù)針對(duì)各項(xiàng)技術(shù)的性能（尤其是亮度）及優(yōu)化方案再做討論，敬請(qǐng)期待。聲明：部分圖片系網(wǎng)絡(luò)編輯轉(zhuǎn)載，目的在于分享傳遞顯示行業(yè)技術(shù)和信息。如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問(wèn)題，請(qǐng)及時(shí)與我們聯(lián)系，我們將在第一時(shí)間刪除相關(guān)內(nèi)容。
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