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现代社会已经习惯于视觉信息的溢出,显示器位于大多数用户界面的中心。引入新技术和降低制造成本的步伐令人印象深刻,似乎并没有减缓最突出的例子是OLED显示器(基于有机发光二极管),从几年前的好奇心发展到今天主导市场地位的技术。 2017年,AMOLED显示器面板的出货量(超过4亿台)和收入(约250亿美元)大幅增加(根据UBI Research和DSCC)。
从OLED历史的最初阶段开始,找到一种方法来保持由非常脆弱的材料组成的堆叠中的有效排放是至关重要的。由于OLED结构中使用的大多数材料对许多元件(例如,空气,湿气,溶剂,温度,辐射)高度敏感,因此在制造期间和操作期间保护装置始终是至关重要的。这已演变成若干研究轨道。首先,材料公司为合成新分子和聚合物所做的巨大努力产生了许多OLED系列,包括热蒸发和溶液处理。其次,设备的进步使得可以在工业节拍时间内将堆叠均匀地沉积在大型基板上。第三,开发了不同的封装以在使用期间保护OLED堆栈以确保消费者应用的足够寿命。所有这些都需要多年的研究和重大投资,这使得引入新的OLED制造技术和改变现有工艺流程具有挑战性。
同时,目前的制造方法也有其局限性。两种主要方法是逐个白色(WOLED)和并排的红 - 绿 - 蓝(RGB OLED),不同之处在于子像素中的颜色实现方式(图1)。在WOLED中,光源是宽带(白色)OLED发光器的连续层,并且通过使光通过滤色器(CF)来选择三种基本颜色。优点是像素密度仅受背板分辨率和CF分辨率的限制,这就是为什么这是用于具有CMOS电路的OLED微显示器的主要概念的原因。缺点是由于CF吸收会损失大部分光,这会影响显示器的功率效率。在RGB OLED中,每个子像素是不同的材料堆叠,因此每个子像素是单独的光发射器。这通常通过通过精细金属掩模(FMM)通过热蒸发沉积每个堆叠来实现,并且用于大多数智能手机OLED显示器。优点是每种颜色都经过优化,因此显示效率更高。同时,难以在基板尺寸(掩模倾向于在其自身重量下弯曲,因此必须切割用于OLED沉积的母玻璃)和分辨率(标准掩模不适合于上述分辨率)中缩放FMM技术。几百ppi和交叉衰落区域限制了孔径比。
实现并排RGB像素的另一种方法是使用半导体工业中已知的光刻技术(并用于TFT背板制造的显示器)。在这种情况下,在沉积毯式OLED叠层之后,可以使用光刻胶来转移图案并通过蚀刻去除不需要的材料(图2)。这里的挑战再次是OLED材料对溶剂的敏感性 - 使用标准(半导体)光致抗蚀剂化学物质导致堆叠的溶解/去除。尽管如此,增益绝对值得付出额外的努力,因为光刻可以提供非常高的像素密度(亚微米像素间距),同时还具有非常高的孔径比(由于最小化像素间距,发光面积最大化)。多年来,已经提出了一些用于光刻的新方法。一种方法,其次是Orthogonal Inc,是使用氟化材料,其不应与有机叠层具有任何化学相互作用(因此,与OLED正交)。另一种方法,imec与Fujifilm一起,是使用非氟化化学放大光刻胶系统对有机叠层进行图案化。
对于具有开发新光刻节点的悠久传统的imec研发中心而言,有机光刻技术是解决下一代高分辨率显示器挑战的一种方法。在虚拟和增强现实(VR / AR)应用中,显示器非常靠近用户的眼睛。这导致在像素密度方面非常激进的要求,以避免恼人的“像素化”。对于所需的最小像素间距也是如此,以避免“屏幕门效应”。通过光刻技术,可以同时解决这两个挑战。 Fujifilm的OSR光刻胶系统可以提供1μm间距的线条和空间,这符合OLED前板几千ppi分辨率的路线图。我们已经实现了以3μm间距转移到OLED发光层的点图案,其对应于单色阵列中的8400ppi分辨率。在剥离光致抗蚀剂后,EML保留在基板上,如光致发光所证实的(图3)。
在器件级,我们制造了具有10μm像素间距的OLED阵列(图4),对应于2500ppi。在这种情况下,一个重要的参数是对准精度,它定义了总显示区域可用于发射的程度。另一个限制是PDL(像素定义层)的分辨率,PDL是将OLED叠层与底部接触层分开的介电层。该层的分辨率限制了可以实现的最大开口,这转换为像素的孔径比 - 或用于OLED发射的区域的百分比。在该示例中,“光致发光孔径比”或OLED岛与像素区域的关系约为50%,这可通过小间距(<3μm)实现。然而,由于PDL区域和OLED岛的必要重叠,发光区域的关系的“电致发光孔径比”为25%。假设最小线间距为1μm,可以设想对于10×10μm的子像素,PL比率为81%(9×9μm),EL比率为64%(8×8μm)。通过这种缩放,可以扩大阵列的可用面积,从而延长器件寿命(因为我们可以降低驱动电流密度)以及减少或消除屏幕门效应。
显然,在超高真空中中断最佳沉积工艺并将OLED叠层暴露于光刻材料会对器件性能产生影响。打破真空会导致终身性能受到打击。此外,我们的初始工艺流程包括将烟囱暴露在环境大气(空气和湿度)中,因为我们一直在使用标准的洁净室设备。最初,这种“最坏情况”导致在图案化之后发射OLED的概念验证,但不出所料,器件寿命仅为几分钟。在开发过程中,我们在三个方面引入了改进。首先,光刻胶系统不断升级,使其与有机叠层更加兼容。其次,工艺流程已经过优化,以减少工艺参数对器件性能的影响。第三,已经调整了OLED堆栈的稳健性,例如通过为最关键的接口引入额外的保护层。所有这些动作导致器件寿命在1000尼特亮度下达数百小时。由于寿命是该技术准备就绪的主要问题,因此这是一项持续努力,将所有参数提升到行业可接受的水平。
在性能改进的同时,我们一直在开发一种利用光刻技术对多色阵列进行图案化的途径。在这种情况下的主要挑战是保护先前的“颜色”(OLED堆栈),同时图案化下一个。一旦满足该条件,就可以实现具有多个堆叠的并排阵列 - 并且,这不限于光发射器。在红 - 绿 - 蓝OLED之后,例如可以制造有机光检测器子像素以向显示器添加功能。在制造方面,前板的每种“颜色”将以与对背板的每层进行的类似方式制造。
在我们最近的工作中,我们制造了一个双色无源OLED显示器,这个原型在Touch Taiwan 2017展会上展示(图5)。 1400 x 1400像素阵列的子像素间距为10μm,分辨率为1250 ppi。叠层是磷光红色和绿色小分子OLED,通过热蒸发沉积。该显示器设计用于顶部发射并使用玻璃封装。由于两组子像素的单独驱动,两种颜色可以独立显示。原型已经运行了几十个小时,所有像素都打开了,没有明显的降级。这表明多色图案化的工艺流程证明了基本功能,并且已经确保了合理工作时间的稳定性。类似的前板可以与TFT或CMOS背板集成,从而实现视频操作模式,每个子像素的单独驱动。在另外的演示中,我们还验证了制造工艺与使用IGZO TFT和柔性基板的FPD背板工艺兼容。
考虑到所有因素,有机半导体的光刻技术是一种新兴技术,可以实现高分辨率OLED显示器。 许多技术里程碑已经被清除 - 我们知道我们可以实现几微米的模式,实现并排的多色像素,将像素化的前板集成在不同的背板上,并获得令人鼓舞的效率和寿命性能。 目前,图案化后OLED性能的优化仍然是首要任务。 与此同时,我们正在解决完整的集成流程和可制造性问题。 为了将这项技术完全纳入工厂流程,需要开发材料和设备。 尽管如此,基于标准半导体技术的工艺流程中具有同时高孔径比的超高分辨率的前景仍然非常具有吸引力,并且有理由进一步解决未决的工程挑战。 让我们知道。 联系我们。