压电印刷OLED优化及其应用

有机电致发光显示器（OLED）因具备低功耗、自发光、高柔性、色彩丰富和响应速度快等优势，被认为是未来显示的发展方向。随着压电喷墨打印的无接触、液滴精准定位和大面积快速印制等技术的引入，使得大尺寸OLED的量产应用成为可能。

大尺寸面板制造领域现状

目前，小尺寸有机电致发光显示器（OLED）基本采用真空蒸镀方法沉积小分子功能材料，通过多种加热方法（电子束轰击加热、激光加热等），将功能材料蒸发至分子或原子级别，最终附着于基板上形成高质量薄膜。在真空镀膜过程中，绝大多数的OLED显示器件都需要用到精细化金属掩膜版(FMM)，用以实现全彩显示屏的制备。但是受限于大尺寸FMM生产成本、产能限制、金属形变特性和像素对位精度难以把控等问题，目前的ＦＭＭ技术只能应用于小尺寸移动端显示屏的量产工艺中。一些厂商为了克服以上缺陷，曾提出“白光OLED＋彩色滤光片”的互补制程工艺，但此种工艺与传统LCD技术相比不具备成本优势，而与全彩OLED相比又不具备器件性能优势（对比度、亮度、色域宽度等）。

随着溶液化湿法制备工艺的快速发展，目前在大尺寸面板制造领域，主要采用旋涂、有版印刷和喷墨印刷等技术来实现。其中，喷墨打印因具备超高的材料利用率、无接触化特征、高精度的液滴形态可控性、低成本和快速高效等优势，使得喷墨打印逐渐成为大尺寸OLED生产工艺中理想的制备技术之一。

喷墨打印分类

喷墨打印按照油墨喷射方式的不同可以分为按需式喷墨和连续式喷墨，按需喷墨因具备按需滴注和频率可控的优点而被广泛应用于印刷OLED中。目前的按需喷墨技术主要包括热膨胀式和压电式，为了在印刷OLED制程中尽可能保证有机材料的物化稳定性，避免油墨因受温度影响而发生改性，主流的印刷工艺基本采用压电式。

目前在大批量快速印制有机发光层（EML）和空穴传输层（HTL）时，通过外加激励脉冲电压的精准时序控制，并结合上千个喷嘴的多喷头阵列化排布，可以实现大面积基板的区域化快速印刷。但在实际的膜层制备过程中，因压电元件老化、颗粒物堵塞喷嘴、喷头制造工艺误差、流道内的气泡积蓄和设备抖动等问题而导致液滴喷射的不均匀，极易使前后印刷像素坑内的油墨实际填充量有差异，最终导致沉积的功能层薄膜厚度和密度不一，出现面板点亮后的亮度不均匀和“Mura”现象。因此，必须进一步提升印刷OLED制程中的液滴喷射均匀性。

压电印刷OLED优化

经过国内外研究人员的不懈努力和多年的技术沉淀，目前压电印刷OLED工艺稳定性虽取得了较大的进步，但是仍存在一些影响液滴均匀喷射机制方面的难题，没有完全掌握，导致喷射液滴均匀性、液滴生产速度和定位精度等方面受限，并最终导致印刷OLED功能层不均匀和性能低下。例如喷头腔室内的气泡和油墨残余振动导致的低频喷射特性改变、高速喷射下的卫星滴和彗尾现象、喷头材料压电特性的不稳定导致的聚合物有机油墨喷射困难问题等。为了获得良好的液滴喷射性能，并提供尺寸更小、定位精度更高的液滴，目前的研究主要从脉冲波形的优化、控制系统的自修复和油墨的流变特性调控３个方面来实现。

1、脉冲波形的优化

在压电印刷ＯＬＥＤ的过程中，大多采用双极类脉冲信号来驱动喷射，可以有效抑制残余振动和卫星滴的产生；根据不同类型的印刷ＯＬＥＤ基板及不同尺寸的像素坑，合理设置脉冲幅值及喷射频率，可以控制主液滴大小及均匀性；通过调节单周期脉冲波形中各波段的持续时间，可以快速稳定液滴形成初期的形貌，为实现更高频率的喷射及大面积快速印刷提供了可能，压电印刷ＯＬＥＤ中常用驱动波形的参数范围见表１。

2、控制系统的自修复

实验分析和数值模拟是对最终的液滴喷射现象进行反复观察与统计，并不断地人为调整输入驱动参数，以多次的重复测试为手段达到最佳喷射效果的方法。测试过程中会因测试人员和测试方法的不同而带来较大的测试误差，若能从软硬件系统和控制算法的角度建立一套实时控制修复系统，在喷射的过程中自动调节系统参数，这将极大提高印刷OLED液滴喷射的优化效率和精度。

3、油墨的流变特性调控

通过实验分析的经验归纳、数值模拟的参数优化和控制系统的自修复等方法可以提升压电印刷OLED的喷射性能，但墨滴的形貌稳定性和分散均匀性更多的是由印刷油墨的物理特性和流变特征所决定，墨水成分的任何波动都可能改变流体的物理特性，必须严格控制油墨密度、表面张力、粘弹性和pH值等参数，并进一步探究油墨在通道中、喷嘴处和下落空中的动态流动特征。在分析印刷OLED过程中的液滴形成和喷射特性时，使用流体力学中的无量纲数来表征喷墨喷嘴的设计参数和油墨特性是一种非常有效的方法。

无量纲数主要包括雷诺数Re（惯性力与粘性力之比）、韦伯数We（惯性力与表面张力之比）、毛细管数Ca（粘性力与表面张力之比）和Z数（描述雷诺数和韦伯数之间的平衡），各参数的定义式如下：

当Ｚ值处于1～10的范围内时，可形成均匀性良好的喷射液滴；而当Ｚ值小于１时，粘性耗散作用会增加，阻碍液滴的形成；当Ｚ值大于10时，会形成较多的卫星滴。因此，可通过调整油墨粘度和表面张力的方法，使Ｚ值处于合适的范围内，以形成稳定喷射的液滴。目前用于印刷OLED中的油墨，粘度普遍在0.30Pa·ｓ以下，表面张力在60mN·ｍ－１以下。在喷头加热的条件下，油墨的最大粘度可升至0.1Pa·ｓ。

压电印刷OLED应用

近年来，OLED以其优异的器件性能和可折叠性逐渐成为显示与照明领域的重点技术发展方向，各大厂商纷纷加快印刷OLED进程布局，使新材料和新工艺取得了突破性进展。

南京江北新区和国家新材料产业发展战略咨询委员会将于2021年12月15日-17日在南京联合举办《2021中国5G新材料产业创新大会》。会议已邀请TCL工业研究院顾问、原国家平板显示工程技术研究中心总工程师朱昌昌先生、广东工业大学闵永刚教授、京东方OLED研发中心胡明先生、联想集团高级研究员张振华先生、国兆光电彭劲松先生、OLED发光材料代表和蒸镀设备代表共同探讨显示材料、设备相关话题。