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京东方柔性OLED产线要量产!有哪些材料是关键?

www.91jinshu.com   2017-09-20  来源:成都商报  编辑部

想象一下,一种和现在的报纸没有区别的设备,但其中的内容可以实时更新,有视频和动图;把一部手机展开,就成为平板电脑......这绝对是革命性的大变化!超薄和柔性是OLED可以扩展出更多应用场景的杀手锏,让“万物皆显示”成为可以预见的未来!

在第四届中国(西部)国际平板显示高峰论坛上,京东方科技集团股份有限公司副总裁原烽表示,从10月起,京东方成都第6代AMOLED柔性显示屏生产线将实现量产!这是中国首条量产的柔性显示屏生产线!

作为全球新型显示技术发展方向之一,柔性显示屏被广泛用于苹果、三星等公司的高端手机及新一代穿戴显示系统等设备中。

京东方在成都的第 6 代AMOLED柔性显示屏生产线总投资465亿元人民币,于今年初实现试生产。投产后,京东方将成为继三星后全球第2家可量产柔性显示屏的企业。2016年在绵阳投资建设的另一条第 6 代AMOLED柔性显示屏生产线,预计2019年实现量产。

“有了柔性显示屏,今后,很多物体都可做成显示屏,比如整个飞机舱、桌子甚至杯子。”电子科大光电信息学院教授于军胜认为,柔性显示屏量产为更多下游应用产品的诞生提供了可能,将拉动电子信息产业上下游的集聚和发展。

同时,原烽还透露,京东方将在成都建设数字化医院。什么是数字化医院?“就是结合信息技术和生命科学,在传统医院基础上加入数字化应用。”原烽举例说,远程会诊将应用清晰度极高的显示技术,“屏幕上显示的手术画面可以足够清楚,让异地医生做出判断。”

9月13日,新款iPhone如期发布,但iPhone X 售价高达万元,又很可能一机难求。OLED屏幕供不应求,再加上OLED屏幕两次贴合工艺复杂,正是主要原因之一。

事实上,这早在意料之内。从去年开始,供应链上就频频传来相关消息。围绕OLED屏幕,供应链、科技公司动作连连。苹果提前锁定7000万OLED 订单,Google 8.8亿投资LG OLED产线。OLED屏,这个大众并不一定熟悉的名词,频频被推到聚光灯前。

目前,AMOLED屏幕争夺战,三星一枝独秀。然而,三星柔性OLED屏产能远远不能满足智能手机市场的需求,柔性OLED屏对很多智能手机厂商来说,可谓一屏难求。然而,伴随以京东方为代表的面板厂商在OLED领域的布局以及相关核心量产技术不断成熟,或许将对未来柔性OLED市场带来一缕“春风”。

一屏难求,柔性OLED到底难在哪里?

柔性OLED的发光材料和衬底

1. 发光材料

OLED面板不需要背光模组,结构上比LCD面板要简单的多,只要将玻璃基板换成柔性基底就可以实现柔性显示,目前的难点是在面板的生产过程中,无论是蒸镀还是ITO的溅射镀膜都需要在高温下进行,因此选择的柔性基底需要能经受高温,未来可选择的材料有PI(聚酰胺)膜、石墨烯薄膜等。

OLED发光层能级结构

OLED发光层各层的典型材料

HIL

CuPc

TiOPc

m-MTDATA(Shirota)

2-TNATA(Shirota)

HTL

TPD、NPB(Kodak)

PVKSpiro-TPD(Cpvion)

Spiro-NPB(Cpvion)

EM

Alq3(Kodak)

Almq3Blue(Ricoh)

TBADN(Kodak)

ETL

Almq3

DVPBi(Idemitsu)

TAZ(Sumitomo)

OXD(Saito)

PBD(Idemitsu)

BND PV

2. 衬底

(1)PET

1992年,Gustafsson等人首次发表利用PET作柔性衬底,再搭配可导电高分子,制作出第一个以高分子((PEDOT)为主体的柔性OLED器件。

如果从光学性质上来比较玻璃与塑料衬底,因为玻璃衬底的折射率(n=1.52)和发光层折射率差值比较大,所以光容易被限制在器件内部,若将玻璃替换成塑料衬底(n=1.65)则能减少46%光学损失,而器件的效率则能提高10%-20%。

ITO/PET衬底使用在LCD领域已有很长的一段时间,由于容易获得,因此最常被当作柔性有机电致发光器件的衬底。

滚动条式溅射设备Noda等人在2003年发表了以卷对卷工艺制作ITO/PET ,其设备如图所示,这种制作方式可以大量生产ITO/PET衬底,降低成本。

(2)PEN塑料衬底

DuPont Display的Innocenzo等人在SID 2003发表了可应用在柔性显示器的PEN塑料衬底相关研究PEN在加人具有平整作用的涂布层之后,最大的突出缺陷不会高于0.02μm,衬底在可见光区的透光率大于80%,热稳定性比PET好,非常适合作为柔性显示器的衬底。

(3)超薄玻璃衬底

由于塑料的衬底防止水氧穿透的能力不佳,Auch等人在2002年发表超薄玻璃衬底,在衬底上旋转涂布一层2~ 5μm的环己酮,接着在225℃烘烤一小时聚合,增加超薄玻璃的柔性特性。

(4)金属衬底

还有一种可以使用的衬底种类就是金属衬底,不但具有柔性且防止水氧穿透的能力比塑料佳,最重要的是可以承受较高的工艺温度。

柔性衬底比较图

除了上述几种衬底之外,在2004年美国西雅图Lee等发表了以纸为衬底FOLED,他们在纸衬底上涂布一层Parylene,再镀上镍为阳极,但是器件在100 mA/ cm2的电流密度下,操作电压为19.5 V,而亮度仅342 cd/m2,效率很不好。

柔性OLED存在哪些问题?

2003年,台湾交通大学OLED试验室的陈金鑫教授研究开发出可卷曲OLED(也叫柔性OLED,即FOLED。

传统的OLED器件采用玻璃作基板,在其上镀一层ITO导电薄膜作为有机电致发光显示器的阳极,而柔性OLED则用塑料衬底代替了玻璃衬底。

柔性OLED的优势很多,今天我们来看一看柔性OLED面临着什么问题。

选择柔性衬底作为OLED的基板时,由于衬底本身的性质,给器件和制作过程带来了很多问题。

1. 平整性较差

通常柔性衬底的平整性要比玻璃衬底差,这不符合表面要求。大部分淀积技术是共形的,制备的薄膜会复制衬底的表面形态,使得衬底以上的各层都凹凸不平。这会造成器件的短路,引起器件损坏。

2. 熔点低

柔性衬底的熔点很低,而OLED基板的工艺温度却很高,所以,在制作过程中柔性衬底会变形甚至熔化。即使温度较低的环境中,柔性衬底尺寸也不稳定,这给多层结构的OLED制作在精确地整齐排列上带来了很大的困难。

3. 寿命短

OLED对水蒸汽和氧气都比较敏感,而大部分柔性衬底的水、氧透过率均比较高。

当水汽和氧气进入到器件内部时,会影响阴极与发光层之间的粘附性、使有机膜层内发生化学反应。

这些都会导致器件的光电特性急剧衰退,造成器件迅速老化、失效。与玻璃衬底相比,塑料衬底对水汽和氧气的隔离及对器件防老化的保护作用都不够理想,无法满足显示器连续工作超过10000小时的寿命要求。

4. ITO薄膜易脱落

为了配合熔点低的柔性衬底,只能在低温下淀积ITO导电薄膜,制成的ITO导电薄膜电阻率高、透明度差,与柔性衬底之间的粘附性不好,在弯曲时易折裂,造成器件失效。

由于常用的柔性衬底PET与ITO的热膨胀系数相反,在温度变化时,一个收缩,另一个则膨胀,因此ITO薄膜比较容易脱落重。另外,在工作过程中,也会因为器件发热而导致ITO导电薄膜脱落。

FOLED器件的使用寿命影响FOLED使用寿命的主要原因是衬底的水、氧透过率太高。

因此,重点在于如何解决水、氧的渗透:

  1. 在柔性衬底上淀积一层防止气体向塑料衬底内扩散的致密的介电材料,此介电层要无针孔、无晶粒边界缺陷;

  2. 为器件加上一个柔性聚合物盖板,在基板和盖板上制作阻挡层用以阻挡水、氧的渗透;

  3. 采用金属箔作为FOLED的衬底,箔的水汽透过率低,而且可承受高温制作工艺,这种FOLED通常为上发光型OLED;

  4. 将显示器密封在干燥的惰性气体氛围中,也可以将氧化钙、氧化钡等吸附剂加入到显示器的密封壳中除去残留在内部的水和氧气;

  5. 对柔性衬底和制备好的FOLED器件进行多层膜包覆密封,这也是目前的发展、研究重点,典型代表技术是Barix技术。

Barix技术是由环球显示公司、Vitex系统公司以及Battelle公司合作开发的。

Barix技术是利用真空镀膜工艺制备有机高密度介电层与无机聚合物交替而成的多层结构,有效地避免了层与层之间的相互影响。聚合物在真空中淀积、交联,形成一种聚丙烯酸酯膜,将有机薄膜沉积在聚合物膜层上,成为阻挡水、氧渗透的屏障。

Barix结构的最后一层是ITO层,这一层就可以作为OLED的阳极。此外,这种结构中的聚合物层还能使衬底表面光滑,阻挡层还可根据具体要求将衬底裁剪成任意形状,以满足各种显示器的需要。

5. 导电层

柔性OLED用ITO导电薄膜作为阳极时,由于热膨胀性能的不同导电层容易断裂。可采用与柔性衬底之间有良好的粘附性、柔韧性更好的导电聚合物(如掺杂导电的PANI/CSA、PE以及DOT/PSS等)代替ITO,这就可以避免导电层的断裂。

研究发现采用聚合物导电层的FOLED具有更好的柔性,而且成本也更低。

柔性OLED市场前景及产业链发展机遇

OLED 市场规模不断扩大,主要应用领域为智能手机。随着 OLED 广泛应用于智能手机、电视、电脑、平板、可穿戴设备、VR 领域,OLED 市场规模将不断增长,且 70.6%的OLED 产能应用于智能手机。据预测,OLED 全球市场规模将从 2015年 130 亿美元增长至 2020 年的 330 亿美元,年均增速约为 20%。

OLED 未来规模预测

OLED应用分布

柔性 OLED 为未来手机屏幕发展方向。智能手机屏幕升级一大方向就是柔性 OLED 屏幕的应用。

根据研究,2016 年柔性 OLED 在所有 OLED 产量中占比仅为 14%。目前国际上出货量最大的三星公司,已建成 8 条柔性 OLED 生成线,现苹果公司也加入柔性 OLED 行列。

基于目前以确定的柔性 OLED 投资生产线来计算,预计 2017 年柔性OLED 产能渗透率将达到 30%。预计2019 年以后,柔性 OLED 的渗透率会稳定在 65%左右,而刚性 OLED 将不再有新的增长。

全球智能手机 OLED 产能渗透率

OLED 封装带来巨大水汽阻隔膜市场空间 。据数据显示,柔性AMOLED显示器 2015 年出货量约 2500 万台,预计 2020 年出货 8 亿台,出货面积为 0.93 亿平方米,至少需要 1.40 亿平方米的水汽阻隔膜。

另外,水汽阻隔膜在刚性 OLED 封装中同样优势明显,假设水汽阻隔膜在刚性 OLED 中使用率为 50%,而未来刚性 OLED 出货面积与柔性 OLED 出货面积相比大约为 35:65,由此带来的水汽阻隔膜需求大约为0.38 亿平方米。

故 2020 年,针对 OLED 封装,水汽阻隔膜总需求量接近 1.8 亿平方米。

文 | 91金属(微信号:15000687998)
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