有机发光二极管显示面板柔性衬底不良改善探究

毛祖攀

362321198907122718

摘要：

有机发光二极管是一种通过有机材料中载流子复合的电致发光器件，属于一种电流型的有机发光器件，是通过载流子的注入和复合而致发光的现象，发光强度与注入的电流成正比。有机发光二极管在电场的作用下，阳极产生的空穴和阴极产生的电子就会发生移动，分别向空穴传输层和电子传输层注入，迁移到发光层。当二者在发光层相遇时，产生能量激子，从而激发发光分子最终产生可见光。与液晶显示相比，有机发光二极管显示面板不需要背光源，而背光源在液晶显示中是比较耗能的一部分，所以有机发光二极管显示面板是比较节能的，因此它具有自发光、能耗低的优点[1-2]。相较于液晶显示的晶体层，有机发光二极管的有机塑料层更薄、更轻而且更富于柔韧性。柔性有机发光二极管显示面板在形态方面更具可塑性，能够实现弯曲、折叠和卷曲等多种形态。虽然目前柔性显示场景尚未大规模出现，但形态可塑性赋予其在未来终端领域中更为多样的应用可能性,例如可弯折、可折叠、可卷曲等。本文探究了柔性有机发光二极管显示面板中柔性衬底引起的主要不良现象，并探究这些不良现象背后的内在根本原因；通过设计试验对比，并发现采用聚四氟乙烯（PTFE）材质的过滤器可将胶状聚酰亚胺（PI）柔性衬底中存在大量胶囊型异物去除，从而有效地改善了柔性衬底的良品率，为大规模普及推广柔性有机发光二极管显示面板具有深远意义。

关键字：柔性衬底；有机发光二极管；聚酰亚胺；过滤器；

0引言

有机发光二极管的驱动背板也分为有源驱动（AMOLED）和无源驱动（PMOLED）两种，PMOLED的驱动方式较为落后，难以实现高分辨率、大面积和高亮度，仅能用于较低端的小尺寸屏幕产品；AMOLED是目前的主流技术，可以对每个像素精确控制进行驱动[3]。AMOLED技术主要用于智能手机，并继续朝低功耗、低成本、大尺寸方向发展；AMOLED被称为下一代显示技术，包括三星电子、三星SDI、LG、飞利浦都比较重视这项新的显示技术。AMOLED与多数手机使用的传统液晶显示器相比，具有更宽的视角、更高的刷新率和更薄的尺寸，因此正在得到智能手机采用和青睐。目前从AMOLED面板市场规模来看，2020年全球有机发光二极管显示面板市场规模为343.24亿美元，预计2025年将达到547.05亿美元。从有机发光二极管显示面板出货量来看，刚性有机发光二极管显示产品成熟度、良品率与产能利用率较高，制造设备完善，生产成本较低。柔性有机发光二极管显示面板拥有更多的应用场景，但价格较高，生产良品率相对较低。短期来看，柔性有机发光二极管显示面板凭借终端需求强劲以及技术不断发展，预计今年出货量将超越刚性有机发光二极管显示面板成为市场主流技术路线。据统计，2020年全球刚性与柔性有机发光二极管显示面板出货量分别为3.07与2.75亿片，预计到2025年刚性和柔性出货量将分别达到4.40和6.01亿片[4]。可见柔性有机发光二极管显示面板正呈现积极向上蓬勃发展之势，因此深度分析制造过程中的不良现象的根本原因，并改善有机发光二极管显示面板制造过程中的主要不良，提升柔性有机发光二极管显示面板的良品率已迫在眉睫，刻不容缓。本文从改善柔性显示面板柔性衬底不良入手，深度探析柔性衬底不良现象，并分析其内在根本原因，通过采用过滤效果更佳的聚四氟乙烯（PTFE）材料过滤器，达到有效减少甚至消除柔性衬底中胶囊型异物，并大幅提升有机发光二极管显示面板的良品率，实现大规模推广和普及的终极目标。

1柔性衬底不良现象及原因

柔性有机发光二极管显示面板中柔性衬底是通过涂布方式在电子级玻璃上制备而成。我们对制备后的柔性衬底进行显微镜观察发现存在胶囊型异物（如图1所示）。此类型胶囊型异物尺寸在8~10um，高度在8~20um，每片基板上平均有13颗。该类异物在柔性衬底制备后就被发现，同时随着后续工艺的进行，该异物会逐渐变大，形成如图2所示的形貌。此时异物发展为：异物尺寸在200~500um，高度在600~800um。可见异物随着后续工艺膜层的覆盖而逐渐变大，尺寸上发生近50倍的增大，高度上发生近40倍的增大。因此可以断定此胶囊型异物在制作柔性有机发光二极管显示面板后会造成永久性不良，例如金属走线变细或者断线。

图1 柔性衬底中胶囊型异物照片

图2 柔性衬底中胶囊型异物后续工艺后照片

其次，我们对柔性衬底后的胶囊型异物进行切片微观分析：胶囊型异物形貌为凸起状，切片横截面形貌为聚酰亚胺薄膜包裹褶皱状异物；通过成分分析发现异物成分主要为碳元素（99.53%）和氧元素（0.47%）。同时，我们前期对聚酰亚胺溶液过滤器也做过微观形貌和成分分析（如图3和表1所示）。

图3 聚酰亚胺过滤器微观形貌

元素种类	C	O
聚酰亚胺过滤器	99.32%	0.68%
胶囊型异物	99.53%	047%

表1 聚酰亚胺过滤器和胶囊型异物成分对比

  可以明显看出：柔性衬底聚酰亚胺过滤器得元素成分与我们发现的胶囊型异物的元素成分几乎一致。考虑到，聚酰亚胺是通过NMP（N-甲基吡咯烷酮）溶剂进行溶解后涂布工艺制备而成，且过滤器内部微观呈纤维状形貌，因此我们推测此胶囊型异物可能是由聚酰亚胺过滤器中某些材料被NMP溶解，并在柔性衬底薄膜表面形成所致。

2柔性衬底不良改善方法

基于柔性衬底不良的分析，我们选型Pall公司的一款更耐NMP溶剂材质的过滤器，以下为两款过滤器相关参数对比（如表2所示）。

厂商		Entegris	Pall
结构说明		非对称结构，梯度拦截，有预过滤层	聚四氟乙烯膜，拉伸工艺
材质	骨架	HDPE	PFA
	滤膜	UPE	PTFE
孔径		0.5um	0.5um
拦截效率		99.99%	99.99%

表2 两款过滤器相关参数对比

聚四氟乙烯（PTFE）材料具有抗酸抗碱，抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于任何有机溶剂，因此其对NMP溶剂具有更强的耐腐蚀性。

3 柔性衬底改善结果和分析

我们采用Pall公司的过滤器对聚酰亚胺溶液进行过滤，并涂布制备出柔性有机发光二极管显示面板衬底（工艺流程和工序与之前完全一致）；同样的方法，我们对柔性衬底上的异物也进行统计发现：聚酰亚胺过滤器从Entegris公司切换至Pall公司后，柔性衬底薄膜中发现的胶囊型异物的数量、大小和高度都呈明显下降趋势：分别从13颗、8~10um和8~20um下降至2颗、2~4um和2~10um。更令人惊喜的是，部分柔性发光二极管显示基板上的胶囊型异物彻底根除，且其从尺寸和高度上都有显著性的改善（如表3所示）。

通过市场调研，选择更耐腐蚀的聚四氟乙烯（PTFE）材质的聚酰亚胺过滤器，我们可以获得制造良品率更高的柔性有机发光二极管显示面板衬底。根据改善结果，我们可以佐证确实是过滤器中部分微量膜材被聚酰亚胺溶液中NMP溶剂所溶解，从而在柔性衬底薄膜膜层上形成胶囊状的异物，最终影响柔性有机发光二极管显示面板的品质及良品率，对显示面板的推广造成极大的阻碍。

厂商	Entegris	Pall
大小（直径）	8~10um	2~4um
高度	8~20um	2~10um
数量（平均值）	13	2

表3 两款不同过滤器对胶囊型异物数量的影响

4结 语

本文探究了柔性有机发光二极管显示面板中柔性衬底制造过程中的主要不良现象，并通过对不良现象的微观形貌和元素成分分析，推测造成此类胶囊型异物不良的主因可能为柔性衬底材料--聚酰亚胺在过滤过程中使用的过滤器内部膜材所致。为了进一步验证我们的猜想，我们市场调研并选型Pall公司的聚四氟乙烯（PTFE）材质的过滤器，并按原工艺程序制备出柔性有机发光二极管显示面板衬底；通过结果微观形貌观察，我们发现：采用更耐腐蚀的聚四氟乙烯材质的过滤器后，柔性有机发光二极管显示面板衬底薄膜表面的胶囊型异物的数量、大小和高度都明显地减小和下降，分别从13颗、8~10um和8~20um下降至2颗、2~4um和2~10um。我们结合对胶囊型异物的形貌和元素成分分析，并与聚酰亚胺过滤器的材质形貌和元素成分对比，认为前者的产生与后者存在直接关系。我们推测聚酰亚胺溶液中的NMP溶剂在过滤时，对过滤器中的材质可能存在一定程度的溶解并遗留在在柔性发光二极管显示面板的衬底薄膜上形成胶囊型异物，从而对柔性衬底和柔性有机发光二极管显示面板的品质和良品率造成不可恢复性的损伤。我们的课题研究对提升柔性发光二极管显示面板的良品率打下坚实的基础，为大规模普及推广柔性有机发光二极管显示面板具有积极、深远的意义。

参考文献：

[1].C. W. Tang and S. A. Slyke.Organic electroluminescent diodes. Appl. Phys. Lett.1987, 51:913-915.

[2].Y.Qiu, Y. Gao, P. Wei and L. Wang.Organic light-emitting diodes with improved hole-electron balance by using copper phthalocyanine/aromatic diamine multiple quantum wells. Appl. Phys. Lett. 2002, 80:2628-2630.

[3].史世明，李园园，郑美主，薄赜文，张嵩，王大巍.柔性AMOLED显示触摸屏技术现状及发展趋势.液晶与显示.2022.37(4):459-466.

[4].和辉光电招股说明书