OLED柔性衬底封装材料及其研究进展

【中心议题】

• *常用OLED柔性衬底封装材料
• * OLED柔性衬底封装材料研究进展

【解决方案】

• *解决电极层以及有机层的附着性能、基板的气密性、封装和驱动技术
• *主要采用刚性封装材料、柔性封装材料和边缘缝隙封装材料

1引言

有机电致发光器件(organic lightemitting device,OLED)具有发光亮度高、发光视角宽、响应速度快、超薄、质量轻、全固态主动发光、可制作在柔性衬底上和成型加工相对简便等优点,成为非常具有应用前景的下一代显示技术。目前柔性显示已经应用在手机和MP3上,但是大面板柔性显示器件的进展相对比较缓慢,而且柔性衬底材料代替刚性材料的同时出现了许多新的问题,这些问题还需要多学科综合起来去解决。本文结合柔性封装的要求,综述了超薄玻璃、金属箔和聚合物三种柔性衬底材料的研究现状,并指出了目前面临的主要问题。

2柔性OLED器件

柔性OLED(FOLED)器件一般是在玻璃或聚合物基板上,由夹在透明阳极、金属阴极和夹在它们之间的两层或更多层有机层构成。当器件上加正向电压时,在外电场的作用下,空穴和电子分别由正极和负极注入有机小分子、高分子层内,带有相反电荷的载流子在小分子、高分子层内迁移,在发光层复合,形成激子,激子把能量传给发光分子,激发电子到激发态,激发态能量通过辐射失活,产生光子,形成发光。有机电致发光器件的基本结构是夹层式结构,即各有机功能层被两侧电极像三明治一样夹在中间,且至少有一侧的电极是透明的,以便获得面发光,如图1所示。具体说来,OLED的基本器件结构有单层、双层、三层和多层等。

有机电致发光显示与其他形式的显示相比,有一个重要的优势就是可以实现柔性显示。1992年Gustafsson等人发明了基于PET基板上的柔性高分子材料的OLED;1997年Forrest等人发明了柔性小分子材料的OLED。这类显示器件柔软可以变形且不易损坏,可以安装在弯曲的表面,甚至可以穿戴,因而日益成为国际显示行业的研究热点。

OLED相比其它柔性显示器具有更多优点:它是自发光显示,响应速度快、视角宽;由有机材料制备,弯曲能力强等。因此在显示效果好的便携产品和军事等特殊领域有非常广泛的应用。使用塑料或金属片等柔软基板代替坚硬的玻璃基板,可以制备弯曲的显示器。与普通的硬屏显示器相比,柔性显示器具有诸多优点:耐冲击,抗震能力更强;重量轻、体积小,携带更加方便;采用类似于报纸印刷工艺的卷带式工艺,成本更加低廉等等。目前,用于柔性显示的器件有TFT-LCD、CSTN-LCD、电子纸和OLED等。

由于OLED对于水、氧非常敏感,如何避免这两种物质对器件的影响是FOLED发展的首要任务。

研究表明OLED要求水汽的渗透能力在10~5g/m2/天以下,但传统的金属或玻璃封装盖会影响器件的弯曲能力,不适合柔性器件的封装,如何避免水、氧对器件的影响是FOLED发展的主要课题。

3柔性封装材料

OLED封装材料主要包括刚性封装材料、柔性封装材料和边缘缝隙封装材料。柔性封装材料的特点就是在发生很大弯曲变形时仍然可以保证材料的有效使用,为了获得柔性有机显示器或其他电子设备,前后基板必须具有足够的柔性同时能有效隔绝湿气和氧气。柔性封装不仅仅是满足折叠、弯曲的要求,而且要有一定的强度以保证产品的实际应用要求。因此,封装材料及相应的封装技术成为柔性和强度一并满足的关键。对于这种封装材料,目前研究最多的主要分为超薄玻璃、聚合物和金属箔。

3.1超薄玻璃

在使用玻璃衬底时,常用的封装技术是将显示器密封在干燥的惰性气体环境中,如密封在有玻璃(或金属)盖的充氮的干燥的盒内,玻璃(或金属)盖用紫外光固化的环氧树脂固定。通常将一种吸气剂加进密封壳内以便除掉可能残留在密封空间内的水和氧气。玻璃能很好地隔离潮气和空气,而唯一侵入到封装内的途径是边缘的环氧树脂密封。由于OLED中的有机发光层对于水汽、氧气阻隔之要求非常高,目前的环氧树脂密封技术无法达到要求,限制了OLED平面显示器的使用寿命。

目前,由玻璃工厂所提供最薄的玻璃为0.5mm,随着应用的不同,面板厂商逐渐开始试着将

玻璃研磨到0.2mm或是更薄的厚度来使用。当厚度低于某种程度之后,可以看到玻璃基板开始具备可

弯曲的特性,进而开发搭配超薄玻璃基板的柔性显示器。

50μm的超薄玻璃可以对包埋OLED的柔性智能卡进行封装,超薄玻璃的主要成分有两种:一种是含有大量BaO和Al2O3的碱式硼玻璃;另一种是纯硼玻璃。但是超薄玻璃在柔性封装过程中不能单独使用,需要聚合物涂层保护玻璃表面不受机械力的损害和化学试剂的侵蚀。

3.2金属箔

薄型金属基板,其基板厚度低于0.1mm,采用这样的基板主要在于金属基板具备以下几个优点:耐高温制程,与塑料相比,热膨胀系数(CTE)更为接近玻璃,因此在电路图样定位方面比较不容易发生问题;具备阻水、阻氧的功能;具备RTR(Roll-to-Roll)的制程可能性,金属本身已经具备极佳的延伸性,因此极为适合利用RTR的生产流程;成本低廉与取得方便,而且用在平面显示器上时,不需要镀上许多特殊的防水气、防氧气保护层,实际运用成本会比用塑料更低。

韩国LG飞利浦LCD开发出了在不锈钢箔基板上形成非晶硅(a-Si)TFT来驱动的4in(对角10cm)全彩OLED面板。由于采用了金属箔基板,因此厚度仅为150μm,耐用性也很出色。该OLED面板是与开发OLED荧光材料技术的美国通用显示器公司(UDC)共同开发的。显示分辨率为320×240像素的QVGA,显示色数约为1,670万色。特点是利用现有的液晶面板生产线,只需将玻璃基板换成金属箔基板即可形成a-Si TFT背板。LG飞利浦LCD还发表了采用相同柔性金属箔基板的14.1in彩色电子纸。

3.3聚合物

通常,OLED都是在玻璃衬底上制造,然后使用金属或玻璃盖子封装。用塑料代替玻璃做OLED的衬底材料,可以进一步增加OLED的应用领域。基于塑料衬底的OLED具有很多优点:更薄、更轻、柔性显示等。要实现柔性显示的关键问题是湿气和氧的隔离保护,这可以通过隔离或钝化膜来实现。

与玻璃的性质相比,塑料衬底材料的隔离保护作用不够理想,无法满足在视频亮度下连续工作超过10,000hr的市售显示器寿命的要求。典型塑料材料,如聚乙烯对苯二甲酸脂(PET),其密度很低,对水和氧气的扩散隔离保护作用很差。要达到产品所要求的寿命,估计在25℃时要求材料对水的密封渗透率要低于10-6g/m2/天,而典型的塑料衬底材料在25℃时的渗透率为100~10-1g/m2/天。

解决这一问题的办法之一是在塑料衬底上镀覆致密的介电材料薄膜以防止有害气体向塑料内扩散。而在这种无机物薄膜内要求几乎没有针孔和晶粒边界缺陷,才能使密封性更好。韩国ELiA TECH于2002年研究出这种薄膜封装技术,是在基板背面形成薄膜覆层,藉此阻断造成OLED亮度不足与出现黑点等致命性缺陷的水分或空气。且由于可不使用玻璃或金属板、干燥剂(desiccant),可将OLED模块的厚度由过去的2.1mm缩减到小于1.1mm,并节省50%以上的成本。

另一个解决方法是在塑料衬底和有机发光器件上采用多层包覆密封,也就是常说的Barix封装技术。该方法是用覆膜材料对柔性有机发光器件进行密封包装,该混合防护层由真空沉积聚合物膜和高密度介电层交替重迭构成,有效地消除了各防护层材料间的相互影响。在Barix封装技术中所用的聚合物膜层能使衬底表面光滑。聚合物在真空中沉积并交联,形成一种非共形的聚丙烯酸酯膜,然后将介电质薄膜层的层数和成分加以调控。Barix结构的最后一层为ITO层,ITO层可作为有机发光二极管的阳极。

Vitex在柔性封装材料领域做了大量的研究。利用聚合物无机材料交替复合薄膜(PML)阻隔水氧,具有比较好的效果,其开发的软屏基板产品具有与玻璃相媲美的阻隔效果。日本先锋公司计算,利用这种技术封装的器件,在1,000cd/m2的起始亮度下,最长寿命可超过5,000hr。Vitex公司开发出了一种独特的薄膜隔离层,它对湿气和氧气的渗透性相当于一层玻璃的效果。该保护层称为Barix,是由聚合物膜和陶瓷膜在真空中迭加而成,总厚度仅为3μm,大约是人的头发直径的二十分之一。该隔离层能直接加在OLED显示器的上面,而不再需要使用机械封装元件就可实现对OLED的湿气和氧气隔离保护。Vitex的Barix技术将极有可能推进

OLED更广泛的工业应用,使OLED成为零边界、超薄显示器中的一种有力的竞争技术。

对于OLED显示器而言,湿气隔离的要求更高,其指标要求比任何工业用塑料湿气隔离膜高10,000倍,Barix技术可以满足这种应用要求。通过真空逐卷生产工艺,Vitex将Barix涂覆加到成卷的PET膜上,形成了Flexible Glass隔离基板。就像使用Barix封装一样,Flexible Glass的渗透率大约相当于一层玻璃的效果。Vitex公司目前正提供成卷的Flexible Glass给很多OLED显示器制造商,这些显示器制造商正在了解如何在塑料基底上实现柔性OLED显示器的生产。

考虑到OLED对介电性能的要求,聚合物柔性薄膜可以在很宽的范围内选取,可以是:PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PEN(聚对萘二甲酸乙二醇酯)、PC(聚碳酸酯)、PVC(聚氯乙烯)、PS(聚苯乙烯)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)、PES(聚对苯二乙基砜)。

OLED技术高分子材料柔性显示屏最早是由美国加州大学研究组发明的,作为超轻、抗震、使用灵活的平板显示器颇受业界青睐。也可以制成柔性显示屏,但是在抗弯折能力方面不如高分子材料。对于这一领域的研究,富有挑战性的课题是解决显示屏对水、氧的超级敏感性,即如何降低衬底和封装材料的水、氧透气性是推进柔性显示屏的关键技术。

索尼公司开发出了其自称为业界首款采用可折叠塑料底层的全彩色有源矩阵OLED显示器,先是开发了一个在玻璃底层上构建有机薄膜晶体管背板的制程,然后将同样的结构复制到塑料薄膜上。该制程的温度不到180℃。该产品原型是一个2.5in的显示器,具有120 x 160的象素和8位灰度级,以便实现全1680万色的彩色效果。该显示器的分辨率为80像素/in(每像素大小为318 x 318μm),每个子像素(红、绿或蓝色)都由一个双晶体管单电容器PMOS电压编程电路来驱动,帧率为60Hz,信号电压12V。索尼在这种OLED显示器上采用了顶部发光结构,即将驱动晶体管置于底部,从最顶的OLED层发光。这种显示器包括了电极层、有机TFT层、OLED层和阴极层,各层之间由有机绝缘体隔开。据称这种结构可以让工程师在制作有机TFT层之前制作电极层,而不会损坏半导体层。

4结论

柔性显示需要解决的主要问题是电极层以及有机层的附着性能、基板的气密性、封装和驱动技术。目前,已有CDT、UDC、三星、先锋、索尼和我国清华大学等试制了高分子和小分子OLED软屏样品,有源驱动技术和薄膜封装技术的应用也极大地丰富了柔性显示的色彩和延长了OLED的寿命。

随着微电子的迅猛发展和柔性显示的强烈需求,柔性封装材料和相应技术的研究越来越具有现实意义,市场潜力巨大。目前可以实现柔性封装的材料主要有超薄玻璃、聚合物和金属箔,主要应用于手机显示屏、MP3和数码相机中。相信随着大面板有机显示屏的研究与开发,其应用范围将会更广,如电子服装、电子纸、电子书等,到时必将显示出有机发光显示器件的独特优势。