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在柔性OLED制程中很關鍵!柔性襯底制備過程及參數詳解

編輯:songqiuxia 2017-11-23 09:04 瀏覽 評論 評論 0 贊    來源:  中華顯示網

  OLED的最大優點之一是能夠實現柔性顯示,制成人們夢寐以求的可折疊的電子報刊、可卷曲的墻壁電視和可穿戴的顯示器等,淋漓盡致地展現出有機半導體的魅力。

  柔性有機發光二極管(flexible organic light-emitting diodes, FOLED)由制備在柔性村底上的陽極、陰極和夾在它們之間的有機功能層構成,其中至少有一側的電極是透明的,以便獲得發光面。

  FOLED具備普通OLED的寬視角、高亮度等優點,同時由于FOLED的襯底是具有良好柔韌性的材料,因此比玻璃襯底OLED顯示屏更輕薄、更耐沖擊。且FOLED的制備有望采用卷對卷方式生產,從而大幅地降低制造成本。

  在柔性顯示器中,襯底的選材決定顯示屏的工藝路線、生產成本、顯示質量及產品可靠性,是開發柔性顯示器件的基礎。

  目前柔性顯示襯底主要有聚合物基片、金屬基片及超薄玻璃等。

  聚合物

  優點:柔性好;透明;超輕;可實現Roll-to- Roll工藝。

  缺點:可承受的溫度低;高水氧透過率,需要水、氧阻擋層;制備難度高。

  聚合物襯底的水氧阻隔能力和在高溫下的穩定性都不好,因此制備聚合物襯底的FOLED,其關鍵問題在于提高聚合物襯底對水氧的阻隔能力,提高聚合物襯底的熱穩定性,以及改善在低溫下沉積的ITO薄膜的性能和FOLED器件的封裝。

  金屬片

  優點:低水氧透過率;加工過程中不易膨脹;可承受高加工溫度;耐久性好。

  缺點:表面粗糙,需要平坦化處理;不透明,需要頂發光的OLED,制備難度高。

  與聚合物襯底相比,金屬襯底耐高溫制程,熱膨脹系數更接近玻璃;具備良好的阻水、阻氧的性能;成本低廉且獲取方便,不需要水氧阻隔層的制備,實際應用成本有望比聚合物更低。

  但是,由于金屬襯底具有不透光和表面粗糙的缺點,在金屬襯底上制備FOLED重點需要解決以下技術難點:

  高平整度的柔性金屬襯底開發及在襯底上高反射率陽極的制備工藝;

  開發性能穩定的半透明陰極技術;

  高效的頂發光有機發光器件結構優化,特別是有機層厚度的優化與控制。

  超薄玻璃

  優點:低水氧透過率;加工過程中不易膨脹;透明。

  缺點:易碎;柔性差;成本高;制備難度高。

  玻璃厚度下降到50~200 µm時能夠彎曲,但是要達到任意彎折的柔性仍有一定距離,同時薄玻璃在應用中很容易破裂,增加了制備的難度。

  相對于玻璃來說,聚合物和金屬薄片都具有較好的柔韌性,在應用上更符合柔性顯示器的性能需求。

  聚合物襯底FOLED制備

  首先,采用帶有氧化銦錫(ITO)導電薄膜的聚二甲酸乙二醇酯(PEN)作為襯底材料制備了OLED元器件,ITO的方塊電阻為60 Ω/□。器件結構為:

  ITO/NPB (N,N’-Bis(naphthalene-1-yl)-N,N’-bis(phenyl) -benzidine))(30 nm)/Alq3:C545T(2,3,6,7-tetrahydro-1,1,7,7,-tetramethyl-1H,5H,11H-10-(2-benzo-thiazolyl) quinolizino-[9,9a,1gh]coumarin)(質量分數為1%)(30 nm)/Alq3 (20 nm)/LiF (0.7 nm)/Al (150 nm)。

  器件的有效發光面積為3 mm×3 mm。

  器件的光電性能通過Keithley 4200半導體測儀儀器測試。

  下圖是制備在聚合物襯底上和玻璃襯底上的OLED元器件的亮度和效率的對比。如下圖所示,相同結構的聚合物襯底FOLED與玻璃襯底OLED光電性能相近。

  玻璃襯底器件與聚合物襯底器件性能對比

  金屬襯底FOLED的制備

  用乙醇和去離子水沖洗厚度為100 µm的金屬薄片,清洗表面的污染物;在基片表面旋轉涂布至少2層的光刻膠,該光刻膠起到絕緣與平坦化的雙重作用。

  采用真空熱蒸鍍的方法制備陽極、有機層和陰極。器件采用頂發光結構:

  Ag/MoOx(20 nm)/NPB (42 nm)/ Bebq2(30 nm)︰Ir(MDQ)2(acac)(質量分數為10%)/Bebq2(20 nm)/ Li3N (0.5 nm)/Ag (30 nm)/ Alq3 (91 nm)。

  同時在玻璃襯底上制備了相同有機層的底發光器件作為對比,器件結構:

  ITO/MoOx(20 nm)/NPB(20 nm)/Bebq2(30 nm)︰Ir(MDQ)2(acac)(質量分數為10%)/Bebq2(20 nm)/Li3N (0.5 nm)/Ag (150 nm)。

  器件的光電特性在室溫空氣條件下用Keithley 2602半導體測試儀及PR655測試儀進行測試。

  制備在金屬襯底和玻璃襯底上的器件的電壓/電流效率曲線

  上圖是制備在金屬襯底上頂發光器件與制備在玻璃襯底上的底發光器件的工作電壓-電流效率曲線。

  如圖所示,在4 V的相同驅動電壓下,制備在金屬襯底上的器件電流效率為16.9 cd/A,制備在玻璃襯底上的器件電流效率為16.4 cd/A。

  金屬襯底上的器件具有與玻璃襯底上的器件相近的電流效率。

  金屬襯底頂發光器件與相同結構底發光器件光譜對比

  是制備在金屬襯底上頂發光器件與制備在玻璃襯底上的底發光器件的光譜對比。

  從光譜圖中可以看出,頂發光器件光譜峰值是632 nm,底發光器件峰值是612 nm,頂發光器件的發光波長的半峰寬(36 nm)明顯小于底發光器件的發光波長的半峰寬(84 nm)。

  頂發光器件和底發光器件的色坐標分別是(0.687,0.312)和(0.634,0.361)。頂發光器件色度明顯優于底發光器件。

  這是由于頂發光器件的陰極是半透明半反射的金屬電極,與陽極的全反射電極形成顯著的微腔共振效應,不同能態的光子密度被重新分配,在特定的有機層厚度下只有特定波長的光能夠射出,光波的半高寬(FWHM)變窄,岀射光的波長峰值如下式所示:

  式中,L為有機層的光學長度,λk為出射光的波長,k=1,2,3,···

  選擇柔性襯底作為OLED的基板時,由于襯底本身的性質,給器件和制作過程帶來了很多問題。

  平整性較差

  通常柔性襯底的平整性要比玻璃襯底差,這不符合表面要求。大部分淀積技術是共形的,制備的薄膜會復制襯底的表面形態,使得襯底以上的各層都凹凸不平。這會造成器件的短路,引起器件損壞;

  熔點低

  柔性襯底的熔點很低,而OLED基板的工藝溫度卻很高,所以,在制作過程中柔性襯底會變形甚至熔化。即使溫度較低的環境中,柔性襯底尺寸也不穩定,這給多層結構的OLED制作在精確地整齊排列上帶來了很大的困難;

  熔點低

  OLED對水蒸汽和氧氣都比較敏感,而大部分柔性襯底的水、氧透過率均比較高。

  當水汽和氧氣進入到器件內部時,會影響陰極與發光層之間的粘附性、使有機膜層內發生化學反應。這些都會導致器件的光電特性急劇衰退,造成器件迅速老化、失效。

  與玻璃襯底相比,塑料襯底對水汽和氧氣的隔離及對器件防老化的保護作用都不夠理想,無法滿足顯示器連續工作超過10,000小時的壽命要求;

  ITO薄膜易脫落

  為了配合熔點低的柔性襯底,只能在低溫下淀積ITO導電薄膜,制成的ITO導電薄膜電阻率高、透明度差,與柔性襯底之間的粘附性不好,在彎曲時易折裂,造成器件失效。

  由于常用的柔性襯底PET與ITO的熱膨脹系數相反,在溫度變化時,一個收縮,另一個則膨脹,因此ITO薄膜比較容易脫落重。

  另外,在工作過程中,也會因為器件發熱而導致ITO導電薄膜脫落。

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