据AIOT大数据的了解，OLED显示技术与LCD显示技术的最大区别，在于LCD是控光层显示，OLED是发光层显示。所以OLED的制造技术，除了每个AM主动驱动的TFT背板结构会按像素数量成倍，工序成倍数增长外，OLED发光层的制造也转换成了半导体制造技术，因此OLED的的制造成本要比LCD高出很多。

从上面也可以看出，要节省OLED面板的成本，除了继续优化TFT背板技术外，发光层的制造成本同样占有重要的地位，甚至是决定OLED产品能否赚钱的关键工序。

OLED发光层的主要制造技术是蒸镀，以及如松下这样的厂商如何利用印刷技术在这部分工艺中做出进一步节省成本的努力，还有索尼是的改良技术等，但最后，仍然是希望能把所有的发光层制造工艺，全部转为印刷技术，从而把成本拉近到LCD控光层的成本水平。

你知道吗？OLED屏幕每个像素“灯泡”都是蒸上去的

那么究竟什么是蒸镀？这得从OLED的结构讲起。如上图所示，典型结构是在ITO玻璃上制作一层几十纳米厚的发光材料——也就是人们通常所说OLED屏幕像素自发光的材料，发光层上方有一层金属电极，电极加电压，发光层产生光辐射；从阴阳两级分别注入电子和空穴，被注入的电子和空穴在有机层传输，并在发光层复合，激发发光层分子产生单态激子，单态激子辐射衰减发光。

这解释得有些复杂了，不过大致上，就是你看到的红绿蓝三个次像素会自己发光。当然了，具体到整块面板，结构也就复杂很多，包括次像素间需要隔离柱、绝缘层之类。AMOLED则还有TFT backplane这种控制每个像素开关的东西。

这种复杂的结构，靠人手用小刀去微雕是不可能的。如果将这些结构付诸实现，就是制造工艺的问题了。OLED的制造工艺涉及到ITO玻璃洗净、光刻处理之类的东西，都需要很高科技，我们一般人没见过的东西去搞定，总之就是通过光刻就能在基板上形成电极图案、ITO图案、隔离柱图案等等——你可以假想成是有人用小刀刻上去的...

随后的工艺部分，在OLED面板的制造上才显得至关重要，即蒸镀。真空腔室内，把ITO玻璃基板放置在可加热的旋转样品托架上，然后放把火在下面烧坩埚（当然不是真的放把火），你看到的发光材料就这么蒸上去了，红绿蓝三色灯泡（当然不是真的灯泡）就这么蒸上去了。

说得高大上一点，蒸镀就是真空中通过电流加热，电子束轰击加热和激光加热等方法，使被蒸材料蒸发成原子或分子，它们随即以较大的自由程作直线运动，碰撞基片表面而凝结，形成薄膜。

可以说，蒸镀是OLED制造工艺的精华部分，而且不仅是发光材料，金属电极等等之类也是这么蒸上去的。虽然我们把蒸镀说得跟蒸馒头一样，但实际操作还是非常复杂的，比如如何控制像素区域，像素要怎么对齐，还有控制蒸上去的薄膜的厚度，什么前处理、蒸镀室的真空度等，都不是我们一般人可以参透的。除了蒸镀之外，随后还有点胶、封装、老化、切割、测试等等过程。

实际上，蒸镀也的确是OLED屏幕成本高的一个重要原因，于是LG买不到太多蒸镀机，自然就搞不定iPhone 8的订单。而即便是Canon Tokki，要消化三星那么多订单，本身也就不是很容易的事情。

蒸镀是OLED的核心工艺之一，也是OLED制造工艺五大步骤的第二个阶段。

［LTPS］→［蒸镀］→［封装］→［单元］→［模块］

如果用LTPS（低温多晶硅）控制发光的各个像素，蒸镀过程则是制造能够产生光和颜色的自发光像素本身。

OLED是由在玻璃基板上发射红色（R），绿色（G）和蓝色（B）的有机发光层，以及用于保护有机发光层的结构组成。 仔细观察有机发光层，可以看到HIL和ETL等辅助层结合在一起。这有助于提高发光效率，使发光效率比仅RGB发出的光更高。

形成有机层的最常用的方法是“蒸镀”。 蒸镀类似于蒸发。

如图1所示，是OLED蒸镀的概念图。较上面是玻璃基板，再由殷钢(Invar Steel,即铁镍合金）制成的FMM(Fine Metal Mask,即高精细掩模版）盖住玻璃，然后一起通过磁铁吸附在上基台上。蒸镀源内放置有机材料，通过电阻丝加热或电子束加热的方式使材料蒸发，再通过FMM进入到规定的像素开口区。这里的TS(Target-Source Distance)就是指蒸镀源到FMM目标的距离，蒸做角为。TS距离一般在400～800 mm不等。如果是同样的点蒸镀源和同样的蒸镀角，TS距离较小时，材料利用率高，PPI时较小，但成膜均一性较差，且SD(Shadow Distance,即阴影距离）较大；而TS距离较大时：成膜均一性会变好，SD会变小，但材料利用率较低，PPI较大。

如图2所示，是FMM蒸镀示意图，FMM的实际照片如图3所示。生产FMM的方式主要有三种，即蚀刻、电铸和多重材料（金属+树脂材料）复合。SD在这里指的就是的和，它会影响PPI，因此越小越好，否则会发生R串色到B的问题。关于图2的详细说明，请参考以下两点：

（1）是蒸镀气体与垂直法线的较大夹角，是FMM二次刻蚀与法线的夹角，是FMM一次刻蚀与法线的夹角，a是FMM和基板间距，b是FMM二次刻蚀深度，c是FMM一次刻蚀深度，d是FMM孔较窄处宽，e是子像素间距，f是FMM二次刻蚀的基准面延伸长度，g是FMM和基板间基准面延伸长度，h是子像素下底间间距。

（2）一般希望，，的值都小一点，这样孔就是垂直的；同时，在a，b，c的值一定的情况下，f和g的值可以比较小；如果h的值也比较小的话，PPI可以做高。

蒸镀必须先在真空中进行，也就是在称为真空室的设备中进行。制造好的大型LTPS背板，在真空室内进行彩色图案化。（在此基板上完成彩色图案制造之后，将根据智能手机的尺寸对单元进行切割和使用。）

一旦LTPS制造好并放置在蒸镀真空室中，然后就是在LTPS基板下面放置精密的金属掩模板（FMM）。掩模板是在薄钢板上有刻有小孔的器件，所以当有机材料蒸镀时，它只能沉积在特定的位置。如果不使用掩模板，则会将绿色和蓝色沉积在红色（R）像素上，这样将无法获得纯色。 因此，在蒸镀过程中不同的时间使用RGB相应位置和形状的不同掩模板。

当掩模板准备就绪时，将蒸发源（如有机材料等蒸发材料）放在其下，并将其加热到适当的温度。当加热开始时，分子单元中的有机小分子穿过掩模并积淀到预期位置。

OLED蒸镀工艺首先在LTPS（低温多晶硅）之上形成有机层。请记住LTPS是用来控制显示器上的像素的开关。在OLED中，发光像素由有机材料构成，这些有机材料通过电信号发光和相应颜色。控制电路信号由LTPS负责，因此LTPS应该与OLED层形成连接，形成方法在“蒸镀”过程完成。

电子从阴极被注入到EIL（电子注入层）中，并通过ETL（电子传输层）到达EML。

类似地，空穴从阳极被注入到相对侧的HIL（空穴注入层）中，并通过HTL（空穴传输层）到达EML。当EML中的电子和空穴相遇时，它们复合然后发出光。

同样的结构，不仅是红色，如果绿色和蓝色的有机发光层都能创造出来，它们被组合以形成单个像素。

基本的OLED蒸镀工艺，首先从去除LTPS（包含阳极）基板上的污垢和杂质的工作开始。在清洗和干燥衬底之后，使用plasma去除阳极残留物质，并且改善从阳极到HIL的空穴注入特性。

然后，全面蒸镀HIL（空穴注入层），然后在蒸镀HTL（空穴传输层）以形成辅助层。

接下来就是实际发光的EML层，需要使用掩模选择性地沉积在期望的位置。

随后，蒸镀ETL（沉积电子传输层）和EIL（电子注入层）以形成电子传输的辅助层，最后蒸镀阴极，从而完成有机发射层的整个沉积过程。

现有主流的AMOLED生产技术还是以蒸镀技术为主, 并依托于蒸镀机、蒸发源和掩模板(FMM or OPM)等设备完成器件的制作。以下将对现有蒸镀技术进行简要讨论。

蒸镀技术简介

无论是用于中小尺寸运用场景的RGB分色 AMOLED显示屏或者是用于大尺寸运用场景的WOLED显示屏, 其制作工艺还是真空蒸镀技术。所以在这些器件中, 如HIL、HTL、EML(R & G & B等颜色)、ETL、EIL、 Cathode和Charge Generation Layer等功能层还是采用真空蒸镀方式、连续地沉积在TFT基板之上。

由于工艺参杂的需要和为了避免交叉污染, 不同的功能层需要在不同的蒸镀机腔体内蒸镀, 同时在蒸镀完成后通过机械手将基板在不同的腔体之间进行转移。

在显示器面板生产中, 材料成膜方式可以大致的分为PVD物理气象沉积方法(Physical Vapor Deposition)和CVD化学气象沉积方法(Chemical Vapor Deposition)。而蒸镀技术是物理气象沉积方法的一种。

蒸镀的原理基本上可以简化为材料受热升华, 其后再在较冷的基板上再沉积的一个过程。当材料被加热分离时,每单位蒸馏面积单位时间(m2s)内蒸发的分子数J和为蒸汽压强、材料的分子质量M和温度T呈现一定的正比关系。 由此可见, 随着蒸汽压的增加, 沉积速度也在增加。同时温度T亦是决定蒸发速率大小的一个重要因素。

蒸镀是OLED的核心，全球蒸镀机（尤其蒸镀封装一体机）生产几乎被Canon Tokki独占。

蒸镀机呈现几大特点：1. OLED工艺标准化程度较低，定制化需求高；2.蒸镀机价格极其昂贵，达到8500万美元；3.蒸镀机产能严重不足，Tokki年产能在10台左右，供给远小于需求。

目前，爱发科、Evatech、Sunic System、UNITEX公司、倍强科技也已实现部分蒸镀设备的生产，但质量和效率远不及Tokki，其可定制化的大型蒸镀封装一体机在全球目前没有竞争对手。

封装工艺种类多，设备向全自动集成方向发展。由于OLED内层结构对水、氧、灰尘极其敏感，封装技术直接决定了OLED面板的寿命，其工艺依赖于材料和设备两方面。

目前可生产OLED封装设备的公司较多：Tokki、ANS、DOV、周星工程、OTBv公司等。随着柔性面板的发展，封装结构也在不断调整，这一过程必将伴随诸多设备更新换代。根据工业生产线向全自动一体化发展的趋势，未来的封装设备会与蒸镀/打印设备集合为一体。

然而除了把灯泡“蒸”出来 还可以选择“印”出来

上面提到的这种高端大气上档次的“蒸镀”法，主要应用于RGB三色排列的典型OLED屏幕。三星的诸多OLED电视产品都是基于这种方法蒸出来的，效果很不错，三原色都非常纯粹，但成本可观。这类蒸镀所用的技术叫FMM，精细金属掩模板，就是蒸镀的时候为了区分像素，盖个掩膜，所以怎么对齐，以及掩膜材料本身都会成为技术难点。

1998年，Hebner等人首次利用喷墨打印技术制备掺杂的聚合物发光薄膜及PLED显示屏。同年，Bharathan和Yang等人利用Epson桌面印刷设备喷墨打印了水溶性导电墨水PEDOT，制备了单色PLED电子标签。

1999年，他们同时使用旋涂与喷墨打印两种工艺成功制备了双色PLED显示屏，并在美国SID上展示了第1台使用喷墨打印技术制作的全彩PLED显示屏，自此之后，美国Dupont显示公司等多家研发机构，使用喷墨打印技术先后研发出了各自的全彩PLED显示屏。

2000年，Kodayashi等人[22]利用Epson设备，在旋涂了电子传输材料聚二辛基芴(F8)的基板上，打印红、绿发光聚合物材料——对苯乙烯撑(PPV)溶液，他们成功地把发光材料印刷到薄膜晶体管上，并显示红、绿、蓝彩色图像。2002年，Duineveld等人报道了基于喷墨打印制备的真彩色80ppi的有源(AM-PLED)和无源PM-PLED显示屏。

2004年，SeikoEpson公司使用拼接技术制成了对角线102cm，厚度仅2.1mm，寿命达2000h以上的喷墨打印全彩色PLED显示屏。

2010年，Singh等人制作了基于喷墨打印技术的OLED显示屏，发光材料是含铱原子的大分子磷光染料，空穴传输材料为聚(9-乙烯咔唑)，电子传输材料为PBD。他们制作的喷墨打印显示屏最大发光亮度达6000cdm-2，开关电压较低为6.8V(5cd·m-2)，量子效率相对较高为1.4%。通过改善染料化学结构和印刷薄膜的形貌，他们获得了最大发光亮度为10000cd·m-2的结果。

最近几年，人们为提高显示屏的像素分辨率、薄膜均匀性和延长寿命等做出了大量的努力，喷墨打印沉积光电材料的研究越来越活跃，而且证明了显示屏的空穴传输层、发光层以及阴极材料，都可使用喷墨打印技术制备，为全印刷显示屏的实现打下了基础。

虽然高效率、可打印的聚合物发光材料已有较大发展，喷墨打印设备以及相关成膜工艺，基本上都能满足制备高分辨率显示屏的要求，然而，发光聚合物的性能仍然需要研究者继续努力，开发出发光效率更高、寿命更长且成本低廉的聚合物材料，才能满足日益增长的市场需求。

实际上，人类为了控制成本，OLED电视不止上述一种，有一类蓝光+色变换层：这种方案只需要蒸镀蓝光OLED元件，经过变换层将光转为RGB三色，这类技术受到色彩转换器开发难度的限制，并未被大规模采用。

还有一类OLED电视是白光+三种彩色滤光片，原理上和LCD液晶面板有些类似，以白色为背光，再加彩色滤光片——这种方式在成本上显然就低了很多，LG就曾推出过这种类别的OLED电视，白光OLED+彩色滤光片也一度被认为是OLED进一步实现低成本的方案。只不过加上滤光片，透光率光色纯度都更成问题，所以亮度、对比度、色彩、节能表现理论上都不及RGB OLED。至于还有像是LG的WRGB OLED之类，这里就不再做细致的讨论了。

松下认为，最后这一种方法存在画质牺牲，成本也不见得多低，还是RGB OLED靠谱，但是FMM蒸镀成本又很高。所以他们在2013年的CES展会上，展示了一种采用自主研发“印刷”工艺的、而且据他们自己说是当时全球最大4K OLED电视（56寸）。

其实“印刷”技术不算新鲜，LCD液晶屏广泛应用这种技术，像LCD所用的彩色滤光片，RGB三种颜色色块就是犹如喷墨打印机一样印刷上去的。只需要确定RGB三个次像素之间的点距，就可以开始印刷啦：松下针对OLED的印刷技术是直接在大尺寸的玻璃基板上涂色，相比FMM蒸镀，不需要高温真空环境，制造工艺要求低不少，成本也自然就更低了。

这种工艺实际上也并非尽善尽美，尤其蓝色材料效率与寿命是个大问题。这也是在很多人看来，为什么松下的这类电视会有偏黄的原因所在。当年的CES展会上，就有人提出过这个问题。

日本的许多企业似乎有意这种技术。三菱化学就在开发“印刷方式”生产OLED面板的新材料，据说他们的“印刷”方式相比“蒸镀”，可将材料费控制在1/10，这无疑是生产成品的大幅降低——而且此前并没有微米单位的细微喷涂技术，三菱化学开发出了能被薄薄地准确涂在狭小面积上的新材料。

索尼的改良：把蒸镀与印刷结合起来

其实FMM蒸镀和印刷（或者叫湿法制备）并非这道工序中的唯二解决方案，还有激光转印这样的方案（虽然也需要蒸镀）。不过印刷是当前最具诱惑力的一种技术，因为成本低、效率高，也是未来生产柔性OLED最理想的技术。

索尼瞅准了这一点，不过显然也已经发觉了蓝色发光材料的问题。所以索尼想到了将蒸镀和印刷结合起来的方案，红绿蓝三色发光材料也就有了上图这种比较奇特的立体排列造型。

简单说来，就是先将蓝色涂料涂上形成通用层，再将红绿两种颜色先印刷、再蒸镀连接，按照上面这样的设计制造能够保证蓝色材料的寿命和发光效率。所以同在CES 2013展上，索尼同样也发布了全球最大OLED电视（貌似相比松下还在前面多加了个first的单词）。

据说采用这种工艺达成的索尼电视，完全不存在偏色的问题，甚至在观感上，能够超过成本更高、只采用蒸镀的三星、LG一类韩系电视厂商。松下和索尼早在2012年时就在TFT部分有合作，所以两者同推印刷OLED电视，而且同时全球最大尺寸，看起来也就不奇怪了。

随我们上述提到三菱化学这类日系厂商的努力，单有机成膜技术这一块，或许随着印刷技术在墨水材料、印刷设备和工艺控制等方面的进一步改善，OLED降低成本是指日可待的，即便当前OLED电视产品的价格还是颇高，毕竟有机成膜并非OLED制造中的唯一部分，比如封装也在其中起着至关重要的作用，这就是另外的篇章了。

正在试产的印刷OLED技术

(BOE京东方)

最近几年随着喷墨打印设备和溶液型AMOLED材料性能的不断进步，喷墨打印AMOLED的技术开发不断受到业内关注。

喷墨打印制程工艺是将数十兆分之一升（皮升）的溶液（通常在一皮升到几十皮升之间），以每秒数百次以上的频率喷洒在特定的对象上，然后将溶剂去除形成干燥薄膜的成膜制程技术。比起传统真空蒸镀制程，其材料使用效率大大提升，此外，由于器件结构简单，没有Mask对位等问题，理论上良率也可大幅度提升。

如下是常规的OLED器件结构示意图，目前的喷墨打印技术主要是替代OLED的底层，后面几层仍然是采用蒸镀制程。这主要是考虑到各层材料在成膜工艺中之间的互溶等工艺问题，现在还难以做到全部替代。

喷墨打印关键设备构造

喷墨打印技术有两种基本类型：连续式喷墨 (CIJ)和按需式喷墨 (DOD IJ)。连续式喷墨技术多用在喷码机、部分数字印刷机领域，本文不做详述。DOD模式具有液滴尺寸小，墨滴落点精确可控等优点，使其更易在图形化要求高的领域得到应用。在AMOLED显示领域，DOD模式的喷墨打印技术可以以0到25kHz的频率分散出150μm（液滴直径） 甚至小至15μm的液滴。按需式喷墨头从工作原理上主要分为压电式、静电式、热发泡式、超声波式4种，目前业界主要使用的是压电式。

以下对其进行简要介绍：

为了更好理解按需式喷墨头的工作原理，首先介绍压电式喷头的构造，下图是一个常规的压电式喷墨打印头的内部构造示意图。压电元件（通常为陶瓷材料）以水平片状形式封装在振动板（同时也是隔膜）上，电极沉积在压电元件上下两面，电场方向与压电元件的极化方向平行。当电极两端施加电压时，压电元件弯曲，导致振动板向压力腔内部弯曲，将墨水从压力腔中挤压出去。电压释放后，振动板恢复原状，墨水容腔增大，墨水向回收缩，斩断墨水，形成墨滴喷出。每个喷头通常包含有多个（如128或256等）等间距排列的喷嘴，每一个喷嘴的至少一个腔壁覆盖有压电材料薄膜，工作时，压电材料薄膜由于逆压电效应，将施加在其上的电脉冲信号（即电能）转化成机械能，从而完成吸墨、喷墨的过程。由于压电元件的形变程度与驱动电压成正比，通过电压波形控制，能较容易地改变墨滴大小和喷射速度。

影响喷墨打印OLED品质的主要因素

利用打印方式制备有机电致发光器件的工艺中，影响屏幕点亮效果的两个最重要的因素就是干燥后的薄膜形貌和厚度均一性。

影响形貌的因素是隔墙的材料属性和结构、界面处理工艺、墨水特性以及干燥工艺等；而厚度的均一性差异则主要取决于不同喷头的液滴体积的均一性控制。设备、材料、工艺等都会对如上的多重因素造成影响，因此要达到良好的整屏点亮均一性效果，具有很大的难度。

如下图所示，点亮的OLED瓶上沿着打印方向有一系列的明暗亮度不一的条纹，其主要是由于喷嘴间的喷墨体积不一致造成的一种显示mura，业内称之为Suji mura，其通常为像素级别的宽度。研究发现，通常当相邻子像素间的墨滴体积偏差大于0.5%以上就可以在点亮产品上看到Suji mura。

对于喷墨打印技术来说，Suji mura是非常常见的，也是必须要克服的。其产生的原因比较明确，但是解决起来却较复杂。主要和喷头液滴体积的精确控制能力以及打印方式有关。液滴体积的精确控制，一方面要求喷头的加工精度必须很高，所有喷嘴本身加工精度偏差必须在一定范围内。另一方面，还必须通过电压波形的调节对每个喷嘴喷墨的体积进行校准，使其达到一定的偏差范围内。

Swath mura及产生原理示意图

作者简介：代青，博士，高级工程师。2011年毕业于中国科学院理化技术研究所，现就职于BOE。入职以来一直从事AMOLED溶液制程，尤其是喷墨打印技术相关的研究工作。

OLED喷墨打印工艺介绍

目前，全球大尺寸OLED显示面板生产商主要有韩国LG Display、三星Display、京东方、华星光电四家：

相对于蒸镀工艺大尺寸OLED面板，喷墨打印工艺最大的优势是尺寸局限性较小。对于蒸镀工艺，大尺寸的掩模板会因为重力原因产生形变，从而产生像素不良，而喷墨打印工艺理论上则完全没有这个限制。

OLED喷墨打印工艺主要是使用溶剂将OLED有机材料融化，然后将材料直接喷印在基板表面形成R(红)、G(绿)、B(蓝)有机发光层，今天为大家准备的内容就是喷墨打印过程中的材料以及其工艺方法、优势、难点剖析。

喷墨打印聚合物材料

由于聚合物分子量较大，主要采用溶液加工成膜，如旋涂或印刷，而喷墨打印技术被证明是制备发光聚合物溶液的最佳方法。1990年，RichardFriend等人在剑桥大学卡文迪许实验室发现聚合物的电致发光特性，并制作了聚合物发光二极管(PLED)，此后，PLED显示引起了人们极大的关注，被认为是最有希望应用于制造下一代平板显示器。

喷墨打印小分子材料

目前，聚合物发光器件(PLED)的效率(6～8cd/A)和寿命一般较低，而小分子发光器件(SM-OLED)具有明显的性能优势，如高效率(84cd/A)和长寿命等。PLED在应用上仍然存在局限性，而通过热蒸镀工艺加工的多层磷光小分子发光显示器件(SM-OLED)可达到更高的效率。

Xia等人把这些传统的热蒸镀小分子材料，通过喷墨打印的方式制作薄膜，并制备出性能较好的磷光小分子发光器件，喷墨打印小分子的研究也因此引起了人们更多的关注。

获得高质量的功能薄膜是制作高效率、长寿命器件的必要条件。但一般的小分子材料成膜性较差，液膜在基板上干燥过程中，容易发生去润湿而形成不连续的薄膜，对此，可以通过两种途径来提高小分子自身的成膜性。一是增加分子体积和烷基链长，设计合成溶解性和成膜性好的分子;二是向小分子材料中添加聚合物材料来提高成膜性。

此外，改变基板表面的物理化学性质，同样可以提高材料的成膜性Sirringhaus等人在疏水材料图案化的亲水基板表面喷墨打印水溶性材料，获得了高分辨的聚合物电极。Hendriks等人在热压雕花基板表面打印制作纳米银墨水导线，接触角较小时，墨水通过毛细作用会被吸入通道。因为小分子溶液的流体特性主要取决于溶剂的性质，虽然人们大量研究了溶剂对小分子成膜性的影响，但是溶剂对小分子成膜性的影响是十分复杂的。

喷墨打印阴极

与蒸镀小分子原理相同，OLED器件的阴极一般也是通过真空蒸镀工艺制作，而用到的蒸镀设备和掩模板比较昂贵。用喷墨打印技术制备阴极，可大幅度降低成本，最大的难题在于大面积均匀成膜。在全印刷工艺制备OLED显示屏的研究中，关键是可印刷阴极墨水的开发和大面积成膜技术的实现。其难度主要在于：必须保证阴极材料与有机功能层的亲和性，确保印刷的阴极能稳定成膜;必须保证印刷图案的精细度，确保显示图像的高分辨率;必须避免阴极胶浆对底层的破坏;必须保证载流子的有效注入，以确保的高亮度、高效率的显示性能。

喷墨打印OLED显示屏工艺喷墨打印功能薄膜时，液滴间距(μm)和液滴体积(pl)需达到较高的精度才能满足薄膜的均匀性和厚度的要求。液滴定位或体积的微小变化，都有可能引起显示屏像素坑发光亮度不均匀甚至短路完全不发光，从而导致OLED显示屏出现大量缺陷。

OLED功能层不仅要求膜厚均匀，而且还要保持其自身的光电特性，所以薄膜形成过程中溶剂必须干燥去除;同样，墨水中的其他添加剂也必须去除至含量最低，以免影响有机半导体薄膜的性能。因此，喷墨打印制备OLED显示屏技术的发展，不仅带动了喷墨打印机/打印头的发展，也引起人们对墨水配方、墨水/基板界面接触特性以及干燥过程等课题的高度重视和深入研究。

像素坑尺寸与喷墨打印液滴的计算

OLED显示屏由像素阵列组成，每个像素又由红、绿、蓝3色的子像素坑组成，一般其几何形状为下图所示的圆角矩形。

而像素坑的尺寸和个数是由显示屏的应用特点决定的：

对于高清电视机(HDTV)，在像素阵列为1080×1920、尺寸为94～165cm的规格下，子像素坑的尺寸分别为140和250μm;而对于移动设备如智能手机，其像素为广视频图像阵列(WVGA，480×800个像素)，7.37～9.65cm的规格下，子像素坑尺寸分别为26μm和35μm。

由于彩色显示屏相邻的子像素坑发光材料的颜色不同，印刷时必须防止溶液溢出到相邻像素坑中，所以在像素坑之间需要创建出低表面能的隔离区，一般使用光刻胶树脂做隔离材料。

向像素坑中打印墨水时，首先要考虑墨水体积是否满足薄膜厚度的要求。

由于像素坑的面积和深度是一定的，墨水体积既要铺满像素坑，又不能溢出像素坑，所以打印墨水的体积是有限的。

假设把浓度为1%(质量分数)的墨水印刷到像素坑中，要求薄膜厚度是70nm。小像素坑的最大容积小于满足厚度需求的墨水体积(设液体与基板接触角为70°)，即墨水填满像素坑后最大膜厚仍然小于70nm，说明墨水中固体含量过低，需要增加墨水的浓度并降低印刷体积。大像素坑中达到70nm膜厚所需要的墨水体积小于最低润湿体积(设墨水与基板的接触角是15°)，即墨水不足以铺满像素坑，说明墨水中固体含量过高，需要降低墨水的浓度并增加印刷墨水的体积。在墨水浓度和液滴体积都确定的情况下，可根据膜厚要求计算每一像素坑需要的墨水体积和墨滴数量。由于液滴体积是由打印头直径决定的，则可以根据像素坑的尺寸需要选择相应的直径的打印头，像素坑尺寸越小，选择的打印头直径越小，技术要求也越高。

墨水成膜过程控制

喷墨打印OLED显示屏的溶液主要是由光电材料和溶剂等组成，需要从流体特性、铺展程度和干燥成膜几个过程考虑墨水的配制：

确保墨水的稳定性，要求溶质的溶解度高或分散均匀，保证液滴稳定以及材料在基板上成膜均匀;

溶液的流变性(粘度，表面张力及剪切速率)需满足喷墨打印设备的要求，并能够形成稳定的液滴，包括液滴无卫星点、重复性好、定位精确等;

溶剂不能挥发得太快，防止干燥后的溶质堵塞打印头导致打印失效。

墨水的可打印性主要是由粘度、表面张力和剪切速率变化量决定的，而分子结构和分子量、固体含量以及选择的溶剂是影响这些物理参数的主要因素。

喷墨打印设备对墨水粘度的要求一般在1～20cP之间。对于聚合物墨水来说，溶质含量越高墨水粘度越大，固体含量一般在0.2%～2.5%(质量分数)之间;对于小分子来说，溶质含量对溶液粘度的影响很小，一般通过选择高粘度溶剂和加入添加剂等方式提高溶液的粘度;溶剂的沸点和表面张力决定墨水的干燥速率及其对基板的润湿性，所以需要选择物理性质适当的溶剂，达到控制溶质在像素坑中的成膜形貌的目的。

墨水在像素坑中铺展的理想情况是：

液体与像素坑基板接触角小，同时与像素边沿接触角大，以保证液体在像素坑之内不会溢出。这种润湿特性是通过对像素基板(如ITO)和其边沿材料(如PI)表面进行处理获得的，包括修饰基板材料的结构、制作基板的工艺及表面处理(如等离子、臭氧或溶液处理等)。液滴在铺满像素坑之后，干燥成膜过程可以用Deegan等人提出的“咖啡环”效应来解释：液滴在基板上铺展时，表面缺陷等原因会引起溶质在接触线处发生“钉扎”作用，液滴会继续保持此铺展形状，由于接触线处溶剂挥发速度快，溶液会从液滴中部向液滴边缘转移补偿挥发掉的溶剂，最终溶质在基板上沉积形成边缘厚中间薄的不均匀薄膜，即“咖啡环”。

通过加入高沸点溶剂的方法，可降低接触线处溶剂的蒸发速率，还可以形成向内的Marangoni流，使得溶质均匀沉积。上面的图b是白光干涉的三维像素坑照片，从均匀的颜色可看出墨水形成了厚度均匀的薄膜。可以利用白光干涉仪测量沿着像素坑某一方向(长轴或短轴方向)的薄膜厚度分布图。下面两张图是PEDOT：PSS墨水在像素坑中干燥的薄膜沿某一方向的厚度分布图，图a是喷墨打印单一溶剂墨水的结果，薄膜中间均匀、边沿突起，形成了咖啡环结构;

为了抑制这种溶质的不均匀沉积，喷墨打印了重新配制的PEDOT∶PSS墨水(加入高沸点溶剂)，边沿墨水干燥时间变长，最终形成了下图b所示的膜厚均匀的分布曲线。

液滴定位偏差与控制

喷墨打印机/打印头的重要技术指标包括液滴的定位精度，喷墨液滴体积，印刷可靠性和产量等。液滴下落的目标位置由显示屏的几何图案确定，液滴体积主要由打印头直径决定。由于显示屏的像素尺寸一般在微米量级，分辨率越高要求液滴的体积越小、定位越精确。比如在像素分辨率为100～150ppi(子像素大小约为85～55μm)，35.56cm的彩色显示基板上沉积1～2千万个直径约25μm液滴，液滴定位稍有偏差，就可能引起整个像素基板的印刷错误，所以要求打印头尺寸为10pl左右，液滴下落精度在±10μm内，才能获得印刷定位精确、高分辨率的器件。液滴定位偏差主要是由打印平台的机械偏移和液滴在打印头出口的偏移角度引起的。用于制造喷墨打印显示屏的设备一般都具备专业的高精度印刷平台(如气浮轴承平台)，其可以达到机械位移精度的要求。

而液滴在打印头出口处的偏移角度受由打印头的设计和墨水的配方影响，因为用于生产显示屏的打印头都是经过专门设计制造的，对液滴偏移影响越来越小，液滴偏移角一般不超过10mrad。通过打印头的设计和墨水的优化，液滴偏移角度可达±2mrad，对应的印刷分辨率则可达到200ppi。此外，通过优化墨水的化学组成、调控基材表面的化学组成或物理结构等方法可以减少喷射墨滴的尺寸或者控制墨滴在基材表面的铺展润湿行为，也可以有效提高喷墨打印的分辨率。在制作OLED显示屏中，这些提高印刷分辨率的方法都是非常重要的。

基板结构设计

下图是传统的无源有机发光显示屏(PM-OLED)基板(图A，B)和改进的基板(图C)的结构图。其基板是由透明衬底①、电极②、绝缘层PI③、隔离柱RIB④依次层叠构成的(图A)。

该基板结构虽然解决了使用蒸镀掩模板的高成本问题，但该基板用于全溶液加工技术制备显示屏面临以下3个问题：

隔离柱RIB④影响功能薄膜的质量;功能薄膜的不均匀性容易引起阴极的断裂或气孔的出现，导致显示屏出现断路或短路;电极②被刻蚀成条状，增大了透明电极的电阻，易引起器件电流注入困难和显示屏电流密度减小，导致显示屏驱动电压增大，发光亮度和发光效率降低。Zheng等人设计了新型的适合全印刷的点阵显示屏基板：在传统基板结构(图3A，B)的基础上，取消隔离柱RIB④，在经过简化的无隔离柱RIB④的基板上，制备减少甚至无缺陷的全印刷有机电致发光点阵显示屏;从加大电极条②的宽度(图C)和发光区内引入高电导率导线(图C)，从这两个方面优化基板结构，实现高亮度、高效率、长寿命、低成本的有机电致发光点阵显示屏。

行业难点

一、高解析度打印技术难点

目前，有报道的打印OLED产品最高解析度是400ppi，由BOE公司制作，产品尺寸为5.5inch柔性显示屏。影响打印解析度提高的主要因素是设备能力。影响设备精度的原因可以分为两部分，一部分是设备的对位及运动精度，另一部分是打印喷头吐出墨滴体积的大小。

a）设备运动系统限制

打印设备的主要结构如图表20（a）所示，打印设备主要包括工作台（Stage）和供液系统。设备的Stage是用来承载玻璃的，Stage可以在一定范围内转动（±5°），也可以在Y方向上进行移动。设备的供液系统是给喷头提供墨水的结构，在其最下方挂载喷头。设备的供液系统包括墨水瓶、过滤装置、脱泡装置和注射装置（syringe）等，墨水进入 syringe装置后就可以进行打印了，通过喷头将墨水打印在基板上。供墨系统和喷头可以整体在X方向移动，这样，通过喷头和Stage的配合移动实现在基板上的整面打印。设备对位系统主要是为了调整打印喷头和Stage之间的相对角度和位置坐标，由对位标记（mark）标定，标记图形如图20（b）所示。通常情况下，为了满足高精细打印，要求运动马达的精度要小于1μm，这样才能保证喷头调整时具有最小的相对误差。对于喷头的对位精度，通常也是要求小于1μm，甚至是0误差，这对镜头的解析能力和软件的图形识别能力提出了很高的要求，只有做到了极小的误差，才能确保喷头在长程运动时不把误差放大。

图表20:（a）打印设备结构示意图;（b）对位mark

b）打印喷头限制

打印喷头吐出墨滴的能力是制约产品解析度提高的另一个重要因素，通常情况下，打印喷头吐出的墨滴体积范围是1~50pL，墨滴吐出越大，喷头制作难度越低，喷墨越稳定，但是只能应用于低解析度产品。反之，喷墨体积越小，喷头制作难度越大，喷墨稳定性也下降，而且很容易出现喷头堵塞的现象，但却是制作高解析度产品的必须条件。以10pL喷头为例，说明墨滴体积对打印精度的影响。图表21中以300ppi的像素尺寸为例，像素的长边长约为75μm，短边长度为25μm。10pL喷头吐出的墨滴体积为8pL，相当于直径24μm的球体。每个喷头中含有256个Nozzle，不同Nozzle吐出的墨滴位置差异范围是±10μm，这样，考虑到墨滴的直径和墨滴落点的差异，Pixel的短边宽度应不小于42μm（喷头打印方向是长边方向），再考虑到Bank占用的宽度，Pixel的短边尺寸因不小50μm，这种情况下，产品的解析度在160ppi左右。

图表21:300ppi像素尺寸

图表22:10pL喷头墨滴体积及落点精度示意图

二、实现高解析度打印的方法

a）提高设备的硬件能力

打印设备的主要瓶颈是在打印喷头的设计和与之匹配的供墨系统设计，要实现产品解析度的提高必须要先提高打印喷头吐出墨滴的解析度。下图在多个维度上给出了喷头和产品尺寸，产品解析度，产品规格及产线基板尺寸的关系。从图表可以看出，要实现产品解析度的提高，必须降低墨滴的吐出体积，而墨滴的吐出体积减小后，考虑到墨滴的稳定性，能够对应的产品尺寸相应的减少，对应的产线基板尺寸也变小。相反，墨滴的体积变大，产品解析度下降，但是可以对应较大尺寸的产品和较大的产线基板。

图表23:打印喷头规格及相应的产品和产线对应图

b）在像素设计上做调整

除了提高打印设备的能力，优化像素设计也是一种实现高解析度打印的重要手段。对于像素设计的改进可以通过以下几种方式。

首先，可以将原本是单个的亚像素（Subpixel）修改为以行或者列为单位的像素排列，这样，我们在打印时不再是逐个Pixel的打印，变为逐行打印，降低了打印的难度，提高了打印的解析度。

其次，我们可以将几个相邻的Pixel作为一个打印Pixel，相当于实际打印的Pixel面积放大了很多，打印的难度随之降低，打印解析度也随之提高，再通过特殊的像素显示方法，实现全彩显示。

此外，还可以设计其他非常规的像素排列方式，通过像素排列方式的改变，增加实际打印的Pixel的面积，以便在提高解析度的同时，降低打印的难度，再通过相应的算法，实现全彩显示。

以目前的技术条件，通过提高设备能力和重新排布像素结构都是提高产品解析度的有效方法，相对于提高设备能力，进行像素结构重新设计要容易一些。

三、喷墨打印OLED显示面板的优势

a）成本优势

相对于蒸镀技术，打印技术的成本优势是很明显的。首先，与蒸镀技术相比，打印技术非常节省材料，几乎所有的材料都打印到了Pixel中，材料的利用率是极高，而且，因为材料浪费很少，所以由材料造成的设备污染也非常的低。

b）工艺难度低

打印产品的主要难点在打印设备，如果打印设备能够做到足够的精准，打印工艺就会变得相当的简单，如同现有的曝光设备一样，只要我们输入产品的图纸信息，做好对位工作，就可以得到我们想要的图案。我们所需要做的就是控制好墨水的滴入量和墨水的浓度，选择合适的墨水干燥条件，相比于蒸镀设备的膜厚监控和FMM mask对位，难度降低了很多。

c）设备和运营成本相对较低

众所周知，蒸镀技术对于真空度的依赖是很高的。为了实现高真空，一方面对蒸镀的腔体提出了很高要求，另一方面有对真空泵的性能也提出了要求。此外，由于更换材料和设备维护又需要破真空，不利于产品的连续生产。打印技术则不同，首先打印设备不需要在真空环境中工作，甚至很多材料都不需要在氮气环境中使用，这种情况极大的降低了设备的运行成本和维护难度，利于量产。

d）产品的大尺寸化

蒸镀技术由于受到Mask的制约，很难实现产品的大尺寸化，除非采用WOLED的方法。打印技术则不同，产品尺寸越大，较小的解析度就能实现较高的产品分辨率，而且，产品尺寸放大后，需要的解析度变低了，工艺难度不是提高了，反而是降低了。我们需要做的就是增加机台的尺寸和打印喷头的数量。

全球OLED设备制造商发展概况

一般而言，OLED制造设备主要包括：有机蒸镀和封装等无源有机发光显示（PMOLED）用关键设备，溅镀台、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）系统、真空热蒸发系统（VTE）等AMOLED用薄膜晶体管（TFT）薄膜沉积设备，涂胶机、曝光机、干湿法刻蚀机等AMOLED用TFT图形制作设备，退火炉、退火气体管道、激光退火设备等AMOLED用TFT退火设备，TFT电学测试设备、OLED光学测试设备等AMOLED用检测设备，激光修补机等AMOLED用缺陷检测修补设备等。如下表所示，全球OLED设备制造商主要包括日本Tokki、Ulvac、Evatech公司、Anelva Technix、岛津（Shimadzu）公司、精工爱普生（Seiko Epson）、凸版印刷（Toppan Printing）、大日本印刷（DNP），韩国Sunic system、Advanced Neotech System（ANS）、Doosan Engineering&Construction（斗山工程建筑公司）、Digital Optics &Vision（DOV）、Viatron科技（ViatronTechnologies）、STI公司、周星工程（Jusung Engineering）、McScience公司，美国科特•莱思科（Kurt J.Lesker）、Rolltronics公司、整体视觉（Integral Vision）公司、MicroFab公司，德国爱思强股份有限公司（Aixtron AG）、M布劳恩（Mbraun）公司，荷兰OTBv公司等。

全球OLED设备制造商一览表

资料来源：工业和信息化部电子科学技术情报研究所资料搜集整理

被抛弃的BCL喷墨打印OLED技术特点

三星与LG Display此前商讨在有机发光二极管（OLED）喷墨打印工序中使用“Blue Common Layer（BCL）”技术，但目前已经决定不使用该技术，而是研发出可以打印出红色、绿色、蓝色发光材料的喷墨打印技术，大幅降低大面积OLED生产费用。

BCL技术是一种将喷墨打印技术与现有OLED蒸镀技术相结合的混合技术。发光层中的红色与绿色材料可通过喷墨打印机打印，但蓝色材料要使用Inline设备蒸镀。

该技术一直被看作是解决喷墨打印发光材料中蓝色材料寿命问题的方法。目前正在进行喷墨打印发光材料开发的美国The Dow Chemical Company、德国Merck、日本住友化学等三家公司都没能完全解决蓝色材料寿命问题。

红色与绿色材料即使通过喷墨打印机打印，与蒸镀材料相比，其寿命也不会缩短太多。但蓝色材料通过喷墨打印机打印后，其寿命不及蒸镀材料的70%。使用喷墨打印机打印完红色与绿色材料后，再将蓝色层蒸镀上去，可以保证红色、绿色、蓝色材料的寿命。

BCL技术可以解决蓝色材料寿命问题，但两家公司还是决定不引进该技术，其原因主要是使用该技术后，喷墨打印工序节约成本的效果会大打折扣。

完全使用喷墨打印技术生产出的OLED（左图）与使用BCL技术生产出的OLED（右图）。蓝色材料以后的部分（ETL、EIL）均需使用蒸镀设备，工序效率降低（图片来源：韩国《KIPOST》）

蒸镀蓝色材料后，还需利用真空设备在蓝色材料上蒸镀电子传输层（ETL）与电子注入层（EIL）。喷墨打印的有机材料实际贴合率为90%以上，但蒸镀的实际附着率仅为10%-20%。剩下80%的有机材料会附着在Chamber壁上或Mask上。这也是OLED生产成本上升的原因。

投资效率较低的蒸镀工序增加，这使得引进喷墨打印技术的初衷黯然失色。位于红色、绿色发光材料之上的蓝色层还会降低发光效率。业界相关人员表示“如果提高BCL的电子移动速度，使其快速通过蓝色层，应该不会出现混色的可能”，“但因为覆盖着有机物，所以对效率有影响”。

蒸镀设备使用将大幅减少

因此三星与LG Display计划研发出可以打印蓝色层、ETL、EIL的喷墨打印机。在没有研发出完全意义上的喷墨打印技术之前，不会进行量产。

目前Samsung Display从美国Kateeva引进喷墨打印机进行研发，LG Display则从日本Tokyo Electron引进喷墨打印机进行研发。

LG Display计划在京畿道坡州新建的P10第一条产线上以及中国广州第8代OLED产线上构建蒸镀工序。

一旦喷墨打印工序可以用于量产后，今后在TV用OLED产线上，将很少使用蒸镀设备。