彩色濾光片實(shí)現(xiàn)OLED彩色化的瑕疵分析

關(guān)鍵詞： OLED , 彩色 , 瑕疵

自1987年Tang等首次制成低壓直流驅(qū)動(dòng)的有機(jī)電致發(fā)光顯示器(OLED)[1]以來，其性能得到長(zhǎng)足進(jìn)步。現(xiàn)在OLED已從實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)了生產(chǎn)廠房，各種單色、全彩的器件應(yīng)用于手機(jī)、MP3等便攜式數(shù)碼產(chǎn)品上，其批量制造工藝日臻完善。而目前實(shí)現(xiàn)全彩OLED的顯示技術(shù)主要有：RGB 三色排列;白光+彩色濾色膜(CF);藍(lán)光+色變換層(CCF) [2]。而作為基于液晶全彩化的方式，白光+彩色濾色膜CF技術(shù)已經(jīng)投入了大量的研究開發(fā)，并實(shí)現(xiàn)了部分商品化。

　　OLED全彩化技術(shù)

　　實(shí)現(xiàn)OLED彩色化的主要方法有三種(如圖1所示)：RGB三色排列發(fā)光法、白光OLED[3]+CF法、藍(lán)光+色變換層(CCF)法[4]。

　　目前OLED量產(chǎn)化中采用較多的是RGB三色排列發(fā)光技術(shù)，但對(duì)設(shè)備要求較高，對(duì)位精度的誤差要求也十分嚴(yán)格，制造成本較高。此外由于三種RGB發(fā)光材料的不同，發(fā)光材料的衰減周期不同，導(dǎo)致了RGB三基色壽命長(zhǎng)短不一、三基色色彩飽和度間的差異和解像度高低的不同。

　　白光+CF法制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，白光OLED技術(shù)和現(xiàn)已在液晶應(yīng)用上已非常成熟的CF[5]技術(shù)結(jié)合起來，被認(rèn)為是較容易和較經(jīng)濟(jì)的OLED彩色化方法。由于采用單一白色光源，因此理論上RGB三原色的亮度壽命相同，沒有色彩失真的現(xiàn)象。制程上則不需要考慮屏蔽對(duì)位的問題，并增加了畫面精細(xì)度，回避了OLED的RGB三色排列發(fā)光法生產(chǎn)過程中的種種困難，把難題轉(zhuǎn)移到已經(jīng)相對(duì)成熟的CF上，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)制程，從而使投資減小，使經(jīng)濟(jì)和性能良好的彩色OLED的實(shí)現(xiàn)成為可能。

　　藍(lán)光+色變換層法是以制備藍(lán)光為發(fā)光主體，而后再加色變換層陣列使部分光轉(zhuǎn)換成紅色和綠色，從而獲得全彩色。該方法制程在材料的選擇上也較容易。但該方法的缺點(diǎn)是需要發(fā)光效率和色彩度都好的藍(lán)光，目前還未進(jìn)入到生產(chǎn)化階段。

　　OLED器件除了ITO陽極，包括有機(jī)材料等和金屬陰極僅有200~300nm左右厚度，其間沉積了注入層、傳輸層和發(fā)光層等小分子有機(jī)膜，這些有機(jī)膜和金屬膜都是在ITO表面上通過真空蒸發(fā)方式依次沉積的[7] (圖2)。

　　而作為白光+CF的方式，其基板要把RGB像素陣列、OC層、ITO膜、金屬輔助電極膜依次旋涂和磁控濺射沉積到玻璃基板上，這比玻璃基板上直接沉積ITO膜和金屬輔助電極膜難度大很多，降低表面粗糙度上更是困難。一般應(yīng)用于液晶的CF的基本規(guī)格如下，BM層為1.6±0.3mm，RGB層為2.3±0.3mm，OC層為2±0.3mm，可以看到對(duì)于其厚度已經(jīng)有了近300nm的均勻性的誤差，由于一般液晶層厚只有10mm左右，基片不平整對(duì)于液晶層厚度的不均勻來說，對(duì)整個(gè)液晶顯示器的質(zhì)量沒有太大的直接影響;而對(duì)于OLED器件，其薄膜也只有約200nm左右的厚度，即使最后的濺射ITO可以對(duì)其表面進(jìn)行一定程度的修飾，并進(jìn)行拋光處理，整個(gè)CF表面仍有一定程度不均勻性，很難滿足OLED苛刻的表面平整度的要求。

　　另一方面，OLED器件對(duì)潮氣特別敏感，防潮問題對(duì)壽命影響非常明顯。如果有水氣聚集在電極附近，那么電流驅(qū)動(dòng)的OLED器件中的有機(jī)層和金屬電極都將會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生劇烈變化，結(jié)果是器件迅速老化，因此OLED防潮問題比LCD嚴(yán)重得多。對(duì)于CF來說，其RGB BM層使用的就是有機(jī)物的結(jié)構(gòu)，就必須要采取相應(yīng)的措施方法來阻隔來自ITO層下面的有機(jī)層上所脫出的水氣。這對(duì)應(yīng)用于OLED的CF制造技術(shù)又是一個(gè)新的課題。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

　　將RGB三色排列的矩陣基板和CF基板按照同樣生產(chǎn)流程進(jìn)行清洗、光刻、刻蝕等光刻工藝，達(dá)到生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)入鍍膜工藝，對(duì)兩種類型的基板按照其相應(yīng)生產(chǎn)工藝分別制作實(shí)現(xiàn)彩色化RGB三色排列的器件和白光器件，進(jìn)行老化過程后再進(jìn)行光電參數(shù)特性的比較。各器件鍍膜工藝如下，材料均為作為生產(chǎn)使用所購(gòu)置的商品化量產(chǎn)材料。

　　RGB三色排列結(jié)構(gòu)：HIL/NPB (25nm)/Red/Green/Blue/Alq3 (30nm)/LiF (1nm)/Al (150nm)。

　　白光+CF結(jié)構(gòu)：HIL/NPB (25nm)/Blue/Orange/Alq3 (30nm)/LiF (1nm)/Al (150nm)。

　　光刻工藝為標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)設(shè)備：清洗，涂膠，曝光，顯影，刻蝕，脫膜等工藝流程。并分別進(jìn)行UV Ozone紫外臭氧處理;真空條件下RF plasma O2處理。有機(jī)材料蒸發(fā)速率為0.1~0.5nm/s不等，陰極蒸發(fā)速率為0.5nm/s;成膜真空度大約為8×10-5Pa。

　　將上述不同方式制作完成的OLED顯示器件進(jìn)行光電性能參數(shù)的測(cè)試;同時(shí)對(duì)兩者的ITO基板和CF基板表面進(jìn)行表面平整度的測(cè)試。然而在進(jìn)行測(cè)試過程當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)在工作中的所有的白光+CF器件樣品表面都不同程度地出現(xiàn)了黑點(diǎn)，而且隨著點(diǎn)亮和存儲(chǔ)時(shí)間的增加，器件表面出現(xiàn)的黑點(diǎn)越來越多，也越來越大;從最初的小黑點(diǎn)缺陷到后來的黑洞直至占到整個(gè)發(fā)光像素一半以上的面積(圖3)。

　　對(duì)于出現(xiàn)這樣的缺陷或瑕疵(defect)，針對(duì)OLED的器件還沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)來限定，而對(duì)于一般的顯示器件來說，例如液晶顯示器件，瑕疵的定義：“在工作或非工作的狀態(tài)下，有效屏幕上的缺陷即為屏幕瑕疵。”其中對(duì)瑕疵的大小長(zhǎng)短等等都有明確的界定。當(dāng)瑕疵達(dá)到一定程度，就可以認(rèn)定其為不合格的產(chǎn)品，不能上市使用。因此在這里沿用LCD的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，那么白光+CF的OLED器件是屬于不合格的產(chǎn)品。

　　而RGB三色排列的OLED器件經(jīng)過點(diǎn)亮測(cè)試以及存儲(chǔ)的過程中，并沒有出現(xiàn)上述嚴(yán)重的黑點(diǎn)瑕疵。兩者基本的材料、制作工藝和制造設(shè)備都一樣，不同之處也只有兩處。

　　·兩者的發(fā)光層的結(jié)構(gòu)有所區(qū)別：一個(gè)是RGB并列蒸鍍，一個(gè)B+O疊加蒸鍍。然而使用的這些有機(jī)材料都是經(jīng)過測(cè)試合格的同一家供應(yīng)商提供，且通過了各自的壽命穩(wěn)定性測(cè)試，并沒有發(fā)現(xiàn)類似的黑點(diǎn)瑕疵情況。可以基本排出該原因。

　　·兩者使用的基板有所區(qū)別：一個(gè)是鍍有金屬電極和ITO薄膜基板，一個(gè)是CF鍍上ITO薄膜的基板。

　　在隨后對(duì)這兩種不同基板進(jìn)行表面粗糙度的AFM測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)了引起黑點(diǎn)瑕疵的主要原因(圖4，圖5)。

　　在AFM- SPA-400的測(cè)試下，可以觀察到，在同樣的4mm×4mm的區(qū)域內(nèi)，CF基板表面的粗糙度是ITO基板表面粗糙度的5倍;而在2mm×2mm的區(qū)域內(nèi)，可以更明顯的觀察到CF基板表面凹凸不平的起伏，其尖峰甚至可以達(dá)到40~50nm。所有發(fā)光的有機(jī)薄膜層都蒸鍍?cè)贗TO上，由于其較差的傳導(dǎo)率，一般有機(jī)薄膜層的厚度大約為100nm。在基板表面遍布著有機(jī)薄膜厚度一半的尖峰(Spike)，其表面的形態(tài)會(huì)直接影響到有機(jī)層的表面結(jié)構(gòu)。那么會(huì)導(dǎo)致OLED器件的陽極ITO和陰極Al之間很容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的界面，這樣的有機(jī)材料和電極之間界面或者有機(jī)層和有機(jī)層之間界面會(huì)降低器件結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，也是形成壞點(diǎn)和性能低下的一個(gè)因素。

　　對(duì)這兩塊基板的光電參數(shù)的測(cè)試也同樣驗(yàn)證了所存在的尖峰對(duì)于OLED器件的性能有著很大的影響。器件完成后的I-V測(cè)試，用來測(cè)試基于基板是不同材質(zhì)的CF和ITO基板上的器件，而且其結(jié)構(gòu)也不同，他們的I-L沒有辦法作比較。但CF基板有著比ITO的基板更高的電流級(jí)別。我們認(rèn)為這是由于CF基板中類似尖峰的表面有比一般平整的ITO上制作的樣品更多注入空穴的效果。

　　而尖峰較多的表面會(huì)比一般平整的ITO上制作的器件更容易集中注入空穴，所以表面形態(tài)和OLED器件的漏電流有著直接的聯(lián)系。因?yàn)镮TO表面的粗糙引尖峰會(huì)成為漏電流的途徑。存在的異物等突起，會(huì)使這些部位電流密度增高，漏電流加大，功耗增加，嚴(yán)重時(shí)造成局部短路，產(chǎn)生黑點(diǎn)，結(jié)果是顯示器的發(fā)光效率降低、壽命縮短，甚至因出現(xiàn)嚴(yán)重黑點(diǎn)而報(bào)廢。

　　對(duì)于ITO的規(guī)格比較統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)是10mm×10mm正方形面積內(nèi)的AFM測(cè)得的平均粗糙度Ra≤1~3nm、Rp-v≤10~30nm。這樣的要求高于普通STN的ITO基板， LCD用CF的ITO表面沒有提過如此嚴(yán)格的要求，因?yàn)槠淝昂箅姌O距離有6000nm之多，幾十nm的Spike(突起)與之相比可以忽略。OLED器件會(huì)由于ITO基板表面的粗糙引起的器件像素區(qū)域出現(xiàn)黑點(diǎn)，漏電流過大，壽命較短等一系列的問題。

　　結(jié)論

　　對(duì)于將CF應(yīng)用于OLED全彩化顯示的技術(shù)，目前還有很多課題需要解決。如何解決CF表面的粗糙度，以及阻隔ITO層下面的有機(jī)層上水氣方面，目前業(yè)內(nèi)還沒有滿意的解決方案。以上這些ITO薄膜的粗糙不平屬于納米級(jí)別的不平問題，灰塵和針孔等缺陷引起的凸凹不平將引起更嚴(yán)重的問題，屬于微米級(jí)別的不平問題，所以必須嚴(yán)格控制各種灰塵和針眼等缺陷。因此，對(duì)于OLED的材料開發(fā)也提出了新的課題，同時(shí)也需要對(duì)OLED的器件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。