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北京交通大学徐征教授:印刷显示技术并非新概念

最近一年来,印刷显示技术、柔性显示技术已成为产业界重点关注的发展方向。然而,究竟什么才是真正印刷显示器件?对于电致发光显示器件来说,如果要真正实现印刷显示,就要解决发光显示器件全生产过程的印刷工艺,包括TFT、透明导电层、发光层、各种功能膜层等都要实现印刷工艺。实现上述目标,对器件的各类材料提出了巨大的挑战,寻找较好可溶性或具有较好分散性和稳定性的材料非常有难度,而有机材料则是其中最合理的选择。

印刷显示技术并非新概念

实际上,印刷显示技术并非在近几年才有的新概念。1977年,A.J.Heeger、A.G.Macdiarmid和H.Shirakawa用Ziegler-Natta催化合成了导电高分子聚乙炔,这一原创性的工作揭示了有机材料导电的事实:经过适当的掺杂,有机高分子是可以导电的。A.J.Heeger,A.G.Macdiarmid及H.irakawa因此获得了2000年的诺贝尔化学奖,而印刷电子学技术也从此逐步发展起来。

近年来,随着有机电致发光二极管(OLED)技术和产业的成熟,印刷电子在材料和装备方面拥有更好的积累和发展基础,应用以及工艺均获得了较快的发展。

1998年,Yang等人在SID会议上展出了使用喷墨打印技术制备聚合物LED(PLED)器件,同年11月他们又使用喷墨打印技术成功制备出双色PLED器件。1999年Seiko Epson与CDT合作在美SID上展示第一台采用喷墨打印技术制造的PLED全彩显示器,16灰阶可显4096色,约有30000画素,达120ppi,采用主动式TFT驱动。此后,喷墨打印技术制备的PLED器件快速发展,现在PLED喷墨打印设备已经可以商业化生产。

印刷显示材料是印刷电子学的其中一大支柱。印刷显示材料不只是有机发光材料,还有金属材料、无机材料。目前以金属浆料较为成熟,但主要仍限于银和铜材料;有机材料在有机半导体器件和有机光电器件中已取得大量应用,但还存在相对可靠性略差,寿命需进一步提高及载流子迁移率较低等问题。

采用OLED材料是较成熟的技术方案

印刷显示技术是将印刷电子学应用于显示领域,指以旋涂、丝印(Screen)或喷墨打印(Ink-jet)等印刷方法,将金属、无机材料、有机材料转移到基板上,制成发光显示器件。印刷显示技术的终极目标是实现全印刷发光显示器件,在常温、常压下以按需给料方式实现低成本制造。目前印刷显示技术中,采用OLED材料来实现显示是主流且比较成熟的技术。

从制备方法来说,一般而言OLED可分为两种。一是小分子发光材料OLED,用蒸镀方法制备,另一种是共扼高分子发光材料PLED,用印刷方法制备。目前科研工作者关注的可溶性小分子有机发光材料和量子点发光材料也均可以采用印刷方法制备。

对比目前应用的真空蒸镀制造OLED显示屏的工艺,第一是材料利用率高达95%%,而真空蒸镀工艺材料利用率仅有20%%。与蒸镀工艺中有机材料无选择性沉积不同,印刷显示工艺只是在需要的地方才喷涂有机发光材料,极大提高了有机材料的利用率,也更加环保;第二是不受设备与大尺寸精细金属掩模板的限制,印刷工艺可以制备大尺寸显示面板;第三是由于印刷工艺不需要真空蒸镀腔体和精密金属掩模板等等,再加上节省材料及维护真空蒸镀设备,可有效降低成本。另外,由于器件结构相对简单,功耗更低、良率更高,一直以来制约着OLED电视发展的高成本、低良率、大面积制备等问题会得到解决。

量子点是印刷电致发光器件研究新方向

随着OLED技术的发展,科研工作者又开始用量子点材料代替有机电致发光材料制备发光器件,也称为量子点电致发光器件。由于OLED发光层为有机材料,有机物对氧气、水汽非常敏感,稳定性差;发热效应下的材料分解或者改性会导致器件寿命缩短。而且多数有机材料具有很高的空穴迁移率,但电子迁移率相对较低,导致了载流子注入的不平衡,制约了其发光效率的提高。以及发光色度随电压变化造成色漂移、色纯度低等。因此,将量子点材料引入到OLED器件中期望弥补有机材料的不足。量子点作为无机发光材料,比有机发光材料的化学结构和寿命构成都更为稳定。

理论上,QLED的“薄膜化点阵涂覆”则更适合于印刷技术,成品率也会更高、材料成本比真空蒸镀节省九成,且大尺寸化的技术难度增长有限。因此成为当前印刷电致发光器件研究的新方向。但是无机材料量子点存在可印刷工艺性较差,制备条件较苛刻,并且较难形成均匀膜层等,所以发展仍然需要一个过程。

量子点电致发光二极管的工作原理与有机电致发光器件是类似的复合发光机理。QLED电致发光器件的基本结构和OLED器件也基本一样,也就是用量子点材料取代有机发光器件中的有机发光材料。而量子点发光材料可以像高分子发光材料和可溶性小分子发光材料一样采用合适的分散方式以印刷涂覆的工艺来制备显示器件。

究竟什么是真正印刷显示器件?

采用印刷工艺制备有机电致发光器件的工作已经进行了多年,从OLED和PLED之别到今天的可溶性小分子电致发光材料和量子点电致发光材料的发展。该技术完全省去真空蒸镀这一环节,转而采用工艺简单、节省设备投资和材料的印刷方式来制备有机电致发光器件一直是科研工作者追求的目标。如果要是真正实现有机电致发光显示器件的全印刷制备,就要解决有机电致发光显示器件全生产过程的印刷工艺。

有机电致发光显示器件主要是由薄膜晶体管TFT控制单元和有机电致发光单元组成,因此,这两个组成部分应当都是用印刷工艺制备才是真正的印刷显示器件。现在对于薄膜晶体管TFT的印刷制备工艺,一种是有机材料的OTFT,另外一种是无机材料的TFT印刷方式制程。

有机薄膜晶体管( OTFT) 具有可用柔性衬底在低温工艺和印刷工艺等多种手段制备,以及易于大面积制备等等特点。然而,目前国际报道的OTFT-OLED器件多限于OTFT驱动有机小分子发光二极管(OLED,真空蒸镀工艺),对于OTFT驱动聚合物发光二极管POLED均采用印刷方式制备的OTFT -PLED器件,鲜有报道。

美国宾州大学的团队使用无机材料以印刷工艺制备出了TFT器件。印刷工艺如喷墨打印技术等,不仅在有机电致发光显示器件制造领域有所应用,也是LCD彩色滤光膜的新一代制造技术,与现有技术相比,在节约原料、降低成本方面有一定优势。通过与真空蒸镀工艺制作有机材料膜层的工艺对比,我们可以看到印刷显示技术的优势所在。

(作者徐征,系北京交通大学教授)

责任编辑:赵强


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