压电印刷OLED优化及其应用

小尺寸OLED主要采用真空蒸镀方法沉积小分子功能材料，通过多种加热方法，将功能材料蒸发至分子或原子级别，最终附着于基板上形成高质量薄膜。在真空镀膜过程中，大多数OLED需要用到FMM实现全彩显示屏的制备。但是受限于FMM生产成本、产能限制和金属形变等问题，使FMM技术主要用于小尺寸显示屏的量产中。随着溶液化湿法制备工艺的快速发展，在大尺寸面板制造领域，主要采用旋涂、有版印刷和喷墨印刷等技术来实现。其中，喷墨打印因具备超高的材料利用率、无接触化特征、高精度的液滴形态可控性、低成本和快速高效等优势，已成为大尺寸OLED生产工艺中理想的制备技术之一。

喷墨打印按照油墨喷射方式的不同可分为按需喷墨和连续喷墨，按需喷墨因具备按需滴注和频率可控的优点而被广泛用于印刷OLED中。

按需喷墨主要包括热膨胀式和压电式，压电式可保证油墨的物化稳定性，已成为主流工艺。但目前在大批量快速印制OLED功能膜层中，因压电元件老化、颗粒物堵塞喷嘴和喷头制造工艺误差等问题而导致液滴喷射的不均匀，极易使前后像素坑内的油墨填充量有差异。因此，必须进一步提升印刷OLED中的液滴喷射均匀性。

鉴于此，华南理工大学姚日晖副教授、宁洪龙研究员团队在《液晶与显示》（ESCI、Scopus收录，中文核心期刊）发表了题为“压电印刷OLED优化及其应用”的研究文章。

综述了压电印刷OLED性能优化方法，主要从脉冲波形的优化、控制系统的自修复和油墨的流变特性调控来进一步提升液滴喷射性能，并进一步列举了压电印刷OLED在显示与照明领域中的应用。

压电印刷OLED优化

目前，压电印刷OLED工艺虽取得了较大进步，但仍存在一些影响液滴均匀喷射机制方面的难题。为了获得良好的喷射性能，目前的研究主要从脉冲波形的优化、控制系统的自修复和油墨的流变特性调控三个方面来实现。

脉冲波形的优化

调制脉冲波形以达到最佳的液滴喷射效果是压电印刷OLED中常用的优化方法，早期采用的波形是单极梯形波，但是由于无法抑制的残余振动，逐渐衍生出更为复杂的双极脉冲波（如图1所示）。为获得最佳波形，可通过实验分析和数值模拟方法来实现。

图1：典型脉冲波形：（a）单梯（b）双梯（c）单方波（d）双方波（e）锯齿波（f）正弦波（g）阶梯波（h）M型波。

在实验中实时监测液滴的喷射速度、体积和均匀性等参数，并反复修改驱动脉冲，比较分析修改前后的喷射差异，可得出优化后的波形参数。例如，2019年，Amruth等人利用优化后的电压波形获取了稳定喷射的液滴（如图2所示），印刷了适合OLED的高质量薄膜。

图2：（a）不同时间段的液滴喷射图像（b）压电驱动波形

数值模拟具备低成本、高效迅速和重复性高等特点，已被大量用于印刷OLED液滴喷射研究中。2020年，Shah等人通过集总元素模型（LEM）分析了流道内压力记录，证明双极脉冲对残余振动的抑制效果最好（如图3所示）。

图3：单极波、有调谐时间双极波、无调谐时间双极波及三种波形对残余振动的影响

综合以上研究，在压电印刷OLED中，大多采用双极脉冲来驱动喷射，可有效抑制残余振动和卫星滴；合理设置脉冲幅值及喷射频率，可以控制主液滴大小及均匀性；通过调节脉冲各波段持续时间，可快速稳定液滴形成初期形貌。

控制系统的自修复

在实验分析和数值模拟过程中，因测试人员和测试方法的不同会带来较大误差，若能从软硬件系统和控制算法的角度建立一套实时控制修复系统，自动调节喷射过程的系统参数，这将极大提高印刷OLED的优化效率和精度。2019年，Wang等人利用闭环测量电路提高了长时间喷射的液滴均匀性，控制过程如图4所示。

图4：控制系统参数识别过程

油墨的流变特性调控

在压电印刷中，墨滴的形貌稳定性和分散均匀性会受印刷油墨的物理特性和流变特征影响，必须严格控制油墨密度、表面张力、粘弹性和PH值，使用流体力学中的无量纲数来表征喷墨设计参数和油墨特性是非常有效的方法，各无量纲数适用范围如图5所示。

图5：无量纲数适用范围

目前已有诸多研究将以上参数用于压电印刷OLED中。例如，2017年，Zhou等人利用Z数理论比较了四种溶剂所成油墨的液滴喷射效果，如图6（a）所示，并印刷了蓝色OLED图案，如图6（b）所示。

图6：（a）包含不同溶剂的油墨的液滴喷射过程（b）蓝色OLED图案

压电印刷OLED应用

近年来，OLED因其优异的器件性能和可折叠性成为显示与照明领域的重点方向，新材料和新工艺已取得突破性进展。随着印刷显示工艺的提升，传统照明领域也迎来了新变革，在传统照明与灯具设计领域引出了一个新概念。

印刷OLED显示

OLED凭借主动发光、快速响应、低压驱动、宽视角、广色域、低能耗、高对比度和重塑性好等优势，已成为当下高端旗舰手机屏幕市场中的主流显示技术。但在大尺寸的电视屏幕市场中，却无法与LCD形成市场竞争优势。不过随着压电印刷工艺的完善，尺寸更大、分辨率更高的OLED电视屏幕量产成为了可能。2013年，Zheng等人压电打印实现了OLED显示屏的全溶液制备，如图7（a）所示。2017年，Mizukami等人制作了基于压电印刷OTFT驱动的柔性OLED显示器件，如图7（b）所示。

图7：（a）全溶液工艺压电印刷OLED（b）基于压电印刷OTFT驱动的OLED

印刷OLED照明

自2008年欧司朗推出第一款OLED照明产品以来，OLED因其逐渐成熟的制程工艺和优良的器件属性，在照明领域迎来了新变革。OLED具备面发光、高显色指数、无蓝害、低能耗、无眩光、轻薄可挠和低压安全驱动等优点；同时还可将WOLED与滤光片相结合，实现全色显示；配合不同类型的基板，可制备出半透明、柔性可贴敷和任意造型的灯具，颠覆人们对照明产品的固有印象。

展望

压电印刷是实现OLED大面积、低成本和高良率的有效途径。随着研发力度的增加和材料、工艺的突破，在未来的显示领域中，OLED将会成为手机端、电视端、户外影视和车载屏幕等应用的最佳选择之一。

此外，OLED已成为半导体照明领域近年来的研究热点，在光源舒适度、能耗和外观设计等方面拥有独特优势。未来有必要从寿命、光效、亮度和柔性化等角度寻求突破；同时尽快摆脱OLED照明高价泥潭，这是未来OLED照明广泛应用于民用领域的关键之一。

论文信息：

赵杰, 陈楠泓, 陈俊龙, 李牧云，钟锦耀，杨跃鑫，符晓，姚日晖，宁洪龙，彭俊彪. 压电印刷OLED优化及其应用[J]. 液晶与显示, 2021, 36(10):1377-1387. DOI：10.37188/CJLCD.2021-0179

http://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2021-0179

通讯作者简介：

姚日晖，博士，副教授，2008年于中山大学获得博士学位，2008年7月起任华南理工大学讲师、副教授。作为访问学者，曾赴香港中文大学交流访问。主要从事新型显示材料与器件方面的研究，主持及参与国家自然科学基金、国家重点研发计划、863计划等研究课题10余项。目前已在国内外学术期刊发表系列研究论文100余篇，授权发明专利30余件，获广东省科学技术一等奖1项、三等奖1项。E-mail：yaorihui@scut.edu.cn

监制 | 张莹，赵阳

编辑 | 赵唯

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