柔性OLED显示发展及关键技术探索

2019-04-05 10:27
文/高孝裕 刘艳玲 党鹏乐

柔性OLED屏体相比于传统的硬屏,柔性基材、薄膜封装工艺是关键,同时如何选择适合柔性显示器件的各功能层及集成技术,也直接影响到柔性器件的整体结构和性能。

近几年来,OLED产业快速发展,柔性OLED倍受人们的青睐。据统计,2018年柔性OLED显示市场占有率约为20%,并成为高端手机的标配显示屏,进而使得柔性OLED成为各面板厂商必争的重要领地。柔性OLED具有画面质量高、重量轻、可变形、抗冲击、机械可靠性高等优点,但要实现上述技术优势,其材料选择、制备工艺等都将不同于刚性OLED,这对柔性OLED技术研发及产业化能力提出了新的挑战。本文将通过对柔性OLED关键技术的分析,对以柔性OLED技术为核心,材料、设备、面板、终端全产业链协同创新的发展路线进行探讨并提出具体的建议。

OLED发展现状

回首2018年,可以说是令显示界倍感自豪的一年,手机屏幕的分辨率不断提升,FHD+成为常态。OLED和LCD各有所长,其中快速发展的OLED逐步显现其各项优势,受到越来越多的关注。

OLED技术已经进入产业发展的成长期,并开始了大规模的商业应用。2018年,苹果新机iPhone XS,国内品牌厂发布的OPPO Find X、VIVO NEX、XiaoMi MI 8、Huawei Mate20 Pro等众多品牌发布的旗舰机型,均采用了OLED屏幕。据消息报道,2020年之后,iPhone全线产品都将采用OLED显示屏。可见,OLED正以其生来具有的优势,快速占领智能终端手机市场。

图1 分别为2018年iPhone XS、OPPO Find X、VIVO NEX、XiaoMi MI 8、Huawei Mate20 Pro品牌发布的旗舰机型

OLED产品在逐渐被用户接受的同时,柔性OLED显示器、透明显示和双面显示、车载显示等新型显示应用逐步登上舞台,成为OLED发展中的重要研究方向。尤其是柔性显示,行业中有“显示未来看OLED,OLED未来看柔性”,“OLED柔性屏,又是一场显示技术的革命”等说法[1]。据IHS Markit的分析,柔性OLED面板2020年出货量将达到3.357亿片,柔性OLED面板出货量占OLED出货量比例将从2018年38.9%上升至2020年的52%[2]。在此背景下,国内量产规模快速发展。据CINNO Research统计,目前我国大陆共有16座小尺寸OLED量产工厂,见图2(实验线未计算在内,其中正在建设的有8座)。

国内厂商京东方、天马、维信诺也不断在柔性OLED产线上加码扩产,OLED良率仍是目前颇为关注的一个问题。据相关报道,京东方2018年Q3季度柔性OLED面板良率只有10%,年底才提升到30%,与三星同类型面板70~80%的良率相比,还存在一定的距离。维信诺2018年5.5代AMOLED量产线一期的良率已达预期,已经向国内品牌手机批量供货;二期项目正在进行良率爬坡的过程,基于之前的经验,大幅提升良率并不是问题。

图2我国OLED产线分布

为实现柔性OLED的柔性,仍有不少关键问题亟待解决。柔性OLED屏体相比于传统的硬屏,柔性基材、薄膜封装工艺是关键,同时如何选择适合柔性显示器件的各功能层及集成技术,也直接影响到柔性器件的整体结构以及性能。

柔性OLED屏体开发关键技术

一、柔性基材

柔性基材的选择将对显示图像效果、产品可靠度和成本、整机成本产生较大的影响。从图3柔性OLED器件结构可以发现,作为柔性OLED的基板,后续工序需要在其上制备金属电极或TFT材料、热蒸镀OLED器件等,制备温度较高,故要求柔性基板具有较小的热膨胀系数,以及良好的耐高温特性。另外,目前成熟的显示模式,多为穿透性底发光,要求柔性基材的光学透过率大于90%。因此满足柔性OLED使用的柔性基材需要具备的指标要求如表1,常见的两种材料类型有高耐热类材料和高透明性类材料两类。

图3 OLED屏体器件结构
表1 柔性基材耐热、光学、机械性能要求


性能指标高耐热类材料高透明类材料
厚度(μm)10-1510-15
耐热性能玻璃温度Tg(℃)>450>450
CTE(ppm/℃)<5-
Tdt(℃)>550>500
光学性能透过率(%)>90%>90%
色度b*-<1.5
光学相位差Rth-<300
机械性能拉伸强度(MPa)>300-
拉伸模量(GPa)>5-
极限伸长率(%)>15-
吸水率(%)<1<1

目前常用的柔性基板材料有PET、PEN、PC、PES、PI。对于材料能否满足器件应用需求,需要从以上3个特性以及水氧阻隔特性等方面来综合考量。目前业界一般采用聚酰亚胺(Polyimide以下简称PI)为基板。PI基板有较高的热稳定性,可以耐受多次400℃以上的工艺考验,这是其性能优于其他材料的关键因素;同时它还满足底发光等模式下光学特性的要求,机械特性除了抗弯折机械特性,还需具有抗划伤、耐冲击机械可靠性等。其中2019年三星及华为发布的柔性折叠手机以及小米的双折叠概念机的柔性AMOLED屏幕均采用柔性PI基板。国内国风塑业、晶华新材及金力泰等材料厂商均在PI材料方面开展积极的投资建线,预计2019年量产出货。

I技术主要有两大难点:1、耐热稳定材料在光学特性方面存在劣势,光学满足的材料在耐热稳定性能同样也存在一定的劣势。上述问题需要在PI分子结构设计时折中考虑;2、PI在水氧阻隔方面存在劣势,OLED器件对水氧等气体较为敏感,良好的阻隔水氧性能是柔性OLED具有长使用寿命的保障。主要采用解决方案为以下3个方面:材料厂商原材料方面,进一步纯化聚合物原料,消除杂质对薄膜透明性和色度的影响;优化分子结构设计,以实现薄膜化及阻隔水氧的目的;设备及面板厂商在成膜工艺方面进行优化。

二、薄膜封装

传统的OLED封装采用玻璃封装盖板,并加干燥剂的方式,避免水氧等气体侵蚀,以提高屏体寿命。但对于柔性产品该封装方式将影响产品机械变形,以及密封的效果。对于柔性OLED,目前业内常用的方式为薄膜封装技术。薄膜封装市场前景好,据研究分析报道,该项技术在未来5年左右,市场估值将达到5.5亿美元。

目前薄膜封装主要为复合封装的方式,即无机/有机/无机三层薄膜以满足阻隔水氧OLED达到10-6 g/m2/day等级水平。如三星发布的G Flex 6英寸柔性AMOLED显示屏,其封装结构为氮化硅/聚合物/氮化硅。国内维信诺柔性显示产品5.5代、6代也已采用无机/有机/无机三层复合封装的形式。

柔性OLED模组开发关键技术

相比传统的硬屏OLED显示,柔性OLED显示技术需要满足不同弯折位置、不同弯折能力的终端设计要求,同时如何选择适合柔性显示器件的各功能层及集成技术是其开发的关键。在柔性OLED显示器技术中,工艺路线同样采用大片制程(薄膜晶体管阵列制造,有机发光材料蒸镀、封装工艺)后进入到小片制程(切割、裂片),再经过集成电路与信号驱动电路板绑定、功能膜片贴合后形成的独立显示屏单元。

一、IC绑定

OLED显示已经进入高分辨率和轻薄化时代,这也对绑定技术提出了更高的挑战,要求各引脚之间的距离逐渐减小,以适应柔性OLED模组绑定集成。但柔性OLED基板由于不同的热膨胀会带来对位偏差、电路线变形、绑定区域与非绑定区域的变形等问题,导电原料ACF离子大小不同,在按压过程中会导致离子破裂的问题。

针对绑定过程中热膨胀问题,目前主要研究方向是改变传统热固化的方式,如UV固化技术、激光热化的方式。相关预测显示未来3-5年内,柔性绑定仍将以热固化的方式,其主要的发展方向为低温低压的方式。目前该技术在国内的良率普遍较低,还需要大量的生产经验寻找最优的工艺条件来提高良率。同时需要设备厂商、材料厂商和面板厂商紧密合作,开发新的固化技术,实现弯道超车。

二、贴合技术

一般而言,柔性模组的叠层顺序如图4所示,共有7层结构,从下至上依次为:最下层为泡棉和导热片等,在上方为支撑薄膜,再上为OLED屏体,OLED屏体上为圆偏光片,但在圆偏振下方则有自带胶层与水氧阻隔膜,这里统称为圆偏光片。圆偏光片上方通过光学胶与触控屏模组相连。触控模组分为3层结构,上下各一层光学胶层,及与其黏结的触摸屏导电膜层及导电膜。最上方为负责起到保护与装饰作用的盖板。

图4 柔性OLED模组结构

为将功能层精确对位集成,目前行业常用工艺为全贴合工艺。现有贴合技术仍存在影响较大的因素,如工艺过程中出现气泡,这将导致屏体在后续折叠过程易出现脱落,进而导致屏体功能失效。尤其是随着屏体厚度的减薄化和柔软化,如何实现厚度小于20μm无气泡高精度的贴合成为技术难点。目前sheet+roller以及sheet+真空气囊方式是业内较多的2种方式。以上两种方式生产效率不同,前者约为后者的1.7倍,因此面板量产时优先考虑sheet+roller的方式。

贴合工艺是柔性模组工艺的最后一段关键工艺,良率的损失将直接带来全材料的成本损失。如何通过优化工艺、改进设备、引入新材料来提高贴合的良率,是柔性贴合工艺的关键。目前国内外在折叠柔性OLED的贴合技术上均遇到困难,但这同时也给了国内面板厂商新的机遇。谁最早解决该问题,谁就可以最早实现量产,掌握市场的主动权。维信诺已成功开发出弯曲半径3mm、可弯折10万次的柔性OLED模组。

产品应用及柔性OLED发展之路

大尺寸OLED正逐步应用于电视显示中,韩国LG一直致力于OLED曲面电视的开发,已成为该行业的领跑者。2019年,LG展出全球首款可卷曲OLED电视OLED TV R,树立了OLED电视产品的标杆。

在中小尺寸移动终端方面,2018年OLED屏幕已经占领高端手机市场,成为标准配置。2019年随着小米、华为、三星都发布了柔性折叠的概念手机,柔性OLED技术在消费市场获得了更多的关注。

柔性OLED产品快速发展,将为柔性显示产业链带来新局面。上游方面,柔性OLED产品的发展将拉动上游材料和设备的市场需求,吸引大量研究机构及厂商开展相关的研究,解决关键材料技术问题,进而降低显示制造成本,提高显示器件性能。同时面板厂商与下游终端厂商在产品设计、需求分析、技术布局等方面合作开发,面板企业将搭建全行业的研发协作体系,为上下游产业伙伴提供合作开发验证平台。而未来,将形成以显示应用为核心、材料设备研究与制造共同发展的局面,实现柔性显示产业链的协同创新。

参考文献
[1]http://www.elecfans.com/led/oled/516353.html
[2]IHS 公司对2012-2020年柔性显示器出货量及销售额的预测


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