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在柔性OLED制程中很关键!柔性衬底制备过程及参数详解

编辑:songqiuxia2017-11-23 09:04 浏览评论 评论0 赞    来源: 互联网

  OLED的最大优点之一是能够实现柔性显示,制成人们梦寐以求的可折叠的电子报刊、可卷曲的墙壁电视和可穿戴的显示器等,淋漓尽致地展现出有机半导体的魅力。

  柔性有机发光二极管(flexible organic light-emitting diodes, FOLED)由制备在柔性村底上的阳极、阴极和夹在它们之间的有机功能层构成,其中至少有一侧的电极是透明的,以便获得发光面。

  FOLED具备普通OLED的宽视角、高亮度等优点,同时由于FOLED的衬底是具有良好柔韧性的材料,因此比玻璃衬底OLED显示屏更轻薄、更耐冲击。且FOLED的制备有望采用卷对卷方式生产,从而大幅地降低制造成本。

  在柔性显示器中,衬底的选材决定显示屏的工艺路线、生产成本、显示质量及产品可靠性,是开发柔性显示器件的基础。

  目前柔性显示衬底主要有聚合物基片、金属基片及超薄玻璃等。

  聚合物

  优点:柔性好;透明;超轻;可实现Roll-to- Roll工艺。

  缺点:可承受的温度低;高水氧透过率,需要水、氧阻挡层;制备难度高。

  聚合物衬底的水氧阻隔能力和在高温下的稳定性都不好,因此制备聚合物衬底的FOLED,其关键问题在于提高聚合物衬底对水氧的阻隔能力,提高聚合物衬底的热稳定性,以及改善在低温下沉积的ITO薄膜的性能和FOLED器件的封装。

  金属片

  优点:低水氧透过率;加工过程中不易膨胀;可承受高加工温度;耐久性好。

  缺点:表面粗糙,需要平坦化处理;不透明,需要顶发光的OLED,制备难度高。

  与聚合物衬底相比,金属衬底耐高温制程,热膨胀系数更接近玻璃;具备良好的阻水、阻氧的性能;成本低廉且获取方便,不需要水氧阻隔层的制备,实际应用成本有望比聚合物更低。

  但是,由于金属衬底具有不透光和表面粗糙的缺点,在金属衬底上制备FOLED重点需要解决以下技术难点:

  高平整度的柔性金属衬底开发及在衬底上高反射率阳极的制备工艺;

  开发性能稳定的半透明阴极技术;

  高效的顶发光有机发光器件结构优化,特别是有机层厚度的优化与控制。

  超薄玻璃

  优点:低水氧透过率;加工过程中不易膨胀;透明。

  缺点:易碎;柔性差;成本高;制备难度高。

  玻璃厚度下降到50~200 µm时能够弯曲,但是要达到任意弯折的柔性仍有一定距离,同时薄玻璃在应用中很容易破裂,增加了制备的难度。

  相对于玻璃来说,聚合物和金属薄片都具有较好的柔韧性,在应用上更符合柔性显示器的性能需求。

  聚合物衬底FOLED制备

  首先,采用带有氧化铟锡(ITO)导电薄膜的聚二甲酸乙二醇酯(PEN)作为衬底材料制备了OLED元器件,ITO的方块电阻为60 Ω/□。器件结构为:

  ITO/NPB (N,N’-Bis(naphthalene-1-yl)-N,N’-bis(phenyl) -benzidine))(30 nm)/Alq3:C545T(2,3,6,7-tetrahydro-1,1,7,7,-tetramethyl-1H,5H,11H-10-(2-benzo-thiazolyl) quinolizino-[9,9a,1gh]coumarin)(质量分数为1%)(30 nm)/Alq3 (20 nm)/LiF (0.7 nm)/Al (150 nm)。

  器件的有效发光面积为3 mm×3 mm。

  器件的光电性能通过Keithley 4200半导体测仪仪器测试。

  下图是制备在聚合物衬底上和玻璃衬底上的OLED元器件的亮度和效率的对比。如下图所示,相同结构的聚合物衬底FOLED与玻璃衬底OLED光电性能相近。

  玻璃衬底器件与聚合物衬底器件性能对比

  金属衬底FOLED的制备

  用乙醇和去离子水冲洗厚度为100 µm的金属薄片,清洗表面的污染物;在基片表面旋转涂布至少2层的光刻胶,该光刻胶起到绝缘与平坦化的双重作用。

  采用真空热蒸镀的方法制备阳极、有机层和阴极。器件采用顶发光结构:

  Ag/MoOx(20 nm)/NPB (42 nm)/ Bebq2(30 nm)︰Ir(MDQ)2(acac)(质量分数为10%)/Bebq2(20 nm)/ Li3N (0.5 nm)/Ag (30 nm)/ Alq3 (91 nm)。

  同时在玻璃衬底上制备了相同有机层的底发光器件作为对比,器件结构:

  ITO/MoOx(20 nm)/NPB(20 nm)/Bebq2(30 nm)︰Ir(MDQ)2(acac)(质量分数为10%)/Bebq2(20 nm)/Li3N (0.5 nm)/Ag (150 nm)。

  器件的光电特性在室温空气条件下用Keithley 2602半导体测试仪及PR655测试仪进行测试。

  制备在金属衬底和玻璃衬底上的器件的电压/电流效率曲线

  上图是制备在金属衬底上顶发光器件与制备在玻璃衬底上的底发光器件的工作电压-电流效率曲线。

  如图所示,在4 V的相同驱动电压下,制备在金属衬底上的器件电流效率为16.9 cd/A,制备在玻璃衬底上的器件电流效率为16.4 cd/A。

  金属衬底上的器件具有与玻璃衬底上的器件相近的电流效率。

  金属衬底顶发光器件与相同结构底发光器件光谱对比

  是制备在金属衬底上顶发光器件与制备在玻璃衬底上的底发光器件的光谱对比。

  从光谱图中可以看出,顶发光器件光谱峰值是632 nm,底发光器件峰值是612 nm,顶发光器件的发光波长的半峰宽(36 nm)明显小于底发光器件的发光波长的半峰宽(84 nm)。

  顶发光器件和底发光器件的色坐标分别是(0.687,0.312)和(0.634,0.361)。顶发光器件色度明显优于底发光器件。

  这是由于顶发光器件的阴极是半透明半反射的金属电极,与阳极的全反射电极形成显著的微腔共振效应,不同能态的光子密度被重新分配,在特定的有机层厚度下只有特定波长的光能够射出,光波的半高宽(FWHM)变窄,岀射光的波长峰值如下式所示:

  式中,L为有机层的光学长度,λk为出射光的波长,k=1,2,3,···

  选择柔性衬底作为OLED的基板时,由于衬底本身的性质,给器件和制作过程带来了很多问题。

  平整性较差

  通常柔性衬底的平整性要比玻璃衬底差,这不符合表面要求。大部分淀积技术是共形的,制备的薄膜会复制衬底的表面形态,使得衬底以上的各层都凹凸不平。这会造成器件的短路,引起器件损坏;

  熔点低

  柔性衬底的熔点很低,而OLED基板的工艺温度却很高,所以,在制作过程中柔性衬底会变形甚至熔化。即使温度较低的环境中,柔性衬底尺寸也不稳定,这给多层结构的OLED制作在精确地整齐排列上带来了很大的困难;

  熔点低

  OLED对水蒸汽和氧气都比较敏感,而大部分柔性衬底的水、氧透过率均比较高。

  当水汽和氧气进入到器件内部时,会影响阴极与发光层之间的粘附性、使有机膜层内发生化学反应。这些都会导致器件的光电特性急剧衰退,造成器件迅速老化、失效。

  与玻璃衬底相比,塑料衬底对水汽和氧气的隔离及对器件防老化的保护作用都不够理想,无法满足显示器连续工作超过10,000小时的寿命要求;

  ITO薄膜易脱落

  为了配合熔点低的柔性衬底,只能在低温下淀积ITO导电薄膜,制成的ITO导电薄膜电阻率高、透明度差,与柔性衬底之间的粘附性不好,在弯曲时易折裂,造成器件失效。

  由于常用的柔性衬底PET与ITO的热膨胀系数相反,在温度变化时,一个收缩,另一个则膨胀,因此ITO薄膜比较容易脱落重。

  另外,在工作过程中,也会因为器件发热而导致ITO导电薄膜脱落。

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