【深究】OLED噴墨打印專利技術(shù)

新型顯示技術(shù)已發(fā)展成為新一代信息技術(shù)的先導(dǎo)性支柱產(chǎn)業(yè)，是我國(guó)信息化、智能化時(shí)代戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的方向之一。隨著  “互聯(lián)網(wǎng)+”、人工智能、可穿戴設(shè)備等信息技術(shù)的快速進(jìn)步，對(duì)于作為信息窗口的顯示器件提出了柔性、輕薄、省電、可折疊卷曲、超大尺寸等要求，從而出現(xiàn)了新型顯示技術(shù)，如有機(jī)發(fā)光二極管(Organic  Light-Emitting Diode，簡(jiǎn)稱“OLED”)。噴墨打印技術(shù)由于材料利用率較高、可以實(shí)現(xiàn)大尺寸化，被認(rèn)為是大尺寸 OLED  顯示器件實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的重要方式。

本文通過對(duì) OLED 噴墨打印技術(shù)的專利布局情況以及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，詳盡展現(xiàn)了OLED  噴墨打印技術(shù)的整體發(fā)展?fàn)顩r，以期為國(guó)內(nèi)OLED技術(shù)的發(fā)展提供一些啟示。

專利申請(qǐng)狀況分析

1. 全球?qū)＠晟暾?qǐng)狀況分析

雖然 OLED 的制造和成膜由來已久，但通過噴墨的方式實(shí)現(xiàn) OLED 的制造卻是一項(xiàng)較新的技術(shù)，其專利申請(qǐng)主要集中在 2003 年以后。從圖 1  可以看出，2003—2011 年專利申請(qǐng)量整體較高，2012—2016 年專利申請(qǐng)量降低，之后又逐漸增高，即 OLED 制造技術(shù)從 2003  年開始呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)。在此期間，大批 OLED制造商開始探索并積極使用新的成膜方式——噴墨打印，以實(shí)現(xiàn) OLED 的成膜和制造，這一技術(shù)在 2011  年進(jìn)入繁榮發(fā)展階段。隨著 OLED 技術(shù)日益成熟以及其應(yīng)用的逐漸普遍化，自 2017年以來，OLED  的制造一直保持著穩(wěn)定發(fā)展，與此同時(shí)，噴墨成膜技術(shù)也日趨成熟并不斷發(fā)展著。雖然圖 1 中顯示，2023  年專利申請(qǐng)量較以往呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但究其原因可能是部分2023年申請(qǐng)的專利還未公開。

2. 全球重要申請(qǐng)人及申請(qǐng)量狀況分析

由圖 2 可知，申請(qǐng)量居于首位并遙遙領(lǐng)先的申請(qǐng)企業(yè)為精工愛普生，然后依次為科迪華、柯尼卡美能達(dá)、 東京電力、 卡西歐、東芝等。其中，精工愛普生申請(qǐng)量占比  38%、科迪華占比 13%、柯尼卡美能達(dá)和東京電力分別占比 9%。全球 OLED  噴墨成膜專利技術(shù)的重要申請(qǐng)人主要來自日本和美國(guó)，主要是因?yàn)槿毡竞兔绹?guó)的噴墨打印技術(shù)一直處于領(lǐng)先水平，而精工愛普生更是噴墨打印技術(shù)的領(lǐng)先企業(yè)和技術(shù)研發(fā)的中堅(jiān)力量，在噴墨打印技術(shù)中占有非常重要的地位。在  OLED蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)下，除了精工愛普生、科迪華等企業(yè)外，其他噴墨打印企業(yè)以及 OLED 制造企業(yè)也開始關(guān)注通過噴墨打印實(shí)現(xiàn) OLED  成膜技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。

重點(diǎn)技術(shù)分析

通過對(duì) OLED 噴墨打印技術(shù)專利文獻(xiàn)的收集、標(biāo)引和梳理，對(duì)涉及到的 OLED 噴墨打印的專利文獻(xiàn)樣本進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，目前 OLED  噴墨打印技術(shù)的研究重點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：成膜均勻性、沉積位置準(zhǔn)確性以及墨水供給技術(shù)(如圖 3 所示)。

1. 成膜均勻性控制技術(shù)

采用噴墨打印工藝制備 OLED  發(fā)光面板時(shí)，成膜的均勻性將嚴(yán)重影響器件的點(diǎn)亮效果，例如亮度均勻性、壽命、效率等，嚴(yán)重時(shí)可能還會(huì)短路不發(fā)光。因此，保證噴墨打印形成的功能膜層膜厚的均勻性，是噴墨打印的關(guān)鍵要求。

最常見的兩種成膜不均勻現(xiàn)象就是咖啡環(huán)效應(yīng)和馬蘭戈尼效應(yīng)。其中，咖啡環(huán)效應(yīng)是噴墨打印過程中一種常見的現(xiàn)象，如圖 4 所示，  當(dāng)墨滴滴落到基板或像素內(nèi)后，由于墨滴形狀的原因，即由于表面張力變化曲線的形成，導(dǎo)致墨滴中體積和單位面積比較小的中心部分與體積和單位面積比較大的邊緣部分的蒸發(fā)速率不同，因此，邊緣部分的墨水干燥速率更快。隨著邊緣部分溶劑的不斷揮發(fā)，導(dǎo)致中心部分和邊緣部分的固含量分布變得不同，使其存在一個(gè)濃度梯度差，從而引起溶劑從中心部分向邊緣部分的毛細(xì)補(bǔ)償流動(dòng)現(xiàn)象，溶劑的這種流動(dòng)勢(shì)必帶動(dòng)部分溶質(zhì)也向邊緣部分遷移，導(dǎo)致邊緣部分的溶質(zhì)量不斷增加，最終導(dǎo)致咖啡環(huán)效應(yīng)的形成。馬蘭戈尼效應(yīng)也是噴墨打印過程中一種常見的現(xiàn)象。出現(xiàn)馬蘭戈尼效應(yīng)的原因是表面張力大的液體對(duì)其周圍表面張力小的液體拉力強(qiáng)，產(chǎn)生表面張力梯度，使液體從表面張力低向張力高的方向流動(dòng)，如圖  5 所示，由于膜面的張力梯度導(dǎo)致馬蘭戈尼流動(dòng)產(chǎn)生，將溶質(zhì)從邊緣遷移至中間區(qū)域，導(dǎo)致膜面“中間厚，兩端薄”。

目前，用于提高成膜均勻性的專利技術(shù)主要包括改善干燥工藝以及改善噴墨打印工藝兩個(gè)方面。關(guān)于改善干燥工藝，主要包括控制干燥溫度、噴射輔助干燥的氣體、冷凝技術(shù)、溶劑調(diào)配技術(shù)以及增添噴嘴輔助結(jié)構(gòu)等。而關(guān)于噴墨打印工藝，形成均勻膜層的理想狀態(tài)是打印頭上的各個(gè)噴嘴將體積大小相同的墨滴均勻地噴入各個(gè)像素坑內(nèi)，從而使得坑內(nèi)的膜厚均勻一致。但是在實(shí)際噴墨過程中，受噴墨頭噴印精度的影響，例如從噴嘴噴出的液滴體積不同、墨滴的滴落角度偏離了理想的滴落角度等，會(huì)導(dǎo)致像素坑之間的墨水體積存在差異，目前關(guān)于通過噴墨打印工藝來提高成膜均勻性的技術(shù)主要包括控制噴墨參數(shù)、改變墨滴粘度、調(diào)整噴墨速度、調(diào)整液滴體積等。

2. 沉積位置準(zhǔn)確性控制技術(shù)

眾所周知，OLED 顯示面板的結(jié)構(gòu)中有機(jī)發(fā)光像素的成膜質(zhì)量直接影響顯示面板的顯示效果，而有機(jī)發(fā)光像素是由一個(gè)個(gè)成矩陣排列的  像素坑構(gòu)成，在其成膜過程中，怎樣才能準(zhǔn)確在像素坑中成膜是 OLED 制造技術(shù)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。隨著噴墨打印技術(shù)在 OLED  制作中的應(yīng)用，將噴墨點(diǎn)準(zhǔn)確形成在所需成膜的像素坑中是目前 OLED 成膜技術(shù)的關(guān)鍵。噴墨位置不準(zhǔn)確極易造成 OLED  顯示面板出現(xiàn)波紋、混色等現(xiàn)象，從而影響其顯示性能。針對(duì)該問題研究人員從以下幾個(gè)方面作了探索和改進(jìn)。

(1)衛(wèi)星點(diǎn)控制技術(shù)

當(dāng)噴墨打印工藝發(fā)生在打印區(qū)域中間時(shí)，濺射出的衛(wèi)星滴仍然滴落在打印區(qū)域，但是當(dāng)噴墨打印工藝發(fā)生在打印區(qū)域邊緣時(shí)，濺射出的衛(wèi)星滴就會(huì)滴落到打印區(qū)域以外的地方，而非打印區(qū)域上的衛(wèi)星滴會(huì)對(duì)后續(xù)的生產(chǎn)工藝產(chǎn)生不良效果。

為了避免衛(wèi)星點(diǎn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，目前采用的專利技術(shù)主要有以下兩個(gè)方向：

一是減少衛(wèi)星點(diǎn)的產(chǎn)生。例如，專利文獻(xiàn)CN201921227414 公開了通過在噴嘴的通道內(nèi)設(shè)置阻流部，打印液在從基底的容納腔經(jīng)由通  道入口至出口的過程中，流經(jīng)阻流部的子通道并與阻流部的第二內(nèi)壁接觸，增大了打印液與噴嘴內(nèi)壁的接觸面積，打印液在出口位置處射為液滴，能夠減小液滴衛(wèi)星效應(yīng)。

二是將產(chǎn)生的衛(wèi)星點(diǎn)消除。例如，專利文獻(xiàn) CN202110406779 公開了一種應(yīng)用于印刷墨滴的壓電噴墨系統(tǒng)及其優(yōu)化方法，具體為：中  央控制系統(tǒng)通過墨滴監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集從多通道升溫裝置出來后的墨滴下落圖像，并根據(jù)下落圖像分析是否仍存在衛(wèi)星滴。若仍存在衛(wèi)星滴，則中央控制系統(tǒng)根據(jù)下落圖像獲取噴射該衛(wèi)星滴的噴嘴序號(hào)，并通過溫控調(diào)節(jié)裝置對(duì)多通道升溫裝置中與該噴嘴相應(yīng)的加熱通道內(nèi)的溫度進(jìn)行升溫，消除仍會(huì)存在的衛(wèi)星滴。最終，影響印刷精度的衛(wèi)星滴幾乎被全部揮發(fā)掉，留下尺寸更精細(xì)的主墨滴參與基板沉積，極大地提升了印刷精度。

(2)防串色技術(shù)

顧名思義，防串色就是避免液滴滴入錯(cuò)誤的色坑。目前，用于提高防串色性能的專利技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方向：

一是設(shè)置輔助結(jié)構(gòu)。例如，專利文獻(xiàn)CN201710953212公開了一種通過設(shè)置導(dǎo)液組件來防止串色的技術(shù)方案，如圖 6  所示，具體為導(dǎo)液組件的多個(gè)導(dǎo)液槽 10 可以使液體從入口端 101進(jìn)入，然后從出口端 103 流出，連接入口端 101 和出口端 103 的槽壁 102  可以起到傳輸液體的作用，從而防止液體流向偏離出口端103  方向。該導(dǎo)液組件可以應(yīng)用于噴墨打印中，上述液體可以為噴墨打印所噴出的墨水，采用導(dǎo)液組件可以精準(zhǔn)控制墨水噴出后的運(yùn)動(dòng)方向，提高了噴墨打印的精度，相對(duì)于現(xiàn)有的直接從噴嘴口中噴墨的技術(shù)來說，避免了墨水從噴嘴口出來之后受到外界不良因素的影響及打印設(shè)備本身精度低而出現(xiàn)的打偏現(xiàn)象，解決了現(xiàn)有技術(shù)中噴墨打印制備的顯示器件容易出現(xiàn)相鄰像素混色或像素缺失的問題，實(shí)現(xiàn)了提高噴墨打印準(zhǔn)確率的效果。

二是改善基板性能。基板作為接受液滴的載體，其性能也會(huì)影響液滴沉積位置的準(zhǔn)確性，因此，改善基板性能是提高液滴沉積位置準(zhǔn)確性的重要手段。

三是施加電荷，使墨滴帶有預(yù)期的電荷，通過電場(chǎng)的方式提高墨滴位置準(zhǔn)確性從而防止串色。例如，專利文獻(xiàn) CN201710867408.2 公  開了一種通過施加電荷實(shí)現(xiàn)防串色的技術(shù)方案，如圖 7 所示。

3. 墨水控制技術(shù)

采用打印設(shè)備制作 OLED 和有機(jī)薄膜晶體管顯示產(chǎn)品，具有材料利用率高、制作周期短等優(yōu)點(diǎn)。由于用于 OLED 制備所采用的墨水因  成分與普通圖文打印墨水的差異，其在實(shí)際生產(chǎn)過程中也會(huì)出現(xiàn)不同的狀況，例如：因墨水粘度過大而不容易供給，造成設(shè)備故障;因墨水中混有氣泡而導(dǎo)致打印不良;采用納米銀等懸浮性墨水或溶解后容易分層的墨水，容易堵塞打印噴嘴等一系列問題。

(1)墨水供給

基于 OLED 噴墨打印所采用油墨的本身特性，其墨水供給方式往往有異于普通的圖文打印機(jī)，由此出現(xiàn)了一些與關(guān)于 OLED 墨水供應(yīng) 相關(guān)的專利申請(qǐng)。

(2)墨水脫氣

墨水中如果混有氣泡，往往會(huì)導(dǎo)致不噴、噴射偏斜等故障，嚴(yán)重影響噴射精度。為了避免氣泡產(chǎn)生的噴印不良，專利文獻(xiàn) CN202022038582  公開了一種墨水存儲(chǔ)裝置，墨水存儲(chǔ)裝置使用于噴墨打印裝置，通過在外殼體中使用滲透膜制成的內(nèi)膽形成一墨水存儲(chǔ)空間，并在外殼體和內(nèi)膽之間形成環(huán)繞內(nèi)膽的第一密閉空間，通過第一真空泵抽真空使第一密閉空間內(nèi)形成負(fù)壓，在墨水存儲(chǔ)于墨水存儲(chǔ)空間內(nèi)或者流經(jīng)墨水存儲(chǔ)空間過程中，由于負(fù)壓的存在，氣體分子從內(nèi)膽的側(cè)壁滲透到第一密閉空間里，繼而被抽走，從而對(duì)墨水起到很好的脫泡作用。

(3)防沉積

采用納米銀等懸浮性墨水或溶解后易分層的墨水，很容易堵塞打印噴嘴，造成設(shè)備故障。為了解決上述問題，專利文獻(xiàn)  CN201720235727公開了一種用以提高液體流動(dòng)性，減少液體沉淀堵塞噴嘴現(xiàn)象發(fā)生的噴液裝置，包括：儲(chǔ)液腔與儲(chǔ)液腔連通的噴嘴;與儲(chǔ)液腔連通的循環(huán)管路;循環(huán)管路和儲(chǔ)液腔形成液體的流通環(huán)路。通過設(shè)置與儲(chǔ)液腔連通的循環(huán)管路，可以使儲(chǔ)液腔內(nèi)的液體循環(huán)流動(dòng)起來，從而減少不溶解的微粒沉淀堵塞噴嘴現(xiàn)象的發(fā)生。

本文通過對(duì)OLED 噴墨打印技術(shù)的全球?qū)＠暾?qǐng)量以及重要申請(qǐng)人情況進(jìn)行梳理，了解了目前該技術(shù)的專利布局情況，對(duì)分析樣本進(jìn)行技術(shù)標(biāo)引，發(fā)現(xiàn)目前該技術(shù)主要涉及成膜均勻性、沉積位置準(zhǔn)確性以及墨水控制技術(shù) 3個(gè)重點(diǎn)技術(shù)分支。其中，關(guān)于成膜均勻性，目前的專利技術(shù)主要從改善干燥工藝和改善噴墨打印工藝兩個(gè)方面進(jìn)行提升;關(guān)于沉積位置準(zhǔn)確性，目前主要的專利技術(shù)包括衛(wèi)星點(diǎn)的控制以及防串色技術(shù);關(guān)于墨水控制技術(shù)，目前主要的專利技術(shù)包括墨水供給、墨水脫氣以及防沉積等。