柔性OLED的封装技术

【中心议题】

•     *柔性OLED的薄膜封装技术
•     *柔性OLED器件中的干燥剂

【解决方案】

•     *给器件加一个柔性的聚合物的盖板,然后在基板和盖板上制作阻挡层以阻挡水汽和氧气的渗透
•     *在基板和各功能层上制作单层或多层薄膜阻挡水、氧等成分的渗透

有机电致发光显示与其他形式的显示相比,有一个重要的优势就是可以实现柔性显示。1992年Gustafsson等人发明了基于PET (ploy-ethylene-terephthalate)基板上的柔性高分子材料的OLED;1997年Forrest等人发明了柔性小分子材料的OLED。这类显示器件柔软可以变形且不易损坏,可以安装在弯曲的表面,甚至可以穿戴,因而日益成为国际显示行业的研究热点。对于柔性OLED来说,传统的封装方法因为盖板是不可卷曲的,因而是无效的。

柔性OLED主要有以下两种封装方法: (1)与传统的OLED器件类似,考虑给器件加一个柔性的聚合物的盖板,然后在基板和盖板上制作阻挡层以阻挡水汽和氧气的渗透。(2)在基板和各功能层上制作单层或多层薄膜阻挡水、氧等成分的渗透。以上两种封装方法如图2, 3所示。

图3所示的用薄膜直接封装与图2所示比起来,器件更薄,而且不必担心在柔性显示时,聚合

物盖子的磨损,但是这种封装要求薄膜阻挡层在形成过程中必须与OLED的基板紧密粘接,该过程一般在较低的温度下完成,而且要尽量避免对有机层的损坏。

另外,如果器件的基板为对水汽和氧气阻挡性能很好的物质,如是极薄的玻璃或金属时,封装时也可以不要基板上的阻挡层。

柔性OLED的薄膜封装技术

薄膜封装技术在OLED发展之前就已经广泛用于食品和药品的包装。20世纪60年代,无机涂层就被用来涂在聚合物上以减少水分对聚合物的渗透作用。有机-无机混合聚合物涂层也在这时得到应用。在PET上蒸镀铝膜技术也在70年代商业化。

对于柔性OLED来说,进行薄膜封装比较困难,柔性OLED基板和盖板上制作的阻挡层应满足以下要求:必须能与OLED的基板或盖板紧密结合;水、氧渗透率满足OLED的寿命要求;要有一定的机械强度;阻挡层自身是稳定的;其他各工作层的形成对阻挡层不产生影响;阻挡层是柔性的。

柔性OLED器件的薄膜封装,通常采用单层薄膜封装和多层薄膜封装两种封装方式。

1　单层薄膜封装

这种封装方法一般是利用等离子体化学气相沉积(PECVD)或真空蒸镀技术,在基板上和器件上制备一层阻挡层,以此来阻挡水汽和氧气的渗透。

阻挡层材料多为硅氧化合物或硅氮化合物等。为了研究单层薄膜(无机薄膜和有机薄膜)对水汽的阻挡作用,我们进行了如下的实验, (1)在PET基板上制作OLED器件,采用器件结构为ITO/TPD/Alq3/LiF/Al,以Al作为阴极,当器件的阴极蒸镀完成后,在器件阴极上再蒸镀一层厚度为150 nm的SiO2作为阻挡层(温度1200℃,蒸发速度0·1 nm/s),当器件从手套箱内取出后, 10 min内即可看到阴极被腐蚀。增加保护膜厚度可以延缓阴极被腐蚀的时间。出现这种问题的原因可能是由于蒸镀的无机薄膜不是完全致密的,蒸镀时出现的针孔或其它细微的通道都会导致器件很快失效。(2)仍然采用上述器件结构,在蒸镀阴极后在手套箱内浸涂一层环氧树脂粘剂,在手套箱内固化24 h后取出,很快看到阴极被腐蚀。可见这种聚合物薄膜也不能有效阻挡水、氧的渗透,这可能与固化后的高分子材料是一种多空结构有关。因此,如果要用单层膜对FOLED (柔性有机电致发光器件)进行封装,应该采用几乎没有针孔和晶粒边界缺陷无机物薄膜,才能使密封性更好。韩国Elia TECH于2002年研究出这种薄膜封装技术,是在基板背面形成薄膜覆层,借此阻断造成OLED亮度不足与出现黑点等致命性缺陷的水分或空气,且由于可不使用玻璃或金属板、干燥剂,可将OLED模块的厚度由过去的2·1 mm缩减到小于

1·1 mm,并节省50%以上的成本。

2　多层薄膜封装

另外一个比较有效的方法是在聚合物基板和有机发光器件上采用多层薄膜包覆密封,也就是我们常说的Barix封装技术。方法是用覆膜材料对柔性有机发光器件进行密封包装,该混合防护层由真空沉积聚合物膜和高密度介电层交替构成,有效地消除了各防护层材料间的相互影响。在Barix封装技术中所用的聚合物膜层能使衬底表面光滑。聚合物在真空中沉积并交联,形成一种非共形的聚丙烯酸酯膜,然后将介电质薄膜层的层数和成分加以调控。Barix结构的最后一层为ITO层,可作为有机发光二极管的阳极。制成的衬底的透过率在可见光谱区大于80%,而膜层的电阻小于40Ω/□。

M. S. Weaver等人,报道了一种用于柔性OLED封装的多层膜阻挡层结构,以一层175μm厚的PET (聚乙烯对苯二酸酯)作为基板,然后,用4~5层交替形成的聚乙烯薄膜和无机氧化物薄膜层对OLED器件进行封装,器件结构为ITO (160nm) /CuPc (10 nm) /α-NPD (30 nm) /CPB (30nm) /BAlq (10 nm) /Alq3(30 nm) /LiF (1 nm) /Al (100 nm),在Al上交替蒸镀有机和金属薄膜。

据报道这种器件的水汽渗透率小于2×10-6g·m-2/d,初始亮度425 cd/m2,基本可以满足柔性OLED的实用要求。

柔性OLED器件中的干燥剂

在OLED器件内部放入干燥剂,可以吸收器件内部的水分,以延长器件的寿命。对于传统的OLED来说,干燥剂层的厚度约为1 mm,这对柔性OLED来说是不可能的。但是我们可以考虑在器件内部把干燥剂制成柔性的薄膜。

在对柔性器件封装时干燥剂吸水后对阻挡层的影响也是我们要考虑的问题。对于单层结构的柔性OLED来说,干燥剂吸水后膨胀,会使阻挡层失效;对于叠层结构的柔性OLED讲,干燥剂吸水后对器件的影响不大,因此在制作叠层器件时,不用太重视。Tsuruoka报道了在玻璃基板上制作的干燥薄膜,可以大大减少器件内黑斑的形成,但这种干燥剂薄膜在制作过程中需要经过较高的温度处理,这对普通的FOLED来说,是比较难以实现的。

有人还提出了另外一种方案来解决干燥剂薄膜的问题。这种方法是将干燥剂掺入聚合物基板和面板,阻挡层制作在聚合物面板外,这样就避免了干燥剂和有机层直接接触,不用考虑干燥剂吸水后对器件功能层的影响。但这种方案要求干燥剂的线度要小于器件所发射的光的波长,以免引起光的散射。

总之,对于FOLED,制作干燥剂薄膜是一个很有吸引力的方案,但实现起来有一定的困难。