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用于AMOLED的聚酰亚胺薄膜

2022-11-25 来源:高分子物理学公众号 浏览数:1

  什么是AMOLED

 

AMOLED(英语:Active-matrix organic light-emitting diode,中译:有源矩阵有机发光二极体或主动矩阵有机发光二极体)是一种显示屏技术。其中OLED(有机发光二极体)是描述薄膜显示技术的具体类型:有机电激发光显示;AM(有源矩阵体或称主动式矩阵体)是指背后的像素寻址技术。目前AMOLED技术主要用于智能手机,并继续朝低功耗、低成本、大尺寸方向发展。

 

可用于AMOLED的柔性衬底

 

可用于柔性 AMOLED 显示的柔性衬底主要包含以下几类:塑料衬底、不锈钢箔片、柔性玻璃、纸。其中不锈钢箔片表面粗糙度大,不透明;柔性玻璃弯曲效果欠佳且价格较贵;而纸耐温性差,这些限制了其在该领域的发展。而塑料衬底综合性能较好,已成为重点发展的衬底材料。而目前发展较快的是PI,即聚酰亚胺薄膜。

 

   为什么聚酰亚胺薄膜可以用于AMOLED

 

PI 是现有材料中耐温性最好的一类聚合物材料,同时还拥有优良的化学稳定性和优良的力学性能。通过在化学、热学、光学、力学、形貌等六个方面的综合调控,可以满足其在AMOLED的使用要求。

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聚酰亚胺透明膜


这六个方面的性能可进一步细化为 23 个物理指标

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01

化学方面

PI 必须具有良好的耐药性。AMOLED 显示屏工艺对 PI 耐药性的要求,体现在 PI 应不溶解于常规的酸、碱和有机溶剂中,且其在溶剂中不能出现溶胀、开裂、皱缩以及其他物理性能显著劣化的现象。其次,要求显示用的 PI 材料纯度必须非常高。一般而言,AMOLED 工艺对聚酰胺酸的 Cu、Fe、Cr 和 Mn 等金属杂质含量的要求是小于 0.1  ppm,对移动性较强的 Na 和 K 含量要求小于 0.3 ppm。另外不能出现有团聚的有机杂质。因为PI 材料中的杂质往往会导致其周边的显示单元不受控,形成显示缺陷,影响显示屏的显示效果。

 

02

力学方面

AMOLED 显示屏要求 PI 具有较高的机械强度和具有较小的残余应力,AMOLED 制程要求复合基板的翘曲度不能过大。复合基板翘曲度过大会导致 PI 表面所沉积的功能层均匀性下降,也会导致光刻精度下降。同时意味着柔性 PI 衬底从载体基板上分离后将出现严重的应力释放现象,器件将会出现不受控卷曲的问题。在调控 PI 衬底的残余应力方面,具有较少柔性基团的棕色 PI 材料可通过环化工艺的优化对残余应力进行有效调控,而对于透明或无色 PI 材料而言,通过固化温度调控残余应力的空间十分有限。通过优化 PI 分子结构、开发低热膨胀系数的透明 PI 衬底材料是一个更为可行的办法。 

 

03

光学方面

对于底发射型的 OLED 器件,要求 PI 衬底在可见光区的光学透过率大于 90%。对于顶发射型的 OLED 器件,由于其发出的光不需要经过 PI 衬底,因此这类器件对 PI 光学性能的要求就大大降低,用传统的棕色耐高温 PI材料即可。 


04

热学方面

对于采用金属氧化物 TFT 背板技术的AMOLED 工艺而言,工艺的最高温度一般不超过 350℃,而基于低温多晶硅技术的AMOLED 工艺制程则需要 400℃-450℃,针对不同的工艺需要选用不同的 PI 以确保 PI的玻璃态转变温度比工艺最高温高 30℃以上。因为玻璃态转变温度是材料可长时间稳定工作的一个温度节点。在玻璃态转变温度以下,PI 具有较稳定的物理性能,而超过这一温度之后,PI 的链段开始运动,宏观上材料体现出粘弹特性,物理性能急剧变化,且PI 在高温下的形变有一部分是不可恢复的。其次,PI 在 AMOLED 工艺制程中需要经历多个冷/热循环,一般而言,由于显示屏工艺要求达到微米或亚微米量级的对位精度,因此要求 PI 衬底在工艺过程中的热膨胀系数小。


05

衬底形貌方面

要求 PI 具有适中且均匀的厚度,平坦且光滑的表面,均一、无缺陷的膜质。聚酰亚胺膜的制备一般方法是通过溶液法进行聚酰胺酸的涂覆,例如采用旋涂或刮涂等形式。为了达到较好的 PI 衬底形貌,应仔细优化聚酰胺酸的粘度以及固含量、还有涂覆以及固化工艺。 


06

其他方面

还应该考虑PI的可加工性以及严格控制PI 的吸水率以及水、氧透过率。聚酰亚胺水汽渗透率较高,可以通过沉积水氧阻隔层来弥补这一缺陷,因此目前聚酰亚胺勉强可以满足 AMOLED 的使用需求。


我的思考

柔性 AMOLED 工艺对 PI 衬底的要求是综合性的。一个 AMOLED显示屏包含三十多个功能层,需要经历上百道工序。AMOLED每一个功能层所经历的工艺,聚酰亚胺都必须一同经历,并且在相应的工艺过程中 PI性能不能有灾难性的退化。这要求聚酰亚胺膜的性能必须达到完美才能够实现。这让我再一次了解到一件精密的高科技产品的研发不是轻松的,而是需要千百个方面综合考虑。比如实现高光学透过率和实现高玻璃化转变温度是一对矛盾,因为为了实现高光学透过率就必须引入一些柔性或体积较大的基团,从而减小分子链的晶化程度,降低转移电荷络合作用,而这会导致聚酰亚胺材料中分子链的相互作用减弱,分子链在高温下更容易移动,使玻璃化转变温度变低。所以要实现一种优异的性能还要走很远的路。这也提醒我在今后科研的道路上要想有所成就就必须精益求精,不能囫囵吞枣。

 

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