柔性OLED屏,绝对是手机最性感的部位!精密激光微型化加工赋能智能显示技术更多奇幻可能

发布时间: 09月28日 浏览次数:51

▸京东方的柔性OLED屏幕

 

如果手机摄像头是几滴多情的水,那手机屏绝对是妖娆多姿的湖。可称其为手机最性感的部位。没有它的存在,任何手机都将只是冷冰冰的电话。

 

华为、小米、苹果最新手机陆续发布。他们所有新产品均使用了柔性OLED屏幕。OLED显示屏以其节约电量、亮度高、轻薄等特点,已然成为手机屏幕行业的新宠。

 

OLED(有机发光二极管)和LCD(液晶显示器) 都是需要用于面板的高性能显示玻璃,以提供当今消费者认为理所当然的性能属性,每一种都有自己独特的方式,有的喜欢前者,也有的喜欢后者,但都可以呈现比过去更好的成像体验。

 

▸ iphone13屏幕材质是OLED,其采用了一块6.1英寸的刘海直屏,支持60hz刷新率

 

柔性OLED屏的可弯曲性毫无疑问会使得手机、平板等常用3C电子设备,出现革命性的变化,设备制造商通过不断推出的新设备确认,与较旧的 LCD 选项相比,让OLED具有卓越的性能和增强的光学特性。同样重要的是,OLED 更容易实现柔性显示面板,例如,OLED 显示器可以是弯曲的,或者更薄,或者有更窄的边框——或者根本没有边框。如钱包般,不使用时折叠起来,减小占用空间,要使用时展开,获得大屏幕的视觉体验。此外,OLED 显示器将成为虚拟现实应用的绝佳解决方案,因为它可以提供高分辨率和出色的响应时间和延迟。毫无疑问,OLED 显示器是移动设备的未来。

 

▸OLED面板结构 图源:LG

 

▸图源:Synaptics

OLED 代表有机发光二极管,或有机 LED。对于尺寸从可穿戴设备到电视的消费电子设备,它是 LCD 的替代品。与 LCD 一样,OLED 是一种面板,可以在设备屏幕上显示。OLED 显示画面是通过打开和关闭数百万个微小的单个 LED 产生的,每个 LED 形成显示器的单个像素。将此与 LCD 进行比较,其中始终开启的背光通过夹在两块玻璃之间的液晶投射光线。当液晶被电流激发时,它让单个像素的光像快门一样通过。

 

01 柔性OLED屏

加工要求

 

现在可折叠手机和有更窄外弧的屏幕均采用柔性OLED屏,所谓的柔性屏就是指:可以自由弯曲、折叠的屏幕。柔性屏作为崭新的领域,在加工过程中面临着许多问题,对表面微精加工工艺提出了更高的要求。

 

随着平板显示器市场从LCD转向OLED显示技术,需要高质量和高精度的异质材料(由多个有机材料薄膜组成)的激光图案化和切割。在 OLED 技术中,基板材料正在从玻璃转向柔性塑料,以制造更轻、更薄和更耐用的显示器。柔性 OLED 结构由沉积在热敏塑料薄膜(例如 PI 和聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET))上的多层功能材料堆叠组成,如下图,这些薄膜敏感的热和光学特性使得这些堆叠难以使用传统激光加工。

 

▸ 柔性 OLED 结构的示意图。TFT代表薄膜晶体管。 图源:Newport

 

与传统的脆性材料加工相比,OLED显示屏由于其复杂的分层机构,在制造过程中必须以最高的精密度进行加工,以保证质量和良品率。表面处理商已提供可推动显示性能和生产创新的精密激光解决方案,尤其是对于移动设备上的OLED。

 

▸ 图源:大族激光显示与半导体

 

精密激光(飞秒、皮秒)是表面精加工的王者。OLED显示屏的精微加工离不开激光的精密切割。因为采用传统的机械加工方式切割柔性屏容易发生崩边、裂纹等问题。相较之下,精密激光切割工艺采用非接触式加工方式,相比传统激光与其他加工方式,优势如下:

 

  • 提高精度:结合高空间精度和选择性,用于高级显示器生产。自动化切割、切割边缘崩边小、精度高、切割多样化、切割不变形
  • 提高生产率:为当前和未来的模块和面板提供快速、大面积的处理
  • 产量最大化:在从背板到单个显示器的整个工艺链中保持卓越的良率

 

02 精密激光加工

微型化解决方案

 

▸ 图源:Trumpf

 

▼ OLED 的工艺挑战

 

平板显示器使用不同的背板技术。用于手机的中小型 OLED 使用低温多晶硅 (LTPS) 背板,该背板由激光退火非晶硅 (a-Si) 制成。OLED 电视使用金属氧化物背板。两种背板都使用必须高度均匀且无污染的沉积薄膜,以最大限度地提高电气性能。OLED 被蒸发或沉积并封装以减少由水蒸气和氧气暴露引起的退化。封装使用强化玻璃或薄膜,具体取决于 OLED 是刚性的还是柔性的。刚性和柔性堆叠内材料的不同使得单个显示设备的切割和分离成为一项挑战。这个过程的高度复杂性会导致缺陷,降低性能和产量。

 

OLED 制造面临的挑战包括:

 

  • 无污染薄膜
  • 精确切割,对周围区域或结构的损坏最小
  • 吞吐量低
  • 其他高精且复杂的微型化表面处理

 

▸ 图源:大族粤铭激光集团 

 

▼OLED精密加工方案-Fs激光切割玻璃和薄膜

 

精密制造的飞秒和皮秒激光器非常适合玻璃和薄膜切割。对于盖板玻璃和刚性 OLED,可提供精确的灵活脉冲和突发控制,从而产生均一、光滑、无裂纹的表面边缘,使玻璃更坚固,跌落时更不容易破裂。这减少了对切割后抛光的需求,通过减少制造工艺步骤的数量来提高产量。

 

▸ 全自动柔性OLED模组激光切割系统 图源:Delphilaser

 

飞秒激光在高精度工业制造中对聚合物、薄金属、蓝宝石、多晶金刚石和许多其他材料的微加工应用定义了新的标准。Fs激光器一种用于高精度工业制造的大功率激光器,这些激光器平均功率高、脉冲能量大且重复频率高,从而能够提高生产效率。客户将从工业上可获得的最短脉冲宽度和一流的光束质量中受益,从而能够在几乎不产生热影响区 (HAZ) 的情况下加工具有一流精度和质量的复杂而具有挑战性的部件——以最小的HAZ加工塑料材料并精确控制材料去除,这对于OLED精密表面加工极为关键。可通过不同的材料层(包括各种薄膜、PET 和粘合剂)提供干净、均一的切割。如飞秒激光系统在 515 和 1030 nm 波长下工作,用于切割 75 μm 厚的 PI 和 PET 塑料带,通常用于柔性 OLED 显示器。

 

▸ 使用 Spirit 100 W IR fs 激光器切割的 PET(左)和 PI(右)聚合物 75 um 厚薄膜。PET 的切割速度 > 1 m/s,PI 的切割速度 > 650 mm/s。结果显示 HAZ 最小。图源:Spectra-Physics

 

▼OLED精密加工方案-直接压力测量

 

LTPS 背板将电流传导至 OLED,从而发光。该层是通过真空沉积 a-Si 直接在强化玻璃上或附着在玻璃载体上的聚酰亚胺层上形成的。然后对薄膜进行激光退火以创建晶体 LTPS 结构。为了确保 a-Si 薄膜的正确成分和均匀性,直接测量沉积室内的压力非常重要。直接压力测量设备就地运行,具有低压力测量漂移和 EtherCAT 通信。这使得与整个系统的通信高度可靠且快速,确保 a-Si 薄膜的正确成分和均匀性。

 

▼OLED精密加工方案-准分子激光退火

 

准分子激光退火系统可用于制备显示面板中的薄膜晶体管的半导体层,制备过程中,准分子激光退火系统可对非晶氧化物半导体薄膜进行准分子激光退火处理,使非晶氧化物半导体薄膜进行激光退火的位置结晶,形成结晶氧化物半导体材料。

 

LTPS是通过用准分子激光器加工非晶硅制成的。当激光照射到a-Si层上并移动时,相应的区域具有规则的棋盘状颗粒组成,这被称为ELA(准分子激光退火)工艺。如下图所示,接收激光能量的无序阵列中的a-Si像左侧的Poly-Si(LTPS)一样结晶,形成单晶硅簇,并显着提高了TFT的性能。

 

▸ 相干公司率先开发了准分子激光退火技术,用于生产低温多晶硅 TFT(LTPS 和 LTPO 背板),从而实现高分辨率 OLED 和 MicroLED 显示器。图源:相干

 

▼OLED精密加工方案-臭氧水输送

 

a-Si 沉积之前的表面清洁度对于确保污染物不会对薄膜电气特性产生负面影响非常重要。臭氧水输送系统提供纯净、高流量和高浓度的臭氧,可快速氧化包括金属和颗粒在内的有机物。在制造过程的这个阶段暴露于臭氧可改善 LTPS 薄膜层的晶粒尺寸和均匀性,从而改善背板的电气特性。重要的是在激光退火后用臭氧水清洁,以确保在 RGB 蒸发步骤之前没有新的污染物沉积在表面上。

 

▼OLED精密加工方案-远程等离子体源沉积清洁

 

使用远程等离子体源(RPS) 系统对真空沉积室进行常规清洁, 可通过去除室壁污染物、来减少潜在的薄膜污染。RPS 可在 5-40 Torr 的广泛压力范围内以低至 50 slm 的低容量提供高效的 NF3。这会提高腔室清洁速度和设备正常运行时间。为了缩短腔室清洁时间,非色散红外 (NDIR) 腔室清洁端点系统可检测低至 1 ppm 的 SiF4,通过测量工艺副产品来优化腔室清洁时间。可提高涂层附着力,获得均匀无瑕疵的涂层分布,可实现低颗粒、长块寿命,从而降低拥有成本。

 

 

▼OLED精密加工方案-像素孔加工激光器

 

RGB 像素使用殷钢精细金属掩模 (FMM) 在 LTPS 背板表面蒸发。随着 OLED 制造商推动 > 1000 像素/英寸 (PPI) 以支持 VR,需要一种新方法来创建具有更高像素密度和特征精度的精细金属掩模。精密激光器具有皮秒或飞秒脉冲和小的聚焦光束宽度,可创建完全垂直的像素孔,不会产生对特征几何产生负面影响的材料堆积。超短脉冲减少了多余的热量积聚,提供了最小的热影响区。这减少了掩模翘曲并确保所有像素孔保持其形状。激光器的高输出功率、高光束质量和窄带宽支持高度均匀的光束分裂平行加工和提高产量。

 

 

▼OLED精密加工方案-激光剥离

 

激光剥离环节实质上是一个单脉冲扫描的过程,因此对激光束的均匀度和稳定性有极高的要求。将柔性 OLED 显示器与刚性载体以及 MicroLED 芯片与生长晶圆轻轻分离。可扩展的紫外激光功率可确保高产量和产量激光剥离技术通过利用高能脉冲激光束穿透蓝宝石基板,光子能量介于蓝宝石带隙和GaN带隙之间,对蓝宝石衬底与外延生长的GaN材料的交界面进行均匀扫描;GaN层大量吸收光子能量,并分解形成液态Ga和氮气,则可以实现Al2O3衬底和GaN薄膜或GaN-LED芯片的分离,使得几乎可以在不使用外力的情况下,实现蓝宝石衬底的剥离。

 

▼OLED精密加工方案-光束传输光学

 

高性能光学元件具有针对不同波长优化的各种涂层,可实现紧密的光束传输——对于玻璃和薄膜切割的小半径切角非常重要。结合具有高速、稳定速度和开关激光同步的线性平台,结合高精度激光解决方案,实现薄膜和玻璃的微米级精确半径切割。

 

▸  图源:康宁

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