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【深究】OLED喷墨打印专利技术

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发表时间:2024-05-06 14:07作者:任丛丛 吴双岭 国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心(第二作者等同第一作者)

本文通过对喷墨实现 OLED成膜的专利申请状况分析,梳理相关专利技术的全球分布以及重点申请人,深入剖析了OLED喷墨打印的重点技术分支情况,并基于此预测未来 OLED 喷墨打印技术的发展趋势,以期为国内创新主体的专利布局和技术研发提供参考。


新型显示技术已发展成为新一代信息技术的先导性支柱产业,是我国信息化、智能化时代战略性新兴产业重点发展的方向之一。随着  “互联网+”、人工智能、可穿戴设备等信息技术的快速进步,对于作为信息窗口的显示器件提出了柔性、轻薄、省电、可折叠卷曲、超大尺寸等要求,从而出现了新型显示技术,如有机发光二极管(Organic  Light-Emitting Diode,简称“OLED”)。喷墨打印技术由于材料利用率较高、可以实现大尺寸化,被认为是大尺寸 OLED  显示器件实现量产的重要方式。


本文通过对 OLED 喷墨打印技术的专利布局情况以及关键技术进行分析,详尽展现了OLED  喷墨打印技术的整体发展状况,以期为国内OLED技术的发展提供一些启示。


专利申请状况分析


1. 全球专利年申请状况分析


虽然 OLED 的制造和成膜由来已久,但通过喷墨的方式实现 OLED 的制造却是一项较新的技术,其专利申请主要集中在 2003 年以后。从图 1  可以看出,2003—2011 年专利申请量整体较高,2012—2016 年专利申请量降低,之后又逐渐增高,即 OLED 制造技术从 2003  年开始呈现蓬勃发展的态势。在此期间,大批 OLED制造商开始探索并积极使用新的成膜方式——喷墨打印,以实现 OLED 的成膜和制造,这一技术在 2011  年进入繁荣发展阶段。随着 OLED 技术日益成熟以及其应用的逐渐普遍化,自 2017年以来,OLED  的制造一直保持着稳定发展,与此同时,喷墨成膜技术也日趋成熟并不断发展着。虽然图 1 中显示,2023  年专利申请量较以往呈现下降趋势,但究其原因可能是部分2023年申请的专利还未公开。



2. 全球重要申请人及申请量状况分析


由图 2 可知,申请量居于首位并遥遥领先的申请企业为精工爱普生,然后依次为科迪华、柯尼卡美能达、 东京电力、 卡西欧、东芝等。其中,精工爱普生申请量占比  38%、科迪华占比 13%、柯尼卡美能达和东京电力分别占比 9%。全球 OLED  喷墨成膜专利技术的重要申请人主要来自日本和美国,主要是因为日本和美国的喷墨打印技术一直处于领先水平,而精工爱普生更是喷墨打印技术的领先企业和技术研发的中坚力量,在喷墨打印技术中占有非常重要的地位。在  OLED蓬勃发展的趋势下,除了精工爱普生、科迪华等企业外,其他喷墨打印企业以及 OLED 制造企业也开始关注通过喷墨打印实现 OLED  成膜技术的研发和应用。



重点技术分析


通过对 OLED 喷墨打印技术专利文献的收集、标引和梳理,对涉及到的 OLED 喷墨打印的专利文献样本进行分析后发现,目前 OLED  喷墨打印技术的研究重点主要包括以下几个方面:成膜均匀性、沉积位置准确性以及墨水供给技术(如图 3 所示)。



1. 成膜均匀性控制技术


采用喷墨打印工艺制备 OLED  发光面板时,成膜的均匀性将严重影响器件的点亮效果,例如亮度均匀性、寿命、效率等,严重时可能还会短路不发光。因此,保证喷墨打印形成的功能膜层膜厚的均匀性,是喷墨打印的关键要求。



最常见的两种成膜不均匀现象就是咖啡环效应和马兰戈尼效应。其中,咖啡环效应是喷墨打印过程中一种常见的现象,如图 4 所示,  当墨滴滴落到基板或像素内后,由于墨滴形状的原因,即由于表面张力变化曲线的形成,导致墨滴中体积和单位面积比较小的中心部分与体积和单位面积比较大的边缘部分的蒸发速率不同,因此,边缘部分的墨水干燥速率更快。随着边缘部分溶剂的不断挥发,导致中心部分和边缘部分的固含量分布变得不同,使其存在一个浓度梯度差,从而引起溶剂从中心部分向边缘部分的毛细补偿流动现象,溶剂的这种流动势必带动部分溶质也向边缘部分迁移,导致边缘部分的溶质量不断增加,最终导致咖啡环效应的形成。马兰戈尼效应也是喷墨打印过程中一种常见的现象。出现马兰戈尼效应的原因是表面张力大的液体对其周围表面张力小的液体拉力强,产生表面张力梯度,使液体从表面张力低向张力高的方向流动,如图  5 所示,由于膜面的张力梯度导致马兰戈尼流动产生,将溶质从边缘迁移至中间区域,导致膜面“中间厚,两端薄”。



目前,用于提高成膜均匀性的专利技术主要包括改善干燥工艺以及改善喷墨打印工艺两个方面。关于改善干燥工艺,主要包括控制干燥温度、喷射辅助干燥的气体、冷凝技术、溶剂调配技术以及增添喷嘴辅助结构等。而关于喷墨打印工艺,形成均匀膜层的理想状态是打印头上的各个喷嘴将体积大小相同的墨滴均匀地喷入各个像素坑内,从而使得坑内的膜厚均匀一致。但是在实际喷墨过程中,受喷墨头喷印精度的影响,例如从喷嘴喷出的液滴体积不同、墨滴的滴落角度偏离了理想的滴落角度等,会导致像素坑之间的墨水体积存在差异,目前关于通过喷墨打印工艺来提高成膜均匀性的技术主要包括控制喷墨参数、改变墨滴粘度、调整喷墨速度、调整液滴体积等。


2. 沉积位置准确性控制技术


众所周知,OLED 显示面板的结构中有机发光像素的成膜质量直接影响显示面板的显示效果,而有机发光像素是由一个个成矩阵排列的  像素坑构成,在其成膜过程中,怎样才能准确在像素坑中成膜是 OLED 制造技术中的一个重要环节。随着喷墨打印技术在 OLED  制作中的应用,将喷墨点准确形成在所需成膜的像素坑中是目前 OLED 成膜技术的关键。喷墨位置不准确极易造成 OLED  显示面板出现波纹、混色等现象,从而影响其显示性能。针对该问题研究人员从以下几个方面作了探索和改进。


(1)卫星点控制技术

当喷墨打印工艺发生在打印区域中间时,溅射出的卫星滴仍然滴落在打印区域,但是当喷墨打印工艺发生在打印区域边缘时,溅射出的卫星滴就会滴落到打印区域以外的地方,而非打印区域上的卫星滴会对后续的生产工艺产生不良效果。


为了避免卫星点对产品质量的影响,目前采用的专利技术主要有以下两个方向:


一是减少卫星点的产生。例如,专利文献CN201921227414 公开了通过在喷嘴的通道内设置阻流部,打印液在从基底的容纳腔经由通  道入口至出口的过程中,流经阻流部的子通道并与阻流部的第二内壁接触,增大了打印液与喷嘴内壁的接触面积,打印液在出口位置处射为液滴,能够减小液滴卫星效应。


二是将产生的卫星点消除。例如,专利文献 CN202110406779 公开了一种应用于印刷墨滴的压电喷墨系统及其优化方法,具体为:中  央控制系统通过墨滴监测系统采集从多通道升温装置出来后的墨滴下落图像,并根据下落图像分析是否仍存在卫星滴。若仍存在卫星滴,则中央控制系统根据下落图像获取喷射该卫星滴的喷嘴序号,并通过温控调节装置对多通道升温装置中与该喷嘴相应的加热通道内的温度进行升温,消除仍会存在的卫星滴。最终,影响印刷精度的卫星滴几乎被全部挥发掉,留下尺寸更精细的主墨滴参与基板沉积,极大地提升了印刷精度。


(2)防串色技术

顾名思义,防串色就是避免液滴滴入错误的色坑。目前,用于提高防串色性能的专利技术主要包括以下几个方向:


一是设置辅助结构。例如,专利文献CN201710953212公开了一种通过设置导液组件来防止串色的技术方案,如图 6  所示,具体为导液组件的多个导液槽 10 可以使液体从入口端 101进入,然后从出口端 103 流出,连接入口端 101 和出口端 103 的槽壁 102  可以起到传输液体的作用,从而防止液体流向偏离出口端103  方向。该导液组件可以应用于喷墨打印中,上述液体可以为喷墨打印所喷出的墨水,采用导液组件可以精准控制墨水喷出后的运动方向,提高了喷墨打印的精度,相对于现有的直接从喷嘴口中喷墨的技术来说,避免了墨水从喷嘴口出来之后受到外界不良因素的影响及打印设备本身精度低而出现的打偏现象,解决了现有技术中喷墨打印制备的显示器件容易出现相邻像素混色或像素缺失的问题,实现了提高喷墨打印准确率的效果。



二是改善基板性能。基板作为接受液滴的载体,其性能也会影响液滴沉积位置的准确性,因此,改善基板性能是提高液滴沉积位置准确性的重要手段。


三是施加电荷,使墨滴带有预期的电荷,通过电场的方式提高墨滴位置准确性从而防止串色。例如,专利文献 CN201710867408.2 公  开了一种通过施加电荷实现防串色的技术方案,如图 7 所示。



3. 墨水控制技术

采用打印设备制作 OLED 和有机薄膜晶体管显示产品,具有材料利用率高、制作周期短等优点。由于用于 OLED 制备所采用的墨水因  成分与普通图文打印墨水的差异,其在实际生产过程中也会出现不同的状况,例如:因墨水粘度过大而不容易供给,造成设备故障;因墨水中混有气泡而导致打印不良;采用纳米银等悬浮性墨水或溶解后容易分层的墨水,容易堵塞打印喷嘴等一系列问题。


(1)墨水供给

基于 OLED 喷墨打印所采用油墨的本身特性,其墨水供给方式往往有异于普通的图文打印机,由此出现了一些与关于 OLED 墨水供应 相关的专利申请。


(2)墨水脱气

墨水中如果混有气泡,往往会导致不喷、喷射偏斜等故障,严重影响喷射精度。为了避免气泡产生的喷印不良,专利文献 CN202022038582  公开了一种墨水存储装置,墨水存储装置使用于喷墨打印装置,通过在外壳体中使用渗透膜制成的内胆形成一墨水存储空间,并在外壳体和内胆之间形成环绕内胆的第一密闭空间,通过第一真空泵抽真空使第一密闭空间内形成负压,在墨水存储于墨水存储空间内或者流经墨水存储空间过程中,由于负压的存在,气体分子从内胆的侧壁渗透到第一密闭空间里,继而被抽走,从而对墨水起到很好的脱泡作用。


(3)防沉积

采用纳米银等悬浮性墨水或溶解后易分层的墨水,很容易堵塞打印喷嘴,造成设备故障。为了解决上述问题,专利文献  CN201720235727公开了一种用以提高液体流动性,减少液体沉淀堵塞喷嘴现象发生的喷液装置,包括:储液腔与储液腔连通的喷嘴;与储液腔连通的循环管路;循环管路和储液腔形成液体的流通环路。通过设置与储液腔连通的循环管路,可以使储液腔内的液体循环流动起来,从而减少不溶解的微粒沉淀堵塞喷嘴现象的发生。


本文通过对OLED 喷墨打印技术的全球专利申请量以及重要申请人情况进行梳理,了解了目前该技术的专利布局情况,对分析样本进行技术标引,发现目前该技术主要涉及成膜均匀性、沉积位置准确性以及墨水控制技术 3个重点技术分支。其中,关于成膜均匀性,目前的专利技术主要从改善干燥工艺和改善喷墨打印工艺两个方面进行提升;关于沉积位置准确性,目前主要的专利技术包括卫星点的控制以及防串色技术;关于墨水控制技术,目前主要的专利技术包括墨水供给、墨水脱气以及防沉积等。

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