OLED有机材料对氧气和湿气都极度敏感,必须采用密封性能比LCD技术,增强图像显示性能" target=_blank>LCD高出10,000倍的密闭封装方法。Barix封装技术采用聚合物层和陶瓷层堆叠方法有效地实现了OLED的密闭封装,相对传统的机械封装具有低成本、更轻、更薄的优点,并能有效延长OLED显示器寿命。本文详细介绍了Barix技术的实现方法和一些突破性应用。
平板显示器行业正在酝酿着一场变革,这场变革是由一种称为有机发光二极管(OLED)的新型固体材料所推动,这种有机材料以薄膜形式实现,厚度不超过纸张上墨水的厚度。OLED的独特性能是当有电流通过时就会发光,光的颜色取决于有机分子的结构,不同的分子结构可以分别产生红光、绿光或蓝光,从而得到全彩显示所需的RGB像素。因此,可以把薄膜材料沉积在一块玻璃基板上,然后加以封装来得到一个全彩平板显示器。这种显示技术比LCD所用的元件少很多,因为LCD显示器必须使用背光、彩色滤光器、偏光器、对准层(alignment layer)、单元衬垫(cell
spacer)等。由于OLED显示不需要背光,所以它的厚度和重量可以比LCD小一半以上,这对于像手机、PDA这类便携产品而言是一个很大的优点。
OLED的一个关键特性是它自身发光,而不像LCD那样靠反射或传导发光,这意味着OLED显示器可产生比LCD更为生动和更令人满意的图像,实现更高的亮度、对比度、色彩饱和度以及180度视角。此外,OLED可以在几个微秒中完成通断,而LCD像素通断时间为若干毫秒。因此,对于像电视这类完全运动的视频应用而言,OLED显示器是一种理想的选择,因为它不会产生重影问题,而LCD电视在显示快速运动图像时会产生这类问题。
目前,OLED类技术已经在很多小尺寸产品上得到应用,如手机、手持游戏机,甚至剃刀。OLED与传统的LCD技术相比有它固有的优点,包括视角更宽、响应时间更快、更坚固且重量更轻。然而,有机物质对湿气和氧气的敏感性限制了其广泛应用,如果保护不当将会很快损坏OLED显示器。
保护OLED显示器的传统方法
由于OLED元件固态层极薄,有一些物质是化学活性材料,暴露在水或氧气中会立刻氧化,产生黑点从而损坏显示器。因此,OLED材料对湿气和氧气极为敏感,比LCD敏感一万倍以上。
为保护OLED材料,显示器制造商目前使用玻璃作为基板材料(与LCD相同),然后粘合一个金属外壳或玻璃盖在OLED显示器的背面,用以防水和氧气。但这样做还不够,因为仍然会有极少量的湿气渗透粘胶进入显示器,从而产生黑点。因此,制造商在玻璃基板和金属外壳或玻璃盖之间放置一种称为吸潮剂的不透明粉末,用来吸收渗过胶缝的湿气。这种方法虽然有效但很笨拙,并且成本很高,对于手机显示器而言,玻璃盖、胶和吸潮剂加起来的成本约为1.2美元,这使得显示器在不计电子元件的情况下成本约3美元。然而显示器制造商的利润本来就很薄,因此必须找到一种低成本的固态薄膜封装技术来替代机械封装。如果OLED还是采用这些机械部件来封装,它们在价位上很难与LCD竞争。
Barix隔离层
Vitex Systems公司开发出了一种独特的薄膜隔离层,它对湿气和氧气的渗透性相当于一张玻璃的效果。该保护层称为Barix,是由聚合物膜和陶瓷膜在真空中迭加而成,总厚度仅为3微米,大约人头发直径的二十分之一。该隔离层能直接加在OLED显示器的上面,而不再需要使用机械封装元件就可实现对OLED的湿气和氧气隔离保护。Vitex的Barix技术将极有可能推进OLED更广泛的工业应用,使OLED成为零边界、超薄显示器中的一种有力的竞争技术。
Vitex技术的独特之处在于聚合物层的形成方法:先将一种母液(liquid precursor)快速蒸发到一种气体中,然后气体流入一个真空室,在真空室中以液体形式凝聚在基板上。这种在真空中的液体应用正是Vitex技术的独特之处,它不同于蒸发、阴极真空喷镀或化学汽相沉积(CVD)这类传统的真空工艺。这些工艺都采用气体-固体沉积工艺,在这种工艺中,原子或分子以瞄准线(line-of-sight)路径打在基板上并转变为固态。根据其特性,这种沉积工艺将产生与下面基板的拓扑结构和表面粗糙度相同的覆盖层。而在Vitex工艺中,基板上形成的液体母液实际上是气体至液体的凝聚而不是沉积。母液气体分子运动到基板上并在基板的所有表面上凝聚为液体,从而使整个结构完全密封和平整化。图1为一层聚合物薄膜粒子的显微图,该图显示了Barix涂层如何覆盖所有不平整的地方,并实现一个原子级的平滑表面。
此外,由于单体(monomer)是液体物质,其顶部表面具有原子级的平滑度,可以产生一个用来沉积保护膜的理想表层。然后,将基板移动到一个紫外(UV)光源处,使液体发生聚合反应,产生固态聚合物膜,它的顶面仍保持原子级的平滑度。下一步骤是将一个厚度仅为500埃的陶瓷膜沉积在聚合物层的上面。由于聚合物层表面很平滑,陶瓷膜只有非常少的缺陷,所以能形成一个几乎完美的湿气隔离层。但这种质量并不能满足OLED显示器的要求,因此还必须重复这个过程,产生一个多层聚合物层和陶瓷层的堆叠,这其中每一个陶瓷层都是几乎完美的湿气隔离层,这个陶瓷层和聚合物层的组合总厚度大约为3微米。经测量,所形成的湿气隔离层的渗水率大约为每平方米每天10-6gm,该指标可以满足OLED显示器对渗水率的技术要求。
Barix 封装技术的优点
在过去的三年中,Vitex公司一直在开发Barix封装技术,即将隔离层直接加在OLED显示玻璃基板上面。开发过程包括对称为Guardian System的一个完整系统的设计和实现,该系统是一个内嵌的沉积模块,能够直接将OLED基板从OLED沉积工具中取出并添加Barix隔离层。在Barix封装完成后,成品OLED可以在大气环境中进行其余的显示器装配工作。图2为将Barix封装应用到OLED显示器的示意图。
由于不再使用金属外壳、玻璃盖、粘胶和去潮剂,Barix封装为OLED制造商带来了以下三个重要的优点:
1. 显示器的重量和厚度减半。这对于移动设备设计者来说十分重要,例如,有很多新型带数码相机的手机在机身上采用了一个小的显示器用作取景器,在一个翻盖手机中,该显示器与主显示器背靠背安装。如果两个显示器都是带背光的LCD,结果将使手机体积变得很大,而使用OLED就不存在背光问题,总厚度可以减少一半,而如果近一步用Barix封装来替代机械封装,每个显示器就像一块玻璃,这样就能制造出一个极薄的手机；
2. 用薄膜湿气隔离层来替代机械封装件,大大降低了成本；
3. 机械密封的OLED显示器需用一条3毫米宽的粘胶带,这在显示器上会形成一个死角。对于小型的移动设备而言是一个很大的缺陷,而使用Barix封装的OLED显示器只有一个小于1毫米宽的边缘,给设计工程师带来了极大的设计灵活性。
图3为飞利浦公司制造的一个OLED移动设备显示器的原型,从图中可以注意到整个显示器仅仅是一块玻璃。背面的Barix 涂敷层很薄,根本就看不见。
隔离薄膜层可延长OLED电视寿命
除了极薄并能防渗水外,Barix 涂敷层对可见光是透明的,这意味着OLED显示器制造商完全可以避免生产底部发光的显示器,因为底部发光显示器的光通路有一部分被基板上的TFT硅晶体管所阻挡,降低了显示效率和分辨率。如果用透明薄膜封装来替代金属外壳、玻璃盖和吸潮剂等机械封装,可将显示器设计成所有的光从顶部射出,将有效地提高电源效率,并实现更高的分辨率。这不仅提高了效率还可延长OLED的使用寿命。目前,限制OLED显示器大量应用的因素除了湿气和氧气的损坏外,还有发光物质的寿命问题,特别是蓝色发光材料的寿命。与LCD采用电压驱动不同的是,OLED是采用电流驱动,流过发光物质的电流总量对OLED寿命有很大影响。相比于光线部分被挡的低效率底部发光显示器,效率更高的顶部发光显示器只需要较小的电流,故而具有更长的寿命。
目前,一些重要的显示器制造商正在积极地开发OLED电视,包括索尼、东芝-松下显示器公司、Samsung SDI、Chi Mei/IDTech和 SK显示器公司以及三洋-柯达合资公司。为了满足性能和显示寿命的要求,OLED 电视必须是顶部发光的。因此,满足OLED要求的薄膜湿气隔离层是使OLED 电视得以实现的关键技术。
柔性显示技术带来的突破性应用
一直以来,平板显示制造商都梦想有一天能不用玻璃基板,而将显示器做在柔性塑料膜上。是什么因素阻止了该类产品的发展呢？答案非常简单:渗透性,水渗入塑料膜从而毁坏显示器。例如,聚酯(PET)膜每平方米每天会渗过大约10克水,如果在PET上增加一般的商用湿气隔离层,渗透率会减少到大约每平方米每天0.1克,改进了不到100倍。这作为食品包装而言是足够的,但如果要制造一个塑料LCD,则必须将渗透率降到0.01以下,而目前还没有这么低渗透率的商用湿气隔离膜。
而对于OLED显示器而言,湿气隔离的要求更高,其指标要求比任何工业用塑料湿气隔离膜高一万倍,Barix技术可以满足这种应用要求。通过真空逐卷生产工艺,Vitex将Barix涂覆加到成卷的PET膜上,形成了Flexible Glass隔离基板。就像使用Barix封装一样,Flexible Glass的渗透率大约相当于一张玻璃的效果。Vitex公司目前正提供成卷的Flexible Glass 给很多OLED显示器制造商,这些显示器制造商正在了解如何在塑料基底上实现柔性OLED显示器的生产。例如,Vitex与 杜邦显示器公司有一个合作开发协议,杜邦公司正努力把第一台塑料OLED显示器投放市场。最近,Universal Display公司(UDC)在Intertech 2003上展示了一个“Barix enabled”柔性显示器,该显示器使用了Flexible Glass 膜基板,即为UDC的OLED技术加上Barix封装技术。
塑料OLED显示器进入市场后将带来很多变革性的应用,这些应用在以前看来是不可思议的,包括:
1.一个全彩色OLED显示器就像一块架空的彩色玻璃,既轻又薄；
2. 显示器在关机时是透明的；
3. 平板显示器不再要求一定要平,可以与一个曲面贴合,如与汽车仪表盘；
4. 显示器掉到地下时不会摔碎；
5. 将显示器制作在衣服上；
6. 可以把一个显示器像窗帘一样卷起来。
显然,这种技术真正商用后将带来很多富有创意的应用和产品。当Vitex的薄膜防潮技术投入使用后,将使平板显示器工业能生产出低成本、塑料的柔性OLED显示器,这些显示器的应用前景将无可限量。
作者: John McMahon
行销副总裁.
Vitex Systems公司
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