噴墨打印OLED發光層像素坑內成膜控制方法

朱紅，陳建魁*，岳曉，熊鏡凱，熊佳聰，高國雄

（1.華中科技大學 機械科學與工程學院 數字制造裝備與技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.武漢國創科光電裝備有限公司，湖北 武漢 430078）

1 引言

中國在新型顯示產業總投資已超過1.3萬億元，成為全球最大的顯示面板生產基地和應用市場。在“十四五”國家重點研發計劃中，將印刷及柔性顯示規劃為新型顯示的重要技術領域［1］。有機發光二極管（OLED）具有柔性、低功耗、自發光、廣視角、色彩豐富和響應速度快等優勢［2-3］，成為最具發展潛力的下一代顯示量產技術。與真空蒸鍍相比，噴墨打印流程更為簡單、材料利用率更高、生產周期較短、成本更低，在制備高分辨率、大尺寸柔性OLED器件方面更具優勢［4-5］。然而受到發光材料［6］、干燥過程［7］和設備性能等的影響，噴墨打印制備的OLED器件在性能（如發光效率和壽命等）上仍有很大的提升空間［8-9］。

在大面積噴墨打印OLED膜層制備過程中，受到噴頭制造誤差、溶液性質和印刷工藝等因素的影響，陣列化噴孔噴射液滴均勻性難以控制［10-11］。同時，在高速移動基板上，使液滴精準沉積至圖案規劃對應的像素坑中［12］，是確保顯示質量的另一關鍵。液滴體積或定位的微小變化都可能引起像素坑內溶液量的變化，造成干燥固化后各像素坑薄膜厚度波動，導致OLED發光器件產生Mura缺陷［13-17］。

通過調控脈沖波形［18-19］達到最佳液滴噴射效果是印刷OLED功能層中較常用的優化方法，可將噴射的液滴體積偏差控制在±5%內［20］，對每個噴孔進行單獨的波形調整［21］被用來進一步減小噴孔間的液滴體積差異。Madigan等人［22］提出對每個噴孔單獨施加波形，使用噴孔組合打印減小像素間墨水體積差異，通過測量多個噴孔組合后打印的溶液總體積，篩選出符合體積要求的噴孔組合進行像素坑打印，使OLED器件均勻發光。

為了控制OLED發光層像素坑的薄膜厚度均一性，本文通過對功能層成膜厚度影響因素進行分析，提出多噴孔圖案化均勻成膜控制方法，并通過實驗驗證了方法的有效性。

2 發光層像素坑膜厚變化分析

噴墨打印制備OLED發光層薄膜過程如圖1所示。在控制波形驅動下，噴孔產生液滴落入到像素坑中，一個或多個液滴在像素坑內融合達到溶液體積要求，打印完成后通過真空干燥（Vacuum drying，VCD）和熱板烘烤（Hot plate baking，HPB）去除溶劑，溶質在像素坑內形成發光層薄膜。

圖1 噴墨打印制備OLED發光層薄膜示意圖Fig.1 Schematic diagram of the preparation of OLED emitting layer film by inkjet printing

像素坑內溶液體積由噴孔單液滴的體積與所需液滴數獲得，像素坑內形成的薄膜厚度由式（1）估算：

式中，d為像素坑內成膜厚度，Vpit為像素坑內溶液體積，ω為溶液濃度，S為像素坑底面積，Vd為液滴標準體積，n為打印液滴數。

在實際生產中，通常根據發光所需膜層厚度確定溶液體積，以此獲得每個噴孔產生的液滴體積：

在噴墨打印中通過調整驅動波形使噴孔產生的液滴體積分布在Vd附近。當像素坑內的液滴只來自同一噴孔時，薄膜的實際厚度與理論厚度不可避免地存在差異，且膜厚差異Δd與液滴數n線性相關：

式中，Vd，k為k號噴孔的液滴體積（k=｛1，2，…，m｝，m為噴孔個數）。

如果噴孔k有n1個液滴未落到對應的像素坑內，膜厚差異將急劇增大：

當所有液滴準確落入到像素坑中，像素坑之間的最大膜厚差異Δdmax由參與打印噴孔液滴體積最大值噴孔和最小值噴孔決定：

因此，控制液滴精準沉積，減小噴孔間體積差異或像素內溶液體積差異，對提高像素坑之間的膜厚一致性至關重要。

3 多噴孔圖案化均勻成膜控制

成膜厚度控制原理如圖2所示。首先根據OLED像素坑內發光層目標厚度，確定需打印的溶液體積和單液滴體積；然后調節波形使噴孔的液滴體積達到Vd附近，測量所有噴孔噴射出的單個液滴體積；再測量各噴孔液滴沉積定位誤差，通過偏移補償保證液滴沉積定位精度；屏蔽噴射不穩定的噴孔后，使用液滴混合策略使像素坑內的溶液體積達到Vpit附近；最后將打印完成后的基板干燥固化成膜，進行膜厚測量和一致性分析。通過多個參數變量的實時調整以達到最佳的成膜效果，其中最關鍵的是液滴體積、落點位置和像素坑內溶液體積的調控。圖2中噴孔禁用率（≤30%）、膜厚一致性（≥95%）可根據不同工藝要求做調整。

圖2 成膜厚度控制原理Fig.2 Film forming control process

3.1 液滴體積控制

為了實現液滴體積快速檢測，保證測量結果準確性，本文基于立體視覺的飛行滴液測量方法使液滴體積測量精度達到±3%［23］。如圖3所示，該方法使用雙目相機獲得液滴的多視角圖像，利用圖像分割算法對液滴圖像進行精確分割，基于兩幅投影圖像的輪廓，使用基于極坐標的Hermite插值的液滴重建算法實現液滴三維重構并計算液滴體積。

圖3 液滴體積測量原理［23］Fig.3 Principle of drop volume measurement［23］

調節波形使噴孔產生合適的液滴，調控方式如圖4所示。通過實時監測下落液滴的噴射速度、體積等參數，并反復修改驅動脈沖（如穩壓時間Tp、電壓V等參數），比較波形修改前后的噴射差異，從而獲得優化后的波形參數，使絕大多數噴孔的液滴體積Vd，k分布在標準體積Vd附近，并使噴孔間的液滴體積差異最小，方便液滴混合時有更多的噴孔參與打?。?/p>

圖4 液滴體積調控Fig.4 Droplet volume control

式中，ε為設置的液滴體積誤差系數。

3.2 液滴沉積定位控制

如圖5（a）所示，本文視液滴完全落入像素坑內為正確沉積，即液滴下落過程中不超出像素坑邊緣。液滴的落點范圍由像素坑尺寸、液滴半徑、以及打印時設置的噴孔容許偏離像素坑中心的閾值確定：

式中，（Xd，k，Yd，k）為液滴沉積位置，（xo，yo）為像素坑中心位置，l和w為像素坑的長和寬，r為液滴半徑，yerr為設置的噴孔容許偏離像素坑中心的域值。由于噴孔沿y向等距分布且噴孔間距與像素坑間距不等，引入yerr是為了使更多噴孔參與打印。

液滴落入像素坑內會迅速鋪展，為了獲得液滴準確的落點位置，通過與打印前預設的落點位置對比測量獲得液滴實際偏離的距離，如圖5（b）所示。在穩定噴射的前提下，噴孔k的液滴落點偏差Xoffset，k和Yoffset，k通過測量多滴的落點偏差取均值獲得：

圖5 液滴沉積定位控制。（a）液滴落點范圍；（b）偏差測量；（c）多噴孔打印形成的點陣；（d）異常噴孔的液滴落點。Fig.5 Droplet landing position control.（a）Normal landing position range；（b）Offset measurement；（c）Array formed by multiple nozzles printing；（d）Wrong landing position of droplets printed by abnormal nozzles.

對于穩定噴射的單個噴孔，通過補償測量獲得的位置偏移，使液滴落到預設的位置附近。

推廣到具有m個噴孔并以等間距L分布的噴頭，使所有噴孔同時噴墨，每個噴孔以等間距L1打印c個液滴，理論上會在平面基板上形成1個行距和列距分別為L1和L的m×c液滴點陣，如圖5（c）所示。測量液滴理論沉積位置與實際位置的偏差值，獲得各噴孔液滴的實際偏差和波動范圍，通過補償噴孔的平均偏移值，使整只噴頭產生的液滴落在像素坑中心附近。平均偏移值Xmean和Ymean通過式（9）計算：

通過式（7）設置液滴沉積定位范圍，若出現如圖5（d）所示落點位置異常（如散點、大偏差、少噴、多噴或不噴等），則屏蔽異常噴射對應的噴頭噴孔。

3.3 像素內溶液體積控制

各噴孔液滴體積或沉積定位偏差測量完成后，采用液滴混合策略控制像素坑內的溶液量。在液滴混合過程中，像素坑接收的液滴來自一個或多個噴孔，并通過式（10）確定液滴混合后像素坑內的溶液體積：

式中，?為設置的溶液體積誤差系數，Vi為像素坑溶液體積（i=｛1，2，…，b｝，b為像素坑列數）。

打印時間過長會影響成膜質量，因此液滴混合打印時應選擇最佳的打印路徑，以控制基板圖案化時長。由于噴孔間距與基板像素陣列排布間距不一致，需要噴頭進行y向運動來完成對所有列的打印，噴頭和基板的運動過程如圖6所示。

圖6 噴頭和基板的運動過程Fig.6 Motion process of nozzle and substrate

在打印路徑規劃時，為了使每個?？奎c有更多的噴孔參與打印，當噴孔與像素坑中心的距離小于等于yerr時，允許噴孔噴射：

其中，yi為像素i坑的中心y坐標，yn，k為該?？奎c離像素坑i最近的噴孔k的y坐標。

設置yerr后，可計算出噴頭y向移動完成整塊基板打印所需的停靠點個數p。在實際生產中，像素坑溶液體積Vpit和液滴標準體積Vd確定后，每個像素坑內噴印次數是定值。如圖7所示，在噴頭的每個?？奎c，同列像素坑僅有一個噴孔參與打印，因此可將同一列的像素坑簡化為一個像素坑進行描述。對于停靠點j（j=｛1，2…，p｝），當噴孔k與像素坑i的距離小于yerr時，像素坑中接收到液滴，否則噴孔不產生液滴：

圖7 圖案化示意圖Fig.7 Patterned schematic

每個?？奎c噴頭可打印多次，噴頭打印次數xj（對應簡化前該?？奎c基板來回移動的次數）不小于各噴孔在該停靠點打印次數xjk的最大值：

像素坑i內實際打印的溶液體積Vi為所有?？奎c接收到的各噴孔的液滴體積之和：

噴頭打印的總次數xsum（基板來回移動的總次數）為所有?？奎c噴頭打印次數的總和：

整塊基板的總噴射次數是定值，如果基板在每個來回接收的液滴越多，則打印的次數xsum最少，打印時長最短。在考慮液滴混合后的體積要求后，多噴孔圖案化變為求解一個多約束條件下噴頭最少打印次數的整數規劃問題。目標函數為

約束條件為

通過求解目標函數，完成整塊基板的打印規劃和像素坑內溶液量的控制。

4 實驗驗證

4.1 實驗儀器和設備

實驗所用ITO基板尺寸為200 mm×200 mm，像素坑長和寬為180 μm×60 μm，分辨率為85 ppi。使用由華中科技大學與武漢國創科公司技術團隊聯合開發的NEJ-PR200型裝備（圖8）進行OLED發光層的噴墨打印。該設備配有多個噴頭模組，每只噴頭具有256個噴孔，噴孔間距為254 μm，各運動軸定位精度為±3 μm，配備了VCD和HPB裝置，可同時完成OLED器件中空穴注入層、空穴傳輸層和發光層的制備。使用垂直分辨率達到0.1 nm的Bruker ContourGT-K白光干涉儀測量干燥固化后像素坑內的薄膜厚度。

圖8 NEJ-PR200型裝備。（a）外觀；（b）噴墨打印機內部。Fig.8 Inkjet printing equipment.（a）Overall appearance；（b）Inside the inkjet printer.

4.2 液滴體積和沉積定位誤差測量

實驗中將液滴誤差系數ε設置為0.05去尋找可用波形，圖9為Tp=2 μs，V=56 V時液滴的體積測量結果，噴孔的液滴體積分布為6.4～7.1 pL，平均體積為6.7 pL，液滴半徑約為12 μm，各噴孔液滴體積變化控制在標準體積的±5%范圍內。

圖9 液滴體積測量結果Fig.9 Droplet volume measurement results

根據式（7），同時考慮軸的運動誤差，液滴x向偏差應控制在±15 μm，y向偏差應控制在±25 μm（yerr取50 μm）。如圖10所示，首次打印點陣時，檢測到液滴的落點位置在x向整體偏移了-9.4 μm，y向整體偏移了1.7 μm；對噴頭位置進行偏移補償后，再次打印點陣后檢測獲得液滴的x向平均偏移和y向平均偏移分別補償到0.1 μm和0.2 μm，噴孔的液滴落點位置分布在理論位置±10 μm范圍內，滿足液滴正確沉積定位要求。

圖10 液滴沉積定位檢測結果。（a）補償前；（b）補償后。Fig.10 Droplet landing position measurement results.（a）Before compensation；（b）After compensation.

4.3 液滴混合打印

若像素坑內接收的液滴只來自同一個噴孔，隨著液滴數的增加，像素間會產生巨大的墨水體積差異。采用不同液滴混合策略可降低多個液滴融合體積的偏差，按照（60±0.6）pL（?設置為0.01）進行圖案化計算?？紤]到液滴存在±3%的測量偏差，理論上像素內墨水體積差異控制在±4%內。

圖11（a）所示為屏蔽體積和落點位置異常的噴孔打印后形成的點陣，從圖中看出液滴在平面基板上均勻分布。最終液滴不混合打印結果如圖11（b）所示，融合后體積有明顯差異。液滴混合打印的結果如圖11（c）所示，形貌結構一致性較好。

圖11 液滴沉積。（a）點陣；（b）不混合打印；（c）液滴混合打印。Fig.11 Droplets deposition.（a）Droplets array；（b）Printing by droplets unmixing method；（c）Printing by droplets mixing method.

4.4 膜厚一致性分析和器件點亮結果

圖12 為白光干涉儀測量獲得的部分像素坑的薄膜形貌，綠色區域的像素坑內薄膜厚度變化在平均厚度±5 nm范圍內。

圖12 像素坑內成膜形貌Fig.12 Morphology of film in the pixel pit

由于實驗基板上像素坑數量超過10萬，無法對每個像素坑的成膜形貌都進行測量，故對整塊基板按等間距均勻取樣，各坑膜厚使用該像素坑內整塊薄膜的平均厚度表示。使用液滴混合與不混合方法打印60，115，165 pL溶液數據。如圖13所示，每次測量基板上32個像素坑以分析薄膜厚度分布，并獲得3種打印工況對應的膜厚變化規律。膜厚一致性通過式（18）計算：

圖13 像素坑膜厚測量結果Fig.13 Measurement results of film thickness in pixel pits

通過計算獲得60，115，165 pL不混合打印時膜厚一致性分別為89.4%、89.7%和92.6%，液滴混合打印時膜厚一致性分別為95.0%、96.8%和97.2%。與不混合打印相比，使用液滴混合方法后像素坑之間膜厚差異明顯減小，膜厚一致性提升至95%以上。

為了進一步驗證方法的可行性，制備了兩片OLED基板進行點亮對比測試，分別制備空穴注入層、空穴傳輸層和發光層。器件1每列像素所需的液滴均由一個噴孔產生，而器件2使用液滴混合策略對像素內溶液體積進行控制，每列像素所需的液滴來自一個或多個噴孔。將基板切割為20 mm×20 mm大小，封裝后進行點亮測試。液滴不混合打印的器件1（圖14（a））在點亮后有明顯的Mura條紋產生，說明噴孔間較大的體積差異引起了像素列之間明顯的膜厚變化。而采用液滴混合策略制備的器件2（圖14（b））點亮后無明顯的條紋產生，像素坑之間膜厚差異的減小使器件發光更加均勻。

圖14 OLED器件點亮結果。（a）液滴不混合；（b）液滴混合。Fig.14 OLED device lighting results.（a）Droplets unmixing;（b）Droplets mixing.

5 結論

為抑制因噴孔間液滴體積變化引起的OLED功能層膜厚變化，本文提出了多噴孔圖案化均勻成膜控制方法。該方法基于液滴體積優選和沉積定位補償的液滴混合策略控制像素坑內溶液體積，最終實現對像素坑內薄膜厚度控制。實驗結果表明，OLED各像素坑溶液干燥固化后的膜厚一致性提升至95%以上，所制備的OLED器件發光更均勻。隨著噴印設備精度提升和墨水材料改進，該方法有望持續提升膜厚一致性，在消除Mura缺陷、提升面板良率和改善器件發光性能上具有應用價值。