OLED封装阻隔层减薄—非ALD超薄阻隔层

AMOLED显示屏是当前主流的显示产品应用技术；2021年，使用AMOLED显示屏的智能手机，在中国的市场渗透率已达51%，同比上升13个百分点。可实现柔性显示是OLED显示技术的优势之一，折叠屏手机、云卷屏、显示屏可升降的电视、折叠屏笔记本电脑等新产品在不断地刷新着消费者的想象力的同时，也满足了大众在使用屏幕产品时的各种便利性需求。

柔性封装是柔性OLED显示的一个重要工程，虽然当前已有柔性封装方案被导入量产，但为了满足柔性显示的更高需求，更小的可折叠半径是柔性显示屏的一个重要发展方向。

根据中性层理论，从屏幕截面看，弯折过程中屏幕会在截面的某一个位置形成中性层，该中性层处受到的应变几乎为零，往外折方向的膜层受到拉应力的影响，往内折方向的膜层则会受到压应力的影响，越是远离中性层的部分，所受到的应力/应变越大。

为了保护柔性显示屏的电路功能和正常发光，中性层往往都设置在显示屏幕的驱动背板部分，因此TFE越厚，其受到的应变越强，在弯折时显得越脆弱。为了实现更小弯折半径，TFE的减薄是非常重要的一个研发方向，当前PECVD制备的无机阻隔层一般需要500nm以上才能保证OLED的长久稳定，然而由于无机阻隔层一般具有较大的杨氏模量，容易在弯折过程中脆裂。

封装阻隔层在减薄的发展道路上已经行走多时，虽然原子层沉积（Atomic Layer Deposition, ALD）是已被广泛研究的可替代PECVD的薄化膜沉积技术，但一些新的超薄阻隔层薄膜沉积技术也有所报道：

Yuan等[1]将磁过滤阴极真空弧（Filtered Cathode Vacuum Arc, FCVA）沉积技术应用于薄膜封装。如图1，是FCVA的设备构造图，主要由沉积腔室、磁过滤弯管、阴极电弧发生装置组成。首先，阴极电弧发生器将铝靶材作为阴极，在铝靶上产生运动的阴极放电弧，电弧将靶材溅射出大量粒子，其中可能包含不带电的团簇粒子、铝离子、电子等。

这些离子在经过磁过滤弯管后，由于洛伦兹力仅允许离子和电子在弯管内改变方向并到达弯管口，因此绝大部分杂质粒子都被弯管过滤，仅有离子和电子离开弯管后飞向目标沉积衬底，并形成薄膜，因此这一沉积技术也被称为离子束沉积。由于离子间具有较大的结合力和较高的能量状态，离子束沉积所形成的薄膜具有结构致密，杂质缺陷少的特点。作者通过往腔室内通入O2和Ar，形成了AlOx薄膜。

经测试，FCVA沉积生长的约100nm AlOx薄膜的WVTR可达9.9x10-4 g/m2/day。此外，所制备AlOx的透过率高，且对有机物几乎无损伤。FCVA对比ALD的一大优势是可以通过增加离子束的离子密度，提高薄膜的沉积速率，比一般的时间型ALD沉积工艺的沉积速率要高1.5~4倍。此外，其沉积过程基本上不产生其他杂质，材料的纯度较高，C和H的含量比ALD的要少很多。

图1 磁过滤阴极真空弧的设备构造

Park等[2]通过调整PECVD的工艺，制备了低膜厚下也能达到较低WVTR的SiON薄膜，经测试在使用较高H2流量比的情况下，80nm的SiON薄膜的WVTR小于检测极限（5x10-5 g/m2/day），其透过率、对OLED器件的影响都与现有PECVD厚膜工艺薄膜相当，可以作为较佳的水氧阻隔膜。但其沉积速率比一般的厚膜工艺低8~10倍，约43nm/min，速率相对较低。

石墨烯(Graphene)是由碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料，理论上其碳原子之间的晶格常数是2.17埃，比水分子的大小要小很多（约4埃），因此可以有效阻挡水汽通过石墨烯渗透至内部。然而，当前使用CVD生长的石墨烯具有较多的缺陷，Seo等[3]通过堆叠多层石墨烯从而将缺陷错位设置的做法（参考图2），将10-1级别的单层石墨烯提高了一个数量级。

然而这还远不能达到OLED的封装要求，Nam等[4]则使用ALD-AlOx钝化后的石墨烯来实现更高的阻隔性能的同时，也提高了该叠层薄膜的机械性能。在R8mm的弯折后，WVTR保持在7.65x10-4 g/m2/day。经对比，弯折后石墨烯的阻隔性没有变差，反而成为了钝化产生裂纹的AlOx薄膜的存在（参考图3）。

图2 石墨烯叠层缺陷错位示意图

图3 AlOx/石墨烯叠层封装薄膜相互钝化示意图

结语

ALD可以说是当前阻隔膜减薄路上被研究最多的技术，从基础性能上看，ALD已经可以达到封装的要求。然而，要将ALD导入实际应用仍有一些课题需要解决。其中，ALD沉积速率低是一个重要因素；此外，ALD沉积高阻隔AlOx薄膜的腔室需要经常保养，Mask也需要定期清洁，使得生产运营成本较高。除ALD外，一些新的超薄阻隔层工艺可以覆盖部分ALD的缺点，但基本处于实验室研究阶段，仍有较多课题需要攻关。

参考文献：

[1] H Yuan, Q Li, W Yan, et al. Vacuum 196 110741(2022)

[2] K.W Park, S Lee, H Lee, et al. RSC Adv., 9, 58(2019)

[3] H.K Seo, et al. ACS Appl. Mater. Interfaces. DOI: 10.1021/acsami.6b01639

[4] T Nam, et al. Carbon (2017), doi: 10.1016/jbon.2017.02.023.