Ультратонкие стеклянные подложки для тонкого, легкого и гибкого освещения OLED

Оригинал статьи на английском: https://doi.org/10.1002/msid.1045

Аннотация

Несмотря на то, что OLED обеспечивает единообразные, эффективные и уникальные конструкции для применения в освещении, он также имеет ряд ограничений, включая необходимость поиска прозрачной и гибкой подложки, которая обеспечивает надлежащий герметичный барьер. Здесь три автора из Corning объясняют подход своей компании к этим вопросам.

За последнее десятилетие OLED-материалы, методы их изготовления и технологии устройств достигли значительных успехов, поскольку спрос на OLED-телевизоры стремительно рос. Примерно в то же время производители OSRAM и Philips начали рассматривать возможность использования материалов OLED для освещения.

Действительно, светодиодные технологии значительно продвинулись с уменьшением затрат. Тем не менее в последние пять лет наблюдается устойчивый прогресс в технологии освещения OLED, во главе с LGD* ( была в LG Chemical до 2017 года), OSRAM и OLEDWorks.

Как показано на рис. 1, есть несколько ключевых ценностей, которые делают OLED-освещение более привлекательным, чем светодиодное. Одним из основных различий является то, что OLED предлагает уникальные и элегантные возможности дизайна — его панели могут быть гибкими, если они построены на ультратонких подложках. Это открывает пространство для дизайна, которое является совершенно новым и захватывающим для дизайнеров освещения.

Кроме того, OLED-освещение имеет ориентированные на человека особенности: панели тонкие, легкие и прохладные на ощупь. Они обеспечивают равномерное поверхностное освещение, теплое, мягкое и по своей природе лишенное вредного синего света с негативным воздействием на здоровье.

Тем не менее, OLED-освещение не обходится без проблем. Например, потребность в герметичном уплотнении — ~ 10 в минус шестой степени грамм на квадратный метр в день (г / м2 / день), скорости пропускания водяного пара (WVTR) — и высокой эффективности (люмен на ватт, или лм / Вт) остаются двумя основными проблемами для технологии, наряду с затратами на производство. В этой статье мы рассмотрим эти потенциальные препятствия и подход Corning к их решению с помощью гибких, ультратонких стеклянных подложек Corning® Willow® Glass толщиной ≤200um.

Рисунок 1. Взято с https://onlinelibrary.wiley.com

Предложение OLED-освещения по сравнению со светодиодным освещением в областях дизайна и ориентированных на человека функций. Все рисунки предоставлены авторами, если не указано иное. (* CRI обозначает индекс цветопередачи; лучшее — 100.)

Введение в основную структуру OLED

Структура OLED построена на интегрированной подложке, которая состоит из нескольких транспортных и инжекторных слоев. Она включает в себя (а) прозрачную подложку (являющуюся основой), выполненную из стекла или полимера; (б) прозрачный проводящий слой, обычно оксид индия и олова (ITO) и (в) внутренний слой для извлечения света и эффективного распространения от подложки к воздуху. Толщина интегрированной подложки обычно находится в диапазоне от 100 до 800 микрометров (мкм), и, в зависимости от производителя( см. рис. 2 (а)), органический пакет слоев может повторяться от двух до шести раз.  Металлический катод завершает структуру OLED. Общая толщина пакета, включающего катод и органический материал, обычно находится в диапазоне от 10 до 40 нанометров (нм).

Поскольку материалы OLED очень чувствительны к влаге и кислороду, устройство герметично закрывается сразу после изготовления. Возможны различные способы инкапсуляции, но, как показано на рис. 2 (б), для этой статьи мы рассмотрим тонкопленочный барьер с интегрированным металлическим слоем. На рис. 2 (с) показано типичное осветительное устройство OLED, изготовленное на гибком стекле Corning Willow.

Рисунок 2. Взято с https://onlinelibrary.wiley.com

(a) Типовая стопка слоев осветительных OLED-панелей для приборов с нижней эмиссией (свет проходит вниз). (б) OLED-устройство с герметичной оболочкой, снабженной прозрачной подложкой снизу и тонкопленочным барьером сверху. (c) Освещение OLED с гибкими стеклянными подложками обеспечивает тонкий, изогнутый, экономящий пространство дизайн с соответствующим малым весом. (Изображение предоставлено OLEDWorks.)

Гибкие стеклянные подложки

Гибкое поверхностное освещение является ключевым преимуществом технологии освещения OLED. Таблица 1 показывает атрибуты материалов для возможных вариантов гибкой подложки и сравнение гибкого стекла с альтернативами. В этом случае в качестве примера используется Corning® Willow® Glass.

Гибкое стекло обеспечивает расширенные характеристики в областях оптического и поверхностного качества света, размерной и термической стабильности, химической совместимости и герметичности. Кроме того, гибкое стекло совместимо с высокопроизводительными методами производства, такими как обработка с рулона на рулон (R2R).

Таблица 1. Взято с https://onlinelibrary.wiley.com

Таблица 1. Свойства гибкой подложки и относительная производительность для освещения OLED. Маркировка означает, что минимальные требования к производительности в каждой области выполнены. (R2R обозначает рулон на рулон, а SLG обозначает soda-lime стекло.)

В предыдущих работах подробно рассматривались свойства гибкого стекла, такие как механическая надежность, а также методы производства готовых изделий (включая обработку R2R) и примеры применения. Willow Glass производят в процессе непрерывного плавления, подобно стеклянным подложкам из OLED и ЖК-дисплеев (при толщине ≤200 мкм и ширине> 1 метра). При изготовлении стекло наматывается на катушки длиной до 300 м. Гибкое стекло можно разрезать на листы и временно связать с жестким держателем, чтобы обеспечить обработку листа, или использовать в качестве гибкого полотна при производстве R2R.

OLED осветительные приборы особенно выигрывают от форм-фактора гибкого стекла большой площади, свойств барьерного уплотнения, теплоемкости (при обработке> 500 ° C), качества поверхности (ra <0,5 нм) и оптических характеристик (пропускание> 91%).

Большая площадь (1300 мм × 300 м катушек) и гибкость обеспечивают высокую производительность обработки R2R, а также гибкость для конечного продукта. Герметизирующие свойства барьера обеспечивают герметизацию OLED, что обеспечивает долговечность и стабильность рабочих характеристик. В этом случае гибкое стекло по-прежнему является эталоном для герметичности гибкого субстрата, с WVTR ниже чувствительности измерения при измерении (<3 × 10-7 г / м2 / день). Кроме того, тепловая совместимость Willow Glass> 500 ° C позволяет наносить высококачественные прозрачные проводники (такие как ITO) на большие площади.

В качестве примера на рис. 3 показана катушка Willow Glass с вакуумным напылением R2R, обработанным при 350 ° C. При этом использовалась система покрытия стекла VON ARDENNE R2R FOSA LabX330, предназначенная для обработки стеклянной ленты. Шероховатость поверхности Willow Glass (Ra) <0,5 нм позволяет производить осаждение на большой площади тонких пленок <10 нм, необходимых для конструкции стека OLED (рис. 2). Кроме того, в оптическом пропускании в видимом спектре преобладает отражение границы раздела воздух-стекло с незначительной мутностью или поглощением. Рис. 4 показывает оптическое пропускание Willow Glass в видимом диапазоне.

Рисунок 3. Взято с https://onlinelibrary.wiley.com

Катушка Willow Glass длиной 100 м с вакуумным напылением оксида индия-олова (ITO) R2R при температуре 350 ° C.

Рисунок 4. Взято с https://onlinelibrary.wiley.com

Оптическое пропускание гибкого стекла толщиной 100 мкм и жестких стеклянных подложек толщиной 630 мкм. (Изображение предоставлено Corning Incorporated.)

Willow Glass также имеет высокую оптическую прозрачность с измеренными значениями L *, a * и b *> 96, <0,05 и <0,2, соответственно. Это оптическое качество сохраняется при длительном воздействии ультрафиолета (УФ) и  заданных условиях окружающей среды. Об этом свидетельствует отсутствие изменений в пропускании или L * после 4000-часового воздействия при постоянном солнечном освещении,  температуре 60 ° C и относительной влажности окружающей среды 60%.

Кроме того, гибкое стекло имеет изотропный показатель преломления, который может быть использован в конструкциях для удаления света и антиотражающего покрытия. На Рис.5 показаны характерные значения показателя преломления и дисперсии для Willow Glass вместе с двулучепреломляющей полиэтилентерефталатной (PET) полимерной пленкой для сравнения.

Рисунок 5. Взято с https://onlinelibrary.wiley.com

Показатель преломления изотропного Willow Glass по сравнению с характерными показателем для двулучепреломляющего полиэтилентерефталата (PET). (Изображение предоставлено Corning Incorporated.)

Электронные устройства могут быть изготовлены на гибких стеклянных подложках с использованием методов листовой обработки или обработки R2R. Для обработки листа гибкое стекло можно разрезать по размеру и использовать как отдельную деталь. Однако, в зависимости от размера подложки и системы обработки, может потребоваться временная связь с технологическим носителем. Это позволяет использовать его в комплектах оборудования, предназначенных для жестких оснований. Corning разработала запатентованный процесс склеивания и разрыхления, который позволил обеспечить безопасное и высокопроизводительное производство OLED-панелей с использованием Willow Glass. В этом случае процесс отсоединения происходит в конце изготовления, отсоединяя гибкое стеклянное полотно от держателя (рис. 6). Для обработки R2R гибкое стеклянное полотно может быть разрезано до подходящей ширины, а материалы для направляющих / крепежа могут быть использованы для транспортировки по роликовой системе. Используя подходы листовой  или R2R обработки, было найдено большое разнообразие процессов изготовления устройства на гибких стеклянных подложках. К ним относятся вакуумное осаждение, фотолитографическое и лазерное нанесение рисунка, печать, нанесение раствора, микрорепликация и ламинирование.

Рисунок 6. Взято с https://onlinelibrary.wiley.com

Процесс склеивания, отслоения и заживления кромок, используемый при производстве панелей LumiCurve Wave на стекле Willow

С этими продемонстрированными возможностями процесса мы видим, что электронные устройства, обычно изготавливаемые на более толстых жестких стеклянных подложках, также могут быть изготовлены на гибком стекле. Ключевое отличие состоит в том, что ультратонкое стекло открывает новые возможности для применения тонких, легких и гибких изделий, зависящих от высокопроизводительного масштабирования обработки R2R, недоступной для жестких подложек.

Ключевые проблемы освещения OLED

Освещение OLED и производство OLED-телевизоров сталкиваются с аналогичными проблемами, но с одним существенным отличием — для применения в освещении не требуются тонкопленочные транзисторные объединительные платы, что значительно упрощает процесс производства OLED-панелей. Тем не менее, им обоим необходимы высокие показатели герметизации при влагозащитном барьере (∼10-6 г / м2 / сутки WVTR) и высокая энергоэффективность (лм / Вт), а также низкие производственные затраты — они по-прежнему вызывают озабоченность отрасли. За последние четыре года на этих направлениях был достигнут значительный прогресс. Использование низкоэмиссионных OLED-структур на стеклянной подложке с тонкопленочной оболочки с металлической фольгой на задней стороне, а также новая внутренняя и внешняя технология извлечения света позволили производителям реализовать в продаже осветительные панели OLED со сроком службы 100 000 часов (LT70) и эффективность 85 лм / Вт.

Учитывая разнообразное применение OLED-освещения, нам пришлось решить две технические проблемы, чтобы обеспечить гибкое использование стекла. Во-первых, для обработки гибких подложек на существующем оборудовании, предназначенных для жестких подложек, требовалось решение «стекло на носителе», с помощью которого можно обрабатывать гибкое стекло в качестве жесткой подложки. Связь между гибким стеклом и держателем должна быть достаточно прочной, чтобы выдержать все условия обработки в устройстве, но также достаточно слабой, чтобы после обработки стекло можно было легко поднимать с держателя для последующей резки и сборки осветительных панелей.

Вторая проблема была связана с механической надежностью панелей после отделения от большого листа. Стандартный процесс резки создает края с дефектами (микротрещины) и снижает устойчивость к нагрузкам, вызванным изгибом. Здесь Corning разработала запатентованный процесс обработки кромок, который позволил нам создать кромку практически без дефектов после разделения и производить высоконадежные панели, которые одновременно являются гибкими и имеют высокую прочность кромки, что приводит к сроку службы 50 000 часов.

OLEDWorks выпущена первая гибкая панель — LumiCurve Wave — в ноябре 2018 года, в которой использовались вышеупомянутые новаторские технологии передачи и разделения. На рис. 6 представлена ​​более подробная информация о технологии склеивания, отслоения и обработки кромок, используемой для панелей LumiCurve Wave. На рис.7 показан пример OLED панели, изготовленной с обработанными краями для повышения прочности на изгиб.

Рисунок 7. Взято с https://onlinelibrary.wiley.com

Осветительная панель OLED, изготовленная на подложках Willow Glass толщиной 100 мкм.

Таким образом, OLED-панели обеспечивают однородный, гибкий, эффективный и уникальный дизайн для освещения. Ключевой задачей для гибкого освещения OLED является создание прозрачной и гибкой подложки, которая обеспечивает достаточный герметичный барьер для органических материалов OLED, оставаясь механически устойчивой в обращении и в гибком развертывании. Прозрачные и гибкие подложки, обеспечивающие это, а также обеспечивающие равномерное освещение поверхности OLED и высококонтрастную сегментацию, действительно отличают технологию освещения OLED от решений на основе светодиодов.

Высококонтрастные края получаются из-за высокой четкости перехода между освещенными и неосвещенными участками без диффузии. Стеклянные подложки Corning® Willow® обеспечивают все эти свойства, сохраняя при этом прочный барьер для водяного пара и кислорода. Наше запатентованное решение для лечения кромок обеспечивает механическую прочность, и мы можем добиться заживления кромок разными способами, такими как химическое травление или полировка. Запатентованный метод Corning удаляет тонкий слой (несколько микрон) стекла с края и оставляет зеркально обработанный край с высокой прочностью.

В этой статье мы описали технологические проблемы, которые нам необходимо было преодолеть, чтобы создать гибкую OLED-панель OLEDWorks LumiCurve Wave на основе Willow Glass. Заглядывая в будущее, мы видим прорывную экосистему для производства гибких стеклянных устройств. Существует возможность для производства гибких стеклянных подложек и полотна в размерах, имеющих значение для опытного использования устройства и производства. Само гибкое стекло обладает улучшенными характеристиками оптического и поверхностного качества, размерной и термической стабильности, химической совместимости и свойств барьерного уплотнения, что делает конструкцию устройства и уровни производительности недостижимыми для других систем материалов. Эти расширенные атрибуты в тонком, легком и гибком форм-факторе обеспечивают расширенные возможности для проектирования, производства и интеграции OLED-освещения.

Биографии

Шон Гарнер, доктор философии, старший научный сотрудник Corning Research & Development Corporation. Он получил степень бакалавра наук. в области инженерной физики в Технологическом институте Стивенса в 1993 году и доктора наук в области электротехники в Университете Южной Калифорнии в 1998 году. С Гарнером можно связаться по адресу garnersm@corning.com.

Дипак Чоудхури, доктор наук, является вице-президентом подразделения и техническим директором Corning Incorporated. Он возглавляет исследовательский центр Corning в Южной Корее. Чоудхури получил степень бакалавра в области электротехники в 1986 году в Бангладешском инженерно-техническом университете и получил степень кандидата наук в 1991 году — в области электротехники в университете Кларксона. С ним можно связаться по адресу ChowdhurDQ@corning.com.

Сью Льюис — менеджер проектов в корпорации Corning Research & Development. Она получила степень бакалавра в области химического машиностроения в Университете Северной Дакоты в 1986 году. С Льюис можно связаться по адресу lewissc@corning.com.

*На данный момент не производит осветительные OLED-панели.

Посмотреть Brite 3 Lumiblade, OLED панели на жесткой основе.
Посмотреть WAVE, гибкие OLED панели. 
Посмотреть Brite Amber, желтые панели без синего спектра.
Посмотреть драйвера для OLED.