【深究】OLED噴墨打印專利技術

新型顯示技術已發展成為新一代信息技術的先導性支柱產業，是我國信息化、智能化時代戰略性新興產業重點發展的方向之一。隨著  “互聯網+”、人工智能、可穿戴設備等信息技術的快速進步，對于作為信息窗口的顯示器件提出了柔性、輕薄、省電、可折疊卷曲、超大尺寸等要求，從而出現了新型顯示技術，如有機發光二極管(Organic  Light-Emitting Diode，簡稱“OLED”)。噴墨打印技術由于材料利用率較高、可以實現大尺寸化，被認為是大尺寸 OLED  顯示器件實現量產的重要方式。

本文通過對 OLED 噴墨打印技術的專利布局情況以及關鍵技術進行分析，詳盡展現了OLED  噴墨打印技術的整體發展狀況，以期為國內OLED技術的發展提供一些啟示。

專利申請狀況分析

1. 全球專利年申請狀況分析

雖然 OLED 的制造和成膜由來已久，但通過噴墨的方式實現 OLED 的制造卻是一項較新的技術，其專利申請主要集中在 2003 年以后。從圖 1  可以看出，2003—2011 年專利申請量整體較高，2012—2016 年專利申請量降低，之后又逐漸增高，即 OLED 制造技術從 2003  年開始呈現蓬勃發展的態勢。在此期間，大批 OLED制造商開始探索并積極使用新的成膜方式——噴墨打印，以實現 OLED 的成膜和制造，這一技術在 2011  年進入繁榮發展階段。隨著 OLED 技術日益成熟以及其應用的逐漸普遍化，自 2017年以來，OLED  的制造一直保持著穩定發展，與此同時，噴墨成膜技術也日趨成熟并不斷發展著。雖然圖 1 中顯示，2023  年專利申請量較以往呈現下降趨勢，但究其原因可能是部分2023年申請的專利還未公開。

2. 全球重要申請人及申請量狀況分析

由圖 2 可知，申請量居于首位并遙遙領先的申請企業為精工愛普生，然后依次為科迪華、柯尼卡美能達、 東京電力、 卡西歐、東芝等。其中，精工愛普生申請量占比  38%、科迪華占比 13%、柯尼卡美能達和東京電力分別占比 9%。全球 OLED  噴墨成膜專利技術的重要申請人主要來自日本和美國，主要是因為日本和美國的噴墨打印技術一直處于領先水平，而精工愛普生更是噴墨打印技術的領先企業和技術研發的中堅力量，在噴墨打印技術中占有非常重要的地位。在  OLED蓬勃發展的趨勢下，除了精工愛普生、科迪華等企業外，其他噴墨打印企業以及 OLED 制造企業也開始關注通過噴墨打印實現 OLED  成膜技術的研發和應用。

重點技術分析

通過對 OLED 噴墨打印技術專利文獻的收集、標引和梳理，對涉及到的 OLED 噴墨打印的專利文獻樣本進行分析后發現，目前 OLED  噴墨打印技術的研究重點主要包括以下幾個方面：成膜均勻性、沉積位置準確性以及墨水供給技術(如圖 3 所示)。

1. 成膜均勻性控制技術

采用噴墨打印工藝制備 OLED  發光面板時，成膜的均勻性將嚴重影響器件的點亮效果，例如亮度均勻性、壽命、效率等，嚴重時可能還會短路不發光。因此，保證噴墨打印形成的功能膜層膜厚的均勻性，是噴墨打印的關鍵要求。

最常見的兩種成膜不均勻現象就是咖啡環效應和馬蘭戈尼效應。其中，咖啡環效應是噴墨打印過程中一種常見的現象，如圖 4 所示，  當墨滴滴落到基板或像素內后，由于墨滴形狀的原因，即由于表面張力變化曲線的形成，導致墨滴中體積和單位面積比較小的中心部分與體積和單位面積比較大的邊緣部分的蒸發速率不同，因此，邊緣部分的墨水干燥速率更快。隨著邊緣部分溶劑的不斷揮發，導致中心部分和邊緣部分的固含量分布變得不同，使其存在一個濃度梯度差，從而引起溶劑從中心部分向邊緣部分的毛細補償流動現象，溶劑的這種流動勢必帶動部分溶質也向邊緣部分遷移，導致邊緣部分的溶質量不斷增加，最終導致咖啡環效應的形成。馬蘭戈尼效應也是噴墨打印過程中一種常見的現象。出現馬蘭戈尼效應的原因是表面張力大的液體對其周圍表面張力小的液體拉力強，產生表面張力梯度，使液體從表面張力低向張力高的方向流動，如圖  5 所示，由于膜面的張力梯度導致馬蘭戈尼流動產生，將溶質從邊緣遷移至中間區域，導致膜面“中間厚，兩端薄”。

目前，用于提高成膜均勻性的專利技術主要包括改善干燥工藝以及改善噴墨打印工藝兩個方面。關于改善干燥工藝，主要包括控制干燥溫度、噴射輔助干燥的氣體、冷凝技術、溶劑調配技術以及增添噴嘴輔助結構等。而關于噴墨打印工藝，形成均勻膜層的理想狀態是打印頭上的各個噴嘴將體積大小相同的墨滴均勻地噴入各個像素坑內，從而使得坑內的膜厚均勻一致。但是在實際噴墨過程中，受噴墨頭噴印精度的影響，例如從噴嘴噴出的液滴體積不同、墨滴的滴落角度偏離了理想的滴落角度等，會導致像素坑之間的墨水體積存在差異，目前關于通過噴墨打印工藝來提高成膜均勻性的技術主要包括控制噴墨參數、改變墨滴粘度、調整噴墨速度、調整液滴體積等。

2. 沉積位置準確性控制技術

眾所周知，OLED 顯示面板的結構中有機發光像素的成膜質量直接影響顯示面板的顯示效果，而有機發光像素是由一個個成矩陣排列的  像素坑構成，在其成膜過程中，怎樣才能準確在像素坑中成膜是 OLED 制造技術中的一個重要環節。隨著噴墨打印技術在 OLED  制作中的應用，將噴墨點準確形成在所需成膜的像素坑中是目前 OLED 成膜技術的關鍵。噴墨位置不準確極易造成 OLED  顯示面板出現波紋、混色等現象，從而影響其顯示性能。針對該問題研究人員從以下幾個方面作了探索和改進。

(1)衛星點控制技術

當噴墨打印工藝發生在打印區域中間時，濺射出的衛星滴仍然滴落在打印區域，但是當噴墨打印工藝發生在打印區域邊緣時，濺射出的衛星滴就會滴落到打印區域以外的地方，而非打印區域上的衛星滴會對后續的生產工藝產生不良效果。

為了避免衛星點對產品質量的影響，目前采用的專利技術主要有以下兩個方向：

一是減少衛星點的產生。例如，專利文獻CN201921227414 公開了通過在噴嘴的通道內設置阻流部，打印液在從基底的容納腔經由通  道入口至出口的過程中，流經阻流部的子通道并與阻流部的第二內壁接觸，增大了打印液與噴嘴內壁的接觸面積，打印液在出口位置處射為液滴，能夠減小液滴衛星效應。

二是將產生的衛星點消除。例如，專利文獻 CN202110406779 公開了一種應用于印刷墨滴的壓電噴墨系統及其優化方法，具體為：中  央控制系統通過墨滴監測系統采集從多通道升溫裝置出來后的墨滴下落圖像，并根據下落圖像分析是否仍存在衛星滴。若仍存在衛星滴，則中央控制系統根據下落圖像獲取噴射該衛星滴的噴嘴序號，并通過溫控調節裝置對多通道升溫裝置中與該噴嘴相應的加熱通道內的溫度進行升溫，消除仍會存在的衛星滴。最終，影響印刷精度的衛星滴幾乎被全部揮發掉，留下尺寸更精細的主墨滴參與基板沉積，極大地提升了印刷精度。

(2)防串色技術

顧名思義，防串色就是避免液滴滴入錯誤的色坑。目前，用于提高防串色性能的專利技術主要包括以下幾個方向：

一是設置輔助結構。例如，專利文獻CN201710953212公開了一種通過設置導液組件來防止串色的技術方案，如圖 6  所示，具體為導液組件的多個導液槽 10 可以使液體從入口端 101進入，然后從出口端 103 流出，連接入口端 101 和出口端 103 的槽壁 102  可以起到傳輸液體的作用，從而防止液體流向偏離出口端103  方向。該導液組件可以應用于噴墨打印中，上述液體可以為噴墨打印所噴出的墨水，采用導液組件可以精準控制墨水噴出后的運動方向，提高了噴墨打印的精度，相對于現有的直接從噴嘴口中噴墨的技術來說，避免了墨水從噴嘴口出來之后受到外界不良因素的影響及打印設備本身精度低而出現的打偏現象，解決了現有技術中噴墨打印制備的顯示器件容易出現相鄰像素混色或像素缺失的問題，實現了提高噴墨打印準確率的效果。

二是改善基板性能。基板作為接受液滴的載體，其性能也會影響液滴沉積位置的準確性，因此，改善基板性能是提高液滴沉積位置準確性的重要手段。

三是施加電荷，使墨滴帶有預期的電荷，通過電場的方式提高墨滴位置準確性從而防止串色。例如，專利文獻 CN201710867408.2 公  開了一種通過施加電荷實現防串色的技術方案，如圖 7 所示。

3. 墨水控制技術

采用打印設備制作 OLED 和有機薄膜晶體管顯示產品，具有材料利用率高、制作周期短等優點。由于用于 OLED 制備所采用的墨水因  成分與普通圖文打印墨水的差異，其在實際生產過程中也會出現不同的狀況，例如：因墨水粘度過大而不容易供給，造成設備故障;因墨水中混有氣泡而導致打印不良;采用納米銀等懸浮性墨水或溶解后容易分層的墨水，容易堵塞打印噴嘴等一系列問題。

(1)墨水供給

基于 OLED 噴墨打印所采用油墨的本身特性，其墨水供給方式往往有異于普通的圖文打印機，由此出現了一些與關于 OLED 墨水供應 相關的專利申請。

(2)墨水脫氣

墨水中如果混有氣泡，往往會導致不噴、噴射偏斜等故障，嚴重影響噴射精度。為了避免氣泡產生的噴印不良，專利文獻 CN202022038582  公開了一種墨水存儲裝置，墨水存儲裝置使用于噴墨打印裝置，通過在外殼體中使用滲透膜制成的內膽形成一墨水存儲空間，并在外殼體和內膽之間形成環繞內膽的第一密閉空間，通過第一真空泵抽真空使第一密閉空間內形成負壓，在墨水存儲于墨水存儲空間內或者流經墨水存儲空間過程中，由于負壓的存在，氣體分子從內膽的側壁滲透到第一密閉空間里，繼而被抽走，從而對墨水起到很好的脫泡作用。

(3)防沉積

采用納米銀等懸浮性墨水或溶解后易分層的墨水，很容易堵塞打印噴嘴，造成設備故障。為了解決上述問題，專利文獻  CN201720235727公開了一種用以提高液體流動性，減少液體沉淀堵塞噴嘴現象發生的噴液裝置，包括：儲液腔與儲液腔連通的噴嘴;與儲液腔連通的循環管路;循環管路和儲液腔形成液體的流通環路。通過設置與儲液腔連通的循環管路，可以使儲液腔內的液體循環流動起來，從而減少不溶解的微粒沉淀堵塞噴嘴現象的發生。

本文通過對OLED 噴墨打印技術的全球專利申請量以及重要申請人情況進行梳理，了解了目前該技術的專利布局情況，對分析樣本進行技術標引，發現目前該技術主要涉及成膜均勻性、沉積位置準確性以及墨水控制技術 3個重點技術分支。其中，關于成膜均勻性，目前的專利技術主要從改善干燥工藝和改善噴墨打印工藝兩個方面進行提升;關于沉積位置準確性，目前主要的專利技術包括衛星點的控制以及防串色技術;關于墨水控制技術，目前主要的專利技術包括墨水供給、墨水脫氣以及防沉積等。