隨著手機(jī)、智能電視等科技產(chǎn)品持續(xù)的更新?lián)Q代，以及可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等新品類的不斷涌現(xiàn)，更大、更清晰、色彩更明亮的顯示面板顯然將成為市場持續(xù)追逐的熱點(diǎn)。
在LCD、OLED、MicroLED、QLED、MiniLED等諸多屏幕工藝中，OLED被普遍認(rèn)為是替代LCD的下一代主流顯示技術(shù)。它廣泛存在于人們的手機(jī)、電視等各種家用產(chǎn)品中，似乎已經(jīng)走入千家萬戶，但鮮有人知的是，在OLED行業(yè)，“命脈”仍被掌握在日韓企業(yè)手中。
就在9月初，有韓媒透露消息稱，三星、LG將停止向華為供應(yīng)高端手機(jī)面板。這則消息，揭露出了國內(nèi)OLED面板行業(yè)背后隱憂的“冰山一角”。
OLED行業(yè)的“命脈”
OLED全稱為有機(jī)發(fā)光二極管(Organic Light-Emitting Diode, UIV OLED)，而OLED面板自然就是一種有機(jī)發(fā)光二極管顯示屏，采用Alq、Balq等有機(jī)材料，顯示的色彩取決于發(fā)光層有機(jī)分子的類型。
通過讓每個像素點(diǎn)實(shí)現(xiàn)自發(fā)光，OLED顯示技術(shù)能夠做到極高的對比度和更低的能耗，同時有著更好的透光率，屏幕可以做得非常薄。
OLED技術(shù)的原理是在兩電極之間夾上有機(jī)發(fā)光層，當(dāng)正負(fù)極電子在此有機(jī)材料中相遇時就會發(fā)光，省去了LCD中的背光模塊。
而OLED的基本結(jié)構(gòu)就像一個三明治，在玻璃基板上制作一層幾十納米厚的有機(jī)發(fā)光材料作發(fā)光層，發(fā)光層上方再覆蓋一層金屬電極。
(OLED屏幕面板結(jié)構(gòu)示意圖)
雖然看著簡單，但這種“三明治”制作起來實(shí)際極為復(fù)雜，涉及到非常多的高端精密工藝。
簡單地來講，OLED的制造流程大致可以分為三大步：制備玻璃基板、涂敷有機(jī)薄膜和封裝測試。
(OLED面板主要的工藝流程。來源：和輝光電)
其中,涂敷有機(jī)薄膜是整個制造過程中最重要的環(huán)節(jié)，直接影響到像素控制，它的好壞，將直接影響到OLED屏幕顯示情況。
在這個環(huán)節(jié)，包括三星、LG等一眾主流廠商都采用的是真空蒸鍍技術(shù)。簡單來說，這種工藝是將位于真空腔體內(nèi)的有機(jī)物分子輕微加熱，然后讓這些被蒸發(fā)的分子以薄膜的形式凝聚在溫度較低的基層上。
在這個環(huán)節(jié)所采用的真空蒸鍍機(jī)，其重要性就如同OLED面板制造工藝的“心臟”，被稱為是“屏幕界的光刻機(jī)”。
真空蒸鍍機(jī)：日韓企業(yè)包攬前列
嚴(yán)格來講，真空蒸鍍機(jī)并不是某臺單獨(dú)的機(jī)器，而是一條獨(dú)立的真空生產(chǎn)線。以業(yè)界頂尖的佳能Tokki的真空蒸鍍機(jī)ELVESS OLED為例，這條生產(chǎn)線長100米，需要將屏幕面板在廠區(qū)間頻繁移動。
在真空蒸鍍機(jī)領(lǐng)域，日本企業(yè)佳能Tokki可謂一家獨(dú)大，其地位比起光刻機(jī)界的阿斯麥(ASML)也不遑多讓，甚至猶有過之。最高端的G6世代蒸鍍設(shè)備幾乎被佳能Tokki壟斷，其市占率已超過90%。
目前，建一條OLED產(chǎn)線動輒投資幾百億元，而上游設(shè)備在整個產(chǎn)業(yè)鏈中就占成本的80%，其中蒸鍍設(shè)備投入占比高達(dá)35%。以佳能Tokki為例，一臺真空蒸鍍機(jī)售價已達(dá)1.4億美元，基本和光刻機(jī)的價格持平。
佳能Tokki真空蒸鍍機(jī)的年產(chǎn)量十分稀少(2017年該公司一年僅生產(chǎn)了9臺)，且其大部分產(chǎn)出都被三星和LG瓜分，國內(nèi)廠商可謂是“有錢也買不到”。
即使退而求其次，選擇實(shí)力稍遜一籌的其他真空蒸鍍設(shè)備供應(yīng)商，也只能選擇YAS、SNU、SNF等日韓企業(yè)。而我國本土的OLED蒸鍍設(shè)備制造企業(yè)，如合肥欣奕華、合肥萊德、中山凱旋真空科技等，離日韓企業(yè)仍有大約整整四代的技術(shù)差距。
真空蒸鍍難在哪里?
前文已經(jīng)說過，真空蒸鍍的主要流程就是把OLED有機(jī)發(fā)光材料精準(zhǔn)、均勻、可控地蒸鍍到基板上。
由于有機(jī)材料極易受到氧氣和水的影響，有機(jī)材料間也很容易造成污染，因此，面板的蒸鍍一般都是在真空環(huán)境下且相互獨(dú)立地進(jìn)行。
真空蒸鍍工藝的流程一般包括基片表面清潔、鍍膜前的準(zhǔn)備、蒸鍍、取件、鍍后處理、檢測、成品等步驟，以前三個重要步驟為例：
(1)基片表面清潔
OLED器件對表面的潔凈度要求很高。因?yàn)槠骷δ軐雍穸葍H為幾十納米，即使是粒徑為微米級的灰塵或異物也有可能造成器件短路或擊穿，或影響有機(jī)材料在表面的附著性，降低器件性能。
基片清洗的方法有很多，如化學(xué)清洗法、超聲波清洗法、真空烘烤法和離子擊法等。
(2)鍍前準(zhǔn)備
鍍膜室抽真空到合適的真空度，對基片和鍍膜材料進(jìn)行預(yù)處理。在高真空下加熱基片能夠使基片的表面吸附的氣體脫附，有利于提高鍍膜室真空度、膜層純度和膜基結(jié)合力;在紫外烘箱中進(jìn)行紫外光照射處理或進(jìn)行等離子體轟擊處理，可以提高ITO陽極的功函數(shù)。
最后，還要對蒸發(fā)源通以較低功率的電，進(jìn)行膜料的預(yù)熱或者預(yù)熔，并將鍍膜材料迅速加熱到蒸發(fā)溫度以進(jìn)行蒸鍍。
(3)蒸鍍
首先蒸鍍各個有機(jī)半導(dǎo)體功能層，最后在有機(jī)層的上面蒸鍍金屬陰極。真空蒸發(fā)是在一定壓強(qiáng)的殘余氣體中進(jìn)行的，這些殘余氣體分子會對薄膜形成過程乃至薄膜性質(zhì)產(chǎn)生影響。
當(dāng)有機(jī)材料從蒸發(fā)源中被加熱蒸發(fā)出來之后，有機(jī)材料分子或金屬原子將以一定的初速度脫離材料表面向外飛散。如果這些分子或原子在飛散過程中遇上其他分子，這些被蒸發(fā)出來的分子可能被散射;如果沒有碰到氣體分子，則一部分被蒸發(fā)出的分子將從材料表面勻速直線運(yùn)動到基板表面，并沉積下來形成一層致密薄膜。
如果真空度過低，殘余氣體分子的量很大，大量蒸發(fā)物質(zhì)原子或分子將與空氣分子碰撞，會使膜層受到嚴(yán)重污染，甚至被氧化燒毀。
在薄膜的淀積過程中，控制厚度均勻的薄膜和恒定的蒸發(fā)速率也非常重要，需要優(yōu)化設(shè)計好蒸鍍源的形狀、尺寸和與樣品之間的距離。真空蒸鍍使用的加熱方式主要有電阻加熱、電子束加熱。射頻感應(yīng)加熱、電弧加熱和激光加熱等幾種。
可以看出，真空蒸鍍是一個需要諸多復(fù)雜、精細(xì)操作的環(huán)節(jié)。佳能Tokki的厲害之處就在于，他們能把有機(jī)發(fā)光材料蒸鍍到基板上的誤差控制在5微米內(nèi)，這僅相當(dāng)于頭發(fā)直徑的5%。目前，還沒有任何其他公司能夠達(dá)到這樣的精度。
佳能Tokki在真空蒸鍍機(jī)領(lǐng)域的長期深耕還讓其擁有了不少獨(dú)家專利。比如，該公司很早就將機(jī)器視覺應(yīng)用在設(shè)備上：在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，對準(zhǔn)玻璃基板和用作像素模板的細(xì)金屬網(wǎng)難度很大，利用攝像頭追蹤，佳能Tokki可將誤差范圍縮小到人體紅細(xì)胞大小，大幅降低不良率。
唯一的選擇?
值得慶幸的是，面對被日韓企業(yè)壟斷的局面，我國本土OLED行業(yè)并不是只有真空蒸鍍一條路子可走。
噴墨打印法就是一條有希望的前景路。許多人都曾使用過噴墨打印機(jī)，噴墨打印機(jī)的工作原理是使用微小的噴嘴噴射出微小水滴(直徑在50-60微米之間)，讓其沉積在紙面上。
而噴墨打印OLED的原理與之基本相同，也是通過噴墨印刷設(shè)備上的多個印刷噴頭，將不同顏色的聚合物發(fā)光材料溶液精確的沉積在玻璃基板的隔離柱槽中，溶劑揮發(fā)后會形成100納米左右厚度的薄層，構(gòu)成可發(fā)光的像素。
噴墨打印法在制程、工藝、良率和成本等方面都比蒸鍍法更為優(yōu)秀：不需要在真空中進(jìn)行生產(chǎn)，也不需要大尺寸精細(xì)金屬掩模板以讓有機(jī)材料沉積在特定位置。真空蒸鍍時有機(jī)材料氣體會無差別沉積在玻璃基板上，導(dǎo)致材料利用率低，而噴墨打印工藝滴落到基板外面的墨水少，能夠提高材料使用效率。
最重要的是，對于顯示面板尺寸越來越大的發(fā)展趨勢，噴墨打印法也更具優(yōu)勢。
不僅我國國內(nèi)深天馬、京東方等企業(yè)投資了噴墨打印法，三星、LG等外國企業(yè)也在積極嘗試相關(guān)工藝。
華星光電在2015年就開展了印刷OLED的布局;京東方于2018年宣布成功研制出中國首款采用噴墨打印技術(shù)的55英寸4K OLED顯示屏;2020年，TCL宣布已與JOLED合作開發(fā)噴墨印刷OLED電視;日前，業(yè)內(nèi)消息稱三星引入了Kateeva小型噴墨印刷試產(chǎn)設(shè)備……
新的路線帶來了新的機(jī)遇，盡管時至今日，我們還無法預(yù)言噴墨打印工藝究竟何時能大規(guī)模商用，但有了本土企業(yè)奮起直追的決心與勁頭，相信OLED面板行業(yè)未來的“命脈”，不會再獨(dú)獨(dú)掌握在日韓企業(yè)的手中。千金難買！“屏幕界的光刻機(jī)”被日韓壟斷，中國OLED企業(yè)怎么辦？