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OLED封装阻隔层减薄：ALD纳米叠层薄膜

2022-11-21

       AMOLED是当前主流的显示技术，可实现柔性显示是该技术的优势之一，折叠屏手机、云卷屏手机、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。


       柔性产品在设计制作时对AMOLED的一个重要指标就是可弯折的最低半径，以折叠屏手机为例，通过铰链等设计，手机每次在折叠后屏幕都被弯折至一个固定的半径。为了使这个半径更小，折叠程度更高，往往需要进一步减薄屏幕厚度。


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图1 折叠屏弯折半径示意图


       薄膜封装（Thin Film Encapsulation, TFE）是屏幕中保护OLED用的重要组成部分，由于其近乎整面覆盖于屏幕中，TFE减薄是提升屏幕可柔性的重要发展方向。而原子层沉积（Atomic Layer Deposition, ALD）是OLED封装层减薄开发的重要沉积技术。


       ALD   由于其自限制反应特性，具有薄膜致密、针孔率低、均匀性高、共形性好、厚度可精细控制、可低温沉积等优点。部分单层ALD薄膜，如ALD AlOx，在水氧阻隔性能上已经可以达到薄膜封装的要求，但是在面对恶劣的温湿度环境时，单层AlOx薄膜容易水解，水氧阻隔性大幅减弱，这对于封装阻隔层来说是比较致命的一个问题。


  ALD纳米叠层阻隔膜


       为改善水解问题，纳米叠层ALD薄膜成为比较有效的解决方案。


       Lae等[1]对比了单层AlOx和AlOx/TiO2纳米叠层在浸入90℃的水中后其粗糙度和表面形貌的表现。如图2，单层AlOx在经过0.5hrs的水浴浸润后，其表面形成大量空洞，粗糙度增加较大，而AlOx/TiO2纳米叠层在24hrs的浸润后仍能够保持较佳的表面状态。作者认为纳米叠层能够缓解水解作用的原因主要有：（1）AlOx/TiO2纳米堆叠沉积形成了密度更加高的薄膜；（2）薄膜内形成的Al-O-Ti化学键合能够起到比AlOx更加好的防水解作用。


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图2 单层AlOx与AlOx/TiO2纳米叠层在90℃水浴后表面状态对比


       纳米叠层的具体实现方法，以AlOx/TiO2纳米叠层为例，是在AlOx的原子层沉积基本过程的基础上，穿插TiO2的原子层沉积的基本过程，我们把这些基本过程称作AlOx的Cycle和TiO2的Cycle。按照一定的Cycle的比例，将AlOx/TiO2 多个Cycle的组合形成一个大的Cycle，重复大Cycle的镀膜直到目标膜厚，即完成纳米叠层的生长。图2中纳米叠层就是以AlOx/TiO2为1：1的比例生长得到的，整个纳米叠层的生长过程为AlOx CycleàTiO2 CycleàAlOx CycleàTiO2 Cycle……，直到目标膜厚达成。


       通过调整纳米叠层中不同材料基本过程的比例，可以做到叠层成分的精准调控，这同时也为纳米叠层的性质调控带来了多样性，增加了工艺窗口。同时，正是这样的生长方式，使得原本容易随着厚度的增加而结晶化的TiO2薄膜，在插入AlOx薄膜形成纳米叠层后，TiO2的结晶状态得到了很好的抑制。与AlOx/TiO2纳米叠层的机理类似，ZrO2/AlOx纳米叠层[2]（如图3）、AlOx/SiOx纳米叠层[3]、ZnO/HfO2纳米叠层[4]和AlOx/ZnO纳米叠层[5]都已有一些研究基础，部分材料封装阻隔性的一些测试结果可参考表2/表3。


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图3 ZrO2/AlOx纳米叠层的SEM截面示意图


表2[6] 纳米叠层与其WVTR-1

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表3[7] 纳米叠层与其WVTR-2

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       除了封装的水氧阻隔性，在机械性能上，一些纳米叠层也能起到特殊的效果。Jeong等[5]通过对比单层AlOx与纳米叠层AlOx/ZnO的弯折可靠性，发现AlOx/ZnO中存在的微裂纹可以有效地起到裂纹钝化的作用，从而在弯折过程中，膜层承受了较大的应力，也能通过为裂纹降低实际产生的应力，且这些裂纹能在纳米叠层内部就截止而不会像单层AlOx那样裂纹直接贯通整个膜厚。


       同一个课题组的Jeong[8]等研究了AlOx/ZnO/MgO(ZAM)三种材料的原子层沉积纳米叠层的封装特性，通过有意地在薄膜内部形成空洞和缺陷，弯折的过程中起到裂纹钝化的作用，使得该纳米叠层可承受较高的弯折应力。且这些空洞和缺陷在各个材料膜层间的位置不一，形成了冗长的水氧通过路径，其WVTR能达到2.06 x 10-6 g/m2/day。


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图4 AlOx/ZnO纳米叠层的裂纹钝化机制：(a)裂纹尖端半径大小对应力的影响示意图；(b) 自然微裂纹对机械诱导裂纹的钝化机制示意图；(c) AlOx/ZnO纳米叠层的微裂纹产生机理:部分ZnO在沉积过程中会被腐蚀；(d) 纳米叠层、普通叠层与施加应力对比(最外层，其中红线为纳米叠层中微裂纹大小与最高承受应力的关系曲线)


结语


       单层ALD薄膜都具有一定的局限性，而通过导入纳米叠层工艺可以进一步提高ALD封装阻隔膜的高温高湿环境可靠性和弯折可靠性。同时，由于纳米叠层可以由比较大的成分和工艺的调整空间，使得纳米叠层可以根据实际需求制备不同性质的薄膜，进而满足薄膜封装的各种需求。




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