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摘 要：有机发光器件（OLED）诞生至今，封装方式一直是提高其寿命和稳定性的重要因素之一，也是当前研究的热点。从最初的后盖式封装发展到现在的薄膜封装，其寿命和稳定性也随之提高，人们幻想的柔性显示也成为了现实。新的有效封装方法的出现使有机发光器件从实验室走进了人们的日常生活，并有望成为下一代显示器的主流。文章重点介绍了当今主要的封装技术和方法，提出了结合传统后盖式封装和薄膜封装的混合封装方法。
关键词： 有机发光器件；后盖封装；薄膜封装；混合封装
中图分类号：TN383 文献标识码：B
The Analysis about Encapsulating Technology of OLED
WANG Zhen-guo1, GAO Jian1, ZHAO Wei-ming2, TAN Guo-liang2
(1. College of Mechanical and Electronical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou Guangdong 510006, China; 2. Dongguan Anwell Digital
Machinery Co., Ltd., Dongguan Guangdong 523656, China)
Abstract: Since the birth of organic light emitting device encapsulation has been one of the important factors to their life and stability, but also a research focus. From the back cover of the first type of encapsulation developed to thin film encapsulation, their life and stability are improved, thus people"s fantasy about flexible display become a reality. The emergence of new and effective method of encapsulating of organic light emitting device push it from the lab into people"s daily lives, and is expected to become the mainstream of next-generation display. This article focuses on today"s encapsulating technology and methods of OLED, and proposed combining back cover encapsulation of traditional styles and thin film encapsulation, named hybrid encapsulation.
Keywords: organiclight-emitting devices; back cover package; thin film encapsulation; hybrid encapsulation
引 言
1963年，M. Pope等人在10～20mm厚的单晶蒽晶体二端通电，观察到发光现象，但其驱动电压却必须高达400V以上才能发出微弱的蓝光[1]。1987年，柯达（Kodak）实验室的C. W. Tang等人利用真空蒸镀技术做出多层结构的有机发光器件，在低于10V的驱动电压下大幅提升了发光效率[2]。自此有机发光二极管的研究发展也随着其发光亮度而大放光明。1990年，英国剑桥大学卡文迪许实验室的Burroughes等人[3]首次在Nature杂志上报道了聚苯乙烯撑（PPV）的电致发光。聚合物发光器件的出现及其发展标志着有机发光器件的研究进入了一个新的阶段。有机发光领域中另一个开创性的工作是1998年M. A. Baldo等人研制出有机磷光发光器件[4]，磷光器件的出现使有机发光器件的效率达到100%有了理论上的依据，开创了OLED的新时代。
资讯时代来临，显示器在人类视觉感官与电子机械所扮演的界面功能越来越重要，传统的CRT（阴极射线管）显示技术已无法满足市场需求，轻薄省电、高画质的平面显示器将成为未来显示器的市场主流，而其中PLED（聚合物有机发光器件）、OLED被视为FDP（平板显示器）未来的明星产品。作为新一代的显示器件，OLED有着传统显示器不可比拟的优势，如自发光、不需要背光源、可实现超薄显示和柔性显示、驱动电压低、省电、反应速度快等等。
尽管众多科研机构和公司投入巨资致力于有机电致发光器件的研发或生产，但是作为一种集众多优点于一身的新兴技术，仍然有一些关键的问题没有得到很好的解决。OLED寿命的缩短主要是由于吸附了空气中的氧气和湿气，通过封装工艺把有机膜和金属电极保护起来，免受外界空气的影响，最终能达到延长器件寿命的目的，因此封装工艺对器件寿命的影响很大。
自1987年C. W. Tang[5]报道了高效的绿光OLED器件以来，有机EL器件失效现象就一直困扰着C. W. Tang。为了揭示OLED器件失效的内在因素，日本森等人[6]做了OLED器件在不同环境下的寿命实验，初步得出了空气中的氧气、水汽等是影响器件寿命的重要因素。随后，Do等人[7]采用多种实时的分析手段，对OLED工作失效过程进行了全面细致的观察和研究，进一步证实了空气中的水、氧会造成OLED器件中有机材料性能的变坏。尽管人们对OLED的失效机理还不完全清楚，但有许多研究结果表明，OLED器件内部水汽的存在是影响OLED寿命的主要因素。因此，研究有机电致发光器件的封装，对于提高器件效率、延长器件寿命具有重要的意义（如表1所示）。
1 有机发光器件的若干封装方式
1.1 传统后盖式封装
传统的OLED封装技术是在水、氧含量低于1ppm的手套箱中完成的。将制作好的OLED基板由手套箱内的线形机械手经由OLED系统的装载室传入手套箱内，然后将后盖板从装载室由OLED系统中的机械手送到等离子体处理腔体进行等离子体处理，以便在后盖板的表面形成活化的表面，以利于UV胶在其表面有很好的浸润性。后盖板由调整好程序的自动涂胶机完成UV胶的涂敷，将制作好的OLED基板与涂好UV胶的后盖板对准，依次放进一个封装夹具并压到一块，经过UV曝光以后就形成了一个与大气环境隔开的壁障，该壁障能有效防止空气中的水、氧进入OLED器件内部，避免了与之发生反应。通常传统的封装盖板用两种：玻璃盖板和金属盖板。在封装过程中，一般还采用专门制作的干燥剂（固态与液态方式，现在大多用薄膜干燥剂）来吸收可能残留的水分或OLED器件工作时产生的水汽。值得注意的是，金属封装要严格防止器件的短路问题。传统的封装工艺过程如图1所示。传统后盖式封装方式的优点是：热传导性好、电屏蔽性好、水分子阻隔能力强、化学稳定、抗氧化、电绝缘、致密；不足是：易发生翘曲变形（金属后盖）、易产生微裂纹及扩展（金属后盖）、易脆(玻璃后盖)。传统封装四周要用UV胶粘合，UV胶固化后稀松多孔，水汽和氧较容易从中通过。而内置吸湿剂，吸水后膨胀易导致OLED变形，从而导致器件进一步被损坏。
1.2 有机无机多层薄膜交错封装（薄膜封装）
无机薄膜具有很高的水汽隔离能力，通常可以用作阻水层。但是，在生成无机薄膜的过程中缺陷（针孔、裂纹等）会不可避免地产生，缺陷的存在大大降低了其阻隔能力。此外，过多或过厚的无机层会产生较大的内应力，严重影响封装质量。研究表明，采用有机无机交错的封装方式可以减少无机薄膜层缺陷和减小应力。薄膜封装不需要封装盖及胶框，明显减少器件的厚度和质量，其大致结构如图2所示。
封装质量的好坏与有机平坦化层有很大的关系，因为OLED制程对环境要求比较苛刻，此外还要考虑到成本和兼容性。可以用作有机平坦化层的有机物不是很多，常用的聚合物材料有fluorinated polymers（氟化聚合物）、parylenes（聚对二甲苯）、cyclotene（甲基环戊烯醇酮）、polyacrylates（聚丙烯酸酯）等，无机阻隔层材料有SiO2、Si3N4、SiNxOy、Al2O3、AlN、Mg[8]等。然而，有机无机多层交错封装方式制程复杂，比较难以实现，成本较高。但随着技术的进步，技术上的难点逐渐被攻克，有机无机多层交错薄膜封装得到了很大的发展，其中首推Barix封装技术。
Barix封装技术[9]是美国Vitex System公司开发的多层薄膜封装技术。Barix阻挡层是基于真空镀膜工艺制备的有机无机交替多层膜结构，这种封装结构可以对塑料衬底进行改进，改善塑料衬底的表面平整度，并可以大大增加水汽、氧的阻隔性能。Barix技术首先快速在冷却的塑料衬底上闪蒸一层丙烯酸类树脂单体，并利用紫外光交联固化形成一种非“共形”、原子级光滑的聚丙烯酸酯膜，然后将无机介质层薄膜溅射反应型Al2O3沉积在聚合物薄膜层上，作为阻挡水和氧扩散的“屏障”。要求在这种无机物介质材料薄膜内几乎没有针孔和晶粒边界缺陷，才能使密封性更好。阻挡层的性能可通过改变薄膜覆盖层中聚合物和无机物膜层的层数和成分加以调控。丙烯酸树脂单体为几种不同丙烯酸脂的配合物，加入光引发剂闪蒸，在基板上积聚，紫外光交联固化，封装过程中基板温度低于90℃。Barix阻挡层氧气的透过率约1×10-3g·d/m2，水蒸气的透过率在1～2×10-6g·d/m2范围内，可大大延长器件的使用寿命。Barix封装的结构和微观形态如图3、4所示。
1.3 GE柔性薄膜封装技术
GE公司的薄膜封装技术是PEVCD（等离子增强型化学气相沉积）SiNxOy、SiCxOy交错层来实现柔性封装，其特点是层与层之间的成分是渐次变化的。通过调整所通入的反应源气体之间的成分比例，借以改变反应所生成的SiNxOy、SiCxOy薄膜层中的Si、O、N、C各元素的含量和比例，通过多层复合和调整薄膜中各元素的比例与含量，从而达到高的水汽阻隔性和低应力残留两者之间的平衡，实现柔性封装。
1.4 杂化聚合物封装
杂化聚合物具有无机物和有机物的双重特性，兼具无机物的高阻水性和有机物的柔韧性。两种特性的结合让杂化聚合物有应用于OLED薄膜封装的可能，近年来成为研究的一个热点。杂化聚合物具有非晶结构、无针孔、高度交联、对热敏感性不高、耐腐蚀、粘着性强[10]等特点。有机硅化合物如：HMDSO（hexamethyldisiloxane）、TMS（tetramethylsilane）和TEOS（tetraethoxysilane）[11]，此外SiOxCy[12]也具有无机有机双重特性，因为它们的分子结构中具有无机和有机的功能基团（图5所示为玻璃的分子结构，图6所示为一种杂化聚合物的分子结构）。可以通过调整反应源气体使它们更接近于有机物或是无机物，这一特性是单纯的无机物或有机物所不具备的。但是，单纯地用杂化聚合物封装效果不理想，封装的器件在一般条件下很快衰减，这说明单纯地用杂化聚合物封装只是种简单的封装方式，需要进一步研究。未来杂化聚合物用于OLED封装可能会采用多层多重复合或是与有机、无机薄膜材料结合在一起应用于OLED封装。
以上简要介绍了当前OLED封装的一些代表性技术，所述各种封装方法中传统的后盖式封装在PM-OLED生产中应用较广，其封装层厚，四周涂覆UV胶，一般还要加入干燥剂，成本较高，不能实现轻薄柔性显示，而且早期寿命较低，随着技术发展特别是薄膜干燥剂的应用，其寿命有了很大的提高。有机无机交错封装（薄膜封装）是在传统封装方式的基础上发展起来的，薄膜封装的出现使柔性显示的梦想得以实现，不过现阶段封装寿命和稳定性有待更进一步提高，成本优势也不大，与传统封装相比优势不是十分明显，但随着薄膜封装的发展和技术创新，其优势会更加显现，未来将会是OLED封装的主流方式。有机无机杂化聚合物以及其与其它封装方式的结合应用于OLED封装，将是一个值得关注的研究方向。
2 有机发光器件混合封装
本文结合现阶段两种主要的封装方法，创新性地提出混合封装方法，即结合传统玻璃后盖式封装和薄膜封装两种方法，在蒸镀完各功能层后，在组件上层至少沉积生成一层阻水薄膜，然后与玻璃后盖或高分子材料后盖密闭成一个腔体，四周涂上UV胶，来起到对水汽和氧的阻隔，以期在现有的条件下提高OLED显示器件的寿命和稳定性。该方法结合了两种方法的优点，即具有良好的热传导性、良好的电屏蔽性、较强的水分子阻隔能力、化学稳定、抗氧化、电绝缘、致密等等。即使在封装内部没有加入干燥剂的情况下，水汽透过UV胶粘合层，在内部还有几层薄膜层对其进行阻隔，水汽透过的难度增加，透过所耗费的时间将更长，从而将有效提高封装器件的寿命。
溅射反应型和溅射非反应型Al2O3复合双层薄膜具有更好的机械物理性能，在同等厚度的条件下比单纯的溅射生成非反应型Al2O3的速率提高了将近50%，而水汽透过率则减少了大约50%，与单纯溅射生成的反应型Al2O3阻水效果相比提高了更多。双层薄膜比其中任何单一的一层薄膜在同等厚度的条件下，稳定性和阻水性都有较大的提高，柔韧性也得到了提高，而缺陷则更少[13]。表1所示为几种材料的热膨胀系数和杨氏模量的对比，玻璃与Al2O3的热膨胀系数较为接近，这就表明使用Al2O3封装OLED器件时，器件点亮受热膨胀产生的应力较小，不易因应力问题而发生损坏。综合封装相关的各方面性能可采用Al2O3做无机层。
此外，为防止溅射无机薄膜时损伤前面已生成的各功能层，溅射前蒸镀一层CuPc[14]做保护层。本研究所提出的封装方案为反应型三氧化铝150nm加非反应型三氧化铝200nm加反应型三氧化铝150nm三层薄膜结构，并采用传统玻璃后盖式封装。该方案结合了薄膜封装和传统后盖式封装的优点，理论上有较高的寿命和稳定性，实际封装效果有待实验的进一步验证和完善。
3 结论
通过调整无机物的组成，无机薄膜层的性能可以得到大幅提升，有机平坦化层的加入可以减少无机层的缺陷，提高其阻隔性，增加薄膜的密度和多层复合结构是提高阻隔性的两种主要方法。
薄膜封装主要应用在轻薄和需要柔性显示的场合，薄膜封装从提出到今天，封装效果已经接近甚至超过了传统的后盖式封装，是未来OLED封装发展的主要方向。由于需求方面的不同，传统玻璃后盖式封装仍有发展的空间，最近一段时间内仍会是主流封装方式。本文创新性地提出了混合封装的概念，此封装方法结合了以上两种封装方式的优点，是OLED器件封装一个值得研究的方向。
参考文献
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作者简介：王振国（1982 -）， 男，籍贯河南商丘，广东工业大学在读硕士研究生，研究方向为OLED封装技术，E-mail：wzhg5886@163.com。
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