Исследование технологии создания активно-матричных микродисплеев на основе органических светодиодов Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

SIS**'

УДК 621.3.085.34

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ АКТИВНО-МАТРИЧНЫХ МИКРОДИСПЛЕЕВ НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКИХ СВЕТОДИОДОВ

RESEARCH FABRICATION TECHNOLOGY OF ACTIVE-MATRIX MICRODISPLAYS BASED ON ORGANIC LIGHT-EMITTING DIODES

© Кондратенко Владимир Степанович

Vladimir S. Kondratenko доктор технических наук, профессор, академик Европейской академии наук, Почётный работник науки и техники РФ, Почётный работник образования РФ, заведующий кафедрой оптических и биотехнических систем и технологий, Российский технологический университет (г. Москва).

DSc (Technical), Professor, Academician of the European Academy of Sciences, Honorary worker of science and technology of the Russian Federation, Honorary worker of education of the Russian Federation, Head of the Department of optical and biotechnical systems and technologies, Russian technological University (Moscow).

И [email protected]

© Иванов Владимир Игоревич

Vladimir I. Ivanov ведущий специалист, ООО «Остек-ЭК» (г. Москва). Leading expert, "Ostec-EC" Ltd. (Moscow). И [email protected]

Аннотация. В конце прошлого столетия возникла и интенсивно развивается новая область электронной техники, связанная с микроминиатюрными устройствами отображения информации — микродисплеями. Технология создания средств отображения информации на основе органических светодиодов (ОСИД) является новейшей технологией, которая пришла на смену технологиям создания дисплеев, существующим сегодня. Применение микродисплеев (МД) на основе органических све-тодиодов позволяет повысить эффективность электронного оборудования: улучшить массогабаритные характеристики и энергопотребление, повысить информационность, чёткость, яркость, контрастность и цветовую насыщенность изображений.

Ключевые слова: органические микродисплеи, органические светоизлучающие диоды, ОСИД структура.

t К

Abstract. At the end of last century, a new area of electronic technology emerged and is intensively developing, associated with miniature display devices microdisplays. The technology of creating display devices based on organic light-emitting diodes (OLED) is the newest technology that has replaced the display creation technologies that exist today. The use of microdisplays (MD) based on organic light-emitting diodes allows to increase the efficiency of electronic equipment: to improve the weight and size characteristics and power consumption, to increase the informational character, clarity, brightness, contrast and color saturation of images.

Key words: organic microdisplays, Organic Light Emitting Diodes, OLED structure.

Введение

Ключевыми вопросами технологии изготовления ОСИД МД являются обеспечение надёжной защиты прибора от негативного воздействия кислорода и паров воды,

содержащихся в воздухе [1], выбор ОСИД структуры и отработка оптимальных режимов нанесения многослойной органической структуры с заданными характеристиками, разработка технологии резки с учётом особенностей ОСИД.

■^mi

После нанесения органических слоёв следует этап герметизации, на котором необходимо производить контроль толщины осаждаемых слоёв для выбора оптимальной толщины и плотности структуры.

Тонкоплёночная герметизация наносится непосредственно на органические светоизлучающие слои методом магнетронного напыления. Для проведения процесса магнетронного напыления необходима высокая точность регулировки подачи газа в камеру. Используется регулятор расхода газа (РРГ) «SpeedFlo», который разработан для активного контроля и наблюдения за процессом горения плазмы, регулирующий расход кислорода атомарно. Сигналы с датчика обрабатываются встроенным в РРГ компьютером, после чего прибор выдаёт управляющий выходной сигнал, регулирующий расход кислорода, вследствие чего появляется возможность напылять плёнку с различными стехиометрическими характеристиками.

Для получения плёнки с необходимыми характеристиками по защите от внешних воздействий, проводились испытания, в процессе которых изменяли напряжение на мишени и мощность плазмы.

Для защиты от механических повреждений полноцветных дисплеев используется стеклянная крышка с нанесёнными на поверхность цветовыми фильтрами, а для монохромных - прозрачная стеклянная крышка.

Для приклеивания стеклянной крышки на подложку используется акриловый адгезив (рис. 1), выполняющий также функцию герметизирующего слоя.

В настоящее время органические светодиоды изготавливаются на основе двух типов материалов: низкомолекулярные органические материалы и полимерные материалы. Наиболее отработанной является технология изготовления органических светодиодов и изделий на их основе с использованием низкомолекулярных органических материалов [2].

Рис. 1. Слои герметизации ОСИД структуры

Технология создания ОСИД

Нанесение светоизлучающей структуры производится в многокамерной вакуумной установке без вынесения подложки на воздух до окончательной герметизации изделия. Для отработки технологии использовалась специализированная кластерная высоковакуумная установка Helisys корейской компании ANS Inc., которая предназначена для нанесения наноразмерных слоёв различных материалов.

В данной технологии используются методы электронно-лучевого напыления для получения анода, вакуумного термического испарения для нанесения органических слоёв и магнетронного напыления для получения герметизирующего слоя.

Перед процессом напыления органической структуры подложки проходят предварительную очистку в кислородной плазме в соответствующей вакуумной камере.

Органические слои и материал катода напыляют в камере термического испарения в вакууме, в которой находятся низкотемпературные и высокотемпературные источники для испарения органических материалов и лодочка для испарения металлов. В камере электронно-лучевого испарения наносится материал анода.

Для изготовления полноцветного микродисплея 9x12 мм 8оох6оо(хз) была выбрана конструкция ОСИД с белым цветом свечения и цветовыми фильтрами. Преимущества такой структуры в том, что органические слои могут быть общими для всех элементов, а технология цветовых фильтров уже хорошо отработана на ЖК-дисплеях.

Для создания микродисплея МДО 01 ПЦ производства ООО «ТОПЭ» используется излучающая вверх структура, состоящая из 8 основных слоёв: анод, дырочно-инжекционный, дырочно-транспортный, синий эмиссионный, разделительный, красный и зелёный эмиссионный, электронно-транспортный, электрон-но-инжекционный слои и катод.

Основной характеристикой ОСИД как источника является его яркостная характеристика. Для МДО 01 ПЦ яркостная характеристика и температурный диапазон работы микродисплея приведены на рис. 2.

При разработке технологии резки для ОСИД дисплеев необходимо было учитывать специфику ОСИД структур [2], связанную с недопустимостью чрезмерной вибрации, нагрева ОСИД структур выше 90°С и их деградации при прямом контакте с жидкими средами.

Обратим внимание на применение метода лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ) для решения задач, связанных с проблемами качества резки кремниевых приборных пластин на кристаллы с органическими свето-излучающими диодами, в частности для производства микродисплеев [3-6]. Приборная кремниевая пластина с OLED, загерметизированная

^ % i.SIS^*

¿СЛ^'ЧП ИГЛИЦ. Ь-М

а) Спектральная характеристика б) Зависимость яркости от температуры

Рис. 2. Характеристики работы микродисплея МДО 01 ПЦ

стеклянной крышкой, поступая на операцию резки обладает большой себестоимостью.

Передовые производители микродисплеев на OLED, такие как eMagine (США), Sony (Япония), MicroOLED (Франция), Olightek (Китай) и ООО «ТОПЭ» (Россия) на этапе разделения кремниевых приборных пластин на кристаллы применяют традиционные методы резки, которые даже при оптимальных технологических параметрах не позволяют управлять качеством кристаллов с OLED. В связи с эти был разработан новый метод лазерной резки при помощи ЛУТ, позволяющий обрабатывать кремниевые пластины в сборе с защитным стеклом по обратной стороне, за счёт ИК-камеры с диапазоном чувствительности в спектре 1460-1625 нм (пропускание кремния ~55%), при помощи которой распознаются реперные метки для резки на рабочей стороне кремниевой пластины, благодаря чему структуры OLED не деградируют из-за перегрева [7].

Проведено сравнение качества торцов кристаллов после дисковой алмазной резки

и после ЛУТ, была измерена шероховатость поверхности рабочих кромок кристаллов (рис. 3) с помощью профилометра модели ХР-200 фирмы АтЬ^ (США). Шероховатость рабочих кромок кристаллов после дисковой резки составляет Rа = 23,4079 мкм, а после ЛУТ не более Rа ~ 0,005 мкм.

Выводы

Внедрение метода ЛУТ в производственный процесс для изготовления ОСИД микродисплеев позволяет повысить производительность и увеличить выход годной продукции. Всё это достигается благодаря основным преимуществам метода ЛУТ перед конкурирующими технологиями, а именно:

- отсутствие дефектов вдоль линий реза, о чём свидетельствуют значения шероховатостей, зачастую на несколько порядков превышающие значения конкурентов;

- в сравнении с традиционными технологиями механическая прочность изделий после ЛУТ до 5 раз выше за счёт бездефектности кромки;

Рис. 3. Фотографии кромок кристаллов и профилограммы поверхностей их кромок после дисковой резки (а) и после ЛУТ (б)

А л Л<

Параметры микродисплеев (полноцветных и монохромных)

Таблица 1

Наименование параметра Значение

Максимальная яркость в белом цвете, кд/м2 более 300

Неравномерность яркости, % не более 15

Контраст, отн.ед. не менее 10 000:1

Уровни серого, отн.ед. не менее 256

Напряжение выходного сигнала по выходам RGB, В 0...0,7

Напряжение выходного сигнала по монохромному выходу, В 0...1,0

Напряжение сигналов управления и последовательного интерфейса, В 3,3

Напряжение питания, В не более 4,0

Потребляемый ток по шине питания, мА не более 150

Частота смены кадров, Гц не менее 25

Рабочая температура, °С -60 ~ +80

- высокая скорость процесса, в несколько раз превышающая реальные возможности других методов;

- отсутствие ухудшений или изменений различных элементов и структур на рабочей поверхности пластин.

Достигнутый уровень технологии создания активно-матричных микродисплеев на основе органических светодиодов позволил получать образцы микродисплеев (полноцветных и монохромных) со следующими параметрами (табл. 1).

Материалы поступили в редакцию 27.03.2019 г.

Библиографический список (References)

1. Кондрацкий, Б. А. Конструктивно-технологические особенности органических светодиодов и приборов на их основе / Б. А. Кондрацкий, О. Г. Котовский, А. А. Новичков, Н. Н. Усов // Нанотехника. 2013. № 4. С. 21-26. ISSN 1816-4498.

2. Александрова, Г. А. Формирование белых высокоэффективных органических светодиодных структур на основе маломолекулярных соединений / Г. А. Александрова, О. А. Грачев, Н. Н. Усов // Перспективные технологии дисплеев и полупроводниковой осветительной техники : матер. XIX международного симпозиума. Минск : БГУИР, 2011. С. 11-24.

3. Иванов, В. И. Методы резки кремниевых приборных пластин на чипы в производстве органических микродисплеев [Электронный ресурс] / В. И. Иванов / / Интернет-журнал Науковедение. 2014. № 4 (23). URL: http://naukovedenie.ru/ PDF/87TVN414.pdf (дата обращения: 24.03.2019). elSSN 2223-5167.

4. Кондратенко, В. С. Разделение органических светоизлучающих диодов на кремниевой подложке методом лазерного управляемого термораскалывания / В. С. Кондратенко,

B. Е. Борисовский, В. И. Иванов // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. 2014. № 2.

C. 76-81. ISSN 1729-6552.

1. Kondrackij, B. A., Kotovskij, O. G., Novichkov, A. A., Usov, N. N. (2013).

Konstruktivno-tehnologicheskie osobennosti organicheskih svetodiodov i priborov na ih osnove [Structural and technological features of OLEDs and devices based on them]. Nanotehnika. No 4. P. 21-26. ISSN 1816-4498.

2. Aleksandrova, G. A., Grachev, O. A., Usov, N. N. (2011). Formirovanie belyh vysokojeffektivnyh organicheskih svetodiodnyh struktur na osnove malomolekuljarnyh soedinenij [Formation of white high-efficiency organic led structures based on small-molecular compounds]. Perspektivnye tehnologii displeev i poluprovodnikovoj osvetitel'noj tehniki : mater. XIX-go mezhdunarodnogo simpoziuma. Minsk. BGUIR. P. 11-24.

3. Ivanov, V. I. (2014). Metody rezki kremnievyh pribornyh plastin na chipy v proizvodstve organicheskih mikrodispleev [Methods of cutting silicon instrument plates on chips in the production of organic microdisplay]. Internet-zhurnal Naukovedenie. No 4 (23). URL: http:// naukovedenie.ru/PDF/87TVN414.pdf (accessed 24 March, 2019). eISSN 2223-5167.

4. Kondratenko, V. S., Borisovskij, V. E., Ivanov, V. I. (2014). Razdelenie organicheskih svetoizluchajushhih diodov na kremnievoj podlozhke metodom lazernogo upravljaemogo termoraskalyvanija [Separation of organic light-emitting diodes on a silicon substrate by laser controlled thermal splitting]. Oboronnyj kompleks - nauchno-tehnicheskomu progressu Rossii. No 2. P. 76-81. ISSN 1729-6552.

%

SIS4Ü'

5. Кондратенко, В. С. Повышение эффективности процесса лазерной резки кремниевых приборных пластин на кристаллы ОСИД / В. С. Кондратенко, В. Е. Борисовский, В. И. Иванов, А. К. Зобов // Приборы. 2015. № 9 (183). С. 49-55. ISSN 2071-7865.

6. Кондратенко, В. С. Влияние методов резки кремниевых подложек на качество органических светоизлучающих диодов / В. С. Кондратенко,

B. И. Иванов // Прикладная физика. 2017. № 1.

C. 36-40. ISSN 1996-0948.

7. Кондратенко, В. С. Новый метод лазерной резки кремниевых пластин с нерабочей стороны на кристаллы с органическими све-тоизлучающими структурами [Электронный ресурс] / В. С. Кондратенко, В. И. Иванов // Российская научно-техн. конф. с междунар. участием «Оптические технологии, материалы и системы» (Оптотех-2017) : сб. докладов. М. : МИРЭА, 2017. С. 52-58.

5. Kondratenko, V. S., Borisovskij, V. E., Ivanov, V. I., Zobov, A. K. (2015). Povyshenie jeffektivnosti processa lazernoj rezki kremnievyh pribornyh plastin na kristally OSID [Improving the efficiency of laser cutting of silicon instrument plates on crystals of osid]. Pribory. No 9 (183). P. 49-55. ISSN 2071-7865.

6. Kondratenko, V. S., Ivanov, V. I. (2017). Vlijanie metodov rezki kremnievyh podlozhek na kachestvo organicheskih svetoizluchajushhih diodov [Influence of silicon substrate cutting methods on the quality of organic light-emitting diodes]. Prikladnaja fizika. No 1. P. 36-40. ISSN 1996-0948.

7. Kondratenko, V. S., Ivanov, V. I. (2017).

Novyj metod lazernoj rezki kremnievyh plastin s nerabochej storony na kristally s organicheskimi svetoizluchajushhimi strukturami [A new method of laser cutting of silicon plates from the non-working side into crystals with organic light-emitting structures]. Rossijskaja nauchno-tehn. konf. s mezhdunar. uchastiem «Opticheskie tehnologii, materialy i sistemy» (Optoteh-2017) : sb. dokladov. Moscow. MIRJeA. P. 52-58.