翁錦成 / 工研院材化所
隨材料技術進步及OLED與Micro LED顯示技術成熟，顯示器朝廣色域技術發展越發強力。為了提高廣色域，需要在光源部分加入具窄半高寬的色轉換材料，目前最常見的兩種製程為量子點光阻曝光顯影製程以及量子點墨水噴印製程。噴墨印刷技術在材料使用率以及少量多樣的客製化產品上具有較大優勢，近年在顯示器發展如OLED、QD-OLED、Micro LED (Color Conversion)、QDEL等逐步轉向噴墨印刷技術，然而設備成本、製程及材料仍然具有很大的挑戰。在產業鏈不斷投入研發及競爭下，相信很快將有成熟且低成本的製程及材料技術可以使用。
【內文精選】
前 言
廣色域顯示器(Wide Color Gamut)已成為顯示器的主要規格，BT.2020的規範指出，顯示面板的規格由HDTV轉成UHDTV的4K、8K高解析度要求，於色彩部分亦定義了Rec.2020色域規範，進一步奠定出高色彩飽和度，亦即廣色域顯示技術。目前廣色域顯示器主要的產品包括：有機電激發光顯示器(Organic Electroluminescence Display; OELD)、搭載量子點薄膜QDEF之LCD、搭載QDCF之QD-OLED以及搭載色轉換材料之新型的Micro LED等。
噴墨技術簡介
噴墨技術是直接將材料在不接觸的情況下分配到接收材料，噴墨技術是唯一可以遠程使用大量材料並具有高通量、低成本的一種工藝。噴墨印刷成像是由電子設備控制。點膠方式依噴墨技術分為兩組：連續和投放(Drop on Demand; DOD)。投放法中，氣泡噴射技術是一種不同於壓電的DOD技術，主要差別是在液滴產生方面(Gamota et al. 2004)，圖三顯示每種方法的原理。連續噴印方法，為使用大電壓，當液體流過時可以在偏壓下持續提供動力流出，同時藉由排水溝收集並重新循環。壓電方法使用施加偏壓時會膨脹或收縮的壓電晶體室，這種材料變形會產生壓力波，迫使材料膨脹並通過孔口而射出。氣泡噴射也稱為熱敏打印方法，顧名思義，蒸氣泡被加熱，產生膨脹氣泡導致聲波的形成，從而迫使液滴流出。熱噴墨打印廣泛用於圖形和低端色彩印刷；壓電打印機則對使用的材料更敏感，對於溫度敏感的生物樣品或極低黏度的墨水皆可以印刷。此外，壓電打印頭比氣泡打印頭更容易產生多種尺寸的墨滴，因此在精密打印技術主流上以壓電式為主軸。
圖三、噴墨技術三種主要分類：(a)連續噴印方法；(b)壓電方法；(c)氣泡噴射(熱敏打印)方法
1. 咖啡環效應
近年來因奈米材料發展快速與高精度印刷技術成熟，在集成電子以及發光顯示應用上提供了新的方案，在高精度印刷點陣的均勻性和線性是非常重要的性能規格。例如，在Micro LED的光轉換層，打印層的均勻性和每個打印像素的平滑度是實現均勻發光顯示品質的先決條件。咖啡環效應是造成印刷噴塗不均勻的重要原因之一。
為抑制向外的毛細管流動以消除咖啡環效應，常用的具體方法分類如下：①增加油墨的黏度，藉由提高溶液黏度來降低毛細運動。②增加油墨的表面張力，例如調整在QDs墨水系統中的混合溶劑比例以提高接觸角，加入壬烷到環己基苯(CHB)中可以增加油墨的表面接觸角，因而削弱毛細流量。③增加各粒子間之間作用力，如粒子間相互作用力或顆粒與氣液界面之間作用力。研究發現在液滴乾燥過程中，粒子沉積位置會與直徑縱橫比相關，在高度異向性橢圓形球體之氣–水界面上的毛細吸引力會導致粒子在橢圓球體沉積，在較大的粒度分布系統中，例如奈米/微粒液滴系統，較大的顆粒沉積在中心，而較小的顆粒由於吸引力較弱，在邊緣絮凝之前因靜電相互作用和凡德瓦力而聚集，越小粒子優先向內驅動到中心的液滴位置，因此揮發完成後，主要存在大顆粒和小顆粒在液滴的中心和邊緣。④降低邊緣的揮發率，研究提出基板溫度對墨滴乾燥形態的影響，較低的溫度可以抑制邊緣較快的揮發，使中心和邊緣的揮發速度相似，從而抑制毛細流動。在多溶劑墨水之間，液滴的邊緣和中心之濃度差會驅動粒子在乾燥過程中移動到邊緣(圖四)。
圖四、墨滴在不同溫度乾燥過程之剖面照；不同溶劑組成之乾燥
QD墨水材料
量子點色轉換材料之墨水為多種材料混摻系統，工業印刷、精密印刷之噴印墨水系統已相當成熟，而在顯示器用之噴印墨水因製程及材料限制，需要重新依需求規格做出設計調整。其依功能要求有幾項重點：量子點材料、光擴散材料、交聯系統、添加劑等，為調配出一個理想且光學特性優良之墨水需要諸多權衡犧牲---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》430期，更多資料請見下方附檔。