Für die Herstellung von transparenten Displays ist es notwendig, eine 50-100 nm dicke, transparente ITO-Leitschicht (Indium-Zinn-Oxid) auf ein Glas-/Kunststoffsubstrat aufzubringen. Dadurch werden sowohl die Leitfähigkeit als auch eine Transparenz von über 85% gewährleistet.
Anschließend wird die Display-Schicht (z. B. LCD mit reduzierter Lichtblockierung der Hintergrundbeleuchtung oder selbstleuchtendes OLED) mit feinjustierter Mikrostruktur mit optischem Klebstoff verklebt.
Einige Produkte enthalten auch eine transparente Touch-Folie mit einem Raster von 2-5 μm.
Durch Prozesse wie Vakuumbeschichtung und Fotolithografie werden Grenzflächenreflexionen eliminiert und schließlich ein klares, transparentes Anzeigebild erzielt.
Substrat und Leitschicht
Die Basis eines transparenten Displays besteht aus dem Substrat und der Leitschicht.
Als Substrat werden üblicherweise 500 μm dickes Floatglas oder 125 μm dickes PET-Kunststoff (Polyethylenterephthalat) verwendet.
Ersteres ist kratzfest, letzteres ist biegbar. Die Leitschicht ist eine dünne Schicht aus Indium-Zinn-Oxid (ITO), die durch Vakuumbeschichtung oder Magnetron-Sputtern aufgetragen wird, wobei die Dicke zwischen 50-100 nm (1/1000 eines menschlichen Haares) kontrolliert wird.
Es muss ein Gleichgewicht zwischen Leitfähigkeit und Lichtdurchlässigkeit gefunden werden, um eine Transparenz von 85%-90% und einen Blattwiderstand von 10-30 Ohm/Quadrat zu erfüllen.
Das „Gerüst“ des Bildschirms
Ein transparentes Display kann Licht durchlassen und Bilder anzeigen, aber der erste Schritt hängt davon ab, dass das Substrat die nachfolgenden Leit- und Displayschichten trägt und auch bestimmt, ob der Bildschirm starr oder flexibel ist.
Die Wahl des falschen Substrats kann alles ruinieren: entweder ist die Transparenz zu gering, sodass der Bildschirm grau erscheint, oder es ist zu spröde und reißt beim Berühren, oder es knittert nach mehrmaligem Biegen.
Die gängigen Substrate auf dem Markt lassen sich in zwei Kategorien einteilen: Glas und Kunststoff, mit Dicken im Bereich von einigen Hundert Mikrometern bis zu Bruchteilen eines Millimeters.
Die Oberfläche muss glatter als ein Spiegel poliert werden, und alle Prozessschritte müssen streng nach präzisen Daten erfolgen.
Materialauswahl
Es gibt zwei Hauptsubstratmaterialien, deren Auswahl vollständig davon abhängt, wofür der Bildschirm verwendet werden soll.
Floatglas ist am gebräuchlichsten, in der Regel 500 μm (0.5 mm) dick und gleichmäßiger als herkömmliches Fensterglas.
Seine inhärente Transparenz beträgt 91% (unbeschichtet), und seine Oberflächenhärte liegt bei 6-7 auf der Mohs-Skala, wobei ein Schlüssel nur einen schwachen weißen Kratzer hinterlässt.
Dies ist die beste Wahl für kommerzielle transparente Displays.
Zum Beispiel verwenden transparente Werbescreens in Einkaufszentren 800 μm dicke Floatglas-Substrate, die dem täglichen Betrachten durch Tausende von Menschen standhalten, wobei Oberflächenkratzer auch nach 3 Jahren kaum fühlbar sind.
PET-Kunststoff ist leichter, weicher und hat eine Dicke von 125-250 μm (0.125-0.25 mm), wodurch es weniger als 1/3 des Gewichts von Glas aufweist.
Seine Transparenz beträgt 89% (etwas geringer, aber ausreichend) und es kann in eine 180-Grad-Kurve gebogen werden, was es für elektronische Regaletiketten und faltbare Geräte geeignet macht.
Allerdings ist es hitzeempfindlich, und Verarbeitungstemperaturen über 100°C führen zu Verformungen.
Daher ist für PET-Substrate zunächst eine Pufferschicht aus Siliziumdioxid erforderlich, und die Leitschicht muss bei einer Temperatur von unter 80°C aufgetragen werden. Andernfalls knittert die Folie.
Festlegung der Dicke
Kommerziell genutzte starre Bildschirme verwenden oft 500-700 μm Glas.
Zum Beispiel verwenden Fluginformationsdisplays an Flughäfen 600 μm dicke Substrate.
Selbst wenn eine 1 kg Stahlkugel aus 1 Meter Höhe darauf fallen gelassen wird, reißt der Bildschirm nicht.
Bei Verwendung von 400 μm dünnem Glas würde bei demselben Test jeder dritte Bildschirm reißen, und es wäre auch anfälliger für Beschädigungen durch Vibrationen während des Transports.
Flexible Displays erfordern 125-175 μm PET. Ein bestimmtes faltbares transparentes Tablet mit einem 150 μm dicken Substrat zeigte nach 100.000 Biegungen (5 mm Radius) nur eine Transparenzabnahme von 2%, wobei kaum sichtbare Unschärfe auftrat.
Die Verwendung einer Dicke von 200 μm erzeugt hohe innere Spannungen beim Biegen, was zu Falten und einem welligen Muster im Anzeigebild führt.
Oberflächenbehandlung
Die Substratoberfläche muss auf Nanometer-Ebene glatt sein, andernfalls erscheint der Bildschirm aufgrund von Lichtstreuung unscharf.
Die Behandlung erfolgt in zwei Schritten:
Polieren: Floatglas wird chemisch-mechanisch poliert, wobei chemische Lösungen und Polierpartikel die Oberfläche „schleifen“.
Nach der Behandlung beträgt die Rauheit weniger als 0.5 nm (ein Millionstel eines menschlichen Haares), und die Transparenz steigt von 91% auf 92%.
Dieser 1% sollte nicht unterschätzt werden. Diese geringfügige Steigerung macht das Bild des Einkaufscenter-Screens transparenter, und Kunden können die Farbe des Produkts genauer sehen.
Auftragen der Pufferschicht: PET-Substrate benötigen eine 50 nm dicke Siliziumdioxid-Beschichtung.
Diese Schicht reduziert nicht nur die Oberflächenrauheit von 2 nm auf 0.8 nm, sondern sorgt auch dafür, dass die nachfolgende ITO-Folie fester haftet.
Umweltzuverlässigkeitstests
Das fertige Substrat muss Umweltprüfungen bestehen. Im Labor werden hohe Temperaturen und hohe Luftfeuchtigkeit sowie thermische Zyklen simuliert.
- 1000 Stunden bei 85°C und 85% Luftfeuchtigkeit: Das Glassubstrat zeigt keine Veränderung. Das PET-Substrat nimmt leicht Feuchtigkeit auf, wodurch die Transparenz um 0.5% sinkt, was jedoch akzeptabel ist.
- 500 Zyklen, Umschalten von -40°C auf 85°C alle 1 Stunde: Glas hat keine Probleme. PET schrumpft leicht, aber die Dimensionsänderung beträgt weniger als 0.1% und beeinträchtigt die Haftung anderer Schichten nicht.
Eine Marke führte einen Außentest durch, bei dem ein transparenter Bildschirm mit Glassubstrat 2 Jahre lang am Meer hing. Das Substrat vergilbte nicht, die Transparenz blieb bei 89%, und es gab keine Korrosion durch Salznebel.
Die Leitschicht
Das transparente Display kann aufleuchten und Bilder anzeigen dank einer unsichtbaren leitfähigen Folie, die Strom leitet, um die Pixel zu aktivieren, ohne Licht zu blockieren.
Diese Folie wird Indium-Zinn-Oxid (ITO) genannt, und ihre Dicke beträgt nur ein Tausendstel eines menschlichen Haares.
Wie man auf das Substrat „zeichnet“
Es gibt hauptsächlich zwei Methoden zur Folienabscheidung:
- Vakuumbeschichtung: Das ITO-Material wird auf über 800°C erhitzt, vergast und kondensiert auf der Substratoberfläche, um die Folie zu bilden. Die Ausrüstung ist kostengünstig und eignet sich für die Kleinserienproduktion, aber die Filmdicke kann ungleichmäßig sein. Zum Beispiel kann die Filmdicke bei einem 500 μm dicken Glassubstrat an den Ecken und in der Mitte um 5 nm variieren, was zu ungleichmäßiger Transparenz führt.
- Magnetron-Sputtern: Argon-Ionen treffen auf das ITO-Target (ein metallisches Stück von der Größe eines Fingernagels) und „schlagen“ Target-Atome heraus, die sich auf dem Substrat ablagern und die Folie bilden. Die Filmdicke kann auf ±2 nm genau gesteuert werden, was so gleichmäßig ist wie ein perfekt ausgebreiteter Pfannkuchen. Die Ausrüstung ist jedoch teuer und der Prozess muss in einer Vakuumkammer stattfinden, was für die Massenproduktion geeignet ist.
Ein Panel-Hersteller testete, dass die im Magnetron-Sputtern hergestellte ITO-Folie eine um 1.5% höhere Transparenz aufwies als die durch Beschichtung hergestellte, da die Folie gleichmäßiger war und weniger Lichtstreuung verursachte.
Die Dicke der ITO-Folie
Die Dicke der ITO-Folie wird streng kontrolliert.
Ist sie zu dünn (z. B. 40 nm), neigt die Folie zum Reißen.
Eine 40 nm dicke Folie bricht nach zweimaligem Biegen in mehrere Fragmente.
Ist sie zu dick (120 nm), sinkt die Transparenz von 88% auf unter 80%, und der Bildschirm erscheint unscharf.
Der Industriestandard liegt bei 70-80 nm. Ein transparenter Bildschirm einer bestimmten Marke verwendet eine 80 nm ITO-Folie, mit einer Transparenz von 88% und einem Blattwiderstand (Maß für die Leitfähigkeit) von 15 Ohm/Quadrat.
Ein geringer Widerstand bedeutet, dass der Strom schneller fließt und der Bildschirm schneller reagiert, wobei die Touch-Latenz auf unter 10 Millisekunden kontrolliert werden kann, ähnlich wie bei einem normalen Handy-Bildschirm.
Kennzahlen der Leitschicht
Die Leitschicht hat zwei kritische Kennzahlen, die die Leistung des Bildschirms direkt bestimmen:
- Transparenz: ITO selbst absorbiert einen Teil des Lichts. Hochwertige Folien können 85%-90% Transparenz erreichen. Zum Beispiel hat ein 500 μm dickes Glassubstrat eine Transparenz von 91% ohne Beschichtung. Nach der Beschichtung mit 80 nm ITO beträgt die Gesamttransparenz 88%. Eine Reduzierung um 3%, die jedoch ausreicht, damit der Bildschirm „transparent“ erscheint.
- Blattwiderstandsgleichmäßigkeit: Die Abweichung des Blattwiderstands über die gesamte Folie sollte weniger als 5% betragen. Zum Beispiel, wenn der Zielwert 15 Ohm/Quadrat beträgt, sollte der dünnste Bereich 15.75 nicht überschreiten und der dickste Bereich nicht unter 14.25 liegen.
Nachteile von ITO
Obwohl ITO nützlich ist, hat es einen großen Nachteil: Die Folie ist spröde.
Wiederholtes Biegen verursacht Risse. Nach 100.000 Biegungen (5 mm Radius) weist die ITO-Folie Mikrorisse auf, die Transparenz sinkt um 1% und der Blattwiderstand steigt um 2 Ohm.
Ein Hersteller verglich: Flexible Bildschirme mit ITO zeigten nach 100.000 Biegungen eine normale Anzeige,
während diejenigen mit Silber-Nanodrähten nach 50.000 Zyklen anfingen, helle Flecken zu zeigen (Kurzschlüsse der gebrochenen Silberdrähte).
Daher sind die meisten aktuellen transparenten Displays immer noch darauf angewiesen, dass ITO die „Last trägt“.
Das Gleichgewicht zwischen Transparenz und Leitfähigkeit
Ein transparentes Display kann „durchsichtig sein“ und gleichzeitig „klare Bilder anzeigen“, indem es das Gleichgewicht zwischen Transparenz und Leitfähigkeit findet.
Diese beiden Kennzahlen sind wie eine Wippe: Wenn die eine hoch ist, ist die andere niedrig.
Die Herausforderung besteht darin, den optimalen Punkt zu finden, an dem beide für die Anwendung gut genug sind.
Transparenz
Herkömmliches Glas hat eine Transparenz von 91%. Für die Praktikabilität eines transparenten Displays muss eine Transparenz von 85%-90% erreicht werden. Unter 85% erscheint der Bildschirm grau, wodurch die dahinter liegenden Exponate oder Szenen undeutlich werden.
Zum Beispiel benötigt ein transparenter Bildschirm in einem Museum, hinter dem Exponate stehen, mindestens 88% Transparenz, damit der Betrachter die Details des Exponats klar sehen kann.
Bei 85% Transparenz werden die Farben des Exponats um 10% dunkler, und Details verwischen.
Bei 90% ist die Farbwiedergabe nahezu identisch mit der des bloßen Auges.
Blattwiderstand
Der Blattwiderstand ist eine Kennzahl zur Messung der Leitfähigkeit, gemessen in Ohm/Quadrat (Ω/□).
Ein niedrigerer Wert bedeutet, dass der Strom reibungsloser fließt.
Die Leitschicht (wie die ITO-Folie) auf einem transparenten Bildschirm benötigt 10-30 Ω/□. Ist der Wert zu niedrig (z. B. 5 Ω/□), steigen die Materialkosten.
Ist er zu hoch (über 40 Ω/□), kann der Strom nicht effektiv fließen, und der Bildschirm wird „träge“, was zu Touch-Latenz und Anzeigeflimmern führt.
Zum Beispiel benötigt ein transparenter Werbescreen mit einer 15 Ω/□ ITO-Folie 0.1 Millisekunden, damit der Strom von einem Ende zum anderen gelangt, und die Touch-Reaktion beträgt 0.05 Sekunden.
Das Umschalten auf eine 30 Ω/□ Folie erhöht die Transitzeit auf 0.2 Millisekunden und die Touch-Latenz auf 0.1 Sekunden, was akzeptabel ist, aber ein geringfügig schlechteres Erlebnis bietet.
Dicke und Prozess
Das Gleichgewicht zwischen Transparenz und Leitfähigkeit wird hauptsächlich durch die Anpassung der Dicke der ITO-Folie und des Herstellungsprozesses erreicht.
Die Dicke ist der Schlüssel: Je dünner die ITO-Folie, desto höher die Transparenz, aber desto schlechter die Leitfähigkeit.
Eine 50 nm dicke ITO-Folie hat 90% Transparenz und 40 Ω/□ Blattwiderstand.
Eine 100 nm Dicke hat 88% Transparenz und 15 Ω/□ Blattwiderstand. Eine 150 nm Dicke hat 85% Transparenz und 8 Ω/□ Blattwiderstand.
Die Industrie wählt 80-100 nm. Bei dieser Dicke beträgt die Transparenz über 88% und der Blattwiderstand liegt bei etwa 15 Ω/□, was die meisten Anwendungsanforderungen erfüllt.
Der Prozess beeinflusst die Gleichmäßigkeit: Magnetron-Sputtern ist gleichmäßiger als Vakuumbeschichtung.
Ein Test eines Herstellers zeigte, dass mit Magnetron-Sputtern hergestellte ITO-Folien eine Dickentoleranz von ±2 nm und eine Transparenzschwankung von weniger als 0.5% aufwiesen.
Die Vakuumbeschichtung hat eine Toleranz von ±5 nm und eine Transparenzschwankung von 1%-2%.
Die drei Tests
Die Wirksamkeit des Gleichgewichts muss durch Tests überprüft werden.
Transparenztest: Gemessen im Wellenlängenbereich von 400-700 nm (der für das menschliche Auge empfindliche Lichtbereich) mit einem Spektralphotometer, wobei ≥85% Transparenz erforderlich ist.
Der transparente Bildschirm einer Marke wurde mit 88% getestet und erfüllte den Standard.
Blattwiderstandsgleichmäßigkeitstest: Die gesamte Folie wird mit einer Vierpunkt-Sonde gescannt, wobei die Blattwiderstandstoleranz für 95% der Fläche <5% betragen muss.
Zum Beispiel, wenn das Ziel 15 Ω/□ ist, darf maximal 5% der Fläche 15.75 Ω/□ überschreiten.
Alterungstest: Der Bildschirm wird 1000 Stunden lang hoher Hitze und Luftfeuchtigkeit (85°C/85% Luftfeuchtigkeit) ausgesetzt, wobei die Transparenzabnahme weniger als 1% und der Anstieg des Blattwiderstands weniger als 2 Ω/□ betragen muss.
Ein Bildschirm sank von 88% auf 87% Transparenz und stieg von 15 Ω/□ auf 17 Ω/□ Blattwiderstand, was akzeptabel war.
Silber-Nanodrähte und Graphen
ITO bietet ein gutes Gleichgewicht, ist aber spröde und Indium ist teuer.
Silber-Nanodrähte (AgNWs) haben 89% Transparenz (besser als ITO), aber der Blattwiderstand beträgt 20 Ω/□ (ähnlich ITO).
Das Problem ist, dass Silberdrähte leicht oxidieren, sodass die Transparenz nach 6 Monaten auf 85% sinkt und der Bildschirm gelb erscheint.
Graphen ist idealer: 90% Transparenz, 10 Ω/□ Blattwiderstand (bessere Leitfähigkeit), aber die Massenproduktion ist schwierig. Die großflächige Folienbildung ist ungleichmäßig, und die Kosten sind 5-mal höher als bei ITO.
Austausch von Elektroden durch transparentes Material
Herkömmliche Displays verwenden Metallelektroden (wie Aluminium, ca. 100 nm dick), die Licht vollständig blockieren.
Transparente Displays müssen diese durch eine transparente Leitschicht ersetzen.
Die gängige Wahl ist Indium-Zinn-Oxid (ITO) mit einer Transparenz im sichtbaren Licht von 90%-95%, einer Dicke von 50-150 nm und einem Blattwiderstand von 10-30 Ohm/Quadrat (ausreichende Leitfähigkeit zur Ansteuerung der Pixel).
Dadurch kann es etwa 40%-70% des Umgebungslichts durch den Bildschirm lassen, während es seine Fähigkeit zur Stromleitung beibehält, wodurch der Effekt erzielt wird, „Bild und Hintergrund zu sehen“.
Warum ITO wählen
Der erste Schritt, damit ein herkömmlicher Bildschirm transparent wird, ist der Ersatz der Metallelektroden durch eine transparente Leitschicht.
Obwohl mehrere Materialien untersucht wurden, wie Fluor-dotiertes Zinnoxid (FTO), Graphen und Silber-Nanodrähte, hat sich die Industrie größtenteils auf Indium-Zinn-Oxid (ITO) geeinigt.
Ausreichende Transparenz
Die durchschnittliche Transparenz von ITO im Spektrum des sichtbaren Lichts (Wellenlängen von 400-700 nm, das für das menschliche Auge empfindlichste Licht) kann 90%-95% erreichen, was nahe der Transparenz von normalem Fensterglas (ca. 92%) liegt.
Das bedeutet, dass nur 5%-10% des Lichts absorbiert oder reflektiert werden, wenn es die ITO-Schicht passiert.
Das meiste geht reibungslos durch.
Im Vergleich dazu hat FTO eine ähnliche Transparenz von etwa 90%, aber eine höhere Infrarot-Transparenz (was zu mehr Wärme führen kann, wenn Infrarot dominiert),
während die theoretische Transparenz von Graphen 97% erreichen kann, aber bei der tatsächlichen Massenproduktion aufgrund der ungleichmäßigen Filmdicke die Transparenz nur 92%-94% beträgt und die Oberflächendefekte anfällig für Lichtstreuung sind.
Silber-Nanodrähte sind noch übertriebener: Die Labortransparenz kann 98% erreichen, aber die Verbindungspunkte zwischen den Drähten oxidieren leicht, wodurch die Transparenz im Laufe der Zeit unter 90% sinkt und die Stabilität gering ist.
Stabile Leitfähigkeit
Transparenz allein reicht nicht aus; die Leitfähigkeit muss mithalten.
Die Kennzahl für die Leitfähigkeit ist der „Blattwiderstand“ (Widerstand pro Flächeneinheit, je niedriger der Wert, desto besser die Leitfähigkeit).
Der Blattwiderstand von ITO beträgt typischerweise 10-30 Ohm/Quadrat, was genau richtig für die Bedürfnisse von Displays ist. Zum Beispiel kann auf einem 55-Zoll transparenten OLED-Bildschirm mit ITO-Elektroden die Pixelreaktionszeit auf Mikro-Sekunden-Ebene gehalten werden, was zu einem flüssigen Bild ohne Bewegungsunschärfe führt.
Andere Materialien: Der Blattwiderstand von FTO ähnelt ITO mit 10-25 Ohm/Quadrat, erfordert jedoch höhere Abscheidungstemperaturen (350-400°C), was flexible Substrate (wie Kunststoff) leicht verformen lässt und es daher ungeeignet macht.
Graphen hat einen niedrigeren Blattwiderstand von 1-5 Ohm/Quadrat und ist leitfähiger als ITO, aber es ist schwierig, eine großflächige Gleichmäßigkeit bei der Massenproduktion zu erreichen. Der Blattwiderstand einer 1 Quadratmeter großen Graphenfolie kann von 1 Ohm/Quadrat auf 10 Ohm/Quadrat ansteigen, was zu lokaler Abdunkelung oder Nicht-Leuchten auf dem Bildschirm führt.
Silber-Nanodrähte haben einen Blattwiderstand von etwa 5-15 Ohm/Quadrat, was auf den ersten Blick gut aussieht, aber der Widerstand neigt dazu, an den Kontaktpunkten zwischen den Drähten stark anzusteigen, was die Gesamtleitfähigkeitsstabilität gering macht.
Massenproduktion und Kosten
Der Herstellungsprozess von ITO ist seit Jahrzehnten ausgereift, wobei das „Magnetron-Sputtern“ die gängige Methode ist. In einer Vakuumkammer treffen Argon-Ionen auf ein Indium-Zinn-Legierungstarget (90% Indium, 10% Zinn), wobei die Target-Atome auf dem Substrat abgelagert werden und eine dünne Schicht bilden.
Es gibt viele globale Lieferanten für diese Ausrüstung (Applied Materials, Tokyo Electron usw.), und die gebrauchte Ausrüstung ist nicht teuer.
Die Investition in eine Produktionslinie beträgt etwa 50 Millionen USD und kann jährlich 3 Millionen 55-Zoll transparente Bildschirme produzieren.
Andere Materialien haben mehr Probleme. FTO erfordert die chemische Gasphasenabscheidung (CVD), die Ausrüstungsinvestition ist 30% höher, und da das Target Fluor enthält, steigen die Kosten für die Abgasbehandlung.
Graphen erfordert CVD oder mechanisches Peeling. Ersteres hat eine niedrige Ausbeute von nur 60%-70% (ITO ist über 90%), und letzteres kann nur kleine Probenbereiche produzieren.
Silber-Nanodrähte erfordern eine Lösungsmittelbeschichtung, neigen während des Trocknens zur Agglomeration und haben eine Ausbeute von weniger als 50%.
Außerdem schwanken die Rohstoffpreise für Silber stark (wenn der Silberpreis von 15 USD auf 30 USD pro Unze steigt, verdoppeln sich die Kosten direkt).
Insgesamt sind die umfassenden Herstellungskosten von ITO 15%-20% niedriger als die von FTO und über 30% niedriger als die von Graphen.
Praktische Leistung
Jenseits von Leistung und Kosten ist der tatsächliche Nutzungseffekt der aussagekräftigste.
Ein transparentes OLED-Fernsehgerät einer bestimmten Marke verwendet ITO-Elektroden, und die Messdaten sind wie folgt:
- Gesamttransparenz 58% (in Umgebungslicht sind die Buchrücken in den Regalen dahinter deutlich sichtbar).
- Pixelleuchtdichte-Gleichmäßigkeit 95% (die Leuchtdichtedifferenz zwischen der oberen linken und der unteren rechten Ecke des gleichen Bildes beträgt weniger als 5%).
- Nach 1000 Stunden Dauerbetrieb beträgt die Änderung des Blattwiderstands weniger als 2% (gute Leitfähigkeitsstabilität, das Bild wird im Laufe der Zeit nicht dunkler).
Als Graphen-Elektroden verwendet wurden, zeigte derselbe Test:
- Die anfängliche Transparenz von 92% sank nach 100 Stunden auf 88% (aufgrund von Oxidation).
- Pixelleuchtdichte-Gleichmäßigkeit 85% (hohe lokale Blattwiderstandsschwankung).
- Nach 500 Stunden Dauerbetrieb traten auffällige dunkle Flecken auf (Widerstandsanstieg an den Kontaktpunkten).
„Anbringen“ von ITO
Nachdem die Elektroden des Bildschirms durch transparentes ITO ersetzt wurden, besteht der nächste Schritt darin, diese transparente Leitschicht auf Nanometer-Ebene auf dem Substrat „anzubringen“.
Dies ist kein gewöhnliches „Kleben“, sondern beinhaltet die Verwendung hochenergetischer Partikel, um Indium- und Zinnatome in einer Vakuumumgebung auf das Glas oder die flexible Folie „aufzuschlagen“ und eine gleichmäßige, perfekte dünne Schicht zu bilden.
Die gängigste Methode in der Fabrik ist das Magnetron-Sputtern. Der gesamte Prozess ist vergleichbar mit dem „galvanischen Beschichten einer unsichtbaren leitfähigen Nebelschicht“ auf den Bildschirm, wobei alle Details in den Parametern verborgen sind.
Indium-Zinn-Legierungstarget
Der Rohstoff für die ITO-Folie ist das Indium-Zinn-Legierungstarget, wobei das kritische Zusammensetzungsverhältnis 90% Indium und 10% Zinn beträgt.
Das Target muss hochrein sein (Reinheit über 99.99%), andernfalls vermischen sich Verunreinigungen in der dünnen Schicht, was zu einer Abnahme der Transparenz oder lokaler Nicht-Leitfähigkeit führt.
Ein Target wiegt etwa 5-20 kg und kann 50-100 Quadratmeter Substrat besputtert beschichten.
Es muss nach dem Verbrauch ersetzt werden, und seine Kosten machen etwa 30% des gesamten Prozesses aus.
Eintritt in die Vakuumkammer
Vor dem Sputtern wird das Substrat in die Vakuumkammer der Magnetron-Sputteranlage platziert.
Die Kammer muss auf ein Vakuumniveau von unter 10⁻³ Pa (entspricht einem Zehnmilliardstel des atmosphärischen Drucks der Erde) evakuiert werden, was 100-mal sauberer ist als ein Operationssaal im Krankenhaus.
Dieser Schritt dient dazu, Sauerstoff, Wasserdampf und Staub aus der Luft zu entfernen.
Selbst ein einzelnes Staubpartikel mit einem Durchmesser von 0.1 μm kann ein „Loch“ in die dünne Schicht reißen, was zu lokalen Kurzschlüssen oder ungleichmäßiger Transparenz führt.
Nach Erreichen des Vakuums wird eine kleine Menge Argon-Gas (99.999% Reinheit) in die Kammer eingeleitet, wobei der Druck auf 0.1-1 Pa kontrolliert wird.
Der Sputterprozess
Argon-Ionen treffen auf das Target und „schlagen“ Indium- und Zinnatome von der Targetoberfläche heraus.
Diese aktivierten Atome fliegen zum Substrat und lagern sich ab, um die ITO-Dünnschicht zu bilden.
Die Parameter des gesamten Prozesses beeinflussen direkt die Qualität der Folie:
- Sputterleistung: Ist die Leistung zu niedrig, fliegen die Atome langsam, und die Folie wächst langsam und hat eine geringe Dichte. Ist die Leistung zu hoch, kann das Target „durchbrennen“ (bekannt als „Target-Vergiftung“). Die Fabrik stellt die Leistung in der Regel auf 1-3 kW (für Einzel-Target-Maschinen) ein, um die Abscheidungsrate (50-100 nm pro Stunde) zu gewährleisten, ohne das Target zu beschädigen.
- Substrattemperatur: Das Substrat muss auf 200-300°C erhitzt werden. Bei niedriger Temperatur „setzen“ sich die Indium- und Zinnatome nicht gut auf dem Substrat fest und bilden leicht eine ungeordnete Struktur, wodurch die Transparenz der Folie unter 85% sinkt. Bei hoher Temperatur ordnen sich die Atome dichter an, und die Transparenz kann über 90% stabilisiert werden, aber zu hohe Temperaturen (über 350°C) verformen flexible Substrate (wie PET-Kunststoff).
- Abstand zwischen Target und Substrat: Dieser Abstand muss bei 5-10 cm gehalten werden.
Die dünne Schicht darf keine Nadelstiche haben
Nach Abschluss des Sputterns muss die Qualität der ITO-Dünnschicht überprüft werden.
Der wichtigste Faktor ist die Abwesenheit von Nadelstichen. Selbst ein Nadelstich mit einem Durchmesser von 1 μm (1/50 eines menschlichen Haares) kann dazu führen, dass Strom „ausläuft“, was zu lokalen dunklen Flecken auf dem Bildschirm führt.
Die Fabrik scannt die gesamte Folie mit einem optischen Mikroskop (1000-fache Vergrößerung) oder einem Ellipsometer.
Eine Erfolgsquote von über 95% ist für die Auslieferung erforderlich.
Andere Methoden
Neben dem Magnetron-Sputtern versuchen einige Fabriken auch die Lösungsbeschichtung: ITO-Nanopartikel werden zu Tinte verarbeitet, auf das Substrat beschichtet und gebrannt, um die Folie zu bilden.
Diese Methode ist kostengünstiger (30% weniger Ausrüstungsinvestition), hat aber schwerwiegende Mängel:
- Geringe Folienhomogenität, wobei die Dicke an verschiedenen Stellen derselben Charge um bis zu 10 nm schwankt, was zu Schwankungen des Blattwiderstands führt.
- Die Verdampfung des Lösungsmittels während des Trocknens hinterlässt leicht Hohlräume, und die Transparenz erreicht nur 88%-90% (2%-4% niedriger als beim Magnetron-Sputtern).
Es gibt auch die Elektronenstrahlverdampfung: Ein Elektronenstrahl trifft auf das Target, verdampft Indium- und Zinnatome, die dann abgeschieden werden. Die Elektronenstrahlausrüstung ist jedoch teuer (20 Millionen USD pro Einheit) und die Verdampfungsrate ist langsam (nur 20 nm pro Stunde), was für die Großserienproduktion nicht geeignet ist.
Tatsächliches Produktionsbeispiel
Die transparente OLED-Produktionslinie eines japanischen Panel-Herstellers verwendet Magnetron-Sputtern für die ITO-Elektrode:
- Einzelne Substratgröße: G10.5-Generation-Linie (2940×3370 mm).
- Sputterzeit: ca. 45 Minuten pro Seite (zum Abscheiden einer 100 nm Folie).
- Ausbeute: 92% (Hauptfehler sind Nadelstiche und Dicke-Ungleichmäßigkeit).
- Endgültige ITO-Folienleistung: Dicke 95±5 nm, Blattwiderstand 18±2 Ohm/Quadrat, Transparenz im sichtbaren Licht 92%.
Präziser Beschichtungsprozess
Nachdem die Elektroden des transparenten Bildschirms durch ITO ersetzt wurden, besteht die eigentliche Herausforderung darin,
diese transparente Leitschicht auf Nanometer-Ebene auf das Substrat zu „drucken“. Im Gegensatz zum Tintenstrahldruck beinhaltet dies,
Indium- und Zinnatome präzise auf dem Glas oder der flexiblen Folie zu landen und eine transparente, gleichmäßige Leitschicht zu bilden.
Die gängigste Methode in der Fabrik ist das Magnetron-Sputtern, wobei alle Schritte, von der Rohstoffvorbereitung bis zur endgültigen Folienbildung, mit Parametern auf Millimeter- oder Nanometer-Ebene präzise gesteuert werden.
Indium- und Zinnverhältnis
Der „Rohstoff“ für die ITO-Folie ist das Indium-Zinn-Legierungstarget.
Dieser Gegenstand ist wie eine große Münze, 20-30 cm im Durchmesser, 5-8 cm dick und wiegt 5-20 kg.
Sein Zusammensetzungsverhältnis bestimmt direkt die Leistung der Folie: 90% Indium, 10% Zinn.
Etwas weniger Zinn lässt den Folienwiderstand stark ansteigen.
Etwas mehr Zinn senkt die Transparenz um 3%-5%.
Die Reinheit des Targets ist noch wichtiger:
Es muss über 99.99% (4N-Qualität) betragen. Selbst 0.01% Verunreinigungen (wie Eisen oder Kupfer) können „dunkle Flecken“ in der dünnen Schicht bilden, was zu einer lokalen Transparenzabnahme von über 10% führt.
Wie viele Substrate kann ein Target besputtert beschichten? Am Beispiel einer G8.5-Generation-Linie (2200×2500 mm) kann ein Target etwa 300-400 Substrate beschichten, bevor es ersetzt werden muss.
Die Kosten des Targets machen 30%-40% des gesamten Beschichtungsprozesses aus und sind einer der Hauptkostenfaktoren des ITO-Prozesses.
Vakuumniveau
Vor dem Sputtern wird das Substrat in die Vakuumkammer der Magnetron-Sputteranlage geschickt.
Die Kammer muss auf ein Vakuumniveau von unter 10⁻³ Pa (entspricht einem Zehnmilliardstel des atmosphärischen Drucks der Erde) evakuiert werden, was 1 Million Mal sauberer ist als ein Krankenhaus-Operationssaal der Klasse 100 (10⁰ Pa).
Dieser Schritt dauert 15-30 Minuten, wobei Turbomolekularpumpen und mechanische Pumpen verwendet werden, um Sauerstoff, Wasserdampf und Staub aus der Luft zu entfernen.
Warum so „sauber“? Der Sauerstoff in der Luft würde mit Indium- und Zinnatomen reagieren und Indiumoxid oder Zinnoxid bilden, was die Folie spröde macht und die Transparenz senkt.
Staub ist noch schlimmer. Ein Staubpartikel mit einem Durchmesser von 0.1 μm (1/500 eines menschlichen Haares) kann ein Loch in die dünne Schicht reißen, was dazu führt, dass Strom „ausläuft“ und lokale schwarze Flecken auf dem Bildschirm entstehen.
Nach Erreichen des Vakuums wird hoch reines Argon-Gas (99.999%) in die Kammer eingeleitet, wobei die Flussrate auf 50-100 Standard-Kubikzentimeter pro Minute (sccm) gesteuert wird, um einen niedrigen Druck von 0.1-1 Pa in der Kammer aufrechtzuerhalten.
Überprüfung der dünnen Schicht
Nach dem Sputtern wird die Qualität der ITO-Dünnschicht inspiziert.
Die wichtigsten Überprüfungen sind die Abwesenheit von Nadelstichen und die Dicke-Gleichmäßigkeit.
- Zur Nadelsticherkennung wird ein Ellipsometer verwendet, das die gesamte Folie mit einer Auflösung von 0.1 μm scannt. Das Annahmekriterium sind weniger als 10 Nadelstiche pro Quadratmeter. Selbst ein Nadelstich mit einem Durchmesser von 1 μm erhöht die lokale Stromdichte um 10% und lässt das Pixel dunkler werden.
- Die Dicke-Gleichmäßigkeit muss innerhalb von ±5% liegen. Zum Beispiel, wenn die Zieldicke 100 nm beträgt, muss die Dicke der gesamten Folie zwischen 95-105 nm liegen. Die Fabrik verwendet einen Profilometer, um 5 Punkte an den vier Ecken und in der Mitte des Substrats zu messen. Eine Abweichung von über 5% erfordert eine Nachbearbeitung.
Andere Prozesse
Einige Fabriken versuchen auch die Lösungsbeschichtung: ITO-Nanopartikel werden zu Pulver zermahlen, mit Wasser/Alkohol gemischt, um Tinte zu bilden, und mit einem Rolle-zu-Rolle-Beschichter auf das Substrat beschichtet, bevor es in einem Ofen (150°C, 30 Minuten) gebrannt wird.
Diese Methode ist kostengünstiger (30% weniger Investition in die Ausrüstung), hat aber viele Probleme:
- Geringe Folienhomogenität, wobei die Dicke an verschiedenen Stellen derselben Charge um bis zu 20 nm schwankt, was zu 15% Blattwiderstandsschwankung führt.
- Die Verdampfung des Lösungsmittels während des Trocknens hinterlässt leicht Hohlräume, und die Transparenz erreicht nur 88%-90% (2%-4% niedriger als beim Magnetron-Sputtern).
- Geringe Ausbeute, nur 70%-80% (die Ausbeute beim Magnetron-Sputtern liegt bei über 90%).
Die Elektronenstrahlverdampfung ist noch teurer. Ein Elektronenstrahl trifft auf das Target, verdampft Indium- und Zinnatome, die dann abgeschieden werden.
Die Kosten pro Einheit betragen jedoch 20 Millionen USD, und die Verdampfungsrate ist langsam (nur 20 nm pro Stunde), und die Energie der verdampften Atome ist niedrig, was zu einer geringen Filmhaftung führt, die leicht abblättert.
Referenzdaten zur tatsächlichen Produktion
Die transparente OLED-Produktionslinie eines koreanischen Panel-Herstellers verwendet Magnetron-Sputtern für die ITO-Elektrode:
- Substratgröße: G10.5-Generation-Linie (2940×3370 mm).
- Sputterzeit: 45 Minuten pro Seite (zum Abscheiden einer 100 nm Folie).
- Ausbeute: 92% (Hauptfehler sind Nadelstiche und Dicke-Ungleichmäßigkeit).
- Folienleistung: Dicke 98±4 nm, Blattwiderstand 17±1 Ohm/Quadrat, Transparenz im sichtbaren Licht 92%.
Bildschirmmontage und Display-Anpassung
Dieser Prozess erfordert zunächst die Reinigung eines Substrats (z. B. 50 μm PET-Panel) und dann das sequentielle Stapeln der transparenten Elektrodenschicht (ITO, 150 nm dick), der organischen Emissionsschicht (2-3 μm) und der Versiegelungsschicht (5 μm). Diese werden mit optischem Klebstoff (25 μm dick) mit einer Ausrichtungsgenauigkeit von ±5 μm verklebt.
Nach Fertigstellung wird die Transparenz gemessen (Ziel ≥80%), und ein Laser-Kalibrator wird verwendet, um die Pixel anzupassen, um eine gleichmäßige Helligkeit (Toleranz <10%) im Emissionsbereich und keine Nachbilder im transparenten Bereich zu gewährleisten.
Schichtmaterialien
Zuerst wird ein 50-100 μm dickes PET-Kunststoffsubstrat ausgelegt (eine Supermarkteinkaufstasche ist etwa 12 μm dick; dieses Substrat ist 4-8-mal dünner).
Als nächstes wird eine 100-200 nm dicke Indium-Zinn-Oxid (ITO) transparente Elektrode mit einer Vakuumbeschichtungsanlage abgeschieden.
Anschließend wird eine 2-3 μm dicke organische Emissionsschicht (das Material wird wie feiner Sand gestapelt) ausgebreitet, gefolgt von einer 3-5 μm dicken Versiegelungsschicht (zum Schutz vor Feuchtigkeit) und 20-30 μm OCA-Optikklebstoff.
Die Ausrichtungsgenauigkeit jeder Schicht beträgt ±5 μm (etwa 1/20 eines menschlichen Haares).
Eine Fehlausrichtung kann zu ungleichmäßiger Emission oder Unschärfe im transparenten Bereich führen.
Substratwahl
Es werden zwei Materialien häufig verwendet: eines ist 50-100 μm dickes PET-Kunststoff (dieses Substrat ist 4-8-mal dünner als eine Einkaufstasche, die etwa 12 μm dick ist), und das andere ist Kalknatronglas (normales Fensterglas ist etwa 3 mm dick, hier wird jedoch nur 1/30 dieser Dicke verwendet).
Elektrodenauftrag
Die nächste Schicht ist die transparente Indium-Zinn-Oxid (ITO) Elektrode, die als „Autobahn“ für den Strom dient.
Ihre Dicke muss auf 100-200 nm (1 nm ist 1/50.000 eines menschlichen Haares) kontrolliert werden.
Ist sie zu dünn (z. B. 90 nm), steigt der Widerstand, der Strom kann nicht fließen, und der Emissionsbereich erscheint dunkel.
Ist sie zu dick (210 nm), wird das Material selbst undurchsichtig und blockiert das dahinter liegende Licht.
ITO wird mit einer „Magnetron-Sputteranlage“ beschichtet. Das Prinzip ist vergleichbar damit, dass Hochgeschwindigkeits-Metallpartikel auf ein Target (ein Block aus Indium-Zinn-Oxid) „aufschlagen“, wobei Partikel auf das Substrat gesputtert werden, um eine dünne Schicht zu bilden.
Der Gasdruck (0.5 Pa) und die Leistung (3 kW) der Maschine müssen angepasst werden, um die Partikelgeschwindigkeit zu kontrollieren und zu verhindern, dass die Folie ungleichmäßig und löchrig wird.
Nach der Beschichtung misst ein Ellipsometer die Dicke.
Eine Toleranz von über 5 nm erfordert eine Neubeschichtung. Dies ist vergleichbar damit, ein Hirsekorn auf einer Laufbahn zu finden.
Ausbreitung der Emissionsschicht
Die Emissionsschicht ist die „Glühbirne“ des Bildschirms, die organische Kleinmolekülmaterialien (wie Alq3) oder Quantenpunkte (Halbleiterpartikel in Nanometergröße) verwendet.
Diese Schicht ist 2-3 μm dick und muss gleichmäßig wie ein dünner Pfannkuchen ausgebreitet werden. Ist sie zu dick (4 μm), erzeugt der durchgehende Strom mehr Wärme, was die Lebensdauer verkürzt.
Ist sie zu dünn (1.5 μm), ist die Lichtausbeute unzureichend, und der Bildschirm erscheint grau.
Die Emissionsschicht wird mit der „Lösungs-Spin-Coating-Methode“ beschichtet. Das Material wird in einem Chlorbenzol-Lösungsmittel gelöst, auf die ITO-Elektrode getropft und dann durch einen Drehteller, der mit 2000 U/min rotiert, gleichmäßig gedreht.
Zu langsame Rotation (1500 U/min) führt dazu, dass sich das Material in kleinen Hügeln ansammelt.
Zu schnelle Rotation (2500 U/min) lässt die Kanten zu dünn und die Mitte zu dick werden.
Nach der Rotation wird es 10 Minuten lang in einem Vakuumofen gebacken, um das Lösungsmittel zu verdampfen und eine gleichmäßige dünne Schicht zu hinterlassen.
Ultradünne wasserdichte Beschichtung
Da die Emissionsschicht feuchtigkeitsempfindlich ist, muss sie sofort mit einer Versiegelungsschicht bedeckt werden.
Die Oberfläche wird mit einer 3-5 μm dicken Verbundfolie aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) + Epoxidharz unter Verwendung der Atomlagenabscheidung (ALD)-Technologie beschichtet.
Diese Schicht wirkt wie Frischhaltefolie und umhüllt die Emissionsschicht vollständig. Bleibt ein Spalt von 0.1 μm, dringt Feuchtigkeit ein, das organische Material schwärzt sich und versagt innerhalb von 3 Monaten.
Die ALD-Maschine kann jeweils nur 0.1 nm abscheiden, was 30-50 Wiederholungen erfordert, um eine Dicke von 3 μm zu erreichen.
Während dieses Prozesses muss eine „Quarzkristall-Mikrowaage“ verwendet werden, um die Dicke zu überwachen, das Gewicht jeder hinzugefügten Schicht zu messen und es in die Dicke umzurechnen.
Dies ist vergleichbar mit dem Wiegen von 100 A4-Blättern auf einer elektronischen Waage, wobei die Gewichtsdifferenz jedes Blattes 0.01 Gramm nicht überschreiten darf.
Endgültige Verklebung der Schutzschicht
Die oberste Schicht wird mit OCA-Optikklebstoff, 20-30 μm dick, bedeckt, der die Schichten fest verklebt und die Lichtbrechung reduziert.
Nach der Verklebung wird es unter dem Mikroskop inspiziert. Wenn die Anzahl der Blasen pro Quadratzentimeter 3 überschreitet, ist eine Nachbearbeitung erforderlich.
Der gesamte Laminierungsprozess findet in einem Reinraum der Klasse 10.000 statt (≤10.000 Staubpartikel mit einem Durchmesser >0.5 μm pro Kubikmeter Luft).
Die Arbeiter tragen vollständige antistatische Kleidung und bewegen sich langsam wie bei einer Bombenentschärfung.
Nachdem jedes Teil laminiert wurde, überprüft ein „optisches Ausrichtungsgerät“ die Position jeder Schicht. Wenn die Ausrichtungsabweichung zwischen der ITO-Elektrode und der Emissionsschicht ±5 μm (1/20 eines menschlichen Haares) überschreitet, zeigt der Bildschirm eine „Yin-Yang-Oberfläche“ (ungleichmäßige Helligkeit).
Beispiel: Die erstmalige Erfolgsquote der Laminierung für einen 55-Zoll transparenten Bildschirm einer Marke betrug nur 70%.
Die Hauptprobleme waren die ungleichmäßige Dicke der Emissionsschicht (30%) und Leckagen in der Versiegelungsschicht (25%).
Vor der Auslieferung muss ein Transparenztest durchgeführt werden. Unter normalen Bedingungen muss sie ≥80% betragen.
Andernfalls sieht der Benutzer den Hintergrund so, als wäre er mit Milchglas bedeckt.
Messung von Transparenz und Pixeln
Nach der Laminierung erfordert der transparente Bildschirm die Anpassung von zwei Hauptparametern. Zuerst wird die Transparenz gemessen, indem weißes Licht durch ein Spektralphotometer gesendet und das Verhältnis des durchgelassenen Lichts berechnet wird, um die Gesamtlichtdurchlässigkeit des Bildschirms zu ermitteln.
Das Ziel ist ≥80%; andernfalls ist eine Nachbearbeitung, ein Polieren oder eine erneute Verklebung erforderlich.
Zweitens werden die Pixel mit einem Kalibrator kalibriert, der den Bildschirm scannt, um den Strom jedes Pixels anzupassen und zu gewährleisten, dass die Helligkeitsabweichung im Emissionsbereich <10% beträgt und keine Nachbilder im transparenten Bereich vorhanden sind.
Transparenzmessung
Die Transparenz wird mit einem Spektralphotometer gemessen, einer Maschine, die weißes Licht aussendet und das durch den Bildschirm durchgelassene Licht empfängt, um das Verhältnis zu berechnen.
Die Linse des Geräts befindet sich 20 cm vom Bildschirm entfernt, und das Licht wird in einem Winkel von 45 Grad eingestrahlt (simuliert einen normalen Betrachtungswinkel).
Das Annahmekriterium ist eine Transparenz ≥80% unter normalen Bedingungen (schwarzer Bildschirm, nichts wird angezeigt).
Wenn der Messwert nur 75% beträgt, wo könnte das Problem liegen?
Es könnte sein, dass die Versiegelungsschicht zu dick ist. Die geplante 3 μm dicke Aluminiumoxidfolie wurde 0.5 μm dicker gesputtert und blockiert etwas Licht.
Oder der OCA-Klebstoff wurde nicht gleichmäßig gepresst und enthält 1 μm kleine Blasen, die das Licht bei Auftreffen streuen und die Durchlässigkeit behindern.
In diesem Fall muss der Bildschirm zerlegt, die Versiegelungsschicht mit einem Laser um 0.5 μm dünner poliert (die Genauigkeit wird auf ±0.1 μm kontrolliert) oder der Klebstoff neu beschichtet und mit einer Walze zwei weitere Male gepresst werden, um die Blasen herauszudrücken.
Während des Debuggens eines 43-Zoll transparenten Bildschirms stagnierte die Transparenz bei 78% für 3 aufeinanderfolgende Chargen.
Später wurde festgestellt, dass das PET-Substrat nicht gründlich gereinigt wurde, bevor es in die Werkstatt kam, und eine unsichtbare Fettschicht auf der Oberfläche haftete, die die Haftung zwischen dem OCA-Klebstoff und dem Substrat verhinderte und Mikrometer-große Spalten dazwischen hinterließ.
Das Problem wurde gelöst, indem ein Plasma-Reiniger verwendet und für weitere 5 Minuten Argon-Gas geblasen wurde, um das Fett abzubauen, wodurch die Transparenz sofort auf 82% anstieg.
Pixelkalibrierung
Der erste Schritt ist die Anpassung der Helligkeitsgleichmäßigkeit, wobei ein Konica Minolta CS-2000 Spektralradiometer verwendet wird, um den Bildschirm aus nächster Nähe zu scannen und die Helligkeit jedes Pixels zu messen.
Das Ziel ist, dass die Helligkeitsabweichung im Emissionsbereich <10% beträgt. Zum Beispiel, wenn das mittlere Pixel 300 Nits beträgt, darf das dunkelste Ende 270 Nits nicht unterschreiten.
Wenn ein Pixel dunkel ist, wird der Strom von 15 Mikroampere auf 16 Mikroampere erhöht, bis die Helligkeit den Standard erfüllt.
Dies erfordert Geduld. Ein 55-Zoll Bildschirm hat 1920×1080 Pixel. Die Ingenieure müssen den Bildschirm visuell inspizieren oder Software verwenden, um ein Graustufenbild (Verlauf von Schwarz nach Weiß) zu erzeugen und auf plötzliche helle oder dunkle Bänder zu prüfen.
Der zweite Schritt ist die Entfernung von Nachbildern, wobei ein „Schachbrettmuster“ verwendet wird. Abwechselnd schwarze und weiße Quadrate werden 1 Stunde lang angezeigt.
Anschließend wird der Bildschirm auf schwache graue Nachbilder neben den weißen Quadraten überprüft.
Der Industriestandard verlangt, dass der Nachbildbereich <0.1 Quadratmillimeter (ungefähr so groß wie ein Stecknadelkopf) beträgt.
Iterative Anpassung
Die Messung der Transparenz und die Kalibrierung der Pixel sind miteinander verbunden. Das Verdünnen der Versiegelungsschicht zur Erhöhung der Transparenz kann die Emissionsschicht anfälliger für Feuchtigkeit machen, was die Helligkeitsabnahme beschleunigt.
Das Hinzufügen von Gegenstrom zur Kalibrierung der Pixel kann die Transparenz um 0.5% senken.
Daher ist das Debuggen typischerweise ein Zyklus von „Messen-Anpassen-Neu messen“.
Die Debugging-Aufzeichnungen eines 55-Zoll transparenten Bildschirms einer Marke zeigen 12 Anpassungen in den ersten 3 Tagen, wobei die Transparenz von 79% auf 81% stieg, aber aufgrund einer geringfügigen Anpassung der Versiegelungsschicht auf 80.5% sank.
Die Pixel-Helligkeitsabweichung sank von 15% auf 8%, aber der Nachbildbereich stieg von 0.08 Quadratmillimeter auf 0.12 Quadratmillimeter.
Vor der Auslieferung muss ein „Szenensimulationstest“ durchgeführt werden. Der Bildschirm wird in eine dunkle Box gelegt, und 1000 Lux weißes Licht (entspricht einer sonnigen Szene außerhalb des Fensters) wird eingeschaltet, um zu messen, ob die Transparenz immer noch ≥70% beträgt (grundlegende Anforderung, dass Benutzer den Hintergrund klar sehen können).
Anschließend wird es in einen dunklen Raum mit 50 Lux gelegt, die Helligkeit des Bildschirms wird auf 300 Nits eingestellt und die Schärfe des Textes überprüft.
Simulation realer Szenarien
Nach dem Debuggen der Parameter wird der transparente Bildschirm in einer Simulationsbox unter drei Bedingungen getestet: Bei starkem Licht (1000 Lux, wie eine sonnige Szene außerhalb des Fensters) muss die Transparenz ≥70% betragen, um zu gewährleisten, dass die Stadtlandschaft im Hintergrund klar ist.
Bei schwachem Licht (50 Lux, wie ein Innenraum am Abend) muss die Helligkeit des Emissionsbereichs über 300 Nits liegen, und der Text darf nicht grau erscheinen.
Anschließend wird es 72 Stunden lang in eine 85°C + 85% Luftfeuchtigkeit-Box gelegt, wobei keine Wassernebel oder Nachbilder erforderlich sind.
Schließlich darf die Helligkeitsabnahme bei 1000 Stunden kontinuierlicher Videowiedergabe 5% nicht überschreiten.
Klarheit bei starkem Licht
Der erste Schritt des Tests ist die „Starklicht-Exposition“. Der Bildschirm wird in eine dunkle Box gelegt, und ein 1000 Lux Weißlicht-Simulator (entspricht der Helligkeit im Freien am Mittag) wird eingeschaltet.
Der Annahmeschwellenwert ist ≥70%. Wenn der Messwert nur 65% beträgt, bedeutet dies, dass die Versiegelungsschicht oder der OCA-Klebstoff zu viel Licht blockiert.
Das Problem könnte sein, dass die Aluminiumoxidfolie während der Versiegelung ungleichmäßig gesputtert wurde und die lokale Dicke 5 μm überschreitet, oder dass die Blasen nicht vollständig aus dem OCA-Klebstoff herausgedrückt wurden.
Eine Marke hatte eine Charge von Outdoor-Bildschirmen, bei denen die Starklicht-Transparenz bei 68% stagnierte.
Später wurde festgestellt, dass das gewählte PET-Substrat zu dünn war (50 μm),
sich bei hohen Temperaturen leicht verformte, was die ITO-Elektrode und die Emissionsschicht um 0.1 mm verlagerte und einen Teil des Lichts blockierte.
Durch den Wechsel zu einem 100 μm Substrat stieg die Transparenz auf 73% und der Test wurde bestanden.
Hoch- und Tieftemperaturstress
Ein Bildschirm könnte aus einem klimatisierten Raum ins direkte Sonnenlicht oder im Winter ins Freie gebracht werden.
Der Test beinhaltet „Feuer und Eis“. Er wird in eine Temperatur- und Feuchtigkeitskammer gelegt, zuerst wird die Temperatur auf 60°C erhöht und 24 Stunden lang gehalten, um auf Verformung oder Ablösung zu prüfen.
Dann wird die Temperatur auf -20°C gesenkt und 24 Stunden lang eingefroren, und anschließend wird die Leistung der Anzeige nach dem Einschalten gemessen.
Der Fokus liegt auf dem Feuchtigkeitsrisiko bei hohen Temperaturen. Die Emissionsschicht ist feuchtigkeitsempfindlich.
Wenn die Versiegelungsschicht Mikrorisse aufweist, dringt Feuchtigkeit bei 60°C und 90% Luftfeuchtigkeit in der Kammer ein.
Nach dem Test wird der Bildschirm zerlegt und inspiziert. Die Versiegelungsschicht wird mit einem Infrarotmikroskop überprüft.
Risse mit einer Breite von mehr als 0.1 μm gelten als Fehler.
Während eines Tests zeigte ein bestimmter transparenter Bildschirm „Schneeflocken“ auf dem Display, als er bei -20°C eingeschaltet wurde.
Versiegelung in feuchten Umgebungen
Der Test verwendet eine 30°C, 90% r.F. Feuchtigkeitskammer für 72 Stunden.
Nach Abschluss wird der Bildschirm zerlegt, und ein Elektronenmikroskop wird verwendet, um zu prüfen, ob sich auf der Oberfläche der Emissionsschicht Spuren von Wassertröpfchen mit einem Durchmesser von mehr als 0.5 μm befinden.
Der Feuchtigkeitsschutz hängt von der Kooperation zwischen der Versiegelungsschicht und dem Klebstoff ab.
Die Aluminiumoxidfolie muss dicht genug sein (Porosität <1%), und der OCA-Klebstoff muss aus hydrophobem Material hergestellt sein (Kontaktwinkel >90 Grad).
Eine Charge von Bildschirmen zeigte nach dem Feuchtigkeitstest graue Ränder im Emissionsbereich.
Das Mikroskop zeigte verbundene Linien von Wassertröpfchenspuren, was auf eine ungleichmäßige Beschichtung an den Rändern der Versiegelungsschicht hinwies, die einen Spalt von 0.2 μm hinterließ.
Durch Anpassen des Winkels der Sputter-Maschinendüse und Erhöhen der Filmdicke am Rand von 2 μm auf 3 μm wurde das Problem gelöst.
Dauerbetrieb
Der Bildschirm spielt 1000 Stunden lang kontinuierlich Videos ab (wobei reine Farbbilder und kontrastreiche Bilder in Schleife laufen), um drei Kennzahlen zu messen:
- Die Helligkeitsabnahme im Emissionsbereich darf 5% nicht überschreiten (z. B. anfänglich 300 Nits, nach 1000 Stunden ≥285 Nits).
- Die Transparenzabnahme im transparenten Bereich darf 3% nicht überschreiten (80% auf ≥77.6%).
- Es dürfen keine permanenten Nachbilder vorhanden sein (nach 1000 Stunden Anzeige des Schachbrettmusters muss der Nachbildbereich <0.05 Quadratmillimeter betragen).
Das in der Emissionsschicht verwendete Alq3-Material zersetzt sich nach langfristiger elektrischer Anregung.
Um die Lebensdauer des Materials zu verlängern, wurde der Spitzenstrom reduziert, z. B. von 20 Mikroampere auf 18 Mikroampere.
Während eines Bildschirmtests betrug die Helligkeitsabnahme nach 1000 Stunden 6%.
Die Ingenieure passten die Pixeltreiberwellenform an, um die Auswirkungen des momentanen Stroms zu reduzieren, wodurch die Abnahme auf 4% gesenkt und der Standard erfüllt wurde.
Auslieferung erst nach Bestehen aller Tests
Die endgültige Validierungsaufzeichnung eines 55-Zoll transparenten Bildschirms einer Marke zeigte, dass von der ersten Charge von 100 Einheiten 15 den Starklicht-Transparenztest nicht bestanden (Substratwechsel), 8 bei hoher Temperatur Wassertröpfchenspuren zeigten (Versiegelungsklebstoffwechsel) und 5 eine Helligkeitsabnahme von über 5% aufwiesen (Treiberstromanpassung).
