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    紫外飛秒激光切割OLED智能手機顯示屏
    材料來源:MKS Instruments           錄入時間:2023/5/6 22:59:25

    將飛秒級超短脈沖寬度和較短的紫外波長相結合,實現了智能手機OLED顯示屏的高質量、高速度精密切割。

    在過去的幾年中,OLED(有機發光二極管)技術已經徹底變革了顯示行業。隨著技術的進步,OLED顯示屏在對比度、分辨率、色彩范圍、壽命和功率效率等方面不斷提升。在電視、筆記本電腦、智能手機和可穿戴設備等產品中,OLED顯示技術正在迅速取代舊的顯示技術。

    此外,隨著消費者對更薄、更柔性、可折疊和透明顯示屏的需求不斷增加,制造商對新制造工具的需求也隨之不斷增加。由于OLED顯示屏中具備高分辨率和高靈敏電路,其制造中的一個關鍵挑戰是:實現窄切口寬度,并且切割產生的熱影響區(HAZ)可以忽略不計。

    剛性OLED顯示屏采用玻璃襯底上,而柔性OLED顯示屏采用聚合物襯底。激光在OLED生產中的重要應用包括:切割顯示屏的輪廓(避開OLED發光部分),以及在OLED上切割通孔。

    OLED由許多層構成,包括襯底層、OLED發射層、偏光層、觸摸傳感器層和保護層;其中大多數層由聚合物材料組成,最常用的聚合物材料是聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚酰亞胺(PI)。每層的厚度為幾微米至100µm,所有的層疊合在一起的總厚度通常為300~500µm。一些層使用光學透明粘合劑(OCA)粘合在一起。由于有的層非常脆,使用機械方式切割會導致邊緣損壞,而且隨著工具的磨損,邊緣損壞問題會加劇。類似地,使用較長脈沖寬度的激光切割,也會導致較大的熱影響區或其他質量問題。此外,由于各層的光學屬性不同,使用紅外光或綠光切割也會存在問題,即使光脈寬在超短脈沖(USP)范圍內。

    相比之下,使用較短的紫外(UV)波段的超短脈沖切割OLED,展示出了巨大的潛力。首先,超短脈沖持續時間的熱影響區非常;其次,UV激光的短波長使得脈沖更容易被OLED各層中的不同材料吸收;而且具有更小的焦斑尺寸,進而能實現更清潔、更窄的切口寬度。此外,聚焦的UV光束的低發散,有助于切割較厚的OLED,而不需要額外的重復掃描,因此不會加寬切口寬度。

    為了驗證使用飛秒紫外激光切割OLED 的好處,MKS工業應用實驗室的工程師演示了使用Spectra Physics IceFyre FS UV50高功率飛秒紫外激光器,切割厚度約375µm的6英寸柔性OLED手機顯示屏。測試中使用的OLED材料是預切割面板形式的完整顯示屏,兩個表面都有PET保護層,使測試能夠在預期的切割路徑上進行,就像在制造手機時一樣。圖1是切口的顯微鏡圖像,顯示了良好的表面質量。

    圖1:使用Spectra Physics IceFyre FS UV50飛秒激光器,在多次掃描模式下,切割厚度約375µm的OLED的顯微鏡圖像。有效切割速度約為133mm/s。

    使用多次掃描模式,激光功率大于40W,脈沖頻率2MHz,有效速度切割約為133mm/s。值得注意的是,即使是在激光器標稱工作頻率1MHz的兩倍下工作,仍有充足的可用功率,這對于同時實現高產量、高質量切割非常重要。干凈的切口,僅5~10µm(在出光側表面甚至更低)的熱影響區,表明IceFyre FS UV50激光器非常適合切割這些具有挑戰性的多層薄膜疊合材料。

    圖2顯示了切口的橫截面圖像。該視圖顯示了所有層的切割質量。光滑的切面和所有層的均勻切割,沒有熔化、脫層或粘合劑滲出的跡象,這充分證明了IceFyre FS UV50激光器是切割OLED的理想選擇。

    圖2:使用Spectra Physics IceFyre FS UV50飛秒激光器,在多次掃描的模式下,切割厚度約375µm的OLED的橫截面顯微鏡圖像。

    這些最初的測試,雖然僅限于較小的切割長度,但卻讓人們充滿了希望。使用雙軸光束掃描系統做了進一步測試;光束掃描系統具有更長的焦距和大掃描區域,能夠覆蓋整個切割路徑。因此,整個OLED顯示屏可以通過高速、多次掃描切割完成,從而能充分利用激光器在高脈沖重復頻率下的高功率。此外,為一定范圍的脈沖能量確定切割速度,有助于從系統設計的角度進一步優化產量,例如考慮光束分束的可能性。圖3中給出了切割速度和表面熱影響區與脈沖能量之間的關系圖。

    圖3:OLED的切割速度和熱影響區(HAZ)與UV光束能量之間的關系。

    數據顯示,雖然較高的脈沖能量會實現較高的切割速度,但它們之間并不是按比例增加的。事實上,脈沖能量增加了2.3倍,而切割速度僅增加了約1.5倍。因此,在脈沖能量較小的情況下切割更有效,而且很顯然,采用分束系統設計能夠實現最高的總產量。此外,測量的熱影響區的質量,會隨著脈沖能量的減少而降低,這進一步證明了使用多個低功率光束切割的可行性。根據這些測試中生成的數據,使用多個較低功率的光束切割,可以顯著提高產量,如圖4所示。

    圖4:使用大掃描場的切割系統,利用分束方式可以實現更高的總產量。

    從圖4中可以看出,當從單個高功率光束變為三光束時,總切割速度接近160mm/s。在整個切割過程中也必須保持良好的切割質量。在圖5中,表面熱影響區在切割邊緣周圍均勻變小,特別是在去除PET保護層后,熱影響區更小。

    圖5:OLED切割路徑的整個周邊,都實現了優異的切割質量。

    檢查轉角和直段部分的切割顯示,在較短的切割長度中表現出的卓越質量,在更大的全尺寸OLED切割中得到了復制。在有外部PET保護層的情況下,熱影響區通常在10~20µm。去除PET層后,熱影響區均勻地減小到5~10µm或更小。這些測量是針對入光面進行的,通常入光面具有較大的熱影響區,而出光表面的熱影響區明顯較低。

    OLED顯示屏由許多具有不同的熱學、光學和機械屬性的材料組成,因此對高速和高質量切割提出了嚴峻挑戰。然而,激光在為最嚴峻的制造挑戰提供解決方案方面有著非凡的歷史,在OLED顯示屏切割中也不例外。將IceFyre FS UV50激光器提供的UV超短脈沖,已經證明能夠以高產量和優異的質量切割全尺寸智能手機OLED顯示屏。

    IceFyre® FS UV50激光器 

    IceFyre FS UV50激光器是工業飛秒紫外激光技術的一次飛躍,具有優異的性能、多功能性、可靠性和擁有成本。IceFyre FS UV50激光器能在1MHz下提供>50W的紫外輸出功率,脈沖寬度<500fs。該激光器具有優異的多功能性,脈沖頻率從單次發射到3MHz可調,具備按需脈沖(POD)和位置同步輸出(PSO)觸發以及TimeShift脈沖可編程能力,實現靈活的脈沖串操作模式。

    客戶受益于超短脈沖和紫外波長下的優異光束質量,能夠以高精度和高質量對復雜且具有挑戰性的零件進行微加工,并能實現高產量,熱影響區可忽略。IceFyre FS UV50激光器專為工業應用而設計,以優異的性價比提供可靠、穩健的全天候操作。IceFyre FS UV50采用Spectra-Physics的It’s in the Box™設計理念,在一個超緊湊的封裝中集成了激光產生和控制部分。

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