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OLED发光材料

OLED 有机材料是 OLED 产业链中的核心材料,成本占比高。AMOLED 显示面板的制造主要包括阵列工程(Array)、有机蒸镀工程(OLED)、模组工程(Module) 环节。产线大致可以分为前段(Array 段)、中段(Cell 段)和后段(Module 段)三大制程。其中,前段的 LTPS 工艺、中段的蒸镀工艺和后段的薄膜封装工艺均为 OLED 面板制造的核心工艺。

中段的蒸镀工艺可进一步分为真空蒸镀法和喷墨打印法,前 者是目前中小尺寸面板量产使用的主要技术,后者技术尚未成熟。真空蒸镀的工作原理即 在真空环境中对有机发光材料加热,使之气化并沉积到基片上从而获得薄膜材料。材料的质量决定了面板的性能,而蒸发源的质量决定了材料蒸镀的效果,二者在面板的良品率上起到了决定性的作用。

根据上述生产工艺,AMOLED 的主要原材料可以分为阵列材料、蒸镀材料和模组材料。OLED 有机材料属于其中的蒸镀材料,为 OLED 的核心材料,也是 OLED 产业链中技术壁垒最高的领域之一,在 OLED 面板中成本占比较高。

OLED 有机材料根据生产流程可以分为 OLED 中间体、OLED 升华前材料和 OLED 终端材料三类。

整个合成链及使用环节中技术难度最高的环节是将材料升华提纯至电子级的过程(升华提纯)和将成品材料涂覆至基板上的过程 (真空蒸镀或旋涂印刷),拥有较高的技术和专利壁垒。 升华过程的难点体现在对升华后材料的纯度要求极高(电子级,7N-8N)。 倘若使用纯度不达标的升华后材料,不发光的杂质将成为 OLED 显示屏上的黑 点,且会加速发光材料整体部件的氧化,从而导致大面积的花屏、黑屏现象。 而制约我国 OLED 粗单体升华技术发展的因素可大体分为两类:一是核心专利 技术制约,二是国内企业在实际生产过程中存在的技术问题。

OLED 终端材料是指由化工原材料经合成、升华提纯等多道工序加工后得到的可以直接蒸镀到基板上用于生产 OLED 的有机材料。根据目前主流的 OLED 器件结构,OLED 由阴极(Cathode)、电子注入层(EIL)、电子传输层 (ETL)、空穴阻挡层(HBL)、发光层(EML)、空穴传输层(HTL)、空穴注入层 (HIL)和阳极(Anode)组成,除阴极和阳极外,其他六层所使用的材料皆属于 OLED 终端材料。

发光层是 OLED 的核心部分,其使用的材料决定着器件的发光效率。到目前为止,人们已对大量作为发光材料的有机化合物进行了研究,主要分为小分子、高分子和配合物三大类。 有机小分子发光材料的优点是材料的纯度相当高,可生成高质量的薄膜。 荧光量子效率高,可以产生各种颜色的发光。缺点是热稳定性较差,载流子传输能力有限。在器件制备中,一般采用较低浓度掺杂在主体材料中使用,这就要求有机小分子的吸收光谱与主体材料的发射光谱有很好重叠,从而实现能量从主体到小分子的有效传递。根据器件的发光颜色来划分,蓝光、绿光和红光 分别对应不同的材料。相对于高性能的绿色和蓝色发光材料而言,红色发光材料的进展明显落后。 与有机小分子发光材料相比,高分子材料具有更高的物理强度、良好的加工性、机械性和稳定性,另外用喷涂的方法易于成膜从而实现大面积生产。 金属配合物介于有机物与无机物之间,既具备了有机物高荧光量子效率的优点,又有无机物稳定性的特点,被认为是最有应用前景的一类发光材料。常用的金属离子有周期表中第Ⅰ主族元素如 Li+;第 II 主族元素如 Be2+,Mg2+;第 III 主族元素如 Al3+,Ga3+,In3+;第 IIB 副族元素如 Zn2+,Cd2+;其他副族元素如 Pt 2+,Ir3+,Re3+等。

发光功能材料按颜色可划分为红、绿、蓝发光材料;再进一步可分为红/绿/蓝发光主体材料与掺杂材料(又称客体材料)。由于有机材料可能无法同时满足高电子迁移速率和最优放光效率,因此通常以具有空穴传输或电子传输功能的发光材料作为主体材料,掺杂少量的有机荧光或磷光材料。根据不同的材料特性来调整掺杂比例,从而达到增强主体发光的寿命和效率的作用。掺杂材料通常由金属配合物组成,其技术壁垒远高于主体材料。

发光功能材料按照代际划分,可分为第一代荧光材料、第二代磷光材料、第三代 TADF 材料(热活化延迟荧光材料),不同代际的产品在发光机理、发光效率、使用寿命等方面存在差异。从目前来看,终端材料产品的迭代周期在 3-4 年左右。因此,OLED 终端材料企业需要持续进行产品创新迭代,从而保证自身的盈利能力。

目前量产的发光材料中,红色和绿色均采用磷光材料,其中红光材料广泛使用 DCM 或其衍生品作为掺杂材料,但由于分子结构含有大共轭芳香基团,溶解性差,因此合成难度较大。考虑到长波发光材料在检测、传感、光通讯、夜视等领域有十分重要的用途,未来红色材料将进一步往深红色发光方向转变。绿光材料相对简单,也是商业化应用最早的材料。 蓝色材料主要在第一代荧光材料体系中,但其存在发光效率不足和寿命短的明显缺点,是当前业内主要的研发瓶颈,因此现阶段研发出合格可量产的第三代 TADF 蓝色材料是各大公司的重要方向。

参考资料:

20221020-开源证券-莱特光电-688150-中小盘首次覆盖报告:国内有机发光材料龙头,产能扩张发展提速

20221030-光大证券-基础化工行业周报:面板价格触底回升,OLED有机材料取得国产突破将迎快速发展

20221115-华福证券-莱特光电-688150-OLED有机材料领导者,国产化进行时

20221118-西部证券-奥来德-688378-深度报告:OLED有机材料与应用部件龙头,国产化替代大势所趋

一文看懂显示材料之:OLED有机发光材料