Đồ án HCMUTE: Quy trình chế tạo diode phát quang hữu cơ bằng công nghệ in phun

Khám phá quy trình chế tạo diode phát quang hữu cơ bằng công nghệ in phun tại HCMUTE, ứng dụng trong công nghệ chiếu sáng hiện đại.

• Tác giả: Nguyễn Thị Thùy Dương
• Người hướng dẫn: Th.S. Cao Xuân Vũ
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ In
• Đề tài: Quy Trình Chế Tạo Diode Phát Quang Hữu Cơ Bằng Công Nghệ In Phun
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 1.1. Giới thiệu chung về OLED
• 1.1.1. Khái niệm OLED
• 1.1.2. Cấu trúc OLED
• 1.1.3. Nguyên lý hoạt động
• 1.1.4. Phương pháp sản xuất
• 1.2. Kỹ thuật in phun
• 1.2.1. Khái niệm in phun
• 1.2.2. Phân loại các kỹ thuật in phun
• 1.2.2.1. Kỹ thuật in phun liên tục
• 1.2.2.2. Các kỹ thuật in phun nhỏ giọt tại nơi cần (DOD)
• 1.2.3. Kỹ thuật in phun nhiệt
• 1.2.4. Kỹ thuật in phun piezo
• 2. CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT IN PHUN TRONG SẢN XUẤT MÀN HÌNH OLED
• 2.1. Phương pháp in
• 2.2. Hướng ứng dụng
• 2.2.1. Tính chất của mực in
• 2.2.2. Liên hệ giữa bề mặt vật liệu và mực in
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG QUY TRÌNH CHẾ TẠO VẬT LIỆU OLED BẰNG CÔNG NGHỆ IN PHUN
• 3.1. Các vấn đề liên quan
• 3.1.1. Cấu trúc OLED
• 3.1.2. Nguyên vật liệu
• 3.1.3. Thiết bị và một số yếu tố liên quan đến chất lượng in
• 3.1.3.1. Bộ phận điều khiển chuyển động in (carriage)
• 3.1.3.2. Khoảng cách giọt mực và độ phân giải
• 3.1.3.3. Kiểm soát tia mực phun ra
• 3.1.3.4. Căn chỉnh và kiểm tra chất lượng mẫu in
• 3.1.3.5. Thiết lập các thông số máy in
• 3.2. Quy trình chế tạo
• 3.3. Đánh giá sản phẩm in
• 3.3.1. Bước sóng phát quang (λm) và tọa độ màu (CIE 1931)
• 3.3.2. Hiệu suất thiết bị
• 3.3.2.1. Các công thức tính toán
• 3.3.2.2. Thiết bị đo hiệu suất
• 3.3.3. Các thông số khác
• 3.3.3.1. Chỉ số kết xuất màu (Color Rendering Index – CRI)
• 3.3.3.2. Nhiệt độ màu tương quan (Color Correlated Temperature - CCT)
• 3.3.3.3. Dự đoán tuổi thọ thiết bị dựa trên các thử nghiệm
• 4. CHƯƠNG 4: PHÁT TRIỂN SẢN PHẨM
• 4.1. Hướng cải thiện quy trình sản xuất OLED bằng công nghệ in phun
• PHẦN MỞ ĐẦU
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1: THÔNG SỐ CÁC THIẾT BỊ ĐO KIỂM
• PHỤ LỤC 2: CÁC CHUẨN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG OLED

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Diode phát quang hữu cơ OLED và Công nghệ in phun

Đề tài nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng quy trình chế tạo diode phát quang hữu cơ (OLED) bằng công nghệ in phun. OLED là công nghệ màn hình hiển thị tiên tiến, nổi bật với khả năng tiết kiệm năng lượng, độ tương phản cao, và góc nhìn rộng. Tuy nhiên, chi phí sản xuất OLED truyền thống khá cao, hạn chế ứng dụng rộng rãi. Công nghệ in phun, một phương pháp sản xuất màng mỏng giá rẻ, chính xác và hiệu quả, được kỳ vọng sẽ khắc phục nhược điểm này. Việc ứng dụng công nghệ in phun trong sản xuất OLED mở ra hướng đi mới, tiềm năng cho sự phát triển của công nghệ hiển thị. Nghiên cứu này nhằm mục đích thiết lập một quy trình chế tạo OLED hiệu quả, kinh tế bằng công nghệ in phun, góp phần thúc đẩy ứng dụng OLED trong nhiều lĩnh vực.

1.1. Ưu điểm và hạn chế của OLED

OLED sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội so với các công nghệ hiển thị khác như LCD: hình ảnh sắc nét, màu sắc trung thực, góc nhìn rộng, khả năng tiết kiệm năng lượng và độ mỏng nhẹ. Tuy nhiên, OLED cũng gặp phải một số hạn chế, đáng chú ý nhất là chi phí sản xuất cao và tuổi thọ chưa được tối ưu. Các phương pháp sản xuất truyền thống như bay hơi chân không (VTE) và lắng đọng pha hơi hữu cơ (OVPD) đòi hỏi thiết bị phức tạp, tốn kém, gây khó khăn cho việc sản xuất hàng loạt với giá thành thấp. Vì vậy, việc tìm kiếm các phương pháp sản xuất OLED hiệu quả hơn, tiết kiệm chi phí là điều cần thiết. Nghiên cứu này tập trung vào công nghệ in phun như một giải pháp khả thi.

1.2. Ứng dụng của công nghệ in phun trong sản xuất OLED

Công nghệ in phun được lựa chọn vì khả năng in ấn chính xác trên nhiều chất liệu, khả năng điều khiển kích thước giọt mực, và tính kinh tế. So với các phương pháp truyền thống, công nghệ in phun cho phép sản xuất OLED với chi phí thấp hơn, quy trình đơn giản hơn, và mở ra khả năng sản xuất hàng loạt trên diện rộng. In phun OLED hiện nay đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ trên toàn thế giới, hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá trong công nghệ màn hình. Tuy nhiên, để đạt được hiệu quả tối ưu, cần nghiên cứu sâu hơn về vật liệu OLED, mực in OLED, và quản lý chất lượng trong quá trình in phun.

II. Quy trình sản xuất OLED bằng công nghệ in phun

Quy trình chế tạo OLED bằng công nghệ in phun bao gồm nhiều giai đoạn quan trọng, từ lựa chọn vật liệu OLED phù hợp đến tối ưu hóa quy trình in phun. Các bước chính bao gồm: chuẩn bị bề mặt, pha chế mực in OLED, thiết kế và in ấn các lớp màng mỏng, xử lý nhiệt, và kiểm tra chất lượng sản phẩm. Chọn lựa vật liệu OLED phù hợp với kỹ thuật in phun là yếu tố then chốt quyết định chất lượng sản phẩm. Tính chất OLED như độ bền, độ sáng, hiệu suất lượng tử, và tuổi thọ phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng mực in OLED và các thông số in ấn. Hiệu suất OLED, tuổi thọ OLED, và chi phí sản xuất OLED cũng cần được đánh giá kỹ lưỡng.

2.1. Lựa chọn vật liệu OLED và mực in OLED

Lựa chọn vật liệu OLED phù hợp với công nghệ in phun là yếu tố then chốt. Các vật liệu OLED cần có độ nhớt, độ bám dính, và khả năng tạo màng tốt khi được in bằng phương pháp phun. Mực in OLED phải có độ ổn định cao, tránh hiện tượng tắc nghẽn đầu phun và đảm bảo chất lượng in ấn. Nghiên cứu này tập trung vào việc lựa chọn các vật liệu OLED và mực in OLED tối ưu, giúp tạo ra các lớp màng mỏng đồng đều, chất lượng cao. Thiết bị in phun cũng cần được lựa chọn phù hợp với loại mực in và vật liệu OLED đã chọn.

2.2. Tối ưu hóa quy trình in phun

Tối ưu hóa quy trình in phun nhằm mục đích nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Các yếu tố cần được xem xét bao gồm: kích thước giọt mực, tốc độ in, nhiệt độ xử lý, và điều kiện môi trường. Kiểm soát chất lượng in phun là rất quan trọng để đảm bảo độ đồng đều của các lớp màng mỏng và chất lượng hình ảnh. Kiểm tra chất lượng OLED được thực hiện thông qua các phép đo như độ sáng, độ tinh khiết màu sắc, và tuổi thọ. Phân tích hình ảnh in phun có thể giúp xác định và khắc phục các lỗi trong quá trình in ấn. Cải tiến công nghệ in phun sẽ góp phần tạo ra sản phẩm chất lượng cao với chi phí hợp lý.

III. Kết luận và ứng dụng

Nghiên cứu đã xây dựng được quy trình chế tạo OLED bằng công nghệ in phun. Quy trình sản xuất OLED này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ màn hình điện thoại, máy tính bảng đến màn hình lớn và các thiết bị hiển thị khác. Công nghệ in phun giúp giảm chi phí sản xuất, mở ra cơ hội thương mại hóa OLED trên quy mô lớn. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện hiệu suất, tuổi thọ, và độ bền của OLED được chế tạo bằng phương pháp này. Nghiên cứu OLED cần được tiếp tục để tối ưu hóa quy trình và mở rộng ứng dụng của công nghệ in phun trong sản xuất OLED.

3.1. Ứng dụng thực tiễn

Ứng dụng OLED rất đa dạng, bao gồm màn hình điện thoại thông minh, máy tính bảng, TV, đồng hồ thông minh, và các thiết bị điện tử khác. Công nghệ in phun làm giảm đáng kể chi phí sản xuất OLED, tạo điều kiện cho việc sản xuất hàng loạt và ứng dụng rộng rãi hơn. Ứng dụng công nghệ in phun cũng mở ra khả năng tạo ra các sản phẩm OLED với hình dạng và kích thước đa dạng, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường. Ưu điểm OLED về độ mỏng, nhẹ, tiết kiệm năng lượng, và chất lượng hình ảnh cao sẽ góp phần tạo nên những sản phẩm công nghệ tiên tiến hơn.

3.2. Hướng phát triển tương lai

Công nghệ OLED vẫn đang tiếp tục phát triển. Việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ in phun sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm chi phí, và nâng cao hiệu suất của OLED. Các hướng nghiên cứu trong tương lai bao gồm: tìm kiếm các vật liệu OLED mới với hiệu suất cao hơn, tuổi thọ dài hơn, và giá thành thấp hơn. Cải tiến kỹ thuật in phun để tăng độ chính xác, tốc độ in, và hiệu suất sản xuất. Mở rộng ứng dụng của OLED sang các lĩnh vực mới như chiếu sáng, cảm biến, và pin mặt trời. Xu hướng phát triển OLED hiện nay tập trung vào việc giảm chi phí, nâng cao chất lượng và mở rộng ứng dụng của công nghệ này.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Công nghệ diode phát quang hữu cơ (OLED - Organic Light-Emitting Diode) sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội so với công nghệ hiển thị tinh thể lỏng (LCD) truyền thống như: khả năng tự phát sáng không cần đèn nền, màu đen tuyệt đối, độ tương phản cao, góc nhìn rộng, độ dày mỏng và khả năng uốn dẻo. Tuy nhiên, sau hơn hai thập kỷ phát triển, màn hình OLED vẫn chưa thực sự phổ biến ở phân khúc kích thước lớn do giá thành sản xuất cao và hạn chế từ các phương pháp chế tạo truyền thống (điển hình là kỹ thuật bay hơi chân không VTE cần buồng chân không phức tạp và sử dụng mặt nạ kim loại mịn FMM gây lãng phí vật liệu).

Để giải quyết bài toán hạ giá thành và mở rộng quy mô diện tích sản xuất, việc ứng dụng công nghệ in kỹ thuật số, đặc biệt là in phun nhỏ giọt theo yêu cầu (Drop-on-Demand - DOD), trở thành một hướng tiếp cận kỹ thuật khả thi. Đề tài tốt nghiệp "Xây dựng quy trình chế tạo diode phát quang hữu cơ bằng công nghệ in phun" được nhóm tác giả Nguyễn Thị Thùy Dương, Đỗ Hiệp Xuân Hảo và Lê Thanh Tuấn thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (năm 2019) dưới sự hướng dẫn của ThS. Cao Xuân Vũ, nhằm mục tiêu làm sáng tỏ khả năng ứng dụng của ngành công nghệ in trong lĩnh vực chế tạo linh kiện điện tử phát quang hữu cơ.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định gồm 4 nội dung:

1. Tìm hiểu và phân tích đặc tính kỹ thuật, cơ chế hoạt động của linh kiện OLED.
2. So sánh và chứng minh khả năng phù hợp của phương pháp in phun DOD sử dụng đầu phun áp điện (piezoelectric) trong sản xuất OLED so với các phương pháp in công nghiệp khác (in ống đồng, in flexo) và in phun liên tục.
3. Lựa chọn hệ vật liệu hữu cơ và dung môi thích hợp cho quá trình tạo giọt mực và tạo màng phát quang.
4. Xây dựng quy trình chế tạo linh kiện OLED 6 lớp và thiết lập các tiêu chuẩn, biểu mẫu đo kiểm thông số quang - điện của sản phẩm.

Đối tượng nghiên cứu là quy trình công nghệ chế tạo diode phát quang hữu cơ và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình in phun màng mỏng hữu cơ. Phạm vi nghiên cứu tập trung chuyên sâu vào các vấn đề kỹ thuật thuộc ngành công nghệ in (bao gồm thông số máy in phun Dimatix DMP-2800, cơ chế tạo giọt, tính chất lưu biến của mực in và sự tương tác bề mặt), giới hạn ở cấu trúc OLED phát quang đơn sắc với đồ họa cố định, sử dụng cơ sở vật chất thực nghiệm tại phòng thí nghiệm thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP. Hồ Chí Minh.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về mặt lý thuyết cơ sở, đề tài vận dụng các mô hình và khái niệm vật lý - hóa học màng mỏng:

• Cơ chế điện phát quang hữu cơ: Sự tiêm điện tử từ cực âm (Cathode) vào mức năng lượng thấp nhất chưa bị chiếm (LUMO) và tiêm lỗ trống từ cực dương (Anode) vào mức năng lượng cao nhất bị chiếm (HOMO), dẫn đến sự kết hợp tạo thành exciton tại lớp phát quang (EML) và giải phóng photon ánh sáng nhìn thấy.
• Động lực học giọt mực in phun (Phương trình Navier-Stokes và hệ số Fromm/Jang): Đánh giá khả năng tạo giọt thông qua số Reynolds ($Re = \frac{\rho V d}{\eta}$), số Weber ($We = \frac{\rho V^2 d}{\gamma}$), số Ohnesorge ($Oh = \frac{\sqrt{We}}{Re} = \frac{\eta}{\sqrt{\gamma \rho d}}$) và đại lượng nghịch đảo $Z = \frac{1}{Oh} = \frac{\sqrt{d \rho \gamma}}{\eta}$. Theo khảo sát của Fromm và Jang (2009), phạm vi chất lỏng có khả năng in phun DOD tối ưu nằm trong khoảng $4 < Z < 14$.
• Cơ chế khô và hiện tượng tràn viền giọt mực (Coffee-ring Effect): Phân tích sự di chuyển của các hạt phân tử từ tâm ra biên trong quá trình bay hơi dung môi và các biện pháp ức chế bằng dòng chảy Marangoni với hệ số $Ma = \frac{\Delta \gamma r}{\eta D} \approx 3$.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai thông qua sự kết hợp của ba phương pháp chính:

• Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Khảo sát các công bố khoa học quốc tế về cấu trúc vật liệu polymer phát quang, đặc biệt kế thừa các nghiên cứu của Wei-Huang (về hệ dung môi phân tử nhỏ không chứa halogen) và Fulvia Villani (về xử lý bề mặt đế dẻo tráng ITO bằng dung dịch Piranha).
• Phương pháp phân loại và hệ thống hóa lý thuyết: Lập bảng đối sánh kỹ thuật giữa các công nghệ in truyền thống và công nghệ in phun; phân loại cấu trúc lớp OLED.
• Phương pháp thực nghiệm - thiết kế quy trình: Thiết lập thông số vận hành trên máy in Diamatix DMP-2800, xác định tỷ lệ dung môi, thiết lập khoảng cách giọt (Drop Spacing) và phương pháp đo kiểm quang phổ CIE 1931, độ chói ($cd/m^2$), hiệu suất dòng ($CE$), hiệu suất công suất ($PE$).

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu được thu thập từ tài liệu kỹ thuật của thiết bị Fujifilm Dimatix, hệ thống chuẩn đo lường quang học Ossila và các bài báo khoa học chuyên ngành in điện tử quốc tế.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Cơ sở lý thuyết

Chương 1 hệ thống hóa toàn diện về lịch sử phát triển, cấu trúc cơ bản và các phương pháp sản xuất OLED thương mại cùng các kỹ thuật in phun hiện hữu. Tác giả chỉ ra các dấu mốc lịch sử từ thí nghiệm phát quang trên anthracene (thập niên 1960), nghiên cứu polymer dẫn điện của Hideki Shirakawa (1977), phát minh LED hữu cơ đầu tiên của Chin Tang và Van Slyke (1987), đến sự ra đời của OLED nền polymer tại Đại học Cambridge (1990).

Về cấu trúc, linh kiện OLED cơ bản gồm các lớp: đế (thủy tinh/polymer), cực dương trong suốt (ITO có công thoát 4,8 eV), lớp tiêm/truyền lỗ trống (HIL/HTL), lớp phát quang (EML), lớp truyền điện tử (ETL) và cực âm kim loại (Cathode: Ca, Mg, Al). Tác giả so sánh các phương pháp chế tạo công nghiệp chính:

• Bay hơi chân không (VTE): Phải dùng mặt nạ kim loại FMM, vật liệu bị thất thoát bám lên thành buồng chân không, giới hạn độ phân giải khoảng 230 ppi và khó áp dụng cho đế diện tích lớn.
• Lắng đọng pha hơi hữu cơ (OVPD) và Ủ nhiệt cảm ứng laser (LITI): Cho độ chính xác cao hơn (LITI đạt > 300 ppi, sai số ~ 2,5 µm) nhưng chi phí thiết bị đắt đỏ.
• Kỹ thuật in phun: Chia thành in phun liên tục (Continuous Inkjet - CIJ) và in nhỏ giọt theo yêu cầu (DOD). Công nghệ in phun nhiệt (Thermal Inkjet) bị loại bỏ do nhiệt độ tạo bọt khí làm biến tính vật liệu dẫn hữu cơ và tích tụ kim loại tại điện trở; trong khi in phun áp điện (Piezo DOD) kiểm soát thể tích hạt mực bằng xung điện cơ học trong dải micro-giây mà không sinh nhiệt, thích hợp nhất cho in điện tử.

Chương 2: Ứng dụng kỹ thuật in phun trong sản xuất màn hình OLED

Chương 2 tập trung chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng kỹ thuật in phun DOD Piezo trong chế tạo OLED thông qua việc so sánh các phương pháp in và phân tích động học chất lỏng.

Tiêu chí so sánh	In phun (Inkjet)	In Flexo	In Ống đồng (Gravure)
Độ phân giải biên (Lateral resolution)	20 – 50 µm	80 µm	75 µm
Độ dày màng sau in	< 0,5 µm	3 – 8 µm	2 – 5 µm
Độ nhớt mực yêu cầu	< 20 mPa.s	50 – 200 mPa.s	50 – 500 mPa.s
Lực tác động lên chất nền	Không tiếp xúc (NIP)	Tiếp xúc có lực ép	Tiếp xúc có lực ép lớn
Độ linh hoạt tạo mẫu	Rất cao (kỹ thuật số)	Thấp (phải chế bản)	Rất thấp (phải khắc trục)

Bên cạnh đó, tác giả phân tích chi tiết hai thông số vật lý cốt lõi của mực in:

1. Giá trị Z: Để tia mực không bị kéo đuôi dài gây sai vị trí ($Z$ quá thấp) hoặc không bị đứt đoạn, phân tán không đều ($Z$ quá cao), mực in phải có giá trị $Z$ nằm trong khoảng 4 đến 14.
2. Hiện tượng vòng cà phê (Coffee-ring Effect): Khi giọt mực khô, tốc độ bay hơi ở biên cao hơn trung tâm kéo theo dòng mao dẫn mang phân tử ra rìa màng in. Đề tài tổng hợp 4 giải pháp hạn chế: (1) Ứng dụng điện trường xoay chiều (electrowetting); (2) Giảm kích thước giọt mực xuống dưới 10 µm; (3) Tăng tốc độ sấy trung tâm; (4) Cân bằng sức căng bề mặt bằng dòng đối lưu Marangoni ($Ma \approx 3$) thông qua việc phối trộn hệ đa dung môi.

Chương 3: Xây dựng quy trình chế tạo vật liệu OLED bằng công nghệ in phun

Chương 3 là phần trọng tâm kỹ thuật, đề xuất cấu trúc OLED 6 lớp phát quang đơn sắc cố định: Đế (Glass/PET) / Anode (ITO) / HIL (PEDOT:PSS) / HTL (PDHF.F6) / EML (PFP-3) / Cathode (Nano Ag).

Lớp cấu trúc	Vật liệu sử dụng	Phương pháp tạo màng	Thông số kỹ thuật / Dung môi pha chế
Đế / Anode	Kính hoặc màng PET tráng ITO	Lắng đọng sẵn	Xử lý bề mặt bằng dung dịch Piranha để làm phẳng và tăng độ dẫn
HIL	PEDOT:PSS	Bay hơi chân không	Vật liệu polymer dẫn pha tạp; không in phun do cấu trúc phân tử phức tạp
HTL	PDHF.F6	In phun DOD	Hòa tan trong dung môi Toluene với nồng độ 15 mg/mL; phát xạ 410–420 nm
EML	PFP-3	In phun DOD	Dung môi chính Cyclohexanone (CHN) + dung môi phụ NMP tỷ lệ 9:1
Cathode	Mực Nano Bạc (Ag)	In phun DOD	Ag (2–30%), Ethanol (10–70%), Ethylene glycol (10–40%); độ nhớt 11–15 cP

Hệ dung môi cho lớp phát xạ EML được tính toán dựa trên tính chất lưu biến của hai thành phần:

• Cyclohexanone (CHN): Điểm sôi 155°C, độ nhớt 2,2 cP, năng lượng bề mặt 34,5 mN/m, mật độ 0,948 g/cm³, cho hệ số $Z = 4,4$.
• N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP): Điểm sôi 202°C, độ nhớt 1,65 cP, năng lượng bề mặt 40,8 mN/m, mật độ 1,028 g/cm³, cho hệ số $Z = 7,1$.
• Tỷ lệ phối trộn CHN:NMP = 9:1 vừa tối ưu hóa chỉ số $Z$, vừa kiểm soát dòng Marangoni chống tràn viền.

Về thiết bị in, nghiên cứu sử dụng máy in màng mỏng Fujifilm Dimatix DMP-2800 với các đặc tính:

• Đầu in cartridge 16 vòi phun đơn hàng, đường kính vòi 21,5 µm, cự ly giữa các vòi 254 µm; hỗ trợ hai loại cartridge dung tích 3 mL là DMC-11601 (1 pL) và DMC-11610 (10 pL).
• Bộ phận di chuyển đầu in (carriage) điều khiển tọa độ trục X theo bộ mã hóa xung, trục Y điều khiển theo chuyển động của bàn đế nhiệt (nhiệt độ tối đa 60°C, tích hợp hút chân không cố định mẫu). Đầu in có bộ gia nhiệt tích hợp tối đa 70°C.
• Tích hợp cụm camera Drop Watch quan sát hình thái giọt mực khi rời vòi phun và Fiducial Camera kiểm tra màng sau in.

Quy trình đánh giá chất lượng sản phẩm in được xây dựng theo các tiêu chuẩn quang học: đo bước sóng phát quang đỉnh ($\lambda_m$), xác định tọa độ màu trên giản đồ CIE 1931, đo độ chói quét theo điện áp từ 2V đến 15V (chu kỳ 0,5V), đo chỉ số hoàn màu CRI, nhiệt độ màu tương quan CCT và dự đoán suy giảm tuổi thọ bằng mô hình phân rã lũy thừa kéo dài (Stretched Exponential Decay - SED).

Chương 4: Phát triển sản phẩm

Chương 4 thảo luận các định hướng chuyển giao quy trình từ điều kiện phòng thí nghiệm sang quy mô sản xuất bán công nghiệp. Tác giả phân tích các yếu tố hạn chế của máy in đơn lẻ, đề xuất kiểm soát độ ẩm, nhiệt độ môi trường phòng sạch và cải tiến thuật toán điều khiển xung điện áp piezo nhằm triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng tạo giọt vệ tinh (satellite droplets).

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính thu được

• Thiết lập hoàn chỉnh cấu trúc linh kiện 6 lớp: Đưa ra giải pháp kết hợp giữa công nghệ xử lý bề mặt hóa học (dung dịch Piranha trên màng ITO), công nghệ phủ chân không lớp đệm HIL (PEDOT:PSS) và công nghệ in phun áp điện DOD cho 3 lớp màng chức năng: HTL (PDHF.F6), EML (PFP-3) và Cathode (Nano Bạc).
• Tối ưu hóa công thức dung môi màng phát quang EML: Xác định tỷ lệ phối trộn dung môi không chứa halogen gồm Cyclohexanone (CHN) và N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) theo tỷ lệ 9:1, kiểm soát hệ số $Z$ trong dải tối ưu 4,4 – 7,1 và chỉ số Marangoni $Ma \approx 3$, ngăn chặn hiệu quả hiện tượng tràn viền vòng cà phê (coffee-ring).
• Xây dựng bộ thông số vận hành thiết bị Dimatix DMP-2800: Xác định quy chuẩn góc nghiêng đầu in, khoảng cách giọt (Drop Spacing) tương ứng với cartridge 10 pL, kiểm soát tần số bắn giọt và điện áp nung đầu phun nhằm đạt độ dày màng hữu cơ dưới 0,5 µm.
• Xây dựng hệ thống tiêu chí đo kiểm quang - điện: Hoàn thiện quy trình đo đạc phối hợp giữa camera giọt mực, thiết bị đo độ chói tập trung điểm và bo mạch cấp nguồn phân cấp từ 2V đến 15V.

Giải pháp và kiến nghị

• Kiến nghị áp dụng xử lý Piranha đối với chất nền tráng ITO trước khi đưa vào dây chuyền nhằm giảm độ nhám và tăng cường khả năng tiêm lỗ trống từ Anode.
• Đề xuất giữ nhiệt độ đầu phun ở nhiệt độ phòng đối với các dung môi dễ bay hơi để tránh tắc nghẽn vòi phun 21,5 µm, đồng thời duy trì gia nhiệt bàn đế ở mức thích hợp để định hình màng in.

Đóng góp về mặt học thuật và kỹ thuật

So với các nghiên cứu sản xuất OLED truyền thống bằng buồng chân không đắt tiền, đồ án đã chứng minh phương pháp in phun DOD Piezo hoàn toàn có khả năng tạo ra các lớp chức năng dẫn điện và phát quang với độ phân giải cao (20 – 50 µm), tiết kiệm tối đa nguyên liệu hữu cơ đắt đỏ và mở ra khả năng chế tạo linh kiện điện tử trên nền dẻo (PET) tại Việt Nam.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Về khả năng in phun toàn phần: Nghiên cứu chưa thể in phun đồng bộ 100% các lớp; lớp tiêm lỗ trống HIL (PEDOT:PSS) vẫn phải thực hiện bằng phương pháp bay hơi chân không do cấu trúc phân tử phức tạp, độ nhớt và tính phân tán trong dung môi chưa tương thích với đầu phun piezo.
• Về thiết kế điểm ảnh: Sản phẩm mới dừng lại ở dạng hình ảnh đồ họa cố định phát quang đơn sắc (xanh dương từ PFP-3 / PDHF.F6), chưa tích hợp ma trận điều khiển điểm ảnh thụ động (PMOLED) hay ma trận chủ động (AMOLED).
• Về điều kiện thực nghiệm: Quy trình được thiết lập trên thiết bị phòng lab (khổ in nhỏ, cartridge 3 mL), chưa đánh giá đầy đủ độ bền linh kiện trong môi trường có độ ẩm và oxy cao khi thiếu lớp màng đóng gói bảo vệ chuyên dụng (encapsulation).
• Hướng mở tiếp theo: Nghiên cứu hệ dung môi mới để in phun trực tiếp lớp PEDOT:PSS; thử nghiệm các vật liệu phát xạ đa màu (Đỏ - Xanh lá - Xanh dương) và tích hợp bóng bán dẫn màng mỏng (TFT) để điều khiển ma trận hiển thị.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo chuyên môn hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ In, In điện tử (Printed Electronics), Kỹ thuật Vật liệu, Kỹ thuật Quang tử và Vật lý Ứng dụng.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu gồm:

• Toàn bộ cơ sở tính toán thông số lưu biến học chất lỏng (hệ số $Z$, phương trình Fromm/Jang, số Marangoni) ứng dụng trực tiếp cho việc pha chế mực in nano và dung dịch hữu cơ.
• Bảng tổng hợp đối sánh kỹ thuật giữa in phun, flexo và ống đồng trong in điện tử.
• Hướng dẫn thiết lập thông số vận hành và căn chỉnh góc đầu in trên hệ máy Fujifilm Dimatix DMP-2800.
• Quy trình đo kiểm tọa độ màu CIE 1931 và phân tích suy giảm quang thông theo mô hình toán học SED.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao kỹ thuật in phun nhiệt (Thermal Inkjet) không thể sử dụng để chế tạo linh kiện OLED?
Trả lời: Kỹ thuật in phun nhiệt sử dụng điện trở nung nóng cục bộ để tạo bọt khí đẩy giọt mực. Nhiệt độ cao làm biến tính các phân tử polymer hữu cơ phát quang và khiến các hạt nano kim loại trong mực dẫn bị thiêu kết, lắng đọng xung quanh điện trở, gây suy giảm nhiệt truyền và làm tắc nghẽn đầu phun.

2. Đại lượng $Z$ trong nghiên cứu có ý nghĩa gì và giá trị bao nhiêu là tối ưu cho in phun OLED?
Trả lời: Đại lượng $Z$ là nghịch đảo của số Ohnesorge ($Z = \frac{\sqrt{d \rho \gamma}}{\eta}$), biểu thị mối tương quan giữa sức căng bề mặt, mật độ, đường kính vòi phun và độ nhớt của mực. Mực in đạt yêu cầu khi $4 < Z < 14$. Nếu $Z < 4$, giọt mực bị kéo đuôi dài gây sai vị trí in; nếu $Z > 14$, mực có độ nhớt quá thấp dẫn đến việc tạo giọt không đồng đều và sinh giọt vệ tinh.

3. Tỷ lệ dung môi cho lớp phát quang EML (PFP-3) được lựa chọn như thế nào?
Trả lời: Tác giả sử dụng hệ dung môi kết hợp gồm Cyclohexanone (CHN - dung môi chính, $Z = 4,4$) và N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP - dung môi phụ, $Z = 7,1$) theo tỷ lệ thể tích 9:1. Tỷ lệ này tạo ra sự cân bằng về tốc độ bay hơi, kích hoạt dòng đối lưu Marangoni để triệt tiêu hiện tượng tràn viền vòng cà phê.

4. Vì sao lớp PEDOT:PSS chưa được tạo màng bằng phương pháp in phun trong đồ án này?
Trả lời: PEDOT:PSS có cấu trúc đại phân tử polymer liên hợp phức tạp, khả năng phân tán trong các dung môi tương thích đầu phun chưa ổn định và dễ gây nghẽn vòi phun 21,5 µm của máy in Dimatix, do đó tác giả chọn phương pháp bay hơi chân không để đảm bảo độ đồng đều cho lớp HIL.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã xây dựng thành công quy trình công nghệ chế tạo diode phát quang hữu cơ (OLED) 6 lớp phát quang đơn sắc trên cơ sở ứng dụng kỹ thuật in phun áp điện DOD (Piezoelectric Drop-on-Demand). Nghiên cứu giải quyết thấu đáo các vấn đề cốt lõi về lưu biến học mực in, xác định hệ dung môi CHN/NMP (9:1) tối ưu và thiết lập chuẩn xác các thông số vận hành trên máy in chuyên dụng Dimatix DMP-2800. Đây là công trình thực nghiệm kỹ thuật nghiêm túc, khẳng định tiềm năng to lớn của ngành công nghệ in trong lĩnh vực chế tạo linh kiện vi điện tử màng mỏng tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Giới thiệu chung về OLED 1.1 Khái niệm OLED OLED (Organic Light-Emitting Diode) hay đi-ốt phát quang hữu cơ có một hoặc nhiều lớp bán dẫn hữu cơ kẹp giữa hai điện cực, chúng phát sáng khi có một dòng điện chạy qua theo nguyên lý điện phát quang. Nhờ vào đặc điểm này mà màn hình OLED có các điểm ảnh tự phát sáng độc lập thay vì cần đèn nền như nhiều loại màn hình khác. Từ đó, OLED có những ưu điểm và nhược điểm sau: • Màu sắc rực rỡ và chính xác: mỗi điểm ảnh trên OLED đều có khả năng điều khiển độc lập, điều đó giúp màu sắc tái hiện trở nên chính xác đến từng chi tiết. • Độ tương phản cao, nền đen tuyệt đối: ví dụ ở màn hình LCD hay QLED sử dụng các bóng đèn nhỏ để chiếu sáng từ phía sau nên dù có nhiều công nghệ cải tiến nhưng vẫn không thể chặn được hoàn toàn ánh sáng từ đèn xung quanh phát ra, khó đạt màu đen tuyệt đối.

Trong khi đó, màn hình OLED với khả năng bật tắt từng điểm ảnh giúp việc tái hiện sắc đen trở nên hoàn hảo. Cùng với màu đen tuyệt đối, TV OLED cũng có khả năng thể hiện màu trắng tinh khiết đem đến độ tương phản vượt trội. • Hình ảnh chuyển động mượt, góc nhìn rộng: Nhờ vào ba ưu điểm trên ta có được hệ quả là OLED có cấu trúc siêu mỏng nên sự sai lệch do hiện tượng tán sắc ( ánh sáng chiếu qua lăng kính bị tách thành nhiều chùm ánh sáng đơn) là rất nhỏ; màu đen tuyệt đối nên dù nhìn nghiêng vẫn là màu đen và độ sáng cao một cách đồng nhất. • Tiết kiệm năng lượng, thân thiện môi trường: Vì không sử dụng đèn nền nên khi hiển thị màu đen, màn hình OLED sẽ không sử dụng năng lượng.

Đồng thời còn giúp thiết bị tỏa ít nhiệt lượng khi được sử dụng trong thời gian dài. • Nhưng cũng chính cấu trúc mỏng manh như vậy khiến thiết bị OLED không chịu được lực va đập lớn, tiếp theo là dễ bị hư hỏng khi gặp nước. Những dấu mốc quan trọng trong nghiên cứu và phát triển OLED được đề cập trong bảng dưới đây: Bảng 1.1 Các dấu mốc quan trọng trong nghiên cứu và chế tạo OLED. Thời gian Diễn biến Lần đầu được nghiên cứu tại Pháp, khi phát hiện một luồng sáng phát ra 1950s khi có dòng điện tác động.

4 do an 1960s Sử dụng tế bào điện phát quang anthracene. 1977 Hideki Shirakawa xuất bản nghiên cứu về vật liệu dẫn điện cao. Chin Tang và Van Slyke lần đầu tiên sản xuất thành công LED từ vật 1987 liệu hữu cơ (là OLED sau này). 1988 Chihaya Adachi và Tetsuo Tsutsui phát triển OLED đa lớp Phát hiện khả năng điện phát quang trong vật liệu polymer.

Từ đó, 1990 nhóm nghiêm cứu trường Cambridge (Vương quốc Anh) phát triển OLED có nền polymer. 1997 Teruo Tohma nghiên cứu thành công Passive matrix OLED. 1998 Mark Thompson và Stephen Forrest phát triển PHOLED Hình 1.1 Ví dụ minh họa về ưu điểm của màn hình OLED so với màn hình LCD.2 Cấu trúc OLED Cấu trúc cơ bản gồm các lớp đế, anode, HTL, EML, ETL và cathode: - Substrate (lớp đế): kính hoặc các loại màng polymer. - Anode trong suốt: Màng TCO (transparent conducting oxide) với công thoát cao thường được dùng làm anode cho OLED.

Với anode dẫn điện trong suốt (thường sử dụng ITO có công thoát khoảng 4,8 eV) thì ánh sáng phát xạ có thể thoát được ra khỏi 5 do an linh kiện. Việc chọn anode thích hợp là phải tạo ra được các lỗ trống tích điện dương, chúng được phun vào các lớp hữu cơ.