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DTC2024|十年磨一劍,TCL華星印刷OLED量產技術攻堅紀實

 印刷OLED賽道上,TCL華星甚至沒有同行者。但他們知道,還有更高的山峰矗立在面前。

2024年6月的一個深夜,TCL華星10多位工程師守在武漢的屏幕模組車間。他們面前的產線上只有一塊孤零零的屏幕。接下來3個多小時,他們的目光與那塊屏幕緊緊相連。

焦慮和壓力都在積聚,即將到來的那一刻,檢驗著他們過去11年努力的價值。

為了保證生產質量,車間的溫度始終保持在20多度,幾乎沒有波動;工程師們穿著包裹嚴密的無塵服,與每一臺設備、每一道工序隔開。在這種環境待上30分鐘就已經是很大的考驗。但他們沒時間在意疲憊,將全部的注意力投入到每一個加工步驟中。

那塊屏幕從外觀看不算特別,21.6吋,差不多是一臺中小尺寸的顯示器大小,甚至讓人懷疑是否值得如此大動干戈。但它背后承載的,卻是與市面上絕大多數OLED屏幕截然不同的技術革新。

這塊屏幕是 “印刷” 出來的

手機上常見的OLED屏幕都是采用 “蒸鍍” 工藝——這是一種復雜的高真空制造過程,把粉末狀的紅綠藍發光材料加熱成氣體,再通過掩膜板精確凝固到玻璃基板的指定位置。而印刷OLED的工藝則不同,它像一臺高精度的打印機,通過噴嘴將液態發光材料精準地滴在目標位置。

從2013年初步把印刷OLED當作大尺寸OLED屏幕技術路線起步,TCL華星就踏上了一條少有人走的路。同行們嘗試過也撤退過,但他們不斷加碼,現在終于推開了這項技術走向市場的大門。11月16日,TCL科技首席技術官、TCL華星首席技術官閆曉林正式宣布,首支投產的印刷OLED屏幕進入量產階段。

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TCL華星首款量產印刷OLED 4K 顯示屏(21.6)

印刷OLED最顯著的優勢就是節約材料,降低生產成本。蒸鍍工藝中,絕大部分材料會殘留在掩膜板上,利用率甚至不到30%,而印刷工藝能達到95%以上。但節省材料的背后,需要從頭開發材料和設備,來滿足極致苛刻的技術要求:1 毫升的液體需要分成10億滴,按照每秒滴下4萬次的頻率工作,每一滴都必須精準無誤,同時還要確保鋪展、干燥后完全均勻。

屏幕廠商幾乎都曾涉足過印刷OLED技術,也幾乎都中途退場。這讓技術陷入了一種循環:少有企業投入,材料、設備、工藝的發展緩慢;技術進步緩慢,又讓投資者更加望而卻步。

“我們早期也有過搖擺,并不是所有人都支持印刷OLED,還有人建議跟進LG Display或三星的方向。”TCL華星印刷OLED中心的中心長曹蔚然回憶說。但他們明白,追隨意味著專利和供應鏈受制于人。以手機用的OLED屏幕技術為例,許多中國屏幕公司跟隨三星,投資了數百億元建設蒸鍍產線。結果是三星輕松盈利,中國企業的產線卻長期虧損。

走出自己的路并非易事。日本顯示行業短短十年就從巔峰跌至谷底。在顯示屏這個充滿顛覆創新的行業,選錯技術路線的代價高昂。

TCL自己也曾有過慘痛的教訓。2004年,在電視技術從CRT(顯像管)向 LCD(液晶屏)過渡時,由于對技術趨勢的誤判,公司在兩年內虧損超過20億元,幾乎面臨退市。

在印刷OLED路線上,TCL華星堅持了11年。被問到為什么要選擇這條充滿挑戰的技術路線時,多位工程師這樣解釋:“作為研發人員,我們想要做一些不一樣的事。”

不想再做跟隨者

TCL在電視屏幕從顯像管轉向液晶的關鍵節點踏空,關鍵原因之一就是缺乏選擇空間。

那時,TCL的業務重心在于制造和經營,并未過多涉及上游的技術。技術押注來自2004年并購的湯姆遜彩電業務,雖然一度讓公司看似充滿希望,但也為TCL帶來了大麻煩。

TCL創始人、董事長李東生意識到:“技術創新沒有捷徑可走,只有依靠自主研發、人才儲備和長期的投入。” 艱難的2005年,TCL在深圳設立工業研究院,大力投資技術研發。2009年,剛從困境中復蘇的TCL決定啟動華星光電項目,也就是現在的TCL華星。

TCL華星第一個項目是建設8.5代液晶(LCD)產線(代號t1)——投資245億元。這個金額超過了當時整個TCL的資產總額。外界普遍認為這是場 “豪賭”,因為中國同樣的產線長期陷入虧損。而在李東生看來,他們不是 “賭”,而是 “搏”,是計算風險之后的拼搏。

2012年,產線成功投產并迅速實現盈利。“搏” 的觀念,也隨著TCL華星的發展扎根下來,成為他們面對印刷OLED項目遇到質疑時的支撐。

t1產線順利運營的同時,技術更新換代緊跟著到來。OLED技術的顯示效果更好且市場需求迅速擴大,他們決定加快 OLED研發步伐。

公司選了兩個方向:一是用于手機的小尺寸屏幕,另一個是用于電視的中大尺寸屏幕——這是與大多數屏幕面板公司不同之處,它起家于電視業務,因此總對中大尺寸屏幕投入了比同行更多的關注和資源。

小尺寸OLED屏幕的路線當時已經確定,用蒸鍍工藝量產幾乎沒有太多障礙。但中大尺寸的OLED依然沒有成功量產的先例。OLED路線的領先者三星嘗試過用同樣的蒸鍍工藝做大OLED屏幕,以失敗告終。

做OLED屏幕,最關鍵的環節是把紅綠藍發光材料均勻地放到玻璃背板上特定的位置。蒸鍍工藝需要制作金屬掩膜板,并通過真空蒸鍍設備將發光材料逐層沉積到基板上。掩膜板微米級厚,相當于頭發絲的數十分之一。如果做中大尺寸屏幕,就要把掩膜板做大,效果很難保證。

印刷OLED技術則提供了新的解決方案,尺寸的升級只需要增加印刷設備上的噴頭等設備,理論上可以大大降低成本,也更具可行性。TCL華星決定選擇印刷OLED作為研究方向。

然而,2013年LG Display利用蒸鍍工藝成功推出了55吋的OLED屏幕,迅速引起業界廣泛關注。LG Display的成功并非傳統蒸鍍工藝的簡單延伸,而是采用了 “白光 OLED” 技術,即通過蒸鍍三層白光材料,再加上濾光片實現紅綠藍三色顯示。類似的還有后來三星主導的藍光OLED方案,蒸鍍3層藍光材料,覆蓋量子點材料,轉換出紅綠顏色,稱為 “QD-OLED”。

研究人員被分成紅藍軍,兩條技術路線同時推進:一方面跟進LG Display的 “白光OLED” 方案,另一方面繼續深入研究印刷OLED技術。 

率先有進展的是印刷路線。2014年TCL華星與TEL合作,利用愛普生研發的打印設備,成功制作出了31吋OLED屏幕樣品,并成功點亮。這一成果初步驗證了印刷OLED的可行性。

2015年的國際信息顯示大會(SID)上,李東生發表題為《顯示產業浪潮中的中國力量》的演講,明確表態支持印刷OLED技術,稱其有可能成為新一代的大尺寸顯示技術,“未來將要像印刷報紙一樣生產屏幕。”

同年,TCL投資印刷OLED設備公司Kateeva,開始組建4.5代印刷OLED實驗產線。到2017年,TCL華星已經成功開發出了31吋透明印刷OLED屏幕,進一步驗證了技術的可行性。

但隨著研究的不斷深入,他們需要做出選擇:屏幕行業是一個資本高度集中的領域,研發一個新工藝往往需要投入數百億元資金,而同時推進多個技術路線幾乎不可能成功。

印刷OLED當時并不被行業看好,跟著同行驗證過的方向研發更安全。但對于TCL華星來說,這條路線有其他技術路線無法比擬的優勢:它基本不會受到行業領先者專利和供應鏈制約,能讓他們走出一條獨立的道路。TCL華星認為這條技術路線有著巨大的潛力。他們堅定了繼續推動印刷OLED的決心。

難跨越的量產鴻溝

2019年,TCL華星的小尺寸OLED屏幕產線t4在武漢量產,積累7年的OLED研發中心把重心轉向印刷OLED工藝,調動更多專家籌備量產。

曹蔚然就是核心成員之一。他博士畢業于佛羅里達大學,主要從事量子點顯示技術和液體材料加工光電器件基礎理論和工程化研究。

2015年8月,曹蔚然加入當時的TCL集團工業研究院,負責TCL在量子點顯示技術的研發。量子點是一種無機發光材料,可以作為光轉換層或者發光層,提升顯示效果,也是屏幕行業的重點研發方向。一位工程師評價:“曹博是做科研的高手,能抓住本質問題。”

現任印刷OLED中心面板工程部部長李朝暉也在同期加入。李朝暉曾在中科院工作,2017年加入TCL華星后,前期主要負責11代產線(t6)的首支產品量產導入及新技術驗證,并推動提前量產,為后續高端產品的導入提供了技術可行性方案。

籌建量產線的難度極高。技術的瓶頸、資源的短缺、供應鏈的不完善——像一道道壁壘一樣,阻擋他們前進的腳步。

“供應鏈主要看三個方面,交付時間、規格和價格,但在印刷OLED領域,一個環節的供應商只有一到兩家。”2014年加入印刷團隊的郝鵬說,“結果就是處處博弈不過人家,價格難談、交付時間無法保證,還不一定能滿足規格要求”,而且 “出了他們那個門,不一定找得到東西”。

TCL工業研究院副院長付東當時每個月都要出國。日本、韓國、美國、歐洲——幾乎所有可能的供應商,他都跑遍了。團隊每個月測試的器件和材料數以千計,為量產提供依據。

為了證明技術的可能性、吸引關注和投資,曹蔚然加入團隊后,啟動了 “卷軸” 屏幕項目,這種屏幕可以橫向拉開,收起時像畫一樣卷起,他們將其稱為 “圣旨”。后來他們還開發出了可以上下卷、四周向內彎的屏幕。曹蔚然把這種特征鮮明的產品形容為 “出奇兵”:“你得吸引住大家的目光,不然就沒聲音了。”

面向量產的挑戰不止于此。連 “產品質量能夠長期穩定” 這個最基礎的要求,研發早期都很難做到。

曹蔚然還記得,參加國際展會時,團隊常常帶著多塊屏幕。因為一塊屏幕展示沒多久就會出現顯示質量下降的情況。所以他在做完卷軸屏幕后提出的第一個關鍵目標,是延長屏幕的使用壽命。

這是印刷OLED工藝最棘手的問題,壽命較短一定程度上是印刷工藝本身造成的。“屏幕器件是一個三明治結構,底下是陽極,最上面是陰極,中間是有機發光材料。陰極和陽極之間的距離會影響光學微腔,發光效率,色度均勻性等,需要平衡設計。”TCL華星印刷OLED中心面板設計部部長韓佰祥說,印刷過程中,滴加的發光材料容易出現厚度不均的情況,造成 “咖啡環” 效應,影響顯示效果和壽命。 

曹蔚然提出換用無機陽極材料的方案,最終成功把打印的材料做的更薄,緩解印刷工藝容易帶來的成膜均一性問題。“曹博加入后,做了很多類似的實驗,通過不斷嘗試,器件的性能有了大幅提升,越來越接近量產的標準。” 韓佰祥說。

但能否順利建成量產線依然充滿不確定性。當時屏幕行業正值下行周期,如果貿然投資,短期無法收回成本,就會加大公司的負擔。團隊提出了一個折中的提議:建立一條中試生產線。這既是對量產的鋪墊,也是對風險的一種測試。他們預估需要投入80億元人民幣,但最終這項計劃沒有通過。

沒有更先進的產線,無法驗證新的技術設想。研究似乎陷入瓶頸。與此同時,同樣研發中大尺寸OLED屏幕的LG Display、三星等公司,正在加速迭代技術。多位工程師回憶道,那是他們 “情緒最低落的時候”。

20億元投資換來跨國合作機會,

但疫情也來了

轉機很快出現。TCL華星找到了一個方式,能更實惠地驗證其技術能否量產:借用 JOLED(一家專注于開發和生產用于中小尺寸顯示器的印刷式OLED面板的企業,總部和工廠位于日本) 在2019年中建成的量產線當作中試線。

“談判非常辛苦,” 曹蔚然說。“他們覺得自己剛建成量產線,你們想過來投資,我憑什么要你的錢?”

直到2020年4月,JOLED才同意合作,但條件極其苛刻:TCL要向JOLED注資20億元;合作期僅有三年,且只幫TCL華星試產一個產品,最多三期。

當時疫情在全球爆發,嚴重程度遠超團隊預期。協議簽訂后,雙方幾乎無法正常溝通與推進,時間在等待中流逝,合作期也在倒計時。 

11月,日本政府放寬了入境限制,TCL華星終于能派出20多位工程師搭乘航班,前往位于日本西海岸石川縣的JOLED工廠。

到JOLED工廠的旅程異常艱難——上飛機前必須穿戴防護服,到達東京后,需等待4小時以上的核酸檢測結果才能入境。因為被禁止乘坐公共交通,他們只能乘坐小巴去工廠——這段旅程耗時整整25小時,“身上被防護服憋出了一股怪味。”

工程師們到日本沒多久疫情又開始惡化。當日本計劃再次封鎖邊境,TCL華星火速安排了第二批工程師前往。“所有持有簽證的同事都來了,差不多有十多人。” 郝鵬說。

到了JOLED的產線,郝鵬第一個感覺是驚訝:如此落后的背板工藝,竟然可以支撐印刷OLED量產?

在顯示面板領域,OLED產線通常分為三段:首先是Array段,在玻璃上用曝光機刻好電路,整個過程與造芯片類似,只不過精度更低;然后是EL段,在處理好的玻璃基板上加發光材料,再封裝好,這是印刷工藝與蒸鍍工藝區別最大的環節;最后是模組段,切割加工好的屏幕,然后加上與硬件其他部分交換信號的元器件等。

JOLED的產線建立在其收購而來的能美工廠上,幾乎原封不動地繼承了其Array段。2012年,能美工廠為蘋果供應 iPhone 5上的LCD屏幕,當時是行業內領先的產線。但放到2020年,能美工廠只是日本顯示面板行業的余暉之一。 

工程師們有了更多信心:如果TCL華星用上最新的Array工藝和JOLED同款設備,配合過去10多年的屏幕量產經驗,量產印刷OLED就不會有什么難題。

合作開局并不順利。“JOLED并不愿意開放,在他們看來,我們只不過是學生。” 郝鵬說。TCL華星的工程師只能提出需求,后續的產品設計、生產,全部由JOLED的人完成,結果很失敗:生產出來的屏幕不能點亮。

團隊的目標是生產出65吋的屏幕。他們自己建的4.5代實驗產線無法生產,放在JOLED產線上,一個玻璃基板也只能做一塊。

JOLED的失敗給了TCL華星工程師介入的機會。剛開始不管他們怎么做,都難以做出能點亮的屏幕,而雙方的合作倒計時即將走完一半。

工程師們分析,良率問題90%的出在Array端。“本來設備就很老舊,JOLED還給了一個最舊的。” 郝鵬說,他們一開始想的辦法是把設備修好,但嘗試許久后放棄,“已經修不好了。”

2022年5月,合作簽訂近兩年,無數次失敗后,他們終于造出了能點亮的65吋屏幕。 

隨著合作進入倒計時的第三年,JOLED的經營問題愈發嚴重,破產的陰影逐漸逼近。為了保證合作能夠繼續下去,TCL華星不得不追加投資,但這一切似乎都無濟于事。 

為了應對不確定性,他們沒有在后來的合作中大幅度更改屏幕設計,只是在65吋屏幕上迭代,把它做成能上下折疊狀態。同時他們也開始梳理過去兩年的合作,力求補上遺漏的目標。 

“在日本,我們一點點把印刷OLED從前到后的工藝流程全部打通,完整經歷了良率從個位數提升到十位數,甚至數十位的過程。” 韓佰祥說,“這給了我們極大的信心。”

JOLED破產了,印刷OLED沒有

2023年3月27日,JOLED宣布破產的那天,曹蔚然正身處日本。櫻花盛開的季節,他的時間被來自TCL內部、TCL的投資人和顯示同行們如潮水般涌來的問詢吞噬。

當時TCL華星給出的公開回應是,與JOLED的合作開發,讓他們進一步確認了印刷 OLED技術方向的可行性,而且在相關技術突破、研發人員能力方面進步明顯,形成完整的技術體系和專利矩陣。

“但大家都覺得我們投了20個億,是一次失敗的投資。” 曹蔚然說。面對JOLED的破產,TCL華星提出多種解決方案,反復溝通到最后,只剩下一個選擇——買下JOLED產線中的印刷設備,自己建產線。

這個選擇依然有風險。作為領先者的JOLED都破產了,印刷OLED前景可能沒那么樂觀。最后董事長李東生拍板:方向已經定下,而且已經有了成果,不能在此時動搖。

多位工程師后來感慨,如果沒有高層們堅定支持,他們很難把技術推進到現在這個程度,“就算是行業下行周期,公司把團隊保護得很好。” 

經過一番艱難談判,TCL華星最終以股東身份成功競購了JOLED的設備,開始了拆運的巨大挑戰。“拆運設備我們有經驗,但跨國搬遷還是頭一次。” 曹蔚然說,“幾乎沒多少人覺得我們能做成。”

拆運團隊到場的時候,JOLED已經把廠房賣了。“留給我們的時間很短,有些設備前后只有28天的時間。” 拆運項目負責人李朝暉說,如果到時候搬不回來,對方就會把它們當廢品處理,還得TCL華星付清運費。

時間緊迫,設施狹小,拆卸工作異常艱難。“大型輔助機器進不去,不少設備只能靠人搬。” 李朝暉說,那段時間他們最擔心工人的安全問題——為了保證運行時穩定,許多設備中都塞滿了大理石。

在3個TCL華星高級副總裁牽頭,數十名工程師和供應商夜以繼日工作下,他們提前完成了拆運工作。2023年12月,超過三千個集裝箱、上萬噸的設備抵達武漢。

如果只是復刻一遍JOLED產線,TCL華星不會遇到太多困難,但他們還希望能夠改造升級,難度不亞于從頭新建一條量產線。

李朝暉不愿意多談困難。“經歷過t6建廠,在我看來(建產線)困難都是可解的問題,只要有時間。” 他說。

TCL華星負責打印環節設備的袁夏梁舉了一個例子,拆除、搬運和運輸過程中,不少設備的包裝破損,進入灰塵。在屏幕生產過程中,灰塵是良率殺手。僅清理烘烤機中的灰塵,就投入數個工程師做了一個多月。

接受我們訪談前幾天,韓佰祥和同事們聚在一起聊天,大家分享手環中記錄的睡眠狀況:從設備安裝開始,過去大半年,手環畫出了一個U型曲線,直到屏幕點亮,產線趨于穩定后,睡覺時間才長了一些。

11年的投入、摸索和積累,TCL華星終于邁過量產的門檻。但在曹蔚然看來,這不過是階段性的成功。

當前量產的印刷OLED ,是一款用在醫療產品上的21吋、4K屏幕,而不是他們剛開始設想的電視大屏幕。這多少讓為此奮斗多年的工程師們感到失望。

“技術投資是為了實現商業價值,研發人員必須承認市場趨勢、尊重市場規律。” 曹蔚然曾接受采訪說。今年10月,他給團隊提出了新要求,用1-2個月時間,做出來一款沒有缺陷的印刷OLED屏幕。

“量產的很多屏幕都不算完美,但不影響正常使用。” 韓佰祥說,“可只有挑戰極限,才能讓別人相信你真有實力。”

未來1-2年,TCL計劃用當前的量產線生產直接面向C端消費者的產品,把屏幕嵌入到筆記本、平板、顯示器中。

2023年開始,越來越多電腦廠商推出內置本地大模型的AI PC,它們對算力要求更高,導致能耗提升,從而需要更節能的屏幕,OLED可能是更合適的選擇。市場調研機構Omdia估算,2023年到2031年,筆記本(移動 PC)市場對OLED顯示屏的需求將以 37% 的年復合增長率增長。

相比5年前,現在TCL華星的印刷OLED團隊有了更多信心。這種信心與過去他們建成蒸鍍OLED有明顯不同,它更偏向對技術有全面掌控力后的自信。“相比蒸鍍工藝,我們對印刷OLED專利和供應鏈掌控力提高了數倍。” 袁夏梁說。

今年6月的那個夜晚,工程師們見證自己親手研發的屏幕點亮后走出工廠,已經是凌晨時分。袁夏梁說:“大家一路上都在討論還有哪些改進空間,把它們列入待辦清單,第二天上班后,就開始一個個解決。”

“市場不會再給我們十年時間了。” 曹蔚然說,“每一代產品都有上市周期,趕不上就要等下一個。現在屬于技術百家爭鳴的時候,如果不沖上去,技術就被別人給搶先,再上就很難。”

印刷OLED賽道上,TCL華星已經沒有對手,甚至都沒有同行者。但他們知道,還有更高的山峰矗立在面前。

 

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