柔性有機發光二極管材料與器件研究進展

李　琛，黃根茂，段　煉，邱　勇

(清華大學化學系 有機光電子與分子工程教育部重點實驗室，北京 100084)

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柔性有機發光二極管材料與器件研究進展

李琛，黃根茂，段煉，邱勇

(清華大學化學系 有機光電子與分子工程教育部重點實驗室，北京 100084)

摘要：有機發光二極管(Organic Light Emitting Diodes, 簡稱OLED)是全固態的薄膜發光器件。由于OLED的可柔性制備、低驅動電壓、低功耗等優點，其在未來的可穿戴應用上具有廣闊的發展前景。目前，小尺寸的OLED顯示器已經實現商業化，大尺寸的OLED電視和照明也已有產品問世，但OLED器件的可穿戴應用尚處于探索期。綜述了近年來基于可穿戴應用的柔性OLED材料及器件技術的研究進展，具體介紹了柔性基板材料、柔性薄膜晶體管材料、柔性OLED發光層技術、柔性薄膜封裝材料與技術等方面的研究進展。此外，介紹了近幾年來興起的一些新型的柔性器件制備技術，如柔性纖維布基底技術、纖維狀聚合物發光電化學池技術、對稱平面層器件結構和狹縫涂布式印刷技術等。最后，對柔性OLED材料與器件技術的發展趨勢進行了展望。

關鍵詞：有機發光二極管；可穿戴設備；柔性器件材料；柔性制備技術

1前言

早在20世紀60年代，Pope等[1]就發現了有機半導體的電致發光現象。1987年，美國Kodak公司的Tang等[2]采用有機小分子半導體材料研制出低電壓、高亮度的有機發光二極管(OLED)，第一次展示了有機發光器件的廣闊前景。目前，OLED的發光效率和穩定性已經能夠滿足中小尺寸顯示的要求，并廣泛應用在儀表和智能手機領域；大尺寸的OLED電視機也已開始進入市場。作為一種新型的平板顯示技術，OLED具有寬視角、超薄、響應快、發光效率高等優點，是全球公認的液晶后的下一代主流顯示器。同時由于具有可大面積成膜、功耗低等特性，OLED還是一種理想的平面光源，在節能環保型照明領域具有廣闊的應用前景。由于OLED是全固態的薄膜器件，且采用有機材料、無定形材料制備，因而在柔性器件方面具有天然的優勢，也使其成為可穿戴智能設備領域中重要的技術。

OLED的發光原理類似無機的二極管發光：在外界電場的驅動下，電子和空穴分別由陰極和陽極注入到有機電子傳輸層和空穴傳輸層，并在有機發光層中復合生成激子，激子輻射躍遷回到基態并發光。OLED為全固態的器件，在進行彎曲折疊的過程中亦能正常工作，因此易于制備柔性器件；基于高分子的有機發光二極管(PLED)[3]具有可全濕法制備的特點，在柔性顯示領域具有很大的應用潛力。

隨著可穿戴智能設備的興起，OLED柔性器件的制備技術也得到了蓬勃的發展。目前，三星的Galaxy S6智能手機、蘋果的apple watch智能手表等均已經采用了柔性OLED技術。本文將對近年來柔性有機發光器件的一些技術進展進行概述，主要內容涵蓋柔性基板材料、柔性薄膜晶體管(TFT)材料、柔性OLED發光層技術、柔性薄膜封裝技術等方面。

2柔性有機發光器件技術

從技術發展階段來看，柔性顯示可分為可彎曲屏幕、可折疊屏幕、自由柔性屏幕3個階段。目前，OLED顯示技術的主流是有源驅動OLED(AMOLED)技術。大部分的柔性OLED產品都還處在初級的可彎曲屏幕階段，而這一階段的研發也主要圍繞著柔性基板、柔性TFT背板、柔性OLED發光層與薄膜封裝這幾個關鍵技術點來進行。

2.1柔性基板技術

柔性基板包括金屬箔、薄化玻璃、塑膠基板等。金屬箔因為透光性能差，在使用上受到較大的限制，而薄化玻璃最大的問題在于易碎裂。以聚酰亞胺(Polyimide)為主的塑膠材料由于透明且不易碎裂，在業界已經成為制備柔性基板最為流行的材料。但是，塑膠材料用在柔性基板上也面臨著幾個重大技術問題。

首先是基板本身的耐熱、光學、機械以及阻水氧穿透等方面性能能否滿足器件應用需求。①塑膠基板的耐熱特性包括熱裂解溫度、玻璃轉移溫度、熱膨脹系數等。以當前流行的低溫多晶硅(LTPS)驅動工藝為例，塑膠基板必須歷經多次至少400 ℃以上的溫度考驗以及在真空鍍膜時的電漿轟擊，基板材料具備耐熱穩定性與分子層次的化學穩定性是技術成功的關鍵。②光學特性則包括光穿透度、光色澤、折射系數等，特別是對于底部發光的顯示模式(光從柔性基板面發出)，作為顯示器的顯示面基板，其優異的光學特性是成像質量的關鍵。③機械特性包括表面平坦性與粗糙度、表面硬度、機械強度等，因為顯示器必須能承受人為的觸碰，以及可穿戴、可收納等嚴苛環境考驗，所以使用過程能夠不受損傷也是重要的一環。④至于阻水氧穿透特性，則包括水氣穿透率(Water Vapor Transmission Rate，簡稱WVTR)及氧氣穿透率 (Oxygen Transmission Rate，簡稱OTR)，此兩個參數最常被用來說明基板封裝阻水能力的好與壞。通常來說，OLED壽命要達到10 000 h以上，封裝的WVTR須小于1×10-6g/m2/day，而OTR則須小于1×10-5g/m2/day[4]。而現行塑膠基板阻水氧特性皆在1 g/m2/day以上，因此柔性AMOLED須在柔性基板上再搭配阻隔層(Barrier Layer)，才達到有效的阻水氧穿透特性。如何在柔性顯示器上制造類玻璃封裝般的高信賴性封裝結構且具備撓曲特性，是提高柔性AMOLED壽命最重要的課題。

2.2柔性薄膜晶體管(TFT)

柔性TFT背板是驅動柔性AMOLED面板最為關鍵的技術，現階段研發的技術包括硅基晶體管(Silicon TFT，簡稱SiTFT)、有機晶體管(Organic TFT，簡稱OTFT)以及金屬氧化物半導體晶體管(Metal-Oxide TFT，簡稱MOxTFT)。以上3種技術，可在不同低溫下制作，故可與柔性塑膠基板搭配。

為了將TFT制作于柔性基板，工藝溫度須符合基板所能承受的耐溫極限。同時，低溫成長的薄膜其本質應力較小，更適合于柔性器件所使用。然而，低溫沉積的薄膜其膜內缺陷比高溫沉積的高，從而影響器件的電學性能與可靠性表現，因此工藝溫度也須兼顧薄膜的電氣特性而不能無限制地降低。

由于硅基技術相較于其他材料較為成熟，目前仍以柔性硅基TFT背板技術最為普遍，主要包括非晶硅(Amorphous Silicon，簡稱a-Si)TFT和低溫多晶硅(Low Temperature Poly-Silicon，簡稱LTPS)TFT。其中a-Si TFT具有工藝簡單和器件均勻性好的優點，但是由于a-Si的載流子遷移率過低(~1 cm2/V·s)[5]，其過低的電流難以驅動AMOLED。目前業界主要還是以LTPS TFT(載流子遷移率~100 cm2/V·s)[6]來驅動AMOLED器件。

2.3柔性OLED發光層

單就OLED發光層而言，柔性基板與傳統玻璃基板的工藝基本上是兼容匹配的。但是，作為傳統AMOLED器件的導電陽極材料ITO，已經無法適應柔性顯示應用，尋找新型導電材料以取代ITO，也成為了柔性顯示中非常重要的研究課題之一。

在柔性顯示中，由于彎曲或卷曲應用情況的存在，ITO很容易發生斷裂而導致器件失效。所以，新型的替代材料除了透明、功函數匹配以及導電性好之外，還需要非常好的材料延展性。目前的研究主要集中在超薄金屬陽極、銀納米線(Ag Nano Wire，簡稱AgNW)和石墨烯(Graphene)上。

通常來說，陽極基底的材料應滿足折射率大于1.8的要求才能實現比較有效的光取出，而一般的塑料基底折射率都小于1.5，導致光取出效率不高。呂正紅等[7]提出了一種基于塑料基底的超薄金屬陽極材料(圖1)，這種陽極材料由濺射在聚碳酸酯(Lexan)塑料基底上的Ta2O5/Au/MO3構成。相比于傳統的ITO/MO3材料，采用這種陽極的白光器件外量子效率由25%提升到40%。當采用折射率達到1.55的鏡片增加光取出后，器件的外量子效率達到了60%。這種陽極材料由于可以直接濺射在柔性的lexan或者lens基底上，在柔性制備上具有ITO無法比擬的優勢。

圖1　超薄金屬陽極材料及白光器件結構示意圖(a)、能級圖(b)和實物照片(c)[7]Fig.1　Device structure (a), energy level graph (b) and photograph (c) of the white OLED device based on the ultra-thin metallic anode [7]

銀納米線除具有銀優良的導電性之外，由于納米級別的尺寸效應，還具有優異的透光性、耐曲撓性[8], 因此被視為是最有可能替代傳統ITO透明電極的材料，為實現柔性顯示提供了可能。目前，制備柔性銀納米線透明導電薄膜普遍采用涂布印刷的方法。這種方法制備的銀納米線表面電阻達到~15 Ω/sq，透光率為83%。柔性銀納米線透明導電薄膜與傳統的 ITO膜相比，具有更多的優勢：穩定性和彎曲性能良好、對濕度和高溫呈現出較強的惰性、薄膜彎曲多次后對電阻產生的影響很小。但是，銀納米線的空穴注入效率偏低，需要配合其他材料來提高整體材料的效率。Li等[9]報道了在柔性有機發光電化學池(LEC)陽極結構中使用納米復合物光驅出結構提高器件效率(圖2)。鈦酸鍶鋇納米顆粒分散于聚合物基體中以提高光驅出效率，碳納米管和銀納米線則作為電極沉積在基底表面。綠光器件10 000 cd/m2亮度下電流效率達到118 cd/A，最大外量子效率為38.9%，效率比基于玻璃/ITO的器件提高246%；白光器件效率為46.7 cd/A，外量子效率達30.5%，效率提高224%。他們制備的柔性LEC在曲率半徑3 mm反復彎曲測試下器件性能無明顯衰減。

Pei等[10]近年多次報道了可拉伸柔性的有機發光電化學池(LEC)器件。2011年，他們采用了低電阻、高透明度和低表面粗糙度的碳納米管聚合物復合電極結構，這種復合電極在拉伸長度50%以內電阻變化不大。他們制備的發光器件可被拉伸45%而無顯著性能下降。這是世界上第一個電極、半導體和電介質層均可被拉伸的有機發光器件。2012年， Pei等[11]又使用了銀納米線聚合物復合材料制備了可拉伸的透明電極。當拉伸50%時，電極方塊電阻僅升高了2.3倍，即使是在往復拉伸600次后方塊電阻也只升高8.5倍。

石墨烯是已知的世界上最薄、最堅硬的納米材料，單層石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光; 常溫下其電子遷移率超過15 000 cm2/V·s, 比納米碳管或單晶硅高，而電阻率只約10-6Ω·cm，比銅或銀更低[12]。由于石墨烯實質上是一種透明、良好的導體，非常適合應用于AMOLED的透明導電陽極。正是看到了石墨烯的應用前景，許多國家紛紛建立石墨烯相關技術研發中心，嘗試開發石墨烯商業化技術，進而在電子相關的工業技術領域獲得潛在的應用專利。

石墨烯應用于OLED陽極的一個重要問題是石墨烯的功函數比較低因而不能實現有效的空穴注入。韓國浦項科技大學的Lee等[13]利用具有漸變功函數的自組裝注入層(GraHIL)修飾石墨烯(圖3a)，成功制備了高效率的基于石墨烯透明陽極的柔性OLED器件。對比傳統的ITO陽極，這種石墨烯陽極的綠光器件電流效率由81 cd/A提升到98.1 cd/A，并且器件具有良好的柔性(圖3b)。這種石墨烯陽極在柔性及可卷曲的全彩顯示和固態照明上具有廣闊的應用前景。

圖2　柔性納米復合物陽極光驅出LEC器件結構示意圖及效率[9]Fig.2　Schematic diagram of wave guide mode and current efficiencies of the LEC devices using nano-compounds as transparent anode [9]

圖3　GraHIL修飾的石墨烯陽極的空穴注入機理示意圖(a)；綠光器件照片(b)；綠光器件電流效率(c)[13]Fig.3　Schematic diagram of hole injecting mechanism of the GraHIL modified graphene anode(a); photograph of the green light device(b); current efficiency of the green light device(c)[13]

2.4柔性器件的薄膜封裝

傳統的AMOLED器件封裝使用玻璃封蓋加環氧樹脂密封以及干燥劑吸收水氣來實現，可以很好地提高器件的壽命。但對于柔性顯示而言，這種方法的局限性很大。因為玻璃是剛性很強的材料，彎曲會影響到其密封性。因此，業界針對柔性顯示發展出了以薄膜封裝(Thin Film Encapsulation，簡稱TFE)為主的柔性封裝形式。目前主流的TFE技術是采用具有高阻隔水氧能力的膜層即阻隔層(多采用致密氧化物材料如Al2O3、SiO2、Si3N4等)[14]，此類材料的阻隔能力隨著膜層厚度增加而提升，但達到某一厚度后就不再增加。為了使封裝能力達標，一般采用具有平坦化能力的膜層對表面進行“修復”平整，消除表面缺陷后再沉積阻隔層，即可超越單層阻隔層的封裝阻水氧能力。

薄膜封裝對設備和工藝的要求相對較高，相應的良率較低使成本居高不下，因此，業內發展了新的封裝方案，即用薄膜封裝與高性能阻水膜結合進行，稱之為復合封裝[14]。通過在柔性基材的薄膜上沉積具有阻隔能力的單層或多層的高性能阻水膜，其WVTR可以達到10-4g/m2/day數量級。該膜層也可用于對柔性顯示器件的封裝，但因其本身WVTR不足以實現OLED封裝，考慮到TFE的高成本，柔性顯示器生產過程中通常先在OLED表面沉積單層或多層高阻隔水氧能力的薄膜，然后利用高性能阻水膜貼合整個基板，以達到性能和成本的平衡。

Kim等[15]報道了低功耗的柔性有機發光顯示器件。他們首次制備了含薄膜封裝層(TFE) 覆蓋的微腔和低溫濾光片(LTCF)的柔性頂發光OLED器件。LTCF和微腔被用于減少光反射，從而提高效率。通過這種新型光學結構設計，器件對比度在500 lux下達到14∶1，暗室中達到150 000∶1。 這種結構的柔性OLED器件功耗比目前普遍使用的基于極化膜的OLED技術降低了30%。

2.5其他柔性器件技術

可折疊屏幕的特點是其可以沿某一中線以極小的曲率半徑(一般小于3 mm)折疊，因此其攜帶更為方便，這種顯示設備對彎曲度有了更高的要求。目前AMOLED仍是最有潛力實現可折疊屏幕的技術。可折疊屏相比可彎曲屏幕需攻克的技術難點有：基板軟硬拼接折線處的無痕化和耐彎曲封裝技術等。

自由柔性屏幕的特點是整體都可以自由彎曲，彎曲次數應大于十萬次，產品厚度小于0.5 mm，因此其更容易穿戴。該技術對彎曲屏幕的材料疲勞特性提出更高的要求，因此在材料和設計上需要革命性突破。

韓國高等技術研究院的Kwon等[16]利用柔性纖維布(Fabric)作為載體，制備了如圖4a所示的基于Alq3發光的OLED器件。這種器件能夠自如地進行彎曲，并且在5 mm曲率半徑進行1 000次彎曲之后，電流效率依然變化不大，保持在9 cd/A左右。這種器件在可穿戴設備中可能得到應用。他們還采用浸漬涂布(Dip-Coating)的方法[17]，制備了PLED器件(圖4b)，這種器件有可能通過紡織的方法應用于衣物中，從而為可穿戴器件的應用提供更多可能性。

圖4　基于纖維材料基底的OLED器件(a)和PLED器件(b)[16-17]Fig.4　The OLED device (a) and the PLED device (b) based on fibric substrate [16-17]

圖5　纖維狀聚合物發光電化學池的制作流程(a)、實物圖(b)及效果圖(c)[18]Fig.5　Fabrication process(a), photograph(b), and lighting picture(c) of polymer fibre based LEC [18]

彭慧勝等[18]提出了一種基于可穿戴設備的有機發光器件制備方法。他們利用全濕法的方法，以金屬線為陰極，氧化鋅為電子注入層，聚合物為發光層，并利用碳納米管薄片卷在器件外部作為陽極，制作了如圖5所示的纖維狀聚合物發光電化學池(PLEC)。這種方法制備的器件具有如下優點：全濕法制備制作成本低、易于工業化推廣，與觀察角度無關的發光，通過改變聚合物可實現多種顏色，輕便、柔性可紡織等等。這些優點使得這種器件在可穿戴設備上具有廣闊的應用前景。由于可折疊器件要求曲率半徑較小(3 mm)，因而對有機發光功能層的耐彎折性提出了更高的要求。而在器件中，靠器件中心線越近的位置在彎折中所受的切面應力越小，如圖6a所示。利用這一原理，一種對稱平面疊層(Symmetric Panel Stacking，SPS)的柔性器件設計方案被發展出來(圖6b)。SPS方案相對于傳統的CPL(Circular Polarizer)方案，OLED功能層處于更中心的位置，因而避免了彎折過程中對發光層的過度破壞，從而可能更具有耐用性。臺灣AU Optronics公司的Lee等[19]對比了基于SPS方案和CPL方案的兩種柔性OLED器件。SPS方案下的器件不僅在高溫(60 ℃)/高濕度(90%)測試下相比CPL器件保持了更好的器件穩定性，而且在經過曲率半徑為3 mm的正向和反向彎折之后，畫質沒有減弱。

圖6　切面應力示意圖(a)和對稱平面疊層器件方案示意圖(b)[19]Fig.6　Schematic diagrams of shearing stress (a) and the symmetric panel stacking device structure (b) [19]

此外，一些濕法的柔性制備技術也被開發出來。Edman等[20]使用狹縫涂布方式(Slot-die Coating)印刷柔性有機發光電化學池(LEC)器件(圖7)。器件結構為：PET/PEDOT∶PSS/發光層/ZnO納米顆粒，發光層為商品化的共軛聚合物superyellow, 摻雜KCF3SO3和聚氧化乙烯(PEO)。他們首先在柔性PET襯底上通過滾筒卷涂ZnO納米顆粒作陰極，再滾筒卷涂有機功能層，最后以同樣的方法制備陽極，器件制備過程完全在空氣中進行。該方法制備的黃綠光LEC器件電流效率為0.6 cd·A-1， 10 V下亮度為150 cd·m-2。這種方法為采用連續滾筒式(Roll-to-Roll)方法制備廉價柔性有機電致發光器件提供了思路。

圖7　狹縫涂布方式印刷制備柔性高分子有機電致發光器件[20]Fig.7　Printed flexible OLEDs fabricated by slot-die coating method [20]

3結語

目前，OLED技術在小尺寸平板顯示領域已經實現了市場化應用，在大尺寸平板顯示領域也開始逐漸商業化。但是對于柔性及可穿戴OLED器件而言，在柔性基板、柔性TFT、ITO替代陽極及柔性封裝技術上都還有很大挑戰。柔性及可穿戴應用還要求器件具有很強的耐彎折能力或耐磨損能力，這對器件的各層薄膜材料的力學性能提出了較高的要求。總體來說，可替代ITO的柔性陽極材料、透明TFT材料、多樣化的柔性基板材料、滿足曲率半徑小于3 mm的耐卷曲器件是近些年研究的重點。用布和金屬線等特殊材料為基底制備的器件，由于可與紡織衣物結合，在可穿戴器件領域可能大有可為，也是一個值得探索的研究課題。此外，OLED發光層薄膜本身在卷曲、折疊等力學作用下的穩定性問題也是一個可以在理論和實驗上深入研究的課題。

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(編輯惠瓊)

蘭州化物所納米多孔結構光陽極材料研究獲系列進展

光電催化分解水制氫可實現太陽能到化學能的轉化，是獲得清潔能源的一個重要途徑。如何發展具有高效太陽能光電催化性能的半導體光陽極材料是實現太陽能清潔應用的關鍵問題。納米多孔半導體材料因其較高的比表面積、良好的光吸收等優異性能，在太陽能光電催化研究領域備受關注，然而納米多孔材料的光吸收及其光電催化作用機理有待于深入研究。

中國科學院蘭州化學物理研究所研究員畢迎普帶領的能源與環境納米催化材料組在半導體納米多孔結構光陽極材料研究領域取得新進展。該課題組在前期鉍系半導體納米材料可控構建及其光電催化性能研究基礎上(等)，通過涂層焙燒法在FTO基底生長了孔徑在200至700 nm范圍內可控的納米多孔結構BiVO4光陽極材料。對其光電催化分解水制氫進行研究，結果表明多孔結構BiVO4的孔徑為400 nm時其可見光光電催化性能最佳。對其光學特性及光生載流子遷移進行研究，結果表明孔徑為400 nm時該材料表現出優異的多孔光學衍射及干涉作用，有利于可見光在多孔結構BiVO4光陽極中有效傳輸，從而提高可見光吸收效率。此外，該陽極材料的納米多孔結構有利于光生電荷快速分離，并且遷移至表面的光生空穴較易與H2O發生氧化反應。該研究結果證實合理調控半導體孔徑可作為一種有效方法用于提高半導體光電催化分解水性能。相關研究成果發表在Nanoscale(Nanoscale, 2015, 7, 20374)上。

(來源：中國新材料網)

Recent Advances in Organic Light-Emitting Diodesfor Flexible Applications

LI Chen, HUANG Genmao, DUAN Lian, QIU Yong

(Key Laboratory of Organic Optoelectronics & Molecular Engineering of Ministry of Education,

Department of Chemistry, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract：Organic light-emitting diodes (OLEDs) are solid state light emitting devices. They have broad prospects in the field of wearable devices owing to their flexibility nature, low driving voltage and low power consumption. Small to medium size OLED displays have already been commercialized. Large OLED TVs and OLED lightings have also emerged in real applications. We review the most focused issues as well as the main progress in the field of flexible OLED technology in the recent years. The developing trends of flexible substrate material, flexible thin film transistor material, flexible OLED emitting layer and flexible thin film encapsulation layer are summarized. We also introduce some emerging flexible device fabrication technologies, such as flexible fabric substrate, polymer fibre based light emitting cell, the symmetric panel stacking device structure and slot-die coating technology. Lastly, we look to the prospect of the flexible OLED materials and devices technology.

Key words：organic light emitting diodes; wearable devices; materials for flexible OLEDs; fabrication technologies for flexible devices

中圖分類號：TN312.8

文獻標識碼：A

文章編號：1674-3962(2016)02-0101-07

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.02.03

通訊作者：段煉，男，1975年生，副研究員，博士生導師，

收稿日期：2015-07-14

第一作者：李琛，男，1989年生，博士研究生

Email: duanl@tsinghua.edu.cn