清華大學段煉教授Adv. Mater.:新型顯示技術引領柔性屏時代——機遇與挑戰

【引言】

柔性屏具有超薄輕巧、可彎折、低功耗以及高色純度等特點，具有廣闊的應用前景。近年來，產業界對柔性屏的需求不斷增長，這不僅是因為其成功實現商業化，更在于柔性屏深深影響了可穿戴設備的形態，大大擴展了其應用范圍。柔性有機發光二極管（flex-OLEDs）、柔性量子點發光二極管（flex-QLEDs）和柔性鈣鈦礦發光二極管（flex-PeLEDs）等顯示技術已被廣泛報道，其中柔性OLED已經商業化，而后兩者要真正實現應用、走進千家萬戶仍然面臨很多挑戰。近年來，新型柔性顯示技術取得了長足的發展，有必要對其發展進行總結回顧。

【成果簡介】

近日，清華大學段煉教授對柔性顯示中備受關注的三種顯示技術的進展進行了回顧，詳細闡述了有機分子、量子點、鈣鈦礦材料的發光原理和性質和發光二極管器件制備的基本方法，介紹了柔性基板、電極以及封裝等相關技術的發展，并總結了近年來報道的高效率柔性發光器件。最后，這篇綜述全面展望了這一領域的未來發展，以期幫助研究人員對柔性顯示的新興技術有一個全面的了解。該成果以題為“Emerging Self-Emissive Technologies for Flexible Displays”發表在Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

Figure 1.理想柔性顯示技術的主要特征

Figure 2.發光材料和柔性發光器件的發展歷程

Figure 3.OLED的器件結構和發光材料

Figure 4.柔性OLED和剛性OLED的效率發展比較

Figure 5.柔性OLED器件的制備技術

Figure 6.量子點發光材料和器件

a）量子點的量子尺寸效應

b）常用量子點的發射范圍

c）量子點核殼結構和典型光譜

d）不同尺寸和組成的量子點的發光情況

e）QLED的器件結構、能級以及基于不同電荷傳輸層（CTL）的四種類型的器件

Figure 7.干法取放轉印技術和凹版轉印技術的器件制備過程

Figure 8.鈣鈦礦發光材料和器件

a）鈣鈦礦的典型結構

b）CH₃NH₃PbX_nY_3-n的發射波長可調性（390-790 nm）

c）鈣鈦礦的CIE色度圖

d）不同維度鈣鈦礦的晶體結構

e）可見光范圍（RGB）鈣鈦礦LED的發展

f）PeLED的典型結構

Figure 9.柔性玻璃與聚酰亞胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯基板的透光率比較

Figure 10.柔性顯示技術中使用的基板材料性能比較

Figure 11.玻璃纖維-硅氧烷復合基底（GFRH）的表征

a）GFRH的制備過程

b）折射率不同導致的光散射示意圖

c）H-GFRH的橫截面SEM圖像

d）H-GFRH的AFM圖像

Figure 12.硅片和PET基板界面彎曲性能測試示意圖

Figure 13.透明電極的發展歷程和應用要求

Figure 14.以ITO為陽極的柔性器件表征

a）高彎曲度、透明網狀ITO電極示意圖

b）在彎曲100次前后，具有平面或網狀ITO電極器件的JVL特性

c）具有島狀ITO陽極的柔性QLED

Figure 15.以聚合物或金屬網格為陽極的OLED器件制備與表征

a）絲網印刷的制造過程

b）不銹鋼絲網織物的光學顯微鏡圖像

c）具有絲網印刷的PEDOT：PSS陽極的OLED器件結構

d）制作過程的示意圖

e）Ag PVD之后的單個納米孔

f）在均勻的PSP單層上沉積的Ti+Ag薄膜的低倍顯微鏡圖像

g）旋涂和較短的ICP-RIE序列后，在SiO₂襯底上的PSP單層

h）旋涂后的PSP單層

Figure 16.AgNWs柔性透明電極

a）AgNW柔性透明電極的制備過程示意圖

bc）PVB和AgNW/PVB薄膜的親水性

d）雙尺度AgNW網絡透明電極制備工藝及其在柔性OLED中的應用示意圖

Figure 17.AgNWs、石墨烯電極的制備和表征

a）噴涂電極制備的示意圖

b）AgNWs的AFM圖像

c）涂上EG層后的AgNWs膜的AFM圖像

d）在不同的AgNWs負載下，AgNWs和AgNWs-EG薄膜之間的反射率和透射率比較

e）使用轉移石墨烯以及基于Au-NP的石墨烯缺陷修復的電極結構制備過程的流程圖

Figure 18.單壁碳納米管電極的表征

a）SiO₂/Si晶片上SWCNT網絡的SEM圖像

b）暴露于環境空氣超過20個月的原始和摻雜HNO₃的SWCNT TCF的方阻變化

c）在5mm彎曲半徑下，SWCNT和市售ITO-PET TCF的方阻隨彎曲次數的變化

d）SWCNT和商用ITO-PET TCF的方阻與彎曲角度的變化

Figure 19.多層封裝中的缺陷抑制機制

a）每個封裝層中的裂紋產生示意圖

b-d）TEM分析顯示了多封裝層的橫截面圖像

e-g）彎曲前后的納米分層

h）由于鋅蝕刻，在納米分層結構的制備過程中自然裂縫的產生

i）通過微裂紋阻止裂紋

Figure 20.具有GraHIL的器件結構以及器件性能

a）GraHIL的能級圖，具有GraHIL的器件結構以及器件性能

b）帶有TiO₂層的器件結構，器件性能和彎曲試驗

c）GO / G異質結構電極的結構模型

d）石墨烯與OA之間電荷轉移絡合物的形成過程

e）以松香為載體的單層石墨烯

Figure 21.具有Ag網絡的flex-OLED器件

a）具有Ag網絡的flex-OLED的器件結構和器件照片

b）Ag網絡器件的電流密度-電壓曲線和電流效率亮度曲線

c）cPI單體的分子結構和基于cPI/AgNW和二氧化鈦的TCE

d）具有cPI的器件結構和器件效率

e）嵌入AgNW的cPI的SEM和不同TCE的粗糙度

f）原始AgNW和ZnO-AgNW的SEM以及滲透性能因數和滲透指數隨ZnO-AgNW膜和AgNW膜退火溫度的變化

Figure 22.利用高折射率透明電極提升光取出效率的技術

Figure 23.flex-QLED的器件結構以及器件性能

a）在玻璃/ ITO和PI/AgNW基板上的光取出示意圖

b）flex-QLED的器件結構、能級以及器件性能

Figure 24. 柔性QLED的器件表征

a）整齊和隨機排布AgNW網絡的SEM圖像

b）在不同的電流密度下，整齊和隨機排布網絡的光電性能以及器件的EQE

c）頂發光器件的制備過程

d）器件的電流效率-EQE-亮度特性

Figure 25.flex-PeLED的器件表征

a）帶Buf-HIL的flex-PeLED的器件結構，能級，照片以及電流效率-電壓曲線

b）不同彎曲半徑的flex-PeLED性能研究

cd）鈣鈦礦薄膜的斷裂能和光致發光量子效率，以及不同添加劑flex-PeLED的EQE變化

Figure 26. 柔性PeLED器件性能表征

a）基于鈣鈦礦量子點柔性器件的結構、亮度-效率、EQE-亮度曲線以及在不同彎曲測試下的器件性能

b）可拉伸PeLED的結構以及應變為0％和50％時點亮的器件照片

c）器件在不同應變下的性能以及亮度隨拉伸釋放循環次數的變化圖

Figure 27.近年來柔性發光器件效率的提升進展

Figure 28.器件封裝

a）剛性和柔性器件的封裝技術示意圖

b）針對不同應用的WVTR和OTR要求

Figure 29.Y-OCTA結構的制備過程

【總結】

在過去的十年中，柔性顯示技術得到了飛速發展。2015年三星公司發布了一款基于柔性OLED曲面顯示屏的智能手機。2019年三星（Samsung Corp.）和華為（Huawei Corp.）相繼推出了他們可折疊智能手機Galaxy Fold和Mate X，它們都采用了柔性OLED顯示屏。同年，努比亞公司（Nubia Corp.）推出了首款可穿戴智能手表/電話-努比亞阿爾法（Nubia Alpha），其屏幕由維信諾（Visionox Corp.）提供。盡管柔性OLED已經商業化，但是在大規模應用之前必須解決其可靠性和成本問題。對于柔性QLED和柔性PeLED，由于二者獨特的性能而有可能在未來挑戰flex-OLED，相信在不遠的將來，柔性QLED和柔性PeLED有望取得更大的進展，向實用化、商業化邁出堅實步伐。

相關文章近期發表在Advanced Materials 上，文章的共同第一作者是清華大學張東東助理研究員和博士研究生黃天宇，通訊作者為段煉教授。

文獻鏈接：Emerging Self-Emissive Technologies for Flexible Displays. Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201902391.

【團隊介紹】?

段煉教授簡介

段煉，清華大學化學系教授。1998年本科畢業于清華大學，2003年獲得清華大學理學博士學位。長期從事有機光電材料相關領域研究，提出了熱活化敏化發光的新型發光機制，發展了高遷移率的雙極性傳輸材料和基于穩定前驅體的電子注入材料，為高效穩定的OLED技術奠定了基礎。在Nat. Commun., Adv. Mater., Light. Sci. Appl., Energ. Environ. Sci.等刊物上發表了SCI論文200余篇，引用7000余次，獲授權國際國內發明專利100余項，在國際國內學術會議上作大會報告和邀請報告50余次。2011年獲得國家技術發明一等獎（排名第二）；2015年獲國家自然科學基金委杰出青年基金資助。2015年至今擔任科技部十三五“戰略先進電子材料”重點專項專家。

張東東博士簡介

張東東，清華大學化學系助理研究員。2011年本科畢業于吉林大學，2016年獲得清華大學理學博士學位，2017年9月-2018年9月于日本京都大學做博士后研究。長期從事有機光電材料與器件相關研究。率先系統研究了熱活化敏化發光的新型發光機制，并進一步提出了多通道敏化的策略提升了器件效率；利用大位阻基團包覆的策略，設計開發了高效穩定的藍光熱活化延遲熒光材料，并將該類材料引入到白光器件中，為高效穩定的白光OLED技術提供了相關的理論指導。近五年在Adv. Mater.; Light. Sci. Appl.; Mater. Horizon.; Adv. Funct. Mater.等刊物上發表SCI論文40余篇，引用1000余次；獲授權國際國內發明專利20余件。

目前段煉教授課題組研究方向集中于：

（1）有機發光材料及器件

（2）高性能載流子注入及傳輸材料及其傳輸理論研究

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。?

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