下一代OLED:柔性OLED与印刷OLED

有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode,OLED),作为一种相对于传统液晶显示更轻、更薄、更清晰、刷新速度更快的显示技术,已经广泛应用于手机、电视等显示屏。

OLED显示作为目前最为热门的显示技术之一,在广大研究人员与企业技术人员的研究下不断发展和完善。从制备方法上,OLED从真空蒸镀法向非接触、易于图案化、节约材料的喷墨打印法发展;从应用上,OLED从刚性显示向使用范围更广的柔性显示发展。

近日,华南理工大学宁洪龙团队在《液晶与显示》2021年第2期发表了“柔性与印刷OLED研究进展”综述(DOI:10.37188/CJLCD.2020-0232),该综述作为封面文章介绍了柔性OLED显示技术以及印刷OLED显示技术,回顾了柔性与印刷OLED的研究进展,并讨论了其发展前景。


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一、柔性OLED
柔性OLED具有可折叠、质量轻、外形薄、成本低、性能优越等特点,在可穿戴、可折叠电子设备等领域前景广阔。但弯曲折叠易导致其性能劣化,科研人员希望从材料及结构等方面解决这个问题。柔性OLED器件与刚性OLED器件在结构上的主要区别是柔性衬底与柔性电极。

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图1  柔性OLED显示器件
(1)柔性衬底
由于柔性OLED各功能层是柔性的,作为研发柔性显示的基础,柔性衬底需遵循可弯曲成任意形状的标准。目前,柔性衬底一般分为四大类:聚合物材料衬底、金属箔片衬底、超薄玻璃衬底、纸质衬底。

聚合物材料衬底:透光性良好且成本低,是目前最为热门的柔性衬底之一。市面上常用的柔性衬底以聚合物PI为主,但其热稳定性较差,在高温制备过程中容易变形,且对水氧的阻隔能力差,通常需要结合隔水氧的封装膜使用。

金属箔片衬底:耐受温度高,水、氧阻隔性能好,金属箔片厚度在小于0.1 mm时有较高的机械强度。然而金属的透光性差限制了其在透明柔性显示中的应用。同时,金属箔片衬底还存在电容耦合效应以及与TFT工艺中化学物质不兼容等问题,实用性较差。

超薄玻璃衬底:具有良好的可见光通透性和水、氧阻隔性能、热稳定性,表面光洁度高并且绝缘。但是满足厚度标准后柔韧性会变差,也很脆弱,易产生裂痕,易破损。

纸质衬底:作为近几年引起广泛关注的柔性衬底材料,其优势在于成本低廉、质地轻薄、环境友好,能达到弯曲折叠、循坏使用的效果,对发展柔性显示具有重要意义。但是纸质衬底目前还存在表面形貌粗糙、耐热耐化学性能较差、使用寿命较低等问题,技术尚不成熟。

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图2  透明化柔性纳米纸材料

(2)柔性电极

柔性电极是柔性OLED的核心部分,需要满足一定条件的透明度、导电性和柔性。柔性电极主要分为金属电极、透明导电氧化物薄膜电极、碳基材料电极和导电聚合物薄膜电极。

金属电极:金属电极是传统的电极材料,也是几种电极之中导电效果最好的电极材料,包括超薄金属薄膜电极、金属网格电极和金属纳米线电极等,但透过率低是金属电极广泛应用的最大难题。

透明导电氧化物薄膜电极:凭着其优越的导电性与透过率广泛应用于OLED领域。其中ITO电极是较为成熟的透明导电电极,在目前柔性显示领域占主导地位。但实际上氧化物薄膜一般质地较脆,使其在高曲率弯曲及可折叠显示器件领域使用受限。

碳基材料电极:具有良好的电学与力学特性,可以“卷对卷”大规模应用于柔性OLED中,前景良好。但目前碳基电极的电阻较高。

导电聚合物薄膜电极:因其可旋涂制备,导电性与透光性良好,已成功应用于柔性器件,具有较好的发展前景,但目前其导电率对比ITO等电极仍有较大差距。

二、印刷OLED

喷墨打印是一种非真空、非接触、低成本、直接图形化的薄膜沉积技术。与传统的蒸镀工艺相比,它所需的材料和能量少,加工步骤简单,与柔性大尺寸显示的快速制造相适应。目前大尺寸高分辨的印刷OLED已初步实现。印刷OLED的核心在于印刷设备、印刷墨水、印刷像素。

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图3  京东方55英寸8K AMOLED喷墨打印显示样机

(1)印刷设备

主流的喷墨打印技术主要包括压电喷墨打印、气溶胶喷墨打印、电流体动力喷墨打印,三种喷墨打印技术对比如表1所示。

表1 三种喷墨打印技术对比
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(2)印刷墨水

喷墨打印需要将打印材料溶解于溶剂中形成打印墨水,并通过喷墨打印机将墨水滴于基底上。所以,开发高性能OLED发光材料墨水和电极墨水是实现印刷OLED产业化的关键。

发光材料墨水:发光材料墨水包括荧光材料、磷光材料及热激活延迟荧光材料,其中蓝光OLED以荧光材料为主,红、绿光OLED以磷光材料及热激活延迟荧光材料为主。目前各类发光材料墨水均已初步实现印刷,但性能有待提升。

电极墨水:电极墨水的种类与上述柔性电极种类相似。其中,金属油墨的导电性最好。最为常用的金属油墨是银墨水,银墨水根据分散体系可分为银纳米颗粒墨水与金属有机分解型墨水。

(3)成膜处理

当墨水被打印到衬底上时,由于液滴钉扎边缘的溶剂蒸发速率远大于液滴中心区域,溶剂从中心区域补充到边缘,形成向外的毛细流动,溶质随之被带动并聚集在边缘形成咖啡环,从而导致薄膜厚度不均。如何解决“咖啡环”效应是喷墨打印成膜过程中的最大难题。目前,抑制“咖啡环”效应主要方法有:墨水调控、环境控制、基板调节。

墨水调控:与咖啡环效应相对的Marangoni流是指液体从液滴边缘向中心的流动,增大Marangoni流可以有效抑制“咖啡环”效应。采用高低沸点溶剂共混、添加表面活性剂等方法处理墨水均可有效增强Marangoni流。

环境控制:研究人员认为通过环境调控可以影响毛细流动,从而调节液滴成膜形貌。目前已发现可以通过增加环境湿度或营造干燥微环境等方法调节溶剂挥发以调控形貌。

基板调节:通过调节基板的温度及亲疏水性也可以影响毛细流动,可削弱“咖啡环”效应。

三、总结与展望

综上所述,未来OLED显示屏将在应用上向柔性方向发展,在制备技术上向喷墨打印方向发展。柔性OLED轻便、可折叠弯曲的特性能够扩大显示技术的应用范围,为人们的生活带来飞跃性进步。印刷OLED能够节约成本,在大尺寸显示制备上极具潜力。目前,国内外很多企业如JOLED、LGD、京东方、TCL、友达光电等都在开展柔性印刷OLED的研发,并取得了不错的进展。我国对显示技术十分重视,目前已建立“国家印刷及柔性显示创新中心”,大力发展印刷OLED与柔性OLED。近日,TCL在CES展会上展示了全球首款喷墨打印柔性显示屏,并计划于2024年进行量产商用。

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图4 首款17英寸喷墨打印柔性OLED屏










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