柔性OLED的研究進展與應用現狀

夏 威

惠州市技師學院，廣東 惠州 516001

0 引言

有機發光二極管（organic light-emitting diodes, OLED）技術被認為是第三代顯示和照明技術。其中，柔性發光二極管（flexible organic light-emitting diodes），簡稱柔性OLED，是用可彎曲的襯底材料制作的有機發光設備。由柔性OLED制作的顯示器可以被卷起或折疊，也可以作為可穿戴計算機的一部分。

隨著可穿戴智能設備的興起，柔性OLED器件的制備技術發展迅速。韓國的研究人員發明了一種纖維狀的發光二極管，將其進行針織或機織，可以成為織物的一部分。具體研制方法：使用聚乙烯對苯二甲酸酯纖維，將其在特定的溶液中蘸濕幾次，隨后置于130 ℃下烘烤約30 min；烘干之后，浸過的纖維再次放在高分子有機LED溶液中蘸濕，并在烘箱中烤干，最后涂上氟化鋰和鋁的混合物[1]。這種生產LED纖維的方法被認為會加速可穿戴式顯示器的商業化進程，該技術可以采用卷對卷的紡織制造方法，實現纖維的低價、大批量、自動化生產。

柔性OLED的主要結構包括陽極、陰極和有機功能層三個部分，也可以細分為空穴注入層、電子注入層、空穴傳輸層、電子傳輸層、電子阻擋層、空穴阻擋層等部分[2]。柔性OLED的發光機理與發光二極管（LED）類似，由激子復合發光[3]。普通的OLED通常采用玻璃作為器件的襯底，而柔性OLED多采用柔性材料作為襯底，如透明的塑料薄板或金屬薄片。柔性OLED的外形薄、重量輕、襯底柔韌性好，可廣泛應用在穿戴設備、電子報刊和曲面顯示等方面。在生產制造方面，柔性OLED制備有望采用卷對卷方式，可實現低成本和大批量生產，這已經成為當前的研究熱點[4]。

文章概述了近年的柔性OLED器件的技術進展，主要研究了柔性襯底材料、柔性薄膜晶體管（TFT）材料、透明電極技術、柔性薄膜封裝技術，以及柔性OLED的實際應用。

1 襯底材料

襯底材料的性能是影響柔性OLED發展的重要因素。襯底材料的選擇和制備決定了柔性OLED的生產成本、顯示質量和可靠性，是顯示的基礎。當前常用的柔性顯示襯底主要有聚合物襯底、金屬箔片襯底及超薄玻璃襯底[5]。聚合物襯底具有柔性好、透明度高、超輕等優點，但是可承受溫度低，需要水、氧阻擋層，制備難度較高；金屬箔片襯底具有水穿透率和氧透過率低的優點，且加工過程不易膨脹，可以承受較高的加工溫度，耐久性好，缺點是表面粗糙、不透明、制備難度高；超薄玻璃襯底的優點與金屬箔片襯底相似，具有較低的水、氧透過率，加工過程不易膨脹，透明，缺點是易碎、柔性差、成本高、制備難度較高。

以聚酰亞胺為主的聚合物材料是目前制備柔性襯底最流行的材料。一般情況下，OLED的壽命需要達到10 000 h以上，封裝的水透率需小于1×10-6g/（m2·d），氧透率需小于1×10-5g/（m2·d）。因為聚合物襯底的阻水、氧特性遠遠超過以上值，研究人員在制作過程中，通常在襯底上制作一層特別的阻擋層，以降低水、氧穿透率。

2 柔性薄膜晶體管（TFT）材料

薄膜晶體管（thin film transistor, TFT）通常用于智能手機、平板電視、電腦的液晶顯示屏，一般是不透明的，且剛性較強。應用于柔性OLED的薄膜晶體管需要具備柔性特點，與柔性塑膠襯底匹配，可以滿足低溫制作的要求。主流柔性TFT技術包括硅基TFT技術、有機TFT技術，及金屬氧化物半導體TFT技術。

在柔性襯底上制作TFT，要考慮襯底所能承受的溫度極限。溫度太高會損傷襯底，也會使材料產生較大應力，而薄膜表面的張力會影響薄膜的品格常數。采用低溫技術制作的薄膜晶體管更適合用于柔性器件，但是低溫沉積的方式也存在不足，低溫沉積的薄膜的缺陷明顯多于高溫沉積的薄膜，從而導致材料電學性能降低。

目前，主流的TFT是硅基TFT，包括非晶硅TFT和低溫多晶硅TFT。非晶硅TFT的制作工藝簡單，器件的均勻性好，不足之處是載流子遷移率過低，過低的電流難以驅動有源矩陣有機發光二極體（AMOLED）。非晶硅TFT的結構如圖1所示。非晶硅TFT包括柵極、源極和漏極三個電極，基本結構包括2層金屬、2層絕緣層、1層有源層（一般是氫化非晶硅a-Si：H）和1層歐姆接觸層（介于半導體與金屬層之間）。非晶硅TFT的制造過程需要9道掩膜，具有溝道串聯電阻低、柵極絕緣膜厚度小、柵極金屬層厚度大等優點。

圖1 非晶硅TFT結構示意圖

低溫多晶硅TFT包括N型和P型兩種，N型TFT采用低摻雜型漏極來降低元件的漏電流，其結構如圖2所示。從圖2可以看出，低溫多晶硅TFT的柵極位于半導體層上方，即頂柵結構。與之相對的，非晶硅TFT的柵極位于半導體層下方，是底柵結構。

圖2 N型低溫多晶硅TFT結構示意圖

目前，業界主要以低溫多晶硅[6]來驅動AMOLED器件。隨著硅基TFT技術遇到越來越多的瓶頸，研究人員開始將研究方向轉向基于氧化物的半導體TFT技術，而且氧化物TFT已經被應用于某些產品。

3 透明電極技術

石墨烯是一種新型二維碳納米材料。石墨烯中碳原子的配位數為3，每2個相鄰碳原子間的鍵長為1.42×10-10m，鍵與鍵之間的夾角為120°。作為銦錫氧化物（indium tin oxide, ITO）的替代品，石墨烯具有優良的導電性能、光學性能和機械柔韌性，在透明導電薄膜領域應用前景廣闊，受到研究者的關注。Sun等[7]將Si/SiO2/Ni基底上制備的多層石墨烯薄膜轉移到玻璃基底上，替代ITO作為OLED器件的透明陽極。但是這種器件的最大發光效率和功率效率僅有0.75 cd/A和0.38 lm/W。研究人員通過吸附摻雜、晶格摻雜、構筑復合電極等方式降低面電阻，提高了石墨烯基OLED器件的發光效率和功率效率，但是器件的亮度和電流效率依然很低。

為了提高石墨烯基OLED器件的性能，研究人員通過摻雜的形式，提高石墨烯表面功函數，以提高空穴從陽極注入有機層的效率，從而提高石墨烯基OLED器件性能。這種方式制備的OLED器件的電流效率和亮度大大提升[8]。

根據最新的研究進展，部分研究人員成功地制備出了基于石墨烯透明陽極的OLED器件，其在某些方面具有優異性能。大面積、高性能石墨烯透明導電薄膜的制備對于實現石墨烯柔性透明電極的實際應用至關重要，未來依然是研究的熱點。

4 柔性薄膜封裝技術

柔性薄膜封裝及阻隔膜技術經過了近二十年的發展，但是仍然存在一些需要突破的技術瓶頸。當前，應用在小尺寸器件上的是多層阻隔膜技術，即在柔性OLED器件電極表面鍍1～20 μm的無機、有機阻隔層，如圖3所示。這種封裝技術不適用于大規模、高效率、高產量的卷對卷生產工藝。除了這種封裝技術，還有在線薄膜封裝、單層空間式原子層沉積薄膜封裝和柔性玻璃封裝等形式。其中，在線薄膜封裝技術是多層阻隔膜技術的升級，其封裝方式如圖4所示；原子層沉積薄膜技術當前的生產力不高；柔性玻璃的柔性相對于其他材料不占優勢，柔性玻璃封裝技術的商業化應用較少。

圖3 多層阻隔膜技術的封裝方式

圖4 在線薄膜封裝技術的封裝方式

柔性OLED器件的核心是超薄的有機電致發光層，其穩定性與水、氧、熱等因素緊密相關。氧氣會降低發光量子效率，也會降低電子和空穴的傳輸能力。在線薄膜封裝技術采用致密氧化物材料，如Al2O3、SiO2等作為具備高阻隔水氧能力的阻隔層，其阻隔能力隨膜層厚度增加而提高，并會達到飽和值。采用薄膜封裝與高性能阻水膜結合的封裝形式，可以解決封裝對設備和工藝的要求，提高產品合格率，這種封裝形式也被稱為復合封裝。在柔性OLED器件的生產過程中，采用復合封裝的形式，可以同時解決產品性能和成本的問題，從而達到商業化的要求。

5 結束語

目前，柔性OLED技術已經應用在小尺寸平板顯示領域，在大尺寸平板顯示領域的商業化步伐也正在加快。在柔性可穿戴領域，由于要適應各種環境的要求，在技術上還存在一些瓶頸，是當前研究的熱點。此外，用布和金屬線等特殊材料為基底制備的器件，在可穿戴器件領域的前景比較廣闊。在商業應用領域，根據調研結果，我國生產的柔性OLED得到了世界認可，目前在手機等領域使用廣泛。各國都十分重視柔性OLED的技術創新，我國已經在中小尺寸OLED面板市場占據優勢，而在大尺寸OLED方面還需繼續努力。智能手機、可穿戴設備等越來越追求輕薄，這加快了柔性OLED技術的研究步伐，柔性OLED顯示器件將迎來更加廣闊的發展前景。