基于有機(jī)發(fā)光二極管顯示產(chǎn)業(yè)化光提取結(jié)構(gòu)的研究及其應(yīng)用

摘"要：有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）作為一種前沿顯示技術(shù)，近年來已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化高速發(fā)展階段，其憑借色彩鮮艷、功耗低、對比度高、響應(yīng)速度快、柔性可折疊以及輕薄便攜等優(yōu)勢，在顯示領(lǐng)域占據(jù)重要地位。然而，OLED器件性能仍存在一定局限性，主要源于其多層堆疊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的光損耗問題，包括波導(dǎo)模式、基底模式、表面等離子體模式和偏振/吸收損耗模式等，使得其外耦合效率目前僅為20%左右。此外，OLED屏體在應(yīng)用過程中還需集成觸控、偏光片和蓋板等功能組件，進(jìn)一步降低了出光效率。為此，產(chǎn)業(yè)界研究人員致力于開發(fā)適用于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的光提取結(jié)構(gòu)，以提升OLED的光輸出性能。通過引入光提取結(jié)構(gòu)優(yōu)化折射率、透過率和反射率，從而提取受限光并將其重新定向至外耦合模式，以實現(xiàn)更高的光輸出效率和更低的功耗。本文闡述了光提取結(jié)構(gòu)在提升OLED性能方面的原理及其有效性，并探討了其在OLED顯示屏中應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：有機(jī)發(fā)光二極管；出光效率；微透鏡陣列；彩膜黑矩陣

近年來，有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）顯示屏憑借其高對比度、柔性可折疊、超薄設(shè)計等顯著優(yōu)勢，在智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、汽車電子等領(lǐng)域迅速普及，并成為顯示技術(shù)的主流選擇。隨著人工智能物聯(lián)網(wǎng)（AIoT）時代的到來，用戶對顯示設(shè)備的智能化與續(xù)航能力提出了更高要求，這推動OLED技術(shù)朝著人工智能驅(qū)動優(yōu)化與超低功耗設(shè)計方向加速迭代。然而，OLED的功耗瓶頸主要源于其發(fā)光效率的損失，約80%的光子因全反射、波導(dǎo)效應(yīng)等被限制在顯示器件和顯示屏組件內(nèi)部被損耗，導(dǎo)致需要驅(qū)動電壓升高以補(bǔ)償亮度，進(jìn)而加劇功耗。因此，提升光提取效率（Light"Extraction"Efficiency，LEE）成為降低功耗、優(yōu)化顯示性能的關(guān)鍵路徑。目前，提升LEE的方法主要包括：在OLED發(fā)光器件中增加出光層粗糙度，在出光面涂布擴(kuò)散層和微球粒等傳統(tǒng)方法［1］；通過引入額外功能層優(yōu)化微腔效應(yīng)與低折射率微圖案網(wǎng)格，以提取有機(jī)層和陽極層內(nèi)的受限波導(dǎo)模式［2］；采用周期性納米結(jié)構(gòu)、隨機(jī)分布納米結(jié)構(gòu)、生物啟發(fā)納米結(jié)構(gòu)等，通過等離子體效應(yīng)改善OLED器件的光提取效率和外部光吸收［34］。然而，這些結(jié)構(gòu)在OLED顯示屏產(chǎn)業(yè)化制造過程中可能面臨兼容性問題，需要綜合考慮高溫對有機(jī)材料的損傷、制造工藝的復(fù)雜性、良率最大化以及成本最小化等因素。因此，光提取結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造需要在提升OLED性能與增加制造復(fù)雜性之間尋求平衡。本文旨在闡述具有經(jīng)濟(jì)性且適用于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的光提取結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方式與制造過程，通過精確設(shè)計與定制化特性，實現(xiàn)對光傳播、吸收和發(fā)射的精準(zhǔn)控制，從而提升LEE并降低功耗。首先，本文將探討通過光提取結(jié)構(gòu)調(diào)控折射率、透過率和反射率以提取受限光并將其重新定向至外耦合模式的基本原理，以及光損耗機(jī)制。其次，分析幾種光提取結(jié)構(gòu)在先進(jìn)OLED顯示屏產(chǎn)業(yè)化中的最新應(yīng)用，重點介紹梯度折射率光耦合結(jié)構(gòu)、微透鏡陣列（MLA）結(jié)構(gòu)及彩膜黑矩陣（COE）結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)通過改善波導(dǎo)模式和吸收損耗模式，顯著提高了OLED顯示屏的光提取效率，為OLED顯示產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展提供了重要支撐。

1"OLED顯示屏光損耗機(jī)制

OLED顯示屏由多功能層堆疊結(jié)構(gòu)組成，包括襯底基板、驅(qū)動電路器件、頂發(fā)射OLED器件、薄膜封裝（TFE）、觸控功能（TP）、偏光片（POL）和蓋板等組件，OLED顯示屏結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于各功能層材料的折射率和透過率不同，光在傳播過程中會受到折射、反射、吸收和全反射等光學(xué)現(xiàn)象的影響，導(dǎo)致光在向外輻射過程中發(fā)生材料吸光、方向偏移和界面反射，最終使發(fā)射至顯示屏外部的光減少，光提取效率顯著降低。

OLED器件的光損耗主要通過襯底模式、波導(dǎo)模式、表面等離子體模式和吸收損耗模式進(jìn)行體現(xiàn)。然而，在顯示行業(yè)中主要使用頂發(fā)射OLED器件，通常不表現(xiàn)出襯底模式影響。下面重點介紹影響出光效率的其他三種光損耗模式。

（1）表面等離子體模式。表面等離子體模式是指OLED發(fā)光層發(fā)出的光子能量與金屬陽極（如ITO/Ag/ITO）中Ag表面的自由電子振蕩耦合，激發(fā)表面等離子體激元（SPP），導(dǎo)致光能轉(zhuǎn)化為金屬中的電子集體振動并以熱能形式耗散。研究表明，SPP相互作用與金屬電極距離密切相關(guān)，通過距離調(diào)節(jié)可使發(fā)光效率提高20%。在產(chǎn)業(yè)化中，通常通過優(yōu)化頂發(fā)射OLED器件的微腔和發(fā)光層位置來實現(xiàn)性能提升。此外，OLED顯示屏的其他功能膜層由于折射率差異，部分光被反射或折射至金屬電極，進(jìn)而耦合振蕩并以熱能形式損耗。這種模式雖然在器件內(nèi)部不可避免，但通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和材料選擇，可以顯著減少其影響。

（2）波導(dǎo)模式。波導(dǎo)模式是指光在高折射率層（如陰極、光取出有機(jī)層和有機(jī)膠等）與低折射率層（如薄膜封裝層和觸控?zé)o機(jī)層等）界面處發(fā)生全反射而被限制傳播的現(xiàn)象。在OLED器件內(nèi)部，遵循Snells定律，這種全反射導(dǎo)致約24%的光無法逸出，同時由于Ag陽極作為鏡面，電極和有機(jī)層中的波導(dǎo)模式約占11%，顯著降低外量子效率。為改善這一問題，通常采用高折射率有機(jī)材料層與陰極搭配，降低出光界面的全反射，從而增強(qiáng)光逸出能力。此外，通過合理的微透鏡陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計，增加高/低折射率圖形化結(jié)構(gòu)，利用全反射作用，可有效改變大角度光的傳播路徑，提升顯示屏有效視野范圍內(nèi)的光輸出效率，實現(xiàn)顯示效率提升與功耗降低的雙重目標(biāo)。波導(dǎo)模式的研究不僅涉及材料的選擇，還包括界面設(shè)計和光學(xué)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，是提升光提取效率的重要方向。

（3）偏振/吸收損耗模式。偏振損耗是指材料對某一方向偏振光的強(qiáng)吸收現(xiàn)象。例如，OLED顯示屏中常用的碘鏈偏光片通過選擇性吸收某一方向的偏振光，僅允許特定方向的偏振光通過。其原理基于碘分子鏈的二向色性效應(yīng)，將入射光分解為兩個正交的線偏振分量（平行和垂直），平行方向的電子沿碘鏈運(yùn)動受阻并轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致強(qiáng)吸收（損耗約80%～90%），而垂直方向的電子運(yùn)動受限較小，發(fā)生弱吸收（損耗約5%～15%），最終形成透射的線偏振光。OLED顯示屏通常采用1/4波長相位膜與傳統(tǒng)偏光片組成的圓偏光片，以抵擋環(huán)境光并提高對比度，但這也導(dǎo)致OLED器件發(fā)出的光約40%被偏振/吸收損耗，成為實際應(yīng)用中光提取效率降低的重要原因。此外，OLED顯示屏各功能層還會因分子振動、電子躍遷等本征吸收模式導(dǎo)致光能轉(zhuǎn)化為熱能損耗。這種損耗不僅影響顯示效果，還增加了設(shè)備的功耗，因此減少偏振/吸收損耗是提升OLED性能的關(guān)鍵方法之一。

2"光提取結(jié)構(gòu)在OLED顯示產(chǎn)業(yè)化中的應(yīng)用

在OLED顯示產(chǎn)業(yè)化過程中，光提取結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造需要在提升性能與降低制造復(fù)雜性之間尋求平衡。以下詳細(xì)介紹三種在實際應(yīng)用中具有顯著效果的光提取結(jié)構(gòu)，并探討其技術(shù)原理、產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢及面臨的挑戰(zhàn)。

（1）梯度折射率光耦合結(jié)構(gòu)。梯度折射率光耦合結(jié)構(gòu)是一種通過調(diào)控折射率分布來優(yōu)化光傳播路徑的技術(shù)。在頂發(fā)射OLED器件中，出光側(cè)通常采用半透明Mg∶Ag合金陰極。為提升光提取效率并改善顯示視角，通常會在陰極上方增加一層高折射率有機(jī)層材料（CPL），通過折射率調(diào)控改變大視角光的傳播路徑，使其向正視角方向偏移，從而提升0°～60°正向使用視角范圍內(nèi)的光輸出效率（約5%～10%）。然而，CPL層上方的TFE結(jié)構(gòu)中，第一無機(jī)層SiNO的低折射率會導(dǎo)致光從高折射介質(zhì)CPL向低折射介質(zhì)SiNO層傳播時加強(qiáng)全反射損耗。為此，研究人員開發(fā)了梯度折射率光耦合結(jié)構(gòu)，通過折射率漸變設(shè)計降低界面全反射和光逃逸角度，逐步調(diào)控光波傳播路徑，減少菲涅爾反射損耗，顯著提升光提取效果。梯度折射率光耦合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于其能夠有效減少光在界面反射和全反射中損耗，同時改善大視角光的傳播路徑向正向可視方向利用。然而，產(chǎn)業(yè)使用中要考慮其制造工藝兼容性，需要引入具有合適折射率的熱蒸發(fā)有機(jī)材料，對材料選擇和工藝穩(wěn)定性提出了較高要求。同時需要綜合考慮性能提升與成本控制的平衡，以實現(xiàn)效益最大化。

（2）微透鏡圖形化結(jié)構(gòu)。微透鏡圖形化結(jié)構(gòu)是一種通過表面圖形化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)調(diào)控光傳播方向的技術(shù)。傳統(tǒng)研究中，微透鏡結(jié)構(gòu)通常集成于OLED器件后制作透鏡結(jié)構(gòu)，但在產(chǎn)業(yè)化中，TFE封裝前的圖形化工藝容易受到水氧侵蝕和因不耐高溫而損傷OLED器件可靠性，并且難實現(xiàn)精準(zhǔn)透鏡形貌控制。為此，研究人員將微透鏡圖形化工藝應(yīng)用TFE封裝后觸控功能工段，集成至OLED顯示屏中，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。光在傳播過程中需要經(jīng)過TP無機(jī)層（SiN）和有機(jī)平坦化層（OC），最終從OC層逸出。可通過對觸控OC層進(jìn)行圖形化處理并結(jié)合噴墨打印工藝，精準(zhǔn)可控地形成微透鏡MLA圖形化結(jié)構(gòu)，利用光波導(dǎo)模式中的全反射原理，使用觸控OC低折射率材料搭配噴墨打印高折射材料層，形成坡度角界面，通過坡度角上光的全反射作用，改善大角度損耗光路徑向正向傳播，通常可實現(xiàn)約10%的光提取效率提升。還有研究發(fā)現(xiàn)，通過進(jìn)一步優(yōu)化坑周邊坡度形貌，形成傘形結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步提升正向光輸出能力，可實現(xiàn)約17%的光提取效率提升。傘形結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于其不僅通過全反射改善了大視角光的傳播路徑，還通過折射作用增強(qiáng)了正向光輸出能力。然而，微透鏡圖形化結(jié)構(gòu)的制造工藝對設(shè)備精度和材料穩(wěn)定性要求較高，且需要兼容考慮現(xiàn)有各自產(chǎn)線制造工藝路線和良率，在產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)中還需要不斷創(chuàng)新和突破。

（3）彩膜黑矩陣（COE）結(jié)構(gòu)。COE結(jié)構(gòu)是一種通過替代傳統(tǒng)偏光片來減少偏振/吸收損耗的技術(shù)。傳統(tǒng)偏光片雖然能夠有效抵擋環(huán)境光并提高對比度，但其偏振/吸收損耗模式導(dǎo)致OLED器件發(fā)出的光約40%被損耗。為此，研究人員開發(fā)了COE技術(shù)，采用低溫工藝制作彩膜，避免對OLED器件的損傷，并通過彩膜與黑矩陣的組合設(shè)計，實現(xiàn)對反射光和干擾光的吸收過濾［5］。彩膜與R/G/B像素發(fā)光位置對應(yīng)設(shè)計，確保僅特定顏色波長的光通過，而黑矩陣則遮擋吸收非彩膜區(qū)域的光逸出，結(jié)構(gòu)如圖1所示。相比傳統(tǒng)偏光片，COE結(jié)構(gòu)可提升20%～30%的光提取效率，并顯著降低功耗。COE結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于其能夠有效替代傳統(tǒng)偏光片，減少偏振/吸收損耗，提升光提取效率，且厚度更薄，具有更佳的彎折性能。此外，COE結(jié)構(gòu)的低溫工藝與現(xiàn)有OLED制造工藝兼容，適用于柔性O(shè)LED顯示屏的制造。然而，COE結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造需要精確控制彩膜與黑矩陣的圖案和位置，這對工藝精度和材料性能提出了較高要求，隨著材料不斷升級突破和降本，產(chǎn)業(yè)化大批量生產(chǎn)已不遠(yuǎn)。

結(jié)語

光提取技術(shù)作為提升OLED顯示性能的核心環(huán)節(jié)，近年來在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界得到了廣泛研究與深入應(yīng)用。通過內(nèi)部與外部光提取技術(shù)的協(xié)同優(yōu)化，OLED顯示屏的光提取效率實現(xiàn)了顯著突破，為OLED技術(shù)向高亮度、低功耗方向發(fā)展提供了重要支撐。本文以光的三種主要傳播模式（表面等離子體模式、波導(dǎo)模式和偏振/吸收損耗模式）為理論基礎(chǔ)，系統(tǒng)闡述了梯度折射率光耦合結(jié)構(gòu)、微透鏡圖形化結(jié)構(gòu)以及COE結(jié)構(gòu)在OLED顯示產(chǎn)業(yè)化中的應(yīng)用及其技術(shù)原理。其中，梯度折射率光耦合結(jié)構(gòu)通過折射率漸變設(shè)計，有效降低了界面全反射和菲涅爾反射損耗，實現(xiàn)了光傳播路徑的優(yōu)化，在0°～60°視角范圍內(nèi)提升了5%～10%的光輸出效率；微透鏡圖形化結(jié)構(gòu)則通過表面微納結(jié)構(gòu)調(diào)控光傳播方向，結(jié)合傘形結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)一步將光提取效率提升至約17%；COE結(jié)構(gòu)通過替代傳統(tǒng)偏光片，顯著減少了偏振/吸收損耗，同時提升了20%～30%的光提取效率，為柔性O(shè)LED顯示屏的制造提供了重要技術(shù)支持。未來，隨著材料科學(xué)、光學(xué)設(shè)計和制造工藝的不斷進(jìn)步，光提取技術(shù)將在效率、成本和性能之間實現(xiàn)更好的平衡。通過進(jìn)一步優(yōu)化光提取結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造工藝，OLED顯示屏進(jìn)一步在手機(jī)、可折疊設(shè)備、車載顯示和筆記本電腦等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全面普及與升級。同時，隨著AIoT時代的到來，OLED顯示技術(shù)將朝著智能化、低功耗和高性能方向持續(xù)發(fā)展，為用戶帶來更加卓越的視覺體驗。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：肖志慧（1987—"），男，漢族，北京人，碩士研究生，研究員，研究方向：光電顯示技術(shù)。