清华大学段炼教授Adv. Mater.:新型显示技术引领柔性屏时代——机遇与挑战

【引言】

柔性屏具有超薄轻巧、可弯折、低功耗以及高色纯度等特点，具有广阔的应用前景。近年来，产业界对柔性屏的需求不断增长，这不仅是因为其成功实现商业化，更在于柔性屏深深影响了可穿戴设备的形态，大大扩展了其应用范围。柔性有机发光二极管（flex-OLEDs）、柔性量子点发光二极管（flex-QLEDs）和柔性钙钛矿发光二极管（flex-PeLEDs）等显示技术已被广泛报道，其中柔性OLED已经商业化，而后两者要真正实现应用、走进千家万户仍然面临很多挑战。近年来，新型柔性显示技术取得了长足的发展，有必要对其发展进行总结回顾。

【成果简介】

近日，清华大学段炼教授对柔性显示中备受关注的三种显示技术的进展进行了回顾，详细阐述了有机分子、量子点、钙钛矿材料的发光原理和性质和发光二极管器件制备的基本方法，介绍了柔性基板、电极以及封装等相关技术的发展，并总结了近年来报道的高效率柔性发光器件。最后，这篇综述全面展望了这一领域的未来发展，以期帮助研究人员对柔性显示的新兴技术有一个全面的了解。该成果以题为“Emerging Self-Emissive Technologies for Flexible Displays”发表在Adv. Mater.上。

【图文导读】

Figure 1.理想柔性显示技术的主要特征

Figure 2.发光材料和柔性发光器件的发展历程

Figure 3.OLED的器件结构和发光材料

Figure 4.柔性OLED和刚性OLED的效率发展比较

Figure 5.柔性OLED器件的制备技术

Figure 6.量子点发光材料和器件

a）量子点的量子尺寸效应

b）常用量子点的发射范围

c）量子点核壳结构和典型光谱

d）不同尺寸和组成的量子点的发光情况

e）QLED的器件结构、能级以及基于不同电荷传输层（CTL）的四种类型的器件

Figure 7.干法取放转印技术和凹版转印技术的器件制备过程

Figure 8.钙钛矿发光材料和器件

a）钙钛矿的典型结构

b）CH₃NH₃PbX_nY_3-n的发射波长可调性（390-790 nm）

c）钙钛矿的CIE色度图

d）不同维度钙钛矿的晶体结构

e）可见光范围（RGB）钙钛矿LED的发展

f）PeLED的典型结构

Figure 9.柔性玻璃与聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯基板的透光率比较

Figure 10.柔性显示技术中使用的基板材料性能比较

Figure 11.玻璃纤维-硅氧烷复合基底（GFRH）的表征

a）GFRH的制备过程

b）折射率不同导致的光散射示意图

c）H-GFRH的横截面SEM图像

d）H-GFRH的AFM图像

Figure 12.硅片和PET基板界面弯曲性能测试示意图

Figure 13.透明电极的发展历程和应用要求

Figure 14.以ITO为阳极的柔性器件表征

a）高弯曲度、透明网状ITO电极示意图

b）在弯曲100次前后，具有平面或网状ITO电极器件的JVL特性

c）具有岛状ITO阳极的柔性QLED

Figure 15.以聚合物或金属网格为阳极的OLED器件制备与表征

a）丝网印刷的制造过程

b）不锈钢丝网织物的光学显微镜图像

c）具有丝网印刷的PEDOT：PSS阳极的OLED器件结构

d）制作过程的示意图

e）Ag PVD之后的单个纳米孔

f）在均匀的PSP单层上沉积的Ti+Ag薄膜的低倍显微镜图像

g）旋涂和较短的ICP-RIE序列后，在SiO₂衬底上的PSP单层

h）旋涂后的PSP单层

Figure 16.AgNWs柔性透明电极

a）AgNW柔性透明电极的制备过程示意图

bc）PVB和AgNW/PVB薄膜的亲水性

d）双尺度AgNW网络透明电极制备工艺及其在柔性OLED中的应用示意图

Figure 17.AgNWs、石墨烯电极的制备和表征

a）喷涂电极制备的示意图

b）AgNWs的AFM图像

c）涂上EG层后的AgNWs膜的AFM图像

d）在不同的AgNWs负载下，AgNWs和AgNWs-EG薄膜之间的反射率和透射率比较

e）使用转移石墨烯以及基于Au-NP的石墨烯缺陷修复的电极结构制备过程的流程图

Figure 18.单壁碳纳米管电极的表征

a）SiO₂/Si晶片上SWCNT网络的SEM图像

b）暴露于环境空气超过20个月的原始和掺杂HNO₃的SWCNT TCF的方阻变化

c）在5mm弯曲半径下，SWCNT和市售ITO-PET TCF的方阻随弯曲次数的变化

d）SWCNT和商用ITO-PET TCF的方阻与弯曲角度的变化

Figure 19.多层封装中的缺陷抑制机制

a）每个封装层中的裂纹产生示意图

b-d）TEM分析显示了多封装层的横截面图像

e-g）弯曲前后的纳米分层

h）由于锌蚀刻，在纳米分层结构的制备过程中自然裂缝的产生

i）通过微裂纹阻止裂纹

Figure 20.具有GraHIL的器件结构以及器件性能

a）GraHIL的能级图，具有GraHIL的器件结构以及器件性能

b）带有TiO₂层的器件结构，器件性能和弯曲试验

c）GO / G异质结构电极的结构模型

d）石墨烯与OA之间电荷转移络合物的形成过程

e）以松香为载体的单层石墨烯

Figure 21.具有Ag网络的flex-OLED器件

a）具有Ag网络的flex-OLED的器件结构和器件照片

b）Ag网络器件的电流密度-电压曲线和电流效率亮度曲线

c）cPI单体的分子结构和基于cPI/AgNW和二氧化钛的TCE

d）具有cPI的器件结构和器件效率

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以及渗透性能因数和渗透指数随ZnO-AgNW膜和AgNW膜退火温度的变化

Figure 22.利用高折射率透明电极提升光取出效率的技术

Figure 23.flex-QLED的器件结构以及器件性能

a）在玻璃/ ITO和PI/AgNW基板上的光取出示意图

b）flex-QLED的器件结构、能级以及器件性能

Figure 24. 柔性QLED的器件表征

a）整齐和随机排布AgNW网络的SEM图像

b）在不同的电流密度下，整齐和随机排布网络的光电性能以及器件的EQE

c）顶发光器件的制备过程

d）器件的电流效率-EQE-亮度特性

Figure 25.flex-PeLED的器件表征

a）带Buf-HIL的flex-PeLED的器件结构，能级，照片以及电流效率-电压曲线

b）不同弯曲半径的flex-PeLED性能研究

cd）钙钛矿薄膜的断裂能和光致发光量子效率，以及不同添加剂flex-PeLED的EQE变化

Figure 26. 柔性PeLED器件性能表征

a）基于钙钛矿量子点柔性器件的结构、亮度-效率、EQE-亮度曲线以及在不同弯曲测试下的器件性能

b）可拉伸PeLED的结构以及应变为0％和50％时点亮的器件照片

c）器件在不同应变下的性能以及亮度随拉伸释放循环次数的变化图

Figure 27.近年来柔性发光器件效率的提升进展

Figure 28.器件封装

a）刚性和柔性器件的封装技术示意图

b）针对不同应用的WVTR和OTR要求

Figure 29.Y-OCTA结构的制备过程

【总结】

在过去的十年中，柔性显示技术得到了飞速发展。2015年三星公司发布了一款基于柔性OLED曲面显示屏的智能手机。2019年三星（Samsung Corp.）和华为（Huawei Corp.）相继推出了他们可折叠智能手机Galaxy Fold和Mate X，它们都采用了柔性OLED显示屏。同年，努比亚公司（Nubia Corp.）推出了首款可穿戴智能手表/电话-努比亚阿尔法（Nubia Alpha），其屏幕由维信诺（Visionox Corp.）提供。尽管柔性OLED已经商业化，但是在大规模应用之前必须解决其可靠性和成本问题。对于柔性QLED和柔性PeLED，由于二者独特的性能而有可能在未来挑战flex-OLED，相信在不远的将来，柔性QLED和柔性PeLED有望取得更大的进展，向实用化、商业化迈出坚实步伐。

相关文章近期发表在Advanced Materials 上，文章的共同第一作者是清华大学张东东助理研究员和博士研究生黄天宇，通讯作者为段炼教授。

文献链接：Emerging Self-Emissive Technologies for Flexible Displays. Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201902391.

【团队介绍】 

段炼教授简介

段炼，清华大学化学系教授。1998年本科毕业于清华大学，2003年获得清华大学理学博士学位。长期从事有机光电材料相关领域研究，提出了热活化敏化发光的新型发光机制，发展了高迁移率的双极性传输材料和基于稳定前驱体的电子注入材料，为高效稳定的OLED技术奠定了基础。在Nat. Commun., Adv. Mater., Light. Sci. Appl., Energ. Environ. Sci.等刊物上发表了SCI论文200余篇，引用7000余次，获授权国际国内发明专利100余项，在国际国内学术会议上作大会报告和邀请报告50余次。2011年获得国家技术发明一等奖（排名第二）；2015年获国家自然科学基金委杰出青年基金资助。2015年至今担任科技部十三五“战略先进电子材料”重点专项专家。

张东东博士简介

张东东，清华大学化学系助理研究员。2011年本科毕业于吉林大学，2016年获得清华大学理学博士学位，2017年9月-2018年9月于日本京都大学做博士后研究。长期从事有机光电材料与器件相关研究。率先系统研究了热活化敏化发光的新型发光机制，并进一步提出了多通道敏化的策略提升了器件效率；利用大位阻基团包覆的策略，设计开发了高效稳定的蓝光热活化延迟荧光材料，并将该类材料引入到白光器件中，为高效稳定的白光OLED技术提供了相关的理论指导。近五年在Adv. Mater.; Light. Sci. Appl.; Mater. Horizon.; Adv. Funct. Mater.等刊物上发表SCI论文40余篇，引用1000余次；获授权国际国内发明专利20余件。

目前段炼教授课题组研究方向集中于：

（1）有机发光材料及器件

（2）高性能载流子注入及传输材料及其传输理论研究

本文由材料人学术组tt供稿，材料牛整理编辑。 

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