CINNO Research 產(chǎn)業(yè)資訊，近日，《Scientific Reports》期刊重磅刊發(fā)了韓國(guó)慶熙大學(xué)信息顯示系Min Chul Suh教授團(tuán)隊(duì)的最新研究成果。該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的 “納米多孔膜（NPF）+ 折射率匹配光學(xué)透明樹脂（OCR）” 納米紋理光調(diào)制技術(shù)，成功攻克頂發(fā)射微腔 OLED（TEOLED）長(zhǎng)期存在的效率瓶頸與角度色偏難題。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，采用該技術(shù)的柔性 TEOLED 器件外量子效率（EQE）從 8.5% 飆升至 31.6%，提升幅度高達(dá) 370%，角度色偏（Δu′v′）從 0.046 降至 0.016，降低 65.2%，同時(shí)在反復(fù)彎曲等機(jī)械應(yīng)力下保持穩(wěn)定性能。這一里程碑式突破為折疊屏、可穿戴設(shè)備、大面積顯示等下一代終端OLED產(chǎn)品帶來(lái)新的開發(fā)路徑。

圖1 a.參考文獻(xiàn)中柔性O(shè)LED三維FDTD散射場(chǎng)仿真結(jié)果；b. 所制備OLED器件的電流密度-電壓-亮度曲線；c. 所制備OLED器件的電流效率-亮度-功率效率曲線；d. 所制備OLED器件的歸一化PL光譜圖；e. 參考文獻(xiàn)中柔性O(shè)LED的角度色散相關(guān)色坐標(biāo)偏移；f. 參考文獻(xiàn)中柔性O(shè)LED的朗伯發(fā)光特性曲線圖

行業(yè)困局：高端OLED 的 “效率與視角” 雙重枷鎖

在顯示技術(shù)迭代浪潮中，有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管（AMOLED）憑借超薄形態(tài)、高對(duì)比度、毫秒級(jí)響應(yīng)速度和卓越的機(jī)械柔性，已成為智能手機(jī)、智能手表、折疊終端等產(chǎn)品的核心顯示方案。其中，頂發(fā)射 AMOLED（TEOLED）通過(guò)將發(fā)光方向脫離基板束縛，不受底層背板布線影響，實(shí)現(xiàn)了更高的開口率，在 4K/8K 超高清顯示、微型可穿戴設(shè)備等高端應(yīng)用中具備不可替代的優(yōu)勢(shì)，被業(yè)內(nèi)公認(rèn)為下一代顯示技術(shù)的核心發(fā)展方向。

然而，TEOLED 的微腔結(jié)構(gòu)與生俱來(lái)存在致命缺陷。其反射底電極與半透明頂電極之間形成的法布里 - 珀羅（Fabry-Pérot）型微腔，雖能通過(guò)共振放大效應(yīng)選擇性增強(qiáng)特定波長(zhǎng)光線，提升色純度并窄化發(fā)射光譜，但會(huì)導(dǎo)致發(fā)射光譜呈現(xiàn)強(qiáng)烈的角度依賴性。隨著觀看視角變化，光程長(zhǎng)度發(fā)生改變，引發(fā)明顯的光譜偏移，尤其是斜視角下的藍(lán)移現(xiàn)象，嚴(yán)重影響多用戶共享場(chǎng)景和大尺寸顯示的視覺體驗(yàn)。這一問(wèn)題在折疊、卷曲、拉伸等新型顯示產(chǎn)品中更為突出，成為制約行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。

與此同時(shí)，傳統(tǒng)光提取技術(shù)難以兼顧效率與穩(wěn)定性。納米多孔膜（NPF）作為潛在解決方案，雖能通過(guò)散射波導(dǎo)模式、耦合捕獲光線來(lái)促進(jìn)朗伯型發(fā)射，緩解角度色偏，但傳統(tǒng)制備工藝存在明顯短板。霧輔助旋涂法制備的 NPF 表面存在不規(guī)則凹形半球形空隙，導(dǎo)致大量漫反射背散射，造成光損失；更關(guān)鍵的是，當(dāng) NPF 應(yīng)用于底發(fā)射 OLED（BEOLED）時(shí)，易受水分、氧氣侵蝕而降解，且空氣填充的納米孔與玻璃基板之間的折射率失配會(huì)抵消其光提取優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用效果大打折扣。

行業(yè)迫切需要一種能夠同時(shí)突破效率瓶頸、解決角度色偏、兼容柔性形態(tài)的一體化技術(shù)方案。慶熙大學(xué) Min Chul Suh 教授團(tuán)隊(duì)的研究正是針對(duì)這一核心痛點(diǎn)，通過(guò)材料創(chuàng)新與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的深度融合，實(shí)現(xiàn)了 OLED 顯示技術(shù)的跨越式升級(jí)。

圖 2 a. 基于NPF的TEOLED的制備流程；b. OCR層NPF表面形貌的SEM圖像；c. OCR層NPF表面形貌的SEM圖像；d~f. 不同孔徑NPF及復(fù)合膜的橫截面電場(chǎng)散射模式三維FDTD仿真圖；g~h. NPF的離子電導(dǎo)顯微鏡分析圖

技術(shù)革新：納米紋理與折射率匹配的協(xié)同突破

為破解 TEOLED 的固有難題，研究團(tuán)隊(duì)提出了結(jié)構(gòu)工程化的光學(xué)設(shè)計(jì)策略，核心在于創(chuàng)新性地將納米多孔膜（NPF）與折射率匹配光學(xué)透明樹脂（OCR）相結(jié)合，通過(guò)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)布局，構(gòu)建 “NPF+OCR” 協(xié)同作用體系，實(shí)現(xiàn)光提取效率與角度穩(wěn)定性的雙重提升。

（一）結(jié)構(gòu)重構(gòu)：倒置層壓設(shè)計(jì)破解傳統(tǒng)局限

團(tuán)隊(duì)摒棄了將 NPF 直接沉積在 OLED 器件有源層上的傳統(tǒng)做法，轉(zhuǎn)而采用倒置層壓架構(gòu)：將 NPF 制備于封裝玻璃的內(nèi)表面，隨后旋涂紫外固化型折射率匹配 OCR（n=1.56），填充 NPF 表面的凹形空隙。這一設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了雙重技術(shù)突破：一方面，OCR 有效平整了 NPF 的表面形態(tài)，減少了界面散射造成的光損失；另一方面，NPF 內(nèi)部的納米孔結(jié)構(gòu)得以完整保留，持續(xù)發(fā)揮角度光重分布功能。

更重要的是，TEOLED 結(jié)構(gòu)為 NPF 提供了天然的環(huán)境保護(hù)屏障，避免了水分和氧氣對(duì)材料的侵蝕。同時(shí)，OCR 與 NPF、封裝玻璃之間形成良好的折射率匹配，最大限度降低了反射損耗，使 NPF 的散射效應(yīng)得到充分釋放。對(duì)比實(shí)驗(yàn)顯示，傳統(tǒng) NPF 因表面折射率接近空氣（n=1），與封裝玻璃（n=1.5）存在顯著折射率失配，導(dǎo)致超過(guò) 25% 的效率損失，而新設(shè)計(jì)通過(guò) OCR 填充徹底解決了這一行業(yè)痛點(diǎn)。

圖3 a. 有無(wú)OCR填充的NPF的光學(xué)顯微鏡形貌表征圖；b. 基于NPF TEOLED結(jié)構(gòu)示意圖及光提取光路圖；c. 無(wú)OCR層與有OCR層的NPF TEOLED器件橫截面電場(chǎng)散射模式的三維FDTD仿真圖；d. 所有仿真器件的總功率流幅值對(duì)比圖

（二）材料優(yōu)化：精準(zhǔn)調(diào)控的納米多孔膜制備

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)霧輔助旋涂工藝制備高性能 NPF，采用醋酸纖維素丁酸酯（CAB）的氯仿溶液形成多孔基質(zhì)，在旋涂過(guò)程中精準(zhǔn)引入水蒸氣，使固化后的聚合物膜形成均勻的納米級(jí)空隙網(wǎng)絡(luò)。為實(shí)現(xiàn)最佳光提取效果，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)優(yōu)化了關(guān)鍵制備參數(shù)：將聚合物濃度調(diào)整為 8wt%，旋涂速度控制在 2000rpm，最終獲得厚度約 1μm 的 NPF 薄膜，其內(nèi)部形成均勻分布的納米孔隙結(jié)構(gòu)。

3D 有限差分時(shí)域（FDTD）模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試均證實(shí)，NPF 的孔徑大小對(duì)散射效率具有決定性影響。其中，300-500nm 的小孔徑 NPF 表現(xiàn)出最高的全向散射光強(qiáng)度，而 1-2μm 和 3-5μm 的大孔徑 NPF 散射效果顯著減弱，充分驗(yàn)證了小孔徑結(jié)構(gòu)在光提取中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。激光共聚焦顯微鏡（LICM）表征進(jìn)一步顯示，NPF 表面的多孔結(jié)構(gòu)為光散射提供了理想的物理基礎(chǔ)，其深度和空間分布均勻性達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

（三）性能增強(qiáng)：OCR 的多重關(guān)鍵作用

折射率匹配光學(xué)透明樹脂（OCR）在該技術(shù)體系中扮演著多重關(guān)鍵角色。除了填充 NPF 表面空隙、平整表面形態(tài)外，OCR 還能有效消除封裝玻璃與 OLED 之間的空氣間隙，避免全反射造成的光 trapping 現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，OCR 填充后，器件的總透光率（T.T）從 82.1% 提升至 94.9%，平行透光率（P.T）從 32.9% 提升至 70.7%，同時(shí)霧度從 59.8% 降至 25.5%，實(shí)現(xiàn)了透光性能與散射效果的完美平衡。

此外，OCR 的紫外固化特性使器件組裝過(guò)程更加高效，且與柔性基板具備良好的兼容性。團(tuán)隊(duì)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，NPF 散射基板可獨(dú)立于 OLED 器件堆疊進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，隨后通過(guò)層壓工藝與器件集成，不僅提高了生產(chǎn)良率，更避免了直接沉積對(duì)有機(jī)層造成的損傷，為柔性顯示產(chǎn)品的批量生產(chǎn)提供了可行路徑。

圖4參考OLED器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及EL性能曲線：a~c. 流密度-電壓-亮度曲線圖、電流效率-亮度-功率效率曲線圖及歸一化EL光譜圖；d~f. 3種參考OLED器件的角度依賴的電致發(fā)光光譜等高線圖；g. 本研究方案相對(duì)于參考OLED器件的角度色散特性對(duì)比曲線圖；h. 本研究方案相對(duì)于參考OLED器件的朗伯發(fā)光特性曲線；i. 經(jīng)光耦合因子校正后的所有OLED器件的EQE對(duì)比圖

（四）柔性兼容：機(jī)械與光學(xué)性能的雙重穩(wěn)定

為滿足可穿戴設(shè)備的應(yīng)用需求，團(tuán)隊(duì)對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行了柔性化適配。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該結(jié)構(gòu)與柔性基板完美兼容，在彎曲狀態(tài)下仍能保持穩(wěn)定的光學(xué)和機(jī)械性能。有限元分析（FEA）模擬顯示，柔性器件可承受高達(dá) 8000MPa 的臨界應(yīng)力，在 0%-100% 彎曲范圍內(nèi)保持結(jié)構(gòu)完整性；實(shí)際測(cè)試中，器件在反復(fù)彎曲后未出現(xiàn)裂紋或性能衰減，完全滿足可穿戴設(shè)備的使用要求。

性能飛躍：效率、色穩(wěn)定性與柔性的三重突破

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和模擬分析，基于 “NPF+OCR” 技術(shù)的 TEOLED 器件在核心性能指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了跨越式提升，全面超越傳統(tǒng)參考器件，展現(xiàn)出強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

（一）光電效率：刷新行業(yè)紀(jì)錄

在電致發(fā)光（EL）性能測(cè)試中，采用該技術(shù)的 Device 2 器件表現(xiàn)尤為突出：在 6V 驅(qū)動(dòng)電壓下，電流密度達(dá)到 23.1mA/cm2，顯著高于傳統(tǒng)參考器件的 19.3mA/cm2；電流效率（CE）達(dá)到 161.1cd/A，功率效率（PE）達(dá)到 141.7lm/W，相比以往數(shù)據(jù)（CE=146.6cd/A，PE=125.1lm/W）分別提升 9.9% 和 13.3%；經(jīng)過(guò)朗伯校正因子（LCF）修正后的外量子效率（EQE）從以往的 8.5% 飆升至 31.6%，提升幅度高達(dá) 370%，創(chuàng)下同類器件的效率紀(jì)錄。

光譜測(cè)試顯示，Device 2 的發(fā)射峰值波長(zhǎng)為 527nm，半高寬（FWHM）為 30nm，既保持了微腔結(jié)構(gòu)的高色純度，又通過(guò) NPF 的散射作用避免了光譜過(guò)窄導(dǎo)致的角度依賴性問(wèn)題。相比之下，傳統(tǒng)參考器件的峰值波長(zhǎng)為 535nm，F(xiàn)WHM 為 30nm，但角度色偏嚴(yán)重，無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

圖5 a~d. 所有制備的TEOLED的諧振衰減特性三維FDTD仿真圖；e~f. 所有制備的TEOLED器件的品質(zhì)因數(shù)對(duì)比圖

（二）角度穩(wěn)定性：全視角色彩一致

角度依賴測(cè)試是該技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)所在。傳統(tǒng) TEOLED 在 - 60° 至 60° 視角范圍內(nèi)，峰值波長(zhǎng)藍(lán)移可達(dá) 22nm，即使添加 OCR ，OLED的峰值波長(zhǎng)還是存在 19nm 的藍(lán)移。而基于 NPF+OCR 技術(shù)的 Device 2，在相同視角范圍內(nèi)的峰值波長(zhǎng)藍(lán)移僅為 10nm，角度色偏（Δu′v′）降至 0.016，較參考器件降低 65.2%，實(shí)現(xiàn)了近乎完美的全視角色彩一致性。

更重要的是，該器件的發(fā)光分布接近理想朗伯分布，在全視角范圍內(nèi)保持均勻的亮度和顏色表現(xiàn)。3D FDTD 模擬顯示，NPF 的散射作用使光場(chǎng)在 x-z 平面內(nèi)均勻分布，而 OCR 的折射率匹配進(jìn)一步提升了光取出效率，形成全向發(fā)射特性。這一特性徹底解決了柔性顯示、大面積顯示中離軸可視性差的行業(yè)痛點(diǎn)，為多場(chǎng)景應(yīng)用提供了技術(shù)保障。

（三）機(jī)械可靠性：柔性應(yīng)用的堅(jiān)實(shí)支撐

為驗(yàn)證柔性應(yīng)用潛力，研究團(tuán)隊(duì)制備了柔性版本的 Device 3，并進(jìn)行了全面的機(jī)械性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該器件在 7V 驅(qū)動(dòng)電壓下，100% 彎曲時(shí)亮度幾乎無(wú)變化；經(jīng)過(guò) 400 次彎曲循環(huán)后，僅出現(xiàn)輕微亮度衰減，證實(shí)了其優(yōu)異的機(jī)械柔韌性和耐用性。

實(shí)際應(yīng)用演示中，該柔性器件可輕松貼合人體皮膚，或卷繞在筷子等曲面載體上，仍保持穩(wěn)定的發(fā)光性能，完全滿足智能手表、AR 眼鏡等可穿戴設(shè)備的使用要求。角度依賴測(cè)試進(jìn)一步證實(shí)，柔性狀態(tài)下器件的角度色穩(wěn)定性與剛性器件一致，為柔性顯示產(chǎn)品的商業(yè)化提供了關(guān)鍵支撐。

（四）成本優(yōu)勢(shì)：規(guī)?；a(chǎn)的核心保障

該技術(shù)具備非常顯著的成本優(yōu)勢(shì)。據(jù)估算，制備 25cm2 的納米多孔膜（NPF）原材料成本不足 0.1 美元，核心材料為醋酸纖維素丁酸酯、氯仿等常見化學(xué)品，無(wú)需昂貴的特種材料或復(fù)雜光刻工藝。相比之下，傳統(tǒng)光提取技術(shù)如微透鏡陣列、光子晶體等，依賴高精度光刻和特殊材料，成本居高不下，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

此外，該技術(shù)采用模塊化生產(chǎn)模式，NPF 散射基板可獨(dú)立制造，再通過(guò)層壓工藝與 OLED 器件集成，兼容現(xiàn)有 OLED 生產(chǎn)線，無(wú)需大規(guī)模設(shè)備改造，進(jìn)一步降低了產(chǎn)業(yè)化門檻。這種 “高性能 + 低成本” 的組合優(yōu)勢(shì)，為技術(shù)的快速商業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖6 a. 參考OLED器件3在0%~100%彎曲應(yīng)變下的FEA仿真圖；b. 參考OLED器件3在0%~100%彎曲應(yīng)變下的實(shí)物拍攝圖；c. 參考OLED器件3在人體手部的貼合展示圖及卷繞于筷子上的柔韌性演示圖；d~f. 參考OLED器件3的亮度-彎曲應(yīng)變百分比關(guān)系曲線圖及亮度-彎曲循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線圖

研究成果：致力于從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化

該研究通過(guò)系統(tǒng)的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，深入揭示了納米紋理結(jié)構(gòu)與折射率匹配協(xié)同作用的光調(diào)制機(jī)制。Q 因子分析表明，NPF 的散射作用降低了光在微腔中的相干性，使發(fā)射光譜適度展寬，從而抑制角度色偏；而 OCR 的折射率匹配則增強(qiáng)了光共振，提升了器件效率。這種對(duì)光 - 物質(zhì)相互作用的精準(zhǔn)調(diào)控，為有機(jī)光電子器件的光學(xué)設(shè)計(jì)提供了新的理論指導(dǎo)。

3D FDTD 模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的高度吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了該技術(shù)的科學(xué)性和可靠性。模擬不僅預(yù)測(cè)了器件的光場(chǎng)分布、功率流變化和角度依賴特性，還為結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供了關(guān)鍵依據(jù)，體現(xiàn)了理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究范式優(yōu)勢(shì)，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了重要借鑒。

該技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景不僅局限于消費(fèi)電子領(lǐng)域，還將拓展至車載顯示、醫(yī)療顯示、戶外大屏等多個(gè)領(lǐng)域。在車載顯示中，全視角色彩穩(wěn)定性可滿足駕駛員和乘客的不同觀看需求；在醫(yī)療顯示中，高分辨率和色準(zhǔn)確度有助于醫(yī)生進(jìn)行精準(zhǔn)診斷；在戶外大屏中，高亮度和角度穩(wěn)定性可提升多人共享場(chǎng)景的視覺體驗(yàn)。

研究團(tuán)隊(duì)表示，該技術(shù)目前已在綠光 TEOLED 中得到驗(yàn)證，下一步將拓展至紅光、藍(lán)光器件，并探索其在量子點(diǎn) OLED、鈣鈦礦 OLED 等新型顯示技術(shù)中的應(yīng)用。未來(lái)，通過(guò)材料體系的持續(xù)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步升級(jí)，有望實(shí)現(xiàn)更高效率、更優(yōu)穩(wěn)定性的 OLED 顯示器件，為顯示產(chǎn)業(yè)開辟新的發(fā)展空間。

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