最新npj-柔性电子：用于可穿戴显示器的OLED纤维纺织品

温华 12个月前 (02-05) 5874浏览

npj Flexible Electronics：用于大发射面积可穿戴显示器的水稳定和基质可寻址OLED纤维纺织品

[导读]

具有良好的电致发光特性和可互连像素结构的有机发光二极管(OLED)纤维代表了可穿戴电子纺织显示器的潜力。尽管如此，目前基于OLED纤维的纺织显示技术仍然存在一些挑战，包括发光面积有限和缺乏封装系统。

[成果掠影]

在这项研究中，韩国国立国民大学Sung-Min Lee课题组提出了一种纤维状的OLED纺织品显示器，通过实现由集成磷光OLED纤维组成的可寻址网络和设计多层封装，可以实现大的发射面积和长期稳定性。该集成光纤配置为可互连的一维OLED像素阵列和数据寻址导体提供解耦的功能光纤表面。定制的三元金属/超薄氧化物/聚合物多层膜不仅可以实现氧/水渗透抑制，还可以实现介电抗熔剂的可控导电通道。结合可靠的弯曲稳定性，OLED织物在水中的长期运行表明了目前的器件概念在耐水全发射区纤维织物显示器上的可行性。相关论文以题为：“Water stable and matrix addressable OLED fiber textiles for wearable displays with large emission area”发表在npj Flexible Electronics上。

[核心创新点]

  • 本工作展示了一种高性能的纤维状OLED织物显示器，具有大的发射面积和耐水性，超过了已报道的纺织器件。
  • 本工作创新性地为一维磷光OLED像素阵列设计了解耦的光纤域，其中具有排他性接触和独立的寻址导体，参与交错其他光纤的操作。
  • 本工作提出的器件设计理念和制备策略在多个方面很容易适用于相关的高级纤维纺织品显示器。

[数据概览]

  • 封装型OLED光纤显示器的设计与制作

图1a、b说明了所提出的OLED光纤显示器的器件设计及其制作过程。该器件仅由垂直交错、封装的可互连OLED光纤与数据寻址导体集成而成。单根OLED光纤的半边户由一个一维的底发射OLED像素阵列组成，这些底发射OLED像素共用一个导体连接到它们的阳极，但在顶部封装上有与它们自己的阴极连接的单个接触垫。由于具有这些OLED纤维的编织网络的每个交叉点都实现了OLED像素块与正交寻址导体之间的物理接触，它们都可以参与发光，这意味着之前报道的具有非发光导电纤维的编织纺织显示器中出现的光死点可以消除。在后光纤侧形成Cr(30 nm)/Ag(Ag,500 nm)寻址导体用于像素驱动后，利用热蒸发结合孔径限定的阴影掩模完成了封装的可互连OLED光纤的制备。图1c展示了所得到的OLED光纤的代表性照片，其中具有上接触垫的OLED像素可以通过存在于底部寻址导体中的孔发射光。如图1e所示，采用无源矩阵方案成功驱动了由10×10根OLED光纤组成的编织型光纤显示器的制作样机，其中前光纤侧的ITO/Cr共导体和后光纤侧的Cr/Ag寻址导体分别作为寻址过程中的数据线和扫描线。

图1. 具有大发光面积和长期稳定性的纤维状OLED纺织品显示器的设计与制备© 2023 The authors

  • OLED纤维的电致发光性能

本工作接下来对所提出的OLED光纤的EL特性进行了实验研究，以证明高性能照明光纤的可实现性。图2a为测试的ITO (150 nm)阳极构成的OLED光纤像素结构。图2c给出了垂直放置的Cr/Ag导电纤维(图2b)测量的TFE钝化的(即完全封装) OLED纤维像素的代表性电流密度(J)-电压(V) -亮度(L)曲线，其中还展示了无TFE的OLED纤维像素(也就是说,只有球形PU屏障和Al基/接触垫)的电流密度(J)-电压(V)-亮度(L)曲线，以阐明引入TFEs引起的性能变化。一旦顶部TFE中的反熔丝被激活，TFE钝化的OLED像素可以在~ 2.3 V的低电压水平下打开。由于它们的亮度随着外加电压(在4.9 V时, ~2400 cd m-2)的增加而迅速上升到一个相当高的水平，因此可以实现与OLED平板器件一样的高亮度。与无TFE的OLED像素相比，TFE钝化的OLED像素的亮度降低。这是由于顶部TFE中插入的反熔丝引起的串联电阻增大，而不是由于TFE形成过程中的任何材料降解造成的，这与它们在电流效率(ηc=~35 cd A-1)和功率效率(ηp=~40 lm W-1)中的水平相似(图2d)。需要指出的是，TFE钝化的OLED像素在高亮度下的相对严重的滚降行为似乎归因于热绝缘TFE子层引起的抑制散热性能。

图2. 封装OLED光纤像素的电致发光性能© 2023 The authors

  • OLED纤维的电学性能及其纺织品的驱动特性

为了避免带有TFEs的OLED光纤首次运行时意外的器件损坏，顶部TFE中的反熔丝必须在适度低的电压水平下激活，而不会突然在器件上产生增强的电流。为了设计这种低压TFE反熔丝，本工作优先测量了固定Al2O3厚度为5 nm的Al/Al2O3/Al多层堆叠反熔丝样品的VBD水平，如图3a所示。随着Al2O3层数从1增加到3，由于反熔丝串联的电连接作用，VBD从~4.9单调上升到~10.2 V。尽管反熔丝中的多个Al2O3层和TFE中的多个三元势垒可以促进渗透阻挡性能，但它们增加的VBD显然不利于器件的可靠性。这一观察意味着在确定TFE反熔丝的Al2O3层数时需要涉及经验折衷：考虑到OLED器件在该电压范围内的EL参数，VBD为~7.3 V的双Al2O3层是可接受的。如图3b所示，经过2个势垒TFE钝化的OLED纤维在经过多次电压扫描后，可以安全地稳定在起始反熔丝老化处。

图3. 封装OLED纤维像素的电学特性和机织OLED纤维显示器的驱动特性© 2023 The authors

  • OLED纤维的长期稳定性和形变特性

由于目前TFE系统的高等级渗透阻隔性能，封装后的OLED光纤像素可以在环境条件下实现长期稳定。特别地，它们的抗潮湿功能允许在水中稳定运行，如图4a所示。相比之下，如果将Al2O3厚度限制在TFE顶部的5 nm，这种二元Al2O3/聚对二甲苯- C多层膜的阻挡层由于形成不完善而不能正常工作(图4b)。图4c中对比了在固定电流密度(~20 mA cm-2)下有TFEs和无TFEs的OLED纤维的时序亮度变化，清楚地支持了所提出的纤维封装系统的耐久性增强。在无TFE的OLED纤维中观察到明显的空气衰减和在去离子水中的快速衰减，而在TFE钝化的OLED纤维中可以监测到空气和水中的衰减。从图4d可以看出，当弯曲半径达到1.5 mm时，经过100次弯曲变形后，OLED光纤的性能几乎没有下降。值得注意的是，由于韧性Al和非常薄的脆弱Al2O3，所提出的三元TFE系统可以比典型的TFE系统更可靠地灵活运行。

图4. 封装OLED纤维的稳定性和形变特性© 2023 The authors

[成果启示]

总之，本工作展示了一种高性能的纤维状OLED纺织显示器，其具有大的发射面积和耐水性，超过了目前已报道的纺织设备。本工作实现了一种仅由集成的可互连OLED纤维组成的矩阵寻址机织织物格式，以实现大发射面积纺织品。同时，本工作为一维磷光OLED像素阵列设计了解耦的光纤区域，该区域具有排他性接触和独立寻址导体，参与交错其他光纤的操作。通过将封装系统裁剪为可互连的OLED光纤像素，实现了器件的长期耐久性。特别地，所设计的顶层TFE不仅可以实现高渗透阻隔性能，还可以构建低压介电抗熔剂。OLED纤维的高电致发光性能和可靠的弯曲稳定性也得到了成功的体现，这些纤维的概念验证纺织品甚至可以在水中通过驯服于纤维网的被动基质驱动方法操作。

第一作者：Hayoung Song、Young Jin Song

通讯作者：Sung-Min Lee

通讯单位：韩国国立国民大学

论文doi：

https://doi.org/10.1038/s41528-022-00199-z

本文由温华供稿。

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