高分辨率OLED顯示的RGB子像素圖案化難題已被攻克！

CINNO Research產(chǎn)業(yè)資訊，近日，來自韓國(guó)成均館大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在《ACS Applied Electronic Materials》期刊上發(fā)表了一項(xiàng)具有里程碑意義的研究成果。他們研發(fā)的垂直堆疊有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）色彩選擇技術(shù)，通過精準(zhǔn)調(diào)控?zé)o機(jī)空穴延遲層（HDL，Hole Delay Layer）的厚度，成功解決了長(zhǎng)期困擾高分辨率OLED顯示的RGB子像素圖案化難題，為下一代高清、柔性、大尺寸全彩顯示設(shè)備的量產(chǎn)鋪平了道路。

顯示技術(shù)瓶頸：高分辨率OLED的 “圖案化困局”

OLED自商業(yè)化以來，憑借其卓越的電光性能迅速占據(jù)高端顯示市場(chǎng)。其與生俱來的高對(duì)比度、鮮艷色彩、微秒級(jí)響應(yīng)速度和超廣視角，使其成為折疊屏手機(jī)、智能手表、VR/AR設(shè)備等產(chǎn)品的核心顯示方案。隨著技術(shù)演進(jìn)，OLED更實(shí)現(xiàn)了超薄、柔性、可拉伸甚至透明化突破 —— 例如可彎曲的折疊屏、貼附于皮膚的可穿戴顯示器，這些創(chuàng)新不斷拓展著顯示技術(shù)的應(yīng)用邊界。

然而，在追求4K、8K乃至更高分辨率的過程中，OLED面臨著一道難以逾越的技術(shù)鴻溝：RGB子像素的圖案化難題。全彩顯示需通過紅、綠、藍(lán)三色子像素的組合實(shí)現(xiàn)廣色域，而有機(jī)功能層的精準(zhǔn)圖案化是構(gòu)建這些子像素的核心步驟。目前行業(yè)主流采用的 “精細(xì)金屬掩膜（FMM）” 技術(shù)，需在高真空環(huán)境下通過金屬掩膜沉積有機(jī)發(fā)光層，但其弊端十分顯著：一方面，金屬掩膜易因自身重量下垂或在沉積過程中偏移，導(dǎo)致像素錯(cuò)位，難以滿足高分辨率面板的精度要求；另一方面，為適配不同尺寸面板需定制不同掩膜，制造成本高昂，尤其在大尺寸顯示領(lǐng)域幾乎不具備可行性。

為規(guī)避FMM技術(shù)的缺陷，行業(yè)曾嘗試采用彩色濾光片或顏色轉(zhuǎn)換層與均勻有機(jī)發(fā)光層結(jié)合的方案。但這類方案存在嚴(yán)重的光學(xué)損耗 —— 部分光線會(huì)被濾光層吸收，導(dǎo)致器件發(fā)光效率大幅下降，同時(shí)為補(bǔ)償亮度需提高驅(qū)動(dòng)電壓，進(jìn)一步增加功耗，與便攜式電子產(chǎn)品的低功耗需求背道而馳。此外，垂直堆疊無圖案發(fā)光層（EML）的方案雖被提出，但傳統(tǒng)設(shè)計(jì)依賴電壓調(diào)制或中間電極控制復(fù)合區(qū)（RZ），前者無法獨(dú)立調(diào)節(jié)亮度與色彩，后者則面臨電極圖案化復(fù)雜、難以與背板電路集成的問題，始終未能實(shí)現(xiàn)實(shí)用化突破。

技術(shù)革新：無機(jī)空穴延遲層主導(dǎo)的“色彩開關(guān)”

面對(duì)行業(yè)困境，成均館大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的解決方案：通過預(yù)圖案化的無機(jī)空穴延遲層（HDL）調(diào)控載流子復(fù)合區(qū)，無需對(duì)有機(jī)功能層進(jìn)行任何圖案化處理，即可實(shí)現(xiàn)不同子像素的精準(zhǔn)色彩選擇。這一方案的核心，是將三氧化鉬（MoO?）作為空穴延遲層材料，通過改變其厚度來控制空穴的注入效率，進(jìn)而“引導(dǎo)” 復(fù)合區(qū)在垂直堆疊的兩個(gè)發(fā)光層（EML）之間切換，最終實(shí)現(xiàn)特定顏色的穩(wěn)定發(fā)射。

“復(fù)合區(qū)是OLED發(fā)光的‘心臟’，激子在此處將能量轉(zhuǎn)化為光，其位置直接決定發(fā)光顏色，” 研究團(tuán)隊(duì)解釋道，“我們的設(shè)計(jì)本質(zhì)是通過MoO?層厚度調(diào)節(jié)空穴傳輸速度—— 厚度越厚，空穴傳輸受阻越明顯，復(fù)合區(qū)就會(huì)向遠(yuǎn)離陽極的發(fā)光層移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)從紅光到綠光的切換。”

為驗(yàn)證這一設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種垂直堆疊雙發(fā)光層器件：底層為紅色發(fā)光層（EML1），摻雜雙 (1-苯基異喹啉)(乙酰丙酮) 銥 (III)（Ir (piq)?(acac)）；上層為綠色發(fā)光層（EML2），摻雜三 (2-苯基吡啶) 銥 (III)（Ir (ppy)?）；中間插入載流子調(diào)制層（CML，Carrier Modulation Layer），選用高空穴遷移率、低電子遷移率的三 (4-咔唑-9-基苯基) 胺（TCTA）材料，進(jìn)一步限制電子滲透；陽極采用氧化銦錫（ITO），陰極則為鋁（Al）與電子注入層（BPhen:Liq）的組合。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人振奮：當(dāng)MoO?層厚度控制在約110nm時(shí)，空穴能順利穿越延遲層與傳輸層，大量聚集于EML1，與從陰極注入的電子在此復(fù)合，器件持續(xù)發(fā)出穩(wěn)定紅光。在4-12V的驅(qū)動(dòng)電壓范圍內(nèi)，其國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）坐標(biāo)僅從（0.67, 0.32）輕微偏移至（0.63, 0.33），色偏（Δxy）僅為0.041，遠(yuǎn)低于行業(yè)對(duì)色彩穩(wěn)定性的要求。

當(dāng)MoO?層厚度增加至140nm時(shí)，空穴傳輸受到顯著抑制，難以抵達(dá)EML1；此時(shí)電子在電場(chǎng)作用下穿越EML1與CML，與聚集在EML2的少量空穴復(fù)合，器件切換為穩(wěn)定綠光發(fā)射。在7-13V的電壓區(qū)間內(nèi)，其CIE坐標(biāo)從（0.27, 0.57）僅偏移至（0.27, 0.55），色偏低至0.02，色彩穩(wěn)定性進(jìn)一步提升。更值得關(guān)注的是，當(dāng)MoO?厚度為125nm時(shí)，兩個(gè)發(fā)光層同時(shí)被激活，器件發(fā)出穩(wěn)定的橙色光 —— 這表明通過微調(diào)厚度，可實(shí)現(xiàn)更多色彩的精準(zhǔn)控制，為全彩顯示的實(shí)現(xiàn)提供了靈活路徑。

細(xì)節(jié)優(yōu)化：多重設(shè)計(jì)保障色彩純凈與性能穩(wěn)定

為進(jìn)一步解決高電壓下可能出現(xiàn)的色彩混合問題，研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了兩項(xiàng)關(guān)鍵優(yōu)化：一是引入CML，二是減薄發(fā)光層厚度。

在未加入CML的器件中，高電壓會(huì)加速電子遷移，部分電子會(huì)穿透EML1進(jìn)入EML2，導(dǎo)致紅光與綠光混合，影響色彩純度。而TCTA材質(zhì)的CML具備 “單向?qū)ā?特性 —— 既能讓空穴順利通過，又能有效阻擋電子滲透，將復(fù)合區(qū)牢牢限制在目標(biāo)發(fā)光層內(nèi)。實(shí)驗(yàn)顯示，加入10nm厚的CML后，高電壓下的電子穿透率降低了60%以上，色混現(xiàn)象基本消失。

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)減薄發(fā)光層厚度可進(jìn)一步提升復(fù)合區(qū)的集中度。“更薄的發(fā)光層能增強(qiáng)電子與空穴的空間重疊度，提高激子形成效率，減少電子逃逸到相鄰發(fā)光層的概率，”研究人員補(bǔ)充道。當(dāng)發(fā)光層厚度從常規(guī)的10nm減至5nm時(shí)，EML1內(nèi)的激子形成率提升了30%，即使在12V高電壓下，仍能保持紅光的純凈發(fā)射，無任何綠光干擾。

此外，MoO?材料的選擇也是技術(shù)成功的關(guān)鍵。團(tuán)隊(duì)對(duì)比了五氧化二釩（V?O?）、三氧化鎢（WO?）、氧化鎳（NiO）等備選材料，發(fā)現(xiàn)MoO?在110-140nm的非常規(guī)厚度下，仍具備兩大核心優(yōu)勢(shì)：一是高光學(xué)透過率 —— 在紅綠發(fā)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)（500-700nm）透過率超過 80%，確保光線高效射出；二是優(yōu)異的薄膜均勻性 —— 表面粗糙度（RMS）小于1.4nm，避免因薄膜缺陷導(dǎo)致的電流泄漏或發(fā)光不均。相比之下，V?O?透過率僅60%，WO?厚度超過 100nm易開裂，NiO難以通過真空沉積實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)厚度控制，均無法滿足器件需求。

產(chǎn)業(yè)價(jià)值：兼容現(xiàn)有工藝，開啟高分辨率顯示新路徑

在性能測(cè)試中，該技術(shù)展現(xiàn)出極強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。電流-電壓-亮度（J-V-L）測(cè)試顯示，110nm MoO?的紅色器件開啟電壓約為4V，140nm MoO?的綠色器件開啟電壓約為6.5V，均處于 OLED的常規(guī)工作電壓范圍。更重要的是，兩種器件均可通過調(diào)節(jié)電壓實(shí)現(xiàn)亮度的連續(xù)變化（從10cd/m2到300cd/m2），而色彩保持穩(wěn)定 —— 這意味著該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)正常的灰度顯示，完全滿足顯示設(shè)備的基本功能需求。

壽命測(cè)試進(jìn)一步驗(yàn)證了技術(shù)的可靠性：在100cd/m2的亮度下，紅色器件的半衰期壽命LT80比綠色器件更長(zhǎng)，且老化過程中光譜無明顯變化，表明其長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性優(yōu)異。盡管綠色器件因電子注入限制，在電流效率（約15cd/A）、功率效率（約10lm/W）和外量子效率（EQE，約5%）上略低于紅色器件（分別為20cd/A、15lm/W、7%），但已達(dá)到商用OLED的性能標(biāo)準(zhǔn)，通過后續(xù)材料優(yōu)化仍有提升空間。

從產(chǎn)業(yè)應(yīng)用角度看，該技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于兼容現(xiàn)有制造體系。MoO?作為無機(jī)材料，可通過傳統(tǒng)光刻技術(shù)在背板制造階段完成圖案化—— 無需新增設(shè)備，僅需在現(xiàn)有ITO陽極制備流程中加入MoO?沉積與刻蝕步驟即可。后續(xù)的有機(jī)功能層（包括HTL、EML、ETL）則可通過連續(xù)真空沉積工藝制備，無需任何掩膜或圖案化處理，大幅簡(jiǎn)化了制造流程，降低了生產(chǎn)成本。

“這項(xiàng)技術(shù)徹底擺脫了對(duì)FMM的依賴，無論是小尺寸的VR面板，還是大尺寸的8K電視，都能通過統(tǒng)一的工藝實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，”研究人員強(qiáng)調(diào)，“目前我們已實(shí)現(xiàn)紅綠雙色的穩(wěn)定控制，下一步計(jì)劃通過引入藍(lán)色發(fā)光層和優(yōu)化延遲層設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)RGB全彩色OLED顯示。”

行業(yè)展望：引領(lǐng)顯示技術(shù)進(jìn)入“無掩膜時(shí)代”

該研究成果不僅解決了高分辨率OLED的核心瓶頸，更可能重塑顯示產(chǎn)業(yè)的制造格局。“傳統(tǒng)FMM技術(shù)的成本占OLED面板總成本的30%以上，且分辨率越高、尺寸越大，成本占比越高，”研究人員評(píng)價(jià)道，“我們的方案若能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)，將使高分辨率OLED的成本降低40%以上，推動(dòng)8K電視、Micro-OLED VR設(shè)備等產(chǎn)品的普及。”

從技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)看，該方案還具備與柔性顯示、透明顯示的兼容性。由于MoO?和有機(jī)層均通過真空沉積制備，可直接在柔性聚酰亞胺（PI）基板上實(shí)現(xiàn)，無需額外調(diào)整工藝 —— 這意味著未來的柔性折疊屏或可穿戴設(shè)備，不僅能實(shí)現(xiàn)更高分辨率，還能進(jìn)一步降低厚度和重量。

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