导读

近日，东北师范大学物理学院紫外光发射材料与技术教育部重点实验室的汤庆鑫教授课题组提出了一种“分立制备-多层叠合”的策略，该策略旨在解决全有机器件在逐层制备中存在的工艺互扰问题。实现了由全有机材料构成的垂直堆叠的类皮肤有源矩阵显示器，其单个像素具有高达83%的开口率，是目前已报道的最高值。该显示器与手部紧密贴合，展示了其在可穿戴电子和光电子领域中的应用潜力。该研究成果以“Vertically stacked skin-like active-matrix display with ultrahigh aperture ratio”为题在线发表在国际光学顶尖期刊《Light: Science & Applications》上。汤庆鑫教授、赵晓丽副教授和董永军副教授为论文通讯作者，历俊彤博士和倪艳萍博士为该论文的共同第一作者。

研究背景

类皮肤（Skin-like）显示器已成为未来便携式和可穿戴电子设备信息输出的重要媒介。已报道的大多数显示器采用玻璃或厚塑料基板制造，限制了它们的机械柔韧性（Flexibility）和贴合性（Conformability）。全有机有源矩阵显示器（All-organic AMOLEDs）以其机械柔韧性和低温加工等优势被视为制造和发展类皮肤显示器的最佳选择之一。目前报道中提及的大部分全有机有源矩阵显示器均由有机薄膜晶体管（OTFT）和有机发光二极管（OLED）并行排列组成。然而，这种结构导致非发光有机薄膜晶体管和金属线路遮挡了部分像素区域，进而降低了像素的亮度、分辨率和开口率。相较于平行结构，采用垂直堆叠结构的AMOLEDs可以减少非发光有机薄膜晶体管和金属线路等不利影响，提高显示器开口率，从而降低像素电流密度以延缓器件老化。然而，实现垂直堆叠的类皮肤AMOLEDs面临诸多技术挑战，如功能层之间相互溶解、力学兼容性较差以及需要实现良好的层间互联等问题。

创新研究

在本研究中，研究团队提出了一种基于微电子工艺的“分立制备-多层叠合”集成策略，该策略与有机材料兼容。通过分别制备顶部发射有机发光二极管（Top-emitting OLED）、互连层和有机薄膜晶体管（OTFT），并利用压合技术将它们垂直组装，有效规避了在逐层制备过程中可能存在的潜在问题。这种制造方式的独特之处在于剥离过程中没有引入任何溶剂或水，并且在层压过程中也没有使用额外的粘合剂。因此，它避免了功能层相互溶解和界面污染的问题，为制造高质量垂直堆叠的皮肤状显示器提供干净且完整的接触界面。

相较于现有的有源矩阵显示器制备策略，所提出的策略具备一系列独特优势：

1. 与平行的AMOLEDs制备策略相比，本研究采用粘弹性互连层将OLEDs阵列与全光刻OTFT阵列垂直连接。所得到的整个阵列完好无损，且没有任何删除或裂缝存在。单个像素的开口率高达83%，显示阵列的开口率达到71%，超过了此前报道基于全有机材料柔性AMOLEDs结果。

2. 与传统逐层沉积技术不同，该策略在制造过程中消除了传统逐层沉积技术中对脆弱有机材料的化学或物理损伤，从而实现可重复且高质量的垂直堆叠类皮肤显示器。此外，该策略将光刻、蚀刻等先进工艺与柔性显示器制造技术相结合，具备在大规模生产中实现高集成度和高分辨率显示器的潜力。

3. 与在刚性或柔性基板上逐层制备不同，所有功能层都能轻松脱离刚性基板，免受刚性基板对其施加的任何力学约束。因此，所提出的显示器具有优异的机械柔韧性和机械稳定性。此外，由于各功能层之间紧密结合，成功制备了具有无缝隙、无位错和无分层的垂直堆叠类皮肤AMOLED。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

图1.高开口率垂直堆叠的类皮肤AMOLED显示阵列的构建。

图2. 垂直堆叠的类皮肤有源矩阵显示阵列。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01524-z