ACS AMI：柔性OLED显示器件纳米复合基底材料新进展

陶劲松

2020-02-17

第一作者：陶劲松，王瑞平

通讯作者：陶劲松，宋丽，李红变

第一单位：华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室

研究亮点：

通过用纳米纤丝纤维素(CNF)来增强聚芳脂(PAR)，研发了一种OLED显示器件CNF/PAR新复合基底材料，特点如下：

1. 基底拥有良好的透明性，热性能和机械性能；

2. 纳米纤丝纤维素CNF的加入提高了PAR的热分解温度，玻璃化转变温度，最高操作温度；增强了机械性能；同时保留了良好的光学性能。

3. 最高操作温度超过220度，超过常用的PET，接近无色聚酰亚胺薄膜的水平。

4. 溅射的ITO阳极性能和制备的OLED器件性能也优于PET基底的ITO和OLED器件。

柔性OLED显示器件基底发展挑战

柔性OLED显示器件（如可折叠手机、电脑等）发展迅速，基底是OLED显示器件的关键材料，它衬接阳极，实现柔性，同时是光的导入导出通道，要求苛刻。在传统刚性OLED器件向柔性转变过程中，基底作用非常关键。在常规的OLED蒸镀制程中，因为蒸镀、退火等，需要基底能承受高温。传统常用的基底材料玻璃能承受高温，但不能实现柔性而使用受限。目前所用柔性基底大部分为高分子聚合物基低，但大部分高分子聚合物如PET等存在光学性好，而耐热性不佳的问题。现在研发的无色聚酰亚胺（CPI）虽然具有良好的光学性和热性能，但所用单体价格非常昂贵，而且性能指标也有待完善，大规模推广还存在一定困难。因此，研发柔性、透明、耐热的聚合物基底材料对于柔性OLED显示技术的发展和推广非常重要。

成果简介

基于此，本文用热性能、光学性能和机械性能良好的纳米微丝纤维素CNF来复合聚芳脂PAR，获得了一种光学性、热性能和机械性能都良好的， 而且经济的柔性OLED显示新基底材料。

图1. 纳米纤维素/聚合物复合基底。

要点1：基底制备策略

用针叶木通过TEMPO氧化法来制备CNF，然后通过溶剂交换法，来把CNF和PAR聚合，利用两者的氢键作用，获得机械性能、热性能提升的CNF/PAR基底薄膜，该薄膜通过溅射ITO制备柔性透明导电电极后，进一步制备了绿光OLED器件。

图2. 基底制备策略。

要点2：基底结构与性能表征

在CNF薄膜上可以看到纳米尺寸的CNF纤维，与PAR复合后，CNF被填埋入PAR内部，从而表面呈现平滑，通过比较纯PAR和CNF/PAR截面SEM图，可以看到CNF在PAR中均匀分布，相容性良好，这对于热性能和机械性能的提高非常重要。

图3. 基底微观分析。

AFM数据表明，CNF具有~20nm的直径，在PAR中添加4wt%后基底薄膜仍然透明性良好；经过4wt% CNF添加，复合基底透光率仍然超过85%，雾度1.75%@600nm，体现优秀的光学性能，这对于制备OLED基底材料尤为重要。添加后抗张强度、杨氏模量、耐折性能都提升明显；而且复合基底具有良好的耐药性，有利于OLED制备过程中的各种程序清洗。

图4. 基底光学性、机械性和耐药性。

FTIR显示CNF与PAR形成氢键，因为氢键的作用，热分解温度达到提升到501°C（Td，50%），玻璃化温度192°C，最高操作温度220°C，比常用的PET,PEN,PC和纯PAR材料都高，而且接近CPI的最高操作温度，并且直接加热实验显示，复合基底CNF/PAR耐热性突出，形稳性良好。基底良好的热性能对于抵御OLED制备中的各种热制程非常有益。

图5. 基底热性能。

以常用PET基底做比较来和 CNF/PAR基底做阳极制备性能比较。溅射ITO后， CNF/PAR基底透光性比PET优异，透光率79%，方块电阻25Ω/sq也优于PET基底；而且表面ITO均匀性和平滑度都比PET基底上溅射的ITO要优秀。

图6. 基底溅射透明阳极性能。

要点3：基底制备柔性OLED器件

CNF/PAR基底上制备OLED器件表现出良好的性能。在弯曲情况下，器件仍然发光良好。器件通过多层功能层堆叠制备，通过电压调节，能发生强烈的绿光。通过与PET基底制备同样OLED器件对照， 发现CNF/PAR基底上制备的OLED器件，亮度、电流强度、电流效率和外部量子效率都要优于PET基底上制备的OLED器件。这为CNF/PAR新基底材料有望在柔性OLED器件制备中展现应用提供了有力证据。

图7. 基底制备OLED器件应用展示。

表S1 基底性能总结：CNF/PAR基底指标与柔性OLED器件制作基底要求指标对照表

小结

全文研究数据表明，该文制备的CNF/PAR基底满足柔性OLED器件制作的苛刻要求，随着该材料性能的进一步完善，有望为OLED可折叠显示器件提供高质量、低成本的新的柔性基底。

参考文献

Jinsong Tao et al. Highly Transparent， Highly ThermallyStable Nanocellulose/Polymer Hybrid Substrates for Flexible OLED Devices. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020.

DOI: 10.1021/acsami.0c01048

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c01048