具有良好的電致發光特性和可互連像素結構的有機發光二極管(OLED)纖維代表了可穿戴電子紡織顯示器的潛力。盡管如此，目前基于OLED纖維的紡織顯示技術仍然存在一些挑戰，包括發光面積有限和缺乏封裝系統。
在這項研究中，韓國國立國民大學Sung-Min Lee課題組提出了一種纖維狀的OLED紡織品顯示器，通過實現由集成磷光OLED纖維組成的可尋址網絡和設計多層封裝，可以實現大的發射面積和長期穩定性。該集成光纖配置為可互連的一維OLED像素陣列和數據尋址導體提供解耦的功能光纖表面。定制的三元金屬/超薄氧化物/聚合物多層膜不僅可以實現氧/水滲透抑制，還可以實現介電抗熔劑的可控導電通道。結合可靠的彎曲穩定性，OLED織物在水中的長期運行表明了目前的器件概念在耐水全發射區纖維織物顯示器上的可行性。相關論文以題為：“Water stable and matrix addressable OLED fiber textiles for wearable displays with large emission area”發表在npj Flexible Electronics上。
核心創新點
1、本工作展示了一種高性能的纖維狀OLED織物顯示器，具有大的發射面積和耐水性，超過了已報道的紡織器件。
2、本工作創新性地為一維磷光OLED像素陣列設計了解耦的光纖域，其中具有排他性接觸和獨立的尋址導體，參與交錯其他光纖的操作。
3、本工作提出的器件設計理念和制備策略在多個方面很容易適用于相關的高級纖維紡織品顯示器。
數據概覽
1、封裝型OLED光纖顯示器的設計與制作
圖1a、b說明了所提出的OLED光纖顯示器的器件設計及其制作過程。該器件僅由垂直交錯、封裝的可互連OLED光纖與數據尋址導體集成而成。單根OLED光纖的半邊戶由一個一維的底發射OLED像素陣列組成，這些底發射OLED像素共用一個導體連接到它們的陽極，但在頂部封裝上有與它們自己的陰極連接的單個接觸墊。由于具有這些OLED纖維的編織網絡的每個交叉點都實現了OLED像素塊與正交尋址導體之間的物理接觸，它們都可以參與發光，這意味著之前報道的具有非發光導電纖維的編織紡織顯示器中出現的光死點可以消除。在后光纖側形成Cr(30 nm)/Ag(Ag,500 nm)尋址導體用于像素驅動后，利用熱蒸發結合孔徑限定的陰影掩模完成了封裝的可互連OLED光纖的制備。圖1c展示了所得到的OLED光纖的代表性照片，其中具有上接觸墊的OLED像素可以通過存在于底部尋址導體中的孔發射光。如圖1e所示，采用無源矩陣方案成功驅動了由10×10根OLED光纖組成的編織型光纖顯示器的制作樣機，其中前光纖側的ITO/Cr共導體和后光纖側的Cr/Ag尋址導體分別作為尋址過程中的數據線和掃描線。
圖1. 具有大發光面積和長期穩定性的纖維狀OLED紡織品顯示器的設計與制備© 2023 The authors
2、OLED纖維的電致發光性能
本工作接下來對所提出的OLED光纖的EL特性進行了實驗研究，以證明高性能照明光纖的可實現性。圖2a為測試的ITO (150 nm)陽極構成的OLED光纖像素結構。圖2c給出了垂直放置的Cr/Ag導電纖維(圖2b)測量的TFE鈍化的(即完全封裝) OLED纖維像素的代表性電流密度(J)-電壓(V) -亮度(L)曲線，其中還展示了無TFE的OLED纖維像素(也就是說,只有球形PU屏障和Al基/接觸墊)的電流密度(J)-電壓(V)-亮度(L)曲線，以闡明引入TFEs引起的性能變化。一旦頂部TFE中的反熔絲被激活，TFE鈍化的OLED像素可以在~ 2.3 V的低電壓水平下打開。由于它們的亮度隨著外加電壓(在4.9 V時, ~2400 cd m-2)的增加而迅速上升到一個相當高的水平，因此可以實現與OLED平板器件一樣的高亮度。與無TFE的OLED像素相比，TFE鈍化的OLED像素的亮度降低。這是由于頂部TFE中插入的反熔絲引起的串聯電阻增大，而不是由于TFE形成過程中的任何材料降解造成的，這與它們在電流效率(ηc=~35 cd A-1)和功率效率(ηp=~40 lm W-1)中的水平相似(圖2d)。需要指出的是，TFE鈍化的OLED像素在高亮度下的相對嚴重的滾降行為似乎歸因于熱絕緣TFE子層引起的抑制散熱性能。
圖2. 封裝OLED光纖像素的電致發光性能© 2023 The authors
3、OLED纖維的電學性能及其紡織品的驅動特性
為了避免帶有TFEs的OLED光纖首次運行時意外的器件損壞，頂部TFE中的反熔絲必須在適度低的電壓水平下激活，而不會突然在器件上產生增強的電流。為了設計這種低壓TFE反熔絲，本工作優先測量了固定Al2O3厚度為5 nm的Al/Al2O3/Al多層堆疊反熔絲樣品的VBD水平，如圖3a所示。隨著Al2O3層數從1增加到3，由于反熔絲串聯的電連接作用，VBD從~4.9單調上升到~10.2 V。盡管反熔絲中的多個Al2O3層和TFE中的多個三元勢壘可以促進滲透阻擋性能，但它們增加的VBD顯然不利于器件的可靠性。這一觀察意味著在確定TFE反熔絲的Al2O3層數時需要涉及經驗折衷：考慮到OLED器件在該電壓范圍內的EL參數，VBD為~7.3 V的雙Al2O3層是可接受的。如圖3b所示，經過2個勢壘TFE鈍化的OLED纖維在經過多次電壓掃描后，可以安全地穩定在起始反熔絲老化處。
圖3. 封裝OLED纖維像素的電學特性和機織OLED纖維顯示器的驅動特性© 2023 The authors
4、OLED纖維的長期穩定性和形變特性
由于目前TFE系統的高等級滲透阻隔性能，封裝后的OLED光纖像素可以在環境條件下實現長期穩定。特別地，它們的抗潮濕功能允許在水中穩定運行，如圖4a所示。相比之下，如果將Al2O3厚度限制在TFE頂部的5 nm，這種二元Al2O3/聚對二甲苯- C多層膜的阻擋層由于形成不完善而不能正常工作(圖4b)。圖4c中對比了在固定電流密度(~20 mA cm-2)下有TFEs和無TFEs的OLED纖維的時序亮度變化，清楚地支持了所提出的纖維封裝系統的耐久性增強。在無TFE的OLED纖維中觀察到明顯的空氣衰減和在去離子水中的快速衰減，而在TFE鈍化的OLED纖維中可以監測到空氣和水中的衰減。從圖4d可以看出，當彎曲半徑達到1.5 mm時，經過100次彎曲變形后，OLED光纖的性能幾乎沒有下降。值得注意的是，由于韌性Al和非常薄的脆弱Al2O3，所提出的三元TFE系統可以比典型的TFE系統更可靠地靈活運行。
圖4. 封裝OLED纖維的穩定性和形變特性© 2023 The authors
總之，本工作展示了一種高性能的纖維狀OLED紡織顯示器，其具有大的發射面積和耐水性，超過了目前已報道的紡織設備。本工作實現了一種僅由集成的可互連OLED纖維組成的矩陣尋址機織織物格式，以實現大發射面積紡織品。同時，本工作為一維磷光OLED像素陣列設計了解耦的光纖區域，該區域具有排他性接觸和獨立尋址導體，參與交錯其他光纖的操作。通過將封裝系統裁剪為可互連的OLED光纖像素，實現了器件的長期耐久性。特別地，所設計的頂層TFE不僅可以實現高滲透阻隔性能，還可以構建低壓介電抗熔劑。OLED纖維的高電致發光性能和可靠的彎曲穩定性也得到了成功的體現，這些纖維的概念驗證紡織品甚至可以在水中通過馴服于纖維網的被動基質驅動方法操作。
