Light | 基于纸基OLED的柔性可视化图像防伪系统

撰稿 | 刘士浩  潘  腾

过去几十年间，经济全球化促进了世界生产力的发展和人民生活水平的提高，也见证了假冒伪劣产品成长为一个全球性问题。假冒伪劣产品不仅每年为全球经济带来上万亿美元的损失，而且对人们健康和生活环境也产生重大威胁。

针对这个问题，防伪技术，尤其基于柔性纸基板及印刷技术的防伪材料或结构，如变色油墨、全息图、水印和长余晖荧光粉等，相继被开发出来以应对潜在的假冒侵权行为。 然而，随着科技的发展，现有防伪在技术性门槛上亟待提高，开发新型防伪系统成为了顺应时代和科技发展的现实需求。

将有机电子与现有防伪技术相集成，是提高防伪技术门槛的理想方案。有机电致发光器件(OLED)在可视化图像显示方面具有优势，应用于防伪符合简单易识别、安全难仿造及成本适当的需求。

鉴于防伪领域的巨大应用价值以及现有科学问题，近期，吉林大学电子科学与工程学院、集成光电子学国家重点实验室谢文法教授，与美国宾夕法尼亚州立大学余存江教授合作，提出基于OLED的可视化防伪技术研究，旨在开发一种新型可视化图像防伪系统，并拓展有机电子器件的应用领域，为有机发光器件在防伪领域的应用提供思路。

该研究成果以"A flexible, multifunctional, optoelectronic anticounterfeiting device from high-performance organic light-emitting paper"为题在线发表在Light: Science & Applications。

在该工作中，研究人员利用浸渍涂布法对粗糙的纸衬底进行形貌修饰，在保留纸纹及二维码等天然及人工防伪特征的同时，也满足了OLED器件对衬底形貌的需求，相关形貌修饰工程及纸基器件制备过程如图1所示。

图1：纸基OLED的制备过程

基于该纸基衬底，研究人员成功制备了高性能的OLED，其最大亮度和效率分别达到71, 346 cd/m²和64 cd/A，在100 cd/m²下器件T50寿命超过4000小时，且表现出优异的机械性能（见视频1）。该器件性能刷新了目前纸基OLED性能的最高记录，并首次证实了纸基OLED在实用化应用中的潜力。

在纸基OLED的基础上，研究人员通过图案化结构设计及功能层空间布局规划，设计并制备了纸基光/电多重防伪标签。如图2所示，所制备的纸基防伪标签包括三种类型的发光区域，即光激发区域、电激发区域以及光/电双重激发区域。

图2：纸基光/电多重防伪标签的工作机理及示意图

光激发区域采用高量子产率且在近紫外波段具有强吸收特点的红光发光染料，使该区域在365 nm紫外光激发时发射出强烈的红色文字 (图2b)。在电激发状态下，载流子经电极注入及传输层传输，在发光层形成激子，并在激子退激化辐射跃迁后形成绿色校徽和深蓝正方形电致发光。在光激发状态下，TCTA与TmPyPB对近紫外光吸收较弱，难以被泵浦发光。而在电激发状态下，TCTA/TmPyPB界面由载流子复合形成的激子具有较高能量，可以激发具有高单线态能级的TCTA或TmPyPB产生深蓝光发光，因此该正方形区域为电激发区域。校徽区域不仅在电激发状态产生强烈绿光，而且在近紫外波导具有一定的吸收，在光激发状态也可产生微弱绿光，因此该区域为光/电双重激发区域。

根据以上特点，防伪标签在光激发、电激发以及光电混合激发的工作条件下，可以展示出不同的发光图案，满足易识别可视化防伪需求，而且通过特异性材料选择及图案化设计，也有助于进一步提升该类型防伪标签的技术门槛。此外，OLED的工作电压普遍较低(3-10 V)，在日常生活中易于获得相应的驱动电源(如充电宝、手机充电器等)，因此该类型防伪标签无需借助多波段紫外光光源实现多重防伪图案，对于普通消费者具有较好的可识别性及便利性。

为了进一步增强纸基光/电多重防伪标签的防伪安全性，如图3所示，研究团队又在防伪标签中OLED部分引入光学微腔结构，设计并制备了颜色视角可调的纸基防伪标签。在该类型防伪标签的OLED中，研究团队结合红光/蓝光双发光层及双金属电极形成的光学微腔，通过改变共振腔长的位置调控了电致发光区域随角度产生的发光颜色变化。如图3所示，随视角增加，电致发光区域的发光呈现红移，色坐标变化可超过5阶麦克亚当椭圆范围，即人眼可以明显观察到的颜色变化。此外，随电压增加，电致发光区域的发光呈现蓝移的特征，也进一步增加了纸基防伪标签的防伪安全特征。

图3：颜色角度及电压可调的纸基防伪标签

该工作将纸基OLED这一柔性电致发光技术应用于发光防伪当中，开发了一种新型可视化图像防伪系统。该防伪系统具有较强的可靠性、实用性以及可识别性。由于纸基衬底广泛适用性，该纸基防伪标签与各种商品的纸质外包装或者说明书也具有良好的兼容性，具有潜在的经济价值。

论文信息

Pan, T., Liu, S., Zhang, L. et al. A flexible, multifunctional, optoelectronic anticounterfeiting device from high-performance organic light-emitting paper. Light Sci Appl 11, 59 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00760-5

本文共同第一作者为吉林大学电子科学与工程学院博士生潘腾及吉林大学电子科学与工程学院刘士浩副教授，通讯作者为吉林大学电子科学与工程学院、集成光电子学国家重点实验室谢文法教授和美国宾夕法尼亚州立大学余存江教授。