发光学报 | 基于岛-桥结构的可拉伸发光器件

▍导读

近几十年，显示技术得到快速发展，从最早的阴极射线管（CRT）显示器逐渐发展到液晶显示器（LCD）和有机电致发光（OLED）显示器。在形态上，显示器从三维立方体逐步发展为平板结构和柔性曲面结构等。随着可拉伸电子学的兴起，可拉伸显示器因在可变形显示、可穿戴设备和生物医疗器件等领域的应用潜力而成为显示领域的一个重要研究课题。特别是近几年，三星和LG等国外厂商相继推出基于岛-桥结构可拉伸发光器件的可拉伸显示器样机，激发了人们对于岛-桥结构型可拉伸发光器件的关注和研究热情。

近日，吉林大学冯晶教授及银达副教授在《发光学报》（EI、Scopus、核心期刊）发表了题为“基于岛-桥结构的可拉伸发光器件研究进展”的综述文章。该综述重点介绍了发光单元之间可拉伸导线（互连桥）的形状设计与材料选择方案，并对已报到的高像素密度集成策略、阵列拉伸应变分布优化策略和阵列像素密度因拉伸度增大而降低问题的解决方案进行了总结。最后，对岛-桥结构可拉伸发光器件的未来发展方向做了展望。

▍引言

基于岛-桥结构的可拉伸发光器件是以发光器件作为“岛”，可拉伸导线作为“桥”，利用可拉伸导线将大量发光器件连接起来，形成阵列结构。拉伸时，处于岛位置的器件几乎不发生拉伸形变，这使得器件在材料、结构和制备工艺上具有高选择灵活性，为获得优异的器件性能提供了前提条件。但是，发光器件不能拉伸而连接桥不能发光，发光器件为硬质材料而连接桥为可拉伸材料，二者性质的对立性限制了岛-桥结构可拉伸发光器件的拉伸度、像素密度和稳定性等性能的优化。对岛-桥结构型可拉伸发光器件的全面总结和深入分析对于提高其性能具有重要意义。

▍岛-桥结构型可拉伸发光器件的结构、材料、性能和问题分析

在岛-桥结构型可拉伸发光器件中，可拉伸导线作为连接桥在整个阵列中同时起到物理连接、导电和提供拉伸性的作用，是可拉伸发光器件的核心部分和研究重点。因此，岛-桥结构型可拉伸发光器件可以按照不同的连接桥类型进行分类和研究。

（1）基于可拉伸结构的互连桥。用于互连桥的可拉伸结构包括褶皱、圆弧、蛇形和Kirigami剪纸结构等。其中，褶皱桥与弧形桥基于预应变的方法制备，首先将互连桥粘贴在预拉伸的弹性衬底上，释放衬底上的预应力后，弹性衬底收缩产生的压缩应力使互连桥产生类似“波纹”的形状。褶皱桥与弧形桥对比，前者与衬底完全粘合，而后者仅部分与衬底粘合或仅两端与岛连接。褶皱桥和弧形桥的优点在于它们结构和制备工艺比较简单。但是，这种预应变屈曲结构不适用于大尺寸和高密度光电器件像素阵列。比起褶皱桥和弧形桥，蛇形桥具有更大的形变自由度。在拉伸时，蛇形互连可以同时在平面内发生拉伸形变和在平面外发生扭曲形变，增大了拉伸度。但是，为了获得高的拉伸性，部分蛇形桥的尺寸比LED等有源器件的尺寸更大，这阻碍了像素分辨率的提高（图1）。Kirigami互连桥是与剪纸艺术相结合的一种设计，通过在薄膜上刻出一些图案化的切口，增加拉伸性。由于Kirigami可设计的图案众多，因此基于kirigami结构的互连桥也是多种多样的，这为设计面向不同应用的可拉伸发光器件提供了技术方案。

图1：基于蛇形互连桥的可拉伸LED阵列

（2）弹性互连桥。弹性导线通常由弹性材料和导电功能材料组成。目前已经报道的用于制备弹性互连桥的导电功能材料包括碳纳米管(CNT)、银纳米线(AgNWs)、金属薄膜和液态金属等（图2）。CNT虽然具有较好的拉伸性，但是可拉伸CNT连接桥制备工艺难度大，配方复杂，不利于大规模应用；AgNWs等金属纳米线相较于CNT具有更高的导电性和简单的应用工艺，因此是制备弹性电极的常用材料，但是AgNWs与弹性聚合物之间的粘附性较低，在拉伸过程中容易产生滑移和断裂，开发具有高粘合性的弹性聚合物是提高AgNWS弹性连接桥性能的必要条件；金属薄膜具有易碎性，通常认为是不可拉伸的，但是通过调节生长工艺使金属原子团簇向弹性聚合物中渗透并形成微裂纹结构，可以显著提高其拉伸性；液态金属具有较好的拉伸性和导电性。因为液态金属的流动性，在使用过程中要做好封装，避免短路和污染环境等问题。弹性互连桥对比结构化的互连桥有制备工艺简单和占用的面积小等优点。此外，弹性互连桥的拉伸形变发生在平面内，使得可拉伸LED阵列的形貌更加规整。

图2：基于弹性互连桥的可拉伸LED阵列

（3） 可拉伸LED阵列的高像素密度集成、应力分布和图像失真优化策略。提高岛-桥结构中发光单元的密度有利于提高显示器的显示质量，但是高像素密度会导致平面内可拉伸连接桥的可占用空间减小，进而导致器件整体的拉伸性降低。外部拉伸应力作用下阵列内部的应力分布是不均匀的，在岛-桥连接处往往会积累较大的应力而导致连接处断裂和接触电阻增大。同时，拉伸应变使像素之间的间距增大，像素密度降低，导致显示图像失真。对于以上问题，相关优化策略包括采用多层阵列堆叠结构提高像素密度，在弹性衬底中插入刚性层的结构设计、衬底柱阵列设计和双层衬底设计对应力分布进行优化，采用负泊松比的超材料、3D结构像素隐藏设计和平面内像素隐藏设计对像素密度进行优化。

▍结论与展望

基于岛-桥结构的可拉伸LED阵列的器件结构和材料几乎与当前已报道的各种可拉伸导体和各种有机和无机LED发光器件相兼容，因此在可拉伸显示器应用上显示出巨大的潜力。虽然当前已报道的岛-桥结构可拉伸LED阵列已经具有了较高的拉伸度、发光性能和拉伸稳定性，但是距离实际应用还有较大差距，依然面临一些急需解决的问题和挑战，例如：ILED阵列需要利用转移工艺从外延衬底转移到弹性衬底上，像素密度越高，转移工艺的难度越大，成本越高，同时，越来越小的ILED尺寸对器件电极与互连桥的焊接工艺提出了更高要求；在弹性衬底表面原位制备发光器件和互连桥的方案可以避免像素转移和电极焊接工艺，但是通常高性能的有机和无机LED难以在弹性衬底表面直接制备，因此对弹性衬底的性质提出了新要求；像素密度增大必然导致互连桥的面积占比和尺寸变小，进而压缩了可拉伸空间；当前已报到的解决拉伸形变下图像失真问题的方案存在非发光区面积占比过大的问题，这本身就会导致显示质量的降低。另一方面，当前连接桥结构中所用的导电材料大多为价格较高的材料，例如金、银、液体金属、AgNWs和CNTs等，虽然这些材料具有较好的性质，但是这必然会增加器件的制备成本，不利于商业化应用。Cu和Al等材料具有相对较低的价格和较好的导电性，是当前电子器件中常用的导体，对于这些材料的深度开发有利于降低器件的制备成本，例如开发面向弹性导体应用的纳米线、纳米片和纳米粉末等，或者利用掺杂来降低高价格材料的使用量，或者设计中性机械层和应力缓冲层等结构提高其形变能力。总之，还需要更多的研究工作，提出新方案、新材料和新技术，去解决上述问题，提高可拉伸LED阵列的性能。

▍论文信息

张浩洋, 贾士鑫, 银达*, 冯晶*.基于岛⁃桥结构的可拉伸发光器件研究进展[J].发光学报, 2023 , 44(09):1606-1620. DOI: 10.37188/CJL.20230091. 

https://cjl.lightpublishing.cn/zh/article/doi/10.37188/CJL.20230091/

▍通讯作者简介

冯晶，教授，博士生导师, 国家杰出青年科学基金和国家优秀青年科学基金获得者、教育部新世纪优秀人才。1997、2000和2003年先后于吉林大学获得学士、硕士和博士学位。2003至2006年在日本理化学研究所从事博士后研究。主要研究方向为面向可穿戴电子、柔性显示和新型能源技术的有机电致发光、有机和钙钛矿光伏，有机激光器件研究。担任OSA出版社 Optics Letters期刊编委、Elsevier出版社Optics & Laser Technology期刊副主编和中国光学学会第九届理事会理事。

银达，副教授，2011年吉林大学电子科学与工程学院本科毕业，2017年获得吉林大学微电子学与固体电子学博士学位，后留校任教。2019年获博士后国际交流计划派出项目资助，赴韩国首尔国立大学进行博士后研究工作。在 Light: Science & Applications、Nature Communications、Advanced Optical Materials等重要学术刊物以第一或责任作者发表多篇论文。获得吉林省自然科学学术成果奖一等奖和中国真空学会优秀博士论文奖。研究方向为柔性和可拉伸有机光电器件，包括可拉伸OLED与OPV，和面向信息存储和神经形态电子学方面应用的OFET等。

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