科學家重新設計柔性 OLED 發光層，克服反覆拉伸亮度下降難題
用於即時醫療保健監測或通訊的柔性 OLED 穿戴式顯示裝置，以往長期面臨機械反覆彎曲後發光耐久性下降的挑戰，工程師一直在尋找拉伸同時能保持明亮穩定光線的 OLED 材料。
最近，美國卓克索大學材料科學家 Yury Gogotsi 領導的國際團隊重新設計 OLED 發光層，結合奈米材料 MXene 製成的透明電極，成功使 OLED 即使反覆拉伸或彎曲也能保持原本亮度。
為什麼柔性 OLED 會在拉伸過程逐漸失去亮度？
有機發光二極體（OLED）是能發光的半導體電子元件，發光原理是正電荷、負電荷通過多層有機材料，電子與電洞結合形成激子釋放能量並以光的形式發射，具體顏色取決於有機層化學組成。
柔性 OLED 則是將這些材料附著在可彎曲基板上，隨著 2010 年代三星推出全球首款搭載柔性 OLED 的曲面螢幕手機，這項技術開始於市場活躍。然而隨著時間推移，研究人員注意到柔性 OLED 反覆彎曲後亮度會降低，原因與電極、有機材料逐漸損壞脫離不了關係。
要讓導電材料具備柔性，通常需摻雜一種絕緣但可延展的聚合物，這會阻礙電荷傳輸進而降低發光效率；此外，OLED 彎曲拉伸時間越長，電極中最常用的材料也會變脆，更易斷裂。
為克服這些問題，研究團隊以特殊有機材料 ExciPh（exciplex-assisted phosphorescent）重新設計發光層，使電荷更容易結合形成激子以增加光輸出，在 ExciPh 層產生的激子超過 57% 轉化為光；相較之下，當前 OLED 常見聚合物層僅將 12～22% 激子轉化為可見光發射。
為進一步增強材料柔韌性，研究人員再將 ExciPh 層嵌入熱塑性聚氨酯彈性基板，並結合高導電二維奈米材料 MXene 與銀奈米線，重新設計透明可拉伸電極以改善電荷傳輸，幫助電荷在形成激子前更有效移動到發光聚合物層，最終讓 OLED 顯示器反覆拉伸或彎曲也能保持亮度。
根據團隊測試，新型 OLED 亮度與能源效率均優於之前設計，當拉伸至最大應變 60%，性能僅下降 10.6%，將電轉化為光的外部量子效率也達破紀錄 17%。
長期維持亮度的可延展 OLED 產品應用潛力廣，包括工業操作、機器人、可穿戴裝置、通訊，尤其是直接顯示體溫、血流或皮膚壓力的健康監測設備，未來用於診斷和治療的顯示器或許能直接嵌入衣物或「電子皮膚」。
新論文發表在《自然》（Nature）期刊。
（首圖來源：卓克索大學）