垂直结构战略可改进下一代可穿戴显示器

正在为未来可穿戴电子设备开发的类肤显示屏，可以采用被动矩阵或主动矩阵设计。不过，有源矩阵设计的空间分辨率和对比度更高，响应速度更快。

全有机有源矩阵有机发光二极管（AMOLED）更易于使用柔性或弹性材料制造显示屏，因为AMOLED具有柔韧性，可在低温下加工。垂直结构有利于制造具有高孔径比的AMOLED，而高孔径比是显示技术的关键性能指标。

近日，长春光学精密机械与物理研究所（CIOMP）的一个研究小组开发出一种用于制造垂直结构AMOLED的集成策略，解决了垂直叠层设计所面临的挑战。这种称为“离散制备-多层层压”的策略，可以为下一代类肤显示屏提供构建高孔径比AMOLED平台。

构建垂直堆叠的类肤质AMOLED显示器阵列：(a)类肤质AMOLED器件示意图和主要制造方案（底部插图）。(b)三维光学显微镜图像。比例尺：5毫米。插图为单个像素的数码照片和显微镜图像。(c)粘附在透明塑料半球上的类肤AMOLED阵列照片。比例尺：5毫米：5毫米。(d)贴在人手掌上的阵列照片。比例尺：5毫米：5毫米。(e）粘附在蜻蜓翅膀上的阵列照片和三维光学显微镜图像

该策略要求分别制备AMOLED的每个功能层。然后将这些层垂直层叠在一起。功能层包括顶部发光的OLED阵列和有机薄膜晶体管（OTFT）阵列。为确保各层之间的机械兼容性和互连性，每个功能层之间都有一个互连层。OLED阵列通过互连层和功能层之间的连接，垂直堆叠在全光刻OTFT阵列上。

功能层不受逐层制备方法中常用的刚性基底的机械限制。因此，采用分立制备/多层层压法制造的AMOLED显示屏具有良好的机械柔韧性和保形性。通过在不同的基底上制备每一层，研究人员消除了在制造过程中化学溶剂或蚀刻和加热过程，对有机材料造成损害的可能性。保护脆弱有机材料的能力，对于制造可复制的高质量垂直叠层显示器至关重要。

剥离过程中不使用溶剂或水，层压过程中也不使用额外的粘合剂。全干式制造方法可防止相互溶解和界面污染，从而为垂直堆叠显示器的制造提供干净、完整的接触界面。研究人员表明，使用分立制备/多层层压方法得出的关键指标，明显优于之前报告的全有机AMOLED指标。

垂直堆叠的类肤质AMOLED：(a)垂直堆叠的AMOLED示意图。(b)AMOLED阵列控制电路原理图。(c)AMOLED阵列光学显微镜图像。比例尺：10μm。(d)我们的设备与已报道的全有机柔性 AMOLED显示器的性能比较。(e)垂直堆叠的AMOLED阵列可与人造手背贴合。利用OTFT控制单个和多个像素的关闭和打开的数码照片

现有的AMOLED显示屏，大多是由并排放置的OTFT和OLED组成的平行结构。在平行结构中，部分像素区域被不发光的OTFT和布线覆盖，导致有效面积小、亮度低、分辨率低和开孔率低。采用平行结构的AMOLED显示屏的开口率通常低于37%，最大开口率仅为52%。

垂直堆叠OLED和OTFT可消除非发光OTFT和布线部件的阻碍，从而最大限度地扩大有效面积。此外，垂直结构的像素可最大限度地减少占用面积，从而提高显示屏的分辨率和质量。

垂直结构AMOLED显示屏的离散制备-多层层压策略，可使多个像素共同显示“1”的图案，开孔率高达83%。研究发现，即使弯曲半径小至2.5毫米，这些显示器中的有机发光二极管器件仍能保持80%的初始电流密度。全光刻OTFT在经过1万次折叠周期后，仍能保持其初始迁移率值的92%。采用离散制备-多层层压法制造的全有机AMOLED具有机械柔韧性和保形性，即使在三维曲面物体或皮肤上也能正常工作。

现代微电子技术可以集成到离散制备-多层层压方法中。研究人员认为，他们的策略可以为构建垂直堆叠有源矩阵显示器奠定基础，从而实现商业开发和批量生产用于下一代可穿戴电子设备和光电子技术的集成式高分辨率类肤显示器。