基于鲁棒导电可变形垂直互联通路的可拉伸纤维有机发光二极管显示技术实现突破

本刊推荐：本文首次报道了一种可实现拉伸的纤维基有机发光二极管（OLED）显示技术，通过创新性设计兼具鲁棒性、导电性与可变形特性的垂直互联通路（RCD-via），成功解决了x-y矩阵架构中机械拉伸下信号线与扫描线间稳定电互联的固有难题。该结构在60°旋转应变下仅呈现约2.5%电阻增加与约7.1%亮度下降，并在系统层面实现约22.5%拉伸率，为真正可穿戴纤维显示器的实用化奠定了关键技术基础。

　　

引言

显示技术正朝着以用户为中心的形式因素演进，从静态电视到手持智能手机，再到智能手表等可穿戴设备。有机发光二极管（OLED）技术因其卓越的光学性能、薄型化和灵活性已成为主流显示解决方案，引领了可折叠、可卷曲、可穿戴和可拉伸显示器的开发。纤维基显示器作为可穿戴显示器的下一代形式因素，因其能直接编织入纺织品而备受关注，实现真正可穿戴、服装集成的显示器，提升用户便利性和可及性。

结果与讨论

纤维基OLED显示器在x-y矩阵配置中构建，扫描线（x方向）和数据线（y方向）在每个交叉点电连接以驱动OLED像素。机械拉伸时，这些交叉点发生旋转位移，因此需要一种能适应此类旋转运动同时确保可靠信号传输的互连结构。单个像素在x-y矩阵交叉点通过垂直互联通路（via）操作，空穴从信号纤维的金属层（铝，Al）注入，通过via到达OLED阳极（Al），同时电子从数据线侧注入，穿过阴极（聚3,4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸，PEDOT:PSS），在发射层与空穴复合，从纤维OLED顶表面发光。

为实现拉伸性，本研究引入了一种鲁棒、导电和可变形via（RCD-via），由聚二甲基硅氧烷（PDMS）与83重量%银微颗粒（Ag MPs）混合制成，提供导电性和机械柔性。该via结构包含顶垫、垂直对齐柱体和底垫，通过3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）活化和氧等离子体处理与Al线形成强硅氧烷化学键，确保机械粘附性和连续电导。实验表明，无via时，旋转变形下界面摩擦导致薄膜机械损伤，OLED操作退化；而含RCD-via的设备在旋转下保持稳定OLED操作。

RCD-via制备采用三层PDMS模具和模板法，填充导电PDMS复合材料（C-PDMS）并固化。键合机制涉及氧等离子体处理在Al表面引入羟基，APTES溶液浸泡形成硅醇基，后续氧等离子体处理在RCD-via垫表面生成额外羟基，接触后形成强硅氧烷键。双功能键合机制部分接触面积（PDMS）通过硅氧烷键形成强机械键，其余通过Ag MPs与Al表面物理接触实现电导。APTES活化时间优化实验显示，60秒时接触电阻变化最小，X射线光电子能谱（XPS）分析表明Al峰强度降低而Si峰强度增加，表明SiOx和副产物逐步形成。剪切测试显示60至300秒活化时间断裂剪切应力最高，与商业超胶相当，因此选择60秒为最优条件。

纤维OLED结构制备采用溶液处理法，层从阴极到发射层（EML）均匀沉积在圆柱形纤维整个表面，电子传输层和阳极层通过热蒸发选择性沉积在一半纤维上。化学气相沉积（CVD）沉积500纳米对二甲苯-C（parylene-C）层，使用PDMS掩模覆盖除Al层顶部外所有区域，反应离子蚀刻（RIE）选择性移除暴露Al表面上parylene-C，形成清洁键合图案。OLED电流密度-电压-亮度（J-V-L）特性在RIE和APTES活化前后无显著性能退化。通过RCD-via驱动的纤维OLED呈现约1伏电压降，但不显著损害OLED操作，整体性能相当。

机械边界条件基于四个条件确定RCD-via高度和宽度以承受拉伸而无失效。第一，临界细长比需防止结构失效，细长比λ = 2l/r_p必须小于临界细长比λ_c = √(π²E/σ_y)，其中E为杨氏模量，σ_y为屈服强度。第二和第三，点1和点2处最大扭转应力需满足Tresca屈服准则，点1纯扭转下主应力为±τ_xy1，最大剪应力必须小于屈服应力一半；点2考虑偏移Δl，应力张量包含σ_x2和τ_xy2，主应力计算基于特征值问题，最大剪应力条件需满足。第四，接触表面曲率变形基于纳米压痕理论，压痕深度d = 2r(KH/E)²，柱体半径r_p = √(r_f² - (r_f - d)²)，其中K为硬度系数，H为较软材料硬度。

C-PDMS材料特性实验显示，Ag MPs混合比约82重量%时电导率和弹性模量饱和，选择83重量%为最优组成，弹性模量E = 7.122兆帕，屈服强度σ_y = 2.3兆帕，硬度H = 2.23兆帕。最优柱体半径和高度确定为约100和390微米。

可扩展1×3 RCD-via结构成功键合到信号纤维，有限元分析（FEA）模拟显示，含垫结构降低von Mises应力约8%至1.083兆帕，约为测得屈服强度一半，表明机械安全。键合界面应力仅需承受无垫结构约15%，在硅氧烷键最大剪切强度内。电阻变化测量显示柱体应变约11%时C-PDMS电阻几乎无变化，表明显示在拉伸下保持恒定亮度和电阻。

3×3纤维OLED显示器制备中，可扩展三个RCD-via首先硅氧烷键合到三个信号纤维，然后硅氧烷键合到三个纤维OLED的三个图案化阳极，排列方向与信号纤维正交。移除PDMS模具后，整个3D显示结构通过原子层沉积（ALD）和CVD封装30纳米氧化铝（Al₂O₃）和500纳米parylene-C。系统级拉伸测量显示约22.5%拉伸率，可靠操作。电阻和亮度随扭曲角变化测试显示电阻增加约2.5%，亮度下降约7.1%，表明显示性能稳定。封装设备在50次扭转循环后保持稳定亮度，表明拉伸主要发生在RCD-via区域，OLED设备区域稳定封装受保护。

结论

本研究首次演示了可拉伸纤维基OLED显示器，由满足三个关键要求（电导率、机械可变形性和与扫描数据线强粘附）的RCD-via实现。RCD-via通过APTES辅助硅氧烷键合化学键合到金属互连，基于四个机械边界条件精确设计，FEA定量验证。旋转应变60°下，von Mises应力约1.083兆帕，低于测得屈服强度一半；键合界面最大应力约0.176兆帕，对应硅氧烷键最大剪切强度约15%。实验验证RCD-via有效性，电阻变化约2.5%和亮度变化约7.1%下稳定性能。3×3纤维OLED显示器展示约22.5%拉伸性，封装设备在扭转循环后保持亮度，表明RCD-via局部化机械应变，使传统气相沉积封装可用。通过实现拉伸性，本工作为可穿戴纤维OLED显示器实用化建立关键突破。

实验部分

材料制备类似先前工作，PEDOT:PSS配方混合Clevios PH1000与二甲基亚砜（DMSO）和Zonyl FS-300，重量比94.5:5:0.5。ZnO纳米颗粒（ZnO NPs）合成溶解氢氧化钾（KOH）在甲醇（MeOH），锌 acetate dihydrate（Zn(Ac)₂·2H₂O）溶解在MeOH，混合搅拌后离心，再分散在1-丁醇。聚乙烯亚胺（PEI）稀释在2-甲氧基乙醇。发射层（EML）混合聚(N-乙烯基咔唑)（PVK）、26DCzppy和Ir(ppy)₃。APTES溶液混合乙醇（EtOH）、去离子水（DI）和APTES，体积比90:5:5。PDMS混合基和固化剂重量比10:1。PDMS和Ag MPs混合83重量%Ag含量，均质化。

键合过程氧等离子体处理60瓦功率，50标准立方厘米每分钟氧流率，1分钟持续时间。等离子活化后样品浸入APTES水溶液1分钟，移除后热板80°C处理5分钟，处理表面与对立界面物理接触启动键合。

制造过程聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）纤维直径500微米，顺序超声清洗异丙醇（IPA）和DI水。层-by-layer浸涂PEDOT:PSS、ZnO NPs、PEI和白发射层溶液， withdrawal speeds分别0.7、2、10和50毫米每秒。每次涂层在氮气环境大气压下进行，热退火100°C分别30、30、10和20分钟。溶液处理后，热蒸发沉积TCTA、MoO₃和Al，基压3×10^?6托。纤维OLED制造遵循先前程序。3×3矩阵显示器制备，热蒸发层选择性沉积到单纤维三个不同图案区域，实现每纤维三个独立OLED像素。信号纤维制备热蒸发100纳米Al层在PET纤维。50纳米厚氧化铝（Al₂O₃）层沉积使用热原子层沉积（ALD）70°C封装。Al₂O₃膜通过交替暴露三甲基铝（TMA）和H₂O形成。随后对二甲苯-C沉积室温使用对二甲苯涂布机。蚀刻parylene-C层，RIE 100瓦功率，氧流率50标准立方厘米每分钟，3分钟。PDMS模具制造使用二氧化碳激光切割机。

设备特性多层结构横截面图像获取使用聚焦离子束（FIB）系统和场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）。电和光学性能（J-V-L特性）测量使用源表和光谱辐射计带近摄透镜。循环弯曲测试使用机械弯曲测试系统。XPS深度剖析使用K-Alpha?? XPS系统。有限元机械模拟使用ANSYS软件。PDMS图案化使用二氧化碳激光切割机。

统计分析输出性能包括亮度、电流和电压直接从仪器测量获取。材料特性数据和分析基于3–5重复测量，结果带误差条。所有曲线使用Origin软件绘制。归一化数据相对每个数据集最大值缩放。