综述：OLED的封装策略：从传统设备到柔性及生物集成应用

《Advanced Electronic Materials》：Encapsulation Strategies for OLEDs: From Conventional Devices to Flexible and Biointegrated Applications

本文系统综述了OLED封装技术的演进、评价方法及降解机制，重点探讨了薄膜封装（TFE）技术的最新进展。传统封装如玻璃盖和金属箔存在机械脆性和柔韧性不足的问题，而多层级有机-无机复合封装（如Al?O?/TiO?纳米层）通过应力分散和扩散路径优化，显著提升了环境稳定性和机械可靠性。研究还提出生物兼容型封装策略，结合油浸弹性体和可降解聚合物，解决了可穿戴及植入式设备长期稳定性的难题。最后分析了产业化面临的挑战与未来方向，强调需平衡材料性能、加工工艺与成本效益。

　　有机发光二极管（OLEDs）从刚性显示向柔性、可拉伸显示迅速发展，其应用领域也扩展到了可穿戴设备和生物电子设备。这种扩展使得设备暴露在更为严苛的环境条件下，包括湿度、氧气、热量以及机械应力。因此，有效的封装技术变得至关重要，以确保设备的长期稳定性。本文主要探讨适用于可穿戴和生物电子设备的下一代OLED封装技术，首先总结了传统封装方法，接着介绍了代表性的屏障性能评估技术，如水蒸气透过率（WVTR）测量和机械耐久性测试。随后分析了OLED降解机制，并解释了封装如何有效抑制这些失效路径。最后，讨论了薄膜封装（TFE）结构及其设计策略在柔性与生物电子应用中的整合。通过全面回顾OLED降解机制和近期封装研究进展，本文为设计确保下一代柔性与生物电子显示设备可靠性的封装策略提供了宝贵的参考。

OLED因其自发光特性、高对比度、快速响应时间和宽视角，使得无需额外背光单元即可实现超薄轻量级显示。这些特性促使OLED技术突破传统刚性格式，发展为可弯曲、可拉伸甚至可折叠的形态，从而拓展其在多个领域的应用。然而，这些先进形态的OLED设备面临更大的环境挑战，尤其是在可穿戴和生物电子应用中，它们必须承受长时间的体表温度和体液暴露，形成了高温高湿的工作环境。同时，这些应用还对OLED施加连续的机械应力，如弯曲、拉伸和重复变形，这可能影响设备的结构完整性和使用寿命。因此，开发能够增强OLED在极端条件下的耐久性和可靠性，同时不牺牲其性能的封装技术仍然是一个重大挑战。

封装作为一项关键技术，旨在保护设备免受恶劣环境因素的影响，从而确保其长期稳定运行。OLED设备特别容易受到水分和氧气的影响，因此需要具备超高屏障性能的封装材料。评估这些屏障性能的关键参数包括水蒸气透过率（WVTR）和氧气透过率（OTR），它们代表了单位面积和时间下水分和氧气渗透通过屏障的量。为了达到商业设备超过10000小时的使用寿命，封装屏障需要实现WVTR低于10?? g m?2 day?1，OTR不超过10?3 g m?2 day?1。

除了作为有效的水分屏障，封装层还需要保证高的光学透射率，因为即使是轻微的透明度下降或雾度增加，都会显著影响设备性能。例如，在OLED显示器中，透射率的降低会直接导致亮度下降和色彩纯度失真，这对高分辨率的视觉输出至关重要。这一挑战在操作环境中尤为突出，因为这些环境通常包含较高的湿度、温度波动和外部应力，都会加速光学降解。此外，当设备在使用过程中受到弯曲或拉伸时，保持稳定的光学清晰度变得尤为重要，以防止局部散射或不均匀发光。因此，下一代封装策略必须在提供长期屏障保护的同时，维持光学透射率超过90%，并尽可能减少雾度，即使在恶劣环境和变形条件下。

传统封装技术主要应用于刚性OLED设备，可分为玻璃盖封装和屏障箔封装。玻璃盖封装利用刚性玻璃盖板形成有效的屏障，借助玻璃本身对外部污染物的低渗透性。然而，这些封装技术在机械性能方面存在局限性。虽然玻璃盖板提供了出色的保护，但其刚性结构不适合可折叠或可拉伸的应用。相比之下，屏障箔封装虽然比玻璃盖板更具灵活性，但对机械冲击非常敏感，且在重复机械应力下，无机层容易产生微裂纹，从而影响其屏障性能。因此，传统封装技术难以满足下一代设备所需的优越机械性能。

为克服这些局限，开发了薄膜封装（TFE）技术。TFE通过在OLED设备表面直接沉积薄保护薄膜来实现对环境的防护。早期的TFE主要采用单一有机或无机层，但其实际应用受到固有缺陷的限制。有机层缺乏足够的屏障性能，而无机层则表现出较差的机械灵活性。为解决这些问题，引入了混合多层结构，其中无机层有效阻止水分和氧气渗透，而有机层提供抗裂纹性和吸收机械应力的能力，从而增强耐久性。这种多层配置利用了两种材料的互补特性，实现了卓越的屏障性能和灵活性。

本文介绍了传统封装技术在刚性OLED中的应用，解释了其结构特性和固有局限。随后讨论了封装屏障性能的评估方法，包括关键参数如WVTR和OTR，以及评估封装层机械性能的方法。接着分析了OLED在各种外部应力（如水分、氧气、热和机械变形）下的降解机制，并强调了开发有效封装策略的重要性，以缓解这些影响。特别关注了TFE技术，讨论了其结构演变和相对于传统方法的优势。此外，本文还探讨了将TFE封装应用于柔性与可拉伸OLED的最新研究，并进一步延伸到生物电子设备的整合，强调其在下一代可穿戴和植入式应用中的潜力。通过系统地总结这些发展，本文为封装创新提供了关键见解，并为先进OLED技术的商业化提供了方向。

传统封装技术虽然在保护OLED方面表现优异，但在满足柔性电子设备所需的机械性能方面存在明显不足。因此，需要开发新的封装策略，以确保OLED在恶劣环境下具备足够的耐久性和可靠性。这些策略不仅包括高屏障性能，还需要具备多功 能设计，以应对环境挑战，如紫外线照射和热积累。OLED在可穿戴设备中的应用需要封装层不仅具备优异的水分和氧气屏障性能，还要具备足够的机械灵活性和耐久性，以适应人体的动态变形。因此，开发一种能够在恶劣环境下提供稳定屏障性能的封装材料，是下一代OLED技术发展的关键。

对于生物电子设备，OLED封装技术需要满足更高的生物相容性要求。这些设备通常直接接触人体皮肤或内部组织，因此封装材料必须是非毒性的、非炎症性的，并且在生理环境中保持化学稳定性。为了满足这些要求，研究者们提出了多种封装策略，如通过油浸结构实现离子阻挡，以及通过功能可调的可生物降解聚合物提高材料的生物相容性。这些策略不仅提升了封装的性能，还为生物电子设备提供了可靠的长期运行保障。

此外，封装技术还需考虑工业应用的可行性和大规模生产的挑战。虽然原子层沉积（ALD）在实验室环境中展现了出色的屏障性能，但在工业生产中，其沉积速率慢、需要高真空环境和昂贵的前驱体，限制了其生产效率和成本效益。因此，开发更适用于工业生产的封装技术，是推动OLED技术向更广泛的应用领域扩展的关键。这些技术不仅需要满足高性能的屏障要求，还需具备良好的机械性能和环境适应性，以确保设备在各种实际应用中的稳定性和可靠性。

总之，随着OLED技术的不断发展，封装技术也在不断演进，以适应更复杂的环境和应用需求。未来的研究应聚焦于开发下一代封装平台，以实现超低渗透性、机械兼容性、热管理、可生物降解性和免疫无反应性。这些进展将有助于充分释放OLED技术在可穿戴医疗、植入式诊断和软体机器人等新兴领域的潜力。通过将材料创新与设备工程相结合，封装技术将持续推动OLED系统的演进，拓展其在消费电子、医疗保健等领域的应用。