中国乐凯集团有限公司, 河北 保定 071054
2020-11-09 收稿, 2020-12-01 录用
*通讯作者: 侯丽新
摘要: 有机发光二极管（organic light-emitting diodes，OLED）具有可柔性制备、低驱动电压、低功耗等优点，近年来技术上的突飞猛进及其广泛的应用前景，使之成为平板显示、新型照明、可穿戴，以及智能电子产品开发中最热门的研究课题之一。作为新一代的显示及照明技术，小尺寸OLED显示器已实现商业化，大尺寸OLED电视和家用照明也有产品问世，但OLED器件在可穿戴、智能电子等领域的应用仍处于探索期。本文综述了近年来OLED器件在新型应用领域国内外的研究状况，介绍了其在车载照明、智能车窗、可穿戴医疗、智能包装等领域的发展。最后对OLED器件应用的未来发展趋势进行了展望。
关键词: 有机发光二极管OLED新型应用
Research Progress in New Applications of OLED Devices
WANG Yali, HAN Meiying, HUANG Da, LIU Xianhao, HOU Lixin
China Lucky Group Corporation, Baoding 071054, Hebei, P. R China
*Corresponding author: HOU Lixin
Abstract: Organic Light Emitting Diodes (OLEDs) have the advantages of flexibility, low turn-on voltage, low power consumption, etc. In recent years, the rapid technological advancement and wide application prospects have made them become flat panel displays, new types of lighting, and one of the most popular research topics in the development of wearable and smart electronic products. As a new generation of display and lighting technology, small-size OLED displays have been commercialized, and large-size OLED TVs and OLED lighting products have also come out, but the application of OLED devices in wearable, smart electronics and other fields is still in the exploration. This article reviews the research progress of OLED devices in new application fields at home and abroad in recent years, and specifically introduces its application in the fields of vehicle lighting, smart windows, wearable medical care, and smart packaging etc. Finally, the future development trend of OLED device application is forecasted.
Key words: organic light-emitting diodesOLEDnew applications
有机发光二极管(organic light-emitting diode，OLED)是利用有机半导体材料在电场作用下发光的技术[1-6]。由于有机发光各层材料及器件的制备特性，OLED器件每层功能层的厚度极薄(一般小于500 nm)，因此，OLED器件也非常轻薄。OLED产品形态取决于基板的形态，采取不同基板，OLED可实现透明、弯曲、卷折等特殊形态。
OLED已经被广泛应用于电视、智能手机、汽车显示等显示市场，如显示领域的电视、手机、智能手表等，在照明领域也有一席之地，如商业照明、通用照明、车载照明等。随着大量信息电子、健康医疗等为代表的光电器件的柔性化，柔性OLED应运而生，将有机/无机材料OLED器件制作在柔性塑料或薄金属上，可实现柔软、轻质、透明、便携、大面积柔性OLED器件的制备[7-10]，具有机械柔韧性好、低功耗、驱动电压低、高色域、宽视角、响应速度快等优点，加上更薄的尺寸及可弯曲等特性，近年来受到了科学家们的广泛关注，在柔性显示、照明、可穿戴设备等方面显示了广阔的应用前景。深入交叉融合人工智能、材料科学、物联网、健康科学、能源科学和数据科学，进而引领信息科技、健康医疗、航空航天、再生能源等领域的新变革，带动OLED在相关产业实现新的跨越。
柔性电子研究成果正转化为引领信息科技变革发展的颠覆式创新力量，不断涌现的柔性OLED电子产品将无处不在，在柔性显示、柔性照明、柔性能源、柔性电子标签、柔性电子皮肤等方面改变人类的生活方式。柔性OLED显示器就像报纸一样，可随时打开、卷曲或折叠，使手机、电视等消费电子产品形态更新颖轻便，可应用于飞机、船只、车辆、步兵制服和设备等。柔性监测设备和柔性可穿戴式OLED传感器可广泛应用于军事、医疗及单兵作战系统等领域。OLED智能标签可用作食品、药品等的防伪标识，也可用于安全指示牌和加密信息传递。OLED“电子皮肤”能将作用于其上的力或热等转换为电信号，进行人机信号处理，可用作伤口护理或皮肤护理，以及结合健康监测传感器来测量人体信号，如心跳和血氧水平等[11]。
1 在车载照明领域的应用OLED照明器件除具有自发光、面光源、节能环保等优点以外，还具有柔性、重量轻薄、曲面兼容、可个性化设计、耐冲击性好等特殊优势[12-14]，近年来在车载照明领域的应用备受关注，光源作为车灯的重要设计元素，在整个汽车的设计中越来越重要。OLED可差异化设计、可透明设计、可柔性化、整面变色的全新潜力，使未来OLED照明技术的应用成为汽车行业竞争格局中的影响因素之一。
国内，固安翌光报道该公司已攻克了汽车尾灯用OLED器件的关键技术，成功研制了可实现动态化、数字化的汽车尾灯用OLED系列产品，解决了OLED器件在汽车尾灯应用中的太阳光辐照、高温、长时间稳定性等一系列技术难题，实现了从技术研发到工艺量产的成果转化和应用。耐高温OLED器件设计，与选材及器件结构有着密切关系。通过耐高温材料的选择、特殊器件结构设计、叠层OLED结构引入、特定光学设计等，解决了耐高温及抗辐照等问题。目前，OLED车载尾灯市场占有率仍较低，成本较高，主要在一些高端车型上进行应用。在车用尾灯技术及量产开发上，固安翌光公司OLED车载红光寿命(LT70)不断取得技术突破，已达到20000 h以上。图 1为2017年翌光与华域合作推出小鹏bate版尾灯及Q3尾灯售后版。
图 1
 | 图 1 a.小鹏汽车bate版尾灯; b.Audi Q3尾灯(售后) |
2 在智能车窗领域的应用与液晶相比，透明OLED面板不需要背光，因此，它不仅吸引了生产自动驾驶汽车、飞机和地铁公司的大量关注，还吸引了智能家居和智能建筑等多个领域的关注[15, 16]。LG Display通过这一独特优势来开拓应用场景，从而扩大面板销售，该公司于2020年8月23日宣布，LGD已成为世界上第一家为北京和深圳地铁“智能车窗”提供透明OLED的公司，智慧车窗的重点是把车窗与显示屏相结合，实现透明显示。安装在北京地铁6号线和深圳地铁10号线(图 2)列车上的55英寸透明OLED面板，透明度已接近40%。将车窗变为可移动显示器，作为重要的车载信息媒介，具有光线可调、通透性好、保护隐私、响应快、智能交互等特点[17]。除去可以实时提供天气预报、列车运行信息、列车位置信息、地铁换乘信息、实时航班信息等相关信息外，甚至看视频、逛网店等外网服务也因此成为可能。
图 2
 | 图 2 深圳地铁10号线智能车窗 |
大尺寸OLED面板全球目前只有LG Display在量产。除中国外，LG显示器还在与世界各地的铁路公司和轨道车辆厂商等进行洽谈，推销其透明OLED面板。根据全球咨询公司Prescient & Strategic Intelligence的数据，全球透明显示器市场预计将以平均每年46%的速度增长，到2024年将达到49.33亿美元。OLED屏幕虽具有轻薄、柔性等优势，但目前应用于车窗显示方案也有其短板，如成本相对高、环境稳定性未知，未来车窗显示技术仍需不断升级。
3 在可穿戴医疗领域的应用OLED可低温加工在各种柔性衬底上，被认为特别适合可穿戴设备或人体可接触设备，是易于实现轻柔、灵活、可拉伸和物体共形的光源技术。目前智能手表类可穿戴设备多采用柔性OLED显示，但可穿戴设备中的OLED的应用并不局限于智能手表显示屏，其在移动可穿戴医疗领域也发挥着重要作用[18, 19]，如健康监测传感器测量心跳和血氧水平等，以及用于高级伤口护理或皮肤护理的光贴片或面膜。
3.1 应用于可穿戴脉搏血氧测量传感器心血管循环是维持生命最重要的生物活动，以适当的方式对其进行监控十分重要。一般对这些测量仅限于医院护理，目前已扩展到个人卫生保健等领域。可穿戴电子设备的技术进步，使慢性病患者或术后出院患者的生物信号监测等日常健康跟踪活动成为可能。在心血管监测方法中，光体积描记法(PPG)信号和血氧饱和度(SpO2)水平是通过使用发光器件和光检测器进行无创光测量。
OLED发光器件以可穿戴设备的形式，在个人移动医疗监测领域发挥着重要作用。一些研究小组已经证明OLED技术是一种可行的、有前途的可穿戴健康监测技术，可用于开发有机PPG或脉冲血氧测量传感器，研究证明溶液处理的绿色和红色有机发光二极管与聚合物的结合OPD，可以测量SpO2值及PPG信号。
与使用红色和近红外LED的商业脉搏血氧仪不同，近红外OLED仍处于起步阶段。韩国高等科学技术研究院Seunghyup Yoo团队曾在OLED和OPD的基础上，通过对人体皮肤内色敏光传播的光学模拟，设计了一种单片集成的有机脉搏血氧仪传感头，在平均24 mW电功率下成功工作，在全天可穿戴健康监测系统中有巨大的应用前景。
3.2 应用于可穿戴高级伤口护理PBM光疗法都被认为是一种安全的、无创伤组织再生方法，如：用波长400~420 nm高能量LED蓝光治疗青春痘，用波长570 nm附近的黄光或波长630 nm附近的红光照射使皮肤年轻化，用波长635 nm LED治疗肥胖症，用激光无创光疗调节多种机体功能等。但是，传统PMB光疗设备使用的LED、激光等被认为是属于比较“尖锐”的光源。这些光源灵活性较差、重量大、光照不均匀等缺点影响了PMB的光疗效果[20-22]。
将OLED用于光医疗领域具有独特优势，凭借其柔性、轻薄等特点，可以做成更贴合皮肤的任意形状，舒适度和体验感会更佳，同时，OLED发光波长可以通过调整有机发光材料结构实现近红外发光、深蓝光等，满足光医疗对不同波段光的要求，它在不产生过多热量的情况下实现均匀光输出，这对于防止热量对细胞和组织的伤害至关重要[23-25]。
韩国科学技术院Jeon Yong-min和首尔国立大学Bundang医院的Choi Hyung-ryung领导小组开发了一种OLED贴片，能使纤维细胞增殖率增加58%，纤维细胞迁移率增加46%，在组织再生方面有很好效果，这种OLED贴片可以依附于皮肤上，患者接受治疗的时候不会产生太多不适[19]。该OLED贴片只有手掌大小，重量超轻，厚度超薄，可以运行超过300 h，且能够沿着半径20 mm的曲线弯曲。
台工研院运用波长630 nm红光，合作开发了OLED光疗面膜，致力于打造更安全、更适用于皮肤的医美光疗功效。经测试，630 nm红光可促进纤维母细胞和胶原蛋白增生、加速伤口愈合。OLED为均匀的面光源，用于光疗面膜较低温不刺激，能均匀照射在额头、脸颊或下巴等部位，敷15~20 min便能由光导入，促进皮肤血液循环，达到功效。
国内OLED发光器件厂商翌光科技开发出一款带隙更窄、对材料的效率要求更高的深红色OLED器件[19]，该器件主波长也为630 nm，凭借可弯折、贴合性强、光照均匀等优势，应用于生发、伤口愈合、皮肤炎症等。
4 在智能包装领域的应用智能包装是指通过创新思维，在包装中加入机械、电气、电子、信息和化学性能等的新技术，既有通用的包装功能，又引入了一些特殊的性能，以满足商品的特殊要求和特殊的环境条件。
4.1 在智能标签领域的应用为了保证消费者的权益，建立防伪溯源体系可用于保证商品流通过程中的安全可靠。现有防伪形式多种多样，主要包括条形码、二维码、NFC、RFID等，但是依然存在防伪码被复制盗用、篡改的风险。
西安宝莱特公司推出“Intelligent Tag(智能标签)”物联网防伪溯源技术(图 3)，是利用p-OLED特性优势、核心动态变码技术，赋予商品“一物一动态码”，是与大数据分析等技术相结合的伪溯源技术。智能标签实现了每个“智能标签”独一无二和不可复制的可能，这种标签的成本非常低，可以实现从线下到线上全方位防伪。目前，已经在酒类(图 4)、茶叶、化妆品、服装等领域实现应用。智能标签每次使用显示的都是不同的信息码，但均指向同一个商品的ID信息，并且信息码有序号，每次读取时显示的信息验证后即会失效。在结构设计上，采用了“开启即毁”的思路，与产品包装完美结合，可以彻底杜绝产品包装物的回收再利用。
图 3
 | 图 3 智能标签结构设计 |
图 4
 | 图 4 智能标签商品 |
这种商品防伪技术基于互联网和智能标签技术为商品赋予独有的信息，真正实现了防伪、溯源、营销等功能的有效结合，未来可以为多种类型商品及行业提供防伪溯源、供应链管控等大数据生态服务。
4.2 在智能包装领域的应用2019年12月，为了给《星球大战9：天行者崛起》造势，新加坡可口可乐公司限量推出了8000支星战特别版可乐(图 5)。与以往特别版不同的是，外包装采用了柔性OLED智能包装，按压包装纸上的标签可以看到Rey和Kylo Ren使用的剑发光，这款OLED瓶大约可以点亮500次左右。该技术由德国柏林Inuru公司开发，每个标签上带有内置的电池和OLED器件，可通过触摸激活使OLED发光。这款OLED智能标签的制作过程，首先由专业标签装换公司使用油墨和印刷技术生产压敏纸标签，其印刷工艺和色彩与可口可乐常见标签相同，接着卷材的标签(包括防黏衬里)在Inuru公司用特殊的油墨将OLED器件和电源打印在纸标签上面。预计批量生产后，这种标签的成本只有几美分，价格十分低廉。
图 5
 | 图 5 可口可乐公司OLED智能包装 |
Inuru公司油墨印刷OLED器件，可以通过由半导体材料制成的至少两个层之间产生诱导掺杂混合层的方法来制造[26]，诱导掺杂混合层的引入可以提高载流子的密度和迁移率，制造方法成本低、工艺简单可靠。表 1为该公司含诱导掺杂混合层的典型OLED器件结构，在空穴注入层9与空穴传输层13之间存在诱导掺杂的混合层2，第二空穴传输层13的印刷油墨表面溶解先前施加的下空穴注入层9的材料，通过表面溶解，形成诱导掺杂的混合层2，空穴注入层9的材料掺杂到空穴传输层13中。
表1
 表 1 Inuru公司典型OLED器件结构
| 表 1 Inuru公司典型OLED器件结构 |
星球大战应用案例显然是成功的，特别是配合主角定制的两种不同颜色的剑。预计这种特殊的OLED应用技术将在其他产品包装、广告、家用电器等领域得到广泛应用。
5 结论与展望凭借OLED的强大技术优势，其应用领域的发展将远不止于传统显示及照明领域，未来新型OLED应用技术的发展趋势及挑战主要包括以下几个方面：
(1) OLED车载照明要想真正实现大规模应用代替传统的LED，仍需要新的技术来支撑降低成本。技术和量产是降低成本的最关键因素，可以通过掌握OLED的核心集成技术，降低企业研发成本，还可以通过技术升级扩大产能，依靠量产来降低成本。
(2) 实现真正实用的可穿戴设备开发，最大的挑战之一是确保OLED器件封装层可清洗，洗涤过程中封装层无机材料降解是造成其性能劣化的最主要原因，通过增加聚合物保护层等手段提高可清洗性能是未来技术发展的关键。
(3) OLED技术已成为光医疗和光学美容领域的新宠，未来产业链仍需深入协同合作，以实现材料性能的提升；薄膜传感器与OLED器件需高度集成，以实现真正意义上的柔性电子器件，具备对人体生理参数的监测、收集等功能；同时还要加强临床医学、光学、微电子等不同学科的跨界合作创新。
(4) 在智能包装应用领域，低成本溶液法OLED器件制备工艺是未来该应用领域急需突破的关键技术。
总之, 在这个新兴科学新技术层出不穷、飞速发展的时代，OLED技术有着显著优势，随着技术难点的解决，未来OLED技术的发展前景及应用领域会更加广阔，发展空间巨大。
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