有机发光二极管(OLED)具有快速响应、高功率效率和柔性质轻等优点,随着柔性显示技术的快速发展,其在智能手机、电视屏幕等领域被广泛应用。但OLED结构复杂和水氧敏感特性导致其在大规模制备方面存在一定限制。发光电化学池(LEC)是一种结构简单、制备条件宽松的新型发光显示器件,被公认为是OLED的替代产品。然而,无论是OLED,还是LEC,其制备高度依赖于物理和化学真空沉积技术,难以实现高效生产。全溶液处理技术可以通过全溶液工艺实现器件各功能层的制备,展现出高效率、低成本的显著技术优势,发展潜力巨大。

LEC器件采用有机半导体与可移动离子混合夹在阴极与阳极之间,通过内置p-i-n结实现电荷注入、传输和发射,空穴与电子在发光中心复合释放能量产生光子。为保证光子从器件内部顺利逸出,LEC器件至少需要一个透明电极。其中,以阳极为透明电极的LEC结构被称为底部发光结构。在底部发光结构中,阳极及基底都需要具备良好的光透过率。目前,具有较高光透过率的氧化锡铟(ITO)是被广泛使用的透明阳极材料,但其固有的脆性及低产量的沉积制备工艺,使其难以应用于大面积柔性基底。为实现柔性透明电极的制备,石墨烯、碳纳米管、导电聚合物等材料被广泛研究。其中,聚(3,4-乙烯二氧噻吩)∶(聚苯乙烯磺酸)(PEDOT∶PSS)是一种具备良好导电性、光透过率和易于溶液化加工的导电聚合物,且在大气环境下化学性质稳定,是制备透明电极的理想材料。同时,PEDOT∶PSS薄膜具有无定形特征,机械稳定良好性,有助于其在柔性LEC器件中的应用。目前,PEDOT∶PSS电极的溶液化制备工艺,如旋涂、喷涂等,存在材料消耗大,无法实现连续制备等问题。而凹版印刷作为一种卷对卷的加工工艺,不仅能提高材料的利用率,减少浪费,还能显著提高制备效率,降低生产成本,从而实现连续且大面积的电极制备。

为了满足LEC器件的底部发光需求,基底也需要具备良好的光透过率以实现基底-电极组件的整体透明性。当前,用于发光器件的透明基底有聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。其中,PET是一种透明性、机械稳定性和热稳定性优异的材料,是薄膜电极的理想基底。但PET表面能较低,导致凹版印刷成膜困难,因此,需要对PET进行表面改性和调控。基底的印刷适应性调控方法主要包括表面等离子体处理和油墨润湿性调控。

其中,等离子体处理技术通过物理和化学作用改变材料表面的化学组成和物理状态,进而提高其表面能,是一种不损伤基材的通用方法。氧等离子体处理通过氧化反应,在材料表面引入羟基等极性基团,可以增强PET基底与墨水之间的相互作用力,在改善印刷质量的同时,增强电极与基底间的界面附着力。

PET基材等离子处理前后接触角分析

PET分子链上缺乏亲水基团,导致其表面能较低。同时,PET分子链排列紧密,表面分子间作用力强,致使印刷墨水不易在其表面铺展和润湿。氧等离子体处理作为一种提升基底润湿性能的有效手段,能够有效改善PET基材的印刷适应性,进而优化PEDOT∶PSS墨水配方在其表面的成膜效果。图1为在氧等离子体处理前后PET基底上的接触角照片。

图1 氧等离子体处理前(a)后(b)PET基底上的接触角

从图1可以看出,经氧等离子体处理后,在PET基材上的接触角由55.4°(图1a)降低至25.3°(图1b),这得益于氧等离子体处理在PET基材表面引入羟基等亲水基团,显著提升了其墨水亲和性,为在PET基材上通过凹版印刷制备具有优良成膜特性的透明电极奠定了基础。