用于大面积透明柔性光电器件的聚酰亚胺基底研究

摘要

伴随着人们对材料、器件结构研究的不断深入和器件制备工艺的不断进步，以OLED为代表的有机光电子器件的柔性化、透明化成为了必然的发展趋势，而高性能透明柔性基底的制备就是有机光电子器件实现柔性化和透明化首先需要解决的问题。透明聚合物薄膜由于具备体积轻薄、弯折性能好、种类丰富，并且兼容卷对卷大面积量产工艺等诸多优势，成为了透明柔性基底的首选。透明柔性基底除了需要具备良好的光学性能之外，还要求具有稳定的热学性能，并且能耐受有机溶剂的侵蚀。于是，素有“黄金薄膜”之称的聚酰亚胺薄膜就成了透明柔性基底的最佳选择。为了达到足够的器件寿命以满足产业化的需求，以OLED为代表的有机光电子器件对器件的水氧阻隔性能提出了极高的要求，而聚酰亚胺薄膜由于具有疏松多孔的表面结构和较强的吸水性所以自身的水氧阻隔性能低下。为了解决这一问题，需要在透明基底上制备高性能的柔性阻隔层。此外，为了避免对器件效率和本身出光光谱的影响，阻隔层还需要具备良好的光学性能，包括较高的透光率和良好的色中性，而这可以在阻隔层结构设计的过程中引入薄膜光学的思想，通过采用合理的阻隔层结构来实现。在传统光电器件中广泛应用并已成为事实标准的ITO电极由于本身很脆而不再适用于柔性器件，所以新型柔性透明电极的开发是有机光电器件实现柔性化、透明化需要解决的第三个问题。在大面积光电器件中，可以在导电薄膜下埋入金、银、铜等材质的金属网格的手段来改善其导电性能。金属线覆盖的部分是不能透光的，这种复合电极的光学性能和导电性能可以通过调节网格金属部分的覆盖率来得到控制。在某些发光器件中，为了提高器件发光的均匀性，可以通过向聚合物基底中掺杂纳米颗粒，然后利用纳米颗粒对光的散射作用调节基底的雾度来隐藏金属线。通过选择合适的掺杂条件，可以获得同时具备高透光率和高雾度的透明柔性基底。所以本论文以大面积透明柔性基底的制备为出发点，围绕以上四个方面的问题开展了如下工作：
　　1)无色透明聚酰亚胺薄膜的制备。本文分别以聚酰亚胺树脂粉和PAA为原料，采用旋涂工艺制备了两种尺寸为5×5cm2的无色透明聚酰亚胺薄膜，并对其诸如透光率和折射率等光学性质，以及表面性质进行了详细表征。研究发现，旋涂工艺制备的聚酰亚胺薄膜可以通过控制溶液黏度和旋涂转速制备不同厚度的柔性基底薄膜，且薄膜表面光滑平坦。通过实验得知所用的聚酰亚胺薄膜是一种负双折射材料。当膜厚较薄时，由于等倾干涉现象的存在，薄膜的透光率谱线会出现较大幅度的振动。针对所用的两种聚酰亚胺材料，本文给出了可用的膜厚范围，以避免薄膜透光率的波动对器件发光光色的影响。
　　2)宽带减反射型透明水氧阻隔层的设计与制备。引入薄膜光学中减反射膜的设计思想，借助TFcalc光学薄膜设计软件在兼顾阻隔性能、弯曲性能、光学性能和工艺成本的前提下分别针对两种聚酰亚胺薄膜设计和优化了由氮化硅和氧化硅交替的四层结构的阻隔层。然后采用PECVD工艺在两种聚酰亚胺薄膜上制备出了上述结构。对复合膜的进一步研究表明，阻隔层的沉积在大幅度提高聚酰亚胺薄膜水氧阻隔性能的同时也使复合膜的透光率相对于纯膜在整个设计波段上有了明显的提升，复合膜表面光滑平坦并且具有较高的表面能和铅笔硬度。
　　3)正六边形金属网格电极的制备。结合紫外光刻、电子束蒸发以及光刻胶剥离工艺在沉积了阻隔层的聚酰亚胺复合膜上制备了不同尺寸的正六边形Ni/Au金属网格。通过测试发现，单独的金属网格已经具备较高的导电性能、透光性能和弯折性能。进一步研究发现，金属网格也可以作为辅助电极极大地降低透明导电薄膜的方块电阻，从而揭示了其在制备大面积透明柔性导电基底以及柔性触控膜方面的巨大应用潜力。
　　4)纳米颗粒的掺杂。对聚酰亚胺薄膜采用无机纳米颗粒掺杂，利用掺杂颗粒对光的散射作用来提高基底的雾度从而达到隐藏金属网格的目的。通过对掺杂颗粒与薄膜基体的相对折射率、掺杂粒径、掺杂浓度对复合膜透光率和雾度的影响的研究，提供了一种根据实际需求的不同透光率和雾度组合来选择掺杂条件的方法。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 有机发光二极管简介

1.3 常用柔性基底简介

1.4 聚酰亚胺薄膜简介

1.5 柔性透明电极简介

1.6 水氧阻隔层简介

1.7 颗粒对光的散射

1.8 本论文的设计思想与主要内容

2 无色透明的聚酰亚胺薄膜

2.1 引言

2.2 透明聚酰亚胺薄膜的制备

2.3 聚酰亚胺薄膜的性能表征

2.4 本章小结

3 具有宽带减反射效果的水氧阻隔层

3.1 引言

3.2 宽带减反射型阻隔层的结构设计与制备

3.3 宽带减反型阻隔膜的性能表征

3.4 本章小结

4 透明的聚酰亚胺导电薄膜

4.1 引言

4.2 柔性透明金属网格电极的设计

4.3 柔性透明电极的制备

4.4 柔性透明金属网格的性能表征

4.5 本章小结

5 纳米颗粒掺杂的透明聚酰亚胺薄膜

5.1 引言

5.2 掺杂膜的制备

5.3 纳米颗粒的分散情况

5.4 掺杂膜的表面形貌

5.5 纳米颗粒的折射率对复合膜透光率和雾度的影响

5.6 纳米颗粒的粒径对复合膜透光率和雾度的影响

5.7 纳米颗粒的掺杂浓度对复合膜透光率和雾度的影响

5.8 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的相关论文

附录2 实验试剂及仪器