編者：中噴網(wǎng) 墨宸

2025 年 7 月，韓國產(chǎn)業(yè)技術研究院（KITECH）Cho Kwan Hyun 團隊在《ACS Applied Electronic Materials》期刊上發(fā)表了一項重要研究成果，提出通過調控真空抽速與二元溶劑配比協(xié)同控制毛細流動的創(chuàng)新策略，成功解決噴墨打印有機發(fā)光二極管（OLED）像素薄膜中普遍存在的 “咖啡環(huán)效應”，使薄膜厚度偏差降低 63.6%，器件發(fā)光效率最高提升 31.8%，為大尺寸、高分辨率噴墨打印 OLED 顯示產(chǎn)業(yè)化提供關鍵技術支撐。

圖1. 像素定義層（PDL）基板上噴墨打印過程及后續(xù)真空干燥過程的示意圖

在顯示技術領域，OLED 憑借自發(fā)光、高對比度、柔性可彎曲等優(yōu)勢成為下一代顯示核心方向。當前主流 OLED 制造依賴真空蒸鍍技術，存在材料利用率低（不足 30%）、設備成本高、難以規(guī)模化生產(chǎn)大尺寸面板等瓶頸。噴墨打印技術因非接觸、按需沉積、材料利用率超 90% 等特點，被視為大尺寸 OLED 量產(chǎn)的理想方案。然而，噴墨打印后的液滴干燥過程中，溶劑蒸發(fā)引發(fā)的毛細流動會導致溶質向邊緣聚集，形成 “咖啡環(huán)” 狀不均勻薄膜，嚴重影響OLED 像素發(fā)光均勻性與器件壽命，成為制約該技術落地的核心障礙。

此前研究多聚焦于優(yōu)化墨水黏度、表面張力等內在屬性抑制毛細流動，但忽略了真空干燥這一關鍵外部工藝對液滴干燥動力學的影響。Cho團隊首次系統(tǒng)探究真空抽速與二元溶劑配比對噴墨打印 OLED 發(fā)光層（EML）薄膜形成過程的調控機制，通過創(chuàng)新實驗設計揭示毛細流動抑制的核心規(guī)律。

圖2. 發(fā)光層油墨液滴的不同蒸發(fā)階段示意圖

該研究團隊搭建了集成節(jié)流閥（TV）與實時顯微鏡的真空干燥系統(tǒng)，以控制真空抽速（TV 開度 100%、20%、10%、7%），并選用乙基 - 4 - 甲基苯甲酸酯（EMB，沸點 235℃）與 2 - 乙基己基苯甲酸酯（EHB，沸點 313℃）兩種高沸點溶劑，按 8:2、5:5、2:8 體積比配制 EML 墨水（主體材料 CBP 與摻雜劑 Ir (mppy)?按 10:1 混合）。通過實時觀察液滴干燥過程，團隊提出 “三階段四特征點” 干燥模型：第一階段（蒸發(fā) I）為液滴從溢出狀態(tài)收縮至與像素定義層（PDL）平齊的平面狀態(tài)；第二階段（蒸發(fā) II）為平面狀態(tài)過渡至底部暴露的四接觸線狀態(tài)；第三階段（蒸發(fā) III）為四接觸線狀態(tài)直至流動停止形成薄膜。

實驗發(fā)現(xiàn)，真空抽速與溶劑配比通過調控蒸發(fā)階段壽命影響毛細流動：一方面，提升真空抽速（如TV 100%）可顯著縮短蒸發(fā) I 壽命，減少溶質向邊緣遷移時間 ——TV 100% 時液滴總干燥時間僅 17.6 秒（EMB (8):EHB (2) 配比），較 TV 7% 條件（90.8 秒）縮短 79.5%，有效抑制咖啡環(huán)效應；另一方面，高比例 EHB（如 2:8 配比）雖延長蒸發(fā)I 壽命，但因其蒸氣壓低，使蒸發(fā) II 起始真空度更低，反而縮短蒸發(fā) II 壽命，減弱毛細流動影響。

圖3.不同真空抽速和二元溶劑配比下，各蒸發(fā)階段發(fā)光層液滴的壽命：（a）TV開度100%、（b）TV開度20%、（c）TV開度10%、（d）TV開度7%；（e）真空腔體內達到平面狀態(tài)點時的抽真空時間與真空度；（f）像素內部不同蒸發(fā)階段的內部流動強度示意圖

為量化評估咖啡環(huán)效應，團隊引入無量綱時間因子 fcr（咖啡環(huán)效應相關系數(shù)，與溶劑黏度成正比、與蒸發(fā)壽命成反比）。結果顯示，優(yōu)化條件下（TV 100%+EMB (2):EHB (8)）fcr 值較最低值提升 432%，對應薄膜厚度標準差從 127.6 nm（TV 7%+EMB (8):EHB (2)）降至 46.5 nm，降幅達 63.6%，中心區(qū)域截面積從 0.341 μm² 增至 0.949 μm²，證明毛細流動得到有效抑制。

圖4. 不同真空抽速與二元溶劑配比下，fcr與發(fā)光層薄膜橫截面輪廓的分析：（a）總壽命中與咖啡環(huán)效應相關的fcr、（b）蒸發(fā)II階段壽命中與咖啡環(huán)效應相關的fcr；（c）蒸發(fā)II階段壽命對應的標準差散點圖及趨勢線、（d）蒸發(fā)II階段壽命對應的中心截面積散點圖及趨勢線

基于優(yōu)化的干燥工藝，團隊制備的 OLED 器件展現(xiàn)出優(yōu)異性能。研究人員將OLED器件結構設計為 ITO/PDOT:PSS（空穴注入層）/EML/TPBi（電子傳輸層）/LiF（電子注入層）/Al（陰極），在 TV 100%+EMB (2):EHB (8) 條件下，發(fā)光效率較 TV 7%+EMB (8):EHB (2) 條件提升 31.8%。高分辨率電致發(fā)光（EL）圖像顯示，優(yōu)化條件下像素發(fā)光區(qū)域更寬且均勻性更高，這得益于薄膜厚度偏差減小，避免局部電流密度過高導致的效率損耗。

值得注意的是，團隊還發(fā)現(xiàn)蒸發(fā) II 階段是調控關鍵：蒸發(fā) II 壽命縮短可減少溶質在邊緣的二次聚集，即使蒸發(fā) I 時間較長（如高 EHB 配比），仍能通過優(yōu)化蒸發(fā) II 抑制咖啡環(huán)效應。這一發(fā)現(xiàn)為墨水配方設計提供新方向 —— 無需過度追求低沸點溶劑以加速干燥，可通過高沸點溶劑配比與真空工藝協(xié)同實現(xiàn)均勻成膜。

圖5. 不同真空抽速與二元溶劑配比下，含真空干燥發(fā)光層（EML）的有機發(fā)光二極管（OLED）器件特性分析：（a）OLED 器件結構、（b）能帶結構圖、（c）電壓 - 電流密度曲線、（d）電壓 - 亮度曲線、（e）電流密度 - 電流效率曲線、（f）電流密度 - 外量子效率（EQE）曲線

Cho Kwan Hyun 教授表示，該研究首次建立真空干燥工藝參數(shù)與薄膜均勻性的量化關系，為噴墨打印 OLED 產(chǎn)業(yè)化提供明確優(yōu)化路徑。下一步團隊將探索該策略在全彩像素陣列與柔性基板上的應用，推動大尺寸高分辨率 OLED 電視、柔性顯示等產(chǎn)品的成本降低與性能提升。

來源：Youngwook Noh，《Capillary Flow Control in Vacuum Drying for Uniform Pixel Thin Films in Inkjet-Printed OLEDs: Effects of Pumping Speed and Binary Solvent Ratios》

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