韓國KAIST團隊突破OLED光提取技術瓶頸，近平面結構實現48%外量子效率

CINNO Research產業資訊，在顯示技術領域，有機發光二極管（OLED）憑借其自發光、高對比度、廣色域等優勢，已深度融入智能手機、電視、可穿戴設備等終端產品。然而，長期以來，“光提取效率低”“平面性與性能難以兼顧”“像素間光學串擾” 三大技術瓶頸，始終限制著OLED在增強現實（AR）、車載顯示、超高清電視等高端領域的進一步發展。

近日根據外媒pubmed報道，韓國科學技術院（KAIST）的研究人員在《Nature Communications》期刊上發表了一項重要的研究成果。他們創新研發的“近平面光出耦合結構（LOS，Light Outcoupling Optical Structures）”，成功打破了傳統技術的桎梏，在保持OLED超薄平面特性的同時，將器件外量子效率（EQE）提升至48.0%，電流效率高達192 cd/A，性能可與宏觀半球透鏡相媲美，卻完美規避了傳統方案的缺陷，為下一代高效、無串擾顯示技術的發展開辟了全新道路。

研究背景：OLED效率與應用的雙重枷鎖

OLED技術自誕生以來，便以其卓越的顯示性能備受關注。隨著材料科學的不斷進步，OLED 的內部量子效率（IQE）已能達到接近100%的水平，理論上可實現極高的發光效率。但在實際應用中，由于OLED層狀結構的固有特性，大量光線被束縛在基板或有機層內部，無法有效輸出到空氣中，導致外部量子效率（EQE）通常僅能維持在20%左右，這一巨大差距成為制約OLED性能發揮的關鍵。

深入剖析光線損耗的根源，主要可分為三大類。首先是表面等離激元極化子（SPP）模式損耗，在金屬電極與有機層的界面處，部分光線會轉化為SPP模式的能量并被吸收；其次是波導模式損耗，光線在有機層與基板之間不斷反射傳播，難以突破界面限制；最后是基板模式損耗，光線在基板與空氣界面因全反射作用被鎖在基板內部，這部分損耗占總光功率的比例高達30%左右，是影響OLED外量子效率的核心因素。

為解決光線被困問題，行業內曾積極探索多種解決方案，但均存在明顯短板，難以實現性能與應用的平衡。宏觀半球透鏡是其中一種方案，它能夠最大限度地提取基板內被困的光線，理論上可大幅提升光提取效率。然而，宏觀半球透鏡凸起高度較大，通常達到毫米級別，這嚴重破壞了OLED固有的平面性，使其無法適配超薄、柔性的顯示需求，在手機、AR設備等對尺寸和形態要求嚴苛的產品中難以應用。

微透鏡陣列（MLAs）則是另一種主流方案，其透鏡高度僅為幾十微米，能夠較好地保持OLED的平面性。但微透鏡陣列的光提取效率有限，且對孔徑比（出光結構面積與像素發光面積的比值）有著極高的要求。當孔徑比降低至4時，微透鏡陣列的效率提升效果幾乎可以忽略不計，甚至可能出現負增益。更關鍵的是，微透鏡陣列通常需要覆蓋多個像素，容易導致像素邊緣模糊，引發 “光學串擾” 現象，嚴重影響高分辨率顯示的畫質，無法滿足超高清電視、高端手機屏幕等產品的需求。

“長期以來，OLED行業陷入了‘效率 - 平面性 - 畫質’難以兼顧的困境，傳統方案始終無法找到三者的平衡點，這也成為制約OLED向更高端領域突破的主要障礙，”研究人員表示，如何在保持平面性的同時，大幅提升光提取效率并消除光學串擾，是團隊研究的核心目標。

創新方案：兩步式協同設計破解技術難題

面對該行業難題，KAIST研究團隊跳出了“單一優化出光結構” 的傳統思維模式，創新性地提出了 “器件堆疊優化 + 出光結構設計” 的兩步式協同方案，從光線產生、傳輸到輸出的全流程進行系統優化，徹底破解了OLED的技術難題。

第一步：重構器件堆疊，提升光線傳輸效率

傳統的OLED器件堆疊設計往往只關注如何將更多光線輸出到基板或空氣中，卻忽略了光線從發射區域到出光結構之間的傳輸效率。針對這一問題，團隊首次提出了 “角傳遞權重（ATW，Angular Transfer Weight）”的概念，用于定量描述OLED發射孔徑（EA，即像素的發光區域）與出光結構接收孔徑（RA）之間的光線傳輸效率。ATW值的高低直接反映了從EA發出的光線能夠成功抵達RA的比例，ATW值越高，意味著光線在傳輸過程中的損耗越小，為后續高效出光奠定良好基礎。

為了最大化ATW值，團隊基于耦極子嵌入微腔模型，對OLED的電子傳輸層（ETL）和空穴傳輸層（HTL）的厚度進行了系統優化。通過大量的實驗與模擬分析，研究人員發現，當電子傳輸層和空穴傳輸層的厚度均設定為50nm時，器件發射的光線會集中在 “低極角范圍”（即靠近基板法線的方向）。這種光線分布特性能夠讓更多光線精準地指向RA，有效減少了光線在傳輸過程中的分散與損耗，使得 “發射孔徑到接收孔徑的功率傳輸效率（ηIAPD）”超過了47%。

雖然此時 “基板總功率傳輸效率（ηto-sub）” 略低于傳統的器件設計方案，但ηIAPD的顯著提升，確保了更多光線能夠有效到達出光結構，為后續的高效光提取創造了有利條件?！斑@就如同調整手電筒的光斑，讓光線集中照射到目標區域，而不是分散到無關的空間中，極大地提高了光線的利用效率，”研究人員解釋道，這種以“光線有效傳輸” 為核心的設計思路，打破了傳統設計中 “追求基板總功率最大化” 的固有思維，是實現OLED效率突破的關鍵第一步。

第二步：設計低剖面LOS，實現高效光提取

在優化器件堆疊結構、提升光線傳輸效率的基礎上，團隊將研究重點轉向了出光結構的設計，成功開發出了三種具有近平面特性的LOS，分別為LP30-LOS、UH-LOS和PS-LOS，其中 LP30-LOS在性能與實用性方面表現最為突出。

LP30-LOS采用了 “徑向壓縮宏觀半球透鏡” 的創新設計理念，在保留宏觀半球透鏡高折射能力的同時，將其最大高度（tLOS）大幅壓縮至僅50微米，與傳統的微透鏡陣列高度相當，完美保持了OLED的平面性 。該結構的設計細節極具巧思，其中心區域采用 “臺面狀平面結構”，不僅進一步確保了器件整體的平面性，還能減少光線在中心區域的反射損耗；而邊緣區域則設計為特殊的曲率結構（被團隊稱為 “C-edge”），這種曲率設計能夠將基板內以大角度傳播的被困光線，通過折射作用轉向空氣方向，同時最大限度地減少光線反射回有機層的比例。

傳統的微透鏡陣列由于結構限制，大量光線在經過透鏡后會反射回有機層，造成嚴重的光損耗，而LP30-LOS的邊緣曲率設計則有效解決了這一問題，大幅提高了光線 “一次出光成功率”。更重要的是，LP30-LOS無需依賴大孔徑比來保證光提取效率。實驗數據顯示，當RA與EA的半徑比（rRA/rEA）僅為2時，LP30-LOS仍能實現高效的光提取，這一特性使其能夠直接集成到單個像素內部，從根本上避免了傳統微透鏡陣列 “跨像素覆蓋” 所導致的光學串擾問題。

“將出光結構集成到單個像素內部，是實現高分辨率顯示‘無串擾’的關鍵所在。這一設計讓OLED在高畫質與高效率之間找到了完美的平衡點，為超高清顯示技術的發展提供了全新的可能，”研究人員強調。

性能驗證：數據彰顯技術優勢

為了全面驗證新型近平面出光結構的性能，KAIST團隊進行了大量的實驗測試，結果表明，搭載LP30-LOS的OLED器件在各項關鍵性能指標上均實現了對傳統方案的全面超越。

在效率方面，搭載LP30-LOS的OLED器件表現極為亮眼。其峰值EQE達到了48.0%，電流效率（CE）更是高達192 cd/A。與裸OLED器件（EQE 35.6%、CE 102 cd/A）相比，EQE提升了34.8%，CE提升了88.2%；即使與搭載微透鏡陣列（MLAs）的OLED器件（EQE 35.4%、CE 150 cd/A）相比，也實現了顯著優勢，EQE提升了35.6%，CE提升了28%。

更令人振奮的是，當rRA/rEA提升至3時，器件的性能進一步提升，EQE達到了57.2%，CE則高達217 cd/A，這一性能水平已接近宏觀半球透鏡（EQE約43.75%、CE約400.5 cd/A），但在平面性和集成性方面，LP30-LOS遠超宏觀半球透鏡，能夠更好地滿足各類顯示產品的需求 。

在定向出光性能上，LP30-LOS同樣展現出了顯著優勢。在AR設備、車載顯示等應用場景中，“小角度出光效率” 至關重要，它直接影響著顯示畫面的可見性和用戶體驗。實驗數據顯示，搭載LP30-LOS的OLED器件在θout≤30° 范圍內的EQE30達到了16.4%，是裸OLED 器件（9.30%）的1.76倍。這一特性使得器件能夠更好地適配人眼的視覺范圍，減少環境光對顯示效果的干擾，為AR、車載顯示等領域的應用提供了有力支持。

在產業化應用方面，LP30-LOS具備極強的抗偏移能力，這一特性對于大規模量產至關重要。在器件組裝過程中，“對準誤差” 難以完全避免，而傳統出光結構對對準精度要求極高，輕微的偏移就會導致性能大幅下降。但實驗表明，即使LP30-LOS與EA存在35%的徑向偏移，其EQE仍能保持初始值的95%以上。這種 “高容錯性” 使得LP30-LOS能夠完美適配現有光刻、納米壓印等量產工藝，大幅降低了產業化的難度和成本。

此外，團隊通過 “跨尺度光學模擬” 對技術潛力進行了進一步挖掘。模擬結果顯示，若對LOS結構進行進一步優化，UH-LOS（另一款出光結構）的EQE可達到87.2%，LP30-LOS的CE則可提升至410 cd/A。這一模擬結果充分展現了該技術的巨大發展潛力，讓業界對OLED的未來性能充滿期待。

中國AMOLED顯示材料市場分析報告（大綱）

第一章 OLED顯示行業發展概述

一、 OLED顯示行業基本介紹

1. OLED產品分類

2. OLED基本結構

3. OLED發光原理

4. OLED發展歷程

二、 AMOLED顯示行業產業鏈分析

1. AMOLED顯示面板整體材料結構分析

2. AMOLED顯示面板制造生產工藝流程分析

第二章 全球中小尺寸AMOLED顯示材料市場發展現狀及趨勢

一、 全球中小尺寸AMOLED顯示面板市場發展綜述

1. 2018-2025年全球中小尺寸AMOLED顯示面板市場需求分析

1.1 智能手機

1.2 筆記本電腦

1.3 車載顯示

1.4 可穿戴

1.5 其他

2. 2018-2025年全球中小尺寸AMOLED顯示面板市場供應分析

2.1 韓國

2.2 中國大陸

2.3 其他

3. 全球AMOLED顯示面板重點企業分析

3.1 三星顯示SDC

3.2 樂金顯示LGD

3.3 京東方BOE

3.4 TCL華星CSOT

3.5 天馬集團Tianma

3.6 維信諾Visionox

3.7 和輝光電Everdisplay

3.8 信利Truly

3.9 友達光電AUO

3.10 日本顯示器JDI

3.11 夏普Sharp

二、 全球中小尺寸AMOLED顯示材料市場發展現狀和趨勢

1. 全球中小尺寸AMOLED發光層材料市場規模分析

1.1 2018-2025年全球中小尺寸AMOLED發光層材料市場規模預測

1.2 2019-2020年全球中小尺寸AMOLED發光層材料供應商出貨量排名

1.3 2019-2020年全球中小尺寸AMOLED發光層材料供應商營收規模排名

2. 2018-2025年全球中小尺寸AMOLED共通層材料市場規模預測

2.1 2018-2025年全球中小尺寸AMOLED共通層材料市場規模預測

2.2 2019-2020年全球中小尺寸AMOLED共通層材料供應商出貨量排名

2.3 2019-2020年全球中小尺寸AMOLED共通層材料供應商營收規模排名

第三章 中國AMOLED顯示材料市場競爭格局分析

一、 中國AMOLED顯示材料廠商市場競爭格局分析

1. 中國AMOLED發光層材料廠商市場規模分析

1.2 2019-2020年中國中小尺寸AMOLED發光層材料供應商出貨量排名

1.3 2019-2020年中國中小尺寸AMOLED發光層材料供應商營收規模排名

2. 中國AMOLED共通層材料廠商市場規模分析

2.2 2019-2020年中國中小尺寸AMOLED共通層材料供應商出貨量排名

2.3 2019-2020年中國中小尺寸AMOLED共通層材料供應商營收規模排名

3. 中國AMOLED顯示材料供應商市場競爭格局分析（司南理論分析模型框架）

3.1 市場滲透力分析

3.2 產品競爭力分析

3.3 技術延展力分析

3.4 資源整合力分析

3.5 綜合運營力分析

二、 中國AMOLED顯示材料供應商產業地圖

1. 華東地區

2. 華北地區

3. 華中地區

4. 華南地區

第四章 總結和建議

一、 產業機遇與相關建議

二、 產業挑戰與相關建議

三、 其他

馬女士 Ms. Ceres

TEL：（+86）137-7604-9049

Email：CeresMa@cinno.com.cn

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