三星开发出一种新型MR-TADF OLED发光材料的合成工艺与器件集成方案

在智能手机、电视、AR/VR 设备日益普及的今天，人们对显示效果的追求从未停止。从高清到超高清（UHD），再到对极致色彩还原的渴望，显示技术正面临着一场全新的升级挑战。近日，三星先进技术研究院联合庆尚国立大学、庆熙大学的科研团队，在国际期刊《Advanced Materials》上发表了一项重磅成果 —— 成功研发出一种名为 DBF-v-DABNA 的新型纯绿色发光材料，将有机发光二极管（OLED）的色彩纯度、发光效率和稳定性提升至一个新的水平，契合 BT.2020（Rec.2020）超高清色彩标准，为下一代显示技术的发展铺平了道路。

超高清显示时代的 “绿色难题”

近年来，OLED 技术凭借自发光、高对比度、广视角、柔性化等优势，已成为高端显示领域的主流选择。从旗舰智能手机的柔性屏幕，到超大尺寸的家庭影院电视，再到沉浸式 AR/VR 头显设备，OLED 技术正在重塑人们与数字世界交互的方式。随着 5G、8K 视频、元宇宙等技术的快速发展，市场对超高清显示的需求呈现爆发式增长，用户不仅追求更高的分辨率，更渴望屏幕能还原出更真实、更细腻的色彩 —— 就像亲眼所见的自然景色一般。

为了规范超高清显示的色彩表现，国际电信联盟（ITU）制定了 BT.2020（Rec.2020）标准，这一标准被业内视为超高清显示的 “色彩圣经”。它对红、绿、蓝三原色的纯度提出了极为严苛的要求，其中绿色作为画面中最具视觉冲击力的色彩，更是成为了技术突破的关键。根据 BT.2020 标准，理想的纯绿色需要满足特定的色彩坐标（CIE y≈0.797），发光峰值集中在 525-530nm 的理想波段，且发光谱线的半高宽（FWHM）需控制在 30nm 以内 —— 这意味着发光必须高度集中，不能出现明显的色彩扩散。

图1. 发光材料的分子设计策略与化学结构（其中电子活性MR核以绿色高亮标注）

尽管 OLED 技术在蓝色、红色发光材料上已取得诸多突破，但绿色发光材料却长期面临着 “三重困境”：一是色彩纯度难以达标，要么发光波段偏离理想范围，要么谱线过宽导致色彩 “发灰”；二是高亮度下效率大幅下降，通俗来说，就是屏幕调得越亮，发光效率越低，不仅更耗电，还可能影响显示效果；三是稳定性不足，长期使用后容易出现亮度衰减、色彩偏移等问题。

之所以绿色成为难题，核心原因在于 BT.2020 标准对绿色的色彩纯度要求远高于其他颜色。此前行业内广泛使用的多共振热激活延迟荧光（MR-TADF）技术，虽然能实现窄带发光，但绿色版本的分子结构设计一直难以平衡 “色彩纯”“效率高”“稳定性强” 三大需求。例如，部分材料虽然色彩纯度接近要求，但在高亮度下效率会骤降；有些材料效率尚可，却存在分子容易 “抱团” 聚集的问题，导致发光效果变差、寿命缩短。这些瓶颈严重制约了超高清 OLED 显示技术的落地，成为行业亟待解决的痛点。

研究方案：创新分子设计、架构优化以实现性能提升

面对绿色 OLED 的技术困境，三星联合高校的科研团队经过长期攻关，从分子结构设计到器件架构优化，提出了一套全方位的创新解决方案，成功研发出 DBF-v-DABNA 这一突破性材料。

（一）分子结构创新：给发光核心搭起 “稳固框架” 与 “防护盾”

发光材料的性能，本质上由其分子结构决定。团队的首要创新的是重构了分子的核心骨架，为发光提供了前所未有的稳定性和集中性。

此前的绿色 MR-TADF 材料，分子结构多存在 “柔性” 过高的问题，就像一根容易弯曲的绳子，发光时分子振动剧烈，导致能量分散，发光谱线变宽，色彩纯度下降。为解决这一问题，团队采用了刚性的二苯并呋喃（DBF）框架作为分子核心，这种结构如同一个坚固的 “支架”，能牢牢固定发光区域，最大限度减少分子振动和结构变形，让发光能量高度集中，从而实现窄带纯绿色发射。

同时，团队还为发光核心设计了一层 “防护盾”—— 在分子的关键位置引入了苯基、甲苯基和二甲苯等取代基。这些取代基如同围绕在发光核心周围的 “卫士”，一方面能有效阻挡分子之间的相互作用，避免因分子 “抱团” 聚集导致的发光淬灭；另一方面能抑制一种名为 “德克斯特能量转移（DET）” 的能量损耗过程，让更多能量用于发光，而非白白浪费。

这种 “稳固框架 + 防护盾” 的设计，不仅解决了此前材料的聚集问题，还大幅提升了分子的热稳定性。实验显示，DBF-v-DABNA 的热分解温度超过 400℃，完全满足 OLED 制造中真空沉积的工艺要求，为量产奠定了基础。

图2. (a) 基态（S₀）的优化结构；(b) 所计算的第一单重激发态（S₁）、第一三重激发态（T₁）、第二三重激发态（T₂）及第三三重激发态（T₃）的能量，以及对应的自旋 - 轨道耦合（SOC）矩阵；(c) 单重激发态 S₁与基态 S₀间跃迁的重组能（λ）；(d) 激发态的模拟自然跃迁轨道分布

（二）架构优化：引入 “能量传递助手”，攻克效率滚降难题

即使分子结构再出色，若不能让能量高效传递到发光过程，也难以发挥其最大潜力。此前绿色 OLED 在高亮度下效率下降（即 “效率滚降”）的核心原因，是发光过程中产生的 “三重态激子” 无法有效转化为光能量，反而会积累起来导致能量损耗。

为解决这一问题，团队创新性地采用了 “超荧光（HF）” 器件架构，在发光层中引入了一种名为 Ir (ppy)₃的磷光材料作为“能量传递助手”。这种材料的作用如同一个 “能量转换器”，能高效捕获发光过程中产生的三重态激子，将其转化为可发光的 “单重态激子”，再通过福斯特共振能量转移（FRET）机制，快速传递给 DBF-v-DABNA 发光核心，最终转化为纯绿色光。

这种 “助手 + 核心” 的协同机制，彻底改变了传统器件中能量浪费的局面。一方面，“能量传递助手” 高效回收了原本会损耗的能量，大幅提升了整体发光效率；另一方面，快速的能量传递避免了激子在发光层中的积累，从根源上解决了高亮度下的效率滚降问题。

（三）精准合成与工艺适配：确保性能稳定量产可行

一项技术要从实验室走向市场，必须具备量产可行性。团队在合成 DBF-v-DABNA 的过程中，采用了分步偶联和硼化反应的策略，通过精准控制反应条件，实现了高收率合成，且没有产生无用的异构体杂质。通过核磁共振（NMR）和高分辨质谱（HRMS）等技术的严格表征，确保了每一批次材料的结构一致性和性能稳定性。

在器件制备上，团队优化了整个 OLED 的层状结构，从空穴注入层、空穴传输层到电子传输层、电子注入层，均选用了与 DBF-v-DABNA 能量水平匹配的材料，形成了顺畅的 “能量通道”，避免了电荷在器件中的积累和损耗。这种全方位的工艺适配，让材料的优异性能得以完整呈现。

图3. (a) 稀溶液中的紫外-可见吸收光谱、室温光致发光光谱及低温磷光光谱；(b) 不同掺杂剂浓度下BBP-CBz基掺杂薄膜的发射光谱，掺杂体系为BBP-CBz:x质量分数DBF-v-DABNA；(c) 不同掺杂条件下BBP-CBz薄膜的瞬态光致发光光谱，掺杂条件分别为1质量分数DBF-v-DABNA、2质量分数DBF-v-DABNA、1质量分数DBF-v-DABNA与10质量分数Ir (ppy)₃共掺杂、2质量分数DBF-v-DABNA与10质量分数Ir (ppy)₃共掺杂

（四）设计巧思：兼顾色彩纯度与发光方向

除了稳定性和效率，团队还关注到一个容易被忽视的细节 —— 发光的 “方向”。OLED 的发光效率不仅取决于材料本身，还与发光分子的偶极取向密切相关。如果发光分子的偶极方向能更多地平行于屏幕表面，那么更多的光就能被有效提取出来，提升器件的实际亮度。

DBF-v-DABNA 的分子结构设计恰好实现了这一点。其准平面的分子结构倾向于平行于基板排列，使得水平偶极子比例高达 94%。这意味着，材料发出的光中有 94% 能以理想的方向传播，从而在不增加能耗的情况下，大幅提升了器件的实际发光亮度和出光效率。

OLED样品制备：多项参数指标大幅提升，色坐标达成BT2020

经过实验验证，基于 DBF-v-DABNA 的 OLED 器件在色彩纯度、发光效率、稳定性和亮度等关键指标上，均实现了突破性提升，多项数据刷新行业纪录，基本达成BT.2020 超高清标准。

（一）色彩纯度：无限接近 BT.2020 标准，画面还原更真实

色彩纯度是绿色 OLED 的核心指标，也是 DBF-v-DABNA 最亮眼的优势之一。实验显示，该材料在溶液中的发光谱线半高宽（FWHM）仅为 16nm，在器件中的半高宽也仅为 19nm，远低于 BT.2020 标准要求的 30nm 上限，是目前已知最窄的绿色发光谱线之一。

对应的色彩坐标方面，底部发射型 OLED 器件的 CIE y 值达到 0.74-0.75，而顶部发射型器件的 CIE y 值更是高达 0.79，无限接近 BT.2020 标准规定的 0.797。这意味着，基于该材料的屏幕，能够还原出自然界中最纯正的绿色 —— 无论是春天的嫩叶、茂密的森林，还是草原的青草，都能呈现出细腻、逼真的色彩层次，彻底摆脱了此前绿色显示 “偏黄”“偏蓝” 或 “发灰” 的问题。

对于用户而言，这种高色彩纯度带来的直观感受是画面更具沉浸感和真实感。在观看自然纪录片时，能感受到仿佛置身于真实场景之中；在进行设计、摄影等专业工作时，能精准还原作品的色彩意图；在使用 AR/VR 设备时，虚拟世界的绿色元素也能与现实环境无缝融合，提升沉浸体验。

图4. (a) 有机电致发光器件的器件结构与能级图；(b) 本工作中器件在1000cd/m2亮度下的外量子效率与电致发光光谱半高全宽的对比，并与已报道的色坐标CIEy值> 0.65的非HF型（方形）和HF型（圆形）纯绿光OLEDs相关性能进行对比；(c) 电流密度与亮度随电压的变化特性；(d) 归一化电致发光光谱；(e) 外量子效率随亮度的变化特性；(f) 初始亮度为5000cd/m2时的器件寿命

（二）发光效率：省电又明亮，突破行业天花板

发光效率直接关系到 OLED 的功耗和续航能力，是消费电子领域的核心需求之一。基于 DBF-v-DABNA 的超荧光 OLED 器件，在效率方面实现了质的飞跃。

数据显示，该器件的最大外部量子效率（EQE）超过 35%，这一指标意味着，输入的电能中有超过三分之一能转化为光能量，远高于此前传统绿色 OLED 的效率水平。其中，顶部发射型器件的电流效率更是达到了 233cd/A，创下了绿色 OLED 电流效率的纪录。

更值得称道的是，该器件几乎解决了 “效率滚降” 这一行业顽疾。在 1000cd/m² 的常用亮度下，EQE 仍能保持在 32%-34%，即使在 10000cd/m² 的高亮度下，EQE 依然维持在 30% 以上，远超此前同类器件在高亮度下效率大幅下滑的表现。

这一性能带来的实际意义极为显著：对于智能手机等移动设备，相同亮度下功耗更低，续航时间大幅延长；对于电视等大屏设备，不仅能降低耗电量，还能减少发热，提升设备的长期稳定性；对于 AR/VR 设备，低功耗意味着更长的使用时间，高亮度则能确保在强光环境下依然清晰可见。

（三）稳定性：耐用性大幅提升，满足长期使用需求

材料的稳定性直接决定了 OLED 屏幕的使用寿命。此前部分高性能绿色 OLED 材料，虽然短期性能出色，但长期使用后容易出现亮度衰减、色彩偏移等问题，限制了其应用场景。

DBF-v-DABNA 凭借其坚固的分子结构和有效的防护设计，在稳定性上实现了突破性提升。实验显示，在 5000cd/m² 的初始亮度下，基于该材料的超荧光 OLED 器件寿命超过 600 小时；若换算到日常使用的 1000cd/m² 亮度下，预计寿命可超过 5000 小时，达到了商用化要求的高水平。

这种稳定性的提升，源于多重机制的协同作用：刚性分子框架减少了结构老化；“防护盾” 设计抑制了分子聚集和能量损耗；超荧光架构减少了激子积累对材料的损伤。对于用户而言，这意味着屏幕在长期使用后，依然能保持鲜艳的色彩和稳定的亮度，不会出现“用久了变黄、变暗” 的问题，大幅提升了产品的使用价值。

（四）亮度表现：峰值亮度创纪录，适配多元场景

除了色彩和效率，亮度是 OLED 适应不同使用场景的关键指标。尤其是在户外使用或搭配 AR/VR 设备时，高亮度能确保画面清晰可见。实验数据显示，DBF-v-DABNA 基 OLED 器件的峰值亮度超过 7.2×105cd/m²，这是目前已知绿色 OLED 的最高亮度纪录。即使在如此高的亮度下，器件依然能保持出色的色彩纯度和效率，不会出现色彩失真或效率骤降的情况。

这一亮度水平让 OLED 屏幕能够轻松应对各种复杂场景：在阳光直射的户外，手机或平板屏幕依然清晰可辨；在 AR/VR 设备中，高亮度能与现实环境形成良好的亮度匹配，提升沉浸感；在专业显示领域，高亮度结合高色彩纯度，能满足医疗影像、影视后期制作等对显示精度要求极高的场景需求。

图5. (a) 透明电极有机电致发光器件的电流效率-亮度曲线及电致发光光谱；(b) 本工作中窄光谱OLED的CIE色坐标，并与NTSC、BT2020标准绿光的色坐标对比

创新方案赋能全场景应用前景，推动超高清方案落地

DBF-v-DABNA 的突破性性能，不仅解决了绿色 OLED 的长期技术瓶颈，更将为整个显示行业带来深远影响，赋能从消费电子到专业领域的全场景应用。

在消费电子领域，下一代智能手机、电视、平板电脑将率先受益于这一技术。搭载该材料的超高清电视，将能完美呈现 8K 甚至更高分辨率的内容，色彩还原度堪比影院级水准；柔性 OLED 手机屏幕不仅能实现更鲜艳的显示效果，还能因低功耗延长续航；AR/VR 设备则将凭借高亮度、高色彩纯度和低功耗的优势，解决当前设备 “续航短、沉浸感不足” 的痛点，推动元宇宙产业的发展。

在专业显示领域，医疗影像、工业设计、影视制作等行业对色彩精度和亮度的要求极为苛刻。DBF-v-DABNA 基 OLED 显示器将能精准还原人体组织的细微色彩差异、工业产品的设计细节以及影视画面的原始色调，为专业人士提供更可靠的视觉参考，提升工作效率和成果质量。

研究人员表示，这种DBF-v-DABNA材料的研发成功，是超高清显示技术领域的一个重要研究成果。这一材料将很快实现产业化应用，让消费者在日常生活中体验到更逼真、更高效、更耐用的显示效果。未来，研究人员还将继续优化材料性能，探索红、蓝两色的进一步升级，推动全色系 OLED 向 BT.2020 标准全面迈进。

来源：CINNO

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