科技日報記者 楊雪
色彩絢麗的手機屏、多功能觸摸的車載屏、捲成一卷的超薄屏、科幻片裏的透明屏……日前，在清華大學pTSF（磷光輔助熱活化敏化熒光）技術論壇上，形形色色的顯示屏引來衆人圍觀。
這些絢麗多彩的屏幕背後，是科研人員十多年如一日的艱辛攻堅。清華大學聯合維信諾科技股份有限公司（以下簡稱“維信諾”）等國內企業，先後破解技術路線、性能驗證、工藝改造等難題，最終實現第四代pTSF技術量產商用，完成我國OLED（有機發光二極管）關鍵材料從長期跟跑到自主引領的跨越，把屏幕之“光”牢牢抓在自己手中。
“今天，顯示技術正加速向超高清、全場景、低碳化轉型，而驅動這場視覺升級的有機發光材料，曾長期被國外企業壟斷。”清華大學化學系教授段煉告訴科技日報記者，pTSF技術的突破，有力推動我國OLED產業實現換道超車。
確定技術路線
“高效率、長壽命和高色純度，一直是顯示產業長期追求的目標。”但段煉說，在OLED材料領域，要想同時實現這三方面要求，卻是業界公認的“不可能三角”。
高效率與長壽命往往是相互制約的，實現二者的協同提升本身就很難，在此前提下，要保證高色純度更是難上加難。
此前，OLED技術已發展至第三代，但始終未解決這一難題。第一代使用熒光材料，色純度高，但發光效率低；第二代採用磷光材料，發光效率高，但色純度不足且依賴貴金屬；第三代應用熱活化延遲熒光（TADF）材料，發光效率高，穩定性和色純度又欠佳。
“2011年，當在文獻中看到國外第三代TADF材料取得新突破時，我們一度覺得技術差距又被拉大了。”段煉回憶，但他仔細研究文獻後發現，國外TADF材料光譜寬，色純度不高，色彩不夠鮮豔。
“當時，我就想是否可以不用TADF材料發光，而是讓其作爲敏化劑，將光能量傳遞給高色純度熒光染料，解決這些問題。”段煉說幹就幹，立即着手研發熱活化敏化熒光（TSF）技術。
“我們的方案是採取接力的方式傳遞能量，就像田徑接力賽。”清華大學化學系副研究員張東東解釋，第一棒是“TADF運動員”，負責快速轉換能量傳遞給下一棒；第二棒是“高色純度熒光運動員”，負責接過能量發出純淨的光。
然而這條路並不好走，經過3年多的努力，進展依然緩慢。
“段老師帶着我們仔細分析實驗結果，從原理上找出問題所在。我們發現，第一棒‘TADF運動員’有時往前跑，有時往後跑，既影響快速交接棒，又降低總體發光效率。得找到約束‘TADF運動員’的方式，控制它們的走向。”張東東說。
反覆研討，思路逐漸清晰，團隊開始嘗試在發光層中添加少量磷光敏化劑的方案，攔截反向奔跑的“TADF運動員”。實驗效果非常好！TADF和磷光敏化劑在發光層構建出多條並行傳遞通道，讓能量以納秒級速度，100%傳遞給“高色純度熒光運動員”。
“該方案讓器件效率高、壽命長、顏色更鮮豔。”段煉說，“我們確定這是三者兼得的最優解。”
驗證產品性能
找到最優路徑，只是萬里長征第一步。“理論可行”和“現實執行”之間往往存在巨大鴻溝。
“技術方案只是回答了在原理上、邏輯上能否走得通。”段煉說，“現實中，我們必須從無到有創制出適合pTSF機制的發光材料，不斷優化器件結構。”
這是一條從來沒有人走過的路，研製方案被反覆推倒重來。
“我們先做的是pTSF紅光，器件壽命大幅提高，大家很激動。”張東東說。但隨後因爲關鍵窄光譜紅光材料始終沒有取得突破進展，項目又一度停滯。
“紅光難度大，先做綠光行不行？”段煉果斷切換材料研發的主攻方向。
轉機出現在2019年，團隊得到了窄光譜綠色熒光材料。“我們在國際上率先研發出一種顏色鮮豔的綠色熒光材料，它解決了最核心的‘顏色鮮豔’與‘高激子利用率’兼容難題，使pTSF技術從原理可行走向製造可行。”段煉介紹。
從“書架”到“貨架”，僅靠高校的力量是不夠的，接下來是多方深度合作研製成品。清華大學團隊與江蘇三月科技股份有限公司、合肥鼎材科技有限公司等材料廠商負責開發可量產、滿足商用規格的窄光譜綠色熒光材料；維信諾負責器件結構和工藝的優化，將實驗室技術推向屏幕量產線。
這又是一段漫長過程。從小試到中試，總會出現一些意想不到的問題。比如，有的材料在小試階段性能非常好，但熱穩定性不夠好，無法滿足中試要求，只能放棄。段煉說：“儘管在研製過程中困難重重、失敗和挫折如影相隨，但這個過程能讓國內企業完整掌握從原理、材料到器件、工藝的自主可控。再難，也值！”
近3年的磨合，讓研發道路越走越順。團隊與材料廠商緊密配合，不斷調整材料組合與配製方案；維信諾投入大量評測資源驗證pTSF器件在屏幕內搭配效果，及時反饋評測結果，提出改進建議……
不斷反饋、持續迭代，最終成品經測試顯示，與上一代屏幕相比，搭載高效率pTSF器件的屏幕，功耗降低超12%，壽命提升15%；寬色域pTSF器件在降低功耗提升壽命的同時，更是將色域從傳統的DCI-P3標準擴展至更廣的BT.2020標準。這意味着，消費者手中的屏幕將續航更持久、耐用性更強、色彩更逼真。
優化生產工藝
pTSF技術的性能優勢，讓維信諾迅速決定立項推進量產研發。此時，設備適配與工藝優化的難題接踵而來。
“上一代器件的發光層是兩個組分，採用雙源蒸鍍工藝即可生產。”維信諾器件專家李國孟介紹，新器件則是三個組分，包含TADF型主體、磷光敏化劑和窄光譜染料，原有工藝無法勝任，需要全新的三源共蒸工藝。
三源蒸鍍與雙源蒸鍍相比，難度不可同日而語，工藝需要大量細緻的調整及優化。實驗室設備真空腔室小，玻璃基板面積也小，發光面積僅幾平方毫米，使用點蒸發源即可實現三源蒸鍍。但產線上的玻璃基板面積往往很大，需要使用線蒸發源進行蒸鍍，三源蒸鍍材料濃度波動大。
“僅原有產線的腔室改造，我們就花費了大量時間和精力。”OLED器件資深研究員蔡明翰說，內部佈局調整、溫溼度控制、氣流參數設置……稍有不慎就會直接影響工藝的穩定性、良率和成本。
“雖然我們已經做了很多準備，但pTSF量產表現仍是未知數。很多新技術，往往在實驗室能做出很好性能，量產驗證時卻會出現很多問題。”李國孟至今清楚記得團隊在產線上熬過的每一個不眠之夜。
數百次調整優化後，團隊再次聚集在產線前。“從下午一直到第二天清晨，我們疲憊不堪卻又興奮不已。”蔡明翰說，大家都在焦急地等待再次調優後的pTSF首片“新鮮出爐”。時針一分一秒轉動，到凌晨5點多，首片順利下線流轉至測試環節。
“一個多小時的測試，對於大家而言就是一種煎熬。”李國孟說，現場鴉雀無聲，甚至連呼吸聲都清晰可辨。測試儀表屏幕上數據不斷變化，最終穩定在前所未見的新紀錄上。“我們成功了！”全場爆發出雷鳴般的歡呼。
2023年，維信諾在業內率先完成基於pTSF技術的G4.5代線線源三源共蒸中試屏體驗證；2024年，維信諾進一步迭代pTSF技術，再次率先完成G6代線設備工藝改造與量產驗證，良品率不斷提升；2025年第四季度，基於pTSF技術的屏幕實現量產，並開始應用在最新款國產旗艦機型上。
pTSF技術產業化牽引了國內有機材料、蒸鍍設備等上下游產業的協同研發與驗證，是對國內顯示產業供應鏈的一次整體提升，增強了我國新型顯示產業鏈的韌性與安全性。
面向未來，段煉表示：“我們將進一步研發基於pTSF技術的紅光和藍光OLED，並持續提升綠光器件的效率、壽命和色純度，爲後續產品迭代升級奠定堅實基礎，持續擦亮‘中國屏’。”
文中圖片由維信諾科技股份有限公司提供
編輯：郭炘蔚
審覈：朱麗
