在显示技术领域，有机发光二极管（OLED）凭借其自发光、高对比度、广色域等优势，已深度融入智能手机、电视、可穿戴设备等终端产品。然而，长期以来，“光提取效率低”“平面性与性能难以兼顾”“像素间光学串扰” 三大技术瓶颈，始终限制着OLED在增强现实（AR）、车载显示、超高清电视等高端领域的进一步发展。

近日根据外媒pubmed报道，韩国科学技术院（KAIST）的研究人员在《Nature Communications》期刊上发表了一项重要的研究成果。他们创新研发的“近平面光出耦合结构（LOS，Light Outcoupling Optical Structures）”，成功打破了传统技术的桎梏，在保持OLED超薄平面特性的同时，将器件外量子效率（EQE）提升至48.0%，电流效率高达192 cd/A，性能可与宏观半球透镜相媲美，却完美规避了传统方案的缺陷，为下一代高效、无串扰显示技术的发展开辟了全新道路。

研究背景：OLED效率与应用的双重枷锁

OLED技术自诞生以来，便以其卓越的显示性能备受关注。随着材料科学的不断进步，OLED 的内部量子效率（IQE）已能达到接近100%的水平，理论上可实现极高的发光效率。但在实际应用中，由于OLED层状结构的固有特性，大量光线被束缚在基板或有机层内部，无法有效输出到空气中，导致外部量子效率（EQE）通常仅能维持在20%左右，这一巨大差距成为制约OLED性能发挥的关键。

深入剖析光线损耗的根源，主要可分为三大类。首先是表面等离激元极化子（SPP）模式损耗，在金属电极与有机层的界面处，部分光线会转化为SPP模式的能量并被吸收；其次是波导模式损耗，光线在有机层与基板之间不断反射传播，难以突破界面限制；最后是基板模式损耗，光线在基板与空气界面因全反射作用被锁在基板内部，这部分损耗占总光功率的比例高达30%左右，是影响OLED外量子效率的核心因素。

为解决光线被困问题，行业内曾积极探索多种解决方案，但均存在明显短板，难以实现性能与应用的平衡。宏观半球透镜是其中一种方案，它能够最大限度地提取基板内被困的光线，理论上可大幅提升光提取效率。然而，宏观半球透镜凸起高度较大，通常达到毫米级别，这严重破坏了OLED固有的平面性，使其无法适配超薄、柔性的显示需求，在手机、AR设备等对尺寸和形态要求严苛的产品中难以应用。

微透镜阵列（MLAs）则是另一种主流方案，其透镜高度仅为几十微米，能够较好地保持OLED的平面性。但微透镜阵列的光提取效率有限，且对孔径比（出光结构面积与像素发光面积的比值）有着极高的要求。当孔径比降低至4时，微透镜阵列的效率提升效果几乎可以忽略不计，甚至可能出现负增益。更关键的是，微透镜阵列通常需要覆盖多个像素，容易导致像素边缘模糊，引发 “光学串扰” 现象，严重影响高分辨率显示的画质，无法满足超高清电视、高端手机屏幕等产品的需求。

“长期以来，OLED行业陷入了‘效率 - 平面性 - 画质’难以兼顾的困境，传统方案始终无法找到三者的平衡点，这也成为制约OLED向更高端领域突破的主要障碍，”研究人员表示，如何在保持平面性的同时，大幅提升光提取效率并消除光学串扰，是团队研究的核心目标。

创新方案：两步式协同设计破解技术难题

面对该行业难题，KAIST研究团队跳出了“单一优化出光结构” 的传统思维模式，创新性地提出了 “器件堆叠优化 + 出光结构设计” 的两步式协同方案，从光线产生、传输到输出的全流程进行系统优化，彻底破解了OLED的技术难题。

第一步：重构器件堆叠，提升光线传输效率

传统的OLED器件堆叠设计往往只关注如何将更多光线输出到基板或空气中，却忽略了光线从发射区域到出光结构之间的传输效率。针对这一问题，团队首次提出了 “角传递权重（ATW，Angular Transfer Weight）”的概念，用于定量描述OLED发射孔径（EA，即像素的发光区域）与出光结构接收孔径（RA）之间的光线传输效率。ATW值的高低直接反映了从EA发出的光线能够成功抵达RA的比例，ATW值越高，意味着光线在传输过程中的损耗越小，为后续高效出光奠定良好基础。

为了最大化ATW值，团队基于耦极子嵌入微腔模型，对OLED的电子传输层（ETL）和空穴传输层（HTL）的厚度进行了系统优化。通过大量的实验与模拟分析，研究人员发现，当电子传输层和空穴传输层的厚度均设定为50nm时，器件发射的光线会集中在 “低极角范围”（即靠近基板法线的方向）。这种光线分布特性能够让更多光线精准地指向RA，有效减少了光线在传输过程中的分散与损耗，使得 “发射孔径到接收孔径的功率传输效率（ηIAPD）”超过了47%。

虽然此时 “基板总功率传输效率（ηto-sub）” 略低于传统的器件设计方案，但ηIAPD的显著提升，确保了更多光线能够有效到达出光结构，为后续的高效光提取创造了有利条件。“这就如同调整手电筒的光斑，让光线集中照射到目标区域，而不是分散到无关的空间中，极大地提高了光线的利用效率，”研究人员解释道，这种以“光线有效传输” 为核心的设计思路，打破了传统设计中 “追求基板总功率最大化” 的固有思维，是实现OLED效率突破的关键第一步。

第二步：设计低剖面LOS，实现高效光提取

在优化器件堆叠结构、提升光线传输效率的基础上，团队将研究重点转向了出光结构的设计，成功开发出了三种具有近平面特性的LOS，分别为LP30-LOS、UH-LOS和PS-LOS，其中 LP30-LOS在性能与实用性方面表现最为突出。

LP30-LOS采用了 “径向压缩宏观半球透镜” 的创新设计理念，在保留宏观半球透镜高折射能力的同时，将其最大高度（tLOS）大幅压缩至仅50微米，与传统的微透镜阵列高度相当，完美保持了OLED的平面性 。该结构的设计细节极具巧思，其中心区域采用 “台面状平面结构”，不仅进一步确保了器件整体的平面性，还能减少光线在中心区域的反射损耗；而边缘区域则设计为特殊的曲率结构（被团队称为 “C-edge”），这种曲率设计能够将基板内以大角度传播的被困光线，通过折射作用转向空气方向，同时最大限度地减少光线反射回有机层的比例。

传统的微透镜阵列由于结构限制，大量光线在经过透镜后会反射回有机层，造成严重的光损耗，而LP30-LOS的边缘曲率设计则有效解决了这一问题，大幅提高了光线 “一次出光成功率”。更重要的是，LP30-LOS无需依赖大孔径比来保证光提取效率。实验数据显示，当RA与EA的半径比（rRA/rEA）仅为2时，LP30-LOS仍能实现高效的光提取，这一特性使其能够直接集成到单个像素内部，从根本上避免了传统微透镜阵列 “跨像素覆盖” 所导致的光学串扰问题。

“将出光结构集成到单个像素内部，是实现高分辨率显示‘无串扰’的关键所在。这一设计让OLED在高画质与高效率之间找到了完美的平衡点，为超高清显示技术的发展提供了全新的可能，”研究人员强调。



性能验证：数据彰显技术优势

为了全面验证新型近平面出光结构的性能，KAIST团队进行了大量的实验测试，结果表明，搭载LP30-LOS的OLED器件在各项关键性能指标上均实现了对传统方案的全面超越。

在效率方面，搭载LP30-LOS的OLED器件表现极为亮眼。其峰值EQE达到了48.0%，电流效率（CE）更是高达192 cd/A。与裸OLED器件（EQE 35.6%、CE 102 cd/A）相比，EQE提升了34.8%，CE提升了88.2%；即使与搭载微透镜阵列（MLAs）的OLED器件（EQE 35.4%、CE 150 cd/A）相比，也实现了显著优势，EQE提升了35.6%，CE提升了28%。

更令人振奋的是，当rRA/rEA提升至3时，器件的性能进一步提升，EQE达到了57.2%，CE则高达217 cd/A，这一性能水平已接近宏观半球透镜（EQE约43.75%、CE约400.5 cd/A），但在平面性和集成性方面，LP30-LOS远超宏观半球透镜，能够更好地满足各类显示产品的需求 。

在定向出光性能上，LP30-LOS同样展现出了显著优势。在AR设备、车载显示等应用场景中，“小角度出光效率” 至关重要，它直接影响着显示画面的可见性和用户体验。实验数据显示，搭载LP30-LOS的OLED器件在θout≤30° 范围内的EQE30达到了16.4%，是裸OLED 器件（9.30%）的1.76倍。这一特性使得器件能够更好地适配人眼的视觉范围，减少环境光对显示效果的干扰，为AR、车载显示等领域的应用提供了有力支持。

在产业化应用方面，LP30-LOS具备极强的抗偏移能力，这一特性对于大规模量产至关重要。在器件组装过程中，“对准误差” 难以完全避免，而传统出光结构对对准精度要求极高，轻微的偏移就会导致性能大幅下降。但实验表明，即使LP30-LOS与EA存在35%的径向偏移，其EQE仍能保持初始值的95%以上。这种 “高容错性” 使得LP30-LOS能够完美适配现有光刻、纳米压印等量产工艺，大幅降低了产业化的难度和成本。

此外，团队通过 “跨尺度光学模拟” 对技术潜力进行了进一步挖掘。模拟结果显示，若对LOS结构进行进一步优化，UH-LOS（另一款出光结构）的EQE可达到87.2%，LP30-LOS的CE则可提升至410 cd/A。这一模拟结果充分展现了该技术的巨大发展潜力，让业界对OLED的未来性能充满期待。