研究背景
随着信息传播需求的持续增长，显示技术已从传统液晶显示器（LCD）、发光二极管（LED）逐步向有机发光二极管（OLED）、量子点发光二极管（QLED）及交流电场致发光（ACEL）等薄膜发光器件演进。传统非自发光 LCD 虽稳定性高、分辨率佳且成本可控，但存在体积笨重、基板刚性的缺陷，难以适配柔性显示场景；而OLED、QLED等自发光技术虽在色域宽度和柔性方面优势显著，却面临发光材料稳定性不足、亮度有限及制备条件苛刻等问题。
相比之下，ACEL器件凭借制备工艺简单、机械柔性优异、使用寿命长等特点，成为柔性显示领域的有力竞争者，其大面积均匀制备是实现固态照明与柔性显示实际应用的核心前提。然而，现有制备技术均存在局限：旋涂法受离心力影响，随面积增大易导致溶质分布不均，器件尺寸受限；刮涂、丝网印刷法因涂覆装置深度较窄，易造成柔性基板表面划伤或发光膜厚度波动；喷墨打印法则面临墨滴干燥时的咖啡环效应，阻碍大面积均匀成膜。这些技术的共同瓶颈在于，难以实现功能粒子在墨水中的均匀分散及成膜过程中液滴的均匀扩散。基于此，开发高分散性发光墨水及相关制备工艺，不仅能推动ACEL器件在大面积柔性显示、固态照明领域的工业化应用，也为超大面积薄膜发光器件的制备技术创新提供全新思路。
成果介绍
近日，湖南大学李梓维教授、潘安练教授团队报道了一种改性的发光墨水，并结合简易的气溶胶喷涂技术，制造出了米级尺度的超大面积柔性ACEL器件。研究人员通过在油墨中引入表面活性剂AES，显著提升了发光墨水的颗粒分散性与喷涂薄膜的均匀性。这一改进主要源于表面活性剂中的长链分子基团一端可与ZnS:Cu发光颗粒表面结合，另一端悬浮于油性溶剂中，为颗粒间提供了显著的空间位阻，有效抑制团聚。利用气溶胶喷涂技术所制造的ACEL器件表现出出色的基底兼容性和柔韧性，在高温、潮湿和富含水分的环境中具有出色的运行稳定性。其中，厘米级小尺寸器件的最大亮度接近500 cd m−2，而1.2米×1.2米的超大尺寸器件亮度可达303.3 cd m−2。目前，这些器件已进一步应用于工业无人机自主起降的导航标志。相关研究以“Meter-Scale Ultra-Large-Area Flexible Electroluminescent Devices Enabled by Aerosol Spraying”为题发表在Advanced Science期刊上。
图文导读
图1气溶胶喷涂改性发光墨水用于制造大面积ACEL设备的优势。(a）喷涂原始墨水以制作 ACEL器件的示意图。（b）使用原始墨水制备的器件照片，显示出发光强度分布不均匀。（c）ACEL 器件的亮度分布图。（d）喷涂改性发光墨水以制作ACEL器件的示意图。（e）使用改性发光墨水制备的器件照片，展示了发光强度的均匀分布。（f）使用改性发光墨水制备的ACEL器件的亮度分布图。
图1a和1d分别展示了采用原始与改性ZnS:Cu发光墨水，通过气溶胶喷涂工艺制备大面积ACEL器件的示意图。插图显示原始发光墨水中的发光颗粒团聚严重，而改性发光墨水中的颗粒团聚现象被抑制，呈现出均匀分散状态。图1b为采用原始墨水制备的ACEL器件工作时的实物照片，由于发光颗粒的无规则团聚，器件表现出不均匀的亮度分布。对应的亮度分布图（图 1c）显示亮度波动显著，最大值和最小值分别为280 cd m−2和175 cd m−2。相比之下，图1e清晰表明，采用改性发光墨水可实现器件均匀的亮度分布，该ACEL器件在10×20 cm2的发光区域内表现出均匀的电致发光亮度，对应的亮度分布图（图 1f）显示亮度仅在270-280cd m−2 范围内存在轻微波动。
图2 改性发光墨水的化学结构及特性。（a）AES分子的分子结构及静电势（ESR）图谱。（b）ZnS:Cu发光颗粒与AES表面活性剂结合的示意图。（c）AES、未经处理的ZnS:Cu颗粒以及经AES改性的ZnS:Cu颗粒的FTIR光谱。（d）上部：未经处理和经处理的墨水中颗粒分散性的示意图。下部：未经处理的墨水（不含AES）和经处理的墨水（含1wt% AES）在静置30分钟前后的照片。（e）上部：未经处理和经处理的墨水液滴中颗粒分布的示意图。下部：接触角测试的比较。（f）上部：喷洒在基底上的颗粒分布的示意图。下部：相应的荧光显微镜图像的比较。
图2a展示了表面活性剂AES的化学结构及ESP图，其强极性亲水基团使颗粒在油性墨水中产生显著表面能差异。图2b为AES改性抑制颗粒团聚的机制：适宜浓度AES的强电负性末端基团与颗粒表面羟基成键，长链分子交叠缠绕可有效阻聚。图2c的FTIR光谱对比证实，AES引入改变了ZnS:Cu颗粒分子振动特性，颗粒表面形成新化学键。图2d显示，1 wt% AES改性墨水较未处理墨水，颗粒分散性显著提升、静置30分钟后沉降量大幅减少。图2e接触角测试表明，改性墨水在介电层表面的润湿性更优，利于液滴铺展成膜。图2f为两种墨水经喷涂成膜后的荧光显微镜照片，改性墨水喷涂成膜后无明显团聚，分散更均匀。
图3 ACEL器件的电致发光性能。（a）制造ACEL器件的气溶胶喷涂工艺示意图。（b）器件结构示意图。（c）器件横截面结构的扫描电子显微镜图像。（d）ACEL器件在弯曲、裁剪和钉扎测试中的照片。（e）电压和频率对亮度的影响关系。（f）工作频率对发光峰位的影响。（g）在各种工作条件下进行的电致发光稳定性测试。（h）高温老化测试。（i）弯曲测试。（j）电致发光器件与面积相关的亮度性能的统计比较。
图3a为改性发光墨水的全气溶胶喷涂ACEL器件制备流程：柔性PET基底依次喷涂铜浆导电层、BaTiO3绝缘层、ZnS:Cu/聚合物发光层及PEDOT:PSS顶电极。图3b、3c分别为器件结构示意图及截面SEM伪彩图，清晰呈现各功能层分布。图3d表明器件经弯折、裁剪、钉扎后，未受损区域仍可稳定发光。图3e显示器件亮度随驱动电压与频率提升而显著增加，器件在300 V、10 kHz下最高亮度达500 cd m−2；图3f证实驱动频率升高会导致发光峰蓝移。图3g–i 验证了器件的优异稳定性：连续工作2 h亮度降幅仅1%~3%，85 °C下存储12 h亮度保留96.5%，1000次弯折后亮度几乎无衰减。图3j性能对比显示，本研究小尺寸器件亮度相较于已有报道实现了性能突破，1.44 m2超大面积器件亮度达303.3 cd m−2，创下米级ACEL器件亮度新高。
图4 用于导航标识的米级超大面积ACEL器件。（a）基于无人机的物品配送物流运输工作流程示意图。（b）已制造的超大面积ACEL设备作为夜光导航标志的照片。（c）具有三级识别坐标的功能层的器件原理图。（d）在黑暗环境中工作的工业无人机的着陆过程原理图及照片。（e）无人机图像识别的准确性随器件亮度的相关性。（f）使用和不使用ACEL器件的无人机的识别准确性在一天中的变化。
图4a展示无人机物流配送流程，该模式可提升运输效率、节约时间并降低人力成本。图4b为本研究开发的1.2 m×1.2 m超薄柔性ACEL 器件，其表面多级二维码可满足不同高度无人机导航识别需求。图4c为面向户外应用的ACEL器件结构图，在基础结构上增设防护、图案及封装层，保障实用稳定性。图4d为无人机向ACEL导航标识自主降落的示意图及实景照片；夜间百米高空50次飞行测试显示，器件未发光时无人机着陆成功率仅8%，亮度≥100 cd/m2时成功率接近100%（图4e），证实充足亮度可满足无人机夜间自主着陆需求。图4f表明，ACEL器件在日间各时段均可实现无人机100%着陆成功率，优于弱光环境下失效的传统纸质标识，有望成为无人机自主起降导航核心产品。
总结与展望
综上所述，本论文提出一种可规模化全喷涂工艺，成功制备出平面堆叠结构的米级超大面积柔性ACEL器件。通过在发光墨水合成中引入AES表面活性剂，有效改善了荧光颗粒分散性与墨水流动性。该调控策略可拓展至量子点、有机材料等其他发光墨水体系，助力发光层均匀涂覆并提升亮度。所制备的ACEL器件兼具优异的基底兼容性与柔韧性，在高温、高湿及富水环境中表现出卓越的工作稳定性；同时器件显示性能突出，小尺寸器件亮度近500 cd m−2，米级超大面积器件亮度高达303.3 cd m−2。这类ACEL器件有望应用于城市工业无人机物流配送系统，作为全天候发光导航标识，实现无人机昼夜自主起降的精准引导。
致谢：
感谢国家自然科学基金、湖南省科技厅重点计划、湖湘青年科技创新人才项目、湖南省研究生创新基金的资助。
全文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202523831
课题组主页：https://grzy.hnu.edu.cn/site/index/liziwei
Authors: Hao Song, Liang Yi, Lixiang Huang, Wajid Ali, Linhan Cai, Chao Wang, Jianhua Huang, Ziwei Li* and Anlian Pan*
Title: Meter-Scale Ultra-Large-Area Flexible Electroluminescent Devices Enabled by Aerosol Spraying
Published in: Advanced Science, doi: 10.1002/advs.202523831
