Science Advances：基于3D打印的柔性有機(jī)發(fā)光二極管顯示器

來源：EngineeringForLife  

有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）顯示器具有自發(fā)射,、高對(duì)比度,、全視角,、高能效等特點(diǎn),，是液晶顯示器（LCD）的有力競(jìng)爭(zhēng)者,。目前,，OLED顯示器大多采用蒸鍍的方式制造,，然而其設(shè)備投資成本過高，材料利用率低,，在大尺寸OLED顯示器制造上備受挫折,，因此，印刷工藝被人們寄予厚望,，目前,，人們已經(jīng)在OLED顯示器印刷方面展開了諸多研究，然而其仍存在局限性,，材料與工藝依然擺脫不了傳統(tǒng)技術(shù)的限制,，無法實(shí)現(xiàn)真正的完全印刷。

為克服這一現(xiàn)狀,，來自University of Minnesota的Michael C. McAlpine團(tuán)隊(duì)在SCIENCE ADVANCES期刊(IF=14.396）上發(fā)表了題為：3D-printed flexible organic light-emitting diode displays的文章,，提出了一種柔性O(shè)LED顯示器的設(shè)計(jì)方案以及相應(yīng)的3D打印制造方法。

首先,，研究人員展示了他們的OLED顯示器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),，其具有6層結(jié)構(gòu)，底層為納米銀層,，用于與外部電路相連,，其上覆蓋導(dǎo)電聚合物PEDOT：PSS陣列，便于空穴注入與傳輸,，在往上便是發(fā)光層,，采用MDMO-PPV材料，其上覆蓋一層有機(jī)硅塑料,，將底部與頂部結(jié)構(gòu)分離,，再往上是由共晶鎵銦液滴以及銀漿構(gòu)成的陰極，最后使用PDMS對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝,。

針對(duì)該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),，研究人員制定了一種獨(dú)特的多模式3D打印工藝，以適應(yīng)不同材料的特性,，采用擠出打印完成除發(fā)光層以外結(jié)構(gòu)的制造,，采用噴墨打印制造發(fā)光層,，其中在擠出共晶鎵銦液滴時(shí)使用噴嘴對(duì)其進(jìn)行塑性以增大接觸面積。

圖1 完全3D打印的OLED顯示和打印方法的示意圖,。（A）OLED顯示器的分解圖,，顯示其逐層結(jié)構(gòu)。第1層到第6層是3D打印的組件,。OLED顯示器印在PET薄膜上,，這些薄膜用電氣連接引腳安裝并用PDMS封裝。（B）示意圖,，演示了OLED顯示器每個(gè)組件的打印方法,。（C）OLED的能量帶圖，顯示電荷載流子在恒定或脈沖外部電壓下的傳輸和復(fù)合,。從左到右,，這四種材料是納米銀，PEDOT：PSS,，MDMO-PPV和共晶鎵銦合金,。插圖顯示了MDMO-PPV的分子結(jié)構(gòu)。（D）3D打印OLED的電致發(fā)光（EL）光譜

由于發(fā)光層是整個(gè)顯示器的關(guān)鍵,，因此,，研究人員對(duì)其MDMO-PPV發(fā)光層的制造工藝等進(jìn)行了細(xì)致的研究，對(duì)比了擠出與噴墨打印完成的發(fā)光層差異,，并打印了不同厚度的發(fā)光層進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)以確定最佳的發(fā)光層厚度,。

圖2 噴墨打印的MDMO-PPV 作為 OLED 的有源層，以提高層均勻性和器件性能,。（A）宏觀和微觀尺度上MDMO-PPV層的光學(xué)圖像,。上排和下排的圓形層分別通過噴墨打印和擠出打印完成。（B）噴墨打印和擠出打印的兩個(gè)MDMO-PPV層的表面輪廓,。墨水濃度分別為1mg/ml和8mg/ml。（C）兩種不同濃度下MDMO-PPV層的平均厚度與噴墨打印噴涂時(shí)間之間的關(guān)系,。插圖展示了墨水濃度為8 mg/ml的發(fā)光層,。（D） 運(yùn)行中的噴墨打印的MDMO-PPV LED的光學(xué)圖像。每排設(shè)備具有相同的噴涂厚度,，每列設(shè)備在相同的電壓下運(yùn)行,。（E）噴墨打印的MDMO-PPV LED 的I-V曲線，這些 LED 具有不同厚度的發(fā)光層,。插圖展示了320和400nm厚度OLED在1到3V的范圍內(nèi)的 I-V 曲線,，其軸標(biāo)題和單位與主圖相同。（F）噴墨打印和擠出打印的 MDMO-PPV LED 的輻照度與工作時(shí)間之間的關(guān)系,，這些顯示器輸入電流為30μA,。兩種被測(cè)器件的平均發(fā)光層厚度相似,，約為300 nm

然后，研究人員對(duì)其共晶鎵銦液滴的制造方法進(jìn)行了設(shè)計(jì),，眾所周知,，液態(tài)金屬由于極高的表面張力極易成球，在OLED顯示器中,，這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致共晶鎵銦合金與發(fā)光層接觸面積不足,，導(dǎo)電效率低。為克服這一問題,，研究人員利用擠出噴頭在打印過程中上下運(yùn)動(dòng),，使得共晶鎵銦合金球被擠壓，就如同鍛造中的墩粗工藝,，在共晶鎵銦合金被壓縮后其表面會(huì)形成氧化層,，可以在一定程度上維持共晶鎵銦合金此時(shí)的形狀，實(shí)現(xiàn)共晶鎵銦液滴形狀重塑,，增大了接觸面積,。同時(shí)，研究人員對(duì)這種工藝進(jìn)行了更進(jìn)一步的討論,，確定了相關(guān)變形過程并確定了一套合適的工藝參數(shù),。

圖3 擠出打印的共晶鎵銦液滴的形狀重塑。（A）在3D打印機(jī)上安裝錐形聚丙烯噴嘴進(jìn)行形狀重塑,，在重塑過程中共晶鎵銦液滴的形態(tài)變化示意圖,。插圖展示了重塑前后共晶鎵銦液滴的底部視圖。（B）共晶鎵銦液滴重塑過程中噴嘴運(yùn)動(dòng)的 h-t 曲線示意圖,。插圖展示了共晶鎵銦液滴在重塑的不同階段的側(cè)視圖,。（C）壓縮力與時(shí)間的關(guān)系曲線呈遞增趨勢(shì)，當(dāng)噴嘴向下運(yùn)動(dòng)時(shí),，施加到共晶鎵銦液滴的力不連續(xù),。（D）表面破裂期間新氧化物表面形成的圖示。（E）SEM顯微照片,，展示了重塑后共晶鎵銦液滴表面的特征,。（I）放大倍率較低的圖像，顯示了幾個(gè)特征的共存,。（II）表面破裂產(chǎn)生的原始氧化表面和新氧化物表面之間邊界的放大視圖,。（III）在噴嘴縮回過程中形成的氧化物表面褶皺的放大視圖。（IV）表面松弛期間在氧化物表面上形成的皺紋的放大視圖,。（F）完整的力-時(shí)間曲線,，展示了重塑過程中的四個(gè)階段，以及該過程在寬壓縮率范圍內(nèi)的高可重復(fù)性。（G）形態(tài)學(xué)指標(biāo)的變化圖,，包括共晶鎵銦液滴的連接接觸面積和高度,。（H）重新配置前后形態(tài)學(xué)指標(biāo)的比率與變化的壓縮深度之間的關(guān)系

接著，研究人員通過對(duì)噴嘴路徑進(jìn)行規(guī)劃,，使得銀漿均勻覆蓋于共晶鎵銦液滴上,，實(shí)現(xiàn)陰極與外部電路相連，并在最后覆蓋PDMS進(jìn)行封裝,，完成其以無源方式尋址的OLED顯示器的制造,，通過輸入掃描信號(hào)，研究人員初步驗(yàn)證OLED顯示器的功能,，并對(duì)其響應(yīng)速度,、輻照均勻度等性能進(jìn)行了測(cè)試。

圖4 3D打印的OLED顯示器的特征,。(A）（I）顯示器中兩個(gè)相互連接的OLED的橫截面圖,。（II）應(yīng)用PDMS封裝前OLED顯示器中一行的側(cè)視圖。（B）（I）完成的OLED顯示器的圖像,，其發(fā)光是從背面看到的,。（二）OLED顯示器的原理圖電路及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。（C）圖像中的"HELLO"字樣,，文字在8×8 OLED顯示屏上滾動(dòng),。（D）3D打印OLED和基于AlGaInP的商用LED的瞬態(tài)特性。（E）展示了當(dāng)每個(gè)像素輸入10mA電流時(shí),，OLED顯示器中64個(gè)像素的輻照度分布

最后,，研究人員還針對(duì)該OLED顯示器的柔性進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明其在彎曲測(cè)試中表現(xiàn)出了相當(dāng)?shù)姆�(wěn)定性,，僅在方向2的彎曲過程中由于電阻增大而發(fā)生光功率降低的現(xiàn)象,。同時(shí)，研究人員還進(jìn)行了疲勞測(cè)試,，在2000個(gè)周期的彎曲中,，顯示器依舊展現(xiàn)出良好的性能，展現(xiàn)其強(qiáng)大的潛力,。

圖5 3D打印的柔性O(shè)LED顯示器的彎曲表征,。（A） 在彎曲測(cè)試期間，OLED顯示器的四種不同的彎曲方向組合,。（B和C）3D打印的OLED顯示器的光功率隨著四種不同彎曲組合的彎曲曲率增加的變化。（D）安裝在測(cè)試臺(tái)上時(shí)處于平坦和彎曲狀態(tài)的OLED顯示器的圖像,。被測(cè)的一排LED處于最大曲率下,，工作電流為10mA。（E）彎曲的OLED器件陣列的圖像,。（I和II）顯示器的背面向外彎曲,。（III和IV）顯示器的背面向內(nèi)彎曲

文章來源：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abl8798