來源:EngineeringForLife
有機發(fā)光二極管(OLED)顯示器具有自發(fā)射、高對比度、全視角、高能效等特點,是液晶顯示器(LCD)的有力競爭者。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,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對整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝。
針對該結(jié)構(gòu)設(shè)計,研究人員制定了一種獨特的多模式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使用噴嘴對其進(jìn)行塑性以增大接觸面積。
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2022-2-21 09:16 上傳
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)光層是整個顯示器的關(guān)鍵,因此,研究人員對其MDMO-PPV發(fā)光層的制造工藝等進(jìn)行了細(xì)致的研究,對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)行對比實驗以確定最佳的發(fā)光層厚度。
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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 的輻照度與工作時間之間的關(guān)系,這些顯示器輸入電流為30μA。兩種被測器件的平均發(fā)光層厚度相似,約為300 nm
然后,研究人員對其共晶鎵銦液滴的制造方法進(jìn)行了設(shè)計,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動,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形成氧化層,可以在一定程度上維持共晶鎵銦合金此時的形狀,實現(xiàn)共晶鎵銦液滴形狀重塑,增大了接觸面積。同時,研究人員對這種工藝進(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)。
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圖3 擠出打印的共晶鎵銦液滴的形狀重塑。(A)在3D打印機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動的 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)壓縮力與時間的關(guān)系曲線呈遞增趨勢,當(dāng)噴嘴向下運動時,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-時間曲線,展示了重塑過程中的四個階段,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,研究人員初步驗證OLED顯示器的功能,并對其響應(yīng)速度、輻照均勻度等性能進(jìn)行了測試。
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圖4 3D打印的OLED顯示器的特征。(A)(I)顯示器中兩個相互連接的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)動機構(gòu)。(C)圖像中的"HELLO"字樣,文字在8×8 OLED顯示屏上滾動。(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)每個像素輸入10mA電流時,OLED顯示器中64個像素的輻照度分布
最后,研究人員還針對該OLED顯示器的柔性進(jìn)行了測試,結(jié)果表明其在彎曲測試中表現(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,研究人員還進(jìn)行了疲勞測試,在2000個周期的彎曲中,顯示器依舊展現(xiàn)出良好的性能,展現(xiàn)其強大的潛力。
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圖5 3D打印的柔性O(shè)LED顯示器的彎曲表征。(A) 在彎曲測試期間,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)安裝在測試臺上時處于平坦和彎曲狀態(tài)的OLED顯示器的圖像。被測的一排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
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