“2021 年 5 月的一个晚上，我一个人在实验室把灯都关了，在漆黑中打开电源和控制器。这时，就在这款世界上第一个全 3D 打印的显示器上，清晰地飘过我设计好的字符和图像。大脑一片‘空白’，就像第一眼看见自己刚出生的孩子一样。过了好几秒，心里才有一个声音说‘这是真的’！”目前在麻省理工学院（MIT）做博士后研究的苏瑞涛，回忆实验取得突破的那一刻，依然十分兴奋。
图 | 苏瑞涛（来源：苏瑞涛）
日前，他使用定制打印机，以完全 3D 打印的方式，打印出一款有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）显示器。
图 | 世界上第一个全 3D 打印的显示器（来源：苏瑞涛）
这一发现可助力生产低成本 OLED 显示器，而且无需传统上昂贵的微米或纳米级半导体加工设施、以及专业技术人员，只需有一款 3D 打印机，任何人都能在家里自己生产显示器。
（来源：Science Advances）
苏瑞涛回忆称：“最早我们实验室和波音公司合作，旨在开发 3D 打印的发光二极管显示阵列，并且以贴合的方式，打印在波音飞行器的某些内饰部件上。而此次论文报告了一个可通用于绝大多数 3D 打印机的有机二极管显示器的制造方法。所展示的 8×8 的像素阵列，表现出很好的机械柔韧性，每个像素点都成功发光，可用来显示任意设计的文字或图像。”
1 月 7 日，相关论文以《3D 打印柔性有机发光二极管显示器》（3D-printed flexible organic light-emitting diode displays）为题发表在 Science Advances 上 [1]。
图 | 相关论文（来源：Science Advances）
研究中，苏瑞涛结合了两种不同的打印模式来打印主要的六个器件层，从而实现了完全 3D 打印的柔性有机发光二极管显示器。电极、互连、绝缘和封装都是挤压打印的，而发光层是在室温下使用同一 3D 打印机喷涂印刷的，显示器原型每边大约 1.5 英寸，有 64 个像素，每个像素都工作并显示光。
在 2000 次弯曲循环中，显示器表现出相对稳定的显示效果，这表明完全 3D 打印的 OLED 显示器未来可以应用在柔性电子和可穿戴设备等变形较大的场景中。
用微米级别的小液滴，克服“咖啡环效应”该研究的背景在于，传统有机二极管显示器打印设备，往往依赖造价高昂、操作和维护都很复杂的超净室，以及微纳米级别的制造工艺。
据悉，OLED 显示技术基于有机材料层将电转换为光这一原理。OLED 通常用于高质量数字显示器，可灵活用于电视屏幕、监视器等大型设备、以及智能手机等手持电子设备。像国内使用的手机，一般都是来自 LG、三星或京东方等几家公司的 OLED 屏幕。由于重量轻、节能、薄且灵活，并提供宽视角和高对比度，OLED 显示器自诞生以来就广受欢迎。
苏瑞涛之前的工作已经证明，单纯使用 3D 打印的方法和某种特定的器件结构，尽管在某些性能指标上仍有待提高空间，但足以把独立发光二极管像素点制造出来，并展示很好的功能。
不过，如果想把像素点规模化集成起来，去制造实用的显示器，那么器件阵列结构和墨汁材料的选择，就需要进一步发展，从而提高打印自动化程度、以及显示器的性能，尤其是发光亮度和发光均匀度。
如下图所示，为提高打印的自动化程度，苏瑞涛设计了阳极和阴极导线纵横交错的阵列结构，并采用可打印性极高的银颗粒导电胶作为阴极导线。
（来源：Science Advances）
同时，为提高器件的发光性能，他探索了在同一台打印机上进行多模态打印的可能。即采用挤压打印的方式，来打印大多数功能层，而对层厚和表面形态要求很高的发光层，则采用喷涂打印的方法，来提高这一层的光学和电学性能。
下图展示了有机发光层的喷涂方法。之前研究显示，用液滴挤压的方法打印时，很难克服“咖啡环效应”。即有机分子在溶剂挥发的过程中，在毛细流动的驱使下会迁移到该层的边缘处，类似于一滴咖啡在桌面上干掉后留下的印记。
（来源：Science Advances）
这种现象造成发光层的厚度不均一，表面缺陷严重。在尝试各种化学方法的和流体力学方法后，苏瑞涛发现使用喷涂方法，将墨汁用喷嘴打散成微米级别的小液滴，喷涂在器件上能有效克服“咖啡环效应”。因为微米级别的液滴，在接触到基底后会在很短时间内干掉，这个时间尺度非常短，以至于分子的横向迁移可以忽略不计。
实验结果也确实证明：使用喷涂方法打印的有机二极管像素点，放光强度更高、寿命更长、可控性更强。从制造的角度讲，这种喷涂的设备非常易于和 3D 打印机集成，形成一个连续的多模态打印过程。
另外一个创新是，针对表面张力极高的阴极金属——共晶镓铟合金，苏瑞涛设计了类似金属锻造的造型方法，以此来提高金属液滴和紧邻发光层的界面接触。下图介绍了液态金属造型过程。之所以选择液态金属作为阴极材料，是由于它的高导电性和合适的逸出功（work function），最重要的是常温下的良好的可打印性。
（来源：Science Advances）
这就给在一般环境下打印阴极金属提供了可能，而不必依赖传统的热蒸发等高温和高耗能的工艺。但是，液态金属一个主要问题在于，它的表面张力很高，打印出来后会形成一个近似球体的金属液滴，和底下的发光层接触有限，并且机械性能很不稳定。
之前相关的研究显示，这种金属接触到空气以后，会在表面很快形成一层氧化层，而且该氧化层的可塑性很好。当应力达到一定程度，氧化层会表现出屈服特性。
如果应力进一步增加，氧化层就会破裂，而新暴露出来的液态金属又会快速被氧化，从而巩固新形成的液滴形态。
这个过程类似于传统金属加工中的锻造成型，不同的是液态金属电极的造型，在室温下用 3D 打印机就可以完成。
让人人都能在家生产 OLED 屏苏瑞涛说，该成果已完全证明了通用化 3D 打印，在显示设备制造上的能力和优势，因此有很多令人兴奋的应用。
比如，物联网技术需要大量的显示设备，以分散的形式集成到日常生活的几乎所有物品上，这是一个巨大的市场需求，而对显示器件的分辨率要求通常不是很高。
此次展示的 3D 打印的显示器件，就能很好地满足这一需求，并且无需专门设备和技能，人人都能在家从事生产。更重要的是，这一平台性的技术可被推广到同类光电子器件之中，比如图像传感器和太阳能电池，从而为智慧、节能型城市和家居，提供切实可行的硬件制造手段。
下一步，苏瑞涛计划提高打印的光电阵列的密度、以及像素点的发光亮度。该工作主要完成于他在明尼苏达大学工作期间。
系华中科大校友，正准备回国找教职苏瑞涛是山西省运城人，生于 1990 年。本科毕业于华中科技大学，研究生毕业于美国辛辛那提大学，并在明尼苏达大学获得博士学位。
博士期间，他曾获得国际材料协会博士生银奖。2018 年发表的 3D 打印光电传感器 成果，被美国国家地理频道评为“革命未来生物医药的 12 个技术创新”之一。
目前，他是 MIT 计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）的一名博士后研究员。这一两年，正准备回国找学术界的工作。
-End-
参考：
1. Su, R., Park, S. H., Ouyang, X., Ahn, S. I., & McAlpine, M. C. (2022). 3D-printed flexible organic light-emitting diode displays. Science Advances, 8(1), eabl8798.
2. http://suruitao.github.io
,
