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首页办公设备打印机更新时间:2022-02-07 21:01:15

“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

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