全3D打印通過不受傳統(tǒng)微細(xì)制造設(shè)備限制的策略，可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的器件形態(tài)。目前，3D打印光電器件的性能會(huì)受到溶液沉積活性層的不均勻性和不穩(wěn)定的聚合物金屬結(jié)影響。

在此，來自美國明尼蘇達(dá)大學(xué)的Michael C. McAlpine等研究者，演示了一種多模態(tài)打印方法可以實(shí)現(xiàn)全3D打印柔性有機(jī)發(fā)光二極管顯示器。相關(guān)論文以題為“3D-printed flexible organic light-emitting diode displays”發(fā)表在Science Advances上。更多精彩視頻請(qǐng)抖音搜索'材料科學(xué)網(wǎng)'。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abl8798

有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)顯示器，具有自發(fā)射、高對(duì)比度、全廣角、功率效率和機(jī)械靈活性等特點(diǎn)，是液晶顯示器(LCSs)的有力替代品。通常，在商用OLED顯示屏中，主動(dòng)層(或發(fā)射層)會(huì)通過熱蒸發(fā)，以實(shí)現(xiàn)高均勻性和分辨率。人們正在積極地研究打印方法，因?yàn)槠鋵⒂袧摿U(kuò)大到大型面板顯示同時(shí)減少材料浪費(fèi)。全打印顯示器的所有功能部件，都是通過打印方法制造出來的，這可能會(huì)帶來新概念，比如高維形態(tài)因子、與軟機(jī)器人交織的電致發(fā)光人體部件顯示器，以及用于全息攝影的三維(3D)結(jié)構(gòu)像素矩陣。然而，完全打印OLED顯示屏的方法需要克服幾個(gè)挑戰(zhàn)，才能將材料和工藝轉(zhuǎn)移到打印平臺(tái)上。OLED活性層可以打印出來，而不是蒸發(fā)或旋轉(zhuǎn)鍍膜，但電極和互連需要濺射或氣相沉積材料，如金屬、金屬氧化物和石墨烯，以實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電性和光學(xué)透光率。

基于擠壓的3D打印已經(jīng)成為一種流行方法，可以組裝具有不同粘度的各種材料，有可能超越傳統(tǒng)微細(xì)制造的平面限制，并催化真正的3D有源電子設(shè)備的出現(xiàn)。3d打印電子具有諸如空間結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，直接并排組裝混合設(shè)備，各種材料的無縫交織，以及在移動(dòng)、自由形式和可變形表面上的印刷性等特點(diǎn)。最近3D打印電子材料的進(jìn)展，已經(jīng)從無源導(dǎo)體轉(zhuǎn)向有源電子材料，包括半導(dǎo)體量子點(diǎn)和用于發(fā)光二極管和光探測器等光電器件的共軛聚合物。完全在3D打印系統(tǒng)上設(shè)計(jì)光電設(shè)備的能力，為顯示器和圖像傳感器提供了一個(gè)非常規(guī)的設(shè)計(jì)空間。然而，需要進(jìn)一步發(fā)展層疊加機(jī)制和印刷方法的互連光電陣列單獨(dú)尋址像素。

在溶劑蒸發(fā)過程中，毛細(xì)管流動(dòng)驅(qū)動(dòng)打印液滴內(nèi)部的質(zhì)量定向傳輸，導(dǎo)致了打印活性層的不均勻性。第二個(gè)挑戰(zhàn)是在室溫下使用3D打印技術(shù)，在活性層和陰極之間創(chuàng)建可重復(fù)和穩(wěn)定的聚合物金屬結(jié)。最后，印刷陰極結(jié)構(gòu)應(yīng)該呈現(xiàn)一個(gè)統(tǒng)一的導(dǎo)體陣列，以便在單個(gè)像素和空間結(jié)構(gòu)互聯(lián)之間建立電接口。此外，噴墨打印的活性層沒有得到優(yōu)化，只能在活性區(qū)邊緣觀察到微弱的光發(fā)射。

在此，研究報(bào)告了一種多模態(tài)3D打印方法和設(shè)備設(shè)計(jì)方案，這將獲得全3D打印、高度靈活的OLED顯示屏。電極、互連、絕緣和封裝都是擠壓打印的，而活性層是噴印的。噴墨打印通過抑制印刷液滴的定向質(zhì)量傳輸，改善了層的均勻性。通過開發(fā)印刷陰極液滴的粘彈性氧化物表面，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械重構(gòu)過程，以增加聚合物-金屬接點(diǎn)的接觸面積。均勻陰極陣列與頂部互連緊密相連。這種混合方法創(chuàng)建了一個(gè)全3D打印的柔性8×8顯示器，所有像素都成功打開。

圖1 全3D打印OLED顯示原理圖和打印方法。

圖2 噴印MDMO-PPV作為OLED的活性層，改善了層間均勻性和器件性能。

圖3 力學(xué)重新配置印刷的EGaIn液滴。

圖4 打印頂部互連和3D打印OLED顯示器的表征。

圖5 3D打印柔性O(shè)LED顯示器的彎曲特性。

綜上所述，這項(xiàng)工作提出了一種多模態(tài)3D打印方法，將兩種不同的油墨交付方法和結(jié)構(gòu)重構(gòu)過程結(jié)合在一個(gè)共同的平臺(tái)上，以實(shí)現(xiàn)完全3D打印柔性O(shè)LED顯示屏，而不需要微細(xì)制造過程。對(duì)于活性層，通過噴霧打印方法將活性材料油墨霧化成微滴，提高了MDMO-PPV薄膜的均勻性，增強(qiáng)了層厚度和器件電氣特性的可控性。

下一步，研究者將通過優(yōu)化噴印條件和最小化活性層的厚度變化，進(jìn)一步提高OLED顯示屏的輻照度均勻性。將研究每一層提高打印分辨率和縮小像素大小的方法，以創(chuàng)建更高分辨率的顯示。最后，研究者將研究將控制電路(晶體管和電容)與LED矩陣集成在一起的方法，用于全3D打印有源矩陣OLED顯示器和其他有源器件。