2022 science年度十大科学突破（ScienceAdvances3D打印柔性OLED）

全3D打印通过不受传统微细制造设备限制的策略，可以实现独特的器件形态。目前，3D打印光电器件的性能会受到溶液沉积活性层的不均匀性和不稳定的聚合物金属结影响。

在此，来自美国明尼苏达大学的Michael C. McAlpine等研究者，演示了一种多模态打印方法可以实现全3D打印柔性有机发光二极管显示器。相关论文以题为“3D-printed flexible organic light-emitting diode displays”发表在Science Advances上。更多精彩视频请抖音搜索'材料科学网'。

论文链接：

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

有机发光二极管(OLED)显示器，具有自发射、高对比度、全广角、功率效率和机械灵活性等特点，是液晶显示器(LCSs)的有力替代品。通常，在商用OLED显示屏中，主动层(或发射层)会通过热蒸发，以实现高均匀性和分辨率。人们正在积极地研究打印方法，因为其将有潜力扩大到大型面板显示同时减少材料浪费。全打印显示器的所有功能部件，都是通过打印方法制造出来的，这可能会带来新概念，比如高维形态因子、与软机器人交织的电致发光人体部件显示器，以及用于全息摄影的三维(3D)结构像素矩阵。然而，完全打印OLED显示屏的方法需要克服几个挑战，才能将材料和工艺转移到打印平台上。OLED活性层可以打印出来，而不是蒸发或旋转镀膜，但电极和互连需要溅射或气相沉积材料，如金属、金属氧化物和石墨烯，以实现高导电性和光学透光率。

基于挤压的3D打印已经成为一种流行方法，可以组装具有不同粘度的各种材料，有可能超越传统微细制造的平面限制，并催化真正的3D有源电子设备的出现。3d打印电子具有诸如空间结构的结构，直接并排组装混合设备，各种材料的无缝交织，以及在移动、自由形式和可变形表面上的印刷性等特点。最近3D打印电子材料的进展，已经从无源导体转向有源电子材料，包括半导体量子点和用于发光二极管和光探测器等光电器件的共轭聚合物。完全在3D打印系统上设计光电设备的能力，为显示器和图像传感器提供了一个非常规的设计空间。然而，需要进一步发展层叠加机制和印刷方法的互连光电阵列单独寻址像素。

在溶剂蒸发过程中，毛细管流动驱动打印液滴内部的质量定向传输，导致了打印活性层的不均匀性。第二个挑战是在室温下使用3D打印技术，在活性层和阴极之间创建可重复和稳定的聚合物金属结。最后，印刷阴极结构应该呈现一个统一的导体阵列，以便在单个像素和空间结构互联之间建立电接口。此外，喷墨打印的活性层没有得到优化，只能在活性区边缘观察到微弱的光发射。

在此，研究报告了一种多模态3D打印方法和设备设计方案，这将获得全3D打印、高度灵活的OLED显示屏。电极、互连、绝缘和封装都是挤压打印的，而活性层是喷印的。喷墨打印通过抑制印刷液滴的定向质量传输，改善了层的均匀性。通过开发印刷阴极液滴的粘弹性氧化物表面，实现了机械重构过程，以增加聚合物-金属接点的接触面积。均匀阴极阵列与顶部互连紧密相连。这种混合方法创建了一个全3D打印的柔性8×8显示器，所有像素都成功打开。

图1 全3D打印OLED显示原理图和打印方法。

图2 喷印MDMO-PPV作为OLED的活性层，改善了层间均匀性和器件性能。

图3 力学重新配置印刷的EGaIn液滴。

图4 打印顶部互连和3D打印OLED显示器的表征。

图5 3D打印柔性OLED显示器的弯曲特性。

综上所述，这项工作提出了一种多模态3D打印方法，将两种不同的油墨交付方法和结构重构过程结合在一个共同的平台上，以实现完全3D打印柔性OLED显示屏，而不需要微细制造过程。对于活性层，通过喷雾打印方法将活性材料油墨雾化成微滴，提高了MDMO-PPV薄膜的均匀性，增强了层厚度和器件电气特性的可控性。

下一步，研究者将通过优化喷印条件和最小化活性层的厚度变化，进一步提高OLED显示屏的辐照度均匀性。将研究每一层提高打印分辨率和缩小像素大小的方法，以创建更高分辨率的显示。最后，研究者将研究将控制电路(晶体管和电容)与LED矩阵集成在一起的方法，用于全3D打印有源矩阵OLED显示器和其他有源器件。（文：水生）

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