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

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

論文鏈接：

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

有機發(fā)光二極管(OLED)顯示器，具有自發(fā)射、高對比度、全廣角、功率效率和機械靈活性等特點，是液晶顯示器(LCSs)的有力替代品。通常，在商用OLED顯示屏中，主動層(或發(fā)射層)會通過熱蒸發(fā)，以實現(xiàn)高均勻性和分辨率。人們正在積極地研究打印方法，因為其將有潛力擴大到大型面板顯示同時減少材料浪費。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，這可能會帶來新概念，比如高維形態(tài)因子、與軟機器人交織的電致發(fā)光人體部件顯示器，以及用于全息攝影的三維(3D)結構像素矩陣。然而，完全打印OLED顯示屏的方法需要克服幾個挑戰(zhàn)，才能將材料和工藝轉移到打印平臺上。OLED活性層可以打印出來，而不是蒸發(fā)或旋轉鍍膜，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，以實現(xiàn)高導電性和光學透光率。

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)微細制造的平面限制，并催化真正的3D有源電子設備的出現(xiàn)。3d打印電子具有諸如空間結構的結構，直接并排組裝混合設備，各種材料的無縫交織，以及在移動、自由形式和可變形表面上的印刷性等特點。最近3D打印電子材料的進展，已經(jīng)從無源導體轉向有源電子材料，包括半導體量子點和用于發(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)上設計光電設備的能力，為顯示器和圖像傳感器提供了一個非常規(guī)的設計空間。然而，需要進一步發(fā)展層疊加機制和印刷方法的互連光電陣列單獨尋址像素。

在溶劑蒸發(fā)過程中，毛細管流動驅動打印液滴內部的質量定向傳輸，導致了打印活性層的不均勻性。第二個挑戰(zhàn)是在室溫下使用3D打印技術，在活性層和陰極之間創(chuàng)建可重復和穩(wěn)定的聚合物金屬結。最后，印刷陰極結構應該呈現(xiàn)一個統(tǒng)一的導體陣列，以便在單個像素和空間結構互聯(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，研究報告了一種多模態(tài)3D打印方法和設備設計方案，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，實現(xiàn)了機械重構過程，以增加聚合物-金屬接點的接觸面積。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OLED顯示器的彎曲特性。

綜上所述，這項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構重構過程結合在一個共同的平臺上，以實現(xiàn)完全3D打印柔性OLED顯示屏，而不需要微細制造過程。對于活性層，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。