"2021 年 5 月的一個晚上，我一個人在實驗室把燈都關了，在漆黑中打開電源和控制器。這時，就在這款世界上第一個全 3D 打印的顯示器上，清晰地飄過我設計好的字符和圖像。大腦一片‘空白’，就像第一眼看見自己剛出生的孩子一樣。過了好幾秒，心里才有一個聲音說‘這是真的’！" 目前在麻省理工學院（MIT）做博士后研究的蘇瑞濤，回憶實驗取得突破的那一刻，依然十分興奮。
圖 | 蘇瑞濤（來源：蘇瑞濤）
日前，他使用定制打印機，以完全 3D 打印的方式，打印出一款有機發光二極管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）顯示器。
圖 | 世界上第一個全 3D 打印的顯示器（來源：蘇瑞濤）
這一發現可助力生產低成本 OLED 顯示器，而且無需傳統上昂貴的微米或納米級半導體加工設施、以及專業技術人員，只需有一款 3D 打印機，任何人都能在家里自己生產顯示器。
（來源：Science Advances）
蘇瑞濤回憶稱：" 最早我們實驗室和波音公司合作，旨在開發 3D 打印的發光二極管顯示陣列，并且以貼合的方式，打印在波音飛行器的某些內飾部件上。而此次論文報告了一個可通用于絕大多數 3D 打印機的有機二極管顯示器的制造方法。所展示的 8 × 8 的像素陣列，表現出很好的機械柔韌性，每個像素點都成功發光，可用來顯示任意設計的文字或圖像。"
1 月 7 日，相關論文以《3D 打印柔性有機發光二極管顯示器》（3D-printed flexible organic light-emitting diode displays）為題發表在 Science Advances 上 [ 1 ] 。
圖 | 相關論文（來源：Science Advances）
研究中，蘇瑞濤結合了兩種不同的打印模式來打印主要的六個器件層，從而實現了完全 3D 打印的柔性有機發光二極管顯示器。電極、互連、絕緣和封裝都是擠壓打印的，而發光層是在室溫下使用同一 3D 打印機噴涂印刷的，顯示器原型每邊大約 1.5 英寸，有 64 個像素，每個像素都工作并顯示光。
在 2000 次彎曲循環中，顯示器表現出相對穩定的顯示效果，這表明完全 3D 打印的 OLED 顯示器未來可以應用在柔性電子和可穿戴設備等變形較大的場景中。
視頻 | 3D 打印顯示器全過程（來源：蘇瑞濤）
用微米級別的小液滴，克服 " 咖啡環效應"
該研究的背景在于，傳統有機二極管顯示器打印設備，往往依賴造價高昂、操作和維護都很復雜的超凈室，以及微納米級別的制造工藝。
據悉，OLED 顯示技術基于有機材料層將電轉換為光這一原理。OLED 通常用于高質量數字顯示器，可靈活用于電視屏幕、監視器等大型設備、以及智能手機等手持電子設備。像國內使用的手機，一般都是來自 LG、三星或京東方等幾家公司的 OLED 屏幕。由于重量輕、節能、薄且靈活，并提供寬視角和高對比度，OLED 顯示器自誕生以來就廣受歡迎。
蘇瑞濤之前的工作已經證明，單純使用 3D 打印的方法和某種特定的器件結構，盡管在某些性能指標上仍有待提高空間，但足以把獨立發光二極管像素點制造出來，并展示很好的功能。
不過，如果想把像素點規模化集成起來，去制造實用的顯示器，那么器件陣列結構和墨汁材料的選擇，就需要進一步發展，從而提高打印自動化程度、以及顯示器的性能，尤其是發光亮度和發光均勻度。
如下圖所示，為提高打印的自動化程度，蘇瑞濤設計了陽極和陰極導線縱橫交錯的陣列結構，并采用可打印性極高的銀顆粒導電膠作為陰極導線。
（來源：Science Advances）
同時，為提高器件的發光性能，他探索了在同一臺打印機上進行多模態打印的可能。即采用擠壓打印的方式，來打印大多數功能層，而對層厚和表面形態要求很高的發光層，則采用噴涂打印的方法，來提高這一層的光學和電學性能。
下圖展示了有機發光層的噴涂方法。之前研究顯示，用液滴擠壓的方法打印時，很難克服 " 咖啡環效應 "。即有機分子在溶劑揮發的過程中，在毛細流動的驅使下會遷移到該層的邊緣處，類似于一滴咖啡在桌面上干掉后留下的印記。
這種現象造成發光層的厚度不均一，表面缺陷嚴重。在嘗試各種化學方法的和流體力學方法后，蘇瑞濤發現使用噴涂方法，將墨汁用噴嘴打散成微米級別的小液滴，噴涂在器件上能有效克服 " 咖啡環效應 "。因為微米級別的液滴，在接觸到基底后會在很短時間內干掉，這個時間尺度非常短，以至于分子的橫向遷移可以忽略不計。
實驗結果也確實證明：使用噴涂方法打印的有機二極管像素點，放光強度更高、壽命更長、可控性更強。從制造的角度講，這種噴涂的設備非常易于和 3D 打印機集成，形成一個連續的多模態打印過程。
另外一個創新是，針對表面張力極高的陰極金屬——共晶鎵銦合金，蘇瑞濤設計了類似金屬鍛造的造型方法，以此來提高金屬液滴和緊鄰發光層的界面接觸。下圖介紹了液態金屬造型過程。之所以選擇液態金屬作為陰極材料，是由于它的高導電性和合適的逸出功（work function），最重要的是常溫下的良好的可打印性。
（來源：Science Advances）
這就給在一般環境下打印陰極金屬提供了可能，而不必依賴傳統的熱蒸發等高溫和高耗能的工藝。但是，液態金屬一個主要問題在于，它的表面張力很高，打印出來后會形成一個近似球體的金屬液滴，和底下的發光層接觸有限，并且機械性能很不穩定。
之前相關的研究顯示，這種金屬接觸到空氣以后，會在表面很快形成一層氧化層，而且該氧化層的可塑性很好。當應力達到一定程度，氧化層會表現出屈服特性。
如果應力進一步增加，氧化層就會破裂，而新暴露出來的液態金屬又會快速被氧化，從而鞏固新形成的液滴形態。
這個過程類似于傳統金屬加工中的鍛造成型，不同的是液態金屬電極的造型，在室溫下用 3D 打印機就可以完成。
讓人人都能在家生產 OLED 屏
蘇瑞濤說，該成果已完全證明了通用化 3D 打印，在顯示設備制造上的能力和優勢，因此有很多令人興奮的應用。
比如，物聯網技術需要大量的顯示設備，以分散的形式集成到日常生活的幾乎所有物品上，這是一個巨大的市場需求，而對顯示器件的分辨率要求通常不是很高。
此次展示的 3D 打印的顯示器件，就能很好地滿足這一需求，并且無需專門設備和技能，人人都能在家從事生產。更重要的是，這一平臺性的技術可被推廣到同類光電子器件之中，比如圖像傳感器和太陽能電池，從而為智慧、節能型城市和家居，提供切實可行的硬件制造手段。
下一步，蘇瑞濤計劃提高打印的光電陣列的密度、以及像素點的發光亮度。該工作主要完成于他在明尼蘇達大學工作期間。
系華中科大校友，正準備回國找教職
蘇瑞濤是山西省運城人，生于 1990 年。本科畢業于華中科技大學，研究生畢業于美國辛辛那提大學，并在明尼蘇達大學獲得博士學位。
博士期間，他曾獲得國際材料協會博士生銀獎。2018 年發表的 3D 打印光電傳感器 成果，被美國國家地理頻道評為 " 革命未來生物醫藥的 12 個技術創新 " 之一。
目前，他是 MIT 計算機科學與人工智能實驗室（CSAIL）的一名博士后研究員。這一兩年，正準備回國找學術界的工作。
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