可拉伸顯示器件可在皮膚上實(shí)現(xiàn)信息顯示

近年來，隨著可穿戴設(shè)備、智能電子皮膚和機(jī)器人等新興領(lǐng)域的迅速發(fā)展，可拉伸電子器件逐漸走進(jìn)人們的視野。與傳統(tǒng)電子器件相比，可拉伸電子器件突破剛性硅基底的限制，可以在拉伸、壓縮、彎曲等狀態(tài)下保持正常功能運(yùn)行。其實(shí)可拉伸電致發(fā)光器件是可拉伸電子學(xué)的重要組成部分，是指在外部拉力或者壓縮力作用下發(fā)光面積可以伸縮的器件，是可穿戴系統(tǒng)中信息輸出窗口。隨著科學(xué)研究的不斷深入，可拉伸電致發(fā)光器件在可拉伸顯示、照明和生物醫(yī)療等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，因此受到了廣泛關(guān)注并取得了快速發(fā)展。

然而，當(dāng)前基于交流電致發(fā)光的可拉伸器件發(fā)光層介電常數(shù)較低，需要較高的驅(qū)動(dòng)電壓才能達(dá)到足夠的亮度。另外一方面，由于器件制備工藝的限制，當(dāng)前可拉伸發(fā)光顯示僅能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的圖案顯示。針對(duì)以上問題，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院孔德圣課題組制備了一種高介電常數(shù)的可拉伸熱塑性彈性體，并將其應(yīng)用于可拉伸顯示發(fā)光器件，實(shí)現(xiàn)了在低電壓驅(qū)動(dòng)條件下的高亮度發(fā)光。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研制出具有時(shí)鐘功能的可拉伸顯示器件，實(shí)現(xiàn)了貼膚穿戴條件下的信息顯示，極大的推進(jìn)了此類器件的實(shí)際應(yīng)用。相關(guān)工作以《Stretchable high permittivity nanocomposites for epidermal alternating current electroluminescent displays》為題發(fā)表在美國(guó)化學(xué)會(huì)期刊ACS Materials Letters上（ACS Mater. Lett. 2019， 1， 5， 511-518）。

針對(duì)交流電致發(fā)光器件，高介電材料可有效增強(qiáng)電致發(fā)光顆粒處的激發(fā)電場(chǎng)，提升器件的發(fā)光亮度。研究團(tuán)隊(duì)以極性熱塑性氟橡膠為基材，通過摻入由PVP所修飾的高介電鈦酸鋇納米顆粒，從而得到介電常數(shù)大于30彈性高介電材料，其最大拉伸應(yīng)變大于200%。

圖1. 高介電可拉伸復(fù)合彈性體

研究團(tuán)隊(duì)將制備的可拉伸高介電材料和ZnS:Cu粉體混合作為彈性發(fā)光層，同時(shí)改進(jìn)漿料分散工藝，將發(fā)光層薄膜厚度控制在10微米左右，最終得到低壓驅(qū)動(dòng)的高亮度發(fā)光器件。發(fā)光器件在35V、17k Hz的驅(qū)動(dòng)電壓下發(fā)光亮度超過100cd/m2。所制備的器件可以在彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉伸至100%狀態(tài)下依然保持正常發(fā)光。同時(shí)器件反復(fù)拉伸20%和50%500個(gè)循環(huán)后依然可以保持70%以上的初始亮度。

圖2. 可拉伸發(fā)光器件發(fā)光特性

為了得到具有精密圖案的發(fā)光顯示器件，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種基于絲網(wǎng)印刷技術(shù)的銀線圖案化工藝。該工藝首先將銀線噴涂在玻璃基底上，得到高導(dǎo)電率的銀線網(wǎng)絡(luò)電極。接著，直接在電極表面絲網(wǎng)印刷熱塑性彈性體漿料做為保護(hù)層。然后，將帶有保護(hù)層的的銀線電極進(jìn)行濕法刻蝕，對(duì)沒有保護(hù)地方的銀線進(jìn)行刻蝕，從而得到具有精密圖案的銀線電極?；阢y線電極圖案化工藝和低壓驅(qū)動(dòng)的彈性發(fā)光材料，研究團(tuán)隊(duì)成功制備出具有時(shí)鐘顯示功能的穿戴器件。

圖3. 表皮發(fā)光顯示器件

該研究工作大幅度降低了可拉伸交流電致發(fā)光器件的驅(qū)動(dòng)電壓，大大增強(qiáng)了這類器件的穿戴安全性，為其實(shí)用化打開了大門，被美國(guó)化學(xué)會(huì)作為重要科技進(jìn)展，通過ACS Weekly PressPac進(jìn)行了專門報(bào)道。該研究得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高?？蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)的支持