2019年12月15日
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现代工程与应用科学学院孔德圣课题组在穿戴显示器件方面取得进展

近年来,随着可穿戴设备、智能电子皮肤和机器人等新兴领域的迅速发展,可拉伸电子器件逐渐走进人们的视野。与传统电子器件相比,可拉伸电子器件突破刚性硅基底的限制,可以在拉伸、压缩、弯曲等状态下保持正常功能运行。其实可拉伸电致发光器件是可拉伸电子学的重要组成部分,是指在外部拉力或者压缩力作用下发光面积可以伸缩的器件,是可穿戴系统中信息输出窗口。随着科学研究的不断深入,可拉伸电致发光器件在可拉伸显示、照明和生物医疗等领域展现出了巨大的应用潜力,因此受到了广泛关注并取得了快速发展。

然而,当前基于交流电致发光的可拉伸器件发光层介电常数较低,需要较高的驱动电压才能达到足够的亮度。另外一方面,由于器件制备工艺的限制,当前可拉伸发光显示仅能实现简单的图案显示。针对以上问题,南京大学现代工程与应用科学学院孔德圣课题组制备了一种高介电常数的可拉伸热塑性弹性体,并将其应用于可拉伸显示发光器件,实现了在低电压驱动条件下的高亮度发光。研究团队进一步研制出具有时钟功能的可拉伸显示器件,实现了贴肤穿戴条件下的信息显示,极大的推进了此类器件的实际应用。相关工作以《Stretchable high permittivity nanocomposites for epidermal alternating current electroluminescent displays》为题发表在美国化学会期刊ACS Materials Letters上(ACS Mater. Lett. 2019, 1, 5, 511-518)。

针对交流电致发光器件,高介电材料可有效增强电致发光颗粒处的激发电场,提升器件的发光亮度。研究团队以极性热塑性氟橡胶为基材,通过掺入由PVP所修饰的高介电钛酸钡纳米颗粒,从而得到介电常数大于30弹性高介电材料,其最大拉伸应变大于200%。

图1. 高介电可拉伸复合弹性体

研究团队将制备的可拉伸高介电材料和ZnS:Cu粉体混合作为弹性发光层,同时改进浆料分散工艺,将发光层薄膜厚度控制在10微米左右,最终得到低压驱动的高亮度发光器件。发光器件在35V、17k Hz的驱动电压下发光亮度超过100cd/m2。所制备的器件可以在弯曲、扭转、拉伸至100%状态下依然保持正常发光。同时器件反复拉伸20%和50%500个循环后依然可以保持70%以上的初始亮度。

图2. 可拉伸发光器件发光特性

为了得到具有精密图案的发光显示器件,研究团队发展了一种基于丝网印刷技术的银线图案化工艺。该工艺首先将银线喷涂在玻璃基底上,得到高导电率的银线网络电极。接着,直接在电极表面丝网印刷热塑性弹性体浆料做为保护层。然后,将带有保护层的的银线电极进行湿法刻蚀,对没有保护地方的银线进行刻蚀,从而得到具有精密图案的银线电极。基于银线电极图案化工艺和低压驱动的弹性发光材料,研究团队成功制备出具有时钟显示功能的穿戴器件。

图3. 表皮发光显示器件

该研究工作大幅度降低了可拉伸交流电致发光器件的驱动电压,大大增强了这类器件的穿戴安全性,为其实用化打开了大门,被美国化学会作为重要科技进展,通过ACS Weekly PressPac进行了专门报道。该研究得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校科研业务费的支持。

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)