南京大学孔德圣团队：可拉伸发光器件新突破，贴肤显示已成为可能

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随着近些年可穿戴电子器件的发展，电子器件与人体皮肤相结合已成为可能。发光显示器件无疑是其中最具有吸引力的一类，能在皮肤上直接看到信息显示一直只存在科幻电影里。科研人员也一直在为此不断努力，其中，可拉伸交流电致发光器件主要依靠电场驱动，无需电极与电致发光颗粒的直接接触，从而有效的规避了常规可拉伸器件中接触点在应力作用下受损而导致的失效机制，所以该结构设计在可靠性和耐用性上均具有天然优势，逐渐被越来越多的研究工作所采用。自2014年新加坡南洋理工大学李佩诗课题组首次提出以PDMS材料混合ZnS:Cu微米颗粒制备弹性发光层制备可拉神交流电致发光器件（Adv. Mater. 2015, 27, 2876– 2882）以来，哈佛大学锁志刚课题组（Adv. Mater. 2016, 28, 4480–4484）、康奈尔大学R. Shepherd课题组（Science 2016, 351, 1071）、苏黎世联邦理工大学Tybrandt, K课题组（Adv. Mater. 2016, 28, 7200– 7203）都对该类型器件的发展作出了重要贡献。该类型器件在实用化进程中遇到最大的阻碍之一就是需要较大的驱动电压（几百V到几千V）才能得到足够的发光亮度（大于100 cm/m2）。将该类型器件的驱动电压降低到30V-40V左右一直是该类器件发展的重要方向。
近日，南京大学孔德圣课题组通过制备钛酸钡纳米颗粒/热塑性氟橡胶高介电复合弹性体，降低发光弹性体薄膜厚度等方法，首次将该类型器件的驱动电压降低到30V-40V的范围内。并且该课题组还制备了复杂的可拉伸显示电路，最终制备了可贴肤显示的可拉伸时钟。



弹性发光层介电常数对发光层中的电场分布有直接影响，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。孔德圣课题组在前期热塑性弹性体制备发光器件研究的基础上，进一步在热塑性氟橡胶里掺杂经过PVP修饰的高介电钛酸钡纳米颗粒，得到可拉伸高介电材料，介电常数大于30，拉伸强度大于200%。



图1. 高介电可拉伸复合弹性体


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，该课题组在上述发光器件的基础上进一步发展低成本丝网印刷的银线图案化工艺。当前银线电极的印刷工艺，主要是将银线和高分子复合浆料直接印刷在基底材料上。银线和高分子材料复合电极导电性要远差于纯银线致密排布的网络电极。同时，银线与高分子复合浆料由于丝网孔径的限制，导致浆料中的银线长度不能过长，从而限制了电极拉伸性能。为了解决这一问题，该课题组发展一种反向印刷工艺。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。最后，该课题组将表面具有热塑性弹性体保护层的图案化银线电极和热塑性弹性体基底进行直接热压成型得到图案化可拉伸电极。


图三. 银线电极图案化工艺基于以上银线电极图案化工艺和制备的低压驱动的弹性发光层，该课题组进一步制备了具有多个数字显示功能的的可拉伸贴肤时钟。该时钟在拉伸应变达到40%下依然可以正常显示。最后，该课题组将制备的时钟显示器件贴附于手掌皮肤表面。该表皮发光器件在手掌弯曲，握拳，伸展等反复动作下，依然可以正常显示。


图4. 表皮发光显示器件

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来源：高分子科学前沿
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