會員登錄
科技之光：可用於皮膚的有機發光二極管顯示器
打賞
推廣
科技之光：可用於皮膚的有機發光二極管顯示器
全彩色AMOLED顯示器，及其基於大麵積MoS2的底板。(A)如圖所示，將基於高性能MoS2的底板置於4英寸載玻片基板上, 並把Al2O3覆蓋層應用到載玻片基板上的MoS2薄膜以實現氮摻雜效應（左上），將有源矩陣全彩色顯示器應用於超薄聚合物基板（右上），並在人手上測試大麵積全彩色顯示器（右下）。(B) 有源矩陣全彩色像素陣列與MoS2晶體管集成方案，每個像素通過柵極、數據和陰極互連器連接起來，用於線路尋址控製。(C) 4英寸載玻片基板上有源矩陣顯示器的數碼照片，此處插圖為啟動時的全彩色顯示器。(D) 超薄聚合物基板上大麵積全彩色顯示器的數碼照片，展示了超薄材料低彎曲剛度所導致的柔性機械性能。圖片來源:
Minwoo Choi，延世大學。
Minwoo Choi，延世大學。
針對可用以監測人體健康和充當醫療機器人的可折疊或可穿戴顯示器，電子應用發展的形式日新月異。優化此類設備依靠有機發光二極管（OLEDs）實現。然而，受限於其傳統電子元件的形式，開發出具有高機械柔性的半導體材料仍然是項挑戰。據《科學·進展》的一項新報道，崔敏宇和大韓民國電子工程和材料科學的科學家團隊開發出一種可穿戴的全彩色OLED顯示器，該顯示器使用基於二維（2-D）材料的背板晶體管。他們在二硫化鉬(MoS2)薄膜上設計了一個18×18薄膜晶體管陣列，並將MoS2膜轉移到氧化鋁（Al2O3）/聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）表麵。崔等人隨後在設備表麵放置紅色、綠色和藍色的OLED像素點，並觀察到二維材料具有出色的力學和電學性能。表麵可以驅動電路以控製OLED像素，從而實現超薄的可穿戴設備。
科學家和工程師必須在可穿戴電子設備領域進行廣泛研究，以開發出聚焦於柔性設備和超薄基板的智能電子係統。這種材料的固有局限性促使人們在薄膜晶體管（TFTs）和性能相對較高的邏輯電路中使用替代性半導體材料（例如MoS2）。這些材料被稱為過渡金屬硫化物，它們為可穿戴電子設備的背板電路提供特有的電學、光學和力學性能。近期，研究人員開發出具有複雜紅、綠、藍（RGB）顏色的MoS2晶體管，這是實用顯示器的基本及本質要求。在這項工作中，崔等人開發出一種大麵積MoS2 TFT陣列，可在2英寸RGB OLED中操作324個像素，其中全彩色顯示器顯示了有源矩陣配置。RGB OLED由不同的光電特性製成，因此研究團隊設計了背板TFTs來控製每個彩色像素。該實驗裝置有望作為一種可穿戴顯示器，在人體皮膚上穩定運行，且無不良反應。目前，該團隊采用了異質材料設計，以形成光電器件。
大麵積有源矩陣OLED(AMOLED)顯示器
該團隊通過一係列過程設計出帶有MoS2背板的大麵積有源矩陣OLED(AMOLED)顯示器。他們首先在MoS2薄膜上生成一個薄膜晶體管(TFT)陣列，然後將RGB OLED放置在TFT漏極上，並將顯示器從載體上剝離轉移到人手(目標)上。在此過程中，他們通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)在4英寸SiO2 /Si晶片上合成MoS2雙層膜。然後，他們用原子層沉積法在聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)基板上塗氧化鋁，並將MoS2薄膜從SiO2/Si晶片轉移PET基板上，以產生帶有驅動背板配置的MoS2晶體管陣列。最終得到的結構是獨特的，並用氧化鋁封裝以改善金屬接觸和載流子遷移率。全彩色AMOLED顯示器統一控製RGB OLED像素，其中每個像素都與一項數據和一條掃描線連接，並且整個顯示電路均采用有源矩陣設計。崔等人根據晶體管的漏極和柵極信號控製像素電流，以改變OLED的亮度。隨後，他們可以將超薄顯示器從載玻片基板轉變為曲麵，且不會降低設備質量。
穩定的顯示應用
該團隊檢查了電流-電壓輸出曲線，以確定TFT漏極特性，從而說明漏極電流(I DS)與偏置電壓(VDS和VGS)之間的關係。MOCVD合成的MoS2薄膜所具有的一致性可實現高度統一的穩定顯示應用。所有樣本的器件特性均保持一致，允許單個像素在全彩色AMOLED中運行，且效率並為降低。該團隊測量了藍色、綠色和紅色OLED在460、530和650nm處的最大發光強度。
在連續+10伏柵極脈衝偏壓下，盡管響應時間受到測量係統限製，OLED呈現在開關狀態間快速轉換，延遲時間很短。關閉狀態下，不會發生柵極調製，像素狀態保持穩定，為TFT提供了有效的防漏操作。通電狀態下，像素電流也會隨著柵極偏壓(VG)的增加而顯著增加，穿過RGB OLED達到5伏的閾值電壓。
MoS2晶體管和RGB OLEDs的集成單像素特性。（A）如圖所示，RGB單元像素與MoS2晶體管串聯集成的有源矩陣配置。（B）固定數據偏壓為4V（紅色）和10V（藍色）時，使用−10和10V的柵極偏壓控製像素開關特性。（C）RGB OLEDs在4-9V柵偏壓範圍內亮度變化的數碼照片，其中每個OLED的亮度穩定，並由MoS2晶體管的柵極信號控製。（D到F）像素電流（左y軸）和亮度（右y軸）構成柵極信號函數。圖片來源：Sa-Rang Bae，高麗大學。
概念驗證—可穿戴電子設備
該團隊確認了使用晶體管時的各個RGB像素的性能，並將18 x 18陣列(324個像素)集成到晶體管底板電路的數據線和柵極線上，從而形成了全彩色AMOLED顯示器。他們通過矩陣線控製每個像素，使每個像素在OLED顯示器中發光一致。由於對柵極和數據信號控製穩定，RGB OLED像素亮度一致。崔等人通過外部驅動電路依次驅動RGB像素陣列，所配置的外部驅動電路為代表字符“ R”，“ G”和“B”的商用帶狀像素結構。、超薄設備的低剛度可防止將其轉移到人手後，產生實質性的機械變形反射過程中，光學和電學性能的破壞。基於電流-電壓特性(I-V)，在皮膚收縮或皮膚拉伸運動中，電流水平不變，有源矩陣顯示操作期間，通電狀態也沒有波動。盡管設備的穩定性仍處於開發之中，但該團隊的目標是進一步推進工程設計，以完善MoS2膜的實際應用，使其成為可穿戴的全彩色AMOLED顯示器。
基於MoS2背板電路的可穿戴全彩色AMOLED顯示器。全彩色有源矩陣顯示器在（A）“全開”狀態下的數碼照片；（B）有源矩陣顯示器的動態操作，其中柵極和數據信號通過外部電路單獨控製；以及（C）超薄顯示器應用於人手上，其中，顯示器通過兩種基於手部運動的機械模式發生變形，即壓縮模式（中間）和拉伸模式（右側）。（D） 在壓縮（藍色）、水平（紅色）和拉伸（綠色）模式下，單元像素電流與VG值為4V（關閉狀態）、6V和9V的數據電壓函數圖。每個應用的柵偏壓（VG）下，可以觀察到不同變形模式下像素電流的微小變化，這使得AMOLED能在人手上穩定運行。（E）超薄顯示器在機械變形過程中通電狀態電流變化。圖片來源：Minwoo Choi，延世大學。
通過這種方式，崔敏宇及其同事使用基於MoS2的背板TFTs 開發出具有18x18陣列的輕薄(2英寸)可穿戴全彩色AMOLED 顯示器。他們直接在用MOCVD法生成的雙層MoS2薄膜上構建晶體管陣列，觀察到高載流子遷移率和開/關比。該團隊通過施加4~9伏間的柵極電壓來控製RGB OLED像素的發光情況。他們把超薄塑料基板(PET)與2-D半導體材料結合，直接製造OLEDs，以實現出色的電學、光學和力學性能。除開現有的常規和剛性有機材料，該實驗係統將能被進一步完善並集成到可穿戴電子設備中。
撰文：塔瑪拉西•吉萬達拉（Thamarasee Jeewandara）
翻譯：李雅婷
審校：董子晨曦
引進來源：美國物理學家組織網
引進鏈接：https://phys.org/news/2020-07-active-matrix-light-emitting-diode-human-skin.html
關注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回複【最新活動】，了解近期科普活動
回複【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回複【研學營】，了解最新科普研學營
回複【科普課堂】，了解最新科普課堂
回複【科普書籍】，了解最新科普書籍
回複【團體定製】，了解最新團體定製活動
回複【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回複【觀鳥星空体育官网入口网站】，學習觀鳥相關科普星空体育官网入口网站
回複【博物學院】，了解更多博物學院活動詳情
關注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回複【最新活動】，了解近期科普活動
回複【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回複【研學營】，了解最新科普研學營
回複【科普課堂】，了解最新科普課堂
回複【科普書籍】，了解最新科普書籍
回複【團體定製】，了解最新團體定製活動
回複【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回複【觀鳥星空体育官网入口网站】，學習觀鳥相關科普星空体育官网入口网站
回複【博物學院】，了解更多博物學院活動詳情
聽說，打賞我的人最後都找到了真愛。
做科普，我們是認真的！
掃描關注深i科普公眾號
加入科普活動群
- 參加最新科普活動
- 認識科普小朋友
- 成為科學小記者
