"2021 年 5 月的一個(ge) 晚上，我一個(ge) 人在實驗室把燈都關(guan) 了，在漆黑中打開電源和控製器。這時，就在這款世界上第一個(ge) 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，心裏才有一個(ge) 聲音說‘這是真的’！" 目前在麻省理工學院（MIT）做博士後研究的蘇瑞濤，回憶實驗取得突破的那一刻，依然十分興(xing) 奮。

圖 | 蘇瑞濤（來源：蘇瑞濤）

日前，他使用定製打印機，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(ge) 全 3D 打印的顯示器（來源：蘇瑞濤）

這一發現可助力生產(chan) 低成本 OLED 顯示器，而且無需傳(chuan) 統上昂貴的微米或納米級半導體(ti) 加工設施、以及專(zhuan) 業(ye) 技術人員，隻需有一款 3D 打印機，任何人都能在家裏自己生產(chan) 顯示器。

（來源：Science Advances）

蘇瑞濤回憶稱：" 最早我們(men) 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，並且以貼合的方式，打印在波音飛行器的某些內(nei) 飾部件上。而此次論文報告了一個(ge) 可通用於(yu) 絕大多數 3D 打印機的有機二極管顯示器的製造方法。所展示的 8 × 8 的像素陣列，表現出很好的機械柔韌性，每個(ge) 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(guan) 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(wei) 題發表在 Science Advances 上 [ 1 ] 。

圖 | 相關(guan) 論文（來源：Science Advances）

研究中，蘇瑞濤結合了兩(liang) 種不同的打印模式來打印主要的六個(ge) 器件層，從(cong) 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 打印機噴塗印刷的，顯示器原型每邊大約 1.5 英寸，有 64 個(ge) 像素，每個(ge) 像素都工作並顯示光。

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"

該研究的背景在於(yu) ，傳(chuan) 統有機二極管顯示器打印設備，往往依賴造價(jia) 高昂、操作和維護都很複雜的超淨室，以及微納米級別的製造工藝。

據悉，OLED 顯示技術基於(yu) 有機材料層將電轉換為(wei) 光這一原理。OLED 通常用於(yu) 高質量數字顯示器，可靈活用於(yu) 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(nei) 使用的手機，一般都是來自 LG、三星或京東(dong) 方等幾家公司的 OLED 屏幕。由於(yu) 重量輕、節能、薄且靈活，並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製造出來，並展示很好的功能。

不過，如果想把像素點規模化集成起來，去製造實用的顯示器，那麽(me) 器件陣列結構和墨汁材料的選擇，就需要進一步發展，從(cong) 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(wei) 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，並采用可打印性極高的銀顆粒導電膠作為(wei) 陰極導線。

（來源：Science Advances）

同時，為(wei) 提高器件的發光性能，他探索了在同一台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，而對層厚和表麵形態要求很高的發光層，則采用噴塗打印的方法，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塗方法。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(hui) 遷移到該層的邊緣處，類似於(yu) 一滴咖啡在桌麵上幹掉後留下的印記。

這種現象造成發光層的厚度不均一，表麵缺陷嚴(yan) 重。在嚐試各種化學方法的和流體(ti) 力學方法後，蘇瑞濤發現使用噴塗方法，將墨汁用噴嘴打散成微米級別的小液滴，噴塗在器件上能有效克服 " 咖啡環效應 "。因為(wei) 微米級別的液滴，在接觸到基底後會(hui) 在很短時間內(nei) 幹掉，這個(ge) 時間尺度非常短，以至於(yu) 分子的橫向遷移可以忽略不計。

實驗結果也確實證明：使用噴塗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(cong) 製造的角度講，這種噴塗的設備非常易於(yu) 和 3D 打印機集成，形成一個(ge) 連續的多模態打印過程。

另外一個(ge) 創新是，針對表麵張力極高的陰極金屬——共晶镓銦合金，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麵接觸。下圖介紹了液態金屬造型過程。之所以選擇液態金屬作為(wei) 陰極材料，是由於(yu) 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(chuan) 統的熱蒸發等高溫和高耗能的工藝。但是，液態金屬一個(ge) 主要問題在於(yu) ，它的表麵張力很高，打印出來後會(hui) 形成一個(ge) 近似球體(ti) 的金屬液滴，和底下的發光層接觸有限，並且機械性能很不穩定。

之前相關(guan) 的研究顯示，這種金屬接觸到空氣以後，會(hui) 在表麵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(hui) 表現出屈服特性。

如果應力進一步增加，氧化層就會(hui) 破裂，而新暴露出來的液態金屬又會(hui) 快速被氧化，從(cong) 而鞏固新形成的液滴形態。

這個(ge) 過程類似於(yu) 傳(chuan) 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(chan) OLED 屏

蘇瑞濤說，該成果已完全證明了通用化 3D 打印，在顯示設備製造上的能力和優(you) 勢，因此有很多令人興(xing) 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(ge) 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，並且無需專(zhuan) 門設備和技能，人人都能在家從(cong) 事生產(chan) 。更重要的是，這一平台性的技術可被推廣到同類光電子器件之中，比如圖像傳(chuan) 感器和太陽能電池，從(cong) 而為(wei) 智慧、節能型城市和家居，提供切實可行的硬件製造手段。

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。該工作主要完成於(yu) 他在明尼蘇達大學工作期間。

係華中科大校友，正準備回國找教職

蘇瑞濤是山西省運城人，生於(yu) 1990 年。本科畢業(ye) 於(yu) 華中科技大學，研究生畢業(ye) 於(yu) 美國辛辛那提大學，並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(hui) 博士生銀獎。2018 年發表的 3D 打印光電傳(chuan) 感器 成果，被美國國家地理頻道評為(wei) " 革命未來生物醫藥的 12 個(ge) 技術創新 " 之一。

目前，他是 MIT 計算機科學與(yu) 人工智能實驗室（CSAIL）的一名博士後研究員。這一兩(liang) 年，正準備回國找學術界的工作。