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嵌入纺织纤维的多发光器件：软显示系统的新方法

2021-07-02

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 | 嵌入纺织纤维的多发光器件：软显示系统的新方法

 | Textile-fiber-embedded multiluminescent devices: A new approach to soft display systems

  • 作者：Seongkyu Song, Bokyung Song, Chang-Hee Cho, Sang Kyoo Lim, Soon Moon Jeong

  • 纳米与能源聚合研究组、新兴材料科学系

  • 文献来源：Materials today https://doi.org/10.1016/j.mattod.2019.08.004


                            论文摘要                               


       发光功能在最近软电子系统的显着进步中发挥着突出的作用。特别是嵌入发光粒子的聚合物复合材料，由于其具有柔性和制备简单等优点而引起了人们的广泛关注。然而，大多数基于柔性复合材料的电致发光 (EL) 器件具有共面结构，需要具有高透光率、耐用性和稳定电导率的机械柔性电极。这限制了设计用于提供卓越的柔性特性而不损失发光的系统。


       本文介绍了一种新型EL 器件架构——一种耐用/柔韧的纺织纤维嵌入聚二甲基硅氧烷和硫化锌 (PDMS + ZnS) 复合材料，该材料由面内电场驱动，从而消除了对高透射率的要求。施加交流电压时，由于径向分布的电场/光场，光从纤维周围的硫化锌颗粒径向发射，并在此过程中保持了滚动和拉伸的灵活性。


       该器件在厚发光层中也表现出强 EL 强度。使用这种智能设计，只需将纤维嵌入强ML发射PDMS + ZnS中，就可以同时获得高EL和ML强度。文章还展示了一种利用垂直和面内电场由不同纤维嵌入深度控制的图案化装置。该应用可为开发需要高发光度以及发光组件灵活性的新兴软显示系统提供基础。


       近年来，新兴电致发光(EL)器件制造新技术的发展取得了重大进展，包括柔性机器人、致动器、柔性/可伸缩可穿戴电子产品和自愈器件。迄今为止，发光聚合物复合材料中最常用的材料之一是硫化锌(ZnS)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)的混合物，简称为PDMS + ZnS。


       夹在柔顺电极之间的聚合物基复合材料，在各种机械变形下表现出交流电流驱动的EL (ACEL)，同时，具有柔性/可拉伸特性。然而，这种共面器件结构必然要求平面电极具有高透光率、机械耐用性以及即使在变形状态下也要具有稳定的导电性。


       本研究介绍了一种新颖的EL器件架构，一种由平面电场驱动的耐用/柔性纤维嵌入式EL系统。由导电纺织纤维用作电极，并嵌入PDMS + ZnS复合材料，该结构具有平行取向(f-PDMS + ZnS)。


       创新采用多个平行纤维，在每个纤维周围诱导径向电场，从而也产生径向EL。由于光主要是在纤维电极表面附近产生的，因此不需要传输到电极，从而消除了对高透光率的要求。


       此外，当受到各种机械变形，如滚动和拉伸时，所提出的结构表现出良好的柔韧性而不失去发光性能。展示了一种利用垂直和平面电场，由纤维嵌入深度控制的新型图形装置。该软显示系统可以应用于各种多色功能和可持续光源，以及其他广泛的应用。


①　


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图1 （a）f-PDMS + ZnS器件示意图。(b)光学和扫描电子显微镜(SEM;插入)显示横断面的图像。(c)在500 V rms (=0.91 V μm-1)，在1 kHz频率下的电致发光特征照片。(d)直径为130毫米的镀银尼龙纤维的光学和SEM。(h)手写致机械发光(ML)特征照片。(i)显示稳定的电致发光(EL)发射的照片


       作者表征了纤维的结构特征，并验证了f-PDMS + ZnS体系中，纤维对ML的性能没有负面影响，并诱导了多发光特性。


②　


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图2 （a）ML发射 f-PDMS + ZnS器件在手拉伸时的照片。(b) S - R速率从100 cpm增加到500 cpm时的ML光谱(光纤积分时间:3 s)。(c)通过对5000个周期(S-R速率:40 cpm)从400 nm到800 nm的光谱强度积分得到的时间依赖性ML强度。(d) (c)放大图。S峰和R峰强度不同是由于时间分辨率不足造成的(积分时间:100)


③　


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图 3 （a）绿色EL发射f-PDMS + ZnS器件照片。(b)不同频率下的电压-亮度关系。(c)电压亮度和(d)电压电流数据. (e)从蓝色、绿色、橙色和白色El -发射 f-PDMS + ZnS器件获得的电压-发光数据。插图显示发光交流电流驱动的EL (ACEL)图像。(f)蓝色、绿色、橙色和白色El -发射 f- -PDMS + ZnS器件的EL光谱。


       结果表明，与传统的平面型器件相比，平行电极之间施加的交流电场具有对响亮度值积极作用。因为装置中的电极不需要传输光。采用纺织纤维作为电极的EL器件可以在10000次弯曲循环中表现出持久的光电性能。


④　


       同时，除了机电耐久性，作者还评估了环境因素(水、光)下的稳定性。结果表明，f-ACEL器件在水和光照射条件下具有较高的稳定性，增加了其实际应用的潜力。并且发现，特别是在交流电源支持不足的条件下。不同的机械应力可以辅助EL的发射强度。


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图 4（a）在1 kHz频率下，f-ACEL在500 V rms 和300 V rms条件下获得EL、ML和EL + ML谱(c)为 (b)的归一化光谱。PL光谱作为参考(激发源:365 nm-UV光，能量86.1±0.10 mW/cm2)。光纤的积分时间为3 s


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图 5 模拟(a)一对光纤之间的电场分布和(b)光场分布。显示切片样品(c)无电压和(d)有电压时的横切面的光学图像。(e) (d)所示照片的等高线彩色图像，按光强水平排列。模拟(f)光纤阵列的电场分布和光场分布。(h)平面和(i)倾斜视图中捕获的发光特征照片。f-ACEL在不同光纤距离下获得的El发射图像的照片(j)、轮廓图像(k)和线轮廓(l)


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图 6 （a）通过控制纤维的嵌入深度来控制的独立图案发射EL器件示意图和(b)照片(c)切片样品在UV光照下的光学图像。发光图像显示(d)橙色背景，(e)之字形图案，和(f)同时发射两幅图像。(g)切片样品倾斜视图。(h)分别从(d) - (f)中描述的i、II、III三个位置获得的EL谱和(i) CIE坐标。(j)拉伸器件图片。(EL在1 kHz的300 V驱动下观察ML效应)


       在这项研究中，作者展示了在机电应力下用电导电纺织纤维作为电极的多发光PDMS + ZnS器件。解决了共面结构中观察到的典型问题，所提出的器件能够在不损失强度的情况下发射持久的ML和EL。


       通过控制纤维的嵌入深度，我们还证明了该装置适用于各种设计和模式。与已经成熟的技术制造的商用显示器相比，在这项工作中制造的器件具有相当大的分辨率和有限的颜色表达。


       该设备对环境因素(如水和光)具有较高的抵抗能力，并且具有简单的设备结构，不需要真空处理，因此适合户外应用。这种优于传统EL器件的优点将使该器件适用于户外发光显示器。通过减小距离，实现了低压驱动的f-ACEL。



（来源：显示之窗，转载请注明出处）