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人体皮肤上的有源矩阵有机发光二极管显示器

信息来源:星火计划 发布时间:【2020-08-16 】 点击次数:
电子应用程序的开发可以采用许多新形式,包括可折叠和可穿戴的显示器,以监控人体健康并充当医疗机器人。此类设备依靠有机发光二极管(OLED)进行优化。然而,由于在常规电子格式中的局限性,开发具有高机械柔韧性的半导体材料仍然具有挑战性。在关于科学进步的新报告中,崔敏佑和大韩民国电子工程与材料科学团队的科学家使用基于二维(2-D)材料的背板开发了可穿戴的全彩色OLED显示器。晶体管。他们在一个薄板上设计了一个18×18的薄膜晶体管阵列将二硫化钼(MoS 2)膜转移到氧化铝(Al 2 O 3)/ 聚对苯二甲酸乙二酯(PET)表面。崔等。然后在设备表面上沉积红色,绿色和蓝色OLED像素,并观察到2-D材料具有出色的机械和电气性能。该表面可以驱动电路以控制OLED像素以形成超薄的可穿戴设备。

具有基于MoS2的大面积背板的全彩色AMOLED显示器。(A)在4英寸载玻片上的高性能基于MoS2的背板的示意图,其中Al2O3覆盖层应用于MoS2膜(左上角)上的n掺杂效果,有源矩阵全将彩色显示器应用于超薄聚合物基板(右上),并在人的手上测试大面积全彩显示器(右下)。(B)集成了MoS2晶体管的有源矩阵全色像素阵列的方案,其中每个像素通过栅极,数据和阴极互连器连接以进行线寻址控制。(C)4英寸载玻片基板上有源矩阵显示器的数码照片,其中插图显示了开机时的全彩显示。(D)超薄聚合物基板上大面积全彩显示器的数字照片,显示了由于超薄材料的低弯曲刚度而产生的柔性机械性能。图片来源:延世大学崔敏佑。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.abb5898
 
科学家和工程师必须在可穿戴电子领域进行大量研究,以开发专注于柔性设备和超薄基板的智能电子系统。此类材料的固有局限性促使人们使用替代性半导体材料(例如MoS 2)以包含在具有相对较高性能的薄膜晶体管(TFT)和逻辑电路中。这些材料被称为过渡金属二卤化物,它们为可穿戴电子设备的底板电路提供独特的电,光和机械性能。研究人员最近开发了MoS 2具有复杂的红色,绿色和蓝色(RGB)颜色的晶体管是实际显示器的基本要求。在这项工作中,Choi等。他开发了一种大面积的MoS 2 TFT阵列,可在2英寸RGB OLED中工作324个像素,其中全色显示器展示了有源矩阵配置。RGB OLED由不同的光电特性制成,因此该团队设计了背板TFT来控制每个彩色像素。实验装置有望作为可穿戴显示器,并在人体皮肤上稳定发挥功能,而不会产生不良影响。该团队在目前的工作中采用了异质材料设计来形成光电子学。
MoS2晶体管和RGB OLED的设备属性。(A)在4英寸载玻片上的MoS2晶体管的传递曲线,其中18 cm2 V-1 s-1的平均迁移率足以操作RGB OLED。(B)当栅极偏置从+4 V增加到7 V时MoS2晶体管的IV特性,其中插图显示了MoS2晶体管。(C)对324个样品进行MoS2晶体管迁移率的统计分析。(D到F)RGB OLED的IV特性(左y轴)和亮度(右y轴)作为施加的偏置的函数,其中插图显示了每种OLED颜色的发光。(G)RGB OLED像素的EL光谱。图片来源:高丽大学的Sa-Rang Bae。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.abb5898
大面积有源矩阵OLED(AMOLED)显示器
该团队通过一系列过程设计了具有MoS 2背板的大面积有源矩阵OLED(AMOLED)显示器。他们首先在MoS 2薄膜上形成了一个薄膜晶体管(TFT)阵列,然后将RGB OLED沉积在TFT的漏极上,并将显示器从载体上剥离下来,以将其转移到人手(目标)上。 。在此过程中,他们通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)在4英寸SiO 2 / Si晶片上合成了MoS 2双层膜。然后,他们使用原子层沉积法用氧化铝涂覆聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基材,并从SiO 2转移MoS 2膜/ Si晶片至此PET基板,以生产具有驱动背板配置的MoS 2晶体管阵列。所得的结构是独特的,并用氧化铝封装以改善金属接触和载流子迁移率。全色AMOLED显示器可以均匀地控制RGB OLED像素,其中每个像素都连接到数据和扫描线,整个显示电路均采用有源矩阵设计。崔等。根据晶体管的漏极和栅极信号控制像素电流,以改变OLED的亮度。然后,他们可以将超薄显示器从载体玻璃基板转变为曲面,而不会降低设备质量。
 
 
有源矩阵显示器通过外部电路控制的动态操作。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.abb5898
稳定的显示应用
该团队检查了电流-电压输出曲线,以确定TFT的漏极特性,以说明漏极电流(I DS)与偏置电压(V DS和V GS)之间的关系。MOCVD生长的MoS 2膜的均匀性可实现高度均匀性,以实现稳定的显示应用。器件特性在所有样品中均保持一致,从而允许单个像素在全色AMOLED中运行,而效率并未降低。该团队测量了蓝色,绿色和红色OLED在460、530和650 nm处的最高发光度。
 
在+10伏的​​重复栅极脉冲偏置下,尽管响应时间受到测量系统的限制,但延迟时间却很短,OLED在开和关状态之间表现出快速的过渡。在截止状态期间不会发生栅极调制,并且像素状态保持稳定,从而为TFT提供了有效的防漏操作。在导通状态期间,像素电流还随着栅极偏置(V G)的增加而急剧增加,从而跨RGB OLED达到5伏的阈值电压。
与MoS2晶体管和RGB OLED集成在一起的单个像素的属性。(A)为有源矩阵配置以串联方式与MoS2晶体管集成的RGB单位像素的示意图。(B)在4 V(红色)和10 V(蓝色)的固定数据偏置下,使用-10和10 V的栅极偏置控制像素开关特性。(C)RGB OLED在4至9 V的栅极偏置范围内的亮度变化的数字照片,其中每个OLED的亮度是稳定的,并受MoS2晶体管的栅极信号控制。(D到F)像素电流(y轴的左端)和亮度(y轴的右端)随门信号的变化而变化。图片来源:高丽大学的Sa-Rang Bae。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.abb5898
概念验证—可穿戴电子设备
The team confirmed the performance of the individual RGB pixels using the transistors and integrated an 18 x 18 array (324 pixels) to the data and gate lines of the transistor backplane circuit to form a full-color AMOLED display. They controlled each pixel via the matrix line and maintained consistent light luminescence in each individual pixel in the OLED displays. The RGB OLED pixels showed consistent and uniform brightness due to the stable control of the gate and data signals. Choi et al. drove the RGB pixel arrays sequentially via an external drive circuit configured in a commercial strip pixel structure representing the characters 'R', 'G', and 'B'.
 
超薄设备的低刚度可防止在将其转移到人手后进行大量机械变形反射时光学和电学性能下降。根据电流-电压特性(IV),在皮肤收缩或皮肤拉伸运动期间电流水平不变,并且在有源矩阵显示操作期间导通状态也没有波动。尽管器件的稳定性仍在开发中,但该团队的目标是进行进一步的工程设计,以改进MoS 2膜的实用性,使其成为可穿戴的全色AMOLED显示器。
基于MoS2背板电路的可穿戴全色AMOLED显示器。(A)在“全开”状态下全彩色有源矩阵显示器的数字照片;(B)有源矩阵显示器的动态操作,其中使用外部电路分别控制门和数据信号;(C)超薄显示器在人手上的应用,其中显示器基于手的运动通过两种机械模式变形,即压缩模式(中心)和拉伸模式(右)。(D)在压缩(蓝色),平面(红色)和拉伸(绿色)模式下,VG值分别为4 V(关闭状态),6 V和9 V时单位像素电流与数据电压的关系图。在每个施加的栅极偏置(VG)下,在各种变形模式下,像素电流的变化都可以忽略不计,可以使AMOLED在人手上稳定运行。(E)在机械变形过程中人手上的超薄显示器的归一化状态电流变化。图片来源:延世大学崔敏佑。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.abb5898
这样,Minwoo Choi及其同事使用基于MoS 2的背板TFT 开发了具有18 x 18阵列的薄型(2英寸)可穿戴全色AMOLED 显示器。他们直接在双层MoS 2上构建晶体管阵列用MOCVD法生长的薄膜,观察到高的载流子迁移率和开/关比。该团队通过施加4至9伏之间的栅极电压来控制RGB OLED像素的发光。他们使用超薄塑料基板(PET)与2-D半导体材料相结合,直接制造OLED,以实现出色的电气,光学和机械性能。除了现有的常规和刚性有机材料外,还可以改进该实验系统,以集成到可穿戴和电子设备中。
 

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