可拉伸电子复合材料的制备及其在发光器件中的应用基础研究

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可拉伸电子器件是当前电子技术发展的重要方向,它超越了传统电子器件刚性的限制,可以在器件弯曲、扭转、拉伸等状态下依然保持正常的功能。得益于可拉伸电子器件具备类皮肤性质的变形能力,可拉伸电子器件在电子皮肤、软体机器人、生物医疗器械等众多领域都具有丰富的应用,弥补了传统刚性器件的不足。其中,可拉伸电致发光器件是可拉伸电子器件的重要组成部分,是可拉伸电子系统的信息输出窗口。在可拉伸发光器件中,基于ZnS:Cu的交流电致发光器件采用平行板电容器结构,即便电极与发光物质存在微观脱离也不影响器件的整体发光,具有天然的可靠性和耐用性。然而基于ZnS:Cu的可拉伸交流电致发光器件因为发光亮度低、驱动电压高、发光显示功能单调等因素限制了该类器件在可穿戴领域的应用。降低该类器件的驱动电压,完善器件的显示应用对可拉伸发光器件的发展具有非常重要的意义。本文从制备图案化的可拉伸透明电极和高介电弹性体出发,进一步开发出可拉伸发光显示器件的制备工艺,最终得到低压驱动的、可直接贴附于人体的可拉伸表皮显示器件。本文的主要研究工作如下:1.基于纳米银线的可拉伸透明电极制备及其丝网印刷图案化工艺研究。经过加热处理的基于热塑性弹性体的纳米银线电极具有双重后处理效应,一方面降低了纳米银线桥接处的电阻,另外一方面增加了基底和纳米银线之间的粘附性。进一步发展了一种反向丝网印刷纳米银线电极的图案化工艺。使用热塑性弹性体溶液丝印得到纳米银线保护层的方法有效降低了聚合物对纳米银线接触电阻的影响,通过这种工艺制备的纳米银线电极最大精度达到60μm,方阻为4Ω/sq时,透光率达到70%。2.基于陶瓷颗粒填充的弹性复合介电材料的制备与性能优化。针对当前可拉伸交流发光器件中广泛使用的硅橡胶体系介电常数较低的问题,探索了热塑性弹性体系的介电常数。其中,热塑性含氟弹性体本征介电常数超过10,远高于常用的硅橡胶介电常数。进一步通过填充高介电纳米钛酸钡颗粒提高复合材料的介电性能,将钛酸钡颗粒使用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)修饰后,钛酸钡颗粒具有更好的分散性和聚合物亲和性。所制备的高介电复合材料根据颗粒的填充体积比,介电常数达到11到65之间,并且具有优异力学性能。3.可拉伸发光器件的制备及介电材料对其发光特性的影响机制研究。使用前述研究的热塑性弹性体介电材料制备了可拉伸发光器件。介电越高的纯相热塑性弹性体制备的可拉伸器件发光亮度越高,其中使用介电最高的热塑性含氟弹性体制备的发光器件最高亮度超过1000cd/m~2。使用热塑性氟橡胶体系混合钛酸钡制备的两相复合材料制备的发光器件,随着扶着材料介电常数的增高发光亮度随着增加,在30%填充体积比时介电常数达到35,发光亮度最高。超过30%体积比后,由于填充颗粒进一步降低了发光层的透光率、增加了发光层介电损耗,发光亮度反而下降。进一步研究了30%钛酸钡填充体积比复合材料制备的发光器件的发光特性。当驱动电压频率为13kHz时,器件发光亮度达到峰值。首次实现该类器件在驱动电压35V时,发光亮度大于达到100cd/m~2,满足了可穿戴器件要求的安全性。4.可拉伸交流显示器件制备工艺的研究。结合热塑性弹性体在高温下发生软化的特性,发展了一种将不同功能层通过层层热压的方法快速封装得到可显示的可拉伸发光器件。使用上述工艺制备了蝴蝶形状发光器件能够在气动条件下稳定发光显示。同时制备了具有时钟显示能力可直接贴附在皮肤表面的表皮显示器件。结合热塑性弹性体的可溶液处理的特性,开发出了可层层丝网印刷的可拉伸交流器件低成本制备工艺。通过套印的方式可精准对位印刷不同种类的发光浆料,最终得到三色发光的可拉伸显示器件。所制备的多色器件在拉伸循环的过程可动态显示,展示该类器件在可穿戴显示实际应用中的巨大潜力。
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