韩国延世大学: 开发可用于皮肤的有机发光二极管显示器

全彩色AMOLED显示器，及其基于大面积MoS2的底板。(A)如图所示，将基于高性能MoS2的底板置于4英寸载玻片基板上, 并把Al2O3覆盖层应用到载玻片基板上的MoS2薄膜以实现氮掺杂效应（左上），将有源矩阵全彩色显示器应用于超薄聚合物基板（右上），并在人手上测试大面积全彩色显示器（右下）。(B) 有源矩阵全彩色像素阵列与MoS2晶体管集成方案，每个像素通过栅极、数据和阴极互连器连接起来，用于线路寻址控制。(C) 4英寸载玻片基板上有源矩阵显示器的数码照片，此处插图为启动时的全彩色显示器。(D) 超薄聚合物基板上大面积全彩色显示器的数码照片，展示了超薄材料低弯曲刚度所导致的柔性机械性能。图片来源:

Minwoo Choi，延世大学。

针对可用以监测人体健康和充当医疗机器人的可折叠或可穿戴显示器，电子应用发展的形式日新月异。优化此类设备依靠有机发光二极管（OLEDs）实现。然而，受限于其传统电子元件的形式，开发出具有高机械柔性的半导体材料仍然是项挑战。据《科学·进展》的一项新报道，崔敏宇和大韩民国电子工程和材料科学的科学家团队开发出一种可穿戴的全彩色OLED显示器，该显示器使用基于二维（2-D）材料的背板晶体管。他们在二硫化钼(MoS2)薄膜上设计了一个18×18薄膜晶体管阵列，并将MoS2膜转移到氧化铝（Al2O3）/聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）表面。崔等人随后在设备表面放置红色、绿色和蓝色的OLED像素点，并观察到二维材料具有出色的力学和电学性能。表面可以驱动电路以控制OLED像素，从而实现超薄的可穿戴设备。

科学家和工程师必须在可穿戴电子设备领域进行广泛研究，以开发出聚焦于柔性设备和超薄基板的智能电子系统。这种材料的固有局限性促使人们在薄膜晶体管（TFTs）和性能相对较高的逻辑电路中使用替代性半导体材料（例如MoS2）。这些材料被称为过渡金属硫化物，它们为可穿戴电子设备的背板电路提供特有的电学、光学和力学性能。近期，研究人员开发出具有复杂红、绿、蓝（RGB）颜色的MoS2晶体管，这是实用显示器的基本及本质要求。在这项工作中，崔等人开发出一种大面积MoS2 TFT阵列，可在2英寸RGB OLED中操作324个像素，其中全彩色显示器显示了有源矩阵配置。RGB OLED由不同的光电特性制成，因此研究团队设计了背板TFTs来控制每个彩色像素。该实验装置有望作为一种可穿戴显示器，在人体皮肤上稳定运行，且无不良反应。目前，该团队采用了异质材料设计，以形成光电器件。

大面积有源矩阵OLED(AMOLED)显示器

该团队通过一系列过程设计出带有MoS2背板的大面积有源矩阵OLED(AMOLED)显示器。他们首先在MoS2薄膜上生成一个薄膜晶体管(TFT)阵列，然后将RGB OLED放置在TFT漏极上，并将显示器从载体上剥离转移到人手(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SiO2 /Si晶片上合成MoS2双层膜。然后，他们用原子层沉积法在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基板上涂氧化铝，并将MoS2薄膜从SiO2/Si晶片转移PET基板上，以产生带有驱动背板配置的MoS2晶体管阵列。最终得到的结构是独特的，并用氧化铝封装以改善金属接触和载流子迁移率。全彩色AMOLED显示器统一控制RGB OLED像素，其中每个像素都与一项数据和一条扫描线连接，并且整个显示电路均采用有源矩阵设计。崔等人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。随后，他们可以将超薄显示器从载玻片基板转变为曲面，且不会降低设备质量。

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漏极特性，从而说明漏极电流(I DS)与偏置电压(VDS和VGS)之间的关系。MOCVD合成的MoS2薄膜所具有的一致性可实现高度统一的稳定显示应用。所有样本的器件特性均保持一致，允许单个像素在全彩色AMOLED中运行，且效率并为降低。该团队测量了蓝色、绿色和红色OLED在460、530和650nm处的最大发光强度。

在连续+10伏栅极脉冲偏压下，尽管响应时间受到测量系统限制，OLED呈现在开关状态间快速转换，延迟时间很短。关闭状态下，不会发生栅极调制，像素状态保持稳定，为TFT提供了有效的防漏操作。通电状态下，像素电流也会随着栅极偏压(VG)的增加而显著增加，穿过RGB OLED达到5伏的阈值电压。

MoS2晶体管和RGB OLEDs的集成单像素特性。（A）如图所示，RGB单元像素与MoS2晶体管串联集成的有源矩阵配置。（B）固定数据偏压为4V（红色）和10V（蓝色）时，使用−10和10V的栅极偏压控制像素开关特性。（C）RGB OLEDs在4-9V栅偏压范围内亮度变化的数码照片，其中每个OLED的亮度稳定，并由MoS2晶体管的栅极信号控制。（D到F）像素电流（左y轴）和亮度（右y轴）构成栅极信号函数。图片来源：Sa-Rang Bae，高丽大学。

概念验证—可穿戴电子设备

该团队确认了使用晶体管时的各个RGB像素的性能，并将18 x 18阵列(324个像素)集成到晶体管底板电路的数据线和栅极线上，从而形成了全彩色AMOLED显示器。他们通过矩阵线控制每个像素，使每个像素在OLED显示器中发光一致。由于对栅极和数据信号控制稳定，RGB OLED像素亮度一致。崔等人通过外部驱动电路依次驱动RGB像素阵列，所配置的外部驱动电路为代表字符“ R”，“ G”和“B”的商用带状像素结构。、超薄设备的低刚度可防止将其转移到人手后，产生实质性的机械变形反射过程中，光学和电学性能的破坏。基于电流-电压特性(I-V)，在皮肤收缩或皮肤拉伸运动中，电流水平不变，有源矩阵显示操作期间，通电状态也没有波动。尽管设备的稳定性仍处于开发之中，但该团队的目标是进一步推进工程设计，以完善MoS2膜的实际应用，使其成为可穿戴的全彩色AMOLED显示器。

基于MoS2背板电路的可穿戴全彩色AMOLED显示器。全彩色有源矩阵显示器在（A）“全开”状态下的数码照片；（B）有源矩阵显示器的动态操作，其中栅极和数据信号通过外部电路单独控制；以及（C）超薄显示器应用于人手上，其中，显示器通过两种基于手部运动的机械模式发生变形，即压缩模式（中间）和拉伸模式（右侧）。（D） 在压缩（蓝色）、水平（红色）和拉伸（绿色）模式下，单元像素电流与VG值为4V（关闭状态）、6V和9V的数据电压函数图。每个应用的栅偏压（VG）下，可以观察到不同变形模式下像素电流的微小变化，这使得AMOLED能在人手上稳定运行。（E）超薄显示器在机械变形过程中通电状态电流变化。图片来源：Minwoo Choi，延世大学。

通过这种方式，崔敏宇及其同事使用基于MoS2的背板TFTs 开发出具有18×18阵列的轻薄(2英寸)可穿戴全彩色AMOLED 显示器。他们直接在用MOCVD法生成的双层MoS2薄膜上构建晶体管阵列，观察到高载流子迁移率和开/关比。该团队通过施加4~9伏间的栅极电压来控制RGB OLED像素的发光情况。他们把超薄塑料基板(PET)与2-D半导体材料结合，直接制造OLEDs，以实现出色的电学、光学和力学性能。除开现有的常规和刚性有机材料，该实验系统将能被进一步完善并集成到可穿戴电子设备中。

撰文：塔玛拉西•吉万达拉（Thamarasee Jeewandara）

翻译：李雅婷

审校：董子晨曦

引进来源：美国物理学家组织网

引进链接：https://phys.org/news/2020-07-active-matrix-light-emitting-diode-human-skin.html