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导读：3D打印电子结构件是增材制造应用的新兴领域之一，3D打印对这个行业的影响或许是深远的。尽管目前电子行业中3D打印的应用到多是快速原型制造，但也有少部分应用已经超越了简单的原型制造，走向了电子产品的实际生产当中。
2022年1月10日，南极熊获悉，明尼苏达大学双城分校（UMTC）的研究人员已经开发出一种完全3D打印的有机发光二极管（OLED）显示器，类似于那种商业电视和智能手机中的显示器。
这款灵活的64像素显示器使用定制的挤压式3D打印机制造，并配备了用于生产活性层的喷印插件，已经证明能够以低分辨率显示文字和表情符号。随着进一步的研发，该团队相信他们在实验室所生产的显示器可以作为OLED的低成本替代品，甚至在家里的桌面3D打印机上创造它们也会成为可能。
研究负责人Michael McAlpine说："OLED显示器通常在大型、昂贵、超洁净的制造设施中生产。我们想尝试是否可以把所有这些基本部件浓缩下来，在我们的桌面3D打印机上打印一个OLED显示屏，该打印机是定制的，成本与特斯拉Model S差不多。"
△UMTC团队的柔性全3D打印OLED显示屏。图片来自《科学进展》杂志。
研究人员的发现在他们题为“3D-printed flexible organiclight-emitting diode displays"的论文中得到了详细说明，该论文由苏瑞涛、SungHyun Park、Song Ih Ahn和MichaelC. McAlpine共同撰写。
规模化地创造更低成本的OLED
据UMTC团队称，OLED显示器的高对比度、高效率和机械柔韧度，使其成为传统液晶显示器（LCD）的一个有竞争力的替代品。为了在这一长串的优势中增加更多的可负担性和可扩展性，现在正投入大量的研究来设计通过3D打印生产它们的方法，但以前的努力面临着问题。
例如，挤压技术的进步越来越能够从共轭聚合物中创造出光电子器件，但维持其表面和金属底层之间的结点的稳定性已被证明具有挑战性。同样，UMTC的工程师们过去曾试图自己打印OLED，但发现其原型的发光层的不均匀性也同样存在问题。
为了绕过这些缺点，研究团队因此开发了一台定制的3D打印机，使用挤压法生产顶部阴极阵列，并使用喷头以更均匀的方式分配形成设备顶层的油墨，这使他们取得了比最初预期更多的进展。
"我以为我会得到一些东西，但也许不是一个可以充分工作的显示器，"研究报告的共同作者苏瑞涛兴奋地说，他是2020年的UNM毕业生和MIT的博士后研究人员。"但后来发现所有的像素都在工作，而且我可以显示我设计的文字。我的第一反应是'它是真的！' 我整晚都无法入睡"。
UMTC的全打印显示屏
该团队独特的OLED显示屏基本上由印在柔性PET薄膜上的六层组成，是由坐在硅胶绝缘层上的阴极、导电聚合物和底部的一组互连线构成。有趣的是，在生产过程中，研究人员发现，喷印设备的表面为其提供了可控的厚度，同时允许其层与层之间紧密地相互连接。
一旦准备就绪，工程师们测试了他们的原型，在一个8 x 8的网格中，阳极和阴极沿着相同的列和行相互连接，其每个像素都能完美运作。事实上，该团队说他们的设备表现出了非常令人印象深刻的像素响应时间，仅为0.2毫秒，这与LED处于同一数量级，比典型的LCD快一个。
此外，在测试过程中，苏表示他们团队发现显示器也可以被封装在其他材料中，使其具有重要的可穿戴电子设备潜力。苏解释说："该设备在2000次弯曲循环中表现出相对稳定的发射，这表明全3D打印的OLED有可能成为软电子和可穿戴设备中的重要应用。"
当用10毫安的电流扫描时，该团队确实注意到一些像素变化，但他们说这可以通过尽量减少其表面层厚度的任何偏差来减少。展望未来，UMTC的工作人员现在已经致力于开发更高分辨率、更高亮度的显示器，并且在未来，他们说他们的方法也可以应用于创建光伏或传感设备。
麦卡尔平补充说："我们的研究的亮点在于，所有的制造都是内置的，所以我们不是在谈论20年后的一些不切实际的设想。这是我们在实验室里实实在在创造出的东西，不难想象，在短短几年内，你可以自己在家里或在路上使用小型便携式打印机打印各种显示器。"
△在测试中，3D打印的显示器被证明能够通过超过2000次的弯曲周期保持稳定。图片来自《科学进展》杂志。
3D打印电子产品的进展
电子3D打印领域可能仍然处于相对早期的发展阶段，但已经有迹象表明其背后的技术开始向商业化迈出重要步伐。例如，该市场的早期领导者之一——Nano Dimension，一直在持续迭代其专有的电子3D打印技术，在去年年底推出了其新的DragonFly IV机器。
同样，nScrypt公司在2021年9月发布了其SmartPump微型点胶工具头，该工具头开启了用其机器在曲面上3D打印多轴电子设备的能力。当时，该公司通过将其商标直接3D打印到电脑鼠标上演示了该部件的功能，导致其首席执行官Ken Church将该插件的应用描述为 "改变游戏规则和几乎无限"。
最近，Optomec公司还降其具有保形打印能力的气溶胶喷射打印（AJP）机器应用于新的领域，一家财富50强企业被披露将使用这些机器来3D打印可穿戴电子设备。虽然客户的身份尚未披露，但据说这个不知名的制造商是一个老客户，他们的目标是部署这些机器，作为帮助他们 "向生产迈进"的一种手段。
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