新しい3DプリントフレキシブルOLEDディスプレイは、将来の低コストスクリーンの新たな可能性を切り開きます

はじめに: 電子構造部品の 3D プリントは、積層造形アプリケーションの新興分野の 1 つであり、この業界に対する 3D プリントの影響は広範囲に及ぶ可能性があります。エレクトロニクス業界における 3D プリンティングの現在の用途は主にラピッドプロトタイピングですが、少数の用途では単純なプロトタイピングを超えて、電子製品の実際の生産へと移行しています。
2022年1月10日、アンタークティックベアは、ミネソタ大学ツインシティ校（UMTC）の研究者が、市販のテレビやスマートフォンに搭載されているものと同様の、完全に3Dプリントされた有機発光ダイオード（OLED）ディスプレイを開発したことを知りました。
柔軟な 64 ピクセルディスプレイは、カスタム押し出し 3D プリンターを使用して製造され、アクティブ層を生成するためのジェット印刷インサートを備えており、低解像度でテキストや絵文字を表示できることが実証されています。研究チームは、さらに開発を進めれば、研究室で製造したディスプレイが OLED の低コストの代替品となり、自宅のデスクトップ 3D プリンターで作成することも可能になるかもしれないと考えています。
「OLEDディスプレイは通常、大規模で高価な超クリーンな製造施設で生産されます」と研究を率いたマイケル・マカルパイン氏は語る。「私たちは、これらの必須コンポーネントをすべて凝縮し、テスラモデルSとほぼ同じ価格の特注デスクトップ3DプリンターでOLEDディスプレイを印刷できるかどうかを調べたかったのです。」
△UMTCチームのフレキシブルな完全3DプリントOLEDディスプレイ。画像はScience Advances誌より。
研究者らの研究結果は、Ruitao Su、SungHyun Park、Song Ih Ahn、Michael C. McAlpine が共同執筆した「3D プリントされたフレキシブル有機発光ダイオードディスプレイ」と題された論文に詳しく記載されています。関連論文リンク: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abl8798
低コストのOLEDを大規模に製造
UMTC チームによれば、OLED ディスプレイは高コントラスト、高効率、機械的な柔軟性を備えているため、従来の液晶ディスプレイ (LCD) に代わる競争力のあるディスプレイとなります。この長い利点リストに手頃な価格と拡張性を加えるために、現在、3D プリントによる製造方法を考案するための多くの研究が行われていますが、これまでの取り組みでは問題に直面してきました。
たとえば、押し出し技術の進歩により、共役ポリマーから光電子デバイスを作成できるようになりましたが、その表面と金属の下層との間の接合部の安定性を維持することは困難であることが判明しています。同様に、UMTC のエンジニアは過去に独自の OLED を印刷しようとしましたが、そのプロトタイプでは発光層に同様の問題のある不均一性があることが分かりました。
そこで研究チームは、これらの欠点を回避するために、押し出し法を使用して上部のカソードアレイを製造し、プリントヘッドを使用してデバイスの最上層を形成するインクをより均一に分配するカスタム 3D プリンターを開発しました。これにより、当初の予想よりも大きな進歩を遂げることができました。
「何かはできるだろうと思っていたが、完全に機能するディスプレイではないかもしれない」と、2020年にニューメキシコ大学を卒業し、MITの博士研究員でもある研究共著者のルイタオ・スー氏は興奮気味に語った。「しかし、すべてのピクセルが機能していて、自分がデザインしたテキストを表示できることがわかったのです。私の最初の反応は『本物だ!』でした。一晩中眠れませんでした。」

UMTC の完全印刷ディスプレイ<br /> チームの独自の OLED ディスプレイは、基本的に、柔軟な PET フィルムに印刷された 6 つの層で構成されており、シリコンの絶縁層上の陰極、導電性ポリマー、および下部の相互接続部で構成されています。興味深いことに、研究者たちは製造工程中に、印刷装置の表面が層同士をしっかりと接続しながらも厚さを制御できることを発見しました。
準備が整うと、エンジニアたちはプロトタイプをテストし、8 x 8 グリッド内のすべてのピクセルが、同じ列と行に沿って互いに接続されたアノードとカソードで完璧に機能することを発見しました。実際、研究チームによれば、このデバイスはわずか 0.2 ミリ秒という非常に優れたピクセル応答時間を示しており、これは LED と同程度で、一般的な LCD よりも 1 ミリ秒速いとのことです。
さらに、テスト中に、チームはディスプレイを他の素材でカプセル化することもできることを発見し、ウェアラブル電子デバイスとして大きな可能性を秘めている、とスー氏は語った。「このデバイスは2,000回の曲げサイクルにわたって比較的安定した発光を示しており、完全に3DプリントされたOLEDがソフトエレクトロニクスやウェアラブルデバイスにおける重要な用途になる可能性があることを示唆している」とスー氏は説明した。
研究チームは、10ミリアンペアの電流でスキャンしたときにピクセルに多少のばらつきがあることに気付いたが、表面層の厚さの偏差を最小限に抑えることでこれを軽減できると述べている。将来を見据えて、UMTC のスタッフは現在、より高解像度で高輝度のディスプレイの開発に取り組んでおり、将来的には、このアプローチを太陽光発電デバイスやセンサーデバイスの作成にも応用できる可能性があると彼らは述べています。
マカルパイン氏はこう付け加えた。「私たちの研究の素晴らしいところは、すべての製造工程が組み込まれていることです。つまり、20年後の空想的なビジョンについて話しているわけではないのです。これは文字通り研究室で作り上げたもので、数年後には、自宅や外出先で小型のポータブルプリンターを使ってあらゆる種類のディスプレイを自分で印刷できるようになることは想像に難くありません。」
△テストでは、3D プリントされたディスプレイは 2,000 回以上の曲げサイクルを経ても安定した状態を保つことが証明されました。画像はScience Advances誌より。
3D プリントエレクトロニクスの進歩<br /> 電子機器の 3D プリントの分野はまだ開発の比較的初期段階にあるかもしれませんが、その背後にある技術が商業化に向けて大きな一歩を踏み出し始めている兆候はすでにあります。たとえば、この市場の初期リーダーの 1 つである Nano Dimension は、独自の電子機器 3D 印刷技術を継続的に改良し、昨年末に新しい DragonFly IV マシンを発売しました。
同様に、nScrypt は 2021 年 9 月に SmartPump マイクロディスペンシングツールヘッドをリリースしました。これにより、同社のマシンを使用して曲面に多軸電子機器を 3D プリントできるようになります。当時、同社はコンピューターのマウスに自社のロゴを直接3Dプリントすることでこの部品の機能を実証し、CEOのケン・チャーチ氏はこのプラグインの用途を「画期的で事実上無限」と表現した。
最近、オプトメック社は、コンフォーマル対応のエアロゾルジェット印刷（AJP）マシンを新たな用途にも導入し、フォーチュン50社がウェアラブル電子デバイスの3D印刷にこのマシンを使用していることが明らかになりました。顧客の身元は明らかにされていないが、名前が明かされていないこのメーカーは、自社の「生産開始」を支援する手段として機械を導入することを目指しているリピーター顧客であると言われている。

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