【尖端科技】3D列印LED

■3D列印無疑是近年來最夯的科技之一,現在竟然連LED都可以印的出來?

“3D Printed Quantum Dot Light-Emitting Diodes” Nano Letters201414 (12), 7017-7023.
“3D Printed Quantum Dot Light-Emitting Diodes” Nano Letters201414 (12), 7017-7023.

撰文|方程毅

一直以來研究積體電路或光學平台的人都不斷在思考一個問題:如何將晶片越做越小。現今主流的晶片都是將不同的元件製作在二維的平面上,但二維平面總是有面積的限制,無論半導體製程怎麼進步,終究有其物理極限,因此將元件以三維的方式堆疊就成了近年來的顯學。但要把元件以三維方式堆疊起來的困難度遠比在二維平面上製作晶片高。來自普林斯頓大學機械與航太工程學系(Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Princeton University)Michael McAlpine教授的實驗室便利用3D列印的方式寫出2*2*2的LED陣列,這是人類第一次用3D列印做出三維LED陣列。

Michael McAlpine教授使用的是硒化鎘/硫化鋅量子點發光二極體(CdSe/ZnS quantum dots LEDs),並利用高分子材料poly-TPD及PEDOT:PSS作為電洞傳導層跟透明電極,量子點發光二極體(QD-LED)也被視為是OLED之後下一代新的顯示器發光元件。量子點發光二極體跟我們一般印象中的LED不太一樣,一般的LED是用固態半導體材料作為發光層及透明電極,例如氮化鎵(GaN)作為發光層、氧化銦錫(ITO)玻璃作為透明電極,這種LED主要都是固態的半導體製程,也就是說層與層之間不會互相混合。但是這項研究中量子點發光二極體使用的材料及薄膜都必須要使用液體製程,也就是說層與層之間有可能互溶在一起,且液體製程也比較難控制要製作的形狀或是LED陣列的排列位置。Michael McAlpine教授成功克服這項難題,利用自製的3D列印機製作出三維2*2*2的量子點發光二極體陣列,每一個LED都是五層材料構成(銀奈米粒子/PEDOT:PSS/poly-TPD/硒化鎘硫化鋅量子點/共晶銦鎵),讓這五層材料不互溶並準確3D列印到事先定義好的位置上便是這項研究的獨特之處,這項研究也被發表在知名期刊《Nano Letters》上。

用這種3D列印的技術不僅可以將量子點發光二極體陣列製作在一般平面基板上,更可以製作在曲面基板,例如隱形眼鏡上。主要負責這項計畫的研究生Yong Lin Kong在接受知名網站《Nanowerk》訪問時便表示:「利用這種3D列印技術我們製作出2*2*2 LED陣列,透過垂直及水平書寫定義圖形可以製造出各種顏色的LED陣列。」「我們也透過3D掃描仔細記錄隱形眼鏡的表面形貌,並調整我們3D列印技術使LED陣列可以被列印在隱形眼鏡這種具曲度的表面上。」不僅如此,Michael McAlpine教授的實驗室也將量子點發光二極體陣3D列印到其他特殊基板上,例如紙、丁腈手套或是護目鏡等等。

Yong Lin Kong同時也表示:「這項研究成果是一個令人興奮的重大突破,因為我們可以將主動式奈米電子元件3D列印出來,而不需要借助其他製程設備。」「據我們所知,這也是第一次有人可以3D列印半導體奈米粒子。」

這種3D列印主動式電子元件的技術在未來也有機會運用在穿戴裝置、仿生裝置等等。

原始論文及圖片出處:
Yong Lin Kong, Ian A. Tamargo, Hyoungsoo Kim, Blake N. Johnson, Maneesh K. Gupta, Tae-WookKoh, Huai-An Chin, Daniel A. Steingart, Barry P. Rand, and Michael C. McAlpine, “3D Printed Quantum Dot Light-Emitting Diodes” Nano Letters201414 (12), 7017-7023.

其他參考資料:
1.Fully 3D-printed quantum dot LEDs
2.First 3D LED printer could print heads-up-display contact lenses

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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