隨著柔性電子技術的發展，具有可拉伸機械特徵的新型電致發光（EL）顯示器件，因其在智慧可穿戴裝置、人機互動介面等領域的廣闊應用前景，受到了學術界與產業界的廣泛關注。作為此類器件的核心元件，透明電極的效能直接決定了器件的整體表現。然而，當前技術面臨的核心挑戰在於缺乏能夠同時滿足高導電性、優異光學透明性以及極端機械變形穩定性的電極材料。傳統可拉伸透明電極（如銀奈米線、碳奈米管基電極）在大應變條件下易發生結構損傷，導致電阻顯著增加；而離子導體雖然具有出色的拉伸效能，但其電導率較電子導體低數個數量級，導致嚴重的歐姆損耗和器件發光不均勻等問題。因此，如何透過材料設計與結構最佳化，在導電性、透光性與可拉伸性之間實現協同平衡，構建高效能的可拉伸透明電極，已成為推動可拉伸顯示器技術突破的關鍵科學問題與技術瓶頸。
近日，南京大學陸延青教授和孔德聖教授團隊報道了一種基於液態金屬/離子導體複合結構的新型可拉伸透明電極。該電極在465 nm波長處透光率達到96.6%，方阻低至1.2 Ω/sq，同時展現出高達500%應變的單軸拉伸效能，顯示出突出的綜合效能。基於該電極構建的電致發光顯示器件，在大形變條件下仍能實現畫素的均勻發光，充分滿足了複雜資訊傳輸與互動的應用需求。相關研究成果以“Hybrid Liquid Metal/Ionic Nanocomposite Transparent Electrodes for Highly Stretchable Electroluminescent Matrix Displays” 為題，發表於材料科學領域權威期刊《 Advanced Functional Materials》。南京大學現代工程與應用科學學院博士生方婷為論文第一作者，孔德聖教授和陸延青教授為共同通訊作者。
顯示屏結構設計
畫素化的交流電致發光顯示器具有在三明治結構，研究團隊創新性地採用液態金屬薄膜作為反光電極，並結合液態金屬/離子導體複合透明電極作為上電極，中間嵌入ZnS/Cu熒光粉與彈性體的複合發光層。透過上下電極的正交排列，其交叉區域定義了每個畫素點。該畫素化顯示器的獨特之處在於全部採用本徵可延展材料，使其在彎曲、扭轉、拉伸等極端機械形變條件下仍能保持穩定工作，且未出現介面分層或結構損傷等問題。透過外接驅動控制器，能夠對該器件實現時序控制，精確顯示任意動態圖案顯示（包括字母、數字、圖形等）。
圖1. 可拉伸交流電致發光陣列顯示器的設計
複合透明電極
該複合透明電極採用創新的結構化設計，透過多種液體材料的最佳化組合，實現了在極端應變條件下的穩定效能。在製備工藝上，研究團隊利用銅與液態金屬之間的合金化反應，結合高速離心技術製備出厚度均勻且精確可控的液態金屬薄膜，並透過紅外鐳射燒蝕實現薄膜的圖案化加工。同時，以[EMIM]BF 4離子液體為基質，透過摻雜疏水二氧化矽奈米顆粒進行流變學調控，成功製備出兼具高透明性和可印刷性的複合流體材料。在設計方面，電極以網路狀液態金屬薄膜作為導電框架，並透過印刷離子流體油墨填充中心透光區域，形成獨特的複合結構。液態金屬與離子導體在介面處形成雙電層（EDL），在交流電壓驅動下可實現高效電荷傳輸。得益於這一獨特設計，電極中心發光區的透光率高達96.6%（在465 nm波長處），整體透光率達到81.6%。複合電極的方阻低至1.2 Ω/sq，相較純離子電極的5.3 kΩ/sq降低了近4個數量級，且在500%拉伸應變下方阻僅增加至2.2 Ω/sq。該研究展示了透過液體材料的結構設計，有效兼顧了透光率、方阻和拉伸性，為可拉伸電子器件的開發提供了創新的設計思路和技術路徑。
圖2. 液態金屬薄膜與離子導電凝膠的製備
圖3. 複合透明電極的設計與效能
器件效能
以離子導體為頂部透明電極時，由於離子導體較大的方阻，電流傳輸至遠端畫素時，會產生顯著的電壓降，光電顯示器件會出現發光不均勻的問題。在拉伸狀態下，離子導體電阻上升，進一步加劇了光強的不均勻。而採用複合透明電極為上電極，由於高導電性的液態金屬外框，光電器件的畫素亮度均勻性得到了顯著的提高（差異<10%），並且在400%拉伸下仍保持穩定發光。單畫素最大亮度達384 cd/m²（350 V驅動），能承受500%的應變，不發生脫層現象，並且經1000次拉伸-鬆弛迴圈後，仍然保有較高的光電效能，展現卓越耐久性。
圖4. 複合透明電極提高畫素顯示器件發光均勻性
圖5. 單個畫素點的光電與機械效能
畫素顯示屏與驅動
透過對上下電極的圖案化定製，可以實現畫素密度的靈活調控，製備不同畫素密度的顯示屏，且各個畫素間的發光強度均勻（差異化小於10%）。顯示屏的驅動電路由微控制器、高壓電源模組和串並轉換器組成，支援逐畫素定址控制，透過電壓差實現畫素點亮/暗狀態的切換。顯示屏外接控制器後，可以實現任意圖案切換顯示。柔性顯示屏可以完美貼合曲面物體，並能承受200%的極端形變，為曲面顯示、人機互動等場景提供了可靠的技術方案。
圖6. 可拉伸交流電致發光陣列顯示器
小結
該研究基於電子-離子混合導體的理念，成功解決了導電性（1.2 Ω/sq）、透光度（96.6%）與拉伸性（500%）之間的效能矛盾，提出了一種具有理想綜合效能的可拉伸透明電極設計，為下一代可拉伸光電器件的發展奠定了重要的材料基礎。未來，透過進一步最佳化液態金屬的圖案化精度，提升驅動電壓效率以及改善器件整合工藝，有望推動高解析度、低功耗柔性顯示器的實際應用。此項工作不僅拓展了液態金屬與離子導體在柔性電子領域的應用邊界，也為智慧顯示、人機互動等前沿領域的創新提供了新的技術路徑和研究思路。
原文連結：https://doi.org/10.1002/adfm.202417982
來源：高分子科學前沿
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