LED新應(yīng)用場景之皮膚顯示屏

最近LED行業(yè)出現(xiàn)了一種新的應(yīng)用場景，那就是皮膚顯示屏。 ? ?

據(jù)介紹，這種顯示屏不需要粘合劑就能粘在皮膚上，它們不僅僅可以粘在老人們的手上和胳膊上，還可以戴在運動員、游客和時尚達人的身體上。這些屏幕不僅可以不動聲色地更新跑步運動員和自行車運動員的心率、飲水需求和紫外線暴露數(shù)據(jù)，它們還可以顯示前方路線的地圖；朋友和情侶之間可以用這塊屏幕來分享秘密；而時尚達人們則可以用這塊屏幕在派對和節(jié)日上互相傳遞信息和數(shù)據(jù)；甚至，這塊屏幕還可以檢測你的情緒變化，向?qū)Ψ奖砻髂闶欠駥@個話題感興趣，或者是感到焦慮、無聊、興奮。根據(jù)你的設(shè)置，這塊屏幕不僅可以幫助你和想要交往的人進行深度對話，還可以幫你遠離那些你不想理會的人。

皮膚顯示屏，它們可以隨著人的動作和環(huán)境的變化而延展、扭曲，卻并不會對內(nèi)容的顯示造成影響，繼曲面屏和折疊屏之后，將會引領(lǐng)可穿戴電子設(shè)備走入新的紀元。該產(chǎn)品不僅可以被粘在皮膚上，還可以被應(yīng)用在衣服和其他物體的曲面上。

不過，在通往市場化的路上，還面臨一些挑戰(zhàn)。

并不是所有的顯示屏都可以伸縮。比如，在液晶顯示屏中，光從一組電極后面發(fā)出，而電極之間有一層液晶，打開和關(guān)閉電流會改變液晶的方向，從而改變光的偏振，使光要么通過偏振光濾光片到達觀眾面前，要么被濾光片擋住，但拉伸液晶會改變液晶層的厚度，改變晶體的排列，所以液晶顯示屏不可伸縮。

基于有機發(fā)光二極管(OLEDs)的顯示器沒有這樣的限制。這些OLED顯示器可以被印在薄且可彎曲的基片上，現(xiàn)在大家使用的滾動顯示器就利用了這一功能。但到目前為止，可以向多個方向伸展和彎曲的OLED顯示器還沒有被商業(yè)化，不過也有報道稱三星正在研發(fā)一種OLED顯示器，而日本也研發(fā)出了一款低分辨率OLED顯示器原型。盡管如此，要研發(fā)出有彈性、持久耐用、且可以保護設(shè)備不受氧氣和水蒸氣影響的設(shè)備，研究人員們還有很長的路要走。

所以日本研究團隊一直在研究無機微型LED。但他們并不是唯一進行這項研究的團隊：西北大學(xué)的羅杰斯研究小組、來自荷蘭的Imec和TNO團隊、以及芬蘭VTT技術(shù)研究中心的研究人員也在研究如何使用LED陣列作為可伸縮顯示器的一部分。

將傳統(tǒng)的微型LED安裝在一塊橡膠板上，并用可拉伸的電線將它們連接起來，這樣的顯示器可以彎曲、扭曲和拉伸到原來長度的130%----DAI NIPPON印刷公司 圖片來源：IEEE

最近京東大學(xué)研發(fā)組生產(chǎn)了第二代全彩皮膚顯示器，使用的是商用的微型LED。在這些顯示器中，每1.5平方毫米的組件就組成一個像素，而每個LED包含1個紅色、1個綠色和1個藍色LED。由于這些組件是使用標準的半導(dǎo)體制造技術(shù)制造的，所以LED本身和圍繞它們的封裝都很硬。好在LED的體積很小，所以被安裝在橡膠片上時可以用可伸縮的電線把它們連接起來，這樣就可以實現(xiàn)顯示器的彎折和拉伸。

這些微型LED組件被排列成一個12 × 12的陣列。未拉伸時像素之間的間距為2.5毫米，因此整個顯示屏的面積約為46平方毫米(約1.8平方英寸)，而厚度僅為2毫米，可以被自由地扭曲，甚至被拉伸到原來長度的130%，將像素之間的距離從2.5毫米擴大到3.25毫米。雖然拉伸會使被顯示的內(nèi)容輕微變形，但文字仍然清晰可辨，而且這款顯示器已被證明可以抵抗拉伸帶來的磨損。

為了制作這種可伸縮顯示器，需要用到非常薄的塑料基板，并用絲網(wǎng)印刷技術(shù)來規(guī)劃連接像素到電路之間的線路，之后需要使用銀膏（一種含有銀薄片的樹脂）來完成這種布線。這種銀膏在干燥狀態(tài)下十分具有彈性，即使在膨脹和收縮時也能導(dǎo)電。

在打印出電路后，將微型LED芯片焊接到在商業(yè)上用于連接芯片和電路板的標準表面貼板上。然后，將塑料薄膜壓在已被預(yù)拉伸過的硅橡膠基板上，現(xiàn)在，這樣一個包含LED封裝、銀線、塑料薄膜和硅基板等多層薄片的設(shè)備就可以實現(xiàn)彎曲和拉伸。并且，多虧了有機硅材料的天然特性，這種設(shè)備可以不需要粘合劑就能以這種皺巴巴的、收縮的形式被涂抹在人的皮膚上。

在設(shè)備進行商業(yè)化之前，必須減少其他外部組件的尺寸，并想辦法對他們也進行柔性處理，這給柔性顯示器的研發(fā)帶來了許多其他的挑戰(zhàn)。

第一個挑戰(zhàn)就是如何在沒有笨重的電池的情況下使顯示器續(xù)航至少一周以上。研究人員正在努力改進可穿戴設(shè)備的電源，可伸縮太陽能電池也已經(jīng)存在，并且已經(jīng)達到了12%以上的轉(zhuǎn)化率，在戶外每平方厘米的接收板能產(chǎn)生約10毫瓦的電，不過這些電量遠遠不足以驅(qū)動顯示器，因此，供電依舊是一項巨大的挑戰(zhàn)，為了延長續(xù)航，研發(fā)人員還需要開發(fā)出耗電量遠低于現(xiàn)有顯示器的控制器和無線電系統(tǒng)。

與此同時，還需要驅(qū)動更多的像素。144個像素雖然足夠顯示文本，但效果并不是最佳的。幸運的是，微型LED的用途不僅僅局限于可延展顯示器的研發(fā)，因此制造商們每年都在努力縮小LED的尺寸，皮膚顯示器的研發(fā)無疑將受益于LED尺寸的進步。

還需要提高顯示器的耐用性。目前，京東大學(xué)研究組的顯示器可以在機械測試中承受一萬次的拉伸。但在很多皮膚顯示器的應(yīng)用場景中，人們需要每天都戴著顯示器，考慮到一年有525600分鐘，再考慮到一個人伸出或彎曲他的手的頻率，一萬次拉伸的耐用度遠遠不夠。因此，顯示器需要達到可承受一百萬次以上拉伸的程度。

然而，顯示器的耐用性和舒適度之間是相互矛盾的。當(dāng)我們使用更堅硬、更耐用的材料時，顯示器的舒適度必然會下降。因此需要進行更多的研究來平衡顯示器的耐用性和舒適度。

還有許多其他可穿戴設(shè)備普遍存在的問題，尤其是對于那些將要被用來顯示生物特征信息的顯示器而言，道德、隱私和醫(yī)療器械法規(guī)等問題十分重要。

但高雄染谷不認為這些困難會成為障礙，用不了多久這些挑戰(zhàn)會被逐個擊破。

皮膚顯示器的價值在于與佩戴者進行數(shù)據(jù)交流。為了收集這些數(shù)據(jù)，需要使用皮膚傳感器來檢測來自心臟、大腦、皮膚、肌肉和其他器官的信號。

電極是這些傳感器的關(guān)鍵。為了制造柔性電極，日本研發(fā)組從水溶性聚乙烯醇(一種常用在粘合劑和隱形眼鏡中的物質(zhì))制成的納米纖維網(wǎng)格開始，用氣相沉積法在這個網(wǎng)格上添加一個70到100納米厚的導(dǎo)電金層。為了將電極連接到人的皮膚上，需要將電極放置好，然后用水噴灑傳感器，這樣，當(dāng)水溶解了一些納米纖維后，它們便會具有粘性，使電極可以很輕易地粘附在皮膚上，并與毛孔和指紋紋路那么大的曲線表面保持一致，甚至在被拉伸到其長度的130%時也能正常工作。（在關(guān)節(jié)彎曲時，人的皮膚大概會被拉伸到130%。）

這種柔性電極從納米纖維網(wǎng)(上)開始，日本研究團隊在上面沉積了一層導(dǎo)電金(下)。在這里，研究人員用它來監(jiān)測肌肉活動；即使用彎曲的手指(中)拉伸，它仍然可以工作----東京大學(xué) 圖片來源：IEEE

由于納米網(wǎng)格可以容許水蒸氣的出入，因此，即使被連續(xù)戴在皮膚上一周，這些傳感器也不會造成任何不適，就好比人們會經(jīng)常忘記他們還戴著眼鏡。可穿戴電極其實并不是一個全新的技術(shù)，近幾年來一直有人在向運動員們推銷可穿戴式心電圖監(jiān)測器，但這些設(shè)備體積龐大，而且不透氣，所以根本不適合長期使用。

到目前為止，日本研發(fā)組已經(jīng)開始使用可伸縮電極來監(jiān)測肌肉活動以記錄肌電，這些伸縮電極的效果和傳統(tǒng)電極一樣優(yōu)秀，所以也可以制造其他類似的傳感器，比如從胸部或頭部的某個位置監(jiān)測心臟或大腦的活動。

當(dāng)傳感器連接到顯示器上時，就可以創(chuàng)建出連續(xù)的、易讀取的生物特征信息流。但皮膚顯示器的應(yīng)用范圍不僅僅局限于健康和醫(yī)療，它還提高了信息的易讀性，幫你解放雙手。

目前，日本研發(fā)團隊已經(jīng)開發(fā)并展示了幾種不同版本的皮膚顯示屏，而Dai Nippon也正努力地將皮膚顯示屏技術(shù)推向市場，并預(yù)計在未來三年內(nèi)實現(xiàn)初步市場化。

編輯：黃飛

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