斯坦福:未来的RGB LED可以贴在你的皮肤上

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智能手机、电脑是当前最常见的计算界面,而AR/VR则是人们眼中未来的穿戴式界面。那么,如果未来这些技术可以得到轻量化设计,显示技术又会如何演变?

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近期,斯坦福一组科研人员研发的超清薄、柔性RGB LED技术,似乎让我们看到了显示技术的未来:将UI融入皮肤。据悉,这项研究的团队的负责人是柔性电子领域的专家、斯坦福大学化学工程学院院长鲍哲南,多年来的研究领域包括:功能性有机和高分子材料合成、有机电子的设计和制造,以及有机电子的应用开发。而近几年,该实验室曾多次探索触觉感知的电子皮肤等技术。

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该团队近期公布的研究成果名为APLED,是一种纯聚合物材质的柔性LED显示模组,特点是材质轻薄、可伸缩、高弹性、耐用性好、而且最高可达7450 cd/m2(最大亮度至少是手机两倍),最大变形量可以达到100%。

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从公布的视频来看,即使用细棍缓慢戳、或是拉扯至原来的两倍长,它仍然不会撕裂,可以回弹并正常运行。另外,由于其材质足够轻薄、柔软,该LED显示方案可以附着在皮肤上。

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在黑暗的环境中,该方案的亮度对比更加明显,看起来有点像高亮度的荧光。

据青亭网了解,此前电子皮肤的主要应用场景是在机器人领域,帮助机器人模仿人类皮肤的触觉。而在2020年的科技会议上,鲍哲南曾表示想将手机功能植入到衣服上、皮肤上,打造智能的电子皮肤。

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此前,鲍哲南和团队已经发明了一种弹性的发光聚合物,而APLED则是在此基础上加入高亮度的LED显示效果,由此来看将屏幕贴在皮肤上即将成为现实。

将电子屏幕附着在皮肤上的好处是,比手机更加便携、方便,就像是游戏中主人公在手背上查看虚拟菜单那样神奇。此外,APLED屏幕似乎比传统硬性手机屏幕更耐用,可拉伸100次,不需要担心碎屏等问题。

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相比之下,智能手机等移动设备的屏幕通常是硬性的,缺点是脆弱、成本高、亮度有限。

APLED论文高级作者鲍哲南表示:弹性显示屏将提供一种全新的人机交互方式,未来基于APLED方案的显示屏可对用户的动作产生变化。

启发性的发现

这项研究历经三年时间,科研人员近期在《自然》期刊上发布了相关论文,详细解释并验证了APLED方案的原理。

大多数发光聚合物不具备高弹性,在拉扯后容易破裂。为了增加发光聚合物的灵活性,科研人员可尝试添加橡胶等弹性绝缘材料。然而,绝缘添加材料容易降低导电性,因此耗电量高、且不够亮。

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而三年前左右,APLED的第一作者Zhitao Zhang发现,将名为SuperYellow的黄色发光聚合物与一种弹性塑料料聚氨酯混合后,会制成一种柔软、有韧性的材质,同时亮度也更高。

Zhang表示:添加聚氨酯后,SuperYellow将形成像渔网一样的纳米结构,正是这种纳米结构,为脆弱的聚合物带来可拉伸特性,并使它发出更亮的光(不会抑制电流)。

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聚氨酯的引入不仅可以有效提高高分子发光材料的拉伸性能,还可以有效降低其内部电子陷阱密度,从而大大提高发光材料的电学和光学性能。

除了黄色发光聚合物,科研人员还研发了红色、绿色和蓝色的弹性发光聚合物,通过叠加可支持RGB显示。

通过尝试各种材质,科研人员成功为APLED设计了七层结构,其中外面两层是封装功能的基板,另外还有两个电机层,接着是电荷传输层,而发光层则夹在最中间。

显示原理

细节方面,APLED采用聚合物材质,这种材质的类似于灯泡中的灯丝。其显示原理是,用两个电极分别向发光层注入正、负电荷,两种电荷相遇并结合后,会进入能量激发状态,然后产生光子。

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得到的全聚合物薄膜可以粘附在手臂或手指上,并且在弯曲或弯曲过程中不会撕裂。 这将允许可穿戴追踪器将其显示器直接连接到皮肤上。

应用场景方面,鲍哲南认为APLED技术可用于制作交互式柔性屏幕,或是形成立体地图景观。她指出,如果柔性显示器可以让你看到或感受到3D物体,那将会带来一种全新的远程互动方式。

发光二极管的难题

现有高分子材料种类繁多,但受限于其自身的电学、光学和力学性能,难以满足构建高亮度可伸缩发光器件的应用需求。

大多数共轭高分子材料都比较刚硬,即使受到25%以下的应变/变形也会出现较大的裂纹,导致材料内部电子性能显著下降;其次,共轭高分子发光材料通常表现出很强的电荷俘获效应,会严重降低材料内部的电子电流密度,导致非辐射复合;第三,现有的可拉伸聚合物电极导电率低,不能满足高亮度发光器件的制备要求。

因此,研究团队要想实现高亮度可拉伸全聚合物发光二极管,首先需要设计并获得高性能的高分子材料,然后再优化发光器件的结构。

另外,由于该设备需要较低的驱动电压,因此可以无线供电,大大扩展了其应用范围。而且在监测人的心率时,发光二极管可以同步显示脉搏信号,实时显示心率。参考:Naturemin.news斯坦福

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