LED新应用场景之皮肤显示屏

最近LED行业出现了一种新的应用场景，那就是皮肤显示屏。    

据介绍，这种显示屏不需要粘合剂就能粘在皮肤上，它们不仅仅可以粘在老人们的手上和胳膊上，还可以戴在运动员、游客和时尚达人的身体上。这些屏幕不仅可以不动声色地更新跑步运动员和自行车运动员的心率、饮水需求和紫外线暴露数据，它们还可以显示前方路线的地图；朋友和情侣之间可以用这块屏幕来分享秘密；而时尚达人们则可以用这块屏幕在派对和节日上互相传递信息和数据；甚至，这块屏幕还可以检测你的情绪变化，向对方表明你是否对这个话题感兴趣，或者是感到焦虑、无聊、兴奋。根据你的设置，这块屏幕不仅可以帮助你和想要交往的人进行深度对话，还可以帮你远离那些你不想理会的人。

皮肤显示屏，它们可以随着人的动作和环境的变化而延展、扭曲，却并不会对内容的显示造成影响，继曲面屏和折叠屏之后，将会引领可穿戴电子设备走入新的纪元。该产品不仅可以被粘在皮肤上，还可以被应用在衣服和其他物体的曲面上。

不过，在通往市场化的路上，还面临一些挑战。

并不是所有的显示屏都可以伸缩。比如，在液晶显示屏中，光从一组电极后面发出，而电极之间有一层液晶，打开和关闭电流会改变液晶的方向，从而改变光的偏振，使光要么通过偏振光滤光片到达观众面前，要么被滤光片挡住，但拉伸液晶会改变液晶层的厚度，改变晶体的排列，所以液晶显示屏不可伸缩。

基于有机发光二极管(OLEDs)的显示器没有这样的限制。这些OLED显示器可以被印在薄且可弯曲的基片上，现在大家使用的滚动显示器就利用了这一功能。但到目前为止，可以向多个方向伸展和弯曲的OLED显示器还没有被商业化，不过也有报道称三星正在研发一种OLED显示器，而日本也研发出了一款低分辨率OLED显示器原型。尽管如此，要研发出有弹性、持久耐用、且可以保护设备不受氧气和水蒸气影响的设备，研究人员们还有很长的路要走。

所以日本研究团队一直在研究无机微型LED。但他们并不是唯一进行这项研究的团队：西北大学的罗杰斯研究小组、来自荷兰的Imec和TNO团队、以及芬兰VTT技术研究中心的研究人员也在研究如何使用LED阵列作为可伸缩显示器的一部分。

将传统的微型LED安装在一块橡胶板上，并用可拉伸的电线将它们连接起来，这样的显示器可以弯曲、扭曲和拉伸到原来长度的130%----DAI NIPPON印刷公司 图片来源：IEEE

最近京东大学研发组生产了第二代全彩皮肤显示器，使用的是商用的微型LED。在这些显示器中，每1.5平方毫米的组件就组成一个像素，而每个LED包含1个红色、1个绿色和1个蓝色LED。由于这些组件是使用标准的半导体制造技术制造的，所以LED本身和围绕它们的封装都很硬。好在LED的体积很小，所以被安装在橡胶片上时可以用可伸缩的电线把它们连接起来，这样就可以实现显示器的弯折和拉伸。

这些微型LED组件被排列成一个12 × 12的阵列。未拉伸时像素之间的间距为2.5毫米，因此整个显示屏的面积约为46平方毫米(约1.8平方英寸)，而厚度仅为2毫米，可以被自由地扭曲，甚至被拉伸到原来长度的130%，将像素之间的距离从2.5毫米扩大到3.25毫米。虽然拉伸会使被显示的内容轻微变形，但文字仍然清晰可辨，而且这款显示器已被证明可以抵抗拉伸带来的磨损。

为了制作这种可伸缩显示器，需要用到非常薄的塑料基板，并用丝网印刷技术来规划连接像素到电路之间的线路，之后需要使用银膏（一种含有银薄片的树脂）来完成这种布线。这种银膏在干燥状态下十分具有弹性，即使在膨胀和收缩时也能导电。

在打印出电路后，将微型LED芯片焊接到在商业上用于连接芯片和电路板的标准表面贴板上。然后，将塑料薄膜压在已被预拉伸过的硅橡胶基板上，现在，这样一个包含LED封装、银线、塑料薄膜和硅基板等多层薄片的设备就可以实现弯曲和拉伸。并且，多亏了有机硅材料的天然特性，这种设备可以不需要粘合剂就能以这种皱巴巴的、收缩的形式被涂抹在人的皮肤上。

在设备进行商业化之前，必须减少其他外部组件的尺寸，并想办法对他们也进行柔性处理，这给柔性显示器的研发带来了许多其他的挑战。

第一个挑战就是如何在没有笨重的电池的情况下使显示器续航至少一周以上。研究人员正在努力改进可穿戴设备的电源，可伸缩太阳能电池也已经存在，并且已经达到了12%以上的转化率，在户外每平方厘米的接收板能产生约10毫瓦的电，不过这些电量远远不足以驱动显示器，因此，供电依旧是一项巨大的挑战，为了延长续航，研发人员还需要开发出耗电量远低于现有显示器的控制器和无线电系统。

与此同时，还需要驱动更多的像素。144个像素虽然足够显示文本，但效果并不是最佳的。幸运的是，微型LED的用途不仅仅局限于可延展显示器的研发，因此制造商们每年都在努力缩小LED的尺寸，皮肤显示器的研发无疑将受益于LED尺寸的进步。

还需要提高显示器的耐用性。目前，京东大学研究组的显示器可以在机械测试中承受一万次的拉伸。但在很多皮肤显示器的应用场景中，人们需要每天都戴着显示器，考虑到一年有525600分钟，再考虑到一个人伸出或弯曲他的手的频率，一万次拉伸的耐用度远远不够。因此，显示器需要达到可承受一百万次以上拉伸的程度。

然而，显示器的耐用性和舒适度之间是相互矛盾的。当我们使用更坚硬、更耐用的材料时，显示器的舒适度必然会下降。因此需要进行更多的研究来平衡显示器的耐用性和舒适度。

还有许多其他可穿戴设备普遍存在的问题，尤其是对于那些将要被用来显示生物特征信息的显示器而言，道德、隐私和医疗器械法规等问题十分重要。

但高雄染谷不认为这些困难会成为障碍，用不了多久这些挑战会被逐个击破。

皮肤显示器的价值在于与佩戴者进行数据交流。为了收集这些数据，需要使用皮肤传感器来检测来自心脏、大脑、皮肤、肌肉和其他器官的信号。

电极是这些传感器的关键。为了制造柔性电极，日本研发组从水溶性聚乙烯醇(一种常用在粘合剂和隐形眼镜中的物质)制成的纳米纤维网格开始，用气相沉积法在这个网格上添加一个70到100纳米厚的导电金层。为了将电极连接到人的皮肤上，需要将电极放置好，然后用水喷洒传感器，这样，当水溶解了一些纳米纤维后，它们便会具有粘性，使电极可以很轻易地粘附在皮肤上，并与毛孔和指纹纹路那么大的曲线表面保持一致，甚至在被拉伸到其长度的130%时也能正常工作。（在关节弯曲时，人的皮肤大概会被拉伸到130%。）

这种柔性电极从纳米纤维网(上)开始，日本研究团队在上面沉积了一层导电金(下)。在这里，研究人员用它来监测肌肉活动；即使用弯曲的手指(中)拉伸，它仍然可以工作----东京大学 图片来源：IEEE

由于纳米网格可以容许水蒸气的出入，因此，即使被连续戴在皮肤上一周，这些传感器也不会造成任何不适，就好比人们会经常忘记他们还戴着眼镜。可穿戴电极其实并不是一个全新的技术，近几年来一直有人在向运动员们推销可穿戴式心电图监测器，但这些设备体积庞大，而且不透气，所以根本不适合长期使用。

到目前为止，日本研发组已经开始使用可伸缩电极来监测肌肉活动以记录肌电，这些伸缩电极的效果和传统电极一样优秀，所以也可以制造其他类似的传感器，比如从胸部或头部的某个位置监测心脏或大脑的活动。

当传感器连接到显示器上时，就可以创建出连续的、易读取的生物特征信息流。但皮肤显示器的应用范围不仅仅局限于健康和医疗，它还提高了信息的易读性，帮你解放双手。

目前，日本研发团队已经开发并展示了几种不同版本的皮肤显示屏，而Dai Nippon也正努力地将皮肤显示屏技术推向市场，并预计在未来三年内实现初步市场化。

编辑：黄飞