贴在皮肤上的LED屏幕技术分析

一位独居在一个小山村里的老妇人吃完午饭后正在休息。 她手背上贴着一块方形薄橡胶片。它就像膏药一样，可以随着手指的动作伸展和弯曲。•当她伸手去拿茶杯时，手背上的方形贴片亮起了一条信息：“服用降压药。”她微笑着，回忆起她过去是如何想尽办法记得吃药的，即使智能手机已经向她发送这样的提醒，她依然时常忘记。不过现在，多亏了她手上名片大小的贴片，她一剂药都没漏掉。真的，她在屏幕上看到，她的血压值已经在一个健康的范围内了。•未来几年，轻薄、明亮、防水、无需粘合剂就可以贴在皮肤上的屏幕将开始出现。除了老年人外，运动员、旅行者、时髦人士和早期采用者的手上和胳膊上也会出现它们的身影。它们将低调地更新跑步者和骑行者的心率和水分需求、紫外线照射情况，甚至显示前方的路线地图。它们将用于在朋友和爱人之间传递秘密信息。毫无疑问，时尚潮人将用它在派对和节日里互相传递信息和重要数据。这种屏幕甚至还可以用于与观看者分享情感，表示你的兴趣、焦虑、兴奋，以及是否有空。在不同环境下，它可能会增进友谊、加深交流，或创造极好的独处时光。 对于老年人或体弱者，这些屏幕可以显示心电图波形，收集安放在身体其他部位的无线电极数据。还可以提醒那些听力不好的人有来电或有人在敲门。 这些轻薄、灵活的柔性屏幕的放置位置并不局限于皮肤；它们同样可轻松应用于衣服和其他物体的曲面上。它们的颜色、亮度或图案可能会随着你的活动或对周围世界的反应而改变。 随着能够扭曲、弯曲和拉伸的轻薄柔性电路的出现，人们可以将半导体电路贴在皮肤上，将其包裹在手、胳膊、小腿或躯干的曲面上。第一代这种柔性可穿戴设备是医院等用来测量生命体征的传感器。运动饮料公司佳得乐今年早些时候发布了一款柔性汗液监测贴片。 不过要从这些传感器中获得有用信息，用户仍然需要拿出智能手机或查询附近的电脑。智能手表的目的是减少获取这些信息的繁琐性，但不少人觉得它们比较笨重，而且屏幕小，不方便阅读。 长久以来，显示屏一直是可穿戴设备发展道路上的一块洼地，许多研究人员一直在努力填平这块洼地，包括我在东京大学工程学院有机晶体管实验室的研究小组。传统的显示技术很难做到具有柔性。虽然可卷曲电视和可折叠智能手机终于面世了，但它们确实很贵。而且，它们只能朝一个方向卷曲或折叠，不能扭曲或拉伸。 现在，真正明亮的柔性屏幕终于即将实现，随时可以为我们提供所需要的信息，而不再需要通过手机。我的团队已经开发并演示了几个版本的这种皮肤显示屏。大日本印刷株式会社正致力于将我们的皮肤显示技术推向市场，可能会在未来三年内实现。

并非所有类型的屏幕都可以拉伸。例如，在液晶屏中，光从后面的一组电极发出，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，使光可以通过偏振滤波器进入观看者的眼睛，或者被滤波器堵塞。拉伸液晶屏会改变液晶层的厚度，改变晶体的排列。 基于有机发光二极管（OLED）的屏幕没有这样的限制。这些OLED屏确实可以打印到轻薄的柔性基板上。今天的可卷曲屏就利用了这一性能。然而，到目前为止，可以向多个方向拉伸和弯曲的OLED屏还没有实现商业化，尽管据报道三星正在研发这种屏幕。我们在实验室里制作了一款低分辨率的OLED原型屏。不过，研究人员仍需要相当长的时间才能开发出一种既有柔性又经久耐用，还可以保护设备免受氧气和水汽伤害的材料。 所以我的团队主要研究无机发光二极管的微型LED显示屏。我们不是唯一采取这种方法的人。比如，西北大学的罗杰斯研究小组、荷兰微电子研究中心（Imec）和荷兰国家应用科学研究院（TNO）的一个团队以及芬兰国家技术研究中心（VTT）的研究人员也在研究将LED阵列用于柔性显示屏。 我们最近使用商用微型LED生产了我们的第二代全彩皮肤显示屏。在这些显示屏中，一个图像元素（像素）由一个1.5平方毫米的封装构成；每个封装都包含一颗红色、一颗绿色和一颗蓝色LED。因为这些器件是用标准的半导体制造技术制造的，所以单颗LED和及其封装都很坚硬。但是LED很小，我们把它们装在一块橡胶片上，用可伸缩的电线连接起来，造出一块柔性很强的显示屏。

这些微型LED封装以12×12阵列排列。未拉伸时，像素封装间距为2.5毫米，因此整块显示屏约为46平方毫米，厚度仅为2毫米。我们可以自由地弯曲和扭曲它，最大可拉伸到原始长度的130%，将像素之间的距离从2.5毫米扩大到3.25毫米。拉伸会在一定程度上扭曲图片，但文字仍然清晰易辨，而且已经证明这种显示屏能够抵抗穿戴和撕拉带来的磨损。

这种可拉伸显示屏的制作是从一个非常薄的塑料基板开始的。然后，我们使用丝网印刷来定义将像素连接成电路的接线，这种接线由银浆（一种含有银片的树脂）制造而成。在干燥的情况下，这种银浆是有弹性的，即使它发生膨胀和收缩也能导电。

印刷电路完成后，我们用标准的商用表面贴片机，将微型LED芯片焊接到塑料薄膜电路板上。然后将塑料薄膜层压到已在框架上预拉伸过的硅橡胶基底上。器件完成后便成为了一块多层薄片，包括LED封装、银线、薄塑料膜和硅基底，将它从框架中取出后，它就可以弯曲了。它以这种皱褶、收缩的形式应用于人类的皮肤。由于硅材料的天然特性，它无需粘合剂即可贴合皮肤。 这就是我们的显示屏：印刷银导线连接微型LED粘在预先拉伸的硅基底上。现在，我们把控制器、无线通信设备和电池等电子器件放在一个单独的硬包装中，通过导线与显示屏相连。为了进行测试，我们将柔性显示屏放在用户的手上，并将其他电子器件像手表一样绑在手腕上。显然，设备商业化之前，我们还需要缩小这些外部组件的尺寸，并将它们放入柔性封装中。这将带来一些挑战。

第一项挑战是如何在没有笨重电池的情况下，为显示屏供电一周或更长时间。研究人员正在努力改进可穿戴设备的电源。现已有可拉伸太阳能电池，其效率也已经达到12%以上，在室外每平方厘米可产生约10毫瓦的电能。但从它们身上获取足够的电力来驱动显示屏仍然是一项巨大的挑战，肯定会涉及开发用电量比现在少得多的显示屏控制器和无线通信设备。 同时，我们希望驱动更多像素。我们知道144像素的阵列可以用来显示文本，但这并不是最佳像素。目前，我们受到商用LED尺寸的限制。幸运的是，微型LED的用途不限于皮肤显示，制造商正在努力使它们的尺寸变得一年比一年更小。皮肤显示屏无疑将受益于这一发展。

我们还需要提高耐用性。目前，我们的显示屏在机械测试中可以承受1万次反复拉伸。但可以想象，对于许多应用来说，人们每天大部分时间都会佩戴我们的显示屏，而且日复一日。所以我们需要做得更好，比如承受100万次反复拉伸。我们是怎么得出那个数字的呢？一年有525 600分钟，想一下一个人的手伸展或弯曲的频率，你就知道皮肤显示屏必须有多耐用了。 然而，还需要权衡一下耐用性和皮肤对显示屏的承受程度。如果我们使用更硬、更耐用的材料，佩戴显示屏后就不那么舒适了。我们需要做更多的研究，找到耐用性和舒适性之间的最佳点。 当然，解决许多可穿戴设备共同面临的广泛问题，如道德、隐私和医疗器械特有的法规，对于皮肤显示屏的未来也非常重要，尤其是显示生物信息的皮肤显示屏。 基于目前所取得的进展，我们相信自己的工作不会因为任何一项困难而止步。相反，我们期望在不久的将来解决其中许多挑战。

如果没有令人关注的数据传达佩戴者，皮肤显示屏也没有太多的用途。为了收集这些数据，我们求助于贴合皮肤的传感器，检测来自心脏、大脑、皮肤、肌肉和其他器官的信号。 这些传感器的关键部分是电极。为了制造柔性电极，一开始我们用一种水溶性聚乙烯醇（一种常用于粘合剂和隐形眼镜的物质）制成的纳米纤维网。然后我们用气相沉积法给这个纳米纤维网增加了一个70到100纳米厚的金导电层。为了将电极贴到人的皮肤上，我们将先放好它，然后向传感器喷点水。水溶解了一些纳米纤维，变得有粘性。这样电极很容易粘附在皮肤上，贴合在汗腺孔或指纹脊线一样小的曲线表面。即使它被拉伸到其长度的130%（这大约是指关节弯曲时皮肤的拉伸程度），也能工作。

由于水汽能通过纳米网，所以这些传感器是低敏感型的，在皮肤上连续佩戴一周也不会感到不适。使用者常常会忘记自己还戴着它们。可穿戴电极并不是一项全新的技术；可穿戴式心电图监护仪已经面向运动员推出了一段时间。但这些设备都很笨重，而且它们根本不透气，无法长期使用。 到目前为止，我们已经在肌电图记录仪上使用我们的弹性电极来监测的肌肉活动，它的性能和传统电极一样好。我们同样可以制造在胸部或头部的某个位置监测心脏或大脑活动的传感器。

当我们将贴合皮肤的传感器连接到显示屏时，我们可以创建一个连续的、易于访问的生物特征信息流。但是皮肤显示屏不仅可以应用于健康保健范畴。它可提高了信息的可访问性。当我们双手都很忙并且在移动中时，它们特别有用。比如，我们可以一边做饭一边看菜谱，而不担心要先把手擦干再拿智能手机。在家里或工厂查阅说明书时，也不用放下正在使用的工具。 在体育运动中的应用似乎更是无限的。我已经提到了跑步者和骑行者，这对于他们的好处是显而易见的。其他户外爱好者也会发现它的用途。比如跳伞爱好者、冲浪划艇爱好者和滑雪者，他们只要瞥一眼胳膊或手就能查看到头盔式运动摄像机的输出。垂钓者不用放下鱼竿，也不用冒着把智能手机掉到齐胸深的溪流里的风险，就能查看探鱼仪上的信息。 而且皮肤显示屏在受到撞击时会发生弯曲而不是断裂，在有身体接触的运动项目中也很有用。美国每年大约有十几名年轻的橄榄球运动员死于中暑或心脏病，这非常不幸。但在很多时候，这些情况都可以在致命之前被发现。 最后，我相信皮肤显示屏可以让人们到一种温柔、亲切、传播温暖的未来科技，而不仅仅是传递信息。 让我们回到之前描述的那位老妇人吧。晚饭后她正在客厅休息。她一个人住，没有人说话。只有电视里的声音打破这片寂静。然后她注意到贴在手背上的显示屏在闪烁着什么。是一颗心形图案，这来自她的一个孙子，他住在遥远的城市里。这只是一颗小红心，但她好像真的听到孙子的声音在说：“我爱你，奶奶！”她把另一只手放在显示屏上，久久地握着那颗心。这就是我对未来电子设备的期望——不仅能传输数据，还能传输情感。