Инновации в прозрачных и гибких технологиях отображения для носимых устройств
Введение: новый рубеж технологии отображения
Рынок носимых устройств за последнее десятилетие пережил взрывной рост, обусловленный потребительским спросом на постоянное подключение, отслеживание здоровья и свободный от рук доступ к информации. Однако физический форм-фактор традиционных жестких дисплеев долгое время ограничивал то, как и где эти устройства можно носить. Прозрачные и гибкие технологии отображения нарушают эти границы, позволяя новому поколению носимых устройств, которые плавно смешиваются с одеждой, аксессуарами и даже самим человеческим телом. Эти инновации не просто постепенные улучшения; они представляют собой фундаментальный сдвиг в том, как мы представляем себе цифровые интерфейсы. Путем пропускания света через экран и позволяя дисплею изгибаться, катиться или складываться, эти технологии открывают приложения, которые когда-то были предметом научной фантастики.
В этой статье подробно исследуется текущее состояние и будущая траектория прозрачных и гибких дисплеев для носимых устройств. Мы рассмотрим основные материалы и инженерные прорывы, конкретные способы, которыми эти технологии трансформируют существующие продукты, и новые исследования, которые обещают сделать эти дисплеи более яркими, тонкими и энергоэффективными. Для более широкой перспективы эволюции технологии отображения Общество информационного отображения предлагает всеобъемлющие ресурсы по отраслевым тенденциям.
Прогресс в прозрачных дисплеях
Прозрачные дисплеи позволяют пользователю видеть как цифровой контент, отображаемый на экране, так и физический мир за ним. Эта возможность необходима для дисплеев с гарнитурой дополненной реальности (AR), интеллектуальных очков и интерактивных окон. Недавние прорывы позволили решить две давние проблемы: достичь высокой прозрачности, не жертвуя яркостью и контрастностью, и сделать весь стек дисплея, включая заднюю плоскость, электроды и сенсорные датчики, прозрачными.
OLED и MicroLED: основные технологии
Технология органических светоизлучающих диодов (OLED) была основным драйвером прозрачных дисплеев в носимых устройствах. В прозрачной OLED-панели на прозрачной подложке наносятся излучающие слои, а вместо отражающего металла используется прозрачный катод (часто изготовленный из оксида индия олова или ITO). Результатом является дисплей, который может достигать прозрачности до 40-50%, при этом пиковые световые пиксели излучают свет только при активации, оставляя остальную часть экрана прозрачной. Недавние достижения в структурах микрополосы и оптической настройки подтолкнули пиковую яркость к более чем 5000 кд/м2 при сохранении высоких коэффициентов контрастности выше 100 000:1.
Технология MicroLED становится сильным конкурентом. Используя микроскопические неорганические светодиоды, расположенные на прозрачной подложке, дисплеи microLED предлагают еще более высокую яркость (выполнимо более 10 000 кд/м2), более длительный срок службы и лучшую энергоэффективность, чем OLED. Такие компании, как X-Celeprint , разрабатывают процессы передачи, которые размещают микросветодиоды на прозрачных пленках с высокой точностью. Задача поддержания прозрачности при упаковке миллионов крошечных светодиодов решается с помощью новых пиксельных конструкций, которые перемежают пустые или прозрачные области между светодиодными кластерами.
Наноструктурированные материалы и управление светом
Помимо излучающего слоя, в поддерживающих материалах произошли значительные инновации. Исследователи разработали наноструктурированные пленки, которые усиливают передачу света при блокировании нежелательных отражений. Например, нанопластовые массивы, созданные с помощью легированного алюминием оксида цинка или диоксида титана, могут уменьшить поверхностное блики до менее чем 0,5%, обеспечивая передачу более 95% видимого света. Эти пленки наносятся на переднюю и заднюю панели дисплея, резко улучшая читаемость при ярком солнечном свете.
Другим ключевым фактором является использование прозрачных проводников за пределами ITO. Серебряные нанопроводные сетки, графен и проводящие полимеры, такие как PEDOT:PSS, теперь служат гибкими прозрачными слоями электродов. Серебряные нанопроводные сети, в частности, предлагают сопротивление листа ниже 20 Ω / кв. с передачей выше 90%, что делает их идеальными для сенсорных экранов большой площади на носимых устройствах. Эти материалы также более устойчивы к растрескиванию, чем хрупкие ITO, важное свойство для гибких носимых устройств.
Интеграция с прозрачными сенсорами
Для того, чтобы носимый был по-настоящему интерактивным, сенсорный слой также должен быть прозрачным и гибким. Проектируемые емкостные сенсорные датчики, построенные на прозрачных проводящих пленках, стали стандартом. В недавней работе были введены архитектуры in-cell touch, где сенсорный датчик встроен в сам стек дисплея, уменьшая толщину и устраняя необходимость в отдельном стеке стекла. Эта интеграция особенно выгодна для умных очков и козырьков, где каждый миллиметр оптического пути влияет на восприятие глубины и ясности пользователя. В носимых устройствах, таких как North Focals умные очки (до их поворота), прозрачное касание внутри ячейки позволило пользователям взаимодействовать с AR-накладками, не мешая их просмотру.
Прогресс в области гибких технологий отображения
В то время как прозрачные дисплеи фокусируются на том, что вы видите, гибкие дисплеи меняют то, как вы носите устройство. Возможность изгибать, складывать или сворачивать дисплей позволяет носимым устройствам соответствовать человеческому телу, обертывать запястья или прикрепляться к одежде без жестких корпусов. За последние пять лет технология гибкого дисплея созрела от хрупких прототипов до коммерческих продуктов с впечатляющей долговечностью.
Гибкие субстраты: пластиковые, ультратонкие стекла и металлические фольги
Основой любого гибкого дисплея является его субстрат. Пластиковые субстраты, такие как полиимид (PI) и полиэтилентерефталат (PET), являются легкими, толерантными к изгибу и могут быть сделаны такими же тонкими, как 25 мкм. Однако пластмассы имеют более высокую проницаемость для кислорода и водяного пара, чем стекло, что требует надежных слоев инкапсуляции для защиты чувствительных OLED или жидкокристаллических слоев. Corning разработала сверхтонкое гибкое стекло толщиной всего 100 мкм, предлагая стеклянный барьер против влаги, все еще будучи изогнутым до радиуса около 5 мм. Для крупномасштабного производства рулона к рулону нержавеющая сталь или титановая фольга (тонкими, как 50 мкм) обеспечивают отличную термическую стабильность и механическую прочность, хотя они непрозрачны - приемлемы для определенных непрозрачных гибких дисплеев.
Складные и скользящие архитектуры дисплея
Первое поколение гибких носимых устройств, таких как LG G Flex и Samsung Galaxy Fit, использовало изогнутые дисплеи, которые постоянно изгибались в фиксированную форму. Сегодня индустрия перешла на действительно сворачиваемые и сворачиваемые экраны. В складном дисплее шарнирный механизм позволяет панели сгибаться как книга, с радиусом изгиба до 1 мм. Производители достигают этого, используя несколько нейтральных плоскостей — слоев в стеке, которые испытывают нулевое напряжение во время изгиба — равномерно распределять напряжение.
Передвижные дисплеи, как продемонстрировал LG Display в их прототипе, также адаптируются для носимых устройств. Наручное устройство может иметь дисплей, который выкатывает из компактного корпуса, чтобы показать больший экран, когда это необходимо. Ключевой технической проблемой является механическое напряжение на гибкой задней панели (часто из низкотемпературного поликристаллического кремния, LTPS) при перекатывании по плотным радиусам. Новые конструкции с использованием органических тонкопленочных транзисторов (OTFT), изготовленных при комнатной температуре на пластиковых подложках, предлагают улучшенную гибкость и более низкие затраты на обработку.
Инкапсуляция и повышение долговечности
Гибкие дисплеи, как известно, уязвимы к экологическому ущербу, потому что тонкопленочные барьеры необходимы для блокирования кислорода и водяного пара, оставаясь при этом изгибаемым. Передовые методы инкапсуляции теперь используют чередующиеся слои неорганических (например, Al2O3, SiNx) и органических пленок, осаждаемых с помощью атомного осаждения слоя (ALD) или плазменного химического осаждения пара (PECVD). Эти многослойные стеки, часто называемые «Барикс» покрытия, могут достигать скорости передачи водяного пара (WVTR) ниже 10-6 г/м2/день при общей толщине всего нескольких микрон. такие компании, как 3M и Vitex Systems , впервые внедрили эти решения инкапсуляции.
Механическая долговечность одинаково важна. Гибкие дисплеи должны выдерживать десятки тысяч циклов изгиба без деламинации или отказа пикселей. Исследователи ввели самозаживляющиеся полимерные слои, которые могут восстанавливать микротрещины в проводящих линиях во время или после изгиба. Кроме того, использование жидкокристаллических эластомеров, которые изменяют форму в ответ на электрические поля, может усиливать дисплей в точках с высоким напряжением.
Влияние на носимые устройства
Сближение прозрачности и гибкости позволяет создать новый класс носимых устройств, которые являются ненавязчивыми, универсальными и способными к более насыщенным взаимодействиям. Ниже мы рассмотрим конкретные области применения и то, как они трансформируются.
Умные очки и дополненная реальность
Прозрачные дисплеи являются краеугольным камнем носимых AR. Ранние модели, такие как Google Glass, использовали боковой проектор, который отражал изображения на призме, предлагая ограниченное поле зрения и заметную окклюзию. Сегодня такие компании, как Vuzix и North (до приобретения) приняли волноводную оптику в сочетании с прозрачными микроOLED-дисплеями. Волновой гид — прозрачная плита из стекла или пластика с дифракционными решетами — соединяет свет от крошечного микродисплея в глаз пользователя, производя плавающее изображение, которое появляется наложенным на реальный мир. Эти системы достигают углов поля зрения до 40 градусов и поддерживают полноцветные изображения с разрешением 720p.
Гибкая технология отображения дополняет AR, позволяя интегрировать всю оптическую систему в рамку очков. Гибкие печатные платы и сгибаемые OLED-микродисплеи позволяют электронике изгибаться вокруг храмов, делая очки почти обычными. Исследователи из Института Фраунгофера продемонстрировали гибкий AR-дисплей, который обертывается по периметру объектива, проецируя уведомления непосредственно с поверхности кадра.
Умные часы и фитнес-группы
Рынок умных часов получил огромную выгоду от гибких дисплеев. Apple Watch Series 6 и более поздние модели используют гибкую панель OLED, которая соответствует изогнутой стеклянной крышке, обеспечивая бесшовный интерфейс от края до края. Помимо формы экрана, гибкость позволяет часовой полосе включать сегменты дисплея. FlexBand концепция (демонстрированная несколькими производителями из Азии) использует непрерывный гибкий дисплей, который полностью обертывается вокруг запястья, показывая уведомления или показатели здоровья вдоль полосы. Это устраняет жесткую рамку и позволяет новые парадигмы взаимодействия, такие как сжатие или скручивание полосы для прокрутки.
С точки зрения мониторинга здоровья, гибкие дисплеи могут быть интегрированы с датчиками непосредственно на коже. Биосенсорные пластыри, такие как те, которые используются MC10 или L'Oréal's My Skin Track UV , теперь включают в себя небольшие гибкие OLED-дисплеи, которые показывают ультрафиолетовое воздействие в реальном времени, уровни гидратации или показания глюкозы без необходимости отдельного экрана. Эти устройства достаточно тонкие, чтобы прилипать к коже в течение нескольких дней без дискомфорта.
Умная одежда и текстильная интеграция
Возможно, наиболее футуристическое приложение — это интеграция гибких дисплеев в ткани. Такие компании, как Project Jacquard Google, уже встроили емкостные сенсорные датчики в деним и куртки. Добавление гибких дисплеев делает это еще более важным: электролюминесцентные пленки, сшитые на ткань, могут отображать шаблоны, сообщения или данные с подключенного смартфона. Исследователи из Media Lab MIT создали тканый дисплей с использованием проводящих нитей и микросветодиодов, которые можно стирать и складывать. Пока они еще находятся на стадии прототипа, эти разработки указывают на будущее, где сама одежда становится пользовательским интерфейсом, с прозрачными накладками, предлагающими информацию непосредственно на рукавах или воротниках.
Медицинская помощь и медицинские изделия
Прозрачные гибкие дисплеи предлагают уникальные преимущества в медицинских условиях. Прозрачные мониторы сердечного ритма или E-patches могут показывать жизненно важные признаки, не мешая клиницисту видеть кожу пациента, что имеет решающее значение для оценки раны или вставки IV. Гибкие дисплеи также могут быть ламинированы на повязки, чтобы показать графики лечения или прогресс заживления. Сочетание прозрачности и гибкости делает эти дисплеи подходящими для умных контактных линз , где крошечный прозрачный дисплей, встроенный в контактную линзу, может отображать текст или данные о здоровье непосредственно в поле зрения пользователя. Хотя все еще экспериментальное - Mojo Vision был лидером в этом пространстве - такие устройства требуют экстремальных уровней прозрачности, гибкости и биосовместимости.
Развлечения и игры
Носимые дисплеи для развлечений теперь выходят за рамки VR-гарнитур. Гибкие, прозрачные экраны могут быть интегрированы в козырьки или колпачки, чтобы обеспечить приватный просмотр без блокировки периферийного зрения. Для игр тактичные перчатки с обратной связью с гибкими дисплеями, накладывающими руку пользователя, могут создать действительно иммерсивную среду, где виртуальные объекты, по-видимому, покоятся на ладони. Низкая задержка и высокие частоты обновления современных OLED-гибких дисплеев (до 120 Гц) делают их пригодными для быстро меняющихся взаимодействий.
Проблемы и ограничения
Несмотря на впечатляющий прогресс, остаются некоторые препятствия, прежде чем прозрачные гибкие дисплеи станут повсеместными в носимых устройствах.
Яркость и потребление энергии
Прозрачные дисплеи по своей сути пропускают свет через панель, снижая эффективность излучающего слоя. Для достижения приемлемой яркости в наружных средах эти дисплеи требуют значительно большей мощности, чем обычные. В носимых устройствах с ограниченной емкостью батареи это критическое ограничение. Инновации в микрообъективах, которые перенаправляют свет вперед, и использование преобразователей цвета квантовой точки, которые улучшают чистоту цвета, могут помочь, но эффективность все еще отстает от непрозрачных дисплеев.
Затраты на урожайность и производство
Процессинг рулона для гибких дисплеев все еще созревает. Скорость дефектов для тонкопленочных транзисторов на пластиковых подложках выше, чем на стекле, что приводит к снижению выходов и более высоким затратам. Рынок прозрачных проводников также сталкивается с волатильностью предложения для индия, ключевого компонента ITO. Альтернативы, такие как серебряные нанопровода, являются многообещающими, но должны преодолеть проблемы с дымкой (рассеиванием света) и долгосрочной стабильностью.
Долговечность в реальном мире использования
В то время как лабораторные тесты показывают дисплеи, сохранившиеся на 200 000 изгибов, реальные условия вводят силы скручивания, растяжения и удара. Гибкие дисплеи все еще более восприимчивы к деламинации и гибели пикселей при изгибе под острыми углами. Прозрачные дисплеи также требуют твердых и гибких покрытий, которые являются одновременно твердыми и гибкими - сложная комбинация. Самоисцеляющие материалы и улучшенные клеи ламинирования являются активными областями исследований, но еще не являются стандартными в потребительских продуктах.
Будущие направления
В следующем десятилетии мы увидим сближение нескольких новых технологий с прозрачными и гибкими дисплеями, создавая носимые устройства, которые не только прозрачны и сгибаемы, но также интеллектуальны и автономны.
Интеграция и адаптивные дисплеи AI
Искусственный интеллект может оптимизировать контент, отображаемый на прозрачных гибких экранах. Например, интеллектуальное стекло AR может автоматически регулировать непрозрачность значков на основе текущей задачи пользователя или уровня окружающего света. Алгоритмы ИИ также могут прогнозировать, куда пользователь смотрит (через камеры отслеживания глаз) и отображать графику высокого разрешения только в этой области, экономя мощность. Интеграция передовых чипов ИИ непосредственно на гибкие подложки изучается такими компаниями, как FlexEnable , что позволяет локальную обработку без громоздкого жесткого процессора.
Энергосберегающие панели
Для решения проблемы ограничения мощности исследователи встраивают фотоэлектрические элементы в стек дисплея. Прозрачные солнечные элементы, изготовленные из органических фотоэлектрических или перовскитных материалов, могут собирать окружающий свет, не будучи видимыми. В сочетании с гибким прозрачным дисплеем панель может генерировать достаточно энергии, чтобы продлить срок службы батареи на 20-30% при типичном использовании в помещении. Университет Мичигана продемонстрировал концепцию, в которой дисплей сам становится солнечной панелью в периоды простоя.
Растяжимые и биосовместимые дисплеи
Гибкость ограничена изгибом; следующим рубежом является растяжимость. Растягиваемые дисплеи, изготовленные из эластичных подложек, таких как полидиметилсилоксан (ПДМС) с серпантиновой проводкой, могут соответствовать суставам или изогнутым поверхностям тела. Эти дисплеи идеально подходят для кожных пластырей, которые перемещаются вместе с телом. Биосовместимые материалы, такие как шелковый фиброин или субстраты на основе гидрогеля, разрабатываются для имплантируемых медицинских устройств. Прозрачный растягиваемый дисплей может быть обернут вокруг нерва или органа для мониторинга в режиме реального времени без вмешательства в биологические функции.
Интеграция с Интернетом вещей (IoT)
Будущие носимые устройства будут частью более широкой экосистемы IoT. Прозрачные гибкие дисплеи могут служить в качестве вторичных экранов для систем умного дома, показывая уведомления, подачу камер безопасности или оповещения календаря. Сам дисплей может быть интерфейсом: например, прозрачный гибкий экран, приложенный к окну, может функционировать как умное зеркало, термостат и домашняя панель безопасности одновременно. Беспроводные протоколы с низким энергопотреблением, такие как Bluetooth 5.0 и Thread, позволят осуществлять связь без разрядки батареи устройства.
Устойчивое производство и переработка
Экологические проблемы стимулируют исследования в области производства более экологичных дисплеев. Биоразлагаемые субстраты, изготовленные из целлюлозных нанокристаллов, и прозрачные проводники без индия с использованием углеродных нанотрубок или металлических сеток, находятся в разработке. Компании также внедряют процессы сухой печати, которые устраняют токсичные растворители. Конечной целью является дисплей, который может быть полностью переработан или компостирован в конце жизни, что особенно важно для одноразовых медицинских носимых устройств.
Заключение
Прозрачные и гибкие технологии отображения больше не ограничиваются исследовательскими лабораториями; они активно трансформируют ландшафт носимых устройств. Прозрачные OLED и микроLED привносят высококонтрастные наложения AR в умные очки, в то время как гибкие подложки и надежная инкапсуляция позволяют накладывать браслеты, патчи и умную одежду, которые сгибаются, складываются и растягиваются без разрыва. Влияние на здравоохранение, развлечения, спорт и ежедневную производительность уже заметно, и темпы инноваций не показывают признаков замедления.
Оставшиеся проблемы — энергоэффективность, долговечность и стоимость производства — решаются с помощью прорывов в области материаловедения и передовых технологий изготовления. Поскольку ИИ, IoT и сбор энергии сходятся с технологией отображения, мы можем ожидать, что носимые устройства будут не только прозрачными и гибкими, но и самосознающими, чувствительными к контексту и устойчивыми. Будущее носимых устройств прозрачно, гибко и глубоко интегрировано в ткань нашей жизни. Для последних исследований и анонсов продуктов после конференции Неделя дисплея ] или портала OLED-Info обеспечивает место в первом ряду этих захватывающих разработок.