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除了折叠屏 柔性电子还能干什么

2019-03-08 12:43
        

  使用折叠手机拍照时爱美的你再也不用担心角度问题了,可以自己看着照片调整站位和姿势了,想咋拍就咋拍,总有一个角度适合自己。折叠屏的出现让人们眼前一亮,激发了人们的想象空间。不同于传统手机,折叠屏手机采用柔性OLED屏作为显示面板,采用柔性聚合物(塑料材料)作为基板,不仅能折叠,屏幕还不容易摔碎。单从屏幕上讲,这款手机应该可以随意弯折。为什么华为这款手机只能180度翻转折叠呢?林宗琼教授介绍,柔性OLED屏幕完全能够实现360度任意角度折叠,但是手机不仅仅有屏幕,还有驱动电路、其他电器元件和电池。这部分电子元器件还未能实现柔性化。

  对于手机和平板这种内部空间极为狭小的产品而言,实现屏幕折叠可谓“牵一发而动全身”,并非只有屏幕能折叠就万事大吉。空间、电池、密封、耐久等问题几乎你能想到的一切都将面临极大的挑战。

  尽管显示器早已进入了LED时代,但由于我们日常所使用的屏幕,绝大多数都是通过深蓝光甚至紫外发光的无机LED激发荧光粉,形成的混合白光,虽然有结构简单、成本低的优势,但蓝光成分较多。而蓝光在可见光谱中能量相对高,能够穿透角膜、晶状体,到达视网膜。自然界中对人眼损伤最大的就是中短波的、能量相对高的紫外线和蓝紫光,也就是我们通常所说的“蓝光危害”。

  OLED显示器的对比度高、饱和度好、能耗低、反应速率快等优势,成为新一代显示技术的核心。OLED显示屏是以数千个有机电子发光二极管像素点为自主发光,不需要背光源,发光光谱较宽,光色柔和,可以有效地避免额外的紫外光与蓝紫光对人眼的伤害,保证了我们的眼健康。

  平板化体验、超强抗摔能力,多屏多任务共同操作、镜像自拍,虽然华为这款折叠屏手机有诸多优势,但是也存在一些缺点,比如价格远高于传统手机,屏幕寿命相对较短,同样是“屏”为什么有这些区别?

  OLED技术发明于20世纪70年代,近些年随着对新材料等基础研究的深入以及众多跨国企业(如三星)对工艺研发的大规模投入,柔性OLED显示技术才开始逐步商业化。据了解,我国上世纪90年代初才开始进行OLED技术积累,因工艺制造技术有限,大屏的成品率相对不高,这是造成折叠屏价格较高的主要原因。

  同时,在手机的生产过程中柔性显示器件和塑料基底之间力学性能匹配相对困难。传统手机用玻璃屏,现在用塑料屏,柔性塑料基底与器件功能层之间不同的热膨胀系数、机械强度等特性的差异,使得在长时间运行后OLED功能层与柔性基底材料磨损,进而影响手机使用寿命。但是,即便如此柔性OLED屏也绝对可以满足正常使用年限要求。

  柔性电子学以碳基柔性材料为基础,柔性电子器件为平台,光电信息为核心,是对传统硅半导体产业支撑的信息科技的重大变革。西北工业大学柔性电子研究院以柔性光电材料、半导体性质、器件物理机制、器件工艺和集成中的关键科学问题和技术难点为研究对象,面向柔性神经形态计算、新一代信息显示、存储计算、数据加密、生物传感、健康医疗和可再生能源等应用领域开展了一系列科研攻关。

  即将步入的5G时代,随着可穿戴设备的大量运用,柔性电子将为我们的生活带来科技性的改变。在柔性电子领域,西北工业大学黄维院士领导的柔性电子创新团队已深耕20余年,从柔性OLED核心有机半导体材料的合成制备到器件结构设计优化等方面做了大量引领性基础研究。目前,已申请相关专利300余项,其中数十项已经投入产业转化。同时,团队与京东方和维信诺都有实质性合作,并将有机半导体材料分离成立卢米蓝有限责任公司,为该领域的发展作出了巨大的贡献。

  除柔性发光材料外,柔性电子还与其他学科非常“百搭”,通过与生命科学、人工智能、新能源、生物制药等交叉融合产生奥妙无穷、影响巨大的结果。柔性电子与生命科学进行交叉,可以实现对人体血压、心跳、脉搏、体液等随时、随地监测,并通过数据存储与大数据分析对心脑血管疾病及神经性疾病等进行早期诊断与干预治疗。

  林宗琼教授介绍,团队的王学文教授已开发出一款基于柔性纳米材料与微结构的高灵敏度柔性脉搏监测传感器,该传感器附着于硅胶贴片上,柔软轻薄、不易脱落,不需要任何外部干预,简单粘贴在脉搏上就可以通过对极微小压力信号的监测获得脉搏跳动数据,对心脑血管疾病早期诊断、治疗具有重大意义。这类柔性传感器,柔韧度高、环境适应性强,同时伴随着人工智能、物联网和大数据技术的发展,柔性健康传感器的智能化程度更高,开启可穿戴设备在疾病诊断与治疗、人机交互界面与虚拟现实等多方面的应用,催生和推动未来颠覆性医疗技术——“无医生疾病诊断技术”。

  此外,团队还在积极探索可植入人体的柔性电子芯片。将人造神经电路集成到可植入的柔性电子芯片上,在未来有望实现损毁神经的修复,进而极大提高了患者的生活质量甚至有望彻底康复。

  未来,将实现只要将生物智能芯片植入独居的老人体内,便可进行全程适时监控老人的各项生理指标,诸如脑血栓、高血压之类病情一旦发生显著变化,便会经由智能芯片第一时间发送给家人和附近的医疗机构,赢得抢救的黄金时间。

  为解决可穿戴器件的能源问题,储能电池的柔性化迫在眉睫。林宗琼教授介绍了团队在柔性电池领域的部分研究成果。团队提出了小分子半导体自组装形貌的热力学预测方法,先后在多尺度自组装形貌调控、超薄半导体纳米片的设计和光电存储以及电化学离子存储行为的研究中做出一系列独立创新工作。

  采用碳-金属氮化物与碳纳米纤维的复合电极材料,应用于柔性电池的研发,该款电池寿命长、单元体积存储量大,制成的纤维状电池取得良好的储电性能,两根3毫米粗1.5厘米长的纤维状电池可点亮一个LED灯泡(需3伏的输出电压)。将类似材料附着于3平方厘米的碳纤维布上,其储电量可点亮一个LED阵列(需3伏的输出电压)。

  安全性是柔性可穿戴电池的主要挑战。团队的林宗琼教授和官操教授合作在基于有机/无机半导体材料的柔性水相电池(金属-离子、金属=空气电池)等领域开展了卓有成效的工作。如锌空气电池在充电时将氢氧根离子氧化转化为氧气储存电能,在使用时将氧气还原释放电能,其体积储能密度效率达到了现有18650锂电池的1.5倍。



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