矽谷「黑科技」:皮膚般服貼、手帕般可折疊的「柔性顯示器」來了

矽谷「黑科技」:皮膚般服貼、手帕般可折疊的「柔性顯示器」來了
Arizona State University and HP's flexible display demonstrated in 2008 at the university's Flexible Display Center|Photo Credit: U.S. Army RDECOM@Wikimedia Commons CC BY 2.0

我們想讓你知道的是

讓我們先來發揮一下想像力:電腦顯示器可以像手帕一樣,折疊塞進口袋;要兩個壯漢才能搬動的大螢幕電視,一個人便可以像捲海報那樣輕鬆的拎回家。這些看似非同尋常的憧憬,其實都可以透過柔性電子學變成觸手可及的現實。

文:王輝亮

柔性顯示器,皮膚般服貼、手帕般可折疊

讓我們先來發揮一下想像力:電腦顯示器可以像手帕一樣,折疊塞進口袋;要兩個壯漢才能搬動的大螢幕電視,一個人便可以像捲海報那樣輕鬆的拎回家;遭遇不測而無法恢復的皮膚,可以換成全新的人造皮膚,不僅和原來一樣健康美觀,還能感受到極其微小的壓力;將一塊小小的薄片貼在皮膚上,不僅可以隨時檢測自己身體的健康狀況,而且日常生活中的每一個微小動作,例如走路、開車、打字,甚至心臟的跳動,都可以轉換成電能。

這些看似非同尋常的憧憬,其實都可以透過柔性電子學變成觸手可及的現實。柔性電子學又稱柔性電路,是一種輕薄、可折疊的電子裝置及其電路技術。

柔性顯示來了

在介紹柔性顯示器前,我們先了解顯示器的兩個基本電子裝置:電晶(transistor)和發光二極體(light emitting diode)。電晶體就像一道神奇的閥門,可以根據輸入電壓控制輸出電流。我們平時所用的開關就是電晶體的應用之一,電晶體是所有積體電路最基本的組成部分。

很多人或許沒有聽過發光二極體,但提起它的另一個名字LED,相信大家一定不會覺得陌生。相較於傳統的鎢絲燈泡,LED光源明亮穩定、能節約能源,而且透過加入不同的物質,可以呈現出不同的色彩,完全顛覆我們對照明的認知。

北京奧運的標誌性建築「水立方」,就是利用LED光源,變幻出各種色彩和圖案。奧妙在於LED透過電壓控制裝置發出強弱不同的光,而特定的材料會吸收特定的光,從而透過材料的選擇改變發出光的顏色(波長)。

顯示器有兩種驅動方法:被動矩陣式和主動矩陣式。被動矩陣式是採用X軸和Y軸的交叉方式來驅動發光二極體,這種方式驅動的螢幕越大,需要的線路就越多,速度也就越慢,而且像素之間會有電信號干擾,從而影響畫面品質。

主動矩陣式的顯示器是由前面提到的電晶體和發光二極體組成,顯示區域的每一個顯示點都由一個電晶體控制,幾根線路就可以快速控制非常龐大的螢幕,顯示點之間的電信號干擾會大幅減少,耗費能源也會更低。

傳統的電晶體和發光二極體,都是由無機半導體材料組成的,而柔性電路採用的裝置,則主要是有機半導體材料。這種材料於1960年代被發現,以碳元素為主,也包括氫、氮、氧等元素。自1980年代第一個用有機材料做出的有機發光二極體(OLED)和有機電晶體(Organic transistor)誕生,研發人員就產生用有機材料做柔性電子裝置的想法。

OLED顯示主要依靠透明電極,這些電極不但導電,還能讓顯示器發出的光透出去。傳統的透明電極材料叫做ITO,是一種陶瓷材料,一彎曲就很容易破碎。矽谷的C3Nano公司則選用導電奈米材料來實現這個目標,由於奈米材料可透過溶液來處理和列印,所以製備成本也會降低不少。

研究的碳奈米材料主要包括:奈米碳管(carbon nanotubes)、富勒烯(C60)和石墨烯(graphene)。2015年,C3Nano收購了韓國最大的銀奈米線公司(Aiden Co. Ltd),開始使用銀奈米線製作透明電極。2015年6月,日立公司(Hitachi)已開始使用C3Nano的透明電極材料,用於研發大面積柔性觸摸顯示器。

除了日立公司,不少公司都開始展示柔性顯示器產品,包括Plastic logic、三星、LG等。其中柔性顯示器做得最輕、最薄的,是一家叫做柔宇科技(Royole)的公司,是由史丹佛大學畢業生劉自鴻博士領導的團隊創建。

這家公司做出來的顯示器只有0.01毫米,捲曲半徑可以達到1毫米,刷新了世界紀錄。在一次展示中,由手機控制的影像,就在這個薄如蟬翼的顯示器中播放,沒有一絲缺陷。2015年10月,中國總理李克強還親自參觀他們的研發中心。這家公司最近一次融資高達1.7億美元,市值超過10億美元,發展十分迅速。

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Photo Credit: 大是文化
柔性螢幕示意圖。

柔性器材:醫學監測、診斷和治療

柔性裝置在生物醫學方面也有非常廣泛的應用。對人體外部檢測而言,刺激大腦電信號或心臟律動的傳統方法,是將電極接合在導電凝膠中,然後貼在人體表面。這種方法有許多不足。例如,由於凝膠會逐漸乾燥,失去黏性,所以不能長時間、連續的檢測;與人體體表面接合較差,易滑落;舒適度偏低,尤其對低齡患者使用較困難;將電極接合的過程也相對繁瑣、費時。

而柔性裝置可以解決這些問題。柔軟輕薄的柔性裝置,可以緊密貼合在皮膚、心臟或大腦上面,從而透過對電學或壓力訊號的檢測,獲取更準確的身體資訊。並且人體佩戴的體感較好,不會有明顯的不適。人們甚至可以24小時佩戴這些薄如蟬翼的裝置,隨時監測人體的心跳、脈搏、血壓、腦電波、心電圖等各種身體指標。長時間隨時監測,對心腦血管疾病的診斷、預防和及時治療意義重大。如果在裝置中安裝藥物,甚至可以針對疾病有效的治療,例如糖尿病病人可以佩戴定期釋放胰島素的柔性材料。

伊利諾大學香檳分校的教授約翰.羅傑斯(John Rogers),是這個領域的翹楚。他運用柔性電路的製備方法,將各種感測器裝在一個可以貼在皮膚上的超薄貼紙上,用於測量身體各項指標。他還在2008年成立了坐落於波士頓的MC10公司,致力於研發推廣舒適、安全和與人體皮膚緊密接合的檢測性產品。


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