В последнее время концепция дисплеев меняющейся формы стремительно набирает популярность, поскольку в них сочетаются высокое разрешение изображения и портативность. Несмотря на то, что технология все еще находится на стадии становления, ученые уже тщательно изучили потенциал такого типа экранов, способных тянуться во всех направлениях, меняя форму.
Исследователи из научно-исследовательского центра Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT), специализирующегося на передовых технологиях будущего, опубликовали в авторитетном научном журнале Science Advances исследование о дальнейшем развитии тянущихся устройств.
В ходе исследования ученым удалось достичь стабильных показателей растягиваемого устройства с высоким коэффициентом удлинения. Кроме того, научная работа впервые в отрасли продемонстрировала коммерческий потенциал тянущихся гаджетов, особенно в сочетании с рядом существующих полупроводниковых процессов.
Исследователи SAIT смогли объединить растягиваемый органический светодиодный (OLED) дисплей и датчик фотоплетизмографии (PPG) в одном устройстве с форм-фактором «растягиваемой электронной кожи», измеряющим и отображающим частоту сердечных сокращений пользователя в режиме реального времени. Успех этого примера доказывает возможность и других способов применения технологии. Ожидается, что благодаря исследованию тянущиеся устройства получат еще большее распространение в будущем.
Одним из самых важных результатов исследования стало измерение состава и структуры эластомера, эластичного и упругого полимерного соединения, и определение того, как использовать существующие процессы производства полупроводников, чтобы впервые в отрасли нанести его на подложки тянущихся OLED-дисплеев и оптические датчики кровотока. Затем ученые на практике подтвердили, что сенсоры и дисплей продолжают работать и их характеристики не ухудшаются даже при растяжении до 30%.
Чтобы проверить свои разработки на практике, исследователи SAIT прикрепили растягиваемые датчики сердечного ритма PPG и систему OLED-дисплея к внутренней стороне запястья пользователя рядом с лучевой артерией. Таким образом удалось доказать, что движение запястья не сказывается на работе устройства даже при растяжении на 30%. Результаты исследования также подтвердили, что датчик и OLED-дисплей продолжают стабильно работать даже после 1000 растягиваний. Кроме того, выяснилось, что при измерении сигналов во время движения запястья датчик улавливает пульс пользователя в 2,4 раза точнее, чем зафиксированный кремниевый сенсор.
«Особенность этой технологии в том, что с ее помощью вы можете измерять биометрические данные в течение длительного периода без необходимости снимать устройство во время сна или физических упражнений, поскольку электронный патч практически не ощущается на коже. Вы также можете просматривать биометрические данные прямо на запястье, не передавая их на другие гаджеты, — пояснил главный исследователь Ёнджун Юн, автор статьи. — Данную технологию можно использовать в носимых медицинских устройствах для взрослых, детей и младенцев, а также пациентов с рядом заболеваний».
Внедрение технологии тянущихся дисплеев — непростая задача, поскольку обычно, если экран растягивается или меняет форму, гаджет ломается, либо начинает работать менее эффективно. Для решения этой проблемы необходимо, чтобы все используемые в конструкции устройства материалы и детали, в том числе подложка, электрод, тонкопленочный транзистор, излучающий слой и датчики, были физически растяжимыми и при этом сохраняли свои электрические свойства.
В итоге ученые из SAIT заменили пластик, ранее применявшийся в растягивающихся дисплеях, на эластомер. Полученная в результате система впервые в отрасли сочетает дисплей и сенсор с использованием процессов фотолитографии для создания микротекстур и обработки больших площадей.
Эластомер — современный материал с высокой эластичностью и упругостью, но возможности его применения в существующих полупроводниковых процессах ограничены из-за чувствительности к нагреванию. Чтобы справиться с этой проблемой, ученые повысили термическое сопротивление материала, изменив его молекулярный состав. Кроме того, они химически интегрировали определенные цепочки молекул для сопротивления материалам, используемым в полупроводниковых процессах.
«Мы использовали “островную” структуру, чтобы сократить напряжение, вызванное растяжением устройства, — пояснил соавтор статьи Йонгджун Ли. — Особо высоким этот показатель был в эластомере, у которого относительно низкий коэффициент упругости и, следовательно, большая способность менять форму. В результате нам удалось минимизировать нагрузку на OLED-пиксели, более уязвимые к давлению. Мы применили растягивающийся электродный материал (потрескавшийся металл), который сопротивляется деформации, в области, где используется эластомер, поэтому промежутки и электроды между пикселями смогли сжиматься и растягиваться, но пиксели не деформировались».
Растягиваемый сенсор был создан, чтобы непрерывно измерять сердечный ритм пользователя с высокой степенью точности по сравнению с существующими датчиками, применяемыми в носимых устройствах. За счет более плотного прилегания к коже удается снизить неточности показаний, вызванные движением.
Разработанные учеными SAIT растягиваемый датчик и OLED-дисплей были созданы благодаря стремлению преодолеть ограничения современных устройств и техпроцессов, в том числе доступных эластичных материалов. Данная работа имеет большое значение, поскольку ее результатом стало создание более химически- и термостойкого эластомера, что расширяет возможности для коммерческого применения тянущихся устройств с большими экранами высокого разрешения в будущем.
«Наши исследования все еще находятся на начальной стадии, но мы стремимся создать и коммерциализировать растягивающиеся устройства за счет повышения разрешения, эластичности и точности измерений до максимального уровня, — отметил главный исследователь Чжон Вон Чунг, первый соавтор статьи. — Помимо датчика сердечного ритма, который мы использовали в прототипе, мы намерены интегрировать в тянущиеся устройства сенсоры и меняющие форму экраны с высоким разрешением для отслеживания таких показателей, как насыщение крови кислородом, ЭКГ и артериальное давление».