Экран вашего смартфона или телевизора - это жесткий объект, который определенно не предназначен для растягивания. Но инженеры из Стэнфордского университета, возможно, сделали первые шаги к созданию растягивающегося светодиодного экрана, и их новое исследование изучает, как они могут приступить к созданию интерактивных дисплеев, которые легко могли бы стать частью суперкостюма Эластигерл из фильма "Невероятные существа".
В отличие от традиционных светодиодных дисплеев, которые состоят из жидких кристаллов, заключенных в жесткий корпус, этот светодиодный экран, подробно описанный в среду в журнале Nature, полностью сделан из полимерного материала, похожего на резину.
Вот что нужно знать о новом исследовании.
Как работает традиционный светодиодный экран
LED означает светоизлучающий диод, и светодиодная электроника работает аналогичным образом. Типичные светодиодные экраны телевизоров или смартфонов имеют несколько слоев, объединенных в матрицу дисплея, которая должна содержать слой жидких кристаллов между двумя электродными слоями, несколько светополяризующих слоев и цветовую маску RGB, расположенную между слоем кристаллов и зрителем.
Благодаря тому, как построены слои, происходит сложная серия реакций, в результате которых получаются яркие изображения. Из двух электродных слоев дисплея один производит положительные заряды, или дырки, а другой - электроны, или отрицательные заряды. Эти заряды начинают перемещаться между различными слоями в присутствии электрического поля, объясняет Чженань Бао, профессор химической инженерии в Стэнфордском университете и автор статьи в журнале Nature. "Когда положительный заряд, также называемый дыркой, и электрон находят друг друга, они объединяются в некую молекулу в возбужденном состоянии", - говорит она. "Затем, когда [эта возбужденная молекула переходит] в основное состояние, которое является более стабильным, будет испускаться свет [в виде фотона]".
Основной принцип этой системы заключается в том, что управляемый напряжением жидкий кристалл может манипулировать путем, направлением и интенсивностью света на уровне пикселя (считайте, что пиксели - это маленькие строительные блоки экрана). Каждый пиксель содержит три субпикселя с цветными фильтрами над ними, обычно красного, зеленого и синего цветов, которые могут быть выведены в комбинациях с различной интенсивностью, чтобы сделать пиксельный блок разных цветов. Уменьшите масштаб, и масса цветных пикселей может образовать картинку.
Большинство экранов, которые сегодня используются в компьютерах и телевизорах, сделаны из жидких кристаллов. "Они не излучают свет. Есть подсветка [которая содержит светодиодную ленту], а перед подсветкой находится жидкий кристалл. Большая часть света, по сути, блокируется", - говорит Бао. "Только часть света может пройти через него. Поэтому он потребляет больше энергии, а также скорость переключения (которая определяет, как быстро меняются изображения на экране) относительно низкая".
Еще одним недостатком этих экранов является то, что они хрупкие, отмечает Бао, в основном потому, что подложка сделана из стекла, а материалы, из которых сделан светоизлучающий диод, также разрушаются, если вы попытаетесь согнуть или растянуть его.
Исследовательская лаборатория группы Бао / Стэнфордский университетЧто нужно знать о новой концепции растяжки
"Мы пытаемся создать новый тип дисплея, который можно сгибать, складывать, менять форму и при этом показывать изображение", - говорит Бао. Наличие экрана, который может менять форму, позволит ему приспосабливаться к контурам мягких или неровных поверхностей". В ходе эксперимента они испытали экран на прочность, растягивая его и протыкая ручкой, - он выдержал все испытания.
Бао и ее команда хотели сделать все компоненты этого экрана эластичными. "Мы разработали растягивающийся проводящий полимер, который можно использовать для двух электродов. Но поскольку один электрод должен пропускать дырки, а другой - электроны, нам также необходимо облегчить транспортировку через слои", - говорит Бао. "Светоизлучающий материал здесь должен быть растяжимым, но при этом он должен излучать много света. Мы хотим получить яркий дисплей".
Она и ее коллеги нашли способ соединить твердые и мягкие пластиковые материалы вместе таким образом, что светоизлучающий полимер образует нановолоконные структуры, которые помогают электронам и дыркам найти друг друга. "Если они не смогут найти друг друга, мы не сможем получить свет", - говорит она. "Эта наноструктура создает непрерывный путь. Кроме того, мы обнаружили, что формирование этих нановолоконных структур устраняет некоторые недостатки, которые раньше присутствовали в светоизлучающем полимере. Мы увидели, что из растягивающегося материала выходит больше света по сравнению с нерастягивающейся версией".
Они смогли сформировать эту наноструктуру с помощью зеленого, красного и синего светоизлучающих полимеров - основных цветов, необходимых для создания полноцветного дисплея. После этого, в основном, возникла инженерная проблема - найти способ стабильного соединения различных слоев экрана для создания дисплея. Их конечный продукт состоит из двух внешних слоев подложки, двух электродных слоев внутри, затем двух слоев транспортировки заряда и светоизлучающего слоя в центре.
Для этого прототипа команда продемонстрировала, что их экран может удерживать статичное изображение. Для создания экрана, способного менять изображения, им потребуется встроить какой-либо двигатель, способный приводить его в движение. "Тип экрана, который у нас есть, имеет очень низкое разрешение. Эта статья в основном посвящена открытию материалов и тому, как мы сделали пиксели дисплея", - говорит Бао. "Но пиксели все еще довольно большие. Следующий шаг, который нам нужно сделать, это повысить их разрешение, а также сделать их более долговечными".
В своем нынешнем состоянии этот растягивающийся экран первого поколения может излучать свет в среде с высоким содержанием азота в течение нескольких дней. При попадании в обычный воздух свет может сохраняться лишь несколько часов.
"У нас все еще нет хорошего материала, который мог бы блокировать попадание кислорода и влаги в светоизлучающий полимер, [что] гасит свет и со временем делает дисплей более тусклым", - говорит Бао. "В OLED-дисплеях, которые мы используем сегодня, устройство внутри также работает только под азотом. Но они нашли хороший материал для инкапсуляции, который может блокировать кислород и влагу. Это важная часть для практического использования дисплея".