日本开发出可自由伸缩的薄型皮肤显示屏

新技术 2018年04月04日

日本东京大学(校长:五神真)研究生院工学系研究科教授染谷隆夫博士携同研究人员与大日本印刷株式会社(代表董事社长:北岛义俊)组成的研究小组,成功制造出可自由伸缩的薄型皮肤显示屏注1)(图1、2、3、4),并开发了传感系统。该显示器可贴到皮肤上使用,显示利用皮肤传感器注2)测量得到的心电图视频。

本研究成果已于2018年2月17日(美国时间)在美国科学促进会(American Association for the Advancement of Science;AAAS)年会上进行了发表。

<研究内容>

本研究成功制造出可自由伸缩的薄型皮肤显示屏,可以贴到皮肤上,显示皮肤传感器测量得到的心电图视频。该皮肤显示屏在橡胶薄膜中等间距埋入16×24个(像素:384)微型发光二极管(微型LED),整体厚度约为1毫米(mm)。即使以45%的比例反复伸缩,也不会破坏电气特性和机械特性。产品既薄又轻,且可自由伸缩,因此直接贴到皮肤上也不会妨碍人的动作,大幅减轻了佩戴时的负担。

该显示屏伸展至最大状态和缩至最小状态时的分辨率分别为4mm和2.4mm。实际显示面积分别为64mm×96mm和38mm×58mm。微型LED的尺寸为1mm×0.5mm,发光波长为630纳米(nm,红色),驱动电压为2伏特(V)。利用无源矩阵方式注3)驱动,显示速度为60赫兹(Hz),最大耗电量为13.8毫瓦(mW)。可伸缩布线采用丝网印刷制作的银布线,微型LED的安装采用普通贴片机注4)和焊锡膏。

这款皮肤显示屏的特点是,通过采用自主开发的可伸缩混合电子安装技术注5),混合了微型LED等硬质电子元件和可伸缩布线的橡胶膜,即使拉伸也不会损坏。而以前混合硬质电子材料和柔性电子材料的橡胶膜在拉伸时,所产生的较大应力会集中在硬质材料与柔性材料的接合部分,容易发生故障。本研究采用了避免应力集中的构造,由此显著提高了机械耐久性。另外,此次采用的是产业界已投入使用且量产效率出色的电子安装方法,因此有望快速实用化,将来还有望降低成本。

皮肤显示屏使用时直接贴在皮肤上,显示利用皮肤传感器测量得到的心电图视频,皮肤传感器采用不影响皮肤呼吸的纳米网状电极注6)和无线模块制作。心电图可以发送到智能手机上,能通过智能手机实时确认波形,或保存到云端及存储器中。此次在皮肤显示屏上显示了存储器中保存的心电图视频。

2017年7月,以东京大学研究生院工学系研究科教授染谷为中心组成的研究小组,成功开发出了兼具透气性和伸缩性的皮肤粘贴型纳米网状传感器,经确认,连续佩戴1周也未出现明显的炎症反应。以前曾利用纳米网状电极测量过温度、压力和肌电,此次是首次利用纳米网状电极测量心电图波形。

目前,曲面显示屏已经实现商品化,但可伸缩显示屏和可以贴到皮肤上的极薄显示屏只有数例尚处于研发阶段的试制品报告。东京大学的研究小组在2009年5月发布了全球首款16×16组成的可伸缩有机电致发光(EL)显示屏,2016年8月发布了利用厚度为1微米(µm)的极薄有机EL元件制作的7段式显示屏注7)

在本研究中,发光元件采用以无机半导体为发光材料的微型LED,并应用自主开发的可伸缩混合电子安装技术,由此同时实现了远远高于以往的可伸缩显示屏的大气稳定性和机械耐久性。把可自由伸缩的显示屏贴合到皮肤上,让其随着人的动作伸缩,在这种状态下显示视频,1个像素都没有发生故障的结果还是全球首次得到。

通过采用张贴型皮肤传感器和皮肤显示屏一体化的系统,生物体信号测量和显示等一系列流程对用户来说将不再是负担,能以更加自然的方式轻松实现。作为医疗领域的应用示例,可以考虑顺利连接医院和自家的家庭保健信息服务。例如,患有心脏疾病的老年人可以在家中将利用纳米网状电极无痛测量的医疗级别心电图波形无线传输至医疗云端,包括每次的波形变化在内,医院的主治医生可远程监控患者的情况,如果没有问题,躺在自家床上的老人手上张贴的皮肤显示屏上就会显示代表“没问题”的图标。

采用皮肤电子技术,信息的可访问性较智能手机和平板电脑大幅提高,从儿童到老人,所有人的生活质量(Quality of Life)都有望提高。今后,大日本印刷株式会社将解决存在的技术课题,比如,优化可伸缩元器件的构造以进一步提高可靠性,通过开发制造工艺提高集成度、实现大面积化等。计划3年内产品化。

<参考图>

PHOTO

图1

可自由伸缩的薄型皮肤显示屏。利用自主开发的可伸缩混合电子安装技术,在橡胶膜上安装了16×24个微型LED和可伸缩布线。

PHOTO

图2

皮肤显示屏的厚度约为1mm,即使以45%的比例反复伸缩也不会破坏电气特性和机械特性。

PHOTO

图3

贴合皮肤张贴皮肤显示屏,在上面显示利用皮肤传感器测量的心电图视频。

PHOTO

图4

集皮肤传感器和皮肤显示屏于一体的系统提高了儿童和老年人的信息可访问性,有望应用于家庭保健等多种用途。主治医生可以远程监控患者的情况,如果没有问题,就会在手上张贴的皮肤显示屏上显示代表“没问题”的图标。

<用语解说>

注1)皮肤显示屏

可自由伸缩的薄型显示屏,可以直接贴到皮肤上使用。

注2)皮肤传感器

直接贴到皮肤上使用的薄型传感器,可自由伸缩。

注3)无源矩阵方式

显示屏的驱动方式之一。为驱动呈格子状排列的像素,采用晶体管和二极管等有源元件的方式称为有源矩阵方式,不采用有源元件的方式称为无源矩阵方式。

注4)贴片机

在印刷基板表面排列半导体芯片等电子零部件时使用的电子零部件安装装置。

注5)可伸缩混合电子安装技术

通常用来在硬质印刷基板上配备半导体元件等电子零部件的制造方法实现进化,能在弹性橡胶膜状印刷基板上配备多种电子零部件的制造技术。该技术用于制造混合安装了可伸缩柔性电子零部件和硬质电子零部件的电子产品,因此称为可伸缩混合电子安装技术。

注6)纳米网状电极

使生物相容性较高的金和高分子(聚乙烯醇)具备了纳米尺寸的网状结构,只需少量的水就能轻松贴到皮肤上。

注7)7段式显示屏

由可以单独开关的7部分构成的电子显示装置。可以显示阿拉伯数字,广泛用于计算器的显示等。

文 客观日本编辑部

相关阅读