三星研究人員證實「可拉伸」裝置的商用可行性

on 22.06.2021
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科技日新月異,可撓式顯示器(flexible displays)已不再為新鮮事;顯示技術的下一波重大進展,因此備受期待。
 
近來,自由形態顯示器(註一)因具備高解析度視覺效果和便攜性的雙重優勢,成為眾所矚目的新世代技術。儘管此技術仍處於起步階段,但業界已投入大量資源,並著手研發自由形態顯示器的核心技術-可拉伸顯示器,其特色可如橡皮筋般朝四面八方延伸改變形狀。
 

可拉伸顯示器與感測器的重大突破

6月4日,三星未來尖端技術的研發中樞-三星先進技術研究院(SAIT)研究人員於全球權威期刊《Science Advances》上,發表一篇突破可拉伸裝置技術限制的研究(註二)
 
三星透過此研究,讓具備高延展性的可拉伸裝置實現穩定的性能表現。由於此技術可與目前半導體製程相互整合,亦是業界首次證實可拉伸裝置具商業化潛力的研究。
 
SAIT研究團隊將可拉伸的有機發光二極體(OLED)顯示器,與光體積變化描記圖(PPG)感測器整合至單一裝置中;即時測量和顯示用戶的心率,並打造「可拉伸電子皮膚」型態的螢幕。該測試案例的成功,證實此技術擴大未來應用的可行性。展望未來,此研究有望提升可拉伸裝置的普及率。
 

▲展示可拉伸裝置可行性的SAIT研究團隊:SAIT有機材料實驗室首席研究員Jong Won Chung(共同第一作者)、首席研究員Youngjun Yun(通訊作者)和研究員Yeongjun Lee(共同第一作者)

 

伸展性高達30%的OLED「皮膚」顯示器

該研究的最大成果之一,為該團隊能改變「彈性體」(elastomer)的組成和結構。此種有機聚合物不但具有絕佳的彈力與回彈力,還能結合現有的半導體製程技術,並應用於可伸縮OLED顯示器和光學式血流感測器的基板上,可謂業界創舉。接著,團隊將確認當貼片拉伸幅度達30%時,感測器和顯示器是否能維持正常運作,同時不會出現任何性能衰退。
 

▲SAIT Proto系統

 
為測試研究成果,SAIT研究人員將可拉伸的PPG心率感測器和OLED顯示系統,貼在靠近橈骨動脈的手腕內側(註三)。測試後發現,伸展幅度達到30%時仍維持可靠的性能,腕部動作並不會影響貼片的測量效果。此項測試亦證實即使拉伸1,000次,感測器和OLED顯示器仍可穩定發揮作用。更重要的是,測量來自活動手腕的信號時,感測器在心率訊號的讀取上,靈敏度亦較固定式光學感測器高出2.4倍。
 
首席研究員暨論文通訊作者Jong Won Chung解釋:「此技術的優勢,在於它能更長時間測量生物數據,配戴者即便就寢或運動也不必取下感測貼片,因為它就像皮膚的一部分。配戴者還能直接透過螢幕即時查看生物數據,不須將數據傳輸至外部裝置。此外,此項技術能擴大應用至成人、兒童與嬰幼兒,以及特定疾病患者的穿戴式健康產品。」
 

▲首席研究員暨論文通訊作者Youngjun Yun

 

以可拉伸材料和結構克服技術挑戰

欲實現可拉伸的顯示技術具有極高的執行難度,因為顯示器一旦經過拉伸或形變,往往會造成裝置斷裂或性能衰退。為克服此挑戰,所有材料和元件,包括基板、電極、薄膜電晶體、發射材料層和感測器,皆須具備物理伸縮性及維持原有的電氣特性。
 
因此,SAIT研究人員採用彈性體材質,取代現有可拉伸顯示器使用的塑膠。SAIT團隊開發的系統,以領先業界的腳步率先於顯示器及感測器上,應用可實現微壓印(Micro-patterning)與大面積處理的微影製程(Photolithography)。
 
彈性體為一種具備高彈力和回彈力的先進材料,但由於易受熱影響,因此於現今的半導體製程上具有諸多應用限制。為了解決此難題,SAIT研究人員調整彈性體材料的分子組成以強化耐熱性,亦透過化學方式,整合特定的分子鏈,使其對半導體製程所使用的材料具備抵抗力。
 
研究員暨論文共同第一作者Yeongjun Lee表示:「團隊使用一種『島狀』結構,因應拉伸造成的壓力(註四)。彈性體區域產生的壓力較大時,其彈性係數(註五)相對較低,因此較有可能發生形變。這使團隊得以最小化OLED畫素區承受的壓力,保護最容易受壓力影響的脆弱區域。團隊應用可拉伸的電極材料(裂紋金屬),以抵抗彈性體區域的變形,使畫素間的空間和佈線電極,得以拉伸和收縮,而不會使OLED畫素本身發生形變。」
 

▲島狀結構中的OLED與裂紋金屬電極

 

▲研究員暨論文共同第一作者Yeongjun Lee

 

商業化與擴大應用

精心製造的可拉伸感測器,可以高靈敏度連續測量心跳數據,遠優於現有的固定穿戴式感測器。此解決方案藉由提升對皮膚的附著力,以減少因運動產生的性能差異,實現優異的效能。(註六)
 
SAIT團隊開發的可拉伸感測器和OLED顯示器,為克服現有裝置性能和操作流程的成果,包括目前可拉伸材料的局限性。SAIT團隊的研發成果意義非凡,尤其是確保彈性體材料具備絕佳的化學與耐熱性,使高解析度和大螢幕的可拉伸裝置,展現龐大的商業化潛力。
 
首席研究員暨論文共同第一作者Jong Won Chung談到:「研究尚處於早期階段,但團隊的目標是提升系統解析度、伸縮性與測量精準度,使可伸縮裝置能進入量產階段,最終實現商業化目標。除了本測試案例所應用的心跳感測器,團隊亦計劃結合可拉伸感測器與高解析度的自由形態顯示器,供用戶得以監控血氧飽和度、肌電圖、血壓等數據。
 

▲首席研究員暨論文共同第一作者Jong Won Chung

 
註一:搭載微型化畫素的顯示器,於造型上能有更大的發揮空間。
註二:論文標題:「基於可伸縮有機光電系統的獨立式即時健康監測貼片(Standalone real-time health monitoring patch based on a stretchable organic optoelectronic system)」
註三:位於前手臂的表淺動脈,為一般測量脈搏的部位。
註四:當物體受擠壓、彎曲、扭曲或受其它外力形變時,物體內部產生的一種反抗力。
註五:顯示物體伸縮及變形的彈性等級。
註六:移動假影效應(Motion Artifact Effect)。

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