斯坦福工程师制作出可像橡皮筋一样拉伸的微型 LED 显示屏

智能手机或电视的屏幕是刚性物体，绝对不能拉伸。但斯坦福大学的工程师可能已经找到了制作可拉伸 LED 屏幕的第一步，他们的新研究正在探索如何制作交互式显示屏，这些显示屏可以轻松成为《超人总动员》中弹力女超人的一部分。

与由封装在刚性外壳中的液晶组成的传统 LED 显示屏不同，这种 LED 屏幕完全由橡皮筋状的聚合物材料制成，周三《自然》杂志对此进行了详细描述。

以下是关于这项新研究的一些信息。

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传统 LED 屏幕的工作原理

LED 代表发光二极管，LED 电子产品的工作原理与 LED 类似。电视或智能手机上的典型 LED 屏幕有几层夹在显示矩阵中，其中必须包含两个电极层之间的液晶层、一些偏振层以及位于晶体层和观看者之间的 RGB 色罩。

层的结构使得一系列复杂的反应得以发生，最终产生明亮的图像。显示器的两个电极层中，一个产生正电荷或空穴，另一个产生电子或负电荷。斯坦福大学化学工程教授、《自然》杂志论文作者鲍哲南解释说，这些电荷在电场的作用下开始在不同层之间移动。“当正电荷（也称为空穴）和电子找到彼此时，它们会结合成某种激发态分子，”她说。“然后，当 [该激发分子] 回到更稳定的基态时，光 [以光子的形式] 就会被发射出来。”

这种装置的基本原理是电压控制液晶可以在像素级别操纵光的路径、方向和强度（可以将像素想象成屏幕的微小构建块）。每个像素包含三个子像素，上面有彩色滤光片，通常为红色、绿色和蓝色，可以以不同强度的组合输出，使像素块呈现不同的颜色。缩小后，大量彩色像素可以形成一幅图像。

目前电脑和电视使用的大多数屏幕都是液晶制成的。“它们不发光。有一个背光灯（包含 LED 灯带），背光灯前面是液晶。大部分光线基本上被阻挡了，”鲍哲南说。“只有部分光线可以透过。因此，它消耗更多能量，而且切换速度（决定屏幕上图像变化的速度）相对较慢。”

鲍哲南指出，这些屏幕的另一个缺点是它们很脆，主要是因为基板是由玻璃制成的，如果你试图弯曲或拉伸发光二极管，它里面的材料也会破裂。

关于新拉伸概念你需要知道什么

“我们在这里所做的是尝试制作一种新型显示器，你可以弯曲、折叠、改变形状，但仍然可以显示图像，”鲍哲南说。拥有可以改变形状的屏幕将使其能够适应柔软或不平坦表面的轮廓。在他们的实验中，他们通过拉伸和用笔戳它来对其进行压力测试——它经受住了考验。

鲍哲南和她的团队希望让这个屏幕的所有组件都具有弹性。“我们开发了一种可拉伸的导电聚合物，可用于两个电极。但由于一个电极需要让空穴进入，另一个电极需要让电子进入，所以我们还需要促进层间传输，”鲍哲南说。“这里的发光材料需要具有弹性，但也需要发出大量的光。我们想要一个明亮的显示屏。”

她和同事们找到了一种将硬质和软质塑料结合在一起的方法，这样发光聚合物就形成了纳米纤维结构，有助于电子和空穴相互找到。“如果它们找不到彼此，我们就无法发出光，”她说。“这种纳米结构形成了一条连续的通道。此外，我们发现，通过形成这些纳米纤维状结构，可以消除发光聚合物中曾经存在的一些缺陷。我们发现，与不可拉伸的材料相比，可拉伸材料可以发出更多的光。”

他们能够用绿色、红色和蓝色发光聚合物形成这种纳米结构，这些是制作全彩色显示器所需的基本颜色。之后，这主要是工程问题，即找出一种将屏幕的各个层稳定地堆叠在一起以制作显示器的方法。他们的最终产品由外部的两个基板层、内部的两个电极层、随后的两个电荷传输层和中心的发光层组成。

对于这个原型，该团队展示了他们的屏幕可以保存静态图像。为了制作一个可以改变图像的屏幕，他们需要加入某种可以为其供电的电机。“我们拥有的屏幕类型分辨率非常低。这篇论文主要讲述了材料的发现以及我们如何制作显示器的像素，”鲍哲南说。“但像素仍然很大。下一步我们需要做的是提高它们的分辨率，同时还需要延长它们的使用寿命。”

目前，第一代可拉伸屏幕可以在高氮环境中发光数天。一旦暴露在正常空气中，光线只能持续几个小时。

“我们仍然没有好的材料可以阻止氧气和水分进入发光聚合物，这会抑制光线并使显示屏随着时间的推移变暗，”鲍哲南说。“对于我们今天使用的 OLED 显示屏，里面的设备也只能在氮气下运行。但他们找到了一种可以阻挡氧气和水分的良好封装材料。这是显示屏实用化的一个重要部分。”