可穿戴光电显示科技

第1章绪论 显示技术从阴极射线管发展到平板显示，进一步发展到高分辨率与柔性显示，如图1-1所示，设备越来越轻薄，性能要求越来越高，功能越来越多元，并且在元宇宙的应用环境中，未来的可穿戴显示将提供更无感的人机互动体验。其中，“可穿戴”可以是“穿”在身上的织物，也可以是“戴”在头上的显示设备。针对这些前沿的应用，就需要理解并整理当今的技术资料，作为后续发展的基石。因此，本书着重介绍与整理可穿戴显示的基本科技知识，来自国际信息显示学会(SID)的昀新显示技术研究进展，以及国际大厂对可穿戴显示的技术与应用布局三大方面。 图1-1可穿戴光电显示技术发展里程碑[1-11] 本书的结构安排如下：第1章概述整个可穿戴显示在应用上的潜力与在技术上的进展；第2～4章开始介绍可穿戴显示技术在光学、电学、结构力学上的基本知识；第5～7章深入介绍可穿戴显示在自发光、反射光、柔性方面的器件知识；第8章着重介绍可“戴”(头戴型)显示的系统级实现原理；第9章着重介绍可“穿”(织物型)显示的器件与工艺原理。 1.1可穿戴光电显示设备 1.1.1可穿戴显示设备的定义 在史蒂文 斯皮尔伯格导演的科幻电影《头号玩家》中，主角穿戴着虚拟现实游戏套装穿梭在虚拟游戏和现实世界之中；在电影《钢铁侠》中，主角利用头盔上的共形(conformal)透明显示技术，可以同时处理现实世界与虚拟世界的信息流。这些电影激起了人类对可穿戴光电显示科技的好奇与应用上的畅想，因此很多人会问，在这个世界上真的存在这些“黑科技”吗？或者，这些“黑科技”离我们到底还有多远？为了回答这些问题，本章将从可穿戴光电显示科技的技术现状开始介绍，并概览本书相关光电知识体系，从材料、结构、器件、工艺、系统等更深的层次与更多元的视角来探讨这些“黑科技”从发展到落地还有多远。 经过了半个多世纪一代代科学家的努力，可穿戴显示技术得到了长足而充分的发展，尤其是近些年来随着物联网、元宇宙等新兴技术的出现，可穿戴显示技术步入了一个新的快速发展期，可穿戴显示设备开始大量进入人们的视野之中。2015年，日本森口松下公司的 Hideki Ohmae等制作了一款柔性可拉伸的 LED驱动显示屏[12]；2017年，Meta的 Bhowmik提出第二代沉浸式光学透明的交互式 AR显示系统[13]；2017年，韩国三星公司报道了一款9.1英寸(1英寸=2.54厘米)的基于 LTPS技术的柔性可拉伸 AMOLED显示器[14]；2020年，韩国国立首尔大学的 Young Jin Song等用可互连的 OLED和导电纤维编制了一款 OLED织物显示器[15]；2021年，韩国高等科学技术学院的 Kyung Cheol Choi团队使用 OLED织物显示技术为新生儿光疗黄疸病[16] 图1-2展示了国际信息显示学会(SID)关于可穿戴光电显示技术昀新的研究进展。 图1-2国际信息显示学会(SID)可穿戴光电显示技术昀新研究进展[17-21] 那么，到底可穿戴显示技术在未来生活中会扮演什么样的角色？通常“可穿戴”要求设备具有可弯曲(共形)、轻薄、耐用性强、便携性好、防水、防腐蚀、具有人体皮肤亲和性等特点，“显示”则要求显示画质好、分辨率高、功耗低、寿命长等。本书探讨的“可穿戴显示”则需要将上述两者融合，既具备穿戴属性，也能保证良好的显示效果。目前主流的可穿戴光电显示技术有柔性有机发光二极管(organic light-emitting diode，OLED)显示、柔性织物显示、柔性反射式电子纸显示、可穿戴虚拟现实(virtual reality，VR)与增强现实(augmented reality，AR)显示等。可穿戴显示设备的外形可以随着使用需求而千变万化，应用领域非常广泛。此外，随着电子科学技术的不断进步与完善，可穿戴光电显示技术还可以与运算、传感、生物、通信技术结合，形成功能更为强大，体验更加舒适的终端设备，并在未来的元宇宙世界与应用场景中重新定义前所未见的应用领域。 1.1.2可穿戴显示在现实生活中的应用场景 随着物联网浪潮与元宇宙趋势的发展，人类与周围事物乃至机器的沟通将更加流畅，未来的交互将不需要拿着笔记本电脑和手机，也不需要戴着厚重的头盔与面罩。不久的将来，随着显示技术与传感技术的迭代，人机交互的模式将产生颠覆式的改变。 其中，可穿戴显示设备可佩戴在人类的面部与身体，机器人与运输器的体表等用来进行视频通话、地图定位、路线规划等，也可以是穿在身上具有显示功能的编织类衣物，戴在手上可以投影的戒指，贴在皮肤上可以监测心率、血压、血糖等身体健康状况的电子皮肤等。理论上它可以应用于人体的任何部位、任何与生活息息相关的物品上，取代手机、计算机等终端产品，让人们解放出双手去做其他事情。 1.2可穿戴显示设备面临的机遇与挑战 1.机遇 柔性可穿戴显示将带来全新的人机交互方式，是一项需要多学科、多领域交叉综合的技术，其发展离不开互联网、传感、显示技术、生物医疗等领域的发展。21世纪是信息技术迅速变革的重大历史时期，可穿戴显示设备已广泛应用于交通、医疗、教育、通信等领域。据 IDTechEx Research预测，2025年，柔性可拉伸电子产品的行业利润将达到50亿美元，而可穿戴显示设备行业的利润也将随着这一趋势逐年攀升。 虽然经过多年的发展，我国柔性显示与光电子产业的规模已在全球举足轻重，但全产业链发展极不均衡，关键材料对外依存度较高，面临被制约风险。对于国内的厂商而言，要想把握好行业机遇，打破国际垄断，需要重点关注以下几个方面：加强人才引进与培育，增强企业自主创新能力与技术积累，强化企业在全球相关行业的话语权与参与感；加强产业链在原材料、生产设备、制造工艺等方面的转型升级。推进如柔性 OLED显示、柔性织物显示等形成产业规模，并勇于探索未来显示技术的发展和需求，积极做好前瞻性的产业布局。对于广大的青年学者而言，则要打牢基础，勇于探索科技前沿，提升我国在可穿戴光电显示技术领域的影响力。 2.挑战 可穿戴显示设备发展巨大的机遇背后，也有着诸多的挑战，主要有以下几点。 (1)技术落地场景与商业模式尚不成熟：虽然元宇宙话题的兴起，带来了众多的可能，但截至本书完稿，相关的商业模式与结算机制仍没有比较普及的运行模式。 (2)技术发展的瓶颈：从材料、器件、工艺、系统等角度来看，虽然在学术上已经有很多的相关文章发表，但量产技术与可靠性还有很大的瓶颈需要突破。 (3)用户的不适感：以目前的技术，不管贴肤式的器件，还是头戴式的系统，在用户的体验上以及异物感的消除上，还有十分大的改进空间。 (4)用户隐私面临泄露的问题：未来可穿戴设备可以持续地收集海量个体数据，如身份、位置和健康情况等个人信息。确保信息不外泄是重要的研究方向。 (5)与其他相关技术的兼容，如边缘计算、数字孪生、区块链、数字货币等。 综上所述，可穿戴光电显示技术将带来人机交互模式巨大的变革，有机遇也有挑战。本书为读者在可穿戴显示领域中相关的知识体系、学术界研究进展、行业发展情况进行了通盘的介绍。 参考文献 [1] HONG Y， LEE B， OH E， et al. Stretchable displays: from concept toward reality [J]. Information display，2017，33(4):6-38. [2] KIM S， SHIN J M， HONG J H， et al. Three dimensionally stretchable AMOLED display for freeform displays[J]. SID symposium digest of technical papers，2019，50(1):1194-1197. [3] KIRYUSCHEV I， KONSTEIN S. Tiled display on a textile base [J]. SID symposium digest of technical papers，2020，51(1):1833-1835. [4] LI W Y， CHIU P H， HUANG T H， et al. The first flexible liquid crystal display applied for wearable smart device [J]. SID symposium digest of technical papers，2015，46(1):98-101. [5] MA R， RAJAN K， SILVERNAIL J， et al. Wearable 4-inch QVGA full color video flexible AMOLEDs for rugged applications [J]. SID symposium digest of technical papers，2009，40(1):96-99. [6] SABO J， FEGERT T， CISOWSKI M S， et al. Evaluation of displays and hmis for internet of things (IoT)[J]. SID symposium digest of technical papers，2017，48(1):1174-1177. [7] STAFF E. Products on display at display week 2019[J]. Information display，2019，35(3):35-52. [8] STEUDEL S， VAN DER STEEN J L P， NAG M， et al. Power saving through state retention in IGZO-TFT AMOLED displays for wearable applications [J]. Journal of the society for information display，2017，25(4):222-228. [9] TAJIMA R， MIWA T， OGUNI T， et al. Genuinely wearable display with a flexible battery， a flexible display panel， and a flexible printed circuit [J]. SID symposium digest of technical papers，2014，45(1):367-370. [10] VERPLANCKE R， CAUWE M， VAN PUT S， et al. Stretchable passive matrix LED display with thin-film based interconnects [J]. SID symposium digest of technical papers，2016，47(1):664-667. [11] WANG J， JáKLI A， GUAN Y， et al. Developing liquid-crystal functionalized fabrics for wearable sensors [J]. Information display，2017，33(4):16-20. [12] OHMAE H， TOMITA Y， KASAHARA M， et al. Stretchable 45×80 RGB led disp