Гнется, светится, работает под водой: гибкие экраны вышли за привычные рамки
Гибкий экран можно наклеить на кожу, встроить в одежду или погрузить в воду, но разработчикам таких устройств долго приходилось выбирать между яркостью, простотой конструкции и безопасным напряжением питания. OLED-панели хорошо светятся, однако состоят из нескольких функциональных слоев, которые усложняют изготовление гибких устройств и хуже переносят многократные деформации. Светоизлучающие конденсаторы устроены проще, но некоторым конструкциям нужны сотни и даже тысячи вольт. Исследователи предложили другой вариант и повысили яркость электрохемилюминесцентного устройства до 1552 кд/м². Экспериментальный экран выдержал многократное включение, непрерывно работал около двух часов и мог питаться от небольшого аккумулятора.
Электрохемилюминесценция возникает при электрохимической реакции, во время которой молекулы переходят в возбужденное состояние и испускают фотоны. В простейшем устройстве между двумя электродами находится жидкий электролит с растворенным светоизлучающим веществом. Переменное напряжение заставляет молекулы поочередно принимать и отдавать электроны. После переноса заряда образуются возбужденные частицы, а при возвращении в более устойчивое энергетическое состояние энергия выходит в виде света.
Схема позволяет делать тонкие и гибкие светящиеся элементы без сложной многослойной структуры OLED. Главная проблема прежних электрохемилюминесцентных устройств заключалась в низкой яркости и быстром ослаблении свечения. Заряды медленно перемещались в электролите, а побочные химические процессы возле поверхности электродов постепенно ухудшали работу устройства. В результате значительная часть подведенной энергии не превращалась в видимый свет.
Разработчики начали с состава электролита. В традиционных устройствах применяют ионные жидкости, то есть соли, которые остаются жидкими при комнатной температуре. Исследование показало, что крупные ионы распространенного электролита мешают быстрому переносу заряда. Команда заменила жидкость составом с меньшим и более подвижным отрицательно заряженным ионом.
Новый электролит устраняет сразу два ограничения. Более компактный анион ускоряет перенос электронов на границе между электродом и жидкостью и помогает подавлять реакции, которые разрушают рабочую систему. Катион, то есть положительно заряженный ион, повышает растворимость светоизлучающего вещества. В электролите помещается больше молекул, способных участвовать в электрохимических реакциях, а перенос заряда идет быстрее.
Следующий шаг затронул электроды. Вместо двух одинаковых прозрачных электродов разработчики использовали асимметричную конструкцию. Один электрод получил текстурированную поверхность, которая увеличивает площадь контакта с электролитом и ускоряет электрохимические реакции. Второй электрод оставили гладким, чтобы через него проходило больше света. За задней стороной разместили тонкий серебряный отражатель, который возвращает наружу часть излучения, прежде уходившего внутрь конструкции. Авторы научной работы называют разработку ультраярким электрохемилюминесцентным устройством, или UBECL.
Максимальная яркость достигла 1552 кд/м². Авторы сравнивают результат с типичным экраном смартфона при использовании в помещении: экспериментальное устройство оказалось примерно в три-четыре раза ярче. По сравнению с лучшими традиционными электрохемилюминесцентными конструкциями яркость выросла в 3,2 раза. Научная работа также указывает токовую эффективность 1,6 кд/А, примерно вдвое выше показателя контрольного устройства на основе распространенной ионной жидкости EMIMTFSI.
Изменения повлияли и на срок работы. Во время испытаний с последовательными включениями и выключениями после десяти циклов новая конструкция сохраняла яркость до 82 раз выше контрольного образца. При непрерывном питании свечение продолжалось около двух часов. Прежний вариант в аналогичном тесте работал 29 минут. Экспериментальное устройство также сохраняло более равномерную яркость при повышении переменного напряжения и лучше работало при низком напряжении активации.
Возможности разработки проверили на трех прототипах. Для первого использовали гибкую накладку на кожу с датчиком концентрации глюкозы в поте. Светящиеся элементы меняли цвет в зависимости от показаний сенсора: синий и красный сигналы позволяли различать уровни измеряемого показателя без отдельного дисплея. Человек получает результат непосредственно на поверхности накладки, поэтому для простого предупреждения не требуется смартфон или еще один экран.
Второй прототип получил семисегментный индикатор, знакомый по электронным часам, калькуляторам и бытовым приборам. Экран последовательно выводил цифры от 1 до 9 и быстро переключался между значениями на протяжении повторных циклов. Такой формат рассчитан не на сложную графику, а на короткие числовые и знаковые сообщения. Светящиеся сегменты можно встроить в упаковку, датчик, поверхность машины или мягкого робота, если устройству нужно показывать температуру, состояние, номер режима или другой небольшой объем информации.
Третий образец проверили под водой. Гибкое твердотельное устройство полностью погрузили в воду, но свечение сохранилось. Авторы рассматривают водостойкий вариант как основу для подводных сигналов, индикаторов и визуальных интерфейсов. Светящийся элемент можно разместить на гибкой поверхности снаряжения или корпуса датчика там, где жесткий экран мешает движению либо усложняет герметизацию.
Разработчики хотят превратить электрохемилюминесцентный слой в тонкий, мягкий и прозрачный индикатор, который повторяет форму поверхности. На коже свет может отображать данные физиологических датчиков. В мягкой робототехнике светящиеся участки способны показывать информацию о прикосновении, движении или повреждении непосредственно на оболочке робота.
Главное ограничение сейчас связано с цветом. Экспериментальные устройства поддерживают несколько цветов, но красное свечение пока дает лучшие показатели. Исследователи собираются повысить яркость и устойчивость синего, зеленого и других цветов. Для этого придется подбирать новые светоизлучающие молекулы и электролиты, а также менять геометрию электродов и остальных элементов конструкции.
Отдельное направление посвящено растягиваемым и самовосстанавливающимся устройствам. Разработчики хотят сохранить свечение при изгибе и растяжении, а после механического повреждения вернуть материалу работоспособность. Такие свойства нужны для носимых датчиков, мягких роботизированных оболочек и подводных интерфейсов, которые постоянно деформируются во время работы.
Следующий этап работы сосредоточен на многоцветных устройствах, механической стойкости и восстановлении после повреждений. Именно от этих характеристик зависит, сможет ли электрохемилюминесцентная технология выйти за пределы лабораторных образцов и работать в носимой электронике и других устройствах с гибкими поверхностями.