北京纳米能源所《AFM》：全柔性供能显示一体化电子皮肤！

日前，中科院北京纳米能源与系统研究所首次开发了气相转移法，将10000颗MicroLED巨量转移至柔性基底，最薄可至真皮层十分之一。同时研究了具有331.3 m Ah g^-1高比容量的水凝胶电池和可3D打印的可拉伸集成电路。将MicroLED显示器、柔性水凝胶电池和可拉伸电路高度集成，实现了全柔性一体化的电子皮肤显示。这将进一步促进显示设备的轻量化和小型化，并为视觉通信、智能服装和AR/VR等新兴领域的应用开辟新的机会。相关工作以“Fully flexible all-in-one electronic display skin with seamless integration of microLED and hydrogel battery”发表在最新一期的《Advanced Functional Materials》

图1为一体化柔性集成示意图。图1a是将10,000颗MicroLED通过气相转移法转移到柔性基板上制造出双色柔性显示器。图1b是使用3D打印技术制造了由微控制器控制的高透明可拉伸电路板，用于实现柔性显示设备和电源的光电集成。图1c柔性是Zn|PAM|V₂O₅水凝胶电池组，为整个系统进行能源供给。

图1 一体化柔性集成示意图

这项工作中首先针对MicroLED的巨量转移难题创新性地提出了气相转移法，将MicroLED 阵列(100 × 100像素)转移在不同柔性基底。该方案具有低损伤和高精度的特点。然后对气相转移过程进行仿真，证明该方法具备更大规模转移的能力，具有极强的扩展性。在图2中，将MicroLED阵列转移到曲率半径为5mm的柔性衬底上，柔性显示屏有10000颗MicroLED，厚度仅为真皮层的十分之一（约240μm），面积1 cm²，比1元硬币的面积还小。实验结果表明转移后的柔性显示屏仍具有优异的光学特性。

图2 柔性MicroLED的性能

为解决柔性电池的难题，研究者开发了Zn|PAM|V₂O₅水凝胶电池。高导电石墨水凝胶电极（101 S/m）与Zn|PAM水凝胶电解质相结合，形成了一体化电池结构。在0.5 A/g的电流密度下表现出331.3 mAh/g的高比容量，同时水凝胶电极和电解质也都表现出了优异的拉伸性能（420%）和粘附性能（34 N·m^-1）。这对于柔性可穿戴设备有非常重要的意义，尤其是在实际应用中，设备随着身体的弯曲和移动仍可以保持紧密贴附和稳定输出。

图3 水凝胶电池的电学和力学特性

集成了控制器的柔性电路是显示系统的关键部分。利用3D打印设备，在PDMS基底打印出具有高柔性、透光性和生物相容性的电路。该柔性电路在零应变下的最大电导率为8.5 × 10⁶ S m^-1。在400次的循环拉伸测试下，可拉伸电路表现出了良好的机械耐久性和稳定电性能。当与柔性MicroLED阵列集成后，器件在0%-40%应变范围内发光峰值波长没有变化，说明在拉伸过程中，显示系统的光电输出特性几乎不受影响。

图4 柔性可拉伸电路

在实现各部分功能后，将MicroLED显示器，水凝胶电池组和可拉伸电路三部分集成在一个系统中。结果表明一体化显示器佩戴在手腕上可以保持稳定的输出电压和极小的温度变化，在运行中低于人体温度，有良好的生物相容性。最后展示了在内置微芯片的控制下柔性一体化显示设备稳定的动态视觉输出，即使在不同的弯曲状态下也不会影响其功能和图像质量。

图5 柔性一体化显示集成

小结

研究者制造了一款全柔性一体化的电子皮肤显示器。首先创新地开发了气相转移法，低损伤和高精度地将10,000 MicroLED巨量转移到柔性基底上。然后制造了Zn|PAM|V₂O₅水凝胶电池组作为柔性电源。最后使用3D打印技术制备可拉伸电路，并通过可拉伸电路将柔性MicroLED显示屏和水凝胶电池组集成，形成了具有高柔性的可穿戴显示设备。该全柔性集成显示系统有望改变我们与信息的互动方式，并在消费电子、健康监测和人机交互等领域有着广泛的应用前景。

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