Självladdande wearables med solceller i skärmar på horisonten

Displayområdet har stagnerat, fångat av en genomgripande innovationstorka. Konventionella teknologier som LCD och OLED är fortfarande bundna till sitt enda syfte – visuell presentation. Att lägga till avancerade funktioner som beröringskänslighet eller omgivningsljusdetektering kräver införlivande av externa sensormatriser, vilket ökar kostnader och komplexitet. Men forskare vid Sveriges Linköpings universitet (LiU) har hittat ett sätt att tackla denna begränsning med en revolutionerande multifunktionell display.

Deras genombrott? Perovskitljusemitterande dioder (PeLEDs) som kan avge och detektera ljus samtidigt. Denna dubbla förmåga gör att en enda display kan fungera som ett beröringsgränssnitt, en omgivningsljussensor, en bildskanner (inklusive fingeravtrycksigenkänning) och, viktigast av allt, utnyttja omgivande ljus för att ladda enheter – vilket inleder en ny era för självladdande wearables.

Publicerat i Nature Electronics, markerar dessa fynd en ny era av ultratunna, mångsidiga skärmar. När man talar om studiens resultat säger Feng Gao, professor i optoelektronik vid LiU, att detta också kan påskynda antagandet av självladdande wearables:

“Vi har bevisat att vår design fungerar. Våra resultat visar potentialen för avancerade skärmar med nya möjligheter. Härifrån förfinar vi tekniken för en livskraftig kommersialisering.”

Perovskitens kant

Konventionella LED‑lampor misslyckas med ljusdetektion på grund av grundläggande kompromisser mellan absorption och laddningstransport. PeLEDs övervinner detta hinder genom synergistisk hög optisk absorption och utmärkt bärartransport. Denna kombination möjliggör effektiv ljusemission för levande skärmar samtidigt som den underlättar effektiv ljusdetektion för mångsidig sensning.

Chunxiong Bao, huvudförfattare och docent vid Nanjing University, förklarar: 

“En viktig fördel – smartklockans display kan samla in omgivningsljus under viloperioder istället för att bara visa visuella element. Detta förlänger batteriets livslängd mellan laddningar.”

Konsolidering av sensningsmodaliteter

LiU‑teamets PeLED‑display krossar begränningarna genom att integrera sensningsförmågor i varje pixel:

• Precisionsberöringssensor: Kartlägger exakt fotoströmsfluktuationer för att noggrant lokalisera beröringspunkter.
• Allestädes närvarande omgivningsljusdetektion: Varje PeLED‑pixel fungerar också som en omgivningsljussensor.
• Bildskanning: Ett pixelset belyser mål medan grannpixlarna detekterar reflekterat ljus, vilket möjliggör fingeravtrycksskanning.
• Perpetuell laddning: Genom den fotovoltaiska effekten laddar PeLEDs kontinuerligt enheter med omgivningsljus.
• Hälsomonitorering: Analys av ljusabsorption möjliggör integrerad fotopletysmografi.

Att konsolidera dessa sensningslägen i en enhetlig PixelFunction eliminerar separata sensorlager, förenklar designen och minskar kostnaderna.

Utmärkt prestanda

PeLED‑displayen visar imponerande siffror. Optimerade röda PeLEDs uppnår 9,7 % extern kvantumeffektivitet och över 4 700 cd/m² luminans – tillräckligt ljusstarkt för små skärmar. Gröna och blå motsvarigheter visar också lovande utsläpps‑ och detektionsegenskaper.

När det gäller sensning uppvisar röda PeLEDs en toppfotorepons på 0,23 A/W och en Jones‑specifik detekterbarhet på 6,08 × 10^12, vilket placerar dem bland de mest känsliga perovskitfotodetektorerna. Otroligt nog når de minsta 0,06 mm²‑pixlarna en -3 dB‑frekvens på 142 MHz, vilket överträffar de flesta lösningsbearbetade halvledarfotodetektorer.

Proof‑of‑Concept och hinder

För att validera sitt koncept byggde forskarna en prototyp med 1 024 pixlar. Detta proof‑of‑concept demonstrerade visuell display, beröringsstyrning, omgivningsljussensor, högupplöst bildfångst (inklusive förstora fingeravtryck), integrerad fotopletysmografisk övervakning och autonom solenergiladdning.

Dock kvarstår hinder innan kommersiell livskraft.

Enligt Zhongcheng Yuan, forskare vid University of Oxford och medförfattare:

“PeLED‑tjänstelivslängder kräver betydande förbättringar. För närvarande leder materialinstabilitet till LED‑fel inom timmar.”

Trots detta råder optimism, då Yuan förutspår följande och understryker den störande teknikens enorma potential:

“Många hinder kommer sannolikt att avlägsnas inom ett decennium.”

Omdefiniera människa‑maskin‑gränssnitt

Den multifunktionella PeLED‑displayen inleder ett paradigmskifte genom att konsolidera olika sensningsmodaliteter i varje pixel, eliminera behovet av separata sensorlager och möjliggöra ultratunna, sömlöst integrerade designer. Dessutom banar denna konvergens vägen för mer intuitiva människa‑maskin‑gränssnitt.

Till exempel kan fingeravtrycksautentisering sträcka sig bortom dedikerade sensorer till att omfatta hela skärmar, vilket potentiellt berikar användarupplevelsen. Dessutom kan inbäddade omgivningsljussensorer i varje pixel dynamiskt optimera skärmens ljusstyrka och kontrast.

I professor Gaos ord:

“Även om utmaningar kvarstår visar våra resultat en enorm potential för att katalysera nästa generations multifunktionella skärmar med banbrytande kapaciteter. Från detta milstolpe fokuserar vår mission på att omvandla denna teknik till en kommersiellt livskraftig produkt.”

Med perovskiter i spetsen för innovation verkar framtidens färdplan redo för en mångsidig revolution.

Det konkurrensutsatta landskapet

Även om det är ett milstolpe möter LiU:s genombrott hård konkurrens från företag som Samsung, som aggressivt har utvecklat vikbara OLED‑skärmar med fingeravtryckssensorer under panelen. Dessa tillfälliga lösningar kräver dock fortfarande skrymmande dedikerade sensorkomponenter, vilket begränsar integrationsmöjligheterna.

Enligt displayanalytikern Paul Gagnon:

“Perovskiter kan ge ett avgörande försprång genom att eliminera separata sensorer. Om livslängdsproblemen löses kan PeLED‑skärmar möjliggöra en enastående enhetsslankhet samtidigt som de låser upp omgivningsintelligensfunktioner.”

Det ryktas att Apple (AAPL ) utvecklar micro‑LED‑skärmar som strategiskt placerar fotodetektorer för partiell sensningsintegration. Trots att de är innovativa, medför sådana delvisa tillvägagångssätt ökad komplexitet och kostnadsökningar, särskilt i jämförelse med PeLED‑ernas enhetliga arkitektur.

Färdplan mot kommersialisering

Att överföra PeLED‑teknik till högvolymtillverkning innebär enorma utmaningar. Perovskiters känslighet för fukt och syre kräver exempelvis strikt inkapsling, vilket driver upp de initiala produktionskostnaderna. När han talar om dessa utmaningar säger Yuan:

“För att uppnå ekonomisk livskraft måste vi övergå till perovskitdeposition med industristandardtekniker i omgivningsluft. Att snabbt skala upp produktionen samtidigt som priset hålls överkomligt blir avgörande för bred adoption.”

Att etablera omfattande kvalitetskontrollmått och regulatoriska efterlevnadsvägar kräver tvärvetenskapligt samarbete mellan pionjärer, tillverkare, certifieringsorgan och lagstiftande institutioner. Detta samarbete är avgörande inte bara för PeLED‑skärmar utan även för framväxande teknologier som självladdande wearables. Om momentum fortsätter förutspår analytiker att PeLED‑skärmar kan nå konsumentmarknaden inom de kommande 5–7 åren.

Klicka här för att lära dig om interna batterier kan driva nästa generations wearables.

Främja bredare transformationer

Utöver skärmar kan PeLED‑ernas sammansmältning av ljusemission, detektion och energihämtning katalysera olika teknologiska transformationer:

• Smarta miljöer: Allestädes närvarande PeLED‑ytor som fungerar som integrerade sensorer och energihämtare kan utgöra grunden för omgivningsintelligens i smarta hem, arbetsplatser och städer.
• Avancerad robotik: Integrering av PeLED‑’hud’ kan revolutionera autonoma system genom att möjliggöra visuell perception, beröringskänslighet och ständig energiautonomi.
• Nästa generations wearables: Flexibla, textilt integrerade PeLED‑skärmar kan katalysera en wearable‑renässans genom att eliminera begränsningarna hos stela enheter.

Gagnon kommenterade:

“Denna upptäcks transformativa potential är för närvarande svår att kvantifiera. Men genom att harmoniskt kombinera emission, detektion och energihämtning har perovskiter enorm störande potential som sträcker sig över flera industrier.”

Allteftersom forskare kontinuerligt förfinar PeLED‑prestanda, livslängd och tillverkningsmöjligheter, framträder vägen mot att revolutionera människa‑maskin‑synergi genom intuitiva multifunktionella ytor som upplyst. Denna kommande störning verkar redo att katalysera en omgivningsintelligens‑renässans över teknologiska fronter.

Fokus på hållbarhet

En avgörande aspekt som ofta förbises i innovationsrusningen är miljömässig hållbarhet. Traditionella tillverkningsprocesser för skärmar är ökända för att vara resursintensiva och generera betydande avfall och växthusgasutsläpp. I stark kontrast kan PeLED‑produktionsmetoder potentiellt erbjuda ett mer miljövänligt tillverkningsparadigm. Yuan förklarar:

“Perovskiter kan lösningsbearbetas vid relativt låga temperaturer med tekniker som bläckstråleskrivning. Detta kan avsevärt minska energifotavtrycket jämfört med befintliga vakuumdepositionsmetoder för konventionella skärmar.”

Dessutom utnyttjar många perovskitsammansättningar rikligt förekommande och ekonomiskt utvinningsbara förstadsmaterial som bly, tenn och cesiumhalider. I kombination med möjligheten till förenklade återvinningsflöden kan detta främja en mer hållbar och cirkulär ekonomi i nästa generations displaytillverkning. Enligt Gao:

“Även om den fortfarande är i ett tidigt stadium visar våra tidiga bedömningar att PeLED‑skärmar tillverkade enligt ekodesignprinciper kan erbjuda upp till 40 % lägre koldioxidutsläpp jämfört med motsvarande LCD‑ eller OLED‑skärmar. Detta kan bli en avgörande hållbarhetsfördel när industrier omfamnar cirkulära ekonomiska krav.”

Dock kvarstår hinder för att förverkliga en grön tillverkningsutopi. Många vanliga perovskitsammansättningar innehåller fortfarande giftiga blyföreningar, vilket kräver robusta inneslutningsprotokoll. Pågående forskning kring blyfria formuleringar och inkapslingstekniker syftar till att minska dessa miljörisker. Gagnon anser:

“Det finns fortfarande arbete kvar, men potentialen för perovskiter att katalysera en hållbar displaytillverkningsrenässans är mycket lovande. Att omfamna ekodesign från början kan framtidssäkra denna teknik samtidigt som den gynnar både industrier och vår planet.”

När brådet att begränsa klimatförändringar och resursutarmning intensifieras kan PeLED‑ernas miljövänliga implikationer påskynda deras antagande och säkerställa deras långsiktiga livskraft i ett alltmer hållbart globalt ekonomiskt landskap.

Vägen framåt

Trots att stora utmaningar kvarstår inom tekniska, tillverknings- och hållbarhetsaspekter är potentialen för perovskitdrivna multifunktionella skärmar tydlig. LiU:s genombrott kombinerar olika funktioner i enhetliga pixlar. Denna konvergens pekar mot sömlösa människa‑maskin‑gränssnitt och allestädes närvarande omgivningsintelligens.

Gao säger:

“Att gå från laboratorieprojekt till en livskraftig produkt kommer inte att vara enkelt. Det kräver samarbete över discipliner och strategiska investeringar.”

Men om forskarna fortsätter kan PeLED‑skärmar initiera ett teknologiskt skifte som gynnar industrier och samhälle. Vägen kommer inte att vara enkel, men de potentiella belöningarna är betydande – att omdefiniera hur vi interagerar med intelligenta ytor som ser, rör, laddar och uppfattar. Enligt Gagnon:

“Perovskiter kombinerar emission, detektion och energihämtning. Denna konvergens har störande potential över olika områden, om utmaningarna löses.”

När pionjärerna optimerar prestanda och tillverkning förbättras utsikterna för intuitiva multifunktionella ytor. Den kommande displaystörningen kan driva en omgivningsintelligens‑renässans som vi ännu inte kan föreställa oss helt, inklusive integrationen av självladdande wearables.

Klicka här för listan över de bästa wearable‑företagen för hälsospårning att investera i.