一种可拉伸的高分辨率多色联觉显示器开发

背景介绍

多功能显示器可以立即将各种刺激（例如，光、声音、压力、应变、温度、湿度和磁场）表示为光学信息，已被积极研究用于高效的信息传递、紧凑和轻便的设计以及复杂的未来应用。具体而言，联觉显示器通过单个设备可视化不可见的人类感官，包括声音、嗅觉、味觉和触摸，因此有可能成为未来电子设备中独特的人机交互界面。要将独立的设备纳入单个系统，需要各种设备设计策略，包括材料工程、制造工艺开发、和结构配置。例如，可以通过将弹性体和磷光体的电介质复合物定位在两个可拉伸电极（即夹层结构）之间来实现声音产生电致发光（EL）器件，该电介质复合物既充当EL器件，又充当电介质致动器扬声器，其充当可以产生同步声音和光的联觉显示器。

处于早期发展阶段的可变形声音产生显示器面临着尚未解决的挑战，包括低亮度和单色操作。在实际应用中，还需要将图案化技术应用于声音生成显示器，以可视化各种信息。获得精细和复杂图案的主要方法通常是电极图案化。然而，对于夹层结构器件，即使是单色图案化显示器也需要多个闭合曲线电极设计（每个像素需要两个电极），这可能会限制显示器的分辨率。还研究了发射层（EML）图案化技术，包括丝网印刷、组装和光图案化。然而，现有方法导致低分辨率EL操作（图案尺寸>2 mm）和亮度降低到低于工业标准（>100 cd/m²），这不足以用于显示器应用。因此，有必要开发一种新技术，在不显著降低光学性能的情况下实现器件的高分辨率多色图案化。

本文亮点

1. 本工作通过转移打印，提出了一种可拉伸的高分辨率多色联觉显示器，它可以产生同步的声音和光作为输入/输出源。转移印刷发射复合材料使显示器具有增强的光学性能和精细的声压级。

2. 由于该设备固有的可拉伸性，联觉显示器可以在静态和动态变形下稳定地工作，而声音相对于输入波形没有失真。

3. 用户交互式联觉显示用于视觉-声学加密，这有助于高级加密，以及用单个设备桥接多个域的多路快速响应代码。

图文解析

图1 用户交互式联觉显示，用于视觉-声学加密。a） 可拉伸高分辨率联觉显示的示意图。b） 用于视觉-声学加密的用户交互式联觉显示的概念图。

图2 转印技术和设备性能。a） 转印过程示意图。插图显示了水滴在每个表面上的接触角。b） 通过旋涂（左）和转移印刷（右）制造的器件的截面SEM图像。c） 通过旋涂（红色）和转印（蓝色）在10 kHz和−30至30 V电压范围内制造的器件的电容。d） 根据10 kHz下的电压，通过旋涂（红色）和转印（蓝色）制造的器件之间的亮度比较。e） 电压在不同频率下对器件亮度的影响。f） 在10 kHz和交流/直流电压比为3:1时，电压对设备产生的SPL的影响。g） 取决于100 V下的频率的图案化器件的EL操作的图像。h） CIE坐标相对于120 V下从100 Hz到50 kHz的频率变化。黑色箭头表示颜色的变化。i） 装置在0%至120%应变范围内的图像。j） 拉伸应变对器件产生的亮度（蓝点）和SPL（红点）的影响。k） 50%重复拉伸对亮度（蓝点）和SPL（红点）的影响。

图3 EML图案化特性。a） 显示最小图案尺寸的SEM图像。b） 高分辨率马赛克图案的光致发光图像。经卢浮宫许可改编和复制的绘画作品。c）用PDMS平坦化之前（蓝色）和之后（红色）的EML图案的3D光学轮廓。d） 取决于频率的高分辨率马赛克图案的电致发光图像。比例尺表示1厘米。经海牙Maurithuis美术馆许可改编和复制的绘画作品。多色设备图像e）在平面上，f）在弯曲物体上，以及g）在弯曲状态下。h） 拉伸应变对图案化器件产生的亮度（蓝色）和SPL（红色）的影响。插图显示了在拉伸之前和之后在操作中的图案化器件的图像。比例尺表示1厘米。

图4 作为输出设备的可穿戴联觉显示器的性能。a、 b）播放音乐时显示可穿戴联觉的图像，Niccolo Paganini的La Campanella，a）没有和b）有手指弯曲运动。c） 输入电压信号（La Campanella）。d） 输出从连接在食指（顶部）并在手指关节（底部）拉伸的可穿戴联觉显示器记录的声音。e、 f）对e）原始输入声音和f）可佩戴联觉显示器的输出声音的STFT结果进行频谱可视化。

图5 联觉显示作为用户交互式视觉-声学加密和多重QR的输入设备的应用。a） 显示用户交互联觉的图像。插图显示了显示器的关闭状态。b） 视觉-声学加密系统的解码过程框图。c） 方框图对应的操作过程。通电后，通感显示器上的二维码被解密（左）。当获取的声音的频率分别为10kHz（中间、顶部）和噪声（中间、底部）时，秘密页面和拒绝访问页面（右侧）显示在智能手机上。d） 用于生成多路二维码的概念图。e） 联觉的图像显示在1、5和10kHz的频率下工作。插图显示在每个频率编码的图像。比例尺表示1厘米。

审核编辑：刘清