带有太阳能显示屏的自充电可穿戴设备即将出现

由于普遍缺乏创新，显示领域陷入停滞。 LCD 和 OLED 等传统技术仍然受限于其单一目的——视觉呈现。添加触摸灵敏度或环境光检测等高级功能需要整合外部传感器阵列，从而增加成本和复杂性。然而，瑞典林雪平大学 (LiU) 的研究人员找到了一种方法，通过革命性的多功能显示器来解决这一限制。

他们的突破？可以同时发光和检测光的钙钛矿发光二极管（PeLED）。这种双重能力使一个显示器能够充当触摸界面、环境光传感器、图像扫描仪（包括指纹识别），更重要的是，利用环境照明为设备充电——开创自充电可穿戴设备的新时代。

发表于 自然电子，这些发现预示着超薄、多功能显示器的新时代的到来。在谈到这项研究结果时，LiU 光电学教授 Feng Taka 断言，这也可能加速自充电可穿戴设备的采用：

“我们已经证明了我们的设计是有效的。我们的结果证明了具有新颖功能的先进显示器的潜力。从这里开始，我们完善技术以实现可行的商业化。”

钙钛矿边缘

由于吸收和电荷传输之间的根本权衡，传统 LED 在光检测方面表现不佳。 PeLED 通过协同的高光学吸收和出色的载流子传输克服了这一障碍。这种混合能够实现高效的发光，实现生动的显示，同时促进有效的光检测，实现多方面的传感。

主要作者、南京大学副教授包春雄解释道： 

“一个关键优势是智能手表显示屏可以在休息时间收集环境光，而不仅仅是显示视觉效果。这可以延长两次充电之间的电池寿命。”

巩固传感方式

LiU 团队的 PeLED 显示器通过将传感功能集成到每个像素中来打破限制：

• 精确的触摸感应： 精确映射光电流波动以准确定位触摸位置。
• 无处不在的环境光检测： 每个 PeLED 像素还充当环境光传感器。
• 图像扫描： 一组像素照亮目标，而相邻像素组检测反射光，从而实现指纹扫描。
• 永久充电： PeLED 利用光伏效应，利用环境光持续为设备充电。
• 健康监测： 分析光吸收可以实现集成光电体积描记法。

将这些传感模式整合到统一的 PixelFunction 中可以消除单独的传感器层，从而简化设计并降低成本。

出色的性能

PeLED 显示屏的指标令人印象深刻。优化的红色 PeLED 可实现 9.7% 的外部量子效率和超过 4,700 cd/m2 的亮度——对于小型显示器来说足够明亮。绿色和蓝色对应物也展示了有前途的发射和检测特性。

在传感方面，红色 PeLED 表现出 0.23 A/W 峰值光响应度和 6.08 x 10^12 琼斯特异性探测率，跻身最灵敏的钙钛矿光电探测器之列。令人难以置信的是，最小的 0.06 mm2 像素达到了 142 MHz -3dB 频率，优于大多数溶液处理的半导体光电探测器。

概念验证和障碍

为了验证他们的概念，研究人员制作了一个 1,024 像素的原型。该概念验证展示了视觉显示、触摸控制、环境光感应、高分辨率图像捕获（包括放大的指纹）、集成光电体积描记监测和自主太阳能充电。

然而，商业可行性之前仍存在障碍。

牛津大学研究员兼共同主要作者Zhong Cheng Yuan 表示：

“PeLED 的使用寿命需要大幅提高。目前，材料不稳定会导致 LED 在数小时内失效。”

尽管如此，乐观情绪依然盛行，正如袁先生预测的那样，突显了这种颠覆性技术的巨大潜力：

“许多障碍可能会在十年内消除。”

重新构想人机界面

多功能 PeLED 显示器通过在每个像素内整合各种传感模式、消除对单独传感器层的需求并实现超薄、无缝集成设计，预示着范式转变。此外，这种融合为更直观的人机界面铺平了道路。 

例如，指纹认证可以扩展到专用传感器之外，涵盖整个显示器，从而有可能丰富用户体验。此外，在每个像素中嵌入环境光传感器可以动态优化显示亮度和对比度。

用高教授的话来说：

“虽然挑战仍然存在，但我们的结果证明了催化具有突破性功能的下一代多功能显示器的巨大潜力。从这个里程碑开始，我们的使命专注于将这项技术转化为商业上可行的产品。” 

随着钙钛矿引领创新，未来的路线图似乎已为一场多功能革命做好了准备。

竞争格局

虽然这是一个里程碑，但 LiU 的突破面临着来自三星等公司的激烈竞争，三星一直在积极开发带有面板下指纹传感器的可折叠 OLED 显示屏。然而，这些临时解决方案仍然需要笨重的专用传感器组件，限制了集成的可能性。

根据显示器分析师 Paul Gagnon 的说法：

“钙钛矿可以通过消除单独的传感器来提供关键的优势。如果寿命问题得到解决，PeLED 显示器可能会实现前所未有的设备时尚度，同时释放环境智能功能。”

据传苹果正在开发 micro-LED 显示器，战略性地定位光电探测器以实现部分传感集成。然而，虽然具有创新性，但这种零碎的方法增加了复杂性和成本开销，特别是与 PeLED 的统一架构相比。

商业化路线图

将 PeLED 技术转变为大批量生产面临着巨大的挑战。例如，钙钛矿对水分和氧气的敏感性需要严格的封装，从而提高了初始生产成本。在谈到这些挑战时，袁指出：

“为了实现经济可行性，我们必须将钙钛矿沉积转变为行业标准的环境空气技术。快速扩大产量，同时确保价格实惠对于广泛采用至关重要。”

建立全面的质量控制指标和监管合规途径需要先驱者、制造商、认证机构和立法实体之间的跨学科合作。此次合作不仅对于 PeLED 显示器至关重要，对于自充电可穿戴设备等新兴技术也至关重要。尽管如此，如果势头持续下去，分析师预测 PeLED 显示器可能会在未来 5-7 年内渗透到消费市场。

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促进更广泛的变革

除了显示器之外，PeLED 集发光、检测和能量收集特性于一身，可以促进多种技术变革：

• 智能环境：作为集成传感器和能量采集器的无处不在的 PeLED 表面可以支撑智能家居、工作场所和城市的环境智能。
• 先进机器人：集成 PeLED“皮肤”可以通过实现视觉感知、触摸灵敏度和永久能源自主来彻底改变自主系统。
• 下一代可穿戴设备：柔性、织物集成的 PeLED 显示器可以消除刚性设备的限制，从而促进可穿戴设备的复兴。

加格农评论道：

“这一发现的变革潜力目前难以量化。但通过和谐地融合发射、检测和能量收集，钙钛矿在多个行业拥有巨大的颠覆性潜力。”

随着研究人员不断改进 PeLED 的性能、寿命和可制造性，通过直观的多功能表面彻底改变人机协同的道路似乎被照亮了。这种即将到来的颠覆似乎将促进跨技术前沿的环境智能复兴。

聚焦可持续发展

在创新的狂热中经常被忽视的一个关键方面是环境的可持续性。传统的显示器制造工艺众所周知是资源密集型的，会产生大量废物和温室气体排放。与此形成鲜明对比的是，PeLED 生产方法有可能提供一种更加环保的制造范例。袁解释道：

“钙钛矿可以使用喷墨印刷等技术在相对较低的温度下进行溶液加工。与传统显示器的现有真空沉积方法相比，这可以大大减少能源足迹。”

此外，许多钙钛矿组合物利用丰富且经济可提取的前体材料，例如卤化铅、锡和铯。再加上简化回收流程的潜力，这可以在下一代显示器制造中促进更加可持续和循环的经济。据高说：

“虽然仍处于起步阶段，但我们的早期评估表明，与同等 LCD 或 OLED 相比，通过生态设计原则生产的 PeLED 显示器的碳排放量可降低高达 40%。随着各行业接受循环经济指令，这可能是一个关键的可持续发展优势。”

然而，实现绿色制造乌托邦仍然存在障碍。许多流行的钙钛矿组合物仍然含有有毒的铅化合物，因此需要强有力的遏制方案。正在进行的无铅配方和封装技术研究旨在减轻这些生态危害。加格农认为：

“还有很多工作要做，但钙钛矿催化可持续显示器制造复兴的潜力非常有希望。从一开始就采用生态设计可以使这项技术面向未来，同时使行业和我们的星球受益。”

随着遏制气候变化和资源枯竭的紧迫性加剧，PeLED 的环保影响可以加速其采用，并确保其在日益可持续的全球经济格局中的长期生存能力。

前方的路

尽管技术、制造和可持续性方面仍然存在重大挑战，但钙钛矿驱动的多功能显示器的潜力是显而易见的。 LiU 的突破将不同的功能结合到统一的像素中。这种融合指向无缝人机界面和无处不在的环境智能。

高指出：

“从实验室项目过渡到可行的产品并不简单。它需要跨学科的合作和战略投资。” 

然而，如果研究人员坚持不懈，PeLED 显示器可能会引发技术变革，造福行业和社会。 这条道路并不容易，但潜在的回报是巨大的——重新定义我们与观看、触摸、充电和感知的智能表面的交互方式。根据加格农的说法：

“钙钛矿融合了发射、检测和能量收集。如果挑战得到解决，这种融合将具有跨领域的颠覆性潜力。”

随着先驱者优化性能和制造，直观的多功能表面的前景不断改善。即将到来的显示颠覆可能会推动我们目前还无法完全想象的环境智能复兴，包括自充电可穿戴设备的集成。

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