基于刚性岛状结构的可拉伸显示器：面向沉浸式显示的新一代自由形态平台

《IEEE Open Journal on Immersive Displays》：A Review of Stretchable Displays Based on Rigid-Island Structures for Immersive Displays

　　本刊编辑推荐：本文系统综述了基于刚性岛-桥结构的可拉伸显示技术，旨在解决传统柔性/可折叠显示器无法实现自由形态变形的问题。研究聚焦于通过应力释放结构、应变工程基底以及材料/结构型桥连等策略，显著提升系统的可拉伸性与可靠性。文章进一步探讨了由基底变形引起的像素间距不均和填充因子下降等图像质量问题，并介绍了机械超材料基底、多层结构和隐藏像素等创新方案。该综述指出，岛-桥结构因其兼容成熟制造工艺并能实现高分辨率与高可靠性，是当前最具商业化前景的可拉伸显示平台。

　　

在显示技术飞速发展的今天，我们见证了从笨重的阴极射线管到轻薄如纸的液晶显示屏，再到可以弯曲折叠的柔性OLED屏幕的巨大飞跃。然而，人类的追求永无止境，即便是当前最先进的柔性或可折叠显示设备，仍然受限于预先设定的弯曲轴或折叠线，无法实现真正意义上的自由形态变形。想象一下，一块显示屏能够像皮肤一样紧密贴合在复杂曲面上，或者像橡皮筋一样被随意拉伸而依然保持清晰的图像——这正是可拉伸显示器所描绘的未来图景。这种下一代形态的人机界面技术，将在穿戴式医疗设备、车载显示、工业面板以及智能纺织品等领域带来革命性的应用体验。

在众多技术路线中，基于刚性岛-桥结构的可拉伸显示方案脱颖而出，被视为通往商业化最可行的路径。其核心思想非常巧妙：将发光二极管和驱动电路这些“娇贵”的元件安置在坚硬的“岛屿”上，使其免受机械应力的直接影响；同时，用具有弹性的“桥梁”将这些孤立的岛屿连接起来，负责吸收拉伸和弯曲时产生的绝大部分应变。这种设计哲学使得人们能够直接利用现有成熟的、高性能的刚性器件制造工艺，从而绕开了开发本征可拉伸发光材料所面临的效率与可靠性难以兼得的巨大挑战。

尽管岛-桥结构在机械可靠性方面取得了长足进步，但保证机械稳健并不等同于能提供优异的视觉体验。当显示器被拉伸时，其弹性基底会发生形变，导致像素间距变得不均匀，从而引起图像扭曲。更棘手的是，连接岛屿的非发光“桥梁”区域会随着拉伸而扩大，使得实际发光的面积占比（即填充因子）下降，屏幕看起来就像蒙上了一层不断扩大的“黑纱”，严重影响显示均匀性和亮度。因此，如何在实现高拉伸性的同时，确保图像质量不因形变而劣化，成为了该领域面临的核心挑战。

发表在《IEEE Open Journal on Immersive Displays》上的这篇综述文章，由韩国科学技术院的研究团队撰写，系统梳理了刚性岛-桥结构可拉伸显示器的设计原理、技术实现与图像质量提升策略。文章不仅总结了为增强系统可拉伸性和可靠性所做的努力，还重点探讨了如何应对拉伸带来的图像失真和填充因子降低等副作用，并展望了其在生物医学、汽车电子等领域的应用前景。

研究人员在文中概述了几个关键的技术方法方向。首先是基底与界面工程，包括通过引入柱状阵列或沟槽等应力释放结构，以及制备模量对比度极高的均质或异质应变工程基底，来有效隔离岛屿区域的应变。其次是桥连结构的创新，分为材料型（如导电复合材料、微裂纹金属、液态金属）和结构型（如蛇形、剪纸结构），它们共同决定了互联导线的拉伸性和电稳定性。最后是针对图像质量的专门优化，例如采用泊松比近零的机械超材料基底来控制像素间距变化，以及利用多层结构和隐藏像素设计来补偿拉伸过程中的填充因子损失。这些方法多基于光刻、激光加工、转印、喷墨打印等微纳加工技术，并利用了多种聚合物（如PDMS、PI、SU-8）和金属材料（如Au、Ag、GaIn合金）。

岛-桥结构：概念、设计策略与挑战

岛-桥结构的基本概念是将发光器件和驱动电路等关键组件安装在宏观变形可忽略不计的刚性岛屿上，岛屿之间通过可拉伸的桥连进行电气互联。因此，发光区域仅限于岛屿，桥连通常是非发光区域。系统应变ε_syst由桥连应变ε_brid、岛屿长度l_is和桥连长度l_brid共同决定，关系式为ε_syst = [l_brid / (l_is + l_brid)] · ε_brid。该结构最大限度地减少了拉伸时施加到岛屿上的应变，从而保护了发光器件。

增强岛-桥结构机械可靠性的策略

为确保机械可靠性，研究人员发展了多种策略。应力释放策略旨在抑制外部应变直接传递到刚性岛屿，例如通过柱状阵列将变形集中在桥连区域以保护岛屿上的器件。

均质应变工程基底通过调控单一材料体系内的模量差异来最小化界面应力集中，例如结合具有不同表面能的聚合物自发形成球形岛屿图案。

异质应变工程基底则结合性质迥异的材料以获得更大的模量对比，例如将玻璃纤维增强框架与弹性体基底结合。

为解决异质材料界面易分层的问题，界面应力释放策略被提出，包括通过化学键合增强界面粘附或引入机械互锁结构。

岛-桥平台中的桥连

桥连是决定岛-桥结构机械和电性能的关键。材料型可拉伸桥连利用本征可拉伸导体，如将导电填料（银片、碳纳米管等）嵌入弹性体基质中形成导电复合材料桥连；或在弹性基底上沉积金属薄膜并通过预拉伸释放等工艺诱导微裂纹，实现可逆拉伸导电；亦或使用共晶镓铟等液态金属，通过微通道注入或印刷成型。

结构型可拉伸桥连则通过几何设计实现拉伸，例如旋转主导结构（如剪纸铰链）通过铰链旋转吸收面内变形；路径展开结构（如蛇形线）通过屈曲和顺序展开来有效延长导电路径。

可拉伸显示器中的图像质量与填充因子工程

通过应变工程超材料基底控制图像失真

可拉伸显示器图像质量下降的一个主要原因是基底变形导致的像素阵列失真。传统弹性体基底泊松比接近0.5，拉伸时横向收缩会扭曲像素间距。采用机械超材料基底设计，通过调控框架与弹性体基质间的相互作用，可以调整系统的有效泊松比，例如实现v≈0以抑制横向收缩。

利用3D岛-桥结构保持高填充因子

填充因子f定义为岛-桥单元胞中发光岛屿所占的面积比。初始填充因子f₀ = l_is² / (l_is + l_brid)²。拉伸时，填充因子下降为f(ε_x, ε_y) = f₀ / [(1+ε_x)(1+ε_y)]。为应对此问题，出现了两种主要的三维结构策略。多层结构通过垂直互联访问将桥连布置在显示平面之下或中间层，从而最大化表面岛屿面积，提高初始填充因子。

隐藏像素结构则在拉伸过程中通过暴露预先隐藏的像素来补偿填充因子。例如，将像素堆叠，在零应变时显示为一个像素，拉伸时上下像素分离并独立发光。

岛-桥结构可拉伸显示器的应用

岛-桥结构显示器因其机械可靠性以及与常规显示工艺的完全兼容性，已在多个领域展现出应用潜力。在生物医学领域，例如用于慢性伤口光疗的皮肤贴片式LED显示器，以及集成有机光电传感和可拉伸OLED显示器的健康监测贴片，能够在形变下稳定显示生理信号。在工业层面，LG Display展示了12英寸、100 PPI的有源矩阵微米发光二极管可拉伸面板，能在20%拉伸应变下稳定工作；三星显示器展示了200 PPI的可拉伸微米发光二极管面板，在25%应变下仍保持亮度均匀性和色点稳定性。这些原型表明该技术正从实验室演示走向预商业化阶段。

综上所述，这项研究系统性地阐述了基于刚性岛-桥结构的可拉伸显示技术，标志着显示技术向自由形态迈出的关键一步。该平台成功地将成熟高性能刚性器件的优势与整体结构的可拉伸性相结合，通过创新的应力释放、应变工程和桥连设计解决了机械可靠性问题，并进一步针对拉伸导致的图像失真和填充因子下降等挑战，提出了超材料基底、多层结构和隐藏像素等有效的图像质量提升方案。尽管在实现极高像素密度与大拉伸性共存、保证多轴负载下的长期可靠性以及提升大面积制造良率方面仍存在挑战，但岛-桥结构凭借其与现有工业生态的兼容性和技术可行性，无疑为下一代自由形态显示器的商业化铺平了道路，预示着显示技术将从追求极致画质迈向形态自由的新纪元。