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可穿戴设备的柔性电子技术专利简要分析

发布于 2020-12-23 13:51 阅读(

随着科技的进步,智能化是时代发展的必然趋势。相较于传统电子设备,可穿戴设备具有更大的灵活性,能够在一定程度上适应不同的工作环境,满足人们对于电子设备的形变要求。近年来,在持续发展的各种硬件技术中,可穿戴设备的柔性电子技术脱颖而出,为可穿戴设备的产业化提供了可靠的技术保障。
 
  本文对可穿戴设备的柔性电子技术进行分析,并介绍了可穿戴设备的柔性电子技术的发展脉络,对可穿戴设备的柔性电子技术的专利进行了分析。
 
  柔性电子三大关键技术
 
  第一是柔性显示技术。目前柔性显示装置的显示技术很多,包括传统的液晶显示技术(Liquid Crystal Display, LCD)、双稳态液晶显示技术(Bi stable Liquid Crystal Display, BLCD)、有机电致发光二极管(Organic Light-emitting Diode,OLED)显示技术、电泳显示技术(Electrophoretic Display,EPD)、电致变色显示技术(Electrochromism Display, ECD)与电致发光显示技术(Electroluminescent Display,ELD)等。采用OLED技术的显示面板具备自发光、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快以及能够在柔性基板上制造等优势,是新一代平面显示技术的代表,已经成为平板显示领域重要的发展方向和最具发展潜力的技术之一,受到业界推崇。
 
  目前柔性显示主要创新在显示屏结构上的创新,材料的改进,使得柔性显示屏幕更轻薄,更耐用,并且在弯曲程度上进行改进,使得屏幕即使弯曲也能呈现好的显示效果。
 
  第二是柔性传感技术。传统的刚性或柔性较小的传感器难以准确感测接触界面之间的接触交互作用力及其动态分布信息,而随着柔性电子学的发展,柔性传感技术已成为高新的智能交互技术,对实现柔性接触界面、曲面和不规则形状接触界面之间的接触交互作用力的感测以及动态分布信息的感测具有非常重要的作用。
 
  其中,指纹识别传感器技术是柔性传感技术的重要技术分支,具体可以应用于可穿戴电子设备的解锁、安全支付、唤醒功能、身份识别等功能。指纹识别的原理是利用每个人独一无二的指纹的纹路特征,即指纹中嵴及峪的分布形态,如嵴端点、分叉、分叉接合点等细微特征判断并识别特定使用者。指纹识别装置所用的传感器一般分为光学式、电容式、超声波式等。
 
  光学式指纹传感器利用了光的折射和反射原理,入射在指纹中嵴部上的光线将发生全反射,反射光被投射到图像传感器上,形成黑色图像,而入射在指纹中峪部上的光线被手指吸收,形成白色图像,因而光学式指纹传感器就会捕捉到一个明暗相间的多灰度指纹图像从而进行指纹识别。
 
  电容式指纹传感器根据指纹的嵴和峪与半导体电容感应颗粒形成的电容值大小不同,来判断什么位置是嵴什么位置是峪。由于嵴是凸起、峪是凹下,根据电容值与距离的关系,会在嵴和峪的地方形成不同的电容值。然后利用放电电流进行放电。因为嵴和峪对应的电容值不同,所以其放电的速度也不同。嵴下的像素(电容量高)放电较慢,而处于峪下的像素(电容量低)放电较快。根据放电率的不同,可以探测到嵴和峪的位置,从而形成指纹图像数据。
 
  超声波指纹传感器是一种新型技术,利用超声波具有穿透材料的能力,且随材料的不同产生大小不同的回波,即超声波到达不同材质表面时,被吸收、穿透与反射的程度不同,因此,利用皮肤与空气相对于声波阻抗的差异,可区分指纹嵴与峪所在的位置。
 
  柔性传感的技术发展主要呈现在传感模块的结构设计、传感技术本身的控制效应,以及传感器在可穿戴电子设备上的位置设计。
 
  第三是柔性电池技术。随着可穿戴设备的发展,对柔性储能设备的需求也与日俱增,柔性电池就是其中最为典型的范例。柔性电池可承受一定的变形拉伸而自身的性能却不会下降。现有的柔性电池制造方法只能得到平面层状的柔性电极或电池,不仅限制了电池的形状,而且阻碍能量密度、功率密度的提高,进而限制了其自身的发展应用。
 
  柔性锂离子电池和传统锂电池的组成比较而言,柔性电池的电极材料更薄、更轻巧灵活,采用集成的电极材料,例如碳阳极和锂金属氧化物阴极;无需采用粘合剂、导电剂、集电器和电池隔膜;电解质采用固态物质,例如聚合物和电解质盐类的混合物,封装材料采用聚合物封装成袋型。柔性电池的电解质材料包括柔性电池固态电解质材料、柔性聚合物电解质材料;柔性电极材料包括碳纳米管基复合材料和石墨烯复合材料。
 
  从可穿戴电子设备出现开始,柔性电池技术的发展贯彻始终,柔性电池就是重要的研发方向,但是由于其他客观原因限制,柔性电池技术分支并没有得到更加深入的研究,一般性的研究基本围绕电池的续航能力和其结构基材。例如,如何将柔性电池和电容器薄膜化,从而在兼顾储电量提升与柔性电池和电容器的厚度降低两方面的需求;如何改善柔性电子材料,从而在不使用硬质封装材料的情况下保证柔性电池和电容器的安全;如何提升柔性电池的使用时长等。
 
  专利申请增长显著
 
  柔性电子技术的技术分支的申请量随年代变化,以2000年为界,在2000年以前专利申请量都很少,2000年之后各技术分支的申请量普遍增长,其中以柔性显示技术的增长速度最快。柔性显示技术的申请量为三个技术分支中最多,而柔性传感技术和柔性电池技术的专利申请量基本持平。
 
  可穿戴设备的柔性电子技术的三个技术分支中,柔性显示技术的专利申请量最多,占可穿戴设备的柔性电子技术的专利申请量的近一半,柔性传感技术的专利申请量次之,柔性电池的专利申请数量较少。
 
  从可穿戴设备的柔性电子技术的专利申请量来看,在可穿戴设备的柔性电子技术领域,柔性显示技术的发展最快,重要性凸显。在可穿戴设备的应用中,柔性显示屏可以直接显示身体各类状态信息、运动信息,使用户可以直观地认识自己的身体状态以及运动情况。因此,在可穿戴设备的柔性电子技术领域中,柔性显示技术的研发占比最高。另外,在可穿戴设备的另一个重要应用是传感器,未来可穿戴设备的发展将取决于传感器等技术的提升,未来各类传感器的集成性、功能性和智能化等功能性的全融合将成为传感器的研发方向。此外,可穿戴设备作为电子设备,其续航功能是决定其功能的重要方面,优越的续航能力,可以使可穿戴设备进行更长时间的操作,因此,可穿戴设备的电池功能是影响其使用体验的重大因素,功耗、电池寿命是影响可穿戴设备发展的重要因素,但新的电池产品的研发及快速充电技术的研发缓慢,仍需要技术的持续发展以及产业的技术革命。
 
  柔性电子技术在美国、中国、日本、韩国、欧洲地区、澳大利亚、德国、加拿大等10个国家和地区均有专利申请,但专利申请量较多集中在美国、中国和日本三个国家,除了柔性显示技术在日本和美国市场的布局量超过中国外,其他两个技术分支在中国市场的专利申请量均居首位。其中,柔性显示技术的专利申请量均高于柔性传感技术和柔性电池技术的专利申请量,可见,在可穿戴设备的柔性电子技术中,柔性显示技术是技术研发的重点。美国的柔性显示技术的专利申请量居于首位,日本与美国的相差不大,中国紧随其后。
 
  在全世界范围内,可穿戴设备的柔性电子技术领域的主要申请人中,韩国的三星电子株式会社和LG电子株式会社的专利申请量分别列第一位和第二位,并且这两家韩国公司申请量远高于其他公司;日本的半导体能源实验室、三井化学株式会社、精工爱普生株式会社、柯尼卡株式会社和富士胶片株式会社等6家公司的专利申请量排在两家韩国公司后边,但与其他公司相比仍处于优势地位;美国的苹果公司、中国的京东方科技集团股份有限公司和日本的三菱树脂株式会社的专利申请量紧随其后,后劲十足。可见,韩国、日本在可穿戴设备的柔性电子技术领域的专利布局以及重视程度最高。
 
  随着科学技术的不断发展创新,可穿戴设备的柔性电子技术将会是未来通信领域研究的重点内容。科技的日臻成熟使得该项技术在人们日常生活之中得到了普及应用,为人们的生活提供了便利。在这种背景下,科研工作者需要对可穿戴设备领域的不同技术分支进行持续的技术创新,在提高科研水平的基础上,不断驱动创新技术,为人们的便利生活提供更多的可能性。