OLEDs被認為特別適合可穿戴設備或人體可接觸設備，其可低溫加工在各種柔性襯底上，如塑料，這對實現輕如鵝毛、靈活、可拉伸和物體共形的光源方面很有用。事實上，智能手表類可穿戴設備所采用的顯示設備大多采用塑料有源矩陣OLED，因為其輕巧、輕薄的外形因素。可穿戴設備中的OLEDs應用并不局限于智能手表的顯示屏。事實上，OLEDs在移動醫療領域也可以發揮重要作用，其可穿戴設備的形式尤其受到歡迎。例如，健康監測傳感器測量重要的人體信號，如心跳和血氧水平，以及用于高級傷口護理或皮膚護理的光貼片，如圖1所示。這里我們將回顧這些OLED在可穿戴醫療保健應用中進來研究的亮點和關鍵問題。

圖1 OLEDs在可穿戴醫療中的潛在應用

用于可穿戴脈搏血氧測量傳感器的OLEDs

心血管循環是維持生命最重要的生物活動。因此，以適當的方式對其進行監控是很重要的。在許多情況下，對這些活動的測量僅限于醫院內的護理，但它正迅速擴展到移動或個人衛生保健領域。特別是，可穿戴電子設備的進步使得從健康跟蹤到嬰兒、慢性病患者或術后出院患者的生物信號監測等日常活動的測量成為可能。在心血管監測方法中，光體積描記法（PPG）信號和血氧飽和度（SpO2）水平是通過使用發光器件和光檢測器，進行無創光測量的。由于有機技術與可穿戴或人體可附著的形式因子具有良好的兼容性，因此很自然地認為有機發光二極管（OLEDs）和有機光電二極管（OPDs）可以作為可穿戴式PPG和/或SpO2傳感器的光源和檢測器。目前一些研究小組已經證明OLED技術是一種可行的、有前途的可穿戴健康監測技術。

PPG和SpO2信號檢測原理

PPG傳感器中的信號是根據心血管循環引起的血管體積變化而調節的光子吸收（圖2a）。一般來說，根據光源和光電探測器之間的配置，PPG傳感器可分為透射型（T型）和反射型（R型）。在T型中，光源和光電探測器位于感興趣的物體上（如手指、耳垂等）。另一方面，在R型PPG傳感器中，光源和光電探測器并排放置。R型PPG傳感器常用于智能手表或腕帶，因為大多數身體部位（如手腕）太厚，無法使用T型PPG傳感器（見圖2b）。

圖2

SpO2是指血液中含氧血紅蛋白（HbO2）與非含氧血紅蛋白（Hb）總量的比值。通過校準過程，可以通過比較HbO2和Hb在兩個不同波長的吸收差來估計。因此，SpO2傳感器由兩個不同波長的光源和一個共享的光電探測器組成，兩個光源交替開啟。由于它本質上相當于一個PPG傳感器，除了存在兩個不同的光源，SpO2傳感器還可以提供PPG信號。因此，SpO2傳感器也被稱為“脈搏血氧計”或“脈搏血氧測量傳感器”。

有機脈搏測氧傳感器

基于可穿戴設備所必需的柔性薄膜實現的有機技術的固有優勢，一些研究小組致力于開發有機PPG或脈沖血氧測量傳感器，以取代基于Si和III-V復合半導體的分立元件。如圖3a所示的基于共軛聚合物的OLED和OPD集成在一起的PPG傳感器。進一步研究證明了溶液處理的綠色和紅色有機發光二極管與聚合物的結合OPDs，可以測量SpO2值以及PPG信號（圖3b）。與使用紅色和近紅外（NIR） led的商業脈搏血氧儀不同，綠色和紅色光源在他們的研究中被使用，因為與可見光譜范圍內的光源相比，NIR OLEDs仍處于起步階段。在此之后，有人提出了一個系統，其中包含一個有機脈搏血氧測量（OPO）傳感器頭、一個定制設計的CMOS IC芯片和一個紐扣式電池（圖3c）。貼片是基于5.5cm×2.5cm的聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜。它有小分子oled與綠色和紅色磷光發射器，以有效運作。基于小分子共混體積異質結，OPD被放置在與OLEDs相鄰的中間位置進行T型操作。EQE高達20%和響應率與Si的光敏二極管（PDs）、動脈血氧飽和度相對較低的驅動電流的數據是可衡量的240μA綠色OLED和300μA紅色OLED。之后通過應用超薄包裝技術進一步提高了OPO傳感器在可穿戴設備上的潛力，從而產生了重量輕、高度適形、幾乎難以察覺的脈搏血氧計。以聚酰亞胺平面化的對二甲苯薄膜為襯底，采用對二甲苯與錫安交替二位的多層阻擋層進行鈍化（圖3d）。制備的OPO傳感器總厚度3μm。此外，最近展示的基于打印的OPO傳感器制造的進展，說明了OPO的潛力低成本實現的OPO技術。在這項工作中，兩個不同的功能材料在一個步驟中同時打印。他們利用自組裝單層膜（SAMs）的疏水性來區分將要形成圖案的表面和沒有形成圖案的表面。O2等離子體用于空間選擇性地定義SAMs。如圖3e所示，通過所提出的葉片涂層工藝，同時形成了電子阻擋層PEDOT:PSS和各發射層。因此，綠色和紅色聚合物發光二極管（PLEDs）同時實現。他們在綠色和紅色的褶旁放置了一個硅基PD，得到了一個R型脈搏血氧儀，顯示可以從手背提取PPG信號和SpO2值（見圖3e）。

圖3

OPO傳感器的早期研究主要集中在有機技術的形式因素或工藝優勢的展示上;然而，這些傳感器是用于可穿戴設備的，其中電池容量相當小。這可能會限制OPO技術的實際部署，因為如果能夠實現全天連續監測，可穿戴健康監測設備的好處將會最大化。在工作中因此，我們重新審視了R型脈搏血氧計的總體設計。我們用最大限度地利用來自光源的光子來代替它們典型的并排布局。在考慮吸收和散射的情況下，對波長依賴性光在人體皮膚內的傳播進行了光學分析（圖4a）。在有機模式形成的自由度，然后用來確定傳感器布局優化的脈搏血氧測量傳感器，使浪費的光子的數量可以最小化，同時仍然滿足大小約束和信噪比（信噪比）的要求。如圖4b所示，OPD的形狀像一個數字字符“8”，環繞著紅色和綠色的圓形oled，R型OPO傳感器的驅動功率低至幾十微瓦。與市面上的r型脈搏血氧計相比，這是一個數量級的降低（圖4c）。

圖4

這種傳感器效率提高的另一個原因是由于傳感器設備的基片與人體皮膚之間的折射率匹配。一般來說，底部發光的oled由于TIR的作用，在其襯底內產生的光子總量中，只有30%到35%是在底部發光的。當底物和皮膚之間的指數匹配時，它們之間沒有空氣間隙，大量底物限制的光子與皮膚耦合。這不僅有利于低功耗操作，也有利于防止光從OLED直接耦合到OPD而不通過人體皮膚。通過比較了兩種結構，一種是OLED纏繞在OPD上，另一種是OPD纏繞在OLED上。實驗證實了后者的功耗比前者低80倍。這說明了此技術對可穿戴OPOs的好處可能不僅僅局限于形狀因素。但也可以大幅降低能耗，這兩者都是可穿戴技術成功推廣的關鍵。

人們正努力使OPO傳感器功能多樣化。如通過打印技術實現了一組R型OPO傳感器，其中每個單元由一個紅色OLED、一個NIR OLED和兩個OPD組成。在PEN襯底上制作的傳感器陣列能夠實現二維氧合映射。因此，氧飽和度測圖傳感器不僅可以用于慢性患者的實時監測，還可以用于術后恢復管理。同樣，一個補丁式的OPO傳感器可能被用來監測睡眠呼吸暫停，這是導致美國每年約38000人死亡的原因。為了減少誤報的可能性，從而在持續監測病人狀態的同時提高睡眠質量，可以將貼片配置成包含兩種或兩種以上不同類型的傳感器，如呼吸檢測器。此外，如果結合心電圖傳感器，通過心電圖和心電之間的脈沖轉換時間差來估計血壓，可能使遠程醫療更加準確成為可能PPG信號。

用于高級傷口護理的可穿戴OLED貼片

光生物調節（PBM）是指細胞或組織中的分子與光相互作用而引起的生物變化。PBM的治療作用在古代就被發現了，但最近隨著激光和led等各種光源的發展而流行起來。例如，被稱為細胞色素c氧化酶的發色團吸收的光子會引發光化學反應，促進三磷酸腺苷的合成，為生物體的各種過程提供能量。這樣的過程可以幫助細胞更有效地生長，從而使傷口的組織損傷能夠更快地愈合。到目前為止，這些光療法已經在醫院安裝了光源，這往往限制了每個病人的PBM治療的頻率和持續時間。在這個意義上，OLEDs在可穿戴的、補丁式的形式下是非常有用的，因為它可以用于個人醫療保健。即使在醫院環境中，深度創傷患者也不需要移動到PBM光源所在的位置；相反，病人可以在他或她的床上用PBM光貼片貼在傷口上，就像粘著繃帶一樣。OLED作為一種區域光源的特性被認為是非常有益的。它在不產生過多熱量的情況下產生均勻的光輸出，這對于防止熱量對細胞和組織的傷害是至關重要的。

認識到這種潛力后，人們努力開發基于OLED的光療技術，提出了一種基于OLED的PBM設備（圖5a-c）。OLED作為表面光源，它在10mW cm?2的輻照度下產生均勻的光輸出，通過微腔效應可以實現有效的波長調諧。圖5 b， c展示了一個很明顯的傷口愈合效果。

圖5

對于這種補丁型OLED的開發，像織物這樣的形式將是非常有用的，因為它們可以向任意方向拉伸，而且由于織物中固有的自由空間，它們可以很容易地符合具有各種形狀的物體。基于這一觀點，有人證明了一種高效的基于織物的PhOLEDs（圖6），通過有限元模擬，驗證了織物基板具有良好的柔韌性（圖6b）。與塑料襯底相比，織物由于其單獨的纖維而具有復雜的應力分布。因為織物是由獨立的纖維纏繞在一起的，所以編織織物中包含了一些空間，這些空間構成了多個中性軸，一個零應力區域。也就是說，機織織物襯底是按照編織圖案來分配機械應力的，這使得織物襯底比塑料薄膜具有更強的機械魯棒性，如圖6b所示。所制得的OLED在最大亮度和電流效率方面表現出了高性能，超過了35，000 cd m?2和70 cd A?1。

圖6

在開發實用的可穿戴設備的過程中，最大的挑戰之一是確保可清洗的封裝屏障。一般認為，洗滌過程中Al2O3的降解是造成典型多層膜屏障性能劣化的主要原因。為了避免這種惡化，有人提出使用SiO2 -聚合物復合材料作為封裝層中的Al2O3的封蓋層。他們證實了SiO2-聚合物復合物之間的質子-脫質子反應可以抑制水環境中封裝屏障的降解（圖7a）。采用這種方法，水蒸氣透過率（WVTR）可維持7天（圖7b）。利用所提出的封裝屏障，在真實的紡織基板上制作的器件即使暴露在水環境中也能表現出穩定的操作（圖7c）。

圖7

參考文獻：

本文轉自柔性電子服務平臺

新浪微博 ： 翌光OLED照明

官方網站：www.yeolight.com