CN116416878B - 一种大拉伸量下无图像失真的柔性led点阵屏 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大拉伸量下无图像失真的柔性LED点阵屏，属于LED点阵屏、柔性电子领域。柔性LED点阵屏包括周期性排布的N×M个方形元胞、2N‑1只共阳极VCC引脚、2M‑1只共阴极引脚。LED点阵屏通过引脚与外接的驱动及控制模块相连接，实现对其动态图像显示的控制。本发明LED点阵屏在拉伸量不超过点阵屏整体尺寸50％的单向拉伸载荷作用下，始终能够在5‑50％拉伸量下获得泊松比值为‑1的变形来维持图像的几何相似性，实现在大拉伸下无失真的动态图像显示；设计过程充分考虑柔性基底的面外屈曲变形，使得可拉伸柔性LED点阵屏能够合理地利用这些面外屈曲变形显著减小面内应力，从而获得在大拉伸量下的变形恢复特性，提升可拉伸柔性LED点阵屏的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于LED点阵屏、柔性电子领域，涉及一种大拉伸量下无图像失真的柔性LED点阵屏。
背景技术
可拉伸柔性LED点阵屏主要由轻薄的柔性材料线路板基底和周期性的LED阵列组成，不仅能够通过控制LED的亮灭来显示文字、图像、视频等各种信息，还具有轻薄、可卷曲、可弯折、可拉伸等特性，被广泛应用于可穿戴电子产品、信息显示等领域。
泊松比是指材料在轴向拉伸或轴向压缩时，材料内部横向变形平均值与纵向伸长量比值的负值。绝大部分自然界存在的材料的泊松比为0～0.5，即其在沿载荷方向产生伸长(或缩短)变形的同时，在垂直于载荷的方向会产生缩短(或膨胀)的变形。
在拉伸过程中，传统柔性LED点阵屏性能主要柔性线路板基底的变形限制，难以维系高拉伸量下的保真显像。传统可拉伸柔性LED点阵屏的柔性基底为无周期性剪口分布的均匀板材。一方面，LED点阵屏主要依靠均匀的基底材料的变形来获取拉伸性能，能产生的拉伸量较小。另一方面，受到线路板基底结构的泊松比效应的影响，LED点阵屏会沿加载方向出现伸长变形，在沿垂直于加载方向出现收缩变形。这种变形差异使得加载方向和垂直加载方向上的像素(LED)间距不再相同，无法维持图像的几何相似性，导致图像失真，严重影响用户体验。
因此，提供一种可拉伸柔性LED点阵屏，通过设计柔性基底上的周期性剪口分布，能够在大拉伸量下维持泊松比值为-1的变形，保证在变形过程中加载方向和垂直加载方向上的像素间距始终相同来维持呈现图像的几何相似性，从而实现在大拉伸下无失真的图像显示，是柔性电子领域亟待解决的技术问题，对可拉伸柔性LED点阵屏的推广应用具有重要意义。
发明内容
针对上述技术不足，本发明提供了一种可拉伸柔性LED点阵屏。通过对柔性基底预设周期性的剪口，并设计与基底相适应的电路，该LED点阵屏能够在受到拉伸载荷产生大拉伸量的情况下，实现无失真的图像显示，同时兼具制备工艺简单成熟、应用场景适应性强的优点。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种大拉伸量下无图像失真的可拉伸柔性LED点阵屏，所述可拉伸的柔性LED点阵屏1包括周期性排布的N×M个方形元胞2、2N-1只共阳极VCC引脚3、2M-1只共阴极引脚4，N和M均为大于0的正整数。所述LED点阵屏1通过这些引脚与外接的驱动及控制模块相连接，实现对其动态图像显示的控制。所述可拉伸柔性LED点阵屏在拉伸量不超过点阵屏整体尺寸50％的单向拉伸载荷作用下，始终能够在5-50％拉伸量下获得泊松比值为-1的变形来维持图像的几何相似性，实现在大拉伸下无失真的动态图像显示。
所述的一个方形元胞2由多个单色LED 5、单层方形柔性基底6、和分布于柔性基底6正反面的阳极电路7和阴极电路9构成。多个LED 5分别位于方形元胞2正面的中心位置和该方形元胞与其他方形元胞共用的顶点22位置。即所述LED点阵屏1上有N×M个单色LED 5位于方形元胞2的中心位置，有(N-1)×(M-1)个单色LED 5位于元胞2之间共用的顶点位置，共2N×M-N-M+1个单色LED 5，每一个单色LED作为单个的单色像素点。
所述的一个方形元胞2包含的电路具体如下：所述的阳极电路7铺设在方形元胞2的正面，与方形元胞2内单色LED 5的阳极相连，并在方形元胞2左下边界和右上边界位置与其他方形元胞的阳极电路7连通，使LED点阵屏1内每条从左下方到右上方的斜向45°直线上的单色LED 5共用一个共阳极VCC引脚3，实现该直线上的LED共阳极的目的，即LED点阵屏1内共有2N-1条阳极电路；所述的阴极电路9主要铺设在方形元胞2反面，并通过单色LED 5右侧区域的通孔8到达柔性基底6正面与单色LED 5的阴极相连，并在方形元胞2右下边界和左上边界位置与其他方形元胞的阴极电路9连通，使LED点阵屏1内每条从右下方到左上方的斜向45°直线上的LED 5共用一个共阴极引脚4，实现该直线上的LED共阴极的目的，即LED点阵屏1内共有2M-1条阴极电路。电路路径应尽可能铺设在远离剪口13和LED 5位置的柔性基底6上，但具体路线和宽度可根据实际情况进行调整。
进一步的，所述的2N-1只共阳VCC极引脚3和2M-1只共阴极引脚4分别被设置在LED点阵屏1靠近边界上的方形元胞2基底的正反面上。
进一步的，所述LED点阵屏1可根据实际情况确定LED 5的颜色和种类(含LED0603、LED 0201、micro-LED等)、印刷电路的材质和厚度等参数。印刷电路和LED贴片可选用FPC技术制作。
进一步的，所述的单层方形柔性基底6的材料可选用高分子聚合物(聚对苯二甲酸乙二酯PET、聚酰亚胺PI、聚乙烯醇PVA)。针对所述的基底材料，所述柔性基底6可采用刀刻或激光切割。
进一步的，所述的方形柔性基底6具体结构描述如下：所述方形柔性基底6的边长L、厚度t，由一个1/4方形域12和由该1/4方形域分别沿着方形柔性基底6内部的x轴10、y轴11镜像得到的另外三个1/4方形域组成。所述的一个1/4方形域12中预置两条形状相同的剪口13，两条剪口13之间满足沿该1/4方形域中心旋转对称。在一个完整的方形柔性基底6中，所有剪口13的布局满足沿方形柔性基底6中心点反手性对称。
进一步的，所述的一个1/4方形域12中的两条剪口13均具有均匀宽度w，两条剪口13均为细长的三段折线型，对其中一个剪口13结构进行描述：剪口13的一个剪口尖端14位于所述1/4方形域的右下顶点19，另一个剪口尖端14呈圆弧状，其半径为w/2，位于所述1/4方形域12内部。三段折线型为：从1/4方形域右下顶点19起，由直线型的剪口首段15、剪口中段16和剪口末段17三部分组成，并由以下剪口参数描述：剪口首段15、中段16和末段17的中心线18的长度分别为L1、L2和L3；所述剪口首段15的中心线18与1/4方形域12的边界重叠，宽度为w/2，该剪口首段15在方形柔性基底6对称轴处与其他1/4方形域内的剪口首段15组成宽度为w的剪口首段，所述剪口中段16与y轴平行，剪口中段16与剪口末段17的相对夹角为θ，且θ始终位于所述剪口的中段16靠近方形柔性基底6对称轴的一侧。
进一步的，所述的用于描述一个方形柔性基底2构型的几何参数取值范围如下：参数t/L＝0.0033，可根据设计需求以及选用的基体材料与制造技术，选定一个方形柔性基底的尺寸L；参数L1/L＝0.367；参数L2/L的变化范围为＝0.133；参数L3/L＝0.273；参数θ＝160°；参数w/L的变化范围为0.001-0.033，可取变化范围的端点值。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提供的可拉伸柔性LED点阵屏在拉伸量不超过点阵屏整体尺寸50％的单向拉伸载荷作用下，始终能够在5-50％拉伸量下获得泊松比值为-1的变形来维持图像的几何相似性，实现在大拉伸下无失真的动态图像显示。
(2)设计过程充分考虑了柔性基底的面外屈曲变形，使得所述可拉伸柔性LED点阵屏能够合理地利用这些面外屈曲变形显著减小面内应力，从而获得在大拉伸量下的变形恢复特性，提升可拉伸柔性LED点阵屏的使用寿命。
附图说明
图1是本发明提供的一种大拉伸量下无图像失真的柔性LED点阵屏及其PCB原理图；其中，图1(a)是该LED点阵屏构型的正面示意图，图1(b)是该LED点阵屏构型的反面示意图，图1(c)是该LED点阵屏的PCB原理图；
图2是图1所示的LED点阵屏的一个元胞构型；其中，图2(a)是该元胞构型的正面示意图，图2(b)是构型的反面示意图；
图3是图2所示的元胞的柔性基底；其中，图3(a)元胞柔性基底的俯视图，图3(b)是该基底的一个1/4方形域的俯视图；
图4是LED点阵屏元胞的泊松比值与伸长量曲线；
图5是图2所示的一个元胞在不同拉伸状态下的结构变形；其中，图5(a)是该元胞在拉伸量为10％的结构变形；图5(b)是该元胞在拉伸量为30％的结构变形；图5(c)是该元胞在拉伸量为50％的结构变形；
图6是实现控制该LED点阵屏的图像显示的框架图。
图中：1可拉伸的柔性LED点阵屏；2方形元胞；3共阳极VCC引脚；4共阴极引脚；5LED；6单层柔性基底；7阳极电路；8通孔；9阴极电路；10元胞内部的x轴；11元胞内部的y轴；12构成元胞基底的1/4方形域；13剪口；14剪口尖端；15剪口首段；16剪口中段；17剪口末段；18剪口中心线；19 1/4方形域的顶点；20单向拉伸载荷；21面外屈曲变形；22元胞共用顶点。
具体实施方式
为了充分说明本发明，下面结合附图和实施例做进一步的详细说明。应当理解，这里所描述的具体实施例仅仅用来解释本发明，但是并不用于限定本发明。
参见图1(a)-(b)，具体实施例中提供的一种大拉伸量下无图像失真的可拉伸柔性LED点阵屏。所述LED点阵屏1由周期性排布的4×4个单色方形元胞2和7只共阳VCC引脚3和7只共阴引脚4组成。
参见图2(a)-(b)所述的一个方形元胞2由多个单色LED 5、单层方形柔性基底6和分布于柔性基底正反面的阳极电路7和阴极电路9构成。多个LED 5分别为位于元胞的中心位置和元胞与其他元胞共用的顶点位置。即本实施例所述LED点阵屏上有16个LED 5位于元胞的中心位置，有9个LED 5位于元胞之间共用的顶点22位置，共25个单色LED 5，每一个单色LED 5作为单个单色像素。
所述的方形柔性基底6的设计与本课题组申请的已授权专利结构相同(专利申请号2021102780900，授权公告CN112949136B)，本实施例对其详细说明如下：所述的一个方形柔性基底6边长L、厚度t，由如图3(b)所示的一个1/4方形域12和由该1/4方形域分别沿着方形柔性基底6内部的x轴10和y轴11分别镜像得到的另外三个1/4方形域组成。所述的一个1/4方形域12中预置两条形状相同的剪口13，两条剪口13之间满足沿该1/4方形域中心旋转对称。在一个完整的方形元胞2中，所有剪口13的布局满足沿元胞中心点反手性对称。如图1(a)所示，方形柔性基底6边长为L＝7.50mm、厚度为t＝0.025mm。具体结构描述如下：
所述的一个1/4方形域12中的两条剪口13均具有均匀宽度w，两个剪口13均为细长的三段折线型，对其中一个剪口13结构进行描述：剪口13的一个剪口尖端14位于所述1/4方形域的右下顶点19，另一个剪口尖端14呈圆弧状，其半径为w/2，位于所述1/4方形域12内部。三段折线型为：从1/4方形域右下顶点19起，由直线型的剪口首段15、剪口中段16和剪口末段17三部分组成，并由以下剪口参数描述：剪口首段15、中段16和末段17的中心线18的长度分别为L1、L2和L3；所述剪口首段15的中心线18与1/4方形域12的边界重叠，宽度为w/2，该剪口首段15在方形柔性基底6对称轴处与其他1/4方形域内的剪口首段15组成宽度为w的剪口首段，所述剪口中段16与y轴平行，剪口中段16与剪口末段17的相对夹角为θ，且θ始终位于所述剪口的中段16靠近方形柔性基底6对称轴的一侧。图3(a)中所示方形柔性基底6的一条剪口13由以下剪口参数描述：剪口首段15、中段16和末段17的中心线18的长度分别为：L1为11.00mm、L2为4.00mm和L3为8.20mm；剪口首段宽度w/2为0.2mm；剪口中段与剪口末段夹角θ为160°，剪口中段与末端宽度w为0.4mm。
作为优选的，图2(a)-(b)所示的一个元胞2包含的阳极电路7和阴极电路9，具体描述：所述的阳极电路7铺设在元胞2的正面，与元胞内LED 5的阳极相连，并在元胞2左下边界和右上边界位置与其他元胞2的阳极电路7连通，实现LED点阵屏1内每条从左下方至右上方的斜向45°直线上的LED 5共用一个共阳极VCC引脚3，即LED点阵屏1内共7条阳极电路；所述的阴极电路9主要铺设在元胞2的反面，并通过LED右侧区域的通孔到达LED的正面与LED 5阴极相连，并在元胞2右下边界和左上边界位置与其他元胞2的阴极电路9连通，实现LED点阵屏1内每条从右下方至左上方的斜向45°直线上的LED 5共用一个共阴极引脚4，即LED点阵屏1内共7条阴极电路。在LED点阵屏1边界的元胞基底的正反面上，分别存在对应每条共用阳极/阴极电路的7只共阳极VCC引脚3和7只共阴极引脚4。整个LED点阵屏1对应的PCB原理图如图1(c)所示。
作为优选的，本具体实施例的柔性基底6的材料为PI，LED 5为蓝色0201贴片式LED，外观尺寸为0.65×0.35×0.4mm；阳极电路7和阴极电路9均为12.5μm铜制印刷电路。并选用FPC技术进行印刷电路和LED贴片加工。含剪口的柔性基底6采用激光切割进行加工。
LED点阵屏1通过共阳极VCC引脚3和共阴极引脚4与外接的MAX7219驱动模块相连，并连接作为控制模块的单片机Arduino UNO，实现对LED点阵屏的图像显示的编程控制。具体连接顺序如图6所示。
本发明所提供的大拉伸下图像不失真特性主要由上述元胞2的几何参数决定。所述元胞2厚度t远小于边长L的结构特性且其内部剪口布局，对局部区域的刚度造成了削弱，使得元胞2在受载时不稳定从而产生面外变形。这种面外变形使得所述元胞2在受到如图5所示的y向单向拉伸载荷20作用下，在沿y方向达到元胞长度L的1％的伸长量后就因失稳产生了明显的面外屈曲变形，并导致泊松比值趋于-1.0。在更大拉伸量下，所述元胞2的泊松比值稳定在指定数值-1.0附近。当伸长量为元胞长度L的10％、30％、50％时，得到的拉胀特性值均稳定在-1.0左右，产生如图5(a)-(c)所示的变形，包括如图5所示的面外屈曲变形21。在大拉伸量下，元胞2的泊松比值稳定在-1.0左右，保证了LED点阵屏1内相邻LED 5之间的在加载方向和垂直于加载方向上的距离始终保持一致，维持了图像的几何相似性，从而实现了大拉伸下无失真的图像显示。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利设计和应用范围的限制。应当指出，本领域的技术人员在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些均属于本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (6)
1.一种大拉伸量下无图像失真的柔性LED点阵屏，其特征在于，所述柔性LED点阵屏包括周期性排布的N×M个方形元胞(2)、2N-1只共阳极VCC引脚(3)、2M-1只共阴极引脚(4)，N和M均为大于0的正整数；所述柔性LED点阵屏(1)通过这些引脚与外接的驱动及控制模块相连接，实现对其动态图像显示的控制；
所述柔性LED点阵屏(1)在拉伸量不超过点阵屏整体尺寸50%的单向拉伸载荷作用下，始终能够在5-50%拉伸量下获得泊松比值为-1的变形来维持图像的几何相似性，实现在大拉伸下无失真的动态图像显示；
一个方形元胞(2)由多个单色LED (5)、单层方形柔性基底(6)、和分布于柔性基底(6)正反面的阳极电路(7)和阴极电路(9)构成；多个LED (5)分别位于方形元胞(2)正面的中心位置和该方形元胞与其他方形元胞共用的顶点位置；所述LED点阵屏(1)上有N×M个单色LED (5)位于方形元胞(2)的中心位置，有(N-1)×(M-1)个单色LED (5)位于元胞(2)之间共用的顶点位置，共2N×M-N-M+1个单色LED (5)，每一个单色LED(5)作为单个的单色像素点；
所述的方形柔性基底(6)具体结构描述如下：
所述方形柔性基底(6)的边长L、厚度t，由一个1/4方形域(12)和由该1/4方形域分别沿着方形柔性基底(6)内部的x轴(10)、y轴(11)镜像得到的另外三个1/4方形域组成；所述的一个1/4方形域(12)中预置两条形状相同的剪口(13)，两条剪口(13)之间满足沿该1/4方形域中心旋转对称；在一个完整的方形柔性基底(6)中，所有剪口(13)的布局满足沿方形柔性基底(6)中心点反手性对称；
所述的一个1/4方形域(12)中的两条剪口(13)均具有均匀宽度w，两条剪口(13)均为细长的三段折线型，对其中一个剪口(13)结构进行描述：剪口(13)的一个剪口尖端(14)位于所述1/4方形域的右下顶点(19)，另一个剪口尖端(14)呈圆弧状，其半径为w/2，位于所述1/4方形域(12)内部；三段折线型为：从1/4方形域右下顶点(19)起，由直线型的剪口首段(15)、剪口中段(16)和剪口末段(17)三部分组成，并由以下剪口参数描述：剪口首段(15)、中段(16)和末段(17)的中心线(18)的长度分别为L1、L2和L3；所述剪口首段(15)的中心线(18)与1/4方形域(12)的边界重叠，宽度为w/2，该剪口首段(15)在方形柔性基底(6)对称轴处与其他1/4方形域内的剪口首段(15)组成宽度为w的剪口首段，所述剪口中段(16)与y轴平行，剪口中段(16)与剪口末段(17)的相对夹角为θ，且θ始终位于所述剪口的中段(16)靠近方形柔性基底(6)对称轴的一侧。
2.根据权利要求1所述的一种大拉伸量下无图像失真的柔性LED点阵屏，其特征在于，一个方形元胞(2)包含的电路具体如下：
所述的阳极电路(7)铺设在方形元胞(2)的正面，与方形元胞(2)内单色LED (5)的阳极相连，并在方形元胞(2)左下边界和右上边界位置与其他方形元胞的阳极电路(7)连通，使LED点阵屏(1)内每条从左下方到右上方的斜向45°直线上的单色LED (5)共用一个共阳极VCC引脚(3)，实现该直线上的LED共阳极的目的，LED点阵屏(1)内共有2N-1条阳极电路；
所述的阴极电路(9)主要铺设在方形元胞(2)反面，并通过单色LED (5)右侧区域的通孔(8)到达柔性基底(6)正面与单色LED (5)的阴极相连，并在方形元胞(2)右下边界和左上边界位置与其他方形元胞的阴极电路(9)连通，使LED点阵屏(1)内每条从右下方到左上方的斜向45°直线上的LED (5)共用一个共阴极引脚(4)，实现该直线上的LED共阴极的目的，LED点阵屏(1)内共有2M-1条阴极电路。
3.根据权利要求2所述的一种大拉伸量下无图像失真的柔性LED点阵屏，其特征在于，所述的2N-1只共阳VCC极引脚(3)和2M-1只共阴极引脚(4)分别被设置在LED点阵屏(1)靠近边界上的方形元胞(2)基底的正反面上。
4.根据权利要求1所述的一种大拉伸量下无图像失真的柔性LED点阵屏，其特征在于，所述LED点阵屏(1)可根据实际情况确定单色LED (5)的颜色和种类、印刷电路的材质、厚度参数。
5.根据权利要求1所述的一种大拉伸量下无图像失真的柔性LED点阵屏，其特征在于，所述的单层方形柔性基底(6)的材料选用高分子聚合物。
6.根据权利要求5所述的一种大拉伸量下无图像失真的柔性LED点阵屏，其特征在于，所述的高分子聚合物包括聚对苯二甲酸乙二酯PET、聚酰亚胺PI、聚乙烯醇PVA。
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