作者:周国富等 来源:《光:科学与应用》 发布时间:2024/1/24 18:09:44
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微液滴中组装出缤纷色彩:一种新型显示技术

 

显示技术是信息化时代必不可少的关键技术之一。其中反射式显示也被称为电子纸显示,通过可像素化的显示材料对可见(环境)光传输的反/透射调控,结合显示背板信号源的有效控制,实现彩色(包括黑白)显示效果。反射式显示信息在强光(特别是户外)下清晰可见,为记录瞬时信息提供便利,而且能够在断电后保持显示图像,降低能耗。

近日,华南师范大学“光流控技术与系统实验室(LOTS)”水玲玲教授团队采用基于液滴内电流体颗粒组装技术,实现了彩色反射式显示。通过电场控制液滴内部彩色粒子的快速运动和组装,构建了透射与反射模式并存的液滴像素,实现了彩色动态显示;优化液滴和颗粒的比重匹配,达到了准双稳态显示效果;展示了其作为一种新型电子纸显示技术原理的潜在应用价值。

该研究成果以“A reflective display based on the electro-microfluidic assembly of particles within suppressed water-in-oil droplet array”为题在线发表在Light: Science & Applications。华南师范大学博士研究生(现北京大学博士后)申诗涛为论文第一作者,华南师范大学水玲玲教授和周国富教授为论文共同通讯作者。

显示技术是互联网迅速发展下信息化时代的关键技术之一,大量的信息需要通过显示技术向人们展示和实现互动。常用的显示技术主要有:以液晶显示(LCD)为代表的透射式显示,以有机发光二极管显示(OLED)为代表的发射式显示、以电泳电子纸显示(EPD)为代表的反射式显示等。其中反射式显示主要包括电泳、干涉调制器、电润湿、胆甾液晶和光子晶体等。目前市场上成熟的显示技术产品主要采用电泳和胆甾液晶原理,这些产品已经已悄然“占领”了商超和便利店的货架,推动着绿色低碳技术的可持续发展。

电泳显示技术是反射式显示市场的主流产品,但通常仅能显示两种或三种颜色(如黑、白、红)且“翻页”速度慢。电泳显示的像素里分布带有不同电荷(正、负)的粒子,在电场驱动下在像素内“泳动”达到显示效果。基于显示原理和材料的限制,电泳技术仅能控制粒子的空间高度,而粒子的分布状态(同种粒子云的相对位置分布)难以控制,从而导致了其刷新速率慢,可显示的颜色有限。虽然已有的以电润湿显示为代表的技术可以克服其中的部分缺点,但是在材料和性能方面还在持续改善中。随着社会的进步和技术的发展,对性能优异和节能环保的显示技术需求更加明显。

本研究提出了一种电-微流体粒子组装(electro-microfluidic assembly of particles,即eMAP)原理的显示技术,通过介电泳驱动液滴内部粒子的运动和组装,使用一种颗粒和一种流体(液滴)材料可连续实现三种主要组装结构的显示状态,以及每种组装结构所对应的各种颜色。值得一提的是,三种状态中包含一种传统电泳电子纸技术难以实现的“透光”态,即粒子聚集到液滴赤道处,允许光透过液滴。这为显示色彩调控提供了反射与透射相结合的方案,提升了显示颜色种类和范围。

图1:电-微流体粒子组装(eMAP)显示像素示意图和实验结果

为实现更好的显示质量和提升显示刷新速率,团队对液滴像素的形状和驱动参数等进行了优化,并分析了多物理场下的显示机制。巧妙地采用“压扁”的液滴形状作为eMAPD的像素结构,减少颗粒在液滴中上下运动的距离,从而显著提升eMAPD的刷新速率。

图2:液滴像素优化过程和效果

区别于传统的电泳电子纸中,粒子在电场作用下主要沿竖直方向运动,本工作提出的eMAPD技术,借助液滴弯曲界面提供的“滑梯”,使颗粒在介电泳作用下沿着液滴的液-液界面滑动,达到多模态的组装结构。经过一系列研究和测试,证实了eMAPD可以显示多种颜色,并具备快速和可逆的粒子组装特性,能够快速刷新。

图3:电-微流体粒子组装显示(eMAPD)器件性能优化

在优化后eMAPD中,团队进一步探究了多种彩色显示油墨(乳液体系)的可行性,为未来多(全)彩显示技术奠定基础。此外,研究团队证明了该显示技术具备广可视角度(≥170°)和双稳态特性(现有材料实现了断电后能维持显示图像30 min以上),这为未来节能绿色显示奠定了良好的基础。

图4:eMAPD器件显示效果展示

本工作所提出的eMAPD技术,通过颗粒在液滴限域微空间的可控多模式组装结构,能够实现透射和反射相结合光调控模式,为显示技术提供了一种新思路。未来在优化显示乳液材料体系结合驱动电路背板设计和优化,充分发挥微结构空间限域电流控灵活控制的优势,能够进一步提升eMAPD的效果和性能,有望实现彩色和柔性新型显示技术。(来源:LightScienceApplications微信公众号)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41377-023-01333-w

 
 
 
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