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超薄柔性全彩电子纸分辨率可达10000dpi

瑞典研究员开发出一项超薄柔性屏幕技术:分辨率可达10000dpi,比电泳电子纸功耗降低超过10倍,可实现超薄海报或可折迭的电子书阅读器……

根据瑞典查尔摩斯理工大学(Chalmers University of Technology;CUT)的研究人员表示,结合电浆子纳米结构以及电性可调的聚合物,就能依据需求产生任何颜色。

研究人员们设计了一种软性的电子纸(e-paper)画素单层作为概念验证,并宣称这项技术能让目前的电泳电子纸功耗降低超过10倍,同时以高分辨率显示于大尺寸的规格上,可实现厚度不到1微米的超薄海报或可折迭的电子书阅读器。

这项主题为《电浆子超颖表面与复合聚合物实现彩色软性电子纸》(Plasmonic Metasurfaces with Conjugated Polymers for Flexible Electronic Paper in Color)的研究刊载于最新一期的《先进材料》(Advanced Materials)期刊中,该校研究人员Andreas Dahlin与博士研究生Kunli Xiong共同发表了一种看似简单的反射式显示架构。

研究人员们采用兼容于大面积与塑料薄膜的平行微影制程步骤,创造出电浆子超颖表面,其组成成份包括:银的基础反射层(150nm)、氧化铝制造的间隔层(厚度由Fabry–Perot干涉现象取得的反射色彩所决定),以及具有150nm间距纳米孔洞的20nm金层。

透过氧化铝的沉积过程,基底电浆子超颖表面的反射颜色可在整个颜色光谱上发生变化,在40到95nm的不同厚度范围,分别表现出红、绿、蓝(48nm、93nm、83nm)的三原色。
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a) 超颖表面示意图;及其b) 纳米孔洞的电子显微镜图;c) 在样本PET上依 不同氧化铝厚度产生的调色盘;d) 在环境光线下的三原色样本图;e) 依不同角度在空气中反射出红、绿、蓝三原色光谱

“金薄膜中的纳米孔数组增强了着色,因为它能够耦合到表面电浆子,并提供强大的共振散射,”研究人员在文中解释。

为了控制反射率并使反射颜色“开启”和“关闭”,研究人员以掺杂的聚吡咯薄膜覆盖电浆子超颖表面,形成共轭导电聚合物,使其能以电性调节其光学吸收性。最后再以液体电解质完成此“画素电路”,使其得以在1V偏压时「开启」或「关断」(当超颖表面吸收光线时呈现黑暗状态)。
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透过施加电位,调节金纳米孔洞数组顶部聚合物层的光吸收性,即可控制反射层

在实验时,研究人员表征电浆子超颖表面的样本,形成50μm画素的三原色——红绿蓝,实现与一般打印机墨水所产生的相同反射率与对比度,并可达到60°视角以取得正确的颜色外观。此外,它还提供了理想的对比度,以及超过90%无关偏振的谐振反射,使得电子纸可实现数百毫秒的响应时间,并以每平方厘米小于0.5mW 的功耗作业。
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透过RGB画素构图可制造出二次混色。图右的样本因不同的电压而异

该研究结果显示,由于具有低电压以及聚合物薄膜,使其表现出比发射式显示器更低10倍的功率密度,也远比现有的电泳显示器更低得多。同时,研究人员采用的微影制程步骤能轻松地使画素微缩至几微米,从而使显示器的最高分辨率达超过104 dpi。

虽然这种显示器并非完全双稳态,而且需要电压电占来维持其「导通」状态,但其漏电流密度非常低,在1.0V电压下大约还不到400 microA/cm^2。 然而,CUT副教授Andreas B. Dahlin指出,“这种聚合物能维持其氧化状态,即使电压中断5到10秒也不受影响,而且这可能还能使用电解质进一步改善。”

“我们目前正在研究使用更便宜的材料以取代固态组件的可能性,其他聚合物可能具有更好的对比度以及不同的电解质,”Dahlin总结道。至于潜在的工业化,诸如石烯或氧化铟锡等透明的软性导体,可用于作为相对于超颖表面且封装电解质薄层的反电极。

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Julien Happich
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