微液滴中組裝出繽紛色彩：一種新型顯示技術(shù)

導(dǎo) 讀

顯示技術(shù)是信息化時(shí)代必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一。其中反射式顯示也被稱為電子紙顯示，通過(guò)可像素化的顯示材料對(duì)可見(jiàn)（環(huán)境）光傳輸?shù)姆?透射調(diào)控，結(jié)合顯示背板信號(hào)源的有效控制，實(shí)現(xiàn)彩色（包括黑白）顯示效果。反射式顯示信息在強(qiáng)光（特別是戶外）下清晰可見(jiàn)，為記錄瞬時(shí)信息提供便利，而且能夠在斷電后保持顯示圖像，降低能耗。

近日，華南師范大學(xué)“光流控技術(shù)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（LOTS）”水玲玲教授團(tuán)隊(duì)采用基于液滴內(nèi)電流體顆粒組裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了彩色反射式顯示。通過(guò)電場(chǎng)控制液滴內(nèi)部彩色粒子的快速運(yùn)動(dòng)和組裝，構(gòu)建了透射與反射模式并存的液滴像素，實(shí)現(xiàn)了彩色動(dòng)態(tài)顯示；優(yōu)化液滴和顆粒的比重匹配，達(dá)到了準(zhǔn)雙穩(wěn)態(tài)顯示效果；展示了其作為一種新型電子紙顯示技術(shù)原理的潛在應(yīng)用價(jià)值。

該研究成果以“A reflective display based on the electro-microfluidic assembly of particles within suppressed water-in-oil droplet array”為題在線發(fā)表在Light: Science & Applications。華南師范大學(xué)博士研究生（現(xiàn)北京大學(xué)博士后）申詩(shī)濤為論文第一作者，華南師范大學(xué)水玲玲教授和周國(guó)富教授為論文共同通訊作者。

顯示技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展下信息化時(shí)代的關(guān)鍵技術(shù)之一，大量的信息需要通過(guò)顯示技術(shù)向人們展示和實(shí)現(xiàn)互動(dòng)。常用的顯示技術(shù)主要有：以液晶顯示（LCD）為代表的透射式顯示，以有機(jī)發(fā)光二極管顯示（OLED）為代表的發(fā)射式顯示、以電泳電子紙顯示（EPD）為代表的反射式顯示等。其中反射式顯示主要包括電泳、干涉調(diào)制器、電潤(rùn)濕、膽甾液晶和光子晶體等。目前市場(chǎng)上成熟的顯示技術(shù)產(chǎn)品主要采用電泳和膽甾液晶原理，這些產(chǎn)品已經(jīng)已悄然“占領(lǐng)”了商超和便利店的貨架，推動(dòng)著綠色低碳技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

電泳顯示技術(shù)是反射式顯示市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，但通常僅能顯示兩種或三種顏色（如黑、白、紅）且“翻頁(yè)”速度慢。電泳顯示的像素里分布帶有不同電荷（正、負(fù)）的粒子，在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下在像素內(nèi)“泳動(dòng)”達(dá)到顯示效果?；陲@示原理和材料的限制，電泳技術(shù)僅能控制粒子的空間高度，而粒子的分布狀態(tài)（同種粒子云的相對(duì)位置分布）難以控制，從而導(dǎo)致了其刷新速率慢，可顯示的顏色有限。雖然已有的以電潤(rùn)濕顯示為代表的技術(shù)可以克服其中的部分缺點(diǎn)，但是在材料和性能方面還在持續(xù)改善中。隨著社會(huì)的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展，對(duì)性能優(yōu)異和節(jié)能環(huán)保的顯示技術(shù)需求更加明顯。

本研究提出了一種電-微流體粒子組裝（electro-microfluidic assembly of particles，即eMAP）原理的顯示技術(shù)，通過(guò)介電泳驅(qū)動(dòng)液滴內(nèi)部粒子的運(yùn)動(dòng)和組裝，使用一種顆粒和一種流體（液滴）材料可連續(xù)實(shí)現(xiàn)三種主要組裝結(jié)構(gòu)的顯示狀態(tài)，以及每種組裝結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的各種顏色。值得一提的是，三種狀態(tài)中包含一種傳統(tǒng)電泳電子紙技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的“透光”態(tài)，即粒子聚集到液滴赤道處，允許光透過(guò)液滴。這為顯示色彩調(diào)控提供了反射與透射相結(jié)合的方案，提升了顯示顏色種類和范圍。

圖1：電-微流體粒子組裝（eMAP）顯示像素示意圖和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為實(shí)現(xiàn)更好的顯示質(zhì)量和提升顯示刷新速率，團(tuán)隊(duì)對(duì)液滴像素的形狀和驅(qū)動(dòng)參數(shù)等進(jìn)行了優(yōu)化，并分析了多物理場(chǎng)下的顯示機(jī)制。巧妙地采用“壓扁”的液滴形狀作為eMAPD的像素結(jié)構(gòu)，減少顆粒在液滴中上下運(yùn)動(dòng)的距離，從而顯著提升eMAPD的刷新速率。

圖2：液滴像素優(yōu)化過(guò)程和效果

區(qū)別于傳統(tǒng)的電泳電子紙中，粒子在電場(chǎng)作用下主要沿豎直方向運(yùn)動(dòng)，本工作提出的eMAPD技術(shù)，借助液滴彎曲界面提供的“滑梯”，使顆粒在介電泳作用下沿著液滴的液-液界面滑動(dòng)，達(dá)到多模態(tài)的組裝結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)一系列研究和測(cè)試，證實(shí)了eMAPD可以顯示多種顏色，并具備快速和可逆的粒子組裝特性，能夠快速刷新。

圖3：電-微流體粒子組裝顯示（eMAPD）器件性能優(yōu)化

在優(yōu)化后eMAPD中，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探究了多種彩色顯示油墨（乳液體系）的可行性，為未來(lái)多（全）彩顯示技術(shù)奠定基礎(chǔ)。此外，研究團(tuán)隊(duì)證明了該顯示技術(shù)具備廣可視角度（≥170°）和雙穩(wěn)態(tài)特性（現(xiàn)有材料實(shí)現(xiàn)了斷電后能維持顯示圖像30 min以上），這為未來(lái)節(jié)能綠色顯示奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖4：eMAPD器件顯示效果展示

本工作所提出的eMAPD技術(shù)，通過(guò)顆粒在液滴限域微空間的可控多模式組裝結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)透射和反射相結(jié)合光調(diào)控模式，為顯示技術(shù)提供了一種新思路。未來(lái)在優(yōu)化顯示乳液材料體系結(jié)合驅(qū)動(dòng)電路背板設(shè)計(jì)和優(yōu)化，充分發(fā)揮微結(jié)構(gòu)空間限域電流控靈活控制的優(yōu)勢(shì)，能夠進(jìn)一步提升eMAPD的效果和性能，有望實(shí)現(xiàn)彩色和柔性新型顯示技術(shù)。

審核編輯：劉清