吉林大学张晓安/张宇模团队Device：透明节能电致变色AR显示器

2023-11-30 Cell Press CellPress细胞科学4320

核心提示：以电致变色（EC）显示器为代表的透明非发射型显示技术能够将环境光调制为彩色图像，有望克服传统发光型显示器的环境光干扰问题，是增强现实（AR）应用的理想选择。然而，受限于器件内部存在的图像扩散和信号串扰问题，现阶段透明EC显示器的综合性能并不理想，这严重限制了其实际应用。

物质科学 Physical science

以电致变色（EC）显示器为代表的透明非发射型显示技术能够将环境光调制为彩色图像，有望克服传统发光型显示器的环境光干扰问题，是增强现实（AR）应用的理想选择。然而，受限于器件内部存在的图像扩散和信号串扰问题，现阶段透明EC显示器的综合性能并不理想，这严重限制了其实际应用。基于此，研究团队通过原位光刻的EC材料和像素定义层，实现了像素间的限域效应，从而最大限度地减弱了信号串扰问题，最终成功开发出基于透明EC的AR显示器件原型。该原型展现了出色的光学调制和全对比度循环寿命、极低的显示功耗、以及时空可调的显示信息。

相关成果以“Transparent and energy-efficient electrochromic AR display with minimum crosstalk using the pixel confinement effect”为题发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上。吉林大学化学学院张晓安教授和张宇模教授为论文的共同通讯作者，吉林大学博士生顾畅为论文的第一作者。

背景介绍：

透明显示器由于其在增强现实（AR）和虚拟现实（VR）、抬头显示、可穿戴电子器件等方面的潜力而引起了广泛的研究兴趣。传统的发光型显示器（如OLEDs）尽管相对成熟，但是面临着环境光干扰的难点。相比之下，以电致变色（EC）显示器为代表的透明非发射型显示器能够在户外保持其光学对比度和可读性，同时具有可视角宽、可柔性、低功耗等优点。然而，由于像素间自由的离子传输和扩散（图1A），以及非寻址像素中材料的电化学响应，器件往往存在着严重的图像扩散和信号串扰问题，这限制了EC透明显示器的实际应用。为了解决该问题，研究者们通过巧妙设计的自分离电解质、垂直介孔TiO2薄膜等方案，成功实现了像素间的限域效应，促进了领域的发展。接下来亟待解决的问题是，由于相关器件的制备工艺较为复杂，在进一步迈向实际应用过程中，常常会面临综合性能不甚理想等问题。换而言之，EC整体性能与复杂制备工艺之间的平衡（图1B）仍然是透明EC显示器领域尚未解决的关键技术瓶颈。

图1. 透明电致变色显示领域存在的问题。（A）由于像素间自由离子传输导致的图像扩散和信号串扰。（B）EC整体性能与复杂的制备工艺之间的平衡。

结果分析：

在该工作中，研究团队通过引入可直接光刻的高性能EC材料——RhNNEs（Chem 2023, 9, 2841-2854; Device 2023, 1, 100093）以及透明的光刻胶像素定义层，将所有的功能材料限制在了像素单元内，从而成功克服了多像素的像素串扰问题，开发出透明EC像素显示器（16×16像素）（图2）。作为对比，不含光刻EC材料或像素定义层的器件在点亮目标像素时引起比邻像素产生颜色变化，无法实现EC像素的主动寻址。

图2. 透明节能EC显示原型器件的设计与制备。（A）具有16×16像素阵列的透明节能EC显示原型器件。基于无像素化EC膜（B）、原位光刻的EC像素阵列（D）、原位光刻EC像素阵列和像素定义层（F）的EC显示原型器件在电刺激前后的照片。（C, E, G）EC像素显示原型器件中离子传输的原理图。

对于显示设备来说，色彩均匀性是一个非常重要的参数。研究团队测试了所有像素的光学调制能力。统计结果显示，所有像素的光学调制的相对偏差< 10%（图3B），证明了出色的显示均匀性。通过使用不同取代基团的电致变色材料，研究团队证明了该透明像素显示器件的多色可行性（图3C和3D），这也揭示了相关材料作为基元色实现二级混合色的可行性。

图3. 透明节能EC显示原型器件的参数。（A）含16×16像素阵列的透明节能EC显示原型器件的示意图。（B）16×16像素阵列的光学调制相对偏差的统计分布。（C）基于原位光刻的彩色EC显示器件原型的照片。（D）相应的器件在xy CIE 1931色彩空间中的色坐标。

经过器件组分和结构参数的详细优化，所制备透明EC像素显示器件原型展现出了优异的综合性能（图4）。例如，高达60%的光学调制、较快的响应速度（着色：0.9 s；褪色：1.2 s）、优异的全对比度循环寿命（>20000）和温度/湿度稳定性等。同时，该器件具有出色的光学双稳态，其无色透明态可以维持超过30天，着色态也可以在三次脉冲电压下维持超4100 s（图4D和4E）。与已有报道的透明显示器和其他代表性的EC器件相比，该器件原型具有极低的显示功耗（图4F）。

图4. 透明节能EC显示原型器件的性能。（A）在颜色切换过程中，器件在580 nm处的校正透过率。电刺激方式为：+1.8 V 2.0 s，延迟5.0 s，−1.7 V 3 s，延迟5.0 s。（B）EC显示原型器件在相应的电刺激下580 nm处的透射率变化。（C）“着色-褪色”循环中580 nm处透光率变化。（D）无色状态的器件在30天内580 nm处的透射率（T580 nm）和可见光区（400-800 nm）处的平均透射率（Tavg）。（E）EC显示原型器件在相应的电刺激下580 nm处的透射率变化（上图）及该过程的能耗（下图）。（F）所制备的显示器件与已报道的显示器件显示静态图像（4100 s）时的功率比较。

通过引入集成印刷电路板（PCB）作为驱动模组，研究团队证明了显示内容的数字化控制和动态刷新。如图5A和5B所示，其可以显示数字、汉字、图片、字母和单词等。此外，该显示原型可以作为手持式的AR显示设备，让用户同时看到显示内容和周围的室外环境，如图5C所示。

图5. 显示信息的数字化控制及其在AR领域的潜在应用。（A）透明节能EC显示原型器件的工作模式示意图及相应的照片。（B）所制备的原型器件的动态信息刷新，包括数字、汉字、图片、字母、单词等。（C）原型器件作为手持交互显示器在AR交互中的潜在应用。

总结：

在这项工作中，研究团队开发了一个透明、节能的EC显示原型（16×16像素）。通过采用原位光刻EC材料和像素定义层的集成工艺，减少了多像素之间的信号串扰，实现了像素间的限域效应。由此制备的器件原型可以显示四种颜色，具有~60%的光学调制，超20000次的全对比度循环寿命，9.5 μW/cm2的超低能耗。通过与PCB集成，研究团队演示了该器件显示原型在手持交互式AR显示器上的潜在应用。

该工作得到了国家自然科学基金、江苏省先进光学制造技术重点实验室和教育部现代光学技术重点实验室开放课题和中央高校基本科研业务费等项目的支持，主要合作者还有苏州大学的陈林森研究员和浦东林研究员。