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华南师大研发新型显示技术:能同时实现反射和透射,制程工艺可被标准化

   2024-02-04 DeepTech深科技37120
核心提示:前不久,她和团队利用液滴内电流体颗粒组装技术(eMAP,Electro-Microfluidic Assembly of Particles),研发了一种能同时实现反射和透射的显示技术,并探索了其在彩色化、双稳态、广可视角度等方面的多种性能。

水玲玲,曾在荷兰、比利时留学将近十年之久。在那里,她历经了读博、做博士后这两件大事。

2010 年圣诞节期间,她来到广州参加会议。从大雪纷飞的荷兰来到中国广州,一下飞机就发现这里居然繁花似锦,让她立刻就对广州产生了好印象。

后来,水玲玲在留学生论坛上看到一则招聘广告,提交申请和面试之后,华南师范大学很快就给她抛来了橄榄枝。

其表示:“这些年在广州工作和生活,我发现广州是一个非常包容的城市,我很喜欢广州和现在的工作单位。”回国任职 12 年间,她也经历了从教授、到副院长、再到院长的蜕变。


图 | 水玲玲(来源:资料图)

左手科研,右手管理,这便是她的日常生活。光电信息显示和传感技术,是水玲玲和团队的主要研究方向。

前不久,她和团队利用液滴内电流体颗粒组装技术(eMAP,Electro-Microfluidic Assembly of Particles),研发了一种能同时实现反射和透射的显示技术,并探索了其在彩色化、双稳态、广可视角度等方面的多种性能。


(来源:Light: Science & Applications)

总的来说,eMAP 是一种基于多场耦合综合物理机制的技术平台,通过交流电场来驱动液滴限域的粒子,既可以控制颗粒在液滴中的高度位置,又可以调节颗粒组装形成的结构,从而提供更多的光学调控可能性。

哪怕使用更少的粒子组合,也能实现丰富的光学调控范围,因而在显示技术上具有一定应用价值,并有望为反射式显示带来突破。

同时,eMAPD 显示技术还具备材料易获得、以及制程工艺可标准化等优势,具备较大的产业化可能。

尽管针对液滴中电场驱动粒子组装已经有了不少研究。但是在本次工作之中,他们首次将液滴“压扁”,这不但增加了液滴与驱动电极的接触面积,而且可以调控电场的分布。

另外,他们还发明了一种基于液滴电融合的液滴阵列化方法,实现了简单、可靠的大面积液滴生成与阵列化技术,有效提升了器件制备和封装的可靠性。

为了进一步实现 eMAPD 的实用性,他们还优化了多种彩色显示油墨,证明了 eMAPD 的多彩色显示能力,发现其具有快速刷新、广视角和双稳态等特性,能为节能绿色显示技术的发展奠定基础。

目前,课题组正在打造基于粒子组织结构的开关,这是一种光的阀门,它的开关性能可以被电场控制,而且具备易于集成的特点,有望用于集成光调控器件之中。

(来源:Light: Science & Applications)

信息化时代,显示技术必不可少

水玲玲表示:“在信息化时代,显示技术成为不可或缺的关键技术之一。”其中,反射式显示也被称为电子纸显示。

它的工作原理在于:通过电驱动的方式来显示单元内显示材料的物理运动或材料性能的变化,从而针对可见光传输的反射和透射进行调控,进而通过背板来驱动波形的设计和应用,借此呈现出丰富多彩的显示效果。

一般来说,反射式显示上的颜色,来自于显示材料自身。例如,电泳电子纸显示的颗粒材料、胆甾液晶的液晶材料、以及电润湿显示的油墨材料等。

目前,已经商用的电子产品主要采用电泳电子纸技术,即通过电场驱动带正、负电荷的黑白两色颗粒,在微胶囊内发生反向运动,从而达到黑白颜色切换显示的效果。

然而,这种彩色化显示的方式和速度,都会受到显示原理和显示材料的限制。至于全彩显示和视频显示,更是一直未能实现的目标。

多年来,该团队一直在从事液滴研究。液滴,是一个非常好的载体,可以包裹和承载纳米粒子、以及分子等软物质材料。

同时,液滴还是一个相对独立、又和外界存在一定交互作用的微空间。液滴内部场强和分布,与液滴大小和材料都有一定关系。

所以课题组一直在思考的问题是:液滴内部的电场是如何分布的呢?非球形液滴的电场分布是否不对称甚至会扭曲?在非均匀场强条件下,液滴内部的粒子受到电场驱动之后会如何排列?

(来源:Light: Science & Applications)

用逆向思维攻克难关

围绕上述问题他们开展了从材料到器件的研究。在构思彩色显示技术的初期,课题组主要面临如下三个挑战:

其一,如何让强电场进入液滴,从而进一步操控颗粒;

其二,如何实现液滴阵列化;

其三,如何提升显示效果,包括提升刷新速率、对比度、双稳态等。

研究中该团队提出了这一问题:“能否让液滴中的颗粒像体相中的粒子一样,用电场来驱动运动和组装?”如果可以,这将是一个非常好的柔性光电器件新原理技术。

实验中,他们发现液滴中的颗粒在加电以后几乎不运动,电场似乎“失效”了。

后来,他们在开放式的疏水电极结构器件表面,发现液滴在电场驱动之下,能移动到电极间隙之间并发生形变,同时液滴内部的颗粒也会发生明显运动。

通过此,他们揭示了液滴位移—液滴变形—颗粒运动的连锁电响应规律,并验证了原理的可行性。

但是,这是一个包含多种材料的体系。因此必须考虑以下问题:即颗粒如何被包裹在液滴中?颗粒如何在包裹中稳定存在?并能在电场运动下进行可控的运动?

为此,他们累计筛选几十种材料,兼顾了油水极性、液滴稳定性、颗粒在液滴中的稳定分散不团聚等方方面面。

要想实现优异的性能,还必须实现物理结构的可控性。所以在器件的加工和集成、以及驱动电场波形的设计上,该团队投入了大量时间,实现了稳定的器件加工集成。

为了获得更好的显示性能,他们又解决了油墨的泄露、材料极性和电学性能、颗粒色彩饱和度和对比度等难题。

而在优化液滴像素的形状和驱动参数之时,该团队发现了液滴变形与液滴内部电场增强关系,进一步分析了多物理场下的电场作用机制。

在综合考虑介电泳力、电偶极作用力、电热流作用力的协同作用之后,课题组提出了最优液滴形状,并采用一种被“压扁”的液滴形状作为 eMAPD 的像素结构。

通过此,不仅可以增加液滴与电极表面接触的面积,还能减少颗粒在液滴中上下运动的距离,从而实现在减低驱动电压的同时,还能提升 eMAPD 的刷新速率。

高通量阵列化,则是另一个必须要解决的难题。该团队的申诗涛和冯昊强两位博士尝试多种方法之后效果依然不理想。

他们发现液滴如果分散不开,当两个液滴相距较近的时候,加电之后液滴就会发生融合,这种现象困扰课题组一两年之久。

后来,他们索性利用电融合/电聚并这一“缺点”,研制了大面积的均匀液滴像素阵列加工技术,实现了基于液滴像素结构的显示效果。

具体来说,液滴内部粒子在电场驱动之下的组装结构,与宏观体相中颗粒的组装过程和现象都不相同。

由于液滴无法独立存在,而是通过分散在外相中进而形成乳液,因此液滴具有液-液界面或气-液界面。这种界面是柔性的,而且具有分子级的光滑度。当界面内外都是流体,就会非常适合粒子“滑动”。

课题组表示:“这是一个令人意外的美好关键转折,也教会了我们有时要在困难中采取逆向思维,化缺点为优点、出奇兵解决问题。”

通过电-微流体粒子组装技术所打造的信息显示器件,其器件结构原理如下:在液滴下方针对电极施加交流电场,借此驱动液滴内的彩色颗粒发生运动,这样一来就能形成组装结构,从而能对颗粒空间高度、以及相对位置实现精确的操控。

这时,只需一种颗粒和一种流体材料,即可实现三种组装结构、及其所对应的显示状态连续调控。在这三种组装状态之中包含一种“透光”态,即颗粒在液滴赤道环上形成组装结构,从而能够允许光透过液滴。

对于显示色彩的调控来说,这提供一种反射与透射相结合的解决方案,让显示颜色的种类和范围得以被提升。

可以说,eMAPD 技术充分利用了液滴材料和几何结构所带来的优势,依靠液滴弯曲界面所提供的“滑梯”,结合介电泳力和颗粒-颗粒之间的作用力,让颗粒可以沿着液滴的液-液界面滑动,借此保证结构的形态可控,最终实现多模态的组装结构调控。


(来源:Light: Science & Applications)

日前,相关论文以《基于受抑制的油包水液滴阵列内粒子的电微流体组装的反射显示器》(A reflective display based on the electro-microfluidic assembly of particles within suppressed water-in-oil droplet array)为题发表在 Light: Science & Applications[1],申诗涛博士是第一作者,水玲玲担任通讯作者。

图 | 相关论文(来源:Light: Science & Applications)

后续,他们将围绕显示材料的色彩和显示速度来开展研究,并将主要研究如何优化乳液材料体系,争取在单个像素里实现两种以上颜色和八阶灰度。另外,也将探索如何让彩色染料在兼容现有驱动机制的同时,达成降低能耗的目标。

参考资料:

1.Shen, S., Feng, H., Deng, Y. et al. A reflective display based on the electro-microfluidic assembly of particles within suppressed water-in-oil droplet array. Light Sci Appl 12, 290 (2023). https://doi.org/10.1038/s41377-023-01333-w

Advanced Science, doi:10.1002/advs.202203341

Small, doi:10.1002/smll.202302998

 
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