隨著萬物互聯(lián)時(shí)代的到來，顯示技術(shù)也在不斷進(jìn)化，以滿足人機(jī)交互的需求。電子紙作為一種新型的顯示技術(shù)，就像是一張能夠刷新和顯示信息的神奇紙張，以其節(jié)能和在自然光下出色的對(duì)比度特點(diǎn)，逐漸在智能穿戴設(shè)備領(lǐng)域占據(jù)一席之地。然而如何在光線不足的環(huán)境中維持電子紙的清晰顯示仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。

目前，盡管在電子紙中加入前光源的方法可以解決昏暗環(huán)境下的可視性問題，但這種做法不僅增加了設(shè)備的復(fù)雜性，還顯著提高了能耗。此外，現(xiàn)有的一些嘗試將反射和發(fā)射顯示功能結(jié)合在一起的設(shè)備，常常面臨著切換速度慢和顯示效果不佳的問題。就像是在光線不足的情況下閱讀，雖然能看到文字，但閱讀體驗(yàn)并不舒適。

針對(duì)上述問題，近期，中山大學(xué)楊柏儒教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Functional Materials上發(fā)表了題為“Dual-Mode Flexible Electrophoretic E-Paper with Integration of Alternating Current Electroluminescent Technology for Ubiquitous Ambient Light Applications”的研究成果（碩士研究生史錦滔為第一作者，楊柏儒教授為通訊作者)。

這項(xiàng)研究開發(fā)的電泳電致發(fā)光雙模式顯示設(shè)備，通過在電泳微膠囊顯示層中混入交流電致發(fā)光粉末，實(shí)現(xiàn)了電子紙的自發(fā)光顯示效果。顯示層中的微膠囊和電致發(fā)光粉末的工作電流僅為μA量級(jí)，使得該設(shè)備在兩種顯示模式下都能保持較低的能耗。

由于微膠囊和電致發(fā)光粉末對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓和頻率的不同響應(yīng)，這種顯示器能夠在反射和發(fā)射模式之間快速切換（<413 ms），同時(shí)具備5.6的對(duì)比度和最高107.5 cd/m2的亮度。此外，這種設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)還包括制造簡便、成本低廉、具有良好的柔性（可彎曲超過1000次）和機(jī)械穩(wěn)定性（即使扭曲、穿刺或裁剪也不會(huì)影響顯示效果）。

通過巧妙的驅(qū)動(dòng)波形設(shè)計(jì)，這種設(shè)備還能實(shí)現(xiàn)反射和發(fā)射模式的混合顯示，從而極大地豐富了顯示效果。這種雙模式顯示器有望在廣告牌、指示牌以及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。（圖1）

圖1 EEDMD器件六模態(tài)之間的切換

電泳式電子紙因其獨(dú)特的雙穩(wěn)態(tài)特性而廣受歡迎，這種特性意味著它在無外加供電的情況下能長時(shí)間保持顯示的圖案和文字，成為公交站牌、指示牌和商場(chǎng)標(biāo)簽的理想選擇。然而，由于電子紙基于反射環(huán)境光進(jìn)行顯示，如何在光線較暗的環(huán)境中保持其顯示效果，一直是研究者們面臨的挑戰(zhàn)。

楊柏儒教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型的電子紙，這種創(chuàng)新的電子紙將電泳式微膠囊和交流電致發(fā)光粉末均勻地混合在水性聚氨酯材料中。由于這兩種顯示材料對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的想壞不同，新型電子紙能夠輕松地在反射模式和發(fā)射模式之間切換，從而在不同的光照條件下都能保持良好的顯示效果，有望進(jìn)一步拓寬電子紙的應(yīng)用范圍。（圖2）

圖2 電泳電致發(fā)光雙模式器件的工作機(jī)理、器件結(jié)構(gòu)以及顯示效果

在提升顯示性能方面，研究團(tuán)隊(duì)通過調(diào)控顯示層中微膠囊、電致發(fā)光粉末和介電材料的質(zhì)量比，確保了兩種顯示材料的均勻分布，實(shí)現(xiàn)了反射態(tài)對(duì)比度與發(fā)射態(tài)亮度的最優(yōu)平衡。此外，進(jìn)一步優(yōu)化顯示層的涂覆厚度為90 μm，并通過采用黑色不透明碳納米管作為底電極，顯著提升了反射態(tài)的對(duì)比度。該自發(fā)光電子紙器件在24 V的工作電壓下反射態(tài)顯示效果最佳，而發(fā)射態(tài)在60 V的閾值電壓下啟亮。通過調(diào)整電壓和頻率，發(fā)射態(tài)的亮度可提升至最高107.5 cd/m2。

在響應(yīng)速度上，反射態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)間從白到黑為413 ms，從黑到白為167 ms；發(fā)射態(tài)從暗到亮為121 ms，從亮到暗僅需2 ms，這樣的響應(yīng)速度確保了模式間的迅捷切換。研究團(tuán)隊(duì)的雙模式器件不僅在光電性能上表現(xiàn)出色，還具備了良好的柔性和機(jī)械穩(wěn)定性，即便在扭曲、穿刺和裁剪之后，依然能夠保持穩(wěn)定的顯示功能。此外，研究團(tuán)隊(duì)還展示了該器件在可穿戴技術(shù)中的應(yīng)用潛力，如作為腕帶的穿戴展示以及作為杯貼的圖案化分塊驅(qū)動(dòng)。（圖3）

圖3 電泳電致發(fā)光雙模式顯示器的柔性和穩(wěn)定性

研究團(tuán)隊(duì)基于微膠囊和交流電致發(fā)光粉末的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，構(gòu)建了等效電路模型，通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值、頻率和偏置，雙模式器件能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射模式、反射模式以及混合模式（亮白和亮黑）的多模態(tài)顯示，且能通過改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)快速切換于不同模態(tài)。為了更準(zhǔn)確地評(píng)估雙模式顯示器的性能，團(tuán)隊(duì)提出了雙模式對(duì)比度（DMCR）的概念，這一新指標(biāo)有助于確定在各種環(huán)境光照條件下找到模態(tài)切換點(diǎn)和最佳顯示效果的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。（圖4）

圖4 模式切換機(jī)理、雙模式對(duì)比度的定義以及應(yīng)用展示

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型的電子紙雙模式顯示器件，該器件融合了交流電致發(fā)光技術(shù)，制造了一種具備自發(fā)光能力的電子紙。區(qū)別于通過犧牲開口率以實(shí)現(xiàn)雙模式的透反式顯示技術(shù)，該器件在實(shí)現(xiàn)雙模式顯示的同時(shí)保持了100%的開口率。該發(fā)光電子紙可以實(shí)現(xiàn)5.6的黑白對(duì)比度，107.5 cd/m2的最高亮度，同時(shí)保持了良好的柔性和機(jī)械強(qiáng)度。此外，通過對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)制的深入研究和驅(qū)動(dòng)波形的巧妙設(shè)計(jì)，雙模式器件能夠在多種顯示模態(tài)之間靈活切換，從而擴(kuò)展了其在實(shí)際應(yīng)用中的多樣性，為未來萬物互聯(lián)時(shí)代的顯示技術(shù)開辟了新的可能性。（來源：中山大學(xué)）

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