為了尋找實現低成本、高解析度顯示器面板設計的方法,美國能源部桑迪亞國家實驗室(Sandia National Laboratories)與國家標準技術研究所(NIST)奈米科技中心的研究人員結合低成本的電致變色聚合物與電漿子結構,重新探討電子紙的概念。

Sandia實驗室科學家A. Alec Talin及其同事們在《自然通訊》(Nature Communications)期刊中發表這一研究結果。在這項主題為「利用電漿實現高對比與快速電致變色切換」(High-contrast and fast electrochromic switching enabled by plasmonics)的研究中,提出了一種能以低成本製造薄型全彩顯示器的候選技術,不僅具備較當今高解析顯示器更20倍的解析度,同時還能實現毫秒(us)級的切換速度。

Talin利用具有普通電致變色聚合物、聚苯胺(PANI)與PolyProDOT-Me2等均勻塗層的金與鋁金屬奈米狹縫作為電漿結構,而無需以專用控制電極疊加多層特定色彩的電致變色聚合物。垂直的奈米級裂縫陣列(每一狹縫深度僅60nm、寬250nm,間距為500nm)與入射光線的方向垂直。當光線到達鋁金屬奈米狹縫時,即轉換為表面電漿量子波(SPP)——即包含可見光譜頻段的電磁波,可沿著電極介面(此處使用鋁與電致變色聚合物)行進。

20160608 ePaper NT01P1 電漿電致變色電極整合(a)金(Au)奈米狹縫陣列與(b)參考平面電致變色電極示意圖。金奈米狹縫陣列間距為500nm。(c)還原與氧化形式的PANI化學結構。在沈積PANI至d≈15 nm厚度之前(d)以及其後(e)所製造的金奈米狹縫電極SEM圖。(f)圖e的放大圖,比例尺約300nm

只需在狹縫頂部施加微小的電流,電漿結構就會變成深黑色,在幾毫秒內切斷進入光線和SPP。而當電流彈開時,在光頻率通過狹縫的瞬間導通畫素。

因此,由於狹縫的間距決定了光線透過陣列傳送的波長,研究人員們藉由改變奈米狹縫模式,利用相同的電致變色聚合物,展示了可切換色彩的完整陣列。

20160608 ePaper NT01P2 塗覆PolyProDOT-Me2的鋁奈米狹縫結構之光傳輸頻譜(c,d),其狹縫週期分別為P=240、270、300、330、360與390 nm等值;及傳輸期間映射元件區域的光顯微照片。同時還分別顯示了聚合物在開啟(c)與(d)關閉狀態後的傳輸光譜與顯微照片

透過像捲對捲(R2R)奈米壓印微影或奈米轉印等軟性基板技術,研究人員認為,利用這種簡單的電漿可大幅簡化製造過程,而且易於擴展至較大的範圍,以實現量產。

研究人員在實驗中創造出大約10×10μm的彩色畫素,但Talin指出,在其較早的研究中證實,單狹縫裝置也能有效地開啟或關斷光源。

「然而,為了以狹縫陣列來定義顏色,一般間距在光波長幾倍以上的狹縫是必要的,這需要大約1微米或更大的尺寸,」Talin表示。

然而,這種高解析度的彩電致變色顯示器能夠透過IP授權或另組公司的方式實現商用化嗎?Talin表示,「目前,研究人員們並未積極推動這種電漿電致變色顯示器概念的商用化。然而,我們很樂意與對這項技術感興趣的公司合作,包括IP授權。雖然我已經為這種漿致變色顯示器想過幾種可能的商品名稱了,但目前還沒有任何的結論。」

為了成功使研究結果從實驗室走入商用市場,必須進行一些技術移轉,研究人員表示:「我認為,主要的技術障礙在於擴展採用率,以及畫素陣列與驅動器的整合,並以固體聚合物電解質或無機電解質取代液體電解質,以及使用奈米壓印微影等相容於R2R的製造方式等,以製造奈米狹縫陣列等。」

然而,「這些都不表示需要新的科學突破,多半都是來自工程與開發方面的障礙,」他總結道。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Cheap plasmonics to enable full-colour fast switching e-paper,by Julien Happich)