研究人員們設計了一種軟性的電子紙(e-paper)畫素單層作為概念驗證,並宣稱這項技術能讓目前的電泳電子紙功耗降低超過10倍,同時以高解析度顯示於大尺寸的規格上,可實現厚度不到1微米的超薄海報或可摺疊的電子書閱讀器。

這項主題為《電漿子超穎表面與複合聚合物實現彩色軟性電子紙》(Plasmonic Metasurfaces with Conjugated Polymers for Flexible Electronic Paper in Color)的研究刊載於最新一期的《先進材料》(Advanced Materials)期刊中,該校研究人員Andreas Dahlin與博士研究生Kunli Xiong共同發表了一種看似簡單的反射式顯示架構。

研究人員們採用相容於大面積與塑料薄膜的平行微影製程步驟,創造出電漿子超穎表面,其組成成份包括:銀的基礎反射層(150nm)、氧化鋁製造的間隔層(厚度由Fabry–Perot干涉現象取得的反射色彩所決定),以及具有150nm間距奈米孔洞的20nm金層。

透過氧化鋁的沉積過程,基底電漿子超穎表面的反射顏色可在整個顏色光譜上發生變化,在40到95nm的不同厚度範圍,分別表現出紅、綠、藍(48nm、93nm、83nm)的三原色。

20161018 epaper NT02P1 a) 超穎表面示意圖;及其b) 奈米孔洞的電子顯微鏡圖;c) 在樣本PET上依 不同氧化鋁厚度產生的調色盤;d) 在環境光線下的三原色樣本圖;e) 依不同角度在空氣中反射出紅、綠、藍三原色光譜

「金薄膜中的奈米孔陣列增強了著色,因為它能夠耦合到表面電漿子,並提供強大的共振散射,」研究人員在文中解釋。

為了控制反射率並使反射顏色「開啟」和「關閉」,研究人員以摻雜的聚吡咯薄膜覆蓋電漿子超穎表面,形成共軛導電聚合物,使其能以電性調節其光學吸收性。最後再以液體電解質完成此「畫素電路」,使其得以在1V偏壓時「開啟」或「關斷」(當超穎表面吸收光線時呈現黑暗狀態)。

20161018 epaper NT02P2 透過施加電位,調節金奈米孔洞陣列頂部聚合物層的光吸收性,即可控制反射層

在實驗時,研究人員表徵電漿子超穎表面的樣本,形成50μm畫素的三原色——紅綠藍,實現與一般印表機墨水所產生的相同反射率與對比度,並可達到60°視角以取得正確的顏色外觀。此外,它還提供了理想的對比度,以及超過90%無關偏振的諧振反射,使得電子紙可實現數百毫秒的響應時間,並以每平方厘米小於0.5mW 的功耗作業。

20161018 epaper NT02P3 透過RGB畫素構圖可製造出二次混色。圖右的樣本因不同的電壓而異

該研究結果顯示,由於具有低電壓以及聚合物薄膜,使其表現出比發射式顯示器更低10倍的功率密度,也遠比現有的電泳顯示器更低得多。同時,研究人員採用的微影製程步驟能輕鬆地使畫素微縮至幾微米,從而使顯示器的最高解析度達超過104 dpi。

雖然這種顯示器並非完全雙穩態,而且需要電壓電佔來維持其「導通」狀態,但其漏電流密度非常低,在1.0V電壓下大約還不到400 microA/cm^2。 然而,CUT副教授Andreas B. Dahlin指出,「這種聚合物能維持其氧化狀態,即使電壓中斷5到10秒也不受影響,而且這可能還能使用電解質進一步改善。」

「我們目前正在研究使用更便宜的材料以取代固態元件的可能性,其他聚合物可能具有更好的對比度以及不同的電解質,」Dahlin總結道。至於潛在的工業化,諸如石烯或氧化銦錫等透明的軟性導體,可用於作為相對於超穎表面且封裝電解質薄層的反電極。