电润湿电子纸显示应用物理研究概述与进展.pdf
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1、专题:华南师范大学建校暨物理学科建立 90 周年电润湿电子纸显示应用物理研究概述与进展*刘飞龙程彦锟张境恒唐彪周国富(华南师范大学华南先进光电子研究院,彩色动态电子纸显示技术研究所,广东省光信息材料与技术重点实验室,广州510006)(2023年 5月 24 日收到;2023年 7月 6 日收到修改稿)电润湿是指通过改变作用于液体-固体电极间的电势,来影响固体和液体间的界面张力,从而改变固液界面的润湿性,即接触角,使液滴产生形变、位移的现象.电润湿电子纸显示是基于快速响应微流体操控技术的新型反射式“类纸”显示技术.该技术拥有已商业化的电泳电子纸显示产品低能耗、视觉健康、可柔性等优点,同时突破了
2、“彩色”和“视频播放”两项当前束缚电子纸显示技术应用领域的瓶颈.未来,电润湿电子纸显示将为我国军用、民用市场提供全天候“绿色”显示产品,具有千亿规模的直接市场和巨大产业辐射力.本文对电润湿显示器件中涉及的多个物理方向,特别是润湿与电润湿、两相流体力学、微观与界面物理、光物理、电介质物理、热物理、瞬态物理等,进行了系统综述;并且对基本器件工作原理、微观与介观物理图像、器件运行内在机制、器件可靠性等进行了全面介绍.关键词:电润湿,器件物理,反射式显示PACS:85.60.Pg,85.60.q,68.08.BcDOI:10.7498/aps.72.202308371引言显示是信息交互的重要载体.伴随
3、着 20 世纪的信息技术革命,显示技术领域发生了重要变革.从黑白到彩色,从静态到动态,从小屏到大屏,人类对于显示质量的不断追求成为技术进步的强力驱动.在电子信息技术发展的早期,阴极射线显像管(CRT)显示技术曾经风靡一时,它采用电子束激发屏幕内表面的荧光粉来显示图像.然而,随着新型显示技术的快速发展,CRT 显示在今天已经被市场所淘汰.如图 1 所示,目前主流的显示技术依据不同的物理原理,可分为透射式、发射式、反射式三类.透射式显示以液晶显示(LCD)为代表,在电场作用下,其内部液晶分子的排列方向会发生变化,进而改变外部光源透光率(调制),完成电光转换1,2.发射式显示以有机发光(OLED)、
4、量子点发光(QLED)等为代表,在电场的作用下,电极中的空穴和电子发生注入、迁移及复合,在发光层产生能量激子并最终产生可见光3,4.反射式显示以电子纸为代表,由在环境光反射或透射作用下,可显示颜色的带电微粒或者油墨组成,在外加电场的作用下,控制带电有色颗粒或油墨定向运动,从而实现颜色的控制与切换5,6.1.1 电子纸显示简介反射式电子纸兼具纸张的观阅舒适性和电子器件的交互特性,以亚马逊推出的 Kindle 为代表*国家重点研发计划(批准号:2021YFB3600602)、国家自然科学基金(批准号:62005083,52175403)、科技部外国专家重点支撑计划(重大科研)(批准号:zcgx20
5、22002L)、广东省海外高层次人才引进计划(青年拔尖)(批准号:2021QN02X369)、“广东特支计划”本土创新创业团队(批准号:2019BT02C241)、教育部长江学者和创新团队发展计划(批准号:IRT17R40)、广东省光信息材料与技术重点实验室(批准号:2017B030301007)、广州市类纸显示材料与器件重点实验室(批准号:201705030007)、教育部光信息国际合作联合实验室和高等学校学科创新引智计划资助的课题.通信作者.E-mail:通信作者.E-mail:2023中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp:/物理学报ActaPhys.Sin.V
6、ol.72,No.20(2023)208501208501-1的第一代电子纸产品在电子书市场取得了巨大成功710.它的主要优点有:1)模拟传统油墨印刷到纸张上的阅读舒适度;2)通过反射式显示,借用环境光阅读,特别适合户外阅读;3)非常省电,待机时间长.特别是其具有舒适护眼、耗电量低、阳光下可视等突出优点,具有极其广阔的应用范围.反射式电子纸显示目前主要技术路径分为两类:基于颗粒体系的电泳显示(EPD)和基于流体体系的电润湿显示(EWD).其中电泳电子纸通过外加电场控制不同颜色、带不同电荷的微胶囊的移动,从而实现不同颜色的显示,如图 2 所示.该技术目前已广泛应用于电子纸屏幕产品中,但是其缺点在
7、于响应速度慢(100ms),彩色颜色数量少(4096 种),色域窄(13%NTSC),因此无法播放视频和难以显示高色域,限制了电子纸显示屏的进一步推广和应用.1.2 电润湿电子纸显示简介电润湿显示的概念最早由 Beni 与 Hackwood11和 Beni 与 Tenan12分别在 1981 年提出,具体方法是通过电润湿效应操纵液滴在像素格中的形变运动,进而改变像素内的光学空间相干性,可以实现电润湿显示面板在显色和透明间相切换.1875 年,法国科学家 GabrielLippmann13观察到在汞和电解液(水)之间施加电压,汞液面会发生下降,由此发现电毛细现象,明确了电润湿的概念;并提出了著名
8、电润湿基本理论Young-Lippmann方程.1993 年,Berge14提出基于介电层的电润湿,成为近代电润湿应用器件的基础.2003 年,荷兰研究员 Hayes 和 Feenstra15在 Nature 杂志上发表文章,提出电润湿显示技术应用于播放视频的可行性,将电润湿显示的研究推向新的篇章.在国际上,各大高校及研究院所很早就开始了对 EWD 的基础科学研究,包括荷兰飞利浦研究院、加州大学洛杉矶分校、美国辛辛那提大学、荷兰特文特大学等,在 EWD 的器件设计、制备工艺等方面也都取得了很好的成果,处于领先地位.飞利浦公司意识到 EWD 技术对未来显示行业的颠覆性以及未来巨大的市场潜力,于
9、2006 年成立公司 Liquavista,希望能够主导和实现该领域的产业化.与此同时,三星与摩托罗拉等也先后推进 EWD相关技术的研发和产业化进程.另外,电子书龙头54321LCD:透射式OLED:发射式E-PAPER:反射式(a)(b)(c)图1主流显示器件类型及其工作原理(a)LCD 液晶显示,对背光源透射光进行调制;(b)OLED 有机发光显示,利用电光转换实现自发光;(c)E-Paper 电子纸显示,对环境光的反射进行调制Fig.1.Working principles of mainstream display devices:(a)LCD(liquid crystal)displ
10、ay,based on modulation ofbacklighttransmisssion;(b)OLED(organiclight-emitting)display,basedonself-emissionbyconversionfromelectri-citytolight;(c)E-Paper(electronicpaper)display,basedonmodulationofreflectivelightfromenvironment.Top transparentelectrodeCross-section of electronic-ink microcapsulesSub-
11、capsule addressingenables hi-resolutiondisplay capabilityPositivelycharged whitepigment chipsNegativelycharged blackpigment chipsBottom electrodeClear fluidLight stateDark state图2电泳电子纸显示原理.微胶囊包裹的两色电异性颗粒体系,通过施加电场的极性及强度控制颗粒运动,实现白色(左)、灰色(中)、黑色(右)等灰阶显示Fig.2.Workingprinciplesofelectrophoretice-paperdispl
12、ay.Microcapsulesarecomposedofpositivelychargedwhitepigmentchipsandnegativelychargedblackpigmentchips.Particlemotioniscontrolledbypolarityandstrengthofexternalelectricfields,result-ingindisplayofwhite(left),grey(middle),andblack(right)colors.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.20(2023)208501208501-2亚马逊在 2013
13、年并购 Liquavista,此举对当时的电子纸行业有不小的震动,显示了亚马逊对 EWD蕴含巨大市场的笃定,及未来 EWD 成为“彩色视频电子书”唯一技术路径的信心.在国内,华南师范大学拥有电润湿显示技术领域最优秀的国际化高水平人才梯队,在电润湿显示基础科学、制程工艺及器件优化等科研与产业化领域已取得一系列原创性成果,成为全球最具活力的电润湿显示技术研发机构之一.华南师范大学于2015 年 7 月正式完成全球首条电润湿反射式显示器件中试线建设(2.5 代),已实现了电润湿显示相关技术成果转化,成为全球电润湿显示研发与产业化技术的领跑者.迄今为止,全球范围内尚未有市场化的电润湿显示产品,但电润湿
14、显示技术经过数十年的高速发展,相关技术及基础研究都相当完善,正处在量产前的攻坚期.包括提升器件寿命,柔性化、双稳态、彩色化显示等存在一些关键的科学问题亟待解决,还有器件的设计、集成与驱动,薄膜晶体管(TFT)背板的设计与制备等领域也存在一些技术难题.未来在资金与技术的不断投入下,随着这些问题的解决,电润湿显示技术将应用于可穿戴移动终端,提供可读性强(特别是自然光下)、能耗超低的绿色显示屏幕,这将带来千亿元的商机.电润湿显示技术使通过对液滴加电,改变固液界面的润湿性,从而控制彩色油墨的收缩与铺展,进而实现像素的开关及灰阶的调控16.每个像素结构如图 3 所示.底面 TFT 电极层使用亲油疏水绝缘
15、层,用光刻胶材料构筑像素墙.然后在像素格底部覆盖一层油墨(如红色),再将整个基板放置于极性流体(如水)中,并与上层 ITO 玻璃封装构成显示屏.像素格未加电时,油墨铺满像素格底部,此时像素格显示油墨的颜色;给像素格上层 ITO玻璃和下层 TFT 基板加电后,油墨被水推开,此时像素呈现像素格底部的颜色(通常为白色).这样就可以通过施加电压来实现像素格颜色的切换.整个像素格显示结构设计简单,成本低,易于大规模制造.电润湿显示原理决定了该技术具有如下七方面特点.1)耗能低:电润湿为电压型驱动,而非电流型驱动,不需恒定电流来保持显示状态;2)驱动水Water彩色油墨Oil/dye像素墙Pixel wa
16、ll疏水绝缘层Insulator layer透明电极Transparent electrode基板Substrate透明电极Transparent electrode顶视图 Top view3T3像素阵水Water透明电极Transparent electrode彩色油墨Oil/dye像素墙Pixel wall疏水绝缘层Insulator layer透明电极Transparent electrode基板Substrate顶视图 Top view3T3像素阵(a)(b)图3电润湿电子纸显示原理.像素单元内两相流体体系通过施加电场强度控制油水界面运动,实现灰阶调控(a)未加电状态;(b)加电状态F
17、ig.3.Workingprinciplesofelectrowettinge-paperdisplay.Binaryphasefluidscomposedofcoloredoilandtransparentwaterarecontrolledbystrengthofexternalelectricfields,resultingincolormodulation:(a)Withoutelectricbias;(b)withelectricbias.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.20(2023)208501208501-3速度快:实验证明改变液滴的形状所需时间远小于驱动
18、油墨颗粒由一端“游动”到另一端的时间(电泳技术),为动态显示奠定基础;3)色彩丰富:可以改变或者组合油滴和基板的颜色,形成多种颜色显示方案;4)透射式和反射式工作方式皆可:当背板为非透明时可以工作在反射模式,而将背板设计为透明,并在底部设计背光源时,其可以工作在透射模式下,与现有的 LCD 显示方案类似;5)对比度、反射度高:由于显示屏的功能组合层数低,显示薄膜层薄,导致其显示的对比度、反射度均非常理想;6)结构简单,制造成本低:由其原理可知,该方案下的显示屏结构简单,组合层数低,大部分的制造设备、工艺与液晶屏兼容,可有效地降低制造成本;7)易于轻薄化、柔性化:由于显示屏结构简单,组合层数低,
19、因此显示模组厚度可以做得很薄.2固液润湿性与电润湿效应2.1 固液界面润湿性润湿现象是指液体能接触并附着在固体表面的现象.液体表面和内部的分子状态不同,液体表面分子的能量高于其内部分子的能量.当固体与液体相接触时,液体表面能量就会降低,这促使液体在固体界面铺展.润湿性是指液体保持与固体表面接触的能力.0实践中,一般会使用接触角去衡量固体表面的润湿程度(即固体表面疏水或亲水程度).当液滴或者气泡在固体表面附着时,其曲球面与固体界面有一条交界线,一般称其为“三相接触线”.在润湿过程中,三相接触线是在不断变化的,或大或小.当变化停止时,说明三相接触线处的自由能(用界面张力表示)达到平衡,此时,固液间
20、界面切线与液气间界面切线所成夹角称为平衡接触角,简称接触角,用 表示.在平衡状态下,Young 在 1805 年提出润湿基本方程:LVcos0=SV SL,(1)LVSVSL0其中 ,和 分别是液-气、固-气和固-液界面的界面张力,L,V 和 S 分别代表液体、气体和固体.从(1)式可以看出,该公式中的平衡接触角 是关于三相界面张力的函数,也就是说接触角不仅取决于液体的性质,也取决于固体表面的性质,更0=00 0 9090 0 .00.10.20.30.4Volume/mLContact angle/(O)0.520406080Contact angle600 mm400 mm200 mm10
21、0 mm(a)(b)图12润湿梯度导致的钉扎/去钉扎效应示意图(a)通过表面改性方法制备的不同几何图案的润湿梯度70;(b)测量得到的润湿角与填充液体体积关系70Fig.12.Pinning/depinningeffectduetowettinggradients:(a)Wettinggradientpatternsfabricatedbysurfacetreatmentprocesses70;(b)measuredcontactangleasafunctionofdropletvolume70.0.5 mm0.5 mm(c)(b)(a)Stainless steel electrode(Di
22、ssolved in water)AFe-e-e-+ITOSubstrate(d)Stainless steel electrodeWaterWater(Dissolved in water)AFe-e-In2O3/SnO2In/Sne-+ITOSubstrate图13电润湿显示器件中电荷转移导致的电化学反应与器件老化机制71Fig.13.Chargetransferinducedelectrochemicalreactionsanddegradationmechanismsinelectrowettingdisplaydevices71.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.
23、20(2023)208501208501-12J在同一电极上,通过电极的电流密度 如何取决于电极和主体电解质之间的电压差72.Butler-Volmer 方程为J=J0expazFadRT(E Eeq)expczFadRT(E Eeq),(28)JJ0EEeqTzFadRcaEEeq其中 为电极电流密度,定义为电流强度除以电极面积;为交换电流密度;为电极电势;为平衡电势;为温度;为参与电极化学反应的电子数;为法拉第常数;为气体常数;为阴极电荷转移系数;为阳极电荷转移系数,为活化过电势.5光物理在电润湿显示器件中,显示色彩是其根本目的,因此,深入理解电润湿显示器件的光物理相关问题,对进一步设计优
24、化显示效果,是不可或缺的.5.1 油墨材料及其光学性质电润湿显示油墨是电润湿体系中的核心材料,它即可以充当光学灰度开关,也可以进行色彩调控.电润湿显示油墨是由有机染料、溶剂介质及其他添加剂组成.溶剂介质作为有机染料载体,其性能对油墨的流变性、润湿性、电润湿性起着决定性作用.电润湿显示有机染料主要承担油墨色彩输出的作用,一般采用可溶性有机染料,也有一部分分散型颜料.根据电润湿显示原理,具备良好应用性能的电润湿显示染料需具备以下技术特征:1)吸光度高;2)光稳定;3)黏度低;4)极性低;5)纯度高.从性能与结构的对应关系上分析,要满足以上性能,电润湿显示染料在分子结构上必须具有充分的脂溶性基团、高
25、摩尔吸光系数、高光稳定性及分子对称性.电润湿显示染料按结构类别可分为以下几类.1)蒽醌型电润湿显示染料73.蒽醌类电润湿显示有机染料可通过调控蒽醌环上的杂原子(例如氧、氮)取代位置来调节染料的颜色,其结构通式如图 14 所示.该显示染料的摩尔吸光系数偏低(约 1.5104Lmol1cm1).因此,蒽醌类电润湿显示有机染料只能得到品红、紫色、蓝色、青色等颜色,缺乏浅色系列.2)偶氮苯环型电润湿显示染料.偶氮苯环类有机染料具有易改性分子结构、广泛的光谱范围和高摩尔吸光系数.通过调节重氮组分和偶合组分可以得到丰富的染料结构,如图 15 所示.3)偶氮吡唑啉酮型电润湿显示染料74.将长链烷基取代的吡唑
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