微液滴中組裝出繽紛色彩：一種新型顯示技術

導 讀

顯示技術是信息化時代必不可少的關鍵技術之一。其中反射式顯示也被稱為電子紙顯示，通過可像素化的顯示材料對可見（環境）光傳輸的反/透射調控，結合顯示背板信號源的有效控制，實現彩色（包括黑白）顯示效果。反射式顯示信息在強光（特別是戶外）下清晰可見，為記錄瞬時信息提供便利，而且能夠在斷電后保持顯示圖像，降低能耗。

近日，華南師范大學“光流控技術與系統實驗室（LOTS）”水玲玲教授團隊采用基于液滴內電流體顆粒組裝技術，實現了彩色反射式顯示。通過電場控制液滴內部彩色粒子的快速運動和組裝，構建了透射與反射模式并存的液滴像素，實現了彩色動態顯示；優化液滴和顆粒的比重匹配，達到了準雙穩態顯示效果；展示了其作為一種新型電子紙顯示技術原理的潛在應用價值。

該研究成果以“A reflective display based on the electro-microfluidic assembly of particles within suppressed water-in-oil droplet array”為題在線發表在Light: Science & Applications。華南師范大學博士研究生（現北京大學博士后）申詩濤為論文第一作者，華南師范大學水玲玲教授和周國富教授為論文共同通訊作者。

顯示技術是互聯網迅速發展下信息化時代的關鍵技術之一，大量的信息需要通過顯示技術向人們展示和實現互動。常用的顯示技術主要有：以液晶顯示（LCD）為代表的透射式顯示，以有機發光二極管顯示（OLED）為代表的發射式顯示、以電泳電子紙顯示（EPD）為代表的反射式顯示等。其中反射式顯示主要包括電泳、干涉調制器、電潤濕、膽甾液晶和光子晶體等。目前市場上成熟的顯示技術產品主要采用電泳和膽甾液晶原理，這些產品已經已悄然“占領”了商超和便利店的貨架，推動著綠色低碳技術的可持續發展。

電泳顯示技術是反射式顯示市場的主流產品，但通常僅能顯示兩種或三種顏色（如黑、白、紅）且“翻頁”速度慢。電泳顯示的像素里分布帶有不同電荷（正、負）的粒子，在電場驅動下在像素內“泳動”達到顯示效果?；陲@示原理和材料的限制，電泳技術僅能控制粒子的空間高度，而粒子的分布狀態（同種粒子云的相對位置分布）難以控制，從而導致了其刷新速率慢，可顯示的顏色有限。雖然已有的以電潤濕顯示為代表的技術可以克服其中的部分缺點，但是在材料和性能方面還在持續改善中。隨著社會的進步和技術的發展，對性能優異和節能環保的顯示技術需求更加明顯。

本研究提出了一種電-微流體粒子組裝（electro-microfluidic assembly of particles，即eMAP）原理的顯示技術，通過介電泳驅動液滴內部粒子的運動和組裝，使用一種顆粒和一種流體（液滴）材料可連續實現三種主要組裝結構的顯示狀態，以及每種組裝結構所對應的各種顏色。值得一提的是，三種狀態中包含一種傳統電泳電子紙技術難以實現的“透光”態，即粒子聚集到液滴赤道處，允許光透過液滴。這為顯示色彩調控提供了反射與透射相結合的方案，提升了顯示顏色種類和范圍。

圖1：電-微流體粒子組裝（eMAP）顯示像素示意圖和實驗結果

為實現更好的顯示質量和提升顯示刷新速率，團隊對液滴像素的形狀和驅動參數等進行了優化，并分析了多物理場下的顯示機制。巧妙地采用“壓扁”的液滴形狀作為eMAPD的像素結構，減少顆粒在液滴中上下運動的距離，從而顯著提升eMAPD的刷新速率。

圖2：液滴像素優化過程和效果

區別于傳統的電泳電子紙中，粒子在電場作用下主要沿豎直方向運動，本工作提出的eMAPD技術，借助液滴彎曲界面提供的“滑梯”，使顆粒在介電泳作用下沿著液滴的液-液界面滑動，達到多模態的組裝結構。經過一系列研究和測試，證實了eMAPD可以顯示多種顏色，并具備快速和可逆的粒子組裝特性，能夠快速刷新。

圖3：電-微流體粒子組裝顯示（eMAPD）器件性能優化

在優化后eMAPD中，團隊進一步探究了多種彩色顯示油墨（乳液體系）的可行性，為未來多（全）彩顯示技術奠定基礎。此外，研究團隊證明了該顯示技術具備廣可視角度（≥170°）和雙穩態特性（現有材料實現了斷電后能維持顯示圖像30 min以上），這為未來節能綠色顯示奠定了良好的基礎。

圖4：eMAPD器件顯示效果展示

本工作所提出的eMAPD技術，通過顆粒在液滴限域微空間的可控多模式組裝結構，能夠實現透射和反射相結合光調控模式，為顯示技術提供了一種新思路。未來在優化顯示乳液材料體系結合驅動電路背板設計和優化，充分發揮微結構空間限域電流控靈活控制的優勢，能夠進一步提升eMAPD的效果和性能，有望實現彩色和柔性新型顯示技術。

審核編輯：劉清