用戶交互顯示器(UID)允許直觀地顯示觸摸、氣味和聲音等可感知但不可見(jiàn)的信息,它們?cè)诩磳⒌絹?lái)的超級(jí)互聯(lián)社會(huì)中新興的可穿戴和可修補(bǔ)電子產(chǎn)品的潛力引起了極大的興趣。特別是,由于電子皮膚(e-skins)的巨大需求,可以人工模擬人體皮膚的特性,如感知壓力、溫度和濕度,各種人機(jī)交互觸摸顯示屏已經(jīng)通過(guò)可視化壓力、溫度和濕度的局部變化來(lái)演示。不同的光學(xué)元件被用于開(kāi)發(fā)觸摸交互顯示器,包括發(fā)光二極管(LED),電致變色,熱致變色,摩擦生電器件,以及交流(AC)驅(qū)動(dòng)的電致發(fā)光器件。盡管UID技術(shù)取得了很大的進(jìn)展,但大多數(shù)顯示器都是基于光發(fā)射強(qiáng)度或色度反射強(qiáng)度的變化來(lái)表示刺激程度。隨著刺激物的變化而改變顏色可能會(huì)更有利,從而使刺激物更加清晰可見(jiàn)。

最近,韓國(guó)延世大學(xué)Won Gun Koh和Cheolmin Park在《Science Advances》上發(fā)表了題為“3D touchless multiorder reflection structural color sensing display”的文章,提出了一種用戶交互式三維無(wú)接觸傳感顯示器,其基于薄的固態(tài)嵌段共聚物(BCP)光子晶體(PC)的多階反射結(jié)構(gòu)色(SCs)。全可見(jiàn)光SCs是在BCP-PC中開(kāi)發(fā)的,BCP-PC由交替的片層組成,其中一層包含化學(xué)交聯(lián)、相互滲透的水凝膠網(wǎng)絡(luò)。將非揮發(fā)性離子液體吸收到互穿網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)域中,可以通過(guò)使用多階光子反射來(lái)進(jìn)一步操縱SC,從而產(chǎn)生由反射顏色混合產(chǎn)生的前所未有的可見(jiàn)SCs。此外,通過(guò)使用吸濕性離子液體墨水,創(chuàng)建了可打印的三維無(wú)接觸交互式顯示器,其中人類(lèi)手指在不同的SCs中的三維位置作為手指與顯示距離的函數(shù)被有效地可視化。

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1.光子晶體的制備與性能

通過(guò)在玻璃基片上旋涂BCP的丙二醇甲醚醋酸酯溶液制備了一層700 nm厚的聚苯乙烯嵌段聚(2-乙烯基吡啶)(PS-b-P2VP)薄膜,該薄膜由面內(nèi)有序PS和P2VP片層交替組成。然后,用氯仿蒸汽在60℃下對(duì)薄膜進(jìn)行溶劑退火24小時(shí),以形成明確的平行片層的平面內(nèi)取向。P2VP嵌段隨后通過(guò)在1-溴乙烷溶液(溶劑:己烷)中浸泡BCP膜24小時(shí)來(lái)季銨化。在薄膜完全干燥后,將PEGDA低聚物、2-羥基2-甲基苯丙酮(HOMPP)和Triton X在去離子(DI)水中的混合物攤鋪到薄膜表面,使溶液優(yōu)先擴(kuò)散到季銨化聚(2-乙烯基吡啶)(QP2VP)結(jié)構(gòu)域中并溶脹。然后用不同曝光時(shí)間(10至60 s)UV(波長(zhǎng)為350 nm)照射具有水凝膠低聚物和引發(fā)劑的BCP膜,沖洗并去除未反應(yīng)的殘余低聚物,在QP2VP域中產(chǎn)生互穿水凝膠網(wǎng)絡(luò)(IHN)。

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圖1互穿水凝膠網(wǎng)絡(luò)嵌段共聚物光子晶體。

(A) 具有多階反射SCs的BCP-PC顯示器示意圖。利用在PQ2VP域的PEGDA互穿水凝膠網(wǎng)絡(luò)(IHN)實(shí)現(xiàn)BCP-PC的可見(jiàn)光 SC。利用EMITFSI或LiTFSI的非揮發(fā)性離子液體,在IHN-BCP-PC中混合多階反射SCs,得到更豐富的SCs。(B) 玻璃上IHN-BCP-PC薄膜的紫外可見(jiàn)光譜(UV-vis)與紫外曝光時(shí)間的關(guān)系。(C) 最大反射波長(zhǎng)與10到60秒紫外線曝光時(shí)間的函數(shù)關(guān)系圖。(D)玻璃基板上的IHN-BCP-PC薄膜的照片與紫外線曝光時(shí)間的關(guān)系。右端照片顯示其在近紅外(NIR)區(qū)域的最大反射。(E) 黑色紙張上的固態(tài)柔性IHN-BCP PC照片。

IHN-BCP-PC的最大反射波長(zhǎng)隨著紫外線照射時(shí)間的增加而增加。因?yàn)榭商崛〉途畚锏臄?shù)量隨著輻照時(shí)間的延長(zhǎng)而減少,IHN-QP2VP結(jié)構(gòu)域的厚度增加, BCP-PC的禁帶隨UV劑量發(fā)生紅移。因此可以通過(guò)控制紫外線照射時(shí)間控制SC顏色。

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圖2 IHN-BCP-PC的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。

不同SCs的IHN-BCP-PC薄膜的(A到C)散射強(qiáng)度與qz的關(guān)系。從左至右:具有不同SCs的IHN-BCP-PC薄膜的橫截面明亮場(chǎng)TEM圖像:(D)藍(lán)色(片層周期151 nm),(E)綠色(片層周期181 nm)和(F)紅色(片層周期203 nm)。從左至右:(G)順序加載、保持和卸載納米壓痕實(shí)驗(yàn)示意圖。(H) PS-b-P2VP和具有紅色SC的IHN-BCP-PC的力-距離曲線。(I)PS-b-P2VP、具有不同藍(lán)色、綠色和紅色SCs的IHN-BCP-PC和不同發(fā)射量的IHN-BCP-PC的有效模量。PEGDA水凝膠的有效模量也顯示在右側(cè)。

通過(guò)在IHN-BCP-PC中添加非揮發(fā)性離子液體溶脹劑,可以得到了更豐富的可見(jiàn)光范圍SCs。選擇L-乙基-3-甲基咪唑雙-(三氟甲基磺酰基)-酰亞胺(EMIMTFSI)作為不易揮發(fā)且吸濕性最低的溶脹劑,可避免與離子液體相關(guān)的水分子的影響。薄膜的可見(jiàn)光SC僅歸因于一階反射,因?yàn)槎A反射仍處于UV區(qū)域,如I組所示。通過(guò)增加噴涂周期數(shù)進(jìn)一步添加EMIMTFSI,兩種反射都可以位于可見(jiàn)范圍內(nèi),二階反射對(duì)薄膜的SC起主要作用,產(chǎn)生由兩種反射混合而產(chǎn)生的SC,如組II所示。在五個(gè)噴涂周期中,薄膜的可見(jiàn)SC主要來(lái)自二階和三階反射,導(dǎo)致其他多階SCs。

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圖3離子液體摻雜IHN-BCP-PC的多階反射。

(A)通過(guò)改變噴涂周期,在玻璃基板上用5 wt%的EMIMTFSI油墨溶脹的IHN-BCP-PC薄膜的UV-vis光譜。其SCs從可見(jiàn)光范圍內(nèi)的一級(jí)峰產(chǎn)生的薄膜稱(chēng)為I組。薄膜具有在可見(jiàn)范圍內(nèi)主要由二級(jí)反射引起的SCs被稱(chēng)為II組。在可見(jiàn)光范圍內(nèi),二階和三階反射混合產(chǎn)生的SC被稱(chēng)為III組。(B)(A)中對(duì)應(yīng)于UV-vis光譜的IHN-BCP-PC薄膜的照片。(C) FDTD計(jì)算了不同膨脹率(α)的IHN-BCP-pc的禁帶位置。α定義為IHN-QP2VP的疇大小除以具有EMIMTFSI的IHN-QP2VP的疇大小。(A)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也與模擬結(jié)果作為噴涂周期的函數(shù)(實(shí)心符號(hào))繪制。(D) 膨脹比為2.4的IHN-BCP-PC的典型FDTD模擬結(jié)果。一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)峰分別出現(xiàn)在1107、571、385nm處。(E) 光的添加混合示意圖。

2.結(jié)構(gòu)色顯示器

使用噴墨打印機(jī),使得EMIMTFSI墨水直接沉積到IHN-BCP-PC膜上,可以獲得全彩顯示。由于膜的顏色取決于在給定區(qū)域中沉積的EMIMTFSI的量噴墨打印機(jī)只需要一種墨水即可沉積到IHN-BCP-PC膜上。在硅基片上制備了最大反射波長(zhǎng)約為350nm的IHN-BCP-PC薄膜,然后以黑/灰/白對(duì)比度進(jìn)行噴墨打印??梢缘玫?span style="font-weight: bold;">覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光范圍的各種SCs。使用軟件將“一美元鈔票”的一部分圖像轉(zhuǎn)換成黑白對(duì)比圖像,然后,在IHN-BCP-PC膜上進(jìn)行EMIMTFSI噴墨打印,成功地從黑/灰/白圖像中重建出與原稿非常相似的全色SC圖像

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圖4 IHN BCP PC上可打印和可重寫(xiě)的SCs。

(A) 離子液體墨水在IHN-BCP-PC薄膜上的噴墨打印示意圖。(B) 不同濃度IL油墨印刷的IHN-BCP-PC薄膜的照片。(C) 計(jì)算機(jī)處理的一美元鈔票部分的黑白對(duì)比圖像。(D) 根據(jù)(C)中的對(duì)比度圖像,通過(guò)調(diào)整IL墨水濃度打印的SC圖像的照片。(E) 在IHN-BCP-PC薄膜上用IL打印的線的光學(xué)顯微鏡圖像,其顯示的SC線的分辨率約為50μm。IL墨水在(F)傳統(tǒng)紙張和(G)玻璃基板上打印IHN-BCP-PC的SC圖像。(H) 在可見(jiàn)光范圍內(nèi)由多階反射SCs產(chǎn)生的IHN-BCP-PC薄膜的IL-噴墨打印圖像的照片。(I) 用IL(紅色)印刷的IHN-BCP-PC薄膜的紫外-可見(jiàn)光譜,然后用干凈的PEGDA墊(黑色)去除IL。(J) 重復(fù)寫(xiě)入和擦除過(guò)程的最大反射波長(zhǎng)值。(K) 不同IHN-BCP-SC圖像的照片,重復(fù)打印和擦除IL墨水。在IHN-BCP-PC膜上用IL打印的IHN-BCP-SC圖像(步驟1),然后用干凈的PEGDA墊去除IL。打印和擦除過(guò)程是可重復(fù)的(步驟2和3)。

使用EMIMTFSI打印在IHN BCP PC膜上的SCs噴墨可以多次擦除和重寫(xiě)。利用油墨吸收劑,即在打印圖像上放置一個(gè)干凈的交聯(lián)PEGDA凝膠,去除噴到IHN BCP PC中的EMIMTFSI。由于IHN BCP PC和水凝膠層之間形成了較大的EMIMTFSI濃度梯度,噴射的EMIMTFSI擴(kuò)散到水凝膠中,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位。

為了實(shí)現(xiàn)濕度依賴的SC變化,使用了另一種離子液體墨水,雙(三氟甲基磺酰)胺鋰鹽(LiTFSI),被稱(chēng)為最具吸濕性的離子液體之一。水很容易被吸收到PC中并與LiTFSI配位,使IHN-QP2VP疇變厚并引起SC的紅移。當(dāng)吸收到IHN-BCP-PC的水?dāng)U散出去時(shí),系統(tǒng)變得可逆。當(dāng)手指與LiTFSI摻雜IHN-BCP-PC表面的距離從1毫米改變到15毫米時(shí),濕度從大約70變到40 RH%(環(huán)境相對(duì)濕度),導(dǎo)致SC從藍(lán)色、綠色到橙色的變化。因此他們開(kāi)發(fā)出一種3D無(wú)接觸交互式顯示器,其中z軸手指信息隨著電容和SC的變化而監(jiān)控,將摻有LiTFSI的IHN-BCP-PC轉(zhuǎn)移到兩個(gè)平行的銦錫氧化物(ITO)電極上,該電極可根據(jù)吸濕量監(jiān)測(cè)PC的電容變化。

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圖5 3D無(wú)接觸BCP結(jié)構(gòu)色敏顯示器。

(A) LiTFSI摻雜的IHN-BCP-PC中濕敏SC變化的示意圖。(B)帶有摻LiTFSI的IHN-BCP PC的雙端并行式3D無(wú)接觸傳感顯示器的示意圖。高度1(h1)高于高度2(h2)。(C) 相對(duì)濕度隨手指到PC距離的變化。(D) LiTFSI摻雜的IHN-BCP-PCs在相對(duì)濕度為40-90%的條件下的照片。(E) 當(dāng)一根手指靠近表面時(shí),摻LiTFSI的IHN-BCP PC的SC照片。(F) 當(dāng)手指與PC之間的距離從15、9、5和3毫米變化時(shí),摻LiTFSI的IHN-BCP-PC的三維無(wú)接觸傳感顯示器的電容變化。(G) 重復(fù)改變手指到PC距離時(shí),3D非接觸傳感顯示器的電容變化。3D無(wú)接觸傳感顯示器陣列示意圖(H)和照片(I)。(J) 用手指靠近陣列表面,從三維無(wú)接觸傳感顯示器陣列獲得三維電容變化圖。

亮點(diǎn)小結(jié)

作者演示了一種基于BCP PC和IHN的用戶交互式3D非接觸傳感顯示器。在BCP-PC微區(qū)中使用化學(xué)交聯(lián)的IHN,實(shí)現(xiàn)了BCP-PC微區(qū)的簡(jiǎn)單膨脹,產(chǎn)生了柔軟但堅(jiān)固的全可見(jiàn)光SCs,其有效模量為幾百M(fèi)Pa。當(dāng)一種非揮發(fā)性離子液體溶脹劑被吸收到互穿網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)域中時(shí),在可見(jiàn)光區(qū)不僅出現(xiàn)一階光子反射,而且還出現(xiàn)二階和三階光子反射,產(chǎn)生了更豐富的可見(jiàn)光SCs。多階反射SC偽固態(tài)IHN-BCP PC與作為印刷油墨的各種離子液體摻雜劑結(jié)合,成功地應(yīng)用于可打印和可重寫(xiě)顯示器以及3D非接觸傳感顯示器中,通過(guò)電容和SC變化精確監(jiān)控手指接近(z)和橫向位置(x和y),展示了一種固態(tài)傳感器和顯示器的新方法.

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