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电润湿显示在显示应用领域获得突破
编辑:雁枫 [ 2017-11-3 15:55:26 ] 文章来源:数字标牌网
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一、电润湿显示技术发展现状解读

什么是电润湿(Electrowetting)显示技术?

电润湿显示技术是一种利用油与水界面固有的自然力及相关理论而开发出的技术。该技术采用了一种可以把水从表面排除、以油膜作为介质的高疏水材料,形成分离的油相和水相,抗水表面的润湿效果可以通过电压来改变(故名电润湿),令表面变得更亲水(润湿)。由于原先抗水的表面现在变得更吸水,油膜不得不改变其形式。这种界面属性控制是电润湿应用的基础。在形成显示时,电润湿原理可被用来建立一个像素调制器。当不同像素被独立激活以创建影像时,油被染上一种颜色,从而形成显示。在原则上可以给予像素任何想要的颜色,从而获得各种显示效果。

图1电润湿显示技术呈色示意图

电润湿显示技术在实现彩色方面有着自己独特的方法,将油膜与像素点联系在一起,油膜的形式发生变化,导致像素点颜色的变化,从而实现色彩的改变。电润湿显示技术的另一种显示方法是依据电润湿对彩色光的反射特性,将蓝绿、紫红、黄三种基色电润湿显示层堆叠,根据色料减色法原理,分别反射基色光来实现彩色显示,这种方法较简单。电润湿显示技术主要通过控制显示屏上的一层油膜染料来实现,当电压作用于染料之上时,染料移动至像素的角落中,此时屏幕将变成透明,染料下面的内容将显示出来。

图2电润湿显示技术结构示意图

从1805年Young发现的表面润湿方程(Young方程)开始,有关表面张力的研究已经有200多年的历史。Etulipa在1875年发现了固体电极加电后,固体上的液体接触角会改变的实验现象,并推导出了著名的Lippmann-Young方程。电润湿通常是指通过对固体电极和液体间外加电压从而达到改变液体与固体间接触角的目的。介质上的电润湿(electrowetting-on-dielectric,EWOD)则是2000年以后随着MEMS技术发展起来的,近年来在国际上得到了广泛的关注和深入研究,EWOD在中国的研究则刚刚起步。 

图3、疏水性及表面张力

电润湿显示技术现实率先突破,是由Philips下属的专业显示器Etulipa公司研制出来的,其研究成果发表在2003年第8期的Nature杂志上,Philips已经拥有了这项技术的专利。

目前,广泛应用的显示器技术有LCD、OLED、EPD三种,这两年行业大热的显示技术还有QLED、Micro-LED等。LCD最为普及,其价格低廉,功能多样,但性能和差异化能力有限。OLED技术在暗光下性能优良,但不适合在日光下使用,价格比LCD高。EPD被Sony、亚马逊等企业所选用,其优势在于纸张式的外观和紧凑的机械结构,功耗也较低;但缺点是色彩有限,而且速度很慢,不适合视频播放和3D图形显示。Etulipa的电润湿技术将完全改变这些产品的外观,实现更明亮和丰富的显示效果。LCD需要通过背光来工作,其功耗和成本都很高;偏光片也使其色彩显示效果大打折扣。

随着移动终端的飞速发展,人们生活频率加快,移动办公为人们提供了便利的同时也为现代显示技术提出了更高的要求。传统的液晶显示屏已不能够满足室外使用的需要,全反射式显示技术正逐渐进入人们的日常生活。传统液晶显示器对背光的转换率只有7%,在室外强光下对比度下降,以致手机、平板电脑、笔记本电脑等使用液晶屏幕的移动设备在户外环境下使用效果差。LED和OLED显示器可以用于室外大屏幕显示,但具有能耗大,颜色有偏差等问题。全反射式显示技术发展于二十世纪九十年代,最早成功投入生产的是基于E-ink微胶囊电子墨水技术的黑白电子书,由于其响应速度慢,无法显示动态视频等原因限制了这类显示技术的发展。因此电润湿显示技术逐渐得到了越来越多人们的关注,有别于液晶(LCD)或发光二极管(LED),电润湿(EWD)属反射式显示,本身不发光,利用阳光或外部照明显示内容,比LED屏省电97%,更可解决LCD屏强光下显示的问题,并被认为是最能代表未来绿色显示发展方向的技术之一。

在实验室阶段,电润湿显示器的制备过程可以主要分为以下几个步骤:1、疏水绝缘层的制备;2、疏水绝缘层表面改性;3、像素墙的制备;4、疏水绝缘层疏水性的恢复;5、油墨填充;6、基板封装。在上述过程中,疏水绝缘层表面疏水性能恢复的差异性影响着后续过程的可实施性以及整个显示器件显示性能和寿命。因此,如何恢复疏水绝缘层表面疏水性是电润湿显示器件制备的关键。针对电润湿显示器油墨填充和基板的封装技术,Etulipa公司、辛辛那提大学和台湾国立交通大学等分别提出了不同的填充封装技术,但仍存在很多的缺点和问题亟待解决。

图4曲面电润湿显示技术

美国辛辛那提大学的电气工程学教授AndrewSteckl透露,采用电润湿过程来实现的电子纸产品,它的造价非常低,可以卷起,可以用于印刷彩色画报、期刊在明亮环境下清晰阅读,效果和普通印刷的纸张没有区别,它也可以播放高分辨率视频,并且随意丢弃也不损害环境,Steckl希望这种电润湿技术可以让纸张变成可以存储信息的产品。

二、电润湿显示技术应用现状与发展趋势分析

近三十年来,电润湿显示技术发展十分迅速,平面基底不再满足日益增长的研究和应用需求,曲面电润湿显示技术成为势不可挡的新趋势。一方面,随着研究和应用的小型化,研究曲面电润湿有着重要的学术意义,如碳纳米管内、石墨烯上的电润湿性质和行为等;另一方面,曲面电润湿在液体透镜、电子显示、生物医药等领域具有广阔的应用前景。而目前国际上尚缺乏曲面电润湿的系统研究,亟需开展相关工作。

图5石墨烯上的电润湿性质和行为

美国伊利诺伊大学香槟分校的研究人员成功通过掺杂实现石墨烯材料表面润湿与粘附特性的可调控,为先进涂层材料和传感器的研制提供了可能。该研究成果发表于著名期刊《纳米快报》上。曲面电润湿理论体系的建立,将有助于更好地理解曲面电润湿现象,发掘更多的潜在应用。

电润湿显示技术自发现后一直备受研究,其加电后液体与界面的接触角发生改变的原理在诸多方向得到应用,例如:实验室芯片、微变焦透镜、微机电系统等,其中最具发展潜力的就是在显示方面的应用。电润湿显示技术通过控制显示单元中有色油墨的收缩与铺展形成光学开关,达到显示效果。具有结构简单,反射率和对比度高,响应速度快、色彩丰富等特点,与现有显示技术相比表现出巨大的优势。

电润湿法显示技术可以使拍照手机在不需配备机械部件的情况下实现自动对焦和变焦。VARIOPTIC公司的液体透镜如同人的眼睛一样,能够自动地适应所瞄准的对象,而不需要机械装置的辅助,只需改变两极电压来修改两滴液体的外形,就可达到聚焦和变焦的目的。与传统的镜头相比,该公司的“电润湿法”技术有很多优点:体积小、价格低、耗电量小、变焦速度快、寿命长、成像的质量好。现在,VARIOPTIC公司已可将承载这一新技术的液体透镜应用到其他业务领域,如通信市场:PDA、网络摄像机、电视会议以及带内置式照相机的便携式PC/计算机;工业应用:带条形码读出装置的工业系统和工业内窥镜;安全市场:电视内部监视仪和生物统计研究;娱乐市场:尤其是小型高档数码相机、摄像机和游戏应用。

三、电润湿显示技术取得突破性发展

全球每年广告市场的规模达到了4920亿美元,有320亿美元来自户外广告,却仅有32亿美元来自数字化的户外显示屏。目前户外显示屏的八成营收仍来自固定广告牌与帆布广告,数字化显示屏光害是主要障碍,欧美许多城市已禁止或限制装设LED显示屏,广州上海等地更在研拟对显示屏课征光害税。所以Liquavista公司抓住了发展机遇,其所生产的电润湿显示面板主要在户外数字化显示屏市场进行拓展,希望取代现有的各类户外广告。

图6全球户外广告市场规模统计

目前,在电润湿显示技术领域取得突破性发展,并投入大规模生产和销售的就是Etulipa公司。Etulipa公司2006年成立于荷兰埃因霍温高新技术中心,专司电润湿(Electro-Wetting)技术及应用产品开发。锁定户外显示屏市场,与台湾光联科技合作生产,与美国的显示屏领导品牌Daktronics合作销售。

在终端市场方面,Etulipa公司把户外显示屏市场作为突破口。因为北美市场常见塑料字牌(下图上左),目前有数字化LED字牌(下图上右),缺点显而易见。Etulipa公司2017年推出曾在国际显示大展得到创新奖的反射式数字化广告字牌,并于两年内再推出全彩点矩阵产品(下图下方),满足户外显示屏的市场需求。由于数字化显示屏广告收入远高于固定广告牌与帆布广告,其所能创造的商机,将数倍于目前的规模。

图7电润湿显示面板在户外广告的应用

与LCD或LED相比,电润湿属反射式显示,本身不发光,利用阳光或外部照明显示内容,比LED屏省电97%,可解决LCD屏强光下显示的问题,并且降低光害,减少驾驶人的干扰,因此在北美市场,可免申请政府许可。

总之,电润湿显示技术已经在户外广告应用领域取得突破性进展,在市场、技术、量产、销售等方面已经显示出巨大的发展潜力,未来将进一步在手机、平板电脑等移动终端应用领域拓展,优越的性能随着技术的日益成熟和完善将越来越受到人们的重视,是显示领域中又一具有潜在竞争力的技术。

 

 


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