中山大学在自发光电子纸研究领域取得新突破

随着万物互联时代的到来，显示技术也在不断进化，以满足人机交互的需求。电子纸作为一种新型的显示技术，就像是一张能够刷新和显示信息的神奇纸张，以其节能和在自然光下出色的对比度特点，逐渐在智能穿戴设备领域占据一席之地。然而如何在光线不足的环境中维持电子纸的清晰显示仍是一个挑战。

目前，尽管在电子纸中加入前光源的方法可以解决昏暗环境下的可视性问题，但这种做法不仅增加了设备的复杂性，还显著提高了能耗。此外，现有的一些尝试将反射和发射显示功能结合在一起的设备，常常面临着切换速度慢和显示效果不佳的问题。就像是在光线不足的情况下阅读，虽然能看到文字，但阅读体验并不舒适。

针对上述问题，近期，中山大学杨柏儒教授团队在Advanced Functional Materials上发表了题为“Dual-Mode Flexible Electrophoretic E-Paper with Integration of Alternating Current Electroluminescent Technology for Ubiquitous Ambient Light Applications”的研究成果（硕士研究生史锦滔为第一作者，杨柏儒教授为通讯作者)。

这项研究开发的电泳电致发光双模式显示设备，通过在电泳微胶囊显示层中混入交流电致发光粉末，实现了电子纸的自发光显示效果。显示层中的微胶囊和电致发光粉末的工作电流仅为μA量级，使得该设备在两种显示模式下都能保持较低的能耗。

由于微胶囊和电致发光粉末对驱动电压和频率的不同响应，这种显示器能够在反射和发射模式之间快速切换（<413 ms），同时具备5.6的对比度和最高107.5 cd/m2的亮度。此外，这种设备的优点还包括制造简便、成本低廉、具有良好的柔性（可弯曲超过1000次）和机械稳定性（即使扭曲、穿刺或裁剪也不会影响显示效果）。

通过巧妙的驱动波形设计，这种设备还能实现反射和发射模式的混合显示，从而极大地丰富了显示效果。这种双模式显示器有望在广告牌、指示牌以及物联网等领域得到广泛应用。（图1）

图1 EEDMD器件六模态之间的切换

电泳式电子纸因其独特的双稳态特性而广受欢迎，这种特性意味着它在无外加供电的情况下能长时间保持显示的图案和文字，成为公交站牌、指示牌和商场标签的理想选择。然而，由于电子纸基于反射环境光进行显示，如何在光线较暗的环境中保持其显示效果，一直是研究者们面临的挑战。

杨柏儒教授团队开发了一种新型的电子纸，这种创新的电子纸将电泳式微胶囊和交流电致发光粉末均匀地混合在水性聚氨酯材料中。由于这两种显示材料对驱动信号的想坏不同，新型电子纸能够轻松地在反射模式和发射模式之间切换，从而在不同的光照条件下都能保持良好的显示效果，有望进一步拓宽电子纸的应用范围。（图2）

图2 电泳电致发光双模式器件的工作机理、器件结构以及显示效果

在提升显示性能方面，研究团队通过调控显示层中微胶囊、电致发光粉末和介电材料的质量比，确保了两种显示材料的均匀分布，实现了反射态对比度与发射态亮度的最优平衡。此外，进一步优化显示层的涂覆厚度为90 μm，并通过采用黑色不透明碳纳米管作为底电极，显著提升了反射态的对比度。该自发光电子纸器件在24 V的工作电压下反射态显示效果最佳，而发射态在60 V的阈值电压下启亮。通过调整电压和频率，发射态的亮度可提升至最高107.5 cd/m2。

在响应速度上，反射态的转换时间从白到黑为413 ms，从黑到白为167 ms；发射态从暗到亮为121 ms，从亮到暗仅需2 ms，这样的响应速度确保了模式间的迅捷切换。研究团队的双模式器件不仅在光电性能上表现出色，还具备了良好的柔性和机械稳定性，即便在扭曲、穿刺和裁剪之后，依然能够保持稳定的显示功能。此外，研究团队还展示了该器件在可穿戴技术中的应用潜力，如作为腕带的穿戴展示以及作为杯贴的图案化分块驱动。（图3）

图3 电泳电致发光双模式显示器的柔性和稳定性

研究团队基于微胶囊和交流电致发光粉末的驱动机制，构建了等效电路模型，通过调整驱动信号的幅值、频率和偏置，双模式器件能够实现发射模式、反射模式以及混合模式（亮白和亮黑）的多模态显示，且能通过改变驱动信号快速切换于不同模态。为了更准确地评估双模式显示器的性能，团队提出了双模式对比度（DMCR）的概念，这一新指标有助于确定在各种环境光照条件下找到模态切换点和最佳显示效果的驱动信号。（图4）

图4 模式切换机理、双模式对比度的定义以及应用展示

研究团队开发了一种新型的电子纸双模式显示器件，该器件融合了交流电致发光技术，制造了一种具备自发光能力的电子纸。区别于通过牺牲开口率以实现双模式的透反式显示技术，该器件在实现双模式显示的同时保持了100%的开口率。该发光电子纸可以实现5.6的黑白对比度，107.5 cd/m2的最高亮度，同时保持了良好的柔性和机械强度。此外，通过对驱动机制的深入研究和驱动波形的巧妙设计，双模式器件能够在多种显示模态之间灵活切换，从而扩展了其在实际应用中的多样性，为未来万物互联时代的显示技术开辟了新的可能性。（来源：中山大学）

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