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基于等离子体超表面与MEMS技术的新型光学显示器
2022-04-23 17:10:39   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

在本论文中,作者们将等离子体超表面(metasurface)和MEMS技术结合在一起,仅使用两种常见且易于回收的材料:铝和氧化硅(玻璃),达到了透射式动态颜色控制。

据麦姆斯咨询报道,近日,以色列耶路撒冷希伯来大学(The Hebrew University of Jerusalem)的一支研究团队在Science Advances期刊上发表了基于结构色(structural colors)和MEMS快门的新型光学显示技术的最新论文,这可能是未来向循环电子经济转型的理想选择。

液晶显示器(LCD)的工作原理和本文提出的等离子体MEMS显示器

图1 液晶显示器(LCD)的工作原理和本文提出的等离子体MEMS显示器

光学显示器已成为日常生活中无处不在的技术,是智能手机、电脑、电视等的重要组成部分。这些设备约占全球每年产生的5000万公吨电子垃圾的一半。据估计,全世界每年的电子垃圾中只有不到20%被记录为可回收利用。预计到2050年,电子垃圾年产量将增长到1.2亿公吨以上,其中大部分增长来自依赖显示器的设备。

显示器回收率低的主要原因之一是,由于此设备中包含的材料种类繁多,因此与回收工艺相关的成本较高,使得“原始”材料在成本方面优于回收材料——尽管事实上,比起从矿石中提取新金属,回收(例如金属)的能源效率高达10倍。因此,人们迫切需要更容易回收且成本可控的可替代显示技术,以将其纳入循环消费电子经济中——这不仅可以保护有限的资源,而且可以降低制造业的总能源使用量和全球总碳排放量。

特别是,需要寻找到一些最关键的材料来替代液晶(LC)和氧化铟锡(ITO),它们被用于所有常见数字显示器中的像素亮度控制,如液晶显示器(LCD)、发光二极管显示器(LED)和有机发光二极管显示器(OLED)。

结构色通过等离子体、介电光学谐振器或光栅从纳米结构产生颜色。虽然被动式结构色在自然界中十分丰富,但人工设计的被动式结构色在过去十年中也被证明具有很大的效果。除了被动式结构色外,用于显示应用的可调谐或“动态”结构色也受到人们越来越多的关注。然而这些技术的缺点是,它们的颜色转换速度慢,或者难以单独控制像素,或者它们不能极大地精简制造显示器所需的复合材料——而显示单元中的材料数量与生命周期管理密切相关。

微机电系统(MEMS)技术过去已经被用于开发可替代的显示器和滤色器。MEMS显示技术通常可分为:数字微镜器件、激光扫描显示器、干涉调制显示器、数字微快门和光栅光阀等类型。与大多数其它显示技术相比,MEMS通常能大幅降低功耗,但每种执行器技术都有其独特的优缺点。例如,激光扫描显示器提供了几乎完美的色域显示,因为图像是通过扫描三种不同的单色红、绿和蓝(RGB)激光器生成的,但它通常会受到散斑的影响,从而导致成像伪影。

MEMS技术与结构色相结合的研究工作最近得到了证实。这项研究工作使用绝缘体上硅(silicon-on-insulator,SOI)晶片在硅衬底上构建硅光栅。通过控制光栅和衬底之间的间隙,反射的颜色在绿色、黄色和红色之间变化。这种组合方法显示出一些优势,例如低功耗和与CMOS兼容的制造工艺。然而,从颜色控制的机制来看,它很难覆盖RGB颜色的全部范围,也很难显示黑色。众所周知,基于光栅的结构色由于其衍射特性而存在视角问题,并且由于该器件在反射模式下工作,因此很难集成专用的光源,以在低环境光条件下观看。

在本论文中,作者们将等离子体超表面(metasurface)和MEMS技术结合在一起,仅使用两种常见且易于回收的材料:铝和氧化硅(玻璃),达到了透射式动态颜色控制。这些颜色由基于光学透射的铝纳米孔阵列组成的等离子体超表面产生,每个颜色子像素的相对透射率/亮度由在超表面顶部制备的铝和氧化硅构成的MEMS悬臂梁调制。结果表明,单个颜色子像素的相对透射率可以在35%到100%之间自由调制。

等离子体MEMS显示器设计与工作原理

图2 等离子体MEMS显示器设计与工作原理

透射调制

图3 透射调制

颜色亮度调制

图4 颜色亮度调制

色度和颜色混合

图5 色度和颜色混合

本论文提出的方法允许超过800 Hz的快速像素转换速度(这明显快于当前可用的显示器),并且通过使用超表面本身作为驱动电极,可以单独寻址和调制特定颜色的子像素——这是制造RGB显示器的一个基本特征,并且无需使用由ITO等材料制成的透明电极。此外,由于整个制造过程基于光刻技术,并且所用材料通常被认为是经济且与CMOS兼容的,因此,研究人员提出的该方法也有望大幅降低大规模制造光学显示器的制造成本。

论文信息:

Zhengli Han, Christian Frydendahl, Noa Mazurski, Uriel Levy. MEMS cantilever–controlled plasmonic colors for sustainable optical displays. Science Advances, 2022; 8(16)

DOI: 10.1126/sciadv.abn0889

延伸阅读:

《超材料和超表面技术及市场-2021版》

《MicroLED显示技术、市场及机遇-2021版》 

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