最新Sci. Adv.：可以替代LC和ITO的循环可回收光学显示器出现了！

小艺 2年前 (2022-04-29) 2158浏览

【导读】

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、计算机、电视等的重要组成部分。这些电子设备产生的电子垃圾约占全球每年产生的5000万吨电子垃圾的一半。据估计，全球每年有不到20%的电子垃圾可回收利用，剩余的4000万吨下落不明，一般最终进入发展中国家的焚烧坑或垃圾填埋场。其中含有的许多有毒元素（如铟、铅和汞）对人类健康和环境构成严重威胁。预计到2050年，电子垃圾的年产量将增长到1.2亿吨以上，其中大部分来自于依赖显示器的电子设备。显示器回收率低的主要原因之一是与工艺相关的成本问题，电子设备中包含的材料种类繁多，使得原始材料在成本方面优于回收材料。因此，迫切需要更容易回收且成本效益更好的替代显示技术，以纳入循环消费电子经济。这不仅是为了保护有限的资源，也是为了降低制造业的总能源使用量和全球碳排放总量。特别是需要寻找液晶 (LC) 和氧化铟锡 (ITO)这些关键材料的替代品，它们几乎用于所有常见数字显示器中的像素亮度控制，如 LCD（液晶显示器）， LED（发光二极管显示器）和 OLED（有机发光二极管显示器）。本文展示了一种基于结构色和微机电系统的新型光学显示技术，它可能是实现未来向循环电子经济过渡的理想候选者。

【成果掠影】

近日，耶路撒冷希伯来大学Uriel Levy教授和Zhengli Han教授课题组将等离子超表面和微机电系统（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）来生成透射型动态颜色控制，制作出快速、全色域的显示器。白光通过由铝纳米孔阵列制成的基于光学传输的等离子体超表面过滤成RGB分量。每个色彩子像素的相对透射率/亮度由在超表面顶部制造的铝和氧化硅制成的MEMS悬臂调制。结果表明，色彩子像素的相对透射率可以从35%自由调制到100%。而且，像素可以在800 Hz以上运行，用于未来的超快显示器。该项工作通过将结构色和MEMS技术结合起来，仅仅使用两种完全可回收的材料便可以得到彩色显示器，对于简化数字显示、实现电子垃圾管理和循环电子经济具有重要的意义。该论文以题为“MEMS cantilever–controlled plasmonic colors for sustainable optical displays”发表在知名期刊Science Advances上。

【核心创新点】

  1. 将等离子超表面结构色和微机电系统（MEMS）技术结合在一起
  2. 仅仅使用两种完全可回收的材料（铝和氧化硅）便可以得到彩色显示器，通过机械和加热工艺或者和化学工艺相结合的方式回收利用相对容易。

【数据概览】

图1. LCD和等离子体MEMS显示器的工作原理及LCD的主要缺点和等离子体MEMS显示器的主要优点 © 2022AAAS

图2. 等离子体MEMS显示器设计及工作原理

(A) 等离子体MEMS显示器示意图。等离子体纳米孔阵列在传输时将白色连续光滤成一种颜色。当悬臂和纳米孔阵列之间施加电压时，机械悬臂会阻挡阵列，进而来调制阵列的传输。(B)悬臂梁和纳米孔阵列的SEM图像。比例尺，50 μm。(C)顶部：红色 (R)、绿色 (G) 和蓝色 (B) 色彩像素元素生成的纳米孔阵列的 SEM图像。底部：每个色彩像素元素的白光透射显微镜图像。比例尺，250 nm（SEM 图像）和 30 μm（显微镜图像）。(D)纳米孔阵列的实验（实线）和 FDTD 模拟（虚线）透射光谱。© 2022AAAS

图3. 传输调制

(A)用于传输调制的实验装置。自制反射显微镜用于通过纳米孔阵列耦合激光，同时悬臂由栅极电压调制。产生的传输调制由硅光电二极管记录。显微镜的成像部分（顶部）用于选择要测量的悬臂并将激光点对准它。(B)在100 Hz驱动电压下，应用电压和测量的激光穿过纳米孔阵列的相对透射率作为时间的函数。(C)在300Hz驱动电压下，两个不同的电压振幅的调制情况。(D)顶部：峰-峰值调制的频率响应，以分贝为单位（水平虚线标记-3 dB）。底部：相同频率的平均相对传输。(E) 激光通过阵列的平均相对透射率作为不同驱动电压幅度的函数。误差条标记从多个悬臂观察到±5%的变化。© 2022AAAS

图4. 颜色亮度调节

(A) 用于亮度测量的实验装置。自制显微镜被重新配置为透射型方案。(B)当悬臂用100 Hz驱动正弦波在不同的峰至峰值电压下调制时观察到的亮度。以32 Hz 的帧速率记录了总共100张图像，并显示出色彩像素区域内平均RGB颜色。(C)从平均RGB值转换为xyY时的相对亮度值，归一化为未调制像素。© 2022AAAS

图5. 色度和颜色混合

(A)从通过RGB超表面测得的白光透射光谱和来自照明组合超表面的混合颜色中提取的CIE xyY色度图。显示的sRGB 颜色范围以供比较。插图显示了测量中使用的纳米孔超表面的透射显微镜图像，每个图像大约为100 × 100 μm2。(B) 顶部：用于计算色度的RGB超表面的透射光谱。底部：混合颜色超表面的透射光谱。© 2022AAAS

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn0889

本文由小艺供稿。

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