来源：中国光学
作者：Light新媒体
撰稿 | Nick（牛津大学 博士生）
想象一下，坐在阳光下，在像纸一样薄的数字屏幕上阅读，但看到的图像质量却与您在室内一样。由于瑞典查尔姆斯理工大学的研究，它很快就会成为现实。一种新型的反射屏幕（有时也被称为“电子纸”）（名词解释>>>）提供高质量的彩色显示（图1），同时利用环境光将能耗降至最低。图1：使用环境光的使用环境光的彩色电子纸
图源：查尔姆斯理工大学
传统的数字屏幕（例如LCD、OLED屏幕）使用背光来照亮显示在屏幕上的文本或图像。这在室内很好，但很难在户外舒适地使用，尤其是光线明亮时，阅读传统显示屏是一件很困难的事情。然而，电子纸试图利用环境光，模仿我们的眼睛对自然纸张的反应方式，从而实现优秀的户外阅读效果。由于电子纸与 LCD 、OLED 显示器的工作原理不同，它提供了一些独特的优势，包括令人难以置信的电池寿命和在阳光直射下的完全可见性，这就是您可能将电子纸带到海滩而不是 iPad 的原因。
视频1：PocketBook 彩色电子纸阅读器宣传短片
但早期的电子纸有它的缺点，最明显的是它仅限于黑白。许多公司多年来一直致力于开发彩色电子纸屏幕，比如，E Ink 元太科技的电子纸已经可以显示彩色图像，同时最大限度地减少耗电量。例如，彩色电子纸产品PocketBook 已经进入市场，其E Ink Kaleido 屏幕在明亮的灯光下看起来更清晰，颜色在明亮的阳光下看起来特别饱和（图3）。图3：彩色电子纸产品PocketBook的实际显示效果。在太阳光照射下，屏幕显示效果良好，颜色饱和度高
图源：PocketBook
在过去的一年里，我们看到越来越多的电子阅读器和电子笔记设备采用了E Ink的Kaleido 彩色电子纸显示技术。然而，即使具有低功耗和阳光下出色的可见度等优势，彩色电子纸屏幕仍然无法与 LCD 或 OLED 显示器的色彩再现能力相提并论（图4）。图4：电子纸（右）与传统显示屏（左）的显示效果对比
图源：PocketBook
与亚马逊Kindle或乐天Kobo一样，这些设备显示的文本和图像看起来就像是在阅读纸质版书籍。尽管这些电子纸可以显示彩色的内容，但与LCD和OLED显示器相比，色彩再现的质量相形见绌。即使是廉价平板电脑或智能手机中的LCD显示屏也可以再现超过1600 万种不同的颜色，但E Ink的Kaleido屏幕仅限于4,096 种颜色，因此，图像在彩色电子纸设备上看起来往往不饱和。
瑞典查尔姆斯理工大学Andreas Dahlin教授团队（作者简介>>>）的新研究可能很快会通过创新类型的反射屏幕改善这种状况。尽管E Ink正继续改进其Kaleido电子纸技术，并且已经开发出Kaleido 2屏幕，但瑞典查尔姆斯理工大学的研究似乎已经远远领先于目前在消费电子产品中可用的彩色电子纸。该学校的研究人员创造了一种不到一微米厚的材料，它像纸一样灵活，能够再现与 LCD 显示器一样多的颜色。同样，与 LCD 不同的是，这种材料无需用背光照亮，而是像纸质书一样反射环境光。它的创造者发现这种材料可以用作屏幕，且所需的电量仅为亚马逊Kindle等设备所需电量的十分之一。该成果以“Electrochromic Inorganic Nanostructures with High Chromaticity and Superior Brightness”为题发表在 Nano Letters。从技术的角度来看，研究人员一直在探索将所谓的结构色融入电子纸（反射显示器）中的方法。呈现结构色的材料不含染料和颜料。相反，它们依赖于反射或散射某些频率的光波的纳米结构，并且它们不会随着时间的推移而褪色——尤其是如果这些结构是由反应性较低的“贵”金属（如金或铂）制成的。制造结构色的一种特别有前途的技术是将金属纳米结构与电致变色材料相结合——也就是说，当对它们施加小电压时，它们会改变颜色。然而，到目前为止，基于强电致变色材料三氧化钨(WO₃)的设备通常缺乏色纯度（色度）（名词解释>>>），并且亮度不足以满足实际应用的需求。这种亮度不足（低反射率）给电子纸设计者带来了严峻的挑战，因为当使用并排排列的子像素（名词解释>>>)时，只有一小部分显示器表面会显示给定的颜色。为了减少所需的子像素数量，提高亮度，他们需要创建可以提供多种不同颜色的电致变色表面。研究人员发明了一种新型无机电致变色纳米结构，它具有高反射率和出色的色彩范围。他们采用了一种逆向设计的方法，通过修改基于WO₃、金和铂层的超薄柔性材料的设计来实现这一点。这个研究是基于他们之前在实验室的开发的基础上的。虽然之前的设计可以再现 LED 屏幕可以显示的所有颜色，并且所需能量仅为标准平板电脑的十分之一，但这种较早的反射屏幕上的颜色并没有以最佳质量显示。
现在，研究人员以一种允许所有电子元件“隐藏”在反射表面后面的方式反转该结构内的薄膜层。这涉及将设备中的导电材料放置在再现颜色的像素化纳米结构下方，而不是像最初那样放置在其上方（图5）。这样反射光将透过玻璃而不是半透明的电解质和对电极（Counter Electrode）达到人眼，从而大大提升了反射率（超过两倍）。新设计意味着您可以直视像素化表面，因此可以更清楚地看到颜色。图5：传统结构（左）与逆向结构（右）电子纸示意图
图源：Nano Letters
该研究团队认为，他们的纳米结构在颜色范围/质量和亮度方面明显优于当今市场上最好的彩色电子阅读器，在未来，某种反射显示技术将在未来占据主导地位，因为这是解决现有发光显示器高能耗的唯一方法。与智能手机和平板电脑的屏幕一样，该技术的主要应用将是变色表面或显示器，用于光线强的情况下，例如白天在户外。但是，该技术大规模生产及改变现有显示技术的游戏规则仍存在一些挑战。E Ink显示器中的成分并不是非常昂贵，这意味着您可以以不到100美元的价格购买电子阅读器。但是，由于实现新的显示技术所需的黄金和铂金等成分（即使厚度只有 20 纳米），大规模制造可能会导致采用它们的产品定价更高。该技术的实现，在其他方面同样存在一定的成本优势，例如平板电脑、智能手机和电子阅读器从此可以配备更小的电池。但是，降低功耗所带来的节省是否有助于抵消显示成本，还需要待进一步观察。未来，研究人员最终还需要找到这些稀有材料更便宜的替代品。
论文信息
Nano Lett. 2021, 21, 10, 4343–4350
论文地址
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00904
编辑：榛子さま
