En ny tredimensionell (3-D) beröringsfri interaktiv skärm kan ändra färg baserat på avståndet mellan användarens finger från skärmen genom att upptäcka subtila förändringar i den omgivande relativa luftfuktigheten, enligt en ny studie. Tekniken kan hitta framtida tillämpningar i bärbar elektronik och elektroniska skal (e-skins) som på konstgjord väg efterliknar mänsklig huds förmåga att känna av tryck, temperatur, och fuktighet. Medan forskare redan har utvecklat en mängd olika interaktiva pekskärmar, de flesta av dessa involverar variationer i intensiteten av ljusemission eller kromreflektion som svar på en stimulans snarare än förändringar i färg, som kan ge mer slående och distinkt visuell feedback.

För att utveckla en beröringsfri interaktiv display baserad på förändringar i strukturella färger, Han Sol Kang och kollegor inom materialvetenskap, nanoteknik och kemiteknik i Republiken Korea och USA, designade en ny display med kemiskt tvärbunden, interpenetrerade hydrogelnätverksskikt i fotoniska kristaller som reagerar på förändringar i vattenånga när ett finger flyttas från 1 till 15 millimeter från ytan. Processen kan förändra konfigurationen av dess ytstrukturer för att producera blått, gröna och orange färger. Forskarna visade sedan möjligheten att enkelt överföra den fotoniska kristallbaserade filmen från ett substrat till ett annat genom att byta den från en kiselyta till en tryckt endollarseddel. Genom att kombinera joniska flytande dopmedel (som förändrar en halvledares elektriska egenskaper) som tryckfärger, forskarna noterar tillämpningar av tekniken för utskrivbara och omskrivbara skärmar.

Användarinteraktiva skärmar (UID) underlättar visualiseringen av osynlig information som kan kännas som beröring, lukt och ljud, med potentiella tillämpningar inom bärbar och lappbar elektronik lämpad för ett futuristiskt hyperanslutet samhälle. Den enorma efterfrågan på elektronisk hud som på konstgjord väg kan efterlikna mänsklig hud för att känna av temperatur, tryck och luftfuktighet har lett till utvecklingen av en mängd olika mänskligt interaktiva pekskärmar. En pekplattform efterfrågas för att visualisera en stimulans utan beröring på interaktiva 3D-skärmar utan beröring. Kang et al. föreställa sig en stimuli-känslig, låg effekt, reflekterande läge, strukturell färg med synligt intervall (SC) för en fotonisk kristall (PC) för att tillfredsställa de tekniska kraven för en användarinteraktiv 3D beröringsfri display. Forskarna utvecklade en utskrivbar 3-D beröringsfri interaktiv display med ett hygroskopiskt joniskt flytande bläck med lätt strukturell färgvariation i förhållande till fuktighet. Som proof of concept, de visade 3D-positionsavkänning av vattenånga som kommer från ett mänskligt finger (fuktighet) för beröringsfri visning från finger till film, med nya tillämpningar inom bärbar elektronik.

Teamet använde självmonterade 1-D-blocksampolymer (BCP) fotoniska kristaller (PC) vars skiktade periodiska mikrostruktur utvecklades spontant vid filmbildning. De utvecklade sedan kemiskt tvärbundna interpenetrerade hydrogelnätverk (IHN) lager i en BCP PC-mikrodomän. Kang et al. kontrollerade mängden interpenetrerat hydrogelnätverk i konstruktionen med hjälp av UV-bestrålning för att kontrollera dess strukturella färg (SC) över hela det synliga området. Med hjälp av fotografier av de konstruerade interpenetrerade hydrogelnätverksblocksampolymerens fotoniska kristaller (IHN BCP PCs), de visade den bestrålningsberoende variationen av SC. Polymerfilmen var pseudoelastisk (materialet återhämtade sig helt efter avlastning av stora påfrestningar) med utmärkt mekanisk robusthet, flexibilitet och utan klibbig, gelliknande viskoelasticitet på ovansidan för att göra den lämplig för avkänning av fast tillstånd.

Kang et al. kännetecknade i stor utsträckning solid-state-konstruktionen med användning av betesinfallande röntgenspridning med liten vinkel (GISAXS) och transmissionselektronmikroskopi (TEM). Resultaten visade utvecklingen av högordnade 1-D fotoniska kristallstrukturer och deras beräknade lameller i planet stämde överens med simuleringar med finit-difference time-domän (FDTD). För tvärsnittstransmissionselektronmikroskopi, de använde tvärsnittsprover av den mekaniskt robusta filmen via fokuserad jonstrålefräsning och noterade de olika lagren av materiallamellerna.

TEM-bilderna av BCP-filmer visade skruvdislokationer (defekter i kristaller) fördelade över provytan för att underlätta transporten av flytande och oligomera medel in i BCP-filmerna. BCP-filmen tillät vattenmolekyler att diffundera genom skruvdislokationer för att underlätta fuktbaserad beröringsfri avkänning. Teamet erhöll ytterligare mekaniska egenskaper inklusive den effektiva modulen för IHN BCP-datorer med nanoindentation. Det pseudoelastiska materialet hade en effektiv elasticitetsmodul på ungefär 5,3 GPa - som förväntat och liknande de som observerats för konventionella glasartade polymerer.

För att få en fullfärgsskärm, Kang et al. använde en bläckstråleskrivare för direktavsättning av ett bläck känt som L-etyl-3-metylimidazolium-bis-(trifluorometylsulfonyl)-imid, förkortat EMIMTFSI, på en IHN BCP PC-film. Färgen på filmen berodde på mängden EMIMTFSI som deponerats i en given region. Bläckstråleskrivaren krävde bara ett enda bläck för avsättning på IHN BCP PC-filmen, som skilde sig markant från en kommersiell bläckstråleskrivare med rött, grön, och blå färgbläck. Kang et al. producerade en given färgad bild genom att först programmera lämplig färginformation till en svart/grå/vit kontrast. Som proof of concept, de konverterade en amerikansk dollarsedel till en svartvit kontrast med hjälp av programvara, och rekonstruerade den strukturella färgbilden i fullfärg med användning av EMIMTFSI bläckstråleutskrift på en IHN BCP PC-film.

För ytterligare tillämpningar av IHN BCP PC-skärmen, Kang et al. använde en annan hygroskopisk jonisk vätska vid namn bis(trifluormetylsulfonyl)aminlitiumsalt (förkortat LiTFSI). Vid diffusion av denna joniska vätska in i materialet, den strukturella färgen på den fotoniska kristallen blev känslig för luftfuktighet. LiTFSI tillät association med vattenmolekyler för att strukturella färgvariationer uppträdde över det synliga området som en funktion av fuktighet. Det absorberade vattnet kunde diffunderas ut i en reversibel process. Inställningen gjorde det möjligt för det mänskliga fingret med naturlig fuktighet på ungefär 90 procent att vara en utmärkt källa för att modulera den strukturella färgen på displayfilmen, vilket teamet bekräftade experimentellt. Den 3-D beröringsfria avkänningsskärmen fungerade framgångsrikt under flera avkänningshändelser med olika finger-till-fotoniska kristallavstånd. Ökad kapacitans på grund av vattenupptagningen uppskattade en svarstid på 20 sekunder och den reversibla förändringen i strukturell färg varade i 55 tidscykler.

På det här sättet, Han Sol Kang och kollegor demonstrerade en användarinteraktiv 3-D beröringsfri avkänningsskärm baserad på fotoniska kristaller av blocksampolymer med sammankopplade hydrogelnätverk (förkortat IHN BCP PCs). Den tekniska tekniken möjliggjorde mekaniskt mjuka och robusta strukturella färger med fullt synligt spektrum på en film med en effektiv modul. Teamet kombinerade filmen med olika joniska flytande tryckfärger för att skapa utskrivbara och omskrivbara skärmar för 3-D beröringsfri avkänning genom varierande kapacitans och strukturella färgförändringar, för att demonstrera ett nytt tillvägagångssätt för solid-state-sensorer och 3-D beröringsfria skärmar.

© 2020 Science X Network