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光学传感器与显示器的新成果

发布人:  发布时间:2022年06月29日 09:26:26  浏览量:

光学传感器与显示器的新成果

一、研发传感器的新信息

(一)研制不同类型的光学传感器

1.开发激光传感器的新成果

⑴推出高性能激光导航传感器。20076月,美国赛普拉斯半导体公司推出一款高精度、高性能的激光导航传感器,作为其激光导航传感器系列的一部分。它采用该公司自主开发的技术,不但具有速度和精度优势,而且功耗低。该产品专门面向包括高性能游戏、精确图形设计以及高精度位置检测在内的应用。

这款传感器采用简单的卡入式镜头设计,把检测器和激光器集成在紧凑的封装上。这一由两个部分组成的简单器件,拥有内置激光眼安全管理装置,因而在鼠标组装过程中,无需进行激光功率校准,以降低制造成本。该技术的信号处理负荷与鼠标速度无关,它可同时支持全速和全分辨率,从而使鼠标记录的每秒计数达到最大,避免出现当今市场上许多传感器尚未克服的“减速效应。此外,它采用高达40 kHz 的位置采样速度,使这款传感器能够凭借大幅缩短的延迟时间,对追踪到的方向或速度的变化作出即时反应。

⑵开发能精确计量纳米粒子的微小环形激光传感器。2011626日,华盛顿大学圣路易斯分校电学与系统工程系副教授杨兰领导,研究生何丽娜等人参与的研究小组,在《自然·纳米技术》网络版上撰文称,他们开发出一种比针尖还要小的环形激光传感器,能精确探测单个病毒、形成云的微尘颗粒以及空气中的污染物。改变传感器中的增益介质,还能用于探测水中甚至血液中的微粒。

这种微型激光传感器,属于一种回音廊式共振传感器,由硅玻璃制造。工作原理就像英国圣保罗大教堂里著名的回音廊,一边的人对着廊壁说话,另一边的人就能听到。但与回音廊不同的是,这种传感器共振的不是声波而是光波。

激光器由底座支起一个频率衰减模(环路中激光发射的模式或形状),两束激光以相同频率、相反方向围绕环形光路传播。模场中有一个短暂尾迹透过环表面,探测着周边环绕的介质。当一个微粒落在激光环上,就会使一个光模中的能量分散到另一个光模中,从而使两个光模的共振频率略有不同,使光模发生分裂,一束激光就分裂为频率不同的两束,将它们导入光电探测器,会由于频率的不同而产生一种打击频率,从而分别测得两束激光的频率。

在早期的研究中,研究小组用普通的玻璃环作为波导,实验模分裂,并使入射光获得增益。但这种环路是被动的,外部激光必须用昂贵的可调激光,才能涵盖检测模分裂所要求的频率范围。

新型共振传感器本身,就是一个微型激光器,而不仅仅是外部激光的共振腔。虽然也用玻璃制成,但掺杂了稀土原子作为增益介质。当外部光源达到激发态时,共振环就开始以自身更纯的频率发射激光。

2.开发红外线与荧光传感器的新成果。

⑴研制出指甲大小的红外线图像传感器。2014317日,物理学家组织网报道,美国密歇根大学电气工程和计算机学助理教授钟朝晖,与同校的特德·诺里斯教授负责的一个研究团队,在《自然·纳米技术》杂志网络版上发表论文称,他们近日用石墨烯,开发出一种只有指甲盖大小的红外线图像传感器。

研究人员说,这款新产品不同于目前常见的中红外和远红外图像传感器,它无需笨重的冷却装置就能运行,首次实现了在室温下对全红外光谱的观测。由于体积小、重量轻,它甚至能够集成到隐形眼镜或手机当中,未来有望在军事、安保、医学等多个领域获得应用。

红外线的波长在760纳米至1毫米之间,是波长比红光长的非可见光,分为近红外线、中红外线和远红外线三种。普通摄像机只需一个芯片就能拍摄到可见光,而红外成像技术则需要同时看到近红外、中红外和远红外各种不同频谱的图像。更具挑战性的是,中红外和远红外传感器通常必须在极低的温度才能工作。

该研究团队承担的这项研究,将石墨烯作为原材料。石墨烯是一种由碳原子构成的单层结构,能够探测到整个光谱的红外线、可见光和紫外线。但由于石墨烯对光线的吸收能力较差(2.3%),不足以产生足够的电信号,此前相关的研究一直止步不前。钟朝晖说:上一代石墨烯红外线传感器所面临的最大问题,是灵敏度太差,无法满足商用设备的需要。

为了克服这一障碍,钟朝晖研究团队对石墨烯产生电信号的过程进行了改进。据报道,他们在两个石墨烯薄片之间设置了一个绝缘隔离层,底层有电流通过。当光线照射到顶层石墨烯的时候,装置会释放电子,产生带正电的空穴。而后,在量子机制的作用下,电子穿过中间的绝缘层,到达底部的石墨烯层。此时,留在上层石墨烯上的带正电空穴会产生电场,并对下层石墨烯的电流产生影响。通过测量电流的变化,就能推断出照射在上层石墨烯上的光的亮度。

钟朝晖称,新方法首次让中红外和远红外传感器的灵敏度达到了一个新的高度,完全能够媲美需要冷却装置才能运行的传统红外线传感器。并且该设备只有一个指甲盖大小,很容易实现集成。他说,如果能够将这种传感器集成到隐形眼镜或其他可穿戴电子设备当中,将有望为人们提供一种前所未有的、与环境进行交互的新方式。同时,该技术也为红外线技术在军事、安保、医学等多个领域中的应用,开辟了新的想象空间。

⑵开发出有助于安全通信的荧光分子传感器。20165月,以色列魏茨曼科学研究学院大卫·马古利斯领导的研究小组,在《自然·通讯》上发表论文称,他们研制成功一种荧光分子传感器,它可以利用不同化学物质的属性,加密和解码书面消息。此传感器可以作为一种现代版本的隐形墨水,为用户提供一种安全通信的方法。研究者认为,考虑到人们最近对于全球电子监视的担忧,这个传感器提供了一种绕过电子通信系统的安全手段。

虽然过去曾把化学物质用在隐形墨水中,但不断改进的检测方法,已难以保证隐藏消息在未经授权的情况下不被读取了。该研究团队开发的这种荧光分子传感器,它可以通过生成特定的荧光发射光谱,分辨不同的化学物质。

在发送消息时,发件人首先把消息使用一个公开的字母数字代码表转化成数字。接下来,发送者添加一个密钥,这个密钥是通过随机向传感器中添加一种特定的化学品生成的独特图案,密钥会加载在原始信息上,给收件人发送这个保密的信息,发送的渠道可以是电子邮件或邮政等方法。收件人需要拥有一个完全一样的装置,并且知道随机选择的编码化学品,把化学品加入到传感器中解码信息。

在这种方式下,这个消息即使被他人截获也无法阅读。研究者通过询问12个使用者,其中包括10个没有经过训练的用户,解密23个消息的方式来评估这个设备的效能和难易程度。他们还发现,必须按照特定顺序添加金属盐类才能解密的化学密码系统,可以提供更进一层的保密。

(二)研制传感器方面的其他新进展

1.用光学材料和技术研制传感器。

⑴利用石墨烯光学和电子学属性研制传感器。20157月,尽管科学家因为石墨烯无与伦比的属性而对其青睐有加,但迄今为止,其实际应用仍然乏善可陈。不过,瑞士洛桑联邦理工学院生物纳米系统实验室,与西班牙光子科学研究所联合组成的研究小组,在《科学》杂志上撰文宣称,他们利用石墨烯独特的光学和电子学属性,研制出一种具有超高灵敏度的分子传感器,可以探测蛋白质或药物小分子的详细信息。

在红外吸收光谱学这种标准的探测方法中,光被用来激活分子。不同分子的振动不同,借由这种振动,分子会显示其存在甚至表现自己的性格。这些蛛丝马迹可在反射光中读出。但在探测纳米大小的分子时,这一方法的表现差强人意。因为照射分子的红外光子的波长约为6微米,而目标分子仅几个纳米,很难在反射光中探测到如此微小分子的振动。

于是,石墨烯受命于危难之间。研究合作者丹尼尔·罗德里戈解释道,如果让石墨烯拥有合适的几何形状,它就能将光聚焦在表面上的某个特定点上,并倾听附着其上的纳米分子的振动。他说:通过使用电子束轰击并使用氧离子蚀刻,我们在石墨烯表面弄了一些纳米结构。当光到达时,纳米结构内的电子会振荡,产生的局域表面等离子体共振可将光聚集在某个点上,其与目标分子的尺度相当,因此,能探测纳米大小的结构。

除此之外,这一过程也能揭示组成分子的原子键的属性。研究人员称,当分子振动时,连接不同原子的原子键会产生多种振动,不同振动之间的细微差别,可提供与每个键的属性以及整个分子的健康状况有关的信息。为了找出每个原子键发出的声音从而确定所有的频率,需要用到石墨烯。在实验中,研究人员对石墨烯施加不同的电压,让其调谐到不同的频率,从而能阅读其表面上的分子的所有振动情况,而使用目前的传感器无法做到这一点。研究人员海蒂斯·奥特格说:我们让蛋白质附着在石墨烯上,并用这一方法,得到了分子全方位的信息。

研究人员表示,这种简单的方法表明,石墨烯在探测领域拥有不可思议的潜能,奥特格表示:尽管我们研究的是生物分子,但这一方法或许也适用于聚合物和其他物质。

⑵利用分光镜技术开发出新型反恐感应器。20063月,美国能源部阿尔贡国家实验室,工程部门负责人保罗·拉普提斯,与电学工程师萨米·葛帕尔萨米和萨参·巴克提亚利共同负责的研究小组,利用一种新兴的传感技术,开发出一套应用于国家安全领域的感应器,能够迅速有效地探测出化学武器、生物武器、核武器以及爆炸物。

拉普提斯说:我们将把这项技术运用于检测化学和生物物质,也可能会用于测定一个国家,是否使用其核反应堆进行核武器材料的生产,也可能用于判定发生化学或放射性泄漏的方向,以便于疏散人群。

研究人员首次成功地对化学物质进行远程探测,利用分光镜技术对爆炸物质的光谱进行辨别。这种分光镜技术是利用电磁光谱上的微波与红外线的毫米/太赫频率属性差异加以区别。研究人员根据探测光谱上留下的的独特指印,来辨别爆炸性材料和化学物质。

这项毫米/太赫技术可探测其分子的能量水平。能量的频率分配提供了一种独特的可再生的光谱结构指印可区别不同的材料。这项技术也能应用到其成像模态中,包括从隐形武器到包括肿瘤探测等医学应用。这项技术是对激光或者光学传感技术的改进成果。激光或光学传感技术会因为大气条件的变化而受到影响,也可能在X射线下发生离子反应而造成破坏。其工作频率为0.1太赫~10太赫,其感应的灵敏度比预定的高45倍,成像分辨率比微波频率要精细100300倍。

为了对核事故或者反应堆运作的辐射情况进行远程探测,研究人员对毫米波段的雷达进行了测试,开发出探测和解析空中发生反射和散射的辐射感应效果的模型。对9公里外的一座核电站进行的初步测试结果显示,电站正常运作与闲置时,测量结果有明显的差别。这项技术也能够应用于绘制核辐射释放图。研究小组曾经使用这项雷达技术,对天然气管道的气体泄漏,进行远程迅速的绘制成像。其工作原理,是通过泄漏气体造成周围空气的折射指数变化,反映在图表上的起伏现象。

2.研制用于改善传感器的光电组件。

研制出改善半导体图像传感器性能的新型光电组件。201213日,物理学家组织网报道,由于排列在矩阵上的大像素不支持较高的读出速度,因此传统的互补金属氧化物半导体影像传感器不适合荧光灯等低光亮度应用。现在,德国弗劳恩霍夫研究所,微电子电路和IMS系统部门负责人维尔纳·布洛克赫德领导的研究小组,研制出的一种新型光电组件能加速这一读出过程,催生出更佳的图像质量。目前该技术已申请了专利,有望于近期正式投入生产。

互补金属氧化物半导体影像传感器,早已成了数码摄影的主要解决方案。它们比现存的其他品种传感器更加经济,在能量消耗和处理方面也很出色。因此,手机和数码相机制造商几乎无一例外地将互补金属氧化物半导体芯片应用在自家的产品之中。这不仅降低了数码产品对电池的需求,也使生产出更多越来越小的相机成为可能。

然而,这些光学半导体芯片已经达到了自己的极限,当消费类电子产品体积越来越小时,像素的大小也随之递减至1微米左右。但特定的应用需要超过10微米的更大像素,尤其是在X射线摄影或天文学研究等光线十分有限的领域,而较大的像素可以补偿光线的缺失。针状光电二极管可被用于将光信号转化为电脉冲,这种光电组件对于图像处理十分关键,也可以作为互补金属氧化物半导体芯片的组成部分。

布洛克赫德解释说:不过,当像素超过一定的尺寸,针状光电二极管就会产生速度问题。低亮度的应用需要更高的图像率,但使用针状光电二极管的读出速度明显偏低。

研究人员现在提出了有关这一问题的解决方案,他们研发出了名为横向漂移场光电探测器的新型光电组件。在这个组件中,高速移动的入射光能在读出点产生电荷载子,借助针状光电二极管则可将电子扩散至出口。这一过程相对缓慢,但它却足以满足多种应用。

为了生产出新的组件,研究人员基于0.35微米的标准,改进了当前使用的互补金属氧化物半导体芯片的制造过程。布洛克赫德表示,附加的横向漂移场光电探测器组件不会损害其他组件的特性,利用模拟计算,专家会对其进行管理以满足这些需求。目前,新型高速互补金属氧化物半导体图像传感器的原型已经成形,有望于不久就可得到批准开始大批生产。

二、研发显示器的新信息

(一)用发光二极管或液晶研制显示器

1.研制发光二极管显示器的新进展。

⑴推出40英寸有机发光二极管显示器。2005519日,韩国三星电子公司宣布,开发出采用有机发光二极管技术的40英寸显示器,并将其应用于电视机上。

目前流行的液晶显示器,存在视角小、响应速度慢、不能在低温下使用的缺点。而且液晶体本身不能发光,依赖背光源或环境光才能显示图像。有机发光二极管技术,在一定程度上克服了液晶显示器的不足。此外,这种显示器的厚度,不足等离子显示器和普通液晶显示器的1/3

三星电子公司开发的40英寸有机发光二极管显示器,是世界上第一种用于电视机的此类产品。这种显示器具有主动驱动功能,可以录制高清晰度图像。该显示器中的物质具有冷光特性,导电后便能够发光,耗电量较低。三星电子公司计划继续改进这种显示器的生产技术,降低生产成本并提高显示品质。

⑵研制出采用新制程高分辨二极管显示器。20066月,德国科隆大学教授克劳什·米尔霍尔茨领导的研究小组,在一个信息显示协会的座谈会上公布一项研究成果,宣称他们采用一种直接光罩蚀刻制程技术,开发出全球第一款高分辨率、全彩色有机发光二极管显示器。

研究人员说,他们采用的直接光罩蚀刻制程技术,是与德国默克有机发光二极管材料公司合作开发的。与其它方法如喷墨法不同,该制程技术不需要开发全新的制程技术,而是改变有机材料的化学特性。

米尔霍尔茨指出:“通过加入氧杂环丁烷侧基材料,我们研制的聚合物获得了光阻特性,这些光阻构成的薄膜,可以暴露在紫外线灯光下,因而制成各种图案。”

研究小组采用这种方法,制作了完全可以工作的真彩色矩阵显示器,用它可以显示简单的图片并支持视讯播放。据报导,比大多数传统的显示器的耗电要小得多。

在制作过程中,要采用旋转涂布制程,把第一层聚合物沉积在透明的基板上。然后由穿过遮光罩板的紫外线照射聚合物薄膜,使聚合物薄膜交叉连接,并形成一层不能溶解的材料。未受到紫外线照射的薄膜材料要用溶剂清洗掉。

随后采用相同的方法,来沉积另外两层聚合物,以制作具有三种独立可寻址色彩的像素单元。米尔霍尔茨强调说,他们的工作还在初步阶段,在实现商业化应用之前,还要进一步研究。

⑶用发光二极管研发出纳米显示屏20085月,美国西北大学和普渡大学联合组成的一个研究小组,研制出一种新型纳米技术显示器。它把发光二极管嵌入透明的纳米线中,可以直接安装在汽车挡风玻璃上,还可以在真实物体上覆盖多层信息。与电脑配合使用,也可以使用在眼镜上,让用户在街上行走的时候能看到餐馆信息,并且不用停步就能看看菜单。由于这种显示屏透明且能弯曲,还可用于制造电子报纸和电子书,能持续不断地更新视频和图片,非常流畅。

此纳米技术显示屏中的全部柱状物能产生绿光,亮度和大多数电视机差不多,但研究人员表示,还不能显示单个的像素。该研究小组正在与汽车制造商联系,计划将此技术提供给一家新成立的公司,期望5年内实现批量生产。研究人员表示,此纳米技术显示屏的应用,将能匹敌液晶显示屏,最先会出现在手表和手机的显示屏上,之后将用于大型电视机的显示屏上。

⑷用冲压发光二极管方法制成大尺寸可弯曲的显示屏。20098月,美国伊利诺伊大学,厄本那·香槟分校约翰·罗杰斯领导的一个研究小组,在《科学》杂志上发表论文称,他们已经找到一种新方法,可用发光二极管制造宽大、可弯曲的显示屏。这样的显示屏,可用于制造沿车体弧度安装的刹车灯指示器,同时透明度很高,乘客完全可以看见窗外的风景。

罗杰斯表示,这种纤细、轻薄的屏幕,可用来制作刹车指示灯、健康监测器,或者像毛毯一样将病人包裹起来的成像设备。

研究人员指出,这种大型显示屏既有发光二极管耐用、屏幕大的特点,同时,因为它由有机的含碳物质制造而出,还具有独特的柔韧性。

目前,通过无机材料,可以制造大块的、单个的发光二极管光束。这些光束,需要自动装置来逐一重新排列;使用有机材料制成的显示屏,能够被喷洒或者涂在胶片的表面,但是它们不够明亮,而且耐用性也比较差。能否将两者的优势结合起来,取长补短加以利用呢?

为了解决这个问题,研究人员在一层薄薄的胶片上,制造发光二极管,并用化学物质把它溶解,接着在两个角落贴上细小的塑料标签,以确保这些发光二极管不会在化学浴中被冲走。

随后,研究人员使用一种特殊的冲压技术,把这些无机发光二极管,沉积于玻璃、塑料或橡胶表面,并将它们组合在一起。

这些发光二极管,能够相互连接并且通上电,就像给计算机芯片通电一样。因为发光二极管即使相隔很远来放置,也可以提供足够的光亮,因此,得到的面板和显示屏几乎是透明的。

罗杰斯表示,新方法能够一步到位地,把大量小而薄的发光二极管,从表面提起,接着把它们印在一个基座上,因此,把这些发光二极管放在塑料上就可以制造刹车灯。

罗杰斯的研究项目,最初由福特汽车公司资助,福特汽车公司想要找到一种方法,来制造同汽车的外形轮廓相匹配的,汽车刹车灯指示器。

2.研制液晶显示器的新进展。

⑴研制出可伸展折叠的液晶显示器。20057月,韩国《朝鲜日报》报道,三星电子公司表示,即将推出像肘关节那样自由伸展折叠的高档液晶显示器。它的主要特点,是安装了三重折叠式台架。

报道称,此款显示器三重折叠的台架,可把屏面调高170毫米,是目前世界之最。而且,它在业内首次实现最大明暗比(15001)们。它在拥有最高清晰、鲜明解析度的同时,确保垂直、水平178度的可视视角,并实现了6ms的画面反映速度。

三星电子表示,这一产品从开发和设计的初期,就把使用的便利性视为重点,而且公司将继续推出具有使用亲和力和设计更加精致完美的产品,进一步加强世界名牌显示器的地位。

⑵研制成世界首款双面液晶显示器。200612月,韩国三星电子公司宣称,已经成功开发出世界上首款双面液晶显示器。三星公司表示,该显示器可以同时在双面进行内容显示,从而可以达到双倍的播放效果。

据悉,这款显示器的对角尺寸为5.6厘米,未来将主要应用于手机等小尺寸移动便携设备屏幕。三星表示,未来该显示器将用于折叠式手机的制造。考虑到特殊的设计方式,折叠式手机往往需要两个屏幕,这也为双面显示器带来了表现的机会。

同时,三星指出,该双面显示技术,未来还将被应用于液晶显示器领域。据悉,通过特殊的裁制和技术,同样的图像内容,将被同时展示在显示器的两面。

⑶开发出能收集周边光能的液晶显示屏。20118月,美国加州大学洛杉矶分校萨缪里工程与应用科学学院,材料科学系教授杨洋主持、工程学研究员朱瑞等参与的研究小组,在《先进材料》杂志上发表论文称,他们专为电子设备创立一种收集和重复利用能源的新理念:为这些设备的液晶显示屏配备内置的光电偏光器,支持他们将环境光源、阳光和电子设备自身的背光源转化成电能。

当面临户外工作,或是长途旅游时,很多人恐怕都有过这样的担忧:因为无法找到外接电源,而使自己的智能手机或者笔记本电脑等因电能耗尽而关机,从而错过了商务良机,甚至失去了唯一的求生机会。该研究小组开发出的这项技术,基本上解决了这个棘手的问题。

液晶显示屏可谓是现今电子设备上配备的常规物件,无论是智能手机、电视屏幕、电脑显示器还是笔记本电脑和平板电脑上,都能看到它们的身影。它多是由不同部分组成的分层结构,由两块玻璃板构成,中间由含有液晶材料的间隔隔开。因为液晶材料本身并不发光,所以需要给显示屏配置额外的光源,在液晶显示屏背面有一块导光板和反光膜,导光板的主要作用是将线光源或者点光源,转化为垂直于显示平面的面光源。背光源发出的光线,在穿过第一层偏振过滤层之后进入液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中,一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极,电极分为行和列,在行与列的交叉点上,通过电压的变化可改变液晶的旋光状态,液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。当液晶显示屏中的电极产生电场时,液晶分子就会发生扭曲,从而将穿越其中的光线进行有规则的折射,然后经过第二层过滤层后在屏幕上显示出来。

该研究小组,此次研制出的新型能源收集偏光器,名为偏振有机光伏板。它能促进液晶显示屏液晶的功能,同时发挥偏光器、光伏器件以及环境光源或者太阳能光伏板的作用。

杨洋说:我坚信这是一个改变游戏规则的发明,它能显著提升液晶显示屏的效能。此外,这种偏光器同样可以用作普通的太阳能电池,来收集室内或室外的光源。因此下次去海滩的时候,你就可以借助阳光为你的iPhone充电了。

研究人员表示,从能源利用的角度来看,现在的液晶显示屏偏光器效率偏低。一台电子设备的背光能够消耗该设备80%90%的能源,高达75%的光源更是因为偏光器流失了。而偏振的有机光伏液晶显示屏能够重新获取大部分未使用的能源。

朱瑞也谈到,他们涂层的方法十分简单,该技术未来将有望应用于大规模的制造过程。

此次研究的支持者、英特尔实验室学术研究办公室的项目主管尤苏瑞·伯托总结说,该研究小组所阐述的偏振有机光伏电池,约能收集七成以上浪费的液晶显示屏背光光子,并能把它们重新转化为电能。

杨洋表示:在不远的未来,我们希望进一步提升偏振有机光伏的效率,并最终达成与电子制造商的合作,把这项技术融入到真正的产品中去。我们也期望这种节约能源的液晶显示屏,将来能成为显示器市场的主流技术。

⑷研制出首款全彩柔性超薄新型液晶显示屏。20156月,美国中佛罗里达大学,纳米科学技术中心兼光学光子学学院教授德巴希什·禅达领导的研究小组,在《自然·通讯》杂志上发表研究成果称,他们用超薄液晶层,研制出全球首款全彩色柔性薄膜反射显示屏,可使士兵迷彩服能随环境改变颜色和图案,也可使人瞬间变换衣服的颜色。

禅达解释说,包括手机显示器在内的传统显示屏笨重、易碎,且都需要光源、过滤器以及玻璃板,而自然界中像变色龙这样的动物,则天生自带纤薄的可变色的柔性显示器,也就是它们的皮肤,而且这种显示器并不需要光源。

研究人员表示,这项最新研究成果,受到了自然界变色龙的启发。该超薄显示屏,通过外部施加的电压来改变自身的颜色,不需要光源,相反,它会反射周围环境存在的光线,为其所用。

他们使用一种简单且便宜的纳米压印技术,制造出一种能吸收某些波长的光波并反射它们的金属纳米结构。这种金属纳米结构,被一块超薄的液晶层,像三明治一样夹在中间,其反射光的颜色,通过施加于液晶层的电压来控制。液晶分子和纳米结构金属表面上的等离子波相互作用,成就了这种全彩可调谐的液晶显示屏。与之前只能制造出单色调色板的液晶显示屏相比,最新研究是一个巨大的飞跃。禅达说:如果你的服饰可以改变颜色和图案,你还需要在衣柜里摆50件衣服吗?

据报道称,新显示屏超薄,只有几微米厚(人类的头发直径则有100微米),适用于塑料和合成纤维等柔性材料之上。这项研究成果对目前的电视、计算机和手机等电子设备将产生重大影响。尽管以今天的标准来看,原有设备的显示屏已足够纤薄,但在这款最新液晶显示屏的映衬下,它们还是显得非常笨重。该研究的更大意义可能在于,它将宣告新一代全新显示屏的诞生。

⑸开发亮度提至两倍的新液晶显示器。2015928日,《日本经济新闻》报道,日本液晶面板企业日本显示器公司(JDI)日前宣布,开发出与以往产品相比、亮度提高至2倍的10英寸液晶显示器。

该显示器采用了增加白色像素以使屏幕整体更亮的自主技术白色魔法,以及根据图像各部分调整背照灯光量的技术。利用这种设计,即使是在白天的室外,也能清晰观看屏幕,将作为速度表等车载显示器销售。

该液晶显示器亮度提高至每平方米1000坎德拉。通过调节背照灯的光量,可使黑色更加清晰地呈现出来。明暗的对比度达到10万比1

此外,该显示器还能使液晶屏幕的尺寸得以缩小。能应用于观看高分辨率影像的智能手机和经常在室外使用的数码相机显示屏等。

(二)用碳素材料或相变材料研制显示器

1.用碳素材料研制显示器的新进展。

⑴用碳纳米管开发出可伸缩弯曲的有机显示屏。20095月,日本东京大学与大日本印刷公司组成的一个研究小组,在《自然·材料》网络版上发表研究成果称,他们开发出可伸缩弯曲的有机发光显示屏。这种显示屏作用十分广泛,可用来制造像地球仪一样的球形显示器预报天气,也可以用来制造圆球形的手机。

有机发光是一种有机物质,在电流通过的时候可以自己发光。日本研究人员,把具有导电性质的碳纳米管,平均分散布置于橡胶中,制造出一种糖稀状的导体。接着,把这种黏度很高,具有伸缩性的导体材料,作为电路回路印刷在基板上。在这种基板上再配置256个约5毫米见方的薄有机发光素子,最终成功制造出这种新型的可伸缩弯曲的有机发光显示屏。测试表明,这种显示屏即使伸缩1000次,品质也不会下降。

目前,制作成功的这种显示屏尺寸还只有10厘米见方,厚度略小于1毫米。而研究人员称,随着研发的推进,今后将有可能做出面积更大、厚度仅在0.1毫米以下的更先进的有机发光显示屏。

⑵用石墨烯研制出柔性透明触摸屏。20107月,美国麻省理工学院《技术评论》杂志报道,韩国成均馆大学洪秉熙教授领导,韩国三星公司和成均馆大学的研究人员参加的一个研究小组,首次制造出由多层石墨烯和玻璃纤维聚酯片基底组成的柔性透明显示屏。

厚度仅为一个原子的石墨烯拥有超凡的坚硬度、柔韧度、透明度和导电性,可以广泛应用于触摸屏和太阳能电池的制造中。阻碍石墨烯技术快速发展的壁垒,则是制造出大尺寸的单层石墨烯。

研究人员在一个63厘米宽的柔性透明玻璃纤维聚酯板上,制造出了一块电视机大小的纯石墨烯。他们表示,这是迄今为止“块头”最大的石墨烯块。随后,他们用该石墨烯块制造出了一块柔性触摸屏。

2009年,美国得克萨斯大学奥斯丁分校,纳米工程学教授罗德尼·劳夫主持的研究团队,在《科学快报》杂志上发表文章指出,可利用铜箔进行大面积石墨烯的制造。研究团队表示,碳在铜中的可溶性非常低,同时,其在多晶铜机制上可以达到大的结晶尺寸的能力。

在这项研究的基础上,韩国成均馆大学洪秉熙教授提出了自己的设计思路,他表示,碳在1000℃时会蒸发,因此单个的碳原子可以大尺寸石墨烯制造技术获得突破,一个接一个地排列在几厘米宽的铜箔上,使用一种柔性基座即可制造出大块的石墨烯。

洪教授的方法是,让一块铜箔盘绕在一个圆柱体上,并将其放置在特制的炉子中。碳原子携带着被加热了的氢原子和甲烷流,遇到铜片后便在其上“安营扎寨”而成为一个统一的单层。然后,该铜箔“脱离”圆柱体,石墨烯被迁移到玻璃纤维聚酯板上,最后再将银电极印刷到该石墨烯块上。当该石墨烯同计算机中的控制软件相连通时,它就能被用作触摸屏。

在弯曲的玻璃纤维聚酯板上制造出石墨烯,是制造出更加坚硬、廉价以及更加柔韧的透明电子器件的第一步。研究人员表示,从理论上来讲,人们可以卷起iPhone手机,然后像铅笔一样将其别在耳后。

洪教授表示,这种方法可用以制造基于石墨烯的太阳能电池、触摸屏及平板显示器。不过,他也承认,现在就说商业化和大规模制造还为时过早。

2.用相变材料研制显示器的新进展。

用相变材料开发出柔性纳米像素显示器。20147月,英国牛津大学材料学教授哈里什·巴斯卡兰领导,牛津大学材料系佩曼·侯赛尼、埃克塞特大学工程系教授大卫·莱特参加的一个研究小组,在《自然》杂志上发表研究成果称,他们借助相变材料,开发出一种柔性超高分辨率显示器,让单个像素点只有几百纳米的纳米像素显示器,成为现实。这种显示器,除了具备极高的分辨率外,还具有超低能耗、可折叠、静态显示的优势,未来有望在智能眼镜、智能车窗和电子出版等领域获得应用。

这种显示器,采用一种独特的三明治结构,被夹在中间的是一层厚度为7纳米、名为Ge2Sb2Te5(GST)的相变材料,另外两层是由氧化铟锡(ITO)制成的电极层。只需极小的电流,这块三明治就能显示图像,而构成这些图像的纳米像素的尺寸,仅有300纳米×300纳米大小。分辨率远远超过326像素/英寸的视网膜屏幕。

巴斯卡兰表示,他们最初并没有想去发明一种新的显示器,而是在探索相变材料光学与电学性质之间的联系时,产生了制造这种三明治显示材料的想法。之后他们发现,这种材料不仅能够在堆栈中产生图像,超薄的GST显示层,还出乎意料地带来了更好的对比度。此外,他们还发现通过改变电极层就能改变图像的颜色。

据报道,这种显示器采用了一种溅射技术。具体方法是用高能粒子轰击靶标层,让其中的原子以薄膜的方式沉积到另一层材料上。

巴斯卡兰说:我们采用了可沉积薄膜技术,这种超薄超柔软的薄膜,可以很容易被整合到其他材料上。这使得这种技术未来有望在智能眼镜、可折叠屏幕、汽车玻璃显示器,甚至是人造视网膜上获得应用。

侯赛尼称,试验显示这种显示器原型,能够轻松显示出多种色彩,其中也包括显示器所需要的基色。该技术的一个优势在于,与大多数传统显示器不同,新显示器不必不断刷新像素,而只有在图像需要改变的时候才刷新。这意味着基于这种技术的显示器能耗非常低,同时看上去也会更加舒服。此外,这种显示器,还能在更为省电的彩色电子阅读器模式,与能够显示视频的背光模式之间,轻松地切换。

莱特说:相变材料是近年来的一个研究热点,但此前还没有人将其用于显示技术,用相变材料的电学和光学特性,开发超高分辨率的彩色显示器,因此,这算得上是一次真正的突破。

(三)用纳米晶体或电子墨水研制显示器

1.用纳米晶体研制显示器的新进展。

⑴用半导体纳米晶体研制成全彩色量子点显示器。20112月,韩国研究人员在《自然·光子学》上发表论文称,一个由韩国多家研究院联合组成的科研团队,合力打造出世界第一个大屏幕全彩色量子点显示器,为开发下一代电视机、手机、数字相机和便携式游戏机等,带来全新视野。

量子点是一些肉眼无法看到的、极其微小的半导体纳米晶体,由锌、镉、硒和硫原子组合而成,晶体中的颗粒直径不足10纳米。它有一个与众不同的特性:当受到电或光刺激时就会发光,产生亮光和纯色,发出的光线颜色由量子点的组成材料和大小、形状所决定。

过去10多年来,韩国研究人员一直在研究量子点显示器。所谓大屏幕,其实它的长度只有10厘米左右,但生成的场致发光图像的分辨率可达320×240像素。由于增大显示器会降低画面质量,过去是把量子点喷在基底材料表面作涂层,类似于喷墨打印。这种技术要把量子点溶解在有机溶剂中,会污染显示器,降低色彩亮度和能效。

为弥补这一不足,韩国研究人员找到一种压印的方法,用有图案的硅片,造出一种墨水印章,然后用印章来选取大小合适的量子点,不需要溶剂,就可将它们压在薄膜基片上,平均每平方厘米约分布3万亿个量子点。研究人员说,这听起来容易做起来却很难,要考虑许多细节,比如为了实现100%的转印,需要改变印章的速度和压力。

用这种方法制成的显示器,密度和量子一致性都更高,能产生更明亮的画面,能效也比以前更高。研究人员指出,新技术印制量子点显示器是在柔软薄膜上,所以这项技术可广泛应用于可卷曲便携式显示器、柔软发光设备、光电设备等领域。

用纳米粒子和液体聚合物制成可粘贴的透明显示屏。20141月,美国麻省理工学院等机构研究人员组成的一个研究小组,在《自然·通信》杂志发表研究成果称,他们研制出一种粘贴式的透明显示屏,成本不高,且使用方便,粘到普通窗户上就可以变身大屏幕。

研究人员说,他们利用共振纳米粒子散射技术,研制出这种可粘贴透明显示屏,其制作工艺十分简单,只需将可反射蓝光的微小纳米粒子添加到液体聚合物中,每平方厘米只需千分之几克的这种粒子,因此制作成本也较低。聚合物固化后,就形成了这种十分轻薄的屏幕,由于这种纳米粒子肉眼不可见,整个屏幕呈透明状态,把它粘贴到窗户等平面上,就可以显示蓝光投影。

研究人员介绍说,目前常用的透明显示屏,通常需要嵌入发光二极管等设备,需要复杂昂贵的技术。这种利用纳米技术制造的透明显示屏,不仅工艺简单成本低,而且可粘贴,可用作商场橱窗展示屏,或是办公室开会时使用。

不过,由于每种纳米粒子只能反射一种特定颜色的光,这种新型显示屏当前只能显示单色影像。研究人员说,他们下一步将研究添加多种纳米粒子,制作多色透明显示屏。

2.用电子墨水研制显示器的新进展。

发明仅靠环境光即可运行的电子墨水显示屏。20161026日,《新科学家》网站报道,微软最近研发出一种仅靠环境光就能供电的电子墨水显示屏。据研究团队成员格罗斯·浦奋迪尔介绍,这款中性能量显示器原型,可以靠办公室灯光来工作,就像小型电子阅读器一样。

浦奋迪尔说:我们的技术可以像一张便签纸那样应用,但不同之处在于,它可以重复利用,并与其他地方的便条信息同步,显示最新的信息。例如,当你离开办公室时,就会显示天气和巴士运行时刻表信息。

特别值得一提的是,该装置通过光伏电池从周围环境中收集能量,永远不需要充电。浦奋迪尔说:跟电脑和电视机显示屏不同,电子墨水显示屏不需要插入电源来确保画面持续存在。这就意味着,我们只需要通过装置后面的太阳能板获取少量电能,就可以从办公室光线中收集足够的能量。

这一装置仍处于研发阶段,目前尚不清楚作为消费产品是否可行,以及究竟能带来多大的环境效益。普渡大学电气与计算机工程学院副教授维贾伊·若哈纳赞表示,这一技术最重要的应用在于不同类型的传感器。当传感器放置在办公室或者其他地方,他们的电池经常需要充电,如果采用中性能量的传感器,则可以节省大量的钱。

虽然这是第一次单独利用环境光来点亮屏幕,但此前科学们已尝试了利用环境能量的其他形式。2015年,华盛顿大学提出利用WiFi信号给设备供电的设想,可将标准路由器发射的无线电波能量转化为电能,从而给温度传感器和低分辨率相机供电。