Ny e-pappersteknik ökar hastigheten

Forskare vid University of Toronto i Ontario har ökat hastigheten på deras nya färgskiftande material tio gånger. Materialet, som använder fotoniska kristaller, reflekterar starkt, intensivt ljus av vilken färg som helst från rött till blått, och byter färg baserat på spänningen som appliceras på det. Tekniken kan möjliggöra ljusare, flexibla färgskärmar för elektroniska läsare och skyltar.

Välj en färg: Ett nytt material tillverkat av fotoniska kristaller ändrar färg när olika spänningar appliceras på det.

För att få färgförändringar som går över från UV hela vägen till nära infrarött - det är det enda materialet på planeten som kan göra det, säger kemiprofessorn Geoffrey Ozin , som ledde det nya arbetet. Allt jag gör här är med ett material som justerar spänningen.

Läsenheter som Amazon Kindle, Sony Reader och Plastic Logics nya läsare använder ett svartvitt e-papper från Bostons E Ink . E-papper reflekterar ljus istället för att avge det, vilket gör det mindre energikrävande och lättare att läsa i starkt solljus. Skärmar som använder en färgversion av E Inks teknologi förväntas nå marknaden under de närmaste åren, men deras pixlar kommer att delas in i tre subpixlar, med röda, gröna och blå filter. Ljus från subpixlarna blandas i olika intensiteter för att producera olika färger. Det betyder att du bara har en tredjedel av [pixel]området som visar rött, säger Jacques Angele, medgrundare av det franska e-pappersföretaget Nemoptikum . Så du minskar ljusstyrkan med en faktor inte långt från tre.

Den viktigaste fördelen med den nya tekniken är att den fotoniska kristallen som gör varje pixel kan ställas in för att avge olika färger. I princip ska de kunna få bra ljusstyrka mer likt tryckt papper, jämfört med nuvarande e-pappersteknik, säger Angele. Genom att öka hastigheten med vilken materialet ändrar färg flyttas det ett steg närmare praktiska tillämpningar.

Toronto-forskarna rapporterade om den nya versionen av materialet i en online tillämpad kemi papper. Förutom att ändra färger snabbare täcker materialet också ett mycket bredare färgspektrum.

Opalux , den Toronto-baserade startup som kommersialiserar tekniken, använder redan det nya materialet för att göra färgskiftande skärmar. Displayen är för närvarande gjord på glas men skulle lätt kunna göras på flexibla substrat, säger Andre Arsenault, medförfattare till tidningen och medgrundare av Opalux.

En fotonisk kristall är vilken nanostruktur som helst med ett regelbundet mönster som påverkar fotonernas rörelse. Genom att ändra strukturen något kan du ändra färgen på ljuset som kristallen reflekterar. Tidigare gjorde de kanadensiska forskarna fotoniska kristaller med hjälp av staplar av hundratals nanosfärer av kiseldioxid inbäddade i en polymer. De placerade dessa staplar tillsammans med en elektrolyt – ett material som leder joner – mellan två genomskinliga elektroder belagda på glas. När olika spänningar appliceras går elektrolyten in och ut ur polymeren, som sväller och krymper, vilket förändrar avståndet mellan nanosfärerna. Detta ändrar våglängden på det reflekterade ljuset.

Den avgörande förändringen i det nya materialet är att det inte innehåller kiseldioxid. Forskarna löser upp kiseldioxidnanosfärerna med hjälp av en sur lösning. Detta lämnar efter sig en porös, vävliknande polymerstruktur, som nu fungerar som den fotoniska kristallen. Forskarna fyller porerna med elektrolyt och lägger materialet mellan elektroderna.

Elektrolyten är nu i direkt kontakt med en mycket större del av polymerens yta, så den går in och ut ur polymeren snabbare och jämnare, vilket påskyndar färgförändringen och ökar det möjliga färgomfånget. När den aktiva polymeren är fylld med kiseldioxidsfärer finns det inget tomrum tillgängligt för [elektrolyt] att gå in och ut, säger Arsenault. Så för att komma till botten av strukturen måste [den] diffundera från toppen hela vägen ner, vilket kan vara en lång väg att gå.

Det nya materialet har kommit ikapp hastigheten på E Inks display. De fotoniska kristallpixlarna kan byta färg på ungefär en tiondels sekund, enligt Arsenault. Däremot, säger Angele, tar E Inks pixlar ungefär en femtedels sekund. (Men Angele tillägger att Nemoptics skärmar – som använder ett material som kallas nematiska flytande kristaller – byter färg på en hundradels sekund.)

Angele säger att en nackdel med fotonkristallmetoden kan vara att det beror på flödet av elektrolyt som svar på elektricitet. Denna elektrokemiska cykel liknar den som används i laddningsbara batterier. Så det kan möta samma problem med laddningsbara batterier, där effektiviteten minskar efter tillräckligt många cykler, säger Angele. För att skapa en praktisk skärm måste Toronto-forskarna se till att enheten tål tusentals cykler. Att just kontrollera mängden elektrolyt som infunderar polymeren för att få en specifik färg kan också vara en utmaning, tillägger Angele.

Det finns andra hinder att övervinna. Pixlarna ändras lätt från färger med kortare våglängder till längre – från blå till grön till röd – men att byta färg i motsatt riktning är långsammare. Pixlarna behöver också ha mer färgkontrast. Forskarna hoppas kunna göra materialet bättre genom att lägga till nanopartiklar till polymeren.

Dölj