隨著萬物互聯(lián)時代的到來，顯示技術也在不斷進化，以滿足人機交互的需求。電子紙作為一種新型的顯示技術，就像是一張能夠刷新和顯示信息的神奇紙張，以其節(jié)能和在自然光下出色的對比度特點，逐漸在智能穿戴設備領域占據(jù)一席之地。然而如何在光線不足的環(huán)境中維持電子紙的清晰顯示仍是一個挑戰(zhàn)。目前，盡管在電子紙中加入前光源的方法可以解決昏暗環(huán)境下的可視性問題，但這種做法不僅增加了設備的復雜性，還顯著提高了能耗。此外，現(xiàn)有的一些嘗試將反射和發(fā)射顯示功能結合在一起的設備，常常面臨著切換速度慢和顯示效果不佳的問題。就像是在光線不足的情況下閱讀，雖然能看到文字，但閱讀體驗并不舒適。

針對上述問題，近期，中山大學楊柏儒教授團隊在Advanced Functional Materials上發(fā)表了題為“Dual-Mode Flexible Electrophoretic E-Paper with Integration of Alternating Current Electroluminescent Technology for Ubiquitous Ambient Light Applications”的研究成果（碩士研究生史錦滔為第一作者，楊柏儒教授為通訊作者)。這項研究開發(fā)的電泳電致發(fā)光雙模式顯示設備，通過在電泳微膠囊顯示層中混入交流電致發(fā)光粉末，實現(xiàn)了電子紙的自發(fā)光顯示效果。顯示層中的微膠囊和電致發(fā)光粉末的工作電流僅為μA量級，使得該設備在兩種顯示模式下都能保持較低的能耗。由于微膠囊和電致發(fā)光粉末對驅動電壓和頻率的不同響應，這種顯示器能夠在反射和發(fā)射模式之間快速切換（<413 ms），同時具備5.6的對比度和最高107.5 cd/m2的亮度。此外，這種設備的優(yōu)點還包括制造簡便、成本低廉、具有良好的柔性（可彎曲超過1000次）和機械穩(wěn)定性（即使扭曲、穿刺或裁剪也不會影響顯示效果）。通過巧妙的驅動波形設計，這種設備還能實現(xiàn)反射和發(fā)射模式的混合顯示，從而極大地豐富了顯示效果。這種雙模式顯示器有望在廣告牌、指示牌以及物聯(lián)網(wǎng)等領域得到廣泛應用。（圖1）

圖1 EEDMD器件六模態(tài)之間的切換

電泳式電子紙因其獨特的雙穩(wěn)態(tài)特性而廣受歡迎，這種特性意味著它在無外加供電的情況下能長時間保持顯示的圖案和文字，成為公交站牌、指示牌和商場標簽的理想選擇。然而，由于電子紙基于反射環(huán)境光進行顯示，如何在光線較暗的環(huán)境中保持其顯示效果，一直是研究者們面臨的挑戰(zhàn)。楊柏儒教授團隊開發(fā)了一種新型的電子紙，這種創(chuàng)新的電子紙將電泳式微膠囊和交流電致發(fā)光粉末均勻地混合在水性聚氨酯材料中。由于這兩種顯示材料對驅動信號的想壞不同，新型電子紙能夠輕松地在反射模式和發(fā)射模式之間切換，從而在不同的光照條件下都能保持良好的顯示效果，有望進一步拓寬電子紙的應用范圍。（圖2）

圖2 電泳電致發(fā)光雙模式器件的工作機理、器件結構以及顯示效果

在提升顯示性能方面，研究團隊通過調(diào)控顯示層中微膠囊、電致發(fā)光粉末和介電材料的質量比，確保了兩種顯示材料的均勻分布，實現(xiàn)了反射態(tài)對比度與發(fā)射態(tài)亮度的最優(yōu)平衡。此外，進一步優(yōu)化顯示層的涂覆厚度為90 μm，并通過采用黑色不透明碳納米管作為底電極，顯著提升了反射態(tài)的對比度。該自發(fā)光電子紙器件在24 V的工作電壓下反射態(tài)顯示效果最佳，而發(fā)射態(tài)在60 V的閾值電壓下啟亮。通過調(diào)整電壓和頻率，發(fā)射態(tài)的亮度可提升至最高107.5 cd/m2。在響應速度上，反射態(tài)的轉換時間從白到黑為413 ms，從黑到白為167 ms；發(fā)射態(tài)從暗到亮為121 ms，從亮到暗僅需2 ms，這樣的響應速度確保了模式間的迅捷切換。研究團隊的雙模式器件不僅在光電性能上表現(xiàn)出色，還具備了良好的柔性和機械穩(wěn)定性，即便在扭曲、穿刺和裁剪之后，依然能夠保持穩(wěn)定的顯示功能。此外，研究團隊還展示了該器件在可穿戴技術中的應用潛力，如作為腕帶的穿戴展示以及作為杯貼的圖案化分塊驅動。（圖3）

圖3 電泳電致發(fā)光雙模式顯示器的柔性和穩(wěn)定性

研究團隊基于微膠囊和交流電致發(fā)光粉末的驅動機制，構建了等效電路模型，通過調(diào)整驅動信號的幅值、頻率和偏置，雙模式器件能夠實現(xiàn)發(fā)射模式、反射模式以及混合模式（亮白和亮黑）的多模態(tài)顯示，且能通過改變驅動信號快速切換于不同模態(tài)。為了更準確地評估雙模式顯示器的性能，團隊提出了雙模式對比度（DMCR）的概念，這一新指標有助于確定在各種環(huán)境光照條件下找到模態(tài)切換點和最佳顯示效果的驅動信號。（圖4）

圖4 模式切換機理、雙模式對比度的定義以及應用展示

研究團隊開發(fā)了一種新型的電子紙雙模式顯示器件，該器件融合了交流電致發(fā)光技術，制造了一種具備自發(fā)光能力的電子紙。區(qū)別于通過犧牲開口率以實現(xiàn)雙模式的透反式顯示技術，該器件在實現(xiàn)雙模式顯示的同時保持了100%的開口率。該發(fā)光電子紙可以實現(xiàn)5.6的黑白對比度，107.5 cd/m2的最高亮度，同時保持了良好的柔性和機械強度。此外，通過對驅動機制的深入研究和驅動波形的巧妙設計，雙模式器件能夠在多種顯示模態(tài)之間靈活切換，從而擴展了其在實際應用中的多樣性，為未來萬物互聯(lián)時代的顯示技術開辟了新的可能性。

楊柏儒教授簡介

中山大學電子與信息工程學院/光電材料與技術國家重點實驗室教授、博導，擔任SID2025 國際信息顯示學會美國總會大會總主席(General Chair）、SID 2023議程主席(Program Chair)、中國ICDT 2020國際顯示技術大會程序委員會主席、SID 2017國際信息顯示學會柔性顯示專業(yè)委員會主席、IDW日本顯示學會Oversea Advisory Board成員、IMID韓國顯示學會技術委員、JSID期刊副主編等多個重要學術職務。曾獲國際信息顯示學會總會SID 2023特殊貢獻獎 (Special Recognition Award)、國際信息顯示學會總會SID 2021總裁表彰獎 (President Citation)以及國際信息顯示學會北京分會SID 2021、2022特殊貢獻獎、國際信息顯示學會總會SID 2022、2016最佳論文獎 (Distinguished Paper Award)、日本顯示學會IDW 2019最佳論文獎 (Best of IDW)等獎項。楊柏儒教授長期從事光電顯示研究，在柔性顯示與電子紙的研發(fā)成果已經(jīng)進入產(chǎn)品化。目前他已經(jīng)在Light: Science & Application等國際著名期刊發(fā)表SCI/會議論文100余篇，獲國內(nèi)外授權專利40余項，主持863計劃等國家級課題/項目3項，并主編出版Wiley顯示技術叢書《E-Paper Displays》、科技類教材《可穿戴光電顯示科技》等顯示技術專著。