界面的力量:电润湿式电子纸

摘要

电泳显示发展至今虽然已经相当成熟,但依然存在着一些难以克服的缺陷。那么电子纸能否通过电泳显示之外的技术实现?答案是肯定的。在这一篇中我就为大家介绍另外一种非常有趣的电子纸技术——电润湿式电子纸。

“漫谈电子纸”系列(三)

在上一篇中,我们了解了目前应用最为广泛的电子纸技术——电泳显示。电泳显示发展至今虽然已经相当成熟,但依然存在着一些难以克服的缺陷。那么电子纸能否通过电泳显示之外的技术实现?答案是肯定的。在这一篇中我就为大家介绍另外一种非常有趣的电子纸技术——电润湿式电子纸。

如果我们把一滴水放在铁锅表面,会发现水很快就能够在表面铺展开来;如果把水放在不粘锅的表面,水并不会摊开,而是基本保持了液滴的形状。为什么会有这种差别呢?

和其他材料一样,铁也是由不计其数的原子组成。在 它的内部,每个铁原子周围都环绕着许多自己的同伴,这样的状态大家都很满意。可是处在铁锅表面的铁原子们少了许多同伴,不得不与空气中的氧气、氮气等它们并不喜欢的分子打交道,因此它们始终很不开心。

恰好在这个时候,一滴水落到了铁锅表面,表面上的铁原子灵机一动:为什么不让水覆盖在我们上面呢?水分子并不介意和空气接触,而铁原子和水作邻居毕竟比接触空气要舒服得多。于是这一滴水就不再保持原来的球形,而是很快在铁锅表面铺展开来。除了铁,其他金属以及玻璃、陶瓷等材料表面也类似,水滴能够轻而易举地在它们的表面铺展开。这样的情况就叫做水润湿或者浸润固体表面。

不粘锅的表面有一层名为特富龙的特殊涂层,它的学名叫聚四氟乙烯,是一种高分子材料。聚四氟乙烯处在表面上的分子也不喜欢空气,但它们也同样讨厌水。如果让水铺展在聚四氟乙烯的表面,只会让原本就不怎么开心的聚四氟乙烯分子变得更加痛苦。因此落在聚四氟乙烯表面的水滴不会浸润,而是尽量保持原有的形状。这样的情况,我们就说水很难润湿聚四氟乙烯的表面。

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如果一个表面某个时刻容易被水润湿,下个时刻又变得难以被水润湿,那么它表面的水滴会时而铺展时而收缩。这样的“原生”表面是不可能存在的,毕竟一种材料不可能这一分钟是铁,下一分钟又变成聚四氟乙烯。但是,借助电的力量,我们确实可以做出类似的效果。比如在一块聚四氟乙烯的下表面垫上金属,上表面放上一滴水,为了提高水的导电能力,可以在水中添加一些盐。接下来把水滴和金属分别与电源的两极相连,我们就会惊奇地发现,一旦电路接通,本来难以润湿聚四氟乙烯的水滴变得铺展开了许多;电路断开后,水滴又恢复了原来的形状。这是为什么呢?

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图1 电润湿的示意图。左右分别表示电压施加前后水滴在聚四氟乙烯或难以被水润湿的材料表面上的变化[1]

假设电源的正极与金属相连,负极与水滴相连。当电路接通后,负电荷要从水滴向金属移动,正电荷则要从金属向水滴移动;可是它们都被聚四氟乙烯这个标准的绝缘体给挡住了,因此正电荷不断聚集在聚四氟乙烯与金属的交界处,而聚四氟乙烯与水的界面则被大量的负电荷所占据。聚四氟乙烯本来不欢迎水润湿它的表面,可是正负电荷之间的强烈吸引又让水滴在聚四氟乙烯的表面极力铺展。当电场强大到一定程度,正负电荷之间的吸引超过了聚四氟乙烯与水的互相“憎恶”,水滴就润湿了聚四氟乙烯的表面。这种液体在电场作用下变得更加容易润湿固体表面的现象就被称为电润湿。当然,一旦断开电源,正负电荷之间的吸引力不复存在,水滴又会变得难以润湿聚四氟乙烯的表面。

接下来让我们准备一个封闭的样品池,它内部充满互不相溶的水和油,而顶面和底面都必须既透明又能导电,因此可以像前面介绍的那样通过在玻璃或者塑料表面镀上氧化铟锡这样的既透明又导电的物质来实现,底面的上表面也就是与液体接触的那一面还要涂上一层聚四氟乙烯。接下来我们让样品池的顶面和底面分别与电源两极相连。一个简单的电润湿式电子纸显示设备就做好了。

虽然水滴很难润湿聚四氟乙烯的表面,但聚四氟乙烯并不那么讨厌油类。因此如果水和油一起添加到底部为聚四氟乙烯的样品池中,油会留在样品池底部与聚四氟乙烯保持接触,而水则被排挤到样品池上方,尽可能远离聚四氟乙烯[2]。一旦电路接通,油因为自身不导电,润湿聚四氟乙烯的能力并没有明显变化;而水由于能聚集电荷,润湿聚四氟乙烯的能力却大大增强。当水的润湿能力变得足够强、油的体积又足够小时,在电场作用下,水会“霸道”地把油挤到样品池的角落,独享大部分聚四氟乙烯的表面。一旦电路断开,电润湿现象就会消失,水又乖乖地回到样品池的上方。

现在让我们在油中添加一些黑色颜料,再把样品池置于一块白色的底板上面。当电路断开时,由于油层完全覆盖了样品池的底部,我们从上方观察时就会看到黑色。一旦电路连通,无色透明的水占据了底部的大部分,黑色的油滴则被推到一角。如果样品池和油的体积都足够小,我们从样品池上方观察时,无法分辨出这么小的黑色油滴,只会看到醒目的白色。这样,通过电路的连通与断开,我们就可以非常方便地在黑白两种颜色间切换。如果把许多这样的样品池放在一起,再分别控制每个样品池电路的连通与断开,那么无需自带的光源就可以让它们不断显示出特定的黑白颜色及标示的内容。

这种电子纸由于借助了电润湿现象,就被称为电润湿式电子纸。当然,我们也可以把放置在样品池下方的的白色底板拿掉,这样通过控制电路实现就不再是黑白两种颜色的变化,而是透明与不透明两种状态的改变。不要小看这一点点变化,我们以后会看到它大有用处。

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图2 电润湿式电子纸的工作原理(上)和实物展示(下)。左:未施加电压时,含有黑色颜料的油与样品池底面接触,观察者看到黑色;右:施加电压后,由于水润湿底面的能力增强,油退缩至样品池一角,入射光线被白色底板反射,观察者看到白色[3]。(hydrophobic insulator:疏水性绝缘体;transparent electrode:透明电极;white substrate: 白色底板;homogeneous oil film:均匀的油膜)

有的朋友可能会问,既然电泳显示式的电子纸已经相当成熟,我们为什么又要开发电润湿式的电子纸呢?前面我们提到,电泳显示的关键是带电的颜料微粒在电场作用下在液体中移动,而移动时由于液体的阻力,其移动的速度会受到影响,所以更新一次显示的内容大概需要100毫秒。电润湿式电子纸是液体移动变换显示内容,液体受到的阻力要小很多,速度自然也要快很多——一个长宽几百微米的样品池,油膜只需十几毫秒就可以变成收缩状态[3]——这意味着要达到相同的分辨率,电润湿式电子纸的反应时间大大低于电泳显示,与传统液晶显示屏的刷新时间相当。因此,有研究人员认为,电润湿式电子纸甚至有可能用来播放视频。

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图3 电润湿式电子纸的反应时间。实线和虚线分别表示电压施加和撤除后显示设备反射光的能力的变化。曲线对应的每个样品池的宽度是250微米。可见更换显示内容只需要不到15毫秒[3]。

不过与电泳显示式电子纸相比,电润湿式电子纸也存在很大的问题。之前我们提到,对于电泳显示,颜料微粒在电场作用下被移到到指定位置后,撤去电场仍然可以稳定停留在那个位置,因此使用电泳显示技术的电子纸设备则只需要在切换显示内容时消耗电能。可是,电润湿式电子纸一旦撤去电场,电润湿现象也随之消失,液体就会恢复原来的形状。这就意味着看书时,长时间停留在同一页文字上,显示设备就必须维持一定的电场。因此与液晶屏相比,虽然两种电子纸都节省了光源发光消耗的电能,电润湿式电子纸仍然可能比电泳显示式电子纸消耗更多的能源。不过,通过巧妙的设计,一些研究人员已经能够克服这个缺陷[4]。

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图4 某企业展示的电润湿式电子纸设备[5]

作为电子纸技术的后起之秀,电润湿式电子纸体现出许多独有的魅力,也注定要面对许多挑战。它能不能为我们带来更多惊喜呢?让我们拭目以待吧。

参考文献和注释

[1] http://gozips.uakron.edu/~aaa80/research.html

[2]当样品池尺寸小到一定程度时,液体与表面之间的作用占据支配地位,而重力的作用则可以忽略;因此大多数有机溶剂的密度虽然要小于水,它们仍然有可能位于样品池底部与底面接触。事实上许多有关电润湿式电子纸的研究(例如参考文献[3])都没有强调必须使用密度比水大的油。

[3] Robert A. Hayes and B. J. Feenstra, “Video-speed electronic paper based on electrowetting”, Nature, 2003, 425, 383

[4] S. Yang, K. Zhou, E. Kreit, and J. Heikenfeld, “High reflectivity electrofluidic pixels with zero-power grayscale operation”, Applied Physics Letters, 2010, 97, 143501

[5] http://www.liquavista.com/media/772/LQV0905291LL5-15.pdf

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