3-D berøringsfri interaktiv skærm registrerer fingerfugtighed for at skifte farve

En ny tredimensionel (3-D) berøringsfri interaktiv skærm kan ændre farve baseret på afstanden mellem brugerens finger fra skærmen ved at detektere subtile skift i den omgivende relative luftfugtighed, ifølge en ny undersøgelse. Teknologien kan finde fremtidige anvendelser i bærbar elektronik og elektroniske skins (e-skins), der kunstigt efterligner menneskelig huds evne til at føle tryk, temperatur, og fugtighed. Mens forskere allerede har udviklet en række interaktive berøringsskærme, de fleste af disse involverer variationer i intensiteten af ​​lysemission eller chromisk refleksion som reaktion på en stimulus snarere end ændringer i farve, som kan give mere slående og tydelig visuel feedback.

At udvikle en berøringsfri interaktiv skærm baseret på ændringer i strukturelle farver, Han Sol Kang og kolleger i materialevidenskab, nanoteknik og kemiteknik i Republikken Korea og USA, designet en ny skærm ved hjælp af kemisk tværbundet, interpenetrerede hydrogel-netværkslag i fotoniske krystaller, der reagerer på ændringer i vanddamp, når en finger flyttes fra 1 til 15 millimeter fra overfladen. Processen kunne ændre konfigurationen af ​​dens overfladestrukturer til at producere blå, grønne og orange farver. Forskerne demonstrerede derefter muligheden for nemt at overføre den fotoniske krystalbaserede film fra et substrat til et andet ved at bytte det fra en siliciumoverflade til en trykt en-dollarseddel. Ved at kombinere ioniske flydende dopingmidler (som ændrer en halvleders elektriske egenskaber) som trykfarver, forskerne bemærker anvendelser af teknologien til printbare og genskrivbare skærme.

Brugerinteraktive skærme (UID'er) letter visualiseringen af ​​usynlig information, der kan fornemmes såsom berøring, lugt og lyd, med potentielle anvendelser inden for bærbar og patchbar elektronik velegnet til et futuristisk hyperforbundet samfund. Den enorme efterspørgsel efter elektronisk hud, der kunstigt kan efterligne menneskelig hud for at føle temperatur, tryk og fugtighed har ført til udviklingen af ​​en række menneske-interaktive berøringsskærme. En berøringsplatform er efterspurgt til at visualisere en stimulus uden berøring på 3-D interaktive berøringsfri skærme. Kang et al. forestille sig en stimuli-følsom, lav strøm, reflekterende tilstand, strukturel farve i synligt område (SC) af en fotonisk krystal (PC) for at tilfredsstille de tekniske krav til en brugerinteraktiv 3D berøringsfri skærm. Forskerne udviklede en printbar 3-D berøringsfri interaktiv skærm ved hjælp af en hygroskopisk ionisk flydende blæk med let strukturel farvevariation i forhold til fugtighed. Som proof of concept, de viste 3-D positionsføling af vanddamp, der udsendes fra en menneskelig finger (fugtighed) for berøringsfri visning fra finger til film, med nye applikationer inden for bærbar elektronik.

Holdet brugte selvsamlede 1-D blokcopolymer (BCP) fotoniske krystaller (PC), hvis lagdelte periodiske mikrostruktur udviklede sig spontant ved filmdannelse. De udviklede derefter kemisk tværbundne interpenetrerede hydrogel netværk (IHN) lag i et BCP PC mikrodomæne. Kang et al. kontrollerede mængden af ​​interpenetreret hydrogel-netværk i konstruktionen ved hjælp af UV-bestråling til at kontrollere dens strukturelle farve (SC) over hele det synlige område. Ved hjælp af fotografier af de konstruerede interpenetrerede hydrogel netværk blok copolymer fotoniske krystaller (IHN BCP PC'er), de viste den bestrålingsafhængige variation af SC. Polymerfilmen var pseudoelastisk (materialet genvundet fuldstændigt efter aflæsning af store belastninger) med fremragende mekanisk robusthed, fleksibilitet og uden klæbrighed, gel-lignende viskoelasticitet på den øvre overflade for at gøre den velegnet til solid-state sensing.

Kang et al. karakteriserede i vid udstrækning solid-state konstruktionen ved brug af græsningsindfaldende røntgenspredning med lille vinkel (GISAXS) og transmissionselektronmikroskopi (TEM). Resultaterne viste udviklingen af ​​højt ordnede 1-D fotoniske krystalstrukturer, og deres beregnede in-plane lameller var i overensstemmelse med finite-difference time-domain (FDTD) simuleringer. Til tværsnitstransmissionselektronmikroskopi, de brugte tværsnitsprøver af den mekanisk robuste film via fokuseret ionstrålefræsning og noterede de forskellige lag af materialelamellerne.

TEM-billederne af BCP-film viste skrueforskydninger (defekter i krystaller) fordelt over prøveoverfladen for at lette transporten af ​​flydende og oligomere midler ind i BCP-filmene. BCP-filmen tillod vandmolekyler at diffundere gennem skrueforskydninger for at lette fugtbaseret berøringsfri sensing. Holdet opnåede yderligere mekaniske egenskaber, herunder det effektive modul af IHN BCP-pc'erne ved hjælp af nanoindentation. Det pseudoelastiske materiale havde et effektivt elasticitetsmodul, der tilnærmelsesvis 5,3 GPa - som forventet og ligner dem, der er observeret for konventionelle glasagtige polymerer.

For at få et fuldfarvedisplay, Kang et al. brugt en inkjetprinter til direkte afsætning af en blæk kendt som L-ethyl-3-methylimidazolium bis-(trifluormethylsulfonyl)-imid, forkortet EMIMTFSI, på en IHN BCP PC-film. Filmens farve afhang af mængden af ​​EMIMTFSI aflejret i en given region. Inkjetprinteren krævede kun en enkelt blæk til afsætning på IHN BCP PC-filmen, som adskilte sig markant fra en kommerciel inkjetprinter med rød, grøn, og blå farveblæk. Kang et al. produceret et givet farvet billede ved først at programmere den passende farveinformation til en sort/grå/hvid kontrast. Som proof of concept, de konverterede en amerikansk dollarseddel til en sort/hvid kontrast ved hjælp af software, og rekonstruerede det fuldfarvede strukturelle farvebillede ved hjælp af EMIMTFSI inkjet print på en IHN BCP PC film.

For yderligere anvendelser af IHN BCP PC-skærmen, Kang et al. brugt en anden hygroskopisk ionisk væske ved navn bis(trifluormethylsulfonyl)aminlithiumsalt (forkortet LiTFSI). Ved diffusion af denne ioniske væske ind i materialet, den fotoniske krystals strukturelle farve blev følsom over for miljøets fugtighed. LiTFSI tillod association med vandmolekyler for strukturelle farvevariationer at forekomme på tværs af det synlige område som funktion af fugtighed. Det absorberede vand kunne diffunderes ud i en reversibel proces. Opsætningen gjorde det muligt for den menneskelige finger med en naturlig fugtighed på ca. 90 procent at være en fremragende kilde til at modulere den strukturelle farve på skærmfilmen, hvilket holdet bekræftede eksperimentelt. Den 3-D berøringsfri sensing-skærm fungerede med succes under flere sansehændelser med forskellige finger-til-fotoniske krystalafstande. Øget kapacitans på grund af vandoptagelse tilnærmede sig en responstid på 20 sekunder, og den reversible ændring i strukturel farve varede 55 tidscyklusser.

På denne måde Han Sol Kang og kolleger demonstrerede et brugerinteraktivt 3-D berøringsfrit sensordisplay baseret på fotoniske blok-copolymer-krystaller med indbyrdes forbundne hydrogel-netværk (forkortet IHN BCP-pc'er). Den tekniske teknik muliggjorde mekanisk bløde og robuste strukturelle farver i fuldt synligt område på en film med et effektivt modul. Holdet kombinerede filmen med forskellige ioniske flydende trykfarver for at skabe printbare og genskrivbare skærme til 3-D berøringsfri sensing gennem varierende kapacitans og strukturelle farveændringer, at demonstrere en ny tilgang til solid-state sensorer og 3-D berøringsfri skærme.

© 2020 Science X Network