Een nieuw driedimensionaal (3D) touchless interactief display kan van kleur veranderen op basis van de afstand van de vinger van de gebruiker tot het scherm door subtiele verschuivingen in de relatieve vochtigheid van de omgeving te detecteren, volgens een nieuwe studie. De technologie kan toekomstige toepassingen vinden in draagbare elektronica en elektronische skins (e-skins) die kunstmatig het vermogen van de menselijke huid om druk te voelen nabootsen, temperatuur, en vochtigheid. Hoewel wetenschappers al verschillende interactieve aanraakschermen hebben ontwikkeld, de meeste hiervan hebben betrekking op variaties in de intensiteit van lichtemissie of chroomreflectie als reactie op een stimulus in plaats van kleurveranderingen, die meer opvallende en duidelijke visuele feedback kan geven.

Om een ​​touchless interactief display te ontwikkelen op basis van veranderingen in structurele kleur, Han Sol Kang en collega's in materiaalkunde, nanotechnologie en chemische technologie in de Republiek Korea en de VS, ontwierp een nieuw display met behulp van chemisch verknoopte, intergepenetreerde hydrogelnetwerklagen in fotonische kristallen die reageren op veranderingen in waterdamp wanneer een vinger van 1 tot 15 millimeter van het oppervlak wordt bewogen. Het proces zou de configuratie van de oppervlaktestructuren kunnen verschuiven om blauw, groene en oranje kleuren. De onderzoekers toonden vervolgens de mogelijkheid aan om de op fotonische kristallen gebaseerde film gemakkelijk van het ene substraat naar het andere over te brengen door het van een siliciumoppervlak om te wisselen naar een gedrukt biljet van één dollar. Door ionische vloeibare doteermiddelen (die de elektrische eigenschappen van een halfgeleider veranderen) te combineren als drukinkten, de onderzoekers merken toepassingen van de technologie op voor afdrukbare en herschrijfbare displays.

User-interactive displays (UID's) vergemakkelijken de visualisatie van onzichtbare informatie die kan worden waargenomen, zoals aanraking, geur en geluid, met potentiële toepassingen in draagbare en patchbare elektronica die geschikt is voor een futuristische hyperverbonden samenleving. De enorme vraag naar elektronische huid die de menselijke huid kunstmatig kan nabootsen om temperatuur te voelen, druk en vochtigheid hebben geleid tot de ontwikkeling van een verscheidenheid aan mens-interactieve aanraakschermen. Er is veel vraag naar een aanraakplatform om een ​​stimulus te visualiseren zonder aanraking op 3D interactieve touchless displays. Kang et al. stel je een prikkelgevoelige, laag vermogen, reflecterende modus, zichtbare bereik structurele kleur (SC) van een fotonisch kristal (PC) om te voldoen aan de technische vereisten van een gebruikersinteractief 3D touchless display. De wetenschappers ontwikkelden een printbaar 3D touchless interactief display met behulp van een hygroscopische ionische vloeibare inkt met gemakkelijke structurele kleurvariatie ten opzichte van vochtigheid. Als proof-of-concept, ze toonden 3D-positiedetectie van waterdamp afkomstig van een menselijke vinger (vochtigheid) voor contactloze weergave van vinger tot film, met opkomende toepassingen in draagbare elektronica.

Het team gebruikte zelf-geassembleerde 1-D blokcopolymeer (BCP) fotonische kristallen (PC) waarvan de gelaagde periodieke microstructuur zich spontaan ontwikkelde bij filmvorming. Vervolgens ontwikkelden ze chemisch verknoopte interpenetrated hydrogel network (IHN) lagen in een BCP PC-microdomein. Kang et al. controleerde de hoeveelheid intergepenetreerd hydrogelnetwerk in het construct met behulp van UV-straling om de structurele kleur (SC) over het volledige zichtbare bereik te regelen. Met behulp van foto's van de geconstrueerde interpenetrated hydrogel-netwerkblokcopolymeerfotonische kristallen (IHN BCP-pc's), ze toonden de bestralingsafhankelijke variatie van SC. De polymeerfilm was pseudo-elastisch (het materiaal herstelde volledig na het lossen van grote spanningen) met uitstekende mechanische robuustheid, flexibiliteit en zonder plakkerig, gelachtige visco-elasticiteit op het bovenoppervlak om het geschikt te maken voor waarneming in vaste toestand.

Kang et al. uitgebreid het solid-state construct gekarakteriseerd met behulp van grazende invallende kleine hoek röntgenverstrooiing (GISAXS) en transmissie-elektronenmicroscopie (TEM). De resultaten toonden de ontwikkeling van zeer geordende 1-D fotonische kristalstructuren en hun berekende in-plane lamellen waren consistent met FDTD-simulaties (finite-difference time-domain). Voor transversale transmissie-elektronenmicroscopie, ze gebruikten dwarsdoorsneden van de mechanisch robuuste film via gefocusseerde ionenbundelfrezen en noteerden de verschillende lagen van de materiële lamellen.

De TEM-afbeeldingen van BCP-films vertoonden schroefdislocaties (defecten in kristallen) verdeeld over het monsteroppervlak om het transport van vloeibare en oligomere middelen naar de BCP-films te vergemakkelijken. De BCP-film zorgde ervoor dat watermoleculen door dislocaties van de schroeven konden diffunderen om contactloze detectie op basis van vochtigheid te vergemakkelijken. Het team verkreeg aanvullende mechanische eigenschappen, waaronder de effectieve modulus van de IHN BCP-pc's met behulp van nano-indentatie. Het pseudo-elastische materiaal had een effectieve elasticiteitsmodulus van ongeveer 5,3 GPa - zoals verwacht en vergelijkbaar met die waargenomen voor conventionele glasachtige polymeren.

Om een ​​kleurendisplay te krijgen, Kang et al. een inkjetprinter gebruikt voor directe afzetting van een inkt die bekend staat als L-ethyl-3-methylimidazolium bis-(trifluormethylsulfonyl)-imide, afgekort EMIMTFSI, op een IHN BCP pc-film. De kleur van de film hing af van de hoeveelheid EMIMTFSI die in een bepaald gebied werd afgezet. De inkjetprinter had slechts één inkt nodig voor de afzetting op de IHN BCP PC-film, die duidelijk verschilde van een commerciële inkjetprinter met rode, groente, en blauwe kleurstofinkten. Kang et al. produceerde een bepaald gekleurd beeld door eerst de juiste kleurinformatie te programmeren in een zwart/grijs/wit-contrast. Als proof-of-concept, ze hebben een biljet van een Amerikaanse dollar omgezet in een zwart-witcontrast met behulp van software, en reconstrueerde het full colour structurele kleurenbeeld met behulp van EMIMTFSI inkjetprinten op een IHN BCP PC-film.

Voor verdere toepassingen van het IHN BCP PC-display, Kang et al. gebruikte een andere hygroscopische ionische vloeistof genaamd bis(trifluormethylsulfonyl)amine lithiumzout (afgekort LiTFSI). Bij diffusie van deze ionische vloeistof in het materiaal, de structurele kleur van het fotonische kristal werd gevoelig voor omgevingsvochtigheid. De LiTFSI maakte associatie met watermoleculen mogelijk voor structurele kleurvariaties over het zichtbare bereik als een functie van vochtigheid. Het geabsorbeerde water zou in een omkeerbaar proces kunnen worden verspreid. Dankzij de opstelling kon de menselijke vinger met een natuurlijke vochtigheid van ongeveer 90 procent een uitstekende bron zijn om de structurele kleur van de weergavefilm te moduleren, wat het team experimenteel bevestigde. Het 3D touchless detectiescherm werkte met succes onder meerdere detectiegebeurtenissen met verschillende vinger-tot-fotonische kristalafstanden. Verhoogde capaciteit als gevolg van wateropname benaderde een responstijd van 20 seconden en de omkeerbare verandering in structurele kleur duurde 55 tijdcycli.

Op deze manier, Han Sol Kang en collega's demonstreerden een gebruikersinteractief 3D touchless sensing display op basis van blokcopolymeer fotonische kristallen met onderling verbonden hydrogelnetwerken (afgekort IHN BCP pc's). De technische techniek zorgde voor mechanisch zachte en robuuste structurele kleuren met een volledig zichtbaar bereik op een film met een effectieve modulus. Het team combineerde de film met verschillende ionische vloeibare drukinkten om bedrukbare en herschrijfbare displays te creëren voor 3D touchless detectie door variërende capaciteit en structurele kleurveranderingen, om een ​​nieuwe benadering voor solid-state sensoren en 3D touchless displays te demonstreren.

© 2020 Wetenschap X Netwerk