瑞典三校联合研发560纳米像素视网膜电子纸技术

小编刘卫华 | 分类：论文 | 2025年6月5日

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它可以在保持高反射率和光学对比度的同时实现全彩视频显示，有望实现终极的VR显示器

（映维网Nweon 2025年06月05日）随着对沉浸式体验需求的增长，显示器正以更小的尺寸和更高的分辨率向眼睛靠拢。然而，缩小的像素发射器降低了强度，使它们更难感知。电子纸利用环境光的可见性，保持光学对比度，但不能实现高分辨率。

在一项研究中，瑞典乌普萨拉大学，哥德堡大学和查尔姆斯理工大学团队展示了由WO₃纳米片组成的可电调谐元像素，其尺寸降至~560纳米（> 45000 PPI），当显示尺寸与瞳孔直径匹配时，允许在视网膜进行一对一的像素光电探测器映射。所述技术同时支持视频显示（25 Hz），高反射率（~80%）和光学对比度（~50%），而团队表示这有助于创建终极的虚拟现实显示器。

随着像素尺寸的缩小，主流发光显示器正接近其物理极限。较小的像素尺寸减少了发射器尺寸，导致亮度显著下降，这使得它们越来越难以用肉眼感知。相关限制暴露了使用传统发射显示技术实现最终VR显示器的重大挑战。

反射显示器依赖于环境光的可见性，不会受到亮度问题的影响，而且由于反射是由纳米级材质的偏振控制，所以它们的光学对比度不受像素尺寸减小的影响。然而，现有的反射显示（电子纸）技术受到重大限制的阻碍。例如，反射液晶显示器受液晶层厚度的限制，而电泳显示器则受其尺寸的限制。

到目前为止，没有商业可用的反射显示技术达到高分辨率（>1000ppi）。光学超表面已经证明了实现超高像素密度的能力，可以达到10万PPI （~2.5 μm像素尺寸），而图案纳米材质能够以高达每英寸10万点的分辨率打印图像，接近光学衍射极限。

然而，目前大多数纳米打印依赖于静态材质。当应用于动态显示系统时，材质需要通过微光源进行调制，但随着分辨率的增加，微光源依然受到电磁降低强度的固有限制。另外，由于电子纸不发光，相邻像素之间的相互作用可以在超高像素密度下改变其光学特性，这使得使用传统的RGB亚像素配置进行图像显示具有挑战性。

近年来，人们对整合动态和静态材质来探索可调谐纳米光子学系统越来越感兴趣。特别是在显示领域，混合纳米材质-结合可调谐共轭聚合物或半导体作为金属纳米结构的颜色调制器，已经证明了调制亚像素的强度或反射颜色的能力。

所述技术显著增强了电子纸的色域、反射率和光学对比度，并实现了视频显示功能。然而，由于结构、材质和制造方法的限制，混合纳米材质的像素尺寸依然在几十到几百微米的范围内，这使得实现超高分辨率显示具有挑战性。

在一项研究中，瑞典乌普萨拉大学，哥德堡大学和查尔姆斯理工大学团队提出了一种概念性的新电子纸技术，并将其命名为“视网膜电子纸”，而它能够实现超过45000 PPI的超高分辨率。

每个像素的尺寸为~ 560nm，相当于现有最小LED像素的~ 1%的表面积。这种像素大小允许每个亚像素与人类视网膜中的感光细胞一一对应，从而为最终的VR显示器铺平了道路。

视网膜电子纸由电致变色的WO₃元像素组成，并集成了高反射衬底（Pt/Al）。它的归一化高反射率（~80%）和光学对比度（~50%）不受像素尺寸减小的影响，即便在像素尺寸小至~400 nm时都能保持出色的可见性。

为了尽量减少相邻像素之间的干扰，团队仔细优化了原色元像素的尺寸和间距，通过精确混合RGB子像素来实现全彩显示。另外，衬底（Al/Pt）表现出优异的导电性。通过将工作电极和反电极之间的横向距离减小到500 nm，并利用短脉冲输入信号，在40 ms内实现了WO₃纳米像素的>95%光学对比度调制，支持25 Hz的视频显示。

图1B显示了视网膜电子纸的基本结构，它由电致变色的WO₃超材质与高反射（Al/Pt）衬底集成组成。WO₃是在可见光谱（25）中具有高折射率RI（~2 ~ 2.4）的半导体，所以可以通过Mie散射产生颜色。

通过改变纳米片的直径(D)和间距(W)，元像素可以选择性地反射红色、绿色和蓝色，作为显示像素的三个子像素。进一步调整亚像素间距(T)可以生成混合色，如青色、品红和黄色。由于WO₃是电致变色，它可以进行可逆的电化学反应，产生WO₃纳米片的反射调制，允许RGB视频显示。

图2A展示了当纳米圆盘直径(D)从220纳米到320纳米，间距(W)从100纳米到200纳米变化时，WO₃元像素的反射颜色如何在110纳米的固定厚度变化。这个范围使元像素能够覆盖整个可见光谱。

然而，需要注意的是，并非所有RGB像素都适合用于视网膜电子纸中的子像素。与具有发射色光的传统显示器不同，超高分辨率电子纸系统中每个亚像素的反射颜色不仅受其几何形状的影响，而且受与相邻像素的相互作用的影响（图2C）。

因此，选择合适的RGB像素，并确保其混合反射的颜色符合加色混合的原则，是实现全彩显示的关键步骤。

发光显示器的可见度会随着像素尺寸的减小而降低，而电子纸技术即便在超高分辨率下都能保持一致的亮度和反射率。如图2B所示，即使尺寸从20 μm减小到420 nm，红色像素在明场（BF）和暗场（DF）中都保持其颜色和反射率。

最后，图2D给出了产生CMY颜色的合并像素的显微镜和扫描电镜图像。在高倍率下（×100），沿x轴交替的子像素排列形成混合颜色清晰可见。

值得注意的是，单个纳米片的Mie散射模式主要由其尺寸决定，而亚像素阵列在x方向上的光栅模式决定了反射混合色的产生。作为一种电致变色材质，WO₃在可见光谱（400-700 nm）上表现出电可调的折射率(n)和消光系数(k)。在氧化（颜色）状态下，折射率在~2.38 ~ 2.14之间变化，k值为0.4。