Un nouvel écran interactif sans contact en trois dimensions (3D) peut changer de couleur en fonction de la distance entre le doigt de l'utilisateur et l'écran en détectant des changements subtils de l'humidité relative ambiante, selon une nouvelle étude. La technologie pourrait trouver des applications futures dans l'électronique portable et les peaux électroniques (e-skins) qui imitent artificiellement la capacité de la peau humaine à ressentir la pression, Température, et l'humidité. Alors que les scientifiques ont déjà développé une variété d'écrans tactiles interactifs, la plupart d'entre eux impliquent des variations de l'intensité de l'émission lumineuse ou de la réflexion chromique en réponse à un stimulus plutôt que des changements de couleur, qui peut fournir un retour visuel plus frappant et distinct.

Développer un affichage interactif sans contact basé sur les changements de couleur structurelle, Han Sol Kang et ses collègues en science des matériaux, nano-ingénierie et génie chimique en République de Corée et aux États-Unis, a conçu un nouvel affichage utilisant chimiquement réticulé, couches de réseau d'hydrogel interpénétrées dans les cristaux photoniques qui réagissent aux changements de vapeur d'eau lorsqu'un doigt est déplacé de 1 à 15 millimètres de la surface. Le processus pourrait modifier la configuration de ses structures de surface pour produire du bleu, couleurs vertes et oranges. Les chercheurs ont ensuite démontré la possibilité de transférer facilement le film à base de cristal photonique d'un substrat à un autre en le faisant passer d'une surface de silicium à un billet imprimé d'un dollar. En combinant des dopants liquides ioniques (qui modifient les propriétés électriques d'un semi-conducteur) comme encres d'imprimerie, les chercheurs notent les applications de la technologie pour les écrans imprimables et réinscriptibles.

Les écrans interactifs pour l'utilisateur (UID) facilitent la visualisation d'informations invisibles pouvant être détectées telles que le toucher, odeur et son, avec des applications potentielles dans l'électronique portable et patchable adaptées à une société hyperconnectée futuriste. L'énorme demande de peau électronique qui peut imiter artificiellement la peau humaine pour détecter la température, la pression et l'humidité ont conduit au développement d'une variété d'écrans tactiles interactifs avec l'homme. Une plate-forme tactile est demandée pour visualiser un stimulus sans toucher sur des écrans interactifs sans contact en 3D. Kang et al. imaginer un stimuli-sensible, batterie faible, mode réfléchissant, couleur structurelle de la plage visible (SC) d'un cristal photonique (PC) pour répondre aux exigences d'ingénierie d'un écran sans contact 3-D interactif pour l'utilisateur. Les scientifiques ont développé un écran interactif sans contact en 3D imprimable à l'aide d'une encre liquide ionique hygroscopique avec une variation de couleur structurelle facile par rapport à l'humidité. Comme preuve de concept, ils ont montré une détection de position 3-D de la vapeur d'eau émanant d'un doigt humain (humidité) pour un affichage sans contact du doigt au film, avec des applications émergentes dans l'électronique portable.

L'équipe a utilisé des cristaux photoniques (PC) de copolymère séquencé 1-D auto-assemblés dont la microstructure périodique en couches s'est développée spontanément lors de la formation du film. Ils ont ensuite développé des couches de réseau d'hydrogel interpénétré (IHN) chimiquement réticulé dans un microdomaine PC BCP. Kang et al. contrôlé la quantité de réseau d'hydrogel interpénétré dans la construction en utilisant une irradiation UV pour contrôler sa couleur structurelle (SC) sur toute la plage visible. À l'aide de photographies des cristaux photoniques de copolymère séquencé à réseau d'hydrogel interpénétré (PC IHN BCP), ils ont montré la variation dépendante de l'irradiation de SC. Le film polymère était pseudo-élastique (le matériau récupéré complètement après déchargement de grandes déformations) avec une excellente robustesse mécanique, souplesse et sans collant, viscoélasticité semblable à un gel sur la surface supérieure pour la rendre adaptée à la détection à l'état solide.

Kang et al. a largement caractérisé la construction à l'état solide en utilisant la diffusion rasante des rayons X aux petits angles (GISAXS) et la microscopie électronique à transmission (MET). Les résultats ont montré le développement de structures cristallines photoniques 1D hautement ordonnées et leurs lamelles calculées dans le plan étaient cohérentes avec les simulations du domaine temporel aux différences finies (FDTD). Pour la microscopie électronique à transmission en coupe transversale, ils ont utilisé des échantillons en coupe transversale du film mécaniquement robuste via un broyage par faisceau d'ions focalisé et ont noté les différentes couches des lamelles de matériau.

Les images MET des films BCP ont montré des dislocations de vis (défauts dans les cristaux) réparties sur la surface de l'échantillon pour faciliter le transport des agents liquides et oligomères dans les films BCP. Le film BCP a permis aux molécules d'eau de se diffuser à travers les dislocations de vis pour faciliter la détection sans contact basée sur l'humidité. L'équipe a obtenu des propriétés mécaniques supplémentaires, notamment le module effectif des PC IHN BCP à l'aide de la nanoindentation. Le matériau pseudo-élastique avait un module élastique effectif d'environ 5,3 GPa, comme prévu et similaire à ceux observés pour les polymères vitreux conventionnels.

Pour obtenir un affichage couleur, Kang et al. utilisé une imprimante à jet d'encre pour le dépôt direct d'une encre connue sous le nom de L-éthyl-3-méthylimidazolium bis-(trifluorométhylsulfonyl)-imide, en abrégé EMIMTFSI, sur un film PC IHN BCP. La couleur du film dépendait de la quantité d'EMIMTFSI déposée dans une région donnée. L'imprimante à jet d'encre ne nécessitait qu'une seule encre pour le dépôt sur le film PC IHN BCP, qui différait nettement d'une imprimante à jet d'encre commerciale avec du rouge, vert, et des encres à colorant bleu. Kang et al. produit une image colorée donnée en programmant d'abord les informations de couleur appropriées dans un contraste noir/gris/blanc. Comme preuve de concept, ils ont converti un billet d'un dollar américain en un contraste noir et blanc à l'aide d'un logiciel, et reconstruit l'image couleur structurelle en couleur à l'aide de l'impression à jet d'encre EMIMTFSI sur un film PC IHN BCP.

Pour d'autres applications de l'écran PC IHN BCP, Kang et al. utilisé un autre liquide ionique hygroscopique nommé sel de lithium bis(trifluorométhylsulfonyl)amine (en abrégé LiTFSI). Lors de la diffusion de ce liquide ionique dans le matériau, la couleur structurelle du cristal photonique est devenue sensible à l'humidité ambiante. Le LiTFSI a permis l'association avec des molécules d'eau pour que des variations de couleur structurelles se produisent dans la gamme visible en fonction de l'humidité. L'eau absorbée pourrait être diffusée dans un processus réversible. La configuration a permis au doigt humain avec une humidité naturelle d'environ 90 % d'être une excellente source pour moduler la couleur structurelle du film d'affichage, que l'équipe a confirmé expérimentalement. L'écran de détection sans contact 3-D a fonctionné avec succès sous plusieurs événements de détection avec différentes distances doigt-cristal photonique. La capacité accrue due à l'absorption d'eau avoisinait un temps de réponse de 20 secondes et le changement réversible de la couleur structurelle a duré 55 cycles de temps.

De cette façon, Han Sol Kang et ses collègues ont démontré un écran de détection sans contact 3-D interactif pour l'utilisateur basé sur des cristaux photoniques de copolymère séquencé avec des réseaux d'hydrogel interconnectés (en abrégé IHN BCP PCs). La technique d'ingénierie a permis d'obtenir des couleurs structurelles sur toute la gamme visible mécaniquement douces et robustes sur un film avec un module efficace. L'équipe a combiné le film avec diverses encres d'impression liquides ioniques pour créer des écrans imprimables et réinscriptibles pour une détection sans contact en 3D grâce à des changements de capacité et de couleur structurels variables, pour démontrer une nouvelle approche pour les capteurs à semi-conducteurs et les écrans sans contact 3D.

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