基于液态金属相变的三维形态可重构显示器

以下文章来源于液态金属FM ，作者Yi & Open AI

三维显示器作为下一代显示技术，能够提供更出色的用户体验。然而，现有技术难以实现稳定的三维结构形状重构。为了克服这一挑战，Jae-Woong Jeong团队利用低熔点合金（LMPA）的相变刚度变化，开发了一种电热响应的三维形状可重构显示器（SMD）。SMD器件由电热形状调控平台（eSMP）和可拉伸交流电致发光装置（ACEL）组成。eSMP采用了低熔点菲尔德金属（FM）、石墨烯纳米片（GNPs）和PDMS混合压缩后封装硅树脂制成。FM和石墨烯纳米片在机械压缩下形成导电通路，实现了快速的电热响应。在电热作用下，FM转变为柔性的液态，从而可以实现形状的变形。当电压移除温度下降时，FM迅速凝固，保持稳定的刚性形状。ACEL由具有磷光特性的ZnS:Cu/PDMS层和一对可拉伸的银纳米线透明电极组成。这种技术为显示装置带来了全新的可能性，并在虚拟现实、可穿戴设备、智能家居等领域中具有广泛的应用前景。该研究成果以“3D Shape-Morphing Display Enabled by Electrothermally Responsive, Stiffness-Tunable Liquid Metal Platform with Stretchable Electroluminescent Device”发表在《Advanced Functional Materials》上。

图1 具有可逆形状重构和固定的SMD。a）SMD的概念、工作原理和潜在应用，SMD可以基于热驱动刚度调节变形为稳固的3D结构。SMD可以在各种应用中使用，包括i）可手持以及腕带的可穿戴显示器，ii）3D艺术显示器，以及iii）可以提供3D触摸传感的视觉触觉汽车界面。b）SMD的爆炸图，由ACEL器件和eSMP组成。c）基于液态金属的刚度可调材料的响应速度和软硬模量比的比较。d）光学图像展示了SMD的形状可编程性，可以将其转换为各种复杂的3D结构并承受重载。

图2 电热变形平台相变行为的电热研究。a）eSMP内部结示意图，其中FM微粒和GNP在弹性体基质内形成导电通路。b）eSMP的光学图像。c）FM-GNP-PDMS复合材料的拉曼光谱显示出GNP的特征峰。FM颗粒的d）熔化和e）冻结过程中平台的相变图。f）SMP（不添加GNP）和eSMP（添加GNP）的电阻率，说明混合GNP提高了eSMP的电导率。g）SMP和eSMP的相变时间与施加的加热温度之间的关系曲线。h）SMP和eSMP在不同冷冻温度下的相变所需的时间。i）SMP和eSMP的红外热图，用3V的外加电压加热焦耳。eSMP实现更加均匀的加热。j）在不同电压下焦耳加热期间eSMP的温度时间曲线。k）在不同功率密度下，响应焦耳加热的相变所需的特征时间。

图3 eSMP的机械和形状记忆特性。a）照片展示了eSMP在不同FM体积比（Φ）情况下的承载能力。b）不同FM体积比的eSMP弹性模量的温度依赖性。c）eSMP（实线）和SMP（虚线）在刚性和柔性状态下的应力-应变曲线。d）照片展示了eSMP在拉伸20%后保持其形状的能力。底部的光学图像显示了FM-GNP-弹性体复合材料在初始（红框）和有拉伸应变（蓝框）的情况下的横截面形。e）平台的形状固定程度和恢复程。f）

展示了eSMP能够从3D变形状态恢复到原始形状的能力（即形状记忆能力）。g）变形eSMP的形状固定性程度作为时间的函。h）变形的eSMP从圆顶形状的形状恢复程度。

图4 SMD的多样化应用演示。a）集成ACEL器件的SMD作为发光元件的结构设计，该器件由可拉伸的透明AgNW电极和ZnS:Cu/PDMS发光层组成。b）ACEL器件在各种变下的光学图像。c）SMD的亮度作为不同频率的施加电压的函数。d、e）SMD的相对亮度作为拉伸应变（d）和弯曲半径（e）的函数，以确认变形下的稳定照明。f）SMD的3D地形变形和恢复，显示了可逆的形状变形。g）SMD在1）变革性可穿戴显示器、2）3D触摸感应显示器和3）智能艺术显示器中的各种应用的示意图。

图5 3D触摸传感SMD在汽车显示器中的应用。a）3D触摸感应显示器的概念图。b）具有1×4阵列的3D触摸感应显示器的两种可转换状态的光学图像。c）传感器的归一化电容与拉伸应变之间的关系。d）传感器在不同应变状态下的相对电容变化。集成在e）齿轮旋钮上的3D触摸感应显示器的照片和集成在f）方向盘上用于控制音频系统的用户友好的视觉触觉接口。g）通过触摸感应显示器对汽车音响系统的分贝水平进行控制。

文章信息：

Oh S, Lee S, Byun S H, et al. 3D Shape‐Morphing Display Enabled by Electrothermally Responsive, Stiffness‐Tunable Liquid Metal Platform with Stretchable Electroluminescent Device[J]. Advanced Functional Materials, 2023: 2214766.

https://doi.org/10.1002/adfm.202214766

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