【尖端科技】「不」觸控式螢幕

■滑滑滑已經是近年最夯的全民運動,但如果手指不觸碰到螢幕仍舊可以滑是不是更有趣。

1212撰文|方程毅

隨著科技的普及觸控式螢幕已經滲透我們生活的每個角落,手機、平板電腦乃至ibon或銀行提款等等,這世界好像已經沒有什麼事情不經由觸控式螢幕完成了。但觸控式螢幕卻也產生一些問題,例如容易磨損或是傳播細菌和疾病。私人的手機或平板可能沒什麼差,畢竟替換周期比較短,也不會常常共用,但是像ibon或是銀行提款機這種公用的觸控螢幕就不是這麼回事了,使用的人百百種,可能莫名其妙就磨損了,更糟糕的是上面沾有各式各樣的細菌,若是不注意衛生清潔,可能把前人的「精華」都吃下肚。因此若是這類螢幕可以不用直接觸碰,而是當手指靠近螢幕的時候就能移動游標,不僅可以延長螢幕壽命,也可以減少疾病的傳播。

但不觸控要怎麼移動游標呢?一般觸控式螢幕都是電容式或電阻式,兩者都必須手指直接接觸螢幕才有辦法使用。所以「不」觸控螢幕的工作原理一定是個全新的點子。這個答案也讓人意想不到:濕度。德國馬克斯普朗克固態研究所(Max Planck Institute for Solid State Research)、慕尼黑大學(Ludwig-Maximilians-Universität (LMU))及慕尼黑奈米研究中心(Nanosystems initiative Munich)共同研發出一種感測手指周圍濕度的「不」觸控螢幕,並將這項研究成果發表在Advanced materials期刊上,同時獲得Phy.org網站報導。

這個利用濕度變化製成的「不」觸控螢幕其實是一個非常靈敏的溼度偵測器,當手指靠近螢幕時,手指附近的溼氣會稍微改變螢幕的結構,讓螢幕的顏色改變(如影片),而且顏色變化只在手指附近,不會遍及整個螢幕。這個螢幕的主要材料為層狀 \ H_{3} Sb_{3} P_{2} O_{14} \ TiO_{2} (或 \ SiO_{2} )奈米粒子層,研究人員將這些材料像千層派一樣一層一層堆疊:一層 \ H_{3} Sb_{3} P_{2} O_{14} 、一層 \ TiO_{2} (或 \ SiO_{2} )奈米粒子、一層 \ H_{3} Sb_{3} P_{2} O_{14} 、一層 \ TiO_{2} (或 \ SiO_{2} )奈米粒子,依此類推。在光學上,這種週期性的結構稱為一維光子晶體(1D photonic crystals (1DPCs)),一維光子晶體的顏色會因為這些層狀結構厚度及折射率不同而改變,也就是說如果手指靠近時,手指周圍的溼度可以改變材料厚度,就能夠成功改變螢幕的顏色。 \ H_{3} Sb_{3} P_{2} O_{14} 恰恰好有這種性質,會因為周圍濕度增加而膨脹,因此是濕度式不觸控螢幕的絕佳候選人。只要製造時適當控制每一層的厚度,就可以讓螢幕在手指接近時能夠呈現我們想要的顏色。

通常來說一維光子晶體的顏色變化範圍不大,但螢幕的顏色變化必須要能涵蓋整個可見光波段,所以要找到合適的材料並不容易, \ H_{3} Sb_{3} P_{2} O_{14} 就剛好具備這個特性,不僅濕度偵測靈敏,厚度變化又夠大,更重要的是它的反應時間夠短,螢幕要能運作,反應速度至少要根手指移動速度一樣快,否則手都移開了,螢幕顏色才慢慢變化就一點意義也沒有。根據實驗顯示這個結構的反應速度大概是2-3秒,若要實際應用當然是慢了點,但就初步的結果來說已經很不錯了。此外,耐用度及重複性也是這類元件的重要性質,根據實驗結果,在經過1000次乾溼循環後,螢幕仍然保有原本的性質;而將元件放置8個月之後,也依然能正常運作,代表這個螢幕的耐用性跟持久性都有可能在未來日常生活中應用。

論文的第一作者Katalin Szendrei表示:「因為吸收水氣導致厚度改變,進而改變顏色就跟蝴蝶翅膀或是珍珠母顏色的成色原理相同。」另一位執行這項計畫的博士生Pirmin Ganter也表示:「因為這個濕度感測器能偵測極小範圍的溼度變化,所以可以想像的是這種材料非常適合作為不觸控式螢幕。」雖然這個研究成果極具潛力,但因為是感測濕度,所以未來在封裝時要如何在保護元件及水氣滲透之間取得平衡便是一大難題,不過這些研究人員說他們已經想到方法並著手實驗了,希望未來可以看到突破性的發展,讓滑滑滑變成揮揮揮囉!

原始論文、圖片及影片出處:Szendrei, Katalin, Pirmin Ganter, Olalla Sànchez‐Sobrado, Roland Eger, Alexander Kuhn, and Bettina V. Lotsch. "Touchless Optical Finger Motion Tracking Based on 2D Nanosheets with Giant Moisture Responsiveness."Advanced Materials (2015).

參考資料:Touchless displays superseding touchscreens?

影片連結:http://onlinelibrary.wiley.com/store/10.1002/adma.201503463/asset/supinfo/adma201503463-sup-0006-S6.mp4?v=1&s=c2af4a9aabec08e578dcddde6eb04e4b69013eaa

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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