Touchless Displays – vom Schmetterlingsflügel lernen

Touchscreens sind aus unserem Alltagsleben nicht mehr wegzudenken. Mit ihnen begann der Siegeszug von Smartphones & Co; heute sind die berührungsempfindlichen Bildschirme integraler Bestandteil von Fahrkartenautomaten und Geldmaschinen. Dennoch haben Touchscreens auch Schwächen – neben mechanischem Verschleiß bilden sie einen idealen Übertragungsweg für Viren und Bakterien. Noch praktischer als Touchscreens könnten daher touchless Screens sein – d.h. Bildschirme, die sich berührungslos navigieren lassen.

Sonne, Wärme, Schweiß – lebensnotwendig, aber auch manchmal als unangenehm wahrgenommen, könnte der Schlüssel zu einer neuen Touchless-Technologie sein.[1] Unserer Körper transpiriert ständig, d.h. er gibt Wassermoleküle durch Poren in der menschlichen Haut an die Umwelt ab. Dies führt zu einer Feuchtigkeitsatomsphäre um den menschlichen Finger.[2,3] Diese Transpiration des Fingers kann mit einem in unserer Arbeitsgruppe entwickelten hochempfindlichen Feuchtigkeitssensor detektiert und in ein elektrisches Signal oder eine Farbänderung umgesetzt werden. Aufgrund der schnellen Ansprechzeit des Sensors auf Fingerbewegungen und der hohen räumlichen Auflösung könnte sich diese Technologie als Grundlage für neuartige  berührungsfreie Displays eignen.


Nanoschichten als Herz der Sensoren

Das chemische Herzstück des Sensors bilden Nanoschichten aus Antimonphosphat, H3Sb3P2O14. Von der kristallinen Schichtverbindung ist bereits seit längerem bekannt, dass sie in Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit Wassermoleküle zwischen ihre Schichten einlagern kann und dabei stark aufquillt.[4] Darüber hinaus bilden die Zwischenschichträume effiziente Transportwege für Protonen (s. Abbildung 1). Durch Delaminieren der Verbindung in einzelne Nanoschichten mit Dicken von wenig mehr als einem Nanometer konnten mit Hilfe der Rotationsbeschichtung (spin-coating) nun erstmals Dünnfilme aus diesem Material hergestellt werden. Durch die spezielle Nanomorphologie der Filme werden die Transportwege für Protonen bei Wassereinlagerung zu Autobahnen: Die Annäherung eines menschlichen Fingers beispielsweise führt zu einer maximalen Erhöhung der Leitfähigkeit um den Faktor 170 - und damit zu einer Signaländerung, die um Größenordnungen größer ist als für vergleichbare Sensoren.[2, 3]

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Ionenaustauschs in der Schichtverbindung K3Sb3P2O14 und anschließender Delamination in einzelne Nanoschichten in Wasser (oben). Reversibles Aufquellen der Nanoschichten in Abhängigkeit der relativen Luftfeuchtigkeit (hier dargestellt durch H2O Moleküle; unten).

Ultradünne bioinspirierte Nanostrukturen mit struktureller Farbe

Stapelt man die Schichten aus Antimonphosphat abwechselnd mit Schichten aus Oxid-Nanopartikeln, lassen sich periodische Multischichtstrukturen aufbauen, sog. eindimensionale (1D) photonische Kristalle. Der Stapel aus insgesamt mehr als zehn Schichten erreicht am Ende eine Höhe von wenig mehr als einem Millionstel Meter.

Abbildung 2: Photonische Kristalle bestehend aus Antimonphosphat-Nanoschichten und TiO2 Nanopartikeln. Das linke Rasterelektronenmikroskopie-Bild ist mit Materialkontrast und das rechte Bild mit Morphologiekontrast aufgenommen.

Photonische Kristalle sind natürlich vorkommende Nanostrukturen, die beispielsweise Schmetterlingsflügeln oder Perlmutt ihre irisierenden Farben verleihen – ein Phänomen, das als „strukturelle Farbe“ bezeichnet wird. Die Farbe kommt dabei durch Lichtbrechung und Interferenz an der periodischen Struktur zustande, die Schichtdicken im Bereich der Wellenlänge des sichtbaren Lichtes aufweist. Über die Schichtdicke (d1, d2) und den Brechungsindex (n1, n2) der einzelnen Schichten lässt sich die Farbe (bzw. die reflektierte Wellenlänge λ) des Photonischen Kristalls gezielt einstellen:

Reagiert der Photonische Kristall nun auf seine Umgebung – z.B. eine Änderung der relativen Luftfeuchtigkeit – mit einer Änderung der Schichtdicke oder des Brechungsindex, kann diese Reaktion auf äußere Stimuli durch eine Farbänderung ausgelesen werden – der Photonische Kristall fungiert also als farbkodierender Sensor.
Bei erhöhter Luftfeuchtigkeit lagert die Sandwich-Struktur bestehend aus Antimonphosphat- und TiO2 bzw. SiO2-Nanopartikel-Schichten (Abbildung 2) Wassermoleküle in die Nanoschichten ein. Dies führt zu einem schnellen und massiven Aufquellen der Schichten und somit zu einer Dickenänderung, die zu einer bislang einmaligen Farbänderung des Photonischen Kristalls führt.



Sensor besticht durch schnelle Reaktionszeit und enorme Sensitivität

Bislang verwendete photonische Feuchtigkeitssensoren haben entweder eine zu niedrige Sensitivität, d.h. sie zeigen eine geringe Farbverschiebung von nur wenigen Nanometern oder eine deutlich längere Ansprechzeit im Bereich von Minuten und eigenen sich somit nicht für die direkte Abbildung von Fingerbewegungen in Echtzeit.[5,6] Die Feuchtigkeitssensoren auf Antimonphosphat-Basis dagegen sind durch das gesamte sichtbare Spektrum durchstimmbar und zeigen damit Farbänderungen von mehr als 500 nm – und dies bereits bei der Annäherung eines Fingers an die Sensoroberfläche bis auf wenige Millimeter. Hinzu kommt noch die nahezu instantane Ansprechzeit des Sensors und seine außerordentlich hohe Selektivität gegenüber Wasser; zudem erweist sich die Sandwich-Struktur aus Antimonphosphat und den Oxid-Nanopartikeln als chemisch äußerst stabil. Erst das Zusammenspiel dieser Eigenschaften ermöglicht es, die Bewegung eines Fingers berührungslos und in Echtzeit abzubilden und zu verfolgen (s. Abbildung 3, Video).

Abbildung 3: Berührungsloses Abbilden von Fingerbewegungen durch feuchtigkeitsempfindliche Photonische Kristalle bestehend aus Antimonphosphat-Nanoschichten und SiO2 Nanopartikeln. a,b Demonstration der Feuchteempfindlichkeit des Photonischen Kristalls: Kein Effekt bei Annäherung eines mit einem Nitril-Handschuh bedeckten Fingers (a); Farbänderung bei Annäherung eines unbedeckten Fingers (b). Spektrale Änderungen infolge der Annäherung eines Fingers (c), die als Farbgradient auf der Oberfläche des Photonischen Kristalls zu sehen sind (d). Der Farbgradient entspricht dem Feuchtegradienten in der Nähe des Fingers. Abbildung der Fingerbewegung in Echtzeit (e-g).

Auf dem Weg zu berührungsfreien Displays?

Die Integration der berührungslos navigierbaren photonischen Sandwichstrukturen in künftige Generationen von Smartphones, Tablets oder Notebooks ist durchaus denkbar, gerade auch wegen des “optischen feedback”, das Fehlfunktionen bei der Navigation reduzieren könnte. Noch interessanter ist die neue “Touchless”-Technologie allerdings für Anwendungen in medizinischen Geräten - oder generell für Anwendungen, in denen die Hygienevorteile der berührungslosen Navigation gegenüber Touchscreens überwiegen – etwa an Bank- oder Fahrkartenautomaten oder an der Gemüsewaage im Supermarkt. Neben verringertem mechanischem Verschleiß könnte man sich auch eine erhöhte Informationsdichte bei der Signaleingabe zunutze machen, die die berührungslose 3D-Navigation mit sich bringt.

Um weitere Schritte in Richtung Anwendung realisieren zu können wird in unserer Gruppe derzeit an einem Prototypen gearbeitet, bei dem zwei unterschiedliche Auslesemechanismen - optisch und elektronisch - miteinander kombiniert werden, so dass beim berührungslosen Navigieren das elektronische Input-Signal mit einem optischen Feedback verknüpft ist.  Zudem arbeiten wir an der Entwicklung einer Schutzfolie, die einerseits durchlässig für Wasser sein muss, aber andererseits den Sensor vor unabsichtlichen mechanischen Belastungen schützt. Die Herausforderungen auf dem Weg zur touchless-Technologie sind groß – ihr Potenzial auch.

Literatur

[1]           K. Szendrei, P. Ganter, O. Sánchez-Sobrado, R. Eger, A. Kuhn, B.V. Lotsch, Adv. Mater. 2015, 27, 6341–6348.

[2]           J. Feng, L. Peng, C. Wu, X. Sun, S. Hu, C. Lin, J. Dai, J. Yang, Y. Xie, Adv. Mater. 2012, 24, 1969-1974.

[3]           X. Wang, Z. Xiong, Z. Liu, T. Zhang, Adv. Mater. 2015, 27, 1370-1375.

[4]           S. Deniard-Courant, Y. Piffard, P. Barboux, J. Livage, Solid State Ionics 1988, 27, 189-194.

[5]           E. Tian, J. Wang, Y. Zheng, Y. Song, L. Jiang, D. Zhu, J. Mater. Chem. 2008, 18, 1116-1122.

[6]           J. J. Steele, A. C. van Popta, M. M. Hawkeye, J. C. Sit, M. J. Brett, Sens. Actuators, B 2006, 120, 213-219.