《Optics & Laser Technology》：Electrohydrodynamic jet printed transparent electro-thermal displays
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电液压流体喷射技术制备透明电热显示装置，突破光学透明与热调控精度的矛盾，实现>90%可见光透射率及亚50μm空间分辨率，通过多物理场耦合实现动态热场重构，应用于信息加密、环境监测和仿生热成像。
作者：张友超、徐金沙、李波
东华科技大学机械与动力工程学院，中国上海200237
摘要
高性能的透明电热显示器对于需要集成信息加密、动态传输和自适应伪装的高级光学系统至关重要，但受到光学透明性和精确热图案化之间权衡的限制。在这里，我们报道了一种电液动力喷射打印的透明显示器，解决了这一挑战，实现了超过90%的可见光透射率，并具有可编程的热编码功能（空间分辨率小于50微米，响应时间小于500毫秒）。通过在透明基板上集成高密度导电图案，该技术利用微尺度导线网络的焦耳热效应生成动态可重构的热信号。通过创新地将热场操控从“材料属性设计”转移到几何图案、电信号和热响应的跨物理场耦合上，实现了透明的动态热重构。实验验证表明，在热编码（分段图案）、实时环境监测（集成传感器）和仿生热成像方面具有出色的循环稳定性和保真度。这种透明性与可编程热调制的结合为智能光学设备开辟了新的范式，在生物医学诊断、航空航天和多光谱防御系统中具有潜在应用。
引言
热场在光电子系统中提供了独特的信息载体：它们通常肉眼不可见，但可以通过红外（IR）传感器轻易检测到，从而实现隐蔽信号传输、热成像和伪装功能，这些功能补充了传统的光子通道[1]。在过去的十年中，热超材料及相关热设备的出现为通过工程化的导热性/发射率和多物理场耦合来定制热传输提供了统一的框架，从而扩展了安全热通信和自适应红外信号的设计空间[2]。
这些进展背后的一个主要概念基础是变换热学（或变换热力学）[3]，[4]，它将坐标变换映射到一个等效的各向异性热导率张量上，以实现诸如热隐身[5]、幻觉[6]和伪装[7]等奇异效应。早期对完整热信号操控的演示验证了类似变换光学的“热学设备”的可行性。然而，基于变换的设计的实际转化通常需要严格的各向异性、多层结构以及精细的材料工程，这增加了制造的复杂性，并限制了向高分辨率、可重构热信息显示器的扩展[8]，[9]，[10]。
与此同时，基于电驱动焦耳热的主动热图案化提供了一种可制造的热控制方法。分布式加热器阵列和图案化导体可以生成用于红外通信和伪装的程序化热场景，但当与先进的光学平台集成时，它们面临一个持续的“三难问题”[11]：（i）高空间密度通常会增加光学遮挡；（ii）透明性要求限制了导体的几何形状和厚度；（iii）实现快速、可重构的热场可能会增加布线复杂性和功耗。同时，透明薄膜加热器（例如ITO和其他透明导电薄膜[12]）广泛用于光学窗口和兼容显微镜的平台，但大多数实现侧重于均匀加热，而不是高密度、高分辨率的空间编码热图像[13]。
为了弥合这些差距，高分辨率增材制造变得至关重要[14]。电液动力（EHD）喷射打印（也称为e-jet打印）是一种非接触式、电场驱动的沉积技术，能够实现微/纳米级图案化，并具有广泛的墨水兼容性和精细的线宽控制，为在透明基板上制造密集的导电布局提供了有希望的途径[15]，[16]。然而，同时具备（a）小于100微米级图案化、（b）高可见光透射率以及（c）快速热场景更新功能的透明、可重构电热平台仍然没有得到充分探索，特别是在将导电图案设计——焦耳热生成——动态热场重建链接起来的系统级框架中，以实现可编程的热信息处理[16]，[17]，[18]。
在这里，我们介绍了一种电液动力（EHD）喷射打印的透明电热显示器，克服了这些瓶颈。通过利用EHD喷射打印技术，我们在透明基板上实现了小于50微米的导电图案化，并具有超过90%的可见光透射率，这是传统几何工程阵列由于其不透明度而无法实现的。该技术实现了空间分辨率≤50微米和小于500毫秒时间响应的可编程热编码，得益于“导电图案编程——焦耳热生成——动态热场重建”的新颖框架。与现有技术不同，我们的方法将高密度热图案化与光学透明性结合起来，实现了信息加密、实时环境监测和仿生热成像等多功能应用，而不会影响可见性。核心创新在于将热调节从依赖材料属性的设计转移到几何图案、电信号和热响应的跨物理场耦合上。这一范式解决了传统方法中固有的“结构依赖性——光学不透明度——静态调节”的三难问题，为智能光学系统中的透明热管理建立了新的基准。
结果
本研究通过EHD喷射打印创新性地制造了一种透明电热显示器，解决了现有技术中光学透明性和动态热控制之间的关键差距[19]。如图1a所示，热能作为一种无形的信息载体，可以通过红外热成像检测到，而图1b突出了该技术的核心优势：在玻璃上打印的微米级导电网络在可见光下仍然保持光学透明性
讨论
这项工作从根本上重新定义了透明热场操控的范式。基于变换热力学和热超材料的传统方法通常面临“结构依赖性——光学不透明度——静态调节”的实际三难问题，其中严格的各向异性材料要求和多层结构限制了透明光电子平台中的可扩展性和实际应用。相比之下，我们引入了一种基于
结论
总之，本研究展示了一种通过EHD喷射打印制造的透明电热显示器，与传统热管理技术相比具有明显优势。主要优势总结如下：
EHD喷射打印能够在透明基板上制造微尺度导电网络，实现超过90%的可见光透射率，同时保持小于50微米的空间分辨率
材料
本研究使用了来自Nano Top Electronic Technology Co., Ltd（中国）的NT-TL20E导电银浆，其剪切粘度详见图S30。作为刚性基板，使用了来自洛阳腾昌旭坤生物技术有限公司（中国）的低铁超透明浮法玻璃。用于连接设备组件的导线（中航电子测量仪器（西安）有限公司）是标准搪瓷铜线（直径：0.30毫米）；
基于热成像的图案提取用于仿生演示
对于仿生演示（图5e–f中的手势和头部方向），目标热图案是从红外热成像图像中提取的。具体来说，原始IR图像是在稳定的环境条件下使用相同的热成像相机获取的，然后导入Adobe Photoshop进行预处理。通过应用级别调整和基于阈值的选择（颜色级别分割），将图像分割成2-3个离散的温度级别区域。
CRediT作者贡献声明
张友超：撰写——原始草稿，软件开发，形式分析，数据管理，概念化。徐金沙：撰写——审阅与编辑，资金获取。李波：撰写——审阅与编辑，可视化，验证，监督，资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
