CN106646682B - 光子晶体结构和显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及显示技术领域，公开了一种光子晶体结构和显示装置。所述光子晶体结构包括两个电极和位于两个电极之间的光子晶体层，光子晶体层包括具有多个容纳结构的介质层和填充在容纳结构内的液晶，采用液晶作为光子晶体折射率的可调成分，由于仅需对液晶施加电场，控制液晶分子的偏转角度即可调整液晶的折射率，具有结构简单、成本低廉、无需复杂加工的优点，有利于提升产品的良率。当应用于显示装置上时，可以通过反射环境中的光线来实现彩色显示，相对于传统的液晶显示装置，省去了背光源、偏光片、彩膜，节约能耗，降低成本。当然，在环境光线不足的情况下，也可以设置辅助光源，来提供显示所需的光线，以提高通用性。

Description

光子晶体结构和显示装置
技术领域
本发明涉及显示技术领域，特别是涉及一种光子晶体结构和显示装置。
背景技术
光子晶体也称为光子带隙材料，是高介电常数介质材料和低介电常数介质材料在空间呈周期排列的人造晶体，其晶格常数与工作波长处于同一数量级。频率落入光子带隙中的光波，由于光子晶体的强烈的布拉格散射效应，将被光子晶体全反射回来，而不能在光子晶体中传播。光子晶体的上述特性，使其被应用在反射式显示技术中。为了实现显示，需要控制光子晶体反射光线的波长。现有技术中，采用光子墨水技术，通过控制光子晶体的间距，来调整光子晶体反射的光的波长。
在光子墨水中，每个像素点是由几百个球形的纳米颗粒组成，纳米颗粒的表面都包裹有一层海绵状的阴离子聚合物，将这些光子晶体颗粒夹在一对中间填充有电解质水溶液的电极中。由于静电吸附作用，电解质中的金属阳离子会被吸入海绵状的阴离子聚合物中；而当外部施加电压到电极时，金属阳离子会从海绵状聚合物中迁移出来被还原成金属颗粒，从而导致海绵状的阴离子聚合物的膨胀。阴离子聚合物的膨胀迫使纳米颗粒相互远离，进而改变光子墨水的折射率，随着纳米颗粒之间的距离的增大，光子墨水反射的光的波长也会增加。只要通过较小的电压即可调控阴离子聚合物的收缩或膨胀，使得光子墨水反射的光的波长改变，显示不同的颜色。
但是，光子墨水的制作需要进行表面处理及电解质封装，产品结构复杂，不易加工，制作成本高。
发明内容
本发明提供一种光子晶体结构和显示装置，用以解决应用于显示产品上的光子晶体的结构复杂、不易加工、制作成本高的问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例中提供一种光子晶体结构，包括多个缺陷区，每一缺陷区用于反射入射至光子晶体结构上的光线中的一定波长范围内的光线，所述光子晶体结构包括第一电极和第二电极，以及位于所述第一电极和第二电极之间的至少一个光子晶体层，所述光子晶体层包括：
具有固定折射率的介质层，所述介质层上具有多个容纳结构，所述容纳结构设置在所述缺陷区；
填充在所述容纳结构中的液晶，所述第一电极和第二电极用于形成驱动液晶分子偏转的电场，以调整液晶的折射率来调整对应的缺陷区反射光线的波长范围。
本发明实施例中还提供一种显示装置，包括控制单元，所述控制单元用于控制所述显示装置的显示过程，所述显示装置还包括如上所述的光子晶体结构，所述控制单元与所述光子晶体结构的第一电极和第二电极连接，用于向所述第一电极和第二电极施加电压，形成驱动液晶分子偏转的电场，以调整液晶的折射率。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述技术方案中，光子晶体结构采用液晶作为光子晶体折射率的可调成分，由于仅需对液晶施加电场，控制液晶分子的偏转角度即可调整液晶的折射率，具有结构简单、成本低廉、无需复杂加工的优点，有利于提升产品的良率。当应用于显示装置上时，可以通过反射环境中的光线来实现彩色显示，相对于传统的液晶显示装置，省去了背光源、偏光片、彩膜，节约能耗，降低成本。当然，在环境光线不足的情况下，也可以设置辅助光源，来提供显示所需的光线，以提高通用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1表示本发明实施例中光子晶体结构的结构示意图；
图2表示本发明实施例中光子晶体层的结构示意图；
图3表示图2沿A-A的局部剖视图一；
图4表示图2沿A-A的局部剖视图二；
图5表示图2沿A-A的局部剖视图三；
图6表示图2沿A-A的局部剖视图四；
图7表示本发明实施例中光子晶体结构包括两个光子晶体层时，两个光子晶体层上容纳结构的分布示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
结合图1和图2所示，本发明实施例中提供一种光子晶体结构，包括多个缺陷区100，将多个缺陷区100分为多个组，每一组缺陷区200由相邻的多个缺陷区100组成，每一组缺陷区200的所有缺陷区100用于反射相同波长范围内的光线。当应用于显示装置上时，每一组缺陷区200形成一个像素，保证反光的均一性，提高显示质量。具体可以通过反射环境中的光线来显示所需的颜色。当然，在环境光线不足的情况下，也可以设置辅助光源，来提供显示所需的光线。
所述光子晶体结构包括第一电极1和第二电极2，以及位于第一电极1和第二电极2之间的至少一个光子晶体层3。具体为，入射至光子晶体结构上的光线中的一定波长范围内的光线，被位于缺陷区100的光子晶体层3反射。第一电极1和第二电极2可以由透明导电材料制得，以不影响光子晶体层3对光线的选择性反射。
结合图2-图6所示，光子晶体层3包括：
具有固定折射率的介质层30，介质层30上具有多个容纳结构4，容纳结构4设置在缺陷区100；
填充在容纳结构4中的液晶31，第一电极1和第二电极2用于形成驱动液晶分子偏转的电场，以调整液晶31的折射率来调整对应的缺陷区100反射光线的波长范围，从而控制缺陷区100显示所需的颜色。
上述光子晶体结构采用液晶作为光子晶体折射率的可调成分，由于仅需对液晶施加电场，控制液晶分子的偏转角度即可调整液晶的折射率，具有结构简单、成本低廉、无需复杂加工的优点，有利于提升产品的良率。
其中，缺陷区100可以呈周期性排列，即容纳结构4呈周期性排列，从而液晶31在空间上呈周期性排列。具体的，缺陷区100可以呈矩阵排列。
为了提高显示质量，可以设置每一缺陷区100反射的光线的不同波长范围不存在交集。具体为：通过第一电极1和第二电极2控制液晶分子偏转第一预设角度，液晶31具有第一折射率，使对应的缺陷区100反射第一波长范围内的光线。通过第一电极1和第二电极2控制液晶分子偏转不同于第一预设角度的第二预设角度，液晶31具有第二折射率，使缺陷区100反射第二波长范围内的光线，第一波长范围和第二波长范围不存在交集。
本发明的技术方案采用液晶作为光子晶体折射率的可调成分，可以设置液晶31的折射率和介质层30的折射率始终不同，也可以通过控制液晶分子偏转预设的角度，使液晶31的折射率与介质层30的折射率相同。当液晶31的折射率和介质层30的折射率始终不同时，光子晶体层3始终反射一定波长范围内的光线。当位于某一缺陷区100的液晶31的折射率和介质层30的折射率相同时，该缺陷区100为透光状态。此时，若在光子晶体层3的背离光线入射的一侧设置光线吸收层，该缺陷区100显示黑色。而若在光子晶体层3的背离光线入射的一侧设置反射层，如Ag膜，该缺陷区100将入射光线全部反射回去。当第二电极2位于光子晶体层3的背离光线入射的一侧时，具体可以在第二电极2的表面镀Ag，或采用Ag金属制备第二电极2，以将入射光线全部反射回去，参见图2-图6所示。进一步地，第一电极1由透明导电材料制得，如：HIZO、ZnO、TiO2、CdSnO、MgZnO、IGO、IZO、ITO或IGZO，使得入射光线能够透过第一电极1入射至光子晶体层3。
本实施例中，设置介质层30的折射率大于液晶31的折射率，光子晶体层3始终反射一定波长范围内的光线。介质层30的材料可以选择硅、氧化钛等高折射率材料。
上述光子晶体结构应用于显示装置上时，每一组缺陷区200形成一个像素，为了独立控制每一像素的显示，设置所述光子晶体结构包括多个彼此绝缘设置的第一电极1，第一电极1与一组缺陷区200的位置一一对应，用于调整对应的一组缺陷区200的液晶的折射率。具体的，第二电极2上可以施加公共电压，通过改变第一电极1上施加电压的大小，来调整对应的缺陷区100的液晶31的折射率。由于每一像素反射的光线的波长范围可以独立调整，能够提高显示装置的色域和显示质量。其中，缺陷区100的大小和数量由显示产品的尺寸和分辨率决定。
本实施例中，当所述光子晶体层结构包括一个光子晶体层3时，光子晶体层3的容纳结构4可以一一对应设置在缺陷区100，即，每一容纳结构4限定一缺陷区100，结合图2-图6所示。
参见图7所示，当所述光子晶体层结构包括至少两个光子晶体层3时，不同光子晶体层3的容纳结构4完全错开设置，容纳结构4一一对应设置在缺陷区(即每一缺陷区对应一个容纳结构4)，以减少每一光子晶体层3上的容纳结构4的数量。以所述光子晶体层结构包括两个光子晶体层3为例，如图7所示，可以在两个光子晶体层3上设置数量相同的容纳结构4，当缺陷区的数量一致时，相对于在一个光子晶体层上设置容纳结构，上述技术方案能够使每一光子晶体层3上的容纳结构4的数量减半，降低每一光子晶体的制作难度。当然，两个光子晶体层3上容纳结构4的数量和分布方式并不局限于图7中所示，还可以根据实际需要来设计每一光子晶体层3上容纳结构4的数量和分布方式，只需保证不同光子晶体层3的容纳结构4完全错开设置，容纳结构4一一对应设置在缺陷区即可。
在一个具体的实施方式中，结合图2-图4所示，介质层30中具有多个开口，由所述开口形成容纳结构4，液晶31填充在所述开口内。
每一开口可以限定一缺陷区100。如图3所示，第一电极1可以设置在所述开口内，用于控制填充在对应的开口内的液晶31的折射率。每一组缺陷区200(即一个像素)包括多个开口，所述多个开口内的第一电极1电性连接，用于控制一组缺陷区200的所有缺陷区100反射相同波长范围内的光线。如图4所示，也可以首先形成多个彼此绝缘设置的第一电极1，然后介质层30覆盖所述多个第一电极1，第一电极1与一组缺陷区的位置一一对应，用于控制一组缺陷区的所有缺陷区100反射相同波长范围内的光线。其中，第二电极2上施加公共电压。
进一步地，所述多个开口可以呈矩阵排列。介质层30的材料可以选择硅、氧化钛等高折射率材料，大于液晶31的折射率，使缺陷区100始终反射一定范围内的光线。
在另一个具体的实施方式中，结合图2、图5和图6所示，介质层30的表面具有多个凹槽，由所述凹槽形成容纳结构4，液晶31填充在所述凹槽内。
每一凹槽可以限定一缺陷区100。如图5所示，第一电极1可以设置在所述凹槽内，用于控制填充在对应的凹槽内的液晶31的折射率。每一组缺陷区(即一个像素)包括多个凹槽，所述多个凹槽内的第一电极1电性连接，用于控制一组缺陷区的所有缺陷区100反射相同波长范围内的光线。如图6所示，也可以首先形成多个彼此绝缘设置的第一电极1，介质层30覆盖所述多个第一电极1，第一电极1与一组缺陷区的位置一一对应，用于控制一组缺陷区的所有缺陷区100反射相同波长范围内的光线。其中，第二电极2上施加公共电压。
进一步地，所述多个凹槽可以呈矩阵排列。介质层30的材料可以选择硅、氧化钛等高折射率材料，大于液晶31的折射率，使缺陷区100始终反射一定范围内的光线。
上述两个具体实施方式中，每一容纳结构限定一缺陷区。具体可以采用纳米压印或光刻工艺在介质层30中形成容纳结构4，根据反射光线的波长范围设计容纳结构4的深度和选择介质层30的材料。例如：以容纳结构4为凹槽，介质层30的厚度与凹槽的深度比为1.4，介质层30的材料为TiO2为例，通过控制液晶31的折射率为1.29，可以控制对应的缺陷区100反射的光线的波长范围为540-60nm～540+60nm，显示绿光。而通过控制液晶31的折射率为1.45，可以控制对应的缺陷区100反射的光线的波长范围为425-50nm～425+50nm，显示蓝光。以容纳结构4为开口，介质层30的厚度与凹槽的深度比为1，介质层30的材料为Si为例，通过控制液晶31的折射率为1.15，可以控制对应的缺陷区100反射的光线的波长范围为580-75nm～580+75nm，显示红。而通过控制液晶31的折射率为1.49，可以控制对应的缺陷区100反射的光线的波长范围为535-120nm～535+120nm，显示绿光。
本发明实施例中还提供一种显示装置，包括控制单元，所述控制单元用于控制所述显示装置的显示过程。所述显示装置还包括如上所述的光子晶体结构，所述控制单元与所述光子晶体结构的第一电极和第二电极连接，用于向所述第一电极和第二电极施加电压，形成驱动液晶分子偏转的电场，以调整液晶的折射率，进而控制每一缺陷区反射的光线的波长范围，显示所需的颜色，实现彩色显示。
本实施例中，将所述光子晶体结构的多个缺陷区分为多个组，每一组缺陷区由相邻的多个缺陷区组成，且每一组缺陷区的所有缺陷区反射相同波长范围内的光线，每一组缺陷区形成一个像素，保证每一像素的反光均一性，提高显示质量。
进一步地，为了独立控制每一像素的显示，设置所述光子晶体结构包括多个彼此绝缘设置的第一电极，所述第一电极与一组缺陷区的位置一一对应，用于调整对应的一组缺陷区的液晶的折射率，使一组缺陷区的所有缺陷区反射相同波长范围内的光线。由于每一像素反射的光线的波长范围可以独立调整，能够提高显示装置的色域和显示质量。其中，缺陷区的大小和数量由显示产品的尺寸和分辨率决定。
所述显示装置可以为电子广告牌、电子纸或电子标签等。由于所述缺陷区可以通过反射环境中的光线来显示所需的颜色，相对于传统的液晶显示装置，省去了背光源、偏光片、彩膜，节约能耗，降低成本。当然，在环境光线不足的情况下，也可以设置辅助光源，来提供显示所需的光线，以提高通用性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种光子晶体结构，其特征在于，包括多个缺陷区，每一缺陷区用于反射入射至光子晶体结构上的光线中的一定波长范围内的光线，所述光子晶体结构包括第一电极和第二电极，以及位于所述第一电极和第二电极之间的至少两个光子晶体层，不同光子晶体层的容纳结构完全错开设置；所述光子晶体层包括：
具有固定折射率的介质层，所述介质层上具有多个容纳结构，所述容纳结构设置在所述缺陷区；
填充在所述容纳结构中的液晶，所述第一电极和第二电极用于形成驱动液晶分子偏转的电场，以调整液晶的折射率来调整对应的缺陷区反射光线的波长范围；
所述介质层的表面具有多个凹槽，由所述凹槽形成所述容纳结构。
2.根据权利要求1所述的光子晶体结构，其特征在于，所述光子晶体结构包括多组缺陷区，每一组缺陷区由相邻的多个缺陷区组成，且每一组缺陷区的所有缺陷区反射相同波长范围内的光线；
所述光子晶体结构包括多个彼此绝缘设置的第一电极，所述第一电极与每一组缺陷区的位置一一对应，用于调整对应的一组缺陷区的液晶的折射率。
3.根据权利要求1所述的光子晶体结构，其特征在于，所述容纳结构一一对应设置在所述缺陷区。
4.根据权利要求1所述的光子晶体结构，其特征在于，所述液晶的折射率和介质层的折射率始终不同。
5.根据权利要求4所述的光子晶体结构，其特征在于，所述介质层的折射率大于液晶的折射率。
6.一种显示装置，包括控制单元，所述控制单元用于控制所述显示装置的显示过程，其特征在于，所述显示装置还包括权利要求1-5任一项所述的光子晶体结构，所述控制单元与所述光子晶体结构的第一电极和第二电极连接，用于向所述第一电极和第二电极施加电压，形成驱动液晶分子偏转的电场，以调整液晶的折射率。
7.根据权利要求6所述的显示装置，其特征在于，所述光子晶体结构包括多组缺陷区，每一组缺陷区由相邻的多个缺陷区组成，且每一组缺陷区的所有缺陷区反射相同波长范围内的光线，每一组缺陷区形成一个像素；
所述光子晶体结构包括多个彼此绝缘设置的第一电极，所述第一电极与一组缺陷区的位置一一对应，用于调整对应的一组缺陷区的液晶的折射率。
8.根据权利要求6所述的显示装置，其特征在于，所述显示装置为电子广告牌、电子纸或电子标签。
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