CN115145084A - 一种基于超表面的彩色电子纸显示装置 - Google Patents

Abstract

一种基于超表面的彩色电子纸显示装置，包括相对间隔设置的第一基板、第二基板，第一电极层和第二电极层，第一电极层上设有超表面滤光层，超表面滤光层和第二电极之间设有电泳介质层，超表面滤光层包括微纳颗粒层，微纳颗粒层包括周期排列的颗粒结构，电泳介质层包括分散剂和黑色电泳粒子；黑色电泳粒子带正电或者负电，在第一电极层和第二电极层上分别施加极性相反的电压，使得黑色电泳粒子能够吸附在超表面滤光层上或者远离超表面滤光层。本发明提供的基于超表面的彩色电子纸显示装置，通过引入超表面滤光层，利用超表面单元阵列结构控制自然光的反射谱实现滤光效果，同时提高反射出射率和降低角度敏感性。

Description

一种基于超表面的彩色电子纸显示装置

技术领域

本发明涉及一种显示装置，特别是涉及一种彩色电子纸显示装置。

背景技术

电子纸以电泳显示技术为主，由于其与普通的纸张显示效果十分接近，具有高对比、广视角度、低能耗以及阅读的高舒适性等性能，广泛应用于多个领域。

电泳显示技术是一种具有双稳态的反射式电子纸显示技术，由于在显示时无需保持驱动，具有超低功耗的优点，应用前景广泛。现有的电子纸产品通常利用对环境光的朗伯反射实现显示功能。为了进一步提高显示亮度和显示对比度，例如中国发明专利公开号为CN110928098A，采用高反射率材料作为光学增强层，并利用不同特性的电泳粒子实现暗态和亮态的同时显示，同时对暗态区域和亮态区域实现了细节显示。但是该电子纸显示结构，只能实现黑白灰度显示功能，无法显示彩色。

电泳墨水粒子是通过粒子的正负电性和施加电压方向来驱动墨水粒子上升或下降到电极表面的。要实现彩色显示，则需要分开更多相同电性不同颜色的粒子，因此可能增长画面刷新时间，影响使用效果。中国发明专利公开号CN110322844A提出了一种实现彩色电泳显示的方法，控制彩色EPD像素单元的三个子像素单元，通过混色实现彩色显示，缩短彩色电子纸的画面刷新时间。

此外，通过彩色滤光膜实现彩色电子纸显示是一种较为成熟且适合量产的方案，该方案与LCD的显示原理基本相同。但由于彩色滤光膜会滤掉较多的环境光，此类方法实现的电子纸颜色较为暗淡，显色效果难以达到要求。例如中国发明专利申请公开号CN110568691A的公开文本，提供了一种在彩色滤光片子像素上设计多种样式结构的方案，由此可以提高彩色滤光片的光穿透量和反射量。中国发明专利申请公开号CN112198732A的公开文本，提供了一种采用微纳结构增透层来提高反射光出射率和降低电子纸角度敏感性的方案，通过调节微纳结构的高度、占空比和周期等结构参数，可以有效提高彩色电子纸的显色度，增强显色效果。但是，受到滤光原理的限制，一个显示像素中的不同颜色滤光膜之间不可存在重叠，由此导致单位显示面积的像素数目较少，无法实现高分辨率显示。因此，开发自身具有波长选择特性、无需彩色滤光膜即可实现彩色显示的电子纸技术显得十分必要。目前，无需彩色滤光膜的彩色显示技术主要有胆甾相液晶电子纸、光子晶体显示、电致变色显示技术等。中国发明专利申请公开号CN111562697A公开文本提供了一种能够弥补胆甾相液晶在长波广谱区域反射率低缺点的方法，为彩色电子纸显示的成本问题、色域问题和刷新速率问题等提供了解决方案。

然而，现有的彩色电子纸显示结构通常结构较为复杂，其中彩色滤光片滤光单元的加工需要通过精细金属掩膜进行材料沉积。由于沉积过程中的阴影效应，这种加工方法限制了滤光单元尺寸的缩小；而大尺寸精细金属掩膜的下垂效应也限制了总体显示尺寸的增加。因此，传统的彩色滤光片存在显示分辨率较低、细节显示效果较差、显示尺寸受限等问题，影响用户的使用体验。

发明内容

为了克服背景技术中存在的不足，本发明提供了一种基于超表面的彩色电子纸显示装置，该电子纸显示装置不但能够实现彩色显示，而且分辨率高、尺寸小巧。

根据本发明的一方面，提供了一种基于超表面的彩色电子纸显示装置，

包括相对间隔设置的第一基板、第二基板，所述第一基板和第二基板相对的面上分别设有第一电极层和第二电极层，其特征在于：

所述第一电极层向着第二电极层的面上设有超表面滤光层，所述超表面滤光层和所述第二电极之间设有电泳介质层，所述超表面滤光层包括微纳颗粒层，所述微纳颗粒层包括周期排列的颗粒结构，所述颗粒结构朝向所述电泳介质层设置，所述电泳介质层包括分散剂和黑色电泳粒子；

所述黑色电泳粒子带正电或者负电，在所述第一电极层和第二电极层上分别施加极性相反的电压，使得所述黑色电泳粒子能够吸附在超表面滤光层上或者远离所述超表面滤光层。

优选地，所述黑色电泳粒子的尺寸应当小于等于颗粒结构的周期减去颗粒结构的外径尺寸。

优选地，所述黑色电泳粒子的尺寸为10nm-500nm。

优选地，所述第一基板和第二基板上划分形成多个像素单元，所述超表面滤光层对应多个像素单元设有多个滤光单元，所述滤光单元包括至少一个反射红光的第一子滤光单元、至少一个反射绿光的第二子滤光单元和至少一个反射蓝光的第三子滤光单元。

优选地，所述第一子滤光单元的反射波长在580nm～780nm，其对应的颗粒结构的阵列周期为300nm～500nm，其中颗粒结构的高度或者深度为50nm～200nm，颗粒结构的外径尺寸最小为20nm，最大小于等于周期大小；

所述第二子滤光单元的反射波长在500nm～580nm，其对应的颗粒结构的阵列周期为200nm～400nm，颗粒结构的高度或深度为50nm～200nm，外径尺寸最小为20nm，最大小于等于周期大小；

所述第三子滤光单元的反射的波长在420nm～500nm，其对应的颗粒结构的阵列周期为100nm～300nm，颗粒结构的高度或深度为50nm～200nm，外径尺寸最小为20nm，最大小于等于周期大小。

优选地，所述电泳介质层还包括分散剂，所述分散剂为透明材料；

所述黑色电泳粒子的材料为碳、硅、黑色染料涂覆的聚合物和黑色染料涂覆的液晶分子中的至少一种；

所述黑色染料为炭黑、氧化铁黑、铜铬黑、铁铬黑和苯胺黑中的至少一种；

所述黑色染料涂覆的聚合物中的聚合物为聚亚酰胺(Polyimide,PI)、聚对苯二甲酸类(Polyethylene terephthalate,PET)和聚萘二甲酸乙二醇酯(Polyethylenenaphthalene-2,6-dicarboxylate,PEN)中的至少一种；

所述黑色染料涂覆的液晶分子中的液晶分子，为向列相液晶、近晶相液晶、胆甾相液晶、蓝相液晶和铁电性液晶等中的至少一种。

优选地，所述颗粒结构为柱形凸起结构或者柱形凹孔结构。

优选地，所述颗粒结构的材料为金属材料或者电介质材料中的至少一种，并且为在可见光波段激发局域表面等离子体共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)的材料。例如，所述金属材料为金、银、铜、或铝，所述电介质材料为硅、氧化硅、三氧化二铝、二氧化钛或氧化锌。

优选地，所述第一基板和第二基板上划分形成多个像素单元，第一电极层和第二电极层对应各个像素单元具有开关电极，所述像素单元包括至少一个红色子像素单元，至少一个绿色子像素单元和至少一个蓝色子像素单元，子滤光单元与子像素单元对应设置。

优选地，所述超表面滤光层还包括衬底层，所述衬底层设于所述第一电极层与微纳颗粒层之间，所述衬底层的材料为无色光学玻璃、氧化硅、三氧化二铝、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)、SU8光刻胶或聚苯乙烯(Polystyrene)中的至少一种。

本发明提供的基于超表面的彩色电子纸显示装置，通过引入超表面滤光层，利用超表面单元阵列结构控制自然光的反射谱实现滤光效果。超表面单元的光谱特性与单元结构的参数相关，通过调节结构的形状、尺寸和周期等结构参数，可以使三种超表面子滤光单元的反射光谱特性分别与红、绿、蓝三色的光谱特性相一致，同时提高反射出射率和降低角度敏感性。当自然光入射到超表面滤光层，三种超表面子滤光单元分别反射红、绿、蓝三色光，从而实现反射滤光的效果。

电泳介质层包括分散剂和暗态粒子，当暗态粒子在电压驱动下靠近超表面滤光层时，吸收超表面滤光层附近的倏逝场，从而显示出暗态；当暗态粒子在电压驱动下远离超表面滤光层时，不吸收超表面滤光层附近的倏逝场，从而显示出亮态，在亮态下，电子纸根据每个滤光单元中子滤光单元反射光的混色进行显示。

超表面滤光层由亚波长尺度单元阵列构成，具有较高的光谱调节自由度。此外，亚波长尺度的滤光单元有利于压缩电子纸像素尺寸，进一步提高电子纸的显示分辨率，优化显示效果。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本申请的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本申请的范围。本申请的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明实施例的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例的基于超表面的彩色电子纸显示装置的示意图；

图2为本发明实施例一的滤光单元的示意图；

图3为本发明实施例一的滤光单元的平面示意图；

图4为本发明实施例一的滤光单元的每个子滤光单元的反射波长示意图；

图5为本发明实施例二的滤光单元的每个子滤光单元的反射波长示意图；

图6为本发明实施例三的滤光单元的示意图；

图7为本发明实施例三的滤光单元的平面示意图；

图8为本发明实施例三的滤光单元的每个子滤光单元的反射波长示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，本发明实施例所涉及的术语“第一、第二”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一、第二”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一、第二”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

如图1所示，为本发明实施例的基于超表面的彩色电子纸显示装置的示意图，包括相对间隔设置的第一基板1以及第二基板6，所述第一基板1和第二基板6相对的面上分别设有第一电极层2和第二电极层5，所述第一电极层2向着第二电极层5的面上设有超表面滤光层3，超表面滤光层3和第二电极层5之间设有电泳介质层4。即如图1所示，从上往下分别是第一基板1、第一电极层2、超表面滤光层3、电泳介质层4、第二电极层5和第二基板6。

第一基板1和第二基板6为透明塑料基板，如聚亚酰胺(Polyimide,PI)、聚对苯二甲酸类(Polyethylene terephthalate,PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(Polyethylenenaphthalene-2,6-dicarboxylate,PEN)等。

所述第一电极层和第二电极层均为透明电极，所述透明电极可以为氧化铟锡(ITO)、石墨烯、氧化物玻璃(TCO)、超薄尺寸金属银、铝、铜材料中的一种或多种。所述第一、第二基板和第一、第二电极层的结构与液晶显示器类似，在第一、第二基板上划分形成多个像素单元，第一电极层和第二电极层对应各个像素单元具有开关电极，进而以像素为单位向电泳介质层4施加电压。而且各个像素单元也可以划分为子像素单元。该多个像素单元中的子像素单元可以整体驱动，也可以是子像素单元分别驱动，可以根据需要设置。

所述电泳介质层4包括分散剂41和黑色电泳粒子42，所述黑色电泳粒子42的材料可以为碳、硅、黑色染料涂覆的聚合物、黑色染料涂覆的液晶分子中的至少一种，所述黑色染料可以为炭黑、氧化铁黑、铜铬黑、铁铬黑、苯胺黑等。所述黑色染料涂覆的聚合物中的聚合物可以为聚亚酰胺(Polyimide,PI)、聚对苯二甲酸类(Polyethylene terephthalate,PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(Polyethylene naphthalene-2,6-dicarboxylate,PEN)等，所述黑色染料涂覆的液晶分子中的液晶分子，可以为向列相液晶、近晶相液晶、胆甾相液晶、蓝相液晶和铁电性液晶等中的至少一种。所述分散剂为透明材料，例如水、空气、乙醇、卤化烃、芳香族烃等。

其中，黑色电泳粒子的尺寸为10nm-500nm，为何选择该尺寸范围，说明书后续部分将做详细说明。优选地，黑色电泳粒子的质量百分比占电泳介质层4的1％-65％。

如图1所示，所述超表面滤光层3包括衬底层31和微纳颗粒层32，衬底层31设于第一电极层2上，并且微纳颗粒层32位于衬底层31与电泳介质层4之间，即所述微纳颗粒层上的颗粒结构朝向电泳介质层4设置。并且本领域技术人员也可以了解到，该衬底层31也可以省略，微纳颗粒层32直接设于第一电极层2上。

所述衬底层31的材料为无色光学玻璃、氧化硅、三氧化二铝、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)、SU8光刻胶或聚苯乙烯(Polystyrene)中的至少一种，所述无色光学玻璃可以为常用的例如BK7、SF10、BAK1等。所述微纳颗粒层32包括按照矩阵阵列形式周期排列的颗粒结构321，并且，在矩阵的两个垂直的方向周期大小相同，颗粒结构321为亚波长尺寸，并且所述颗粒结构321可以为柱形凸起结构或者柱形凹孔结构，即该颗粒结构321的水平截面均保持一致。该柱形凸起结构可以为圆柱体、正方柱、十字型柱体，所述凹孔结构可以为圆柱凹孔或者正方柱凹孔，或者十字型柱形凹孔等等。所述颗粒结构的材料为金属材料或电介质材料中的至少一种，只要是能够在可见光波段激发局域表面等离子体共振(Localized SurfacePlasmon Resonance,LSPR)的材料即可。金属材料可以为金、银、铜、和铝等。所述电介质材料可以为硅、氧化硅、三氧化二铝、二氧化钛或氧化锌中的至少一种。

所述超表面滤光层3与像素单元对应，分为多个滤光单元33，所述滤光单元33的尺寸为1μm×1μm—1000μm×1000μm，每个滤光单元33对应一个像素单元，而每个滤光单元33还包括多个子滤光单元，至少包括三种子滤光单元，分别为反射红光透射其他光的第一子滤光单元331，反射绿光透射其他光的第二子滤光单元332，和反射蓝光透射其他光的第三子滤光单元333，每个子滤光单元的颗粒结构321的阵列周期、尺寸均不同，进而反射不同的波长。亚波长结构的超表面单元可以实现特定频率位置的场增强，超表面的这一频率选择特性可以使其具有特定的反射光谱，进而实现彩色的显示。而子滤光单元的设置与每个像素单元的子像素单元对应，即像素单元包括至少一个红色子像素单元(R子像素单元)、至少一个绿色子像素单元(G子像素单元)和至少一个蓝色子像素单元(B子像素单元)，滤光单元也包括至少一个上述三种子滤光单元。例如，像素单元包括R、G、和两个B四个子像素单元，滤光单元则包括一个第一子滤光单元、一个第二子滤光单元和两个第三子滤光单元。

所述第一子滤光单元331反射的波长在580nm～780nm，颗粒结构的阵列周期为300nm～500nm，其中颗粒结构的高度或者深度为50nm～200nm，颗粒结构的外径尺寸最小为20nm，最大不超过周期大小。例如如果颗粒结构为圆柱凸起或者圆柱凹孔，圆柱凸起或圆柱凹孔的直径即为外径尺寸，则直径最小为20nm，最大不超过周期大小，如果颗粒结构为正方柱凸起结构，则正方柱的正方形边长即为外径尺寸最小为20nm，最大不超过周期大小，而如果该颗粒结构为十字型柱形凸起或十字型柱形凹孔，则十字型的长度为外径尺寸，以此类推。

所述第二子滤光单元332反射的波长在500nm～580nm，颗粒结构的阵列周期为200nm～400nm，颗粒结构的高度或深度为50nm～200nm，外径尺寸最小为20nm，最大不超过周期大小，即小于等于周期大小。

所述第三子滤光单元333反射的波长在420nm～500nm，颗粒结构的阵列周期为100nm～300nm，颗粒结构的高度或深度为50nm～200nm，外径尺寸最小为20nm，最大不超过周期大小。

本领域技术人员应该可以了解到，该颗粒结构的周期，为矩阵状排列的颗粒结构的中心之间的间距，外径尺寸，指的是在颗粒结构的中心连线方向上的颗粒结构外径，例如圆柱体的直径、方形柱体的边长或者十字型柱体的长度。并且优选地，颗粒结构呈中心对称的结构。

上述三种子滤光单元，在每个滤光单元中分别设有至少一个，当三种子滤光单元各一个时，可以根据需要设置不同子滤光单元的大小不同，也可以设置成大小相同，当然也可以设置成包括四个子滤光单元，其中第一子滤光单元和第二子滤光单元各一个，而第三子滤光单元包含两个，每个子滤光单元的大小相同。本领域技术人员可以根据显示器所需要的对比度和亮度以及分辨率等要求进行自行设置。当然，对应的，像素单元也对应所述子滤光单元设有多个子像素单元。每个子像素单元分别由第一电极层和第二电极层控制其驱动电压的大小。

以单独的像素单元为例，包括多个子像素单元，当该像素单元上的第一电极层2和第二电极层5之间不施加电场时，如图1所示，黑色电泳粒子无规律地分散在分散剂中，自然光经过第一电极层2到达超表面滤光层3。对于每一个滤光单元，所述第一子滤光单元以较高效率反射红光，同时透射其他波段可见光，因此显示为红色R；所述第二子滤光单元以较高效率反射绿光，同时透射其他波段可见光，因此显示为绿色G；所述第三子滤光单元以较高效率反射蓝光，同时透射其他波段可见光，因此显示为蓝色B。此时整个电子纸显示为一白板。

当该像素单元上的第一电极层2和第二电极层5之间施加电场，如图2所示，例如，第一电极层2施加正电压、第二电极层5施加负电压，黑色电泳粒子42带负电，则黑色电泳粒子42向第一电极层2运动。当自然光从第一电极层2一侧入射到超表面滤光层3时，超表面滤光层3中的颗粒结构321周围存在倏逝场，当黑色电泳粒子42运动至倏逝场范围内，倏逝场被黑色电泳粒子吸收，使得滤光单元不反射自然光，由此显示为暗态。

当电极翻转，当第一电极层2施加负电压、第二电极层5施加正电压，黑色电泳粒子42带负电，则黑色电泳粒子42向第二电极层5运动。当自然光从第一电极层2一侧入射到超表面滤光层3时，超表面滤光层3中的颗粒结构321周围存在倏逝场，但倏逝场不会被吸收，因此此时显示为亮态，此时，该滤光单元反射自然光，显示为其反射的合成颜色。因此，只要控制设置在不同子像素单元上的对应的电极层上的电压，即可得到该彩色电子纸的彩色显示效果。而通过电压大小的控制，能够控制吸附在超表面滤光层3上的黑色电泳粒子42的数量，进而实现不同子像素单元的亮度调节，进而实现每个像素单元混色的色彩调节。

或者也可以是本领域技术人员常用的调整，上述黑色电泳粒子42为带负电，也可以设置成带正电，此时，第一电极层2施加正电压、第二电极层5施加负电压时显示为其反射的合成颜色，而第一电极层2施加负电压、第二电极层5施加正电压时，显示为暗态。

也就是说可以将黑色电泳粒子42设置为带正或负电的状态，在第一、第二电极层上分别施加不同极性的电压，黑色电泳粒子会向着与其极性相反的电极层一侧运动，进而黑色电泳粒子能够吸附在超表面滤光层3表面或者远离超表面滤光层3。当第一电极层2，即具有超表面滤光层3一侧的电极层具有相反的电压时，黑色电泳粒子即可向该超表面滤光层3运动，进而吸附在超表面滤光层3的颗粒结构321周围，超表面滤光层3中的颗粒结构321周围存在倏逝场被黑色电泳粒子吸收，进而使得整个电子纸呈现暗态，当超表面滤光层一侧的电极层具有与黑色电泳粒子相同的电压时，黑色电泳粒子会远离超表面滤光层3运动，进而实现电子纸的亮态，同时超表面滤光层起到反射滤光作用显示反射的彩色。

为了使黑色电泳粒子42能够在通电时被吸附在颗粒结构的周围，颗粒结构与电泳粒子的尺寸必须匹配，即黑色电泳粒子42的尺寸应当小于颗粒结构的尺寸。例如，颗粒结构的周期420nm，直径为220nm时，颗粒结构的间隙为200nm，则电泳粒子的尺寸应当不大于200nm，从而能够在电压控制下吸附在颗粒结构周围。即黑色电泳粒子的尺寸应当小于等于颗粒结构的周期-颗粒结构的外径尺寸。

实施例一：

如图1所示，为该实施例的基于超表面的彩色电子纸显示装置的结构示意图，如图2、3所示，为其中的超表面滤光层3的滤光单元的示意图，该滤光单元包括四个子滤光单元，其中为一个第一子滤光单元331，一个第二子滤光单元332和两个第三子滤光单元333，四个子滤光单元呈同样大小矩阵分布，并且两个第三子滤光单元333呈对角线设置。每个子滤光单元的尺寸为1.2μm×1.2μm。其中的颗粒结构321为圆柱凸起结构，超表面滤光层3的衬底层31的材料为SiO₂，颗粒结构的材料为Si。

第一子滤光单元331的颗粒结构的高度为80nm，直径为220nm，周期为420nm；第二子滤光单元332的颗粒结构的高度为80nm，直径为160nm，周期为360nm；第三子滤光单元333的颗粒结构的高度为80nm，直径为120nm，周期为180nm。相应的，电泳介质层4中的分散剂41的材料为空气，电泳介质层中黑色电泳粒子42的尺寸为10nm。三个子滤光单元的反射光谱如图4所示。

实施例二：

该实施例的基于超表面的彩色电子纸显示装置，其超表面滤光层不包含衬底层，颗粒结构直接位于第一电极层2上。其滤光单元包括四个子滤光单元，其中为一个第一子滤光单元331，一个第二子滤光单元332和两个第三子滤光单元333，四个子滤光单元呈同样大小矩阵分布，并且两个第三子滤光单元333呈对角线设置。每个子滤光单元的尺寸为1.2μm×1.2μm。其中的颗粒结构321为圆柱形凸起，超表面滤光层3的颗粒结构的材料为Si。

第一子滤光单元颗粒结构的高度为70nm，直径为160nm，周期为370nm；第二子滤光单元颗粒结构的高度为70nm，直径为140nm，周期为300nm；第三子滤光单元颗粒结构的高度为70nm，直径为120nm，周期为180nm。相应的，电泳介质层中分散剂41的材料为水，电泳介质层中电泳粒子42的尺寸为10nm。三个子滤光单元的反射光谱如图5。

实施例三：

该实施例的基于超表面的彩色电子纸显示装置，其超表面滤光层不包含衬底层，颗粒结构直接位于第一电极层2上。超表面滤光层3的滤光单元示意图如图6、7所示，该滤光单元包括四个子滤光单元，其中为一个第一子滤光单元331，一个第二子滤光单元332和两个第三子滤光单元333，四个子滤光单元呈同样大小矩阵分布，并且两个第三子滤光单元333呈对角线设置。每个子滤光单元的尺寸为0.9μm×0.9μm。其中的颗粒结构321为十字型凸起结构，超表面滤光层3的颗粒结构的材料为Si。

第一子滤光单元颗粒结构的高度为140nm，十字型凸起结构的长度L为190nm，十字型凸起结构的宽度W为100nm，周期为300nm；第二子滤光单元颗粒结构的高度为140nm，十字型凸起结构的长度L为210nm，宽度W为40nm，周期为300nm；第三子滤光单元颗粒结构的高度为140nm，十字型凸起结构的长度L为120nm，宽度W为40nm，周期为180nm。相应的，电泳介质层中分散剂41的材料为水，电泳介质层中电泳粒子42的尺寸为10nm。三个子滤光单元的反射光谱如图8。

光学超表面作为一种新型的人工复合亚波长结构，具有较为特殊的物理特性。光学超表面能够实现对振幅、相位、偏振态等光学参数的人为调控。超表面具有高设计自由度、高调控精度和超薄结构的优势，可以通过低成本的纳米加工工艺进行制造。因此，超表面可用于彩色电子纸显示结构中作为滤光层，不仅有利于实现大尺寸、高分辨率的彩色显示，还能够进一步压缩电子纸厚度，提高结构的集成度。

本发明提供的基于超表面的彩色电子纸显示装置，通过引入超表面滤光层，利用超表面单元阵列结构控制自然光的反射谱实现滤光效果。超表面单元的光谱特性与单元结构的参数相关，通过调节结构的形状、尺寸和周期等结构参数，可以使三种超表面子滤光单元的反射光谱特性分别与红、绿、蓝三色的光谱特性相一致，同时提高反射出射率和降低角度敏感性。当自然光入射到超表面滤光层，三种超表面子滤光单元分别反射红、绿、蓝三色光，从而实现反射滤光的效果。

电泳介质层中的电泳粒子包括暗态粒子，暗态粒子能够吸收超表面滤光层与电泳介质层界面处的倏逝场，从而显示出暗态；而暗态粒子远离超表面滤光层不吸收倏逝场时，在亮态下，电子纸根据每个滤光单元中子滤光单元反射光的混色进行显示。

超表面滤光层由亚波长尺度单元阵列构成，具有较高的光谱调节自由度。此外，亚波长尺度的滤光单元有利于压缩电子纸像素尺寸，进一步提高电子纸的显示分辨率，优化显示效果。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于超表面的彩色电子纸显示装置，包括相对间隔设置的第一基板(1)、第二基板(6)，所述第一基板(1)和第二基板(6)相对的面上分别设有第一电极层(2)和第二电极层(5)，其特征在于：

所述第一电极层(2)向着第二电极层(5)的面上设有超表面滤光层(3)，所述超表面滤光层(3)和所述第二电极(5)之间设有电泳介质层(4)，所述超表面滤光层(3)包括微纳颗粒层(32)，所述微纳颗粒层(32)包括周期排列的颗粒结构(321)，所述颗粒结构(321)朝向所述电泳介质层(4)设置，所述电泳介质层(4)包括分散剂(41)和黑色电泳粒子(42)；

所述黑色电泳粒子(42)带正电或者负电，在所述第一电极层(2)和第二电极层(5)上分别施加极性相反的电压，使得所述黑色电泳粒子能够吸附在超表面滤光层(3)上或者远离所述超表面滤光层(3)。

2.如权利要求1所述的基于超表面的彩色电子纸显示装置，其特征在于：所述黑色电泳粒子(42)的尺寸应当小于等于颗粒结构的周期减去颗粒结构的外径尺寸。

3.如权利要求2所述的基于超表面的彩色电子纸显示装置，其特征在于：所述黑色电泳粒子(42)的尺寸为10nm-500nm。

4.如权利要求1所述的基于超表面的彩色电子纸显示装置，其特征在于：所述第一基板和第二基板上划分形成多个像素单元，所述超表面滤光层(3)对应多个像素单元设有多个滤光单元(33)，所述滤光单元包括至少一个反射红光的第一子滤光单元(331)、至少一个反射绿光的第二子滤光单元(332)和至少一个反射蓝光的第三子滤光单元(333)。

5.如权利要求4所述的基于超表面的彩色电子纸显示装置，其特征在于：所述第一子滤光单元(331)的反射波长在580nm～780nm，其对应的颗粒结构的阵列周期为300nm-500nm，其中颗粒结构的高度或者深度为50nm-200nm，颗粒结构的外径尺寸最小为20nm，最大小于等于周期大小；

所述第二子滤光单元(332)的反射波长在500nm～580nm，其对应的颗粒结构的阵列周期为200nm-400nm，颗粒结构的高度或深度为50nm-200nm，外径尺寸最小为20nm，最大小于等于周期大小；

所述第三子滤光单元(333)的反射的波长在420nm～500nm，其对应的颗粒结构的阵列周期为100nm-300nm，颗粒结构的高度或深度为50-200nm，外径尺寸最小为20nm，最大小于等于周期大小。

6.如权利要求1所述的基于超表面的彩色电子纸显示装置，其特征在于：所述分散剂(41)为透明材料；

所述黑色电泳粒子(42)的材料为碳、硅、黑色染料涂覆的聚合物和黑色染料涂覆的液晶分子中的至少一种；

所述黑色染料为炭黑、氧化铁黑、铜铬黑、铁铬黑和苯胺黑中的至少一种；

所述黑色染料涂覆的聚合物中的聚合物为聚亚酰胺(Polyimide,PI)、聚对苯二甲酸类(Polyethylene terephthalate,PET)和聚萘二甲酸乙二醇酯(Polyethylenenaphthalene-2,6-dicarboxylate,PEN)中的至少一种；

所述黑色染料涂覆的液晶分子中的液晶分子，为向列相液晶、近晶相液晶、胆甾相液晶、蓝相液晶和铁电性液晶中的至少一种。

7.如权利要求1-6中任一项所述的基于超表面的彩色电子纸显示装置，其特征在于：所述颗粒结构(321)为柱形凸起结构或者柱形凹孔结构。

8.如权利要求1-6中任一项所述的基于超表面的彩色电子纸显示装置，其特征在于：所述颗粒结构(321)的材料为金属材料或者电介质材料中的至少一种，并且为在可见光波段激发局域表面等离子体共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)的材料。

9.如权利要求1-6中任一项所述的基于超表面的彩色电子纸显示装置，其特征在于：所述第一基板和第二基板上划分形成多个像素单元，第一电极层和第二电极层对应各个像素单元具有开关电极，所述像素单元包括至少一个红色子像素单元，至少一个绿色子像素单元和至少一个蓝色子像素单元，子滤光单元与子像素单元对应设置。

10.如权利要求1-6中任一项所述的基于超表面的彩色电子纸显示装置，其特征在于：所述超表面滤光层(3)还包括衬底层(31)，所述衬底层(31)设于所述第一电极层(2)与微纳颗粒层(32)之间，所述衬底层(31)的材料为无色光学玻璃、氧化硅、三氧化二铝、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)、SU8光刻胶或聚苯乙烯(Polystyrene)中的至少一种。

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