具有分光光子液晶波导的显示装置及其适用的反射黑色的方法

申请号 CN201080056373.0 申请日 2010-12-22 公开(公告)号 CN102667588A 公开(公告)日 2012-09-12
申请人 夏普株式会社; 发明人 唐亮; 桥村昭范; 阿波斯托洛斯·T·沃特萨斯;
摘要 提供了一种利用分光 光子 液晶 波导 实现的用于反射黑色的显示装置。按照周期性图案形成顶 电极 组和底电极组。第一 电介质 层 覆盖 所述底电极组,由具备具有响应于 电场 的偶极子的分子的液晶(LC)材料制成。等离激元层包括多个离散等离激元粒子,介于所述顶电极组和底电极组之间,并与所述第一电介质层 接触 。在顶电极和底电极之间施加 电压 差,产生电场。响应于电场而产生液晶分子的偶极子的局域转向和非转向区域,并且响应于入射光的 光谱 分离而反射可见光谱之外的 波长 的光。
权利要求

1.一种具有分光光子液晶波导的显示装置,所述显示装置包括:
电极组,其按照周期性图案形成;
顶电极组,其按照所述周期性图案覆盖所述底电极组而形成;
第一电介质层,其覆盖按照所述周期性图案的所述底电极组,由具备具有响应于电场的偶极子的分子的液晶(LC)材料制成;以及,
等离激元层,其包括多个离散等离激元粒子,介于按照所述周期性图案的所述顶电极组和底电极组之间,并与所述第一电介质层接触
2.根据权利要求1所述的显示装置,其中,按照所述周期性图案的所述顶电极组和底电极组各包括:
内圆中的电极,各具有第一直径,其中相邻电极以第一间距分离;
外六边形中的电极,各具有所述第一直径,其中相邻电极以所述第一间距分离;并且,相邻的所述内圆与所述外六边形中的电极以第一间距分离。
3.根据权利要求2所述的显示装置,其中,按照所述周期性图案的所述顶电极组和底电极组各进一步包括多个同心排列的外六边形中的电极。
4.根据权利要求2所述的显示装置,其中,按照所述周期性图案的所述顶电极组和底电极组各进一步包括图案缺陷,所述图案缺陷作为具有比所述第一直径大的第二直径的中心电极
5.根据权利要求1所述的显示装置,其中,按照所述周期性图案的所述顶电极组和底电极组包括具有约100纳米(nm)的第一直径并且电极中心之间的第一间距为约300nm的电极;并且
其中所述显示装置响应于在按照所述周期性图案的顶电极组和底电极组之间施加零伏特电势而反射具有约650nm波长的光。
6.根据权利要求1所述的显示装置,其中,所述第一电介质层具有响应于按照所述周期性图案的顶电极组和底电极组之间的零伏特电势的第一折射指数;并且其中所述第一电介质层具有折射指数图案,所述折射指数图案包括响应于第一电压和按照所述周期性图案的顶电极组和底电极组而形成的多个第二折射指数区域及第一折射指数区域。
7.根据权利要求6所述的显示装置,其中,折射指数图案包括在所述第一电介质层内在所述顶电极组和底电极组的分别对应的电极之间的柱中形成的第二折射指数区域;并且,
其中所述第一折射指数区域在所述第一电介质层中包围所述第二折射指数区域形成。
8.根据权利要求7所述的显示装置,其中,所述显示装置响应于接收全可见光谱的入射光以及响应于所述顶电极组和底电极组之间的零电压而反射可见光光谱中的第一颜色
其中所述显示装置响应于所述顶电极组和底电极组之间的所述第一电压而反射可见光谱中的非彩色。
9.根据权利要求8所述的显示装置,其中,响应于所述第一电压而使所述第一颜色传输通过所述第二折射指数区域;并且,
其中响应于所述第一电压而使非第一颜色传输通过所述第一折射指数区域。
10.根据权利要求9所述的显示装置,其中,所述第一电介质层中的所述折射指数图案通过使所述第一颜色的光传导通过所述第二折射指数区域并且使所述非第一颜色的光传导通过所述第一折射指数区域而光学地分离入射光谱;并且,
其中所述显示装置响应于所述光谱分离而反射具有所述可见光谱之外的波长的光。
11.根据权利要求1所述的显示装置,其中,所述顶电极组和底电极组为选自包括下述材料的组的透明材料:
化铟(ITO)ZnO、Ag纳米线纳米管
12.根据权利要求1所述的显示装置,进一步包含:
第二电介质层,其由介于所述等离激元层和所述顶电极组之间或介于所述等离激元层和所述底电极组之间的非导电材料制成。
13.一种用于在具有分光光子液晶波导的显示装置中反射黑色的方法,所述方法包含:
提供反射显示装置,所述反射显示装置包括:底电极组,其按照周期性图案形成;顶电极组,其按照所述周期性图案、覆盖所述底电极组而形成;第一电介质层,其覆盖所述底电极组,由具备具有响应于电场的偶极子的分子的液晶(LC)材料制成;以及等离激元层,其包括多个离散等离激元粒子,介于所述顶电极组和底电极组之间,并与所述第一电介质层接触;
接收入射至所述顶电极组的全光谱可见光;
反射第一主颜色,其中主颜色呈现单个波长峰值,所述单个波长峰值的光谱的半峰全宽(FWHMs)在可见光谱内;
接收所述顶电极组和底电极组之间的电压差,并产生电场;
响应于所述电场而产生液晶分子的偶极子局域转向;以及,
响应于所述LC分子的偶极子局域转向而反射所述可见光谱之外的波长的光。
14.根据权利要求13所述的方法,其中,设置所述显示装置包括响应于所述LC分子中偶极子局域转向的缺失而设置具有与所述第一主颜色关联的第一折射指数的所述第一电介质层。
15.根据权利要求14所述的方法,进一步包含:
在所述顶电极组和底电极组之间提供零伏特电势;
在所述顶电极组和底电极组之间产生零电场;以及,
其中设置具有所述第一折射指数的所述第一电介质层包括响应于所述零电场的所述LC分子的偶极子局域转向的缺失。
16.根据权利要求14所述的方法,其中响应于所述电场而产生所述LC分子的所述偶极子局域转向包括:
在所述第一电介质层内的多个局域转向区域中产生所述偶极子局域转向,其中,每个局域转向区域介于所述顶电极组和底电极组中的对应电极之间;以及,
在所述第一电介质层的包围所述多个局域转向区域的局域非转向区域内产生所述LC分子的偶极子局域转向的缺失。
17.根据权利要求16所述的方法,其中,在所述局域转向区域中产生所述偶极子局域转向包括使所述第一电介质层在所述局域非转向区域对所述接收的光呈现所述第一折射指数;并且
其中在所述局域非转向区域内产生所述LC分子的所述偶极子局域转向的缺失包括使所述第一电介质层响应于所述局域转向区域而同时对所述接收的光呈现第二折射指数。
18.根据权利要求17所述的方法,其中,同时提供所述第一折射指数和第二折射指数包括通过使所述第一颜色的光传导通过所述局域转向区域并且使所述非第一颜色的光传导通过所述局域非转向区域而光学地分离入射光;并且,
其中反射所述可见光谱之外的波长的光包括响应于所述光谱分离而反射所述可见光谱之外的所述波长的光。
19.根据权利要求13所述的方法,其中,设置所述反射显示装置包括设置具有约100纳米(nm)的第一直径的以及电极中心之间的第一间距为约300nm的所述顶电极组和底电极组,并且,
其中反射所述第一主颜色包括反射具有约650nm的波长的光。

说明书全文

具有分光光子液晶波导的显示装置及其适用的反射黑色的

方法

技术领域

[0001] 本发明一般涉及电子视觉显示装置,尤其涉及一种通过分离入射光谱产生“黑”色的颜色可调谐的等离激元显示装置,以及一种用于在颜色可调谐的等离激元显示装置中反射黑色的方法。

背景技术

[0002] 反射式显示器技术或颜色可调谐装置技术主要由于它消耗的功率大幅小于液晶显示器(LCDs)和有机发光二极管(OLED)显示器而吸引人。在笔记本电脑移动电话中使用的典型的LCD要求内部(背光)照明以呈现彩色图像。在多数运行条件下,这些显示器所要求的内部照明与周围环境(如日光或室内顶部照明)的环境光不断地竞争。因而,浪费了周围环境所提供的可用光能量,事实上,这些显示器的运行要求额外的功率以克服环境光。相比之下,反射显示器技术充分利用了环境光且消耗较小的功率。
[0003] 已开发了多种不同的反射式显示器技术,如电泳电润湿电致变色显示器,以及基于干扰的MEMS(微型电子机械系统)显示器。这些显示器技术为获取更大的商业成功都有必须克服的缺点或挑战。许多现存技术依赖于本质上缓慢的现象。例如,电泳工艺或电化学工艺典型地要求粒子以出现缓慢响应的距离漂移或扩散通过液体。一些其它的技术要求高功率以运行于视频速率。例如,许多反射式显示器必须将大量的材料或载色体从一个状态转换至另一个状态以在像素的光学特性中产生适当的变化。在视频转换速率,如果必2
须将单位电荷分配至每个染料分子以影响上述变化则成百mA/cm 的数量级的电流是必须的。因此,依赖反应以转换染料分子的显示工艺要求无法接受的显示视频用的高电流。对于电致变色显示器同样如此。
[0004] 对反射式显示器的另一个挑战是获得高质量的颜色。特别是,多数反射式显示器技术从一个材料组仅能够产生二元颜色(颜色/黑)。由此,当采用具有固定颜色的并排式子像素架构时,必须使用采用不同材料组的至少三个子像素。这限制了一些颜色的最大反射光至约1/3,从而这种类型的像素不会产生有好对比度的饱和颜色。
[0005] 一些反射式显示器面临长寿命的可靠性问题。特别地,维持视频速率运行若干年要求至少几十亿次光学特性上的反转变化。获得所期望的周期数对使用基于化学反应的工艺、涉及粒子混合和分离的工艺或涉及重复机械磨损或电介质的MEMS技术的反射式显示器尤为困难。
[0006] 图1为通过诸如液晶等电光学材料的折射指数的电调制完成颜色调谐的纳米等离激元显示器的部分横截面图。装置100的细节可在序列号12/614,368、由Tang等发明的、名称为具有部分调制折射指数的颜色可调谐的等离激元装置的未决申请中找到。由于诸如液晶等电介质106材料的有限的折射指数(n)的变化,恰好使用其调谐调制方式的装置的颜色调谐范围是非常有限的。因而,图1的装置使用了如下所述的额外的颜色调谐机制。
[0007] 图2为模拟包围具有80纳米直径的纳米粒子的液晶材料的共振波长变化和折射指数之间关系的坐标图。例如,基于图2中的模拟结果,商业上可用的最高双折射性液晶仅具有提供仅80nm调谐范围的0.3的Δn。研究实验室已报道具有高达0.79的Δn的液晶,然而无法确保这些材料的性能。此外,这些材料可能不具有纳米等离激元显示器应用所要求的合适的响应时间或阈值电压
[0008] 如上所述,液晶的双折射性效应产生小于标准值的Δn的有效折射指数变化。若假定为各向同性电介质,这导致比预期小的波长调谐范围。并且,若液晶分子与穿过液晶介质的电场一致地取向,可反射的颜色具有强度依赖性。为了获得商业上成功的产品,两种挑战都需要被克服。
[0009] 在上述显示器中,光波长调谐主要基于响应于外加电场的液晶的折射指数的调制。然而,由于液晶有限的指数调谐范围,获得“黑”状态尤其具有挑战性,因为等离激元共振需要被调谐到可见波长范围外。
[0010] 若能够获得反射式显示器的黑色状态而不显著调谐介质的折射指数会是有利的。

发明内容

[0011] 本发明提供一种具有分光光子液晶波导的显示装置和一种用于在该显示装置中反射黑色的方法。
[0012] 本发明的一方面,提供一种具有分光光子液晶波导的显示装置。所述显示装置包括:底电极组,其按照周期性图案形成;顶电极组,其按照所述周期性图案、覆盖所述底电极组而形成;第一电介质层,其覆盖按照所述周期性图案的所述底电极组,由具备具有响应于电场的偶极子的分子的液晶(LC)材料制成;以及,等离激元层,其包括多个离散等离激元粒子,介于按照所述周期性图案的所述顶电极组和底电极组之间,并与所述第一电介质层接触
[0013] 本发明的另一方面,提供一种用于在具有分光光子液晶波导的显示装置中反射黑色的方法。所述方法包含:提供反射显示装置,所述反射显示装置包括:底电极组,其按照周期性图案形成;顶电极组,其按照所述周期性图案、覆盖所述底电极组而形成;第一电介质层,其覆盖所述底电极组,由具备具有响应于电场的偶极子的分子的液晶(LC)材料制成;以及,等离激元层,其包括多个离散等离激元粒子,介于所述顶电极组和底电极组之间,并与所述第一电介质层接触;接收入射至所述顶电极组的全光谱可见光;反射第一主颜色,其中主颜色呈现单个波长峰值,所述单个波长峰值的光谱的半峰全宽(FWHMs)在可见光谱内;接收所述顶电极和底电极之间的电压差,并产生电场;响应于所述电场而产生所述液晶分子的偶极子局域转向;以及,响应于所述LC分子的偶极子局域转向而反射可见光谱之外的波长的光。
[0014] 结合附图,参照本发明下述的细节描述,将会更加容易地理解本发明前述的及其它的目标、特征和优点。

附图说明

[0015] 图1为纳米等离激元装置的部分横截面图,其中通过诸如液晶等光电材料的折射指数的电调制实现颜色调制。
[0016] 图2为模拟包围具有80纳米直径的Ag纳米粒子的液晶材料的共振波长变化和折射指数之间关系的坐标图。
[0017] 图3为具有分光光子液晶波导的显示装置的部分横截面图。
[0018] 图4A和4B为图3中显示装置的平面图,示出了示例性顶电极图案。
[0019] 图5为当在顶电极组和底电极组之间产生电压差时图3中显示装置的部分横截面图。
[0020] 图6A和6B为图3中显示装置的部分横截面图,以更多细节示出了装置的运行。
[0021] 图7为示出了图3中显示装置的变形的部分横截面图。
[0022] 图8为受到电场通过永久或诱导偶极子的影响的液晶分子的图。
[0023] 图9描绘了示出通过液晶单元内的电场调制而形成光波导阵列的横截面图。
[0024] 图10A和10B分别示例性示出了描绘图3中显示装置的第二变形的平面图和部分横截面图。
[0025] 图11为示例性说明利用分光光子液晶波导能够在显示装置中反射黑色的方法的流程图

具体实施方式

[0026] 从古时代起由金属的纳米结构导致的等离激元共振产生的全范围的颜色就被作为一种制造染色彩色玻璃的方法而知晓。例如,将金纳米粒子添加至其他透明玻璃产生深红色。由于等离激元共振频率通常依赖于金属纳米结构的尺寸、形状、材料构成以及周围环境的介电属性,产生特定的颜色是可能的。从而,通过改变这些特征中的任一个或多个,金属纳米结构的光吸收和散射光谱(因而颜色)可以变化。
[0027] 本文描述了一种分离入射光谱并获得反射显示器的黑状态而不需要大折射指数调谐的方法。首先,液晶(LC)分子被电操作以形成光波导。由于LC分子的取向与电场一致,图案化电极的使用造成了LC单元内周期性指数调制。其次,使用了光子晶体波导,其基于明确设计的周期性电极图案。这些光子晶体波导能够将入射光谱分离至像素内的不同物理区域。再次,当外加电压被限制在某个数值范围内时像素不反射可见颜色,从而显示黑状态且不需要大折射指数调制。
[0028] 相应的,提供了一种利用分光光子液晶波导能够在显示装置中反射黑色的方法。反射显示装置包括:底电极组,其按照周期性图案形成;顶电极组,其按照所述周期性图案覆盖所述底电极组而形成。第一电介质层覆盖所述底电极组,由具备具有响应于电场的偶极子的分子的液晶(LC)材料制成。等离激元层包括多个离散等离激元粒子,介于所述底电极组和顶电极组之间,并与所述第一电介质层接触。本方法接收入射至顶电极的全光谱可见光。反射第一主颜色,其中主颜色呈现单个波长峰值,该单个波长峰值光谱的半峰全宽(FWHMs)在可见光谱内。随后,在顶电极和底电极之间施加电压差,以产生电场。响应于电场而在液晶分子中产生偶极子局域转向,响应于LC分子偶极子局域转向而反射在可见光谱之外的波长的光。
[0029] 响应于LC分子中偶极子局域转向的缺失,第一电介质层呈现与第一主颜色关联的第一折射指数。相比之下,电场在第一电介质层的多个局域转向区域产生偶极子局域转向,其中每个局域转向区域介于顶电极组和底电极组中的相应电极之间。同时,LC分子中偶极子局域转向的缺失保持在围绕多个局域转向区域的第一电介质层的局域非转向区域。从而,第一电介质层在局域非转向区域内对接收的光呈现第一折射指数,响应于局域转向区域而对接收的光呈现第二折射指数。在电介质层的不同物理区域显示第一和第二折射指数导致入射光光谱的分离,且响应于分离光谱而反射可见光谱之外的波长的光。即形成分离入射可见光谱的光子晶体波导,且在等离激元层所位于的光子晶体波导的出口不反射可见光。
[0030] 下面提供上述方法以及具有分光光子液晶波导的显示装置的附加细节。
[0031] 图3为具有分光光子液晶波导的显示装置的部分横截面图。装置300包含按照周期性图案形成的底电极302组。即该电极按照重复出现的排列形成。如下所述的更多细节中,周期性图案的一个实施例为具有六边形外边界的等边三角形晶格。按照周期性图案以覆盖底电极302组形成顶电极304组。例如,顶和底电极304/302组可以为诸如化铟(ITO)ZnO、Ag纳米线纳米管等透明材料。第一电介质层306覆盖底电极302组,由具备具有响应于电场的偶极子的分子的液晶(LC)材料制成。包括多个离散等离激元粒子310的等离激元层308介于顶和底电极304/302组之间,并与所述第一电介质层306接触。
[0032] 等离激元层粒子310能以多种结构和转向出现。一方面,等离激元粒子具有中心对称结构。圆顶状结构和杯状结构为中心对称形状的实施例。中心对称形状倾向于减少反射率和视角之间的依赖性。粒子结构的一些其他实施例包括组合壳状、卵状、圆盘状、球状、杆状、条状、金字塔状和星状。注:上述组合壳状结构可以包含由电介质壳包围的金属核,或者,由金属壳包围的电介质核。一方面组合壳电介质可以具有响应于电场而变化的折射指数。注:上述装置可使用其它结构实现,不再示出结构和形状的穷尽集合。等离激元粒子具有一致的结构(形状),以及变化的尺寸。
[0033] 等离激元层308内的等离激元粒子310可按照随机顺序或者对称阵列排列。此外,该粒子可按照本领域已知的各种二维和三维阵列图案排列。等离激元粒子可以为诸如Ag、Au、Cu、Pt、Al或上述金属的合金等材料。典型地,等离激元粒子可以具有10纳米(nm)至300nm范围内的尺寸,粒子之间的间距在约700nm以下的范围内。
[0034] 图4A和4B为图3中显示装置的平面图,示出了示例性顶电极周期图案。注:底电极组的图案与顶电极组的相同。在图4A中,顶电极304的周期性图案包括内圆中的电极304a,各具有第一直径400,其中相邻电极以第一间距402分离。周期性图案还包括外六边形中的电极304b,各具有第一直径400,其中相邻电极以第一间距402分离。相邻的内圆
304a与外六边形304b中的电极以第一间距402分开。一些情况中,顶(和底)电极的图案包括多个同心排列的外六边形中的电极。虽然未示出,电极可按照多个同心外六边形排列,且周期性图案不局限于外六边形的任一特定数量。
[0035] 除了周期性图案包括一点缺陷之外,图4B的周期性图案与图4A的周期性图案相似。在该实施例中,上述缺陷为添加了具有比第一直径400大的第二直径404的中心电极304d。仅示出了一个外六边形中的电极304b。然而,周期性图案不局限于外六边形的任一特定数目。
[0036] 例如,第一直径400可以约为100纳米(nm)以及电极中心之间的第一间距402可以约为300nm。在这种情景下,显示器响应于在顶电极组和底电极组之间施加零伏电势而反射具有约650nm波长的光。
[0037] 应当理解可以存在许多其它的周期性图案,其会在第一电介质层内产生导致显示装置反射在可见光谱之外的颜色(即黑色)的有效折射指数。上述图案仅仅是举例说明本装置的实施例。本装置不局限于任一特定图案类型。还应当理解与周期性图案相关联的分光效应可以利用其它类型的图案缺陷实现。
[0038] 回到图3,第一电介质层306响应于在顶和底电极304/302组之间零伏特电势而具有的第一折射指数。显示器300响应于接收全可见光谱入射光以及响应于在顶和底电极304/302组之间零电压而反射可见光谱内的第一颜色。
[0039] 图5为当在顶电极组和底电极组之间产生电压差时图3中显示装置的部分横截面图。在这种情况下第一电介质层306具有包括响应于第一电压和电极图案而形成的多个第二折射指数区域500及第一折射指数区域502的折射指数图案。如所示,第二折射指数区域500在第一电介质层306中在顶电极304组的每个电极和对应的底电极302之间的柱中形成。第一折射指数区域502在第一电介质层306中包围第二折射指数区域500而形成。显示器300响应于顶和底电极304/302组之间的第一电压而反射可见光谱中的非彩色(即黑)。
[0040] 图6A和6B为图3中显示装置的部分横截面图,以更多细节示出了装置的运行。在图6A中,提供全光谱并且装置300反射第一颜色(如红),而可见光谱中的其它所有颜色传输通过该装置。在图6B中,响应于第一电压而使第一颜色(如红)传输通过第二折射指数区域500(参见图5)。响应于第一电压而使非第一颜色(如除红之外的所有颜色)传输通过第一折射指数区域502。第一电介质层306内的折射指数图案光学地分离入射光的光谱。由于第一颜色的光(光谱)传导通过第一折射指数区域502并且非第一颜色的光(光谱)传导通过第二折射指数区域500,结果,上述装置响应于这样的光谱分离而反射具有可见光谱之外波长的光。光学分离的一个熟知的实施例为棱镜。在区域500的第一颜色和在区域
502的非第一颜色都将传输通过等离激元层而不会诱发反射。因此,不反射可见光。“黑状态”的机制不是基于总体的“有效折射指数”,而是基于由电极图案确定的第一电介质层中具体的折射指数分布。
[0041] 图7为示出了图3中显示装置的变形的部分横截面图。在这方面,由非导电材料制成的第二电介质层700介于等离激元层308和底电极302之间。如果等离激元层308覆盖第一电介质层(未示出),第二电介质层能置于等离激元层和顶电极组之间。
[0042] 等离激元是在金属或其它材料内自由电子气的量子化振动,其影响了光如何与结构作用从而确定了结构的表现颜色。这一现象一般通过表面等离激元与光的结合而出现,以形成表面等离激元偏振子。可以调谐金属纳米结构的颜色是因为这些结构的等离激元共振频率一般依赖于尺寸、形状和等离激元粒子之间的距离以及包围材料的介电特性。因此,通过改变这些特征中的任一个或多个,金属结构的光吸收和散射光谱(因而颜色)可以变化。
[0043] 由于外部扰动能在液晶系统的宏观属性中造成显著变化,科学家和工程师能够在多种应用中使用液晶。电场和磁场都能用于诱发这些变化。场的幅度以及分子取向的速度是工业所涉及的重要特征。最后,在液晶装置中能够使用特殊的表面处理以强制指向矢的特定取向。
[0044] 图8为受到电场通过永久或诱导偶极子的影响的液晶分子的图。液晶分子对电场的响应是在工业应用中使用的主要特征。由分子的电性质导致了指向矢沿外部场取向的能力。当分子的一端具有净正电荷而另一端具有净负电荷时造成永久电偶极子。当外部电场被施加至液晶时,偶极子分子倾向于沿场的方向确定自身的方向。实线箭头代表电场矢量以及虚线箭头示出了分子上的电力。
[0045] 即使分子不形成永久偶极子,它仍然能够被电场影响。在一些情况中,场引起分子中电子和质子的微小重取向从而造成诱发电偶极子。虽然不如永久偶极子一样强,仍然随着外部场而产生转向。
[0046] 由于液晶材料的双折射,每个金属纳米粒子“看”到的有效折射指数实际上为沿两个方向的指数的均方值。因此,依赖于LC分子取向能够获得不同的有效指数。如果所有LC分子取向为与等离激元层平行,有效指数达到其最小值no,即寻常折射指数值。如果LC分2 2
子取向为垂直于等离激元层的表面,有效指数达到最大值即((ne+no)/2)的平方根。该折射指数变化是利用向列液晶所能够达到的最大的值。
[0047] 图9描绘了示出通过液晶单元内的电场调制而形成光波导阵列的横截面图。因为液晶分子900响应于外加电场,将电极图案设计成在LC单元内形成光波导。在左图,当在顶电极和底电极之间存在电势时,LC分子900根据电场线取向,在不同区域示出了不同的取向。具有较强电场的区域通常进行较多LC分子的重取向。在右侧,上述这些不同的取向导致具有不同有效折射指数的区别区域。由于液晶材料的双折射,每个等离激元粒子“看”到的有效折射指数实际上为沿两个方向的指数的均方值。因此,由于根据电场的LC分子的取向而在LC单元内获得了周期性指数调制。
[0048] 因为上述周期性指数调制,能形成各种的光波导和光波导阵列。例如,如果触点(电极)被图案化为圆形形状,利用外加电压能够形成圆柱状波导。注:为了清楚没有示出等离激元层。
[0049] 前述中,为了达到黑状态,需要将显示装置的等离激元共振调谐到可见光范围外,反射光将会要么在近红外范围要么在UV(紫外)范围从而是不可见的。由于液晶具有有限的指数调谐范围,实现这点是非常有挑战性的。回到图6A和6B,提出一种新架构以通过将入射光谱分离至不同区域获得黑状态。在图6A中,当有效指数为n1时显示单元反射红(第一)颜色。这种状态下,红的等离激元共振相应于指数为n1。在图6B中,通过使不同波长的光传导到不同光波导而将红光从其余波长中分离出来。如果实现光谱分离,将不反射红光或其他波长(“黑状态”)。当第一电介质层折射指数n=n1时等离激元结构反射红光。当n=n2时不反射红光。当n=n1时不反射其他波长。
[0050] 基于这一原理,可以有许多能够用于实现光谱分离及因此的黑状态的不同波导阵列设计。在此公开了利用光子晶体波导的设计。
[0051] 图4A和4B中描绘的光子晶体波导或光子晶体光纤(PCF)设计可以使用一种基于光子晶体特性的新类型光纤实现。由于PCF的将光限制在空芯中的能力或者具有传统光纤中不可能的限制特征,目前PCF正发现在光纤通信、光纤激光、非线性装置、高能传输、高灵敏度气体传感器及其他领域中的应用。PCF的较具体的类别包括光子带隙光纤(利用带隙效应限制光的PCFs)、多孔光纤(在其横截面使用气孔的PCFs)、孔助光纤(通过空气孔的出现来调整的传统的指数较高的芯而导光的PCFs)和布拉格(Bragg)光纤(由多层膜的同心环形成的光子带隙)。
[0052] 图10A和10B分别为描绘了图3中显示装置的第二变形的平面图和横截面图。光子晶体波导能够限制入射光谱的一个窄的部分并用作光谱分离。当恰当设计光子带隙结构时,第一(例如,红)光λ1能被强限制、被引导至中心区域。较短的波长能够在周围的具有截止波长λc<λ1的圆柱状波导中传播。触点(电极)尺寸为波长~λ1的数量级。注:中心电极可以理解为其他周期性电极图案中的缺陷。
[0053] 应当理解“反射”为描述光波或光线的经典概念。当结构大幅小于光的波长时,该经典概念不再适用。入射在n1区域顶部的红光既不反射返回也不传输通过n1区域,而是被导向n2区域。
[0054] 图11为示例性说明利用分光光子液晶波导能够在显示装置中反射黑色的方法的流程图。虽然为了清楚该方法被描绘为编号步骤的序列,但该编号不必然地指示步骤的次序。应当理解在该方法的一些情况中可以跳过、并行执行或在没有维持严格的序列次序的要求下执行这些步骤。然而,一般地,这些步骤以编号的次序执行。该方法起始于步骤1100。
[0055] 步骤1102提供了包括按照周期性图案形成的底电极组、按照周期性图案以覆盖底电极组形成的顶电极组的反射显示装置。第一电介质层覆盖底电极组并由含有具有响应于电场的偶极子的分子的液晶材料制成。一方面,步骤1102提供了响应于LC分子中偶极子局域转向的缺失而具有与第一主颜色关联的第一折射指数的第一电介质层。包括多个离散等离激元粒子的等离激元层介于顶电极组和底电极组之间并与第一电介质层接触。步骤1104接收入射至顶电极的全光谱可见光。步骤1106反射第一主颜色,其中主颜色呈现单个波长峰值,该单个波长峰值光谱的半峰全宽(FWHMs)在可见光谱内。如果反射显示装置提供具有约100纳米(nm)的第一直径且电极中心之间的第一间隙为约300nm的顶电极和底电极,则步骤1106可反射具有约650nm波长的光。
[0056] 相继于步骤1106,步骤1108接收顶电极和底电极之间的(第一)电压差,并产生电场。步骤1110响应于电场而产生液晶分子的偶极子局域转向。步骤1112响应于LC分子偶极子局域转向而反射可见光谱之外的波长的光。
[0057] 一方面,步骤1103a在顶电极组和底电极组之间提供零伏特电势。步骤1103b在顶电极组和底电极组之间产生零电场,LC分子的偶极子局域转向的缺失是对零电场作出的响应。注:偶极子局域转向的缺失也可以是对大于零但小于第一电压的电压作出的响应。
[0058] 另一方面,步骤1110中的响应于电场而产生LC分子的偶极子局域转向包括子步骤。步骤1110a在第一电介质层内的多个局域转向区域中产生偶极子局域转向,其中每个局域转向区域介于顶电极组和底电极组中的相应电极之间。步骤1110b在第一电介质层的包围多个局域转向区域的局域非转向区域内产生LC分子的偶极子局域转向的缺失。步骤1110a中第一电介质层对在局域非转向区域内接收的光呈现第一折射指数,步骤1110b中第一电介质层响应于局域转向区域同时对接收的光呈现第二折射指数。
[0059] 可替换地阐述为:在步骤1110a和1110b中同时提供第一和第二折射指数包括通过使第一颜色的光传导通过局域转向区域并且使非第一颜色的光传导通过局域非转向区域而光学地分离在步骤1104中接收的入射光的光谱。然后,步骤1112中的反射可见光谱之外的波长的光包括响应于光谱分离而反射可见光谱之外的波长的光。
[0060] 提供了一种具有分光光子液晶波导的显示装置以及相关联的方法或用途。采用具体材料和结构的实施例以示例化说明本发明。然而,本发明不仅仅局限于这些实施例。本领域技术人员可想到本发明的其它变形和实施例。
[0061] 在前述说明书中采用的术语和表述在其中作为描述而非限制的术语使用,在使用这样的术语和表述时,没有将已示出和描述的特征或其部分的等同内容排除的意图,本发明的范围仅由所随的权利要求定义和限定。
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