动态变色表面具有许多应用，包括但不限于显示器、可穿戴产品和主动伪装。等离子体纳米结构以超小像素、高反射率和通过控制周围介质进行制造后调节的优点而可以胜任该角色。然而，尽管制造后调节已经以单维度的单纳米结构覆盖了全红绿蓝(RGB)色基集合，本发明专利技术仍考虑了一种新的基于LC的设备和方法，其实现了这种调节并且展示了覆盖仅作为电压的函数的全红/绿/蓝(RGB)色基集合的液晶等离子体系统。这是通过表面形态引起的偏振相关的等离子体共振以及在不同电压下表现的体和表面液晶效应的组合来实现的。所得的LC等离子体系统提供了前所未有的单个等离子体纳米结构的颜色范围，消除了对当前显示器的三个空间静态子像素的需要。该系统与现有LCD技术的兼容性可以通过将其与市售薄膜晶体管(TFT)阵列集成来实现。压印表面很容易与计算机进行接口连接以显示图像以及视频。
Dynamic adjustable single pixel full color plasma display, method and Application
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】可动态调节的单像素全彩等离子体显示器、方法和应用政府权益声明美国国家科学基金会以NSFECCS-1509729的奖项提供了本专利技术的资金。美国政府享有本专利技术的某些权利。相关申请的交叉引用本申请涉及并要求于2017年4月4日提交的美国临时专利申请序列号62/481,178的优先权，其通过引用整体包含在此。
技术介绍
本专利技术的方面和实施例涉及纳米结构的等离子体启用的液晶(LC)显示设备和方法，并且更具体地，涉及以单维度的单个纳米结构覆盖全RGB色基集合的压控液晶等离子体显示设备、方法和应用。由等离子体纳米材料和表面产生的结构颜色越来越受到关注。推动这些系统商业化的努力已使得颜色质量、角度无关性、亮度和制造后可调性的显著改善。然而，尽管这些进步中的大多数都在努力替代目前的市售技术，但是制造后改变颜色的能力是等离子体系统的独特优势，这可以使它们有利地填补利基应用。例如，传统的透射和反射显示器通常具有带有静态红色、绿色和蓝色滤光器的三个子像素区域。这些子像素通过称为混色的过程来控制透射或吸收的每种基色的量，以产生任意颜色。由动态变色表面构建的显示器可以消除对个体子像素的需求，将分辨率提高3倍而不会减小像素尺寸。但是，之前的对制造后等离子体调节的报道尚未涵盖具有单个纳米结构的整个色基集合(RGB或CYM)。在申请人先前的工作(在PCT/US2015/056373中进行了描述)中，公开了一种纳米结构的等离子体启用的颜色生成设备，该设备只能涵盖单个纳米结构的三个RGB值中的两个。为了覆盖整个颜色集合，需要多个纳米结构。
技术实现思路
根据实施的专利技术，我们展示了一种反射式变色表面，其能够产生全RGB色基集合，其全部仅为电压的函数，并且基于单个纳米结构。这是通过表面粗糙度引起的偏振依赖性的开始以及界面效应和体LC效应的结合来实现的。这些现象中的每一个都决定了在不同电压范围(voltageregime)中的表面颜色：体LC重新取向导致在低压范围内的偏振旋转，以及表面LC重新取向导致在较高电压处的等离子体共振偏移。通过有限元(FEM)、琼斯运算和时域有限差分(FDTD)模拟技术的结合，对这种混合式LC等离子体调节机制进行了建模。最后，展示了该系统通过与TFT阵列集成与现有LCD技术的可扩展性和兼容性。随后将所得设备与计算机进行接口连接以显示任意图像和视频。该工作展示了混合式LC等离子体系统在单像素、全色、高分辨率显示器和变色表面上的潜力。附图说明图1是液晶等离子体设备的例示性实施例的示意表示；图2(a)是垂直于(90°)液晶长轴偏振的入射光的反射光谱；图2(b)是平行于(0°)液晶取向偏振的入射光的反射光谱；图2(c)是压印聚合物上的30nm“光滑”铝膜的SEM图像和对应直方图；图2(d)是压印聚合物上的30nm“粗糙”铝膜的SEM图像和对应直方图；图2(e)是在平行(0°)和垂直(90°)入射偏振下与“光滑”铝膜的模拟光谱相比的反射光谱；图2(f)是在平行(0°)和垂直(90°)入射偏振下与“粗糙”铝膜的模拟光谱相比的反射光谱；图3(a)是在三个所选电压下整个盒(cell)的液晶和光偏振的示意表示；图3(b)是用于验证整个盒的液晶取向的实验装置的示意表示；图3(c)是描绘对光赋予的偏振旋转度作为电压的函数的曲线图；图3(d)是在以相对于液晶指向矢(director)平行和垂直的光进行激发时等离子体表面的两个正交关闭状态的反射光谱；图3(e)是在低外加场状态中的表面的反射光谱和通过两个等离子体模式的叠加而得到的模拟光谱；图4(a)是作为外加场和输入偏振的函数的表面的所测量和模拟的反射光谱；图4(b)是针对所选偏振和电压的通过偏振膜的大面积样本的相机图像；图4(c)是当偏振器、液晶指向矢和检偏器平行时作为电压的函数的表面的CIE色度图和显微镜图像；图5(a)是平行于液晶指向矢的入射光在入射角为和θ时的偏振的示意表示；图5(b)是当旋转轴平行(TE，s偏振)和垂直(θ，TM，偏振)于入射光时的实验测量结果的曲线图；图6(a)是与薄膜晶体管(TFT)阵列集成的等离子体表面的显微镜图像(10x)；图6(b)是在将电压施加至TFT的每第三和第四行之后表面颜色变化的描绘；图6(c)是从装置显示的一对全图像(4x)；图6(d)是被动寻址装置，其中UV光刻图案化的“UCF”随着外加场、偏振器、以及检偏器配向和LC光配向指向矢而变化；图7是“粗糙”和“光滑”铝薄膜在分水岭方法的各个步骤处的一系列SEM图像；图8(a)是当入射光的电场平行时表面的关闭状态行为导致蓝色的描绘；图8(b)是当入射光的电场垂直时表面的关闭状态行为导致红色的描绘；图8(c)是当未偏振时表面的关闭状态行为导致紫色的描绘；图9(a)是模拟的纳米孔阵列的单位晶胞(cell)的示意表示；图9(b)是示出作为晶胞位置和电压的函数的、从图9(a)所得到的和θ的一系列曲线图；图10(a)是示出针对的波长和电压相关加权因子的曲线图；图10(b)是示出针对β的波长和电压相关加权因子的曲线图；图11(a)是示出针对2.6V(1kHzAC)的响应时间测量结果的曲线图；图11(b)是示出针对5.4V(1kHzAC)的响应时间测量结果的曲线图；图12(a)是随外加电场变化的单个阿富汗女孩图像(国家地理学会)在0V/μm处的光学显微图；图12(b)是随外加电场变化的单个阿富汗女孩图像(国家地理学会)在1.25V/μm处的另一光学显微图；图12(c)是随外加电场变化的单个阿富汗女孩图像(国家地理学会)在2.5V/μm处的光学显微图；图12(d)是随外加电场变化的单个阿富汗女孩图像(国家地理学会)在10V/μm处的光学显微图；图12(e)是利用10x物镜在图12(d)中的10V/μm处的光学显微图；图12(f)是在制造到液晶盒中之前的样本的SEM图像；图12(g)是在制造到液晶盒中之前的样本的另一SEM图像；以及图12(h)是在制造到液晶盒中之前的样本的又一SEM图像。具体实施方式液晶等离子体装置图1示出液晶等离子体设备的示意图。在该装置的顶部，未偏振的环境光穿过线性偏振器、玻璃盖板、氧化铟锡(ITO)和摩擦后的聚酰亚胺膜。ITO用作将电场施加在液晶上的透明电极，并且摩擦后的聚酰亚胺使LC平行于摩擦的轴配向(均匀配向)。偏振光继续通过高双折射率LC层(LCMatter公司的LCM1107)并激发纳米结构铝表面上的光栅耦合表面等离子体(GSCP)。靠近等离子体表面的LC取向确定GCSP模式的有效折射率，因此确定共振波长。未被纳米结构吸收的光从装置反射回来，导致可感知的颜色。等离子体表面构成了LC盒的后半部分，并且通过300nm周期纳米孔阵列的纳米压印光刻本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种液晶等离子体显示设备，包括：/n线性偏振器；/n盖板；/n透明电极；/n摩擦后的聚酰亚胺膜；/n液晶(LC)；以及/n布置在基板上的纳米结构等离子体表面，/n其中所述透明电极被布置为在所述液晶上施加电场，并且所述摩擦后的聚酰亚胺将所述LC平行于其被摩擦的轴配向，以提供均匀配向，/n其中所述等离子体表面附近的LC取向确定偏振敏感的光栅耦合表面等离子体(GCSP)模式的有效折射率，并因此确定所述纳米结构等离子体表面的共振波长，/n进一步地，其中所述设备的特征在于能够产生全RGB色基集合的反射式变色表面，所述全RGB色基集合全部仅为电压的函数并且基于单个纳米结构。/n
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170404 US 62/481,1781.一种液晶等离子体显示设备，包括：
线性偏振器；
盖板；
透明电极；
摩擦后的聚酰亚胺膜；
液晶(LC)；以及
布置在基板上的纳米结构等离子体表面，
其中所述透明电极被布置为在所述液晶上施加电场，并且所述摩擦后的聚酰亚胺将所述LC平行于其被摩擦的轴配向，以提供均匀配向，
其中所述等离子体表面附近的LC取向确定偏振敏感的光栅耦合表面等离子体(GCSP)模式的有效折射率，并因此确定所述纳米结构等离子体表面的共振波长，
进一步地，其中所述设备的特征在于能够产生全RGB色基集合的反射式变色表面，所述全RGB色基集合全部仅为电压的函数并且基于单个纳米结构。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述纳米结构等离子体表面是粗糙表面，在存在各向异性介质时引起对GSCP共振的偏振依赖性。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述纳米结构等离子体表面是光滑表面，导致实质上的偏振无关性。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述LC是其至少一部分包括所述纳米结构等离子体表面的盒。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述纳米结构等离子体表面是纳米结构铝表面。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述盖板是玻璃成分的。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述透明电极包括氧化铟锡(ITO)。
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【专利技术属性】
技术研发人员：德巴什·钱达，丹尼尔·弗兰克林，
申请(专利权)人：中央佛罗里达大学研究基金会，
类型：发明
国别省市：美国;US
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