基于光子晶体的动态全彩色户外显示屏及其实现方法

基于光子晶体的动态全彩色户外显示屏及其实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及反射式显示技术领域，特别是涉及一种基于光子晶体的动态全彩色户外显示屏及其实现方法。
【背景技术】
[0002]户外显示屏拥有媒体展示、信息发布、交通诱导、创意显示等用途，广泛应用于金融、工商、体育、广告、交通运输、教育系统、车站、码头、机场等公共场所。LED户外显示屏具有亮度高、视角大等优点，逐渐在户外显示中占据主导地位。
[0003]虽然LED相对传统灯箱广告比较节能，但户外显示屏的面积一般较大，所以其耗电量还是较大的。此外，户外显示屏经常日晒雨淋，风吹尘盖，工作环境恶劣，加上LED工作时会产生一定的热量，因此LED显示屏一直在努力做到防阳光直射、防尘、防水、防高温、防电路短路等“五防”。因此开发具有更低功耗的、更鲁棒的户外显示屏对于城市的可持续发展具有十分重要的意义。
[0004]被动显示材料本身并不发光，其通过透射背光或反射环境光来实现显示。通过透射背光来实现显示的被动显示材料，如传统的液晶显示技术，它在小尺寸平面显示方面已取得巨大成功，但不适合户外显示，因为户外的阳光可能非常强烈。通过反射环境光来实现显示的方法有电子墨水技术、高通的MOD技术、胆留相液晶技术和光子晶体技术等。其中光子晶体是由不同折射率的介质周期排列而成的微结构，当折射率的变化周期与光波长相比拟时，能强烈地反射特定波长的光而形成结构色。结构色因具有高亮度、高饱和度、永不退色等普通颜料或色素所不具备的特点，越来越受到科学界和工程界的关注。

【发明内容】

[0005]本发明主要解决的技术问题是提供一种基于光子晶体的动态全彩色户外显示屏及其实现方法，能够解决现有户外显示屏存在的能耗大的缺点。
[0006]为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是:提供一种基于光子晶体的动态全彩色户外显示屏，其主要由若干个基本显示单元组成；所述基本显示单元自上到下依次包括:透明前面板、弹性光子晶体材料、高效反光层、压电陶瓷阵列、驱动电极阵列和基板；其中，所述压电陶瓷阵列和驱动电极阵列直接粘结在所述基板上；所述透明前面板和基板之间的距离恒定。
[0007]在本发明一个较佳实施例中，还包括安装在显示屏外侧辅助光源。
[0008]在本发明一个较佳实施例中，所述基本显示单元自身为4*6阵列或5*7阵列。
[0009]在本发明一个较佳实施例中，所述弹性光子晶体材料由弹性基质和均匀分布在所述弹性基质中的胶体粒子组成。
[0010]在本发明一个较佳实施例中，所述胶体粒子选自聚苯乙烯、四氧化三铁、碳、聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化钛中的一种或两种以上的任意组合，其折射率为1.8~2.5，直径为80?180nm，单分散度高于95%。
[0011]在本发明一个较佳实施例中，所述弹性基质选自聚氨脂、聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚二甲基硅氧烷中的一种或两种以上的组合，其折射率为1.3?1.6，伸长率大于500%。
[0012]为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是:提供一种基于光子晶体的动态全彩色户外显示屏的实现方法，其步骤为:(1)向压电陶瓷施加驱动电压；(2)压电陶瓷产生形变；(3)弹性光子晶体材料被压缩，其结构色发生蓝移；(4)基于光子晶体的动态全彩色户外显示屏显示。
[0013]在本发明一个较佳实施例中，所述驱动电压的驱动模式为连续模式或固定模式；所述显示屏的显示模式为普通模式或字符模式。
[0014]在本发明一个较佳实施例中，所述户外显示屏在普通模式下的像素点尺寸为
0.5 ?3mmο
[0015]在本发明一个较佳实施例中，所述弹性光子晶体材料的结构色为物理结构色，由弹性基质的折射率、胶体粒子的折射率、胶体粒子的平均距离共同决定，反射光的最大波长的计算公式为:
λ =2氺d氺naverage ，
其中，d为两层胶体粒子的层间距离，naverage为弹性光子晶体材料的平均折射率。
[0016]本发明的有益效果是:本发明一种基于光子晶体的动态全彩色户外显示屏，有两点优势:一是高亮度、高对比度，有效消除了户外强光下其他显示技术失效的问题，填补了相应的市场空白；二是属于被动型显示，只在切换显示内容时才消耗能量，非常适合各种静态或者刷新缓慢的显示需求。这种技术甚至可以用于对画面刷新率要求不高的动态全彩色户外显示屏，完全适应了这种市场需求。
【附图说明】
[0017]图1是本发明一种基于光子晶体的动态全彩色户外显示屏的正视图；
图2是本发明一种基于光子晶体的动态全彩色户外显示屏的侧视图；
图3是所示基本显示单元的结构示意图；
图4是4*6阵列的压电陶瓷阵列的俯视图；
图5是基本组成单元单个像素点的压致变色原理示意图；
图6是基本显示单元在字符模式下的工作示意图；
图7是动态全彩色户外显示屏在普通模式下工作的示意图；
图8是动态全彩色户外显示屏在普通模式下工作的局部放大示意图。
[0018]附图中各部件的标记如下:1.辅助光源，2.透明前面板，3.弹性光子晶体材料，
4.高效反光层，5.压电陶瓷阵列，6.驱动电极阵列，7.基板，8.弹性基质，9.胶体粒子，10.基本显示单元，11.未加电压的单个像素点，12.施加电压的单个像素点，13.显示屏幕中的区域，14.图案。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
[0020]请参阅附图，本发明实施例包括:
本发明揭示了一种基于光子晶体的动态全彩色户外显示屏，其由若干个基本显示单元10组成的显示阵列及辅助光源2构成，其中，辅助光源2属于白光源，光谱覆盖整个可见光区域，且能比较均匀地照射在整个户外显示屏的表面；所述基本显示单元10自身为4*6阵列或5*7阵列，若干个基本显示单元组成更大的显示阵列。
[0021]所述基本显示单元10自上到下依次包括:透明前面板2、弹性光子晶体材料3、高效反光层4、压电陶瓷阵列5、驱动电极阵列6和基板7 ;其中，所述压电陶瓷阵列5和驱动电极阵列6的底部平整，直接粘结在所述基板7的上面；所述透明前面板2和基板7之间的距离恒定；压电陶瓷阵列5可以在电压控制下连续变形。
[0022]其中，弹性光子晶体材料3由弹性基质8和均匀分布在所述弹性基质8中的胶体粒子9组成。所述弹性基质8选自聚氨脂、聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚二甲基硅氧烷中的一种或两种以上的组合，其折射率为1.3?1.6，伸长率大于500%。所述胶体粒子9选自聚苯乙烯、四氧化三铁、碳、聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化钛中的一种或两种以上的任意组合，其折射率为1.8-2.5，直径为80?180nm，单分散度高于95%。
[0023]这种户外显示屏属于被动显示，无需背光源，其核心部分是压致变色的弹性光子晶体材料和压电陶瓷阵列。压电陶瓷上施加电压的大小决定其伸长量，从而决定弹性光子晶体材料的压缩量，最终表现为光子晶体结构色的蓝移程度。通过控制弹性光子晶体材料及压电陶瓷的参数，同时将显示 单元组成阵列，可以实现全彩色显示；这种技术甚至可以用于对画面刷新率要求不高的动态全彩色户外显示屏。
[0024]上述基本显示单元的单个像素点的压致变色原理为:
由于透明前面板2和基板7之间的距离恒定，施加不同电压时，压电陶瓷5产生不同的形变量，从而弹性晶体粒子3被压缩的程度也不同，使得弹性晶体粒子3的结构色蓝移，如图5所示。例:
初始时(不加电压)，光子晶体的禁带位置在红外区域，表现为高效反光层的颜色，可以设计高效反光层的颜色为深色，并设计压电陶瓷的驱动电压范围内对应光子晶体的全彩色变化范围，即增加电压时，光子晶体的结构色从无至红色，再逐渐蓝移至橙色、黄色、绿色、蓝色、紫色等。
[0025]光子晶体结构只反射特定波段的环境光，因此其颜色属于物理结构色，该结构色由弹性基质8的折射率、胶体粒子9的折射率和胶体粒子的平均距离共同决定，可通过布拉格公式计算反射光的最大波长:λ =2*d*naverage，其中，d为两层胶体粒子的层间距离，naverage为弹性光子晶体材料的平均折射率。在弹性光子晶体材料上施加压力，颜色发生蓝移。
[0026]另外，通过调节高折射率胶体粒子9和低折射率弹性基质材料8的比例，也可以改变弹性光子晶体的初始颜色和压致变色的敏感程度。
[0027]上述基于光子晶体的动态全彩色户外显示屏的实现方法，其步骤为:(1)向压电陶瓷施加驱动电压；(2)压电陶瓷产生形变；(3)弹性光子晶体材料被压缩，其结构色发生蓝移；(4)基于光子晶体的动态全彩色户外显示屏显示。
[0028]上述步骤(I)中，驱动电压的驱动模式有两种，连续模式和固定模式，其中，连续模式是指每个压电陶瓷上可施加连续驱动电压，实际应用时一般取128、256、512、1024、2048、4096等各种电压分段数，对应了相同数目的颜色；固定模式是指每个压电陶瓷上施加0V、VR,VG,VB四种电压中的任意一种，对应于初始状态、纯红色、纯绿色、纯蓝色，通过基本显示单元中红绿蓝三色像素点的数目来调和各种颜色，图5正展示了固定模式驱动下的四种颜色。
[0029]基本显示单元有两种显示模式，普通模式和字符模式。其中，普通模式是指每个压电陶瓷独立控制一个像素点；字符模式是指基本显示单元作为一个整体，可显示一个字符(例如5*7阵列字符)或简易图案。由基本显示单元构成的显示阵列也具有普通模式和字符显示模式，即本发明基于光子晶体的动态全彩色户外显示屏也有两种显示模式:字符模式和普通模式。
[0030]如图6所示，户外显示屏工作在字符模式，每个基本显示单元显示一个字符或简单图案。其中，10为基本显示单元，11为未加电压的单个像素点，12为施加电压的单个像素点。在这种字符模式显示情形中，每个基本显示单元各像素点的驱动电压大小一致；但不同的基本显示单元的驱动电压可以不同，这样能够显示不同颜色的字符。例如，图6中字母，，A “、”B “、” C “以红色显示，数字” I “、”2 “、”3 “以绿色显示。
[0031]如图7所示，户外显示屏幕工作在普通模式，所有基本显示单元中的每个像素点是最小独立显示像素点，通过电压可实现全波段各种颜色。其中，13为屏幕中的一个区域，14为13区域中的图案。显示屏的尺寸及纵横比可以通过不同数目的基本显示单元排列而成，其分辨率决定于基本显示单元中每个像素点的尺寸大小。综合考虑成本和视觉效果，户外广告屏的像素点尺寸为0.5-3_。
[0032]图8是图7中图案区域13的放大示意图。在普通模式显示中，每个像素点相互独立，可通过驱动电压来实现各种颜色，因此图案也可以是彩色的。
[0033]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【主权项】
1.一种基于光子晶体的动态全彩色户外显示屏，其特征在于，其主要由若干个基本显示单元组成；所述基本显示单元自上到下依次包括:透明前面板、弹性光子晶体材料、高效反光层、压电陶瓷阵列、驱动电极阵列和基板；其中，所述压电陶瓷阵列和驱动电极阵列直接粘结在所述基板上；所述透明前面板和基板之间的距离恒定。2.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体的动态全彩色户外显示屏，其特征在于，还包括安装在显示屏外侧辅助光源。3.根据权利要求1所述的基于光子晶体的动态全彩色户外显示屏，其特征在于，所述基本显示单元自身为4*6阵列或5*7阵列。4.根据权利要求1所述的基于光子晶体的动态全彩色户外显示屏，其特征在于，所述弹性光子晶体材料由弹性基质和均匀分布在所述弹性基质中的胶体粒子组成。5.根据权利要求4所述的基于光子晶体的动态全彩色户外显示屏，其特征在于，所述胶体粒子选自聚苯乙烯、四氧化三铁、碳、聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化钛中的一种或两种以上的任意组合，其折射率为1.8-2.5，直径为80?180nm，单分散度高于95%。6.根据权利要求4所述的基于光子晶体的动态全彩色户外显示屏，其特征在于，所述弹性基质选自聚氨脂、聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚二甲基硅氧烷中的一种或两种以上的组合，其折射率为1.3?1.6，伸长率大于500%。7.一种如权利要求1所述的基于光子晶体的动态全彩色户外显示屏的实现方法，其特征在于，其步骤为:(1)向压电陶瓷施加驱动电压；(2)压电陶瓷产生形变；(3)弹性光子晶体材料被压缩，其结构色发生蓝移；(4)基于光子晶体的动态全彩色户外显示屏显示。8.根据权利要求7所述的基于光子晶体的动态全彩色户外显示屏的实现方法，其特征在于，所述驱动电压的驱动模式为连续模式或固定模式；所述显示屏的显示模式为普通模式或字符模式。9.根据权利要求8所述的基于光子晶体的动态全彩色户外显示屏的实现方法，其特征在于，所述户外显示屏在普通模式下的像素点尺寸为0.5?3mm。10.根据权利要求9所述的基于光子晶体的动态全彩色户外显示屏的实现方法，其特征在于，所述弹性光子晶体材料的结构色为物理结构色，由弹性基质的折射率、胶体粒子的折射率、胶体粒子的平均距离共同决定，反射光的最大波长的计算公式为:λ =2氺d氺naverage ， 其中，d为两层胶体粒子的层间距离，naverage为弹性光子晶体材料的平均折射率。
【专利摘要】本发明公开了一种基于光子晶体的动态全彩色户外显示屏及其实现方法，户外显示屏由若干个基本显示单元组成；基本显示单元自上到下依次包括：透明前面板、弹性光子晶体材料、高效反光层、压电陶瓷阵列、驱动电极阵列和基板；其中，压电陶瓷阵列和驱动电极阵列直接粘结在基板上；透明前面板和基板之间的距离恒定。本发明有两点优势：一是高亮度、高对比度，有效消除了户外强光下其他显示技术失效的问题，填补了相应的市场空白；二是属于被动型显示，只在切换显示内容时才消耗能量，非常适合各种静态或者刷新缓慢的显示需求。这种技术甚至可以用于对画面刷新率要求不高的动态全彩色户外显示屏，完全适应了这种市场需求。
【IPC分类】G09F9/30
【公开号】CN104882071
【申请号】CN201510298001
【发明人】赵远锦, 顾洪成, 王伟霞, 邹昕, 周雯婷, 顾忠泽
【申请人】东南大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月3日