CN115047617A - 一种智能驱动反射式显示元件及器件 - Google Patents

一种智能驱动反射式显示元件及器件 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种智能驱动反射式显示元件，包括一结构色薄膜与一微驱动器，所述结构色薄膜具有微纳结构，其光谱呈各向异性；所述微驱动器通过控制所述结构色薄膜的倾斜角度，使所述结构色薄膜呈现不同颜色；所述微驱动器通过连续调整所述结构色薄膜的倾斜角度使所述结构色薄膜显示动态的结构色。本发明利用微驱动器实现对结构色薄膜倾角的精确控制，可以实现对结构色薄膜显示颜色的精确控制，微驱动器的调控速度可以达到微秒级别，从而实现动态彩色显示。在整个动态显示过程中，结构色薄膜的本身的结构不发生任何改变。可以实现单一结构色薄膜颜色从紫到红整个可见光范围内的精确可控，每一个点就可以构成一个像素点，可以构筑高精度的彩色显示器。

Description

一种智能驱动反射式显示元件及器件
技术领域
本发明属于彩色电子显示的制备技术领域，特别涉及一种智能驱动反射式显示元件及器件。
背景技术
结构色(structural color)又称物理色(physical color)，是一种由于物质的微纳结构(micro/nanostructure) 使可见光的光波发生折射、漫反射、衍射或干涉而产生的颜色。结构色产生的原理是：当一束可见光(波长通常是400nm-800nm)照射到物质的微纳结构上时，波长与微纳结构尺寸相匹配的光就会被所述微纳结构选择性的反射或者散射回来，因此具有这种微纳结构的物质表面就会产生特定的颜色，从而产生结构色。
结构色作为自然界中一种很常见的色彩表现形式，几乎是随处可见。晴朗的天气下天空的蓝色通常被认为是来源于瑞利散射，水面上油渍的颜色源自薄膜干涉，彩虹源自折射，甲虫体壁表面的金属光泽和闪光，鸟类羽色的色彩，蝴蝶翅膀的颜色等是典型的结构色。
此外，蜂鸟的羽毛，由于能够实现动态的结构色，受到了广泛的关注。研究表明，蜂鸟羽毛上的羽小枝(barbules)中含有大量的黑素体(melanosomes)，这些黑素体被角蛋白(keratin)分层排列，形成有序堆积的微纳结构。因此，羽小枝材料具有强烈变化的折射率，类似于多层干涉反射器(multilayered interference reflector)，能够产生类似于多层薄膜干涉的效果，导致该羽毛具有明亮的结构色。并且该结构色是彩虹色(iridescent)，即可以随着光线的入射角度的改变而发生变化(Journal of Comparative Physiology A,2018,204,965-975)于是蜂鸟可以通过收缩其表皮下的竖毛肌(erector muscle)，以不同角度提升羽毛来改变羽毛的颜色。(Angew.Chem.Int.Ed.2021,60,14307-14312)这种结构色的变化源于光线与羽毛的相对角度的变化，导致具有角度依赖性的结构色羽毛发生颜色的变化，而并不改变羽毛内部的微纳结构本身。光线与羽毛的不同相对角度对应不同的结构色，因此该结构色是可变化的，也就是说结构色是精确可调的。蜂鸟羽毛的结构色体系中，羽毛即为产生结构色的物质，黑素体被角蛋白(keratin)分层排列，所述的分层排列是微纳结构。这类由自然界中的微纳结构所产生并且可以调节的结构色即为动态结构色(dynamic structural color)。所述动态的结构色包含两层含义：1)物质显示出了结构色，该结构色称为基本结构色； 2)结构色是精确可调的，也就是结构色能够产生全光谱颜色的变化，通过控制光线与物质相对角度，即可使物质呈现出各种不同的颜色，也就是不同颜色的基本结构色之间切换变化，称为可调结构色(tunable structure color)。
以人工的方式实现结构色，可以通过薄膜干涉(thin film interference)、光栅(optical grating)、等离子体结构(Plasmon)、光子晶体(photonic crystal)、非晶光子结构(amorphous photonic structure)、无序结构 (无序结构散射产生的结构色彩如瑞利散射(Rayleigh scattering)和米氏散射(Mie scattering))、复合结构(compositestructure)等微纳结构产生，如图18所示。
以上方式可以产生结构色，但不限于具体的材料。例如，光子晶体是指不同折射率的材料呈周期性排列的结构，是指一种结构，而非具体哪种材料。值得注意的是，所述光子晶体的尺寸都在百纳米级别，在结构色体系中，光子晶体即为微纳结构。光子晶体对光的调控作用与半导体对电子的调控作用类似，所以光子晶体也被叫做光半导体。光子晶体按照其周期性结构的维度被分为三类：一维光子晶体，即只在一个维度上对光有调制作用；二维光子晶体，在两个维度上对光有调制作用；三维光子晶体，在三个维度上对光都有调制作用。
所述结构色精确可调是指，当与结构色相关的参数(例如入射光的角度和微纳结构特征参数)具有确定的值时，微纳结构反射光的波长具有确定的值；反过来，当改变其中一个参数或者多个参数时，微纳结构反射光的波长也随之改变。也就是，一种微纳结构反射光的波长对应一种基本结构色(例如红色)，改变所述反射光的波长就会改变基本结构色(例如蓝色)。所述微纳结构特征参数是指微纳结构的物理或化学参数，包括但不限于微纳结构的材料(包括但不限于微纳结构的材料组成、形貌、尺寸、体积分数、排列构型、排列的有序程度、微纳结构之间的间距等)、晶格参数(例如微纳结构的周期或晶格常数、晶体构型、晶格间距、晶格取向等)、光学参数(例如折射率、光子带隙等)。
光子晶体对光的调制作用主要表现为光子带隙，即对特定波长的光有很强的反射作用，也就是产生了传输禁阻。光子带隙是光子晶体的一个重要的性质。当光子在某一频率范围内时，光在光子晶体内部无法传播，这时光子晶体就对这个波段的光体现出光子禁带，类似半导体中的禁带。光子带隙的一个直接体现就是光子晶体的结构色。因为处在光子带隙范围内的光波会被光子晶体反射回来，体现出独特的结构色。光子带隙(photonic bandgap)与微纳结构特征参数有着直接的关系。下面以三维光子晶体为例，通过分析 Bragg方程阐述上述参数对反射光波长的影响(李畅，二维光子晶体—法布里谐振腔复合结构制备及其应用，硕士学位论文，中国科学院大学，2018年6月)：
三维光子晶体，即在三个方向都对光具有调控作用的结构。处于光子带隙范围内的光波会被反射，产生结构色。其结构色波长符合Bragg方程：
mλ＝2D√neff 2-sin2θ
公式中的m为发生的布拉格衍射的级数；λ为发生布拉格衍射的波长，也就是结构色反射峰波长；D 为晶格常数，通常与光子晶体的间距相关；θ为入射光的角度；neff为有效折射率，与光子晶体占有的体积分数相关，计算方法为：
neff 2＝∑ini 2Vi,
其中ni和Vi分别是组成光子晶体各组分的折射率和体积分数。从以上公式可以看出，当改变入射光的角度、光子晶体的微纳结构特征参数(例如晶格常数、光子晶体的间距、折射率等)时，光子晶体反射的波长也会发生改变，即结构色发生改变，从一种基本结构色变为另一种基本结构色。
现有技术以人工方式实现动态结构色有两种方式：1)仅仅显示基本结构色，例如中国专利 CN113307277A，该专利利用粒径可控的二氧化硅纳米微球自组装形成光子晶体微纳结构，从而产生结构色，所述的结构色为各种不同颜色的基本结构色，该专利并未提及和实现结构色的精确可调，也就是该专利并未实现动态结构色。例如中国专利CN102702791A提供了一种颜色艳丽的光子晶体结构生色材料，该专利利用高折射率材料微球自组装形成光子晶体微纳结构产生结构色，并将黑色染料引入到微球之间的缝隙构建颜色艳丽的结构生色材料，所述的结构色为各种不同颜色的基本结构色，该专利并未提及和实现结构色的精确可调，也就是该专利并未实现动态结构色。
2)实现结构色的可调只能通过改变微纳结构特征参数来实现，其缺点是响应速度慢、疲劳寿命短、颜色难以精确调控等。例如，美国专利US 2017/0336692 Al公开了一种电致变色光子晶体反射显示器。施加电压时离子的迁移引起一维光子晶体层的厚度的变化，导致一维光子晶体晶格常数改变，从而引起结构色的变化。这种结构色调控的响应时间长，在电场下材料的体积发生改变，可重复性差。文献1(Nature Photonics,2007,1,468-472)首次利用光子晶体制造出了一种新型的电子纸显示器(Fig.2)。在这项研究中，光子晶体被组装到压电聚合物中，然后嵌在电极之间。通过施加电压，电解质进入聚合物，使之扩张。膨胀推动光子晶体分离，从而改变其折射率。随着晶格间距的增加，反射光的波长相应增加。这种显示器像纸一样柔软、轻薄，具有便携性，而且内容可擦写，使用起来非常省电。然而，该方法不能实现反射波长的精确控制，并且稳定性较差。文献2(Advanced Materials,2010,22,4973-4977)报道了一种具有快速响应的电调控的色彩与角度无关的光子显示像素点(Fig.2)。他们选择Fe3O4@SiO2核壳纳米颗粒作为光子墨水填充在ITO电极之间，提高了对比度和电泳迁移率。这种Fe3O4@SiO2胶体体系在1V～4V电压下，可以改变胶体颗粒的间距，从而呈现出红色到蓝色的变化。然而该像素点的可重复性较差，疲劳循环次数太少，不能满足显示器的要求。文献3(Advanced Optical Materials,2018,6,1701093)设计了一种具有棒状结构的磁响应光子晶体凝胶(Fig.5)。该研究利用磁热效应使凝胶快速升温，从而引起体积变化，进而实现调节粒子间距，使得光子晶体在交变磁场下能够响应变色。该凝胶由于是在交变磁场下的响应，具有循环稳定性和可重复性。然而，色彩响应范围不能够覆盖全可见光谱，且响应时间达到了6分钟。文献4(Advanced Materials,2018,30,1704941)设计出了一种新型的光调控光子晶体材料，即可分段调控的胆甾相液晶 (Fig.5)。该液晶是一种新型三稳态手性分子，可以通过可见光和紫外光来调控不同液晶构型之间的转变，从而引起反射波的波长发生变化。由于不同液晶构型的色彩和形态差异较大，可以实现超宽的色彩调控。然而这种光子晶体材料不能够实现色彩的精确调控，且响应时间太长(>10s)不能满足显示器的要求。文献5(Nature communications,2018,9,590)将驱动器与光子晶体材料结合在一起，形成一体(Fig.6)。当驱动器弯曲变形时，改变了入射光与微纳结构的角度，使之产生结构色的变化。由于光子晶体的微纳结构成为了驱动器的一部分，驱动器弯曲变形时，光子晶体的微纳结构也随之变形，因此容易受到机械损伤，导致光子晶体材料容易脱落，使结构色消失。此外，光子晶体材料随驱动器变形形成曲面，导致颜色不均匀，因此无法精确调控色彩，即无法实现动态结构色。文献6(Matter,2019 1,626-638)报道了一种蒸汽驱动的光子晶体薄膜(Fig.4)。该工作也将驱动器与光子晶体结合在一块，形成一体。当驱动器弯曲变形时，改变了入射光与微纳结构的角度，使之产生结构色的变化。由于光子晶体的微纳结构成为了驱动器的一部分，当驱动器弯曲变形时，光子晶体的微纳结构也随之变形，因此微纳结构容易受到破坏而使结构色消失。此外，由于光子晶体材料随驱动器变形形成曲面，导致颜色不均匀，因此无法精确调控色彩，即无法实现动态结构色。文献7(Science Robotics,2018,3,eaar8580)报道了一种可变色的结构色水凝胶(Fig.5)。该工作也将驱动器与光子晶体结合在一块，形成一体。当驱动器弯曲变形时，改变了入射光与微纳结构的角度，使之产生结构色的变化。由于光子晶体的微纳结构成为了驱动器的一部分，当驱动器弯曲变形时，光子晶体的微纳结构也随之变形，因此微纳结构容易受到破坏而使结构色消失。此外，由于光子晶体材料随驱动器变形形成曲面，导致颜色不均匀，因此无法精确调控色彩。文献8(Sensors and Actuators B 2016,223, 318-323)公开了一种以光子墨水来显示的彩色电子纸。在光子墨水中，光子晶体颗粒是由一个个表面包裹有水凝胶层的纳米颗粒组装而成，体系中还会加入可以发生氧化还原反应的金属离子，通过静电作用吸附在水凝胶网络内。将光子墨水填充在两片ITO电极中间，只需要施加较小的电压(≤极中间)，即可以控制金属离子的形态，以此改变水凝胶层内部的渗透压，从而可以调控水凝胶层的收缩与膨胀，由此改变光子晶体的间距，以实现颜色的调控。这种光子墨水很难实现对每一种颜色严格的精确可控，响应速度慢，可重复性差。
电子设备显色的基本要求是能够利用基本三原色(即红绿蓝)以及它们的混合得到的颜色显色，实现全彩显示，并且每一种颜色都是可精确调控的。常用的电子设备包括显示器、智能服装等。
目前常见的显示器有主动发光类显示器和反射式显示器。主动发光式显示器是指在外加电信号的作用下，器件本身产生光辐射刺激人眼而实现的显示，包括：液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD)、有机发光显示器(organic light-emitting Diode,OLED)、量子点发光显示器(quantum dot light-emitting Diode,QLED)、等离子显示器(plasma display panel,PDP)、激光荧光体显示(Laser Phosphor Display,LPD)。主动发光类显示器有如下缺点：
(1)需有背光模组或自发光，才能看到影像
(2)需有背光模组或自发光，因此功耗大
(3)强光下(例如强太阳光下)模糊不清
(4)背光会损伤眼睛：背光源或自发光的光线会穿透显示屏幕，直射观看者的眼睛，容易导致视觉疲劳、蓝光引起的黄斑部病变等问题。
反射式显示器是指器件反射周围的环境光，刺激人眼而实现的显示，包括：电泳式电子墨水,光子晶体电子纸，IMOD。反射式显示器的共同优点包括：低耗电、类纸视觉、阳光下可视等特性：(1)完全不需要背光源，是利用环境光源打在电子纸显示屏幕上，再折射光线至观看者的眼中，与传统纸张、或生活中物体的可视原理无异，所以环境光源越亮，电子纸也越清晰可见。(2)同时具有对比度高、视角宽、柔性显示、低能耗、价格低廉、方便携带等优点.(3)不需要背光模组的电子纸显示屏，非常适合长时间阅读，另外，没有背光模组也可节约电力，大幅提升待机时间。目前反射式显示器缺点：1)通常只能显示黑白内容，无法实现像素点的精确控制；2)响应时间需要提高。
现有技术存在的问题是：1)结构色显示器的研究自2007年就开始，但一直以来无法实现突破，为了实现动态结构色，只能通过改变微纳结构特征参数来实现，其必然带来响应速度慢、疲劳寿命短、颜色难以精确调控等缺点，限制了其工业化应用；2)为了满足电子设备显色的基本要求，采用主动发光类显示器的显色必然用到背光模组，因此功耗较大，且由于蓝光聚集而伤眼睛；而反射式显示器通常普遍存在亮度低、更新频率慢、无法显示动画、寿命短等问题。
现有的结构色显示技术无法应用于显示器，其原因是：a)现有技术是通过改变微纳结构特征参数来调控反射的波长，因此难以精确调控结构色；b)利用现有技术调节结构色，其响应时间较长(>100ms)，远大于显示器的最低要求(～40ms)；c)现有技术通过不断改变微纳结构特征参数来调控反射的波长，因此疲劳寿命有限。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种彩色显示材料及显示装置，其不需要嵌入背光模组就能够满足电子设备显色的基本要求，进而具有能耗低，使用寿命长的优点，同时还能够在不改变微纳结构特征参数的前提下，实现动态结构色显示，从而解决了多年来电子设备显色的技术瓶颈，并且克服了结构色显示器无法实现动态结构色的技术壁垒。
发明人经过长期的研究，令人意外地克服了现有技术的偏见，在不改变结构色薄膜的本身结构的前提下，利用微驱动器实现对结构色薄膜倾角的精确控制，实现了对结构色薄膜显示颜色的精确控制，微驱动器的调控速度可以达到微秒级别，从而实现动态彩色显示。在整个动态显示过程中，结构色薄膜的本身的结构不发生任何改变，只是承载着结构色薄膜的基底的偏转角(如图7、8分别所示的α和β角)发生变化，所以该***可以长期稳定的存在。并且通过调控角度，可以实现单一结构色薄膜颜色从紫到红整个可见光范围内的精确可控，因此，每一个点就可以构成一个像素点，可以构筑高精度的彩色显示器。
本发明采用如下的技术方案：
一种智能驱动反射式显示元件，其特征在于：包括结构色薄膜与微驱动器，所述结构色薄膜具有微纳结构，其光谱呈各向异性；所述微驱动器通过控制所述结构色薄膜的偏转角度，使所述结构色薄膜呈现不同颜色；所述微驱动器通过调整所述结构色薄膜的偏转角度，改变了光线与所述结构色的相对角度，使得结构色薄膜反射波长发生改变，即使结构色薄膜的颜色发生改变，也就是实现了动态结构色；优选的，所述微驱动器通过连续调整所述结构色薄膜的偏转角度使所述结构色薄膜连续显示动态的结构色。
进一步地，所述微驱动器控制所述结构色薄膜偏转角度的范围为0°-±180°。
进一步地，所述微驱动器控制所述结构色薄膜偏转角度的范围为0°-±70°
进一步地，所述结构色薄膜具有可以产生结构色的微纳结构，包括但不限于薄膜干涉结构、光栅、等离子体结构、光子晶体、非晶光子结构、无序结构以及复合结构。
进一步地，所述结构色薄膜在不同角度时的透射、反射、散射或辐射光谱强度或分布各不相同。
进一步地，所述微驱动器选自机械化学驱动、渗透驱动、生物能源驱动、仿生驱动、光致伸缩驱动、压电驱动、静电驱动、磁致伸缩驱动、气动驱、热驱动、光驱动、电热驱动、电磁驱动及静电式微马达的至少一种方式驱动所述结构色薄膜偏转。
进一步地，所述微驱动器的驱动方式选自直接驱动和位移放大驱动的任意一种或两种方式。
进一步地，所述结构色薄膜的反射光谱谱峰位置范围为200nm-2000nm。
进一步地，所述结构色薄膜的反射光谱谱峰位置范围为310nm-1050nm。
进一步地，所述结构色薄膜的反射光谱谱峰位置范围为390nm-780nm。
本发明还提供一种器件，所述器件包含一个或多个如前所述任何一种形式的智能驱动反射式显示元件；优选的，所述器件用于显示、传感或隐身。
进一步地，所述器件为显示器。
进一步地，所述器件为传感器。
本发明中所涉及的概念定义如下：
角度依赖是指，利用角分辨光谱仪测试，样品的光谱具有各向异性，样品的透射、反射、散射或辐射在不同角度，光谱强度或分布不同。
根据《机械设计与制造》中的《微驱动器的研究与发展》的介绍(2008,7,227文章编号:1001-3997(2008) 07-0227-03)，微驱动器的相关概念主要包括如下三个方面：1.微电子机械***：进行能量变换与信息变换的元器件。它执行由微处理器发出的控制命令,使被控对象产生物理量、化学量、生物量等的变化。2. 驱动原理：机械化学驱动(通过试剂的化学反应来获得力或位移输出)、渗透驱动、生物能源驱动、仿生驱动、光致伸缩驱动、压电驱动、静电驱动、磁致伸缩驱动、气动驱、热驱动、光驱动、电热驱动、电磁驱动、静电式微马达等。3.常用驱动技术：1)直接驱动方式：该方式的特点是直接利用材料的应力和/或应变性质。2)位移放大方式：最典型的结构是通过柔性铰链放大驱动材料产生的微小位移,利用的是杠杆原理。
本发明所提供的智能驱动反射式显示元件及器件具有以下有益效果：
本发明的彩色显示材料及显示装置通过采用所述底膜能够带动所述结构色薄膜转动，以使所述结构色薄膜的颜色发生改变的技术方案，不需要嵌入背光模组就能够实现颜色的变化，具有能耗低，使用寿命长的优点，同时还能够在不改变本身结构或者组成材料的前提下，实现对显示颜色的精确控制。
1、实现了结构色显示技术的突破，克服传统结构色显示器的研究只能通过改变微纳结构特征参数来实现变色的技术偏见，不仅提高了响应速度、增加了疲劳寿命，而且还实现了精确调控全光谱色彩等优点。
2、在满足满足电子设备显色的基本要求的前提下，解决了传统主动发光显示器件需要用到背光模组的缺点，降低了功耗。此外，由于没有蓝光富集，因此不会对眼睛产生伤害
3、解决了反射式显示器通常只能显示黑白内容，无法实现像素点的精确调控，并且响应时间较慢，无法满足电子设备显色的基本要求等缺点。1.本发明的智能驱动反射式显示元件及器件可实现高频动态彩色显示，颜色精确可调。现有的反射式显示，颜色的改变基本上都是基于微纳光学结构的改变，无法实现动画显示，而本发明的变色过程，只是结构色薄膜基板角度的改变，结构色薄膜的角度是受微驱动器控制的，而微驱动能够实现高频切换，高速、高精度调控，因此本发明的智能驱动反射式显示元件及器件可实现高精度彩色显示和高频彩色动画显示。
4.本发明的智能驱动反射式显示元件及器件的显示重复性、还原性好，显示寿命长。现有的反射式显示，基本上都是基于微纳光学结构的改变来实现颜色的改变，重复次数达到一定值的时候，结构就会遭到不可逆变化，颜色的还原性和重复性就会变差，本发明的的智能驱动反射式显示元件及器件的变色过程是利用微驱动器控制结构色薄膜基板的角度，从而改变结构色薄膜颜色，变色过程中，只是薄膜角度的改变，微纳光学结构自身不发生改变，而微驱动器能够实现上万次稳定的循环，因此本发明的智能驱动反射式显示元件及器件能够实现长效稳定显示。
5.本发明可以根据周围环境的变化实现快速智能变色。现有的结构色显示有部分的可以根据环境的变化产生颜色的改变，主要是微纳光学结构的改变，响应速度较慢，并且可重复性差。本发明的颜色变化，是通过构筑智能响应的微驱动器，牵一发而动全身，结构色薄膜方向细微的改变就可以引起颜色较为显著的变化，因此响应更灵敏，更快速。
6.本发明具有传感器的功能，可以作为传感器将接收到的信息转换成相应的颜色，例如将磁场、温度等转换为颜色定性或定量表示。
7.本发明还可用于隐身的作用，将自身颜色变换为和环境或背景颜色相同。以此衍生的因颜色变换而可应用场景还有：灯光表演、信号灯指示等。
附图说明
图1利用气液界面自组装法制备二维光子晶体薄膜。
图2二维光子晶体SEM电子显微镜照片，及其角度依赖性结构色。
图3利用剪纸技术切割，制备阵列化光子晶体鳞片。
图4利用打印的方法将石墨烯打印在光子晶体鳞片底端。
图5利用红外光照射在石墨烯凝胶表面，石墨烯凝胶的膨胀收缩可以驱动光子晶体鳞片的运动，实现彩色显示。
图6三维胶体光子晶体及其具有角度依赖性的结构色。
图7压电驱动光子晶体显示器。
图8磁驱动反射式结构色显示器。
图9电磁驱动反射式结构色显示器。
图10.PDMS kirigami的设计和制造。(A)使用激光切割(左)和“V”形切口(右)进行的折纸制作工艺示意图。(B)PDMS kirigami的图片(左)和切口的横截面图(右)。“V”形切口的测量角度为～6.4°。比例尺：1cm(左)，200μm(右)。(C)在单轴拉伸过程中，PDMS折纸的快照。在单轴拉力作用下，韧带的结构被扩展，矩形的挡板门阵列全部弹出并弯曲到平面外。比例尺：1cm。(D)根据实际样本量进行的有限元建模(FEM)模拟快照。步骤1-3模拟是增加负载，步骤4-6增加是放松步骤。PDMS kirigami 的变形是完全可逆的。(E)将模型的切入倾斜角α设置为6.4°，并且PDMS片的厚度为0.37mm。PDMS 折纸的图案度与应变关系的实验(红色圆圈)和FEM模拟(蓝色曲线)。仿真数据与实验数据吻合良好。 (F)单轴拉力作用下矩形闸门的局部FEM快照。轮廓线显示了标准化应变。
图11.光子晶体涂层(PhC)折纸。(A)PhC kirigami的制作示意图。将2DCPC组装到PDMS折纸上。 (B)PhC kirigami的图片和扫描电子显微镜(SEM)图像。PhC kirigami显示为红色(顶部)。比例尺： 1cm。PhC由单层紧密堆积的聚苯乙烯球状胶体晶体阵列制成，直径约600nm(底部)。比例尺：1μm(底部)。(C)PhC kirigami在单轴张力下的快照。状态1-5是加载步骤，在此期间，门会弹出并且颜色从红色变为蓝色。状态5-8是卸载过程。当门阵列的提升角度恢复到原始状态时，颜色恢复为与加载过程中相同的值。比例尺：3mm。(D)PhCkirigami在状态1-8的CIE数据图。(E)在1、10、100、1,000和10,000 个循环后，PhCkirigami的可逆颜色变化图和PhC kirigami的快照。
图12.PhC kirigami应用。(A)在手腕运动期间(i-iv)附着在手腕上的PhCkirigami的图像和PhC kirigami的快照，显示纸张的颜色随手腕的弯曲而变化。(B)PhCkirigami在水下效果很好。当将折纸贴在鱼玩具上时，其颜色随鱼体的摆动而变化。
图13.根据切口角度和PDMS板的厚度，模型的面外剪切变换为：(i)随机变形和最大变形，表面形状的方向是随机的；(ii)随机的和非最大的翘曲，表面形状的方向是随机的，但不能完全抬起阵列；(iii) 均匀且非最大的翘曲，表面形状的方向均匀，但整个柱子无法完全提起；(iv)均匀且最大的翘曲，方向均匀，并且整个图案可以完全倾斜。
图14.(A)PhC kirigami在入射光下以不同角度在25°入射光下拍摄的照片。PhCkirigami的颜色从紫色变为红色，散射角从20°更改为70°。比例尺：3mm。(B)PhC kirigami的散射光谱，取决于散射角。(C) 散射光谱的峰从429nm线性移至707nm，总波长约为300nm，并覆盖了整个可见光波长。(D)，(E)PhC 的俯视图和横截面图。这些图像清楚地表明PhC是密排胶体结晶阵列的单层。应当注意的是，球体的一部分浸入了PDMS基板中，因此PhC坚固且即使拉伸超过10,000次也不会剥离。比例尺：1μm。
图15.长嘴星喉蜂鸟的冠和颈部切换颜色。(A)蜂鸟的冠和颈部的结构变色的快照。蜂鸟的冠羽在黑色到蓝色之间切换，而蜂鸟的颈羽在黑色和红色之间切换，只需拉紧某些肌肉即可。(B)用于观察羽毛的角度依赖性的实验装置和坐标系的示意图。羽毛被全向入射光照射。(C)在全向入射光下以不同视角(θ) 拍摄的蜂鸟的冠和毛的照片。从不同角度观看时，羽毛的颜色会有所不同。冠和羽毛在(-43°)处呈黑色，在(43°)处呈明亮的蓝色和红色。比例尺：1mm。蓝色羽毛(D)和红色羽毛(E)树枝的光谱。入射光是全向的，并且接收角度范围为0至60°，间隔为2°。结果显示了羽毛颜色的角度依赖性。
图16.在全向入射光下以垂直于主轴羽毛(
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全向入射)的不同视角观察蜂鸟的冠和颈部羽毛。(A) 当视角γ从-43°变为43°时，冠羽的左侧从灰色变为蓝色，而右侧部分从蓝色变为灰色。(B)毛从红色变成灰色。比例尺：1mm。
图17.(A)蓝色冠羽和(B)红色羽的表面特征。不同区域的放大图像，包括红色和蓝色羽毛上的根 (i，iv)，中心(ii，iv)和尖端(iii，vi)。I，II：比例尺：750μm：，i～vi：比例尺：50μm。
图18几种常见的基本结构色的微纳结构示意图，图中(a)光散射结构；(b)衍射光栅；(c)干涉薄膜；(d)-(f)一维、二维和三维光子晶体示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进一步说明。
下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例1
本实施例提供一种光驱动二维光子晶体显示元件，包括一二维光子晶体结构色薄膜与一光驱动器，所述二维光子晶体结构色薄膜具有微纳结构，其光谱呈各向异性；所述光驱动器通过红外激光控制所述二维光子晶体结构色薄膜的偏转角度，使所述二维光子晶体结构色薄膜呈现不同颜色；所述光驱动器通过连续调整所述二维光子晶体结构色薄膜的偏转角度使所述二维光子晶体结构色薄膜显示动态的结构色。
本实施例的光驱动二维光子晶体显示元件的制备方法如下：
(1)将质量分数为5wt％的粒径为600nm的聚苯乙烯小球乳液按照乳液：水：无水乙醇＝1：1：2的体积比配置混合溶液，超声10分钟使其分散均匀；
(2)裁取5cm×8cm的PET薄膜，清洗干净并进行亲水处理，利用界面自组装的方法在PET薄膜表面组装二维光子晶体，具体操作如下：将PET薄膜置于玻璃培养皿中，倒入适量超纯水，用移液枪吸取适量聚苯乙烯小球混合溶液滴加在液面上，当小球铺满整个液面时，在玻璃培养皿边缘滴加几滴十二烷基硫酸钠溶液，聚苯乙烯小球在气液界面组装成高度有序的二维光子晶体，利用捞膜的方法，将有序排列的聚苯乙烯小球密堆积薄膜转移到PET薄膜表面，如图1所示；
(3)将玻璃培养皿放入80℃的烘箱中退火1小时，使小球与PET薄膜基底结合更牢固得到由单分散的聚苯乙烯小球形成的具有二维光子晶体结构色复合薄膜，薄膜的结构色具有角度依赖性，如图2所示；
(4)利用激光剪纸技术，在PET薄膜内切割大小相同的35个鳞片(2mm×3mm)，如图3所示；
(5)利用打印的方法将浓度为5mg/mL石墨烯墨水，打印在光子晶体PET薄膜的顶端，如图4所示；
本实施例的光驱动二维光子晶体显示元件在红外激光的控制下，能够显示不同的色彩和图案，如图5 所示。在本实施中，所述阵列化控制器控制所述二维光子晶体结构色薄膜偏转角度的范围为0°-±180°，所述二维光子晶体结构色薄膜的反射光谱谱峰位置范围为200nm-2000nm。通过对色彩变化前后的结构色薄膜的结构进行表征，发现其结构在变色时没有发生变化。光谱测试表明结构色可在200-2000nm的范围内精确变化。
实施例2
本实施例提供一种压电驱动三维光子晶体显示元件，包括一三维光子晶体结构色薄膜与一压电驱动器，所述三维光子晶体结构色薄膜具有微纳结构，其光谱呈各向异性；所述压电驱动器通过压电微驱动器阵列控制器控制所述三维光子晶体结构色薄膜的偏转角度，使所述三维光子晶体结构色薄膜呈现不同颜色；所述压电微驱动器阵列控制器通过连续调整所述三维光子晶体结构色薄膜的偏转角度使所述三维光子晶体结构色薄膜显示动态的结构色。
本实施例的压电驱动三维光子晶体显示元件的制备方法如下：
(1)将质量分数为17wt％的粒径为230nm的二氧化硅小球乳液按照乳液超声10分钟使其分散均匀；
(2)裁取宽20cm×30cm的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜(PMMA,亚克力)，清洗干净并进行亲水处理，利用刮涂的方法在PMMA薄膜上沉积上三维胶体光子晶体，如图6所示；
(3)利用激光剪纸技术，将PMMA薄膜等分成600份(1mm×1mm)；
(4)将PMMA薄膜集成在压电控制器芯片上，利用压电微驱动器控制每一个光子晶体鳞片的倾斜角，如图7所示；
本实施例的压电驱动三维光子晶体显示元件利用压电微驱动器阵列控制器实现对光子晶体阵列的自动化控制，可以实现动画展示。在本实施中，所述阵列化压电控制器控制所述三维光子晶体结构色薄膜偏转角度的范围为0°-±70°，所述三维光子晶体结构色薄膜的反射光谱谱峰位置范围为310nm-1050nm。通过对色彩变化前后的结构色薄膜的结构进行表征，发现其结构在变色时没有发生变化。光谱测试表明结构色可在310-1050nm的范围内精确变化。
实施例3
本实施例提供一种磁驱动二维光子晶体显示元件，包括一二维光子晶体结构色薄膜与一磁驱动器，所述二维光子晶体结构色薄膜具有微纳结构，其光谱呈各向异性；所述磁驱动器通过阵列化磁场控制器控制所述二维光子晶体结构色薄膜的偏转角度，使所述二维光子晶体结构色薄膜呈现不同颜色；所述磁驱动器通过连续调整所述二维光子晶体结构色薄膜的偏转角度使所述二维光子晶体结构色薄膜显示动态的结构色。
本实施例的磁驱动二维光子晶体显示元件的制备方法如下：
(1)利用卷对卷纳米压印的方法制备二维光子晶体薄膜，二维点阵周期为510nm，点阵直径为230nm；； (2)利用激光剪纸技术，将二维光子晶体薄膜等分成1mm×1.2mm
(3)利用点胶机在每个光子晶体鳞片背面的顶端沉积上磁性纳米粒子凝胶，利用外加磁场控制每一个结构色鳞片的倾斜角，如图8所示；
本实施例利用阵列化磁场控制器实现对光子晶体单元鳞片倾斜角的自动化控制，可以实现彩色显示。在本实施中，所述阵列化磁场控制器控制所述二维光子晶体结构色薄膜偏转角度的范围为0°-±180°，所述二维光子晶体结构色薄膜的反射光谱谱峰位置范围为390nm-780nm。通过对色彩变化前后的结构色薄膜的结构进行表征，发现其结构在变色时没有发生变化。光谱测试表明结构色可在390-780nm的范围内精确变化。
实施例4
本实施例提供一种电磁驱动三维光子晶体显示元件，包括一三维光子晶体结构色薄膜与一电磁驱动器，所述三维光子晶体结构色薄膜具有微纳结构，其光谱呈各向异性；所述电磁驱动器为MEMS微镜阵列，通过MEMS微镜阵列控制所述三维光子晶体结构色薄膜的偏转角度，使所述三维光子晶体结构色薄膜呈现不同颜色；所述电磁驱动器通过连续调整所述三维光子晶体结构色薄膜的偏转角度使所述三维光子晶体结构色薄膜显示动态的结构色。
本实施例的电磁驱动三维光子晶体显示元件的制备方法如下：
(1)将质量分数为20wt％的粒径为200nm的二氧化硅小球乳液按照乳液：水：无水乙醇＝1：1：2 的体积比配置混合溶液，充分超声，使其分散均匀；
(2)裁取9cm×6cm的不锈钢膜，清洗干净并进行亲水处理，利用旋涂的方法在不锈钢膜上沉积三维光子晶体；
(3)利用激光切割技术将不锈钢膜等分成直径为2mm的圆形；
(4)将不锈钢薄膜集成在MEMS微镜阵列上，利用电磁驱动控制每个光子晶体鳞片的倾斜角，如图 9所示。
本实施例的电磁驱动三维光子晶体显示元件利用MEMS微镜阵列实现对光子晶体阵列的自动化控制，可以实现动画展示。在本实施中，所述MEMS微镜阵列控制所述三维光子晶体结构色薄膜偏转角度的范围为0°-±70°，所述三维光子晶体结构色薄膜的反射光谱谱峰位置范围为310nm-1050nm。通过对色彩变化前后的结构色薄膜的结构进行表征，发现其结构在变色时没有发生变化。光谱测试表明结构色可在 310-1050nm的范围内精确变化。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明的彩色显示材料及显示装置进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明的其中一个实施例如下：以机械驱动为例，来说明本发明提供的一种彩色显示材料及显示装置，其不需要嵌入背光模组就能够满足电子设备显色的基本要求，进而具有能耗低，使用寿命长的优点，同时还能够在不改变微纳结构特征参数的前提下，实现动态结构色显示。
本发明展示了由弹性聚合物kirigami鳞片和光子晶体涂层制作的机械驱动彩色显示器，称为PhC kirigami。Kirigami是一种艺术形式，可以将纸张折叠和裁切以创建精美的设计，并且具有从二维(2D)图案化功能膜制造三维(3D)结构的巨大潜力。本发明的PhCkirigami可以通过调控结构色薄膜翘起角度(调控入射角)，而没有改变微纳结构本身，即可调节结构色，可实现全光谱色彩显示，精心设计的PhC kirigami 可以在外部负载下准确生成所需的弹出表面，并不断引起颜色从蓝色变为红色。PhC kirigami的颜色变化是可精确控制，可逆，可重复和耐用的，可以重复使用10,000次以上。
聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作的Kirigami是通过如图10A所示通过激光切割在薄的PDMS薄板(厚度约为0.37毫米)中形成矩形切口阵列而制成的。激光切割的切口为“V”形。PDMS薄板上打有一系列矩形浇口轮廓切口，从而留下由小韧带连接的矩形折板浇口网络。宽度为3.00毫米，高度为3.75毫米的挡板门以互锁方式排列，如图10B所示。挡板门之间的间隙为1.50毫米。铰链的宽度为1.50毫米(平行的平行线之间的距离)。这导致了包括切口的周期性分布的kirigami的形成。韧带的结构在单轴拉力作用下延伸，矩形活门的阵列全部弹出并弯曲到平面外。图10C中的侧视图显示了如何通过拉伸将具有晶格折纸切割的PDMS 板动态地从2D结构转
换为3D结构。形成面外3D结构，其形态可预期地由加载力控制。加载力越大，弹出结构的屈曲越大。这个过程是可逆的，并且是永无止境的。
本发明通过有限元模拟研究了PDMS kirigami的机械响应，这使本发明能够对材料中发生的变形进行全面的描述和分析。如图10D所示，通过有限元建模(FEM)结果可以复制在本发明的实验中观察到的关键趋势。使用实际样本量进行有限元分析。将模型的切入倾斜角α设置为6.4°，并且PDMS片的厚度为0.37mm。当PDMS折纸在单轴张力下加载时，韧带网络会扩展，襟翼门会被拉伸的韧带提起并从平板上弹出。有限元分析结果表明，施加的载荷均匀分布在整个折纸片上，襟翼门阵列的屈曲是同步的，并且提升角都相同。当应变范围为5％至50％时，图案的提升角度从0°到65°线性增加。这使得变形过程可预测且可控。
仿真数据与实验结果之间取得了很好的一致性(图10E)。仿真结果清楚地表明，模型在缝口处的面外剪切转换是显着不对称的(图10F)。值得注意的是，切口角度对于PDMS折纸的变形以及屈曲的方向至关重要。如果切口是正交切口，则顶部和底部的平面外剪切变形是完全对称的，并且不会发生平面外变形(图 4)。这证明了V形切口在PDMS翻板闸门阵列的平面外弯曲中起关键作用。本发明模拟了具有不同升起角和切入角(α)的PDMS折纸。结果表明，阵列单元的平面外变换可以分为四个区域：(i)表面形状的方向是随机的，这可以使阵列完全倾斜(最终提升角度大于55°)；(ii)表面形状的方向是随机的，但无法完全提升阵列；(iii)表面形状的方向是均匀的，但整个柱子不能完全抬起；(iv)方向均匀，整个图案可以完全倾斜。该结果表明厚度和α在区域IV内受到控制；即，厚度在0.3至0.5毫米之间，并且α大于～5°，从而可以实现产生足够且可控的面外弯曲变形的应变，并且不再依赖于α的特定值。因此，该结构构造是容错的并且具有大的操作窗口。本发明准备的PDMS板的厚度(0.37毫米)和通过激光切割产生的α(6.4毫米)位于IV区，在该IV区中，整个襟翼门可以完全倾斜，同时保持均匀的抬升角度。
对本发明的实验和数值结果的分析表明，在单轴张力下，襟翼缝会弯曲到平面外，这是精确的预测和可控制的，尤其是在0％至50％应变范围内的线性相关范围内。同时，制得的PDMS kirigami具有极高的拉伸能力(高达～100％)和可弯曲性(曲率半径低至～5mm)。它也是灵活和可折叠的。在线性相关范围内没有破坏性或灾难性的变形发生，这表明kirigami结构是稳定且可重复的。在图10D，F中清楚地看到，拉伸发生在韧带网络而不是在单元的浇口处，并且单元的浇口本质上几乎没有应变，除了铰链点。可以将周期性2D晶格中的切割几何形状的预测设计屈曲为所需的3D形状，而不会使刚性单元或曲面变形。因此，结构的变形将不会改变沉积在单元顶部的材料的物理特性或功能。
随后，本发明将二维胶体光子晶体(2D CPhC)沉积在带有折纸晶格裁剪的PDMS片材上。图11A中展示了制造2D CPhC结构的简化方法。简而言之，首先将单分散的聚苯乙烯球单层在空气-水界面处组装，然后转移到穿孔的PDMS折纸中。将样品在80℃退火30分钟，以使聚苯乙烯纳米球牢固地与基底结合，从而增强了所形成的2D CPhC的稳定性。在45°视角的全向入射光下，由于高度有序的2D CPhC结构(图11B)，穿孔的PDMS千里光呈现出鲜明的红色。随着视角的变化，它在从紫色到红色的整个可见范围内呈现颜色变化(图14A)。在18°至48°的不同散射角下，其散射光谱的位移从429nm到707nm约为278nm。频谱变化通过角度变化是敏感的。
当拉伸PhC键合的PDMS折纸(PhC kirigami)时，PhC折板浇口(PhC折板)的倾斜角度对应于单轴张力的负载而线性增加，PhC kirigami的颜色从红色变为蓝色(图11C)。矩形晶胞的倾斜角度从0°(1)增大到17.2°(2)，26.4°(3)，37.4°(4)和46.1°(5)。因此，矩形单元的颜色从红色(1)变为橙色(2)，黄色(3)，青色(4)，最后是蓝色(5)。随着张力逐渐减小，状态5-8是卸载过程。当矩形晶胞的倾斜角度恢复到与加载过程相同的程度时，PhC kirigami的颜色将相同。完全释放负载后，矩形晶胞的倾斜角度将返回 0°，PhC kirigami的颜色会像原始状态一样恢复为红色。也就是说，可以通过调控结构色薄膜翘起角度(调控入射角)，而没有改变微纳结构，即可调节结构色，可实现全光谱色彩显示，从而实现了动态结构色。PhC襟翼的可见颜色与倾斜角度紧密对齐，可以通过加载单轴张力来精确控制倾斜角度。在该循环中，色域很宽，PhC kirigami的国际照明委员会(CIE)从(0.50，0.32)变为(0.13，0.12)。颜色变化覆盖整个可见范围，如图11D所示。同时，根据PhC襟翼阵列的预测倾斜角度，可以精确控制颜色变化并重复该变化，实现结构色的全光谱色彩变化。
结构颜色稳定，调整过程稳定。本发明执行了状态1为OFF和状态5为ON的循环测试(图11E)。本发明在1、10、100、1,000和10,000个周期后拍摄了快照。处于10,000个循环的OFF状态的矩形单元的CIE-x约为0.505，从初始状态0.496不大于2％，在ON状态不大于3％。显示装置的结构颜色在误差范围内保持稳定。
本发明提供的机械驱动的彩色显示材料，因其调控结构色薄膜翘起角度(调控入射角)，而没有改变微纳结构，即可调节结构色。因此的结构色稳定性高，可实现上万次循环。可以在不更改PhC结构的情况下进行可编程的2D周期性晶格中可裁剪成所需3D形状的几何算法设计。因此，只要本发明的显示装置不超过弹性应变范围，就不会破坏结构颜色，并且可以无限地对其进行控制。本发明的结果表明，PhC kirigami结构的显示器具有超长的循环寿命，这是评估显示设备性能的另一个重要指标。
总之，通过对折纸结构和PhC方向色的精确转换，可以实现彩色显示。结构响应很灵敏，可以在弱拉伸的情况下准确实现全色变化。颜色变化过程也是可预测的，可重复的和节能的。应当注意，颜色变化的频率取决于拉伸的频率，因此它可以非常快。
与传统的显示技术相比，柔性PhC显示器具有许多优势，包括超薄，轻巧，可弯曲和便携式。因此，本发明设想PhC kirigami将具有许多有用的应用程序，包括作为柔性或可穿戴显示器，在强光下显示高分辨率和饱和度。例如，将PhC kirigami贴在手腕上时(图12A)，可以通过胶片的颜色很好地监视手腕的运动。PhC kirigami具有柔韧性，耐磨性和超适形性，可用于不同形状的物体。而且，PhC kirigami在大多数表面上都可以变形，并且能够承受反复的大变形。因此，PhC kirigami在制造监视器和迷彩产品以及信号传输方面具有巨大的潜力。PhC kirigami结构的显示器为没有背光源的人工智能显示器提供了有希望的候选者，即使在强光照射下，该显示器也可以显示高性能图像。而且，PhC kirigami显示器具有环境适应性，并且可以在水下很好地工作(图12B)。
结论：PhC kirigami结构显示器充分体现了智能响应结构和PhC结构颜色的结合。通常，kirigami已被广泛用于编程具有所需形状和通用属性的薄片形状。结构色的优点包括出色的虹彩，成本效益，环境友好性，高复制保真度和可持续性。kirigami PhC显示器轻巧，灵活，并且适合非扁平物体。它也可以弯曲成较大的曲率，例如膝盖和其他身体关节的运动。kirigami PhC显示器的颜色变化可以以低能耗来预测和精确控制。通过此过程产生的颜色是鲜艳的，并且在所有可见颜色中范围广泛。这里展示的PhC kirigami为新技术提供了一个多能的平台。例如，kirigami技术可以轻松地应用于具有不同化学，电子和机械特性的薄膜，这为进一步开发可响应光，电子或磁场，温度变化，或化学信号。向PhC kirigami设备中添加诸如双压电晶片或化学标签之类的元素可能会创建对环境敏感的超材料。因此，本发明可能会采用由薄薄的彩色显示器(由带有PhC涂层的弹性聚合物kirigami鳞片制成)的构想来构建智能的彩色响应设备和传感器，例如可穿戴的迷彩，色度监测器和对环境敏感的彩色显示屏。
本发明具有传感器的功能，可以作为传感器将接收到的信息转换成相应的颜色，例如将磁场、温度等转换为颜色定性或定量表示。
本发明还可用于隐身的作用，将自身颜色变换为和环境或背景颜色相同。以此衍生的因颜色变换而可应用场景还有：灯光表演、信号灯指示等。
自然界中结构色的探索
雄蜂鸟的冠和鼻甲颜色鲜艳，可以频繁地变色，但是这种变色的根源尚不清楚。本发明证明了这种颜色调制是由于鸟的皮肤拉伸或收缩引起的羽毛角度变化所致。蜂鸟的羽毛的鲜艳颜色是由黑色素颜料的薄片所形成的结构颜色，这些黑色素点缀有孔，这些孔充当光子晶体(PhC)以反射特定波长的光。受蜂鸟的冠和结构的颜色过渡启发，本发明开发了一种机械驱动的彩色显示器，该显示器由具有光子晶体涂层的弹性聚合物kirigami鳞片制成，称为PhC kirigami。PhC kirigami可用于创建精确可编程的结构彩色材料，这些材料在柔性显示器和视觉传感器中显示出巨大的潜力。
受具有结构着色的各种生物的启发，例如鸟类(羽毛)，蝴蝶(鳞)，昆虫(角质层)和植物(水果和树叶)，可以通过模仿这些生物的特征及其潜在机理来制造下一代结构彩色材料。结构颜色是我们观察到的一种颜色，由于可见光干扰是由不同折射率的材料制成的结构引起的。蜂鸟是一个很好的例子，它演示了自然的结构颜色变化。雄性长嘴星喉蜂鸟只需拉紧某些肌肉即可轻松在冠部和喉部闪烁颜色。如图15A 所示，冠羽变为蓝色，而羽变为红色。
蜂鸟的羽毛的结构颜色是由高度有序的层(7～15层)黑色素血小板点缀有空气孔(血小板形状像椭圆形的薄煎饼，直径为1.5μm，厚度为0.15μm)产生，这些光斑起到光子作用晶体以反射特定波长的光。什么原因导致颜色闪烁？我们从长嘴星喉蜂鸟的冠和上取下羽毛，并将它们放在桌子上以便多方向观察(图 15B)。冠羽在阳光下呈蓝色(图15C和图16A)，羽呈红色(图15C和图16B)。沿羽毛的主轴线观察时，树冠和羽毛在开始时为黑色(θ＝-43°)。当视角(θ)增加时，某些区域的冠和羽毛逐渐变成蓝色和红色。角度相关的反射光谱是使用微区角分辨率光谱仪获得的，用于羽毛的角度相关颜色的定量分析(图15D，E)。入射光是全向的，反射角在0-60°之间变化，间隔为2°(图15)。冠状羽毛的羽毛反射光谱在441nm至493nm 范围内发生了52nm的红移，而冠羽从582nm至645nm发生了63nm的红移。
这些结果表明，长嘴吻喉的冠和结构着色过渡行为是由于其羽毛的角度依赖性结构颜色引起的。当小鸟缩颈时，羽毛会被打起褶皱，并调整羽毛的方向，从而产生闪烁的颜色。已经证明，由高度有序的胶体球制成的光子晶体(PhC)具有与角度相关的结构色。
对比例
本实施例根据文献(Advanced Materials,2010,22,4973-4977)报道的方法制备了光子晶体显示像素点，作为对比例说明。本实施例测试结构色的疲劳寿命方法是：将光子晶体显示像素点的上下电极分别接入直流电源控制器(E3631A，安捷伦科技有限公司)的正负极上，然后通过循环施加电压测试其耐久性。施加偏置电压后，像素点可以立即呈现出均匀的颜色。在1V～4V电压下，像素点可以呈现出红色到蓝色的变化。然而，该像素点在数十次的结构色变化之后，便失去了响应特性，即无法调节颜色。该对比例说明了，通过改变微纳结构特征参数来实现结构色的变化，其必然带来响应速度慢、疲劳寿命短、颜色难以精确调控等缺点，因此大大限制了其工业化应用。
需要说明的是，本发明的实施方式不限于以上实施例列出的实施方式，在其他实施例中，所述结构色薄膜还可以为光栅、超表面或光子晶体材料，所述微驱动器还可以为机械化学驱动、渗透驱动、生物能源驱动、仿生驱动、光致伸缩驱动、压电驱动、静电驱动、磁致伸缩驱动、气动驱、热驱动、光驱动、电热驱动、电磁驱动及静电式微马达等多种驱动器。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种智能驱动反射式显示元件，其特征在于：包括结构色薄膜与微驱动器，所述结构色薄膜具有微纳结构，其光谱呈各向异性；所述微驱动器通过控制所述结构色薄膜的偏转角度，使所述结构色薄膜呈现不同颜色；所述微驱动器通过调整所述结构色薄膜的偏转角度使所述结构色薄膜显示动态的结构色；优选的，所述微驱动器通过连续调整所述结构色薄膜的偏转角度使所述结构色薄膜连续显示动态的结构色。
2.如权利要求1所述的一种智能驱动反射式显示元件，其特征在于：所述微驱动器控制所述结构色薄膜偏转角度的范围为0°-±180°；优选的，所述结构色薄膜偏转角度的范围为0°-±70°。
3.如权利要求1所述的一种智能驱动反射式显示元件，其特征在于：所述结构色薄膜具有可以产生结构色的微纳结构，包括但不限于薄膜干涉结构、光栅、等离子体结构、光子晶体、非晶光子结构、无序结构以及复合结构。
4.如权利要求1所述的一种智能驱动反射式显示元件，其特征在于：所述结构色薄膜在不同角度时的透射、反射、散射或辐射光谱强度或分布各不相同。
5.如权利要求1所述的一种智能驱动反射式显示元件，其特征在于：所述微驱动器选自机械化学驱动、渗透驱动、生物能源驱动、仿生驱动、光致伸缩驱动、压电驱动、静电驱动、磁致伸缩驱动、气动驱、热驱动、光驱动、电热驱动、电磁驱动及静电式微马达的至少一种。
6.如权利要求1所述的一种智能驱动反射式显示元件，其特征在于：所述微驱动器的驱动方式选自直接驱动和位移放大驱动的任意一种或两种方式。
7.如权利要求1所述的一种智能驱动反射式显示元件，其特征在于：所述结构色薄膜的反射光谱谱峰位置范围为200nm-2000nm；优选的，所述结构色薄膜的反射光谱谱峰位置范围为310nm-1050nm；更优选的，所述结构色薄膜的反射光谱谱峰位置范围为390nm-780nm。
8.一种器件，其特征在于：所述器件包含一个或多个权利要求1-7任一项所述智能驱动反射式显示元件；优选的，所述器件用于显示、传感或隐身。
9.根据权利要求8所述的器件，其特征在于，所述器件为显示器。
10.根据权利要求8所述的器件，其特征在于，所述器件为传感器。
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