CN100451724C - 双稳态电浸润光学元件及其驱动方法 - Google Patents

双稳态电浸润光学元件及其驱动方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种例如用在电浸润显示装置中的光学元件，该电浸润显示装置包括以矩阵排列的多个像素。每个光学元件包括填充有例如水溶液的极性导电流体(5)和例如油的非极性流体(6)的单元。所述单元还包括覆盖有第一和第二疏水层(8，11)覆盖的第一和第二平面电极(7，10)。通过交替地在第一流体和第一电极(7)之间、第一流体和第二电极(10)之间施加电压，油(6)受力从而在第一和第二疏水层(8，11)之间移动。这样可以提供双稳态、能效高的光学元件。

Description

双稳态电浸润光学元件及其驱动方法
技术领域
本发明涉及一种光学元件，包括密闭单元，该密闭单元包含第一流体和第二流体，其中第一流体是导电的，第二流体是彩色的且与第一流体不相混合，该密闭单元包含覆盖有第一疏水绝缘层且位于单元中第一壁处的第一电极，第一电极和第一流体之间的电压可控，以控制第一疏水层与第一流体接触的面积，由此控制与第一壁垂直的方向中透过该单元的光量。
背景技术
例如在WO03/071347A1中公开了这种光学元件，它形成称为电浸润显示器的显示装置一部分。电浸润功能提供具有极好亮度和对比度的显示器，且与很多其它显示技术相比，具有相对小的功率。然而，上述类型的光学元件的一个问题在于，功耗虽然低于很多其它显示结构中使用的光学元件的功耗，但对于一些需要极低功耗的应用，它仍然太高。
发明内容
因此本发明的一个目的是提供具有改善的功耗特性的上述类型的光学元件。
该目的通过权利要求1的光学元件、权利要求9的显示装置、以及根据权利要求10的为这种光学元件提供驱动信号的方法获得。
更具体而言，根据第一方案，本发明涉及一种光学元件，包括密闭单元，该密闭单元包含第一流体和第二流体，其中第一流体是导电的，第二流体是彩色的且与第一流体不相混合，该密闭单元包含覆盖有第一疏水绝缘层且位于单元中第一壁处的第一电极，第一电极和第一流体之间的电压可控以控制第一疏水层与第一流体接触的面积，由此控制与第一壁垂直方向中透过该单元的光量，其中所述单元包括被第二疏水绝缘层覆盖的第二电极，且光学元件包括交替地在第一流体和第一电极之间、第一流体和第二电极之间施加电压的器件。
这允许提供双稳态光学元件，对此元件来讲，仅需在光学元件改变状态时提供能量。
一个优选实施例中，第一电极是平面的并与第一壁平行，且第二电极基本垂直于第一电极延伸，且优选地紧邻单元的第二壁，该第二壁垂直于第一壁。这样，当光学元件开启时，第二流体根本不干扰光路。这样，例如，在显示器中获得改善的亮度。
优选地，第二电极紧邻单元的多个壁延伸，且在优选实施例中紧邻垂直于第一壁的单元所有壁延伸。如果光学元件用作显示器中的图像元件，这产生更薄的显示器，具有改善的视角属性。
一个优选实施例中，在第一疏水层和第二疏水层之间存在连续的缝隙。这使得光学元件更稳定，因为在不提供驱动电压时第二流体不会穿过缝隙从一个疏水层迁移到另一个疏水层。
然而可选地，可以在第一疏水层和第二疏水层之间提供至少一个疏水材料桥。在切换操作中这种桥引导第二流体，由此更可靠。
这种元件可以形成可切换光阑、快门或滤色镜的一部分。
根据第二方案，本发明涉及一种显示装置，包括多个图像元件，其中每个图像元件包括这种光学元件。这种显示装置提供良好的功耗特性，这在移动应用中尤为重要。
根据第三方案，本发明涉及一种为光学元件提供驱动信号的方法，该光学元件包括密闭单元，该密闭单元包含第一流体和第二流体，其中第一流体是导电的，第二流体是彩色的且与第一流体不相混合，该密闭单元还包括覆盖有第一疏水绝缘层且位于单元中壁处的第一电极，第一电极和第一流体之间的电压可控以控制第一疏水层与第一流体接触的面积，由此控制透过单元的光量，其中每个单元包括被第二疏水绝缘层覆盖的第二电极，该方法包括以下步骤：在第一流体和第一电极之间施加电压以获得第一单元透射率，以及在第一流体和第二电极之间施加电压以获得第二单元透射率。
该方法提供的优点对应于上述光学元件的优点。
参考此后描述的实施例，本发明的这些和其它方案将显而易见并得到阐述。
附图说明
图1a和1b示意性地示出了根据现有技术的显示装置中的光学元件单元的剖面图及其工作原理。
图2a和2b示意性地示出了根据本发明实施例修改的光学元件单元。
图3示出了根据本发明的第一实施例布置的疏水绝缘层。
图4示出了根据本发明的第二实施例布置的疏水绝缘层。
图5示出了根据本发明的第三实施例布置的疏水绝缘层。
具体实施方式
图1a和1b示意性地示出了根据现有技术的显示装置中的光学元件单元的剖面图及其工作原理。
这种显示装置可以包括以阵列排列的多个(例如600×400个)图像元件(像素)。每个图像元件包括光学元件单元，优选地，从用户看该光学元件单元是矩形的。
所述单元包括密闭空间，该空间由面对用户的透明前壁1、后壁2以及侧壁3，4定义。前和后壁可以为所有像素公用。
所述单元填充以第一流体5和第二流体6。第一流体5可以包括包含盐溶液的水，第二流体6可以包含油，例如硅油或链烷。第一和第二流体5，6基本不互混，水和上述油便是这种情况。第一流体5是极性和导电的，而第二流体6可以是电绝缘的。第二流体使用染料或在某些情况下使用色素染色。
例如，包括ITO层(ITO＝氧化铟锡)的透明第一电极7布置在后壁2上，且覆盖有疏水绝缘层8，例如，该疏水层绝缘层8包括非晶含氟聚合物(例如，AF1600)。
在松弛状态，因为第一流体5(此后称为水)不润湿疏水层8，第二流体6(此后称为油)覆盖疏水层8。这源于这样的事实：疏水层和油之间以及油和水之间的表面张力之和小于水和疏水绝缘体之间的表面张力。然而当在透明电极7和水5之间施加电压时，能量平衡改变，水5开始浸湿疏水层8，将油6推到疏水层8的一小部分，如图1b所示。该过程中基本没有电流流动，这是因为疏水层是绝缘的，由此该过程主要是电容性的。因为彩色的油6现在被推在一边，较多的光可以被单元的白色后壁2反射。当撤销电压时，单元返回到图1a所示的状态，即油6再次基本完全覆盖疏水层8。由此，以矩阵排列的大量这种单元可以用作反射型显示装置，能够通过电学方式控制阵列中的单元(像素)为用户显示图像。
图2a和2b示出了根据本发明的实施例修改的光学元件单元。根据该实施例，每个单元还包括被第二疏水绝缘层11覆盖的第二电极10。
该显示装置包括在与电路相连的水5和第一电极7之间以及在水5和第二电极10之间交替施加电压的器件。当在水5和第二电极10之间施加电压时，第二疏水层11上的任何油都受力，向覆盖第一透明电极7的第一疏水层8迁移，如图2a所示。以相应的方式，当在水5和第一透明电极7之间施加电压时，第一疏水层8上的任何油都受力，向覆盖第二透明电极10的第二疏水层11迁移，如图2b所示。油薄膜的厚度一般小于50μm。
不施加电压的电极优选地在每个状态都接地。
这样，所期待的方法包括以下步骤：(a)在第一流体5(水)和第一电极7之间施加电压以获得第一单元透射率，由此获得第一像素外观，例如，其中像素是白色的，以及(b)在第一流体5和第二电极10之间施加电压以获得第二单元透射率，由此获得像素外观，例如，其中像素多少有点黑。
应当注意，例如，提供第二电极10和第二辅助层11的辅助结构使光学元件例如像素呈现双稳态。即，和现有技术单稳态结构相比，如果释放电压，像素保持在两个状态中的其中之一，现有技术单稳态结构中，电压必须连续地供给或至少以规则周期供给(取决于流体动力学)，以使像素保持在“不稳定”状态。
这样，在根据本发明的实施例的双稳态结构中，仅当像素在第一状态和第二状态(黑-白或白-黑)之间过渡时需要供给电压。这当然使显示装置更加节能，尤其是在像素内容不经常改变的应用中。
图3示出了根据本发明的第一实施例布置的疏水绝缘层。从观看显示器的用户看来，第一电极7和第一疏水层8是平面的且位于单元的后壁上。第二电极10和第二疏水层11则基本垂直于第一电极的平面延伸，布置在侧壁处(图2a中的3)。
应当理解，第一和第二电极7，10也可以是平行的，但垂直结构提供使油6基本保持在输入和反射光的光路之外的优点，这是因为白色后壁2可以完全无覆盖。
如图3所示，在第一疏水层8和第二疏水层11之间可以提供连续缝隙14。这防止第一或第二电极7、10上没有施加电压时第一和第二疏水层8、11之间油6的任意运输。这样双稳态更可靠。
图4示出了根据本发明的第二实施例布置的疏水绝缘层。该实施例中，提供一个或多个疏水材料桥15，16，它们中断了第一疏水层8和第二疏水层11之间的连续缝隙。尽管这种桥15，16一定程度上产生了第一和第二疏水层8，11之间油6的无意识运输的风险，但通过在第一和第二疏水层8，11之间引导油6，同样使得两种状态之间的切换更可靠。这减少了一些或全部的油6无意识保留在疏水层上的风险，如图1b所示的情况。
根据实验选择桥15，16的宽度，使其足够宽以提供引导功能，但又充分小以避免松弛状态中油6的无意识传输。
图5示出了根据本发明的第三实施例布置的疏水绝缘层。如图所示，优选地使第二电极紧邻单元的多个侧壁延伸，更优选地，紧邻单元的所有侧壁延伸。尽管第二电极10和第二疏水层11的总面积保持不变，但这使单元厚度18减少。当这种光学元件用在显示器中时，它的优点不仅在于较薄的显示器。更重要的，可以改善显示器的视角。
如上所述，该光学元件用作包括多个这种光学元件的显示装置中的像素。然而，该光学元件还可以用在其它应用中，例如用在可切换光阑、快门或滤色镜中。
综上所述，本发明涉及一种例如用在电浸润显示装置中的光学元件，该电浸润显示装置包括多个以矩阵排列的像素。每个光学元件包括填充有极性导电流体(例如水溶液)和非极性流体(例如油)的单元。所述单元还包括覆盖有第一和第二疏水层的第一和第二平面电极。通过在第一流体和第一电极、第一流体和第二电极之间交替地施加电压，油受力，在第一和第二疏水层之间迁移。这样可以提供双稳态节能的光学元件。
本发明不限于所述实施例。它可以在所附权利要求范围内以多种不同方式修改。例如，尽管阐述了反射型显示装置，但通过提供背光结构并使用透明后壁代替图2a所示的白色后壁2，可以获得背光显示装置。

Claims (10)

1.一种光学元件，包括密闭单元，该密闭单元包含第一流体(5)和第二流体(6)，其中第一流体(5)是导电的，第二流体(6)是彩色的且与第一流体(5)不相混合，该密闭单元包含覆盖有第一疏水绝缘层(8)且位于单元中第一壁(2)处的第一电极(7)，第一电极(7)和第一流体(5)之间的电压可控以控制第一疏水层(8)与第一流体(5)接触的面积，由此控制与第一壁(2)垂直方向中透过该单元的光量，其中所述单元包括被第二疏水绝缘层(11)覆盖的第二电极(10)，且光学元件包括交替地在第一流体(5)和第一电极(7)之间、第一流体(5)和第二电极(10)之间施加电压的器件。
2.根据权利要求1的光学元件，其中第一电极(7)是平面的且平行于第一壁(2)，且其中第二电极(10)基本垂直于第一电极(7)延伸。
3.根据权利要求2的光学元件，其中第二电极(10)紧邻单元的第二壁(3)延伸，第二壁(3)垂直于第一壁(2)。
4.根据权利要求3的光学元件，其中第二电极(10)紧邻单元的多个壁延伸，所述多个壁中的每个壁都垂直于第一壁(2)。
5.根据权利要求4的光学元件，其中第二电极紧邻与第一壁(2)垂直的所有单元壁延伸。
6.根据权利要求1-5中任意一个的光学元件，其中在第一疏水层(8)和第二疏水层(11)之间存在连续的缝隙(14)。
7.根据前面权利要求1-5中任意一个的光学元件，包括第一疏水层(8)和第二疏水层(11)之间的至少一个疏水材料桥(15，16)。
8.根据权利要求1-5中任意一个的光学元件，其中光学元件形成可切换光阑、快门或滤色镜的一部分。
9.一种显示装置，包括多个图像元件，每个图像元件包括权利要求1-7中任意一个所述的光学元件。
10.一种为光学元件提供驱动信号的方法，该光学元件包括密闭单元，该密闭单元包含第一流体和第二流体，其中第一流体是导电的，第二流体是彩色的且与第一流体不相混合，该密闭单元还包括覆盖有第一疏水绝缘层且位于单元中壁处的第一电极，第一电极和第一流体之间的电压可控以控制第一疏水层与第一流体接触的面积，由此控制透过单元的光量，其中每个单元包括被第二疏水绝缘层覆盖的第二电极，该方法包括以下步骤：
在第一流体和第一电极之间施加电压以获得第一单元透射率，以及
在第一流体和第二电极之间施加电压以获得第二单元透射率。
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