CN100510833C - 电致浸湿显示元件 - Google Patents

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Abstract

一种显示元件，包括单层多孔材料，断续液滴，和将电源电压与该层连接的装置，此层包含许多用疏水和电绝缘的涂层覆盖的导电颗粒，当液体和该层之间加上电压时液滴移至层内，当电压撤除时液滴反向移出该层，当从多孔层上面观察时液体的运动引起的变化。

Description

电致浸湿显示元件
技术领域
本发明涉及显示元件，特别是被动显示元件领域。
背景技术
许多公司正在积极寻找易于制造的显示元件。这些显示元件可以是主动的，即发射光的，如LED，OLED，PLED，EL等，或是被动的，即影响光的通过，反射，或折射的，如LCD，CLC，电子油墨等。某些被动系统是双稳态的，即它们可以开合并在除掉电源后保持开合状态。原先知道的大多数结构都很容易做成具有彩色功能。
以前已知道有各种电致浸湿显示元件。
US6473492介绍了一种重新安排毛细管内的流体的流体元件装置。利用电压将毛细管内的流体移到所要求的高度。US2002/0080920介绍了一种过滤器装置，它采用根据US6473492中用于X射线成象装置的元件列。US2003/0085850介绍了一种静电装置，它通过改变弯月面的形状来改变该装置的焦距。
US6449081描述了一种基于电致浸湿现象的聚焦元件。WO2/002099527描述了一种带特定棱镜结构的显示元件，它包含两种和电极在一起的非互溶流体，使得流体能在显示单元中重新安排。
在基于液体重新安排的显示元件中，其优点是能保证液体被毛细管力所俘获。这是通过把元件作小来达到的。因而现有的方法不易满足大象素面积的要求。另外，现有方法的结构需要微细加工，因而制造方法比较复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的装置，它依据以前未曾尝试过的一种组合机理。这类装置将可用于彩色，虽然下面的说明是针对单色元件。此显示元件本质上是电容性的，因此功耗低且由低电压来开关。此元件将改变其表面的反射率。
根据本发明，提供了一种显示元件，包括一个多孔材料层，断续液滴，和将电源电压与该多孔材料层连接的装置，该多孔材料层包含多个用疏水和电绝缘的涂层覆盖的导电颗粒，当液滴和多孔材料层之间加上电压时液滴移至该多孔材料层内，当电压撤除时液滴反向移出该多孔材料层，当从该多孔材料层上面观察时液滴的运动引起光学特性的变化。
本发明还提供包括至少一个上述元件的装置，它包括将每个元件与电路相连的装置，以产生阵列显示。
由于各元件的结构是随机的，本发明对大面积的制造较简单，而且可用卷绕式(roll-to-roll)方法分部制造。它可满足用毛细管俘获小液体元件的要求。但元件的开关时间不受其面积限制。它还可利用适当模式的被动或主动矩阵型底板方便地寻址和驱动。
附图说明
现在参照附图对本发明加以说明，其中：
图1是按本发明的单层显示元件示意图；
图2表示元件加和不加电压两种情形；
图3是按本发明另一个显示元件示意图。
具体实施方式
图1是按本发明的单层显示元件1的示意图。本发明涉及的是被动显示元件。
在整个说明书和权利要求书中，”上面”一词表示从此面可以看到元件。使用”上面”一词并不意味限制本发明元件的方位。
此元件是以单层多孔系统为基础。元件1包括疏水多孔层8，导电液体2的液滴置于该层上。元件是彩色的更好。其中包括白色液体。加进染料或色素后液体变成彩色。在溶液中加入离子可产生导电液体。导电液体也可以是离子性液体。
电极4将液滴牵制在疏水层8顶部的位置。液体与电极的接触角最好小于90°。在多孔层8下面提供一个介质层10。导电层12是在介质层10下面。电极4和导电层12具有与电源电压相连的装置。导电层可以包括一个丝网。在电极4上面有一个透明基片14将液滴密封。这在图2中可以看到。
多孔层8包含许多沉积颗粒6，形成一个多孔网。该多孔层具有大于30nm和小于μm的孔尺寸。液体对颗粒6的接触角大于90°。颗粒的尺寸在30nm至2μm量级。颗粒可以是彩色的或黑色的。这些颗粒6是导电的。颗粒可以是固体金属颗粒或者是只有它的外壳导电。若颗粒有外壳，可以将外壳的厚度选成产生一种特定颜色的颗粒。对此的说明可参见Seed-mediated Growth Techniques for thePreparation of a Silver Nanoshell on a Silica Sphere，J.Phys.Chem B2003，107，12411-12415，Zhong-jie Jiang and Chun-yan Liu。
不论使用哪一类颗粒，它们都应用疏水材料的薄层或涂层24覆盖，此材料的接触角滞后很小而且还是电绝缘的。合适的颗粒将是用疏水和介质硫醇密封的导电银颗粒。本专业技术人员应该知道，这只是一个例子，本发明可以使用任何导电材料和疏水的电绝缘涂层。疏水材料层可用聚合物，聚合电解质，自组装单层(SAM)或无机壳等制成。所述自组装单层包括具有结合到导电颗粒的基团以及与液滴有大接触角的基团的分子。
显示元件1利用静电力将液滴2驱入和移出多孔层。不加电压时液滴2处在多孔层8的顶部。因而元件的颜色就是液体的颜色。
当液体和导电层12之间加上电压时产生所谓的”电致浸湿”效应。电致浸湿现象在Blake等人，Langmuir 2000，16，2928-2935中有说明。所加电压为1V量级，最大可达20V。
电致浸湿效应使液体2相对于多孔层8的接触角减小。通常使用下面的电致浸湿方程：
cos(θ)＝cos(θ0)+εε0V2/(2dγ)
式中θ是加上电压的接触角，θ0是不加电压的接触角，V是电压，ε是疏水层的介电常数，ε0是自由空间介电常数，γ是液体表面张力，d是疏水层厚度。孔系统内部的毛细管压力ΔP可定义为
ΔP＝γcos(θ)/a
式中a为多孔结构内的平均孔半径。
加上电压时多孔层8内的毛细管压力将液滴拉入层8内。这从图2可以看出。因而元件的颜色将是液体2颜色与颗粒6颜色的混合，混合度与该层8的孔度有关。
电压撤除后液体2相对于多孔层的接触角又增加。于是多孔层内的毛细管压力将液体反向拉出多孔层。因而元件的颜色重又回到液体的颜色。
本发明的另一个实施例示于图3。此实施例提供一个反射或透明薄膜将液体密封。其它所有方面与图1所示实施例相似。
薄膜16用柔性材料来做。可用的材料包括很薄的聚合物和很薄的金属。但本发明并不限于这些材料。可以将薄膜像电极那样加倍。
不加电压到电极4时，从上面看薄膜为凸面形。因此所看到的是反射或折射光的漫散射。加上电压时液体如上所述被拉入多孔层8内。从上面看，薄膜呈挠曲和凹进状。光从薄膜的凹面反向反射或折射时更为集中。所以当电压加到元件1上时将产生光学变化。
电压取消时液体2从多孔层8出来，同时薄膜16返回其原来的凸面形状。
下面的示例说明本发明的原理。
通过在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底上涂覆铟锡氧化物(ITO)形成一个基体电极或下部导体。它被用来通电并被切成适当尺寸的小块。此ITO层面朝上并用作导电表面，可以在上面建造多孔的显示器件。
ITO基底用含氟聚合物(如Cytonix公司的Fluoropel 804A)浸涂(3-4层)，成为疏水介质层。层厚约3微米。
多孔层包含200nm直径的银颗粒，它们被涂覆在一层十八烷基硫醇盐的支撑材料上。通过用氢硼化钠将硝酸银还原而析出银颗粒。在析出后立即加入十八烷基硫醇盐。十八烷基硫醇盐给银颗粒一个疏水而电绝缘的涂层。当把一滴20g/l的氯化钠溶液置于表面上测量电容时，该涂层显示有电容对电压(在2V峰-峰值，AC1kHz)的阶梯变化。这表明液滴被双向拉入和拉出多孔网。此液滴在2V峰-峰值下被接入和移出该装置。这种转接可以重复且同样的转接对单个液滴可进行几次。
可以把多个元件或元件阵列组装成一个显示装置。这时可提供一个电极网，将许多单独液滴置于上面。这些单个电极可以单独编址，以将单个显示元件作为象素来开关。
上面用一些优选实施例对本发明作了详细说明。本专业技术人员明白，可在本发明范围内作各种更改。

Claims (16)

1.一种显示元件，包括一个多孔材料层，可以导电的断续液滴，和将电源电压与该多孔材料层连接的装置，该多孔材料层包含多个用疏水和电绝缘的涂层覆盖的导电颗粒，当液滴和多孔材料层之间加上电压时液滴移至该多孔材料层内，当电压撤除时液滴反向移出该多孔材料层，当从该多孔材料层上面观察时液滴的运动引起光学特性的变化。
2.如权利要求1的元件，其中导电颗粒为金属。
3.如权利要求1的元件，其中导电颗粒是用导电外壳覆盖的有机或无机颗粒。
4.如权利要求3的元件，其中导电外壳的厚度选成能产生彩色颗粒。
5.如权利要求1的元件，其中所述疏水和电绝缘的涂层是聚合物，自组装单层或无机壳。
6.如权利要求5的元件，其中所述自组装单层包括具有结合到导电颗粒的基团以及与液滴有大接触角的基团的分子。
7.如权利要求1的元件，其中液滴用柔性薄膜密封。
8.如权利要求7的元件，其中薄膜是透明的。
9.如权利要求1的元件，其中所述多孔材料层具有大于30nm和小于2μm的孔尺寸。
10.如权利要求1的元件，其中导电的液滴是通过在溶液中加入离子而产生的。
11.如权利要求1的元件，其中导电的液滴是离子液体。
12.如权利要求1的元件，其中导电的液滴包含染料或色素，以提供彩色液体。
13.一种包括多个权利要求1所述的元件的装置，其包含将每个元件与电路连接以产生阵列显示的装置。
14.一种包括至少一个权利要求1所述的元件的装置，每个元件的多孔材料层的材料被涂覆在一种支撑材料上。
15.如权利要求14的装置，其中每个元件均密封。
16.如权利要求5所述的装置，其中所述聚合物包括聚合电解质，含氟聚合物。
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