CN100510834C - 基于电润湿技术的显示单元和显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于电润湿技术的显示单元，包括流体腔室和电极结构，其中流体腔室包含导电的第一流体和至少两种不导电流体，流体相互接触且不可混溶，每种不导电流体之间具有不同的光学特性；其中电极结构包含与第一流体接触的第一电极和设置在腔室壁处的第二电极装置，并且腔室壁在它的相对的端部设置有两个开口，所述开口利用外部流体管相互连接，使不导电流体进出腔室流通；上述流体管的管壁是透明材料制成的，以流体管为观察面。在电极上加上电压，通过产生的电润湿效应驱动流体在腔室和流体管中流动，使面向观察面的流体管表现出不同的光学特性。采用本发明至少一个基于电润湿技术的显示单元实现了一种基于电润湿技术的低能耗显示装置。

Description

基于电润湿技术的显示单元和显示装置

技术领域

涉及一种基于电润湿效应的显示技术及其装置，特别是利用电润湿效应的作用推动多个具有不同光学特性的不导电液体在腔室和导流管构成的封闭环境中流动从而实现在观察面表现出不同的光学特性的显示技术和显示装置。

背景技术

一个世纪之前就知道两个不混溶的电介质之间的界面张力可以通过在这些电介质之间施加电势来控制；并有如下李普曼(Lippmann)公式描述表面张力(γ)与施加的电势(V)之间的关系为：

γ＝γ0-0.5cV2

其中，γ0是电荷基本为零时(即当在固体表面没有电荷时)固体—液体表面的界面张力。假设电荷层可以模拟为对称的赫尔姆霍茨电容，c是单位面积的电容。

已经研制了电渗透和电毛细管显示器；所有这些类型的显示器依赖于电场存在下液体润湿特性的改变。例如，见Sheridon，N.K.“Electro capillary Imaging Devicesfor Display and Data Storage”，Xerox Disclosure Journal 1979，4，385-386。美国专利No.5956005、5808593、5757345、5731792、5659330、4569575、6603444、6449081等。

在中国专利申请号为200580010897.5，专利名称为“基于电润湿效应的显示装置”公开利用电润湿效应实现显示装置设计的方法，其中不导电液体为彩色油，当在导电液体上施加电场时，在电润湿效应作用下，彩色油聚集到一个很小的区域，使整个显示区域以导电液体颜色为主，当去掉施加的电场后，彩色油再次分散开，使整个显示区域显示的颜色以彩色油为主或是两种液体的混合色。从而使显示单元的光学特性可以变化。但由于只有两种液体，所以颜色分辨率十分有限。

发明内容

本发明的目的是要提供一种能够支持多个颜色分辨率的流体显示单元和显示装置，并通过较小的电压就可以有效的控制，以实现低能耗的薄型显示应用。

为了实现上述目的，提出的技术方案如下：

显示单元，包括：

流体腔室，其包含导电的第一流体和至少两种不导电流体，流体相互接触且不可混溶，每种不导电流体之间具有不同的光学特性；和

电极结构，其中包含与第一流体接触的第一电极和设置在腔室壁处的第二电极装置，并且第二电极装置至少包含两个子电极，其每一个在腔室体轴的方向上覆盖腔室体的不同部分；同时

腔室壁在它的相对的端部设置有两个开口，所述开口利用外部流体管相互连接，使不导电流体进出腔室流通；

上述流体管的管壁是透明材料制成的。

在流体腔室内，导电的第一流体位于中间位置，两边分别是具有不同光学特性的不导电流体。优选的是在腔室中除了导电的第一流体占据空间之外的空间以及流体管的空间内均匀地划分为等容量的子空间，按照不同不导电流体的光学特性顺序(如颜色深浅顺序或颜色光谱顺序或颜色明亮顺序)分别填充每个子空间，使各种不导电流体所占据的空间形成一个类似多颜色的色带。

用流体管作为显示单元的观察面，而流体管的管壁是透明的，因此当不导电流体在腔室和流体管中流动时，滞留在流体管中的流体发生变化，因而观察的颜色发生变化。

优选的实现中，使每种不导电流体与导电流体的比重接近，可以实现流体在腔室和流体管中保持一种稳定的状态。

优选的实现还包括使流体管的截面积远小于腔室的截面积，从而使导电第一流体在腔室发生的微小电润湿效应引起的液体流动在流体管中可以产生较大的位移，从而实现在电极上施加较小的电压就可以控制显示单元的光学特性变化，实现显示信息的变化。

各种不导电流体之间除了光学特性有差异且相互之间不相容外，优选的是各种不导电流体都是疏水的，如烃系列机油就是不相混溶的，以HFC-134a与CFC-12(氟氯烃)为例，二者既不混溶，又不溶于水，可以分别加入不同颜料形成不同的光学特性，同时也与水不混溶。

优选的一种用两种颜色的不导电流体的显示单元实现中，第一流体和两种不导电流体之间的流体量选择如下：

第一种不导电流体量＝第二种不导电流体量，且

第一种不导电流体量＝流体管所能容纳的流体量，且

第一种不导电流体量+导电流体的量＝腔室的容量(不包含流体管容量)。

在上述优选的两种颜色的不导电流体的显示单元实现中，控制在电极上施加的电压大小和时间，使导电第一流体不会进入流体管。该显示单元的三种颜色是：第一种不导电流体在流体管中的颜色、第二种不导电流体在流体管中的颜色以及第一种不导电流体和第二种不导电流体各占一半的流体管空间呈现的颜色。实际上，通过精确控制在电极上施加的电压大小和时间长度，可以使第一种不导电流体和第二种不导电流体在流体管中占用不同的空间，从而可以呈现出介于第一种不导电流体和第二种不导电流体之间的多个颜色。

相应地，一种更多颜色的显示单元实现中，优选的是各种不导电流体具有相同的量且都等于流体管容量大小。

优选的是流体腔室是圆柱形的。

优选的是流体腔室面对流体的内壁覆盖一绝缘层，并且，该绝缘层是疏水的。

优选的是第一流体在流体腔室中位于两种具有不同光学特性的不导电流体之间。

优选的是第二电极装置包括一系列与腔室形状相关的环形电极。

优选的是第一电极位于腔室的中部，以保证第一电极总是与导电的第一流体接触。

优选的是所述流体为液体。

优选的是第一流体为盐，不导电流体为油。

优选的是一种不导电流体为黑色，另一种不导电流体为白色。

优选的是多种不导电流体按一定光学特性顺序排列在腔室和外部流体管中。

在流体腔室内，不导电流体在两相对端，中间嵌入导电的第一流体，或者换句话说，一种流体置于另外两种流体之间。因此腔室包含两个液体对液体的界面或弯曲面，其意味着有两个可以产生电润湿效应的界面张力。一旦一个界面的表面张力不同于另一个界面的表面张力时，液体开始在腔室沿着腔室轴线方向移动，从而推动不导电流体在流体管中流动。由于腔室的横截面积远大于流体管的横截面积，因此腔室中表面张力的较小变化产生的位移就能推动不导电流体在流体管中较大的变化，因此可以使用很低的电压控制显示单元颜色的变化。

一种优选实现中，流体管位于第二电极装置和腔室体之间，此时要求第二电极装置采用透明的导电材料，如采用氧化铟(锡)的透明电极材料。可以把显示单元做得较小，但这种电极材料价格较高

另一种优选实现中，流体管位于第二电极装置之外，此时要求第二电极装置不需要采用透明的导电材料，采用廉价的导电材料就可以，但使显示单元的体积增大。

此显示单元非常适合做显示装置，包含：

至少一个上述的显示单元和将每个显示单元连接到电路以产生矩阵显示器的装置。

此显示单元也适合做柔性电子纸，包含：

在柔软材料中至少贴装一个上述的显示单元和将每个显示单元连接到电路以更新显示单元显示内容的装置。

本发明的有益效果：采用本发明可以实现多分辨率、低驱动电压、低能耗的显示单元和显示设备，并可以实现一种在柔性基质材料中的电子纸的应用。同时由于每个显示单元的显示状态可以在去掉所施加的电压后保持光学状态，因此所制造的显示设备或电子纸可以长时间显示相同内容而不需要消耗任何电能。只有在需要更新内容时才消耗电能，因此是一种十分节能的显示技术。而且是基于光反射的显示系统，具有较大的视角和对比度。

附图说明：

图1是采用本发明的由具有光学特性不同的两种不导电流体与一种导电流体构成的显示单元工作原理示意图，其中图1a是两种不导电流体在流体管中各占用一半的空间呈现中间色的显示单元示意图，图1b是黑色不导电流体充满流体管全部空间呈现黑色的显示单元示意图图，1c是白色不导电流体充满流体管全部空间呈现白色的显示单元示意图。

图2a、图2b、图2c采用本发明的显示单元一种实现分别处于不同状态的示例图

图3是采用本发明的显示单元另一种实现示例图

图4是采用本发明的由具有光学特性不同的三种不导电流体与一种导电流体构成的显示单元工作原理示意图，其中图4a是第一种不导电流体充满流体管全部空间呈现第一种不导电流体光学特性的显示单元示意图，图4b是第二种不导电流体充满流体管全部空间呈现第二种不导电流体光学特性的显示单元示意图图，1c是第三种不导电流体充满流体管全部空间呈现第三种不导电流体光学特性的显示单元示意图。

图5是用多个显示单元构成显示器像素阵列原理示意图。

具体实施方式：

图1是采用本发明的由具有光学特性不同的两种不导电流体与一种导电流体构成的显示单元工作原理示意图。腔室102与流体管101内部是中空的，并通过内部开口实现液体在腔室和流体管中的流动。在图示中，流体103是导电的流体，流体104和流体105是不导电的流体，同时流体103、流体104、流体105相互之间不混溶，流体104与流体105具有不同的光学特性，比如，本示例中，流体104为黑色流体(或添加了黑色颜料的流体)，流体105为白色流体(或添加了白色颜料的流体)。电极106、电极108分别位于腔室两端并覆盖腔室的不同区域。电极107与导电流体103接触。腔室内壁覆盖绝缘层和疏水层或覆盖即绝缘又疏水的单层(没有画出)。由于导电流体103与不导电流体之间的界面张力和曲率与加在电极106和电极107之间以及电极108和电极107之间的电压相关。当两个电压不同时，由于界面张力的差异推动流体103在腔室中沿着腔室管轴XX′左右移动并推动流体104、流体105进出流体管。如果以流体管为观察面，就可以看到不同的光学特性。其中图1a是两种不导电流体在流体管中各占用一半的空间呈现中间色的显示单元示意图，图1是黑色不导电流体充满流体管全部空间呈现黑色的显示单元示意图图，1c是白色不导电流体充满流体管全部空间呈现白色的显示单元示意图。以流体管为光学观察面，其中轴OO′是显示单元的光学对称轴。

图4是采用本发明的由具有光学特性不同的三种不导电流体与一种导电流体构成的显示单元工作原理示意图。与图1不同的是采用了三种具有不同光学特性并且互不混溶的不导电流体404、405、409和与不导电流体都不混溶的一种导电流体103。通过适当控制施加在电极106和电极107之间以及电极108和电极107之间的电压，可以控制流体404、405、409在流体管中的不同量而呈现不同的光学特性。其中图4a是第一种不导电流体充满流体管全部空间呈现第一种不导电流体光学特性的显示单元示意图，图4b是第二种不导电流体充满流体管全部空间呈现第二种不导电流体光学特性的显示单元示意图图，1c是第三种不导电流体充满流体管全部空间呈现第三种不导电流体光学特性的显示单元示意图。以流体管为光学观察面，其中轴OO′是显示单元的光学对称轴。

下面对于显示单元的实现做进一步详细描述。

图2a、图2b、图2c采用本发明的显示单元一种实现分别处于不同状态的示例图。此显示单元220包含不可混溶的三种流体240、250、251，例如液体。其中流体240是导电的流体，例如水或增加了电解质的水溶液；流体250和流体251是具有不同光学特性的不导电流体，如用两种不混溶的油，分别加上白色颜料和黑色颜料。在本实施实例中，流体240被夹在流体250和流体251之间以至于在流体之间形成两个材料之间的界面242、244分别介于流体240与流体250之间和流体240与流体251之间，该界面具有弯月面形状。

流体被容纳在腔室222和流体管238中，其中流体240被全部放在腔室中，占据腔室大部分空间，流体250和流体251分别位于腔室流体240两端和流体管中，并有相同容量。在这个实施实例中腔室222表现为由侧壁224限定的纵向延伸的管的形式并具有一管轴线。在这个特定的例子中，腔室为一圆柱形管，其管轴线为XX′。另外的壁226和228在管的端部延伸已形成封闭流体的腔室222。

流体之间的弯月面242、244在显示单元220腔室管轴XX′的横向上延伸。术语横向表明弯月面横穿例如延伸穿过管轴线并不与管轴线平行。弯月面可以以任何预期的角度穿过管轴线。弯月面242、244的圆周由腔室的侧壁限定。

典型地，为了将流体240、250、251限定在腔室222预期的部分内，腔室的不同区域对于每一流体具有不同的可湿性，例如每一流体被各自的区域所吸引。可湿性是被润湿的区域的范围，也就是被流体覆盖的区域的范围。例如，如果流体240是导电的、极性的流体，流体250和流体251是非导电的流体，那么壁224表面可以是亲水的以便吸引流体240而不吸引流体250、251。

弯月面242、244的形状由弯月面边缘和流体墙壁的内表面的接触角θ1、θ2决定。因此弯月的形状就由此表面的可湿性决定。在这个显示单元中弯月面的形状几乎是恒定的。图示弯月面形状从流体240看是凸面的，但也可以是凹面的。

显示单元220进一步包含进入第一流体240中的第一电极234，该电极与电压源260的第一输出端262永久性地连接。第二电极装置设置在腔室的壁224上。在本实施实例中，第二电极装置分别包含第一子电极230和第二子电极232，其每一个几乎占据了腔室一半的长度。这些电极通过间隙243相互分开。子电极230可以经由导线268和开关72连接到电压源260的第二输出端264并且子电极232可以经由导线266和开关270连接到第二输出端264。

腔壁的整个内侧、子电极230、子电极232以及间隙243都被绝缘层覆盖并且此绝缘层还覆盖一疏水层，作为可替换的既绝缘又疏水的层248覆盖腔壁的内侧，如图2a、2b、2c所示。在显示单元一个状态下，没有电压施加到子电极230和子电极232上，也就是导线266和268经由开关270和272连接到地电极。第一流体的体积241，也称作块，相对于子电极230和232在长度的方向上对称的定位。界面242和244的表面张力是相等的，这些界面具有相同的曲率和相同的接触角θ并且块242是静止的。

如果子电极232经由开关270连接到电压源260的第二输出端264，也就是将电压施加到这个子电极和第一电极234之间，子电极232产生电润湿力。在这个子电极位置的疏水层248变为亲水的，这个力引起此时在子电极232的范围内的界面244的接触角θ2发生小的变化，因此界面244的曲率也发生了小的变化。界面242的接触角θ1仍然具有它的初始值并且此界面仍然具有它的初始曲率。根据拉普拉斯定律，流体内部的压力依赖于流体之间界面的曲率。作为它们不同曲率的结果，界面242和244具有不同的表面张力。由于表面张力的这一差别，块241开始朝着被激活的子电极232移动。只要保持电极232和234之间的电压，此移动就会继续或者直到此流体到达腔室的右壁228。如果子电极232和电极234之间的电压被关断，块241将会保持在它已经到达的位置。

图2c示出了流体块241几乎到达右壁228的情况，使流体251通过开口237几乎全部流入流体管238中，以流体管238为观察面，由于流体管238位于第二电极装置和腔室体之间，此时要求第二电极装置采用透明的导电材料，如采用氧化铟(锡)的透明电极材料。当流体管238为透明材料时，观察到的是流体251的光学特性所反映的颜色。以流体管为光学观察面，其中轴OO′是显示单元的光学对称轴。

为了实现开始移动块241所需的界面244的曲率的微小变化，只需要小的电压，例如仅仅几伏特，因此电压源是一个低压源。

在块241向右移动期间，没有电压施加到子电极230和第一电极234之间，也就是说子电极230通过开关272连接到地电极274，子电极230处的疏水层保持疏水性。向右移动的块241在它的右侧挤压流体251经由腔壁上的开口237流到腔室的外面。连接到此开口和腔室左侧的开口236的流体管238引导流体251从开口237进入流体管238，同时流体250从开口236回到腔室。

图2b示出了显示单元的第二个光学特性状态，通过将子电极230经由开关272和导线268连接到电压源的第二输出端264，以此将低电压施加到子电极230和第一电极234之间而实现。子电极230位置处的电润湿力引起界面242的接触角θ1和该界面的曲率发生小的变化以至于它与界面244变得不同。界面242和界面244的表面张力之间的差异引起块241朝向这个子电极移动。电压一直保持直到流体块241到达图2b所示的位置。在此移动期间，没有电压施加在子电极232和第一电极234之间。流体250经由开口236引导至流体管，同时流体251经由开口237回到腔室内。以流体管238为观察面，由于流体管238位于第二电极装置和腔室体之间，此时要求第二电极装置采用透明的导电材料，如采用氧化铟(锡)的透明电极材料。当流体管238为透明材料时，观察到的是流体250的光学特性所反映的颜色。以流体管为光学观察面，其中轴OO′是显示单元的光学对称轴。

图2a是显示单元表现为一种介于流体250的光学特性和流体251的光学特性之间的一种状态。与上述同样的原理，通过在子电极230与第一电极234之间(在图2c状态下)或子电极232与第一电极234之间(在图2b状态下)施加一定时间的电压，可以使流体250和流体251分别充满流体管一半的空间。此时以流体管238为观察面，由于流体管238位于第二电极装置和腔室体之间，此时要求第二电极装置采用透明的导电材料，如采用氧化铟(锡)的透明电极材料。当流体管238为透明材料时，观察到的是流体250的光学特性和流体251的光学特性反射光所反映的颜色。由光学常识可以知道，当两个光源距离很近时，由于人眼的视觉分辨率有限，所看到的将是两个光源相加的颜色(如彩色显示器的彩色就是相隔距离很近三基色像素点相加的颜色)，同样当流体管尺寸很小时，所看到的将是流体250和流体251反射光颜色相加。以流体管为光学观察面，其中轴OO′是显示单元的光学对称轴。

实际上，所属领域的人员明白，通过适当控制施加于子电极230与第一电极234之间或子电极232与第一电极234之间的电压和维持时间，可以控制流体250和流体251在流体管中所占空间的比例，从而得到多种介于流体250的光学特性与流体251的光学特性的反射光学特性。由光学常识可以知道，当两个光源距离很近时，由于人眼的视觉分辨率有限，所看到的将是两个光源相加的颜色(如彩色显示器的彩色就是相隔距离很近三基色像素点相加的颜色)，同样当流体管尺寸很小时，所看到的将是流体250和流体251反射光颜色相加，而且当流体250和流体251在流体管中的量变化时，流体250和流体251各自反射光强度也变化，因而相加呈现的颜色发生变化。

这里所指的光学特性可以是可见的颜色反射特性、透射特性等或不可见光的反射特性、透射特性等，因此可以应用于可见光反射或透射的显示领域，也可应用于非可见光的光学特性变化领域。

如图2a、2b、2c所示，选择流体240的量和流体腔室的内空间以使得界面242总是位于子电极230包围的空间内，同时另一界面244总是位于子电极232包围的空间内。对于流体250和251量的选择，一种优选的方案是满足如下关系：

1)流体250的量＝流体251的量，且

2)流体250的量＝流体管238所能容纳的流体量，且

3)流体250的量+流体240的量＝腔室222的容量(不保含流体管238中的容量)。

在如图2a、2b、2c所示的实施实例中，其中流体250和流体251是互不相混溶的油，并各自拥有不同的光学特性，在流体块241和绝缘层248有非常薄的油膜，此膜充当块241易于移动的润滑膜。

子电极形成一内半径典型地位于1mm和20mm之间的圆柱体。这些电极要求采用透明的导电材料，如采用氧化铟(锡)的透明电极材料构成并且连续覆盖着绝缘层和疏水层或者覆盖一具有绝缘性和疏水性的单层。图2a、2b、2c所示中的层248具有的厚度在5nm和50μ之间。

图3示出了根据本发明显示单元的第二个实现实例。显示单元320中，除了流体管338与图2所示的流体管238不同外，其它具有相同的结构。在图3所示的实例中，流体管338位于第二电极装置和腔室体之外，此时不要求第二电极装置采用透明的导电材料，因为如采用氧化铟(锡)的透明电极材料价格较贵，可以采用廉价的金属材料即可，但同时由于流体管338位于腔室外，增加了显示单元的体积。

图5是用多个显示单元构成显示器像素阵列原理示意图。由于每个显示单元500包含两个子电极和一个公共电极，在形成的像素点阵显示器实现中，每行的行扫描电极需要两个，如图示的501和502，每列的列扫描电极需要一个，如图示的503。在完整的显示器电路中，还包含数据存储单元和像素驱动单元，图中没有画出。一种实现方式，是将显示单元均匀敷设在具有电极基板上(类似于LCD工艺)。敷设时需要保证每个显示单元的流体管部分朝向观察面积可。

采用同样的方法，敷设于柔软的有机材料中可以制造柔性显示设备或敷设于纸类材质的材料上可以制造电子纸。

由于每个显示单元的显示状态可以在去掉所施加的电压后保持光学状态，因此所制造的显示设备或电子纸可以长时间显示相同内容而不需要消耗任何电能。只有在需要更新内容时才消耗电能，因此是一种十分节能的显示技术。

Claims (10)

1、显示单元，包括：

流体腔室，其包含导电的第一流体和至少两种不导电流体，流体相互接触且不可混溶，每种不导电流体之间具有不同的光学特性；和

电极结构，其中包含与第一流体接触的第一电极和设置在腔室壁处的第二电极装置，并且第二电极装置至少包含两个子电极，所述两个子电极分别位于流体腔室两端并覆盖腔室的不同区域；同时

所述流体腔室壁在它的相对的端部设置有两个开口，所述开口利用外部流体管相互连接，使不导电流体进出所述流体腔室流通；

所述流体管的管壁是透明材料制成的；

所述流体腔室面对流体的内壁覆盖一绝缘层；

所述第一流体在流体腔室中位于两种具有不同光学特性的不导电流体之间，所述不导电流体位于流体腔室内两端和流体管中。

2、根据权利要求1所述的显示单元，其特征在于所述绝缘层是疏水的。

3、根据权利要求1所述的显示单元，其特征在于所述每种不导电流体具有相同的量且都等于流体管容量大小。

4、根据权利要求1所述的显示单元，其特征在于第二电极装置包括一系列与腔室形状相关的环形电极。

5、根据权利要求1-4中任一项所述的显示单元，其特征在于所述流体为液体。

6、根据权利要求5所述的显示单元，其特征在于第一流体为盐，不导电流体为油。

7、根据权利要求1-4中任一项或权利要求6所述的显示单元，其特征在于一种不导电流体为黑色，另一种不导电流体为白色。

8、根据权利要求1-4中任一项或权利要求6所述的显示单元，其特征在于多种不导电流体按一定光学特性顺序排列在腔室和外部流体管中。

9、显示装置，包含：

至少一个根据权利要求1-8中任一项所述的显示单元和将每个显示单元连接到电路以产生矩阵显示器的装置。

10、柔性电子纸，包含：

在柔性基质材料中至少贴装一个根据权利要求1-8中任一项所述的显示单元和将每个显示单元连接到电路以更新显示单元显示内容的装置。

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