CN101852916B - 一种可调光学开关 - Google Patents

Abstract

一种可调光学开关，包括第一透明基板(1)、第二透明基板(8)、第一液体(3)和第二液体(4)，其特征是：所述第二透明基板(8)上设有第二电极(7)，在第一透明基板(1)和第二透明基板(8)之间包含有两种不导电的第一液体(3)和第二液体(4)，第二基板(8)上有隔断(5)。与传统电润湿技术的光学开关相比，无需绝缘层，结构简单，驱动电压低。

Description

一种可调光学开关

技术领域

本发明涉及一种可调光学开关，尤其是涉及一种利用电场力进行调制的光学开关。

背景技术

光学开关阵列被广泛的应用于显示技术，例如液晶显示器通过调制液晶分子的转向来分别控制每个显示像素的输出光强。但是，传统的液晶显示器在强光照射下存在对比度下降的问题。特别是在户外阳光下，以液晶显示屏作为屏幕的手机、笔记本电脑、电子书等产品，由于显示对比度下降，从而导致屏幕的可读性下降。

基于电润湿技术的光学开关阵列克服了液晶显示器的对比度下降问题。当前主流的电润湿显示屏主要有两种工作方式。第一种显示方式如图1a所示^[1]，在第一基板1和第二基板8上分别有第一电极2和第二电极7，其间是两种不混溶第一液体3和第二液体4，第一液体3通常是极性导电液体，而第二液体4则是非极性的不导电液体，在第二液体4下是绝缘层6，在绝缘层6上通常还有一层疏水层(图中省略未画出)，隔断5将第二液体4分割成独立的像素单元。在不加载电压的条件下，由于液体表明张力的作用，第二液体4覆盖在绝缘层6上，第一液体3与绝缘层6不接触，第一液体3和第二液体4的交界面如图中实线所示。当在第一电极2和第二电极7之间加载电压时，根据杨氏-李普曼方程，绝缘层6表面的疏水特性发生改变，第一液体3逐渐的润湿绝缘层6，并将第二液体4驱离绝缘层6，此时第一液体3和第二液体4的交界面如图中虚线所示。第二种显示方式如图1b所示^[2]，第一基板1和第二基板8之间，依次有第一电极2和第二电极7，第二电极7上有绝缘层6，隔断5包含一个腔体，腔体内包含第一液体3，第二液体4位于绝缘层6上，绝缘层6上通常还有一层疏水层(图中省略未画出)。在未加载电压时，由于绝缘层6表面的疏水特性，第一液体3被压缩在隔断5的腔体内，此时第一液体3和第二液体4的接触面如图中实线所示。当在第一电极2和第二电极7之间加载电压时，绝缘层6表面的疏水特性发生变化，第一液体3逐渐驱离绝缘层6表面的第二液体4，此时两种液体的接触面如图中虚线所示。

在上述电润湿技术中，第一液体3通常采用导电性水溶液，例如包括氯化钾KCl，氯化纳NaCl的去离子水。由于在加载电压时，去离子水容易和接触电极之间发生电化学反映，因此必须采用绝缘层6将第二电极7与第一液体3进行隔离。根据杨氏-李普曼公式，绝缘层6越薄，所需的工作电压越低。然而低于1微米的绝缘层6所需的制备工艺较为复杂，非常困难在复杂的三维电极结构表面制备均匀的薄膜，并且较薄的绝缘层6容易导致加载电压时发生绝缘膜击穿。

为了克服电润湿技术中，绝缘膜制备工艺复杂，且易击穿的问题，本发明提出一种新型的基于介电泳技术的光学开关。与电润湿改变材料表面的润湿特性不同，介电泳力作用于两种不混溶的不导电液体，由于两种液体的介电常数不同，导致作用于其上的介电泳力大小不同，从而驱动液体在非均匀场强空间发生移动。另外，由于没有绝缘层，本发明提供的介电泳光学开关的驱动电压要低于传统电润湿技术的光学开关。

参考文献：

1.R.A.Hayes and B.J.Feenstra，″Video-speed electronic paper based on electrowetting，″Nature，vol.425，no.25，pp.383-385，Sept.2003.

2.J.Heikenfeld，K.Zhou，E.Kreit，B.Raj，S.Yang，B.Sun，A.Milarcik，L.Clapp and R.Schwartz，″Electrofluidic displays using Young-Laplace transposition of brilliant pigment dispersions，”NaturePhoton.，vol.3，pp.292-296，May，2009.

发明内容

为了克服现有电润湿光学开关中绝缘层制备工艺复杂，且容易击穿等问题，本发明提供一种基于介电泳技术的可调光学开关，无需绝缘层包覆导电电极，结构简单，工作电压低。

本发明的技术方案是：

本发明提供一种可调光学开关，其结构包括第一透明基板、第二透明基板、第一液体和第二液体，第二透明基板上设有第二电极，在第一透明基板和第二透明基板之间包含有两种不导电的第一液体和第二液体，第二基板上有隔断。

本发明所述的一种可调光学开关，第二电极包含两个，或两个以上独立电极。

本发明所述的一种可调光学开关，还可以在第一透明基板上设有第一电极。

本发明所述的一种可调光学开关，还可以在第二电极上有疏水层，即可以在第二电极上增加疏水层，疏水层无需完全包覆第二电极，隔断上也可以包含有疏水层。

本发明所述的一种可调光学开关，还可以是隔断表面导电，即隔断可以采用导电材料制备，或是在表面涂覆一层导电层。

本发明所述的一种可调光学开关，第二电极设置在剖面形状为斜坡面、圆柱面、圆球面或三角面的光学开关单元上。

本发明所述的一种可调光学开关，光学开关单元的排列方式是行列矩阵式、或六边形品字状、或圆形品字状。

本发明所述的一种可调光学开关，还可以是隔断包含一个腔体，腔体内包含第一液体，第二电极制备在隔断上。

本发明所述的一种可调光学开关，还可以采用脂肪染色剂分别对第一液体和第二液体进行染色，即既可以单独对第一液体和第二液体染色，还可以同时对两种液体进行染色。

本发明所述的一种可调光学开关，还可以在第一基板上面，或是在第二基板下面增加滤色片。

本发明的有益效果：本发明提供一种基于介电泳技术的光学开关，该结构采用两种不混融的不导电溶液体，不导电液体直接接触导电电极，与传统的电润湿技术光学开关相比，液体与电极之间不发生电化学反映，无需绝缘层，结构更简单，工作电压更低。

附图说明

图1a是传统电润湿光学开关之一的结构示意图。

图1b是传统电润湿光学开关之二的结构示意图。

图2是本发明第一优选的介电泳光学开关的结构示意图。

图3a是本发明的光学开关单元呈斜坡面的光学开关的结构示意图。

图3b是本发明的光学开关单元呈圆柱面或圆球面的光学开关的结构示意图。

图3c是本发明的光学开关单元呈三角面的光学开关的结构示意图。

图4是本发明第二优选的介电泳光学开关的结构示意图。

图5是本发明第三优选的介电泳光学开关的结构示意图。

图6是本发明第四优选的介电泳光学开关的结构示意图。

以上图中：1、第一基板，2、第一电极，3、第一液体，4、第二液体，5、隔断，6、绝缘层，7、第二电极，8、第二基板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

图2所示是本发明提出的介电泳光学开关的第一优选结构示意图。图2中所示是剖面图。第一基板1是透明基板，其材质可以是玻璃、透明树脂、聚酰亚胺、或聚对苯二甲酸乙二酯(PET)等材料。第一基板1上是第一电极2，第一电极2可以是二维平面电极，也可以是为控制空间电场分布而设计的各种二维图案，第一电极2可以是铝、铜等金属电极，本发明优选的是氧化铟锡ITO等透明导电电极。第一电极2下面是不混溶的第一液体3和第二液体4，两种液体都不导电，第一液体3具有较高的表面自由能和较高的介电常数，例如丙三醇、乙二醇等，与此相反，第二液体4具有较低的表面自由能和较低的介电常数，例如二甲基硅氧烷、正己烷、异辛烷、十六烷、十二烷、正癸醇等。隔断5用于分割第二液体4，将其分割为独立的光学开关单元，隔断5可以采用各种感光材料或是柔性聚合物制备，例如紫外固化胶su8、AZ4620，或旭硝子的Sunfort感光干膜等。隔断5附着在第二基板8上，第二基板8是透明基板，可以是玻璃、透明树脂、聚酰亚胺、或PET等材料。第二基板8上有第二电极7，第二电极7可以是铝、铜等金属电极，或ITO等透明导电电极。每个光学开关单元的第二电极7电压可以被独立的控制，例如通过在第二基板8上制备TFT阵列来控制每个光学开关单元的第二电极7的电位，图中简略未画出TFT阵列结构。

图2所示优选结构的工作原理是，在未加载外加电压时，第一液体3和第二液体4的交界面主要有重力和表面张力决定。当每个光学开关单元的尺度低于3mm以下时，表面张力将起主要作用，由于第一液体3比第二液体4的表面自由能大许多，此时第二液体4被封闭在隔断5形成的独立腔体内，两种液体的交界面如图中实线所示，即为一个向下凹的曲面。为了进一步增加两种液体交界面的稳定性，即在震动或是加减速运动的过程中不会发生较大的改变，可以在隔断5和第二电极7的表面增加一层疏水层，或仅在第二电极7的表面增加一层疏水层(图中简略未画出)，例如，聚四氟乙烯，氟化聚合物cytop等材料。在电润湿光学开关中，通常也包含一个疏水层，但是与本发明不同，在电润湿器件中，疏水层通常涂覆在绝缘层上，或是同时将疏水层起绝缘层作用，此时疏水层需严格的将第二电极7包覆，否则会产生电化学反应，而本发明中，疏水层可以是一层非常薄的表面自由能修饰层，例如100nm的薄膜，同时也无需严格的将第二电极7全部包覆，所以疏水层对于工作电压的影响非常小，从而可以实现较低的驱动电压。当在第一电极2和第二电极7之间加载电压时，在第一液体3和第二液体4内部将产生一个非均匀场强，图2中，中间下凹区域的场强高于两边与隔断接触区域的场强，由于第一液体3的介电常数大于第二液体4的介电常数，介电泳力将驱动第一液体3移动到空间场强大的区域，即第一液体3将在中间区域受到一个向下的力，从而使第一液体3和第二液体4的接触面继续向下移动，并逐步将第二液体4向两边驱赶，形成图2中虚线所示的两相液体接触面。另外，还可以通过改变第二电极7的形状来产生所需的非均匀场强，从而使两相液体的交界面沿着指定的区域移动，例如可以将第二电极7设计成半圆形，由于空间场强较大的区域主要处于电极的边缘处，即在圆弧的边缘处场强较大，从而使两相液体交界面首先接触第二电极7的圆弧边缘处，并逐渐扩展到整个电极表面。根据电极边缘处场强较强的基本原理，本领域内的研究人员可以根据需要设计出各种形状的第二电极7，从而使两相液体的交界面按预先设计的电极图案进行移动。还可以采用导电的隔断5来进一步改变光学开关单元的空间场强分布，例如，隔断5可以采用铁、不锈钢制备，或是在聚合物形成的隔断5表面包覆一层导电层，隔断5表面的电位与第一电极2不同，从而在隔断5与两相液体的接触面产生较强的电场，介电泳力产生一个使第一液体3沿着隔断5表面向下运动的力。为了进一步控制两相液体的移动，还可以在改变每个光学开关单元的形状，例如，图3a所示第二电极7下面增加一个斜坡面，左高右低，从而在加载电压时，两相液体的交界面由左向右运动，该斜坡面可以采用压印的方法制备，例如采用紫外固化胶su8利用带有坡面的倒模压印和紫外固化而成，还可以根据需要将光学开关单元的形状设计成图3b所示的圆柱面或圆球面以及和图3c所示的三角面等形状。

图2中介电泳光学开关单元的排列方式可以是行列矩阵式的，例如，在第一基板1的上面向下看，每个单元是矩形，且行列对齐，也可以是六边形品字状，即每个单元是六边形，单元间呈蜂窝状排列，还可以是圆形的单元呈品字状排列。本领域的研究人员可以根据需要设计成各种多边形或弯曲的弧形。

图4所示是本发明的第二优选实施例。其中，隔断5包含一个腔体，腔体内包含第一液体3，第二电极7制备在隔断5上。与图1b相比，取消了绝缘层6，同时将不混融的导电液体与无极性不导电液体，换成了两种不导电的第一液体3和第二液体4，在加载电压时空间场强主要分布在第一电极2和第二电极7之间，第一液体3在介电泳力作用下，逐步移动到两块电极之间。

图5所示是本发明的第三优选实施例。与图2相比，省略了第一电极2，第二电极7被分成了两个独立的电极，可以是条状的平行电极，或是同心圆状的两个圆形电极，还可以是两个以上的平行交叉电极结构，或是多个同心圆电极结构。当在上述两个独立的电极之间加载电压时，较大的空间场强分布于两个电极之间，因此在介电泳力的作用下，第一液体3将向两个电极之间空间场强较大的区域移动，从而使第一液体3和第二液体4的交界面由图5中实线所示的形状逐渐变为虚线所示的形状。本领域的研究人员可以根据需要设计出各种两个或两个以上的二维电极结构图案，通过控制空间场强的分布，来改变两种液体交界面形状。在图5所示的第二电极7上面还可以增加一层铁电薄膜(图中简略未画出)，例如钛酸钡、钛酸锂等材料或其混合物构成的无机铁电薄膜，也可以是聚偏氟乙烯等聚合物材料或其共聚物构成的有机铁电薄膜，从而使器件工作在多稳态。例如，当在上述第二电极7的两个独立电极之间加载电压时，铁电薄膜同时发生极化，当去除加载在两个独立电极之间电压时，由于铁电薄膜保持极化方向，在其表面产生极化电荷，从而在两个独立电极之间产生空间场强分布，该场强将使第一液体3和第二液体4保持图5中虚线所示的交界面状态。为使第一液体3和第二液体4返回图5中实线所示的交界面状态，需再次在两个独立电极之间加载反向电压，当反向电压大于铁电薄膜的矫顽场时，铁电薄膜的极化方向被消除。

图6所示是本发明的第四优选实施例。与图4相比，省略了第一电极2，第二电极7被分成了两个独立的电极，可以是条状的平行电极，或是同心圆状的两个圆形电极，还可以是两个以上的平行交叉电极结构，或是多个同心圆电极结构。与图5类似，第二电极7的两个独立电极之间可以产生非均匀分布场强，从而使第一液体3在介电泳力的作用下，逐步覆盖第二电极7。在第二电极7上还可以增加一层铁电薄膜，例如钛酸钡、钛酸锂等材料或其混合物构成的无机铁电薄膜，也可以是聚偏氟乙烯等聚合物材料或其共聚物构成的有机铁电薄膜，从而使器件工作在多稳态。

在图2、4、5、6所示的优选结构中，为了通过电压来调制输出的光强和颜色，可以采用脂肪染色剂来分别对第一液体3和第二液体4进行染色，例如，可以采用苏丹红，苏丹黑来仅对第二液体4进行染色，而保持第一液体3无色透明，或是相反，仅对第一液体3进行染色，而保持第二液体4无色透明。还可以，采用两种不同的颜色来对第一液体3和第二液体4同时进行染色，例如第一液体3是红色，第二液体4是黑色，当第二液体4完全覆盖第二电极7时，光学开关单元的输出光强为最弱，当外加电压使第一液体3接触第二电极7时，输出的光为红色光，且光强与第一液体3和第二电极7的接触面积相关。还可以，结合滤色片来实现彩色调制，例如采用苏丹黑对第一液体3，或是第二液体4进行染色，同时在光学开关单元的第一基板1上面，或是第二基板8的下面增加一块滤色片，例如红色，从而外加电压通过移动两相液体来调制通过光学开关单元的光强，而滤色片通过滤色，使输出的光为红色光。本领域的研究人员可以根据需要采用各种颜色的染色剂对第一液体3和第二液体4进行染色，通过控制电压调制各种不同的混色效果。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求书中。

Claims (10)

1.一种可调光学开关，其为介电泳型可调光学开关，包括第一透明基板(1)、第二透明基板(8)、第一液体(3)和第二液体(4)，其特征是：所述第二透明基板(8)上设有第二电极(7)，在第一透明基板(1)和第二透明基板(8)之间包含有两种不导电的第一液体(3)和第二液体(4)，第二基板(8)上有隔断(5)。

2.根据权利要求1所述的一种可调光学开关，其特征是：所述第二电极(7)包含两个，或两个以上独立电极。

3.根据权利要求1所述的一种可调光学开关，其特征是：所述第一透明基板(1)上设有第一电极(2)。

4.根据权利要求1所述的一种可调光学开关，其特征是：所述第二电极(7)上有铁电薄膜。

5.根据权利要求1所述的一种可调光学开关，其特征是：所述第二电极(7)上有疏水层。

6.根据权利要求1所述的一种可调光学开关，其特征是：所述隔断(5)表面导电。

7.根据权利要求1所述的一种可调光学开关，其特征是：所述第二电极(7)设置在剖面形状为斜坡面、圆柱面、圆球面或三角面的光学开关单元上。

8.根据权利要求1所述的一种可调光学开关，其特征是：隔断(5)包含一个腔体，腔体内包含第一液体(3)，第二电极(7)制备在隔断(5)上。

9.根据权利要求1所述的一种可调光学开关，其特征是：所述第一液体(3)和第二液体(4)分别为采用脂肪染色剂染色的液体。

10.根据权利要求1所述的一种可调光学开关，其特征是：在所述第一基板(1)上面，或是在所述第二基板(8)下面设有滤色片。

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