CN101960375A - 电泳显示装置 - Google Patents

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L·克雷默
G·坎布斯
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Abstract

多稳态电泳显示装置具有多个像素，且包括第一基板和第二基板。所述基板被相互间隔开并围住电泳介质层，该电泳介质包括具有分散在其中的细分颜料颗粒的液晶材料。所述装置还包括用于形成像素区域轮廓并跨越像素区域中的至少一些电泳介质施加电场的电极。所述电极基本上占用小于显示像素的整个视场的空间，并可以用来实现在第一光学状态和第二光学状态之间的切换；在所述第一光学状态中，像素上的大部分入射光不撞击在颜料颗粒上；在所述第二光学状态中，像素上的大部分入射光撞击在颜料颗粒上。

Description

电泳显示装置
技术领域
本发明涉及电泳显示装置。
背景技术
电泳显示装置通常包括在其内表面上提供有透明电极图案的一对相对基板。夹在基板之间的是非导电液体，其中散布有高度散射或吸收的微粒。该微粒变得带电，并且可以通过跨越电极结构施加适当的电场而被可逆地吸引到显示器的顶面或底面。通过使微粒的颜色与染料掺杂液体形成对比或通过使悬浮在透明液体中的电性相反的双微粒的颜色形成对比来实现光学对比度。此类显示器的问题是其缺少阈值，即，颗粒在低电压下开始移动，并且随着施加更高的电压而更快地移动。这使得该技术不适合于要求相对尖锐的阈值来减少串扰的无源矩阵寻址。
传统的电泳显示器切换起来也通常缓慢，使得其不适合于要求快速切换的应用，诸如视频显示器。
在为本受让人所有且其内容整体地通过引用结合到本文中的US2005/0094087中，描述了双稳态电泳液晶显示器，其允许采用阈值和视频速率来进行切换。其使用单独基板上的重叠的透明行列电极，这使得能够进行矩阵寻址。
传统的电泳显示器配置有相对的电极，其被相对于显示装置的显示表面垂直地布置，其中一个是上电极，而一个是下电极。在此类显示器中，随着电极之间的垂直颗粒运动，由透明电极的区域来限定像素，经由所述透明电极向像素施加电场。
透明电极使透射光衰减，这限制显示器的峰值亮度。透明电极还具有高电阻率，其可以限制简单的无源寻址显示器的尺寸。可以通过使用例如由相同基板上的两个条状电极提供的平面内电极来改善电泳显示器的亮度，在所述两个条状电极之间，颜料在所施加的电场下水平地移动。在此类构造中，液体介质是透明的，没有染料，并且提供具有悬浮颜料的混合物的良好稳定性。US 2005/0275933描述了这样一种电泳装置，其具有带有平面内电极的基板和没有电极的相对基板。对于此构造的装置而言，简单的无源矩阵寻址难以实现。
US 4,648,956描述了一种电泳显示器，其中，一个基板具有单像素透明显示电极且相对基板具有条状集电极。在施加的电压下，颜料覆盖具有透明单显示电极的整个像素区域且装置处于OFF(关)状态。施加适当的不同电压促使颜料以条状电极之间的间隔透明的方式集中在相对侧的条状集电极上。光通过像素，因此，这确定装置的ON(开)状态。
显示像素的透明导电层降低显示器的透射率，且电阻率限制大面积显示器的无源矩阵寻址。
发明内容
在独立权利要求中指定了本发明的方面。在从属权利要求中指定了优选特征。
本发明提供一种电泳显示装置，其是多稳态的且其具有阈值电压。双稳态装置是多稳态装置的最简单示例。本说明书中所述的原理可以应用于双稳态和多稳态显示装置。
可以由简单的无源矩阵方案来驱动该装置。金属电极可以采取细线的形式，其为大面积显示器提供足够的导电性，且其占用很少的面积，提供高的光透射率。具有悬浮颜料的液晶允许采用阈值进行多稳态切换，这提供了无源矩阵寻址的可能性。
在一个实施例中，显示器适合于在有透明彩色颜料的情况下在透射模式下工作。这提供了通过堆叠具有适当透明彩色颜料的2或3个显示层来构建全色显示器的可能性。
附图说明
现在将参照以下附图仅仅以示例的方式进一步描述本发明，在附图中：
图1示出通过依照本发明的第一实施例的装置的平面图和示意性剖视图；
图2示出图1的装置的第一基板的一部分的平面图；
图3示出在不同的光学状态下的、依照图1的实施例的装置的示意性剖视图；
图4示出依照图1的实施例的测试装置的照片；
图5示出依照图1的实施例的装置的不同光学状态的透射率的图表；
图6和7是依照本发明的第二和第三实施例的装置的示意性剖视图；
图8示出依照本发明的第四实施例的装置的示意性剖视图和平面图；
图9是处于暗状态和处于亮状态的图8的装置的示意性剖视图；
图10示出图9的装置的示意性平面图；
图11～13示出依照本发明的第六实施例的装置的视图；
图14示出图13的装置的暗状态和亮状态的显微照片；
图15是针对用于图13的装置的所施加电压的对比度系数(CR)的图表；
图16示出依照本发明的第七实施例的装置；以及
图17是通过依照本发明的另一实施例的装置的示意性剖视图。
具体实施方式
如本说明书和随附权利要求书中所使用的术语“多稳态”或“多稳态性”指的是电泳显示器的单元的性质在许多光学状态中的任何一种下是稳定的。由于多稳态性，带电颗粒将在电极之间不存在引起进一步迁移的电场的情况下留在其所在的任何地方，甚至是两个电极之间的某处。
因此，像素可以保持下述状态，其中某些带电颗粒是看得见的而某些则不是看得见的，为像素提供在所有颗粒被看见时或没有颗粒被看见时之间的某处的颜色。
因此，多稳态性允许电泳显示器的单元或像素呈现出许多中间阴影或颜色中的任何一种，因此允许按灰度级来显示图像。本说明书中所述的原理可以应用于双稳态和多稳态显示装置二者。
在以下说明中，出于解释的目的，阐述了许多特定细节以便提供对本系统和方法的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员来说应显而易见的是，可以在没有这些特定细节的情况下实施本系统和方法。本说明书中对“实施例”、“示例”、或类似语言的提及意指结合该实施例或示例描述的特定特征、结构、或特性被包括在至少该实施例中，但不必然在其它实施例中。短语“在一个实施例中”或类似短语在本说明书中的不同位置中的各种实例不一定全部指的是同一实施例。
现在将相对于说明性系统和方法来讨论本文所公开的原理。
图1的多稳态电泳显示装置1包括第一基板2和第二基板3。基板2、3相互间隔开并围住一层电泳介质4，该电泳介质4包括液晶材料13，该液晶材料13具有分散在其中的微细颜料颗粒5。
在第一基板2的内表面上提供第一电极6a和第二电极6b以用于跨越至少某些电泳介质4施加电场。第二基板3不带有电极，以便其光透射率是高的。如图2最好地所示的那样，在第一基板2上，第一电极6a与第二电极6b互相交叉。虽然以举例的方式示出了第一和第二电极，但应理解的是本发明不限于每个像素两个电极。可以可选地使用三个或更多电极。
本示例中的显示器1由多个片断9组成，其中的每一个带有限定像素的一组互相交叉的电极6a、6b。本示例中的电极6(30μm间隔)用由塑料材料形成的第一基板2上的10μm宽的金属线来形成。第二基板3是裸露的塑料片，被隔离物10与第一基板2间隔开。在本示例中，隔离物10包括10μm的隔离珠；然而可以使用本领域中已知的其它类型的隔离物，例如丝(threads)或线(wires)、或诸如柱或杆之类的模压、压印或浇铸部件。电泳介质4包括具有尺寸为87nm(Clariant)的悬浮透明蓝色颜料Hostaperm Blue B2G-D的向列液晶混合物(MLC-6681-Merck)和2％的10μm隔离珠。颜料颗粒在LC中获取负电荷。
基板被提供有配向层。在本示例中，用铬络合物溶液来处理基板；然而，可以将其它类型的表面处理用于提供液晶分子和颜料颗粒与表面的适当相互作用。可以使用本领域中已知的配向层或结构，例如格栅、微观结构、蒸发一氧化硅或诸如卵磷脂的表面活性剂。使用60V脉冲(100ms)来进行到亮状态(图4b)的写入并使用-60V脉冲(60～80ms)来实现到暗状态(图4a)的写入。
电极6占用基本上小于显示器的整个视场的空间且可以用来实现第一光学状态(图3a)与第二光学状态(图3b)之间的切换。在第一(暗)光学状态下，穿过第一基板2的大部分入射光被颜料颗粒5所吸收。在第二(亮)光学状态下，穿过第一基板2的大部分入射光撞击在第二基板3上且不撞击在颜料颗粒5上。
边缘电场将覆盖两个平面内电极6a、6b之间的空间。因此，提供对颜料颗粒的充电的分子的偶极也将沿着边缘场线取向。经由将颗粒移入和移出主视场的平面内电场进行切换。因此，颜料颗粒将由于其与经取向的LC分子的相互作用而被迫沿着此方向迁移。适当的电压脉冲提供颜料颗粒5朝着收集了颜料颗粒的线电极6a(图3b)或在线电极6a、6b(图3a)之间的空间中的移动。在零场处，由于LC与颜料颗粒5的相互作用，颜料将被锁定在电极之间的区域中，提供LC/颜料颗粒的稳定网络。正因为此，该装置使得能够在颜料颗粒5没有堆叠在平坦宽阔的电极上的情况下实现双稳态切换。
为了使颜料5散布在电极6a、6b之间，电脉冲应具有不足以产生颜料在电极之间的全迁移的长度和/或振幅。可以通过脉冲长度或电压的变化来控制此类切换，其通过以下等式与电迁移距离相联系：
t＝d2/μU
其中t是电极之间的漂移时间，U是所施加的电压，d是电极之间的间距，并且μ是电泳迁移率。
通过在液晶介质(在本示例中为向列液晶)中分散颜料颗粒5，使得显示器为双稳态式并具有阈值电压。经由将颗粒移入和移出主视场的平面内电场进行切换。为了改善阈值电压特性和切换速度，优选的是液晶材料具有大于约+2或小于约-2的介电各向异性。
实验混合物最适宜用作电泳介质4，其使用透明颜色的颜料颗粒5(Clariant)和10μm的隔离珠10。配方是：
1.MLC6681向列LC(Merck)+3％Hostaperm颜料Blue B2G-D(负电荷)；
2.MCL6681+3％Hostaperm颜料Pink E02(正电荷)；
3.MLC6681+3％Novaperm颜料Yellow 4G(负电荷)。
可以通过堆叠具有透明颜料的此类CMY单元来实现全色透射式显示器。
图5示出在两个平面内单元中提供的像素的切换状态的透射率光谱测量。向一个装置填充液晶MLC6681，其包含透明颜料Hostaperm BlueB2G-D(图5a)，并向另一个填充包含Hostaperm Pink E02的MLC6881(图5b)。
如图6和7中所示的实施例中所示，采用具有不同颜色的电性相反的颜料5a、5b允许在显示单元中的两种颜色之间进行切换。
现在转到图8～10，示意性地示出了本发明的另一实施例。第一电极6a在第一基板2的内表面上具有细长线或细金属线的形式。第二电极6b在第二基板3的相对内表面上具有细长线或细金属线的形式。两个电极6b限定二维形状的轮廓，在本示例中为矩形。该装置使得能够在颜料颗粒5没有堆叠在平坦宽阔的电极上的情况下实现双稳态切换。两个电极6a、6b之间的边缘电场将覆盖第二电极6b的矩形区域内的空间。因此，提供对颜料颗粒的充电的偶极也将被沿着边缘场线取向。因此，颜料颗粒将由于其与所取向的LC分子的相互作用而被迫沿着此方向迁移。适当的电压脉冲提供颜料颗粒5朝着收集了颜料颗粒的顶部线电极6a(图9b、10b)的移动。因此，由第二电极6b限定的区域边界将是透明的。在本示例中，第二电极6b所限定的区域在形状上是矩形；然而，应理解的是，该区域可以具有任何期望形状。在图9b和10b中所示的亮状态下，横穿第一基板2的大部分光将不会遇到电极，从而与其中需要透明电极将颗粒吸引到其表面的现有技术显示器相比，可改善光透射性。虽然针对由不间断的第二电极6b所界定的区域来说明了本发明的此方面，但应理解的是，这对于本发明的作用而言不是关键的。第二电极6b中的中断(12)(例如，如图10c中所示)是可接受的，条件是在显示器被驱动至暗状态时结果得到的边缘场足以促使基本上所有限定的区域接纳颜料颗粒5。
以相反的极性施加电压脉冲提供朝着由第二电极6b界定的矩形区域的移动，颜料颗粒在那里被散布开(图9a、10a)。通过调节电压脉冲长度和振幅，可以使颜料沿着边缘场线停止在顶部和底部基板之间的区域中。由于与LC分子的强相互作用，此状态在零场处将是稳定的。
图11～13中所示的装置，切换机制基本上与图8～10的装置中相同。差别是此装置具有与单个第二电极6b相对的多个平行的第一电极6a，所述单个第二电极6b限定了与第一电极中的每一个相对的矩形边界。在本示例中，每个电极6具有约5μm的宽度。在暗状态下(图12a和13a)，颜料颗粒5被散开在由第二电极6b界定的整个区域上。
图14a是暗状态(图12a和13a)的显微照片，而图14b是亮状态(图12b和13b)的显微照片。颜料颗粒5的移动在第一(顶部)基板2与第二(底部)基板3之间，有约10μm的单元间隙。较小的单元间隙可以减小所需的振幅和脉冲长度。
按如下方式计算颗粒迁移率(μ)：
μ＝d2/t U
d＝20μm＝2×10-3cm
t＝30-50ms
U＝80V
μ～1-1.610-6cm2/s V.
此实验显示器并不是最佳的，但实现了接近4的对比度系数。
图15示出图11～13的装置的对比度系数与所施加的电压的关系曲线，所述装置具有10μm宽的电极和20μm的间距。电泳介质包括MLC-6681LC和R700(TiO2)颜料颗粒。用单极脉冲30&50ms/80V：30ms OFF状态、50ms ON状态来驱动该显示器。该曲线示出相当好的阈值特性，其指示无源矩阵寻址的可能性。
在图16中所示的实施例中，使用作为第一(Y)电极6a的细金属线与限定作为第二(6b)电极的正方形电极的细金属线的组合。该显示器是可矩阵寻址的，其中由被X电极的正方形部分围绕并与线Y电极重叠的区域来限定每个像素8。当在X电极与Y电极之间施加适当的阈值电压时，像素8被双稳态地切换到ON状态或OFF状态，并将保持在该状态直至被相反极性的适当脉冲驱动至另一状态为止。电极6占用小于显示器的视场的30％的空间，且可以基本上在ON状态与OFF状态之间切换其余的视场。金属电极6可以非常细；其优选地占用小于显示器的视场的20％特别是1～20％的空间。
图17的装置使用与图3的装置类似的平面内电极，但包括第三基板7、和在第二基板3的另一表面上的附加电极6c、6d。该电极不限于第二基板且还可以位于第一和第三基板上。通过提供电泳介质的两个层4a、4b，可以针对给定像素选择四种不同颜色或光学状态中的任何一种。第一电泳介质4a具有电性相反的分散颜料颗粒5a、5b，并且第二电泳介质4b具有彼此电性相反的不同的分散颜料颗粒5c、5d。
第一显示层中的品红色和青色透明颜料颗粒、和第二堆叠层中的黄色和黑色颜料的使用允许实现全色显示。还可以通过堆叠具有单CMY透明颜色颜料颗粒的层来构建全色显示。应理解的是，除本文出于例示的目的特别描述的CM/YK组合之外，在两个层中可以使用CMYK的其它组合。另一示例是第一层中的黑色/品红色(KM)和第二层中的青色/黄色(CY)的组合。
在实验中，我们使用大范围的液晶，包括：MLC6681、MLC6436-000、MLC6650、MLC6204-000、MLC6639、E7、ZLI4788-000、MDA-03-4518、ZLI4792(来自默克公司)。作为不透明颜料，我们使用白色TiO2颜料R700、R900(Dupont)、WP10S、红色RP10S、黄色YP10S和黑色BP10S。我们使用透明颜料蓝色Hostaperm颜料Blue B2G-D、品红色Hostaperm颜料Pink E02、黄色Novoperm颜料Yellow 4G(来自Clariant)。通过使用具有指定金属电极的塑料和玻璃基板来组装单元。
我们在根据本发明的装置中观察到双稳态性和电压阈值切换，其提供了全色无源矩阵寻址显示器以及‘电子纸’应用的潜力。
冠词‘一个’和‘一种’在本文中用来表示‘至少一个’，除非上下文另外要求。

Claims (25)

1.一种多稳态电泳显示装置，其具有多个像素且包括第一基板和第二基板，所述基板被相互间隔开并围住电泳介质层，该电泳介质包括液晶材料，所述液晶材料具有分散在其中的细分颜料颗粒；以及
用于形成像素并且跨越像素区域中的至少一些电泳介质施加电场的电极线；
其中，所述电极线基本上占用小于显示像素的整个视场的空间，并可以用来实现在第一光学状态和第二光学状态之间的切换；在所述第一光学状态中，入射在像素上的大部分光不撞击在颜料颗粒上；在所述第二光学状态中，入射在像素上的大部分光撞击在颜料颗粒上。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述电极线包括在第一基板上提供的至少两个电极线。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述电极线包括在第一基板上提供的第一和第二互相交叉的电极。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述液晶材料具有分散在其中的两种不同类型的颜料颗粒，其中一种类型获取正电荷，而其中另一种类型获取负电荷。
5.如权利要求1所述的装置，其中，所述电极线由金属制成。
6.如权利要求1所述的装置，还包括与第二基板间隔开的第三基板、和在第二基板与第三基板之间被围住的第二电泳介质层；以及用于跨越至少一些第二电泳介质施加电场的电极；第二电泳介质包括液晶材料，所述液晶材料具有分散在其中的细分颜料颗粒。
7.如权利要求6所述的装置，其中，在所述层之一中的颜料颗粒具有与另一层中的颜料颗粒不同的成分。
8.如权利要求6所述的装置，其中，每个层具有分散在其中的两种不同类型的颜料颗粒，其中一种类型获取正电荷，而其中另一种类型获取负电荷。
9.如权利要求1所述的装置，其中，所述电极线包括在第一基板上的细长第一线和在第二基板上的相对第二线，第二线限定二维形状的轮廓，该形状占用基本上大于第一线的相对部分的面积。
10.如权利要求9所述的装置，其中，第二线限定基本上为矩形的形状的轮廓。
11.如权利要求1所述的装置，其中，所述电极线具有约10μm或以下的宽度。
12.如权利要求1所述的装置，其中，所述电极线具有在约1μm至约6μm范围内的宽度。
13.如权利要求1所述的装置，其中，所述电极线具有在约3μm至约5μm范围内的宽度。
14.如权利要求1所述的装置，其中，当所述装置处于第一光学状态时，透射通过第一基板的大部分光撞击在第二基板上。
15.如权利要求1所述的装置，其中，所述颜料颗粒反射或散射光，所述电泳介质还包括溶解的染料，并且其中，当所述装置处于第一光学状态时，入射在像素上的大部分光被染料吸收。
16.如权利要求1所述的装置，其中，所述颜料颗粒选择性地吸收指定波段内的光，并基本上透射在该指定波段之外的光。
17.如权利要求1所述的装置，其中，所述电极线可以用来实现到至少一个中间光学状态的切换，在该中间光学状态下，颜料颗粒比在装置处于第一光学状态时占用更多的像素面积，但是颜料颗粒比在装置处于第二光学状态时占用更少的像素面积，为每个像素提供灰度级能力。
18.一种包括第一基板和第二基板的多稳态电泳显示装置，所述基板相互间隔开，并围住电泳介质层，该电泳介质包括液晶材料，该液晶材料具有分散在其中的细分颜料颗粒；以及
第一基板的内表面上的平面内金属电极，其用于跨越至少一些电泳介质施加电场；
其中，所述电极基本上占用小于显示器的整个视场的空间，并可以用来实现在第一光学状态和第二光学状态之间的切换；在所述第一光学状态中，像素上的大部分入射光不撞击在颜料颗粒上；在所述第二光学状态中，像素上的大部分入射光撞击在颜料颗粒上。
19.如权利要求18所述的装置，其中，所述电极包括在第一基板上提供的第一和第二互相交叉的金属电极。
20.如权利要求18所述的装置，其中，所述电极占用小于显示器的视场的30％的空间，且可以基本上在第一光学状态与第二光学状态之间切换未被电极占用的其余视场。
21.如权利要求18所述的装置，其中，所述电极占用显示器的视场的1～20％。
22.一种包括第一基板和第二基板的多稳态电泳显示装置，所述基板相互间隔开并围住电泳介质层，该电泳介质包括液晶材料，所述液晶材料具有分散在其中的细分颜料颗粒；以及
用于跨越至少一些电泳介质施加电场的电极；其中，所述电极包括在第一基板的内表面上的细长第一细金属线和在第二基板的内表面上的相对的第二细金属线，第二线限定二维形状的轮廓，该形状占用基本上大于至少一个第一线的相对部分的面积；其中
所述电极基本上占用小于显示器的整个视场的空间，并可以用来实现在第一光学状态和第二光学状态之间的切换；在所述第一光学状态中，像素上的大部分入射光不撞击在颜料颗粒上；在所述第二光学状态中，像素上的大部分入射光撞击在颜料颗粒上。
23.如权利要求22所述的装置，其中，第二线限定基本上为矩形的形状的轮廓。
24.如权利要求22所述的装置，其中，所述电极占用小于显示器的视场的30％的空间，且可以基本上在第一光学状态与第二光学状态之间切换未被电极占用的其余视场。
25.如权利要求24所述的装置，其中，所述电极占用显示器的视场的1～20％。
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