CN101960376A - 无源电泳液晶显示装置 - Google Patents

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Abstract

一种具有多个像素区域(6)的矩阵可寻址显示装置包括两个相对的单元壁(1)，所述单元壁围住包括液晶材料的电泳组成物(4)的层，该液晶材料具有散布于其中的精细分割的颗粒(5)。在一个单元壁的内表面上提供多个行电极(3)且在另一单元壁的内表面上提供多个列电极(2)。每个行电极(3)在像素区域(6)内的交叉点区域(10)处与列电极(2)相交，通过在所述交叉点区域处在所述电极(2、3)之间施加适当的电脉冲能够将所述像素区域(6)从第一光学状态切换到第二光学状态。所述交叉点区域(10)小于所述像素区域(6)。每个电极(2、3)由金属制成。

Description

无源电泳液晶显示装置
技术领域
本发明涉及一种矩阵可寻址显示装置，尤其涉及一种适用于无源矩阵寻址的基于电泳效应的显示装置。
背景技术
无源矩阵寻址显示器一般包括一对相对的基板，在所述相对的基板的内表面上提供有行和列带状透明电极。夹在基板之间的是能够在施加的电场下切换光学特性的电光介质。
其间布置有电光介质的行和列带状透明电极的交叉点限定像素阵列。通过复用寻址、在逐行扫描期间实现对整个屏幕的切换以及对每个以电学方式选择的行电极通过列电极发送数据电压来实现整个图像的形成。由于电光介质的阈值行为，将仅切换在行选择脉冲和列数据电压的组合下的沿行电极的被选择像素。因此在对每个行电极重复该处理的过程中会建立整个图像。
基于电泳效应的显示装置一般包括一对相对的基板，在所述相对的基板的内表面上提供有透明的电极图案。夹在基板之间的是其中散布着高散射性或吸收性的微颗粒的不导电的液体。微颗粒变得带电荷，且可以通过在电极结构两端施加适当的电场来将微颗粒可逆地吸引到显示器的上表面或下表面。通过具有染料掺杂液体的颜料的颜色对比或通过悬浮在透明液体中的带有极性相反的电荷的双颜料的颜色对比来实现光学对比度。这样的显示器的问题是其缺乏阈值，即颗粒在低电压下开始移动，且随着施加更高的电压其移动得更快。这使得该技术对于传统的复用(矩阵寻址)显示器不适用，该显示器需要相对尖锐的阈值以减小串扰。
在本受让人拥有且其全部内容在此通过引用被包括的US2005/0094087中，描述了一种双稳态电泳液晶显示器，其允许以阈值和视频速率进行切换。这使用使得能够矩阵寻址的交叠的透明X-Y电极。
在这样的显示器中，利用远/近切换，像素由透明电极的区域限定，通过透明电极电场被施加到像素。
透明电极衰减透射的光，这限制了亮度。透明电极还具有高电阻率，这会限制简单的无源寻址显示器的尺寸。可以通过使用例如相同基板上的两个带状电极提供的平面内电极来改进电泳显示器的亮度，在所述平面内电极之间颜料在施加的电场下水平地移动。在这样的结构中，液体介质是透明的，没有染料，且提供具有悬浮的颜料的混合物的良好稳定性。US 2005/0275933描述了这样的电泳装置，其包括具有平面内电极的基板和没有电极的相对基板。对于具有该结构的装置，难以实现简单的无源矩阵寻址。
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的基板具有带状集电极。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，且该装置处于OFF(关闭)状态。施加适当的不同电压以使得带状集电极之间的间隔变得透明的方式导致相对侧上带状集电极上的颜料的聚集。光穿过像素，且因此这确定了装置的ON(启动)状态。
在本受让人还拥有的US7264851中，描述了一种双稳态电泳受控向列液晶显示器。其使用具有悬浮的固体纳米颗粒的液晶和使得能够进行矩阵寻址的交叠的透明X-Y电极。通过纳米颗粒的极性受控的电泳运动来实现LC的光学上不同的状态之间的双稳态切换，这稳定了在切换的状态中LC的排列。一般地，行和列透明电极的交叉点的尺寸决定切换的像素的尺寸，这提供了光学效果。
双稳态使得切换的像素在零场能够无限地被保持，直到被适当的电信号的施加而改变。由于双稳态，无源矩阵寻址显示器原则上使得能够进行无限复用。这对于这样的显示器潜在地意味着没有复用像素的数量的限制且因此没有显示器尺寸的限制。
然而，显示像素的透明导电层降低了显示器的透射率和电阻率(对于长带的透明电极其变得显著)，限制了大面积显示器的无源矩阵寻址。
发明内容
在独立权利要求中详述了本发明的各方面。在从属权利要求中详述了优选特征。
本发明使用具有高导电率且因此允许制造大规模无源矩阵寻址显示器的金属细线作为行和列电极。切换的像素区域比金属线交叉点区域大得多且可在裸露的透明膜下直接被观察，这提高了显示器亮度。本发明使得能够实现具有堆叠的层的全色彩显示器的设计。
现在将参考以下附图仅以示例的方式进一步说明本发明。
附图说明
图1示出根据本发明实施例的显示装置的示意侧视图和平面图；
图2和图3是对应于图1的视图的视图，其示出了处于两个不同的光学状态中的装置；
图4示出了根据本发明实施例的装置的基板的平面图；
图5示出了根据本发明另一实施例的显示装置的一部分的平面图；
图6示出了包括图4的基板的显示装置的平面图；
图7示出了两个不同的光学状态中的图6的显示器的照片；
图8-10示出了根据本发明又一实施例的装置的与图4、6和7相对应的视图；
图11示出了根据本发明实施例的装置中的切换；
图12是示出场力线的图1的装置的像素的示意性侧视图；以及
图13示出了利用两种带有极性相反的电荷的颜料颗粒的颜色的根据本发明的另一实施例的显示器中的像素的切换。
具体实施方式
图1-3所示的矩阵可寻址显示装置包括围住电泳组成物4的层的两个相对的单元壁1。电泳组成物4包括液晶材料，该液晶材料具有散布于其中的精细分割的颗粒5。在该例子中，颗粒5是颜料颗粒。一个单元壁的内表面带有多个列(Y)电极2且另一单元壁的内表面带有多个行(X)电极3。利用隔离珠10以本质上熟知的方式将所述单元壁1分隔开。
行和列电极是精细金属线，优选地具有小于约5μm的宽度。组合的XY矩阵的线2、3彼此垂直且适于传统的无源矩阵寻址。通过对列电极2和行电极3施加电压来控制装置的切换。具有适当幅度和持续时间的单极脉冲导致颗粒5在列电极2周围的聚集，在该例子中是在上基板上。在该第一光学状态中(图2a)电极之间的区域透射光。具有相反极性和更低电压或更短脉冲长度的电脉冲提供到非常不同的第二光学状态(图2b)的切换。在该第二光学状态中，颜料颗粒5散布在行和列电极的交叉点周围的像素区域6中且该像素区域中的光的透射被阻止。(平面图中的)像素区域6显著大于其内的电极2、3的交叉点区域。
在不希望被理论限制的情况下，我们认为可通过在图12中非常近似地示出的精细导电线的交叉点区域10周围的电场9的分布来解释切换。决定像素区域6的电场分布区域比交叉点区域10大得多。因此，当具有相当长的持续时间和适当的电压的脉冲被施加到XY线时，颜料颗粒5在具有电场的区域中移动且(由于长脉冲时间)其最终将被收集在(在本例中为)相对基板上的线2周围。具有更短的持续时间或更低的电压的相反脉冲将提供颜料颗粒在相反方向上的迁移。由于是短脉冲，因此颜料颗粒将在精细线2、3的交叉点之外的某区域停止移动。换句话说，颜料颗粒5将散布在比交叉点区域显著更宽广的像素区域6中。因此，该区域的透射率将降低且光将被阻止(图3)。
由于LC材料中的电泳效应，这样的切换是可用的。在其全部内容通过引用被包括在此的US 2005/0094087中，示出了LC介质中的电泳效应使得能够实现双稳态切换、阈值和快速度。重要的是，该效应的特征是高稳定性且提供良好的记忆效应。在本例中，由于记忆效应，颜料颗粒5不需要像具有各向同性液体的传统装置中一样被堆叠在电极表面上。LC的弹性和LC分子与颜料颗粒之间的强烈的相互作用提供零场下的良好记忆的状态。LC介质中的电泳效应的该能力是要点，其允许本发明的装置的运行。
图4示出针对实验单元的XY电极配置。X电极基板(图4a)和Y电极基板(图4b)具有间隔不同的平行的金属线。对于电场的最佳分布和颜料颗粒在像素区域6中的均匀散布，可以利用几个缩短的XY线形成像素(图5)。这使得像素6更大且减少了寻址线的数目。允许像素区域的完整切换的像素的线尺寸为约30-60μm。结果，具有1000个单线的这样的显示器的工作区域将约为6cm。因此，当几个线被缩短时，这将给出更大的像素和显示器的更大的工作区域。例如，四个缩短的线将给出像素4×60μm＝240μm。结果，具有1000个线的显示器将具有24cm的工作区域。
图4的基板被用在图6所示的实验装置中。电极的宽度约为10μm。X基板上的电极之间的间隔约为300μm而Y基板上的间隔约为30μm。组合的XY矩阵单元的电极线彼此垂直。该单元填充有MLC6436-000向列LC(默克公司)，该MLC6436-000向列LC包含15％的主要尺寸为340nm的TiO2颜料颗粒。通过嵌入电泳混合物中的10μm聚合物隔离珠来限定单元的厚度。对该单元施加持续时间为20-100毫秒且幅度为80-150V的单极脉冲。在该实验中，X和Y基板上的电极线被缩短。
图7示出了处于不同切换状态中的单元的透射率。在幅度为80V且持续时间为50-60毫秒的所施加的脉冲下，透射状态(图7a)被实现。通过具有相反极性和更短持续时间(20-30毫秒)的脉冲提供到光阻止状态(图7b)的切换。该图示出了沿X线的局部化切换，然而示出了沿Y线的基本上完整的切换。这可通过X和Y电极之间的不同间隔来解释。Y电极具有更短的间隔(30μm)，且交叉点区域外的电场分布具有相同的尺寸且覆盖间隔区域。因此在适当的施加场下的颜料颗粒能够散布在该区域中。另一方面，X线之间的间隔更宽得多(约300μm)，我们可假定电场没有覆盖该距离，这限制了颜料颗粒的迁移距离。
电压和脉冲与迁移距离之间的关系可表示如下：
t＝L2/μU，其中L是迁移距离，μ是颗粒的迁移率，U是电压，且t是漂移时间(即脉冲的持续时间)。
如果假定迁移率～5.10-6cm2/Vs，
根据L2＝μUt，如果脉冲长度t＝5毫秒，U＝40V，则颗粒将在距离d～30um内移动。
为了研究该假设的正确性，我们使用具有相同的交叉金属电极线2、3(图8-9)的两个基板做实验。交替的列电极2通过列母线7被连接在一起，且交替的行电极3通过行母线8被连接在一起。每个电极2、3的宽度是2μm且电极间间隔是10μm。以与上述单元相同的方式组装该单元。
图10示出了单元中的切换。在本情况下，在整个区域观察到切换，因为XY方向上的间隔相等，并且电场完全覆盖该距离且将颜料颗粒有效地对称散布在XY电极的交叉点周围。
使用两个颜色的带有极性相反的电荷的颜料允许实现在两个颜色之间进行切换的显示器。图13示出了填充有LC MLC6681的单元中的切换，该LC MLC6681包含得到负电荷的3％的透明颜料Hostaperm蓝B2G-D，和得到正电荷的3％的透明颜料Hovoperm品红E02。通过嵌入混合物中的聚合物隔离珠提供10μm的单元厚度。颜料颗粒呈现不同的电荷和迁移率，这使得有可能通过施加具有不同的极性和幅度/长度值的电脉冲来控制切换。对于一种极性，蓝颜料散布在像素区域中，且品红颜料颗粒被收集在金属线周围，并且因此像素变为蓝色。具有不同的幅度/长度的相反极性的脉冲引起蓝颜料在金属线周围的聚集且将品红颜料颗粒散布在像素区域中。因此像素切换到品红色。图13a中示出了两个光学状态的显微照片，且图13b中示意性地示出了切换。
具有带有适当颜色的这样的双颜料的两层的堆叠，即一层中的蓝-品红和第二堆叠层上的黄-黑，使得能够以全色彩进行切换。
在填充有以下电泳组成物的相似单元中观察到相同的切换效果，该电泳组成物包括向列LC和小尺寸纳米颗粒(主要尺寸7-40nm)。在这种情况下纳米颗粒不产生光学效果，然而它们稳定LC宿主的切换状态，这产生了光学效果。图11示出了在使用MLC6204-000的混合排列向列(hybrid-aligned nematic，HAN)单元中观察到的切换，该MLC6204-000具有3％的二氧化硅纳米颗粒R812(主要尺寸7nm)。使用5μm的聚合物珠限定厚度。以持续时间为20-40毫秒和5-10毫秒的80V脉冲驱动该单元。单元被放置在交叉的偏振器之间且在45°转向偏振器的轴以得到最大的对比。通过施加20-40毫秒的脉冲来实现光状态(图11a)，在该脉冲下纳米颗粒被聚集在电极线周围。在更短的脉冲下纳米颗粒将散布在金属线的交叉点周围的区域中；该状态支持LC分子的垂直排列，其作为交叉的偏振器之间的暗状态(图11b)被观察到。为了提供该单元中的适当的光学切换，可针对LC分子的平面的、垂直配向的或复合的排列来处理具有电极的基板的表面。
在使用染料掺杂LC的相似单元中实现了具有高亮度的光学效果的直接观察。根据染料颜色，显示器提供受纳米颗粒稳定效应控制的无色透明状态和彩色状态之间的切换。
为了彩色效果，例如，具有3％的二氧化硅颗粒R812(主要尺寸7nm)的LC MLC 6436-000掺杂有1-3％的品红染料G471、青染料G472或黄染料G232(来自Hayashibara生物化学实验室有限公司)，这因此允许具有品红色、青色和黄色的显示。
在制定根据本发明实施例的实验单元时使用以下物品：
向列LC：具有正介电各向异性MLC6881，MLC6650，MLC6639，MLC6204-000，MLC6436-000，E7，E63，ZLI2293，染色的黑色LCZLI4756/2，ZLI4727，ZLI4714/3(都来自默克公司)；负介电各向异性LC ZLI4788-000，MDA-03-4517，MDA-03-4518；
白色颜料：TiO2 R700，R900(杜邦)，WP-10S(催化剂&化学实业有限公司)；
着色氧化铁颜料RP-10S(红)、BP-10S(黑)、DP-10S(黄)(催化剂&化学实业有限公司)；透明颜料Hostaperm蓝B2G-D，Hostaperm品红E02，Novoperm黄4G(Clariant)；
纳米颗粒：硅胶R812，R106，R974，R972，R104，R504，A380，OX50，气相法三氧化二铝(Degussa Huls)。
在替代实施例中，可使用透明彩色颜料颗粒，且可堆叠三层，CMY，来提供具有无源矩阵寻址的全色彩透射显示器。
本发明使用金属细线、特别是宽度小于5μm的线作为行和列X-Y电极，这些线具有高导电率且因此允许制造大规模无源矩阵寻址显示器。切换的像素区域比金属线交叉点区域大得多且可在裸露的透明膜下直接被观察，这改进了显示器亮度。光学透明状态和关闭状态之间的切换使得能够设计具有堆叠的层的全色彩显示器。
此处，冠词“一”和“一个”用来表示“至少一个”，除非上下文有另外的需要。

Claims (20)

1.一种矩阵可寻址的显示装置，具有多个像素区域，该装置包括：
两个相对的单元壁，所述两个相对的单元壁围住电泳组成物的层，该电泳组成物包括具有散布于其中的精细分割的颗粒的液晶材料；
一个单元壁的内表面上的多个行电极和另一单元壁的内表面上的多个列电极；其中
每个行电极在像素区域内的交叉点区域处与列电极相交，通过在所述交叉点区域处在所述电极之间施加适当的电脉冲所述像素区域能够被从第一光学状态切换到第二光学状态，所述交叉点区域小于所述像素区域；且其中
每个电极由金属制成。
2.根据权利要求1所述的装置，其中每个电极具有宽度且以比所述宽度的两倍更大的距离与邻近的电极间隔开。
3.根据权利要求1所述的装置，其中每个电极具有宽度，且以比所述宽度的五倍更大的距离与邻近的电极间隔开。
4.根据权利要求1所述的装置，其中每个电极具有10μm或更小的宽度。
5.根据权利要求1所述的装置，其中每个电极具有在1-5μm范围内的宽度。
6.根据前述任何一项权利要求所述的装置，其中相邻电极之间的间隔在2-300μm的范围内。
7.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中相邻电极之间的间隔在20-100μm的范围内。
8.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中所述装置还包括：
多个X线驱动电路和多个Y线驱动电路，所述多个X和Y线驱动电路分别连接到所述多个行电极和所述多个列电极，以使得对行电极和列电极同时施加适当的电势将导致具有预定值的阈值电压跨所述电极之间的电泳组成物而被施加。
9.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中所述颗粒具有在1-1000nm范围内的尺寸。
10.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中所述颗粒具有在5-50nm范围内的尺寸。
11.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中所述颗粒以占液晶材料的重量的0.1％到50％的浓度存在。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述颗粒以占所述液晶材料的重量的1-15％的浓度存在。
13.根据权利要求11所述的装置，其中所述颗粒以占所述液晶材料的重量的1-5％的浓度存在。
14.根据权利要求9-13中的任一项所述的装置，其中所述液晶材料能够在两个光学上不同的状态之间切换，且其中所述颗粒用来将所述液晶材料稳定在所述状态的至少之一中。
15.根据权利要求1所述的装置，其中所述颗粒是将吸收至少一些波长的可见光的颜料颗粒。
16.根据权利要求15所述的装置，其中所述颜料颗粒是透明的并透射没有被吸收的可见光。
17.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中单元壁上的至少一些相邻电极被缩短以提供更大的像素区域。
18.根据权利要求17所述的装置，其中每个单元壁上的至少一些相邻电极被缩短。
19.一种彩色显示器设备，包括以堆叠方式布置的多个根据权利要求16所述的装置，在每个装置中所述颜料颗粒透射不同波长范围的光。
20.根据权利要求19所述的设备，包括三个装置，每个所述装置透射青色、品红色和黄色光中的不同的一个。
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