CN102481799B - 利用光子晶体特性的打印介质、打印方法和打印设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种使用光子晶体特性的打印介质、打印方法和打印设备。根据本发明，所述使用光子晶体特性的打印介质包括一种介质，在该介质中散布有多个具有电荷的颗粒，其中，所述颗粒的间距通过在该介质上施加电场和磁场中的至少一种场来控制，以及当在所述介质上施加能量时所述颗粒的间距被固定。

Description

利用光子晶体特性的打印介质、打印方法和打印设备
技术领域
本发明涉及一种利用光子晶体特性的打印介质、打印方法和打印设备。更具体地说，本发明涉及一种利用光子晶体特性的打印介质、打印方法和打印设备，通过对所述介质施加诸如电场、磁场等外部激励可以控制所述介质中的颗粒的颗粒间距，以及通过对所述介质施加能量或阻止向所述介质施加能量可以降低介质的流动性，以便将处于受控状态中的颗粒的颗粒间距固定，从而稳定地实现全色彩结构色。
背景技术
典型的打印设备(即，打印机)基于将有色墨水或墨粉颗粒混合起来并使所述混合颗粒被吸收到打印纸中的原理来工作。尽管常规打印机在许多领域中广泛使用，但它们需要不同的有色墨水和/或墨粉来显现各种颜色，并且带来改变或修正打印输出(打印输出已经通过打印而获得)上的困难。
为了克服上述常规打印技术的限制，已经进行了一些研究和试验，并且已经产生了各种技术。由这些研究而产生的产品的代表性例子是“电子墨水”。电子墨水是一种色彩装置，通过在包含分别具有负电荷(-)和正电荷(+)的不同色彩的颗粒(例如，黑和白)的封囊上施加电场来显现特殊的颜色，从而来指示各种信息，这些信息包括例如文本。然而，这种电子墨水带来显现各种颜色上的困难，因为所述颗粒的显示颜色固定为特殊的预定颜色。
因此，为了解决上述常规技术的问题，已经提出了很多方法，在这些方法中，可以使用一种基于光子晶体原理的技术。
光子晶体是通过反射特殊波长的光同时放过其它波长的光来显现具有该特殊波长的颜色的物质或晶体。这种光子晶体的典型例子可以包括蝴蝶的翅膀、白金龟甲壳虫(Cyphochilus)的壳等。这些物质具有独特的结构，尽管其中不包含颜料，但能显现特殊的颜色。
根据最近对光子晶体的研究，与自然界存在的一般反射特殊波长的光的现有光子晶体相比，含有适当材料的人工合成光子晶体可以通过外部激励改变晶体结构(例如，用于光子晶体形成的隔层厚度)。于是，反射光的波长可以在UV和红外区域以及在可见光区域中如愿进行控制。
本发明的发明人设想，利用反射特殊波长光这个光子晶体特性的打印介质、打印方法和/或打印设备可以通过在具有电荷或磁性的颗粒上施加电场或磁场以控制这些颗粒的颗粒间距、然后通过在所述介质上施加能量或阻止施加能量以固定这些颗粒的颗粒间距来成功地实施。本发明已基于上述想法得以实现。
发明内容
本发明的一个目标是，提供一种包含散布于其中并具有电荷或磁性的多个颗粒的打印介质，其特征在于，所述介质中的所述颗粒的颗粒间距可以通过在该介质上施加诸如电场或磁场等外部激励来控制，以及所述颗粒的颗粒间距可以通过在所述介质上施加能量或阻止施加能量来固定，从而稳定地实现通过反射特殊波长的光所得到的结构色。
本发明的另一个目标是，提供一种打印方法和打印设备，以便在要打印信息的物体上全色打印信息，其包括：在所述物体上喷射介质，其中该介质包含散布于其中并具有电荷或磁性的多个颗粒；在所述介质上施加电场或磁场以控制所述颗粒的颗粒间距；以及在所述介质上施加能量或阻止施加能量，以固定所述颗粒的颗粒间距。
为了实现本发明的上述目标，提供一种使用光子晶体特性的打印介质，其包括一种介质，该介质含有多个散布其中的带电颗粒，其中，所述介质中的所述颗粒的颗粒间距通过在该介质上施加电场和磁场中的至少一种场来控制；以及其中，所述颗粒的颗粒间距通过在所述介质上施加能量来固定。
本发明所述的使用光子晶体特性的打印介质可以是这样一种介质，该介质包含多个散布于其中并具有电荷的颗粒(有时称作“带电颗粒”)，其中，所述介质中的所述颗粒的颗粒间距通过在该介质上施加能量以及电场和磁场中的至少一种场来控制；以及其中，所述颗粒的颗粒间距通过阻止在所述介质上施加能量来固定。
前面所述的介质可以包括选自可逆相变材料、可逆粘度变化材料以及不可逆固化材料的至少一种材料。
所施加的能量可以包括选自热能、光能、电能、磁能、机械能和化学能的至少一种能量。
根据所述电场的强度和方向中的至少一项的变化，所述颗粒的颗粒间距可以变化。另外，根据所述颗粒的这种颗粒间距的变化，从所述颗粒反射的光的波长可以变化。
类似地，根据所述磁场的强度和方向中的至少一项的变化，所述颗粒的颗粒间距可以变化。另外，根据所述颗粒的这种颗粒间距的变化，从所述颗粒反射的光的波长可以变化。
所述颗粒可以本身带电，或者可以通过改变该颗粒的特性而具有电荷。
所述颗粒可以包括选自Fe、Co和Ni的至少一种元素。
通过在所述介质上只重新施加能量可以解除所述颗粒的颗粒间距的固化。
所述介质可以散布在透光材料中。
所述使用光子晶体特性的打印介质还可以包括形成在所述介质上以使所述介质与外部环境隔离的保护件。
本发明也提供一种使用光子晶体特性的打印方法，其包括：喷射介质，其中该介质中散布有多个带电颗粒；在所述介质上施加电场和磁场中的至少一种场，以控制所述颗粒的颗粒间距；以及在所述介质上施加能量，以固定所述颗粒的颗粒间距。
本发明提供另一种使用光子晶体特性的打印方法，其包括：喷射介质，其中在该介质中散布有多个带电颗粒；在所述介质上施加能量以及电场和磁场中的至少一种场，以控制所述颗粒的颗粒间距；以及阻止在所述介质上施加能量，以固定所述颗粒的颗粒间距。
这里所使用的介质可以包括选自可逆相变材料、可逆粘度变化材料以及不可逆固化材料的至少一种材料。
所施加的能量可以包括选自热能、光能、电能、磁能、机械能和化学能的至少一种能量。
根据所述电场的强度和方向中的至少一项的变化，所述颗粒的颗粒间距可以变化。另外，根据所述颗粒的这种颗粒间距的变化，从所述颗粒反射的光的波长可以变化。
类似地，根据所述磁场的强度和方向中的至少一项的变化，所述颗粒的颗粒间距可以变化。另外，根据所述颗粒的这种颗粒间距的变化，从所述颗粒反射的光的波长可以变化。
所述颗粒可以本身带电，或者可以通过改变该颗粒的特性而具有电荷。
所述颗粒可以包括选自Fe、Co和Ni的至少一种元素。
在所述介质附着在打印物体上之后，可以在所述介质上施加电场和磁场中的至少一种场。
同时，本发明提供一种使用光子晶体特性的打印设备，其包括：喷头，用于喷射介质，其中在所述介质中散布有多个带电颗粒；电磁场产生和/或施加单元，用于在所述介质上产生和/或施加电场和磁场中的至少一种场；以及能量施加和/或控制单元，用于在所述介质上施加和/或控制能量，其中，通过在所述介质上施加所述电场和磁场中的至少一种场来控制所述介质中的所述颗粒的颗粒间距；以及其中，通过使用所述能量施加和/或控制单元在所述介质上施加能量来固定所述颗粒的颗粒间距。
本发明也提供另一种使用光子晶体特性的打印设备，其包括：喷头，用于喷射介质，其中在所述介质中散布有多个带电颗粒；电磁场产生和/或施加单元，用于在所述介质上产生和/或施加电场和磁场中的至少一种场；以及能量施加和/或控制单元，用于在所述介质上施加能量或阻止施加能量，其中，在所述介质上施加能量以及所述电场和磁场中的至少一种场来控制所述颗粒的颗粒间距；以及其中，所述能量施加和/或控制单元阻止在所述介质上施加能量来固定所述颗粒的颗粒间距。
所述能量施加和/或控制单元可以施加选自热能、光能、电能、磁能、机械能和化学能的至少一种能量。
根据所述电场的强度和方向中的至少一项的变化，所述颗粒的颗粒间距可以变化。另外，根据所述颗粒的这种颗粒间距的变化，从所述颗粒反射的光的波长可以变化。
类似地，根据所述磁场的强度和方向中的至少一项的变化，所述颗粒的颗粒间距可以变化。另外，根据所述颗粒的这种颗粒间距的变化，从所述颗粒反射的光的波长可以变化。
在所述介质附着在打印物体上之后，所述电磁场产生和/或施加单元可以在所述介质上产生和/或施加所述电场和磁场中的至少一种场。
根据上面所述的本发明，可以控制并固定从打印介质上反射的光的波长，所以，在不使用含有颜料的其它有色墨水的情况下，可以在所述打印介质上实现全色结构色。
根据本发明，可以稳定地实现在待打印物体上打印通过反射特殊波长的光所获得的结构色，从而不用多种墨水而通过一种物质就显现各种颜色。
附图说明
从下面参考附图进行的详细描述中，可以更清楚地理解本发明的上述及其它目标、特征以及优点，在附图中，
图1和图2示出了本发明的一个示例性实施例所述的打印介质中所包含的颗粒的配置；
图3和图4示出了本发明的一个示例性实施例所述的有颗粒散布其中的介质的配置；
图5示出了本发明的另一个示例性实施例所述的打印介质的配置；
图6示出了本发明的另一个示例性实施例所述的打印介质的配置；
图7示出了本发明的一个示例性实施例所述的由散布在透光材料中的含胶体颗粒的介质(呈小滴型)构成的打印介质的配置；
图8和图9示出了本发明的一个示例性实施例所述的散布在透光材料中的胶体颗粒的配置；
图10示出了本发明的一个示例性实施例所述的封囊(海绵型封囊)的配置，其中所述封囊以封装形式由与透光材料混合的含胶体颗粒的介质构成；
图11示出了本发明的一个示例性实施例所述的封囊的实际例子，其中该封囊包含散布于其中的含胶体颗粒的介质；
图12示出了本发明的一个示例性实施例所述的封囊(壳型封囊)的配置，其中在该封囊中，含胶体颗粒的介质以封装方式覆盖有由透光材料制成的覆盖膜；
图13和图14示出了本发明的一个实施例所述的包括含胶体颗粒的介质的封囊的实际例子；
图15示出了本发明的一个示例性实施例所述的包括保护件的打印介质的配置；
图16示出了在本发明的一个示例性实施例所述的打印介质上显现的各种信息；
图17和图18示出了本发明的一个示例性实施例所述的包括保护件的打印介质与没有所述保护件的另一种打印介质相比的测试结果；
图19示出了本发明的一个示例性实施例所述的打印设备的配置；以及
图20示出了本发明的另一个示例性实施例所述的打印设备的配置。
<附图标记>
110、510、610、910、1010、1210、1410：胶体颗粒
112：团粒
114：电荷层
120、520、620、920、1020、1220、1420、1510、1520：介质
500、600、700、1500：打印介质
530、630、740、1540：基底
710、720：第一介质区域、第二介质区域
730、930、1530：透光材料
1030：透光材料
1110：胶囊
1230、1420：封囊膜
1550：保护件
1710、1810：包括保护件的打印介质
1720、1820：没有保护件的打印介质
1900、2000：打印设备
1910、2010：存储部
1920、2020：喷射部
1930、2030：电磁场产生单元
1940、2040：能量控制单元
1950、2050：打印物体
1960、2060：被喷射的介质
具体实施方式
现在将参考下面的例子以及附图详细描述本发明的优选的示例性实施例。这些例子在细节上得到了充分的说明，使得本领域中的技术人员可以清楚地理解并容易地实施本发明。这里所描述的示例性实施例和例子彼此不同，但应该理解成是非排他性的。例如，在下面的示例性实施例中所描述的具体形状、配置和/或特征也可以在不偏离本发明的范围和精神的情况下根据其它示例性实施例来实施。另外，应该明白，所述示例性实施例中所描述的各个部件的位置和/或排列可以在不偏离本发明的范围和精神的情况下进行修改或变型。因此，下面的详细描述不能解释成限制本发明的范围，本发明的范围实际上由所附权利要求书及其等同物来界定。附图中的相同或相似的附图标记表示具有实质上相同的配置或执行相似功能和动作的元件。
下面，为了使本发明所涉及的领域中的技术人员清楚地理解和/或容易地实施本发明，将参考附图详细描述本发明的配置。
本发明的一个示例性实施例所述的打印介质、打印方法和打印设备可以具有使用光子晶体特性的原理性技术配置，以便稳定地实现全色彩结构色。
图1和图2示出了本发明的一个示例性实施例所述的打印介质中所包含的颗粒的配置。
参看图1，本发明的所述示例性实施例所述的颗粒110可以具有电荷(正电荷或负电荷)，并且散布在介质120中。这里，由于互斥力的缘故，颗粒110可以按颗粒的预定颗粒间距来排列。每个颗粒的直径可以在几纳米到几千纳米的范围内，并不限于具体值。根据本发明的一个优选示例性实施例，颗粒110在介质120中可以以胶体状态存在，并且在下文中，将其称作胶体颗粒
更具体地说，根据本发明的一个示例性实施例，带电颗粒可以包括一种化合物，该化合物含有从铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、锡(Sn)、钛(Ti)、钨(W)、锆(Zr)、锌(Zn)、硅(Si)、铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)等中选出的至少一种元素。本发明的所述示例性实施例所述的颗粒可以包括一种含有聚合物材料(诸如聚苯乙烯(polystyrene，PS)、聚乙烯(polyethylene，PE)、聚丙烯(polypropylene，PP)、聚氯乙烯(polyvinylchloride，PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate，PET)等)的物质。
本发明的一个示例性实施例所述的颗粒可以包括覆盖有带电材料的不带电颗粒。例如，可以使用覆盖有金属无机氧化物(诸如氧化硅SiOx、氧化钛TiOx等)的颗粒；覆盖有聚合物材料(诸如PS、PE、PP、PVC、PET、离子交换树脂等)的颗粒；用具有烃基(hydrocarbongroups)的有机化合物进行了表面处理(或覆盖)的颗粒；用具有羧酸(carboxylicacid)、酯(ester)或酰基(acylgroups)的有机化合物进行了表面处理(或覆盖)的颗粒；用具有卤素(诸如氟、氯、溴、碘等)的络合物进行了表面处理(或覆盖)的颗粒；用含有胺(amine)、硫醇(thiol)、膦(phosphine)等的配位化合物进行了表面处理(覆盖)的颗粒；通过在表面上形成自由基而带电的颗粒；等等。
参看图2，本发明的一个示例性实施例所述的颗粒110可以包括具有多个纳米级颗粒的团粒112和包围团粒112的电荷层114。
根据本发明的一个示例性实施例，所述颗粒可以包括磁性物质，即包括铁氧化物、镍氧化物、钴氧化物等的氧化物，因此具有磁性。
然而，很显然，本发明所述的颗粒的结构不具体地限于前面所述，相反，可以在颗粒的颗粒间距能够通过例如电场或磁场进行控制的范围内进行适当的改进，只要本发明的目的得以实现即可。
根据本发明的所述示例性实施例，当所述电场或磁场作用在所述胶体颗粒上时，所述胶体颗粒由于各胶体颗粒的电荷(或磁性)之故可以受到特定的电力(或磁力)。因此，带电颗粒在所述介质中的场的方向上发生偏移，所述胶体颗粒的颗粒间距变窄，所述颗粒移动得彼此靠近。此时，具有同样电极性的所述胶体颗粒可以受到排斥力，使得这些颗粒彼此排斥。于是，根据电场所引起的电力(或磁场所引起的磁力)与胶体颗粒间的排斥力之间的相对大小，可以确定胶体颗粒的颗粒间距。因此，以预定颗粒间距排列的胶体颗粒可以具有光子晶体一样功能。换言之，基于布拉格规则，从胶体颗粒上反射的光的波长由胶体颗粒之间的距离来确定，因此，当控制胶体颗粒之间的距离时，可以改变从这些胶体颗粒上反射的光的波长。
根据本发明的一个示例性实施例，这些胶体颗粒可以散布在介质中。本发明中所使用的介质可以是一种可相变溶剂或可固化溶剂。这种可相变溶剂或可固化溶剂是在施以能量或阻止能量的施用时会发生不可逆的或可逆的相变或固化的溶剂，其中，所述能量可以选自热能、光能、电能、磁能、机械能和化学能。具体说，所述可相变溶剂或可固化溶剂的代表性例子可以包括：通过升温能够从固态变为液态的可相变材料；通过UV辐射能够固化的UV可固化材料；根据电压能表现出不同粘度的电流变材料(electro-rheologicalmaterial)；根据磁场能表现出不同粘度的磁流变材料(magneto-rheologicalmaterial)；根据电压能表现出不同体积的压电材料；根据化学反应能够在溶胶态和凝胶态之间变化的材料等等。
具体地说，根据本发明的一个示例性实施例，所述可相变溶剂可以包括由于温度变化而发生从一种相到另一种相的物理变化的可相变材料。例如，本发明的可相变溶剂可以包括具有饱和烃基(hydrocarbongroups)的烷属烃(paraffinhydrocarbons)。所述本发明的可相变溶剂也可以包括使用例如乙二醇(ethyleneglycol，EG)、二甘醇(diethyleneglycol，DEG)、聚乙二醇(polyethyleneglycol，PEG)、聚乙烯(polyethylene，PE)等稳定后的链烷属烃化合物(paraffincompounds)。所述本发明的可相变溶剂也可以是通过使用羧基(-COOH)、胺基(-NHx)、砜基(-SH)等进行取代而获得的亲水改性的链烷属烃化合物，以增加所述溶剂的溶解性。另外，所述可相变溶剂可以包括盐合水(salthydrate)处理过的化合物。本发明所述的可相变溶剂可以包括乙烯化合物(ethylenecompound)或具有乙烯基、分子量至少为1000并且粘度高的化合物。这些化合物在低温下具有高的粘度，而在较高的温度(高于40℃)下则粘度下降。当温度升高时，所述化合物的溶解度增加，能够使特定的溶解物溶解于其中。
根据本发明的一个示例性实施例，这里所使用的可固化溶剂可以包括当受到UV或可见光辐射或当温度变化时会发生化学变化的可固化材料。例如，本发明的可固化溶剂可以包括丙烯酸酯单体自由基(acrylatemonomerradicals)、丙烯酸酯单体(acrylatemonomers)、和具有双碳键的丙烯酸酯粘合剂(acrylateadhesives)等。所述本发明的可固化溶剂也可以包括具有醚键(etherbond)的环氧树脂(epoxyresin)。所述本发明的可固化溶剂也可以包括氨酯单体(urethanemonomers)和具有氨酯键(urethanebonds)的聚氨酯粘合剂(polyurethaneadhesives)等。
根据本发明的一个示例性实施例，这里所使用的介质可以包括粘度随电压变化的电流变流体(electrorheologicalfluid，ERF)。这里，ERF通指这样一种悬浮液，在该悬浮液中，电极化率高的微颗粒散布在绝缘液体中，并且当在该悬浮液上施加强电场时，该悬浮液的流变特性和机械特性发生变化。使用ERF，通过施加电场(不需要其它的运动装置)可以简单地控制所述介质中的这些微颗粒的运动。于是，就可以简化显示设备的设计。与已知的牛顿流体(Newtonianfluid)相反，在所述ERF内，沿着施加在所述ERF上的电场的方向，散布颗粒排列为链结构，从而呈现出粘度大幅增加的宾汉塑性流体(Binghamplasticfluid)的行为。这种ERF基于施加在其上的电场能够控制流体粘度。具体说，根据本发明的一个示例性实施例，当磁性颗粒(其颗粒间距通过施加的磁场来调节)散布在ERF中，并且在该ERF上施加电场时，所述ERF的粘度快速增加，从而有效地维持或固定了磁性颗粒的由所施加的磁场所预定和控制的颗粒间距。
根据本发明的一个示例性实施例，这里所使用的介质可以包括粘度随磁场强度变化的磁流变流体(magnetorheologicalfluid，MRF)。这里，MRF通指这样一种悬浮液，在该悬浮液中，磁极化率高的微颗粒散布在非磁性液体中，并且当在该悬浮液上施加强磁场时，该悬浮液的流变特性和机械特性发生变化。使用MRF，通过在其上施加磁场(不需要其它的运动装置)可以简单地控制所述介质中的这些微颗粒的运动。于是，就可以简化显示设备的设计。所述MRF也可以呈现出对磁场的快速响应以及流变特性的可逆效应。具体说，根据本发明的一个示例性实施例，当带电颗粒(其颗粒间距通过施加的电场来调节)散布在MRF中，并且在该MRF上施加磁场时，所述MRF的粘度快速增加，从而有效地维持或固定了带电颗粒的由所施加的电场所预定和控制的颗粒间距。
根据本发明的一个示例性实施例，这里所使用的介质可以包括具有压电特性的材料。具体说，根据本发明的一个示例性实施例，当所述介质中含有压电材料并且在该介质上施加电场时，所述压电材料的体积发生变化，从而可以直接或间接地限制颗粒的移动。于是，可以有效地维持或固定所述颗粒的通过电场或磁场进行预定和控制的颗粒间距。反之，根据本发明的另一个示例性实施例，当所述介质中含有压电材料并且在介质上施加机械能(诸如压力)时，包含在所述介质中的压电材料的电学特性发生改变，从而可以直接或间接地限制颗粒的移动。于是，可以有效地维持或固定所述颗粒的通过电场或磁场进行预定和控制的颗粒间距。
具体说，根据本发明的一个示例性实施例，这里所使用的介质可以包括根据化学反应从溶胶到凝胶或者相反地从凝胶到溶胶变化的可相变材料。就是说，根据本发明的一个示例性实施例，通过将相变诱导材料引入包含溶胶-凝胶相变材料的介质中，从而诱导溶剂相变为溶胶态或凝胶态，可以有效地维持或固定所述颗粒的通过电场或磁场进行预定和控制的颗粒间距。
然而，本发明中所使用的介质并不具体限于前面所述，可以在不脱离本发明的范围的情况下进行合适的修改和变型，以实现本发明的目的，即，只要通过施用能量(诸如热能、光能、电能、磁能、机械能、化学能等)或阻止这些能量的施用可以改变介质的流动性即可。
在下文中，给出下面的示例性实施例，以便一般性地说明使用热能或光能(出于例示的目的)来控制介质的状态。然而，这里所使用的能量不具体地限于热能或光能，而应该解释为是能够改变所述介质的流动性的能量的总的概念，包括热能、光能、电能、磁能、机械能、化学能等。
根据本发明的一个示例性实施例，在对散布在流体介质中的胶体颗粒施加磁场或电磁从而控制这些胶体颗粒的颗粒间距之后，可以通过施用能量或阻止能量施用将该介质从流体状态(例如，液体相)变为凝固状态(固体相)。因此，在变为凝固状态的所述介质中，所述颗粒的受控的颗粒间距就变得固定。或者，根据本发明的另一个实施例，可以通过施用能量或阻止能量施用将所述介质从凝固状态变为流体状态，从而解除了所述介质中的胶体颗粒的颗粒间距的固化。
换言之，通过在介质中排列胶体颗粒，并使其以预定的颗粒间距固定，可以连续地保持从所述胶体颗粒上反射的预定波长的光。反之，通过解除按预定颗粒间距固定的胶体颗粒的排列，所述颗粒间距可以返回到能够通过电场或磁场进行控制的状态。
图3示出了本发明的一个示例性实施例所述的有颗粒散布于其中的介质的结构。为参考计，图3是介质断面的电子照片。
参看图3，胶体颗粒可以均匀地混合在介质中，从而形成胶体颗粒在所述介质中的散布。根据本发明的一个示例性实施例，所述胶体颗粒可以是覆盖有电荷层的FeOx团粒，而所述介质可以包含UV可固化材料。如图3所示，通过电场或磁场，散布在所述介质中的胶体颗粒可以按预定的颗粒间距排列，其中，含有UV可固化材料的所述介质通过UV的施用来固化，因此，在电场或磁场作用下按预定颗粒间距排列的胶体颗粒的位置就可以固定。于是，即使在所施加的电场或磁场被阻断或移去之后，通过所述胶体颗粒的排列所呈现出的结构色也可以连续地保持。
图4示出了本发明的一个示例性实施例所述的有颗粒散布于其中的介质的结构。为参考计，图4是介质断面的电子照片。
参看图4，胶体颗粒可以均匀地混合在介质中，从而形成胶体颗粒在所述介质中的散布。根据本发明的一个示例性实施例，所述胶体颗粒可以是覆盖有电荷层的FeOx团粒，而所述介质可以包含UV可固化材料。如图4所示，通过用上下电极施加的电场，散布在所述介质中的胶体颗粒可以按预定的颗粒间距排列，其中，含有UV可固化材料的所述介质通过UV的施用来固化，因此，在电场作用下按预定颗粒间距排列的胶体颗粒的位置就可以固定。于是，即使在所施加的电场被阻断或移去之后，通过所述胶体颗粒的排列所呈现出的结构色也可以连续地保持。具体地说，根据图4所示的示例性实施例，在所述介质中处于分散状态的具有负电荷的胶体颗粒被引入(+)电极和(-)电极(即，分别为上、下电极)之间。参看图4，可以看到，用所述上下电极施加的电场能使所述胶体颗粒朝着上电极(即(+)电极)移动并规则排列(参见图4A)，而只有少量胶体颗粒分散在下电极(即(-)电极)处(参见图4B)。
将详细描述下面的示例性实施例，其中，所述本发明的介质为可相变溶剂或可固化溶剂。然而，本发明不具体限于前面所述。简短地说，应该考虑到，在下面的本发明的示例性实施例中，既可以使用可相变溶剂也可以使用可固化溶剂作为介质，只要这些溶剂可以实现本发明的目的即可。
另外，尽管下面的示例性实施例示出了胶体颗粒的使用，然而本发明中所使用的颗粒并不具体地限于此。就是说，在下面所描述的本发明的所有的示例性实施例中，也可以采用有别于所述胶体颗粒的其它类型的颗粒，只要这些颗粒可以实现本发明的目的即可。
图5示出了本发明的另一个示例性实施例所述的打印介质的结构。
参看图5，本发明的所述示例性实施例所述的打印介质500可以包括胶体颗粒510、有胶体颗粒510散布其中的介质520、以及基底530。在这一点上，介质520可以包括在能量的作用下不可逆地固化的材料。例如，介质520可以包括在UV辐射作用(即，施用光能)下硬化的材料，它对应着前面所述的可固化溶剂。
参看图5，在下文中，将描述使本发明的一个示例性实施例所述的使打印介质500呈现稳定的结构色的过程。
首先，根据本发明的一个示例性实施例，胶体颗粒510可以随机地散布在流体介质520中，并在外部激励(例如电场、磁场等)作用下可以自由移动(参见图5(a))。接着，根据本发明的所述示例性实施例，可以将电场或磁场施加在胶体颗粒510上以控制这些颗粒的颗粒间距，并获得预定的颗粒间距(参见图5(b))。然后，根据本发明的所述示例性实施例，在胶体颗粒510稳定地建立起预定的颗粒间距之后，在介质520上施加热能、光能、电能、磁能、机械能、和/或化学能，以便使所述介质从流体状态变为凝固状态(例如，变为固化态)，从而在所述介质520中能够使所建立的预定的颗粒间距固定下来(参见图5(c))。
随后，根据本发明的所述示例性实施例，即使所述电场或磁场不再继续施加在打印介质500上以保持所述颗粒的建立起来的颗粒间距，预定波长的光也能够从打印介质500的特定区域连续地反射回来，这导致在不施加所述场的情况下与所述特定波长对应的色彩可以连续地显示出来。
图6示出了根据本发明的另一个示例性实施例所述的打印介质的结构。
参见图6，本发明的所述示例性实施例所述的打印介质600可以包括胶体颗粒610、有胶体颗粒610散布其中的介质620、以及基底630。在这一点上，介质620可以包括可逆相变材料。例如，介质620可以包括通过升降温度(即，以增/减的方式施用热能)从固态变为流态、然后返回固态的材料。此外，所述介质可以包括粘度随作用于其上的电场或磁场而变的电流变材料或磁流变材料。
参看图6，在下文中，将描述使本发明的一个示例性实施例所述的打印介质600呈现稳定的结构色的过程。
首先，根据本发明的一个示例性实施例，胶体颗粒610可以随机地散布在呈凝固状态(例如，呈固态、凝胶态等)的介质620中，并在外部激励(例如电场、磁场等)作用下是不可移动的(参见图6(a))。接着，根据本发明的所述示例性实施例，在介质620上施加热能、光能、电能、磁能、机械能、和/或化学能，以便实现所述介质从凝固状态到流体状态(例如，液态、溶胶态等)的相变，从而使散布在介质620中的胶体颗粒610能够在外部激励(例如电场或磁场)的作用下可以移动(参见图6(b))。之后，根据本发明的所述示例性实施例，可以将电场或磁场施加在胶体颗粒610上，从而建立起胶体颗粒610的预定的颗粒间距(参见图6(c))。然后，根据本发明的所述示例性实施例，在胶体颗粒610稳定地建立起预定的颗粒间距之时，在介质620上停止施加热能、光能、电能、磁能、机械能、和/或化学能，由此在所述介质620中能够使所建立的预定的颗粒间距固定下来(参见图6(d))。
随后，根据本发明的所述示例性实施例，即使所述电场或磁场不再继续施加在打印介质600上以保持所述颗粒的建立起来的颗粒间距，预定波长的光也能够从打印介质600的特定区域连续地反射回来，这导致在不施加所述场的情况下与所述特定波长对应的色彩可以连续地显示出来。此外，根据本发明的另一个示例性实施例，使用可逆相变材料能够实现可复写打印介质(能够重复地写入和擦除)。
根据本发明的另一个示例性实施例，有胶体颗粒散布其中的溶剂可以封装在由透光物质制成的各种类型的封囊中。
图7示出了本发明的一个示例性实施例所述打印介质的结构，其中该打印介质由以小滴形式散布在透光材料中的含胶体颗粒的介质构成。
参看图7，本发明的所述示例性实施例所述的打印介质700中的含颗粒介质可以以分散状态(即，处于胶体相中)散布在透光材料730中。具体说，包含预定数量的胶体颗粒的介质可以以小滴的形式散布在透光材料730中，并且在外部激励(诸如电场或磁场)作用下不会移动，从而使某部分胶体颗粒与其它部分胶体颗粒隔离。就是说，根据本发明的所述示例性实施例，通过将散布有胶体颗粒的介质散布在透光材料730中，可以防止在不同介质区域710和720中的胶体颗粒之间的直接或间接干扰，例如，不同介质区域710和720中的胶体颗粒之间的互混。此外，在透光材料730中的散布有胶体颗粒的介质的基础上，打印介质700中的胶体颗粒的颗粒间距可以独立地进行控制。
之后，参看图7，本发明的所述示例性实施例所述的打印介质700可以在透光材料730中具有多种介质区域710和720。具体说，可以对施加有第一磁场的第一介质区域710中的胶体颗粒的颗粒间距、以及施加有第二磁场的第二介质区域720中的胶体颗粒的颗粒间距进行独立的控制。于是，第一介质区域710和第二介质区域720可以分别反射不同波长的光。
图8和图9示出了本发明的另一个实施例所述的散布在透光材料中的胶体颗粒的实际例子。为参考计，图8和图9为图7中的打印介质700的断面的电子照片。
参看图8和图9，可以看到，胶体颗粒910散布在介质920中，而介质920散布在处于固相或凝胶相中的透光材料930中，并且在外部激励(诸如电场或磁场)的作用下也不移动。具体说，根据本发明的所述示例性实施例，在制备好乳胶型介质920(其中散布有具有电荷或磁性的胶体颗粒910)之后，可以将制备好的介质920加工成小滴型，并使其均匀地混合在透光材料930中。根据本发明的另一个示例性实施例，胶体颗粒910可以包括覆盖有电荷层的FeOx团粒，介质920可以包括UV可固化材料，而透光材料930可以包括聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)。
图10示出了本发明的一个示例性实施例所述的封囊(海绵型封囊)的结构，其中所述封囊以封装形式由与透光材料混合的含胶体颗粒的介质构成。
参看图10，本发明的一个示例性实施例所述的有胶状颗粒1010散布其中的介质1020可以散布在由透光材料1030形成的封囊(例如球形封囊)中。具体说，根据本发明的一个示例性实施例，可以制备乳胶型介质1020，其中散布有具有电荷或磁性的胶体颗粒1010，然后将其与透光材料1030均匀混合，从而形成所述封囊(例如，海绵型封囊)，该封囊包含散布有胶体颗粒1010的介质1020。
图11示出了本发明的一个示例性实施例所述的封囊的实际例子，其中该封囊包含散布于其中的含胶体颗粒的介质。参看图11，可以看到，当没有施加电场或磁场时(参看图11(a))，所述封囊中的胶体颗粒1010在其中随机分散。另一方面，当施加了电场或磁场时(参见图11(b))，所述封囊中的胶体颗粒1010以预定的颗粒间距规则排列，从而反射特定波长的光。根据本发明的一个示例性实施例，所述胶体颗粒可以包括覆盖有电荷层的FeOx团粒，所述介质可以包括UV可固化材料，而所述透光材料可以包括聚二甲基硅氧烷PDMS。
图12示出了本发明的一个示例性实施例所述的封囊(壳型封囊)的结构，其中在该封囊中，含胶体颗粒的介质以封装方式覆盖有由透光材料制成的覆盖膜。
参看图12，可以制备乳胶型介质1220，其中散布有具有电荷或磁性的胶体颗粒1210，然后将其封装在由透光材料制成的封囊膜1230中，从而形成所述封囊产品(壳型封囊)。
图13和图14示出了本发明的一个实施例所述的包括含胶体颗粒的介质的封囊的实际例子。
参看图13，可以看到，有胶体颗粒散布其中的介质分别被封囊膜封装，并形成多个封囊。另外，图14是放大图，示出了根据本发明的一个示例性实施例制备的封囊，并清楚地呈现出各个胶体颗粒1410被封囊膜1420封装。根据本发明的一个示例性实施例，胶体颗粒可以包括覆盖有电荷层的FeOx团粒，介质可以包括UV可固化材料，而透光材料可以包括PDMS。
如上所述，根据本发明的一个示例性实施例封装所述介质的优点在于，可以防止直接干扰，例如，不同封囊所封装的胶体颗粒之间的互混；打印介质中的胶体颗粒的颗粒间距可以在封囊的基础上独立进行控制，这样反过来就可以表达出更精细的所述打印介质的结构色。另外，本发明的一个示例性实施例所述的打印介质的封装过程的优点在于，即使所述介质的一些区域损坏了，其它区域也可以正常工作。所以，只需要处理并恢复受损区域即可，从而能够有效而容易地修补和维护所述打印介质。
同时，本发明的一个示例性实施例所述的打印介质还可以包括保护件，以便使介质以及散布在该介质中的胶体颗粒与外部环境隔离，其中，所述保护件形成在所述介质上。
图15示出了本发明的一个示例性实施例所述的包括保护件的打印介质的结构。
参看图15，本发明的所述示例性实施例所述的打印介质1500可以具有介质1510和1520，这些介质散布在透光材料1530中，并且在这些介质中散布有胶体颗粒，保护件1550形成在透光材料1530上，以便使介质1510和1520以及散布在这些介质中的胶体颗粒与外部环境隔离。
具体说，本发明的一个示例性实施例所述的保护件1550可以用来使介质1510和1520与外部环境(包括例如空气、水等)隔离，所以，处于凝固状态(例如，固态、固化态等)的所述介质中的胶体颗粒的颗粒间距就与外部环境无关，从而可以保持恒定。本发明的所述示例性实施例所述的保护件1550可以包括透光聚合物材料，但不具体地限于此。可以对这种材料进行合适的修改和变型，只要它能够实现本发明的目的即可。
图16示出了在本发明的一个示例性实施例所述的打印介质上显现的各种信息。为参考计，根据图11所示的示例性实施例，所述胶体颗粒为覆盖有氧化硅(SiOx)电荷层的FeOx团粒，而所述介质为由UV固化的材料。参看图16，可以看到，本发明的一个示例性实施例所述的介质根据所施加的电场或磁场可以显现出各种结构色图案。
图17和图18示出了本发明的一个示例性实施例所述的包括保护件的打印介质与没有所述保护件的另一种打印介质相比的测试结果。为参考计，根据图17和图18所示的示例性实施例，所述胶体颗粒为覆盖有氧化硅(SiOx)电荷层的FeOx团粒，所述介质为可随温度变化而相变的材料，所述保护件为透光聚合物膜。
首先，图17示出了分别在本发明的一个示例性实施例所述的包括保护件的打印介质1710以及没有保护件的另一种打印介质1720上施加磁场而显现出具有希望图样的结构色之后马上得到的测试结果，然后，通过去掉对能量的施加而将所显现出的颜色固定。参看图17，可以确认，在所述结构色被显现并固定之后，在包括所述保护件的打印介质1710和没有所述保护件的打印介质1720中，结构色均得以正常地保持。
接着，图18示出了具有希望图样的结构色分别在本发明的一个示例性实施例所述的包括所述保护件的打印介质1810和没有所述保护件的另一打印介质1820上显现并固定48小时后所获得的测试结果。参看图18，可以确定，具有保护件的打印介质1810将结构色保持得与最初显现出的结构色更接近。另一方面，没有保护件的打印介质1820既没有保持住最初显现出的结构色，也不呈现出任何结构色。
从前面的描述可以清楚看到，本发明的一个示例性实施例所述的保护件可以将散布有颗粒的介质与外部环境隔离，从而即使在很长时间之后也可以恒定地保持颗粒的颗粒间距。
同时，根据本发明的一个示例性实施例，一种打印介质还可以包括安装在该打印介质的一面或两面上的电极或磁极，以便对该打印介质施加电场或磁场。具体说，对于具有保护件的打印介质来说，该保护件可以同时实现所述介质与外部环境隔离以及在所述介质上施加电场或磁场。例如，这种保护件可以包括铟锡氧化物(ITO)作为透光电极材料。
图19示出了本发明的一个示例性实施例所述的打印设备的结构。参看图19，本发明的所述示例性实施例所述的打印设备1900可以将含有胶体颗粒的介质1960喷射到待打印的物体1950上，其中，被喷射的介质1960受到电场或磁场的作用以便控制胶体颗粒的颗粒间距，并且也受到能量的作用或者防止受到能量的作用以便将介质1960变为凝固状态，从而将介质1960中的胶体颗粒的受控颗粒间距固定下来。于是，吸附到物体1950上的介质1960可以稳定地反射特定波长的光。
参看图19，本发明的所述示例性实施例所述的打印设备1900可以包括存储部1910、喷射部1920、电磁场产生和/或施加单元1930、能量施加和/或控制单元1940以及控制器(未示出)。
本发明的所述示例性实施例所述的存储部1910可以存储所述有带电胶体颗粒散布其中的介质。
本发明的所述示例性实施例所述喷射部1920可以以小滴的形式将含有所述胶体颗粒的介质1960喷射到物体1950上。
本发明的所述示例性实施例所述的电磁场产生和/或施加单元1930可以将电场或磁场施加到喷射出的介质1960上，以便控制介质1960中的胶体颗粒的颗粒间距。
本发明的所述示例性实施例所述的能量施加和/或控制单元1940可以将能量(例如，热能、光能、电能、磁能、机械能、化学能等)施加在喷射出的介质1960上，或者阻止这些能量的施加，以便将介质1960变为凝固状态(例如，固相、固化态等)，从而使介质1960中的胶体颗粒的颗粒间距固定。
最后，本发明的所述示例性实施例所述的控制器(未示出)可以控制存储部1910、喷射部1920、电磁场产生和/或施加单元1930、以及能量施加和/或控制单元1940的各个功能，从而与打印物体1950的条件相对应，在特定的区域正确地显现出特定的结构色。
图20示出了本发明的另一个示例性实施例所述的打印设备2000的结构。参看图20，本发明的另一个示例性实施例所述的打印设备2000可以包括存储部2010、喷射部2020、电磁场产生和/或施加单元2030、能量施加和/或控制单元2040以及控制器(未示出)。具体说，对于本发明的这个示例性实施例所述的打印设备2000来说，电磁场产生和/或施加单元2030和能量施加和/或控制单元2040可以安装在打印物体2050的下方。
首先，本发明的所述示例性实施例所述喷射部2020可以以小滴的形式将含有所述胶体颗粒的介质2060喷射到物体2050上。
本发明的所述示例性实施例所述的电磁场产生和/或施加单元2030可以将电场或磁场施加到由喷射部2020喷射出并附着在物体2050上的介质2060上，以便控制介质2060中的胶体颗粒的颗粒间距。
本发明的所述示例性实施例所述的能量施加和/或控制单元2040可以将能量施加在或阻止将能量施加在由喷射部2020喷射出并附着在物体2050上的介质2060上，以便固定介质2060中的胶体颗粒的颗粒间距。
图20中所示的打印设备2000的其它结构与图19中所示的打印设备1900的那些结构实质上相似或相同，所以，将省略其详细描述。
如上所述，本发明所述的打印设备只用一种材料，不用多种颜料(例如，墨水、色粉等)以显现各种颜色，就可以将信息全色打印在物体上。
就其本身来说，尽管参考附图描述了本发明的优选示例性实施例以说明本发明的技术配置和效果，但这些示例性实施例只用于说明的目的，以便能清楚地理解本发明，本发明并不具体地限于此。本发明所属领域中的技术人员应该明白，从前面的描述中可以做出各种修改和变型。
因此，本发明的范围和精神不限于上面描述的那些示例性实施例，所附权利要求书以及变型、修改及其等同描述中所公开的主题应被解释为包含在本发明的范围之内。

Claims (19)

1.一种使用光子晶体特性的打印介质，包括一种介质，该介质含有多个散布其中的带电颗粒，其中，所述介质中的所述颗粒的颗粒间距通过在该介质上施加电场和磁场中的至少一种场来控制；以及其中，所述颗粒的颗粒间距通过在所述介质上施加能量来固定，
其中该介质包括不可逆固化材料，
其中所述能量包括光,
其中分散有复数个所述颗粒的所述介质散布在由透光材料制成的封囊中。
2.一种使用光子晶体特性的打印介质，包括一种介质，该介质含有多个散布其中的带电颗粒，其中，所述介质中的所述颗粒的颗粒间距通过在该介质上施加能量以及电场和磁场中的至少一种场来控制；以及其中，所述颗粒的颗粒间距通过阻止在所述介质上施加能量来固定；
其中该介质包括不可逆固化材料，
其中所述能量包括光,
其中分散有复数个所述颗粒的所述介质散布在由透光材料制成的封囊中。
3.根据权利要求1或2所述的打印介质，其中，所述颗粒的颗粒间距根据所述电场的强度和方向中的至少一个参量的变化而变化，以及从所述颗粒反射的光的波长根据所述颗粒间距的变化而变化。
4.根据权利要求1或2所述的打印介质，其中，所述颗粒的颗粒间距根据所述磁场的强度和方向中的至少一个参量的变化而变化，以及从所述颗粒反射的光的波长根据所述颗粒间距的变化而变化。
5.根据权利要求1或2所述的打印介质，其中，所述颗粒本身带电或者通过按照预期改变该颗粒的特性而具有电荷。
6.根据权利要求1或2所述的打印介质，其中，所述颗粒包括选自Fe、Co和Ni的至少一种元素。
7.根据权利要求1或2所述的打印介质，还包括形成在所述介质上以使所述介质与外部环境隔离的保护件。
8.一种使用光子晶体特性的打印方法，包括：
喷射介质，在该介质中散布有多个带电颗粒；
在所述介质上施加电场和磁场中的至少一种场，以控制所述颗粒的颗粒间距；以及
在所述介质上施加能量，以固定所述颗粒的颗粒间距；
其中该介质包括不可逆固化材料，
其中所述能量包括光,
其中所述介质散布在透光材料中。
9.一种使用光子晶体特性的打印方法，包括：
喷射介质，在该介质中散布有多个带电颗粒；
在所述介质上施加能量以及电场和磁场中的至少一种场，以控制所述颗粒的颗粒间距；以及
阻止在所述介质上施加能量，以固定所述颗粒的颗粒间距；
其中该介质包括不可逆固化材料，
其中所述能量包括光，
其中所述介质散布在透光材料中。
10.根据权利要求8或9所述的打印方法，其中，所述颗粒的颗粒间距根据所述电场的强度和方向中的至少一项的变化而变化，以及从所述颗粒反射的光的波长根据所述颗粒间距的变化而变化。
11.根据权利要求8或9所述的打印方法，其中，所述颗粒的颗粒间距根据所述磁场的强度和方向中的至少一项的变化而变化，以及从所述颗粒反射的光的波长根据所述颗粒间距的变化而变化。
12.根据权利要求8或9所述的打印方法，其中，所述颗粒本身带电或者通过按照预期改变该颗粒的特性而具有电荷。
13.根据权利要求8或9所述的打印方法，其中，所述颗粒包括选自Fe、Co和Ni的至少一种元素。
14.根据权利要求8或9所述的打印方法，其中，在所述介质附着在打印物体上之后，在所述介质上施加电场和磁场中的至少一种场。
15.一种使用光子晶体特性的打印设备，包括：
喷头，用于喷射介质，其中在所述介质中散布有多个带电颗粒；
电磁场产生和/或施加单元，用于在所述介质上产生和/或施加电场和磁场中的至少一种场；以及
能量施加和/或控制单元，用于在所述介质上施加和/或控制能量，
其中，通过在所述介质上施加所述电场和磁场中的至少一种场来控制所述介质中的所述颗粒的颗粒间距；以及其中，通过使用所述能量施加和/或控制单元在所述介质上施加能量来固定所述颗粒的颗粒间距；
其中该介质包括不可逆固化材料，
其中所述能量包括光，
其中所述介质散布在透光材料中。
16.一种使用光子晶体特性的打印设备，包括：
喷头，用于喷射介质，其中在所述介质中散布有多个带电颗粒；
电磁场产生和/或施加单元，用于在所述介质上产生和/或施加电场和磁场中的至少一种场；以及
能量施加和/或控制单元，用于在所述介质上施加能量或阻止施加能量，
其中，通过在所述介质上施加能量以及所述电场和磁场中的至少一种场来控制所述颗粒的颗粒间距；以及其中，所述能量施加和/或控制单元阻止在所述介质上施加能量来固定所述颗粒的颗粒间距；
其中该介质包括不可逆固化材料，
其中所述能量包括光，
其中所述介质散布在透光材料中。
17.根据权利要求15或16所述的打印设备，其中，所述颗粒的颗粒间距根据所述电场的强度和方向中的至少一项的变化而变化，以及从所述颗粒反射的光的波长根据所述颗粒间距的变化而变化。
18.根据权利要求15或16所述的打印设备，其中，所述颗粒的颗粒间距根据所述磁场的强度和方向中的至少一项的变化而变化，以及从所述颗粒反射的光的波长根据所述颗粒间距的变化而变化。
19.根据权利要求15或16所述的打印设备，其中，在所述介质附着在打印物体上之后，在所述介质上施加所述电场和磁场中的至少一种场。
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