CN102834762A - 由触变性液体和具有驻极体偶极子的双色球组成的扭转球显示器 - Google Patents

Abstract

本发明总体涉及在扭转球显示器中具有不同颜色的半球（双色球）的偶极带电球的应用，扭转球显示器包括一对平面寻址电极和这些电极之间的空间，空间填充有已分散多个带电和光学各向异性的可旋转元件的触变性液体。

Description

由触变性液体和具有驻极体偶极子的双色球组成的扭转球显示器

技术领域

本发明总体涉及具有不同颜色的半球（双色球）的偶极带电球在扭转球显示器（twisting ball display）中的应用，包括电子纸。商业上利用同时具有偶极电荷和单极电荷的双色球，实现了现有技术的扭转球显示器。

背景技术

包括同时具有偶极和单极电荷的双色球（Gyricon）的扭转球显示器，在文献中已被广泛描述，例如Sheridon的标题为“扭转球显示器”的美国专利No.4,126,854。Gyricon显示器系统由约300微米厚的弹性体的主层组成，大量地填充旋转元件（元素），通常球体，直径几十微米（通常100微米）。每个旋转元件具有对比色半部分，例如黑色和白色。偶极驻极体电荷与旋转元件有色的半部分相关，因此黑色半部分可以为带正电荷的，而白色半部分可以具有相同量值的负电荷。除了该偶极电荷外，旋转元件拥有正极或负极电荷的对称分布，称为单极电荷。这种置于均匀电场中的球将扭转直至其偶极电荷与外电场排成一行；换句话说，带正电荷的半部分将使其置于最接近产生电场的负电极的位置，并且带负电荷的半部分将设法旋转接近正电极。单极电荷将引起旋转元件在电场中平移；如果正元件向负电极移动。

当置于弹性体层中时，每个旋转元件处于稍大的填充有油的腔中，使得元件在电场中旋转。元件也将在电场方向上平移，导致旋转元件从其粘附的腔的一个壁移动至相对壁上，并将再次粘附上。旋转元件到腔的壁的临时粘附包括由单极电荷实现的耐久存储。

Sheridon以更详细的方式描述了这种行为（“Flexible Flat PanelDisplays（柔性平面显示器）”，Gregory P.Crawford，editor，页394-407，John Wiley和Sons Ltd，Chichester，West Sussex PO1985Q，England）。

发明内容

在扭转球概念的商业的实施方式和大多数专利中，旋转元件（元素），通常球体或圆柱体在透明弹性体薄片中分别容纳在填充有油的腔内。该薄片一般放在透明导电基板（窗口）和寻址电极陈列之间。如上所述，现有技术的旋转元件（元素）同时具有偶极和单极电荷，使元件能够在它们的腔中旋转并且从一个壁移动到相对壁。单极电荷对于图像信息的长期存储被看作是必不可少的。进一步公开了存在从其腔壁中移动元件的必须的单极电荷的最低值，使得当它移动穿过腔时自由旋转。如果元件低于这个最低电荷但是有强的偶极，元件将在与腔壁持续接触中旋转，阻碍对于良好显示对比度和亮度是必要的180度旋转。

已发现通过限制旋转元件至其腔中实现的进一步重要的功能是旋转元件与其邻域（neighbourhood）的流体动力学隔离。缺乏这种腔系统时，当响应外场元件而旋转时，在紧邻的周围邻域中的液体也旋转，严重扰乱其邻域的角方向并严重干扰它们也旋转整180度的能力。这对于显示器实现高的亮度尤其重要，这与可置于填充的旋转元件的顶层的元件的密度成正比。更高的填充密度需要使邻域之间的距离最小化。

旋转元件在弹性体薄片中放置的进一步重要的功能是维持旋转元件在其制造的位置。元件的放置对显示器的外观很重要，如上所示。

在扭转球显示器的商业例子中，已发现弹性体层材料为主要成本组成。这种材料与显示器系统的其它组分相比是昂贵的，因透明度和优良加工性能的原因其一般为硅橡胶。最近的科学文献已公开了可用某些材料获得非常高值的永久性的偶极极化（称为驻极体）。值得注意的是这些材料中的某些氟聚合物。这些材料可制造为非常完美的球体。球体可赋予双色涂层并且可通过强的外电场诱导永久性电偶极子。偶极子的两极可配合双色球的对比色半部分制备。使用由这些材料制得的旋转元件是非常有吸引力的，因为在旋转元件上的强的偶极电荷将大大降低地寻址电压。旋转元件的可用的高级别球形意味着它们将需要更少的空间来旋转，并因此将允许更靠近的球堆积，增加显示器的亮度和对比度，如上所述。

类似的评论涉及圆柱形旋转元件的使用。在本发明中带填充油的腔的弹性体容纳层被触变电介质液体替代。

具体实施方式

本发明的目的是提供利用由仅偶极电荷制造的旋转元件和消减成本、高寻址电压和弹性体层在制造显示器中的加工要求的方法（装置），该显示器继续有强大的图像储存的理想性能以及更低的寻址电压、更高的对比度和更高的亮度的改善。这些和其它改善，包括更低的制造成本，通过在电介质溶液中分散旋转元件来获得，该触变电介质溶液预先已通过在其中分散纳米大小的二氧化硅晶体制得。触变性液体具有被施加其上的外剪切力控制的粘度。缺乏剪切力时，粘度相当地高并且作为剪切力的结果，粘度接近二氧化硅最初分散其中的液体的粘度。一旦所述剪切力去除，粘度可迅速恢复至高粘度状态。需要最小的剪切力或阈值力来使触变性液体的粘度从高粘度状态转变到低粘度状态。

在实践中，旋转元件（元素）分散在其中的触变性液体可以注入到显示器透明导电窗口和电介质板之间的空间内，寻址电极设置在该电介质板上。在与注射到该空间的这种材料相关的剪切力被去除之后，旋转元件将牢牢地锁定到位置上，无法平移或旋转。一旦在寻址电极和导电窗口之间施加外寻址电压，分布在旋转元件中的偶极电荷经历试图旋转它以与电场对齐的力矩。直至电寻址电压上升至足够高以克服用于粘度平移的阈值，旋转元件将保持锁定在位置上。阈值开关行为实现这种显示器的被动矩阵寻址。

一旦施加足够强的电场，球形旋转元件将施加力矩于周围触变性液体上。非常接近球体表面的触变性液体的球形壳将经历粘度的急剧下降，使球体快速旋转。该壳的厚度将通过球体的球度被部分决定，并且所需的低粘度液体的厚度流体动力地适应期望的旋转速率。这些将由寻址电压的值产生。球体将有效地在其自身球形腔内旋转并且与其旋转相关的流体力学将对相邻球体有很少或者没有影响。当球体在其新的位置静止片刻之后，允许其旋转的低粘度液体外壳将经历粘度极大的增加，将球体锁定在位置中。球体将既不能旋转也不能平移。从而触变性液体提供可塑的容纳结构（containment structure）允许球形旋转元件的旋转但这使旋转元件保持在固定的几何形状中。

可见如果在显示器中的旋转元件按层排列并且如果最大数量球体填充在每层中，显示器的亮度和对比度将最大强度地由最接近观察者的球体的层决定。球体的第二层不太重要，并且如果球体都具有相同的直径（单分散的），球体的第三层将没有多少价值。显然，如果球体彼此接触将获得最好的结果，然而，这将确保一个球体的旋转会干扰其邻域的稳定性。然后，在某些情况下，分散到触变性液体间隔物粒子是可取的，粒子的大小、几何形状和数量将防止旋转元件彼此过于密切接触。它们不应附着于旋转元件的表面而是应保持均匀分散在触变性液体中。在利用触变性液体制造显示器时，额外地分散到液体中的间隔物球是有用的，该间隔物球的直径等于显示器的透明导电窗口和其实设置寻址元件的薄片之间的间距。通过限定显示器有源区域的厚度，简化了有柔性窗口或基板的显示器的制造并且是液晶显示器中的常规做法。而带扭转球显示器的所有商业的工作都使用了弹性体层作为旋转元件容纳结构，已提出了其它容纳结构。Sheridon描述了由电介质液体的层以及分散到液体层中与液体具有相同折射率的纤维随机网络组成的容纳结构。然后旋转球体将被分散到纤维网络中并被纤维缠绕，这将保持球形元件在相同的空间位置，同时允许旋转。提出了纤维素、尼龙等长纤维素，而将旋转元件均匀缠绕在纤维的随机网孔中的难题并没有解决。预期的纤维直径大约25微米并且旋转元件直径大约100到400微米。因此，在任何时候能够与球体接触的纤维的数量，以及因此纤维在球体的旋转上施加的曳力的量为小数目，引起球体之间大的统计学变化，因此用于旋转的所需的阈值电压变化大。此外，给定的旋转元件的旋转将流体力学地干扰邻近元件的稳定性和旋转，因为在所有地方保持低的电介质液体的粘度。相比之下，触变粒子大小为大约8纳米级别。在气相二氧化硅中这些粒子趋向首尾相连结合到一起，形成极强的凝聚物长约为200到300nm。在高粘度状态下，这些永久性的凝聚物已经暂时地结合到相邻凝聚物上，形成网络。该网络强有力地阻止了液体的流动。如果这个网络遭受高的外剪切力，临时的结合将断裂，局部地破坏网络并因此降低粘度。当去除外剪切力时，将再次形成网络。电介质液体粘度在旋转期间仅在与球体相邻的狭窄壳内是小的。

触变性液体可以是高度透明的，因为二氧化硅粒子比光的波长小很多。气相二氧化硅的折射率为1.46。液体折射率可以调整以与此匹配，以提供甚至更大的透明度。可以看出，触变容纳结构与由Sheridon描述的纤维容纳结构完全不同。Engler等人已描述了由相邻壳的集合组成的聚合物容纳结构。每个壳都填充油和一个或两个双色球体。壳限制球体成为固定的几何形状但允许旋转。

为了获得阈值行为，控制球体的旋转，其用触变性液体替代了电介质液体。Engler等人不使用触变性液体作为容纳结构而是作为对包含在容纳结构中的油的粘度改善。Engler等人建立复杂的聚合物容纳结构将花费非常高的费用并且没有认识到触变性液体作为低成本和易于实施的容纳结构的潜力。

本申请的进一步目的是公开成功用于旋转元件的弹性体层的结构和方法，该旋转元件最初具有偶极驻极体电荷但没有单极电荷。这通过在将其注入弹性体层之前或期间，在旋转元件中产生永久性的单极电荷来完成。

如果弹性体，如Sylgard 184，与固体材料接触固化，例如通常用于制作旋转元件的材料，并随后从表面中拉出，实验已表明在固体材料表面留有电荷并在弹性体上有相等的相反电荷。实验表明这是一个长寿命的电荷而且如果在弹性体和固体表面之间的初始粘附更大，电荷的量值也更大。这个单极电荷的量值可通过用具有到弹性体更大或更小的粘附性的材料制造旋转元件的外表面来控制。

弹性体层通常由Sylgard 184制造。在其未固化状态这是一种粘性液体并且旋转元件分散其中；然后形成悬浮液进入具有几个旋转元件直径的厚度的薄层中。接着加热固化。最后弹性体层通过浸泡在电介质液体例如硅油中塑化。当吸收油时，这种油导致弹性体层膨胀。旋转元件并不吸收油，因此不会膨胀。由于弹性体层膨胀促进弹性体从旋转元件的所有表面破损，每个旋转元件周围形成真空室。结果旋转元件表面和弹性体表面产生均匀的单极电荷。真空室迅速用油填充，允许旋转元件易于旋转。

除了该电荷外，众所周知，固体表面，例如旋转元件的表面，与电介质液体接触产生双层电荷。电荷在固体表面产生，这是油和旋转元件材料之间的化学势能差异的度量。该电荷被分散在液体中的相反极性的电荷云屏蔽。一旦施加外电场，液体中的移动电荷被清除留下未屏蔽的旋转元件的带电表面。这些元件在电场中平移。在旋转元件上的单极电荷的度量被称为电动电势（zeta potential）。

Claims (23)

1.一种扭转球显示器结构件，包括一对平面寻址电极和这些电极之间的空间，所述空间填充有已分散多个带电和光学各向异性的可旋转元件的触变性液体。

2.根据权利要求1所述的显示器结构件，其中光学各向异性的元件为各向异性球。

3.根据权利要求2所述的显示器结构件，其中光学各向异性的元件为双色球。

4.根据权利要求2所述的显示器结构件，其中光学各向异性的元件为嵌入式的过滤球。

5.根据权利要求2所述的显示器结构件，其中光学各向异性的元件用光学各向异性的圆柱体替代。

6.根据权利要求1所述的显示器结构件，其中所述可旋转的光学各向异性的元件具有永久偶极电荷。

7.根据权利要求1所述的显示器结构件，其中所述可旋转的光学各向异性的元件同时具有单极和偶极电荷。

8.一种扭转球显示器结构件，包括分散在触变性液体中的偶极带电可旋转的和光学各向异性的元件，该触变性液体容纳在平面寻址电极之间的空间内，并且采用控制对在寻址电极对之间的电场的阈值响应的量值和均匀性的方式。

9.根据权利要求8所述的显示器结构件，其中所述阈值响应控制为用于产生所述触变性液体的触变化学物质的浓度。

10.根据权利要求8所述的显示器结构件，其中所述阈值响应控制为用于产生所述触变性液体的触变化学物质的分散度。

11.根据权利要求8所述的显示器结构件，其中所述阈值响应控制为所述旋转元件表面被所述触变性液体湿润的程度。

12.根据权利要求8所述的显示器结构件，其中所述偶极带电可旋转的和光学各向异性的元件也具有单极电荷。

13.一种扭转球显示器结构件，包括一对平面电极之间的空间，所述空间填充有已分散多个带电和光学各向异性的可旋转元件的触变性液体，在所述可旋转元件之间的所述空间由多个更小的粒子的共分散控制。

14.根据权利要求13所述的显示器结构件，其中所述更小的粒子是透明的。

15.根据权利要求13所述的显示器结构件，其中所述更小的粒子具有等于或接近所述触变性液体折射率的折射率。

16.一种扭转球显示器结构件，包括粘贴于平面平行表面的一对平面电极阵列之间的空间，所述空间填充有已分散多个可旋转带电和光学各向异性的元件的触变性液体，在寻址之前AC电场施加于所述电极对之间以引起双色球的轻微旋转，从而降低用于寻址的阈值电压。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述AC电场具有对称波形。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述AC电场在寻址期间被施加。

19.一种扭转球显示器结构件，包括一对平面电极之间的空间，所述空间填充有已分散多个带电和光学各向异性的可旋转元件的触变性液体，在所述平面电极之间的空间通过粒子共分散控制，其控制尺寸等于所述平面电极之间的期望的间距。

20.根据权利要求19所述的显示器结构件，其中所述粒子是光学透明的。

21.根据权利要求19所述的显示器结构件，其中所述粒子具有等于或接近所述触变性液体折射率的折射率。

22.根据权利要求19所述的显示器结构件，其中所述粒子是球形的。

23.根据权利要求19所述的显示器结构件，其中所述粒子是刚性或柔性的圆柱体，其控制尺寸为它们的圆截面直径。