CN103605206A - 一种具有纳米金属光栅的电润湿显示单元 - Google Patents

Abstract

一种具有纳米金属光栅的电润湿显示单元，包括下基板，整块电极，介质层，纳米金属光栅，液滴，疏水性材料涂覆层，直接加在液滴上的微电极。在上下基板左右两边添加围堰材料，使整个结构形成一个封闭的腔室。纳米金属光栅和基板上涂有疏水性材料，当不加电压时，液滴在腔室内保持很大的接触角，同时接触上下表面。当给两电极加上正负电压时，由于介质上电润湿的作用使得液滴的接触角发生改变，液滴将脱离与纳米金属光栅的接触。再利用纳米金属光栅对与之临近材料折射率变化非常敏感的特点，可以通过折射率变化实现彩色滤光，并实现纳米金属光栅的透射和反射光谱的主动调制。加之纳米金属光栅结构具有良好的疏水特性，可以提高电润湿显示的调制对比度和速度。因此，本发明所述的结构可以得到一种不需要染料、色彩更加丰富、效率更高的电润湿显示单元。

Description

一种具有纳米金属光栅的电润湿显示单元

技术领域

本发明涉及显示技术领域，具体地讲,本发明利用纳米金属光栅随临近材料折射率变化而产生透射或者反射光谱的变化特性来实现一种显示功能。更为具体是将纳米金属光栅用一定的方式融入到电控可调液体面积的电润湿显示结构中，通过改变和光栅接触的液体材料面积或者改变和光栅接触的材料使得光谱发生变化，构造出具有显示功能的器件。

背景技术

电子纸显示技术是具有与纸张一样轻薄、又可擦写的电子显示技术，因为该技术具有双稳态的特点,所以图像保持时并不需要耗电，能大大节省能源。因此近年来其能够快速成熟，并实现量产。而其中粒子型中的电泳型显示（EPD）为目前量产最成功的电子纸显示技术。

电泳显示技术主要分为微胶囊电子墨水和微杯电子墨水两种,主要的工作原理是靠浸在透明或彩色液体之中的电离子移动，即通过翻转或流动的微粒子来使像素变亮或变暗，并可以被制作在玻璃、金属或塑料衬底上。尽管电泳显示技术已经成功量产并蓬勃发展,但仍存在一些关键的技术难题有待解决:一是响应速度比较慢。因为电泳技术依赖于粒子的运动，用于显示的开关时间非常长，长达几百毫秒，这个速度对视频应用是不够的。二是显示的双稳态、以及转换速度慢，也影响了其连续显示色彩的性能。三是制造工艺复杂，对材料要求高，成本较高。

正是基于电泳显示技术的以上缺点,近年来,电润湿显示技术的发展已引起人们的广泛注意。当把电润湿显示技术作为一种反射式显示技术时，其光反射效率超过50%，因此，亮度比LCD高两倍，在强阳光下仍可观看。同时，电润湿显示器无需偏光片、无需极化，没有视角范围限制，所有可视角度皆表现稳定。最重要的是，由于消除了背光照明，所以可以显著降低功耗，功耗只有相同尺寸的LCD屏的1/10。另外与电泳显示技术相比，电润湿显示器的最大优势是响应速度快。综上所述,电润湿显示技术以其独特的优越性和发展潜力预示着在未来显示技术领域,电润湿显示极有可能成为未来取代电泳显示的新一代电子纸显示技术。

电润湿显示技术的基础是介质上电润湿现象,具体指的是当在介质层和导电液滴之间施加电压时，液滴接触角随电压的增加而变小的现象,具体可参见图1。图中1代表基板，2代表电极，3代表具有疏水性的介质层，4代表的导电液滴。图1(a)表示的是未加电压时的截面示意图,图1(b)表示的是加上一定电压后的截面示意图。通过图1(a)和图1(b)对比可以明显看出液滴接触角的显著变化。

基于上述介质上电润湿现象，有科学家提出可以把电润湿技术用于显示领域，并给出了基于电润湿显示的基本模型，如图2所示。其中图2(a)表示一种常规的电润湿显示单元在未加电压时的截面图，在不加电压时，由于染色的油滴对亲油疏水表面的浸润而铺满围堰内介质的整个表面，整个显示单元的反射光都会通过有颜色的油滴，反射的光线会显示为油滴的颜色，此时称为暗态。图2(b)表示一种常规的电润湿显示单元在加电压时的截面图，当加上一定的电压，由于电润湿效应，油滴的接触角将减小，导致其收缩，半径减小，将不再铺满围堰内的整个表面，而是收缩成一个小液滴，反射光大部分直接通过水，这样下表面大部分就显示了出来，此时称为亮态。通过这个暗态和亮态的转换达到了单色显示的效果。电润湿显示技术就是利用电润湿现象的原理，通过电极控制油墨层中油墨展开或收缩来显示。

电润湿显示技术和液晶显示技术主要区别是,电润湿技术是通过改变液体的表面积来动态改变反射或者透射光波长和亮度，从而实现显示，它不需要使用偏振片，因此更加节能。但其用的像素材料和液晶显示的彩色滤光片一样都是吸收型的黑色或者彩色染料（油墨），这样也就无法避免吸收问题。所以透射式电润湿技术只有30%的使用效率，而反射式工作方式也仅有60%-70%的反射效率，光学效率上还有很大的提升空间。同时如图2所示的模型只能实现两种颜色的相互转换，如果需要实现彩色显示就得需要通过对三原色进行叠加，这样会进一步的增加成本，并且由于颜料的叠加会导致吸收问题变得更加严重，光学效率进一步的下降，器件的厚度也增加许多，不利于轻薄化。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种新型的电润湿显示结构。在这种新型的电润湿显示结构中，我们利用纳米金属光栅的透射或者反射光谱对与之临近材料折射率变化非常敏感的特点，采用电润湿技术调制纳米金属光栅表面的透明液体如水或者油的面积分布，实现纳米金属光栅透射和反射光谱的主动调制。同时纳米金属光栅结构还具有疏水特性，可以提高电润湿显示的调制对比度和速度。因此这里我们得到的是一种不需要染料、色彩更加丰富、效率更高的新型彩色显示器件。

本发明的技术解决方案如下：

一种具有纳米金属光栅的电润湿显示单元，其特点在于，包括下基板、上基板和设置在上下基板之间的围堰，形成一个封闭腔室，在该封闭腔室内设有公共电极、介质层、纳米金属光栅、导电液滴、疏水性材料涂覆层、至少一个微电极，当给所述的公共电极和微电极（205）加上正负电压后，由于介质层上电润湿的作用，和光栅接触的导电液滴面积发生了改变，再利用纳米金属光栅对与之接触的材料折射率变化非常敏感的特点，从而通过折射率变化实现显示功能。

所述的下基板上表面由下而上依次设有公共电极、介质层、疏水性材料涂覆层和微电极；所述的上基板下表面设有纳米金属光栅。

所述的下基板上表面由下而上依次设有公共电极、介质层和纳米金属光栅；所述的上基板下表面由上而下依次设有疏水性材料涂覆层和微电极。

所述的下基板上表面由下而上依次设有公共电极、介质层和疏水性材料涂覆层；所述的上基板下表面由上而下依次设有纳米金属光栅和微电极。

在所述的微电极外围设有绝缘疏水层。

优选地，所述的上、下基板为对光透明的塑料、玻璃、聚合物等。

所述的公共电极可以是传统具有导电性能的金属块，诸如Al（铝），Cu（铜）等，也可以选择使用ITO（氧化铟锡）、AZO等透明半导体氧化物。优选地使用ITO玻璃，这样可以将上述电极与基板集成起来应用。

所述的微电极与上述公共电极的极性相反，从而可以产生介质上电润湿效果。其制备工艺不做限制。这里微电极的数量并不限定为一个，也可以设为多个。通过增加微电极数量可以用来降低驱动电压。

所述的介质层即绝缘层，优选使用二氧化硅绝缘层。同时选择将疏水性材料旋涂或者蒸发到介质层形成疏水性绝缘层以保证液滴足够大的接触角。

优选地，所述的疏水性材料为特氟龙（Teflon AF2400），派瑞林（ParyleneC），聚酰亚胺（PI）、PMMA等材料、。

所述的纳米金属光栅是指周期性的线条或具有缺陷的微腔嵌套结构。这里所指纳米金属光栅可以是单层线栅，也可以是双层线栅，其周期并未做固定的限定。这里的光栅既可以选择一维的金属光栅，也可以选择二维的金属光栅。光栅上可以镀上一薄层疏水或者绝缘介质。在实施过程中我们可以根据在显示中对颜色的具体要求来调控光栅的周期和深度，光栅上所镀介质的种类及厚度。所述的液滴指的是具有导电性能的液体，这里可以选择水、一定浓度的乙醇溶液、液晶、油或者氯化钠等不同折射率的液体，可以通过不同液体的折射率来控制颜色的变化。

所述的围堰的材料，优选使用环氧树脂制备，它是由PDMS前聚体和固化剂两种材料混合而成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是能够避免在电润湿显示中由于彩色油墨的使用而导致的吸收问题，提高了光学效率，能够在原有的基础上进一步提高显示的亮度。同时纳米金属光栅结构还具有良好的疏水特性，可以提高电润湿显示的调制对比度，色彩相比原来更加丰富，而且这种新型的显示器件可以得到更快的响应速度，能够有效的解决先前的E-book不能用于视频中的缺点。

这种纳米金属光栅的电润湿显示单元可以组成多种显示阵列，每个像素单元至少包含两种以上同种周期且填充不同液体的子像素。或者每个像素单元至少包含两种不同周期的子像素，子像素可以填充同种液体也可以填充不同液体。

附图说明

图1为介质上电润湿现象原理示意图，其中图1(a)为未加电压时的截面示意图，图1(b)为加电压后的截面示意图。

图2为一种常规的电润湿显示单元的基本模型示意图，其中图2(a)表示常规的电润湿显示单元在未加电压时的截面图，图2(b)表示在加电压后的截面图。

图3为证明纳米金属光栅对与之临近材料折射率变化非常敏感，能够对应于不同折射率的流体产生颜色变化的实验数据图。其中图3(a)为测得的反射光谱,图3(b)为测得的透射光谱。

图4为本发明具有纳米金属光栅的电润湿显示单元实施方式原理图。

图5为本发明具有纳米金属光栅的电润湿显示单元第一种实施方式。

图6为本发明具有纳米金属光栅的电润湿显示单元第二种实施方式。

图7为本发明具有纳米金属光栅的电润湿显示单元第三种实施方式。

图中：1-基板，2-电极，3-涂有疏水材料的介质层，4-导电液滴，5-围堰，6-有颜色的油墨，7-去离子水，8-纳米金属光栅，201-下基板，202-公共电极，203-介质层、204-疏水层、205-微电极，206-围堰材料，207-导电液滴、208-纳米光栅，209-金属层，210-上基板，211-微电极外围绝缘疏水层。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明一种具有纳米金属光栅的电润湿显示器件是基于对纳米金属光栅彩色滤光片的研究，具体详见Zhicheng Ye,Jun Zheng,LindongGuo,andHanpingD.Shieh,Compacttransreflective color filters andpolarizers by bi-layer metallicnanowire gratings on flexible substrates,IEEE,Journal of SelectedTopics in Quantum Electronics,10.1109/JSTQE.2012.2227247,2012。由文章可以看出透射光的波长取决于金属的表面等离子体共振，如下面公式（1）所示。其中T为光栅周期，λ为表面等离子体共振波长，ε_m和ε₀分别代表金属和与其临近的物质的介电常数。由公式（1）可以看出，通过改变光栅周期，就可以改变表面等离子体共振波长。为了实现不同波长的彩色滤光，传统需要多个周期的光栅，但这也增加工艺的难度。从公式（1）的右边我们可以知道，与金属临近的介质折射率变化会影响共振波长，因此在同一种周期下通过调节折射率可以改变共振透(反)射波长实现不同颜色彩色滤光。具体可参见图3，图3a为在实验中我们通过调节纳米金属光栅上液体的折射率使得共振反射峰发生移动的实验测试图,图3b为在实验中我们通过调节纳米金属光栅上液体的折射率使得共振透射峰发生移动的实验测试图。图3仅仅表明通过调节纳米金属光栅表明折射率可以实现共振反射和透射峰的移动，其中关于透射和反射效率可以通过后期优化工艺得到进一步的提高。

$k_0\sin \left({\mathrm{\α}}_i\right)\hat{x}+\mathrm{nG}\hat{x}=k_0\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_m}{{\mathrm{\ϵ}}_i+{\mathrm{\ϵ}}_m}}\hat{x}$

G＝2π/T，k₀＝2π/λ    (公式1)

图4为本发明具有纳米金属光栅的电润湿显示单元实施方式原理图。如图所示，本实例是从图2所示常规的电润湿显示单元模型引申而来。在该图所示结构中，自下而上分别是下基板1，电极2，介质层3以及纳米金属光栅8，在纳米金属光栅8上面的金属层上蒸镀一个薄层（厚度低于100nm）的绝缘疏水层（在图中未标出）以获得尽可能大的液滴接触角。由图4a可以看出，当不加直流电压时由于纳米金属光栅的疏水性使得液滴接触角很大，几乎“立”在纳米金属光栅表面上。再看图4b，由于表面张力占主导，当在液滴和电极间添加直流电压时，液滴与固体间润湿性的改变引起液滴接触角的变化，此时整个液滴就“平摊”在纳米金属光栅表面。从原理上讲本实例利用电润湿方式动态调制光栅面上液体的面积，从而改变共振光的面积比例，实现纳米金属光栅透射波长和效率的动态调制。图4中的黑白箭头只是表明在我们的器件结构中可以实现明暗两种颜色的切换，而不是仅仅为黑白两色的切换。在器件上下方的箭头分别表示透射和反射光，从中看出我们提出的纳米金属光栅电润湿显示单元既可以是反射型显示单元也可以是透射式显示单元,

图5为本发明具有纳米金属光栅的电润湿显示单元第一种实施方式。如图所示，在此实施方式中我们的结构包含有下基板201、ITO电极202、介质层203、疏水层204、用于给液滴加电压的微电极205、围堰材料206、导电液滴207、纳米光栅208、蒸镀于纳米光栅之上的金属层209、上玻璃基板210和微电极外围做绝缘疏水层211。如图5a所示，此时我们在正负电极上不加电压，注意到这里我们的像素单元做的特别小，由于纳米金属光栅表面的疏水性以及疏水层204的作用下，液滴207紧紧的贴在上面的纳米金属光栅208和下面的疏水层204之间。再看图5b，此时我们在正负电极间加上电压，由于上述的润湿性发生了改变，导致液滴207整体被“压”了下来，彻底脱离与上层纳米金属光栅的接触，从而使得与纳米金属光栅表面接触的介质折射率发生变化。因此可以满足改变显示颜色的需求。这种结构既可用做透射式也可用做反射式显示单元。

图6为本发明具有纳米金属光栅的电润湿显示单元第二种实施方式。如图6所示，该实施方式自下而上的结构是下基板201、ITO电极202、介质层203、纳米光栅208、蒸镀于纳米光栅之上的金属层209、导电液滴207、用于给液滴加电压的微电极205、微电极外围的绝缘疏水层211、疏水层204、上基板210，同时在上下基板间加围堰材料206使整个结构成为密闭的腔室。不加电压时，由于纳米光栅本身的疏水性，使得液滴呈现图6a所示的状态。此时光直接透过纳米金属光栅呈现亮态，而液滴覆盖在纳米光栅上方的区域呈现的是暗态。当对微电极205施加正电压，ITO电极施加负电压时，由于电场力的作用使得润湿性发生变化，呈现图6b所示的状态。此时液滴全部“贴”在纳米光栅上，整个结构表现为暗态。这种实施方式主要利用电润湿作用改变液滴与纳米光栅的接触面积来实现显示作用，能够很好地达到我们所要的显示目的。

图7为本发明具有纳米金属光栅的电润湿显示单元第三种实施方式。此实施方式的结构包含有下基板201、ITO电极202、介质层203、疏水层204、围堰材料206、导电液滴207、纳米光栅208、蒸镀于纳米光栅之上的金属层209和上玻璃基板210，在上玻璃基板上做一个微电极205，同时在微电极外围做一层绝缘疏水层211。图7a是未加电压的整个结构的状态图。图7b是在ITO上加负电压，微电极加正电压以后整个结构的状态图。可以发现当加上电压之后，在电润湿作用下液滴完全脱离了纳米光栅的表面，纳米光栅表面的折射率发生了变化，从而实现了对于颜色的可调性。

以上，通过三个实施例描述了本发明的电润湿显示器件。可以看出，本发明通过在传统的电润湿显示单元中添加了纳米金属光栅，利用纳米金属光栅对与之临近材料折射率变化非常敏感的特点，再通过电润湿技术调制表面的透明液体（如水或者油）的面积分布，使润湿性发生改变从而达到颜色切换的目标。由于纳米金属光栅本身具有疏水性，因此加入纳米金属光栅结构还可以提高电润湿显示的调制对比度和速度,同时上述所有结构均能很好的实现透射式和反射式显示。但是本发明不限于此，在任何利用电润湿作为显示的结构中，以任何形式添加纳米金属光栅作为显示结构的器件都属于本发明的范围。

Claims (12)

1.一种具有纳米金属光栅的电润湿显示单元，其特征在于，包括下基板（201）、上基板（210）和设置在下基板（201）的周边与上基板（210）的周边之间的围堰（206），构成的一个封闭腔室，在该封闭腔室内设有公共电极（202）、介质层（203）、纳米金属光栅、导电液滴（207）、疏水性材料涂覆层（204）、至少一个微电极（205），当给所述的公共电极（202）和微电极（205）加上正负电压后，由于所述的介质层（203）上电润湿的作用，和光栅接触的所述的导电液滴（207）的面积发生了改变，再利用纳米金属光栅对与之临近材料折射率变化非常敏感的特点，从而通过折射率变化实现显示功能。

2.根据权利要求1所述的具有纳米金属光栅的电润湿显示单元，其特征在于，所述的下基板（201）上表面由下而上依次设有公共电极（202）、介质层（203）、疏水性材料涂覆层（204）和微电极（205）；

所述的上基板（210）下表面设有纳米金属光栅。

3.根据权利要求1所述的具有纳米金属光栅的电润湿显示单元，其特征在于，所述的下基板（201）上表面由下而上依次设有公共电极（202）、介质层（203）和纳米金属光栅；

所述的上基板（210）下表面由上而下依次设有疏水性材料涂覆层（204）和微电极（205）。

4.根据权利要求1所述的具有纳米金属光栅的电润湿显示单元，其特征在于，所述的下基板（201）上表面由下而上依次设有公共电极（202）、介质层（203）和疏水性材料涂覆层（204）；

所述的上基板（210）下表面由上而下依次设有纳米金属光栅和微电极（205）。

5.根据权利要求1-4任一项所述的具有纳米金属光栅的电润湿显示单元，其特征在于，在所述的微电极周围设有绝缘疏水层（211）。

6.根据权利要求1-4任一项所述的具有纳米金属光栅的电润湿显示单元，其特征在于所述的下基板（201）和上基板（210）为对光透明的塑料、或玻璃衬底，或对某一颜色透明的塑料或玻璃衬底。

7.根据权利要求1-4任一项所述的具有纳米金属光栅的电润湿显示单元，其特征在于，所述公共电极（202）是具有导电性能的金属块或透明半导体氧化物。

8.根据权利要求1-4任一项所述的具有纳米金属光栅的电润湿显示单元，其特征在于，所述的微电极（205）与所述的公共电极（202）的极性相反。

9.根据权利要求1-4任一项所述的具有纳米金属光栅的电润湿显示单元，其特征在于，所述的微电极（205）设于所述的下基板（201）的上表面、上基板（210）的下表面、或下基板（201）的上表面和上基板（210）的下表面。

10.根据权利要求1-4任一项所述的具有纳米金属光栅的电润湿显示单元，其特征在于，所述的纳米金属光栅由纳米光栅（208）和金属层（209）。

11.根据权利要求10所述的所述的具有纳米金属光栅的电润湿显示单元，其特征在于，所述的纳米金属光栅是单层线栅，或双层线栅，所述的光栅是一维的金属光栅，或二维的金属光栅，其周期并未做固定的限定。

12.根据权利要求1-4任一项所述的具有纳米金属光栅的电润湿显示单元，其特征在于，所述的导电液滴（207）是具有导电性能的液体，即是水、一定浓度的乙醇溶液、油或氯化钠溶液。

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