CN105204155B - 一种基于声表面波技术的显示装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声表面波技术的显示装置及方法，所述的显示装置包括至少一个显示组件，所述显示组件包括：弹性压电基底；设置于所述弹性压电基底上的腔体；所述腔体内填充有含有有色颗粒的流体；设置于弹性压电基底上，且位于腔体侧方的若干叉指电极；所述叉指电极对称的设置在腔体侧方；控制系统，用于施加射频电信号到叉指电极。本发明的显示方法，不需要外加光源，利用环境光即可实现。通过声表面波的作用使有色颗粒聚集和分散，达到颜色变化和灰度显示的目的，且响应时间短，响应速度快，对颗粒的形状和材料类型局限小。

Description

一种基于声表面波技术的显示装置及方法

技术领域

本发明涉及基于颗粒聚集和分散的显示技术，尤其涉及一种基于声表面波技术的颗粒聚集和分散的显示装置及方法。

背景技术

声表面波技术是20世纪60年代发展起来的一门融合电子学、声学的交叉技术。声表面波波长很短，工作频率高达30-3000 MHz；相比电磁波传播速度慢，在弹性材料表面传播为3000-45000m/s，因此容易对其采集处理；作为一种机械波，声表面波具有比电磁波强的抗干扰、抗辐射能力；而且产生声表面波的声电换能器件的制作工艺与半导体制作工艺兼容，易于实现，使得声表面波技术具有广泛的应用领域。其中，利用声电换能器件将射频电信号转换为声信号在弹性材料表面传播时，贴附在材料表面深度2-3个波长范围内的物体会受到声表面波声共振力的作用，导致运动状态发生改变，这一特性使声表面波技术广泛应用于微流控和光流控等领域[1,2]。

现有的基于颗粒聚集和分散的显示技术全部是电泳显示技术。电泳显示技术最早由麻省理工学院媒体实验室提出，美国E-Ink公司商品化的一种电子纸显示技术，因便于阅读、耗电量低、厚度薄、分辨率高 、视角广阔等“类纸”特性成为电子纸显示的主流技术。电泳显示的原理主要是基于颗粒的电泳运动来实现的，具体地，带相反电荷的黑白粒子分散在绝缘液体中，当在显示像素的两端分别施加不同电压时，黑白颗粒会分别位于电极的两端，从而显示不同的颜色（黑色，白色），显示像素的灰度可以通过驱动波形控制黑白颗粒的混合来实现[3]。

然而这种方法对颗粒的大小，带电荷量，密度等要求比较高，限制了可用于电泳显示的颗粒种类，难以实现高亮度的彩色和视频速度。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于声表面波驱动颗粒聚集和分散来实现显示的装置及方法，该显示方法，不需要外加光源，利用环境光即可实现。通过声表面波的作用使有色颗粒聚集和分散，达到颜色变化和灰度显示的目的，且响应时间短，响应速度快，对颗粒的形状和材料类型局限小。

本发明解决其技术问题的解决方案是：一种基于声表面波技术的显示装置，包括至少一个显示组件，所述显示组件包括：

弹性压电基底；

设置于所述弹性压电基底上的腔体；所述腔体内填充有含有有色颗粒的流体；

设置于弹性压电基底上，且位于腔体侧方的若干叉指电极；所述叉指电极对称地设置在腔体侧方；

盖板，用于密封所述腔体；

控制系统，用于施加射频电信号到叉指电极。

优选地，所述叉指电极为铜、金、银或铝金属电极；或，铝-铜、铝-钛、金-钛或金-铬合金电极；或，铝铜合金/铜/铝铜合金、铝/镁/铝层状电极。

优选地，所述弹性压电基底为无机压电材料或有机压电材料。

进一步优选地，所述无机压电材料为石英晶体、镓酸锂、铌酸锂或钽酸锂；所述有机压电材料为聚偏氟乙烯。

优选地，所述流体内填充的有色颗粒为陶瓷粉、刚玉粉、熟料、白垩、玻璃粉、金属粉、聚四氟乙烯、聚乙烯或聚苯乙烯。

优选地，所述有色颗粒的平均直径为1-10微米。

优选地，所述盖板材料为无机玻璃、聚氯乙烯塑料、聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）、聚碳酸酯或聚苯乙烯塑料等。

优选地，所述溶剂为水、氯化钠溶液、烷烃、醇或脂类。

作为上述方案的进一步改进，所述腔体的宽度为叉指电极叉指周期的1/2。

本发明的另一方面，还提供了一种基于声表面波技术的显示方法，基于上述的显示装置，包括以下步骤：启动控制系统，施加射频电信号到叉指电极，叉指电极将射频电信号转化成声波信号在弹性压电基底表面传播；通过改变射频电信号频率，实现流体内有色颗粒聚集分散程度的改变；通过改变射频信号功率，实现有色颗粒聚集分散速度，即显示效果的切换速度的改变。

本发明的有益效果是：

1.本发明基于声表面波来驱动颗粒聚集和分散从而达到显示效果，颗粒分散在分散相中时显示颗粒的颜色，颗粒聚集时露出下基板从而显示下一层基板材料的颜色，提供了一种新型显示技术，并且拓展了声表面波技术应用领域。

2. 本发明的显示方法，适用于不同材料和大小的颗粒，易于形成彩色显示，且适用范围广。

3. 本发明的声表面波驱动颗粒聚集和分散的响应时间很短，响应速率很快，可以用于动态显示。

4. 本发明的显示方法可以通过控制颗粒的聚集和分散，达到灰度显示的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1是本发明的显示器件示意图；（A）—截面图，（B）—立体图；

图2是本发明显示原理示意图；(A)—无声表面波作用下，颗粒均匀分散于液体中；（B），（C）—不同频率下，颗粒聚集程度的变化效果示意图；

图3是当腔体的宽度为叉指电极叉指周期的1/2时的显示效果示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

如图1所示，示出了本发明的基于颗粒聚集和分散显示技术的显示装置1的实施方式的图示截面图图1（A）和立体图图1（B），该显示装置包括多个显示组件100，在图中示出了其中的一个。

显示组件100包括弹性压电基底1和盖板3。弹性压电基底1和盖板3可以是每个显示组件100的分离的部件，但是优选地，弹性压电基底1和盖板3被多个显示组件100共有。弹性压电基底1可以由无机压电材料或有机压电材料制成的，优选为石英晶体、镓酸锂、铌酸锂、钽酸锂或聚偏氟乙烯等。

优选地，弹性压电基底1厚度为200-500微米。

盖板3主要起到密封的作用，且要具有一定的透明度，以满足显示要求。可以由透明玻璃或透明聚合物制成，如无机玻璃、聚氯乙烯塑料、聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）、聚碳酸酯、聚苯乙烯塑料等。

显示装置具有观看面30和背面40，在观看面30上由该显示装置形成的图像或文字可以被观看。弹性压电基底1面向背面40，盖板3面向观看面30，可选地，弹性压电基底1可以面向观看面30。显示装置可以是反射型、透射型或透射反射型的。以反射型为例，可以在弹性压电基板1下设置白色反射板，白板的材料，没有特殊要求，一般不作说明，具有一定反射率的普通白色面板即可。以进一步反射，显示腔体内有色颗粒6的颜色。

显示装置可以是分段显示型的，在其中图像可以由段组成，每一段包括几个显示组件100。多个显示组件100可以是单色的。对于彩色显示装置，显示组件2可以分组，每组具有不同的颜色。显示装置可以是有源阵列驱动显示型的，或者是无源驱动显示装置。

弹性压电基底1和盖板3之间的形成由像素墙7限制而形成的腔体，也称为像素格，腔体截面可以是任意需要的形状，通常是正方形或长方形。像素墙7可以被示为从弹性压电基底1底面突出的结构，像素墙7可以从弹性压电基底1和盖板3之间的形成由像素墙7限制而形成的腔体，也称为像素格向盖板3延伸，但是也可以从盖板3向弹性压电基底1部分地延伸。

像素墙7材料通常是可通过光刻或者印刷方法形成微结构的材料，可参考现已有的显示装置的像素墙设置。

流体2被限制在腔体内，流体2可以是导电的或者不导电的，可以是彩色的、白色的、吸收的或反射的。流体2要选用对颗粒分散性好，黏滞力小，介电常数高的纯净物或者混合物。如可以采用水、氯化钠等溶液、粘度较小的油墨、烷烃、醇、脂类等。

流体2内含有有色颗粒6，有色颗粒6可以但不限于陶瓷粉、刚玉粉、熟料、白垩、玻璃粉、金属粉、聚四氟乙烯、聚乙烯或聚苯乙烯等。有色颗粒6的形状并无特别要求，可以是球形、棒形、条形，为便于分散运动，有色颗粒6的平均直径一般为1-10微米。

腔体侧方的弹性压电基底1上设置有若干叉指电极4，且对称的设置在腔体侧方。叉指电极4通常是采用电蒸镀工艺制作而成的金属或合金电极。所述叉指电极材料可以是铜、金、银、铝等材料，此外，为降低声表面波在弹性压电基底上的损耗，可以采用一些合金材料，如铝-铜合金、铝-钛合金、金-钛合金或金-铬合金；也可采用层状结构电极，如铝铜合金/铜/铝铜合金层、铝/镁/铝层等。

通过控制系统5施加射频信号到叉指电极4，通过叉指电极4的声电换能器将射频电信号转换为声信号在弹性压电基底1的表面传播，左右对称性的声波传播交汇后叠加形成连续声表面波，且形成周期性的声压点（声波幅度最小点）和反声压点（声波幅度最大点）。连续声表面波进入像素格内的液体2后，对液体2中的有色颗粒6产生水平方向的声共振力，总方向指向声压点或反声压点方向。在声共振力作用下，流体2内分散的有色颗粒6被驱动到声压点或反声压点位置，从而随着有色颗粒6的移动产生显示效果。通过改变射频电信号频率，实现流体2内颗粒聚集分散程度的改变；如图2所示，给出了不同频率下，流体2内有色颗粒6分散程度的变化状况，当没有施加信号时，有色颗粒6均匀分散在液体2中，显示有色颗粒6的颜色，如图2（A）所示，当改变频率，有色颗粒6分散程度改变，频率增大时，有色颗粒6集中；频率变小时，有色颗粒6分散，显示底层背板颜色以及基板颜色和颗粒颜色的过渡色；如图2（B）,2（C）所示。此外，通过改变射频信号功率，可以改变颗粒聚集分散速度，即可改变显示效果的切换速度。

如果像素格宽度设计为声表面波的半个波长长度，即叉指电极4叉指周期的1/2，施加射频信号时，有色颗粒6就会聚集在像素格中间位置，人眼看到弹性压电基板1的颜色，如图3所示；去掉射频信号，声表面波消失，有色颗粒6又重新分散在像素格中，人眼看到有色颗粒6颜色，如图2-(A)所示。可以产生明显的显示灰度变化；若有色颗粒6为黑色颗粒，则达到黑白显示效果；若有色颗粒6为彩色颗粒，则达到彩色显示效果，灰度可以通过控制颗粒的分散和聚集程度来实现。

声表面波在基底传播时绝大部分能量只局限在基底表面两个波长范围的深度，更深入的地方传播能量很弱，可以忽略。所以若希望产生波长为100微米的声表面波，弹性压电基底1只要控制在大于等于200微米的范围都是可行的。

如本发明一具体实施例中，所述叉指电极4的长度为5-10毫米；叉指电极宽度、叉指间隙、叉指周期、像素格宽度需控制为叉指周期等于像素格宽度的整倍数。这里选取叉指电极宽度、叉指间隙为25微米，叉指周期为100微米，产生的声表面波波长为100微米，像素格宽度为50微米；弹性压电基底1的厚度为200-500微米。

本发明的另一方面，还提供了一种基于声表面波技术的显示方法，基于上述的显示装置，包括以下步骤：启动控制系统5，施加射频电信号到叉指电极4，叉指电极4将射频电信号转化成声波信号在弹性压电基底1表面传播；通过改变射频电信号频率，实现流体2内有色颗粒6聚集分散程度的改变；通过改变射频信号功率，实现有色颗粒6聚集分散速度的改变，即显示效果切换速度的改变。

本发明基于声表面波来驱动颗粒聚集和分散从而达到显示效果，提供了一种新型显示技术，拓展了声表面波技术应用领域。而且适用范围广，工艺相对于电润湿显示技术较为简单，易于形成彩色显示。响应时间很短，响应速率很快，可以用于动态显示。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

参考文献：

[1] Focusing microparticles in a microfluidic channel with standingsurface acoustic waves (SSAW), Lab on a Chip, 2008, 8, 221-223.

[2] Surface acoustic wave microfluidics, Lab on a Chip, 2013, 13,3626-3649.

[3] Microfluidics for electronic paper-like displays, Lab on a Chip,2014, 14, 2374-2384.

Claims (10)

1.一种基于声表面波技术的显示装置，包括至少一个显示组件，所述显示组件包括：

弹性压电基底；

设置于所述弹性压电基底上的腔体；所述腔体内填充有含有有色颗粒的流体；

设置于弹性压电基底上，位于腔体侧方的若干叉指电极；所述叉指电极对称地设置在腔体侧方；

盖板，用于密封所述腔体；

控制系统，用于施加射频电信号到叉指电极。

2.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于：所述叉指电极为铜、金、银或铝金属电极；或，铝-铜、铝-钛、金-钛或金-铬合金电极；或，铝铜合金/铜/铝铜合金、铝/镁/铝层状电极。

3.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于：所述弹性压电基底为无机压电材料或有机压电材料。

4.根据权利要求3所述的显示装置，其特征在于：所述无机压电材料为石英晶体、镓酸锂、铌酸锂或钽酸锂；所述有机压电材料为聚偏氟乙烯。

5.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于：所述流体内填充的有色颗粒为陶瓷粉、刚玉粉、熟料、白垩、玻璃粉、金属粉、聚四氟乙烯、聚乙烯或聚苯乙烯。

6.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于：所述有色颗粒平均直径为1-10微米。

7.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于：所述盖板材料为无机玻璃、聚氯乙烯塑料、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯塑料。

8.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述流体为去离子水、盐溶液、烷烃、醇或脂类。

9.根据权利要求1-8任一项所述的显示装置，其特征在于：所述腔体的宽度为叉指电极叉指周期的1/2。

10.一种基于声表面波技术的显示方法，其特征在于：基于权利要求1-9任一项所述的基于声表面波技术的显示装置，包括以下步骤：启动控制系统，施加射频电信号到叉指电极，叉指电极将射频电信号转化成声波信号在弹性压电基底表面传播；通过改变射频电信号频率，实现腔体内流体含有的有色颗粒聚集分散程度的改变；通过改变射频信号功率，实现有色颗粒聚集分散速度，即显示效果的切换速度的改变。