CN105676557A - 一种利用摩擦起电实现显示的显示结构及其应用 - Google Patents

一种利用摩擦起电实现显示的显示结构及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种利用摩擦起电实现显示的显示结构，所述结构依次包括第一电极、显示层、第二电极、第一摩擦层、第二摩擦层和第三电极，第三电极和第一电极通过导线连接，所述第一摩擦层和第二摩擦层通过相互摩擦感应出电荷，电荷分布在第二电极和第三电极上，通过导线的连接，第三电极上的电荷传导至第一电极，并在第一电极和第二电极上形成电势差，实现图像的显示。本发明利用摩擦起电实现图像的显示，尤其适用于利用于柔性结构的显示装置中，且不需要薄膜晶体管的寻址电子电路，也无需携带电源，并具备制程容易、器件结构简单、成本低廉的优点。

Description

一种利用摩擦起电实现显示的显示结构及其应用
技术领域
本发明属于显示技术领域，更具体地，涉及一种利用摩擦起电实现显示的显示结构及其应用。
背景技术
现有的柔性显示装置，由于使用的是压电或者外加电压，因此，在结构中设置复杂，例如电子纸，其作为一种新型的显示器，具有类似纸张的特点，而且可以实现液晶显示器一样对显示内容的刷新，由于电子纸双稳态的特性，这种显示内容的刷新可以大大节省电能消耗，是一种低功率、弯曲性、易携带的显示装置，正在广泛应用与手机、电子书、电子标签、微型电脑等领域。
但是，电子纸技术想要取代纸张，除了实现对纸张的阅读功能外，还必须实现对纸张的写入。现有技术中针对电子纸的写入，利用的都是压电或外加电压的写入方式。此外，在写入的器件设计上，需要昂贵而繁琐的寻址电子电路与材料设计，因而使其应用受到一定限制。
鉴于此，有必要开发出结构更为简单，成本低廉的图像显示结构，以满足应用上的需要。
发明内容
本发明的目的在于根据现有技术显示装置中的不足，提供了一种利用摩擦起电实现显示的显示结构。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种利用摩擦起电实现显示的显示结构，所述结构依次包括第一电极、显示层、第二电极、第一摩擦层、第二摩擦层和第三电极，第三电极和第一电极通过导线连接，所述第一摩擦层和第二摩擦层通过相互摩擦感应出电荷，电荷分布在第二电极和第三电极上，通过导线的连接，第三电极上的电荷传导至第一电极，并在第一电极和第二电极上形成电势差，实现图像的显示。
本发明实现显示的过程具体为（如实施例3）：第一摩擦层和第二摩擦层通过摩擦感应电荷，并将该感应电荷分别传导至与第一摩擦层连接的第二电极和第三电极上，由于第三电极与第一电极连接，电荷运动通过第三电极，传导至第一电极，由此，在显示层两侧的第一电极和第二电极上形成一定的电势差，该电势差作为驱动电压，可以驱动显示层中粒子运动，完成显示。
更优选地，所述第二电极为多个微电极组成，所述微电极采用阵列化排列，该阵列化的第二电极可完成图形化的显示。所述图形化的显示过程为：通过第一摩擦层和第二摩擦层之间的摩擦起电，使得电荷发生运动，在第二电极和第三电极上分布为相反电荷，以第二电极通过摩擦带负电荷为例，由于第二电极是由多个微电极通过阵列化排列组成，微电极之间并不会传递电荷，因此，当第一摩擦层和第二摩擦层发生摩擦时，负电荷只存在于第二电极的部分微电极上，即，负电荷只存在于第一摩擦层和第二摩擦层发生摩擦的第二电极的微电极上，而未发生摩擦部分的微电极上并不会聚集电荷，同时，第三电极上的正电荷通过运动，将正电荷传递至第一电极，因而，第一电极与第二电极的部分微电极上聚集有相反电性的电荷，从而使得第二电极上的部分微电极和第一电极形成了电势差，这个电势差可以作为驱动电压，完成该部分的显示，而第一电极与第二电极上未聚集电荷的微电极不会形成电势差，因而这部分不会产生显示，由此完成图形化的显示。
本发明利用摩擦起电实现显示，不需要薄膜晶体管的寻址电子电路，也不需要携带电源，充分发挥了便携的优点。
本发明提出的是利用微观(非大面积)摩擦起电的显示方式，与一般的外加电压写入的方式相比，在执行机理上有明显的不同。且不需要繁琐的寻址电子电路设计，并具备制程容易、器件结构简单、成本低廉的优点。
优选地，第一摩擦层和/或第二摩擦层为有规则的凹凸结构。
优选地，所述有规则的凹凸结构包括直线条纹状、波浪条纹状、锯齿形、立方体形、四棱锥形、圆锥形或圆柱形中的一种或组合。
优选地，所述有规则的凹凸结构的尺寸为纳米级至微米级。
优选地，所述第一摩擦层与第二摩擦层为透明材料制成；
所述透明材料为聚对笨二甲酸二醇酯（PET）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚苯乙烯（PS）、聚甲基苯烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）和液晶高分聚合物（LCP）中的一种或组合；聚对苯二甲酸二醇酯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚甲基苯烯酸甲酯、聚碳酸酯和液晶高分聚合物中的一种或组合。
所述第一摩擦层、第二摩擦层也可分别选自不透明材料聚酰亚胺、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素，聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、据邻苯二甲酸二烯丙酯、纤维海绵、聚氨酯弹性体、笨乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基、甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、甲醛苯酚、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、丙烯腈氯乙烯、聚乙烯丙二份碳酸盐中的一种或组合。
优选地，所述第一电极、第三电极材质为导电材料制成，所述导电材料包括铟锡氧化物、石墨烯电极、碳纳米管、高分子导电聚合物、金属纳米电极中的一种或组合；所述金属纳米电极材料包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、烙、硒或其中合金中的一种。
优选地，所述显示层包含多个显示像素，所述显示层通过感应电势差实现显示。
优选地，所述结构通过任意弯曲或变形引起所述第一摩擦层和第二摩擦层相互摩擦感应出电荷。
本发明还可将所述结构中设置具有微纳尺度的小孔，使得通气性良好，满足可穿戴式设备需求。
此外，还可以通过改变摩擦起电层材料和结构或者外接功能电路方式使得驱动电压为单向导通特性，以满足所获得的驱动电压始终为正电压的需要。
本发明还提供一种显示装置阵列，即将所述利用摩擦起电实现显示的显示结构进行并联或串联构成，上述经过并联或串联构成的阵列能够提高电子纸写入灵敏度，且满足任意读写或显示装置读写速度和灵敏的需要。
本发明根据上述摩擦起电结构，即通过第一摩擦层和第二摩擦层的相互作用，实现显示，解决了现有技术中还需要压电或外加电压的限制，所述摩擦起电结构简单，易于实现推广及利用，尤其适用于柔性装置中。
本发明提供了一种利用摩擦起电实现显示的显示结构，与一般的外加电压方式相比，本发明在执行机理上有明显的不同，且不需要薄膜晶体管的寻址电子电路，也不需要携带电源，充分发挥了便携的优点，并具备制程容易、器件结构简单、成本低廉的优点。
附图说明
图1为实施例1中提供的利用透明绝缘材料和透明导电薄膜的电子纸写入装置结构。
图2为实施例2中提供的透明绝缘材料和透明导电薄膜的电子纸写入装置结构。
图3是以纳米摩擦起电式发电机驱动的微胶囊电泳显示电子纸显示层。
图4中提供了规则的四棱锥型的微纳凹凸结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜的制备方法。
图5为实施例5中通过摩擦起电装置驱动电子纸显示的方法。
图6为将摩擦起电产生的电压接入整流电路后，输出的信号图。
具体实施方式
以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，本发明所用试剂和材料均为市购。
本发明将所述显示结构应用于电子纸的写入中为例，并对上述摩擦起电的实现方式逐一说明。本领域技术人员可以根据实施例中的说明将所述显示结构扩展为其他领域的应用。
实施例1：
图1所示是一个应用透明绝缘材料和透明导电薄膜的电子纸写入装置典型结构。如图1所示，显示层101一侧表面镀有铟锡氧化物（ITO）作为第一电极100；显示层另一侧表面镀有铟锡氧化物（ITO）作为第二电极102，其上涂布规则的四棱锥型的微纳凹凸结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为第一摩擦层103。聚对苯二甲酸二醇酯（PET）作为第二摩擦层104，并在一侧表面镀铟锡氧化物（ITO）作为第三电极105，第一摩擦层103与第二摩擦层104相互贴合，第一电极和第三电极通过导线相连。第二电极的ITO薄膜102和第三电极的ITO薄膜105作为电流和电压的输出电极，第二电极102和与第三电极105相连的第一电极100组成电子纸驱动电极。当此电子纸写入装置发生弯曲时，显示层上有规则的四棱锥型的微纳凹凸结构的第一摩擦层103与第二摩擦层104摩擦感应出电荷，感应电荷形成内电势，进一步在第一电极ITO100和第二电极ITO102上分别感应出电荷，形成电压差，驱动电子纸显示层中的电泳粒子，达到显示的目的。
实施例2：
图2所示是另一种应用透明绝缘材料和透明导电薄膜的电子纸写入装置典型结构。如图2所示，显示层101一侧表面镀有铟锡氧化物（ITO）作为第一电极106；显示层另一侧表面镀有铟锡氧化物（ITO）作为第二电极108，其上涂布聚对笨二甲酸二醇酯（PET）作为第一摩擦层109。用规则的四棱锥型的微纳凹凸结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为第二摩擦层110，并在其一侧表面镀铟锡氧化物（ITO）作为第三电极111。第一摩擦层109与第二摩擦层110相互贴合，第一电极和第三电极通过导线相连。第二电极的ITO薄膜108和第三电极的ITO薄膜111作为电流和电压的输出电极，第二电极108和与第三电极111相连的第一电极106组成电子纸驱动电极。当此电子纸写入装置发生弯曲时，显示层上的第一摩擦层109与有规则的四棱锥型的微纳凹凸结构的第二摩擦层110摩擦感应出电荷，感应电荷形成内电势，进一步在第一电极ITO106和第二电极ITO108上分别感应出电荷，形成电压差，驱动电子纸显示层中的电泳粒子，达到显示的目的。
实施例3：
图3是以纳米摩擦起电式发电机驱动的微胶囊电泳显示电子纸显示层。其中120为第一电极、130为微胶囊（显示层）、140为图形化的第二电极（即通过阵列化排列的微电极组成）。在外力作用下，由于摩擦起电作用，在第一电极和第二电极之间产生感应电压差。因此，在电子纸两侧产生电场，微胶囊130内部的带电粒子，在电场作用下，会产生电泳。正向电场作用下，第一电极140一侧感应正电，第二电极140一侧感应负电，产生第一电极130指向第二电极140的纵向电场。在此电场作用下，白色带电粒子移动至微胶囊130底端，黑色带电粒子移动到微胶囊130顶端，此像素点显示黑色。反之，反向电场作用下，黑色带电粒子移动至微胶囊130底端，白色带电粒子移动至微胶囊130顶端，此像素点显示白色。
实施例4：
图4中，提供了1种有规则的四棱锥型的微纳凹凸结构110的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜的制备方法。这种微纳凹凸结构的每个PDMS阵列单元大小被限制约为10微米。具有更小尺度单元的图形阵列同样能够被制备出来，其尺度小到5微米，而且具有同样的高质量特征。其具体制备方法是，利用3D打印的模具或金属模具（图4a），得到四棱锥阵列结构，然后将PDMS倒入，进行固化。成功固化后，将PDMS直接剥离即可得到表面具有四棱锥微纳凹凸结构的PDMS薄膜(图4b)。此外，制备出的PDMS薄膜具有很好的伸缩性和透明性。微凹凸结构可以一定程度的提高PDMS薄膜和PET的摩擦效应，另外也能避免两层摩擦起电层过于接近，在静电力的吸引下难以分离的现象可以得到一定程度的抑制。其中图4c为第一摩擦层和第二摩擦层结构示意图。
实施例5：
图5中，提供了1种通过摩擦起电装置驱动电子纸显示的方法。在摩擦发电机一侧施加压力，使得上电极153上的摩擦起电层152与下电极150上具有微纳凹凸结构的第一摩擦层151接触进而发生摩擦效应。使得第一摩擦层151与第二摩擦层152的表面产生表面电荷，当两者分离时，为了保持电中性，上电极153和下电极150间产生电压，上电极150和下电极153做为摩擦电压输出电极。进一步的，将摩擦起电产生的电压接入整流电路后，输出的信号如附图6所示，此输出信号做为电子纸154的输入信号，驱动电子纸由白色（图5a）转为黑色（图5b）。而且，根据摩擦发电机一侧施加的压力大小的不同，可以使得电子纸154产生不同的灰阶的显示信号。
本发明摩擦发电写入电子纸装置满足电子纸像素阵列组成可写入式电子纸显示装置的要求，可以简单的通过手指触控，产生不同位置电极间距离的变化，得到正向或反向电场，以控制每个像素位置微胶囊中的带电小球的移动，得到不同像素点的写入，使得电子纸显示装置根据手指移动轨迹得到特定的图像。通过串联或并联多个摩擦发电式电子纸写入装置，可以组成不同尺寸的显示阵列或屏幕，以提高写入装置的实用范围。更进一步地，像素点的大小可以根据按压装置产生摩擦发电的物体，或者电子纸显示装置分辨率做成改变。
虽然参考具体实施方式描述了本发明，但本领域技术人员应理解在不背离本发明范围的情况下作出各种改变并用其等同形式替代。此外，可根据本发明的目的和范围进行许多修改，以适应特定情况、材料、组成、方法、工艺步骤。所有这些修改均应包括在所附权利要求书的范围之内。

Claims (13)

1.一种利用摩擦起电实现显示的显示结构，其特征在于，所述结构依次包括第一电极、显示层、第二电极、第一摩擦层、第二摩擦层和第三电极，第三电极和第一电极通过导线连接，所述第一摩擦层和第二摩擦层通过相互摩擦感应出电荷，电荷分布在第二电极和第三电极上，通过导线的连接，第三电极上的电荷传导至第一电极，并在第一电极和第二电极上形成电势差，实现图像的显示。
2.根据权利要求1所述的显示结构，其特征在于，所述的第二电极为多个微电极组成。
3.根据权利要求2所述的显示结构，其特征在于，所述微电极采用阵列化排列。
4.根据权利要求1所述的显示结构，其特征在于，第一摩擦层和/或第二摩擦层为有规则的凹凸结构。
5.根据权利要求4所述的显示结构，其特征在于，所述有规则的凹凸结构包括直线条纹状、波浪条纹状、锯齿形、立方体形、四棱锥形、圆锥形或圆柱形中的一种或组合。
6.根据权利要求4所述的显示结构，其特征在于，所述有规则的凹凸结构的尺寸为纳米级至微米级。
7.根据权利要求1所述的显示结构，其特征在于，所述第一摩擦层与第二摩擦层材料为聚对笨二甲酸二醇酯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚甲基苯烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分聚合物、聚酰亚胺、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素，聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、据邻苯二甲酸二烯丙酯、纤维海绵、聚氨酯弹性体、笨乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基、甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、甲醛苯酚、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、丙烯腈氯乙烯、聚乙烯丙二份碳酸盐中的一种或组合。
8.根据权利要求1所述的显示结构，其特征在于，所述第一电极和第三电极材质为导电材料制成，所述导电材料包括铟锡氧化物、石墨烯电极、碳纳米管、高分子导电聚合物、金属纳米电极中的一种或组合；所述金属纳米电极材料包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、烙、硒或其中合金中的一种。
9.根据权利要求1所述的显示结构，其特征在于，所述显示层包含多个显示像素，所述显示层通过感应电势差实现显示。
10.根据权利要求1所述的显示结构，其特征在于，所述结构通过任意弯曲或变形引起所述第一摩擦层和第二摩擦层相互摩擦感应出电荷。
11.一种显示结构，其特征在于，将权利要求1所述结构中设置具有微纳尺度的小孔，使得通气性良好，满足可穿戴式设备需求。
12.一种显示装置阵列，其特征在于，将多个权利要求1所述结构进行并联或串联构成。
13.摩擦起电结构在图像显示中的应用。
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