CN110928098A - 高对比度的电子纸显示结构及电子纸显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高对比度的电子纸显示结构及电子纸显示装置，电子纸显示结构包括第一电极层、光学增强层、电泳显示层、配向层以及第二电极层，光学增强层为具有第一折射率的聚合物材料；电泳介质层具有第二折射率，第一折射率大于第二折射率；电泳介质层包括电子墨水，电子墨水包括分散剂和分散在所述分散剂中的分散质，分散质包括电荷控制剂、电泳粒子以及液晶。通过上述实施例提高电子纸显示的对比度，提高电泳粒子的响应速度，画面显示刷新更快，画质感更优。
Description
技术领域
本发明涉及电子纸显示领域，特别是涉及一种高对比度的电子纸显示结构及电子纸显示装置。
背景技术
电泳电子纸显示技术作为一种反射式显示技术，具有双稳态，只在切换显示画面时耗能，具有超低功耗，可在强光下阅读，对人眼损伤小等优点，有着广阔的发展前景。环境光在现有的电子纸产品表面发生朗伯反射，大部分的光都没有反射向用户，导致显示亮度相对于环境光较低，现有技术中采用高反射率材料来提升显示画面反射光效。
但发明人在实践中发现现有技术中至少存在如下技术问题：由于采用高反射率材料对全局画面进行调整，使得显示画面中的暗态区域的反射强度也随之升高，导致暗态区域的亮度较高，暗态区域的细节显示效果差，电子纸显示的对比度低。
发明内容
基于此，有必要针对传统的电子纸显示对比度低的技术问题，提供一种高对比度的电子纸显示结构及电子纸显示装置。
第一方面，本发明实施例提供一种高对比度的电子纸显示结构，包括位于第一基板上的第一电极层和位于第二基板上的第二电极层，还包括位于所述第一电极层和所述第二电极层之间的光学增强层、电泳介质层以及配向层；
所述光学增强层，位于所述第一电极层上，所述光学增强层为具有第一折射率的聚合物材料；
所述电泳介质层，位于所述光学增强层之上，所述电泳介质层具有第二折射率，所述第一折射率大于所述第二折射率；所述电泳介质层包括电子墨水，所述电子墨水包括分散剂和分散在所述分散剂中的分散质，所述分散质包括电荷控制剂、电泳粒子以及液晶；
所述配向层，位于所述电泳介质层与所述第二电极层之间或所述电泳介质层与所述第一电极层之间的至少一处。
在其中一个实施例中，所述第一电极层的折射率等于所述光学增强层的第一折射率。
在其中一个实施例中，所述第一电极层为透明电极层。
在其中一个实施例中，所述光学增强层表面为紧密排布的透明半球状结构、四角锥状、圆锥状结构中的任意一种。
在其中一个实施例中，所述半球状结构中的半球直径为40微米至100微米。
在其中一个实施例中，所述电子墨水封装在透明微胶囊或微杯内。
在其中一个实施例中，在所述电子墨水中，所述电荷控制剂的质量百分比为0.01～10％，所述液晶材料的质量百分比为0.1～50％，所述电泳粒子的质量百分比为3.5～65％；所述液晶材料为向列相液晶、近晶相液晶、胆甾相液晶、蓝相液晶和铁电性液晶的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述电子墨水还包括质量百分比不大于30％的增稠剂。
在其中一个实施例中，所述第一电极层、所述光学增强层、所述电泳介质层、所述配向层和所述第二电极层至少一者具有图案化结构。
第二方面，本发明实施例还提供一种电子纸，包括控制模块、驱动模块以及如第一方面的高对比度的电子纸显示结构的电子纸显示结构；
所述控制模块通过所述驱动模块连接所述电子纸显示结构，用于控制所述驱动模块施加电信号至所述电子纸显示结构，以驱动所述电子纸显示结构进行显示。
上述实施例提供的高对比度的电子纸显示结构及电子纸显示装置，电子纸显示结构包括第一电极层、光学增强层、电泳显示层、配向层以及第二电极层，光学增强层为具有第一折射率的聚合物材料；电泳介质层具有第二折射率，第一折射率大于第二折射率；电泳介质层包括电子墨水，电子墨水包括分散剂和分散在所述分散剂中的分散质，分散质包括电荷控制剂、电泳粒子以及液晶，其技术方案可以达到以下技术效果：
(1)当入射光线从高折射率的光学增强层入射到低折射率的电泳介质层，在光学增强层和电泳介质层的界面处发生全反射，从而显示出亮态，同时暗态粒子吸收界面处的倏逝波，从而在暗态粒子集聚的区域显示出暗态，亮态粒子不吸收界面处的倏逝波，不影响其集聚区域显示出的亮态，从而提高了电子纸显示的对比度。
(2)电子墨水中的液晶在电场驱动下的旋转效应，引起分散剂的流动来带动电子墨水中电泳粒子运动，进而可以提高电泳粒子对电场的响应速度，降低相应时间，提高显示的灵敏性。
(3)液晶在配向层的作用下形成特定的液晶排列方式，进一步提高相应性能，提升墨水的稳定性。
附图说明
图1为本实施例提供的一种电子纸显示结构；
图2为本实施例提供的在电场驱动下的电子纸显示结构。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，本发明实施例所涉及的术语“第一\第二”仅仅是是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
图1是本发明实施例提供的一种电子纸显示结构的示意图，如图1所示，该电子纸显示结构包括位于第一基板10上的第一电极层100和位于第二基板20上的第二电极层200，还包括位于所述第一电极层100和所述第二电极层200之间的光学增强层300、电泳介质层400以及配向层500。
所述光学增强层300，位于所述第一电极层100上，所述光学增强层300为具有第一折射率的聚合物材料；所述电泳介质层400，位于所述光学增强层300之上，所述电泳介质层400具有第二折射率，所述第一折射率大于所述第二折射率；所述电泳介质层400包括电子墨水，所述电子墨水包括分散剂和分散在所述分散剂中的分散质，所述分散质包括电荷控制剂、电泳粒子以及液晶；所述配向层500，位于所述电泳介质层400与所述第二电极层200之间。
在实施例中，第一基板10和第二基板20可以为刚性基板，如玻璃，也可以是柔性基板，如各种塑料柔性基板，如PET、PEN、PI等。第一电极层100和第二电极层200的制备材料可以为纳米银线、ITO等导电材料。
光学增强层300是指通过光学原理，如利用光的反射和折射等达到光学增强的效果，如提高对比度和亮度等。在实施例中，光学增强层具有第一折射率，由高折射率的聚合物材料制备而成。
电泳介质层400是指包括电泳介质的功能层,其包括至少两种电泳迁移率大致相同但颜色不同的电泳粒子，通过电泳粒子的运动来实现不同颜色图案的显示。电泳介质层具有第二折射率，由低折射率材料制备而成。光线由高折射率的光学增强层入射进低折射率的电泳介质层时，会在光学增强层和电泳介质层的界面处发生全反射，将入射光线全部反射出去，从而提高显示亮度。
所述电泳介质层包括电子墨水，所述电子墨水包括分散剂和分散在所述分散剂中的分散质，所述分散质包括电荷控制剂、电泳粒子以及液晶。通过在电子墨水中掺入液晶，可以充分利用该液晶在电场驱动下的旋转效应，引起分散剂的流动来带动电子墨水中电泳粒子运动，进而可以提高电泳粒子对电场的响应速度，降低相应时间，提高显示的灵敏性。液晶可以选自向列相液晶、近晶相液晶、胆甾相液晶、蓝相液晶和铁电性液晶的一种或多种。
更进一步，配向层500为能够改变液晶分子偏转方向的功能层，由高分子聚合物材料制备而成。配向层500的设置可以使得液晶形成特定的液晶排列方式，进一步提高相应性能，提升墨水的稳定性。
本实施例中的电子纸显示结构在第一基板和第二基板之间依次包括：第一电极层、光学增强层、电泳显示层、配向层以及第二电极层。下面结合黑白电子纸来对本方案的电子纸显示结构的工作原理进行说明：
第一基板10和第二基板20为塑料基板，如聚亚酰胺(Polyimide，PI)、聚对苯二甲酸类(Polyethylene terephthalate，PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(Polyethylenenaphthalene-2,6-dicarboxylate，PEN)等，电泳介质层300包括电子墨水，电子墨水中的电泳粒子为双色电泳粒子，具体以碳黑纳米颗粒作为黑色电泳粒子，二氧化钛纳米颗粒作为白色电泳粒子，电荷控制剂为单丁二酰亚胺(monosuccinimide，T151)，液晶材料为E7液晶。第一电极层为高折射率的聚合物导电材料制备而成，
在第一电极层100和第二电极层200之间不加电场时，如图1所示，电泳粒子和液晶无规律地分散在分散剂中，光线穿过第一电极层经光学增强层达到电泳介质层，由于光学增强层由高折射率的材料制成，电泳介质层由低折射率的材料制成，光学增强层的折射率高于电泳介质层的折射率，折射率较高(光在其中传播速率较小)的光介质叫光密介质，折射率较低(光在其中传播速率较大)的光介质叫光疏介质。根据全反射原理，当入射光线由光密介质射向光疏介质时，存在临界值θC，sinθC＝η3/η2，当θ＞θC时，入射光线不散射而是全部反射，从而显示出亮态，从而提高该区域的亮度。
当在第一电极层100和第二电极层200上施加电场，如图2所示，例如，第一电极层施加负电压，第二电极层施加正电压，黑色电泳粒子带正电，白色电泳粒子带负电，带正电的黑色电泳粒子向第一电极层100运动。光学增强层300的界面为全反射界面，存在着倏逝波。当黑色电泳粒子运动至全反射界面的倏逝波范围内，倏逝波被黑色电泳粒子所吸收，从而显示出暗态。需要说明的是，在其他实施例中，除了黑色电泳粒子能够吸收倏逝波，其他如黑色电泳粒子的暗态粒子也能吸收倏逝波，本实施例仅是以黑色电泳粒子进行说明。又例如，第一电极层施加正电压，第二电极层施加负电压，带负电的白色电泳粒子向第一电极层100运行。即使白色电泳粒子运动至全反射界面的倏逝波范围内，入射光线在光学增强层和电泳介质层的作用下发生全发射，由于倏逝波无法被白色电泳粒子所吸收而不影响其显示的亮态。需要说明的是，在其他实施例中，除了白色电泳粒子不吸收倏逝波而显示出亮态，还可以是其他如白色电泳粒子的亮态粒子，本实施例仅是以白色电泳粒子进行说明。
当电子纸显示结构为图案化的显示结构，即通过图案化制程，将第一电极层、光学增强层、电泳介质层、配向层和第二电极层至少一者进行图形化，以使得在电子纸的不同区域显示出不同颜色的图案。在显示黑色的区域中，黑色电泳粒子悬浮在靠近第一电极层处，由于吸收了光学增强层的全反射界面处倏逝波而显示出暗态，在显示白色的区域中，白色电泳粒子悬浮在靠近第一电极层处，由于入射光学在光学增强层和电泳介质层中发生全反射而显示出亮态，从而提高了电子纸图案化显示的对比度。
本实施例提供的高对比度的电子纸显示结构，包括第一电极层、光学增强层、电泳显示层、配向层以及第二电极层，入射光线从高折射率的光学增强层入射到低折射率的电泳介质层，在光学增强层和电泳介质层的界面处发生全反射，从而显示出亮态，同时暗态粒子吸收界面处的倏逝波，从而在暗态粒子集聚的区域显示出暗态，亮态粒子不吸收界面处的倏逝波，不影响其集聚区域显示出的亮态，从而提高了电子纸显示的对比度。
在其中一个实施例中，第一电极层的折射率等于光学增强层的第一折射率。当第一电极层和光学增强层的折射率相等时，入射光线可以在第一电极层和光学增强层的界面处无折射地从第一电极层入射到光学增强层，降低入射光线的损耗。
在其中一个实施例中，第一电极层为透明电极层。入射光线经过第一电极层时可以无损失或以较少损失地入射至光学增强层。
在其中一个实施例中，光学增强层表面为紧密排布的透明半球状结构。半球状结构使得入射光学有较大的入射角，在光学增强层和电泳介质层界面处不断发生全反射，最终以与入射光线损耗较少、偏差较少的出射光线发射出去。当然，在其他实施例中，光学增强层表面结构还可以是倒圆锥状、倒棱锥状等。
在其中一个实施例中，半球状结构中的半球直径为40微米至100微米之间，实现入射光线在光学增强层在电泳介质层界面处质量更好的全反射效果。
在其中一个实施例中，电子墨水封装在透明微胶囊或微杯内。通过使用微胶囊或微杯等透明微封装容器将电子墨水封装起来，可以将电子墨水与外界环境隔绝，保护电子墨水，提升其性能的稳定性。
在其中一个实施例中，在所述电子墨水中，所述电荷控制剂的质量百分比为0.01～10％，所述液晶的质量百分比为0.1～50％，所述电泳粒子的质量百分比为3.5～65％。在实际应用中，电子墨水中的电荷控制剂、液晶和电泳粒子的各自质量百分比可以根据实际需要的显示效果来进行具体设置。在一个具体的示例中，在上述电子墨水中，电荷控制剂的质量百分比为0.01～10％，例如可以是0.01％、0.05％、0.1％、0.5％、1.0％、3％、5％、8％或10％；液晶的质量百分比为0.1～50％，例如可以是0.1％、0.5％、1.0％、5.0％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％或50％；电泳粒子的质量百分比为3.5～65％，例如可以是3.5％、5.0％、8％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％或65％。
在其中一个实施例中，所述电子墨水还包括质量百分比不大于30％的增稠剂。在具体实施例中，电子墨水可以含有0.01％、0.1％、0.5％、1.0％、5.0％、8％、10％、15％、20％、25％或30％的增稠剂。增稠剂可以选自甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚异丁烯、聚乙烯吡咯烷酮和聚氧化乙烯中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述第一电极层、所述光学增强层、所述电泳介质层、所述配向层和所述第二电极层至少一者具有图案化结构，以使得该电子纸显示结构能够在电场的驱动作用下，入射光学在局部区域的光学增强层和电泳介质层的界面处发生全反射，或局部区域由于聚集有暗态电泳粒子而显示出暗态，或局部区域由于聚集有亮态电泳粒子而显示出亮态，进行图案化显示，在不同区域显示出不同的颜色和图案，提高对比度。
实施例中，电泳粒子是电泳显示的关键部分，起显示图像的作用，电泳粒子的性能直接影响了显示器件的性能。电泳粒子包括无机材料、有机材料以及金属材料。电泳粒子表面尽可能光滑，以减小运动阻力，粒径在10nm-5um之间。电子粒子表面带电。实施例中，电泳粒子可以为一种颜色的电泳粒子，如黑色电泳粒子，也可以是双色电泳粒子，如黑色电泳粒子和白色电泳粒子，还可以是多色电泳粒子。以双色电泳粒子为例，微胶囊内有两种电性相反，颜色不同的粒子分散在透明的液体中。当加入一定强度电压后，带电粒子会朝着相反的方向运动，显示出不同的颜色。例如，白色粒子带负电，黑色粒子带正电。当上极板带负电时，黑色粒子会向上运动，白色粒子会向下运动，从而显示出黑色。改变电场方向后，白色粒子会向上移动，黑色粒子向下移动，从而显示出白色。当撤掉电场，图像会保持白色，实现稳态显示。
电荷控制剂用于使电泳粒子表面带电，提高粒子在电场下的响应速度，同时利用电荷同性相斥的作用维持粒子的分散稳定性。电荷控制剂能在有机溶剂中发生电离，电离出来的一种离子能优先吸附在电泳粒子表面。在其中一些实施例中，电荷控制剂的重量百分比为0.01-10％。增稠剂用于增加液体的粘稠度。
液晶材料为向列相液晶、近晶相液晶、胆甾相液晶、蓝相液晶、铁电性液晶的一种或多种，其中，向列相液晶、近晶相液晶、胆甾相液晶、蓝相液晶、铁电性液晶为液晶材料。液晶具有流动性，能够有序排列并呈现出各向异性。液晶长棒的分子结构，在分子长轴和短轴方向上的介电常数不一样，使得液晶能够在外加电场下发生偏转。在实施例中，液晶材料的重量百分比为0.1-50％。
分散剂用于分散电泳粒子，可以为单一或复配的惰性有机溶剂，进一步的，可以为低极性或非极性有机溶剂。分散剂具有良好的化学和光学稳定性、较低的介电常数。在其中一些实施例中，分散介质包括硅氧烷、环氧化合物、芳烃、脂肪烃、卤代烃等。可选的，本实施例中，分散剂为低极性或非极性的有机溶剂。
所述配向材料层的材料选自聚苯乙烯及其衍生物(Polystyrene，PS)、聚肉桂酸乙烯酯、光敏聚酰亚胺、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)、聚对苯二甲酸类(Polyethyleneterephthalate，PET)、环氧树脂(Epoxy Resin，ER)、聚氨酯(Polyurethane，PU)、聚硅烷(polysilane)、聚亚酰胺(Polyimide，PI)、十二烷基三氯硅烷及其同类物、十四烷基三氯硅烷及其同类物、十六烷基三氯硅烷及其同类物、十八烷基三氯硅烷及其同类物中的一种或多种。
配向材料层的配向方式选自垂直配向(Vertical Alignment，VA)、水平配向(Twisted Nematic，TN)、多畴垂直配向(Multi-domain Vertically Aligned，MVA)、图形化垂直配向(Patterned Vertical Alignment，PVA)、平面转换配向(In-Plane Switching，IPS)、光学补偿弯曲排列配向(optically compensated Birefringence，OCB)中的一种或多种；
配向材料层的配向方法采用表面微形貌配向、单分子吸附配向、纳米颗粒沉积或光配向。
本发明实施例还提供一种电子纸显示装置(未图示)，包括控制模块、驱动模块以及如上述任一实施例提及的高对比度的电子纸显示结构。所述控制模块通过所述驱动模块连接所述电子纸显示结构，用于控制所述驱动模块施加电信号至所述电子纸显示结构，以驱动所述电子纸显示结构进行显示。
具体的，该电子纸显示装置包括前述的电子纸显示结构，并且在电子纸显示装置上还包括控制模块和驱动模块，电子纸显示结构与控制模块和驱动模块电连接。控制模块通过驱动模块连接电子纸显示结构，以控制该电子纸显示结构中施加到第一电极层和第二电极层上的电信号，从而改变电子纸显示结构的显示效果。其中，该电子纸显示装置为电子纸阅读器或电子纸标签。在电子纸显示装置中，该驱动模块输出驱动力，以驱动电子纸显示结构中电泳介质层的电子墨水和液晶的运动，实现快速响应显示出画面。其中，控制模块采用现有技术的IC控制模块或现有技术中其他的能够满足控制需求的电气控制单元，驱动模块采用现有技术的IC驱动模块或现有技术中其他的能够满足驱动需求的电气驱动单元。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种高对比度的电子纸显示结构，其特征在于，包括位于第一基板上的第一电极层和位于第二基板上的第二电极层，还包括位于所述第一电极层和所述第二电极层之间的光学增强层、电泳介质层以及配向层；
所述光学增强层，位于所述第一电极层上，所述光学增强层为具有第一折射率的聚合物材料；
所述电泳介质层，位于所述光学增强层之上，所述电泳介质层具有第二折射率，所述第一折射率大于所述第二折射率；所述电泳介质层包括电子墨水，所述电子墨水包括分散剂和分散在所述分散剂中的分散质，所述分散质包括电荷控制剂、电泳粒子以及液晶；
所述配向层，位于所述电泳介质层与所述第二电极层之间或所述电泳介质层与所述第一电极层之间的至少一处。
2.根据权利要求1所述的高对比度的电子纸显示结构，其特征在于，所述第一电极层的折射率等于所述光学增强层的第一折射率。
3.根据权利要求1所述的高对比度的电子纸显示结构，其特征在于，所述第一电极层为透明电极层。
4.根据权利要求1所述的高对比度的电子纸显示结构，其特征在于，所述光学增强层表面为紧密排布的透明半球状、四角锥状、圆锥状结构中的任意一种。
5.根据权利要求4所述的高对比度的电子纸显示结构，其特征在于，所述半球状结构中的半球直径为40微米至100微米。
6.根据权利要求1所述的高对比度的电子纸显示结构，其特征在于，所述电子墨水封装在透明微胶囊或微杯内。
7.根据权利要求1所述的高对比度的电子纸显示结构，其特征在于，在所述电子墨水中，所述电荷控制剂的质量百分比为0.01～10％，所述液晶材料的质量百分比为0.1～50％，所述电泳粒子的质量百分比为3.5～65％；所述液晶材料为向列相液晶、近晶相液晶、胆甾相液晶、蓝相液晶和铁电性液晶的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的高对比度的电子纸显示结构，其特征在于，所述电子墨水还包括质量百分比不大于30％的增稠剂。
9.根据权利要求1～8任一项所述的高对比度的电子纸显示结构，其特征在于，所述第一电极层、所述光学增强层、所述电泳介质层、所述配向层和所述第二电极层至少一者具有图案化结构。
10.一种电子纸显示装置，其特征在于，包括控制模块、驱动模块以及如权利要求1～9中任一项所述的高对比度的电子纸显示结构；
所述控制模块通过所述驱动模块连接所述电子纸显示结构，用于控制所述驱动模块施加电信号至所述电子纸显示结构，以驱动所述电子纸显示结构进行显示。
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