CN113056703A - 包含电泳材料的压敏书写介质 - Google Patents
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Abstract
公开了用于压敏电泳显示器的系统和方法，其可以可选地包括触觉反馈。显示器可以包括具有压敏电导率的第一导电层和与第一导电层相邻放置的电泳层，其中电泳层与第一导电层电连通并且被配置为基于施加到第一导电层的压力来局部地改变状态。还可以实现显示器的局部和全局书写和擦除。
Description
相关申请
本申请要求于2018年11月30日提交的美国临时申请No.62/773,891的优先权，其全部内容通过引用包含于此。
本文中引用的所有专利、专利申请和出版物的全部内容通过引用包含于此。
技术领域
本发明涉及电光显示器。更具体地，本发明涉及用于压敏电泳显示器或压敏磁电泳显示器的系统和方法。在一些实施例中，显示器包括触觉反馈。所描述的显示器可以廉价地制造并且可以用于书写和绘画，或者它们可以被结合到表面、触控面板等中。
背景技术
触觉反馈越来越多地被用于电子装置行业中。这些反馈方案中的大多数依赖于感测在某些情况下施加的力，然后通过诸如压电、声学等的致动器将该力传递给用户。被动触觉反馈机制在本领域中也是已知的。这些机制不需要额外的控制电路或额外的机械继电器。任何具有弹簧或刚度的系统都是该想法很好的示例。当弹簧被压缩/伸展时，由弹簧施加到其附接的表面的回复力增大。只要用户注意压缩/伸展弹簧，弹簧的刚度就会提供触觉反馈。
近来，被动触觉反馈已经被结合到各种显示器中，以便向显示器的用户提供增加的反馈和控制。这种被动触觉反馈通常被结合到允许用户在显示器上书写并产生显示状态变化的界面中。例如，器具上的触控面板显示器可以包括光学和触觉反馈，以指示按钮或功能已被激活。这种双反馈系统在家用电器中尤其重要，因为用户的视觉和听觉健康状况千差万别。例如，视觉障碍的用户需要触觉反馈来知道其已经成功地对微波炉设置了程序。
如本文中所使用的，“显示器”既包括使用像素化背板(通常被称为有源或无源矩阵)提供输出图像的视觉显示器，也包括那些整个模块是单个“像素”的显示器。在前一种情况下，在显示器上书写可以包括与数字转换器交互的触控笔，该数字转换器通过将数字化的触控笔移动映射到显示器的像素，从而与笔画的主动再现相结合。可替代地，尤其是在后面的单个像素显示器中，书写工具可以直接与介质交互，使得一些物理改变直接表现为光学性质的局部改变。这种直接交互有时被称为直接书写。
后一类的显示器包括Fisher Price MAGNA DOODLE以及Kent Displays BOOGIEBOARD。在MAGNA DOODLE的情况下，磁性触控笔将磁性粒子拉到观察表面，从而显示为书写。在BOOGIE BOARD中，压力的局部改变(由用硬塑料触控笔尖端书写所引起)使得胆甾相液晶材料的状态改变，从而导致黑色背景上的光散射。在BOOGIE BOARD中，可以通过在整个显示器上施加电场来擦除所施加的图像。完成此操作后，整个显示器恢复为暗状态；因此，这种擦除过程称为“全局”擦除。但是，在当前可获得的BOOGIE BOARD产品中，不能“局部”擦除书写；也就是说，用户可以擦除整个书写或绘画，但不能仅擦除其中的一部分。
鉴于以上内容，能够使用状态的真实改变来进行局部和全局书写以及擦除的显示器将为用户提供改善的自然书写体验。如果该书写功能还可获得触觉反馈，则体验将得到进一步改善。
发明内容
鉴于以上内容，存在对能够提供新颖的被动触觉反馈配置以及在多个状态之间进行局部和全局擦除的显示器的需求。本公开通过提供涉及具有被动触觉反馈的压敏电泳显示器的系统和方法来寻求扩展先前的电泳显示器技术。在一些方面，本公开的系统和方法为电泳显示器提供了局部和全局地改变状态的能力。与现有技术不同，该状态改变可以是从第一状态到第二状态或相反。由于可以以任一种形式书写，因此可以更自然地完成书写和擦除。
在一方面，本公开提供了一种压敏电泳显示器。该显示器可以包括具有压敏电导率的第一导电层(例如，包括压阻材料)和与第一导电层相邻放置的电泳层，其中电泳层与第一导电层电连通，并且被配置为基于施加到第一导电层的压力来局部地改变状态。
在另一方面，本公开提供了一种压敏电泳显示器。该显示器可以包括第一电极层和第二电极层，其中第一电极和第二电极被配置为在跨第一电极和第二电极施加电压时提供电势差。显示器还可以包括电泳层，其中电泳层位于第一电极和第二电极之间。显示器可以另外包括介电流体层，其中，介电流体层位于第一电极和电泳材料之间。向压敏电泳显示器上的位置施加压力使得介电流体层的至少一部分位移，从而使得位于该位置处的电泳层的一部分所经历的电场改变，从而导致电泳层中的局部状态改变。
在一方面，本公开提供了一种压敏电泳显示器。该显示器可以包括被配置为产生磁场的磁性层和包括电和磁可寻址的墨水介质的电泳层，该墨水介质被配置为基于所施加的压力局部地改变状态。显示器还可以包括位于磁性层和电泳层之间的可变形层，其中向压敏电泳显示器上的位置施加压力使得可变形层的至少一部分位移，从而使得在该位置处的电泳层的一部分经历磁场改变。磁场的改变使得电泳层中的状态局部改变。
在另一方面，本公开提供了一种用于使用本文所述的任何压敏电泳显示器的方法。该方法可以包括通过接触显示器来创建压力增加的区域的步骤，其中压力增加的区域产生显示状态的局部改变；以及产生显示状态的全局改变的步骤。这些步骤之一可以包括改变施加到电泳层的电场或磁场。显示状态的局部改变可以是显示状态的先前改变的局部擦除。
附图说明
图1A是具有处于未压缩状态的导电层的压敏电泳显示器构造的示例性图示。
图1B是具有处于压缩状态的导电层的压敏电泳显示器构造的示例性图示。
图2A是具有处于未压缩状态的导电层的压敏电泳显示器构造的另一示例性图示。
图2B是具有处于压缩状态的导电层的压敏电泳显示器构造的另一示例性图示。
图3A是具有均处于未压缩状态的两个导电层的压敏电泳显示器构造的示例性图示。
图3B是具有两个导电层的压敏电泳显示器构造的示例性图示，其中第一导电层处于压缩状态而第二导电层处于未压缩状态。
图3C是具有两个导电层的压敏电泳显示器构造的示例性图示，其中第一导电层处于未压缩状态而第二导电层处于压缩状态。
图4A是处于初始状态的压敏电泳显示器的另一示例性图示。
图4B示出了在将压缩力施加到显示器以使电泳层上方和下方的电极靠得更近从而产生显示状态的改变之后图4A的压敏电泳显示器。
图5A是包括磁性基板和可压缩介质的压敏磁电泳显示器的示例性图示。
图5B示出了当将压缩力施加到图5A的磁电泳显示器时所得到的状态改变。
图6是使用压敏电泳显示器的方法流程图。
图7是用手指寻址后的实验压敏电泳显示器的照片。
具体实施方式
作为应用于材料或者显示器的术语“电光”，其在此使用的是其在成像领域中的常规含义，指的是具有第一和第二显示状态的材料，该第一和第二显示状态的至少一个光学性质不同，通过向所述材料施加电场使该材料从其第一显示状态改变到第二显示状态。尽管光学性质通常是人眼可感知的颜色，但它可以是另一种光学性质，例如光透射、反射、发光，或者在用于机器阅读的显示器的情况下，在可见光范围之外的电磁波长的反射率的变化意义上的伪色。
从材料具有固态外表面的意义上来讲，某些电光材料是固态的，尽管材料可能而且经常确实具有内部填充液体或气体的空间。为了方便起见，这种使用固态电光材料的显示器在下文中可以被称为“固态电光显示器”。因此，术语“固态电光显示器”包括旋转双色构件显示器、封装的电泳显示器、微单元电泳显示器和封装的液晶显示器。
术语“双稳态的”和“双稳定性”在此使用的是其在本领域中的常规含义，指的是包括具有第一和第二显示状态的显示元件的显示器，所述第一和第二显示状态的至少一个光学性质不同，从而在利用有限持续时间的寻址脉冲驱动任何给定元件以呈现其第一或第二显示状态之后，在该寻址脉冲终止后，该状态将持续的时间是用于改变该显示元件的状态所需的寻址脉冲的最小持续时间的至少几倍(例如至少4倍)。在美国专利No.7,170,670中示出，支持灰度的一些基于粒子的电泳显示器不仅可以稳定于其极端的黑色和白色状态，还可以稳定于其中间的灰色状态，以及一些其它类型的电光显示器也是如此。这种类型的显示器被恰当地称为是“多稳态的”而非双稳态的，但是为了方便，在此可使用术语“双稳态的”以同时涵盖双稳态的和多稳态的显示器。
多年来一直是密集研究和开发的主题的一种类型的电光显示器是基于粒子的电泳显示器，其中多个带电粒子在电场的影响下移动通过流体。与液晶显示器相比，电泳显示器(也称为电泳显示器)可以具有良好的亮度和对比度、宽视角、状态双稳定性以及低功耗的属性。然而，这些显示器的长期图像质量的问题已经阻碍了它们的广泛使用。例如，构成电泳显示器的粒子易于沉降，从而导致这些显示器的使用寿命不足。
被转让给麻省理工学院(MIT)和伊英克公司或以它们的名义的许多专利和申请描述了用于封装的电泳和其他电光介质的各种技术。封装的电泳介质包括许多小囊体，每一个小囊体本身包括内相以及包围内相的囊壁，其中所述内相含有在流体介质中的可电泳移动的粒子。典型地，囊体本身保持在聚合物粘结剂中以形成位于两个电极之间的连贯层。可替代地，在微单元电泳显示器中，带电粒子和流体不封装在微囊体内，而是保持在形成于载体介质(通常是聚合物薄膜)内的多个腔体内。术语“微腔电泳显示器”可用于覆盖封装的和微单元电泳显示器。在这些专利和申请中描述的技术包括：
(a)电泳粒子、流体和流体添加剂；参见例如美国专利No.7,002,728；和7,679,814；
(b)囊体、粘结剂和封装工艺；参见例如美国专利No.6,922,276；和7,411,719；
(c)微单元结构、壁材料和形成微单元的方法；参见例如美国专利No.7,072,095；和9,279,906；
(d)用于填充和密封微单元的方法；参见例如美国专利No.7,144,942；和7,715,088；
(e)包含电光材料的薄膜和子组件；参见例如美国专利No.6,982,178；和7,839,564；
(f)用于显示器中的背板、粘合剂层和其他辅助层以及方法；参见例如美国专利No.7,116,318；和7,535,624；
(g)颜色形成和颜色调节；参见例如美国专利No.7,075,502；和7,839,564；
(h)用于驱动显示器的方法；参见例如美国专利No.7,012,600；和7,453,445；
(i)显示器的应用；参见例如美国专利No.7,312,784；和8,009,348；
(j)非电泳显示器，如在美国专利No.6,241,921；和美国专利申请公开No.2015/0277160；2015/0005720；和2016/0012710中所述。
许多前述专利和申请认识到在封装的电泳介质中围绕离散的微囊体的壁可以由连续相替代，由此产生所谓的聚合物分散型的电泳显示器，其中电泳介质包括多个离散的电泳流体的液滴和聚合物材料的连续相，并且在这种聚合物分散型的电泳显示器内的离散的电泳流体的液滴可以被认为是囊体或微囊体，即使没有离散的囊体薄膜与每个单独的液滴相关联。因此，为了本申请的目的，这样的聚合物分散型的电泳介质被认为是封装的电泳介质的子类。
术语“冲激(impulse)”在此使用的是其常规含义，即电压关于时间的积分。然而，一些双稳态电光介质用作电荷转换器。对于这种介质，可以使用冲激的替代定义，即电流关于时间的积分(其等于施加的总电荷)。根据介质是用作电压-时间冲激转换器或者用作电荷冲激转换器，应当使用合适的冲激定义。
许多前述专利和申请认识到在封装的电泳介质中围绕离散的微囊体的壁可以由连续相替代，由此产生所谓的聚合物分散型的电泳显示器，其中电泳介质包括多个离散的电泳流体的液滴和聚合物材料的连续相，并且在这种聚合物分散型的电泳显示器内的离散的电泳流体的液滴可以被认为是囊体或微囊体，即使没有离散的囊体薄膜与每个单独的液滴相关联；参见例如前述的美国专利No.6,866,760。因此，为了本申请的目的，这样的聚合物分散型的电泳介质被认为是封装的电泳介质的子类。
一种相关类型的电泳显示器是所谓的“微单元电泳显示器”。在微单元电泳显示器中，带电粒子和流体不被封装在微囊体内，而是保持在载体介质(通常是聚合物膜)内形成的多个空腔中。参见，例如，转让给SiPix Imaging公司的美国专利No.6,672,921和6,788,449。
虽然电泳介质通常是不透明的(因为，例如在很多电泳介质中，粒子基本上阻挡可见光透射通过显示器)并且在反射模式下工作，但许多电泳显示器可以制成在所谓的“快门模式(shutter mode)”下工作，在该模式下，一种显示状态是基本上不透明的，而一种显示状态是透光的。参见例如美国专利No.5,872,552、6,130,774、6,144,361、6,172,798、6,271,823、6,225,971和6,184,856。与电泳显示器类似，但依赖于电场强度的变化的介电泳显示器可以以类似的模式操作；参见美国专利No.4,418,346。其他类型的电光显示器也能够在快门模式下工作。在快门模式下工作的电光介质可以用于全色显示器的多层结构；在这种结构中，邻近显示器的观察表面的至少一层在快门模式下工作，以暴露或隐藏更远离观察表面的第二层。其他类型的电光介质也可以用于本发明的显示器中。
封装的电泳显示器通常不受传统电泳装置的聚集和沉降故障模式的困扰并提供更多的优点，例如在多种柔性和刚性基板上印刷或涂布显示器的能力。(使用词“印刷”旨在包括印刷和涂布的所有形式，包括但不限于：诸如修补模具涂布、狭缝或挤压涂布、滑动或层叠涂布、幕式涂布的预先计量式涂布；诸如罗拉刮刀涂布、正向和反向辊式涂布的辊式涂布；凹面涂布；浸渍涂布；喷涂；弯月面涂布；旋转涂布；刷涂；气刀涂布；丝网印刷工艺；静电印刷工艺；热印刷工艺；喷墨印刷工艺；电泳沉积(参见美国专利No.7,339,715)；以及其他类似技术。)因此，所产生的显示器可以是柔性的。另外，因为显示介质可以(使用多种方法)被印刷，所以显示器本身可以被便宜地制造。
其他类型的电光材料也可以用于本发明中。
电泳显示器通常包括电泳材料层和布置在电泳材料的相对侧上的至少两个其他层，这两个层之一是电极层。在大多数这样的显示器中，两个层都是电极层，并且电极层中的一个或两个被图案化以限定显示器的像素。例如，一个电极层可以被图案化为细长的行电极，而另一个可以被图案化为与行电极成直角延伸的细长的列电极，像素由行电极和列电极的交叉点限定。可替代地，并且更通常地，一个电极层具有单个连续电极的形式，而另一电极层被图案化成像素电极矩阵，每个像素电极限定显示器的一个像素。在旨在与触控笔、打印头或类似的与显示器分离的可移动电极一起使用的另一类型的电泳显示器中，仅与电泳层相邻的层中的一个层包括电极，在电泳层的相对侧上的层通常是旨在防止可移动电极损坏电泳层的保护层。
在又一个实施例中，例如在美国专利No.6,704,133中所述，电泳显示器可以被构造为具有两个连续的电极、电泳层和在电极之间的光电导层。因为光电导材料随着光子的吸收而改变电阻率，所以可以使用入射光来改变电泳介质的状态。在图1中示出了这样的装置。如在美国专利No.6,704,133中所述，当由位于显示器的与观察表面相对侧上的发射源(例如LCD显示器)驱动时，图1的装置效果最好。在一些实施例中，美国专利No.6,704,133的装置在前电极和光电导材料之间包含特殊的阻挡层，以减少由来自显示器前面的入射光泄漏通过反射电光介质而引起的“暗电流”。
前述的美国专利No.6,982,178描述了一种组装固态电光显示器(包括封装的电泳显示器)的方法，该方法非常适合于批量生产。实质上，该专利描述了一种所谓的“前平面层压板”(“FPL”)，其依次包括透光的导电层、与导电层电接触的固态电光介质层、粘合剂层和释放片。通常，透光的导电层将被承载在透光的基板上，基板优选是柔性的，在这种意义上，基板可以被手动地缠绕在(例如)直径10英寸(254毫米)的滚筒上而不会永久变形。在本文中使用术语“透光的”是指这样指定的层透射足够的光，以使观察者能够透过该层观察电光介质的显示状态的变化，这通常将通过导电层和相邻基板(如果存在)观察。在电光介质显示不可见波长的反射率变化的情况下，术语“透光的”应该被解释为涉及相关不可见波长的透射。基板通常是聚合物膜，并且通常将具有约1至约25密耳(25至634微米)，优选地约2至约10密耳(51至254微米)的范围的厚度。导电层便利地是例如铝或ITO的薄金属或金属氧化物层，或者可以是导电聚合物。涂布有铝或ITO的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)膜可商购获得，例如购自特拉华州威尔明顿市的杜邦公司(E.I.du Pont de Nemours&Company)的“镀铝Mylar”(“Mylar”是注册商标)，并且这样的商业材料可以在前平面层压板中有好的效果。
在任何给定的介质具有两个极端光学状态以及介于两个极端光学状态之间的一定范围的灰度的意义上，许多类型的电光介质基本上是单色的。但是，如今，即使对于小型便携式显示器，对全色显示器的需求也在不断增长；例如，当今移动电话上的大多数显示器都是全色的。为了使用单色介质提供全色显示，要么需要放置滤色镜阵列(其中，可以通过滤色镜阵列观察显示器)，要么将能够显示不同颜色的不同电光介质的区域彼此相邻放置。
电泳显示器通常包括电泳材料层和布置在电泳材料的相对侧上的至少两个其他层，这两个层之一是电极层。在大多数这样的显示器中，两个层都是电极层，并且电极层中的一个或两个被图案化以限定显示器的像素。例如，一个电极层可以被图案化为细长的行电极，而另一个可以被图案化为与行电极成直角延伸的细长的列电极，像素由行电极和列电极的交叉点限定。可替代地，并且更通常地，一个电极层具有单个连续电极的形式，而另一电极层被图案化成像素电极矩阵，每个像素电极限定显示器的一个像素。在旨在与触控笔、打印头或类似的与显示器分离的可移动电极一起使用的另一类型的电泳显示器中，仅与电泳层相邻的层中的一个层包括电极；在电泳层的相对侧上的层通常是旨在防止可移动电极损坏电泳层的保护层。
封装的电泳介质通常包括布置在聚合物粘结剂中的电泳囊体，所述聚合物粘结剂用于将离散的囊体形成为连贯层。聚合物分散型的电泳介质中的连续相和微单元介质的单元壁起着相似的作用。伊英克研究人员发现，在电泳介质中用作粘结剂的特定材料会影响介质的电光性质。在受粘结剂选择影响的电泳介质的电光性质中，有所谓的“停留时间依赖性”。已经发现，至少在某些情况下，双稳态电泳显示器的两个特定光学状态之间的转变所必需的冲激随像素在其初始光学状态中的停留时间而变化，这种现象称为“停留时间依赖性”或“DTD”。显然，期望使DTD尽可能小，因为DTD可能影响驱动显示器的难度以及所产生图像的质量；例如，DTD可能导致应该形成均匀灰色区域的像素的灰度彼此略有不同；这可能是个问题，因为人眼对这种变化非常敏感。尽管已经知道粘结剂的选择影响DTD，但是迄今为止，对于任何特定的电泳介质选择合适的粘结剂都是基于反复试验，基本上不了解DTD与粘结剂的化学性质之间的关系。
如本文中所使用的，“被动触觉反馈”可被认为是通过向用户施加力来重新产生触觉的反馈，并且其无需使用额外的控制电路或额外的机械继电器即可实现此目的。该触觉反馈可以提供由用户体验的变化水平的力。
如本文中所使用的，术语“局部书写”和“局部擦除”是指仅在压敏显示器的特定区域内发生的状态改变。通常，该区域可能与施加压力的区域重叠并由其产生。是否将局部状态改变视为书写或擦除通常取决于用户的意图和情境。
如本文中所使用的，术语“全局书写”和“全局擦除”是指在大的区域或整个压敏显示器内发生的状态改变。通常，全局擦除可能是由整个电泳层所经历的电场或磁场改变所引起的。是否将全局状态改变视为书写或擦除通常取决于用户的意图和情境。
尽管本公开的压敏显示系统和方法经常被解释为用于电子书写器中，但是本领域技术人员将理解，本文公开的教导可以应用于需要光学和触觉反馈的许多情况。
除非上下文另外指出，否则本文描述的压敏显示器的电泳层可以包括上述任何构造。电泳层可以包括微单元电泳显示器构造。电泳层可以包括封装的电泳显示器构造。电泳层可以包括具有电泳迁移率的第一组粒子和具有电泳迁移率的第二组粒子，其中第一组粒子与第二组粒子具有不同的颜色。电泳层还可以包括具有电泳迁移率的第三组粒子，其具有与第一组和第二组不同的颜色。
电泳介质的粒子通常包括一种或多种颜料类型。颜料可以是电可控且磁可控的，即磁电泳。在多颜料显示器中，仅颜料类型可以是电可控且磁可控的。多颜料显示器的示例是包括白色颜料粒子和黑色颜料粒子的显示器。例如，黑色颜料粒子可以是电可控且磁可控的。市售的磁性粒子，例如Bayferrox 8600、8610；Northern Pigments 604、608；Magnox104、TMB-100；Columbian Mapico Black；Pfizer CX6368和CB5600等，其可以单独使用或者与其他颜料组合使用以产生电可控且磁可控的颜料。白色颜料可以是例如二氧化钛。
可以用聚合物对颜料进行表面官能化，以控制颜料的电荷和空间性质。另外，电泳介质中通常包含电荷控制剂，以获得颜料类型所期望的电动电势(zeta potential)。因此，例如，本发明的电泳介质通常将包含至少一种电荷控制剂以控制各种粒子上的电荷。电泳流体可以溶解或分散在聚合物中，该聚合物的数均分子量超过约20,000，并且基本上不吸附在粒子上以改善显示器的双稳定性，例如，如美国专利No.7,170,670中所述。
在一方面，本公开提供了一种压敏电泳显示器。该显示器可以包括具有压敏电导率的第一导电层和与第一导电层相邻放置的电泳层，其中电泳层与第一导电层电连通，并且被配置为基于施加到第一导电层的压力来局部地改变状态。
当受到施加的压力并导致体积改变时，第一导电层的电导率可以改变。例如，第一导电层在压缩期间可以变得更导电。第一导电层可以被配置为提供回复力，其中该回复力用于使第一导电层返回到初始状态。由于第一导电层的机械性质，该回复力可以向显示器的任何用户提供被动触觉反馈。以这种方式，显示器的任何用户都可以体验光学和触觉反馈。
如下所述，可以理解的是，压敏显示器中的“导电层”具有例如随变形或压缩而改变的电导率。例如，可以将诸如掺杂的锗的压阻材料用作压敏导体。可替代地，可以使用具有定向的导电粒子的聚合物。当例如由于变形或压力而改变聚合物的形状或密度时，材料的电导率改变。聚合物可以是聚乙烯或聚酯，并且定向的导电粒子可以是碳纳米管或金属晶须。可替代地，可以使用特殊设计的材料，例如垂直定向的导电嵌段共聚物膜。参见，例如，Singh等人，“Large-Scale Roll-to-Roll Fabrication of Vertically OrientedBlock Copolymer Thin Films”，ACSNano.2013,7(6),pp5291–5299。
在压敏电泳显示器的情况中，当第一导电层经历压缩时，压缩的层可以更好地传导施加的电荷，这可以产生电泳层的相应的状态改变。施加电荷的电连接源可以是本领域中通常已知的任何源，例如电池或电压供应。电泳层的状态改变可以是从第一状态到一个或多个其他状态的明显改变。例如，从白色到黑色。可替代地，该改变可以在两个或更多个状态之间逐渐发生。例如，从第一状态起，基于施加的压力的大小和随后导电层的压缩逐渐改变颜色、反射率、亮度或其他光学性质。
图1A描绘了具有第一导电层102和电泳层104的压敏电泳显示器100。第一导电层被描绘为处于未压缩状态。在该图中，第一导电层和电泳层可以实际上被认为是串联电连接的。图1B描绘了在稍后的时间当第一导电层102已经经历压缩时的同一显示器100。这种压缩允许足够的电流流过第一导电层102以产生电泳成像装置104的状态改变。为清楚起见，未示出显示器的状态改变以及电泳显示器的各种其他部件。存在的电荷未示出，而是由符号“V”表示。从未压缩状态(图1A)到压缩状态(图1B)的转变将导致施加电荷“V”的源与电泳层之间的电阻减小。由于电阻减小，电泳层104将经历更强的电场，该电场足以使电泳层104改变显示状态。在第一导电层具有抗压缩性(其是常见的)的情况中，显示器100可以被结合到例如按钮以向用户提供视觉和触觉反馈。
图2A描绘了具有第一导电层202和电泳层204的压敏电泳显示器200的第二实施例。第一电极层206介于这两个层之间并与之电连接。该第一电极层电连接到固定限流电阻器210。在该图中，第一导电层和电泳层可以实际上被认为是并联电连接的。图2B描绘了在稍后的时间当第一导电层202已经经历压缩时的同一显示器200。这种压缩允许足够的电流流过第一导电层202以产生电泳显示器204的状态改变。在该配置中，施加压力的大小可以使得电泳层204所经历的电荷电势增加或降低。为了清楚起见，未示出显示器的状态改变以及电泳显示器200的各种其他部件。存在的电荷未示出，而是由“V”和附加的较低的“-V”表示。
图3A描绘了具有第一导电层302、第二导电层303和电泳层304的压敏电泳显示器300的第三实施例。第一电极306介于第一导电层302和第二导电层303之间，并与第一层302接触并电连通。第二电极层308也介于第一导电层302和第二导电层303之间并与第二导电层303接触并电连通。绝缘层307位于第一电极层306和第二电极层308之间。第三电极309介于第二导电层303和电泳层304之间，并与两者接触并电连通。第一固定限流电阻器310电连接到第二电极层308。第二固定限流电阻器311电连接到第一电极层306和第三电极层309。在该图中，第一导电层302和电泳层304可以实际上被认为是串联电连接的。第二导电层303和电泳层304可以实际上被认为是并联电连接的。存在的电荷未示出，而是由“V”和附加的较低的“-V”表示。
图3B描绘了在稍后的时间当第一导电层302已经经历压缩时的同一显示器300。因为第一导电层302中的变形主导第二导电层303的变形，所以电泳层304所经历的电荷电势将被拉向“-V”。为了仅在一层中产生这样的隔离压缩，第一导电层302可以具有比第二导电层303低的屈服强度和/或刚度。机械性质中的该差异允许施加较低的大小和/或持续时间的压力以仅压缩第一导电层302。施加压力的减小可以允许显示器300返回到图3A中描绘的初始状态。
图3C再次描绘了在稍后的时间当第二导电层303已经经历压缩时的同一显示器300。因为第二导电层303中的变形主导第一导电层302的变形，所以电泳层304所经历的电荷电势将被拉向“V”。为了产生这样的隔离压缩，第一导电层302可以再次具有比第二导电层303高的屈服强度和/或刚度。机械性质中的该差异允许施加较高的大小和/或持续时间的压力以压缩第二导电层303。施加压力的减小可以允许显示器300返回到图3A中描绘的初始状态。
可以针对意图使用显示器的应用来特别地定制一个或多个导电层的材料性质。各种应用可能需要由施加压力的大小、持续时间和频率造成的的不同的灵敏度要求。该一个或多个导电层可能需要具有特定的压缩强度、弹性、刚度、拉伸强度、韧性或屈服强度性质。该一个或多个导电层可以包括压阻材料。
尽管图1A-3C描绘了显示器的元件经常以线性布置彼此接触，但是本领域技术人员可以将这些教导应用于多种配置，包括其中一个或多个导电层与电泳成像显示器空间上分离的布置。另外，可以将电泳层设计为具有低的成像稳定性，从而使快速状态改变成为可能。
在另一方面，本公开提供了一种压敏电泳显示器。该显示器可以包括第一电极层和第二电极层，其中第一电极和第二电极被配置为提供电势差。显示器还可以包括电泳层，其中电泳层位于第一电极和第二电极之间，并且被配置为基于施加到第一电极层的压力来局部改变状态。在该实施例中，当可压缩层处于未压缩状态时，可压缩层(非压阻的)将电极分离。可压缩层可以是介电流体层，其中，介电流体层包括介电流体并且位于第一电极和电泳材料之间。
电泳层可以进一步被配置为局部地改变状态回到初始状态。例如，如果在显示器的局部区域中状态的初始改变是从白色至黑色，则可以通过反向电极的极性将该相同的局部区域从黑色变为白色。该局部擦除也可以由施加压力的大小和/或持续时间的改变而引起。施加压力的大小和/或持续时间的这种改变还可以伴随着来自第一电极层和第二电极层的电势差的改变。另外，通过改变电势差或施加清除波形(施加的脉冲)，电泳层可以全局改变为均匀状态。该全局擦除可用于有效地将显示器重置为期望的状态。例如，显示器可以从局部白色和黑色状态都出现在显示器上的状态全局地改变为全白色状态。
图4A描绘了具有第一电极层401、第二电极层402以及位于第一和第二电极层之间的电泳层404的压敏电泳显示器400。电泳层404通常是封装的，例如封装在明胶中。可替代地，电泳层404可以包括多个预制的填充有电泳材料的微单元。电泳层还可以包括聚合物分散型的电泳介质，即，如以上所列专利中所述。电极层可以电连接至一个或多个电荷源和电子部件(其未示出)。电极层可以包含铟锡氧化物、PEDOT(聚(3,4-乙烯二氧噻吩))或其他聚合物，例如额外包括导电基质材料的聚乙烯(导电基质材料例如金属薄片、晶须或原纤维)，或富勒烯型化合物，例如碳纳米管或石墨烯。尽管仅示出了两个电极，但是额外的电极可以存在于显示器400内并且用于产生不同的电势差。
可压缩层，其是介电流体层403，位于第一电极层401和电泳层404之间。介电流体层403、第一电极层401和第二电极层402可以是透明的或接近透明的。介电流体可以包括具有低的相对介电常数的介电溶剂，例如碳氢化合物、氯化烃类和碳氟化合物。介电流体可以选自由石脑油、C8-C11异烷烃、全氟化碳、石蜡、PTFE、聚乙烯、硅油或其组合组成的组。介电流体可以掺杂有离子电荷载体，例如盐或导电单体或聚合物，以将相对介电常数改变为最佳值。介电流体层可以具有在2和6之间的相对介电常数，例如，介电流体层可以具有在2和4之间的相对介电常数。
在图4A的显示器400中还描绘了接触第一(透明)电极401的柔性盖406。柔性盖406可以是透明的或接近透明的，另外还具有本领域公知的其他显示器盖光学性质。显示器400还可以包括可以接触介电流体层403和电泳层404的侧壁412。基板层408可以接触第二电极层402和后板410。基板408可以是柔性的并且后板410可以被配置为向基板408以及显示器400的其他部件提供结构支撑。例如，后板410可以改善显示器400的整体刚度。粘合剂层(未示出)可以存在于任何部件层之间以帮助维持层之间的接触。例如，导电粘合剂层可以位于第二电极402和电泳成像材料404之间。
一个或多个结构构件414可以位于介电流体层403内。结构构件414可以被配置为通过提供回复力或对任何施加压力的抵抗力来维持介电流体层403的均匀高度。结构构件414可以选自由珠、线、网格及其组合组成的组。结构构件404可以包括聚合物材料。
图4B再次描绘了在稍后的时间当物体416已经施加压力时的同一显示器400。物体416可以是手指、触控笔或其他能够产生足够压力以在介电流体层403中产生变形区域的物品。由于物体416所施加的压力，柔性盖406和第一(透明)电极401弯曲以在介电流体层403中产生变形区域。显示器400内的该移动允许第一电极层401移动更靠近电泳层404。基于提供给第一电极层401和/或第二电极层402的电荷，电泳层404可以局部改变状态。状态的这种改变可以是从初始状态到第二状态或从第二状态回到初始状态。例如，显示器400可以局部地从白色改变为黑色，这可以被认为是局部书写。随着供应给第一电极层401和/或第二电极层402的电荷改变，然后显示器400可以局部地从黑色改变为白色，这可以被认为是局部擦除。另外，可以通过改变提供给第一电极层401和/或第二电极层402的电荷的大小来将电泳层404全局地改变为均匀状态。这种改变可以是脉冲形式。对于全局改变，可以不必施加压力。
在一方面，本公开提供了一种压敏磁电泳显示器。该显示器可以包括被配置为产生磁场的磁性层和包括可寻址墨水介质的磁电泳层，该磁电泳层响应于电场和磁场并且被配置为基于施加的压力局部地改变状态。显示器还可以包括位于磁性层和电泳层之间的可变形层，其中向压敏电泳显示器上的位置施加压力使得可变形层的至少一部分位移，从而使得位于该位置处的电泳层的一部分经历磁场改变，从而导致电泳层中的状态局部改变。
电泳层可以进一步被配置为局部地改变状态回到初始状态。例如，如果在显示器的局部区域中状态的初始改变是从白色至黑色，则该相同的局部区域可以从黑色变为白色。该局部擦除可以由施加压力的大小和/或持续时间的改变而引起。施加压力的大小和/或持续时间的这种改变还可以伴随着由磁性层产生的磁场的磁性和/或方向的改变。另外，通过向电泳层施加电压脉冲，显示器可以全局改变为均匀状态。该全局擦除可用于有效地将显示器重置为期望的状态。例如，显示器可以从局部白色和黑色状态都出现在显示器上的状态全局地改变为全白色状态。
图5A描绘了具有磁性层501、磁电泳层504和位于其之间的可变形层503的压敏磁电泳显示器500。尽管所描绘的磁电泳层504与封装的电泳显示器配置一致，但是其他电泳显示器配置可以容易地替代。磁性层501可以包括永磁体或用于产生磁场的系统。例如，磁性层501可以包括永磁体或其上缠绕有载流导线线圈的可磁化材料片的聚合物复合材料。可变形层503可以包括聚合物、流体或可以容易地压缩的一些其他材料。可变形层503包括选自由凝胶、泡沫或粘性液体组成的组的材料。例如，可变形层可以包含介电流体，例如硅油、硅凝胶、聚氨酯泡沫、聚乙烯泡沫、聚酯泡沫、非导电油脂或重油。显示器中还可以存在附加部件，例如柔性盖、背板、电极层、一个或多个电荷源以及电子部件。
图5B再次描绘了在稍后的时间当物体516已经施加压力时的同一显示器500。物体516可以是手指、触控笔或其他能够产生足够压力以在可变形层503中产生变形区域的物品。由于物体516所施加的压力，磁电泳层504可以弯曲以在可变形层503中产生变形区域。显示器内的该移动允许磁电泳层504移动更靠近磁性层501。与磁性层501更接近的局部区域可经历增大的磁力并局部改变状态。另外，可以将电脉冲施加到磁电泳层504。状态的改变可以是从初始状态到第二状态或从第二状态回到初始状态。例如，显示器500可以局部地从白色改变为黑色，这可以被认为是局部书写。随着由磁性层501产生的磁场和/或向磁电泳层504施加的电脉冲的改变，施加的压力可以使得显示器500局部地从黑色改变为白色，这可以被认为是局部擦除。另外，可通过改变磁场的大小或向磁电泳层504施加电荷的大小来将磁电泳层504全局地改变为均匀状态。对于全局改变，可以不必施加压力。
在另一方面，本公开提供一种用于使用本文所述的任何压敏显示器的方法。该方法可以包括第一步骤：通过接触显示器来创建压力增加的区域，其中压力增加的区域产生显示状态的局部改变。
图6描绘了用于使用压敏电泳显示器的方法流程图700。该方法包括第一步骤601：通过接触显示器来创建压力增加的区域。
在该方法中，创建压力增加的区域可以包括用手指、触控笔或其他能够产生足够压力的物品接触显示器。显示状态的局部改变可以是显示状态的先前改变的局部擦除。该方法可以进一步包括第二步骤：产生显示状态的全局改变。产生全局或局部改变还可以包括改变施加到电泳层的电场或磁场。
示例
提供以下示例以展示和进一步说明本公开的某些实施例和方面，并且不应解释为限制本公开的范围。
示例1
图7是根据本公开的教导构造的实验压敏电泳显示器的图像。图7的装置的整体结构类似于图4A和4B。该实验显示器使用透明电极和石墨电极以及介电流体层来提供被动触觉反馈以及局部和全局书写和擦除。用手指成功地将消息“Hello,world！”书写在显示器上。具有介电流体(硅油，Dow-Corning)的区域是环绕该消息的较小的浅色矩形。较大的矩形基板实际上是“标准的”诸如构造各种电子阅读器所使用的伊英克前面板层压板。柔性盖是聚乙烯，以及透明电极层是PET-ITO。电泳介质包括分散在石脑油中的白色和黑色带电粒子，以及电泳介质封装在明胶-阿拉伯树胶囊体中。
因此，本公开提供了涉及具有被动触觉反馈的压敏电泳显示器的系统和方法。
尽管已经参考某些实施例相当详细地描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可以通过除了所述实施例之外的其他实施例来实践本发明，所述实施例出于说明而非限制的目的而提出。因此，所附权利要求的范围不应限于本文所包含的实施例的描述。
Claims (21)
1.一种压敏电泳显示器，所述显示器包括：
具有第一压敏电导率的第一导电层；以及
与所述第一导电层相邻放置的电泳层，其中所述电泳层与所述第一导电层电连通并且被配置为基于施加到所述第一导电层的压力来局部地改变状态。
2.根据权利要求1所述的显示器，其中，所述第一导电层被配置为提供回复力，其中，所述回复力用于使所述第一导电层返回到初始状态。
3.根据权利要求1所述的显示器，其中，所述第一导电层包括压阻材料。
4.根据权利要求1所述的显示器，其中，所述第一导电层并联或串联电连接至所述电泳层。
5.根据权利要求1所述的显示器，还包括电极层，其中所述电极层接触所述第一导电层和所述电泳层。
6.根据权利要求1所述的显示器，还包括第二导电层，所述第二导电层具有第二压敏电导率并且并联电连接至所述电泳层。
7.根据权利要求6所述的显示器，其中，所述第一导电层的机械性质与所述第二导电层的机械性质不同。
8.根据权利要求1所述的显示器，其中，施加到所述第一导电层的压力的大小或持续时间中的至少一个影响所述电泳层的状态改变。
9.根据权利要求1所述的显示器，其中，施加减小的压力使所述电泳层返回到初始状态。
10.根据权利要求1所述的显示器，还包括与所述第一导电层或所述电泳层中的至少一个电连通的固定限流电阻器。
11.一种压敏电泳显示器，所述显示器包括：
第一电极层；
第二电极层，其中第一电极和第二电极被配置为在跨所述第一电极和第二电极施加电压时提供电势差；
位于所述第一电极和所述第二电极之间的电泳层；以及
介电流体层，其包括介电流体并且位于所述第一电极和所述电泳层之间；
其中向所述压敏电泳显示器上的位置施加压力使得所述介电流体层的至少一部分位移，从而使得位于所述位置处的所述电泳层的一部分经历电场改变，从而导致所述电泳层中的状态局部改变。
12.根据权利要求11所述的显示器，其中，所述电泳层还被配置为局部地改变状态回到初始状态。
13.根据权利要求12所述的显示器，其中，所述电泳层被配置为基于所施加的压力和所施加的电势差的改变从第一状态局部地改变为第二状态，或者从所述第二状态局部地改变为所述第一状态。
14.根据权利要求11所述的显示器，还包括一个或多个结构构件，其中所述一个或多个结构构件位于所述第一电极层和所述电泳层之间。
15.根据权利要求11所述的显示器，其中，所述电泳层包括具有电泳迁移率的第一组粒子和具有电泳迁移率的第二组粒子，其中所述第一组粒子与所述第二组粒子具有不同的颜色。
16.一种压敏电泳显示器，所述显示器包括：
磁性层，其被配置为产生磁场；
电泳层，其包括电和磁可寻址的墨水介质，并被配置为基于所施加的压力局部地改变状态；以及
可变形层，其位于所述磁性层和所述电泳层之间，
其中向所述压敏电泳显示器上的位置施加压力使得所述可变形层的至少一部分位移，从而使得位于所述位置处的电泳层的一部分经历磁场改变，从而导致所述电泳层中的状态局部改变。
17.根据权利要求16所述的显示器，其中，所述电泳层被配置为基于所施加的压力以及所述磁场的大小或方向从第一状态局部地改变为第二状态，或者从所述第二状态局部地改变为所述第一状态。
18.根据权利要求16所述的显示器，其中，所述可变形层包括选自由凝胶、泡沫或粘性液体组成的组的材料。
19.根据权利要求16所述的显示器，其中，所述电泳层包括具有电泳迁移率的第一组粒子和具有电泳迁移率的第二组粒子，其中所述第一组粒子与所述第二组粒子具有不同的颜色。
20.一种用于使用权利要求1所述的压敏电泳显示器的方法，所述方法包括：
A)通过接触所述显示器来创建压力增加的区域，其中所述压力增加的区域产生显示状态的局部改变；
B)产生显示状态的全局改变。
21.一种用于使用权利要求11所述的压敏电泳显示器的方法，所述方法包括：
A)通过接触所述显示器来创建压力增加的区域，其中所述压力增加的区域产生显示状态的局部改变；
B)产生显示状态的全局改变。
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