CN113168064A - 磁电泳书写介质中的亚阈值寻址和擦除 - Google Patents

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Abstract

一种磁电泳介质，其可以全局和局部寻址和擦除。该介质提供了一种可写显示器，其没有可感知的滞后，并且具有仅需要最小的功耗进行书写和擦除的能力。特别地，可以通过提供亚阈值电刺激并补充第二非电刺激来擦除磁电泳介质，该第二非电刺激扰乱书写状态并允许磁电泳粒子返回到其原始状态。

Description

磁电泳书写介质中的亚阈值寻址和擦除
相关申请
本申请要求2018年12月21日提交的美国临时专利申请No.62/784,301和2019年1月7日提交的美国临时专利申请No.62/789,239的优先权。公开的所有专利、专利申请和参考文献以其全部内容通过引用包含于此。
技术领域
本文描述的技术涉及磁性可寻址的显示器以及相关设备和方法。
背景技术
几十年来，电子纸研究的目标一直是匹配在纸上书写的体验，或者以更大尺寸以模仿在粉笔板或白板上绘画的感觉和外观。参见A.Henzen，J.van de Kamer，“The presentand future of electronic paper”，Journal of the S.I.D.14/5,437–442(2006)。由于电泳显示器是环境光的朗伯反射体，其在室内以及在直射阳光下均具有出色的对比度，因此电泳显示器提供了类似纸张的阅读和观看体验。然而，可写电泳装置的当前商业实施例对于每次电图像刷新都需要数十毫秒。因此，当触控笔经由触摸传感器与显示介质相互作用时，在传送关于将由显示控制器渲染的线的信息时存在额外的延迟。结果在书写动作和图像在显示器上出现之间的延迟可能在50-100毫秒的量级。参见例如，SONY DPT-RP1可写平板电脑，其包括由伊英克公司制造的电泳显示器。
使用触控笔直接书写至电子/可重写墨水上的方法将是优选的，所述触控笔可以位于非常接近有源层的位置，从而增加了移动触控笔的自然反馈并看到下面所创建的图像。具有这种响应的简单装置已知有一段时间，但是它们更典型地被结合到玩具中。例如，一种磁性画板，其包括由磁性触控笔或磁性图章寻址的铁磁性粒子的悬浮液。Pilot公司在1970年代开发了包括该技术的初步产品，并将其改进为儿童玩具MAGNA DOODLE(现在由新泽西州兰道夫的Cra-Z-Art生产)。参见美国专利No.4,143,472。
从那时起，伊英克公司、SiPix Imaging公司和Seiko Epson都已公开了磁性可寻址的电泳显示器设计，其中常规电子纸显示器中使用的带电颜料粒子的至少一部分已被替换为带电的铁磁性粒子。参见美国专利No.6,583,780；6,831,771；6,870,661；和7,352,353。所公开的构造产生了响应于电场和磁场的反射式(阳光下可读的)显示介质。这样，这些磁电泳显示器可以用磁性触控笔或电场来寻址。另外，例如使用数位板，可以使电子显示器同步以激活与触控笔经过其上的那些像素相对应的像素。
在磁电泳介质是状态稳定的(持续双稳态的等)情况下，仅使用简单的触控笔或擦除器不可能实现“局部”擦除。而是，可以通过用合适的清除波形将电泳粒子驱动回到其起始位置来清除整个显示器(也称为“全局”擦除)，或者可以使用局部旋转电场擦除较小的区域，例如，如美国专利No.10,037,089中所描述的。但是，不可能像使用铅笔那样简单地将触控笔翻转过来并擦除已绘制的内容，或者像黑板或白板那样拿起擦除器并去除错误的线条。
发明内容
本发明包括电光显示器，其可以用电场和磁场寻址并且提供全局和局部擦除。特别地，本发明的显示器可以用例如磁性触控笔、图章等寻址，并且它们可以用切换电场全局擦除，或者它们可以用电场和附加刺激(例如不同的磁场)的组合来局部擦除。由于电光显示器非常薄，并且触控笔尖端非常靠近有源层，因此在触控笔尖端和书写线之间的视差偏移可忽略不计。此外，构造材料是柔性的，从而使得可重写显示器能够像纸一样卷起或弯曲以符合非平面表面的轮廓。在一些实施例中，可以用剪刀或激光切割来切割显示器以匹配期望的形状。
通常，磁电泳显示器包括前电极、后电极以及夹在该前电极和后电极之间的磁电泳介质。磁电泳介质包含流体，该流体包括带电的磁性(或可磁化的)粒子，因此，磁电泳粒子响应于磁场和电场，以及电场和磁场的组合。在一些实施例中，显示系统包括第二组电泳粒子，其被配置为响应于电场的施加而移动，其中，第一组粒子和第二组粒子具有相反的电荷和形成对比的颜色。在一些实施例中，流体是与第一组磁电泳粒子的颜色形成对比的颜色。在一些实施例中，前电极是透光的。在一些实施例中，前电极和后电极都是透光的。在一些实施例中，显示层中的流体是封装的。例如，可以将流体封装在胶原微囊体或预制的(例如，热成型或光刻的)微单元中。通常使用控制器以在前电极和后电极之间提供合适的电压。该电压可以是时间相关的，也称为波形，并且可以使磁电泳粒子朝向或远离前电极移动，或者可以使磁电泳粒子彼此更靠近或者彼此进一步分开。
磁电泳显示器可以用触控笔局部寻址和局部擦除，该触控笔具有主体，该主体具有第一磁性端和第二磁性端。触控笔包括邻近第一端并在第一端处提供在500高斯和5000高斯之间的第一磁场的第一磁体，邻近第二端并在第二端处提供在10高斯和500高斯之间的第二磁场的第二磁体，在触控笔主体内的无线发射器，以及在触控笔的主体上的开关，其可操作地连接到该无线发射器。第一或第二磁体可以包括钕。无线发射器可以是蓝牙或紫蜂(ZIGBEE)发射器。触控笔可另外包括无线接收器或收发器。
通常，用于局部寻址的磁性触控笔(例如，第一磁性端)的磁场强度应强于用于局部擦除的触控笔/擦除器(例如，第二磁性端)的磁性强度。局部擦除同时使用电场和磁性触控笔的组合。在许多实施例中，用于局部擦除的电场小于用于全局擦除介质的电场。电脉冲可包括高频(AC)和低频(DC)的组合，以帮助抑制可能随局部擦除脉冲序列出现的开关瞬态。
使用例如磁性触控笔，可以将磁电泳显示器结合到书写系统中，该书写系统另外包括被配置为提供全局擦除模式和局部擦除模式的电压控制器。因此，这样的系统将包括磁电泳显示器，该磁电泳显示器包括透光的第一电极，第二电极以及设置在第一电极和第二电极之间的磁电泳介质，该磁电泳介质包括带电的磁性粒子；包括磁性尖端的触控笔；以及电压控制器，其被配置为在第一电极和第二电极之间提供电压。电压控制器具有至少两种模式：第一(全局擦除)模式，其中电压控制器提供第一电压，该第一电压足以将带电的磁性粒子驱动朝向第一电极处的观察表面；以及第二(局部擦除)模式，其中电压控制器提供第二电压，该第二电压大于零，但不足以将带电的磁性粒子驱动朝向第一电极处的观察表面，但当提供补充磁场时，第二电压足以将带电的磁性粒子驱动朝向第一电极处的观察表面。为了本公开的目的，“不足以驱动”带电的磁性粒子朝向第一电极处的观察表面意味着该电场不会单独引起显示器切换状态，即，引起反射状态的可观察到的改变，即，在相应时间(例如，小于10秒，例如，小于五秒，例如，小于两秒)内改变超过10L*。
因此，控制器有助于用于擦除包括粒子的磁电泳介质的方法，该方法包括向磁电泳介质提供电场刺激，该电场刺激大于零但不足以使磁电泳介质从第一状态切换到第二状态；以及向磁电泳介质提供非电场刺激，从而使磁电泳介质从第一状态切换到第二状态。非电场刺激可以是磁性的、超声波、压力、振动、光或热。在非电场刺激是磁性的情况下，可以使用包括磁体的触控笔来实现擦除，该磁体在该触控笔的表面处提供在10和1000高斯之间的场强。可替代地，可以由条形磁极磁性材料来提供磁性刺激。典型地，在局部擦除期间使用的电场刺激小于使磁电泳介质在同一时期从第一状态切换到第二状态(即，全局擦除)所需的电压的一半。例如，在局部擦除期间使用的电场刺激可以是在全局擦除期间使用的电场刺激的幅度的三分之一。在一些实施例中，电场刺激包括时变波形。该方法可以进一步包括残余电压管理，其改善了用户的整体擦除体验。通常，残余电压管理包括确定磁电泳介质上的残余电压和修改时变波形以减小磁电泳介质上的残余电压。确定残余电压可以包括测量残余电压、计算残余电压或它们的某种组合。在一些实施例中，通过改变时变波形的偏移，或改变时变波形的占空比，或改变时变波形的振幅来修改时变波形。在一些实施例中，电场刺激包括占空比小于50％的时变波形。
附图说明
将参考以下附图描述本申请的各个方面和实施例。应当理解，附图不一定按比例绘制。出现在多个图中的项目在它们出现的所有图中均用相同的附图标记表示。
图1是描绘包括黑色磁电泳粒子和白色非磁性电泳粒子的磁电泳显示器的示意图。黑色和白色粒子具有相反的电荷。
图2是描绘包括黑色磁电泳粒子的磁电泳显示器的示意图。
图3是显示根据一些实施例的引起显示器的光学状态局部改变的磁性触控笔的示意图。
图4A是显示在封装的磁电泳介质中磁电泳粒子的链接的可见光显微照片。磁电泳粒子大致遵循寻址磁性触控笔的磁场线。
图4B是图4A的可见光显微照片的放大图。
图5A是当黑色粒子已经被电场驱动到前透光电极时，包含黑色磁电泳粒子和白色非磁性电泳粒子的封装的磁电泳介质的可见光显微照片。
图5B是当白色粒子已经被电场驱动到前透光电极时，包含黑色磁电泳粒子和白色非磁性电泳粒子的封装的磁电泳介质的可见光显微照片。
图5C是包含黑色磁电泳粒子和白色非磁性电泳粒子的封装的磁电泳介质的可见光显微照片，其中黑色粒子已经通过电场被驱动到前透光电极，然后通过磁场聚集在一起。
图5D是包含黑色磁电泳粒子和白色非磁性电泳粒子的封装的磁电泳介质的可见光显微照片，其中白色粒子已经通过电场被驱动到前透光电极，然后通过磁场使得黑色粒子聚集在一起。
图6示出了亚阈值寻址和擦除的一般原理。
图7是描绘包含黑色磁电泳粒子和白色非磁性电泳粒子的封装的磁电泳介质的成链磁性状态的局部擦除的示意图。施加亚阈值电场，同时用非电刺激(例如磁场、热、光或超声波)扰乱该改变的状态；
图8是将黑色颜料驱动到观看表面的全局擦除波形的实施例。
图9是当向磁电泳介质施加附加的非电刺激时，将黑色颜料驱动到观察表面的(亚阈值)局部擦除波形的实施例。
图10是当向磁电泳介质施加附加的非电刺激时，将黑色颜料驱动到观察表面的(亚阈值)局部擦除波形的实施例。图10的波形具有大约50％的占空比。
图11是当向磁电泳介质施加附加的非电刺激时，将黑色颜料驱动到观察表面的(亚阈值)局部擦除波形的实施例。图11的波形具有小于50％的占空比，并且导致在显示介质上的残余电压积累更少。
图12示出了适合用于磁电泳显示器的平衡的全局擦除波形。在一些实施例中，将调整框形区域中的部分波形以减小残余电压。
图13示出了具有适合用于磁电泳显示器的电压偏移的局部擦除波形。电压偏移可以帮助减少残余电压。
图14A和14B示出了用于根据要擦除的显示的多少以及存在于磁电泳介质上的残余电压的量来确定用于驱动磁电泳显示器的优选波形的流程图。
图15示出了用于根据要擦除的显示的多少以及存在于磁电泳介质上的残余电压的量来确定用于驱动磁电泳显示器的优选波形的流程图。
图16是用于产生期望的颜色和电荷的磁电泳粒子的方法的示意图。
图17A示出了具有第一磁性端和第二磁性端的磁性触控笔，其中第一磁性端的磁场强于第二磁性端的磁场。
图17B示出了使用图17A的触控笔以寻址磁电泳显示器。
图17C示出了使用图17A的触控笔以擦除磁电泳显示器。通过按下触控笔上的按钮，用户指示控制器在磁电泳介质上提供亚阈值电场。
图18A示出了可以用于磁电泳显示器的磁性擦除器。
图18B示出了使用图17A的触控笔以寻址磁电泳显示器。
图18C示出了使用图18A的擦除器以擦除磁电泳显示器。
图19示出了诸如图17A中的磁性触控笔和提供局部和全局擦除的双模式的电压控制器之间的无线通信。
图20示出了磁电泳显示器中的暗状态和灰色状态之间以及亮状态和灰色状态之间的对比度，该磁电泳显示器已经针对黑底灰字书写进行了优化。在磁性触控笔的正常书写速度(带阴影的框)下，对比度极佳且没有可感知的滞后。
图21A是用变频电磁体寻址磁电泳介质(从后面寻址)的可见光显微照片。
图21B是图21A的可见光显微照片的放大图，显示可以用可变频率的电磁体寻址磁电泳介质并实现接近一个微囊体宽的线宽。
图21C是示出当用可变频率的电磁体书写磁电泳介质时线宽变化的照片。
具体实施方式
如本文所述，可以构造磁性响应的显示器以允许用户能够在全局和局部范围上进行书写和擦除，而没有可辨别的滞后并且不需要有源矩阵背板[但是本文所述的磁电泳介质可以与有源矩阵背板以及诸如由WACOM出售的电子数位板一起使用]。磁电泳介质包含可以以与常规电泳显示器相同的方式电切换的磁性粒子：例如，在白色和黑色状态之间电切换，还能够获得稳定的中间灰色状态。当用磁性触控笔寻址时，磁电泳介质流体呈现出灰色状态，该灰色状态的光学密度介于极端电泳白色和黑色状态之间。因此，从白色状态开始，磁性触控笔可以产生相对暗的图像，而从黑色状态开始，可以形成较亮的图像。磁电泳介质显示器可与分段电极组合以产生非常大面积的可写表面(即，磁性可寻址的书写板)，或与TFT背板结合使用以制成具有图形功能的显示器，该显示器可以电寻址但具有能够用磁性触控笔书写而没有可见延迟的附加性能。如果需要，可以随后通过电寻址刷新最初产生的磁性书写图像，以提供更高的对比度、更直的线、数字化字符等。
当与本文所述的触控笔一起使用时，在未被磁性书写触控笔直接接触的区域中存在的磁场强度不足以引起颜料运动，因此在书写和图像出现之间没有可见的滞后。同样，由于不需要相对厚的玻璃层以将触控笔与有源层分开，因此触控笔尖端和书写线之间的视差偏移可忽略不计。出于上述两个原因，在伊英克的磁性敏感的墨水上使用磁性触控笔书写的体验与在纸上用钢笔或铅笔书写的体验非常相似。本文所使用的术语“书写工具”或“触控笔”包括任何合适的手持式装置，诸如形状像铅笔、钢笔或记号笔的那些装置。例如，磁性记号笔可以生成磁场并且可以用于磁化可磁化材料的区域。
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其第二显示状态。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。
术语“灰色状态”在此使用的是其在成像领域中的常规含义，指的是介于像素的两个极端光学状态之间的一种状态，但并不一定意味着处于这两个极端状态之间的黑白转变。例如，下文所涉及的几个伊英克专利和公开申请描述了这样的电泳显示器，其中，该极端状态为白色和深蓝色，使得中间的“灰色状态”实际上为淡蓝色。实际上，如已经提到的，光学状态的改变可以根本不是颜色改变。下文可使用术语“黑色”和“白色”来指代显示器的两个极端光学状态，并且应当被理解为通常包括并非严格的黑色和白色的极端光学状态，例如上面提到的白色和深蓝色状态。下文可使用术语“单色的”来表示仅将像素驱动至其两个极端光学状态，而没有中间灰色状态的驱动方案。此外，如本文所使用的，极端状态包括通过磁性驱动显示器而产生的暗和亮状态，其通常不能获得极端黑色和白色状态而是获得暗灰色(近乎黑色)和亮灰色(近乎白色)状态。
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。
如本文中所使用的，“图像”是指空间表示，并且在至少一些实施例中将与可从其导出图像的数据(例如，数字1和0)区分开。如将在下面进一步描述的，根据本申请的实施例的图像可以包括图片、文本、形状或任何其他图案，并且在一些实施例中可以表现为磁性记录层的磁化区域的任何布置或图案，该布置或图案可以在磁性响应显示器上传送或再现。图像可以是可见的，例如当在刚刚描述的显示器上产生图像时。然而，在一些实施例中，本文所使用的“图像”可能至少对于肉眼是不可见的。例如，如本文所述，图像可以表现为磁性记录层的磁化区域。磁化区域的空间表示对于肉眼可能是不可见的，但是仍然表示图像，例如图片、文本和/或形状。
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。这种封装的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。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.6,870,661、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)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；
(d)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；
(e)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；
(f)用于驱动显示器的方法；参见例如美国专利No.7,012,600、7,304,787和7,453,445；
(g)显示器的应用；参见例如美国专利No.7,312,784和8,009,348；以及
(h)非电泳显示器，如在美国专利No.6,241,921；6,950,220；7,420,549；8,319,759和8,994,705以及美国专利申请公开No.2012/0293858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；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。参见例如以SiPix Imaging，公司的名义，现在以伊英克加利福尼亚有限责任公司的名义的美国专利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，而一种显示状态是光透射的。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；6,184,856；7,304,787和7,999,787。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。
在具有两种粒子(例如，黑色和白色粒子)的磁性可寻址的显示器中，磁性寻址仅生成不同程度的亮度或暗度的灰色状态。磁场可以被调整到期望的灰色状态。需要电切换，即电光显示，来驱动粒子以实现全黑色和白色的光学状态。在磁性可寻址的显示器中，黑色状态不需要是全黑色，只需暗色即可。同样，白色状态不需要是全白色，只需亮色即可。重点是背景和磁性寻址区域之间的差异以显示图像。如本文所使用的，黑色状态是指暗状态，包括与电寻址相关联的全黑色状态，而白色状态是指亮状态，包括与电寻址相关联的全白色状态。从任一光学状态(暗或亮)，磁性触控笔将颜料粒子驱动向灰色状态。从黑色或暗状态，磁性触控笔将光学状态切换向较亮的灰色状态。从白色状态或亮状态，磁性触控笔将光学状态切换向较暗的灰色状态。
作为用磁性触控笔或打印头寻址的替代方式，可以经由固定的磁性书写工具将记录层内的可磁化材料的区域(例如，包括磁电泳介质)磁化。随后可以使记录层与磁性响应显示层接近，从而产生先前由书写工具磁化的可磁化材料的区域的复写。在一些实施例中，可磁化材料的区域可以在接近磁性响应显示层时被磁性书写工具磁化，使得书写工具除了使可磁化材料的区域磁化之外，还引起显示层的光学状态的改变。记录层可以与显示层分离，并且随后使记录层与相同或不同的显示层接近。
根据一些实施例，电子显示系统内的磁性响应显示层可以是基于粒子的显示层。在一些情况中，粒子可以包括一种或多种类型的颜料。在单颜料显示器中，颜料可以是电和磁可控的。在多颜料显示器中，至少一种颜料类型可以是电和磁可控的。多颜料显示器的一个示例是包括白色颜料粒子和黑色颜料粒子的显示器。作为示例，黑色颜料粒子可以是电和磁可控的。根据一些实施例，在磁性响应(非电子)显示系统内的磁性响应显示层可以是基于粒子的显示层。在一些情况下，粒子可以包括一种或多种类型的颜料。在单颜料显示器中，颜料可以是电和磁可控的。在多颜料显示器中，至少一种颜料类型可以是电和磁可控的。多颜料显示器的一个示例是包括白色颜料粒子和黑色颜料粒子的显示器。作为示例，黑色颜料粒子可以是电和磁可控的。在多颜料显示器中，颜料颜色可以是黑色和白色以外的颜色。在多颜料显示器中，颜色叠加可用于改变颜料粒子的感知颜色，尤其是当包括白色颜料粒子时。
根据一些实施例，基于粒子的显示层可以包括白色和黑色颜料粒子，在某些状态中，黑色颜料粒子可以朝向显示器的前面定位，使得入射光大部分被黑色粒子吸收。由寻址磁体(例如，磁性触控笔)产生的磁场可以改变显示器的光学状态，使得黑色粒子成簇、聚集或链接在一起，从而允许入射光被位于黑色粒子下方的白色粒子反射。光学状态的改变可以另外包括显示器内的白色和/或黑色粒子的移动。可替代地，多颜料显示器可以被配置为代替地将白色颜料粒子朝向显示器的前面定位，使得入射光大部分被白色粒子反射。由触控笔产生的磁场然后可以改变显示器的光学状态，使得更多的入射光被黑色粒子吸收。在这样的实施例中，当使用磁场使黑色粒子朝向显示器的前面移动时，发生暗灰色状态而不是极端黑色状态。同样，当使用磁场将白色磁电泳粒子朝向显示器前面移动时，发生亮灰色或白灰色状态。
基于粒子的电光显示器可以包括一种或多种颜料类型。在多颜料显示器中，至少一种颜料类型可以是电和磁可控的。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。作为示例，黑色颜料粒子可以是电和磁可控的。黑色或白色颜料可以是铁磁性或顺磁性的。诸如Bayferrox 8600、8610；Northern Pigments 604、608；Magnox 104、TMB-100；Columbian Mapico Black；Pfizer CX6368和CB5600等的商业上可获得的磁性粒子可单独使用，也可与其他已知的颜料组合使用，以产生电和磁可控的颜料。通常，磁化率在50-100之间、矫顽力在40-120奥斯特(Oe)之间、饱和磁化强度在20-120emu/g之间且剩磁在7-20emu/g之间的磁性粒子是优选的。另外，粒子的直径在100-1000纳米(nm)之间可能是有益的。作为具体但非限制性的示例，在一些实施例中，电光显示器的颜料可以是以下形式：磁石(氧化铁，例如Bayferrox 318M)、氧化钕(例如Sigma Aldrich 634611氧化钕(III))、铁和铜氧化物(例如Sigma Aldrich铜铁氧体)或者铁和钴或铁和镍的合金(例如Sigma Aldrich铁-镍合金粉和American Elements铁-钴合金纳米粉)。
也可以选择由书写工具产生的磁场强度的水平以提供电光显示器的有益操作。例如，由书写工具(例如，触控笔)产生的磁场可以是至少1毫特斯拉(mT)(10高斯)。实际上，在墨水内部生成超过1T(10,000高斯)的磁场可能在技术上和经济上都是不可行的。因此，在一些实施例中，施加的磁场可以在1mT和1T之间，例如在10高斯和10,000高斯之间，例如在100高斯和1000高斯之间。
根据一些实施例，基于磁电泳粒子的显示层可以包括单一类型的磁性响应黑色颜料粒子，该粒子可以被配置为当暴露于由磁性触控笔产生的磁场时形成链或柱，使得显示器可以透射大部分的光。在这种情况下，黑色颜料粒子对磁场的响应就像“快门”一样，将其状态从入射光大部分被黑色粒子吸收的“快门关闭”状态有效地改变为黑色颜料粒子基本上不再吸收入射到显示器的光的“快门打开”状态。另外，可以在透光状态和关闭状态之间电驱动这种快门模式装置。这样的快门显示器可以与反射式和/或彩色基材配对，使得快门效应在变暗的状态和观看到后表面之间。可替代地，包括磁电泳介质的快门模式显示器可以包括在介质中的彩色流体，使得取决于磁电泳粒子的颜色，该介质在暗状态和彩色状态之间或者在亮状态和彩色状态之间切换。
上述方面和实施例以及其他方面和实施例将在下面进一步描述。这些方面和/或实施例可以单独地、全部一起地或者以两个或更多个的任何组合来使用，因为本申请在这方面不受限制。
图1描绘了根据一些实施例的磁电泳显示层。显示器100分别包括前电极101和后电极102。前电极101是透光的，而后电极102可选地是透光的。前电极通常由透明导电聚合物介质(例如PET-ITO或PEDOT)形成，但是掺杂有导电添加剂(金属、纳米粒子、富勒烯、石墨烯、盐、导电单体)的替代性透光聚合物(聚酯、聚氨酯、聚苯乙烯)也适合使用。后电极102可以包括正电极101所列出的任何成分，但是后电极也可以是金属箔、石墨电极或一些其他导电材料。也可以使用分段或TFT背板代替后电极102，以增加显示印刷和图形信息的更多功能。在许多实施例中，前电极101和后电极102分别是柔性的，因此整个显示器100也是柔性的。显示器100通常由基板130支撑，基板130也可以是透光的和/或柔性的。虽然在图1中未示出，但是可以理解的是，该构造中包括一个或多个粘合剂层，以便有助于卷对卷工艺以及结构完整性。用于填充微囊体110之间的间隙的粘结剂在图1中也未示出。显示器100可以另外包括顶部保护片(未示出)，以保护前电极101不被触控笔或其他机械相互作用损害。还可以包括用于改变颜色或保护介质免受紫外光照射的滤光层(未示出)。
显示器100包括显示层105，其是电极101和102之间的基于粒子的显示介质，显示层105包括多个容器以隔离部分电泳介质。在图1的情况中，容器是微囊体110，并且在微囊体110内是液体介质和一种或多种类型的着色颜料粒子，其中至少一种类型的粒子是磁性响应的。如图1所示，其包括白色颜料粒子111和黑色颜料粒子112。颜料111和112的一者或两者可以在磁场内移动或以其他方式响应于磁场。例如，一种或两种类型的颜料粒子可以沿着磁场线排列，和/或可以形成粒子链(参见图3)。在这种情况下，颜料111和112的一者或两者可以带电。可以用(例如，由电极101-102产生的)电场来控制(位移)颜料粒子111和/或112，从而使得显示器100在被寻址时用作电泳显示器。另外，如图1-3所描绘的，黑色颜料粒子112是磁性响应的。可以理解的是，如上面的专利和专利申请中所讨论的，囊体110可以用微单元或聚合物分散型的液滴代替。
在一些使用情况中，颜料111和112都可以被配置为在电场内位移。例如，颜料111和112中的一种可以带正电，而另一种颜料可以带负电，以致横跨囊体110所施加的电场使颜料粒子分离到囊体的相对侧。通过调节电场的方向，可以选择位于显示器100的观察侧上的颜料，从而产生由显示器的用户观看的白色或黑色状态。
在替代实施例中，显示器200可仅包括单一类型的磁电泳粒子212，并且显示器200通过粒子212的运动而在“打开”与“关闭”之间操作，例如，使用美国专利公开No.2018/0364542中所描述的材料，例如，其包括多个带电粒子、分散有粒子的液体和电荷控制剂(“CCA”)，该电荷控制剂包括低聚胺封端的聚烯烃以及包含至少约8个碳原子的支链脂肪酸。在一些情况中，囊体210由鱼明胶和阿拉伯胶的凝聚层形成，并且它们封装包括非极性溶剂和带电磁电泳粒子212的混合物的内相。在显示器200中，更典型地是前电极201和后电极202是透光的，并且当基板230存在时，其也是透光的。显示器200也可以被构造为柔性的。还应理解，显示器100和显示器200都可以是层压的基础，其中基板130/230可以是释放片，该释放片在将显示器100/200固定到新的基板(例如塑料、金属或玻璃)之前被移除。
图3描绘了根据一些实施例的引起显示器300的光学状态改变的触控笔308。显示器300是图1所示的显示器100的类型的示例，其包括不响应于磁场的白色反射颜料粒子321和在磁场存在时形成链的黑色颜料粒子322。在图3的示例中，触控笔308产生部分地由场线310描绘的磁场，该磁场使得黑色颜料粒子322形成链。由于黑色颜料粒子的链的形状和结构，从观察侧进入显示器300的光可以大部分通过黑色颜料链322并从白色颜料粒子321反射。因此，在图3所示的配置中，在显示器300的观察侧上，囊体326和327将显示白色(即，亮灰色)，而囊体325和328将显示黑色(即，暗灰色)。因此，在触控笔308引起颜料粒子322的链接的情况下，例如在囊体326和327中，表示触控笔308的运动的绘制图像的复写将在显示器300的观察表面处可见。
应该理解的是，尽管图3示出了通过磁性触控笔将显示器从黑色状态改变至白色状态的显示器的示例，但是可以类似地产生通过磁性触控笔将显示器从白色状态改变至黑色状态的显示器，并且图3仅是显示器的一个说明性示例，可以将其与本文所述的磁电泳显示器一起使用。此外，将理解，触控笔308未相对于显示器300按比例显示，并且实际上书写工具将通常比囊体325-328大得多。例如，触控笔308可引起显示器300的大量囊体中的黑色颜料粒子的状态改变，而不仅仅是图3中所示的两个说明性囊体326和327。
触控笔308包括磁性元件326，该磁性元件326例如是强钕磁体(N50或N52；宾夕法尼亚州派珀斯维尔的K&J Magnetics)，其磁场强度为1000-2000高斯。这样的场强允许在超过1米/秒的速度下以超过10：1的对比度快速自然的手写，而没有任何其他利用电子触摸屏界面的电子书写装置中的显著的触控笔滞后。(也参见图20)。显然，触控笔308与磁电泳显示层305的接近度将影响显示器300中的光学状态之间的改变的时间和速率。但是，通常，可能足以引起光学状态的变化的距离250可以在0.1mm与5mm之间，例如在0.5mm与3mm之间，例如1-2mm。
尽管下面的技术说明并非旨在进行限制，但是对于理解磁电泳介质被局部寻址和局部擦除的过程是有用的：图4A和4B示出了图3中描绘的链接机制的证据，其是成链的磁性粒子的透射光学显微照片，如在含有溶剂、电荷控制表面活性剂和磁性黑色颜料粒子但没有白色粒子的微囊体中所见。(参见图2)。如图4A和4B所示，磁体408位于有源区域的左侧，这当然不是用于书写的触控笔的方向。尤其是在图4B中，很明显，磁性黑色粒子被排列并聚在一起(即成链)，从而可以通过囊体观察。由于磁电泳介质的胶体稳定性，在移除磁体后，该成链状态是稳定的。实际上，当用磁性触控笔书写时，成链颜料的最终状态大体上是线性的，并且平行于电极层的平面，因为随着触控笔在显示器表面上横向移动，最后经历的场线大约沿着电极层的平面。
例如图1和图3，当将黑色磁电泳颜料322和白色非磁性颜料321组合时，链接效应的结果相当明显，如图5A-5C所证实的。在图5A中，通过在顶部电极301和底部电极302之间提供电场，从而将所有黑色颜料驱动至观看表面(参见图1)，使得显示层305被完全驱动至暗状态。如图5B所示，通过提供相同大小但具有相反极性的电场使得显示器300可以翻转为白色状态。通过将N50磁体施加到黑色状态的介质305，黑色磁电泳颜料322链接在一起，使观察者可以通过成链的黑色磁电泳颜料322看到白色颜料321，如图5C所示。尽管图5A和图5B之间的对比度明显更好，但是图5A和图5C之间的对比度大于10，对于书写介质来说肯定是足够的。应当注意，也可以用磁性触控笔308，使用相同的磁电泳介质从图5B的状态(白色状态)书写，但是所得到的灰色状态看起来与图5C不同，如图5D所示。图5C和5D之间的差异可能是由于在黑色磁电泳颜料322链接在一起并通过磁场朝向观察表面移动之后，朝向观察表面的白色颜料321的量增加。
然而，因为黑色磁电泳颜料322不能简单地用具有相反极性的磁体解除链接，所以在磁电泳介质中提供局部擦除并不像提供局部寻址那样简单。而是需要亚阈值电场和第二非电刺激的组合，以使介质305返回到其原始状态，如图6所示。也就是说，将图3的显示器返回到图1的显示状态需要两个(或更多个)刺激的组合。如图6所示，黑色磁电泳颜料322的电泳切换轮廓看起来像深黑色线(208)，因为它直到达到电阈值Vth(206)才朝向观察表面移动。这是一种全局擦除波形使成链的黑色磁电泳颜料322返回到其解除链接状态的机制。此外，如果显示器300包括诸如在有源矩阵阵列中的局部后电极，则将有可能仅通过电场使黑色磁电泳颜料322局部返回到其解除链接的状态。
然而，当用连续的前和后电极构造简单的装置时，使黑色磁电泳颜料322局部地返回到其解除链接状态而不干扰附近书写的成链状态的唯一方法是提供亚阈值电压Vsubth(205)，同时用第二刺激(例如较低强度的磁场、超声波、热或光)刺激成链粒子的分解。
除了亚阈值擦除之外，还可以通过提供亚阈值电刺激与第二刺激(例如磁体、热、光、超声波等)的组合来亚阈值寻址磁电泳介质。例如，一旦稳定的颜料分散被第二刺激破坏，相反带电的颜料可以被亚阈值场移动至观察表面。另外，在一些实施例中，可以用亚阈值电场和磁性刺激的组合将先前位于白色非磁性颜料下面的黑色磁电泳颜料带到观察表面。这样的系统提供了改善的白底黑字的磁性书写。
第二刺激可以使用触控笔、打印头或其他类似装置从外部施加。外部施加的第二刺激可以从单一的源生成；例如但不限于，用于热的红外二极管、用于光的激光二极管、用于压力的接触垫或用于磁性的永磁体。在本发明的另一方面，第二刺激可以从多个源生成，包括但不限于用于生成热或光的二极管阵列、用于压力的多个接触垫或多个磁体。可替代地，可以在内部生成或施加第二刺激。当在内部施加时，显示器可以具有另一层材料以生成第二刺激。第二刺激生成层可以由电可控源的阵列组成；例如，用于热的加热器、用于光的LED和用于压力的压电器件。第二刺激生成层可以作为附加层被结合到显示器中，或者可以被结合到诸如背板的预先存在的层中。如果第二刺激生成层是透光的，则该层可以设置在电光层和观察表面之间。如果第二刺激生成层不是透光的，则该层将被设置成远离观察表面并且在电光层之后。
光敏材料层可以是当暴露于特定波长和/或强度的光时变得更导电的任何合适的材料，这是材料特性所固有的，并且相应地选择材料。该材料应具有足够的电阻率以使得当施加亚阈值电压而没有光时显示器没有光学响应，以及应具有足够的电导率以使得当亚阈值电场与光结合地施加时显示器有光学响应。即使光电导体的电阻高，施加高电压(即，高于阈值的电压)确保横跨墨水层形成足够的电场，并且装置整体上进行切换或光学响应。这样，可以通过横跨显示器施加大电压(即，高于阈值的电压)来全局寻址显示器。
具有这些特性的光敏材料在本领域中是已知的，例如用于激光印刷和商业制造的有机光电导体膜。如果光敏材料是透光的，则它可以位于电光层的前面，邻近前电极并且更靠近观察表面。如果光响应材料是不透光的，则它可以位于电光层下方，更靠近后电极。热敏材料层可以是当暴露于热时变得更导电的任何合适的材料。该材料应该在没有热的情况下具有足够的电阻率，使得当施加亚阈值电压而没有热时，显示器没有光学响应，但在有热的情况下具有足够的电导率，使得当在热存在下施加亚阈值电场时显示器有光学响应。这样的材料包括具有与它们的玻璃化转变温度相关的电导率的聚合物，或者包括在设定温度以上可以更容易迁移的导电材料(例如聚氨酯)的聚合物。
用于提供第二刺激的优选方法是提供第二磁场，该第二磁场小于寻址介质所需的磁场。这样的场可以例如在10高斯和500高斯之间，例如在20高斯和100高斯之间。这可以通过铁氧体磁体、钕磁体或条形磁极磁体来提供，其是例如用于例如磁贴花和冰箱磁贴的可商购的(俄亥俄州玛丽埃塔的Magnum Magnetics)。这一场强还可以通过介入中间的非磁性材料(例如木材或塑料)将强磁体从磁电泳介质物理分离来提供，使得磁电泳介质处的场不足以寻址该介质，但足以在存在亚阈值电场的情况下扰乱成链的粒子。
图7示出了通过亚阈值电场和第二刺激的组合来局部擦除成链的黑色磁电泳颜料722的过程。如前所述，显示器700包括不响应于磁场的白色反射颜料粒子721，和在磁场存在时形成链的黑色颜料粒子722。(参见图3)。如图7所示，磁性擦除器709产生扰乱成链的黑色磁电泳颜料粒子722的磁场，从而允许它们通过控制器740提供的亚阈值场朝向观察表面移动。如图7所示，磁性擦除器709包括条形磁极磁体，与典型的磁极磁体的宽磁场相反，该条形磁极磁体产生紧密环形磁场。随着磁性擦除器709的来回移动，场线破坏了成链的黑色颜料粒子722，从而允许带电的黑色颜料粒子722朝向观察表面移动。磁性擦除器709可以具有任何尺寸或形状，包括矩形、三角形、圆形或等于显示器的宽度的细长条形。磁性擦除器709的尺寸和形状根据要擦除的区域而不同。磁性擦除器709不限于如图7所示的条形磁极磁体，但是它可以是常规的磁极磁体、马蹄形磁体、电磁体等。在可替代实施例中，磁性擦除器709可以用超声波擦除器759或热擦除器769代替。超声波擦除器直接用声波刺激成链的黑色磁电泳颜料粒子722，而热擦除器769改变显示器700的磁电泳流体或粘结剂或粘合剂层的粘性和/或电导率。因此如图7所示，囊体726和727返回到原始的暗状态，周围的囊体(725和728)保持其“书写”状态。
如图7所示，使用弱磁场至待擦除的局部区域的附加刺激足以分解颜料结构，以允许较低的电场在合理的约1秒时间内将状态驱动回到黑色背景状态。为了实现这种类型的局部擦除，磁性擦除器709必须不明显改变未被触控笔寻址至更亮(灰色/白色)而是保持背景黑色的区域。如果使用磁性书写触控笔(例如1000-2000高斯)，则较强的磁场将链接黑色磁电泳颜料722，并且即使添加低电场，无论磁性擦除器709在非常接近磁电泳介质的任何地方，都将留下“触控笔灰色”。因此，擦除触控笔需要更弱；例如，在10和500高斯之间，例如，在50和200高斯之间。用条形N/S磁极磁体(例如柔性冰箱磁贴)可以容易地实现这种磁场。
全局更新波形(图8)与用于局部擦除的亚阈值波形(图9)之间的差异可以通过比较图8和图9来理解。图8示出了简单的全局更新脉冲，通常为+/-30伏(有时为+/-15伏)，以便将白色和黑色粒子驱动到囊体壁的尽头，并在相反带电的颜料之间产生良好的分离。全局寻址电压VG可以大于或小于30伏，并且可以从零伏偏移一定量ΔV。相反，亚阈值脉冲电压VL通常仅高达全局寻址电压VG的1/3。也就是说，VL通常小于或等于VG/3。图9中示出了非常简单的亚阈值波形。使用大于全局寻址电压的1/3的局部寻址(亚阈值)电压会在电信号关闭后导致开关瞬态，例如自擦除和自寻址。通常，低至2.2-3V幅值的DC电压可与磁性擦除器触控笔一起使用，以成功进行局部擦除。图9的亚阈值寻址脉冲仅提供恒定的电势以将例如黑色磁电泳粒子推向观察表面，因此，在成链的粒子被第二刺激扰乱后，它们将开始朝向其原始位置移动。
作为图9的替代，如图10和图11所示，可以使用更复杂的低压脉冲序列以提供亚阈值寻址。图10和图11的波形提供了更好的擦除性能，因为它们在磁性擦除器没有接触的区域中保留了先前书写的图像，同时还在磁性擦除器确实接触的区域中保持了全黑背景色。另外，存在非常少的自寻址(先前寻址图像不期望的再现，或者图像的随机出现)。在一些实施例中，这些(亚阈值)局部擦除波形包括DC。在一些实施例中，这些(亚阈值)局部擦除波形包括AC序列。在一些实施例中，如图10中所示，关/开占空比为50％。在其他实施例中，占空比小于50％。在其他实施例中，占空比大于50％。例如，具有4V峰到峰值(2V振幅)和-8V DC偏移的低电压AC(100Hz)方波可以与200高斯磁体共同提供良好的擦除性能。通常，在30和500Hz之间的频率提供最佳的亚阈值寻址，例如在50和300Hz之间，例如在75和200Hz之间，例如在90和120Hz之间。亚阈值波形的振幅通常大于1伏且小于10伏，例如2V、3V、4V、5V、6V或7V。当使用时，偏移通常小于+10且大于-10V，例如，小于+8V、小于+5V、小于+4V、小于+3V、小于+2V。例如，偏移可以大于-8V、大于-5V、大于-4V、大于-3V、大于-2V。
在一些实施例中，亚阈值脉冲的持续时间短，因为如果磁电泳介质被亚阈值寻址超过几秒钟，则由于积累的电压(也称为残余电压)，磁电泳介质开始改变状态。因此，可以有利的是使用较低的电压振幅来提供更长的擦除时间而没有仅用场开始寻址墨水的风险。脉冲序列被开发以找到可以产生局部擦除的电压下限。这样的寻址脉冲可以例如是100Hz和-1.5V DC偏移下的3V峰到峰值(1.5V振幅)。在一些实施例中，小于50％的占空比(关/开)可以有利于减少总冲激和残余电压积累。结合擦除磁性触控笔用于局部擦除的这种类型的驱动序列的示例如下：100Hz、1.5振幅、-6V偏移、20％占空比。其他示例包括100Hz和+1.0VDC偏移下的3V峰到峰值(1.5V振幅)波形。
通过实验已经发现，当磁电泳介质具有过量的累积电压(例如，残余电压超过0.01V、例如残余电压超过0.03V、例如残余电压超过0.1V、例如残余电压超过0.3V、例如残余电压超过0.5V、例如残余电压超过1.0V)时，磁电泳显示器的局部擦除功能减弱。特别地，在存在过量残余电压时，显示器的局部擦除区域不会完全返回到基底状态，从而留下先前的线、文字等的阴影。虽然没有定义，但理论上讲，过量电压是由于在施加如上所述的“规则的”切换波形期间电泳堆叠充当电容器而产生的。在短时间内重复切换介质的情况下，该过量的电压积累可能变得足够大，足以干扰磁电泳介质的正常亚阈值擦除性能。控制，即消除、减少过量电压，也称为残余电压管理，极大地改善了用户体验，并允许真正的“局部擦除”体验，其中用磁性擦除器擦除的区域返回到其初始状态同时保留其余的图形、文字等不受损害。此外，适当的残余电压管理允许在全局擦除事件之间进行许多局部擦除事件，例如3次或更多次、例如5次或更多次、例如10次或更多次后续局部擦除事件，而不损失保真度。残余电压管理的另一个好处是，由于磁电泳材料在长时间不使用期间会衰减残余电压，因而控制电子器件不会遭受泄漏电流，因此磁电泳装置本身趋向于具有更长的寿命。
术语“残余电压”在本文中用于指代在寻址脉冲(用于改变电光介质的光学状态的电压脉冲)终止后，可以保留在磁电泳显示器中的持久或衰减的电压(其也可以称为开路电势，并且通常以伏或毫伏为单位)。
可以通过从很长一段时间(例如数小时或数天)未切换的样品开始在磁电泳显示器中测量残余电压。横跨顶部和底部电极施加电压表，并测量“基准电压”读数。然后将电场(例如，切换波形)施加到像素。波形结束后，立即使用电压表来测量一系列周期中的开路电势，而测量的读数与原始基准电压之间的差可能是“残余电压”。实际上，将单独的电压检测电路合并到磁电泳堆叠中以提供残余电压的定期测量。当然，管理残余电压需要用于测量残余电压，也用于修改要提供的波形的额外的电子器件。使用晶体管架构测量残余电压并减小波形的方法可见于美国专利No.8,558,783和10,475,396，上述专利以其全部内容通过引用包含于此。
可替代地，可以通过跟踪磁电泳介质上的总冲激(impulse)电压并监测自上次施加波形以来的时间并考虑残余电压通过介质的自然衰减来可靠地计算残余电压。每次将波形施加到磁电泳介质，都会计算并记录电压随时间的积分(即冲激)。对于每个随后的波形，都会计算新的总残余电压。在一些实施例中，用偏移调整用于特定功能(即，全局或局部擦除)的波形，以适应累积的残余电压。偏移可以简单地将波形调整到实现预期响应的状态，或者偏移可以抵消残余电压，使得在施加波形(即“平衡”波形)后磁电泳介质将具有最小的残余电压。
可以通过修改全局擦除波形或局部擦除波形或两者来校正磁电泳介质中的残余电压。例如，可以将与残余相对的预脉冲施加到全局擦除波形以减小所测量的残余电压。可替代地，如图12所示，可以修改平衡的全局擦除波形的一部分以“下拉”或“上拉”残余电压。如图12所示，对于已知的0.3V残余电压，修改框形区域中的冲激以使-30V脉冲延长240ms，将实际上使残余电压为零。可替代地，可以使+30V脉冲之一缩短240ms。该方法适用于正和负残余电压。
可替代地，或者除了修改全局擦除波形之外，局部擦除波形可以偏移一定量以补偿残余电压，如图13所示。在图13中，用虚线表示所测量的残余电压(-0.3V)。而最佳局部擦除可以是具有+1V偏移和3V振幅的100Hz波形，该波形将偏移至0.7V，使得磁电泳介质实际上将经历最佳波形。该方法适用于正和负残余电压。
也可以通过提供相对低压的长波形以抵消所测量的残余电压，以在装置操作期间应对残余电压。当适当选择时，用户几乎不会注意到这种长波形。但是，该解决方案可能导致装置的更多的功率消耗。
图14A和图14B示出了以在具有全局和局部擦除能力的磁电泳显示器中的残余电压管理为例的综合流程图。注意，图14A和图14B形成单个流程图，为清楚起见将其分成两部分。特别地，图14A的局部擦除(LE)步骤流向图14B，而图14B的错误状态返回到图14A中的全局擦除的偏压施加步骤。图14A和图14B的流程图应该被视为仅是示例性的，因为存在许多用于校正残余电压的替代方式。此外，0.03V和1.0V的残余电压阈值是示例性的，并且可以根据需要调整以提高磁电泳介质的性能。另外，可以去除流程图的某些部分，而对用户体验的影响很小。
值得注意的是，图14A和图14B的流程图试图通过提供在全局擦除更新和局部擦除更新期间减小残余电压的机会来最小化残余电压。仅在残余电压的绝对值超过预定幅度(例如1V)的事件中，才迫使用户使用具有偏压的全局擦除以将残余电压返回至零。应当理解，该上限是示例性的，并且可以被定为例如2V或5V等。
图15中示出了用于残余电压管理的简化流程图。与图14A和图14B相比，图15的方法没有主动管理在每个局部擦除步骤产生的残余电压，而是允许残余电压随着每个局部擦除步骤累积。也就是说，对于每个随后的局部擦除事件，增加偏移的大小以实现适当的局部擦除功能。在每个局部擦除步骤跟踪总残余电压，并在执行全局擦除时将其清除。残余电压的确定可以通过直接测量或计算或它们的某种组合来进行。在进阶的实施例中，残余电压的计算包含一个模型，该模型包括诸如磁电泳堆叠的阻抗和残余电压衰减的时间常数的输入。
虽然到目前为止描述的磁电泳粒子是黑色铁磁性材料，例如Bayferrox 318M(宾夕法尼亚州匹兹堡的Lanxess)，但是针对期望不同颜色的磁电泳粒子或期望多种类型的磁电泳粒子的应用设计具有期望的电荷和颜色性质的磁性颜料是很容易的。参见图16。例如，复合粒子可以同时包含强磁性粒子/颜料和非磁性粒子/颜料。非磁性粒子具有极低的饱和磁化强度和/或极低的磁化率。可以构造复合粒子以优化光学和磁性性质。磁性粒子可以是复合粒子的一小部分。非磁性部分可以是散射的或吸收的。
复合颜料可以通过本领域已知的任何以下方法合成：烧结、热分解、悬浮聚合、分散聚合、乳液或微乳液聚合。目标磁化水平的复合粒子可以由两种颜料(一种是磁性的而另一种是非磁性的)通过不充分的微乳液聚合方法制成。在该方法中，将磁性和非磁性颜料在第一烧瓶中混合为水分散体，在第二烧瓶中制备单体分散体，如图16所示。将两个烧瓶的内容物混合并进行超声波处理。通过加热使所得到的混合物聚合。将所得到的复合聚合粒子进行硅烷处理，然后涂布疏水聚合物。通过磁迁移将表面官能化的磁性复合材料分离，以获得期望的磁化水平的复合粒子。磁电泳介质的磁响应可以包括三个或更多个颜料粒子。例如，第一颜料粒子可以是磁性的，而第二和(带相反电荷的)第三颜料粒子是非磁性的。第一和第二颜料粒子具有相同的电泳响应，而第三颜料粒子与第一和第二颜料粒子相比具有不同的电泳响应。第一和第二颜料粒子可以是不同的颜色，但是它们可以是相同的颜色，并且第三颜料粒子与第一和第二颜料粒子相比具有不同的颜色。
如前所述，可以用诸如图17A所示的磁性触控笔1308寻址磁电泳介质。触控笔1308包括主体1310和邻近第一端1320的第一磁体，该第一磁体可以是强钕磁体，其磁场强度在500和5000高斯之间，例如在1000和2000高斯之间。这样的场强允许在超过1米/秒的速度下以超过10：1的对比度快速自然的手写，而没有任何其他利用电子触摸屏界面的电子书写装置中的显著的触控笔滞后。触控笔1308可以另外包括邻近第二端1330的第二磁体，该第二磁体可以是铁氧体磁体或条形磁极磁体，并且其磁场强度在10和500高斯之间，例如在50和200高斯之间。磁性触控笔1308还可包括无线发射器(例如，蓝牙、ZIGBEE或WIFI)以及在触控笔1308的主体1310上的开关1340，开关1340可操作地连接至无线发射器(图17A中未示出)。
当用于寻址磁电泳显示器1375时，触控笔1308可以类似于铅笔或钢笔的方式使用，在放置触控笔的地方创建文本行、图画等。参见图17B。在这种“书写”模式时，无需向磁电泳显示器供电，并且该书写将无限期保持其外观，而无需更多的功率消耗。当需要局部擦除书写的一部分时，用户将通过与开关1340交互来激活亚阈值局部寻址(也称为“擦除”)模式，开关1340可以是按钮、触摸传感器等。可替代地(或另外地)，磁电泳显示器1375可以包括全局擦除开关1390和/或局部擦除开关1395，从而使控制器提供如上所述的合适的波形。还可以用触控笔上的单独开关(未示出)来激活全局擦除。一旦无线发射器已经将信号发送到电压控制器，电压控制器将向整个显示器1375提供亚阈值电压波形，如上所述。还参见图19。然后用户可以用邻近第二端1330的第二磁体局部擦除图像，该第二磁体比邻近第一端1320的第一磁体弱，如图17C所示。
在可替代实施例中，单独的擦除器1450可以与磁电泳显示器1475一起使用，如图18A所示。擦除器1450可以例如是具有条形磁极磁体1430的木块。这种磁体1430在书写表面处提供在10和500高斯之间，例如在50和200高斯之间的磁场强度。擦除器1450可以可替代地容纳诸如超声波之类的用于非磁性刺激的源。因此，当适当的亚阈值局部寻址场被提供给磁电泳介质时，擦除器1450将仅使靠近擦除器1450的区域中的图像返回到其初始状态，如图18C所示。像图17A的触控笔1308一样，擦除器1450还可包括无线连接至电压控制器从而启动擦除波形的开关(未示出)。当然，擦除器1450(或触控笔1308)也可以直接有线连接到电压控制器。直接有线连接可能更适用于期望减少射频干扰源的敏感环境，例如医院。
因为在磁电泳显示器中不需要有源矩阵背板，所以直接地生产大尺寸磁电泳显示器1575，如图19所示。这种显示器的面积可以大于1m2、例如面积大于10m2、例如面积大于20m2、例如面积大于50m2、例如面积大于100m2。虽然理论上可以生产一公里长的磁电泳显示器，但大尺寸磁电泳显示器通常小于200m2。由于构造简单且所需功率最小，可使用可充电电池为4m2的磁电泳显示器供电，从而使其非常便携，并且适合在没有公用设施的情况下安装。大尺寸磁电泳显示器1575通常将包括与触控笔1508通信的无线接收器1580，从而允许用户简单地切换到局部擦除波形模式。大尺寸磁电泳显示器1575还可以包括全局擦除按钮1590，从而允许用户快速地再生成干净的绘图表面。因为可以由柔性材料构造大尺寸的磁电泳显示器1575，所以可以将大尺寸的磁电泳显示器1575安装在非平面表面(例如柱、管和管道)上。
在诸如教室大小的绘图板的大尺寸显示器中，可以通过采用分段背板来改善性能，该分段背板具有从分段到一系列开关的单独迹线，该迹线将控制背板的哪一部分将被供电以用于局部擦除。在一些实施例中，触控笔1508可以另外包括位置感测功能，使得当按下激活局部擦除的按钮时，触控笔1508将告诉无线接收器1580触控笔1508位于何处。这种位置感测可以通过以下实现：用IR传感器1560或用触控笔1508上的光学传感器通过识别显示器表面上的微点图案来感测显示器上的位置，或者用书写表面后面的数字化网格感测磁性触控笔1508的位置。
示例
示例1–对比度随书写速度的变化
如下所述构造磁电泳显示系统。也参见图3和图7。由5密耳(mil)的PET/ITO OC300(St.Gobain)形成导电透光前基板。制备分隔开的磁性可写墨水介质层，其包括黑色和白色微囊化的磁性介质，磁性内相为经过Z6032硅烷表面处理的Bayferrox 318M磁性黑色和LMA(甲基丙烯酸月桂酯)聚合，产生带正电的磁性黑色颜料。非磁性白色颜料包括带负电的二氧化钛，该二氧化钛在具有Solsperse 19000充电剂的Isopar E内相流体中。微囊化后，将微囊体与阳离子PVOH聚合物CM-318粘结剂材料混合，直接涂布在透明导体上的第一基板上并干燥。用于将微囊体粘结剂浆料层压到背板的粘合剂是分段VRA粘合剂。为了测试，用5mil的涂布有丝网印刷碳导体的PET基板(MELINEX ST504，Tekra，新柏林，威斯康星州)构造背板，以创建覆盖整个显示区域的单个开关像素。(如果需要创建透光背板，则背板也可以如上所述由PET/ITO OC300制成)。该堆叠具有机械保护层，以防止损坏前导体和囊体层。(还使用了薄玻璃，其提供强的多的机械保护以免受触控笔损害，但其厚度增加阻碍了触控笔的性能。)创建了两条迹线电尾端以连接至电子器件，一条迹线连接至连续的背板电极，而另一条迹线连接至连续的前电极。电压驱动器耦合在电尾端之间，以提供+/-30V的全局擦除脉冲，以及用于局部擦除的低压复杂序列。该驱动器包括微控制器以控制序列，并被配置为在驱动脉冲结束时将波形浮置或接地。
磁性书写触控笔由形状像笔的保持体中的永磁体和在制成类似于自动铅笔的塑料保持体中的2mm宽的N50圆柱磁体构成。(文献中在磁体表面处的磁体强度为1000-2000高斯。)磁性擦除器/触控笔由较弱的铁氧体磁体制成，该铁氧体磁体在磁体表面处测量值为80-200高斯。擦除器的接触表面约为7cm2，并且包括条形N/S极化，两极之间的间距约为1-2mm。
针对类似于图5A-5C中所示的磁性墨水测量了书写速度对对比度的影响，其中电驱动白色和暗状态分别为78.4L*和15.6L*，因此为全局擦除程序提供了27:1的对比度。如前所述，“书写”灰色状态对比度取决于开始状态(白色或黑色)，并且通常具有5和17之间的对比度。
为了系统地评估对比度和书写速度之间的关系，将具有50高斯的磁体的磁性触控笔耦合到计算机接口的行进器(traveler)，该行进器可以被编程为以期望的速率线性移动。行进器使触控笔以给定的速率在500mm的磁电泳显示片上移动，并使用具有校准光源和标准化反射表面的光学平台评估所得到的灰色书写状态的L*。在图20中示出了在各种速度下磁性触控笔对书写的对比度的影响。如图20所示，即使以正常书写速度的两倍速度，也具有足够的对比度以将磁电泳显示器用作书写装置。在非常高的磁性触控笔速度下，对比度降低，但这是在比正常书写所需的速度更高的速度下。可以通过差异化的触控笔设计或通过调整磁场强度来形成不同的灰色阴影，例如通过改变触控笔尖端距有源区的距离(其可以通过使用合适的触控笔设计以改变书写压力来实现)或通过使用可变电流的电磁体(参见下文)。
磁电泳膜的响应时间非常快，使得当用触控笔书写时，没有感觉到延迟，该触控笔在高达200毫米/秒的速度下在显示表面处产生至少约30高斯的磁场。如果使用更低的磁场或更快的书写速度，则书写图像的对比度降低，但不会有时间滞后。在正常手写时，通常遇到的速度在60-120毫米/秒范围内，尽管对于绘画和阴影来说可能需要更快的速度。
示例2–可变线宽随电磁体频率的变化
将上述的磁电泳显示器与连接到信号发生器的电磁触控笔结合，从而允许改变电场的振幅和频率。分别低于切换显示器所需的阈值的电场和磁场的组合可用于改变局部光学状态。因此，虽然在图5A-5C中示出的纯磁性书写的光学状态是通过黑色粒子的链接所产生的灰色状态，但是添加交替磁场分量可在局部书写区域中产生更极端的光学对比，如图21A-21C所示。电磁触控笔的使用提供了动态改变所施加的磁场的机会。例如，通过用电磁体从后面对磁电泳介质进行寻址，可以产生100μm或更小的黑底白字的线宽。参见图21B。此外，改变提供给电磁书写头的交流电的频率可以改变图像外观。图21C示出了使用电磁书写头的这种效果，该电磁书写头位于可写膜的底侧附近并且通过信号发生器供电。图21A-21C一起表明，可以使用线性或二维的多像素阵列磁性打印头来将高分辨率图像书写至磁电泳膜上，而无需增加TFT或多段背板的成本。也可以通过仔细调节磁电泳颜料的电荷，将有可能仅用特定频率的电磁体来寻址介质，从而允许介质被书写和“锁定”以免在非适当频率的书写头的情况下进一步更改。
示例3–红色复合磁性粒子的制备
以1∶1(重量：重量)的比例混合Paliotan Red 6475颜料(BASF)和50nm磁石(SigmaAldrich)以制备50g总颜料预混合料。将所得的混合物以12.5％重量分散在具有3.46μMSDS和1.66μM KHCO3的去离子水中。将所得的分散体与2.83％(重量：重量)在去离子水中的分散体混合，所述在去离子水中的分散体具有4.25g的单体混合物(76：4：5(重量：重量：重量)甲基丙烯酸甲酯：甲基丙烯酸：二乙烯基苯)，连同0.50g的2.21mmol十六烷以及3.0g的40kDa PVP与3.46μM SDS和1.66μM KHCO3。所得的总颜料与总单体的比例为11.76∶1(重量：重量)。将该分散体滚转1小时，并且浴超声波处理1小时。然后将最终的混合单体和双重颜料分散体添加到配有顶置式搅拌器的1L夹套反应器中，剧烈搅拌，并加热至75℃1小时。在加热时，在最初的45分钟向分散体喷洒N2(g)，然后保持在N2的覆盖层下进行剩余的反应。接下来，以1.67mL/min将50mL的14.1μM过硫酸钾(KPS)溶液添加到反应中超过30分钟。然后将反应在75℃下搅拌18小时。将颜料在去离子水中稀释至800mL，并以7000xg离心45分钟。然后将颜料颗粒重新分散在800mL乙醇中，并用强磁体将磁性粒子固定在烧瓶底部，同时倒出剩余的有色乙醇。然后将所得的颜料块在真空烘箱中在70℃下干燥18-24小时。如示例1中所述，将所得的红色磁性颜料掺入到磁电泳显示器中。该显示器可用磁性触控笔寻址，但是由于起始状态为白色(参见图5B)，所以触控笔的书写显示为粉红色(介于白色和红色的“暗”状态之间)，类似于图5D的书写状态。
由此已经描述了本申请的技术的几个方面和实施例，应当理解，本领域的普通技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。这样的改变、修改和改进旨在落入本申请中描述的技术的精神和范围内。例如，本领域普通技术人员将容易想到用于执行功能和/或获得结果和/或本文描述的一个或多个优点的各种其他手段和/或结构，并且这样的改变和/或修改中的每一个被认为在本文描述的实施例的范围内。仅通过使用常规实验，本领域技术人员将认识到或能够确定本文所述的特定实施例的许多等同物。因此，应当理解，前述实施例仅以示例的方式给出，并且在所附权利要求及其等同物的范围内，可以以不同于具体描述的方式来实践本发明的实施例。另外，本文所述的两个或更多个特征、系统、物品、材料、套件和/或方法的任何组合包括在本公开的范围内，只要这种特征、系统、物品、材料、套件和/或方法没有相互矛盾。

Claims (26)

1.一种用于擦除包括粒子的磁电泳介质的方法，所述方法包括：
向所述磁电泳介质提供电场刺激，所述电场刺激大于零但不足以使所述磁电泳介质在五秒内从第一状态切换到第二状态，其中所述第一状态和所述第二状态相差至少10L*；以及
向所述磁电泳介质提供非电场刺激，从而使所述磁电泳介质从所述第一状态切换到所述第二状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述非电场刺激是磁性的、超声波、压力、振动、光或热。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述非电场刺激是磁性的，并且磁性刺激由触控笔提供。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述触控笔包括磁体，所述磁体在所述触控笔的表面处提供在10和1000高斯之间的场强。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述非电场刺激是磁性的，并且磁性刺激由条形磁极磁性材料提供。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述磁电泳介质包括带电的铁磁性粒子。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电场刺激小于使所述磁电泳介质在同一时期从所述第一状态切换到所述第二状态所需电压的一半。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述电场刺激包括时变波形。
9.根据权利要求7所述的方法，还包括：
确定所述磁电泳介质上的残余电压；以及
修改时变波形以减小所述磁电泳介质上的所述残余电压。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，确定所述残余电压包括测量所述残余电压。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，确定所述残余电压包括计算所述残余电压。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，通过改变所述时变波形的偏移，或者改变所述时变波形的占空比，或者改变所述时变波形的振幅来修改所述时变波形。
13.一种触控笔，其具有主体，所述主体具有第一端和第二端，所述触控笔包括：
第一磁体，其邻近所述第一端，并在所述第一端处提供在500高斯和5000高斯之间的第一磁场；
第二磁体，其邻近所述第二端，并在所述第二端处提供在10高斯和500高斯之间的第二磁场；
在所述主体内的无线发射器；以及
在所述触控笔的主体上的开关，其可操作地连接到所述无线发射器。
14.一种书写系统，包括：
磁电泳显示器，包括：
透光的第一电极，
第二电极，
磁电泳介质，其设置在所述第一电极和所述第二电极之间，所述磁电泳介质包括带电的磁性粒子；
包括磁性尖端的触控笔；以及
电压控制器，其被配置为在所述第一电极和所述第二电极之间提供电压，并具有两种模式：
第一(全局擦除)模式，其中所述电压控制器提供第一电压，所述第一电压足以将所述带电的磁性粒子驱动朝向所述第一电极处的观察表面，以及
第二(局部擦除)模式，其中所述电压控制器提供第二电压，所述第二电压大于零，但不足以在五秒内将所述带电的磁性粒子驱动到所述第一电极处的观察表面，但当提供补充磁场时，所述第二电压足以将所述带电的磁性粒子驱动到所述第一电极处的观察表面。
15.根据权利要求14所述的书写系统，其中，所述带电的磁性粒子是铁磁性的。
16.根据权利要求15所述的书写系统，其中，所述带电的磁性粒子是黑色的。
17.根据权利要求16所述的书写系统，其中，所述磁电泳介质还包括非磁性白色粒子，所述非磁性白色粒子具有与所述磁性粒子相反的电荷的。
18.根据权利要求16所述的书写系统，其中，所述磁电泳介质是彩色的。
19.根据权利要求15所述的书写系统，其中，所述带电的磁性粒子是白色的。
20.根据权利要求19所述的书写系统，其中，所述磁电泳介质还包括非磁性暗色粒子，所述非磁性暗色粒子具有与所述磁性粒子相反的电荷。
21.根据权利要求20所述的书写系统，其中，所述磁电泳介质是彩色的。
22.根据权利要求14所述的书写系统，其中，所述触控笔和所述电压控制器被配置为彼此无线通信。
23.根据权利要求14所述的书写系统，其中，所述第一电压大于20V。
24.根据权利要求14所述的书写系统，其中，所述第二电压小于20V。
25.根据权利要求24所述的书写系统，其中，所述第二电压被提供为具有小于50％的占空比的波形。
26.根据权利要求14所述的书写系统，其中，所述第二电极是透光的。
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