CN1259592C - 基于光子晶体概念的彩色电泳显示器显示方法及显示器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光子晶体概念的彩色电泳显示器显示方法及显示器，属于电泳显示器技术领域。其特征是在位于两个平行的电极面板间包覆于微胶囊内的微球上施加外加电场，在外加电场的作用下，微球由于自身荷电，在电场作用下定向运动并有序排列，从而对波长与之匹配的光完全反射而获得彩色显示。由于本发明通过改变外加电场即电压的方法调节微球的排列状态，即光子晶体的有序结构周期，从而可产生不同的反射光，达到彩色显示的目的。本发明提供的彩色电泳显示器具有低能耗、高反射、宽视角等特点，特别适于制作在日光条件下使用的显示器，具有重要的应用价值。

Description

基于光子晶体概念的彩色电泳显示器显示方法及显示器

技术领域

本发明涉及一种基于光子晶体概念的彩色电泳显示器显示方法及显示器，属于电泳显示器技术领域。

背景技术

由于电泳显示器具有低能耗、高反射、宽视角等性能优点，所以关于此项技术已有广泛研究。但在初期的研究工作中，电泳显示器因为颗粒团聚、迁移而导致不能稳定工作，所以一直未获得商业应用。美国E-INK公司的B.Comiskey等人在1997年提出了用微胶囊构造电泳显示器(亦称电子纸)的方法，这种方法成功的解决了颗粒团聚和迁移的问题，从而使电泳显示器有了商业应用的可能。而目前研究的微胶囊电泳显示器大多仅能显示两种颜色(通常为黑色和白色)，因此研究高效低成本的彩色电泳显示器具有重要的应用价值。

广义的光子晶体是一种周期性排列的有序结构。当有序结构周期与入射电磁波的波长可比拟时，某些频段的电磁波强度因破坏性干涉呈指数衰减，无法在介质中传播，形成电磁波能隙(photonic band-gap)。在带隙频率范围内的光被完全反射。反射光的波长与物质的折射率、有序结构的周期性及填充率等有关。通过改变外界条件，如电场强度、磁场强度、温度等，可改变有序结构周期或填充物质的折射率，从而改变反射光的波长。本发明通过改变外加电场(电压)的方法来改变微胶囊内微球的排列状态，即光子晶体的有序结构周期，从而达到改变反射光的波长(获得彩色显示)的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以进行彩色电泳显示的基于光子晶体概念的彩色电泳显示器显示方法及显示器。

本发明提出的基于光子晶体概念的彩色电泳显示器显示方法，其特征在于，所述方法是在位于两个平行的电极面板间包覆于微胶囊内的微球上施加外加电场，在外加电场的作用下，微球由于自身荷电，在电场作用下定向运动并有序排列，从而对波长与之匹配的光完全反射而获得彩色显示。

在上述彩色电泳显示器显示方法中，所述微胶囊尺寸为20～100μm，其中值尺寸为30～50μm。

在上述彩色电泳显示器显示方法中，包覆于微胶囊内的微球其粒径为200～600nm。

在上述彩色电泳显示器显示方法中，所述微球的材料为高分子材料，其折射率为1.5～2.1。

在上述彩色电泳显示器显示方法中，所述微球的材料也可为二氧化硅材料，其折射率为1.48。

在上述彩色电泳显示器显示方法中，所述外加电场电压为1～10V。

本发明提出的基于光子晶体概念的彩色电泳显示器，其特征在于，所述电泳显示器含有两个平行的电极面板和夹在所述两个平行的电极面板间的一层微胶囊，其微胶囊内包有粒径均匀的微球。

在上述彩色电泳显示器中，所述两个平行的电极面板中至少有一块是透明的图案化电极面板。

本发明通过改变外加电场(电压)的方法调节微球的排列状态，即光子晶体的有序结构周期，从而产生不同的反射光，达到彩色显示的目的。本发明提供的彩色电泳显示器具有低能耗、高反射、宽视角等特点，特别适于制作在日光条件下使用的显示器，因而具有重要的应用价值。

附图说明

图1为本发明微球间的间距为1.2倍微球直径(所施电压较低时)的示意图。

图2为本发明微球间的间距为1.1倍微球直径(所施电压较高时)的示意图。

图3为本发明基于光子晶体概念的彩色电泳显示器结构示意图。

具体实施方式

本发明是按照如下技术方案实现的：

本发明是一种基于光子晶体概念的彩色电泳显示器，其核心部分是一种包有大量均匀亚微米微球的微胶囊。

电泳显示器具有低能耗、高反射、宽视角等特点，因而特别适于作在日光条件下使用的显示器，如：移动电话、电子图书、广告牌等。微胶囊电泳显示器一般是由两个平行的电极面板(至少有一块是透明的)和夹在两面板间的一层微胶囊组成。每个微胶囊内包有一种绝缘液体和一种带电荷的颜料微粒，当在两电极间施加一定电压时，该颜料微粒就迁移到一侧，这样就可获得图形显示。本发明所涉及的基于光子晶体概念的微胶囊(胶囊直径在20-100μm之间)亦是位于两电极面板间，与传统微胶囊电泳显示器不同的是，其内包含有粒径均匀的亚微米微球，在外加电场的作用下，微球由于自身荷电，在电场作用下定向运动并有序排列，从而对波长与之匹配的光完全反射而获得彩色显示。通过反射所获得的色彩与亚微米小球的粒径、折射率、填充介质的折射率及微球的排列状态相关，具体涉及的计算公式有： $\left(1\right)---n_{\mathrm{eff}}=\sqrt{{n_1}^{2}f+{n_2}^2(1-f)},$ 其中n₁，n₂分别为小球和溶剂的相对折射率，f为小球的填充率，n_eff为有效折射率；对于面心立方排列的小球， $\left(2\right)---d=\sqrt{\frac{2}{3}}D,$ 其中d为(111)面间距，D为小球直径； $\left(3\right)---\mathrm{\λ}=2d\sqrt{{n^2}_{\mathrm{efff}}-{\mathrm{Sin}}^2\mathrm{\θ}},$ 其中λ为反射光的波长，θ为光的反射角。

在本发明中，我们给定若干体系微球，其亚微米微球的粒径、折射率、填充介质的折射率均是一定的，通过改变外加电场(电压)来改变微球的排列状态，即光子晶体的有序结构周期，从而改变反射光的波长。用于微胶囊中有序排列的微球既可以由无机材料制成，也可以由有机材料制成，常用的有：SiO₂微球、聚苯乙烯微球以及其他高分子微球。

微胶囊的制作可以使用现存的一些成熟方法，如界面聚合法、原位聚合法、复合凝聚法等。其囊壁应是透明的，合适的壁材有尿素-甲醛缩合物、阿拉伯树胶、凝胶等。以原位聚合法合成的尿素-甲醛微胶囊为例，首先需要把小球分散于溶剂中。所用溶剂为具有良好绝缘性能的透明液体，另外溶剂和小球之间的溶剂效应要小，例如有机小球可分散于水中，无机小球则可分散于水或有溶剂己烷、辛烷、十二烷、甲苯、二甲苯等中。在分散小球时可有选择的加入一些分散剂和荷电添加剂。在完成上述分散步骤后，将含有微球的溶液经乳化后分散于溶有尿素-甲醛预聚体的水中，加入催化剂使其发生聚合反应，进而形成包有大量微球的微胶囊。在乳化的过程中可根据乳液的类型有选择地添加适当表面活性剂，如：十二烷基苯磺酸钠、司本85、司本60、吐温60、吐温20、石油磺酸钠等。本发明所涉及的包有亚微米微球的微胶囊的颗粒尺寸在20-100μm之间，其中值尺寸位于趋近30-50μm处。

接下来将含有微胶囊的溶液注入两电极面板间，或被“印刷”或被涂布到一透明导电膜上，该微胶囊也可被固定在两电极间的粘合剂中。通过引线将外部电压加载到面电极上，在两电极面板间形成可控电场。在外加电场的作用下，微球由于自身荷电，在电场作用下定向运动并有序排列，从而对波长与之匹配的光完全反射获得彩色显示。

微胶囊电泳显示器一般是由两个平行的电极面板(至少有一块是透明的)和夹在两面板间的一层微胶囊组成。每个微胶囊内包有一种绝缘液体和一种带电荷的颜料微粒，当在两电极间施加一定电压时，该颜料微粒就迁移到一侧，这样就可获得图形显示。蔼 $\left(1\right)---n_{\mathrm{eff}}=\sqrt{{n_1}^{2}f+{n_2}^2(1-f)},$ 其中n₁，n₂分别为小球和溶剂的相对折射率，f为小球的填充率，n_eff为有效折射率；对于面心立方排列的小球， $\left(2\right)---d=\sqrt{\frac{2}{3}}D,$ 其中d为(111)面间距，D为小球直径； $\left(3\right)---\mathrm{\λ}=2d\sqrt{{n^2}_{\mathrm{eff}}-{\mathrm{Sin}}^2\mathrm{\θ}},$ 其中λ为反射光的波长，θ为光的反射角。

在本发明中，我们给定若干体系微球，其亚微米微球的粒径、折射率、填充介质的折射率均是一定的，通过改变外加电场(电压)来改变小球的排列状态，从而改变反射光的波长。用于微胶囊中有序排列的小球既可以由无机材料制成，也可以由有机材料制成，常用的有：SiO₂微球、聚苯乙烯微球以及其他高分子微球。

微胶囊的制作可以使用现存的一些成熟方法，如界面聚合法、原位聚合法、复合凝聚法等。其囊壁应是透明的，合适的壁材有尿素-甲醛缩合物、阿拉伯树胶、凝胶等。以原位聚合法合成的尿素-甲醛微胶囊为例，首先需要把微球分散于溶剂中。所用溶剂为具有良好绝缘性能的透明液体，另外溶剂和微球之间的溶剂效应要小，例如有机微球可分散于水中，无机微球则可分散于水或有溶剂己烷、辛烷、十二烷、甲苯、二甲苯等中。在分散小球时可有选择的加入一些分散剂和荷电添加剂。在完成上述分散步骤后，将含有微球的溶液经乳化后分散于溶有尿素-甲醛预聚体的水中，加入催化剂使其发生聚合反应，进而形成包有大量微球的微胶囊。在乳化的过程中可根据乳液的类型有选择地添加适当表面活性剂，如：十二烷基苯磺酸钠、司本85、司本60、吐温60、吐温20、石油磺酸钠等。本发明所涉及的包有亚微米微球的微胶囊颗粒尺寸在20-100μm之间，其中值尺寸位于趋近30-50μm处。

接下来将含有微胶囊的溶液注入两电极面板间，或被“印刷”或被涂布到一透明导电膜上，该微胶囊也可被固定在两电极间的粘合剂中。通过引线将外部电压加载到面电极上，在两电极面板间形成可控电场。在外加电场的作用下，获得彩色显示的具体实施方式是：微球由于自身荷电，在给定电场作用下定向运动并有序排列，当电场强度较低时，胶囊中的微球排列比较疏松，相邻微球的中心距离较大，这样波长与之相匹配的较长的光被完全反射。这时表现为长波长光的反射，如红光。当电场强度进一步加大，胶囊中的微球间的中心距离减小(如附图1、2所示)，从而对波长与之匹配的光完全反射获得彩色显示。具体到个例时，在同一方向上获得相同波长的反射光所需施加的电压的大小与微胶囊的大小有关，一般胶囊的粒径越大，所需施加的电压也越大。

下面举例进一步说明本发明：

实施例1

首先用原位聚合法合成囊壁为尿素-甲醛聚合物的微胶囊，筛选出中值尺寸位于趋近40μm处的粒径为20-60μm的微胶囊，这些微胶囊内包有大量粒径为370±10nm的聚苯乙烯微球和水。而后将这些粒径为20-60μm的微胶囊涂布到两电极面板间，两电极中有一块是含有图案化的透明氧化铟锡(ITO)导电薄膜的玻璃，两电极面板的间距为微球直径的1.5-2倍。利用引线将电压施加于两电极面板间，通过对不同象素单元施加不同电压而使微球的排列方式不同，进而获得不同的反射光。例如在本实施例中当对象素单元施加的电压为2V时，在垂直与电极面板方向上所获得的反射光为红色；而当所施电压为5V时，在垂直与电极面板方向上所获得的反射光为的蓝色。这样通过施加2-5V范围内的电压就可获得从红色到蓝色范围内的连续变化的光。

Claims (6)

1、基于光子晶体概念的彩色电泳显示器显示方法，其特征在于，所述方法是在位于两个平行的电极面板间包覆于微胶囊内的微球上施加外加电场，在外加电场的作用下，微球由于自身荷电，在电场作用下定向运动并有序排列，从而对波长与有序结构周期匹配的光完全反射而获得彩色显示；所述微胶囊尺寸为20～100μm，微胶囊的中值尺寸为30～50μm；所述包覆于微胶囊内的微球其粒径为200～600nm。

2、根据权利要求1所述的彩色电泳显示器显示方法，其特征在于，所述微球的材料为高分子材料，其折射率为1.5～2.1。

3、根据权利要求1所述的彩色电泳显示器显示方法，其特征在于，所述微球的材料为二氧化硅材料，其折射率为1.48。

4、根据权利要求1所述的彩色电泳显示器显示方法，其特征在于，所述外加电场电压为1～10V。

5、基于光子晶体概念的彩色电泳显示器，其特征在于，所述电泳显示器含有两个平行的电极面板和夹在所述两个平行的电极面板间的一层微胶囊，微胶囊内包有在外加电场的作用下定向运动并有序排列的粒径均匀的亚微米微球。

6、根据权利要求5所述的彩色电泳显示器，其特征在于，所述两个平行的电极面板中至少有一块是透明的图案化电极面板。

Images