CN1633623A - 电泳显示器件 - Google Patents

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Abstract

用于产生彩色图象的电泳显示器件具有象素，每个象素具有在光学光谱范围内基本透明的介质(12)以及至少两种类型的独立可控的电泳粒子(31C、31M、31Y)。粒子种类吸收某些波长而对于被其它粒子种类吸收的光它们是透明的(并且基本非散射)。通过产生电场移动这些粒子进/出象素的可见区域，可以随意控制颜色吸收。由于粒子是基本透明的(至少对于其它粒子种类吸收的颜色)，整个象素区域(和体积)可以用于任何粒子种类。这样可以获得任何颜色的最大亮度。

Description

电泳显示器件
本发明涉及用于产生彩色图象的电泳显示器件，该器件包括图象元素，图象元素具有可见区域、光学光谱范围内基本透明的介质、至少两种类型的独立可控的电泳粒子以及用于控制这些粒子在介质中的分布的装置。
在专利申请WO99/53373中可以得知电泳显示器件。这种显示器件包括图象元素，每个图象元素具有几种类型的在悬浮流体中的粒子，例如，如该文献的图5～8所示。这些粒子带电因此可以被电场控制，这种效应称作电泳效应。悬浮流体作为介质允许不同类型的粒子在电场的影响下以不同的速度行进。通过提供电极和适当模式的控制电压来控制各种类型的粒子的运动。所选的粒子被移动到图象元素的可见区域。每一种类型的粒子都有特定的颜色，因此在可见区域中的图象元素的前表面的特定类型的粒子使得该图象元素变成特定的颜色。在图6所示的例子中图象元素包括红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)粒子。假设这些粒子带负电，并且在电场的作用下首先运动到图象元素的背端，该电场沿横穿可见区域的方向由底电极和顶电极之间的正电压产生。然后电压反向，这些粒子开始运动到图象元素的前面。红色粒子是最快的，因而它们最先到达。然后从电极上撤去电压，由于入射的白光中的红色分量被反射因此红色粒子是可见的。入射光的剩余部分被吸收因而其蓝色和绿色分量不能够到达漂浮在图象元素的较下部的蓝色和绿色粒子。通过将所有的粒子移动到前面可以产生不同的颜色，并且此后将更快的粒子移动到图象元素的背侧。例如，通过将红色和绿色粒子的混合物移动到前面可以产生黄色。已知的显示器件的问题在于所产生的颜色的对比度和亮度都不令人满意。
因此，本发明的目的是提供具有更高亮度和对比度的显示器件。
本发明的目的通过开始段落中所定义的器件实现，该器件包括位于可见区域外部的用于容纳不在可见区域内的粒子的至少一个贮存器，对光学光谱范围的第一部分基本透明的，基本上非反向散射的，对光学光谱范围的第二部分吸收或反射的各种粒子类型，该第一部分和第二部分一起覆盖光学光谱范围，并且所述粒子类型的光学光谱范围的多个第二部分基本不重叠。效果是特定类型的粒子基本不遮蔽光谱范围的特定第二部分之外的光。图象元素产生的在光学光谱范围的特定第二部分内的光通过移动那种类型的粒子到可见区域而控制。可以独立控制光学光谱范围的所有第二部分的强度，而需要用于控制其它光谱范围的粒子在该光谱范围的各部分不吸收光。有益的效果是所有颜色的亮度和对比度高。
本发明也基于下面的认识。本发明人已经发现已知的多色图象元素只能以降低的亮度显示混合颜色。对于基色，即由单粒子型产生的颜色，由于所有该基色的入射光都将被图象元素前表面的粒子反射，所以可以获得高亮度。然而，在具有红色、绿色、蓝色粒子的系统中混合色，例如黄色通过在可见区域的表面有50％绿色和50％红色粒子产生。这样只有50％的入射光被反射，黄色的亮度减小到50％。本发明人认为现有的系统是有缺陷的，因为其使用的粒子遮蔽，即吸收或散射所控制的光谱部分之外的光。假如不需要它们时将它们从可见区域移动到贮存器，不遮蔽的粒子防止亮度下降。
在该器件的一个实施例中，多个不重叠的第二部分一起基本覆盖光学光谱范围。优点是每个图象元素能够以最大亮度产生光学光谱范围的所有颜色，因为光学光谱范围内的所有光都能被控制。
在该器件的一个实施例中，由于下面的至少一个原因，粒子基本是非散射的：由于具有基本与电泳介质的折射系数基本相等的折射系数，由于粒子的尺寸小于光学光谱范围内的光的波长，由于粒子中光吸收层/结构的尺寸低于粒子中的内波长，内波长是光学光谱范围内的光的波长除以粒子的折射系数。优点是通过非散射的粒子而加强了对比度。
在该器件的一个实施例中，图象元素包括滤色器，其中各图象元素滤色器吸收或反射光学光谱范围内的至少一个被过滤的部分，而剩余的光学光谱范围的未被过滤的部分基本对应的范围是各图象元素中的粒子类型的所述第二部分所覆盖的光学光谱的范围。优点在于可以通过使用滤色器和介质内更少类型的粒子的结合产生几种颜色。
根据本发明的器件的另外的优选实施例在后面的权利要求中给出。
在下面的描述中，参照实施例和附图以实例的方式进一步阐明了本发明的这些和其它方面，由此本发明的这些和其它方面将变得明显，其中附图为：
图1a示出了复位模式下反射显示器的现有技术图象元素，
图1b示出了在红色显示模式下反射显示器的现有技术图象元素，
图2a示出了红色显示模式下具有遮蔽粒子的显示器，
图2b示出了黄色显示模式下具有遮蔽粒子的显示器，
图3a示出了红色显示模式下具有非遮蔽粒子的显示器，
图3b示出了黄色显示模式下具有非遮蔽粒子的显示器，
图4示出了具有滤色器的三个共同运作的图象元素，并且
图5示出了具有滤色器的图象元素。
这些图是示意性的，并未按比例给制。在这些图中，对应于已经描述了的元件的元件具有相同的参考数字。
图1示出了不同状态下的现有技术电泳显示器图象元素。图1a示出了复位状态下反射显示器的现有技术图象元素。从观察方向10观察图象元素13(也称作象素)。介质12包括用表示红色、绿色、蓝色的字母R、G、B表示的电泳粒子。每个粒子类型反射特定的颜色，并且吸收光学光谱中的剩余部分。设有顶电极11和底电极14用于控制有色粒子的运动，有色粒子在用“d”表示的横穿可见区域的深度方向运动。电极11、14不阻挡图象元素的可见区域。假设粒子带负电，通过电场被移动到图象元素13的底端，电场由底电极14和顶电极11之间的正电压产生，方向横穿可见区域。为了获得复位状态，所有粒子R、G、B被移动到图象元素13的底部。介质通常是透明的，因此在复位状态所有颜色的光将被反射因而图象元素产生白色的光。在这种类型的象素中的介质也可以是有色的。图1b示出了红色显示状态下反射显示器的现有技术图象元素。所选择的粒子R位于图象元素13的可见前表面区域。在可见区域中的图象元素的前表面的粒子的特定类型R导致该图象元素是特定颜色红色。如下获得红色状态。在复位状态后电压反向，粒子开始运动到图象元素的前面。在一定的电场强度下粒子具有不同的运动速度。红色粒子R是最快的，因此它们首先到达前表面。然后从电极上撤走电压，由于入射的白光中的红色分量被反射所以红色粒子是可见的。入射光的剩余部分被吸收因而其中的蓝色和绿色分量不能到达漂浮在图象元素中较低处的绿色和蓝色粒子。通过将所有粒子移动到前面并且此后将更快的粒子移动到图象元素的背侧可以产生不同颜色。
图2a示出了红色显示模式下具有遮蔽粒子的显示器。图2b示出了黄色显示模式下相同的图象元素。该图是为了解释使用遮蔽粒子的负面效应。如图所示白光21W入射到图象元素的可见区域23上。如图所示贮存器24在图象元素的左侧，例如通过在贮存器24上设置黑掩模，观察者看不到该贮存器。顶电极25和底电极26位于该贮存器中用于控制粒子的运动。顶电极27和底电极28位于可见区域23中以控制粒子的运动。在各电极25、26、27、28上施加正的和负的电压以独立控制不同类型的粒子的运动。为了获得好的对比度，优选将象素放置在黑色背景上。在图2a中所示的是红色显示状态下的图象元素。示出了被位于可见区域的红色粒子22R反射的红光21R。蓝色粒子22B和绿色粒子22G位于贮存器中。在图2a中所示的是黄色显示状态下的图象元素。示出了被位于可见区域内的红色粒子22R和22G反射的红光21R和绿光21G。蓝色粒子22B和一些绿色粒子22G和红色粒子22R位于贮存器中。观看区域的一半被红色覆盖并且另一半被绿色粒子覆盖。在这种情况下黄色的亮度是如果所有的红光和绿光都被反射的条件下可获得的最大黄色亮度的50％。应当注意粒子22R和22G在界面的随机分布也会产生相同的效果。
在现有的电泳显示原理中使用的粒子遮蔽其它粒子，并且通过在顶电极附近有不同粒子种类而产生颜色，在顶电极上只有有限的可用观看区域。在基于遮蔽粒子的电泳显示器中，不可能在整个象素区域上产生任何颜色。这导致相当大的(颜色)亮度损失。
图3a示出了红色显示模式下具有非遮蔽粒子的显示器。图3b示出了黄色显示模式下具有非遮蔽粒子的显示器。图3示出了根据本发明的图象元素。电泳显示器的象素具有在悬浮介质中的三种非遮蔽粒子种类。该介质可以是例如透明液体或气体。对红色吸收的粒子种类表示为青色31C，吸收绿色的表示为种类品红色31M并且吸收蓝色的表示为黄色31Y，而每种类型对于其它种类吸收的光是基本透明的。该象素具有观察者看不到的贮存器24。该象素具有可以被观察者看到的可见区域并且具有反射背景34。图3a示出了红色状态，其中整个可见区域可以同时包含绿色31M和蓝色31Y吸收粒子。图3b示出了黄色状态，其中象素体积包含蓝色吸收粒子31Y。在两种情况下对所产生的颜色都可以获得最大可得亮度的100％。注意在图3a中，当粒子种类在象素体积中的分布更随机时，将产生相同的象素视觉感觉。应当注意图3和4中示出的所有图象元素具有与图2中的相似的结构，包括可见区域23、贮存器24和电极25、26、27、28。根据本发明的图象元素可以具有反射体并可以用于图3和4所示的反射系统中，或者可以用于没有背景反射体，例如使用背光元件，的透射系统中。
根据本发明的电泳显示器使用吸收(或反射)一定波长的粒子种类，而这些粒子对于在其它粒子种类中吸收的光是透明的(并基本非散射的)。应当注意，反向散射将被阻止，但是一定程度的正向散射对于对比度是有益的。此外，应当注意本文中的粒子也包括(微)乳状滴，即悬浮介质包括第二液体介质的小滴，该小滴是电泳可控的。通过移动这些微粒进/出象素体积，可以随意控制颜色的吸收或者开和关。由于粒子基本是透明的(至少对于在其它粒子中吸收的颜色)，整个象素区域(和体积)可以用于任何粒子种类。通过这种方法可以获得任何颜色的最大亮度。粒子种类从连着的贮存器(区域或体积)被电泳移动到象素体积，或者反之亦然。观察者看不到在贮存器中的粒子。贮存器邻近象素体积或者在其下方。在一个实施例中贮存器对所有粒子种类是共用的；或者每一粒子种类可以有其自己特定的贮存器区域或体积。
悬浮介质是透明的，因而在没有粒子时观察者通过象素体积看到背景。背景可以是白色的漫射体、粗糙的反射体，或者与前散射膜结合时是镜面反射体。
下表给出了具有三种粒子的电泳显示器的理想光学性质的实例。
    粒子种类     吸收     透明
    1     红色     绿色、蓝色
    2     绿色     红色、蓝色
    3     蓝色     红色、绿色
通过使用粒子从其中被抽取到象素体积的贮存器，三种粒子种类的这种设定可以实现全色象素。没有粒子时，通过象素体积可以看到背景。背景反射所有颜色。该反射可以是镜面的、漫散射的或者任何组合。
-在暗状态下，所有入射光必须被吸收并且所有粒子种类必须存在于象素体积中。在粒子种类的吸收带不完全重叠的情况下，可以使用顶部滤色器或者另外的“黑色”吸收粒子种类来加强对比度。该“黑色”粒子吸收光学光谱范围的相当大的部分，包括与至少一些第二部分的重叠。
-通过将所有的粒子从象素体积移到贮存器中产生白色状态，困而通过象素体积可以看到背景。
-通过在象素体积中混合适当数量的各种粒子种类可以在电泳象素中产生任何颜色。
图4示出了具有滤色器的三个共同运作的图象元素。左边的象素具有青色滤色器41C，中间的象素具有品红色滤色器41M，右边的象素具有黄色滤色器41Y。这三个子象素具有与三种不同种类的基于非遮-蔽粒子种类的两-粒子电泳子象素相结合的CMY滤色器，并且构成了全色系统。在位于具有滤色器的可见区域的左边的贮存器中的粒子对于观察者是不可见的。在象素体积的下面放置反射背景。只能在三个次象素中的两个中获得蓝色状态。为了获得对于观察者的饱和的蓝色，在右边的黄色滤色器元件41Y中，蓝光被吸收并且相应的象素转换到暗(吸收)状态。因此，1/3的显示区域不能用于蓝色。对于其它颜色也使用相同的方式。因此总的颜色亮度是可获得的最大颜色亮度的67％。然而，每个次一象素只需要控制两种类型的粒子，这易于制造并且响应更快。
在一个实施例中电泳象素与空间分离的减色滤色器相结合。在一个具体的实施例中，每个象素只需要两种粒子种类以产生全色显示，如图4所示。根据重叠的滤色器元件中吸收的颜色选择粒子的光学性质。下表给出了位于青色滤色器元件下面的电泳象素中可以组合的粒子的实例。
    显示元件     吸收     透明
    青色滤色器元件     红色     绿色、蓝色
    粒子1     绿色     (红色)蓝色
    粒子2     蓝色     (红色)绿色
青色滤色器元件总是吸收红光，因此表中给出的组合不能产生红色象素。可以将品红色和黄色滤色器元件与其它电泳象素组合以产生红色。在CMY滤色器显示器中，只能使用三个CMY滤色器元件中的两个来产生某一基色(红色、绿色、蓝色)。这意味着对于颜色产生损失了入射光的1/3。因此，可以获得最大颜色亮度的2/3的颜色亮度，并且其只需要两种粒子种类。
当使用非-遮蔽粒子时，整个象素体积决定象素的视觉感觉。这种感觉很大程度上不依赖于象素体积中粒子种类的内部分布。随机的和有序的分布可以产生相同的光学外观。
可以通过使用壁将贮存器与象素体积部分地隔开。每个象素可以有其自己的贮存器但是一个贮存器可以为几个象素服务。贮存器和象素中的电极结构允许选择性地从贮存器向象素体积中输运粒子种类。电极结构可以通过侧向或横向场或者任何组合移动粒子。贮存器中的粒子对于观察者是不可见的。这可以通过黑掩模、黑色贮存器背景或者通过将贮存器放置到象素的反射背景下面来获得。必须以贮存器占用最小可见区域的方式设计贮存器。象素壁可以包围象素只要这些壁允许与(多个)贮存器连接。
非-遮蔽粒子种类可以沿用从液体调色剂、墨水和颜料产业、或者从电子照相技术中得知的方法。反射光学光谱中特定部分的非-遮蔽粒子是胆甾型薄片(cholesteric flake)。为了使粒子对于非吸收的波长是透明的，粒子中光吸收层/结构的尺寸应当远小于粒子的内波长(即，光的波长除以粒子的折射系数。为了这一目的，可以使用小(纳米尺度)的粒子。或者，可以使用具有与溶剂匹配的折射系数的较大的(多孔的)粒子。然后通过在孔的外部和/或内部涂敷比光的内波长薄的染料层实现光的吸收。可以从颜料工业获得适合的颜料粒子，例如基于二氯联苯胺(dichlorobenzidine)的二芳基化物黄色颜料(已知的有Clariant公司的Novoperm Yellow HR02)，喹丫酮品红色颜料(已知的有Clariant公司的Toner Magenta E02或者PV Fast Red E5B或PV Fast Pink E)以及酞花青(phtalocyanine)青色颜料(已知的有Clariant公司的Toner Cyan BG)，所有的颜料粒子都具有50～150nm的粒子尺寸(典型值)。
图5示出了具有滤色器的图象元素。悬浮流体和电泳粒子位于两个透明衬底或支撑板50之间。该图中示出了具有品红色滤色器元件41M的图象元素。贮存器56包括基本透明的或半透明的流体，而辅助贮存器57包括分别吸收至少蓝色和至少红色的粒子58Y和58C。通过对电极51、52、53提供适当的电压，粒子58移动到贮存器56。电光部件(粒子，58Y和58C)现在在贮存器56内混合。辅助贮存器57设有黑掩模59。应当注意，该图象元素的实施例没有滤色器元件41M，但是只有至少两种类型的粒子。可以将多个额外的贮存器用于不同类型的粒子。此外，使用贮存器和电极用于控制不同类型电泳粒子的结构的进一步的细节在共同未决的专利申请EP 01203176.1(申请号为PHNL 010567)中描述。
在该器件的另一实施例中，粒子不完全是可移动的或者可能是被部分固定的，例如工作器件可以基于两种颜色的胆甾型液晶显示材料，其中透明或半透明状态和反射状态之间的转换对于不同颜色在不同电压下发生。CLC材料不必要是层。其可以是密封的薄片或者粒子形式。
包含所述囊层或者其它包含(可控的)反射或吸收粒子的层不需要完全透明，只要光传播的主要方向被保持(半透明或者正向散射层)。假设没有明显的反向散射发生，对于获得更好的吸收，散射可能更好，因此使用薄层。为此，象素壁54可以设有反射或吸收层。
在该实例中滤色器部分吸收(或反射)青色、品红色和黄色。原则上该器件也能够基于具有颜色的滤色器且相应地适应可转换的部件(层)的滤色器，该颜色吸收(或反射)光学光谱范围的其它部分。例如，人们可以使用具有在550-650nm吸收的滤色器部件的第一子象素，具有在450-550nm吸收的滤色器部件的第二子象素，以及具有在400-450nm和650-7000nm吸收的滤色器部件的第三子象素。另一方面，光学光谱范围可以包括红外和紫外。总之，该器件的上述实施例可以被理解为具有滤色器，其中n个子象素滤色器部件吸收器反射光学光谱范围的n个部分(优选非-重叠或最少重叠)，该器件包括(n-1)个可转换的电光部件，这些电光部件用于控制各次-象素中光谱范围的剩余部分的吸收或反射。
虽然已经主要通过使用电泳效应的光学元件的实例解释了本发明，本发明也适用于其它可控光学元件，例如电致变色显示器。注意，本文中使用的单词“包括”及其变形词不将其它元件或步骤排出在所列的元件或步骤之外，并且“一个”不排除出现多个这种元件，任何参考符号都不限定权利要求的范围，并且几个“装置”或“元件”可以用相同的条目表示。此外，本发明的范围不限于这些实施例，并且本发明在于各个和每一新特征或者上述特征的组合。

Claims (10)

1.用于产生彩色图象的电泳显示器件，该器件包括图象元素，图象元素具有：
-可见区域，
-在光学光谱范围内基本透明的介质，
-至少两种类型的独立可控电泳粒子，
-用于控制所述粒子在介质中的分布的装置，以及
-至少一个位于可见区域外部的贮存器，用于容纳不在可见区域中的粒子，
每种粒子类型对于光学光谱范围的第一部分基本透明，基本非散射，对于光学光谱范围的第二部分吸收或者反射，
该第一和第二部分一起覆盖光学光谱范围，并且
所述粒子类型的光学光谱范围的第二部分基本不重叠。
2.根据权利要求1的器件，其中不重叠的第二部分一起基本覆盖光学光谱范围。
3.根据权利要求1的器件，其中由于下述原因中的至少一个粒子基本非散射：由于具有与电泳介质的折射系数基本相同的折射系数，由于粒子的尺寸小于光学光谱范围中的光的波长，由于粒子中光吸收层/结构的尺寸小于粒子中的内波长，该内波长是光学光谱范围中的光的波长除以该粒子的折射系数。
4.权利要求1的器件，其中粒子是多孔的，并且由于具有基本等于电泳介质的折射系数的折射系数且大于光学光谱范围中的光的波长而基本非散射，用染料层涂覆该粒子和/或孔，染料层比该粒子中的内波长薄，内波长是光学光谱范围中的光的波长除以粒子的折射系数。
5.权利要求1的器件，其中该器件包括在图象元素后面的背景反射体，该背景反射体特别是白色漫射体或者粗糙反射体，或者前散射膜和在象素元素后面的背景反射体，该背景反射体是镜面反射体。
6.权利要求5的器件，其中贮存器位于背景反射体的后面。
7.权利要求1的器件，其中图象元素还包括另外类型的独立可控电泳粒子，该另外类型对光学光谱范围相当大的部分吸收，包括与第二部分中的至少一些的重叠。
8.权利要求1的器件，其中图象元素包括至少两个电极，用于选择性地从贮存器向可见区域传输粒子，反之亦然。
9.权利要求1的器件，其中图象元素包括滤色器，其中每个图象元素滤色器吸收或者反射光学光谱范围的至少一被过滤的部分，而光学光谱范围的剩余未被过滤的部分基本对应于光学光谱范围被覆盖的范围，该范围是被各图象元素中的粒子类型的光谱范围的所述第二部分覆盖。
10.权利要求9的器件，其中图象元素包括n个不同的滤色器，n是大于1的整数，光学光谱范围中被过滤的部分基本不重叠。
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