CN1646981A - 电光显示装置 - Google Patents

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Abstract

电光显示装置具有半透明前壁(12)和至少一个像素(10)，该像素具有电光介质，散射介质(14)和与前壁(12)关联的开关电极(6)，以及驱动装置，通过驱动装置可使像素(10)处于不同光学状态。根据本发明，像素(10)包括折射率n1i处于1.0≤1.4.4范围内的低折射率材料(21)。优选，低折射率材料(21)设置在开关电极(6)与电光介质之间。优选，电光介质是一种电泳介质或电致色介质。该电光显示装置将高亮度与宽视角结合起来。

Description

电光显示装置
技术领域
本发明涉及一种电光显示装置，其包括一半透明前壁和至少一个像素，该像素具有电光介质的，散射介质和与前壁关联的开关电极，以及可使像素处于不同光学状态的驱动装置。
背景技术
电光显示装置的一个例子是电泳显示装置。电泳显示装置基于带电的通常是着色粒子在电场的影响下在具有不同透射率或反射率的两个极端状态之间的运动。对于这些显示装置，可在亮(有色)背景上成像暗(有色)字符，反之亦然。电泳显示装置特别应用于取代纸张功能的显示装置中，通常称作“电子纸”或“白底(paper white)”装置(电子报纸，电子杂志)。
本发明权利要求或说明书中所用的用语“开关电极”并不排除如果需要的话将电极分成多个子电极，通过外部或者通过开关元件向其输送一个相同的电压。
在已知的电泳显示装置中，电泳介质设置在两个开关电极之间，其中一个开关电极与前壁关联，另一个通常与后壁关联。在操作过程中，为所述开关电极提供驱动电压，从而使像素处于两个(极端)光学状态。其中一个开关电极为，例如处于像素或显示元素前壁上的两个相互连接的窄导电条。当该开关电极上相对于覆盖显示元件整个底面的底部电极为正电压时，带电粒子(例如带负电)向两个相交窄导电条限定的电势平面运动。带(负)电粒子扩散到像素的前表面上，该像素呈现出该带电粒子的颜色。当该开关电极相对底部电极为负电压时，带(负)电粒子扩散到像素的后壁上，该像素呈现出液体的颜色。
电泳显示装置提供实际上与普通纸张一样宽的视角。通过显现出散射(白)或吸收(黑)粒子或者具有白散射粒子的暗吸收液体(墨水)，获得对比度，实现这种宽视角。在所有情况下，入射光(定向或漫射)将被粒子散射到所有方向。在获得优异视角的同时，缺陷在于还导致亮度损失。
发明内容
本发明的目的在于全部或部分地消除上述缺点。根据本发明，开头段落中所述种类的电光显示装置用于这一目的，其特征在于像素包括折射率n1i处于1.0≤n1i≤1.6范围内的低折射率材料。
通过采用低折射率材料，可将更多的光耦合出像素，从而增大电光显示装置的亮度。本发明基于以下认识，即以高于全内反射极限角的角度散射的光，不能被耦合出像素。通过采用低折射率材料，增大极限角，可从像素发射出更多的光。
在已知的电光显示装置中，入射到像素上的光通过漫散射重新分布，如果与前壁表面上法线的夹角超过极限角θ1a，则光不能从前壁射出。如果入射光通量为Iin，并且反射光的光通量为Iout，则在一阶近似下，入射光与耦合出像素的光之间的关系为：
I out ≤ I in ( 1 - cos ( 2 θ la ) ) 2
在上述公式中，假定像素中的反射为朗伯反射(Lambertian)。公式中的≤符号用于表示忽略了附加的菲涅耳损耗。在表I中，对于前壁的多种折射率值，计算正常条件下的反射通量Iout。
  表I：对于前壁的多种折射率值的反射通量。
    前壁的折射率n     极限角θ1a     反射通量Iout
    1.0     90.0°     1.00Iin
    1.1     65.4°     0.83Iin
    1.2     56.4°     0.69Iin
    1.3     50.3°     0.59Iin
    1.4     45.6°     0.51Iin
    1.5     41.8°     0.44Iin
    1.6     38.7°     0.39Iin
对于玻璃或聚对苯二甲酸乙二酯(Poly(Ethylene Terephthalate))(PET)制成的前壁，n≈1.5，并且仅反射0.44×Iin的入射光。对于聚碳酸酯制成的前壁，n≈1.6，且仅反射0.39×Iin的入射光。
通过采用低折射率材料，可将更多的光耦合出像素。优选，低折射率材料的折射率为n1i≤1.4。
根据本发明的电光显示装置的优选实施例的特征在于，从氟聚合物(fluor-polymer)、低介电无机膜和低介电毫微多孔膜组成的组中选择低折射率材料。对于氟聚合物，折射率近似为1.3。根据表I，对于n≈1.3，反射通量增大到0.59×Iin，相对于已知电光显示装置，增大倍数为0.59/0.44＝1.34。低介电膜例如可在氟化物中获得，如n≈1.39的LiF，或n≈1.38的MgF2。此外已知氟硅化物具有低折射率，例如MgSiF6具有n≈1.35，K2SiF6具有n≈1.34。毫微多孔膜或气凝胶的折射率低至1.05-1.1。对于n≈1.1而言，反射通量增大大约2倍。
根据本发明的电光显示装置的优选实施例的特征在于，电光介质为电泳介质。优选，电光介质与散射介质一起存在于电泳介质中。优选，电泳显示装置包括多个分离的电泳子像素。在此情形中，有利于形成子像素，作为本领域技术人员已知的所谓的微胶囊。
在根据本发明电光显示装置的另一优选实施例中，电光介质为电致色介质。在根据本发明电光显示装置的又一优选实施例中，开关电极与电致色介质结合在一起。
在根据本发明电光显示装置的第一实施例中，低折射率材料设置在电光介质与同前壁关联的开关电极之间。通过在散射介质上直接采用低折射率层，以较高角度散射的光，在进入前壁时，首先朝向法线方向衍射，并更有效地从前壁射出。像素将发射出更多散射光，该电光显示装置看起来更加明亮。
在根据本发明电光显示装置的另一实施例中，低折射率材料设置在半透明前壁和与该前壁关联的开关电极之间。在本实施例中，开关电极直接与电光介质接触。其具有电压直接施加给电光系统，在低折射率介质层上不发生降落的优点。在本发明中，驱动电压减小。此外，在该电光显示装置中余像充分减小。当开关电极的厚度小于或等于光波长时(否则散射光将发生折射，导致TIR)，本实施例尤为有效。通常，电光显示装置中(ITO)开关电极的厚度远小于可见光波长。
在粒子浸入低折射率材料的电泳介质的实施方式中，总显示出亮度增强，并且电光显示装置的亮度充分增强。如果粒子处于低折射率层附近，则亮度增强达到最大。在另一优选实施例中，靠近表面粒子(散射介质)产生散射(即，小尺寸和高散射粒子)。当像素处于其最大亮度时(即，当所有白色粒子靠近前壁时)，散射作用最好：处于中间灰度级的像素(白色粒子远离表面的位置)的亮度增强更小。
在根据本发明电光显示装置的第三实施例中，电光介质包括设置于低折射率材料中的粒子。通过将粒子直接引入低折射率液体中，以更高角度散射的光，在进入前壁之前，朝向法线方向衍射，并更有效地从前壁射出。该像素将发射出更多的散射光，电光显示装置看起来更亮。
优选，低折射率材料与电光介质之间的距离小于或等于可见光波长。在电光显示装置的另一优选实施例中，低折射率材料与电光介质之间的距离小于或等于500nm。在两个实施例中，可有效地减小全内反射(TIR)。
附图说明
从下面所述的实施例显然可以得出本发明的这些和其他方面，并将参照下面所述的实施例进行说明。
在附图中：
图1表示电光显示装置，
图2表示根据本发明一个实施例电光显示装置的一个像素的剖面，以及
图3表示根据本发明另一实施例电光显示装置的一个像素的剖面。
附图纯粹是示意性的并非依照比例绘出。特别是为了清楚起见，大大夸大了某些尺寸。附图中尽可能用相同附图标记表示相同部件。
具体实施方式
图1示意地表示可应用本发明的电光显示装置1的一部分的等效电路。其包括处于行或选择电极7与列或数据电极6相交区域处的像素10的矩阵。图1中从1到m编号的行电极可通过行驱动器4连续选择，而图1中从1到n编号的列电极可通过数据寄存器5提供数据。为此，如果需要首先在处理器3中对输入数据2进行处理。通过与处理器3连接的驱动线8，在行驱动器4与数据寄存器5之间产生互同步。
来自行驱动器4和数据寄存器5的驱动信号选择像素10(称作无源驱动)。通常，列电极6获取关于行电极7的这一电压，交点区域的像素显示为两种极端状态中的一种(例如黑色或彩色，取决于液体和电光粒子的颜色)。
如果需要，来自行驱动器4的驱动信号可以通过栅极与行电极7电连接且源极与列电极6电连接的薄膜晶体管(TFT)9选择图像电极(称作有源驱动)。列电极6处的信号经由TFT传输给像素10的图像电极，而该图像电极与TFT的漏极连接。像素10的其他图像电极例如通过一个(或多个)公共反电极例如接地。在图1的例子中，仅示意地表示出对于一个像素10的这种TFT9。
图2示意地表示根据本发明一个实施例电光显示装置的一个像素10的剖面。像素10包括由例如玻璃或合成材料制成的半透明前壁12。优选由氧化铟锡(ITO)制成的开关电极6，与前壁12关联，在图2的例子中，开关电极6设置在前壁12上。此外，像素10包括设有至少另一开关电极7的后壁11。在图2的例子中，像素10充满电泳介质，例如在本例中包含带正电白色粒子14的暗悬浮液或液体13。开关电极6、7与驱动装置(图2中未示出)连接，以便获得像素10的不同光学状态。根据开关电极6、7之间的电压，白色粒子14例如朝向与像素10的前壁12关联的开关电极6移动。从观察方向30观看时，此时像素10具有液体13的颜色(在此情形中为暗或黑色)。改变开关电极6、7之间的电压，白色粒子14例如朝向与像素10的后壁12关联的另一开关电极7移动。从观察方向30观看时，此时像素10具有粒子14的颜色(在此情形中为白色)。图2中以后一种情形为例。
根据本发明的方法，像素10包括折射率n1i处于1.0≤n1i≤1.6范围内的低折射率材料。在图2的例子中，低折射率材料层21处于电光介质与同半透明前壁12关联的开关电极6之间。在另一实施例中，低折射率材料处于半透明前壁与同该半透明前壁关联的开关电极之间。优选，开关电极的厚度小于或等于光波长。
通过在电光显示器的电光介质与前壁之间加入一层或多层低折射率材料，提高电光显示装置的亮度。低折射率介质的折射率与空气的折射率越匹配，则实现的亮度改进越大。优选，低折射率材料层21的折射率为n1i≤1.5，最好n1i≤1.4。可获得处于所需折射率范围内的材料。优选从氟聚合物，低介电无机膜和低介电毫微多孔膜组成的组中选择低折射率材料。对于氟聚合物而言，折射率近似为1.3，而毫微多孔膜或气凝胶的折射率近似为1.1。低介电膜例如可在氟化物中获得，如n≈1.39的LiF，或n≈1.38的MgF2。此外，已知氟硅化物具有低折射率，例如MgSiF6具有n≈1.35，K2SiF6具有n≈1.34。毫微多孔膜或气凝胶的折射率低至1.05-1.1。
图2表示若干光线(箭头表示传播方向)。入射光线25从像素10的空气一侧进入前壁12，并且在穿过前壁12和低折射率材料21之后，光在电泳液体13中的一个粒子14(散射介质)上发生漫散射。通过在散射粒子14(散射介质)上直接采用低折射率材料层，通过粒子14以较高角度散射的光，在进入像素的前壁12时首先朝向法线衍射。实际上更多光线26，26′，...最终从前壁12射出，从而增强电光显示装置的像素的亮度。根据本发明的方法，实现具有宽视角和高亮度的电光显示装置。
为了使亮度增加最高，低折射率材料21与电光介质之间的距离优选应当小于或等于可见光波长。可见光包括电磁光谱中从大约400到780nm的波长范围。或者，低折射率材料(21)与电光介质之间的距离小于或等于500nm。
图3示意地表示根据本发明另一实施例电光显示装置的像素10的剖面。相同部件被赋予相同附图标记。在图3的例子中，像素10包括半透明前壁12。开关电极6设置在前壁12上。此外，像素10包括设有至少另一开关电极7的后壁11。像素10充满所谓的微胶囊电光介质113，113′，...。在本例中，每一个胶囊113，113′，...包括散射介质，例如白色粒子14或黑色粒子15。开关电极6、7与驱动装置(图3中未示出)连接，以便实现像素10的不同光学状态。根据开关电极6、7之间的电压，白色粒子14例如远离与前壁12关联的开关电极6运动，同时，黑色粒子15朝向与像素10的前壁12关联的开关电极6运动。从观察方向30观看时，此时像素10显示出黑色。改变开关电极6、7之间的电压，白色粒子14例如朝向与前壁12关联的开关电极6运动，同时，黑色粒子15远离与像素10的前壁12关联的开关电极6运动。从观察方向30观看时，此时像素10显示出白色。图3中以后一种情形为例。根据本发明该实施例，微胶囊电泳介质113，113′，...还包括低折射率液体。或者，胶囊壁由低折射率材料制成。在另一可选的实施方式中，低折射率材料设置在胶囊与同像素的前壁关联的开关电极之间。
优选，电光显示装置包括多个分离的电泳子像素。在此情形中，有利于形成作为本领域中公知的所谓的微胶囊的子像素。这种微胶囊还可以通过产生阻挡层例如聚合物壁而获得。例如，可采用所谓的轴对称排列的微单元。
图3表示若干光线(箭头表示传播方向)。入射光线25从像素10的空气一侧进入前壁12，并且在穿过前壁12之后，光在微胶囊状电泳介质中的一个粒子14上发生漫散射。通过结合使用低折射率材料与电泳介质，由粒子14(散射介质)以较高角度散射的光，在进入像素的前壁12之前首先朝向法线衍射。实际上更多光线26，26′，...最终从前壁12射出，从而增强电泳显示装置的像素的亮度。因此，实现具有宽视角和高亮度的电光显示装置。
应当注意，上述实施例说明而非限制本发明，本领域技术人员在不偏离所附权利要求范围的条件下可以设计出多种可选择的实施方式。在权利要求中，置于圆括号内的任何附图标记都不应当理解为限制该权利要求。使用动词“包括”及其变形，不排除存在除权利要求中所述及以外的元件或步骤。元件前面的冠词“一个”不排除存在多个这种元件。本发明可通过包括数个不同元件的硬件，和通过适当编程的计算机来实现。在列举出多个装置的装置权利要求中，可由硬件的同一部件实现这些装置中的几个。唯一的事实在于，在互不相同的从属权利要求中所引用的某些措施，不表明不能使用这些措施的组合来获得益处。

Claims (15)

1、一种电光显示装置，包括：
半透明前壁(12)，和
至少一个像素(10)，其具有电光介质，散射介质和与前壁(12)关联的开关电极(6)，以及驱动装置，通过驱动装置使像素(10)处于不同光学状态，
其特征在于：
像素(10)包括折射率nli处于1.0≤nli≤1.6范围内的低折射率材料(21)。
2、如权利要求1所述的电光显示装置，其特征在于该低折射率材料(21)的折射率为nli≤1.4。
3、如权利要求1或2所述的电光显示装置，其特征在于从氟聚合物，低介电无机膜和低介电毫微多孔膜组成的组中选择低折射率材料(21)。
4、如权利要求1或2所述的电光显示装置，其特征在于低折射率材料(21)设置在开关电极(6)与电光介质之间。
5、如权利要求1或2所述的电光显示装置，其特征在于低折射率材料(21)设置在开关电极(6)与半透明前壁(12)之间。
6、如权利要求5所述的电光显示装置，其特征在于开关电极(6)的厚度小于或等于可见光波长。
7、如权利要求1或2所述的电光显示装置，其特征在于电光介质包括低折射率材料的粒子(14；15)。
8、如权利要求1或2所述的电光显示装置，其特征在于低折射率材料(21)与电光介质之间的距离小于或等于可见光波长。
9、如权利要求1或2所述的电光显示装置，其特征在于低折射率材料(21)与电光介质之间的距离小于或等于500nm。
10、如权利要求1或2所述的电光显示装置，其特征在于该电光介质为电泳介质。
11、如权利要求1或2所述的电光显示装置，其特征在于电光介质与散射介质结合作为电泳介质。
12、如权利要求1或2所述的电泳彩色显示装置，其特征在于该电泳介质存在于微胶囊中。
13、如权利要求12所述的电泳彩色显示装置，其中每个像素一个微胶囊或每个子像素一个微胶囊。
14、如权利要求1或2所述的电光显示装置，其特征在于该电光介质为电致色介质。
15、如权利要求14所述的电光显示装置，其特征在于开关电极与电致色介质结合。
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