CN202548497U - 一种三维混色电子纸 - Google Patents

Abstract

一种三维混色电子纸，包括与驱动电极连接的三基色结构和背景结构，三基色结构包括单一基色结构和两种基色结构，单一基色结构和两种基色结构呈两层重叠结构，背景结构为黑白切换层，黑白切换层置于三基色结构的下面。本实用新型与现有技术相比的有益效果是：能增加单个像素的亮度，使黑色状态更黑，白色状态更白，实现非常逼真的彩色存储显示效果；能够最大效率利用现有电子纸材料的显示模式的色彩反射性能，提高色再现范围。黑白切换层根据色彩生成模式的不同切换黑色和白色，可达到90％的白背景反射率，促使彩色电子纸的显色像素色彩更加鲜艳，提高显示对比度，使电子纸更接近普通纸张，以适应在更多领域应用。

Description

一种三维混色电子纸

技术领域

本实用新型属于电子纸技术领域，具体涉及三维混色的彩色电子纸。 

背景技术

电子纸的整体发展过程可以概括分为三个发展阶段，第一阶段具有存储性、利用环境光显示，节能省电、无闪烁视觉友好的黑白显示，以电子阅读器和电子书等为主要应用领域；第二阶段能实现多色显示，但是无法满足视频显示的要求，可以应用于杂志、广告，市场应用范围进一步拓宽；第三阶段是可以达到视频显示需求的响应速度和全彩色显示的色彩再现。其中第二阶段是电子纸产品能否最终占据阅读器主导地位的关键，因而彩色电子纸是众多厂商的研发方向，但迄今为止，仍然没有成熟方案走向市场。 

现有彩色电子纸的技术方案有很多种，比较有影响的彩色模式是胆甾型、滤光片型、彩色粒子型和电润湿型方案。在彩色电子纸中，显示效果好坏取决于黑、白、三基色五种状态的反射强度的状况。现有的显示模式中，有直接利用粒子散射或液、固态的表面反射，也有利用双折射的选择反射或散射。到目前为止，无论是哪种显示模式都无法同时获得理想的彩色显示状态，主要的限制是色彩亮度和色再现范围。 

彩色胆甾型液晶电子纸采用叠层显示达到全彩色显示目的,该技术方案的原理如下:胆甾型液晶材料具有独特的光反射选择特性，胆甾型液晶的比例不同，选择反射光波的波长亦不同，通过选择合适的材料能实现反射红、绿、蓝三种波长的光，这三种光作为加法混色的三基色实现全彩色显示。胆甾型液晶电子纸像素的基本结构为多层结构，每个像素由分别能反射“蓝-绿-红”的3层堆叠构成，也有蓝-绿-红三种液晶材料间隔开来互相不重叠放在同一层内实现色彩叠加。底层是黑色光吸收层，各反射层（或单元）对环境光中3种基色光的反射率相应改变，所反射的3种适当强度的基色光依照混色原理就可以混合成所需某种颜色，从而实现彩色显示。其优点是彩色效果亮度较好，缺点是黑、白状态的显示效果差，特别是白色状态灰暗。 

使用滤光片方式的彩色电子纸在技术上很容易实现，但滤色片会降低光反射率或显示亮度，同时用多个色彩子像素组合成一个显示像素必须没有重叠，降低了单位面积的像素数量，这种方案是以降低亮度和分辨率为代价来实现彩色显示的。对TFT带有背光源的显示模式，通过提高背光的亮度，能实现高亮度和高分辨率，获得优异的显示效果。对于电子纸模式，利用环境光达成电子显示，其色彩高度依赖电子纸的反射率，这是彩色滤光片应用的局限性所在。因此，不少厂商和研究机构都在致力于开发像素自身具有反射彩色光性能、无需彩色滤光片就能实现彩色显示的电子纸技术。 

不需要彩色滤光片的技术有胆甾型液晶电子纸、横向电泳技术、逆乳液电泳技术、电润湿技术、干涉测量调制技术、光子晶体显示、电致变色显示技术等。横向电泳技术和逆乳液电泳技术，这两种EPD可利用其像素自身反射彩色光的机制实现彩色显示。横向电泳显示技术，高亮度和高透明度等特性使IP-EPD可采用多种方式实现彩色显示。这两种电泳技术都是采用子像素叠加的方法实现彩色显示。电润湿显示的像素是一种由水、颜料油、疏水材料、透明电极、白色衬底等构成的多层结构。没有外加电压时，颜料油在疏水材料表面形成了一个稳定的扁平油膜，可反射环境光而使像素显示一个彩色点；当在电极上加载电压时，其所产生的电场使疏水材料的疏水性下降，上层的水会尽可能地与疏水材料表面接触，从而导致颜料油被推移到了一边，下面的白色衬底显露出来，使像素显示为白色点。利用EWD对彩色光的反射特性,将采用蓝绿色（Cyan）、洋红色（Magenta）、黄色（Yellow）3种基色EWD显示层堆叠，即可利用其分别反射的CMY基色光以减法混色方式实现彩色显示。EWD的功耗很低，但不具备零功耗双稳态特性。干涉测量调制技术类似于光学中的法布里珀罗标准具（Fabry-Perot etalon）的原理，其主要缺点是制作具有纳米级距离可调的两个反射面十分困难，距离偏差将导致对比度下降。特别是在一个几英寸的电子纸显示面内制造几百万个无缺陷显示单元的挑战是巨大的。干涉测量调制技术彩色子像素实现彩色方法是通过RGB三基色并列方式实现的。光子晶体显示(Photonic Crystal Display，PCD)技术是加电后单个像素的波长发生变化可以覆盖整个光谱范围。在现有的彩色显示方法中，通过三基色的叠层和并列两种方式实现彩色显示。从理论上来讲这两种方式都可以制作出理想的 电子纸，但是实际上彩色电子纸的效果距离所期望的目标还有很大差距。主要的原因是三基色的性能不均衡，无论是加法混色还是减法混色对目前的子像素结构，都无法对色光高效利用和忠实的再现。 

发明内容

本实用新型的目的是提供一种新型混色原理的三维混色的彩色电子纸，该种电子纸与现有技术相比能够实现高亮度白色和彩色之间的显示切换，是具有较高的对比度和色彩亮度，能满足报纸、杂志等具有色彩再现的纸质的替代显示。 

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种三维混色电子纸，包括与驱动电极连接的三基色结构和背景结构，其特征在于所述三基色结构包括两部分结构，第一部分结构为单一基色结构，第二部分结构为并列排布的互不重叠的两种基色结构，第一部分结构为反射三基色中任意一种基色光结构，第一部分结构施加电信号后彩色光消失，形成透明层，或施加电信号后透明层消失，形成彩色层；第二部分结构为反射三基色中除第一部分结构使用的基色光外的另外两种基色光的两个单元，两个单元对应的基色光的反射光通量或吸收光通量相同，反射光通量或吸收光通量分别与第一部分结构一致，第一部分结构和第二部分结构几何外形的反射面积比和反射两种基色光的反射率比成比例，即任意一种基色光所占面积和反射率成反比，第一部分结构和第二部分结构呈两层重叠结构，第一部分结构为上层，第二部分结构为下层，第二部分结构基色光所占净面积之和等于第一部分结构基色光面积；所述三基色结构的每一基色分别具有各自独立的驱动电极，三基色的色光随外加电信号的变化而变化；所述背景结构为黑白切换层，黑白切换层的驱动电极是独立驱动电极，黑白切换层置于三基色结构的第二部分结构的下面，面积与第二部分结构的面积相等。 

本实用新型所述的一种三维混色电子纸，其特征在于所述第一部分结构的基色是三基色体系中反射率或吸收比最弱的一种基色光。 

本实用新型所述的一种三维混色电子纸，其特征在于：所述第一部分结构是胆甾型液晶电控结构单元，或者其它反射型电控结构单元，或者吸收基色光的电控结构单元。 

本实用新型所述的一种三维混色电子纸，其特征在于：所述的第二部分结 构的两种基色单元在同一平面，或不在同一平面，两种基色单元沿法线方向的投影互不重叠。 

本实用新型所述的一种三维混色电子纸，其特征在于：所述背景结构的黑白切换层是液晶型电子纸，或是电泳型电子纸，或其它能实现黑白切换类型的电子纸。 

本实用新型所述的一种三维混色电子纸，其特征在于所述的背景结构的黑白切换层，在第一部分结构和第二部分结构是吸收型显示模式时，彩色显示对应第三部分结构最白色状态；在第一部分结构和第二部分结构是反射型显示模式时，彩色显示对应第三部分结构最黑色状态。 

三维混色电子纸的第一部分结构，可以是一层具有双稳态效应的胆甾型液晶，也可以是其它种类的具有反射功能或吸收基色光的电控结构单元，加电后透明的电子纸显示模式，如电润湿型、横向电泳技术和电致变色等模式。为了获得最佳的显示效果，根据加法混色或减法混色的原理，第一层设置的基色色彩选择三基色体系中反射率或吸收比最弱的一种基色光，以实现高亮度。 

三维混色电子纸的第二部分结构，要求这两种基色光对应部分对各自相关基色光的反射光通量或吸收光通量是相同的，而且反射光通量或吸收光通量在经过基板和各个功能膜吸收后要与第一部分完全一致，避免混色色差产生，其显示模式与第一部分相同与否，没有要求。但是两种基色光的结构单元之间，在排列之后沿法线方向不能重叠。为有效利用显示区域，提高分辨率，两部分相互之间的间隔在工艺允许的条件下，应尽可能小，可避免和降低基色光之外的色光产生。按照上述设计，三种基色光的反射或吸收光通量一致，在驱动信号的控制下，形成全彩色显示的电子纸。 

三维混色电子纸的第三部分结构，是根据需要改变外加电场来显示黑状态或白状态，在黑白之间能够切换，故称作黑白切换层。实现黑白切换的电子纸类型可以是胆甾液晶电子纸型，也可以是电泳型，或其它类型的电子纸能实现黑白显示。该部分显示规则是，当前两部分选择的是吸收型显示模式时，彩色显示对应第三部分结构是最白色状态，增加二次光反射，提高吸收材料对环境光的利用率；当前两部分选择的是反射型显示模式时，彩色显示对应第三部分结构最黑色状态，降低二次反射光对基色光的色纯度影响。 

为说明显示原理方便，设定第一部分为蓝色（B）、第二部分由红色（R） 和绿色组成（G），三个彩色子像素为反射类型。以三基色和黑白态为例，列举如下：显示蓝色（B）色时，第二部分结构全部切换至透明状态，第三部分结构子像素显示成黑色；显示红色（R）色时，第一部分结构切换至透明状态，第二部分的绿色（G）子像素切换至透明态，第三部分子像素显示成黑色；显示绿色（G）色时，第一部分切换至透明状态，第二部分的红色（R）子像素切换至透明态，第三部分子像素显示成黑色；显示黑白态，第一部分和第二部分全部切换至透明状态，第三部分子像素相应显示成白色或黑色；同理可以显示各种中间色，通过调整黑、白、三基色的显示亮度。当然显示白态亦有其它组合，这里不一一列举。 

本实用新型提供的三维混色电子纸的有益效果如下： 

本实用新型提供的三维混色电子纸与现有技术相比，采用空间倒三角形的三维彩色子像素排列方式实现三维混色，同时添加黑色可消失吸收层，即黑白切换层，能增加单个像素的亮度，使黑状态更黑，白色状态更白，实现非常逼真的彩色存储显示效果。 

本实用新型提供的空间倒三角形结构能够最大效率利用现有电子纸材料显示模式的色彩反射性能，提高色再现范围。这种结构和叠层结构、并列结构相比较，既能最大限度地利用最弱的基色光反射，实现大的光通量，又能减少非显色状态对彩色亮度的影响。能实现高分辨率、高亮度、高色纯度的显示。 

本实用新型提供的结构，第三部分结构为黑白切换层，白色状态为背景白色，黑色状态为背景黑色。根据色彩生成模式的不同，当彩色像素为反射模式时，第三部分结构切换为黑色，当彩色像素为吸收模式时，第三部分结构切换为白色。实际上，当第三部分切换成白色，第一、二部分结构为透明态可以实现高白反射率，理论上可以达到90%的白背景反射率，白背景反射率的提高使得彩色电子纸的显色像素色彩更加鲜艳，提高显示对比度，使电子纸更接近普通纸张。 

本实用新型为彩色电子纸实现广色域、高反射率的显示性能提供了一个优良的结构支持，以适应在更多领域应用，如在杂志、广告上的应用。 

附图说明

本实用新型有附图二幅，其中 

图1是三维混色电子纸的像素结构示意图， 

图2是实施例的三维混色电子纸的刨面示意图。 

附图中， 

1：第一基板；2：第二基板；3：第三基板；4：第四基板；5：第五基板；6：吸光层；7：第一垂直取向膜；8：第二垂直取向膜；9：第三垂直取向膜；10：第四垂直取向膜；11：第五垂直取向膜；12：第六垂直取向膜；13：第七垂直取向膜；14：第八垂直取向膜；15：第一基板电极；16：第二基板电极；17：第三基板电极；18：第四基板电极；19：第五基板电极；20：第六基板电极；21：第七基板电极；22：第八基板电极；23:第一液晶层；24:第二液晶层；25:第三液晶层；26:第四液晶层；27和28：非晶透明层和PI层；29：基色一；30：基色二；31：基色三；32：黑白切换层。 

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解及实现本实用新型，下面结合附图和具体实施例对本实用新型的具体实施方式做详细的说明，本实用新型的保护范围并不局限于具体实施例所述的范围。 

具体实施方式是由包括基板、基板电极、液晶混合物、间隔材料、密封部分、引线电极、吸光层和驱动单元组成的三维混色的电子纸，基板为透明基板，基板有3～5层叠加组成，叠加的基板之间密封，各层基板之间设有间隔材料；液晶混合物置于各层基板之间构成第一部分结构、第二部分结构和黑白切换层，各基板与液晶混合物接触的面设置基板电极层，引线电极将基板电极层引出，基板电极层的外面设有垂直取向膜；吸光层置于底层基板的下面。 

实施例 

如图2所示，本实施例提供的一种三维混色的电子纸总体结构由第一基板1、第二基板2、第三基板3、第四基板4和第五基板5叠加形成，包括两部分彩色胆甾型液晶层和黑白切换层（吸光层为6），彩色胆甾型液晶层和黑白切换层内部分别装有液晶混合物，液晶混合物能够在平面态分子排列下反射红、绿、蓝三种基色光以及全光谱，第一基板1和第二基板2之间的第一液晶层23（蓝），即第一部分结构的基色单元--基色一29，第二基板和第三基板之间的第二液晶层24（绿），即第二部分机构的第一种基色单元—基色二30，第三基板和第四基板之间的第三液晶层25（红），即第二部分机构的第二种基色单元--基色三31，第四基板和第五基板之间的第四液晶层26（白），第四液晶 层26（白）和吸光层6构成黑白切换层32。在第二基板和第三基板之间与第三液晶层25（红）法线方向重叠区域，设置成非晶透明层和PI层27，即与液晶材料接触稳定的为光刻的有机层。在第三基板和第四基板之间与第二液晶层24（绿）法线方向重叠区域，设置成非晶透明层和PI层28，与非晶透明层和PI层27相同。第一垂直取向膜7与第二垂直取向膜8分别与第一液晶层23相邻；第三垂直取向膜9与第四垂直取向膜10分别与第二液晶层24相邻。第五垂直取向膜11与第六垂直取向膜12分别与第三液晶层25相邻。基板2、3、4之间的电极、胆甾型液晶层、取向膜等组成三维混色的第二部分结构。第七垂直取向膜13与第八垂直取向膜14分别与第四液晶层26相邻。 

电极与取向膜之间的位置关系如下：第一基板电极15与第二基板电极16分别与第一垂直取向膜7和第二垂直取向膜8相邻；第三基板电极17和第四基板电极18分别与第三垂直取向膜9和第四垂直取向膜10相邻；第五基板电极19和第六基板电极20分别与第五垂直取向膜11和第六垂直取向膜12相邻；第七基板电极21和第八基板电极22分别与第七垂直取向膜13和第八垂直取向膜14相邻。 

如图2所示，黑白切换层由位于第四基板和第五基板之间的液晶层、电极、垂直取向膜及吸光层6组成。内部填充的液晶混合物能够反射白光，加电变为透明，显现出吸光层6可以切换成黑色。 

实例中，没有一一列出电子纸的全部组成结构，这里忽略了间隔材料、密封部分、引线电极和驱动单元等本领域人员所熟知的部分，这对理解本实用新型不产生影响。 

具体加工工艺，第一部分结构、第二部分结构和黑白切换层三部分和常见的TN和STN液晶显示器的工艺过程基本相同，区别在于：在带ITO透明电极层的基板表面上，形成一层PI垂直取向膜，其厚度控制在400埃左右，厚度误差允许为±100埃以内；PI垂直取向材料使用日产化学的SE1211或其它类似的垂直取向材料，涂覆时稀释剂的固含量调整到5%，其误差范围为0.1%；前面所描述的非晶透明层，使用光刻技术制造。均匀厚度的薄层既起区隔红色和绿色液晶层的作用，又是两基板之间的间隔材料的重要组成部分。液晶材料使用DIC公司的RDP-99965ChBZ1和RDP-99794的混合物，红、绿、蓝、白可以通过调整三种液晶的比例来实现。根据液晶选择反射的反射强度的差异，需要适当 的调整液晶层厚度参数，来达到最佳的彩色显示效果。电极采用透明电极，如常见的ITO透明电极，也可以采用PEDOT的有机材料制成的电极。基板的厚度小于0.3mm，能实现最佳的三维混色效果，基板越薄，混色效果越好。各种彩色显示和黑显示的选择项少，容易理解，但白显示一共有三种白色状态被呈现； 

（a）第一部分和第二部分为焦锥态，黑白切换层为白色 

（b）第一部分和第二部分为平面态，黑白切换层为白色 

(c)第一部分和第二部分为平面态，黑白切换层为黑色 

以上三种状态可以根据需要的背景白来切换，（a）具有最好的白色背景，（b）的白色背景偏灰色，其白色亮度和其它类型的胆甾型电子纸白色显示状态接近，（b）介于（a）、（c）之间。为此通常的显示背景白以（a）方式形成为好。 

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。比如只使用三层基板实现彩色层两部分结构，用间隔墙将红色和绿色区隔开，绿色和红色位于相同两块基板之间，也是本实用新型容易实现的方式。对于其它非胆甾型液晶的电子纸模式，比如电致变色、横向电泳技术等也同样适用于本实用新型。至于黑白切换层使用电泳式等其它模式均适用于本实用新型。对于单一基色光或黑白切换层的显示模式改变，理应涵盖于三维混色发明之中。凡在本实用新型的更改和变化之内，所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (6)

1.一种三维混色电子纸，包括与驱动电极连接的三基色结构和背景结构，其特征在于所述三基色结构包括两部分结构，第一部分结构为单一基色结构，第二部分结构为并列排布的互不重叠的两种基色结构，第一部分结构为反射三基色中任意一种基色光结构，第一部分结构施加电信号后彩色光消失，形成透明层，或施加电信号后透明层消失，形成彩色层；第二部分结构为反射三基色中除第一部分结构使用的基色光外的另外两种基色光的两个单元，两个单元对应的基色光的反射光通量或吸收光通量相同，反射光通量或吸收光通量分别与第一部分结构一致，第一部分结构和第二部分结构几何外形的反射面积比和反射两种基色光的反射率比成比例，即任意一种基色光所占面积和反射率成反比，第一部分结构和第二部分结构呈两层重叠结构，第一部分结构为上层，第二部分结构为下层，第二部分结构基色光所占净面积之和等于第一部分结构基色光面积；所述三基色结构的每一基色分别具有各自独立的驱动电极，三基色的色光随外加电信号的变化而变化；所述背景结构为黑白切换层，黑白切换层的驱动电极是独立驱动电极，黑白切换层置于三基色结构的第二部分结构的下面，面积与第二部分结构的面积相等。

2.如权利要求1所述的一种三维混色电子纸，其特征在于所述第一部分结构的基色是三基色体系中反射率或吸收比最弱的一种基色光。

3.如权利要求1所述的一种三维混色电子纸，其特征在于：所述第一部分结构是胆甾型液晶电控结构单元，或者其它反射型电控结构单元，或者吸收基色光的电控结构单元。

4.如权利要求1所述的一种三维混色电子纸，其特征在于：所述的第二部分结构的两种基色单元在同一平面，或不在同一平面，两种基色单元沿法线方向的投影互不重叠。

5.如权利要求1所述的一种三维混色电子纸，其特征在于：所述背景结构的黑白切换层是液晶型电子纸，或是电泳型电子纸，或其它能实现黑白切换类型的电子纸。

6.如权利要求5所述的一种三维混色电子纸，其特征在于所述的背景结 构的黑白切换层，在第一部分结构和第二部分结构是吸收型显示模式时，彩色显示对应第三部分结构最白色状态；在第一部分结构和第二部分结构是反射型显示模式时，彩色显示对应第三部分结构最黑色状态。 

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