DE102010021365A1

DE102010021365A1 - Vorrichtung zur Anzeige von Information

Info

Publication number: DE102010021365A1
Application number: DE201010021365
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Bitman Andriy; Oliver Müller-Marc; Dieter Jerosch
Original assignee: Advanced Display Technology AG
Current assignee: Advanced Display Technology AG
Priority date: 2010-05-25
Filing date: 2010-05-25
Publication date: 2011-12-01
Also published as: US20110290358A1; US9129539B2

Abstract

Eine Vorrichtung zur Anzeige von Information, die zumindest ein Anzeigeelement aufweist, das umfasst: eine Flüssigkeit, deren Oberflächenenergie mittels eines elektrischen Feldes variierbar ist; ein erstes und ein zweites Volumen zur Aufnahme der Flüssigkeit, wobei das erste und das zweite Volumen durch einen ersten effektiven Radius bzw. einen zweiten effektiven Radius definiert sind, einen fluidischen Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Volumen, wobei in einem ersten Zustand die Flüssigkeit im Wesentlichen das erste Volumen besetzt und wobei in einem zweiten Zustand die Flüssigkeit im Wesentlichen das zweite Volumen besetzt, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang so gestaltet ist, dass der zum nicht besetzten Volumen weisende Teil der Flüssigkeit einen Radius aufweist, der kleiner ist als der effektive Radius des gerade besetzten Volumens.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anzeige von Information, die zumindest ein Anzeigeelement aufweist, das umfasst:

– eine Flüssigkeit, deren Oberflächenenergie mittels eines elektrischen Feldes variierbar ist;
– ein erstes und ein zweites Volumen zur Aufnahme der Flüssigkeit, wobei das erste und das zweite Volumen durch einen ersten effektiven Radius bzw. einen zweiten effektiven Radius definiert sind,
– einen fluidischen Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Volumen,

Eine besonders vorteilhafte Konfiguration ist z. B. in der nicht vorveröffentlichen DE 10 2009 022 788.1 beschrieben. In dieser wird mittels des Elektrowetting-Effektes ein gefärbter Flüssigkeitstropfen aus einem nicht sichtbaren Volumen in ein vom Betrachter einsehbares Volumen transportiert.
Es sind auch andere Konfigurationen möglich, mit deren Hilfe man eine optische Signalisierungen durch gefärbte Flüssigkeiten erreichen kann. Dabei wird die Flüssigkeit nicht zwischen zwei Kammern verschoben, sondern verändert innerhalb einer Kammer nur seine Position und Form. Die letztere Konfiguration ist zwar leichter herstellbar, allerdings ist nur ein Anzeigezustand ohne anliegende Spannung stabil.
Dies ist bei der ersten Konfiguration dagegen gegeben. Prinzipiell hat sich diese Bistabilität für viele Anwendungen als eine Schlüsseleigenschaft herausgestellt, da dadurch ein Signalisierungszustand über lange Zeit auch völlig leistungslos aufrecht erhalten werden kann.
Damit ist es also das Ziel, eine spannungslos eine möglichst stabile Position des Tropfens zu erreichen, und dies auch unter widrigen Umgebungsbedingungen wie z. B. erhöhter Vibration oder bei Falltests sicherzustellen und gleichzeitig bei Anlegen der Elektrowetting-Spannung eine schnelle und einfache Verlagerung zu bewirken.
Dazu sollen kurz die physikalischen Prinzipien einer Tropfenverlagerung durch eine Engstelle diskutiert werden.
Die Young-Laplace-Gleichung beschreibt den Zusammenhang zwischen der Oberflächenspannung, dem Druck und der Oberflächenkrümmung. Die Young-Laplace-Gleichung ist nach Thomas Young und Pierre-Simon Laplace benannt, die die Gleichung unabhängig voneinander 1805 hergeleitet haben. In einem Flüssigkeitstropfen, beispielsweise in einem kleinen Wassertropfen, einer Gasblase in einer Flüssigkeit oder einer ersten Flüssigkeit in einer zweiten Flüssigkeit, herrscht aufgrund der Oberflächenspannung an der Grenzfläche ein erhöhter Druck. Es gilt für den durch die Oberflächenspannung hervorgerufenen Druck p in einer Flüssigkeitskugel: p = 2·σ / r (1)
Dabei ist σ die Oberflächenspannung und r der Kugelradius. Wie man erkennt, ist der Druck umso größer, je kleiner der Kugelradius ist. Verkleinert man den Radius immer mehr, so dass er sich der Größenordnung von Moleküldurchmessern annähert, wird auch die Oberflächenspannung vom Radius abhängig, so dass die einfache Gleichung, die diese als konstant annimmt, nicht mehr gilt.
Wenn es sich nicht um eine Kugel handelt, sondern um eine beliebig gekrümmte Fläche, so lautet die Gleichung:
r₁ und r₂ sind die Hauptkrümmungsradien des Krümmungskreises. Aus ihnen lässt sich gegebenenfalls ein effektiver Radius ableiten.
Es bietet sich daher an, eine Engstelle zwischen den beiden Volumina vorzusehen. Der eingebrachte Tropfen nimmt innerhalb des Volumens eine weitgehend runde Form an. Wirken auf den Tropfen Kräfte, die ihn durch die Engstelle treiben wollen, muss er sich signifikant verformen und im Bereich der Engstelle einen deutlich geringeren Radius annehmen. Damit ist für den Flüssigkeitsteil in der Engstelle der Druck größer als in dem Volumen und der Tropfen wird in das Volumen zurückgedrückt.
Durch die Breite der Engstellen in Relation zum Tropfendurchmesser kann damit die Stabilität eingestellt werden. Im Schaltzustand wird durch den Elektrowetting-Effekt innerhalb des Kanals die Oberflächenspannung soweit reduziert, dass die Radienverringerung überkompensiert wird. Damit ist der Druck dann kleiner im Kanal und der Tropfen wird durch die Engstelle gezogen.
In einer solchen Konfiguration wird der Schaltvorgang durch spezielle Elektroden innerhalb des Kanals erreicht, die ein Überwinden der Engstelle möglich machen.
Bei der Konfiguration gemäß DE 10 2009 022 788.1 liegen die Verhältnisse anders. Hier können ohne einen deutlich höheren Verdrahtungsaufwand keine den Übergang steuernden Zwischenelektroden verwendet werden.
Die Flüssigkeitsmenge ist so eingestellt, dass sowohl jeweils ein Volumen als auch der Übergang zum jeweils anderen Volumen mit Fluid befüllt ist. Das Fluid kommt dabei mit der Elektrode des zweiten Volumens in Berührung, so dass ein Schalten der Bewegung vom einen Volumen in das andere möglich ist.
Da der Übergang im einfachen Falle vollständig mit Fluid befüllt ist, ist damit die die Bistabilität erzeugende Engstelle nicht ohne weiteres gegeben.
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Konfigurationen für Anzeigeelemente zur Verfügung zu stellen, bei denen die Bistabilität im spannungslosen Zustand sichergestellt ist. Die Anzeigeelemente sollen weiterhin dazu geeignet sein, ein Display (Anzeigevorrichtung) aufzubauen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Anzeige von Information nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist in Anwendung der Laplace-Gleichung der Übergang so gestaltet, dass der zum nicht besetzten Volumen weisende Teil der Flüssigkeit einen Radius aufweist, der kleiner ist als der effektive Radius des gerade besetzten Volumens.
Vorteilhaft ist zwischen dem ersten und/oder dem zweiten Volumen und dem Übergang oder im Übergang eine Verjüngung vorgesehen. Eine solche Konfiguration zeigt eine sehr gute Bistabilität, d. h. der Tropfen wird spannungslos in dem jeweiligen aktuellen Volumen gehalten. Bei dieser Anordnung ist allerdings sicherzustellen, dass die Flüssigkeitsmenge so bemessen ist, dass die Grenzlinie auch genau an der Verjüngung im Eingang zum zweiten Volumen sitzt.
Ebenso vorteilhaft ist es möglich, dass der Übergang als gerader Kanal mit maximaler Länge und definiertem Querschnitt ausgebildet ist, d. h. man kann den Übergang auch in einem gewissen Maß als einen geraden Kanal führen. Innerhalb des geraden Stückes ist der Radius überall kleiner als in dem befüllten Volumen, damit ist die Position stabil. Die Länge des Kanals ermöglicht eine weniger genaue Dosierung der Flüssigkeitsmenge.
Ein weiterer Weg, die Position der Flüssigkeit zu fixieren, ist die Gestaltung eines Raumes zwischen den beiden Volumina. Es kann dabei vorgesehen sein, dass das erste und/oder das zweite Volumen in fluidischer Verbindung mit einem jeweils zugeordneten Rückflussvolumen stehen, wobei die Menge der Flüssigkeit so eingestellt ist, dass das Rückflussvolumen teilbefüllt ist und sich ein Radius ausbildet, der größer ist als der Radius der Flüssigkeit im Übergang.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden.
Es zeigt:
1 eine erste Ausführungsform eines Anzeigeelementes gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine zweite Ausführungsform eines Anzeigeelementes gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 eine Anzeigevorrichtung, aufgebaut aus Anzeigeelementen gemäß 1;
4 eine dritte Ausführungsform eines Anzeigeelementes gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 eine Anzeigevorrichtung, aufgebaut aus Anzeigeelementen gemäß 4.
1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Anzeigeelementes gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Anzeigelement weist grundsätzlich zwei Volumina auf, von denen nur eines, mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet, dargestellt ist. Es sei angenommen, dass sich für den Betrachter nicht sichtbar ein zweites gleichartiges Volumen außerhalb der Zeichenebene befindet. Das Volumen 1 ist durch einen effektiven Radius definiert, der sich aus der Gleichung (2) ergibt. Die Verbindung mit dem zweiten Volumen wird durch einen Übergang 2 hergestellt, der hier als hier kurzer, gerader Kanal ausgebildet ist. Innerhalb des geraden Stückes ist der Radius überall kleiner als in dem befüllte Volumen 1, damit ist die Position stabil. Die Länge des Kanals nimmt eine gewisse Flüssigkeitsmenge auf, so dass diese weniger genau dosiert sein muss. Weiterhin weist das Anzeigeelement, das im Grundriss im Wesentlichen hexagonal ist, an mindestens einer seiner Seitenflächen eine Ausbuchtung 10, 12, 14 auf. Diese Ausbuchtungen 10, 12, 14 nehmen einerseits Schwankungen auf, die sich durch mechanische Störungen einstellen, tragen andererseits auch zur Stabilisierung der Konfiguration bei.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Anzeigelementes gemäß der vorliegenden Erfindung, das sich von dem der 1 nur dahingehend unterscheidet, dass der Übergang 2 mit einer Verjüngung 3 versehen ist. Eine solche Konfiguration zeigt eine sehr gute Bistabilität, und die Flüssigkeit wird spannungslos in dem jeweiligen aktuellen Volumen, hier dem Volumen 1, gehalten. Es ist bei dieser Anordnung allerdings sicherzustellen, dass die Flüssigkeitsmenge so bemessen ist, dass die Grenzlinie auch genau an der Verjüngung 3 am Übergang, d. h. im Eingang zum zweiten Volumen sitzt.
3 zeigt eine Anzeigvorrichtung mit neun Anzeigelementen gemäß der 1. Die Geometrie kann natürlich mit viel mehr Anzeigelementen weitergeführt werden.
4 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Anzeigelements gemäß der vorliegenden Erfindung. Dabei ist am Übergang 2 vom Volumen 1 zum zweiten Volumen ein Rückflussvolumen 4 vorgesehen. Das Volumen 1 ist vollständig und zudem mit größten Tropfenradius befüllt. Die Flüssigkeitsmenge ist nun so eingestellt, dass der Radius in den teilbefüllten Rückflussvolumen 4 größer ist als der Radius im Übergang zum unbesetzten Volumen. Ist die Flüssigkeitsmenge unterschiedlich oder werden durch mechanische Störungen Flüssigkeitsmengen auf das ungefüllte Volumen zu verlagert, gleicht sich dies in dem Rückflussvolumen 4 aus. Diese führen daher ebenfalls zu einer deutlichen Stabilisierung des Tropfens in seiner Sollposition.
In 5 ist dargestellt, wie auch diese Konfiguration sich zu einer Anzeigevorrichtung, hier mit neun Anzeigelementen oder Pixeln, zusammensetzen lässt.
Die Geometrien lassen sich vielfältig kombinieren. Zum Beispiel kann bei einer flächigen Weiterführung der Ausführungsform nach 2 erreicht werden, dass die Apertur am Übergang deutlich geringer ausfällt als bei einem gerade geführten Kanal. Erreichte Beispielswerte sind 66,4% für eine Anzeigevorrichtung mit Anzeigelementen gemäß 2 und 76,5% für eine Anzeigevorrichtung mit Anzeigeelementen gemäß 1.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009022788 [0002, 0013]

Claims

Vorrichtung zur Anzeige von Information, die zumindest ein Anzeigeelement aufweist, das umfasst: – eine Flüssigkeit, deren Oberflächenenergie mittels eines elektrischen Feldes variierbar ist; – ein erstes und ein zweites Volumen zur Aufnahme der Flüssigkeit, wobei das erste und das zweite Volumen durch einen ersten effektiven Radius bzw. einen zweiten effektiven Radius definiert sind, – einen fluidischen Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Volumen, wobei in einem ersten Zustand die Flüssigkeit im Wesentlichen das erste Volumen besetzt und wobei in einem zweiten Zustand die Flüssigkeit im Wesentlichen das zweite Volumen besetzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang so gestaltet ist, dass der zum nicht besetzten Volumen weisende Teil der Flüssigkeit einen Radius aufweist, der kleiner ist als der effektive Radius des gerade besetzten Volumens.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und/oder dem zweiten Volumen und dem Übergang oder im Übergang eine Verjüngung vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang als gerader Kanal mit maximaler Länge und definiertem Querschnitt ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Volumen in fluidischer Verbindung mit mindestens einem jeweils zugeordneten Rückflussvolumen stehen, wobei die Menge der Flüssigkeit so eingestellt ist, dass das Rückflussvolumen teilbefüllt ist und sich ein Radius ausbildet, der größer ist als der Radius der Flüssigkeit im Übergang.