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Die
vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der Anzeige- oder Display-Elemente,
insbesondere den Bereich der passiven Display-Elemente.
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Viele
Unternehmen versuchen mit Nachdruck, ein Display-Element zu erstellen,
das problemlos gefertigt werden kann. Diese Display-Elemente können entweder
aktiv sein, d.h. Licht emittieren, wie LED, OLED, PLED, EL, oder
passiv sein, d.h. den Durchgang, die Reflexion oder die Brechung von
Licht ermöglichen,
wie LCD, CLC, e-ink usw. Einige passive Systeme sind insofern bistabil,
als dass sie einschaltbar sind und auch eingeschaltet bleiben, nachdem
die Stromversorgung getrennt worden ist. Die meisten zuvor beschriebenen
Konfigurationen lassen sich ohne weiteres an Farbfunktionalität anpassen.
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In
der Technik sind verschiedene Electrowetting- oder Elektrobenetzungs-Display-Elemente
bekannt.
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US-A-6473492 beschreibt
eine Flüssigelement-Vorrichtung,
die Flüssigkeit
in einem Kapillarrohr neu ordnet. Eine Spannung dient dazu, die
Flüssigkeit
in dem Kapillarrohr auf einen gewünschten Pegel zu bewegen.
US-A-2002/0080920 beschreibt eine
Filtervorrichtung unter Verwendung einer Anordnung von Elementen,
die auf
US-A-6473492 beruhen,
zur Verwendung mit einer Röntgenbebilderungsausrüstung.
US-A-2003/0085850 beschreibt eine
elektrostatische Vorrichtung, die eine Meniskusform derart ändert, dass
sich die Brennweite der Vorrichtung ändert.
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US-A-6449081 beschreibt
ein Fokussierelement, das auf dem Elektrobenetzungsphänomen beruht.
WO2/002099527 beschreibt
ein Display-Element mit einer definierten prismatischen Struktur,
das zwei miteinander nicht mischbare Flüssigkeiten sowie Elektroden
enthält,
derart, dass die Flüssigkeit
in der Zelle neu angeordnet werden kann.
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In
Display-Elementen, die auf der Neuanordnung von Flüssigkeit
beruhen, ist es vorteilhaft, dafür zu
sorgen, dass die Flüssigkeit
durch Kapillarkräfte erfasst
wird. Dies wird erreicht, indem man die Elemente klein macht. Somit
wird nach dem Stand der Technik der Bedarf nach großen Pixelflächen nicht ohne
weiteres gedeckt. Der Stand der Technik beschreibt zudem Strukturen,
die notwendigerweise einer Mikrofertigung bedürfen, und somit relativ komplexer
Konstruktionsverfahren.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Vorrichtung
beruhend auf einer Kombination von Mechanismen bereitzustellen,
die zuvor nicht vorgesehen worden ist. Diese Klasse von Vorrichtungen
ist für
Farbe adaptierbar, obwohl sich die folgende Beschreibung auf ein
einfarbiges Element bezieht. Das Display-Element ist von Natur aus kapazitiv
und hat somit einen geringen Energieverbrauch und ist mit niedrigen
Spannungen umschaltbar. Das Element modifiziert das Reflexionsvermögen seiner
Oberfläche.
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Erfindungsgemäß wird ein
Display-(Anzeige-)Element mit einer einzelnen Schicht aus einem porösen Material
bereitgestellt, einem diskreten Tropfen aus einer Flüssigkeit
und Mitteln zum Anschließen
einer Spannungsquelle an die Schicht, wobei die Schicht eine Vielzahl
leitfähiger
Teilchen aufweist, die mit einer lyophoben (schwer löslichen)
und elektrisch isolierenden Schicht bedeckt sind, wodurch bei Anlegen
einer Spannung zwischen der Flüssigkeit
und der porösen
Schicht der Flüssigkeitstropfen
sich in die Schicht bewegt und der Tropfen sich bei Abschalten der
Spannung aus der Schicht herausbewegt, wobei die Bewegung der Flüssigkeit bei
Betrachtung von oben auf die poröse
Schicht eine optische Veränderung
bewirkt.
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Die
Erfindung stellt zudem eine Vorrichtung mit mindestens einem Element,
wie vorstehend beschrieben, bereit mit Mitteln zum Anschließen eines jeden
Elements an einen Schaltkreis zum Erzeugen eines Matrixdisplays.
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Die
vorliegende Erfindung ist wegen der stochastischen Struktur der
Elemente über
großen
Flächen
einfach zu fertigen und kann teilweise mithilfe von Roll-to-Roll-Techniken
hergestellt werden. Sie erfüllt
die Anforderungen zur Erfassung kleiner flüssiger Elemente durch Kapillartätigkeit.
Allerdings ist die Umschaltzeit des Elements nicht durch seine Fläche begrenzt.
Es ist zudem einfach zu adressieren und anzusteuern, und zwar über geeignete,
strukturierte passive oder aktive Matrixleiterplatten.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines einschichtigen, erfindungsgemäßen Display-Elements;
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2 das
Element mit und ohne angelegte Spannung; und
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3 eine
schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Display-Elements.
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1 ist
eine schematische Darstellung eines einschichtigen, erfindungsgemäßen Display-Elements 1.
Die Erfindung bezieht sich auf ein passives Display-Element.
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In
der gesamten Beschreibung sowie in den Ansprüchen ist mit „obere" die Seite gemeint,
von der aus ein Element betrachtet würde. Die Verwendung des Begriffs „obere" ist hinsichtlich
der Ausrichtung des erfindungsgemäßen Elements nicht als einschränkend zu
verstehen.
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Das
Element beruht auf einem einschichtigen, porösen System. Das Element 1 umfasst
eine lyophobe, poröse
Schicht 8, auf die ein Tropfen einer leitfähigen Flüssigkeit 2 aufgebracht
wird. Die Flüssigkeit
ist vorzugsweise farbig. Dies beinhaltet auch, dass die Flüssigkeit
weiß ist.
Die Flüssigkeit
kann durch Zusatz eines Farbstoffs oder Pigments gefärbt sein.
Die leitfähige
Flüssigkeit
lässt sich
herstellen, indem einem Lösungsmittel
Ionen zugegeben werden. Alternativ kann die leitfähige Flüssigkeit
eine ionische Flüssigkeit
sein.
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Eine
Elektrode 4 hält
den Flüssigkeitstropfen oben
auf der lyophoben Schicht 8 in Position. Vorteilhafterweise
würde die
Flüssigkeit
einen Kontaktwinkel mit der Elektrode von kleiner als 90° haben. Eine dielektrische
Schicht 10 ist unter der porösen Schicht 8 angeordnet.
Eine leitfähige
Schicht 12 ist unter der dielektrischen Schicht 10 angeordnet.
Die Elektrode 4 und die leitfähige Schicht 12 weisen
Mittel zum Anschließen
einer Spannungsversorgung auf. Die leitfähige Schicht 12 kann
ein Drahtgitter umfassen. Ein transparentes Substrat 14 befindet
sich über
der Elektrode 4, um den Flüssigkeitstropfen einzukapseln.
Dies wird in 2 gezeigt.
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Die
poröse
Schicht 8 umfasst Teilchen 6, die zur Bildung
eines porösen
Netzes aufgebracht worden sind. Die Flüssigkeit hat mit den Teilchen 6 einen Berührungswinkel
von größer als
90°. Die
Teilchengrößen würden im
Bereich von 30 nm bis 2 μm
liegen. Die Teilchen können
farbig oder schwarz sein. Die Teilchen 6 sind leitend.
Entweder können
die Teilchen massive Metallteilchen sein, oder nur deren Hülle kann
leitfähig
sein. Wenn die Teilchen eine Hülle
aufweisen, ist die Dicke der Hülle
so wählbar,
dass ein bestimmtes farbiges Teilchen erzeugt wird. Eine Erläuterung
hierzu ist in "Seed-mediated
Growth Techniques for the Preparation of a Silver Nanoshell an a Silica
Sphere" von Zhong-jie
Jiang und Chun-yan Liu, J. Phys. Chem B 2003, 107, 12411-12415,
zu finden.
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Unabhängig davon,
welcher Teilchentyp verwendet wird, sollten die Teilchen mit einer
dünnen Schicht
oder Beschichtung 24 aus einem lyophoben Material mit kleiner
Kontaktwinkelhysterese bedeckt sein, das auch elektrisch isolierend
ist. Geeignete Teilchen waren leitfähige Silberteilchen, die mit
lyophobem oder dielektrischem Mercaptan gekapselt sind. Einschlägigen Fachleuten
wird bekannt sein, dass dies lediglich ein Beispiel ist, und dass
ein beliebiges leitfähiges
Material und eine beliebige lyophobe, elektrisch isolierende Beschichtung
innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung verwendbar ist. Die Schicht
aus lyophobem Material kann beispielsweise aus einem Polymer, einem
Polyelectrolyt, einer selbstorganisierenden Monoschicht (SAM) oder
einer anorganischen Hülle
hergestellt sein.
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Das
Display-Element 1 nutzt Elektrostatik, um den Flüssigkeitstropfen 2 in
die poröse
Schicht hinein und aus dieser heraus zu treiben. Ohne Anliegen einer
Spannung sitzt der Flüssigkeitstropfen oben
auf der porösen
Schicht 8. Die Farbe des Elements erscheint dann als die
Farbe der Flüssigkeit.
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Bei
Anlegen einer Spannung zwischen der Flüssigkeit und der leitfähigen Schicht 12 tritt
ein als "Elektrobenetzung" bezeichneter Effekt
ein. Elektrobenetzung wird beschrieben in Blake et al, Langmuir 2000,
16,2928-2935. Die angelegte Spannung liegt in der Größenordnung
von 1 Volt, wobei ein Maximum von 20 Volt vorgesehen ist.
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Der
Elektrobenetzungseffekt reduziert den Kontaktwinkel der Flüssigkeit 2 mit
der porösen Schicht 8.
Es ist die übliche
Elektrobenetzungsgleichung verwendbar.
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Wobei θ für den Kontaktwinkel
bei Anliegen einer Spannung, θ
0 für
den Kontaktwinkel ohne Anliegen einer Spannung, V für die Spannung, ε für die dielektrische
Konstante der lyophoben Schicht, ε
0 für die
Durchlässigkeit
des freien Raums, γ für die Oberflächenspannung
der Flüssigkeit
und d für
die Dicke der lyophoben Schicht steht. Der Kapillardruck ΔP innerhalb
des Porensystems ist folgendermaßen definierbar:
wobei a für den mittleren Porenradius
innerhalb der porösen
Struktur steht.
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Wenn
Spannung angelegt wird, ist der Kapillardruck in der porösen Schicht 8 derart,
dass der Flüssigkeitstropfen 2 in
die Schicht 8 hineingezogen wird. Dies wird in 2 gezeigt.
Die Farbe des Elements erscheint dann als eine Mischung der Farbe der
Flüssigkeit 2 und
der Farbe der Partikel 6, wobei die Mischung von der Porosität der Schicht 8 abhängt.
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Bei
Trennen der Spannung erhöht
sich der Kontaktwinkel der Flüssigkeit 2 mit
der porösen Schicht 8 erneut.
Der Kapillardruck in der porösen Schicht
ist dann so beschaffen, dass sich die Flüssigkeit aus der porösen Schicht
wieder zurückzieht.
Die Farbe des Elements erscheint dann wieder als die Farbe der Flüssigkeit.
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel sieht eine reflektierende
oder transparente Membrane vor, die die Flüssigkeit einschließt. In jeder
anderen Beziehung ist es ähnlich
dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel.
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Die
Membran 16 ist aus einem biegsamen Material hergestellt.
Mögliche
Materialien sind sehr dünnes
Polymer oder ein sehr dünnes
Metall. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf
diese Materialien beschränkt
ist. Die Membran könnte
als Elektrode dienen.
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Ohne
dass Spannung an die Elektrode 4 angelegt ist, hat die
Membran von oben betrachtet eine konvexe Form. Zu sehen ist demnach
eine diffuse Streuung von reflektiertem oder gebrochenem Licht. Wenn
eine Spannung angelegt wird, wird die Flüssigkeit 2 in die
poröse
Schicht gezogen, wie vorstehend beschrieben. Die Membran biegt sich
und wird von oben betrachtet konkav. Das Licht wird stärker konzentriert,
wenn es von der konkaven Oberfläche
der Membran reflektiert oder gebrochen wird. Somit ist eine optische Änderung
zu sehen, wenn Spannung an das Element 1 angelegt wird.
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Bei
Entfernen der Spannung tritt die Flüssigkeit 2 aus der
porösen
Schicht 8 heraus, und die Membran 16 kehrt in
ihre ursprüngliche
konvexe Form zurück.
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Das
folgende Arbeitsbeispiel verdeutlicht das Grundprinzip der Erfindung.
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Ein
als Basiselektrode dienender unterer Leiter wurde aus einer Indiumzinnoxidbeschichtung (ITO)
auf einem Polyethylenteraphthalatträger ausgebildet. Dieser wurde
wie geliefert verwendet und in geeignet große Stücke geschnitten. Die ITO-Schicht ist
nach oben gerichtet und stellt eine leitfähige Fläche dar, auf der die poröse Displayvorrichtung
aufgebaut werden könnte.
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Die
ITO-Basis wurde mit (3-4 Schichten) aus einem Fluorpolymer (Fluoropel
804A von Cytonix Corporation), tauchbeschichtet, das sich als eine
hydrophobe dielektrische Schicht verhielt. Die Dicke der Schicht
betrug ca. 3 μm.
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Die
poröse
Schicht enthielt Silberteilchen von 200 nm Durchmesser, die in einer
Schicht aus Octadecylmercaptan aufgetragen wurden. Die Silberteilchen
wurden bei Reduktion von Sil bernitrat mit Natriumborhydrid ausgefällt. Das
Octadecylmercaptan wurde sofort nach Ausfällung zugegeben. Das Octadecylmercaptan
verleiht den Silberteilchen eine hydrophobe und elektrisch isolierende
Beschichtung. Die resultierende Beschichtung wies eine schrittweise,
spannungsabhängige
Kapazitätsänderung
auf (bei 2V AC Spitze-Spitze, 1 kHz), wenn die Kapazität mit einem
auf der Oberfläche
aufgebrachten Tropfen 20g/l NaCl-Lösung gemessen wurde. Dies wies
darauf hin, dass der Tropfen reversibel in das poröse Netz
herein- und herausgezogen wurde. Der Flüssigkeitstropfen trat bei 2
V Spitze-zu-Spitze in die Vorrichtung hinein und wieder hinaus.
Das Umschalten war reproduzierbar, wobei die gleiche Umschaltung mehrmals
mit einem einzelnen Tröpfchen
erfolgen konnte.
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Zur
Ausbildung einer Displayvorrichtung kann eine Matrix oder Vielzahl
von Elementen zusammengesetzt werden. In dieser Hinsicht könnte ein
Elektrodengitter bereitgestellt werden, auf dem eine Vielzahl einzelner
Flüssigkeitstropfen
angeordnet werden könnte.
Die einzelnen Elektroden können dann
einzeln adressiert werden, um einzelne Display-Elemente als Pixel
umzuschalten.
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Obwohl
die Erfindung mit besonderem Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, vielmehr
ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die von
dem erfindungsgemäßen Gedanken
Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich fallen.
