KR20160017114A - 다색 전기광학 디스플레이 - Google Patents

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Abstract

전기광학 재료의 적어도 2개의 별도 층들을 포함하는 전기광학 디스플레이로서, 이 층들 중 하나는 다른 층에 의해 표시될 수 없는 적어도 하나의 광학 상태를 표시할 수 있다. 디스플레이는 단일 세트의 전극들에 의해 구동되며, 전극들 사이에 2개의 층들이 개재되며, 2개의 층들은 적어도 부분적으로 서로 독립적으로 제어가능하다. 본 발명의 다른 형태는 단일의 전기영동층 내에 상이한 세 종류들의 입자들을 사용하며, 세 종류들의 입자들은 서로 독립적으로 셔터링하도록 배열된다.

Description

다색 전기광학 디스플레이 {MULTI-COLOR ELECTRO-OPTIC DISPLAYS}
본 발명은 다색 전기광학 매체들 및 이러한 매체들을 포함하는 디스플레이들에 관한 것이다.
재료 또는 디스플레이에 적용되는 용어 "전기광학 (electro-optic)"은, 본 명세서에서 이미징 분야에서의 그 종래 의미로, 적어도 하나의 광학 성질이 상이한 제 1 및 제 2 표시 상태들을 갖는 재료를 지칭하기 위해서 사용되며, 그 재료는 재료로의 전계의 인가에 의해 그 제 1 표시 상태에서 그 제 2 표시 상태로 변한다. 광학 성질은 통상적으로 사람 눈에 지각될 수 있는 컬러이다.
용어 "그레이 상태"는, 본 명세서에서 이미징 분야에서의 그 종래 의미로, 화소의 2가지 극단적인 광학 상태들의 중간 상태를 지칭하기 위해서 사용되며, 반드시 이러한 2가지 극단적인 상태들 사이의 블랙-화이트 전이를 의미하는 것은 아니다. 예를 들어, 수개의 E Ink 특허들 및 공개 출원들이, 극단적인 상태들이 화이트 및 딥 블루이어서 중간 "그레이 상태"가 사실상 페일 블루 (pale blue) 일 수도 있는 전기영동 디스플레이들을 이하 설명하기 위해 참조된다. 이하, 용어들 "블랙" 및 "화이트"는 디스플레이의 2가지 극단적인 광학 상태들을 지칭하기 위해서 사용될 수도 있고, 엄격히 블랙 및 화이트가 아닌 극단적인 광학 상태들, 예를 들어 상술된 화이트 및 다크 블루 상태들을 보통 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 이하, 용어 "단색성 (monochrome)"은 중간 그레이 상태들이 없는 2가지 극단적인 광학 상태들로 단지 화소들을 구동하는 구동 스킴을 나타내기 위해 사용될 수도 있다.
용어들 "양안정적인 (bistable)" 및 "양안정성 (bistable)"은, 본 명세서에서 이 분야에서의 그 종래 의미로, 적어도 하나의 광학 성질이 상이한 제 1 및 제 2 표시 상태들을 갖는 디스플레이 엘리먼트들을 포함하고, 그리고 유한 기간의 어드레싱 펄스에 의해 임의의 주어진 엘리먼트가 구동된 이후, 제 1 또는 제 2 표시 상태 중 어느 상태를 상정하고, 어드레싱 펄스가 종료된 이후, 그 상태가 디스플레이 엘리먼트의 상태를 변화시키기 위해 요구되는 어드레싱 펄스의 최소 기간의 적어도 수배, 예를 들어 적어도 4배 동안 지속되도록 하는 디스플레이들을 지칭하기 위해서 사용된다. 미국 특허 No. 7,170,670 에는, 그레이 스케일이 가능한 일부 입자 기반 전기영동 디스플레이들이 그 극단적인 블랙 및 화이트 상태들에서 뿐만 아니라 그 중간 그레이 상태들에서도 안정되고, 일부 다른 종류들의 전기광학 디스플레이들도 마찬가지라는 것이 나타나있다. 본 명세서에서는 양안정적인 및 다안정적인 디스플레이들을 모두 커버하기 위해서 편의상 용어 "양안정적인"이 사용될 수도 있지만, 이러한 종류의 디스플레이는 양안정적이라기 보다는 "다안정적인"으로 불리는 것이 적절하다.
여러 종류들의 전기광학 디스플레이들이 알려져 있으며, 예를 들어 다음과 같다:
(a) 예를 들어, 미국 특허들 Nos. 5,808,783; 5,777,782; 5,760,761; 6,054,071; 6,055,091; 6,097,531; 6,128,124; 6,137,467; 및 6,147,791 에 기재되어 있는 회전 이색성 멤버 (rotating bichromal member) 종류;
(b) 일렉트로크로믹 매체, 예를 들어 반도전성 금속 산화물로부터 적어도 부분적으로 형성된 전극 및 전극에 부착된 가역적 (reversible) 컬러 변화가 가능한 복수의 염료 분자들을 포함하는 나노크로믹 막의 형태의 일렉트로크로믹 매체; 예를 들어 O'Regan, B. 등, Nature 1991, 353, 737; 및 Wood, D., Information Display, 18(3), 24 (March 2002) 를 참조한다. 또한 Bach, U. 등, Adv. Mater., 2002, 14(11), 845 를 참조한다; 그리고
(c) Philips 에 의해 개발되고 Hayes, R.A. 등에 의한, "Video-Speed Electronic Paper Based on Electrowetting", Nature, 425, 383-385 (2003) 에 기재된 전기 습윤 디스플레이. 미국 특허 No. 7,420,549 에서는, 이러한 전기 습윤 디스플레이들이 양안정적으로 제조될 수 있다는 것이 나타나있다.
복수의 하전된 입자들이 전계의 영향하에서 유체를 통해 이동하는 입자 기반 전기영동 디스플레이들이 수년 동안 예의 연구 및 개발되고 있다. 전기영동 디스플레이들은 액정 디스플레이들과 비교하여 양호한 휘도 및 콘트라스트, 광시야각, 상태 양안정성, 및 저전력 소비의 속성들을 가질 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이 디스플레이들의 장기간 이미지 품질에 의한 문제점들이 그 광범위한 용도를 방해하고 있다. 예를 들어, 전기영동 디스플레이들을 구성하는 입자들이 침전 (settle) 하려는 경향이 있어, 결과적으로 이 디스플레이들의 서비스 수명에 부적절하다.
상기에 언급된 바와 같이, 전기영동 매체들은 유체의 존재를 필요로 한다. 대부분의 종래 기술에 의한 전기영동 매체들에서, 이 유체는 액체이지만, 전기영동 매체들은 가스상 유체들을 이용하여 제조될 수 있다; 예를 들어, Kitamura, T. 등, "Electrical toner movement for electronic paper-like display", IDW Japan, 2001, Paper HCS1-1, 및 Yamaguchi, Y. 등, "Toner display using insulative particels charged triboelectrically", IDW Japan, 2001, Paper AMD4-4) 를 참조한다. 또한, 미국 특허들 Nos. 7,321,459 및 7,236,291 을 참조한다. 이러한 가스 기반 전기영동 매체들은 매체들이 이러한 침전을 허용하는 배향으로, 예를 들어 매체가 수직면에 배치되는 사인으로 사용되는 경우, 액체 기반 전기영동 매체들과 동일한 유형들의 입자 침전에 기인한 문제들에 취약한 것으로 보인다. 사실상, 입자 침전은 액체 기반 전기영동 매체들에서보다 가스 기반 전기영동 매체들에서 보다 심각한 문제인 것으로 보이는데, 그 이유는 액체 현탁 유체들과 비교하여 가스상 현탁 유체들의 보다 더 낮은 점도가 전기영동 입자들의 보다 신속한 침전을 허용하기 때문이다.
MIT (Massachusetts Institute of Technology) 및 E Ink Corporation 의 이름으로 양도된 다수의 특허들 및 출원들에는 인캡슐화된 전기영동 및 다른 전기광학 매체들에서 이용되는 다양한 테크놀로지들이 기재되어 있다. 이러한 인캡슐화된 매체들은 다수의 작은 캡슐들을 포함하며, 캡슐 각각은 자체가 유체 매체 내에서 전기영동적으로 이동하는 입자들을 포함하는 내부상, 및 내부상을 둘러싸는 캡슐 벽을 포함한다. 통상적으로, 캡슐들은 자체가 중합성 바인더 내에 홀딩되어 2개의 전극들 사이에 배치된 코히런트층을 형성한다. 이 특허들 및 출원들에 기재된 테크놀로지들은 다음을 포함한다:
(a) 전기영동 입자들, 유체들 및 유체 첨가제들; 예를 들어 미국 특허들 Nos. 7,002,728; 및 7,679,814 를 참조한다;
(b) 캡슐들, 바인더들 및 인캡슐화 공정들; 예를 들어 미국 특허들 Nos. 6,922,276 및; 7,411,719 를 참조한다;
(c) 전기광학 재료들을 포함하는 막들 및 서브-어셈블리들; 예를 들어 미국 특허들 Nos. 6,982,178; 및 7,839,564 를 참조한다;
(d) 백플레인들, 접착제 층들 및 다른 보조 층들 그리고 디스플레이들에서 이용되는 방법들; 예를 들어 미국 특허들 Nos. 7,116,318; 및 7,535,624 를 참조한다;
(e) 컬러 형성 및 컬러 조절; 예를 들어 미국 특허들 Nos. 6,017,584; 6,664,944; 6,864,875; 7,075,502; 7,167,155; 7,667,684; 및 7,791,789; 및 미국 특허 출원 공개공보 Nos. 2004/0263947; 2007/0109219; 2007/0223079; 2008/0023332; 2008/0043318; 2008/0048970; 2008/0211764; 2009/0004442; 2009/0225398; 2009/0237776; 2010/0103502; 2010/0156780; 및 2010/0225995 를 참조한다;
(f) 디스플레이들의 구동 방법; 예를 들어 미국 특허들 Nos. 7,012,600; 및 7,453,445 를 참조한다;
(g) 디스플레이들의 응용; 예를 들어 미국 특허 No. 7,312,784; 및 미국 특허 출원 공개공보 No. 2006/0279527 를 참조한다.
많은 전술된 특허들 및 출원들에는, 인캡슐화된 전기영동 매체 내의 개별 마이크로캡슐들을 둘러싸는 벽들이 연속상에 의해 대체되어, 전기영동 매체가 전기영동 유체의 복수의 개별 액적들 및 중합성 재료의 연속상을 포함하는 이른바 고분자 분산형 전기영동 디스플레이를 제조할 수 있다는 것이 알려져 있고, 그리고 어떠한 개별 캡슐 멤브레인이 독립적인 액적과 연관되지 않는 경우라도 이러한 고분자 분산형 전기영동 디스플레이 내의 전기영동 유체의 개별 액적들이 캡슐들 또는 마이크로캡슐들로 간주될 수도 있다는 것이 알려져 있으며; 예를 들어, 미국 특허 No. 6,866,760 을 참조한다. 이에 따라, 본 출원의 목적을 위해서, 이러한 고분자 분산형 전기영동 매체들은 인캡슐화된 전기영동 매체들의 하위종들로 간주된다.
관련 종류의 전기영동 디스플레이는 이른바 "마이크로셀 전기영동 디스플레이"이다. 마이크로셀 전기영동 디스플레이에서는, 하전된 입자들 및 유체가 마이크로캡슐들 내에 인캡슐화되지 않지만, 대신에 캐리어 매체, 통상적으로 중합성 막 내에 형성된 복수의 캐비티들 내에 보유된다. 예를 들어, 모두 Sipix Imaging, Inc. 로 양도된 미국 특허들 Nos. 6,672,921 및 6,788,449 를 참조한다. 이하, 용어 "마이크로캐비티 전기영동 디스플레이"는 인캡슐화형 (고분자 분산형 포함) 및 마이크로셀 전기영동 디스플레이들을 모두 커버하기 위해 사용될 수도 있다.
(예를 들어, 많은 전기영동 매체들에서, 입자들이 실질적으로 디스플레이를 통한 가시광의 투과를 차단하기 때문에) 전기영동 매체들이 종종 불투명하여 반사 모드로 동작하지만, 많은 전기영동 디스플레이들이 하나의 표시 상태는 실질적으로 불투명하고 하나의 표시 상태는 광투과성이 있는 이른바 "셔터 모드"로 동작하도록 될 수 있다. 예를 들어, 미국 특허들 Nos. 5,872,552; 6,130,774; 6,144,361; 6,172,798; 6,271,823; 6,225,971; 및 6,184,856 을 참조한다. 전기영동 디스플레이들과 유사하지만 전계 강도의 변화에 의존하는, 유전영동 디스플레이들이 유사한 모드로 동작할 수 있다; 미국 특허 No. 4,418,346 을 참조한다. 셔터 모드로 동작하는 전기영동 매체들은 풀 컬러 디스플레이들을 위한 다층 구조들에 유용할 수도 있으며; 이러한 구조들에서는, 디스플레이의 시인 표면에 인접하는 적어도 하나의 층이 셔터 모드로 동작하여 시인 표면으로부터 보다 떨어져있는 제 2 층을 노출 또는 숨긴다.
오늘날 모든 디스플레이들에서 컬러에 대한 요구가 증가하고 있다. 컬러 TV, 컬러 컴퓨터 디스플레이들 및 휴대폰과 다른 휴대용 전자 디바이스들의 컬러 디스플레이들과 친숙한 사용자들은, 전자책 리더와 같은 애플리케이션들에서조차도 단색성 디스플레이를 시각 소구 (visual appeal) 가 부족한 것으로 간주할 수도 있고, 전자책 리더에서 디스플레이는 인쇄책의 외관을 재현하는 것을 목표로 하며, 그 대부분은 여전히 단색으로 인쇄된다.
종래 인쇄에서, 고품질의 풀 컬러 이미지들은, 광이 기저의 화이트 종이로부터 다시 시인자측으로 반사되기 이전에 각각의 서브이미지를 통해 여과되는 방식으로 오버레이되는 (즉, 하나 초과의 컬러가 페이지의 임의의 위치에 존재할 수 있음), 3가지 감법 (substractive) 원색들, 통상적으로 시안, 마젠타 및 옐로우 ("CMY") (블랙은 "CMYK" 시스템에서 4원색으로 포함될 수도 있음) 각각으로 서브이미지들을 제공함으로써 형성된다. (이로써, 이른바 "4색", CMYK 시스템이 실제로 4색 시스템이며; 그게 무엇이든 어떠한 잉크도 존재하지 않는 곳에서 화이트 컬러가 보인다는 사실로부터 용이하게 이해되는 바와 같이, 기저의 종이의 화이트 컬러는 컬러 형성 시스템의 부분이다.) 3개 또는 4개의 오버레이된 서브이미지들의 이러한 배열에서, 인쇄된 종이의 어떠한 면적도 광을 불필요하게 흡수하지 않으며, 이로써 최대 휘도의 이미지가 획득된다.
종래 기술의 전기영동 및 유사한 전기광학 디스플레이들은 통상적으로 반사형 (광산란형) 안료들의 사용에 의존하고 있다. 어떠한 상당한 광량도 이러한 안료의 층을 통과하지 않기 때문에, 상이한 컬러들의 서브이미지들을 오버레이하는 것이 가능하지 않으며, 그리고 컬러 디스플레이에서는 "컬러 면적 쉐어링 (color area sharing)" 을 재분류하여 컬러들의 팔레트를 만드는 것이 필요하다. 예를 들어, 디스플레이의 다중의 상이한 서브영역들에는 상이한 컬러들, 예를 들어, 레드, 그린 및 블루를 표시할 수 있는 전기영동 매체들이 제공될 수도 있다. (상이한 컬러들의 서브이미지들의 오버레이가 없기 때문에, 이러한 종류의 디스플레이는 통상적으로 감법 원색보다는 오히려 가법 (additive) 원색들을 이용한다.) 대안으로, 단색성 매체가 사용되고 컬러 필터 어레이가 제공되어 특정 화소들이 특정 원색들을 반사시킬 수 있다. 하지만, 어느 접근법이든, 디스플레이 면적의 일부분만이 각 원색의 반사에 이용가능하며, 이것은 이용가능한 이미지의 휘도에 악영향을 준다는 문제가 있다. 이로인해, 컬러 반사형 디스플레이의 휘도를 향상시키기 위해서는, 디스플레이의 임의의 화소에서 임의의 원하는 컬러를 표시할 수 있는 디스플레이를 제공하고, 이로써 시인자에게 반사된 광량을 최대화하는 것이 바람직하다.
다층의, 적층형 전기광학 디스플레이들 이용이 종래 기술에 알려져 있다. 이러한 디스플레이들에서는, 종래 컬러 프린팅과 유사한 방식으로, 주변광이 3가지 감법 원색들 각각에서의 서브이미지들을 통과한다. 미국 특허 No. 6,727,873 에는, 스위칭가능한 셀들의 3개 층들이 반사형 백그라운드 상부에 배치되는 적층형 전기영동 디스플레이가 기재되어 있다. 안료들이 측부로 이동되거나 (예를 들어 국제 출원 공개공보 No. WO 2008/065605) 참조한다), 또는 마이크로캐비티들 내의 안료들이 수직 및 측부 운동의 조합을 이용하여 이동되는 유사한 디스플레이들이 알려져 있다. 이러한 디스플레이들의 리뷰를 위해서, J. Heikenfeld, P. 등, Journal of the SID, 19(2), 2011, pp. 129-156 을 참조한다. 이러한 종래 기술에 의한 디스플레이들에서는, 각 층의 각 화소가 화소마다를 기본으로 하여 안료 입자들을 집중 또는 분산시키기 위해서 독립적으로 구동될 수 있어야 한다. 이것은 3가지 별도의 전극들 쌍을 필요로 하며, 그 각각은 통상적으로 박막 트랜지스터들의 매트릭스를 갖는 액티브 매트릭스 백플레인 및 반대의 연속되는 상대 전극을 포함한다. 액티브 매트릭스 백플레인들 중 2가지는, 각각의 상대 전극이 투명해야 하기 때문에, 가능한 한 투명해야 한다. 이러한 접근법은 이러한 전극들의 복잡한 배열을 제작하는데 고비용이 든다는 심각한 단점을 가지며, 그리고 이 분야의 현 상태에서 적절하게 투명한 백플레인을 제공하는 것이 곤란하다는 사실을 갖는데, 특히 디스플레이의 화이트 상태는 광이 이러한 투명 전극들의 여러 층들을 통과하는 것이 필요하기 때문이다; 실제로, 전극들에서의 광 손실들이 디스플레이에 의해 생성되는 이미지의 휘도에 심각한 악영향을 준다.
이미징 분야의 숙련자들은, 풀 컬러 이미지를 만들기 위해서 각 원색의 독립적인 어드레싱을 제공하는 것이 필요하다는 것을 알고 있다. 이것은 첨부된 도면들의 도 1에 그래픽적으로 도시되어 있으며, 이것은 정점들이 화이트, 3가지 감법 원색들 (옐로우, 마젠타, 및 시안), 3가지 가법 원색들 (레드, 그린 및 블루) 및 블랙에 대응하는 "컬러 큐브 (color cube)"를 도시한다. 화살표로 도시된 바와 같이, 컬러 큐브의 표면 내측 또는 표면 상의 임의의 지점은 3가지 (직교) 좌표들, 즉, 화이트-옐로우 축, 화이트-마젠타 축, 및 화이트-시안 축에 따른 거리에 의해 정의될 수 있다. 제로 (즉, 화이트) 로부터 약 2 (상응하는 가법 원색 분광 범위의 광의 99% 흡수에 상응함) 까지의 범위에 이르는, 이 거리들은 감법 원색들에서의 상이한 광학 밀도들에 상응한다. 디스플레이의 풀 컬러 색역 (gamut) 을 만들기 위해서 요구되는 개별적으로 어드레싱된 독립적인 상태들의 수는 옐로우 상태들의 수 + 마젠타 상태들의 수 + 시안 상태들의 수이다. 하지만, 만들어질 수 있는 컬러들의 수는 이 3가지 수들의 곱이다. 즉, 예를 들어, 디스플레이는 2가지 옐로우 상태들 (사람 시각계는 블루 광의 공간적 변화에 상대적으로 민감하지 않기 때문에, 그 부재는 옐로우 감법 원색에 상응한다) 및 마젠타 및 시안 각각의 24 = 16 상태들을 만들기 위해 선택될 수도 있다. 디스플레이를 구동하는 파형은 총 34가지의 상이한 상태들을 만들기 위해 요구될 수 있지만, 29 = 512 가지 상이한 컬러들을 어드레싱할 수 있다.
일 양태에서, 본 발명은 전극들의 단일 쌍이 1층 초과의 전기영동 또는 유사한 전기광학 재료의 층을 독립적으로 어드레싱하기 위해서 이용되는 컬러 디스플레이를 제공한다. 이러한 컬러 디스플레이는 단일 쌍 또는 단일 세트의 전극들 (예를 들어, 단일 세트의 전극들은 액티브 매트릭스 백플레인 및 단일의 연속적인 상대 전극일 수 있다) 을 이용하여 하나 초과의 원색의 독립적인, 또는 적어도 부분적으로 독립적인 어드레싱을 제공할 수 있다. 전기영동 또는 유사한 재료의 적어도 하나의 층들은 (상기에서 정의된 바와 같이) 셔터 모드로 동작할 수도 있다.
셔터 모드 전기영동 디스플레이들은 "VT (variable transmission)" 윈도우들을 포함하여 광 변조기들로서 사용될 수 있다. 광 변조기들은 전기광학 매체들에 있어서 잠재적으로 중요한 시장을 나타낸다. VT 윈도우들로 사용될 수 있는 VT 매체들은 특허 문헌에 설명 및 기재되어 있다; 예를 들어, 미국 특허 No. 7,327,511; 및 미국 특허 출원 공개공보 Nos. 2006/0038772; 2007/0146310; 및 2008/0130092 를 참조한다. 하지만, 이러한 VT 매체들에는 소정의 남아있는 문제들이 있다. 먼저, 동일한 매체에서 허용가능한 레벨들의 이미지 안정성 (즉, 안정된 투과) 및 헤이즈를 달성하는 것이 곤란하다. 지금까지, 전기영동 매체들에서 통상적으로 사용되는 유체들의 굴절률과 충분히 가까운 (또는 상기에서 논의된 바와 같이 유체를 통상적으로 둘러싸는 중합체 상의 굴절률과 충분히 가까운) 굴절률을 가져 헤이즈를 허용가능한 레벨로 감소시키는, 어떠한 블랙 안료도 확인되고 있지 않다.
종래 기술의 VT 전기영동 매체들 (및 일렉트로크로믹 매체들과 같은 유사 전기광학 매체들) 의 다른 문제는 색조를 변화시킬 수 없는 그 무능력이다; 즉, 이러한 매체들에 의해 표시될 수 있는 컬러들은 그 엔드포인트 컬러들 사이의 선상에 있고 (투명한 상태는 본 출원의 목적을 위해서 "컬러"로 간주됨), 그리고 그 매체들은 색역 볼륨 (color gamut volume) 을 갖지 않는다. 예를 들어, 전술된 미국 특허 No. 7,327,511; 및 미국 특허 출원 공개공보 Nos. 2006/0038772; 2007/0146310; 및 2008/0130092 에 기재된 VT 매체들로부터 획득할 수 있는 컬러들은 블랙으로부터 클리어 (clear) 로 변하는 한편, 일렉트로크로믹 매체들은 통상적으로 블루-퍼플로부터 클리어로 변한다. (이하 상세히 논의되는 바와 같이, VT 매체들에서의 컬러의 제공은 VT 윈도우들로 장치된 룸 내의 광이 변화될 수 있게 하거나, 또는 다층 디스플레이에서의 하나의 층으로서 VT 의 사용을 가능하게 함에 있어서 유용할 수도 있다) 매체들의 어떠한 종류도 컬러 필터 어레이의 추가 및 통상적으로 패시브 또는 액티브 매트릭스 백플레인을 사용하는 다중 화소 구동법의 이용 없이 추가 컬러들을 제조할 수 없다. 이러한 백플레인은 불가피하게 VT 매체를 통한 광 투과를 감소시키며 단일 화소 VT 디스플레이에서 사용되는 단순한 전극보다 훨씬 더 고가이다.
이에 따라, 상업용 VT 디스플레이들에서 바람직한 높은 이미지 안정성을 낮은 헤이즈와 조합하여 제공할 수 있는 VT 매체에 대한 필요성이 여전히 존재한다. 또한, 상당한 색역을 제공할 수 있는 VT 매체들에 대한 필요성이 여전히 존재한다. 일 양태에서, 본 발명은 이 두가지 문제들에 대한 해결책을 제공하려고 한다.
일 양태에서, 본 발명은 적어도 전기광학 재료의 제 1 및 제 2 층들을 포함하는 전기광학 디스플레이를 제공하고, 제 1 층은 제 2 층에 의해 표시될 수 없는 적어도 하나의 광학 상태를 표시할 수 있고, 디스플레이는 제 1 및 제 2 층들의 일측에 배치되는 제 1 전극, 및 제 1 및 제 2 층들의 제 1 전극과의 반대측에 배치되는 제 2 전극을 더 포함하고, 제 1 및 제 2 층들 사이에는 어떠한 전극도 없다. (용어 "전극"은 본 명세서에서 전기광학 디스플레이 분야에서의 그 종래 의미로 사용되어, 접지를 포함하는 공지된 전위의 소스에 연결됨으로써 작은위가 제어될 수 있는 전도성 재료를 의미한다. 즉, 본 출원의 목적을 위해서, 공지된 전위의 임의의 소스에 연결되록 배열되지 않는 전도성 재료는 전극이 아니다.)
이러한 디스플레이는 제 1 및 제 2 층들에 의해 표시될 수 없는 적어도 하나의 광학 상태를 표시할 수 있는 전기광학 재료의 제 3 층을 더 포함할 수도 있고, 제 2 전극은 제 1, 제 2 및 제 3 층들의 제 1 전극과의 반대측에 배치되고, 제 2 및 제 3 층들 사이에는 어떠한 전극도 없다. 전기광학 재료의 3개의 층들은 일 세트의 감법 원색들, 예를 들어 시안, 마젠타 및 옐로우 안료들을 포함할 수도 있으며; 이들 컬러들이 제 1, 제 2 및 제 3 층들 중에서 임의의 순서로 분포될 수도 있다는 것이 쉽게 명백해질 것이다. (대안으로, 본 발명의 디스플레이들은 3개 초과의 원색들을 사용할 수도 있거나, 또는 종래의 감법 원색들이 아닌 원색들을 사용할 수도 있다.) 옐로우 안료를 포함하는 층은 시안 및 마젠타 안료들을 포함하는 층들보다 더 적은 수의 그레이 레벨들을 갖도록 배열될 수도 있다. 본 발명의 일 형태에서, 전기광학 디스플레이는 관측자가 디스플레이를 시인하는 시인 표면을 갖고, 그리고 시인 표면에 최근접한 2개의 전기광학층들은 어떤 순서로든 시안 및 옐로우 안료들을 포함한다.
전기광학 재료의 적어도 하나의 층은 유체 내에 분산되고 층으로의 전계의 인가시 유체를 통해 이동할 수 있는 복수의 하전된 입자들을 포함하는 전기영동 재료를 포함할 수도 있다. 이러한 전기영동층은 인캡슐화되지 않을 수도 있거나 또는 마이크로캐비티 전기영동 재료를 포함할 수도 있다. 층들 중 적어도 한 층 (바람직하게는 제 1 및 제 2 층들 모두) 에서의 하전된 입자들은 안료 입자들이 각 화소의 전체 면적을 실질적으로 점유하는 제 1 광학 상태와, 안료 입자들이 각 화소의 면적의 작은 비율만을 점유하는 제 2 광학 상태 사이에서 이동가능할 수도 있다.
제 1 및 제 2 전기광학층들 (및 존재한다면 제 3 전기광학층) 이 모두 전기영동층들인 경우에는, 이 층들에서의 안료들의 독립적인 제어가 2개 층들의 다양한 물리적 변수들을 제어함으로써 용이하게 될 수도 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 층들에서의 유체들의 항복 응력들이 상이할 수도 있거나; 제 1 및 제 2 층들에서의 마이크로캐비티들의 사이즈들이 상이할 수도 있거나; 제 1 및 제 2 층들에서의 입자들이 사이즈, 형상 및 전기 전도도 중 적어도 하나가 상이할 수도 있거나; 또는 제 1 및 제 2 층들에서의 유체들이 점도 및 전기 전도도 중 적어도 하나가 상이할 수도 있다.
본 발명의 전기광학 디스플레이의 바람직한 형태는 제 2 전기광학층으로부터 떨어진 제 1 전기광학층의 표면에 또는 그에 인접하여 시인 표면을 갖고, 상기 제 2 전기광학층의 시인 표면과의 반대측에 제 3 전기광학층을 갖으며, 제 3 전기광학층은 유체 내에 배치되고 제 3 전기광학층으로의 전계의 인가시 유체를 통해 이동할 수 있는 상이한 컬러들의 제 1 및 제 2 종류들의 입자들을 포함하며, 제 1 및 제 2 종류들의 입자들은 전기영동 이동도가 상이하다. 제 3 전기광학층 내의 제 1 종류의 입자들은 화이트일 수도 있다. 제 1 및 제 2 전기광학층들 내의 입자들은 어떤 순서로든 옐로우 및 시안일 수도 있으며, 제 3 전기광학층 내의 제 2 종류의 입자들은 마젠타일 수도 있다.
본 발명의 전기광학 디스플레이에서의 제 1 및 제 2 전극들 중 적어도 하나는 화소의 면적의 작은 비율만을 점유할 수도 있다. 본 발명의 마이크로캐비티 디스플레이에서, 마이크로캐비티의 벽들은 유체 내에 분산된 복수의 하전된 안료 입자들을 포함하는 상보다 더 높은 전기 전도도를 가질 수도 있다. 전기광학층들 중 하나는 적어도 2가지 안정 상태들을 갖는 한편, 제 2 전기광학층은 하나의 안정 상태만을 가질 수도 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 제 1 층과 제 2 층 사이에 어떠한 전극도 없이 서로 인접하게 배치되는 캐비티들의 제 1 층 및 제 2 층을 포함하는 전기광학 디스플레이를 제공하고, 다른 층에 인접하여 놓이는 캐비티들의 제 1 층 및 제 2 층 각각의 섹션들은 다른 층 측으로 테이퍼링되는 실질적으로 피라미드 형태이고, 제 1 층 및 제 2 층 중 적어도 하나는 유체 내에 분산되고 디스플레이로의 전계의 인가시 유체를 통해 이동할 수 있는 착색된 입자들을 포함한다. 이러한 디스플레이에서, 제 1 및 제 2 층들은 변형가능한 캡슐들로 형성될 수도 있다. 제 1 및 제 2 층들 중 하나는 착색된 입자들이 없을 수도 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 적어도 전기광학 재료의 제 1, 제 2 및 제 3 층들을 포함하는 전기광학 디스플레이를 제공하고, 디스플레이는 제 1, 제 2 및 제 3 층들의 일측에 배치되는 제 1 전극, 및 제 1, 제 2 및 제 3 층들의 제 1 전극과의 반대측에 배치되는 제 2 전극을 더 포함하며, 제 1 층과 상기 제 2 층 사이, 또는 제 2 층과 상기 제 3 층 사이에는 어떠한 전극도 없으며, 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층은 하기의 성질들을 갖는다:
(a) 제 1 층 (1) 은 전압 및/또는 임펄스 문턱치를 가지고, 상태 안정적이며, 그리고 그 컬러가 인가된 전압의 극성에 의존하고;
(b) 제 2 층은 제 1 층보다 더 낮은 문턱치를 가지고, 상태 안정적이며, 그리고 그 컬러가 인가된 전압의 극성에 의존하며; 그리고
(c) 제 3 층은 어떠한 문턱치도 가지지 않고, 상태 안정적이지 않고, 제 2 층보다 더 빨리 스위칭하며, 그리고 양 또는 음의 임펄스로 구동되든지 간에 동일한 상태에 도달하고 어떠한 전위도 인가되지 않는 경우 그 반대 극단으로 릴렉스된다.
이러한 디스플레이는 다음을 포함하는 방법에 의해 구동될 수도 있다:
(a) 제 1 층을 원하는 컬러로 설정하기 위해서 고전압을 인가하는 단계;
(b) 제 2 층을 원하는 컬러로 설정하기 위해서 상기 단계 (a) 에서보다 더 낮은 전압을 인가하는 단계; 및
(c) 제 3 층을 그 원하는 컬러로 릴렉스시킬 수 있는 단계.
다른 양태에서, 본 발명은 적어도 하나의 캐비티를 정의하는 벽들을 포함하는 마이크로캐비티 전기영동 디스플레이를 제공하며, 캐비티는 유체 및 유체 내에 분산된 제 1, 제 2 및 제 3 종류들의 입자들을 포함하고, 제 1, 제 2 및 제 3 종류들의 입자들 각각은 입자들이 실질적으로 마이크로캐비티의 전체 면적을 점유하는 비셔터링된 상태 및 입자들이 마이크로캐비티의 면적들의 작은 비율만을 점유하는 셔터링된 상태를 갖고, 제 1, 제 2 및 제 3 입자들은 컬러들이 상이하고 유전영동 (dielectrophoretic) 및/또는 전기삼투 (electro-osmotic) 성질들이 상이하여 제 1, 제 2 및 제 3 종류들의 입자들이 서로 독립적으로 그 비셔터링된 상태와 셔터링된 상태 사이에서 이동될 수 있다. 이러한 디스플레이에서, 제 1, 제 2 및 제 3 종류들의 입자들의 컬러들은, 모든 세 종류들의 입자들이 그 비셔터링된 상태들에 있을 때 디스플레이가 실질적으로 블랙을 나타내도록 한다.
본 발명의 이 양태는 전기영동 매체의 유체에서의 중합성 첨가제의 필요없이 이미지 상태 안정성을 제공하는 (즉, 블랙 이외의 컬러를 갖는) 착색된 유기 안료들의 범위의 발견에 기초한다. 정확한 이미지 상태 안정성 메카니즘이 완벽하게 이해되지 않는 한, 이 안료들은 유체 내에서 현탁되는 경우 스스로 느슨한 응결체들을 형성하는 것으로 보인다. 이 느슨한 응결체는 항복 응력을 나타낸다: 안료 분산액이 충분히 농축되는 경우, 겔이 형성된다. 약간의 교반으로, 겔은 부서지고, 결과적으로 저점도 유체가 된다. 이 안료들 중 일부는 바람직한 내부상 유체 및 유체를 둘러싸는 중합체 상의 굴절률들과 가까운 굴절률들을 가지며, 결과적으로 응집된 상태에서도 낮은 헤이즈 분산액이 된다. 다양한 착색 안료들을 적절히 블렌딩함으로써, 블랙 광학 상태를 갖는 매체가 형성될 수 있다.
유기 안료들의 많은 이러한 블렌드들은 또한 상당한 색역을 표시하기 위해 만들어질 수 있다. 사용되는 유기 안료들의 주의깊은 선택에 의해, 상이하게 착색된 유기 안료들 존재는 상당한 상이한 유전영동 이동도들을 갖도록 선택될 수 있고, 그 결과 전기영동 매체에 인가되는 주파수 및 전압을 조작함으로써, 각 안료는 독립적으로 분산 상태 또는 패킹 상태에 있도록 제조될 수 있다, 즉, 상이한 유기 안료들이 서로 독립적으로 "셔터링"하도록 제조될 수 있다. 특정 유기 안료를 분산 상태로 갖는 것은, 그 안료가 투과된 광의 상응하는 컬러를 흡수하는 것을 허용하며; 분산이 더 균일할수록 흡수가 더 커진다. 한편, 특정 유기 안료를 패킹 상태로 갖는 것은, 그 안료가 위치하는 전기영동 매체의 면적의 분율을 최소화하고, 이로써 안료에 의한 흡수를 최소화한다. 상이하게 착색된 입자들의 "셔터링"을 서로 독립적으로 제어함으로써, 상당한 색역이 표시될 수 있다는 것이 용이하게 명백해질 것이다.
이러한 다색 VT 매체는 바로 풀 컬러 디스플레이로 사용될 수 있다; 반사형 디스플레이를 원한다면, 리플렉터가 물론 매체 뒤에 (즉, 매체의 사용자에 의해 시인되는 측면과의 반대 측면에) 배치될 수 있다. 대안으로, 이러한 다색 VT 매체는 종래의 "정적 (static)" 컬러 필터 어레이의 치환품으로서 사용될 수 있고, 그리고 단색성 반사형 매체 (본질적으로 반사형 매체 또는 리플렉터가 제공된 투과형 매체) 와 조합하여 사용될 수 있다; 이 단색성 매체는 전기영동 매체일 필요는 없지만 임의의 알려진 종류의 전기광학 디스플레이일 수 있다. 이러한 이중층 디스플레이는 다색 VT 매체가 디스플레이의 다양한 화소들 또는 서브화소들의 컬러만을 제어하는 것을 허용하는 이점을 가질 수 있는 한편, 단색성 매체는 각 화소 또는 서브화소의 밝기를 제어할 수 있다. 다색 VT 매체가 컬러만을 제어하도록 요구하는 것은, VT 매체에 사용되는 다중 안료들의 독립적인 제어에 대한 요구들의 부담을 줄여주는데, 그 이유는 VT 매체가 모든 레벨들의 포화에서 모든 컬러들을 제공할 것이 더 이상 요구되지 않기 때문이다.
본 발명의 VT 매체들은 상기에서 논의된 전기영동 매체들 중 임의의 종류들일 수도 있다. 즉, VT 매체들은 인캡슐화되지 않거나, 인캡슐화되거나, 마이크로셀이거나 또는 고분자 분산형 매체들일 수도 있다.
도 1은 첨부된 도면들 중, 이미 언급된 바와 같이, 단순한 컬러 큐브를 나타낸다.
도 2a는 평평한 표면 상에 형성된 건조된 마이크로캡슐들의 단일 층의 이상적인 측면도이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 마이크로캡슐들의 층의 상부 평면도이다.
도 2c는 도 2a의 측면도와 유사한, 평평한 표면 상에 형성된 마이크로캡슐들의 이중층의 이상적인 측면도이다.
도 2d는 도 2c에 도시된 마이크로캡슐들의 이중층의 상부 평면도이다.
도 3a는 안료 셔터링이 집중형 전극 (concentrator electrode) 들을 이용하여 유효화되는 2가지 캡슐들의 개략 측면도이다.
도 3b는 도 3a의 측면도와 유사한, 안료의 측벽 셔터링을 이용하는 2가지 캡슐들의 개략 측면도이다.
도 3c는 도 2c 및 도 2d에 도시된 것과 유사한 캡슐들의 이중층에서 기하학적 안료 셔터링이 어떻게 유효화될 수 있는지를 나타내는, 도 3a 및 도 3b의 측면도들과 유사한 개략 측면도이다.
도 3d 및 도 3e는 도 2c 및 도 2d에 도시된 것과 유사한 캡슐들의 이중층에서의 캡슐들의 제 2 층의 비셔터링된 및 셔터링된 상태들을 각각 도시한다.
도 4는 본 발명의 디스플레이에서 사용되는 단일 캡슐을 통한 개략 단면도이고, 캡슐 벽 차징에 의해 유효화되는 안료 분산액을 나타낸다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 셔터링된 안료 입자들이 마이크로캐비티 내에서 패킹될 수도 있는 3가지 상이한 방식들을 이상적인 형태로 나타내고, 마이크로캐비티를 통한 광의 더블 패쓰 (double pass) 에 대한 상응하는 투과 효율을 나타낸다.
도 6은 캐비티 내의 안료의 체적 분율의 함수로서의 도 5a, 도 5b 및 도 5c의 3가지 안료 배열들의 투과 효율을 나타낸 그래프이다.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 Todd Squires 및 Martin Bazant, J. Fluid Mech., (2004) 509, 217-252 로부터 재현되는 것으로, 전하 제어제를 포함하는 용매에 의해 둘러싸인 구형 안료 입자를 단면으로 도시하고, 인가된 전계들의 다양한 종류들에서 안료 입자에 작용하는 힘들을 나타낸다.
도 8a - 도 8d는 본 발명의 2가지 전기광학층 디스플레이의 다양한 상태들을 나타내고, 2개의 층들이 공통 파형을 이용하여 독립적으로 셔터링하도록 될 수 있는 방식을 도시한다.
도 9a 및 도 9b는 La*b* 색 공간의 a*b* 면상의 프로젝션들이고, 2개의 층들이 동일한 속도로 스위칭하는 본 발명의 하나의 디스플레이의 동작 동안 발생하는 컬러 변화들을 나타낸다.
도 10a 및 도 10b는 도 9a 및 도 9b의 것들과 각각 유사한 프로젝션들이고, 2개의 층들이 상이한 속도로 스위칭하는 디스플레이에서 발생하는 컬러 변화들을 나타낸다.
도 11은 도 8a - 도 8d의 측면도들과 유사하지만, 하나의 층이 어떠한 안료 입자들도 포함하지 않는 본 발명의 3층 디스플레이를 도시하는 개략 측면도이다.
도 12a 및 도 12b는 도 11의 측면도와 유사한, 본 발명의 2가지 다른 3층 디스플레이들을 도시한 개략 측면도이다.
도 12c 및 도 12d는 본 발명의 다른 3층 디스플레이의 2가지 상이한 상태들을 도시한다.
도 13a 및 도 13b는 아래 실시예 10에서 테스트된 디스플레이의 컬러 성능을 나타낸다.
도 14a 및 도 14b는 아래 실시예 11에서 테스트된 디스플레이의 컬러 성능을 나타낸다.
도 15a 및 도 15b는 아래 실시예 12에서 테스트된 디스플레이의 컬러 성능을 나타낸다.
도 16 (도 13b, 도 14b 및 도 15b와 유사함) 은 아래 실시예 13에서 테스트된 디스플레이의 컬러 성능을 나타낸다.
도 17은 아래 실시예 3에서 획득된 컬러들을 나타낸다.
이미 언급된 바와 같이, 일 양태에서 본 발명은 적어도 전기영동 재료의 제 1 및 제 2 층들을 포함하는 전기광학 디스플레이를 제공하고, 전기영동 재료의 제 1 및 제 2 층들의 각각은 유체 내에 분산되고 층으로의 전계 인가시 유체를 통해 이동할 수 있는 복수의 하전된 입자들을 포함한다. 전기영동 재료의 제 1 층은 제 2 층에 의해 표시될 수 없는 적어도 하나의 광학 상태를 표시할 수 있다. 디스플레이는 제 1 및 제 2 층들의 일 측에 배치되는 제 1 전극, 및 제 1 및 제 2 층들의 제 1 전극과의 반대측에 배치되는 제 2 전극을 더 포함한다; 제 1 및 제 2 층들 사이에는 어떠한 전극도 존재하지 않는다. 통상적으로, 전기영동 디스플레이는 유체 내에 분산되고 층으로의 전계 인가시 유체를 통해 이동할 수 있는 복수의 하전된 입자들을 포함하는 전기영동 재료의 제 3 층을 더 포함할 것이다. 제 3 층은 제 1 및 제 2 층들에 의해 표시될 수 없는 적어도 하나의 광학 상태를 표시할 수 있다. 제 2 전극은 제 1, 제 2 및 제 3 층들의 제 1 전극과의 반대측에 배치되고, 제 2 층과 제 3 층 사이에는 어떠한 전극도 존재하지 않으며, 전극들의 단일 쌍 (또는 세트) 은 모든 3개 층들을 적어도 부분적으로 서로 독립적으로 제어하도록 사용된다.
본 발명의 뒤에 숨겨진 기본적인 컨셉은 아마도 첨부된 도면들 중 도 12a에 도시된 것과 같은 3층 디스플레이를 고려함으로써 가장 용이하게 이해될 것이다. 시인 표면 (관측자가 디스플레이를 시인하는 표면) 에 최근접한 전기광학층은 2가지 상이한 광학 상태들, 컬러가 화소의 전체 면적에 걸쳐서 존재하는 "분산된" 또는 "비셔터링된" 상태, 및 컬러가 화소의 면적 중 주요 부분에는 부재하고 화소의 면적 중 (만약 존재한다 하더라도) 소수 부분에만 존재하는 "집중된" 또는 "셔터링된" 광학 상태를 갖는다. (관측자가 보았을 때 제 1 전기광학층 뒤에 놓여지는) 제 2 전기광학층은 제 1 층과 유사한 방식으로 동작하지만 상이한 컬러를 사용한다.
이러한 3층 디스플레이 중 제 3 전기광학층 (관측자로부터 떨어져 있는 것) 은 제 3 컬러를 사용하여 제 1 및 제 2 전기광학층들과 동일한 방식으로 동작할 수도 있다; 제 1, 제 2 및 제 3 컬러들은 일 세트의 감법 원색들을 형성하도록 보통 선택된다. 제 3 층이 이 방식으로 작용한다면, 리플렉터는 디스플레이 뒤에 배치되어 3개의 전기광학층들을 통과한 광을 다시 이 층들을 통해 관측자에게 반사시킨다. 하지만, 보다 일반적으로, 제 3 전기광학층은 2가지 컬러들, 즉, 제 3 감법 원색 또는 화이트 중 어느 하나를 표시할 수 있도록 선택되고; 제 3 전기광학층은 예를 들어 전술된 E Ink 특허들 및 출원들 중 많은 곳에 기재된 것과 같은 종래의 이중 입자 전기영동층일 수도 있다.
디스플레이의 3가지 전기광학층들은 단일 세트의 전극들 사이에 배치되고 적절한 디스플레이 제어기는 3가지 전기광학층들이 적어도 부분적으로 서로 독립적으로 구동될 수 있게 하기 위해서 사용된다. 제 1 및 제 2 전기광학층들이 셔터 모드 전기영동층들이고 제 3 전기광학층이 이중 입자 전기영동층인 본 발명의 디스플레이의 바람직한 형태에서, 제 3 층은 직류 구동법을 이용하여 구동될 수 있는 한편, 제 1 및 제 2 층들은 상이한 셔터링 구동법들에 의해 구동되며, 이들은 아래에 상세히 기재된다.
이하, 편의를 위해, 광을 선택적으로 흡수하는 재료를 "안료"라 지칭하며, 이 용어는 광을 선택적으로 흡수할 수 있는 염료들, 광결정들 (photonic crystals) 등을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 3가지 감법 원색 안료들을 사용하는 풀 컬러 이미징을 제공하는 것으로 의도되는 본 발명의 실시형태들에서, 광은 통상적으로 시인자 측으로 다시 반사되기 이전에 적어도 2가지 안료들을 통해 선택적으로 여과될 것이다. 제 3 안료는 이하 보다 상세히 기재되는 바와 같이 투명형 또는 반사형일 수도 있다. 따라서, 본 발명에서 사용되는 안료들 중 적어도 2가지가 광투과형이지만 실질적으로 후방 산란하지 않는 것이 필요하다. 즉, 예를 들어, 마젠타 안료는 그린 광을 흡수하지만 블루 및 레드 광을 기저층들로 통과시켜야 하는 것으로 의도된다. 그린 광이 흡수되도록 의도되지 않는 영역에서는, 그 안료가 광 경로에 존재하지 않는 것이 필요하다. 그 안료의 광 경로로부터의 이러한 제거가 달성될 수도 있는 한가지 방법은 화소 면적의 (작은) 부분에만 안료를 집중시켜, 그 커버링 파워 (covering power) 를 감소시키는 것이다. 마젠타 컬러를 원하는 경우에는, 최대량의 광이 흡수될 수 있도록 안료가 전체 화소 면적에 걸쳐 퍼진다. 그 면적 커버링 파워를 감소시키기 위해 안료를 공간적으로 집중시키는 공정을 안료의 "셔터링"이라 지칭한다.
이하, 상세히 기재되는 바와 같이, 인가된 전계에 응답하여 안료들을 셔터링하기 위해 다수의 방법들이 이용될 수 있다. 이미 언급된 바와 같이, 본 발명의 디스플레이들은, 롤 투 롤 공정들로 코팅될 수도 있는, 마이크로캡슐들로부터 형성된 전기광학층을 이용할 수도 있다. 대안으로, 전기광학층들은 이 분야에 알려져 있는 것과 같은 마이크로셀들, 마이크로컵들 또는 웰들을 이용할 수도 있다. 이하, 마이크로캡슐들을 이용하는 전기광학층들과 관련하여 본 발명을 주로 기재하지만, 전기광학 디스플레이들의 테크놀로지의 당업자들은 기재된 마이크로캡슐계 구조들을, 안료 포함 상들을 공간적으로 분리시키기 위한 다른 방법들에 적응시키는데 어려움이 없을 것이다.
이미 나타낸 바와 같이, 본 발명은 다중 안료들이 단일 세트의 전극들에 의해 제어되는 전기광학 디스플레이들에 관한 것이다. 단일 세트의 전극들 사이에 존재하는 전계들은 하나 또는 복수의 전기광학층들이 이 전극들 사이에 존재하는지에 관계없이 실질적으로 동일하기 때문에, 단일 세트의 전극들에 의해 발생된 전계들에 대한 다양한 안료들의 반응은 대부분의 경우 안료들이 동일하거나 또는 상이한 전기광학층들에서 전극들 사이에 존재하는지에 관계없이 실질적으로 동일할 것이라는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 다양한 실시형태들은 다양한 안료들이 동일하거나 또는 상이한 전기광학층들에 존재하는지에 의존하여 만들어질 수 있다. 본 발명이 주로, 이용되는 정확한 구동법들에 의존하여, (하나를 제외한) 각각의 전기광학층이 단일 안료만을 포함하는 본 발명의 실시형태들을 참조하여 기재되지만, 사용되는 모든 안료들이 단일층에 포함될 수 있거나, 또는 2가지 안료들이 하나의 층에 그리고 상이한 층에서 세번째에 포함될 수도 있고, 그리고 안료들을 셔터링하기 위해 이용되는 수단이 상이한 층들에서 상이할 수도 있다. 3가지 안료들이 캡슐들의 단일층에 존재하는 본 발명의 하나의 디스플레이의 기재가 아래에 주어진다.
안료들을 셔터링하기 위한 소정의 "기하학적" 방법들은, 일부의 경우, 마이크로캡슐들의 코팅층들의 자기 어셈블리에 의존한다. 이로인해, 이러한 코팅 층들의 예비적 논의가 바람직하다. 전술된 E Ink 특허들 및 출원들, 그리고 특히 미국 특허들 Nos. 6,067,185; 6,392,785; 7,109,968; 및 7,391,555 의 많은 문헌에서 논의된 바와 같이, 보통 전하 제어제의 첨가를 이용하여, 적어도 하나의 안료 및 유체 (통상적으로 극성이 낮음, 실질적으로 수혼화성 탄화수소) 를 포함하는 전기영동 내부상의 액적들을 불연속상이 포함하는, 에멀젼을 형성함으로써 실제 제조된다. 에멀젼의 연속상은 중합체의 수용액, 통상적으로 젤라틴을 포함한다. 중합성 재료는 예를 들어, 젤라틴 및 제 2 중합체, 통상적으로 아카시아의 코아세르베이트의 형성에 의해 액적들의 표면 상에 디포짓되어, 선택적으로 예를 들어 알데히드와 가교될 수도 있는 얇은 캡슐 벽들을 형성한다. 형성된 변형가능한 마이크로캡슐들은 직경이 대략 20-100 ㎛ 인 구이다. 이러한 마이크로캡슐들이 제어된 커버리지로 평평한 표면 상에 코팅되는 경우, 이들은 본질적으로 캡슐들의 모노층을 형성한다. 이 모노층이 건조되는 경우, 캡슐들은 수직으로 (즉, 캡슐들이 코팅되는 표면에 직교하여) 수축하고 측부로 팽창하여 편평 타원체를 형성하는 경향이 있다. 결국, 캡슐들이 측부로 팽창할 때, 그 측벽들은 서로 접촉하게 되고, 캡슐들은, 형상들이 거품 내 셀들에 의해 형성된 것들과 유사한 다각체 프리즘으로 변형된다. 이상적으로, 캡슐들의 단일층은 (이상적인 형태로) 도 2a에 도시된 바와 같이, 프로젝션에서 시인된 측벽들이 120도 각도에서 만나는 육각형 프리즘들의 "벌집" (2차원적 육각형 격자) 을 형성할 것이다. (실제로, 마이크로캡슐들은 사이즈가 다소 변하고, 건조된 단일의 마이크로캡슐 층들의 현미경 사진은 통상적으로 도 2b에 나타낸 것과 유사하지만 각각의 마이크로캡슐이 4 ~ 8 개의 이웃들을 갖는 벌집들을 나타낸다. 아래에 나타낸 이유 때문에, 본 발명의 디스플레이들에서의 안료들의 셔터링은 도 2b의 이상적인 벌집으로부터 이러한 편차에 의해 크게 영향받지 않는다.) 또한, 도 2a에 도시된 바와 같이, 통상적으로 캡슐들이 코팅되는 평면의 기판과 접촉하는 캡슐들의 면들은 평평한 표면에 일치하는 한편, 각 캡슐들의 노출면은 만곡된, "돔" 형상을 채용할 것이다.
마이크로캡슐들의 제 2 층이 제 1 층의 상부에 코팅되는 경우, 표면 에너지의 최소화를 이끄는 표면 장력 힘은 제 1 층 내의 캡슐들의 돔형 상부 표면들을 도 2c에 개략적으로 나타낸 바와 같이 거품 형상 기하학 구조로 변형시키는 경향이 있다. 이 기하학적 구조에서, 제 1 층 내의 각 캡슐의 상부 부분은 실질적으로 피라미드 형상을 가지며, 여기서 피라미드 부분은 실질적으로 평평하고 그 중간 에지들은 실질적으로 직선들이며, 그 중 4개는 각 정점에서 109.5 도의 사면각에서 만난다. 거품들의 기하학적 구조의 상세한 설명을 위해서, 예를 들어 "Foams: Theory, Measurements, and Applications", R. K. Prud'homme 및 S. A. Khan, eds., Marcel Dekker, Inc., 1996 을 참조한다. 고전적으로, 단분산된 거품에서의 각 셀의 형상은 14개의 면들을 갖는 반규칙적인 고체 (본질적으로 모서리가 제거된 팔면체 (truncated octahedron)) 이다. 제 2 층에서의 각 캡슐의 하부 부분들도 또한 실질적으로 피라미드 형상을 가져서, 제 1 및 제 2 층들의 피라미드 부분들이 제 2 층에서의 각 피라미드 섹션의 최저 정점과 함께 핏되어 제 2 층에서 3개의 피라미드 섹션들 사이의 오목부들 내부에 채워짐에 유의한다. 후술되는 바와 같이, 이러한 캡슐들의 이중층의 피라미드 섹션들은 한 종류의 안료 셔터링에서 중요하다. 캡슐들의 제 3 층이 제 2 층 상부에 코팅되는 경우, 제 2 층과 제 3 층 사이의 계면은 제 1 층과 제 2 층 사이의 계면과 동일한 종류의 상호관입 (interpenetrating) 피라미드 섹션들을 나타낼 것이라는 것을 알 것이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 디스플레이들에서 채용될 수도 있는 안료 셔터링의 다양한 형태들을 나타낸다. 도 3a는 집중형 전극들 (102) 을 사용하는 디스플레이의 셔터링된 광학 상태를 나타낸다. 이러한 집중형 전극들은 각 화소의 면적의 작은 부분만을 점유하여, 적절한 전압이 집중형 전극들에 인가되는 경우 안료가 집중형 전극들에 끌어당겨져 각 화소의 면적의 작은 부분만을 점유하게 하는, 즉, 안료가 셔터링되게 하는, 작은 전극들이다.
집중형 전극들은 패터닝된 전극들, 예를 들어, 프린팅 또는 리소그래픽 방법들에 의해 기판 상에 패터닝될 수도 있는 금 또는 은과 같은 전도성 재료의 그리드들, 또는 유전체 재료의 패턴들에 의해 마스킹되는 연속 전도체들일 수도 있으며, 이것에 의해 디스플레이가 어드레싱된다. 집중형 전극들은 또한 박막 트랜지스터들의 어레이와 연관되는 독립적으로 어드레싱가능한 전극들일 수도 있다. 대안으로, 직접적으로 전기적 어드레싱되지 않는, 개별의, 아이솔레팅된 전도성 입자들이 디스플레이 내의 층 또는 층들 내부에 통합될 수도 있다.
도 3b는 도 2c 및 도 2d에 나타낸 종류의 이중 캡슐층의 제 1 층에서의 기하학적/캡슐 벽 안료 셔터링을 나타낸다. 캡슐들의 제 1 층의 (나타낸 바와 같은) 상부 섹션의 피라미드 형태 때문에, 안료 입자들이 전극 (104) 측으로 끌어당겨지도록 전극들 (104 및 106) 에 인가되는 전위들이 배열되는 경우, 제 1 층에서의 캡슐들의 상부 섹션들의 피라미드 형태는 안료로 하여금 각 피라미드 섹션의 최상부 정점 둘레의 면적만을 점유하여 각 화소의 면적의 작은 부분만을 점유하는 안료 팩들 (108) 을 형성하게 할 것이며, 즉, 안료가 셔터링된다.
기하학적/캡슐 벽 셔터링은, 벽 재료들이 그 내부상보다 더 전기적으로 전도성인 1층 초과의 캡슐들의 층을 이용함으로써 자연적으로 달성될 수 있다. 예를 들어, 젤라틴 캡슐 벽은 통상적으로 10-7 S/m 정도의 도전율을 갖는다 (하지만, 이 수치는 캡슐 벽을 포함하는 중합성 재료의 수화도 (degree of hydration) 에 강하게 의존한다). 전기영동 내부상은 통상적으로 이보다 훨씬 더 낮은 10-8 S/m 정도의 도전율을 갖는다. 이로써, 한층의 캡슐들의 캡슐 벽은 제 2 층의 캡슐들에 대해 집중형 "전극"으로서 기능할 수 있다. 또한, 기하학적 셔터는 후술되는 바와 같이 캡슐에 의해 채용될 수도 있는 피라미드 형상에 의해 제공될 수도 있다. 필요하다면, 기하학적 셔터들은 예를 들어, 미국 특허들 Nos. 6,130,774 및 6,172,798 에 기재된 V-형상 홈들 내부로의 캡슐들의 성형 코팅 (templated coating) 에 의해 달성될 수도 있다. 기하학적 셔터들은 또한 포토리소그래픽 또는 엠보싱 방법들, 또는 당업계에 주지되어 있는 다른 방법들을 이용하여 제조될 수도 있다.
도 3d 및 도 3e는 도 2c 및 도 2d에 나타낸 종류의 이중 캡슐층의 제 2 층에서의 기하하적 셔터링의 이용을 나타낸다. 도 3d에 나타낸 바와 같이, 안료 입자들이 전극 (104) 측으로 끌어당겨지도록 전극들 (104 및 106) 에 인가된 전위들이 배열되는 경우, 캡슐들의 제 2 층의 상부 부분들의 돔 형상 때문에, 안료는 돔 부분의 전체 면적에 걸쳐 퍼지고, 이로써 전체 화소 면적에 걸쳐서 퍼지며, 셔터링되지 않는다. 한편, 안료 입자들이 전극 (106) 측으로 끌어당겨지도록 전극들 (104 및 106) 에 인가되는 전위들이 배열되는 경우, 캡슐들의 제 2 층의 하부 섹션들의 피라미드 형태는 안료로 하여금 각 피라미드 섹션의 최저부 정점에 인접하여 작은 안료 팩들 (110) 을 형성하게 하고, 이로써 각 화소의 면적의 작은 부분만을 점유하게 하며, 즉, 안료가 셔터링된다.
도 3c는 측벽 셔터링을 나타낸다. 셔터링의 이 형태에 있어서, 셔터링된 상태에서, 안료는 전극들의 평면에 대해 측부로 평행하게 이동되어, 캡슐들의 측벽들에 인접하여 안료 (112) 를 형성하게 한다.
이방성 입자들, 예를 들어, 디스플레이의 평면에 대해 직교 또는 평행한 주축들에 의해 배향될 수도 있는 니들 (needle) 들 또는 플레이트들, 또는 컬러 변화 안료들의 이용, 또는 겔들의 팽윤 및 수축 (deswelling) 과 같은 셔터링을 위한 다른 방법들, 또는 당업계에 알려져 있는 다른 유사한 방법들이 또한 본 발명의 디스플레이들에서 이용될 수도 있다.
상기 도 3a, 도 3b, 도 3d 및 도 3e의 논의로부터 용이하게 알 수 있는 바와 같이, 집중형 전극들을 이용하는 안료 셔터링 또는 기하학적/캡슐 벽 셔터링은 디스플레이의 직류 어드레싱에 의해 달성될 수도 있으며, 여기서 안료 움직임은 인가된 전계의 방향이다. 측벽 셔터링은 디스플레이를 교호로 어드레싱함으로써 달성될 수도 있고, 이 경우 네트 안료 움직임은 이하에 보다 상세히 기재된 바와 같이 인가된 전계에 대해 직교 방향일 수도 있으며, 그 결과 캡슐 내부의 안료는 캡슐 둘레에서 적도 "벨트"로 디포짓된다.
본 발명의 디스플레이들은 안료를 그 셔터링된 상태에서 그 비셔터링된 상태로 분산시키는 일부 방법을 명백히 요구하며, 비셔터링된 상태에서 안료는 실질적으로 화소의 전체 면적을 점유한다. 집중형 전극 또는 기하학적/캡슐 벽 셔터링과 함께 이용하기에 특히 바람직한, 이러한 안료 분산을 위한 하나의 방법은 도 4에 개략적으로 나타내며, 도 4는 인가된 전계에 대해 직교하여 안료를 이동시키기 위해 사용되는 하전된 캡슐 벽 및 DC-어드레싱의 조합의 이용을 나타낸다. 도 4에 도시된 캡슐에서, 안료의 로딩이 매우 낮아서 (캡슐의 체적의 1% 정도), (도 4의 캡슐의 하부 피라미드 섹션의 최저부 정점으로 나타낸) 매우 작은 영역 내에 집중될 수도 있다. 전계의 인가시, 안료는 보통 이 정점에서 반대 정점으로 (즉, 도 4에 나타낸 바와 같이 수직하여 상측으로) 이동할 것이며, 여기서 캡슐의 상부 피라미드 섹션의 최상부 정점에 인접하는 매우 작은 영역에서 다시 집중될 것이다. 안료 입자들과 캡슐 벽 사이에 인력을 제공함으로써, 직교 성분 (즉, 도면에서 나타낸 수평 방향의 성분) 이 입자들에 인가된 전기력에 부가될 수도 있고, 그 결과 입자들이 그 셔터링된 위치에서 점유하는 작은 영역으로부터 측부로 퍼진다. 필수적인 인력은 정전기력일 수도 있다. 즉, 본 발명의 일부 실시형태들에서는, 안료 입자들 및 캡슐 벽이 반대 극성의 전하들을 갖는 것이 바람직하다. (명백하게, 본 발명의 이 양태는 일반적으로 양 극성들의 전하를 갖는 입자들을 포함하는 캡슐들에 적용될 수 없으며, 예를 들어 미국 특허 No. 6,870,661에 기재된 바와 같이, 한 종류의 입자만을 포함하는 캡슐들 또는 동일한 극성의 이중 입자 캡슐들에 최상으로 적합하다) 예를 들어, 젤라틴/아카시아가 캡슐 벽을 형성하기 위해 사용되고, Solsperse 17000 (Lubrizol로부터 입수 가능) 와 같은 전하제가 사용되는 경우, 캡슐 벽은 음의 전하를 획득할 수도 있고 동일한 전하제에 의해 양의 전하를 획득하는 안료가 바람직하다. 안료 입자들과 캡슐 벽 사이에 인력을 제공할 수도 있는 다른 방법들은 응집제들, 특히 디플리션 (depletion) 응집제들의 사용을 포함한다. 이러한 캡슐벽 인력을 이용한 결과는, 안료가 DC 펄스의 극단에서는 본질적으로 보이지 않지만, (캡슐의 상부에서의) 하나의 집중된 상태에서 (캡슐의 저부에서의) 다른 집중된 상태로의 전이 동안 또는 그 반대 동안에는 보인다는 것이다. 안료는, 주파수가 약 30 ~ 50 Hz 인 AC를 이용하여 구동하고 AC 드라이브에 DC 오프셋을 적용함으로써 간단한 DC 구동의 일시적인 상태에서 트랩될 수도 있다.
본 발명은 이동하는 하전된 안료를 그 반대 극성을 지니는 캡슐 벽과 함께 이용하는 것에 한정되지 않지만, 그러한 안료를 반대 극성의 전하를 지니는 임의의 고정된 표면과 함께 이용하는 것으로는 확대된다. 고정된 표면은 안료의 운동을 인가된 전계 내에 한정하는 기능을 한다. 안료 및 표면을 포함하는 매체는 인캡슐화될 필요가 없다.
상술된 셔터링 메카니즘들은 DC 어드레싱을 이용한 안료들의 종래 스위칭과 조합되어, 도 3d 및 도 3e과 관련하여 이미 언급된 바와 같이 인가된 전계에 평행하여 캡슐 내에서 입자 운동을 일으킬 수도 있다. 이 경우, 기하학적/캡슐 벽 셔터링이 발생하지 않는 것이 바람직할 수도 있고, 이것은 홈 (groove) 또는 틈 (crevice) 에 집중될 수 있는 것보다 더 많은 안료를 캡슐 내부에 통합시킴으로써 보장될 수 있다. 이러한 종래의 전기영동 스위칭은, 전술된 E Ink 특허들 및 출원들에 기재된 바와 같이, 염색된 액체, 동일하거나 또는 반대되는 전하의 이중 안료들, 또는 다중 안료들과 염색된 유체들의 조합을 통해 이동하는 단일 안료를 수반할 수도 있다.
모든 종류들의 셔터링 방법들은 전기영동 매체 내에 존재할 수 있는 안료들 입자들의 체적 분율에 제한을 가하는 경향이 있다. 광의 적어도 약 85% 가 셔터링된 안료의 층을 통해 싱글 패쓰로 통과되는 것이 바람직하고, 즉, 안료는 광의 약 15% 를 초과하여 흡수되어서는 안되며; 이것은 본 발명의 디스플레이들에서 보통 일어나는 셔터링된 층을 통한 더블 패쓰에 대해 약 70%의 반사 효율에 상응한다. 도 5a, 도 5b 및 도 5c는, 간소화된 형식으로, 일부 이상화된 셔터링 방법들을 이용하여 안료 입자들을 패킹하는 3가지 상이한 가능성있는 형태를 도시한다. 하기의 간소화된 분석에서는, (그 중에서도) 총 내부 반사에 기인한 광 손실들, 캐비티 후방의 램버시안 (Lambertian) 리플렉터에 의한 것을 제외한 산란, 및 계면 반사들이 무시된다. 도 5a의 안료는, 벽들이 디스플레이의 평면에 직교하는 캐비티의 측벽들 상에 디포짓된다. 안료가 모든 입사 광을 흡수하고, 그리고 광이 캐비티를 한번 통과하여 램버시안 방식으로 반사된 다음 캐비티를 두번째 통과한다는 가정하에, 흡수된 광의 비율은 (1-
Figure pat00001
)2 이며, 여기서
Figure pat00002
는 캐비티 내의 안료의 체적 분율이다. 도 5b에서, 안료는 (도 5a - 도 5c에서 수평인 것으로 가정되는) 디스플레이의 시인 표면에 평행한 캐비티의 일 면 상에 반 원기둥으로 포집된다. 안료 포집의 형태는 통상적으로 임의의 기하학적 셔터링의 부재시 집중형 전극에서의 포집에 적절할 것이다. 도 5c는 안료의 구 형상으로의 집중을 도시한다.
도 6은 캐비티 내의 안료의 체적 분율의 함수로서의 도 5a, 도 5b 및 도 5c에 도시된 각 셔터링 기하학 구조에 대한 평가된 더블 패쓰 투과 효율을 도시한 그래프이다. 70%의 더블 패쓰 효율이 허용가능하다는 가정하에, 도 6에는, 반원기둥 안료 기하학 구조 (도 5b) 에 대해서는 약 1 체적% 이하의 안료가 요구되고, 구형 안료 기하학 구조 (도 5c) 에 대해서는 약 5 체적% 이하가 요구된다는 것이 도시되어 있다. 이러한 낮은 허용가능한 안료들 집중 ("로딩 (loading)") 측면에서, 셔터링에 사용되는 안료들이 최대 가능한 흡광 계수를 가져서 최소 가능한 로딩에서 사용될 수 있게 하는 것이 바람직하다.
또한, 셔터링된 안료들에 대한 이러한 체적 분율 제한은 이러한 안료들의 바람직한 입자 사이즈에 제한을 가한다. 표면 상에 무질서하게 배열되는 입자들은 질서정연한, 밀폐-패킹된 모노층보다 덜 효율적으로 그 표면을 커버하여, 90%의 면적 커버리지에 대해 대략 2층의 모노층-등가의 입자들이 요구된다. 또한, 흡광 계수가 50,000 L/mole/cm 이고, 비중이 1.5 이며 분자량이 500 인 통상적인 염료에 대해서는, 1의 광학 밀도 (즉, 광의 90% 흡수) 를 위해 70 nm 두께의 완전히 패킹된 층이 요구된다. 따라서, 이러한 염료에 대해서는, 안료 입자의 직경이 이 두께의 절반 이하 정도인 것이 바람직하다. 실제로, 집중형 전극 및 기하학적/캡슐 벽 셔터링에 대해서는 약 100 nm 직경 미만의 안료 입자 사이즈들이 바람직하다. 상술된 바와 같이, 보다 큰 입자들은 측벽 셔터링을 이용하여 숨겨질 수도 있는데, 그 이유는 이 방법이 동일한 정도의 셔터링에 대해서 보다 큰 로딩을 허용하기 때문이다.
안료들이 별도의 층들에서 셔터링되는 포지션들이 서로 위에 놓이지 않는 경우 (즉, 레지스터 (register) 되지 않은 경우, 캡슐들의 다중 층들을 갖는 디스플레이에서 안료들이 상이한 층들 내에 위치되는 경우일 수도 있음), 추가 광 손실들이 일어날 수도 있다. 안료들의 흡수 스펙트럼이 오버랩되는 경우, 양자의 안료들에 의해 흡수된 파장의 일부 광은 제 1 층 내의 제 1 셔터링된 안료에 의해 화소의 일 면적에서 흡수될 수도 있고, 제 2 층 내의 제 2 셔터링된 안료에 의해 동일한 화소의 다른 면적에서 흡수될 수도 있다. 이러한 문제는, 2가지 안료들에 의해 흡수되는 파장이 없도록 셔터링 안료들에서 스펙트럼 오버랩을 제거함으로써 피할 수 있다. 이로써, 2가지 안료들이 셔터링되고 세번째가 종래의 전기영동에 의해 스위칭되는 경우의 디스플레이에서는, 2가지 셔터링된 안료들이 옐로우 및 시안인 것이 바람직하다 (그 흡수 스펙트럼들은 양자 모두 그린 광을 통과시키도록 설계되며, 이에 따라 크게 오버랩되지 않는다).
상기 언급된 바와 같이, AC 어드레싱이 이용되어 안료들을 셔터링할 수도 있다. AC 어드레싱이 채용되는 경우, 유도 전하 전기삼투 및 전기영동, 및 유전영동 및 입자 체이닝 (chaining) 과 같은 유도 쌍극자 효과들을 포함하여 매우 다양한 현상이 일어난다. 거동 발생은, 인가되는 주파수 및 전계 강도에 의해, 그리고 캡슐 내부상에서의 구성 성분들의 특성들에 의해 영향을 받으며, 이는 이하에서 보다 상세히 설명된다.
도 7a는 전하 제어제 (CCA) 를 포함하는 용매에 의해 둘러싸인 구형 안료 입자를 관통하는 개략 단면도를 도시한다. CCA는 통상적으로 이온성 그룹들을 포함하는 계면활성제 형태의 분자이며, 이하 "헤드 그룹들"이라 한다. 양 또는 음의 이온성 헤드 그룹들의 적어도 하나는 이하 "테일 그룹"이라 불리는 비극성 체인 (통상적으로 탄화수소 체인) 에 부착되는 것이 바람직하다. CCA 는 내부상에서 역 미셀들 (reverse micelles) 을 형성하고 하전된 역 미셀들의 작은 집단은 내부상에서 전기 전도도를 이끄는 것으로 생각된다. CCA는 또한 안료 입자들의 표면들 상에 및 캡슐들의 내부 벽들 상에 흡착하는 것으로 생각된다. 총체적으로 CCA 및 역 미셀들은 전기영동 매체의 내부상에서 (입자 및 캡슐 벽 상의) 모든 표면들의 하전을 조정한다.
그 표면에 고정화된 (immobilized) 전하를 갖는 입자는 둘러싸는 유체에서 반대 전하의 전기적 이중층을 셋업하는 것으로 생각된다. CCA 의 이온성 헤드 그룹들은 입자 표면 상의 하전된 그룹들과 함께 이온 쌍을 형성하여, 고정화된 하전된 종들의 스턴 (Stern) 층을 형성할 수도 있다. 이 층의 외측에는 CCA 의 하전된 미셀계 응결체들을 포함하는 확산층이 있다. 종래의 DC 전기영동에서 인가된 전계는 고정된 표면 전하들에 힘을 가하고 이동하는 상대전하들에 반대 힘을 가하여, 슬리피지 (slippage) 가 확산 층 내에 발생하게 하고 입자가 유체에 대해 상대적으로 이동하게 한다. 슬립 평면에서의 전기 전위는 제타 전위로 알려져 있다.
유도 전하 전기삼투 (이하 "ICEO (Induced-Charge Electro-Osmosis)"로 약칭하지만, "AC 전기삼투"로 알려져 있음) 는 유사한 현상이지만, 고정된 표면 전하들 보다는 오히려 유도 전하에 응답하여 발생한다. 이것은 V. A. Murtsovkin, Colloid J., 58, 341-349 (1996) 및 H. Morgan 및 공동작업자들에 의한 일련의 논문들 (예를 들어, J. Colloid Interface Sci., 217, 420-422 (1999) 및 Phys. Rev. E, 61, 4011-4018 (2000) 참조) 에 기재되어 있으며, Squires 및 Bazant (J. Fluid Mech., 509, 217-252 (2004)) 에 의해 보다 최근에 리뷰되고 있다. ICEO 에서, 외부에서 인가된 전계는 표면 부근에서 분극을 유도하고 동시에 결과적으로 전기삼투 흐름을 유도한다. 이것은 인가된 전계 강도에 비선형인 유속을 발생시킨다. 인가된 전계의 존재시 유도된 쌍극자가 셋업될 수도 있고 (도 7a 참조), 그 크기는 도전율, 유전 상수, 사이즈 및 형상을 포함한 표면 특성들 및 입자 벌크에 의존한다. 이러한 유도된 쌍극자는 결국 반대 전하의 상응하는 이중층을 셋업하는 유체에서의 이온성 종들 (바람직하게는 미셀들) 의 흐름을 야기시킨다 (도 7b). 이후 전기삼투 흐름이 유도되어 (도 7c), 유체가 극들 (poles) 로부터 끌어당겨져 적도에서 방출된다. 유체 흐름의 방향은 인가된 전계의 극성과 무관하게 동일하며, 이로써 그 흐름은 인가된 AC 전위에 의해 구동될 수 있다. 균일한 전계에서의 구형 입자의 경우에는, 어떠한 입자의 움직임도 발생하지 않는다 (그 이유는 흐름들이 대칭적이기 때문이다). 하지만, 실제로, 안료 입자들은 완전히 구형으로 대칭하지 않으며, 입자들의 혼돈 상태의 움직임을 유도하는 이동상의 제트들이 셋업될 수도 있다.
바잔트 (Bazant) 는 이중 층의 확립 (도 7b) 을 위한 하전 시간을 다음과 같이 추정하였다:
Figure pat00003
전계에서의 전도성 원기둥의 경우, λD 는 데바이 (Debye) 길이이고, a 는 입자 반경이며, D 는 이동상에서의 전하 캐리어의 확산 상수이다. 안료 입자들이 통상적으로 유전체 재료들로 구성되지만, 스턴 층 내의 전기적 전도는 (특히 흡착된 물의 존재에서) 프로톤 호핑 (proton hopping) 을 포함하여 다수의 알려진 메카니즘들을 통해 발생할 수도 있고, 이에 따라 도전율의 가정은 현재 내용에서 불합리적이지 않다. 하기 논의는, 현재 디스플레이들에서 발생할 수도 있는 메카니즘들의 일부의 정성적 (qualitative), 발견적 (heuristic) 픽쳐를 제공하기 위해서 포함되고, 어떤 방식으로든 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
상기 식 (1)은 입자가 더 커짐에 따라 하전 시간이 더 길어진다는 것을 나타낸다. 이때, 최대 유도 전하 전기삼투 속도는 다음과 같이 추정된다:
Figure pat00004
식 중, E는 인가된 전계의 크기이고, ω 는 각 주파수이며, η 는 이동상의 점도이다. 주파수가 증가함에 따라 최대 유도 전하 전기삼투 속도가 감소한다는 것을 알 수 있다.
Figure pat00005
인, 높은 주파수들에서는, 유도 전하 전기삼투 속도가 매우 저하되고 (그 이유는 이중 층을 차지 업 할 시간이 없기 때문이다) 유체에서의 전하 캐리어들에 의한 유도 쌍극자의 스크리닝이 감소된다. 이러한 주파수들에서는, 체이닝을 이끄는 입자-입자 상호작용들, 또는 유전영동 이동도를 이끄는 전계 구배들을 이용한 상호작용들이 발생할 수도 있다. 이로써, 상술한 바와 같이, 주파수 증가에 의한 AC 전계의 인가는 저주파수들에서 전기삼투 흐름을 야기시킬 수도 있지만, 주파수가 증가됨에 따라 입자-입자 상호작용들 및 유전영동이 지배적일 수도 있다. 그 결과는, 예를 들어, 모든 입자들이 유도 쌍극자 집합에 의해 집중하는 것일 수도 있다. 이들은, 전기삼투 구동 주파수에서, 흐름의 정지 포인트들이 위치될 수도 있는 영역에서 (즉, 구형 캡슐 내의 입자들의 경우 적도를 둘러싸는 고리에서) 가장 집중할 것 같다. (이상적인 경우) 입자 집중이 발생하는 주파수는 인가된 전계에 비례하고, 또한 입자 사이즈에 역비례하여 의존하며, 그 이유는 다음과 같다:
Figure pat00006
본 발명자들은, 디스플레이가 상대적으로 낮은 AC 주파수들 (통상적으로 30-100 Hz 범위) 에서 어드레싱되는 경우 인캡슐화된 안료 입자들이 고속 움직임을 나타내고 캡슐에서 균일하게 분포되는 것을 관측하였다. 보다 높은 주파수들에서, 안료 입자들의 움직임은 둔화되고 이들은 캡슐 벽들에서 포집되어, 투명성 (셔터링) 을 이끌 수도 있다. 하지만, 주파수가 상대적으로 낮은 값에서 상대적으로 높은 값으로 갑자기 증가되는 경우에는, 입자들이 벽에서의 흐름의 정지 포인트들에 도달하는 시간이 없을 수도 있으며, 이들은 고정화되지만 셔터링되지 않는다. 즉, 최적의 셔터링을 위해서는, 일정한 전압에서 주파수가 낮은 값에서 높은 값으로 기울어지거나, 또는 일정한 주파수에서 전압이 높은 값에서 낮은 값으로 기울어지거나, 또는 이러한 2가지 기울어짐을 일부 조합하는 것이 바람직하다.
ICEO 움직임으로부터 정지 상태로의 전이가 발생하는 주파수는 인가된 전압에 관련되고 (그리고 일부의 경우 인가된 전압에 비례하고), 사이즈, 형상 및 도전율과 같은 입자 특성들에 의존하며, 점도, 도전율 및 유전 상수와 같은 유체 특성들에 관련된다. 즉, 안료들은 디스플레이의 구동시 이용되는 AC의 주파수를 변화시킴으로써 선택적으로 그리고 독립적으로 어드레싱될 수도 있다. 예를 들어, 제 1 캡슐에서의 제 1 안료는 큰 사이즈를 가질 수도 있고 높은 점도의 유체에 통합될 수도 있는 반면, 제 2 캡슐 층에서의 제 2 안료는 작은 사이즈를 가질 수도 있고 낮은 점도의 유체에 통합될 수도 있다. 최저 어드레싱 주파수 ω1 에서, 양자의 안료들은 전기삼투 움직임에 의해 분포되고 퍼질 것이다. 보다 높은 어드레싱 주파수 ω2 에서는, 제 1 안료는 셔터링될 수도 있는 한편, 제 2 안료는 여전히 움직이고 있다. 더욱 보다 높은 주파수 ω3 에서는, 양자의 안료들은 셔터링될 수도 있다. 주파수가 ω1 에서 ω3 으로 갑자기 스위칭되는 경우 (또는 ω3 보다 약간 더 낮은 주파수로 스위칭된 다음 ω3 로 증가되는 경우), 제 1 안료가 셔터링될 시간은 없을 수도 있지만, 제 2 안료가 셔터링될 시간은 있을 수도 있다. 즉, 일정한 전압을 이용하고 어드레싱의 주파수만을 변화시킴으로써, 각 컬러를 동일한 파형으로 구동하면서 상이한 컬러들에 접근하는 것이 가능하다. 주파수를 일정하게 유지하고 전압을 변화시킴으로써 동일한 효과가 획득될 수도 있고, 이러한 스킴이 2가지 초과의 컬러들로 확장될 수도 있다는 것이 분명할 것이다. 아래의 실시예들 1-3 은 상이한 주파수들의 교류 전압들을 이용하여 한 가지 초과의 컬러를 단일 캡슐 층에서 어드레싱하는 것을 설명한다. (상술한 바와 같이, ICEO 움직임으로부터 정지 상태로의 전이가 상이한 입자들에 대해 발생하는 주파수가 입자 특성들에 의해 단독으로 제어되는 경우, 각 안료에 대해 별도의 환경을 제공하기보다는 오히려, 한가지 초과의 컬러의 입자들을 공통 캡슐 내에 통합시키는 것이 가능하다는 것이 물론 명백할 것이다.)
모든 안료들을 공통 파형으로 구동하면서 복수의 안료들의 셔터링을 이용하는 또다른 방법은 도 8a - 도 8d에 나타내며, 이것은 그리드 전극과 같은 집중형 전극을 지니는 기판 상에 코팅된 제 1 안료를 포함하는 마이크로캡슐들의 제 1 층을 갖는 본 발명의 2층 디스플레이를 개략 단면도로 도시하며, 마이크로캡슐들의 제 1 층 상부에는 2가지의 반대로 하전된 안료들을 포함하는 캡슐들의 제 2 층이 코팅되고, 2가지의 반대로 하전된 안료들 중 하나 (제 2 안료) 는 착색된 것이고 그 중 다른 것은 화이트이다. (도 8a - 도 8d에 도시된 디스플레이는 나타낸 바와 같이 아래로부터 시인되는 것으로 의도됨에 유의해야 한다.) (컬러 1, 컬러 2, 컬러 1 + 컬러 2, 그리고 컬러 없음의 4가지 가능성있는 극단적인 상태들에 대한) 2가지 컬러들의 어드레싱은 제 1 층에서의 셔터링의 타이밍과 제 2 층에서의 수직 스위칭의 타이밍 사이의 차이를 이용함으로써 달성된다. 도 8a - 도 8d는 디스플레이의 4가지 상이한 상태들을 나타낸다. 도 8a에서, 제 1 안료 (802) 는 집중형 전극들 (804) 로 셔터링되고 제 2 안료 (806) 는 화이트 안료 (808) 의 정면에서 시인된다. 도 8b에서, 안료 (802) 는 제 1 층에 걸쳐서 균일하게 퍼지는 한편, 제 2 층은 도 8a에서와 동일한 상태에 있으며, 그 결과 디스플레이는 화이트 배경에 대해 제 1 및 제 2 안료들 (802 및 806) 을 함께 나타낸다. 도 8c에서, 제 2 안료 (806) 는 화이트 안료 (808) 뒤로 숨겨지고 제 1 안료는 캡슐들의 제 1 층의 상부 피라미드 섹션들의 최상부 정점들에서 집중됨으로써 셔터링되며, 그 결과 디스플레이는 화이트 안료를 나타낸다. 도 8d에서, 제 1 안료 (802) 는 캡슐들의 제 1 층의 상부 표면들에 걸쳐서 균일하게 퍼지는 한편, 제 2 층은 도 8c에서와 동일한 상태에 있으며, 그 결과 디스플레이는 화이트 배경 상에 대항하여 제 1 안료를 나타낸다. 이러한 종류의 디스플레이는 아래 실시예 4에서 상세히 설명된다.
도 8a - 도 8d에서의 2층의 캡슐 층들의 필수적인 독립 제어는 캡슐의 2가지 종류들 사이에서의 스위칭 속도의 차이를 활용함으로써 달성될 수도 있다. 이러한 속도 차이는, 예를 들어, 캡슐 내의 유체가 항복 응력을 나타내어, 문턱치 값 아래의 인가된 전압에 의해 어떠한 안료 움직임도 캡슐 내에서 발생하지 않는 경우, 인가된 전압에 대해 비선형일 수 있다. 즉, 예를 들어, 상기 도 8a - 도 8d 에 나타낸 캡슐들의 제 1 층이 V1 의 스위칭을 위한 전압 문턱치를 갖고 캡슐들의 제 2 층이 V2 의 전압 문턱치를 갖는 경우 (여기서 V2 > V1), 제 1 층이 (제 2 층에 영향을 주지 않고) V1 과 V2 사이의 전압 V1에서 스위칭된 이후 제 2 층이 V2 초과의 전압에서 어드레싱될 수 있다 (V2 초과의 전압은 또한 제 1 층을 스위칭할 것이다). 이러한 스킴은 3가지 전압 문턱치들을 갖는 캡슐들의 3가지 층들로 확장될 수 있다.
필수적인 전압 문턱치들은 다양한 방식들로 제공될 수도 있다. 상기에서 언급된 바와 같이, 마이크로캡슐의 내부상은 항복 응력을 가질 수도 있다. 셔터링 안료에 대한 반대 전하의 입자들이 캡슐에 첨가되어 쿨롬 (Coulombic) 문턱치를 발생시킬 수도 있다. 반대 전하의 이 입자들은 실질적으로 비산란 및 비흡수될 수도 있어, 이들은 착색 안료에 의한 광 흡수에 영향을 주지 않고 디스플레이의 전반적인 외관에 영향을 주지 않으며, 단순히 통합되어 캡슐의 내부의 스위칭 거동을 조절할 수도 있다.
캡슐 층들을 독립적으로 어드레싱하기 위한 다른 기술은 캡슐들의 한 층을 다안정적으로 만드는 것이다, 즉, 유체 내에 분산된 중합체를 제공함으로써 달성될 수도 있는, 이미지 히스테리시스 (hysteresis) 를 이 층에 부여하는 것이다 - 미국 특허 No. 7,170,670 참조, 그리고 히스테리시스를 나타내지 않는 제 2 층을 형성하고 활성적으로 어드레싱되지 않는 경우 디폴트 상태로 귀속시키는 것이다. 도 9a 및 도 9b는 이러한 디스플레이의 컬러 변화들을 La*b* 컬러 공간의 a*/b* 평면 상의 그 프로젝션 측면에서 나타낸다. 도 9a의 화살표 (i) 는 시안에서 화이트로의 스위칭을 나타내며, 이것은 도 8a - 도 8d에서의 캡슐들의 제 1 층에서 발생할 수 있는 것이다. 어느 극성의 전계가 인가되는 경우, 안료는 분산된 상태로부터 셔터링되고, 그리고 그렇게 형성된 이미지가 안정적이지 않다면, 전계가 제거되는 때, 셔터링된 안료가 재분산되고 디폴트 시안 상태가 재형성된다. 화살표 (ii) 는 화이트의 옐로우로의 스위칭을 나타내며, 이것은 도 8a - 도 8d에 도시된 캡슐들의 제 2 층에서 발생할 수 있는 것이다. 이 스위칭은 히스테레틱하여, 전계 방향이 반전될 때까지 최종 상태가 안정적이다.
도 9b는 제 1 및 제 2 층들에서의 캡슐들의 스위칭 속도가 동일한 경우 4가지의 컬러 상태들이 이 디스플레이에서 달성될 수 있는 방법을 나타낸다. 화살표 (1) 은, 캡슐들의 제 1 층이 (디폴트 시안 상태로부터) 화이트로 구동되고 제 2 층이 화이트로부터 옐로우로 구동되도록 전계의 인가에 의해 구동되는 디스플레이를 나타낸다. 화살표 (2) 는, 구동 전계가 제로로 감소될 때 제 2 층이 옐로우 상태로 잔존하지만 제 1 층이 시안으로 디폴트하여, 결과적으로 옐로우 및 시안이 조합되어, 그린이 되는 것을 나타낸다. 화살표 (3) 은, 디스플레이가 이후 반대 극성의 전계에 의해 구동될 때 제 1 층이 다시 화이트로 구동되는 한편, 제 2 층이 옐로우에서 화이트로 구동되는 것을 나타낸다. 그 결과는 화이트 이미지이다. 최종적으로, 화살표 (4) 는, 전계가 반전된 극성 구동으로부터 제로로 감소되는 때, 제 2 층이 화이트로 잔존하는 한편 제 1 층이 시안으로 되돌아가, 결과적으로 시안 이미지가 되는 것을 나타낸다. 특정 전압에서 구동 시간을 변화 (펄스-폭 변조) 시키거나 또는 구동 전압을 변화시킴으로써 컬러들의 상이한 레벨들이 획득될 수도 있다.
2개의 층들의 스위칭 속도들이 동일하지 않는 경우 보다 큰 색역이 달성될 수도 있다. 도 10a 및 도 10b 는 도 9a 및 도 9b 와 각각 유사한 프로젝션들이지만, 시안 셔터링 층이 화이트/옐로우 층보다 더 빠르지만 그렇게 빠르지 않아 옐로우 층의 임의의 스위칭 없이 시안이 완전히 셔터링될 수 있는 경우 발생하는 컬러 변화들을 나타낸다. 화이트/옐로우 층은 히스테레틱 이미지 안정성을 나타내는 한편 시안 셔터는 그렇지 않는 것으로 추측된다 (하지만 양 층들이 히스테레틱 이미지 안정성을 나타낸다면 유사한 원리들이 적용된다). 도 1Oa에서는, 화이트 층이 옐로우로 스위칭될 때 이어지는 경로를 보여주고 있다. 스위칭되는 짧은 시간에 시안 층은 완전히 셔터링되는 한편 화이트 층은 완전히 옐로우로 스위칭되지 않는다. 이것은 도 10a에서 x로 나타낸 미드-옐로우 (mid-yellow) 상태를 제공한다. 시안 셔터의 릴렉세이션 (relaxation) 은 y로 나타낸 블루-그린 컬러를 나타낸다. 옐로우의 연속되는 스위칭은 완전한 옐로우 상태를 제공하며, 이로부터 시안 셔터의 릴렉세이션에 의해 그린이 획득된다. 도 10b에 도시된 바와 같이, 옐로우에서 화이트로 스위칭되는 경우 이어지는 경로는 동일하지 않지만, 시안 셔터의 극단들 (즉, 개방 및 폐쇄) 에서 동일한 지점들을 찾아간다. 순수 옐로우 및 화이트 상태들이 단지 구동의 일 방향에 의해서 획득된다는 것은 주목할 만하다. 시안 셔터가 히스테레틱 이미지 안정성을 나타내지 않는 경우, 디폴트가 아닌 상태를 유지하기 위해서 홀딩 전압이 요구된다.
도 11은 본 발명의 3층 디스플레이의 개략 측면도를 도시한다. 이 3층 디스플레이는, 벽들이 그 내부보다 더 전도성이 있는 캡슐들의 제 1 층에 의해 집중형 전극들이 대체되는 것을 제외하고, 도 8a - 도 8d에 도시된 2층 디스플레이와 일반적으로 유사하다. 이러한 캡슐들의 층은 어떠한 안료도 포함하지 않을 수도 있고 투명할 수도 있어, 단순히 형판 (template) 으로서 기능하고 (제 1 안료를 포함하는) 캡슐들의 제 2 층을 형상화하고 캡슐 벽 셔터를 제공하는 역할을 한다. 도 11의 디스플레이가 2가지 원색들의 4가지 가능성있는 극단 상태들을 달성하는 메카니즘은, 도 8a - 도 8d를 참조하여 상술한 것과 정확히 유사하다. 이 종류의 3층 디스플레이는 아래 실시예 5에서 상세히 기재된다.
세번째 원색은 도 8a - 도 8d 및 도 11에 도시된 디스플레이들에서 여러가지 상이한 방식들로 제공될 수도 있다. 도 12a는 상기 언급된 3가지 방법들 중 임의의 방법을 이용하여 셔터링되는 세번째 원색의 제공을 나타낸다 (집중형 전극이 도시되지만, 캡슐 벽/기하학적 셔터링 또는 측벽 셔터링이 또한 이용될 수도 있다).
도 12b는 제 2 컬러와 동일한 층에서, 즉, 화이트 안료와 조합하여, 그리고 수직으로 스위칭되는 제 3 컬러의 제공을 나타낸다. 다시, 제 3 컬러는 제 1 또는 제 2 컬러들보다 상당히 보다 천천히 스위칭되어야 한다. 도 12b의 디스플레이에서, 제 2 및 제 3 컬러들은 나란히 배열되며, 이것은 도 12a에 도시된 것보다 덜 바람직한 구성이다. 하지만, 제 3 컬러를 포함하는 캡슐들이 제 2 컬러를 포함하는 캡슐들과 상이한 사이즈이고, 이에 따라 캡슐들의 일부 오버랩이 달성될 수도 있음이 가능하다. 또한, 제 2 및 제 3 컬러들의 일부 혼합은 구조 내의 광 산란에 의해 달성될 수도 있다. 도 12b는 제 1 안료에 대한 캡슐 벽/기하학적 셔터를 도시하지만, 제 1 안료를 셔터링하는 대신에 캡슐들의 층이 제거되고 집중형 전극들이 사용될 수도 있다.
도 12c 및 도 12d는 도 12a 및 도 12b에 도시된 디스플레이들과 일반적으로 유사한 본 발명의 3층 디스플레이의 2가지 상이한 광학 상태들을 도시한다. 도 12c 및 도 12d에 도시된 디스플레이에서, 제 1 전기광학층 (도 12c 및 도 12d에 나타낸 최저층) 은 옐로우 안료를 포함하고, 상태 안정적이고, 문턱치를 가지며, 높은 동작 전압을 요구한다. 이 층에서의 옐로우 안료는, 안료가 이 층에서의 각 캡슐의 피라미드 상부 섹션의 최상부 정점에 한정되는 도 12c에 도시된 셔터링된 상태와, 옐로우 안료가 각 캡슐의 평평한 하부 표면의 전체를 커버하는 도 12d에 도시된 비셔터링된 상태 사이에서 이동가능하다. 도 12c 및 도 12d에 도시된 디스플레이의 제 2 전기광학층은 시안 안료를 포함하며 상태 안정적이지 않다. 이 층에서의 시안 안료는, 안료가 각 캡슐의 최상부 및 최하부 정점들에 한정되는 도 12c 및 도 12d에 도시된 2가지 셔터링된 포지션들과, 안료가 각 캡슐에 걸쳐서 균일하게 분포되는 비셔터링된 포지션 (미도시) 사이에서 이동될 수 있다. 디스플레이의 제 3 전기광학층은 도 12c에 도시된 비셔터링된 포지션과 도 12d에 도시된 셔터링된 포지션 사이에서 (나타낸 바와 같이) 수직으로 이동될 수 있는 마젠타 안료를 포함한다. 도 12c 및 도 12d에 도시된 상부 전극에는 화이트 리플렉터가 제공된다.
이미 나타낸 바와 같이, 일 양태에서 본 발명은 유체 내에 복수의 상이한 유기 안료들을 포함하는 가변적인 투과 전기영동 매체를 제공하여, 모든 안료들이 유체에 걸쳐서 실질적으로 균일하게 분산되는 경우, 매체가 실질적으로 블랙을 나타내도록 한다. 또한, 매체는 (전하 제어제 또는 유사한 약제들, 및 계면활성제 이외에) 유체 내에 중합성 첨가제들이 실질적으로 없지만, 여전히 높은 정도의 이미지 안정성을 갖는다. 이러한 가변적인 투과 매체의 바람직한 형태에서, 안료들은 상당한 상이한 유전영동 이동도들을 갖도록 선택되어, 전기영동 매체에 인가되는 주파수 및 전압을 조작함으로써, 각 안료가 독립적으로 분산된 상태 또는 패킹된 상태에 있도록 될 수 있고 그 매체는 상당한 색역을 표시할 수 있다.
안료 분야의 숙련자에게 주지된 바와 같이, 2가지 이상의 컬러 안료들의 블렌드가 블랙을 포함하여 추가 컬러들을 제공하도록 만들어질 수 있다. 넓은 범위의 컬러 안료들이 자동차용 도료들과 같은 애플리케이션들을 요구하기 위해 발전되고 있고, 이 안료들의 일부가 VT 매체들에 적합한 특성들을 증명하고 있다. 퀴나크리돈 및 프탈로시아닌 과의 안료들이 유용한 것으로 밝혀졌다. 이러한 안료들은 전체적으로 매우 넓은 색역을 제공하기 위해 블렌딩될 수 있지만, 블랙이 색역의 일부가 되도록 요구하는 추가된 제약은 지금까지 단일 매체 내에서 달성가능한 색역을 약화시키고 있다.
다소 예상외로, 넓은 범위의 인가된 주파수들 및 전압들에 대한 상이한 응답 측면에서 VT 매체들에 유용한 안료들이 넓은 범위의 전기영동 이동도들을 표시하는 것으로 밝혀지고 있다. 이에 따라, 전기영동 매체에 인가된 주파수 및 전압을 조작함으로써, 각 안료는 독립적으로 분산된 상태 또는 패킹된 상태에 있도록 될 수 있고, 즉, 상이한 유기 안료들이 서로 독립적으로 "셔터링"하도록 될 수 있다. 분산된 상태는 안료가 투과된 광을 흡수하는 것을 허용하고, 분산이 더 균일할수록 흡수가 더 양호해진다. 패킹된 상태는, 안료가 위치하는 매체의 면적 부분을 최소화하여, 그 안료에 의한 흡수를 최소화한다. 모든 안료들이 패킹되는 경우에는, 매체는 그 "개방" 또는 실질적으로 투명한 광학 상태를 상정할 것이다. 한편, 모든 안료들이 유체를 통해 분산되는 경우에는, 매체는 실질적으로 블랙 광학 상태를 상정할 것이며, 다양한 안료들의 양들 및 컬러들이 밸런싱되어 중성 컬러를 달성하는 것이 제공된다. 적어도 하나의 안료가 분산되고 적어도 하나의 안료가 패킹되는 경우에는, 매체의 컬러가 분산된 안료의 컬러에 접근할 것이고, 그리고 다양한 안료들의 분산 상태의 독립적인 제어에 의해 상당한 색역이 만들어질 수 있다; 컬러 이미징 분야의 숙련자에게 친숙하다는 이유로, 이러한 VT 매체가 상이한 컬러들 및 유전영동 이동도들을 갖는 적어도 3가지 상이한 안료들을 포함하는 것이 보통 바람직하다.
본 발명의 디스플레이들은, 이미 논의된 바와 같이, 3가지 별도의 안료들 (이 안료들이 1개, 2개 또는 3개의 별도 전기광학층들에 존재하든지 간에) 을 구동하기 위해 다양한 구동 방법들을 이용할 수 있다. 아마도 놀라운 것은, 단일 세트의 전극들 및 DC 전압들만을 이용하여 3가지 별도의 안료들을 실질적으로 서로 독립적으로 구동하는 것이 가능하다는 것이다. 개념적으로, DC 및 단일 세트의 전극들만을 이용하여 3가지 상이한 안료들을 구동하는 방법들은 다음과 같이 요약될 수도 있다:
다음 특성들을 갖는 3가지 컬러 형성층들 (하지만 원칙은 층들을 요구하지 않는다) 이 있다고 가정한다:
(a) 층 1은 전압 (또는 임펄스) 문턱치를 가지고, 상태 안정적이며, 그 컬러가 인가된 전압에 의존한다;
(b) 층 2는 보다 낮은 문턱치를 가지거나 또는 어떠한 문턱치도 가지지 않고, 상태 안정적이며, 그 컬러가 인가된 전압에 의존한다; 그리고
(c) 층 3은 어떠한 문턱치도 가지지 않고, 상태 안정적이지 않으며, 층 2보다 더 빨리 스위칭한다. 층 3은 양 또는 음의 임펄스에 의해 구동되든지 간에 동일한 상태에 도달하고 어떠한 전위도 인가되지 않는 경우 그 반대되는 극단으로 릴렉스된다.
이러한 3가지 조건들을 고려할 때, 구동 스킴은 다음과 같다:
(a) 층 1을 원하는 컬러로 설정하기 위해 고전압을 이용한다. 실제로, 이것은 바이너리 (binary) 일 수 있고 이경우 옐로우이어야 한다. 이것은 또한 층 2 및 층 3에 영향을 줄 것이다.
(b) 층 2를 원하는 컬러로 설정하기 위해 보다 낮은 전압을 이용한다. 이것은 층 1에 영향을 주지 않을 것이고, 층 3 을 그 극단적인 상태로 스위칭할 것이다.
(c) 층 3이 그 원하는 컬러로 릴렉스되게 허용하고 층 3이 홀딩 전압 (또는 임의의 전압에서 펄스들) 을 갖는 것을 유지시킨다.
이에 대한 대안은, 모든 3개의 층들이 상태 안정적인 경우, 3가지 컬러들에 대해 3가지 상이한 전압들에서 순차적으로 어드레싱하고, 보다 늦은 층들을 어드레싱할 때 보다 빠른 층들의 부수적 스위칭을 교정하는, 보다 간단한 스킴이다. 이 경우 가장 늦은 층이 먼저 어드레싱되고, 층 1 및 층 2 각각이 문턱치를 갖는다. 하지만, 이것은 엔지니어에게 훨씬 더 어렵다.
이하, 하기 실시예들은 본 발명의 매체들에서 사용되는 바람직한 시약들, 조건들 및 기술들의 상세들을 나타내기 위해 주어지지만, 단지 예시에 의한 것이다.
실시예 1 : 레드, 그린 및 블루 안료들을 포함하는 제 1 매체
이 실시예에서 사용되는 안료들은 다음과 같았다:
Clariant Hostaperm Pink E 02, 레드 퀴나크리돈 안료 (Clariant Corporation 로부터 시판, 4000 Monroe Road, Charlotte NC 28205), 비중 1.45, 표면적 77 ㎡/g, 및 평균 입자 사이즈 90 nm 를 갖는다고 제조자에 의해 언급됨;
Clariant Hostaperm Green GNX, 그린 구리 프탈로시아닌 안료, 동일한 제조자에 의해 제조, 비중 2.05, 표면적 40 ㎡/g, 및 평균 입자 사이즈 50 nm 를 갖는다고 제조자에 의해 언급됨; 그리고
Clariant Hostaperm Blue B2G-D, 블루 구리 프탈로시아닌 안료, 동일한 제조자에 의해 제조, 비중 1.6, 표면적 44 ㎡/g, 및 평균 입자 사이즈 75 nm 를 갖는다고 제조자에 의해 언급됨.
(제조자에 의해 언급되는 바와 같이) 안료 표면적의 제곱 미터당 0.0044 g 의 Solsperse 17000 및 d-리모넨 내에 대략 20 중량% 의 안료를 포함하는 각 안료의 밀베이스들 (millbases) 이 전술된 2007/0146310 에 기재된 바와 같이 실질적으로 제조되었다. 각 밀베이스의 샘플들은 d-리모넨에 의해 0.01 중량% 안료로 희석되었고 형성된 분산액은 2 mm 경로 길이 샘플 큐벳들을 이용하여 Minolta CM-3600d 분광기에 의해 컬러 투과가 측정되었다. 밀베이스들이 또한 블렌딩되어 가능한 한 블랙과 가까운 컬러를 갖는 (즉, 종래의 CIE L*a*b* 컬러 공간에서 최소 가능한 a* 및 b* 값들을 갖는) 혼합 분산액을 제조하였다. 그 결과들은 아래 표 1에 나타낸다.
Figure pat00007
"블랙" 블렌드가 임의의 그린 안료를 추가하지 않고도 사실상 그린으로 되는 경향이 있음에 주의한다; 이것은 "블루" 안료의 블루-그린 색조에 의해 야기되었다.
실시예 2 : 레드, 그린 및 블루 안료들을 포함하는 제 2 매체
평균 입자 사이즈 70 nm 인 퀴나크리돈 안료인, Clariant Ink Jet Magenta E02 VP 2621 이 실시예 1에서 사용된 핑크 안료를 대신하는 것을 제외하고, 실시예 1을 반복하였다. 다시, 밀베이스들이 또한 블렌딩되어 가능한 한 블랙에 가까운 컬러를 갖는 혼합 분산액을 제조하였다. 그 결과들은 아래 표 2에 나타낸다.
Figure pat00008
다시, 블렌딩된 "블랙"이 그린으로 되는 경향이 있으며, 적합한 대안의 블루 안료가 위치될 수 없기 때문에, 안료 세트 내에 주요 변화가 필요하다는 것이 결정되었다.
실시예 3 : 그린, 바이올렛 및 옐로우 안료들을 포함하는 매체
핑크 및 블루 안료들이 동일한 제조자로부터의 Clariant Hostaperm Violet RL02 및 Clariant Novoperm Yellow 4G VP2532 로 대체되는 것을 제외하고, 실시예 1을 반복하였다. Clariant Hostaperm Violet RL02 는 비중 1.49, 표면적 80 ㎡/g, 평균 입자 사이즈 50 nm 를 갖는 것으로 제조자에 의해 언급된 디옥사진 안료인 한편, Clariant Novoperm Yellow 4G VP2532 는 비중 1.44, 표면적 33 ㎡/g, 평균 입자 사이즈 162 nm 를 갖는 것으로 제조자에 의해 언급된 디사조 안료이다. 다시, 밀베이스들이 또한 블렌딩되어 가능한 한 블랙에 가까운 컬러를 갖는 혼합 분산액을 제조하였다. 그 결과들은 아래 표 3에 나타낸다.
Figure pat00009
표 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 이러한 세트의 안료들의 블렌드는 양호하고 중성인 블랙을 제조한다.
고분자 분산형 전기영동 매체가 이 블랙 블렌드를 이용하여 미국 특허 No. 6,866,760의 실시예 1에 기재된 것과 실질적으로 동일한 방식으로 제조되었다; 고분자 분산형 매체는 폴리에틸렌 테레프탈레이트/ITO 막의 인듐 주석 산화물 (ITO) 코팅된 표면 상에 코팅되었고, 건조되었고, 접착제 층이 도포되었으며, 그리고 형성된 막이 배면 전극에 적층되어 실험용 단일 화소 디스플레이를 제조하였고, 이것은 이후 구동 전압들 및 주파수들의 다양한 조합으로 구동되었다.
이러한 멀티 안료 디스플레이에서는, 모든 안료들이 패킹되는 경우, 디스플레이가 개방된 것으로 (실질적으로 투명한 것으로) 보이며; 모든 안료들이 분산되는 경우 디스플레이가 폐쇄된 것으로 (실질적으로 블랙인 것으로) 보인다. 각 안료의 그 분산된 형태의 분율이 디스플레이에서의 그 안료의 전체 비율과 상이한 경우 (즉, 표 3에 나타낸 57.8% 그린, 22.9% 바이올렛, 19.3% 옐로우와 상이한 경우) 라면, 디스플레이 컬러는 보다 분산된 안료의 컬러에 접근한다. 예를 들어, 옐로우 안료가 잘 분산되어 있고 그린 및 퍼플 안료들이 패킹되어 있는 경우에는, 디스플레이는 옐로우를 나타낼 것이다. 대안으로, 옐로우 및 그린 안료들이 분산되어 있고 퍼플만이 패킹되어 있다면, 디스플레이는 옐로우-그린을 나타낼 것이다. 아래 표 4는 인가된 파형들 및 제조된 상응 컬러들의 예들을 제공한다.
Figure pat00010
상이한 파형들을 이용하여 제조된 상기 컬러들 등은 첨부된 도면의 도 17의a*b* 평면에 플로팅된다. 컬러들은 샘플 뒤에 배치진 화이트 배경과 함께 반사형 모드의 Eye-One 분광광도계에 의해 측정되었다. 화이트 배경은 L*a*b* 산출을 위해 레퍼런스 화이트-포인트로 처리되었다.
도면으로부터, 실험용 디스플레이가 상당한 색역을 표시할 수 있지만, 단지 a*b* 평면의 그린/옐로우/블루 부분에서 색역을 표시할 수 있는 것으로 보인다; 이 특정 디스플레이는 포지티브 a* (즉, 레드 컬러) 를 제조할 수 없었다. 하지만, 이 실험용 디스플레이에 의해 표시될 수 있는 상당한 색역, 및 이러한 디스플레이에 통합하기에 적합한 시판되는 넓은 범위의 안료들 측면에서, 제법에서의 추가 작업 및 추가 안료들의 평가가 a*b* 평면 내에 보다 중심에 있는 보다 넓은 범위의 색역을 갖는 디스플레이들을 제조할 수 있을 것으로 기대될 수 있다.
실시예 4 : 시안 셔터링 캡슐들을 위한 코팅 슬러리
시안 안료, Irgalite Blue GLVO (BASF 로부터 시판, Ludwigshafen, Germany) (8 g) 는 Isopar E (12 g) 및 Solsperse 17000 용액 (Lubrizol Corporation 으로부터 시판, Wickliffe, OH, Isopar E 에서의 20% w/w 용액의 20 g) 과 조합되고 이 혼합물은 비즈에 의한 교반에 의해 분산되어 시안 안료 분산액을 제공한다.
이로써 제조된 시안 안료 분산액 (5.75 g) 은 Isopar E (109.25 g) 와 조합되고 형성된 혼합물은 기계적으로 밤새 롤링되어 인캡슐화를 위해 준비된 내부상을 제조하였다. 그렇게 제조된 내부상은 이후 미국 특허 No. 7,002,728 에 기재된 절차에 이어서 인캡슐화되었다. 형성된 인캡슐화된 재료는 퇴적에 의해 아이솔레이션되었고, 탈이온수에 의해 세정되었으며, 45 및 20 ㎛ 메시의 체들을 이용하여 체질함으로써 크기 분리되었다. Coulter Multisizer 를 이용한 분석은, 형성된 캡슐들이 40 ㎛ 의 평균 사이즈를 갖으며, 총 캡슐 체적의 85% 초과가 20 ~ 60 ㎛ 의 원하는 사이즈를 갖는 캡슐들 내에 있다는 것을 나타냈다.
형성된 캡슐 슬러리는 pH 9로 조절되었고 과량의 물이 제거되었다. 캡슐들은 이후 농축되었고 상층액은 폐기되었다. 캡슐들은 (미국 특허 출원 No. 2005/0124751 에 기재된 것과 유사한 방식으로 제조된) 수성 폴리우레탄 바인더와 혼합되었고, 소량의 Triton X-100 계면활성제 및 히드록시프로필메틸 셀룰로오스가 첨가되었으며, 철저히 혼합되어, 후술되는 바와 같이, 디스플레이에서 사용하기 위해 준비된 슬러리를 제공하였다.
실시예 5 - 안료의 1% w/w 를 포함하는 시안 셔터링 캡슐들을 위한 코팅 슬러리
Irgalite Blue GLVO (26 g) 가 Isopar E (70 g) 및 Solsperse 17000 용액 (Isopar E 내의 20% w/w 용액의 70 g) 와 조합되었고 그 혼합물은 유리 비즈를 이용하여 아트리토 (attritor) 에서 분산되어 시안 안료 분산액을 제조하였다. 이로써 제조된 시안 안료 분산액 (5.75 g) 은 Isopar E (109.25 g) 와 조합되었다. 형성된 혼합물은 기계적으로 밤새 롤링되어 인캡슐화를 위해 준비된 내부상을 제조하였다. 그렇게 제조된 내부상은 상기 실시예 4의 절차에 이어서 인캡슐화되어, 40 ㎛ 의 평균 사이즈를 갖는 캡슐들을 제조하였고, 총 캡슐 체적의 85% 의 초과가 20 ~ 60 ㎛ 의 원하는 사이즈를 갖는 캡슐들 내에 있도록 하였다. 캡슐들은 이후 상기 실시예 4에서와 동일한 방식으로 코팅 슬러리에 통합되었다.
실시예 6 - 마젠타 셔터링 캡슐들을 위한 코팅 슬러리
실질적으로 미국 특허 No. 7,002,728 에 기재된 바와 같이, 마젠타 안료, Quindo Red 19 (Sun Chemical Corporation 로부터 시판, Parsippany, NY) 에 폴리(라우릴 메타크릴레이트) 코팅이 제공된다. 코팅된 안료 (13 g) 는 이후 Isopar E (30 g) 와 조합되어 마젠타 안료 분산액을 제조하였고, 이것은 200 ㎛ 메시 막을 통해 여과되었고 고체 % 는 17%인 것으로 구해졌다.
이로써 제조된 마젠타 안료 분산액 (13 g) 은 Isopar E (88 g) 및 Solsperse 17000 (Isopar E 에서의 20% w/w 용액의 8 g) 와 조합되었고, 형성된 혼합물은 기계적으로 밤새 롤링되어 인캡슐화를 위해 준비된 내부상을 제조하였다. 그렇게 제조된 내부상은 이후 상기 실시예 4에 기재된 바와 같이 인캡슐화되어, 40 ㎛ 의 평균 사이즈를 갖는 캡슐들을 제조하였고, 총 캡슐 체적의 85% 의 초과가 20 ~ 60 ㎛ 의 원하는 사이즈를 갖는 캡슐들 내에 있도록 하였다. 캡슐들은 이후 상기 실시예 4에서와 동일한 방식으로 코팅 슬러리에 통합되었다.
실시예 7 - 마젠타/화이트 수직으로 스위칭하는 캡슐들을 위한 코팅 슬러리.
기능화된 마젠타 안료 (10 g, 상기 실시예 6에 기재된 바와 같이 제조) 가 Isopar E (40 g) 와 조합되었고, 형성된 혼합물은 비즈에 의한 교반에 의해 분산되어 마젠타 안료 분산액을 제공하였고, 이것은 200 ㎛ 메시 막을 통해 여과되었고 고체 % 가 구해졌다. 이 분산액 (18.82 g) 은 이산화 티탄 (R794, E. I. du Pont de Nemours Corporation 로부판 시판, Wilmington, DE) (미국 특허 No. 7,002,728에 기재된 바와 같이 처리된 60% w/w 분산액의 70.57 g) 과 조합되었고, 소량의 분자량 600,000의 폴리(이소부틸렌) 및 Solsperse 17000, 그리고 추가량의 Isopar E 와 조합되었다. 형성된 혼합물은 기계적으로 밤새 롤링되어 인캡슐화를 위해 준비된 내부상을 제조하였다. 그렇게 제조된 내부상은 이후 상기 실시예 4에 기재된 바와 같이 인캡슐화되어, 40 ㎛ 의 평균 사이즈를 갖는 캡슐들을 제조하였고, 총 캡슐 체적의 85% 의 초과가 20 ~ 60 ㎛ 의 원하는 사이즈를 갖는 캡슐들 내에 있도록 하였다. 캡슐들은 이후 상기 실시예 4에서와 동일한 방식으로 코팅 슬러리에 통합되었다.
실시예 8 - 옐로우/화이트 수직으로 스위칭하는 캡슐들을 위한 코팅 슬러리
옐로우 안료, Paliotan Yellow L 1145 (BASF 로부터 시판) 는 N-[3-(트리메톡시실릴)프로필]-N'-(4-비닐벤질)에틸렌디아민 히드로클로라이드에 의해 표면 처리되었고, 이후 실질적으로 미국 특허 No. 7,002,728 에 기재된 바와 같이 폴리(라우릴 메타크릴레이트) 코팅을 제공하였다. 이 옐로우 안료 (30 g) 는 Isopar E (70 g) 과 조합되었고 2시간 동안 초음파 처리되었으며 밤새 기계적으로 롤링되었다. 형성된 분산액 (45.6 g) 은 이후 실시예 7 (60% w/w 분산액의 102.6 g) 에서와 동일한 R794 이산화 티탄, 소량의 분자량 850,000의 폴리(이소부틸렌) 및 Solsperse 17000, 그리고 추가량의 Isopar E 와 조합되었다. 형성된 혼합물은 기계적으로 밤새 롤링되어 인캡슐화를 위해 준비된 내부상을 제조하였다. 그렇게 제조된 내부상은 이후 상기 실시예 4에 기재된 바와 같이 인캡슐화되어, 40 ㎛ 의 평균 사이즈를 갖는 캡슐들을 제조하였고, 총 캡슐 체적의 85% 의 초과가 20 ~ 60 ㎛ 의 원하는 사이즈를 갖는 캡슐들 내에 있도록 하였다. 캡슐들은 이후 상기 실시예 4에서와 동일한 방식으로 코팅 슬러리에 통합되었다.
실시예 9 - 어떠한 안료도 포함하지 않는 캡슐들을 위한 코팅 슬러리.
Isopar E 중의 Solsperse 17000의 용액이 기계적으로 밤새 롤링되어 인캡슐화를 위해 준비된 내부상을 제조하였다. 그렇게 제조된 내부상은 이후 상기 실시예 4에 기재된 바와 같이 인캡슐화되어, 40 ㎛ 의 평균 사이즈를 갖는 캡슐들을 제조하였고, 총 캡슐 체적의 85% 의 초과가 20 ~ 60 ㎛ 의 원하는 사이즈를 갖는 캡슐들 내에 있도록 하였다. 캡슐들은 이후 상기 실시예 4에서와 동일한 방식으로 코팅 슬러리에 통합되었다.
실시예 10 - 시안/옐로우 2색 디스플레이의 어셈블리 및 스위칭
상기 실시예 4에서 제조된 시안 셔터링 캡슐 슬러리가 50 ㎛ 피치 및 1 ㎛ 선폭의 인쇄된 육각형 그리드 금속 전극을 갖는 125 ㎛ 폴리(에틸렌 테레프탈레이트) (PET) 막 위에 50 ㎛ 갭을 갖는 바 코터를 이용하여 코팅되었다. 코팅은 60℃ 에서 건조되었고, 그 이후 캡슐들의 제 2 코팅이 상기 실시예 8에 기재된 바와 같이 제조된 옐로우/화이트 수직 스위칭 캡슐 슬러리를 사용하여 100 ㎛ 의 바 코터 갭에 의해 도포되었다. 제 2 코팅 층은 60℃ 에서 건조되었다. 테트라알킬암모늄 염에 의해 도핑되고 이형 시트 상에 미리 코팅된 폴리우레탄 접착제의 층이 미국 특허 No. 7,002,728 에 기재된 바와 같이 캡슐들의 제 2 층의 상부에 적층되었다. 이형 시트는 제거되었고 형성된 다층 구조는 그라파이트 배면 전극 상에 적층되었다. 마지막으로 어셈블링될 때 디스플레이 구조는, 그 시인 표면으로부터 순서대로, PET 막 베이스의 제 1 층, 패터닝된 전극의 제 2 층, 시안 셔터링 캡슐들의 제 3 층, 옐로우/화이트 수직으로 스위칭하는 캡슐들의 제 4 층, 도전적으로 도핑된 적층 접착제의 제 5 층, 및 그라파이트 배면 전극을 포함하는 제 6 층을 포함하였다.
이렇게 제조된 디스플레이 구조는 40 V ~ -40 V 범위의 DC 전압들에 의해 오프셋되는 +/- 10 V 및 30 Hz 에서의 구형파 AC 신호를 인가함으로써 구동되었다. 디스플레이가 구동되었을 때 텅스텐 고리 광원에 의해 조사되고, 디스플레이로부터 반사된 광이 분광적으로 (spectrophotometrically) 분석되어, 아래 표 5에 나타낸 L*a*b* 값들을 제공하였다.
Figure pat00011
이 결과들은 도 13a 및 도 13b에서 그래픽적으로 도시된다. 도 13a는 상부 평면, 투명한 전극에서 30Hz AC 드라이브로 인가되는 DC 오프셋의 함수로서의 L*, a* 및 b* 값들을 도시한다. 유사한 상태들이 30Hz AC 성분 없이 단순한 DC 드라이브에 의해 획득되지만, 결과적인 상태들이 약간 열등하다는 것에 유의한다.
이 디스플레이는 도 8a - 도 8d에 도시된 바와 같이 동작한다. 상부 평면측에서 집중형 전극들과 접촉하고 다른 측에서 캡슐들의 제 2 층과 접촉하는, 캡슐들의 제 1 층은 양으로 하전된 시안 안료를 포함한다. DC 오프셋이 양인 경우, 시안 안료는 (도 8c에 도시된 바와 같이) 캡슐들의 제 1 층과 캡슐들의 제 2 층 사이의 정션에서 셔터링된다. DC 오프셋이 음인 경우, 시안 안료는 (도 8a에 도시된 바와 같이) 집중형 전극들에서 포집된다. DC 오프셋이 제로 측으로 이동하는 경우, 안료는 셔터링된 상태로부터 멀리 이동한다. 도 13a의 a* 값에서 보여지는 히스테리시스 루프는 이 변화들을 반영한다 (덜 음인 a* 는 셔터링된 시안 안료에 상응한다). DC 오프셋이 증가될 때 셔터링된 상태 측으로의 안료의 이동은 DC 오프셋이 감소될 때 셔터링된 상태로부터 멀리 이동하는 것보다 더 빠르기 ?문에, 약간의 히스테리시스가 있다.
제 2 캡슐 층에서 수직으로 스위칭하는 캡슐들 (즉, 입자들이 인가된 전계에 평행하게 이동하는 캡슐들) 은 양으로 하전된 옐로우 안료 및 음으로 하전된 화이트 안료를 포함하고, 이로써 상부 평면이 음으로 하전될 때 캡슐들의 이 층은 옐로우 이미지를 표시하고 (양의 b*), 상부 평면이 양으로 하전될 때 화이트 이미지를 표시한다 (위에 놓여지는 시안 층에서의 블루 성분 때문에 음의 b*).
도 13b에 도시된 a*/b* 플롯은 도 9b에서 개념적으로 도시된 것과 실험적으로 상응한다.
실시예 11 - 안료가 적은 캡슐들의 층이 셔터링을 디렉트하기 위해 사용되는 시안/마젠타 2색 디스플레이의 어셈블리 및 구동
이 실시예에서 제조된 디스플레이는 도 12a에 도시된 구조를 갖는다.
상기 실시예 9에서 제조된 안료가 적은 캡슐 슬러리는 인듐 주석 산화물 (ITO) 의 투명한, 전도성 코팅을 갖는 PET 막 상에 코팅되었고 상기 실시예 10의 캡슐들의 제 1 층과 동일한 조건들을 이용하여 건조되었다. 캡슐들의 제 2 코팅은 상기 실시예 5 에서 제조된 시안 셔터링 캡슐 슬러리를 사용하여 80 ㎛ 의 바 코터 갭을 이용하여 도포되었으며, 코팅은 60℃ 에서 건조되었다. 캡슐들의 제 3 코팅은 상기 실시예 7에서 제조된 마젠타/화이트 수직 스위칭 캡슐 슬러리를 사용하여 100 ㎛ 의 바 코터 갭을 이용하여 도포되어 제 3 캡슐 층을 형성하였고, 이것은 60℃ 에서 건조되었다. 접착제 층은 상기 실시예 10에서와 동일한 방식으로 캡슐들의 제 3 층의 상부에 적층되었다. 이형 시트는 제거되었고 형성된 다층 구조는 그라파이트 배면 전극 상에 적층되었다. 마지막으로 어셈블링될 때 디스플레이 구조는, 그 시인 표면으로부터 순서대로, PET 막 베이스의 제 1 층, 패터닝되지 않고 연속적인 투명한 전극의 제 2 층, 안료가 적은 캡슐들의 제 3 층, 시안 셔터링 캡슐들의 제 4 층, 마젠타/화이트 수직으로 스위칭하는 캡슐들의 제 5 층, 접착제의 제 6 층, 및 그라파이트 배면 전극을 포함하는 제 7 층을 포함하였다.
이렇게 제조된 디스플레이 구조는 40 V ~ -40 V 범위의 DC 전압들에 의해 오프셋되는 +/- 10 V 및 30 Hz 에서의 구형파 AC 신호를 인가함으로써 구동되었다. 디스플레이가 구동되었을 때 텅스텐 고리 광원에 의해 조사되고, 디스플레이로부터 반사된 광은 분광적으로 분석되어, 아래 표 6에 나타낸 L*a*b* 값들을 제공하였다.
Figure pat00012
이 결과들은 도 14a 및 도 14b에서 그래픽적으로 도시된다. 도 14a는 상부 평면, 투명한 전극에서 30Hz AC 드라이브로 인가되는 DC 오프셋의 함수로서의 L*, a* 및 b* 값들을 도시한다. 상기 실시예 10에서의 경우와 같이, 유사한 상태들이 30Hz AC 성분 없이 단순한 DC 드라이브에 의해 획득되지만, 결과적인 상태들이 약간 열등하다는 것에 유의한다.
디스플레이는 다음과 같이 동작한다. 일 측에서 안료가 적은 캡슐들과 접촉하고 다른 측에서 캡슐들의 제 3 층과 접촉하는 캡슐들의 제 2 층은 양으로 하전된 시안 안료를 포함하고 도 4에서 개념적으로 도시된 바와 같이 셔터링된다. DC 오프셋이 양인 경우, 시안 안료는 캡슐들의 제 2 층과 캡슐들의 제 3 층 사이의 정션에서 셔터링된다. DC 오프셋이 음인 경우, 시안 안료는 캡슐들의 제 2 층과 (안료가 적은) 캡슐들의 제 1 층 사이의 정션에서 셔터링된다. 시안 안료의 셔터링은 도 14b에 도시된 a*/b* 플롯에서 가장 용이하게 보여지고, 여기서 화살표 (i) 는 상부 평면이 양으로 하전되는 경우 셔터링된 시안 안료와 비셔터링된 시안 안료 사이의 이동에 상응하고, 화살표 (ii) 는 상부 평면이 음으로 하전되는 경우 셔터링된 시안 안료와 비셔터링된 시안 안료 사이의 이동에 상응한다.
수직으로 스위칭하는 캡슐들은 양으로 하전된 마젠타 안료 및 음으로 하전된 화이트 안료를 포함하고, 이로써 상부 평면이 음으로 하전될 때 캡슐들의 이 층은 마젠타 이미지를 표시하고 (보다 양의 a*), 양으로 하전될 때 화이트 이미지를 표시한다 (보다 음의 a*). 이 스위칭은 도 14b의 화살표 (iii) 에 상응한다.
실시예 12 - 도 12a에 따른 시안/마젠타/옐로우 3색 디스플레이
상기 실시예 10의 처음 두 단계의 코팅 단계들은, 제 2 코팅에서 바 코터 갭이 80 ㎛ 인 것을 제외하고, 제 1 코팅된 층에 대해 상기 실시예 6에서 제조된 마젠타 셔터링 캡슐 슬러리를 사용하고 제 2 코팅된 층에 대해 상기 실시예 5에서 제조된 시안 셔터링 캡슐 슬러리를 사용하여 반복되었다. 다음, 상기 실시예 8에서 제조된 옐로우/화이트 수직 스위칭 캡슐 슬러리가 100 ㎛의 바 코터 갭을 이용하여 도포되어 제 3 캡슐 층을 형성하였고, 이것은 60℃ 에서 건조되었다. 모두 실시예 10에서와 같이, 접착제 층은 캡슐들의 제 3 층의 상부에 적층되었고, 이형 시트는 제거되었으며, 나머지 층들은 그라파이트 배면 전극 상에 적층되었다. 마지막으로 어셈블링될 때 디스플레이 구조는, 그 시인 표면으로부터 순서대로, PET 막 베이스의 제 1 층, 패터닝된 전극의 제 2 층, 마젠타 셔터링 캡슐들의 제 3 층, 시안 셔터링 캡슐들의 제 4 층, 옐로우/화이트 수직으로 스위칭하는 캡슐들의 제 5 층, 도전적으로 도핑된 적층 접착제의 제 6 층, 및 그라파이트 배면 전극을 포함하는 제 7 층을 포함하였다.
모두가 실시예 10과 동일한 방식으로, 디스플레이 구조는 구동되었고, 조사되었으며, 이로부터 반사된 광이 분석되었다. 그 결과들은 아래 표 7에 도시된다.
Figure pat00013
이 결과들은 도 13a 및 도 13b 각각과 직접적으로 비교할 만한 도 15a 및 도 15b에서 그래픽적으로 도시된다. 넓은 범위의 컬러들이 디스플레이에 의해 어드레싱 가능하다는 것을 알 수 있다. 컬러들은 a* 축을 따라 오프셋되며, 이것은 마젠타 셔터가 완전히 폐쇄되지 않는다는 것을 나타낸다. 이러한 오프셋은 균일한 컬러 필터를 전체 디스플레이에 형성함으로써 교정될 수도 있다.
실시예 13 - 단일의 인가 전압 및 시간 변조를 이용하는 2색 디스플레이.
PET 상의 ITO 코팅이 안료가 적은 캡슐 층의 도포 이전에 이온성 도펀트를 포함하는 조성물에 의해 미리 처리된 것을 제외하고, 디스플레이는 기본적으로 상기 실시예 11에 기재된 바와 같이 제조되었다. 이 디스플레이는 아래 표 8에 도시된 파형을 이용하여 어드레싱되었다.
Figure pat00014
200 ms 길이의 30V 에서의 펄스들에 의해 연속되는 구동은 2 초 길이의 휴지에 의해 이어진다. 디스플레이에 의해 생성된 컬러들은 도 16에 도시되며, 여기서 문자들은 표 8의 마지막 컬럼에서의 것들에 상응한다. 음의 전압은 시안 안료를 셔터링하고 마젠타/화이트 캡슐들을 마젠타로 스위칭하며, 이것은 도 16에서 포지션 a에 상응한다. 전압이 제로에서 유지될 때, 상태 안정적인 마젠타/화이트 캡슐들이 마젠타 상태를 유지하지만 상태 불안정한 시안 셔터는 클리어 상태로부터 시안 상태로 릴렉스되며, 이것은 도 16에서 포지션 b에 상응한다. 양의 전압은 이후 시안을 셔터링된 클리어 상태로 스위칭하고 마젠타를 화이트 상태로 스위칭하며, 이것은 도 16에서 포지션 c에 상응한다. 전압이 제로에서 유지될 때, 상태 안정적인 마젠타/화이트 캡슐들은 화이트 상태를 유지하지만 상태 불안정한 시안 셔터는 클리어 상태로부터 시안 상태로 릴렉스되며, 이것은 도 16에서 포지션 d에 상응한다. 다음, 구동의 극성이 반전되지만, 스위칭 시간은 2 초 휴지에 의해 분리된 펄스에서 200 ms 로 감소된다. 마젠타/화이트 캡슐들은 (상태 안정적이기 때문에) 화이트에서 마젠타 상태로 점증적으로 스위칭되는 반면, 시안 캡슐들은 부분적으로 셔터링되지만 (포지션 e) 전압이 제로로 감소될 때마다 비셔터링된 상태로 릴렉스된다 (포지션 f). 이 패턴은 짧은 펄스들이 연속될 때 반복된다.
상기 논의로부터, 본 발명은 다중 컬러들을 표시할 수 있는 가변적인 투과 전기영동 매체들을 제공한다는 것을 알 것이다. 가변적인 컬러 분절화된 오버레이로 사용되는 경우, 본 발명의 매체들은 종래의 (정적) 컬러 필터 어레이보다 훨씬 더 넓은 색역을 제공할 수 있다. 본 발명은 또한 이미지 안정성이 높은 저헤이즈 단색 가변 투과 매체를 제공한다.

Claims (21)

  1. 전기광학 디스플레이로서,
    전기광학 재료의 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층으로서, 상기 전기광학 재료의 상기 층들 중 적어도 하나는, 유체내에 분산되고 상기 층으로의 전계의 인가시 상기 유체를 통해 이동할 수 있는 복수의 하전된 안료 입자들을 포함하는 전기영동 재료를 포함하고,
    상기 제 1 층은 상기 제 2 층에 의해서는 디스플레이될 수 없는 적어도 하나의 광학 상태를 디스플레이할 수 있고,
    상기 제 3 층은 상기 제 1 층 및 상기 제 2 층에 의해 디스플레이될 수 없는 적어도 하나의 광학 상태를 디스플레이할 수 있는, 상기 전기광학 재료의 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층;
    상기 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층의 일측에 배치되는 제 1 전극; 및
    상기 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층의 상기 제 1 전극과의 반대측에 배치되는 제 2 전극으로서, 상기 제 1 및 상기 제 2 층과의 사이에 전극이 없고, 상기 제 2 층 및 상기 제 3 층 사이에 전극 없이, 상기 제 1 층 및 상기 제 2 층은 직접 접촉하고 상기 제 2 층 및 상기 제 3 층은 직접 접촉하는, 상기 제 2 전극을 포함하는, 전기광학 디스플레이.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 3개의 층들은 임의의 순서로 시안, 마젠타 및 옐로우 안료들을 포함하는, 전기광학 디스플레이.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 옐로우 안료를 포함하는 층은 상기 시안 및 마젠타 안료들을 포함하는 층들보다 더 적은 수의 그레이 레벨들을 갖도록 배열되는, 전기광학 디스플레이.
  4. 제 2 항에 있어서,
    관측자가 상기 전기광학 디스플레이를 시인하는 시인 표면을 갖고,
    상기 시인 표면에 최근접한 2개의 전기광학 재료의 층들이 어떤 순서로든 시안 및 옐로우 안료들을 포함하는, 전기광학 디스플레이.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 층 및 상기 제 2 층 중 적어도 하나는 전기영동 재료를 함유하는 마이크로캐비티 (microcavity) 를 포함하는, 전기광학 디스플레이.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 마이크로캐비티의 벽들은 상기 전기영동 재료보다 큰 전도도를 갖는, 전기광학 디스플레이.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 층들 중 적어도 하나에서의 상기 하전된 안료 입자들은, 상기 안료 입자들이 각 화소의 전체 면적을 점유하는 제 1 광학 상태와, 상기 안료 입자들이 각 화소의 면적의 작은 (minor) 비율만을 점유하는 제 2 광학 상태 사이에서 이동가능한, 전기광학 디스플레이.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 층 및 상기 제 2 층의 상기 하전된 안료 입자들은, 상기 안료 입자들이 각 화소의 전체 면적을 점유하는 제 1 광학 상태와, 상기 안료 입자들이 각 화소의 면적의 작은 비율만을 점유하는 제 2 광학 상태 사이에서 이동가능한, 전기광학 디스플레이.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 층 및 상기 제 2 층에서의 상기 유체의 항복 응력 (yield stress) 들이 상이한, 전기광학 디스플레이.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 층 및 상기 제 2 층에서의 상기 안료 입자들은 사이즈, 형상 및 전기 전도도 중 적어도 하나가 상이한, 전기광학 디스플레이.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 층 및 상기 제 2 층에서의 상기 유체는 점도 및 전기 전도도 중 적어도 하나가 상이한, 전기광학 디스플레이.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 층 및 상기 제 2 층은 마이크로캐비티들을 갖고, 상기 마이크로캐비티들의 사이즈는 상기 제 1 층 상기 제 2 층에서 상이한, 전기광학 디스플레이.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 전기광학 재료의 층으로부터 떨어진 상기 제 1 전기광학 재료의 층의 표면에 또는 상기 제 1 전기광학 재료의 층에 인접하여 시인 표면을 갖고,
    상기 전기광학 디스플레이는 상기 제 2 전기광학 재료의 층의 상기 시인 표면과의 반대측에 제 3 전기광학 재료의 층을 더 포함하며,
    상기 제 3 전기광학 재료의 층은 유체 내에 배치되고 상기 제 3 전기광학 재료의 층으로의 전계의 인가시 상기 유체를 통해 이동할 수 있는 상이한 컬러들의 제 1 종류 및 제 2 종류의 입자들을 포함하며,
    상기 제 1 종류 및 제 2 종류의 입자들은 전기영동 이동도가 상이한, 전기광학 디스플레이.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 3 전기광학 재료의 층 내의 상기 제 1 종류의 입자들은 화이트인, 전기광학 디스플레이.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 전기광학 재료의 층 및 상기 제 2 전기광학 재료의 층의 입자들은 어떤 순서로든 옐로우 및 시안이고, 상기 제 3 전기광학 재료의 층의 상기 제 2 종류의 입자들은 마젠타인, 전기광학 디스플레이.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 적어도 하나는 화소의 면적의 작은 비율만을 점유하는, 전기광학 디스플레이.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기광학 재료의 층들 중 하나는 적어도 2가지 안정 상태들을 갖고,
    상기 제 2 전기광학 재료의 층은 단지 하나의 안정 상태만을 갖는, 전기광학 디스플레이.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극은 상기 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층을 적어도 부분적으로는 서로 독립적으로 제어하도록 구성되는, 전기광학 디스플레이.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극으로 전압을 제공하도록 구성되는 제어기를 더 포함하는, 전기광학 디스플레이.
  20. 적어도 하나의 캐비티를 정의하는 벽들을 갖는 마이크로캐비티 전기영동 디스플레이로서,
    상기 캐비티는 유체 및 상기 유체 내에 분산된 제 1 종류, 제 2 종류 및 제 3 종류의 입자들을 포함하고, 상기 제 1 종류, 제 2 종류 및 제 3 종류의 입자들 각각은, 상기 입자들이 마이크로캐비티의 전체 면적을 점유하는 비셔터링된 상태 및 상기 입자들이 상기 마이크로캐비티의 면적들의 작은 비율만을 점유하는 셔터링된 상태를 갖고, 상기 제 1 종류, 제 2 종류 및 제 3 종류의 입자들은 컬러들이 상이하고 유전영동 (dielectrophoretic) 또는 전기삼투 (electro-osmotic) 성질들이 상이하여 상기 제 1 종류, 제 2 종류 및 제 3 종류들의 입자들이 서로 독립적으로 비셔터링된 상태와 셔터링된 상태 사이에서 이동될 수 있도록 하는, 마이크로캐비티 전기영동 디스플레이.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1 종류, 제 2 종류 및 제 3 종류의 입자들의 컬러들은, 모든 세 종류들의 입자들이 그 비셔터링된 상태들에 있을 때 디스플레이가 실질적으로 블랙을 나타내도록 하는, 마이크로캐비티 전기영동 디스플레이.
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