TW201533512A - 電泳顯示器 - Google Patents

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Abstract

本發明針對包括電泳流體的電泳顯示裝置，該流體包括分散於溶劑中的二種帶電顆粒，其中二種帶電顆粒有相同的顏色，但攜帶相反的電荷極性。

Description

電泳顯示器
本發明針對電泳顯示裝置和用於此種顯示裝置的電泳流體。
電泳顯示器(electrophoretic display，EPD)是非發射性裝置，其係基於影響分散在介電溶劑中之帶電顏料顆粒的電泳現象。EPD典型而言包括一對隔開而像板狀的電極。至少一電極板(典型而言是在觀看側上)是透明的。由介電溶劑和當中分散之帶電顏料顆粒所組成的電泳流體則被包在二個電極板之間。
電泳流體可以具有一種帶電顏料顆粒，其分散於對比顏色的溶劑或溶劑混合物中。於此情形，當電壓差異施加在二個電極板之間時，顏料顆粒被極性相反於顏料顆粒的板所吸引而遷移。因此，顯示在透明板的顏色可以是溶劑的顏色或顏料顆粒的顏色。逆轉板的極性將使顆粒遷移回到相對的板，藉此逆轉顏色。
替代而言，電泳流體可以具有二種顏料顆粒，其具有對比顏色並且攜帶相反的電荷，而且二種顏料顆粒可以分散於澄清的溶劑或溶劑混合物中。於此情形，當電壓差異施加在二個電極板之間時，二種顏料顆粒會移動到相對的末端。因此，會在觀看側看到二種顏料顆粒當中的某一顏色。
電泳顯示器典型而言展現雙穩定性，其意謂在電泳流體中的帶電顆粒在電場下被驅動到所要位置之後，帶電顆粒在電場關閉之後會維持實質不移動的。換言之，當影像是藉由將帶電顆粒驅動到打算的位置而顯示時，即使在電場關閉之後，影像仍會維持不變。
圖1示範本發明的電泳流體。
圖2示範不同的顏色狀態可以如何由圖1的顯示裝置來顯示。
圖3示範替代性的電泳流體。
圖4示範不同的顏色狀態可以如何由圖3的顯示裝置來顯示。
本發明的第一方面針對電泳流體，如圖1所示。
於圖1，顯示裝置利用電泳流體，其包括二種(11和12)帶電顆粒，其有相同的顏色但攜帶相反的電荷極性。二種帶電顆粒分散於溶劑或溶劑混合物(13)中，而溶劑的顏色在目視上與二種帶電顆粒的顏色呈對比。
顯示流體夾在二個電極層之間。某一電極層是共同電極(15)，其為透明電極層(譬如氧化銦錫(ITO))而分散在顯示裝置的整個頂部上。另一電極層(16)是一層像素電極(16a)。二條垂直虛線之間的空間代表像 素。因此，每個像素具有對應的像素電極。
像素電極(16a)係描述於美國專利第7,046,228號，其內容整個併於此以為參考。注意雖然該層像素電極提到的是具有薄膜電晶體(thin film transistor，TFT)背面的主動矩陣式驅動，不過本發明的範圍涵蓋其他類型的電極定址，只要電極做出所要的功能即可。
帶電顆粒在顯示流體中的濃度可以為1體積%到20體積%，較佳而言5體積%到10體積%。
如果帶電顆粒是白色，則它們可以由無機顏料所形成，例如TiO2、ZrO2、ZnO、Al2O3、Sb2O3、BaSO4、PbSO4或類似者。它們也可以是聚合物顆粒而具有高折射率(>1.5)和特定的尺寸(>100奈米)以展現白色。
對於黑色帶電顆粒來說，它們可以由CI顏料黑26或28或類似者(譬如錳鐵礦黑尖晶石或銅鉻鐵礦黑尖晶石)或碳黑所形成。
如果帶電顆粒是其他的顏色(非白色和非黑色)，則它們可以由有機顏料所形成，例如CI顏料PR254、PR122、PR149、PG36、PG58、PG7、PB28、PB15：3、PY83、PY138、PY150、PY155或PY20。那些是常用的有機顏料，其描述於以下的顏色索引手冊：「新顏料應用科技」(CMC出版有限公司，1986年)和「印刷油墨科技」(CMC出版有限公司，1984年)。特定的範例包括Clariant的Hostaperm紅D3G 70-EDS、Hostaperm粉紅E-EDS、PV快紅D3G、Hostaperm紅D3G 70、Hostaperm藍B2G-EDS、Hostaperm黃H4G-EDS、Novoperm黃HR-70-EDS、Hostaperm綠GNX；BASF的Irgazine紅L 3630、Cinquasia紅L 4100 HD、Irgazin紅L 3660 HD；Sun化學的酞氰藍、酞氰綠、二芳基黃或二芳基AAOT黃。彩色顆粒也可以由無機顏料所形成，例如CI 顏料藍28、CI顏料綠50、CI顏料黃227和類似者。
帶電顆粒的表面可以基於所需顆粒的電荷極性和電荷程度而以已知的技術來修改，如美國專利第6,822,782和7,002,728號、美國專利公開案第2014-0011913、2012-0199798、2013-0175479號所述，其所有內容整個併於此以為參考。
帶電顆粒可以展現原有的電荷，或者可以使用電荷控制劑而明確的帶電，或者可以當懸浮於溶劑或溶劑混合物中而獲取電荷。
適合的電荷控制劑是此技藝所熟知的；它們本質上可以是聚合性或非聚合性的，或者可以是離子性或非離子性的。電荷控制劑的範例可以包括但不限於Solsperse 17000(主動聚合性分散劑)、Solsperse 9000(主動聚合性分散劑)、OLOA 11000(琥珀醯亞胺無灰分散劑)、Unithox 750(乙氧酸酯)、Span 85(山梨醇酐三油酸酯)、Petronate L(磺酸鈉)、Alcolec LV30(大豆卵磷脂)、Petrostep B100(石油磺酸酯)或B70(磺酸鋇)、Aerosol OT、聚異丁烯衍生物或聚(乙烯共丁烯)衍生物和類似者。
其中分散有顏料顆粒之溶劑的介電常數範圍在大約2到大約30，較佳而言大約2到大約15，以提供高顆粒移動性。適合的介電溶劑範例包括：碳氫化合物，例如異烷烴、十氫萘(DECALIN)、5-亞乙基-2-降莰烯、脂肪油、石蠟油；聚矽氧流體；芳香族碳氫化合物，例如甲苯、乙苯、苯茬乙烷、十二苯、烷基萘；鹵化溶劑，例如十氟萘、全氟甲苯、全氟乙苯、二氯三氟化苯、3,4,5-三氯三氟化苯、氯五氟苯、二氯壬烷、五氯苯；以及全氟化溶劑(例如來自明尼蘇達州聖保羅之3M公司的FC-43、FC-70、FC-5060)、低分子量之包含鹵素的聚合物(例如來自奧勒岡州波特蘭之TCI 美國的聚(全氟環氧丙烯))、聚(氯三氟乙烯)(例如來自紐澤西州River Edge之Halocarbon產品公司的Halocarbon油)、全氟聚烷基醚(例如來自Ausimont的Galden或來自達拉瓦州之DuPont的Krytox油和脂K流體系列)、來自Dow-Corning之基於聚二甲矽氧烷的聚矽氧油(DC-200)。
溶劑的顏色可以藉由將染料溶解在溶劑中而產生。溶劑染料一般而言是市售可得的。用於有機溶劑的染料分子典型而言是非極性或低極性的，並且它們不經歷離子化。較佳的染料具有良好的不褪色性(譬如基於金屬錯合物)。市售可得的溶劑染料範例可以包括但不限於溶劑紅24、溶劑紅26、溶劑紅164、溶劑黃124或溶劑藍35。
本發明顯示器的一個獨特特色在於：不像傳統的電泳顯示器，本發明的帶電顆粒不展現或展現最小的雙穩定性，這意謂當驅動電壓關閉時，顆粒會移動離開它們已經被驅動電壓所驅動到的位置。
圖2示範不同的顏色狀態如何由圖1的顯示器來顯示。為了示範，假設帶正電和帶負電的顆粒都是白色，並且它們分散於藍色的溶劑中。
當正驅動電壓施加到像素時(見圖2(a))，帶正電的白色顏料顆粒被驅動到或靠近共同電極。結果，在觀看側看到白色。
當負驅動電壓施加到像素時(見圖2(b))，帶負電的白色顏料顆粒被驅動到或靠近共同電極。結果，在觀看側看到的顏色也是白色。
當施加到圖2(a)或圖2(b)之像素的驅動電壓關閉時，帶電白色顆粒由於缺乏雙穩定性便會移動離開共同電極。於此情形，在觀看側看到溶劑的顏色(亦即藍色)(見圖2(c))。
從像素的觀點來看，不管施加了是正或負的驅動電壓，像素顯示相同的光學狀態，並且當驅動電壓關閉時顯示不同的光學狀態。
更特定而言，當有正驅動電壓所產生的電場時，它足以驅動帶正電的顆粒以抵達共同電極側而允許在觀看側看到該等顆粒的顏色，此種狀態稱為「開」狀態。類似而言，當有負驅動電壓所產生的電場時，它足以驅動帶負電的顆粒以抵達共同電極側而允許在觀看側看到該等顆粒的顏色，這狀態也稱為「開狀態」。如上所言，因為二種顆粒有相同的顏色，所以在二個「開」狀態所顯示的顏色是相同的。
當電力關閉時(也就是說，不施加驅動電壓)，這狀態稱為「關」狀態。在「關」狀態，顯示(也就是在觀看側看到)不同的顏色。
根據本發明，由於缺乏雙穩定性，「開」和「關」狀態之間定義成△E的顏色改變是至少5，較佳而言至少10。
於顏色科學，L、a、b用於定義光學狀態。實驗室顏色空間是顏色對立空間，其基於非線性壓縮的(譬如CIE XYZ顏色空間)座標而具有代表亮度的維度L以及代表顏色對立維度的a和b。亮度L*在L*=0代表最暗的黑色並且在L*=100代表最亮的白色。顏色通道a*和b*在a*=0和b*=0將代表真實的中性灰值。紅/綠對立顏色沿著a*軸來表示，而綠色在負a*值並且紅色在正a*值。黃/藍對立顏色沿著b*軸來表示，而藍色在負b*值並且黃色在正b*值。雖然a*和b*軸的比例和極限將取決於特定實施的實驗室顏色，但是它們常常範圍落在±100或-128到+127。每個可感知的顏色具有一組L*、a*、b*值。
如果二個顏色狀態分別表示成(L1*，a1*，b1*)和(L2*，a2*，b2*)， 則二個顏色狀態之間的顏色差異△E可以從以下方程式獲得：
舉例而言，如果在「開」狀態，像素顯示白色，其在實驗室系統表示成(65，-3.3，-1.8)，並且在「關」狀態，像素顯示藍色，其表示成(32.6，-11.4，-34.5)，則於本範例，△E計算為46.7。
圖3示範本發明的第二方面。於此圖，電泳流體包括二種(31和32)帶電顆粒，其有相同的顏色但攜帶相反的電荷極性。二種帶電顆粒分散於溶劑或溶劑混合物(33)中，其可以是澄清而無色的。顯示流體則夾在二個電極層之間。某一電極層是共同電極(35)，其為透明電極層(譬如ITO)而分散在顯示裝置的整個頂部上。另一電極層(36)是一層像素電極(36a)。二條垂直虛線之間的空間代表像素。因此，每個像素對應於像素電極。
本發明上面第一方面的敘述適用於本發明的這方面。然而，於本發明的這方面，添加了第三種顆粒(34)，並且第三種顆粒未帶電或稍微帶電，而其顏色在目視上與二種帶電顆粒的顏色呈對比。當中分散了顆粒的溶劑(33)較佳而言是澄清而無色的。
未帶電或稍微帶電的有色顆粒可以具有<20毫伏特的ζ電位(Zeta potential)。因此，在顯示裝置的操作期間，它們將維持靜止的並且實質均勻的分散於顯示流體中。
未帶電或稍微帶電的顆粒可以由聚合性材料所形成。聚合性材料可以是共聚物或單聚物。
用於未帶電或稍微帶電之顆粒的聚合性材料範例可以包括但不限於聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚苯胺、聚吡咯、聚 酚、聚矽氧烷或類似者。聚合性材料之更特定的範例可以包括但不限於聚(甲基丙烯酸五溴苯)、聚(2-乙烯萘)、聚(甲基丙烯酸萘)、聚(α-甲基苯乙烯)、聚(正苯基甲基丙烯醯胺)或聚(甲基丙烯酸苯)。
於一具體態樣，如果未帶電或稍微帶電的顆粒是有色的，則它們可以包括但不限於用於液晶顯示器(LCD)工業的彩色濾光應用之市售可得的染色劑，例如Clarian的Hostaperm紅D2B-COF VP 3781(亦即紅254)(其屬於二酮吡咯吡咯類)、Hostaperm藍E3R-COF VP3573(亦即藍15：6)(其屬於酞氰類)或Hostaperm紫RL-COF O2 VP3101(亦即紫23)(其屬於二類)。
於另一具體態樣，未帶電或稍微帶電的有色顆粒可以具有透明的聚合性基質，而染料分子溶解於基質中。此種未帶電或稍微帶電之有色顆粒的範例可以包括但不限於染色的聚合性微粒和染色的聚苯乙烯顆粒，其都是市售可得的。
未帶電或稍微帶電之顆粒的尺寸範圍較佳而言在10奈米到5微米，更佳而言50奈米到2微米。
圖3之帶電顆粒在顯示流體中的濃度可以是1體積%到20體積%，較佳而言5體積%到10體積%，並且未帶電或稍微帶電之顆粒在顯示流體中的濃度可以是1體積%到30體積%，較佳而言7體積%到20體積%。
圖4示範不同的顏色狀態如何由圖3的顯示流體來顯示。為了示範，假設帶正電和帶負電的顆粒都是白色，並且第三種顏料顆粒未帶電或稍微帶電而是藍色。於本範例，溶劑是澄清而無色的。
當正驅動電壓施加到像素時(見圖4(a))，帶正電的白色顏料 顆粒被驅動到或靠近共同電極。結果，在觀看側看到白色。
當負驅動電壓施加到像素時(見圖4(b))，帶負電的白色顏料顆粒被驅動到或靠近共同電極。結果，看到的顏色也是白色。
當施加到圖4(a)或圖4(b)之像素的驅動電壓關閉時，帶電白色顆粒由於缺乏雙穩定性便會移動離開共同電極。於此情形，在觀看側看到未帶電或稍微帶電之顆粒的顏色(亦即藍色)(見圖4(c))。
如圖4所示，像素顯示相同的光學狀態而不管施加的是正或負驅動電壓，並且當驅動電壓關閉時顯示不同的光學狀態。根據本發明，「開」和「關」狀態之間定義成△E，其之顏色改變也是至少5，較佳而言至少10。
有許多不同的方式來減少/消除帶電顆粒的雙穩定性，以便達到至少是5的△E，較佳而言是至少10。以下是一些選項。
舉例而言，較高的△E可以藉由帶電顆粒的表面修改而達成。於一具體態樣，顆粒可以披覆了可用溶劑溶解的聚合物，以使顆粒相容於分散它們的溶劑。
一般而言，顆粒表面上存在了可用溶劑溶解的聚合物是達成良好顆粒分散性的關鍵。可用溶劑溶解的聚合物之選擇會取決於該材料與用於電泳流體之溶劑的相容性。適合的聚合物可以包括但不限於聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯或聚矽氧烷。
可用溶劑溶解的聚合物可以是由單體、寡聚物或聚合物所形成，並且它們可以具有單鏈或支鏈。它們也可以具有不同的組態，例如在顆粒表面上為線圈、伸展鏈或不規則糾結鏈，此視聚合物與分散顆粒之溶 劑的相容性和/或聚合物鏈的密度和長度而定。
在顆粒的表面上，可以僅有單一種之可用溶劑溶解的聚合物或幾種不同類型之可用溶劑溶解的聚合物。
一個範例是TiO2作為核心顏料，而表面披覆了聚丙烯酸月桂酯。其他適合形成可用溶劑溶解的聚合物之單體可以包括但不限於甲基丙烯酸月桂酯、丙烯酸2-乙己酯、甲基丙烯酸2-乙己酯、丙烯酸己酯、甲基丙烯酸己酯、丙烯酸正辛酯、甲基丙烯酸正辛酯、丙烯酸正十八酯或甲基丙烯酸正十八酯。
如果帶電顆粒的表面披覆了可用溶劑溶解的聚合物，並且當驅動電壓關閉時，則顆粒會傾向於移動離開它們先前被驅動到的位置，並且分散回到溶劑裡。
替代而言，帶電顆粒的尺寸較佳而言是比較大，舉例而言大於1微米。帶電顆粒的密度較佳而言也高，舉例而言是當中分散了顆粒的溶劑之密度的至少二倍高。
流體也可以設計成在室溫具有範圍在0.5到50厘泊(cps)的低剪切黏滯度，如此則當電力關閉時，帶電顆粒可以由於重力或布朗運動造成的均勻分散而輕易往下沉降。
進一步替代而言，介電披覆可以施加到共同電極的表面(其在觀看側上)，以使共同電極具有維持性電壓(類似於逆轉偏壓現象)，而當電力關閉時可以從共同電極推回顆粒。介電披覆可以是聚胺酯、聚丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚乙烯醋酸酯、環氧樹脂或類似者。
本發明的電泳流體填充於顯示胞格中。顯示胞格可以是杯狀 微胞格，如美國專利第6,930,818號所述，其內容整個併於此以為參考。顯示胞格也可以是其他類型的微容器，例如微膠囊、微通道或等同者，而不管其形狀或尺寸。這些都在本案的範圍裡。
雖然本發明已經參考其特定的具體態樣來描述，不過熟於此技藝者應了解可以做出多樣的改變以及可以用等同者來取代，而不偏離本發明的真正精神和範圍。附帶而言，可以做出許多修改以使特殊的情形、材料、組成、過程、一或多個過程步驟適合本發明的目的和範圍。所有此種修改打算是在此所附請求項的範圍裡。
11、12‧‧‧帶電顆粒
13‧‧‧溶劑或溶劑混合物
15‧‧‧共同電極
16‧‧‧電極層
16a‧‧‧像素電極

Claims (17)

  1. 一種包括電泳流體的電泳顯示器，該流體包括分散於溶劑中的二種帶電顆粒，其中：(a)該等二種帶電顆粒有相同的顏色，但攜帶相反的電荷極性；以及(b)像素的開和關狀態之間的顏色差異表示成△E，其至少是5。
  2. 如申請專利範圍第1項的顯示器，其中△E至少是10。
  3. 如申請專利範圍第1項的顯示器，其中該溶劑具有的顏色可以與該等帶電顆粒的顏色做目視分辨。
  4. 如申請專利範圍第1項的顯示器，其中該流體進一步包括未帶電或稍微帶電的顆粒，其具有的顏色可以與該等帶電顆粒的顏色做目視分辨。
  5. 如申請專利範圍第4項的顯示器，其中該溶劑是澄清而無色的。
  6. 如申請專利範圍第3項的顯示器，其中該流體進一步包括電荷控制劑。
  7. 如申請專利範圍第4項的顯示器，其中該流體進一步包括電荷控制劑。
  8. 如申請專利範圍第3項的顯示器，其中該等帶電顆粒是白色，並且該溶劑染成紅、綠或藍色。
  9. 如申請專利範圍第4項的顯示器，其中該等帶電顆粒是白色，並且該未帶電或稍微帶電的顆粒是紅、綠或藍色。
  10. 如申請專利範圍第1項的顯示器，其中該等帶電顆粒披覆了可用溶劑溶解的聚合物。
  11. 如申請專利範圍第1項的顯示器，其中該流體夾在共同電極和多個 像素電極之間，並且該共同電極具有介電披覆。
  12. 如申請專利範圍第1項的顯示器，其中該等帶電顆粒的密度是有該等顆粒被分散於其中的該溶劑之密度的至少二倍高。
  13. 如申請專利範圍第1項的顯示器，其中該流體在室溫具有範圍在0.5到50厘泊的低剪切黏滯度。
  14. 如申請專利範圍第1項的顯示器，其中該等帶電顆粒的尺寸大於1微米。
  15. 如申請專利範圍第1項的顯示器，其中該流體填充於顯示胞格中。
  16. 如申請專利範圍第15項的顯示器，其中該等顯示胞格是杯狀微胞格。
  17. 如申請專利範圍第15項的顯示器，其中該等顯示胞格是微膠囊。
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