TW202223520A - 用於先進彩色電泳顯示器之改良式驅動電壓及具有改良式驅動電壓的顯示器 - Google Patents

用於先進彩色電泳顯示器之改良式驅動電壓及具有改良式驅動電壓的顯示器 Download PDF

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Abstract

用於驅動包含散射粒子和至少兩種相減性粒子的四種粒子電泳介質的改進方法。此方法允許用於顯示器，例如包含具有薄膜電晶體陣列的背板的彩色電泳顯示器，其中每個薄膜電晶體包含金屬氧化物半導體層。該金屬氧化物電晶體允許更快、更高的電壓切換，因此允許四種粒子電泳介質的直接顏色切換，而無需頂板切換。結果，可以更快地更新彩色電泳顯示器並且更可靠地再現顏色。

Description

用於先進彩色電泳顯示器之改良式驅動電壓及具有改良式驅動電壓的顯示器
本申請案要求於2020年09月15日所提交的美國臨時專利申請案號63/078,829的優先權。本文所揭露的所有專利和出版物以參照方式併入於其整體中。
電泳顯示器(EPD)藉由改變帶電有色粒子相對於透光觀看面的位置來改變顏色。這種電泳顯示器通常被稱為“電子紙”(electronic paper或ePaper)，因為所得到的顯示器具有高對比度並且陽光下是可閱讀的，很像紙上的墨水。電泳顯示器已在電子閱讀器中得到廣泛採用，例如AMAZON KINDLE®。因為電泳顯示器提供書本般的閱讀體驗，使用少功率，並允許了用戶在輕便的手持設備中攜帶數百本書的圖書館。
多年來，電泳顯示器只包含兩種類型的帶電有色粒子、黑色和白色(當然，此處使用的“顏色”包含黑色和白色)。白色粒子通常是光散射型的，並包含例如二氧化鈦，而黑色粒子在整個可見光譜中是具有吸收性的，且可以包含碳黑或具有吸收性的金屬氧化物，例如亞鉻酸銅。在最簡單的意義上來說，黑白及白色電泳顯示器只需要位於觀看面的透光電極、背電極、以及包含帶相反電荷的白色及黑色粒子的電泳介質。當提供一種極性電壓時，白色粒子移動到觀看面，而當提供相反極性電壓時，黑色粒子移動到觀看面。如果背電極包含可控區域(像素)—無論是分段電極或是由電晶體控制的像素電極的主動矩陣—可以使圖案以電子方式顯示在觀看面。例如，該圖案可以是本書的文本。
最近，電泳顯示器在市面上已有多樣的顏色可供選擇，包含三色顯示器(黑色、白色、紅色；黑色、白色、黃色)以及四色顯示器(黑色、白色、紅色、黃色)。與黑色及白色電泳顯示器的操作類似，具有三或四種反射顏料的電泳顯示器的操作類似於簡單的黑白顯示器，因為所需的顏色粒子被驅動到觀看面。該驅動方案遠比單純的黑白複雜得多，但歸根結底，粒子的光學功能是一樣的。
高級彩色電子紙(ACeP™)也包含四種粒子，但青色、黃色和洋紅色粒子是相減性的而非反射的，因此每個像素允許產生數千種顏色。顏色處理在功能上等同於平板印刷和噴墨印表機中長期使用的印刷方法。給定的顏色是通過在明亮的白紙背景上使用正確比例的青色、黃色和洋紅色所產生的。在ACeP的例子中，青色、黃色、洋紅色和白色粒子相對於觀看面的相對位置將決定每個像素的顏色。雖然這種類型的電泳顯示器允許在每個像素上顯示數千種顏色，但要在厚度約為10至20微米的工作空間內仔細地控制每種(50至500納米尺寸)顏料的位置是很關鍵的。顯然地，顏料位置的變化將導致在給定像素處顯示不正確的顏色。因此，這種系統需要精細的電壓控制。這種系統的更多細節可在以下美國專利中得知，所有這些專利均以參照方式併入於其整體中：美國專利號9,361,836、9,921,451、10,276,109、10,353,266、10,467,984、和10,593,272。
本發明涉及彩色電泳顯示器，尤其但不排它地，涉及能夠使用包含複數個有色粒子，例如白色、青色、黃色、和洋紅色粒子的單層電泳材料來呈現兩種顏色以上的電泳顯示器。在某些情況下，兩種粒子帶正電，而兩種粒子帶負電。在某些情況下，一種帶正電的粒子將具有厚的聚合物殼，而一種帶負電的粒子具有較厚的聚合物殼。
在此使用的術語灰度狀態在成像技術中的常規含義是指像素的兩種極端光學狀態之間的狀態，並不一定意味著這兩種極端狀態之間的黑白過渡。例如，下面提到的幾項電子墨水(E Ink)專利和所公開的申案請描述了電泳顯示器，其中極端狀態為白色和深藍色，因此中間灰度狀態實際上會是淡藍色。事實上，正如已經提到的，光學狀態的變化可能根本不是顏色變化。術語黑色和白色在下文中可以用來指顯示器的兩種極端光學狀態，並且應該理解為通常包含並非嚴格的黑色和白色的極端光學狀態，例如前述的白色和深藍色狀態。
在此使用的術語雙穩態和雙穩性在本領域中其常規含義是指包含顯示元件的顯示器，該顯示元件具有至少一種光學特性上不同的第一和第二顯示狀態，並因此在任何給定的元件被驅動之後，藉由有限期間的定址脈衝來假設其為第一或第二顯示狀態；在定址脈衝終止後，該狀態將持續至少幾倍於，例如至少四倍，改變顯示元件狀態所需的定址脈衝的最短持續時間。美國專利號7,170,670示出一些具有灰度的基於粒子的電泳顯示器不僅在其極端黑白狀態下穩定，在中間灰度狀態下也是穩定的，並且一些其它類型的電光顯示器也是如此。這種類型的顯示器被恰當地稱為多穩態而非雙穩態的顯示器，儘管為了方便起見，這裡可以使用術語雙穩態來涵蓋雙穩態和多穩態顯示器。
當用於指驅動電泳顯示器時，在此使用的術語脈衝是指在驅動顯示器的週期期間施加的電壓對時間的積分。
在寬頻帶或選定波長中吸收、散射或反射光的粒子在此是指有色或顏料粒子。除了吸收或反射光的顏料(嚴格意義來說該術語是指不溶的有色材料)之外的各種材料，例如染料或光子晶體等，也可以用於本發明的電泳介質和顯示器中。
多年來，基於粒子的電泳顯示器一直是重點研究和開發的主題。在這樣的顯示器中，複數個帶電粒子(有時稱為顏料粒子)在電場的影響下穿過流體。當與液晶顯示器相比時，電泳顯示器可以具有良好的亮度和對比度、寬視角、狀態雙穩性和低功耗等特性。然而，這些顯示器的長期影像質量問題阻礙了它們的廣泛使用。例如，構成電泳顯示器的粒子傾向於沉降，導致這些顯示器的使用壽命不足。
如上所提，電泳介質需要流體的存在。在大多數先前技術的電泳介質中，這種流體是液體，但可以使用氣態流體來產生電泳介質；例如，參見 Kitamura, T., et al., Electrical toner movement for electronic paper-like display, IDW Japan, 2001, Paper HCS1-1, and Yamaguchi, Y., et al., Toner display using inulative particles charged triboelectrically, IDW Japan, 2001, Paper AMD4-4)。還參見美國專利號7,321,459及7,236,291。當介質在允許這種沉降的方位上使用時，例如在介質放置在垂直平面上的標誌中，這種基於氣體的電泳介質似乎容易受到由於粒子沉降而導致的與基於液體的電泳介質相同類型的問題影響。事實上，在基於氣體的電泳介質中，粒子沉降似乎是個比在基於液體的電泳介質中更嚴重的問題，因為與液體懸浮流體相比，氣態懸浮流體的較低黏度允許電泳粒子更快速地沉降。
讓與麻省理工學院(MIT)和E Ink Corporation或其名下的眾多專利和申請案描述了用於封裝電泳和其它電光介質的各種技術。這種封裝介質包含許多小膠囊，每個小膠囊自身包含在流體介質中含有可電泳移動的粒子的內相，以及圍繞該內相的膠囊壁。通常，膠囊自身被固定在聚合物黏合劑內，以形成位於兩個電極之間的黏合層。這些專利和申請案中描述的技術包含： (a)電泳粒子、流體和流體添加劑；參見例如美國專利號7,002,728及7,679,814； (b)膠囊、黏合劑、及封裝製程；參見例如美國專利號6,922,276及7,411,719； (c)微單元結構、壁材料和形成微單元的方法；參見例如美國專利號7,072,095及9,279,906； (d)填充和密封微單元的方法；參見例如美國專利號7,144,942及7,715,088； (e)含有電光材料的薄膜和子組件；參見例如美國專利號6,982,178及7,839,564； (f)用於顯示器中的背板、黏合層和其它輔助層及方法；參見例如美國專利號7,116,318及7,535,624； (g)顏色形成顏色調整；參見例如美國專利號6,017,584；6,545,797；6,664,944；6,788,452；6,864,875；6,914,714；6,972,893；7,038,656；7,038,670；7,046,228；7,052,571；7,075,502***；7,167,155；7,385,751；7,492,505；7,667,684；7,684,108；7,791,789；7,800,813；7,821,702；7,839,564***；7,910,175；7,952,790；7,956,841；7,982,941；8,040,594；8,054,526；8,098,418；8,159,636；8,213,076；8,363,299；8,422,116；8,441,714；8,441,716；8,466,852；8,503,063；8,576,470；8,576,475；8,593,721；8,605,354；8,649,084；8,670,174；8,704,756；8,717,664；8,786,935；8,797,634；8,810,899；8,830,559；8,873,129；8,902,153；8,902,491；8,917,439；8,964,282；9,013,783；9,116,412；9,146,439；9,164,207；9,170,467；9,170,468；9,182,646；9,195,111；9,199,441；9,268,191；9,285,649；9,293,511；9,341,916；9,360,733；9,361,836；9,383,623；及9,423,666；及美國專利申請公開號2008/0043318；2008/0048970；2009/0225398；2010/0156780；2011/0043543；2012/0326957；2013/0242378；2013/0278995；2014/0055840；2014/0078576；2014/0340430；2014/0340736；2014/0362213；2015/0103394；2015/0118390；2015/0124345；2015/0198858；2015/0234250；2015/0268531；2015/0301246；2016/0011484；2016/0026062；2016/0048054；2016/0116816；2016/0116818；和2016/0140909； (h)驅動顯示器的方法；參見例如美國專利號5,930,026；6,445,489；6,504,524；6,512,354；6,531,997；6,753,999；6,825,970；6,900,851；6,995,550；7,012,600；7,023,420；7,034,783；7,061,166；7,061,662；7,116,466；7,119,772；7,177,066；7,193,625；7,202,847；7,242,514；7,259,744；7,304,787；7,312,794；7,327,511；7,408,699；7,453,445；7,492,339；7,528,822；7,545,358；7,583,251；7,602,374；7,612,760；7,679,599；7,679,813；7,683,606；7,688,297；7,729,039；7,733,311；7,733,335；7,787,169；7,859,742；7,952,557；7,956,841；7,982,479；7,999,787；8,077,141；8,125,501；8,139,050；8,174,490；8,243,013；8,274,472；8,289,250；8,300,006；8,305,341；8,314,784；8,373,649；8,384,658；8,456,414；8,462,102；8,514,168；8,537,105；8,558,783；8,558,785；8,558,786；8,558,855；8,576,164；8,576,259；8,593,396；8,605,032；8,643,595；8,665,206；8,681,191；8,730,153；8,810,525；8,928,562；8,928,641；8,976,444；9,013,394；9,019,197；9,019,198；9,019,318；9,082,352；9,171,508；9,218,773；9,224,338；9,224,342；9,224,344；9,230,492；9,251,736；9,262,973；9,269,311；9,299,294；9,373,289；9,390,066；9,390,661；和9,412,314；及美國專利申請公開號2003/0102858；2004/0246562；2005/0253777；2007/0091418；2007/0103427；2007/0176912；2008/0024429；2008/0024482；2008/0136774；2008/0291129；2008/0303780；2009/0174651；2009/0195568；2009/0322721；2010/0194733；2010/0194789；2010/0220121；2010/0265561；2010/0283804；2011/0063314；2011/0175875；2011/0193840；2011/0193841；2011/0199671；2011/0221740；2012/0001957；2012/0098740；2013/0063333；2013/0194250；2013/0249782；2013/0321278；2014/0009817；2014/0085355；2014/0204012；2014/0218277；2014/0240210；2014/0240373；2014/0253425；2014/0292830；2014/0293398；2014/0333685；2014/0340734；2015/0070744；2015/0097877；2015/0109283；2015/0213749；2015/0213765；2015/0221257；2015/0262255；2015/0262551；2016/0071465；2016/0078820；2016/0093253；2016/0140910；及2016/0180777(這些專利和申請案在下文中可能被稱為MEDEOD(驅動電光顯示器的方法)申請案)； (i)顯示器的應用；參見例如美國專利號7,312,784及8,009,348；以及 (j)非電泳顯示器，如美國專利號6,241,921；及美國專利申請公開號2015/0277160；及美國專利申請公開號2015/0005720及2016/0012710中所述的。
許多上述專利和申請案都認識到封裝的電泳介質中圍繞離散微膠囊的壁可以被連續相取代，從而產生所謂的聚合物分散電泳顯示器，其中該電泳介質包含複數個離散的電泳流體的液滴以及聚合物材料的連續相，並且即使沒有離散的囊膜與每個單獨的液滴相關聯，在這種聚合物分散的電泳顯示器內的電泳流體的離散液滴也可以被視為膠囊或微膠囊；參見例如美國專利號6,866,760。因此，就本申請案的目的而言，這種聚合物分散的電泳介質被視為是封裝電泳介質的亞種。
相關類型的電泳顯示器是所謂的微單元電泳顯示器。在微單元電泳顯示器中，帶電粒子和流體沒有被封裝在微膠囊內，而是保留在載體介質內形成的複數個空腔內，該載體介質通常是聚合物膜。參見例如美國專利號6,672,921和6,788,449。
儘管電泳介質通常是不透明的(例如，因為在許多電泳介質中，粒子基本上阻止了可見光通過顯示器的傳輸)並且以反射模式運行；許多電泳顯示器可以在所謂的快門模式下運行，其中一種顯示狀態基本上是不透明的，一種是透光的。參見例如美國專利號5,872,552；6,130,774；6,144,361；6,172,798；6,271,823；6,225,971；及6,184,856。與電泳顯示器類似但依賴電場強度變化的介電泳顯示器可以在類似的模式下運行；參見美國專利號4,418,346。其它類型的電光顯示器也可能能夠在快門模式下運行。以快門模式運行的電光介質可用於全彩顯示器的多層結構；在這樣的結構中，與顯示器的觀看面相鄰的至少一層在快門模式下運行以暴露或隱藏離觀看面更遠的第二層。
封裝的電泳顯示器通常不會受到傳統電泳設備的集群和解決失效模式的影響，並提供進一步的優勢，例如在各種柔性和剛性基板上印刷或塗覆顯示器的能力(印刷一詞的使用意在包含所有形式的印刷和塗佈，包含但不限於：預計量塗佈，例如貼片模具塗佈、狹縫或擠出塗佈、滑動或級聯塗佈、簾塗布；輥塗，例如刮刀輥塗佈、正向和反向輥塗佈；凹版塗佈；浸塗佈；噴霧塗佈；彎液面塗佈；旋塗佈；刷塗佈；氣刀塗佈；絲網印刷處理；靜電印刷處理；熱印處理；噴墨印刷處理；電泳沉積(參見美國專利號7,339,715)；以及其它類似技術)。因此，所得的顯示器可以是柔性的。此外，因為顯示介質可以印刷(使用各種方法)，所以可以廉價地製造顯示器本身。
如上所述，大多數簡單的先前技術電泳介質基本上只顯示兩種顏色。這種電泳介質要麼使用在有色流體中具有第一顏色的單一類型電泳粒子，該有色流體具有第二、不同的顏色(在這種情況下，當粒子位於顯示器的觀看面附近時顯示第一顏色，並且當粒子與觀看面間隔開時顯示第二顏色)，或者使用在未著色流體中具有不同的第一和第二顏色的第一和第二類型的電泳粒子(在這種情況下，當第一類型粒子位於顯示器的觀看面附近時顯示第一種顏色，並且當第二類型粒子位於顯示器的觀看面附近時顯示第二顏色)。通常這兩種顏色為黑色和白色。如果需要全彩顯示器，可以在單色(黑色與白色)顯示器的觀看面上沉積濾色器陣列。帶有彩色濾色器陣列的顯示器依靠區域共享和顏色混合來創建顏色刺激。可用的顯示區域在例如紅/綠/藍(RGB)或紅/綠/藍/白(RGBW)三或四種原色之間共享，並且濾色器可以按一維(條紋)或二維(2x2)重複模式來排列。原色或三種原色以上的其它選擇在本領域中也是習知的。選擇足夠小的三種(在RGB顯示器的情況下)或四種(在RGBW顯示器的情況下)子像素，以在預期的觀看距離下，它們在視覺上混合在一起成為具有均勻顏色刺激(‘顏色混合’)的單個像素。區域共享的固有缺點是色料始終存在，只能通過將底層單色顯示器的相應像素切換為白色或黑色(打開或關閉相應的原色)來調製顏色。例如，在理想的RGBW顯示器中，每個紅色、綠色、藍色和白色原色都佔據顯示區域的四分之一(四分之一的子像素)，白色子像素與底層單色顯示白色一樣亮，並且每個有色的子像素不比單色顯示白色的三分之一亮。顯示器整體顯示的白色亮度不能超過白色子像素亮度的一半(顯示器的白色區域是通過顯示每四個白色子像素中的一個來產生的，加上每個有色子像素在其有色形式中相當於一個白色子像素的三分之一，因此三個有色子像素組合起來的貢獻不會超過一個白色子像素)。通過將切換為黑色的有色像素的區域共享來降低顏色的亮度和飽和度。當混合黃色時，區域共享尤其成了問題，因為它比任何其它相同亮度的顏色都要亮，而飽和黃色幾乎與白色一樣明亮。將藍色像素(顯示區域的四分之一)切換為黑色會使黃色太暗。
美國專利號8,576,476及8,797,634描述了具有單個背板的多色電泳顯示器，該背板包含獨立可定址的像素電極和共用、透光前電極。該背板與該前電極之間設置有複數個電泳層。這些應用中描述的顯示器能夠在任何像素位置呈現任何原色(紅色、綠色、藍色、青色、洋紅色、黃色、白色和黑色)。然而，使用位於單組定址電極之間的多個電泳層存在著缺點。特定層中的粒子所經歷的電場會低於用相同電壓定址的單個電泳層的情況。此外，最靠近觀看面的電泳層中的光學損失(例如，由光散射或不需要的吸收引起)可能會影響在底層的電泳層中形成的圖像的外觀。
已經嘗試提供使用單個電泳層的全彩電泳顯示器了。例如美國專利號8,917,439描述了一種包含電泳流體的彩色顯示器，該電泳流體包含一種或兩種分散在透明無色或有色溶劑中的顏料粒子，該電泳流體設置在共用電極和複數個像素或驅動電極之間。該驅動電極被設置暴露背景層。美國專利號9,116,412描述了一種用於驅動填充有電泳流體的顯示單元的方法，該電泳流體包含攜帶相反電荷極性和兩種對比色的兩種類型的帶電粒子。這兩種顏料粒子分散在有色溶劑中，或分散在不帶電或微帶電有色粒子的溶劑中。該方法包含藉由施加大約為全驅動電壓的1%至大約20%的驅動電壓來驅動顯示單元，以顯示溶劑的顏色或不帶電或微帶電有色粒子的顏色。美國專利號8,717,664及8,964,282描述了一種電泳流體和一種用於驅動電泳顯示器的方法。該液體包含第一、第二和第三類型的顏料粒子，所有這些粒子都分散在溶劑或溶劑混合物中。第一和第二類型顏料粒子帶有相反的電荷極性，並且第三類型顏料粒子具有小於第一或第二類型的電荷位準約50%的電荷位準。這三種類型的顏料粒子具有不同的閾值電壓位準，或不同的遷移率位準，或兩者兼有。這些專利申請案在意義上沒有一個揭示下面使用的項目的全彩顯示器。
本文公開了驅動全彩電泳顯示器的改進方法和使用這些驅動方法的全彩電泳顯示器。一方面，本發明涉及一種彩色電泳顯示器，其包含位於觀看面的透光電極、包含耦合到像素電極的薄膜電晶體陣列的背板，其中每個薄膜電晶體包含金屬氧化物半導體層、設置於該透光電極與該背板之間的彩色電泳介質。該彩色電泳介質包含(a)流體，(b)分散在該流體中的複數個第一粒子和複數個第二粒子，該第一粒子和該第二粒子帶有相反極性的電荷，該第一粒子是光散射粒子，而該第二粒子具有相減性原色的其中一者，以及(c)分散在該流體中的複數個第三和複數個第四粒子，該第三和該第四粒子帶有相反極性的電荷，該第三和該第四粒子各具有彼此不相同且與該第二粒子不同的相減性原色。
在一些實施例中，分離由該第三類型和該第四類型的粒子所形成的聚集體所需的第一電場大於分離由任何其它兩種類型的粒子所形成的聚集體所需的第二電場。在一些實施例中，該第二、該第三、及該第四粒子中的至少兩者是非光散射粒子。在一些實施例中，該第一及該第三粒子帶負電，而該第二及該第四粒子帶正電。在一些實施例中，該第一、該第二、該第三及該第四粒子的顏色分別為白色、青色、黃色和洋紅色，白色及黃色粒子帶負電，洋紅色及青色粒子帶正電。在一些實施例中，當顏料按15%的體積百分比約略等向性地分佈在包含顏料及折射率小於1.55的液體之厚度為1微米的層中時，該黃色、洋紅色、及青色顏料分別在650、550、及450奈米處表現出在黑色背景上測量的漫射反射率小於2.5%。在一些實施例中，該流體是介電常數小於約5的非極性液體。在一些實施例中，該流體已在其中溶解或分散了具有平均分子量超過約20,000並且基本上不吸收該粒子的聚合物。在一些實施例中，該金屬氧化物半導體是氧化銦鎵鋅(IGZO)。上述發明可以結合到電子書閱讀器、可攜電腦、平板電腦、蜂巢式電話、智慧卡、標誌、手錶、貨架標籤或快閃驅動器。
在另一方面，一種彩色電泳顯示器包含控制器、位於觀看面的透光電極、包含耦合到像素電極的薄膜電晶體陣列的背板，每個薄膜電晶體包含金屬氧化物半導體層。彩色電泳介質被設置在該透光電極與該背板之間，並且該彩色電泳介質包含(a)流體，(b)分散在該流體中的複數個第一粒子及複數個第二粒子，該第一及該第二粒子帶有相反極性的電荷，該第一粒子是光散射粒子，而該第二粒子具有相減性原色的其中一者，以及(c)分散在該流體中的複數個第三粒子及複數個第四粒子，該第三及該第四粒子帶有相反極性的電荷，該第三及第四粒子各具有彼此不相同且與該等第二粒子不同的相減性原色。該控制器係構造成向該像素電極提供複數個驅動電壓，使得可以在每個像素電極上顯示白色、黃色、紅色、洋紅色、藍色、青色、綠色及黑色，同時保持透光電極處於恆定電壓。在一些實施例中，該控制器係構造成向該像素電極提供大於25伏且小於-25伏的電壓。在一些實施例中，該控制器係構造成另外提供介於25伏與0伏之間的電壓以及介於-25伏與0伏之間的電壓。在一些實施例中，該金屬氧化物半導體是氧化銦鎵鋅(IGZO)。
在另一方面，一種彩色電泳顯示器包含控制器、位於觀看面的透光電極、背板電極、以及設置在該透光電極與該背板電極之間的彩色電泳介質，該彩色電泳介質包含(a)流體，(b)分散在該流體中的複數個第一粒子及複數個第二粒子，該第一及該第二粒子帶有相反極性的電荷，該第一粒子是光散射粒子，而該第二粒子具有相減性原色的其中一者，以及(c)分散在該流體中的複數個第三粒子和複數個第四粒子，該第三和該第四粒子帶有相反極性的電荷，該第三和第四粒子各具有彼此不相同且與該第二粒子不同的相減性原色。該控制器係構造成向該透光電極提供第一高電壓及第一低電壓，以及向該背板電極提供第二高電壓、零電壓和第二低電壓，使得白色、黃色、紅色、洋紅色、藍色、青色、綠色及黑色的顏色可以在該觀看面顯示，其中該第一高電壓、該第一低電壓、該第二高電壓及該第二低電壓中的至少一者的大小為不相同的。在一些實施例中，該第一高電壓的大小與該第二高電壓的大小相同。在一些實施例中，該第一低電壓的大小與該第二低電壓的大小相同，且該第一高電壓的大小與該第一低電壓的大小不相同。
在另一方面，一種彩色電泳顯示器包含控制器、位於觀看面的透光電極、背板電極、以及設置在該透光電極與該背板電極之間的彩色電泳介質。該彩色電泳介質包含(a)流體，(b)分散在該流體中的複數個第一粒子及複數個第二粒子，該第一及該第二粒子帶有相反極性的電荷，該第一粒子是光散射粒子，而該第二粒子具有相減性原色的其中一者，(c)分散在該流體中的複數個第三粒子和複數個第四粒子，該第三和該第四粒子帶有相反極性的電荷，該第三和第四粒子各具有彼此不相同且與該第二粒子不同的相減性原色。該控制器係構造成通過向該背板電極提供複數個時間相關驅動電壓中的一者使白色、黃色、紅色、洋紅色、藍色、青色、綠色及黑色顏色在該觀看面上顯示，同時向該透光電極提供下列驅動電壓中的一者，1)第一次高電壓，第二次低電壓，以及第三次高電壓，或2)第一次低電壓，第二次高電壓，以及第三次低電壓。
本發明包含用於驅動四粒子電泳介質的改進方法，其中至少兩種粒子是有色和相減性的，並且至少一種粒子是會散射的。通常，這種系統包含白色粒子和青色、黃色和洋紅色相減性原色粒子。這種系統在圖1中示意性地示出，且其可以在每個像素上提供白色、黃色、紅色、洋紅色、藍色、青色、綠色、以及黑色。
在ACeP的例子中，八種主要顏色(紅色、綠色、藍色、青色、洋紅色、黃色、黑色和白色)中的每一種都對應於四種顏料的不同排列，使得觀看者只能看到那些於白色顏料觀看側的有色顏料(即唯一能散射光的顏料)。已經發現，將四種顏料分類為適當配置的波形使這些顏色至少需要五種電壓位準(高正、低正、零、低負、高負)。參見圖1，為了獲得更廣泛的顏色，必須使用額外的電壓位準來更好地控制顏料。本發明提供了幾種改善的方式來驅動這種電泳介質，使得它們更新像素顏色更快、更少閃爍，並產生更令觀看者滿意的色譜。
提供三種相減性原色的三種粒子可以基本上是非光散射(“SNLS”)的。SNLS粒子的使用允許混合顏色並提供比使用相同數量的散射粒子所能實現的更多顏色結果。這些閾值必須充分分離以避免串擾，並且這種分離需要對某些顏色使用高定址電壓。此外，對具有最高閾值的有色粒子進行定址也會移動所有其它有色粒子，並且這些其它粒子必須隨後在較低電壓下切換到它們所需的位置。這種逐步的顏色定址方案產生不需要的顏色閃爍和較長的過渡時間。本發明不需要使用這樣的步進波形，並且如下所述，可以僅用兩個正電壓和兩個負電壓來實現對所有顏色定址(即顯示器中僅需要五個不同的電壓，兩個正電壓、兩個負電壓和零電壓，儘管如下所述的某些實施例中，可以優選使用更多不同電壓來定址顯示器)。
正如已經提到的，附圖中的圖1為在顯示黑色、白色、三種相減性原色、以及三種相加性原色時各種有色粒子在本發明的電泳介質中的位置橫截面示意圖。在圖1中，假設顯示器的觀看面在頂部(如圖所示)，即用戶從該方向觀看顯示器，並且光從該方向入射。正如已經指出的，在優選實施例中，使用於本發明的電泳介質的四種粒子中只有一種基本上會散射光，並且在圖1中，這個粒子被假定為白色顏料。該光散射白色粒子形成白色反射器，在該白色反射器上可以觀看白色粒子上方的任何粒子(如圖1所示)。進入顯示器觀看面的光穿過這些粒子，被白色粒子反射，穿過這些粒子返回並從顯示器中射出。因此，白色粒子上方的粒子可以吸收各種顏色，並且呈現給用戶的顏色是由白色粒子上方的粒子組合產生的顏色。放置在白色粒子下方(從用戶的角度來看)的任何粒子都被白色粒子遮蔽，並且不會影響顯示的顏色。因為第二、第三和第四粒子基本上是不散射光的，所以它們相對於彼此的順序或排列並不重要，但由於已經陳述的原因，它們相對於白色(光散射)粒子的順序或排列是關鍵的。
更具體地，當青色、洋紅色和黃色粒子位於白色粒子下方時(圖1中的情況[A])，白色粒子上方沒有粒子並且像素僅顯示白色。當單個粒子位於白色粒子上方時，該單個粒子的顏色分別顯示在圖1中的情況[B]、[D]和[F]中的黃色、洋紅色和青色。當兩種粒子位於白色粒子之上時，顯示的顏色是這兩種粒子的組合；在圖1中的情況[C]中，洋紅色和黃色粒子顯示紅色，在情況[E]中，青色和洋紅色粒子顯示藍色，而在情況[G]中，黃色和青色粒子顯示綠色。最後，當所有三種有色粒子都位於白色粒子上方時(圖1中的情況[H])，所有入射光都被三種相減性原色粒子吸收，並且像素顯示黑色。
一種相減性原色可能是由散射光的粒子呈現，使得此顯示器將包含兩種類型的光散射粒子，其中一種是白色的，另一種是有色的。然而，在這種情況下，光散射有色粒子相對於覆蓋白色粒子的其它有色粒子的位置將是重要的。例如，在呈現黑色時(當所有三種有色粒子都位於白色粒子之上時)，散射有色粒子不能位於非散射有色粒子上(否則它們將部分或完全隱藏在散射粒子之後，並且呈現的顏色將是散射有色粒子的顏色，而不是黑色)。
如果有一種以上類型的會散射光的有色粒子，則不容易將顏色呈現為黑色。
圖1顯示了一種理想化的情況，其中顏色是未被沾染的(即光散射白色粒子完全掩蓋了位於白色粒子之後的任何粒子)。實際上，白色粒子的掩蔽可能是不完美的，因此理想情況下完全掩蔽的粒子可能會吸收一些光。這種沾染通常會降低所呈現顏色的亮度和色度。在本發明的電泳介質中，這種顏色沾染應該被最小化到形成的顏色與顏色再現的工業標準相稱的程度。一個特別受歡迎的標準是SNAP(報紙廣告製作標準)，它指定了上述八種原色中每一種的L*、a*和b*值(下文中，“原色”將用於指八種顏色，黑色、白色、三種相減性原色、以及三種相加性原色，如圖1所示)。
圖2A和2B為本發明的優選實施例中使用的四種顏料類型(1-4；5-8)的橫截面示意圖。在圖2A中，吸附到核顏料上的聚合物殼以深色陰影表示，而核顏料本身顯示為無陰影。多種形式可用於核顏料：球形、針狀或其它不等軸、較小粒子的聚集體(即“葡萄簇”)、包含分散在黏合劑中的小顏料粒子或染料的複合粒子，以及在本領域中是眾所周知的等。聚合物殼可以是通過本領域習知的接枝製程或化學吸附所製成的共價鍵合聚合物，或者可以是通過物理吸附到粒子表面上。例如，聚合物可以是包含不可溶和可溶鏈段的嵌段共聚物。將聚合物殼固定到核顏料的一些方法在以下實施例中描述。
在圖2A的實施例中，第一和第二粒子類型較佳地具有比第三和第四粒子類型更堅固的聚合物殼。光散射白色粒子屬於第一種或第二種類型(帶負電或帶正電)。在接下來的討論中，假設白色粒子帶有負電荷(即屬於類型1)，但本領域技術人員可以清楚明白所描述的通則將適用於粒子組，其中白色粒子帶正電。
此外，如圖2B所示，與第三和第四粒子類型相比，並不要求第一和第二粒子類型要具有不同的聚合物殼。如圖2B所示，四種粒子上足夠的微分電荷將允許對粒子進行電泳控制並在觀看面產生所需的顏色。例如，粒子5可以具有比粒子7更大的負電荷，而粒子6與粒子8相比具有更大的正電荷。也可能使用聚合物官能性和電荷(或粒子尺寸)的其它組合;然而，在合適的電場存在的情況下，所有四粒子必須是能夠彼此分離的，例如可以用商業數位電子設備產生的低壓電場。
在圖2A的系統中，本發明在含有電荷控製劑的懸浮溶劑中分離由類型3和4的粒子混合物形成的聚集體所需的電場大於分離由兩種類型粒子的任何其它組合形成的聚集體所需的電場。另一方面，分離由第一和第二種粒子之間所形成的聚集體所需的電場小於分離由第一和第四粒子或第二和第三粒子之間所形成的聚集體所需的電場(當然小於需要分離第三和第四粒子的電場)。
在圖2A中，包含粒子的核心顏料顯示為具有大致相同的尺寸，並且雖然未顯示，但假定每個粒子的zeta電位大致相同。不同的是圍繞每個核顏料的聚合物殼的厚度。如圖2A所示，這種聚合物殼對於類型1和2的粒子而言，比對於類型3和4的粒子更厚。
為了獲得高解析度顯示器，顯示器的各個像素必須是可定址的，而不會受到相鄰像素的干擾。實現這目標的一種方式是提供非線性元件的陣列，例如電晶體或二極管，其中至少一個非線性元件與每個像素相關聯，以產生“主動矩陣”顯示器。定址一個像素的定址或像素電極通過相關聯的非線性元件連接到適當的電壓源。典型而言，當非線性元件是電晶體時，像素電極連接到電晶體的汲極，並且在下面的描述中將假設這種佈置，儘管它本質上是任意的以及像素電極可以連接到電晶體的源極。一般來說，在高解析度陣列中，像素排列在二維的列行陣列中，使得任何特定像素都由一個指定列和一個指定行的交叉點來唯一地定義。每行的所有電晶體的源極連接到單行電極，而每行的所有電晶體的閘極連接到單行電極；同樣地，將源極分配給列和將閘極分配給行是常規的，但本質上是任意的，並且如果需要的話可以反向設置。列電極連接到列驅動器，其本質上確保在任何給定時刻僅選擇一列行，即向所選的列電極施加選擇電壓，以確保所選列中的所有電晶體是導通的，而對所有其它列施加非選擇電壓，以確保這些非選擇列中的所有電晶體保持非導通。行電極連接到行驅動器，行驅動器將所選的電壓施加到不同的行電極上，以將所選列中的像素驅動到它們所需的光學狀態(上述電壓是相對於共用前電極而言的，該前電極通常設置在與非線性陣列相對的電光介質的一側，並在整個顯示器上延伸)。在稱為“線定址時間”的預選間隔後，所選列被取消選擇，下一列被選中，並且行驅動器上的電壓發生變化，以便寫入顯示器的下一行。重複此過程，以便以逐列方式寫入整個顯示器。
一般而言，每個像素電極都具有與其相關聯的電容電極，使得像素電極與電容電極形成電容。參見例如國際專利申請案WO 01/07961。在一些實施例中，N型半導體(例如非晶矽)可以用於形成電晶體並且施加到閘極的“選擇”和“非選擇”電壓可以分別是正和負的。
附圖的圖3描繪了電泳顯示器的單個像素的示例性等效電路。如圖所示，該電路包含形成在像素電極和電容電極之間的電容器10。電泳介質20被表示為並聯的電容器和電阻器。在一些情況下，與像素相關聯的電晶體的閘極電極和像素電極之間的直接或間接耦合電容30(通常稱為“寄生電容”)可能對顯示器產生不想要的雜訊(noise)。通常，寄生電容30比存儲電容10的寄生電容小很多，並且當顯示器的像素列被選擇或取消選擇時，寄生電容30可能對像素電極產生很小的負偏移電壓，也稱為作為“反沖電壓”，其通常小於2伏。在一些實施例中，為了補償不需要的“反沖電壓”，共用電位V com可以被供給給與每個像素相關聯的頂板電極和電容電極，使得當V com被設置為等於反沖電壓(V KB)的值時，供給給顯示器的每個電壓都可以抵消相同的量，並且沒有淨直流不平衡的經歷。
然而，當V com設置為未補償反沖電壓的電壓時，可能會出現問題。當需要向顯示器施加比單獨從背板得到的電壓更高的電壓時，可能會發生這種情況。本領域眾所周知，例如，如果背板供給名義上的+V、0或-V的選擇，則施加到顯示器的最大電壓可以加倍，而V com被供給為-V。在這種情況下經歷的最大電壓為+2V(即在背板相對於頂板)，而最小值為零。如果需要負電壓，則V com電位必須至少升高到零。用於使用頂板切換對具有正電壓和負電壓的顯示器進行定址的波形必須因此具有分配給一個以上的V com電壓設置中的每一個的特定幀。
美國專利號9,921,451中描述的一組用於驅動具有四種粒子的彩色電泳顯示器的波形，該專利以參照方式併入本文。在美國專利號9,921,451中，向像素電極施加了七種不同的電壓：三種正電壓、三種負電壓和零電壓。然而，在一些實施例中，使用在這些波形中的最大電壓高於非晶矽薄膜電晶體可以處理的電壓。在這種情況下，可以藉由使用頂板切換來獲得合適的高電壓。當(如上所述)V com有意地設置為V KB時，可以使用獨立的電源供應器。然而，當使用頂板切換時，使用與V com設置一樣多的獨立電源供應器既昂貴又不方便。此外，已知頂板切換會增加反沖，從而降低顏色狀態的穩定性。
可以以先前技術中習知的幾種方式使用本發明的電泳流體來構造顯示裝置。電泳流體可以封裝在微膠囊中或結合到微單元結構中，然後用聚合物層密封。微膠囊或微單元層可以塗覆或壓印到帶有透明導電材料塗層的塑料基板或薄膜上。可以使用導電黏合劑將這個總成層壓到帶有像素電極的背板。另外，可以將電泳流體直接分配在薄開孔網格上，該網格已經設置在包含像素電極的主動矩陣的背板上。然後可以用集成保護片/透光電極對填充的網格進行頂部密封。
圖4示出了適用於本發明的顯示器結構200的示意橫截面圖(未按比例)。在顯示器200中，電泳流體被圖示為限制在微杯中，儘管也可以使用結合了微膠囊的等效結構。可以是玻璃或塑料的基板202帶有像素電極204，該像素電極204為獨立定址段或與主動矩陣佈置中的薄膜電晶體相關聯(基板202和電極204的組合通常被稱為顯示器的背板)。層206是根據本發明施加到背板的可選介電層(在美國專利申請號16/862,750中描述了用於沉積合適的介電層的方法，以參照方式併入)。顯示器的前板包含帶有透明導電塗層220的透明基板222。上覆電極層220是可選的介電層218。層(或多層)216是聚合物層，其可以包含用於將微杯黏合到透明電極層220的底漆層和包含微杯底部的一些殘留聚合物。微杯212的壁用於容納電泳流體214。微杯用層210來密封，並且整個前板結構使用導電黏合劑層208黏附到背板上。先前技術中描述了形成微杯的過程，例如在美國專利號6,930,818中。在一些情況下，微型杯的深度小於20μm，例如深度小於15μm，例如深度小於12μm，例如深度約10μm，例如深度約8μm。
由於製造設施的可用性更廣泛和各種起始材料的成本，大多數商用電泳顯示器在主動矩陣背板(202/024)的構造中使用了非晶矽基薄膜電晶體(TFT)。不幸的是，當供給的閘極電壓允許高於約+/-15V的電壓切換時，非晶矽薄膜電晶體會變得不穩定。儘管如此，如下所述，當允許高正負電壓的大小允許超過+/-15V時，ACeP的性能會得到改善。因此，如先前公開中所述，藉由相對於背板像素電極上的偏壓額外地改變頂部透光電極的偏壓來實現改善的性能，也稱為頂板切換。因此，如果需要+30V(相對於背板)的電壓，可以將頂板切換到-15V，同時將適當的背板像素切換到+15V。例如美國專利號9,921,451中更詳細地描述了用於驅動具有頂板切換的四粒子電泳系統的方法。
頂板切換方法有幾個缺點。首先，當(通常)頂面沒有像素化，而是單個電極延伸到顯示器的整個表面時，其電位會影響顯示器中的每個像素。如果它被設置為匹配可從背板上得到的最大大小的電壓之一(例如，最大的正電壓)，當在背板上的該電壓有效化時，墨水兩端將沒有淨電壓。當向背板供給任何其它可用電壓時，總會有負極性電壓供給顯示器中的任何像素。因此，如果波形需要正電壓，則在頂板電壓改變之前，不能將其提供給任何像素。在第三實施例的多色顯示器中使用的典型波形使用正極性和負極性的多個脈衝，並且這些脈衝的長度在用於製作不同顏色的波形中的長度不同。此外，不同顏色的波形相位可能不同：換句話說，對於某些顏色，正脈衝可能在負脈沖之前，而對於其它顏色，負脈衝可能在正脈沖之前。為了調解這種情況，必須在波形中加入“休止符”(即停頓)。實際上，這會導致波形比理想情況下需要的更長(多達兩倍)。
其次，在頂板切換中，可選擇的電壓位準是有限的。如果施加到頂板上的電壓分別表示為V t+和V t-，以及那些施加到背板上的電壓分別表示為V b +和V b -，為了實現橫跨電泳流體的零電壓條件，必須確定|V t+|=|V b +|和|V t-|=|V b -|。然而，正負電壓的大小不必相同。
在高級彩色電子紙(ACeP)的先前實施例中，描述並繪製了施加到本發明顯示器背板之像素電極的波形(電壓對時間的曲線)，而假定前電極接地(即在零電位)。經歷電泳介質的電場當然由背板和前電極之間的電位差以及它們之間的距離來決定。顯示器典型而言是通過其前電極觀看的，因此是前電極附近的粒子控制像素顯示的顏色，並且如果考慮前電極相對於背板的電位，有時會更容易理解所涉及的光學躍遷(optical transition)；這可以簡單地藉由反轉下面討論的波形來完成。
這些波形要求顯示器的每個像素可以在五種不同的定址電壓下驅動，指定為+V high、+V low、0、-V low和-V high，圖示為30V、15V、0、-15V和-30V。實際上，可以較佳地使用大量定址電壓。如果只有三種電壓可用(即+V high、0和-V high)，透過使用電壓V high但工作週期為1/n的脈衝來進行定址，則可以實現與在較低電壓下定址的相同結果(比如說V high/n，其中n是正整數＞1)。
圖5為用於驅動上述四粒子彩色電泳顯示系統的典型波形(以簡化形式)。這種波形具有“推挽”結構：即，它們由偶極子組成，該偶極子包含兩種相反極性的脈衝。這些脈衝的大小和長度決定了所獲得的顏色。至少應該有五個這樣的電壓位準。圖5顯示了高低正負電壓以及零伏。典型而言，“低”(L)是指大約5至15V的範圍，而“高(H)是指大約15至30V的範圍。一般來說，“高”電壓的大小越高，顯示器實現的色域越好。“中等”(M)位準通常約為15V；然而，M的值將在某種程度上取決於粒子的組成以及電泳介質的環境。
儘管圖5示出了形成顏色所需的最簡單的偶極子，但應當理解，實際波形可能會多次重複這些圖案，或非週期性且使用五個以上的電壓位準的其它圖案。
因此，通用驅動電壓要求驅動電子器件在顯示器的選定像素更新期間向數據線提供多達七種不同的電壓(+H、+M、+L、0、-L、-M、-H)。雖然可以取得能夠提供七種不同電壓的多級源極驅動器，但大多數商用電泳顯示器的源極驅動器僅允許在單個幀期間提供三種不同的電壓(典型而言為正電壓、零電壓和負電壓)。因此，如前所述，有必要修改圖5的通用波形，以調解所提供的三級源極驅動器架構，提供給背板的三個電壓(典型而言為+V、0和-V)可以從一幀更改為下一幀。其餘的電壓位準可以藉由使用“頂板切換”驅動方案來實現，其中透光(頂板)共用電極在-V、0和+V之間切換，而當共用電極為0伏在處理一個方向的像素過渡時以及當共用電極為+V處理另一個方向的過渡時，施加到像素電極的電壓也可以從-V、0到+V變化。
當然，使用圖5的驅動脈衝實現所需的顏色取決於從已知狀態開始處理的粒子，這不太可能是像素上顯示的最後一種顏色。因此，一系列重置脈衝(reset pulses)在驅動脈衝之前，這增加了將像素從第一種顏色更新為第二種顏色所需的時間量。在美國專利號10,593,272中更詳細地描述了重置脈衝，該專利以參照的方式併入。這些脈衝(刷新和定址)和任何重置的長度(即可以選擇它們之間的零電壓週期)，以便整個波形(即整個波形上的電壓相對於時間的積分)是直流平衡的(即電壓對時間的積分基本上為零)。直流平衡可以藉由調整脈衝的長度來實現，並在重置階段重置，使得在重置階段供給的淨脈衝大小相等，並且與定址階段提供的淨脈衝符號相反，在此階段，顯示器切換到特定的所需顏色。
此外，前面對波形的討論，特別是對直流平衡的討論，忽略了反沖電壓的問題。實際上，如前所述，每個背板電壓與電源供應器所供給的電壓偏移量等於反沖電壓V KB。因此，如果使用的電源供應器提供三個電壓+V、0和-V，背板實際上將接收電壓V+V KB、V KB、和-V+V KB(注意在非晶矽TFTs的情況下，V KB通常為負數)。然而，相同的電源供應器會向前電極供給+V、0和-V而沒有任何反沖電壓偏移。因此，例如，當前電極被供給-V時，顯示器將承受2V+V KB的最大電壓和V KB的最小值。代替使用分開的電源供應器來向前電極提供V KB，這可能是昂貴且不方便的，波形可以被劃分為前電極被提供正電壓、負電壓和V KB的部分。除了反沖。
在使用非晶矽電晶體控制的商業實施例中，可以向像素電極施加七種不同的電壓：三種正、三種負和零電壓。一旦將頂板切換、重置脈衝和直流平衡的複雜性考慮在內，產生的波形就會相當複雜。例如，取自美國專利號10,593,272的圖6示意性地描繪了一種用於顯示單一顏色的此類波形。如圖6所示，每種顏色的波形具有相同的基本形式：即波形本質上是直流平衡的，並且可以包含兩個部分或階段：(1)用於提供顯示器“重置”的初步系列幀到可再現地獲得任何顏色的狀態，並且在此期間提供與波形其餘部分的直流不平衡相等且相反的直流不平衡，以及(2)一系列特定要呈現的顏色的幀；參見圖6所示波形的A和B部分。
在第一個“重置”階段，理想情況下，顯示器的重置會擦除先前狀態的任何記憶，包含殘餘電壓和特定於先前顯示顏色的顏料配置。當在“重置/直流平衡”階段以最大可能電壓定址顯示器時，這種擦除最有效。此外，可以在該階段分配足夠的幀以允許平衡最不平衡的顏色過渡。由於某些顏色在波形的第二部分需要正直流平衡，而其它顏色需要負平衡，因此在“重置/直流平衡”階段的大約一半幀中，前電極電壓V com設置為V pH(允許背板和前電極之間的最大可能負電壓)，在其餘情況下，V com設置為V nH(允許背板和前電極之間的最大可能正電壓)。根據經驗，已經發現在V com=V nH幀之前的V com=V pH幀是更可取的。
“期望的”波形(即期望施加在電泳介質的實際電壓對時間變化的曲線)在圖6的底部示出，並且頂板切換的實現如上所示，其中示出了施加到前電極(V com)和背板(BP)的電位。假設行驅動器用於連接到能夠提供以下電壓的電源供應器：V pH、V nH(最高的正負電壓，通常在±10至15V的範圍內)、V pL、V nL(較低的正負電壓，通常在±1至10V的範圍內)、和零。除了這些電壓之外，反沖電壓V KB(特定於所使用和測量之特定背板的小值，如美國專利號7,034,783中所述)可以藉由額外的電源供應器供給前電極。如圖6所示，每個背板電壓都自電源供應器供給的電壓偏移V KB(如負數所示)，而前電極電壓沒有如此偏移，除非當前電極被明確地設置為V KB，如上所述。
基於來自潛在用戶的反饋，已經確定例如圖6所示的驅動脈衝(波形)A)太長，而B)太閃爍(“閃爍”是指在更新過程中過量的末端態顏料定址，稱為“偶極子”。隨著每次更新偶極子的數量增加，觀看者更有可能察覺到顯示器在“閃爍”，即使顯示器沒有發出光)。 簡化的頂板切換
為了減少更新的時間長度和閃爍度，可以降低前板切換的複雜性以換取較少數量的可用顏色(可用色域的計算作為偶極子(“閃爍子”)的數量的函數在圖7中呈現)。另外，因為粒子在電泳介質內具有有限的速度，應用偶極子的時間量也會影響色域的大小。
圖8顯示了這樣一種解決方案，其中使用了簡化的頂板切換脈衝序(左上圖)，簡化的背板脈衝序(左；下)與單個頂板序相匹配，從而至少提供不同的顏色。頂板在兩種電壓之間切換，一種正電壓，一種負電壓，而背板可以採用三種不同的電壓：正電壓、負電壓和零電壓(在圖8中，電壓位準是相對的，即1、0、-1，但在許多情況下實際上會是15V、0和-15V，這與包含非晶矽薄膜電晶體的商用背板一樣)。注意通過從背板脈衝序(圖8中左側)中減去頂板脈衝序，實現了圖5中的八種顏色序列(圖8中右側)。應當理解的，對於圖5和圖8中的脈衝序，電泳流體包含帶負電的白色顏料、帶正電的洋紅色顏料和青色顏料，黃色顏料可以帶正電或帶負電，或者基本地中性。其它顏色/電荷組合也是可能的，並且可以相應地調整波形。
如前所述，在圖8的波形中，至少需要五種不同的電壓。在主動矩陣驅動環境中，這可以實現(a)通過在特定時間選擇特定列時向行提供五種不同電壓的選擇，或(b)通過在第一次選擇特定列時向行提供較少(例如三種)不同電壓的選擇，並在第二次選擇同一列時向行提供一組不同的電壓，或(c)通過在第一次和第二次向行提供相同的三種電壓選擇，但在第一次和第二次之間改變前電極的電位。當需要提供的至少一種電壓高於背板電子設備所能支持的電壓時，選項(c)特別有用。
因為，對於頂板切換，不可能同時使高正電位和高負電位有效化，所以必須相對於背板的-/+偶極子偏移頂板的+/-偶極子。在圖8所示的波形中，每個躍遷只有一個偶極子。這提供了盡可能少的“閃爍”波形，因為每個偶極子都會導致顯示器發生兩次可見的光學變化。在選擇每列時可以向背板電極提供五種不同電壓位準的情況中、以及在背板電子設備可以支持所需的最高電壓的情況中，沒有必要以圖8所示的方式來偏移偶極子。 以修正的導軌電壓驅動
對於圖8的驅動序，施加到頂板的電壓分別表示為V t+和V t-，施加到背板的電壓分別表示為V b +和V b -，並且|V t+|=|V t-|=|V b +|=|V b -|=V。因此，當最大供給電壓為+/-15伏時，如典型的商用背板，電泳介質兩端的電壓變為30V、28V、0V、-28V、和-30V。
然而，頂板電極和背板電極的最大電壓大小(即“導軌”)不需要相同。例如，可以根據某個標稱最大電壓大小值V來計算導軌電壓偏移。每個導軌的偏移可以表示為w、x、y和z，同時假設零電壓導軌保持在零而沒有施加於頂板(也就是說，頂板只有高和低，而背板是高、低和零，如圖8所示)。 因此：
Figure 02_image001
參考背板電壓，當頂板設置為V t+時，表示為V H-、V M-和V L-，(即V b–V t，其中V b可以採用上示三個值中的任何一個)，高、中、低大小的三個不同的負電壓可以施加到電泳油墨。 這些電壓為：
Figure 02_image003
頂板背設置為V t-時可用的電壓為：
Figure 02_image005
很明顯，當w=x=y=z時，只有中壓V M+和V M-受到偏移的影響。因此，高電壓大小可以保持為2V，且零電壓可以保持為零，而每個中压都随偏移量的增加而减小(假設為正)。兩個中壓之間的差值始終為2V。
例如，在五位準驅動系統中，如果頂板導軌(多個)增加(或減少)一定量δ，即w=δ或x=δ，而背板導軌保持不變，則一些驅動電壓的總大小將增加(或減少)，並且當V L+和V L-狀態不同，偏移將創建一個新的驅動位準。當w=δ或x=δ和δ=+2V時，這種改變的效果可以被計算，並以圖形方式示於圖9中。在圖9中，顯示了八種原色隨著驅動電壓的改變而變化。在圖9中，空心正方形表示“基極”，均勻分佈的，驅動位準，實心三角形代表最高驅動位準的額外+2V，而所有其它位準保持不變。並且，實心圓代表中間頂驅動電壓的額外+2V，而所有其它狀態留在基極驅動的情況。如從圖9中可以看出，僅通過+2V修改單個頂板導軌只會產生很小的影響(比較空心圓與實心三角形和實心圓的位置)。當正偏移被施加到正導軌時，在白色狀態(圖9的中心)中可以看到最大的變化，在這種情況下b*被(不希望地)升高。
以類似的方式，背板導軌(多個)可以增加(或減少)一定數量的δ，即y=δ或z=δ，而頂板導軌保持不變。y=z=δ=+2V的類似背板導軌調整的效果如圖10所示。在圖10中，顯示了八種原色隨著驅動電壓的改變而變化顯示。在圖10中，空心正方形表示“基極”，均勻分佈的，驅動位準，並且實心三角形表示最低驅動位準的額外+2V，而所有其它位準保持不變。並且，實心圓表示中間偏低驅動電壓的額外+2V，而所有其它狀態保持在基極驅動的情況。雖然在表現上的變化並不明顯，但當正或負導軌被+2V修改時，黃色變得越來越綠色。這通常是不合意的，因為它會導致例如膚色看起來是綠色的。然而，在某些數位標牌應用上，將黃色調換成更強的綠色調可能是首選。
令人驚訝的是，當相同的偏移δ=w=x=y=z應用於所有四導軌電壓時，電光性能會發生更明顯的變化，從而提供了視特定應用可能會需要的調整電泳介質顏色性能的機會。在圖11中，顯示了八種原色隨著驅動電壓的改變而變化。在圖11中，空心方塊表示“基極”，均勻分佈的，驅動位準，實心三角形表示所有驅動位準的額外+2V，並且實心圓表示所有驅動位準的額外-2V。在圖11中，計算了電光性能，其中δ為-2V、0和+2V，並且電光響應的偏移用箭頭來表示。可以看出，某些狀態(黃色、紅色、青色)僅受到很小的偏移變化影響，而白色和洋紅色狀態隨著偏移變得更負時非常顯著地往更負的b*移動。從上面的方程式可以看出，使偏移更負會使V M-負的更少，而V M+更正。這些影響中最重要的是在白色狀態下b*的減少。
因此，綜合起來，這些結果意味著最有用的調整是對所有四電壓導軌施加相同的偏移。這導致在不影響高壓大小或零電壓下改變中壓(V M)位準的能力。這樣做可以調整白色狀態以使其更加中性，尤其是在b*維度中。 使用金屬氧化物背板實現更高電壓定址
雖然修改導軌電壓在實現與四粒子電泳系統不同的電光性能上提供了些靈活性，但頂板切換引入了許多限制。例如，為了使本發明的顯示器處於白色狀態，通常會優選較低負電壓V M-小於最大負電壓V H-的一半。然而，如上面的方程式所示，頂板切換要求較低的正電壓始終至少是最大正電壓的一半，通常超過一半。
可以藉由由具有更高電子遷移率的不常見的材料來製造控制電晶體，以提供頂板切換的複雜性之替代解決方案，從而允許電晶體直接切換更大的控制電壓，例如+/-30V。新開發的主動矩陣背板可以包含含有金屬氧化物材料的薄膜電晶體，例如氧化鎢、氧化錫、氧化銦和氧化鋅。在這些應用中，使用這種金屬氧化物材料來為每個電晶體形成通道形成區，允許更高電壓的更快切換。這種電晶體通常包含閘極、閘極絕緣膜(通常為SiO 2)、金屬源極電極、金屬汲極電極和閘極絕緣膜上的金屬氧化物半導體膜，至少部分地與閘極電極、源極電極、和汲極電極重疊。此背板可從Sharp/Foxconn、LG和BOE等製造商處獲得。
用於此應用的一種優選金屬氧化物材料是氧化銦鎵鋅(IGZO)。IGZO-TFT具有20到50倍的非晶矽電子遷移率。藉由在主動矩陣背板中使用IGZO TFTs，可以藉由合適的顯示驅動器來提供大於30V的電壓。此外，能夠供給至少五個、優選地七個位準的源極驅動器為四粒子電泳顯示系統提供了不同的驅動範例。於一實施例中，將有兩種正電壓、兩種負電壓和零伏電壓。於另一實施例中，將有三種正電壓、三種負電壓和零伏電壓。於一實施例中，將有四種正電壓、四種負電壓和零伏電壓。這些位準可以在大約-27V到+27V的範圍內選擇，而不受如上所述的頂板切換所強加的限制。
使用先進的背板，例如金屬氧化物背板，可以使用合適的推挽波形來直接定址每個像素，如圖5中的描述。這大大地減少了更新每個像素所需的時間，在某些情況下轉化六秒更新到小於一秒。雖然，在某些情況下，可能有必要使用重置脈衝來為定址建立起點，在更高電壓下可以更快地完成重置。另外，在具有減少的顏色設置的四色電泳顯示器中，可以使用僅比圖5中所示的推挽波形略長的特定波形直接地從第一種顏色驅動到第二種顏色。
因此，本發明提供了能夠在沒有頂板切換下直接定址電泳介質的全彩電泳顯示器、以及用於這種電泳顯示器的波形。因此，已經描述了本申請案的技術的幾個形態和實施例。應當理解，本領域普通技術人員將容易想到各種改變、修改和改進。此種變更、修改和改進旨在於本申請案中描述的技術的精神和範圍內。例如，本領域通常技術人員將容易想到用於執行功能和/或獲得結果和/或本文所述的一個或多個優點的各種其它手段和/或結構，以及每個此種變化和/或修改都被認為在本文描述的實施例的範圍內。本領域技術人員將認清到或僅能夠使用常規實驗來確定本文描述的特定實施例的許多等價物。因此，應當理解，前述實施例僅以示例的方式呈現，並且在所附專利範圍及其等價物的範圍內，能夠以不同於具體描述的方式來實踐發明的實施例。此外，本文描述了兩個或多個特徵、系統、物品、材料、套件和/或方法的任何組合，如果這些特徵、系統、物品、材料、套件和/或方法不是相互矛盾的，則包含在本文公開的範圍。
5:粒子 6:粒子 7:粒子 8:粒子 10:存儲電容 20:電泳介質 30:寄生電容 200:顯示器結構 202:基板 204:像素電極 206:可選介電層 208:導電黏合劑層 210:層 212:微杯 214:電泳流體 216:聚合物層 218:介電層 220:透明導電塗層 222:透明基板
圖1為在顯示黑色、白色、三種相減性原色、以及三種相加性原色時各種有色粒子在本發明的電泳介質中的位置之橫截面示意圖。 圖2A係顯示以示意的形式示出在多粒子電泳介質中使用的四種不同顏料粒子的類型。 圖2B係顯示以示意的形式示出在多粒子電泳介質中使用的四種不同顏料粒子的類型。 圖3係圖示電泳顯示器的單個像素的示例性等效電路。 圖4係顯示示例性電泳彩色顯示器的層。 圖5係顯示用於定址包含三種相減性粒子和散射(白色)粒子的電泳介質的示例性推挽驅動方案。 圖6為來自先前技術的示例性波形，先前技術包含兩部分的重置階段(A)以及顏色過渡階段(B)，其使用頂板切換來實現。 圖7係描繪四粒子全彩電泳顯示器的更新中可用之色域以及偶極子(“閃爍”)的數量之間的相關性。 圖8係描繪用於在電泳介質中產生的八種顏色的簡化頂板驅動波形，該電泳介質包含三種相減性粒子和散射(白色)粒子。 圖9係顯示在包含三種相減性粒子和散射(白色)粒子的電泳介質中將頂板電壓導軌修改+2V的計算效果。 圖10係顯示在包含三種相減性粒子和散射(白色)粒子的電泳介質中將背板電壓導軌修改+2V的計算效果。 圖11係顯示在包含三種相減性粒子和散射(白色)粒子的電泳介質中將頂板電壓導軌和背板電壓導軌兩者修改+2V和-2V的計算效果。

Claims (19)

  1. 一種彩色電泳顯示器，包含： 透光電極，其位於觀看面； 背板，其包含耦合到像素電極的薄膜電晶體陣列，每個薄膜電晶體包含金屬氧化物半導體層；以及 彩色電泳介質，其設置在該透光電極與該背板之間，該彩色電泳介質包含： (a)流體； (b)複數個第一粒子及複數個第二粒子，其分散在該流體中，該第一和及該第二粒子帶有相反極性的電荷，該第一粒子是光散射粒子，而該第二粒子具有相減性原色的其中一者； (c)複數個第三粒子及複數個第四粒子，其分散在該流體中，該第三及該第四粒子帶有相反極性的電荷，該第三及該第四粒子各具有彼此不相同且與該第二粒子不同的相減性原色。
  2. 如請求項1之彩色電泳顯示器，其中，分離由該第三類型和該第四類型的粒子所形成的聚集體所需的第一電場大於分離由任何其它兩種類型的粒子所形成的聚集體所需的第二電場。
  3. 如請求項1之彩色電泳顯示器，其中，該第二、該第三、及該第四粒子中的至少兩者是非光散射粒子。
  4. 如請求項3之彩色電泳顯示器，其中該第一粒子是白色的，並且該第二、該第三及該第四粒子是非光散射粒子。
  5. 如請求項1之彩色電泳顯示器，其中，該第一及該第三粒子帶負電，而該第二及該第四粒子帶正電。
  6. 如請求項5之彩色電泳顯示器，其中，該第一、該第二、該第三及該第四粒子的顏色分別為白色、青色、黃色和洋紅色，白色及黃色粒子帶負電，洋紅色及青色粒子帶正電。
  7. 如請求項6之彩色電泳顯示器，其中，當顏料按15%的體積百分比約略等向性地分佈在包含顏料及折射率小於1.55的液體之厚度為1微米的層中時，該黃色、洋紅色、及青色顏料分別在650、550、及450奈米處表現出在黑色背景上測量的漫射反射率小於2.5%。
  8. 如請求項1之彩色電泳顯示器，其中，該流體是介電常數小於約5的非極性液體。
  9. 如請求項8之彩色電泳顯示器，其中，該流體已在其中溶解或分散了具有平均分子量超過約20,000並且基本上不吸收該粒子的聚合物。
  10. 如請求項1之彩色電泳顯示器，其中，該金屬氧化物半導體是氧化銦鎵鋅(IGZO)。
  11. 一種電子書閱讀器、可攜電腦、平板電腦、蜂巢式電話、智慧卡、標誌、手錶、貨架標籤或快閃驅動器，包含如請求項1之彩色電泳顯示器。
  12. 一種彩色電泳顯示器，包含： 控制器； 透光電極，其位於觀看面； 背板，其包含耦合到像素電極的薄膜電晶體陣列，每個薄膜電晶體包含金屬氧化物半導體層；以及 彩色電泳介質，其設置在該透光電極與該背板之間，該彩色電泳介質包含： (a)流體； (b)複數個第一粒子及複數個第二粒子，其分散在該流體中，該第一及該第二粒子帶有相反極性的電荷，該第一粒子是光散射粒子，而該第二粒子具有相減性原色的其中一者； (c)複數個第三粒子及複數個第四粒子，其分散在該流體中，該第三及該第四粒子帶有相反極性的電荷，該第三及第四粒子各具有彼此不相同且與該等第二粒子不同的相減性原色， 其中，該控制器係構造成向該像素電極提供複數個驅動電壓，使得可以在每個像素電極上顯示白色、黃色、紅色、洋紅色、藍色、青色、綠色及黑色，同時保持透光電極處於恆定電壓。
  13. 如請求項12之彩色電泳顯示器，其中，該控制器係構造成向該像素電極提供大於25伏且小於-25伏的電壓。
  14. 如請求項13之彩色電泳顯示器，其中，該控制器係構造成另外提供介於25伏與0伏之間的電壓以及介於-25伏與0伏之間的電壓。
  15. 如請求項12之彩色電泳顯示器，其中，該金屬氧化物半導體是氧化銦鎵鋅(IGZO)。
  16. 一種彩色電泳顯示器，包含： 控制器； 透光電極，其位於觀看面； 背板電極；以及 彩色電泳介質，其設置在該透光電極與該背板電極之間，該彩色電泳介質包含： (a)流體； (b)複數個第一粒子及複數個第二粒子，其分散在該流體中，該第一及該第二粒子帶有相反極性的電荷，該第一粒子是光散射粒子，而該第二粒子具有相減性原色的其中一者； (c)複數個第三粒子和複數個第四粒子，其分散在該流體中，該第三和該第四粒子帶有相反極性的電荷，該第三和第四粒子各具有彼此不相同且與該第二粒子不同的相減性原色， 其中，該控制器係構造成向該透光電極提供第一高電壓及第一低電壓，以及向該背板電極提供第二高電壓、零電壓和第二低電壓，使得白色、黃色、紅色、洋紅色、藍色、青色、綠色及黑色的顏色可以在該觀看面顯示， 以及，其中該第一高電壓、該第一低電壓、該第二高電壓及該第二低電壓中的至少一者的大小為不相同的。
  17. 如請求項16之彩色電泳顯示器，其中，該第一高電壓的大小與該第二高電壓的大小相同。
  18. 如請求項17之彩色電泳顯示器，其中，該第一低電壓的大小與該第二低電壓的大小相同，且該第一高電壓的大小與該第一低電壓的大小不相同。
  19. 一種彩色電泳顯示器，包含： 控制器； 透光電極，其位於觀看面； 背板電極；以及 彩色電泳介質，其設置在該透光電極與該背板電極之間，該彩色電泳介質包含： (a)流體； (b)複數個第一粒子和複數個第二粒子，其分散在該流體中，該第一和該第二粒子帶有相反極性的電荷，該第一粒子是光散射粒子，而該第二粒子具有相減性原色的其中一者； (c)複數個第三粒子和複數個第四粒子，其分散在該流體中，該第三和該第四粒子帶有相反極性的電荷，該第三和第四粒子各具有彼此不相同且與該第二粒子不同的相減性原色， 其中，該控制器係構造成通過向該背板電極提供複數個時間相關驅動電壓中的一者使白色、黃色、紅色、洋紅色、藍色、青色、綠色及黑色顏色在該觀看面上顯示，同時向該透光電極提供下列驅動電壓中的一者： 第一次高電壓，第二次低電壓，以及第三次高電壓，或 第一次低電壓，第二次高電壓，以及第三次低電壓。
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