TWI479195B - 電流體裝置、視覺顯示器及製造與操作該等電流體裝置之方法 - Google Patents

電流體裝置、視覺顯示器及製造與操作該等電流體裝置之方法 Download PDF

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TWI479195B
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Description

電流體裝置、視覺顯示器及製造與操作該等電流體裝置之方法
本發明係關於為更改表面反射率、穿過表面之透射率或為資訊顯示形成2D影像之目的提供一光學回應之電流體裝置。
本申請案主張2007年9月12日申請之美國臨時申請案序號第60/971,857號之權利。本申請案亦主張2008年5月23日申請之美國臨時申請案序號第61/055,792號之權利。此等臨時申請案中之每一者的全部揭示內容特此以引用的方式併入本文中。
電潤濕已為多種光學應用之非常有吸引力的調變機制。舉例而言，電潤濕已用於為相機及導向系統、光學攝像裝置、光波導材料及視訊顯示器像素之光纖、光閘(optical shutter)或濾光器提供光學切換。
習知電潤濕顯示器包括抵靠電絕緣含氟聚合物表面形成一薄膜層的有色油。在該含氟聚合物之下方為由鋁建構之反射電極。此有色油薄膜層提供對下方之反射表面的著色。當在駐留於油薄膜層上方之水層與含氟聚合物下方之電極之間施加電壓時，油薄膜層隨水電潤濕含氟聚合物而斷裂。當移除電壓時，油恢復為薄膜層幾何結構。當油薄膜層斷裂時，表面之感知著色為反射電極之感知著色(白色)，而當油處於薄膜狀態時，感知著色為油之感知著色。油之著色係藉由包括至少一種染料而提供。習知電潤濕技術可提供大於70%之白色狀態及達至10:1之對比率。
然而，由於此等習知電潤濕顯示器技術不可在無電壓之情況下提供雙穩態狀態、具有有限白色狀態反射率(亦即，在達成紙張之80%反射率方面具有難度)，因此當形成完全飽和色時受到挑戰，且呈現製造困難性，因為操作電壓隨流體容器之橫向尺寸減小而增加。
需要在於高白色狀態反射率與完全飽和色之間提供灰階切換之同時在無大或多個電壓源要求之情況下使用有色流體之裝置。
根據本發明之一實施例，一種電流體裝置包括一導電極性流體及一與該極性流體不可混溶之非極性流體。該極性流體與該非極性流體在至少一光學性質上不同。該電流體裝置亦包括一具有彼此流體連通之第一區域及第二區域的流體容器。該流體容器之該第二區域具有一小於該第一區域之主曲率半徑且包括一可視區，經由該可視區，該極性流體及該非極性流體中之至少一者在該流體容器之外部可視。一電壓源選擇性地將一機電力施加至該極性流體。此機電力使得該極性流體中之一部分自該流體容器之該第一區域移動至該流體容器之該第二區域。一電容器包括在該第二區域之至少一部分上且電耦接至第一電壓源。該電容器包括一提供該極性流體之一第一主曲率半徑的疏水性表面，該第一主曲率半徑是凸起的且小於該極性流體在該第一區域內的一主曲率半徑。當該極性流體由該機電力自該第一區域移動至該第二區域時，經由該可視區轉移之光的一光譜性質改變。
根據本發明之另一實施例，一種雙穩態電流體裝置包括一導電極性流體及一與該極性流體不可混溶之非極性流體。該極性流體與該非極性流體在至少一光學性質上不同。該雙穩態電流體裝置亦包括一具有彼此流體連通之第一區域及第二區域的流體容器。該流體容器之該第二區域具有一小於該第一區域之主曲率半徑且包括一可視區，經由該可視區，該極性流體及該非極性流體中之至少一者在該流體容器之外部可視。一第一電壓源電連接至一位於該第一區域之一部分上的第一電容器。此第一電壓源可操作以將該極性流體之一部分自該第二區域移動至該第一區域。一第二電壓源電連接至一位於該第二區域之一部分上的第二電容器。此第二電壓源可操作以將該極性流體之一部分自該第一區域移動至該第二區域。一導管與該第一區域及該第二區域流體連通，且允許自該第二區域移位之非極性流體移動經過該導管且進入該第一區域。當該極性流體在該第一區域與該第二區域之間移動時，經由該可視區轉移之光的一光譜性質改變。
根據本發明之另一實施例，描述一種製造一電流體裝置的方法。該電流體裝置係形成於第一基板與第二基板之間且包括一具有第一區域及第二區域之流體容器。該方法包括以一極性流體填充第一基板及第二基板。接著將一非極性流體在該第一基板及該第二基板之邊緣處引入至該流體容器。該非極性流體在該第一基板與該第二基板之間流動且自該第二區域之至少一部分移除該極性流體。該極性流體之該移除係由該第二區域中之該極性流體的楊-拉普拉斯壓力輔助。
根據本發明之另一實施例，描述一種操作一電流體裝置的方法。該電流體裝置包括一導電極性流體及一與該極性流體不可混溶之非極性流體。該電流體裝置亦包括一具有流體連通且含有該極性流體及該非極性流體之第一區域及第二區域的流體容器。該方法包括對該第一區域中之極性流體施加一超出楊-拉普拉斯壓力的機電力。此機電力使得該極性流體之至少一部分自該流體容器之該第一區域移動至該流體容器之該第二區域。
併入本說明書中且構成本說明書之一部分的隨附圖式說明本發明之實施例，且連同上文給出之本發明之大體描述及下文給出之詳細描述一起用以解釋本發明之原理。
儘管將結合特定實施例描述本發明之實施例，但本發明之描述意欲涵蓋如可能包括在附加申請專利範圍之範疇內的所有替代、修改及等效配置。詳言之，彼等熟習此項技術者將認識到，本文所描述之電流體裝置的組件可以多種不同方式配置。
在電絕緣體上之導電流體上的機電力成為本發明之一實施例之物理機構的基礎。此機電力源自導電流體與電容器之間的一接觸線附近且與電容乘所施加之電壓的平方成正比。機電力大體經定向，使得力自流體之曝露表面向外導引。此配置提供高速操作(約毫秒)、低功率電容操作(約10mJ/m2 )，及極佳可逆性。然而，本發明之替代實施例包括彼等熟習微流體技術者所熟知的其他流體操縱方法。此等替代方法包括(但不限於)無絕緣體之情況下的電潤濕，熱毛細作用，諸如螺哌喃、介電泳之光回應分子，及微機電抽汲。
將使用笛卡兒座標系來界定具體方向及定向。對諸如"上方"、"上部"及"下方"、"下部"之術語的引用係僅為了便於描述，且僅表示一個用於描述本發明之可能參考框架。本文所描述之裝置的尺寸基於應用覆蓋自奈米至公尺之廣泛範圍大小。諸如"可視"之術語將在一些情況下使用，以描述面向本文所描述之實施例之上部表面的個人或機器視覺系統或者其他光源或偵測器。
在本文中使用術語"液體"或"流體"來描述在其物理狀態下既非固體亦非電漿之任何材料或材料組合。氣體亦可視為流體，只要該氣體根據本發明之原理自由移動即可。諸如液體粉末之固體材料亦可視為液體，只要該等固體材料根據本發明之原理自由移動即可。液體或流體亦可含有任何重量百分比之固體材料，只要該固體材料係穩定地分散於該液體或流體中即可。術語"液體"並非限定於任何特定組合物、黏度或表面張力。除非另有說明，否則術語"凹入"及"凸起"指代與沿彎液面之最小曲率半徑相關聯之幾何結構，應理解，彎液面上之另一較大曲率半徑可相反地為"凹入"或"凸起"，但對彎液面之楊-拉普拉斯(Young-Laplace)壓力具有較弱影響。
參看圖1A，電流體裝置100經說明且包含一第一基板102、一凸台104、具有一疏水性表面之至少一電容器106、一隔片108、一第二基板110、一包括第一區域112及第二區域114之流體容器、一導管116、一可為一極性流體118之第一流體、一可為一非極性流體120之第二流體，及一能量源。非極性流體120與極性流體118不可混溶，且由此佔據在流體容器內未由極性流體118佔據的空間。流體容器之第一區域112及第二區域114具有一流體連接，使得極性流體118可在第一區域112與第二區域114之間移動。第一區域112及第二區域114內之極性流體118將具有展現凸曲率之至少兩個表面122、124，只要第一區域112及第二區域114適當地具有疏水性即可。每一凸起表面122、124將根據Δp=γ/R展現向內楊-拉普拉斯壓力，其中γ為極性流體118與非極性流體120之間的界面表面張力，且R為極性流體118之凸起部分122、124的主曲率半徑。彎液面可具有一個以上曲率半徑R，其中曲率半徑之淨效應經給定為(1/R1 +1/R2 +…)。由此，在電流體裝置100中，若第一區域112與第二區域114具有類似表面能，則第一區域112將始終賦予一大於第二區域114將賦予極性流體118之R。因此，淨楊-拉普拉斯壓力將極性流體118導引至第一區域112中且極性流體118青睞在平衡狀態下佔據第一區域112。
如圖1中所說明，電流體裝置包括兩個電容器106a，106b，每一電容器具有一由極性流體118接觸之疏水性表面。如圖1之插圖中所進一步展示，電容器包括一導電電極113及一介電塗層115。極性流體118或電容器106a、106b之電極113可充當電接地或偏壓電極。儘管電流體裝置100可以第二基板110上之電容器106a或凸台104之表面上之電容器106b中的任一者操作，但兩電容器106a、106b之使用將近似使機電力在給定電壓下加倍，且因此導致電流體裝置100之較低的所需操作電壓。大體而言，電容器106應提供在約1mJ/m2 與約100mJ/m2 之間的儲存能。
電容器106之電極113係由任何電絕緣且疏水性介電塗層115所塗覆之任何導電材料之組合形成。電極113之材料可為碳、有機PEDOT-PSS、In2 O3 :SnO2 、鋁，或導電且在一些情況下展現特定光學性質(諸如，光學吸收、反射或透射)的任何其他材料。部分構成電容器之介電材料塗層115可為適合在電流體裝置100之操作所需之電壓下電絕緣之任何材料，及對極性流體118賦予凸起彎液面之任何材料。由於非極性流體120可為油，因此甚至習知聚合物亦可為合適的介電材料。較佳材料可為含氟聚合物，因為其促進極性流體118上之高凸起幾何結構、具有小潤濕滯後現象，且具高化學惰性。合適的含氟聚合物包括Asahi Cytop、Cytonix Fluoropel及DuPont Teflon AF(僅舉幾個實例)。大體較佳的是：含氟聚合物在厚度上小於約1μm，以允許電容器106之低電壓操作。較稀含氟聚合物提供較高電容，且因此需要較低電壓來達成用於極性流體118之流動的機電力。然而，較稀含氟聚合物更易受電擊穿影響，因此可在介電塗層115與電極113之間插入諸如Si3 N4 或Al2 O3 之高擊穿域介電質(未圖示)，以促進高電容及電可靠性。
圖1A進一步說明能量源，其可為電壓源126，可操作以提供激勵並如將在下文中詳細描述而更改電流體裝置100之外觀。電壓源126可為類比、數位、電池、直流電壓源、交流電壓源、薄膜電晶體之汲電極，或用於施加激勵至極性流體118之任何源合適的電源。合適的電壓源126係為彼等熟習基於介電泳、電潤濕、液晶及微機電之電壓驅動裝置技術者所熟知。電壓源126之第一端子125電連接至電容器106a之電極113，而電壓源126之第二端子127電連接至極性流體118。或者，電壓源126之第一端子125亦可如先前所解釋而連接至電容器106b，且藉此使可施加至極性流體118之總機電力加倍。介電塗層115可使電壓源126之第一端子125與第二端子127電絕緣。端子127與極性流體118之間的電連接可為適於針對極性流體118在第一區域112或第二區域114中之所有位置保持與極性流體118之電壓連接的形成在電流體裝置100之表面上的導線或導電塗層。
因為極性流體118係導電的，因此兩個電容器106a、106b亦可經串聯驅動，其中電壓源126之第一端子125電連接至與上部基板110鄰近之電容器106a、電壓源126之第二端子127連接至與下部基板102鄰近之電容器106b，且極性流體118電浮動但提供電容器106a與電容器106b之間的電連接。此方法可簡化電連接，但將需要較高電壓以便提供用於極性流體118之移動的合適的機電力。
如最佳在圖1B中所示，第二區域120包括一可視區128，經由該可視區128，於電流體裝置100之外部可見極性流體118及非極性流體120。第一區域112具有一賦予極性流體118較大主曲率半徑且佔據可視區128之較小部分的幾何結構。第二區域114具有一賦予極性流體118較小主曲率半徑且佔據可視區128之較大部分的幾何結構。由此，如所示，在平衡狀態下，極性流體118將佔據第一區域112及由此可視區128之僅一小部分。
如彼等熟習電流體技術者所熟知，在導電流體(極性流體118)與電容器106a之電極(圖1A)之間施加激勵(諸如，電壓)將形成導引遠離導電流體之機電力。機電力可操作以使得導電流體在介電塗層115(圖1A)之在電極113(圖1A)上的表面上前進。由此，對本實施例之電流體裝置100的可視區128之外觀的更改係由機電力而非如習知裝置中由接觸角掌控。
繼續參看圖1A至圖1D，現更詳細地審閱電流體裝置100之材料及構造。首先應注意，所呈現之材料及特徵並非為有限集合，而是，本文所呈現之材料及特徵僅形成一實例集合，可用其來執行電流體裝置之操作。熟習電流體或電子顯示器技術者將易於認識到眾多替代或額外材料及特徵，且本發明因此包括該等明顯改良或替代實施例。
第一基板102為適合於為電流體裝置100提供給定應用中所需之剛性、可撓性、滾動度(rollability)或一致性之程度的任何基板。此外，第一基板102可為電流體裝置100提供氣封。第二基板110可提供與第一基板102類似之功能性。至少該第一基板102或第二基板110應適當地透明以形成可視區128且藉此允許極性流體118及/或非極性流體120在所要光波長(在一些情況下，包括彼等在光之可視範圍之外的光波長)下可視。基板之非限制性實例包括Corning 1737玻璃、鈉鈣玻璃、聚合物基板、紡織品、金屬箔或半導體晶圓(僅舉幾個實例)。
凸台104可由能夠為電流體裝置100之操作賦予所要特徵幾何結構之任何材料形成。本文中所描述之幾何結構為第一區域112及導管116，但並非如此限制。因而，第一區域112及導管視為整體，亦即，導管116及第一區域112係作為凸台之材料內之整體構造或由使用同一或類似成形過程之共同材料層形成。此整體構造係較佳的，因為其允許在製造液晶顯示器、電腦晶片及其類似物之過程中使用習知平面製造及微製造技術；然而，可使用其他方法。整體構造允許使用可撓性基板且消除該等基板之對準所遭遇之問題。此外，整體構造允許本發明在使用僅兩個基板且無中間基板之情況下起作用，由此簡化製造並使光學效能最大化。
凸台104可為第一基板102之一部分，其中凸台104係由蝕刻製程或由微複製或模製形成。凸台104可為光微影地添加至第一基板102上之相異聚合物，合適的實例為Microchem SU-8或KMPR負型光阻(negative-tone photoresist)。可藉以決定凸台厚度之例示性方式為計算電流體裝置之對比率。若第一區域112為可視區128之十分之一，則針對該電流體裝置可達成約1:10之視覺對比率。此將要求凸台104及因此亦要求第一區域112比第二區域114之高度厚約10倍(亦即，第一區域112與第二區域114之體積係類似的)。大體而言，第二區域114應具有為第一區域112之表面積-體積比至少兩倍之表面積-體積比。
導管116可不具有凸台材料。導管116可替代地為任何促進流體流動容易性或改良的流體流動再現性之特徵，包括第一區域112之幾何結構變化。經由導管116之相對流體移動增加流體移動之速度且改良電流體裝置100內之流體移動方向之規則性。以此方式，電流體裝置100藉由僅具有較少製造步驟且僅需要特徵與第一基板102之對準而成為高度可製造的。基於導管116之幾何結構，極性流體118在平衡時可能會或可能不會佔據導管116。
隔片108充當調節第二區域114高度之角色及/或終止極性流體118往第二區域114前進之角色。隔片材料可為具足夠剛性或可撓之任何材料。對於高對比顯示應用而言，隔片108可由黑色或白色著色材料形成，或對於透射應用而言，隔片108可為透明的。如可滾動或可撓顯示器中所通常使用，隔片108亦可充當將第一基板102上之特徵物理黏附至第二基板110上之特徵的角色。
極性流體118可包含載液及分散在載液內之顏料且當極性流體118同時接觸電容器106之塗層及非極性流體120時具有在約0.02N/cm2 至約10N/cm2 範圍中的差分楊-拉普拉斯壓力。大體較佳的係載液、可溶於載液中之染料，或顏料將在光波長之給定頻帶下提供光學吸收或反射，以便提供光學效應，此將在下文中詳細描述。
載液通常為極性流體，諸如水、醇、多元醇、CELLOSOLVES、CARBITOLS、乙二醇、醚醇類、脂族醇類、醚類、酮類、氯化烴、吡咯啶酮、極性非質子、醛類、醋酸類、聚乙二醇、諸如對苯二甲酸酯之增塑劑或其混合物。顏料之量可以顏料分散液之總重量計在約0.1重量%至約40重量%之範圍內。構成顏料分散液之顆粒可具有在約10nm至約500nm之範圍內的平均重量直徑值，且包括偶氮基、甲亞胺(azo methine)、甲烷、蒽醌、酞菁、哌瑞酮、苝、二酮基。比咯并吡咯、硫靛、二噁嗪、亞胺基異吲哚啉、亞胺基異吲哚啉酮、喹吖啶酮、黃士酮、陰丹酮、蒽嘧啶、喹酞酮、碳黑、金屬氧化物、混合型金屬氧化物、銻黃、鉻酸鉛、鉻酸硫酸鉛(lead chromate sulfate)、鉬酸鉛、深藍、鈷藍、錳藍、氧化鉻綠、水合氧化鉻綠、鈷綠、金屬硫化物、硫硒化鎘、鐵酸鋅及釩酸鉍，其衍生物、其混合物或其固溶體。
對於極性流體118在第二區域114中之情況，顏料提供對應於如1931 CIE色度圖上所描繪之(0.3,0.4)、(0.4,0.3)、(0.3,0.3)最小麥克斯韋三角形的色飽和度。
極性流體118亦可含有諸如界面活性劑之各種添加劑，以降低界面表面張力。合適的界面活性劑包括陰離子、陽離子、正負離子、非離子及兩性離子界面活性劑，諸如磺酸鹽，膦酸鹽，含有疏水性頭之氧化乙烯及氧化丙烯，嵌段及無規共聚物，諸如第一胺、第三胺及第四胺之烷基胺，吡咯啶酮，萘縮合物，炔烴，羧酸類，胺類，或其混合物。
極性流體118可進一步含有樹脂，亦即離子聚合物，諸如丙烯酸、苯乙烯-順丁烯、苯乙烯-丙烯酸、苯乙烯順丁烯醯胺、第四鹽，或其混合物。非離子聚合物亦可為適當的，尤其是EO/PO單元。
極性流體118可進一步含有保濕劑，諸如彼等在美國專利第7,160,933號(該案之全文以引用的方式併入本文中)中所教示之保濕劑，或具有大於約10個碳原子之碳鏈的一元醇如癸醇、十二醇、油醇、硬脂醇、十六烷醇、二十烷醇，多元醇如乙二醇、醇、二甘醇(DEG)、三乙二醇、丙二醇、四伸乙甘醇、聚乙二醇、甘油、2-甲基-2,4-戊二醇、2-乙基-2-羥甲基-1,3-丙二醇(EHMP)、1,5-戊二醇、1,2-己二醇、1,2,6-已三醇及硫代乙二醇；自伸烷基二醇衍生之低碳烷基單醚或二醚，諸如乙二醇單甲基醚或單乙基醚、二甘醇單甲基醚或單乙基醚、丙二醇單甲基醚或單乙基醚、三乙二醇單甲基醚或單乙基醚、二甘醇二甲基醚或二乙基醚、聚(乙二醇)單丁基醚(PEGMBE)及二甘醇單丁基醚(DEGMBE)；含氮化合物，諸如尿素、2-吡咯啶酮、N-甲基-2-吡咯啶酮及1,3-二甲基-2-咪唑啶酮；及含硫化合物，諸如二甲亞碸及四亞甲基碸酮(tetramethylene sufone)；及其混合物。
極性流體118可進一步含有化學物，諸如可混溶流體或鹽，以進一步使分散液穩定及/或更改第一流體之沸點或凝固點。顏料較佳係藉由併有分散聚合物、分散劑、增效劑、界面活性劑、表面處理或封裝而穩定化。
極性流體118內之界面活性劑、分散劑、樹脂或其組合之量可以顏料之重量計在約0.1重量%至約200重量%之範圍內。
在一些實施例中，極性流體118可支持一或多個相異相位。
在製備極性流體118之過程中，組份在裝備有高速攪拌器之容器中預混合。接著可使混合物經過轉動球磨機或攪動式介質磨機，其可為分批操作或借助於再循環及/或分立經過(discrete pass)，含有大小為約30μm至約5.1cm之諸如玻璃、陶瓷、鋼或有機聚合物的介質。典型磨機包括彼等由Eiger、Netzsch、Buhler、Premier、Chicago Boiler、Drais、Union Process等製造之磨機。或者，分散液可在諸如轉動球磨機或攪動式球磨機(諸如，攪拌)之分批法(batch process)裝備上產生。該轉動球磨機由彼等由Paul-O-Abbe提供之轉動球磨機典型化；攪動式球磨機由彼等由Union Process供應之攪動式球磨機典型化。針對任一者之介質大小可在上述大小範圍內，且介質形狀可為圓形、規則、不規則或其混合。亦可在具有諸如IKA Works、Baker-Perkins等之剪切機構的任何高能分散器(刀工混合機(sigma blade mixer))上製備分散液。視情況經過濾(或離心)以移除諸如未分散顆粒、介質或污染物之較大顆粒的分散液係充分導電且在第二區域內達成凸起彎液面的任何流體。
極性流體118應具有在約5達因/cm至約80達因/cm之範圍內的表面張力及小於約100cp之黏度。當極性流體118位於第二區域114內時，極性流體之特徵將在於小於約30%之最小透射率或小於約30%之最小反射率。
第二流體(亦即，非極性流體120)應與極性流體118不可混溶，且此外，不應與極性流體118形成乳液。非極性流體120可包含烷烴、矽油、含氟溶劑、氣體或其混合物。大體而言，油係較佳的，因為其減少重力及接觸角滯後現象之效應、可增加極性流體118之楊氏接觸角、可適當地使未由極性流體118佔據之空間電絕緣，且因此允許流體在第一區域112與第二區域114之間移動的自由度。在一些實施例(諸如，電子紙應用)中，非極性流體120可在色彩上為白色，亦即，在低折射率油內之高折射率金屬氧化物分散液或油內部之不可混溶液體的溶液。非極性流體120將具有與極性流體118之小於約10%且較佳小於1%之交叉溶解度等級。此外，非極性流體120應對去離子水具有約2達因/cm至約60達因/cm之界面張力值及小於約100cp之黏度。
非極性流體120可進一步含有著色劑，包括可溶染料、有機顏料、無機顏料或其組合。合適的顏料包括彼等具有約10nm至約500nm之平均粒徑(由平均重量直徑指示)的顏料。此等包括偶氮基、甲亞胺、甲烷、蒽醌、酞菁、哌瑞酮、苝、二酮基吡咯并吡咯、硫靛、二噁嗪、亞胺基異吲哚啉、亞胺基異吲哚啉酮、喹吖啶酮、黃士酮、陰丹酮、蒽嘧啶、喹酞酮、碳黑、金屬氧化物、混合型金屬氧化物、銻黃、鉻酸鉛、鉻酸硫酸鉛、鉬酸鉛、深藍、鈷藍、錳藍、氧化鉻綠、水合氧化鉻綠、鈷綠、金屬硫化物、硫硒化鎘、鐵酸鋅及釩酸鉍，其衍生物、其混合物或其固溶體。著色劑可包含顏料之總重量計之約0.1重量%至約40重量%的量。
在一些實施例中，著色劑可為具有與非極性流體120之折射率相差至少0.05之折射率的材料。以此方式，著色劑將賦予非極性流體120擴散白色色彩。
在使顏料在非極性流體120內分散之前，可在存在至少一分散劑及視情況一增效劑及/或UV吸附劑之情況下藉由使顏料在非極性流體內分散而對顏料顆粒進行預處理。UV吸附劑包括彼等在美國專利第7,066,990號及第7,018,454號(該等專利之全文以引用的方式併入本文中)中所教示之UV吸附劑，以及羥苯基苯并三唑；參-芳基-s-三嗪(tris-aryl-s-triazines)；二苯甲酮；α-氰基丙烯酸酯；草醯替苯胺；苯并噁嗪酮；苯甲酸鹽；α-烷基肉桂酸酯；5-氯-2-(2-羥-3,5-二-第三丁基苯基)-2H-苯并三唑；2-(2-羥-3,5-二-第三丁基苯基)-2H-苯并三唑；2-(2-羥-3,5-二-第三戊基苯基)-2H-苯并三唑；2-(2-羥-3,5-二-α-枯基苯基)-2H-苯并三唑；2-(2-羥-3-α-枯基-5-第三辛基苯基)-2H-苯并三氮唑；2-(2-羥-5-第三辛基苯基)-2H-苯并三氮唑；2-(2-羥-5-甲基苯基)-2H-苯并三唑；2-(2-羥-3-第三丁基-5-甲基苯基)-2H-苯并三唑-5-磺酸鈉鹽；3-第三丁基-4-羥-5-(2H-苯并三唑-2-基)-氫基桂皮酸；12-羥-3,6,9-三噁十二烷基1-3-第三丁基-4-羥-第三-(2H-苯并三唑-2-基)-氫-肉桂酸酯；辛基-3-第三丁基-4-羥-5-(2H-苯并三唑-2-基)-氫肉桂酸酯；2-(3-第三丁基-2-羥-5-(2-Ω-羥-八-(伸乙基氧基)羰基-乙基)-苯基)-2H-苯并三唑；4,6-雙(2,4-二甲基苯基)-2-(4-辛基氧基-2-羥苯基)-s-三嗪；2,4-雙(2-羥-4-丁基氧基苯基)-6-(2,4-雙-丁基氧基苯基)-1,3,5-三嗪；2-[4-(十二烷基氧基/十三烷基氧基-2-羥基丙氧基)-2-羥苯基]-4,6-雙(2,4-二甲基苯基)-1,3,5-三嗪；參(2,4-二羥苯基)-1,3,5-三嗪與α-氯丙酯類(由C7或C9醇類之異構體混合物製成)之混合物的反應產物；2,4-二羥二苯甲酮；2,2',4,4'-四羥-5,5'-二磺酸二苯甲酮二鈉鹽；2-羥-4-辛基氧基二苯甲酮；2-羥-4-十二烷基氧基二苯甲酮；2,4-二羥二苯甲酮-5-磺酸及其鹽類；2-羥-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸及其鹽類；2,2'-二羥-4,4'-二甲氧基二苯甲酮-5,5'-二磺酸鈉；3-(2H-苯并三唑-2-基)-4-羥-5-第二丁基苯磺酸鈉鹽；及2-(2'-羥基-3'-第三丁基-5'-聚乙二醇丙酸酯-苯基)苯并三唑；及其混合物。
非極性流體120亦可包括分散劑以使顏料顆粒在溶液中穩定或在分散液處理中進行輔助。適當的分散劑可包括彼等具有疏水性或親水性性質之分散劑。在一些情況下，分散劑將包括增效劑或有色顏料之衍生物，以進一步使顏料分散液穩定。增效劑可單獨合成且添加至分散液，該分散液係如全文併入本文中之美國專利第6,911,073號及第5,922,118號直接形成在顏料上，或如美國專利第5,062,894號及第5,024,698號在顏料之製造期間形成。第二流體內之分散劑的總量可通常以顏料之重量計為約0.1重量%至約200重量%。增效劑之量可以顏料之重量計為約0重量%至約200重量%。
非極性流體120之製備以在裝備有高速攪拌器之容器中預混合分散劑與非極性流體開始。接著使混合物經過轉動球磨機或攪動式介質磨機，其可為分批操作或借助於再循環及/或分立經過，含有大小為約30μm至約5.1cm之諸如玻璃、陶瓷、鋼或有機聚合物的介質。典型磨機為彼等由Eiger、Netzsch、Buhler、Premier、Chicago Boiler、Drais、Union Process等製造之磨機。或者，分散液可在諸如轉動球磨機或攪動式球磨機(諸如，攪拌)之分批法裝備上產生。該轉動球磨機由彼等由Paul-O-Abbe提供之轉動球磨機典型化；攪動式球磨機由彼等由Union Process供應之攪動式球磨機典型化。針對任一者之介質大小可在上述大小範圍內，且形狀可為圓形、規則、不規則或其組合。同等地，可在具有諸如IKA Works、Baker-Perkins等之剪切機構的任何高能分散器(刀工混合機)上製備分散液。視情況過濾或離心分散液以移除諸如未分散顆粒、介質或污染物之大顆粒。
現移至圖1A至圖1D來說明一種移動極性流體118且藉此更改電流體裝置100之外觀的方法。由極性流體118與電容器106a之電極之間的電壓源126來施加激勵。一旦達到充足的電壓(亦即，臨限值)，則形成機電力且將極性流體118自流體容器之第一區域112牽引至流體容器之第二區域114中，藉此增加佔據可視區128之極性流體118的量。此在一旦機電力(每單位面積)超出楊-拉普拉斯壓力(每單位面積之力)且出現諸如接觸角滯後現象之其他效應時即發生。基於第二區域114之幾何結構、極性流體118與非極性流體120之間的界面表面張力及接觸角滯後現象，有可能判定此針對至第二區域114中之極性流體流的臨限值係在約0.02N/cm2 至約10N/cm2 的範圍內。若機電力合適地下降至此臨限值以下，則極性流體118將歸因於楊-拉普拉斯壓力之影響而回縮回至流體容器之第一區域112中。極性流體118及非極性流體120之黏度與機電力結合可導致極性流體118之大於約0.1cm/s之轉移速度。
在本發明之替代實施例中，流體容器之第一區域112及第二區域114可具有類似幾何結構但不同表面能，且因此具有不同接觸角，使得可出現上述效應。
基於有色油薄膜之習知電潤濕顯示器經歷隨單元之橫向尺寸減小的所需操作電壓之增加。對於電流體裝置100而言，不存在針對較小比例裝置需要較高電壓形式之處罰，且由此電流體裝置100可同時縮放至高解析度像素及低電壓操作。
如圖1A至圖1D中所示之電流體裝置亦可形成灰階等級。習知微機電系統大多始終穩定在僅兩個狀態中之一個狀態中，此意謂裝置必須經脈寬調變或空間抖動以達成灰階。但是，隨著電壓位準隨時間過去而保持恆定，液晶裝置將安定至由所施加電壓之量值判定的給定灰階狀態中。對於電潤濕顯示器而言，電壓回應略微類似於液晶顯示器。電泳顯示器涉及電場中之帶電顏料遷移率，所施加電壓愈大，最終灰階狀態之對比度愈高。然而，在本實施例中，如圖1C及圖1D中，當電流體裝置之電壓源126係在高於使極性流體潤濕至第二區域中之臨限值下操作時，極性流體118將最大限度地填充第二區域114，且針對流體容器100達成最大感知變色。如圖1A及圖1B中，當來自電壓源126之激勵合適地低於使極性流體118潤濕至第二區域114中之臨限值時，極性流體118將最大限度地退出第二區域114，且再次針對裝置達成最大感知變色。因此，不同於習知裝置，電流體裝置100上不存在基於所施加電壓之量值的穩定灰階狀態。然而，如將教示，可藉由修改電流體裝置100之特徵、材料或塗層而形成穩定的灰階狀態。
第一區域112或第二區域114之壁上之任何塗層的接觸角滯後現象、非平面表面幾何結構之效應，或電極113由介電材料115之不完全覆蓋將使得作用於極性流體118上之淨力的電壓範圍不足以前進至第二區域114中或自第二區域114回縮，但可用於將極性流體118保持在第二區域114內之中間填充位置中。由此，一種以電流體裝置100達成灰階之方式為使用具有合適黏度之極性流體118及非極性流體120，使得隨極性流體118前進或自第二區域114回縮，存在針對極性流體118之可控制或可預測速度。結果，此前進或回縮速度將視所施加電壓(亦即，每單位面積之楊-拉普拉斯壓力與所施加機電力之間的淨差)而定且可經脈寬或電壓調變至第二區域114中之一給定位置。灰階等級可接著藉由使用在流體移動之臨限值附近但在接觸角滯後現象防止流體移動之範圍內的電壓而保持穩定在該位置處。此保持位置可自灰階狀態調變至灰階狀態，或流體位置重設至任一極限位置且接著選擇一個灰階狀態。此外，針對週期性再新之電偏壓的情況，偏壓無需對稱且流體之持續移動回縮或前進係可能的，且若移動足夠快，則使得所感知之灰階狀態將為持續改變之灰階狀態的時間平均回應。在此操作方法中，因為極性流體118充當電容器106a上之可變面積電極，因此由電壓源126驅動之電容將隨極性流體118在第二區域114內之位置而變化。因此，灰階狀態係藉由提供合適量的電荷至裝置而非藉由電壓之電壓調變或脈寬調變而選擇。
在本發明之替代實施例中，可利用電極樣式中之一或多個小脊狀物(未圖示)或改變來形成用於流體移動之小能量障壁，且藉此改良灰階狀態穩定性。此可輔助高速且減少錯誤之灰階切換，因為可藉由局部修改第二區域114之表面處或附近之固體材料的組合物或幾何結構來形成其他中間灰階重設位置。熟習顯示器技術者易於理解，主動矩陣、被動矩陣或分段電壓定址將允許使該等定址電流體裝置之構件多重化，彼等定址構件屬於電流體裝置之唯一電回應之描述的精神內。
現轉至圖2A及圖2B，說明操作電流體裝置100之又一方法。特定言之，圖2A說明電流體裝置100之材料可經選擇，使得極性流體118在第二區域114中展現凹入彎液面130，且因此將甚至在無機電力之情況下流入第二區域114中。對於此替代實施例，電壓源126之第一端子125將電連接至在第一區域112之表面上之電容器132的電極(未圖示)。以此方式，如圖2B中所示，電容器132可操作以將極性流體118牽引出第二區域114且進入第一區域112中。此替代實施例在切換速度、電壓要求及自應用觀點之其他實際因素方面較不受到青睞。
如圖1A至圖1D及圖2A至圖2B中所示，電流體裝置100可在不同模式下操作。此等包括透射、反射及透射反射模式。
如圖1A至圖1D中，在反射或透射反射模式下，反射表面(未圖示)可配置在以下非限制位置中之一或多個位置中：第一基板上之反射體材料；凸台104可藉由包含含有諸如TiO2 顆粒之反射特徵的聚合物而漫反射；反射體材料可沈積於該凸台之上部表面上；或非極性流體120可為反射性的，例如含有金屬氧化物顏料之低指數油分散液。熟習顯示器及光學技術者可構想出眾多其他反射表面配置。
在圖1A及對應俯視圖圖1B中，光源230將光232導引朝向第二基板110及含有非極性流體120之較大部分的可視區128。光232之至少一部分在反射表面(未圖示)處自電流體裝置100反射作為具有第一光譜性質之光234。現轉至圖1C及圖1D，在由電壓源126提供電壓且極性流體118移動至第二區域114中之後，光232現將移動經過第二基板110及含有極性流體118中之較大部分的可視區128。光232之至少一部分現自電流體裝置100由反射表面(未圖示)反射作為具有第二光譜性質之光235。由此，圖1A之反射光234及圖1D之反射光235將在至少一光譜性質上不同，該至少一性質可為強度、角度、相位或光譜。
光譜性質之所要強度至少部分地由第二區域114內之極性流體118或非極性流體120之厚度判定。舉例而言，第二區域114及第二區域114中之極性流體118可薄至1μm(其中顏料大於約10重量%)，但較佳將大於約1μm使得將達成強光學效應。
圖2A及圖2B中說明又一操作方法：透射模式。對於透射模式易於理解，電流體裝置100中之一或多種材料應為合適地透射的。或者，可使極性流體118進一步自電流體裝置100之視線或電流體裝置100中之光線路徑隱藏。此可(例如)藉由光吸收、光波導、全內反射或配置在界定第一區域112之幾何結構的壁上或附近之反射材料來達成。舉例而言，反射材料可塗覆在第一區域112之側壁上，且可輔助即使在成角度地觀察時亦保留電流體裝置100之視覺外觀。特定言之，如圖2A中，光源237將光238導引朝向第一基板102，且穿過電流體裝置100及第二基板110。隨光退出電流體裝置100，可視區(未圖示)主要含有極性流體118。由此，透射光236將具有基於可視區(未圖示)內之極性流體118之性質的第一光譜性質。接著，在圖2B中且根據本發明之原理，由電壓源126提供激勵且極性流體118自第二區域114移動且進入第一區域112中，使得可視區(未圖示)主要含有非極性流體120。現在，透射光239將具有基於可視區(未圖示)內之非極性流體120之性質的第二光譜性質。
根據圖1A至圖1D及圖2A至圖2B之光源可在適當時包括諸如燈或陽光或雷射束之外部環境光源。光源可為如經常用於液晶顯示器之前光散射波導或背光散射波導。光源可嵌入於本發明中，諸如由承載本發明之同一基板承載之電致發光薄膜。多個光源位置、光之光譜、強度及入射角係可能的，因為本發明之極性流體與非極性流體僅需在至少一光學性質上不同。該等不同光學性質包括(但不限於)吸收、透射、折射、全內反射、光干涉、繞射或反射。在本發明之較佳實施例中，光源將為環境光，且極性流體含有顏料以便調變環境光之吸收。
現轉至圖3A及圖3B，其中說明本發明之替代實施例。其中，一電流體裝置134具有一針對導管136及電容器138之替代組態。導管136包括一實質上圍繞第二區域114(圖3A)之外部周邊140的周邊部分139，由此為非極性流體(未圖示)之流動提供一改良路徑以填充因極性流體118之移動而留為空著的空間。周邊部分139進一步提供一藉由提供一發散毛細管而終止極性流體118之前進的構件。亦即，由於極性流體118試圖前進超出周邊140，因此極性流體118將遭遇需要比極性流體118在第二區域112中前進所需之機電力更強之機電力的發散毛細管。
亦如圖3A及圖3B中進一步展示，電容器138僅位於第二基板110之表面上。若電流體裝置134形成在有機薄膜電晶體陣列上，則此可為一有用替代實施例，其中較高處理溫度可用於在第二基板110上形成高電容疏水性層化電容器而不將第一基板102及其上承載之特徵曝露於此等較高處理溫度。凸台104之上部表面或塗覆至凸台104之塗層(未圖示)可提供接近90°之局部接觸角，使得其在極性流體之前進或回縮中充當中性角色。或者，凸台104可由低溫處理且低電容疏水性層化電容器(未圖示)塗覆，使得所施加電壓將使得此低電容電容器138在極性流體之前進或回縮中充當更為中性的角色。
現轉至圖4A及圖4B，說明本發明之替代電流體裝置142實施例。其中，電流體裝置142包括部分圖案化之電容器144a、144b，及一疏水性塗覆之電極146。疏水性塗覆之電極146包括一諸如金之電導體(其可展現疏水性行為)或一諸如鋁之非疏水性材料(其塗覆有含氟聚合物或實質上不電絕緣之其他疏水性材料)。疏水性塗覆之電極146充當即使在極性流體118藉由電容器144a、144b中之一者或兩者所賦予之機電力而完全或部分牽引出第一區域112且進入第二區域114之情況下仍允許第一基板102附近之電壓源143連接保持與極性流體118電接觸的角色。舉例而言，疏水性塗覆之電極146可連接至駐留於第一基板102上之薄膜電晶體(未圖示)的汲極。在本發明之較佳實施例中，一合適地電絕緣疏水性介電質將形成在流體容器之第一區域112及第二區域114內部之大多數或所有特徵上。
繼續參看圖4A，電容器144a、144b中之一或多者可經圖案化，使得極性流體之前進將在該極性流體到達凸台104之一部分或含有無疏水性介電材料之區148的第二基板110時終止。
圖5A及圖5B說明本發明之替代電流體裝置150實施例。其中，電流體裝置150包括本文中先前描述之特徵的替代配置。然而，第一區域152具有進一步自電流體裝置150之可視區128隱藏極性流體118的至少一幾何結構變體。
亦在圖5A中展示，導管154製造於第二基板110上且充當先前針對導管154描述之功能中之一或多個功能。電容器156位於凸台表面104上。隔片158僅接觸凸台104之較佳小於可視區128之約30%的一小部分面積。若隔片158充分小，則展現合適的靜態潤濕性質，及/或若隔片158展現電壓可切換潤濕性質，則其可置放在凸台104上且仍允許極性流體118自由前進至第二區域114中之大部分區域中。
圖6A及圖6B說明涉及可展現雙穩態切換行為之電流體裝置160的本發明之又一替代實施例。圍繞第一區域112或第二區域114之表面具有電容器162a、162b，其中覆蓋電容器162a、162b之塗層具有賦予極性流體118小或零曲率半徑166的表面能。舉例而言，第二基板110上之電容器162a可賦予極性流體118一為110°之接觸角，而凸台104上之電容器162b可賦予極性流體118一為70°之接觸角。或者，電容器162a、162b之塗層可賦予接近90°之接觸角。所要效應為將極性流體118之淨楊-拉普拉斯壓力減小至接觸角滯後現象防止流體流在平衡狀態下自第二區域114進入第一區域112中的點。或者，此可藉由使用油及/或水可溶界面活性劑來合適地降低極性流體118與非極性流體(未圖示)之間的界面表面張力來減小楊-拉普拉斯壓力或藉由使用化學或形態上非均質或幾何上圖案化之疏水性塗層表面來達成，藉此展現合適的接觸角滯後現象或接觸線摩擦力。
繼續參看圖6A，電容器162a、162b及第一區域112之表面上的電容器164可接著賦予機電力來將極性流體118移動至電流體裝置160中的不同位置。在無任何所施加電壓之情況下，極性流體118可保持在中間狀態中且藉此達成針對諸如零功率電子紙之應用的雙穩態灰階操作。如下激發電容器162a、162b、164。電壓源161之第一端子163將電連接至該等電容器162a、162b中之一者或兩者，而電壓源161之第二端子165連接至極性流體118。一第二電壓源167將以類似方式電連接至電容器164及極性流體118。由此，兩個以上電壓源161、167之使用係可能的，且電流體裝置160之操作所需的最小集合係兩個電壓源。
圖7A及圖7B說明本發明之又一替代實施例，其中電流體裝置168將導管之一或多個功能性與第一區域170組合。此外，電容器171a、171b可定位在第二基板110或凸台104中之任一者或兩者上。儘管極性流體118之移動可能在此替代實施例中較不可預測，但其為諸如智慧窗(smart window)之應用提供非常簡單之製造方式及可能的效用(utility)。在本發明之替代實施例中，第一區域170之幾何結構可經最佳化至圖7A及圖7B中所示之幾何結構以外，以便提供更為可預測之流體流。
現轉至圖8A及圖8B，其中說明本發明之兩個額外實施例。大體而言，圖8A及圖8B展示包括針對流體容器幾何結構之多種配置的電流體裝置。此等針對流體容器之替代實施例在參看圖1描述之同一構件中操作且經呈現以展示針對第一區域幾何結構及第二區域幾何結構存在眾多可能性。
圖8A說明針對電流體裝置172之一個該幾何結構。凸台174可與第一基板102及第二基板110分離，由此分別界定流體容器之第一區域176及第二區域180。在凸台174內蝕刻之特徵可包括一成形毛細管178，其中成形毛細管178之曲率半徑自第一區域176至第二區域180增加。一電容器182可應用至成形毛細管178之壁上。在平衡狀態下，有色非極性流體(未圖示)將駐留在第一區域176及毛細管178中，且一透明(clear)極性流體179將在平衡狀態下駐留在第二區域180中。電壓源126之端子將電連接至極性流體179及電容器182之電極(未圖示)且將驅動極性流體179至毛細管178及第二區域176中且由此更改電流體裝置172之視覺外觀。
圖8B說明電流體裝置212之替代幾何結構。其中，凸台174包括若干有角度之毛細管184，其中曲率半徑自第一區域176至第二區域180在整個有角度之毛細管184中恆定。電容器182將包括在該等有角度之毛細管184中之每一者的壁上。若有角度之毛細管184展現半漫反射，則電流體裝置182之視覺外觀可如先前參看圖8A所描述由有色非極性流體(未圖示)之移動更改。
圖9A及圖9B說明本發明之替代實施例，其中電流體裝置186可展現雙穩態切換行為且可由一諸如薄膜電晶體之能量源驅動。第二基板110包括一疏水性塗覆之電極188，其賦予極性流體118一小或減小的曲率190。舉例而言，疏水性塗覆之電極188上之表面可賦予極性流體118一為90°的接觸角。疏水性塗覆之電極188之表面可進一步為表面提供接觸角滯後現象，使得達成雙穩態操作。所要效應係藉由將極性流體118之淨楊-拉普拉斯壓力減小至接觸角滯後現象防止流體流在平衡狀態下自第二區域114進入偏移第一區域192中的點而達成。或者，此可藉由使用油及/或水可溶界面活性劑來合適地降低極性流體118與非極性流體(未圖示)之間的界面表面張力或藉由使用化學或形態上非常非均質之疏水性表面來達成，藉此展現大的接觸角滯後現象。
進一步參看圖9A，電容器162a、162b、164可以類似於參看圖6A及圖6B描述之方式分別以兩電壓源191、193操作。在無任何所施加電壓之情況下，極性流體118可保持在中間狀態中且因此達成針對諸如零功率電子紙之應用的雙穩態灰階操作。
若需要，則可使用一單一薄膜電晶體來替代兩電壓源191、193操作灰階等級。其中，疏水性塗覆之電極188及因此極性流體118兩者保持在電接地處；然而，多個平衡偏壓機制係可能的。對於複數個流體容器之情況，每次再新影像時，電壓193可施加至電容器164且藉此使得所有極性流體118完全佔據全部第二區域114。接著，提供經連接至每一電容器162a、162b之電壓源191的薄膜電晶體(未圖示)可藉由將極性流體118牽引回至偏移第一區域192中而將每一電流體裝置186設定為相異灰階等級。電壓量值、脈寬、固定電荷或電壓衰變可用於判定灰階狀態。替代偏壓機制包括極性流體118由電容器162a、162b、164之競爭性牽引。該等機制亦包括異相AC波形及其類似者。
現特別轉至圖9B，電流體裝置186包括狹窄導電路徑194，其允許一或多個鄰近流體容器中之電容器164經由一單一電壓源(未展示)驅動。對於配置於一陣列中之眾多裝置186之情況而言，此可消除在每一裝置186處需要另一薄膜電晶體或個別電壓連接之需求。由於導電路徑194如此狹窄，因此，在某些情況下，極性流體118之前進可在導電路徑194之入口處終止。大體而言，若路徑194具有一約為第二區域114之高度的寬度，則極性流體118之前進仍可另外終止，此係因為發散毛細管將賦予極性流體之彎液面額外的小凸曲率半徑，此額外的小曲率半徑垂直於第二區域114所賦予之曲率半徑。若需要，則隔片(未圖示)可施加於導電路徑194之頂部且亦可操作以終止流體流。
進一步參看圖9A及圖9B，第二基板110僅承載疏水性塗覆之電極188的事實對於密封是可有利的。舉例而言，金屬氧化物或半導體氧化物介電質可首先沈積於包含電容器164之電極上。在該介電質上，可由以粗糙上部表面之形式乾燥之流體或糊狀物印刷一隔片(未圖示)。該隔片與該介電質兩者可接著由疏水性含氟聚合物塗覆。接著，第二基板110及疏水性塗覆之電極118可置放於第一基板102所承載之特徵上。若以Microchem SU-8光-環氧樹脂塗覆疏水性電極188(其因此非為疏水性而是中等親水性的)，則其可接著加熱至大於約55℃，此溫度使得SU-8單體熔融並且與隔片之粗糙上部表面黏結。接著可對SU-8進行UV固化以使其熔點上升。由此，簡單之高強度意指將第二基板110與承載之特徵黏附至第一基板102。
進一步參看圖9B及本發明之所有其他實施例，形態上粗糙或呈現某種類的內部毛細管特徵(未圖示)之隔片的使用將促進黏附劑至隔片(未圖示)的膠著。此大體要求黏附劑與疏水性材料形成接觸角，此促進黏附劑至隔片(未圖示)上或中發現之粗糙或毛細管特徵中的毛細管潤濕。
圖10A及圖10B說明本發明之替代實施例，其中電流體裝置196並非由著色劑之光學吸收之原理而是由可切換法布立-柏若空腔或光學微空腔之原理切換。在此替代實施例中，習知干涉調變結構之可移動MEM反射體係由一或多個可移動流體198替代，該一或多個流體198可移動入或移動出光之光學路徑，以便歸因於可移動流體198之折射率的差異而引起光的相位延遲。一或多個多層介電薄膜200提供法布立-柏若空腔中之一半。在較佳實施例中，駐於凸台104上之電容器202係反射性的且因此穿過薄膜200及可移動流體198之光在電容器202處反射且導引回穿過可移動流體198及薄膜200。此反射形成一完整的法布立-柏若空腔。如所示，電流體裝置196進一步包括一電連接至電容器202及可移動流體198且可以類似於彼等先前描述之方式的方式操作的電壓源203。本發明之此替代實施例可與習知干涉調變顯示器之各種驅動機制、增強、製造及其他態樣完全相容。然而，本發明提供更為簡單之製造、易於在可撓基板上整合之可能性，及在一單一裝置內進行灰階或雙穩態操作之電位。
圖11A及圖11B說明本發明之替代實施例，其中電流體裝置包括一圖案化電容器且無導管。儘管未圖示，但極性流體及非極性流體具有與針對圖1A描述之位置及功能性類似的位置及功能性。無導管減小了非極性流體填充先前由極性流體佔據之空間之移動的自由度，但該等流將作為本發明之替代實施例而不被完全防止及准許。
特定參看圖11A，電流體裝置204包括圖案化電容器206及凸台曝露部分207。此將使得極性流體(未圖示)上之機電力隨極性流體前進至凸台曝露部分207之較大區中經歷平均減小。在此替代實施例中，其將因此需要較大電壓來致動極性流體移動至凸台曝露部分207內。結果，極性流體自第一區域210進入第二區域(未圖示)之定位將具有一類似於用於電操作液晶顯示器之類比電壓回應的類比電壓回應。應注意，針對凸台曝露部分207展示之圖案僅為實例，其可為諸如孔或條帶之其他幾何結構，且在圖11A之圖式中未按比例繪製。
關於比例，圖11A中所說明之圖案化電容器206的比例應大致約為或小於第一區域210之高度，使得機電力在整個彎液面上平均化，否則極性流體可分叉入表面上之兩個或兩個以上潤濕圖案。在本發明之替代實施例中，亦可藉由使電容器206上之介電塗層的厚度變化而達成極性流體位置之非突變或類比控制。
特定參看圖11B，電流體裝置212具備一圖案化電容器214及一凸台曝露部分215，其可經利用以使得極性流體(未圖示)之前進遵循蜿蜓蛇形或其他非圓形幾何擴張。由於任何液體設法最小化其表面積，因此在無電容器214上之任何圖案或其他障礙或幾何變體之情況下，極性流體將以本質上為圓形之可視幾何結構填充第二區域(未圖示)。
由此，圖11B中展示之替代實施例提供極性流體(未圖示)可藉以用可預測形狀填充第二區域(未圖示)之方式，諸如字元、字母、數字或符號之非限制性實例。
參看圖1A至圖11B，提供一種用於使流體分劑量進入一或多個電流體裝置之新穎方法。極性流體118可首先填充或真空填充至流體容器之開放特徵中。第一基板102及第二基板110可在此極性流體填充之前或此極性流體填充之後彼此附接或黏結。在黏結後真空填充可在一些情況下為較佳的，此係因為其將允許兩個基板102、110之牢固黏結，可能甚至熱黏結。待極性流體118填充於一目前鄰近之第一基板102與第二基板110間之後，該非極性流體120可在流體容器100之邊緣處或其陣列饋入。非極性流體120可快速潤濕入第二區域中，因為楊-拉普拉斯壓力將使得極性流體118回縮遠離非極性流體120。若流體、材料及幾何結構經適當最佳化，則此回縮之速度將在第二區域中足夠快，使得非極性流體120將在其能夠使極性流體118自第一區域112去潤濕之前圍繞第一區域112中之極性流體118。因此，可針對電流體裝置達成自組裝之液體分劑量之新穎、簡單但有效之方式。
參看圖12，其中多個電流體裝置216經層化以形成視覺顯示器。此分層允許經由減色過濾控制多個色彩。舉例而言，第一層218可控制紅外光，而第二層220包括可視範圍內的色彩。
在替代實施例中，任何數目之流體容器可以任何數目之永久彩色濾光片層壓。舉例而言，具有永久紅色濾光片之藍色切換流體容器可提供一可切換紅色至黑色著色。存在達成色彩或光譜改變之多個組態，彼等組態易於由彼等熟習顯示器或印刷技術者所構想。舉例而言，可以像素化格式並排配置多個流體容器，以形成一電流體裝置，每一流體容器能夠在黑色與白色之間切換且各自在其上方具有紅色濾光片薄膜、綠色濾光片薄膜或藍色濾光片薄膜中之一者。熟習顯示器技術者將顯而易見，色彩產生亦可如印刷行業中之長期慣例而擴展至青-品紅-黃色系統。
儘管已藉由對各種實施例之描述而說明本發明，且儘管已相當詳細地描述此等實施例，但是申請者之意圖並非將附加申請專利範圍之範疇限於該細節或以任何方式將附加申請專利範圍之範疇限於該細節。熟習此項技術者將顯而易見額外優點及修改。由此，本發明在其更廣泛態樣中因此並不限於特定細節、代表性設備及方法，以及所展示及描述之說明性實例。因此，在不脫離申請者之一般發明性概念之精神或範疇的情況下，可自該等細節做出偏離。在本發明之精神內，已描述了針對電流體裝置之適當基礎組態且其針對眾多應用之適用性及特定設計明顯含於本發明內。特定電流體應用之非限制性實例包括：適應性偽裝、可調諧色彩表面、智慧窗、電子紙、電子顯示器、有效標識、可調色太陽鏡(tintable sunglasses)、可程式化光微影裝備、通信系統、仿生工具、智慧服裝、智慧卡、電子紡織品、可滾動顯示器、可撓顯示器、剛性顯示器、透射顯示器、反射顯示器、透射反射顯示器、發射性顯示器、可重組態小鍵盤、觸摸式顯示幕、電流體感應器、抬頭顯示器(heads-up-display)、微顯示器及利用本文所描述之原理的多種其他現有或新應用。
以下實例及比較實例說明本發明之實施例中之一些實施例的特定性質及優點。此外，此等為本發明之實踐之縮減的實例且因此確認本發明中所描述之原理有效。
實例1
玻璃基板以～100μm之負固化Microchem SU-8光環氧樹脂塗覆，經由光罩以UV光曝光，且顯影以形成具有第一區域及圍繞裝置周邊之大部分之導管的凸台。此基板及特徵接著以鋁角度蒸發塗覆，使得頂面經塗覆，但使得第一區域及導管實質上保留未以鋁塗覆。樣本接著以～1μm之Parylene C介電質及～100nm之Cytonix Fluoropel 1601V疏水性含氟聚合物塗覆。頂部玻璃基板以透明In2 O3 電極塗覆。頂部基板接著以～5μm高的SU-8隔片塗覆且經圖案化，該隔片稍後將界定第二區域高度為類似～5μm高度。或者，該等隔片可直接形成於第一基板上，以便減輕對於兩個基板之對準的關注。頂部基板接著類似地以Parylene及Fluoropel塗覆。將基板夾在一起且以含有10重量%之紅色顏料分散液之水溶液真空填充，該分散液含有十二烷基硫酸鈉以減小水溶液之表面張力。接下來，將十二烷油引入至夾層式基板之一側且毛細管力使得將所有第二區域特徵去潤濕之水溶液仍保持在第一區域內部。接著將裝置密封且在電極上施加電壓，從而使得水溶液填充第二區域。在移除電壓後，水溶液快速流回至第一區域中。
實例2
製造類似於實例1中所描述之裝置的裝置，但流體移動並非由周圍導管而是由圖案化鋁電極終止。又，水溶液並非利用紅色顏料，而是10重量%之碳黑分散液。又對於此第二實例而言，替代SU-8而利用Micrcrochem KMPR抗蝕劑，替代Parylene C而利用～100nm之Al2 O3 ，且替代Fluoropel 1601V而利用～50nm之Asahi Cytop CTL-809M。此新的更高電容介電質產生<10V之直流(0Hz)操作電壓。
儘管已藉由對各種實施例之描述而說明本發明，且儘管已相當詳細地描述此等實施例，但是申請者之意圖並非將附加申請專利範圍之範疇限於該細節或以任何方式將附加申請專利範圍之範疇限於該細節。熟習此項技術者將顯而易見額外優點及修改。由此，本發明在其更廣泛態樣中因此並不限於特定細節、代表性設備及方法，以及所展示及描述之說明性實例。因此，在不脫離申請者之一般發明性概念之精神或範疇的情況下，可自該等細節做出偏離。
100．．．電流體裝置
102．．．第一基板
104．．．凸台/凸台表面
106a．．．電容器
106b．．．電容器
108．．．隔片
110．．．第二基板
112．．．第一區域
113．．．導電電極
114．．．第二區域
115．．．介電塗層/介電材料
116．．．導管
118．．．極性流體
120．．．非極性流體
122．．．凸起部分/凸起表面
124．．．凸起部分/凸起表面
125．．．第一端子
126．．．電壓源
127．．．第二端子
128．．．可視區
130．．．凹入彎液面
132．．．電容器
134．．．電流體裝置
136．．．導管
138．．．電容器
139．．．周邊部分
140．．．外部周邊
142．．．電流體裝置
143．．．電壓源
144a．．．電容器
144b．．．電容器
146．．．疏水性塗覆之電極
148．．．區
150．．．電流體裝置
152．．．第一區域
154．．．導管
156．．．電容器
158．．．隔片
160．．．電流體裝置
161．．．電壓源
162a．．．電容器
162b．．．電容器
163．．．第一端子
164．．．電容器
165．．．第二端子
166．．．曲率半徑
167．．．第二電壓源
168．．．電流體裝置
170．．．第一區域
171a．．．電容器
171b．．．電容器
172．．．電流體裝置
174．．．凸台
176．．．第一區域
178．．．成形毛細管
179．．．極性流體
180．．．第二區域
182．．．電容器
184．．．毛細管
186．．．電流體裝置
188．．．疏水性塗覆之電極
190．．．曲率
191．．．電壓源
192．．．偏移第一區域
193．．．電壓源
194．．．導電路徑
196．．．電流體裝置
198．．．可移動流體
200．．．多層介電薄膜
202．．．電容器
203．．．電壓源
204．．．電流體裝置
206．．．圖案化電容器
207．．．凸台曝露部分
210．．．第一區域
212．．．電流體裝置
214．．．圖案化電容器
215．．．凸台曝露部分
216．．．電流體裝置
218．．．第一層
220．．．第二層
230．．．光源
232．．．光
234．．．光
235．．．光
236．．．透射光
237．．．光源
238．．．光
239．．．透射光
圖1A為根據本發明之一實施例的電流體裝置之部分橫截面的圖解視圖。
圖1B及圖1C為圖1A之電流體裝置的俯視圖。
圖1D為在啟動電壓源之後圖1A之電流體裝置之部分橫截面的圖解視圖。
圖2A及圖2B為操作圖1A及圖1D之電流體裝置的替代方法之部分橫截面的圖解視圖。
圖3A為根據本發明之一替代實施例的電流體裝置之部分橫截面的圖解視圖，其中省略了非極性流體。
圖3B為圖3A之電流體裝置的俯視圖。
圖4A為根據本發明之一替代實施例的電流體裝置之部分橫截面的圖解視圖，其中省略了非極性流體。
圖4B為圖4A之電流體裝置的俯視圖。
圖5A為根據本發明之一替代實施例的電流體裝置之部分橫截面的圖解視圖，其中省略了非極性流體。
圖5B為圖5A之流體容器的俯視圖。
圖6A為根據本發明之一雙穩態切換實施例的電流體裝置之部分橫截面的圖解視圖，其中省略了非極性流體。
圖6B為圖6A之流體容器的俯視圖。
圖7A為根據本發明之一替代實施例的電流體裝置之部分橫截面的圖解視圖，其中省略了非極性流體。
圖7B為圖7A之流體容器的俯視圖。
圖8A為根據本發明之一替代實施例的電流體裝置之部分橫截面的圖解視圖，其中省略了非極性流體。
圖8B為根據本發明之一替代實施例的電流體裝置之部分橫截面的圖解視圖，其中省略了極性流體及非極性流體。
圖9A為根據本發明之一替代實施例的電流體裝置之部分橫截面的圖解視圖，其中省略了非極性流體。
圖9B為圖9A之流體容器的俯視圖，其中省略了極性流體。
圖圖10A及圖10B為根據本發明之一可切換光學微空腔實施例的電流體裝置之部分橫截面的圖解視圖，其中省略了非極性流體。
圖11A及圖11B為根據本發明之一替代實施例的電流體裝置之部分橫截面的圖解視圖，其皆包括圖案化電容器，其中省略了極性流體及非極性流體。
圖12為根據本發明之一實施例之層化電流體裝置的圖解視圖。
100．．．電流體裝置
102．．．第一基板
104．．．凸台
106a．．．電容器
106b．．．電容器
108．．．隔片
110．．．第二基板
112．．．第一區域
113．．．導電電極
114．．．第二區域
115．．．介電塗層/介電材料
116．．．導管
118．．．極性流體
120．．．非極性流體
122．．．凸起部分/凸起表面
124．．．凸起部分/凸起表面
125．．．第一端子
126．．．電壓源
127．．．第二端子
230．．．光源
232．．．光
234．．．光

Claims (29)

  1. 一種電流體裝置，其包含：一導電極性流體；一與該極性流體不可混溶之非極性流體；一包括一第一區域及一與該第一區域流體連通之第二區域的流體容器，該第一區域及該第二區域含有該極性流體及該非極性流體，該非極性流體佔據該流體容器內並未由該極性流體佔據的空間，該第二區域包括一可視區，經由該可視區，該極性流體及該非極性流體中之至少一者在該流體容器之外部為可見的，且該流體容器之第一區域具有一小於該流體容器之第二區域的表面積-體積比；一可操作以選擇性地將一機電力施加至該極性流體之電壓源，該機電力有效地將該極性流體之至少一部分自該流體容器之第一區域轉移至該流體容器之第二區域；一安置在該流體容器之該第二區域之至少一部分上且與該電壓源電耦接之電容器，該電容器具有一由該極性流體接觸之疏水性表面，該疏水性表面係經組態以提供該極性流體之第一主曲率半徑，該第一主曲率半徑是凸起的且小於該極性流體在該流體容器之該第一區域中的第二主曲率半徑，使得當該機電力經移除時，該極性流體之一部分將自該流體容器之該第二區域移動至該流體容器之該第一區域中，及一導管，其與該流體容器之第一區域及第二區域流體 連通，使得由該第二區域移位之非極性流體自該流體容器之第二區域移動經過該導管至該流體容器之第一區域；其中該極性流體與該非極性流體在至少一光學性質上不同，使得隨該極性流體之部分由該機電力自該流體容器之該第一區域移動至該流體容器之第二區域，經由該可視區轉移之光的一光譜性質改變，且當該機電力經移除時，該極性流體移動至該流體容器之第一區域。
  2. 如請求項1之電流體裝置，其中該流體容器之第二區域具有一外部周邊，且該導管為該第二區域之外部周邊的至少一部分界定一發散毛細管，使得即使在該機電力之效應下，該極性流體自該流體容器之第一區域至該流體容器之第二區域的移動亦在該導管附近終止。
  3. 如請求項1之電流體裝置，其中該導管與該流體容器之第一區域是整體性的。
  4. 如請求項1之電流體裝置，其進一步包含：一在該流體容器之至少一部分上的導電塗層，該導電塗層係可操作地與該第一電壓源相關聯，且隨該極性流體由該機電力移動以一連續方式與該第一區域及該第二區域中之極性流體電連接。
  5. 如請求項1之電流體裝置，其中該光之光譜性質改變係歸因於吸收、透射、折射、全內反射、光學干涉或反射。
  6. 如請求項1之電流體裝置，其中該第二區域內之極性流 體具有一小於約30%之最小透射率或一小於約30%之最小反射率。
  7. 如請求項1之電流體裝置，其中該第二區域中之極性流體具有一在約0.02N/cm2 至約10N/cm2 之範圍內之楊-拉普拉斯壓力(Young-Laplace pressure)值。
  8. 如請求項7之電流體裝置，其中該楊-拉普拉斯壓力值係經選擇，使得該極性流體以一每秒約100奈米或更大之速度自該第二區域移動至該第一區域。
  9. 如請求項1之電流體裝置，其中該極性流體包括一極性載液及一分散在該極性載液內之顏料。
  10. 如請求項9之電流體裝置，其中該顏料由一約0.1重量%至約40重量%的含有複數個顏料顆粒之分散液組成，該複數個顏料顆粒具有一在約10奈米至約150奈米之範圍內的平均粒徑。
  11. 如請求項10之電流體裝置，其中該顏料係選自由下列各物組成之群組：偶氮基、甲亞胺(azomethine)、甲烷、蒽醌、酞菁、哌瑞酮(perinone)、苝(perylene)、二酮基吡咯并吡咯、硫靛、二噁嗪、亞胺基異吲哚啉、亞胺基異吲哚啉酮、喹吖啶酮(quinacridone)、黃士酮(flavanthrone)、陰丹酮(indanthrone)、蒽嘧啶、喹酞酮、碳黑、其衍生物、其混合物及其固溶體。
  12. 如請求項10之電流體裝置，其中該顏料係選自由下列各物組成之群組：銻黃、鉻酸鉛、鉻酸硫酸鉛、鉬酸鉛、深藍、鈷藍、錳藍、氧化鉻綠、水合氧化鉻綠、鈷綠、 金屬硫化物、硫硒化鎘、鐵酸鋅及釩酸鉍、金屬氧化物、混合型金屬氧化物、其衍生物、其混合物及其固溶體。
  13. 如請求項9之電流體裝置，其中在該第二區域中之極性流體部分具有一對應於如1931 CIE色度圖上所描繪之(0.3,0.4)、(0.4,0.3)、(0.3,0.3)最小麥克斯韋三角形(Maxwell triangle)之色飽和度。
  14. 如請求項1之電流體裝置，其限制條件為該非極性流體將不會與該極性流體形成一乳液。
  15. 如請求項1之電流體裝置，其中該非極性流體含有一有效更改該非極性流體之至少一光學性質的著色劑。
  16. 如請求項15之電流體裝置，其中該著色劑係選自由下列各物組成之群組：偶氮基、甲亞胺、甲烷、蒽醌、酞菁、哌瑞酮、苝、二酮基吡咯并吡咯、硫靛、二噁嗪、亞胺基異吲哚啉、亞胺基異吲哚啉酮、喹吖啶酮、黃士酮、陰丹酮、蒽嘧啶、喹酞酮、碳黑、其衍生物、其混合物及其固溶體。
  17. 如請求項15之電流體裝置，其中該著色劑係選自由下列各物組成之群組：金屬氧化物、混合型金屬氧化物、銻黃、鉻酸鉛、鉻酸硫酸鉛、鉬酸鉛、深藍、鈷藍、錳藍、氧化鉻綠、水合氧化鉻綠、鈷綠、金屬硫化物、硫硒化鎘、鐵酸鋅及釩酸鉍、其衍生物、其混合物或其固溶體。
  18. 如請求項1之電流體裝置，其中該非極性流體包括一非 極性載液及一分散在該非極性載液內之光學材料，該光學材料具有一與該非極性載液之折射率相差至少0.05的折射率。
  19. 如請求項1之電流體裝置，其中該電容器包括一導電電極及一在該導電電極上之介電塗層，且該第一能量源包括第一端子及第二端子，其中該導電電極係連接至該第一電壓源之第一端子，且該極性流體係連接至該第一電壓源之第二端子，該介電塗層進一步在該第一電壓源之第一端子與第二端子之間提供電絕緣性。
  20. 如請求項1之電流體裝置，其中該第一區域及該第二區域包括至少一化學上、形態上或電力上非均質部分，該非均質部分為該第二區域中之極性流體提供至少一中間填充位置，因此在存在一減小的機電力之情況下，該極性流體可佔據存在於該第二區域中該極性流體之完全填充與該第二區域中該極性流體之未填充之間的至少一中間填充位置。
  21. 如請求項1之電流體裝置，其進一步包含：一光源，其係經組態以將光轉移通經至少該第二區域。
  22. 如請求項1之電流體裝置，其進一步包含：一第一基板；一第二基板；及至少一隔片，其位於該第一基板與該第二基板之間，該至少一隔片使該第一基板與該第二基板分離且藉此限 定該第二區域。
  23. 如請求項1之電流體裝置，其中該導管包含經配置以改良流體流動再現性之幾何結構。
  24. 如請求項1之電流體裝置，其中該導管包含經配置以促進流體流動之幾何結構。
  25. 一種視覺顯示器，其包含複數個如請求項22之電流體裝置。
  26. 一種雙穩態電流體裝置，其包含：一導電極性流體；一與該極性流體不可混溶之非極性流體；一包括一第一區域及一與該第一區域流體連通之第二區域的流體容器，該第一區域及該第二區域含有該極性流體及該非極性流體，該非極性流體佔據該流體容器內並未由該極性流體佔據的空間，該第二區域包括一可視區，經由該可視區，該極性流體及該非極性流體中之至少一者在該流體容器之外部為可見的，且該流體容器之第一區域具有一小於該流體容器之第二區域的表面積-體積比；一可操作以選擇性地將一第一機電力施加至該極性流體之第一電壓源，該第一機電力有效地將該極性流體之至少一部分自該流體容器之第二區域轉移至該流體容器之第一區域；一安置在該流體容器之該第一區域之至少一部分上且與該第一電壓源電耦接之第一電容器； 一可操作以選擇性地將一第二機電力施加至該極性流體之第二電壓源，該第二機電力有效地將該極性流體之至少一部分自該流體容器之第一區域轉移至該流體容器之第二區域；一安置在該流體容器之該第二區域之至少一部分上且與該第二電壓源電耦接之第二電容器；一導管，其與該流體容器之該第一區域及該第二區域流體連通，使得由該第二區域移位之非極性流體自該流體容器之第二區域移動經過該導管至該流體容器之第一區域，其中該導管與該流體容器之第一區域是整體性的；其中該極性流體與該非極性流體在至少一光學性質上不同，使得隨該極性流體之該部分自該流體容器之第一區域移動至該流體容器之第二區域，經由該可視區轉移之光的一光譜性質改變。
  27. 一種製造在第一基板與第二基板之間形成複數個電流體裝置之方法，其中該第一基板與第二基板於其間界定一容積，該等電流體裝置中之每一者包括一具有該容積之第一區域及與該第一區域流體連通之該容積之第二區域的流體容器，該方法包含：以極性流體填充該等流體容器之容積；在該第一基板及該第二基板之一邊緣處引入非極性流體；及使得該非極性流體在該第一基板與該第二基板之間流 動並進入該第二區域，以自該容積移除該極性流體之至少一部分，其中自該容積移除該極性流體之至少一部分係在來自該第二區域中剩餘之極性流體之一楊-拉普拉斯壓力的促進下進行。
  28. 一種操作電流體裝置之方法，該電流體裝置包括一導電極性流體、一與該極性流體不可混溶之非極性流體，及一具有一第一區域及一與該第一區域流體連通之第二區域的流體容器及與該第一及第二區域流體連通之導管，該第一區域及該第二區域含有該極性流體及該非極性流體，該非極性流體佔據該流體容器內未由該極性流體佔據之空間，該方法包含：對該極性流體施加一機電力，該機電力超出由該第一區域施加至該流體容器之該第一區域中的該極性流體之楊-拉普拉斯壓力，且該機電力係可操作以自該流體容器之第一區域移動該極性流體之至少一部分至該流體容器之第二區域，並自該流體容器之第二區域移動該非極性流體之至少一部分，使其經由該導管而進入該流體容器之第一區域。
  29. 如請求項28之方法，其進一步包含：移除該機電力，藉此該楊-拉普拉斯壓力係可操作以將該極性流體之部分自該流體容器之第二區域移動至該流體容器之第一區域，並將該非極性流體之部分自該流體容器之第一區域經由該導管而進入該流體容器之第二區域。
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