专利名称：泵浦着色像素显示器的制作方法
泵浦着色像素显示器为了眼睛可以清楚地看见光线，发射的光线在亮度上必须与背景照明相当，所以对于强光的应用而言具有反射式显示器比发光显示器有优势。这意味着，在强光情况下，为了易于观察，需要外部能量以增加显示器的亮度。已经有许多用于反射式显示器的技术，从液晶显示器到电泳显示器，其中带电的粒子都在施加的电场下移动。三分之一的反射式显示器的类型运用电润湿效应，而其它的则运用光栅衍射中的变化。液晶显示器运用与可电极化的分子联合的偏光器。具有偏光器的显示器的问题是一半的光线在偏光器中丢失从而在颜色上发灰。具有带电粒子的显示器的问题是难以增加颜色。当前显示器的另一问题是在每个像素处需要有寻址晶体管。这就意味着成本会极大增加，因为每个像素都需要加上有源的电子元件。本发明通过创造一种显示器来设法解决这些问题，该显示器中每个像素包含溶液中的胶状粒子，溶液被泵浦以将来例子从第一区移入观看者可见的第二区，在第一区中，粒子仅覆盖像素的小范围或者其大部分被保留在像素的隐蔽区域中。通过运用对紫外(UV) 光稳定的着色粒子，可产生明亮地反射的彩色像素。根据本发明，提供了一种显示元件，其包括外壳和驱动电极，在使用中所述外壳包含流体，且流体包含多个粒子，所述外壳具有至少一个透明表面以及第一和第二区，其中所述第二区通过所述透明表面的能见范围大于所述第一区通过所述透明表面的能见范围；并且驱动电极将所述流体及其内的所述粒子在所述第一区与所述第二区之间驱动以使得所述粒子通过所述透明表面的可见度能够变化。在本发明的实施例中，外壳具有屏，屏将外壳分隔成两个区，粒子可以在两个区之间被驱动；一个区从透明表面可见而另一区不可见。在本发明的另一实施例中，粒子可以从像素的一端处的第一区被驱动至第二区由此粒子覆盖像素的大部分范围，在第一区中，粒子聚成一团使得其仅覆盖像素的小范围。显示元件可以被设置成放置到元件阵列中以便形成显示装置。粒子可以是黑色、 白色或者选出的预定的多种颜色之一。屏可以是黑色、白色或者选定的多种颜色之一以使得在使用中可以由任一单个的元件形成彩色显示器。在由元件阵列形成的显示器中，适当的驱动电极可以层置于电极附近以单独地寻址到在选定的行和/或列中的每个元件。目前的基于粒子的显示器运用电场以移动流体中的粒子。例如通过使用带负电荷的白色粒子和带正电荷的黑色粒子，应用到像素上的电场方向的改变导致白色粒子移动至像素的前面同时黑色粒子移动至像素的后面。改变电场的极性将导致白色粒子移动至像素的后面同时黑色粒子移动至像素的前面。我们提出的显示器与此类似的是在每个像素位置上移动粒子，不同的是我们是运用对包含粒子的流体的泵浦以引起反射特性的改变，而不是DC电场移动粒子自身。有许多使用电场泵浦流体的方法。在本申请中将描述如何使用电渗流来进行泵浦，但是也可以利用许多其它的泵浦技术。我们将描述如何使用具体的电极配置，不需要有源的元件就可以在阵列的其中一个像素处产生AC电渗流。仅在每个行和列的末端具有正确的有源元件，就可恰好在行和列交叉的一个像素处产生流体流。
现在将参考相关附图来描述本发明的实施例，其中
图1是根据本发明的第一实施例的两个彼此邻近的显示元件的侧面剖视图；图2示出了根据图1的实施例的四个彼此邻近的元件的平面图；图3是根据本发明的另一实施例的两个彼此邻近的显示元件的侧面剖视图；图4示出了根据图3的实施例的四个彼此邻近的元件的平面图；图5是由在图1和3所示的实施例中应用的电极产生的电场的侧视图；图6示出了两个电极对的横向横截面图，其中，示出了由施加在大电极和小电极之间的AC电压产生的等速流体流通线；图7A至7C示出了本发明可以应用的电极结构的示例；图8示出了本发明可以应用的另一电极结构；图9示出了可以用于驱动前面附图中的电极的驱动电压；图10是示出了在图9的电压模式下通过图8中所示的全部元件的侧视图；以及图11示出了本发明可以应用的另一组驱动电压。根据本发明的第一实施例，图1示出了两个彼此邻近的像素的侧面示意图。层1 是基础材料，可以是玻璃或者塑料。层2是绝缘层，例如可以是玻璃或者塑料。层7由带图案的传导电极构成，传导电极沿着阵列的行和列方向均连接于阵列的边缘。层7可以由金属、传导塑料或者传导透明材料(例如ZnO或者氧化铟锡)制成。层3可以是绝缘材料，例如Si02、Si3N4、SU8-50光致抗蚀剂或者塑料。层3应当涂上白色或者黑色涂层以提供基本的像素颜色，该像素颜色在像素被接通时将由粒子覆盖。例如，可以由二氧化钛涂层制成白色或者由碳涂层制成黑色。层3可以运用光学光刻技术形成图案，或者可由层4压模成型并且放置在层2的顶部。层5是塑料或者玻璃的透明层，该透明层被刻蚀以在其下侧包含凹点。像素可以是200微米长、宽度在100到200之间的规格。图2示出了四个像素的俯视图，其中显示了刻蚀穿过层4的孔以允许流体从底层向上流动并流过像素顶部循环。一旦流过层4的顶部，流体就通过层4中的孔流向下。流体流拖动胶状的着色粒子6。孔8的宽度或者长度小于胶状粒子的大小。通常，胶状物可以具有10微米的直径，而孔可以具有8微米或者更小的宽度或长度。图3示出了根据本发明的另一实施例的两个像素的侧视图，其中基底1上涂有反射层9，反射层9可以是金属色，或者是当色素粒子没有覆盖像素时所需的颜色。正如将更进一步解释的，电极7用于泵浦或者驱动包含色素粒子的流体，而电极10用于使用与带电荷的色素粒子6相反极性的DC电压将带电荷的色素粒子6维持在像素的一侧处。间隔器 3用于支撑透明窗5。图4示出了根据此实施例的两个像素的俯视图，所示的粒子在左侧视图中在像素上展开并且在右侧视图中在电极10上聚成一团。在像素腔中的流体将是离子流体，离子流体在电极上形成离子双层。离子流体可以是溶入有一些离子的水。如果电极的宽度不相等，那么应用到电极对上的交流电压可以引起流体在一个方向流动。这是本领域技术人员公知的。流体流由具有两个不同大小的彼此靠近的电极7来驱动一个电极可以是5微米宽，而另一个是25微米宽。当电压差首先施加在两个电极7之间时，离子沿着最靠近小电极的大电极的边缘处形成更高的浓度，在小段时间(大约1毫秒)之后，离子沿着大电极的宽度流动以平衡浓度的梯度。离子拖动流体以使其随之流动。改变施加电压的极性会引起相同的效果，但是是对于具有不同极性的离子。这些离子最初也在大电极的最靠近小电极处形成更高的浓度。当每次电压改变极性时都重复这个过程。然后随着施加的AC电压的频率的增加，被驱动的流体流的速度增加， 直到离子没有时间流向电极以使其充电。这就是电极在这个离子浓度下的RC时间常数。通常在1000HZ和10000HZ之间。产生这种类型的流体流所需的电压在IV到3V之间。在更高的电压下，当离子开始从电极被注入溶液中时，流体流可以反向流动。这种注入优先地出现在靠近小电极的高场区。离子的注入抵消流向为电极充电的离子，并且可以观察到反向流动。这种流体流已经被充分地研究过并且可以观察到以500微米/每秒的速度流动。图5示出了一个大电极和一个小电极在一个AC电压周期内的侧视图。大电极靠近小电极处的离子的较高密度导致流体在大电极上向左边流动。图6示出了穿过四个电极的侧视图，这四个电极包括两个大电极(电气性连接的) 和电气性连接的两个小电极。还示出了流体流动线。当在大电极的较高电场侧开始注入离子时，流体流反向流动，这种流动补偿了从溶液中被拉向电极的离子。这种反向流动出现在大约高于4V的电压处。因此像素可以被制成通过将包含胶状的着色粒子的流体从底部储存器抽取到顶部来改变颜色(例如从白色改成红色)。通过反转流动方向，流体将胶状的着色粒子移动回到底部的像素腔，从而导致像素再次变成白色。通过仔细设计电极，可将胶状的着色粒子从像素的一个区域移到另一个区域，例如如图1所示，通过激活在像素阵列的外围的电极，着色粒子从底部储存器移动到顶部或者从顶部移动到底部。在图7A至7C中图解说明了在之前的附图中示出的电极7可以如何构造。示出了四个像素以图解说明阵列可以如何工作。图7A示出了为导电材料的第一层，该导电材料可以是金属或者其它一些导体并且形成驱动电极的第一层，该层包括列地址电极11和用于泵浦的宽电极12。较小的电极 13或者14将连接到两个单独的行电极16和17。在图7B中，绝缘层15限定在电极之上，并且孔19被刻蚀为穿过绝缘层15以允许使用连接电极18(如以下在图7C中描述并示出的)使宽电极12与列地址电极11接触。图7C示出了最后两行两列的泵浦阵列的示例，该阵列具有两个行电极16和17以及将列电极11与宽电极12相连的连接电极18。行电极16连接到大电极12的左面的小电极13，行电极17连接到大电极12的右面的小电极14。依赖于选择的行电极16或17加之列地址电极11 一起来控制流体流的方向。值得注意的是，当电极被涂上绝缘体时，尽管在较高AC电压下不可能有反向流动，但是以上描述的泵浦过程还在进行。以上氧化物的设计可以被些微地修改以暴露如以下所示的电极。图8示出了与图7中所示的阵列具有相同结构的阵列，但是图8中使用了具有更小面积的绝缘体15，用来分离到宽电极12的接触而不会将小电极13和14短路。这允许将电极可以暴露于正向和反向泵浦的流体。为了寻址到一个像素而不会寻址到其它像素以使得在那个像素的电极上的一个方向得到流体流而在其它像素上没有净流，需要激活列电极11和分别与较小电极13相连的行电极16以及与较小电极14相连的行电极17。如果想激活在图8中标记为A的像素而不激活像素B、C和D，那么需要将以下的AC信号施加到电极C1、C2、R1A、R1B、R2A和R2B上。参见图8，图9示出了施加到在两行两列的阵列中的不同电极的电压随着时间的变化的示例，在这个示例中，施加的电压使像素A上具有向左的流，而在像素B、C和D中没有净流产生。振荡周期可以大约是1到0. 1毫秒。图10示出了在以上示例中的像素A、B、C和D中的流体流动线的样子，还示出了在施加到如图9所示的不同电极的AC电压周期中的一点处的离子浓度。该附图示出了电极的侧视图，每个电极具有在其上方示出的产生的流体速度分布。像素A具有在电极上方产生的不对称电场。不对称电场将引起流体向左手方向泵浦，这种泵浦将导致着色粒子在像素腔中四处运动。从图1中的横截面的右侧像素看，可以看到这种泵浦将着色粒子移动到隐藏在像素的下半部，或者，如果使用在图3中所示的设置，这将使在电极7上展开的着色粒子移动到电极10上以聚成一团，可以施加DC电压以将这些粒子保持在适当的位置。所有其它的像素都具有作为时间的函数在电极上产生的对称的电场。在电极上可以产生一些局部的移动，并且在每个电极上可以产生一些微小旋转的流动，但是在电极上不会产生净流因此将不会改变像素的状态。图10示出了在施加如图9所示的电压模式下穿过图8所示的四个像素的侧视图。因此，通过给两个行电极和一个列电极施加适当的AC信号，可以寻址到产生净流体流动的一个给定像素，而不会在任何其它的像素产生净流流动。再次参见图8，图11示出了给两行两列的阵列样本的不同电极施加的随着时间变化的电压，以使得像素A具有右边的流，而在像素B、C和D中没有净流产生。可以看出，施加到行和列的随着时间变化的信号在像素A中产生的流动的方向与在图9和10中所示的流动方向相反。为了使得像素较好地切换，重要的是胶状的着色粒子不会粘在腔的内侧。这可以通过给粒子和像素腔的内侧表面涂上涂料使得其在溶液中被充电并因此排斥粒子来确保。 在粒子的表面和腔上涂有垂直于表面的长链分子时，还可以运用空间位阻稳定机制。可选的技术是将层5和4涂上传导材料，传导材料可以是类似ZnO或铟锡氧化物的透明的电极材料。几个伏特的大约5MHz的高频AC电压将导致负的介电泳，该负的介电泳引起几微米直径的粒子与电极相排斥。当使用流体流不切换像素时，与在粒子表面引起的电荷极性相反的DC电压可以被用来将粒子保持在适当的位置。
权利要求
1.一种显示元件，包括外壳，在使用中所述外壳包含流体，所述流体包含多个粒子，所述外壳具有至少一个透明表面以及第一和第二区，其中所述第二区通过所述透明表面的能见范围大于所述第一区；以及驱动电极，用于将所述流体和所述流体内的所述粒子在所述第一区与所述第二区之间驱动，使得所述粒子通过所述透明表面的可见度能够变化。
2.根据权利要求1所述的显示元件，所述外壳进一步包括屏，所述屏用于分隔所述第一和第二区，以使所述第一区从所述透明表面不可见并且所述第二区从所述透明表面可见。
3.根据权利要求2所述的显示元件，其中所述屏具有一个或多个孔，所述一个或多个孔被设置成允许所述流体流过，但阻止所述粒子穿过。
4.根据权利要求1所述的显示元件，其中所述第一区在所述外壳的侧面并且所述第二区基本在所述外壳的剩余处，以使所述第一区中的粒子在聚成一团时仅覆盖所述外壳的小范围，并使所述第二区中的粒子覆盖所述外壳的大范围。
5.根据权利要求4所述的显示元件，进一步包括维持装置，当所述粒子在所述第一区时，所述维持装置选择性地将其保留在所述第一区中。
6.根据以上任一权利要求所述的显示元件，其中所述驱动电极包括宽电极和窄电极。
7.根据以上任一权利要求所述的显示元件，其中所述显示元件被设置成放置在元件阵列中以形成显示装置。
8.根据以上任一权利要求所述的显示元件，其中所述粒子是黑色、白色或选出的预定的多种颜色之一。
9.根据以上任一权利要求所述的显示元件，其中所述粒子能够抵抗紫外线褪色。
10.根据以上任一权利要求所述的显示元件，其中所述屏是黑色、白色或选定的多种颜色之一，以使得在使用中能够由单个元件形成彩色的显示。
11.根据以上任一权利要求所述的显示元件，其中所述粒子和所述外壳的内侧表面被涂有涂层，以使得所述粒子和所述外壳的内侧表面在溶液中带上电荷。
12.—种显示器，包括根据以上任一权利要求所述的元件的阵列。
13.一种根据权利要求12所述的显示器，其中驱动电极被层置于各个元件的附近以单独地寻址到在选定的行和/或列中的每个元件。
14.一种从根据权利要求11所述的显示器中的元件阵列中挑选元件的方法，包括步骤提供列寻址电极；提供多个行寻址电极；提供驱动电极，所述驱动电极包括至少一个宽电极和位于所述宽电极的任一侧的较小电极，位于所述宽电极的第一侧的较小电极被电气连接到第一行寻址电极，位于所述宽电极的第二侧的较小电极被电气连接到第二行寻址电极；以及根据所述流体需要被驱动的方向，选择性地激活所述列寻址电极和行寻址电极。
全文摘要
一种显示元件，包括外壳，在使用中所述外壳包含流体，流体包含多个粒子，所述外壳具有至少一个透明表面以及第一和第二区，其中所述第二区通过所述透明表面的能见范围大于所述第一区；驱动电极，用于将所述流体及其内的所述粒子在所述第一区与所述第二区之间驱动，以使得所述粒子通过所述透明表面的可见度能够变化。
文档编号G02B26/02GK102203666SQ200980143628
公开日2011年9月28日 申请日期2009年9月2日 优先权日2008年9月2日
发明者查尔斯·G·斯密斯 申请人:剑桥实验室芯片有限公司