兼具电驱动显示和压力显示的双稳态液晶书写装置及方法与流程

本发明涉及双稳态液晶书写板技术领域，特别是涉及一种兼具电驱动显示和压力显示的双稳态液晶书写装置及方法。

背景技术：

目前在液晶书写显示领域，常规的技术有三种：

第一种是触摸显示屏(lcd或led或oled等)，该显示屏必须在通电状态下才能够实现书写/显示功能，掉电无法书写/显示；其显示依靠内部设置的背光或者自发光器件，对使用者视力具有一定的伤害，较长时间使用容易引起视觉疲劳；其书写需要依靠电磁笔或者针对电容屏的电容笔或者手指，利用对电磁笔或电容笔书写压力的检测或者手指与屏幕接触面积的检测，产生电信号，驱动液晶分子显示状态的变化，实现模拟书写；笔迹不是利用压力书写，无法还原真实的书写感觉和书写效果。

第二种是电子纸/电子墨水，其内部为极性材料，通过反射外光源实现字迹显示，断电后仍能保持；但是其在通电状态下才能实现书写，其书写也不是利用压力书写，无法还原真实的书写感觉和书写效果；同时，其书写需要依靠电磁笔或者针对电容屏的电容笔或者手指，利用对电磁笔或电容笔书写压力的检测或者手指与屏幕接触面积的检测，产生电信号，驱动极性材料显示状态的变化，实现模拟书写；不是利用压力书写，无法还原真实的书写感觉和书写效果。

第三种是双稳态液晶压力书写装置，其结构包括依次设置第一层pet导电层、液晶层和第二层pet导电层；其工作原理是利用液晶的双稳态特性实现压力书写显示；例如,以胆甾相液晶作为液晶层,通过施加在书写区域的压力改变受压处的液晶状态，来记录书写压力轨迹，从而显示对应的书写内容。但是，上述液晶书写装置仅能够通过压力书写的方式呈现书写内容显示，而无法实现电压驱动显示，对于使用者来说，有一些复杂的公式或者视图，通过压力书写显示十分不便，不利于提高书写效率和质量。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种兼具电驱动显示和压力显示的双稳态液晶书写装置及方法，能够实现压力书写显示，充分还原真实的书写感觉和书写轨迹，同时能够实现电驱动显示。

为了实现上述目的，在一些实施方式中，采用如下技术方案：

兼具电驱动显示和压力显示的双稳态液晶书写装置，包括：依次设置的导电层、双稳态液晶层和基底层；所述基底层包括：

阵列状排布的若干像素单元，每个像素单元内设有像素电极以及与所述像素电极连接的薄膜晶体管tft；

控制单元，被配置为采用逐行驱动的方式，基于每一行中的显示位置，通过控制每一行中设定的薄膜晶体管tft的导通状态和输入电压，为相应的像素电极输入设定的电压，以使这些像素电极与导电层在空间重叠的位置形成设定的电场，最终实现对欲显示内容的显示；

所述的行可以替换为列。

基于上述液晶书写装置的显示方法，包括：

接收对设定内容的显示指令并获取显示位置；

采用逐行驱动显示的方式，基于每一行的显示位置，依次通过控制每一行中设定的薄膜晶体管tft的导通状态和输入电压，为相应的像素电极输入设定的电压，以使这些像素电极与导电层在空间重叠的位置形成设定的电场，最终实现对欲显示内容的显示。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

兼具电驱动显示和压力显示的双稳态液晶书写装置，包括：依次设置的导电层、双稳态液晶层和基底层；所述基底层包括：

阵列状排布的若干像素单元，每个像素单元内设有像素电极以及与所述像素电极连接的薄膜晶体管tft；

控制单元，被配置为控制设定tft的导通状态和输入电压，这些tft与导电层在空间重叠位置形成的电场，先使得液晶书写装置在由设定的若干行形成的第一区域呈现显示状态；然后在第一区域中，通过逐行驱动擦除的方式，依次控制每一行中设定tft的导通状态和输入电压，这些tft连接的像素电极与导电层在空间重叠位置形成的电场，使得所述像素电极覆盖的子区域呈擦除状态；第一区域驱动完成后，进行下一区域的驱动，直到设定内容显示完毕。

基于上述液晶书写装置的显示方法，包括：

接收对设定内容的显示指令并获取显示位置；

控制设定tft的导通状态和输入电压，这些tft与导电层在空间重叠位置形成的电场，使得液晶书写装置在由设定的若干行形成的第一区域呈现显示状态；

在第一区域中，通过逐行驱动擦除的方式，依次控制每一行中设定tft的导通状态和输入电压，这些tft连接的像素电极与导电层在空间重叠位置形成的电场，使得所述像素电极覆盖的子区域呈擦除状态；

第一区域驱动完成后，进行下一区域的驱动，直到设定内容显示完毕。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种电子书包，包括：上述的具备显示功能的液晶书写装置；所述液晶书写装置内设有：

显示控制模块，被配置为用于选定显示内容并在液晶书写装置的设定位置进行显示；

书写控制模块，被配置为用于实现在液晶书写装置上的设定位置进行书写；

擦除控制模块，被配置为用于实现对液晶书写装置上设定位置内容的擦除；

数据传输模块，被配置为用于实现液晶书写装置与其他终端设备之间的数据传输；

数据存储模块，被配置为用于实现对设定书写或显示内容的存储。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种液晶大屏，包括：上述的具备显示功能的液晶书写装置；所述液晶书写装置内设有：

显示控制模块，被配置为用于选定显示内容并在液晶书写装置的设定位置进行显示；

书写控制模块，被配置为用于实现在液晶书写装置上的设定位置进行书写；

擦除控制模块，被配置为用于实现对液晶书写装置上设定位置内容的擦除；

数据传输模块，被配置为用于实现液晶书写装置与其他终端设备之间的数据传输；

数据存储模块，被配置为用于实现对设定书写或显示内容的存储。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种智慧教室，包括：电子书包、液晶大屏，以及教师终端；所述电子书包、液晶大屏和教师终端相互通信；所述电子书包上的显示或书写内容，能够在教师终端同步显示。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用较为成熟的半导体工艺在底层的基底层上集成阵列式像素单元，可以把像素点缩小至0.1mm*0.1mm以内，其工艺可以保证在极小像素点工艺情况下，也不会出现由于不断书写导致的断线的情况，减少工艺流程和控制复杂度，提高了控制精度。

(2)本发明液晶书写装置无需对顶层导电层进行分割，对基底层上的每一个像素单元单独控制，仅需要逐行为覆盖欲显示位置的像素单元施加电压，实现对设定的内容进行显示；这样，老师在教学时，可以将一些诸如公式或者图示的内容直接在液晶书写装置(比如液晶黑板)上进行显示，无需再自己书写，节省了大量的板书时间，同时能够呈现一些复杂的内容，达到更好的教学目的。

(3)本发明液晶书写装置通过压力实现书写，书写无延时，同时能够还原书写感觉，充分体现书写力度和书写轨迹，具有更加真实的书写效果。

(4)本发明液晶书写装置借用液晶显示屏的tft阵列，技术成熟，控制过程简单，无需二次开发，成本低，同时依靠反射外界自然光源实现显示，无需背光板或者自发光元件，节省用电量，无电磁辐射，使用过程更加护眼。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施例中公开的具备显示功能的液晶书写装置结构示意图；

图2为本发明实施例中公开的基底层上集成的电路结构示意图；

图3(a)-(b)分别为本发明实施例中tft连接等效电路图；

图4为本发明实施例中公开的tft的导通特性曲线；

图5(a)-(b)为本发明实施例中初始时基底层上各像素单元的电压施加示意图以及导电层和基底层之间的电压差；

图6(a)-(b)为本发明实施例中电压施加的前半周期，基底层上各像素单元的电压施加示意图以及导电层和基底层之间的电压差；

图7(a)-(b)为本发明实施例中电压施加的后半周期，基底层上各像素单元的电压施加示意图以及导电层和基底层之间的电压差。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

根据本发明实施例，公开了一种具备显示功能的液晶书写装置的实施例，参照图1，包括：自上往下依次设置的导电层、双稳态液晶层和基底层。其中，导电层不分割，基底层上集成有若干像素单元，这些像素单元呈阵列式排布，每个像素单元内设有像素电极以及与像素电极连接的薄膜晶体管tft；薄膜晶体管tft导通能够为与其连接的像素电极提供电压。

本实施例中，双稳态液晶层选用能够通过压力实现书写的双稳态胆甾相液晶。该液晶能够在接受到压力的时候，能够通过改变液晶分子状态实现书写显示；在接受到设定的第一电场作用时，能够实现擦除；在接收到设定的第二电场作用时，能够实现电驱动显示。其中，第一电场和第二电场的具体取值根据双稳态胆甾相液晶自身的性质和液晶厚度决定。

基底层上还集成有：

控制单元，被配置为采用逐行/列驱动的方式，基于每一行/列中的显示位置，依次通过控制每一行/列中设定的薄膜晶体管tft的导通状态和输入电压，为相应的像素电极输入设定的电压，以使这些像素电极与导电层在空间重叠的位置形成设定的电场，最终实现对欲显示内容的显示。

被供给tft栅极电压的若干第一导线；

以及，被供给tft源极电压的若干第二导线。

采用逐行/列驱动的方式实现对各tft的开关控制。

参照图2，第一导线被同一行的像素单元共用，第二导线被同一列的像素单元共用。本领域技术人员应当理解，这里的行和列是可以互换的。

本实施例中，对应像素单元的每一纵列和每一横行，分别集成若干第一导线和若干第二导线；第一导线和第二导线的布设方向相互垂直；每个像素单元内的tft分别连接与其邻近的第一导线和第二导线。

图3(a)-(b)给出了tft的连接等效电路图，其中，第一极板代表基底层上tft连接的像素电极区域；第二极板代表导电层。

tft的栅极连接第一导线，tft的源极连接第二导线，tft的漏极连接对应的像素电极。通过第一导线为tft的栅极提供导通控制电压，通过第二导线为tft的源极提供显示所需要的输入电压，以实现液晶书写装置的显示功能。

参照图3(a)，tft的漏极还连接储能电容c1的一端，该储能电容c1的另一端引出线与导电层的电极引出线连接，tft导通能够为储能电容c1充电。(常规tft电路都必需要有c1，本实施例方案可以带着，也可以省略，且不考虑电路本身产生的寄生电容的作用)。

本实施例中，储能电容c1的作用是为了实现储能，防止导电层和像素电极之间的电压突变；当然也可以利用导电层和基底层之间自身形成的电容来实现储能电容c1的作用，此时便可以省略储能电容c1；参照图3(b)。

下面的实施方式中均是以带有储能电容c1为例来进行的说明，本领域技术人员应当理解的是，这不能构成本专利保护范围的限制，在其他一写实施方式中，也可以不设置储能电容c1，而利用导电层和基底层之间自身形成的分布电容来达到储能的目的。

tft的导通特性曲线如图4所示，图4中，横坐标为电压，纵坐标为电流；为栅极施加电压vgoff时，tft截止电流最小，为栅极施加电压von时，tft接近最大导通电流。

本实施例中，基底层上可以用半导体工艺集成不同的电路结构。比如：在一些实施方式中，基底层上还集成有：

tft栅极驱动单元(即tft控制端驱动单元)，用于为所述第一导线提供所需的导通或关断的控制电压；

tft源极驱动单元(即tft输入端驱动单元)，用于为所述第二导线提供所需的输入电压。

在一些实施方式中，在基底层和导电层分别引出电极线；用以连接能够提供所需电压的电压驱动电路。

在另一些实施方式中，通过在框胶里加入些导电粒子，将一整面的导电层的电极连接到基底层的fpc金手指上，这样整个模组的电极引出就都从基底层上引出，比原来在导电层和基底层上分别引出电极的方式简单且稳定。

可以将本发明实施例的液晶书写装置应用于光能写字板、光能液晶手写板、光能大液晶写字黑板、光能无尘写字板、光能便携黑板、电子画板、lcd电子写字板、电子手写板、电子记事笔记本、涂鸦板、儿童手写板、儿童涂鸦画板、橡皮擦功能速写板、液晶电子绘画板或者彩色液晶手写板或者本领域技术人员能够获知的其他相关产品中。

实施例二

根据本发明实施例，公开了一种液晶书写装置显示方法的实施例，该方法基于实施例一中公开的具有现实功能的液晶书写装置的结构，具体实现过程如下：

接收对设定内容的显示指令并获取显示位置；

采用逐行/列驱动显示的方式，基于每一行/列中的显示位置，依次通过控制每一行/列中设定的薄膜晶体管tft的导通和输入电压，为相应的像素电极输入设定的电压，以使这些像素电极与导电层在空间重叠的位置形成设定的电场，最终实现对欲显示内容的显示。

可以理解地，图2中，不同行的像素单元所施加的能够实现导通的或者关闭的控制电压可以相同，也可以不同或者相近。同样的，不同列的像素单元所施加的用于显示或者擦除的输入电压，可以相同，也可以不同或相近。

本实施例中具体的电压驱动方式为：

接收控制终端对设定内容的显示指令，获取所述内容的显示位置；

控制基底层设定区域内所有tft导通，为所有像素单元施加第二电压，为导电层施加第二电压；

保持为导电层施加第二电压，保持需要显示驱动的行/列中的像素单元的tft导通，并为这些像素单元中设定的tft输入端施加第一电压；其余tft不导通或者输入端施加第二电压；

第一电压和第二电压在所述像素单元与导电层空间重叠的位置形成的电场，能够实现对该行/列中欲显示位置的显示。

参照图3，实现显示功能的电压控制方法如下：

(1)为基底层各像素单元和导电层分别施加第一电压，此时，导电层和基底层各像素单元之间的电压差为零。

具体地，通过第一导线为基底层上每一个像素单元的tft栅极提供导通控制电压von，通过第二导线为基底层上每一个像素单元的tft源极提供第一电压；这样，每一个像素单元的tft均导通，从而每一个像素电极上施加的电压均为第一电压。而导电层上施加的电压也为第一电压，所以整个基底层的各像素单元和导电层对应区域的电场均为零，此时不会对字迹产生任何影响。

(2)在电压施加的前半周期，针对某一行像素单元，对覆盖显示位置的像素单元施加第二电压，其余像素单元仍保持第一电压，其余行的像素单元不导通，导电层上施加的电压也保持为第一电压；此时，仅覆盖显示位置的像素单元与导电层之间的电压差为第二电压-第一电压，该差值达到了液晶显示所需要的电场，其余区域的电压差仍为零，能够实现对于设定内容的显示。

具体地，通过第一导线为某一行像素单元的tft提供导通控制电压von，从而该行的所有tft均导通，通过剩余的第一导线为其他行像素单元的tft提供电压vgoff，使得其他行像素单元均不导通。

对于导通行的像素单元，为覆盖显示位置的像素单元的tft源极连接的第二导线提供第二电压，该区域与导电层相应区域之间形成的电场为第二电压-第一电压，该差值达到了液晶显示所需要的电场。为该行其余像素单元的tft源极连接的第二导线提供第一电压，这些区域与导电层相应区域之间形成的电场均为零。

对于不导通的像素单元来说，由于tft不导通，之前预充电的储能电容c1的电压无法得到充放，从而这些像素单元对应的电压等于储能电容的电压，均为第一电压，这些区域与导电层相应区域之间形成的电场也均为零。

因此，设定内容在显示位置得到显示，而其余区域不会受到影响。

(3)在电压施加的后半周期，针对某一行像素单元，对覆盖显示位置的像素单元施加第三电压，其余像素单元仍保持第一电压，其余行的像素单元不导通，导电层上施加的电压也保持为第一电压；此时，仅覆盖显示位置的像素单元与导电层之间的电压差为|第三电压-第一电压|＝|第二电压-第一电压|，该差值达到了液晶显示所需要的电场，其余区域的电压差仍为零，能够实现对于设定内容的显示，其余区域的电压差仍为零。

具体的电压控制实现方式与前半周期相同，不再赘述。

上述前半周期和后半周期可以互换，也可以取任意半个周期实现显示。

可以理解的，第二电压与第一电压的取值以及两者的差值大小，根据双稳态液晶层液晶的特性确定，本领域技术人员通过有限次实现能够获得。

作为一种更为具体的实施方式，以在图2中vg1和vs1对应的像素单元k中显示设定内容为例，选取第一电压的值为电压vcom，第二电压的值选取6vcom，第三电压的值选取零；下面各图中仅示出与该像素单元相邻的3个像素单元的电压施加情况，以及与导电层的电压差。

初始时，为基底层的各像素电极和导电层分别施加电压vcom，此时，导电层和基底层各像素单元之间的电压差为零；基底层上各像素单元的电压施加示意图以及导电层和基底层之间的电压差参见图5(a)-(b)所示。

在电压施加的前半周期，通过第一导线vg1为与其连接的tft施加导通控制电压，通过第二导线vs1为像素单元k施加电压vcom+vd，通过第二导线vs2-vs6为与第一导线vg1连接的其余像素单元施加电压vcom；通过第一导线vg2-vg4为与其连接的tft施加关断电压，以使这些tft均不导通。

这样，像素单元k上施加的电压为vcom+vd，其余像素单元仍保持电压vcom，导电层上施加的电压也保持为电压vcom；此时，仅像素单元k与导电层之间的电压差为擦除电压vd，其余区域的电压差仍为零，能够实现对于设定内容的显示；基底层上各像素单元的电压施加示意图以及导电层和基底层之间的电压差参见图6(a)-(b)所示。

在电压施加的后半周期，通过第一导线vg1为与其连接的tft施加导通控制电压，通过第二导线vs1为像素单元k施加电压vcom-vd，通过第二导线vs2-vs6为与第一导线vg1连接的其余像素单元施加电压vcom；通过第一导线vg2-vg4为与其连接的tft施加关断电压，以使这些tft均不导通。

这样，像素单元k上施加的电压为vcom-vd，其余像素单元仍保持电压vcom，导电层上施加的电压也保持为电压vcom；此时，仅像素单元k与导电层之间的电压差为电压vd，其余区域的电压差仍为零，能够实现对于设定内容的显示；基底层上各像素单元的电压施加示意图以及导电层和基底层之间的电压差参见图7(a)-(b)所示。

图5(a)-图7(b)可以看出，仅显示位置的像素单元与导电层之间形成的电压差(电场)达到了液晶显示所需要的电场，其余位置的电场均为零，不会受到任何影响。

需要说明的是，液晶书写装置的显示功能可以单独存在，也可以与局部擦除功能同时存在，在使用的时候根据需要进行功能切换即可。

本实施例的液晶书写装置能够实现对欲显示位置的显示，方便老师在教学过程中对一些复杂公式、内容或者图像的显示，提高书写效率。

实施例三

根据本发明实施例，公开了一种具备显示功能的液晶书写装置的实施例，包括：自上往下依次设置的导电层、双稳态液晶层和基底层。其中，导电层不分割，基底层上集成有若干像素单元，这些像素单元呈阵列式排布，每个像素单元内设有像素电极以及与像素电极连接的薄膜晶体管tft；薄膜晶体管tft导通能够为与其连接的像素电极提供电压。

上述结构与实施例一中的液晶书写装置结构相同；

本实施例与实施例一中的液晶书写装置不同的是，本实施例具有显示功能的液晶书写装置，基底层上还集成有：

控制单元，被配置为控制设定tft的导通和输入电压，这些tft与导电层在空间重叠位置形成的电场，使得液晶书写装置在设定的第一区域呈现显示状态；在第一区域中，通过逐行/列驱动擦除的方式，依次控制每一行/列中设定tft的导通和输入电压，这些tft连接的像素电极与导电层在空间重叠位置形成的电场，使得所述像素电极覆盖的子区域呈擦除状态；第一区域驱动完成后，进行下一区域的驱动，直到设定内容显示完毕。

具体的电压控制方法如下：

接收对设定内容的显示指令并获取显示位置；

先控制设定tft的导通和输入电压，这些tft与导电层在空间重叠位置形成的电场，使得液晶书写装置在设定的第一区域呈现显示状态；

然后在第一区域中，通过逐行/列驱动擦除的方式，依次控制每一行/列中设定tft的导通和输入电压，这些tft连接的像素电极与导电层在空间重叠位置形成的电场，使得所述像素电极覆盖的子区域呈擦除状态；

第一区域驱动完成后，进行下一区域的驱动，直到设定内容显示完毕。

实现擦除的电压驱动方式与实现显示的电压驱动方式类似，只是通过控制tft的输入电压，以控制施加在该区域的电场达到液晶擦除所需要的电场即可，具体的电压施加过程不再赘述。

实施例四

根据本发明实施例，公开了一种电子书包的实施例，该电子书包采用实施例一或实施例三中公开的液晶书写装置实现，液晶书写装置内设有：

显示控制模块，被配置为用于选定显示内容并在液晶书写装置的设定位置进行显示；

书写控制模块，被配置为用于实现在液晶书写装置上的设定位置进行书写；

擦除控制模块，被配置为用于实现对液晶书写装置上设定位置内容的擦除；

数据传输模块，被配置为用于实现液晶书写装置与其他终端设备之间的数据传输；

数据存储模块，被配置为用于实现对设定书写或显示内容按照时间序列进行存储。

其中，显示内容包括：书籍内容、练习本或作业本或者画本的辅助线。

本实施例中，电子书包可以从云端、存储系统或者通过网络获取各门功课的书本内容、练习册内容进行显示，可以在显示上述内容的基础上进行批注/记录；也可以显示成为练习本或作业本或者画本，并在此基础上进行书写/绘画、擦除或保存，按照时间序列进行保存，使得保存的内容能够像真正的本子一样，一页一页记录内容；同时保存的内容可以被调取出来进行查阅/编辑。

本实施例中，电子书包集书本、练习本/作业本/画本、书写笔、橡皮与一体，无需纸张耗材，最大程度保护学生眼睛，同时极大地方便学生学习和复习，提高课堂显效率。

实施例五

根据本发明实施例，公开了一种液晶大屏的实施例，该液晶大屏采用实施例一或实施例三中公开的液晶书写装置实现，液晶书写装置内设有：

显示控制模块，被配置为用于选定显示内容并在液晶书写装置的设定位置进行显示；

书写控制模块，被配置为用于实现在液晶书写装置上的设定位置进行书写；

擦除控制模块，被配置为用于实现对液晶书写装置上设定位置内容的擦除；

数据传输模块，被配置为用于实现液晶书写装置与其他终端设备之间的数据传输；

数据存储模块，被配置为用于实现对设定书写或显示内容按照时间序列进行存储。

液晶大屏上可以划分显示位置和书写区域；或者，自主设定液晶大屏的显示位置和书写区域。这样在显示设定内容的同时，可以在旁边进行标注或讲解；无需使用者花费过长时间进行板书，能够节省时间，提高效率。

当然，液晶大屏的设定位置也可以设置液晶显示屏，以实现对动画、视频等动态内容的播放。

本实施例液晶大屏可以用在教室、办公室等场所，能够集书写、显示、擦除、存储、通信等功能与一体。

实施例六

根据本发明实施例，公开了一种智慧教室的实施例，该智慧教室包括实施例四中的电子书包、实施例五中的液晶大屏以及教师终端；

三者相互通信能够实现数据传输，电子书包上显示或书写的内容，能够在教师终端同步显示；教师终端能够控制液晶大屏或者电子书包上显示的内容，实现智慧教学。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。