CN103688212B - 电光显示器 - Google Patents

Abstract

一种波长选择性反射显示器（10），包括波长选择性反射媒质（20）和衬背构件（30），所述衬背构件具有第一非反射光学状态和第二反射光学状态。波长选择性反射媒质（20）和衬背构件（30）都被划分成多个像素(40,50,60)，且衬背构件（30）可逐个像素地在其第一和第二光学状态之间切换。衬背构件（30）的像素与波长选择性反射媒质（20）的像素基本对准。

Description

电光显示器

技术领域

本发明涉及一种电光显示器。特别地，本发明涉及一种基于电可寻址的颜色可选媒质的反射型显示器。

背景技术

目前已经开发出了这样的一种显示器，其可响应于所施加电场而选择性地反射不同颜色，且其实现这样的功能的方式并不是基于传统的诸如染料或颜料的光吸收体的使用，而是通过利用诸如干涉和衍射的光学效应。因此，如美国专利No.5,835,255中所述，例如，IMOD（干涉调制显示）装置（响应于所施加的场而控制其中的镜子与半透反射镜之间的间距）可被构造成取决于该间距和光波长之间的关系而仅使特定波长被强烈地反射。最近，已经开发出了折射率在相当于可见光波长的长度范围内周期性变化的人造光子晶体。这种材料的性能类似于诸如蛋白石的矿物，其中布拉格衍射使得光的特定波长从材料表面被强烈反射，而其余波长透射穿过该结构。哪些波长透射以及哪些波长被反射取决于光子晶体的晶格间距。例如美国专利No.7,364,673、No.7,616,376和No.7,826,131中所述，光子晶体可通过例如二氧化硅颗粒的胶体自组装而形成，且这种颗粒可与填充颗粒之间的孔隙空间的粘合剂相结合。如果该粘合剂材料响应于例如电化学反应或其它电激活过程而经历了尺寸变化，则二氧化硅颗粒之间的间距改变，且被反射的光的波长也会改变。颗粒之间的间距越宽，被反射的光的波长越长。可选择性地反射从蓝光至近红外波长的光的装置已经被实现了。在下文中，为了方便起见，这种显示器可以被称为“波长选择性反射”或“WSR”显示器，且所使用的媒质可以被称为“WSR媒质”。

没有被WSR媒质反射的光透射穿过该媒质，且通常被设置在媒质的与显示器的可视表面（观看者通过该表面观看显示器）相对的一侧上的暗色表面吸收。不希望穿过WSR媒质的光再穿过该媒质反射回来，因为这会降低由WSR媒质带来的所希望的选择性反射，即，这种反射会使显示器呈现的颜色“模糊”。

通过将最大反射波长移至对人眼不可见的范围，诸如近紫外或近红外，这种WSR显示器通常可达到良好的暗色（黑色）状态，从而使WSR媒质对人眼来说是透明的，仅能看到暗色的背表面。（当然，WSR显示器中的所有颜色变化是通过使用诸如有源矩阵背板的技术而逐个像素进行的，这种技术对于电光显示器领域的技术人员来说是熟知的。）尽管WSR显示器可用于产生与装置的光学带隙相对应的特定颜色，但迄今为止还没有便捷的反射白光的方式。迄今，最接近白色像素的可能是“合成白（process white）”（有点类似于青色-品红色-黄色印刷系统中所用的合成黑（process black）），如附图中的图1所示，其中红光反射像素、绿光反射像素和蓝光反射像素在黑色背底上毗邻。然而，这种合成白状态仅反射入射光的三分之一，因此无法产生真正的白色状态。

发明内容

因此，需要提供具有改进的白色状态的WSR显示器，而本发明旨在满足这种需要。

因此，本发明的一个方面提供了一种波长选择性反射（WSR）显示器，包括具有多个像素的WSR媒质以及临近WSR媒质放置的衬背构件，衬背构件具有多个像素并具有第一非反射光学状态和第二反射光学状态。衬背构件可逐个像素地在其第一和第二光学状态之间切换，且衬背构件的像素基本与WSR媒质的像素对准。（在所说的衬背构件的像素基本与WSR媒质的像素对准的情况中，我们并不排除两层中的一层中的多个像素与另一层中的一个像素对准的可能。特别地，如果衬背构件为仅能够呈现第一和第二光学状态而不能够呈现中间状态的类型，使衬背构件的多个像素与WSR媒质的每个像素相邻可能是有益的，这使得衬背构件的区域性调制可被用于产生WSR媒质的中间灰度。)

除第一和第二光学状态之外，衬背构件可具有一个或更多的反射率介于该第一和第二光学状态之间的中间灰度。

所说的用于本发明的显示器中的衬背构件具有第一非反射光学状态和第二反射光学状态（以及一个或多个中间灰度，如果存在的话），并不旨在排除衬背构件自身可为复合构件的可能性。例如，衬背构件可包括具有反射状态和基本光透射状态的可变媒质，与放置在可变媒质的与WSR媒质相对侧的不变的暗色表面相结合，从而通过将可变媒质设置成其反射状态来提供衬背构件的反射状态，通过将可变媒质设置成其光透射状态，从而使穿过WSR媒质的光被放置在可变媒质后面的暗色表面吸收，以提供衬背构件的非反射状态。当然，相反地，衬背构件可包括具有非反射（光吸收）状态和基本光透射状态（以及可选地各种中间状态，在该中间状态中光被部分地吸收和部分地透射）的可变媒质，与放置在可变媒质的与WSR媒质相对侧的不变的反射表面相结合，从而通过将可变媒质设置成其非反射状态来提供衬背构件的非反射状态，通过将可变媒质设置成其光透射状态，从而使穿过WSR媒质的光被放置在可变媒质后面的白色表面反射，以提供衬背构件的反射状态。

另外，具有反射状态、非反射状态（光吸收）和光透射状态的可变媒质是已知的。参见例如美国专利No.7,259,744，其描述了一种封装的介电泳媒质，含有带有极性相反电荷的白色和黑色颜料，并具有至少三种不同的光学状态，即，白色颜料朝向观察者的反射状态，黑色颜料朝向观察者的非反射状态，以及黑色和白色颜料都移到囊的侧壁附近的光透射状态。如果这种三态可变媒质被用在本发明的WSR显示器的衬背构件中，则光源可放置在该三态可变媒质的后面（即，可变媒质的与WSR媒质相对的一侧），以产生“双模”WSR显示器，其能够工作在其正常的反射模式（在该情况下光源通常被关闭以节省电力）中，或工作在背光透射模式中，使光源打开并使三态可变媒质处于其光透射模式。WSR媒质在透射中产生的颜色与在反射中产生的颜色不同（透射中的颜色与反射中的颜色互补），因此透射中的显示器驱动方案与反射中的不同，尽管如此，这不大可能会是个主要问题，因为用户通常仅仅是根据环境光的等级在较长的间隔时间上在反射和背光模式之间切换，因此显示器有足够的时间变换驱动模式。然而，必须意识到的是，在透射驱动方案中不能够产生在反射中产生的颜色的完全饱和版本。例如，如果WSR媒质在反射中生成红色、绿色和蓝色，则其在透射中会生成青色、品红色和黄色。为了在透射中生成（例如）红色，需要将黄色像素临近品红色像素放置，但是黄色和品红色像素的结合相当于红色像素加白色像素，因此所感受到的颜色是非饱和的红色。

作为背光灯的替代，或在背光灯的基础上，本发明的WSR显示器可安装有被配置为照亮WSR媒质的可视表面的前置光源。由于WSR媒质趋于产生依赖于视角的颜色，因此希望使这种前置光源被配置为将其光的至少主要部分垂直地投射到WSR媒质的可视表面。

附图说明

如上所述，附图中的图1为现有技术中的WSR显示器的横截面示意图，示出了该显示器的工作原理。

图2为本发明的WSR显示器的类似于图1的横截面示意图，其中衬背构件包括封装有双颗粒的电泳媒质，在图2中处于其非反射状态。

图3是图2中所示的显示器在衬背构件处于其反射状态时的横截面示意图。

图4是图2中所示的显示器在衬背构件处于其透射状态时的横截面示意图。

具体实施方式

如上文指出的，本发明提供了一种WSR显示器，其包括WSR媒质以及邻近WSR媒质放置的衬背构件，该衬背构件具有第一非反射光学状态以及第二反射光学状态。衬背构件可逐个像素地在其第一和第二光学状态之间切换，衬背构件的像素基本与WSR媒质的像素对准。

原理上，本发明的显示器中所用的衬背构件可以为任何具有非反射状态和反射状态的构件。例如，在具有平方厘米数量级的像素的非常大（广告牌级的尺寸）的显示器中，衬背构件可以为例如机械快门；这种快门可具有多个能够在关闭位置与打开位置之间旋转的叶片，在关闭位置中，这些叶片平行于WSR媒质层的平面放置并朝WSR媒质层呈现为反射表面，而在打开位置中，这些叶片垂直于WSR媒质层的平面放置并使穿过WSR媒质的光被提供在叶片后面的暗色表面吸收。然而，通常优选的是，衬背构件为一层能够在反射状态与非反射或透射光学状态之间切换的电光材料。

多种类型的电光材料可被用于该目的。一种类型的电光材料是旋转双色（rotating bichromal）构件型，例如在美国专利Nos.5,808,783、5,777,782、5,760,761、6,054,071、6,055,091、6,097,531、6,128,124、6,137,467和6,147,791中所描述的（尽管这种类型的显示器通常被称为“旋转双色球”显示器，但术语“旋转双色构件”因其更精确而由此是更优选的，因为在上述的一些专利中，旋转构件并非是球形的）。这种显示器使用大量的小物体（通常为球形或圆柱形）以及内部偶极子，这些小物体具有光学特性不同的两部分或更多部分。这些物体悬浮在基质内的填充有液体的液泡中，该液泡被液体填充从而使这些物体可以自由地旋转。通过向显示器施加电场以使这些物体旋转到各种位置并使通过可视表面被看到的物体的部分发生变换，从而改变显示器的外观。这种类型的电光媒质通常是双稳态的。

（术语“双稳态的”和“双稳态性”在此处取它们在本领域的常规含义，用于指包括具有至少一种光学性质不同的第一和第二显示状态的显示元件的显示器，从而通过有限时间的寻址脉冲驱动任一给定的元件以呈现其第一或第二显示状态后，在该寻址脉冲终止后，该状态的持续时间至少若干倍于改变该显示元件的状态所需的寻址脉冲的最小持续时间，例如至少四倍。如美国专利No.7,170,670所示，一些基于颗粒的具有灰度功能的电泳显示器不仅在处于其极端的黑和白状态下是稳定的，还在其中间灰色状态下也是稳定的，且一些其他类型的电光显示器也同样如此。尽管为了方便起见术语“双稳态的”在此处可用于涵盖双稳态和多稳态显示器，但这种类型的显示器更适于被称为“多稳态的”，而不是双稳态的。）

另一种类型的电光材料使用电致变色媒质，例如纳米铬薄膜形式的电致变色媒质，其包括至少部分由半导电金属氧化物形成的电极以及附着在该电极上的能够可逆变色的多个染料分子；参见，例如，O'Regan,B.等，Nature1991，353，737；以及Wood,D.,Information Display,18(3)，24(2002年3月)。还参见Bach,U.等，Adv.Mater.,2002,14(11),845。在例如美国专利Nos.6,301,038、6,870,657和6,950,220中也描述了这种类型的纳米铬薄膜。这种类型的媒质通常也是双稳态的。

另一种类型的电光材料是由飞利浦开发的电润湿媒质，其公开在Hayes,R.A.等人的"Video-Speed Electronic Paper Based on Electrowetting",Nature,425,383-385(2003)中。如美国专利No.7,420,549所示，这种电润湿显示器可被制作成双稳态的。

多年来被大量研究和开发的另一种类型的电光材料是基于颗粒的电泳显示器，其中多个带电颗粒在电场的影响下移动穿过流体。与液晶显示器相比较，电泳显示器的特征在于具有良好的亮度和对比度、宽视角、状态双稳定性以及低功耗。然而，这些显示器的长期图像质量问题阻碍了它们的广泛使用。例如，构成电泳显示器的颗粒趋向于沉降，导致这些显示器的使用寿命不足。

如上所述，电泳媒质需要有流体存在。在大部分现有的电泳媒质中，该流体为液体，但是电泳媒质也可以用气体流体制成；参见例如Kitamura,T.等人的"Electricaltoner movement for electronic paper-like display",IDW Japan,2001,Paper HCS1-1,以及Yamaguchi,Y.等人的"Toner display using insulative particles chargedtriboelectrically",IDW Japan,2001,Paper AMD4-4)。还可以参见美国专利No.7,321,459和No.7,236,291。当这种基于气体的电泳媒质在允许颗粒沉降的方向中使用时，例如用在媒质在垂直平面内布置的招牌中时，由于与基于液体电泳媒质相同的颗粒沉降现象，这种基于气体的电泳媒质容易遭受同样的问题。实际上，在基于气体的电泳媒质中的颗粒沉降问题比基于液体的电泳媒质更严重，因为与液体相比，气体悬浮流体的粘度更低，从而使电泳颗粒的沉降更快。

转让给或权属于麻省理工学院(MIT)和伊英克（E Ink）公司的大量专利和申请描述了在封装的电泳和其它电光媒质中使用的各种技术。这种封装的媒质包含大量的小囊，每一个小囊本身包含内相（internal phase）以及环绕内相的囊壁，该内相包含流体媒质中的电泳移动颗粒。典型地，这些囊本身被保持在聚合物粘合剂内以形成位于两个电极之间的连贯层。在这些专利和申请中描述的技术包括：

(a)电泳颗粒、流体和流体添加物；参见例如美国专利Nos.7,002,728和7,679,814；

(b)囊、粘合剂和封装方法；参见例如美国专利Nos.6,922,276和7,411,719；

(c)包含电光材料的薄膜和子组件；参见例如美国专利Nos.6,982,178和7,839,564；

(d)用在显示器中的背板、粘合层和其他辅助层以及方法；参见例如美国专利Nos.7,116,318和7,535,624；

(e)颜色的形成和颜色的调节；参见例如美国专利No.7,075,502和公开号为2007/0109219的美国专利申请；以及

(f)用于驱动显示器的方法；参见例如美国专利Nos.7,012,600和7,453,445。

前述的很多专利和申请认识到，在封装的电泳媒质中围绕离散的微囊的壁可以由连续相(continuous phase)代替，因而产生所谓的聚合物分散的电泳显示器，其中电泳媒质包含多个离散的电泳流体微滴以及连续相的聚合物材料，并且尽管没有与每个单独的微滴关联的离散的囊膜，但可以把这种聚合物分散的电泳显示器中的电泳流体的离散微滴看作囊或微囊；参见例如前述的美国专利No.6,866,760。因此，为了本申请的目的，将这样的聚合物分散的电泳媒质看作是封装的电泳媒质的子类。

相关类型的电泳显示器是所谓的“微单元电泳显示器”。在微单元电泳显示器中，带电颗粒和流体不封装在微囊中，而是保持在形成于载体媒质中的多个腔内，该载体媒质一般为聚合物薄膜。参见例如转让给SipixImaging公司的美国专利Nos.6,672,921和6,788,449。下文中，术语“微腔电泳显示器”可被用于涵盖封装电泳显示器和微单元电泳显示器。

如上文指出的，许多电泳显示器可以工作在所谓的“快门模式”下，在该模式下，一种显示状态是基本上不透明的而一种显示状态是光透射的。参见例如美国专利Nos.5,872,552、6,130,774、6,144,361、6,172,798、6,271,823、6,225,971和6,184,856。与电泳显示器类似但是依赖于电场强度变化的介电泳显示器可以工作在类似的模式下；参见美国专利No.4,418,346。其他类型的电光显示器也能够工作在快门模式下。

封装的电泳材料一般不受传统电泳装置的聚集和沉降失效模式的影响并且具有另外的优点，例如可以在多种不同柔性和刚性衬底上印刷或者涂布该材料。（使用“印刷”一词旨在包括所有形式的印刷和涂布，包括但并不局限于：预计量式涂布，例如小块模具型涂布（patch die coating）、狭缝式或挤压式涂布、坡流式或瀑布式涂布、淋幕式涂布；辊式涂布，例如辊式刮刀涂布、正向和反向辊涂布；凹版涂布；浸渍涂布；喷涂；弯月面涂布；旋涂；刷涂；气刀涂布；丝网印刷工艺；静电印刷工艺；热印刷工艺；喷墨印刷工艺；电泳沉积（参见美国专利No.7,339,715）；以及其它类似的技术。）因此，得到的显示器可以为柔性的。另外，由于材料可以是（使用各种方法）印刷的，因此本发明所需的衬背构件可以廉价地制作。

其它类型的电光材料也可以用于本发明所需的衬背构件中。特别注意的是，双稳态铁电液晶显示器(FLC's)在本领域中是已知的。

应该认识到，在本发明的显示器中，WSR媒质和衬背构件必须是能够独立地控制的，因此，当衬背构件包括电光材料时，初看上去，显示器需要四个电极或四组电极，WSR媒质和衬背构件各有一对电极。然而，像通常情况那样，如果WSR媒质和衬背构件都通过使用在媒质一侧上的有源矩阵背板以及在媒质相对一侧上的单个连续电极来控制，则通过在WSR媒质和衬背构件之间放置单个连续电极，以及在WSR媒质的前表面（临近显示器的可视表面）上以及衬背构件后面放置有源矩阵背板，可减少电极的数量。这不仅简化了显示器的结构并因此降低了成本，而且还降低了当显示器在衬背构件处于其反射模式中使用时光必须穿过的电极的数量；这是因为，用作衬背构件的电光材料的反射表面位于关联于该衬背构件的两个电极之间，因此从可视表面进入的光必须穿过关联于WSR媒质的两个电极，穿过关联于电光媒质的前电极，且返回后再穿过上述电极。如果WSR媒质和电光媒质使用分离的电极组，则这需要光穿过6个电极，每次穿过电极都必然会导致一些光吸收和/或光散射。在WSR媒质和电光媒质之间提供单个的公共电极，可将光必须贯穿的电极的数目减少到四个，从而减少了光的散射和/或吸收。

希望衬背构件中采用的任何电光材料是双稳态的从而降低显示器的能量消耗。虽然无论WSR媒质何时被重写，衬背构件都可能必须被重写，但在实践中，WSR媒质上的图像连续重写之间通常存在相当程度的间隔，因此双稳态的衬背构件可使得本发明的显示器的总能量消耗发生显著改变。

当本发明的显示器具有背光灯时，该背光灯可以是以前用于背光电光显示器的任意类型的背光灯。例如，背光灯可以是荧光灯，特别是冷阴极荧光灯，或发光二极管阵列。

附图中的图2示出了本发明的显示器10，其中WSR媒质（电可寻址的光子晶体20）被叠置在第二电光层30（示出为封装的电泳材料）上，该第二电光层30可被电寻址以生成暗色的吸收状态（如图2所示）或白色的反射状态（如图2所示）。本发明的显示器中还可使用除了光子晶体材料和电泳材料以外的材料。例如，可替换地，WSR层20可以是MEMS装置，以及可替换地，显示层30可以是反射由第一光子晶体层透射的波长的光的、电润湿反射式液晶、另一MEMS装置或者甚至另一光子晶体层。层10和层20都可以被像素化，且在他们都被像素化的情况下，这两层20的像素优选为相互对准。当这两层被像素化时，可与有源或无源的矩阵寻址方案相结合。

图2示出了三个像素40、50和60，其中光子晶体层20被切换成分别反射蓝光、绿光和红光。在像素40中，绿光和红光透射；在像素50中，蓝光和红光透射；以及在像素60中，蓝光和绿光透射。如图2所示，30处于其暗色状态，使得像素40、50和60中透射的所有光被吸收，使像素40、50和60向观看者呈现蓝色、绿色和红色。然而，通过适当地改变光子晶体材料的间距，每个像素40、50或60可被切换至任意颜色。通过设置光子晶体材料的间距，任意像素40、50或60可被设置成非反射的，以在近UV或近IR范围内反射，如上文所提到的，在这种情况下，所有入射的可见光会穿过层20并被层30吸收。

如图3所示，显示器10实现了白色状态，其中可切换的反射层30处于明亮的白色状态，透射穿过层20中的像素40、50和60的所有光被反射，如箭头70、80和90所示。因此，无论光子晶体层20处于何种状态，显示器反射了基本所有的入射光，从而显示白色。

可切换层30被基于像素寻址而光子晶体层20不被基于像素寻址也是可以的。例如，光子晶体层20可以是多个像素的图案，包括被印刷或以其他方式沉积在可切换的反射层30顶部上以形成彩色滤波阵列的尺寸不同的颗粒（间距被适当地设置以反射红光、绿光和蓝光）。可选地，光子晶体层20可被整体寻址以将对每种颜色的反射移至近UV或近IR区域，并因此关闭彩色滤波阵列。

图4示出了工作在背光模式的显示器10。在该模式中，层30的囊中的颜料颗粒横向移动以接触囊的侧壁，从而使每个囊的区域的大部分中不具有颜料。（在图2-4中，为了示意的目的，囊中的颜料的比例被放大，而实际上，颜料颗粒在囊的区域中所占的比例比图4中所示的要小得多。另外，实际上，相比于图2-4中所示的扁椭球，囊的形式更接近多面体，这会进一步降低被颜料颗粒占据的囊区域的比例。）来自光源的白光几乎没有阻碍地穿过层30，并被像素40、50和60进行波长选择性反射。然而，这时的波长选择性反射以减法模式进行（即，选择性地从穿过层30的白光移除特定的颜色），从而使像素40显示黄色，使像素50显示品红色，以及使像素60显示青色。

从上文可以看出，本发明可提供能够显示良好的黑色和白色的波长选择性反射显示器。本发明还可使显示器背光照明以用于暗光环境。

Claims (10)

1.一种波长选择性反射WSR显示器(10)，包括具有多个像素(40,50,60)的波长选择性反射媒质(20)，该波长选择性反射媒质(20)是电可寻址的并且能够响应于所施加电场而选择性地反射不同颜色，所述显示器(10)的特征在于：临近所述波长选择性反射媒质(20)放置的衬背构件(30)，其具有多个像素以及第一非反射光学状态和第二反射光学状态，所述衬背构件(30)能够逐个像素地在其第一光学状态和第二光学状态之间切换，所述衬背构件的像素基本与所述波长选择性反射媒质(20)的所述像素(40,50,60)对准，

其中所述衬背构件位于所述波长选择性反射媒质(20)的与观看者相对的一侧，并且包括具有反射状态、非反射状态和光透射状态的可变媒质。

2.根据权利要求1所述的WSR显示器，其中所述衬背构件(30)具有至少一个中间灰度，该中间灰度具有在所述衬背构件的第一光学状态和第二光学状态之间的反射率。

3.根据权利要求1所述的WSR显示器，还包括放置在所述可变媒质的与所述WSR媒质相对侧的光源。

4.根据权利要求1所述的WSR显示器，其中所述衬背构件包括一层能够在反射状态与非反射或透射光学状态之间切换的电光材料。

5.根据权利要求4所述的WSR显示器，其中所述电光材料包括旋转双色构件、电致变色或电润湿材料。

6.根据权利要求4所述的WSR显示器，其中所述电光材料包括电泳材料，所述电泳材料包括置于流体中且在电场的影响下能够移动穿过所述流体的多个带电颗粒。

7.根据权利要求6所述的WSR显示器，其中所述带电颗粒和所述流体被限制在多个囊或多个微单元中。

8.根据权利要求6所述的WSR显示器，其中所述带电颗粒和所述流体呈现为被包括聚合物材料的连续相围绕的多个离散的微滴。

9.根据权利要求6所述的WSR显示器，其中所述流体为气体。

10.根据权利要求1所述的WSR显示器，其中所述WSR媒质为电可寻址的光子晶体。