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CN108037625B - 一种三层叠加结构的彩色电子纸显示装置 - Google Patents

一种三层叠加结构的彩色电子纸显示装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三层叠加结构的彩色电子纸显示装置，包括多个具有三层显示单元的像素；像素的三层显示单元从观察侧起依次为第一胆甾型液晶盒、第二胆甾型液晶盒和电泳层；所述像素的各层显示单元的子像素中较小面积的子像素面积与较大面积的子像素面积的比值为1：N，个数比为N：1，且N个较小面积的子像素排列在一起的外形轮廓和较大面积的子像素的外形轮廓相同或相似，其中，N为正整数。本发明的混色重叠面积大、各个像素的分割灵活，拓宽显示的灰度等级具有生产工艺简单的优点；具有工作温度宽、色彩再现范围宽和刷新速率快的优点；具有黑白对比度高和色彩再现范围宽的优点；具有彩色再现范围宽高，易于大批量生产等优点。

Description

一种三层叠加结构的彩色电子纸显示装置
技术领域
本发明属于电子纸技术领域，尤其涉及一种三层叠加结构的彩色电子纸显示装置。
背景技术
胆甾液晶型彩色电子纸是采用单层或三层叠加以PM(无源矩阵，PassiveMatrix)驱动来实现全彩色图像呈现的一种显示方式，这些技术方案是通过胆甾型液晶材料具有独特的布拉格反射，调整胆甾型液晶分子的螺距和双折射率确定反射光的波长。通过选择合适的胆甾型液晶混合能制作胆甾型液晶层反射红、绿、蓝三种波长的光，把这三种光以加法混色的三基色通过特定的空间排列，实现全彩色显示。胆甾液晶型彩色电子纸像素基本结构是多层结构每层分别能反射蓝、绿和红中的一种颜色。沿面排列的三个子像素结构的胆甾液晶型彩色电子纸，把能反射蓝、绿、红光的三种胆甾液晶材料间隔开来互相不重叠放在同一层内实现色彩叠加。底层是黑色油墨光吸收层，各反射层(或单元)对环境光中3种基色光的反射率相应改变，所反射的3种适当强度的基色光依照混色原理就可以混合成所需某种颜色，从而实现彩色显示。其优点是彩色效果亮度较好，不足之处是靠近长波的红光、白状态的显示效果差，特别是白色状态灰暗和红光的色纯度不高。
除胆甾液晶型彩色电子纸外，彩色电子纸的技术方案还有很多种，比较有影响的彩色模式是滤光片型和彩色粒子型、电润湿型等非滤光片方案，这些方案都是AM(有源矩阵，Active Matrix)的寻址方式驱动。现有的显示模式中，有直接利用粒子散射或液、固态的表面反射，也有利用双折射的选择反射或散射。使用滤光片方式的彩色电子纸在技术上很容易实现，但滤色片会降低光反射率或显示亮度，同时用多个色彩子像素组合成一个显示像素必须没有重叠，降低了单位面积的像素数量，这种方案是以降低亮度和分辨率为代价来实现彩色显示的。不需要彩色滤光片的技术细分有横向电泳技术、逆乳液电泳技术、电润湿技术、干涉测量调制技术、光子晶体显示、电致变色显示技术等。到目前为止，无论是哪种显示模式都无法同时获得理想的彩色显示状态，主要的限制是色彩亮度和色再现范围和成本。
在众多厂商的研发方向中，综合性能比较好的彩色电子纸有三层胆甾液晶型、多色粒子构成的电泳型以及三维混色型。但令人遗憾的是，以上各种方案仍然没有成熟市场成功的案例。在彩色电子纸中，显示效果好坏取决于黑、白、三基色五种状态的反射强度的状况。主要是哪种显示模式都存在问题，三层胆甾液晶成本高，白色表现不佳；多色粒子构成的电泳型蓝绿色再现差，刷新时间长，驱动稳定性差重复性差，特别是在单一像素内，彩色粒子种类增多，在电场作用下，波形变化敏感；三维混色型彩色电子纸的双组份液晶盒制作工艺难度大，实际应用成本高仍然偏高。为获得更广泛的应用，发明新的彩色电子纸模式来综合解决色域、灰度和成本问题，是十分必要的。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种三层叠加结构的彩色电子纸显示装置，其中两个胆甾型液晶盒均使用PM寻址方式提高透过率和色彩反射率，具有相同或部分相同的扫描电极，实现低成本驱动、高反射率和广色域的显示性能，该种彩色电子纸与现有技术相比能够实现广色谱范围，胆甾液晶盒工艺相对简单，在多层结构的技术方案中具有驱动成本低的优势。本发明采用的技术手段如下：
一种三层叠加结构的彩色电子纸显示装置，包括多个具有三层显示单元的像素；
所述像素的三层显示单元从观察侧起依次为第一胆甾型液晶盒、第二胆甾型液晶盒和电泳层；
所述像素的各层显示单元的子像素中较小面积的子像素面积与较大面积的子像素面积的比值为1：N，个数比为N：1，且N个较小面积的子像素排列在一起的外形轮廓和较大面积的子像素的外形轮廓相同或相似，其中，N为正整数；外形轮廓相似时，相对应的三个子像素的各边缘距离三个子像素重叠中心的误差要小于10％。
假设最小面积(Pmin)的子像素是电泳层的子像素，最大面积(Pmax)的子像素是第一胆甾型液晶盒的子像素，而第二胆甾型液晶盒子像素的面积(P)大于或等于电泳层的子像素，小于或等于第一胆甾型液晶盒的子像素，则存在如下关系Pmin：P＝1：N1，P：Pmax＝1：N2，Pmin：Pmax＝1：N3。这里N1，N2和N3为正整数，当N1＝N2＝N3＝1时，是三个子像素的面积相等的情况。在当N1，N2，N3≠1时，子像素的轮廓，须满足：至少有一种排列方式使N1个最小子像素排列在一起的外形轮廓和第二胆甾型液晶盒子像素的外形轮廓相同或相似；至少有一种排列方式使N2个第二胆甾型液晶盒子像素排列在一起的外形轮廓和最大盒子像素的外形轮廓相同或相似；至少有一种排列方式使N3个最小子像素排列在一起的外形轮廓和最大子像素的外形轮廓相同或相似；不完全相同时，相对应的三个子像素的各边缘距离三个子像素重叠中心的误差要小于10％。
所述电泳层包含两种或两种以上的电泳粒子，且所述电泳层具有独立的AM驱动结构实现图形的更改；
所述电泳层中与所述第一、第二胆甾型液晶盒中相对应的子像素在独立的驱动波形作用下同时刷新，但每个子像素的刷新信号不要求同步进行。刷新速率慢的显示单元相对于刷新速率快的显示单元要提前刷新或同时刷新，并且提前刷新的时间要确保刷新速率快的显示单元在刷新速率慢的显示单元刷新结束时完成刷新。在多层结构的电子纸显示中，AM寻址方式的优势是刷新速率高，缺点是开口率的限制，影响反射率和成本高；PM显示的优势是透过率高和成本低，缺点是相对低的刷新速率。因此，第一胆甾型液晶盒和第二胆甾型液晶盒被施加PM寻址方式的驱动波形，电泳层具有独立的AM寻址方式的驱动结构。PM寻址方式的驱动波形是通过共有或部分共有的行扫描信号和各自的数据信号实现显示施加给所述第一胆甾型液晶盒和所述第二胆甾型液晶盒的扫描电极上。所述第一胆甾型液晶盒和所述第二胆甾型液晶盒由双层基板和密封圈把胆甾型液晶层、取向膜、显示电极和部分引线电极等部分密封。
所述第一胆甾型液晶盒和所述第二胆甾型液晶盒被施加PM驱动波形，且通过共有或部分共有的扫描电极和各自的数据电极施加驱动信号实现显示；
工作状态下，在电场的作用下，所述第一胆甾型液晶盒和所述第二胆甾型液晶盒中的对应扫描电极的液晶层同时开始形成焦锥态或平面态。
所述第一胆甾型液晶盒的胆甾型液晶分子螺距比所述第二胆甾型液晶盒的胆甾型液晶分子螺距短。通常胆甾型液晶分子处于焦锥态排列状态时，螺距越短透过率越高。在各个显示单元叠加的彩色电子纸中，反射率相近的情况下，面向观察者的显示单元具有高透过率是有利于提高其后的显示单元的反射率。
所述第一胆甾型液晶盒、所述第二胆甾型液晶盒和所述电泳层的子像素形状相似或相同，且外形轮廓的偏差小于50μm。
所述第一胆甾型液晶盒和所述第二胆甾型液晶盒共有的扫描电极由分别位于所述第一胆甾型液晶盒和所述第二胆甾型液晶盒两个扫描电极组成，且两个扫描电极之间通过COG+FPC或COF或TAB方式实现连接。
COG+FPC方式指的是胆甾型液晶盒的扫描电极的一端和驱动IC相连，扫描电极的另一端和另一个胆甾型液晶盒的相对应的扫描电极相连。当两个胆甾型液晶盒的扫描电极部分一一对应时，也就是一个胆甾型液晶盒的扫描电极多于另一个胆甾型液晶盒的扫描电极时，扫描电极少的胆甾型液晶盒的起始和结束扫描电极，通常起始或结束扫描电极和扫描电极多的胆甾型液晶盒的起始扫描电极或结束扫描电极相连即可。其它的对应连接方式亦可，但要使扫描电极少的胆甾型液晶盒的扫描电极均和另一个胆甾型液晶盒的扫描电极相连。两个胆甾型液晶盒的数据信号，由不同的驱动IC的不同输出端施加驱动胆甾型液晶盒子像素实现显示。
施加在对应的两个扫描电极上的PM驱动波形由同一驱动芯片同一引脚产生。
所述第一胆甾型液晶盒的扫描电极数量和第二胆甾型液晶盒的扫描电极数量相等或不等。
所述第一胆甾型液晶盒和所述第二胆甾型液晶盒的偏压可以不是最佳偏压。具体来说，假设第一胆甾型液晶盒和第二胆甾型液晶盒分别有从第一到第n1个扫描电极和第一个到第n2个扫描电极，两个胆甾型液晶盒的扫描电极的起始行(第一行)相对应、终止行(n1和n2)相对应或起始行(第一行)和终止行(n1或n2)一一相对应。n1和n2可以相等也可以不相等。胆甾型液晶盒和电泳层的驱动波形受触发后开始扫描，行和列的刷新频率可以不同，同步或非同步均可。胆甾型液晶盒的驱动波形通常按照最佳偏压法的原理生成，也可以不是最佳值。当行数比较多时，只要选择电压和非选择电压能满足平面态和焦锥态的生成即可。电泳层的驱动波形由一系列正负脉冲组成，实现对电泳粒子的驱动即可。
所述电泳层位于所述第二胆甾型液晶盒的靠近所述所述电泳层一侧的基板和所述电泳层的驱动背板的基板之间，且其四周被密封材料所包围封闭。所述电泳层对水分子耐受力较弱需要密封提高电子纸寿命，借助于所述第二胆甾型液晶盒位于所述电泳层一侧的基板可以有效降低厚度。
对于其它非胆甾型液晶和非电泳型的电子纸模式来替代第一胆甾型液晶盒、第二胆甾型液晶盒和电泳层，比如近晶相液晶层、电致变色、电润湿等模式也同样适用于本发明。
较现有技术相比，本发明采用三层结构实现全彩色电子纸显示，和现有三维混色技术相比，使用三层结构因子像素的混色重叠面积大、各个像素的分割灵活，拓宽显示的灰度等级具有生产工艺简单的优点；和现有EPD技术相比，具有工作温度宽、色彩再现范围宽和刷新速率快的优点；和现有胆甾型液晶技术相比，具有黑白对比度高和色彩再现范围宽的优点；三层叠加结构的彩色电子纸及其驱动方法具有彩色再现范围宽高，易于大批量生产等优点，总体降低彩色电子纸的设备投入成本，期望获得更广泛的应用。
基于上述理由本发明可在电子纸技术等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的具体实施方式中一种三层叠加结构的彩色电子纸显示装置的三个显示单元的结构示意图。
图2为本发明的具体实施方式中COG+FPC的连接方式示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为突出发明点，本实施例中只给出单个像素结构单元的示意图，没有一一列出三层叠加结构的彩色电子纸显示装置的全部组成结构，这里忽略了本领域人员所熟知的关于电泳液成分、电泳粒子颜色和电荷极性、间隔材料、密封部分形状和尺寸、引线电极分布、数据线、扫描线、测试单元和TFT驱动单元具体结构等等的说明，这些对理解本发明不产生影响。
如图1所示，本实施例提供的三层叠加结构的彩色电子纸显示装置的单个像素的三层显示单元从观察侧起依次为第一胆甾型液晶层1，第二胆甾型液晶层2和电泳层3，还包括接口部4、第一胆甾型液晶盒密封部、引线电极部或驱动部(右侧)5，第二胆甾型液晶盒密封部、引线电极部或驱动部(右侧)6，电泳层密封部、引线电极部或驱动部(右侧)7，第一胆甾型液晶盒密封部、引线电极部或驱动部(左侧)8，第二胆甾型液晶盒密封部、引线电极部或驱动部(左侧)9，电泳层密封部、引线电极部或驱动部(左侧)10，第一基板11，第二基板12，第三基板13，第四基板14，第五基板15，驱动背板16，第一胆甾型液晶盒分子17，第二胆甾型液晶盒分子18，电泳粒子19，位于第二基板12和第三基板13之间的第一粘结层20；位于第四基板14和第五基板15之间的第二粘结层21。对应第一胆甾型液晶层1和第二胆甾型液晶层2的取向膜和数据电极在图1中被省略，电泳粒子19分别是红色电泳粒子、黑色电泳粒子、白色电泳粒子，驱动背板16由附着于玻璃或塑料基板上的驱动单元、显示电极、扫描线和数据线等构成。其中，第一基板11、第二基板12、第三基板13、第四基板14和第五基板15均为PET透明基板，厚度为100微米；第一基板11、第二基板12、第三基板13、第四基板14和第五电极15使用ITO透明电极材料，厚度为2000埃。第一胆甾型液晶层1的厚度是4μm，液晶材料是MDA-00-1445。第二胆甾型液晶层2使用MDA系列的双瓶系统MDA-00-1444和MDA-00-1445液晶，胆甾型液晶的比例为MDA-00-1444(20％)和MDA-00-1445(80％)。
第一胆甾型液晶盒和第二胆甾型液晶盒的子像素均是正方形，且边长为100μm，像素间距10μm。相对应的两个子像素的各边缘距离两个子像素重叠中心的误差要小于10％。电泳层3的子像素是正方形，且边长为50μm，像素间距是5μm。第一胆甾型液晶盒、第二胆甾型液晶盒和电泳层3子像素个数比为1:1:4。图2给出COG+FPC的连接方式示意图。第一胆甾型液晶盒、第二胆甾型液晶盒中的数据行和扫描电极驱动均使用IST3025芯片驱动。第一胆甾型液晶盒和第二胆甾型液晶盒的扫描电极全部一一对应连接。施加在对应的两个扫描电极上的PM驱动波形由同一驱动芯片同一引脚产生。两个扫描电极之间的用FPC部22连接。电泳的驱动方式使用COG模式，驱动胆甾型液晶的COG部23和驱动电泳层的COG部24通过COG+FPC的接口部25连接。
本发明的范围广泛地涵盖包括子像素各种形状排列和子像素数量改变，胆甾型液晶盒的液晶分子种类和混合比例、颜料粒子的物理和化学性质的改变与本发明本质相同。这里强调从观察方向的两层胆甾型液晶盒和一层电泳的叠加，而且两层胆甾型液晶具有部分或全部相同的扫描电极。对胆甾型液晶盒的叠加顺序和电泳层的几何尺寸、驱动方式、电泳层中的粒子数目的改变均包含在本发明中。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种三层叠加结构的彩色电子纸显示装置，其特征在于，包括多个具有三层显示单元的像素；
所述像素的三层显示单元从观察侧起依次为第一胆甾型液晶盒、第二胆甾型液晶盒和电泳层；
所述像素的各层显示单元的子像素中较小面积的子像素面积与较大面积的子像素面积的比值为1：N，个数比为N：1，且N个较小面积的子像素排列在一起的外形轮廓和较大面积的子像素的外形轮廓相同或相似，其中，N为正整数；
所述电泳层包含两种或两种以上的电泳粒子，且所述电泳层具有独立的AM驱动结构实现图形的更改；
所述第一胆甾型液晶盒和所述第二胆甾型液晶盒被施加PM驱动波形，且通过共有或部分共有的扫描电极和各自的数据电极施加驱动信号实现显示；
工作状态下，在电场的作用下，所述第一胆甾型液晶盒和所述第二胆甾型液晶盒中的对应扫描电极的液晶层同时开始形成焦锥态或平面态。
2.根据权利要求1所述的三层叠加结构的彩色电子纸显示装置，其特征在于，所述第一胆甾型液晶盒的胆甾型液晶分子螺距比所述第二胆甾型液晶盒的胆甾型液晶分子螺距短。
3.根据权利要求1所述的三层叠加结构的彩色电子纸显示装置，其特征在于，所述第一胆甾型液晶盒、所述第二胆甾型液晶盒和所述电泳层的子像素形状相似或相同，且外形轮廓的偏差小于50μm。
4.根据权利要求1所述的三层叠加结构的彩色电子纸显示装置，其特征在于，所述第一胆甾型液晶盒和所述第二胆甾型液晶盒共有的扫描电极由分别位于所述第一胆甾型液晶盒和所述第二胆甾型液晶盒两个扫描电极组成，且两个扫描电极之间通过COG+FPC或COF或TAB方式实现连接。
5.根据权利要求4所述的三层叠加结构的彩色电子纸显示装置，其特征在于，施加在对应的两个扫描电极上的PM驱动波形由同一驱动芯片同一引脚产生。
6.根据权利要求1所述的三层叠加结构的彩色电子纸显示装置，其特征在于，所述第一胆甾型液晶盒的扫描电极数量和第二胆甾型液晶盒的扫描电极数量相等或不等。
7.根据权利要求1所述的三层叠加结构的彩色电子纸显示装置，其特征在于，所述第一胆甾型液晶盒和所述第二胆甾型液晶盒的偏压可以不是最佳偏压。
8.根据权利要求1所述的三层叠加结构的彩色电子纸显示装置，其特征在于，所述电泳层位于所述第二胆甾型液晶盒的靠近所述电泳层一侧的基板和所述电泳层的驱动背板的基板之间，且其四周被密封材料所包围封闭。
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