电光显示器以及用于驱动电光显示器的方法
阅读说明：本技术 电光显示器以及用于驱动电光显示器的方法 (Electro-optic display and method for driving an electro-optic display ) 是由 R·J·小保利尼 S·布尔 S·J·毕绍 K·R·阿蒙森 S·J·特尔弗 G·G·哈里斯 于 2018-12-21 设计创作，主要内容包括：第一显示器包括电光材料层,在其相对侧上具有第一电极和第二电极。一个或两个电极具有至少两个间隔的触点。电压控制装置被布置成改变附接到相同电极的两个间隔的触点之间的电势差。第二显示器包括电光材料层,该电光材料层具有与其相邻的至少三个电隔离电极的序列。电压控制装置改变序列的第一个电极和最后一个电极之间的电势差。还提供了用于驱动这些显示器的方法。(The first display includes a layer of electro-optic material having first and second electrodes on opposite sides thereof. One or both electrodes have at least two spaced contacts. The voltage control means is arranged to vary the potential difference between two spaced contacts attached to the same electrode. The second display includes a layer of electro-optic material having a sequence of at least three electrically isolated electrodes adjacent thereto. The voltage control means vary the potential difference between the first and the last electrode of the sequence. Methods for driving these displays are also provided.)
相关申请的引用
本申请是2016年1月5日提交的序列号为14/987,850的申请的部分继续申请，其要求2015年1月5日提交的序列号为62/100,031的临时申请的权益，其全部内容通过引用包含于此。
本申请还涉及2015年11月6日提交的序列号为14/934,662的申请，其要求2014年11月7日提交的序列号为62/077,154的临时申请以及2015年1月5日提交的序列号为62/099,732的临时申请的权益。
本申请涉及美国专利No.5,930,026、6,445,489、6,504,524、6,512,354、6,531,997、6,753,999、6,825,970、6,900,851、6,995,550、7,012,600、7,023,420、7,034,783、7,116,466、7,119,772、7,193,625、7,202,847、7,259,744、7,304,787、7,312,794、7,327,511、7,453,445、7,492,339、7,528,822、7,545,358、7,583,251、7,602,374、7,612,760、7,679,599、7,688,297、7,729,039、7,733,311、7,733,335、7,787,169、7,952,557、7,956,841、7,999,787、8,077,141、8,125,501、8,139,050、8,174,490、8,289,250、8,300,006、8,305,341、8,314,784、8,373,649、8,384,658、8,558,783、8,558,785、8,593,396和8,928,562；以及美国专利申请公开No.2003/0102858、2005/0253777、2007/0091418、2007/0103427、2008/0024429、2008/0024482、2008/0136774、2008/0291129、2009/0174651、2009/0179923、2009/0195568、2009/0322721、2010/0220121、2010/0265561、2011/0193840、2011/0193841、2011/0199671、2011/0285754、2013/0063333、2013/0194250、2013/0321278、2014/0009817、2014/0085350、2014/0240373、2014/0253425、2014/0292830、2014/0333685、2015/0070744、2015/0109283、2015/0213765、2015/0221257和2015/0262255。
为了方便起见，前段中提到的专利和申请在下文中可以统称为“MEDEOD”(用于驱动电光显示器的方法)申请。下面提及的所有上述专利和共同未决的申请以及所有其他美国专利以及已公开和共同未决的申请的全部内容通过引用包含于此。
技术领域
本发明涉及用于驱动电光显示器，尤其是双稳态电光显示器的方法，以及用于这种方法的设备。本发明特别地但非排他地旨在与基于粒子的电泳显示器一起使用，其中一种或多种类型的带电粒子存在于流体中，并在电场的影响下移动通过流体以改变显示器的外观。
背景技术
作为应用于材料或者显示器的术语“电光”，其在此使用的是其在成像领域中的常规含义，指的是具有第一和第二显示状态的材料，该第一和第二显示状态的至少一个光学性质不同，通过向所述材料施加电场使该材料从其第一显示状态改变到第二显示状态。尽管光学性质通常是人眼可感知的颜色，但它可以是另一种光学性质，例如光透射、反射、和发光、或者在用于机器阅读的显示器的情况下，在可见光范围之外的电磁波长的反射率的变化意义上的伪色。
术语“灰色状态”在此使用的是其在成像领域中的常规含义，指的是介于像素的两个极端光学状态之间的一种状态，但并不一定意味着处于这两个极端状态之间的黑白转变。例如，下文中所涉及的伊英克公司的几个专利和公开申请描述了这样的电泳显示器，其中，该极端状态为白色和深蓝色，使得中间的“灰色状态”实际上为淡蓝色。实际上，如已经提到的，光学状态的改变可以根本不是颜色改变。下文可使用术语“黑色”和“白色”来指代显示器的两个极端光学状态，并且应当被理解为通常包括并非严格的黑色和白色的极端光学状态，例如上面提到的白色和深蓝色状态。下文可使用术语“单色的”来表示仅将像素驱动至其两个极端光学状态，而没有中间灰色状态的驱动方案。
术语“双稳态的”和“双稳定性”在此使用的是其在本领域中的常规含义，指的是包括具有第一和第二显示状态的显示元件的显示器，所述第一和第二显示状态的至少一个光学性质不同，从而在利用具有有限持续时间的寻址脉冲驱动任何给定元件以呈现其第一或第二显示状态之后，在该寻址脉冲终止后，该状态将持续的时间是改变该显示元件的状态所需的寻址脉冲的最小持续时间的至少几倍(例如至少4倍)。美国专利No.7,170,670表明，支持灰度的一些基于粒子的电泳显示器不仅可以稳定于其极端的黑色和白色状态，还可以稳定于其中间的灰色状态，一些其它类型的电光显示器也是如此。这种类型的显示器被恰当地称为是“多稳态的”而非双稳态的，但是为了方便，在此可使用术语“双稳态的”以同时涵盖双稳态的和多稳态的显示器。
术语“冲激”在此使用的是其常规含义,即电压关于时间的积分。然而，一些双稳态电光介质用作电荷转换器，并且对于这种介质，可以使用冲激的一种替代定义，即电流关于时间的积分(其等于施加的总电荷)。根据介质是用作电压-时间冲激转换器还是用作电荷冲激转换器，应当使用合适的冲激定义。
以下论述中的许多集中在用于通过从初始灰度至最终灰度(其可以与初始灰度不同或相同)的转变来驱动电光显示器的方法。术语“波形”将用于表示用于实现从一个特定初始灰度至特定最终灰度的转变的整个电压关于时间的曲线。这种波形可以包括多个波形元素；其中这些元素基本上是矩形的(即，给定元素包括在一时间段内施加恒定电压)；元素可以被称为“脉冲”或“驱动脉冲”。术语“驱动方案”表示足以实现特定显示器的灰度之间的所有可能转变的一组波形。显示器可以利用多于一个驱动方案；例如，前述美国专利No.7,012,600教导，驱动方案可能需要根据诸如显示器的温度或在其寿命期间已经操作的时间等的参数被修改，并且由此显示器可以提供有在不同温度等下使用的多个不同驱动方案。以这种方式使用的一组驱动方案可以被称为“一组相关驱动方案”。如在前述MEDEOD申请中的几个所述，还可以在相同显示器的不同区域中同时使用多于一个驱动方案，并且以该方式使用的一组驱动方案可以被称为“一组同时驱动方案”。
已知几种类型的电光显示器。一种类型的电光显示器是旋转双色构件类型，如在例如美国专利No.5,808,783、5,777,782、5,760,761、6,054,071、6,055,091、6,097,531、6,128,124、6,137,467以及6,147,791中所述(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”优选为更精确，因为在以上提到的一些专利中，旋转构件不是球形的)。这种显示器使用许多小的主体(通常球形或圆柱形的)和内部偶极子，主体包括具有不同光学特性的两个或更多个部分。这些主体悬浮在基质内的填充有液体的液泡内，液泡填充有液体以使得主体自由旋转。显示器的外观通过以下而改变：将电场施加至显示器，由此将主体旋转至各个位置并改变通过观察表面看到的主体的哪部分。这种类型的电光介质通常是双稳态的。
另一类型的电光显示器使用电致变色介质，例如采用纳米致变色(nanochromic)薄膜形式的电致变色介质，该薄膜包括至少部分由半导体金属氧化物形成的电极和附着到电极的能够反向颜色改变的多个染料分子；参见例如O'Regan,B.等,Nature 1991,353,737；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。这种类型的纳米致变色薄膜例如在美国专利No.6,301,038；6,870,657；和6,950,220中也有描述。这种类型的介质也通常是双稳态的。
另一类型的电光显示器是由飞利浦开发的电润湿显示器，其在Hayes,R.A.等人的“Video-Speed Electronic Paper Based on Electrowetting”,Nature,425,383-385(2003)中描述。在美国专利No.7,420,549中示出这样的电润湿显示器可被制造成双稳态的。
多年来一直是密集研究和开发的主题的一种类型的电光显示器是基于粒子的电泳显示器，其中多个带电粒子在电场的影响下移动通过流体。与液晶显示器相比，电泳显示器可以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的属性。然而，这些显示器的长期图像质量的问题已经阻碍了它们的广泛使用。例如，构成电泳显示器的粒子易于沉降，从而导致这些显示器的使用寿命不足。
如上所述，电泳介质需要流体的存在。在大多数现有技术的电泳介质中，该流体是液体，但是电泳介质可以使用气态流体来产生；参见例如Kitamura，T.等,“Electronictoner movement for electronic paper-like display”，IDW Japan，2001，Paper HCS 1-1，和Yamaguchi，Y.等,“Toner display using insulative particles chargedtriboelectrically”,IDW Japan,2001,Paper AMD4-4)。也参见美国专利No.7,321,459和7,236,291。当这种基于气体的电泳介质在允许粒子沉降的方向上使用时，例如用在介质在垂直平面内布置的指示牌中时，由于与基于液体的电泳介质相同的粒子沉降，这种基于气体的电泳介质容易遭受同样类型的问题。实际上，在基于气体的电泳介质中的粒子沉降问题比基于液体的电泳介质更严重，因为与液体相比，气态悬浮流体的较低的粘度允许电泳粒子更快的沉降。
被转让给麻省理工学院(MIT)和伊英克公司或以它们的名义的许多专利和申请描述了用于封装的电泳和其他电光介质的各种技术。这种封装的介质包括许多小囊体，每一个小囊体本身包括内相以及包围内相的囊壁，其中所述内相含有在流体介质中的可电泳移动的粒子。典型地，这些囊体本身保持在聚合粘合剂中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)电泳粒子、流体和流体添加剂；参见例如美国专利No.7,002,728和7,679,814；
(b)囊体、粘合剂和封装工艺；参见例如美国专利No.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No.6,982,178和7,839,564；
(d)用于显示器中的背板、粘合剂层和其他辅助层以及方法；参见例如美国专利No.7,116,318和7,535,624；
(e)颜色形成和颜色调节；参见例如美国专利No.7,075,502和7,839,564；
(f)用于驱动显示器的方法；参见前述MEDEOD申请；
(g)显示器的应用；参见例如美国专利No.7,312,784和7,312,784；以及
(h)非电泳显示器，如在美国专利No.6,241,921、6,950,220、7,420,549、8,319,759和8,994,705以及美国专利申请公开No.2012/0293858中所述。
许多前述专利和申请认识到在封装的电泳介质中围绕离散的微囊体的壁可以由连续相替代，由此产生所谓的聚合物分散型的电泳显示器，其中电泳介质包括多个离散的电泳流体的液滴和聚合物材料的连续相，并且在这种聚合物分散型的电泳显示器内的离散的电泳流体的液滴可以被认为是囊体或微囊体，即使没有离散的囊体薄膜与每个单独的液滴相关联；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，这样的聚合物分散型电泳介质被认为是封装的电泳介质的子类。
一种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，带电粒子和流体没有被封装在微囊体内，而是保持在载体介质(通常为聚合物薄膜)内形成的多个空腔内。参见例如均转让给Sipix Imaging公司的美国专利No.6,672,921和6,788,449。
虽然电泳介质通常是不透明的(因为，例如在很多电泳介质中，粒子基本上阻挡可见光透射通过显示器)并且在反射模式下工作，但许多电泳显示器可以制成在所谓的“快门模式(shutter mode)”下工作，在该模式下，一种显示状态实质上是不透明的，而一种显示状态是光透射的。参见例如美国专利No.5,872,552、6,130,774、6,144,361、6,172,798、6,271,823、6,225,971和6,184,856。类似于电泳显示器但是依赖于电场强度的变化的介电泳显示器可以在类似的模式下工作；参见美国专利No.4,418,346。其他类型的电光显示器也能够在快门模式下工作。在快门模式下工作的电光介质可以用于全色显示器的多层结构；在该结构中，邻近显示器的观察表面的至少一层在快门模式下工作，以暴露或隐藏更远离观察表面的第二层。
封装的电泳显示器通常不受传统电泳装置的聚集和沉降故障模式的困扰并提供更多的有益效果，例如在多种柔性和刚性基板上印刷或涂布显示器的能力。(使用词“印刷”意于包括印刷和涂布的所有形式，包括但不限于：诸如修补模具涂布、狭缝或挤压涂布、滑动或层叠涂布、幕式涂布的预先计量式涂布；诸如罗拉刮刀涂布、正向和反向辊式涂布的辊式涂布；凹面涂布；浸渍涂布；喷涂；弯月面涂布；旋转涂布；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)；以及其他类似技术。)因此，所产生的显示器可以是柔性的。另外，因为显示器介质可以(使用多种方法)被印刷，所以显示器本身可以被便宜地制造。
其他类型的电光介质也可用于本发明的显示器中。
基于粒子的电泳显示器的双稳态或多稳态行为和显示类似行为的其他电光显示器(在下文中为方便起见，可将这种显示器称为“冲激驱动显示器”)与常规液晶(“LC”)显示器形成鲜明对比。扭曲向列液晶不是双稳态或多稳态的，而是充当电压转换器，因此，将给定电场施加到这种显示器的像素在像素处产生特定的灰度级，而与先前在像素处上出现的灰度级无关。此外，LC显示器仅在一个方向上驱动(从非透射或“暗”到透射或“亮”)，通过减小或消除电场来实现从较亮状态到较暗状态的反向转变。最后，LC显示器的像素的灰度级对电场的极性不敏感，仅对电场的大小敏感，并且实际上由于技术原因，商用LC显示器通常以频繁的间隔反转驱动场的极性。相反，双稳态电光显示器作为冲激转换器近似地起作用，从而像素的最终状态不仅取决于施加的电场和施加该电场的时间，还取决于施加电场之前的像素的状态。
无论所使用的电光介质是否是双稳态的，为了获得高分辨率的显示，显示器的各个像素必须是可寻址的，且不受相邻像素的干扰。实现该目的的一种方法是提供非线性元件(例如晶体管或二极管)的阵列，且至少一个非线性元件与每个像素相关联，以产生“有源矩阵”显示器。用以寻址一个像素的寻址或像素电极通过相关联的非线性元件连接到适当的电压源。通常，当非线性元件是晶体管时，像素电极连接到晶体管的漏极，且这种布置将在下面的描述中被采用，虽然它本质上是任意的且该像素电极可连接到晶体管的源极。常规地，在高分辨率阵列中，像素可以布置在具有行和列的二维阵列中，以使得任何特定的像素唯一地由一个特定行和一个特定列的交叉点定义。在每列中的所有晶体管的源极连接到单个列电极，而在每行中的所有晶体管的栅极连接到单个行电极；再者，如果需要的话，源极到行和栅极到列的分配是常规的但本质上是任意的，并且可以被颠倒。行电极连接到行驱动器，该行驱动器实质上确保在任何给定时刻仅选择一行，即，向所选择的行电极施加电压，例如以确保在所选择的行中的所有晶体管都是导通的，同时向所有其它的行施加电压，例如以确保在这些未选择的行中的所有晶体管保持不导通。列电极连接到列驱动器，该列驱动器将电压施加至不同的列电极，所述电压被选择以驱动在所选择的行中的像素至它们期望的光学状态。(前面提到的电压是相对于公共前电极，该公共前电极常规地设置在电光介质的与非线性阵列的相对侧上并延伸跨越整个显示器。)在被称为“行地址时间”的预选间隔之后，所选择的行被取消选择，下一行被选择，且在列驱动器上的电压被改变，以使得显示器的下一行被写入。重复该过程，从而以逐行的方式写入整个显示。
可替代地，对于具有实质性阈值电压的电光介质(大多数电泳介质没有)，可以使用无源矩阵驱动。在这种类型的驱动中，在电光层的相对侧上提供两组平行的细长电极，两组电极彼此垂直布置，从而每个像素由两组中的每组中的一个电极的交点限定。最后，电光显示器可以利用所谓的“直接驱动”，其中多个像素各自设置有将像素电极连接到显示控制器的单独导体，从而可以直接控制每个像素电极的电势。
有源和无源矩阵显示器是复杂且昂贵的，特别是在大面积显示器的情况下，因为所需电极的成本往往是显示面积的函数，而不是像素数量的函数。然而，有源和无源矩阵显示器确实具有显示任何图像的灵活性，因此可以表示不同点大小的图片和文本。直接驱动显示器趋向于更便宜，但缺乏灵活性，并且是否能够显示文本通常限于单个点的大小，并且需要像素电极和控制器之间的大量连接；参见例如美国设计专利No.D485,294，该专利要求63个像素以单点大小表示拉丁字母的各种版本的一个字符。
迄今为止，电泳和类似的双稳态电光显示器的大多数商业应用是在小型、相对昂贵的产品(例如电子文档阅读器、手表和固态存储装置)中，其中，有源矩阵显示器的费用可能被容忍，或简单的直接驱动显示器就足够了。然而，将这样的显示器应用于家具和建筑应用的兴趣越来越大(参见前述申请序列No.14/934,662)，并且在这样的应用中，难以容忍有源矩阵或直接驱动的费用。此外，在许多家具和建筑应用中，电光显示器旨在提供简单的、通常是移动的几何图案，因此有源矩阵和直接驱动显示器的复杂文本和图形功能是不必要的。本发明试图提供在这种家具和建筑应用中使用的显示器和驱动方法。
先前的建议是使用电阻器网络来控制成像；参见例如美国专利No.3,679,967和5,400,122。本发明的显示器和驱动方法不使用这种电阻器网络。
发明内容
本发明提供了一种(第一或“间隔触点”)显示器，该显示器包括电光材料层以及在电光材料层的相对侧上的第一电极和第二电极，第一电极和第二电极中的至少一个是透光的，第一和第二电极中的至少一个具有至少两个间隔的触点，以及电压控制装置，该电压控制装置被布置成改变附接到同一电极的两个间隔的触点之间的电势差。
术语“透光的”在本文中以其在显示领域中的常规含义使用，如例如在前述美国专利No.6,982,178中所描述的，意味着透射足够的可见光以使得观察者能够通过透光电极观察电光材料以观察电光材料的光学状态变化。
在本发明的间隔触点显示器的优选形式中，第一电极和第二电极均具有至少两个间隔的触点，并且电压控制装置被布置成改变附接到每个电极的两个间隔的触点之间的电势差。所述电极或每个电极当然可以具有两个以上间隔的触点；如果是这种情况，那么布置电压控制装置以使彼此独立地改变这些触点中的一个触点以外的所有触点的电势并不是绝对必要的；例如，可以将触点分成两组或更多组，每组中的触点保持在相同的电势，但是在不同的组之间施加电势差。
本发明的间隔触点显示器可以在电光介质层的每一侧上具有一个以上的电极。实际上，在非常大的显示器(可能覆盖非常大的墙壁)的情况下，可能有必要或希望将显示器分为一系列单独的模块，每个模块具有夹在第一和第二电极之间的电光层。同样，本发明的间隔显示器在电光介质层的每一侧上可以具有不同数量的电极。
在本发明的间隔触点显示器中，具有两个触点的所述电极或每个电极可以简单地具有在两个触点之间延伸的均匀条带的形式。然而，使用不均匀的电极可能会产生更有趣的视觉效果。例如，第一和第二电极中的至少一个可以被至少一个非导电区域中断，使得电流必须遵循该电极上的两个触点之间的非线性路径。下面参考附图讨论这种非线性路径的可能的几何布置的示例。可替代地，第一电极和第二电极中的至少一个可以被划分为每单位长度具有不同电阻的多个区段，和/或被划分为每单位面积具有不同电容的多个区段。具有两个触点的电极也可以以背板上的多个导电迹线或区域的形式提供并被配置为用作汇流排。在一个实施例中，电极可以包括第一多个导线、施加在第一多个导线上的绝缘材料层、施加到绝缘材料层的第二多个导线、以及与第二多个导线电接触的电阻材料层。绝缘材料层可以被配置为将第一多个导线中的每个导电迹线电连接到第二多个导线中的单个导线并将第二多个导线中的每个导线电连接到第一多个导线中的单个导线。在又一个实施例中，电极可以包括多个导线、施加在第一多个导电迹线上的绝缘材料层、施加在绝缘材料层上的多个导电区域、以及与多个导电区域电接触的电阻材料层。绝缘材料层可以被配置为将多个导线中的每个导线电连接到单个导电区域，并且将每个导电区域电连接到单个导线。
如在上面提到的几个MEDEOD申请中所讨论的，如果施加到电光显示器的波形不是DC平衡的，则可能导致对电极的损坏，尤其是在通常非常薄、小于1μm的透光电极的情况下。为了减少或消除对电极的这种损坏，第一电极和第二电极中的一个的至少一部分可以设置有钝化层，该钝化层设置在电极与电光材料层之间。适当的钝化层在例如美国专利No.6,724,519中描述。
本发明还提供一种驱动间隔触点电光显示器的方法，该方法包括：提供一种显示器，该显示器包括电光材料层、在电光材料层的相对侧上的第一和第二电极，第一和第二电极中的至少一个具有至少两个间隔的触点；以及在同一电极上的两个触点之间施加随时间变化的电势差。
在这种“间隔触点”方法中，第一电极和第二电极都可以具有至少两个间隔触点，并且电压控制装置可以被布置成在附接到第一和第二电极的触点对之间施加随着时间而变化的电势差；电压控制装置可以以不同的频率改变施加到第一和第二电极的电势差。电压控制装置可以如例如固定频率或变化频率的正弦波、三角波、锯齿波或方波地改变施加到第一和第二电极中的至少一个的电势差。
本发明还提供了一种(第二或“隔离电极”)显示器，该显示器包括电光材料层以及与电光材料层相邻设置以对其施加电场的至少三个电极的序列，电光材料层的至少一个表面上的电极是透光的，以及被布置成改变序列的第一个电极和最后一个电极之间的电势差的电压控制装置，其中：
(a)该序列中的每个电极位于电光材料层的与该序列中在其之前的电极和该序列中在其之后的电极的相对侧上；
(b)序列中的每个电极具有与该序列中在其之前的电极重叠或相邻的第一边缘，以及与该序列中在其之后的电极重叠或相邻的第二边缘；以及
(c)序列中的每个电极，除了其第一个和最后一个电极，都被电隔离，以使得通过使电流通过电光材料层来控制其电势。
本发明还提供了一种驱动本发明的隔离电极显示器的方法，该方法包括提供隔离触点显示器(如上所定义)并使电压控制装置在序列的第一个和最后一个电极之间施加电势差。电压控制装置可以被布置成在第一个和最后一个电极之间施加随时间变化的电势差。
本发明的显示器和驱动方法可以利用以上讨论的任何类型的电光介质。因此，例如，电光显示器可以包括旋转双色构件、电致变色或电润湿材料。可替代地，电光显示器可以包括电泳材料，该电泳材料包括布置在流体中并且能够在电场的影响下移动通过流体的多个带电粒子。带电粒子和流体可以被限制在多个囊体或微单元内。可替代地，带电粒子和流体可以以被包含聚合物材料的连续相包围的多个离散液滴的形式存在。流体可以是液态或气态。
附图说明
附图中的图1是本发明的显示器的高度示意性俯视图，其示出了第一电极和第二电极上的触点的位置，该显示器旨在用作咖啡桌。
图2是沿着图1中的线II-II在箭头方向上观察的高度示意性截面图。
图3是本发明的第二显示器的示意性俯视图，其中在一个电极中设置有间隙，以使得电流必须遵循电极的两个触点之间的非线性路径。
图4是本发明的第三显示器的与图3大致相似的示意性俯视图，其中一个电极被分成每单位长度具有不同电阻的区段。
图5是本发明的显示器，其中一个电极具有变化的每单位面积电容的区域。
图6是本发明的第五隔离电极显示器的示意性截面图。
图7A至7D是根据本发明的第六实施例的背板的各个层的示意性俯视图。
图8A至8D是根据本发明的第七实施例的背板的各个层的示意性俯视图。
图9A至9D是根据本发明的第七实施例的背板的各个层的示意性俯视图。
具体实施方式
如上所述，本发明提供了一种间隔触点显示器，其包括电光材料层，在电光材料层的相对侧上的第一电极和第二电极，第一电极和第二电极中的至少一个具有至少两个间隔的触点，以及电压控制装置，该电压控制装置被布置成改变附接到同一电极的两个间隔的触点之间的电势差。
如上所述，大多数传统的电光显示器，无论是有源矩阵还是直接驱动类型，都在电光层的一侧上使用单个透光的“公共”电极并在电光层的相对侧上使用电极(像素电极或直接驱动电极)阵列。电极阵列中的每一个与公共电极之间的电势差由显示驱动器控制，从而每个阵列电极(原则上)控制位于该阵列电极与公共电极之间的电光介质的区域的光学状态的变化，这些变化取决于电势差的极性和大小以及施加时间。(通常的做法是提供到前电极的多个连接以减少不良接触的风险，但是这种多个连接不是可独立控制的。)相反，本发明的显示器依赖于单个电极上的两个或更多个间隔的触点之间的电势差以在该电极内生成电势梯度，并因此改变在该单个电极的不同区域与电光层的相对侧上的电极之间的电势差。(如果如通常情况那样，显示器的两个电极都设置有多个触点，则两个电极内都将存在电势梯度，并且施加到电光层中的任意点的电势差将是位于电光层中所选择的点的任一侧上的两个电极上的各点处的电势之间的差。)因此，施加到电光层的电势差将在整个电光层上连续变化，并将导致电光介质的光学状态的相应的连续变化。这些电势差允许生成简单的图案和切换效果。
由于本发明的显示器旨在通过在电极内产生电势梯度来工作(通过在一个电极内提供附接至电极的两个或更多个触点之间的电势梯度)，因此由电极提供的电阻非常重要。太低的电极电阻会在电极内产生过多的电流，这可能会使电压控制装置中的电子设备短路，并可能引起其他问题，例如过度的局部加热，这可能会损坏电光层。另一方面，过大的电极电阻可能导致来自间隔的触点的电压的非常短范围的传播，从而导致仅在触点附近的非常小的区域的切换，并且如果要切换显示器的整个区域，则需要大量触点。
此外，由于根据本发明制造的显示器的各种实施例可以依赖于反射的环境光来观察由电光材料产生的图像，因此应当使来自透光电极的光损失最小化。例如，根据本发明的各个实施例，环境光将在显示器中两次穿过透光电极，第一次是环境光从其源传播到电光材料的表面时，第二次是当光从电光材料反射到观察者时。如上所述，电极材料应形成足够高的导电前电极，以确保有足够的电流来均匀驱动显示器。较厚的电极材料层将具有更大的电导率；但是，较厚的层也会导致光损失增加，因为这些材料不是无色的。氧化铟锡(ITO)被高度着色，但是例如可以通过应用2000埃量级的极薄层来使该颜色的影响最小化。
尽管最佳电极电阻当然会随显示器的尺寸、触点的数量和所使用的特定电光介质的性质而变化，但是通常透光电极材料的薄层电阻优选地约500至约50,000欧姆/平方，更优选地约1,000至约15,000欧姆/平方，以及最优选地约300至约5000欧姆/平方。如果需要，当然可以使用诸如PEDOT、碳纳米管、石墨烯和纳米线的透光导体。
在本发明的显示器中使用的电光材料通常将是双稳态显示材料，例如电致变色、旋转双色构件或电泳材料。这样的双稳态材料仅在暴露于电场中相当长的一段时间(通常为0.1至1秒的量级)后才改变其电光状态。因此，本发明的显示器的外观不仅由间隔的触点处的电势变化时每个电极的各个区域上存在的电势来控制，而且还由所使用的电光材料对它所暴露的电场反应的速度来控制。同样，如在前述的MEDEOD申请中的一些申请中所讨论的，某些电光材料会遭受称为“光晕”的现象，通过这种现象，电极处的电势变化在大于电极本身的区域上影响材料的电光状态。尽管在电光显示器中经常将光晕视为问题，但是由于光晕趋于使所显示的图像扭曲，因此在本发明的至少一些显示器中，光晕可能实际上有利于隐藏显示器的其他非活动区域。例如，如在本发明的一些显示器中已经提到的，第一和/或第二电极可以被至少一个非导电区域中断，以使得电流必须遵循该电极上的两个触点之间的非线性路径。光晕可以用于隐藏这种非导电区域的光学效应。实际上，在某些情况下，可能希望对电光材料进行设计以使其光晕增加，以帮助进行这种隐藏。
本发明的典型显示器可以按顺序包括以下层：
(a)形成显示器的观察表面的透明导电层(“前电极”)；
(b)封装的电泳介质层；
(c)层压粘合剂层；以及
(d)包括基板(通常是聚合物膜)和不需要透明的导体的“背板”。
层(a)和(d)中的每个电极的至少两个区域被清洁，以露出用于电接触的导体，该导体可以被独立地寻址。最后，显示器包括电压控制装置，以将前电极和背板相对于彼此驱动为正和负电势，并在每个电极内产生电势梯度。
已经使用以下材料制造了这种显示器。前电极由5密耳(127μm)聚对苯二甲酸乙二醇酯形成，在其一个表面上涂有OC300或450级ITO。可替代地，可以将前电极涂布在显示器的剩余层上，而无需任何支撑基板。封装的电泳介质基本上如美国专利No.8,270,064中所述，并且层压粘合剂是基本上如美国专利No.7,012,735中所述的25μm的层，其包含5000ppm的四丁基六氟磷酸铵掺杂剂以控制电性能。背板是类似于前电极所用的PET/ITO膜，但是可以用印刷的碳导体或其他低成本的透明或不透明导体代替。
在附图的图1和图2中示意性地示出了用作咖啡桌的这种类型的显示器。如图1所示，咖啡桌(通常标记为100)包括细长的矩形玻璃桌面102，其四个角支撑在支腿104上。显示器本身(通常标记为106)被支撑在桌子的玻璃桌面102下方，从而玻璃桌面可以保护显示器106免受机械损坏。
如图2所示，显示器106包括承载ITO前电极110的PET膜108，该PET膜108跨过显示器106的整个区域延伸。与前电极110接触的是封装的电泳介质112，其下表面带有一层层压粘合剂114，该层压粘合剂114将封装的电泳介质112固定到在PET膜118上的包括ITO电极层116的背板上。如图1所示，前电极110设置有靠近矩形桌的角布置的四个触点T1-T4，而背板电极116类似地设置有以相似方式布置的四个触点B1-B4。
图2示出了形成触点T1-T4和B1-B4的方式。触点B1-B4是通过通常用激光切割机吻切穿过上膜108的孔并清洁电泳介质112和层压粘合剂114的下面部分而产生的。类似地，触点T1-T4是通过吻切穿过下膜118的孔，并使用溶剂清洁电泳介质112和层压粘合剂114的上面部分，并用手或用机械手段(如电动牙刷)摩擦而产生的。所产生的孔填充有导电材料，例如填充碳的粘合剂或导电墨水，以产生可以被单独地寻址的触点。显示控制器(未显示)提供了一种电压控制装置，该电压控制装置能够将触点T1-T4和B1-B4独立地驱动为正电势和负电势，该显示控制器具有12个30V的输出，每个输出都能够提供在每个通道上单独地可编程的±30V之间的任何电压和波形，并且还具有高阻抗或浮置状态。控制器的每个输出都有一个驱动线，直接驱动。
图1和图2所示的显示器可以基本上如上述美国专利No.6,982,178中所述来构造。用电泳介质112涂布或层压PET/ITO膜(其将最终形成下膜108和电极110)，以形成PET/ITO/电光子组件。用层压粘合剂将第二PET/ITO膜(其将最终形成下膜118和电极116)层压至子组件。如前所述，下电极116可以是透明的或可以不是透明的，因为电泳介质112不透射光。所产生的结构是全电光显示器，其能够切换给定的正确电连接。可以在大的卷对卷基础上创建此介质，并且可以将其切割(通常是激光切割)为单个显示器所需的尺寸，例如所示的咖啡桌为16x 60英寸(406x 1523毫米)。也可以使用其他构造方法，例如，如前述美国专利No.6,982,178中所述形成前平面层压板(FPL)，随后将FPL切割成一定尺寸，然后再层压到背板上。移除吻切区域中的基板，然后清洁电泳介质。触点的数量越多以及这些触点在显示器外围周围的空间分布越多，可以实现的切换模式就越复杂。
例如，可以通过分别将顶触点T2和T3设置为-20V和+20V来驱动图1和图2所示的显示器，而将背板触点B2和B3设置为接地，所有剩余触点被允许浮置。如果将该驱动模式维持超过约1秒，则电泳层的光学状态将为半暗半白，并且在中央具有扩散梯度区域。如果代替地给驱动电极馈送可变电压模式而不是固定电压，则在电泳层中产生移动模式。例如，如果一个触点以0.1Hz的频率接收20V振幅正弦波，而同一电极上的另一个触点以0.09Hz的频率接收20V振幅正弦波，则黑白切换波将以由于所提供的两个正弦波的频率不同而随时间变化的不同速度和不同方向、从左到右或从右到左在显示器上缓慢移动。通过使两个正弦波的频率相同并赋予它们恒定的相位差，可以使白色到黑色或黑色到白色的移动波的速度和方向是恒定的并且是重复的。通过驱动显示器的对角线的相对端部的两个触点可以形成更复杂的模式，特别是如果在顶部和底部电极中使用相对的对角线时。通过在显示器的外围周围提供大量的触点，可以产生更复杂的模式。
尽管图1和图2所示的显示器具有简单的矩形形式的电极，使得每个电极在其两个端部的间隔的触点之间基本上是均匀的，但是本发明不限于矩形或任何特定形状的显示器，并且通过使用多边形(例如，六边形或八边形)显示器或圆形或椭圆形显示器，可以产生有趣的效果。在这种情况下，可以在显示器的外围周围设置一个或多个触点，而在显示器的中心设置另一个触点，以使电光材料的变化沿径向而不是线性地传播。此外，本发明不限于平面的二维显示器，而是可以应用于三维物体。电极和电光介质都可以沉积在三维物体上；例如，可以从溶液中沉积由有机导体形成的电极，并且可以通过喷涂技术来沉积电泳介质。
此外，可以通过在一个或两个电极中提供间隙，例如通过移除或化学改变电极材料来获得有趣的光学效果，以使得电流必须遵循该电极上的两个触点之间的非线性路径。图3是这种类型的显示器(通常表示为300)的示意性俯视图。与图1和图2所示的显示器100一样，显示器300具有细长矩形的形式，在其相对的端部处设置有条形触点302和304。在触点302和304之间延伸的电极306被多个非导电区域308中断，以使得电流(以及由此产生的电光效应)必须遵循触点302和304之间的大致正弦路线。
诸如图3中的区域308的非导电区域可以用于以各种有趣的模式来“引导”电光效应。例如，圆形、椭圆形或多边形显示器可以在显示器的外围上具有单个触点，在显示器的中央具有第二触点，以及具有螺旋形非导电区域以沿着在两个触点之间延伸的螺旋形电极引导电光效应。在三维显示器的情况下，设计的自由度更高；例如，在圆柱形基板上形成的显示器可以使用螺旋形非导电区域来沿着在圆柱形基板的相对端部处设置的触点之间的螺旋形路径引导电光效应。
如已经提到的，在本发明的间隔触点显示器中，第一电极和第二电极中的至少一个可以被划分为每单位长度具有不同电阻的多个部分，并且在图4中示出了这种显示器(通常标记为400)的示意性俯视图。显示器400与图3中示出的显示器300大体上相似，因为显示器400具有细长矩形的形式，该细长矩形在其相对的端部设置有触点402和404。而且，像显示器300一样，显示器400设置有非导电区域408。然而，区域408的布置不同于图3中的区域308；区域408是两个相邻区域对的形式，其从显示器400的相对的长边缘延伸，以便在每个相邻对之间留下导电材料410或412的狭窄“颈部”或“峡部”。因此，通过触点402和404之间的电流连续地穿过低电阻区域414、高电阻颈部410、低电阻区域416、高电阻颈部412和低电阻区域418。
图4示出了通过改变电极的宽度来形成电阻变化的区域，但是当然可以采用用于改变电阻的其他技术。例如，可以通过用设置在相邻区域上并经由适当的电阻器互连的触点代替每个颈部区域410和412来修改图4所示的显示器。为了避免可见电子部件的难看外观，可以将电阻器和相关联的导体容纳在显示器周围的框架内，例如通常存在于传统的咖啡桌中。借助于布置在这种框架内的电子部件“看不见地”互连电极区域的能力确实提供了额外的设计自由度，即以不同于其物理位置的顺序电子地布置电极区段的能力。例如，考虑显示器400的修改版本，其中电极被分成五个区段(为方便起见在图4中从左到右被指定为A、B、C、D和E)，而不是图4所示的三个区段414、416和418，其中区段A-E经由隐藏在框架内的导体和电阻器互连。电子互连可以被布置以使得电极区段按照(例如)A、D、B、C、E的顺序电子地互连，这将产生电光效应，该电光效应似乎在显示器周围跳跃而不是如在图1和2中所示的显示器100中那样沿着显示器线性地行进。
代替在电极内提供各种电阻的区域，可以使用变化电容的区域，并且在图5中示出了这种显示器(通常标记为500)的示意性横截面。显示器500通常类似于图3和4中分别示出的显示器300和400，因为它具有细长矩形的形式，在其相对端部处具有电极506，该电极506设置有触点502和504。然而，与显示器300和400的所示电极不同，显示器500的电极506是不中断的。然而，通过在电光介质的与电极506的相对侧上提供一系列间隔的电极512，电极506设置有变化的每单位面积电容的区域，所有这些电极都接地。显而易见的是，与未位于相对电极512上的电极512的区域相比，位于相对电极512上的电极506的区域具有大得多的每单位面积电容，从而提供了显示器500的电光性能的变化，通常类似于由显示器400中的变化电阻的区域所提供的显示器。(通常，类似于图2所示的粘合剂层114的粘合剂层将存在于电光层510和电极506之间或电光层510和电极512之间。为便于说明，图5中省略了粘合剂层，但粘合剂层的存在与否对显示器500的基本操作方式没有影响。
现在将参考图6描述本发明的隔离电极显示器的一个实施例。从概念上讲，隔离电极显示器可以被认为是图4所示类型的可变电阻电极显示器的修改，修改包括使用电光层本身作为低电阻电极之间的高电阻区域。这种修改将连续的高电阻区域(电极)放置在电光层的相对侧上，从而仅需要一组电极。
更具体地，如图6所示，隔离电极显示器(通常表示为600)具有类似于显示器的细长矩形的形式，包括电光材料层610和七个电极612-624的序列，每个电极都具有在显示器的整个宽度上延伸的细长条带的形式。第一个电极612和和最后一个电极624分别连接到电压控制单元(在626处示意性地指示)，该电压控制单元使得可以在电极612和624之间施加随时间变化的电势差。剩余的电极614-622被电隔离，以使得它们的电势通过使电流通过电光材料层610来控制。电极612-624在层610的下表面和上表面(如图所示)之间交替，并且上表面(显示器的观察表面)上的电极614、618和622是透光的；电极612、616、620和624可以是透光的或可以不是透光的。从图6可以看出，电极614-622中的每一个具有与前一个电极重叠的第一边缘(如图6所示，其左侧边缘)和与后面的电极重叠的第二边缘(如图6所示，其右侧边缘)。如果相邻的边缘彼此相邻，以形成穿过层610的合理长度的导电路径，则相邻的边缘不是必须重叠的。应当理解，电极的第一和第二边缘不必须在电极的相对侧上。例如，电极612-624可以是等腰三角形的形式，以使得第一和第二边缘将不平行，或者电极可以以棋盘的形式布置，在这种情况下，一些电极将具有彼此成直角的第一和第二边缘。
由电压控制装置626在电极612和624之间施加时变电势差将导致取决于诸如层610的电阻率、电极之间的电容、层610内的极化等的因素的电极614-622的电势的复杂变化，以及层610的各个部分的光学状态的甚至更复杂的变化。最普遍地，当由电压控制装置626施加的电压变化时，层610的各个部分将被感知为“闪烁”。在又一个实施例中，根据本发明制成的显示器可以包括被配置为完成低功率波开关的背板。参考图7A至7D，背板可以包括矩形基板700，在其上可以印刷变化长度的第一多个导线或迹线710。每个导线710的一个端部可以连接到驱动电路(未示出)。然后可以在第一多个导线710上施加绝缘材料层720，除了多个空隙730使得第一多个导线710的未连接端部暴露出来。可以在绝缘材料层720上施加第二多个导线或迹线740，以使得每个导线740横穿并与相应的第一导线710电接触。这可以通过在绝缘材料720中的空隙730上印刷第二多个导线740来实现。绝缘材料层中的空隙和第二多个导线的位置被精确地定位以防止未关联的导线之间的电短路。因此，第一多个导线中的每个导线与第二多个导线中的仅一个导线导电，反之亦然。一个或多个接触垫751、752也可以被施加到第一导线710的暴露端部。一个或多个接触垫751、752可以提供用于将背板电连接到显示器的透光前电极(未示出)的位置。最后，可以在第二多个导线740上施加电阻材料层760，以使电阻材料层760与第二多个导线740电接触。电阻材料层优选地为背板的最顶层，并且将与显示器的前平面层压板(FPL)直接接触。
可以使用本领域技术人员已知的技术，例如用于制造多层印刷电路板的方法，来容易地制造背板中的每个组件。各种材料可以用于背板的各个层。例如，用于绝缘层的材料包括但不限于介电材料，优选地，包括可光固化的无溶剂的有机或基于硅树脂的低聚物的介电材料。可以在电阻层中使用的材料的示例包括但不限于电阻碳、ITO填充的聚合物、PEDOT填充的聚合物和金属填料。类似地，任何导电材料可用于印刷第一和第二多个导线，例如碳或导电金属，例如银、镍和铜。
用于形成第二多个导线的材料优选地具有比用于形成电阻材料层的材料更高的导电率。第二多个导线和电阻材料层的组合基本上提供了一系列高导电汇流排，其中，导线用作单独的汇流排，因为电阻材料层确保了每根线周围的均匀电压。可以相对于汇流排线之间的长度和间隔来选择电阻材料层的电阻。优选地，为了减少功耗，汇流排线之间的总电阻大于或等于1千欧姆，更优选地大于或等于10千欧姆。例如，在汇流排线的长度与间隔之比为10的配置中，提供具有10千欧姆/平方的电阻率的电阻层导致汇流排线之间的总电阻为1千欧姆。
在本发明的另一实施例中，提供了一种驱动具有上述背板的显示器的方法。为了驱动显示器，可以使用具有两级或三级输出能力的驱动器，该驱动器还优选地具有浮置(高阻抗)输出能力。再次参考图7A至图7D，驱动器可以沿着基板700的左侧连接到第一多个导线710。在第一步骤中，驱动器可以将电压施加到第二多个导线740的最左边的汇流排线(“第一汇流排线”)，并使剩余的汇流排线短路或浮置。如本文在整个说明书和权利要求书中所使用的，“短路”或“正在短路”是指将导线或区域接地，而“浮置”或“正在浮置”是指将导线或区域电隔离。FPL中位于最左侧汇流排线附近的电光介质将立即切换，并且从切换到未切换的电光介质的颜色梯度将出现在第一汇流排线和随后的汇流排线(“第二汇流排线”)之间。如果驱动器具有脉冲宽度调制(PWM)或电压调制(VM)输出的能力，则驱动器可以逐渐增加占空比或电压以创建更缓慢发展的梯度。在某个时间段之后，其长度可以由应用程序所需的开关速度确定，驱动器可以将电压施加至第二汇流排线，而在第一汇流排线上终止电压施加，依此类推。以这种方式，驱动器可以以受控方式逐渐在整个显示器上切换电光介质，同时将电压的施加限制到仅在切换的电光介质和未切换的电光介质之间存在梯度的区域。
例如，如果期望更宽的梯度，则驱动器可以在多个相邻的汇流排线上施加电压，该电压连续地定时，以便在显示器上逐渐分布梯度。最后，可以在显示器的任何位置创建梯度，并且通过在多个汇流排线上施加相反电压的模式，可以同时存在多个梯度。梯度可以在显示器上的任何点或任何时间开始和停止，并且如果同时生成多个梯度，则这些梯度可以在多个方向上以多个速度传播。因此，波的复杂度取决于汇流排线间距和驱动器的软件控制。
如上所述，在第一和第二多个导线之间的绝缘材料层将驱动电路连接到背板的远侧区域。各种导线能够彼此交叉而不会彼此电短路。这种配置允许各种背板设计。例如，可以替代地在圆形基板上设置具有与前述矩形背板相似的印刷层的背板。参考图8A至图8D，圆形基板800可以包括第一多个同心导线810，该第一多个同心导线810具有围绕基板800的圆周区域印刷的变化长度。同心导线800的每一个的位于基板的边缘上的一个端部可以连接到驱动器(未示出)。除了使第一导线810的每一个的未连接端部暴露的空隙830之外，绝缘材料层820可以被涂布在第一多个导线810上。然后可以在绝缘材料层820上径向地印刷第二多个导线840，以使得将每个径向导线840施加在相应的空隙830上，使得每个径向导线840与单个同心导线810电接触。背板还可以包括一个或多个连接点851、852、853，以与显示器的透光电极(未示出)电连接。最后，可以在径向导线840上施加电阻材料层860，以在圆形背板中形成多个径向延伸的汇流排线。在操作期间，具有带有径向延伸的汇流排线的圆形背板的显示器将允许在周向梯度路径中切换电光介质。
在本发明的又一个实施例中，可以提供能够形成二维颜色梯度模式的背板。参考图9A至9D，基板900可以包括多个大致平行的导线910。每个导线910沿着基板900的一个边缘的端部可以连接到驱动器(未示出)。绝缘材料层920可以被施加在多个导线910上，除了留有空隙930以暴露导线910的未连接端部之外。接下来，可以选择性地在多个导线的每个未连接端部上印刷多个导电区域940。一个或多个导电区域可以用作连接951、952，以将背板与显示器的透光电极(未示出)电连接。最后，可以在多个导电区域940(如果存在)或多个导线910的暴露端部上施加电阻材料层960。导电区域(如果存在)或多个导线910的暴露端部与电阻材料组合将形成多个汇流排点。与汇流排线一样，汇流排点优选地以足够的距离彼此间隔以提供大于或等于1千欧姆的电阻。通过应用从汇流排点到汇流排点的电压交替模式，驱动器可以在每个点周围的多个方向上创建颜色梯度。
从前述内容可以看出，本发明提供了一种显示器和驱动方法，其能够移动电光介质(特别是双稳态介质，例如电泳介质)的光学状态的变化并利用非常简单的便宜的电极生成视觉兴趣图案。
对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以在上述本发明的特定实施例中进行许多改变和修改。例如，可变电压当然不限于简单的正弦波；可以使用固定频率或变化频率的三角波、锯齿波和方波。因此，整个前述说明书将以示意性而非限制性的意义来解释。