具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

针对现有技术的不足，本发明提供一种电子纸与液晶切换显示装置，结合了电子纸和液晶这两种显示技术的优势，具有低功耗、高对比度、高刷新率等多种优点。本发明在传统液晶显示技术的基础上增设能够帮助实现切换的电泳层而得到。

图1为传统液晶显示器结构示意图，包括上基板、下基板和背光层，所述上基板包括上偏振板101、上玻璃基板102、带有黑矩阵的红色、绿色、蓝色滤光片103、保护膜104、公共电极105、配向膜106和由薄膜晶体管控制的液晶层107；所述下基板包括下玻璃基板108和下偏振板109；所述背光层包括光扩散层121、背光源122和反射板123。上偏振板、上玻璃基板、带有黑矩阵的红色、绿色、蓝色滤光片、保护膜、公共电极、配向膜、由薄膜晶体管控制的液晶层、下玻璃基板、下偏振板以及背光层自上而下堆叠设置形成层状结构。该液晶显示器的显示原理基于光的偏振理论：上偏振板101与下偏振板109可将透过它们的光转换为线偏光，且偏振方向与偏振板的偏振化方向相同，仅有振动方向在偏振化方向上的光能量可以透过偏振板。上偏振板101与下偏振板109的偏振化方向互相垂直，定义上偏振板101与下偏振板109的偏振化方向分别为s振动方向和p振动方向。由背光源122发射出的白光源，经光扩散层121、反射板123等反射、扩散、准直后，透过下偏振板109，转化为p振动方向的线偏振光，而后透过下玻璃基板108。

本发明一个实施例提供一种电子纸与液晶切换显示装置，如图2所示，包括上基板、下基板、背光层以及设置在下基板和背光层之间的电泳层，通过控制电泳层内电子墨水是否位于黑矩阵下，实现电子纸显示与液晶显示的切换。

具体地，电泳层为带有电子墨水的电泳层110。电泳层110安装在下基板的下方、背光层的上方。电泳层为横向传输电泳显示层。横向传输电泳显示层具体包括：透明电泳液、带电荷颜色粒子、微棱镜膜层、电泳层公共电极112以及驱动电极；电泳层公共电极可为透明导电层；微棱镜膜层为一层可将光线准直的薄膜。带电荷颜色粒子包括红色、绿色、蓝色颜色粒子，且颜色粒子带电荷量相同或不同，即带电荷量相同的红色、绿色、蓝色的第一电子墨水111和带电荷量不同的红色、绿色、蓝色的第二电子墨水115。颜色粒子带电荷量相同时，驱动电极为无源矩阵直流驱动电极113或有源矩阵薄膜晶体管驱动电极114，根据颜色离子的带电荷量相同与否进行选择；具体的，颜色粒子带电荷量不同时，驱动电极为有源矩阵薄膜晶体管驱动电极。电泳层110在电场控制下横向移动，实现电子纸与液晶两种显示模式之间的切换。使用该电子纸与液晶切换装置可在不改变液晶显示结构的条件下，实现电子纸显示与液晶显示的切换，简化了制造工艺且提高了产品的兼容性。

电泳层110带有的红色、绿色、蓝色三种颜色粒子分别位于对应颜色滤光片层的下方。由于黑矩阵的存在，液晶显示的开口率无法达到100％，因此，本发明利用这一特点，将颜色粒子巧妙地隐藏在黑矩阵的下方，这样不仅不影响液晶显示模式，还可以通过对电泳层颜色粒子的控制实现电子纸显示的切换。通过无源矩阵直流驱动电极或有源矩阵薄膜晶体管驱动电极对电泳层的控制，该切换显示装置可实现第一显示模式、第二显示模式和第三显示模式三种模式进行显示。下面分别对这三种显示模式进行详细说明：

第一显示模式为液晶显示，带电荷红色、绿色、蓝色颜色粒子在无源矩阵直流驱动电极或有源矩阵薄膜晶体管驱动电极的控制下,移动至所述滤光片层的黑矩阵的下方，如图2所示，背光源开启，液晶层在薄膜晶体管的驱动下实现液晶显示，即液晶层中薄膜晶体管控制液晶的排列方式，实现液晶显示。此时电泳层110不影响背光源122发出的白光，开启背光源122后，实现第一显示模式。在第一显示模式下，与一般液晶显示原理一致。

传统液晶显示包含液晶关态和液晶开态两种显示模态,本发明显示装置在液晶显示模式时同样也具有这两种显示模态。

在液晶关态显示模态下，液晶层107中液晶分子在薄膜晶体管的控制下，排列整齐，p振动方向的线偏振光可透过液晶层107，而偏振方向不发生改变，p振动方向的线偏振光向上传输，依次透过配向膜106、公共电极105、保护膜104、带有黑矩阵的红色、绿色、蓝色滤光片103、上玻璃基板102。其中，所述黑矩阵位于液晶层107薄膜晶体管的正上方，用以保护薄膜晶体管免受外界环境光的侵害；所述红色、绿色、蓝色滤光片位于液晶层107液晶分子的正上方，将白光源转换为红光、绿光、蓝光，用以彩色显示。此时，p振动方向的线偏振光无法通过s振动方向的上偏振板101，液晶显示为关态。

在液晶开态显示模态下，液晶层107中液晶分子在薄膜晶体管的控制下，按一定规律排列，p振动方向的线偏振光透过液晶层107后，偏振方向发生旋转，不再为p振动方向的线偏振光，即存在s振动方向的分量。这部分s振动方向的线偏振光向上传输，依次透过配向膜106、公共电极105、保护膜104、带有黑矩阵的红色、绿色、蓝色滤光片103，此时s振动方向的白光源分别被转换为红光、绿光、蓝光，而后通过上玻璃基板102，此时，s振动方向的线偏振光可以通过s振动方向的上偏振板101，液晶显示为开态。如果液晶分子将线偏振光的振动方向旋转90度，即p振动方向的线偏振光能量全部转换为s振动方向的线偏振光，此时光能量最大；其他角度下，出射光与入射光能量的关系满足马吕斯定律。通过电子电路对液晶层107薄膜晶体管进行控制，进而控制液晶分子的排列方式，可分别控制红光、绿光、蓝光的出射光能量，叠加光学色度学原理，可实现色度、明度、饱和度的变化，实现彩色显示。

第二显示模式为电子纸显示，在第二显示模式下，电泳层内红色、绿色、蓝色电子墨水在电场驱动下，移动至红色、绿色、蓝色滤光片的下方，并将滤光片正下方区域完全遮盖，背光源关闭，薄膜晶体管驱动液晶层实现电子纸显示，如图3所示。即：带电荷红色、绿色、蓝色颜色粒子在无源矩阵直流驱动电极或有源矩阵薄膜晶体管驱动电极的控制下，全部移动至所述滤光片的下方，背光源关闭，液晶层中薄膜晶体管控制液晶的排列方式，实现电子纸显示：当外界环境光足够强时，自然光进入显示装置，经过上偏振板后变为s振动方向的线偏振光，再依次穿过上玻璃基板102、带有黑矩阵的红色、绿色、蓝色滤光片103、保护膜104、公共电极105、配向膜106、由薄膜晶体管控制的液晶层107、下玻璃基板108到达下偏振板109，透过下偏振板的光经彩色颜色粒子反射，达到彩色显示的目的。

需要说明的是，当液晶分子将线偏光的振动方向转换为与之垂直的振动方向时，光能量才能够全部透过下偏振板109；而如果液晶分子不改变偏振光的振动方向，光能量无法透过下偏振板。因此，可以通过薄膜晶体管控制液晶层液晶分子的排列方式，从而控制通过下偏振板的光能量的透过率，实现电子纸显示的开启和关闭以及开启时色彩饱和度的变换。也就是说，第二显示模式也有关闭和开启两种状态。第二显示模式关闭的状态下，此时液晶层107在薄膜晶体管的控制下整齐排列，不改变透射光的振动方向。那么s振动方向的线偏光透过液晶层后仍为s振动方向的线偏光，透过下玻璃基板108后无法透过下偏振板109，此时电子纸显示关闭。第二显示模式开启的状态下，此时液晶层107在薄膜晶体管的控制下按一定规律排列，能够改变透射光的振动方向。那么s振动方向的线偏光透过液晶层后，存在振动方向为p方向的光能量，这部分光能量透过下玻璃基板108后可以透过下偏振板109，到达电泳层110。电泳层颜色粒子反射入射光能量，经过微棱镜膜层准直后，向上传输，依次透过下偏振板109、下玻璃基板108、液晶层107、配向膜106、公共电极105、保护膜104、滤光片103、上玻璃基板102、上偏振板101，实现电子纸显示模式。同样的，通过电路对液晶层107薄膜晶体管进行控制，进而控制液晶分子的排列方式，可分别控制由红色、绿色、蓝色颜色粒子反射的出射光能量，叠加光学色度学原理，可实现色度、明度、饱和度的变化，实现彩色电子纸显示。

第三显示模式为液晶与电子纸结合显示，带电荷红色、绿色、蓝色颜色粒子在有源矩阵薄膜晶体管驱动电极的控制下，部分移动至所述滤光片的下方，背光源开启，液晶层中薄膜晶体管控制液晶的排列方式，实现液晶与电子纸结合显示。根据自然光的强度，可调节颜色粒子的占空比和背光层的功率，实现低功耗显示的目的。

为了具体说明电泳层110的颜色粒子的运动驱动方式，本申请提供几种具体实施方式。为了简化结构，实施方式中均以单一绿色子像素作为示例进行说明，且在本申请中电子墨水和颜色粒子具有相同含义。

图4(a)和图4(b)为本发明一个实施例提供的采用无源矩阵直流驱动电极113控制电泳层实现第一显示模式和第二显示模式的示意图。无源矩阵直流驱动电极113由直流扫描线和地址线组成，由数字电路控制输入至扫描线的电平，与电泳层公共电极112一起，可在电泳层每一子像素处形成一个横向电场。带电荷量相同的颜色粒子(即第一电子墨水111)在横向电场的作用下左右移动。该具体实施例中，三种带电颜色粒子的电荷量相同。带电颜色粒子被横向电场的作用驱动，移动至黑矩阵下方，背光源开启，液晶层中薄膜晶体管控制液晶的排列方式，实现液晶显示；当颜色粒子受横向电场作用全部移动至透光滤光片下方时，背光源关闭，液晶层中薄膜晶体管控制液晶的排列方式，实现电子纸显示。

图5(a)和图5(b)为本发明采用有源矩阵薄膜晶体管驱动电极114控制电泳层的第一显示模式和第二显示模式示意图。有源矩阵薄膜晶体管电极114的构成，包括扫描线、地址线以及薄膜晶体管；薄膜晶体管的栅极连接扫描线，源极连接地址线，由数字电路控制输入至薄膜晶体管栅极的电压，可控制薄膜晶体管的漏极的输出电压，与电泳层公共电极112一起，可在电泳层每一子像素处形成一个横向电场。带有相同电荷的第一电子墨水111在横向电场的作用下左右移动。该具体实施例中，三种带电颜色粒子的电荷量相同。当颜色粒子被横向电场作用移动至黑矩阵下方，按照上述第一显示模式的实现方式，可实现液晶显示；当颜色粒子被横向电场作用全部移动至透光滤光片下方，按照上述第二显示模式的实现方式，可实现电子纸显示。

图6(a)和图6(b)为本发明采用有源矩阵薄膜晶体管驱动电极114控制电泳层的第一显示模式和第三显示模式示意图。在该具体实施例中，电泳层内三种颜色粒子所带电荷量不同(即使用第二电子墨水115)，这样在横向电场的作用下，第二电子墨水115会处于不同的位置。在第一显示模式下，有源矩阵薄膜晶体管驱动电极114与电泳层公共电极共同作用，形成横向电场，将第二电子墨水115全部驱动至黑矩阵的正下方，此时为液晶显示模式，实现方式与前面叙述的方法一致；在第三显示模式下，有源矩阵薄膜晶体管驱动电极114与电泳层公共电极共同作用，形成横向电场，由于第二电子墨水115的颜色粒子带电量不相同，能够改变横向电场的大小与分布，使得第二电子墨水115仅部分位于透光滤光片的下方，另一部分留在黑矩阵的下方，因此实现液晶显示和电子纸显示同时存在的第三显示模式。将第二电子墨水115位于透光滤光片的下方的面积与透光滤光片的总面积之比定义为占空比，占空比为0即为第一显示模式，占空比为1即为第二显示模式，占空比处于0至1之间时，为第三显示模式。

在一种具体实施方式中，占空比的取值可由环境光的强度决定，环境光强度越大，占空比应越接近1。占空比越大，说明显示光能量主要由电子墨水反射的自然光组成，而所需背光源的功率越低。

第三显示模式下，背光源122开启，一方面背光源122发出的白光透过未被第二电子墨水115阻挡得区域，向上传输；另一方面，外界自然光可到达电泳层，经第二电子墨水115反射后向上传输。液晶层107中薄膜晶体管控制液晶分子的排列方式，可同时对背光源发射出的白光出射能量和外界环境光反射能量进行控制：当液晶分子排列整齐时，对穿过液晶分子的偏振光不产生影响，此时外界环境光透过上偏振板101后，产生s偏振方向的线偏光，无法透过下偏振板109到达电泳层，进而无法反射，而背光源发射的白光，透过下偏振板109后，产生p偏振方向的线偏光，无法透过上偏振板101，进而无法出射，此为第三显示模式的关闭状态；当液晶分子在薄膜晶体管的作用下，按一定规律排列，偏振光穿过液晶层107后偏振方向发生变化，此时外界环境光透过上偏振板101后，产生s偏振方向的线偏光，透过液晶分子后，光能量在p振动方向存在分量，因此该部分能量可以透过下偏振板109，进而到达电泳层，被电子墨水115反射，同时，由背光源发射的白光，透过下偏振板109后，产生p偏振方向的线偏光，透过液晶分子后，光能量在s振动方向存在分量，因此该部分能量可以透过上偏振板101，完成出射，此为第三显示模式的开启状态。

电泳层中电子墨水的移动方式为横向电泳，每一子像素内的颜色粒子由单一的一组控制电极与公共电极产生的横向电场控制，响应速度相较于传统的电子纸显示装置更快，显示刷新率高。将电子纸显示与液晶显示结合，在有环境光存在时，可以有效降低液晶显示背光源的功耗，在环境光强度足够大的情况下，可将液晶显示完全切换为电子纸显示，电子纸显示为反射式显示，倚靠自然光的反射，有效避免了蓝光，保护使用者的眼睛，且电子纸显示的特点为仅在显示切换时产生功耗，在很大程度上节约了能源消耗。

另外，在本申请一个具体实施例中，本申请显示装置的上玻璃基板102、上偏振板101、带有黑矩阵的红色、绿色、蓝色滤光片103、保护膜104、公共电极105、配向膜106、由薄膜晶体管控制的液晶层107、下玻璃基板108、下偏振板109、光扩散层121、背光源122和反射板12，与有源矩阵薄膜晶体管驱动液晶显示器中的对应结构相同。

以上对本申请实施例所提供的一种电子纸与液晶切换显示装置及方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。