具体实施方式

在以下详细描述中，通过示例的方式阐述了许多具体细节，以提供对相关教导的透彻理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以在没有这种细节的情况下实践本教导。

通常，本发明的各种实施例包括已经涂布有电光介质、优选地电泳介质的中心导电纤维或导线，并且还包括施加到电光介质的第二导体，使得电光介质层位于中心导电纤维和外部导体之间。

作为应用于材料的术语“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、反射或发光。

现在具体参考图1，其示出了根据本发明的第一实施例的电光纤维的横截面图。该纤维包括纤维或导线形式的中心导电芯10。中心导电纤维10优选地具有大的长宽比，使得该纤维在被涂布有各种层之后将保持柔性。例如，中心导电纤维的长度可以大于或等于纤维厚度的100倍。由于该大的长宽比，纤维应具有足够的强度以承受编织工艺。另外，由于该大的长宽比，纤维的电导率优选地较高，以适当地用作切换施加在纤维表面的电光介质的电极。例如，任何金属、金属合金、导电聚合物和细丝，或包含本领域已知的具有足够导电性的这些材料的复合物都可以用于本发明的各种实施例中。可用于形成中心导电纤维的导电材料包括但不限于铜、钨、铝、镍、不锈钢、金、银、碳纤维及其组合。前述导电金属的合金也可以结合在中心导电纤维中。例如，可以将导电金属电镀到芯纤维的表面上以形成导电纤维。

选择中心导电纤维的厚度，使得提供足够大的外表面积以有助于用电光介质进行涂布，但是不要太大以导致如上所述难以用于织物编织的僵硬纤维。中心导电纤维的较大厚度也将有助于纤维的腐蚀性清洗，以便露出例如电连接至电源和/或控制器的导线。优选地，中心导电纤维的厚度大于或等于约20微米并且小于或等于约250微米。

再次参考图1，优选地通过用至少一个介电层12a、12b涂布纤维10来钝化中心导电纤维10。在施加电光介质层14之前和/或之后施加介电层12a、12b。通过用介电层钝化纤维10导线，可以防止在用另一导电材料层16过量涂布电光介质14时可能发生的电短路故障。电光介质层14中的间隙可能导致短路故障；因此，加入额外的介电材料层可以减少这种情况发生的可能性。

介电层12a、12b可以包括但不限于以下材料，聚氨酯或100％固体紫外线可固化的单体，例如丙烯酸酯产品，如由沙多玛美国有限责任公司(Sartomer USA，LLC)制造的CN3108。可以施加介电层12a、12b，以在导电纤维10的外表面周围形成环形涂层。环形涂层的厚度优选地尽可能薄而没有针孔缺陷，使得介电层表现出例如1e6至1e8欧姆/平方的电阻。介电材料优选地是亲水的，优选地是非水溶性的，使得介电层在电光介质的施加期间不被溶解或移除，所述电光介质可以以水系浆料的形式被施加。

如上所述，电光纤维还包括在中心导电纤维10上的电光介质层14。电光介质优选地是固态电光材料。从材料具有固态外表面的意义上来讲，某些电光材料是固态的，尽管材料可能而且经常确实具有内部填充液体或气体的空间。因此，术语“固态电光材料”可以包括旋转双色构件、封装的电泳介质和封装的液晶介质。

例如在美国专利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；和6,147,791中描述了旋转双色构建类型的电光介质(尽管这种类型的介质通常被称为“旋转双色球”，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)。这种介质使用许多小的主体(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。材料的外观通过以下而改变：将电场施加至材料，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。

术语“双稳态的”和“双稳定性”在此使用的是其在本领域中的传统含义，指的是具有第一和第二状态的电光材料，所述第一和第二状态的至少一个光学性质不同，从而在利用有限持续时间的寻址脉冲驱动该电光材料以呈现其第一或第二状态之后，在该寻址脉冲终止后，该状态将持续的时间是用于改变该电光材料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)。在美国专利No.7,170,670中示出，支持灰度的一些基于粒子的电泳材料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，以及一些其它类型的电光介质也是如此。这种类型的介质被恰当地称为是“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介质。

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材料，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”来指代材料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”来表示仅将电光介质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。

另一类型的电光介质使用电致变色介质，例如采用纳米致变色(nanochromic)膜形式的电致变色介质，该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。

另一类型的电光介质可以在由飞利浦开发的电润湿显示器中找到，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介质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介质是基于粒子的电泳介质，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，电泳介质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。

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。

被转让给麻省理工学院(MIT)、伊英克公司、伊英克加利福尼亚有限责任公司以及相关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以及其他电光介质的各种技术。封装的电泳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，囊体本身保持在聚合物粘结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、粘结剂和封装工艺；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；参见例如美国专利No.7,012,600和7,453,445；以及

(g)显示器的应用；参见例如美国专利No.7,312,784和8,009,348。

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电泳显示器，其中电泳介质包括多个离散的电泳流体的微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微滴可以被认为是囊体或微囊体，即使没有离散的囊体膜与每个单独的微滴相关联；参见例如前述美国专利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。

封装的电泳介质通常不受聚集和沉降故障的困扰并提供更多的优点，例如在多种柔性和刚性基板上印刷或涂布介质的能力。(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。)另外，因为介质可以被印刷(使用多种方法)，所以利用该介质的应用可以被便宜地制造。

优选地，以微囊化的电泳介质的形式提供在本发明的各种实施例中使用的电光介质。例如，再次参考图1，例如，微囊化的电泳介质层14可被涂布为围绕中心导电纤维10的环形涂层。环形涂层的厚度可以大于或等于约10微米、优选地约15微米、更优选地约20微米，并且小于或等于约250微米、优选地约100微米、更优选地约75微米、并且最优选地约50微米。如上所述，介电材料层12a、12b可以施加在电泳介质层14之下和/或之上。微囊化的涂层可以例如以包含微囊化的电泳粒子的分散体和粘结剂的水系涂层浆料制剂的形式提供。粘结剂材料可包括但不限于水系聚合物胶乳分散体或水溶性聚合物溶液(例如聚乙烯醇，诸如KurarayCM-318、鱼明胶和藻酸盐)。浆料制剂还可以包含一种或多种添加剂，例如羟丙基甲基纤维素、表面活性剂(例如Triton X-100)和助溶剂(例如丁醇)。

在施加浆料制剂之后，可以在施加外侧透光的导电材料层16之前干燥电泳介质层14。外部导电材料层16例如可以是围绕电光介质层14的环形涂层。术语“透光的”在本文中是指这样指定的层透射足够的光，以使观察者能够透过该层看以观察电光介质的显示状态的变化，这通常将通过导电层观察；在电光介质显示不可见波长的反射率变化的情况下，术语“透光的”当然应该被解释为涉及相关不可见波长的透射。导电材料的示例包括但不限于诸如铝或ITO的金属或金属氧化物、诸如PEDOT：PSS的导电聚合物、碳纳米管分散体、石墨烯、复合电极(例如，包含金属纳米线的聚合物材料)及其组合。

现在参考图2和3，其提供了根据本发明的另一实施例的电光纤维20。电光纤维20包括与根据上述第一实施例制造的纤维相同的多个层。例如，电光纤维20包括包含导电纤维30的类似的芯以及类似的电光材料层32，电光材料层32可以涂布到导电纤维30的外表面。在第二实施例中，先前描述的介电材料层是可选的。

电光纤维20与先前描述的第一实施例的不同之处在于，电光纤维20可以包括涂布在电光介质层32上的透光的半导电聚合物材料层34，以及施加到半导电聚合物材料层34的外表面的以导线36的形式提供的导电材料。导线36可以例如以线圈或螺旋的形式缠绕在半导电聚合物材料34的外表面周围。在一些实施例中，可以将多条导线施加到半导电聚合物材料的外表面。

半导电聚合物材料层34可以以环形涂层的形式提供，该环形涂层的厚度为约5微米至约200微米、优选地至约50微米，其中厚度优选地在导线和电光介质之间测量。半导电聚合物材料可以包括掺杂的聚合物材料。选择半导电聚合物材料的组成和厚度，以使半导电聚合物材料是透光的，并且导线36的各个绕线可以间隔开以基本上不遮盖下面的电光介质，同时仍然允许电驱动信号跨越导线之间的整个区域。该现象也称为“弥散(blooming)”，其中响应于电压的变化而改变光学状态的电光层的面积大于电极的面积，在此示例中，为与半导电聚合物材料接触的导线的面积。盘绕的外部导线的绕线之间的距离可以小于5mm，更优选地小于约1mm或更小，并且最优选地小于约500微米或更小。半导电聚合物材料层的电阻率在20℃优选地为约10e9Ω·cm或更小，更优选地为约10e7Ω·cm或更小。

可以在半导电聚合物材料层中使用的掺杂的聚合物材料可以包括但不限于脂族或芳族聚氨酯胶乳、聚丙烯酸酯和含有掺杂剂(例如四丁基六氟磷酸铵、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐)的聚(甲基)丙烯酸酯、聚乙烯醇、离子改性的聚乙烯醇、明胶、聚乙烯吡咯烷酮及其组合。不太优选包含芳族异氰酸酯的聚合物共混物。在美国专利申请公开No.2017/0088758和美国专利No.7,012,735；7,173,752；和9,777,201中描述了可以包括在半导电聚合物材料层中的制剂的示例。

优选地，施加到半导电聚合物材料的表面的导线比中心芯导线更柔顺并且具有更小的厚度，使得外部导线可以围绕半导电聚合物材料的外表面重复地缠绕。外部导线优选地具有大约10至大约100微米的厚度，并且由诸如金属的高导电材料制成。因此，类似于电光纤维的中心导电芯，外部导线可以由诸如铜或钨的金属制成。

可以使用各种制造方法来将外部导线施加到半导电聚合物材料层上。例如，为了将外部导线缠绕在电阻层周围，可以从线轴分配导线，该线轴以大体上垂直于纤维的中心导电芯的方向展开。纤维可以前进经过线轴，而每旋转一圈，线轴同时围绕纤维展开并且绕动，在轻微张力下展开导电的外部导线。控制展开线轴的旋转速度和前进纤维的速度将允许控制缠绕的频率以确保适当的间隔。例如，可以调整参数以产生多个不同的导线间隔，并且通过利用多个线轴可以同时缠绕多条导线。

优选的是，外部导线至少部分地进入到半导电聚合物材料层中，使得半导电聚合物层的至少一部分将外部导体与电光介质层分开。例如，在图4和5所示的本发明的第三实施例中，电光纤维40包括与前述第二实施例相同的特征。电光纤维40可以包括中心导电芯50、施加到芯50的外表面的电光介质层52，以及施加到电光介质52的外表面的透光的半导电聚合物材料层56。

第三实施例与第二实施例的不同之处在于，多条外部导线52嵌入在透光的半导电聚合物层56的外表面中。施加外部导线52使得其基本上平行于内部导电芯50，而不是围绕外表面缠绕。外部导线可以被添加有平行于纤维展开的多个线轴。纤维可以前进经过线轴，并且当纤维前进时线轴在轻微张力下展开导线。线轴无需围绕纤维旋转。

本发明的所有各种实施例可以进一步包括外部透光的保护层，例如图3中的层38或图5中的层58。保护材料层可以被配置为用作下层材料的机械和环境保护层。保护材料可以包括聚合物材料，例如，聚乙烯醇、交联明胶、丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯共聚物及其共混物。为了提供更防水的保护层，聚合物材料可以包括100％固体辐射可固化的硬涂层材料，例如溶剂型硬涂层材料，如由PPG工业公司(PPG Industries Inc.)制造的DCU2002，一种溶剂型高固体含量聚氨酯汽车透明硬涂层材料。

在本发明的各种实施例中的涂层，例如介电材料层、电光介质层、外部导电材料层、半导电聚合物材料层和保护材料层，可以经由各种印刷方法来施加，例如上述的方法，包括但不限于浸渍涂布、电沉积、粉末涂布、喷涂或挤压成型。

为了切换电光纤维的电光介质的光学状态，在纤维的中心导电芯和外部导体之间施加电压。如果电光介质包括电泳介质，则所施加的电场使封装的分散体内的电泳粒子向着或远离中心导电芯移动。例如，图6A和6B示出了根据本发明的第二实施例处于两种不同的光学状态的电光纤维20。例如，电光介质层32可以填充有包含白色流体和带正电的黑色粒子的电泳分散体。如图6A所示，当施加到中心导电芯纤维30和外部导线36的电压使得中心导电芯纤维30相对于外部导线36为正时，带正电的黑色粒子将被驱动远离中心导电芯纤维30，即朝向纤维的外周观察侧，导致纤维20具有暗的光学状态。当极性反转时，如图6B所示，带电的黑色粒子被驱动朝向中心导电芯纤维30，使黑色粒子被白色分散流体遮盖，从而使纤维30具有白色的光学状态。

本发明的各种实施例允许人们通过编织电光线来制造固有地透气和柔性的织物。可以在标准织机上使用根据本发明的各种实施例的电光纤维，并且用于生产纤维的制造工艺易于扩展。此外，该线具有独立寻址的潜力，并且施加到每条线上的电光介质可以包含不同的制剂。结果，使用本文所述的电光纤维制成的织物可以使用多种不同的纤维。例如，一组纤维可以包括包含白色和红色颜料的封装的电泳介质，第二组纤维可以包括包含白色和绿色颜料的介质，而第三组纤维可以包括白色和蓝色颜料。织物可以用三组线编织，使得编织的最终构造将允许四种颜色中的任何一种以各种可切换的比例和图案进行组合，以实现该织物的广谱的可选颜色。电泳介质不限于两种颜料。封装的电泳介质可以可替代地包括三种或更多种颜料和/或着色的分散流体，以允许在织物内潜在地无限数量的光学组合，例如在美国专利No.9,921,451中公开的电泳介质。通过使用双稳态电光介质，需要低功率来切换材料，并且用于切换材料的电子控件可以是可拆卸的。

尽管在此已经示出和描述了本发明的优选实施例，但是应当理解，这样的实施例仅通过示例的方式提供。在不脱离本发明的精神的情况下，本领域技术人员将想到许多变化、改变和替代。因此，意图是所附权利要求覆盖落入本发明的精神和范围内的所有这样的变化。

上述专利和申请的所有内容均通过引用整体并入本文。