ДВУХЧАСТИЧНЫЙ ГРАФИЧЕСКИЙ ДИСПЛЕЙ С ПОЛНЫМ ВНУТРЕННИМ ОТРАЖЕНИЕМ
TWO PARTICLE TOTAL INTERNAL REFLECTION IMAGE DISPLAY

[1] Настоящая заявка притязает на приоритет по предварительной заявке на патент США №61/992095, поданной 12 мая 2014 года, содержание которой включено в настоящую заявку в полном объеме посредством ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
[2] Изобретение относится, в общем, к нарушению полного внутреннего отражения (TIR) в дисплеях высокой яркости с большим углом обзора. В частности, осуществление изобретения относится к сбалансированному по постоянному току дисплею с полностью внутренним отражением, содержащему противоположно заряженные частицы.
Предпосылки создания изобретения
[3] Обычно управление модуляцией света в традиционных дисплеях с полным внутренним отражением (TIR) осуществляется путем перемещения обладающих электрофоретической подвижностью частиц в область нераспространяющейся волны на поверхности передней пластины и их вывода из этой области. Передняя пластина может содержать ряд структур, таких как выпуклые выступы, способные осуществлять полное внутреннее отражение света. Передняя пластина обычно дополнительно содержит прозрачный электродный слой. Задняя пластина может содержать задний электродный слой. Между передней и задней пластинами расположена электрофоретическая среда, состоящая из обладающих электрофоретической подвижностью частиц, находящихся во взвешенном состоянии в текучей среде. Приложенное электрическое напряжение вызывает перемещение обладающих электрофоретической подвижностью частиц через электрофоретическую среду. Обычно частицы имеют, или положительный, или отрицательный заряд с одной оптической характеристикой.
[4] В то время как частицы за счет электрофоретического эффекта перемещаются к переднему или заднему электродам во время работы дисплея, дисплей может работать в несбалансированном режиме по постоянному току.
На противоэлектроде приложенные электрические напряжения противоположной полярности потенциально могут приводить к деградации компонентов дисплея, тем самым к сокращению срока службы дисплея и уменьшению использования пользователем.
Краткое описание графических материалов
[5] Эти и другие варианты осуществления изобретения рассмотрены ниже со ссылкой на следующие приведенные в качестве примера и не имеющие ограничительного характера иллюстрации, на которых аналогичные элементы одинаково пронумерованы и на которых:
[6] на фиг. 1А схематически показан отражательный дисплей, содержащий противоположно заряженные частицы, в темном состоянии;
[7] на фиг. 1В схематически показан отражательный дисплей, содержащий противоположно заряженные частицы, в светлом состоянии;
[8] на фиг. 1С схематически показан отражательный дисплей, содержащий противоположно заряженные частицы, в темном состоянии;
[9] на фиг. 2 графически представлена работа дисплея, изображенного на фиг. 1(А-С), в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
[10] на фиг. 3 схематически показан способ получения зависимых от напряжения смещения темного, серого и светлого состояний;
[11] на фиг. 4 схематически показан способ получения зависимых от напряжения смещения темного, серого и светлого состояний;
[12] на фиг. 5А схематически показан отражательный дисплей, имеющий заряженные частицы с различными оптическими характеристиками, в первом оптическом состоянии;
[13] на фиг. 5В схематически показан отражательный дисплей, имеющий заряженные частицы с различными оптическими характеристиками, в светлом состоянии;
[14] на фиг. 5С схематически показан отражательный дисплей, имеющий заряженные частицы с различными оптическими характеристиками, во втором оптическом состоянии; и
[15] на фиг. 6 представлен пример способа согласно варианту осуществления изобретения.
Подробное описание
[16] Во всем приведенном ниже описании изложены конкретные подробности для обеспечения более полного понимания специалистами в области техники, к которой относится изобретение. Однако, во избежание неоправданного затруднения понимания изобретения, общеизвестные элементы могут быть детально не показаны или не описаны. Соответственно этому, описание и графические материалы должны рассматриваться как носящие пояснительный, а не ограничительный характер.
[17] В некоторых вариантах осуществления согласно изобретению предлагается сбалансированный по постоянному току двухчастичный дисплей с TIR. Обладающие электрофоретической подвижностью частицы с противоположным зарядом с по существу одинаковой подвижностью и по существу одинаковыми оптическими характеристиками (то есть, цветом) применяются для нарушения TIR, чтобы установить светопоглощающее или темное состояние путем приложения ненулевого напряжения смещения.
[18] В некоторых вариантах осуществления термин «сбалансированный по постоянному току» может означать, что два или более противоэлектродов имеют по существу один и тот же заряд. Таким образом, если вызывается перемещение частиц к переднему электроду, для баланса заряда другая частица (или другие частицы) должна перемещаться к электроду с противоположным зарядом. В одночастичных дисплеях в любой момент времени и в зависимости от того, какое напряжение приложено к электродам, от одного электрода к другому перемещается только одна частица. В некоторых вариантах осуществления изобретения две (или более) частицы перемещаются в зависимости от того, какое напряжение смещения приложено к электродам.
[19] В некоторых вариантах осуществления оптическая характеристика частиц может быть определена как цвет частицы. Цвет может быть различимым невооруженным глазом при визуальном рассматривании изображения на дисплее. Термины «оптическая характеристика» и «цвет» могут употребляться взаимозаменяемо. Цвет или оптические характеристики частицы могут быть результатом поглощения света и отражательных свойств частиц. Возможно использование других оптических характеристик, не выходя за пределы основных идей изобретения.
[20] В некоторых вариантах осуществления сбалансированный по постоянному току дисплей может включать дисплей, в котором притяжение обладающих электрофоретической подвижностью частиц с первым зарядом к одному электроду может вызывать также притягивание обладающих электрофоретической подвижностью противоположно заряженных частиц к противоэлектроду. Приложения ненулевого напряжения смещения могут вызывать перемещение одной или нескольких противоположно заряженных частиц к противоэлектродам. В некоторых вариантах осуществления несбалансированность по постоянному току не может вызывать изменение оптического состояния, если противоположно заряженные частицы являются частицами по существу с одинаковой оптической характеристикой или одинаковым цветом.
[21] В примере осуществления при приложении между электродами напряжения 0 В частицы обоих видов выводятся из области нераспространяющейся волны передней поверхности дисплея. Этим предотвращается нарушение полного внутреннего отражения (TIR) и обеспечивается получение светлого или белого состояния дисплея. Светлое состояние может также называться состоянием свечения дисплея. Континуум серых состояний может обеспечиваться за счет приложения континуума напряжений. Континуум напряжений может быть выполнен так, чтобы он находился между светлым и темным состояниями. Кроме того, описываемая здесь сбалансированная по постоянному току система может быть непосредственно совместима с существующими электронными устройствами возбуждения, применяемыми в дисплейных системах на основе жидкокристаллических (или других аналогичных) дисплеев. Благодаря этому можно избежать больших капиталовложений в разработку подходящих электронных устройств возбуждения, требуемых для одночастичных дисплеев с TIR. Кроме того, в данном документе описаны также варианты конструктивного исполнения цветного дисплея, в которых использованы основные идеи изобретения.
[22] Следует отметить, что, хотя иллюстративные варианты осуществления рассмотрены применительно к дисплею, имеющему два типа заряженных частиц (отрицательно заряженные и положительно заряженные частицы), основные идеи изобретения не ограничиваются этим. Могут быть выполнены дополнительные варианты осуществления, которые создают по существу сбалансированный заряд внутри дисплея, содержащие заряженные частицы более чем двух типов (например, частицы, имеющие большие или меньшие электрические заряды, которые в массе обеспечивают баланс суммарного заряда).
[23] На фиг. 1А-1С изображена часть отражательного дисплея, содержащая противоположно заряженные частицы в различных рабочих состояниях. В частности, в вариантах осуществления по фиг. 1А-1С схематически показано сбалансированное по постоянному току дисплейное устройство на основе TIR, содержащее ряд положительно заряженных частиц и ряд отрицательно заряженных частиц. Для удобства упоминания заряженные частицы маркированы как отрицательные и положительные частицы. Частицы могут иметь по существу одинаковую или аналогичную оптическую характеристику (например, цвет). В одном варианте осуществления изобретения величина электрофоретической подвижности, коэффициента диффузии, диаметра и поперечного сечения поглощения света и для положительных и для отрицательных частиц будет, по существу, аналогичной. Такие варианты осуществления позволяют получить по существу аналогичную характеристику изображения для обеих полярностей, обеспечивая вследствие этого то, что количество поглощаемого света будет изменяться аналогично, при условии, что величина приложенного напряжения для обеих полярностей одна и та же.
[24] Как видно из фиг. 1А-1С, дисплей 100 включает в себя верхний узел 102 и нижний узел 104, отделенные друг от друга свободным промежутком. Верхний узел включает в себя переднюю пластину 106, содержащую по меньшей мере одну поверхностную структуру, такую как выпуклый или полусферический выступ 108. Полусферические выступы 108 образуют фасонную поверхность, способную осуществлять полное внутреннее отражение световых лучей. Выпуклая часть может образовывать собой структуру, выполненную так, чтобы ряд отрицательно или положительно заряженных частиц был сосредоточен в одной или нескольких областях дисплея. В другом варианте осуществления выпуклая часть, кроме того, может образовывать собой структуру, выполненную так, чтобы по существу равномерно распределять ряд отрицательно или положительно заряженных частиц по поверхности передней пластины.
[25] Верхний узел, кроме того, содержит передний прозрачный электродный слой 110, который может быть расположен на поверхности полусферической периодической структуры 108. Прозрачный электродный слой 110 может содержать оксид индия и олова (ITO), или тонкий слой металлических нанопроволок (таких, как серебряные), или электропроводный полимер, или их комбинацию.
[26] Верхний узел 102, кроме того, может содержать диэлектрический слой 112, расположенный сверху переднего электродного слоя 110. Диэлектрический слой 112 может содержать органический материал, такой как полимер, неорганический материал или их комбинацию. В диэлектрическом слое может применяться семейство полимеров на основе парилена. В одном варианте осуществления диэлектрический слой является приблизительно конформным и не содержащим микроотверстий.
[27] В варианте осуществления по фиг. 1А-1С нижний узел 104 в дисплее 100 содержит объединительную плату 114 с верхним электродным слоем 116, который выполняет функцию заднего электрода. Электродный слой 116 может содержать массив тонкопленочных транзисторов (TFT), массив элементов прямого возбуждения или структурированный массив электродов. Электродный слой 116 может быть изготовлен из металла, такого как медь, алюминий, золото или серебро.
Электродный слой 116 может быть изготовлен из электропроводных частиц, таких как нанопроволоки или наночастицы, в полимерной матрице. Хотя это не показано, диэлектрический слой, факультативно, может быть нанесен на задний электрод для защиты заднего электродного слоя и по существу исключения возможности прилипания частиц.
[28] В свободном промежутке, образованном между диэлектрическим слоем 112 и задним электродным слоем 116, размещается жидкая среда 118 с низким показателем преломления. В жидкой среде 118 может содержаться ряд поглощающих рассеянный свет отрицательно заряженных частиц 120 и поглощающих рассеянный свет положительно заряженных частиц 122. Жидкая среда с низким показателем преломления может содержать фторированную жидкость, такую как Fluorinert™ FC-770, FC-43, FC-75, Novec™ 649 или 7500.
[29] Частицы 120 и 122 способны электрофоретически перемещаться при приложении электрического поля к среде 118 с помощью внешнего источника напряжения (не показан). Частицы 120, 122 могут быть изготовлены из органического материала или неорганического материала или комбинации органического и неорганического материалов. В иллюстративном варианте осуществления противоположно заряженные частицы могут иметь по существу одинаковые оптические характеристики и свойства.
[30] При приложении положительного напряжения смещения {например, +10 В) в течение достаточно продолжительного периода времени (например, 5-10 мс), например, как показано на фиг.1А на переднем электродном слое 110, отрицательно заряженные частицы 120 притянуты к переднему электроду 110. TIR нарушается, что ведет к уменьшению относительного коэффициента отражения, пока обладающие электрофоретической подвижностью положительно заряженные частицы 122 перемещаются по направлению к заднему электродному слою 116 и притягиваются к нему. Падающие световые лучи, такие как типичный световой луч 124, поглощаются отрицательно заряженными частицами, находящимися на переднем диэлектрическом слое 112, создавая тем самым темное состояние дисплея. Кроме того, дисплей 100 может работать в режиме с балансом по постоянному току. Суммарные интервалы времени возбуждения под действием положительного и отрицательного напряжений поглощающих свет отрицательно и положительно заряженных частиц, соответственно, в дисплейном устройстве во время задания последовательности изображений являются по существу одинаковыми.
[31] В обычных электрофоретических дисплеях последовательность изображений может управлять последовательностью возбуждения. Некоторые последовательности изображений могут не допускать сбалансированные интервалы времени возбуждения положительных и отрицательных зарядов. В результате этого внутри дисплейного устройства поляризация может увеличиваться, что может препятствовать обеспечению качества последующего изображения. Раскрытые варианты осуществления устраняют этот и другие недостатки за счет обеспечения возможности изолирования последовательности изображений от последовательности возбуждения, так что сбалансированная по постоянному току последовательность возбуждения может быть использована для любой последовательности изображений.
[32] На фиг. 1В показан случай приложения напряжения 0 В (не показано), в результате чего имеет место светлое или белое состояние дисплея (называемое также светлым состоянием). При напряжении 0 В обладающие электрофоретической подвижностью отрицательно заряженные частицы 120 удалены из области нераспространяющейся волны вблизи переднего электрода 110, что обеспечивает возможность возникновения полного внутреннего отражения световых лучей на поверхности ряда полусферических выступов 108, приводящего к установлению светлого состояния дисплея. На фиг. 1B TIR показано тем, что падающий световой луч 126, испытывающий полное внутренне отражение в виде светового луча 128, является полу отражаемым в обратном направлении назад по направлению к источнику света. Кроме того, на фиг. 1В показано, что положительно заряженные частицы 122 удалились от заднего электрода 116.
[33] В еще одном варианте осуществления светлое или белое состояние дисплея может быть создано и поддерживаться за счет так называемой пульсации напряжения. Во-первых, из-за приложения подходящего напряжения, обладающие электрофоретической подвижностью частицы 120 должны будут выйти из области нераспространяющейся волны.
Например, предположим, что дисплей 100 находится в состоянии, показанном на фиг. 1А; это означает, что заряженные частицы совмещены с электродами 110 и 116. Далее предположим, что, при приложении напряжения смещения величиной +10 В к заднему электродному слою 116 и напряжения смещения величиной -10 В к переднему электродному слою 110, положительно заряженным частицам 122 требуется приблизительно 20 мс, чтобы переместиться от заднего электрода 116 до переднего электрода 110. Предположим также, что перемещение отрицательно заряженных частиц 120 от переднего электродного слоя 110 до заднего электродного слоя 116 занимает приблизительно 20 мс. Первое приложение напряжения величиной приблизительно +10 В к заднему электроду и -10 В к переднему электроду в течение периода времени продолжительностью приблизительно 10 мс будет вызывать выход отрицательно заряженных частиц 120 из области нераспространяющейся волны и приблизительно в среднее местоположение между передним и задним электродами. Это приводит к установлению белого или светлого состояния в результате TIR падающих световых лучей. Во-вторых, стабильное светлое состояние дисплея 100 может поддерживаться последующей пульсацией напряжения переменных напряжений противоположной полярности в течение интервалов времени малой длительности.
[34] Например, в иллюстративном процессе пульсации напряжения в течение 5 мс может прикладываться напряжение +5 В, затем в течение 5 мс напряжение -5 В. Процесс пульсации может длиться в течение конкретного интервала времени. Длительности импульсов могут изменяться на разных отрезках времени в зависимости прикладываемого напряжения и желаемого результата.
[35] В другом иллюстративном варианте осуществления возможно применение длительности импульса, составляющей по меньшей мере одну наносекунду. Для экономии энергии между каждыми двумя смежными импульсами может применяться пауза с изменяющейся длительностью. К тому же, возможно применение неограниченного ряда импульсных напряжений с различными полярностью, величиной напряжения, длительностями импульсов напряжения и паузами в зависимости от дисплея, вязкости среды 118, величины свободного промежутка между передним и задним электродами, величины и концентрации заряда на частицах, подвижности частиц и требуемого применения.
[36] На фиг. 1С показано последующее темное состояние устройства по фиг. 1А. Когда прикладывается отрицательное напряжение смещения, такое как -10 В, к переднему электроду, как показано на фиг. 1С, положительно заряженные частицы 122 перемещаются по направлению к переднему электроду 110 и притягиваются к нему. В этом состоянии частицы 122 собираются вблизи полусферической поверхности, так что частицы входят в область нераспространяющейся волны и нарушают TIR. Это приводит к установлению светопоглощающего темного состояния графического дисплея. Светопоглощающее темное состояние показано на фиг. 1С тем, что падающий световой луч 130 поглощается поглощающими свет положительно заряженными частицами 122. Как показано схематически на фиг. 1С, отрицательно заряженные частицы 120 притянуты к заднему электроду 116. При приложении к среде 118 ненулевого напряжения (например, +10 В или -10 В) достаточной длительности, как показано на фиг. 1А и 1С, частицы притягиваются к переднему и заднему электродным слоям. Притяжение частиц дает в результате не только нарушение TIR, которое ведет к созданию темного состояния графического дисплея, но также и к получению сбалансированного по постоянному току дисплея.
[37] На фиг. 2 графически показана характеристика зависимости от времени относительного коэффициента отражения дисплея по фиг. 1 (А-С). В частности, на фиг. 2 показана зависимость от напряжения смещения полного внутреннего отражения и поглощения света двухчастичного дисплея на основе TIR, имеющего и положительно и отрицательно заряженные частицы. На фиг. 2 по оси x отложено время, в течение которого проводилось измерение, и по оси y - измеренный полученный в результате относительный коэффициент отражения. Измерение коэффициента отражения может проводиться в темном помещении с освещением образца кольцевым светильником под углом от приблизительно 5 градусов до приблизительно 30 градусов относительно нормали к поверхности образца таким образом, чтобы зеркально отраженный луч был маскирован. В качестве базы для светлоты может также использоваться стандарт на коэффициент отражения, такой как Spectralon SRS-99-020, AS-01161-060 фирмы Labsphere. Для измерения коэффициента отражения может применяться яркомер, такой как Topcon ВМ-9.
[38] При приложении напряжения +10 В к переднему электроду ПО и к жидкой среде 118, относительный коэффициент отражения уменьшается (сплошная линия на фиг. 2 под заголовком +10 V). Это обусловлено притяжением отрицательно заряженных частиц 120 к переднему электроду и диэлектрическим слоям, прилегающим к поверхности ряда полусферических выступов. Здесь TIR нарушается, когда отрицательно заряженные частицы 120 входят в область нераспространяющейся волны дисплея 100 (см. фиг. 1А). Когда прикладывается напряжение смещения, равное 0 В или являющееся отрицательным, с заданной длительностью импульса с последующей пульсацией напряжения, отрицательно заряженные частицы 120 по фиг. 1А выходят из и удаляются от области нераспространяющейся волны, где TIR падающих световых лучей ведет к созданию состояния свечения. Относительный коэффициент отражения увеличивается (сплошная линия под заголовком 0 V) так, как показано на фиг. 2. Приложение к переднему электроду отрицательного напряжения смещения, такого как -10 В, вызывает перемещение положительно заряженных частиц 122 по направлению к переднему электроду 110 и примыкающим полусферам, где нарушено TIR, что вызывает уменьшение относительного коэффициента отражения (пунктирные линии на фиг. 2 под заголовком -10 V). Это приводит к установлению темного состояния дисплея 100 (см. фиг. 1). Когда напряжение смещения, прикладываемое к переднему электроду, равно 0 В или является положительным, положительно заряженные частицы 122 удаляются из области нераспространяющейся волны, при этом TIR падающих световых лучей ведет к созданию светлого состояния, так как относительный коэффициент отражения увеличивается, как показано на фиг. 2 пунктирными линиями под заголовком 0 V. Стабильность светлого состояния может поддерживаться импульсами напряжения, как указано в данном описании изобретения выше.
[39] На фиг. 3 схематически показан способ создания зависящих от напряжения смещения темного, серого и светлого состояний в дисплее 200. Графический дисплей 200 на фиг. 3 содержит противопложно заряженные частицы, воспроизводящие черное, белое и серое состояния, как показано применительно к дисплею 100 по фиг. 1. Дисплей 200 включает в себя верхний узел 202 и нижний узел 204, отделенные друг от друга свободным промежутком. Область свободного промежутка (не показана) может образовывать собой область нераспространяющейся волны. В одном варианте осуществления областью нераспространяющейся волны является область в свободном промежутке вблизи полусферической поверхности.
[40] Верхний узел 202 включает в себя переднюю пластину 206, имеющую по меньшей мере одну поверхностную структуру, такую как выпуклый или полусферический выступ 208, способный осуществлять полное внутреннее отражение световых лучей, передний прозрачный электродный слой 210, расположенный на поверхности полусферических выступов, и диэлектрический слой 212, расположенный сверху переднего электродного слоя 210. Хотя это и не показано, диэлектрический слой, факультативно, может быть нанесен на задний электрод. На фиг. 3А-3С показано, что нижний узел 204 в дисплее 200, кроме того, содержит объединительную плату 214 с верхним электродным слоем 216, который выполняет функцию заднего электрода. Электродный слой 216 может содержать массив тонкопленочных транзисторов (TFT), массив элементов прямого возбуждения или структурированный массив электродов. В свободном промежутке 218, заключенном между верхним узлом 202 и нижним узлом 204, может находиться жидкая среда 218. В одном варианте осуществления жидкая среда 218 имеет низкий показатель преломления. Среда 218 может содержать ряд поглощающих рассеянный свет отрицательно заряженных частиц 220 и ряд поглощающих рассеянный свет положительно заряженных частиц 222. Дисплей 200, кроме того, может содержать источник напряжения (не показан).
[41] Описанный двухчастичный отражательный дисплей 200 на основе TIR обеспечивает возможность получения сбалансированных по постоянному току уровней серого состояния. В варианте осуществления по фиг. 3 напряжение смещения (-10 В), приложенное к переднему электродному слою 210, вызывает притягивание положительно заряженных частиц 222 к переднему электроду 210 и диэлектрическому слою 212, прилегающему к фасонной поверхности ряда полусферических выступов 208. Значительное количество частиц 222 способно нарушать TIR и создавать темное или поглощающее свет состояние графического дисплея 200. Это показано тем, что заряженными частицами 222 поглощается типичный световой луч 232. Отрицательно заряженные частицы 220 собираются на заднем электроде 216, к которому для обеспечения баланса по постоянному току приложено напряжение смещения +10 В. Следует отметить, что -10 В указано только в иллюстративных целях и это может быть любое другое напряжение, при этом требуемая величина напряжения зависит от плотности заряда на поверхности частиц и подвижности частиц.
[42] Когда приложенное напряжение уменьшается, например, от -10 В до -5 В, часть положительно заряженных частиц 222 выходит из области нераспространяющейся волны. Вследствие этого происходит поглощение части световых лучей. Это состояние схематически показано тем, что частицами 222 поглощен типичный световой луч 234. Кроме того, происходит полное внутреннее отражение части световых лучей, которое представлено тем, что падающий световой луч 236 испытывает полное внутреннее отражение и выходит в виде отраженного светового луча 238. Таким образом, в дисплее 200 создается отражательное изображение, содержащее серые состояния, когда часть световых лучей поглощается и часть отражается при промежуточном приложенном напряжении.
[43] Когда приложенное напряжение приближается к 0 В, происходит полное внутреннее отражение большего количества световых лучей, поскольку увеличивается количество частиц, выходящих из области нераспространяющейся волны. При достижении напряжения 0 В из области нераспространяющейся волны могут выходить почти все положительно заряженные частицы 222, в результате чего имеет место светлое или белое состояние дисплея. Это показано тем, что происходит полное внутреннее отражение падающего светового луча 240, и он выходит в виде полуотраженного в обратном направлении светового луча 242. В одном варианте осуществления континуум уровней серого состояния может быть получен за счет приложения ненулевого напряжения смещения, такого как от -10 В до 0 В, как в показано в дисплее 200 на фиг. 3. Для поддержания светлого состояния, как указано в данном описании изобретения, может также применяться пульсация напряжения.
[44] На фиг. 4 схематически показан способ создания в дисплее 300 зависимых от напряжения смещения темного, серого и светлого состояний. На фиг. 4, кроме того, показан континуум возможных серых состояний, который зависит от континуума приложенного напряжения смещения в сбалансированной по постоянному току системе. Дисплей 300 на фиг. 4 содержит противоположно заряженные частицы, воспроизводящие черное, белое и серое состояния, и аналогичен дисплею 100. Дисплей 300 содержит верхний узел 302 и нижний узел 304, отделенные друг от друга свободным промежутком. Верхний узел включает в себя переднюю пластину 306, содержащую по меньшей мере одну поверхностную структуру, такую как выпуклый или полусферический выступ 308, способный осуществлять полное внутреннее отражение световых лучей, передний прозрачный электродный слой 310, расположенный на поверхности полусферических выступов, и диэлектрический слой 312, который расположен сверху переднего электродного слоя 310. Дисплей 300 содержит также нижний узел 304, к тому же содержащий объединительную плату 314 с верхним электродным слоем 316, который выполняет функцию заднего электрода. Электродный слой 316 может содержать массив тонкопленочных транзисторов (TFT), массив элементов прямого возбуждения или структурированный массив электродов. Хотя это и не показано, диэлектрический слой, факультативно, может быть нанесен на задний электрод. В свободном промежутке 318, заключенном между верхним узлом 302 и нижним узлом 304, может находиться жидкая среда 318. В одном варианте осуществления среда 318 может иметь низкий показатель преломления. Среда 318 содержит ряд поглощающих рассеянный свет отрицательно зараженных частиц 320 и ряд поглощающих рассеянный свет положительно заряженных частиц 322. Дисплей 300, кроме того, может содержать источник напряжения (не показан).
[45] Описанный двухчастичный отражательный дисплей 300 на основе TIR обеспечивает возможность получения сбалансированных по постоянному току уровней серого состояния. В этом сценарии к переднему электроду может прикладываться напряжение +10 В, в результате чего по существу все отрицательно заряженные частицы 320 могут собираться вблизи поверхности диэлектрического слоя 312, прилегающего к переднему электроду 310 и ряду полусфер 308. Поглощаются по существу все падающие световые лучи, в результате чего устанавливается темное состояние дисплея. Это показано тем, что типичный падающий световой луч 340 поглощается отрицательными заряженными частицами 320. Положительно заряженные частицы 322 собираются на заднем электроде, где для баланса по постоянному току прикладывается напряжение -10 В. Когда приложенное напряжение уменьшается, например, до +5 В, из области непраспространяющейся волны выходит большее количество или континуум отрицательно заряженных частиц 320. В результате этого часть падающих световых лучей, таких как типичный световой луч 342, поглощается поглощающими свет частицами 320, остающимися на поверхности, тогда как часть световых лучей, таких как типичный падающий световой луч 344, который выходит в виде полуотраженного в обратном направлении светового луча 346, испытывает полное внутреннее отражение. Эта комбинация поглощенных и испытавших полное внутреннее отражение световых лучей дает в результате серое состояние с балансом по постоянному току. По мере дальнейшего снижения приложенного напряжения до 0 В, из области нераспространяющейся волны выходят и от нее удаляются все частицы. Перемещение частиц приводит к тому, что по существу все падающие световые лучи испытывают полное внутреннее отражение, в результате чего устанавливается светлое состояние. Это показано тем, что типичный падающий световой луч 348 выходит в виде полуотраженного в обратном направлении светового луча 350. Светлое состояние может поддерживаться пульсацией напряжения, как указано в данном описании изобретения.
[46] Варианты осуществления по фиг. 1, 3 и 4 позволили получить двухчастичный сбалансированный по постоянному току отражательный дисплей на основе TIR, в котором частицы с разным зарядом, но одинаковыми оптическими характеристиками (например, черным цветом) притягивались к противоположно заряженным электродам. Дисплеи по фиг. 3 и 4 являются иллюстративными вариантами осуществления, способными демонстрировать черное, белое и континуум возможных серых состояний. Варианты осуществления по фиг. 1, 3 и 4 могут быть также совместимыми с традиционными электронными устройствами возбуждения жидкокристаллического дисплея (LCD).
[47] В другом варианте осуществления любой из двухчастичных дисплеев 100, 200 и 300 с полным внутренним отражением, показанных на фиг. 1, 3 или 4, кроме того, может содержать массив цветных светофильтров. Массив цветных светофильтров может содержать красные, синие, зеленые или голубые, пурпурные, желтые субпиксели.
[48] В другом варианте осуществления любой из двухчастичных дисплеев 100, 200 и 300 с полным внутренним отражением показанных на фиг. 1, 3 или 4, кроме того, может содержать массив тонкопленочных транзисторов или структурированный массив электродов или их комбинацию.
[49] В другом варианте осуществления любой из двухчастичных дисплеев 100, 200 и 300 с полным внутренним отражением, показанных на фиг. 1, 3 или 4, кроме того, может содержать передний светильник направленного света. Передний светильник направленного света, кроме того, может содержать источник света, световод, массив элементов вывода света или их комбинацию. Источник света может представлять собой светодиод (LED), люминесцентную лампу с холодным катодом (CCFL) или лампу накаливания для поверхностного монтажа (SMT).
[50] В другом варианте осуществления любой из двухчастичных дисплеев 100, 200 и 300 с полным внутренним отражением, показанных на фиг. 1, 3 или 4, кроме того, может содержать по меньшей мере одну распорную структуру для регулирования величины свободного промежутка между верхним и нижним узлами. Распорные структуры могут быть выполнены, кроме прочего, в виде сфер, бусин, кубов, цилиндров или призм. Распорные структуры могут состоять, кроме прочего, из полимера, стекла, металла или других органических или неорганических материалов.
[51] В другом варианте осуществления любой из двухчастичных дисплеев 100, 200 и 300 с полным внутренним отражением, показанных на фиг. 1, 3 или 4, кроме того, может содержать поперечные стенки. Поперечные стенки могут применяться для образования внутри дисплея карманов или отсеков, ограничивающих частицы и среду, чтобы исключить возможность миграции или оседания частиц. Карманы или отсеки могут быть представлены в форме окружностей, овалов, квадратов, прямоугольников, ромбов в регулярных и нерегулярных массивах. Поперечные стенки могут состоять из стекла, полимера или другого материала на органической или неорганической основе.
[52] В другом варианте осуществления любой из двухчастичных дисплеев 100, 200 и 300 с полным внутренним отражением, показанных на фиг. 1, 3 или 4, кроме того, может содержать по меньшей мере одно кромочное уплотнение. Кромочное уплотнение может применяться вдоль по меньшей мере одной кромки дисплея. Герметик, применяемый для выполнения кромочного уплотнения, может представлять собой термически или фотохимически отверждаемый материал. Кромочное уплотнение может содержать материал на основе эпоксидной смолы, силикона или другого полимера.
[53] В других вариантах осуществления любой из двухчастичных дисплеев 100, 200 и 300 с полным внутренним отражением, показанных на фиг. 1, 3 или 4, кроме того, может содержать массив тонко пленочных транзисторов или структурированный массив или массив элементов прямого возбуждения, передний светильник направленного света, массив цветных светофильтров, по меньшей мере одну распорную структуру или поперечные стенки, по меньшей мере одно кромочное уплотнение или их комбинацию.
[54] Раскрытые варианты осуществления не ограничиваются темным, светлым и серым состояниями. В другом варианте осуществления двухчастичное отражательное изображение может быть модифицировано с получением в результате цветного дисплея без необходимости в наличии массива цветных светофильтров. Например, отрицательно заряженные частицы могут иметь первую оптическую характеристику (то есть, цвет), такой как красный цвет. Положительно заряженные частицы могут иметь вторую оптическую характеристику, такую как черный цвет. Третье белое оптическое состояние может быть получено в результате полного внутреннего отражения падающих световых лучей на поверхности ряда выпуклых или полусферических выступов.
[55] Приложение положительного напряжения смещения к переднему электроду может вызывать притягивание отрицательно заряженных частиц красного цвета к передней поверхности, в результате чего нарушается TIR и устанавливается состояние с красным изображением. Приложение отрицательного напряжения смещения к переднему электроду может вызывать притягивание положительно заряженных частиц черного цвета к передней поверхности, в результате чего нарушается TIR и устанавливается состояние с черным изображением. Приложение напряжения 0 В может вынуждать частицы выходить из области нераспространяющейся волны и позволяет падающим световым лучам испытывать полное внутреннее отражение, в результате чего устанавливается состояние со светлым или белым изображением. Возможно применение целого ряда частиц разного цвета, не ограничивающееся вышеупомянутыми частицами красного и черного цвета.
[56] На фиг. 5А-5С схематически показан дисплей, имеющий заряженные частицы с разными оптическими характеристиками, в различных рабочих состояниях. В частности, на фиг. 5А-5С изображена часть дисплея 400 на основе TIR в режиме с балансом по постоянному току в различных рабочих состояниях. Конструкция графического дисплея 400 по существу аналогична конструкции дисплея 100 по фиг. 1А-1С, но отличается тем, что содержит как первый ряд положительно заряженных частиц с первой оптической характеристикой, так и второй ряд отрицательно заряженных частиц со второй оптической характеристикой. В одном варианте осуществления величина электрофоретической подвижности и коэффициента диффузии может быть по существу аналогичной и для положительных и для отрицательных частиц с разными оптическими характеристиками. Это приводит к тому, что характеристика изображения для обеих полярностей аналогична, чтобы гарантировать, что частицы будут вести себя аналогичным образом в зависимости от величины приложенного напряжения.
[57] Дисплей 400 включает в себя верхний узел 402 и нижний узел 404, отделенные друг от друга свободным промежутком или полостью. Верхний узел включает в себя переднюю пластину 406, содержащую, кроме того, по меньшей мере одну поверхностную структуру, такую как выпуклый или полусферический выступ 408, способный осуществлять полное внутренне отражение световых лучей, передний прозрачный электродный слой 410, расположенный на поверхности полусферических выступов, и диэлектрический слой 412, расположенный сверху переднего электродного слоя 410. На фиг. 5А-5С показан нижний узел 404, имеющий объединительную плату 414 с верхним электродным слоем 416, который выполняет функцию заднего электрода. Электродный слой 416 может содержать массив тонкопленочных транзисторов (TFT), массив элементов прямого возбуждения или структурированный массив электродов. Хотя это и не показано, диэлектрический слой, факультативно, может быть нанесен на задний электрод. В свободном промежутке 418, заключенном между верхним узлом 402 и нижним узлом 404, может находиться жидкая среда 418 с низким показателем преломления. Среда 418 содержит ряд поглощающих рассеянный свет отрицательно заряженных частиц 420 с первой оптической характеристикой и ряд поглощающих рассеянный свет положительно заряженных частиц 422 со второй оптической характеристикой. Частицы 420, 422 с разными оптическими характеристиками могут быть изготовлены из органического материала или неорганического материала или комбинации органического и неорганического материалов. При приложении электрического поля к среде 418 с помощью внешнего источника напряжения (не показан) может происходить электрофоретическое перемещение частиц 420, 422.
Раскрытые принципы, хотя они показаны для частиц с двумя оптическими характеристиками, могут быть применены для частиц с более чем двумя (несколькими) оптическими характеристиками и раскрытые варианты осуществления не ограничиваются частицами, имеющими лишь две оптические характеристики.
[58] При приложении положительного напряжения смещения, такого как +10 В, например, как показано на фиг. 5А на переднем электродном слое 410, отрицательно заряженные частицы 420 с первой оптической характеристикой, такой как красный цвет, притягиваются к переднему электроду 410 и диэлектрическому слою 412. В этом местоположении вблизи ряда полусфер 408 TIR нарушено, что приводит к уменьшению относительного коэффициента отражения. Обладающие электрофоретической подвижностью положительно заряженные частицы 422 со второй оптической характеристикой, такой как черный цвет, перемещаются по направлению к заднему электродному слою 416, который имеет напряжение смещения - 10 В, и притягиваются к нему. В результате этого TIR нарушено и падающие световые лучи, такие как типичный световой луч 424, поглощаются отрицательно заряженными частицами, расположенными на переднем диэлектрическом слое 412. Вследствие этого устанавливается первое оптическое состояние дисплея с тем же цветом (таким как, например, красный цвет), что и оптическая характеристика отрицательно заряженных частиц 420.
[59] На фиг. 5В показано приложение напряжения 0 В, имеющее результатом установление светлого или белого оптического состояния дисплея. При нулевом приложенном напряжении обладающие электрофоретической подвижностью отрицательно заряженные частицы 420 по существу выведены из области нераспространяющейся волны вблизи поверхности ряда полусферических выступов 408. Этим обеспечивается возможность возникновения полного внутреннего отражения световых лучей, которое приводит к установлению белого или светлого состояния дисплея. Это показано тем, что падающий световой луч 426, испытывающий полное внутреннее отражение в виде светового луча 428, является полуотражаемым в обратном направлении назад по направлению к источнику света. Кроме того, положительно заряженные частицы 422 будут оттягиваться в сторону удаления от заднего электродного слоя 416. Белое или светлое состояние может поддерживаться путем вывода частиц из области нераспространяющейся волны при подходящих напряжении и интервале времени с последующей пульсацией напряжения, как указано в описании изобретения выше.
[60] При приложении к переднему электродному слою отрицательного напряжения смещения, такого как -10 В, как показано на фиг. 5С, обладающие электрофоретической подвижностью положительно заряженные частицы 422 со второй оптической характеристикой, такой как черный цвет, отличной от первой оптической характеристики отрицательно заряженных частиц 420, перемещаются по направлению к переднему электроду 410 и диэлектрическому слою 412 и притягиваются к ним. В этом местоположении положительно заряженные частицы 422 примыкают к поверхности ряда полусфер 408, в результате чего частицы поступают в область нераспространяющейся волны. В результате этого TIR нарушено и падающие световые лучи, такие как типичный световой луч 430, поглощаются положительно заряженными частицами 422 со второй оптической характеристикой, находящимися на переднем диэлектрическом слое 412. Вследствие этого устанавливается второе оптическое состояние дисплея, которое выглядит черным для смотрящего на дисплей пользователя. Кроме того, отрицательно заряженные частицы 420 притягиваются к заднему электродному слою 416. При приложении к среде 418 ненулевого напряжения смещения (например, +10 В или -10 В), как показано на фиг. 5А и 5С, и те и другие частицы притягиваются к переднему и заднему электродным слоям. Это не только имеет результатом нарушение TIR и ведет к получению цветного отражательного дисплея по меньшей мере с тремя разными цветами, но может также приводить к получению дисплея, сбалансированного по постоянному току. Этот дисплей 400, который способен демонстрировать несколько цветов, к тому же, может быть совместимым с существующими электронными устройствами возбуждения жидкокристаллического дисплея (LCD).
[61] Дисплей 400 по фиг. 5А-5С может демонстрировать также целый ряд оптических состояний с балансом по постоянному току (то есть, цветов), возникающих вследствие комбинирования разных оптических состояний положительно и отрицательно заряженных частиц. Это может быть выполнено за счет приложения континуума напряжений смещения.
[62] В других вариантах осуществления двухчастичный дисплей 400 с полным внутренним отражением, показанный на фиг. 5, кроме того, может содержать массив тонкопленочных транзисторов (TFT), или массив элементов прямого возбуждения, или структурированный массив электродов.
[63] В другом варианте осуществления двухчастичный дисплей 400 с полным внутренним отражением, показанный на фиг. 5, кроме того, может содержать передний светильник направленного света.
[64] В другом варианте осуществления двухчастичный дисплей 400 с полным внутренним отражением, показанный на фиг. 5, кроме того, может содержать по меньшей мере одну распорную структуру.
[65] В другом варианте осуществления двухчастичный дисплей 400 с полным внутренним отражением, показанный на фиг. 5, кроме того, может содержать поперечные стенки.
[66] В другом варианте осуществления двухчастичный дисплей 400 с полным внутренним отражением, показанный на фиг. 5, кроме того, может содержать по меньшей мере одно кромочное уплотнение.
[67] В других вариантах осуществления дисплей 400, кроме того, может содержать любую комбинацию массива тонкопленочных транзисторов, массива элементов прямого возбуждения, структурированного массива, переднего светильника направленного света, по меньшей мере одной распорной структуры или поперечных стенок, по меньшей мере одного кромочного уплотнения или их комбинацию.
[68]. При вариантах конструктивного исполнения дисплея согласно описанию изобретения они могут применяться, без ограничительно, в таких устройствах, как устройства для чтения электронных книг, портативные компьютеры, планшетные компьютеры, носимые электронные устройства, сотовые телефоны, смарткарты, знаки, часы, ценники, флэш-накопители и рекламные щиты для установки вне помещения или знаки для установки вне помещения.
[69] На фиг. 6 представлен пример способа согласно варианту осуществления изобретения. Вариант осуществления по фиг. 6 может быть реализован в таком дисплее, как дисплеи, описанные в привязке к фиг. 1, 3-5. Способ по фиг. 6 начинается на этапе 600 приложением первого ненулевого напряжения, вызывающим притягивание ряда первых обладающих электрофоретической подвижностью заряженных частиц с первым зарядом и первой оптической характеристикой к поверхности передней пластины дисплея, в результате чего устанавливают темное состояние.
[70] На этапе 610 прикладывают по существу нулевое напряжение или пульсацию напряжения, тем самым вызывают перемещение первого ряда обладающих электрофоретической подвижностью частиц с первым зарядом и первой оптической характеристикой и ряда вторых обладающих электрофоретической подвижностью частиц со вторым зарядом и первой оптической характеристикой в сторону удаления от поверхности передней пластины дисплея, в результате чего устанавливают светлое состояние. Первые частицы могут отличаться от вторых частиц или первые и вторые частицы могут представлять собой по существу одинаковые частицы. В альтернативном варианте осуществления этап 610 может включать приложение по существу нулевого напряжения или пульсации напряжения, тем самым перемещение первого ряда обладающих электрофоретической подвижностью заряженных частиц с первым зарядом и первой оптической характеристикой и ряда вторых обладающих электрофоретической подвижностью заряженных частиц с противоположным зарядом и второй оптической характеристикой в сторону удаления от поверхности передней пластины дисплея, в результате чего устанавливают светлое состояние.
[71] На этапе 620 прикладывают второе, ненулевое напряжение, тем самым вызывают притягивание к поверхности передней пластины дисплея второго ряда обладающих электрофоретической подвижностью заряженных частиц со вторым зарядом и первой оптической характеристикой, в результате чего устанавливают темное состояние. В альтернативном варианте осуществления этап 620 может включать приложение второго ненулевого напряжения, тем самым притягивание второго ряда обладающих электрофоретической подвижностью заряженных частиц со вторым зарядом и первой оптической характеристикой к поверхности передней пластины дисплея, в результате устанавливают темное состояние.
[72] Приведенные ниже неораничивающие варианты осуществления дополнительно поясняют варианты осуществления изобретения. Пример 1 представляет собой дисплей с полным внутренним отражением (TIR), содержащий: передний узел, имеющий переднюю пластину, передний электрод и диэлектрический слой, причем передний электрод расположен между передней пластиной и диэлектрическим слоем, передняя пластина дополнительно содержит по меньшей мере один выпуклый выступ; задний узел, образующий свободный промежуток с передним узлом, причем задний узел имеет объединительную плату и задний электрод, задний электрод расположен напротив диэлектрического слоя; среду с низким показателем преломления в свободном промежутке; и ряд обладающих электрофоретической подвижностью положительно заряженных частиц, а также ряд обладающих электрофоретической подвижностью отрицательно заряженных частиц, диспергированных в среде с низким показателем преломления.
[73] Пример 2 представляет собой дисплей по примеру 1, отличающийся тем, что задний электрод дополнительно содержит массив тонкопленочных транзисторов, массив элементов прямого привода или структурированный массив электродов или их комбинацию.
[74] Пример 3 представляет собой дисплей по примеру 2, отличающийся тем, что дополнительно содержит поперечные стенки.
[75] Пример 4 представляет собой дисплей по любому предыдущему примеру, отличающийся тем, что дополнительно содержит распорную структуру.
[76] Пример 5 представляет собой дисплей по любому предыдущему примеру, отличающийся тем, что задний узел дополнительно содержит диэлектрический слой на заднем электроде.
[77] Пример 6 представляет собой дисплей по любому предыдущему примеру, отличающийся тем, что дополнительно содержит передний светильник направленного света.
[78] Пример 7 представляет собой дисплей по любому предыдущему примеру, отличающийся тем, что дополнительно содержит слой цветных светофильтров.
[79] Пример 8 представляет собой дисплей по любому предыдущему примеру, отличающийся тем, что дополнительно содержит кромочное уплотнение.
[80] Пример 9 представляет собой дисплей по любому предыдущему примеру, отличающийся тем, что дополнительно содержит поперечные стенки, и кромочное уплотнение, и передний светильник направленного света.
[81] Пример 10 представляет собой дисплей по любому предыдущему примеру, отличающийся тем, что выпуклая часть образует полусферическую структуру.
[82] Пример 11 представляет собой дисплей по любому предыдущему примеру, отличающийся тем, что выпуклая часть образует структуру, выполненную с возможностью равномерного распределения ряда отрицательно и положительно заряженных частиц.
[83] Пример 12 представляет собой дисплей по любому предыдущему примеру, отличающийся тем, что ряд обладающих электрофоретической подвижностью положительно заряженных частиц имеет первую оптическую характеристику, а ряд обладающих электрофоретической подвижностью отрицательно заряженных частиц имеет вторую оптическую характеристику.
[84] Пример 13 представляет собой дисплей по любому предыдущему примеру, отличающийся тем, что дополнительно содержит поперечные стенки.
[85] Пример 14 представляет собой дисплей по любому предыдущему примеру, отличающийся тем, что дополнительно содержит распорную структуру.
[86] Пример 15 представляет собой дисплей по любому предыдущему примеру, отличающийся тем, что задний узел дополнительно содержит диэлектрический слой на заднем электроде.
[87] Пример 16 представляет собой дисплей по любому предыдущему примеру, отличающийся тем, что дополнительно содержит передний светильник направленного света.
[88] Пример 17 представляет собой дисплей по любому предыдущему примеру, отличающийся тем, что дополнительно содержит распорную структуру, кромочное уплотнение и передний светильник направленного света.
[89] Пример 18 представляет собой дисплей по любому предыдущему примеру, отличающийся тем, что дополнительно содержит поперечные стенки, кромочное уплотнение и передний светильник направленного света.
[90] Пример 19 представляет собой способ переключения дисплея с полным внутренним отражением из темного состояния в светлое состояние, включающий: приложение первого ненулевого напряжения, тем самым притягивание ряда первых обладающих электрофоретической подвижностью заряженных частиц с первым зарядом и первой оптической характеристикой к поверхности передней пластине дисплея, в результате чего устанавливают темное состояние; приложение по существу нулевого напряжения или пульсации напряжения, тем самым перемещение первого ряда обладающих электрофоретической подвижностью заряженных частиц с первым зарядом и первой оптической характеристикой и ряда вторых обладающих электрофоретической подвижностью заряженных частиц со вторым зарядом и первой оптической характеристикой в сторону удаления от поверхности передней пластины дисплея, в результате чего устанавливают светлое состояние; и приложение второго ненулевого напряжения, тем самым притягивание второго ряда обладающих электрофоретической подвижностью заряженных частиц со вторым зарядом и первой оптической характеристикой к поверхности передней пластины дисплея, в результате чего устанавливают темное состояние.
[91] Пример 20 представляет собой способ переключения дисплея с полным внутренним отражением из первого оптического состояния в светлое состояние во второе оптическое состояние, включающий: приложение первого ненулевого напряжения, тем самым притягивание первого ряда обладающих электрофоретической подвижностью заряженных частиц с первым зарядом и первой оптической характеристикой к поверхности передней пластины дисплея, в результате чего устанавливают первое оптическое состояние; приложение по существу нулевого напряжения или пульсации напряжения, тем самым перемещение первого ряда обладающих электрофоретической подвижностью заряженных частиц с первым зарядом и первой оптической характеристикой и ряда вторых обладающих электрофоретической подвижностью заряженных частиц с противоположенным зарядом и второй оптической характеристикой в сторону удаления от поверхности передней пластины дисплея, в результате чего устанавливают светлое состояние; и приложение второго ненулевого напряжения для притягивания ряда обладающих электрофоретической подвижностью заряженных частиц со вторым зарядом и второй оптической характеристикой к поверхности передней пластины дисплея, в результате чего устанавливают второе оптическое состояние.
[92] Хотя принципы изобретения пояснены применительно к иллюстративным вариантам осуществления, рассмотренным в данном описании изобретения, принципы изобретения не ограничиваются ими и включают в себя любую их модификацию, вариант или изменение.