CN105247412B - 用于抑制tir的移位多孔电极 - Google Patents

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Abstract

一种用于反射式显示器的亮度增强结构结合了具有向内的半球形表面的透明薄片、背板电极、在该半球形表面与该背板电极之间的有孔膜、以及在该膜的向外侧上的光反射电极。连接于这些电极之间的电压源是可切换的以施加一个第一电压使这些粒子向内通过该有孔膜朝该背板电极移动以及一个第二电压使这些粒子向外通过该有孔膜朝该光反射电极移动。这些粒子朝该光反射电极的移动使光线在该半球形表面处的全内反射受抑。这些粒子朝该背板电极的移动准许光线在该半球形表面处的全内反射以及向内穿过该半球形表面的光线从该光反射电极朝该半球形表面的向外反射。

Description

用于抑制TIR的移位多孔电极
相关申请
本申请要求2013年3月26日提交的美国临时申请61/805,391的权益。
技术领域
本披露与在美国专利5,999,307、6,064,784、6,215,920、6,865,011、6,885,496、6,891,658、7,164,536、7,286,280和8,040,591中所描述类型的宽视角反射式图像显示器中的高亮度的实现相关，所有这些专利通过引用结合在此。
背景技术
图1A描绘了在美国专利号6,885,496、6,891,658、7,164,536和8,040,591中所描述类型的现有技术反射式(即前光)电泳受抑全内反射(TIR)调制显示器10。显示器10包括透明向外薄片12，该透明向外薄片是通过将大量高折射率(例如，η1>～1.90)的透明球形或近似球形的焊珠14部分地埋入高折射率(例如，η1>～1.75)的聚合物材料16的向内表面中而形成的，该聚合物材料具有平坦的向外观看表面17，该向外观看表面被观看者V通过观看方向Y的角度范围观察。“向内”和“向外”的方向由双头箭头Z指示。焊珠14被紧密地堆积在一起以形成向内突出的单层18，该向内突出的单层具有约等于一个焊珠14的直径的厚度。理想地，每一个焊珠14接触所有直接与那一个焊珠相邻的焊珠。最小的间质间隙(理想地，无间隙)保持在相邻焊珠之间。
通过将介质20包含在由下部薄片24限定的容器22之中而使电泳介质20保持与焊珠14从材料16向内突起的这些部分相邻。可从3M公司、St.Paul公司、MN公司获得的惰性的、低折射率(即，小于约1.35)的、低粘度的、电绝缘的液体(如FluorinertTM全氟化的碳氢化合物液体(η1～1.27))是一种合适的电泳介质。其他液体或水也可以用作电泳介质20。因此形成焊珠：液体的TIR界面。介质20包含光散射和/或吸收性的粒子26(如，颜料、染色的或以其他方式散射的/吸收性的二氧化硅或乳胶粒子等)的细微分散悬浮。薄片24的光学特性相对地不重要：薄片24仅需形成用于容纳电泳介质20和粒子26的容器，并且充当背板电极48的支撑物。
如众所周知的，两种介质之间的TIR界面具有由临界角θc表征的不同折射率。以小于θc的角度入射到该界面上的光线透射通过该界面。以大于θc的角度入射到该界面上的光线在该界面处经历TIR。在TIR界面处优先选取较小的临界角，因为这提供了可以发生TIR的较大角度范围。
如图1A中虚线28的右侧所展示的，在缺乏电泳活动的情况中，穿过薄片12和焊珠14的大部分光线在焊珠14的向内侧处经历TIR。例如，入射光线30、32折射通过材料16和焊珠14。如在光线30的情况中在点34、36处所指示的以及在光线32的情况中在点38、40处所指示的，这些光线在焊珠：液体TIR界面处经历两次或更多次TIR。全内反射的光线然后折射返回通过焊珠14和材料16并且分别出射为光线42、44，在每个反射区域或像素中实现“白色”外观。
可以经由电极46和48将电压施加于介质20两端，例如，通过对焊珠14向内突出的表面部分以及对薄片24的向外表面的气相沉积来施加电压。电极46是透明且基本上较薄的以使其在焊珠：液体TIR界面处对光线的干扰最小。背板电极48不需要是透明的。如虚线28左侧所展示的，如果通过启动电压源50而激活电泳介质20以在电极46与48之间施加电压，那么邻近焊珠单层18的表面的悬浮粒子26被电泳地移动到隐失波相对密集的区域中(即，在向内突出的焊珠14的这些向内表面的0.25微米之内，或者更近)。当如上所述被电泳地移动时，粒子26通过修改焊珠：液体TIR界面处的有效折射率的虚数成分以及可能实数成分而散射或者吸收光，因此抑制或调制TIR。这由光线52和54所展示，当其撞击焊珠：液体TIR界面处的较薄(～0.5μm)隐失波区域(如分别在56和58处所指示的)中的粒子26时，光线52和54被散射和/或被吸收，因此在每个TIR受抑非反射吸收区域或像素中实现“黑色”外观。仅需通过适当地启动电压源50在较薄隐失波区域外侧移动粒子26，以便恢复焊珠：液体TIR界面的TIR性能并且将每个“黑色”非反射吸收区域或像素转换成“白色”反射区域或像素。
如以上所描述的，可以通过经由电极46和48控制施加于介质20两端的电压来控制向外薄片12的纯光学特性。这些电极可以被分段以跨薄片12的多个分开的区域或像素控制介质20的电泳激活，因此形成图像。
图2在放大的横截面中描绘了一个球形焊珠14的向内半球形或“半焊珠”部分60。半焊珠60具有归一化的半径r＝1和折射率η1。在距半焊珠60的中心C径向距离a处直射(通过材料16)到半焊珠60上的光线62相对于径向轴线66以角度θ1与半焊珠60的向内表面交会。为了这个理论上理想讨论的目的，假设材料16具有与半焊珠60相同的折射率(即，η1＝η2)，则光线62无折射地从材料16穿过进入半焊珠60。光线62在半焊珠60的向内表面处折射并且相对于径向轴线66以角度θ2进入电泳介质20作为光线64。
现在考虑在与半焊珠60的中心C距离一段距离
处直射(通过材料16)到半焊珠60上的入射光线68。光线68(相对于径向轴线70)以临界角θc(发生TIR所要求的最小角度)与半焊珠60的向内表面交会。光线68因此全内反射为光线72，光线72再次以临界角θc与半焊珠60的向内表面交会。光线72因此全内反射为光线74，光线74也以临界角θc与半焊珠60的向内表面交会。光线74因此全内反射为光线76，光线76垂直地穿过半焊珠60进入焊珠14的掩埋部分中并且进入材料16中。光线68因此以与入射光线68的方向近似相反的方向反射回来作为光线76。
在与半焊珠60的中心C距离a≥ac处入射到半焊珠60上的所有光线朝光源反射回来(但非精确地后向反射)；其意味着当光源在观看者头顶之上且稍微靠后时反射被增强，并且反射光具有使其产生白色外观的漫射特性，这种白色外观在反射式显示器应用中是令人期望的。图3A、图3B和图3C描绘了三种半焊珠60的反射模式。这些模式与其他模式共存，但分别地讨论每个模式是有用的。
在图3A中，在距离范围ac<a≤a1内入射的光线经历两次TIR(2-TIR模式)并且反射光线在以与入射光线的方向相反的方向为中心的比较宽的弧度φ1内发散。在图3B中，在距离范围a1<a≤a2内入射的光线经历三次TIR(3-TIR模式)并且反射光线在再次以与入射光线的方向相反的方向为中心的较窄的弧度φ2<φ1内发散。在图3C中，在距离范围a2<a≤a3内入射的光线经历四次TIR(4-TIR模式)并且反射光线在同样以与入射光线的方向相反的方向为中心的仍然较窄的弧度φ3<φ2内发散。半焊珠60因此具有“半回归反射”——部分地漫射反射特性，导致显示器10具有与纸的外观类似的漫射外观。
当主照明源在观看者之后的小角度范围内时，相比于纸的表观亮度，显示器10具有相对高的表观亮度。这在图1B中被展示，该图描绘了观看者V通过其能够观看显示器10的宽角度范围a以及角度β，该角度β是照明源S相对于观看者V的位置的角度偏差。只要β不是太大，就维持着显示器10的高表观亮度。在法线入射处，半焊珠60的反射系数R(即，入射到半焊珠60上的光线的反射(由TIR反射))由公式(1)给出：
其中，η1是半焊珠60的折射率而η3是与在其处发生TIR的半焊珠60的表面相邻的介质的折射率。因此，如果半焊珠60由较低折射率材料如聚碳酸酯(η1～1.59)形成并且如果相邻的介质是全氟三丁胺(η3～1.27)，则获得约36％的反射系数R，而如果半焊珠60由高折射率纳米复合材料(η1～1.92)形成则获得约56％的反射系数R。当照明源S(图1B)放置在观看者V的头部之后时，显示器10的表观亮度根据上述的半回归反射特性被进一步增强。
如在图4A至图4G中所示的，半焊珠60的反射系数维持在入射角度的宽范围之上，因此增强显示器10的宽角度观看特性以及其表观亮度。例如，图4A示出了从垂直入射——也就是，从偏离垂线0°的入射角度看去的半焊珠60。在这种情况中，半焊珠60的a≥ac的部分80呈现为环形域。对应于以下事实该环形域被描绘成白色：此环形域是如上所述通过TIR反射入射光线的半焊珠60的区域。对应于以下事实该环形域包围被描绘成黑色的圆形区域82：此圆形区域是在其中入射光线被吸收且不经历TIR的半焊珠60的非反射区域。图4B至图4G示出了从入射角度分别为偏离垂线15°、30°、45°、60°、75°和90°看去的半焊珠60。对图4B-4G与图4A的比较揭示了：随着入射角度增加，半焊珠60的a≥ac的反射部分80的观察区仅逐渐地减小。即使在接近水平入射角度处(例如，图4F)，观察者将仍看到反射区域80的大部分，因此给出显示器10的宽角度观看范围，在该范围上维持高表观亮度。
包围非反射式黑色圆形区域82的反射式白色环形区域80呈现了通常被称作“黑瞳孔”问题的问题，该问题降低了显示器的反射系数。透明电极46使显示器的性能进一步降低，该透明电极可以是通过在半焊珠14上提供透明导电涂层而形成的。这类涂层通常吸收入射光的约5％到10％。由于光线通常反射若干次，这会使得难以实现高效的反射。进一步相关的问题是：将这种涂层涂敷到波状外形的半球形表面上是代价昂贵且充满挑战性的。
可以通过使穿过任何半焊珠14的非反射式黑色圆形区域82的光线朝半焊珠14反射回去(即，“回收”)来解决黑瞳孔问题。一种解决此问题并增强显示器的亮度的方法是为显示器配备反射式部件以使光通过瞳孔并朝观看者反射回去。图5描绘了在PCT申请号WO2006/108285 Al和韩国专利号10-2007-7026347中所描述类型的现有技术反射式(即，前光)受抑全内反射(TIR)调制显示器100。显示器100包括透明向外薄片102，该透明向外薄片是通过将大量高折射率的透明球形或近似球形的焊珠104部分地埋入高折射率的聚合物材料102的向内表面中而形成的，该聚合物材料具有平坦的向外观看表面106，观看者通过该向外观看表面观看显示图像。在该多个球形半焊珠104的表面上的是基本上透明的电极107。
电泳介质108包含于在焊珠104的这些部分之间形成的容器或腔之中，这些焊珠从材料102和下部或后部薄片110向内突起。在后部薄片110的向内表面上的是电极层111。介质108是惰性的、低折射率的、低粘度的液体，如氟化烃。其他液体也可以用作电泳介质108。因此形成焊珠：液体的TIR界面。介质108进一步包含吸收光的、电泳地移动的粒子112的细微分散悬浮。
图5进一步描绘了安置在半球形焊珠116的向内表面与后部薄片110之间用于增强TIR显示器的亮度的现有技术反射式、连续的、多孔的膜118。在连续膜118中的这些孔隙的平均直径基本上大于吸收性粒子112的平均直径(例如，约大10倍)。膜118中的这些孔隙构成膜118的总表面区域的足够大的部分(例如，至少20％)以基本上准许吸收性粒子112畅通无阻地通过膜118。膜118的向外表面120是高反射性的，并且可以是或者漫射式或着镜面式反射性的。
如图5现有技术中虚线114的左侧所展示的，在缺乏电泳活动的情况中，较小的吸收性粒子112倾向于通过膜140的孔隙朝后部薄片110上的后部电极层111沉淀或者如果这些电泳粒子在所施加的电场的影响下被驱使到达后部电极111。由于本将以其他方式穿过半球形焊珠116的“黑瞳孔”区域并且本将由如位于下部薄片110处的这些吸收性粒子112吸收的入射光线(例如，光线122)替代地被膜118的反射性向外表面120反射(例如，光线124)，因此增加并增强了反射系数。入射到半球形焊珠的反射性环形区域上的光线(例如，光线126)被全内反射(例如，光线128)。
如图5中所描绘的现有技术中的虚线114的右侧所展示的，当电压被施加于介质108两端时，吸收性粒子112被电泳地移动通过膜118的孔隙并且被吸引到半球形焊珠116的向内表面上的电极107。当如此移动进入此吸收性状态时，粒子112通过抑制或调制TIR而吸收入射到半球形焊珠的环形区域上的光线(例如，光线130)，并且还吸收未经历TIR以及将以其他方式穿过焊珠104的光线(例如，光线132)。膜118的孔隙允许吸收性粒子112向外移动进入与吸收性状态中的半球形焊珠116的表面接触；并且准许向内移动远离反射性状态中的半球形焊珠116，因此直观地模糊反射性状态中的吸收性粒子112。
如在前面段落中所描述的，多孔反射式膜的目的在于将穿过半焊珠116的黑瞳孔的光通过半焊珠116的该瞳孔区域反射回来并朝向观看者以增强如图5中所描绘的显示器的亮度。本文披露了一种替代性多孔反射式膜结构。本披露涉及基于TIR的显示器，包括可抑制的(即，可以通过更改在光经历TIR的界面处或者附近的光学属性(并且具体为折射率值)而可控制地修改入射光经历全内反射的程度)、光学透明的、半球形波形形状的前部薄片以及多功能的多孔连续反射式膜。半球形波形形状的前部薄片是基本上平坦的薄片，该薄片具有多个突出的表面特征，所述表面特征具有基本上半球形的形状。在此，多孔连续膜进一步包括顶部导电金属层，该层面向光学透明的前部薄片的半球形波形形状表面。该顶部金属层是多孔且连续的，并且既充当用于增强显示器的亮度的光反射器又充当顶部电极层。本文披露的此新结构简化了本文所描述的基于TIR的显示器的制造并且极大地降低了制造成本。此外，如在图5中的现有技术显示器中所示的，通过从半球形焊珠的表面去除主要透明电极层，更少的光将由于该电极层的吸收而被丢失，因此进一步增加了显示器的亮度。在各种条件下(如暴露于高电压、高温以及与电泳介质接触)，ITO会随时间流逝而退化。随着ITO退化，其变得更不透明并进一步吸收光，导致显示器的亮度的进一步降低。此外，去除ITO层并用金属层替换为顶部电极减少了电阻，导致增加的切换均匀性。
相关技术的上述示例和与其相关的限制旨在是说明性的而非排他性的。在阅读本说明书和研究这些附图之后，相关领域的其他限制将对本领域的技术人员变得显而易见。
附图说明
示例性实施例在这些附图的参考附图中展示。本文所披露的实施例和附图旨在被认为是说明性而非限制性的。
图1A是电泳地抑制的或调制的现有技术反射式图像显示器的一部分的大大地放大(不按照比例)的片段化横截面侧的正视图。
图1B示意性地展示了图1A显示器的宽角度观看范围α以及照明源的角度范围β。
图2是图1A装置的这些球形焊珠中的一个焊珠的半球形(“半焊珠”)部分的大大地放大的横截面侧正视图。
图3A、图3B和图3C描绘了在入射光线分别经历两次、三次和四次TIR的逐渐增加的离轴距离处垂直入射到图2半焊珠上的光线的半回归反射。
图4A、图4B、图4C、图4D、图4E、图4F和图4G描绘了从分别偏离垂线0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°的观看角度看去的图2的半焊珠。
图5是电泳地抑制的或调制的现有技术反射式图像显示器的一部分的大大地放大(不按照比例)的片段化横截面侧的正视图，该显示器配备有反射式多孔连续膜和半球形表面上的透明前部电极层。
图6A和图6B是电泳地抑制的或调制的现有技术反射式图像显示器的一部分的大大地放大(不按照比例)的片段化横截面侧的正视图，该显示器包括绝缘多孔连续膜，其中，顶部多孔反射式导电连续金属层充当位于前部半球形表面与后部电极之间的前部电极层。图6A和图6B分别描绘了显示器像素的光反射和光吸收(即，非反射)状态。
图7是具有顶部反射式连续且导电的金属层的多孔连续膜的一部分的大大地放大(不按照比例)的顶视图。
图8展示了通过对向角度为α的漫射光源以半回归反射方式照亮具有半球形波形形状表面的显示器。
具体实施方式
贯穿以下描述，阐述特定细节以便为本领域的技术人员提供更彻底的理解。然而，可以不必详细示出或描述众所周知的元件以避免不必要地混淆本发明。因此，说明书和附图应该被视为是示意性而非限制性的。
图6A和图6B描绘了显示器200，该显示器包括与显示器200的透明向外薄片204一体形成的半球形波形形状表面202。相反地，如在图1A中所示的，显示器10的半球形表面是由部分掩埋在薄片12中的离散焊珠14的紧密堆积层形成的。在显示器10和200中所描绘的或者半球形的或者相关的表面结构可以与在此所描述的本发明结合使用。应注意的是，包括多个半球形形状突起的半球形波形形状前部薄片可以由如以下各项但不限于其的各种方法制造：浮雕、蚀刻、模制、自组装、印刷、光刻或微复制。显示器200进一步包括后部背板支撑物206以及后部背板电极层208。后部电极208可以包括图案化的或分段的阵列或常规的薄膜晶体管(TFT)阵列或其组合。在由半球形波形形状表面202与后部电极层208限定的腔或容器210之中的是液体介质212，该液体介质包括悬浮的电泳地移动的且吸收光的粒子214。粒子214可以包括有机材料或无机材料或有机和无机材料的组合。可以通过施加电场使电泳粒子214移动通过液体介质212。例如，液体介质212可以是从3M公司、St.Paul公司、MN公司获得的惰性的、低折射率(即，小于约1.35)的、低粘度的、电绝缘的液体(如FluorinertTM全氟化的碳氢化合物液体(η1～1.27))，其是一种合适的电泳介质。其他液体如烃类或水也可以用作电泳介质212。
在图6A和图6B中描绘的显示器200进一步包括位于半球形表面202与背板电极208之间的多孔连续膜216。虚线218表示多孔膜216的连续性质。膜216可以由如以下各项但不限于其的多种材料形成：玻璃或聚合物材料(如铁氟龙迈拉聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或聚碳酸酯)。膜216具有至少约5到40微米的厚度。更优选地，膜216具有约10到约20微米的厚度。
如在图6A和图6B中所描绘的，膜216进一步包括在膜216的向外侧上的顶部连续反射式金属层220(面向半球形波形形状表面202)。虚线222表示多孔金属层220的连续性质。该金属层可以包括以下各项但不限于其：铝、金、银或其组合。可以通过用反射式导电材料涂覆膜216的向外表面而在膜216上形成金属层220，该反射式导电材料如但不限于：电子束蒸发的、真空沉积的或溅射涂覆的充当显示器200的公共(地)电极的薄金属膜。此金属层220具有至少约0.040微米到约0.20微米的厚度。更优选地，其具有约0.10微米到约0.20微米的厚度。组合的膜：金属层结构是多孔且连续的并且具有至少约5到约40微米的厚度，更优选地具有至少约10微米到约21微米的厚度。金属层220充当电极和光反射器两者。这与图5中的显示器100相反，其中，膜是惰性的并且仅充当光反射器而前部电极107替代地位于半球形焊珠116的表面上。通过优选地使多孔金属层220位于多孔膜216上而不是位于半球形波形形状表面202上极大地简化了显示器的制造工艺并减少了制造成本。在波形形状半球形表面202上沉积均匀的导电层是更困难且高成本的。此外，使导电层(即，前部电极)位于波形形状半球形表面202上进一步要求该层是透明的以允许光穿过波形半球体表面202被电泳地移动的粒子214吸收以抑制TIR且创造黑状态。例如，ITO是普通的透明导电材料并且最有可能作为透明导电层的候选物，但是其通常比例如铝更加昂贵。此外，ITO由于一些光被吸收(估计约5％到约10％)而非完全透明的，因此降低了显示器的整体反射系数和亮度。使用铝作为导电层的另一个优点是其具有较宽的工艺窗口。如果ITO层的厚度增加则产生的反射系数降低，但如果ITO层的厚度减小得足够多那么可能存在失去这些半球体之间的电接触的风险。ITO的涂层是有方向性的，从而使得当ITO沉积于半球形焊珠的水平表面上时其趋向比当ITO沉积于焊珠的竖直表面上时更厚，这导致在ITO非常薄或者甚至不存在的半球形赤道正上方的涂层中的不连续性。丢失或极大地削弱这些半球体之间的电接触减小了电极的电容，导致不利效果，像更慢的切换时间。例如，由铝制作的电极具有较宽的工艺窗口，如厚度可以变化二分之一而不对性能造成太大的影响。
如在前面的段落中提及的，该金属：膜结构是多孔的，使得随着显示器200的像素被选择性地切换于光反射状态(图6A)与光吸收状态或黑状态(图6B)之间，吸收光的电泳地移动的粒子214能够轻易地移动通过穿透膜216和金属层220两者的孔径224。通过将介质212包含在由半球形表面202和背板电极层208限定的容器210之中，包括电泳地移动的粒子214的电泳介质212被保持与半球形表面202相邻。金属：膜结构中的孔径224具有至少约5微米的直径。孔径224具有在至少约5微米到约20微米范围内的直径。更优选地，孔径224具有在约10微米到约15微米范围内的直径。金属：膜结构中的孔径224可以以基本上规则的阵列排序或以基本上随机或不规则的阵列或其任何组合对准。孔径224的微米中心(即，每个孔径的中心点)被间隔开至少约10微米。更优选地，孔径224被间隔开约25微米到约35微米。
图7进一步展示了在膜：金属层结构的设计中必须考虑的各个方面。图7是有孔连续膜：金属层结构的一部分的顶视图。在此视图中向下看到反射式金属层220的顶部上(膜层隐藏在金属层后面)，一系列的孔径224以基本上规则的阵列被安排仅用于展示。如更早提及的，孔径224的阵列还可以以基本上不规则或随机的阵列或其任何组合被安排。每个孔径的直径da可以如在图7中所描绘的是基本上均匀的或者可以以在膜：金属层中在尺寸上变化。孔径224与其相邻的孔径的微米中心的表示为dmc的间隔距离可以如在图7中所描绘的是基本上均匀的或者可以以在膜：金属层中在距离上变化。
在图6A中示出的光反射状态中，粒子214在所施加的电场下被吸引向内朝向其在其处累积的后部背板电极208。在图6B中示出的光吸收状态中，粒子214被吸引向内至并累积于金属层220的顶部上且相邻于半球形表面202，防止层220向外通过瞳孔区域朝形成半球形表面202的半焊珠的观看者反射光线。更具体地，在光反射状态中，穿过透明向外薄片204的光线的大部分在半球体表面202的向内侧处经历TIR。例如，代表性入射光线226折射通过表面204和半球形表面202。如在点228和230处所指示的，光线226在焊珠：液体TIR界面处经历两次或更多次TIR。全内反射的光线然后折射返回通过半球形波形形状表面202和薄片204并且出射为光线232，在显示器200的每个反射区域或像素中实现“白色”外观。
一些入射光线(如代表性光线234)折射通过表面204和半球形波形形状表面202，但不在焊珠：液体TIR界面处经历TIR。相反，光线234穿过半球形波形形状表面202并且由金属层220向外朝表面202和观看者反射。反射光线然后折射返回通过半球形波形形状表面202与薄片204的瞳孔区域并出射为光线236，再次实现“白色”外观并且提高显示器200的亮度。
一些其他入射光线(如代表性光线238)在如以下意义上“丢失”，即其未从显示器200向外出射。例如，光线238折射通过表面204和半球形波形形状表面202，但不在焊珠：液体TIR界面处经历TIR并且未由金属层220反射。相反，如在图6A中示出的，例如，光线238穿过膜204的多个孔径224中的一个孔径并在该孔径的内壁部分处被吸收。
可切换电压(即，电场)可以分别如在图6A和图6B中所指示的经由电极208和220被施加于电泳介质212两端。当显示器200的像素被切换到如图6B中示出的光吸收状态时，粒子214被电泳地向外通过膜216的孔径224朝电极220移动。移动的粒子214在电极220的顶部上形成相对厚的层，从而使得电泳移动的粒子214与半球形波形形状表面202的向内侧进行光学接触，因此抑制TIR(即，粒子214在半球形波形形状表面202的约0.25微米之内，或者更近)。当如上所述被电泳地移动时，粒子214通过修改焊珠：液体TIR界面处的有效折射率的虚数成分以及可能实数成分而散射或者吸收光。这由光线240、242、244和246所展示，当其撞击焊珠：液体TIR界面处的较薄隐失波区域(如分别在248、250、252和254处所指示的)中的粒子214时，这些光线被散射和/或被吸收，因此在显示器的每个非反射吸收区域或像素中实现“黑色”外观。可以通过经由电极208和220控制施加于介质212两端的电压来控制显示器200的纯光学特性。这些电极可以被分段以跨半球形波形形状表面202的多个分开的区域或像素控制介质212的电泳激活，因此形成图像。
有待考虑的另一个因素是可以通过提供宽松的或附着的间隔物焊珠和/或间隔物(未示出)或其组合于薄片204上、后部电极层208上或者膜：金属层上或其组合而实现透明向外薄片204、膜：金属层和后部电极层208的合适的相对间隔和对准。半球形波形形状表面202与在膜216的顶部上的金属层220之间的间隔至少约2微米。更优选地，半球形波形形状表面202与在膜216的顶部上的金属层220之间的间隔约4微米到约6微米。后部背板电极208与面向背板电极208的膜216的底部之间的间隔至少约10微米。更优选地，后部背板电极208与面向该背板电极208的膜216的底部之间的间隔约30微米到约50微米。半球形波形形状表面202与背板电极表面208之间的形成容器腔210的间隔总体上至少约25微米并且更具体地约30微米到约80微米。除了孔径的直径da和微米中心之间的间隔dmc之外，显示器200的切换速度进一步取决于当粒子214在非反射状态与反射状态之间切换时其移动贯穿显示器所需要的时间。因此，显示器的不同层之间的间隔距离至关重要。
表面的反射系数被限定为使用相同的技术且在相同的照明条件下测量的显示器的亮度与漫射白光反射标准(通常具有完美地漫射或Lambertian反射，反射系数98％)的亮度之比。展现半回归反射特性的表面的反射系数取决于照明条件的性质。如果在完美地漫射照明环境中观看表面，将没有由半回归反射特性导致的反射系数的明显增加。相反地，如果在不完美漫射照明环境中观看表面，展现半回归反射特性的表面会具有反射系数的明显增加。如图8所示的在显示器200的外表面上的此类照明环境可以由对向半角为α的漫射光源260照明而导致，其中，α的范围小于90°，如由观看者262所观看的表面反射系数将增加。例如，在一个优选高亮度的实施例中，半球形波形形状表面202中的每个半球体可以具有约20微米的直径。多孔的膜：金属结构是基本上平坦的约12.15微米厚的薄片，其中，膜厚约12微米而金属层厚约0.15微米。膜：金属层穿孔具有以大概30微米中心间隔的约12微米直径的孔径224，从而使得孔径224在膜：金属层结构上的面积部分约12％。半球形波形形状表面202与在膜：金属层上的金属层220之间的间隔约5微米，而膜层216的底部与后部电极层208的顶表面之间的间隔约50微米使得从半球形波形形状表面202到后部电极表面的总距离约65微米。在此实施例中，入射到金属层220上的光线中的约88％未交会一个孔径224并且被金属层220反射。如果金属由于约20％的吸收而具有约80％的反射系数(如针对铝反射层的情况)，那么膜：金属层将具有总体的约70％的反射系数(即，入射到膜：金属层上的光线的88％的80％反射)。
例如，在另一个优选高切换速度的实施例中，半球形波形形状表面202中的每个半球体可以具有约5微米的直径。膜：金属层结构是基本上平坦的约10微米厚的薄片，其中，膜厚约10微米而金属层厚约0.10微米。膜：金属层穿孔具有以大概20微米中心间隔的约12微米直径的孔径224，从而使得孔径224在膜：金属层结构上的面积部分约16％。半球形波形形状表面202与在膜：金属层上的金属层220之间的间隔约10微米，而膜层216的底部与后部电极层208的顶表面之间的间隔约30微米使得从半球形波形形状表面202到后部电极表面的总距离约50微米。在此实施例中，入射到金属层220上的光线中的约84％未与孔径224中的一个孔径交会并且被金属层220反射。如果金属由于约20％的吸收而具有约80％的反射系数(如针对铝反射层的情况)，那么膜：金属层将具有总体的约67％的反射系数(即，入射到膜：金属层上的光线的84％的80％反射)。应注意的是，当纳入影响孔径224的直径da和孔径的间隔dmc的因素时，不但应当考虑速度和亮度，而且要考虑所产生的多孔膜：金属层的结构刚性和稳定性。结构具有更多的孔则其可能变得更脆弱，除非使用更厚的膜以及使用替代或可能更昂贵的材料。
在图6A中示出的反射状态中，通常入射到薄片204上的光线的约一半的光线由TIR反射。剩余的光线到达膜：金属层结构并且这些光线中的70％被金属层220反射。在优选漫射照明环境中，其中，没有由半回归反射造成的反射系数的增益，这种实施例是约87％反射性的，其中，反射系数的36％是由光入射到半球体上的全内反射造成的并且反射系数的51％(即，行进通过半球体的所谓“黑瞳孔”区域的入射光线的剩余64％的80％)是由光线未与孔径224中的一个孔径交会并由金属层220反射造成的。此外，如果膜：金属层大约位于半球形波形形状表面202的焦平面处，金属层220将半回归反射光线，针对所有反射光线实现了光学增益增强。在由图8所描述的照明环境中，其中，对向半角为α的漫射光源260指引光线从顶部(即，从显示器观看者的头部之上)或某种程度上从后面进入向外薄片204的向外表面上，而不是在观看者262前方定位的主照明源，此实施例将具有约157％的反射系数，比在完美漫射照明环境中的反射系数大约1.8倍。
在本文所描述的显示器实施例中，它们可以用于多个应用中，如但不限于：电子书阅读器、便携式计算机、平板计算机、可穿戴设备、蜂窝电话、智能卡、标牌、手表、货架标签、闪存驱动器和室外广告牌或室外标牌。
以上所描述的实施例展示但不限制本披露。尽管上面已经讨论了许多示例性方面和实施例，但是本领域的技术人员将会认识到某些修改、置换、添加及其子组合。因此，本披露的范围仅由以下权利要求书限定。

Claims (25)

1.一种具有亮度增强结构以在隐失波区域处吸收反射光线的全内反射式显示器，该显示器包括：
具有一个表面的一个光学透明薄片，该表面进一步包括在该薄片的向内侧上的多个半球形突起；
一个背板电极；
在所述光学透明半球形表面与该背板电极之间的一个有孔膜；
一个光反射电极，该光反射电极在该膜的向外侧上；
包含在所述光学透明半球形表面与该背板电极之间的一个电泳介质；
悬浮在该介质中的多个带静电的吸收光的电泳地运动的粒子；以及
一个电压源，该电压源用于在该光反射电极与该背板电极之间施加一个电压于该介质的两端，从而通过将一个或多个吸收光的电泳地运动的粒子移动靠近一个或多个半球形突起来修改所述隐失波区域，以便通过在所述半球形表面处吸收所述反射光线来抑制全内反射。
2.根据权利要求1所述的反射式显示器，其中，该电压源是可切换的以施加：
一个第一电压于该光反射电极与该背板电极之间，以使所有粒子向内通过该有孔膜朝该背板电极移动；以及
一个第二电压于该光反射电极与该背板电极之间，以使所有粒子向外通过该有孔膜朝该光反射电极移动。
3.根据权利要求1或2所述的反射式显示器，其中：
这些粒子向外通过该有孔膜朝该光反射电极的移动使光线在该半球形表面处的全内反射受抑；
这些粒子向内通过该有孔膜朝该背板电极的移动准许：
光线在该半球形表面处的全内反射；以及
向内穿过该半球形表面的光线从该光反射电极朝该半球形表面的向外反射。
4.根据权利要求1所述的反射式显示器，其中，该背板电极包括一个薄膜晶体管阵列。
5.根据权利要求1所述的反射式显示器，其中，该有孔膜包括一种聚合物或玻璃。
6.根据权利要求5所述的反射式显示器，其中，该有孔膜的厚度至少5微米。
7.根据权利要求6所述的反射式显示器，其中，该有孔膜的厚度10微米至20微米。
8.根据权利要求6所述的反射式显示器，其中，该有孔膜中的这些孔的直径至少5微米。
9.根据权利要求8所述的反射式显示器，其中，该有孔膜中的这些孔的直径10微米至15微米。
10.根据权利要求8所述的反射式显示器，其中，该有孔膜中的这些孔以一个规则的或不规则的阵列组织。
11.根据权利要求10所述的反射式显示器，其中，该有孔膜中的这些孔的中心被间隔开至少10微米。
12.根据权利要求11所述的反射式显示器，其中，该有孔膜中的这些孔的中心被间隔开25微米至35微米。
13.根据权利要求1所述的反射式显示器，其中，该光反射电极包括一种金属。
14.根据权利要求13所述的反射式显示器，其中，该光反射电极的厚度至少0.040微米。
15.根据权利要求14所述的反射式显示器，其中，该光反射电极的厚度0.10微米至0.20微米。
16.根据权利要求1所述的反射式显示器，进一步包括多个间隔物或多个间隔物焊珠。
17.根据权利要求1所述的反射式显示器，其中，该透明半球形表面与该光反射电极之间的间隙至少2微米。
18.根据权利要求17所述的反射式显示器，其中，该光学透明半球形表面与该光反射电极之间的间隙4微米至6微米。
19.根据权利要求1所述的反射式显示器，其中，膜与该背板电极之间的间隙至少10微米。
20.根据权利要求19所述的反射式显示器，其中，膜与该背板电极之间的间隙30微米至50微米。
21.根据权利要求1所述的反射式显示器，其中，这些电泳地运动的粒子包括一种有机材料或一种无机材料或一种有机材料与无机材料的组合。
22.根据权利要求1所述的反射式显示器，其中，该光反射电极被定位在该半球形表面的焦平面处。
23.根据权利要求1所述的反射式显示器，其中，该介质包括一种碳氢化合物或一种碳氟化合物或一种碳氢化合物与碳氟化合物的组合。
24.根据权利要求1所述的反射式显示器，其中，具有包括多个半球形突起的一个表面的该光学透明薄片可以通过以下各种方式中的任何一种方式形成：浮雕、蚀刻、模制、自组装、印刷、光刻或微复制。
25.一种电子书阅读器、便携式计算机、平板计算机、可穿戴设备、蜂窝电话、智能卡、标牌、手表、货架标签、闪存驱动器、室外广告牌或室外标牌，包括根据权利要求1至24中任一项所述的显示器。
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