CN116113873A - 用于先进彩色电泳显示器的改进驱动电压和具有改进驱动电压的显示器 - Google Patents

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Abstract

用于驱动包括一种散射粒子和至少两种减色粒子的四粒子电泳介质的改进方法。这样的方法允许诸如彩色电泳显示器的显示器包括具有薄膜晶体管阵列的背板，其中每个薄膜晶体管包括金属氧化物半导体层。金属氧化物晶体管允许更快、更高的电压切换，因此允许四粒子电泳介质的直接颜色切换而不需要顶板切换。结果，可以更快地更新彩色电泳显示器并且更可靠地再现颜色。

Description

用于先进彩色电泳显示器的改进驱动电压和具有改进驱动电压的显示器
相关申请
本申请要求2020年9月15日提交的美国临时专利申请No.63/078,829的优先权。本文公开的所有专利和出版物的全部内容均通过引用并入。
背景技术
电泳显示器(EPD)通过修改带电有色粒子相对于透光观察表面的位置来改变颜色。这种电泳显示器通常被称为“电子纸”或“ePaper”，因为由此产生的显示器具有高对比度并且在阳光下可读，很像纸上的墨水。电泳显示器在电子阅读器例如AMAZON
Figure BDA0004114800920000011
中得到广泛采用，因为电泳显示器提供了书本般的阅读体验，耗电量小，并允许用户在轻型手持装置中携带数百本书的图书馆。
多年来，电泳显示器仅包括两种类型的带电彩色粒子，即黑色和白色。(可以肯定的是，本文使用的“颜色”包括黑色和白色。)白色粒子通常是光散射类型的，并且包括例如二氧化钛，而黑色粒子在可见光谱范围内具有吸收性，并且可以包括炭黑，或吸收性金属氧化物，诸如亚铬酸铜。从最简单的意义上讲，黑白电泳显示器只需要在观察表面处的透光电极、背电极，以及包含带相反电荷的白色和黑色粒子的电泳介质。当提供一种极性的电压时，白色粒子移动到观察表面，而当提供相反极性的电压时，黑色粒子移动到观察表面。如果背面电极包括可控区域(像素)——分段电极或由晶体管控制的像素电极的有源矩阵——则可以使图案以电子方式出现在观察表面处。例如，图案可以是一本书的文本。
最近，电泳显示器在商业上有多种颜色可供选择，包括三色显示器(黑色、白色、红色；黑色、白色、黄色)和四色显示器(黑色、白色、红色、黄色)。与黑白电泳显示器的操作类似，具有三种或四种反射颜料的电泳显示器的操作类似于简单的黑白显示器，因为所需的颜色粒子被驱动到观察表面。驱动方案远比只有黑色和白色复杂，但最终，粒子的光学功能是相同的。
先进彩色电子纸(ACePTM)也包括四种粒子，但青色、黄色和品红色粒子是减色的而不是反射的，从而允许在每个像素处产生数千种颜色。彩色工艺在功能上等同于胶版印刷和喷墨打印机中长期以来使用的印刷方法。通过在明亮的白纸背景上使用正确比例的青色、黄色和品红色来产生给定的颜色。在ACeP的实例中，青色、黄色、品红色和白色粒子相对于观察表面的相对位置将决定每个像素处的颜色。虽然这种类型的电泳显示器允许在每个像素处有数千种颜色，但在厚度约为10至20微米的工作空间内仔细控制每种(50至500纳米大小的)颜料的位置至关重要。显然，颜料位置的变化将导致在给定像素处显示不正确的颜色。因此，这种***需要精确的电压控制。该***的更多细节可在以下美国专利中获得，所有这些专利的全部内容均通过引用并入：美国专利No.9,361,836、9,921,451、10,276,109、10,353,266、10,467,984和10,593,272。
本发明涉及彩色电泳显示器，尤其但不排他地涉及能够使用包含多种有色粒子(例如白色、青色、黄色和品红色粒子)的单个电泳材料层来呈现多于两种颜色的电泳显示器。在一些情况下，两种粒子将带正电，两种粒子将带负电。在一些情况下，一种带正电的粒子将具有厚的聚合物壳，一种带负电的粒子具有厚的聚合物壳。
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，以下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。
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特性不同，从而在利用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用于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)。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，以及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(impulse)”当用于指代驱动电泳显示器时，在本文中用于指代驱动显示器期间所施加的电压相对于时间的积分。
吸收、散射或反射宽带或所选择波长的光的粒子在本文中被称为彩色或颜料粒子。除了颜料之外的吸收或反射光的各种材料(严格意义上该术语是指不溶性彩色材料)，例如染料或光子晶体等，也可用于本发明的电泳介质和显示器中。
多年来一直是密集研究和开发的主题的是基于粒子的电泳显示器。在这样的显示器中，多个带电粒子(有时被称为颜料粒子)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 HCS1-1，和Yamaguchi，Y.等,“Toner display using insulative particles chargedtriboelectrically”,IDW Japan,2001,Paper HCS1-1，和Yamaguchi,Y.等,“Tonerdisplay using insulative particles charged triboelectrically”,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以及其他电光介质的各种技术。这些封装的介质包括许多小囊体，每个小囊体本身包括内相以及围绕内相的囊壁，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，囊体本身被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)微单元结构、壁材料和形成微单元的方法；参见例如美国专利No.7,072,095和9,279,906；
(d)用于填充和密封微单元的方法；参见例如美国专利No.7,144,942和7,715,088；
(e)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；
(f)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；
(g)颜色形成和颜色调节；参见例如美国专利No.6,017,584；6,545,797；6,664,944；6,788,452；6,864,875；6,914,714；6,972,893；7,038,656；7,038,670；7,046,228；7,052,571；7,075,502***；7,167,155；7,385,751；7,492,505；7,667,684；7,684,108；7,791,789；7,800,813；7,821,702；7,839,564***；7,910,175；7,952,790；7,956,841；7,982,941；8,040,594；8,054,526；8,098,418；8,159,636；8,213,076；8,363,299；8,422,116；8,441,714；8,441,716；8,466,852；8,503,063；8,576,470；8,576,475；8,593,721；8,605,354；8,649,084；8,670,174；8,704,756；8,717,664；8,786,935；8,797,634；8,810,899；8,830,559；8,873,129；8,902,153；8,902,491；8,917,439；8,964,282；9,013,783；9,116,412；9,146,439；9,164,207；9,170,467；9,170,468；9,182,646；9,195,111；9,199,441；9,268,191；9,285,649；9,293,511；9,341,916；9,360,733；9,361,836；9,383,623；和9,423,666；以及美国专利申请公开No.2008/0043318；2008/0048970；2009/0225398；2010/0156780；2011/0043543；2012/0326957；2013/0242378；2013/0278995；2014/0055840；2014/0078576；2014/0340430；2014/0340736；2014/0362213；2015/0103394；2015/0118390；2015/0124345；2015/0198858；2015/0234250；2015/0268531；2015/0301246；2016/0011484；2016/0026062；2016/0048054；2016/0116816；2016/0116818；和2016/0140909；
(h)用于驱动显示器的方法；参见例如美国专利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；7,061,166；7,061,662；7,116,466；7,119,772；7,177,066；7,193,625；7,202,847；7,242,514；7,259,744；7,304,787；7,312,794；7,327,511；7,408,699；7,453,445；7,492,339；7,528,822；7,545,358；7,583,251；7,602,374；7,612,760；7,679,599；7,679,813；7,683,606；7,688,297；7,729,039；7,733,311；7,733,335；7,787,169；7,859,742；7,952,557；7,956,841；7,982,479；7,999,787；8,077,141；8,125,501；8,139,050；8,174,490；8,243,013；8,274,472；8,289,250；8,300,006；8,305,341；8,314,784；8,373,649；8,384,658；8,456,414；8,462,102；8,514,168；8,537,105；8,558,783；8,558,785；8,558,786；8,558,855；8,576,164；8,576,259；8,593,396；8,605,032；8,643,595；8,665,206；8,681,191；8,730,153；8,810,525；8,928,562；8,928,641；8,976,444；9,013,394；9,019,197；9,019,198；9,019,318；9,082,352；9,171,508；9,218,773；9,224,338；9,224,342；9,224,344；9,230,492；9,251,736；9,262,973；9,269,311；9,299,294；9,373,289；9,390,066；9,390,661；和9,412,314；以及美国专利申请公开No.2003/0102858；2004/0246562；2005/0253777；2007/0091418；2007/0103427；2007/0176912；2008/0024429；2008/0024482；2008/0136774；2008/0291129；2008/0303780；2009/0174651；2009/0195568；2009/0322721；2010/0194733；2010/0194789；2010/0220121；2010/0265561；2010/0283804；2011/0063314；2011/0175875；2011/0193840；2011/0193841；2011/0199671；2011/0221740；2012/0001957；2012/0098740；2013/0063333；2013/0194250；2013/0249782；2013/0321278；2014/0009817；2014/0085355；2014/0204012；2014/0218277；2014/0240210；2014/0240373；2014/0253425；2014/0292830；2014/0293398；2014/0333685；2014/0340734；2015/0070744；2015/0097877；2015/0109283；2015/0213749；2015/0213765；2015/0221257；2015/0262255；2015/0262551；2016/0071465；2016/0078820；2016/0093253；2016/0140910；和2016/0180777(这些专利和申请可以在下文中被称为MEDEOD(用于驱动电光显示器的方法)申请)；
(i)显示器的应用；参见例如美国专利No.7,312,784和8,009,348；以及
(j)非电泳显示器，如在美国专利No.6,241,921和美国专利申请公开No.2015/0277160，以及美国专利申请公开No.2015/0005720和2016/0012710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膜与每个单独的液滴相关联；参见例如美国专利No.6,866,760。因此，为了本申请的目的，这样的聚合物分散型的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，带电粒子和流体不被封装在微囊体内，而是保持在载体介质(通常为聚合物薄膜)内形成的多个空腔中。参见例如美国专利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)并且在反射模式下操作，但许多电泳显示器可以制成在所谓的快门模式(shutter mode)下操作，在该模式下，一种显示状态是基本上不透明的，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操作；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操作。在快门模式下操作的电光介质可以用于全彩色显示器的多层结构中；在这样的结构中，与显示器的观察表面相邻的至少一层在快门模式下操作以暴露或隐藏距离观察表面更远的第二层。
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廉价地制造。
如上所述，最简单的现有技术的电泳介质基本上仅显示两种颜色。这种电泳介质使用在具有第二不同颜色的彩色流体中的具有第一颜色的单一类型的电泳粒子(在这种情况下，当粒子位于显示器的观察表面附近时显示第一颜色，当粒子与观察表面分隔时显示第二颜色)，或者在无色流体中的具有不同的第一和第二颜色的第一和第二类型的电泳粒子(在这种情况下，当第一类型的粒子位于显示器的观察表面附近时显示第一颜色，当第二类型的粒子位于观察表面附近时显示第二颜色)。通常这两种颜色是黑色和白色。如果需要全彩色显示器，则可以在单色(黑白)显示器的观察表面上沉积彩色滤波器阵列。具有彩色滤波器阵列的显示器依靠区域共享和颜色混合来创建颜色刺激。可用显示区域在诸如红/绿/蓝(RGB)或红/绿/蓝/白(RGBW)等三种或四种原色之间共享，滤波器可以一维(条纹)或二维(2x2)重复图案布置。原色或多于三种原色的其他选择在本领域中也是已知的。三个(在RGB显示器的情况下)或四个(在RGBW显示器的情况下)子像素被选择得足够小，以便在预期的观察距离处它们在视觉上混合在一起成为具有均匀颜色刺激的单个像素(“颜色混合”)。区域共享的固有缺点是着色剂始终存在，并且只能通过将底层单色显示器的相应像素切换为白色或黑色(打开或关闭相应的原色)来调制颜色。例如，在理想的RGBW显示器中，红色、绿色、蓝色和白色原色各占据显示区域的四分之一(四分之一的子像素)，白色子像素与底层单色显示白色一样亮，并且每个彩色子像素不比单色显示白色的三分之一亮。由显示器整体显示的白色的亮度不能超过白色子像素的亮度的一半(显示器的白色区域是通过如下方式产生的：显示每四个白色子像素中的一个白色子像素，加上每个彩色子像素的彩色形式相当于三分之一的白色子像素，因此三个彩色子像素的总和贡献不超过一个白色子像素)。颜色的亮度和饱和度通过与切换为黑色的彩色像素的区域共享而降低。混合黄色时，区域共享尤其成问题，因为它比亮度相同的任何其他颜色都亮，而饱和的黄色几乎与白色一样亮。将蓝色像素(显示区域的四分之一)切换为黑色会使黄色太暗。
美国专利No.8,576,476和8,797,634描述了具有单个背板的多色电泳显示器，该背板包括可独立寻址的像素电极和公共透光前电极。背板与前电极之间设置有多个电泳层。这些申请中描述的显示器能够在任何像素位置呈现任何原色(红色、绿色、蓝色、青色、品红色、黄色、白色和黑色)。然而，使用位于单组寻址电极之间的多个电泳层存在缺点。特定层中的粒子所经历的电场低于用相同电压寻址的单个电泳层的情况。此外，最靠近观察表面的电泳层中的光学损失(例如，由光散射或不希望的吸收引起)可能影响在下面的电泳层中形成的图像的外观。
已经尝试使用单个电泳层来提供全彩色电泳显示器。例如，美国专利No.8,917,439描述了一种彩色显示器，其包括电泳流体，该电泳流体包括分散在透明且无色或有色的溶剂中的一种或两种类型的颜料粒子，电泳流体设置在公共电极和多个像素或驱动电极之间。驱动电极布置成暴露背景层。美国专利No.9,116,412描述了一种用于驱动显示单元的方法，该显示单元填充有电泳流体，该电泳流体包括带有相反电荷极性且具有两种对比色的两种类型的带电粒子。两种类型的颜料粒子分散在有色溶剂中或分散有不带电或轻微带电的有色粒子的溶剂中。该方法包括通过施加为全驱动电压的约1％至约20％的驱动电压来驱动显示单元以显示溶剂的颜色或不带电或轻微带电的有色粒子的颜色。美国专利No.8,717,664和8,964,282描述了一种电泳流体和一种用于驱动电泳显示器的方法。该流体包含第一、第二和第三类型的颜料粒子，它们全部分散在溶剂或溶剂混合物中。第一和第二类型的颜料粒子带有相反的电荷极性，第三类型的颜料粒子的电荷水平小于第一或第二类型的颜料粒子的电荷水平的约50％。三种类型的颜料粒子具有不同水平的阈值电压，或不同水平的迁移率，或两者。这些专利申请都没有公开下文所用术语意义上的全彩色显示器。
发明内容
本文公开了驱动全彩色电泳显示器的改进方法和使用这些驱动方法的全彩色电泳显示器。在一个方面，本发明涉及一种彩色电泳显示器，包括：在观察表面处的透光电极；包括耦合到像素电极的薄膜晶体管阵列的背板，其中每个薄膜晶体管包括金属氧化物半导体层；以及设置在透光电极与背板之间的彩色电泳介质。彩色电泳介质包括：(a)流体；(b)分散在流体中的多个第一粒子和多个第二粒子，第一粒子和第二粒子带有相反极性的电荷，第一粒子是光散射粒子，第二粒子具有减色原色之一；以及(c)分散在流体中的多个第三粒子和多个第四粒子，第三粒子和第四粒子带有相反极性的电荷，第三粒子和第四粒子各自具有彼此不同且不同于第二粒子的减色原色。
在一些实施例中，分离由第三类型的粒子和第四类型的粒子形成的聚集体所需的第一电场大于分离由任何其他两种类型的粒子形成的聚集体所需的第二电场。在一些实施例中，第二粒子、第三粒子和第四粒子中的至少两种是非光散射的。在一些实施例中，所述第一粒子是白色的，而所述第二粒子、所述第三粒子和所述第四粒子是非光散射的。在一些实施例中，所述第一粒子和所述第三粒子带负电，而所述第二粒子和所述第四粒子带正电。在一些实施例中，所述第一粒子、所述第二粒子、所述第三粒子和所述第四粒子分别为白色、青色、黄色和品红色，白色粒子和黄色粒子带负电，品红色粒子和青色粒子带正电。在一些实施例中，当颜料以按体积的15％近似各向同性地分布在包含所述颜料和折射率小于1.55的液体的厚度为1μm的层中时，黄色颜料、品红色颜料和青色颜料分别在650、550和450nm下在黑色背景上测量的漫反射率小于2.5％。在一些实施例中，所述液体是介电常数小于约5的非极性液体。在一些实施例中，所述流体中溶解或分散有数均分子量超过约20,000且基本上不吸附在粒子上的聚合物。在一些实施例中，金属氧化物半导体是氧化铟镓锌(IGZO)。上述发明可以结合到电子书阅读器、便携式计算机、平板计算机、蜂窝电话、智能卡、标牌、手表、货架标签或闪存驱动器中。
在另一方面，一种彩色电泳显示器包括控制器、位于观察表面处的透光电极和包括耦合到像素电极的薄膜晶体管阵列的背板，每个薄膜晶体管包括金属氧化物半导体层。彩色电泳介质设置在所述透光电极与所述背板之间，彩色电泳介质包括：(a)流体；(b)分散在所述流体中的多个第一粒子和多个第二粒子，所述第一粒子和所述第二粒子带有相反极性的电荷，所述第一粒子是光散射粒子，所述第二粒子具有减色原色之一；以及(c)分散在所述流体中的多个第三粒子和多个第四粒子，所述第三粒子和所述第四粒子带有相反极性的电荷，所述第三粒子和所述第四粒子各自具有彼此不同且不同于所述第二粒子的减色原色。所述控制器被配置为向所述像素电极提供多个驱动电压，使得能够在每个像素电极处显示白色、黄色、红色、品红色、蓝色、青色、绿色和黑色，同时将所述透光电极保持在恒定电压。在一些实施例中，所述控制器被配置为向所述像素电极提供大于25V的电压以及小于-25V的电压。在一些实施例中，所述控制器被配置为另外提供25V和0V之间的电压以及-25V和0V之间的电压。在一些实施例中，金属氧化物半导体是氧化铟镓锌(IGZO)。
在另一方面，一种彩色电泳显示器包括控制器、位于观察表面处的透光电极、背板电极以及设置在透光电极与背板电极之间的彩色电泳介质。彩色电泳介质包括：(a)流体；(b)分散在所述流体中的多个第一粒子和多个第二粒子，所述第一粒子和所述第二粒子带有相反极性的电荷，所述第一粒子是光散射粒子，所述第二粒子具有减色原色之一；以及(c)分散在所述流体中的多个第三粒子和多个第四粒子，所述第三粒子和所述第四粒子带有相反极性的电荷，所述第三粒子和所述第四粒子各自具有彼此不同且不同于所述第二粒子的减色原色。所述控制器被配置为向所述透光电极提供第一高电压和第一低电压，以及向所述背板电极提供第二高电压、零电压和第二低电压，使得能够在所述观察表面处显示白色、黄色、红色、品红色、蓝色、青色、绿色和黑色，其中，所述第一高电压、所述第一低电压、所述第二高电压以及所述第二低电压中的至少一个的幅度不同。在一些实施例中，所述第一高电压的幅度与所述第二高电压的幅度相同。在一些实施例中，所述第一低电压的幅度与所述第二低电压的幅度相同，以及所述第一高电压的幅度与所述第一低电压的幅度不同。
另一方面，一种彩色电泳显示器包括：控制器；位于观察表面处的透光电极；背板电极；以及设置在透光电极与背板电极之间的彩色电泳介质。彩色电泳介质包括：(a)流体；(b)分散在所述流体中的多个第一粒子和多个第二粒子，所述第一粒子和所述第二粒子带有相反极性的电荷，所述第一粒子是光散射粒子，所述第二粒子具有减色原色之一；以及(c)分散在所述流体中的多个第三粒子和多个第四粒子，所述第三粒子和所述第四粒子带有相反极性的电荷，所述第三粒子和所述第四粒子各自具有彼此不同且不同于所述第二粒子的减色原色。所述控制器被配置为通过向所述背板电极提供与多个时间相关的驱动电压之一、同时向所述透光电极提供以下驱动电压之一使得在所述观察表面处显示白色、黄色、红色、品红色、蓝色、青色、绿色和黑色：1)第一时间的高电压，第二时间的低电压，以及第三时间的高电压，或2)第一时间的低电压，第二时间的高电压，以及第三时间的低电压。
附图说明
图1是示出在显示黑色、白色、三种减色原色以及三种加色原色时本发明的电泳介质中的各种有色粒子的位置的横截面示意图。
图2A以示意图形式示出了在多粒子电泳介质中使用的四种类型的不同颜料粒子。
图2B以示意图形式示出了在多粒子电泳介质中使用的四种类型的不同颜料粒子。
图3示出了电泳显示器的单个像素的示例性等效电路。
图4示出了示例性电泳彩色显示器的层。
图5示出了用于寻址包括三种减色粒子和一种散射(白色)粒子的电泳介质的示例性推挽驱动方案。
图6是来自现有技术的示例性波形，包括两部分复位阶段(A)和颜色转变阶段(B)，其使用顶板切换来实现。
图7描绘了四粒子全彩色电泳显示器的更新中可用色域与偶极子(“闪烁”)数量之间的相关性。
图8描绘了用于在包括三种减色粒子和一种散射(白色)粒子的电泳介质中产生八种颜色的简化的顶板驱动波形。
图9示出了在包括三种减色粒子和一种散射(白色)粒子的电泳介质中将顶板电压轨道修改+2V的计算效果。
图10示出了在包括三种减色粒子和一种散射(白色)粒子的电泳介质中将背板电压轨道修改+2V的计算效果。
图11示出了在包括三种减色粒子和一种散射(白色)粒子的电泳介质中将顶板电压轨道和背板电压轨道两者修改+2V和-2V的计算效果。
具体实施方式
本发明包括用于驱动四粒子电泳介质的改进方法，其中至少两种粒子是有色的和减色的并且至少一种粒子是散射的。通常，这样的***包括白色粒子和青色、黄色和品红色减色原色粒子。这样的***在图1中被示意性地示出，它可以在每个像素处提供白色、黄色、红色、品红色、蓝色、青色、绿色和黑色。
在ACeP的实例中，八种主要颜色(红色、绿色、蓝色、青色、品红色、黄色、黑色和白色)中的每一种都对应于四种颜料的不同布置，以使得观察者只能看到位于白色颜料(即散射光的唯一颜料)的观察侧上的那些有色颜料。已经发现，将四种颜料分类为适当的配置以产生这些颜色的波形需要至少五个电压电平(高正、低正、零、低负、高负)。参见图1。为了实现更广泛的颜色范围，必须使用额外的电压电平来更好地控制颜料。本发明提供了几种改进的方式来驱动这种电泳介质，从而使像素颜色的刷新更快、不那么闪烁，并产生更令观察者满意的色谱。
提供三种减色原色的三种粒子可以是基本上非光散射的(“SNLS”)。SNLS粒子的使用允许混合颜色并提供比使用相同数量的散射粒子所能实现的更多的颜色结果。这些阈值必须充分分离以避免串扰，并且这种分离需要对某些颜色使用高寻址电压。此外，寻址具有最高阈值的有色粒子也会移动所有其他有色粒子，并且这些其他粒子随后必须在较低电压下切换到它们的期望位置。这种阶梯式颜色寻址方案会产生不希望的颜色闪烁和较长的转变时间。本发明不需要使用这样的阶梯式波形，并且如下所述，可以只用两个正电压和两个负电压来实现对所有颜色的寻址(即，在显示器中只需要五个不同的电压，即两个正电压、两个负电压和零电压，尽管如以下在某些实施例中所述，可以优选使用更多不同的电压来寻址显示器)。
如前所述，附图中的图1是示出在显示黑色、白色、三种减色原色和三种加色原色时本发明的电泳介质中的各种粒子的位置的横截面示意图。在图1中，假设显示器的观察表面在顶部(如图所示)，即用户从这个方向观察显示器，并且光从这个方向入射。如已经指出的，在优选实施例中，在本发明的电泳介质中使用的四种粒子中只有一种基本上散射光，并且在图1中，该粒子被假设为白色颜料。这种光散射的白色粒子形成白色反射器，凭借该反射器，在白色粒子上方的任何粒子(如图1所示)都可以被观察。进入显示器观察表面的光穿过这些粒子，被白色粒子反射，再穿过这些粒子返回并从显示器射出。因此，白色粒子上方的粒子可以吸收各种颜色并且呈现给用户的颜色是由白色粒子上方的粒子的组合产生的。位于白色粒子下方(从用户的视角来看在后面)的任何粒子都会被白色粒子掩蔽，并且不会影响所显示的颜色。因为第二、第三和第四粒子基本上是非光散射的，所以它们相对于彼此的顺序或布置并不重要，但是出于已经陈述的原因，它们相对于白色(光散射)粒子的顺序或布置是关键的。
更具体地，当青色、品红色和黄色粒子位于白色粒子下方时(图1中的情况[A])，白色粒子上方没有粒子并且像素仅显示白色。当单种粒子位于白色粒子上方时，该单种粒子的颜色在图1的情况[B]、[D]和[F]中分别显示为黄色、品红色和青色。当两种粒子位于白色粒子上方时，所显示的颜色是这两种粒子的颜色组合；在图1中，在情况[C]中，品红色和黄色粒子显示红色，在情况[E]中，青色和品红色粒子显示蓝色，以及在情况[G]中，黄色和青色粒子显示绿色。最后，当所有三种有色粒子都位于白色粒子上方时(图1中的情况[H])，所有入射光被三种减色原色粒子吸收并且像素显示黑色。
一种减色原色可以由散射光的一种粒子呈现，因此显示器将包含两种类型的光散射粒子，其中一种是白色的，另一种是有色的。然而，在这种情况下，光散射有色粒子相对于覆盖在白色粒子上的其他有色粒子的位置将是重要的。例如，在呈现黑色时(当所有三种有色粒子都位于白色粒子上方时)，散射有色粒子不能位于非散射有色粒子上方(否则它们将部分或完全隐藏在散射粒子后面，呈现的颜色将是散射有色粒子的颜色，而不是黑色)。
如果超过一种类型的有色粒子散射光，则不容易呈现黑色。
图1示出了一种理想化的情况，其中颜色未被污染(即，光散射白色粒子完全掩蔽了位于白色粒子后面的任何粒子)。实际上，白色粒子的掩蔽可能不完美，因此理想情况下会被完全掩蔽的粒子可能对光有少量的吸收。这种污染通常会降低所呈现颜色的亮度和色度。在本发明的电泳介质中，这种颜色污染应该被最小化到所形成的颜色与颜色再现的工业标准相称的程度。一个特别受欢迎的标准是SNAP(报纸广告制作标准)，它为上面提到的八种原色中的每一种指定了L*、a*和b*值。(下文中，“原色”将用于指代如图1所示的八种颜色，即黑色、白色、三种减色原色和三种加色原色。)
图2A和2B示出了本发明优选实施例中使用的四种颜料类型(1-4；5-8)的横截面示意图。在图2A中，吸附到核心颜料上的聚合物壳由深色阴影表示，而核心颜料本身显示为无阴影。多种形式可用于核心颜料：球形、针状或其他不等轴形、较小粒子的聚集体(即“葡萄簇”)、包含分散在粘结剂中的小颜料粒子或染料的复合粒子，等等，如本领域公知的。聚合物壳可以是通过本领域公知的接枝过程或化学吸附制成的共价键合聚合物，或者可以物理吸附到粒子表面上。例如，聚合物可以是包含不溶性和可溶性链段的嵌段共聚物。将聚合物壳固定到核心颜料上的一些方法在下面的示例中描述。
在图2A的实施例中，第一和第二粒子类型优选具有比第三和第四粒子类型更坚固的聚合物壳。光散射白色粒子属于第一或第二类型(带负电或带正电)。在接下来的讨论中，假设白色粒子带负电(即，属于类型1)，但本领域技术人员将清楚，所描述的一般原理将适用于一组粒子，其中白色粒子带正电。
此外，如图2B所示，与第三和第四粒子类型相比，第一和第二粒子类型不需要具有不同的聚合物壳。如图2B所示，四种粒子上的足够差分电荷将允许对粒子进行电泳控制并在观察表面处创建期望颜色。例如，粒子5可以具有比粒子7更大量级的负电荷，而与粒子8相比，粒子6具有更大量级的正电荷。也可以使用聚合物官能度和电荷(或粒度)的其他组合；但是，必须是这样的情况，即所有四种粒子都可以在存在合适电场的情况下彼此分离，该电场例如是可以用商业数字电子器件产生的低压电场。
在图2A的***中，本发明在含有电荷控制剂的悬浮溶剂中分离由类型3和4的粒子的混合物形成的聚集体所需的电场大于分离由两种类型的粒子的任何其他组合形成的聚集体所需的电场。另一方面，分离第一和第二类型的粒子之间形成的聚集体所需的电场小于分离第一和第四粒子或第二和第三粒子之间形成的聚集体所需的电场(当然小于分离第三和第四粒子所需的电场)。
在图2A中，包含粒子的核心颜料被显示为具有大致相同的尺寸，并且每个粒子的电动电势(尽管未显示)被假设为大致相同。不同的是围绕每种核心颜料的聚合物壳的厚度。如图2A所示，类型1和2的粒子的聚合物壳比类型3和4的粒子的聚合物壳厚。
为了获得高分辨率显示器，显示器的各个像素必须是可寻址的，而不受相邻像素的干扰。实现该目标的一种方式是提供非线性元件阵列，例如晶体管或二极管，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。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，并且在下面的描述中将假设这种布置，尽管它本质上是任意的并且像素电极可以连接到晶体管的源极。通常，在高分辨率阵列中，像素被布置成行和列的二维阵列，使得任何特定像素由一个指定行和一个指定列的交集唯一定义。每列中所有晶体管的源极连接到单个列电极，而每行中所有晶体管的栅极连接到单个行电极；同样，源极到行和栅极到列的分配是常规的但基本上是任意的，并且如果需要可以颠倒。行电极连接到行驱动器，这基本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选择电压以确保所选择的行中的所有晶体管是导通的，同时向所有其他行施加非选择电压以确保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，列驱动器在各个列电极上施加电压，电压被选择为将所选择的行中的像素驱动到它们的期望光学状态。(上述电压是相对于公共前电极而言的，该前电极通常设置在电光介质的与非线性阵列相对的一侧上，并延伸穿过整个显示器。)在被称为“线寻址时间”的预选择间隔之后，取消选择所选择的行，选择下一行，并改变列驱动器上的电压，以便写入显示器的下一条线。重复此过程，以便以逐行方式写入整个显示器。
传统上，每个像素电极具有与其相关联的电容器电极，使得像素电极和电容器电极形成电容器；参见例如国际专利申请WO 01/07961。在一些实施例中，N型半导体(例如，非晶硅)可以用于形成晶体管，并且施加到栅电极的“选择”和“非选择”电压可以分别是正的和负的。
附图的图3描绘了电泳显示器的单个像素的示例性等效电路。如图所示，该电路包括形成在像素电极和电容器电极之间的电容器10。电泳介质20表示为并联的电容器和电阻器。在一些情况下，与像素相关联的晶体管的栅电极和像素电极之间的直接或间接耦合电容30(通常被称为“寄生电容”)可能对显示器产生不希望的噪声。通常，寄生电容30远小于存储电容器10的电容，当显示器的像素行被选择或取消选择时，寄生电容30可能对像素电极造成小的负偏移电压，也被称为“反冲电压”，通常小于2伏。在一些实施例中，为了补偿不希望的“反冲电压”，可以向与每个像素相关联的顶板电极和电容器电极提供公共电势Vcom，使得当Vcom被设置为等于反冲电压(VKB)的值时，提供给显示器的每个电压都可以偏移相同的量，并且没有经历净直流不平衡。
然而，当Vcom被设置为未补偿反冲电压的电压时，可能会出现问题。当希望向显示器施加比可单独从背板获得的电压更高的电压时，可能会发生这种情况。在本领域中众所周知，例如，如果为背板提供标称+V、0或-V的选择，例如，当为Vcom提供-V时，则施加到显示器的最大电压可以加倍。在这种情况下经历的最大电压为+2V(即在相对于顶板的背板处)，而最小值为零。如果需要负电压，则Vcom电势必须至少升高到零。因此，用于使用顶板切换以正电压和负电压寻址显示器的波形必须将特定帧分配给多于一个Vcom电压设置中的每一个。
美国专利No.9,921,451中描述了用于驱动具有四种粒子的彩色电泳显示器的一组波形，该专利通过引用并入本文。在美国专利No.9,921,451中，七个不同的电压被施加到像素电极：三个正电压、三个负电压和零电压。然而，在一些实施例中，这些波形中使用的最大电压高于非晶硅薄膜晶体管可以处理的电压。在这种情况下，可以通过使用顶板切换来获得合适的高电压。当(如上所述)有意将Vcom设置为VKB时，可以使用单独的电源。然而，当使用顶板切换时，使用与Vcom设置一样多的独立电源既昂贵又不方便。此外，已知顶板切换会增加反冲，从而降低颜色状态的稳定性。
显示装置可以使用本发明的电泳流体以现有技术中已知的几种方式构造。电泳流体可以被封装在微囊体中或并入随后用聚合物层密封的微单元结构中。可以将微囊体或微单元层涂布或压印到带有透明导电材料涂层的塑料基板或薄膜上。可以使用导电粘合剂将该组件层压到带有像素电极的背板。可替代地，电泳流体可以被直接分配在已经布置在包括像素电极的有源矩阵的背板上的薄开孔网格上。然后可以用集成的保护片/透光电极对填充的网格进行顶部密封。
图4示出了适用于本发明的显示结构200的横截面示意图(未按比例)。在显示器200中，电泳流体被示为限制在微杯中，尽管也可以使用包含微囊体的等效结构。可以是玻璃或塑料的基板202带有像素电极204，像素电极204是单独寻址的片段或者与有源矩阵布置中的薄膜晶体管相关联。(基板202和电极204的组合通常被称为显示器的背板。)层206是根据本发明施加到背板上的可选介电层。(在通过引用并入的美国专利申请No.16/862,750中描述了用于沉积合适介电层的方法。)显示器的前板包括带有透明导电涂层220的透明基板222。覆盖电极层220是可选的介电层218。一个层(或多个层)216是聚合物层，其可以包括用于将微杯粘附到透明电极层220的基础层和构成微杯底部的一些残余聚合物。微杯212的壁用于容纳电泳流体214。微杯用层210密封，整个前板结构使用导电粘合剂层208粘附到背板上。在现有技术中例如在美国专利No.6,930,818中描述了用于形成微杯的过程。在一些情况下，微杯的深度小于20微米，例如，深度小于15微米，例如，深度小于12微米，例如，深度约10微米，例如，深度约8微米。
由于制造设施的广泛可用性和各种起始材料的成本，大多数商用电泳显示器在有源矩阵背板(202/024)的构造中使用基于非晶硅的薄膜晶体管(TFT)。不幸的是，非晶硅薄膜晶体管在提供允许高于大约+/-15V的电压切换的栅极电压时变得不稳定。尽管如此，如下所述，当允许高正负电压的幅度超过+/-15V时，ACeP的性能得到改善。因此，如之前的公开所述，通过另外相对于背板像素电极上的偏压改变顶部透光电极的偏压实现改善的性能，其也被称为顶板切换。因此，如果需要+30V(相对于背板)的电压，则可以将顶板切换至-15V，同时将适当的背板像素切换至+15V。用于利用顶板切换驱动四粒子电泳***的方法在例如美国专利No.9,921,451中有更详细的描述。
顶板切换方法有几个缺点。首先，当(通常情况下)顶板没有像素化而是在显示器的整个表面上延伸的单个电极时，其电势会影响显示器中的每个像素。如果它被设置为匹配可从背板获得的最大幅度的电压之一(例如，最大的正电压)，当该电压在背板上生效时，墨水上将没有净电压。当向背板提供任何其他可用电压时，将始终向显示器中的任何像素提供负极性的电压。因此，如果波形需要正电压，则在顶板电压改变之前不能将其提供给任何像素。用于第三实施例的多色显示器的典型波形使用正极性和负极性的多个脉冲，并且这些脉冲的长度与用于产生不同颜色的波形的长度不同。此外，不同颜色的波形的相位可能不同：换句话说，对于某些颜色，正脉冲可能先于负脉冲，而对于其他颜色，负脉冲可能先于正脉冲。为了适应这种情况，必须在波形中加入“休止”(即暂停)。实际上，这会导致波形比理想情况下需要的长得多(多达两倍)。
其次，在顶板切换中，对可选择的电压电平存在限制。如果施加到顶板的电压分别表示为Vt+和Vt-，施加到背板的电压分别表示为Vb+和Vb-，以便在电泳流体中实现零伏条件，则必须为|Vt+|＝|Vb+|和|Vt-|＝|Vb-|。然而，正电压和负电压的幅度不必相同。
在先进彩色电子纸(ACeP)的先前实施例中，描述并绘制了施加到本发明的显示器的背板的像素电极的波形(电压对时间曲线)，同时假设前电极接地(即处于零电势)。电泳介质所经历的电场当然是由背板和前电极之间的电势差以及它们之间的距离决定的。通常通过其前电极观察显示器，因此正是与前电极相邻的粒子控制像素显示的颜色，如果考虑前电极相对于背板的电势，有时更容易理解所涉及的光学转变；这可以简单地通过反转下面讨论的波形来完成。
这些波形要求显示器的每个像素可以在以下五个不同的寻址电压下驱动：指定为+Vhigh、+Vlow、0、-Vlow和-Vhigh，示出为30V、15V、0、-15V和-30V。实际上，可能优选使用更大数量的寻址电压。如果只有三个电压可用(即+Vhigh、0和-Vhigh)，则可以通过利用电压为Vhigh但占空比为1/n的脉冲寻址来实现与在较低电压(例如Vhigh/n，其中n是大于1的正整数)下寻址相同的结果。
图5示出了用于驱动上述四粒子彩色电泳显示***的典型波形(简化形式)。这种波形具有“推挽”结构：即，它们由一个偶极子组成，偶极子包含两个极性相反的脉冲。这些脉冲的幅度和长度决定了获得的颜色。至少应该有五个这样的电压电平。图5示出了高低正负电压，以及零伏。通常，“低”(L)指的是大约5–15V的范围，而“高”(H)指的是大约15–30V的范围。一般来说，“高”电压的幅度越高，显示器实现的色域就越佳。“中等”(M)电平通常在15V左右；然而，M的值将在一定程度上取决于粒子的组成以及电泳介质的环境。
尽管图5示出了形成颜色所需的最简单的偶极子，但应理解，实际波形可能会多次重复这些模式，或使用超过五个电压电平的其他非周期性模式。
因此，通用驱动电压要求驱动电子器件在更新显示器的所选择的像素期间向数据线提供多达七个不同的电压(+H、+M、+L、0、-L、-M、-H)。虽然能够提供七个不同电压的多电平源极驱动器可用，但大多数用于电泳显示器的市售源极驱动器仅允许在单个帧期间提供三个不同的电压(通常为正电压、零电压和负电压)。因此，如前所述，有必要修改图5的通用波形以适应三电平源极驱动器架构，前提是提供给背板的三个电压(通常为+V、0和–V)可以从一帧到下一帧改变。其余的电压电平可以通过使用“顶板切换余驱动方案来实现，其中透光(顶板)公共电极在–V、0和+V之间切换，而施加到像素电极的电压也可以从–V、0到+V变化，当公共电极处于0时处理一个方向的像素转变，当公共电极处于+V时处理另一个方向的转变。
当然，用图5的驱动脉冲实现期望的颜色取决于从已知状态开始处理的粒子，该已知状态不太可能是像素上显示的最后一种颜色。因此，一系列复位脉冲先于驱动脉冲，这增加了将像素从第一颜色更新为第二颜色所需的时间量。在通过引用并入的美国专利No.10,593,272中更详细地描述了复位脉冲。这些脉冲(刷新和寻址)和任何休止(即，它们之间的零电压周期)的长度可以被选择，以使得整个波形(即，整个波形上电压相对于时间的积分)是直流平衡的(即，电压随时间的积分基本为零)。直流平衡可以通过调整复位阶段脉冲和休止的长度来实现，使得在复位阶段提供的净冲激与在寻址阶段提供的净冲激的幅度相等，符号相反，在寻址阶段期间显示器被切换到特定的期望颜色。
此外，前面对波形的讨论，特别是对直流平衡的讨论，忽略了反冲电压的问题。实际上，如前所述，每个背板电压都从电源供应的电压偏移等于反冲电压VKB的量。因此，如果使用的电源提供三个电压+V、0和-V，则背板实际上会接收电压V+VKB、VKB和–V+VKB(请注意，在非晶硅TFT的情况下，VKB通常为负数)。然而，相同的电源会在没有任何反冲电压偏移的情况下向前电极提供+V、0和–V。因此，例如，当向前电极提供–V时，显示器将经历2V+VKB的最大电压和VKB的最小电压。代替使用单独的电源向前电极提供VKB(这可能是昂贵且不方便的)，可以将波形划分成多个部分，其中前电极被提供正电压、负电压和VKB。反冲除外。
在使用非晶硅晶体管控制的商业实施例中，可以向像素电极施加七个不同的电压：三个正电压、三个负电压和零电压。一旦考虑到顶板切换、复位脉冲和直流平衡的复杂性，生成的波形就相当复杂。例如，取自美国专利No.10,593,272的图6示意性地描绘了一种用于显示单一颜色的此类波形。如图6所示，每种颜色的波形都具有相同的基本形式：即波形本质上是直流平衡的，可以包含两个部分或两个阶段：(1)用于将显示器“复位”到如下状态的初步系列的帧，从该状态可以重现地获得任何颜色，并且在该状态期间提供与波形的其余部分的直流不平衡相等和相反的直流不平衡，以及(2)特定于要呈现的颜色的一系列帧；比照图6所示波形的部分A和B。
在第一“复位”阶段期间，显示器的复位理想地擦除了先前状态的任何记忆，包括特定于先前显示的颜色的残余电压和颜料配置。当在“复位/直流平衡”阶段以最大可能电压寻址显示器时，这种擦除最有效。此外，在此阶段可以分配足够的帧以允许平衡最不平衡的颜色转变。由于某些颜色在波形的第二部分需要正直流平衡，而其他颜色需要负平衡，因此在“复位/直流平衡，阶段的大约一半帧中，前电极电压Vcom被设置为VpH(允许背板和前电极之间的最大可能负电压)，在其余部分，Vcom被设置为VnH(允许背板和前电极之间的最大可能正电压)。根据经验，已经发现最好在Vcom＝VnH帧之前放置Vcom＝VpH帧。
“期望的”波形(即，期望施加在电泳介质上的实际电压对时间曲线)在图6的底部示出，并且其利用顶板切换的实现如上所示，其中示出了施加到前电极(Vcom)和背板(BP)的电势。假设列驱动器用于连接到能够提供以下电压的电源：VpH、VnH(最高的正负电压，通常在±10–15V的范围内)、VpL、VnL(较低的正负电压，通常在±1-10V的范围内)和零。除了这些电压之外，反冲电压VKB(特定于所使用的特定背板的较小值，如美国专利No.7,034,783中所述测量)可以通过附加电源提供给前电极。如图6所示，每个背板电压从电源供应的电压偏移VKB(显示为负数)，而前电极电压不如此偏移，除非前电极被明确设置为VKB，如上所述。
基于来自***的反馈，已经确定诸如图6所示的驱动脉冲(波形)A)太长，B)太闪烁。(“闪烁”指的是在更新过程中出现过多的最终状态颜料地址，其被称为“偶极子”。随着每次更新的偶极子数量增加，观察者更有可能感觉到显示器正在“闪烁”，即使显示器没有发光。)
简化的顶板切换
为了减少更新的时间长度和闪烁，可以降低前板切换的复杂性以换取较少数量的可用颜色。作为偶极子(“闪烁”)数量的函数的可用色域的计算如图7所示。另外，由于粒子在电泳介质中的速度有限，因此施加偶极子的时间量也会影响色域的大小。
图8示出了这样一种解决方案，其中使用了简化的顶板切换脉冲序列(左上图)，简化的背板脉冲序列(左；下)与单个顶板序列相匹配，从而提供至少明显的颜色。顶板在两个电压即一个正电压和一个负电压之间切换，而背板可以采用三个不同的电压：正电压、负电压和零电压。(在图8中，电压电平是相对的，即1、0、-1，但在许多情况下实际上是15V、0和-15V，这与包括非晶硅薄膜晶体管的商业背板的典型情况一样。)请注意，通过从背板脉冲序列(图8左)中减去顶板脉冲序列，实现了图5中的八个颜色序列(图8右)。可以理解，对于图5和图8中的脉冲序列，电泳流体包括带负电的白色颜料、带正电的品红色颜料和青色颜料，黄色颜料可以带正电或带负电，或者基本上是中性的。其他颜色/电荷组合也是可能的，并且可以相应地调整波形。
如前所述，在图8的波形中，至少需要五个不同的电压。在有源矩阵驱动环境中，这可以通过以下来实现：(a)在特定时间选择特定行时向列提供五个不同电压的选择，或者(b)当第一次选择特定行时向列提供较少(例如，三个)不同电压的选择，并且当第二次选择同一行时提供不同组的电压，或者(c)在第一次和第二次向列提供三个电压的相同选择，但在第一次和第二次之间改变前电极的电势。当需要提供的至少一个电压高于背板电子器件可以支持的电压时，选项(c)特别有用。
因为在顶板切换时不可能同时使高正电势和高负电势生效，因此有必要相对于背板的-/+偶极子偏移顶板的+/-偶极子。在图8所示的波形中，每次转变只有一个偶极子。这提供了尽可能少的“闪烁”波形，因为每个偶极子都会导致显示器出现两次可见的光学变化。在选择每行时可以向背板电极提供五个不同电压电平的情况下，并且在背板电子器件可以支持所需的最高电压的情况下，没有必要以图8所示的方式偏移偶极子。
利用修改后的轨道电压的驱动
对于图8的驱动序列，施加到顶板的电压分别表示为Vt+和Vt-，施加到背板的电压分别表示为Vb+和Vb-，以及|Vt+|＝|Vt-|＝|Vb+|＝|Vb-|＝V。因此，当最大电源电压为+/-15伏时(商用背板的典型情况)，电泳介质上的电压变为30V、28V、0V、-28V和-30V。
然而，顶板电极和背板电极的最大电压幅度(即“轨道”)不必相同。例如，可以根据某个标称最大电压幅度值V来计算轨道电压偏移。每个轨道的偏移可以表示为w、x、y和z，同时假设零电压轨道保持为零而不施加到顶板。(也就是说，顶板只有高和低，而背板有高、低和零，如图8所示。)
因此：
Vt+＝V+w
Vt-＝-V+x
Vb+＝V+y
Vb-＝-V+z
Vb0＝0
以背板电压为参考，当顶板被设置为Vt+时，可以对电泳墨水施加高、中、低幅度的三个不同的负电压，表示为VH-、VM-和VL-，(即Vb-Vt，其中Vb可以取上面显示的三个值中的任何一个)。
这些电压是：
VH-＝-2V+z-w
VM-＝-V-w
VL-＝y-w
顶板被设置为Vt-时可用的电压为：
VH+＝2V+y-x
VM+＝V-x
VL+＝z-x
很明显，当w＝x＝y＝z时，只有中间电压VM+和VM-受偏移影响。因此，可以将高电压幅度保持为2V，将零电压保持为零，同时将中间电压均减少偏移量(假设为正)。两个中间电压之间的差值始终为2V。
例如，在五级驱动***中，如果顶板轨道增加(或减少)某个量δ，即w＝δ或x＝δ，而背板轨道保持不变，则一些驱动电压的总体幅度将增加(或减少)，并且由于VL+和VL-状态不同，偏移将产生新的驱动电平。当w＝δ或x＝δ和δ＝+2V时，可以计算这种变化的影响，并在图9中以图形方式显示。在图9中，显示了八种原色随着驱动电压的修改而变化。在图9中，空心正方形表示“基础”、均匀分布的驱动电平，实心三角形表示最高驱动电平的额外+2V，而所有其他电平保持不变，实心圆表示针对中间顶部驱动电压的额外+2V，而所有其他状态保持在基础驱动情况下。从图9可以看出，仅将单个顶板轨道修改+2V只会产生很小的影响。(将空心圆与实心三角形和实心圆的位置进行比较。)当对正轨道施加正偏移时，最大的改变出现在白色状态(图9的中心)，在这种情况下b*(不期望地)上升。
以类似的方式，背板轨道可以增加(或减少)某个量δ，即y＝δ或z＝δ，而顶板轨道保持不变。在图10中示出了y＝z＝δ＝+2V的类似背板轨道调整的效果。在图10中，显示了八种原色随着驱动电压的修改而变化。在图10中，空心正方形表示“基础”、均匀分布的驱动电平，实心三角形表示最低驱动电平的额外+2V，而所有其他电平保持不变，实心圆表示中间较低的驱动电压的额外+2V，而所有其他状态保持在基础驱动情况下。虽然性能的改变并不明显，但当正轨道或负轨道被修改+2V时，黄色会变得越来越绿。这通常是不期望的，因为它会导致例如肤色看起来呈绿色。然而，在一些数字标牌应用中，可能更喜欢用黄色调换取更强烈的绿色调。
令人惊讶的是，当相同的偏移δ＝w＝x＝y＝z应用于所有四个轨道电压时，电光性能会发生更明显的偏移，从而提供调整电泳介质的颜色性能的机会，如根据特定应用可能要求的。在图11中，显示了八种原色随着驱动电压的修改而变化。在图11中，空心正方形表示“基础”、均匀分布的驱动电平，实心三角形表示针对所有驱动电平的额外+2V，而实心圆表示针对所有驱动电平的额外-2V。在图11中，计算了电光性能，其中δ为-2V、0和+2V，电光响应的偏移用箭头表示。可以看出，一些状态(黄色、红色、青色)仅非常轻微地受偏移改变的影响，而白色和品红色状态随着偏移变得更负而向更负的b*大幅地偏移。从上面的等式可以看出，使偏移更负使VM-不那么负而VM+更正。这些影响中最重要的是白色状态下b*的减少。
因此，综合起来，这些结果意味着最有用的调整是对所有四个电压轨道施加相同的偏移。这使得能够在不影响高压幅度或零电压的情况下改变中压(VM)电平。这样做可以调整白色状态，使其更加中性，尤其是在b*维度中。
利用金属氧化物背板的更高电压寻址
虽然修改轨道电压在实现与四粒子电泳***不同的电光性能方面提供了一些灵活性，但顶板切换引入了许多限制。例如，为了用本发明的显示器形成白色状态，通常优选较低的负电压VM-小于最大负电压VH-的一半。然而，如上面的等式所示，顶板切换要求较低的正电压始终至少为最大正电压的一半，通常超过一半。
可以通过从具有更高电子迁移率的不太常见的材料制造控制晶体管来提供顶板切换的复杂性的替代解决方案，从而允许晶体管直接切换更大的控制电压，例如+/-30V。新开发的有源矩阵背板可以包括结合金属氧化物材料的薄膜晶体管，该金属氧化物材料例如为氧化钨、氧化锡、氧化铟和氧化锌。在这些应用中，使用这种金属氧化物材料为每个晶体管形成沟道形成区域，从而允许更快地切换更高的电压。这种晶体管通常包括栅电极、栅极绝缘薄膜(通常为SiO2)、金属源电极、金属漏电极和栅极绝缘薄膜上方的金属氧化物半导体薄膜，该金属氧化物半导体薄膜至少部分地与栅电极、源电极和漏电极重叠。此类背板可从夏普/富士康、LG和BOE等制造商处获得。
用于此类应用的一种优选金属氧化物材料是氧化铟镓锌(IGZO)。IGZO-TFT的电子迁移率是非晶硅的20-50倍。通过在有源矩阵背板中使用IGZO TFT，可以通过合适的显示驱动器提供大于30V的电压。此外，能够提供至少五个、以及优选地七个电平的源极驱动器为四粒子电泳显示***提供了不同的驱动范例。在一个实施例中，将有两个正电压、两个负电压和零伏。在另一个实施例中，将有三个正电压、三个负电压和零伏。在一个实施例中，将有四个正电压、四个负电压和零伏。这些电平可以在大约-27V到+27V的范围内选择，而不受如上所述的顶板切换强加的限制。
使用先进的背板，例如金属氧化物背板，可以用合适的推挽波形直接寻址每个像素，即，如图5中所描述的。这大大减少了更新每个像素所需的时间，在某些情况下将六秒的更新时间转换为不到一秒。虽然在某些情况下，可能需要使用复位脉冲来建立寻址起点，但在较高电压下可以更快地完成复位。另外，在具有减少的颜色集的四色电泳显示器中，可以利用仅略长于图5中所示的推挽波形的特定波形直接从第一颜色驱动到第二颜色。
因此，本发明提供能够在没有顶板切换的情况下直接寻址电泳介质的全彩色电泳显示器，以及用于这种电泳显示器的波形。已经如此描述了本申请的技术的几个方面和实施例，应当理解，本领域的普通技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。这样的改变、修改和改进旨在在本申请中描述的技术的精神和范围内。例如，本领域的普通技术人员将容易地设想用于执行功能和/或获得本文描述的结果和/或一个或多个优点的各种其他装置和/或结构，以及这些变型和/或修改中的每一个被认为在本文描述的实施例的范围内。本领域的技术人员将认识到或仅使用常规实验能够确定本文所述的特定实施例的许多等同物。因此，应当理解，前述实施例仅以示例的方式呈现，并且在所附权利要求及其等同物的范围内，可以以不同于具体描述的方式实践本发明的实施例。此外，本文所述的两个或更多个特征、***、物品、材料、套件和/或方法的任何组合(如果这些特征、***、物品、材料、套件和/或方法不相互不一致)被包括在本公开的范围内。

Claims (19)

1.一种彩色电泳显示器，包括：
位于观察表面处的透光电极；
背板，包括耦合到像素电极的薄膜晶体管阵列，每个薄膜晶体管包括金属氧化物半导体层；以及
彩色电泳介质，设置在所述透光电极与所述背板之间，所述彩色电泳介质包括：
(a)流体；
(b)分散在所述流体中的多个第一粒子和多个第二粒子，所述第一粒子和所述第二粒子带有相反极性的电荷，所述第一粒子是光散射粒子，所述第二粒子具有减色原色之一；
(c)分散在所述流体中的多个第三粒子和多个第四粒子，所述第三粒子和所述第四粒子带有相反极性的电荷，所述第三粒子和所述第四粒子各自具有彼此不同且不同于所述第二粒子的减色原色。
2.根据权利要求1所述的彩色电泳显示器，其中，分离由第三类型的粒子和第四类型的粒子形成的聚集体所需的第一电场大于分离由任何其他两种类型的粒子形成的聚集体所需的第二电场。
3.根据权利要求1所述的彩色电泳显示器，其中，所述第二粒子、所述第三粒子和所述第四粒子中的至少两种是非光散射的。
4.根据权利要求3所述的彩色电泳显示器，其中，所述第一粒子是白色的，而所述第二粒子、所述第三粒子和所述第四粒子是非光散射的。
5.根据权利要求1所述的彩色电泳显示器，其中，所述第一粒子和所述第三粒子带负电，而所述第二粒子和所述第四粒子带正电。
6.根据权利要求5所述的彩色电泳显示器，其中，所述第一粒子、所述第二粒子、所述第三粒子和所述第四粒子分别为白色、青色、黄色和品红色，白色粒子和黄色粒子带负电，品红色粒子和青色粒子带正电。
7.根据权利要求6所述的彩色电泳显示器，其中，当颜料以按体积的15％近似各向同性地分布在包含所述颜料和折射率小于1.55的液体的厚度为1μm的层中时，黄色颜料、品红色颜料和青色颜料分别在650、550和450nm处的在黑色背景上测量的漫反射率小于2.5％。
8.根据权利要求1所述的彩色电泳显示器，其中，所述液体是介电常数小于约5的非极性液体。
9.根据权利要求8所述的彩色电泳显示器，其中，所述流体中溶解或分散有数均分子量超过约20,000且基本上不吸附在粒子上的聚合物。
10.根据权利要求1所述的彩色电泳显示器，其中，所述金属氧化物半导体为氧化铟镓锌(IGZO)。
11.一种包括根据权利要求1所述的彩色电泳显示器的电子书阅读器、便携式计算机、平板计算机、蜂窝电话、智能卡、标牌、手表、货架标签或闪存驱动器。
12.一种彩色电泳显示器，包括：
控制器；
位于观察表面处的透光电极；
背板，包括耦合到像素电极的薄膜晶体管阵列，每个薄膜晶体管包括金属氧化物半导体层；以及
彩色电泳介质，设置在所述透光电极与所述背板之间，所述彩色电泳介质包括：
(a)流体；
(b)分散在所述流体中的多个第一粒子和多个第二粒子，所述第一粒子和所述第二粒子带有相反极性的电荷，所述第一粒子是光散射粒子，所述第二粒子具有减色原色之一；
(c)分散在所述流体中的多个第三粒子和多个第四粒子，所述第三粒子和所述第四粒子带有相反极性的电荷，所述第三粒子和所述第四粒子各自具有彼此不同且不同于所述第二粒子的减色原色，
其中，所述控制器被配置为向所述像素电极提供多个驱动电压，使得能够在每个像素电极处显示白色、黄色、红色、品红色、蓝色、青色、绿色和黑色，同时将所述透光电极保持在恒定电压。
13.根据权利要求12所述的彩色电泳显示器，其中，所述控制器被配置为向所述像素电极提供大于25V的电压以及小于-25V的电压。
14.根据权利要求13所述的彩色电泳显示器，其中，所述控制器被配置为另外提供25V和0V之间的电压以及-25V和0V之间的电压。
15.根据权利要求12所述的彩色电泳显示器，其中，所述金属氧化物半导体是氧化铟镓锌(IGZO)。
16.一种彩色电泳显示器，包括：
控制器；
位于观察表面处的透光电极；
背板电极；以及
彩色电泳介质，设置在所述透光电极与所述背板电极之间，所述彩色电泳介质包括：
(a)流体；
(b)分散在所述流体中的多个第一粒子和多个第二粒子，所述第一粒子和所述第二粒子带有相反极性的电荷，所述第一粒子是光散射粒子，所述第二粒子具有减色原色之一；
(c)分散在所述流体中的多个第三粒子和多个第四粒子，所述第三粒子和所述第四粒子带有相反极性的电荷，所述第三粒子和所述第四粒子各自具有彼此不同且不同于所述第二粒子的减色原色，
其中，所述控制器被配置为向所述透光电极提供第一高电压和第一低电压，以及向所述背板电极提供第二高电压、零电压和第二低电压，使得能够在所述观察表面处显示白色、黄色、红色、品红色、蓝色、青色、绿色和黑色，
以及其中，所述第一高电压、所述第一低电压、所述第二高电压以及所述第二低电压中的至少一个的幅度不同。
17.根据权利要求16所述的彩色电泳显示器，其中，所述第一高电压的幅度与所述第二高电压的幅度相同。
18.根据权利要求17所述的彩色电泳显示器，其中，所述第一低电压的幅度与所述第二低电压的幅度相同，以及所述第一高电压的幅度与所述第一低电压的幅度不同。
19.一种彩色电泳显示器，包括：
控制器；
位于观察表面处的透光电极；
背板电极；以及
彩色电泳介质，设置在所述透光电极与所述背板电极之间，所述彩色电泳介质包括：
(a)流体；
(b)分散在所述流体中的多个第一粒子和多个第二粒子，所述第一粒子和所述第二粒子带有相反极性的电荷，所述第一粒子是光散射粒子，所述第二粒子具有减色原色之一；
(c)分散在所述流体中的多个第三粒子和多个第四粒子，所述第三粒子和所述第四粒子带有相反极性的电荷，所述第三粒子和所述第四粒子各自具有彼此不同且不同于所述第二粒子的减色原色，
其中，所述控制器被配置为通过向所述背板电极提供多个时间相关的驱动电压之一、同时向所述透光电极提供以下驱动电压之一使得在所述观察表面处显示白色、黄色、红色、品红色、蓝色、青色、绿色和黑色：
第一时间的高电压，第二时间的低电压，以及第三时间的高电压，或
第一时间的低电压，第二时间的高电压，以及第三时间的低电压。
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