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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung richtet sich auf eine elektromagnetisch gesteuerte
Partikelanordnung, und genauer auf eine Partikelanordnung mit Taschen,
die elektromagnetisch ansprechende Partikel enthalten, und Verfahren
zur Herstellung und Verwendung der Partikelanordnung.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Unter
Verwendung von Anordnungen (z. B. Filmen, Membranen, Strukturen
oder anderen Aufbauten), die elektromagnetisch ansprechende Partikel
aufweisen, kann eine Vielfalt von Produkten hergestellt werden.
Diese Produkte beinhalten Anzeigemedien, farbveränderliche Stoffe, Linsen, usw.
Diese Anordnungen benutzen die Bewegung (z. B. die Drehung oder
Verschiebung) von elektromagnetisch ansprechenden Partikeln unter
dem Einfluss eines angelegten elektromagnetischen Felds, um Informationen
anzuzeigen, die Farbe der Anordnung zu verändern, usw. In einem Ansatz
zur Herstellung einer derartigen Partikelanordnung drehen sich bichromale elektromagnetisch
ansprechende Partikel unter Anlegung eines elektromagnetischen Felds,
um eine der beiden Farben der Oberfläche des Partikels in eine Sichtrichtung
auszurichten. Die bestimmte Farbe, die zur Sichtrichtung ausgerichtet
wird, hängt
von der Polarität
des angelegten elektromagnetischen Felds ab. In einer Anzahl von
Anwendungen weisen die bichromalen Partikel eine kugelförmige Form
auf und schweben in einer dielektrischen Flüssigkeit oder in einer Filmmatrix
zwischen zwei Platten.
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Das
volle Potential dieses und anderer Ansätze zur Herstellung von Anordnungen
(z. B. Filmen) für
Flachbildschirme und andere Anwendungen wurde noch gar nicht erkannt.
Die bestehenden Bildschirme leiden an einem geringen Kontrast und
einer niedrigen Auflösung.
Diese Vorrichtungen weisen typischerweise mehrere Schichten von
Partikeln auf oder weisen Partikel auf, die nicht verlässlich in
optimalen Verpackungsgestaltungen angeordnet sind. Zusätzlich sind
diese bis heute hergestellten Vorrichtungen dick und benötigen daher
hohe Betriebsspannungen, um ein ausreichend großes elektromagnetisches Feld
zu erzeugen, um die elektromagnetisch ansprechenden Partikel zu
aktivieren.
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EP 0 783 163 A1 betrifft
ein durch ein externes Feld aktiviertes Anzeigeblatt, das mehrere
im Allgemeinen beabstandete geformte Kapseln aufweist, wobei jede
der mehreren von Kapseln zwei gegenüberliegende Kammern aufweist,
die durch einen Halsabschnitt getrennt sind, und die gegenüberliegenden
Kammern durch den Halsabschnitt miteinander in Verbindung stehen.
Jede der mehreren Kapseln ist teilweise mit einem Zeichenerzeugungsmittel gefüllt, wobei
das Zeichenerzeugungsmittel in jeder Kapsel auf ein externes Feld über seine
entsprechende Kammer anspricht, um sich aus einer Kammer der Kapsel
durch den Halsabschnitt in die andere Kammer der Kapsel zu bewegen.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Im
Allgemeinen ist die vorliegende Erfindung durch die Merkmale der
Ansprüche
definiert, und betrifft sie Anordnungen, die ein Substrat mit Taschen für elektromagnetisch
ansprechende Partikel enthalten. Eine Anordnung dieser Taschen kann
so gewählt werden,
dass sie eine höhere
Partikeldichte bereitstellt, als bisher verwirklicht wurde. Eine
Ausführungsform
ist eine Anordnung, die ein Anordnungssubstrat und elektromagnetisch
ansprechende Partikel aufweist. Das Anordnungssubstrat definiert
mehrere im Wesentlichen geschlossene, fluidhaltige Zellen. Jede
Zelle weist Taschen auf, die miteinander in Fluidverbindung stehen.
Jede Tasche ist durch das Anordnungssubstrat derart definiert, dass
sie in der Tasche ein elektromagnetisch ansprechendes Partikel hält.
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Eine
andere Ausführungsform
ist ein Aufbau, der ein Anordnungssubstrat, Partikel und eine Deckschicht
aufweist. Das Anordnungssubstrat definiert Taschen im Anordnungssubstrat.
Jede Tasche der Anordnung entspricht einer Tasche, die durch Abtragung
eines Polymerfilms gebildet ist. Die Partikel sind in den Taschen
des Substrats angeordnet, und jedes der Partikel spricht auf ein
angelegtes elektromagnetisches Feld an, um einen Zustand (z. B.
eine Position oder eine Ausrichtung) des Partikels im Substrat zu
steuern. Die Deckschicht ist über
den Partikeln und dem Substrat angeordnet.
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Ein
Bezugsbeispiel ist eine Anordnung mit einem Anordnungssubstrat,
das Taschen definiert, Partikeln, die in den Taschen angeordnet
sind, und einem ersten dielektrischen Fluid. Jede Tasche dieser
Anordnung weist, im Durchschnitt, mindestens zwei der Partikel auf.
Die Partikel sind farbig und sprechen auf ein angelegtes elektromagnetisches Feld
an, um einen Zustand des Partikels im Substrat zu steuern. Das erste
dielektrische Fluid weist eine Farbe auf, die sich von jener der
Partikel unterscheidet, und ist in mindestens einer Teilmenge der
Taschen angeordnet. Optional können
in anderen Teilmengen der Taschen andere dielektrische Fluida mit anderen
Farben als jenen des ersten dielektrischen Fluids und der Partikel
angeordnet sein. Zusätzlich können die
Taschen jeweils 25 oder mehr Partikel enthalten.
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Diese
Anordnungen können
verwendet werden, um eine Vielfalt von Produkten einschließlich, zum
Beispiel, Anzeigemedien (wie etwa dünne, tragbare elektronische
Anzeigen oder „elektronisches Papier"), Verkehrs- und
anderen Beschilderungen, Stoffen (z. B. Tarn- oder farbveränderliche
Stoffe), Linsen, Filmen, Dächern
(z. B. farbveränderliche
Dächer
für dekorative
oder energieabsorbierende/reflektierende Zwecke), und anderen Produkten
zu bilden. Die Partikel können
zum Beispiel bichromale Partikel (z. B. Partikel mit unterschiedlich
gefärbten Hälften),
einfarbige Partikel, Partikel mit mehr als zwei Farben, reflektierende
Partikel, durchsichtige oder durchscheinende Partikel, Partikel
mit einem anderen Brechungsindex als jenem des Anordnungssubstrats,
der Deckschicht oder des dielektrischen Fluids um die Partikel,
oder Partikel mit lichtdurchlässigen
Fenstern sein. Die Taschen können
in einer Vielfalt von regelmäßigen und
unregelmäßigen Mustern
einschließlich,
zum Beispiel, hexagonalen oder würfelförmigen dichtgepackten
Mustern gebildet werden. Es können
Anordnungen gebildet werden, bei denen die Taschen im Durchschnitt
etwa ein Partikel pro Tasche aufweisen. Es können andere Anordnungen gebildet
werden, bei denen die Taschen im Durchschnitt zwei oder mehr Partikel
pro Tasche und typischerweise 25 oder mehr Partikel pro Tasche aufweisen.
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Die
Anmeldung beschreibt auch ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung.
Ein Polymerfilm wird bestrahlt, um einen Teil des Polymerfilms durch Abtragung
zu entfernen und Taschen im Polymerfilm zu erzeugen. Unter Verwendung
des Polymerfilms wird ein Anordnungssubstrat gebildet, wobei die
Taschen des Anordnungssubstrats den Taschen im Polymerfilm entsprechen.
In den Taschen des Anordnungssubstrats werden Partikel angeordnet.
Jedes der Partikel spricht auf ein angelegtes elektromagnetisches
Feld an, um einen Zustand des Partikels im Substrat zu steuern.
Schließlich
wird eine Deckschicht über
den Partikeln und mindestens einem Teil des Anordnungssubstrats
angeordnet.
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Dieses
Verfahren kann verwendet werden, um jede beliebige der oben beschriebenen
Anordnungen zu bilden. In einigen Fällen wird der Polymerfilm als
das Anordnungssubstrat verwendet. In anderen Fällen wird der Polymerfilm als
Form verwendet, aus der das Anordnungssubstrat gebildet wird.
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Die
obige Kurzdarstellung der vorliegenden Erfindung soll nicht jede
offenbarte Ausführungsform oder
jede Ausführung
der vorliegenden Erfindung beschreiben. Die Figuren und die ausführliche
Beschreibung, die folgen, erläutern
diese Ausführungsformen
genauer.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung kann unter Berücksichtigung der
folgenden ausführlichen
Beschreibung von verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung
in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen vollständiger verstanden
werden, wobei
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1A eine
Ausführungsform
eines elektromagnetisch ansprechenden Partikels in einem Anordnungssubstrat
schematisch veranschaulicht;
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1B eine
andere Ausführungsform
eines elektromagnetisch ansprechenden Partikels in einem Anordnungssubstrat
schematisch veranschaulicht;
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1C eine
dritte Ausführungsform
eines elektromagnetisch ansprechenden Partikels in einem Anordnungssubstrat
schematisch veranschaulicht;
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2 eine
Draufsicht auf eine Ausführungsform
eines laserabgetragenen Polymerfilms mit hexagonalen dicht gepackten
Taschen ist;
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3 eine
Draufsicht auf eine Ausführungsform
eines laserabgetragenen Polymerfilms mit würfelförmigen dicht gepackten Taschen
ist;
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4A eine
Draufsicht auf eine andere Ausführungsform
von hexagonalen dichtgepackten Taschen mit Zwischensäulen nach
der Erfindung ist;
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4B eine
Querschnittansicht des Polymerfilms von 4A entlang
der Linie 4B-4B ist;
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4C eine
Querschnittansicht des Polymerfilms von 4A entlang
der Linie 4C-4C ist;
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5 eine
Draufsicht auf einen Polymerfilm mit Zellen von benachbart angeordneten
Taschen nach der Erfindung ist;
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6A eine
Querschnittansicht einer Ausführungsform
eines in einer Tasche einer Basisschicht eines Partikelanordnungssubstrats
angeordneten Partikels nach der Erfindung ist;
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6B eine
Querschnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines in einer Tasche
einer Basisschicht eines Partikelanordnungssubstrats angeordneten
Partikels nach der Erfindung ist;
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6C eine
Querschnittansicht einer dritten Ausführungsform eines in einer Tasche
einer Basisschicht eines Partikelanordnungssubstrats angeordneten
Partikels nach der Erfindung ist;
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7A und 7B Querschnittansichten sind,
die ein Verfahren zur Bildung eines Anordnungssubstrats nach der
Erfindung aus einem Polymerfilm mit Taschen veranschaulichen;
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8 eine
Querschnittansicht ist, die ein anderes Verfahren zur Bildung eines
Anordnungssubstrats nach der Erfindung aus einem Polymerfilm mit Taschen
veranschaulicht;
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9A bis 9C Querschnittansichten sind,
die ein Verfahren zur Bildung einer Partikelanordnung nach der Erfindung
veranschaulichen;
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10 eine
Partikelanordnung unter Verwendung einer zufälligen Anordnung von elektromagnetisch
ansprechenden Partikeln veranschaulicht;
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11A bis 11C Querschnittansichten sind,
die Schritte bei der Bildung einer Tasche mit einem konturierten
unteren Bereich veranschaulichen;
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12 eine
Querschnittansicht ist, die eine andere Ausführungsform einer Partikelanordnung veranschaulicht;
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13A bis 13L Querschnittansichten und
Draufsichten auf verschiedenen Taschenquerschnittgestaltungen und
Partikelpositionen für
eine Tasche der Partikelanordnung von 12 sind;
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14A bis 14C schematische
Draufsichten auf Partikelanordnungsgestaltungen sind; und
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15 eine
Querschnittansicht und eine Draufsicht auf eine Farbpartikelanordnung
ist.
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Obwohl
die Erfindung für
verschiedene Abwandlungen und alternative Formen empfänglich ist, wurden
ihre Besonderheiten in den Zeichnungen beispielhaft gezeigt und
werden sie ausführlich
beschrieben werden. Es sollte sich jedoch verstehen, dass die Erfindung
nicht auf die bestimmten beschriebenen Ausführungsformen beschränkt werden soll.
Es sollen im Gegenteil alle Abwandlungen, Entsprechungen und Alternativen,
die in den wie durch die Ansprüche
definierten Umfang der Erfindung fallen, abgedeckt werden.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Die
vorliegende Erfindung ist auf eine Anordnung anwendbar, in der sich
elektromagnetisch ansprechende Partikel als Reaktion auf die Anlegung oder
die Veränderung
eines elektromagnetischen Felds bewegen. Die vorliegende Erfindung
ist insbesondere auf Anordnungen zur Informationsanzeige wie etwa,
zum Beispiel, Anzeigemedien (wie etwa dünne, tragbare elektronische
Anzeigen oder „elektronisches
Papier") und Verkehrs-
und andere Beschilderungen anwendbar. Informationen, die dargestellt
werden können,
beinhalten, zum Beispiel, alphanumerische Zeichen, Symbole, Zeichnungen,
Illustrationen, Bilder, zeichnerische Darstellungen, Fußbodendarstellungen,
Videosignale und andere Darstellungen, die eine Bedeutung oder einen
Ausdruck (z. B. einen künstlerischen
Ausdruck) zu einem Benutzer oder Betrachter des Anzeigemediums übertragen
können.
Die vorliegende Erfindung ist auch auf Anordnungen für farbveränderliche
und andere Anwendungen einschließlich, zum Beispiel, Stoffen
(z. B. Tarn- oder farbveränderliche
Stoffe), Linsen, Filmen, Dächern
(z. B. farbveränderliche
Dächer
zu dekorativen oder energieabsorbierenden/reflektierenden Zwecken),
Flugzeugverkleidungen, Schleifmitteln, medizinischen Vorrichtungen
(z. B. Temperatursensoren), dekorativen Überzügen (z. B. Tapeten, Teppiche,
Vorleger und Wandteppiche) und anderen Produkten anwendbar. Die
vorliegende Erfindung ist besonders für Verwendungen geeignet, die
einen hohen Kontrast, eine hohe Auflösung, eine geringe Betriebsspannung
oder Kombinationen dieser Eigenschaften erfordern.
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Elektromagnetisch ansprechende
Partikel
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1A, 1B und 1C veranschaulichen
Beispiele für
elektromagnetisch ansprechende Partikel in einem Anordnungssubstrat.
Der Ausdruck „elektromagnetisch
ansprechendes Partikel" bezieht sich
auf ein Partikel, das auf irgendeine Weise (z. B. durch Drehen oder
eine andere Bewegung) auf die Anlegung oder Veränderung eines elektrischen Felds,
eines magnetischen Felds, oder beider anspricht. In dieser Definition
beinhaltet sind elektrisch ansprechende Partikel und magnetisch
ansprechende Artikel, die auf Veränderungen eines elektrischen Felds
bzw. eines magnetischen Felds ansprechen. Eine Bezugnahme auf die
Anlegung oder die Veränderung
eines „elektromagnetischen
Felds" bezieht sich
auf die Anlegung oder die Veränderung
eines elektrischen Felds, eines magnetischen Felds oder beider.
Hierin werden unter Bezugnahme auf die Verwendung elektrischer Felder,
Potentiale, usw. Bespiele und Beschreibungen bereitgestellt, um
elektrisch ansprechende Partikel zu beeinflussen. Es wird sich verstehen,
dass ähnliche
Wirkungen unter Verwendung magnetischer Felder usw. und magnetisch
ansprechender Partikel erhalten werden können.
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Die
elektromagnetisch ansprechenden Partikel 106 in 1A und 1B sind
typischerweise elektrisch oder magnetisch anisotrop. Das elektromagnetische
Partikel 126 von 1C kann
isotrop oder anisotrop sein. Die Anlegung eines ausreichend starken
elektromagnetischen Felds (z. B. eines elektrischen Felds oder eines
magnetischen Felds) auf eine zufällig
ausgerichtete Verteilung derartiger Partikel führt gewöhnlich dazu, dass sich die
Partikel in eine Position mit niedrigerer elektrischer oder magnetischer
potentieller Energie bewegen, zum Beispiel drehen oder verschieben.
Eine Veränderung
des angelegten elektromagnetischen Felds kann den Zustand (z. B.
die Ausrichtung oder Position) des Partikels durch Drehung oder
Verschiebung (z. B. Bewegung von einer Stelle zu einer anderen)
verändern.
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In
mindestens einigen Ausführungsformen sind
die Partikel reflektierend, typischerweise diffus reflektierend.
Als Ergebnis der Bewegung (z. B. Drehung oder Verschiebung) des
Partikels als Reaktion auf ein angelegtes elektromagnetisches Feld
wird eine optische Wirkung durch Modulieren des. vom Partikel reflektierten
Lichts erhalten. Lichtdurchlässige
Partikel können
ebenfalls verwendet werden, obwohl lichtdurchlässige Partikel für die gleiche
Beleuchtung von einer Lichtquelle möglicherweise weniger Leuchtdichte
bereitstellen können,
und lichtdurchlässige
Anzeigen zum Betrieb möglicherweise zusätzliche
Linsen und/oder zusätzliche
Schichten benötigen
können.
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Es
kann eine Vielfalt von unterschiedlichen Arten von Partikeln verwendet
werden. Beispielweise beinhalten geeignete Arten von Partikeln bichromale Partikel
(z. B. Partikel mit unterschiedlich gefärbten Hälften), einfarbige Partikel,
Partikel mit mehr als zwei Farben, reflektierende Partikel, durchsichtige oder
durchscheinende Partikel, Partikel mit einem anderen Brechungsindex
als jenem des Anordnungssubstrats, der Deckschicht oder des dielektrischen Fluids
um die Partikel, oder Partikel mit lichtdurchlässigen Fenstern. Die Partikel
können
alle die gleiche Farbe oder die gleichen Farben aufweisen, oder
die Partikel können
in Teilmengen unterteilt sein, wobei jede Teilmenge von Partikeln
unterschiedliche Farben und, optional, unterschiedliche elektromagnetische
Eigenschaften aufweist. In einer Ausführungsform weist eine Anordnung
zwei Teilmengen von Partikeln auf, wobei sich eine Teilmenge bei
Anlegung oder Veränderung
eines elektromagnetischen Felds in eine Richtung bewegt, und sich
eine andere Teilmenge in die entgegengesetzte Richtung bewegt.
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Partikel
mit einer Vielfalt von Formen können wie
gewünscht
auf Basis zum Beispiel der Form der Taschen im Anordnungssubstrat,
der Partikelpackungsdichte und der -verteilung, und der Anwendung
der Anordnung gewählt
werden. Die Partikel können
kugelförmig,
scheibenförmig,
ellipsenförmig, zylinderförmig, pyramidenförmig, würfelförmig, rechteckig
oder flockenförmig
sein oder jede beliebige andere regelmäßige oder unregelmäßige Form
aufweisen.
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Die
Partikel können
alle die gleiche Größe aufweisen.
Alternativ können
die Partikel über
einen Bereich von Größen verteilt
sein. Die Breite der Verteilung und der Bereich der Größen können wie
für eine
bestimmte Anwendung oder ein bestimmtes Produkt gewünscht gewählt werden.
In einigen Ausführungsformen
können
Partikel mit zwei oder mehr Größen oder
Partikel mit multimodalen Größenverteilungen
verwendet werden.
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1A und 1B veranschaulichen
als Beispiel die Verwendung bichromaler Partikel, doch können auch
andere Arten von Partikeln verwendet werden. Bichromale Partikel 106 weisen
wie veranschaulicht typischerweise eine Hälfte 112 auf, die
mit einer ersten Farbe, z. B. schwarz oder einer dunklen Farbe,
ausgeführt
ist, während
die andere Hälfte 114 mit
einer optisch kontrastierenden zweiten Farbe, z. B. weiß oder einer
hellen Farbe, ausgeführt
ist. In den Aufbau kann eine Vielfalt von unterschiedlichen bichromalen
Partikeln, einschließlich,
zum Beispiel, Partikeln mit roten und weißen, grünen und weißen, oder blauen und weißen Hälften (oder
anderen Kombinationen, die zum Beispiel cyan, magenta oder Gelb
mit Weiß oder
Schwarz verwenden), aufgenommen werden. Das bichromale Partikel 106 in
der veranschaulichten Ausführungsform
ist elektrisch anisotrop, so dass eine Hälfte durch ein elektrisches
Potential stärker
als die andere Hälfte
angezogen wird oder stärker
abgestoßen
wird.
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In
einer Ausführungsform
sind die Partikel 106 wie in 1A veranschaulicht
in Taschen 110 eines Anordnungssubstrats 104 angeordnet.
Das Anordnungssubstrat 104 weist typischerweise eine Basisschicht
und eine Überzugsschicht
auf. Der Rest der Tasche 110 ist mit einem Fluid 108 (einer
Flüssigkeit
oder einem Gas), typischerweise einer dielektrischen Flüssigkeit,
gefüllt,
das bzw. die eine Bewegung des Partikels 106 gestattet.
Die Überzugsschicht
ist über
der Tasche 110 angeordnet, um die Öffnung, durch die das Partikel
in der Tasche angeordnet wurde, zu versiegeln.
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In
einer Ausführungsform
wird die Flüssigkeit in
der Tasche angeordnet, bevor die Tasche versiegelt wird. In dieser
Ausführungsform
wird für
das Anordnungssubstrat ein nicht quellfähiges oder geringfügig quellfähiges Polymer
verwendet, obwohl andere Polymere (einschließlich quellfähiger Polymere) ebenfalls
annehmbar sind. Geeignete nicht quellfähige Polymere für die Basissicht
oder die Überzugsschicht
beinhalten, zum Beispiel, Polyurethane, Polyester, Polymethylmethacrylate
und Polycarbonate.
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In
einer Ausführungsform
werden die Partikel in Taschen in der Basisschicht angeordnet und wird
dann eine Deckschicht über
den Partikeln und Taschen gebildet. Die Partikel
106 werden
durch Absorbieren einer Flüssigkeit
in den Anordnungsaufbau im Anordnungsaufbau
104 frei drehbar
gestaltet. Die Flüssigkeit
quillt das Anordnungssubstrat auf. Zum Beispiel wird ein flüssiges Mittel
wie etwa Silikonöl von
niedriger Viskosität
in ein Anordnungssubstrat aus einer gehärteten Silikonpolymermatrix
absorbiert, wie in der
US-Patentschrift
Nr. 4,126,854 besprochen ist. Die Flüssigkeit wird nur durch das
Polymer des Anordnungssubstrats
104 und nicht durch das
Partikel
106 absorbiert. Folglich bildet oder vergrößert das
Aufquellen des Anordnungssubstrats
104 einen Abstand zwischen
der Tasche
110 und dem Partikel
106.
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Als
ein Beispiel kann das Anordnungssubstrat 104 aus einem
durchlässigen
Material wie etwa Silikonpolymer, zum Beispiel Dow Corning Sylgard 182
und 184 (Dow Corning Corp., Midland, MI), gebildet werden. Die Quellflüssigkeit
ist typischerweise ein dielektrisches Öl. Geeignete dielektrische Öle zur Verwendung
mit Silikonpolymeren beinhalten, zum Beispiel, Silikon- oder Paraffinöle, wie
etwa Dow Corning CS10 und CS20 und Exxon IsoparTM G,
K, und L (Exxon Chemical Co., Houston, TX).
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Ein
anderer Ansatz, der in
1B veranschaulicht ist, kann
verwendet werden, um die Partikel
106 im Anordnungsaufbau
104 anzuordnen.
Bei diesem Ansatz schweben die Partikel
106 in einem Fluid
116,
das in einer verkapselnden Hülle
118 enthalten
ist, wie zum Beispiel in der
US-Patentschrift Nr.
5,604,027 beschrieben ist. Die Partikel
106 in
den Hüllen
118 werden
dann in Taschen des Anordnungssubstrats
104 verteilt. Ein
Vorteil der Verwendung mikroverkapselter Partikel ist, dass das
Material, das für das
Anordnungssubstrat
104 verwendet wird, nicht für eine Flüssigkeit
durchlässig
zu sein braucht, wodurch ermöglicht
wird, dass für
das Polymeranordnungssubstrat eine größere Auswahl an Materialien verwendet
werden kann.
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Noch
ein anderer Ansatz zur Bildung einer Partikelanordnung ist in 1C veranschaulicht.
Bei diesem Ansatz wird ein Partikel 126 in einer Tasche 128 im
Anordnungssubstrat 124 angeordnet. Eine dielektrische Flüssigkeit 130 wird
ebenfalls in der Tasche angeordnet. Die dielektrische Flüssigkeit 130 weist
eine Farbe (z. B. eine helle Farbe oder weiß) auf, und das Partikel 126 weist
eine zweite Farbe (z. B. eine dunkle Farbe oder schwarz) auf. Das
Partikel 126 spricht derart auf ein angelegtes elektromagnetisches
Feld an, dass sich das Partikel 126 in der Tasche 128 aufwärts oder
abwärts
bewegt. Wenn das Partikel 126 vom Sichtbereich weg bewegt
wird, scheint die Tasche 128 die Farbe der dielektrischen Flüssigkeit 130 aufzuweisen.
Wenn das Partikel 126 zum Sichtbereich bewegt wird, scheint
die Tasche 128 die Farbe des Partikels 126 aufzuweisen.
Andere Bezugsbeispiele weisen in einer Tasche mehrere Partikel der
gleichen Farbe auf. Als nicht beanspruchte Alternative können in
der Tasche zwei unterschiedliche Arten von Partikeln angeordnet
werden, wobei jede Art eine andere Farbe und ein anderes (z. B.
gegenteiliges) Ansprechen auf ein angelegtes magnetisches oder elektrisches
Feld aufweist.
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Einzelne Partikel in einzelnen
Taschen
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Es
kann eine Vielfalt von Anordnungs/Taschengestaltungen gewählt werden.
Eine Gestaltung beinhaltet das Anordnen der Partikel in einzelnen
isolierten Taschen, um die Anordnung zu bilden. 6A, 6B und 6C veranschaulichen
Taschen, die so in der Größe bemessen
sind, dass sie ein einzelnes Partikel enthalten. In einer Ausführungsform,
die in 6A veranschaulicht ist, sind
die Taschen 402 in einer Basisschicht 400 zu einer
solchen Tiefe ausgebildet, dass sich die Oberseite eines elektromagnetisch
ansprechenden Partikels 406, das in der Tasche 402 angeordnet
ist, nächst
einer oberen Fläche 420 der
Basisschicht befindet. In einer anderen Ausführungsform, die in 6B veranschaulicht
ist, ist die Tasche 402 seichter, so dass sich das Partikel 406 aus
der Basisschicht 400 heraus erstreckt. Vorzugsweise erstrecken
sich die Wände
der Taschen in der Basisschicht über
den Mittelpunkt eines in der Tasche angeordneten Partikels hinaus.
In noch einer anderen Ausführungsform,
die in 6C veranschaulicht ist, ist
die Tasche 402 tiefer, so dass das Partikel 406 ganz
in die Tasche passt und die obere Fläche 420 der Basisschicht über der
Oberseite des Partikels positioniert ist.
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Die
in 6A und 6B veranschaulichten
Gestaltungen können
zu weniger Fällen
von Taschen mit mehreren Partikeln führen. Die in 6A und 6C veranschaulichten
Gestaltungen können vorteilhaft
sein, da die Flüssigkeit,
in der sich die Partikel drehen oder verschieben, vor dem Bilden
einer Deckschicht in den Taschen angeordnet werden kann, und, falls
gewünscht,
keine Notwenigkeit besteht, die Taschen aufquellen zu lassen, um
eine Drehung oder eine Verschiebung der Partikel zu gestatten.
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Die
Taschen sind so ausgebildet, dass zwischen allen Taschen ein Teil
des Polymerfilms angeordnet ist. In diesem Bezugsbeispiel sind die
Taschen in der endgültigen
Partikelanordnung voneinander isoliert, wie in 2 und 3 veranschaulicht
ist. In der endgültigen
Partikelanordnung fließt
Fluid von einer Tasche typischerweise nicht in eine andere Tasche.
Jede der Taschen 202, 202' ist durch Wände 203, 203' von benachbarten
Taschen getrennt.
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Die
Taschen können
unter Verwendung einer Vielfalt von Verfahren einschließlich, zum
Beispiel, Laserabtragung, Photolithographie, Rändeln (siehe, z. B., die
US-Patentschrift Nr. 4,588,258 ),
Diamantdrehen (siehe, z. B., McClure, Laser Focus World, Feb. 1991,
Seite 95 bis 105), Gießen
in eine Form mit Härtung
(siehe, z. B., die
US-Patentschriften
Nr. 5,183,597 und
5,175,030 ),
Extrusion, Stereolithographie, Ätzung
(z. B. reaktive Ionenätzung),
und anderer Mikroreplikationstechniken gebildet werden. Die Taschen
können
mit einer Vielfalt von Querschnittformen (von der Oberseite der
Tasche her gesehen) einschließlich,
zum Beispiel, runder, ellipsenförmiger, quadratischer,
rechteckiger, hexagonaler, und dreieckiger Querschnittformen gebildet
werden, wie zum Beispiel in
14A bis
14C veranschaulicht ist. Die Form der Tasche kann,
falls gewünscht,
auf Basis der Form und der Größe der Partikel
gewählt
werden. In einigen Ausführungsformen
kann sich die Form der Tasche ändern.
Zum Beispiel kann eine Tasche nahe einer Sichtfläche einen hexagonalen Querschnitt
und am anderen Ende der Tasche einen runden Querschnitt aufweisen.
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Als
ein erläuterndes
Beispiel können
Taschen in einer 125 bis 250 μm
dicken Basisschicht gebildet werden, um jeweils ein einzelnes kugelförmiges Partikel
mit einem Durchmesser im Bereich von 90 bis 105 μm zu halten. Die Tiefe der Taschen
kann zum Beispiel von 50 bis 150 μm
reichen.
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Die
Taschen im endgültigen
Aufbau weisen eine Höchst breite
auf, die breiter als der Durchmesser (oder eine andere relevante
Längenabmessung) der
Partikel ist, um einen Abstand zum Drehen oder Verschieben der Partikel
bereitzustellen. Doch für
Taschen, die dazu gestaltet sind, ein einzelnes Partikel zu halten,
wird die Packungsdichte der Partikel für eine gegebene Partikelgröße und eine
gegebene Mindestwanddicke um so niedriger sein (typischerweise mit
einem Verlust in der Bildsättigung),
je breiter die Tasche in Bezug auf den Durchmesser des Partikels
ist. Die Höchstbreite
der Taschen ist typischerweise, zum Beispiel, mindestens 2% größer als der
durchschnittliche Durchmesser (oder eine andere passende Längenabmessung)
der Partikel. In manchen Fällen
ist die Höchstbreite
der Taschen mindestens 5%, 10%, oder 20% größer als der durchschnittliche
Durchmesser (oder eine andere passende Längenabmessung) der Partikel.
Als Beispiel können
Taschen hergestellt werden, die dem Partikel in der Tasche mindestens
1 bis 5 μm
Seitenabstand geben. Andere Faktoren, die die Taschengröße beeinflussen können, beinhalten,
zum Beispiel, die Partikelgrößenverteilung
und die Art des verwendeten Polymers (z. B. quellfähig oder
nicht quellfähig).
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Die
Taschen können
in einem Muster gebildet werden, um eine gewünschte Dichte und Verteilung
zu erhalten. 2 veranschaulicht eine Basisschicht 200 mit
Taschen 202, die in einem hexagonalen dicht gepackten Muster
angeordnet sind. Ein hexagonales dicht gepacktes Muster ist im Allgemeinen als
das optimale Packungsmuster für
kugelförmige Partikel
mit gleichmäßiger Größe anerkannt.
Die Dichte der Partikel wird zum Teil auf Basis der Dicke der Wände 203 von
der optimalen Packung abweichen.
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Für kugelförmige Partikel
(und Taschen mit runden Querschnitten) kann eine hexagonale dichte Packung
eine Packungsdichte von etwa 91,7% erzielen, wobei die Packungsdichte
durch Konstruieren einer waagerechten Ebene durch die Mitte der
Partikel und Bestimmen des Prozentsatzes der Ebene, der von den
Partikeln eingenommen wird, bestimmt ist. In einigen Ausführungsformen
liegt die Packungsdichte der Partikel einer Anordnung im Bereich
von 85 bis 91,7%, wobei zum Beispiel die Dicke der Wände zwischen
den Taschen berücksichtigt
wird.
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Falls
gewünscht,
können
andere Taschenpackungsgestaltungen mit niedrigeren Packungsdichten
gewählt
werden. 3 veranschaulicht eine Basisschicht 200' mit Taschen 202' in einem würfelförmigen dicht
gepackten Muster. Es können
andere regelmäßige oder
unregelmäßige Muster
verwendet werden, obwohl dicht gepackte Muster, insbesondere das
hexagonale dicht gepackte Muster, eine höhere Partikeldichte, eine bessere
Anzeigeauflösung,
einen besseren Kontrast, oder eine bessere Farbsättigung, oder ein höheres Reflexionsvermögen oder
eine höhere
optische Helligkeit bereitstellen können. Das bestimmte Muster
der Taschen kann auf Basis von Faktoren wie etwa, zum Beispiel,
der Anwendung der Partikelanordnung, der Partikelgröße und -form,
der gewünschten
Partikeldichte, der Taschengröße und -form,
und der darzustellenden Objekte gewählt werden.
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In 2 und 3 sind
die Taschen als, von oben her gesehen, einen runden Querschnitt
aufweisend veranschaulicht. Es können
Taschen mit anderen Querschnitten verwendet werden, und die Muster,
in denen diese Taschen in der Anordnung gebildet sind, können passend
abgewandelt werden. Taschen mit nicht runden Querschnitten können verwendet
werden, wenn, zum Beispiel, die Partikel nicht kugelförmig sind,
die Partikel ausreichend klein sind, um in die Taschen zu passen,
oder die Taschen eine solche Größe aufweisen,
dass sie mehrere Partikel enthalten. 14A bis 14C veranschaulichen dicht gepackte Muster für Taschen 450 mit,
von oben her gesehen, hexagonalem, quadratischem bzw. dreieckige
Querschnitt. Falls gewünscht,
können
andere Taschenquerschnitte einschließlich nicht dicht gepackter
und unregelmäßiger Packungsmuster
verwendet werden. Zum Beispiel können
zylinderförmige
Partikel in Taschen mit Halbzylinderform angeordnet werden.
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Mehrere Partikel in einzelnen
Taschen
-
12 veranschaulicht
ein Beispiel eines Anordnungssubstrats 250 mit Taschen 252,
die mehrere Partikel 256 in einem dielektrischen Fluid 258 enthalten.
Die Taschen können
so gewählt
werden, dass jede mindestens zwei Partikel und typischerweise, zum
Beispiel, 25 bis mehrere Tausend Partikel enthält. Die Anzahl der Partikel,
die in einer einzelnen Tasche angeordnet sind, kann von einer Vielfalt
von Faktoren einschließlich,
zum Beispiel, der Größe der Partikel,
der Größe und der
Form der Taschen, und der gewünschten
Verteilung der Partikel in der Tasche (z. B. Monoschicht oder mehrere
Schichten von Partikeln in der Tasche) abhängen.
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Die
Partikel sind typischerweise kleiner als jene, die in den oben beschriebenen
Einzelpartikel/Einzeltaschen-Ausführungsformen
verwendet werden. Zum Beispiel können
die Partikel einen Durchmesser von 0,1 bis 5 μm aufweisen, und können die
Taschen einen Durchmesser von 30 bis 250 μm aufweisen. Ein Beispiel weist
Partikel mit einem Durchmesser von 0,3 bis 0,4 μm in Taschen mit einem Durchmesser
von 50 bis 60 μm
auf.
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Vorzugsweise
weisen das Material der Partikel und das dielektrische Fluid, das
in den Taschen angeordnet ist, zur Einfachheit der Bewegung der Partikel
im dielektrischen Fluid im Wesentlichen die gleiche Dichte auf.
Insbesondere liegen die Dichten des dielektrischen Fluids und des
Materials der Partikel ausreichend dicht aneinander, dass die Partikel nicht
merklich durch die Schwerkraft oder andere Kräfte (z. B. Zentrifugalkräfte) beeinflusst
werden. Vorzugsweise wandern die Partikel während eines gewünschten
Betriebszeitraums, zum Bei spiel dem Zeitraum, während dem Informationen dargestellt werden,
nicht ohne Veränderung
oder neuerliche Geltendmachung des elektromagnetischen Felds.
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Typischerweise
weist entweder das dielektrische Fluid eine andere Farbe als die
Partikel auf oder werden Partikel mit verschiedenen Farben verwendet.
Die Partikel werden unter Verwendung eines elektromagnetischen Felds
durch das dielektrische Fluid bewegt, so dass die Partikel zur Sichtfläche des Anordnungssubstrats
oder davon weg bewegt werden. Die bestimmte Farbe, die dargestellt
wird, kann von einer Vielfalt von Faktoren einschließlich, zum Beispiel,
der Farbe und des Reflexionsvermögens der
Partikel, der Farbe und des Reflexionsvermögens des dielektrischen Fluids,
der Farbe und des Reflexionsvermögens
des Anordnungssubstrats und der Deckschicht, der Position der Partikel
in der Tasche, der Anzahl der Partikel in der Tasche, der Größe und der
Form der Partikel, der Größe und der Form
der Tasche, und der Stärke
und der Dauer des elektromagnetischen Felds abhängen. In einigen Fällen wird
ein elektromagnetisches Feld angelegt oder verändert, um nur einen Teil der
Partikel zu bewegen oder die Partikel in eine Position zwischen
der Oberseite und der Unterseite der Tasche zu bewegen. Dies kann
verwendet werden, um die Farbsättigung zu
steuern (um z. B. eine Grauskala oder dergleichen für andere
Farben bereitzustellen).
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13A bis 13L veranschaulichen
unterschiedliche Taschen- und Partikelgestaltungen, die zum Beispiel
verwendet werden können,
um Anzeigekontrasteigenschaften maßzuschneidern. Die folgenden
Beobachtungen können
auf andere Taschengeometrien und andere Zahlen von Partikeln pro
Tasche ausgedehnt werden.
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13A und 13B veranschaulichen Querschnitte
einer Tasche 350 mit einer zylinderförmigen Form. 13C und 13D veranschaulichen
Draufsichten auf die Tasche 350, wenn sich die Partikel 352 an
der Unterseite der Tasche befinden (13C),
und wenn sich die Partikel an der Oberseite der Tasche befinden
(13D). Typischerweise ist in diesem Beispiel nur
die obere Fläche
der Tasche sichtbar. Daher zeigt die Tasche in beiden Zuständen, die
in 13C und 13D veranschaulicht
sind, eine verhältnismäßig gleichmäßige Farbe, wenn
sich genügend
Partikel in der Tasche befinden, um mindestens einige wenige Schichten
zu bilden, wenn sie an der Oberseite oder an der Unterseite der Tasche
gepackt sind.
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13E und 13F veranschaulichen Querschnitte
einer kugelförmig
geformten Tasche 360, die mit Partikeln 362 gepackt
ist. 13G und 13H veranschaulichen
Draufsichten auf die Tasche 360, wenn sich die Partikel
an der Unterseite der Tasche befinden (13G),
und wenn sich die Partikel an der Oberseite der Tasche befinden (13H). Bei kugelförmigen Taschen ist die gesamte
Oberfläche
der oberen Hälfte
der Tasche sichtbar (sofern das umgebende Substratmaterial im Wesentlichen
durchsichtig ist). Wenn sich die Partikel an der Unterseite der
kugelförmigen
Tasche befinden, entspricht die Mitte der Tasche bei Betrachtung
von oberhalb der oberen Fläche
typischerweise der Farbe des dielektrischen Fluids. Doch die Farbe
vermischt sich weiter von der Mitte weg zunehmend mit der Farbe
der Partikel. Dies ist ein Ergebnis des Umstands, dass mit der zunehmenden
Entfernung von der Mitte der Tasche weniger dielektrisches Fluid
zwischen dem Betrachter und den Partikeln vorhanden ist. Umgekehrt
entspricht die Mitte der Tasche, wenn sich die Partikel an der Oberseite
der kugelförmigen Tasche
befinden, bei Betrachtung von oberhalb der oberen Fläche typischerweise
der Farbe der Partikel, doch vermischt sich diese Farbe weiter von
der Mitte weg zunehmend mit der Farbe des dielektrischen Fluids.
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13I und 13J veranschaulichen Querschnitte
einer kugelförmig
geformten Tasche 370 mit einer Monoschicht von Partikeln 372,
die zum Beispiel die Hälfte
der Kugel bedecken. 13K und 13L veranschaulichen
Draufsichten auf die Tasche 370, wenn sich die Partikel
an der Unterseite der Tasche befinden (13K),
und wenn sich die Partikel an der Oberseite der Tasche befinden (13L). Wenn sich die Partikel an der Unterseite der
kugelförmigen
Tasche befinden, entspricht die Mitte der Tasche bei Betrachtung
von oberhalb der oberen Fläche
typischerweise der Farbe des dielektrischen Fluids, doch vermischt
sich diese Farbe weiter von der Mitte weg zunehmend mit der Farbe
der Partikel. Wenn sich die Partikel an der Oberseite der kugelförmigen Tasche
befinden, entsprechen die Ränder
der Tasche bei Betrachtung von oberhalb der oberen Fläche typischerweise
der Farbe der Partikel, doch vermischt sich diese Farbe näher zur
Mitte hin zunehmend mit der Farbe des dielektrischen Fluids. Da
die Partikel nur eine Monoschicht bilden, wird das Aussehen der
Farbe des dielektrischen Fluids typischerweise ausgeprägter sein,
als für
die Tasche, die in 13G und 13H veranschaulicht
ist.
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Partikel in verbundenen Taschenaufbauten
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Nach
der vorliegenden Erfindung sind die Taschen derart in mehreren Zellen
im Anordnungssubstrat ausgeführt,
dass jede Tasche mit mindestens einer zusätzlichen Tasche in Fluidverbindung
steht, wie in 4A, 4B, 4C und 5 veranschaulicht
ist. Typischerweise ist eine Zelle als die Gruppe von Taschen definiert,
die miteinander in Fluidverbindung stehen (d. h., bei denen ein
Kreuzstrom des Fluids zwischen Taschen möglich ist). Jede Zelle bildet
eine im Wesentlichen umschlossene Umgebung. Diese Ausführungsformen
der Partikelanordnung weisen mehrere Zellen auf.
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4A, 4B und 4C veranschaulichen
ein Beispiel dieser Ausführungsform
in einer hexagonalen dicht gepackten Anordnung. Andere Packungsanordnungen,
wie etwa würfelförmige dicht gepackte
oder andere nicht dicht gepackte Anordnungen können, falls gewünscht, ebenfalls
gewählt werden.
Im Beispiel, das in 4A veranschaulicht ist, steht
jede der Taschen 302 in der Basisschicht 300 des
Anordnungssubstrats in der endgültigen
Anordnung in einer Fluidverbindung mit mindestens sechs benachbarten
Taschen. 4C veranschaulicht eine Querschnittansicht
der Basisschicht 300 entlang einer Linie, die nicht durch
Zwischenpunkte zwischen den Taschen verläuft. Die niedrigen Wände 306 gestatten
eine Fluidverbindung zwischen benachbarten Taschen 302 der
Partikelanordnung.
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4B veranschaulicht
eine Querschnittansicht der Basisschicht 300 entlang einer
Linie, die die Zwischenpunkte der hexagonalen dicht gepackten Anordnung
beinhaltet. An jedem der Zwischenpunkte befindet sich eine Säule 304,
die von der Basisschicht 300 her aufgebaut ist. Die Säulen 304 dienen dazu,
die Taschen 302 zu definieren. In einigen Ausführungsformen
erstrecken sich die Säulen über die Oberseite
der Partikel hinaus. Wenn über
der Basisschicht und den Taschen eine Deckschicht gebildet ist,
wird die Deckschicht die Säulen
typischerweise kontaktieren.
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In
anderen Ausführungsformen
kann eine kürzere
Säule verwendet
werden, so dass sich die Säulen
zum Beispiel nur bis zum Mittelpunkt oder bis zu zwei Dritteln der
Höhe des
Partikels erstrecken. Diese Säule
steht typischerweise nicht mit der Deckschicht in Kontakt. Optional
können
zusätzliche
Partikel auf die Säulen
gesetzt werden. Typischerweise sind diese Partikel wesentlich kleiner
als die Partikel in den Taschen, da die auf die Säulen gesetzten
Partikel in die Zwischenräume
zwischen den Partikeln in den Taschen und über den Säulen passen. Dies kann die
Packungsdichte der Partikel in der Anordnung erhöhen.
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Typischerweise
sind die Ränder
der sich ergebenden Einzelzellenpartikelanordnung zum Beispiel durch
Hitze, Ultraschall, oder mechanische Versiegelung oder durch Bilden
von Wänden
um den Umfang der Basisschicht versiegelt. Die Versiegelung verhindert
ein Auslaufen des Fluids aus der Partikelanordnung. Das Schneiden
einer Partikelanordnung mit einer Einzelzelle kann aufgrund der
niedrigen Wände
zwischen benachbarten Taschen zu einem Auslaufen des Fluids aus
dem gesamten Partikelaufbau führen.
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5 veranschaulicht
noch eine andere Ausführungsform
einer Basisschicht 400 mit zwei oder mehr Zellen 408 von
Taschen 402. Es besteht eine Fluidverbindung zwischen Taschen
in einer gegebenen Zelle, doch die Zellen sind durch Wände getrennt,
um eine Fluidverbindung mit Taschen 402' in anderen Zellen 408' im Wesentlichen
zu verhindern, obwohl man erkennen wird, dass Fehlerstellen in den Wänden zwischen
den Zellen gestatten können, dass
etwas Fluid zwischen den Taschen 402, 402' von unterschiedlichen
Zellen 408, 408' fließt. In der veranschaulichten
Ausführungsform
sind die Zellen hexagonal und in einer hexagonalen Anordnung angeordnet.
Es können
andere Zellformen (z. B. quadratisch, rund, rechteckig, ellipsenförmig, dreieckig, fischgrätenmusterförmig, und
andere regelmäßig oder
unregelmässige
Formen) wie auch andere Zellenanordnungen verwendet werden. In dieser
Ausführungsform
wird es bei einem Schneiden der Partikelanordnung zu einem Auslaufen
aus nur jenen Zellen kommen, die durch den Schnitt gequert werden. Diese
besondere Gestaltung kann zu einer höheren Dichte an Partikeln führen, als
bei einer Trennung der Taschen durch Wände von den anderen Taschen
erhalten werden könnte,
und dennoch nach wie vor einen Schutz vor einem Verlust des Fluids
aus unbeschädigten
Zellen bewahren.
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Bei
jeder beliebigen dieser Gestaltungen können quellfähige oder nicht quellfähige Polymere oder
andere Materialien als die Basisschicht und die Deckschicht verwendet
werden. In manchen Fällen kann
es bevorzugt sein, ein nicht quellfähiges Material zu verwenden,
da das Quellen typischerweise zu einer niedrigeren Partikeldichte
führen
wird.
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Früher verwendete Partikelmedien
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Ein
früherer
Ansatz zur Bildung einer reflektierenden Partikelanordnung beinhaltete
das Mischen elektromagnetisch ansprechender Partikel in einer Polymermatrix;
das Bilden einer Schicht der Polymermatrix; und dann das Härten oder
Verfestigen der Schicht. Dies führte
zu einer zufälligen
Verteilung der elektromagnetisch ansprechenden Teilchen in der Polymermatrix,
wie in 10 veranschaulicht ist. Der
Film 150 wies eine Substratschicht 152 auf, auf der
ein Polymeranordnungssubstrat 154 positioniert war. Bichromale
elektromagnetisch ansprechende Partikel 156 waren über das
Anordnungssubstrat 154 hinweg zufällig angeordnet.
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Typischerweise
sind mit dem in 10 veranschaulichten Aufbau
Probleme verbunden. Da eine große
Trennung zwischen Partikeln 156 im Anordnungssubstrat 154 besteht,
liegen die Auflösung und
der Kontrast des Films deutlich unter dem optimalen Wert. Zusätzlich muss
der Film verhältnismäßig dick
sein, damit die Partikel einen hohen Prozentsatz der Sichtfläche bedecken,
und folglich ist die Betriebsspannung hoch.
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Eine
andere Partikelanordnung, die in der
US-Patentschrift
Nr. 5,604,027 beschrieben ist, wurde durch Beschichten
eines Substrats mit einem Photoresist und dann Mustern des Photoresists
unter Verwendung photolithographischer Verfahren gebildet. Das Photoresist
wird geätzt,
um Hohlräume
zu bilden, in denen drehbare Partikel, die jeweils ein lichtdurchlässiges Fenster
aufweisen, angeordnet werden. Ein Nachteil dieses photolithographischen Verfahrens
ist, dass es schwierig sein kann, große Substrate (z. B. Substrate
in der Größe eines
Bildschirms oder einer Papierseite) zu mustern. Obwohl ein großes Substrat
durch fortlaufendes Mustern einzelner Teile des Substrats gemustert
werden könnte, erfordert
dies die Aufrechterhaltung der Positionierung für jeden aufeinander folgenden
Positionierungsschritt. Das Verfahren erfordert auch mehrere Schritte,
die mit der Ablagerung und der Entfernung von Chemikalien verbunden
sind, welche möglicherweise
mit bestimmten Substraten inkompatibel sein können. Überdies führt die Photolithographie typischerweise
zur Bildung von zylinderförmigen
Hohlräumen
mit flachen Unterseiten. Diese Hohlräume können zur Verwendung mit kugelförmigen Partikeln möglicherweise
nicht optimal sein.
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Die Bildung von Anordnungssubstraten,
die mit Taschen versehen sind
-
Das
oben beschriebene Photolithographieverfahren wie auch Mikroreplikation,
Rändeln,
Diamantdrehen, Gießen,
Extrusion, Stereolithographie, Ätzen
und andere Techniken können
verwendet werden, um die Taschen in der Basisschicht des Anordnungssubstrats
zu bilden. Ein neues nützliches
Verfahren für
die Bildung einer Partikelanordnung beinhaltet die Bestrahlung eines
Polymerfilms, um Teile des Polymerfilms durch Abtragung zu beseitigen
und Taschen zu bilden, die bei der Herstellung einer Partikelanordnung
zum Halten elektromagnetisch ansprechender Partikel verwendet werden
können.
Der Polymerfilm mit den Taschen kann als Basisschicht für eine Partikelanordnung
verwendet werden, oder der Film kann als eine Form verwendet werden,
aus der geeignete Basisschichten für die Partikelanordnung gebildet
werden können.
Geeignete Polymerfilme zum Bilden abgetragener Produkte beinhalten, zum
Beispiel, Polyimide (wie etwa KaptonTM von
E. I. DuPont de Nemours & Co.,
Inc., Wilmington, DE), Polyester und andere Filme, die das Laserlicht
absorbieren, ohne zu verkohlen.
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Geeignete
Verfahren zum Abtragen des Polymerfilms beinhalten das Entfernen
von Teilen des Films unter Verwendung von Licht- oder Partikelstrahlen
einschließlich,
zum Beispiel, Lasern, Elektronenstrahlen und Ionenstrahlen. Geeignete
Laser beinhalten, zum Beispiel, Excimerlaser, wie etwa KrF-, F2-, ArF-, KrCl- und XeCl-Laser, obwohl andere Laser
verwendet werden können.
Die Abtragung (d. h., das Beseitigen von Teilen des Films) kann
durch eine Vielfalt von Mechanismen einschließlich, zum Beispiel, Sublimation,
Verdampfung, Zerlegung, oder Ausstoß von Teilen des Films erreicht
werden. Beispiele für
geeignete Verfahren der Laserabtragung von Polymerfilmen finden
sich in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 08/429,302.
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Als
ein Beispiel kann ein Laser auf den Polymerfilm gerichtet werden,
um Teile des Polymerfilms zu beseitigen und eine oder mehrere einzelne
Taschen zu bilden. Unter Verwendung einer Maske und, optional, einer
Abbildungslinse, die zwischen der Laserquelle und dem Polymerfilm
angeordnet ist, können
mehrere Taschen gleichzeitig gebildet werden. Der Laser oder der
Film kann dann bewegt werden, um die nächste(n) Tasche(n) zu bilden.
Optional kann eine Bank von Lasern verwendet werden.
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Falls
gewünscht,
kann die Form der Tasche unter Verwendung des Strahls gesteuert
werden. Der Querschnitt des Strahls kann die Konturen der Unterseite
der Tasche beeinflussen. Dies kann zur Bildung einer Tasche mit
einer konturierten Unterseite führen, die
sich der Form (z. B. kugelförmig
oder zylinderförmig)
des Partikels, das in der Partikelanordnung verwendet werden soll,
näher annähert.
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Ein
anderes Verfahren zum Konturieren der Unterseite der Tasche ist
in 11A bis 11C veranschaulicht.
Der Polymerfilm 900 wird unter Verwendung eines Strahls
abgetragen, um einen ersten Hohlraum 902 zu bilden, wie in 11A veranschaulicht ist. Dann wird unter Verwendung
eines schmäleren
Strahls ein zweiter Hohlraum 904 gebildet, wie in 11B veranschaulicht ist. Dieser zweite Hohlraum 904 ist
jedoch tiefer als der erste Hohlraum 902, wodurch eine
Stufe 906 erzeugt wird. Die Tiefe der Hohlräume kann
durch Abwandeln von Parametern des Strahls wie etwa, zum Beispiel,
der Strahlstärke
und der Dauer der Einwirkung des Strahls auf den Polymerfilm 900 gesteuert
werden. Dies kann, falls gewünscht,
mit zunehmend schmäleren
Strahlen wiederholt werden. 11C veranschaulicht
eine Tasche 908, die unter Verwendung von drei Strahlen gebildet
wurde.
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Wie
in 11C veranschaulicht sitzt ein Partikel 912 genauer
in dieser konturierten Tasche, als wenn die Tasche ein Zylinder
wäre. Dies
kann vorteilhaft sein, da es aufgrund des größeren Oberflächen-Kontaktbereichs
zwischen dem Partikel und der Tasche um so leichter ist, einen bestimmten
Zustand des Partikels (insbesondere eines bichromalen Partikels)
beizubehalten, je enger der Sitz ist. Wenn das Partikel sicherer
in der Tasche gehalten wird, wird eine geringere Tendenz bestehen,
dass das Partikel schwankt. Dies kann den Verlust der Bildqualität im Lauf
der Zeit verringern. Ein anderer Vorteil ist, dass weniger Fluid
benötigt
wird, um die Tasche zu füllen.
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Der Polymerfilm als Form für das Partikelanordnungssubstrat
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Der
Polymerfilm mit Taschen, ob er nun durch Abtragung, Photolithographie,
Mikroreplikation, Rändeln,
Diamantdrehen, Gießen,
Extrusion, Stereolithographie, Ätzen
oder jede beliebige andere Technik gebildet wurde, kann als eine
Basisschicht eines Partikelanordnungssubstrats verwendet werden,
wobei die Partikel in den Taschen der Partikelanordnung angeordnet
werden. Alternativ kann der Polymerfilm als Form verwendet werden,
um die Basisschicht des Partikelanordnungssubstrats zu bilden. Dies
kann besonders nützlich
sein, wenn der Polymerfilm aus einem Material hergestellt ist, das nicht
für das
Partikelanordnungssubstrat geeignet ist, oder wenn der Polymerfilm
Bereiche aufweist, die aufgrund der Abtragung oder anderer taschenbildender
Prozesse verfärbt
oder zerlegt sind.
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7A und 7B veranschaulichen
einen Prozess zum Bilden der Basisschicht 640 eines Partikelanordnungssubstrats
unter Verwendung eines Polymerfilms 600. Bei diesem Prozess
ist der Polymerfilm 600 mit Taschen 602 eine erste
Form. Eine zweite Form 630 mit Vorsprüngen 632, die den
Taschen 602 entsprechen, wird durch derartiges Ablagern
eines Formungsmaterials über
dem Polymerfilm 600, dass die Taschen 602 gefüllt werden,
gebildet, wie in 7A veranschaulicht ist. Falls
nötig,
wird das Formungsmaterial gehärtet,
um die zweite Form 630 zu bilden. Typischerweise kann dieses
Formungsmaterial eine Silikon-, Polymer- oder Kautschuk-Formungsverbindung
wie etwa, zum Beispiel, Schmelzklebstoffe, Ein- oder Zweikomponenten-Dichtungsmittel,
Butylkautschuke, Polyurethane, oder einen Metallfilm (zum Beispiel
durch chemische oder physikalische Abscheidung aus der Gasphase, Elektroplattierung,
oder stromlose Plattierung eines Metalls wie etwa Nickel, Silber,
Gold, Chrom und Kupfer) beinhalten. Falls nötig (insbesondere für Polymer-
oder Kautschuk-Formungsverbindungen), kann
das Formungsmaterial im Lauf der Zeit härten, oder kann das Härten durch
Härten
unter Verwendung von, zum Beispiel, Wärme, Licht (z. B. ultraviolettem
Licht), aktinischer Strahlung, eines Elektronenstrahls, oder dergleichen
verursacht oder beschleunigt werden.
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Die
zweite Form 630 wird vom Polymerfilm 600 entfernt,
und die Basisschicht 640 mit Taschen 642 wird
gebildet, indem ein Substratmaterial über der zweiten Form 630 abgelagert
wird. Dieses Substratmaterial wird, falls nötig, gehärtet, um die Basisschicht 640 des
Partikelanordnungssubstrats zu bilden. Das Substratmaterial ist
typischerweise ein Polymer wie etwa, zum Beispiel, ein thermoplastisches oder
ein hitzehärtbares
Polymer (z. B. licht- oder wärmehärtbare Acrylatpolymere,
Polyurethane oder Epoxidharze). Die Basisschicht 640 wird
von der zweiten Form 630 entfernt und kann mit den Partikeln
gefüllt
werden. Ein Trennmittel kann auf den Polymerfilm 600 oder
die zweite Form 630 aufgetragen sein, um das Lösen der
zweiten Form 630 bzw. der Basisschicht 640 zu
erleichtern.
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8 veranschaulicht
ein alternatives Verfahren zur Verwendung des Polymerfilms 700 als Form.
Bei diesem Verfahren wird ein Substratmaterial (z. B. ein thermoplastisches
oder hitzehärtbares Polymer) übereinstimmend über der
Oberfläche
des Polymerfilms 700 abgelagert, um die Basisschicht 740 zu
bilden. Die Basisschicht 740 wird dann vom Polymerfilm 700 entfernt
und mit Partikeln gefüllt. Falls
nötig,
kann das Substratmaterial gehärtet
werden. Erneut kann ein Trennmittel auf den Polymerfilm 700 aufgetragen
sein, um das Entfernen der Basisschicht 740 zu erleichtern.
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Die Bildung der Partikelanordnung
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Wie
in 9A bis 9C veranschaulicht kann
aus einem Polymerfilm, der Taschen enthält (durch Abtragung oder andere
Verfahren erzeugt), eine Partikelanordnung 840 gebildet
werden, oder kann der Polymerfilm als Form verwendet werden, um
ein Anordnungssubstrat mit Taschen zu erzeugen. Wie in 9A gezeigt
werden elektromagnetisch ansprechende Partikel 806 in den
Taschen 842 abgelagert.
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In
Bezugsbeispielen enthalten mindestens 95% der Taschen mindestens
ein Partikel oder die gewünschte
Anzahl von Partikeln (für
Gestaltungen mit mehreren Partikeln in jeder Tasche). Vorzugsweise
enthalten mindestens 99% der Taschen mindestens ein Partikel oder
die gewünschte
Anzahl von Partikeln (für
Gestaltungen mit mehreren Partikeln in jeder Tasche). Die Partikel
können
in die Taschen gebürstet,
gekehrt, gewischt, fallen gelassen, geschüttelt oder auf irgendeine andere
Weise darin angeordnet werden. Ein Beispiel für ein Verfahren zum Füllen der
Taschen beinhaltet das Abgeben von Partikeln auf die Basisschicht
des Anordnungssubstrats. Das Substrat wird dann an einer sich drehenden
Vorrichtung mit Bürsten,
die sich zum Substrat hin erstrecken, vorbeibewegt. Diese Vorrichtung
dreht sich derart, dass sich die Bürsten in die Richtung bewegen,
die zur Fortbewegungsrichtung des Substrats entgegengesetzt ist.
Die Bürsten
kehren Partikel in ungefüllte
Taschen und entfernen Partikel von Bereichen zwischen den Taschen.
Die überschüssigen Partikel
werden typischerweise auf den nicht gekehrten Teil des Substrats
zurück
geschoben, von den Seiten des Substrats geschoben, oder durch die Bürsten aufgenommen.
Optionale Saugvorrichtungen können
angeordnet werden, um überschüssige Partikel,
die durch die Bürsten
aufgenommen wurden, zu entfernen.
-
Die
Länge und
die Steifheit der Bürsten,
wie auch der Durchmesser der Bürstenborsten
können abhängig von
der Größe und der
Art der Partikel gewählt
werden. Längere
Bürsten
sind typischerweise bei kleineren Partikeln nützlich (wenn die Position der Vorrichtung
in Bezug auf das Substrat nicht einstellbar ist), und steifere Bürsten sind
typischerweise bei schwereren Partikeln nützlich.
-
Ein
anderes Verfahren zum Ablagern von Partikeln in den Taschen beinhaltet
das Bereitstellen eines elektromagnetischen Felds, das die Partikel
in die Taschen zieht. Da die Partikel elektrisch ansprechen, werden
sie durch die passende Wahl des elektromagnetischen Felds angezogen
werden. Diese Technik kann in Verbindung mit anderen Verfahren einschließlich der
oben beschriebenen Bürstentechnik
verwendet werden. Die Anlegung des elektromagnetischen Felds kann
zum Beispiel nach der Abgabe der Partikel auf das Substrat und vor
oder während
des Bürstens
der Partikel in die Taschen stattfinden.
-
Nach
dem Ablagern der Partikel 806 in den Taschen 842 wird
typischerweise eine Deckschicht 848 über den Partikeln gebildet,
wie in 9B veranschaulicht ist. Diese
Deckschicht 848 ist typischerweise ein flüssiges Polymermaterial,
das getrocknet oder vernetzt werden kann, um eine feste Schicht
zu bilden. Die Deckschicht 848 kann, falls gewünscht, aus
einem Material gebildet werden, das für eine Flüssigkeit durchlässig ist,
die die Basis- und die Deckschicht aufquellen lässt.
-
Wenn
die Tasche 842 groß genug
ist, um das ganze Partikel 806 zu halten, kann alternativ
vor dem Bilden der Deckschicht 848 ein Fluid (z. B. ein
dielektrisches Fluid) beigegeben werden. Die Flüssigkeit kann auf eine Vielfalt
von Weisen einschließlich,
zum Beispiel, Vorhangbeschichtung oder Flutbeschichtung, Spritzen
und Drucken, beigegeben werden. In einigen Ausführungsformen, insbesondere
einigen der Beispiele mit Taschen mit mehreren Partikeln, können Flüssigkeiten
mit unterschiedlichen Farben durch Techniken wie etwa den Tintenstrahldruck
oder andere Druckverfahren einzeln verschiedenen Teilmengen der
Taschen beigegeben werden, typischerweise in einem nicht zufälligen Muster.
Zum Beispiel können
wie in 15 veranschaulicht vier unterschiedlich
gefärbte
Flüssigkeiten 460A, 460B, 460C, 460D (z.
B. schwarz, magenta, cyan und gelb oder weiß, rot, blau und grün) einzelnen
Teilmengen in einem Muster beigegeben werden, das verwendet werden
könnte,
um eine vollfarbige Anzeige zu bilden. Waagerechte, senkrechte oder
diagonale Reihen von Taschen könnten
mit der gleich gefärbten
Flüssigkeit gefüllt werden.
Die Partikel 464 in diesem Beispiel könnten zum Beispiel weiß oder hell
gefärbt
sein. Die Partikel könnten verwendet
werden, um die Farbe des dielektrischen Fluids wie gewünscht selektiv
zu verbergen.
-
Als
eine Alternative können
die Partikel gefärbt
sein und kann die Flüssigkeit
weiß oder
hell gefärbt
sein. Unter Verwendung von vier Teilmengen von Partikeln mit verschiedenen
Farben (z. B. schwarz, magenta, cyan und gelb oder weiß, rot blau und
grün) kann
eine vollfarbige Anzeige gebildet werden. Die passend gefärbten Partikel
können
in den Teilmengen der Taschen abgelagert werden. Als noch eine andere
Alternative können
Partikel mit unterschiedlichen Farben und unterschiedlichen elektromagnetischen
Eigenschaften in den Taschen abgelagert werden. Zum Beispiel kann
eine Teilmenge von Partikeln mit einer Farbe wie rot und eine zweite Teilmenge
mit weißen
Partikeln in den Taschen abgelagert werden, die dazu bestimmt sind,
eine rote Farbe bereitzustellen. Die roten und weißen Partikel
können
ein entgegengesetztes elektromagnetisches Ansprechen aufweisen,
so dass dann, wenn eine Teilmenge der Partikel zur Oberseite der
Tasche angezogen wird, die andere Teilmenge zur Unterseite der Tasche
angezogen wird. Diese Gestaltung kann unter Verwendung passend gefärbter Partikel
(zum Beispiel blau, grün,
gelb, cyan, magenta oder schwarz) für andere Taschen wiederholt
werden. Das Fluid in den Taschen kann gefärbt, klar oder durchscheinend sein.
-
Unter
Rückkehr
zu 9B kann die Deckschicht 848 aus einem
Material gebildet werden, das klar, durchsichtig oder gefärbt ist.
Die Deckschicht 848 kann auch aus einem Material gebildet
werden, das halb opak ist, wenn die Partikel ausreichend dicht an
der Sichtfläche
positioniert werden, dass sie durch die Deckschicht sichtbar sind.
Wo vor der Deckschicht die Flüssigkeit
beigegeben wird oder die Partikel mikroverkapselt sind, kann die
Deckschicht 848 aus einem nicht durchlässigen Polymermaterial einschließlich, aber
ohne Beschränkung
darauf, Polystyrol-, Polyurethan-, Polypropylen-, Acryl-, und Epoxidpolymermaterialien
gebildet werden. In dieser Ausführungsform
besteht keine Notwendigkeit, das Anordnungssubstrat quellen zu lassen.
-
Eine
obere und eine untere Elektrode 824, 826 sind
typischerweise an oder nahe an einander gegenüberliegenden Flächen der
Basisschicht 840 und der Deckschicht 848 angeordnet,
wie in 9C veranschaulicht ist. In einigen
Ausführungsformen
ist mindestens eine aus der oberen und der unteren Elektrode von
der Basisschicht 840 und der Deckschicht 848 beabstandet,
und in anderen Ausführungsformen
sind die obere und die untere Elektrode auf den Flächen der
Basisschicht 840 und der Deckschicht 848 angeordnet.
Ein elektromagnetisches Feld, das über die Elektroden angelegt
wird, bewegt (z. B. dreht oder verschiebt) die Partikel 806 in
eine Ausrichtung gemäß dem angelegten
Feld.
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Typischerweise
ist die obere Elektrode 824 über der Deckschicht 848 unter
Verwendung eines durchsichtigen Leiters wie etwa eines Dünnfilms
eines Metalls (wie etwa, zum Beispiel, Aluminium, Nickel, Chrom,
Gold, Kupfer, Platin oder Zinn) oder einer leitenden Verbindung
(wie etwa, zum Beispiel, Indiumzinnoxid, Vanadiumoxid, dotiertes
Zinnoxid, Polythiophen, Polyanilin, und andere leitende Polymere)
hergestellt. Die untere Elektrode 826 kann unter Verwendung
des gleichen oder eines anderen leitenden Materials gebildet werden
und kann durchsichtig oder opak sein. In einer alternativen Ausführungsform
kann die Basisschicht des Partikelanordnungssubstrats unter Verwendung
eines leitenden Polymers gebildet werden. Diese Basisschicht kann
dann als die untere Elektrode wirken, so dass keine zusätzliche
Elektrodenschicht benötigt
wird.
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Die
obere Elektrode oder die untere Elektrode oder beide können derart
gebildet werden, dass jede der Taschen oder Gruppen von Taschen
einzeln oder gesammelt ansprechbar sind. Zum Beispiel können die
Taschen in einem X-Y-Format oder jeder beliebigen anderen bekannten
Ansprechgestaltung angesprochen werden. In einem Beispiel ist die
untere Elektrode eine einzelne Elektrode, die im Wesentlichen den
gesamten Teil des Substrats, der Partikel enthält, bedeckt, und beinhaltet
die obere Elektrode mehrere Elektrodenelemente, die ein einzelnes
Ansprechen von einzelnen Taschen oder einer Gruppe von benachbarten
Taschen gestatten. Die entgegengesetzte Gestaltung mit einer einzelnen
oberen Elektrode und einer unteren Elektrode mit mehreren Elektrodenelementen
kann ebenfalls verwendet werden. Durch einzelne Aktivierung der
Elektrodenelemente können
unter Verwendung der elektromagnetisch ansprechenden Partikelanordnung
Informationen (z. B. alphanumerische Zeichen, Symbole und andere
Grafiken) dargestellt werden, oder kann ein gewünschtes Muster gebildet werden.
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Der
Kontrast in einer Anzeigeanwendung, die die Partikelanordnungen
verwendet, kann von einer Vielfalt von Faktoren einschließlich, zum
Beispiel, der Farbe und des Reflexionsvermögens der Partikel, der Farbe
des Anordnungssubstrats, der Farbe eines dielektrischen Fluids in
der Tasche, der Packungsdichte der Partikel, der Packungsdichte
der Taschen, der Dicke der Wände
zwischen den Taschen, der Anordnung der Taschen, und der Anzahl der
Partikel, die durch eine Veränderung
der Spannung einer einzelnen Elektrode beeinflusst werden, abhängen. In
einigen Anzeigen und anderen Anwendungen ist die Partikelanordnung
dazu gestaltet, einen Kontrast von mindestens 5:1 zu erzielen. In
einigen Ausführungsformen
kann der Kontrast 10:1 oder besser sein. Der Kontrast kann unter
Verwendung eines Spektrometers oder eines ähnlichen Lichtreflexions-Messinstruments
gemessen werden. Der Kontrast ist typischerweise der relative Unterschied
in der reflektierten Lumineszenz oder Helligkeit zwischen hellen
und dunklen Bereichen der Partikelanordnung.
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Die
vorliegende Erfindung sollte nicht als auf die oben beschriebenen
besonderen Ausführungsformen
beschränkt
angesehen werden, sondern sollte vielmehr so verstanden werden,
dass sie alle Gesichtspunkte der Erfindung abdeckt, die in den beiliegenden
Ansprüchen
angemessen dargelegt sind. Verschiedenste Abwandlungen, gleichwertige
Prozesse wie auch zahlreiche Aufbauten, auf die die vorliegende
Erfindung anwendbar sein kann, werden Fachleuten, auf die die vorliegende
Erfindung abzielt, bei Durchsicht der vorliegenden Beschreibung
leicht offensichtlich werden.