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Hintergrund
der Erfindung
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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf Anzeigevorrichtungen. Insbesondere bezieht
sich die Erfindung auf eine Struktur zum Beibehalten des Zustands
einer Anzeigevorrichtung unter Verwendung eines induzierten elektrischen
Felds.
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Verwandte
Technik
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Flachbildschirme
(FPDs), die üblicherweise in
Laptop-Computern und anderen tragbaren Anwendungen verwendet werden,
erfordern einen geringen Leistungsverbrauch und eine kompakte Größe zusätzlich zu
guten visuellen Anzeigecharakteristika. Eine Technologieklasse,
die für
FPDs verwendet wird, beinhaltet die Manipulierung von Teilchen,
die in einem flüssigen
Medium suspendiert sind, um die Reflexions- und die Durchlasseigenschaft des Mediums
zu verändern.
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Es
gibt zwei allgemeine Typen von Teilchenanzeigen, wobei der erste
oft als Suspensionsteilchenanzeige (SPD) bezeichnet wird. In SPDs
wird die Ausrichtung der Teilchen selektiv gesteuert, um den für eine Anzeige
erforderlichen optischen Kontrast zu erzeugen. In einer elektrophoretischen
Bildanzeige (EPID) wird die Verteilung einer Teilchenpopulation
selektiv gesteuert, um den für
eine Anzeige erforderlichen optischen Kontrast zu erzeugen. In beiden
Fällen
wird ein elektrisches Feld zur Steuerung der Teilchen eingesetzt.
Es wird angemerkt, dass Teilchen in beiden Anzeigetypen in einem
flüssigen
Medium suspendiert sind, und in einem Fall ist das Ansprechen auf
das elektrische Feld bezüglich einer
Ausrichtung, und in dem anderen bezüglich einer Verteilung.
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SPDs
sind aufgrund ihres breiten Betrachtungswinkels, einer hohen optischen Übertragung und
einer leichten Herstellung attraktiv. Mit SPDs wird eine Lichtventilaktion
erhalten, wenn Teilchen in Submikrometergröße mit einer asymmetrischen
plattenartigen Form sich mit einem extern angelegten elektrischen
Feld ausrichten und so einen Durchgang des Lichts erlauben (der „helle" Zustand). Diese
Ausrichtung tritt auf, da das externe Feld ein Dipolmoment in den
Molekülen
der Teilchen induziert. In Abwesenheit des externen Felds richten
sich die Teilchen aufgrund einer Brownschen Bewegung zufällig aus
und blockieren folglich Licht (der „dunkle" Zustand).
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Kristalle
von Jodchinin-Sulfat oder verwandten Verbindungen z. B. könnten in
einer organischen Flüssigkeit
dispergiert sein, und da die Kristalle dichroitisch sind, besteht
ein großer
Unterschied zwischen der Absorption in dem nichtausgerichteten Zustand
im Vergleich zu dem ausgerichteten Zustand. In Abwesenheit eines
angelegten Feldes erzeugt die zufällige Ausrichtung ein bläulich schwarzes
Erscheinungsbild und in dem ausgerichteten Zustand gibt es sehr
wenig Absorption und ein guter Kontrast kann mit einem weißen Hintergrund
erhalten werden. Ein wesentlicher Nachteil von SPDs besteht darin,
dass die hellen Bereiche der Anzeige kontinuierlich mit dem externen
elektrischen Feld mit Energie versorgt werden müssen, um die Anzeige beizubehalten,
wobei so selbst dann Energie verbraucht wird, wenn das Bild auf
der Anzeige statisch ist. SPDs fehlt üblicherweise auch eine klare
Spannungsschwelle und sie erfordern ein Aktiv-Matrix-Adressieren
für eine
hohe Auflösung.
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In
EPIDs sind die verwendeten Teilchen in der Anzeige elektrisch geladen
und könnten
entweder eine Farbe aufweisen, die im Kontrast zu der Flüssigkeit,
die zur Suspendierung derselben verwendet wird, steht, z. B. weiße Teilchen in
einem dunkelblauen Farbstoff, oder könnten in Teilchen zweier kontrastierender
Farben mit entgegengesetzter Ladung unterteilt sein. Die Teilchen
migrieren unter dem Einfluss eines angelegten elektrischen Feldes
zu der Vorderseite oder Rückseite
der Anzeige, was eine helle oder dunkle Region erzeugt, wenn diese
von vorne betrachtet wird. Die EPID arbeitet durch Reflexion und
Absorption im Gegensatz zu einem Durchlassen. Obwohl EPIDs einen
inhärenten
Speicher aufweisen, gibt es keine Spannungsschwelle, was Multiplexanzeigen
schwierig macht.
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So
besteht der Bedarf nach einer Teilchenanzeige, die in der Lage ist,
ein angezeigtes Bild ohne ein angelegtes externes Feld zu erhalten.
Außerdem besteht
ein Bedarf nach einer Teilchenanzeige, die eine Spannungsschwelle
aufweist, die ein Multiplexen ermöglicht.
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Eine
Anzeige, wie im Oberbegriff von Anspruch 1 oder Anspruch 9 definiert
ist, ist in der JP-A-2000 258 805 offenbart.
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Eine
Teilchenanzeigevorrichtung mit einer Monoschicht eines bistabilen
polarisierbaren Moleküls
auf entweder einer oder beiden Seiten eines Zwischenraums, der mit
einer Flüssigkeit
gefüllt
ist, die suspendierte Teilchen beinhaltet, ist offenbart. Die Monoschichten
und der flüssigkeitsgefüllte Zwischenraum
sind zwischen strukturierten Elektroden angeordnet, die verwendet
werden, um ein elektrisches Feld über die Schichten des Zwischenraums anzulegen,
wobei so die Ausrichtung oder die Verteilung der suspendierten Teilchen
beeinflusst wird. Das optische Übertragen
bzw. Durchlassen oder das Reflexionsvermögen des Zwischenraums hängt von dem
angelegten elektrischen Feld ab. Die polarisierbaren Monoschichten
sprechen auf das angelegte elektrische Feld an, indem sie einen
von zwei stabilen polarisierten Zuständen annehmen. Das durch die
Dipole der Moleküle
in der Monoschicht bereitgestellte Feld bleibt, nachdem das externe
Feld entfernt wird, wodurch der Einfluss des elektrischen Feldes auf
die suspendierten Teilchen der Anzeigevorrichtung erhalten bleibt.
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Anzeigevorrichtungen
gemäß der Erfindung sind
in den Ansprüchen
1 und 9 definiert. Weitere Ausführungsbeispiele
sind in den abhängigen
Ansprüchen
beschrieben.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung weist eine SPD mit plattenartigen oder
tafelförmigen
Teilchen, die in einem mit Flüssigkeit
gefüllten
Zwischenraum zwischen zwei transparenten Substraten suspendiert
sind, eine Monoschicht eines bistabilen polarisierbaren Moleküls, das auf
die Oberfläche
jedes der Substrate aufgetragen wird, auf. Das bistabile polarisierbare
Molekül
weist zwei stabile Zustände
auf, die durch eine Schwelle eines elektrischen Feldes getrennt
sind, wobei ein Zustand ein höheres
elektrisches Dipolmoment aufweist als der andere, oder einen umgekehrten
Dipol. Wenn ein externes Feld mit ausreichender Stärke über die
Substrate angelegt wird, sind die Dipole auf gegenüberliegenden
Seiten des Zwischenraums in entgegengesetzten komplementären Zuständen und schaffen
ein internes Feld für
die Vorrichtung, das bleibt, nachdem das externe Feld entfernt wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
beigefügten
Zeichnungen, die in dieser Beschreibung beinhaltet sind und einen
Teil derselben bilden, stellen Ausführungsbeispiele der Erfindung
dar und dienen gemeinsam mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien
der Erfindung zu erklären:
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1 stellt
ein repräsentatives
Molekül,
das einen bistabilen Dipol aufweist, gemäß einem Ausführungsbeispiel
der hier beanspruchten Erfindung dar.
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2 zeigt
eine bistabile molekulare Monoschicht auf einem leitfähigen Filter
gemäß einem Ausführungsbeispiel
der hier beanspruchten Erfindung.
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3 zeigt
eine bistabile molekulare Monoschicht auf einem dielektrischen Filter
gemäß einem Ausführungsbeispiel
der hier beanspruchten Erfindung.
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4 zeigt
eine Suspensionsteilchenanzeigestruktur zur Verwendung mit der bistabilen
molekularen Monoschicht gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der hier beanspruchten Erfindung.
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5 zeigt
ein Schema einer Anzeige unter Verwendung ausgerichteter tafelförmiger Teilchen gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der hier beanspruchten Erfindung.
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6 zeigt
ein Schema einer Anzeige unter Verwendung einer homogenen Population
ausgerichteter kugelförmiger
Teilchen gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der hier beanspruchten Erfindung.
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7 zeigt
ein Schema einer Anzeige unter Verwendung einer heterogenen Population
ausgerichteter kugelförmiger
Teilchen gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der hier beanspruchten Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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In
der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung,
einer Teilchenanzeigevorrichtung, die bistabile molekulare Monoschichten verwendet,
sind zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein gründliches
Verständnis
der vorliegenden Erfindung zu schaffen. Es ist für einen Fachmann auf dem Gebiet
jedoch zu erkennen, dass die vorliegende Erfindung ohne diese spezifischen
Details prak tiziert werden könnte.
In anderen Fällen
sind bekannte Verfahren, Prozeduren, Komponenten und Strukturen
nicht detailliert beschreiben, um so Aspekte der vorliegenden Erfindung
nicht unnötigerweise
zu verschleiern.
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1 zeigt
eine bistabile polarisierbare molekulare Spezies zum Erzeugen der
bistabilen molekularen Monoschicht der vorliegenden Erfindung. Con1 und Con2 sind Verbindungseinheiten,
die einen Ort oder Orte zum Anbringen des Moleküls an einem Substrat bereitstellen
(z. B. Metallelektrode, dielektrisches Substrat, usw.). Für Con1 und Con2 könnte die Substratbindung
zwischen einem Kohlenstoffatom in dem Ring durch Dehydrieren oder
durch Substitution eines Ring-Kohlenstoffs durch ein Atom, wie z.
B. Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel, Silizium, usw. hergestellt
werden. Das in 1 gezeigte Molekül erfüllt die
folgenden Anforderungen
- a) Das Molekül muss zumindest
zwei Segmente aufweisen.
- b) Alle Segmente müssen π- und/oder
p-Elektronen aufweisen.
- c) Das Molekül
kann entweder symmetrisch oder asymmetrisch zu einer Donatorengruppe
auf einer Seite und einer Akzeptorengruppe auf der anderen Seite
sein.
- d) Zumindest zwei Segmente des Moleküls besitzen bestimmte funktionelle
Gruppen, die eine Stabilisierung beider Zustände eines Faltens und Dehnens
durch intra- oder
intermolekulare Kräfte, wie
z. B. Wasserstoffbindung, Van-der-Waals-Kräfte, Coulomb-Anziehung oder Metallkomplex,
unterstützen.
- e) Der Falt- oder Dehnzustand des Moleküls muss E-Feldadressierbar
sein.
- f) Zumindest in einem Zustand (wahrscheinlich in einem voll
ausgedehnten Zustand) werden die π- und/oder
p-Elektronen des
Moleküls
gut delokalisiert und die π- und/oder p-Elektronen
des Moleküls
werden in einem oder mehreren anderen Zuständen lokalisiert oder nur teilweise
delokalisiert.
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In 1 entsteht
die ausgedehnte Konfiguration 10 des Moleküls ansprechend
auf ein elektrisches Feld mit ausreichender Stärke. Bei dieser Konfiguration
ist das gesamte Molekül
in einer perfekten planaren Konformation und die π- und/oder p-Elektronen
sind in dem gesamten Molekül
delokalisiert. Da die erweiterte Konjugation (π- und/oder p-Elektronendelokalisierung) des Moleküls ein Teilnehmen des
Donators (R1R2N-)
und des Akzeptors (Nitrogruppe) an der Polarisation des Moleküls möglich macht, ist
der molekulare Dipol stark erhöht.
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Wenn
das Molekül
in der gefalteten Konfiguration 11 aus 1 ist,
ist dasselbe nicht planar und die erweiterte Konjugation (π- und/oder
p-Elektronendelokalisierung) wird abgeschnitten. In diesem Zustand
besteht keine Beteiligung von dem Donator (R1R2N-) und dem Akzeptor (Nitrogruppe) an der
Polarisation, d. h. die Route zwischen dem Donator (R1R2N-) und dem Akzeptor (Nitrogruppe) ist abgeschnitten
und der Dipol des Moleküls
ist stark reduziert.
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2 zeigt
eine bistabile molekulare Monoschicht 20 auf einem leitfähigen Film 21 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der hier beanspruchten Erfindung. Bei diesem Beispiel ist ein Schwefelatom 22 als
eine Brücke
zwischen einem Endkohlenstoffatom 23 und der Oberfläche des
leitfähigen
Films 21 gezeigt. Der leitfähige Film 21 wird
durch ein Substrat 24 getragen.
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Für Teilchenanzeigevorrichtungen
ist das vordere Substrat für
sowohl durchlassende als auch reflektierende Vorrichtungen transparent
und der leitfähige
Film könnte
entweder ein transparentes leitfähiges
Oxid (z. B. dotiertes Indium oder Zinnoxid oder Rutheniumoxid) oder
ein Dünnmetallfilm
sein. Für Dünnmetallfilme
wird ein stabiles Metall, wie z. B. ein Gold- oder ein Platingruppenmetall,
bevorzugt. Da der Metallfilm sehr dünn sein muss, um eine Transparenz
bereitzustellen, ist eine chemische Stabilität wünschenswert.
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Die
Herstellung einer molekularen Monoschicht auf einem Goldfilm kann
durch ein Verwenden eines Moleküls,
das an einem Ende eine funktionelle Thiol-Gruppe (S-H) aufweist,
erzielt werden. Die Monoschicht kann aus einer Lösung oder durch Aufdampfung
aufgebaut werden. Der Vorgang könnten in
einer Zwei-Schritt-Sequenz durchgeführt werden, bei der die Spezies
zuerst auf dem Substrat physisorbiert und dann leicht erwärmt werden,
um die Schwefel-Gold-Bindung zu erzeugen, wobei die chemiesorbierten
Spezies enger gebunden sind als die physisorbierten Spezies. Alkanthiole,
die eine lineare Kohlenstoffkette aufweisen, die mit einer Thiolgruppe
endet, könnten
als das Bindungsende eines bistabilen Moleküls dienen, wobei funktionelle
Gruppen zu einer Bindungsgruppe zugegeben werden, um die erforderlichen
elektronischen Eigenschaften für
das Molekül
als Ganzes bereitzustellen.
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Für eine Reflexionsteilchenanzeige,
wie z. B. eine EPID, ist eine Transparenz für das hintere Substrat nicht
nötig und
ein dickerer Metallfilm könnte verwendet
werden. Die Fähigkeit,
einen dickeren Film zu verwenden, schafft mehr Flexibilität bei der Auswahl
des verwendeten Metalls und den Spezies, die zur Bindung an den
Metallfilm eingesetzt werden.
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3 zeigt
eine alternative Struktur zum Tragen der bistabilen molekularen
Monoschicht der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Beispiel ist
die Monoschicht 30 auf einen dielektrischen Film 31 aufgebracht,
der als ein Überzug
für einen
leitfähigen Film 32 verwendet
wird. Der dielektrische Film 31 und der leitfähige Film 32 werden
durch ein Substrat 33 getragen. Der dielektrische Film 31 könnte verwendet
werden, um eine unerwünschte
Ladungsübertragung,
die zu elektrochemischen Reaktionen führt, zu verhindern. Ein bevorzugtes
Material für
den dielektrischen Film 31 ist Siliziumdioxid. Da die Monoschicht aus 3 an
ein Oxid gebunden ist, ersetzt ein Siliziumatom 34 das
Schwefelatom aus 2 als die Brücke zwischen dem Endkohlenstoff
und der Oberfläche
des dielektrischen Films 31. Das Siliziumatom ist üblicherweise
auf den Molekularspezies als eine Silan-(Si-H) oder Silanol-(Si-O-H)
Gruppe vorgesehen. Die funktionelle Siliziumgruppe könnte auch
verwendet werden, um eine Bindung zu der Oberfläche des zuvor erwähnten transparenten
leitfähigen
Oxidfilms herzustellen, der anstelle eines leitfähigen Metallfilms verwendet
werden könnte.
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4 zeigt
eine typische Suspensionsteilchenanzeigestruktur 40, die
bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Ein oberes
Substrat 41 und ein unteres Substrat 42 stellen
einen Träger für eine obere
leitfähige
Beschichtung 43 bzw. eine untere leitfähige Beschichtung 44 bereit.
Das obere Substrat 41 und die obere leitfähige Beschichtung 43 sind
transparent. Das untere Substrat 42 und die untere leitfähige Beschichtung 44 könnten entweder transparent
sein, wie in dem Fall einer SPD, oder nicht transparent, wie in
dem Fall einer EPID. Die transparenten Materialien, die geeignet
zur Verwendung als das obere Substrat 41 sind, sind organische Polymere,
Glas und Kristallinmaterialien, wie z. B. Saphir und Quarz. Die
geeigneten Materialien für
das untere Substrat umfassen diejenigen zur Verwendung bei dem oberen
Substrat 41 sowie andere undurchsichtige dielektrische
Materialien.
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Wie
in 4 gezeigt ist, sind die Substrate durch einen
Zwischenraum 46 getrennt und entlang des Umfangs durch
eine Dichtung 45 abgedichtet. Der Zwischenraum 46 ist
mit einer Flüssigkeit,
die suspendierte Teilchen beinhaltet, gefüllt.
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Die
Eigenschaften der Flüssigkeit
und der Teilchen hängen
von den Funktionscharakteristika, die in der Anzeige erwünscht sind,
ab.
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5 zeigt
eine schematische Nahaufnahme der Anzeige aus 4 mit
ausgerichteten tafelförmigen
Teilchen 50, wie z. B. denjenigen, die in einer SPD verwendet
werden, die in dem Zwischenraum zwischen den Substraten 51 und 52 in
einem transparenten flüssigen
Medium 53 suspendiert sind. Die tafelförmigen Teilchen sind flach
mit einer Form, der sich durch ein regelmäßiges Vieleck angenähert werden
kann. Die Form der Teilchen ermöglicht
das maximale Durchlassen von Licht durch den Zwischenraum, wenn
die Teilchen mit dem elektrischen Feld ausgerichtet sind. In Abwesenheit
eines elektrischen Feldes sind die Teilchen zufällig ausgerichtet und das Durchlassen
ist reduziert. Der Kontrast zwischen der ausgerichteten und der
zufälligen
Ausrichtung ist eine Funktion der Eigenschaften der Materialien
in dem optischen Pfad und der Anzahl und Verteilung der Teilchen.
Idealerweise passt der Brechungsindex des Substrats und der Beschichtungen gut
mit der Suspensionsflüssigkeit
zusammen und passt schlecht mit den Teilchen zusammen.
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6 zeigt
eine schematische Nahaufnahme der Anzeige aus 4 mit
kugelförmigen
Teilchen 60, wie z. B. denjenigen, die in einer EPID verwendet
werden, die in dem Zwischenraum zwischen den Substraten 61 und 62 in
einem undurchsichtigen Flüssigmedium 63 suspendiert
sind. Die Teilchen 60 weisen die gleiche Ladung auf und
migrieren ansprechend auf ein angelegtes Feld abhängig von
der Polarität
der Ladung und der Richtung des angelegten Feldes entweder zu dem
oberen Substrat 61 oder dem unteren Substrat 62.
Die Ladung auf den Teilchen könnte
durch eine Wechselwirkung mit dem Flüssigmedium 63 oder
durch einen Elektret-Vorgang oder dielektrische Absorption erzeugt
werden.
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Die
suspendierten Teilchen 60 und das Flüssigmedium 63 weisen
kontrastierende Farben auf, die Teilchen 60 könnten z.
B. weiß und
das Flüssigmedium 63 könnte dunkelblau
sein. In 6 sind die Teilchen 60 auf
dem oberen Substrat 61 positioniert gezeigt. In Regionen,
die diese Verteilung aufweisen, erscheint die Anzeige aufgrund einer
Reflexion von den Teilchen 60 hell. Eine Polaritätsumkehr
bewirkt, dass die Teilchen 60 zu der unteren Oberfläche 62 migrieren,
was die Anzeige aufgrund der Absorption durch das Flüssigmedium 63 dunkel
erscheinen lässt.
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7 zeigt
eine schematische Nahaufnahme einer Anzeige, ähnlich der aus 6,
die eine heterogene Population kugelförmiger Teilchen aufweist, die
in dem Zwischenraum zwischen den Substraten 71 und 72 in
einem Flüssigmedium 73 suspendiert sind.
Die Population der Teilchen besteht aus zwei Gruppen von Teilchen 70A und 70B,
die kontrastierende Farben und eine entgegengesetzte Ladung aufweisen.
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Da
die beiden Gruppen von Teilchen 70A und 70B eine
entgegengesetzte Ladung aufweisen, migrieren sie bei Vorliegen eines
angelegten elektrischen Feldes zu gegenüberliegenden Substraten. Abhängig von
der Feldausrichtung in einer bestimmten Region der Anzeige befindet
sich eine Gruppe oder die andere auf der gerade betrachteten Oberfläche des
Substrats und die andere ist verdeckt. Das Flüssigmedium 73 könnte entweder
transparent oder undurchsichtig sein.
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Da
das durch die bistabilen molekularen Monoschichten erzeugte Feld
ein DC- bzw. Gleichstromfeld ist, ist es wichtig, dass verhindert
wird, das die Teilchen ansprechend auf das Feld agglomerieren oder „sich elektrochemisch
abscheiden". Zusätzlich zu
den Monoschichten, die für
die Substratoberfläche spezifisch
zugeschnitten sind, könnten
Monoschichten oder Teilschichten von Molekülen, die zur Bereitstellung
einer sterischen Hinderung entworfen sind, auf den Teilchenoberflächen verwendet
werden, um ein irreversibles Binden der Teilchen an die bistabilen molekularen
Monoschichten oder aneinander zu verhindern. Die Ladung, die den
Teilchen zugeordnet ist, die in einer EPID verwen det werden, unterstützt die Verhinderung
einer Agglomeration in einer EPID; die Teilchen in einer SPD jedoch
sind üblicherweise
nicht geladen und könnten
die Unterstützung
einer sterischen Hinderung erforderlich machen, um zu verhindern,
dass Van-der-Waals-Kräfte
ausreichend stark werden, um den elektrostatischen Kräften zu
widerstehen, die einen Betrieb der Anzeigevorrichtung ermöglichen.
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Um
als ein Abstand zu dienen, muss das Molekül, das eine sterische Hinderung
bereitstellt, in der Lage zu sein, eine nahe Annäherung zwischen Teilchen und
der bistabilen molekularen Monoschicht zu behindern, so dass der
Radius einer Annäherung nicht
ausreichend klein wird, um eine Dominierung von Van-der-Waals-Kräften zu
erlauben.
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Das
bevorzugte Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, eine Teilchenanzeigevorrichtung, die
bistabile molekulare Monoschichten verwendet, ist so beschrieben.
Während
die vorliegende Erfindung in bestimmten Ausführungsbeispielen beschrieben
wurde, sollte zu erkennen sein, dass die vorliegende Erfindung nicht
als Einschränkung
auf derartige Ausführungsbeispiele
aufgefasst werden soll, sondern vielmehr gemäß den folgenden Ansprüchen aufgefasst
werden soll.