TWI606290B - 電場驅動的胞元及其操作方法 - Google Patents

Description

電場驅動的胞元及其操作方法

本發明涉及可用於電子紙顯示器的由電場驅動的胞元及其操作方法。

最近，各種電子紙顯示器的研究和開發已經取得進展，因此，商用電子紙變得可以獲取。

下面是電子紙顯示器的一些有代表性的例子：(1)電泳型(E-Ink，SiPix)，其中帶電的顏料顆粒被局限於微囊體或不與油混合並回應電場的施加而移動；(2)擰球型(Gyricon media)，其中有由相反的電荷和不同的顏色的上半球和下半球面形成的球面形顆粒被電場旋轉；(3)QR-LPD(快速反應液態粉狀顯示器)類型(Bridgestone)，其中帶電液態粉是在乾燥的情況下運行；(4)使用膽甾醇液晶分子的選擇性反射屬性的膽甾醇液晶顯示類型(Kent Display)。

其中，電泳型是電子紙顯示器的最典型的類型。在諸如電泳顯示之類習知電子紙顯示器中使用的粒子具備永久電荷。然而，具備永久電荷的粒子可能是不利的，因為它們需要高驅動電壓並且有低的回應速度，而且它們難以表現色調。此外，需要彩色濾光片來表現顏色。

本發明開發並提供了使用沒有永久電荷的調節器的、由電場驅動的胞元及其操作方法，以解決上述習知技術的問題。

根據本發明的一個方面，提供了由電場驅動的胞元。胞元可包含彼此間隔開的第一電極和第二電極及在第一電極和第二電極之間移動的調節器。調節器沒有永久電荷，並且直流電壓或脈衝電壓被施加到第一電極和第二電極上。

調節器的位置可以通過調整施加到第一電極或第二電極上的直流電壓的幅度或施加到第一電極或第二電極上的脈衝電壓的幅度、電勢變化速度、脈衝波形和脈衝持續時間中的至少一個來控制。胞元還可包含控制器，控制器控制施加到第一電極或第二電極的直流電壓的幅度或施加到第一電極或第二電極的脈衝電壓的幅度、電勢變化速度、脈衝波形與脈衝持續時間。

本發明提供了電場驅動的胞元，它通過向電極施加直流電壓或脈衝電壓或者調節電勢變化速度來調節調節器的位置。

本發明的調節器沒有永久電荷，可以根據施加到其相鄰電極上的電勢而帶有正電荷(positively charged)或帶有負電荷持續所需時間。

如果調節器形成球面形或圓柱形並經由與它接觸的電極充電，電極和調節器就可以基於其間的接觸面積及接觸狀態而具有高的接觸電阻，使得調整調節器至處於充電狀態或絕緣狀態是可能的。

調節器可包含塗覆有導電材料或半導體材料的絕緣基底。此外，調節器可包含絕緣基底、塗覆絕緣基底的顏色層和塗覆顏色層的透明導電層。

此外，調節器可完全由諸如金屬氧化物或矽之類半導體材料形成。取決於其所施加的電場，這樣的半導體材料形成的調節器可能在其表面上有感應電荷(induced charges)，因此，它可能與塗覆有導電材料的球狀體有基本相同的特徵。

在本發明的電場驅動的胞元中，第一電極與第二電極可被置為與調節器直接接觸。可替換地，該胞元還可包含絕緣層，通過絕緣層，第一電極和第二電極被置為不與調節器接觸。

可替換地，該胞元還可包含絕緣層，通過絕緣層，第一電極和第二電極其中之一被置為不與調節器接觸。如果只有一個電極被置為與調節器接觸，可在接觸調節器的電極側另外提供控制電極。

第一電極和第二電極分別放置在彼此面對的分離的基板上，第一電極和第二電極放置為不彼此面對。調節器可放置於在彼此面對的兩個基板之間形成的驅動空間內，且可在第一電極和第二電極之間移動。此外，在其上放置第一電極的上基板和第一電極可以由透明材料製造，光吸收層可形成於上基板的其上未放置第一電極的部分。光吸收層可形成於放置有第二電極的整個下基板上。可替換地，在其上放置第一電極的上基板可以由透明材料製造，光吸收層形成於上基板的其上放置有第一電極的部分。

根據本發明的另一個方面，提供了包含複數個上述胞元的電場驅動裝置。

電場驅動裝置可以是顯示裝置。此外，電場驅動的顯示裝置可以是電子紙。

根據本發明的另一個方面，提供了電場驅動胞元的操作方法，其中電場驅動胞元包含彼此間隔開的第一電極和第二電極和在該兩電極之間移動的調節器。另外，通過向第一電極或第二電極施加直流電壓或脈衝電壓來控制調節器的位置。

調節器的位置可通過調節施加到第一電極或第二電極的直流電壓的幅度來控制。可替換地，調節器的位置可通過調整施加到第一電極或第二電極的脈衝電壓的幅度、電勢變化速度、脈衝波形和脈衝持續時間來控制。

調節器的位置可通過將直流電壓或脈衝電壓施加到與將放置調節器的位置相對的電極上而控制。理想地，脈衝電壓的電勢變化速度大於或等於調節器中的電荷再分配速度。

脈衝電壓的脈衝波形可以是從矩形波、正弦波和錐體波中選取的任何一種，但它們只是例子。脈衝波形不限於此，並可以有各種修改的形狀。

根據如上所述的本發明，提供了電場驅動的胞元，其可以減少驅動電壓，可高速驅動，並能通過使用直流電壓或脈衝電壓和沒有永久電荷的調節器來調整調節器的電勢和位置以表現顏色。

本發明的電場驅動的胞元可以用於諸如光開關、電開關和顯示器之類各個領域，特別是，它可以被應用到反射型電子紙顯示裝置。

下面，將參考附圖詳細說明本發明的實施例，結合附圖說明非限制性的和非窮舉的實施例。應理解，這些附圖僅描繪了根據本發明的幾個實施例，因此，不旨在限制其範圍，將通過使用附圖具體和詳細地說明本發明。

第1圖所示是根據本發明的實施例的電場驅動胞元的配置，且第2至4圖是在其中使用的調節器的橫截面圖。

電場驅動的胞元可包含第一電極210、第二電極220、調節器100和控制器300。

第一電極210和第二電極220彼此間隔開，並放置在基板600上。

基板600可以是由玻璃或柔性基板形成的透明基板，第一電極210和第二電極220可以是由諸如ITO(銦錫氧化物)或IZO(銦鋅氧化物)之類透明導電材料、諸如鉻、鋁和鉬之類不透明的導電材料和諸如PEDOT化合物之類導電聚合物形成。

第一電極210和第二電極220突出在基板600上，並被置為與調節器100直接接觸。在第一電極210和第二電極220之間的空隙根據使用電場驅動的胞元的裝置的用途而變化。

調節器100可以在第一電極210和第二電極220之間移動。調節器100沒有永久電荷，並且可以根據施加電壓的狀態而帶有正電荷(positively charged)或負電荷持續一段時間。

由於下面所提到的原因，調節器100具有對第一電極210或第二電極220的高接觸電阻。為了有高的接觸電阻，將調節器100製成球面形或圓柱形。由於球面形的調節器100被置為與第一電極210或第二電極220點接觸，球面形的調節器100與第一電極210或第二電極220有小的接觸面積。因此，接觸電阻是高的，因而，將調節器100保持在絕緣狀態持續所需時間是可行的。雖然沒有說明，因為圓柱形調節器可被置為與第一電極210或第二電極220點接觸或線接觸，其也有小的接觸面積。因此，圓柱形調節器可以與球面形的調節器100大致相同的方式移動。

此外，調節器100的大小等於或小於在第一電極210和第二電極220之間的空隙，調節器100的直徑可以在從約幾微米到約幾十微米的範圍內。

調節器100沒有永久電荷，但它需要由導電材料製造以通過電極而帶有正電荷或負電荷。然而，由於電荷可能被置於充電的調節器100的表面區域上，調節器100的整個部分不需要都由導電材料製造。因此，如第2圖所示，調節器100可以有絕緣基底110塗覆有導電材料從而在其上形成導電層120這樣的配置。根據絕緣基底110的大小，導電層120的厚度可以在從約10到約10,000的範圍內。導電層120的厚度可以根據與絕緣基底110的直徑的比例來確定。在示例性的調節器100中，絕緣基底110塗覆有具有絕緣基底110的直徑的約20%的厚度的導電層120，但不限於此厚度。

因為驅動調節器100的驅動力和調節器100的驅動速度與調節器100的重量成反比，所以，絕緣基底110是由具有低重量和介電特性的聚合物材料製造的。

導電層120可以由具有良好的電氣特性的諸如金和鋁之類金屬或諸如透明導電氧化物或導電聚合物的導電材料製造。

調節器100的顏色可能是重要的，其取決於使用電場驅動的胞元的技術領域。出於這個原因，第3圖所示的調節器100還包含顏色層130。

顏色層130可以是從包含白、紅、綠、藍、黃、品紅、青或任意顏色中選擇的任何一種顏色，並可以是由非透射黑色材料製造，以防止光的反射。

在包含這個顏色層130的調節器100中，導電層120可以由諸如ITO、IZO、ZnO和SnO2之類透明導電材料製造，以顯示顏色層130的顏色。

在第4圖中示出了其整個部分是由半導體材料140製造的調節器100。如果調節器100是由諸如金屬氧化物或矽之類具有半導體特性的材料140製造，經由其上所施加的電場，由於其半導體性質，感應電荷可以存在於其表面上。因此，半導體調節器100可能與塗覆有導電材料的調節器有相同的特徵。

由於同樣的原因，第2或3圖所示的調節器的導電層120可用半導體材料替代。舉例來說，具有半導體性質的有代表性的金屬氧化物是氧化鋅和氧化錫。

控制器300被連接到第一電極210和第二電極220，控制施加到第一電極210和第二電極220上的電壓。此外，控制器300施加直流電壓或脈衝電壓到電極上，並控制電壓的幅度、電壓的電勢變化速度、電壓的脈衝波形和電壓脈衝的持續時間。

在下文中，將解釋第1圖的電場驅動的胞元的操作方法。將以在最初的階段將調節器100置於與第二電極220接觸的情況來說明本方法。

按第1圖所示配置的電場驅動的胞元中，如果通過向第一電極210和第二電極220施加電壓來產生電勢差，沒有永久電荷的調節器100通過將電荷從第二電極220轉移到調節器100來充電。

當由第二電極220充電的調節器100的電勢變成等於第二電極220的電勢時，在第二電極220和調節器100之間的電力沒有發揮，通過在第一電極210和調節器100之間的電場力，調節器100向第一電極210移動。

向第一電極210移動的調節器100被置為與第一電極210接觸。然後，調節器100具有與第一電極210的電勢相等的電勢。因此，在第一電極210和調節器100之間的電場力沒有發揮，調節器100再次通過在第一電極210和調節器100之間的電場力向第二電極220移動。這樣，調節器100不斷地在兩個電極之間往復運動。

然而，根據本實施例的電場驅動的胞元在調節器100和電極210或220之間具有小的接觸面積，因此，電場驅動的胞元具有非常高的接觸電阻。因此，調節器100相對於電極可以處於近絕緣狀態。處於絕緣狀態的調節器100可能會有因施加到電極210和220上的電勢而改變的暫時浮動的電勢。

於此，如果在調節器100的暫時浮動狀態中，在電荷的再分配完成之前，施加到電極210和220上的電勢一直不改變，則在其中完成電荷的再分配的調節器100可能有處於在電極210和220的電勢值之間的某值的浮動的電勢。由於在相鄰的第二電極220和調節器100之間的電場力比在第一電極210和調節器100之間的電場力強，調節器100就停在第二電極220的位置。

同時，如果在調節器100的暫時浮動狀態中，施加到電極210和220的電勢在電荷的再分配完成之前發生改變，在未完成電荷的再分配的調節器100和與其相鄰的第二電極220之間的電勢差可能是0或接近於0。相應地，在第一電極210和調節器100之間產生相對高的電勢差，因此，在電極210與220和調節器100之間的電場力變得可改變。因而，調節器100不受第二電極220的電場力的影響，它被第一電極210的電場力移向第一電極210。

簡言之，如果將恒壓或在比調節器100中的表面電荷的再分配時間較短的時間內變化的電壓施加到處於暫時浮動狀態的調節器100被控制向其移動的電極或調節器100處於其位置的電極上，作為吸引力的電場力在調節器100與調節器100被控制向其移動的電極之間產生，因此，調節器100的位置可以調整。

在這裏，可以將脈衝電壓施加到電極210和220上，以在調節器100中的電荷再分配完成前快速改變施加到電極210和220上的電壓。

如上所述，在本實施例中的電場驅動的胞元使用脈衝電壓和沒有永久電荷的並且其中包含由高分子材料製造的絕緣基底的調節器100，因此，它可以用低驅動電壓以高的回應速度驅動。

如第5圖所示，脈衝電壓可以是矩形波，其中用於電壓上升或下降的時間是0或接近于0時採集，或者脈衝電壓可以是正弦波，其中電壓變化呈曲線。電勢改變速度可以用脈衝電壓的脈衝波的傾斜度表示，電極210和220的電勢改變速度需要高於或等於電荷在調節器100的表面再分配的速度。

這可以通過向電極210和220施加直流電壓實現。如果調節器100位於第二電極220處，浮動的電勢可以用施加到第二電極220上的電場的幅度和施加時間來定義。在這種情況下，如果沒有施加在調節器100的浮動的電勢與施加到第二電極220的電場之間的吸引力，則在調節器100的浮動電勢與施加到第一電極210上的電場之間就產生電場力，因此，調節器100被移向第一電極210。

向第一電極210和第二電極220施加電場的施加方法可以是如下所示的任何類型，任何類型的方法可應用於可應用本發明的電場驅動的胞元的任何配置。

第6至10圖所示為根據本發明的其他實施例的電場驅動的胞元。使用相同的參考數位的元件是相同的元件，並省略其冗餘的解釋。

在第6圖所示的電場驅動的胞元中，形成絕緣層400使得第一電極210和第二電極220不與調節器100接觸。在第6圖所示的實施例中，第一電極210和第二電極220位於同一層，但這些電極可以被絕緣層400分離，其中的任何一個可能會被置於另一層上。

在此配置中，電極210和220不與調節器100接觸，因此，不能精確定義調節器100的電勢。儘管如此，調節器100的電勢可能有在電極210和220的電勢之間的值，因此，調節器100的位置可以通過控制施加到電極210和220上的直流或脈衝電壓的幅度與脈衝電壓的電勢改變速度來調整。

在第7圖所示的電場驅動的胞元中，形成絕緣層400使得第一電極210不與調節器100接觸而第二電極220與調節器100接觸。因為第二電極220與調節器100直接接觸，所以能夠精確地調整調節器100的電勢。電場驅動的胞元可以用上述施加電場的方法來操作。如果調節器100的位置是位於第二電極220處並且經過足夠的時間，則調節器100和第二電極220的電勢變得彼此相等，且調節器100的位置很容易向第一電極210移動。因此，調節器100的位置在空閒時位於第一電極210處。

為解決這樣的問題，在如第8圖所示的電場驅動的胞元中，第7圖所示的電場驅動的胞元在第二電極220側還提供有控制電極500。控制電極500不被置為與調節器100接觸，並與第二電極220絕緣。控制電極500用電場力將調節器100保持在第二電極220的位置處持續所需時間，借此，獲得電子紙顯示器所需的記憶效應是可能的。可將任何直流電壓和脈衝電壓施加到控制電極500上，以獲得記憶效應。

第9或10圖所示的電場驅動的胞元有與第7圖所示的電場驅動的胞元類似的配置，但它是垂直驅動或對角線驅動而不是水平驅動的胞元，可以應用到反射型電子紙顯示器或透射型電子紙顯示器。

在這一配置中，第一電極210和第二電極220分別放置在彼此面對的分離的基板610和620上，第一電極210和第二電極220放置為不彼此面對，調節器100被放置於彼此面對的兩個基板610和620之間形成的驅動空間800內。與水平結構相比，在這種結構中，預計將需要較低的驅動電壓，孔徑面積可以改善。

特別是，用於反射型顯示器的電場驅動的胞元還包含光吸收層700，並且胞元的配置根據調節器100是反射光線的反射器還是吸收光線的吸收器而變化。

在第9圖所示的電場驅動的胞元中，調節器100是塗覆有白色或另一種顏色的反射器。

光向其入射和光被反射後從其發射的上基板610和第一電極210需要用透明材料製造。第二電極220可以是由透明導電材料和不透明導電材料中的任何一種製造，但光吸收層700是在下基板620上形成，以防止光從下基板620反射。在上基板610，光吸收層700形成於未放置第一電極210的面對著第二電極220的部分。因此，如圖所示，如果調節器100被置於第二電極220的一側，調節器100就不反射光，因此，從外面看時會呈現黑色。相反，如果調節器100被電場移向第一電極210，調節器100反射光，從外面看時，在調節器上100就呈現白色或塗覆在調節器100上的其他顏色。

在第10圖所示的電場驅動的胞元中，調節器100是有黑色並吸收光的吸收器。

光向其入射的上基板610需要用透明材料製造。因為第二電極220起反射器的作用，它可以是由諸如鋁和銀之類具有良好反射屬性的導電材料製造。光吸收層不是在較低的基板620上形成。同時，光吸收層700只在上基板610上的第一電極210側形成。因此，如果吸收光的調節器100是位於如圖所示的第二電極220側，調節器100就防止光從第二電極220反射，從外面看時有黑色呈現。相反，如果調節器100被電場移向第一電極210，從外面看時，從第二電極220反射的光呈現。此時，為了表示顏色，第二電極220可能塗覆有顏色，或者顏色層可被置於透明的第二電極220下。

包含複數個本發明的電場驅動胞元的、配置成陣列的電場驅動裝置可以應用於光學開關、電器開關或顯示裝置，特別是電子紙。

如果將本發明的電場驅動的胞元應用於表示黑色和白色的電子紙，調節器100就可以有白色或黑色。

另外，如果是應用於表示顏色的電子紙，調節器100就可以有各種顏色，因此，不得使用額外的彩色濾光片。在根據加色混合原則表達各種顏色的情況下，調節器100可以有紅、綠、藍的顏色，在根據減色混合原則表達不同顏色的情況下，調節器100可以有黃、品紅和青的顏色。此外，可以使用具有上述六種顏色的所有調節器，具有上述顏色的至少一個調節器和具有白色或黑色的一個調節器可以一起使用。

本發明的上述說明是出於說明的目的而提供，可以理解，本領域的技術人員不改變本發明的技術構思和本質特徵也可做出各種變化和修改。因此，本發明的範圍是由下面的申請專利範圍所限定的，而不是由實施例的詳細說明限定的。應理解，從申請專利範圍或其等同物的含義和範圍中構思出的所有的修改和實施方式均包含在本發明的範圍內。

100‧‧‧調節器

110‧‧‧絕緣基底

120‧‧‧導電層

130‧‧‧顏色層

140‧‧‧半導體材料

210‧‧‧第一電極

220‧‧‧第二電極

300‧‧‧控制器

400‧‧‧絕緣層

500‧‧‧控制電極

600‧‧‧基板

610‧‧‧基板

620‧‧‧基板

700‧‧‧光吸收層

800‧‧‧驅動空間

第第1圖所示是根據本發明的實施例的電場驅動胞元的配置；第2至4圖是在本發明的電場驅動胞元中使用的調節器的橫截面圖；第5圖所示是施加到本發明的電場驅動胞元的電極上的電壓的脈衝波形的例子；及第6至10圖所示是根據本發明的其他實施例的電場驅動胞元的配置。

100．．．調節器

210．．．第一電極

220．．．第二電極

300．．．控制器

600．．．基板

Claims (12)

1. 一種電場驅動的胞元，該胞元包含：彼此間隔開的一第一電極和一第二電極；及在該第一電極和該第二電極之間移動的一調節器，其中該調節器沒有永久電荷，且一直流電壓或一脈衝電壓被施加到該第一電極和該第二電極上，其中所述調節器包括塗覆有導電材料或半導體材料的絕緣基底，其中該第二電極被置為與該調節器直接接觸，並且該電池進一步包括：提供在該第二電極側的一控制電極；及一絕緣層，通過該絕緣層，該控制電極被置為不與該第二電極和該調節器接觸。
2. 如請求項1所述之胞元，其中該調節器的位置通過調整施加到該第一電極或該第二電極上的該直流電壓的一幅度或施加到該第一電極或該第二電極上的該脈衝電壓的一幅度、一電勢變化速度、一脈衝波形和一脈衝持續時間中的至少一個來控制。
3. 如請求項2所述之胞元，更包含：一控制器，其控制施加到該第一電極或該第二電極的該直流電壓的該幅度或施加到該第一電極或該第二電極的該脈衝電壓的該幅度、該電勢變化速度、該脈衝波形與該脈衝持續時間。
4. 如請求項1所述之胞元，其中該調節器帶有正電荷或負電荷。
5. 如請求項4所述之胞元，其中該調節器是形成球面形或圓柱形。
6. 如請求項5所述之胞元，其中該調節器是由半導體材料製造。
7. 如請求項5所述之胞元，其中該調節器包含一絕緣基底、塗覆該絕緣基底的一顏色層和塗覆該顏色層的一透明導電層。
8. 如請求項1所述之胞元，其中該第一電極和該第二電極被置為與該調節器直接接觸。
9. 如請求項1所述之胞元，其中通過該絕緣層，該第一電極被置為不與該調節器接觸。
10. 如請求項8所述之胞元，其中該第一電極和該第二電極分別放置在彼此面對的分離的二基板上，該第一電極和該第二電極放置為不彼此面對，並且該調節器被放置於在彼此面對的該二基板之間形成的一驅動空間內，並在該第一電極和該第二電極之間移動。
11. 如請求項10所述之胞元，其中放置該第一電極的一上基板和該第一電極是由透明材料製造，一光吸收層形成於該上基板的未放置該第一電極的部分，並且一光吸收層形成於放置該第二電極的整個一下基板上。
12. 如請求項10所述之胞元，其中放置該第一電極的一上基板是由透明材料製造，並且一光吸收層形成於該上基板的放置該第一電極的部分。