CN112313572B - 用于可变透射电泳介质的驱动方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种驱动可变透射薄膜的方法，以及一种包括该薄膜和配置为驱动该薄膜的控制器的可变透射装置。该薄膜可以包括电泳材料层和至少一个电极，电泳材料包括包含多个带电粒子的流体，该带电粒子能够在该至少一个电极施加电场时移动通过该流体。该方法可以包括：施加第一电压波形到处于初始光学状态的薄膜，以及施加具有比该第一电压波形更低的频率和更短的脉冲持续时间的第二电压波形以将该薄膜切换到最终光学状态，其中该薄膜在初始光学状态具有比在最终光学状态更高的透射百分比。

Description

用于可变透射电泳介质的驱动方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年6月28日提交的序列号为62/691,285的美国临时申请和于2018年12月26日提交的序列号为62/784,897的美国临时申请的权益和优先权，其全部内容通过引用包含于此。

背景技术

本发明涉及光调制器，也就是说，涉及可变透射窗、反射镜和类似装置，其被设计成调制通过其的光或其他电磁辐射的量；为了方便起见，术语“光”将在本文中通常地使用，但是该术语应在广义上被理解为包括不可见波长的电磁辐射。例如，如下所述，本发明可以应用于提供可以调制红外辐射以控制建筑物内的温度的窗户。更具体地，本发明涉及使用基于粒子的电泳介质来控制光调制的光调制器。可以结合到本发明的各种实施例中的电泳介质的示例包括例如在序列号为16/008,180的美国专利申请(2018年6月14日提交)和序列号为16/008,230的美国专利申请(2018年6月14日提交)中描述的电泳介质，其全部内容通过引用包含于此。

基于粒子的电泳显示器是多年来密集研究和开发的主题，其中多个带电粒子在电场的影响下移动通过悬浮流体。与液晶显示器相比，这样的显示器可以具有良好的亮度和对比度、宽视角、状态双稳定性以及低功耗的属性。

术语“双稳态的”和“双稳定性”在此使用的是其在本领域中的常规含义，指的是包括具有第一和第二显示状态的显示元件的显示器，所述第一和第二显示状态的至少一个光学性质不同，从而在利用有限持续时间的寻址脉冲驱动任何给定元件以呈现其第一或第二显示状态之后，在该寻址脉冲终止后，该状态将持续的时间是改变该显示元件的状态所需的寻址脉冲的最小持续时间的至少几倍(例如至少4倍)。在已公开的美国专利申请序列No.2002/0180687中示出，支持灰度的一些基于粒子的电泳显示器不仅可以稳定于其极端的黑色和白色状态，还可以稳定于其中间的灰色状态，以及一些其它类型的电光显示器也是如此。这种类型的显示器被恰当地称为是“多稳态的”而非双稳态的，但是为了方便，在此可使用术语“双稳态的”以同时涵盖双稳态的和多稳态的显示器。

如上所述，电泳介质需要悬浮流体的存在。在大多数现有技术的电泳介质中，该悬浮流体是液体，但是电泳介质可以使用气态悬浮流体来产生；参见例如Kitamura，T.等,“Electronic toner movement for electronic paper-like display”，IDW Japan，2001，Paper HCS 1-1，和Yamaguchi，Y.等,“Toner display using insulative particlescharged triboelectrically”,IDW Japan,2001,Paper AMD4-4)。也参见欧洲专利申请1,429,178；1,462,847；和1,482,354；以及国际申请WO 2004/090626；WO 2004/079442；WO2004/077140；WO 2004/059379；WO 2004/055586；WO 2004/008239；WO 2004/006006；WO2004/001498；WO 03/091799；和WO 03/088495。当这种基于气体的电泳介质在允许粒子沉降的方向上使用时，例如用在介质在垂直平面内布置的指示牌中时，由于与基于液体的电泳介质相同的粒子沉降，这种基于气体的电泳介质容易遭受同样类型的问题。实际上，在基于气体的电泳介质中的粒子沉降问题比基于液体的电泳介质更严重，因为与液体相比，气态悬浮流体的较低的粘度允许电泳粒子更快的沉降。

转让给麻省理工学院(MIT)、伊英克公司、伊英克加利福尼亚有限责任公司(E InkCalifornia，LLC)和相关公司或以它们的名义的许多专利和申请描述了用于封装的和微单元电泳以及其他电光介质的各种技术。封装的电泳介质包括许多小囊体，每一个小囊体本身包括内相以及包围内相的囊壁，其中所述内相含在流体介质中的可电泳移动的粒子。典型地，囊体本身保持在聚合物粘结剂中以形成位于两个电极之间的连贯层。在微单元电泳显示器中，带电粒子和流体没有被封装在微囊体内，而是被保留在形成于载体介质(通常是聚合物薄膜)内的多个空腔中。这些专利和申请中描述的技术包括：

(a)电泳粒子、流体和流体添加剂；参见例如美国专利No.7,002,728和7,679,814；

(b)囊体、粘结剂和封装工艺；参见例如美国专利No.6,922,276和7,411,719；

(c)微单元结构、壁材料和形成微单元的方法；参见例如美国专利No.7,072,095和9,279,906；

(d)用于填充和密封微单元的方法；参见例如美国专利No.7,144,942和7,715,088；

(e)包含电光材料的薄膜和子组件；参见例如美国专利No.6,982,178和7,839,564；

(f)用于显示器中的背板、粘合剂层和其他辅助层以及方法；参见例如美国专利No.7,116,318和7,535,624；

(g)颜色形成和颜色调节；参见例如美国专利No.7,075,502和7,839,564；

(h)用于驱动显示器的方法；参见例如美国专利No.7,012,600和7,453,445；

(i)显示器的应用；参见例如美国专利No.7,312,784和8,009,348；以及

(j)非电泳显示器，如在美国专利No.6,241,921和美国专利申请公开No.2015/0277160中所述；以及除显示器以外的封装和微单元技术的应用；参见例如美国专利申请公开No.2015/0005720和2016/0012710。

许多前述专利和申请认识到在封装的电泳介质中围绕离散的微囊体的壁可以由连续相替代，由此产生所谓的聚合物分散型电泳显示器，其中电泳介质包括多个离散的电泳流体的微滴和聚合物材料的连续相，并且在这种聚合物分散型的电泳显示器内的离散的电泳流体的微滴可以被认为是囊体或微囊体，即使没有离散的囊体薄膜与每个单独的微滴相关联；参见例如前述的2002/0131147。因此，为了本申请的目的，这样的聚合物分散型电泳介质被认为是封装的电泳介质的子类。

一种相关类型的电泳显示器是所谓的“微单元电泳显示器”。在微单元电泳显示器中，带电粒子和悬浮流体不被封装在微囊体内，而是保持在载体介质(通常是聚合物薄膜)内形成的多个空腔中。参见例如均被转让给Sipix Imaging公司的国际申请公开No.WO 02/01281、和公开的美国申请序列No.2002/0075556。

电泳介质通常是不透明的(因为，例如在很多电泳介质中，粒子基本上阻挡可见光透射通过显示器)并且在反射模式下操作。该功能在图5A中示出，其中通过以合适的电压将黑色或白色的带电粒子朝向观察表面移动来调制撞击表面的光的反射率。然而，电泳装置也可以制成在所谓的“快门模式(shutter mode)”下操作，在该模式下，一种显示状态是基本上不透明的，而一种显示状态是光透射的。参见例如前述的美国专利No.6,130,774和6,172,798，以及美国专利No.5,872,552；6,144,361；6,271,823；6,225,971；和6,184,856。类似于电泳显示器但是依赖于电场强度变化的介电泳显示器可以在类似的模式下操作；参见美国专利No.4,418,346。其他类型的电光显示器也能够在快门模式下操作。图5B中示出显示器的透光状态。当该“快门模式”电泳装置被构建在透明基板上时，可以调节光通过该装置的透射率。

图5A和5B的装置包括由在聚合物粘结剂中的囊体组成的电光介质。囊体包含带电的黑色和/或白色颜料粒子，该颜料粒子响应于电场而移动。囊体通常由以下更详细描述的明胶材料形成。电光介质分布在第一和第二电极层之间，其可以由已知材料制成，例如涂有氧化铟锡(ITO)的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。可替代地，电极层可以包括金属电极，其可以被布置为像素。像素可以作为有源矩阵而可控，从而允许显示文本和图片。通常在电光介质和电极层之一之间存在附加的粘合剂层。粘合剂层可以是紫外线可固化的，并且通常通过“填充”由囊体产生的偏差来改善最终装置的平坦度。合适的粘合剂制剂描述于US 2017/0022403中，其通过引用包含于此。

当使用电源和控制器(未示出)经由图5A的装置的电极将直流(DC)场施加到介质时，深色或浅色粒子朝着观察表面移动，从而将光学状态从深色变为浅色。在图5B中，当将交变电场施加至电极之一时，带电的颜料粒子被驱动至囊体的壁，从而形成用于光的透射的穿过囊体的孔，即打开状态。在两个实施例中，因为溶剂是非极性的并且包含电荷控制剂和/或稳定剂，所以可以长时间(几周)维持光学状态(黑/白；打开/关闭)，而无需维持电场。结果，一天也许仅几次“切换”装置，并且仅消耗很少的功率。

封装的或微单元的电泳显示器通常不受传统电泳装置的聚集和沉降故障模式的困扰，并且提供了进一步的优势，例如在各种各样的柔性和刚性基板上印刷或涂布显示器的能力。(使用词“印刷”意于包括印刷和涂布的所有形式，包括但不限于：诸如修补模具涂布、狭缝或挤压涂布、滑动或层叠涂布、幕式涂布的预先计量式涂布；诸如罗拉刮刀涂布、正向和反向辊式涂布的辊式涂布；凹面涂布；浸渍涂布；喷涂；弯月面涂布；旋转涂布；刷涂；气刀涂布；丝网印刷工艺；静电印刷工艺；热印刷工艺；喷墨印刷工艺；电泳沉积；以及其他类似技术。)因此，所产生的显示器可以是柔性的。另外，因为显示器介质可以(使用多种方法)被印刷，所以显示器本身可以被便宜地制造。

电泳介质的一个潜在的重要市场是具有可变透光率的窗户。随着建筑物和车辆的能量性能变得日趋重要，电泳介质可以用作窗户上的涂层，以通过改变电泳介质的光学状态来电子地控制透过窗户的入射辐射的比例。在建筑物中的这种“可变透射率”(“VT”)技术的有效实施预期提供(1)降低热天时不必要的热效应，因而降低冷却所需的能量、空调设备大小及尖峰电力需求；(2)增加使用自然日光，因而.降低用于照明的能量及尖峰电力需求；以及(3)通过增加热与视觉舒适度而增加用户舒适度。预期在汽车可获得更大益处，其中的透光面与封闭体积的比远远大于普通建筑物。具体地，预期在汽车中的VT技术的有效实施不仅可提供前述益处，也可(1)增加驾驶安全，(2)降低眩光，(3)增强反射性能(利用反射镜上的电光涂层)，以及(4)增加使用平视显示器的能力。VT技术的其他潜在应用包括隐私玻璃以及电子装置的眩光防护。

本发明涉及驱动用于可变透射薄膜的基于粒子的电泳介质的方法。

发明内容

在一个方面，本发明的各种实施例提供了一种驱动可变透射薄膜的方法，该可变透射薄膜包括电泳材料层和至少一个电极，电泳材料包括包含多个带电粒子的流体，当该至少一个电极施加电场时该带电粒子能够移动通过该流体。该方法可以包括施加第一电压波形到具有初始光学状态的薄膜，以及施加具有比第一电压波形更低的频率和更短的脉冲持续时间的第二电压波形以将薄膜切换到最终光学状态，其中该薄膜在初始光学状态具有比在最终光学状态更高的透射百分比。

在另一方面，本发明的各种实施例提供了一种可变透射装置，其包括至少一个电极；电泳材料层，电泳材料包括包含多个带电粒子的流体，当该至少一个电极施加电场时该带电粒子能够移动通过该流体；控制器，其连接到电源和该至少一个电极，该控制器被配置为根据本文公开的驱动方法之一驱动可变透射薄膜。

基于以下的描述，本发明的这些和其他方面将是显而易见的。

附图说明

图1是提供根据本发明的实施例在各种幅度和频率下施加驱动波形时可变透射薄膜的CQI和透射百分比(％T)的图。

图2是提供根据本发明的实施例在各种幅度和频率下施加驱动波形时可变透射薄膜的针孔总数的图。

图3是示出根据本发明的实施例在各种脉冲持续时间下施加驱动波形时可变透射薄膜的CQI和％T的图。

图4A-4C是图3的可变透射薄膜的显微照片。

图5A是包括两种类型的带电粒子的电光显示器的示图。可以通过施加电场使粒子朝向(远离)观察者移动。

图5B是包括第一透光电极层和第二透光电极层以及布置在各层之间的电光介质的可变透射装置的示图。可以通过施加电场使粒子邻近囊壁移动，从而使光穿过该介质。

附图仅通过示例而非限制的方式描绘了根据本构思的一个或多个实施方式。

具体实施方式

在本发明的光调制器中，透明状态是由电泳粒子的场相关聚集引起的；这种场相关聚集的形式可以为电泳粒子向液滴侧壁的介电泳运动(无论液滴存在于聚合物分散的介质中还是在囊体或微单元内)，或“链式”，即形成液滴内的电泳粒子的串，或可能以其他方式。不管所实现的聚集的确切类型如何，当在垂直于观察者通过其观察电泳介质的观察表面的方向上观察时，电泳粒子的这种场相关聚集都将导致粒子仅占据每个液滴的可视区域的一小部分。在透光或打开状态下，每个液滴的可视区域的大部分没有电泳粒子，并且光可以自由地通过。相反，在非透光或关闭状态下，电泳粒子分布在每个液滴的整个可视区域中(粒子可以均匀地分布在悬浮流体的整个体积中，或集中在电泳层的一个主表面邻近的层中)，因此没有光可以通过。

通过常规理论可以表明，通过向电泳介质施加高频场(通常至少10Hz)，并通过使用不规则形状的液滴，高导电的电泳粒子和低导电率、低介电常数的悬浮流体，促进了电泳粒子的场相关聚集，并因此形成打开状态。相反，通过将低频场(通常小于10Hz)施加到电泳介质，并通过使用高电荷的电泳粒子，更高的电导率、更高介电常数的悬浮流体和带电的液滴壁，促进了电泳粒子向悬浮流体中的分散或它们在电泳层的一个主表面附近的集中，并因此形成关闭状态。

换句话说，为了减少介电泳显示器(即，从介电泳迁移中恢复)或绞合(starnding)显示器(即，其中粒子如在电流变流体中一样聚集的显示器)的关闭时间，有利的是改变工作电压和波形两者，使用高频高压波形来打开调制器，并使用低频低压波形来关闭它。这些波形的变化可以与图案化的电极或各种导电粒子材料(例如掺杂的、含金属的或半导体的材料)耦合，如美国专利7,327,511中所述，以优化两个方向上的响应。

对于包括囊体的可变透射装置的另一问题是粒度。在本申请中，“粒度”是指由多种因素引起的视觉不均匀性，例如有色粘结剂的簇或囊体的团块/层、囊体包装的可变性、空隙、厚度变化以及包括针孔的涂层缺陷。当用户在打开状态下查看装置时，这些不均匀性会降低可见性。术语“粒度”起源于胶片摄影，在早期的银胶片中已知有成团的银，使显影后的照片显出“粒状”。

由微囊体制成的可变透射薄膜由微观区域组成，该微观区域在涂层重量和多层程度上存在差异，如果将薄膜驱动至最暗状态，则使用者可以将涂层重量和包装的差异视为粒度。减少封装的电泳介质中的粒度的一种方法是通过应用根据本发明各种实施例的驱动方法。

根据本发明的一个实施例，对于包含封装的电泳介质的可变透射窗薄膜，通过利用以下驱动方法，可以显著改善粒度：该驱动方法包括向具有初始光学状态的薄膜施加第一波形，然后施加具有较低频率和/或脉冲持续时间的第二波形，直到薄膜切换至最终光学状态，初始状态具有比最终状态更高的透射百分比。例如，在一个优选的实施例中，该方法可以包括利用具有10Hz的频率、90V的幅度、1000ms的持续时间的第一波形，接着具有2Hz的频率、90V的幅度、500ms的持续时间的第二波形，将电泳介质从打开状态驱动以达到闭合状态。

图1和2提供了利用如下的第一波形和接着的第二波形从打开状态驱动到关闭状态的薄膜的CQI、透射百分比(％T)、和针孔总数：

1)第一波形，其频率为10Hz，幅度为X伏(X＝60、90或120V)，脉冲持续时间为1000ms；以及

2)第二波形，其频率为Y Hz(Y＝2、4、6或8Hz)，幅度为XV(X＝60、90或120V)，脉冲持续时间为1000ms。

涂层质量指数(CQI)提供了一种粒度的度量，其中较低的值表示较好的均匀性。针孔总数是显示器上直径至少为20μm的点的计数，当显示器处于关闭状态时，这些点的透射率高于显示器的其余部分。如图1所示，基于各种驱动电压显示了三个不同的组。在120V时，薄膜达到其最暗状态，观察到最差的粒度。在60V时，薄膜的粒度低，但％T却高到无法接受。在90V时，薄膜不能达到如120V时的低％T，但粒度更可接受。基于图1和2的结果，发现使用具有较低频率的波形可以改善所有三个属性(CQI、针孔总数和％T)。然而，在较高电压下针孔总数和％T有所改善，而在较低电压下CQI有所改善。

因此，优选的是，本发明的各种实施例利用至少两个波形，每个波形的频率在0到不大于10、9、8、7，6、5、4、3、2和1Hz(以给定的顺序增加优先级)的范围内。第二波形的频率不必等于第一波形的频率。如前所述，优选为第二波形的频率小于第一波形的频率。它们各自的频率可以相等或不相等。

同样优选的是，本发明的各种实施例利用至少两个波形，各自具有至少20、25、30、35、40、45、50、55、60，65、70、75、85、90V的幅度(以给定的顺序增加优先级)和不大于150、145、140、135、130、125、120、115、110、105、100、95、90、85、80、75、70、65、60V的幅度(以给定的顺序增加优先级)。第二波形的幅度不必等于第一波形的幅度。它们各自的幅度可以相等或不相等。

现在参考图3，利用如下的第一波形和接着的第二波形从打开状态驱动的可变透射薄膜的％T和CQI：

1)第一波形，其频率为10Hz，幅度为90V，脉冲持续时间为1000ms；

2)第二波形，其频率为2Hz，幅度为90V，脉冲持续时间为X ms(X＝500、100或2000ms)。

从图3所示的结果可以看出，产生的％T略高于最小值0.7％的较短的驱动脉冲可达到明显更低的粒度。随着脉冲长度的增加，％T有所改善；但是CQI增加了。图4A-4C是示出图3中每个脉冲长度处的薄膜的光学状态的显微照片。

因此，优选的是，本发明的各种实施例利用至少两个波形，每个波形的脉冲持续时间不大于1500、1400、1300、1200、1100、1000、900、800、700、600、500、400、300、200和100ms(以给定的顺序增加优先级)。第二波形的脉冲持续时间不必等于第一波形的持续时间。它们各自的脉冲持续时间可以相等或不相等。

同样优选的是，本发明的各种实施例将可变透射薄膜驱动至具有不大于1.5、1.4、1.3、1.2、1.1、1.0、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2和0.1％(以给定的顺序增加优先级)的透射百分比。

对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对本发明的具体实施例进行许多改变和修改。因此，前文全部的描述将以说明性而非限制性的意义来解释。

前述所有公开的专利、出版物和未决申请均通过引用全部包含于此。

Claims (13)

1.一种驱动可变透射薄膜的方法，所述可变透射薄膜包括电泳材料层和至少一个电极，电泳材料包括包含多个带电粒子的流体，所述带电粒子能够在所述至少一个电极施加电场时移动通过所述流体，所述方法包括：

施加第一电压波形到具有初始光学状态的薄膜；以及

施加具有比所述第一电压波形更低的频率和更短的脉冲持续时间的第二电压波形以将所述薄膜切换到最终光学状态，

其中所述薄膜在所述初始光学状态具有比在所述最终光学状态更高的透射百分比，

其中所述第一电压波形和所述第二电压波形分别具有从20到150V的幅度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一电压波形和所述第二电压波形分别具有从1到10Hz的频率。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一电压波形具有10Hz的频率。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二电压波形具有2Hz的频率。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一电压波形和所述第二电压波形分别具有从60到120V的幅度。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一电压波形和所述第二电压波形具有90V的幅度。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一电压波形和所述第二电压波形分别具有小于或等于1500ms的脉冲持续时间。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一电压波形和所述第二电压波形分别具有小于或等于1000ms的脉冲持续时间。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一电压波形和所述第二电压波形分别具有小于或等于500ms的脉冲持续时间。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述薄膜在所述最终光学状态的透射百分比小于或等于1.5％。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电泳材料被封装。

12.一种可变透射装置，包括：

至少一个电极；

电泳材料层，电泳材料包括包含多个带电粒子的流体，所述带电粒子能够在所述至少一个电极施加电场时移动通过所述流体，

控制器，其连接到电源和所述至少一个电极，所述控制器被配置为根据权利要求1所述的方法驱动所述可变透射薄膜。

13.根据权利要求12所述的可变透射装置，其中，所述电泳材料被封装。