專利名稱：由光散射載體材料構(gòu)成的電控轉(zhuǎn)換光學性能的復(fù)合膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由光散射的載體材料構(gòu)成的電控轉(zhuǎn)換光學性能的復(fù)合膜，它是以在懸浮液體中的電泳移動粒子為基礎(chǔ)的。
信息系統(tǒng)例如指示標牌、廣告、標價牌、交通時刻表、計算機顯示屏或通用的平面熒光屏幕用作顯示文本、符號或圖形，它們應(yīng)該在逆光情況下仍能有高的對比度，即使在銳角時也能看清，并具有足夠的固有發(fā)光能力或相應(yīng)的外部光照度。所顯示的這種信息可以是固定不變的，如廣告板，或者是可電子學上改變的，如計算機顯示器。
許多這種信息系統(tǒng)沒有固有發(fā)光能力，而是由外部光例如通過普通日光或室內(nèi)光照，為了無反射照射，在其中常常優(yōu)選前置光照的方式。
信息系統(tǒng)在經(jīng)濟上有意義的應(yīng)用之一是扁平顯示屏，如可攜帶式計算機中應(yīng)用的所謂顯示器，扁平顯示屏的制作或者是用自發(fā)光顯示，這就不需要用光照系統(tǒng)；或者是采用例如是以液晶或電泳系統(tǒng)為基礎(chǔ)工作的非自發(fā)光顯示，非自發(fā)光顯示簡而言之至少有兩層結(jié)構(gòu)組成，一個照明單元和一個其上能顯示可電子學上變化的信息的膜層，在這里稱作顯像層。照明單元可采取背射光照或前置光照的方式。所選照明單元的類型取決于顯像層的透明性和/或其反射能力。照明單元的說明對照明單元必須考慮使視野有良好的光照度和盡可能高的對比度，這往往要通過高功率的照明單元來達到。為了提供所需的能量則要有相應(yīng)的高功率電池，目前它又與顯著增加的系統(tǒng)總重量聯(lián)系在一起。
現(xiàn)代化計算機顯示屏的照明單元消耗的能量往往超過整個屏幕所需能量的90％以上，在用液晶顯示(LCD)的背光照射系統(tǒng)中，經(jīng)過例如極化層將生成光的相當大的部分過濾損失掉了，不能使它們都用于照明。
在很多情況下，對用液晶顯示(LCD)的背光照射系統(tǒng)采用平面燈或者帶有相應(yīng)光散射片或網(wǎng)柵的多只燈具；而另外的系統(tǒng)設(shè)計的出發(fā)點是將側(cè)向光照入導(dǎo)光板，并在背面有相應(yīng)的反射單元，或者在導(dǎo)光板的上面有可激發(fā)的輸出去耦點。這些技術(shù)只能用于背射光照系統(tǒng)，而不能用于前置光照系統(tǒng)，因為發(fā)射的光不論在觀察者的方向，還是指向顯像層都有反射，這樣，即使有可能，也很難識別視像層顯示的信息。
其它顯示技術(shù)則應(yīng)用扁平和薄層的電致發(fā)光燈或帶散射裝置的小型熒光單元。電致發(fā)光燈消耗的能量要少于熒光背射照明系統(tǒng)，但其光照度較弱，通常并不能放射出彩色屏幕所需的完整光譜。再者電致發(fā)光燈的壽命也不能令人滿意。顯像層的說明電子學上可改變的信息顯示的一項新發(fā)展是J.Jacobson教授等人提出的“電子油墨”。這一技術(shù)利用了單色的或多色的顏料粒子在電場中的取向來顯示圖像信息。詳細內(nèi)容例如可參見J.Jacobson等人，IBM System Journal 36(1997)457～463頁或B.Comiskey等人，Nature,394卷，1998年7月，253～255頁。
在不同的實施方案中，相應(yīng)的雙極型的單色或雙色粒子的制備及它們在用電泳工作的顯示屏上的應(yīng)用可參閱例如WO98/03896。在這里描寫了這些粒子是如何懸浮在一惰性液體中，并被包裹在載體材料的小汽泡內(nèi)。該技術(shù)根據(jù)所加電場，通過一種雙色粒子的旋轉(zhuǎn)允許宏觀的雙色顯示。
在WO98/19208中對相似的電泳顯示作了說明，其中往往是在必要時帶色液體中的電泳移動粒子通過一電場能在一微包囊范圍內(nèi)運動。根據(jù)電場的方向，粒子對準一個電極，并且宏觀顯示有/無彩色信息(或者粒子的顏色可見或者液體的顏色可見)。
WO98/41899揭示了基于上述原理的電泳顯示，但它含有或是熒光的粒子或是反射光的粒子。此外，還對有液晶行為的懸浮體的應(yīng)用作了說明。根據(jù)所加電場，該液晶或者阻塞或者能使粒子作電泳遷移。
WO98/41898也描述了這樣一種由于其特殊安排所造成的電泳顯示系統(tǒng)，它可以經(jīng)過一個印刷過程，特別是采用噴墨印刷技術(shù)制得。其優(yōu)點是不論電極還是電泳顯示，它們都是在相繼接連的印刷工序中制成的。
這一類技術(shù)的共同特點都是將懸浮液體和粒子置于在包囊、汽泡中或一種高分子材料的其它空穴中。這些粒子也可以和懸浮液體一起包裹，這種包囊可以是在載體材料的聚合過程中預(yù)先制成，也可以在絡(luò)合的乳液聚合中與載體一起形成。在這兩種情況下包囊或空穴的排列和尺寸都不會是均一的。不論是微包囊的或載體材料中空穴的尺寸大小還是二維及三維分布者存在難以監(jiān)控的離散區(qū)間，這種離散性一方面會形成不均一的尋址(控制)圖像；另一方面也難以達到高對比度。
這一類系統(tǒng)特別是對背射光照并不適用，因為在結(jié)構(gòu)上決定了它幾乎是不透光的。如采用可見光簡單地照射在上面(前置照射)，則其對比度常常不夠理想。此外，若采用垂直照明系統(tǒng)，即用可見光的外部光源在穩(wěn)定的良好對比度時，難以達到照明的均勻性。
本發(fā)明的目的是開發(fā)用于彩色顯像或信息顯示的用電泳工作的系統(tǒng)，該系統(tǒng)在同時作為平面設(shè)計形式時，同時具有高光亮度和高對比度。該系統(tǒng)應(yīng)作到薄而有柔韌性，以便也能沉積到三維物體上面。
已被發(fā)現(xiàn)，一種利用在有光散射的微空間膜的空穴中的電泳移動粒子的顯示系統(tǒng)，它具有特別高的光亮度。
因此，本發(fā)明涉及一種具有電控轉(zhuǎn)換光學性能的復(fù)合膜，它基于兩個控制電極和一個帶空穴的微空間膜，其含有在懸浮液體中的電泳移動粒子，其中微空間膜是由一光散射的材料構(gòu)成的。
圖1為本發(fā)明的具有電控轉(zhuǎn)換光學性能的復(fù)合膜之示意圖，在圖1中表示a)透明的前置電極(控制電極)b)透明的覆蓋膜c)光散射的微空間膜d)含有懸浮液體的空穴e)電泳移動粒子f)導(dǎo)光板/膜(照明單元)，可選擇使用g)尋址電極(控制電極)透明的前置電極a)和覆蓋膜b)可以是相同的或按相反次序排列。如果尋址電極g)是光學透明的，它也可以和導(dǎo)光板f)調(diào)換位置。
本發(fā)明的復(fù)合膜以如下工作原理進行工作導(dǎo)光板f)的光線經(jīng)微空間膜c)進入空穴中，如果在a)和g)之間施加一電場，電泳移動粒子則位于在覆蓋膜b)上(例如在空穴h中)，此時從空穴中就沒有光線射出。如果粒子位于在導(dǎo)光板上(例如空穴d)，則光線會從空穴中無阻礙地射出。
本發(fā)明的具有電控轉(zhuǎn)換光學性能的復(fù)合膜具有的高光亮度是基于微空間膜的光散射材料上。因此避免了通過內(nèi)全反射造成的光損失。
按EP0645420或EP0590471的描述，通過加進散射粒子使微空間膜或復(fù)合膜具有光散射性能。制備微空間膜的一種特別合適的材料是Damstadt的Fa.Rhm公司產(chǎn)的Flexiglas GS Clear 1001或2458。
在微空間膜或復(fù)合膜中的空穴排列應(yīng)該是嚴格有序的，它們是成行成列的。但不必一定是成直角或甚至是正方形的，行和列也可有斜度或空穴成六角形排列也是可以的。圖2表示一種示范性選擇。
可以采用例如針刺、沖壓、3D-印刷、腐蝕、蝕刻、用鑄料造型、注射模塑、照像法或光刻法工藝或干涉法在一載體及微空間膜上形成空穴。制取這種微結(jié)構(gòu)表面的方法可參見DE2929313、WO97/06468、US4512848、DE4135676、WO97/13633或EP0580052。其它制備微結(jié)構(gòu)的方法由Younan Xia和George M.Whitesides在Angew.Chem.1988,110 568～594中也有描述，這種被稱為“軟光刻”的方法可以制取1μm以下約35nm范圍的很小的結(jié)構(gòu)。一種另外以母體(Master)進行精銑的方法能將片或膜片制出具有所要求的微結(jié)構(gòu)。將母體做成陰模。可用沖壓、澆鑄或注射模塑工藝進行成型。
此外，也可選擇具有所要求的空穴大小和形狀的非結(jié)構(gòu)化的薄膜。它是用腐蝕或切割的方法如激光束或鏜鉆/銑切，例如采用計算機數(shù)控機械加工。
這些空穴的載體材料可以是光學透明的和/或無色或帶色的。這些控制電極可置于微空間膜載體層空穴的上部或下部，如果安排在空穴上面，即控制極在觀察者和空穴之間(如圖1中的a)，也可以如同載體材料一樣是透明的或帶色的。為了保持電極在低電壓，空穴下的控制電極(圖1中的g)通常置于照明單元(圖1中的f)和空穴之間，并應(yīng)是透明的。
所有能用機械或光刻技術(shù)加工的聚合物適于作微空間膜的載體材料，如熱塑性塑料、聚碳酸酯、聚氨酯、聚硅氧烷、聚烯烴例如聚乙烯、聚丙烯、COC(環(huán)烯烴共聚物)、聚苯乙烯、ABS-聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯、聚酰胺、熱塑性彈性體或交聯(lián)材料如紫外光固化的丙烯酸酯涂料，也可用聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或全氟烷氧化合物構(gòu)成的聚合物，它們可以作為均聚物或共聚物或聚合物共混物的混合組分。通過采用有柔韌性的材料制作微空間膜，可使本發(fā)明的具有電控轉(zhuǎn)換光學性能的復(fù)合膜具有可彎曲性。
該微空間膜的空穴除俯視的縱深分布外，可以呈任一形狀。圖2舉例示出，實用的空穴在面向觀察者眼睛一側(cè)(可俯視面)呈圓形、橢圓形、三角形、矩形、正方形、六角形或八角形的面。
該空穴的俯視面積應(yīng)大于10000μm2，優(yōu)選大于40000μm2，特別優(yōu)選大于62500μm2，而非常特別優(yōu)選大于250000μm2。
空穴的深度與俯視面積無關(guān)，而在20至250μm之間，優(yōu)選為30至200μm之間，非常優(yōu)選是在50至100μm之間。
空穴的縱深分布可以是均一的，即空穴的寬度在每一個位置者是相同的。
本發(fā)明的另一種實施方案是空穴呈錐形的縱深分布。其中空穴的俯視面與其底基面之比大于1.5。
圖3示意空穴的錐形縱深分布。這是本發(fā)明的這種實施方案的空出特點。這些空穴在面向觀察者眼睛的一側(cè)(“可俯視面積”，圖3的a)大于背向的一側(cè)(“底基面積”，圖3的b)。空穴的俯視面與其底基面之比大于1.5，優(yōu)選大于25，特別優(yōu)選大于100，非常特別優(yōu)選大于250，圖3表示縱深分布的選擇舉例。
微空間膜上側(cè)各空穴之間空白邊寬的寬度要盡可能保持很小，優(yōu)選的空白邊寬度為2～50μm，特別優(yōu)選為5～25μm，空白邊寬的上方可涂層為不透光。如果從空穴中射出的光被粒子阻塞時，它們可以阻止不希望的光從空白邊射出。
為避免光的損失，可以使空白邊寬上方和/或?qū)Ч獍彗R面化，或用一有反射光作用的材料涂敷，如可以進行鍍鋁、金屬蒸鍍或涂敷TiO2涂層。
在微空間膜上形成所要求的空穴之后，空穴中就可裝入電泳移動粒子和懸浮液體，例如借助灌漿的方式，并借助刮刀式涂漿機刮去多余的懸浮液，直接將懸浮液涂漿/涂敷，借助印刷過程的噴墨技術(shù)或借助毛細管的吸附力而自行填充。通過這些措施將粒子懸浮液直接加到空穴中。爾后必須將空穴封裝或密封。在用毛細管力填充時，包殼應(yīng)在填裝前進行密封。適宜的方法是用一覆蓋膜緊緊地與微空間膜或與空穴的空白邊寬表面貼合在一起。空穴的密封可用各種方法實施，例如有粘接或熱熔接(微波加熱、接觸或摩擦焊接、熱熔粘合劑、熱層壓)反應(yīng)性樹脂、尤其是紫外光固化的(如丙烯酸酯分散液)或不與顏料懸浮液混合的雙組分體系(例如聚氨酯涂料體系)，界面聚合、界面縮聚和其它在微型封裝技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的工藝，如在“Microencapsulation:methods and industrial application”Ed.S.Benita,Marcel Dekker,Inc.NY/1996”中描述了球形粒子的封裝技術(shù)。
也可以使用已經(jīng)封裝好的，即預(yù)先包裹的電泳移動粒子懸浮液，將這種準備好的封裝包囊如在圖4中所示，壓入或擠入微空間膜的空穴中。經(jīng)這樣填充的空穴接著必須再用覆蓋膜密封。用在包囊的大小和微空間尺寸大小有相應(yīng)匹配的關(guān)系時，這種技術(shù)能明顯降低實際需用時對包囊壁材料牢固性的要求，因為包囊被微空間膜上的空白邊寬包圍住了。另外，在已經(jīng)制備好的空穴中，封裝包囊的安排迫使包囊成有序的排列狀態(tài)。
在兩種方案中重要的是，在密封時要盡量避免空氣或其它氣體夾雜進入；在懸浮液介質(zhì)或懸浮液微粒與包囊層之間不產(chǎn)生反應(yīng)，在單個空穴之間和周圍不存在滲漏現(xiàn)象。
空穴或備好的包囊可分別填充一種懸浮液或多種懸浮液，例如填充一種在所加電場改變極性時產(chǎn)生不同的彩色的懸浮液。
另外也可以放棄通過懸浮液的著色，即空穴中除粒子外填充一種光學透明和無色的懸浮液。適宜作為光學透明和無色的液體有非極性有機液體如石蠟油或異鏈烷烴油、低分子或低粘度的有機硅油。
懸浮液還可以是光學透明和帶色的。在制造多色顯示屏時，每三個相鄰的空穴包含各自不同著色(例如紅、黃、藍)的懸浮液。
另外，用一種有負電流變效應(yīng)的懸浮液也是可以的。
借助有一負電流變效應(yīng)的懸浮液得到雙穩(wěn)態(tài)的復(fù)合膜。在加一電場時，根據(jù)電場中電泳移動粒子所帶電荷的情況而取向，即外部觀察者會看到粒子的顏色或懸浮液的顏色，在加電場時粒子可以無阻礙地在懸浮液中運動，一旦除去電場，有電流變作用的懸浮液的粘度急劇增大，而粒子則在很大程度上固定在它們正處的有序狀態(tài)，所顯示的信息也相應(yīng)地固定，這樣使其在沒有外部電場時也能做到保持穩(wěn)定，且能識別。
帶色的懸浮液必須是耐光的，并且與微空間膜材料或覆蓋層不產(chǎn)生反應(yīng)。此外，它可能還含有熒光物質(zhì)或磷光物質(zhì)，應(yīng)用這些物質(zhì)允許較高的光效應(yīng)，和/或可以采用有紫外線部分的光源。適宜的物質(zhì)例如有Acros Organics公司的Cumarin 314T或Pyromethene 580。
制取直徑在0.1至20μm之間，優(yōu)選在0.3至1.0μm之間，特別優(yōu)選在0.4至5μm之間的電泳移動粒子可依據(jù)WO98/41898、WO98/41899或WO98/0396進行。它包括用有機和/或聚合物材料包裹的顏料和/或應(yīng)用純顏料，例如可通過電荷控制助劑處理使其帶電荷(特別參見WO98/41899)。
在懸浮液中的粒子必須能自由運動，根據(jù)所加的電場根據(jù)粒子電荷而向電極之一運動，因此空穴的“關(guān)”/“開”狀態(tài)或宏觀色感通過粒子的空間排列來決定，從而可通過電場來控制。
如果通過電場使粒子定位在背離觀察者的空穴一側(cè)(圖3的底基面“b”)，這對觀察者來說粒子是不可見的或只看到很少，而照明單元的光線幾乎是不受阻地通過懸浮液和載體材料(圖1的空穴d)，在圖3的空穴a中粒子定位在空穴的面向觀察者一側(cè)，則它們屏蔽掉照明單元來的光線(圖1中的空穴h)，結(jié)果得到一個黑暗平面，這時光線只能透過載體材料的空白邊寬射出。因而，應(yīng)將微空間膜的空白邊寬設(shè)計得盡可能細窄和/或有一不透光或鏡面反射的涂層。
為了控制空穴及粒子，必須有兩個電極(圖1中的b和g)，其中至少基底電極(圖1的g)對從任選從照明層來的光應(yīng)在很大程度上是透明的。
電極的控制，即在極端情況下每個空穴的尋址按例如WO97/04398所述的開關(guān)單元成列/行排列的方式實現(xiàn)，如果個別空穴對單元尋址太小的話，則可采用每個開關(guān)單元能接通多個空穴的方式。
可任選的照明單元(圖1中的f)應(yīng)使具有電控光學性能的復(fù)合膜達到均勻的光亮度，盡管如此，仍為扁平的。為此采用側(cè)向固定的光源，其光線經(jīng)過一個導(dǎo)光板分布在整個視野中，有強光散射作用的塑料板在EP0645420中已公開，這些板是這樣構(gòu)成的，要防止射入光線的內(nèi)全反射，代之以從板上或從微空間膜射出的光能夠衍射。其它關(guān)于導(dǎo)光板的實施方案見于EP0645420和EP0590471。這種照明系統(tǒng)被用在背射光照的標志牌中，在本發(fā)明的一種特定實施例中，導(dǎo)光板和微空間膜的材料是相同的。
在任選將復(fù)合膜沉積到受光照的背景時，可作光源利用(背射光裝置)，這時可以選擇毋需照明單元(圖5)的方案。如果利用該復(fù)合膜作減光裝置(透明轉(zhuǎn)換為非透明狀態(tài))，同樣照明單元也是不必要的。
適用的導(dǎo)光板或散射板含有無色的但在一無色基體材料中有不同光折射性能的粒子，因而射入板上的光束在傳播方向能持續(xù)地作微小變化，經(jīng)板表面均勻分布射出的光呈極小角度，從適用觀點考慮這種導(dǎo)光板是從一邊照射的，這樣通過光折射在板的表面可得到均勻反射光。
為達到均勻的光密度，可在照明單元的多個邊上射入光。
本發(fā)明的具有電控轉(zhuǎn)換光學性能的復(fù)合膜可應(yīng)用在所有具有平面結(jié)構(gòu)形式和/或高光亮度的顯示功能的物體上，這些用途舉例有顯示標牌、可攜帶式顯示器、計算機、平面顯示屏、標志牌或信號板。此外，本發(fā)明的復(fù)合膜還可用于制造視窗玻璃片、覆蓋材料、溫室頂棚、包裝材料、紡織品、眼鏡片、前燈燈罩、風檔片材、信號器或遮陽器材。
權(quán)利要求
1．基于由兩個控制電極和一個帶空穴的微空間膜的電控轉(zhuǎn)換光學性能的復(fù)合膜，其含有在懸浮液中電泳移動的粒子，其特征在于，該微空間膜是由一種有光散射的材料構(gòu)成的。
2．按權(quán)利要求1的復(fù)合膜，其特征在于該懸浮液是光學透明和無色的。
3．按權(quán)利要求1的復(fù)合膜，其特征在于該懸浮液是光學透明和帶色的。
4．按權(quán)利要求3的復(fù)合膜，其特征在于每三個相鄰的空穴含有不同顏色的懸浮液。
5．按權(quán)利要求1至4中任一項的復(fù)合膜，其特征在于，這些空穴有錐形或圓錐形的縱深分布外形，這些空穴的俯視面與其底基面之比大于1.5。
6．按權(quán)利要求1至5中任一項的復(fù)合膜，其特征在于這些空穴的俯視面積大于10000μm2。
7．按權(quán)利要求6的復(fù)合膜，其特征在于這些空穴的俯視面積大于250000μm2。
8．按權(quán)利要求1至7中任一項的復(fù)合膜，其特征在于這些空穴的深度為20至250μm。
9．按權(quán)利要求8的復(fù)合膜，其特征在于這些空穴的深度為30至200μm。
10．按權(quán)利要求1至9中任一項的復(fù)合膜，其特征在于該微空間膜中的空穴上方通過2至50μm寬度的空白邊寬把它們相互分隔開。
11．按權(quán)利要求10的復(fù)合膜，，其特征在于該微空間膜中的空穴上方通過2至25μm寬度的空白邊寬把它們相互分隔開。
12．按權(quán)利要求10的復(fù)合膜，其特征在于該微空間膜的空白邊寬上面有一不透光的涂層。
13．按權(quán)利要求1至12中任一項的電控轉(zhuǎn)換光學性能的復(fù)合膜之制備方法，其特征在于在微空間膜中的空穴是經(jīng)腐蝕或切割工藝制造的。
14．按權(quán)利要求13的方法，其特征在于在微空間膜中的空穴是用有腐蝕作用的激光束制造的。
15．按權(quán)利要求1至12中任一項的具有電控轉(zhuǎn)換光學性能的復(fù)合膜在計算機顯示屏、平面顯示屏、標志牌、信號板或顯示板中的應(yīng)用。
16．按前述的權(quán)利要求中任一項的具有電控轉(zhuǎn)換光學性能的復(fù)合膜在制造視窗玻璃片、覆蓋材料、溫室頂棚、包裝材料、紡織品、眼鏡片、前燈燈罩、風檔片材、信號器或遮陽器材中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有電控轉(zhuǎn)換光學性能的復(fù)合膜,其包括兩個控制電極和帶空穴的有光散射的微空間膜。該膜的空穴中含有在懸浮液中電泳移動的粒子,因此所述微空間膜是由光散射的材料構(gòu)成的。該具有電控轉(zhuǎn)換光學性能的復(fù)合膜能用作顯示板、計算機顯示屏或平面顯示屏。
文檔編號G09F9/37GK1320226SQ00801
公開日2001年10月31日 申請日期2000年5月5日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月16日
發(fā)明者F·G·施米德特 申請人:克雷維斯技術(shù)及創(chuàng)新股份有限公司