快速响应电泳显示器.pdf

在本发明中公开了一种新型电泳显示模式。用作光学交换介质的介电材料的理论分析在产生电泳环境中更加强的驱动力矩。在电泳现象中引入铁电耦合力矩，实现非常快速的电光响应。这种非常快速的电光响应能够在电泳显示器上具有全活动视频图像以及全彩色再现。这两个高级功能使电泳显示器成为非常省电的全功能显示器。

1.  一种电泳显示装置，包括：
第一电极；
第二电极；以及
电泳显示介质，其设置在所述第一电极与所述第二电极之间并且包括悬浮介质以及悬浮在所述悬浮介质中的铁电材料。

2.  根据权利要求1所述的电泳显示装置，其中，所述铁电材料作为颗粒悬浮在所述悬浮介质中。

3.  根据权利要求1所述的电泳显示装置，其中，所述铁电材料是位错型铁电材料。

4.  根据权利要求1所述的电泳显示装置，其中，所述铁电材料是有序-无序型铁电材料。

5.  根据权利要求3所述的电泳显示装置，其中，所述位错型铁电材料是BaTiO₃、NaKC₄H₄O₆/4H₂O、GASH或TGS。

6.  根据权利要求4所述的电泳显示装置，其中，所述有序-无序型铁电材料是聚偏二氟乙烯或聚酰胺11。

7.  根据权利要求1所述的电泳显示装置，其中，所述悬浮介质包括弹性体。

8.  根据权利要求1所述的电泳显示装置，其中，所述悬浮介质包括触变材料。

9.  根据权利要求1所述的电泳显示装置，其中，所述显示装置被配置为在场顺序彩色显示模式中操作。

10.  一种操作电泳显示装置的方法，包括：
在第一方向施加电场，以使涂覆有第一颜料和第二颜料的铁电颗粒以第一状态对准，在所述第一状态中，所述第一颜料位于所述电泳显示装置的显示器侧；并且
在与所述第一方向不同的第二方向施加另一个电场，以使涂覆有所述第一颜料和所述第二颜料的所述铁电颗粒以第二状态对准，在所述第二状态中，所述第二颜料位于所述电泳显示装置的显示器侧。

快速响应电泳显示器
技术领域
本发明涉及电泳显示器，尤其涉及其驱动力矩源自铁电耦合的电泳显示器。
背景技术
由于在日光环境亮度条件下具有功耗以及可靠性的优点，所以自从开始平板显示器工业以来，记忆型显示装置吸引了密集研究和产品考虑。一些液晶显示器的记忆功能用于这个目的。在过去几年，广泛地使用某些类型的电泳显示器，尤其与所谓的电子阅读器显示器一样。
基于记忆功能的反射显示技术适合于显示装置，尤其适合于字符显示器，正如纸质图像。显示图像的反射性质还非常适合于代替纸质媒体，从节省纸资源以及电子能量省电的角度来看，非常需要该替换物。从代替纸质媒体的观点的角度来看，所谓的电子纸装置很自然具有仅仅静态图像的显示功能。由于其记忆功能，所以那些电子纸类型的显示模块的记忆功能大幅节省了其功耗。该大幅省电特性还与纸质媒体的替换物良好匹配。
另一方面，非常期望纸质电子显示装置具有所谓的全彩色功能。电子纸型显示屏显示在纸张媒体中所示的全彩色图像是非常自然的要求。对于大部分记忆型电泳显示装置，全彩色特性是一个挑战。原则上，显示装置介质的记忆功能未显示全彩色显示功能的简单兼容性。大部分记忆型显示技术基于显示介质本身的双稳性。因此，多屏亮度级显示技术和记忆状态显示技术在其显示功能的原理上具有根本的差异。显示装置本身的典型记忆功能使用所谓的双稳性或者两个稳定状态的替换物。因此，基于多稳态的记忆功能和灰度等级再现能力不兼容。无论多态稳定性的根本问题是什么，在电子阅读器上都需要全彩色图像，这相当自然。为了使用最先进的 技术获得全彩色功能，广泛地使用与子像素技术相结合的微型滤色镜。该技术根据人眼的空间分辨率限制。只要应用于静止图像，这种最先进的技术就足以用于基于双稳型显示技术的所谓的电子阅读器应用程序。然而，与背光型显示装置不同，反射显示器的颜色识别功能完全取决于环境光亮度以及主波长。而且，与原始图像分辨率相比，子像素的使用将图像分辨率减小到至少三分之一。因此，对于大部分反射显示器，获得具有足够好的亮度显示的合理的颜色纯度等级，需要全新的概念，来摆脱其固有的特性。
而且，在作为电子阅读器所需要的功能方面，甚至电子纸应用、电影或视频图像再现也是比较自然的要求。根据上述要求，作为新兴技术，需要全新式省电型显示器，该显示器与记忆型显示器的优点保持足够好的平衡。
还希望当前所谓的电子阅读器型显示技术适用于数字看板型大广告牌显示器。众所周知，无论是否是自发射和/或照明系统，大部分广告牌式大屏幕显示器都需要特定的照明，用于增强屏幕的反射性能。虽然需要额外的照明系统，但是在足够明亮的亮度环境(在全世界大部分地方，该环境通常是晴朗的中午)下，反射显示系统保持其特定的优点。当然，在夜间以及非常阴暗的环境下，大约需要特定的照明系统。即使需要这种照明系统，基于反射的显示器的有效表面反射提供更有效的正确反射，为大广告牌型显示系统产生明显的省电效应。通常在当前的节能要求的情况下，这个更好的反射率甚至对需要特定的照明系统的显示系统有效。
发明内容
本发明涉及提供上述问题的解决方案。根据记忆型反射显示器的固有功能，本发明还能够具有全彩色功能以及足够好的活动视频图像性能，同时保持记忆型显示器的固有优点。如上所述，记忆型显示器的一个难题在于，获得足够好的全彩色性能以及足够好的活动视频图像性能，同时提高其缓慢的光学响应特性。与传统的液晶显示器(LCD)系统一样，缓慢的光学响应提供了特定的显示图像伪影。目前已知的电泳显示系统甚至比典 型的LCD系统更慢。遗憾的是，这自然造成电泳显示器难以提供足够好的全彩色功能以及足够好的活动视频图像功能。
本发明的重要性是为电泳显示系统引入非常快速的光学响应，具有驱动力矩(driving torque)的新概念，以显示图像创造介质。对理论和经验研究进行的热情严肃的调查产生了这个新本发明。与目前已知的电泳显示系统相比，理论研究在固有的记忆型电泳显示系统中建立了快100到1000倍的光学响应。通过为显示介质引入具有外部施加的电场的铁电耦合力矩，实现这种非常快速的光学响应。虽然众所周知与偶极动量耦合的情况相比，通常，铁电耦合提供更大的驱动力矩，但是还未显示或提出在电泳型显示系统中的任何可行的或者现实层面的技术。
在这30年，众所周知表面稳定的铁电液晶显示器(SSFLCD:Noel A.Clark,et.aI.,"Submicrosecond bistable electro-optic switching in liquidcrystal",Appl.Phys.Lett.36(11),pp.899-901,(1980))，SSFLCD情况将铁电液晶材料用作其显示介质。另一方面，在所提出的电泳显示器中，根据电泳现象的性质，铁电耦合从未提供驱动力矩。而且，与LCD不同，在电泳显示器中，显示介质由两到四个不同的介电材料构成，由于在每个介电材料之间具有复杂的相互作用，所以产生不简单的介电性能问题。如凝聚物质的物理现象所明确解释的，普通的介电现象是总材料总体效应。因此，SSFLCD的单个铁电材料情况以及电泳情况的多材料相互联系的效应在装置配置的物理和实际水平方面根本不同。
根据铁电耦合力矩，本发明提供了非常快速的光学响应电泳显示系统的理论和经验配置。由于铁电耦合力矩，不仅实现了非常快速的光学响应。而且实现了具有全彩色功能的照明和全活动视频图像的实际省电显示装置。
附图说明
图1显示了由其物理原理进行的介电现象的分类；
图2显示了在电泳显示系统中的介电材料的变化；
图3(a)至图3(d)显示了前光场顺序彩色电泳显示系统；
图4显示了本发明的一个实施方式；
图5显示了图4的实施方式的电光响应；
图6显示了所建立的散射光电光测量系统；
图7显示了另一个实施方式的电光响应；
图8显示了传统技术的电光响应；
图9显示了使用弹性体悬浮介质的基于铁电耦合力矩的电泳显示系统；
提10显示了使用触变悬浮介质的基于铁电耦合力矩的电泳显示系统。
具体实施方式
分析技术的特定应用
这个特定的发明基于作为电泳显示器的介电性能和/或所需要和/或期望的显示性能的基本调查。因此，预期的电泳显示器的每个特定应用的特定要求在本发明中是一个最重要的因素。在这个角度上，下文描述了电泳显示器的显示性能的每个特定要求。
(a)电子阅读器
从使用黑白型LCD模块开始，这类应用具有相当长的历史。近几年来，记忆型电泳显示器广泛地用于这类应用中。在该应用中的特定记忆型电泳显示器的主要优点是其纸质外观，该外观具有比较好的反射性，略微具有乳白色光散射以及在文字部分的黑光吸收。显示部件的记忆功能节省了显示模块功耗。该记忆效应能够使这种电子阅读器与纸质书相似。因此，这个特定类型的应用的最重要的要求是显示部件的稳定记忆效应以及图像背景的足够好的光散射，文字部分具有足够好的光吸收，以便具有足够好的可读性。很多公布的文档公开了这种技术，例如，“Advances inMicroencapsulated Electrophoretic Ink for Flexible Electronic PaperDisplays”；M.D.McCreary,International Meeting of Information Display(IMID)pp.234-235,(2005)、“Electrophoretic Ink:A printable Display Material”；B.Comiskey,et.al.,Society for Information Display(SID)Technical Digest pp.75,(1997)等。
更快速的图像写入时间或屏幕更新时间也很重要，但是这取决于像素的数量以及在显示器介质的记忆功能型显示器中的驱动方法。通常，只要这个特定的应用代替纸质书，写入时间就是次要要求。比写入时间更重要的要求是多色和/或全彩色再现。
无论足够好的颜色或再现功能确立是否具有极大的发展效果，例如，众所周知的美国专利号7,167,155“Color electrophoretic displays”、157,791,789“Multi-color electrophoretic displays and materials for making thesame”以及8,040,594“Multi-color electrophoretic displays”，这种显示器的颜色质量依然在发展中。由此，不容易为反射型显示器提供良好的颜色纯度以及足够好的颜色亮度。尤其地，减法颜色再现完全取决于环境入射光颜色纯度和屏幕亮度。另一方面，基于背光的LCD通过在微型滤色镜与滤色镜光谱适合的背光单元系统之间进行组合建立了其足够好的颜色再现。虽然背光功耗以及屏幕图像驱动的更新消耗了大量电源，但是无论环境光条件如何，颜色再现性都相当好。当前可用的电泳显示技术在其功耗上依然具有明显的优势，然而，由于基于减法反射的颜色再现，所以与LCD图像的质量相比，彩色图像质量相当差。尤其地，使用微型滤色镜的众所周知的颜色再现还减小了大量的光吞吐量，造成屏幕亮度变暗。对于将环境光用作其光源的反射型显示器，滤色镜的这种光吸收提供了导致较差的屏幕亮度的显著缺点。为了避免使用滤色镜降低屏幕亮度，一些实验使用入射光的选择性反射来再现多色。国际申请公开号WO 200811 07989公开了使用胆甾相液晶的选择性反射的三层堆叠的多色系统。该方法未使微型滤色镜子像素损害图像分辨率，并且提供较大的光吞吐量。然而，由于胆甾相液晶材料的选择性光反射的性质，所以该方法对颜色纯度具有大幅限制。理论上，胆甾相液晶的螺旋结构的选择性反射具有宽光谱分布，以使所获得的选择性光反射包括各种光波长，产生不太生动的颜色。因此， 纸质书的代替物的真正意义的确立需要在当前电泳显示器的省电优点与当前基于背光的彩色LCD的优越颜色纯度之间具有某种特定的平衡。
虽然电子阅读器是次要要求，但是活动视频图像性能使这种应用更宽并且在内容应用开发方面多产。对在基于记忆的电泳显示器中的活动视频功能的最大挑战是基于记忆的电泳显示器的最大收益的不一致性。因此，由于其显示介质记忆效应，所以电泳显示器已经用于基于黑色/白色的电子阅读器。该记忆功能对于显示静态图像(正如当前的纸质书一样)非常有效。另一方面，再现活动视频图像，需要基于时间的图像重写，这种重写需要某种程度的功耗。而且，由于连续的图像更新要求，所以显示介质的记忆效应甚至是可避免的问题。因此，通常，对于活动视频图像再现，并不优选记忆功能。为了实现实际的省电活动视频图像多色和/或全彩色显示，最需要在功耗与显示图像性能之间的特定平衡。
(b)工业显示器
这种应用实际上具有各种显示模块类型及其尺寸和使用环境。具有各种应用，包括传统的机械仪表类型、较新的透明型显示单元到流行型广告显示单元。一种应用是指示符型应用，另一种应用是使用尺寸较大的屏幕的所谓命令控制显示器，例如，由Mike DeMario等人在“Large LCDDisplays for Collaboration and Situational Awareness in MilitaryEnvironment”、ADEAC Technical digest pp.75-77.(2006)中以及Ian Miller在“VESA Monitor Command and Control Set(MCCS)Standard”、ADEACTechnical Digest pp.90-93,(2006)中进行描述。这种应用用于测量设备的控制面板、用于各种测量系统的指示符显示器、自动售货机显示器等。尤其地，通过功耗非常低的显示模块，电池驱动的测量机器具有较大的优点。这种特定类型的应用通常需要比较简单的显示内容，例如，字母数字和/或简单的动画。一种更具体的实例是主要用于杂货店或零售店的产品价格显示和/或称为货架陈列的显示器的简要描述目的。比较简单的显示内容(例如，价格、产品名称和/或非常简要的产品描述)是主要内容。这种显示单元最需要的性能是足够好的可靠性以及非常小的功耗。另一个应用用 于产品规格描述的目的，代替册子用印刷纸，例如，汽车销售的规格。这种应用需要非常高的图像分辨率以及具有最小功耗的高信息内容。在这种显示装置的性质中，高度定制模块设计，并且该设计专门适合于特定的设备和/或场合。
即使具有特定的类型，这种显示单元需要几乎为零的功率，同时在屏幕中示出显示内容。另一方面，这种显示器不需要频繁地更新，这表示静态图像是最重要的要求。一些应用需要多色或者甚至全彩色，但是通常不需要任何动画功能。
而且，在这些类型的产品中，有时需要极高的分辨率、高图像内容，尤其用于规格显示。对于较低的分辨率或者小图像内容显示，直接驱动或少量多路复用驱动方法非常经济。有源驱动背板适合于高分辨率或高图像内容显示单元。然而，仅仅在活动视频图像或不断更新的类型(无论是仅仅显示活动视频图像还是静态图像)的前提下，使用有源矩阵驱动背板，除了不需要图像信号重新创建的特定的静态存储器型晶体管嵌入的背板以外，例如，Alex Ching-Wei Lin等人的“LTPS circuit integration forsystem-on-glass LCDs”、Journal of SID 14/4,pp.353-362,(2006)，而是在像素的每个晶体管上保持一个帧图像信号。虽然这种静态RAM型背板具有省电功能，但是通常，更新型驱动机构通常需要相对不少的电量，无论是静态图像还是活动视频图像再现。如果所需要的信息内容非常高，而不需要更新，则使用显示介质的记忆效应，而不使用晶体管的记忆效应。这种显示介质记忆功能产生了理论上无限数量的显示线(strove line)。
(c)大屏幕显示器
这种显示模块通常用于大广告牌型显示器。室内和室外类型用于大屏幕显示器。在静态图像显示期间，用于该特定应用的记忆型电泳显示器的一个显著优点是具有低功耗。与更新型显示单元不同，只要显示图像是静态图像，记忆型电泳显示器本身就具有零功耗。广告牌型显示器的大部分通常应用具有大显示屏尺寸，并且通常，显示功耗与屏幕面积(屏幕尺寸)成比例。因此，与更新型显示单元相比，基于记忆的电泳更大型显示器提 供较低的功耗优点。而且，记忆型电泳显示器基于其使用型号，作为反射显示器，以便只要环境亮度足够好，甚至反射显示器也可节省照明光功率。通常，该照明功率非常大，以便照明光节省大量电。在昏暗的环境亮度条件下，与自发射型显示单元不同，电泳显示单元需要特定的照明光系统。即使这种电泳显示单元需要照明系统，只要实现更有效的反射性，就可依然考虑其低功耗优点。为了在保持其他所需要的显示性能(例如，颜色纯度、颜色数量等)的同时，实现足够高的反射性，非常希望具有全新的技术。
记忆型反射电泳显示器可能与这些类型的大广告牌显示应用良好地匹配。如下克服目前已知的电泳显示技术的困难。
每个应用的技术要求
(a)电子阅读器
这种技术缺失的物质是颜色再现和活动视频图像性能。如上所述，原则上，有利于省电的记忆效应以及需要视频更新速率的活动视频图像性能彼此不一致。在某种程度上，大部分像素化矩阵型显示器需要记忆效应，以保持足够好的图像质量，无论是静态图像还是活动视频图像。例如，TFT(薄膜晶体管)驱动背板至少使用电荷记忆效应的单个帧扫描时间，以在帧对帧时间间隔期间，避免图像退化。由于记忆效应的TFT背板侧，显示介质作为材料不需要具有记忆效应。并未在显示介质中保持记忆功能，TFT背板保持足够的电荷，来保持显示介质图像状态，直到准备电荷激发的下一个帧。另一方面，无需TFT背板，并且无需在显示介质中的记忆效应，需要更快速的更新或滚动，以在显示屏上保持图像，从而保持足够好的图像质量。所谓的多路复用驱动方法与无源矩阵背板相结合就是如此。在多路复用驱动情况下，实际上，显示介质的某种缓慢的光学响应更好地保持足够好的图像质量。由于非常快速的脉冲率(例如，几十kHz)通常适用于这种驱动，所以如果显示介质具有总共几毫秒的光学响应，那么每当施加几kHz的激发电压脉冲时，显示器显示小而微弱的闪烁。因此，这种驱动非常适合于更慢的响应光学介质，以免闪烁图像伪影。
为了解决该不一致性，重点调查确立了以下内容，以解决这些技术难题。通过最小的或可接受的程度损害图像保持功率，获得更高质量的颜色再现以及活动视频图像性能，以下内容很重要：
1、在基于电泳的记忆记忆型显示器中具有非常快速的电光响应。
2、无论是否具有非常快速的光学响应，显示介质应具有记忆效应，该效应能够保持所显示的图像，无需任何功率。
3、无论是否具有其记忆能力，一旦应用适当的电信号，所显示的图像就必须通过最近施加的电信号改变其内容。
4、与当前建立的平板面板显示技术具有足够好的兼容性。
下面讨论以上四个重点有效地解决这种装置的原因。
(b)工业显示器
这种装置的大部分技术难题与电子阅读器要求的难题一样。根据具体应用，与电子阅读器的操作温度范围相比，一些应用需要更宽的操作温度范围。与电子阅读器的对比度相比，一些应用需要更高的对比度，并且一些应用需要更多的机械强度等。主要地，这种特定的技术难题与可靠性问题有关，包括工作环境问题。
一个实例是用于汽车燃气站的气泵表显示器。根据气候环境，需要较宽的耐受性，但是通常，这种特定的应用需要从-30℃到+75℃的操作温度范围，与-40℃到+90℃的储存温度范围相同。一些液晶显示器(LCD)至少在温度上满足这些要求，然而，当前的商用显示模块依然明显难以满足其他要求，例如，具有这么宽的温度范围的足够好的对比度以及屏幕亮度。而且，非常难以满足机械强度标准。因此，通常，这种显示模块需要提高非常宽的温度范围要求，而不损害显示图像质量。而且，机械强度是这种显示应用的所有显示模块的一个最强大的挑战。
另一方面，这种显示模块大部分不需要上述电子阅读器应用所需要的高颜色质量，而且，不需要活动视频图像。因此，这种显示单元的技术难点是在宽温度范围内保持足够高的对比度和屏幕亮度。这种应用具有一个更重要的要求，对阳光暴露具有耐久性。很多这种类型的显示模块用作室 外应用。因此，紫外线(UV)曝光耐久性也是非常重要的要求。总之，以下技术要求很重要：
1、足够宽的操作和储存温度范围；
2、在足够宽的温度范围内保持足够好的对比度和屏幕亮度；
3、阳光暴露耐久性。
(c)大屏幕显示器
这种类型的大部分新兴应用是所谓的电子看板。传统上，众所周知这种应用是广告牌型显示屏。大屏幕显示器包括室外球场型记分牌显示器到室内公告板显示器，广泛传播使用环境以及屏幕尺寸。应在屏幕尺寸和使用环境上讨论这种显示单元的技术挑战。
对于室内类型，当前流行的应用是在公共服务区域(例如，机场、火车站、大商场走廊等)的电子看板。这些使用环境对于环境亮度通常足够明亮，因此，对于大部分记忆显示装置，很好使用。由于那些使用环境大部分保持相当稳定的环境亮度条件，所以根据减法颜色混合，由于其显著的省电性能及其一致的颜色质量，反射型记忆显示器(例如，电泳显示器)非常有效。稳定并且一致的环境亮度条件使反射型显示器具有有效的方式。而且，这种周围亮度环境非常能够预测到反射型显示模块的入射光角度。这尽可能增大显示单元的反射效率以及一致的颜色质量。另一方面，大部分自发射型电子看板显示模块包括背光LCD模块，这种高环境亮度条件降低了原始屏幕图像质量。而且，根据环境照明光谱条件，甚至颜色或纯度具有不小的影响。因此，该特定的室内应用领域有利于大部分记忆型反射显示模块。另一方面，大部分自发射型显示模块有利于包括全彩色性能的活动视频图像再现。由于其基于记忆的特征，所以记忆型显示器(尤其是记忆型电泳显示器)非常难以再现活动视频图像以及全彩色图像再现。
以上讨论阐明自发射型显示器和记忆型反射显示器的优点和缺点。表1显示了其概略。如表1所阐明的，自发射型显示单元非常有利于其活动视频图像再现性能，然而，图像质量高度取决于环境照明光谱和照明，具 有一致的大功耗。另一方面，基于记忆的反射显示单元非常有利于彩色图像可调性以及静态图像功耗。然而，基于记忆的反射显示单元的最大技术挑战是具有较差的或者没有活动视频容量。
表1：供室内使用电子看板应用的自发射型以及基于记忆的反射显示器的一般比较

通过以上比较，以下内容对于室内应用的基于记忆的反射显示单元非常重要：
1、活动视频图像应可与自发射型显示器的图像竞争。
2、全彩色再现应可用。
克服技术挑战的一般方法
如上所述，对于以上三种应用，记忆型反射显示器具有其固有的优点。已知几种记忆型反射显示器，并且这些显示器用作实际的显示装置。例如，(a)电子阅读器：电子书、(b)工业显示器：杂货店的货架价格标签、(c)大屏幕显示器：球场记分牌，这都是受欢迎的实例。每个实际使用型显示单元具有其自身的优点。另一方面，每个应用依然需要特定的显示能力，用于更广泛地并且更有效地使用如上所述的每种类型的显示单元。
本发明的发明人集中调查最固有的技术背景或基本的要求，以解决每种类型的技术挑战。在该特定考虑中，发明人进行了以下基本的机构研究。以下内容是描述在本发明中的基本方法。
首先，全面地整理每种类型的技术挑战。然后，总体要求如下：
1、光学响应时间应非常快速，以满足活动视频图像再现；
2、保持记忆效应，用于静态图像保持；
3、通过当前可用的平台，应实现非常快速的光学响应；
4、全彩色再现能力；
5、足够宽的温度范围；
6、作为室外显示单元的耐久性。
对于活动视频图像再现能力，不仅是显示介质的唯一问题，而且需要考虑驱动方案以及驱动背板可用性。当然，无论采用哪种驱动方案，显示介质都绝对需要足够快的电光切换能力。同时，在获得实际的活动视频图像能力方面，驱动机构匹配能力也具有重要的要求。对于不同的应用能力，考虑有源矩阵背板驱动(例如，TFT背板驱动)以及具有多路复用驱动方案的无源矩阵驱动。通过非常快速的光学响应，甚至对于基于记忆的反射显示系统，全彩色再现变成现实。虽然不专门用于反射显示器的情况，但是50多年以来，众所周知该基本概念，作为场顺序彩色方法。大部分像素化显示器使用空间分辨的子颜色系统。例如，背光颜色LCD具有子像素结构，每个子像素具有原色的滤色镜，例如，蓝色、红色以及绿色滤色镜。使用人眼的有限空间分辨率，每个非常小的原色子像素向人眼合成全彩色图像。场顺序彩色系统使用时间分辨率，代替空间分辨率。使用人眼的以下有限时间分辨率，如果单个像素通过比人眼的时间分辨率更快的极快时间帧来分别再现蓝色、红色以及绿色，那么单个像素在人脑中合成全彩色图像。因此，如果基于记忆的反射显示系统具有比人眼的时间分辨率更快的足够快速的电光响应能力，那么显示器向人眼提供全彩色或图像。同时，如果显示图像是静态图像并且不需要重写某个时间量，那么显示介质在其介质本身内必须具有记忆能力。活动视频图像再现和静态图像再现以及保持静态图像时的记忆功能必须可操作，应用当前先进技术，以便实现显示装置的适用性。虽然也能够考虑避免这种技术问题的一些额外的方法，但是日光曝光的宽温度要求以及耐久性应为基本材料的选择问题。
根据以上综合考虑，调查每个原理技术要求；克服每个技术要求的方式如下：
(a)非常快速的电光响应，以满足场顺序彩色要求。
这需要至少1ms或更短的光学响应时间。
仅仅通过与外部施加的电场进行介电耦合和/或与外部施加的电场进行铁电耦合，这一级别的电光响应在理论上成为可能。
(b)保持有效的记忆效应。
具有几种方法来保持有效的记忆效应。一种方法是使用磁性元件，一种方法是使用可切换的分子结构配置变化(例如，顺式(cis)和反式(trans)分子结构配置)，一种方法是可切换的分子或晶体结构变化，一种方法是铁电现象。
(c)可靠性要求。
在当前的市场技术之中，具有经证明可靠的材料。一些是材料的固有可靠性，一些是装置模块的总性能，例如，使用UV切割滤波器。
对于反射显示特性，不容易在显示屏之前使用UV切割滤波器，以避免大幅光反射。而且，尽可能减小显示性能改变的非常宽的温度范围是材料的固有特性，这应具有必要。
解决技术要求的具体考虑
为了实现电泳显示器的更快速的电光响应，在爱沙尼亚专利申请号EE200600031中，Juri Liiv公开了在电泳显示器中使用极化颗粒。该爱沙尼亚申请以及相应的美国申请序号3012/440,573的全文并入本文中。该方法基于压电，以获得快速光学响应。在本技术公开之前，Joseph M.Crowley等人在美国专利号5,262,098中公开了在适当的弹性介质下将介电耦合用于电极化的介电球。而且，Matthew E.Howard等人在美国专利号6,222,513中并且Naveen Chepra等人在美国专利号7,924,412中描述了相关技术，在电泳显示器中，将介电耦合用于电极化的介电球。Juri Liiv等人的方法以及以上基于介电球的方法根据介电耦合力矩，作为在图1中划分的介电现象的类型。在图1中，Sheridon等人在“介电”中被划分到最大区域中，并且Juri Liiv等人在“压电”中被划分到下一个确定的区域中。
根据凝聚材料的物理现象的一般理解，每种定义如下：
1、介电质
在某种外部施加的电场下，材料显示了某种电极化。
2、压电
在某种外部应用的机械应力下，材料显示了一些电荷累积。而且，那些电荷累积产生了材料的某些机械变化。
3、热电
显示自发极化并且自发极化通过升高的环境温度产生电压电位。
4、铁电
显示自发极化并且自发极化可通过外部施加的电场切换。
通常，在电泳显示器中，特别使用bi-choromal球，M.E.Howard等人在“Gyricon Electric paper”，SID Technical Digest,Paper No.37.2,(1998)中讨论了其光学响应。如Howard在专利中所述，基于迁移离子的运动显示了缓慢的响应，例如，从几百毫秒到高达几千毫米。介电基础耦合具有显示更快速的响应的能力。在液晶显示器(LCD)的情况下，大部分LCD使用介电耦合并且获得几毫秒响应时间。然而，在电泳显示器的情况下，由于需要悬浮介质，例如，弹性体材料，所以在将驱动力矩应用于通常是球形球的特定介电材料之后，介电耦合具有某种重大的限制。因此，基于介电耦合的电泳显示器的实际可用的光学响应时间限于高达几十毫秒。然而，实际获得的响应时间目前高达50到60ms的范围。虽然是否包含在电泳显示器类别内还略微有争议，但是Reiji Hattori等人在“A novelbi-stable reflective display using quick-response liquid powder”、Journal ofSID,1211,pp.75-80(2004)中讨论了不使用悬浮材料。在该系统中，介电颗粒在空气中运行，产生更快速的光学响应。
以上调查向发明人显示了最需要更高的电泳颗粒的移动性以及悬浮介质的更低的大幅粘度。为了具有上述电泳显示器问题的实际解决方法，执行以下理论调查。
克服当前技术问题的理论要求
为了调查在电泳系统中的电泳颗粒的移动性，调查了其动态性能。Von Smoluchowski通过Materials Bulletin International Academic Science Cracovie；Vol.184,page 184(1903)描述了总电泳现象。从总系统能量的角度来看，Smoluchowski解释了电泳现象。Smoluchowski使用电泳延迟力的概念：Fret。只要与电泳颗粒相比，德拜(Debye)长度足够更小，在任何电泳情况下，总系统能量都应为零。通常，在显示器应用的情况下，满足该德拜长度条件，因此，进行以下调查以及Smoluchowski讨论。根据Smoluchowski，电泳移动性μ_e由等式1表示：
μ_e＝ν/E 等式1。
在此处，v是分散粒子的速度，e是电场强度。使用ε_r：分散介质的介电常数；ε₀：真空电容率；η：分散介质的动态粘度；ζ：电动电势(动势)，电泳移动性还由等式2表示：
μ_e＝(ε_rε₀ζ)/η 等式2。
在等式1和2中，分散粒子的速度为：
v＝E(ε_rε₀ζ)/η 等式3。
等式3提出了分散电泳颗粒的电光响应时间与施加的电场强度、介电常数以及动能成比例，并且与分散介质的动态粘度成反比。因此，为了获得更快速的电光响应，分散介质的更大的介电常数、分散介质的更大的施加电压以及更低的动态粘度是行之有效的。
在实际的电泳显示模块中，略微限制所允许的电场强度。使用太高的电压，直接涉及驱动器成本问题。更薄的电泳显示介质有助于提高电场强度，然而，太薄的介质丧失了反射模式显示器的对比率以及屏幕亮度。降低分散介质的动态粘度非常有效，以减少电光响应时间。Nick Sheldon等人通过国际申请公开号W02011098154公开了使用触变介质，用于通过引入触变介质，代替用于维持介质的弹性材料，来获得电泳介质的充分足够低的动态粘度。触变介质非常有效，以在电泳系统中获得明显足够低的动态粘度。M.Miner还通过Journal of Colloid and Interface Science；Vol.189,pp.370-375(1997)中公开了分散粒子在电泳系统中更具体的总移动性能。
根据以上调查，发明人发现非常快速的电光响应以及实际装置设计实现理论调查的理论解决方案。
如图1中所示并且如上所述，介电材料包括几种材料。介电材料显示了在某种外部施加的电场之下的一些电极化。如Smoluchowski所述，在电泳环境下，由于电泳介质的电逐层效应(electric by-layer effect)，稍微屏蔽分散粒子的这种极化。因此，分散的介电粒子材料的实际有效的介电常数大幅减弱其极化效应。从这个角度来看，使用介电材料的实际有效的工作介电常数ε_effr，Smoluchowski的等式3修改为等式4：
v＝E(ε_effrε₀ζ)/η 等式4。
然而，等式4强烈建议通过增大分散材料的介电常数来限制减少响应时间。因此，发明人在电泳系统中已经触及分散粒子的完全不同的驱动力矩源。电逐层或多或少屏蔽在分散粒子的表面上引起的极化。尤其地，该极化屏蔽效应还经由受更强的施加的电场强度而更强。这个特定的效应还降低了电场强度的预期增大效应。通过引入铁电耦合，更大程度地在实际工作耦合力矩之上最小化该退化效应，所施加的电场强度远远比由介电材料提供的电场强度更强。图1和以上讨论阐明了铁电材料具有自发极化，并且自发极化可通过外部施加的电场切换。通过在电泳系统中引入基于铁电材料的分散粒子，通过铁电颗粒，以上等式4修改为等式5：
v＝E(ε_effrε₀ζ)/η+E(P_sζ)/η_f 等式5。
在此处，P_s是铁电颗粒的自发极化，η_f是铁电粒子的大幅工作动态粘度。在等式5中，铁电耦合基础分散粒子在移动性的两个影响术语之间具有以下关系：
E(ε_effrε₀ζ)/η<<E(P_sζ)/η_f。
为了具有实际的电泳显示模块，铁电颗粒应分散在电泳系统中。如等式4所阐明的，铁电耦合对施加的电场强度具有线性：E，因此，在粘度上对铁电耦合力矩的施加电场的基本响应显示了对施加电场的线性。而且，等式6显示了源自介电耦合的驱动力矩远远小于源自铁电耦合力矩的驱动力矩。因此，从等式5和6中，与形成介电耦合力矩相比，铁电耦合力矩显然提供了非常强的驱动力矩。这明确地提出了铁电耦合力矩向电泳显示器提供了非常快速的光学响应。
如上所述，引入铁电耦合力矩，能够在电泳显示器上具有全活动视频速率适用光学响应性能，保持双稳态记忆功能。而且，所获得的光学响应是亚毫秒范围，因此，这个非常快速的记忆型显示系统能够具有全彩色再现能力。下面解释了这个非常快速的光学响应能力能够进行全彩色再现的方式。
全彩色再现能力
下面解释一种实际的方法，用于使用非常快速的光学响应记忆功能电泳显示器获得全彩色再现能力。
使用所谓的有源矩阵背板，例如，非晶硅薄膜晶体管阵列(a-Si TFT阵列)，应用场顺序彩色驱动方法。对于有效的并且实际的全彩色再现，如图3(a)中所示，应用前光型照明。使用本发明技术的不到1ms的光学响应时间特性，在图3(b)中所示的屏幕上，显示第一帧图像。就在整个屏幕图像走向屏幕时，如图3(b)中所示，照亮前光红色LED。在接下来的帧处，在用于绿色图像的整个屏幕中写入整个屏幕图像，然后，如图3(c)中所示，打开前光绿色LED，最后，如图3(d)中所示，蓝色图像位于屏幕上。在屏幕上显示的图像是静态图像时，不需要重写屏幕图像信号。红色、绿色以及蓝色前光照明器仅仅按照时间顺序发光。对于静态图像显示器的情况，完全相同的图像(例如，“Visitret显示”)始终位于屏幕上，并且照明前光灯通过快速的照明颜色变化按照时间顺序点击红色、绿色以及蓝色，对人眼造成时域颜色混合。因此，对于静态图像显示的情况，在显示屏上，不需要重写屏幕图像，并且在电子上不重写屏幕图像，节省不少的电源。在这种情况下，不需要信号处理功率，并且由于本发明的铁电材料双稳性特性，照原样保留屏幕图像。在屏幕图像是全活动视频图像时，照明器和屏幕帧到帧图像与其图像和照明颜色同步。
在该场顺序彩色系统中，需要显示元件来进行至少1ms的切换，以避免颜色制动图像伪影。典型的所需要的场顺序彩色显示系统需要使用至少120Hz的总帧速率。这需要360Hz的RGB子帧速率。因此，显示介质所需要的光学切换时间至少为1.4ms(2.8ms/2)。然而，为了避免颜色 混合，实际所需要的响应时间小于1ms。因此，在理论上，通过这个描述的场顺序彩色系统，根据本发明的仅仅基于铁电耦合力矩的电泳显示器能够具有全彩色功能。
与传统的基于液晶显示器的场顺序彩色系统相比，该场顺序彩色或系统还能够大量省电。由于本发明，该场顺序彩色系统使用反射模式，而且，显示介质本身具有记忆功能。因此，照明器光效率本质上较高。而且，只要与传统的纸质书一样，显示图像是静态图像，对于显示图像维持功率，显示介质记忆功能就能够具有零功率。
从材料的角度来看，在图1中，铁电材料和反铁电材料归为同一类。在铁电和反铁电材料之间具有一些差异。虽然在这两种材料中具有一些差异，但是从以上更强的驱动耦合力矩的角度来看，相同的概念适用于反铁电材料的情况，在分散粒子的制备方面进行某种适当的修改。
实际设计
铁电材料主要分成以下两种材料，如在表2中所划分。一种材料是位错型，由某些类型的陶瓷材料表示，例如，BaTiO₃、NaKC₄H₄O₆/4H₂O、GASH、TGS。另一种材料是有序-无序型，由某些类型的聚合物材料、低分子材料堆叠(例如，PVDF(聚偏二氟乙烯))、奇数聚酰胺以及铁电液晶等表示。使用本发明，在图9和图10中显示了基本电泳显示器原理。
表2：两种“铁电材料”

图2显示了传统电泳显示器的机构，该显示器基于介电耦合力矩。介电球形颗粒分别在其北半球和南半球上涂覆黑色和白色。通过几种方法进 行这些着色，例如，在半球上进行颜料涂布或者混合纳米白色和黑色颜料，以通过已知的工序(例如，旋转盘方法等)制备球形颗粒。大部分纳米颜料具有其特定的电动电势和表面能量，使用这些特定的表面现象，在半球体的某一侧上有效地涂覆每种颜料。这些着色的球形颗粒分散在悬浮介质上，如图2中所示。典型的悬浮介质是弹性体。由于在其北半球和南半球上涂覆了不同的介电材料，所以在弹性体中的合适的浓度分散的球形颗粒显示了某种偶极动量。此后，两种不同的介电材料位于颗粒的顶部和底部，每个颗粒具有或多或少的偶极动量。如图2中所示，一旦将外部电场施加给具有介电极化颗粒及其悬浮弹性体的显示介质，根据外部施加的电场的一个方向，每个颗粒就具有其自身的驱动力矩。在外部施加的电场以及每个介电极化颗粒的总偶极动量方向到达最稳定的方向之前，每个颗粒继续其旋转。一旦每个介电极化颗粒偶极方向到达最稳定的位置，甚至在去除外部施加的电场之后，颗粒保持旋转位置。这在显示屏上提供了记忆状态。在该传统的电泳显示器机构中，其驱动力矩是介电耦合力矩，并且该力矩需要与在悬浮介质和每个颗粒表面之间的摩擦力具有竞争态势。本发明动态地改变了这种竞争态势。引入由铁电耦合提供的极强的驱动力矩，产生非常快速的颗粒移动性能。
图9显示了本发明的一个实施方式，该实施方式将弹性体介质用作其悬浮介质。对于更平稳的光学响应，铁电颗粒具有球形，并且对于更高的对比率，铁电球具有黑色和白色。具有几种方法来制备球形铁电颗粒。使用广泛地用于喷墨打印机的所谓的喷嘴系统，是一种制备铁电颗粒的方式。制备溶剂可溶解的铁电聚合物(例如，特定的晶体型PVDF)，通过喷嘴喷口注入PVDF液体，制造几十微米级颗粒。这些颗粒排列在广泛地用于硅片工序的胶带上，然后，顶部表面由黑色染色材料着色。在干燥的黑色染料之后，然后通过白色纳米颜料分散的油墨材料，在半球体的另一侧上重复相同的工序。图9显示了弹性体的情况，作为悬浮介质。使用弹性体，即使基于铁电耦合的驱动力矩足够强，为了尽可能减小在弹性体与铁电颗粒表面之间的摩擦力，球形是最佳的选择，与其他形状(例如，立 方体)相比，在相同的容量下，该球形的表面面积最小。基本的驱动机构本身与在图2中所示的传统电泳显示器情况的驱动机构相似。在传统情况与该实施方式之间的差别在于由强的铁电耦合力矩造成的非常快速的颗粒运动以及称为“闭锁(latching)”的基于铁电耦合的特定性能。与介电耦合力矩不同，对于每个颗粒，铁电耦合力矩不需要持续的工作力矩。一旦为每个颗粒产生足够好的驱动力矩，就甚至去除外部施加的电场，每个铁电颗粒继续其移动，直到自动到达最稳定的状态。这在更快速的驱动电压解决方面也有利。在每个铁电颗粒到达其最稳定的位置之后，每个颗粒保持其位置，直到施加下一个带电的外部施加的电压。这在显示屏上提供了非常稳定的记忆效应。
图10使用了触变悬浮介质。在这种情况下，铁电介质不需要保持球形。与将弹性体用作维持介质不同，触变介质显示了非牛顿流体特性。由于铁电耦合力矩远远大于介电耦合力矩，所以一旦在每个铁电颗粒上生成铁电耦合力矩，每个铁电颗粒的周围触变介质就承受大量剪切功率(shearing power)。由于这种较强的剪切功率，所以触变流体在每个铁电颗粒的局部周围区域中大幅改变其有效粘度。有效粘度的这种大幅降低甚至使铁电颗粒加快移动。而且，如图10中所示，由于触变流体的非牛顿性能，所以在铁电耦合力矩应用下减小有效粘度，不通过最小表面面积(即球形表面)限制颗粒形状。甚至在图10中所示的椭圆形提供足够好的快速光学响应，与弹性体的情况不同。改变所配置的颗粒形状，还有利于在更有效地为显示屏使用颗粒表面区域方面具有更大的对比度以及更大的反射性。
在理论上，并且实际上，位错型和有序-无序型铁电材料适用于电泳显示器的本发明的以上概念。根据电泳显示器的应用目的，更具体地根据像素尺寸、分辨率，决定哪种铁电材料最合适。对于大型广告牌型显示模块，通常需要的像素尺寸有20毫米大，例如，几毫米到几十毫米。在这种大像素的情况下，在铁电颗粒制备的实际制备方面，基于陶瓷的以及基于聚合物的铁电材料适用。对于移动显示器或PC等效型显示器应用，所 需要的像素尺寸较小，例如，几百微米到几千微米。对于这种小像素情况，聚合物材料和基于低分子有机材料的铁电材料合适，然而，在以上选择中，不限制铁电材料的这些选择，并且这些选择取决于具体应用目的。
另一个需要考虑的问题是铁电分散颗粒的实际制备，以使本发明实际可行。具有几种实际的方法，以如下制备铁电分散粒子。
a)由铁电薄片型PVDF薄膜和/或铁电聚合物薄膜(例如，聚酰胺11(尼龙11))制造小颗粒。
b)使小PVDF(和/或尼龙11等)颗粒与强剪切合成，以通过合适的温度环境产生足够好的自发极化。
c)通过小PVDF(和/或尼龙11等)颗粒，然后，进行电子轮询，用于自发极化形成。
d)通过研磨金属氧化物(陶瓷)铁电材料，制造尺寸足够小的颗粒。
在上述方法中，不限制制备实际可行的铁电分散粒子。根据目标显示应用，材料的选择有效，尤其是决定位错型铁电材料(固有的铁电材料)还是有序-无需型铁电材料(统计铁电材料)。
关于本发明的悬浮介质选择，弹性体或触变介质适用。在弹性体介质用作铁电颗粒分散材料的悬浮介质时，由于其平滑切换，所以分散粒子需要保持球形。在触变介质选择为悬浮介质时，铁电颗粒形状的形状具有更多的变化。而且，根据电泳显示系统的应用目标，选择悬浮介质，并且在铁电颗粒形状的以上一般分类中，不限制该选择。
实例(1)
使用厚度为80μm的铁电PVDF薄片，通过使用锋针芯片，将该薄片冲压成平均尺寸为200μm的直径。对于触变悬浮介质，5厘冲程的硅流体(Aldrich Chemicals)与二氧化硅片以5:1的重量比混合。在这两个材料完全混合之后，重量百分比为5的上面制备的冲压的PVDF颗粒与触变流体混合。原始的PVDF薄片具有10nC/cm²的自发极化。
该混合物形成相当具有粘性的胶状结构流体。为了稳定该流体，在该流体在室温下离开24小时之后，该流体移动到下一个实验中。该混合物 夹在两个ITO涂覆的玻璃衬底之间，玻璃衬底具有高度为250μm的垫片材料，如图4中所示。负极和正极均高达300V的30Hz矩形波形应用于面板。该面板通过上面施加的电压显示高达1ms的光学响应，如图5中所示。响应时间限定为在施加的电压与光强度之间的总光学响应特性曲线的10％到90％。根据在PVDF颗粒的两个稳定状态之间的光散射强度差，进行这种测量。因此，未履行对比测量。然而，合理地假设通过将颗粒适当地着色，该快速响应电泳显示系统还显示了足够高的对比率。而且，通过分别使用多色颗粒，实现全彩色再现以及铁电耦合力矩颗粒的快速光学切换。该光学响应时间测量用于光散射测量系统，如图6中所示。显示介质夹在两个透明的电极衬底之间并且位于标准的光散射板之前，如图6中所示。入射激光光束达到倾斜角，以避免表面直接反射。显示介质的散射光通过由狭缝决定的合适的视场返回光检测器。所检测的光输出转换成电压并且通过数字示波器测量其时间相关的变化。通过电源提供造成电光变化所需要的电压。该测量需要较高的电压，以具有足够快的光学响应。然而，电压并非铁电耦合力矩情况的固有要求。通过减小触变介质的实际粘性以及增大自发极化，合理地假设大幅降低驱动电压。
实例(2)
使用球磨设备，BaTiO₃晶体材料研磨到高达0.2mm的长度尺寸。这些粒状小颗粒BaTiO₃与用于实例1的相同触变介质混合。BaTiO₃的混合比率的重量百分比为2wt％。该混合物形成相当粘性的胶状结构流体。在室温的条件下保持24小时之后，该流体夹在一对ITO涂覆的玻璃衬底之间，玻璃衬底使用高度为250μm的垫片材料，与实例1一样。与实例1一样，对该夹入的面板，施加具有负极和正极均高达300V的30Hz矩形波形。该面板通过上面施加的电压显示高达0.5ms的光学响应时间，如图7中所示。响应时间限定为在施加的电压与光强度之间的总光学响应曲线的10％到90％。该光学响应时间测量用于光散射测量系统，如图6中所示。
实例(3)：控制
并未使用铁电PVDF颗粒，尺寸几乎相同的聚乙烯颗粒与完全相同的触变介质混合，混合比率是7wt％。所使用的触变介质与在实例1中所使用的触变介质相同。
该混合物形成相当粘性的胶状结构流体。为了稳定该流体，在该流体在室温下放置24小时之后，该流体移动到下一个实验中。该混合物夹在两个ITO涂覆的玻璃衬底之间，玻璃衬底具有高度为250μm的垫片材料，如图4中所示。负极和正极均高达300V的30Hz矩形波形应用于面板。该面板通过上面施加的电压显示高达360ms的光学响应，如图8中所示。响应时间限定为在施加的电压与光强度之间的总光学响应曲线的10％到90％。该测量基于在聚乙烯的两个稳态之间的光散射强度差。该光学响应时间测量用于光散射测量系统，如图6中所示。
在以上实施方式中，全活动视频和全彩色再现能力能够具有电泳显示器，作为全功能显示器。而且，全功能电泳显示器依然保持其省电功能。尤其地，由于铁电特性，所以甚至显示全彩色图像，只要图像是静态图像，就通过使用显示介质的记忆效应，不需要所有屏幕图像维持功率，除了颜色照明功率以外。
全功能显示性能使电泳显示器适用于各种应用领域，同时保持电泳显示器的固有功能。尤其地，电泳显示器的反射特性适合于阳光可读应用，从小型手持式到大广告牌型显示系统，其具有最小所需要的功率。