DE69837785T2

DE69837785T2 - Verbesserte elektrophortische anzeige im mikrogehäuse

Info

Publication number: DE69837785T2
Application number: DE69837785T
Authority: DE
Inventors: Joseph M. Cambridge JACOBSON; Barrett Cambridge COMISKEY; Jonathan Cambridge ALBERT
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1997-03-18
Filing date: 1998-03-12
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2018-03-13
Also published as: CA2283752A1; BR9808277A; JP3980654B2; AU6759698A; WO1998041899A2; JP4629010B2; DE69837785D1; WO1998041899A3; JP2006343782A; KR100413157B1; EP0968457B1; TW459159B; JP2001516467A; US5961804A; EP0968457A2; CA2283752C; KR20000076345A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft elektronische Anzeigen und insbesondere nichtemittierende Anzeigen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Nichtemittierende Anzeigen übermitteln Information unter Verwendung von Kontrastunterschieden, die durch Variieren des Reflexionsgrades unterschiedlicher Lichtfrequenzen erzielt werden; sie sind folglich von herkömmlichen emittierenden Anzeigen zu unterscheiden, die das Auge durch Emission von Licht anregen. Eine Art von nichtemittierenden Anzeigen ist eine elektrophoretische Anzeige, die das Phänomen der Elektrophorese nutzt, um Kontrast zu erzielen. Als Elektrophorese wird die Bewegung geladener Partikel in einem angelegten elektrischen Feld bezeichnet. Wenn Elektrophorese in einer Flüssigkeit stattfindet, bewegen sich die Partikel mit einer Geschwindigkeit, die vorrangig durch den Zähigkeitswiderstand, den die Partikel erfahren, durch ihre Ladung (entweder permanent oder induziert), die dielektrischen Eigenschaften der Flüssigkeit und die Stärke des angelegten Feldes bestimmt wird.
Eine elektrophoretische Anzeige nutzt geladene Partikel einer Farbe, die in einem dielektrischen flüssigen Medium anderer Farbe schweben (das heißt, daß durch die Partikel reflektiertes Licht durch die Flüssigkeit absorbiert wird). Die Suspension ist in einer Zelle untergebracht, die zwischen einem Paar einander gegenüberliegender Elektroden, von denen eine durchsichtig ist, angeordnet (oder zum Teil durch dieses definiert) ist. Wenn die Elektroden betrieben werden, um ein Gleichspannungs- oder gepulstes Feld an das Medium anzulegen, wandern die Partikel zur Elektrode mit entgegengesetztem Vorzeichen. Das Ergebnis ist ein visuell beobachtbarer Farbwechsel. Insbesondere wenn eine hinreichende Anzahl der Partikel die durchsichtige Elektrode erreicht, dominiert ihre Farbe die Anzeige; wenn die Partikel jedoch zur anderen Elektrode gezogen werden, werden sie durch die Farbe des flüssigen Mediums verdeckt, die stattdessen dominiert.
Im Idealfall behalten die Partikel eine starke einheitliche Ladung während der gesamten Lebensdauer der Vorrichtung bei und bewegen sich so schnell, wie es unter dem Einfluß eines relativ schwachen elektrischen Feldes möglich ist. Die Schaltzeit von suspendierten Partikeln, die sich zwischen zwei Elektroden befinden, ist gegeben durch:
wobei d der Abstand zwischen den Elektroden ist, η die Viskosität des flüssigen Mediums ist, ε seine Dielektrizitätskonstante ist, V die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden ist und ζ das Zeta-Potential der Partikel ist. Die Größe t stellt die „Schaltzeit" dar, das heißt die Zeit, die erforderlich ist, damit die Population der Partikel von einer der Elektroden zur anderen wandert. Folglich wird das System normalerweise so ausgewählt, daß t minimiert wird. Zum Beispiel ist der Abstand zwischen den Elektroden so klein wie nötig, um sicherzustellen, daß die Partikel nach der Wanderung weg von der durchsichtigen Elektrode vollständig verdeckt werden.
Brauchbare elektrophoretische Anzeigen sind bistabil: Ihr Zustand hält auch an, nachdem das aktivierende elektrische Feld entfernt worden ist. Dies wird im allgemeinen durch Restladung der Elektroden und durch van-der-Waals-Wechselwirkungen zwischen den Partikeln und den Wänden der elektrophoretischen Zelle erreicht. Leider ist die Stabilität heutiger elektrophoretischer Anzeigen begrenzt.
Wenngleich Ausflockung oder Niederschlag von Partikeln vermieden werden kann, indem die Dichte der Partikel mit derjenigen des flüssigen Mediums abgestimmt wird, bleibt eine Langzeit-Agglomeration der Partikel ein Problem. Das heißt, daß Kohäsionskräfte zwischen den Partikeln letztendlich die dispergierenden Kräfte überwinden können, was das Erscheinungsbild und die Funktion der Anzeige verschlechtert. Zum Beispiel verursachen Partikelagglomerationen eine sichtbare Musterbildung, die das Erscheinungsbild der Anzeige beeinträchtigt.
Ein weiterer Nachteil herkömmlicher elektrophoretischer Anzeigen ist die häufige Unfähigkeit, eine weiße Tönung adäquat wiederzugeben. Zum Beispiel ist in einer polychromatischen elektrophoretischen Anzeige mit gewöhnlichen rot, grün und blau pigmentierten Bildpunkten die kombinierte Ausgabe solcher Bildpunkte normalerweise grau, weil jeder nur imstande ist, das einfallende Licht teilweise zu reflektieren; die additive Kombination des reflektierten Lichts erbringt keine echte weiße Tönung.
JP 01086116 A offenbart ein elektrophoretisches Anzeigematerial, bei dem Mikrokapseln mit einem dispergierenden System gefüllt sind, das am einem farbigen Dispersionsmedium besteht, in dem elektrophoretische Partikel dispergiert sind. Die elektrophoretischen Partikel haben optische Eigenschaften, die sich vom Dispersionsmedium unterscheiden.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein elektrophoretisches oder dielektrophoretisches Material, wie in Anspruch 1 definiert, und eine gedruckte elektronische Anzeige, wie in Anspruch 8 definiert, bereitgestellt.
Elektrophoretische Anzeigen werden aus diskreten elektrophoretischen Mikrokapsel-Elementen hergestellt, wobei geeignete Beispiele dafür in JP 01086116 und in der PCT-Veröffentlichung WO 97/04398 offenbart werden. Elektrophoretische Anzeigen nach JP 01086116 beruhen auf Mikrokapseln, die jeweils eine elektrophoretische Zusammensetzung aus einem dielektrischen Fluid und einer Suspension von Partikeln, die visuell mit dem dielektrischen Fluid kontrastieren und auch Oberflächenladungen aufweisen, enthalten. Ein Paar Elektroden, von denen mindestens eine visuell durchsichtig ist, bedeckt gegenüberliegende Seiten einer zweidimensionalen Anordnung von solchen Mikrokapseln. Eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden bewirkt, daß die Partikel sich zu einer der Elektroden bewegen, wodurch das, was durch die durchsichtige Elektrode zu sehen ist, verändert wird. Wenn sie zu dieser Elektrode hingezogen werden, sind die Partikel sichtbar und ihre Farbe herrscht vor; wenn sie jedoch zur anderen Seite hingezogen werden, sind die Partikel durch die dielektrische Flüssigkeit verdeckt.
In der Erfindung wird den Innenwänden der Mikrokapseln eine Ladung mit Polarität verliehen, die derjenigen der Mikropartikel entgegengesetzt ist. Zum Beispiel können Aufladungsmittel mit geeignetem Vorzeichen mit den inneren Oberflächen der Wände der Mikrokapseln copolymerisiert oder an diesen adsorbiert werden.
In einer Ausführungsform ist die elektrophoretische Mikrokapsel-Anzeige für den Betrieb in Restlicht-Umgebungen geeignet. Die Anzeige umfaßt Partikel, die ständig sichtbares Licht emittieren oder als Antwort auf Anregungsstrahlung, die selbst nicht sichtbar ist, sichtbares Licht emittieren. In jedem Fall absorbiert das flüssige Medium, in dem die Partikel dispergiert sind, das emittierte Licht, so daß das Licht nur sichtbar ist, wenn die Partikel an den Sichtflächen der Mikrokapseln versammelt sind.
Die elektrophoretischen Systeme gemäß der vorliegenden Erfindung können durch Drucken abgeschieden werden – das heißt, durch einen vakuumfreien Abscheidungsprozeß, der imstande ist, ein Muster zu erzeugen. Beispiele sind u.a. Siebdruck, Druckfarbenstrahldruck und Kontaktprozesse wie etwa lithographischen und Tiefdruck auf. Sie können außerdem auf Substrate und Konstruktionen beliebiger Form angewendet werden. Zusätzlich können sie zu Schnüren und Fäden verarbeitet werden, die zum Einweben in Textilien geeignet sind.
Die Anzeigen gemäß der vorliegenden Erfindung können mehr als einen Partikeltyp aufweisen. Das heißt, die Partikel innerhalb jeder Mikrokapsel können hinsichtlich der physikalischen Eigenschaften und/oder Farbe heterogen sein. Auf diese Weise ist es zum Beispiel möglich, die Abhängigkeit vom Trägerfluid für eine der Anzeigefarben zu vermeiden, indem nur verschiedenfarbige Partikel verwendet werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorangegangene Diskussion wird anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leichter verständlich, wobei diese folgendes zeigen:
1A ist ein schematischer Aufriß einer Zerstaubungsvorrichtung mit konzentrischer Düse zur Herstellung von Farbstoff-Mikropartikeln;
1B–1E sind vergrößerte Querschnitte von Partikeln mit verbessertem Reflexionsgrad;
2A stellt eine beispielhafte Vorrichtung und Umgebung zur Durchführung einer emulsionsgestützten Mikrokapselung schematisch dar;
2B stellt einen Öltropfen dar, der ein im wesentlichen durchsichtiges Trägerfluid und darin dispergierte schwarze und weiße Partikel umfaßt;
2C stellt einen Öltropfen mit einer farbigen Trägerflüssigkeit und einer Dispersion aus weißen Mikropartikeln dar;
3A–3F sind vergrößerte Querschnitte von Mikrokapseln, die Mikropartikel eines einzigen Farbtyps oder gar keine Partikel enthalten;
4A–4E sind vergrößerte Querschnitte von Mikrokapseln, die Mikropartikel mehrerer Farbtypen enthalten;
5A–5D sind schematische Schnittdarstellungen rückseitig angesteuerter elektrophoretischer Anzeigesysteme;
6A und 6B sind vergrößerte Querschnitte von Mikrokapseln, die Partikel mit mehr als einer Farbe und reflektierende Mittel enthalten;
7A stellt eine Druckfarbe mit einer Suspension aus elektrophoretischen Mikrokapsel-Anzeigen gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch dar;
7B stellt eine Siebdruck-Anordnung für die in 7A gezeigte Druckfarbe dar;
7C–7E stellen das Drucken der in 7B gezeigten Druckfarbe auf beliebige Oberflächen oder innerhalb von Begrenzungen dar; und
8A und 8B sind vergrößerte Querschnitte, die die Herstellung von Fäden oder Schnüren mit elektrophoretischen Anzeigen gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Druckbare elektrophoretische Anzeigen gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen Mikrokapseln, die jeweils eine innere Phase enthalten (die Mikrokapseln mit Oberflächenladung und eine dielektrische Flüssigkeit umfassen kann, wobei die Partikel und die Flüssigkeit visuell kontrastieren). Die Mikrokapseln sind normalerweise in einem Bindemittel dispergiert, vorzugsweise in einem, das unter Verwendung eines Druckprozesses abgeschieden werden kann. Alternativ können die Mikrokapseln in einem Trägerfluid zum Zweck des Einspritzens zwischen Glas- oder Kunststoffplatten als Ersatzfluid für Flüssigkristalle dispergiert werden.
Eine große Auswahl von Pigmentpartikeln kann als Mikropartikel der inneren Phase dienen, wobei die vorrangigen Kriterien, die ihre Auswahl bestimmen, die geeignete Ladung, Größe, Farbe und die Eignung für eine Verarbeitung, wie nachstehend beschrieben, sind. Die Partikel können größenmäßig von 100 μm bis weniger als 1 μm reichen, aber ein bevorzugter Größenbereich ist 1–5 μm. Die Partikel können eine Eigenladung aufweisen oder unter Verwendung eines Aufladungsmittels bzw. -agens oder Ladungssteuerungsmittels (CCA) explizit aufgeladen werden oder können eine Ladung annehmen, wenn sie in der dielektrischen Flüssigkeit dispergiert werden. Ein CCA kann den Pigmentpartikeln hinzugefügt werden, um eine Oberflächenladung (Zeta-Potential) zu verleihen. Das CCA kann möglicherweise direkt an den Partikeloberflächen adsorbiert werden, oder es kann während der Herstellung der Partikel hinzugemischt werden. Im allgemeinen verleiht das CCA ein Zeta-Potential, das gleich 50–100 Elementarladungen auf der Oberfläche eines Partikels von 1 μm Durchmesser ist; dies erzeugt eine hinreichende elektrophoretische Beweglichkeit in der Größenordnung von 10^–4 bis 10^–5 cm²/Vs. Geeignete CCAs sind dem Fachmann bekannt; sie können von polymerem oder nichtpolymerem Charakter sein und können außerdem ionisch oder nichtionisch sein. Nichtionische polymere CCAs weisen Polyethylen, Polybuten-Succinimid und verschiedene Polyvinyl-Pyridingruppen-Copolymere auf. Siehe zum Beispiel US-Patente Nr. 5380362 ; 5066559 ; 4680103 und 4298448 . Das CCA (und jede zugrundeliegende Beschichtung) sollten die optischen Eigenschaften der Pigmentpartikel nicht beeinträchtigen.
Geeignete Mikropartikel können hergestellt werden nach irgendeiner aus einer Vielfalt von bekannten Techniken, einschließlich Mahlen, Zerkleinern, Düsenzerstäubung, Rotationszerstäubung, Ultraschalltechniken, oder die elektrostatische Kombination von zwei zerstäubten Nebeln von polymerbildenden Gruppen (zum Beispiel Hexamethylendiamin und Chlor-Adipinsäure, die zur Herstellung des Nylon-Polymers verwendet werden) sowie weitere herkömmliche Ansätze zur Herstellung von feinen Pulvern.
1A zeigt eine Implementierung einer Zerstäubungstechnik mit konzentrischer Düse zur Herstellung von Farbstoff-Mikropartikeln, die zur Verwendung hiermit geeignet sind. Ein Polymer, das einen Farbstoff oder zusätzliche chemische Mittel enthalten kann, aber nicht enthalten muß, wird einem Zerstäubungskopf 10 der dargestellten Zerstäubungsvorrichtung zugeführt. Bin geeignetes System ist niedermolekulares Polyethylen mit TiO₂, was weiße Mikrokugeln hervorbringt. Eine Reihe von Heizbändern 20, welche die Vorrichtung umgeben, hält das Polymer in einem flüssigen Zustand, so daß es leicht fließt. Eine Temperatur von 170°C hat sich als hinreichend erwiesen, um das eben erwähnte Polyethylen-System geschmolzen zu halten.
Das Polymer wird durch eine kleine Röhre 30 (die aus nichtrostendem Stahl oder einem anderen geeigneten wärmebeständigem Material hergestellt wird) unter Verwendung eines Druckkopfes oder mittels eines mechanischen Kolbens zugeführt. Erhitzte Druckluft wird in den Zerstäubungskopf 10 durch einen Einlaß 40 zugeführt. Ein Druck von 25 psi (172 kPa) hat sich als hinreichend zur Erzeugung einer um 5 μm zentrierten Kugelgröße erwiesen. Das flüssige Polymer verläßt das Ende der Röhre 30 und fließt in den konzentrischen Strom von heißer Hochdruckluft. In der Mischkammer 50 vermischen sich die beiden Ströme turbulent, was bewirkt, daß das Polymer sich in kleine Tröpfchen aufspaltet, die sich abkühlen, wenn sie die Vorrichtung verlassen und sich durch die Umgebungsluft bewegen. Die Partikel können aus der Luft durch jegliche in der Filtrationstechnik bekannten Mittel (zum Beispiel unter Verwendung von Filtermaterialien, durch Zyklonabscheidung, Naßabscheidung oder Elektroabscheidung) entfernt werden.
Die resultierenden Partikel sind im allgemeinen kugelförmig und haben eine Größenverteilung. Sie können dann nach Größe klassiert werden, zum Beispiel auf einem geschüttelten Siebbett oder durch jegliche anderen in der Feststoffklassierungstechnik bekannten Mittel. Partikel, die nicht hinreichend klein genug für die Verwendung im Anzeigematerial sind, können wiederverwendet werden.
Ein CCA kann den Mikropartikeln auf vielerlei Weise zugeordnet werden. Bei einer Methode kann das CCA-Material während der Ausbildung der Mikropartikel der inneren Phase in das Polymer eingebettet werden. Zum Beispiel kann ein System, das aus zwei Mengen von verschiedenfarbigen Mikrokugeln besteht, wie folgt erzeugt werden. Eine erste Menge von Mikrokugeln wird durch Mischen eines positiven Aufladungsmittels in geschmolzenes Polyethylen mit TiO₂ und Zerstäuben, wie oben beschrieben, gebildet. Eine zweite Menge von Mikrokugeln wird durch Mischen eines negativen Aufladungsmittels in geschmolzenes Polyethylen und Zerstäuben gebildet. Die resultierenden Mikropartikel weisen entgegengesetzte elektrische Eigenschaften auf. Solche Aufladungsmittel (für die geeignete Beispiele im 103-Patent offenbart werden) können langsam, über eine Dauer von Jahren, in Lösung diffundieren, entweder auf natürliche Weise oder infolge einer extrem langsamen Auflösung des Partikels im Trägerfluid der inneren Phase. Das Ergebnis ist eine konstante und entgegengesetzt gepolte Aufladungsquelle.
Eine große Auswahl von anderen herkömmlichen CCAs, von denen bekannt ist, daß sie einem bestimmten Typ von Polymer in einem bestimmten Trägerfluid der inneren Phase entweder eine positive oder eine negative Ladung verleihen, kann ebenfalls verwendet werden. Alternativ können Aufladungsmittel in die Mikropartikel der inneren Phase während denen Herstellung copolymerisiert werden oder können im Anschluß an die Herstellung an den Mikropartikeln adsorbiert werden. In noch einer weiteren Alternative ist es möglich, in die Mikropartikel einen Typ von radioaktivem Material (wie etwa einen Alphastrahler oder einen Betastrahler) einzubetten, der eine fortlaufende Aufladung bewirkt.
Eine weitere Methode zur Aufladung nutzt unterschiedliche Kunststoffe für unterschiedliche Mengen von Mikropartikeln der inneren Phase. Zum Beispiel kann man Polyethylen für weiße Mikropartikel und Nylon-Polymer für schwarze Mikropartikel verwenden. Es ist bekannt, daß diese Kunststoffe entgegengesetzte Aufladungscharakteristiken infolge reibungselektrischer Wechselwirkungen haben. Die Verwendung von unterschiedlichen Polymeren entlang der reibungselektrischen Reihe erzeugt unterschiedliche Aufladungscharakteristiken.
Zusätzlich kann reibungselektrische Aufladung verwendet werden, um geladene Mikropartikel zu erzeugen. Bestimmte Polymere können eine Ladung über lange Zeiträume (vielleicht über Jahre) beibehalten, wenn die Ladung auf das geschmolzene Polymer übertragen oder von ihm angenommen wird und das Polymer dann zum Erstarren gebracht wird. Die reibungselektrische Reihe bestimmt die Starke und das Vorzeichen der Ladung für die Wechselwirkung zwischen zwei unterschiedlichen Materialien. Wenn man zum Beispiel Polyethylen durch eine Glasröhre fließen läßt, nimmt es eine negative Ladung an, und die Glasrohre entwickelt eine positive Ladung. Dieses Prinzip kann verwendet werden, um durch Zerstäubung oder andere Prozesse erzeugte Mikropartikel reibungselektrisch aufzuladen. Das aufladende Element muß gegen Masse elektrisch isoliert sein, um ein Abfließen der Ladung zu verhindern.
Um eine reflektierende Farbanzeige bereitzustellen, die imstande ist, einen guten Weißton zu erzeugen, muß ein System von Mikropartikeln der inneren Phase, die sich von standardmäßigen Pigmenten unterscheiden, verwendet werden. Wie vorher erwähnt, erzeugt die Verwendung von normalen rot, grün und blau pigmentierten Partikeln eine kombinierte Ausgabe von Grau, weil jedes nur imstande ist, das einfallende Licht teilweise zu reflektieren. Um eine weiße Schattierung zu erzeugen, ist Reflexionsgrad erforderlich.
Eine reflektierende Beschichtung kann bei einem Mikropartikel mit Hilfe von Techniken angewendet werden, die in der Metallbeschichtungstechnik bekannt sind. Zum Beispiel kann physikalische Aufdampfung verwendet werden, um eine Schicht aus Aluminium, Silber oder Gold auf den Mikrokugeln aufzubringen, die dann rot, grün oder blau eingefärbt werden kann. Eine solche Kugel ist in 1B dargestellt. Die Kernkugel 60 wird zuerst durch Vakuumaufdampfung mit einer Metallschicht 62 beschichtet, die dann eingefärbt wird. Das Partikel wird anschließend mit einer ladungserhaltenden Schicht 64 beschichtet.
In einer anderen Methode ist bei den Mikrokugeln ein reflektierendes Material in das Polymer eingebettet, das verwendet wird, um die Kugeln zu bilden. Flocken von Aluminiumfolie können für diesen Zweck verwendet werden, wie in 1C dargestellt. Bei der Polymerkugel 70 sind Aluminiumflocken 72 in die Polymermatrix eingebettet. Diese können zum Beispiel durch einfaches Mischen in die Flüssigkeitsmenge eingebracht werden, bevor sie zerstäubt wird. Die Farbschicht 74, die auf die Oberfläche der Kugel 70 aufgetragen wird, stellt einen der Farbtöne bereit, die für eine Farbanzeige erforderlich sind; im allgemeinen werden für eine additive Vollfarbanzeige drei Farbtöne verwendet. Geeignete Farbstoffe und deren Anwendungsverfahren (Dotieren, Beschichten und so weiter) sind in der Pigmenterzeugungstechnik gut beschrieben.
Alternativ oder zusätzlich können mikroskopische Rückstrahler-Glaskugeln in die Polymer-Mikrokugel eingebettet werden, um Reflexionsgrad zu erzielen, wie in 1D gezeigt. Die Polymerkugel 80 enthält eine Dispersion aus Glaskugeln 82, die farbig sein können. Die Glaskugeln 82 können auch vor der Zerstäubung in eine Flüssigkeitsmenge eingebracht werden. Die Farbschicht 84 stellt einen der drei Farbtöne bereit, die für eine Farbanzeige erforderlich sind.
Eine abschließende Technik zur Herstellung einer reflektierenden Mikrokugel besteht darin, ein farbiges Mikropartikel mit einer durchsichtigen Außenbeschichtung zu umgeben. Die äußere Kugel wirkt dann als Rückstrahler, wie in 1E gezeigt. In diesem Fall nimmt das Polymer-Mikropartikel 90 einen Farbstoff 92 auf (zum Beispiel durch Dotieren) und wird dann weiter in ein anderes Material eingekapselt, wie etwa einen durchsichtigen Kunststoff (zum Beispiel Polyethylen) 94, um eine Reflexionslinsenwirkung bereitzustellen. Die Einkapselung kann durch gemeinsames Zerstäuben der Polymer-Mikropartikel in einem Strahl aus geschmolzenen Polyethylen bewirkt werden.
Als Alternative zur Reflexion kennen die Mikropartikel so hergestellt werden, daß sie tatsächlich sichtbares Licht emittieren, was sie für Restlichtbedingungen geeignet macht. Geeignete Mikropartikel werden mit Elektrolumineszenzmaterial, fluoreszierendem Material, phosphoreszierendem Material (wie etwa radium- oder tritiumdotiertem Phosphor) oder anderen lichterzeugenden Verbindungen oder Komplexen dotiert.
Die innere Phase umfaßt grundsätzlich ein Trägerfluid und Mikropartikel. Das Trägerfluid sollte gute elektrophoretische Merkmale (hohen spezifischen elektrischen Widerstand, Wirkung als gutes Lösungsmittel für den Farbstoff, der die Flüssigkeit färbt, aber als schlechtes Lösungsmittel für die Mikropartikel) sowie andere relevante Merkmale (geringe Toxizität, hoher Siedepunkt und so weiter) haben. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Trägerfluid nicht farbig (das heißt, es ist kein Farbstoff im System vorhanden); stattdessen wird eine unterscheidbare, umschaltbare Farbe durch mehrere Typen von verschiedenfarbigen Mikropartikeln bereitgestellt, die in der Suspension vorhanden sind.
Die spezifische Dichte der Suspension sollte grundsätzlich zu den Mikropartikeln passen, die darin dispergiert sind. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind zusätzliche Systemmodifikatoren, zum Beispiel Flüssigkristallmoleküle, in die Suspension einbezogen, um die Bistabilitäts- und/oder Schwellwertcharakteristik der Anzeige zu modifizieren. Ein Fachmann kann ohne weiteres ein elektrophoretisches Trägerfluid zur Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung auswählen, möglicherweise mit bestimmten Einschränkungen, die durch den ausgewählten Mikrokapselungsprozeß erzwungen werden (zum Beispiel hoher Siedepunkt).
Die Einkapselung der inneren Phase kann auf eine mehrere unterschiedliche Arten erfolgen. Zahlreiche geeignete Prozeduren zur Mikrokapselung sind sowohl in Kondo, Microcapsule Processing and Technology, als auch in Gutcho, Microencapsulation, ausführlich beschrieben. Die Prozesse sind in mehrere allgemeine Kategorien eingeteilt, die allesamt für die vorliegende Erfindung angewendet werden können: Grenzflächen-Polymerisation, In-situ-Polymerisation, physikalische Prozesse, Aushärten in der Flüssigkeit und einfache/komplexe Koazervation.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung wählt ein Fachmann eine Mikrokapselungsprozedur und ein Wandmaterial auf der Grundlage der erwünschten Mikrokapseleigenschaften aus. Diese Eigenschaften sind u.a. die Verteilung der Mikrokapselradien; elektrische, mechanische, Diffusions- und optische Eigenschaften der Mikrokapselwand; und chemische Verträglichkeit mit der inneren Phase der Mikrokapseln.
Die Mikrokapselwand hat grundsätzlich einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand; wenngleich es möglich ist, Wände mit relativ niedrigen spezifischen Widerständen zu verwenden, kann dies das Leistungsvermögen insofern einschränken, als es relativ höhere Ansteuerungsspannungen erfordert. Eine umfassende Diskussion der relevanten elektrischen Eigenschaften der Mikrokapselwand ist im US-Patent Nr. 4605284 dargelegt. Die Mikrokapselwand sollte auch mechanisch stabil sein (wenn das fertige Mikrokapselpulver zur Beschichtung in einem aushärtbaren polymeren Bindemittel dispergiert werden soll, ist allerdings mechanische Festigkeit nicht so entscheidend ist). Die Mikrokapselwand sollte grundsätzlich nicht porös sein. Wenn es jedoch erwünscht ist, eine Mikrokapselungsprozedur zu verwenden, die poröse Mikrokapseln erzeugt, können diese in einem Nachbearbeitungsschritt (das heißt, einer zweiten Mikrokapselung) mit einem Überzug versehen werden. Außerdem, wenn die Mikrokapseln in einem aushärtbaren Bindemittel dispergiert werden sollen, dient das Bindemittel auch dazu, die Poren zu schließen. Die Mikrokapselwände sollten optisch klar sein; das Wandmaterial kann jedoch so ausgewählt werden, daß es zum Brechungsindex der inneren Phase der Mikrokapsel (der elektrophoretischen Suspension) oder eines polymeren Bindemittels, in dem die Mikrokapseln dispergiert werden sollen, paßt. Für manche Anwendungen (zum Beispiel Einsetzen zwischen zwei feststehende Elektroden) sind monodisperse Mikrokapselradien erwünscht. In einem weitaus typischeren Fall erzeugt jedoch eine Verteilung von Radien tatsächlich einen höheren Kontrast, da die Sichtebene dichter mit dem Anzeigemedium gefüllt wird.
Eine Mikrokapselungstechnik, die sich sehr gut für die vorliegende Erfindung eignet, wird im US-Patent Nr. 4087376 erläutert. Die Prozedur betrifft eine Polymerisation zwischen Harnstoff und Formaldehyd in einer wäßrigen Phase einer Öl-Wasser-Emulsion in Gegenwart eines negativ geladenen, carboxylsubstituierten, geradkettigen aliphatischen Kohlenwasserstoff-Polyelektrolytmaterials. Die resultierende Mikrokapselwand ist ein Harnstoff-Formaldehyd-Copolymer, das die innere Phase gut getrennt einschließt. Die Kapsel ist durchsichtig, mechanisch stabil und hat gute spezifische Widerstandseigenschaften.
Die verwandte Technik der In-situ-Polymerisation nutzt eine Öl-Wasser-Emulsion, die durch Dispergieren der elektrophoretischen Zusammensetzung (das heißt, der dielektrischen Flüssigkeit, die eine Suspension der Pigmentpartikel enthält) in einer wäßrigen Umgebung gebildet wird. Die Monomere polymerisieren, so daß sie ein Polymer mit einer höheren Affinität zur inneren Phase als zur wäßrigen Phase bilden, wobei sie in Form einer Haut um die emulgierten öligen Tröpfchen kondensieren. In einem besonders nützlichen In-situ-Polymerisationsprozeß kondensieren Harnstoff und Formaldehyd in Gegenwart von Poly(acrylsäure); siehe US-Patent Nr. 4001140 . In einem anderen brauchbaren Prozeß, der im US-Patent Nr. 4273672 beschrieben wird, wird irgendeines aus einer Vielfalt von in wäßriger Lösung getragenen Vernetzungsmittel rings um mikroskopische Öltröpfchen abgeschieden. Solche Vernetzungsmittel weisen Formaldehyd, Glyoxal, Glutaraldehyd und andere Formaldehydspender, Trioxan, Ethanolamin, Ethylendiamin, Borsäure, Borate wie etwa Natriumborat oder makroskopische Substanzen wie etwa Gelatine, Tragantgummi, Methylzellulose und Formaldehyd-Kondensationsprodukte im A-Zustand auf.
Die Koazervationsmethode nutzt ebenfalls eine Öl-Wasser-Emulsion. In diesem Fall sind jedoch die Monomere, welche die Mikrokapselwand bilden sollen, in den Tröpfchen der dispergierten Phase statt in der wäßrigen Phase vorhanden. Ein oder mehrere Kolloide werden durch Steuerung der Temperatur, des pH-Werts und/oder der relativen Konzentrationen aus der wäßrigen Phase koazerviert (das heißt agglomeriert) und als Schalen um die öligen Tröpfchen abgeschieden, wodurch sie die Mikrokapsel bilden.
Für Koazervation geeignete Materialien weisen Gelatine und Gummiarabikum auf. Siehe zum Beispiel US-Patent Nr. 2800457 .
Die Grenzflächen-Polymerisationsmethode beruht auf der Gegenwart eines öllöslichen Monomers in der elektrophoretischen Zusammensetzung, die erneut als Emulsion in einer wäßrigen Phase vorliegt. Die Monomere in den winzigen hydrophoben Tröpfchen reagieren mit einem Monomer, das in die wäßrige Phase eingebracht wird, wobei sie an der Grenzfläche zwischen den Tröpfchen und dem umgebenden wäßrigen Medium polymerisieren und Schalen um die Tröpfchen bilden. Wenngleich die resultierenden Wände relativ dünn sind und durchlässig sein können, erfordert dieser Prozeß nicht die erhöhten Temperaturen, die für einige andere Prozesse charakteristisch sind, und gewährt daher größere Flexibilität hinsichtlich der Auswahl der dielektrischen Flüssigkeit.
2A stellt eine beispielhafte Vorrichtung und Umgebung zur Durchführung einer emulsionsgestützten Mikrokapselung dar. Eine Öl-Wasser-Emulsion wird in einem Gefäß 115 zubereitet, das mit einer Vorrichtung 110 zur Beobachtung und einer Vorrichtung 160 zur Steuerung der Temperatur ausgestattet ist; eine pH-Überwachungseinrichtung 120 kann ebenfalls einbezogen sein. Ein Flügelrad 140 erhält eine ständige Bewegung während des gesamten Mikrokapselungsprozesses aufrecht und kann in Kombination mit Emulgatoren dazu verwendet werden, die Größe der Emulsionströpfchen 150 zu steuern. Die wäßrige kontinuierliche Phase 130 kann zum Beispiel ein Vorpolymer und verschiedene Systemmodifikatoren enthalten.
2B stellt einen Öltropfen 150 dar, der ein im wesentlichen durchsichtiges elektrophoretisches Suspensionsfluid 190 umfaßt, in dem weiße Mikropartikel 170 und schwarze Mikropartikel 180 dispergiert sind. Vorzugsweise haben die Mikropartikel 170, 180 spezifische Dichten, die einander und dem Suspensionsfluid 190 im wesentlichen ähnlich oder gleich sind. Die flüssige Phase kann außerdem bestimmte Schwellwert- bzw. Bistabilitätsmodifikatoren, CCAs und/oder hydrophobe Monomere zur Durchführung einer Grenzflächen-Polymerisation enthalten.
2C stellt einen ähnlichen Öltropfen 190 dar, der ein dunkel gefärbtes elektrophoretisches Trägerfluid 195 umfaßt, das eine Dispersion aus weißen Mikropartikeln 330 und geeigneten CCAs enthält.
3A–3F zeigen eine Vielfalt von elektrophoretischen Mikrokapseln, die Mikropartikel eines einzigen Farbtyps oder gar keine Partikel enthalten. In 3A können eine durchsichtige Elektrode 300 und eine Rückelektrode 310 selektiv und entgegengesetzt vorgespannt werden, so daß eine Anzahl geladener, farbiger Mikropartikel 330, die in der Mikrokapsel 320 enthalten ist, durch das gefärbte Trägerfluid 340 entweder zu einer der Elektroden hin oder von ihr weg verschoben wird. In einer solchen Konfiguration werden die Mikropartikel 330 zur durchsichtigen Elektrode 300 hingezogen, was sie sichtbar macht. In der entgegengesetzten Konfiguration werden die Mikropartikel 330 zur Rückelektrode 310 hingezogen, was bewirkt, daß sie durch das gefärbte Fluid 340 verdeckt werden.
Das in 3A gezeigte System mag zwar bistabil sein und aufgrund von Oberflächen-Wechselwirkungen zwischen den Mikropartikeln 330 und der Zellenwand 320 einen Schwellwert (das heißt Widerstand gegen erhebliche Partikelwanderung unterhalb eines Mindestpotentials) aufweisen, aber die Systeme, die in 3B–3D gezeigt sind, stellen Systeme dar, die eine direktere Kontrolle der Kennwerte der Bistabilität und/oder des Schwellwerts unterstützen. In 3B und 3C enthält die Mikrokapsel 320 auch ein Flüssigkristallmaterial, das mit 350, 360 bezeichnet ist. Bei Auftreten eines elektrischen Feldes (3B) richtet sich das Flüssigkristallmaterial 350 nach dem Feld aus, was es ermöglicht, daß die Mikropartikel 330 zwischen den Elektroden 300, 310 verschoben werden. Bei Ausbleiben des angelegten Feldes, wie in 3C gezeigt, nimmt das Flüssigkristallmaterial den mit 360 bezeichneten, im wesentlichen nichtausgerichteten Zustand ein, der die Wanderung der Mikropartikel 330 zwischen den Elektroden 300, 310 behindert. Flüssigkristallmoleküle, die für diesen Zweck nützlich sind, sind Stand der Technik, wobei geeignete Beispiele dafür im US-Patent Nr. 4305807 offenbart werden.
In 3D sind Aufladungsmittel 370 entweder mit der inneren Oberfläche der Wand der Mikrokapsel 320 copolymerisiert oder an dieser adsorbiert oder chemisch an diese gebunden. Solche Aufladungsmittel 370 haben Ladungen mit einer Polarität, die derjenigen der Mikropartikel 330 entgegengesetzt ist, und treten mit den entgegengesetzt geladenen Mikropartikeln in Wechselwirkung, um eine Bistabilität und/oder einen Schwellwert zu bewirken; das heißt, die gebundenen Ladungen fügen eine weitere Haltekraft hinzu, die einer regellosen, nichtinduzierten Wanderung der Mikropartikel entgegentritt. Der Grad der Wechselwirkung zwischen Mikropartikel 370 und der Wand der Mikrokugel 320 bestimmt den Beitrag zur Auswirkung auf die Bistabilität und außerdem die Auswirkung auf die Potentialdifferenz, die nötig ist, um eine vollständige Wanderung der Mikropartikel innerhalb der erwünschten Schaltzeit zu bewirken (das heißt, den Schwellwert). Geeignete Aufladungsmittel gehören zum Stand der Technik der elektrophoretischen Anzeigen. Alternativ können sich die Ladungen aus dem Charakter der polymeren Wand der Mikrokapsel ergeben, entweder durch Copolymerisation von geladenen oder stark polaren Gruppen oder durch reibungselektrische Wechselwirkungen zwischen Polymeren unterschiedlicher Art (das heißt, zwischen dem Polymer der Partikel und dem Polymer der Mikrokapselwände).
3E zeigt ein elektrophoretisches Mikrokapsel-System außerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung, das keine Partikel nutzt. Stattdessen besteht die innere Phase der Mikrokapsel 320 aus zwei verschiedenfarbigen, nicht mischbaren Flüssigkeiten 380, 385, die unterschiedliche elektrische Eigenschaften haben, so daß sie durch selektives Vorspannen der Elektroden 300, 310 unterschiedlich angesteuert werden können. Zum Beispiel können die Flüssigkeiten 380, 385, wie im US-Patent Nr. 5582700 offenbart, eine Emulsion aus einer unpolaren kontinuierlichen Phase und einer polaren diskontinuierlichen Phase bestehen. Die polare Phase der Emulsion ist imstande, Tröpfchen (inverse Mizellen oder inverse Emulsionen) in der kontinuierlichen Phase zu bilden, und weist einen Farbstoff auf, der in der unpolaren Phase unlöslich ist. Die farbstoffhaltigen Tröpfchen können unter Verwendung eines elektrischen Feldes in der unpolaren Phase transportiert werden. Unter Verwendung des Feldes zur Steuerung der Verteilung der polaren Tröpfchen ist es möglich, die polare Phase so zu manipulieren, daß sie sich von der unpolaren Phase absetzt oder innerhalb der unpolaren Phase koaguliert oder dispergiert. Die Emulsion bat das kombinierte farbliche Erscheinungsbild der unpolaren und der polaren Phase, wenn die polare Phase dispergiert ist. Wenn man die polare Phase agglomerieren läßt, ist es jedoch möglich, die sichtbare Farbe dadurch in diejenige der polaren Phase zu ändern, daß diese Phase angezogen und nahe einer der Elektroden 300, 310 koaguliert wird.
3F stellt ein hintergrundbeleuchtetes System dar, das für Restlichtanwendungen geeignet ist. In diesem Fall enthalten die Mikropartikel 390 ein fluoreszierendes, phosphoreszierendes oder anderes lichtemittierendes Material (das integriert oder an der Oberfläche adsorbiert sein kann); geeignete Materialien weisen zum Beispiel radium- oder tritiumdotierte Phosphore oder ein elektrolumineszentes System auf Eine Trägerfluid 395 enthält einen Farbstoff, der sichtbares Licht sperrt. Folglich werden lichtemittierende Mikropartikel, wenn sie zur Rückelektrode 310 hingezogen werden, durch die Flüssigkeit 395 verdeckt – das heißt, ihr Signal aus sichtbarem Licht wird durch die Flüssigkeit absorbiert. Alternativ kann das Trägerfluid 395 sichtbares Licht sperren, aber ultraviolette (UV-) oder andere Anregungsstrahlung durchlassen, die durch eine Quelle oder Hintergrundbeleuchtung 397 emittiert wird, die sich hinter der Elektrode 310 (die gleichfalls für die Anregungsstrahlung durchlässig ist) befindet. Strahlung aus der Quelle 397 bewirkt, daß die Mikropartikel 390 fluoreszieren; die Mikropartikel werden sichtbar, wenn sie zur Elektrode 300 hingezogen werden, und werden verdeckt, wenn sie zur Elektrode 310 hingezogen werden. Siehe zum Beispiel US-Patent Nr. 3792308 .
4A–4E zeigen eine Vielfalt von elektrophoretischen Mikrokapseln, die Mikropartikel mehrerer Farbtypen enthalten. Mit Bezug auf 4A enthält die elektrophoretische Mikrokapsel 320 ein Trägerfluid 405, in dem eine Anzahl von geladenen Mikropartikeln 400 einer Farbe und eine ähnliche Anzahl von ungeladenen Mikropartikeln 410 einer anderen oder visuell kontrastierenden Farbe dispergiert sind. Die durchsichtige Elektrode 300 und die Rückelektrode 310 können so vorgespannt werden, daß geladene, farbige Mikropartikel 400 verschoben werden, entweder zur Elektrode 300, wobei dann ihre Farbe vorherrscht, oder zur Elektrode 310, wobei dann die Farbe der Mikropartikel 410 vorherrscht (da die Mikropartikel 400 hinter den Mikropartikeln 410 verdeckt sind). Alternativ können, wie in 4B dargestellt, was allerdings außerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung liegt, die Mikropartikel 400 und andersfarbige Mikropartikel 420 entgegengesetzte Ladungen tragen, was eine Gegentaktwirkung erzeugt, welche die Sichtbarkeit der zur Elektrode 300 hingezogenen Mikropartikel erhöht und visuelle Störungen von den anderen Mikropartikeln verringert. Als eine weitere Alternative können die unterschiedlichen Mengen von Partikeln das gleiche Ladungsvorzeichen, aber unterschiedliche Ladungsstärken haben.
Wie in 3B–3D stellen 4C–4E Systeme dar, welche die direkte Kontrolle über die Charakteristiken der Bistabilität und/oder des Schwellwerts unterstützen. In 4C und 4D enthält die Mikrokapsel 320 ehre Anzahl geladener Mikropartikel 400 und eine Anzahl ungeladener Mikropartikel 410 und ein Flüssigkristallmaterial, das mit 350, 360 bezeichnet ist. Bei Auftreten eines elektrischen Feldes (4C) richtet sich das Flüssigkristallmaterial 350 nach dem Feld aus, wodurch sich die Mikropartikel 400, 410 zwischen den Elektroden 300, 310 verschieben können. Bei Ausbleiben des angelegten Feldes (4D) nimmt das Flüssigkristallmaterial den mit 360 bezeichneten, im wesentlichen nichtausgerichteten Zustand ein, der die Wanderung der Mikropartikel 400, 410 zwischen den Elektroden 300, 310 behindert. Wiederum, was allerdings außerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung liegt, ist es möglich, daß die beiden Typen von Partikeln 400, 410 entgegengesetzte Ladungen tragen, was eine Gegentaktwirkung erzeugt, welche die Sichtbarkeit der zur Elektrode 300 hingezogenen Mikropartikel erhöht und visuelle Störungen von den anderen Mikropartikeln verringert.
In 4E sind CCAs 370 entweder mit der inneren Oberfläche der Mikrokapsel 320 copolymerisiert oder an dieser adsorbiert. Solche CCAs 370 haben Ladungen mit einer Polarität, die derjenigen der geladenen Mikropartikel 400 entgegengesetzt ist, und treten mit den entgegengesetzt geladenen Mikropartikeln in Wechselwirkung, um ehre erwünschte Bistabilität und/oder einen erwünschten Schwellwert zu bewirken.
5A–D stellen Systeme dar, die keine durchsichtige Deckelektrode 300 erfordern und daher als „rückseitig angesteuerte" Systeme bezeichnet werden. In 5A liegen drei Elektroden 510, 520, 530 in einer im wesentlichen koplanaren Ausrichtung in bezug auf eine Mikrokapsel 320 oder können um die äußere Oberfläche der Mikrokapsel in engem Abstand zueinander angeordnet sein. Ein an eine der Elektroden angelegtes Potential induziert eine entgegengesetzte Ladung in den anderen Elektroden, solange die anderen Elektroden wirksam mit der Masse-Rückleitung der angesteuerten Elektrode verbunden sind. In einer Ausführungsform, die außerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung liegt, enthält die Mikrokapsel 320 Anzahlen von entgegengesetzt geladenen und verschiedenfarbigen Mikropartikeln 400, 420. Wenn die Elektrode 510 negativ vorgespannt wird, werden die Elektroden 520, 530 relativ zur Elektrode 510 entsprechend positiv vorgespannt; dementsprechend werden die Mikropartikel 400, 420 auf die dargestellte Weise ausgerichtet. Wenn die Elektrode 520 und dann die Elektrode 530 nacheinander negativ vorgespannt werden, werden Mikropartikel 420 durch den unteren Teil der Mikrokapsel 320 nahe der Ebene der Elektroden gezogen, was die Mikropartikel 400 zwangsläufig in Richtung des oberen Bereichs der Mikrokapsel bewegt; infolgedessen werden die Mikropartikel 420 entlang des durch die Elektroden 510–530 definierten Wegs in Umlaufrichtung bewegt. Eine ähnliche Prozedur mit positiver statt negativer Vorspannung bewirkt die entgegengesetzte Farbausrichtung. Offensichtlich ist dieses System wegen der Notwendigkeit von getrennten Elektrodensätzen für jeden Behälter 320 am besten für große elektrophoretische Kapseln geeignet.
Wie in 5B gezeigt, kann, allerdings außerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung, eine Mikrokapsel 320 eine kontinuierliche Phase 560 enthalten, die eine frequenzunabhängige Dielektrizitätskonstante hat und eine erste Farbe aufweist. In der Flüssigkeit 560 ist ein Material 550 mit einer Dielektrizitätskonstante dispergiert, die von der Frequenz abhängt und eine zweite Farbe aufweist; zum Beispiel kann das Material 550 bei niedriger Frequenz eine höhere Dielektrizitätskonstante als die Phase 560 und bei höherer Frequenz eine kleinere Dielektrizitätskonstante als die Phase 560 haben. Das Anlegen eines Wechselspannungsfeldes niedriger Frequenz mittels Elektroden 540 bewirkt, daß das Material 550 stärker als die Phase 560 zum Bereich hoher Feldstärke in unmittelbarer Nähe der Elektroden hingezogen wird, so daß die Mikrokapsel 320 von oben gesehen die Farbe der Phase 560 aufweist. Umgekehrt bewirkt das Anlegen eines Wechselspannungsfeldes hoher Frequenz mittels der Elektroden 540, daß die Phase 560 stärker als das Material 550 zum Bereich hoher Feldstärke hingezogen wird, so daß die Mikrokapsel 320 von oben gesehen die Farbe des Materials 550 aufweist. Eine solche Konfiguration stellt ein elektrophoretisches System dar.
Wie in 5C gezeigt, aber ebenfalls außerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung, können beide Phasen Flüssigphasen sein. Bei einer ersten Frequenz hat die Flüssigkeit 380 eine höhere Dielektrizitätskonstante als die andersfarbige Flüssigkeit 385; bei einer zweiten Frequenz hat die Flüssigkeit 380 eine niedrigere Dielektrizitätskonstante als die Flüssigkeit 385. Bei der ersten Frequenz wird die Flüssigkeit 380 daher zum Bereich in unmittelbarer Nähe der Elektroden 540 hingezogen, und die Mikrokapsel 320 nimmt von oben gesehen die Farbe der Flüssigkeit 385 an. Bei der zweiten Frequenz herrscht die entgegengesetzte Wirkung vor, und die Mikrokapsel erscheint so, wie in 5C gekennzeichnet.
In einer weiteren Alternative, die in 5D dargestellt ist, besteht eine Anzahl von Mikropartikeln 570 aus einem Varistor- oder Halbleitermaterial und weist eine Leitfähigkeit auf die sich mit der Spannung ändert. Die Mikropartikel 570 und das umgebende Fluid sind verschiedenfarbig. Wenn die Mikropartikel 570 immer leitfähig wären, würden sie zu dem durch die Elektroden 540 erzeugten divergenten elektrischen Feld elektrostatisch hingezogen (wobei die Geschwindigkeit der Bewegung durch die Stärke des Feldes bestimmt ist). Da die Leitfähigkeit-Mikropartikel 570 jedoch auch von der Feldstärke abhängt, erfahren sie bei niedrigen Spannungen keine erhebliche Kraft; mit anderen Worten, ihre Bewegungsgeschwindigkeit hängt zweifach von der Feldstärke ab. Dementsprechend gibt die Farbe der Mikrokapsel 320, wenn die Mikropartikel 570 anfänglich dispergiert sind, sowohl den Beitrag der Mikropartikel 570 als auch den des umgebenden Fluids wieder. Bei niedrigen Spannungen wird dieses Erscheinungsbild nicht schnell beeinflußt. Bei hohen Spannungen werden die Mikropartikel 570 jedoch leitfähig und werden daher schnell zu den Elektroden 540 hingezogen; das Erscheinungsbild der Mikrokapsel 320 wird, von oben gesehen, durch das elektrophoretische Fluid (das die Mikropartikel 570 verdeckt) bestimmt.
Eine ähnliche Wirkung kann sich aus Frequenzabhängigkeit ergeben. Da sie Halbleiter sind, polarisieren sich die Mikropartikel 570 nicht sofort, auch nicht, wenn sie hohen Spannungen ausgesetzt werden. Daher polarisieren sich die Mikropartikel 570 im wesentlichen nicht, wenn eine Wechselspannung hoher Frequenz an die Elektroden 540 angelegt wird, und erfahren daher nur wenig Anziehung zu den Elektroden 540. Bei niedrigeren Frequenzen sind die Mikropartikel imstande, sich als Antwort auf das veränderliche Feld zu polarisieren, und daher werden die Mikropartikel 570 zu den Elektroden 540 hingezogen. Natürlich ziehen Wechselstromsignale höherer Amplitude die sich polarisierenden Mikropartikel schneller.
6A und 6B stellen dar, wie die weiter oben erläuterten Reflexionsgrad-Konzepte auf Vollfarbanzeigen angewendet werden können. In einer reflektierenden Vollfarbanzeige haben die einzelnen Farbzustände Rot, Grün und Blau erwünschterweise Reflexionsgrade, die mindestens dem Dreifachen der normalen Reflexionsgrad von gedrucktem Rot, Grün und Blau entsprechen, so daß, wenn sie addiert werden, ihre Summe ein Papierweiß ist. In 6A ist eine Anzahl von rückstrahlenden Glas- oder Kunststoffkugeln passender Dichte 620 (ähnlich denen, die in rückstrahlenden Schildern verwendet werden) innerhalb der Mikrokapsel 320 dispergiert, wodurch ein hellerer Bildpunkt erzeugt wird. Vorzugsweise ist der Brechungsindex der Kugeln 620 wesentlich größer als derjenige des umgebenden Fluids 405, so daß die Kugeln 620 als Linsen wirken.
Alternativ kann, wie in 6B gezeigt, ein stark reflektierendes farbiges Mikropartikel 630 gebildet werden, indem ein reflektierendes Mikropartikel mit einem durchsichtigen Farbstoff überzogen wird oder indem ein opaker Farbstoff in eine durchsichtige Schale (die als rückstrahlende Linse wirkt) eingekapselt wird.
7A–7E stellen die Verwendung von Mikrokapsel-Anzeigen zur Bildung einer Druckfarbe dar. Somit wird, wie in 7A gezeigt, eine elektronische Druckfarbe 710 erzeugt, indem Mikrokapsel-Systeme 320 in einem zum Drucken geeigneten Träger 720 dispergiert werden, um eine Aufschlämmung oder Dispersion zu bilden. Der Träger kann durch Licht härtbar sein (zum Beispiel ein UV-härtbares Polymer) oder kann thermisch oder chemisch härtbar sein. Alternativ kann der Träger durch Verdunsten erstarren (zum Beispiel ein wasserbasiertes Polymer, wie es allgemein im Druckgewerbe verwendet wird) oder nichthärtbar sein. Zum Beispiel kann ein nichthärtbares System als Ersatzfluid für Flüssigkristalle verwendet werden; in solchen Anwendungen wird die Mikrokapsel-Dispersion zwischen die beiden (normalerweise gläsernen) Anzeigeelektroden vakuum-injiziert. Wie in 7B gezeigt, kann die Druckfarbe 710 mit herkömmlichen Mitteln, wie etwa Siebdruck, bei dem Druckfarbe 710 durch eine Schablone 740 gepreßt wird, aufgedruckt werden, um ein Bild auszubilden.
Alternativ kann die Druckfarbe 710 auf beliebige Oberflächen aufgedruckt werden, um eine elektronisch ansteuerbare Anzeige auf einer ebenen Oberfläche oder einer gewölbten Oberfläche auszubilden, wie in 7C und 7D gezeigt. Ferner können die Wände der Mikrokapseln 320 entweder chemisch entfestigt oder einem Druck ausgesetzt werden, um sich präzise in lineare Begrenzungen einzufügen, wie in 7E gezeigt. Dies erhöht das Öffnungsverhältnis (das heißt, den Prozentsatz der Sichtfläche, der tatsächlich mit Kontrastmaterial belegt ist) durch Verringerung der Lücken zwischen den Mikrokapseln.
8A und 8B zeigen, wie Endlosfasern, Fäden oder Schnüre aus Mikrokapseln gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet sein können. Wie in 8A gezeigt, wird ein Faden oder eine Schnur aus einer dünnen, flexiblen, durchsichtigen Röhrenelektrode 300 gebildet, die mit Druckfarbe 710 gerillt ist. Eine Drahtelektrode 300 wird durch die Röhre 300 gezogen (ohne die Wände zu berühren), und die Enden der Röhre 300 werden abgedichtet, wodurch die Vorrichtung fertiggestellt wird.
Alternativ kann, wie in 8B gezeigt, ein gekapselter elektrophoretischer Faden ohne die Verwendung von Mikrokapseln gebildet werden, indem man mit einem durchsichtigen Röhrenmaterial 800 beginnt. Die Röhre 800, die durchsichtig ist und normalerweise Polymer-Charakter hat, wird mit der inneren Phase eines elektrophoretischen Systems gefüllt, das zum Beispiel eine Dispersion aus farbigen Mikropartikeln 330 und einem gefärbten Trägerfluid 340 umfaßt. Eine dünne Drahtelektrode 340 wird durch die Röhre 800 gezogen, und die Röhre wird thermisch oder chemisch derartig mit Sicken versehen, daß eine Reihe von Kapseln entstehen, die jeweils die elektrophoretische Dispersion und ein Stück einer Elektrode 310 enthalten. Eine durchsichtige Elektrode 300 wird dann auf die Außenseite der mit Sicken versehenen Röhre 800 aufgebracht, wobei der Faden entsteht. Das Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 300 und 310 bewirkt, daß der Faden die Farbe wechselt.
Die hierin verwendeten Begriffe und Ausdrücke dienen als Begriffe zur Beschreibung und nicht zur Einschränkung, und es besteht keine Absicht, durch die Verwendung solcher Begriffe und Ausdrücke irgendwelche Äquivalente der gezeigten und beschriebenen Merkmale oder Teile davon auszuschließen, aber es wird anerkannt, daß verschiedene Modifikationen innerhalb des beanspruchten Schutzbereichs der Erfindung möglich sind.

Claims

Elektrophoretisches oder dielektrophoretisches Material mit einem Träger und einer Dispersion von Mikrokapseln (320) darin, wobei die Mikrokapseln jeweils umfassen: (a) eine Vielzahl von Bestandteilen der inneren Phase (330, 340) darin, wobei mindestens einige der Bestandteile optisch kontrastieren und auf ein elektrisches Feld unterschiedlich ansprechen, so daß, abhängig von der Richtung des Feldes, die Bestandteile der inneren Phase ein erstes oder ein zweites optisch unterscheidbares Erscheinungsbild gemäß einer Bistabilitätscharakteristik und einer Schwellwertcharakteristik annehmen; und wobei (b) die Bestandteile der inneren Phase eine Trägerflüssigkeit (340) mit darin dispergierten Partikeln umfassen; dadurch gekennzeichnet, daß (c) die Partikel jeweils eine permanente Ladung haben; und (d) die Mikrokapseln innere Oberflächen mit ihnen zugeordneten gebundenen Ladungen umfassen, wobei die gebundenen Ladungen ein entgegengesetztes Vorzeichen zu den Ladungen der Partikel (320) haben.
Material nach Anspruch 1, wobei die gebundenen Ladungen mindestens einen den inneren Oberflächen zugeordneten Ladungssteuerungszusatz (370) umfassen.
Material nach Anspruch 1, wobei die Bestandteile der inneren Phase eine erste Menge von Partikeln (400) mit einer ersten Farbe und eine zweite Menge von Partikeln (410) mit einer zweiten, kontrastierenden Farbe haben, wobei die erste und die zweite Menge von Partikeln unterschiedliche reibungselektrische Eigenschaften aufweisen.
Material nach Anspruch 1, wobei die Mikrokapseln innere Oberflächen haben, wobei die Partikel und die inneren Oberflächen unterschiedliche reibungselektrische Eigenschaften zeigen.
Material nach Anspruch 1, wobei die Partikel mindestens ein Ladeagens umfassen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus folgendem besteht: (a) adsorbierte Ladeagentien, (b) copolymerisierte Ladeagentien und (c) eingebettete Ladeagentien.
Material nach Anspruch 5, wobei das Ladeagens ein Lichtemitter ist.
Material nach Anspruch 1, wobei die Bestandteile der inneren Phase eines von folgendem umfassen, nämlich entweder (a) Partikel (570) eines Halbleiter- oder Varistormaterials; oder (b) eine Flüssigkeit mit einem darin gelösten Ladungssteuerungsagens.
Gedruckte elektronische Anzeige mit dem Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche.