基于电润湿效应驱动液滴移动的显示器件

摘要

一种基于电润湿效应驱动液滴移动的显示器件，特点在于其构成自下而上依次是下基板、电极板、纳米金属光栅、多个液滴、超疏水性的涂覆层、介质层、电极阵列和上基板，在上基板和下基板之间的周边添加围堰，形成封闭的腔室，在所述的腔室内充有一种与所述的液滴不相溶的第二流体，在平行的电极阵列和电极板之间的腔室内的单个液滴至少覆盖所述的电极阵列的两个相邻的电极。本发明利用纳米金属光栅对与之临近材料折射率变化非常敏感的特点，通过改变材料折射率来完成彩色滤光，实现纳米金属光栅的透射和反射光谱的主动调制，同时由于纳米金属光栅结构具有的疏水特性，能够提高电润湿显示的调制对比度和速度。

说明书

技术领域

本发明涉及显示技术领域，具体地讲,本发明是以介电润湿原理实现对微液 滴的移动，并利用纳米金属光栅透射或反射光谱会随临近材料折射率变化而变化 的特性，构造出一种基于电润湿效应驱动微液滴移动的显示器件。

背景技术

随着以计算机技术为核心的信息产业的飞速发展和应用,显示技术已成为现 代社会中人们获取信息的重要途径之一。它已广泛应用于生产和人们日常工作的 方方面面:从道路标志、各种指示牌到日常生活中的电视、手机以及电脑显示器 等,可以说,没有显示技术,人们的生活、学习和工作无法正常进行。传统的CRT 显示器目前已经基本被液晶显示器取代。但是液晶显示器由于其自身原理的限制， 存在能耗较高、响应速度较慢、可视角小、颜色转换率低以及对比度低等缺点， 急需新的技术来取代。

近年来,电润湿显示技术的发展已引起人们的广泛注意。当把电润湿显示技 术作为一种反射式显示技术时，其光反射效率超过50%，因此，亮度比LCD高两倍， 在强阳光下仍可观看。同时，电润湿显示器无需偏光片、无需极化，没有视角范 围限制，所有可视角度皆表现稳定。最重要的是，由于消除了背光照明，所以可 以显著降低功耗，功耗只有相同尺寸的LCD屏的1/10。另外与传统电子纸相比， 电润湿显示器的最大优势是响应速度快。综上所述,电润湿显示技术以其独特的 优越性和发展潜力预示着在未来显示技术领域,电润湿显示极有可能成为未来取 代液晶显示的新一代显示技术。

电润湿显示技术的基础是介质上电润湿现象,即当在介质层和导电液滴之间 施加电压时，液滴接触角随电压的增加而变小的现象,具体可参见图1。图中1代 表基板，2代表电极，3代表具有疏水性的介质层，4代表的导电液滴。图1(a)表 示的是未加电压时的截面示意图,图1(b)表示的是加上一定电压后的截面示意 图。通过图1(a)和图1(b)对比可以明显看出液滴接触角的显著变化。

基于上述介质上的电润湿现象，有科学家提出可以把电润湿技术用于显示领 域，并给出了基于电润湿显示的基本模型，如图2所示。其中图2(a)表示一种常 规的电润湿显示单元在未加电压时的截面图，在不加电压时，由于染色的油滴对 亲油疏水表面的浸润而铺满围堰5内介质的整个表面，整个显示单元的反射光都 会通过有颜色的油滴，反射的光线会显示为油滴的颜色，此时称为暗态。图2(b) 表示一种常规的电润湿显示单元在加电压时的截面图，当加上一定的电压，由于 电润湿效应，油滴的接触角将减小，导致其收缩，半径减小，将不再铺满围堰内 的整个表面，而是收缩成一个小液滴，反射光大部分直接通过水，这样下表面大 部分就显示了出来，此时称为亮态。通过这个暗态和亮态的转换达到了单色显示 的效果。电润湿显示技术就是利用电润湿现象的原理，通过电极控制油墨层中油 墨展开或收缩来显示。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于电润湿效应驱动 液滴移动的显示器件，在这种显示器件中我们利用纳米金属光栅的透射或反射光 谱对与之临近材料折射率变化非常敏感的特点，采用电润湿技术驱动纳米金属光 栅表面的透明液体（如水或者油），实现纳米金属光栅透射和反射光谱的主动调 制。另外纳米金属光栅结构的疏水特性可以提高电润湿显示的调制对比度和速度。 因此，这种彩色显示器件不需要染料、色彩更加丰富、效率更高。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于电润湿效应驱动液滴移动的显示器件，特点在于其构成自下而上依 次是下基板、电极板、纳米金属光栅、多个液滴、超疏水性的涂覆层、介质层、 电极阵列和上基板，在上基板和下基板之间的周边添加围堰，形成封闭的腔室， 在所述的腔室内充有一种与所述的液滴不相溶的第二流体，在平行的电极阵列和 电极板之间的腔室内的单个液滴至少覆盖所述的电极阵列的两个相邻的电极，所 述的电极板接地，所述的上基板接电源正极，所述的纳米金属光栅在腔室内形成 像素单元，每个像素单元至少包含两种以上同种周期且填充不同液体的子像素， 或者每个像素单元至少包含两种不同周期的子像素，子像素填充同种液体或不同 液体，在单个子像素旁边预留没有金属光栅的区域，但是有金属阻挡。

腔室上下两平行电极间的单个液滴至少覆盖到两个相邻电极，当下层电极交 替按照一定规律施加电压时，通过外加电势改变液滴局部接触角大小，造成液滴 非对称形变，从而产生压力差来驱动液滴，使液滴在腔室内与第二流体来回切换。 利用纳米金属光栅对与之临近材料折射率变化非常敏感的特点，通过改变材料折 射率来完成彩色滤光，并实现纳米金属光栅的透射和反射光谱的主动调制。同时 由于纳米金属光栅结构具有的疏水特性，能够提高电润湿显示的调制对比度和速 度。考虑到上述结构在现实中会有无法实现全黑的问题，我们在单个子像素旁边 预留没有金属光栅的区域，但是有金属阻挡，这样就可以实现子像素颜色完全消 失。

优选地，所述的基板为对光透明的塑料、玻璃、聚合物等。

所述电极可以是传统具有导电性能的金属块，诸如Al（铝），Cu（铜）等， 也可以选择使用ITO（氧化铟锡）、AZO等透明半导体氧化物。优选地使用ITO 玻璃，这样可以将上述电极与基板集成起来应用。

所述介质层即绝缘层，优选使用二氧化硅绝缘层。同时选择将疏水性材料旋 涂或者蒸发到介质层形成疏水性绝缘层以保证液滴足够大的接触角。

优选地，所述疏水性材料为特氟龙（Teflon AF2400），派瑞林（Parylene C）， 聚酰亚胺（PI）、PMMA等材料、。

所述的纳米金属光栅是指周期性的线条或具有缺陷的微腔嵌套结构。这里所 指纳米金属光栅可以是单层线栅，也可以是双层线栅，其周期并未做固定的限定。 这里的光栅既可以选择一维的金属光栅，也可以选择二维的金属光栅。光栅上可 以镀上一薄层疏水或者绝缘介质。在实施过程中我们可以根据显示中对颜色的具 体要求来调控光栅的周期和深度，光栅上所镀介质的种类及厚度。

所述的液滴指的是具有导电性能的液体，这里可以选择水、一定浓度的乙醇 溶液、液晶、油或者氯化钠等不同折射率的液体，可以通过不同液体的折射率来 控制颜色的变化。

所述的围堰材料，优选使用环氧树脂制备，它是由PDMS前聚体和固化剂两 种材料混合而成。

所述的第二流体是与水互不相溶，这里的流体可以选择空气或其他气体，也 可以选择与水不互溶的液体。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明基于电润湿效应驱动微液滴移动的显示器件能够避免在电润湿显示 中由于彩色油墨的使用而导致的吸收问题，提高了光学效率，能够在原有的基础 上进一步提高显示的亮度。

本发明的纳米金属光栅结构还具有更良好的疏水特性，可以提高电润湿显示 的调制对比度，色彩比原来更加丰富；

本发明的腔室上下两平行电极间的单个液滴至少覆盖到两个相邻电极，当下 层电极交替按照一定规律施加电压时，通过外加电势改变液滴局部接触角大小， 造成液滴非对称形变，从而产生压力差来驱动液滴，使液滴在腔室内与第二流体 来回切换。利用纳米金属光栅对与之临近材料折射率变化非常敏感的特点，通过 改变材料折射率来完成彩色滤光，并实现纳米金属光栅的透射和反射光谱的主动 调制

本发明显示器件具有更快的响应速度，能够有效的解决先前的E-book不能 用于视频中的缺点。

附图说明

图1为介质上电润湿现象原理示意图，其中图1(a)为未加电压时的截面示意 图，图1(b)为加电压后的截面示意图。

图2为一种常规的电润湿显示单元的基本模型示意图，其中图2(a)表示常规 的电润湿显示单元在未加电压时的截面图，图2(b)表示在加电压后的截面图。

图3为证明纳米金属光栅对与之临近材料折射率变化非常敏感，能够对应于 不同折射率的流体产生颜色变化的实验数据图,其中图3(a)为测得的反射光谱, 图3(b)为测得的透射光谱。

图4为本发明基于电润湿效应驱动液滴移动的显示器件实施例1结构示意图。

图5为本发明基于电润湿效应驱动液滴移动的显示器件实施例2结构示意图。

图6为本发明基于电润湿效应驱动液滴移动的显示器件实施例3结构示意图。

图中：1-基板，2-电极，3-涂有疏水材料的介质层，4-液滴，5-PDMS材料 围堰，6-有颜色的油墨，7-去离子水，8-下基板，9-整块电极，10-纳米金属光 栅，11-液滴，12-疏水层，13-介质层，14-电极阵列，15-上基板，16-围堰，17- 第二流体，18-黑色金属，100-腔室内流体，101-玻璃衬底，102-光栅，103-金 属层，104-围堰，105-上基板，106-疏水层，107-电极阵列，108-介质层，109- 液滴。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护 范围。

本发明基于电润湿效应驱动液滴移动的显示器件是基于对纳米金属光栅彩 色滤光片的研究，具体详见Zhicheng Ye,Jun Zheng,Lindong Guo,and Hanping  D.Shieh,Compacttransreflective color filters and polarizers by bi-layer  metallicnanowire gratings on flexible substrates,IEEE,Journal of  SelectedTopics in Quantum Electronics,10.1109/JSTQE.2012.2227247,2012。 由文章可以看出透射光的波长取决于金属的表面等离子体共振，如下面公式（1） 所示。

$\left(\begin{array}{c}{k}_0\sin \left({\alpha }_i\right)\hat{x}+\mathrm{nG}\hat{x}=k_0\sqrt{\frac{{ϵ}_0{ϵ}_m}{{ϵ}_i+{ϵ}_m}}\hat{x}\\ G=2\pi /T,k_0=2\pi /\lambda \end{array},\left(1\right)\right)$

其中：T为光栅周期，λ为表面等离子体共振波长，ε_m和ε₀分别代表金属和与 其临近的物质的介电常数。由公式（1）看出，通过改变光栅周期T，就可以改 变表面等离子体共振波长λ。为了实现不同波长的彩色滤光，传统需要多个周期 的光栅，但这也增加工艺的难度。从公式（1）的右边我们知道，与金属临近的 介质折射率变化会影响共振波长，因此在同一种周期下通过调节折射率可以改变 共振透射或反射波长实现不同颜色的彩色滤光。具体可参见图3，图3a为在实 验中我们通过调节纳米金属光栅上液体的折射率使得共振反射峰发生移动的实 验测试图,图3b为在实验中我们通过调节纳米金属光栅上液体的折射率使得共 振透射峰发生移动的实验测试图。图3仅仅表明通过调节纳米金属光栅表明折射 率可以实现共振反射峰和透射峰的移动，其中关于透射和反射效率可以通过后期 优化工艺得到进一步的提高。

图4为本发明基于电润湿效应下驱动液滴移动实现的显示器件实施例1结构 示意图。如图所示，液滴被夹在上下极板之间；上基板以玻璃15为衬底，首先 在玻璃基板15上溅射一层铝（Al）薄膜，接着旋涂光刻胶，进行曝光显影，最 后通过刻蚀铝（Al）电极以及去光刻胶得到电极阵列14。然后通过溅射或者低 压化学气相淀积(low pressure chemical vapor deposition，LPCVD)制备二氧 化硅（SiO₂）薄膜作为介质层13，通过离子体化学气相淀积(inductively coupled  plasma chemical vapor deposition，ICP—CVD)或者旋涂的方法制备厚的碳氟 聚合物(Teflon AF)薄膜作为疏水层12；下极板8同样以玻璃作为衬底，覆盖有 透明导电薄膜ITO的一面作为零电极9，在ITO上通过旋涂光刻胶、激光干涉曝 光以及E-beam镀膜工艺得到具有单一周期性结构的纳米金属光栅10，液滴11 位于疏水层12和纳米金属光栅10之间。同时通过添加围堰材料16使整个电润 湿结构形成一个封闭的腔室，并在腔室内填充一种与液滴10不相溶的第二流体 17。注意这里只是阐述当前比较常用的实现上述结构的工艺技术，在本发明中并 不限定只能采用上述的工艺技术来实现这种结构。从图中可以看出下层是一整块 电极，上层是许多电极组成的阵列，两平行电极间的单个液滴至少覆盖到两个相 邻电极。当下层电极按照一定规律交替施加电压时，通过外加电势改变液滴局部 接触角大小，造成液滴非对称形变，从而产生压力差来驱动液滴，使液滴在静电 力的驱动下向某个方向移动。这样就可以实现液滴与空气的切换。由于液滴和第 二流体的折射率相差比较大，再加上纳米金属光栅对折射率变化比较敏感，因此 可以很好地达到我们对改变颜色的要求。同时考虑到上述结构在现实中会有无法 实现全黑的问题，我们在单个子像素旁边预留没有金属光栅的区域，但是有黑色 金属18阻挡，这样就可以实现子像素颜色完全消失。图中的黑白箭头只是表明 在我们的器件结构中可以实现明暗两种状态的切换，而不仅是黑白两种颜色。在 器件上下方的箭头分别表示透射光和反射光，器件并不是同时集成透射和反射， 而是表明我们提出的显示器件既可以实现反射型显示，也可以实现透射式显示。

图5为本发明基于电润湿效应下驱动液滴移动实现的新型显示器件实施例2 的结构示意图。这里我们实现的是一个像素，其中包含RGB三个子像素。此实施 方式中我们制备出3个密闭的腔室，在三个腔室中纳米金属光栅10的周期以及 液滴11的折射率并不相同。通过对上述所说的纳米金属光栅彩色滤光片的研究 并结合公式（1）发现我们可以同时调控折射率、光栅周期，使电润湿显示单元 可以显示的颜色不再只有两种，而是可以得到三种颜色。经过精确的计算，设置 恰当的光栅周期和液滴的折射率，使得当光直接通过纳米金属光栅10得到的是 黑色但当纳米金属光栅上覆盖液滴时，三个腔室显示的分别是RGB三种颜色。同 时在每个子像素旁边我们会预留没有金属光栅的区域但有黑色金属18阻挡，这 样在液滴移动的过程中可以实现对于亮度的调控以及实现全黑的功能。

图6为本发明基于电润湿效应下驱动液滴移动实现的显示器件实施例3的结 构示意图。由图6可以看出，在此实施方式的结构中，玻璃105作为下极板的衬 底，在紧接着在下极板上面形成电极组成的阵列107。然后通过溅射或者低压化 学气相淀积(low pressure chemical vapor deposition，LPCVD)制备SiO₂薄膜 作为介质层108，通过离子体化学气相淀积(inductively coupled plasma  chemical vapor deposition，ICP—CVD)或者旋涂的方法制备碳氟聚合物(Teflon  AF)薄膜作为疏水层106。我们将制备的纳米金属光栅（由基板101、光栅102和 金属层103组成）放在液滴下方，上下基板之间再加上围堰104形成一个封闭的 腔室。这里封闭腔室内还填充另一种与液滴109不相溶的流体100,这里的流体 100可以选择空气或其他气体,也可以填充液体,主要是为了形成与液滴109之间 的折射率的切换作用。在此实施方式中引入两个电压源V1和V2，且V1和V2是 共地的，这样可以避免电压直接加在纳米金属光栅上而形成的副作用。当电压由 图6a的V1=V2改变为图6b的V1>V2时，上表面由于电润湿现象，液滴109会产 生水平方向的位移，向低电压处（即右侧）迁移。由于疏水绝缘层106不导电， 电压随距离急剧减小，当液滴109向右移动一段距离后到其左右电压基本相同， 此时根据电润湿原理知液滴停止运动。通过改变各电极的电压，可以控制液滴 109的运动，使纳米金属光栅上方折射率发生变化，从而达到改变显示颜色的需 求。

以上，通过三个示例性实施案例描述了本发明的电润湿显示器件。可以看出， 本发明通过在传统的电润湿显示单元中添加了纳米金属光栅，利用纳米金属光栅 对与之临近材料折射率变化非常敏感的特点，再加上基于电润湿效应下能够通过 电极的切换完成液滴来回移动的特点，达到颜色切换的目标。再加上纳米金属光 栅本身具有疏水性，因此加入纳米金属光栅结构还可以提高电润湿显示的调制对 比度和速度。但是本发明不限于此，在任何利用电润湿作为显示的结构中，以任 何形式添加纳米金属光栅作为其中都属于本发明的范围。