專利名稱：磁性顯示組件及顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于制造雙穩(wěn)態(tài)反射型磁性光顯示裝置的顯示組件與像素結(jié) 構(gòu)，上述顯示裝置適用于多種應(yīng)用，特別是成本敏感型(cost-sensitive)、大規(guī)格室外標(biāo)志 牌(signage)應(yīng)用。這些新型顯示結(jié)構(gòu)具有超低的功率消耗，重量輕，體積薄，且具有低 成本工業(yè)制造工藝的優(yōu)勢。
背景技術(shù)：
本發(fā)明關(guān)于一種新型反射型雙穩(wěn)態(tài)磁性光顯示裝置，尤其非常適用于大型、室 外及高亮度應(yīng)用。本發(fā)明的核心組件可以利用低成本的工業(yè)制造工藝進行制造。傳統(tǒng)平板顯示技術(shù)，例如等離子、液晶以及有機發(fā)光二極管顯示裝置，已證明 在大型標(biāo)志牌應(yīng)用中的使用是不成功的。當(dāng)直接暴露于陽光時，其中這時環(huán)境照明可以 達(dá)到100,000勒克司(1UX)，或者暴露于環(huán)境照明大于1,000勒克司的其他高亮度環(huán)境時， 上述顯示技術(shù)不能提供充足的亮度和對比度。此外，當(dāng)置于大規(guī)格室外環(huán)境應(yīng)用時，上 述顯示裝置不具備成本效率且不可靠。目前，已開發(fā)出離散式發(fā)光二極管(LED)的大型面板陣列來滿足數(shù)字標(biāo)志牌市 場的需要。這些室內(nèi)及室外數(shù)字標(biāo)志牌裝置是價格非常昂貴的產(chǎn)品，具有大量的分離組 件以及高功率需求。它們必須使用大量密集封裝的高亮度發(fā)光二極管，以發(fā)射足夠的光 線來直接對抗室外陽光以及高亮度應(yīng)用。直射陽光能夠達(dá)到100,0001UX。一種簡單的單 色4行X20字符發(fā)光二極管顯示裝置通常使用大約2,800個離散發(fā)光二極管。一種發(fā)光 二極管"超大型"彩色視頻屏幕可能需要多于一百萬個離散組件。標(biāo)志牌工業(yè)正在尋求的另一個特征是以反射技術(shù)取代光線發(fā)射。利用反射顯示 裝置，在需要照明的白天可以使用直射陽光。在晚上，照明要求很低，因此甚至具有夜 間照明的反射顯示裝置所使用的功率將更低。另一個益處是雙穩(wěn)態(tài)，一旦畫面被寫入顯 示裝置，顯示裝置則能夠在沒有持續(xù)電源的情況下維持此畫面。這使得例如信息顯示 或者標(biāo)志牌等應(yīng)用具有非常低的功率消耗，這是因為很多標(biāo)識不需要頻繁更換信息。例 如，汽油價格標(biāo)識可以僅一天更新一次，或者時鐘僅每隔60秒改變一個數(shù)字。雙穩(wěn)態(tài)顯 示裝置所具有的超低功率消耗，使其能夠由小型電池或者太陽能電池提供電能。這可以 減少昂貴的配線需要，尤其對于不是近地使用的標(biāo)志牌。最后，由于輕薄型數(shù)字標(biāo)志牌 能夠減少安裝以及所需的支撐結(jié)構(gòu)成本，因此此類型的標(biāo)志牌更為大家所期望。這里描 述的本發(fā)明具有以下所有特定反射性、雙穩(wěn)態(tài)、功率低、體積薄且重量輕。早在上世紀(jì)90年代(1900s)，先于發(fā)光二極管標(biāo)志牌之前，存在有各種使用電 磁作動器(actuator)的電子標(biāo)志技術(shù)(見 Naylor US 1,191,023, TaylorUS 3,140,553 and Browne US 4,577,427)。這些離散作動器通常是具有反射機械薄片(mechanical flap)設(shè) 備的小型電磁線圈或者電機的變更。它們被廣泛使用，并且少量裝置今天仍然使用于特 定室外標(biāo)志應(yīng)用中，例如計分牌以及運輸標(biāo)志。然而，由于這些裝置具有非常昂貴的 造價，面臨可靠性問題，以及由于各個像素所需的離散機械組件的尺寸造成的分辨率受限，因此隨著發(fā)光二極管的出現(xiàn)而被廢棄不用。使用磁性作動器(MagneticActuator)用于顯示裝置由Weiacht(US6,510,632)繼續(xù)
發(fā)展，其中磁鐵連接至較大薄片或者在形成標(biāo)志字符過程中能夠180度旋轉(zhuǎn)的薄片上。 這種類型的技術(shù)隨著Fischer等人以及他人專利(US 3,936,818，US 6,603,458)出現(xiàn)繼續(xù)發(fā) 展，上述專利再次討論使用磁性驅(qū)動薄片作為單獨顯示像素的技術(shù)。這些裝置被安裝于 機械軸上，并且每個單獨裝置中僅使用一個磁-光薄片。雖然磁學(xué)本身以及磁性材料的研究是一種能夠回溯幾個世紀(jì)的古老學(xué)科，并且 今天仍在進行大量的研究(請見Spaldin，N.,磁性材料基本原理與設(shè)備應(yīng)用，劍橋大 學(xué)出版社，2003;Kittel，C，固態(tài)物理介紹，Wiley，1996)，但近年來很少有計劃去開 發(fā)一種新型的基于磁性的反射顯示技術(shù)。浦耳生(Poulsen)與Pfleumer分別在1898年與 1928年，利用磁性現(xiàn)象研發(fā)出磁學(xué)在記錄媒體中的使用。在上世紀(jì)60年代，磁性材料首 先由 Forrester 等人及其它人用于儲存內(nèi)存(US 2,736,880，US 2,667,542，US 2,708,722)。 由Olsen等人倡導(dǎo)發(fā)起的磁芯內(nèi)存(US 3,161,861，US 4,161,037，US 4,464,752)由于其對 于計算機工業(yè)的牽連，幾十年來已受到很大關(guān)注，但是由于很多原因現(xiàn)已被基于硅的內(nèi) 存裝置所替代。區(qū)別于老的"薄片"技術(shù)，在顯示裝置中使用磁學(xué)的主要任務(wù)是利用雙色磁性 粒子來代替機械薄片。這里，由Magnav0x已設(shè)想使用更小離散磁性球體作為顯示設(shè)計 (Lee, L.，電子裝置IEEE學(xué)報，ED-22，P758)以及最近的Katsuragawa等人(日本專利 公開2002-006346)，以及由Masatori (日本專利公開08-197891)給出的較少延伸。上述 公知技術(shù)主要關(guān)于較小磁性粒子的使用，其中磁性粒子通過旋轉(zhuǎn)響應(yīng)外部磁場。磁性顆 粒響應(yīng)外部磁場的旋轉(zhuǎn)，需要防止顆粒返回至低勢能狀態(tài)。這些磁性球體沿著中心軸被 磁化。磁性球體顆粒的北極與南極涂覆有不同的顏色。然后，施加磁場，進而在兩種色 彩狀態(tài)之間旋轉(zhuǎn)磁性顆?！，F(xiàn)在將針對上述實現(xiàn)電磁顯示的方法所具有的幾種問題進行 討論。第一個問題是需要維持外部磁場。在沒有正在進行的電磁場情況下，磁性顆粒 將以低勢能灰色狀態(tài)互相對準(zhǔn)。用于維持磁場的兩種方法是1)對電磁線圈使用恒定 電流-這里問題是存在恒定功率消耗，并且這需要更高成本的控制電子。2)增加鐵酸 鹽/ “可寫”磁性材料層。在由電磁寫脈沖寫入之后，此材料層必須維持足夠的磁場。 這里一個問題是，增加層為一種需要開發(fā)的復(fù)雜磁性材料。并且，磁場強度以及可寫磁 性狀態(tài)的穩(wěn)定性是復(fù)雜的。由于這種更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，則很大程度地增加了制造成本。 最后，在上述材料中產(chǎn)生充足B磁場以寫入可保持磁性狀態(tài)所需的能量可能是相當(dāng)可觀 的。第二個問題是像素之間的串?dāng)_(crosstalk)。由不同狀態(tài)的兩種像素產(chǎn)生的通量分 布圖(fluxpattern)將在其兩極之間產(chǎn)生彎曲通量線(flux line)。從一種像素彩色狀態(tài)(北 極)向第二種像素彩色狀態(tài)(南極)的過渡將產(chǎn)生通量分布圖，其被人為顯示于將視為〃 灰色〃區(qū)域的像素之間。在沒有串?dāng)_情況下于兩像素之間產(chǎn)生清楚的分隔是一個主要問 題。在寫過程中當(dāng)一個像素磁場克服一鄰近像素并且顛倒其狀態(tài)時，則能夠出現(xiàn)另一種 形式的串?dāng)_。第三個問題是低對比度。磁性球狀顆粒如果被放置于單獨層中，由于其沒有顯示面板的完全覆蓋，因此具有有限的對比度。如果使用多層磁性球體，將增加其相互之 間的干擾，使得其狀態(tài)更難于控制，并進而需要更強的外部磁場。第四個問題是磁性材料。這需要研發(fā)新型材料結(jié)構(gòu)及其制造方法，這種材料及 方法必須產(chǎn)生低成本、輕重量、環(huán)境穩(wěn)定、永久磁性的光學(xué)組件，且具有精確的磁場與色彩面板配向。第五個問題是分辨率限制。這是由于當(dāng)被分隔或者顆粒太小(例如，依據(jù)特定 材料，磁性顆粒小于100微米時開始能夠觀察到其穩(wěn)定性的降低)時，永久磁性顆粒的 磁域會失去穩(wěn)定性。此外，當(dāng)大小低于1毫米時，由于更小電導(dǎo)體增大阻抗的線圈繞組 (wire winding)中的熱損失，電磁線圈組件將變得效率更低。并且，為了用低成本工業(yè)工 藝來替代高成本的"無塵室"工藝，需要制造公差位于+/-25微米或更大的范圍內(nèi)，以 方便制造。第六個問題是低成本的電子背板設(shè)計。平板顯示裝置中的最高成本工藝是制造 用于控制顯示裝置的主動矩陣背板。大多數(shù)液晶、有機發(fā)光二極管(OLED)以及甚至最 新的電子報(Epaper)顯示裝置使用薄膜晶體管陣列，其中薄膜晶體管被制造于顯示裝置 整個背板上方以控制影像。背板的制造成本可以相當(dāng)于整個顯示面板制造成本的50%。 因此，需要具有較低成本背板的替代顯示產(chǎn)品用于大型標(biāo)志牌應(yīng)用。這里，本發(fā)明的討論公開一種實質(zhì)不同的制造基于顆粒的電磁平面顯示裝置的 設(shè)計方法。這是一種主要用于大型以及/或者較低分辨率應(yīng)用(具有1毫米或者更大尺 寸的像素)的新型方法，但不局限于此。本發(fā)明利用磁學(xué)以及電磁學(xué)來解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
首先，本發(fā)明的第一實施例關(guān)于一種磁性顯示組件，此磁性顯示組件包含第一 光學(xué)部與第二光學(xué)部；于此，第一光學(xué)部具有第一色彩，第二光學(xué)部具有第二色彩。第 一光學(xué)部與第二光學(xué)部沿著色彩分隔軸分開，磁性顯示組件被磁化，進而磁性顯示組件 的南北磁軸平行并平分此色彩分隔軸。其次，本發(fā)明第二實施例關(guān)于一種顯示裝置，借以顯示一或多個磁_光組件 (MOE)。此顯示裝置包含具有一或多個磁光組件的前面板，并且一或多個磁光組件包含 具有第一色彩的第一光學(xué)部與具有第二色彩的第二光學(xué)部。第一與第二光學(xué)部沿著一色 彩分隔軸分開。磁性顯示組件被磁化，進而磁性顯示組件的南北磁軸平行并平分此色彩 分隔軸。此顯示裝置還包含背板，連接至前面板，并設(shè)定用于提供外部磁場至上述一或 多個磁光組件，進而磁光組件可以圍繞色彩分隔軸旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明的第三實施例關(guān)于一種顯示裝置，用于顯示一或多個磁光組件。此顯示 裝置包含一第一磁光組件與一第一多個磁光組件，于此，第一磁光組件具有第一磁場強 度，并沿第一方向定位，第一多個磁光組件具有小于第一磁場強度的第二磁場強度，并 沿第一方向定位。多個磁光組件包含至少兩個磁光組件，分別放置于第一磁光組件的相 反側(cè)。第一磁光組件響應(yīng)一外部磁場旋轉(zhuǎn)至一第二方向，多個磁光組件響應(yīng)第一磁光組 件的旋轉(zhuǎn)，進而旋轉(zhuǎn)至第二方向。上述發(fā)明內(nèi)容提供簡單介紹本發(fā)明的選擇概念，下文將進一步給出詳細(xì)說明。 本發(fā)明內(nèi)容目的不在于確定權(quán)利要求保護主題的關(guān)鍵或本質(zhì)特征，也不在于用作幫助確定本發(fā)明要求主題的保護范圍。有關(guān)本發(fā)明的特征與實作，茲配合圖 式作最佳實施例詳細(xì)說明如下。


圖1為單獨磁光組件的示意圖，其中顯示此組件的旋轉(zhuǎn)軸、色彩分隔面以及磁 光組件的磁偶極；圖2為兩個雙色磁光組件及其180度旋轉(zhuǎn)的色彩變化的示意圖，其中磁光組件為 圓柱狀，且南北極平行于色彩分隔面并垂直于旋轉(zhuǎn)軸；圖3A、圖3B以及圖3C為多于一個磁光組件的橫剖視圖，其中由于磁光組件位 于約束空間內(nèi)，因而關(guān)于軸線具有約束的旋轉(zhuǎn)；圖4A以及圖4B顯示為提供多于一個磁光組件以導(dǎo)致磁光組件旋轉(zhuǎn)的磁場；圖5為顯示裝置結(jié)構(gòu)中多于一個磁光組件的橫剖視圖，其中此結(jié)構(gòu)的磁光組件 組或者像素之間具有一物理分隔物；以及圖6為一組三個磁光組件的橫剖視圖，其中中間磁光組件與外側(cè)磁光組件之間 具有不同的磁場強度。其中，附圖標(biāo)記說明如下1 色彩分隔面2磁光組件旋轉(zhuǎn)軸3磁光組件磁偶極4磁光組件5 約束空間6 顯示背板7 前面板8磁通線9外部磁場11實心結(jié)構(gòu)41司機磁光組件42乘客磁光組件
具體實施例方式本發(fā)明涉及顯示像素結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)產(chǎn)生的顯示裝置結(jié)構(gòu)。上述像素與顯示裝置 結(jié)構(gòu)利用接近圓柱狀的新型磁性組件，其中磁性組件中還包含光學(xué)成分。這里，上述磁 性顆粒被稱作為磁光組件(MOE)，這些磁光組件沿赤道方向被磁化，進而南北極軸將其 切分為兩個不同的光學(xué)層或部分，因此這種組件是新穎的?？梢栽O(shè)想磁光組件為各種形 狀，但其中最簡單的構(gòu)造是圓柱狀。這是因為磁光組件的形狀及其被放入的腔體(cavity) 應(yīng)當(dāng)具有以下功能(1)腔體內(nèi)的磁光組件應(yīng)當(dāng)能夠以最小磨擦或干涉圍繞單獨軸旋 轉(zhuǎn)，但是不能沿任意方向旋轉(zhuǎn)，(2)磁光組件應(yīng)當(dāng)大體上停留在相同的位置，并接近相鄰 磁光組件，以及(3)當(dāng)磁光組件位于其兩種雙穩(wěn)態(tài)光學(xué)狀態(tài)時應(yīng)當(dāng)光覆蓋70%或者更多 它們所旋轉(zhuǎn)的空間，進而光磁組件兩側(cè)能夠具有不同的光學(xué)涂層(色彩)，在光磁組件旋轉(zhuǎn)時可以觀察到這些光涂層。當(dāng)并排放置圓柱狀磁光組件，并且在外部磁場的影響下，磁光組件能夠形成可 切換、可尋址、可寫、雙穩(wěn)態(tài)的顯示組件，這種顯示組件僅需要近似為零的功率來保持 單獨像素或顯示裝置的畫面。通過約束磁光組件圍繞單獨軸的旋轉(zhuǎn)能夠獲得雙穩(wěn)態(tài)特 性。結(jié)合約束旋轉(zhuǎn)與相鄰磁光組件的存在，可以產(chǎn)生單獨軸的所有磁光組件的排列，以 調(diào)整其極軸從南向北或者從北向南，進而降低其總勢能。上述從北向南與從南向北的定 向為對應(yīng)像素的兩種雙穩(wěn)態(tài)光學(xué)(色彩)狀態(tài)。
在本發(fā)明的實施例中，圓柱狀或者接近圓柱狀的磁光組件被磁化，進而南北磁 化軸將磁光組件平分為兩種顏色。于此，重要的是需要注意，磁光組件將通過沿其長 軸旋轉(zhuǎn)大約180度來響應(yīng)外部磁場，進而轉(zhuǎn)換色彩。上述磁光組件實際上可以是任意尺 寸，但是最佳是直徑位于0.3到3毫米之間，并具有1/1至1/50之間的縱橫比。較大直 徑磁光組件能夠具有更低的制造成本，并能夠很好地適合很大尺寸的顯示裝置(9毫米的 像素大小或更大)，但是這種磁光組件可能限制分辨率并使用更多的材料，以及需要更大 功率來驅(qū)動。較小磁光組件具有更高分辨率、更快響應(yīng)時間以及更低材料使用的優(yōu)點， 但是它們可能需要更高的精確制造，并進而需要更高的制造成本。并且，減少像素尺寸 增加了在顯示裝置預(yù)定區(qū)域的像素數(shù)量，并進而需要更多的電子組件。對于低成本應(yīng)用 或者很大尺寸的顯示裝置，較大像素可具有成本益處，并能夠使用更簡單與更具成本效 率的電子組件及制造。目前預(yù)想利用現(xiàn)有磁性材料以及工業(yè)工藝，可以制造低達(dá)0.1毫米 直徑的磁光組件。在本發(fā)明的另一實施例中，可以使用一或更多磁光組件來制造顯示裝置。此 夕卜，在此實施例中，通過并排放置的多個磁光組件，在不需要外部磁場的情況下，這些 磁光組件的南北極將趨向一起自動調(diào)整(磁吸引力)，以降低其勢能。通過這樣做，由 于對應(yīng)磁光組件有色側(cè)邊的磁極軸的定位，可形成一雙穩(wěn)態(tài)像素、顯示裝置或者影像組 件。這里，重要的是需注意，與兩種色彩對應(yīng)的磁光組件的南北極的正確定位是重要 的。例如，如果色彩分隔面的定位是垂直磁光組件的磁極軸(類似公知磁性顯示裝置使 用的方法)，則磁光組件的低能量雙穩(wěn)態(tài)的將導(dǎo)致兩種顏色均被觀察者可看得見，由此將 引起不希望的混合顏色"灰色"畫面。在一實施例中，使用磁光組件陣列，借以將其旋轉(zhuǎn)約束至一旋轉(zhuǎn)軸。于此，這 些磁光組件本身被限制僅沿其長軸或者旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，而不是顛倒的(end-over-end)。這 允許使用一或多個磁光組件作為可靠的像素或顯示組件，其中像素或顯示組件能夠連接 于一外部磁性寫頭或者背板，以及也用于包含磁光組件的電子可尋址的清晰前面板。這 里，如果使用磁光組件陣列，則離散的磁光組件組可以被單獨用作像素，以通過包含一 或多個磁光組件的單獨顯示段(display segment)或者像素導(dǎo)致產(chǎn)生電子或電磁可寫畫面。約束磁光組件旋轉(zhuǎn)的最佳方法是通過在一腔體中并排放置磁光組件(兩個或更 多)實現(xiàn)，其中腔體尺寸稍微大于它們所包含的磁光組件尺寸。磁光組件以仍能夠自由 旋轉(zhuǎn)以及自動調(diào)整的方式寬松地填充于腔體中。這里，磁光組件與顯示裝置之間不需要 任何類型的鉸鏈或者其它機械連接結(jié)構(gòu)。由于像素腔體陣列簡單地填充有磁光組件，并 且然后使用清晰前面板容納磁光組件于上述腔體陣列中，并允許從前部觀看，因此能夠 以較低成本制造大型像素陣列。
在另一較佳實施例中，單獨磁光組件或者群組磁光組件可通過物理設(shè)備 (physical means)互相分離。磁場強度隨著距離增加按指數(shù)減少，因此，當(dāng)磁光組件互相 分離任意距離時，磁光組件之間的磁相互作用顯著減少。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于其能夠充 分減少磁光組件或者磁光組件組之間的磁“串?dāng)_”，因此通過像素基礎(chǔ)(pixelbasis)，顯 示裝置能夠被可靠地寫在像素上。最簡單的方法是使得像素之間的分隔壁具有充足的厚 度，以減少像素之間的磁相互作用為所需的。分隔壁的外形應(yīng)當(dāng)比其所包圍的磁光組件 稍微高，因而分隔壁也能夠用于產(chǎn)生需要約束磁光組件運動的腔體，且仍允許磁光組件 在一單獨像素中自由旋轉(zhuǎn)與相互作用。在本發(fā)明又一實施例中，分隔單獨磁光組件或者群組磁光組件的物理壁可以是 磁性屏蔽材料，例如鐵、鎳、鈷或者其合金。對于任何本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，在閱讀上 述說明之后，應(yīng)當(dāng)顯然了解基于上述結(jié)構(gòu)各種材料或材料合成物可以用于限制或增強磁 場，并且這些材料變化被認(rèn)為位于本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。通過在像素之間的分隔壁中使 用磁性屏蔽材料，能夠更一步抑制使用較薄分隔壁像素之間的串?dāng)_，其中上述分隔壁相 比僅依賴距離作為磁性分隔器所需的厚度較小。由于較薄分隔壁不改變光學(xué)狀態(tài)并因而 能夠減少所產(chǎn)生顯示的對比度，因此是理想的。本發(fā)明的另一實施例關(guān)于像素或顯示結(jié)構(gòu)內(nèi)部的相鄰磁光組件的相對磁場強 度。在幫助自動調(diào)整像素內(nèi)部的磁光組件為雙穩(wěn)態(tài)光學(xué)狀態(tài)其中一種時，磁光組件之間 的磁吸引力是有好處的。然而，磁光組件對磁光組件的吸引力必須外部磁場克服，其中 外部磁場通過旋轉(zhuǎn)磁光組件至新的180度相反雙穩(wěn)態(tài)，用于“寫”像素為新的狀態(tài)。當(dāng) 兩個或更多磁光組件使用于每個像素時，通過改變同一像素內(nèi)部的相鄰磁光組件的磁場 強度，進而實現(xiàn)改善外部磁場相對性能的方法。這里，較強的磁光組件被稱作為“司 機”，以及較弱的磁光組件被稱作為“乘客”。為了說明本實施例的優(yōu)點，將在包含全部3個具有相同磁強度磁光組件的像素 與包含乘客、司機以及乘客結(jié)構(gòu)的類似3個磁光組件的像素之間做出比較。在結(jié)構(gòu)為乘 客、司機以及乘客的像素中，中間司機磁光組件將具有增加的磁場強度(在此例子例如 增加4X)。其余兩個放置于司機兩側(cè)的兩個乘客磁光組件將具有減少的磁場強度(在此例 子中例如減少0.25X)。在上述兩種具有三個磁光組件的像素設(shè)計中，相鄰磁光組件之間 的吸引力相同，因此兩種像素設(shè)計中磁光組件的自動調(diào)整能力是相同的。對于乘客、司 機以及乘客設(shè)計，吸引力等于IX倍(0.25X乘客乘以4X司機)。對于所有3個磁光組件 均具有相同此強度的像素，磁光組件對磁光組件的吸引力也是1X(1X磁光組件乘以IX磁 光組件)。但是，當(dāng)施加外部磁場時，兩種像素結(jié)構(gòu)之間的旋轉(zhuǎn)力是極大不同的。假設(shè) 施加2X的外部磁場，則關(guān)于司機磁光組件的旋轉(zhuǎn)力為8X(4X司機乘以2X外部磁場)。 對于具有全部為IX的三個磁光組件的像素，外部磁場產(chǎn)生僅2X(1X磁光組件乘以2X外 部磁場)的旋轉(zhuǎn)力，相比另一像素設(shè)計減少4倍。因此，同一像素內(nèi)部的磁光組件的交替磁場強度可以用來保存相同的磁光組件對磁光組件自動調(diào)整力，并同時顯著增加了旋轉(zhuǎn)力，因此增加用于寫像素的外部磁場的 效率。在一些實施例中，期望利用材料將司機磁光組件的磁場強度限制為達(dá)400毫特斯 拉(mT)或者更少。然后，此示例的乘客磁場強度將被減少至10毫特斯拉(mT)或更少。 對于全部磁光組件具有相同磁場強度的顯示裝置示例，設(shè)想這些顯示裝置將使用40毫特斯拉(mT)或更少的磁場強度。此方法可應(yīng)用于包含任意數(shù)目磁光組件的像素，其中像 素的磁光組件的磁場強度為相鄰變化的。本發(fā)明的另一實施例使用乘客-司機的像素結(jié)構(gòu)，以減少顯示裝置的像素之間 的串?dāng)_。在下面的像素設(shè)計中，其中使用3個或更多磁光組件以及與相鄰像素接觸的外 側(cè)磁光組件為具有減少磁場強度的乘客磁光組件，像素之間的串?dāng)_則存在明顯的減少。 這是因為兩個相鄰像素的乘客磁光組件互相接觸，由于乘客磁光組件具有減少的磁場強 度(例如為0.25X)，因此乘客磁光組件與相鄰像素的乘客磁光組件之間的吸引力僅為 0.0625X(0.25X乘以0.25X)。同時，乘客磁光組件與相同像素內(nèi)部的相鄰司機磁光組件 之間吸引力較強。在此示例中，此吸引力將是1X(0.25X乘以4X)。因此，在像素之間 不需要分隔壁或者屏蔽的情況下，乘客、司機結(jié)構(gòu)可以用于實際減少串?dāng)_。 請參考圖1，圖中顯示特定實施例的磁光組件。在此實施例中，磁光組件為圓柱 類似形狀，或者是與圓柱狀磁性組件具有相似功能的更為復(fù)雜形狀，并且在其至少兩側(cè) 具有有色或其它光涂層，進而磁光組件能夠旋轉(zhuǎn)以呈現(xiàn)給觀察者兩種光學(xué)狀態(tài)的任意一 種。圖1更顯示本發(fā)明的磁光組件包含一色彩分隔面1、一磁光組件旋轉(zhuǎn)軸2以及磁 光組件磁偶極3。如圖1顯示，磁光組件磁偶極3平行于色彩分隔面1延伸，并垂直于磁 光組件旋轉(zhuǎn)軸2。正如圖1進一步顯示，磁光組件的北極與南極平分磁光組件為兩種顏色。換言 之，圖1的磁光組件包含一第一光學(xué)層或光學(xué)部與一第二光學(xué)層或光學(xué)部，其中第一光 學(xué)層/部具有第一顏色，第二光學(xué)層/部具有平行于其南北磁場偶極的色彩分隔面。請 注意，在本說明書以及專利申請范圍書中，“色彩”可以包含且不局限于著色劑(通常通 過加入或使用傳統(tǒng)涂料、顏料、染料或類似物而出現(xiàn))、反射媒體(例如使用鏡子或類似 物)或者發(fā)磷光、熒光或冷光媒體(例如通過加入磷)。在此實施例中，磁光組件具有永久性磁場，如圖顯示為平行于磁性顆粒上的光 學(xué)表面。磁光組件通過旋轉(zhuǎn)來響應(yīng)外部磁場。需要注意，磁光組件的質(zhì)量(mass)是一個 重要的設(shè)計因素，因為磁光組件具有的質(zhì)量越少，通常旋轉(zhuǎn)磁光組件所需的能量越小， 以及磁光組件將產(chǎn)生的摩擦力越小。另一個重要的設(shè)計因素是控制磁光組件的磁場強度的能力。如果磁光組件的磁 場強度過低，則外部磁場的驅(qū)動則愈加困難。如果磁光組件具有太強的磁場，則它們能 夠在磁性顆粒之間產(chǎn)生強的干擾結(jié)合，其中干擾結(jié)合必須由外部磁場克服以驅(qū)動磁光組 件。應(yīng)當(dāng)注意，還存在各種復(fù)雜的形狀及腔體，其可以具有制造有效磁光組件所需的功 能。本實施例中，磁光組件的關(guān)鍵功能是限制于一軸線的低速磨擦旋轉(zhuǎn)、接近相鄰磁光 組件并基本停留于同一位置的能力，以及每側(cè)的光學(xué)表面(通常是有色表面)為覆蓋大于 70%的當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下觀看時由磁光組件占據(jù)前面板的區(qū)域。磁光組件的形狀可以包含 實心或近乎實心的圓柱體狀、光纖或棒狀、中空管狀、現(xiàn)鈴或工字鋼狀、足球狀等，但 不局限于此，上述形狀可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員進行改進，并且這些形狀變化仍位于本發(fā) 明的保護范圍內(nèi)。現(xiàn)在請參考圖2，本發(fā)明的實施例關(guān)于磁光組件陣列，其中每個磁光組件被約 束，因此限制其旋轉(zhuǎn)僅關(guān)于一軸線運動。如圖2顯示，顯示裝置的每個光學(xué)段中的所有磁光組件的約束旋轉(zhuǎn)軸是一致的。可以使得所有顯示裝置的光學(xué)段包含互相平行的磁光 組件，但不是必需的。如圖2顯示，磁光組件內(nèi)部的南北磁場平行于兩個色彩面。更多 傳統(tǒng)球狀磁性顆粒可以沿任意方向旋轉(zhuǎn)。通過構(gòu)造本發(fā)明的磁光組件，進而磁光組件能 夠僅沿著一個方向或者圍繞一個軸線旋轉(zhuǎn)(在本實施例中通過設(shè)計磁光組件為圓柱狀)， 這具有顯著的優(yōu)點。當(dāng)平行于分割兩個色彩層的平面磁化磁光組件時，磁光組件的色彩 狀態(tài)則能夠被控制。即使在這種平行架構(gòu)中磁化球狀顆粒，但它們?nèi)詫@其磁極自由 旋轉(zhuǎn)，并且兩種色彩狀態(tài)將不可預(yù)知。在接近圓柱狀磁光組件中，磁光組件沿著其整個 軸線以南北定向互相吸引，與此不同，單點接觸的球狀磁光組件甚至在其低能量狀態(tài)允 許它們翻滾以及自由旋轉(zhuǎn)，這是不希望出現(xiàn)的。
請再次參考圖2，如果以緊密接觸的方式放置兩個或更多磁光組件，則它們將調(diào) 整其磁場進入兩種低能量狀態(tài)的其中一種，上述兩種低能量狀態(tài)均能夠通過180度旋轉(zhuǎn) 的方式獲得，這些磁場狀態(tài)是北-南、北-南或南-北、南-北。設(shè)計磁光組件的磁場 強度，進而由同一像素內(nèi)部的相鄰磁光組件的磁吸引力產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力大于用于保持磁光 組件固定的機械摩擦力。在上述構(gòu)造中，磁光組件在其中一種上述兩種穩(wěn)定狀態(tài)中總是 互相平行排列。由于色彩層或者色彩面平行于每個磁光組件的磁極，因此產(chǎn)生兩種穩(wěn)定 的色彩狀態(tài)，不需要功率來維持這些自調(diào)整的雙穩(wěn)態(tài)色彩狀態(tài)。本實施例還消除了由外部磁場源僅旋轉(zhuǎn)部分磁光組件顆粒產(chǎn)生的曲線磁通量分 布圖所帶來的問題，進而產(chǎn)生通常由外部磁場產(chǎn)生的“噴泉頭”分布圖。甚至在外部磁 場源通過“噴泉頭”磁場分布圖的方式對磁光組件進行“寫”操作之后，一旦除去外部 磁力，磁光組件仍將自動調(diào)整為最靠近的平行雙穩(wěn)態(tài)。以此方式，外部磁場僅需要啟動 超出90度的旋轉(zhuǎn)，以及磁光組件自有的吸引力將完成進入新的光學(xué)狀態(tài)的調(diào)整步驟。本發(fā)明的另一實施例消除一像素對相鄰像素的影響。二維陣列的每個像素系與 陣列中其它像素分離，其中在一實施例中每個像素包含兩個或更多的磁光組件。這種分 離及其特定分離方法，其中上文已給出解釋或者后面將給出更詳細(xì)的說明，允許像素具 有獨立于其它像素的磁域。換言之，每個像素的磁光組件可以不考慮其它像素行為，自 動調(diào)整為雙穩(wěn)態(tài)其中一種形態(tài)。此外，在沒有影響其它像素的情況下，當(dāng)面臨外部磁場 或者磁力時，每個像素之的磁光組件能夠旋轉(zhuǎn)。這允許每個像素使得電子或電磁可寫畫 面獨立于其它像素被寫入?，F(xiàn)在請參考圖3A和圖3B，圖中顯示磁光組件4由于處于約束空間5中，此示例 中為矩形空間，因此具有關(guān)于一軸線的約束旋轉(zhuǎn)。圖3B顯示了磁光組件4與約束空間5 的側(cè)視圖，同時圖3C顯示顯示背板6與前面板7的另一側(cè)視圖，其中顯示背板6與前面 板7為約束空間的一部分?，F(xiàn)在請參考圖4A，圖中顯示為施加至本發(fā)明顯示裝置的磁場。如圖4A顯示， 由于外部磁場的磁極或者磁通線8垂直于磁光組件的旋轉(zhuǎn)軸2，因此磁光組件4本身將通 過旋轉(zhuǎn)來響應(yīng)外部磁場9。請參考圖4B，其中外部磁場9的側(cè)面平行于顯示裝置的觀看前面板7。磁光組 件可以利用平行顯示裝置表面的施加磁場被驅(qū)動，而不是如同之前提到的更傳統(tǒng)的球形 電磁顯示方法，通過向外突出垂直顯示裝置的磁場。圖5顯示為本發(fā)明的最佳實施例的磁光組件或者群組磁光組件4，通常組成一單獨像素的一組磁光組件組是通過物理裝置(通常為一實心結(jié)構(gòu)11)被分開。上述分離裝 置可以是或者不是顯示背板6或者磁性寫頭的物理部分。磁光組件的分離導(dǎo)致相鄰磁光 組件像素之間的距離增加，并減少了各個像素之間的串?dāng)_或者電磁干擾。此外，分離材 料還可以是能夠用作磁屏蔽的材料，例如鐵、鎳、鈷或者其合金。上述材料作為磁屏蔽 材料在本技術(shù)領(lǐng)域是公知的。請參考圖6，通過改變顯示裝置或者像素內(nèi)部的各個磁光組件的磁場強度，進而 能夠提高效率以及減少串?dāng)_。如圖6顯示，中間磁光組件41 (也可被稱作為司機)的磁 場強度可以增加，因此大于兩側(cè)磁光組件42 (還可以稱作為乘客)的磁場強度。當(dāng)司機 磁光組件41的磁場強度增加時，如果希望磁光組件之間為相同的吸引力，則乘客磁光組 件42的磁場強度必須減少相同的系數(shù)。這將帶來兩種明顯益處。首先，司機磁光組件 41將以更大力量(通過旋轉(zhuǎn))來響應(yīng)由顯示背板6或者其它磁場源施加的外部磁場。如 上文討論，如果全部三個磁光組件具有增加磁載荷的司機磁光組件41，則它們將強烈地 互相吸引，并且外部線圈將不得不增加能量以對抗相鄰磁光組件。有利的是，本發(fā)明的 司機-乘客結(jié)構(gòu)在減少磁光組件對磁光組件相互作用的同時，增加了司機磁光組件對外 部線圈(磁場)的響應(yīng)，其中磁光組件間的相互作用必須由司機磁光組件和背板磁場強度 克服，以允許磁光組件旋轉(zhuǎn)。此外，位于中間的司機磁光組件41可以利用更小的外部磁 場控制，這表示可以使用更小的外部電磁體或者背板或磁性寫頭，以及/或者更少的用 于驅(qū)動背板的電流。一旦關(guān)閉外部磁場，則兩個乘客磁光組件42將立即對準(zhǔn)中心司機磁 光組件41。此外，改變磁光組件磁場強度的原理可以延伸至更大像素尺寸，例如一單獨 像素中包含有多于三個的磁光組件。乘客_司機_乘客間相互作用與司機響應(yīng)外部磁場 可通過以下公式進行量化司機磁光組件與兩側(cè)乘客磁光組件的磁吸引力=D*P1+D*P2
司機磁光組件響應(yīng)外部磁場=D*Ex其中，D=司機磁場強度Pl =乘客1磁場強度P2=乘客2磁場強度Ex =外部磁場強度圖6顯示實施例的另一優(yōu)點在于，當(dāng)像素的外側(cè)乘客磁光組件42具有減小的磁 場強度時，像素之間的串?dāng)_能夠被減少。兩個較弱磁光組件之間的吸引力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于兩 個較強磁光組件或者一個較強磁光組件與一個較弱磁光組件之間的吸引力。通過設(shè)計像 素具有較強磁光組件在中間，以及較弱磁光組件位于像素的側(cè)邊，進而在像素之間產(chǎn)生 穩(wěn)定狀態(tài)以防止串?dāng)_。外側(cè)較弱磁光組件對相同像素內(nèi)部的相鄰較強磁光組件具有較強 的吸引，但是相鄰像素之間的邊緣磁光組件之間存在的弱對弱吸引力是不足的，并且串 擾被消除。另一種消除串?dāng)_的方法是改變相鄰像素的磁光組件的定位，以產(chǎn)生棋盤圖案。 以此方式，主導(dǎo)磁場與鄰近像素的旋轉(zhuǎn)軸總是垂直其相鄰像素。這將防止用于旋轉(zhuǎn)像素 的外部磁場影響直接相鄰的磁光組件，由于相鄰磁光組件的方向被90度旋轉(zhuǎn)，因此沒有 旋轉(zhuǎn)力產(chǎn)生于相鄰像素的磁光組件的旋轉(zhuǎn)軸上。本發(fā)明不限于本申請所述的特定實施例的范圍。實施例僅僅是示例的目的。功能相同的特征和方法明顯落入本申請所 述的發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種磁性顯示組件，其特征在于，所述磁性顯示組件包括一第一光學(xué)部，具有一第一色彩；一第二光學(xué)部，具有一第二色彩，其中所述第一光學(xué)部與所述第二光學(xué)部沿著一色 彩分隔面分開；以及其中所述磁性顯示組件被磁化，進而所述磁性顯示組件的南北偶極平行所述色彩分 隔面，并垂直所述磁性顯示組件的旋轉(zhuǎn)軸。
2.如權(quán)利要求1所述的磁性顯示組件，其特征在于，所述磁性顯示組件為圓柱狀或近 圓柱狀。
3.如權(quán)利要求1所述的磁性顯示組件，其特征在于，所述磁性顯示組件的直徑位于 0.3至3毫米之間，并具有1/1至1/50范圍的縱橫比。
4.如權(quán)利要求1所述的磁性顯示組件，其特征在于，所述磁性顯示組件當(dāng)接觸一外部 磁場時，僅圍繞一單獨旋轉(zhuǎn)軸進行旋轉(zhuǎn)。
5.如權(quán)利要求1所述的磁性顯示組件，其特征在于，設(shè)定所述磁性顯示組件，進而當(dāng) 位于第一方向時能夠看到所述第一色彩，并且當(dāng)接觸一外部磁場時，所述磁性顯示組件 旋轉(zhuǎn)大約180度至一第二方向，進而能夠看到所述第二色彩，更設(shè)定所述磁性顯示組件 當(dāng)沒有施加外部磁場時，其需要基本為零的功率來維持所述第一方向與所述第二方向。
6.如權(quán)利要求1所述的磁性顯示組件，其特征在于，所述磁性顯示組件為第一磁性顯 示組件，并與靠近所述第一磁性顯示組件放置的一第二磁性顯示組件自動對準(zhǔn)，進而所 述第一磁性顯示組件與所述第二磁性顯示組件將自動地自調(diào)整其磁極為從北至南的第一 雙穩(wěn)態(tài)，或者從南至北的第二雙穩(wěn)態(tài)，其中所述第一磁性顯示組件與所述第二磁性顯示 組件在不接觸外部磁場的情況下，將保持所述第一雙穩(wěn)態(tài)或者所述第二雙穩(wěn)態(tài)。
7.—種用于顯示一或多個磁性組件的顯示裝置，其特征在于，所述包括一維或二維的像素陣列，所述一或多個磁性組件組成所述像素陣列的每個單獨像素；多個腔體，設(shè)定用于容納至少一個像素；其中每個像素與所述顯示裝置的其它像素分離，進而每個像素包含獨立于其它像素 的磁域；其中每個像素的獨立磁域允許組成每個單獨像素的所述一或多個磁性組件自調(diào)整為 第一雙穩(wěn)態(tài)或第二雙穩(wěn)態(tài)，并且不管所述像素陣列的其它像素行為，在缺少外部磁場的 情況下保持所述第一雙穩(wěn)態(tài)或者所述第二雙穩(wěn)態(tài)；以及其中在不影響所述像素陣列的其它像素方向的情況下，當(dāng)組成每個單獨像素的數(shù)組 一或多個磁性組件接觸外部磁場時，每個像素的獨立磁域允許組成每個單獨像素的所述 一或多個磁性組件從第一雙穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)至所述第二雙穩(wěn)態(tài)，或者從所述第二雙穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)至 所述第一雙穩(wěn)態(tài)。
8.如權(quán)利要求7所述的顯示裝置，其特征在于，所述磁性組件包含一第一光學(xué)部，具有一第一色彩；一第二光學(xué)部，具有一第二色彩，所述第一光學(xué)部與所述第二光學(xué)部沿著一色彩分 隔面分開；以及其中所述磁性組件被磁化，進而所述磁性組件的南北偶極平行所述色彩分隔面，并垂直所述磁性組件的旋轉(zhuǎn)軸。
9.如權(quán)利要求8所述的顯示裝置，其特征在于，所述多個腔體的形狀以及所述磁性組 件的形狀至少部分約束所述磁性組件關(guān)于一單獨旋轉(zhuǎn)軸的運動。
10.如權(quán)利要求8所述的顯示裝置，其特征在于，所述外部磁場由顯示裝置的背板或 者寫頭產(chǎn)生，并設(shè)定所述外部磁場垂直所述旋轉(zhuǎn)軸，進而所述像素之一或多個磁性組件 響應(yīng)所述垂直磁場，并圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸進行旋轉(zhuǎn)。
11.如權(quán)利要求7所述的顯示裝置，其特征在于，所述外部磁場平行于所述顯示裝置 的觀看面板。
12.如權(quán)利要求7所述的顯示裝置，其特征在于，其中通過放置于每個像素之間的物 理裝置，將每個像素分為一獨立磁域。
13.如權(quán)利要求7所述的顯示裝置，其特征在于，其中通過在較高磁場強度與較低磁 場強度之間交替配置兩個或更多磁性組件，且具有較低磁場強度的磁性組件位于像素兩 端，進而將每個像素分為一獨立磁域。
14.如權(quán)利要求7所述的顯示裝置，其特征在于，其中通過磁性屏蔽材料將每個像素 分為一獨立磁域。
15.如權(quán)利要求7所述的顯示裝置，其特征在于，其中通過交替改變相鄰像素的磁 性組件的方向，產(chǎn)生棋盤狀圖案以使得一主導(dǎo)磁場與相鄰像素的旋轉(zhuǎn)軸垂直于其相鄰像 素，進而將每個像素分為一獨立磁域。
16.如權(quán)利要求7所述的顯示裝置，其特征在于，所述第一雙穩(wěn)態(tài)為北向南方向，以 及所述第二雙穩(wěn)態(tài)為南向北方向。
17.—種用于顯示一或多個磁光組件的顯示裝置，其特征在于，所述用于顯示一或多 個磁光組件的顯示裝置包括一第一多個磁光組件，具有一第一磁場強度，并沿一第一方向定位；一第二多個磁光組件，具有小于所述第一磁場強度的一第二磁場強度，并沿所述第 一方向定位，其中設(shè)定所述第一多個磁光組件與所述第二多個磁光組件，進而所述第二 多個磁光組件的各個磁光組件交替放置于所述第一多個磁光組件的各個磁光組件邊側(cè)；其中所述第一多個磁光組件響應(yīng)一外部磁場旋轉(zhuǎn)至一第二方向；以及其中所述第二多個磁光組件響應(yīng)所述第一多個磁光組件的旋轉(zhuǎn)，進而旋轉(zhuǎn)至所述第 二方向。
18.如權(quán)利要求17所述的顯示裝置，其特征在于，所述第二多個磁光組件的第二磁場 強度相比所述第一多個磁光組件的第一磁場強度的平均磁場強度至少低20%。
19.如權(quán)利要求17所述的顯示裝置，其特征在于，其中設(shè)定所述第二磁場強度小于所 述第一磁場強度，以至少部分防止所述第一多個磁光組件與所述第二多個磁光組件之間 出現(xiàn)不希望的磁場干擾。
20.如權(quán)利要求17所述的顯示裝置，其特征在于，其中設(shè)定所述第一多個磁光組件與 所述第二多個磁光組件為所述顯示裝置的第一像素，以及設(shè)定一第三多個磁光組件與一 第四多個磁光組件為緊接所述第一像素的所述顯示裝置的第二像素，所述第三多個磁光 組件的磁場強度大于所述第四多個磁光組件的磁場強度，其中放置所述第二多個磁光組 件的單獨磁光組件最接近所述第二像素以及放置所述第四多個磁光組件的單獨磁光組件最接近所述第一像素，以至少部分減少所述顯示裝置的所述第一像素與所述第二像素之 間出現(xiàn)的不希望串?dāng)_。
全文摘要
一種反射式低成本顯示像素及裝置，包含磁光組件，其中外部施加的磁場垂直于磁光組件的旋轉(zhuǎn)軸，并平行于由磁光組件形成的顯示裝置的觀看面板。這些顯示組件關(guān)于其長軸的旋轉(zhuǎn)有限，其中通過外部磁場能夠驅(qū)動顯示組件關(guān)于長軸的旋轉(zhuǎn)，進而產(chǎn)生雙穩(wěn)態(tài)、電子可寫影像。此外，上述設(shè)置可以進行結(jié)構(gòu)性修改，進而減少寫影像于顯示裝置上所需的能量，增加總顯示效率，并幾乎消除像素間的串?dāng)_。
文檔編號G09G3/34GK102016969SQ200780036174
公開日2011年4月13日 申請日期2007年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月27日
發(fā)明者查爾斯·O·愛德華, 詹姆斯·卡路索 申請人:美商翠德顯示器公司