專利名稱：磁性流體薄膜顯示器和單色光開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
這件發(fā)明包含同質(zhì)性(homogeneous)且能形成有序晶體(crystalline)結(jié)構(gòu)的磁性流體的生產(chǎn)方法。該發(fā)明同時(shí)也包含在外加磁場(chǎng)影響之下，這類流體的薄膜產(chǎn)生有序結(jié)構(gòu)的方法、控制這些薄膜里這些結(jié)構(gòu)的方法，和利用這些有序結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生有關(guān)磁光(magnetic-optical)的裝置。這些裝置包含彩色顯示器，單色光開關(guān)，與可調(diào)波長(zhǎng)的濾波器。
背景技術(shù)：
鐵磁流體(ferrofluids)是一種磁性流體，它典型地由通過(guò)表面活性劑分散于連續(xù)的載液相中的膠狀磁性微粒，諸如磁鐵礦或錳鋅鐵氧體所組成。這分散的磁性微粒的平均直徑的范圍在約5到10nm的范圍內(nèi)。每個(gè)微粒有一個(gè)與它的尺寸成比例的恒定的磁偶極矩，此磁矩可與外部磁場(chǎng)方向?qū)R。
鐵磁流體在均勻的磁場(chǎng)下受體積力(body force)的作用，使得其位置可被操控，因此可制造出諸如轉(zhuǎn)動(dòng)封件(rotary seals)、軸承(bearings)和相關(guān)的機(jī)械裝置。鐵磁流體同時(shí)也可被用來(lái)制造顯示的裝置，諸如在美國(guó)專利3,648,269和3,972,595所揭示的；這些專利是利用磁場(chǎng)以一個(gè)預(yù)定的光學(xué)圖樣捕獲不透明的磁性流體。這些裝置的類型通常是經(jīng)由不透明的磁性流體替代透明的流體以產(chǎn)生光學(xué)上的對(duì)比。然而，此類的顯示裝置，在其磁性流體中并不產(chǎn)生有序的晶體結(jié)構(gòu)，而且除了黑白的影像外無(wú)法產(chǎn)生任何其它影像。
目前，生產(chǎn)鐵磁流體有兩種較通用的方法。第一種方法是在液體載液和亦作為分散劑的研磨助劑的存在下，經(jīng)由球磨研磨(ball-millgrinding)把磁性粉末弄碎到膠狀微粒的尺寸，同時(shí)此液體亦做為分散劑。這方式例證于美國(guó)專利3,215,572和3,917,538中。第二種方法是如美國(guó)專利4,019,994所例證的化學(xué)沉淀技術(shù)。這兩種技術(shù)均苦于所生產(chǎn)的磁性微粒在尺寸分配上、微粒組成成份上及微粒間相互作用力上具異質(zhì)性(heterogeneity)之不利情況。而這些異質(zhì)性可能對(duì)于鐵磁流體在磁場(chǎng)影響之下形成有序結(jié)構(gòu)的能力產(chǎn)生有害的影響。
在外加磁場(chǎng)的影響下，形成磁性流體薄膜系統(tǒng)的圖樣最近已吸引了廣泛的興趣。這些研究使用各種不同類型的磁性流體，譬如，M.Fermigier與A.P.Gast，J.Colloidal Interface Sci.154，522(1992)和D.Wirtz與M.Fermigier，Phys.Rev.Lett.72，2294(1994)研究載有鐵氧化物顆粒膠乳液(latex)或者聚苯乙烯微粒的懸浮液中，于平行磁場(chǎng)的影響下，其磁性微粒的聚集過(guò)程和其一維的結(jié)構(gòu)圖樣。已報(bào)道了在垂直磁場(chǎng)的影響之下，相態(tài)分離的磁性流體薄膜形成準(zhǔn)二維周期性的晶格，Wang等，Phys.Rev.Lett.72，1929(1994)。然而，此篇論文的
圖1顯示出其為不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。其他研究者已經(jīng)在磁性乳膠液(magnetic fluid emulsions)的薄膜或者在混有非磁性球的磁性流體的薄膜中，利用垂直磁場(chǎng)的影響產(chǎn)生較高度有序的二維晶格，然而，這些晶格傾向于凝結(jié)，因此不適合用于需要在結(jié)晶和無(wú)定形狀態(tài)間快速變換的任何應(yīng)用，參考，如，Liu等，Phys.Rev.Lett.74，2828(1995)，和Skieltorp，Phys.Rev.Lett.51，2306(1983)。因此，在本領(lǐng)域中對(duì)一類鐵磁流體組合物有公知的需求，這種鐵磁流體組合物能用來(lái)生產(chǎn)液晶裝置，這種裝置能被小的磁場(chǎng)接通或關(guān)斷，請(qǐng)參考，如，da Silva和Neto，Phys.Rev.E.48，4483(1993)。
假如能制成一種其薄膜能在外加磁場(chǎng)的影響之下可逆地形成有序一維結(jié)構(gòu)或二維的晶格的鐵磁流體組合物，那將對(duì)于制造各種不同的、新的且有用的液晶磁光裝置是很有用的。由于這些理由，需要一種能生產(chǎn)同質(zhì)性鐵磁流體組合物的方法，而使得在外加磁場(chǎng)的影響之下，此鐵磁流體所制之薄膜具有能夠可逆地形成有序的一維結(jié)構(gòu)或二維的晶格的能力。更進(jìn)一步需要的是，一個(gè)能用來(lái)確定此鐵磁流體組合物的薄膜在外加磁場(chǎng)的影響之下，是否能夠產(chǎn)生高度有序的一維結(jié)構(gòu)或二維的晶格的簡(jiǎn)單的方法。最后，利用此鐵磁流體組合物的薄膜在外加磁場(chǎng)的影響之下所產(chǎn)生有序的結(jié)構(gòu)來(lái)制作磁光裝置是必需的。而彰顯這個(gè)裝置的功效，有賴于所開發(fā)出的控制鐵磁流體的磁性薄膜在外加磁場(chǎng)影響下形成有序結(jié)構(gòu)的方法，因此控制這些所形成的有序結(jié)構(gòu)的方法也是需要的。
發(fā)明概要本發(fā)明是涉及產(chǎn)生一種同質(zhì)性的鐵磁流體組合物的方法，而此鐵磁流體組合物在該流體的薄膜受到外加磁場(chǎng)作用時(shí)能夠形成有序的結(jié)構(gòu)，同時(shí)本發(fā)明還涉及根據(jù)此方法所合成的組合物。這種方法是基于一種經(jīng)優(yōu)化的化學(xué)沉淀技術(shù)。本發(fā)明同時(shí)也提供如何使這些鐵磁流體組合物的薄膜響應(yīng)外加磁場(chǎng)產(chǎn)生有序的一維結(jié)構(gòu)或二維的晶格的方法，以及判斷均質(zhì)性磁場(chǎng)形成有序結(jié)構(gòu)的能力的方法。本發(fā)明還涉及暴露在外加磁場(chǎng)下此同質(zhì)性鐵磁流體組合物的薄膜所形成之有序陣列。同時(shí)本發(fā)明也提供控制這些一維結(jié)構(gòu)或二維晶格的特征間距的方法，而此是經(jīng)由變化參數(shù)來(lái)控制的，諸如外加磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)相對(duì)于薄膜的取向、磁場(chǎng)強(qiáng)度的增率、薄膜的厚度、鐵磁流體組合物中磁性粒子的濃度或者該組合物的溫度。更進(jìn)一步地，本發(fā)明提供基于這些鐵磁流體的薄膜所產(chǎn)生之有序結(jié)構(gòu)和控制這些結(jié)構(gòu)之間距的能力的液晶磁光裝置。這些裝置包括一種光衍射的彩色顯示裝置、一種可接通或者關(guān)閉的單色光衍射開關(guān)、一種可調(diào)式的光衍射波長(zhǎng)濾波器、一種結(jié)合了第一類型光衍射彩色顯示器和單色光衍射開關(guān)技術(shù)的第二類型光衍射彩色顯示裝置以及一種包含本發(fā)明的磁性流體薄膜和偏振片的光雙折射彩色顯示裝置。
這發(fā)明的這些和其他的特色、方面和優(yōu)點(diǎn)將可由以下的描述、附加的權(quán)利要求與附圖得到更充分的了解。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明本專利文件至少包括一張彩色圖，在提出請(qǐng)求和支付必要的費(fèi)用后，本專利的副本包含彩色圖將由專利和商標(biāo)局所提供。
圖1為制備同質(zhì)性鐵磁流體之步驟的流程圖，當(dāng)該流體的薄膜受外加磁場(chǎng)的作用時(shí)，該鐵磁流體能夠形成有序的一維結(jié)構(gòu)或二維晶格。
圖2顯示一套用來(lái)測(cè)量在外加磁場(chǎng)之下鐵磁流體薄膜性質(zhì)的設(shè)備。
圖3顯示同質(zhì)性鐵磁流體薄膜在外加的且垂直于該薄膜平面的磁場(chǎng)下所形成之二維的六角形晶格的陣列，微粒圓柱體則占據(jù)在同質(zhì)性鐵磁流體中形成的這些晶格的頂點(diǎn)。
圖4顯示不同厚度的薄膜在一個(gè)垂直磁場(chǎng)(100Oe)下所形成之二維的六角形陣列。
圖5顯示在二維的六角形陣列中微粒圓柱體間的距離與磁場(chǎng)強(qiáng)度和薄膜厚度的關(guān)系。
圖6顯示在二維的六角形陣列中微粒圓柱體間的距離與磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度增率的關(guān)系。
圖7顯示在二維的六角形陣列中微粒圓柱體間的距離與磁場(chǎng)強(qiáng)度和鐵磁流體的磁性微粒與液體載液組分之間體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。
圖8顯示同質(zhì)性鐵磁流體薄膜中所形成之周期性的微粒鏈間距與在一個(gè)外加的且平行于薄膜平面的磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系。
圖9顯示在暴露于一個(gè)外加的且平行的磁場(chǎng)的同質(zhì)性鐵磁流體薄膜中所形成之周期性的微粒鏈間距與薄膜厚度的函數(shù)關(guān)系。
圖10顯示一套用來(lái)示范由在同質(zhì)性鐵磁流體薄膜中的有序結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的光衍射和雙折射現(xiàn)象的設(shè)備。
圖11顯示經(jīng)由一磁光裝置所產(chǎn)生的顏色光譜，其中同質(zhì)性鐵磁流體薄膜的厚度變化大約從2到10微米μm，H＝150Oe，dH/dt＝500Oe/s。
圖12顯示當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度改變時(shí)經(jīng)由一包含同質(zhì)性鐵磁流體薄膜的磁光裝置所產(chǎn)生不同顏色。
圖13說(shuō)明用于第一種類型的光衍射彩色顯示元件的同質(zhì)性鐵磁流體薄膜的剖面圖。
圖14說(shuō)明一個(gè)單獨(dú)的像素的設(shè)計(jì)包括一個(gè)同質(zhì)性鐵磁流體薄膜、一種產(chǎn)生磁場(chǎng)的裝置和控制磁場(chǎng)強(qiáng)度的裝置。
圖15說(shuō)明一種用于雙折射彩色顯示元件的同質(zhì)性鐵磁流體薄膜的剖面圖。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述這種通過(guò)在NaOH的存在下共沉淀FeSO4和FeCl3合成磁鐵礦(Fe3O4)的化學(xué)合成基于W.C.Elmore于1938年所提出的反應(yīng)。這種共沉淀的反應(yīng)被用來(lái)生產(chǎn)鐵磁流體(ferrofluids)(也可稱為“磁性流體”(magnetic fuids))；其中磁鐵礦微粒被表面活性劑所涂敷并且被分散于一個(gè)連續(xù)的相中(即，微粒被分散于液體而非乳液中)，請(qǐng)參考文獻(xiàn)，如，F(xiàn)ertman，V.E.，＂Magnetic Fluids Guide BookProperties andApplication(磁性流體指南性能和應(yīng)用)，＂Hemisphere PublishingCorporation，1989，ISBN-0-89116-956-3第14頁(yè)。雖然，此一材料被證實(shí)在建構(gòu)多樣的機(jī)械裝置和顯示裝置是非常有用的，然其薄膜卻并不容易形成有序的結(jié)構(gòu)。此有序結(jié)構(gòu)是能與電磁幅射，如可見光，交互反應(yīng)而產(chǎn)生如衍射或偏振等物理現(xiàn)象的有規(guī)則、有周期性的物體陣列。這些結(jié)構(gòu)可以是二維(如，x和y)或者是一維(如，x)有序。前者的結(jié)構(gòu)有時(shí)候也被稱為晶格、結(jié)晶陣列(crystalline array)或二維晶體(2-dimensional crystals)。經(jīng)由小心地調(diào)整共沉淀反應(yīng)和隨后的涂敷和分散步驟的參數(shù)，我們已經(jīng)合成了改善的鐵磁流體組合物，而此鐵磁流體組合物能夠在其薄膜中、在外加磁場(chǎng)的影響之下可逆地形成有序的結(jié)構(gòu)。
然不受限于任何特殊的理論，在微粒尺寸分配的同質(zhì)性和/或微粒間相互作用力的同質(zhì)性之改善，似乎是這些鐵磁流體組合物能夠形成有序結(jié)構(gòu)的原因。而本發(fā)明之鐵磁流體組合物中相互作用力的同質(zhì)性的改善可能是反應(yīng)出其受Fe2O3和/或水的污染的降低。
根據(jù)本發(fā)明的方法，一種包含均勻分散于連續(xù)載液中的極細(xì)的磁性微粒的組合材料，通過(guò)被利用小心調(diào)整控制參數(shù)的化學(xué)共沉淀所產(chǎn)生。這種磁性微粒是Fe3O4(磁鐵礦)，是由FeSO4和FeCl3的混合物與諸如NaOH、Fe(OH)2或Fe(OH)3等強(qiáng)堿所產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。這種微粒再被涂敷一層表面活性劑來(lái)防止其聚集，然后再被完全地分散于一連續(xù)的液體載液里而形成一種同質(zhì)性的磁性流體。根據(jù)本發(fā)明，圖1為用來(lái)制備同質(zhì)性的磁性流體步驟的流程圖。
本發(fā)明所使用的一般程序牽涉到制備FeSO4和FeCl3的水溶液，該水溶液的溫度被保持在80℃而且在迅速地加入足量的包含氫氧化物的堿性溶液，如NaOH、Fe(OH)2或Fe(OH)3的同時(shí)連續(xù)攪拌，以控制溶液的pH大約在11到11.5之間。由開始加入堿到達(dá)到最終目標(biāo)的pH不得超過(guò)兩分鐘是非常重要的。Fe3O4的共沉淀大約需要20分鐘的時(shí)間。本化學(xué)反應(yīng)式如下
大約20分鐘后，表面活性劑如油酸被加到Fe3O4已析出的溶液中，該步驟是用來(lái)涂敷Fe3O4的顆粒的。假如所加的表面活性劑為油酸，一開始其pH下降的很快，此時(shí)需加入額外份量的堿溶液，以在涂敷步驟中將pH保持在一個(gè)優(yōu)選的范圍內(nèi)，其值大約在9.5到10之間。于該涂敷過(guò)程中，反應(yīng)溫度保持在80℃。此步驟大約需30分鐘。在此步驟結(jié)束后，反應(yīng)后的混合物分成三相。在進(jìn)入下一步驟之前，除掉最上層，并保持中間和最下層留待下一步驟使用。在該涂敷過(guò)程中，當(dāng)使用的表面活性劑為油酸且使用的堿為NaOH時(shí)，其化學(xué)反應(yīng)式如下1.
2.
在涂敷步驟完成后(約30分鐘)，則進(jìn)行酸化步驟，對(duì)羧基進(jìn)行質(zhì)子化，藉此以一個(gè)質(zhì)子來(lái)取代Na+抗衡離子。該步驟可由在攪拌的同時(shí)向反應(yīng)混合物中加入足量的酸，如HCl，是混合物的pH降至從約0到約1的范圍內(nèi)來(lái)達(dá)到的。該步驟在室溫(從大約20℃C到大約25℃)下進(jìn)行。該混合物被攪拌約20分鐘。此時(shí)，涂敷了表面活性劑的磁性微粒開始凝結(jié)。在大約20分鐘時(shí)，混合相分開為二層。將上層移去，上述的酸化步驟可能需額外重復(fù)二或三次。而在每個(gè)酸化步驟結(jié)束時(shí)，上層須被移去然后再重復(fù)這一步驟。當(dāng)最上層不再含有深色微粒時(shí)，方能執(zhí)行下一個(gè)步驟。在這個(gè)取代的步驟中如以HCl為酸時(shí)，其化學(xué)反應(yīng)式如下
下一個(gè)步驟是傾析。于此步驟中，加入去離子水以便從已涂敷表面活性劑的Fe3O4產(chǎn)品中除去殘留的抗衡離子，諸如，HCl和NaCl。在65℃下向已涂敷的Fe3O4加入足量的去離子水，使此懸浮體的pH達(dá)到大約4.7到5.0之間。在加入水的同時(shí)攪拌該懸浮體。在加入足量的去離子水后，停止攪拌，使懸浮體靜置。然后將水從已沉淀的Fe3O4中傾析出去，產(chǎn)品被洗滌。
洗滌則經(jīng)由加入一做為載液的液體(如煤油)到已沉淀的Fe3O4來(lái)進(jìn)行，其比例為每克經(jīng)涂敷的Fe3O4約1毫升的煤油。攪拌此二組分，直到固態(tài)的Fe3O4完全地溶解到載液里。此懸浮液然后放置在離心試管里，在室溫下做短暫、低速的離心。我們發(fā)現(xiàn)，如以煤油為載液，則于相當(dāng)于大約500xg的相對(duì)離心力進(jìn)行10分鐘離心即相當(dāng)有效。當(dāng)樣本從離心機(jī)取出后，它已經(jīng)分成二相，上層為含有剩余鹽與大顆粒的深色液體，而下層則為涂敷了表面活性劑的磁性微粒的固體。移去上層，將已涂敷的磁性微粒盡可能地完全脫水。
我們發(fā)現(xiàn)，合適的脫水可以通過(guò)將這些微粒懸浮于丙酮中、經(jīng)1800xg離心30分鐘將其壓成片、除去丙酮、再置于65℃的爐中將微粒干燥8到12小時(shí)來(lái)達(dá)到。這些微粒被脫水后，它們?cè)俦环稚⒂谳d液中，然后將此流體在離心機(jī)里做短暫、低速的離心。這次離心將較大的或者聚集的顆粒壓成片。離心后，在離心管中沉淀物上的液體即為本發(fā)明的同質(zhì)性磁性流體。再者，可將此液體放置于65℃的爐中8到12小時(shí)揮發(fā)掉部份載液，可增加在該液體中磁性微粒的濃度。
除了以上敘述的煤油與油酸的組合外，其它組載液與表面活性劑的組合亦可以用來(lái)產(chǎn)生本發(fā)明的可在其薄膜中形成有序結(jié)構(gòu)的組合物。表1舉出其代表性的組合。于該表中，任何在一欄列出的那些載液可以和同一行的欄中所列出的任何表面活性劑共同使用。<
同質(zhì)性磁性流體的特征根據(jù)以上所描述的程序，制作出一種同質(zhì)性的磁性流體。其樣本的X光衍射的圖案能用來(lái)證實(shí)如所期待的Fe3O4樣本的單一相態(tài)fcc尖晶石結(jié)構(gòu)。該X光衍射數(shù)據(jù)可用來(lái)和從經(jīng)由粉末衍射標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合委員會(huì)(Joint Committee on Power Deffraction Standards，JCPDS)編譯的國(guó)際衍射數(shù)據(jù)中心(International Center for Diffraction Data)中的標(biāo)準(zhǔn)作比較。該樣本的磁化則使用震動(dòng)樣本磁化儀來(lái)量測(cè)，諸如，EG&GPrinceton Applied Research的VSM控制機(jī)4500型。這些樣本的微粒尺寸可通過(guò)擬合Langevin函數(shù)，L(α)＝M/Ms＝(cothα-1/α)，其中α＝MsVH/kT、M是外加磁場(chǎng)強(qiáng)度H下樣本的磁化強(qiáng)度、Ms是樣本的飽和磁化強(qiáng)度、V是微粒的體積，由其磁化強(qiáng)度、應(yīng)用的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)(M-H數(shù)據(jù))而求得。因?yàn)闇囟取、Ms、k和H是已知的，故V能被解得以求出微粒的半徑。這個(gè)Langevin函數(shù)假設(shè)(1)均勻的顆粒尺寸；和(2)獨(dú)立的顆粒行為。對(duì)磁性流體而言，其顆粒尺寸為一個(gè)正態(tài)分布所描述，而且顆粒間因其產(chǎn)生磁矩而產(chǎn)生相互作用。因此，經(jīng)驗(yàn)的M-H曲線愈接近計(jì)算的Langevin函數(shù)，Langevin函數(shù)的假設(shè)則愈符合。假如拿一個(gè)磁鐵接近按本發(fā)明制備的同質(zhì)性磁性流體的薄膜，可觀察到一有淺色的光出現(xiàn)在薄膜上且隨磁鐵移動(dòng)而移動(dòng)，此是由于響應(yīng)于該磁場(chǎng)的影響而產(chǎn)生的有序結(jié)構(gòu)所引起的光學(xué)效果。如此色彩在從Ferrofluidics Corp.(Nashua，New Hampshire)所獲得的EMG909，一種商業(yè)上可獲得的煤油基Fe3O4鐵磁流體中，是無(wú)法觀察到的。
同質(zhì)性磁性流體薄膜中的有序結(jié)構(gòu)根據(jù)上述方法所合成之磁性流體，可被封入不同池厚度的玻璃池中，以形成流體薄膜。本發(fā)明的薄膜優(yōu)選的厚度在約為l微米到約20微米的范圍內(nèi)，而更優(yōu)選的厚度則從約2微米到約6微米(1微米＝10-6米)。于本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，平行和垂直于薄膜平面的磁場(chǎng)分別由亥姆霍茲線圈和一個(gè)均勻的螺線管所產(chǎn)生。而假如需要其它的選擇，螺線管可被亥姆霍茲線圈所替代以提供平行磁場(chǎng)。該亥姆霍茲線圈和螺線管所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度與供給這些裝置的電流相關(guān)，并可由高斯計(jì)量測(cè)到該磁場(chǎng)；所得到的磁場(chǎng)是均勻的，而且在薄膜范圍內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度的偏差少于1％。為確定外加磁場(chǎng)所產(chǎn)生的同質(zhì)性磁性流體薄膜中有序結(jié)構(gòu)的特性，我們利用Zeiss光學(xué)顯微鏡來(lái)拍攝薄膜的圖像，且薄膜中圖像形成對(duì)時(shí)間的演進(jìn)經(jīng)由一CCD攝像機(jī)傳輸?shù)絺€(gè)人計(jì)算機(jī)記錄下來(lái)。
圖2闡示一個(gè)用來(lái)量測(cè)在外加磁場(chǎng)下同質(zhì)性磁性流體薄膜之特性的設(shè)備。為了可自動(dòng)地獲得圖像數(shù)據(jù)，用來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)的電源供應(yīng)器是經(jīng)由計(jì)算機(jī)編程控制的，而程序控制數(shù)據(jù)擷取的計(jì)算機(jī)程序是這樣編寫的，使得磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的增率可以被調(diào)整。如果需要，可在擷取數(shù)據(jù)前，程序設(shè)定一個(gè)延遲時(shí)間，以便磁場(chǎng)強(qiáng)度變化后，可確保圖樣已達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定的狀態(tài)。
當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的方法所制備之同質(zhì)性磁性流體薄膜，受到一垂直磁場(chǎng)(也即，磁場(chǎng)方向垂直于薄膜平面)時(shí)，初始將生成無(wú)序的量子圓柱體(quantum columns)。假如增加磁場(chǎng)強(qiáng)度使之超過(guò)臨界值Hh，會(huì)形成一個(gè)平衡的二維六角形的結(jié)構(gòu)，而微粒圓柱體(particle columns)則占據(jù)晶格的頂點(diǎn)。假如磁場(chǎng)強(qiáng)度增加到另外一個(gè)臨界值Hl，此結(jié)構(gòu)型式將由六角形的結(jié)構(gòu)變成迷宮的型式。圖3舉例說(shuō)明在6μm薄膜所產(chǎn)生的現(xiàn)象。介于磁場(chǎng)強(qiáng)度Hh和Hl的范圍內(nèi)，微粒圓柱體間的距離幾乎是和磁場(chǎng)強(qiáng)度的倒數(shù)成正比；此微粒圓柱體間的距離是在幾個(gè)微米的數(shù)量級(jí)(圖5)。相反地，在垂直磁場(chǎng)影響之下，商業(yè)上可提供的磁性流體只產(chǎn)生無(wú)序的量子圓柱體。
其它影響微粒圓柱體間的距離的參數(shù)包括薄膜厚度L(圖4和圖5)、磁場(chǎng)強(qiáng)度的增率dH/dt(圖6)、在流體中磁性微粒的濃度(體積分?jǐn)?shù))和溫度T。圓柱體間的距離直接地與磁性流體薄膜的厚度成比例(圖5)。對(duì)于相同的最終磁場(chǎng)強(qiáng)度，增加磁場(chǎng)強(qiáng)度的增率(dH/dt)傾向于減少圓柱體間的距離。這或許是，由于邊界效應(yīng)的影響。在一圓柱體間的距離d(縱座標(biāo))對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度H(橫座標(biāo))的函數(shù)曲線圖中，一條以較高磁場(chǎng)強(qiáng)度增率所產(chǎn)生的曲線將處于以較低磁場(chǎng)強(qiáng)度增率所產(chǎn)生曲線之下和左方。體積分?jǐn)?shù)可經(jīng)由以額外的載液稀釋磁性流體來(lái)調(diào)整。當(dāng)薄膜厚度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的增率維持不變時(shí)，減少體積分?jǐn)?shù)傾向增加圓柱體間的距離。因此，在不同體積分?jǐn)?shù)時(shí)的距離對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)圖中顯示，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)降低時(shí)，這d-H曲線移向上和右方。在全部其他參數(shù)保持不變下，增加溫度T使得微粒的磁化強(qiáng)度降低，因而造成圓柱體間的距離增加的結(jié)果。
假如本發(fā)明的同質(zhì)性磁性流體薄膜受到一平行磁場(chǎng)的作用，薄膜中磁性微粒凝聚而形成平行于磁場(chǎng)的方向的微粒鏈。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，因?yàn)樗鼈冮g的相互作用，這些微粒鏈傾向聚集和形成粗而長(zhǎng)的鏈。一維準(zhǔn)周期性的結(jié)構(gòu)已在本發(fā)明的同質(zhì)性磁性流體的薄膜中被觀察到。這些鏈存在于橫跨整個(gè)薄膜厚度的不同層次上。微粒鏈間的距離與磁場(chǎng)強(qiáng)度的倒數(shù)成比例(圖8)，而和薄膜厚度成正比(圖9)。
利用同質(zhì)性磁性流體薄膜的磁光裝置本發(fā)明同時(shí)也針對(duì)當(dāng)電磁波通過(guò)正暴露于外加磁場(chǎng)下的本發(fā)明同質(zhì)性磁性流體薄膜中的可控制的有序結(jié)構(gòu)，或被其反射時(shí)所產(chǎn)生的光學(xué)現(xiàn)象。為顯示這些現(xiàn)像，圖10所描繪的設(shè)備是用來(lái)建構(gòu)和測(cè)試磁光裝置的。其中所使用的薄膜的面積為1cm×4cm。并分別地用亥姆霍茲線圈和一個(gè)均勻的螺線管來(lái)產(chǎn)生平行和垂直的均勻磁場(chǎng)。所得的磁場(chǎng)是均勻的，在薄膜周圍，所量測(cè)得到的磁場(chǎng)強(qiáng)度的偏差小于1％。采用一白色光源(Intralux 500-1 240瓦特的鹵素?zé)?，美?guó)VOLPIManufacturing，Inc.制造，燈大約開在最大功率的25％)。所產(chǎn)生的光束通過(guò)一望遠(yuǎn)鏡而變得幾乎平行。兩個(gè)光學(xué)透鏡用來(lái)使此近平行光束平行，再以一放置于兩個(gè)光學(xué)透鏡間的光圈來(lái)控制光束的大小。而此一平行的白光經(jīng)過(guò)一個(gè)置于薄膜下的反射鏡反射。此反射鏡相對(duì)于光束的角度可經(jīng)由轉(zhuǎn)動(dòng)鏡平面來(lái)調(diào)整，結(jié)果使得光到薄膜的入射角改變。而數(shù)據(jù)擷取，則利用一連接到個(gè)人計(jì)算機(jī)的CCD攝相機(jī)獲取通過(guò)薄膜的影像。另外，有時(shí)亦以傳統(tǒng)的底片照相機(jī)來(lái)代替獲得薄膜的圖像。
圖11是將一滴同質(zhì)性磁性流體暴露在外加的垂直磁場(chǎng)下的照片。該滴的厚度因表面張力的關(guān)系而改變，由于外加磁場(chǎng)下所形成的有序陣列間之距離隨著薄膜的厚度而改變，所以當(dāng)一平行的白光放置在薄膜下時(shí)，在薄膜上方可以看見彩色的光譜。圖中刻度的尺寸相當(dāng)于2mm。
圖12為同質(zhì)性磁性流體薄膜的一系列相片影像，用來(lái)闡明經(jīng)由一外加垂直磁場(chǎng)影響的薄膜所產(chǎn)生光的衍射。圖中刻度的尺寸相當(dāng)于2mm。于這一些影像中，除了供應(yīng)給用來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)之螺線管的電流外，其他所有的參數(shù)均保持不變。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度改變時(shí)，薄膜顏色從紅色一直改變到紫色。這一系列的影像，顯示出通過(guò)薄膜的光的顏色是可以被控制的，而且可由薄膜得到一片面積約在幾個(gè)平方厘米的單一顏色的光。
根據(jù)本發(fā)明的方法，可構(gòu)建一包含很多像素(pixel)的顯示裝置，每一個(gè)像素包含一個(gè)個(gè)別用來(lái)控制薄膜磁場(chǎng)強(qiáng)度或溫度的電路，經(jīng)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整每一個(gè)像素的電流，多種彩色的影像就會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。
實(shí)施例1同質(zhì)性磁性流體組合物的制備首先將160gNaOH(95％純度，Nihon Shiyaku Industries，Ltd.)加入足夠量的去離子水使之最終的體積為500毫升的8摩爾的NaOH溶液500ml。第二種溶液則是在足量的去離子水中混入0.1摩爾的FeSO4·7H2O(98％純度，Showa Chemicals，Inc.)和0.2摩爾的FeCl3·6H2O(97％純度，Showa Chemicals，Inc.)使得最終體積為600毫升。以一根玻璃攪拌棒連續(xù)地?cái)嚢璧诙N溶液，同時(shí)將足夠量的NaOH加入以提高pH并使之保持在11到11.5之間，此時(shí)Fe3O4從溶液中析出。NaOH溶液的添加大約在兩分鐘內(nèi)完成。在此反應(yīng)的步驟中，溫度保持在80℃，此沉淀步驟歷經(jīng)約20分鐘。
再以50毫升的油酸(Showa Chemicals，Inc.)加入到含有Fe3O4的上述溶液中，以便以油酸來(lái)涂敷微粒。一開始，pH下降的很多，需加入額外的NaOH溶液，以保持在整個(gè)涂敷步驟中的pH在10左右。在此反應(yīng)的步驟中，溫度保持在80℃，且大約需時(shí)30分鐘。在此步驟完成時(shí)，溶液會(huì)分成三相。可移去最上層，中間和最下面一層則保留給下一步驟使用。
足量體積的HCl(37.52％純度，Polin)加到余留的溶液中，使其pH下降到1左右。此步驟在室溫下進(jìn)行。于此步驟，需持續(xù)攪拌約20分鐘，此時(shí)涂敷油酸的磁性微粒開始凝結(jié)。在大約20分鐘結(jié)束時(shí)，此溶液會(huì)分開為二相。將含有黑色粒子懸浮的上層移去，并重復(fù)上述的整個(gè)酸化步驟。同樣地，再一次將上層移去。在第二次酸化步驟后，溶液上層不再觀察到黑色粒子懸浮。但在有些合成中，此步驟可能需再被重復(fù)執(zhí)行一到二次，直到最上層不再含有黑色粒子懸浮，而每次步驟重復(fù)前，則須移去上層。
在酸化步驟完成后，65℃的去離子水加入保留的下層溶液，以便用來(lái)清除殘留的HCl和NaCl。一面加水一面攪拌，加入足量的水，使得溶液的pH到大約為5左右。讓溶液中固態(tài)物質(zhì)沉淀，再將水傾析倒掉。
固態(tài)物質(zhì)再以每克加入1毫升的煤油來(lái)清洗，一直攪拌直至固態(tài)物質(zhì)完全分散在煤油中，再將此溶液倒入離心管里，以大約500xg離心10分鐘。此步驟的離心與其它步驟的離心均在室溫下進(jìn)行。離心后，此樣本分成兩層。上層為一包含殘留的鹽類和大粒子的深色液體，下層為含有已涂敷油酸磁性微粒的固相物質(zhì)。除掉上層，通過(guò)將此固態(tài)物質(zhì)以丙酮分散，再以約1800xg離心30分鐘進(jìn)行沉淀，倒掉丙酮，以及將磁性微粒置放在65℃的爐中烘干8到12小時(shí)進(jìn)行脫水。最后，將這些干燥的微粒以煤油一對(duì)一微粒為0.8ml/g分散在煤油中。此溶液再以大約500xg離心10分鐘。將懸浮體由離心管里倒出放入在65℃的爐中烘干大約10小時(shí)，以便將部份的煤油蒸發(fā)來(lái)提高Fe3O4的濃度。此液體由爐中取出，并用于形成薄膜中的有序結(jié)構(gòu)。將此一同質(zhì)性磁流體等分部分密封于玻璃池中以形成磁性流體薄膜。
該Fe3O4樣本的X光衍射的圖樣證實(shí)為單一相態(tài)fcc尖晶石結(jié)構(gòu)。量測(cè)到的晶格常數(shù)為8.4埃。樣本的磁化強(qiáng)度則使用震動(dòng)樣本磁化儀來(lái)測(cè)量，所量測(cè)到此同質(zhì)性磁性流體的飽和磁化強(qiáng)度為10.58emu/g。其體積分?jǐn)?shù)可由此磁性流體的飽和磁化強(qiáng)度和干Fe3O4粉末的飽和磁化強(qiáng)度之比值計(jì)算得到，其比例為18.9％。
實(shí)施例2作為外加磁場(chǎng)強(qiáng)度之函數(shù)的二維有序結(jié)構(gòu)圖2所顯示的設(shè)備，是用來(lái)檢驗(yàn)依實(shí)施例1所合成同質(zhì)性磁性流體的薄膜中，在一個(gè)垂直于薄膜平面的外加磁場(chǎng)的影響下，在薄膜中所產(chǎn)生結(jié)構(gòu)圖樣。在此實(shí)施例中，外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度是被改變的。圖3顯示以CCD攝像機(jī)所攝取使用6微米厚磁性流體薄膜時(shí)的影像，用來(lái)顯示二維有序結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程由無(wú)序的量子圓柱體(圖3A)、到有序的六角形結(jié)構(gòu)(圖3B和圖3C)和再到無(wú)序迷宮的型態(tài)(圖3D)。這些影像顯示出圓柱體間的距離，在兩個(gè)臨界強(qiáng)度(Hh和Hl)之間，大約和磁場(chǎng)強(qiáng)度成反比。
實(shí)施例3作為薄膜厚度之函數(shù)的二維有序結(jié)構(gòu)在此實(shí)施例中，檢驗(yàn)薄膜厚度對(duì)有序結(jié)構(gòu)的圖樣形成的影響。利用圖2所顯示的設(shè)備，來(lái)探討不同薄膜厚度下同質(zhì)性磁性流體薄膜的二維之有序結(jié)構(gòu)。在此實(shí)驗(yàn)中，除了薄膜厚度外，其他的參數(shù)均保持不變，而薄膜厚度的變化則利用不同深度的玻璃凹槽來(lái)達(dá)成，其厚度從10微米改變到2微米。圖4提供以CCD攝相機(jī)所攝取的、依實(shí)施例1所合成的同質(zhì)性磁性流體之薄膜的影像，采用的是100Oe的恒定磁場(chǎng)強(qiáng)度，其中在所探討的薄膜中形成二維六邊形結(jié)構(gòu)。這些影像顯示，圓柱體間的距離在所探討的薄膜厚度的范圍內(nèi)大約和薄膜厚度成正比。
實(shí)施例2和實(shí)施例3的結(jié)果顯示，在外加的垂直磁場(chǎng)下，二維六角形結(jié)構(gòu)會(huì)在同質(zhì)性磁性流體的薄膜中形成。微粒圓柱體間的距離和磁場(chǎng)強(qiáng)度的倒數(shù)有緊密的關(guān)系，而至少在實(shí)施例3所探討的厚度范圍內(nèi)大約和薄膜厚度成正比。圖5描繪出微粒圓柱體間的距離為薄膜厚度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系。
實(shí)施例4作為磁場(chǎng)強(qiáng)度改變率之函數(shù)的二維有序結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)強(qiáng)度增率的影響于本實(shí)施例中加以探討，使用之磁場(chǎng)強(qiáng)度增率為5Oe/s、50Oe/s、100Oe/s和400Oe/s。圖6是微粒圓柱體間的距離在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度增率(dH/dt)下，和磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系。此圖顯示，當(dāng)增率增加時(shí)，曲線往圖的左下方移動(dòng)；也就是說(shuō)，磁場(chǎng)強(qiáng)度改變率增加時(shí)，微粒圓柱體間的距離減少。
實(shí)施例5作為體積分?jǐn)?shù)之函數(shù)的二維有序結(jié)構(gòu)除了制造過(guò)程中最后的分散步驟外，磁性微粒與其載液間不同體積分?jǐn)?shù)的磁性流體樣本可依實(shí)施例1的方法所合成；而在分散步驟中，可用所加入煤油體積的多寡來(lái)改變磁性流體的體積分?jǐn)?shù)。圖7顯示減少體積分?jǐn)?shù)使得距離相對(duì)于磁場(chǎng)強(qiáng)度的曲線圖往右上方移動(dòng)，也就是說(shuō)，在所有其他參數(shù)保持不變下，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)減少時(shí)，微粒圓柱體間的距離會(huì)增加。
在以后的兩個(gè)實(shí)施例中，將以亥姆霍茲線圈取代圖2所顯示的設(shè)備中的均勻螺線管，以便外加到薄膜的磁場(chǎng)由垂直于變成平行于薄膜的平面。
實(shí)施例6
作為外加磁場(chǎng)強(qiáng)度之函數(shù)的一維有序結(jié)構(gòu)在此實(shí)施例中，同質(zhì)性磁性流體所制做薄膜受到一個(gè)其方向平行于薄膜平面的外加磁場(chǎng)的作用。當(dāng)加上磁場(chǎng)時(shí)，在薄膜中的磁性微粒開始聚集、在薄膜平面沿磁場(chǎng)方向形成磁性微粒鏈，這些磁性微粒鏈存在于薄膜厚度間的不同層次。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，磁性微粒鏈變成具有周期性，而且磁性微粒鏈間的距離成比例地降低。圖8顯示，在同質(zhì)性磁性流體的薄膜中，將磁場(chǎng)強(qiáng)度從100Oe改變到400Oe對(duì)周期性磁性微粒鏈間距離的影響。
實(shí)施例7作為薄膜厚度之函數(shù)的一維有序結(jié)構(gòu)在此實(shí)施例中，探討薄膜厚度對(duì)響應(yīng)于平行磁場(chǎng)的一維周期性結(jié)構(gòu)的影響。同質(zhì)性磁性流體封入不同深度的玻璃池中，以便探討薄膜厚度的影響。圖9顯示在所探討的薄膜厚度的范圍內(nèi)(10μm到2μm)而且其他參數(shù)均保持不變的情況下，磁性微粒鏈間距離和薄膜厚度成正比。
實(shí)施例8第一種類型的光衍射彩色顯示器當(dāng)外加垂直磁場(chǎng)達(dá)到臨界值Hh時(shí)，二維微粒圓柱體陣列在同質(zhì)性磁性流體薄膜里形成。當(dāng)一平行的白色光束通過(guò)該薄膜時(shí)，產(chǎn)生衍射現(xiàn)象；當(dāng)光束達(dá)到觀察者的眼睛時(shí)，產(chǎn)生構(gòu)成性的(constructive)與破壞性的(deconstructive)干涉。圖13是用來(lái)解釋光衍射概念的同質(zhì)性磁性流體薄膜中所形成的陣列的剖面圖。在圖中，d是在二維圓柱體陣列中圓柱體間的距離、θ為入射光束和薄膜法線所夾的角度、θ′則為衍射光束和該法線的夾角，設(shè)N為所有用來(lái)衍射入射光束的微粒圓柱體的數(shù)目，經(jīng)過(guò)衍射后，光的強(qiáng)度I為
其中，
，和λ是光的波長(zhǎng)。光強(qiáng)度I變成最大時(shí)的條件與光經(jīng)過(guò)薄膜衍射后最亮的條件相同。這個(gè)條件為
其中，κ為非負(fù)值的整數(shù)。
角度θ可被設(shè)計(jì)使得sinθ＞＞sinθ′。因此對(duì)于一個(gè)固定的角度θ，當(dāng)觀察者遠(yuǎn)離薄膜時(shí)，他所觀察到的顏色將不會(huì)因有限的移動(dòng)而改變。同時(shí)，κ＝0的情況將不會(huì)發(fā)生。κ＝1的情況是最有趣而且是最重要的。在此條件下，d和λ的關(guān)系為dsinθ＝λ如果這一個(gè)波長(zhǎng)λ是在可見光的范圍，則相同的d將只允許其他波長(zhǎng)為λ/κ的光通過(guò)薄膜，其中κ＝2，3，……。幸運(yùn)地，這些波長(zhǎng)的光是在可見光的頻譜之外。而其理由為，人類眼睛可觀察到最長(zhǎng)波長(zhǎng)的光大約為0.7μm，因此λ/2＝0.35μm。這一波長(zhǎng)的電磁波在頻譜中為紫外線的范圍，因此無(wú)法被人類的眼睛觀察到。其結(jié)果，觀察者將只看到單一波長(zhǎng)的光。
當(dāng)然，光的強(qiáng)度I一定會(huì)散射，其散射的程度δλ必須滿足
的條件。在同質(zhì)性磁性流體薄膜里的二維微粒圓柱體陣列的情況下，N值非常的大而且與薄膜面積有關(guān)，因此，
非常的小。如果微粒圓柱體間的距離d滿足
，將可觀察到一很純的單色光。幸運(yùn)的是，根據(jù)本發(fā)明的方法所制成的同質(zhì)性磁性流體的二維微粒圓柱體陣列，其微粒圓柱體間的距離正是在幾微米之間，因此微粒圓柱體陣列有能力對(duì)可見光造成衍射來(lái)產(chǎn)生強(qiáng)度的干涉。更進(jìn)一步地，因?yàn)榫嚯xd可被操控，譬如，控制外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度的增率(dH/dt)、磁場(chǎng)方向與薄膜的夾角、同質(zhì)性磁性流體薄膜的厚度和/或其溫度，觀察者所看到光的顏色可隨心所欲地來(lái)改變。
根據(jù)本發(fā)明的方法，所構(gòu)建的顯示器將包含許多像素(pixels)。每一個(gè)像素可由一片同質(zhì)性磁性流體的薄膜配一電路所組成，該電路是用來(lái)驅(qū)動(dòng)在個(gè)別像素中微粒圓柱體間距離的改變，而造成出射光顏色的改變。圖14是一個(gè)像素的概念圖。在顯示器中，當(dāng)像素里微粒圓柱體間的距離d被個(gè)別地調(diào)整，顯示器將產(chǎn)生一個(gè)多種顏色的影像。
根據(jù)由Bragg所提出之衍射原理，同質(zhì)性磁性流體的薄膜，在外加水平磁場(chǎng)的影響之下，亦可發(fā)生衍射的現(xiàn)象。當(dāng)對(duì)薄膜施加磁場(chǎng)時(shí)，磁性微粒開始聚集，形成平行于薄膜平面的微粒鏈。而微粒鏈間的距離，可以由改變磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)控制。當(dāng)一入射的白色光束與薄膜平面形成一夾角時(shí)，微粒鏈將光束折射。因這些微粒鏈位于薄膜里的不同層次，被不同層次微粒鏈所折射的光將產(chǎn)生干涉，結(jié)果產(chǎn)生非常鮮艷的色彩。這里再次地可以調(diào)整外加的磁場(chǎng)來(lái)得到所要的色彩。
實(shí)施例9單色光衍射開關(guān)如實(shí)施例8所提供的，同質(zhì)性磁性流體的薄膜可用來(lái)從白色光產(chǎn)生波長(zhǎng)為λ的單一顏色的光。在如同實(shí)施例八中所描述情況下(也就是sinθ＞＞sinθ′)，衍射只有在當(dāng)同質(zhì)性磁性流體薄膜里二維微粒圓柱體陣列的微粒圓柱體間之距離滿足dsinθ＝λ的條件時(shí)才會(huì)發(fā)生。亦即，在外加磁場(chǎng)的特定強(qiáng)度下，一種單色光才會(huì)被薄膜所衍射，而通過(guò)它達(dá)到觀察者的眼睛。經(jīng)由調(diào)整外加垂直磁場(chǎng)的強(qiáng)度，即可關(guān)閉或者打開光開關(guān)。如果以一有顏色的染料涂覆在薄膜上，把光開關(guān)打開，所需要的顏色就可出現(xiàn)。
實(shí)施例10光衍射的可調(diào)式波長(zhǎng)濾波器此實(shí)施例同樣利用實(shí)施例8所發(fā)展的概念。同質(zhì)性磁性流體薄膜中所形成六角形結(jié)構(gòu)的微粒圓柱體間之距離可被調(diào)整，且大約為幾微米。如同實(shí)施例8所提，可經(jīng)由調(diào)整微粒圓柱體間之距離d，來(lái)選取波長(zhǎng)在微粒圓柱體間距離大小的電磁波。除了薄膜面積可能大很多外，其同質(zhì)性磁性流體薄膜和它的電路類似于實(shí)施例八所示的那一些。
實(shí)施例11第二種類型的光衍射彩色顯示器第二種類型的光衍射彩色顯示器的想法是利用在實(shí)施例八和實(shí)施例九所使用技術(shù)的結(jié)合。此顯示器由大量的像素所組成，每一個(gè)像素包括三個(gè)彼此緊鄰在一起的單色光衍射開關(guān)。每一個(gè)開關(guān)由同質(zhì)性磁性流體薄膜和用來(lái)控制微粒圓柱體間之距離d的電路所組成的。這三個(gè)光開關(guān)的光源分別為紅、綠和藍(lán)，而且這三個(gè)光開關(guān)只被設(shè)定個(gè)別地允許紅、綠和藍(lán)的光地通過(guò)。
經(jīng)由適當(dāng)?shù)恼{(diào)整控制回路的電流，單色光衍射開關(guān)可以被打開或者是關(guān)閉，因此可以完全不允許或者是允許這三種顏色之一通過(guò)光開關(guān)。因而顯示器的每一像素將可顯示任一的黑、紅、綠、藍(lán)或者是這后三種顏色的任意結(jié)合。當(dāng)含有像素的光開關(guān)的電流被個(gè)別地加以調(diào)整，顯示器將顯現(xiàn)出一彩色RGB(紅、綠、藍(lán))的圖像。
實(shí)施例12光雙折射彩色顯示器本實(shí)施例是一種使用在外加磁場(chǎng)平行于薄膜平面下，同質(zhì)性磁性流體薄膜的應(yīng)用。在外加磁場(chǎng)下，磁性微粒聚集且在薄膜平面形成微粒鏈，這一些微粒鏈存在于薄膜厚度的不同層次。此時(shí)薄膜里的磁性流體，因微粒鏈的方向性排列，變成各向異性的介質(zhì)。
沿著微粒鏈排列方向的光折射系數(shù)n||將和垂直于微粒鏈排列方向的光折射系數(shù)n⊥不同，因此在磁性流體薄膜里行進(jìn)一距離s(此處s是薄膜的厚度)，光波其電場(chǎng)在平行于微粒鏈排列方向的偏振平面，將和光波其電場(chǎng)在垂直于微粒鏈排列方向的偏振平面不同。以E||和E⊥來(lái)表示這些電場(chǎng)強(qiáng)度，可表示成E||αeiω[t-n||·sc]]]>和E⊥αeiω[t-n⊥·sc]]]>這里，
、ω是電磁波的頻率、t是時(shí)間而c是光速。這些電磁波因不同的n||和n⊥值，將會(huì)相互干涉。此實(shí)施例為利用調(diào)整外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度以改變n||和n⊥的差值，來(lái)控制兩光波相互干涉的應(yīng)用。圖15舉例說(shuō)明本發(fā)明這個(gè)實(shí)施例的具體表現(xiàn)。
在圖15中，兩片極軸(polar axes)相互垂直的偏振片(polarizers)覆蓋在同質(zhì)性磁性流體薄膜的兩面。選擇外加磁場(chǎng)使其方向與兩片偏振片的極軸成45°夾角。當(dāng)光打到偏振片時(shí)，只有與偏振片極軸平行的光能夠通過(guò)。因?yàn)檫@兩片偏振片相互垂直，故通過(guò)第一片偏振片的光無(wú)法通過(guò)第二片偏振片。但是，當(dāng)二片偏振片間有一各向異性的介質(zhì)時(shí)，入射光的電場(chǎng)將被旋轉(zhuǎn)，因此有部分的光將能夠通過(guò)第二片偏振片。
在此實(shí)施例中，外加一平行于薄膜的磁場(chǎng)，而在薄膜里的磁性流體變成各向異性的。因?yàn)閚||和n⊥所產(chǎn)生差值的結(jié)果，當(dāng)光通過(guò)薄膜時(shí)，光偏振平面將被旋轉(zhuǎn)。因此，部分的光將能夠通過(guò)第二片偏振片達(dá)到觀察者的眼睛。實(shí)際上，通過(guò)二片偏振片和同質(zhì)性磁性流體薄膜的光的強(qiáng)度和
成正比，最大強(qiáng)度的條件為
，其中，κ為一不為負(fù)的整數(shù)。在此狀況下，薄膜的厚度s不會(huì)因改變外加磁場(chǎng)而改變?？墒?，(n||-n⊥)的值可經(jīng)由改變例如外加磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)改變。因此可經(jīng)由例如改變外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度來(lái)獲得所需要波長(zhǎng)的光。此實(shí)施例的像素和產(chǎn)生磁場(chǎng)的電路與實(shí)施例八相類似；唯一的不同處，在本實(shí)施例中，磁場(chǎng)為平行于同質(zhì)性磁性流體薄膜平面。
上面的例子只被用來(lái)提供舉例說(shuō)明這項(xiàng)發(fā)明，但并不局限這項(xiàng)發(fā)明所涵括的范圍。其他有關(guān)這項(xiàng)發(fā)明的變化，對(duì)于一個(gè)具平常技巧的專業(yè)而言，是容易且明顯的，將在以后附加的權(quán)利要求中含括。而在此引用的全部出版物，注冊(cè)專利和注冊(cè)專利申請(qǐng)，將納入?yún)⒖假Y料。
權(quán)利要求
1.一種光衍射彩色顯示裝置，包含(a)一種磁性流體組合物的薄膜，其基本上是由被表面活性劑涂敷的、并分散在一連續(xù)相液體載液中的磁性微粒所組成的，其中，該流體中的微粒能夠形成能夠衍射光線的有序結(jié)構(gòu)；(b)產(chǎn)生能誘發(fā)有序結(jié)構(gòu)之形成的磁場(chǎng)的設(shè)備；和(c)控制該有序結(jié)構(gòu)的元素之間隔的設(shè)備。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，該磁性微粒是Fe3O4、表面活性劑是油酸，且載液是煤油。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，該有序結(jié)構(gòu)是六邊形陣列。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，該控制設(shè)備包含用來(lái)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度的設(shè)備。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，該控制設(shè)備包含用來(lái)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度增率的設(shè)備。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，該控制設(shè)備包含用來(lái)改變磁場(chǎng)相對(duì)于該薄膜平面取向的設(shè)備。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，該控制設(shè)備包含用來(lái)改變磁性流體溫度的設(shè)備。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，該控制設(shè)備包含用來(lái)改變?cè)摫∧ず穸鹊脑O(shè)備。
9.一種單色光衍射開關(guān)，包含如權(quán)利要求1所述的裝置和一單色光源，其中，薄膜的透光率是通過(guò)調(diào)整該有序結(jié)構(gòu)的間隔來(lái)控制的。
10.一個(gè)像素，包含三個(gè)單色光開關(guān)，其中，用于第一開關(guān)的單色光的顏色為紅色、用于第二開關(guān)的單色光的顏色為綠色，而用于第三開關(guān)的單色光的顏色為藍(lán)色。
11.一種光衍射彩色顯示器，包含一個(gè)如權(quán)利要求10所述的像素的二維陣列。
全文摘要
公開了合成能夠在外加磁場(chǎng)下形成有序的一維結(jié)構(gòu)和二維晶格的同質(zhì)性磁性流體組合物的方法。該組合物的制備采用了一種改進(jìn)的共沉淀方法,該方法之步驟經(jīng)調(diào)整以減少樣品的異質(zhì)性。Fe
文檔編號(hào)H01F1/34GK1258372SQ98804806
公開日2000年6月28日 申請(qǐng)日期1998年4月1日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月4日
發(fā)明者洪振義, 洪姮娥, 楊鴻昌, 楊維邦 申請(qǐng)人:振義·羅克斯·洪, 洪姮娥, 楊鴻昌, 楊維邦