在开启状态下具有降低的衍射的电泳粒子膜的制作方法

本发明涉及可光学切换并包括流体或凝胶层的光调制设备，尤其涉及具有柔性衬底的设备。这种设备优选地在观看区域内具有聚合物结构以保持衬底之间的间隙并支持使用中的操作，包括弯曲以及层压到玻璃或另一衬底。

背景技术：

1、本发明涉及电泳光调制膜，即被设计用于调制通过电泳介质的光或其它电磁辐射的量的膜。在某些情况下，光会完全穿过膜(即从顶部到底部)。在其它情况下，光可以穿过电泳介质，从表面反射/散射并再次穿过介质返回(即，从顶部到底部表面并返回到顶部)。因此，这种膜可以包含到显示器、标牌、可变透射铝窗、反射镜、显示器和类似的设备中。这种膜通常具有“开启”状态和“关闭”状态，在“开启”状态下，一组或多组颜料粒子被隔离到侧面或井中等等以致大部分入射光可以穿过介质，而在“关闭”状态下，一组或多组颜料粒子分布在介质中以吸收一部分入射光。

2、例如，在美国专利no.10,067,398中，电泳光衰减器包括单元，该单元包括第一衬底、与该第一衬底间隔开的第二衬底、设置在衬底之间并包含电泳墨水的层以及伸入电泳墨水中并设置为与第二衬底的表面相邻的紧密堆积的突出物的单层。突出物具有限定相邻突出物之间的多个凹陷的表面。电泳介质层(墨水层)包括至少一种类型的带电粒子，这些粒子对施加到单元的电场产生响应，以在第一极端光状态(其中，粒子在单元内最大程度地分散以位于穿过单元的光路中，因此强烈衰减从一个衬底透射到相对衬底的光)与第二极端光状态(其中，粒子最大程度地聚集在凹陷内以使光透射)之间移动。对应于凹陷中的聚集粒子的总面积是总表面面积的一小部分。

3、这种类型的设备至少部分依赖于其非平面的聚合物结构的形状，以在透明光状态中将电泳墨水中的吸收带电粒子(例如，黑色粒子)聚集，从而形成(或暴露)光孔(即透射区域)和光障碍物(即强吸收区域)，其外周会使光衍射。

4、为方便起见，本文将通常使用术语“光”，但该术语应广义理解为包括非可见波长的电磁辐射。例如，本发明可以被应用以提供可以调制红外辐射以控制建筑物内温度的窗户。更具体地，本发明涉及使用基于粒子的电泳介质来控制光调制的光调制器。可以包含到本发明的各种实施例中的电泳介质的示例包括例如美国专利no.10,809,590和美国专利申请公开no.2018/0366069中描述的电泳介质，两者的全部内容都通过引用结合于此。

5、在现有技术中，在流体或凝胶层中具有聚合物结构并且适合与本发明一起使用的方案包括vlyte innovations公司的us8,508,695，其公开将流体液滴(直径1至5微米)分散在固化于两个衬底上适当位置的连续聚合物基质中以包含液晶。此外，e ink公司的us10,809,590公开了微囊体液滴并使它们变形，以在一个衬底上的聚合物基质中形成紧密堆积的聚合物外壳的单层，随后施加粘合剂层以将囊体层结合到衬底上。e ink california的ep1264210还公开了在一个衬底上压印微杯结构，将杯填充具有可聚合成分的流体并使这些成分聚合以在流体/杯表面上形成密封层，然后施加粘合剂层以结合到第二衬底。此外，vlyte innovations公司的ep2976676公开了在一个衬底上形成壁结构、用粘合剂涂覆壁的顶部、用流体填充由壁限定的空腔以及将粘合剂聚合以将壁的顶部结合到相对的衬底上。ep3281055描述了一种柔性设备，其包括嵌入在其观看区域中的固态聚合物微结构，并且微结构位于两个衬底上。微结构通过在与衬底正交的长度上相互接合而将设备的衬底彼此接合(即紧固)。接合的微结构包含壁结构，其将设备的流体层划分为包含在对应空腔内的离散容积的单层。这为设备提供明显的结构强度。在所描述的方法中，在每个衬底上形成配合的微结构(即凸形和凹形零件)，然后彼此精确对齐并以压配合方式接合，该压配合也密封空腔中的流体层。

6、基于粒子的电泳显示器(其中，多个带电粒子在电场的影响下移动通过悬浮流体)多年来一直是密集研究和开发的主题。与液晶显示器相比，这种显示器可以具有良好的亮度和对比度、宽视角、状态双稳定性和低功耗等特性。术语“双稳态”和“双稳定性”在此使用的是其在本领域中的常规含义，指的是包括具有第一和第二显示状态的显示元件的显示器，该第一和第二显示状态的至少一个光学性质不同，并且从而在利用有限持续时间的寻址脉冲驱动任何给定元件以呈现其第一或第二显示状态之后，在该寻址脉冲已经终止后，该状态将持续的时间是用于改变该显示元件的状态所需的寻址脉冲的最小持续时间的至少几倍(例如至少4倍)。在公开的美国专利申请no.2002/0180687中示出，支持灰度的一些基于粒子的电泳显示器不仅可以稳定于其极端的黑色和白色状态，还可以稳定于其中间的灰色状态，以及一些其它类型的电光显示器也是如此。这种类型的显示器被恰当地称为是“多稳态的”而非双稳态的，但是为了方便，在此可使用术语“双稳态的”以同时涵盖双稳态的和多稳态的显示器。

7、如上所述，电泳介质需要悬浮流体的存在。在大多数现有技术的电泳介质中，这种悬浮流体是液体，但是可以使用气态悬浮流体来产生电泳介质；参见例如kitamura,t.等，“electrical toner movement for electronic paper-like display”，idw japan，2001，paper hcs1-1,以及yamaguchi,y.等，“toner display using insulative particlescharged triboelectrically”，在idw japan，2001，paper amd4-4。另参见欧洲专利申请1,429,178；1,462,847；和1,482,354；以及国际申请wo 2004/090626；wo 2004/079442；wo2004/077140；wo 2004/059379；wo 2004/055586；wo 2004/008239；wo 2004/006006；wo2004/001498；wo 03/091799；和wo 03/088495。当这种基于气体的电泳介质在允许粒子沉降的方向上使用时，例如用在介质在垂直平面内布置的指示牌中时，由于与基于液体的电泳介质相同的粒子沉降，这种基于气体的电泳介质容易遭受同样类型的问题。实际上，在基于气体的电泳介质中的粒子沉降问题似乎比在基于液体的电泳介质中更严重，因为相较于液体悬浮流体，气态悬浮流体的较低的粘度允许电泳粒子更快地沉降。

8、被转让给麻省理工学院(mit)、e ink公司、e ink california有限责任公司和相关公司或以它们的名义的许多专利和申请描述了用于封装的微单元电泳和其它电光介质的各种技术。封装的电泳介质包括许多小囊体，每一个小囊体本身包括内相和包围内相的囊壁，其中该内相含有在流体介质中的可电泳移动的粒子。典型地，这些囊体本身保持在聚合粘合剂中以形成位于两个电极之间的连贯层。在微单元电泳显示器中，带电粒子和流体未被封装在微囊体内，而是保持在形成于载体介质(通常是聚合物膜)内的多个空腔内。在这些专利和申请中描述的技术包括：

9、(a)电泳粒子、流体和流体添加剂；参见例如美国专利no.7,002,728和7,679,814；

10、(b)囊体、粘结剂和封装工艺；参见例如美国专利no.6,922,276和7,411,719；

11、(c)微单元结构、壁材料和形成微单元的方法；参见例如美国专利no.7,072,095和9,279,906；

12、(d)用于填充和密封微单元的方法；参见例如美国专利no.7,144,942和7,715,088；

13、(e)含有电光材料的膜和子组件；参见例如美国专利no.6,982,178和7,839,564；

14、(f)用于显示器中的背板、粘合剂层和其它辅助层以及方法；参见例如美国专利no.7,116,318和7,535,624；

15、(g)颜色形成和颜色调节；参见例如美国专利no.7,075,502和7,839,564；

16、(h)用于驱动显示器的方法；参见例如美国专利no.7,012,600和7,453,445；

17、(i)显示器的应用；参见例如美国专利no.7,312,784和8,009,348；以及

18、(j)非电泳显示器，如在美国专利no.6,241,921和美国专利申请公开no.2015/0277160中所描述的；以及除显示器以外的封装和微单元技术的应用；参见例如美国专利申请公开no.2015/0005720和2016/0012710。

19、许多上述专利和申请认识到在封装的电泳介质中围绕离散的微囊体的壁可以由连续相替代，从而产生所谓的聚合物分散型的电泳显示器，其中，电泳介质包括多个离散的电泳流体的液滴和聚合物材料的连续相，并且即使没有离散的囊体膜与每个单独的液滴相关联，在这种聚合物分散型的电泳显示器内的离散的电泳流体的液滴也可以被视为囊体或微囊体；参见例如前述2002/0131147。因此，为了本技术的目的，这种聚合物分散型的电泳介质被视为封装的电泳介质的子类。

20、相关类型的电泳显示器是所谓的“微单元电泳显示器”。在微单元电泳显示器中，带电粒子和悬浮流体未被封装在微囊体内，而是保持在形成于载体介质(通常是聚合物膜)内的多个空腔内。参见例如均转让给sipix imaging,inc的国际申请公开no.wo 02/01281和公开的美国专利申请序列no.2002/0075556。

21、电泳介质通常是不透光的(因为例如在许多电泳介质中，粒子基本上阻挡可见光透射通过显示器)并且在反射模式下工作。然而，也可以使电泳设备在所谓的“快门模式(shutter mode)”下工作，其中，一种显示状态是基本上不透光的，而一种显示状态是光透射的。参照例如前述美国专利no.6,130,774和6,172,798，以及美国专利第no.5,872,552；6,144,361；6,271,823；6,225,971；和6,184,856。类似于电泳显示器但依赖于电场强度的变化的介电泳显示器可以在类似模式下工作，参照美国专利no.4,418,346。其它类型的电光显示器也可以在快门模式下工作。特别地，当在透明衬底上构建这种“快门模式”电泳设备时，可以调节通过该设备的光的透射。

22、封装的或者微单元电泳显示器通常不受传统电泳设备的聚集与沉降故障模式的困扰并且提供更多的有益效果，例如在多种柔性和刚性衬底上印刷或涂布显示器的能力。(使用词“印刷”旨在包括印刷和涂布的所有形式，包括但不限于：诸如修补模具涂布、狭缝或挤压涂布、滑动或层叠涂布、幕式涂布的预先计量式涂布；诸如罗拉刮刀涂布、正向和反向辊式涂布的辊式涂布；凹面涂布；浸渍涂布；喷涂；弯月面涂布；旋转涂布；刷涂；气刀涂布；丝网印刷工艺；静电印刷工艺；热印刷工艺；喷墨印刷工艺；电泳沉积；及其它类似技术)。因此，所产生的显示器可以是柔性的。此外，由于可以(使用多种方法)印刷显示器介质，因此显示器本身可以被便宜地制造。

23、电泳介质的一个潜在的重要市场是具有可变光透射率的窗户。随着建筑物和车辆的能源性能变得越来越重要，电泳介质可以用作窗户上的涂层，通过改变电泳介质的光学状态来电子地控制透射通过窗户的入射辐射的比例。在建筑物中有效实施这种“可变透射率”(“vt”)技术期望提供(1)减少炎热天气期间不需要的热效应，从而减少冷却所需的能量、空调设备的尺寸、以及高峰电力需求；(2)增加自然光的利用，从而减少用于照明的能量和高峰电力需求；以及(3)通过增加热舒适度和视觉舒适度来增加居住者的舒适度。预计在汽车中会产生更大的好处，其中，玻璃表面与封闭容积的比率明显大于典型建筑物。具体地，预计vt技术在汽车中的有效实施不仅可以提供上述好处，而且还可以(1)提高驾驶安全性，(2)减少眩光，(3)(通过在反射镜上使用电光涂层)增强反射镜性能，以及(4)提高使用平视显示器的能力。vt技术的其它潜在应用包括电子设备中的隐私玻璃和眩光防护装置。

24、需要一种解决方案，该解决方案尽可能地减少或避免对关于通过使用非平面的聚合物结构形成光学透明光状态的电泳设备观看的明亮光源的衍射图案的感知。在衍射图案中，明带和暗带围绕着明亮的光源，大幅放大它的外观尺寸。当设备两侧的光照水平明显不同时，例如，在夜间观看路灯、交通信号灯或汽车前灯时，衍射图案就会变得可感知。

25、在本文所使用的衍射是指由光的波动性引起的各种现象，并且在实施例中发生在光透射区域边缘处，其中，光波被黑色带电粒子阻挡(或吸收)。衍射现象可以描述为光波在障碍物(即聚集的黑色带电粒子)周围的明显弯折以及光波通过小开口(即没有带电粒子的孔)的扩散。

26、在提供周期性间隔的孔或障碍物的设备(例如，具有六方紧密堆积突出物的设备)中，通过设备观看的明亮物体会产生变化强度(即明带和暗带)的复杂衍射图案。复杂图案是由于经不同路径传播到观看者的光波的不同部分的叠加或干涉，并且类似于具有相似形状的狭缝的衍射光栅所形成的衍射图案。当通过设备观看物体时，阵列中的孔(或障碍物)的尺寸越小，衍射带越宽。

27、本文设想的许多应用(例如，用于窗户的可变光透射率膜)是从一米或更远的距离观看，并且该衍射图案通常被称为夫琅和费衍射(即远场条件)。如果物体和观看距离小于一米，则图案(存在的情况)可以满足菲涅耳衍射(即近场衍射)的条件，例如参见www.wikipedia.org中的相关条目。

28、在美国专利公开no.2021/0072578中，通过非周期性地设置其微结构来减少对电泳设备中的衍射的感知。非周期性微结构为单层。例如，微结构的表面形状在包括中心距离、横截面积、横截面几何形状或方位的至少一方面具有差异。光被非周期性微结构衍射到多个方向，从而在观察者通过光衰减器观看光源时减少感知到的衍射图案。但是衍射并没有被抑制，它的感知从孔或障碍物限定的典型衍射图案变为光晕(即随机衍射)。

29、通常，在这种设备中，处于第一光状态(即开启状态)的多个孔(或障碍物)形成横跨观看表面的阵列(即，周期性地间隔)。当通过设备观看明亮的物体时，硬过渡边缘的存在会产生变化强度的复杂衍射图案(即明带和暗带)。当观看者通过设备观看例如交通信号灯时，这可能会令人不快，甚至令人吃惊。复杂的图案是由于经不同路径传播到观看者的光波的不同部分的叠加或干涉。围绕中心明亮物体的衍射图案/级/带的位置的相对强度随着位置的增加而减小。在通过孔阵列观察的远场中的光源的强度/辐照度与距光源中心的距离的关系图中，衍射位置/级明显表现为波纹状。在点扩散函数(psf)图中，衍射图案显示为暗区和亮区(或不同颜色的区域)。例如，圆形孔的psf图包括明亮的中央圆盘，称为艾里斑，在该区域外有同心的暗带和亮带，形成衍射图案。

30、需要一种对衍射具有较少感知的电泳设备，优选地是通过明显抑制衍射图案以及抑制通过该设备观看的(远处的)明亮的光的可见衍射尺度。

技术实现思路

1、在实施例中，在第一光状态(即，透明状态)中，透射的可见光以可切换切趾技术进行光学过滤(或变换)。对应于最大光透射状态的第一光状态被切趾。

2、在第一方面，一种电泳单元，包括：光透射衬底；与光透射衬底相邻的第一光透射电极层；单元，该单元具有壁和包括光透射切趾结构的底部，壁和底部形成容积；第二电极层，其中，单元设置在第一光透射电极层和第二电极层之间；电泳介质，电泳介质包括溶剂和设置在单元的容积中的第一组带电颜料粒子；以及底部衬底。

3、在一些实施例中，电泳单元还包括光学透明的粘合剂层。在一些实施例中，第一组带电颜料粒子是黑色的。在一些实施例中，单元的底部是光透射的。在一些实施例中，第二电极层是光透射的。在一些实施例中，底部衬底是光透射的。在一些实施例中，壁是基本上光吸收的。在一些实施例中，切趾结构包括在其之间限定凹槽的多个锯齿，并且凹槽限定带电颜料粒子的多个捕获容积。在一些实施例中，锯齿和凹槽是锥形的。

4、在一些实施例中，单元的突出物或孔具有锯齿状边缘，其具有锯齿的外观。在一些实施例中，切趾结构包括多个底层厚度，当带电颜料粒子被吸引到第一电极层时，底层厚度限定不同的光密度。在一些实施例中，单元仅包括一个切趾结构并且切趾结构与单元的壁相邻。在一些实施例中，切趾结构与单元的壁接合。在一些实施例中，切趾结构包括20至500个突出物。在一些实施例中，切趾结构包括40至250个突出物。在一些实施例中，切趾结构包括55到180个锯齿。在一些实施例中，锯齿的长度(在平行于衬底的平面中)与切趾结构的宽度(关于突出物或孔)成比例，并且长度在宽度的1/2到1/32之间。在一些实施例中，锯齿的长度在切趾结构的宽度的1/4到1/25之间。在一些实施例中，锯齿的长度在切趾结构的宽度的1/6到1/20之间。

5、在一些实施例中，单元的高度在5μm和5000μm之间。在一些实施例中，单元的底部呈尖峰形以使得在单元的中间处的底部与第二光透射电极层之间的距离小于在单元的壁与底部之间的边缘处的底部与第一光透射电极层之间的距离。这种电泳单元可以包含到光快门、光衰减器、可变光透射率片、可变光吸收率片、可变光反射率片、单向镜、遮阳板、天窗、显示器或数字标牌中。

6、实施例(201、202、203、204)包括保持在第一衬底(101、102、103、104)和第二衬底(141)之间的电泳墨水层(71、72)。在实施例中，电泳墨水层(71、72)包括分散在电泳墨水中的悬浮流体(71、72)中的粒子(10、11)。实施例具有固定到第一衬底(101、102、103、104)并与电泳墨水(71、72)形成界面的非平面的聚合物结构(21、22、23、24)。第二衬底141与电泳墨水在相对侧形成界面。衬底包括透明电极60和透明载体膜90。电极的主表面彼此面对面并且平行并列。相应的电极(60)之间的容积是电光层(121)。

7、在电光层(121)内，非平面的聚合物结构(21、22、23、24)具有突出物(31、32、33)或井(44)，其在第一光状态下通过限定在该状态下聚集粒子(10、11)占据的容积范围分别限定光学孔(31c、32c、33c)或障碍物(44a)。在实施例中，突出物(31、32、33)或井(44)的外围被图案化为具有锥形凹槽(31b、32b、33b、34b)、凹陷或阶梯区域(以切趾这样形成的孔或障碍物)。

8、在一些实施例(201、202、203、204)中，这些凹槽形成锯齿状边缘或锯齿状外周并且具有锯齿结构的外观。锯齿(31b)具有邻接并渐变(在前视图中)到尖端末端的齿的形状。可以确定的是，锯齿只是限定产生带电粒子(10、11)的捕获容积的外围结构的一种方式。在实施例中，捕获容积被设置为切趾透射光。在第一光状态下，切趾改变了孔(或障碍物)的透射率曲线，产生不均匀透射率。

9、在实施例203中，光透射率在锥形锯齿状孔边缘区域中从锯齿内尖端处的最大值(标识为尺寸1340)到锯齿区域外边缘处的最小值线性变化。尺寸1340涉及聚集粒子(10)形成的孔(33c)及其锯齿外围结构。这些孔的尺寸由突出物尺寸1320和1321限定(如图3a所示)。

10、在孔和/或障碍物的外围区域中，平均可见光透射率在宽广的中心(或未受阻)区域中的每单位面积透射率的75％至25％的范围内，并且优选地在60％至40％的范围内，最优选地55％至45％。

11、在一些实施例中，孔(或障碍物)的外围区域中的可变透射率曲线近似于高斯透射率曲线。

12、在实施例中，减少(关于硬边缘的)衍射的边缘过渡在切换到第一光状态时形成并且在第二光状态中不存在。

13、锯齿的数量(在突出物或井中)为20至500个，优选地40至250个，最优选地55到180个。

14、在实施例201中，锯齿间距(1135)＝突出物(31)周长(关于宽度1121所限定的)除以锯齿的数量。

15、锯齿长度(1122)＝突出物的宽度(即外尺寸1121)除以n；n的范围是从2到32，优选地从4到25，最优选地从6到20。

16、在一些实施例中，带电粒子(10)仅在第一光状态下聚集在锯齿凹槽中(即，这种实施例缺乏空隙区域以及突出物彼此邻接或邻接壁结构)。

17、在一些实施例中，锯齿结构没有线性渐变，而是锯齿(例如，31a)具有曲率；例如，一些实施例具有凸面的或凹面的锯齿，而其它实施例由正弦函数或高斯函数描述，并提供非线性但连续变化的光透射率。在其它实施例中，锯齿具有一个或多个台阶，例如，被截断的尖端和/或阶梯侧面(即楼梯的外形)。

18、在其它实施例中，外围孔区域(或边缘区域)中的光透射率梯度是通过将粒子(10)聚集在(由微凹槽限定的)微凹坑中产生的，并且在外观上类似于半色调印刷。

19、在更进一步的实施例中，外围区域由一个或多个阶梯边界(或环)组成，并且光透射率在阶梯区域之间逐级改变。在这种情况下，不同的台阶与聚集粒子的不同深度相关联，因此有不同的光透射率。

20、锥形锯齿(32a)限定锥形凹槽(32b)。凹槽(32b)与图1a的凹槽(31b)的不同之处在于其深度(尺寸1211)小于锯齿的高度(尺寸1212)，而在图1a中两者相同。在一些实施例中，凹槽(32b)的基部是倾斜的。

21、在第一光状态下的实施例202中，聚集粒子(10)填充锥形凹槽(32b)和突出物锯齿(32a)与六角形空腔壁52之间的空隙区域(42)。空隙区域优选地是有颜色的并与带电粒子的颜色匹配。

22、在实施例202(图2)中，突出物(32)是六角形的，并且其锥形锯齿(32a)和凹槽(32b)被布置成与其侧面正交。在实施例203(图3)中，突出物(33)是圆形的，并且其锥形锯齿(33a)和凹槽(33b)被径向地布置。在一些实施例中，锯齿可以倾斜地布置(即与正交线或径向线成锐角)。

23、一些实施例具有周期性锯齿，但在其它实施例中，孔(或障碍物)中的锯齿具有差异，包括以下一项或多项：

24、同一孔中的不同锯齿长度；

25、同一孔中的不同锯齿方位(例如在多边形孔中至正交锯齿与径向锯齿混合)；

26、同一孔中的不同锯齿间距；以及

27、同一孔中不同形状的锯齿。

28、在其它实施例中，这些锯齿差异不在孔(或障碍物)内，而是在孔(或障碍物)之间。

29、在实施例中，对于由强度对比距离(或视角)的psf图所显示的第4级以及更高级的最大值，远场观看条件下的衍射图案中的最大值将小于对应的非切趾设备的一半。在更优选的实施例中，在更高级的最大值(≥5级)中的衍射被抑制至少3倍，因此当通过设备的正面观看明亮的光时，其图案是不可察觉的。

30、当包含到建筑物的窗户或者是汽车或公共交通工具的透明面板中时，该设备的实施例调节阳光透射率和/或视觉可达性。其它实施例包括用作光快门、光衰减器、可变光透射率片、可变光吸收率片、可变光反射率片、单向镜、遮阳板或天窗。

31、根据以下描述，本发明的这些和其它方面将是显而易见的。