具有改进透射率的可切换光准直层的制作方法

背景技术：

1、本发明涉及可切换光准直膜，可用于例如控制穿过透明或半透明衬底的入射光的方向性。具有这种能力的无源膜已经上市一段时间，并被广泛出售用作电脑显示器的“隐私过滤器”。参见例如来自明尼苏达州圣保罗的3m公司产品以及各种美国专利，例如，us 8,213,082。通常，当用户想要将显示器上的图像限制为仅用户可见的“隐私锥”时，隐私过滤器会应用于图像显示器的前表面。隐私膜通常采用塑料微制造通道，这些通道回填有与塑料衬底具有不同折射率的材料。材料之间的界面形成一个折射表面，并且只有方向正确的光才能通过滤光片，而方向不正确的其它入射光将被反射回去和/或吸收。同样的技术也可以用作窗户处理，以改变例如穿过外窗的阳光的方向性。

2、一些小组已经尝试制作一种可以在隐私和非隐私状态之间切换的有源介质。例如，美国专利公开2016/0179231('231申请)描述一种可以与显示装置结合使用的电活性隐私层。'231申请教导使用电各向异性材料，例如，介电聚合物。当施加电场时，各向异性材料与电场对准，准直光线并为用户提供隐私区域。然而，有必要为隐私层提供恒定的电位，以保持材料对准，从而维持隐私状态。由于隐私装置需要恒定的电场来维持隐私状态，因此该装置消耗的额外能量超出了显示器所需的典型能量。当与电池供电装置(例如，笔记型电脑)一起使用时，为隐私层供电所需的额外能量将缩短电池的工作时间。pct公开wo2013/048846还描述一种替代的可切换隐私膜，该膜也采用各向异性粒子，这些粒子被保持在与电场对准的位置。与'231申请类似，'846公开的装置也需要在隐私状态下提供恒定能量。

3、已经描述了其它有源切换隐私装置，这些装置依赖于通道内阻塞粒子的移动，而不是各向异性粒子的排列。例如，美国专利公开第2016/0011441号('441申请)描述一种可电切换的电致变色材料，其设置在沿着隐私层的长度延伸的微结构肋中。在'441申请中，当向电致变色材料供应电流时，电致变色材料的吸收光谱发生变化。虽然实际的切换过程需要相当大的能量(约5分钟的直流电流)，但'441申请的隐私层能够在转换完成后维持其状态一段时间。美国专利公开第2017/0097554号描述了另一种替代方案，其中，在透明导电膜之间形成长的光控制通道，并且通道填充有包括透射分散剂和遮光粒子的电泳构件。通过使用一组三个成型电极来控制遮光粒子在气隙中的分散，电泳构件可以在窄视野模式和宽视野模式之间切换。成型电极的制造在技术上具有挑战性(而且成本高昂)，因为需要制造如此多的间隔紧密、可单独寻址的电极。

技术实现思路

1、尽管可以使用可切换的隐私过滤器，例如，使用各向异性粒子排列，但仍然需要低耗电的廉价隐私膜。因此，本发明描述了一种光准直膜，包括多个细长形的双稳态电泳流体腔室，该双稳态电泳流体包括光散射颜料。通过适当排列细长形腔室，膜可以为穿过膜的光提供2倍(或更多)的变窄视角。重要的是，由于光准直膜包括双稳态电泳流体，因此光准直膜在宽态或窄态下长时间稳定，并且只需要能量来从一种状态变为另一种状态。此外，由于双稳态电泳流体被分隔成多个细长形腔室，所以当相同的光准直膜相对于重力以不同方向被施加时，电泳材料不易沉降。此外，宽态和窄态之间的转换速度得到改善，并且当双稳态电泳流体被分成许多细长形腔室时，整个装置的整体效果更加一致。

2、此外，由于光准直膜包括多个小腔室，因此在制作后很容易将膜切割成所需的形状/尺寸，而不会损失大量的电泳流体。这允许使用相同的装置来创建大面积和小面积的光准直膜。例如，可以将一平方米截面的光准直膜片或一卷光准直膜切割成所需尺寸的芯片，而不会明显损失电泳流体。虽然在切割过程中会打开一些腔室，但每个腔室只容纳少量流体，因此整体损失很小。在某些情况下，可以从单个截面片或卷中切割出数百个小片(例如，用于手机)。在一些实施例中，可以用预定图案制造细长形腔室，使得片材切割不会导致电泳流体损失。本文公开的设计还受益于包括反光表面，使得否则可能被颜料粒子吸收的光在包括光准直膜的装置中再循环。此外，本文所公开的光准直膜的设计还受益于包括本发明的细长形腔室和微凹坑结构，这可以增加膜在非隐私模式下的透射率，并且可以减小隐私模式下的视角。此外，本文描述的用于驱动电泳粒子的方法还可以增加非隐私模式下光准直膜的透射率。

3、因此，在一方面，本发明包括一种可切换光准直膜，其包括第一透光电极层、具有至少20μm厚度的包括多个细长形腔室的准直层以及第二透光电极层，其中，第一透光电极层和第二透光电极层设置在准直层的两侧。每个细长形腔室均具有开口，并且包括颜料粒子的双稳态电泳流体设置在每个细长形腔室中。在细长形腔室之间有准直层的一部分，从而在构造准直层的材料中定义谷部。细长形腔室用密封层密封，该密封层通过跨越细长形腔室的开口将双稳态电泳流体密封在其中。光准直膜还包括与每个细长形腔室的开口对准的反光表面，其中，反光表面基本上不与细长形腔室之间的准直层的部分重叠。可切换光准直膜的厚度通常小于500μm，细长形腔室的高度等于或小于准直层的厚度。通常，细长形腔室的宽度介于5μm和150μm之间，长度介于200μm和5mm之间。例如，细长形腔室的宽度可以在5μm和50μm之间，长度可以在50μm和5mm之间。

4、可切换光准直膜通常由聚合物制成，例如，由丙烯酸酯单体、聚氨酯单体、苯乙烯单体、环氧化物单体、硅烷单体、硫烯单体、硫炔单体或乙烯基醚单体制成的聚合物。通常，反光表面包括金属或反光金属氧化物。在一些实施例中，反光表面接触双稳态电泳流体。在一些实施例中，密封层形成反光表面。在一些实施例中，可切换光准直膜包括接触第一或第二透光电极的衬底，并且反光表面接触衬底。第一或第二透光电极层可以由氧化铟锡制成。

5、双稳态电泳流体通常包括非极性溶剂中的聚合物官能化颜料粒子和游离聚合物。通常，颜料用聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚萘或聚二甲基硅氧烷进行官能化。游离聚合物可包括聚异丁烯或包括乙烯、丙烯或苯乙烯单体的共聚物，并且密封层可包括水溶性聚合物或水分散性聚合物，例如，天然存在的水溶性聚合物(例如，纤维素或明胶)或合成的聚合物，例如，聚丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚乙烯、聚(乙烯基)乙酸酯、聚(乙烯基)吡咯烷酮、聚氨酯或其共聚物。

6、在一个实施例中，当从上方观察准直层时，细长形腔室排列成行和列，其中，细长形腔室的较长尺寸沿着列延伸，并且其中，行之间的宽度至少是细长形腔室宽度的三倍。通常，当从上方观察准直层时，细长形腔室按行和列排列，同一行内的相邻细长形腔室之间的间隙小于30μm。在一些实施例中，第一行中相邻细长形腔室之间的间隙与第二行中相邻细长形腔室之间的间隙水平偏移。在一些实施例中，通过改变细长形腔室的长度、细长形腔室的宽度、细长形腔室的间距或细长形腔室之间的间隙的宽度或位置来破坏细长形腔室的对称性。反光表面不覆盖细长形腔室之间的大部分的光准直膜的部分。在一些情况下，反光表面在细长形腔室填充双稳态电泳流体之前形成在细长形腔室的底部。

7、在另一方面，本发明包括一种显示器，该显示器具有光源、可切换光准直膜、薄膜晶体管的有源矩阵、液晶层和滤色器阵列。该可切换光准直膜包括可切换光准直膜，该可切换光准直膜包括第一透光电极层、厚度至少为20μm且包括多个细长形腔室的准直层和第二透光电极层，其中，第一透光电极层与第二透光电极层设置在准直层的两侧。每个细长形腔室均具有开口，并且包括颜料粒子的双稳态电泳流体设置在每个细长形腔室中。在细长形腔室之间有准直层的一部分，从而在构造准直层的材料中定义谷部。细长形腔室用密封层密封，该密封层通过跨越细长形腔室的开口将双稳态电泳流体密封在其中。光准直膜还包括与每个细长形腔室的开口对准的反光表面，其中，反光表面基本上不与细长形腔室之间的准直层的部分重叠。反光表面减少了被颜料粒子直接吸收的来自光源的光量。相反，这种光被背向反射并增加了通过可切换光准直膜并最终进入液晶层的总照明。

8、在一些实施例中，光准直膜或显示器另外还包括电压源和控制器，以在第一和第二透光电极层之间提供电压冲激。在一些实施例中，显示器包括设置在光源和可切换光准直膜之间的棱镜膜。在一些实施例中，显示器包括棱镜膜和光源之间的漫射层。在一些实施例中，显示器包括触控屏幕层。

9、在另一方面，本发明包括一种可切换光准直膜，其包括第一透光电极层、厚度至少为20μm的准直层。准直层包括多个细长形腔室，每个细长形腔室具有封闭端和开口端。每个细长形腔室的封闭端和开口端设置在细长形腔室的相对端。可切换光准直膜还包括：双稳态电泳流体，其包括设置在每个细长形腔室中的颜料粒子；密封层，其通过跨越多个细长形腔室中的至少一个细长形腔室的开口端将双稳态电泳流体密封在细长形腔室；以及第二透光电极层，其包括多个分段电极。第一透光电极层和第二透光电极层设置在准直层的相对侧，并且多个分段电极中的至少三个分段电极定位成与每个细长形腔室的封闭端相邻。

10、在另一方面，本发明包括一种显示器，该显示器具有光源、可切换光准直膜、薄膜晶体管的有源矩阵、液晶层和滤色器阵列。可切换光准直膜包括第一透光电极层、厚度至少为20μm的准直层。准直层包括多个细长形腔室，每个细长形腔室具有封闭端和开口端。每个细长形腔室的封闭端和开口端设置在细长形腔室的相对端。可切换光准直膜还包括：双稳态电泳流体，其包括设置在每个细长形腔室中的颜料粒子；密封层，其通过跨越细长形腔室的开口端将双稳态电泳流体密封在多个细长形腔室中的至少一个内；以及第二透光电极层，其包括多个分段电极。第一透光电极层和第二透光电极层设置在准直层的相对侧，并且多个分段电极中的至少三个分段电极定位成与每个细长形腔室的封闭端相邻。

11、在光准直膜或显示器的一些实施例中，准直层包括多个间隙，并且多个间隙中的每个间隙将相邻的细长形腔室分开。在光准直膜或显示器的一些实施例中，不存在定位成与分隔相邻细长形腔室的多个间隙中的任一个间隙相邻的分段电极。

12、在光准直膜或显示器的一些实施例中，相邻的分段电极被配置为被驱动到彼此相反的电位。在光准直膜或显示器的一些实施例中，多个分段电极中的每个分段电极是独立寻址的。在光准直膜或显示器的一些实施例中，多个分段电极包括组织成与细长形腔室相邻的行和列的电极矩阵。

13、在光准直膜或显示器的一些实施例中，多个分段电极包括至少两个叉指电极。在光准直膜或显示器的一些实施例中，多个分段电极包括图案化的电极条。

14、在光准直膜或显示器的一些实施例中，每个细长形腔室的封闭端包括多个微凹坑和多个间隙，多个间隙中的每个间隙将相邻的微凹坑分开。在光准直膜或显示器的一些实施例中，多个分段电极定位成与将相邻的微凹坑分开的多个间隙相邻。在光准直膜或显示器的一些实施例中，多个微凹坑的形状为立方体、角锥体形或梯形。在光准直膜或显示器的一些实施例中，多个微凹坑是连续结构，每个连续结构在第一方向基本上延伸穿过整个细长形腔室。

15、在光准直膜或显示器的一些实施例中，每个细长形腔室包括锥形结构，并且每个细长形腔室的开口端的宽度大于其封闭端的宽度。在光准直膜或显示器的一些实施例中，准直层具有小于500μm的厚度。在光准直膜或显示器的一些实施例中，细长形腔室的高度等于或小于准直层的厚度，细长形腔室的宽度在5μm和150μm之间，并且细长形腔室的长度介于200μm和5mm之间。

16、在光准直膜或显示器的一些实施例中，双稳态电泳流体包括在非极性溶剂中的聚合物官能化颜料粒子和游离聚合物。在光准直膜或显示器的一些实施例中，颜料用聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚萘或聚二甲基硅氧烷进行官能化。在光准直膜或显示器的一些实施例中，游离聚合物包括聚异丁烯或包括乙烯、丙烯或苯乙烯单体的共聚物。在光准直膜或显示器的一些实施例中，密封层包括纤维素、明胶、聚丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚乙烯、聚(乙烯基)乙酸酯、聚(乙烯基)吡咯烷酮、聚氨酯或任何上述聚合物的共聚物。

17、在一些实施例中，光准直膜或显示器包括与每个细长形腔室的开口对准的反光表面，并且反光表面基本上不与细长形腔室之间的准直层的部分重叠。在光准直膜或显示器的一些实施例中，反光表面接触双稳态电泳流体。

18、在一些实施例中，光准直膜或显示器包括电压源和控制器，以在第一和第二透光电极层之间提供电压冲激。在一些实施例中，显示器包括设置在光源和可切换光准直膜之间的棱镜膜。在一些实施例中，显示器包括棱镜膜和光源之间的漫射层。在一些实施例中，显示器包括触控屏幕层。

19、在另一方面，本发明包括一种可切换光准直膜，其包括第一透光电极层、厚度至少为20μm的准直层。准直层包括多个细长形腔室，并且每个细长形腔室具有封闭端和开口端。每个细长形腔室的封闭端和开口端设置在细长形腔室的相对端。可切换光准直膜还包括双稳态电泳流体、密封层及第二透光电极层，双稳态电泳流体包括设置在每个细长形腔室中的颜料粒子，密封层通过跨越细长形腔室的开口端将双稳态电泳流体密封在多个细长形腔室中的至少一个内。第一透光电极层与第二透光电极层设置在准直层的相对侧，并且每个细长形腔室的封闭端包括多个微凹坑及多个间隙。多个间隙中的每个间隙将相邻的微凹坑分开。

20、在另一方面中，本发明包括一种显示器，该显示器具有光源、可切换光准直膜、薄膜晶体管的有源矩阵、液晶层和滤色器阵列。可切换光准直膜包括第一透光电极层、厚度至少为20μm的准直层。准直层包括多个细长形腔室，每个细长形腔室具有封闭端和开口端。每个细长形腔室的封闭端和开口端设置在细长形腔室的相对端。可切换光准直膜还包括：双稳态电泳流体，其包括设置在每个细长形腔室中的颜料粒子；密封层，其通过跨越细长形腔室中的开口端将双稳态电泳流体密封在多个细长形腔室中的至少一个内；以及第二透光电极层。第一透光电极层与第二透光电极层设置在准直层的相对侧，并且每个细长形腔室的封闭端包括多个微凹坑及多个间隙。多个间隙中的每个间隙将相邻的微凹坑分开。

21、在光准直膜或显示器的一些实施例中，准直层包括多个间隙，并且多个间隙中的每个间隙将相邻的细长形腔室分开。

22、在光准直膜或显示器的一些实施例中，第二透光电极层包括导电材料的单个连续电极。

23、在光准直膜或显示器的一些实施例中，多个微凹坑的形状为立方体形状、角锥体形或梯形。在光准直膜或显示器的一些实施例中，多个微凹坑是连续结构，每个连续结构在第一方向基本上延伸穿过整个细长形腔室。

24、在光准直膜或显示器的一些实施例中，每个细长形腔室包括锥形结构，并且每个细长形腔室的开口端的宽度大于其封闭端的宽度。

25、在光准直膜或显示器的一些实施例中，准直层具有小于500μm的厚度。在光准直膜或显示器的一些实施例中，细长形腔室的高度等于或小于准直层的厚度，细长形腔室的宽度在5μm和150μm之间，并且腔室的长度介于200μm和5mm之间。

26、在光准直膜或显示器的一些实施例中，双稳态电泳流体包括在非极性溶剂中的聚合物官能化颜料粒子和游离聚合物。在光准直膜或显示器的一些实施例中，颜料用聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚萘或聚二甲基硅氧烷进行官能化。在光准直膜或显示器的一些实施例中，游离聚合物包括聚异丁烯或包括乙烯、丙烯或苯乙烯单体的共聚物。在光准直膜或显示器的一些实施例中，密封层包括纤维素、明胶、聚丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚乙烯、聚(乙烯基)乙酸酯、聚(乙烯基)吡咯烷酮、聚氨酯或任何上述聚合物的共聚物。

27、在一些实施例中，光准直膜或显示器包括与每个细长形腔室的开口对准的反光表面，并且反光表面基本上不与细长形腔室之间的准直层的部分重叠。在光准直膜或显示器的一些实施例中，反光表面接触双稳态电泳流体。

28、在一些实施例中，光准直膜或显示器包括电压源和控制器，以在第一和第二透光电极层之间提供电压冲激。在一些实施例中，显示器包括设置在光源和可切换光准直膜之间的棱镜膜。在一些实施例中，显示器包括棱镜膜和光源之间的漫射层。在一些实施例中，显示器包括触控屏幕层。