TWI842627B - 電泳胞元 - Google Patents

Abstract

一種可切換光調變裝置，其具有設置在第一透光電極層和第二電極層之間的電泳介質。該裝置包括含有電泳流體的胞元之底部上的一個以上的切趾結構，當胞元處於開啟狀態並且藉由穿過切趾結構的反射或穿透光觀看該結構時，切趾結構降低光干涉。

Description

電泳胞元

本專利申請案主張2022年9月27日申請之美國臨時專利申請案第63/248,593號之優先權。本文揭示之所有專利和公開案的全部內容係以參照方式併入本文中。

本發明涉及可光學切換並包含流體或凝膠層的光調變裝置，尤其是涉及具有撓性基板的裝置。這樣的裝置較佳的是在觀看區域內具有聚合物結構以保持基板之間的空隙並支援使用中的操作，包括彎曲以及層壓到玻璃或另一基板。

本發明涉及電泳光調變膜，即設計用於調變通過電泳介質的光或其他電磁輻射量的膜。在某些情況下，光線會完全穿過薄膜(即從頂部到底部)。在其他情況下，光可以穿過電泳介質，從表面反射/散射並再次穿過介質返回(即，從頂部到底部表面並返回到頂部)。因此，這樣的膜可以結合到顯示器中、標誌、可變透射窗、鏡子、顯示器和類似的設備。通常此類薄膜具有「開啟」狀態，其中一組或多組顏料顆粒被隔離到側邊或井孔中等，以致大部分入射光可以通過介質，而在「關閉」狀態下其中一組或多組顏料顆粒散佈在介質中以吸收一部分入射光。

例如，在美國專利第10,067,398號中，電泳光衰減器包括一胞元，該胞元包括一第一基板、與該第一基板間隔開的一第二基板、一層設置在基板之間並包含電泳墨水，以及一個緊密堆積的突部的單層伸進到電泳墨水中並配置鄰近於第二基板的一表面。突部具有界定出相鄰突部之間多個凹陷的表面。電泳介質層(墨水層)包括至少一種類型的帶電粒子，這些粒子對施加到胞元的電場產生反應以在第一極端光狀態(其中粒子在胞元內最大程度地散佈，以位於穿過胞元的光路中，而因此強烈衰減從一基板透射到對面基板的光)與第二極端光狀態(其中粒子最大程度地集中在凹陷內以讓光透射)之間轉移。對應於凹陷中聚集顆粒的總面積是總表面面積的一小部分。

這種類型的裝置至少部分依賴於它們的非平面聚合物結構的形狀，以在光透明狀態中將電泳墨水中的吸收性帶電粒子(例如黑色粒子)集中，從而形成(或暴露)光孔(即透射區域)和光遮擋(即強吸收區域)，其周圍會使光繞射。

為方便起見，本文將一般地使用術語「光」，但該術語應廣義理解為包括非可見波長的電磁輻射。例如，本發明可以應用於提供可以調變紅外線以控制建築物內溫度的窗戶。更具體地說，本發明涉及使用基於粒子的電泳介質來控制光調變的光調變器。可以併入到本發明的各種實施例中的電泳介質範例包括例如美國專利第10,809,590號和美國專利申請公開案第2018/0366069號中描述的電泳介質，兩者的內容以參照的方式併入本文中。

習知技術中，在流體或凝膠層中具有聚合物結構並且適用於本發明的溶液包括讓渡給Vlyte Innovations Ltd.的美國專利第US8,508,695號，揭露流體液滴(直徑1至5微米)分散在固化於兩個基板上適當位置的連續聚合物基質中，以包含液晶。此外，讓渡給E Ink Corporation的美國專利第10,809,590號揭露微囊封液滴並使它們變形以在一個基板上的聚合物基質中形成緊密堆積的聚合物外殼的單層，隨後施加黏合層以將膠囊層黏合到基板上。讓渡給E Ink California的歐洲專利第EP1264210號還揭露了在一個基板上壓印微型杯結構，微杯填充具有可聚合成分的流體，並使這些成分聚合以在流體/微杯表面上形成密封層，然後施加黏合層以黏合到第二基板。此外，讓渡給Vlyte Innovations Ltd.的歐洲專利第EP2976676號揭露了在一個基板上形成壁結構、黏合劑塗覆在壁的頂部、由壁界定的空腔填充有流體，以及聚合黏合劑以將壁的頂部黏合到相對的基板上。歐洲專利第EP3281055號描述了一種可彎曲的裝置，包括埋入在其觀看區域中的固態聚合物微結構，並且多個微結構位於兩個基板上。微結構藉由在與基板正交的長度上相互接合而將裝置的基板彼此接合(即固定)。連接的微結構包含一個壁結構，該結構將裝置的流體層劃分為包含在對應多個空腔內的單獨容積的單層。這提供裝置顯著的結構強度。在所描述的方法中，在每個基板上形成配合的微結構(即公和母部件)，然後彼此精確對齊並以壓入配合方式接合，也密封空腔中的流體層。

粒子系的電泳顯示器，其中多個帶電粒子在電場的影響下穿過懸浮流體，多年來一直是密集研究和開發的主題。與液晶顯示器相比，這種顯示器可以具有良好亮度和對比度、寬視角、狀態雙穩性和低功耗等特性。術語「雙穩態」和「雙穩定性」是以其在領域中的常規含義使用於本文中，係指包含具有第一和第二顯示狀態的顯示元件的顯示器，該第一和第二顯示狀態係至少一個光學性質不同，而且在任何給定的元件藉由有限期間的定址脈衝而受到驅動以取得其第一或第二顯示狀態後，在該定址脈衝結束後，那個狀態會保留一段改變該顯示元件的狀態所需的該定址脈衝的最小期間的至少數倍時間，例如至少四倍時間。美國專利申請案第2002/0180687號中指出一些具有灰階功能的粒子系的電泳顯示器不僅在其極端的黑態和白態下是穩定的，在其中間的灰態下也是穩定的，而且一些其他類型的電光顯示器也有同樣的情形。雖然為了方便起見，本文可能使用術語「雙穩態」來涵蓋雙穩態和多穩態這兩種顯示器，但此種顯示器適合稱為「多穩態」而非雙穩態。

如上所述，電泳介質需要懸浮液的存在。在大多數現有技術的電泳介質中，這種懸浮流體是液體，但是可以使用氣態懸浮流體來生產電泳介質，例如，參見Kitamura, T.,等人，發表＜Electrical toner movement for electronic paper-like display＞，於IDW日本，2001，論文HCS1-1,以及Yamaguchi, Y.,等人，發表＜Toner display using insulative particles charged triboelectrically＞，於IDW日本，2001，論文AMD4-4。另參見歐洲專利申請案第1,429,178；1,462,847；和1,482,354號；和國際專利申請案第WO2004/090626；WO2004/079442；WO2004/077140；WO2004/059379；WO2004/055586；WO2004/008239；WO2004/006006；WO2004/001498；WO03/091799；和WO03/088495號。這種基於氣體電泳介質似乎容易受因如同基於液體電泳介質中顆粒沉降引起之相同類型問題所影響，當該介質在允許這種沉降的方位使用時，例如在一標誌中，該介質置於一個垂直平面上。更確切地，粒子沉降似乎在基於氣體電泳介質中比在基於液體電泳介質中更是嚴重問題，因為相較於液體懸浮流體，氣體懸浮流體之較低黏性允許該等電泳粒子之更快速沉降。

大量轉讓給麻省理工學院(MIT)、E Ink公司、E Ink加州有限責任公司和相關公司或是在其名下的專利和申請案記載用於封裝的電泳介質和微胞電泳介質和其他電光介質的各種技術。封裝的電泳介質包括大量的小囊，每一個小囊本身包括內相和圍繞該內相的囊壁，該內相在流體介質中含有可電泳移動的粒子。通常，該等囊本身係保持在聚合黏結劑(binder)中以形成位於兩電極之間的黏附層(coherent layer)。在微胞電泳顯示器中，該等帶電粒子和該流體未被封裝在微膠囊內，取而代之的是保留在形成在載體介質(一般是聚合物薄膜)內的複數個空腔內。記載在這些專利和申請案中的該等技術包含： (a)電泳粒子、流體和流體添加劑；參見例如美國專利第7,002,728以及7,679,814號； (b)膠囊、黏結劑和封裝製程；參見例如美國專利第6,922,276和7,411,719號； (c)微胞結構、壁材料、和形成微胞的方法；參見例如美國專利第7,072,095和9,279,906號； (d)用於填充和密封微胞的方法；參見例如美國專利第7,144,942和7,715,088號； (e)含有電光材料的薄膜和子組件；參見例如美國專利第6,982,178和7,839,564號； (f)用於顯示器中的背板、黏合劑層(adhesive layer)和其他輔助層以及方法；參見例如美國專利第7,116,318和7,535,624號； (g)顏色形成和顏色調節；參見例如美國專利第7,075,502和7,839,564號； (h)用於驅動顯示器的方法；參見例如美國專利第7,012,600和7,453,445號； (i)顯示器的應用；參見例如美國專利第7,312,784和8,009,348號；以及 (j)非電泳顯示器，如在美國專利第6,241,921號和美國專利申請案公開第2015/0277160號中所描述的；以及顯示器以外的封裝和微胞技術的應用；參見例如美國專利申請案公開第2015/0005720和2016/0012710號。

許多上述專利及申請案認識到在膠囊型電泳介質中包圍離散微膠囊的壁可以由連續相來取代，從而產生所謂的聚合物分散型電泳顯示器，其中電泳介質包含複數個離散小滴的電泳流體及聚合材料的連續相，並且即使沒有離散的膠囊膜與每個個別小滴相關聯，在這樣的聚合物分散型電泳顯示器內之離散小滴的電泳流體可以被視為膠囊或微膠囊；參見例如前述2002/0131147。於是，基於本申請案的目的，這樣的聚合物分散型電泳介質被視為膠囊型電泳介質的亞種。

一種相關類型之電泳顯示器係所謂的「微胞電泳顯示器」。在微胞電泳顯示器中，沒有將帶電粒子及懸浮流體裝入微膠囊中，而是將其保持在載體介質(一般是聚合物薄膜)內所形成之複數個空腔中。參見例如，國際申請案公開第WO 02/01281號及公開的美國專利申請案第2002/0075556號，這兩者皆讓渡給SiPix Imaging, Inc.。

電泳介質通常是不透光(因為例如在許多電泳介質中，粒子實質上阻擋可見光穿過顯示器的傳輸)且於反射模式中操作。然而電泳顯示器可製成以所謂的「快門模式」操作，其中一顯示狀態實質上不透光且另一具透光性。參照例如前面提及的專利如美國專利第6,130,774及6,172,798號，及美國專利第5,872,552；6,144,361；6,271,823；6,225,971；及6,184,856號。類似於電泳顯示器但隨電場強度變化的介電泳顯示器可以類似模式操作，參照美國專利第4,418,346號。其他類型電光顯示器亦可以快門模式操作。特別的，當這種「快門模式」電泳裝置構建在透明基板上時，可以調節穿過該裝置的光透射率。

囊封型或者微胞型電泳顯示器一般不受傳統電泳裝置之聚集與沉降故障形式之擾，且提供進一步的優點如在多種撓性及剛性基板上印刷或塗布顯示器之能力。(使用字眼「印刷」係為涵括所有形式之印刷及塗布，包含但不限於：預計量塗層如貼片模頭塗層、狹縫或擠出塗層、滑動或級聯塗層、幕簾塗層；輥塗如刮刀式輥塗、正向和反向輥塗；凹版塗層；浸塗；噴塗；彎月面塗層；旋塗；刷塗；氣刀塗層；絲網印刷處理；靜電印刷處理；熱印刷處理；噴墨印刷處理；及其他類似技術。)因此，所得顯示器可具撓性。此外，由於可印刷(利用多種方法)顯示器介質，故顯示器本身造價不高。

電泳介質的一個潛在的重要市場是具有可變光透射率的窗戶。隨著建築物和車輛的能源性能變得越來越重要，電泳介質可以用作窗戶上的塗層，透過變化電泳介質的光學狀態，使穿過窗戶的入射輻射的比例能夠被電子地控制。在建築物中有效實施這種「可變透射率」(VT)技術預期提供以下好處：(1)減少炎熱天氣期間不需要的熱效應，從而減少冷卻所需的能量、空調設備的尺寸、以及高峰用電需求；(2)增加自然光的使用，從而減少用於照明的能源和高峰用電需求；以及(3)通過增加熱和視覺舒適度來增加居住者的舒適度。預計甚至在汽車中會產生更大的好處，其中玻璃表面與封閉體積的比率顯著大於典型建築物。具體地，VT技術在汽車中的有效實施不僅預期可以提供上述好處，而且還可以提供以下好處：(1)提高駕駛安全性，(2)減少眩光，(3)(通過在鏡子上使用電光塗層)增強鏡子性能，以及(4)提高使用抬頭顯示器的能力。VT技術的其他潛在應用包括電子裝置中的防窺玻璃和防眩光。

需要一種解決方案，其最小化或避免察覺到從使用非平面聚合物結構在形成光學透光狀態中的電泳裝置看到關於明亮光源的繞射圖案。在繞射圖案中，亮暗帶圍繞著一個明亮的光源，大大地放大它的外觀尺寸。當裝置兩側的光線亮度顯著不同時，例如在夜間觀看路燈、交通信號燈或汽車前燈時，它就會變得可察覺的。

在本文所使用的繞射是指由光的波動性質引起的各種現象，並且發生在光透射區域邊緣的實施例中，其中光波被黑色帶電粒子阻擋(或吸收)。繞射現象可以描述為光波在障礙物(即集中的黑色帶電粒子)周圍的明顯彎折以及光波通過小開口(即沒有帶電粒子的孔)擴散開來。

在提供週期性間隔的孔或障礙物的裝置(例如，具有六方緊密堆積突部的裝置)中，透過裝置觀看的明亮物體會產生變化強度(即亮暗帶)的複雜繞射圖案。複雜圖案是由於經不同路徑傳播到觀察者的光波之不同部分的疊加或干涉，並且類似於具有相似於狹縫形狀的繞射光柵所形成的繞射圖案。當透過裝置觀看物體時，陣列中孔洞(或障礙物)的尺寸越小，繞射帶越寬。

本文設想的許多應用，例如用於窗戶的可變透光率薄膜，是從一公尺或更遠的距離觀看，並且該繞射圖案通常認為是夫朗和斐繞射(Fraunhofer diffraction)(即遠場條件)。如果物體和觀看距離小於一公尺，則圖案(存在的情況)可以滿足菲涅耳繞射(即近場繞射)的條件，例如參見www.wikipedia.org(維基百科)中的相關條目。

在美國專利公開案第2021/0072578號中，透過非週期性地佈置其微結構來減少感知電泳裝置中的繞射。非週期性微結構為單層。例如，各個微結構有表面形狀的差異，其在包括中心距離、橫截面積、橫截面幾何形狀或方位中至少一方面上的差異。光被非週期性微結構繞射到多個方向，從而在觀看者透過光衰減器觀看光源時減少感知到的繞射圖案。但是繞射並沒有被壓抑，它的感知部分從孔或障礙物定義的典型繞射圖案變為光暈(即隨機繞射)。

通常，在這樣的裝置中，處於第一光狀態，即開啟狀態的多個孔(或障礙物)形成橫跨觀看面的陣列(即，週期性地間隔)。當透過裝置觀看明亮的物體時，硬性轉變邊緣的存在會產生不同強度的複雜繞射圖案(即亮帶和暗帶)。當觀看者透過裝置觀看例如交通號誌燈時，這可能會令人不快，甚至令人吃驚。複雜的圖案是由於經不同路徑傳播到觀察者的光波之不同部分的疊加或干涉。圍繞中心明亮物體的繞射圖案/級/帶的位置的相對強度隨著位置的增加而減小。在強度/輻照度對比距遠場光源中心的距離的關係圖中，透過孔陣列可以看到，繞射位置/級明顯表現為波紋狀。在點擴散函數(PSF)圖中，繞射圖案顯示為暗區和亮區(或不同顏色的區域)。例如，圓形孔的PSF圖包括一個明亮的中央圓盤，稱為艾瑞盤，在該區域外有同心的暗帶和亮帶，形成繞射圖案。

有需要一種對繞射具有較少感知的電泳裝置，較佳地是透過顯著抑制繞射圖案和抑制透過該裝置觀看強光(在遠處)的可見繞射尺度。

在實施例中，在第一光狀態(即，透明狀態)中，透射的可見光在可切換的切趾技術(或轉變)中被光學過濾。對應於最大透光狀態的第一光狀態被切趾。

在第一方面，一電泳胞元包括透光基板；第一透光電極層，與透光基板相鄰；具有多壁體和底部的胞元包括透光切趾結構，多個壁體和底部形成一容積；第二電極層，其中胞元置在第一透光電極層和第二電極層之間；電泳介質包括溶劑和配置在胞元的容積中的第一組帶電顏料粒子；以及底部基板。

在一些實施例中，電泳胞元還包括光學透明膠層。在一些實施例中，第一組帶電顏料粒子是黑色的。在一些實施例中，胞元的底部是透光的。在一些實施例中，第二電極層是透光的。在一些實施例中，底部基板是透光的。在一些實施例中，壁體實質上是光吸收的。在一些實施例中，切趾結構包括多個在其之間界定出凹槽的鋸齒，並且凹槽界定出帶電顏料粒子的多個捕獲容積。在一些實施例中，鋸齒和凹槽是漸縮狀的。

在一些實施例中，胞元的突部或孔具有鋸齒狀邊緣，其具有鋸齒的外觀。在一些實施例中，切趾結構包括多個底部厚度，當帶電顏料粒子被吸引到第一電極層時，這些底部厚度限定不同的光密度。在一些實施例中，胞元僅包括一切趾結構並且切趾結構相鄰於胞元的壁體。在一些實施例中，切趾結構與胞元壁體接合。在一些實施例中，切趾結構包括20至500個突部。在一些實施例中，切趾結構包括40至250個突部。在一些實施例中，切趾結構包括55至180個鋸齒。在一些實施例中，鋸齒的長度(在平行於基板的平面中)與切趾結構的寬度(關於突起或孔)成比例，並且長度在寬度的1/2至1/32之間。在一些實施例中，鋸齒長度在切趾結構寬度的1/4至1/25之間。在一些實施例中，鋸齒長度在切趾結構寬度的1/6至1/20之間。

在一些實施例中，胞元的高度在5微米(μm)和5000微米(μm)之間。在一些實施例中，胞元的底部是峰形的，使得在胞元中間處的該底部與該第二透光電極層之間的距離小於在該胞元壁體與底部之間的邊緣處該底部與該第一透光電極層之間的距離。這樣的電泳胞元可以結合到光閘、光衰減器、可變光透射率片、可變光吸收率片、可變光反射率片、單向鏡、遮陽板、天窗、顯示器或數位標誌。

實施例201、202、203、204包括保持在第一101、102、103、104和第二基板141之間的電泳墨水層71、72。在實施例中，電泳墨水層71、72包括散佈在電泳墨水的懸浮流體71、72中的粒子10、11。實施例具有固定到第一基板101、102、103、104並與電泳墨水71、72形成界面的非平面聚合物結構21、22、23、24。第二基板141與電泳墨水在相對側形成界面。基板包括透明電極60和透明載體膜90。電極的主表面彼此面對面並且平行並列。各個電極60之間的容積是電光層121。

在電光層121內，非平面聚合物結構21、22、23、24具有突部31、32、33或井孔44，在第一光狀態下透過限定在該狀態下聚集粒子10、11佔據的容積範圍而分別界定出光學孔31c、32c、33c或障礙物44a。在實施例中，突部31、32、33或井孔44的外圍被圖案化為具有漸縮狀凹槽31b、32b、33b、34b、凹陷部或梯狀區域(以切趾這樣形成的孔或障礙物)。

在一些實施例201、202、203、204中，這些凹槽形成鋸齒狀邊緣或鋸齒狀圓周並且具有鋸齒結構的外觀。鋸齒31a為緊靠一起並逐漸變細(在一前視圖 中)到一尖端的齒形。可以確定的是，鋸齒只是界定出產生帶電粒子10、11的捕獲容積的外圍結構的一種方式。在實施例中，捕獲容積被配置來切趾透射光。在第一光狀態下，切趾改變了孔(或障礙物)的透射率曲線，產生不均勻透射率。

在實施例203中，透光率在漸縮狀鋸齒邊的孔之邊緣區域中線性變化，從鋸齒內側尖端處的最大值(指示為尺寸1340)到鋸齒區域外邊緣處的最小值。尺寸1340涉及孔33c以及聚集粒子10形成的其鋸齒狀外圍結構。這些孔的尺寸由突部尺寸1320和1321所界定(如圖3a所示)。

在孔和/或障礙物的外圍區域中，平均可見光透射率為寬闊中心(或未受阻)區域中的每單位面積透光率的75%至25%的範圍內，並且較佳地在60%至40%的範圍內，最佳的是，55%至45%。

在一些實施例中，孔(或障礙物)的外圍區域中的可變透射率曲線近似於高斯透射率曲線。

在實施例中，減少繞射的邊緣轉變(關於硬性邊緣)在切換到第一光狀態時形成並且在第二光狀態中不存在。

鋸齒的數量(在突部或井孔中)為20至500個，較佳的是40至250個，最佳的是55至180個。

在實施例201中，鋸齒尺寸1135=突部31圓周長(關於尺寸1121所定義的)除以鋸齒的數量。

鋸齒尺寸1122=突部的寬度(即外部尺寸1121)除以n；n的範圍是從2到32，較佳的是從4到25，最佳的是從6到20。

在一些實施例中，帶電粒子10僅在第一光狀態下集中在鋸齒狀凹槽中(即，此類實施例缺乏空隙區域以及突部彼此緊靠或緊靠壁結構)。

在一些實施例中，鋸齒結構沒有線性逐漸縮窄，而是鋸齒(例如，31a)具有曲率；例如，一些實施例具有凸面的或凹面的鋸齒，而其他實施例由正弦函數或高斯函數描述，並提供非線性但連續變化的透光率。又其他實施例中，鋸齒具有一個或多個台階，例如截頭的尖端和/或階梯狀側面(即樓梯的外形)。

又其他實施例中，外圍孔區域(或邊緣區域)中的透光率梯度是透過將粒子10集中在微凹坑(由微槽限定)中產生的，並且在外觀上類似於半色調印刷。

還有實施例，外圍區域由一個或多個階梯邊界(或環)組成，並且透光率在階梯區域之間逐階層改變。在這種情況下，不同的階層關聯於聚集粒子的不同深度，因此有不同的透光率。

漸縮狀鋸齒32a界定出漸縮狀凹槽32b。凹槽32b與圖1a的凹槽31b的不同之處在於它們的深度(尺寸1211)小於鋸齒的高度(尺寸1212)，而在圖1a中兩者相同。在一些實施例中，凹槽32b的底部是傾斜的。

在第一光狀態的實施例202中，聚集的粒子10填入漸縮狀凹槽32b和突部鋸齒32a與六角形空腔壁體52之間的空隙區域42。後者較佳地帶有顏色並匹配於帶電粒子的顏色。

在實施例202(圖2)中，突部32是六角形的，並且其漸縮狀鋸齒32a和凹槽32b配置成垂直於其側面。在實施例203(圖3)中，突部33是圓形的，並且其漸縮狀鋸齒33a和凹槽33b為放射狀佈置。在一些實施例中，鋸齒可以傾斜地排列(即與垂直向或徑向成銳角)。

一些實施例具有周期性鋸齒，但在其他實施例中，孔(或障礙物)中的鋸齒具有差異，包括以下一項或多項：

同一孔中的不同鋸齒長度；

同一孔中的不同鋸齒方位(例如，在多邊形孔中垂直鋸齒與徑向鋸齒混合)；

同一孔中的不同鋸齒間距；以及

同一孔中不同形狀的鋸齒。

又一實施例中，這些鋸齒差異不在孔(或障礙物)內，而是在孔(或障礙物)之間。

在實施例中，對於由強度對比距離(或視角)的PSF圖所顯示的第4級以及更高級數的最大值，遠場觀看條件下繞射圖案中的最大值將小於對應到非切趾裝置的一半。在更佳的實施例中，在更高級數的最大值(≥第5)中的繞射抑制至少為3倍，因此當透過裝置的正面觀看強光時，它們的圖案是不可察覺的。

當結合到建築物的窗戶或者是汽車或公共交通工具的透明面板中時，該裝置的實施例調節陽光透射率和/或視覺進入。其它實施例包括用作光閘、光衰減器、可變光透射率片、可變光吸收率片、可變光反射率片、單向鏡、遮陽板或天窗。

基於接下來的描述，本發明的這些和其他態樣將是顯而易見的。

本發明實施例提供一種具有電泳流體(電泳介質)層的可切換光調變裝置。該裝置在包含電泳流體的胞元的底部包括一個或多個切趾結構，並且切趾結構在透過該裝置觀看場景或觀看由該裝置反射的場景時減少光學干涉。

切趾結構可以耦合到基板以形成底部。切趾結構可以被壓印，或者是材料移除(例如，使用切割工具、雷射剝蝕、蝕刻、微影製程等)。胞元具有提供高度(垂直於並列的底部的主要表面)和寬度的壁，其通常數量級為微米，但可以更大，例如毫米以上。本發明可以結合到光閘、光衰減器、可變光透射率片、可變光吸收率片、可變光反射率片、鏡子、車輛用遮陽板、電子皮膚、單色顯示器、彩色顯示器、透明顯示器、數位標誌、特色建築或車輛裝飾膜。有利的是，實施例特別適用於需要大面積例如從0.25m ²到5m ²的應用。該裝置可以以捲對捲方式生產，並且一卷做成的薄膜可以具有1,000m ²以上的面積。

在一較佳的實施例中，電泳胞元被結合到光控制裝置中，其中每個基板包括界定出一電泳胞元的各自第一和第二透光(例如透明的)電極。光調變器基於電子訊號應變而選擇性地更改透光率、光衰減率、顏色、鏡面透射比、鏡面反射比或漫反射率其中的一個或多個，並切換以提供兩種或多種不同的光狀態。在實施例中，第一光狀態對可見光是透明的並且對應到最大光透射率—第一極端，即「開啟」狀態，並且第二光狀態對應到最小透射率—第二極端，即「關閉」狀態。當然，中間狀態也是可能的，稱為灰階。此外，取決於顏料裝載量，「關閉」狀態可以不是完全不透明的，而「開啟」狀態可以不是完全透明的。此外，如果裝置被裝設成用作鏡子或顯示器，則「開啟」狀態可以是彩色的或反射式的。

在一實施例中的各基板之間，有一個電泳介質(電泳墨水)層，與胞元的底部相鄰(並且實質上覆蓋基板的一個面)。在一些實施例中，底部包含固定到第一基板的透明、非平面的聚合物結構。電泳墨水包含懸浮流體中的有色帶電粒子並且與非平面聚合物結構的表面接觸。有色帶電粒子可以是任何顏色，包括黑色或白色。較佳的，懸浮流體是透明的，並且對於可見光譜中的至少一個波長(通常為550奈米(nm))，折射率與透明的、非平面的聚合物結構相匹配，並且對於其他可見光波長是匹配或接近匹配的(即在0.01以內)。因此，在不存在有色帶電粒子的情況下，可見光線(對於匹配的波長)在懸浮流體和非平面聚合物結構之間的界面處的折射可以忽略不計。

帶電顏料顆粒可以具有多種顏色和成分。在一些實施例中，所有帶電粒子，無論電荷極性如何，都可以具有相同或相似的光學特性，例如顏色。在其他實施例中，第一組和第二組帶相反電荷的粒子可以具有不同的光學特性。在一些實施例中，第一組粒子是有顏色的(例如，白色，例如，黑色)，而另一組粒子是透光的，並且折射率匹配的以吻合電泳介質的內相的折射率。此外，帶電顏料粒子可用表面聚合物經官能化以改善狀態穩定性。此類顏料述如美國專利第9,921,451號，茲以參照方式將其全文併入本文。例如若帶電粒子為白色，則其可由無機顏料形成，如TiO ₂、ZrO ₂、ZnO、Al ₂O ₃、Sb ₂O ₃、BaSO ₄、PbSO ₄等。它們亦可為折射率高(＞1.5)及具有特定大小(＞100奈米)以呈現白色、實質上透光之聚合物粒子，或經改造而具有所欲折射率之複合粒子。這樣的粒子可包括例如聚(甲基丙烯酸五溴苯)、聚(2-乙烯萘)、聚(甲基丙烯酸萘)、聚(α-甲基苯乙烯)、聚(正苯基甲基丙烯醯胺)或聚(甲基丙烯酸苯)。黑色帶電粒子，它們可由CI顏料黑26或28等(例如氧化錳鐵黑尖晶石或氧化銅鉻黑尖晶石)或碳黑形成。其他顏色(非白及非黑)可由有機顏料如CI pigment PR 254、PR122、PR149、PG36、PG58、PG7、PB28、PB15：3、PY83、PY138、PY150、PY155或PY20所形成。其他示例包含Clariant Hostaperm Red D3G 70-EDS、Hostaperm Pink E-EDS、PV fast red D3G、Hostaperm red D3G 70、Hostaperm Blue B2G-EDS、Hostaperm Yellow H4G-EDS、Novoperm Yellow HR-70-EDS、Hostaperm Green GNX、BASF Irgazine red L 3630、Cinquasia Red L 4100 HD及Irgazin Red L 3660 HD；Sun Chemical 酞青藍、酞青綠、二芳基黃或二芳基AAOT 黃。彩色粒子亦可自無機顏料如CI pigment blue 28、CI pigment green 50、CI pigment yellow 227等形成。可基於電荷極性與所需粒子的電荷位準而由已知技術改質帶電粒子表面，述如美國專利第6,822,782、7,002,728、9,366,935及9,372,380號，以及美國公開案第2014-0011913號，茲以參照方式將其等所有內容併入本文。

粒子可顯現自然電荷或可利用電荷控制劑呈現帶電，或可在溶劑或溶劑混合物中懸浮時取得電荷。適當的電荷控制劑係此技術中所熟知，在性質上可為聚合物或非聚合物，或可為離子或非離子。電荷控制劑示例可包含但不限於Solsperse 17000(活性聚合物分散劑)、Solsperse 9000(活性聚合物分散劑)、OLOA 11000(丁二醯亞胺無灰分散劑)、Unithox 750(乙氧基化物)、Span 85(脫水山梨糖醇三油酸酯)、Petronate L(磺酸鈉)、Alcolec LV30(大豆卵磷脂)、Petrostep B100(石油磺酸鹽)或B70(磺酸鋇)、氣溶膠OT、聚異丁烯衍生物或聚(乙烯共丁烯)衍生物等。除懸浮流體與帶電顏料粒子外，內相可包含穩定劑、表面活性劑及電荷控制劑。穩定化材料在帶電顏料粒子分散於溶劑中時可吸附在其上。此穩定化材料使粒子保持彼此分離，使得可變透射介質在粒子處於其分散狀態時實質上不透射。

如該領域所習知的，可利用表面活性劑協助在低介電常數的溶劑中的分散帶電粒子(一般係碳黑，如上述)。這種表面活性劑通常包含極性「頭基」和非極性「尾基」，其與溶劑相容或可溶於溶劑。在本發明中，較佳者的是非極性尾基為飽和或未飽和烴部分，或另一基可溶於烴溶劑中，例如聚(二烷基矽氧烷)。極性基可係任何極性有機官能基，包含離子材料如銨、磺酸鹽或磷酸鹽，或酸或鹼基。尤其較佳之頭基係羧酸或羧酸酯基。在一些實施例中，添加分散劑如聚異丁烯丁二醯亞胺及/或脫水山梨糖醇三油酸酯及/或2-己基癸酸。

分散體可以含有一種或多種穩定劑。適用於根據本發明的各種實施例製備的分散體的穩定劑包括但不限於聚異丁烯和聚苯乙烯。然而，可能只需要相對低濃度的穩定劑。低濃度的穩定劑可有助於將介質保持在關閉(不透明)或中間狀態，但在不存在穩定劑的情況下，處於開啟狀態的帶相反電荷的粒子的異質聚集體的尺寸將有效穩定。例如，在本發明的各種實施例中的分散體可以包括，基於分散體的重量，隨偏好增加下列穩定劑量為小於或等於10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%和1%。在一些實施例中，分散體可以不含穩定劑。

在本發明的可變透射介質中所使用之流體通常將具有低介電常數(較佳的是小於10，並且期望是小於3)。流體較佳地為具有低黏度、相對高的折射率、低成本、低反應性和低蒸氣壓/高沸點的溶劑。流體較佳地是透光的並且可以具有或不具有與分散體的至少一組帶電粒子的光學特性不同的光學特性，例如顏色(例如紅色、綠色、藍色、青色、洋紅色、黃色、白色和黑色)。溶劑示例可包含但不限於脂族烴類，諸如庚烷、辛烷及石油餾出物(諸如Isopar®(Exxon Mobil)或Isane®(Total))；萜烯類，諸如薴(例如l-薴)；以及芳香烴類，諸如甲苯。特佳的溶劑是薴，因為它結合了低介電常數(2.3)與相對高的折射率(1.47)。可以通過添加折射率匹配劑來修改內相的折射率。例如前述美國專利第7,679,814號中描述適用於可變透射裝置中使用之電泳介質，其中環繞電泳粒子之流體包括部分氫化芳香烴與萜烯之混合物，一較佳混合物係d-檸檬烯與部分氫化三聯苯，可購自Cargille-Sacher Laboratories(55 Commerce Rd, Cedar Grove N.J. 07009)之Cargille®5040。在依本發明之各種實施例製作之囊封介質中，較佳的是，囊封分散體的折射率與囊封材料的折射率盡可能接近地一致，以減少霧度。在大多數情況下，有利的是，內相在550奈米(nm)下具介於1.51至1.57之間的折射率，較佳地在550奈米(nm)下具有約1.54的折射率。在使用與內相折射率匹配的透光粒子的實施例中，透光粒子也將在550奈米(nm)下具介於1.51和1.57之間的折射率，較佳地在550奈米(nm)下具有約1.54的折射率。

在本發明的較佳實施例中，封裝的流體可以包含一個以上的非共軛烯烴，較佳為環烴。非共軛烯烴之示例包含但不限於萜烯如檸檬烯、苯基環己烷、苯甲酸己酯、環十二碳三烯、1,5-二甲基四氫化萘、部分氫化三聯苯如Cargille® 5040、苯甲基矽氧烷低聚物及其組合。依本發明之一實施例之囊封流體用之一最佳組成包括環十二碳三烯及部分氫化三聯苯。

在本發明的一些實施例中，包含在囊封的流體中的穩定劑的量可以低於電泳顯示器中傳統使用的量。作為對比，參見美國專利第7,170,670號。這種穩定劑可以是不含大分子量的聚合物，例如聚異丁烯、聚苯乙烯或聚(甲基丙烯酸月桂酯)。因此，在一些實施例中，囊封的流體(即，分散體)還包含佔分散體重量小於10%的穩定劑。在一些實施例中，分散體不含穩定劑。發現通過減少大分子量聚合物的存在，霧度得到改善，使最終產品更令人滿意。

在實施例的第一光狀態中，帶電粒子響應施加到電極的電場以集中在由透明非平面聚合物結構限定的容積中。在如此集中的情形下，帶電粒子形成(或暴露)光繞射的特徵。這些特徵是光穿越過的多個孔(即光學開孔)，或光在其周圍行進的障礙物(即光闌)。光在兩者的周圍上發生繞射，根據「巴比內原理」，來自不透明物體(即障礙物)的繞射圖案與來自相同尺寸和形狀的透明開孔(即孔)的繞射圖案相同，除了整體往前進的光束強度外(參照www.wikipedia.org中的“Babinet’s Principle”；上次訪問時間為2021年9月23日)。在實施例的第一光狀態中，集中的帶電粒子形成光繞射的孔和/或障礙物，但非平面聚合物結構的透明微結構限定它們。

實施例的光調變器包括處於第一光狀態的多個孔或障礙物，並且孔或障礙物被切趾。有利的是，當與未切趾的對應的孔相比時，這減少(或最小化，或抑制感知)繞射。在實施例中，切趾改變孔的透射率曲線，導致不均勻的透射率。這種不均勻的透射率在寬闊的中心的孔區域具有最大透射率，隨著接近孔的邊緣逐漸(或逐階層)減小。本文描述切趾技術所界定的孔和/或障礙物的外圍區域中，平均透射率為寬廣中心區域中每單位面積的透射率的75%至25%的範圍內，並且較佳地為60%的至40%範圍內，最佳的是於55%至45%範圍內。

在第一光狀態下，一實施例的切趾孔和/或障礙物被佈置來減少繞射，其藉由透明微結構提供(或佈置)聚集的帶電粒子邊緣區域(或外圍區域)，為逐漸或以一個以上漸次等級轉變的，對於孔是從透光的到遮擋光的，對於障礙物為反向的。在第一光狀態中，孔的切趾特徵，即捕獲容積，是透過聚集粒子與非平面結構(例如，壓紋聚合物結構)的相互作用來實現(以及定義)的。如此佈置的聚集帶電粒子提供具有可變透射率曲線的孔(尤其是鄰近孔的邊緣)，在一些實施例中，當光強度視為從轉變結構體一面發出的中心射線的距離函數時，該透射率曲線接近高斯透射率曲線。

在實施例中，對於散佈在觀看面上的多個孔(或障礙物)，如此佈置的聚集粒子過濾來自遠場場景(通常＞10公尺外)的入射可見光，將其透射率曲線從平頂帽狀(或平頂狀)照射光束轉變為非均勻透射光束。在一些實施例中，孔(或障礙物)是緊密堆積的(或並排的)並且排列成橫跨觀看面的網格，在其他實施例中，它們被非週期性地排列，並且在又一些實施例中，它們被隨機佈置。在一些實施例中，整個胞元底部是孔並且單一切趾結構在單室元的外圍延伸。在一些實施例中，多個胞元相鄰接並且可以分享共同的壁體，例如在蜂窩結構中。在一些實施例中，相鄰胞元是不規則的以減少透射光中不想要的干涉圖案。

在裝置意圖傳輸光的實施例中，非平面聚合物結構的透明微結構的折射率與懸浮流體相匹配，並且它們不會顯著的使可見光譜中的光繞射。此外，(非平面聚合物結構的)透明微結構在孔徑區域的可見光譜中具有平坦的透射率曲線。類似地，在實施例中，基板和電極對可見光是透明的，並且在切趾孔的區域中它們在可見光譜中具有(或近似)平坦的透射率曲線。

實施例中孔的切趾特徵在於在製造步驟中不存在圖案化的透射率梯度。對比之下，在實施例中，懸浮流體(即電泳墨水)中的有色帶電粒子、透明聚合物微結構和電場在第一可切換光狀態中組合以提供具有透射率梯度(或可變透射率曲線)的孔。實施例中的這種方法也和從透光突然轉變為遮光的習知電泳裝置形成對比；例如，參見美國專利第10,067,398號。換言之，切趾裝置透過具有從光透射到光吸收區域的撓性轉變邊緣來最小化繞射，而習知技術的裝置在光吸收和光透射區域之間具有硬性邊緣。在另外替代的用語中，實施例透過模糊化在其外圍的孔(或障礙物)的透射率來最小化繞射。在實施例中，減少繞射(關於一硬性邊緣)的邊緣轉變在切換到第一光狀態時形成並且在第二光狀態中不存在。

有利的是，在第一(即開啟)光狀態下，由切趾提供的透射率梯度還降低了觀看面的光透射區域和光阻擋區域之間的視覺對比度。觀看者的視覺敏感度取決於亮暗區域之間的劇烈轉變，而這在實施例的切趾結構中是不存在的。因此，裝置的空腔(或胞元)結構(例如，圖1c的網格結構)不太可能被肉眼看到，並且在可見的地方顯得模糊。可和稱為「高斯模糊」的圖像處理技術進行類比，其中影像中的可見畫素邊緣藉由將高斯函數應用於邊緣區域的軟體算法進行模糊(有關後半更多訊息，請參見「高斯模糊」在www.wikipedia.org中的條目；上次訪問時間為2021年9月23日)。

在一些實施例中，電泳介質是雙穩態的，因為此介質可以在不施加電場的情況下保持想要的光學狀態。例如，當第一光狀態的切趾孔(或障礙物)是雙穩態的時，切換後可以完全移除電源(即第一和第二電極之間的零伏特)，並且切趾孔保持不變。同樣的，在第二光狀態下，例如在光吸收的或「關閉」狀態，切趾孔是消失的，在切換和斷電後是穩定的。

實施例參考圖中所示的三維投影視圖進行描述。在圖中所示的實施例中，在第一光狀態中粒子10、11聚集以形成鋸齒狀邊緣，這是由於非平面聚合物結構具有對應成型的凹槽31b、32b、33b、34b形成捕獲容積以接收和限定聚集的粒子。

圖1a至1c描述了實施例201，圖2a和2b描述了實施例202，圖3a和3b描述了實施例203，並且圖4a和4b描述了實施例204。實施例201、202、203、204包括保持在第一基板101、102、103、104和第二基板141之間的電泳墨水層71、72。在實施例中電泳墨水層71、72包含粒子10、11，分散在電泳墨水的懸浮流體71、72中。實施例具有固定到第一基板101、102、103、104並與電泳墨水71、72形成界面的非平面聚合物結構21、22、23、24。第二基板141與電泳墨水在相對側形成界面。基板包括透明電極60和透明載體膜90。電極的主表面彼此面對面並且平行並列。各個電極60之間的容積是電光層121。

在電光層121內，非平面聚合物結構21、22、23、24具有突部31、32、33或井孔44，在第一光狀態下透過限定在該狀態下聚集粒子10、11佔據的容積範圍，分別界定出光學孔31c、32c、33c或障礙物44a。在實施例中，突部31、32、33或井孔44的外圍被圖案化而有凹槽31b、32b、33b、34b、凹陷部或梯狀區域。在一些實施例201、202、203、204中，這些凹槽形成鋸齒狀邊緣或鋸齒狀圓周並且具有鋸齒結構的外觀。鋸齒31a為緊靠一起並逐漸變細到一尖端的齒形。鋸齒31a的內表面順著突部31的斜面，並且鋸齒的底部與空隙區域41齊平。

在圖1a、1b和1c中，實施例201顯示為僅具有七個完整的突部31並且具有切穿相鄰突部和流體71、72的區域。穿過流體的區域未用陰影線顯示，但通常指示有流體的存在。在圖1b中，電光層121沒有被壁體結構劃分成各個空腔，但是在其他實施例中，電光層被劃分成各個空腔。無論如何，該結構包括至少一些 壁體以界定出容納電泳流體的容積。關於這點，接下來的圖示僅顯示了它們各自實施例的眾多六角形空腔中的一個。實施例的附圖對應於更大裝置的局部區域(或部分)並且附圖不是按縮尺比例繪製的。在實施例中，各空腔(或各胞元)之間的間距為50微米至5,000微米。例如，各空腔之間間距為250微米的智慧玻璃裝置通常在橫跨其表面上具有2,000到6,000個突部和/或井孔，沿其表面具有2,000到20,000個，或者陣列中的總數介在400萬到1.2億之間。

圖1a顯示了實施例201的第一基板101。基板具有透明載體膜90(例如，透明的可撓的PET膜)，其內表面覆蓋有透明的可撓的ITO電極60。固定到電極60內表面的是非平面聚合物結構21。後者包括突部31。突部之間的空間(即空隙區域)指示為41。突部31是一個圓錐體，其高度指示為尺寸1025。圓錐由六角形所界定，並具有高度1111(包含在尺寸1025中)的六角形底部。後者顯示在頂部區域的放大視圖1001中。六角形界定的多個錐形突部31呈六角形陣列。

突部31具有漸縮狀鋸齒31a和鋸齒之間的漸縮狀凹槽31b；這些顯示在放大視圖1001中。鋸齒和凹槽是周期性的，其間距顯示為尺寸1135。與側面(或平坦部)垂直的鋸齒(或凹槽)的長度顯示為尺寸1122，鋸齒(或凹槽)的高度顯示為高度1111。突部31的平坦部到平坦部顯示為尺寸1121，而相對兩側上的鋸齒之間的大小顯示為尺寸1120。後者等於尺寸1121減去鋸齒長度的兩倍(即2×尺寸1122)。第一基板101是透光的。在一些實施例中，凹槽不是漸縮狀的，而是突然落下到非平面聚合物結構21下方的基板上。另外，突部可以是多種形狀和尺寸，因而有多種凹槽形狀，即，捕獲容積形狀，如圖5a、5b、6a、6b、7a和7b所示。此外，鋸齒和壁體的側面在圖中示為垂直於底部基板，但在實施例的壓紋實施方式中，側面選擇成與垂直方向之間有脫模角度。在一些實施例中，鋸齒(較小的)較佳地具有比空腔壁體更大的脫模角度。

圖1b示出處於第二光狀態的實施例201，對應於裝置的暗狀態，即「關閉」狀態。粒子10遍布於觀看面並鄰近第二基板141的內側面。粒子在圖1b中未顯示為黑色以免模糊圖中的細節。然而，在這種關閉狀態下粒子的位置大致相當於圖2c。在使用中，第二光狀態呈現為暗的、透明的黑色(假設為黑色粒子10)，或反射的黑色，或不透明黑色。

實施例201中的另一基板為101(見圖1a)。基板電極內部相對的兩面之間的容積是電光層121。在第二光狀態下，墨水的透明懸浮流體71包覆突部31的內表面並填充凹槽31b。墨水的流體和突部的聚合物是光學透明的並且折射率相匹配。這允許入射在裝置201上的光未被黑色粒子10吸收，不受懸浮流體71和突部31之間的界面的阻礙(即，不折射或繞射)而透射。因此，在第二光狀態下，裝置造成的透射光沒有被切趾(即沒有透過切趾進行光學變換)。

圖1c示出了處於第一光狀態的實施例201；這對應於裝置的透明狀態或開啟狀態。該裝置以前視圖顯示，並且頂點區域在視圖1003中被放大。實心黑色區域對應於聚集在空隙區域(41：參照圖1a和1c)和鋸齒狀凹槽31b中的粒子10。放大視圖1003顯示出聚集粒子10填充在突出鋸齒31a之間的凹槽31b中。在前視圖中，聚集的黑色粒子10包圍了透射光的、個別獨立的孔區域31c。後者由突部31所界定。可以理解，在個別切趾胞元的情況下，相同的前視圖將出現在開啟狀態，但是空隙區域41還將包括胞元壁體，其沒有直接顯示在圖1c中，但存在於圖2a中的元件52。

在第一光狀態下，孔31c的外圍具有由突部31的凹槽31b(各鋸齒31a之間)中的粒子10聚集形成的鋸齒形狀。透光率在漸縮狀鋸齒邊的孔之邊緣區域中線性變化，從鋸齒內側尖端處的最大值(表示為尺寸1040)到鋸齒區域外邊緣處的最小值(表示為尺寸1041)。尺寸1040和1041涉及孔31c及聚集粒子10形成其鋸齒狀外圍結構。這些尺寸分別由突部尺寸1020和1021所界定(如圖1a所示)。

實施例201的第一光態是在第一基板101的電極60上施加與帶電粒子10的極性相反的電壓以在相對的兩電極60之間形成電場時形成的。電場將帶電粒子10驅往第一基板101的內表面，並且在遇到突部31時，粒子在其傾斜表面上偏轉以聚集在鋸齒狀凹槽31b和空隙區域41。鋸齒31a的高度1111足以將聚集粒子保持在第一光狀態。這是取決於粒子10聚集所需的體積，進而取決於墨水懸浮流體71中的粒子承載量。後者決定了暗態(即第二光狀態)的透光率。當電壓的極性反轉時形成第二光狀態(即，圖1b中所示)，將帶電粒子10吸引到第二基板141的內表面，在那裡它們在其電極60附近散布開來。散佈的粒子透過局部電場的強度被吸引到突部31的頂部。在申請人的美國專利第US10,067,398號，標題為「An Electrophoretic Device Having a Transparent Light State」中更詳細地描述了使用突部的電泳裝置中形成多個光狀態。可以理解，帶電粒子10可以用隨時間變化的電壓來驅動，例如波形，其電壓範圍可以從0到±500V，儘管通常是更小的。

在實施例201中，孔的鋸齒狀邊緣區域中的每單位面積平均透光率約為寬闊中心孔區域(對應於尺寸1040)的平均透光率的50%。在一些實施例中，鋸齒結構沒有線性逐漸縮窄，而是鋸齒(例如，31a)具有曲率；例如，一些實施例具有凸面的或凹面的鋸齒(參見圖6a和6b)，而其他實施例由正弦函數或高斯函數描述，並提供非線性但連續變化的透光率。又其他實施例中，鋸齒具有一個或多個台階，例如被截斷的尖端和/或階梯狀側面(即樓梯的外形)。又其他實施例中，外圍孔區域(或邊緣區域)中的透光率梯度是透過將粒子10集中在微凹坑(由微凹槽限定)中產生的，並且在外觀上類似於半色調印刷。還有其他實施例，外圍區域由一個或多個階梯邊界(或環)組成，並且透光率在階梯區域之間逐階層改變。在這種情況下，不同的階層關聯於聚集粒子的不同深度，因此有不同的透光率。例如，參照圖7a和7b。

在由本文所述的切趾技術界定的孔和/或障礙物的外圍區域中，平均可見光透射率為寬闊中心(或未受阻)區域中的每單位面積透光率的75%至25%的範圍內，並且較佳地在60%至40%的範圍內，最佳的是，55%至45%。在具有障礙物的實施例中，未阻礙區域對應於障礙物之間的寬闊區域(即，在對應於圖4a中尺寸1421的障礙物直徑之外)。

在第一光狀態下，為了使穿過實施例鋸齒邊的孔(或關於鋸齒邊的障礙物)的穿透光之繞射帶中的峰值光強度最小化，以下公式/關係作為指引。最佳值可以通過數值範圍的試驗得出。表示的範圍用於實際實施目的。

鋸齒的數量為20至500個，較佳的是40至250個，最佳的是55至180個。

鋸齒間距=突部圓周長(例如，關於在實施例201中尺寸1122所定義的)除以鋸齒的數量。在聚集顆粒形成障礙物的實施例中(參見圖4b中的實施例204)，使用障礙物外圓周(關於圖4a中直徑1421所定義的)。

在實施例201中，鋸齒尺寸1122=突部的寬度(即外部尺寸1121)除以n；n的範圍是從2到32，較佳的是從4到25，最佳的是從6到20。在有障礙物的實施例中，使用障礙物的外徑(參見圖4a中的1421)。

在具有六角形突部的實施例201的示例中，所選擇的鋸齒的數量是144並且整數n是8。因此，鋸齒尺寸(1122)是六角形突部的平坦部到平坦部尺寸1121除以n=8。在一個範例中，(六角形突部的)平坦部到平坦部的寬度為300微米，產生外切圓半徑為173.205微米，圓周長為1039.23微米，鋸齒間距=1039.23/144=7.217微米，並且鋸齒長度=300/8=37.5微米。

在具有圓形突部的實施例203的示例中，所選擇的鋸齒數量是72並且用於計算鋸齒長度1322的整數n是6。在一個範例中，(圓形突部)外直徑是600微米產生圓周長1884.96微米，鋸齒間距=1884.96/72=26.18微米，鋸齒長度=600/6=100微米。

在第一光狀態下，裝置201造成的透射光被切趾(即透過切趾進行光學變換)。通過比較圖1b和1c的光狀態，很明顯實施例201具有電子可切換切趾─鋸齒邊的孔之邊緣(以及該等孔)在第二光狀態中不存在而在第一光狀態中存在。

實施例中第一光狀態下孔的切趾，起因於聚集的帶電粒子形成沿漸縮狀鋸齒的長度的透射率梯度，其類似於高功率雷射中的圖案化鋸齒邊孔的切趾，它是用於抑制菲涅耳(即近場)繞射。在高功率雷射系統中，鋸齒邊孔是使用雷射剝蝕或微影等圖案化技術構建的，以製造用於透鏡的夾具(即孔徑光闌)。描述如何抑制菲涅耳繞射的參考技術文章是由Jerome M.Auerbach和Victor P. Karpenko發布的《Serrated-aperture apodizers for high-energy laser systems》，Applied Optics Vol. 33，Issue 15，pp. 3179-3183，(1994)。關於使用圖案化的鋸齒邊孔的切趾來抑制夫朗和斐(即遠場)繞射，習知技術是未記述的。

圖2a和2b示出了實施例202的電光層中的多個六角形空腔52之一。這樣的空腔可以透過壓印或微影形成，但是壓印是較佳的。第一基板102上的壓紋聚合物結構22顯示在圖2a中並且包括六角形壁體52、鋸齒邊突部32和空隙區域42。放大視圖1004顯示了鋸齒邊突部32的頂點。漸縮狀鋸齒32a界定出漸縮狀凹槽32b。凹槽32b與圖1a的凹槽31b的不同之處在於它們的深度(尺寸1211)小於鋸齒的高度(尺寸1212)，而在圖1a中兩者相同。在一些實施例中，凹槽32b的底部是傾斜的。

鋸齒(或凹槽)間距由尺寸1235顯示，鋸齒(或凹槽)垂直長度由尺寸1222顯示，突部32的平坦部到平坦部距離由尺寸1221顯示，以及相對兩側上的鋸齒之間的距離為尺寸1220。後者等於尺寸1221減去鋸齒長度的兩倍(即2×尺寸1222)。第一基板102上的壓紋聚合物22是光學透明的。

在一些實施例中，在隨後的處理步驟中，(壓紋聚合物22的)壁體52的頂部(和任選的側面)透過塗佈有顏色的黏合劑而變為黑色(或與帶電粒子匹配的顏色)。在這些實施例中的某一些，黏合劑在組裝裝置和墨水之前固化，而在其他實施例中，黏合劑在組裝之後立即固化。在後者的情況下，黏合劑藉由壁體52的頂部黏合到第二基板的內表面來密封空腔。

圖2b示出實施例202在第一光狀態下的前視圖。聚集的粒子10填入漸縮狀凹槽32b以及突部鋸齒32a與六角形空腔壁體52之間的空隙區域42。後者顯示為透明的，但較佳地，它是有顏色的並且匹配於帶電粒子的顏色。選擇聚集電泳墨水71的帶電粒子10所需的容積以充分填充漸縮狀凹槽32b直到尺寸1212加上尺寸1211所指示的水平。

透光率在漸縮狀鋸齒邊的孔的邊緣區域中線性變化，從鋸齒內側尖端處的最大值(表示為尺寸1240)到鋸齒區域外邊緣處的最小值(表示為尺寸1241)。尺寸1240和1241關係到孔32c及聚集粒子10所形成其鋸齒狀外圍結構。這些尺寸分別由突部尺寸1220和1221所界定(如圖2a所示)。

在圖2c和2d中提供了沿A-A線段(如圖2b所示)截取的兩個剖面圖。可以理解，圖2c和2d的尺寸與圖2b無關，而是例示結構及其功能。圖2c表示第二「關閉」狀態，其中粒子10散佈在流體71中以吸收穿過電泳介質273的光。如關於圖2b所討論的，壁體52較佳地是變黑的，並且高起的結構32包括通到空隙區域42的鋸齒32a之間的漸縮狀凹槽32b。當電極260之間的電場極性反轉時，帶電粒子被吸引到第一基板290(即底部表面)，如圖2d所示，形成第一「開啟」光狀態。除了堆積在空隙區域42中之外，帶電粒子堆積在切趾結構的鋸齒32a之間的捕獲容積中。圖2d是圖2b所示前視圖的橫切面表示。因為壁體52是深色的，所以，如上面所談論的，開啟狀態的前視圖(如圖2b所示)看起來與圖1c非常相似。此外，要去理解的是，一層或多層黏合劑265，例如可取自Norland的光學透明膠，可用於將各種膜和結構彼此黏合，如圖2c所示。

圖3a和3b顯示出實施例203的電光層中的多個六角形空腔53中的一個。第一基板103上的壓紋聚合物結構23顯示在圖3a中並且包括六角形壁體53、鋸齒邊的突部33和空隙區域43。放大視圖1005顯示鋸齒邊的突部33的一部分。漸縮狀鋸齒33a界定出漸縮狀凹槽33b。突部33是圓形的，其漸縮狀鋸齒33a和凹槽33b呈放射狀排列。在一些實施例中，鋸齒可以傾斜地排列(即，與徑向成銳角)。

漸縮狀鋸齒33a的內表面平行於它們的底部和電極的面。在鋸齒狀區域內部的突部表面與鋸齒狀內表面之間存在一高度的台階變化(顯示為尺寸1315)。在一些實施例中，鋸齒狀區域內側的突部表面順著一錐體的斜面，在其他實施例中，它是平頂狀，而在又一些實施例中，它是多個階梯環的形狀。

鋸齒(或凹槽)間距表示為尺寸1335，鋸齒(或凹槽)徑向長度表示為尺寸1322，突起33的外切直徑表示為尺寸1321，內切直徑表示為尺寸1320。後者是等於尺寸1321減去兩倍的鋸齒長度(即2×尺寸1322)。第一基板103上的非平面聚合物23是光學透明的。

圖3b顯示實施例203在第一光狀態下的前視圖。聚集粒子10填充漸縮狀凹槽33b以及突部鋸齒33a與六角形空腔壁體53之間的空隙區域43。選擇聚集電泳墨水71的帶電粒子10所需的容積以充分填充漸縮狀凹槽33b直到尺寸1311所顯示的水平。

在一些實施例中，外切孔(由突部直徑1321界定)與六角形空腔壁體的平坦部到平坦部的寬度相同，因此空隙區域43是不連續的。

在一些實施例中，在空腔內沒有空隙區域，結果是鋸齒的尖端與空腔內壁接合。在這些實施例中，鋸齒尖端可以被截斷，以致在壁體接合處鋸齒尖端的寬度為1-2微米(與點接觸相反)。帶電粒子10僅在第一光狀態下集中在鋸齒狀凹槽中(即，這樣的實施例缺乏空隙區域以及突部彼此緊靠或緊靠壁結構)。例如，這種類型的實施例具有圓形突部，則六方堆積的鋸齒邊的圓形突部之間的空間為壁體結構，空腔的內壁為圓形。

在實施例203中，透光率在漸縮狀鋸齒邊的孔之邊緣區域中線性變化，從鋸齒內側尖端處的最大值(指示為尺寸1340)到鋸齒區域外邊緣處的最小值。尺寸1340涉及孔33c及聚集粒子10形成的其鋸齒狀外圍結構。這些孔的尺寸由突部尺寸1320和1321所界定(如圖3a所示)。

圖4a和4b顯示出實施例204的電光層中的多個六角形腔體54中的一個。第一基板104上的壓紋聚合物結構24顯示在圖4a中並且包括六角形壁體54、鋸齒邊的井孔44和高起的介電區域34。放大視圖1006顯示了鋸齒邊的井孔44的一部分。漸縮狀徑向鋸齒34a界定出漸縮狀凹槽34b。井孔44是圓形的，並且它們的漸縮狀鋸齒34a和凹槽34b呈放射狀排列。

鋸齒(或凹槽)間距顯示為尺寸1435，鋸齒(或凹槽)徑向長度顯示為尺寸1422，井孔44的外徑顯示為尺寸1421，內徑顯示為尺寸1420。後者是等於尺寸1421減去鋸齒長度的兩倍(即2×尺寸1422)。第一基板104上的非平面聚合物24是光學透明的。

圖4b顯示出實施例204在第一光狀態下的前視圖。聚集的粒子11被施加的電場驅動去集中在井孔44中。後者形成光繞射的光學障礙物44a。藉由用聚集粒子11填入漸縮狀凹槽34b來抑制繞射。選擇聚集電泳墨水72的帶電粒子11所需的容積以充分填充漸縮狀凹槽34b直到它們的高度水平(參見尺寸1411)。

在實施例204中，透光率在漸縮狀鋸齒邊的障礙物之邊緣區域中線性變化，從鋸齒內側尖端處的最小值(表示為井孔尺寸1420)到鋸齒區域外邊緣處的最大值(表示為井孔尺寸1421)。

圖示中的實施例描述周期性的鋸齒，但在其他實施例中，孔(或障礙物)中的鋸齒具有差異，包括以下一項或多項：同一孔中的不同鋸齒長度、同一孔中的不同鋸齒方位(例如，在多邊形孔中垂直鋸齒與徑向鋸齒混合)，同一孔中的不同鋸齒間距，以及同一孔中不同形狀的鋸齒。又其他實施例中，這些鋸齒差異不在裝置中的一個孔(或障礙物)內而是在多個孔(或障礙物)之間。

圖5a、5b、6a、6b、7a和7b中顯示出切趾結構其他的替代構造，包括多個突部。圖5a舉例說明了多個矩形鋸齒56a，這些鋸齒產生一系列狹槽56b通到鄰接於電泳胞元壁體58周圍的空隙區域57。狹槽56b可以像台階的往下降，或者狹槽56b當它們過渡到空隙區域57時可以是漸縮狀的、凹形的或凸形的。如圖5a所示，胞元具有寬度W，表示最長的內部尺寸可能介於50微米到5,000微米之間。壁體58的寬度可以是從7.5微米到175微米，較佳的是，從12微米到125微米，並且最佳的是，從15微米到90微米。在空隙區域57處垂直於第二基板的面的高度(或深度)為胞元寬度W的3%至99%，較佳為5%至66%，最佳為6.25%到46%，而從高起的特徵體56延伸的高度小於在空隙區域57處垂直於第二基板的面的高度，例如，從胞元寬度的1%到60%。

顯然，其他替代的幾何形狀是可行的，例如由鋸齒66a形成的扇形捕獲容積66b，如圖6a和6b所示。在後者中，間隙區域表示為67，而胞元壁體為68。此外，如上面所討論的，切趾結構可包括通到一空隙區域77的多個台階75、76，如圖7a和7b所示。利用聚合物材料適當的折射率匹配和帶電粒子適當的裝載，相比於較靠近壁體78之前面的環圈，每個台階可配置來產生例如降低(即遮蓋)1/5的光密度。以這種方式，對應於環圈的透光率階層式下降近似於高斯透射率曲線，即使僅使用兩個或更多個台階(即多個環圈)。

一些實施例提供了第三光狀態，其中孔和/或障礙物被選擇為「未切趾的」。該第三光狀態最大化光的透射率，比第一光狀態更多的光穿透。在第三光狀態下，聚集的粒子選擇性地被趕入空隙區域並空出鋸齒狀凹槽。這樣的實施例提供在第三光狀態下於孔(或障礙物)邊緣處的光透射與光遮擋之間的劇烈轉變。

維基百科提供了「繞射」和「切趾」的描述。如本文所用的，繞射是指由光的波動性質引起的各種現象。它描述了光波在障礙物周圍的明顯彎折以及光波通過孔的擴散。本文設想的許多應用，例如用於窗戶的可變透光率薄膜，從一公尺或更遠的距離觀看，並且透過實施例可見的場景通常在10公尺或更遠的距離。在這樣的情況下，繞射圖案(存在的情況)被稱為夫朗和斐繞射(即遠場條件)。如果物體和觀看距離小於一公尺，則圖案(存在的情況)可以滿足菲涅耳繞射(即近場繞射)的條件，例如參見www.wikipedia.org中的相關條目。夫朗和斐繞射的條件取決於孔(或障礙物)的長軸，觀察距離需要遠大於長軸(有關更多信息，請參照www.wikipedia.org中的「Fraunhofer Diffraction」條目)。

一般而言，實施例中的繞射是有關於可見光，即使所描述的裝置最小化光繞射是跨越整個包括紅外線的太陽光譜。在實施例中，繞射發生在光透射和遮擋區域的邊緣，或者在具有不同折射率的兩個透明區域之間的邊緣(即，光以不同的速度行進)。光的遮擋可能是由於集中的帶電粒子實質上吸收了它，或者集中的帶電粒子導致了折射率的變化還有光的衰減。在其他實施例中，集中的帶電粒子對光的遮擋包括漫反射或鏡面反射。

在多個實施例中，根據光照條件，不同強度的繞射圖案仍然是可察覺的，但對於由強度對比距離(或視角)的PSF圖所顯示的第4級以及更高級數的帶的最大值，繞射圖案中最高強度的最大振幅將小於對應到非切趾裝置的一半。在一些實施例中，高級數最大值(≥第4)的繞射抑制為3至10倍，並且當在遠場條件下透過實施例觀看亮光時，繞射圖案帶/環5以及更高的是不可察覺的。在一些實施例中，在第一光狀態下的大量的孔(和/或障礙物)是非週期性的(即，不是周期性地隔開的)或是隨機遍布在觀看面上的。在具有硬性轉變/邊緣的習知裝置中，透過隨機化孔觀看的明亮物體會產生複雜的明亮光暈。在具有隨機化、切趾的孔的實施例中，取決於光照條件，光暈仍可能是可察覺的，但其相對強度(相對於中央的或艾瑞盤)將明顯是較小的。

當整合到建築物的窗戶(包括單層、雙層和三層玻璃窗)中時，該裝置的實施例調節透光率和/或視覺進入。在後兩者中，該裝置較佳地是位於與外部環境相鄰的窗格中，以便吸收的陽光能量可以通過對流和熱輻射消散到外部環境中。在其他窗戶和/或開孔實施例中，該裝置調節陽光進入汽車或公共交通工具(例如，公車、火車、電車、渡輪或輪船)內部的穿透率，使眩光最小化，並提供一定程度的隱私給居住者阻隔外面的觀看者，同時保持外面的可見性給居住者。其他實施例包括用作光閘、光衰減器、可變光透射率片、可變光吸收率片、可變光反射率片、單向鏡、遮陽板或天窗。

在一些實施例中，電泳墨水在層壓步驟中填充到空腔，該層壓步驟將先前形成在第一基板上(並結合到)的壓紋聚合物結構施加到第二基板，帶有墨水層位於其之間。較佳地，層壓步驟使用一對定向軋輥(NIP)，使得基板在輥之間從上到下(而不是從左到右)行進。流體在捲入點(NIP point)上方的基板之間的小珠子中，並在基板通過捲入點(NIP point)時透過輥層壓到壓紋聚合物的空腔中。當基板通過NIP點時，基板平行面之間的垂直距離由聚合物壁結構確定。較佳地，聚合物壁的頂部在層壓之後或與層壓同時在紫外光(UV)(或其他輻射)固化階段結合到第二基板。

在一些實施例中，該裝置具有撓性薄膜基板並且足夠彈性的以相容於捲對捲製造。該薄膜裝置具有顯著的結構強度，並且將流體層分隔到各腔體中，每個腔體保有單獨的墨水容積，該墨水容積是自密封的並且與相鄰的腔體隔離。實施例的結構強度源於對其聚合物結構和聚合物密封材料的選擇。結構強度包括在夾層安全玻璃中需要耐得住永久層壓到玻璃板上的強度，該夾層安全玻璃包含EVA或PVB中間層作為裝置和玻璃板之間的光學膠。該裝置的材料被挑選為在正常使用中對機械衝擊和極端環境(陽光和室外溫度)有抵抗力。

對本領域習知技術人員來說顯而易見的是，可以對上述本發明的具體實施例進行多種改變和修改，而不脫離本發明的範圍。因此，前面描述的整體是要被構思成例示性質的而不是限制性質的。

10,11:粒子 21,22,23,24:非平面聚合物結構 31,32,33:突部 34:介電區域 41,42,43,57,67,77:空隙區域 44:井孔 52,53,54,58,68,78:壁體 56:高起的特徵體 60,260:電極 75,76:台階 90:透明載體膜 71,72:電泳墨水層 101,102,103,104,290:第一基板 121:電光層

141:第二基板

201,202,203,204:實施例

273:電泳介質

1001,1003,1004,1005,1006:放大視圖

1025,1040,1041,1120,1121,1122,1135,1211,1212,1220,1221,1222,1235,1240,1241,1311,1315,1320,1321,1322,1335,1340,1411,1420,1421,1422,1435:尺寸

1111:高度

31a,32a,33a,34a,56a,66a:鋸齒

31b,32b,33b,34b,66b:凹槽

31c,32c,33c:光學孔

44a:障礙物

56b:狹槽

W:寬度

現在將參考所附的三維圖式以舉例的方式描述本發明的實施例，其中： 圖1a示出在本發明一實施例中包括切趾結構的胞元底部； 圖1b示出一完整的電泳胞元，包括頂部透光電極層和頂部透光基板。為清楚起見，胞元壁體被移除； 圖1c示出從本發明一實施例中的胞元底部來看切趾結構的一實施例的正視圖； 圖2a示出一壓紋聚合物空腔，為本發明實施例的胞元； 圖2b示出一壓紋聚合物空腔實施例的切趾結構正視圖； 圖2c示出圖2a中壓紋聚合物空腔實施例處於「關閉」狀態的示範性剖面圖，其中帶電顏料顆粒散佈於胞元並吸收入射到胞元上的光； 圖2d示出圖2b中AA切面處於「開啟」狀態，其中帶電顏料顆粒聚集在切趾結構的突部之間； 圖3a示出不同實施例的壓紋聚合物空腔一替代的切趾結構； 圖3b示出圖3a的實施例在「開啟」的光狀態下的前視圖； 圖4a示出不同實施例的壓紋聚合物空腔的一替代結構。圖4a的實施例包括多個切趾結構，每個切趾結構包括多個突部； 圖4b示出圖4a在「開啟」的光狀態下的前視圖； 圖5a示出可用於本發明的一替代的切趾結構的前視圖； 圖5b示出可用於本發明的一替代的切趾結構的側邊剖面圖； 圖6a示出可用於本發明的一替代的切趾結構的前視圖； 圖6b示出可用於本發明的一替代的切趾結構的側邊剖面圖； 圖7a示出可用於本發明的一替代的切趾結構的前視圖；以及 圖7b示出可用於本發明的一替代的切趾結構的側邊剖面圖。

附圖描繪出根據本概念的一種或多種實施方式，僅作為示例而不是作為限制。

21:非平面聚合物結構

31:突部

31a:鋸齒

31b:凹槽

41:空隙區域

60:電極

90:透明載體膜

101:第一基板

1001:放大視圖

1025,1120,1121,1122,1135:尺寸

1111:高度

Claims (8)

1. 一種電泳胞元，包括： 一透光基板； 一第一透光電極層，鄰接於該透光基板； 一胞元，具有複數個壁體及包括一透光切趾結構的一底部，該等壁體和底部製造出一容積； 一第二電極層，其中該胞元設置在該第一透光電極層和該第二電極層之間； 一電泳介質，包括一溶劑和配置在該胞元的該容積中的一第一組帶電顏料顆粒；以及 一底部基板， 其中該切趾結構包括複數個底層厚度，當該等帶電顏料顆粒被吸引到該第二電極層時，該等底層厚度限定不同的光密度。
2. 如請求項1之電泳胞元，還包括一光學透明的黏合層。
3. 如請求項1之電泳胞元，其中該第一組帶電顏料顆粒是黑色的。
4. 如請求項1之電泳胞元，其中該胞元的該底部是透光的。
5. 如請求項4之電泳胞元，其中該第二電極層是透光的。
6. 如請求項1之電泳胞元，其中該等壁體實質上是吸光性的。
7. 如請求項1之電泳胞元，其中該胞元的高度係在5微米(μm)和5000微米(μm)之間。
8. 如請求項1之電泳胞元，其中該胞元的該底部呈峰形，使得在該胞元的中間處之該底部與該第一透光電極層之間的距離小於在該胞元的該壁體與該底部之間的一邊緣處之該底部與該第一透光電極層之間的距離。