DE60305973T2

DE60305973T2 - Transparentes, berührungsempfindliches umschaltsystem

Info

Publication number: DE60305973T2
Application number: DE60305973T
Authority: DE
Inventors: T. Mark JOHNSON; K. Dirk DE BOER
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2002-12-09
Filing date: 2003-11-12
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2023-11-13
Also published as: DE60305973D1; AU2003276542A1; US20060071819A1; EP1573764B1; KR20050088303A; JP2006509302A; WO2004053909A1; TW200414088A; CN1723517A; EP1573764A1; ATE329361T1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein wenigstens teilweise transparentes, berührungsempfindliches Umschaltsystem und auf eine elektrooptische Wiedergabeanordnung mit dem genannten berührungsempfindlichen Umschaltsystem.
Ein transparentes, berührungsempfindliches Umschaltsystem wurde in US 4.516.112 beschrieben. Nach diesem Patent wurde eine Wiedergabeanordnung mit einem Wiedergabeschirm hergestellt. Über den Wiedergabeschirm wurde ein piezoelektrischer Film angebracht um selektiv örtlich zum Schirm hin eingedrückt zu werden. Der Film hat transparente flexible leitende Schichten an einander gegenüber liegenden Seiten des piezoelektrischen Films. Diese transparente, flexible, leitende Schichten sind erforderlich zum Erzeugen einer Spannung in Reaktion auf das Eindrücken des Films. Dieses System hat den Nachteil, dass die Herstellung desselben aufwendig ist, da der piezoelektrische Film mit zwei zusätzlichen transparenten flexiblen leitenden Schichten versehen werden muss. Weiterhin hat das Hinzufügen dieser transparenten flexiblen leitenden Schichten einen nachteiligen Effekt auf die Transparenz der Wiedergabeanordnung, insbesondere bei Wiedergabeanordnungen, die mit geringem Energieverbrauch arbeiten, wie bei Wiedergabeanordnungen, die in mobilen Systemen, wie Handys, Notebooks und dergleichen verwendet werden. Weiterhin sind diese Wiedergabeanordnung dick und deswegen relativ schwer, was wieder einen anderen Nachteil mit sich bringt, insbesondere bei mobilen Systemen.
Es gibt folglich ein großes Bedürfnis nach einer Verbesserung des oben genannten Systems, und zwar in Bezug auf die Herstellungskosten, die optische Leistung (d.h. Transparenz), das Gewicht und den geringen Energieverbrauch.
Die vorliegende Erfindung schafft ein verbessertes wenigstens teilweise transparentes berührungsempfindliches Umschaltsystem mit wenigstens zwei Elektroden, die mit Mitteln versehen sind zum Zuführen einer Spannung zu denselben und durch eine Schicht voneinander getrennt, wobei diese Schicht wenigstens ein Gebiet aufweist, das durch Zuführung der Spannung sich optisch ändert, und wenigstens ein Gebiet, das ein piezoelektrisches Material aufweist zum Erzeugen einer Spannung, wenn darauf Druck ausgeübt wird.
Das betreffende System kann zu relativ geringen Kosten hergestellt werden und hat außergewöhnliche optische Eigenschaften. Es sei bemerkt, dass das Piezoelektri sche Material vorzugsweise ein Piezoelektrisches Polymer ist. Ein derartiges piezoelektrisches Polymer kann das herkömmliche Polymer ersetzen, das in nahezu jeder elektrooptischen Wiedergabeanordnung vorhanden ist. Auf diese Weise können Wiedergabeanordnungen nach der vorliegenden Erfindung zu etwa denselben Kosten wie herkömmliche Wiedergabeanordnungen hergestellt werden, und zwar durch einfache Verwendung eines piezoelektrischen Polymermatrixmaterials statt eines normalen Polymermatrixmaterials.
Andere transparente berührungsempfindliche Umschaltsysteme sind bekannt, wie in US 5.159.323 beschrieben, wobei eine Wiedergabeanordnung mit einem piezoelektrischen Material zwischen zwei Substraten beschrieben worden ist. Dieses System ist aber unvergleichbar mit dem vorliegenden System, indem es ein einzigartiges ferroelektrisches flüssiges kristallines Material verwendet, dass inhärent auch piezoelektrische Eigenschaften hat. Auf diese Weise wird dieses Material als das Licht beeinflussendes Medium sowie als ein druckempfindliches Medium verwendet. Ein derartiges System ist sehr begrenzt in Materialien, die verwendet werden können und folglich sehr begrenzt in der Anwendung. Im Gegensatz dazu schafft die vorliegende Erfindung ein System eines berührungsempfindlichen Umschaltverfahrens, das mit jedem beliebigen Material kombiniert werden kann, das einen optischen (Licht) Effekt geben kann, einschließlich nicht flüssiger kristalliner Werkstoffe.
Das vorliegende System ermöglicht die Herstellung von Wiedergabezellen, die bei Berührung eine Spannung in dem piezoelektrischen Material erzeugen, die dazu dient, die Berührungsstelle zu detektieren. Beispiele von Wiedergabeanordnungen, bei denen das berührungsempfindliche System nach der vorliegenden Erfindung angewandt werden kann, sind PDLC ("polymer dispersed liquid crystal"), elektrophoretische Wiedergabeanordnungen, Gyricon^TM, PDCTLC ("polymer dispersed cholesteric texture liquid crystal"), polymer dispergierte Gast/Gastgebersysteme und andere polymer dispergierte Gast/Gastgebersysteme und andere polymer dispergierte LC Effekte, Systeme mit Pixelwänden (elektrochrome, elektrobenetzende, ASM ("axial symmetric microcell") Mode LCD und dergleichen. Vorzugsweise ist das piezoelektrische Material ein Polymer oder es sind ein Polymer enthaltende piezoelektrische Teilchen, die Angewandt werden können um spezielle Distanzkonstruktionen zu bilden, wie auf eine lithographische Weise, wie von Odahara u.a. in "SID 01 Digest, Seite 1385 beschrieben oder durch Mikroprägung. Es wird aber mehr bevorzugt, das piezoelektrische Material in das Pixel einzuverleiben. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird eine Wiedergabeanordnung hergestellt, in der wenigstens eine der leitenden oder halbleitenden Schichten auf einem Substrat angebracht wird. Das Substrat kann jedes beliebige Material sein, dass meistens für diese Zwecke verwendet wird, wie Glas oder Kunststoff, worunter Polycarbonat, Polyurethan und dergleichen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung befindet sich das berührungsempfindliche Umschaltsystem auf wenigstens einer der auf einem Substrat vorgesehenen Elektroden. Das berührungsempfindliche Umschaltsystem ist wenigstens teilweise transparent. Für viele Applikationen wird bevorzugt, dass das System völlig transparent ist.
Die piezoelektrischen Werkstoffe sind durchaus bekannt und kommerziell verfügbar. Meistens wird ein Polyvinylidenfluoridfilm (PVDF) verwendet, mit beispielsweise einer Dicke von 10 bis 100 μm, es dürfte aber einleuchten, dass jeder beliebige andere piezoelektrische Werkstoff auch auf geeignete Art und Weise verwendet werden kann, wie ein ferroelektrisches (optisch aktiv smektisch C*) Elastomer (Brahma, M., Wiesemann, A., Zentel, R., Siemensmeyer, K., Wagenblast, G., "Polymer Preprints", 1993, 34 (2), 708; http://staudinger.chemie.uni-mainz.de/akzentel/Poblikationen/p99_1.htm#13), und Polymere mit piezoelektrischen Teilchen (beispielsweise ein Titanat).
Wenn ein piezoelektrisches Polymer verwendet wird, erzeugt die molekulare Ausrichtung durch Anlegung einer hohen umpolenden Spannung den piezoelektrischen Effekt. Auf diese Weise wird das beliebig orientierte piezoelektrische Material geordnet bei Anlegung einer die Hochspannung umpolenden Spannung. Berührungssignale können dann über die Pixelelektroden gemessen werden, die bereits vorhanden sind um die Pixel zu betreiben, so dass keine zusätzlichen Verbindungen in der Wiedergabeanordnung notwendig sind. Durch Identifikation, welche Reihe und Spalte bei Ausübung von Druck eine Spannung erzeugt hat, kann eine Abtastung durchgeführt werden.
Die vorliegende Erfindung wird weiterhin durch die nachfolgenden Figuren erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines berührungsempfindlichen Pixels nach der vorliegenden Erfindung mit einem piezoelektrischen Polymer und mit Gebieten mit flüssigkristallinem Material,
2 eine schematische Darstellung eines berührungsempfindlichen Pixels nach der vorliegenden Erfindung mit einem piezoelektrischen Polymer und mit Kapseln mit elektrostatisch geladenen Teilchen.
In 1 ist ein erstes Substrat 1 mit einer ITO-Schicht (leitenden Schicht) 2 versehen. Ein zweites Substrat 3 ist ebenfalls mit einer ITO-Schicht 4 versehen. Die zwei Substrate befinden sich durch eine Polymerschicht 5 in einem Abstand voneinander, wobei diese Schicht piezoelektrische Eigenschaften hat, indem sie an sich piezoelektrisch ist oder dadurch, dass sie piezoelektrisches Material enthält. In der Polymerschicht 5 sind Gebiete 6 vorhanden, die "schwebende" Tropfen mit flüssigkristallinen Molekülen sein können oder die eine mit LC-Molekülen gefüllte Kapsel sein können. Wenn eine Kapsel verwendet wird, wird eine derartige Kapsel aus einem dünnen transparenten polymeren Film hergestellt, der üblicherweise zum herstellen von Kapseln verwendet wird. Die Gebiete, die durch Anlegung der Spannung optisch sich ändern, sind in eine Matrix des piezoelektrischen Polymers eingebettet. Es gibt Mittel 7 zum Anlegen einer Spannung an die ITO-Schichten 2 und 4.
Die Schicht 5 kann einem hohen elektrischen Feld ausgesetzt werden, damit das piezoelektrische Polymer ausgerichtet wird.
Auf diese Weise ist das ganze Pixelgebiet berührungsempfindlich, was diese berührungsempfindliche Annäherung für flexible und sogar tragbare Wiedergabeanordnungen anwendbar macht.
Nach dieser Ausführungsform wird das Berührungssignal über die Pixelelektroden durch die Verbindungen gemessen, die zum Betreiben der Pixel bereits vorhanden sind. Die Abtastung wird dadurch durchgeführt, dass auf einfache Weise die Reihe und die Spalte identifiziert wird, die als Ergebnis des Berührungsdrucks eine Spannung erzeugt haben.
Dieses Verfahren kann für einen großen Bereich von Flüssigkristallsystemen angewandt werden, die auf ein Polymernetzwerk gebaut sind zum Schaffen der gewünschten elektrooptischen Eigenschaften. Beispiele sind PDLC, PDCTLC, Gast-Gastgebersysteme mit Polymernetzwerken (wie in Kamera-Verschlusssystemen verwendet), usw. Jedes Pixel kann eine Anzahl Gebiete 6 enthalten, aber vorzugsweise ist jedes Gebiet 6 ein einzelnes Pixel.
Eine Ausführungsform einer LCD mit einem Polymernetzwerk, wobei Pixel unter Verwendung eines Polymernetzwerkes einzeln eingekapselt sind, wird als die sog. Axial symmetrische Mode (ASM) bezeichnet, angewandt für LCDs und PALC-Wiedergabeanordnungen ("plasma adresses liquid crystal") mit einem großen Sehwinkel.
In 2 ist ein Glassubstrat 1 mit einer ITO-Schicht (leitenden Schicht) 2 versehen. Ein zweites Substrat 3 ist eine PET-Schicht mit einer Stärke von 175–250 μm, die ebenfalls mit einer ITO-Schicht 4 versehen ist. Die zwei Substrate sind durch eine Polymerschicht 5 mit piezoelektrischen Eigenschaften voneinander getrennt, wobei diese Eigenschaften dadurch verursacht werden, dass es sich um piezoelektrisches Material handelt oder dass die Schicht piezoelektrisches Material aufweist. In der Polymerschicht 5 sind Kapseln 6 vorhanden, die mit elektrostatisch geladenen Teilchen gefüllt sind, wobei die Teilchen in einem Fluid (Gas oder Flüssigkeit) dispergiert sind. Es sind Mittel 7 vorhanden zum Zuführen einer Spannung an den ITO-Schichten 2 und 4. Auch hier kann jedes Pixel eine Anzahl Kapseln enthalten, aber vorzugsweise stellt jede Kapsel ein einzelnes Pixel dar. In dieser Figur ist angegeben, dass die elektrostatisch geladenen Teilchen zwei verschiedene Teilchensorten sind, deren Farben zueinander kontrastieren und die in einem farblosen Fluid dispergiert sind. In diesem Spezialfall enthalten die Kapseln schwarze und weiße Teilchen in einem farblosen Fluid, beispielsweise negative elektrostatisch geladene kohlenschwarze Teilchen und positive elektrostatisch geladene weiße TiO₂ Teilchen. Auf alternative Weise können die Teilchen auch elektrostatisch geladene Teilchen mit nur einer einzigen Farbe sein, die zu der Farbe des Fluids kontrastiert.
In diesem Fall wird das piezoelektrische Polymer als Bindemittel verwendet. Die Grundlage der vorliegenden Erfindung kann auf vorteilhafte Weise auch bei vielen anderen Typen von Wiedergabeanordnungen auf Basis von Elektrophorese angewandt werden, die in Patentanmeldungen vorgeschlagen wurden. Diese Konzepte werden auch besser funktionieren, wenn Pixel unter Verwendung eines Polymernetzwerkes einzeln eingekapselt werden. Auch hier könnte dieses Polymernetzwerk piezoelektrisch gemacht werden, damit Berührungsabtastung ermöglicht wird. So könnte beispielsweise das bekannte Wiedergabeprinzip, das als Gyricon^TM bekannt ist (ex Xerox) wirklich berührungsempfindlich sein. In diesem Fall könnte das Polymernetzwerk, das das Bindemittel um die sich drehenden Kugeln mit schwarzen und weißen Halbkugeln bildet, piezoelektrisch gemacht werden, damit Berührungsabtastung ermöglicht wird.
Bei einer anderen Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung (nicht dargestellt) werden zwei Elektroden auf demselben Substrat angebracht und durch eine Schicht 5 mit Gebieten 6 entsprechend der Schicht 5 und mit Gebieten 6 nach 1 oder 2 voneinander getrennt. Das System nach der vorliegenden Erfindung kann weiterhin eine oder mehrere der üblichen anderen Schichten enthalten, wie Substratschichten, Zwischenschichten, Ausgleichschichten oder Verzögerungsschichten, Polarisationsschichten, Schutzschichten und dergleichen.
Viele Konzepte für elektrochrome und Elektrobenetzungs-Wiedergabepixel werden besser funktionieren, wenn Pixel unter Verwendung eines Polymernetzwerkes einzeln eingekapselt sind. Auch hier könnte das Polymernetzwerk piezoelektrisch gemacht werden, damit Berührungsabtastung ermöglicht wird.

Claims

Wenigstens teilweise transparentes berührungsempfindliches Umschaltsystem mit wenigstens zwei Elektroden, die mit Mitteln versehen sind um denselben eine Spannung zuzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Elektroden durch eine Schicht voneinander getrennt sind, die wenigstens ein Gebiet aufweist, das durch Zuführung der Spannung optisch sich ändert, und wobei wenigstens ein Gebiet ein piezoelektrisches Material aufweist, das eine Spannung erzeugt, wenn Druck darauf ausgeübt wird.
Berührungsempfindliches Umschaltsystem nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine der Elektroden transparent ist.
Berührungsempfindliches Umschaltsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das piezoelektrische Material ein piezoelektrisches Polymer ist.
Berührungsempfindliches Umschaltsystem nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Gebiete, die optisch ändern durch Zuführung der Spannung, Gebiete sind, die ein Fluid oder eine Dispersion von Teilchen in einem Fluid enthalten.
Berührungsempfindliches Umschaltsystem nach Anspruch 4, wobei das Fluid flüssigkristalline Moleküle enthält.
Berührungsempfindliches Umschaltsystem nach Anspruch 4, wobei die Gebiete eine Dispersion von Teilchen in einem Fluid enthalten, wobei die Teilchen elektrostatisch geladen sind.
Berührungsempfindliches Umschaltsystem nach Anspruch 6, wobei die elektrostatisch geladenen Teilchen eine Farbe haben, die zu der Farbe des Fluids kontrastiert, oder wobei die Teilchen in einem farblosen Fluid dispergiert sind und die Dispersion wenigstens zwei verschiedene Sorten elektrostatisch geladener Teilchen aufweist, deren Farben zueinander kontrastieren.
Berührungsempfindliches Umschaltsystem nach einem der Ansprüche 1–7, wobei die Gebiete, die durch Zuführung der Spannung optisch ändern, in eine Matrix aus dem piezoelektrischen Material eingebettet sind.
Berührungsempfindliches Umschaltsystem nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Dispersion elektrostatisch geladener Teilchen in einem Fluid in eine Kapsel aus einem Polymermaterial eingeschlossen ist.
Elektrooptische Wiedergabeanordnung mit dem berührungsempfindlichen Umschaltsystem nach einem der Ansprüche 1–9.
Wiedergabeanordnung nach Anspruch 10, wobei jedes Gebiet, das durch Zuführung der Spannung optisch ändert, einem einzigen Pixel entspricht, und wobei jedes Pixel ein berührungsempfindliches Pixel ist.