CN101317128B - 发电显示器装置、移动终端及运行该显示器装置的方法 - Google Patents

发电显示器装置、移动终端及运行该显示器装置的方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种低能耗显示装置。其利用了响应电能以使显示装置显示信息和响应于入射射线产生电能的光敏层。可将单个显示装置的显示器像素分为显示像素和发电像素。显示像素可显示信息，发电像素可产生电能。可利用所产生的电能供电以驱动图像。

Description

发电显示器装置、移动终端及运行该显示器装置的方法
技术领域
本发明涉及电子显示器。更特别是，本发明涉及一种以尽量少的或者不用外部电能运行电子显示器的系统和方法。 
背景技术
现代电子器件通常包括显示装置。对于多数人，视觉是最发达的感觉，并且预期通过视觉传播最重要的信息。即使低能耗的显示装置例如液晶显示装置消耗了电子装置所消耗的大部分能量。电源的可用性限制了便携式电子装置例如便携式电脑、移动终端等等的使用。通常使用便携式电池组为便携式电子装置提供能量。由于现有电池组的有限寿命和显示装置能耗，用户需要携带和使用多个电池组或者限制便携式电子装置的使用。 
电子显示装置的能耗要求还限制了该装置的应用。例如，长时间显示宣传材料的显示装置必须与电源非常接近。在一些地方提供电源在成本上不允许并且在某些情况下不安全。这些情况下常常使用静止的广告牌或者横幅，即使其缺少电子显示装置的灵活性和外观特征。 
因此，本领域需要一种可以以尽量少或者不用外部电能运行的电子显示装置。 
发明内容
本发明通过提供采用光敏层的显示装置和方法处理至少部分上述要求，该光敏层能够产生电脑和显示信息。可选择像素以产生电能和显示信息，从而消除或者减少对外部能源的需要。 
在一个实施例中，通过采用具有用于吸收光的染料的TiO2纳米颗粒形成显示器像素而获得自给显示装置。由被连接至提供外部电阻/电压的显示器像素的外部微开关确定显示器像素的串联功能。基于光电变色反应，具有高外部电阻(Rext＝RH)(断路微开关)的像素在照射下将是黑色或者有色。外部电阻较低(Rext＝RL)(闭路微开关)的剩余像素将保持透明、半透明或者略微带色或者如果先前有色则退色。这些透明像素用于产生能量。该装置的基本物理性质和概念设计使得所形成的黑色和透明像素图形可用于构成图像/文本并从相同区域产生能量(单像素水平上的串联装置)。有色像素用于产生图像/文本，而透明像素促进产生能量。可将所获得的能量存储在电池/电容器中以提供装置运行的自给。 
在其它实施例中，一种或多种公开的方法可实施为记录在计算机可读介质例如软盘或者CD-ROM上的计算机可执行指令。 
在本发明的详细描述部分更详细地总结了本发明和示例性实施例。 
附图说明
通过下面附图中的实例描述本发明，但是本发明不受附图的限制，其中： 
图1示出了显示器-太阳能电池像素装置的实施例； 
图2示出了光电变色装置的工作原理，基底可以为玻璃或者柔性且透明的聚合物材料； 
图3示出了自给显示装置的直接像素寻址方案； 
图4示出了自给显示装置的无源像素寻址方案； 
图5示出了彩色自给显示装置的颜色方案； 
图6示出了自给显示装置系统的实施例；以及 
图7是示出一个操作自给显示装置系统的实施例的流程图。 
具体实施方式
描述本发明一个实施例的图1示出了显示器-太阳能电池装置的实施例，其能够显示图像和文本并且通过确定外部微开关(例如外部微开关102 和104)的方案产生能量以存储在电池中或者供显示装置的自给工作。图1的显示器-太阳能电池像素装置可用于实现自给显示装置。 
可通过确定外部微开关102和104的方案引导装置工作以在装置上示出图像/文本(如图1所示)。更具体地是，外部电阻高(Rext＝RH)(断路微开关)的像素在照射下将为黑色、半透明和/或有色，例如像素120。剩余的外部电阻低(Rext＝RL)(闭路微开关)的像素将保持透明、半透明和/或如果先前有色时褪色，例如像素132。这些透明像素(闭路微开关)用于产生能量。可选择地，黑色、半透明和/或有色像素(断路微开关)用于产生能量。该装置的基本物理性质和构思设计使得黑色和透明像素的形成图形可用于构成图像和/或文本，并从相同区域产生能量(在单个像素水平上为串联装置)。有色像素120、122和124用于产生图像和/或文本，而透明像素130、132、134、136、138和140将有助于产生能量。可将所获得的能量存储在小型电池或者电容器中以使该装置自给运行。 
描述本发明一个实施例的图2示出了颜色变化反应，该变化反应由照射引起并通过可用于实现本发明方案的外部电阻(Rext)确定，该电阻在单个像素200水平上可具有两种运行模式。照射时，上部206示出断路(高Rext)状态下的着色，下部108示出短路(低Rext)状态下的褪色。在微观水平下，外部电阻202和204的状态操纵电子的定向流动，其又确定单个像素200的工作模式。单个像素在大外部电阻(Rext＝RH，断路状态)Rext202下着色。电子210从染料220注入至TiO2 222的导带中，在该导带中所述电子散射进WO3 224，并且在这里发生从透明到黑色的着色。在黑色状态下，单个像素的颜色取决于所使用电致变色材料的类型。在褪色状态下，单个像素的颜色取决于所使用的获取光的敏化剂染料。该染料例如可以为过渡金属络合物或者有机分子。该颜色可以为从蓝至红的可见区域或者为不可见的近IR区域。该装置在低外部电阻条件(Rext＝RL，短路状态)Rext 204下褪色。或者换言之，如果外部电阻较低(Rext＝RL)，则像素在照射下透明。同时，透明像素将产生如太阳能电池像素的能量。因此，不需要外部电源以对装置着色或者褪色。此外，着色时间与装置区域无关。这一 点使得可通过相同的技术构造较小和较大的像素(直径为0.1mm-100cm)。 
图2中所描述的像素的光敏颜色变化层由玻璃或者聚合物基底230、TCO240、WO3 224、TiO2 222、染料220、电解质260、Pt250、TCO240和玻璃或者聚合物基底230制成(从底部至顶部)。光敏层(TiO2 222/染料220)和电致变色层(WO3 224)被溶胶-凝胶沉积，而薄Pt层250可被溅射或者以别的方式沉积在相对的透明导电电极(TCO240)上。两个电极之间为含Li+离子和氧化还原对(I-/I3 -)的电解质。多个层或者叠层可以为特别提高能量产生效率的选择。该结构可以被折叠。 
图1和2中所描述的物理特征可用作自给串联显示装置，其能够用作显示器(用于成像)和太阳能电池(产生能量)。当微开关280闭合(RL 状态)同时照射该装置时，电子212从WO3 224转移到Pt电极250，这一点使得电解质262中重新产生I-离子。WO3被氧化，而装置发光不变(或者如果前面的状态被着色则褪色)。另外，在该条件(RL)下产生被引导用于对外部电池或者电容器150充电并积累用于整个装置自给运行的能量。所产生的能量可为包括微开关电路(用于改变或者更新图像)、CPU(用于控制装置的运行)、电池控制电路(用于控制充电电池)、无线访问外部装置(从远程装置设置图像的WLAN、BT、IR)的自给运行提供足够的能量，并为用于背光照明(提高注意力的闪烁模式)的LED的连续运行提供能量。 
图3和4示出了自给显示装置的实例像素寻址模式。每种寻址模式的目的在于设置像素状态并确定运行模式(成像或者产生能量)。 
直接寻址 
描述本发明一方面的图3示出了自给显示装置的直接寻址方案。在直接寻址中，显示装置通过到达每个像素的各个控制信号而工作，其使得可在每个像素上设置和维持无论是黑色或者透明的状态。顶侧310(与光源更近的一侧)形成电极(TCO)。在底侧存在和像素有源面积对应的TCO 垫330阵列。在直接寻址结构中由单根导线330访问每个像素，该导线可以50微米细。导线的路由线路围绕TCO垫并连至确定每个像素外部电阻的双稳态微开关电路(b-MS)340。如所描述的，外部电阻342的值可被设置为高-RH或者低-RL，同时确定像素的运行模式(有色/透明，成像/产生能量)。另外，通过设定公用电极(顶侧TCO)的总电阻344(RG)，可调整显示装置的总亮度。所有被设置为具有低RL的像素(透明像素)被连接并用于产生能量和对电池或者电容器350充电。该能量可用于自给运行显示装置，包括对双稳态微开关电路(b-MS)本身、图像设置驱动(ISD)和无线访问(WLAN或者BT或者IR)模块供电。 
无源阵列寻址 
描述本发明一方面的图4示出了采用双稳态接口的自给显示装置的无源阵列寻址(PMA)的总方案。通常，无源阵列寻址(基于纵横制的结构)具有几个优点，例如可编程性、低成本制造和高装置密度的潜力。在用作自给显示装置的彩色实施例中可能需要高密度。一些新颖的显示技术采用双稳态材料，其长时间维持其状态而不需要每个像素上的单个晶体管元件。示例性双稳态材料包括聚合物稳定胆甾型液晶材料。通过无源阵列寻址，该显示装置仅仅对装置的行和列运行控制信号。例如，对于n×k像素大小的彩色屏幕，无源阵列寻址方案将需要n+3k控制信号，该控制信号数小于有源阵列寻址所需要的控制信号数。 
可通过联合光电变色(PEC)反应、无源阵列寻址技术和嵌入PEC颜色变化层406附近的双稳态电阻408实现自给显示装置的彩色模式。作为本发明的一个实施例，图5示出了彩色自给显示装置的无源阵列寻址方案。对于彩色模式，每个像素由三个可通过PMA技术分别激活以生成彩色图像的子像素(R-红506、G-绿508、和B-蓝510)组成。通过在像素构造中采用不同的电致变色材料或/和光俘获染料物理确定每个子像素的颜色(R-G-B)。在实践中，这意味着在R-G-B子像素位置沉积不同材料。确定每个像素运行模式的结构与直接寻址的结构类似。所有外部 电阻RH高的彩色显示器像素都将被着色并用于形成彩色图像，而外部电阻RL低的彩色显示器像素保持透明并用于能量产生过程。在无源阵列寻址中，当激活行和列时，通过将双稳态电阻值设置为RH(透明像素)或者RL(着色像素)仅仅寻址行和列交叉处的像素。在该方案中，可访问整组着色像素，并且可通过采用较低数量的外部导线和无源阵列寻址技术确定其状态。 
为提供彩色显示装置的内置双稳态，需要附加的双稳态电阻层。实际上，可通过在每个像素附近嵌入一组双稳态微型电阻实现这一点。不同的物理现象和材料可用于构造该可编程的双稳态电阻。例如，可在彩色显示装置的底面上使用有机电气双稳态装置(OBD)以提供双稳态电阻。可采用其它技术利用双稳态分子、电机处理碳纳米管或者交叉纳米导线、铁电材料、液晶材料等等。 
图6示出了利用显示器-太阳能电池像素装置630的显示装置600的一个实施例的简化结构图。该装置包括将元件相互连接的总线610、主要或者可选电源的外部电源612、I/O装置614、一个或多个用于存储运行该装置所需要的应用程序和存储显示器上所提供数据的存储器单元616、控制该装置的CPU 618、一个或多个用于短和长连线以及无线通信的通信装置620、和显示器-太阳能电池像素装置630。显示器-太阳能电池像素装置还包括一个或多个显示器-太阳能电池像素632、被连至显示器充电器控制器和像素的双稳态微开关634、控制用于显示信息和充电的像素并为其供电的显示器充电器控制器636、用于控制和显示器充电器控制器通信的电池的充电的电池控制器638、一个或多个用于储能并向该装置供电的电池640、用于照射显示器的背光642、用于控制背光的背光控制器644、和一个或多个用于向系统发送环境信息的环境传感器646，例如光、温度或者湿度传感器，或者向窗口应用中的时钟(嵌入罩窗口中的较大时钟)提供实时信号的IC。 
图7为示出控制显示器-太阳能电池像素装置的一个实施例的流程图。特别是，显示器内容信息被从存储器或者经通信装置从外部源输入至 显示/充电控制器(710)。显示/充电控制器基于显示器内容信息定义命令信号从而显示内容信息(720)。接下来，命令信号被从显示/充电控制器发送至显示器像素(730)。基于命令信号，一些像素被设置为显示模式，一些像素被设置为充电模式(740)。然后从被设置为充电模式(750)的显示器像素收集电能，并由电池/电容器(760)存储电能。 
在另一个实施例中，电池充电信息可用于控制显示器像素并确定该装置功能所需要的电能。更特别是，显示器内容信息以及电池充电信息被输入至显示/充电控制器。显示/充电控制器然后基于显示器内容信息和电池充电信息限定命令信号，并向显示器像素发送命令信号。基于该命令信号，可将一些像素设置为显示模式，将另一些像素设置为充电模式。显示/充电控制器还可限定并向背光控制器发送第二命令信号，同时基于第二命令信号进行背光照明。然后从被设置为充电模式的显示器像素收集电能，并由电池存储电能。另外，可实时控制并输入电池充电信息。另外，当显示器处于闲置模式时，其可整体用作太阳能电池。 
而在其它实施例中，来自环境传感器(或者对窗口应用中的时钟而言实时时钟IC)的输入信息还被用于控制内容信息的显示和电池充电功能。例如，光学传感器可用于控制背光照明。在该实施例中，显示器内容信息、电池充电信息和光学传感器数据被输入显示/充电控制器。然后，显示/充电控制器基于显示器内容信息、电池充电信息和光传感器数据限定命令信号，并向显示器像素发送命令信号。在另一个实施例中，时钟可被嵌入依靠阳光运行的罩窗口。驱动时钟的电子器件将由实时IC和以数字或者模拟形式示出时间的大型显示器组成。基于命令信号(从传感器或者时间IC输入)，一些像素被设置为显示模式，而一些像素被设置为充电模式。显示器/充电控制器还可限定并向背光控制器发送第二命令信号，允许基于第二命令信号的背光照射。然后从被设置为充电模式显示器像素收集电能，并由电池存储电能，或者部分地由电池存储电能同时将电能导向装置。另外，可控制电池充电信息并将其实时输入至显示器控制器和/或时间IC。 
而在另一个实施例中，可能需要外部电源以保持像素的一个状态处于 有源模式。该状态可以为黑色、半透明和/或着色，或者可选地为透明、半透明或者稍微着色。像素的其它状态仍可用作太阳能电池。 
而在另一个实施例中，可在任何显示、音频或者通信装置无论是便携式或者固定式中应用显示器-太阳能电池像素装置，例如视频装置、音乐装置、数码照相机、数码摄像机、电视机、膝上型计算机、PDA、个人通信装置、移动通信装置、移动电话、GPS装置、无线电接收器、或者手表。另外，在其它实施例中，来自太阳能电池像素装置的电能可被存储在上述装置中以避免采用外部电源充电，或者在采用外部电源对电池重新充电之前延长使用时间。 
而在另一个实施例中，可在窗口中例如在车辆和建筑物中应用显示器-太阳能电池像素装置。一些情况下，其有助于对于太阳阴影使窗口变黑即至少一部分像素变黑，并且同时以另一部分像素为太阳能电池。一些情况下，可显示装饰物。 
而在另一个实施例中，可在数字广告牌、数字价签、信息面板、交通标志或者交通信号灯中应用显示器-太阳能电池像素装置。 
虽然参考了包括实施本发明的当前优选的模式的特别实例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解存在多种落入附加权利要求所限定的本发明的实质和范围内的上述系统和技术的变体和置换。例如，描述了各种太阳能电池光敏层，而本领域技术人员将理解可以通过响应于可见光谱外的电磁辐射的照射而产生电能的装置应用本发明的方案。 

Claims (37)

1.一种显示器装置，包括：
光敏层；
第一组像素电极，其被配置为将电场应用于所述光敏层并改变所述光敏层的相应部分的至少一个光发射特征；和
第二组像素电极，其被配置为利用所述光敏层的吸收辐射和产生电能的部分所产生的电能。
2.根据权利要求1的显示器装置，其中所述光敏层包括双稳态电致变色材料。
3.根据权利要求2的显示器装置，其中所述双稳态电致变色材料包括纳米晶体金属氧化物。
4.根据权利要求3的显示器装置，其中所述纳米晶体金属氧化物为WO3。
5.根据权利要求2的显示器装置，其中所述双稳态电致变色材料包括具有电子吸收体分子的纳米晶体金属氧化物。
6.根据权利要求5的显示器装置，其中所述纳米晶体金属氧化物为二氧化钛。
7.根据权利要求1的显示器装置，还包括：
显示器充电器控制器，用于控制所述第一组和第二组像素电极并对其供电；和
至少一个通信装置，用于有线或无线通信。
8.根据权利要求7的显示器装置，还包括一个或多个用于向所述显示器充电器控制器发送环境信息的环境传感器。
9.根据权利要求7的显示器装置，还包括：
显示器光；和
一个或多个电池，用于存储电能。
10.根据权利要求9的显示器装置，还包括：
电池控制器，用于控制对与所述显示器充电器控制器通信的一个或多个电池的充电；和
显示器光控制器，用于控制所述显示器光。
11.根据权利要求7的显示器装置，还包括连至所述显示器充电器控制器和所述一个或多个像素电极的微开关。
12.一种显示器装置，包括一个或多个显示器像素，其中所述显示器像素被配置为选择地显示信息和发电。
13.根据权利要求12的显示器装置，其中所述显示器像素包括双稳态电致变色材料。
14.根据权利要求13的显示器装置，其中所述双稳态电致变色材料包括纳米晶体金属氧化物。
15.根据权利要求14的显示器装置，其中所述纳米晶体金属氧化物是WO3。
16.根据权利要求13的显示器装置，其中所述双稳态电致变色材料包括具有电子吸收体分子的纳米晶体金属氧化物。
17.根据权利要求16的显示器装置，其中所述纳米晶体金属氧化物是二氧化钛。
18.根据权利要求12的显示器装置，还包括用于控制所述显示器像素和对其供电的显示器充电器控制器。
19.根据权利要求18的显示器装置，还包括一个或多个用于向所述显示器充电器控制器发送环境信息的环境传感器。
20.根据权利要求18的显示器装置，还包括：
一个或多个电池，用于存储电能；和
电池控制器，用于控制对与所述显示器充电器控制器通信的一个或多个电池的充电。
21.根据权利要求18的显示器装置，还包括连至所述显示器充电器控制器和所述一个或多个显示器像素的微开关。
22.根据权利要求21的显示器装置，其中所述微开关能够选择性地断开以提供高外部电阻，或者闭合以提供低外部电阻。
23.一种移动终端，包括：
处理器；
总线，用于连接所述移动终端内的元件；
显示器，其具有一个或多个显示器像素，其中所述显示器像素被配置为选择性地显示信息和发电；和
存储器，用于存储在所述显示器上显示的数据。
24.根据权利要求23的移动终端，其中所述显示器像素包括双稳态电致变色材料。
25.根据权利要求24的移动终端，其中所述双稳态电致变色材料包括纳米晶体金属氧化物。
26.根据权利要求25的移动终端，其中所述纳米晶体金属氧化物是WO3。
27.根据权利要求24的移动终端，其中所述双稳态电致变色材料包括具有电子吸收体分子的纳米晶体金属氧化物。
28.根据权利要求27的移动终端，其中所述纳米晶体金属氧化物是二氧化钛。
29.一种运行显示器装置的方法，包括：
(a)向显示器控制器输入显示信息；
(b)基于所述显示信息限定命令信号，从而能够在所述显示器装置上显示所述显示信息；
(c)从所述显示器控制器向一个或多个显示器像素发送所述命令信号；
(d)基于所述命令信号在所述一个或多个显示器像素上显示所述显示信息；以及
(e)基于所述命令信号从所述一个或多个显示器像素收集电能。
30.根据权利要求29的运行显示器装置的方法，步骤(b)还包括：
(i)基于所述命令信号将一个或多个显示器像素设置为显示模式；和
(ii)基于所述命令信号将一个或多个显示器像素设置为充电模式。
31.根据权利要求29的运行显示器装置的方法，还包括将所述收集的电能存储在电池中。
32.一种运行自给显示器装置的方法，包括：
(a)向显示器充电器控制器输入显示信息；
(b)向所述显示器充电器控制器输入电池充电信息；
(c)基于所述显示信息和所述电池充电信息限定命令信号；
(d)从所述显示器充电器控制器向一个或多个显示器像素发送所述命令信号；
(e)基于所述命令信号在所述一个或多个显示器像素上显示所述显示信息；以及
(f)基于所述命令信号从所述一个或多个显示器像素收集电能。
33.根据权利要求32的运行自给显示器装置的方法，步骤(c)还包括：
(i)基于所述命令信号将一个或多个显示器像素设置为显示模式；和
(ii)基于所述命令信号将一个或多个显示器像素设置为充电模式。
34.根据权利要求32的运行自给显示器装置的方法，还包括：
(g)限定一个或多个第二命令信号；
(h)从所述显示器充电器控制器将第二命令信号发送至显示器光控制器；和
(i)基于所述第二命令信号照射显示器光。
35.根据权利要求33的运行自给显示器装置的方法，还包括：
(g)存储所收集的电能的部分，并将所收集的电能的部分引导至所述显示器装置。
36.根据权利要求33的运行自给显示器装置的方法，还包括：
(g)控制所述电池充电信息。
37.根据权利要求33的运行自给显示器装置的方法，还包括：
(g)基于来自一个或多个环境传感器的光传感器数据限定一个或多个第二命令信号；
(h)将所述基于光传感器数据的命令信号发送至所述显示器充电器控制器；和
(i)基于所述光传感器数据控制一个或多个光传感器。
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