CN101965538A - 用于标签和卡的自供电显示器 - Google Patents

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M·瑞安
D·科尔
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Abstract

本文公开的装置通过慎重选择电极并连接该合适的电极来结合电池系统和电致变色系统从而产生外部电流和内部电流。该系统可以略去电池组件，因此能通过减少部件数量和互连数量来降低成本并提高生产率。然而，本发明的设计也可以进一步扩展为电池系统与传感系统的结合。

Description

用于标签和卡的自供电显示器
技术领域
本发明基本上涉及一种用于例如电子标签(smart label)、信用卡、智能卡、传感器、支持射频识别(radio frequency identification，RFID)的显示器、触敏显示器、专用计算机(special purpose computer)、一次性系统(disposablesystem)的装置中的自供电显示器(self-powering display)，以及具有这种显示器的消费型电子装置(consumer electronics device)和无线通信设备。
背景技术
许多便携式设备使用携带式电源，例如一块或多块电池。其他的装置则使用支持射频(RF)波(radio frequency waves)的近距离无线通信(near fieldcommunication)。还有一些装置采用了感应耦合器(induction coupling)来获得能量并支持临时性点对点(ad-hoc)事件的操作。虽然对这些设备中的电池技术和能耗进行了改进，但是电池常常需要提供有效的设备寿命和用于高级应用的足够的能量空间(energy headroom)。电池将显得笨重并限制了创新的能力，并且电池存在形式上的因素。
对于一些装置来说，太阳能电池是一种可行的补充或者可选择的能源。一些诸如便携式计算机的装置拥有足够大的可用表面积和足够低的能源需求，因此这些装置可以完全由一块或多块太阳能电池供电。遗憾的是，许多装置(如标签)是在环境中光能的量不足以提供用于突发或连续操作所需的能量的户内环境中使用的。因此，太阳能电池还不能作为这些装置的合意的电源。
为了制备自供电显示器系统的尝试已经将注意力集中到太阳能的杠杆作用上，例如美国专利No.7,206,044；6,518,944或5,153,760中描述的，通过机械的方法使太阳能电池与液晶显示屏(LCD)或胆固醇液晶显示屏(Ch-LCD)结合。美国专利申请No.2007/0080925中将电致变色显示器与太阳能电池结合起来。但这些补充的或可选择的电源在没有光时是无法工作的。其他的“自供电”显示器也考虑将机械能作为能量来源，如在美国专利No.6,130,773中对反射型双稳态显示器(reflective bistable display)的压电电源进行了描述。美国专利NO.3,940,205采用了铟电极在电致变色材料层中产生颜色而不需要任何外部电源，但该方法不能对变色进行控制。
因此，仍需要以商业上可接受并节约成本的方式来探寻补充或取代包括无线通信设备的设备中的电池电源的道路。
发明内容
一方面，本发明提供了能进行自供电或自我补充能量的装置。该装置包括：第一层，该第一层包括至少一个具有第一材料的第一电极，该第一电极具有第一氧化还原电位；第二层，该第二层包括至少一个具有第二材料、金属氧化膜以及吸附在该金属氧化膜上的氧化还原生色团的第二电极，该第二电极具有第二氧化还原电位；以及第三层，该第三层包括至少一个具有第三材料的第三电极，该第三电极具有第三氧化还原电位。该装置还包括：电解质，所述第一层、第二层和第三层与所述电解质接触；第一开关，该第一开关使所述第一层和第二层电连接；第二开关，该第二开关使所述第二层和第三层电连接。所述第一氧化还原电位比所述第二氧化还原电位更负，且所述第三氧化还原电位比所述第二氧化还原电位更正。
另一方面，本发明提供了一种操作自供电装置的方法。该方法包括提供所述装置，该装置包括：第一层，该第一层包括至少一个具有第一材料的第一电极，该第一电极具有第一氧化还原电位；第二层，该第二层包括至少一个具有第二材料、金属氧化膜以及吸附在该金属氧化膜上的氧化还原生色团的第二电极，该第二电极具有第二氧化还原电位；以及第三层，该第三层包括至少一个具有第三材料的第三电极，该第三电极具有第三氧化还原电位。该装置还包括：电解质，所述第一层、第二层和第三层与所述电解质接触；第一开关，该第一开关使所述第一层和第二层电连接；第二开关，该第二开关使所述第二层和第三层电连接。所述第一氧化还原电位比所述第二氧化还原电位更负，且所述第三氧化还原电位比所述第二氧化还原电位更正。该方法还包括，通过断开第一开关和第二开关来对显示装置充电。
附图说明
结合附图阅读以下对本发明优选实施方式的详细描述将能更好地理解本发明。为了进行阐述，附图所示为本发明的优选实施方式。但应该理解的是，本发明不限于图中所示的具体布置和手段。附图中：
图1显示了自供电显示器传感器装置的操作原理；
图2显示了从自供电模式向参比模式(reference mode)的切换；
图3显示了印刷在基材上的层和分离的参比电极；
图4显示了阴极层、光电层和阳极层；
图5显示了电极层在三个不同平面上的构造；
图6显示了电极层在单个平面上的另一种构造；
图7显示了电极层在单个平面上的另一种构造；图7A显示了连接至开关和显示器/传感器控制器的层；图7B显示了连接至显示器/传感器控制器的层；
图8显示了在两块板上的层，其中在单个平面上的不同层是互相交叉的；图8A显示了在该两个平面上的层的俯视图；图8B显示了该两个平面的侧视图；
图9显示了具有电极层的智能卡。
具体实施方式
下面说明书中使用的一些特定术语仅为了方便理解而不对本发明产生限制。词汇“右”、“左”、“顶”和“底”用以指明相对于图中给出标准的方向。
本文中使用的“光电层”表示的是反射型显示器中能对电流或电压产生光学响应的层，例如，电致变色显示器中包括电极和电致变色氧化还原生色团。再例如，电泳显示器中的光电层可以包括带电球体，这些带电球体能在电场作用下发生移动。
本文中使用的“电致变色氧化还原生色团”、“氧化还原生色团”或“生色团”指的参与电化学反应并随着氧化反应或还原反应而改变颜色的物质或物质的混合物。本文中所用的“改变颜色”或“颜色改变”指的是物质或物质的混合物获得新的颜色，从无色变为有色或从有色变为无色。颜色的改变可由观察者目测发现或通过仪器测量得到。
本文中使用的“具有光电活性的电致变色电极”或“具有电学活性的”电极为包括氧化还原生色团并参与电化学反应、从而使氧化还原生色团参与到氧化还原化学反应中并改变颜色的电极。
本文中使用的“光电效应”指的是建立在装置带电的基础上的装置的光学特性的变化。在所描述的一些实施方式中，该光电效应包括在具有光电活性的电致变色电极上的氧化还原生色团的颜色的一系列改变。该结果可以包括该装置影响范围内的光散射或光吸收的改变。该结果还可以包括该装置影响范围内的可见的颜色或色差阴影。
参见图1，描述了在一种实施方式中的自供电显示器100的操作原理。将三块电极放置于与电解质105接触。所述电极包括能参与电化学反应的物质。电解质105可以是通常的电解质，或者是如下文所描述的，该电解质可以包括液体或固体的不同物质。在第一阶段，对该装置进行充电。将开关190闭合至支柱110，使电子从电极A120向电极C130转移，从而产生第二阶段。在电子转移的过程中，与电极C相连的光电材料发生改变从而产生光电效应。优选该材料包括吸附在电极C上的电致变色氧化还原生色团，且所述光电效应包括所述生色团的第一次颜色改变。所述颜色改变可以涉及从第一阶段中呈现的第一颜色改变为第二阶段中呈现的第二颜色。一旦所述生色团被还原，将所述开关190闭合至支柱140，使电子向电极B发生转移且生色团发生氧化反应，由此装置进入第三阶段。在进行氧化的过程中发生了第二次颜色改变，使所述生色团恢复到所述第一阶段的颜色。可以将开关190向支柱110的操作称为第一次转换，将开关190向支柱140的操作称为第二次转换。在电解质中不存在氧化还原介质或电极之间不存在机械短路(mechanicalshort)的情况下，该系统在断路(断开开关190/110和190/140)时是双稳态的。如上所述，通过断开和闭合所述开关，所述光电层的颜色可以在所述第一色和所述第二色之间来回转化。图1所示的结构提供了显示器、电容器和电池的功能。还能将功能延伸至进一步包括位置/输入传感器，这将在下文中进行描述。
在一种优选实施方式中，电极A120为Zn电极，电极B为MgO2电极，电极C130为介孔(mesoporous)TiO2/紫精(viologen)电极，其中，所述紫精为生色团并在参与氧化还原反应后发生变化。另一种实施方式包括将其他的物质或这些物质的结合作为氧化还原生色团或作为氧化还原生色团以外的物质。进行电子转移后，产生了部分的Zn2+(电极束缚(electrode-bound)或电解质束缚)。一旦所述紫精产生颜色(即其被还原的形式)，闭合开关140促使所述紫精退色，同时MnO2阴极140发生还原反应。具有在酸性电解质水溶液中的锌电极120(电动势(emf)(A)＝-0.8V)、二氧化锰电极150(emf(B)＝+0.6V)和TiO2/紫精电极130(emf(C)＝-0.4V)的电池能进行自供电，并能产生约1.4V的电压以供外部装置(如控制器)使用。因此，通过闭合开关110或140分别连接电极A120和电极C130或者电极B150和电极C130，能够方便地使紫精在有色状态和脱色状态之间发生转化。由于Zn电极120和紫精电极130之间的净emf与MnO2电极150和紫精电极130之间的净emf反向，故上述过程是可以实现的。
虽然上文实施例中包括Zn电极、TiO2/紫精电极和MnO2电极，但也可以根据上述的原理来选择具有类似相对电动势的电极；其中电子从第一电极向第二电极的转移会改变与第二电极相连的氧化还原生色团的颜色，而电子从第二电极向第三电极的转移也会改变氧化还原生色团的颜色。用于这种自供电系统的驱动器可以为但不限于复杂程度很低的驱动器。鉴于该操作仅需要对开关进行控制故这是可行的。此外，在另一种实施方式中还可以将电极A120和电极B150的稳定电极电势作为参比电极(reference electrode)以控制所述电致变色电极C130的电势。
还可以对外部控制器供电，该控制器反过来又对充电(或放电)进行控制。该方案的实现允许将该系统作为三电极系统的操作。在另一种实施方式中，自供电单元可以与标签、智能卡或其他具有独立电源的装置结合。在该实施方式中，不同的电源可以与该装置中的不同的功能相适应；与计算机电池相似。在另一种实施方式中，电致变色显示器对其电容能力进行了最优化，并且，作为电容器，在充电时发生颜色改变。
用于本发明的实施方式中的阳极材料可以包括Li、K、Ca、Na、Mg、Hg、Al、Zn、Cr或者它们的组合、化合物、汞合物(amalgam)或合金。用于本发明的实施方式中的阴极材料可以包括Cu2O、CuO、AgO、MnO2或者它们的组合、化合物、汞合物或合金。
在一种优选实施方式中，所述光电电极包括介孔(即纳米多孔(nanoporous))-纳米晶半导电金属氧化膜。在另一种优选实施方式中，该金属氧化物可以为包括钛、锆、铪、铬、钼、铟、铌、钨、钒、铌、钽、银、锌、锶、铁(Fe2+或Fe3+)、镍和钙钛矿(perovskite)的半导电氧化物的组中的一种或多种。更优选地，所述金属氧化物选自包括以下的金属导电金属氧化物组中：
(a)掺杂有F、Cl、Sb、P、As或B的SnO2；
(b)掺杂有Al、In、Ga、B、F、Si、Ge、Ti、Zr或Hf的ZnO；
(c)掺杂有Sn的In2O3；
(d)CdO；
(e)三元氧化物ZnSnO3、Zn2In2O5、In4Sn3O12、GaInO3或MgIn2O4；
(f)TiO2/WO3或TiO2/MoO3体系；和
(g)掺杂有Sb的Fe2O3；和
(h)Fe2O3/Sb或SnO2/Sb体系。
在优选实施方式中，氧化还原生色团被吸附或附着在纳米多孔-纳米晶半导电金属氧化膜上。所述氧化还原生色团可以为但不限于下列化合物中的一种或多种：
(1，1′-双-(2-膦酰基乙基)-4，4′-联吡啶鎓盐二氯化物)式I，
Figure GPA00001153492100072
式II，或
Figure GPA00001153492100073
式III，
其中R1选自由以下组成的组：
Figure GPA00001153492100081
在以上的结构中，R2选自C1-10烷基、N-氧化物、二甲氨基、乙腈、苯甲基、苯基、被一个硝基取代的苯基和被两个硝基取代的苯基中；R3为C1-10烷基；R4-R7各自独立地选自氢、C1-10烷基、C1-10亚烷基、芳基或取代芳基、卤素、硝基和醇基中。X为选自由氯、溴、碘、BF4 -、PF6 -和ClO4 -所组成的组中的电荷平衡离子，且n＝1-10。
参见图2，该图显示了能用参比电极进行操作的装置200。电极A220具有负电势，电极C230具有比电极A220的负电势更小的负电势，电极B250具有正电势。图2还示出了控制器260和开关290、295和296；支柱210、240；以及接头(connection)270、280。与图1中所示的实施方式相同，可以将开关290向支柱210的操作称为第一次转换，并将开关290向支柱240的操作称为第二次转换。在一种优选实施方式中，电极A220为Zn电极，电极B250为MnO2电极250，电极C230为TiO2电极230。
在图2所示的实施方式中，还可以将阳极电极用作参比电极，也就是用作具有稳定且公知的电极电势的电极。可以通过显示控制器260来控制从自供电模式向参比模式的转换，该显示控制器260吸附在具有参比电极230的自供电显示器200上。使开关290连接至支柱210将会使电极230产生颜色。使开关290连接至支柱240将促使电极230褪色。当光电层(如，TiO2电极230)上有电荷时，阴极层会发生转变。在没有参比电极的时候，驱动模式将限于电流驱动，电流驱动时，电流源被施加一定量的时间。当使用参比电极的时候，驱动配置可以是廉价的电压驱动器。稳定性更好的电极电势可以通过使用离子导电却电子绝缘的电解质来获得。
图2所示实施方式可以用来对各段之间的对比率进行控制。所述段可以是智能卡中数字段显示器(numeric segment display)的七段或字母数字安全卡(alphanumeric security card)中的十三段。
参见图3，该图描述了具有负氧化还原电位的电极A320，具有正氧化还原电位的电极B和氧化还原电位在电极A320和电极B350之间的电极C330的实施方式。优选电极A320为Zn电极，电极B350为MnO2电极，电极C330为TiO2-氧化还原生色团电极。如图3所示，显示器还可以包括独立的参比电极365。开关390、支柱310和支柱340以及接头370、380与图2中所述的标记为290、210、240、270和280的特征相似。如图2中说明的，显示控制器也可以适合于图3所示的实施方式。该构造中，支柱395可以形成类似于开关295的开关。优选的参比电极365包括银/氯化银(Ag/AgCl)、银/硝酸银(Ag/AgNO3)或Zn。
在一种实施方式中，可以实现的转换次数(没有外部再充电)取决于电极A或电极B(如，Zn电极和MnO2电极)的充电容量、对比率(CR)目标(contrast ratio target)以及泄漏电流。考虑到标称的MnO2膜：摩尔量＝87g/摩尔，密度＝5.0g/cm3，以及摩尔体积＝17.4cm3/摩尔。该系统可用的电荷量计算如下。对于4μm的多孔层(如，25％的MnO2，25％的碳和50％的孔隙率)来说，MnO2块为1μm(即10-4cm)。该层中，体积/cm2的电极＝10-4cm·1cm2＝10-4cm3；摩尔/cm2的电极＝10-4cm3/(17.4cm3/摩尔)＝5.75·10-6摩尔。且每cm2电极上的电荷＝5.75·10-6摩尔·9.65·104C/摩尔＝550mC，约为0.15毫安时(mAh)。通过比较发现纸电池(paper battery)约为2mAh/cm2。
假设根据本发明一种实施方式的装置具有沉积在光电电极(如TiO2电极350)上的标称25mm2(5mm乘5mm)的图标(icon)，该装置需要1.5mC/cm2的电荷密度，并由3伏的与该显示器相连的IC(集成电路)装置控制器芯片驱动(该芯片可以是传统IC或印刷的)。对于总的1.6mC而言，所述图标的操作之一采用1.5mC*0.25cm2来对像素进行充电，且将0.4*3*1用于所述控制器。该系统能支持550Mc/1.6mC/cm2＝350个开关。适用于这种实施方式的示例性而非限制性的实施例包括交通储值卡或吸附在容器上的电子标签。如上文中描述的，可以将显示装置构造成选择性地显示信息并在每个像素或段上产生电。
如上文所述的，本发明实施方式中自供电装置的特征在于电极A、电极B和电极C与离子导电体(即，电解质)相接触，从而在在电极之间提供离子导电性。通常来说，与电极接触的一个或多个离子导电体指的是电解质。但是本发明的实施方式不限于一种通常的电解质。可以使不同类型的电解质与不同的电极接触。当使用不同的电解质时，在两种不同电解质界面上会发生离子移动。当加入特定的参比电极时，与参比电极结合使用的电解质的浓度能足以确保参比电极的平衡电势是稳定的。在一种优选的实施方式中，将电极(例如Ag/AgCl电极或Ag/AgNO3电极)与KCl电解质结合使用。在另一种实施方式中，在参比电极/电解质的至少一部分的周围设有多孔保护膜。
在一种实施方式中，使用了支持电极之间的离子移动的固体电解质层。该固体电解质可以为含有离子化合物(例如锂离子)的聚合物。在一种优选的实施方式中，所述固体电解质为三维结构，例如含有溶剂(水或有机溶剂)和盐的凝胶。在另一种优选实施方式中，所述固体电解质为离子导体或质子导体，例如金属氧化物簇(metal oxide cluster)。
在另一种优选实施方式中，不同的金属或金属氧化物可以与电极结合以形成更复杂的结构。这能产生可挠性更高的结构，并能适应于特定的形状因素的需要(如可卷曲的或类似的结构(conformable structure)，或者以不会有害于天线性能的方式置于射频识别(RFID)激活系统中)。也可以使用不同厚度的电极材料。
参见图4，该图描述的本发明的实施方式中将电极提供在不同的平面上。第一平面410位于第二平面420的下面。电极可以是沉积(如通过印刷)在基材上的材料层。如图4所示，电极层提供在平面420上。电解质或电解质的组合与平面410、420中的所述层。平面410可以包括阳极电极或阴极电极的层，且平面420相应包括与之相匹配的电极的层。例如，如果平面410包括Zn电极的层，则平面420可以包括TiO2/紫精电极的层和MnO2电极的层。上述层可以使用于彼此重叠的单个基材。可选择地，这些层可以并排排列或彼此重叠地使用于单块基材上。这两种情况中均能通过提供与这些层接触的电解质来实现这些层的连接。可实现的连接还可以包括基材上的孔，电解质能透过该孔并与不同基材上的层或一块基材上的不同部分接触。
如图4所示，平面420可以是印刷(或其他方式构造的)为包括不同结构的一个或多个电极。平面420上的电极可以包括不同的物质，例如，电极421、422、423或424中的金属A；电极425中的合金B或电极426、427或428中的化合物C。举例来说，一套电极可以包括金属氧化膜，同时单个电极具有加入该膜中的不同的掺杂材料。电极材料的选择可以被设计成通过例如使单个电极的孔隙率、传导率或反应性最优化来增强装置的电学性能或电化学性能。此外，可以使用金属连接(如连接器429和431)来将电极与桥432连接。连接电极421-428的桥432是所述层的一部分，并包括导电材料或电极材料。在另一种实施方式中，绝缘连接器433包括可以实现将所述电极427和所述桥432连接起来的连接。绝缘体可以用来从所述电解质中提供金属连接的保护。具有分层元件的装置及该装置的制造已经在美国专利申请No.12/077,789(2008年3月21日递交，题为“Display systems manufacturedby co-manufacturing printing processes(通过协同制备印刷过程制造的显示系统)”)中进行了描述，将该申请中的全部内容结合于此。
在终端用户对氧化还原生色团的变化进行监测的实施方式中，可以使所述层(阴极层、光电层、阳极层)以使所述光电层对于所述终端用户可见的或可检测的的方式进行布置。虽然对层的布置和数量没有限制，但优选的实施方式包括三层构型。具体的层构造将在图5、图6、图7和图8中进行描述。
参见图5，该图显示了三个平面的装置500。阳极层510占据阴极层520下方的平面，该阴极层520占据电活性层530下方的平面。所述电活性层530占据其他层之上的层，并呈现于使用者。各个层的深度、宽度及高度根据具体的应用而不同。例如，光电层530在所属平面上的面积小于下方的阴极层520的面积。各个层的深度可以不同。例如，所述阴极层或阳极层可以具有大于其他层的深度(即，在垂直于平面方向上的更大的尺寸)。
显示器/传感器540、550和560位于层530上。在一种实施方式中，在所述电活性层中使用电活性元件以显示信息，并且显示器/传感器540、550或560被用作显示器。在其他实施方式中，在将显示器/传感器540、550或560用作传感器的情况下，基于所述电活性元件会对环境产生响应，从而将所述电活性元件用于提供信息。虽然显示器/传感器540、550、560显示了不连续的点，但是这些点表示了能够结合到所述光电层中的功能。在一种实施方式中，可以在所述光电层的另一面上提供可视性显示。在另一种实施方式中，所述光电层的第一部分可以包括一个可视性显示，第二部分可以包括第二个可视性显示。在另一种实施方式中，可以将全部或部分所述光电层用作传感器。
参见图6，该图描述了将三层印刷在一个平面上的单平面布局600。阳极层610构成所述平面的左侧和顶部。阴极层620构成所述平面的右侧和底部，而电活性层630占据所述平面的中间部分。显示器/传感器640、650和660显示在所述电活性层630内。显示器的控制可以从类似于简单的触发器结构至较复杂的逻辑结构变化。印刷电子学的进步使本发明实施方式中的部分或全部控制电路能印刷在同一块基材上，作为所述显示器/传感器/电池/电容的结构。可以将这种装置称为“显示控制器(display controlled)”。如图6所示的，所述显示器的单平面布局适合作为控制的装置，尽管控制显示器的装置(display controlled device)不仅限于这种布局。
参见图7，图7A和图7B中显示了两种不同的单平面布局的实施方式。图7A和图7B中，阳极层710构成所述平面的左侧和顶部。阴极层720构成所述平面的右侧和底部，而电活性层占据所述平面的中间部分。显示器/传感器740、750和760显示在所述电活性层730内。基材770显示在上述层的下方。图7A中还示出了连接所述层与显示器/传感器控制器790的开关781、782和783。图7B显示了与上述层连接的显示器/传感器控制器790。
在一种实施方式中，可以将所述光电层设计成能吸收具有在电磁波频谱中的波长的特定辐射。被吸收的波长可以对应于可见光谱中的光。随着所述层吸收光，可以通过外部电路检测到电极电势或光诱导电流的相应改变。图7A和图7B中示出了外部电路780。这种电路可以包括电荷放大器(chargeamplifier)、通用运算放大器(generic op-amp)或比较器。在一种优选实施方式中，将该电路与显示器/传感器控制器790结合。通过比较电极电压或电流的改变或变化率，可以检测到所述光电层上的光水平的改变相应于上环境条件下的改变。这种改变可以是将传感器/显示器暴露在紫外(UV)光下，例如，这可以用来警示在运输过程中将容易腐烂的产品贮藏于次优化条件下。
在另一种实施方式中，所述电致变色层可以用作传感器以检测使用者的输入。优选地，随着所述层吸收特定波长的光，可以通过外部电流检测到电极电势或光诱导的电流的相应改变。这种电路中可以包括电荷放大器、通用运算放大器或比较器。通过比较电极电压或电流的改变或变化率，可以检测到所述传感器/显示器上的光水平的改变相应于使用者的输入。例如，当使用者的手指遮住传感器时，所述电极上的入射光会减少，且作为传感的方式检测到。使用者的触摸指示可以被监控或转化为使用者的输入。也可以包括多个检测区域，系统内一个区域内的入射光相对于其他传感区域的改变可以用来提供局部的输入信息。该实施方式具有针对用户输入的多重功能。
在另一种实施方式中，传感器可以检测到压力。压力可以通过在传感器中加入压力传感器、压电传感器等来进行检测。而且，可以通过跟踪装置内的开关的操作来影响压力传感。压力传感器可以连接到控制器，以记录压力信息。该信息能够记录在物理地或或通过无线技术远程地连接到所述装置上的存储器内。此外，压力检测能够转化至装置的显示部分的操作，使得该装置做出响应压力的光学上的改变。
不同层面积的大小不必相同。具体的层的大小能够相应平衡使用者的可视区域和发电能力。参见图8，该图中描述了两个平面布局800的实施方式。阳极层810包括连接到桥819的臂811、812、813、814、815、816、817和818。桥819包括电极材料以及连接臂811-818。阴极层820包括连接到桥829的臂821、822、823、824、825和826。臂821、822、823、824、825和826与臂811、812、813、814、815、816、817和818互相交叉。各个臂可以为独立的电极，或将整个层810或820用作一个电极。
参见图9，该图描述的实施方式中显示器为智能卡900的一部分。智能卡通常需要薄电池，但在本发明的实施方式中，卡900不一定需要薄电池。该实施方式中，厚的阴极和阳极层901的第一区域910为所述卡900的一部分，具有薄的阴极和阳极层的第二区域902为卡900的另一部分。此外，将电活性层加到所述第二区域902中。上述区域的大小和布置仅作为非限制性实施例呈现。可以调整所述区域内的层的厚度来控制卡的整体厚度和布局。在一种实施方式中，提供了均匀的卡厚度。可选择地，可以在上述结构的顶部加入包括电极、电解质或填料的额外的层，以在所述卡的不同位置处提供所需的厚度。所述层的厚度的不同有利于通过层压对所述卡进行加工。
为了避免快速自放电而导致的电池寿命短，至少要将供电电极(electrondonator electrode)(例如，电极A120)或受电电极(electron acceptor electrode)(例如，电极B 150)与其他的电极进行充分地隔离。在图1中，开关110、140与驱动器160相连，因此能进行操作以隔离电极。图7所示实施方式可以包括电池。该实施方式中，包括开关781、782和783的外部电路780可以用来隔离电极。再看图2，其中示出了电源和开关210、240、270、280、290、295和296。为了延长电池寿命，可以略去电活性物质或使其在电解质中降至最少，由此能使电极之间的直接电短路降至最少。此外，为了对电极系统的功能进行控制，优选控制电极之间的线路连接的程度和性质。
在一种优选实施方式中，可以使用印刷技术(例如苯胺印刷术、平版印刷术、丝网印刷术、喷墨印刷或轮转凹版印刷)来将各层沉积到基材上。更优选地，将一个以上的层和或所有层印刷在同一块基材上。
最佳的电化学通信(electrochemical communication)取决于光电电极的大小。在一种优选的实施方式中，通过将所有层印刷在各层顶部来实现所述层之间的电化学通信和紧实的、节约空间的结构。此外，可以加入中间隔离层以避免直接电短路或控制特定层之间的短路电阻。在一种优选实施方式中，包括隔离层，并通过印刷技术进行施覆。在该结构中，隔离层上的至少一部分可以为多孔的。该多孔结构有利于不同电极层之间的离子传导性。在另一种实施方式中，可以在电极层A和电极层B之间使用一种电解质，且在电极层B和电极层C之间使用不同的电解质。也可以使所述三个电极层中的每一个与不同的电解质接触。该实施方式中，可以选择不同的相容的电解质以使三个不同的层之间能进行离子传导和电化学通信。
在一种实施方式中，可以通过含有NH4Cl或KOH的电解质来连接阳极层和阴极层中的电极，且阴极和电活性电极之间的电解质可以为锂盐或离子液体。在一种实施方式中，电极还与外部电源连接，因此，第三电极为(假的)参比电极，可以使用独立的电解质。在一种实施方式中，阳极和阴极之间的电解质可以为前述电致变色系统中的任意一种电解质，而参比电极(例如Ag/AgCl)周围的离子介质可以为高浓度的KCl。在另一种实施方式中，还可以将参比电极包入保护膜中以避免与阳极Zn电极发生相互作用。
如上文中已经描述过的，本发明的实施方式包括这样的装置，该装置包括装置控制器。可以提供一个或多个控制器。所述控制器可以是单个集成电路。在一种优选实施方式中，可以在不发生接触的情况下对控制器进行操作，例如，可以通过无线技术来操作控制器。微动开关(micro-switch)可以连接到显示控制器上和一个或多个层上。可以选择性地断开开关以提供高的外部阻抗，或选择性地闭合以在层之间提供低的外部阻抗。还可以通过开关或控制器将充电器连接到该装置上。在一种优选实施方式中，控制器允许开关的变化或在层之间的连接，从而使阳极层可以从电源状态转换至参比电极状态。在另一种优选实施方式中，控制器可以改变光电层的光电特性。在另一种优选实施方式中，控制器能改变光电层内每个电极的光电特性，从而使基本上全部的或全部的氧化还原生色团为一种氧化还原状态。在另一种实施方式中，控制器可以改变阳极层和光电层之间的连接，从而使带电的氧化还原生色团的一部分发生改变。在一个实施例中，氧化还原生色团上5％的电荷发生了改变。在另一种实施方式中，控制器可以从装置向外部组件提供能量。
可以提供各种构造的控制器。在一种实施方式中，控制器被部分印刷在同一基材上作为显示器。在另一种实施方式中，控制器被全部印刷在同一基材上作为显示器。
如上文中描述的，本发明实施方式中的装置可以包括传感器。在一种实施方式中，一个或多个传感器对装置控制器进行检测并向所述装置控制器提供环境信息。所述传感器可以为光电层的一部分，或作为外部传感器提供。通过传感器传感的数据可以为压力、温度、时间、湿度、接通时间、接通状态、断开时间、断开状态、灰度级(gradation level)、电压、电流、电荷、电磁场、电动效应、光、光谱形状(spectral shape)和存在的具体化学化合物中的一种或多种。
在一种实施方式中，本发明实施方式的装置还可以包括用于储存电能的一个或多个额外的电池、一个或多个显示器灯、用于储存或循环电能的一个或多个额外的电容器或通信调制解调器(communication modem)。在一种优选实施方式中，所述装置包括通信调制解调器，并且所述调制解调器为无线调制解调器。
在一种实施方式中，储存在所述氧化还原生色团上的电荷的改变可以作为装置的肤色(skin tone)。
电极和层可以有效地与可以用被动矩阵(passive matix)、主动矩阵(active matix)或者主动组件与被动组件的混合连接。
在一种实施方式中，装置包括控制器，使用者可以通过该控制器输入显示信息，并且该控制器定义命令信号(command signals)。该命令信号可以输送到光电层内的一个或多个像素上，从而使所述像素改变颜色；可以将一个或多个像素设定为显示模式。此外，所述命令信号还能引起能量收集；可以将一个或多个像素设定为充电模式。
实施方式
下文列出了本发明的具体实施方式。但是，这并非限制性的，而且不排除本领域技术人员可以理解的其他的实施方式。
1、一种装置，该装置包括：
第一层，该第一层包括至少一个具有第一材料的第一电极，该第一电极具有第一氧化还原电位；
第二层，该第二层包括至少一个具有第二材料、金属氧化膜以及吸附在该金属氧化膜上的氧化还原生色团的第二电极，该第二电极具有第二氧化还原电位；以及
第三层，该第三层包括至少一个具有第三材料的第三电极，该第三电极具有第三氧化还原电位；
该装置还包括电解质，且所述第一层、第二层和第三层与所述电解质接触；第一开关，该第一开关使所述第一层和第二层电连接；第二开关，该第二开关使所述第二层和第三层电连接；以及
所述第一氧化还原电位比所述第二氧化还原电位更负，且所述第三氧化还原电位比所述第二氧化还原电位更正；
2、根据实施方式1所述的装置，该装置具有第一阶段，其中，所述第一开关和第二开关为断开，所述装置进行充电，且所述氧化还原生色团被氧化并具有第一颜色。
3、根据实施方式1所述的装置，该装置具有第二阶段，其中，所述第一开关闭合，使电子从所述第一电极转移至所述第二电极，在该第二阶段中，所述氧化还原生色团被还原，经过第一次颜色改变，并具有第二颜色。
4、根据实施方式1所述的装置，该装置具有第三阶段，其中，所述第二开关闭合，且电子从所述第二层向所述第三层转移，在该第三阶段中，所述氧化还原生色团经过第二次颜色改变以恢复到所述第一颜色。
5、根据前述任意一种实施方式所述的装置，其中，该装置还包括多个独立的像素或段，且每个独立的像素或段包括所述至少一个第二电极中的一个或多个。
6、根据前述任意一种实施方式所述的装置，其中，所述第一层、第二层和第三层位于相同的物理平面上。
7、根据前述任意一种实施方式所述的装置，其中，在第一平面内，所述第一层和第三层是互相交叉的，且所述第二层在所述第二平面内。
8、根据前述任意一种实施方式所述的装置，其中，所述第一层占据所述第一平面，所述第二层占据第二平面，且所述第三层占据第三平面；所述第一平面位于所述第二平面和第三平面之间。
9、根据前述任意一种实施方式所述的装置，其中，所述第一层占据第一平面，所述第二层占据第二平面，且所述第三层占据第三平面；所述第三平面位于所述第一平面和第二平面之间。
10、根据前述任意一种实施方式所述的装置，其中，所述第一材料包括选自由Li、K、Ca、Na、Mg、Hg、Al、Zn和Cr所组成的组中的物质。
11、根据前述任意一种实施方式所述的装置，其中，所述第一材料包括Zn。
12、根据前述任意一种实施方式所述的装置，其中，所述第二材料包括纳米多孔-纳米晶半导电金属氧化膜，且所述氧化还原生色团吸附在所述纳米晶半导电金属氧化膜上。
13、根据前述任意一种实施方式所述的装置，其中，所述纳米多孔-纳米晶半导电金属氧化膜为介孔TiO2膜。
14、根据前述任意一种实施方式所述的装置，其中，所述第三材料包括选自由Cu2O、CuO、AgO和MnO2所组成的组中的物质。
15、根据前述任意一种实施方式所述的装置，其中，该装置还包括可操作地连接到该装置上的参比电极，该参比电极具有选自由Zn、Ag/AgCl和Ag/AgNO3所组成的组中的物质。
16、根据前述任意一种实施方式所述的装置，其中，所述氧化还原生色团为紫精。
17、根据前述任意一种实施方式所述的装置，其中，所述电解质包括支持所述第一层和第二层之间的离子移动的固体电解质层。
18、根据前述任意一种实施方式所述的装置，其中，所述固体电解质为具有离子化合物(如锂)的聚合物。
19、根据前述任意一种实施方式所述的显示装置，其中，该装置还包括一个或多个用于储存电能的电池。
20、根据前述任意一种实施方式所述的显示装置，其中，该装置还包括显示器灯。
21、根据前述任意一种实施方式所述的显示装置，其中，该装置还包括一个或多个电容器。
22、根据前述任意一种实施方式所述的装置，其中，该装置还包括可操作地与所述第一层、第二层或第三层中的一个或多个相连的控制器。
23、根据实施方式22所述的装置，其中，至少一个所述装置控制器是单个集成电路。
24、根据实施方式22-23中任意一种所述的显示装置，其中，所述装置控制器可以改变电极之间的连接，从而使所述至少一个第一电极成为参比电极。
25、根据实施方式22-24中任意一种所述的装置，其中，该装置还包括一个或多个用于向所述控制器传递信息的传感器。
26、根据实施方式25所述的装置，其中，由所述传感器传感的信息包括选自由压力、温度、时间、湿度、接通时间、接通状态、断开时间、断开状态、灰度级、电压、电流、电荷、电磁场、电动效应、光、光谱形状和化学化合物所组成的组中的一个或多个参数。
27、根据实施方式22-26中任意一种所述的显示装置，其中，该装置还包括可操作地连接到所述控制器上的通信调制解调器。
28、一种操作实施方式22-27中任意一种所述的装置的方法，该方法包括：
(a)向所述控制器输入显示信息；
(b)根据所述显示信息来定义命令信号；
(c)将所述命令信号从所述装置控制器发送到所述第二层上的一个或多个像素上；
(d)根据所述命令信号在所述一个或多个显示像素上显示显示信息；以及
(e)根据所述命令信号收集所述第二层和第三层的电能。
29、一种操作自供电装置的方法，该方法包括：
提供装置，该装置包括第一层，该第一层包括至少一个具有第一材料的第一电极，该第一电极具有第一氧化还原电位；
第二层，该第二层包括至少一个具有第二材料、金属氧化膜以及吸附在该金属氧化膜上的氧化还原生色团的第二电极，该第二电极具有第二氧化还原电位；以及
第三层，该第三层包括至少一个具有第三材料的第三电极，该第三电极具有第三氧化还原电位；
该装置还包括电解质，且所述第一层、第二层和第三层与所述电解质接触；第一开关，该第一开关使所述第一层和第二层电连接；第二开关，该第二开关使所述第二层和第三层电连接；以及
所述第一氧化还原电位比所述第二氧化还原电位更负，且所述第三氧化还原电位比所述第二氧化还原电位更正；
该方法还包括，通过断开第一开关和第二开关来对所述显示装置充电。
30、根据实施方式29所述的方法，其中，该方法还包括闭合所述第一开关以使电子从所述第一电极转移至所述第二电极，并对所述氧化还原生色团进行还原。
31、根据实施方式30所述的方法，其中，该方法还包括闭合所述第二开关以使电子从所述第二电极转移至所述第三电极，并对所述氧化还原生色团进行氧化。
32、一种装置，该装置包括：
第一光电层；
第二电极层，该第二电极层被构造成向所述光电层施加电荷，并改变所述光电层的电控特性(electrically controlled characteristic)；
第三电极层，该第三电极层被构造成除去所述光电层上的电荷，并改变所述光电层的电控特性；以及通过用所述第二层的电化学操作来产生或储存电能。
33、根据实施方式32所述的装置，其中，所述光电层包括至少一个光电活性的电致变色电极。
34、根据实施方式32-33中任意一种所述的装置，其中，所述光电效应为所述光电层的相应部分上的至少一种光吸收或光散射特性的变化。
35、根据实施方式32-34中任意一种所述的装置，其中，多个独立像素或段中的一个具有光电效应。
36、根据实施方式32-35中任意一种所述的装置，其中，所述第二层为一个或多个相对于所述光电层电极具有更负的还原电位的阳极，该阳极的还原电位适合在所述第一层上的电致变色电极为氧化的形式时对该电极进行还原。
37、根据实施方式32-36中任意一种所述的装置，其中，所述第三层包括一个或多个相对于所述光电电极具有更正的还原电位的阴极，该阴极的还原电位适合在所述电致变色电极为还原的形式时对该电极进行氧化。
38、根据实施方式32-37中任意一种所述的装置，其中，用于所述阳极的所述材料为Li、K、Ca、Na、Mg、Hg、Al、Zn、Cr或它们的组合/化合物/汞合物/合金。
39、根据实施方式32-38中任意一种所述的装置，其中，用于所述阴极的所述材料为Cu2O、CuO、AgO、MnO2或它们的组合/化合物/汞合物/合金。
40、根据实施方式32-39中任意一种所述的装置，其中，所述氧化还原生色团吸附或吸附在纳米多孔-纳米晶半导电金属氧化膜上。
41、根据实施方式32-40中任意一种所述的装置，其中，所述金属氧化选自由钛、锆、铪、铬、钼、铟、铌、钨、钒、铌、钽、银、锌、锶、铁(Fe2+或Fe3+)、镍和钙钛矿所组成的半导电氧化物的组中。
42、根据实施方式32-41中任意一种所述的装置，其中，所述金属氧化物选自由下列组成的金属导电金属氧化物的组中：
(a)掺杂有F、Cl、Sb、P、As或B的SnO2；
(b)掺杂有Al、In、Ga、B、F、Si、Ge、Ti、Zr或Hf的ZnO
(c)掺杂有Sn的In2O3；
(d)CdO；
(e)三元氧化物ZnSnO3、Zn2In2O5、In4Sn3O12、GaInO3或MgIn2O4；
(f)TiO2/WO3或TiO2/MoO3体系；和
(g)掺杂有Sb的Fe2O3；和
(h)Fe2O3/Sb或SnO2/Sb体系。
43、根据实施方式32-42中任意一种所述的装置，其中，所述氧化还原生色团包括选自由下列物质所组成的组中的一种或多种物质：
其中R1为选自由以下组成的组：
Figure GPA00001153492100241
R2为选自C1-10烷基、N-氧化物、二甲氨基、乙腈、苯甲基以及选择性地被硝基单取代或双取代的苯基中；R3为C1-10烷基；R4-R7各自独立地选自氢、C1-10烷基、C1-10压烷基、芳基或取代芳基、卤素、硝基和醇基中，X为选自由氯、溴、碘、BF4 -、PF6 -、和ClO4 -所组成的组中的电荷平衡离子，且n＝1-10。
44、根据实施方式32-43中任意一种所述的装置，其中，该装置还包括固体电解质层，该固体电解质层支持所述第一层和第二层之间的离子移动。
45、根据实施方式32-44中任意一种所述的装置，该装置还包括固体电解质层，该固体电解质层支持所述第一层和第三层之间的离子移动。
46、根据实施方式32-45中任意一种所述的装置，其中，所述固体电解质为具有离子化合物(如锂)的聚合物。
47、根据实施方式44或45所述的装置，其中，所述固体电解质为三维结构，例如具有溶剂(水溶剂或有机溶剂)和盐的凝胶。
48、根据实施方式44或45所述的装置，其中，所述固体电解质为允许离子移动的聚合物。
49、根据实施方式44或45所述的装置，其中，所述固体电解质为离子导体或质子导体，例如金属氧化物簇。
50、根据实施方式32-49中任意一种所述的装置，其中，所述光电层用于通过外部检测电路来监测入射辐射的改变来检测环境条件的变化。
51、根据实施方式32-49中任意一种所述的装置，其中，所述光电层用于通过外部检测电路来监测部分或全部的传感器区域上的入射辐射的改变来对使用者的输入进行检测。
52、根据实施方式32-51中任意一种所述的装置，其中，所述三层配置在相同的物理平面上。
53、根据实施方式32-52中任意一种所述的装置，其中，所述阳极层和阴极层在单个平面上是互相交叉的，且所述光电层在单独的平面上。
54、根据实施方式32-51中任意一种所述的装置，其中，所述阳极层为具有在一个平面内的电极中或电极之间的孔的层，且该阳极层夹在光电层平面和所述阴极层平面之间。
55、根据实施方式32-51中任意一种所述的装置，其中，所述阴极层为具有在一个平面内的电极中或电极之间的孔的层，且该阴极层夹在光电层平面和阳极层平面之间。
56、根据实施方式54-55中任意一种所述的装置，其中，不同层的元件的厚度被设定成为装置提供基本恒定的厚度。
57、根据实施方式32-56中任意一种所述的装置，其中，该装置还包括一个或多个装置控制器。
58、根据实施方式32-57中任意一种所述的装置，其中，该装置还包括微动开关，该微动开关与显示器充电控制器和一个或多个层连接。
59、根据实施方式32-58中任意一种所述的装置，其中，所述显示器像素配置成选择性地显示信息和产生电。
60、根据实施方式57-59中任意一种所述的装置，其中，至少一个所述一个或多个装置控制器对所述第一光电层的光电效应进行控制。
61、根据实施方式57-60中任意一种所述的装置，其中，所述至少一个装置控制器的转换能够影响所述第一层和第二层，以使在光电区域内的基本上全部的氧化还原生色团成分由第一氧化还原状态转变为第二氧化还原状态。
62、根据实施方式57-61中任意一种所述的装置，其中，所述至少一个装置控制器的转换能够影响所述第一层和第三层，以使在光电区域内的基本上全部的氧化还原生色团成分由第二氧化还原状态转变为第一氧化还原状态。
63、根据实施方式57-60中任意一种所述的装置，其中，所述至少一个装置控制器的转换能够影响所述第一层和第二层，以使储存在光电区域内的氧化还原生色团成分中的电荷发生小于5％的改变。
64、根据实施方式63所述的装置，其中，将储存在所述氧化还原生色团成分中的电荷的改变作为肤色。
65、根据实施方式57-64中任意一种所述的装置，其中，所述装置控制器的操作通过与非接触式(contact-less)通信标准的操作关联的逻辑操作来触发。
66、根据实施方式64所述的装置，其中，所述装置控制器的转换能够影响所述第二层和第三层，以对一个或多个外部组件提供能量。
67、根据实施方式66所述的装置，其中，所述一个或多个组件为被动的。
68、根据实施方式66所述的装置，其中，所述组件为主动组件和被动组件的混合。
69、根据实施方式66-68中任意一种所述的装置，其中，该装置还包括微动开关，该微动开关与显示器充电控制器和一个或多个电极层连接。
70、根据实施方式69所述的装置，其中，可以将所述微动开关选择性地断开以提供高的外部阻抗，或选择性地闭合以在层之间提供低的外部阻抗。
本文引用的所有参考文献的全部内容结合与此作为参考。
综上，应该理解的是，本发明不限于所公开的具体实施方式，而是涵盖了在随附权利要求书；以上说明书；和/或所示附图中所限定的本发明实质和范围内的所有修改。

Claims (31)

1.一种装置，该装置包括：
第一层，该第一层包括至少一个具有第一材料的第一电极，该第一电极具有第一氧化还原电位；
第二层，该第二层包括至少一个具有第二材料、金属氧化膜以及吸附在该金属氧化膜上的氧化还原生色团的第二电极，该第二电极具有第二氧化还原电位；以及
第三层，该第三层包括至少一个具有第三材料的第三电极，该第三电极具有第三氧化还原电位；
该装置还包括：电解质，所述第一层、第二层和第三层与所述电解质接触；第一开关，该第一开关使所述第一层和第二层电连接；第二开关，该第二开关使所述第二层和第三层电连接；且
所述第一氧化还原电位比所述第二氧化还原电位更负，且所述第三氧化还原电位比所述第二氧化还原电位更正。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，该装置具有第一阶段，在该第一阶段中，所述第一开关和第二开关为断开，所述装置进行充电，且所述氧化还原生色团被氧化并具有第一颜色。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，该装置具有第二阶段，在该第二阶段中，所述第一开关闭合，电子从所述第一电极向所述第二电极转移，在该第二阶段中，所述氧化还原生色团被还原，经过第一次颜色变化，且具有第二颜色。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，该装置具有第三阶段，在该第三阶段中，所述第二开关闭合，且电子从所述第二层向所述第三层转移，在该第三阶段中，所述氧化还原生色团经过第二次颜色变化以恢复到所述第一颜色。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，该装置还包括多个独立的像素或段，且每个独立的像素或段包括至少一个所述第二电极中的一个或多个。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一层、第二层和第三层位于相同的物理平面上。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一层和第三层在第一平面内互相交叉，且所述第二层在第二平面内。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一层占据第一平面，所述第二层占据第二平面，且所述第三层占据所述第三平面；所述第一平面位于所述第二平面和第三平面之间。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一层占据第一平面，所述第二层占据第二平面，且所述第三层占据第三平面；所述第三平面位于所述第一平面和第二平面之间。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一材料包括选自由Li、K、Ca、Na、Mg、Hg、Al、Zn和Cr所组成的组中的物质。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述第一材料包括Zn。
12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二材料包括纳米多孔-纳米晶半导电金属氧化膜，且所述氧化还原生色团吸附在所述纳米晶半导电金属氧化膜上。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述纳米多孔-纳米晶半导电金属氧化膜为介孔TiO2膜。
14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第三材料包括选自由Cu2O、CuO、AgO和MnO2所组成的组中的物质。
15.根据权利要求1所述的装置，其中，该装置还包括可操作地连接到该装置上的具有选自由Zn、Ag/AgCl和Ag/AgNO3所组成的组中的物质的参比电极。
16.根据权利要求1所述的装置，其中，所述氧化还原生色团为紫精。
17.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电解质包括支持所述第一层和第二层之间的离子移动的固体电解质层。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述固体电解质为具有离子化合物的聚合物，所述离子化合物如锂。
19.根据权利要求1所述的显示装置，其中，该装置还包括一个或多个用于储存电能的电池。
20.根据权利要求1所述的显示装置，其中，该装置还包括显示器灯。
21.根据权利要求1所述的显示装置，其中，该装置还包括一个或多个电容器。
22.根据权利要求1所述的装置，其中，该装置还包括可操作地与所述第一层、第二层和第三层相连的一个或多个控制器。
23.根据权利要求22所述的装置，其中，至少一个装置控制器为单个集成电路。
24.根据权利要求22所述的显示装置，其中，所述装置控制器能够改变电极之间的连接，使得至少一个所述第一电极成为参比电极。
25.根据权利要求22所述的装置，其中，该装置还包括一个或多个用于向所述控制器传递信息的传感器。
26.根据权利要求25所述的显示装置，其中，通过所述传感器传感的信息包括选自由压力、温度、时间、湿度、接通时间、接通状态、断开时间、断开状态、灰度级、电压、电流、电荷、电磁场、电动效应、光、光谱形状和化学化合物所组成的组中的一个或多个参数。
27.根据权利要求22所述的显示装置，其中，该装置还包括可操作地连接到所述控制器上的通信调制解调器。
28.一种操作根据权利要求22所述的装置的方法，该方法包括：
(a)向所述控制器输入显示信息；
(b)基于所述显示信息来定义命令信号；
(c)将所述命令信号从所述装置控制器传送到所述第二层上的一个或多个像素上；
(d)根据所述命令信号在所述一个或多个显示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第二层和第三层收集电能。
29.一种操作自供电装置的方法，该方法包括：
提供装置，该装置包括：第一层，该第一层包括至少一个具有第一材料的第一电极，该第一电极具有第一氧化还原电位；
第二层，该第二层包括至少一个具有第二材料、金属氧化膜以及吸附在该金属氧化膜上的氧化还原生色团的第二电极，该第二电极具有第二氧化还原电位；以及
第三层，该第三层包括至少一个具有第三材料的第三电极，该第三电极具有第三氧化还原电位；
该装置还包括：电解质，所述第一层、第二层和第三层与所述电解质接触；第一开关，该第一开关使所述第一层和第二层电连接；第二开关，该第二开关使所述第二层和第三层电连接；且
所述第一氧化还原电位比所述第二氧化还原电位更负，且所述第三氧化还原电位比所述第二氧化还原电位更正；
该方法还包括，通过断开第一开关和第二开关来对所述显示装置充电。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，该方法还包括闭合所述第一开关以使电子从所述第一电极转移至所述第二电极，并对所述氧化还原生色团进行还原。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，该方法还包括闭合所述第二开关以使电子从所述第二电极转移至所述第三电极，并对所述氧化还原生色团进行氧化。
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