CN102112916B - 显示器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包含基板的显示器件，该基板具有像素阵列。每个像素包含基板中的孔阑阵列，孔阑阵列中每个孔阑的最大开孔尺寸小于要经过孔阑透射的光的波长。改变孔阑的有效介电常数和/或基板的介电常数，由此在透射可见光谱频率中的至少一个频率和实质上不投射可见光谱中的频率之间改变像素的光透射特性。

Description

显示器件

技术领域

本发明涉及显示器件。

背景技术

有许多不同的显示技术存在。不同技术适用于不同的应用，而总体上地目的是为了使高分辨率和对比度能与低功耗相结合。

显示器件典型地使用像素型结构来调制光源，或来控制反射级别。滤色器典型地用于提供不同彩色子像素。因此目前的显示器件操作上采用将控制反射或透射程度与滤色操作相结合。

最近，已开始考虑在显示器件中采用量子效应的可能性。US2003/0020672揭示了在显示器件中表面等离子体激元(plasmon)效应的使用。

本发明针对采用等离子体激元效应的显示器件。

发明内容

根据本发明提供的显示器件包含：

基板；

像素阵列，每个像素包含基板中的孔阑(aperture)阵列，阵列中每个孔阑的最大开孔尺寸小于要经过孔阑透射的光的波长；

改变装置，用于改变孔阑的有效介电常数和/或基板的有效介电常数，由此可在透射可见光谱中的至少一个频率和实质上不透射可见光谱中的频率之间改变像素的光透射特性。

这种布置提供了一种像素，它可在透射(特定波长的光)与无可见透射间切换。无需滤色器来提供所需的输出色，因为离子体激元提供了波长选择。

子波长孔阑阵列的使用意味着能够获得很高分辨率的屏幕。而且该器件能用在反射模式(免去对背景光的需要)或透射模式。从孔阑输出的光实质上无视角依赖性。

与现有技术相比，该器件的构造也被简化，而且能够与标准CMOS构造技术兼容。

基板最好是金属，这引起导致等离子体激元共振的天线效果。例如基板可具有银色表面。

孔阑阵列可被看作是不同间距的多个阵列的叠加。所透射光的主波长和阵列中孔阑之间的间距p最好满足：

$\mathrm{\λ}\≅p\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m{\mathrm{\ϵ}}_d}{{\mathrm{\ϵ}}_m+{\mathrm{\ϵ}}_d}}$

其中ε_m是基板的介电常数而ε_d是填充孔阑的材料的有效介电常数。

根据本发明，通过改变填充孔阑的材料的有效介电常数，相应波长就能被偏移到非可见光谱。因此孔阑阵列的功能就如同一个可切换的滤色器。

该用于改变的装置最好包含相变材料部分，例如在基板之上提供一层相变材料。然而也能采用其它改变有效介电常数的方式，比如压电性材料部分。

像素阵列可包含不同的彩色像素，不同颜色的像素具有像素的孔阑阵列的孔阑之间的不同间距。例如，像素阵列可包含彩色像素阵列，每个彩色像素包含三种不同颜色的子像素。

这样，彩色子像素作为具有不同孔阑间距(和可选尺寸)的区域就能简单地形成了。然而，形成这些不同的子像素可以采用相同的处理步骤-主要是在基板中形成孔的步骤。

针对这三种不同的彩色子像素的孔阑阵列大小不必相同，这样所需的色平衡就能轻易获得。子像素能占用很密的区域，以减少在其它技术上所见到的“流失(bleeding)”效应。例如采用非矩形像素边界，子像素位置能被优化到一紧凑区域。

本发明能作为低功耗器件来实现。

附图说明

本发明示例将参照附图详细描述，其中：

图1用于解释支持本发明器件的原理；

图2用于解释是如何控制本发明器件的；

图3显示了多阵列的子像素是如何形成的，以及子像素是如何组合成彩色像素的；以及

图4用于解释像素布局如何采用灵活方式进行设计。

不同图中使用相同附图标记指示相同组件和层，且本描述不再重复。

具体实施方式

本发明提供了一种显示器件，其中像素(或子像素)以子波长尺寸的孔阑阵列的形式形成。这些像素具有独特的波长相关的光透射特性，其特性取决于该结构的材料的介电常数。提供了用于改变孔阑的有效介电常数的装置，这样就能在开和关的状态之间有效地切换像素的光透射特性。

当光穿过一个微小(子波长大小)的孔时，Bethe预测一衰耗基于波长与孔尺寸之比的4次方。然而近期实验显示当将孔开在金属层中时，所透射的光强会增加。该结果被认为是由“天线”效应导致的。

如果孔周边材料是金属，在一定条件下，入射光束(电磁波)会引起振动，且表面波会传播经过该孔。在该孔的另一面，该振动会“再生”该光束。此处还会有衍射效应，但过滤操作来自于表面波的传播。该现象被称作表面等离子体激元振动或表面等离子体激元共振(SPR)。

除该效应外，针对不同波长的透射(或确切地，反射)是不同的。

这种滤色方式被用在本发明的器件中，使得能够形成彩色显示结构。

图1显示了一银色薄膜上形成的凹坑阵列。这些凹坑是离子束铣削而成的。一些凹坑被铣削通透，这样光就能够透射了。该银色薄膜形成了基板2。

当该结构被白光照射时，所透射的颜色取决于阵列周期。在该例中，利用具有550nm的周期(即间距)的开口形成字母“h”，这给出红色。利用具有450nm的周期(即间距)的开口形成字母“v”，这给出绿色。

这种滤色的结果是可调的。当白光穿过子波长孔的阵列时，对应最大光强的波长可用公式1表示：

$\mathrm{\λ}\sqrt{i^2+j^2}\≅p\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m{\mathrm{\ϵ}}_d}{{\mathrm{\ϵ}}_m+{\mathrm{\ϵ}}_d}}$ ...公式1

公式1给出了中心频率(λ)。孔间距是p，ε_m是基板的介电常数而ε_d是填充孔阑的材料的有效介电常数。

i和j是阵列阶数(order)。对于周期为p的正方阵列，在具有周期p的阵列处会得到中央波长，且对于2p(考虑从间隔孔生成的阵列)、3p等等也同样。因此，具有间距p的阵列可被认为是更大间距的多个子阵列的叠加。因为阵列是2D的，还可采用基于对角尺寸的间距从基础阵列中提取子阵列。结果是，基于i和j值的项代表了子阵列的可能间距尺寸，该子阵列被认为能够叠加成阵列。然而，主要光强对应的却是低的i和j号码，(类似于衍射阶数计算)。一般地，数值i＝1和j＝0或i＝0和j＝1可以考虑，这样对于所透射的主要波长，带i和j的项就可以忽略。在这种情况下：

$\mathrm{\λ}\≅p\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m{\mathrm{\ϵ}}_d}{{\mathrm{\ϵ}}_m+{\mathrm{\ϵ}}_d}}$

可以看出金属和环境介质(电介质，它可以是空气)的特性会严重改变振动特性。

电介质材料是由它的介电常数ε_d确定的，而金属是由它的介电常数ε_m确定的。等离子体激元共振取决于金属和电介质两者。对于所有适合材料和所有波长而言，金属和电介质的介电常数是已知的，这样针对给出的材料结构就可以确定频率。

孔大小的影响并未在公式1中反映出来。一般地，孔需要具有子波长尺寸，或者光恰好直接穿过。对应不超过所透射光波长一半的直径是合适的。当孔间距已被确定用来获得所需的过滤时，很清楚孔大小需要比那个间距要小，而且最好小于半个间距。

为了将过滤调整成没有光透射的方式，中心频率λ可被偏移到不同的值，该值在可见范围以外。这可以通过调整金属、电介质或二者的介电常数来实现。

例如，采用Al作金属而SiO₂作电介质，间距为423nm且孔大小为161nm的孔阵列可形成一红色阵列(除了627nm的红光外过滤所有的光)。该阵列透射红光。

针对显示应用，必须能够快速关闭透射(或移动中央峰值到一不同的波长)。一个可能性是干扰介质的介电常数。这可采用相变材料来完成。

图2显示在相变材料的线12的每一侧上的触点电极10，该材料是在基板2的金属孔阵列14的顶部上提供的。

相变材料例如是锗、锑和碲(GeSbTe)的硫属化物合金，又名GST。这些材料是该领域的技术人员公知的。

引入相变会引起介电常数突变，导致效果的改变。阵列被设计成基于公式1，采用相变材料的相位值之一给出所需的滤光效果，而在相位改变时，效果将受到干扰以变成关状态。

如上所述，相变材料可以放置在所述阵列顶部，或一些孔可以用材料填充。结果是在一个相位，中央波长是所需颜色，而在其它相位，介电常数变化使得没有可见波长透射。

这种设计和结构可基于2个标准进行优化：

在相位A，相变材料的介电常数必须与电介质材料的介电常数匹配，或对其影响很小，

在相位B，介电常数必须不同到足以中止或干扰等离子体激元效应。

针对红、绿和蓝阵列进行了优化处理，而且采用该技术就能够生成全色彩显示。因此每个阵列是被独立驱动的。

由该方案提供的选择性过滤能用在反射型或透射型显示器件上。在透射模式中，阵列被设计成透射特定波长。在反射模式，可采用同样的阵列，且每个阵列要反射“除X以外的全部”，X是红、绿或蓝。

因此，在反射模式，混合的颜色被反射。这会在显示器件上产生不同颜色的域，但基于来自不同阵列的反射，颜色混合还能用来提供彩色显示功能。优选地，结合分辨率来进行颜色混合，这样单独的颜色对肉眼不可见。

图3显示了像素阵列是如何定义的。单个孔阑阵列如30所示。一个单元可以由多个这样的阵列组成，例如如32所示的3×3的阵列排列。这就使控制透射量成为可能，因为该单元之内的任一编号0到9的阵列都能被用来透射像素颜色的光。

一幅图像由像素组成。如34所示，每个像素会有几个红、绿和蓝单元。在像素34中，每一个颜色的子像素由一正方形表示，该正方形本身代表一个单元，即一组具有所需间距的孔阑阵列。当所有像素为“开”时，透射(反射)的光就是白色的。

该阵列可放置的一种方式是介于红和绿子像素及介于红和蓝子像素间的向量要小于单元大小。可以通过交错不同颜色阵列来实现，这样子像素不会占用独立区域(如图所示3)，而是三种子像素被全部有效地分布在像素区(如图4所示)。这种阵列交错提供了很有效的颜色混合。

图4显示了一个像素，并显示了不同子像素孔阑阵列的交错。如图所示，与不同颜色子像素相关的孔阑阵列具有不同的孔阑间距(例如红色孔阑有较长的间距)。图4还显示出针对三种不同颜色子像素的孔阑阵列的大小是不一样的。这些子像素可以被尽可能地有效组合。

色彩深度由显示器能够产生的不同颜色的数目而定。在等离子体激元器件的情况下，每一个阵列能生成2种颜色：黑和阵列颜色。如果针对每个子像素颜色(R、G、B)有N个独立控制的孔阑阵列，该像素的整个色彩深度将是N³+1。每个独立阵列有若干孔阑足以使彩色过滤效果可见。例如，每个阵列能小到4×4个孔，但优选地是8×8个孔或更多。

如果每个像素有8×8个孔阑阵列，色彩深度是262,145种颜色。该色彩深度采用二进制驱动机制来实现，这样就简化了驱动算法和控制电路。每个像素的孔阑阵列越多，色彩深度就越大。这样，通过为每个像素定义更多的孔阑阵列，就能简单地获得所需色彩深度。按照这种方式，可以获得数十亿种颜色的色彩深度，虽然像素会较大，且因此只适用于较大的器件。

显然地，像素大小随每个阵列的孔数量、及每个像素的阵列数量的增长而变大。一个10×10孔的小阵列就是一个近似于5微米宽(500nm×10)的正方形。如果单元具有8×8个这样的阵列，单元宽度就接近40微米。参照图5，通过有效方法合并子像素，像素宽度可以是约60微米。这样就能得到一个6cm×6cm大小的一百万的彩色像素屏幕，或按另外的比率，是近似8.5cm对角线的大小。较大的屏可以采用较大的像素，这样就能有较大的色彩深度。

屏幕需要3个关键部分：电流驱动器(驱动独立的阵列)、孔阵列、及“相变”部分。

相变材料可以作为连续的层提供，具有本地电流注入，在独立的孔阵列位置引入本地相变。相变效应是热效应，而且寻址相变材料的技术是相变存储器件领域公知的。相变材料可以在阵列板之上或之下(对应入射光方向)。相变层反而可以分段，每个孔阵列用一块。

对于反射型显示器，金属层可放置在驱动芯片顶部，相变放置在金属层顶部。那么触点可以制作在相变到驱动层上。

对于透射型显示器，驱动器被放置在屏幕一侧，而且触点线能扩展到阵列区。

阵列器件的寻址和相变材料的使用的具体实现方式对于该领域的技术人员而言是常规的。

对本领域技术人员而言，各种修改都是明显的。

Claims (10)

1.一种显示器件，包括：

基板(2)；

像素阵列(34)，每个像素包含基板中的多个孔阑阵列(30)，孔阑阵列的每个孔阑的最大开孔尺寸小于要经孔阑透射的光的波长；

改变装置(12)，用于改变每个孔阑阵列(30)的孔阑的有效介电常数，由此在透射可见光谱中的至少一个频率和实质上不透射可见光谱中的频率之间改变像素的光透射特性，从而像素的每个孔阑阵列(30)仅以二进制方式被独立驱动。

2.根据权利要求1所述的器件，其中基板(2)是金属的。

3.根据权利要求1所述的器件，其中基板(2)具有银色表面。

4.根据前述任一权利要求所述的器件，其中所透射的光的主要波长和孔阑阵列中的孔阑之间的间距p满足：

其中ε_m是基板的介电常数，而ε_d是填充孔阑的材料的有效介电常数。

5.根据前述权利要求1-3中任一项所述的器件，其中改变装置(12)包含相变材料部分。

6.根据权利要求5所述的器件，其中改变装置(12)包含在基板之上提供的相变材料层。

7.根据前述权利要求1-3中任一项所述的器件，其中改变装置(12)包含压电材料部分。

8.根据前述权利要求1-3中任一项所述的器件，其中像素阵列(34)包含不同颜色的像素，不同颜色的像素的孔阑阵列(30)的孔阑之间的间距不同。

9.根据前述权利要求1-3中任一项所述的器件，其中像素阵列(34)包含彩色像素阵列，每个彩色像素阵列包含不同颜色的3个子像素(R、G、B)。 

10.根据权利要求9所述的器件，其中三个不同颜色子像素的孔阑阵列(30)的大小是不一样的。 

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