CN102576163B - 利用发光的单层反射式显示器 - Google Patents

Abstract

反射式显示设备具有多个显示像素。每个像素具有并排地布置的分别用于三原色的至少三个色彩子像素。至少一个色彩子像素具有含有可调整透射的光快门（light shutter）、包含发射所选择的色彩的光的发光材料的发光层以及用于反射对应于该所选择的色彩的光的反射镜。

Description

利用发光的单层反射式显示器

背景技术

反射式电子显示器是正赢得喜爱的新型显示器。例如，在电子书阅读器中已经使用反射式显示器。与要求其自己的光源的常规平板式显示器相反，反射式显示器利用环境光进行照明以产生显示的图像。因此，反射式显示器能够模拟诸如书页或报纸印刷物的“纸上墨”印刷材料的外表，并且常常被称为“电子纸”或“e-paper（电子纸）”。由于使用环境光进行照明，反射式显示器与常规显示器相比具有较低功率消耗的显著优点和在明亮环境光下观看的能力。

开发反射式显示器时的主要挑战是在不使得设备结构过度复杂且难以制造的情况下提供良好的色彩。许多反射式纸状显示器技术尝试通过堆叠多个有源设备层来实现令人满意的色彩。那些技术依赖于通过吸收来减去每个有源层中的可见光谱的一部分并将其余部分反射以产生期望的色彩。提供全色要求独立地减去与诸如RGB（红绿蓝）或CYM（青色黄色品红色）的至少三原色相对应的入射可见光谱的各部分的能力。另外，常常要求第四层以使得能够实现黑白和/或提供灰度（grayscale）。在某些情况下，可以利用少于四个有源层来获得全色，因为可以在一个有源层中实现两个原色。然而，堆叠甚至两个有源层可能是有问题的。多个层要求多个电子背板和/或复杂的通孔。这导致更困难的制造、较低的产率和更大的成本。多个层的使用还降级设备性能。由于不及（less than）完美的透明度而引起的界面处的杂散反射和堆叠层中的吸收降低对比度和亮度。

将有源层堆叠的替换是尝试通过子像素的使用来实现全色，每个子像素通过仅反射入射光中的原色的窄带来提供该色彩。利用这种方法的问题是像素面积的仅仅小部分被用于产生每个原色，并且落在子像素外面的入射光被浪费。这导致不可接受的低亮度级。并且，诸如正反电泳显示器（front-back electrophoretic display）的某些技术具有当“开”色彩粒子被拉到像素正面时“关”色彩仍部分地可见的问题。到目前为止，没有现有单层反射式显示器技术表现出可接受的色彩。

附图说明

关于以下附图以示例的方式描述本发明的某些实施例：

图1是根据本发明的实施例构造的反射式显示设备的示意视图；

图2是图1的反射式显示设备的像素的示意性横截面视图；

图3是图2的像素中的色彩子像素的示意性横截面视图；以及

图4是示出在本发明的实施例中的作为光波长的函数的色彩子像素的发光吸收和发射的图。

具体实施方式

图1示出依照本发明的显示设备的实施例。如下文更详细地描述的，显示设备100具有能够在结构上简单且容易制造的同时显示高色彩质量的图像的色彩显示屏102。

设备100具有内置电源，诸如可再充电电池，并且具有电子电路和软件用于其操作。如图1所示，设备100可以具有用于控制图像显示功能的按钮104且可以具有用于数据输入的小键盘106。此外，显示屏102可以是能够显示诸如滚动条或控制按钮的控制特征的触摸屏。显示设备100还包括用于接收要显示的图像的数据的装置。例如，设备100可以具有用于接收通过USB电缆传送的数据或接收具有存储在其上面的图像日期（image date）的USB记忆棒的USB端口110。该设备还可以具有用于其它类型的数据存储设备的插孔（receptacle），诸如SD卡槽112。替换地，设备100可以具有用于从计算机或诸如因特网的网络无线地下载图像数据的无线传输能力。

图2示出依照本发明的实施例的显示屏102的像素120的示意性表示。像素120具有多个子像素，其每一个负责调制在给定谱带中产生的光。在所示的例子中，像素120具有分别用于调制三原色红色、绿色、蓝色的三个子像素122、124和126以及用于白光调制的可选子像素128。可以使用其它色彩选择和不同数目的子像素。此像素结构是“单层”结构，因为子像素被并排地布置在相同层中，与具有被堆叠在一起的多个有源色彩吸收/反射层的反射式显示器结构相反。

为了描述的清楚起见，图3示出依照本发明的实施例的一个色彩子像素130的结构。此子像素结构可以应用于图2的像素中的全部三个色彩子像素122、124、126。子像素130由三个组件形成：快门（shutter）132、发光层134和反射镜136。快门132形成色彩子像素130的顶层，并且用于照明的环境光通过快门进入子像素。快门具有可调整的光透射。快门132调制进入子像素130的环境光以及还有离开子像素的光的强度。这样，快门132控制由子像素产生的光的量以实现期望的亮度。在某些实施例中，快门132包括电光快门，在某些波长范围上且用某些数目的中间灰度级，能够从主要透明至主要不透明调制其透明度。存在用于电光快门的许多可能选择，包括黑色/透明二色性液晶（LC）客主（guest-host）系统和平面内(in-plane)电泳（EP）系统。如果使用二色性LC系统，在某些实施例中，可以在液晶快门与发光材料之间布置四分之一波片（quarter-wave plate）以提供两个光偏振的吸收。其它选项包括胆甾醇型(cholesteric)液晶单元或电润湿层。

发光层134被布置在快门层132下面。发光层134包含发光材料，其包含用于所选择的色彩的生光团(lumophore)。一般地，生光团是显现发光的化学化合物的原子或原子团。生光团可以被包含在发光层中的液体分散体或者固态膜中。可用于显示器子像素的生光团包括有机和无机染料和磷光体、半导电纳米晶体和利用这些中的任何一个的颜料粒子。如果生光团被嵌入固体或液体基质中，则基质材料在将被生光团吸收或发射的波长上应是基本透明的。

在生光团层134下面的是反射光谱的所选择的部分的反射镜136。此反射镜136可以例如是Bragg堆、宽带反射镜上的吸收染料或诸如等离子体（plasmonic）粒子的一层光学散射体。后两个选项在能够以并排子像素配置来制造具有不同反射带的反射镜的容易度方面可能是有益的。它们还可以由于其对环境光的入射角的降低的依赖性而被选择。

图4示出作为波长的函数的生光团的吸收频带150与发射频带152之间的关系。如图4所示，生光团吸收具有高达吸收边缘λ_abs的波长的光。吸收的能量的相当一部分将在比吸收边缘更长的发射波长λ_emis周围的频带中被生光团重新辐射。这相比于仅仅反射入射光的光谱的一部分的设备而言提供了效率方面的大优点。能够利用在吸收波长以下的所有波长（包括UV）上的入射能量的很大一部分而不是仅仅落在特定色彩频带内的一小部分。在红色子像素的情况下，这能够为给定子像素区域提供亮度方面的好几倍的改善。通常，期望的是使用其吸收从某一截止λ_abs向下延伸至在典型周围环境中可用的最短波长的生光团。实际上，在吸收远远低于320nm时存在可忽略的益处，虽然如果设备的顶层在此区域中是合理透明的，则稍微较短的波长在户外环境中可以有所贡献。

反射镜136是波长选择性的，因为其仅在所选择的带宽中反射光。可以将反射带宽选择为使得反射镜136反射子像素的原色的光，但不反射另外两个原色。例如，用于图2中的红色像素122的反射镜144反射红光，但可以不反射未被发光层142完全吸收的入射光的任何绿色或蓝色部分。反射镜136在两方面增强色彩子像素130的性能。首先，其将由生光团远离观看表面148发射的光重新定向。通过将发射光朝着观看表面148反射返回，能够显著地增加可用于观看的来自子像素130的光的总量。在这方面，用将吸收边缘和发射波长分离的合理的斯托克斯位移（Stokes shift）（图4中的λ_emis-λ_abs），在反射的发射光通过生光团返回并从观看表面出来时生光团将不会显著重新吸收反射的发射光。

其次波长选择反射镜136使得一个人能够获取未显著地被生光团吸收的入射环境光的部分的最佳优点。包括具有在λ_abs和λ_emis之间（即在斯托克斯位移范围内）和超过λ_emis的波长的光的此部分将到达反射镜136。此光中的某些然后可能被朝着观看表面反射返回，使得其对子像素的总体输出有所贡献。在没有反射镜136的情况下，此光被浪费。在某些实施例中，反射镜136的反射频带154被选择为使得其在大于发射波长的截止波长处开始，并延伸至包括生光团的吸收边缘波长λ_abs的较短波长。可以将反射镜反射的长波长截止设置在分配给该子像素的色彩频带的长波长边缘处。对于红色子像素而言，反射频带可以到达或者甚至超过红色的标准范围的长波长边缘，因为将红色反射出来至人类感知的限度可能是期望的。

在红色子像素122的情况下，斯托克斯位移范围内的反射镜144的反射可能是特别重要的，因为使用具有相对大的斯托克斯位移的生光团可能是期望的。这是因为人类日光视觉响应（photopic response）的峰值是在555nm（绿色）。因此，具有比被生光团吸收的555nm长的波长的任何环境光被转换成对于人类而言不那么敏感度的波长（λ_emis）。因此，在某些情况下可能期望简单地反射稍微短于λ_emis但长于555nm的波长。最佳斯托克斯位移取决于生光团的内部光致发光（PL）效率、λ_emis的所选择的值和设备的期望色域。例如，反射而不是转换过短的波长可以使红色色点朝着黄色位移。另一方面，如果转换效率不够高，则转换而不是反射可能导致降低的亮度。在这方面，由于长波长上的降低的人类日光视觉响应，在某些实施例中可以将红色发光层142中的红色生光团的发射波长λ_emis选择为给出期望的红色的最短波长。

相反，在蓝色子像素126的情况下，如果生光团的量子效率合理地高，则小的斯托克斯位移可能是期望的。这是因为生光团正将光转换成对于人类而言更加敏感的波长。由于相同的原因，还可能期望在保持不是太绿色的色点的同时选择尽可能长的蓝色发射波长。对于给定斯托克斯位移而言，较长的发射波长允许更多的环境光谱被吸收和利用。在某些实施例中，如果发射与向外耦合（out-coupling）效率的乘积并不令人满意地高，则甚至可能更期望仅仅由波长选择反射镜来反射蓝色波长而不是使用发光。在这种情况下，蓝色子像素可以在快门与反射镜之间具有透明中间层而不是具有蓝色生光团的发光层。

通过将子像素的快门层132的透明度设置为各种中间值，能够在宽色域上调整总体像素的有效色彩和亮度。如果适当地选择三色子像素的发射波长、反射波长和面积，它们能够在其快门处于完全透明状态时显示接近于白色的色彩。然而，即使具有相当高的内部发射效率，白色状态的亮度和色点对于某些目的而言可能是不适当的。在这种情况下，可以包括可选白色子像素128以改善显示器的白色状态的亮度和色点。白色子像素具有用于光振幅调制的快门160和用于光反射的反射镜164。不同于色彩子像素122、124、126，白色像素128的中间层162是透明材料且不包含生光团，并且白色像素的反射镜164是能够反射白光的宽带反射镜。应注意的是白色状态的亮度的改善是以CIE 1976（L *、a *、b *）色彩空间的a*和b*维度中的像素的色域范围为代价实现的。可以将色彩子像素和白色子像素的面积选择为使a*和b*维度中的色域的宽度与L*/ΔL*之间的权衡最优化。

存在可以在子像素130的发光层中使用的许多类型的生光团。它们包括有机发光聚合物、低聚物、小分子（例如染料）和无机纳米晶体或磷光体。这些材料可以以薄膜形式被使用，以合成物的形式嵌入其它材料中，或结合在颜料粒子中。它们还可以以胶体/分散体/悬浮体的形式合并在液体层中。在某些情况下，基于溶剂的生光团的使用能够缓解浓度猝灭的问题。已知诸如硫基碱性蕊香红（sulphorhodamine）的染料在溶液中具有几乎100%的内部量子效率。许多聚合物和低聚物的所述发射效率还可以很高、甚至在薄膜形式中。半导电纳米晶体可以具有大于80%的量子效率，虽然～50%是更典型的。半导电纳米晶体是稳健的，并且提供在其吸收边缘以下的宽波长范围上吸收光的能力。此外，半导电纳米晶体的发射光谱可以是很窄的，在某些情况下，小于25nm FWHM。在本发明的某些实施例中，可以使用诸如半导电纳米晶体的具有窄发射频带的生光团来获得高度饱和的色彩。

为了设计（engineer）吸收光谱、发射光谱和斯托克斯位移的期望组合，可以使用生光团与敏化剂的组合。例如，在某些实施例中，可以将吸收染料与生光团组合，使得吸收染料（敏化剂）在某些波长频带中吸收并随后经由诸如Forster交换的过程将能量传递至生光团。

在某些其它实施例中，发光材料可以是向上转换（up-converting）生光团，从而利用在包括红外线的较长波长中可用的能量。向上转换生光团吸收具有比用于给定子像素的期望色彩频带长的波长的光，并在该色彩频带中发射光。

通常，制造具有较少层的设备更加容易。因此，例如将所使用的任何生光团层合并到电光快门衬底或波长选择反射镜可能是有益的，当心不要将其放置得过于接近可能淬火（quench）发光的金属层，这可能在小于约100nm的距离处发生。

如上所述的单层发光方法提供比非发光单层反射式显示器技术更大的亮度，因为其使用可用环境光谱的大得多的部分。另外，具有窄发射光谱的适当生光团的使用能够提供比在常规反射式显示器技术中可用的更饱和的色彩。由本发明实现的更亮、更大的色域使得单层反射式显示器在商业上是可行的，而常规单层反射式显示器技术是不可行的，因为其根本上局限于极其昏暗的色域。

在前述说明中，阐述了许多细节以提供本发明的理解。然而，本领域的技术人员应理解的是可以在没有这些细节的情况下实施本发明。虽然已相对于有限数目的实施例公开了本发明，但本领域的技术人员将认识到由此而来的许多修改和变更。意图在于所附权利要求覆盖落在本发明的真实精神和范围内的所有此类修改和变更。

Claims (15)

1.一种反射式显示像素，包括：

在相同层中并排地布置的至少三个子像素，每个子像素对应于三原色中的一个，子像素中的至少一个具有：

具有可调整透射的光快门，其中用于照明的环境光通过该光快门进入所述子像素；

发光层，其被布置在光快门下面并包含当由从所述光快门接收的环境光进行照射时发射所选择的原色的光的发光材料；以及

反射镜，其被布置在发光层下面用于反射由所述发光层发射的对应于所选择的原色的光，所述光以朝向所述光快门的方向被反射以穿过所述发光层，

其中所述发光层被夹持在所述光快门和所述反射镜之间，

其中所述反射镜由宽带反射镜上的吸收染料形成或每个反射镜由一层光学散射体形成。

2.如权利要求1所述的反射式显示像素，其中，所述三原色包括红色、蓝色和绿色。

3.如权利要求1所述的反射式显示像素，其中，所述至少一个子像素的反射镜具有所选择的反射范围，其包括在子像素的发光材料的发射波长与吸收边缘波长之间的频带。

4.如权利要求1所述的反射式显示像素，其中，所述快门选自黑色/透明二色性液晶客主系统和平面内电泳系统的组。

5.如权利要求1所述的反射式显示像素，其中，所述发光材料包括半导电纳米晶体。

6.如权利要求1所述的反射式显示像素，其中，所述发光材料包括用于吸收光并将能量传递至发光材料以发射所选择的原色的光的敏化剂材料。

7.如权利要求1所述的反射式显示像素，还包括白色子像素，其包含光快门和用于反射白光的反射镜。

8.如权利要求1所述的反射式显示像素，其中，所述反射镜选自Bragg堆、宽带反射镜上的吸收染料和一层光学散射体的组。

9.一种反射式显示设备，包括：

多个像素，每个像素具有在相同层中并排地布置的至少三个子像素，每个子像素对应于三原色中的一个，子像素中的至少一个具有：

具有可调整透射的光快门，其中用于照明的环境光通过该光快门进入所述子像素；

发光层，其被布置在光快门下面并包含当由从所述光快门接收的环境光进行照射时发射所选择的原色的光的发光材料；以及

反射镜，其被布置在发光层下面用于反射由所述发光层发射的对应于所选择的原色的光，所述光以朝向所述光快门的方向被反射以穿过所述发光层，

其中所述发光层被夹持在所述光快门和所述反射镜之间，

其中所述反射镜由宽带反射镜上的吸收染料形成或每个反射镜由一层光学散射体形成。

10.如权利要求9所述的反射式显示设备，其中，所述三原色包括红色、蓝色和绿色。

11.如权利要求9所述的反射式显示设备，其中，所述至少一个子像素的反射镜具有所选择的反射范围，其包括在子像素的发光材料的发射波长与吸收边缘波长之间的范围。

12.如权利要求9所述的反射式显示设备， 其中，所述快门选自黑色/透明二色性液晶客主系统和平面内电泳系统的组。

13.如权利要求9所述的反射式显示设备，其中，所述发光材料包括半导电纳米晶体。

14.如权利要求9所述的反射式显示设备，其中，所述发光材料包括用于吸收光并将能量传递至发光材料以发射所选择的原色的光的敏化剂材料。

15.如权利要求9所述的反射式显示设备，其中，每个像素还包括白色子像素，其包含光快门和用于反射白光的反射镜。