CN110352379B

CN110352379B - 基于相变材料的透反射显示装置

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Publication number: CN110352379B
Application number: CN201780083566.7A
Authority: CN
Inventors: 哈里什·巴斯卡兰; 培曼·胡赛尼; 本·布劳顿
Original assignee: E Ink Corp
Current assignee: E Ink Corp
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2017-11-03
Publication date: 2023-05-05
Anticipated expiration: 2037-11-03
Also published as: TW201825997A; CN110352379A; EP3333618A1; US20230070453A1; EP3333618B1; ES2767628T3; US11740493B2; US11520172B2; US20200096795A1; WO2018108385A1

Abstract

本发明特别涉及透反射显示装置(1)。该装置包括一组像素(2)，其中，像素中的每个像素包括被称为PCM部分的双稳态相变材料的部分(10)，该部分具有至少两个可逆的可切换状态，在该至少两个可逆的可切换状态中，该部分具有两个不同的折射率和/或光学吸收值。该装置还包括一个或多个间隔物(14)，其是光学透射的并且在该组像素的PCM部分下面延伸。一个或多个反射器(15)在一个或多个间隔物下方延伸。激励结构经由一个或多个间隔物与PCM部分热连通或电连通。此外，显示控制器(30)被配置为经由激励结构选择性地激励像素的PCM部分，以便可逆地将所述像素中的每个像素的PCM部分的状态从可逆的可切换状态中的一者切换到另一者。此外，在该装置中配置背光单元(40)，以使得PCM部分能够通过一个或多个间隔物被照射。背光单元由背光单元控制器(42)控制，该背光单元控制器被配置成用于调制从背光单元发射的光的一个或多个物理特性。本发明还涉及相关装置和操作方法。

Description

基于相变材料的透反射显示装置

技术领域

本发明大体涉及基于相变材料(PCM)和相关操作方法的显示装置的领域。特别是，它涉及透反射显示器。

背景技术

已经对PCM技术及其在光电器件中的应用进行了大量研究，光电器件例如为超高分辨率反射显示器、透视显示器和力传感器。PCM包括可以在具有不同光电特性的两个或更多个相之间电切换的材料。双稳态PCM特别有吸引力，因为在完成相变之后，不必连续地施加功率以将设备维持在新状态。以这种方式，可以以低功耗制造显示器。为了进一步降低功耗，已经提出了反射PCM显示器。在反射显示器中，放置在PCM元件下方的镜子反射入射在显示器上的环境光，该环境光有效地穿过该装置两次，应理解环境光可以是自然地生成的或不是自然地生成的。原则上，这消除了对背光的需要，并且进一步显著降低了显示器的功耗。此外，在明亮的阳光下，显示器是完全可见的，不像往往被高环境光水平部分或完全模糊化的、具有背光的显示器。然而，反射式显示器的缺点在于它们通常不能在低环境光或黑暗中被观看，因为它们自身不会产生光。

另一方面，透反射液晶显示器是已知的，其结合了反射显示器和某种形式的背光的优点，因此它们能够在低光条件下使用。例如，US2003067760(A1)描述了一种可用于边缘照明布置的波导，其具有高亮度并且有效地使用耦合到其上的光，用于液晶显示器。

发明内容

根据第一方面，本发明体现为透反射显示装置。该装置包括一组像素，其中，像素中的每个像素包括双稳态相变材料的部分(下文称为PCM部分)，该具有至少两个可逆的可切换状态，在该至少两个可逆的可切换状态中，该部分具有两个不同的折射率和/或光学吸收值。该装置还包括一个或多个间隔物，其光学透射的，并在该组像素的PCM部分下方延伸。一个或多个反射器在一个或多个间隔物下方延伸。激励结构经由一个或多个间隔物与PCM部分热连通或电连通。此外，显示控制器被配置成经由激励结构选择性地激励像素的PCM部分，以便可逆地将任何像素的PCM部分的状态从其可逆的可切换状态中的一者切换到另一者。另外，在该装置中配置背光单元，以使得能够通过一个或多个间隔物照射PCM部分。背光单元由背光单元控制器控制，该背光单元控制器被配置成用于调制从背光单元发射的光的一个或多个物理特性。

本方法利用已知的反射PCM显示器中存在的间隔物来实现透反射PCM显示器，反射PCM显示器结合了基于PCM的显示器和透反射显示器的优点。即，本装置可用于低光条件(在具有背光的情况下)，同时在环境照明下能够进行低功率操作。

在优选实施例中，激励结构是加热结构，该激励结构通过间隔物与PCM部分电绝缘但热连通。加热结构优选地在一个或多个反射器下方或侧面延伸，或者与一个或多个反射器形成一体。间隔物是导热的，并且显示控制器被配置成激励加热结构，以选择性地加热像素的PCM部分，从而可逆地将像素中的任一像素的PCM部分的状态从可逆的可切换状态中的一者切换到另一者。

依赖于PCM像素的热激活使得PCM部分的较大区域能够被切换，与PCM像素被电切换(例如通过施加电压)的装置相比，这改善了装置的光学性质，电切换通常导致丝状切换(filamentary switching)PCM的(较小的)区域。通过需要导热的间隔物实现热切换。间隔物具有另外的优点，即它们有助于对来自加热结构的加热器元件的热进行扩散，这最终使得PCM能够更均匀的切换，并且因此PCM部分的更大的区域被切换，这最终改善了装置的光学性质。

有利地，所述一个或多个反射器可以被设置为在该组像素下延伸的反射层。例如，相同的反射层15可以用于所有像素或像素的子集，以简化制造过程。

在第一类实施例中，背光单元是直接背光单元，被布置在设备中以从设备的背面照射PCM部分。直接背光单元相对于所述一个或多个反射器的平均平面位于与PCM部分相对的位置。在这种情况下，一个或多个反射器需要部分反射(因此部分透明)。这些实施例可能是最容易制造的，因为不需要用于将光学引导或重定向光到PCM像素的附加部件(例如，波导，包层或光学结构)。

在变型(第二类实施例)中，背光单元是边缘背光单元，被布置在设备中以经由一个或多个波导从装置的侧面照射PCM部分。这里，波导各自在与一个或多个反射器的平均平面平行的同一平面中延伸。在这样的变型中，可以使用全反射镜(在可见光谱范围内具有接近100％的反射率)，因为边缘背光不需要反射器部分透明。

上述波导可以例如相对于PCM部分被布置在PCM部分的上方，相对于PCM部分与一个或多个反射器相对。

优选地，可以进一步利用间隔物来充当波导。在这种情况下，每个间隔物可以包覆有包层，以便形成波导，以供背光单元经由间隔物照射PCM部分。另外，一个或每个包层可以被图案化有微结构，或者以其他方式包括针对像素设计和布置的光学结构，以使得从背光单元发出并在间隔物中经内部反射(即，在其中传播)能够朝向每个像素的PCM部分出射。

在实施例中，波导不同于间隔物并且被布置在PCM像素下方，以便不影响从反射器向PCM像素反射的光。也就是说，反射器包括在一个或多个间隔物下方延伸的反射层，并且一个或多个波导被配置为在所述反射层下方延伸的波导，相对于所述反射层与所述一个或多个间隔物相对。在这种情况下，装置需要设置有光学结构，该光学结构被布置在反射层中或反射层上，或者在反射层附近，光学结构相对于像素设计和布置，以使得从背光单元发出并在波导中经内反射的光能够朝每个像素的PCM部分出射。

优选地，这种光学结构包括以下中的一个或多个：与所述反射层接触(例如，在与反射层的界面处)的透镜结构；设置在所述反射层中的孔；位于所述反射层上的微结构或位于与所述反射层接触的层中的微结构；以及散射部件(scattering features)。

在实施例中，该装置包括窄带滤光片，滤光片包括层的堆叠，其中堆叠中的一个或多个层充当所述反射层，另外设计的层的堆叠以便在操作中过滤光谱范围的光，该光谱范围的光从所述波导向PCM部分出射。窄带滤光片调节来自穿过PCM堆叠的波导的背光的光谱范围，从而更精确地控制每个像素的光谱特性。

优选地，该装置还包括位于反射层之上的波长移位器，波长移位器相对于反射层与波导相对，使得来自太阳光的UV光可以被转换成可见光以增加显示器的亮度。

在优选实施例中，每个像素具有层结构，该层结构包括不同的双稳态PCM层部分，该双稳态PCM层部分包括具有至少两个可逆的可切换状态的PCM部分。每个像素具有不同的PCM层部分，以消除相邻PCM部分的无意切换的风险。

然后，优选地，每个像素的层结构包括在其PCM部分上方的覆盖层，该覆盖层相对于所述PCM部分与一个或多个间隔物相对，覆盖层优选地包括与所述一个或多个间隔物相同的材料。

在实施例中，覆盖层包括例如平面镜或透镜的反射光结构，该反射光结构被配置成将最初从背光单元发射然后向像素出光耦合的光朝所述一个或多个反射器进行反射。如可以实现的，使用上反射光结构使得显示装置的设计能够具有更大的灵活性。

根据另一方面，本发明可以体现为用于操作如上所述的透反射显示装置的方法。基本上，该方法涉及两种机制，通常同时实现。一方面，PCM像素经由显示控制器被选择性地激励，以便可靠地将其PCM部分的状态从其可逆的可切换状态中的一者切换到另一者。另一方面，由背光单元发出的光的一个或多个物理特性经由背光单元控制器被调制，例如，根据需要调节以达到最佳光学特性。

在该方法的优选实施例中，后者还包括利用光照传感器监视外部光照度，并且基于所监视的外部照度来调制由背光单元发出的光的物理特性。

现在将通过非限制性示例并参考附图来描述体现本发明的装置和方法。

附图说明

图1至图9示出了根据实施例的基于PCM的显示装置的组件的2D横截面视图。详细地：

-图1、2和8示出了根据第一类实施例的显示装置中涉及的PCM像素的2D横截面视图；

o图1示出了根据实施例的耦合到显示控制器和直接背光单元的PCM像素；

o图2A至2B示出了如图1中的PCM像素的操作；以及

o图8描绘了PCM像素，其中像素结构的间隔物用作传播背光的波导，该间隔物还包括反射结构，如实施例中那样，

-图3至图9描绘了根据第二类实施例的耦合到边缘背光单元的PCM像素。即：

o图3A至图3B示出了根据实施例的耦合到边缘背光单元的PCM像素的操作，其中间隔物用作波导以传播从边缘背光单元发射的光。

o图4至图7示出了PCM像素，其中使用不同的波导来传播从边缘背光单元发射的光，如在其他实施例中所涉及的(图6B和图7B示出了通常分别利用图6A和图7A中的装置获得的反射率)；以及

o图9示出了PCM像素，其中在上方提供附加波导以传播背光，如在实施例中，

图10是根据实施例的基于无源矩阵PCM的透反射显示器的示意图；

图11是偏移PCM像素结构的顶视图，示出了在实施例中涉及的在交叉点处与电极的连接；以及

图12是示出根据实施例的显示装置的高级操作步骤的流程图。

附图示出了实施例中涉及的设备(或其部分)的简化表示，或其操作。附图中描绘的技术特征不一定按比例绘制。除非另有说明，否则附图中类似或功能相似的元件已被分配相同的附图标记。

具体实施方式

以下描述的结构如下。首先，描述一般实施例和高级变体(第1节)。下一部分描述了如图1至图9中所示的实施例。最后一节涉及更具体的实施例和技术实现细节(第3节)。

1、一般实施例和高级变型

参照图1至图11，首先描述本发明的一个方面，其涉及透反射显示装置1、1a至1h(以下简称为“显示器”)。

显示器特别包括一组像素2、2a至2h。像素2、2a至2h中的每一个包括一部分双稳态相变材料(PCM)10，以下称为PCM部分。PCM部分是指相变材料10的层部分，其包含可在通电时可能切换的区域R。PCM部分具有至少两个可逆的可切换状态，其中它具有两个不同的折射率和/或光学吸收值。PCM层包括双稳态材料，因此在切换之后不需要连续施加能量。

显示器还包括一个或多个间隔物14，它们是光学透射的并且在像素组2、2a至2h的PCM部分10下面延伸。有趣的是，间隔物14的厚度可以从一个像素到另一个像素变化，以便利用干涉效应，如稍后详细解释的。

如本文所用的“光学透射”通常是指允许光学范围内的光(根据DIN 5031，是100nm至1mm，)，并且优选地，在该范围内尽可能透明。“在......下延伸”是指在给定参考系中(其中像素在顶部突出，以便在顶部具有观察表面(如图1至9中所假设))，间隔物位于PCM部分下方。间隔物可以例如直接在PCM部分下方延伸(PCM层覆盖间隔层)，除非需要另一个中间层，例如，如果需要，以实现电绝缘。

在该装置中还设有一个或多个反射器(即反射镜)15，它们在同一参考系中的一个或多个间隔物14下方延伸。除非需要另一个中间层，否则反射器可以例如直接在间隔物下方延伸(间隔物层覆盖反射器层)。在下面讨论的特定实施例中，反射器(即，由反射层形成的镜子)可以在一个或多个(或可能是整组)PCM像素下方延伸。

在本文描述的一些实施例中，PCM层10也可以延伸跨越若干像素。因此，PCM像素可以使用不同的PCM层部分或利用相同的PCM层，其中可以在每个像素的水平处切换不同的区域R。在后一种情况下，需要额外的光学结构，如稍后所述。在所有情况下，由于切换现象的相对局部性(例如，可以仅切换PCM层的相对小的局部区域)，每个像素涉及PCM层(或层部分)的不同的可切换区域R。因此，无论是否涉及宽PCM层或PCM层部分，PCM的一部分在所有情况下都可以在每个像素的水平处被选择性地切换，以便每个PCM像素表现至少两个可逆的可切换折射率和/或光学吸收状态。

通常在像素之上提供额外的覆盖层16，该覆盖层可以例如与下方间隔物14具有相同的材料。本领域技术人员将理解大多数材料层(例如，层10、层14、层15、层16)。如果必要的话，本文所述的实际上可以分解成子层的堆叠，以实现或改善所需的功能。

此外，涉及激励结构17、21、221、222以切换PCM部分。为此目的，激励结构经由一个或多个间隔件与PCM部分10进行热连通或电连通。换句话说，激励结构可以依赖于仅电致动，使用电极和导电材料，或者依赖于热激活，使用电极，导热材料而不是导电材料以避免电短路，如稍后详细讨论的。优选的是依靠热激活，因为这使得能够切换PCM部分的较大区域。

显示器还包括显示控制器30(以下称为“控制器”)，其被配置成经由激励结构17、21、221、222选择性地激励像素的PCM部分，以便可逆地切换PCM部分的任何像素2、2a至2h从其可逆的可切换状态中的一者到另一者。通电方案是选择性的，以便根据要显示的图像或其他象形图选择性地切换像素的PCM部分。如通常在显示器应用中，激活的像素可以以给定的刷新频率被刷新(即，根据所述频率切换回第一状态并再次切换到第二状态)。

显示控制器通常被实现为集成电路(或IC，后者可能涉及不同的IC元件)，以生成用于显示系统的信号(例如，视频信号)，例如，生成定时信号和消隐间隔信号。

该装置还包括背光单元40，该背光单元40被配置在装置中以使得能够通过一个或多个间隔物14来照射PCM部分。背光单元可以被布置在装置中，以使得能够直接或边缘(横向)背光。背光单元通常使用LEDs 46(参见图1)，该LEDs可能发射白光，或发射具有给定光谱分布的光。背光单元本身是已知的。

最后，在装置中使用背光单元控制器42来调制从背光单元40发射的光的一个或多个物理特性。这些特性可以特别包括背光的强度和光谱分布(例如，平均波长)。

调制实际上可以在简单的情况下仅限制为开关，由此在给定条件下可以打开和关闭背光单元(例如，用户致动开关或光照传感器检测到外部光照阈值已经到达)。在更复杂的方法中，环境光传感器用于逐渐调制由背光单元发射的光的强度。背光强度还可以是用户可配置的，就像调制方案一样，例如，基于由用户可选择的功耗参数和/或光学特性偏好(对比度，亮度等)。

本方法扩展了已知的反射式基于PCM显示器的应用范围，并使得基于PCM的透反射显示器结合了基于PCM的显示器和透反射显示器的优点，即，这种方法使得具有背光的反射显示器能够在低光照条件下使用，同时还能够在环境光照下进行低功率操作。如下所述，本方法利用光学间隔物，使它们具有附加功能并实现透反射显示。

如可以实现的，由于本文提出的原始显示器设计，反射器15的存在不妨碍来自背光单元的光照。来自背光的光照可以以直接或间接的方式涉及反射器15。也就是说，光照可以直接通过反射器发生(当使用直接背光时，因此反射器部分透明)，或者当使用边缘背光时，由于布置在反射器中或其附近的光学结构，以便使得光能够离开用于传播背光的波导，并且到达PCM像素。

值得注意的是，间隔物14可以具有多种功能：不仅它们可以用于传输或者传播和传输光，而且，它们的厚度可以从一个像素到另一个像素变化，以便利用光学干涉效应。此外，它们还用作传递切换像素的PCM部分所需的电能或热能的通道。

光学上讲，间隔物14用作：(i)当光被反射器简单地反射时光通过多次的光学层(反射模式：然后低或关闭背光)；以及(ii)作为传输直接背光或可能作为波导的介质，以传播从边缘背光单元横向发射的光。因此，并且如本发明人已经认识到的，可以设计器件，其中可以适当地选择形成间隔物14的材料，并且可以设计合适的结构布置，以使间隔物实现多种功能，这减少了对额外材料层的需要或组件。现在参考本发明的特定实施例详细解释所有这些。

如图1、10和11所示，激励结构优选地设计为加热结构17、21、221、222。后者与PCM部分10电绝缘，或者至少间隔物的导电性不会导致PCMs短路(在这种情况下只需要热切换)。此外，加热结构需要经由一个或多个光学间隔物与PCM热连通，例如，经由像素的相应间隔物层部分或由子集或甚至像素组共享的间隔物层与PCM热连通。

加热结构可以例如包括布置在电极221、222之间的电阻加热器17，电阻加热器17本身连接到由控制器30控制的电路，如图1中假设的，为简单起见，仅描绘了连接到一个像素的电路部分。如图1所示，加热器元件17可能在反射器15下方延伸。然而，在变型中，加热器元件可以横向延伸，例如，与反射器层15在同一水平面上，或者甚至与反射器层15成一体(或者形成一个整体部件)。

在图1中，控制器30被配置为例如经由电极221、电极222激励加热结构，特别是元件17，以选择性地加热像素的PCM部分。结果，可以将PCM部分的任何像素的状态从其可逆的可切换状态中的一者可逆地切换到另一者。如果需要，存在非线性元件21(如图1中所示)，其原因将在后面变得明显。

由于间隔件14加热结构可以与PCM 10电绝缘，该间隔件14可以制成电绝缘的。然而，由于堆叠的另一个电绝缘层适当地位于电阻加热器元件17和PCM 10之间，例如图1的示例中的电绝缘但导热层18，也可以实现电绝缘。

如果加热器元件17位于反射器15下方(如图1中所示)或形成反射器15的一部分或全部(在这种情况下，加热器元件17可以在通电时反射和电阻加热)，那么电绝缘可以特别地通过以下方式实现：(i)使用介电反射器或作为漫反射光学反射器；(ii)添加电绝缘层，例如图1中的层18；或者(iii)使用电绝缘(但导热)材料作为间隔物14。至少，用于防止电子流入PCM 10的层的电导率应该足够小，与之相比，电路中涉及的元件221、21、17、222以防止与PCM 10的电短路。

在加热结构的变型中，激励结构可以包括电极，并且在这种情况下，PCM部分通过向电极施加电压而可逆地切换。在这种情况下，显示控制器适于经由电极施加电压以切换材料10。例如，间隔物14和覆盖层16也可以用作用于向材料10施加电压的电极，夹在电极14、16之间的层10利用与WO2015097468(A1)中描述的类似的原理。同样，间隔物因此具有多种功能。

如实施例中所示如图3至图9所示，可以设计透反射显示装置1b至1h，其中反射器15被配置为反射层15，例如单层，其在整个组或像素2b至2h的子集下方延伸。例如，这可以是在图3至图9中的每个实施例中的情况。为简单起见，即使随后描绘了一个或几个像素。即，相同的反射层15可以用于所有像素或其子集。如果需要，该反射层可以如图4至5中(其中层15包括孔152)那样构造，或者更一般地，包括如图3、图6至图8所示的光学结构，在操作中使得光能够适当地朝像素出射或出光耦合。

类似地，这里公开的实施例依赖于在几个PCM像素下延伸的间隔层14。然而，间隔层的厚度可能需要从一个像素到另一个像素变化，以利用干涉效应，这取决于PCM材料10的折射率和间隔物14的厚度。

现在参考图2A至图2B讨论第一类实施例。其描绘了透反射显示装置1a，其中背光单元40是直接背光单元，如图1所示。即，背光单元40被布置在装置中以从装置1a的背面照射PCM部分10，相对于反射器15的平均平面与PCM层10相对。反射器15可以由在几个像素2a下延伸的单层制成，或者在变型中，多个反射器层部分可以是每个像素的层结构。在所有情况下，反射器需要部分反射(并因此部分透明)，以使得透射能够从直接背光单元40发射光(图2B)。

图2A至图2B中描绘的实施例可能是最容易制造的，因为不需要额外的部件(例如，以将光导向或重定向到PCM部分的波导、包层或光学结构)。

如果使用加热结构来切换PCM像素，则可以使间隔物14电绝缘(或至少足够绝缘)，以确保与加热器元件的电绝缘(参见图1)。这样，不需要额外的层来实现电绝缘。此外，在变型中，间隔物可以涂覆有光学透射的导热但电绝缘的层以实现相同的效果，或者可以在加热器17和反射器15之间提供电绝缘层18，图1所示。

如可以实现的，在使用直接背光的实施例中，如图1至图2中所示，反射器15需要部分透明，这在光照和功耗方面略微影响性能。仍然可以找到折衷，其中反射器15足够透明以使得具有背光的反射显示器的PCM材料能够在环境光照下低功率操作。例如，反射器可以由银层(例如，30至50nm厚)或铝层(例如，20至40nm厚)制成，以实现70％至90％的反射率，例如80％。

另外，边缘背光可能是优选的，如下面参考图3–图7和图9的变体中所讨论的。在这样的实施例中，透反射显示装置1b至1h包括边缘背光单元，布置在装置1b至1h中从设备的侧面照射PCM像素2b至2h(特别是这种像素的PCM 10)。照明通过一个或多个波导11、12、14发生。这些波导在与反射器15的平均平面平行的同一平面中各自延伸，即平行于附加的图(x，y)。

在这样的实施例中，可以使用几乎完全反射的镜子，即，由处理的材料层制成的反射器，以便在可见光谱范围内提供接近100％的反射率，如图3至图9的实施例中所假设的。然而，在这种情况下，需要额外的组件(光学结构122、124、152)以使得背光能够朝PCM像素出射。这些部件可另外轻微地影响镜子15的有效反射率。

波导通常可以包括在波导的芯材料14、12的每一侧上的成对的包层部分11，如图3和图9中所示，使得多个内部能够反射并因此在波导中传播背光。

人们可能想要使用专用波导来横向传播背光，如图4至图7和图9中所示。然而，间隔物14可以有利地用作波导，以实现相同的效果，如图3至图8的实施例所示。这样，不需要额外的波导。然而，使用额外的波导12使得能够一方面根据需要部分地去除特性以用于反射，另一方面用于背光传播。这最终可以被利用以能够更好地控制显示器的光照，因为附加波导12可以针对光照目的进行优化。

如图3A至图3B所示，透反射显示装置1b包括一个或多个间隔物14(在PCM 10下面)，它们包覆有包层11，以便形成横向传播背光的波导。由于在一个或每个包层11上图案化的微结构144，后者可以到达PCM部分。微结构144方便地布置在例如每个像素的水平处，以使得能够从背光单元40发射的光(并且在间隔物14内部反射)朝每个像素2b的PCM部分发出射，如下所图3B中的箭头所示。因此，间隔物14也可以用作波导以传送来自边缘背光单元40的光，从而在那种情况下不需要额外的波导。

微结构144通常包括图案化部件(feature)，该图案化部件被设计为使得光能够朝PCM像素重定向或出光耦合。微结构的便利设计本身是已知的。在变型中，可以使用其他光学结构来实现相同的结构，例如孔152(多孔镜结构)和/或透镜元件122，如图4至图5的实施例中所使用的。合适的微结构的例子例如在以下论文中描述：“Optimized pattern designof light-guide plate(LGP)”(“导光板(LGP)的优化图案设计”)，Y.C.Kim及其同事，Optica Applicata，第XLI卷，第4期，2011年；“Light-guide plate using periodical andsingle-sized microstructures to create a uniform backlight system”(“导光板使用周期性和单一尺寸的微结构来形成均匀的背光系统”)，J.W.Pan和Y.W.Hu，OpticsLetters，第37卷，第17期，2012年。

如果使用附加波导12而不是重复使用间隔物14，则一种选择是在PCM像素上方使用单独的波导，如图9所示。这里，透反射显示装置1h包括被布置在PCM部分10上方的一个或者更多个波导11、12，即，相对于PCM部分10与一个或多个反射器15相对。在这种情况下，附加的波导层11、12(包括包层11)需要设计成对从反射器15反射并穿过PCM像素的光具有尽可能小的影响，以便最小化对显示装置1h的光学性质的影响。

另外，附加波导12可以布置在PCM像素下方，如图4至图7的实施例中所使用的。在这些示例中，透反射反射型显示装置1c至1f包括在间隔层14下方延伸的反射层15，而另外的波导芯12在反射层15下方延伸，与间隔物14相对于间隔层14。为了使得在波导12中传播的背光能够朝像素2c至2f出射，图1c至图1f还包括光学结构122、124、152，其被布置在(如图4至图5结构122、152)中或在(微结构124，图6至图7)反射层15上。在变型中，或另外，光学结构可以位于反射层15附近，图5所示。在所有情况下，这种光学结构相对于像素2c至2f被布置，以使得从单元40发出并在波导12中经内部反射的背光能够朝每个像素2c至2f的PCM部分出射。

在这样的实施例中，波导12不同于间隔物14并且被布置在像素下方，以便不影响从反射器15朝PCM像素反射的光。然而，需要光学结构以便背光朝像素出射。因此，这种光学结构可以被视为光学耦合结构或出射结构。它们是设计用于重定向光，将其耦合输出或更一般地能够朝PCM像素出射的光学元件。US2003067760(A1)中描述的波导可以例如在本文中使用。

这些光学结构可以例如被布置在与反射层15的界面处，如图6至7所示，或者在反射层内(如图4中所示)，或者可以使用不同类型的光学结构122、152的组合，图5所示。

可以使用不同类型的光学结构(可能组合)，如图4至图8的实施例中所使用的。例如，可以在与反射层15(图5)的界面处参见图5)。另外(图5)或独立地(图4)，可以使用孔152，该孔152在反射层15的厚度中被提供(作为通孔)，即，以便实现多孔镜结构。另外，微结构124可以在反射层15上或与其接触的层13中图案化，如图6至图7的实施例中所使用的。可以设想其他类型的光学结构，例如散射部件126(如图8中所使用的)。

在其他变型中，PCM像素下方的中空盒(未示出)可以被构造成根据需要适当地反射光以将其引向PCM像素。

现在参考图6A所示，在实施例中，透反射显示装置1e可以包括窄带滤光片13。滤光片13通常包括层的堆叠，其中一个或多个层可以用作反射层15。在操作中，堆叠13另外设计成过滤光谱范围的光，该光谱范围的光从波导12向PCM部分10出射。窄带滤光片调节来自波导12的背光的光谱范围，该波导12通过PCM堆叠，从而更精确地控制每个像素的光谱特性。

接下来，如图7A所示，在实施例中，透反射显示装置1f还可以包括位于反射层15之上的波长移位器154。波长移位器相对于反射层15位于与波导12相对的位置，例如，与波导12直接接触。波长移位器154吸收较高频率的光子并发射较低频率的光子。可以设想不同类型的波长移位器。例如，波长移位器可以仅由光致荧光材料(磷光体)组成。在变型中，波长移位器可以实现为一组量子点结构。在所有情况下，波长移位器被布置在反射器之上，使得来自太阳光的UV光可以被转换成可见光以增加亮度。然而，如可以实现的，与磷光体层相比，使用量子点结构可以能够更好的效率和/或发射来匹配像素反射率。

在实施例中，显示装置1、1a至1b的像素2、2a至2b具有层结构，该层结构包括用于每个像素的不同的双稳态的PCM层部分，如图1至图3的实施例中所假设的。即，每个像素包括相应的PCM层部分(即，层的良好界定的部分)。PCM层部分尽管如此可以最初从相同的PCM层获得，随后对其进行处理以生成不同的层部分。依赖于不同的PCM层部分消除了相邻PCM区域的无意切换的风险。

在变型中，相同的PCM层可以用于像素的集合或子集，如图4至图8的实施例中所示的简化了像素的制造。然而，如上所述，在这种情况下需要附加的光学结构122、124、126、152限定像素，如图4至图8的实施例中所使用的。注意，仍然可以使用不同的PCM层部分来代替图4和图8的实施例中的连续PCM层10，如图4至图8的实施例中所假设的。类似地，对于图9的实施例两种选择图9所示。

在实施例中，每个像素2、2a至2h的层结构包括PCM 10上方的覆盖层16，如图1至图9的实施例中所使用的。覆盖层16相对于PCM 10与间隔物14相对。覆盖层16优选地包括与间隔物14相同的材料。

除非PCM电切换并且覆盖层位于电极之间或用作电极之一，否则覆盖层16可以制成电绝缘的。覆盖层和间隔物中的每一个可以例如包括氧化钛，氧化锌或氧化铟锡。如技术人员将理解的是，层14，16的厚度可能需要细化，以确保层足够导电(电)或相反地足够绝缘。例如，对于PCM 10电气切换的实施例，氧化铟锡层通常需要至少10nm厚才能变得足够导电(电气)。如前所述，在这种情况下，间隔物14和覆盖层可用作电极。

应注意，间隔层14和覆盖层16中的任一个或两者可包括复合层，该复合层包括具有不同折射率的多层材料，以便实现所需的光学性质。

现在更具体地参考图5的实施例，装置1d的覆盖层16还可包括反射光学结构162，例如平面镜或透镜。光学结构162被配置为将内部光(从背光单元40发射并朝像素出光耦合)朝反射器15反射。反射结构162可以特别地被布置成阵列，其可以光学设计修改设备的性能。特别地，可以利用空间调谐来有效地改变PCM堆叠的光谱传递函数，这反过来使得显示器的设计能够具有更大的灵活性。

因此，本装置可包括具有基本上不同厚度的间隔物的像素组。例如，每个像素可以分解成具有不同厚度的间隔物的子像素的子集。

根据另一方面，本发明可以实现为操作如上所述的显示装置的方法。参考图12的流程图，该方法基本上包括两个主要步骤，通常同时实现。

一方面，显示控制器用于经由激励结构选择性地激励S50像素。例如，如前所述，显示控制器选择性地加热像素，以便可逆地切换PCM部分的状态。

另一方面，背光单元控制器42调制由背光单元40发射的光的S30至S40物理特性，例如颜色和强度。如前所述，调制可以限制为仅开启或关闭背光，如图2A至图2B或图3A至图3B所示，其相当于突然调制光强度。

在变型中，可以预期逐步调制。在典型的应用中，利用光照传感器监视外部光照(环境光)S10至S20，并且基于所监测的外部光照调节由背光单元发射的光的物理特性S30至S40，以便适应显示器对环境光条件的影响的光学特性关于本装置操作的更多细节将在下一节中给出。

已经参考附图简洁地描述了上述实施例，并且可以容纳许多变型。可以预期上述特征的若干组合。示例将在下一节中给出。

2、如图1至图9和他们的操作的显示装置的详细描述

2.1图1、图2A和图2B

如第一节所描述，图1至图2中描绘的器件包括以层或层部分的形式提供活性固态材料10的一部分。该层的材料具有折射率和/或光学吸收，由于例如从非晶态到结晶态的转变而永久地但可逆地改变。

材料10被布置在反射器15上方，在该实施例中，反射器15是诸如铂或铝的金属层，该金属层的厚度足以反射大部分入射光但不太厚，以使得能够透射背光。间隔层14夹在材料10和反射器15之间。覆盖层16设置在材料层10之上。覆盖层3的上表面16s构成显示装置1、1a的观察表面16s，反射器15是后反射器。光入射和反射在观察表面16s上，如图2A中的箭头所示。然而，由于干涉效应取决于材料层10的折射率和间隔物14的厚度，因此反射率随光的波长而显着变化。间隔物14和覆盖层16都是光学透射的，并且理想地尽可能透明。

间隔层和覆盖层中的任一个或两个可以包括具有不同折射率的多层材料的“复合”层。以这种方式，在这些多个层的界面处进一步产生部分内部反射，提供了更复杂的干涉模式的可能性，这可以能够增加对可用状态的反射光谱的控制。为此目的，覆盖层的折射率通常为至少1.6，优选至少1.8、2.0或甚至2.2。这允许：(i)在窄波长范围内产生具有高反射率的反射光谱，产生更鲜艳的色彩，从而生成更大的色域；(ii)在器件的多个状态下更加独立地调谐所需的反射光谱。

将覆盖层和间隔层分成复合层可以例如使用可以包括例如ZnO，TiO₂，SiO₂，Si₃N₄，TaO和ITO的材料来完成。

为了切换大面积像素，热切换机制优于电压致动切换。如图1所示，层堆叠15–14–10–16相应地沉积在阻挡层18(在变型中，该阻挡层优选地包括氮化硅，SiNx，尽管可以使用SiO₂)，提供电绝缘但与电阻加热器元件17具有非常好的热连通。阻挡层18是导热的电绝缘体，该阻挡层18使电阻加热器元件17与PCM元件10电绝缘，但使得来自电阻加热器元件17的热量能够穿过阻挡层18到达PCM元件10。这样，可以切换PCM元件的状态，例如，在结晶状态(响应于施加的第一热分布)和非晶状态(响应于施加的第二热分布)之间切换PCM元件的状态。

图1所示的层结构设置在基板23上。在3.1节中给出了所示的各种层10–18、层21、层23的材料的例子。

使用溅射沉积层，其可以在100℃的相对低的温度下进行。还可以根据需要使用从光刻中已知的常规技术或其他技术(例如，从印刷中)对层进行图案化。如果需要，可以在层结构中存在附加层。

可以使图1中描绘的装置呈现均匀的颜色，然后可以将其切换为呈现对比色，或者通过改变反射率使其看起来更暗或更亮。许多层堆叠例如图1中的堆叠2以阵列彼此相邻地制造，每个结构可单独地电控制并构成整个显示器的像素(或子像素)。在变型中，每个像素可以包括不同层堆叠的簇例如图1的堆叠2彼此相邻，其中簇中的每个层堆叠具有不同厚度的间隔层14，以利用干涉效应并实现(子)像素的不同颜色。

有利地，加热器17在堆叠中的位置不会扰乱层10–14–15的有序序列，这可以依次在其光学性质方面进行优化。这使得例如针对每个像素或子像素能够调整间隔物的厚度，以便利用取决于PCM 10的折射率和间隔物14的厚度的干涉效应。因此，不需要使用滤色器，但是如果需要可以使用这种滤光片与间隔物互补，例如，以进一步调节光学性质。此外，该装置可以包括光学衰减器或电光衰减器，或者仍然是任何被配置为获得所需显示色调的滤光片。

图1的结构使得可以利用反射率随光的波长而显着变化的事实，由于干涉效应取决于PCM的(复数)折射率和光学堆叠的所有层的厚度，包括PCM本身。结果，由于间隔物(例如，赋予子像素“颜色”)，可以调整装置的光学性质，而不需要额外的滤光片。因此，由于热激活，可以设计现有装置以便利用两个光学功能，同时使得能够切换大部分PCM。

另外，加热元件17不需要透光，当它与PCM直接接触，即在反射器上方。相反，该加热元件可以在其所需的电/热性质方面进行优化(例如，以获得高电阻)。

如图1所示，加热器17串联连接在反射器15下方的低电阻率电极221、222之间，以优化功率转换，同时激励像素并使功耗最小化。这进一步简化了整体结构，因为唯一的电触点位于结构2的背面，没有电极夹在所需的有源光学区域。

此外，(强)非线性元件21优选地串联插入电流路径中，以更有选择性地加热加热器，进而切换PCM。这在无源矩阵显示器中是有用的，其中PCM像素连接在矩阵地址结构的交叉横杆电极的交叉点上，以避免相邻像素之间的“潜行路径”电流，如第3节中所讨论的。

在图2A至图2B中示出了如图1所示的像素结构的(简单)操作。为简单起见，在图2A至2B和后续附图中未示出加热器结构。然而，它们原则上可以定位在任何能够提供到PCM层10的良好导热连接的任何位置。

如前所述，反射器15是部分透明的并且是部分反射的。背光系统40通常包括LEDs46，但是也可以使用其他光源。LEDs可以是白色或RGB，并为显示器提供均匀的整体光照。优选地，反射器15由铝制成；它足够薄以让来自直接背光的光以足够的强度穿过。反射器15优选地设计成具有70％至90％之间的反射率，例如80％(和20％的透射率)。

在图2A中，环境光水平足以使从镜子15反射的光可见并且背光关闭。箭头表示，在反射模式中，光经由覆盖层16入反射，因此两次穿过PCM堆叠14–10–16，尽管经由穿过薄镜的传输15会损失一些光。如图2B所示，在低环境水平或黑暗时，背光接通并且来自LEDs的光沿着箭头所示的路径，仅穿过镜子15和PCM堆叠一次。通常可以调节背光的强度以为用户提供适当的亮度显示。

反射和透射操作模式分别涉及一次和两次穿过PCM堆叠。可以预期，在每种情况下生成的颜色对于环境光和相同光谱组成的背光将是不同的。然而，可以改变背光的光谱组成以补偿这种情况，从而在两种操作模式中平衡颜色。

在每个实施例中可以实现类似类型的补偿，其中两种模式涉及不同的通过次数，例如，如图3中所示。因此，本方法优选地包括改变背光的光谱组成以补偿由于反射和透射操作模式而生成的显示器颜色差异的附加步骤。

进一步的改进可以是将背光LED安装在反射外壳中，以增加直接穿过PCM堆叠的光的强度。

由于每个像素可用于反射和透射操作，因此无论操作模式和光照水平如何，基于PCM的透反射显示器的整体分辨率保持相同。

如技术人员将理解的，在图3至图9的实施例中也可以预期在第2.1节中讨论的许多设计选项。

2.2图3A至图3B

图3A至图3B示出了一个实施例，其中间隔层14既用作波导以向后照射PCM堆叠元件，又用作用于调谐每个PCM像素的颜色的间隔层，如前所述。在高水平的环境光下，背光关闭(图3A)，环境光穿过PCM堆叠然后被镜子15反射回来，镜子15足够厚以确保高水平的反射率。光的通过如图中箭头所示(这里不同的划线类型用于表示入射/反射光的不同波长。)在这种情况下，波导–间隔物层14任一侧上的包层11不起作用，因为光基本上是穿过它们的。

如图2B所示，环境光水平低并且背光接通以从侧面(垂直于层的堆叠方向z)将光发射到波导中。相对于波导–间隔物14具有较低折射率的层11用作波导的包层，以确保在界面处发生全内反射并使得波导能够传播一系列模式。波导11、波导14可以传播宽范围的模式，因此提供基本上白色的光照。在变型中，取决于期望的设计和应用，可以采用更受限制的模式范围。

不管背光的模式传播如何，有必要将从波导–间隔物11、间隔物14和穿过堆叠的光耦合输出，如垂直箭头所示。

这通常可以在波导的侧面由使用微结构化出射表面144来实现，例如，如图3中所示。在变型中，包层可以在PCM堆叠–波导耦合的区域中减小厚度或完全消除。也可以使用本领域已知的其他技术。

在像素2b之间使用遮光矩阵19以确保像素周围没有光泄漏。

在图3A至图3B中，示出了三个像素，其可以用作例如显示器的RGB像素。可以使用PCM堆叠作为滤光片来调整单独的颜色，例如通过整体调整PCM堆叠的厚度，在这种情况下，每个堆叠将是不同的并且根据所需的输出颜色来定制。还需要考虑背光模式的单程操作。仍然可以考虑若干选项，如下所述。

例如，可以使用微结构化出射表面144选择性地耦合来自波导–间隔物11、间隔物14的不同颜色，在这种情况下，PCM堆叠将主要作为强度的控制器操作。在变型中，波导本身仅传播所选择的颜色，因此有助于每个颜色的像素的传播。在其他变型中，将一系列不同颜色注入到波导11、14中，从而进一步控制显示器的光谱特性。可以采用上述选项的组合以确保显示器具有透射反射操作所需的适当色域。

2.3图4

图4示出了在背光打开时操作的另一实施例。使用另外的波导12。与图9不同，图4的实施例使用位于反射器15下方的附加波导12。然而，反射器15包括在一系列孔152之下(或者，在变型中，到达PCM层10的边缘)。孔可以由光刻或本领域已知的其他技术制造。光由反射器–波导界面处的全内反射从波导12的边缘处的背光40传播。然而，在镜层15中的孔152使得光能够从波导12出射并到达PCM堆叠14–10–16的上方(这里可以使其延伸到甚至整个像素组的子集)，并且从顶部离开装置朝向观看者。

注意，波导12通常需要包层(图4中未示出)，尽管反射器15可能已经在波导12的上方起到包层的作用(波导12和上方反射器15之间的包层可能会改善性能)。因此，可以在波导芯12的底部边缘上设置反射器、包层或气隙。

当环境光水平足够高时，可以关闭背光并且环境光穿过PCM堆叠到达镜子，在那里它穿过PCM堆叠并反射回到观察者。

2.4图5

图5示出了图4的变型，其中附加波导12包括在与反射器15的界面处图案化的透镜阵列122，以便反射器15中的孔152与透镜阵列对准。在覆盖层16中或上覆盖类似对准的镜阵列162。

在低环境光下，背光打开并且光沿着波导12传播，正如之前一样。透镜122拦截光并将光向上聚焦穿过反射器15朝向镜阵列162。光通过PCM堆叠14–10–16并被镜阵列162拦截，然后它通过PCM堆叠反射回来，并且反过来又被反射器15反射回来。光通常最多穿过堆叠三次，但阵列可以光学设计以达到中等水平的性能。如图5所示的布置的实施例使得有可能有效地改变PCM堆叠的光谱传递函数，从而在设计中提供更大的灵活性。

2.5图6A至6B

图6A示出了一个实施例，其中窄带滤光片13被布置在PCM堆叠14–10–16下方和波导12上方。窄带滤光片13的典型光谱透射曲线在图6B中示出。

在低环境光下，背光打开并且光沿波导12向下传播。使用微结构124将光耦合出波导12，或者在变型中，如第1节中所列出的其他出射耦合结构，并穿过窄带滤光片13。窄带滤光片13进一步调节来自波导12的背光的光谱范围，该波导12通过PCM堆叠14–10–16，从而更精确地控制每个像素的光谱特性。

2.6图7A至7B图

图7A示出了另一实施例，其中磷光体层154位于PCM堆叠14–10–16与反射器15之间。背光源(通常在光谱的UV/蓝色区域中操作)耦合到波导12中并且该光沿波导12传播，如前所述。然后将光耦合出波导并穿过磷光体层，例如，使用在与反射器15的界面处提供的微结构124。磷光体层154在通过反射器15传播之后将UV/蓝色照射下转换为可见光，其具有典型的光谱特性如图7B所示。以这种方式，光可以有效地耦合到PCM堆叠14–10–16中，同时确保可见区域中的环境光被反射器15强烈地反射，并且这需要在反射器中没有孔。

磷光体的使用具有额外的优点，即来自太阳光的UV光照被转换成可见光，以进一步增加亮度。可以使用量子点结构代替光致荧光层来提高与像素反射率的效率和/或发射匹配。

2.7图8

图8示出了图3的实施例的变型，其中间隔层14类似地操作为由边缘背光40照射的波导。使用衍射光学元件50优化背光和波导–间隔物14之间的耦合，使得不需要包层。这里，波导–间隔层还包括散射部件126，该散射部件126具有与结合在图3的包层中的微结构相同或相似的功能。部件126与像素的位置一致，从而将光导向PCM堆叠14–10–16的上方。或者，在更精细的尺度上，这些部件126可用于控制穿过各个PCM堆叠的光照的空间分布，以优化显示器的光学性质。

2.3图9

另一个实施例在图4中示出，其中另外的波导12现在以前灯配置定位在PCM层堆叠上方。如图4所示，假设环境光较低并且背光是打开的。光从边缘背光40耦合到波导12中并且通过波导12传播，由包层11限制。传播光到达耦合区域124，此时它从上方向下散射到PCM层堆叠中。如图9中假设的那样，耦合区域15可以是微结构化表面，其优先将光导向PCM堆叠14–10–16而不是朝向观察者。由于光被耦合到堆叠15–14–10–16的下方，后者用作反射系统，反射器15足够厚，以便(几乎)将来自波导12的所有光反射回PCM堆叠14–10–16，并通过波导12并从显示器射出到观察者(在上方)。

由于波导12不是PCM堆叠的一部分，因此在此可以再次优化用于照明，而不必考虑PCM堆叠的操作。

3、具体实施例和技术实现细节

3.1层材料和尺寸

优选地，PCM 10包括Ge₂Sb₂Te₅(也称为GST)或由Ge₂Sb₂Te₅(也称为GST)组成。仍然可以使用其他材料，包括选自以下列表的材料组合的化合物或合金：GeSbTe，GeTe，GeSb，GaSb，AgInSbTe，InSb，InSbTe，InSe，SbTe，TeGeSbS，AgSbSe，SbSe，GeSbMnSn，AgSbTe，AuSbTe和AlSb。还应理解，这些材料的各种化学计量形式是可能的。例如，除了Ge₂Sb₂Te₅(GST)之外，可以使用其他化学计量形式的GexSbyTez。另一种合适的材料是Ag₃In₄Sb₇₆Te₁₇(也称为AIST)。此外，PCM 10可包括一种或多种掺杂剂，例如C或N。

层或层部分10的厚度优选小于100nm，优选小于10nm，例如6或7nm厚。

优选的PCM是那些有利于均匀(体积)切换的PCM，即在切换过程中涉及大部分材料，而不是丝状切换。然而，该系统可以设计成能够形成多个(平行的)长丝，最终，这些长丝也可以用于本目的。然而，如果PCM的厚度太高，则可能无法确保适当的切换，因此需要限制PCM层的厚度，如上所例示的。

对于依赖于PCM的不同折射率状态的实施例，对于PCM的两种状态的折射率，通常需要在可见波长范围的至少一部分上至少为0.2的差异。例如，在高折射率状态下可以具有n＝2.4以及在低折射率状态下n＝1.6。两种状态下的折射率差异通常在0.2到4之间。典型的PCM的折射率和消光系数的典型值可以在例如“WHP Pernice和H.Bhaskaran，使用相变材料的光子非易失性存储器，应用物理快报，101，0112432012”中找到。

针对依赖于热切换的实施例，在PCM中需要达到的用于切换的温度曲线对于GST通常可以在500℃至600℃的范围内，或甚至更高（＞600℃）切换温度取决于材料，并非所有材料都在相同温度下切换。

覆盖层和间隔物中的每一个可以例如包括氧化钛，氧化锌或氧化铟锡。间隔层14生长为具有通常在10nm至250nm范围内的厚度，这取决于所需的颜色和光学性质，以及这种层是否需要是电绝缘的。覆盖层16可以是例如20nm厚。

铝或银通常可用于反射器15。反射器可以例如由银层(例如，30nm至50nm厚)或铝层(例如，20nm至40nm厚)制成。

像素的横向尺寸没有特别限制(但通常大于0.5nm)。层结构的最大横向尺寸取决于预期的显示类型，其分辨率，所使用的结构和材料。

层16、层10和层14需要最小程度的透明度。通常需要至少10％的入射光透射率。对于PCM层，通常需要至少1％。透射率的确切值取决于层的实际厚度。除了使用透射背光之外，反射器15一般通常需要光学厚。在这种情况下，反射器优选地具有在感兴趣的波长范围内平均70％至90％之间，例如80％的反射率。否则，其反射率可能接近100％。

电阻加热器元件17可包括例如具有低电阻率和相当高的导热率的金属或金属合金材料。例如，电阻加热器元件可以由氮化钛(TiN)，氮化钽(TaN)，镍铬硅(NiCrSi)，镍铬(NiCr)，钨(W)，钛-钨(TiW)，铂(Pt)，钽(Ta)，钼(Mo)，铌(Nb)或铱(Ir)，或具有上述性质并具有高于PCM元熔化温度的熔化温度的各种金属或金属合金中的任何一种或组合。

加热元件17的平均厚度优选在20nm和2μm之间，更优选在60nm和140nm之间。

加热器可能需要基本上透明以使得光通过PCM堆叠，特别是如果位于直接背光和反射器之间，如图1所示。取决于所寻求的应用，加热器可能对每个像素的光学性质没有贡献，或者它可能在确定光学传递函数方面具有有效功能。

阻挡层18可以由SiN，AlN，SiO₂，碳化硅(SiC)，金刚石(C)或具有所需特性的其他阻挡材料形成。其厚度将适合于实现所需的电绝缘水平。

如果需要，可以依赖各种类型的电阻切换元件(或RSE，参见例如图1中的元件21)，其具有合适的非线性特性。例如，并且取决于其在设备中的位置，RSEs可以被设计为阈值切换设备，例如，作为卵形阈值开关，金属-绝缘体转换设备，二极管(例如，薄膜，平面等)，或者阈值真空开关。最实际的可能是将其仅作为层部分提供。图1的RSE 21可以例如包括氧化物，氮化物，硫化物，氮氧化物和/或金刚石。例如，RSE可包含一种或多种材料，其包含以下化合物中的一种或多种：NbOx、VOx，HfO₂，SiO₂，ZrO₂和TiO₂。使用这样的材料，RSE的平均厚度(当以如图1中的层或层部分21的形式提供时)优选地在10nm和100nm之间，并且更优选地在10nm和30nm之间。

其上图案化像素的基板23(参见图1)可以例如包括半导体晶片，SiO₂或诸如聚合物膜的柔性基板。

3.2用于无源矩阵显示的非线性元件

如上所述，本显示装置还可以包括一组非线性单稳态RSE，其可能形成像素的一部分，尤其是在像素被热切换的情况下。每个RSEs与一个像素的加热元件电连通。它们被设计成具有低电阻，不稳定状态和高电阻，稳定状态。低电阻状态使得加热元件能够经由RSE被通电，以便在操作中加热PCM并可逆地改变其折射率和/或光吸收。高电阻状态能够消除泄漏电流，从而防止PCM在操作中无意地从其状态之一切换到另一状态。因此，显示控制器可以被配置成经由相应的一个RSEs激励任何像素，以便将后者从其高电阻状态切换到其低电阻状态，以激励相应的加热元件，并且反过来，可逆地改变相应PCM的折射率和/或吸收。

因此，RSEs可以滤除寄生电流或电压信号，例如“潜行路径”电流或泄漏电流等。这反过来又防止了PCM元件的无意切换。该解决方案对于无源矩阵寻址显示器特别有益，如下所述。

3.3、PCM切换

从显示控制器30施加的信号可以例如使得在RSE元件21(图1)的输出中生成信号S1，S2，该输出信号具有脉冲特性(幅度和持续时间)，该脉冲特性确定随后在加热器元件17中实现的热分布，并且进而确定传递到PCM 10的热量。例如，当PCM处于非晶态时，给具有第一特性的信号S1提供加热器，以将PCM设置为结晶状态。例如，施加的信号S1导致在PCM中(来自加热元件)生成第一温度分布P1。响应于将第一信号施加到加热器，后者生成热量，该热量被传导到PCM以引起温度T₁大于结晶温度T_c但小于熔化温度T_m，并且保持大于T_c，足以结晶PCM的时间。

类似地，在控制器施加适合信号的情况下，可以在RSE的输出中生成具有第二特性的第二信号S2，而PCM仍然处于结晶状态。这又在PCM中生成第二热分布P2，该第二热分布将PCM设置回非晶态。第二热分布由响应于第二信号的电阻加热器元件17生成，由此热量被传导到PCM。这导致在PCM中，温度T₂现在大于熔化温度T_m，并且引起向液相的转变。

在施加的脉冲的下降沿之后使得温度能够快速衰减导致PCM在非晶态下固化。由加热器生成的加热器温度曲线T₁、曲线T₂通常与在RSE之外获得的电流强度曲线S1、曲线S2具有基本相同的形状。

从显示控制器施加的脉冲可以例如通过反复试验和基于所有相关参数来调整和改进，从所涉及的材料的性质和它们的尺寸开始。在这方面，可以选择和设计材料21，17，18，15，14，10，16(例如，在厚度方面)，以确保具有从PCM 10快速散热的热，光和/或电特性，例如，它消除了熔化后(在非晶化过程中)PCM的再结晶。

3.4无源矩阵显示器的横杆结构

本显示装置优选地实施为无源矩阵寻址显示器。这种显示装置还包括电极对的布置，其中每对电极经由串联连接在每个电极对之间的相应一个RSE与一个像素的加热元件电连通，以便针对每个像素，可以由显示装置中的控制器单独寻址。

例如，图10的示意性无源矩阵显示器涉及交叉点配置的行221和列222电极，其中像素2位于每个交叉点附近。为简单起见，在图10图中的每个交叉点上示出了像素2。然而，实际上，像素2可能需要从交叉点横向偏移(如图11所示)。尽管如此，仍然可以设计出更复杂的3D结构，以避免偏移配置并增加像素填充因子。在图10系统中，行电极221由多路复用器31寻址，列电极222由另一多路复用器32寻址。多路复用器由微处理器36控制，而定时和信号由函数发生器34处理。元件31至36可以被认为是形成前面讨论的显示控制器30的一部分。所需的所有电子界面元件本身在本领域中是公知的，例如，它们是无源矩阵显示器的标准特征，其便于PCM像素显示器的接口连接。仍然，函数发生器34需要被馈送或可以访问合适的波形定义，并且其定时功能需要适应于当前事件序列中涉及的定时，同时考虑RSEs 21的响应时间，加热元件17和PCMs 10。

在图1的示例中，RSE 21集成在像素中，即，RSE堆叠在像素的层结构2中。该方法简化了器件1的制造，因为RSE在形成堆叠时仅需要额外的层沉积。注意，层堆叠2位于电极221、电极222上，其中RSE 21桥接电极，但层堆叠2不夹在电极之间。在该意义上，电路径和热/光路径是相关的，这防止电极干扰像素的光学性质。更一般地，在实施例中，电路径和加热路径可以部分地去相关，因为像素可以布置在电极下方的水平处，其中一个或几个堆叠桥接电极，而附加层在上方，该附加层是导热的，延伸超出电路径，而不被电极夹在中间。

在通常的交叉点器件结构中，有源元件通常在交叉点处被制造，并夹在行和列电极之间。然而，在本文中(显示器)，人们可能想要避免夹层结构并防止电极干扰像素的光学性质。这可以通过横向移动像素来简单地解决。这在图11中示出。这里，每个像素2从在电极221、电极222的交叉点处形成的交叉点横向偏移(即，在垂直于层结构的堆叠方向z的方向上)。然而，电极221、电极222与所描绘的像素2的RSE(图11中不可见)电连通。例如，像素2的边缘可以是平行的并且与一个电极222相距一定距离，该像素2并且通过辅助臂222a接触与电极222部分形成接合。因此，相同像素2的另一个邻接边缘可以与另一个电极221直接接触。

由于将像素定位成远离交叉点，因此必须使行电极和列电极的交叉点绝缘，例如，使用介电元件或桥225使行电极和列电极的交叉点绝缘。然而，绝缘可以由其中电极嵌入的层提供。

例如，桥225可以由聚合物材料制成，该聚合物材料在每个交叉点处首先在列电极222上光刻制造，例如以盘形的形式。然后将聚合物盘加热超过玻璃化转变温度，以使得每个盘形成透镜状，然后冷却。然后在列电极222和桥接层225上制造行电极221，其中桥接层225的透镜形状在每个交叉点上引导行电极221，同时使尖锐的梯度最小化，否则可能导致电阻增加或失败。在变型中，桥可以制造为通过掩模沉积的氧化物(例如，Si 3 N 4)。

虽然不允许最高密度的像素，但图11的偏移配置对于许多显示器应用来说是足够的并且通常将覆盖70％或更多的有效区域。例如，黑矩阵可用于覆盖剩余区域(除了像素区域)，包括电极221、电极22和介电桥225。

在变型中，可以设想更复杂的结构，使得更大的像素填充。这种变型的一个关键方面是通过横向通孔将电极221、电极222连接到像素的加热元件。即，每对电极可以通过两个横向通孔(未示出)与像素的加热元件电连通，每个横向通孔延伸并平行于层结构的堆叠方向z。

在图10的示例中，阵列中的所有像素2可以通过在行(221)和列(222)电极的每个组合之间顺序施加信号来独立地寻址。如前一小节所述，这可以通过应用行选择信号(例如，给定极性和幅度的电压，其本身不足以激活RSE，即小于给定阈值电压V₀)来实现每行电极。虽然该信号对于每一行都有效，但是同时对每个列电极施加相反极性的寻址信号(具有大小和持续时间以在当前活动行的每个交叉点处结晶，重新无定形或保持不变的PCM区域)。然后，与行选择信号极性相反的信号可以使总电压与行选择电压组合穿过行中预期像素的加热器和RSE元件，以超过V₀并产生预期的电流脉冲。以这种方式，可以在给定时间段内寻址阵列的每一行，并且可以在分配的帧时间内依次寻址所有行以更新显示器上的完整图像。

这种逐行的寻址是显示驱动中的标准方法。其他更复杂的无源矩阵寻址方案也是众所周知的，其使用施加到行的正交波形作为激活信号，使得阵列内的多个行能够同时被激活，同时保持在每个交叉点上产生的切换信号的独立性。根据实施例，这种“矩阵驱动”或“并行驱动”方案也可以应用于基于PCM的显示器。

相反，行可以以非连续顺序寻址，并且行可以在给定帧周期中被寻址多于一次，其中每一行中的一部分像素在激活周期内被寻址，以便在空间上分离被同时或在临时关闭周期内激活的像素。这可以使得来自各个像素更有效的散热并且防止来自像素的局部热量在紧密的空间和时间连续性被激活，这可能干扰像素的成功的重新无序化。

更一般地，如本文所公开的用于控制显示装置的方法可以特别地包括经由显示控制器30重复激励像素，以便可逆地切换与像素的相应加热元件电连通的RSEs 21并且激励相应的加热元件17。如前所述，这使得各个PCM 10能够可逆地切换。

通常，上述装置可用于制造显示装置中的显示器和(子)像素。所得到的设备可以由制造商以原始形式(即，作为具有多个未包装设备的单个产品)或以包装形式分发。在任何情况下，该设备然后可以与其他设备、分立电路元件和/或其他信号处理设备集成，作为(a)中间产品或(b)最终产品的一部分。最终产品可以是包括如上所述的光学器件的任何产品，范围从低端应用到高级产品。

虽然已经参考有限数量的实施例、变型和附图描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以替换等同物。本发明特别地，在不脱离本发明的范围的情况下，在给定实施例、变型或图中示出的特征(类似设备或类似方法)可以与另一实施例、变型或附图中的另一特征组合或替换。因此可以预期关于任何上述实施例或变型描述的特征的各种组合，这些组合仍然在所附权利要求的范围内。另外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多微小的修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，意图是本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。另外，可以预期除上面明确触及的许多其他变型。例如，可以考虑除明确提到的那些之外的其他材料或厚度。

Claims

1.一种透反射显示装置(1，1a至1h)，包括：

一组像素(2，2a至2h)，其中，像素中的每个像素包括被称为PCM部分的双稳态相变材料(10)的部分，该部分具有至少两个可逆的可切换状态，在该至少两个可逆的可切换状态中，该部分具有两种不同的折射率和/或光学吸收值；

一个或多个间隔物(14)，其是光学透射的并在该组像素的PCM部分下面延伸；

一个或多个反射器(15)，其在所述一个或多个间隔物(14)下面延伸；

激励结构，其经由所述一个或多个间隔物与所述PCM部分热连通或电连通；

显示控制器(30)，其被配置成经由所述激励结构选择性地激励所述像素的PCM部分，以便可逆地将所述像素中的每个像素的PCM部分的状态从可逆的可切换状态中的一者切换到另一者；

背光单元(40)，其被配置在所述装置中，以使得能够通过所述一个或多个间隔物(14)照射所述PCM部分；以及

背光单元控制器(42)，其被配置成用于调制从背光单元(40)发出的光的一个或多个物理特性，其特征在于：

背光单元(40)是边缘背光单元(40)，所述边缘背光单元被布置在装置中以经由一个或多个波导从装置的侧面照射PCM部分，其中，所述波导各自在平行于所述一个或多个反射器(15)的平均平面的同一平面内延伸；

所述一个或多个反射器(15)包括在所述一个或多个间隔物(14)下方延伸的反射层；

所述一个或多个波导被配置为在所述反射层下方延伸的波导，相对于所述反射层与所述一个或多个间隔物(14)相对；并且

该装置还包括光学结构，设置在反射层中或反射层上或反射层附近，所述光学结构相对于所述像素布置，以使得从背光单元(40)发出并在所述波导中经内部反射的光能够朝每个像素的PCM部分出射。

2.一种透反射显示装置(1，1a至1h)，包括：

所述一个或多个间隔物(14)中的每一个间隔物包覆有包层，以便形成所述一个或多个波导，以供所述背光单元(40)经由所述一个或多个间隔物(14)照射PCM部分；并且

所述包层的一个或每个被图案化有微结构或包括针对像素设计和布置的光学结构，以使得从背光单元(40)发出并在间隔物(14)中经内部反射的光能够朝每个像素的PCM部分出射。

3.根据权利要求1或2所述的透反射显示装置(1，1a至1h)，其中：

所述激励结构是加热结构，所述加热结构经由一个或多个间隔物与PCM部分电绝缘并且热连通；

所述一个或多个间隔物(14)是导热的；以及

所述显示控制器(30)被配置为激励加热结构以选择性地加热像素的PCM部分，从而可逆地将所述像素中的任一像素的PCM部分的状态从可逆的可切换状态中的一者切换到另一者。

4.根据权利要求1或2所述的透反射显示装置(1，1a至1h)，其中，

所述一个或多个反射器(15)被配置为在该组像素下延伸的反射层。

5.根据权利要求1所述的透反射显示装置(1，1a至1h)，其中，

所述光学结构包括以下中的一个或多个：与所述反射层接触的透镜结构；设置在所述反射层中的孔；位于所述反射层上的微结构或位于与所述反射层接触的层中的微结构；以及散射部件。

6.根据权利要求1所述的透反射显示装置(1，1a至1h)，其中，

该装置包括窄带滤光片，所述滤光片包括层的堆叠，其中，堆叠中的一个或多个层充当所述反射层，该层的堆叠则被设计成在操作中过滤光谱范围的光，该光谱范围的光从所述波导朝PCM部分出射。

7.根据权利要求1所述的透反射显示装置(1，1a至1h)，其中，

该装置还包括位于反射层之上的波长移位器，所述波长移位器相对于反射层与波导相对。

8.根据权利要求1或2所述的透反射显示装置(1，1a至1h)，其中，

所述像素中的每个像素具有层结构，该层结构包括不同的双稳态PCM层部分，该双稳态PCM层部分包括具有至少两个可逆的可切换状态的PCM部分。

9.根据权利要求8所述的透反射显示装置(1，1a至1h)，其中，

所述像素中的每个像素的层结构包括在该层结构的PCM部分上方的覆盖层，所述覆盖层相对于所述PCM部分与所述一个或多个间隔物(14)相对。

10.根据权利要求9所述的透反射显示装置(1，1a至1h)，其中，

所述覆盖层包括反射光学结构，所述反射光学结构被配置为将从背光单元(40)发出并向所述像素出光耦合的光朝所述一个或多个反射器(15)进行反射。

11.根据权利要求10所述的透反射显示装置(1，1a至1h)，其中，所述反射光学结构为平面镜或透镜。

12.一种透反射显示装置(1，1a至1h)，包括：

背光单元控制器(42)，其被配置成用于调制从背光单元(40)发出的光的一个或多个物理特性，其中：

所述像素中的每个像素具有层结构，该层结构包括独特的双稳态PCM层部分，该双稳态PCM层部分包括具有至少两个可逆的可切换状态的PCM部分；并且

所述像素中的每个像素的层结构包括在该层结构的PCM部分上方的覆盖层，所述覆盖层相对于所述PCM部分与所述一个或多个间隔物(14)相对，其特征在于：

13.根据权利要求12所述的透反射显示装置(1，1a至1h)，其中，所述反射光学结构为平面镜或透镜。