CN1213328C - 有电光单元和光电电池的显示器 - Google Patents

Abstract

被公开的显示器包括电光单元(28)，例如，液晶单元，和作为后者的背面反光镜的光电电池(61)。为了改善显示器的外观，光电电池(61)反射预定波长的光，因此，电光单元的透明区(90)中有所需的颜色。特别是反射到包括光电电池的透明电极(69)的多层反射滤光镜上的被反射的光有颜色。该单元能构成表的表盘部件。

Description

有电光单元和光电电池的显示器

技术领域

本发明涉及显示器，有光电电池和位于光电电池前面的电光单元，它有透明区，用以使入射光透射到光电电池。

背景技术

美国专利US-4095217公开了这种显示器，它能用在如计算器和数字式手表的电子设备中。为了减小外来光的反射和提高对比度，该显示器包括其两个面上设置的偏光镜和在正面偏光镜上的滤光镜的向列液晶显示单元。在背面偏光镜的背面上加例如硅电池的太阳能电池，它用作液晶显示器的反光器，同时，使到达太阳能电池的光能中没有被反射的部分能转换成操作设备用的电能。

这种配置的一个缺点是，由这种类型的由太阳能电池反射的光的颜色不能引起注意。特别是，硅光电池是无光泽的暗色，个别情况下是浅棕色或浅灰色，因此它不适用于那些在审美外观上扮演重要角色的产品，例如钟表等。

为了克服该缺点，提出在液晶显示器与光电电池之间插入薄膜，使反射到显示器上的光有所需的颜色。例如，在Espacenet数据库中公布摘要中的日本专利JP 60-147720A的文摘中披露，在液晶显示器的背面设置选择反射滤光镜，朝它反射特定波长的光，例如兰光。透过滤光镜的被透射的光被吸收层吸收，该吸收层可以是太阳能电池。穿过液晶区的光在透明模块中向下反射，因此，观察者看到这些区域呈黑色。相反、分散模块中的液晶区中，被反射的兰光被这些液晶区分散，因此，观察者看到在黑色背景上的兰色。这种液晶显示结构的优点是，允许自由选择显示在漫射区中的颜色，但背景始终是黑色。而且，显示区中的这种滤光层要吸收一定量的光能，这就减小了能转换成电能的能量。另一方面，在液晶显示器后面希望还有其它元件的情况下，例如，模拟和数字式显示组合情况下的手表，这些元件会出现减去了由滤光镜反射的光的颜色。

欧洲专利EP-0814365也公开了一种显示器，包括，从顶到底，液晶单元，它有在透明状态与漫射状态之间转换的区域；反射率为5％至50％的反射层；它反射可见光区域中的特定颜色；和可以是太阳能电池的吸收层。为了使足够的能量透射到太阳能电池，反射层对可见光的剩余部分和远红外线区域中的光有小吸收性有最大的透光性。滤光镜用25至30层的介质膜构成，或者用金属膜构成。某些情况下，这些膜淀积在太阳能电池上。但是，如日本专利60-147720A中所公开的这种结构，要求在两个单元之间放置半反射层，该结构也有同样的缺点。

发明内容

本发明为了避免在序言中所述的显示器的缺点，其特征是，设置光电电池，以反射透过电-光单元的光中预定的可见光波长的光，使它在电-光单元后面形成有色反光镜。

因此，本发明提供了一种显示器，包括光电电池，所述光电电池被设置为将入射光中的预定的可见光波长的光进行反射；其特征在于所述显示器还包括一个电光单元，所述电光单元设置在光电电池的前面并有非透明区和透明区，其中入射光透过该透明区透射到光电电池，使位于电光单元后面的光电电池构成所述透明区的彩色反光器。

换句话说，光电电池本身经过它的一层或几层有效层，按电-光单元方向反射所需颜色的光，而不必在两个单元之间设置其它的滤光层或反射层。

随后，选择观察者能从中看到电-光单元的透明区的颜色，它通常形成显示单元的背景色。按电-光单元的性能特征和结构确定有本身颜色的显示单元的其它区域，这些区域的颜色与背景色有明显的反差。插在电光单元和光电电池之间的任一元件会由显示单元的透明区中被看到它自身的颜色，而且，最好是使元件的颜色是背景色，以达到要求的美学效果。光电电池上的反射也可以是定向反射器类型，但也有轻微的漫射反射，以便去掉不需要的光学效果。

发明的优选实施例中，所述预定波长的光的反射是在包括光电电池的透明顶电极的多层反射滤光镜上反射。通过使用与透明电极构成光电电池的一个整体部件的这种反射模式，不用附加能吸收光的任何光学元件，就能得到颜色反射，因此，允许最大的光能转换成电能。这方面对于用蓄电池的长期独立操作的便携式电子设备，如手表，特别重要。

本发明的另一实施例中，光电电池包括半透明金属顶电极，它构成所述的有色反射镜。

本发明的其它特征和优点通过以下参见附图用无限制的实例对各实施例的详细说明将变得更清楚。

附图说明

图1是装有显示器的手表的横截面图，包括液晶显示单元，和半导体光电电池，液晶显示单元处于完全透明的第一转换状态；

图2是图1所示手表的顶视图；

图3和图4是与图1和图2相同的图，液晶显示单元处于第二转换状态，该状态中，它显示反射在背景色上的不透明字符的一条信息；

图5是根据本发明被用作反射镜的硅光电电池的第一实施例的局部剖视图，图1到图4示出构成的手表表盘；

图6与图5相似，是光电电池的第二实施例的局部剖视图；

图7与图5相似，是光电电池的第三实施例的局部剖视图；

图8是按图5所示结构得到的在不同硅厚度和透明顶电极配对时反射率与波长的函数关系曲线。

图9是图8所示反射光谱的结构用的反射光的RGB座标图。

图10是分别按图5，6和7所示结构得到的在选择各自不同的硅厚度和透明顶电极配对时反射率与波长的函数关系曲线；

图11是图7和图10所示(曲线86)的一种情况中用的染色剂的吸收光谱；和

图12至14是按本发明的显示器的三个其它实施例的示意图，按显示器的简化的垂直剖视图形式和正视图形式画出。

具体实施方式

以下将说明本发明在诸如手表的计时器应用范围内的情况。但是，本发明不限于该应用范围，在其它需要数字显示的应用中本发明也是很有利的，特别是便携式电子设备，如计算器，电话机，电子游戏机，测试仪器等，或者，固定设备，如计算机的荧光屏或广告板或路标中本发明均有用。

参见图1至图4，画出了手表类的计时器，它包括没有后盖4的普通形式的外壳2。其中，装有电子钟表移动机构6和用接触弹簧10固定在后盖4上的蓄电池8。移动机构6包括电子计时电路，它经控制电路与驱动秒针12，分针14和时针16的驱动器(没画)相连。秒针12，分针14和时针16在表盘18上移动，在图2中能看到时间显示符号20。外壳2最好用透明表蒙22按常规方式闭合，表蒙22覆盖整个显示器。

表1还包括有两个叠加的显示装置的显示器，它们分别是顶显示装置24和底显示装置26。图示的实例中，底显示装置26包括显示时间相关数据的显示机构，特别是由针12，14，16和表盘18构成的模拟时间显示机构。

表盘18由硬衬底构成，它的顶表面用光电池(也叫太阳能电池)61覆盖，或者用几个并列的和串联连接的电池构成的电池组覆盖，该电池组经移动机构6中包含的充电电路向蓄电池8充电。该电池或电池组作为显示器24的反光器。表盘的结构以后会说明。

在其他情况之中，顶显示装置24可以是这里引作参考的EP-0926574和EP-0939331中所述的任何类型的显示装置。它包括在底显示装置26与透明表蒙22之间延伸的电-光单元28，例如液晶单元。图示例中，该顶显示装置24覆盖表盘18的整个表面。不用说，另一实施例中，顶显示装置24能构成表1的表蒙22。顶显示装置24设置成使电-光单元28处于透明的第1转换状态，使用底显示装置26，即指针12，14和16和表盘18显示的数据看得见。按本发明的显示装置的这种构形示于图1和图2中。而且，顶显示装置26设置成显示例如字母类的一条数据的电-光单元28，处于第二转换状态。按本发明的显示器的转换构形示于图3和4中。

用集总在移动机构6中的控制装置(没画出)确保电-光单元28从第一状态转换到第二状态和相反的转换。这些控制装置经常规的连接件32a，32b连接到电-光单元28，给它供给控制电压。图示例中，连接件32a，32b还构成表盘18的顶边缘与单元28的底边缘之间的凸台。

单元28可以是处在第二转换状态中的吸收型、漫射型或反射型的带液晶的电-光单元。

按优选实施例，电-光单元28是双向列型(TN或STN)液晶单元。该单元28包括透明的前衬底34，透明的后衬底36和密封框架38，密封框架与两个衬底34和36一起界定一个空腔，该空腔中装有液晶层。衬底34和36的相对面包括用例如铟/锡氧化物(ITO)制成的透明电极40和42。图示例中，前衬底34载有分段的电极40、允许显示字符，而后衬底36载有在它整个表面上延伸的电极42。电极40和42经位于空腔外边的接触盘44连接到连接件32a和32b。单元28还包括在表蒙22的侧面上的线性偏光镜46和在表盘18的侧边上的与胆甾醇膜50相连的四分之一波长板48。

由四分之一波长板48和胆甾醇膜50构成的组件可用例如有3M制造的DBEF型或RDF-C型宽频带的反射偏光镜代替，或者，用选择要显示的字符或符号段的颜色来选择反射型偏光镜来代替。

偏光镜46的类型最好是有高偏光和透射效率的偏光镜，如按LLC25618SF标准由日本Sanritsu公司制造的偏光镜。

注意，按另一实施例，液晶单元28单元可用这里引作参考的EP-0600349中所述的彩色显示器代替。

按另一实施例，单元28能选择胆甾醇膜50，能反射与预定颜色对应的波长或可见光谱中的部分。它能按表面色的补偿色选择显示数据，因此，提高了对比度，并改善了显示器的外观。

电压加到电极42和某个电极40之间时，使位于这些电极40、42之间的片段从透明状态变换成吸收状态，反射状态或漫射状态。

由于电-光单元28是在90°扭转变成向列液晶单元，偏光镜46是常规的线性偏光镜，四分之一波长板48按环形方式使光向右旋，胆甾醇膜50左旋绞拧。因此，单元28处于完全透明的第一转换状态(图1和2)，即，电压不加到电极40、42的终端时(没转换的状态)。这种状态用图1中的光线Z1指示，可以看出它穿过单元28被表盘18反射。另一方面，单元28在第2转换状态中，它的转换区域中(图3和4)是吸收型、反射型或漫射型，即，电极40、42上加电压的(转换)状态。该第二状态用图3中的光线I₂指示，在此能看到光被单元28反射。因此，在反射背景上显示无光泽的暗色数据51，不透明度由胆甾醇膜50的反射色确定，背景由表盘18的颜色确定。

表盘18实际上用作多层反射滤光镜，把背景色光送到图1至4所示手表的文字液晶显示单元上，表盘18最好用图5至7所示的一种光电池61构成。电池的这些类型在欧洲专利申请EP-99126005.0中也有说明，该EP申请在本申请的申请之日还没公开。

参见图5，光电池61包括用作电池底电极63的金属衬底62。衬底62最好用不锈钢制造，但是，其它材料，如铝和涂有铬的金属衬底也能用。衬底的顶表面64反射光，以定向反射或漫射的方式反射，以提高能量效率。优选实施例中，衬底62支承导电类型分别为n、i、p的三层薄的半导体材料层65、66和67构成的叠层，以构成n-i-p或p-i-n结光电二极管的实际元件，图中用数字68指示。该半导体材料最好是加氢的非晶硅(a-Si:H)。该硅叠层上加薄的导电氧化物层(TCO)构成的透明顶电极69，如掺锡的铟氧化物(ITO)层，或掺锑的氧化铟层，或掺氟化物的氧化铟层，掺铝的氧化锌层。

在表中，用常规方式把电极63和69有效地连接到用电池61构成的表盘18的边缘上的蓄电池的充电电路中心孔71被安排穿过表盘，以允许表把的轴穿过。

当然，底电极63可包括用与衬底62不同的材料制成的反射金属层，结果，衬底材料与相邻的n型或p型层65不兼容。这种金属层本身构成了在用不导电材料制成的衬底上的电极63。

可用常规方法淀积半导体和TCO层，允许仔细控制膜层厚度，例如，用RF等离子淀积法淀积半导体层，用阴极溅射淀积TCO层。批量制造这种光电电池的方法实例已在美国专利US-4485125和US-5457057和欧洲专利EP-948060中公开。

这种情况下，硅层构成有源光电二极管部件68，总厚度控制在e₂，并且折射率的实部分约为4。ITO膜形成顶电极69，它的控制厚度为e₁，而有效折射率约为2，这种膜层的具体情况下的吸收可以忽略不计。之后，在空气与金属衬底之间设置光电电池的两个结构层68和69，用界面64、72和73形成光干扰系统，它的反射率为R(λ)，式中λ是入射光70的波长，它的光谱强度为I₀(λ)。电池61反射的光74的光谱强度为I₀(λ)R(λ)，反射的光74的彩色外观与折射率确定的反射率R(λ)和干扰系统的元件厚度相关，干扰系统构成多层反射滤光镜。

知道已知用于制造光电电池的材料的折射率，可用该折射率计算干扰反射光谱，和与厚度e₁和e₂成函数关系的相应的色彩系数，选择给出所需颜色的厚度组合并考虑所采用的限制条件，使光电电池具有好的电特性和机械特性。用有其它折射率的其它材料也能进行同样的操作。

当然，也能用其它半导体材料代替硅来构成光电二极管。以黄铜矿类半导体为基础的多层薄膜的光电电池为例，薄层电池具体包括CU(In，Ga)，Se₂和CuInS₂(也叫CIGS和CIS)和CdTe。这些材料的折射率对经干扰得到彩色反射的适应性较小，但仍有可能。

图6是第二实施例，其中，参见图5所述的光电电池61的结构用透明或不透明漆层76加在顶电极69上制成。该漆层的折射率约为1.5，厚度为1μm至几十微米数量级，由于它的折射率与电极69的折射率不同，改善了后续干扰系统的反射率R(λ)。而且，不透明漆膜再现了常规表盘的漂亮外观，而减少或消除了与反射光的干扰有关的角度。本例中，漆膜层76没有真正的吸收，即，它本身是无色的。由于漆膜76的厚度较大，它对干扰反射的影响唯一值得注意的是，它的折射率改善了漆膜和顶电极69之间的界面的光学条件。而且，漆膜对电极69构成了机械和化学保护。

图7示出第三实施例，其中，参见图5所述的光电电池61的结构用加在顶电极69上的透明的或有轻度不透明的一层彩色漆膜78构成。除了能提供与无色漆膜76相同的效果外，彩色漆膜78有透光光谱T(λ)，它能改善经回旋光谱(Convoluting Spectra)I₀(λ)，R(λ)和T²(λ)得到的光谱的反射光74。用该方式，所以改善被反射光的颜色，例如，除去干扰反射光谱中的某些不希望有的部分。这就可以用本发明的原理获得大量的颜色的细微差别。

图8是有图5所示结构的三对不同厚度e₁和e₂的光电池的三个实例的反射率R与波长λ的函数关系光谱曲线图；图9画出了这三个实例的红色(R)，绿色(G)和兰色(B)的座标图。

谱线81是连续线，它与砖的厚度e₂＝280nm，ITO的厚度e₁＝80nm相对应。按图9，主要是兰光被反射。

谱线82是点划线，相应的是与上述例中的ITO的厚度相同e₁＝80nm，但是硅的厚度e₂＝420nm。从谱线看到，它是缘光区和红光区的改进谱线，被反射的光也主要是兰光，但稍有差别。与a-Si:H制成的光电二极管68一起，这种配置从能量的观点看是很好的，因为在波长范围500-650nm中，在光能大于90％的这种情况下选择地镜面透射，其中a-Si:H有光转换成电能的最高效率。a-Si:H光电二极管工作的部分光谱中，有约20％的光被光电池反射，约有80％的光被光电池吸收。

谱线83是断划线，e₂＝420nm，与上述例相同，但ITO的厚度e₁＝60nm而不是上述例的e₁＝80nm。从谱线看出，在几个区域有很大改进，被反射的光主要是深红色光。由此认为，在上述例中ITO电极的厚度起重要作用。

图10是分别有图5、6和7所示结构的硅厚度e₂＝450nm，ITO厚度e₁＝90nm相同配对的光电池的三个实例的反射率R与波长λ的函数关系的光谱曲线图。谱线84是连续线，它与图5所示的任何形式的漆相关，受强兰光控制。谱线85是点划线，与图6所示的折射率为1.5厚度为几微米的无色漆膜层76有关。与谱线84相比，兰光大大减少，而绿光和红光极明显。谱线86是断划线，与图7所示的混有兰染色剂的漆膜层78的形式相关，它的吸收光谱(λ)示于图11中，漆膜厚度为几微米。从谱线看出，加染色剂可以降低被反射的光的量，特别是减少黄色和红色光的被反射量。

由表盘18的每个光电电池61反射的有色光通过顶部液晶显示器24的透明部分后再到达观察者的被反射的有色光是不变的。因此，在图1和图2的情况下，除了指针和表把外，给表盘18提供全色，图3和图4所示情况下，经过有表盘颜色的透明物体能看到有其自身颜色的在背景上由顶显示器24显示的数据51。但是，也可能看到相反的设置，即经电极40的适当设置由液晶单元的透明区显示数据51。在由膜50确定颜色的背景上将会显示有表盘颜色的显示的符号字符。

注意，观察者看到定在表盘上的表把和指针自身的颜色没变，因为背景色是由它的背面反射确定的。

不用说，电-光单元28可以是其它类型的，它处于第一转换状态。是透明的，也可以是在第二转换状态是反射或混浊的。

也能选择其它类型的液晶单元，例如，反PDLC单元，向列凝胶和胆甾醇结构单元，动态漫射型单元，或稳定的胆甾醇晶体结构聚合物(PSCT)型单元，甚至是电解单元或电化学单元。

这些类型的单元的结构和工作均是本行业技术人员公知的，不再详述。

关于向列凝胶和胆甾醇结构类型电池的结构的操作的完全说明参见美国专利US-5188769和欧洲专利EP-0451905。

关于弥散的液晶聚合物类型PDLC单元的结构和操作的完全说明参见美国专利US-4435047。注意，若希望获得在非转换状态是透明的，和在转换状态是不透明和反射的单元，则应选反PDLC型单元。

关于动态弥散类型单元的结构和操作的完全说明参见B.Bahadur编辑的“Liquid Crystals Applications and Uses”Vol.1，P196-227。

当然，所述的所有类型的显示单元可以用电极矩阵网络被动寻址，或者，用非线性元件，如薄膜晶体管TFT；薄膜晶体管MIM金属-绝缘体-金属，或二极管主动寻址。

关于PSCT类型单元的结构和操作的完全说明参见美国专利US-5437811。

关于电解类型单元的结构和操作的完全说明参见Duchene et al：“Electrolytic Display”SID 1978.Page 34-37。注意，在非转换状态这种单元是透明的，在转换状态这种单元是不透明和反射的。

关于电化学单元的不同类型的实例参见C.M.Lampert and C，G.Granqvist的“large-Area Chronogenics：Materials and Devices forTransmittance Control”，Part 9：Electro chromic Devices，Pages 14 to549，SP1E Optical Engineering Press.1990。

按本发明的显示器允许有随转换状态和电-光单元类型变化的不同显示构形，并由光电电池产生电能。

参见图12至14，描述按本发明的显示器的三个其它的实例，并指示出到达光电二极管的入射光的比例。注意，在这些情况下无模拟显示。

图12所示结构中，电光单元28和光电池61与参见图1至图7所述的那些类型相同。但是，为了透过最大光量，电光单元最好是无任何偏光镜的类型的单元，例如，电化学单元，并且该光电池是图5所示类型的光电池。箭头所指的入射光I，穿过电-光单元28的透明区90后，在光电池61上部分被反射，形成彩色显示背景91，当在此，光被吸收，在不透明区92中形成黑色的显示字符93。

当然，若电光单元是设有两个不反射的线性偏光镜的TN或STN型的常规液晶单元，显示也同样能出现，但是这种电池只允许较少量的光透过，因为偏光镜的固有吸收造成光电电池供给的电能减少。

按图12的相同结构，可用没有任何偏光镜的其它类型的电-光单元，特别能用向列凝胶型液晶单元，但是，这种单元中，不透明区92是混浊的，于是字符93是白的，像在图13的底图中一样。

按图13所示结构中，液晶电-光单元28是包括前偏光镜94和反射的背偏光镜95类型的单元，在第二转换状态中它给区域96构成的字符93有特定的颜色，最好是亮色，因此，在暗色背景91上出现亮色字符93，即，少量入射光将被反射到光电电池61上。

按图14的结构，电-光单元28可以是参见图12和13所述类型中的任何类型的单元。但是，这类光电池61的顶电极99用半反射(transflective)金属膜构成，即，由半透明和半反射的膜构成。这类单元已在欧洲专利EP.0872783中披露，它可以对入射光有色反射，特别是，若电极用金或铜制造，并且，电极涂有彩色保护膜时，这种单元能彩色反射入射光。这种反射给出亮金属外表的背景91，而字符93可能是其它色或黑色，像图12所示情况一样。

下表给出了对应图12和14的不同情况下能被光电池吸收的入射光I的部分A的典型值。这些值是元件的不同透射系数T的函数。列LCD型1对应没有普通线性偏光镜的通用液晶单元。列LCD型2对应无任何偏光镜的通用液晶单元，例如，有向列凝胶的液晶单元。多层反射滤光镜的情况是图8中曲线82所示，经反射提供紫兰色背景，有图12所示的配置。金属镜的情况下，透过镜子的光量是30％，与图14所示配置结构对应。

反射器	LCD型1，T≈0.32	LCD型2，T≈0.85
			多层反射滤光镜，T≈0.8	A≈0.32	A≈0.68
半透明金属镜，T≈0.3	A≈0.12	A≈0.26

上述实施例表明，本发明为本行业技术人员提供了设计显示器组件的方法，包括液晶显示或其它显示，光电池，或是电池组，有可能的最简单的结构和足够大的效率，并有预定的引起注意的颜色。这些显示器组件最好用在那些外观漂亮是很重要的指标的便携式设备中。特别适合用于手表或诸如计算器，电话，个人数字式辅助设备或电显示广告等更谱遍的设备中。

Claims (13)

1.一种显示器，包括光电电池(61)，所述光电电池(61)被设置为将入射光中的预定的可见光波长的光进行反射；

其特征在于所述显示器还包括一个电光单元(28)，所述电光单元(28)设置在光电电池(61)的前面并有非透明区(92)和透明区(90)，其中入射光透过该透明区透射到光电电池，

使位于电光单元(28)后面的光电电池构成所述透明区的彩色反光器。

2.按权利要求1的显示器，其特征是，电光单元(28)是液晶单元。

3.按权利要求1的显示器，其特征是，电光单元(28)是电化学类型或电解类型电光单元。

4.按权利要求1的显示器，其特征是，电光单元(28)包括在它的不透明区中供给入射光的彩色反射的装置(48，50)。

5.按权利要求1至4中的任一权利要求的显示器，其特征是，所述预定的波长的反射是经包括光电电池(61)的透明顶电极(69)的多层反射滤光镜的干扰反射。

6.按权利要求5的显示器，其特征是，光电电池包括反射衬底(62)或底反射电极(63)构成的内部反光镜，和其有效折射率大于所述顶电极(69)的折射率的半导体材料构成的有源光电二极管部件(68)。

7.按权利要求6的显示器，其特征是，半导体材料是加氢的非晶硅。

8.按权利要求7的显示器，其特征是，有源硅光电二极管部件(68)的厚度(e2)范围是100-600nm，顶电极(69)的厚度(e1)的范围是60-300nm，配对所述的厚度确定被反射光(74)的颜色。

9.按权利要求8的显示器，其特征是，硅制成的有源光电二极管部件(68)的厚度(e2)范围是250-450nm，顶电极的厚度(e1)范围是70-150nm。

10.按权利要求5的显示器，其特征是，所述顶电极(69)覆盖有透明的或轻度混浊的漆层(76，78)。

11.按权利要求10的显示器，其特征是，所述漆层(78)含染色剂或色素。

12.按权利要求1至4中任一权利要求的显示器，其特征是，光电电池(61)包括形成所述彩色反光器的半透明金属顶电极(69)。

13.按权利要求1的显示器，其特征是，它包括位于电光单元前面或位于电光单元与光电电池之间的模拟显示件(12、14、16)。

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