CN1392967A - 半透半反转换显示器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种显示器，可以在反射模式或透射模式中工作，并具有高亮度。该显示器包括具有可转换层(3)的像素元件(20)，该显示器通过改变可转换层的氢含量而在反射、透射和吸收状态之间转换。在导电层(11、13)上施加直流电压以改变氢含量。这些导电层中间夹持着包含可转换层(3)的叠层，该叠层已经被设置在透明基片上。

Description

半透半反转换显示器装置
发明领域
本发明涉及一种显示器装置，它可以在反射模式或透射模式中被操作并具有用于调制光线的像素元件。
背景技术
在反射模式或透射模式中被操作的显示器装置是公知的。例如，半透半反LCD在两个不同模式中被操作，即，当用设置在显示器后面的背光照亮显示器时的透射模式，以及当环境光照亮显示器时的反射模式。半透半反LCD显示器的缺点在于其有限的亮度。这是因为LCD显示器的像素元件通常被分成反射和透射部分，因而这两个部分都具有小孔径。半透半反LCD显示器至多只具有反射型LCD的一半反射度以及透射型LCD的一半亮度。而且，显示器的单元间隙不能在反射和透射模式中同时达到最佳，这进一步减小了亮度。另外，传统LCD显示器使用偏振器，这会使透射光的强度减小1/2。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种显示器装置，它的亮度提高了。为了达到这个目的，本发明提供一种如权利要求1所述的显示器装置。
由于半透半反LCD的结构，各像素的像素表面区域至多只有一半参与反射光线，而另一半能透射光线。因为使用了全像素表面，转换显示器装置原本比半透半反LCD亮两倍。这种转换显示器具有更高的亮度，因为不需要偏振器。
在从属权利要求中描述本发明的优选实施例。
US5905590公开了转换反射镜显示器。这种显示器包括含有钆或其它三价金属的氢化物转换反射镜薄膜。通过氢的交换，转换薄膜能可逆地从透明状态经由中间黑色吸收状态转换至零透射的类反射镜状态(mirror-like state)。转换薄膜包含在位于透明基质上的叠层当中。通过在转换薄膜上制造图案并为图案化的转换薄膜提供透明电极，可以生产出薄形显示器。
但是，US 5 905 590没有公开通过对转换薄膜施加特定的表面电荷密度可以得到具有改进亮度的半透半反显示器。
下面结合后文所述的实施例说明本发明的这些和其它方面。
附图说明
图1A、1B是现有技术的转换反射镜显示器的叠层的剖面图；
图2是现有技术的转换反射镜显示器的像素元件的剖面图；
图3A、3B表示本发明的转换反射镜显示器的叠层；
图4是本发明的转换反射镜装置的像素的剖面图；
图5A，5B，5C示意性地表示了本发明装置的各种实施例。
基本上，相同的附图标记表示相同的元件。
具体实施方式
图1A、1B是现有技术的转换反射镜装置的剖面图。层厚度不是按比例制图的。该装置包括透明玻璃板1，用诸如真空蒸发、溅射、激光消融(laser ablation)、化学汽相沉积或电镀这样的传统方法把叠层设置在该玻璃板上。叠层包括：LMgHx的层3(L是从元素周期表中选出的镧系元素或者Y，Sc或Ni)，作为转换薄膜，厚度约为200nm；钯层5，厚度约为5nm；离子传导(ion-conducting)电解质层7，厚度为0.1-10μm；以及氢存储层9。
就所关心的光学特性和转换时间而言，GdMgHx是很适合的转换材料，但也可以使用其它三价镁-镧合金。转换薄膜3能在低氢(x＜～2)成分和饱和的高氢(x～5)成分之间可逆地转换。在中间的H成分处，薄膜的吸收程度不同。实际上，薄膜主要在2.5＜x＜4.5范围内的氢密度上表现为吸收。各种成分具有不同的光学性能。氢的含量低，薄膜就具有金属特性并且是不透明的。那么薄膜就像反射镜一样反射光线。氢的含量高，薄膜3是半导体并且是透明的，而在中等氢浓度时，转换薄膜是吸收的。
钯层5用于增加氢化或非氢化的比率，从而增加转换速度。也可以使用其它电子催化金属或合金，例如铂或镍。另外，该金属层保护下面的转换薄膜3以抵抗电解质的侵蚀。钯层5的厚度可以在2-25nm之间。但优选2-10nm的薄层，因为薄膜的厚度决定了转换装置的最大透射。
为了起到正确的作用，还需要H存储层9和H离子传导电解质层7。良好的H离子传导电解质是ZrO2Hx。电解质必须是良好的离子传导体，但它必须是电子的绝缘体以便防止装置的自身放电。为使装置简化，最好使用透明的固体电解质；它们防止密封问题，并使装置易于操作。
如果需要转换反射镜的透明状态，WO3是存储层的良好选择。
叠层夹在，例如，铟锡氧化物(ITO)的两个透明导电电极层11、13之间。电极层11、13连接到一个外部电源(未示出)。通过施加直流电流，低氢、类反射镜成分转变成透明和中间灰度的高氢成分。如图1A中虚线所示的那样，现在装置是一个透明的窗口。当电流反向时，转换薄膜3变成低氢状态，如图1B所示，这个状态是反射镜状且是不透明的。转换时间可与传统的电致变色装置相比。可以在室温下操作该装置。一旦反射镜达到希望的光学状态，实际上没有电流会流过装置。这意味着该显示器会以低功率保持信息。
本发明基于这样的认识，即：转换反射镜效应可以有利地用于提供具有改进亮度的半透半反显示器。有几个可能的实施例，取决于图5A，B，C中示意性表示的这些实施例所使用的是三种状态(反射，透明，吸收)中的哪一个。反射模式的各种实施例表示在这些附图的左边部分中，用L表示，而在右边部分中示出的是透射模式的各种实施例，用R表示。箭头表示显示器各种模式的显示器内的光路以及像素的状态。
在第一实施例中，如图5A所示，反射模式(L)应用反射及吸收状态，而透射模式(R)应用透射及吸收状态。在这种方式中，在各种状态中都确保了良好的对比度。像素101表示反射状态，像素102表示吸收状态。
在透射模式(R)中，来自背光110的光被像素104透射，而被像素103吸收。相对于观看显示器的人的视点，背光位于像素(101-104)的后面。
如图5B所示，第二实施例只应用反射及透射状态。反射模式(L)应用吸收背景115以产生黑色像素，而像素从反射状态101转换至透射状态102。透射模式(R)也应用反射状态103及透射状态104，其中反射状态中的像素阻挡光线产生黑色像素。一些反射回背光区域的光线被再度利用以进一步增加显示器的亮度(用虚线箭头表示)。由于只应用三分之二的像素的转换状态这样的事实，即，反射及透射状态，因而显示器只需要通过表面密度的两个数值来转换。这会简化驱动显示器所需要的电子器件。
在第三实施例中，如图5C所示，再次应用反射、透明及吸收状态。在此情况下，虽然反射模式(L)再次应用反射状态101和吸收状态102，但透射模式(R)现在应用反射状态103及透射状态104。反射模式具有和第一实施例中类似的良好性能，但现在可以在透射模式中完全循环利用反射回背光区域的光线。这会进一步增加显示器的亮度。
这在三个实施例需要前漫射薄膜或类似的光学元件，以便在平常使用显示器时按照需要从反射状态转换成白色状态(即，黑/白或具有彩色滤光器的全彩色显示器)。另外，可以有意地把反射层的结构作得粗糙，以便产生希望的漫反射，从而提供白色或黑色的观看反射状态。
在图5B和5C所示的实施例中，通过设置反射器的下面、背光的遮蔽罩，或者通过在背光/反射器的区域增加箔，透射模式(R)中反射光的循环再利用可以达到最佳。
显示器的另一个实施例包括一个光传感器(例如光电二极管，如图5C中的元件120所示)，它使显示器根据环境光线条件在反射模式或透射模式之间转换，以便达到最佳的亮度、对比度和所需要的电力消耗。
现在转到图2，现有技术中转换反射镜装置的问题在于，在像素元件20的可观看侧24，即，观看显示器的那侧，有源矩阵元件22可以被看到。这个有源矩阵(薄膜晶体管，行，列，存储电容器等)包括转换像素元件所必需的电子元件。有源矩阵嵌入嵌入层26，它也包含在像素元件中。有源矩阵与电极层13、15电连接。绝缘层28使有源矩阵元件22与叠层绝缘。
在现有技术的结构中，被有源矩阵占据的表面面积不能用于光有效层3。如果从可见到的一侧24看显示器的话，这减小了显示器的孔径(aperture)。具体地，由于驱动电路相当复杂，以及因此而把晶体管制造得相当大以便对付为转换反射镜显示器充电所需的高电流，孔径相当小。
图3A、3B表示本发明的转换反射镜显示器的叠层。在这种情况下，显示器是从其上设置着叠层的基片的一侧24来观看的。包含着转换层3的叠层的顺序已经被颠倒了。这意味着，以从基片的表面开始的顺序，叠层包括存储氢的第一层9、传导氢的第二层7、和可转换层3。
叠层夹在导电电极层11和13之间。可光转换材料3通过改变氢密度而从反射光的状态转换到吸收光的状态。在导电层上施加直流电压改变了氢密度。
在叠层中，第二层包含电解质材料，例如ZrO2Hx，分离层5位于第二层7和可转换层3之间，而第一层9包含GdMgHx，由于这样的层而得到了良好结果。
图4是本发明的像素元件20的剖面图。叠层的顺序被颠倒(如图3A、3B中更详细地表示出的那样)且转换层3在有源矩阵元件22上延伸。因而电转换部件设置在相对于显示器可观看侧24来说的光转换材料层的后面。相反地，当转换层从反射状态转换到吸收状态时，有源矩阵元件22不可见。由于有源矩阵元件不再决定反射状态中的孔径，所以显示器更亮了。
由于不需要转换反射镜的透明状态，第二LMgHx层可以用作存储层(L表示Y，Sc或Ni或者从元素周期表中选出的镧系元素，如Gd)。这样会产生对称的装置，它具有优点是装置可以更薄。
不论是在理论上还是在实验中，都已经知道，对于100nm的薄Gd40Mg60氢化物层，把所有的氢从一层传输到另一层需要大约0.1C/cm2的电荷以便在透明和反射状态之间转换。对于只在反射和吸收状态之间转换的情况，必须传输的H更少(大约需要0.15至0.85C/cm2)。这种电荷密度与层厚度成比例。而且，为了在反射和吸收状态之间转换，所需传输的电荷(H离子)减少了即，转换所需的电流减少了。
对称装置可以应用于只需要在反射和吸收状态之间转换的应用中。如果可观看侧24设有漫射箔，就会提高显示器的对比度。由于箔的存在，反射状态中的转换反射镜像素会呈白色，而吸收状态中的转换反射镜像素会呈黑色。这种类型的显示器可以用作例如文件阅读器。该原理与彩色滤光器结合将会产生全彩色文件阅读器。
总之，本发明涉及一种显示器，可以在反射模式或透射模式中工作，并具有高亮度。该显示器包括具有可转换层3的像素元件20，该显示器通过改变可转换层的氢含量而在反射、透射和吸收状态之间转换。在导电层11、13上施加直流电压以改变氢含量。这些导电层中间夹持着包含可转换层3的叠层，该叠层已经被设置在透明基片上。
应当注意到，本发明不限于上述实施例的说明，本领域普通技术人员可以在不超出所附权利要求之范围的前提下设计出很多别的实施例。在权利要求中，括号中的任何附图标记都不应该被认为是对权利要求的限制。动词“包括”及其动词变化不排除没有在权利要求中陈述的那些元件或步骤的存在。

Claims (7)

1.一种显示器装置，可以在反射模式(L)或透射模式(R)中工作，具有用于调制光线的像素元件(101-104)，所述像素元件包括：
包括转换层(3)的叠层，该转换层由把像素元件(101-104)从第一状态转换到第二状态的可光转换材料制成，第二状态与第一状态不同，第一状态和第二状态是下述状态中的一种：反射状态、透射状态或吸收状态；以及
用于通过从反射状态转换到非反射状态而在反射模式(L)中调制光线、并通过从透射状态转换到非透射状态而在透射模式(R)中调制光线的部件，非反射状态是透射状态或吸收状态，而非透射状态是反射状态或吸收状态，用于调制光线的部件包括电转换部件(22)，该部件通过对转换层(3)施加基本为-Q的表面电荷密度而将其转换成透射状态、通过对转换层施加基本为+Q的表面电荷密度而将其转换成反射状态、通过分别对转换层施加+0.15Q和+0.85Q之间的表面电荷密度而将其转换成吸收状态。
2.一种如权利要求1所述的显示器装置，其中Q的数值在每100nm厚度的转换层(3)为0.05-0.15库仑/cm2的范围内。
3.一种如权利要求1所述的显示器装置，其中，在反射模式(L)中，像素从反射状态转换到吸收状态，而在透射模式(R)中，像素从透射状态转换到吸收状态。
4.一种如权利要求1所述的显示器装置，其中，在反射模式(L)中，像素从反射状态转换到透射状态，而在透射模式(R)中，像素从反射状态转换到透射状态。
5.一种如权利要求1所述的显示器装置，其中，在反射模式(L)中，像素从反射状态转换到吸收状态，而在透射模式(R)中，像素从反射状态转换到透射状态。
6.一种如权利要求1所述的显示器装置，其中叠层设置在基片(1)的表面上，该叠层按照从基片(1)的表面开始的顺序包括：存储氢的第一层(9)、传导氢的第二层(7)、和转换层(3)，通过改变氢的密度而使可光转换材料转换。
7.一种如权利要求1所述的显示器装置，其中显示器包括光传感器(120)，用于根据环境光线条件控制显示器在反射模式(L)和透射模式(R)之间转换。
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