CN1555507A - 电泳有源矩阵显示器件 - Google Patents

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Լ��ѷ
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A·M·詹纳
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Abstract

矩阵显示器(20)包括基于切换元件(30)的像素，该切换元件包括可以充一种化学状态切换到另一化学状态的可切换层，所述化学状态的光学属性不同。防止像素退化的限压器件(41，42)布置在切换元件(30)上。

Description

电泳有源矩阵显示器件
技术领域
本发明涉及一种器件，其包括一个像素阵列，这些像素可以在至少第一和第二化学状态之间可逆切换，所述第一和第二化学状态的光学属性不同，所述像素包括一个层叠，该层叠包括一个光学可切换材料的可切换层，该层造成像素从第一状态到第二状态的切换。本发明的器件还包括切换所述像素的一个驱动电路。
背景技术
US 5,905,590描述一种切换器件，包括一个含有镁与其它三价金属的氢化物的切换薄膜。通过氢的交换，该切换薄膜可以从第一透明化学状态经过中间黑吸收状态可逆地转换到具有零透射的第二镜样(完全反射或散射)化学状态。该切换薄膜包含多个层的叠加，该层叠在透明基片上沉积。由于光学特性，该器件可以用作光学开关元件，例如，可变分束器、光学快门，并用于控制光源中光束的亮度或形状。该开关器件还可以用于数据存储和光学计算，以及诸如建筑玻璃、光线控制玻璃、遮阳蓬、和后视镜等应用。通过在该开关薄膜中制作图案，并给该图案化的开关薄膜提供透明电极，可以制作具有像素阵列的薄显示器。薄显示器通常包含一个像素阵列和用于切换像素的驱动电路。
这种器件的缺陷是在整个器件中，像素的切换特性应当相同，同时还要求像素的长期稳定性。这些属性中的任何不同都将在显示器上或在图像的退化过程中使观众看到亮度或图像的不同。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有长期稳定性和良好的图像再现性的开关器件。为此，本发明提供一种器件，其特征在于包含像素，用于该像素的限压器件平行于所述层叠布置。
通过在层叠两端施加电压而为该层叠提供开关电流，从而将像素切换。作用所述电压导致所述可切换材料化学状态的改变，例如，在切换镜器件中，H离子从一个含氢层向另一个含氢层迁移，同时在该器件中有电流流过。光学属性依赖于该氢电池的充电状态，或换句话说，依赖于所述可切换层的化学状态。可切换层的另一个例子体现在电致变色器件中，例如在国际专利申请WO98/48323中所公开的。在该申请中，提出一种层叠，包括一个可切换电致变色层，该层包括金属氧化物，如氧化钨、氧化钼、氧化铌、氧化锰、氧化锆、或其混合物。由于电流损耗，驱动电路中施加的电压将会在显示器上发生变化。理想地，像素切换很快。如果在所述层叠两端施加足够使显示器中心的特定像素切换的电压，即，略大于切换一个层叠的阈值电压，则由于驱动电路中的电损耗，靠近主电压源的其它像素通常将接收到高得多的电压，远高于所述切换阈值电压。如发明人所意识到的，在像素两端施加太高的电压将导致层叠的退化和画面质量的损失。层叠的阈值电压比较靠近将会使层叠退化的电压电平。另一方面，如果显示器边缘的像素的切换电压具有合适的幅值，即足够切换所述层叠，但不足以退化层叠，则由于显示器中央的像素的切换电压要小的多，使得切换太慢，或层叠根本不切换。两种结果都导致图像中的误差。
根据本发明，通过在所述层叠上至少为一些像素引入电压限制器件，如优选的二极管，可以限制层叠两端的电压，从而防止了在层叠两端施加太高电压，也就防止了退化。这允许在显示中使用的切换电压在显示器的任何位置都高于切换层叠的阈值，也高于会导致层叠退化的电压。电压限制器件保证层叠两端的有效电压限制在能够导致层叠退化的电压以下。优选地，所有像素都备有电压限制器件，以防每个像素的退化。
注意，本发明涉及这样的器件，其中通过施加电压，可切换层的化学状态发生改变。这样的化学状态变化实际上是氧化还原反应，从而发生离子(氢、氧、锂、或其它)或电子的可切换层迁移。这样的器件在本发明的框架内与施加电压导致材料的两种状态间变化的器件根本不同，这两种状态不是化学属性不同，而是物理属性不同(例如，双折射)，例如LCD器件。在LCD器件中施加显著高于切换电压的电压通常不会导致LCD层的永久损坏(除非施加极高的电压，通常是远高于驱动电路范围的电压)。
优选用二极管作为电压限制元件，因为这是一种容易实现的简单元件。而且在现有技术中，可以获得工作在合适电压的二极管。在本发明的框架内，“二极管”指的是起二极管作用的任何元件，包括连接成二极管的三极管。
当利用使用TFT的有源矩阵显示器时，本发明特别有用。
切换一个“透明”器件所需的电压通常是大约1-2伏，对于对称器件，可以低至300mV。
由于切换像素所需电压远低于1V，所以TFT必须工作在低漏-源极电压(如，0.3V-2V，像素退化前的最高电压)，但高栅极电压(如，10V)。这意味着TFT不是工作在饱和区，而是线性区，电流变化会很大。该电流也可以低于理想所需电压，这将使得切换变慢。但是，为了获得期望的像素电流电平(通常是50μA)，TFT通常要求漏-源电压大约为2-3V。本发明中在层叠上使用电压显示器件防止了像素电压在充电周期的过程中和/或结束时增大到该值，而如果没有在层叠上使用电压显示器件则会发生这种情况，从而防止了显示器件严重退化或被损坏，同时仍然使得能够使用有源矩阵TFT电路，这对于该种显示器件是非常有益的。
优选地，在所述层叠上平行布置两个电流限制器件来限制充电和放电期间层叠两端的电压。
在本发明的一个优选实施例中，电压限制器件的一端连接到驱动电路中的一个参考电压点或线。这样减少了与层叠的连接数，并且使得可以调节所述参考电压，从而通过调节参考电压来调节层叠两端的限制电压。
附图说明
下面参考附图描述本发明的这些和其它方面。
图1A和1B是现有技术中切换镜显示器的层叠的横截面图；
图2示出根据本发明的切换镜器件的像素元件矩阵的一部分；
图3和4简化示出根据本发明的器件的各种实施例；
图5示出本发明的一个例子，其中二极管连接到有源矩阵衬底上的参考电压线；
图6-8示出根据本发明的器件的另一实施例。
附图是示意性的，没有接比例绘制。大体上，相似的标号表示相似的元件。
具体实施方式
本发明的保护范围不限于下面描述的实施例，这些实施例涉及一种切换镜器件，该切换镜器件具有基于氢化物的可切换材料。例如，其可以应用于电致变色器件，其中光学切换层导致氢、锂、或氧离子浓度的变化，在这些器件中，用于切换器件的切换阈值电压和退化阈值电压相互也比较接近。电致变色器件构成一族材料，其中，通过可逆还原/氧化或另一种电化学反应，可切换层的化学和/或电子状态发生变化。切换镜器件构成一个族，其中可切换层的化学成分从一种氢化物形式变为另一种形式。
图1A、1B是切换镜器件的横截面图。该器件可以是例如显示设备或文档阅读器或指纹输入器。该器件包括透明玻璃板1，其上通过常规方法如真空汽化、溅射、激光烧蚀、化学汽相沉积、或电镀等沉积一个层叠。该层叠包括LMgHx的切换薄膜层3(L是元素周期表中的镧族元素Sc，Y或Ni)。该切换薄膜层的厚度典型地为200nm。所述层叠进一步包括厚度大约为5nm的钯层5，厚度为0.1-10nm的离子导电电解质层7，以及氢存储层9。
只要关心光学属性和切换时间，GdMgHx是非常合适的切换材料，但其它的镁与镧族元素的合金也可以采用。切换薄膜3可以在低氢含量和高氢含量之间可逆切换。在中间氢含量，该薄膜在各种程度吸收。不同的含量具有不同的光学属性。在低氢含量时，所述薄膜具有金属特性，是不透明的。此时薄膜象镜面一样反射。在高氢含量，薄膜3是半导电和透明的，而在中间氢浓度，所述切换薄膜是吸收的。L也可以是Pd、Pt、Ir或Rh，对此需要解释，发明人已经发现，PdMgHx，PdMgHx，PdMgHx，RhMgHx具有优良的对比度。该属性，即优良的对比度对于开关设备中的任何可切换层都是可用且有用的，而不管如此处所述使用二极管还是驱动电路的具体选择。
钯层5用于增加氢化和去氢化速度，从而增加切换速度。其它电-接触反应金属或合金，如铂或镍也可使用。此外，该金属层保护下面的切换层3不受电解质腐蚀。钯层5的厚度范围为2-100nm。但是，2-10nm的薄层是优选的，因为薄膜的厚度确定开关设备的最大传输率。
为了正确工作，还需要氢存储层9和氢离子导电电解质层7。ZrO2+xHy是一种良好的氢离子导电电解质。该电解质必须是离子的良导体，但必须是电子的绝缘体，才能防止设备的自放电。由于设备的简单性，最好使用透明固态电解质，它们防止密封问题，且设备易于搬运。
如果要求切换镜的透明状态，则WO3是存储层的良好材料。如果不要求切换镜的透明状态，则可以用第二GdH2Mg层作为存储层。这将导致对称器件，其优点是设备可以较薄。对称器件可以用于只需要在反射和吸收状态间切换的应用(如，文档阅读器)。
该层叠夹在例如由氧化铟锡(ITO)构成的两个透明导电电极层11、13之间。电极层11、13连接到一个外部电流源(未示出)。通过施加直流电流，低氢的镜样成分转化为高氢成分，透明且中性灰色。该器件此时象一个透明窗口，如图1A中的虚线所示。当电流翻转，则切换薄膜3返回到低氢状态，象镜子一样且不透明，如图1B所示。切换时间与传统电致变色器件相当。该器件可以在室温下工作。一旦镜子达到期望光学状态，则实际上将没有电流流过该器件。这意味着显示器将用很低的功率保持信息。
图2示出显示设备20的一部分，包括在m个行电极22(选择电极)和n个列电极23(数据电极)交点处的显示电路元件21的矩阵。行电极22通过行驱动器24选择，而列电极23通过列驱动器25被提供数据。如果有必要，则进来的数据信号26在处理器27中处理。相互之间的同步是通过控制线28实现的。
下面参考图3描述根据本发明的显示电路元件21的一个实施例。其包括参考图1A和1B描述的切换镜器件30，为简单起见，用电容30表示。一个透明导电电极层-在本例中是11-连接到由电压线29提供的固定参考电压(本例中是0V)。
另一个透明导电电极层13连接到互补开关的串联连接的公共点，在本例中，互补开关是正电压线35和负电压线36之间的n型场效应管(TFT)31和p型场效应管(TFT)32。N型TFT31和p型TFT32的栅极互相连接，同时连接到电容33的一个极板，电容33充当存储电容，并由TFT34通过m个行电极22(选择电极)和n个列电极23(数据电极)寻址。另一极板连接到负电压线36。二极管41排列在切换镜器件上，使得充电过程中层叠两端的最大电压保持在阈值电压以下，二极管42的连接方式使得放电过程中层叠两端的最大电压保持在阈值电压以下。
在通过电极22选择一行的过程中，由数据电极23提供的数据电压传输到N型TFT31和p型TFT32的栅极(节点37)。根据数据电压的极性，两个场效应管中有一个开始导通，并起电流源的作用，并且根据数据电压的极性，开始对切换镜元件30充电(箭头38)或放电(箭头39)。在保持时间，显示器中的其它行被选择。存储电容33(其可以由TFT31的固有栅-漏电容构成)保证在该保持时间中，电流源继续提供切换所述切换镜元件30所需的电流。这可以在一个帧周期(所有线都被选择一次的时间)中作用，但也可以持续若干帧时间(取决于显示器的大小、镜的尺寸、TFT的尺寸)。完成充电后(例如通过电流检测器判断)，将电流切断，切换镜30将保持其达到的状态。
切换一个“透明”器件所需电压通常是大约1-2V，对于对称器件，可以小到大约300mV。
限压器件41和42在层叠上限制层叠两端的电压，以防止将太高的电压施加到层叠两端，从而防止退化。这允许在显示器中任何位置使用高于切换层叠所需阈值和高于将导致层叠退化的切换电压。限压器件保证层叠两端的有效电压保持在能导致层叠退化的电压以下。
因为切换像素所需电压可以小于1V，所以TFT将必须以低的漏-源电压(如，0.3-2V，像素开始退化前的最大电压)和高的栅极电压(如，100V)工作。这意味着TFT不工作在饱和范围，而在线性范围。此处电流变化会很大。电压还可能低于理想所需值，这将降低切换速度。但是，为了获得期望的像素电流电平(通常50μA)，TFT通常需要大约2-3V或更高的漏-源电压。本发明中在层叠上使用限压器件41和42防止了像素电压在充放电过程中或结束时增加到这样的值，而不使用本发明将会发生该情况。
除此之外，上述n型和p型晶体管可以由两个独立的选择线选择(但要增加一个存储电容)，则其极性可以相同。
图4示出一个实施例，其中图3中的电压线29省略，但代价是额外增加n型场响应管(TFT)31’和p型场响应管(TFT)32’。两个互补开关(TFT31’、32’)的第二串联连接安排为与两条电压线35、36之间的两个互补开关(TFT31、32)的第一串联连接相反。现在透明导电电极层11连接到TFT31’、32’的串联连接的公共点。根据传输到节点37的数据电压，TFT31、31’开始导通，并对切换镜30充电(箭头38)，或者TFT32、32’开始导通，并对切换镜30放电(箭头39)。两个二极管50、51被安排来限制元件30两端的最大电压。图4中的其它标号与图3中的意义相同。
图3和4所示实施例的一个局限性是只能正确地保护在二极管中可得到的电压(0.6-0.8V)退化的切换镜器件。第二个缺陷是所画的二极管需要连接到切换镜的顶部电极，这要求在每个像素中提供连接通路。该两个问题在图5所示优选实施例中可以避免。在图5中，这是根据标准驱动方法之一(图3所示)阐述的，但是，可以同样应用于图4所示器件。
图5中，二极管60、61不再连接到切换镜器件的顶部电极，而是连接到有源矩阵衬底上的参考电压线(对于每个电压Vref1和Vref2，一个附加的连接可以用于整个显示器)。这使得上述每个像素中到顶部电极的通路连接成为多余的。
此外，通过相对于顶部接触电压(图5中是0V)调节参考电压(Vref)，可以调节切换镜两端的最大电压。例如，如果使用0.7V内建电压的二极管，当Vref1设置为0.3V时，最大电压将设置为1.0V，而-0.4V的Vref1将导致0.3V的保护电压。以同样方式，设置Vref1为-0.3V时，最大电压将设置为-1.0V，而0.4V的Vref1将导致-0.3V的保护电压。这样，所有切换镜都可由该优选实施例保护。甚至可以通过以不同方式定义充电和放电周期的Vref1和Vref2来包括对称切换镜器件。
根据本发明的器件的其它实施例示于图6-8。
图6示出显示设备20的一部分，包括在m个行电极22(选择电极)和n个列电极23(数据电极)交点处的显示电路元件21的矩阵。行电极22通过行驱动器24选择，而列电极23通过列驱动器25被提供数据。如果有必要，则进来的数据信号26在处理器27中处理。相互之间的同步是通过控制线28实现的。见图2的说明。
下面参考图7描述本发明的该实施例的器件。其包括参考图1A和1B描述的切换镜器件30，为简单起见，用电容表示。一个透明导电电极层-在本例中是11-连接到由电压线35提供的固定参考电压(本例中是0V)。另一个透明导电电极层13通过一个开关，在本例中是n型场效应管(TFT)31，连接到负电源电压线36。TFT31的栅极连接到电容33的一个极板，电容33充当存储电容，并由TFT34通过m个行电极22(选择电极)和n个列电极23(数据电极)寻址。
在通过电极22选择一行的过程中，由数据电极23提供的数据电压传输到n型TFT31的栅极。根据数据电压的极性，该场效应管开始导通，并起电流源的作用，开始对切换镜元件30充电(箭头38)。在保持时间，显示器中的其它行被选择。存储电容33(其可以由TFT31的固有栅-漏电容构成)保证在该保持时间中，电流源继续提供切换所述切换镜元件30所需的电流。这可以在一个帧周期(所有线都被选择一次的时间)中作用，但也可以持续若干帧时间(取决于显示器的大小、镜的尺寸、TFT的尺寸)。完成充电后，将电流切断。为了检测充电或复位终点，最好在充电模式和复位模式公用的电流路径中提供一个电流传感器71。切换镜30此时将保持其达到的状态。
根据本发明，在充电切换镜元件30之前，全部或部分切换镜元件被复位(放电(箭头39))。在本例中，这是通过额外的正电源电压线29实现的。所述线29上的电压通过开关(TFT)32作用于电极层11，由控制线40控制。通过选择合适的低电压，该切换镜元件从不超过发生退化前可能被施加的最大电压，但充电速度会受到限制。可选地，通过使用较高电压来复位，复位可以在最佳速度执行(电流不受限制)，同时，增加的保护二极管41又将防止放电期间过量的电压退化。
优选地，复位电压这样选择，使得将显示器复位到反射或白(投射)模式。这对许多应用都是有益的，如文档阅读器和电子书，其中信息作为白背景上的黑字符给出。在该情况下，只需复位显示器的最小百分比(只是黑像素)，从而得到一种低功率驱动方法，并且延长了显示器寿命。切换镜元件30上的二极管41被安排来提供充电过程中元件30上的过电压保护。
图8示出另一实施例，其中，图7中的电压线29和TFT32省略，使得可以实现更大孔径。驱动装置(未示出)能够在负电压(驱动电压)和正电压(复位电压)之间切换电源电压线36。
图像的复位是通过首先将电源线36设置为复位电压，并驱动所有TFT31到导通状态；后者可以一次一行进行，也可同时驱动所有行。TFT31象开关一样动作，所有切换镜元件都复位。根据TFT和切换镜元件的具体特征，复位电流逐步减小，先前的图像将被擦除。然后，切换镜元件变为高阻抗，电流停止流动。如果有必要，当通过电流传感器71检测到电流降到特定电平以下时，可以中断该复位模式。为了加速复位，由于二极管42对像素的保护，可以施加更高的电压。
在下一充电模式前，定义一个图像的画面元素被选择，并且在充电模式中，电源线36被设置为驱动电压，从而显示新的图像。再次，被充电的像素被二极管42保护不会承受过电压。然后所有TFT31被驱动到截至，从而减小任何栅极电压应力。新的图像将持续到重复该周期。图8中的其它标号与图7中的含义相同。
总之，本发明可以如下描述。
矩阵显示器(20)包括基于切换元件(30)的像素，该切换元件包括可以从一种化学状态切换到另一化学状态的可切换层，所述化学状态的光学属性不同。防止像素退化的限压器件(41，42)布置在切换元件(30)上。
本发明的保护范围不限于所描述的实施例。例如，其可以应用于电致变色器件，其中光学切换层导致氢、锂或氧离子或电子浓度的变化。本发明在于每个新颖特征部件和特征部件的每个组合。权利要求中的标号不限制其保护范围。术语“包括”及其变化不排除存在权利要求中所述之外的其它元件。元件前面的“一”、“一个”不排除存在多个这样的元件。
保护范围也不限于使用TFT的驱动电路。保护范围包括使用薄膜二极管或MIM(金属-绝缘体-金属)开关或单晶硅的驱动电路，尽管如上所述本发明对使用TFT的驱动电路特别有益。
作为可切换层的例子，参考如国际专利申请WO98/48323中描述的电致变色层。

Claims (9)

1.设备20，包括一个像素阵列，这些像素可以在至少第一和第二化学状态之间可逆切换，该第一和第二化学状态的光学属性不同，所述像素包括：
一个层叠，该层叠包括光学可切换材料的可切换层(3)，该光学可切换材料导致像素从所述第一状态到第二状态的切换；和
驱动电路(24，25)，用于切换所述像素，
其特征在于所述设备包括多个像素，至少一个与所述层叠平行布置的限压器件(41，42，60，61)用于这些像素。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，对于所有像素，与所述层叠平行布置一个限压器件。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，在所述层叠上平行布置两个限压器件，用于在充电和放电过程中限制所述层叠两端的电压。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述限压器件是二极管(41，42，60，61)。
5.如权利要求1或4所述的设备，其特征在于，所述限压器件的一端连接到所述驱动电路中的一个参考电压点(Vref1，Vref2)或线。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述驱动电路包括薄膜晶体管(TFT)。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述材料是这样的材料，其中切换是通过改变氢浓度实现的。
8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述材料是这样的材料，其中切换是通过改变锂浓度实现的。
9.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述材料是一种电致变色材料。
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