DE2654568C3

DE2654568C3 - Verfahren zum Betätigen einer elektrochromen Anzeigetafel

Info

Publication number: DE2654568C3
Application number: DE19762654568
Authority: DE
Inventors: Donald John Olivers Battery Winchester Barclay; Michael Henry Chandlers Ford Hampshire Hallett
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-12-30
Filing date: 1976-12-02
Publication date: 1980-01-03
Also published as: DE2654568A1; BE848611A; GB1517940A; IT1074005B; ES454670A1; JPS5283092A; BR7608848A; NL7613901A; FR2337380B1; FR2337380A1; CA1050672A; DE2654568B2; JPS5525673B2; SE418544B; CH608121A5; SE7614339L

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betätigen einer elektrochromen Anzeigetafel, die mit einer elektrochromen Substanz gefüllt ist, welche durch telektive Einwirkung von elektrischen Feldern örtlich ihre optischen Eigenschaften sichtbar zu ändern vermag. Eine solche Anzeigetafel ist üblicherweise mit einer Anzahl von die Lage von Anzeigepunkten ousr Zeichen definierenden Elektroden versehen. Weiterhin lind Ansteuerungsschaltungen vorgesehen zum Liefern impulsförmiger Steuerströme für das Auslösen sichtbarer Veränderungen der elektrochromen Substanz. Zu einer bestimmten Stromstärke gehört eine gewisse Übergangszeit, die dadurch definiert ist, daß ein ausgelöster sichtbarer Effekt gerade nicht mehr weiter verbessert werden kann.

Unter elektrochromen Anzeigeeinrichtungen vertteht man im allgemeinen passive Systeme, die bei Anlegen eines elektrischen Feldes ihre optische Absorption und damit meist ihre Farbe ändern. Nach Abschalten des elektrischen Feldes bleibt diese Farbänderung erhalten, so daß diese Anzeigetafeln die optische Information auch speichern können. Durch Anlegen tines Gegenfeldes wird das System in den Ausgangszuttand zurückgeführt. Grundlage der meisten Elektro· chrome sind organische oder anorganische Redoxsyste nie, Beispielsweise kann das Oxid eines Übergangsme· talles unter Stromeinwirkung mit einem sauren Elektrolyten reagieren.

Meistens arbeitet eine elektrochrome Anzeigetafel in der Weise, daß aus einer Lösung chromogenes Material auf einer Anzeigeelektrode niedergeschlagen wird. Eine solche Anzeigeeinrichtung und eine geeignete elektrochromische Substanz ist beispielsweise in der britischen Patentschrift 13 76 799 und in der US-Patentschrift 38 64 589 beschrieben.

Bisher war es üblich, eine Anzeige dadurch zu erzeugen, daß man eine gleichmäßige Ladung jeder Anzeigeelektrode solange zuführte, bis genügend Material dort niedergeschlagen war. Es gibt jedoch eine obere Grenze für die Größe des Stromes, der in dieser Weise zugc^führt werden kann. Denn für jede Stromstär-

ke gibt es eine als Übergangszeit bezeichnete Zeitspanne, nach welcher in unmittelbarer Nähe der Elektrode die Konzentration der Lösung oder der Substanz an ausfällungsfähigem Material auf NuIi zurückgegangen ist. Deshalb wurde bisher die Strom-

is stärke so gewählt, daß diese Übergangszeit auf jeden Fall länger als sie für die Erzeugung einer Anzeige an der Elektrode erforderliche Zeitspanne war.

In der US-Patentschrift 38 39 857 ist eine Anordnung zur darstellenden Messung eines elektrischen Stromes beschrieben. Dabei passiert der Strom ein elektrochromisches Anzeigematerial, welches entsprechend dem Stromfluß seine Farbe verändert

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für eine elektrochromische Anzeige anzugeben, welches zu einer schnelleren Erzeugung der Anzeige als in den bisher bekannten Fällen führt

Es wurde herausgefunden, daß eine einfache Abänderung des zuvor beschriebenen Verfahrens in überraschender Weise zu einer wesentlich schnelleren Erzeugung einer Anzeige führt.

Es wird auf eine Veröffentlichung von LF. Chang und W.E. Howard mit dem Titel »Performance Characteristics of Electrochromic Displays« verwiesen, die in IEEE Transactions on Electron Devices. ED-22, Nr. 9, September 1975, auf den Seiten 749 bis 758 erschienen ist. In dieser Arbeit ausgeführte Berechnungen zeigen, daß das angeführte Material in einer Sekunde Darstellungen nur innerhalb eines Bereichs zwischen 20 und 70 Zeilen von Anzeigeelektroden liefern kann, abhängig davon, cb die Anzeige in Transmission oder in Reflexion verwertet werden soll. Das erfinderische Verfahren übertrifft diese Zahlen um mehr als eine Größenordnung.

Diese Aufgabe wird in der im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Weise gelöst.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dem Unteranspruch zu entnehmen.

Die Erfindung wird an Hand von Beispielen mit Hilfe der Zeichnung näher erläutert.

W l· ι g. I ist eine graphische Darstellung, welche die Konzentration des elektrochromen Materials in der Nähe einer An/eigeelektrode veranschaulicht;

F i g. 2 und 3 /eigen schematisch verschiedene Ausführungsbeispiele von Anzeigetafeln, bei welchen das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann.

F.me elektroihrome Anzeigetafel, welche mit einem gelösten elektrochromen Material gefüllt ist, arbeitet so. daß unter der f'mwirkung ein;s elektrischen Feldes an

bo einer Anzeigeelektrode Material niedergeschlagen wird Die fur die Lr/xugung einer annehmbaren Anzeige erforderliche Ladungsmenge in Coulomb kann berechnet oder empirisch bestimmt werden. Für ein vorgegebenes elektrochromes Material und eine bestimmte Geometrie der Elektroden kann sie als Festwert angesehen werden. Es gibt jedoch eine Obergrenze für die zuführbare Ladungsmenge, weil in unmittelbarer Nähe der Elektrode die Konzentration

Stromdichte
i

Übergangszeit Spez. Ladung Impulse

CbW

/V
Anzahl

16

X 10""
10 ⁴
X 10 ⁴
ΙΟ"²
166 X 10"²

16

0,16 X 10 '
0,4 X IO

X 10 '
4 X 10~³
16 X 10"³

1,6

60

25
6

2,5
< 1

Um eine annühmbare Anzeige mit gerade einem zugeführten Impuls zu erhalten, ist eine Stromdichte von etwa 0,2 A/cm² erforderlich, wobei der Impuls

20

der Lösung auf Null zurückgehen kann. Die Zeitspanne, bis dies erfolgt, wird die Übergangszeit τ genannt

Diese Erscheinung wird in der F i g. 1 veranschaulicht, weiche die Konzentration von chromogenem Material an der Anzeigeelektrode darstellt Die Kurven zeigen die Konzentration als Funktion des Abstandes von der Elektrodenoberfläche. Ohne Einwirkung eines elektrischen Feldes ist die anfängliche Konzentration an der Elektrode gleich der Grundkonzentration Can chromogenem Mate.ial im gesamten Elektrolyten. Das ist der Zustand zur Zeit ίο. Nachdem Strom für eine Zeitspanne ii zugeführt wurde, sinkt die Konzentration von elektrochromem Material an der Elektrode in der dargestellten Weise ab. Sie vermindert sich weiter bis zu einem Zeitpunkt t₂, usw. bis zu einer Zeit τ, der Übergangszeit wenn die Konzentration an der Elektrode den Wert Null erreicht und kein weiteres elektrochromes Material für die elektrolytische Abscheidung an der Elektrode zur Verfugung steht

Man kann zeigen, daß folgendes gilt:

τ 2 - K{.iD)2 CIi.

K ist eine Konstante für eine vorgegebene Suhstanz und Geometrie der Anzeigeelektroden. D ist der Diffusionskoeffizient, der ebenfalls für eine vorgegebene Substanz als konstant angesehen werden kann. C ist die Grundkonzentration der abscheidbaren Ionen in dem Elektrolyten und /ist die Stromdichte für die zugeführte elektrische Energie.

Es sei angenommen, das das elektrochrome Material wie in der britischen Patentschrift 13 76 799 Heptyl Viologen Dibromid

[(C₇H₁O₂(NC₅H₄J₂]Br ^

ist. Dann kann K näherungsweise zu 10⁵ Coulomb angenommen werden und Dist etwa 10-* cm²/sec.

Eine geeignete Grundkonzentration C ist 0,2 χ 10-³ Mol/cm'. Schließlich wird die spezifische Ladungsmenge zur Erzeugung einer annehmbaren Anzeige nut 10-² Cb/cm² angesetzt.

Mit diesen Werten wurde die Tabelle I berechnet, die für eine in ihrer ersten Spalte vorgegebene Stromdichte in der zweiten Spalte die Übergangszeit, in der dritten Spalte die in der Übergangszeit zuführbare spezifische Ladung und in der vierten Spalte die Anzahl N von Impulsen angibt, die benötigt werden, um eine spezifische Ladung von 10 ² Cb/cm² einzuspeisen.

Tabelle I

etwas weniger als 50 χ 10-'sec dauern sollie. Eine Anzeigetafel hat beispielsweise etwa 500 Reihen odei Gruppen von Anzeigeelementen. Wenn jede solche Reihe nacheinander angesteuert wird und genügend Leistung durch jeweils nur einen Impuls zugeführt wird, um die Anzeige zu erzeugen, dann erfordert das eine Zeit von 500 χ 50 χ ΙΟ³ see, d. h. 25 Sekunden.

Es ist nun völlig überraschend, die Wirkung zu sehen, die man erzielt, wenn man statt dessen eine Folge von wiederholten Impulsen anwendet, deren zugeführte Leistung im einzelnen ungenügend ist, um eine annehmbare Anzeige zu erzeugen. Es sei angenommen, daß jeder Gruppe von Anzeigeelementen eine Folge von Impulsen zugeführt wird, deren Dauer jeweils der Übergangszeit entspricht und die eine Stromdichte von 1 A/cm² bewirken. Jede Gruppe der Anzeigetafel wird nacheinander angesteuert, so daß bei jedem Zugriff zu einer Zeile nur ein Impuls eingespeist wi^rd. Mit anderen Worten bedeutet das, daß die Impulsfolgen im Zeitvielfach oder Zeitmultiplex den Gruppen von Anzeigeelementen zugeführt λ er.'.: α. Wenn man die Zahlen der Tabelle ! verwendet, ergibt ?ich die Zeit zum Ansteuern von 500 Zeilen zu 500 χ 16 χ ΙΟ"⁴ χ 6 sec. d. h. zu 4,8 Sekunden.

Die Ursache für diese große Zeitersparnis uesteht darin, daß in den Intervallen zwischen den Impulsen einer Folge die Konzentration von elektrochromem Material an der Anzeigeelektrode sich erholt und wieder den Wert der Grundkonzentration der Lösung erreicht. Die Geschwindigkeit der Ablagerung von Material ist eine Funktion der Konzentration des Materials in der Nachbarschaft der Elektrode. Dadurch daß mit jedem Impuls der Folge die Ablagerung erneut bei der Grundkonzentration beginnen kann, wird insgesamt für die Ausscheidung einer gewissen Menge von Material Zeit gespart Die Zeit, in der man auf die Erholung der Konzentration an der Elektrode eines Anzeigepunktes wartet, wird nutzbringend an für die Ansteuerung anderer Gruppen von An/eigenunkten verwendet.

Die Tabelle II zeigt in ihrer dritten Spalte die Zeit, die e forderlich ist, um eine Anzeige in einer Tafel mit 500 Zeilen von Anzeigepunkten zu erzeugen, wobei N Impulse gemäß der zweiten Spalte bei einsr Stromdichte ; verwendet werden, die in der ersten Spalte der Tabelle angeführt ist. Diese Gesamtzeit whd durch Multiplikationen der Übergangszeit mit der Anzahl N der Impulse und der Anzahl der Gruppen von Anzeigeelementen der Anzeigetafel berechnet.

Tabelle II

bO

Stromdichte 55 / A/cm'

Impulse

,V

Anzahl

60

25

Gesamtzeit

0,48
1,25
4,8

Wegen der hohen Stromwerte erfordert das erfindungsgemäße Verfahren leistungsfähige Ansteuerungsschaltungen. Beim Entwurf einer Einrichtung sollte man sich daher entscheiden, welche Lösung man als zweckmäßiger ansieht, ob besonders kurze Anzeigezeiten, die jedoch aufwendige Ansteuerungsschaltungen

erfordern, oder mehr mittlere Werte der Anzeigeteilen, wodurch preisgünstigere Ansteuerungsschaltungen möglich werden.

Ein vorteilhafter Nebeneffekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß nun für den Benutzer die gesamte Fläche der Anzeigetafel gleichzeitig sichtbar wird anstatt Zeile für Zeile, wie es bei dem bisher gebräuchlichen Verfahren der Fall ist.

Anschließend werden zwei Beispiele von elektrochromen Anzeigetafeln beschrieben, bei welchen das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann. Beide benutzen Ansteuerungsschaltungen mit Konstantstromquellen, jedoch ist das erfindungsgemäße Verfahren auch anwendbar in Einrichtungen mit änderen Arten von Ansteuerungsschaltungen wie beispielsweise Kotistantspannungsquellen. In beiden Fällen soll das elektrochrome Material Heptyl Viologen nihrnmirl spin

Die F i g. 2 zeigt eine elektrochrome Anzeigetafel der Art, wie sie in der US-Patentschrift 38 64 589 beschrieben ist. Die Anzeigepunkte sind definiert durch die Kreuzungspunkte von orthogonal verlaufenden Elektroden. Eine hohle, flache Anzeigetafel 1 enthält Heptyl Viologen Dibromid in wäßriger Lösung. Auf der oberen Innenfläche der Vorderseite der Anzeigetafel ist ein Satz von parallelen und transparenten Elektroden 2 aufgebracht, beispielsweise aus Zinnoxid. Auf der unteren Innenfläche der Tafel befindet sich ein zweiter Satz paralleler Elektroden 3, die orthogonal zu den Elektroden 2 verlaufen. Jeder Kreuzungspunkt der Elektroden 2 und 3 definiert einen Anzeigepunkt. Wenn zwischen den Elektroden 2 und 3 Strom geeigneter Polarität fließt, erscheint an einem solchen Anzeigepunkt eine hellviolette Ablagerung auf einer der Elektroden, wo sie durch die Gegenelektrode gekreuzt wird. Vorzugsweise sollte die untere Elektrode die Ablagerung erhalten. Die Elektroden 2 sind über entsprechende Transistoren 4 mit einer Spannungsquelle V verbunden. Der Einfachheit halber sind die Transistoren 4 als Feldeffekttransistoren dargestellt, obwohl sie auch bipolare Transistoren sein können. Der Grad der Leitfähigkeit eines jeden Transistors wird durch einen entsprechenden bistabilen Schaltkreis 5 konventioneller Bauweise so gesteuert, daß jeder Elektrode 2 ein konstanter Strom zugeführt wird. Wie in der F i g. 2 schematisch angedeutet ist, befindet sich der zugehörige Transistor 4 im Zustand hoher Leitfähigkeit, wenn der bistabile Schaltkreis im Zustand »1« ist Zusammengenommen bilden die bistabilen Schaltkreise 5 ein Eingaberegister, dessen geladene Information die Anzeige der Punkte einer Zeile definiert Die Elektroden 3 sind über entsprechende Transistoren 6 mit einem Impulsgenerator 7 verbunden. Die Steuerelektroden der Transistoren 6 sind mit entsprechenden Ausgangsleitungen 9 einer Verteilerschaltung 8 verbunden, die ebenfalls durch den Impulsgenerator 7 gesteuert wird. Der Impulsgenerator 7 enthält einen abstimmbaren Oszillator mit einem Impulsformer üblicher Bauweise. Die Verteilerschaltung 8 ist beispielsweise ein Ringzähler, dessen Ausgabeleitungen 9 jeweils mit einer Stufe verbunden sind. Wenn der Zähler eine Zeile für die Ansteuerung bestimmt, wird die entsprechende Ausgabeleitung 9 in üblicher Weise erregt

Im Betrieb werden die Zeilenelektroden 3 nacheinan-

VH.1 ungwiO.« 1, a.,« «.„ C,ouiuiu,ii OV.1 l3lUU CISC 5 solcher Spaltenpositionen, wo eine Anzeige erwünscht ist werden in den binären Zustand »I« gesetzt Die für diesen Steuervorgang notwendigen Signale werden in bekannter Weise von einer datenverarbeitenden Einrichtung wie einem binären Speicher geliefert und vorzugsweise durch den Impulsgenerator 7 synchronisiert Die Datenübertragung selbst bildet keinen Teil der vorliegenden Erfindung und kann in irgendeiner gebräuchlichen Weise durchgeführt werden.

Eine andere Ausführüngsform einer elektrochromen Anzeigetafel ist in der Fig.3 dargestellt. Diese Anzeigetafel 10 unterscheidet sich jedoch nicht in der Betriebsweise von dem in der Fig, 2 dargestellten Beispiel. Einander entsprechende Schaltelemente sind daher mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Ein Unterschied besteht nur in der Anordnung der Anzeigeelektroden. Hier besteht die obere Elektrode 11 aus einer dünnen, transparenten Schicht aus leitfähigem Material wie Zinnoxid, die auf die Innenfläche der Vorderseite der Anzeigetafel aufgebracht ist. Die unteren Flplctrnrfpn bestehen aus einzelnen F.lektrodenflecken 12 aus elektrisch leitendem Material, das auf die untere Innenfläche der Anzeigetafel in entsprechendem Muster aufgebracht ist Jeder Elektrodenfleck 12 ist durch die Unterfläche der Anzeigetafel mit einem entsprechenden Transistor 13 verbunden. In der Zeichnung sind diese Transistoren als Feldeffekttransistoren dargestellt, sie können aber auch bipolare Transistoren sein. Die Steuerelektroden aller Transistoren 13 einer Zeile sind an eine gemeinsame Zeilenleitung 14 angeschlossen, und diese Zeilenleitungen 14 sind mit entsprechenden Transistoren 6 verbunden. Die Transistoren 6 sind in gleicher Weise wie in dem Äusführungsbeispiel nach F i g. 2 mit einem Impulsgenerator 7 und mit einer Verteilerschaltung 8 verbunden. Die Source-Elektroden aller Transistoren 13 einer Spalte sind an eine gemeinsame Spaltenleitung 15 angeschlossen. Bistabile Schaltkreise 5 sind vorgesehen, um entsprechende Spaltenleitungen 15 zu erregen, wenn sie im bistabilen Zustand »1« sind, damit die Spaltenleitung 15 mit einem konstanten Strom versorgt werden kann. Die obere Elektrode 11 ist an eine Spannungsquelle V angeschlossen. In der Betriebsweise unterscheiden sich die beiden Beispiele der F i g. 2 und 3 nicht voneinander. Der einzige unterschied besteht in der Ausführungsform von Anzeigepunkten, die in einem Falle durch Leitungskreuzungen der Elektroden gebildet werden, und im zweiten Falle durch die Elektrodennecke 12, die sich unterhalb der als Schicht ausgebildeten oberen Elektrode 11 befinden.

Es wurde ein Verfahren zum Betrieb einei* elektrochromen Anzeigetafel beschrieben, die einen flüssigen Elektrolyten enthält

Die einzelnen Anzeigepunkte werden nacheinander und in zyklischer Reihenfolge mit gleichartigen Stromimpulsen solcher Stärke gespeist, daß die oben definierte Übergangszeit geringer ist als die Übergangszeit für einmalige Stromimpulse mit einer die Erzeugung einer Anzeige bewirkenden Stärke. Die wiederholte Zufuhr dieser Stromimpulse wird fortgesetzt bis die erwünschte Anzeige sich ausgebildet hat

Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens hängt von der Anzahl der Anzeigepunkte und damit auch von der Erholungszeit der elektrolytischen Lösung ab. Mancherlei Faktoren haben daher aber einen Einfluß, wie beispielsweise die Grundkonzentration, der Anteil von Gelöstem in der Lösung und die Eigenschaften des elektrochromen Materials. Es kann aber gesagt werden, daß bereits mit nur zehn Anzeigepunkten oder Gruppen von Anzeigeelektroden eine Verbesserung gegenüber dem bisherigen Verfah-

reri zu erzielen ist, wo itiUr ein Stromimpuls die ganze Darstellung der Anzeige zu erzeugen hat. Da diese Erholungszeit im Einzelfalle empirisch ermittelt werden muß, kann keine Mindestanzah! Von Anzeigepunkten für das erfindungsgemäße Betriebsverfahren im voraus angegeben werden.

'n der Beschreibung wurden ideale Verhältnisse

vorausgesetzt bezüglich der Erzeugung, der Form und der Verteilung der Strornirhpulse. Die angegebenen Zahlen sind jedoch relativ zu verstehen. Sie geben aber eine Aussage über das zu erwartende Ausmaß an Verbesserungen, die durch das neue Betriebsverfahren erzielt werden. Die in der Praxis erzielbaren Zeitwerte müssen nur um wenige Prozent berichtigt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betätigen einer elektrochromen Anzeigetafel, die mit einer elektrochromen Substanz gefüllt ist, welche durch selektive Einwirkung von elektrischen Feldern örtlich ihre optischen Eigenschaften sichtbar zu ändern vermag, mit einer Anzahl von die Lage von Anzeigepunkten oder Zeichen definierenden Elektroden und mit Ansteuerungsschaltungen zum Liefern impulsförmiger Steuerströme für das Auslösen sichtbarer Veränderungen der elektrochromen Substanz, wobei zu einer bestimmten Stromstärke eine gewisse Obergangszeit gehört, die dadurch definiert ist, daß ein ausgelöster sichtbarer Effekt gerade nicht mehr weiter verbessert werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß für die Darstellung einer Anzeige den ausgewählten Elektroden in wiederholter Folge mit dazwischen liegenden Erholungspausen Impu'se von solcher Stromstärke zugeführt werden, daß deren zugehörige Übergangszeit für eine einmalige Einwirkung zu kurz ist, daß ganze derart, daß trotzdem die Gesamtzeit für die Erzeugung der Anzeige nach dem Verfahren geringer ist, als wenn die Anzeige mit einem einzigen Impuls großer Übergangszeit je angesteuerter Elektrode erzeugt worden wäre.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerimpulse den Elektroden bzw. den Gruppen von Elektroden im Zeitmultiplexverfahren zugeführt werden.