DE2733022C2 - Elektrochromes Anzeigeelement - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist der konstruktive Aufbau einer elektrooptischen Anzeigezelle, die ein zwischen zwei mit Elektroden versehenen Substraten eingebrachtes elektrochromes Material enthält. Die Lichtabsorptionseigenschaften solcher Anzeigezellen lassen sich bei Anlegen einer bestimmten Spannung zwischen den Elektroden reversibel ändern. Die Erfindung betrifft ein elektrochromes Anzeigeelement nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Ein solches Anzeigeelement, das aber flüssigkristallines anstelle des elektrochromen Materials verwendet, ist aus der DE-OS 35 542 bekannt.

Unter einem elektrochromen Material wird eine Substanz verstanden, deren Farbe sich bei Anlegen eines elektrischen Feldes oder Zuführen eines Stromes ändert. Beispiele für solche Materialien sind u. a. durch L.A.Goodman in dem Aufsatz »Passive Liquid Displays« in IEEE Transactions on Consumer Electronics. Bd. CE-24,1975, S. 247 - 259, beschrieben.

Es gibt zwei unterschiedliche Arten von elektrochromen Anzeigen, nachfolgend als I-.CD-I-Iemcntc oder ECD-Anzeigen bezeichnet (ECD = Electrochromic Display). Die erste Art dieser ECD-Elemente enthält einen auf Elektroden ausgebildeten anorganischen festen Film und die Farbänderungen werden durch Änderungen der Lichtdurchlässigkeit oder Pazität erzeugt. Bei der zweiten Art von ECD-Elementen entsteht durch eine elektrisch induzierte chemische Reduktion einer farblosen Flüssigkeit ein farbiger unlöslicher Film auf einer Kathodenoberfläche.

Bei herkömmlichen ECD-Elementen werden zwei plattenförmige Substrate verwendet, auf denen Elektroden ausgebildet sind. Diese beiden plattenförmigen Substrate sind mittels eines Abstandsstückes miteinander verbunden. Die Herstellung solcher Elemente ist relativ kompliziert, und es ist äußerst schwierig, den erforderlichen sehr genauen Abstand zwischen den beiden Substraten exakt einzuhalten (US-PS 38 27 784).

In der nicht vorveröffentlichten DE-OS 27 17 590 ist bereits vorgeschlagen, das eine Substrat einer elektrochromen Anzeigezelle, nämlich eine Deckplatte, schalenförmig auszubilden. Die von der flachen Trägerplatte abweichende Gestaltung der Deckplatte soll dem Zweck dienen, Sprünge auf Grund von Wärmespannungen zu vermeiden, wie sie bei der dort vor allem für elektronische Uhren beschriebenen Anzeigevorrichtung häufiger auftreten können. Bei der in dieser Schrift vorgeschlagenen Anzeigevorrichtung tritt das Problem einer genauen Einhaltung des Abstands zwischen einer Gegenelektrode und einer Anzeigeelektrode deshalb nicht auf, weil die Elektroden ausschließlich auf der Grundplatte aufgetragen sind. Die schüsseiförmige Deckplatte weist am Rand eine durchgehende Nut als Füllöffnung auf und ist mit dem flachen Substrat durch ein elektrisch isolierendes und dichtendes Material verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrochromes Anzeigeelement der eingangs genannten Art zu schaffen, das sich durch seine konstruktive Gestaltung leicht herstellen läßt und den Anschluß an eine Treiberschaltung erleichtert.

Die Lösung dieser technischen Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale im Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Schutz wird jeweils nur für die Gesamtheit der Merkmale in den Ansprüchen beansprucht.

Bei der Erfindung ist der Schüsselrand mit wenigstens einer von der Peripherie ein Stück nach innen verlaufenden Nut versehen, die im Verbund der beiden Substrate mit einem leitenden Material gefüllt ist, um die elektrische Verbindung zwischen der Gegenelektrode auf dem schüsseiförmigen Substrat und dem Außenanschluß zu erleichtern, was dadurch möglich ist, daß die Umrandung des flachen Substrats über den Schüsselrand hinaussteht und die Anschlüsse für die Elektroden des schüsseiförmigen Substrats auf dem flachen Substrat ausgebildet sind. Der Rand des schüsseiförmigen Substrates ist mit einer weiteren Nut versehen, durch die der Elektrolyt in den Hohlraum zwischen den beiden Substraten eingedrückt wird.

Das Überführen einer Elektrode auf einer ersten Substratplatte auf eine zweite Substratplatte ist für Flüssigkristallanzeigen mit zwei plattenförmigen Substraten bereits aus der DE-OS 22 40 781 bekannt. Die beiden b5 plattenförmigen Substrate sind über Abstandshalter voneinander getrennt. An einen Abstandshalter schließt sich außerhalb der Zelle ein elektrisch leitendes Füllmaterial an, das eine Klcktrode vom ersten Substrat auf das

zweite überträgt. Ein schalenförmiges Substrat ist in dieser Schrift nicht beschrieben und demgemäß auch keine von der Peripherie ein Stück nach innen verlaufende Nut, in die das elektrisch leitende Füllmaterial eingefüllt wird.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung in beispielsweisen Ausführungsformen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 in einer schematischen Schnittansicht den grundsätzlichen Aufbau eines Festkörper-ECD-Anzeigeelements:

Fig.2 den grundsätzlichen Aufbau eines Flüssig-ECD-Anzeigeelements;

F i g. 3 die Schnittdarstellung einer Ausführungsform einer ECD-Zelle erfindungsgemäßer Bauart;

Fig.4 die Schnittdarstellung einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen ECD-Zelle;

Fig.5 die Perspektivansicht eines schalen- oder schüsseiförmigen Substrats, das bei einer ECD-Zelle erfindungsgemäßer Bauart Verwendung fin Jet;

F i g. 6 die Teilschnittansicht zur Verdeutlichung einer Nut bei dem schüsseiförmigen Substrat nach F i g. 5 zur Herstellung einer elektrischen Verbindung;

F i g. 7 die Teilschnittansicht einer anders gestalteten Nut zum Eindrücken eines Elektrolyten in den durch das schüsseiförmige Substrat nach F i g. 5 begrenzten Hohlraum;

Fig.8 die Draufsicht auf das schüsseiförmige Substrat nach F i g. 5 von unten;

F i g. 9 die Schnittdarstellur.g einer ECD-Zelle, bei der ein schüsseiförmiges Substrat etwa nach F i g. 5 Verwendung findet und

Fig. 10 das Layout eines typischen Segmentmusters für eine elektrochrome Anzeigezelle mit erfindungsgemäßen Merkmalen.

Zunächst wird unter Bezug auf die F i g. 1 und 2 der grundsätzliche Aufbau von zwei möglichen Arten von ECD-Elementen beschrieben:

Bei dem Festkörper-ECD-Element nach Fig. 1 wird die Farbänderung durch Änderung der Opazität eines anorganischen festen Films erreicht, der mit den Anzeigeelektroden verbunden ist und etwa aus dem Oxid eines Übergangsmetalls besteht. Die mit Bezugshinweis 10 gekennzeichnete Gegenelektrode besteht aus durchsichtigem Indiumoxid, das als elektrisch leitender Film beispielsweise in einem herkömmlichen Vakuumverdampfungsverfahren oder als sogenannter NESA-FiIm aufgebracht ist, wobei im letztgenannten Fall S„O2 ebenfalls in herkömmlicher V/eise durch ein Vakuumverdampfungsverfahren oder durch ein Sprühverfahren aufgebracht wird, um hier insbesondere den sogenannten Übergangsbetriebszustand zu erreichen. Die Gegenelektrode kann auch durch eine Schicht eines Edelmetalls wie Platin und Palladium oder auch aus Graphit ersetzt sein. Ein Substrat 12 kann aus Glas, Kunststoff, Metall, Keramik usw. bestehen. Die ECD-Zelle umfaßt weiterhin ein Abstandsstück 14, eine Transparentelektrode 16, ein Glassubstrat 18, einen anorganischen festen Film 20, an dem das elektrochrome Phänomen auftritt sowie einen Elektrolyten 22. Als Material für den anorganischen Film 20 wird meistens Wolframoxid (WO)) in einer Schichtdicke von etwa 1 μπι verwendet. Der Elektrolyt 22 besteht iäus einer Mischung von Schwefelsäure, einem organischen Alkohol, etwa Glyzerin und einem feinen weißen Pulver, etwa TiOj. Der Alkohol dient zur Verdünnung der Säure und das Pigment aus T1O2 bildet einen weißen reflektierenden Hintererund für das Phänomen der Kolorierung.

Der amorphe WOj-FiIm 20 verfärbt sich blau, wenn die lichtdurchlässige Elektrode 16 in bezug auf die Gegenelektrode 10 mit einem negativen Potential beaufschlagt wird. Die zuzuführende Spannung beträgt inch's rere Volt Die Blaufärbung verschwindet wenn der WG3-Film 20 wiederum in den lichtdurchlässigen Zustand zurückkehrt d. h., wenn die Polarität der zugeführten Spannung umgekehrt wird. Dieser Vorgang wird auch als »Bleichen« bezeichnet

Die Verfärbung des Films entsteht offensichtlich dadurch, da Elektronen oder Protonen in den WO₃-FiIm injiziert werden. Das Bleichen entsteht andererseits dadurch, daß die Elektronen bzw. Protonen in ihren Ausgangszustand zurückkehren, sobald die Polarität umgekehrt wird. Der Farbzustand kann für mehrere Tage aufrechterhalten werden, auch wenn die Färbungsspannung entfernt wird, solange keine Bleichspannung zugeführt wird. Dieses Phänomen wird als »Speicherfunktion« bezeichnet.

Bei dem Flüssig-ECD-Element nach Fig.2 entsteht die Kolorierung durch eine elektrisch induzierte chemische Reduktion einer farblosen Flüssigkeit, die zu einer Verfärbung des unlöslichen Films auf der Kathodenoberfläche führt. Bei Abwesenheit von Sauerstoff verbleibt der gefärbte Film unverändert, solange kein Strom fließt. Die Verfärbung verschwindet jedoch allmählich bei Anwesenheit von Sauerstoff. Dieses Phänomen wird als »Fading« bezeichnet. Bei einer Umkehrung der anliegenden Spannung löst sich der Film in der Flüssigkeit auf und gleichzeitig verschwindet die Farbe. Als farblose Flüssigkeit, die die gestellten Anforderungen befriedigend erfüllt, wurde bisher eine wäßrige Lösung eines leitenden Salzes, z. B. KBr, und eines organischen Materials, z. B. Heptylviologenbromid verwendet.

Typische Betriebsspannungen liegen bei etwa 1,0 Volt.

Die ECD-Zelle dieses Aufbaus umfaßt ein Glassubstrat 24, eine Gegenelektrode 26, Anzeigeelektroden 28, eine flüssige Viologenmischung 30 sowie ein Abstandsstück 32.

Ergänzend zu den beschriebenen Arbeitsprinzipien von ECD-Zellen sei noch auf die folgenden vorteilhaften und charakteristischen Eigenschaften hingewiesen:

1. Der Sicht- oder Abstrahlwinkel ist extrem weit;
2. eine Mehrzahl von Farben ist wählbar;

3. für einen einzigen Betriebszyklus Färben/Bleichen beträgt die Verlustleistung mehrere bis mehrere zehn mj/cm², wobei die gesamte Verlustleistung proportional ist zur Anzahl der Wiederholungszyklen;

4. es lassen sich Speichereffekte erreichen, durch die der Färbungszustand für mehrere Stunden bis zu mehreren Tagen aufrechterhalten werden kann, nachdem die Färbungsspannung abgeklemmt wur-

^r)5 de, solange die ECD-Zellen in einem elektrisch offenen Zustand gehalten werden. Für die Speicherwirkung wird keinerlei extern zuzuführende Leistung benötigt.

bo Bei den soweit beschriebenen ECD-Zellen muß der Abstand zwischen der Anzeigeelektrode und der Gegenelektrode außerordentlich genau eingestellt und fixiert werden, um eine möglichst gute Sichtbarkeit bzw. einen guten Kontrast sicherzustellen. Der bevorzugte

b^r> Abstand beträgt 0,1 bis 3,0 mm.

Um diesen genau festgelegten Abstand zwischen der Anzeigeelektrode und der Gegenelektrode sicherzustellen, wird eines der Substrate in Form einer Schale

oder einer flachen Schüssel ausgebildet und die Substrate werden am Rand des schüsseiförmigen Substrats miteinander verbunden.

Die F i g. 3 verdeutlicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen ECD-ZeIIe, bei der ein W03-Film als anorganischer Festkörperfilm verwendet wird.

Ein durchsichtiger leitender Indiumoxidfilm 42 und ein WOj-FiIm 44 sind auf einem flachen Substrat 46, beispielsweise aus Sodaglas aufgebracht. Ein Gegensubstrat 40 besteht aus Glas, Keramik, Metall oder Kunststoff und weist die erwähnte Schüsselform auf, die mittels einer herkömmlichen Wärmebehandlung oder einer mechanischen Behandlung gewonnen wird. Ein lichtdurchlässiger leitender Indiumoxidfilm 54 und ein \VO3-Film 52 sind auf der Innenfläche des schüsselförmigen Substrats 40 aufgebracht. Dieses Substrat 40 ist mit dem flachen Substrat 46 mittels eines Klebemittels 48 (beispielsweise R2401 und HC-11, hergestellt durch Somal Kogyo KK) fest miteinander verbunden. Nach dem Verbinden ist ein Elektrolyt 50 in den durch das flache Substrat 46 und das damit verklebte schüsseiförmige Substrat 40 umgrenzten Hohlraum eingedrückt worden.

Die Fig.4 zeigt eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen ECD-ZeIIe, bei der eine farblose Flüssigkeit verwendet wird, die ein EC-Material, etwa Heptylviologenbromid enthält und bei der die Verfärbung durch eine elektrisch induzierte chemische Reduktion ausgelöst wird.

Diese ECD-Zelle nach F i g. 4 umfaßt ein flaches Glassubstrat 58, einen lichtdurchlässigen leitenden NE-SA-FiIm 60 auf dem flachen Glassubstrat 58, einen isolierenden Film 62, einen Klebefilm 64, ein schüsseiförmiges Glassubstrat 40, einen lichtdurchlässigen leitenden NESA-FiIm 66 auf der Innenfläche des schüsselförmigen Glassubstrats 40 sowie im Innenraum ein Heptylviologenbromid-Gemisch 70.

Ersichtlicherweise wird bei den Ausführungsformen nach den Fig. 3 und 4 kein Abstandsstück benötigt, um den Innenraum für den Elektrolyten festzulegen.

Die Fi g. 5 bis 8 zeigen das schüsseiförmige Substrat 40 in Einzelheiten:

Am Rand oder am aufragenden Abschnitt des schüsseiförmigen Substrats 40 sind vier Nuten 72, 74, 76 und 78 ausgebildet. Die F i g. 6 zeigt insbesondere die Gestaltung der Nut 72. Eine weitere Nut 80 ist ebenfalls am Rand des Substrats 40 vorgesehen. F i g. 7 zeigt die Form der Nut 80, durch die der Elektrolyt in den Hohlraum zwischen den Substraten eingedrückt wird. Die Fig. 8 verdeutlicht die Innenfläche des schüsselförmigen Substrats 40. Auf der inneren Oberfläche des schüsseiförmigen Substrats 40 sind Bezugs- oder Referenzclcktrodcn JJO und Ji2 sowie eine Gegenelektrode f 14 ausgebildet Die Nut 72 ist der Referenzelektrode 110 und die Nut 78 der Referenzelektrode 112 zugeordnet, während die Nuten 74 und 76 mit der Gegenelektrode 114 in Verbindung stehen.

Die F i g. 9 zeigt die Schnittdarstellung eines Festkörper-ECD-Elements unter Verwendung des erfindungsgemäßen schüsseiförmigen Substrats 40. Die Zeichnung läßt insbesondere erkennen, wo die Nut 72 vorzusehen ist

Ein WO3-Film 84 und ein lichtdurchlässiger leitender Indiumoxidfilm 86 sind auf der inneren Oberfläche eines schüsseiförmigen Glassubstrats 40 aufgebracht Der WO₃-RIm 84 und der Indiumoxidfilm 86 dienen als Referenzelektrode 110 (vgl. Fig. 8). Ein weiterer WOi-FiIm 96 und ein Indiumoxidfilm 98 sind auf ein flaches Glassubstrat 94 aufgebracht. Am Rand des flachen Glassubstrats 94 ist ein weiterer Indiumoxidfilm 90 ausgebildet. Die so vorbereiteten beiden Glassubstrate 82 und 94 sind miteinander durch eine Klebeschicht 92 verbunden, die dem Typ SE 1700, hergestellt und vertrieben durch die Firma Toray Silicone KK entspricht.

Nach Aushärten der Kleberschicht 92 ist ein Elektrolyt 100 durch die Nut 80 in den Innenraum eingebracht worden. Der Elektrolyt 100 enthält ;'-Butyrolacton und Litiumperchlorat. Nach dem Einbringen des Elektrolyten ist die Nut 80 durch ein Metall, etwa In, Pb oder ein geeignetes Harz verschlossen worden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Nut 80 trichterartig abgeschrägt ausgebildet, um ein Eindringen des Verschlußmaterials in den Innenraum der Zelle zu verhindern.

in die Nut 72 ist ein leitfähiges Kiebemateriai 88 so eingefüllt, daß die Referenzelektrode 110 bzw. der Indiumoxidfilm 86 kontaktiert werden. Der auf dem flachen Glassubstrat 94 ausgebildete Indiumoxidfilm 90 ist ebenfalls mit dem leitenden Klebstoff 88 verbunden, so daß der Anschluß für die Referenzelektrode 110 auf dem flachen Glassubstrat 94 gegeben ist. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Anschlüsse für die Gegenelektrode und die Referenzelektroden, die auf der Innenfläche des schüsseiförmigen Glassubstrats 40 ausgebildet sind, auf dem flachen Glassubstrat 94 liegen.

Um hier eine technisch günstige Lösung zu erreichen, ist die Außenumrandung des flachen Glassubstrats 94 etwas größer gewählt als die des schüsseiförmigen Substrats 40, so daß die Elektroden 90 und 98 geringfügig über die Umrandung des schüsseiförmigen Substrats 40 hinausstehen, um den elektrischen Anschluß der ECD-Zelle an eine Treiberschaltung zu erleichtern.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegen die Anschlüsse für die Gegenelektrode und die Referenzelektroden an den Längskanten der ECD-Zelle, während die Anschlüsse für die Anzeigesegmente entlang der Seitenkanten der Zelle angeordnet sind. Die F i g. 10 zeigt ein typisches Segmentmuster. Die äußeren Anschlüsse 104 sind mit den einzelnen Anzeigesegmentelektroden a bis g über Zuführungen 102 verbunden. Die Anschlüsse 104 der Zuführungen 102 zu den Anzeigesegmentelektroden a bis g sind auf dem flachen Glassubstrat 94 ausgebildet.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Elektrochromes Anzeigeelement, mit zwei auf festgelegten Abstand voneinander Fixierten Substraten mit auf deren Innenflächen aufgebrachten, wahlweise ansteuerbaren Elektroden, wobei ein erstes flaches Substrat mit dem zweiten, einen umfangsseitigen Vorsprung als Abstandhalter aufweisenden schüsseiförmigen Substrat einen mit einem Elektrolyten gefüllten Innenraum bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand des zweiten, schüsseiförmigen Substrats (40) wenigstens eine durchgehende Nut (80), die in zusammengebautem Zustand eine Füllöffnung zum Eindrücken des Elektrolyten bildet und wenigstens eine weitere, vom Außenumfang des Randes her eingesenkte Nut (72—78) je Elektrode (110,112,114) auf der Innenfläche des schüsseiförmigen Substrates (40) aufweist, die kürzer ist als die Breite des Randes und im Verbund der beiden Substrate (40) durch ein elektrisch leitfähiges Material (88) ausgefüllt ist, welches die zugehörige Elektrode (110,112,114) auf der Innenfläche des schüsseiförmigen Substrates (40) mit einem Anschlußelement (90) auf einem überstehenden Teil des flachen Substrates verbindet, und daß das zweite schüsseiförmige Substrat (40) mit seinem Rand mit Ausnahme der durchgehenden Nut (80) mit dem ersten Substrat (46; 58; 94) mittels eines Klebemittels (48,64,92) dicht verbunden ist.

2. Anzeigeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Substrate aus Glas bestehen, und daß die Elektroden (42, 44; 54, 52; 98, 96; 86, 84; 111, 112, 114) jeweils aus zwei Schichten bestehen, nämlich einem durchsichtigen, leitenden Film (42,54; 86,98) und einer darüber aufgebrachten anorganischen festen elektrochromen Filmschicht (44; 52; 84; 96).

3. Anzeigeelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ate durchgehende Nut (80) trichterartig abgeschrägt ausgebildet ist, um das Einbringen des Verschlußmaterials in den Innenraum der Zelle zu verhindern.