DE60226221T2 - Elektrochemische pixel-einrichtung - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrochemische Bauteile, insbesondere auf gedruckte elektrochemische Pixelbauteile auf der Grundlage leitfähiger organischer Materialien und elektrochromer Materialien. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Pixelbauteils und auf Matrizen elektrochemischer Pixelbauteile.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Sowohl organische Halbleiter- und Leitermaterialpolymere als auch -moleküle sind in einem breiten Bereich elektronischer Bauteile, z. B. elektrochemische Bauteile, erfolgreich beispielsweise als dynamische Farbmittel in intelligenten Fenstern und in Polymerbatterien enthalten. Reversibles Dotieren und Entdotieren unter Beteiligung mobiler Ionen schalten das Material zwischen unterschiedlichen Redoxzuständen.
  • Halbleiterpolymere werden zur Herstellung von Feldeffekttransistorbauteilen (FET) verwendet. Der Transistorkanal dieser Bauteile enthält das betreffende Halbleiterpolymer und ihre Funktion gründet sich auf Änderungen bei den Ladungsträgereigenschaften des Halbleiterpolymers, die durch ein außen angelegtes elektrisches Feld bewirkt werden. Bei derartigen Transistoren wird das Polymer insofern als herkömmlicher Halbleiter verwendet, als das elektrische Feld Ladungen innerhalb des Polymermaterials lediglich umverteilt. Es wurde ein derartiger Transistor hergestellt, der zur Miniaturisierung geeignet ist und zur Herstellung zur Gänze aus Polymermaterial bestehender integrierter Schaltkreise (PCT-Veröffentlichung WO 99/10939 ) verwendet werden kann. Es wird ein Stapel aus Verbundschichten entweder mit Top-Gate- oder Bottom-Gate-Struktur beschrieben. Ein Transistorbauteil mit einer ähnlichen Architektur, das ebenfalls ein Polymer als Halbleitermaterial in dem Transistorkanal verwendet, wird in der europäischen Patentanmeldung EP-1 041 653 beschrieben.
  • Bei einem weiteren Typ Transistorbauteil auf der Grundlage organischer Materialien werden elektrochemische Redoxreaktionen in dem organischen Material genutzt. Diese Bauteile umfassen einen Elektrolyten und ein leitfähiges Polymer, das zwischen einem oxidierten und einem reduzierten Zustand geschaltet werden kann. Einer dieser Oxidationszustände entspricht dann einer niedrigen Leitfähigkeit, bevorzugt null, in dem Material, wogegen der andere Oxidationszustand einer hohen Leitfähigkeit bezüglich des ers ten Zustands entspricht. Elektrochemische Transistorvorrichtungen sind als Sensoren z. B. zum Nachweis eines Oxidationsmittels in einer Lösung verwendet worden (siehe zu einer Zusammenschau Baughman und Shacklette, Proceedings of the Sixth Europhysics Industrial Workshop (1990), S. 47–61). Weiterhin wird über einen Transistor des elektrochemischen Typs bei Rani et al., J. Solid State Electrochem. (1998), Bd. 2, S. 99–101, berichtet. Die Gate-Elektrodenarchitektur bei diesem Transistor des Standes der Technik ist in 1 dieser Literaturstelle dargestellt.
  • Elektrochrome Materialien zeigen Farbänderungen oder Änderungen der optischen Dichte als Ergebnis elektrochemischer Reduktions- und/oder Oxidationsreaktionen. Ein elektrochromes Material kann entweder als Feststoff vorhanden sein oder als molekulare, neutrale oder ionische Spezies in einer Elektrolytlösung vorliegen. Diese Materialien werden zum Herstellen elektrochromer Zellen verwendet, bei denen der Durchgang elektrischer Ladung in den Materialien Farbänderungen hervorruft. Elektrochrome Zellen werden in elektrochromen Bauteilen unterschiedlicher Art verwendet und zwei Hauptgruppen dieser Bauteile können unterschieden werden. Die beiden Kategorien unterscheiden sich voneinander hauptsächlich in der Anordnung der Elemente der elektrochromen Zelle.
  • Die erste Gruppe elektrochromer Bauteile benützt einen Verbundaufbau und wird bei Anwendungen wie Automobilfenster, Gebäudefenster, Sonnenbrillen, große Plakatwände, Spiegel mit veränderlichem Reflexionsgrad, Schiebedächern usw. verwendet. Bei diesem Typ elektrochromer Bauteile werden kontinuierliche Schichten aus elektrochromem Material und Elektrolyt (sowie andere Schichten aus z. B. Ionenreservoirmaterial) zwischen zwei Elektroden eingeschlossen, die die Schichten aus elektrochromem Material und Elektrolyt vollständig bedecken. Bei dem zu nutzenden elektrochromen Bauteil muss wenigstens eine dieser Elektroden transparent sein, um Licht durch das Bauteil hindurchzulassen. Dieses Erfordernis wird im Stand der Technik durch die Verwendung von Elektrodenmaterialien wie etwa Indium-dotiertes Zinnoxid (ITO), Zinndioxid oder Fluor-dotiertes Zinnoxid erfüllt. Die bei diesen Anwendungen verwendeten elektrochromen Materialien schwanken, beruhen aber oft auf Schwermetalloxiden wie etwa WO3 oder leitfähigen Polymeren wie etwa Polyanilin oder Polypyrrol. Das leitfähige elektrochemische Polymer Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT) wurde viel untersucht und Verbundbauteile, in dieses Polymer eingebaut ist, wurden hergestellt.
  • Die zweite Gruppe elektrochromer Bauteile ist auf das Bereitstellen einer elektrisch aktu alisierbaren Anzeige zur Herstellung auf einem flexiblen Träger gerichtet. Das US-Patent 5 754 329 beschreibt eine derartige Anzeige, bei der die Elektroden des elektrochromen Bauteils in ein und derselben Ebene liegen und mit einer Schicht aus elektrochromem Material zum Erzeugen lokaler Farbeffekte an der Grenzfläche zwischen dem elektrochromen Material und den Elektroden in Kontakt stehen. Die US-5 877 888 stellt eine Weiterentwicklung dieses Bauteils dar und beschreibt eine zweiseitige Anzeige. Die Anordnung der Komponentenschichten des elektrochromen Bauteils ist der des Bauteils des US-Patents 5 754 329 ähnlich, unter Berücksichtigung, dass die Elektroden auf jeder Seite des Anzeigeträgers nur mit elektrochromem Material in Kontakt stehen und das Erzeugen elektrochromer Wirkungen auf die Elektrodenfläche beschränkt ist. Die elektrochromen Materialien, die bei diesen Bauteilen verwendet werden, werden in der US 5 812 300 genau beschrieben.
  • Das aktive Adressieren von Pixelanzeigen wird z. B. von Firester AH in „Active Matrix Technology", Kapitel 5 von „Flat-Panel Display Technologies", Hrsg. Tannas, Glenn, Doane et al., 1995 (ISBN 0-8155-1387-9) beschrieben. Der Stand der Technik auf diesem Gebiet kann weiterhin durch die US-Patente 6 157 356 , 6 023 259 und 6 072 517 dargestellt werden. Aktivmatrix-betriebene OLED-Anzeigen (organische, lichtaussendende Anzeigen) wurden z. B. von Philips and Cambridge Display Technology (CDT) hergestellt. Parallel dazu wurde im Zusammenhang mit den vorstehenden Transistoren festgestellt, dass die bei all diesen Anwendungen verwendeten Transistoren beim Einsetzen eines Polymermaterials das Polymermaterial als herkömmlichen Halbleiter einsetzen.
  • Probleme bei den Pixelmatrizen in den Anzeigen des vorstehend angeführten Stands der Technik schließen die Tatsache ein, dass sie schwierig und kostspielig herzustellen sind. Insbesondere wurden keine elektrochemischen Pixelbauteile offenbart, die wirklich massenhaft hergestellt werden können. Weiterhin ist die praktische Verwendung der Pixelelemente in Bauteilen des Stands der Technik durch ihre vergleichsweise hohe Leistungsaufnahme erschwert. Ferner leiden in Bauteilen des Stands der Technik verwendete Materialien an einem Fehlen von Umweltfreundlichkeit, Verarbeitbarkeit und wirtschaftlichen Herstellungsmöglichkeiten. Es besteht daher ein Bedürfnis nach neuen und verbesserten Pixelbauteilen zur Einarbeitung in Matrizen, die in Anzeigen verwendet werden können.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Einer der Gegenstände der vorliegenden Erfindung ist damit das Erfüllen dieses Bedürf nisses durch Fortentwickeln des Stands der Technik elektrochemischer Pixelbauteile und durch Bereitstellen eines Bauteils mit Handhabungs-, Herstellungs-, Entsorgungs- und anderen Eigenschaften, die denen des Stands der Technik überlegen sind.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines elektrochemischen Pixelbauteils, das auf einen breiten Bereich unterschiedlicher starrer oder flexibler Substrate durch herkömmliche Druckverfahren aufgebracht werden kann.
  • Noch ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines umweltverträglichen elektrochemischen Pixelbauteils, so dass die Entsorgung des Bauteils zusammen mit irgendeinem Träger, auf den es aufgebracht wurde, nicht zu Handhabungsproblemen führt und dass der Verwendung des Bauteils keine Sicherheitsbeschränkungen auferlegt werden müssen.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen einer aktiv adressierten Matrixanzeige, die eine vielfältige und leichte Konstruktion bietet und eine gute Bildqualität ermöglicht.
  • Noch ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist das Ermöglichen neuer Anwendungen leitfähiger organischer Materialien unter Ausnützen mehrerer verschiedener Eigenschaften derartiger Materialien in Kombination.
  • Ein weiterer Erfindungsgegenstand ist das Bereitstellen von Verfahren zur Herstellung derartiger Bauteile, wobei die Verfahren herkömmliche Druckverfahren oder andere Auftragsverfahren nützen, die wohlbekannt, verhältnismäßig wohlfeil und leicht zu vergrößern sind.
  • Die vorstehend angeführten Gegenstände werden durch die in den unabhängigen Ansprüchen definierte Erfindung erreicht. Spezielle Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Außerdem weist die vorliegende Erfindung andere Vorteile und Merkmale auf, die aus der nachstehenden genauen Beschreibung deutlich werden.
  • Somit wird ein elektrochemisches Pixelbauteil bereitgestellt, das die folgenden Komponenten umfasst:
    • (A) ein elektrochemisches Transistorbauteil umfassend einen Source-Kontakt; einen Drain-Kontakt; wenigstens eine Gate-Elektrode; ein zwischen und in direktem elektrischen Kontakt mit den Source- und Drain-Kontakten angeordnetes elektrochemisch aktives Element, wobei das elektrochemisch aktive Element einen Transistorkanal umfasst und aus einem Material besteht, das ein organisches Material mit der Fähigkeit, seine Leitfähigkeit durch Wechseln dessen Redoxzustands elektrochemisch zu verändern, umfasst; und einen festen Elektrolyten in direktem elektrischem Kontakt mit dem elektrochemisch aktiven Element und der wenigstens einen Gate-Elektrode, der sich derart dazwischen befindet, dass ein Elektronenfluss zwischen dem elektrochemisch aktiven Element und der (den) Gate-Elektrode(n) verhindert wird, wobei der Elektronenfluss zwischen dem Source-Kontakt und Drain-Kontakt mittels einer an die Gate-Elektrode(n) angelegten Spannung steuerbar ist, und
    • (B) ein elektrochromes Bauteil umfassend wenigstens ein elektrochromes Element, das (i) wenigstens ein Material, das in wenigstens einem Oxidationszustand elektrisch leitend ist, und (ii) wenigstens ein elektrochromes Material umfasst, wobei die Materialien (i) und (ii) gleich oder verschieden sein können; wenigstens eine Schicht eines festen Elektrolyten in direktem elektrischen Kontakt mit dem elektrochromen Element; und wenigstens zwei Elektroden, die an das Anlegen einer Spannung dazwischen angepasst sind, wobei jede Elektrode in direktem elektrischem Kontakt mit einer aus der (den) Elektrolytschicht(en) und dem elektrochromen Element ausgewählten Komponente steht,
    wobei in dem Pixelbauteil einer der Source- und Drain-Kontakte des elektrochemischen Transistorbauteils A in elektrischem Kontakt mit einer der Elektroden des elektrochromen Bauteils B steht.
  • Somit beruht die Erfindung auf dem Befund, dass ein so genanntes „intelligentes Pixel" [„smart pixel"], das eine Kombination eines Transistors und einer Farbzelle umfasst, durch die vorstehend beschriebenen neuen Komponenten aufgebaut werden kann. In Abhängigkeit von den elektrochemischen Eigenschaften der in dem elektrochemischen Transistorbauteil A und dem elektrochromen Bauteil B verwendeten genauen Materialien, kann das elektrochrome Bauteil B entweder mit den Source- oder Drain-Kontakten des elektrochemischen Transistorbauteils A verbunden sein. Das elektrochemische Pixelbauteil ist darin von Vorteil, dass eine an die elektrochrome Anzeige B zum Färben oder Entfärben des elektrochromen Elements angelegte Spannung durch Steuern der Gate-Spannung des elektrochemischen Transistorbauteils A moduliert werden kann.
  • Diese vorteilhafte Eigenschaft des elektrochemischen Pixelbauteils der Erfindung macht es zur Konstruktion von Matrixverbänden aus derartigen Pixeln geeignet. Die elektrochemischen Pixelbauteile der Erfindung können somit zum Bilden einer Matrix verwendet werden, die auf eine an sich in der Technik bekannte Weise aktiv adressiert werden kann.
  • Elektrochemisches Transistorbauteil A:
  • Die Architektur des elektrochemischen Transistorbauteils A in dem erfindungsgemäßen elektrochemischen Pixelbauteil ist darin von Vorteil, dass sie die Herstellung eines schichtförmigen Transistorbauteils mit nur einigen Schichten mit zum Beispiel einer bemusterten Schicht aus ein leitfähiges organisches Material umfassendem Material ermöglicht, wobei die Schicht sowohl Source- und Drain-Kontakte und die Gate-Elektrode(n) als auch das elektrochemisch aktive Element umfasst. Die Source- und Drain-Kontakte und das elektrochemisch aktive Element sind dann bevorzugt aus einem kontinuierlichen Stück des Materials gebildet. Die Source- und Drain-Kontakte können wahlweise aus einem anderen elektrisch leitfähigen Material in direktem elektrischem Kontakt mit dem elektrochemisch aktiven Element gebildet sein. Die Gate-Elektrode(n) können auch aus einem anderen elektrisch leitfähigen Material sein. Zum Bereitstellen der notwendigen elektrochemischen Reaktionen, wodurch die Leitfähigkeit bei dem aktiven Element geändert wird, wird ein fester Elektrolyt so angeordnet, dass er in direktem elektrischem Kontakt sowohl mit dem aktiven Element als auch der (den) Gate-Elektrode(n) steht.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind sowohl die Source- und Drain-Kontakte und Gate-Elektrode(n) als auch das aktive Element alle in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, was die Herstellung des Bauteils durch gewöhnliche Druckverfahren weiter vereinfacht. Somit verwendet das elektrochrome Bauteil gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung eine horizontale Bauteilarchitektur. Eine Schicht aus festem Elektrolyt kann vorteilhafterweise so aufgetragen werden, dass sie zumindest teilweise sowohl die Gate-Elektrode(n) bedeckt als auch das elektrochemisch aktive Element bedeckt. Diese Schicht aus festem Elektrolyt kann zum Teil in Abhängigkeit davon, welcher der beiden Haupttypen der Transistorarchitekturen ausgeführt werden soll (siehe nachstehend), kontinuierlich oder unterbrochen sein.
  • Das elektrochemische Transistorbauteil A in dem erfindungsgemäßen elektrochemischen Pixelbauteil erlaubt die Steuerung des Elektronenflusses zwischen den Source- und Drain-Kontakten und damit eine Steuerung des Stroms durch das elektrochemische Element des elektrochromen Bauteils B. Die Leitfähigkeit des Transistorkanals des elektrochemisch aktiven Elements kann Wechseln des Redoxzustands des organischen Materials darin verändert werden. Dies wird durch Anlegen einer Spannung an die Gate-Elektrode(n) bewerkstelligt, was ein elektrisches Feld in dem Elektrolyten erzeugt. An der Kontaktfläche zwischen dem Elektrolyten und dem elektrochemisch aktiven Element finden elektrochemische Reaktionen statt, die die Leitfähigkeit des organischen Materials ändern. Das organische Material in dem Transistorkanal wird als Ergebnis der Redoxreaktionen entweder von einem leitenden Zustand in einen nichtleitenden Zustand verändert oder es wird von einem nichtleitenden in einen leitenden Zustand verändert.
  • Wie vom Fachmann leicht erkannt wird und in Analogie zu herkömmlichen Feldeffekttransistoren kann das elektrochemische Transistorbauteil A in dem elektrochemischen Pixelbauteil der Erfindung durch Kurzschließen der Gate-Elektrode und des Source-Kontakts oder der Gate-Elektrode und des Drain-Kontakts leicht dazu veranlasst werden, als Diode zu arbeiten. Jede Konfiguration des elektrochemischen Transistorbauteils A kann auf diese Weise als Diode verwendet werden.
  • In Abhängigkeit von der genauen Bemusterung des leitfähigen organischen Materials und des Elektrolyten kann das elektrochemische Transistorbauteil A in dem elektrochemischen Pixelbauteil der Erfindung entweder vom bistabilen oder dynamischen Typ sein. Bei der Ausführungsform eines bistabilen Transistors führt eine an die Gate-Elektrode(n) angelegte Spannung zu einer Leitfähigkeitsänderung in dem Transistorkanal, die aufrecht erhalten wird, wenn der äußere Stromkreis unterbrochen wird, d. h. wenn die angelegte Spannung abgebaut wird. Die durch die angelegte Spannung ausgelösten elektrochemischen Reaktionen können nicht rückgängig gemacht werden, da das elektrochemisch aktive Element und die Gate-Elektrode(n) mit einander nicht in direktem elektrischem Kontakt stehen, sondern durch Elektrolyt getrennt sind. Bei dieser Ausführungsform kann der Transistorkanal durch Anwenden nur kleiner transienter Gate-Spannungen zwischen nichtleitenden und leitenden Zuständen geschaltet werden. Der bistabile Transistor kann tagelang und im bevorzugtesten, idealen Fall unbegrenzt in einem herbeigeführten Redoxzustand gehalten werden.
  • Auf diese Weise bietet die bistabile Ausführungsform des elektrochemischen Transistorbauteils A darin eine Speicherfunktion, dass es möglich ist, den Transistor unter Anwenden nur eines kurzen, an die Gate-Elektrode angelegten Spannungsimpulses an- und auszuschalten. Der Transistor verbleibt in dem leitenden oder nichtleitenden Redoxzustand, selbst nach dem die angelegte Spannung abgebaut wurde. Ein weiterer Vorteil bei derartigen bistabilen Transistoren ist, dass ein fast Nullleistungsbetrieb ermöglicht wird, da die an das Gate angelegten, kurzen Spannungsimpulse nicht größer als ein Bruchteil der zum Betrieb eines entsprechenden dynamischen Bauteils benötigten Gate-Spannungen zu sein brauchen.
  • Bei der dynamischen Ausführungsform des elektrochemischen Transistorbauteils A wird die Änderung des Redoxzustands des Materials nach dem Abbauen der Gate-Spannung spontan rückgängig gemacht. Diese Umkehr wird durch das Bereitstellen eines Redoxsenkenvolumens neben dem Transistorkanal in dem elektrochemisch aktiven Element erhalten. Ferner wird eine zweite Gate-Elektrode bereitgestellt und so angeordnet, dass sich die beiden Gate-Elektroden an jeder Seite des elektrochemisch aktiven Elements, eine näher zum Transistorkanal und die andere näher zu dem Redoxsenkenvolumen befinden. Beide Gate-Elektroden sind durch den Elektrolyten von dem elektrochemisch aktiven Element getrennt. Das Anlegen einer Spannung zwischen den beiden Gate-Elektroden führt dazu, dass das elektrochemisch aktive Element polarisiert wird, wodurch Redoxreaktionen stattfinden, bei denen das organische Material in dem Transistorkanal reduziert wird, während das organische Material in dem Redoxsenkenvolumen oxidiert wird oder umgekehrt. Da der Transistorkanal und das Redoxsenkenvolumen in direktem elektrischem Kontakt miteinander stehen, führt der Abbau der Gate-Spannung zu einer spontanen Umkehr der Redoxreaktionen, so dass die Anfangsleitfähigkeit des Transistorkanals wiederhergestellt wird. Es muss betont werden, dass im Gegensatz zu elektrochemischen Transistoren des Stands der Technik von dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasste dynamische Transistoren ohne die Notwendigkeit einer Umkehrspannung zum Anfangszustand der Leitfähigkeit zurückkehren.
  • Elektrochromes Bauteil B:
  • Das elektrochrome Bauteil B in dem erfindungsgemäßen elektrochemischen Pixelbauteil umfasst ein elektrochromes Element in direktem elektrischem Kontakt mit einem Elektrolyten. Wenigstens zwei Elektroden einer Spannungsversorgung befinden sich in direktem elektrischem Kontakt mit entweder dem Elektrolyten oder elektrochromen Element, um die Zufuhr von Ladungsträgern für elektrochemische Färbe- oder Entfärbungsreaktionen zu ermöglichen. Die Elektroden können aus demselben Material wie das elektrochrome Element gebildet sein. Der Kontakt von Elektroden zu dem elektrochromen Element, entweder direkt oder über einen Elektrolyten, kann durch eine horizontale oder vertikale Anordnung in Abhängigkeit von der Ausführung des erfindungsgemäßen elektrochemischen Pixelbauteils hergestellt werden.
  • Bei einer Ausführungsform wird ein elektrochromes Bauteil B des elektrochemischen Pixelbauteils bereitgestellt, bei dem die Elektroden nebeneinander in einer Ebene angeordnet sind. Die Elektroden bilden dann eine Elektrodenschicht, die auf herkömmliche Weise auf einen Träger aufgetragen und auf jede gewünschte Weise bemustert werden kann. Wenn diese Elektrodenanordnung angewendet wird, sind die mit dem Elektrolyt oder elektrochromen Element gebildeten Verbindungen bevorzugt mit nur einer Schicht des Elektrolyten oder elektrochromen Elements ausgeführt. Wahlweise ist eine der Elektroden seitlich in Bezug auf das elektrochrome Element angeordnet, während eine zweite Elektrode darunter angeordnet ist, die durch den Elektrolyten von dem elektrochromen Element getrennt ist. Ein derartiger vertikaler Aufbau kann bei der Konstruktion elektrochemischer Pixelbauteile von Vorteil sein, da bei dieser Anordnung mehrere Komponenten des elektrochromen Bauteils, ausgenommen selbstverständlich das elektrochrome Element, vor dem Betrachter verborgen werden können. Diese Anordnung des elektrochromen Elements oben auf dem Elektrolyten und zweiten Elektrode ist im Zusammenhang mit einer Matrix aus einer Mehrzahl elektrochemischer Pixelbauteile besonders vorteilhaft, wobei die Matrix eine Pixelanzeige bildet. Die Tatsache, dass der Hauptteil der sichtbaren Fläche einer derartigen Anzeige aus elektrochromen Elementen besteht, ergibt eine maximale Bildqualität und Deutlichkeit. Ferner wird die Konstruktion einer Matrix eines elektrochemischen Pixelbauteils durch diese vertikale Anordnung der Elektroden des elektrochromen Bauteils B erleichtert, da weniger Kreuzungen von Leitungen unter einander vorgesehen werden müssen. Dieser Aspekt der Auslegung des elektrochromen Bauteils B des elektrochemischen Pixelbauteils der Erfindung wird nachstehend genauer erörtert.
  • Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung liegt der Elektrolyt in dem elektrochromen Bauteil B in Form einer kontinuierlichen Schicht vor, was zu einem dynamischen Bauteil führt, bei dem das Anlegen einer Spannung zu einer Farbänderung führt, die beim Abbauen der Spannung rückgängig gemacht wird. Bei anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein elektrochromes Bauteil bereitgestellt, bei dem der Elektrolyt zwischen Elektroden bemustert ist. Die Ionenleitung in diesem Bauteil wird dann unterbrochen, so dass das Anlegen einer Spannung an die elektrochemische Zelle des Bauteils zu Reduktions- und Oxidationsreaktionen führt, die beim Abbauen der Spannung nicht rückgängig gemacht werden. Auf diese Weise wird durch diese akkumulator ähnlichen Eigenschaften derartiger Ausführungsformen des Bauteils ein bistabiles Schalten zwischen Zuständen ermöglicht.
  • Bei Ausführungsformen der Erfindung wird ein elektrochromes Bauteil bereitgestellt, das wenigstens ein weiteres elektrochromes Material zum Ergänzen des elektrochromen Materials in dem elektrochromen Element umfasst. Dies ermöglicht das Herstellen von Bauteilen mit mehr als einer Farbe mit zum Beispiel einer farberzeugenden Oxidationsreaktion und einer farberzeugenden Reduktionsreaktion, die gleichzeitig an verschiedenen Orten in dem Bauteil stattfinden. Als weiteres Beispiel können Redoxreaktionen vorgesehen werden, die zu verschiedenen Farben am selben Ort, aber bei unterschiedlichen angelegten Spannungen führen. Dieses weitere elektrochrome Material kann innerhalb des festen Elektrolyten oder innerhalb des elektrochromen Bauteils vorgesehen werden, das dann zum Beispiel ein elektrochromes Redoxpaar umfasst.
  • Ausführungsformen des elektrochromen Bauteils B in dem elektrochemischen Pixelbauteil der Erfindung können auch ein redoxaktives Material umfassen, das selbst nicht zu elektrochromen Wirkungen führt. Ein derartiges Material kann irgendeine der folgenden zwei Aufgaben oder beide erfüllen: (i) bei einigen Anordnungen des elektrochromen Bauteils B kann das elektrochrome Material des gesamten Volumens des elektrochromen Elements in Abwesenheit einer komplementären Redoxreaktion nicht vollständig oxidiert oder reduziert werden, vielmehr wird nur ein Teil des Materials oxidiert beziehungsweise reduziert. Somit ermöglicht der Zusatz eines weiteren redoxaktiven Materials das vollständige Oxidieren oder Reduzieren des elektrochromen Materials. (ii) Das elektrochrome Material kann für eine Überoxidation anfällig sein, die bei einer zu hohen angelegten Spannung auftritt und das elektrochrome Material zerstört, wodurch es unbrauchbar gemacht wird. Ein weiteres, von dem Bauteil umfasstes redoxaktives Material dient als Schutzfunktion für das elektrochrome Material vor einer derartigen Überoxidation durch Beschränken der elektrischen Polarisation in dem elektrochromen Element auf einen Wert unter einem Grenzwert. An diesem Grenzwert schützt das weitere redoxaktive Schutzmaterial anstatt oxidiert zu werden das elektrochrome Material vor einer Polarisierung, die es sonst zerstören würde. Wie vom Fachmann im Licht des vorstehend Erörterten leicht erkannt wird, könnte ein geeignet gewähltes redoxaktives Material, das elektrochrome Wirkungen zeigt, die Funktion des Lieferns einer komplementären, farberzeugenden Reaktion haben, wobei es gleichzeitig eine der vorteilhaften Wirkungen des Schutzes vor einer Überoxidation und Ermöglichens einer vollständigen Reduktion/Oxidation des ersten elektrochromen Materials oder beide liefert.
  • Bei einigen Ausführungsformen des elektrochromen Bauteils B in dem elektrochemischen Pixelbauteil der Erfindung können dynamische oder veränderliche Färbewirkungen bei dem elektrochromen Bauteil durch Anwenden einer Kombination verschiedener fester Elektrolyte mit unterschiedlichen Ionenleitfähigkeiten erzeugt werden. Teile eines elektrochromen Elements oder einige einer Mehrzahl elektrochromer Elemente können sich dann in direktem elektrischem Kontakt mit derartigen verschiedenen Elektrolyten befinden. Elektrochrome Bereiche, die sich im Kontakt mit einem Elektrolyten mit einer höheren Ionenleitfähigkeit befinden, werden schneller als elektrochrome Bereiche gefärbt/entfärbt, die sich im Kontakt mit einem Elektrolyten mit einer geringeren Ionenleitfähigkeit befinden, was unterschiedliche Kombinationen von Bildelementen mit unterschiedlichen Färbe- und Entfärbungsgeschwindigkeiten ermöglicht.
  • Wie vorstehend beschrieben sind bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung die Source- und Drain-Kontakte, das elektrochemisch aktive Element und die Gate-Elektrode(n) des elektrochemischen Transistorbauteils A alle aus demselben Material gebildet. Geeigneterweise und vorausgesetzt, dass das Material elektrochrome Eigenschaften aufweist, wird dieses Material auch zum Bilden des elektrochromen Elements in dem elektrochromen Bauteil B und besonders bevorzugt auch zum Bilden der Elektroden des elektrochromen Bauteils verwendet. Geeigneterweise ist das für die verschiedenen Komponenten gewählte gemeinsame Material im Hinblick auf die verschiedenen gewünschten Eigenschaften dieses Materials ein elektrochromes Polymer, das wenigstens in einem Oxidationszustand leitfähig ist. Geeignete derartige Polymere werden in dem nachstehenden Abschnitt „Materialien" aufgeführt.
  • Zum erfolgreichen Betrieb des elektrochemischen Pixelbauteils umfassen sowohl das elektrochemische Pixelbauteil A als auch das elektrochrome Bauteil B einen festen Elektrolyten. Bei A ermöglicht der Elektrolyt die elektrochemischen Reaktionen, die die Leitfähigkeit in dem Transistorkanal verändern, währen er in B die elektrochemischen Reaktionen ermöglicht, die zu einer Farbänderung bei dem elektrochromen Element führen. Die festen Elektrolyten in A und B können gleich oder verschieden sein und sind wie im nachstehenden Abschnitt „Materialien" definiert. Aus Gründen der Verarbeitbarkeit und leichten Ausführung sind die festen Elektrolyten in A und B bevorzugt dieselben.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung stellt eine Matrix aus vorstehend beschriebenen elektrochemischen Pixelbauteilen bereit. Die vorteilhaften Verfahrenseigenschaften des elek trochemischen Pixelbauteils ermöglicht den Einbau in eine Matrix, die eine Mehrzahl ähnlicher oder identischer Pixelbauteile umfasst, um eine aktiv adressierte Pixelmatrix zu bilden. Wie dem Fachmann auf dem Gebiet der Anzeigen, die aktiv adressierte Matrizen enthalten, bekannt ist, nutzt eine derartige Matrix von Pixeln die durch einen an ein Pixel gekoppelten Transistor gebotene Möglichkeit aus, den Stromfluss zu den Farbelementen der Pixel zu steuern. Falls eine Matrix gemäß diesem Aspekt der Erfindung aus zum Beispiel drei Zeilen und drei Spalten der hierin beschriebenen neuen elektrochemischen Pixelbauteile besteht, gibt es neun elektrochrome Bauteile B, deren Farbe einzeln verändert werden kann. Es gibt auch neun elektrochemische Transistorbauteile A zur Stromsteuerung. Eine Zeile oder Spalte der Matrix kann jeweils aktualisiert werden. Anders gesagt sind z. B. alle Transistoren in den beiden untersten Zeilen in den „Aus"-Zustand versetzt und befinden sich damit in einem nichtleitenden Zustand. Die Transistoren in der oberen Zeile sind in den leitenden oder „An"-Zustand versetzt, so dass die Farbe aller elektrochromen Bauteile in dieser Zeile einzeln geändert werden kann. Nach Abschluss des Verfahrens für die Anzeigen in der ersten Zeile werden die Transistoren in der ersten und dritten Zeile in ihren „Aus"-Zustand versetzt, während die Transistoren in der zweiten Zeile in ihren „An"-Zustand versetzt werden, damit die Anzeigen in der zweiten Zeile jetzt einzeln aktualisiert werden können. Durch Versetzen der Transistoren in einer Zeile in den „Aus"-Zustand nach dem Aktualisieren dieser Zeile, werden die in die betreffenden elektrochromen Elemente geladenen Ladungen dort eingefangen, was wiederum bedeutet, dass ein bestimmtes elektrochromes Element einige Zeit in seinem Zustand mit geänderter Farbe verbleiben kann. Zusammengefasst ermöglichen die Transistoren die Steuerung des an die elektrochromen Elemente angelegten Stroms und dadurch auch die Auswahl einzelner zu schaltender Anzeigezellen. Der Fachmann kann durch Anwenden der Lehren hierin ohne übermäßiges Experimentieren eine Matrix aus erfindungsgemäßen elektrochemischen Pixelbauteilen mit irgendeiner Pixelzahl schaffen. Spezielle Ausführungsformen, die alternative Matrixaufbauten und Varianten des in derartigen Matrizen zu verwendenden elektrochemischen Pixelbauteils zeigen, werden in der nachstehenden genauen Beschreibung dargestellt. Insbesondere die elektrochemischen Transistorbauteile A in den Teil einer derartigen Matrix bildenden Pixeln können eine oder zwei Elektroden zur Lieferung von Gate-Spannung an den Transistorkanal aufweisen. Unterschiedliche Eigenschaften werden in verschiedenen Fällen erhalten wie nachstehend genauer untersucht wird. Kurz gesagt bietet ein Aufbau mit zwei Gate-Elektroden im Allgemeinen eine bessere Kontrolle der Ströme in dem Matrixsystem. Ein Aufbau mit nur einer Gate-Elektrode verhindert jedoch das Übersprechen zwischen den zweiten Gate-Elektroden aller Pixel in einer Zeile, was als Nachteil des Zwei-Gate- Aufbaus erscheinen kann. Der Ein-Gate-Aufbau trägt auch zu weniger Leitungskreuzungen bei. Das Problem des Übersprechens zwischen Gate-Elektroden in einer Zeile kann auch durch die Bereitstellung von Widerständen gelöst werden, die den Strom aus einem bestimmten Pixel daran hindern, sich zu anderen Pixeln in derselben Zeile auszubreiten.
  • Die Erfindung erstreckt sich in einem weiteren Aspekt auch auf eine Pixelanzeige, die eine derartige Matrix aus elektrochemischen Pixelbauteilen umfasst.
  • Das erfindungsgemäße elektrochemische Pixelbauteil ist darin von Vorteil, dass es leicht auf einem Träger wie etwa einem Polymerfilm oder Papier hergestellt werden kann. So können die verschiedenen Komponenten mittels herkömmlicher Drucktechniken wie etwa Siebdruck, Offsetdruck, Tintenstrahldruck und Flexographiedruck oder Beschichtungstechniken wie etwa Messerbeschichten, Rakelbeschichten, Extrusionsbeschichten und Florbeschichten wie etwa in „Modern Coating and Drying Technology" (1992), Hrsg. E. D. Cohen und E. B. Gutoff, VCH Publishers Inc, New York, NY, USA, beschrieben, auf den Träger aufgetragen werden. Bei diesen Ausführungsformen der Erfindung, die ein Polymer als organisches Material in dem elektrochemischen Transistorbauteil A oder als elektrochromes Material in dem elektrochromen Bauteil B (siehe nachstehend zu den Materialanforderungen) nutzen, kann dieses Material auch durch In-situ-Polymerisation durch Verfahren wie etwa Elektropolymerisation, UV-Polymerisation, Wärmepolymerisation und chemische Polymerisation aufgetragen werden. Als Alternative zu diesen additiven Techniken zum Bemustern der Komponenten ist es auch möglich, subtraktive Techniken wie etwa eine örtliche Materialzerstörung durch chemisches oder Gasätzen, durch mechanische Mittel wie etwa Kratzen, Ritzen, Schaben und Fräsen oder durch irgendein anderes in der Technik bekanntes subtraktives Verfahren anzuwenden. Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung stellt derartige Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Pixelbauteils aus den hierin genauer beschriebenen Materialien ein.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das elektrochemische Pixelbauteil zum Schutz des Bauteils zum Teil oder zur Gänze eingeschlossen. Das Einschließen hält alles Lösungsmittel zurück, das z. B. für den Betrieb des festen Elektrolyten notwendig ist, und hält ferner Sauerstoff vom Stören der elektrochemischen Reaktionen in dem Bauteil ab. Das Einschließen kann durch Flüssigphasenverfahren bewerkstelligt werden. So kann ein Flüssigphasenpolymer oder organisches Monomer mittels Verfahren wie etwa Sprühbeschichten, Tauchbeschichten oder irgendeine vorstehend aufgeführte herkömmliche Drucktechnik auf dem Bauteil aufgetragen werden. Nach dem Auftragen kann das Einschlussmittel zum Beispiel durch Ultraviolett- oder Infrarotstrahlung, durch Lösungsmittelverdampfung, durch Kühlen oder durch die Verwendung eines Zweikomponentensystems wie etwa ein Epoxykleber, bei dem die Komponenten direkt vor dem Auftragen zusammengemischt werden, gehärtet werden. Wahlweise wird das Einschließen durch Laminieren eines festen Films auf das elektrochemische Pixelbauteil bewerkstelligt. Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, bei denen die Komponenten des elektrochemischen Pixelbauteils auf einem Träger angeordnet sind, kann dieser Träger als unterstes Einschlussmittel wirken. In diesem Fall wird das Einschließen bequemer dadurch ausgeführt, dass nur die Oberseite des Bogens mit Flüssigphaseneinschlussmittel bedeckt oder mit einem festen Film laminiert werden muss.
  • Weitere Gegenstände und Zwecke der vorliegenden Erfindung werden aus den folgenden Zeichnungen und der genauen Beschreibung spezieller Ausführungsformen davon deutlich. Diese Ausführungen und Zeichnungen sind als Veranschaulichungen der beanspruchten Erfindung bestimmt und sind in keiner Weise als einschränkend anzusehen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine Draufsicht von Elementen einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Pixelbauteils.
  • 2 ist ein Diagramm, das den Strom während des Färbens eines Pixels wie in 1 dargestellt zeigt. Vds = 2 V, Vg = 0 V.
  • 3 ist ein Diagramm, das die Ströme während des Entfärbens eines Pixels wie in 1 dargestellt zeigt. A: Vg = 1,4 V. B: Vg = 0 V.
  • 4 ist ein Diagramm, das den Strom während des Entfärbens eines Pixels wie in 1 dargestellt zeigt. Vg = 1,4 V während der ersten 50 Sekunden, danach Vg = 0 V.
  • 5 zeigt eine Draufsicht einer 5×1 Matrix aus elektrochemischen Pixelbauteilen wie dem in 1 gezeigten.
  • 6 zeigt eine Draufsicht einer 5×5 Matrix aus elektrochemischen Pixelbauteilen wie dem in 1 gezeigten.
  • 7 zeigt eine Draufsicht einer 3×3 Matrix aus elektrochemischen Pixelbauteilen gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • 8A–8D veranschaulichen einen alternativen Aufbau einer 3×3 Matrix aus elektrochemischen Pixelbauteilen gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem vertikalen, dreischichtigen Aufbau. 8A zeigt eine Draufsicht nur der unteren Schicht. 8B zeigt eine Draufsicht nur der mittleren Schicht. 8C zeigt eine Draufsicht nur der oberen Schicht. 8D ist ein Querschnitt von der die drei Schichten der 8A–8C, die zum Bilden der elektrochemischen Pixelbauteilmatrix übereinander gestapelt sind, zeigenden Seite aus.
  • Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
  • Definitionen:
  • Source-Kontakt: ein elektrischer Kontakt, der Ladungsträger an einen Transistorkanal liefert.
  • Drain-Kontakt: ein elektrischer Kontakt, der Ladungsträger aus einem Transistorkanal annimmt.
  • Gate-Elektrode: ein elektrischer Kontakt, wovon sich jeder Teil dessen Oberfläche in direktem elektrischem Kontakt mit festem Elektrolyten und daher in ionischem Kontakt mit dem elektrochemisch aktiven Element befindet.
  • Elektrochemisch aktives Element: ein „elektrochemisch aktives Element" gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Stück eines Materials, das ein organisches Material mit einer Leitfähigkeit umfasst, die durch Andern des Redoxzustands des organischen Materials elektrochemisch verändert werden kann. Das elektrochemisch aktive Element befindet sich über einen festen Elektrolyten in ionischem Kontakt mit wenigstens einer Gate-Elektrode. Das elektrochemisch aktive Element kann weiterhin mit jedem Source- und Drain-Kontakt einzeln oder mit beiden davon, die sich aus demselben oder verschiedenen Materialien zusammensetzen, integriert werden. Das elektrochemisch aktive Element in dem elektrochemischen Transistorbauteil A in dem elektrochemischen Pixelbauteil der Erfindung umfasst einen Transistorkanal.
  • Transistorkanal: der „Transistorkanal" des elektrochemisch aktiven Elements stellt den elektrischen Kontakt zwischen den Source- und Drain-Kontakten her.
  • Redoxsenkenvolumen: bei bestimmten Ausführungsformen des elektrochemischen Transistorbauteils A umfasst das elektrochemisch aktive Element weiter ein „Redoxsenkenvolumen". Dies ist ein Teil des elektrochemisch aktiven Elements neben einem Transistorkanal und in direktem elektrischem Kontakt dazu, der dem Transistorkanal Elektronen zuführen oder davon annehmen kann. So wird jede Redoxreaktion innerhalb des Transistorkanals durch Gegenreaktionen innerhalb des Redoxsenkenvolumens ergänzt. Redoxzustand: wenn auf Änderungen des „Redoxzustands" des elektrochemisch aktiven Elements oder elektrochromen Elements Bezug genommen wird, soll dies sowohl Fälle, bei denen das Material in dem Element entweder oxidiert oder reduziert wird, als auch Fälle einschließen, bei denen eine Umverteilung von Ladungen innerhalb des Elements stattfindet, so dass ein Ende reduziert wird und das andere Ende oxidiert wird. Im letzten Fall behält das Element als Ganzes seinen Gesamtoxidationszustand, aber sein Redoxzustand hat sich nichtsdestotrotz nach der hierin verwendeten Definition aufgrund der inneren Umverteilung von Ladungsträgern geändert.
  • Elektrochromes Element: ein „elektrochromes Element" in den Bauteilen der Erfindung ist ein kontinuierlicher geometrischer Körper, der in unterschiedlicher Form bemustert werden kann und setzt sich aus einem Material oder einer Kombination von Materialien zusammen. Das (die) Material(ien) können organisch oder anorganisch, molekular oder polymer sein. Wenn auch sich ein derartiges elektrochromes Element aus einem Material zusammensetzt oder eine Gesamtheit aus mehr als einem Material ist, so vereint es die folgenden Eigenschaften: wenigstens ein Material ist in wenigstens einem Oxidationszustand elektrisch leitfähig und wenigstens ein Material ist elektrochrom, d. h. zeigt eine Farbänderung als Ergebnis elektrochemischer Redoxreaktionen innerhalb des Materials.
  • Fester Elektrolyt: für die Zwecke der Erfindung bedeutet „fester Elektrolyt" einen Elektrolyten, der bei der Temperatur, bei der er verwendet wird, ausreichend fest ist, dass Teilchen/Flocken darin durch die hohe Viskosität/Starrheit des Elektrolyten im wesentlichen immobilisiert werden und dass er nicht fließt oder ausläuft. Im bevorzugten Fall weist ein derartiger Elektrolyt die geeigneten rheologischen Eigenschaften auf, um das leichte Aufbringen dieses Materials auf einem Träger in einem ganzen Bogen oder in einem Muster zum Beispiel durch herkömmliche Druckverfahren zu gestatten. Nach dem Auftragen sollte die Elektrolytformulierung nach dem Verdampfen des Lösungsmittels oder aufgrund einer durch zusätzliche chemische Reagenzien oder eine physikalische Wirkung wie etwa Ultraviolett-, Infrarot- oder Mikrowellenstrahlung verursachten chemischen Vernetzungsreaktion, Kühlen oder irgendetwas anderes derartiges fest werden. Der feste Elektrolyt umfasst bevorzugt ein wässriges oder organisches, lösungsmittelhaltiges Gel wie etwa Gelatine oder ein polymeres Gel. Feste polymere Elektrolyte werden jedoch ebenfalls in Betracht gezogen und fallen unter den Umfang der vorliegenden Erfindung. Weiterhin umfasst die Definition auch flüssige Elektrolytlösungen, die von einem geeigneten Matrixmaterial wie etwa Papier, einem Gewebe oder einem porösen Polymer aufgesaugt oder auf irgendeine andere Weise beherbergt werden. Bei einigen Ausfüh rungsformen der Erfindung ist dieses Material tatsächlich der Träger, auf dem das elektrochemische Pixelbauteil angeordnet ist, so dass der Träger einen wesentlichen Teil des Betriebs des Bauteils bildet.
  • Elektroden: „Elektroden" in erfindungsgemäßen Bauteilen sind Strukturen, die sich aus einem elektrisch leitfähigen Material zusammensetzen. Derartige Elektroden erlauben das Anlegen einer äußeren Spannung an den Elektrolyten, wodurch ein elektrisches Feld innerhalb des festen Elektrolyten über einen Zeitraum aufrecht erhalten wird, der lang genug ist, damit die gewünschten elektrochemischen Reaktionen erfolgen.
  • Direkter elektrischer Kontakt: direkter physikalischer Kontakt (gemeinsame Grenzfläche) zwischen zwei Phasen (zum Beispiel Elektrode und Elektrolyt), der den Ladungsaustausch über die Grenzfläche erlaubt. Ein Ladungsaustausch über die Grenzfläche kann die Übertragung von Elektronen zwischen elektrisch leitenden Phasen, die Übertragung von Ionen zwischen ionisch leitenden Phasen oder die Umwandlung zwischen einem elektrischen Strom und ionischen Strom durch Elektrochemie an einer Grenzfläche zwischen zum Beispiel der Elektrode und dem Elektrolyt, dem Elektrolyt und elektrochromen Element oder Elektrolyt und elektrochemisch aktiven Element oder durch Auftreten kapazitiver Ströme aufgrund der Aufladung der Helmholtz-Schicht an einer derartigen Grenzfläche umfassen.
  • Farbänderung: wenn auf eine „Farbänderung" Bezug genommen wird, soll dies auch Änderungen bei der optischen Dichte oder des Reflexionsgrads bedeuten, so dass bei einer „Farbänderung" zum Beispiel Änderungen von blau nach rot, blau nach farblos, dunkelgrün nach hellgrün, grau nach weiß oder dunkelgrau nach hellgrau gleichermaßen in Betracht gezogen werden.
  • Materialien
  • Vorzugsweise umfasst der feste Elektrolyt in einem oder beiden des elektrochemischen Transistorbauteils A und des elektrochromen Bauteils B ein Bindemittel. Es ist bevorzugt, dass dieses Bindemittel Geliereigenschaften aufweist. Das Bindemittel wird bevorzugt aus der Gruppe ausgewählt, die aus Gelatine, einem Gelatinederivat, Polyacrylsäure, Polymethacrylsäure, Poly(vinylpyrrolidon), Polysacchariden, Polyacrylamiden, Polyurethanen, Polypropylenoxiden, Polyethylenoxiden, Poly(styrolsulfonsäure) und Poly(vinylalkohol) und Salzen und Copolymeren davon besteht und kann gegebenenfalls vernetzt sein. Der feste Elektrolyt umfasst bevorzugt weiter ein ionisches Salz, vorzugsweise Magnesiumsulfat, wenn das eingesetzte Bindemittel Gelatine ist. Der feste Elektrolyt enthält bevorzugt weiter ein hygroskopisches Salz wie etwa Magnesiumchlorid zum Erhalt des Wassergehalts darin.
  • Das organische Material zur Verwendung in dem elektrochemischen Transistorbauteil A in dem elektrochemischen Pixelbauteil der vorliegenden Erfindung umfasst bevorzugt ein Polymer, das in wenigstens einem Oxidationszustand elektrisch leitend ist, und umfasst gegebenenfalls weiter eine Polyanionenverbindung. Kombinationen aus mehr als einem Polymermaterial umfassenden organischen Materialien wie etwa Polymermischungen oder mehrere Schichten aus Polymermaterialien, bei denen die verschiedenen Schichten aus demselben Polymer oder verschiedenen Polymeren bestehen, werden ebenfalls in Betracht gezogen. Leitfähige Polymere zur Verwendung in dem elektrochemischen Transistorbauteil der Erfindung werden bevorzugt aus der Gruppe ausgewählt, die aus Polythiophenen, Polypyrrolen, Polyanilinen, Polyisothionaphthalinen, Polyphenylenvinylenen und Copolymeren davon besteht wie etwa von J. C. Gustafsson et al. in Solid State Ionics, 69, 145–152 (1994); Handbook of Oligo- and Polythiophenes, Kap. 10.8, Hrsg. D. Fichou, Wiley-VCH, Weinheim (1999); von P. Schottland et al. in Macromolecules, 33, 7051–7061 (2000); Technology Map Conductive Polymers, SRI Consulting (1999); von M. Onoda in Journal of the Electrochemical Society, 141, 338–341 (1994); von M. Chandrasekar in Conducting Polymers, Fundamentals and Applications, a Practical Approach, Kluwer Academic Publishers, Boston (1999), und von A. J. Epstein et al. in Macromol. Chem., Macromol. Symp., 51, 217–234 (1991), beschrieben. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das organische Material ein Polymer oder Copolymer eines 3,4-Dialkoxythiophens, bei dem zwei Alkoxygruppen gleich oder verschieden sein können oder zusammen eine gegebenenfalls substituierte Oxyalkylenoxybrücke darstellen. Bei der bevorzugtesten Ausführungsform ist das Polymer ein Polymer oder Copolymer eines 3,4-Dialkoxythiophens, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Poly(3,4-methylendioxythiophen), Poly(3,4-methylendioxythiophen)derivaten, Poly(3,4-ethylendioxythiophen), Poly(3,4-ethylendioxythiophen)derivaten, Poly(3,4-propylendioxythiophen), Poly(3,4-propylendioxythiophen)derivaten, Poly(3,4-butylendioxythiophen), Poly(3,4-butylendioxythiophen)derivaten und Copolymeren damit besteht. Die Polyanionenverbindung ist dann bevorzugt Poly(styrolsulfonat).
  • Bei bevorzugten Ausführungsformen umfasst das elektrochrome Element zur Verwendung in dem elektrochromen Bauteil B in dem elektrochemischen Pixelbauteil der vorliegenden Erfindung als elektrochromes Material ein elektrochromes Polymer, das in wenigstens einem Oxidationszustand elektrisch leitfähig ist und umfasst gegebenenfalls auch eine Polyanionenverbindung. Elektrochrome Polymere zur Verwendung in dem elektrochromen Element des elektrochromen Bauteils der Erfindung werden bevorzugt aus der Gruppe ausgewählt, die aus elektrochromen Polythiophenen, elektrochromen Polypyrrolen, elektrochromen Polyanilinen, elektrochromen Polyisothionaphthalinen, elektrochromen Polyphenylenvinylenen und Copolymeren davon besteht wie etwa von J. C. Gustafsson et al. in Solid State Ionics, 69, 145–152 (1994); Handbook of Oligo- and Polythiophenes, Kap. 10.8, Hrsg. D. Fichou, Wiley-VCH, Weinheim (1999); von P. Schottland et al. in Macromolecules, 33, 7051–7061 (2000); Technology Map Conductive Polymers, SRI Consulting (1999); von M. Onoda in Journal of the Electrochemical Society, 141, 338–341 (1994); von M. Chandrasekar in Conducting Polymers, Fundamentals and Applications, a Practical Approach, Kluwer Academic Publishers, Boston (1999), und von A. J. Epstein et al. in Macromol. Chem., Macromol. Symp., 51, 217–234 (1991), beschrieben. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das elektrochrome Polymer ein Polymer oder Copolymer eines 3,4-Dialkoxythiophens, bei dem zwei Alkoxygruppen gleich oder verschieden sein können oder zusammen eine gegebenenfalls substituierte Oxyalkylenoxybrücke darstellen. Bei der bevorzugtesten Ausführungsform ist das elektrochrome Polymer ein Polymer oder Copolymer eines 3,4-Dialkoxythiophens, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Poly(3,4-methylendioxythiophen), Poly(3,4-methylendioxythiophen)derivaten, Poly(3,4-ethylendioxythiophen), Poly(3,4-ethylendioxythiophen)derivaten, Poly(3,4-propylendioxythiophen), Poly(3,4-propylendioxythiophen)derivaten, Poly(3,4-butylendioxythiophen), Poly(3,4-butylendioxythiophen)derivaten und Copolymeren damit besteht. Die Polyanionverbindung ist dann bevorzugt Poly(styrolsulfonat). Wie vom Fachmann leicht erkannt wird, umfasst das elektrochrome Material bei alternativen Ausführungsformen der Erfindung irgendein nicht-polymeres Material, eine Kombination verschiedener nicht-polymerer Materialien oder eine Kombination von Polymermaterialien mit nicht-polymeren Materialien, die in wenigstens einem Oxidationszustand eine Leitfähigkeit als auch elektrochromes Verhalten zeigen. Elektrochrome Elemente, die Kombinationen aus mehr als einem Polymermaterial wie etwa Polymermischungen oder mehrere Schichte elektrochromer Materialien umfassen, wobei die verschiedenen Schichten aus demselben Material oder verschiedenen Materialien bestehen, z. B. eine Schicht jeweils aus zwei verschiedenen elektrochromen Polymeren, werden ebenfalls in Betracht gezogen.
  • Zum Beispiel kann ein Verbund aus einem elektrisch leitfähigen Material und einem elektrochromen Material wie etwa elektrisch leitfähige Teilchen wie etwa Zinnoxid-, ITO- oder ATO-Teilchen mit polymeren oder nicht-polymeren elektrochromen Materialien wie etwa Polyanilin, Polypyrrol, Polythiophen, Nickeloxid, Polyvinylferrocen, Polyviologen, Wolframoxid, Iridiumoxid, Molybdänoxid und Preußischblau (Eisen(III)-ferrocyanid) verwendet werden. Als nicht beschränkende Beispiele elektrochromer Elemente zur Verwendung in dem Bauteil der Erfindung können ein Stück PEDOT-PSS, das sowohl leitfähig als auch elektrochrom ist; ein Stück PEDOT-PSS mit Fe2+/SCN–, wobei PEDOT-PSS leitfähig und elektrochrom ist und eine zusätzliche elektrochrome Komponente ist (siehe nachstehend); ein Stück, das sich aus einem kontinuierlichen Netzwerk aus leitfähigen ITO-Teilchen in einer isolierenden polymeren Matrix in direktem elektrischem Kontakt mit einer elektrochromen WO3-Beschichtung zusammensetzt, und ein Stück angeführt werden, das sich aus einem kontinuierlichen Netzwerk aus leitfähigen ITO-Teilchen in einer isolierenden polymeren Matrix in Kontakt mit einer in einem Elektrolyten gelösten elektrochromen Komponente zusammensetzt.
  • Einige Ausführungsformen der Erfindung umfassen ein weiteres elektrochromes Material zur Herstellung von Pixelbauteilen mit mehr als einer Farbe. Dieses weitere elektrochrome Material kann innerhalb des elektrochromen Elements oder des festen Elektrolyten des elektrochromen Bauteils B bereitgestellt werden, das dann zum Beispiel ein elektrochromes Redoxsystem wie etwa das Redoxpaar aus farblosem Fe2+- und SCN–-Ionen einerseits und aus dem roten Komplex Fe3+(SCN)(H2O)5 andererseits umfasst. Als weiteres, nicht begrenzendes Beispiel können derartige Materialien aus verschiedenen Phenazinen wie etwa DMPA – 5,10-Dihydro-5,10-dimethylphenazin, DEPA – 5,10-Dihydro-5,10-diethylphenazin und DOPA – 5,10-Dihydro-5,10-dioctylphenazin, aus TMPD – N,N,N',N'-Tetramethylphenylendiamin, TMBZ – N,N,N',N'-Tetramethylbenzidin, TTF – Tetrathiafulvalen, Phenanthrolin-Eisen-Komplexen, Erioglaucin A, Diphenylaminen, p-Ethoxychrysoidin, Methylenblau, verschiedenen Indigos und Phenosafraninen als auch Gemischen davon ausgewählt werden.
  • Wie vorstehend beschrieben kann das elektrochrome Bauteil B in dem elektrochemischen Pixelbauteil der Erfindung aus anderen Gründen als zusätzliche Farbwirkungen ein redoxaktives Material umfassen. Dieses redoxaktive Material kann dasselbe wie irgendein unmittelbar zuvor aufgeführtes elektrochromes Material oder davon verschieden sein. So kann jedes geeignete Antioxidationsmittel oder Antireduktionsmittel verwendet werden; zum Beispiel organische Substanzen wie Vitamin C, Alkohole, Polyalkohole (z. B. Glycerin) oder Zucker, wobei die Alkohole, Polyalkohole oder Zucker gegebenenfalls bei hohem pH vorliegen, konjugierte Polymere, Oligomere und Einzelmoleküle, anorganische Substanzen wie Salze, die Spezies umfassen, die oxidiert werden können (z. B. Fe2+ zu Fe3+, Sn2+ zu Sn4+), Metallcluster (z. B. ein Cu-Cluster oder ein Fe-Cluster) oder Salze, die Spezies umfassen, die reduziert werden können (z. B. Fe3+ zu Fe2+, Sn4+ zu Sn2+), metallorganische Komplexe wie Ferrocene, Phthalocyanine, Metalloporphyrine.
  • Bei elektrochemischen Pixelbauteilen der Erfindung ist es bevorzugt, dass sowohl das organische Material in dem elektrochemischen Transistorbauteil A ein Polymer ist und dass das elektrochrome Material in dem elektrochromen Bauteil B ein elektrochromes Polymer umfasst. Im bevorzugtesten Fall ist das elektrochrome Polymer in dem elektrochromen Bauteil B dasselbe Material wie das Polymer in dem elektrochemischen Transistorbauteil A.
  • Der Träger wird bei einigen Ausführungsformen des elektrochemischen Pixelbauteils der vorliegenden Erfindung bevorzugt aus der Gruppe ausgewählt, die aus Polyethylenterephthalat, Polyethylennaphthalindicarboxylat, Polyethylen, Polypropylen, Papier, beschichtetem Papier, das z. B. mit Harzen, Polyethylen oder Polypropylen beschichtet ist, Papierlaminaten, Pappe, Wellpappe, Glas und Polycarbonat besteht. Der Träger ist ferner vorzugsweise reflektierend.
  • Ausführungsform eines elektrochemischen Pixelbauteils
  • Ein typisches elektrochemisches Pixelbauteil gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird in 1 schematisch dargestellt. Das elektrochemische Pixelbauteil 1 wird durch Bemustern eines geeigneten Materials (siehe vorstehend) aufgebaut und umfasst ein elektrochemisches Transistorbauteil (2–5, 10–11) und ein elektrochromes Bauteil (6–9). Das elektrochemische Transistorbauteil umfasst einen Source-Kontakt 2 und einen Drain-Kontakt 3. Zwischen dem Source- und Drain-Kontakt und in direktem elektrischem Kontakt damit ist ein elektrochemisch aktives Element 4 angeordnet, dessen Leitfähigkeit durch Anlegen einer Gate-Spannung an eine positive Gate-Elektrode 5 verändert werden kann. Das elektrochemisch aktive Element 4 und ein Teil der positiven Gate-Elektrode 5 sind mit einer Schicht aus festem Elektrolyt 10 bedeckt. Bei dieser Ausführungsform sind der Source- und Drain-Kontakt 2, 3 und das elektrochemisch aktive Element 4 alle aus einem ununterbrochenen Stück des Materials gebildet. Dieses Stück ist durch einen engen Spalt von der Gate-Elektrode 5 getrennt, so dass kein direkter elektrischer Kontakt zwischen dem elektrochemisch aktiven Element 4 und der Gate-Elektrode 5 besteht.
  • Das elektrochrome Bauteil umfasst sowohl ein elektrochromes Element 6 als auch zwei Elektroden 7, 8. Das elektrochrome Element 6 und die erste Elektrode 7 bedeckt eine Schicht aus festem Elektrolyt 9. Es besteht kein direkter elektrischer Kontakt zwischen der ersten Elektrode 7 und dem elektrochromen Element 6, aber zwischen dem e lektrochromen Element 6 und der zweiten Elektrode 8. Die erste Elektrode 7 des elektrochromen Bauteils ist in direktem elektrischem Kontakt mit dem Source-Kontakt 2 des elektrochemischen Transistorbauteils beziehungsweise fällt damit zusammen.
  • Beim Betrieb des elektrochemischen Pixelbauteils 1 wird dem elektrochromen Element 6 durch Anlegen einer Spannung zwischen dem Drain-Kontakt 3 und der Elektrode 8, die einer Drain-Source-Spannung Vds entspricht, ein Färbe- oder Entfärbungsstrom zugeführt. Der dem elektrochromen Element 6 tatsächlich zugeführte Strom wird durch die Leitfähigkeit in dem elektrochemisch aktiven Element 4 gesteuert. Diese Leitfähigkeit wird wiederum durch eine Gate-Spannung Vg an der positiven Gate-Elektrode 5 gesteuert. Die Gate-Spannung Vg kann bei bestimmten Ausführungsformen zwischen der positiven Gate-Elektrode 5 und einer zweiten, negativen Gate-Elektrode 11 angelegt werden, die mit dem elektrochemisch aktiven Element 4 in direktem elektrischem Kontakt stehen kann oder nicht. Wahlweise wird die Gate-Spannung zwischen der positiven Gate-Elektrode 5 und entweder dem Source-Kontakt 2 oder dem Drain-Kontakt 3 angelegt.
  • Bei einem Versuch unter Verwenden dieser Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Pixelbauteils wurde das Bauteil wie folgt hergestellt: ein Ausgangsmaterial aus im Handel von Agfa erhältlicher OrgaconTM-Folie, die das leitfähige und elektrochrome Polymer PEDOT-PSS (mit Poly(styrolsulfonat) dotiertes Poly(3,4-ethylendioxythiophen)) enthielt, wurde verwendet. Das Bemustern des PEDOT-PSS-Substrats erfolgte unter Verwenden eines mit einem Skalpell ausgestatteten Plotterwerkzeugs. Der verwendete Elektrolyt war im Handel von Apoteksbolaget, Schweden, erhältliches BlågelTM. Das Gel wurde unter Anwenden von Siebdruck mit einer 45 μm dicken, bemusterten Vinylfolie als Schablone aufgebracht. Wahlweise können 10% Hydroxyethylcellulose in Wasser als Elektrolytgel verwendet werden.
  • PEDOT-PSS ist ein Material, das in seinem natürlichen, teiloxidierten Zustand eine sehr schwache, blassblaue Farbe und gute Leitfähigkeit zeigt. Wenn das PEDOT-PSS reduziert wird, nimmt seine Leitfähigkeit stark ab und das Material färbt sich tiefblau. Bei derartigen PEDOT-PSS-Pixelbauteilen wie dem unmittelbar zuvor beschriebenen mit einer wie in 1 dargestellten Architektur wird das elektrochrome Bauteil B typischerweise mit Spannungen Vds zwischen 1,5 und 2 V betrieben und die Anzeigefläche schwankt zwischen 1 und 2 cm2. Das elektrochrome Element 6 wird in diesem Fall reduziert und zu einer tiefblauen Farbe geschaltet. Eine Elektrode 7, die oxidiert wird, ist ebenfalls vorhanden, da das elektrochrome Element sonst durch Überoxidation zerstört werden könn te. Diese Gegenelektrode ist nicht immer vorteilhaft, da sie die aktive Anzeigefläche verringert, aber ein Weg zum Ausführen einer vertikalen Architektur anstatt des in 1 dargestellten horizontalen Aufbaus wurde zum Lösen dieses Problems erkundet (siehe nachstehend bei der Beschreibung bezüglich der 8A–8D).
  • Bei Versuchen mit dem PEDOT-PSS-Pixel war der durch das elektrochrome Bauteil hindurchgehende Strom zu Beginn etwa 200–300 μA bei einer Vds von 2 V und einer Fläche des elektrochromen Elements von 1–2 cm2. Nach ungefähr 10 s war es vollständig geschaltet und gesättigt. Der durch das elektrochrome Bauteil in diesem gesättigten Zustand fließende Strom war etwa 50 μA. Der Grund für diesen Strom selbst im reduzierten, nichtleitenden Zustand von PEDOT-PSS ist ein Leck aus der Anzeigezelle.
  • Bei diesen Versuchen wurde das elektrochemische Transistorbauteil mit Gate-Spannungen zwischen 0 und 1,5 V betrieben. Bei einer Gate-Spannung von 0 V war das elektrochemisch aktive Element vollständig leitend und bei 1,5 V war es in seinem „Aus"-Zustand. Bereits bei 0,3–0,4 V war aus dem Auftreten einer Blaufärbung ersichtlich, dass der Transistorkanal reduziert wurde, was einem erhöhten Widerstand entspricht. Der Widerstand in dem Transistorkanal war ungefähr etwa 10 kΩ in seinem leitenden Zustand, was einem Strom von 200 μA bei 2 V entspricht. Im abgeschalteten Zustand war der Widerstand bei einer Gate-Spannung von um 1,5 V stark erhöht. Es wurden Stromwerte von um 200 nA erreicht, was einem Widerstand von 10 MΩ entspricht. Das An/Aus-Verhältnis für das elektrochemische Transistorbauteil als Teil des elektrochemischen Pixelbauteils war damit in diesem Fall 1000. Weiterhin wurden in dem elektrochemischen Transistor extreme An/Aus-Verhältnisse von 105 mit auf alternative Weise hergestellten Komponenten erreicht.
  • Einige Betriebseigenschaften dieses elektrochemischen Pixelbauteils:
    • – Der Transistorkanal war bei einer Gate-Spannung Vg von 0 V leitend und bei einer Vg von 1 V im Wesentlichen nichtleitend.
    • – Falls das elektrochrome Element bereits reduziert war, entfärbte es sich bei einer Vg von 0 V, ansonsten geschah nichts. Bei einer Vds von 2 V erfolgte eine Elektrochemie und das elektrochrome Element änderte sich zu seinem reduzierten, tiefblauen Zustand und blieb solange in diesem Zustand wie die Spannung angelegt war.
  • Wirkungen vier möglicher Kombinationen an das Pixel angelegter Spannungen:
    Vg = 0 V, Vds = 0 V; es geschah nichts oder das Pixel entfärbte sich, wenn es von Anfang an reduziert wurde,
    Vg = 0 V, Vds = 2 V; färbt das Pixel, das dann in diesem Zustand verbleibt,
    Vg = 1 V, Vds = 0 V; der Transistorkanal wird nichtleitend gemacht. Falls das Pixel bereits reduziert ist, hält die erhöhte Impedanz in dem Kanal die Ladungen innerhalb der Pixelfläche.
    Vg = 1 V, Vds = 2 V; es geschieht nichts.
  • 2–4 sind Diagramme von Messungen, die an einem PEDOT-PSS-Pixelbauteil mit dem in 1 dargestellten Aufbau ausgeführt wurden. 2 zeigt das Färben des elektrochemischen Bauteils unter Anwenden einer Vds von 2 V. Der Transistorkanal befand sich im „An"-Zustand, d. h. Vg = 0 V. Der Strom durch den Kanal war etwa 150 μA am Anfang und nahm dann wegen der Reduktion zu einem nichtleitenden Zustand des elektrochemischen Elements in der Anzeigezelle ab. Die Fläche des elektrochromen Elements war bei dieser Messung 64 mm2 und die Fläche der Gegenelektrode war 90 mm2. Nach etwa fünf Sekunden war das Pixel vollständig geschaltet.
  • 3 ist ein Diagramm, das das Entfärben eines Pixels in zwei verschiedenen Fällen zeigt. Die obere Kurve A entspricht dem Strom aus dem elektrochromen Element bei einer Vg von 1,4 V, d. h. bei geschlossenem Transistorkanal. Die untere Kurve B zeigt den Strom aus dem elektrochromen Element bei einer Vg von 0 V, d. h. bei offenem Transistorkanal.
  • 4 zeigt das Entfärben eines Pixels bei verschiedenen Werten von Vg. Der Transistorkanal war die ersten 50 s geschlossen (Vg = 1,4 V), worauf er die letzten 10 s geöffnet war (Vg = 0 V). Nach 50 s Entfärben bei geschlossenem Transistorkanal befand sich wie aus 4 ersichtlich in dem elektrochemischen Element noch immer eine Menge Ladungen. Als der Transistorkanal geöffnet wurde, d. h. die Gate-Spannung auf 0 V eingestellt wurde, trat eine Entfärbungsstromspitze auf. Die Größe dieses Peaks war fast 20 μA, was mit den einige hundert nA Leckstrom zu vergleichen ist, als der Kanal geschlossen war.
  • Horizontale Matrizen elektrochemischer Pixelbauteile
  • Mehrere unterschiedliche Matrizen elektrochemischer Pixelbauteile wurden unter Verwenden derselben Materialien wie bei der im vorherigen Abschnitt beschriebenen Ausführungsform des elektrochemischen Pixelbauteils hergestellt.
  • In 5 wird eine Spalte von 5 derartigen Pixeln oder eine 5×1 Matrix dargestellt. Unter Verwenden der Bezugszeichen der 1 wird der Drain-Kontakt 3 jedes der fünf Pixel mit einem Leiter zum gleichzeitigen Anlegen von Vds an alle Pixel verbunden. Die Gate-Elektroden 5 und 11 sind im Gegensatz dazu so angeordnet, dass eine individuelle Gate-Spannung unabhängig an jedes Pixel angelegt werden kann.
  • Eine komplexere und auch brauchbarere Matrix elektrochemischer Pixelbauteile wird in 6 dargestellt. Hier sind fünf Spalten aus fünf Pixeln in einer 5×5 Matrix kombiniert. Die Kontakte zu den Zeilen und Spalten ermöglichen das Anlegen einer färbenden oder entfärbenden Vds an eine Spalte, während die Gate-Elektroden der Transistoren so verbunden werden, dass das Anlegen von Vg und auf diese Weise das Einstellen aller Transistoren in einer Spalte unabhängig von den Transistoren in den anderen Spalten auf „an" oder „aus" ermöglicht wird.
  • Zur Vereinfachung des Aufbaus, um die Anzahl der Kreuzungen zwischen den verschiedenen Elektroden und Kontakten Strom zuführenden Leitungen auf ein Mindestmass zurückzuführen, wurde eine Variante des elektrochemischen Pixelbauteils zum Bilden einer wie in 7 veranschaulichten 3×3 Matrix verwendet. Bei dieser Variante wird keine negative Gate-Elektrode 11 verwendet, was bedeutet, dass eine Leitung weniger benötigt wird. Weiterhin können bei Matrizen von Bauteilen, die zwei Gate-Elektroden verwenden, Probleme mit einem Übersprechen zwischen Pixeln über die die negative Gate-Elektrode verbindenden Leitungen auftreten. Die Verwendung nur einer Gate-Elektrode je Pixelbauteil ist eine Art und Weise, sich dieses Problems anzunehmen. Eine weitere Alternative ist das Bereitstellen eines Widerstands auf jeder negativen Elektrode 11 (dies wird im Zusammenhang mit einem vertikalen Matrixaufbau nachstehend veranschaulicht).
  • Vertikale Matrix elektrischer Pixelbauteile
  • Unter Bezug auf 8A–8D wird nun eine 3×3 Matrix identischer elektrochemischer Pixelbauteile mit einem vertikalen Aufbau dargestellt. Die Matrix ist aus drei unterschiedlichen Schichten gebildet und eine Sandwichstruktur aus diesen zusammengelegten Schichten bildet die Gesamtheit elektrochemischer Pixelbauteile. Die in 8A dargestellte unterste Schicht I umfasst das elektrochemisch aktive Element 4 jedes Transistorbauteils. Ferner befinden sich in dieser Schicht positive (5) und negative (11) Gate-Elektroden und die Gate-Elektroden jeder Zeile verbindende Leitungen. Um das Überspre chen auf ein Mindestmass zurückzuführen, werden alle negativen Elektroden 11 mit einem Widerstand versehen, was in den Figuren als jede negative Elektrode 11 unterbrechende Linie dargestellt wird. Die Source- und Drain-Kontakte 2, 3 des elektrochemischen Transistorbauteils und einer Elektrode 7 des elektrochromen Bauteils sind ebenfalls in dieser Schicht vorhanden.
  • Die mittlere Schicht II oder Abstandsschicht wird in 8B dargestellt. Diese Schicht umfasst die Elemente des festen Elektrolyten, die für die elektrochemischen Reaktionen in dem elektrochemischen Pixelbauteil notwendig sind. Der Elektrolyt 9 für das elektrochrome Bauteil B wird so bereitgestellt, dass er mit der Elektrode 7 der untersten Schicht I und dem elektrochromen Element 6 der obersten Schicht III in Kontakt steht, wenn die Schichten zusammengelegt werden. Auf dieselbe Weise wird der Elektrolyt 10 für das elektrochemische Transistorbauteil A so bereitgestellt, dass er mit dem elektrochemisch aktiven Element 4 und der Gate-Elektrode 5 der untersten Schichten in Kontakt steht, wenn die Schichten zusammengelegt werden. Die mittlere Schicht II umfasst ferner Durchkontaktierungen 12, die aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet sind und dem Zweck des Vermittelns eines Ladungstransports zu den Drain-Kontakten 3 der untersten Schicht I von der als nächstes beschriebenen obersten Schicht III dienen.
  • 8C veranschaulicht die oberste Schicht III. Bei dieser Schicht führen Leiter 13 der obersten Schicht über die Durchkontaktierungen der mittleren Schicht Vds zu. Die unterste Schicht umfasst ferner die elektrochromen Elemente 6 der vertikalen elektrochromen Bauteile. Bei dieser besonderen Ausführungsform sind die elektrochromen Elemente 6 aller Pixel in einer Spalte aus demselben Stück elektrochromem und leitfähigem Material gebildet und die Elektroden 8 zum Anlegen von Vds an die elektrochemischen Pixelbauteile in dieser Spalte können als die Teile dieses Stücks angesehen werden, die nicht im Kontakt mit dem Gelelektrolyten darunter stehen. Diese Anordnung ermöglicht das Anlegen von Vds an die Drains 3 und Elektroden 8 auf eine dem Betrieb des in 1 dargestellten einzelnen, horizontalen elektrochemischen Pixelbauteils ähnliche Weise. Die oberste Schicht III umfasst ferner Bereiche 14, die nichtleitend oder isoliert gemacht wurden und im Kontakt mit den elektrochemischen Transistorbauteilelektrolyten 10 in der Schicht darüber stehen und die dem Zweck des Verhinderns von Leckströmen aus den elektrochemisch aktiven Elementen 4 dienen.
  • 8D ist eine einfache Skizze der drei zusammengenommenen Schichten, die hauptsächlich dazu bestimmt ist, die Durchkontaktierungen 12 zu veranschaulichen, die den elektrischen Kontakt zwischen den Komponenten der Schichten I und III herstellen.

Claims (42)

  1. Pixelbauteil, das die folgenden Komponenten umfasst: (A) ein elektrochemisches Transistorbauteil umfassend einen Source-Kontakt (2); einen Drain-Kontakt (3); wenigstens eine Gate-Elektrode (5, 11); ein zwischen und in direktem elektrischen Kontakt mit den Source- und Drain-Kontakten angeordnetes elektrochemisch aktives Element (4), wobei das elektrochemisch aktive Element einen Transistorkanal umfasst und aus einem Material besteht, das ein organisches Material mit der Fähigkeit, seine Leitfähigkeit durch Wechseln dessen Redoxzustands elektrochemisch zu verändern, umfasst; und einen festen Elektrolyten (10) in direktem elektrischem Kontakt mit dem elektrochemisch aktiven Element und der wenigstens einen Gate-Elektrode, der sich derart dazwischen befindet, dass ein Elektronenfluss zwischen dem elektrochemisch aktiven Element und der (den) Gate-Elektrode(n) verhindert wird, wobei der Elektronenfluss zwischen dem Source-Kontakt und Drain-Kontakt mittels einer an die Gate-Elektrode(n) angelegten Spannung steuerbar ist, und (B) ein elektrochromes Bauteil umfassend wenigstens ein elektrochromes Element (6), das (i) wenigstens ein Material, das in wenigstens einem Oxidationszustand elektrisch leitend ist, und (ii) wenigstens ein elektrochromes Material umfasst, wobei die Materialien (i) und (ii) gleich oder verschieden sein können; wenigstens eine Schicht eines festen Elektrolyten (9) in direktem elektrischen Kontakt mit dem elektrochromen Element; und wenigstens zwei Elektroden (7, 8), die an das Anlegen einer Spannung dazwischen angepasst sind, wobei jede Elektrode in direktem elektrischem Kontakt mit einer aus der (den) Elektrolytschicht(en) und dem elektrochromen Element ausgewählten Komponente steht, wobei in dem Pixelbauteil einer der Source- und Drain-Kontakte des elektrochemischen Transistorbauteils A in elektrischem Kontakt mit einer der Elektroden des elektrochromen Bauteils B steht.
  2. Elektrochemisches Pixelbauteil gemäß Anspruch 1, wobei der Source-Kontakt des elektrochemischen Transistorbauteils A in elektrischem Kontakt mit einer der Elektroden des elektrochromen Bauteils B steht.
  3. Elektrochemisches Pixelbauteil gemäß Anspruch 1, wobei der Drain-Kontakt der elektrochemischen Transistorvorrichtung A in elektrischem Kontakt mit einer der Elektroden des elektrochromen Bauteils B steht.
  4. Elektrochemisches Pixelbauteil gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Source- und Drain-Kontakte, Gate-Elektrode(n) und das elektrochemisch aktive Element des elektrochemischen Transistorbauteils A in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.
  5. Elektrochemisches Pixelbauteil gemäß Anspruch 4, wobei in dem elektrochemischen Transistorbauteil A eine kontinuierliche oder unterbrochene Schicht aus festem Elektrolyt das elektrochemisch aktive Element bedeckt und mindestens teilweise die Gate-Elektrode(n) bedeckt.
  6. Elektrochemisches Pixelbauteil gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in dem elektrochemischen Transistorbauteil A wenigstens einer der Source- und Drain-Kontakte und Gate-Elektrode(n) aus demselben Material wie das elektrochemisch aktive Element gebildet ist.
  7. Elektrochemisches Pixelbauteil gemäß Anspruch 6, wobei in dem elektrochemischen Transistorbauteil A die Source- und Drain-Kontakte und Gate-Elektrode(n) alle aus demselben Material wie das elektrochemisch aktive Element gebildet sind.
  8. Elektrochemisches Pixelbauteil gemäß einem der Ansprüche 6–7, wobei in dem elektrochemischen Transistorbauteil A die Source- und Drain-Kontakte und das elektrochemisch aktive Element aus einem kontinuierlichen Stück des ein organisches Material umfassenden Materials gebildet sind.
  9. Elektrochemisches Pixelbauteil gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in dem elektrochromen Bauteil B die Elektroden aus demselben Material wie das elektrochrome Element gebildet sind.
  10. Elektrochemisches Pixelbauteil gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Source- und Drain-Kontakte, das elektrochemisch aktive Element und die Gate-Elektrode(n) des elektrochemischen Transistorbauteils A und das elektrochrome Ele ment und die Elektroden des elektrochromen Bauteils B alle aus demselben Material gebildet sind.
  11. Elektrochemisches Pixelbauteil gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das organische Material in dem elektrochemischen Transistorbauteil A ein Polymer ist.
  12. Elektrochemisches Pixelbauteil gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das elektrochrome Material in dem elektrochromen Bauteil B ein elektrochromes Polymer umfasst.
  13. Elektrochemisches Pixelbauteil gemäß einem der Ansprüche 11–12, wobei das organische Material in dem elektrochemischen Transistorbauteil A ein Polymer ist und das elektrochrome Material in dem elektrochromen Bauteil B ein elektrochromes Polymer umfasst.
  14. Elektrochemisches Pixelbauteil gemäß Anspruch 13, wobei das elektrochrome Polymer in dem elektrochromen Bauteil B dasselbe Material wie das Polymer in dem elektrochemischen Transistorbauteil A ist.
  15. Elektrochemisches Pixelbauteil gemäß einem der Ansprüche 11–14, wobei ein in dem elektrochromen Bauteil B vorhandenes elektrochromes Polymer und ein in dem elektrochemischen Transistorbauteil A vorhandenes Polymer aus der aus Polythiophenen, Polypyrrolen, Polyanilinen, Polyisothianaphthalinen, Polyphenylenvinylenen und Copolymeren daraus bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
  16. Elektrochemisches Pixelbauteil gemäß Anspruch 15, wobei ein in dem elektrochromen Bauteil B vorhandenes elektrochromes Polymer und ein in dem elektrochemischen Transistorbauteil A vorhandenes Polymer ein Polymer oder Copolymer eines 3,4-Dialkoxythiophens ist, bei dem die beiden Alkoxygruppen gleich oder verschieden sein können oder zusammen eine gegebenenfalls substituierte Oxyalkylenoxybrücke darstellen.
  17. Elektrochemisches Pixelbauteil gemäß Anspruch 16, wobei das Polymer oder Copolymer eines 3,4-Dialkoxythiophens aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Poly(3,4-methylendioxythiophen), Poly(3,4-methylendioxythiophen)derivaten, Poly(3,4-ethy lendioxythiophen), Poly(3,4-ethylendioxythiophen)derivaten, Poly(3,4-propylendioxythiophen), Poly(3,4-propylendioxythiophen)derivaten, Poly(3,4-butylendioxythiophen), Poly(3,4-butylendioxythiophen)derivaten und Copolymeren damit besteht.
  18. Elektrochemisches Pixelbauteil gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das elektrochrome Material in dem elektrochromen Bauteil B und/oder das organische Material in dem elektrochemischen Transistorbauteil A eine Polyanionenverbindung umfassen (umfasst).
  19. Elektrochemisches Pixelbauteil gemäß Anspruch 18, wobei die Polyanionenverbindung Poly(styrolsulfonat) oder ein Salz davon ist.
  20. Elektrochemisches Pixelbauteil gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der feste Elektrolyt in dem elektrochemischen Transistorbauteil A und/oder der feste Elektrolyt in dem elektrochromen Bauteil B ein Bindemittel umfassen (umfasst).
  21. Elektrochemisches Pixelbauteil gemäß Anspruch 20, wobei das Bindemittel ein Geliermittel ist, das aus der aus Gelatine, einem Gelatinederivat, Polyacrylsäure, Polymethacrylsäure, Poly(vinylpyrrolidon), Polysacchariden, Polyacrylamiden, Polyurethanen, Polypropylenoxiden, Polyethylenoxiden, Poly(styrolsulfonsäure) und Poly(vinylalkohol) und Salzen und Copolymeren davon bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
  22. Elektrochemisches Pixelbauteil gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der feste Elektrolyt in dem elektrochemischen Transistorbauteil A und/oder der feste Elektrolyt in dem elektrochromen Bauteil B ein ionisches Salz umfassen (umfasst).
  23. Elektrochemisches Pixelbauteil gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei derselbe feste Elektrolyt sowohl in dem elektrochemischen Transistorbauteil A als auch dem elektrochromen Bauteil B verwendet wird.
  24. Elektrochemisches Pixelbauteil gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das auf einem Träger angeordnet ist.
  25. Elektrochemisches Pixelbauteil gemäß Anspruch 24, wobei der Träger aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polyethylenterephthalat, Polyethylennaphthalindicarboxylat, Polyethylen, Polypropylen, Polycarbonat, Papier, beschichtetem Papier, harzbe schichtetem Papier, Papierlaminaten, Pappe, Wellpappe und Glas besteht.
  26. Elektrochemisches Pixelbauteil gemäß Anspruch 24 oder Anspruch 25, wobei der Träger reflektierend ist.
  27. Elektrochemisches Pixelbauteil gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in dem elektrochromen Bauteil B die Elektroden und das elektrochrome Element nebeneinander in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.
  28. Elektrochemisches Pixelbauteil gemäß einem der Ansprüche 1–26, wobei in dem elektrochromen Bauteil B die Elektroden und das elektrochrome Element senkrecht angeordnet sind.
  29. Matrix umfassend eine Mehrzahl elektrochemischer Pixelbauteile gemäß einem der Ansprüche 1–28.
  30. Matrix gemäß Anspruch 29, bei der die elektrochemischen Pixelbauteile jeweils eine Gate-Elektrode aufweisen.
  31. Matrix gemäß Anspruch 29, bei der die elektrochemischen Pixelbauteile jeweils wenigstens zwei Gate-Elektroden aufweisen.
  32. Matrix gemäß Anspruch 31, bei der eine der Gate-Elektroden jedes elektrochemischen Pixelbauteils mit einem Widerstand ausgestattet ist, um das Übersprechen zwischen Pixeln auf ein Mindestmaß zurückzuführen.
  33. Pixeldisplay umfassend eine Matrix gemäß einem der Ansprüche 29–32.
  34. Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Pixelbauteils gemäß Anspruch 1, umfassend die Schritte des Aufbringens der wenigstens einen Gate-Elektrode (5) des elektrochemischen Transistors auf einen Träger; Aufbringens der Source- (2) und Drain-Kontakte (3) und des elektrochemisch aktiven Elements (4) des elektrochemischen Transistors auf den Träger, wobei das elektrochemische Bauteil einen Transistorkanal aus einem organischen Material mit der Fähigkeit, seine Leitfähigkeit durch Wechseln des Redoxzustands elektrochemisch zu verändern, umfasst, in der Weise, dass das elektrochemisch aktive Element zwischen und in direktem elektrischen Kontakt mit den Source- und Drain-Kontakten angeordnet ist; Anordnens des festen Elektrolyten (10), des elektrochemisch aktiven Elements und der wenigstens einen Gate-Elektrode des elektrochemischen Transistors in der Weise, dass der feste Elektrolyt in direktem elektrischen Kontakt mit der wenigstens einen Gate-Elektrode und dem Transistorkanal des elektrochemisch aktiven Elements steht; Aufbringens des wenigstens einen elektrochromen Elements (6) und der wenigstens einen Schicht des festen Elektrolyten (9) des elektrochromen Bauteils auf den Träger in der Weise, dass das elektrochrome Element in direktem elektrischen Kontakt mit dem Elektrolyten angeordnet ist; Anordnens der wenigstens zwei Elektroden (7, 8) des elektrochromen Elements in direktem elektrischen Kontakt mit einer aus der (den) Elektrolytschicht(en) und dem elektrochromen Element ausgewählten Komponente.
  35. Verfahren gemäß Anspruch 34, wobei die Kontakte, Elektroden, das elektrochemisch aktive Element, elektrochrome Element und/oder Elektrolyt(en) mittels Drucktechniken aufgebracht werden.
  36. Verfahren gemäß Anspruch 34, wobei die Kontakte, Elektroden, das elektrochemisch aktive Element, elektrochrome Element und Elektrolyt(en) mittels Beschichtungstechniken aufgebracht werden.
  37. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 34–36, wobei in dem Bauteil das organische Material des elektrochemischen Transistorbauteils A und/oder das elektrochrome Element des elektrochromen Bauteils B ein Polymer umfasst und das Verfahren das Aufbringen des Polymers auf einen Träger durch In-situ-Polymerisation umfasst.
  38. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 34–37, das das Bemustern eines Kontakts, einer Elektrode, eines elektrochemisch aktiven Elements und elektrochromen Elements mittels eines subtraktiven Verfahrens umfasst.
  39. Verfahren gemäß Anspruch 38, wobei das Bemustern durch chemisches Ätzen ausgeführt wird.
  40. Verfahren gemäß Anspruch 38, wobei das Bemustern durch Gasätzen ausgeführt wird.
  41. Verfahren gemäß Anspruch 38, wobei das Bemustern durch Kratzen, Ritzen, Schaben und Fräsen umfassende mechanische Mittel ausgeführt wird.
  42. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 34–41, wobei das elektrochemische Pixelbauteil wie in einem der Ansprüche 2–28 definiert ist.
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