TW201521005A - 電致變色顯示裝置及驅動方法 - Google Patents

Abstract

提供一種可進行高速驅動而不會引起電解質層及電極界面的破壞或發色消色壽命的短命化之電致變色顯示裝置及其裝置的驅動方法。電致變色顯示裝置係將在基板上依序積層有第1電極層、電荷儲存層、電解質層、電致變色顯示層、第2電極層及透明基材而成的顯示面板進行驅動之電致變色顯示裝置，其中，在上述第1電極層與上述第2電極層之間施加既定電壓以使電致變色發色時，於施加後隨即施加最高的正電壓，然後一邊使正電壓降低一邊進行脈衝驅動。

Description

電致變色顯示裝置及驅動方法

本發明係關於電致變色顯示面板，且係關於藉由電化學氧化反應產生氧化還原反應來進行發色消色之電致變色顯示裝置及其裝置的驅動方法。

近年來，以資訊顯示面板而言，使用背光的液晶是主流。然而，眼睛的負擔大，不適合長時間持續觀看。

於是，作為一種眼睛的負擔小的反射型顯示裝置，有提出一種具有一對對向的電極間、和設置於該電極間的電泳式顯示層的顯示面板，作為電泳式顯示裝置(例如參照專利文獻1)。

此電泳式顯示裝置由於是與印刷的紙面同樣，藉由反射光來顯示文字或影像，所以對眼睛的負荷少，適合長時間持續觀看畫面的作業。然而，由於白反射率不夠高，所以需要採用其他方式之高反射型的反射型顯示裝置。

作為其一者，有藉由使用以電化學氧化產生氧化還原反應來進行發色消色之電致變色材料，而可期待高反射率之電致變色顯示方式。此電致變色顯示方式有低驅動電壓及高適應性(flexibility)等的優點，能期待 實用化。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特公昭50-015115號公報

電致變色(EC)是指藉由利用電能所致之可逆的光學特性變化，一般而言是指藉由電化學的氧化還原反應所引起之物質的色調或色彩的變化，因電量而引起變化之現象。亦即，為了使電致變色材料的色調或色彩改變，必須將某氧化還原反應所需要的電荷量賦予到發色電極。因此，電化學的氧化還原反應的響應速度，係因應賦予至該電極之電壓的速度。然而，過電壓、過電流有成為電解質層及電極界面的破壞、或發色消色壽命變短的原因之課題。

因此，本發明係有鑑於上述課題而完成者，其目的在提供一種不會引起電解質層及電極界面的破壞或發色消色壽命的短命化而能進行高速驅動之電致變色顯示裝置及該裝置的驅動方法。

用以解決上述課題之本發明的一態樣，係將在基板上依序積層有第1電極層、電荷儲存層、電解質層、電致變色顯示層、第2電極層及透明基材而成的顯示面板進行驅動之電致變色顯示裝置，其中，在第1電極層與 第2電極層之間施加既定電壓以使電致變色發色時，於施加後隨即施加最高的正電壓，然後一邊使正電壓降低一邊進行脈衝驅動。

此外，在上述第1電極層與上述第2電極層之間施加一連串的脈衝電壓的影像顯示步驟中，作為最初的脈衝之第一脈衝的電壓時間積係相對於影像顯示步驟的總電壓時間積為30%以上70%以下。

亦可一邊使施加電壓以反比例函數降低，一邊驅動顯示面板。

又，亦可於施加後隨即施加最高的正電壓，然後一邊使正電壓降低一邊進行脈衝驅動，從顯示最高明度之後的脈衝驅動依序將負電壓進行脈衝驅動。

為了使電致變色材料的色調或色彩變化，必須將某氧化還原反應所需要的電荷量賦予到發色電極。此時，為了使電化學的氧化還原反應高速化，必須提高驅動電壓。

根據本發明之電致變色顯示裝置及驅動方法，藉由將高電壓驅動在極短時間進行處理，可在不會引起電解質層及電極界面的破壞、或發色消色壽命的短命化之情況下進行高速驅動。

1‧‧‧透明基材

2‧‧‧透明電極層

3‧‧‧電致變色顯示層

4‧‧‧電解質層

5‧‧‧電荷儲存層

6‧‧‧背面電極層

6a‧‧‧像素電極

7‧‧‧背面基板

10‧‧‧信號電壓

11‧‧‧源極電壓

12‧‧‧選擇電壓

13‧‧‧電容器

14‧‧‧選擇TFT

15‧‧‧驅動TFT

16‧‧‧電致變色元件

圖1係說明本發明之一實施形態的背面共同電極式電致變色顯示裝置的層構成之剖面圖。

圖2係說明本發明之一實施形態的背面分離電極式電致變色顯示裝置的層構成之剖面圖。

圖3為顯示電致變色單元(electrochromic cell)定電壓驅動時的電流波形之圖。

圖4為顯示電致變色單元定電壓驅動時的明度變化之圖。

圖5為顯示本發明一實施形態之電致變色顯示裝置的驅動方法之電壓波形的一例之圖。

圖6為主動矩陣驅動方式的TFT電路部的構成例。

圖7為顯示使用於本發明一實施形態之電致變色顯示裝置的驅動方法之電壓波形的一例之圖。

圖8為顯示本發明一實施形態之電致變色顯示裝置的明度的一例之圖。

[實施發明之形態]

一邊參照圖式，一邊說明本發明之一實施形態的電致變色顯示裝置及其驅動方法。

圖1為說明本發明之一實施形態的背面共同電極式電致變色顯示裝置的層構造之示意剖面圖。圖2為說明本發明之一實施形態的背面分離電極式電致變色顯示裝置的層構造之示意剖面圖。

本實施形態的電致變色顯示裝置係包含在形成有背面電極層6(第1電極層)的背面基板7上依序積層電荷儲存層5和電解質層4和電致變色顯示層3，且在此電致變色顯示層3上進一步積層設有透明電極層(第2電極 層)2的透明基材1而成的構成。

首先，描述本發明之一實施形態的電致變色顯示裝置的顯示原理的概略，並記述本發明的主要內容。

在圖1所示的電致變色顯示裝置中，透明基材1係在視覺上看到發色用的構成，引起發色的電極係使用透明電極層2。為了在該透明電極層2上誘發電化學反應，而塗布電致變色顯示層3。電解質層4，係使用液體、無機固體、高分子及凝膠(gel)等。在此，與在由發色電極的電化學反應被消耗的電荷量相同的電荷量，亦會在屬相對電極之背面電極層6的電荷儲存層5被消耗。此等的各層整體係由背面基板7所支持。

在圖2所示的電致變色顯示裝置中，將背面電極層6分別分割成可個別驅動的複數個像素電極6a。此複數個像素電極6a係對應於像素，連接於各開關元件(switching element)，可在其與透明電極層2之間施加電壓。

電致變色顯示裝置的驅動，係採用主動矩陣驅動方式或被動矩陣驅動方式等。在此實施形態中，是使用用以進行影像顯示之最一般的主動矩陣型驅動方式，說明電致變色顯示裝置的顯示原理。

為了進行影像顯示，背面電極層6係連接於主動矩陣型驅動方式的電路構成的電源。當在背面電極層6施加電壓時，電流會在電致變色顯示層3流動。

電致變色係藉由電能所造成的氧化還原反應 而引起物質的色調或色彩的可逆變化。當背面電極層6為正極性時，電荷儲存層5會失去電子而被氧化，與作為相對電極之透明電極層2連接的電致變色顯示層3則被供予電子而被還原。相反地，當背面電極層6為負極性時，電荷儲存層5會被供予電子而被還原，電致變色顯示層3會失去電子而被氧化。

伴隨此電致變色顯示層3的氧化還原，藉由可視光的吸收波長區域顯現或移動，顏色會改變。在電致變色顯示層3沒有吸收可視光而呈無色透明的情況下，可觀察到由分散到電解質層4的反射材料所產生的發色。

圖3為顯示將圖1所示之構造的電致變色單元以1.2V、1.6V、2.0V進行定電壓驅動時的電流波形。

又，圖4為顯示將圖1所示之構造的電致變色單元以1.2V、1.6V、2.0V進行定電壓驅動時的明度變化。如圖4所示，無論是哪個電壓都能隨著時間經過而成為與達到飽和電荷大致同等的明度。得知電壓愈高，響應時間就愈快。

如此，響應時間成為因應驅動電壓的速度，但是特別是在驅動後隨即流動一瞬間的大電流。由於電致變色單元係電化學電池(electrochemical cell)，具有與電池同樣的構造，所以一般認為此等現象是與電池的充電、放電類似的現象。因此，在充電開始後隨即施加高電壓，可加快反應速度。

圖5為顯示使用於本發明一實施形態之電致變色顯示裝置的驅動方法之電壓波形的一例的圖。如圖5 所示，在本實施形態的電致變色顯示裝置中，重寫顯示影像之際，以隨著時間經過而降低之脈衝狀的不連續電壓進行脈衝驅動來進行重寫。圖5所例示的脈衝驅動波形中，以第1脈衝的電壓為5V，第2脈衝的電壓為2.5V，第3脈衝的電壓為1.67V之方式，使各脈衝的電壓以反比例函數降低。

本實施形態中，一邊使施加的正電壓降低，一邊將電致變色顯示裝置進行脈衝驅動，而脈衝驅動的電壓及寬度(時間)，係依據賦予該電致變色元件(ECD)的氧化還原反應所需要的電荷量之值來設定。此外，如本實施形態所示，藉由一邊使正電壓降低一邊不連續地進行脈衝驅動，相較於以一定電壓進行連續驅動的習知方式，具有可以良好效率供給能量，而可排出所儲存之過多的能量之優點。

如此，如本發明的驅動方法所示，在電壓施加後隨即在極短時間處理高電壓驅動，使之後的正電壓一邊依據反比例函數等降低一邊進行脈衝驅動，藉此可進行高速驅動而不會流通過電流(excess current)。據此，可解決如習知之恆常施加一定電壓而使之驅動的方法所產生之課題，即可避免電極或各層的界面受到損傷之問題發生。此外，在本發明的電致變色元件的驅動中，電壓施加後的極短時間是指，以可以主動矩陣驅動方式的重寫最小週期施加脈衝電壓之10ms以上200ms以下較佳。

此外，以使用於圖5所示的驅動方法之電壓波 形，在以複數次一連串的脈衝電壓於反應開始後的極短時間施加高電壓以顯示影像的影像顯示步驟中，第一脈衝的電壓時間積係以相對於加上影像顯示步驟的各電壓時間積之總電壓時間積為30%以上70%以下較佳。在此，電壓時間積係將施加於共同電極的透明電極層與像素電極之間的電壓和其電壓施加時間相乘所得者，亦即，為施加於透明電極層和像素電極之間的時間積分值。第一脈衝的電壓時間積未達30%時，進行高速反應所需之氧化還原反應的電荷量會不足而無法快速地切換顯示。此外，當超過70%時，特別是為80%以上時，會變得比切換開始後隨即以電致變色元件的電化學反應能進行電荷收受的電容還大，以致於賦予所需以上的電荷，而消耗無用的能量。

又，圖7係在施加後隨即施加最高的正電壓，然後，一邊使電壓降低一邊進行脈衝驅動，由顯示最高明度之後隨即的脈衝驅動施加負電壓脈衝群。如此，藉由施加負電壓脈衝，可顯示中間灰階。

其次，說明主動矩陣驅動。

圖6為顯示兩個電晶體方式(2Tr方式)的TFT驅動電路之代表例的圖。圖6所示的TFT驅動電路係由驅動TFT15和選擇TFT14之兩個薄膜電晶體(TFT)、和其間的電容器13、和與驅動TFT15串聯的電致變色元件(ECD)16所構成。當選擇電壓Vselect12將選擇TFT14設為ON時，信號電壓Vdata10被寫入電容器13，同時將驅動TFT15設為ON。此時，由於是依據信號電壓Vdata10決定選擇 TFT14的閘極電壓Vgs(=信號電壓Vdata-源極電壓Vsource)，所以驅動TFT15的導電率固定。接著，因應該導電率的電流會從電源流動到電致變色元件(ECD)16。

以下，就使用於本發明的材料、構件與其構成進行說明。

電致變色顯示層3係由電致變色材料、支援電解質、反射材料及電荷儲存材料所形成。

電致變色材料可使用一般的有機化合物及無機化合物。具體而言，可列舉：紫原(viologen)類、啡噻類、蒽醌類、苯乙烯基螺哌喃(styryl spiropyran)類、吡唑啉類、螢光黃母體(fluoran)類、苯乙烯基螺哌喃色素、酞花青類等的低分子系有機電致變色化合物；聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯等的導電性高分子化合物；氧化鈦、氧化鉬、氧化鈮、氧化銥、氧化釩、氧化鎢、氧化銦、氧化銥、氧化鎳、普魯士藍、或將配位金屬置換成鐵以外而成的普魯士藍類似體等的無機系電致變色化合物等。此外，得知一般來說屬電供予性有機物的無色染料也可電性地發色或消色。可列舉例如：無色金黃胺(leuco auramine)類、二芳基酞內酯(diaryl phthalide)類、聚芳基甲醇(polyarylcarbinol)類、醯基金黃胺類、芳基金黃胺類、玫瑰紅B內醯胺類、吲哚啉類、螺哌喃類、及螢光黃母體類等的電子供予性染料前驅物。此外，關於低分子的材料，亦可在電極層上以氧化鈦等的礦物形成多孔質構造的層，而使之吸附。

作為電致變色顯示層3的形成方法，可將上述 的電致變色材料直接作成塗料或混入黏合劑而作成塗料，並使用網版印刷、微凹版塗布機(micro gravure coater)、吻合式塗布機(kiss coater)、缺角輪塗布機(comma coater)、模塗布機、桿塗布機(bar coater)、旋轉塗布機等一般的塗布方法。

以支援鹽而言，可列舉例如：鹼金屬鹽、鹼土類金屬鹽等的無機離子鹽、4級銨鹽或酸類、鹼類等。以支援電解質的進一步具體例而言，可列舉：LiClO₄、LiBF₄、LiAsF₆、LiPF₆、LiCF₃SO₃、LiCF₃COO、KCl、NaClO₃、NaCl、NaBF₄、NaSCN、KBF₄、Mg(ClO₄)₂、Mg(BF₄)₂等。

以分散於電解質層4的反射材料而言，白色材料可列舉例如氧化鎂、硫酸鋇、氧化鈦等。又，黑色材料可列舉例如由燈黑或骨炭等的碳所構成的碳黑、或由無機材料所產生的黑色鈦粉末等。再者，若為青色材料，可列舉鋁酸鈷、鈷鉻藍、酞花青類；若為紅色材料，可列舉蒽醌、偶氮化合物等。為了使反射材料分散於電解質層4，亦可藉由在電解質層4溶解丙烯酸樹脂或胺基甲酸酯樹脂等的高分子材料來提高電解質層4的黏度。或者，亦可將分散劑或界面活性劑添加於電解質層4。

電荷儲存材料係可活用與上述之電致變色材料相同的材料。然而，較佳為在普魯士藍或二茂鐵之類的氧化體、還原體的兩狀態下難以與其他化合物反應之安定的材料。

以透明基材1而言，可使用聚對苯二甲酸乙二 酯(PET)、或聚碳酸酯、聚亞醯胺、聚萘二甲酸乙二酯、聚醚碸、丙烯酸樹脂、聚氯乙烯等的塑膠薄膜、或玻璃等。可作為透明電極材使用者係為例如：ITO等的氧化銦系、氧化錫系、氧化鋅系之類之具有透明性的導電性氧化物等。此透明電極層2的形成，係可使用蒸鍍法、濺鍍法、CVD法等的習知技術。

形成有背面電極層6的背面基板7，係可使用配置有薄型電晶體的主動矩陣型電極板，該薄型電晶體係使用一般在液晶面板的驅動所採用的非晶矽或多晶矽。或者，在形成有背面電極層6的背面基板7亦可使用電極板，該電極板係藉由在印刷基板的前面以格子狀配置多數的電極且按各電極通過貫通孔且在背面鋪設有配線，而能進行大型的主動矩陣驅動。

[實施例1]

在氧化銦錫電極蒸鍍於玻璃上而成的20mm×20mm尺寸之透明電極基板上，以旋轉塗布機塗布分散有水溶性普魯士藍分散液1.0mol/l而成的分散液作為電致變色材料，藉由以100℃進行5分鐘的乾燥而獲得具有約0.3μm的塗膜之前面電極基板。

作為背面基板，係與前面電極基板同樣地利用旋轉塗布機塗布上述所準備的普魯士藍分散液，而獲得以普魯士藍作為電荷保持層的背面電極基板。

再者，對碳酸丙烯酯分散有0.1M的六氟磷酸鉀及PMMA、氧化鈦作為電解質，來調合電解液。

在前面電極基板與背面電極基板的端部，藉 由點膠機(dispenser)塗布混合有直徑約100μm的粒珠之紫外線硬化型樹脂，而形成壩材(dam)。接著，用上述經調合的電解液填滿壩材，照射500mJ/cm²(420nm)的光而黏著。

在已完成的前面背面基板間以2秒的時間施加1.6V，以從藍色到透明的方式促進著色變化時，像素在約1秒後大致完成氧化充電而變化成透明，藉由電解液的氧化鈦，觀察到為白色像素。亦即，在一定電壓的連續驅動中，如圖3所示在初期供給最大的能量，但在供給能量逐漸減少的過程中，進行過多的能量供給。藉由將此種驅動長時間重複進行，剩餘的能量將會導致電解質的劣化或氧化銦錫電極的破壞。

另一方面，如圖5所示，將初期為5V的施加電壓以脈衝寬度100ms且間隔(0V)500ms，一邊依序使電壓降低一邊驅動到1V為止時，大約在第2脈衝完成氧化充電且變化成透明部，藉由電解液的氧化鈦，觀察到為白色像素。因此，在實施例1的面板中，不需要第3脈衝以後的驅動，剩餘的能量供給比連續驅動時少。

[實施例2]

圖7係從第1脈衝一邊依序使正電壓下降一邊驅動，藉此顯示最大明度，其後，最大明度以後施加負電壓脈衝群。

具體而言，第1脈衝(電壓5V，脈衝寬度70ms)，第2脈衝以後係以間隔350ms間隔，一邊依序使電壓下降一邊衰減到第5(電壓1V)為止並進行驅動時，在第5脈 衝氧化充電完成而變化成透明部，藉由電解液的氧化鈦，觀察到為白色像素。

圖8係顯示此時的明度L＊，明度從第1脈衝依序因應驅動電壓而上升，在第5脈衝驅動後成為最大明度。

在第6脈衝以後變成灰階控制，一旦在第5脈衝設成最大明度後，施加因應灰階的負電壓脈衝(電壓-1V，脈衝寬度70ms)，以成為所期望的明度之方式控制脈衝。如圖8所示，在第6脈衝至第9脈衝的負電壓脈衝群進行脈衝驅動，藉此可顯示中間灰階。此外，灰階控制用的脈衝電壓會成為因應所需灰階數之明度的最小分解能。

亦即，由於在第1到第5的脈衝衰減驅動中無法將中間灰階均等地進行分解顯示，所以如本實施例所示藉由將負電壓脈衝以最小分解能進行控制，可作成所需的灰階。

[產業上之可利用性]

本發明係與具備習知電解液的電化學元件同樣，可利用於各式各樣的用途。作為藉由電壓施加控制顏色的電致變色元件，可適用於顯示元件，調光元件等。

1‧‧‧透明基材

2‧‧‧透明電極層

3‧‧‧電致變色顯示層

4‧‧‧電解質層

5‧‧‧電荷儲存層

6‧‧‧背面電極層

7‧‧‧背面基板

Claims (10)

1. 一種電致變色顯示裝置，係將在基板上依序積層有第1電極層、電荷儲存層、電解質層、電致變色顯示層、第2電極層及透明基材而成的顯示面板進行驅動之電致變色顯示裝置，其中，在上述第1電極層與上述第2電極層之間施加既定電壓以使電致變色發色時，於施加後隨即施加最高的正電壓，然後一邊使正電壓降低一邊進行脈衝驅動。
2. 如請求項1之電致變色顯示裝置，其中在上述第1電極層與上述第2電極層之間施加一連串的脈衝電壓的影像顯示步驟中，作為最初的脈衝之第一脈衝的電壓時間積係相對於上述影像顯示步驟的總電壓時間積為30%以上70%以下。
3. 如請求項1之電致變色顯示裝置，其中一邊使上述施加電壓以反比例函數降低，一邊驅動上述顯示面板。
4. 如請求項1至3中任一項之電致變色顯示裝置，其中於施加後隨即施加最高的正電壓，然後一邊使正電壓降低一邊進行脈衝驅動，從顯示最高明度之後隨即的脈衝驅動依序將負電壓進行脈衝驅動。
5. 一種驅動方法，係將在基板上依序積層有第1電極層、電荷儲存層、電解質層、電致變色顯示層、第2電極層及透明基材而成的顯示面板進行驅動之方法，其中，在上述第1電極層與上述第2電極層之間施加既定電壓以使電致變色發色時，於施加後隨即施加最高電壓，然後一邊使電壓降低一邊進行脈衝驅動。
6. 如請求項5之驅動方法，其中在上述第1電極層與上述第2電極層之間施加一連串的脈衝電壓之影像顯示步驟中，作為最初的脈衝之第一脈衝的電壓時間積係相對於上述影像顯示步驟的總電壓時間積為30%以上70%以下。
7. 如請求項5之驅動方法，其中一邊使上述施加電壓以反比例函數降低，一邊驅動上述顯示面板。
8. 如請求項5至7中任一項之驅動方法，其中藉由主動矩陣驅動方式驅動上述顯示面板。
9. 如請求項5至7中任一項之驅動方法，其中藉由被動矩陣驅動方式驅動上述顯示面板。
10. 如請求項4至9中任一項之驅動方法，其中於施加後隨即施加最高的正電壓，然後一邊使正電壓降低一邊進行脈衝驅動，從顯示最高明度之後隨即的脈衝驅動將負電壓依序進行脈衝驅動。