TWI584681B - 使用冷光之單層反射式顯示器 - Google Patents

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Description

使用冷光之單層反射式顯示器 發明領域
本發明係有關使用冷光之單層反射式顯示器。
 發明背景
反射式電子顯示器是越來越受歡迎的一種新類型的顯示器。舉例來說，反射式顯示器已於電子書讀取器中使用。相對於需要自己的光源之傳統平面式顯示器，反射式顯示器利用周圍光以供發光用，以產生被顯示的影像。因此，反射式顯示器能模擬如書頁或報紙印刷的「紙張上墨水」(ink-on-paper)印刷材料的模樣，且常被稱為「電子紙(electronic paper)」或「e紙(e-paper)」。由於使用周圍光供發光之用，故而反射式顯示器具有相較於傳統顯示器之較低功率消耗、以及在明亮的周圍光下受檢視的能力之顯著優點。
在開發反射式顯示器中的一個主要挑戰是在不使裝置結構太複雜與難以製造的情況下，要提供良好的顏色。許多反射式類似紙的顯示器技術，試圖藉由堆疊數個主動裝置層來達到滿意的顏色。這些技術依賴藉由吸收減去各主動層中一部分的可視光譜，以及將剩餘者反射以創造想要的顏色。提供全彩需要獨立減去對應至少三原色的入射可視光譜之部分的能力，該等至少三原色例如為RGB(紅、綠、藍)或CYM(青、黃、洋紅)。此外，通常需要一第四層，以致能黑色或白色及/或提供灰度。在某些情況中，可能會利用少於四層主動層來獲得全彩，蓋因兩個原色可能會在一個主動層中達成。然而，堆疊兩個主動層會是有問題的。多重層需要多重電子背板及/或複雜的通孔(vias)。這會引導出更難的製造、較低的產量、和較大的花費。使用多重層也會使裝置效能降級。由於低於完美的透明度，在介面的散亂反射和已堆疊層中的吸收會降低對比和亮度。
堆疊主動層的替代例是去嘗試透過使用子像素達到全彩，該等子像素各藉由只反射入射光中一原色的一窄頻帶來提供該原色。這個方法的問題是只有小部分的像素區域被用來創造各原色，落在該子像素以外的入射光會被浪費。這導致不可接受的低亮度位準。而且，例如前後電泳式顯示器(front-back electrophoretic display)之某些技術，具有當「開」的顏色顆粒被拉到像素的前面時，仍部分可見「關」的顏色的問題。迄今為止，沒有存在單層反射式顯示器技術已證明可接受彩色。
依據本發明之一可行實施例，係特地提供了一種反射式顯示器像素元件，其包含：並排設置的至少三個子像素，該等子像素各對應於三原色中的一者，該等子像素中的至少一者具有：具有可調整透射性之一光線快門；設置在該光線快門之下的一發光層，且該發光層含有發出一選定原色之光的一發光材料；以及設置在該發光層之下的一鏡面，以供反射對應該選定原色的光。
第1圖顯示根據本發明之一顯示器裝置的一實施例。如同下文更為詳細地描述，該顯示器裝置100(簡稱“裝置100”)具有一彩色顯示器螢幕102，其能夠顯示高色彩品質的影像，同時在結構上簡單且易於製造。
該顯示器裝置100具有例如一可充電電池之一內建電源，以及具有電子電路和用於它的操作之軟體。如第1圖所繪示，該顯示器裝置100可具有用以控制影像顯示器功能的按鈕104，以即可具有供資料入口用之一鍵墊106。此外，該顯示器螢幕102可為能夠顯示諸如捲動軸或控制按鈕的控制特徵之一觸控螢幕。該顯示器裝置100進一步包括用以接收要被顯示的影像之資料的裝置。舉例來說，該顯示器裝置100可具有USB埠，以供接收透過一USB纜線傳送的資 料，或是來接收其中儲存有影像日期之一USB記憶棒。該裝置亦可具有針對其它類型的資料儲存裝置之容座，例如一SD卡插槽112。可替換地，該顯示器裝置100可具有用以從一電腦或例如網際網路之一網路，無線下載影像資料之無線傳輸能力。
第2圖顯示根據本發明之一實施例的顯示器螢幕102的一像素120之一示意表示。該像素120具有多個子像素，各負責調變一給定光譜帶中所產生的光。在所顯示得實例中，該像素120具有用以分別調變三原色紅、綠、藍之三個子像素122、124和126，以及用於白色光之調變的一可選擇子像素128。能使用其它顏色選項和不同數量的子像素。此像素結構係一「單層(single-layer)」結構，蓋因相反於具有堆疊在一起之多重作動顏色吸收/反射層的反射式顯示器結構，該等子像素是在相同層中並排設置。
為了清楚描述，第3圖顯示根據本發明之一實施例的一個彩色子像素130之結構。這個子像素結構可適用於第2圖的像素中的所有三種顏色的子像素122、124、126。該子像素130係由三種組分所形成：一快門132、一發光層134和一鏡面136。該快門132形成該彩色子像素130的頂層，以及用於照明的周圍光經由該快門進入該子像素。該快門具有一可調整之光透射性。該快門132調變進入該子像素130的周圍光、亦以及離開該子像素的光之強度。如此，該快門132控制由該子像素所產生之光量，以達到所欲的亮度。在某些實施例中，該快門132包含一電光快門，在某些波長範圍 上與具有某些數目的中間灰度時，該快門的透明度可以自大多透明調變為大多不透明。針對該電光快門有許多可能的選擇，包括黑暗/清楚(black/clear)的二色性客型液晶(LC)主型系統與平面內電泳(EP)系統。若使用一個二色性LC系統，則在某些實施例中，一個四分之一波片可被設置於該液晶快門和該發光材料之間，以提供二者之光偏振的吸收性。其他選擇包括膽固醇型(cholesteric)液晶晶胞或電潤濕(electrowetting)層。
該發光層134係設置於該快門層132之下。該發光層134含有一發光材料，其含有針對一選定顏色之發光體。一般來說，一發光體是表現出冷光的一化學化合物中的一原子或原子群。該等發光體在該冷光層中能夠含有一固體薄膜或是一液相散布。可用於顯示器子像素之發光體包括有機和無機染料、與磷光質、半導體性奈米結晶和利用這些材料中任意者之顏料顆粒。若該等發光體被嵌於一固體或液態矩陣，則該矩陣材料在要由該等發光體吸收或發射之波長上，應是實質透明。
在該發光層134下面的是一鏡面136，其反射光譜的一選定部分。該鏡面136能夠例如是一布勒格(Bragg)堆疊、一寬帶鏡面上的一吸收染料、或諸如電漿粒子(plasmonic particle)的一層光學散射體。後面兩個選項就具有不同反射帶的那些鏡面能以一並排子像素組態來製造的簡單度而言可以是有益的。它們也能獲選擇來為降低對周圍光之入射角的依賴。
第4圖以波長的函數顯示發光體的吸收帶150和發射帶152之間的關係。如第4圖中所顯示地，該等發光體吸收具有最大達一吸收邊緣λabs之光。經吸收能量的一實質部分將由發光體於一發射波長λemis附近的一波帶中所再放射，該發射波長係比該吸收邊緣長。這提供了一個很大的優點，在效率上優於僅僅反射該入射光的部分光譜之裝置。在該吸收波長(包括UV)下的所有波長，該入射能量的大部分能被利用，而不是僅只有落入特定顏色波帶的小部分。在一個紅色子像素的情況中，這能夠針對一給定子像素區域提供數倍的亮度改善。一般來說，會想要使用發光體，其吸收自某個截斷點λabs延伸低至在典型周圍環境中可得之最短波長。雖然倘若該裝置的頂層在此區域是相當透明的話，某些較短的波長可在戶外環境有貢獻，然而實際上，吸收比320nm要小得多時會有可忽略的利益。
該鏡面136具波長選擇性，其中其僅反射一選定帶寬的光。該反射帶寬可予以選擇為，使得該鏡面136反射該子像素的原色光，但不反射另外兩個原色。比方說，針對第2圖中紅色像素122的鏡面144會反射紅色光，但不會反射入射光之任何綠色或藍色部分，該入射光不會被該發光層142完整吸收。在兩個面向中，該鏡面136增強彩色子像素130之性能。第一，它將由該發光體所發射之光，自該檢視表面148重新導離。藉由將該經發射光反射回該檢視表面148，來自該子像素130可用來檢視之光的總量能夠顯著地增加。就此，以一合理的斯托克斯位移(Stokes shift)(第4圖中的λemis-λabs)隔開該吸收邊緣和該發射波長，隨著經反射的發射光透過該等發光體傳回與傳出該檢視表面，該等發光體不會顯著地重新吸收該經反射的發射光。
第二，該可選波長的鏡面136使一者得到部分的入射周圍光沒有顯著地被該等發光體所吸收的最佳優點。包括具有介於λabs和λemis間(即斯托克斯位移範圍內)之波長和超過λemis之光的這個部分，將會到達該鏡面136。此光中的一些然後會朝向該檢視表面反射回去，致使其有助於該子像素的整體輸出。若沒有該鏡面136，則此光被浪費了。在某些實施例中，該鏡面136的反射帶154遭選擇，致使它啟始於比該發射波長更長之一截止點波長，且延伸至包括該等發光體的吸收邊緣波長λabs之較短波長。該鏡面反射之長波長截止點可被設定於被指定到那個子像素的顏色帶之長波長邊緣。針對一紅色子像素，該反射帶可達或甚至超出紅色的標準範圍之長波長邊緣，蓋因它是想要反射出達人類感知極限的紅色。
在紅色子像素122的情況中，斯托克斯位移範圍中之該鏡面144的反射會特別地重要，蓋因其可能會想要來以一相對大的斯托克斯位移使用發光體。這是因為人類光視覺反應的高峰是555 nm(綠色)。因此，由該等發光體所吸收具有比555 nm長的波長之任何入射光被轉換成人類比較不敏銳的一波長(λemis)。從而，在某些情況中會想要只反射某個比λemis短卻比555 nm長之波長。光學斯托克斯位移取決於該等發光體的內部冷光(photoluminescence,PL)效率、λemis的選定值和該裝置之所欲彩色範圍。舉例來說，將太短的波長反射而非轉換，可能會使紅色顏色點朝黃色位移。另一方面，轉換而非反射，若轉換效率不夠高，則可能導致減弱的亮度。在這方面，由於在長波長人類光視覺反應減低，則在某些實施例中，在紅色發光層142中的紅色發光體的發射波長λemis可被選擇為給定一所欲的紅色之最短波長。
相反地，在藍色子像素126的情況中，若發光體的量子效率合理地高，則可意欲一個小的斯托克斯位移。這是因為該發光體正將光轉換成人類可更為感受到的波長。由於相同原因，也可意欲來選擇一藍色發射波長，其係儘可能的長同時維持不會太綠的一個顏色點。針對一給定的斯托克斯位移，一較長發射波長允許更多的周圍光譜被吸收或利用。在某些實施例中，如果發射與外部耦合效率的乘積不是令人滿意地高，則甚至可能更意欲藉由可選波長鏡面而非使用冷光來只反射藍色波長。在此情況中，該藍色子像素可具有介於該快門與該鏡面之間的一透明中間層，而非具有藍色發光體的發光層。
藉由將該等子像素的快門層132之透明度設定為各種中間值，整體像素的有效顏色和亮度都可在一寬廣色域上調整。若發射波長、經反射波長和該等三種彩色的子像素之區域被適當地選擇，則當它們的快門處於完全清除狀態時它們能顯示接近白色的顏色。然而，即使具有相當高的內部發射效率，白色狀態的亮度和顏色點針對某些目的是不足的。在那個情形下，可包括一個選擇性白色子像素128，以改進該顯示器的白色狀態之亮度和顏色點。該白色子像素具有用於光調幅之一快門160，以及用於光反射之一鏡面164。不像彩色子像素122、124、126，白色子像素128的中介層是一透明材料且沒有含有發光體，以及該白色子像素的鏡面164是能夠反射白光的一個寬帶鏡面。應注意的是，在該白色狀態的亮度中的改進係於CIE 1976(L*,a*,b*)彩色空間的a*和b*維度中的像素色域之耗用範圍完成。該等彩色子像素和該白色子像素的區域能獲選擇，以最佳化L*/ΔL*和在a*和b*維度中的色域寬度之間的權衡。
有可被用於子像素130的發光層之許多發光體的類型。它們包括有機發光聚合物、寡聚物、小分子(例如染料)與無機奈米晶體或磷光體。這些材料能用於薄膜形式中，以混合物的形式內嵌在其他材料中，或是受束於顏料粒子。它們也能夠以膠體/分散/懸浮的形式被涵納在一液態層中。使用溶劑式發光體在某些狀況中能夠緩和濃度退淬的議題。在解決上已知諸如磺基羅丹明101(sulphorhodamine 101)的染料具有接近100%內部量子效率。許多聚合物和寡聚物的發射效率甚至在薄膜的形式中也還能相當高。雖然約50%較為典型，但是半導性奈米結晶能具有比80%還大的量子效率。半導性奈米結晶是耐用的，且提供吸收在它們的吸收邊緣之下跨一寬廣範圍的波長之光的能力。此外，半導性奈米結晶之發射光譜能夠是相當窄的，在某些情況中少於25mn半高寬(FWHM)。在本發明的某些實施例中，具有窄的發射帶之發光體，例如半導性奈米結晶，可被用來獲得高度飽和的顏色。
為了製造吸收光譜、發射光譜和斯托克斯位移之所欲結合，具有發光體與感光劑的結合能獲使用。舉例來說，在某些實施例中，一吸收性染料能與發光體結合，使得該吸收性染料(感光劑)在某些波長帶吸收，以及然後經由例如佛斯特交換(Frster exchange)的一過程將能量轉移到發光體。
在某些其他的實施例中，該發光材料可為向上轉換發光體，以便利用包括紅外線之較長波長中可用的能量。該等向上轉換發光體針對一給定子像素吸收具有比所欲顏色波帶要長之波長的光，以及發射那個顏色波帶之內的光。
一般來說，製造具有較少層的裝置是比較簡單的。因此，舉例來說，合併用於電光快門基體或可選波長鏡面上之任何發光體層可能會有利，要小心不要將他們放置得太接近會使冷光消光之金屬層，其可能發生於小於100 nm左右的距離。
如上所述的單層發光方式提供了比非發光單層反射顯示器技術較大的光亮度，蓋因其使用一較大部份的可用周圍光譜。此外，使用具有較窄的發射光譜之合適的發光體，能比傳統反射式顯示器技術中可得者提供更多飽和的顏色。本發明所致之更明亮、更大的彩色範圍(color gamut)使得單層反射顯示器為商業上可行的，而傳統單層反射顯示器技術因為它們根本上受限於極暗的彩色範圍而不可行。
在前述的描述中，提出許多細節以提供對本發明之了解。然而，應了解的是，熟於此技者可能無需這些細節即能實施本發明。雖然本發明已以有限數量的實施例予以揭露，然而熟於此技者會從中理解到各種修改與變化。吾人意圖讓附隨的申請專利範圍涵蓋落入本發明之真實精神和範疇之此等修改和變化。
100‧‧‧顯示器裝置/裝置
102‧‧‧顯示器螢幕
104‧‧‧按鈕
106‧‧‧鍵墊
112‧‧‧SD卡插槽
120‧‧‧像素
122、124、126、128、130‧‧‧子 像素
132、160‧‧‧快門
134、142‧‧‧發光層
136、144、164‧‧‧鏡面
148‧‧‧檢視表面
150‧‧‧吸收帶
152‧‧‧發射帶
162‧‧‧中介層
藉舉例方式，針對下列圖式，本文描述了本發明的一些實施例：第1圖係根據本發明之一實施例所建構之一反射式顯示器裝置的一示意圖；第2圖係第1圖的該反射式顯示器裝置之一像素的一示意截面圖；第3圖係第2圖的該像素中的一彩色子像素的一示意截面圖；以及第4圖係以本發明之一實施例中的光波長的函數顯示一彩色子像素的發光吸收和發射的一圖表。
130．．．子像素
132．．．快門
134．．．發光層
136．．．鏡面
148．．．檢視表面

Claims (20)

  1. 一種反射式顯示器像素結構，其包含：並排設置的至少三個子像素，該等子像素各對應於三原色中的一者，該等子像素中的至少一者具有：具可調整透射性之一光線快門；設置在該光線快門之下的一發光層，且該發光層含有在受從該光線快門所接收的光照射時發出一選定原色之光的一發光材料；以及設置在該發光層之下的一鏡面，用來反射由該發光層所射出對應於該選定原色的光，該光係在朝向該光線快門之方向反射而通過該發光層，其中該發光層係夾在該光線快門及該鏡面之間。
  2. 如申請專利範圍第1項之反射式顯示器像素結構，其中該等三原色包括紅、藍和綠。
  3. 如申請專利範圍第1項之反射式顯示器像素結構，其中該至少一個子像素之該鏡面具有一選定的反射範圍，其包括介於該子像素的該發光材料之一發射波長與一吸收邊緣波長之間的一波帶。
  4. 如申請專利範圍第1項之反射式顯示器像素結構，其中該快門係選自於一個二色性客型液晶主型系統(dichroic guest-liquid crystal host system)與一個平面內電泳系統之群組。
  5. 如申請專利範圍第1項之反射式顯示器像素結構，其中 該發光材料包括半導性奈米晶體。
  6. 如申請專利範圍第1項之反射式顯示器像素結構，其中該發光材料包括一感光劑材料，該感光劑材料係用以吸收光與轉移能量到該發光材料以發出該選定原色的光。
  7. 如申請專利範圍第1項之反射式顯示器像素結構，進一步包括一個白色子像素，其包含一光線快門和用以反射白光的一鏡面。
  8. 如申請專利範圍第1項之反射式顯示器像素結構，其中該鏡面係選自一布勒格(Bragg)堆疊、一寬帶鏡面上的一吸收染料、以及一層光學散射體之群組。
  9. 一種反射式顯示器裝置，其包含：多個像素，各像素具有並排設置的至少三個子像素，該等子像素各對應於三原色中的一者，該等子像素中的至少一者具有：具可調整透射性之一光線快門；設置在該光線快門之下的一發光層，且該發光層含有發出一選定原色之光的一發光材料；以及設置在該發光層之下的一鏡面，以供反射對應該選定原色的光。
  10. 如申請專利範圍第9項之反射式顯示器裝置，其中該等三原色包括紅、藍和綠。
  11. 如申請專利範圍第9項之反射式顯示器裝置，其中該至少一個子像素之該鏡面具有一選定的反射範圍，其包括 介於該子像素的該發光材料之一發射波長與一吸收邊緣波長之間的一範圍。
  12. 如申請專利範圍第9項之反射式顯示器裝置，其中該快門係選自於一個二色性客型液晶主型系統與一個平面內電泳系統之群組。
  13. 如申請專利範圍第9項之反射式顯示器裝置，其中該發光材料包括一感光劑材料，該感光劑材料係用以吸收光與轉移能量到該發光材料以發出該選定原色的光。
  14. 如申請專利範圍第9項之反射式顯示器裝置，其中各像素進一步包括一個白色子像素，其包含一光線快門和用以反射白光的一鏡面。
  15. 一種反射式像素結構，包含：鄰近該反射式像素結構之一第一側的一快門層，該快門層包含用來調變通過該快門層之光強度的一電光學快門；設置於該快門層下的一發光層，該發光層包含用來在受從該快門層體所接收之光照射時射出一擇定顏色之光的一發光材料；以及設置於該發光層下且鄰近該反射式像素結構相對該第一側之一第二側的一反射層，該反射層包含用來反射該發光層所射出之光的一鏡面，該光係在遠離該反射式像素結構的該第二側及朝向該第一側之方向上反射。
  16. 如申請專利範圍第15項之反射式像素結構，其中該擇定顏色包含紅、綠和藍三原色中之一擇定者。
  17. 如申請專利範圍第15項之反射式像素結構，其中該反射層之該鏡面具有一擇定的反射範圍，其包括介於該發光材料之一發射波長與一吸收邊緣波長之間的一範圍。
  18. 如申請專利範圍第15項之反射式像素結構，其中該鏡面包含一布勒格(Bragg)堆疊、一寬帶鏡面上的一吸收染料、以及一層波長選擇光學散射體中之一或多者。
  19. 一種反射式顯示器系統，包含多個像素，各像素對應於三原色中之一擇定者，該等多個像素中之至少一者包含如申請專利範圍第15項之反射式像素結構。
  20. 如申請專利範圍第19項之反射式顯示器系統，另包含至少一白色反射式像素，該白色反射式像素包含：鄰近該白色反射式像素之一第一側之一快門層，該快門層包含用來調變通過該快門層之光強度的一電光學快門；以及鄰近該白色反射式像素相對該第一側之一第二側而設置的一反射層，該反射層包含用來反射由該快門層所接收之白光的一鏡面，該白光係在遠離該白色反射式像素的該第二側及朝向該第一側之方向上反射。
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