显示单元及其驱动方法

专利名称：显示单元及其驱动方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于阅读文件(所谓的电子文件)目的的显示装置的显示单元及其驱动方法。
背景技术：
近年来，随着互联网的普及，先前以印刷材料的形式分发的文件被以所谓的电子文件的形式传送。另外，书籍和杂志也越来越多地以所谓的电子出版物的形式提供。常规的用于阅读这种信息的技术是从计算机的CRT(阴极射线管)或液晶显示器读取该信息。但有人指出，用发光型显示器如CRT长时间阅读是不行的，因为基于人机工程学的原因会导致严重的疲劳。据说非发射型显示器如液晶显示器由于荧光管特有的闪烁也不适合于阅读。另外，在上述两种情况下还有一个问题是阅读的地点限制在安装了计算机的地方。
近年来，虽然实际上已经使用了不采用背光的反射型液晶显示器，但在使用液晶情况下的反射率仍处于30-40％的范围。这些特点显著地意味着与印刷纸件的反射率(OA纸和平装书的反射率为75％；报纸的反射率为52％)相比可视性很差。另外，因为由于光反射体的眩目，导致易于疲劳，所以不能用此反射型LCD长时间阅读。
因此，为了解决这些问题，业已开发出了一种所谓的纸状显示器或电子纸。它们采用的显示方法包括电泳迁移法、双色球显示法、电致变色法等。在采用电泳迁移法的显示器(电泳图像显示器EPID)中，白色颜料、黑色调色剂等通过电场的作用在电极上形成层结构。采用双色球显示法的显示器(扭曲球显示器TBD)包括一个一半被着白色、另一半被着黑色的球，并且利用电场作用导致的旋转。但是因为在这两种方法中要求有一个允许流体进入的间隙并且不能够最紧密的填充，所以很难获得较高的对比度。另外，还有一个问题在于除非驱动电压等于或大于100V，否则不能获得实际的写入速度(1秒以内)。与利用这些显示法的显示器相比，就高对比度而言，利用电致变色法(电致变色显示器ECD)的显示器优于利用前述方法的显示器，并且已经实际用作例如光致变色玻璃和记时器的显示器。
但是，至于电致变色显示器，在通过细小的象素与简单矩阵驱动方法结合来显示字符和图像的情形中，有降低显示质量的危险，因为它的对比度由于象素之间的串扰而不均匀。因此，据说对每个象素布置一个有源器件如晶体管的有源矩阵驱动方法是不理想的。例如，常规的是在玻璃衬底(TFT衬底)上形成一个电致变色显示层，其中为每个象素和布线电极等形成薄膜晶体管。但是，在此常规的结构中，有一个问题是由于从TFT衬底一侧看电致变色显示层，使得TFT和布线电极等占据的区域有阴影，所以显示质量如亮度和对比度都下降。
鉴于前述问题，本发明的目的在于提供一种利用电致变色法的高质量显示器及其驱动方法。

发明内容
本发明的显示单元包括一个透明电极；一个形成在透明电极上并根据集聚的电荷量改变颜色的显示层；和一个形成在显示层上与透明电极相反的一侧的离子传导层。在此显示单元中，在离子传导层与显示层相反的一侧上形成有多个独立电极。
本发明显示单元的驱动方法是以下所述显示单元的驱动方法，所述的显示单元包括一个透明电极；一个形成在透明电极上并对应于集聚的电荷量改变颜色的显示层；和一个形成在显示层上与透明电极相反的一侧的离子传导层。在此显示单元中，在离子传导层与显示层相反的一侧上形成有多个独立电极。在此驱动方法中，通过选择性供给具有与多个独立电极和透明电极之间着色密度或着色面积相应的电荷量的驱动电流、并通过控制驱动电流的电荷量和方向来控制显示层上集聚的电荷。
在根据本发明的显示单元中，从透明电极一侧观察由显示层显示的字符和图像，并且该多个独立的电极及其驱动系统(例如薄膜晶体管)位于显示层的后侧。因此，解决了由于薄膜晶体管等而有阴影的问题，并且实现了高质量显示。
在根据本发明的显示单元驱动方法中，即使出现着色时，因为由于透明电极对具有公共电势的整个显示层施加了驱动电流，或即使当驱动电流散布到离子传导层内时，因为显示层的集聚电荷量通过控制驱动电流的电荷量或方向受到控制，所以显示层的过度着色(褪色)被减少或消除。
通过下面的详细描述，本发明的其它目的、特点及优点将变得更加清晰。


图1是根据本发明第一实施例的显示单元的截面结构图；图2是图1所示显示单元的框图；图3是图1所示显示单元的驱动方法实例；图4是图1所示显示单元的驱动方法另一实例；图5是根据图4所示驱动方法的标准模块显示条件的分解透视图；图6是显示根据本发明第一实施例的驱动方法的改进的视图；图7是根据本发明第二实施例的显示单元的标准模块结构和显示条件的分解透视图；图8是显示根据本发明第三实施例的显示单元结构轮廓和着色密度分布的视图；图9是显示根据本发明第四实施例的显示单元结构轮廓和着色密度分布的视图；图10是本发明的一个实例中用于电解质聚合作用的电解质池的结构的斜透视图。
具体实施例方式
下面参考附图详细描述本发明的实施例。
图1用图解的方式显示根据本发明第一实施例的显示单元的横断面结构。该显示单元有一种结构，其中的显示层2和离子传导层3分布在形成于透明支架5上的透明电极1和形成于后侧支架7上的多个象素电极4(图1中是三个象素电极)之间。显示层2通过组合细小的像素显示字符、图像等。显示的字符、图像等透过透明支架5和透明电极1从透明电极1一侧观看。图1表示一种例如显示层2的面对三个象素电极4的中间象素电极4的一部分被着色的情况。另外，该显示单元例如通过一种有源矩阵法驱动，每个象素电极4被电连接到作为对应的有源器件的薄膜晶体管(TFT)6。
透明电极1大致地形成在整个透明支架5之上作为公共电极。例如最好使用In2O3和SnO2的混合物，即所谓的ITO膜，或是透明电极1的用SnO2和In2O3涂覆的膜。还可以使用掺有Sn或Sb以及MgO、ZnO等的ITO膜和涂覆有SnO2和In2O3的膜。
作为透明支架5，可以使用透明玻璃衬底如硅玻璃板和钠钙玻璃，但不限于上述材料。该材料的其它实例包括酯类，如聚萘二甲酸乙二酯(polyethylene naphthalate)和聚对苯二甲酸乙二酯(polyethyleneterephthalate)；纤维素酯如聚酰胺(polyamide)，聚碳酸酯和乙酰纤维素；氟聚合物如聚氟乙烯和四氟乙烯-六氟丙烯共聚物；聚醚如聚甲醛；聚烯烃如聚缩醛，聚苯乙烯，聚乙烯，聚丙烯和甲基戊烯聚合物；和聚酰亚胺如聚酰亚胺-酰胺和聚醚酰亚胺。在这些合成树脂用于支架的情况下，支架可以做成难以弯曲的刚性衬底的形式，并且也可以做成挠性膜的结构。
显示层2形成在透明电极1上，字符、图像等通过使此显示层2对应于集聚电荷褪色而显示。显示层例如包含一种通过电化学氧化还原反应而被着色或褪色的电致变色材料；或是通过电化学沉淀和洗提而被着色或褪色的材料。例如，在包含通过电化学氧化还原反应而被着色或褪色的电致变色材料的情况下，当通过施加电势而被掺阴离子时，电致变色材料吸收更多的电子并且显示浓重的黑色。
作为通过电化学氧化还原反应而被着色或褪色的电致变色材料，可以使用一种表示电致变色字符的给定材料，例如过渡金属化合物(transition metalcompound)，如氧化钨、氧化铱和氧化钼；和一种稀土二酞菁化合物(rare earthdiphthalo cyanine)，如钌二酞菁(ruthenium diphthalo cyanine)。但是，π共轭系统传导性聚合物很合适，因为它可以显示加重的黑色。
π共轭系统传导性聚合物例如包括聚乙炔、聚(对-亚苯基)、聚噻吩、聚(3-甲基噻吩)、聚异硫茚、对聚苯硫、对聚苯氧、聚苯胺、聚(对-亚苯基亚乙烯基)(poly(p-phenylene vinylene))、聚(噻吩亚乙烯基)(poly(thiophenevinylene))、聚迫位萘(polyperiphthalene)、酞菁镍(nickel phthalocyanine)等。
在这些π共轭系统导体聚合物中最优选的一种是聚吡咯。原因包括1)其氧化电位低，2)其库仑效率高，3)氧化时的颜色很黑，4)其寿命周期长，等等。具有低氧化电位的材料较为可取的理由在于具有低氧化电位的材料更适于着色条件。具有高库仑效率的材料较为可取这一事实表明高库仑效率的材料可以抑制副反应，即接近100％的高库仑效率意味着副反应几乎不会发生，而器件的寿命变长。关于氧化时的颜色为黑色这一点对于显示文件是很重要的特点。与其它聚合物中绿色或红黑色相比，聚吡咯在完全氧化过程中提供黑色。因此，通过采用聚吡咯，可以提高红色密度并且可以提高对比度。另外，其长寿命周期也是聚吡咯的一个有益的特性。
虽然对通过电化学沉淀和洗提而被着色或褪色的材料没有特别的限定，但该材料的实例包括铋、铜、银、锂、铁、铬、镍和钙的离子或是这些离子的组合物。
在显示层2上与透明电极1相反的一侧上形成离子传导层3。离子传导层3被设置给显示层2提供离子(阴离子)，它由一种聚合物固体电解质制成，支持电解质散布在一种基质聚合材料中。基质(主材)聚合物的例子包括聚环氧乙烷、聚乙烯亚胺和聚乙烯硫化物，他们各自的构架单元表示为-(C-C-O)n-、-(C-C-N)n-和-(C-C-S)n-。可以用具有上述构架单元的支链结构作为主链结构。另外，聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚偏氯乙烯、聚碳酸酯等也是较为可取的。
在形成离子传导层3时，最好给基质聚合物中加入所需的增塑剂。作为优选的增塑剂，当基质聚合物为亲水性时，较为可取的是水、乙醇、异丙醇以及它们的混合物；当基质聚合物为疏水性时，较为可取的是碳酸异丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸亚乙酯、γ-丁内酯、乙晴、环丁砜、二甲氧基乙烷、乙醇、异丙醇、二甲基甲酰胺、二甲亚砜、二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮以及它们的混合物。
如上所述，通过在基质聚合物中分散支持电解质形成离子传导层3。电解质的例子例如包括锂盐，如LiCl、LiBr、LiI、LiBF4、LiClO4、LiPF6和LiCF3SO3；钾盐，如KCL、KI和KBr；钠盐，如NaCL、NaI和NaBr；和四烷基铵盐，如氟硼酸四乙基铵、过氯酸四乙基铵和卤化四丁基铵。前述四铵盐的烷基链长度可以是无规律的。
可以将着色剂如白色颜料加入到离子传导层3中以便提高对比度。作为白色颜料，可以使用氧化钛、氧化铝等，另外，也可以使用氧化锌等。优选白色颜料的混合比处于1～20wt％的范围，处在1～10wt％的范围更好，处在5-10wt％的范围最好。白色颜料的混合比限制为此比例的原因在于白色颜料如氧化钛不溶于聚合物而仅仅是分散在其中，以致于在其混合比增大时，使白色颜料聚集，导致光学密度不均匀。另外，因为白色颜料没有离子导电性，所以增大的混合比造成聚合物固体电解质的导电性降低。考虑到这两个原因，白色颜料混合比的上限约为20％。
在离子传导层3上与显示层2相反的一侧上设置象素电极(pictureelectrode)4，对应于像素(picture element)。象素电极4由一种以近似的矩形或正方形图案形成的导电膜制成。象素电极4彼此之间被物理的和电学隔离。每个像素电极4配置有TFT6。作为象素电极4的材料，可以将透明电极材料用作透明电极1。例如，可以使用In2O3和SnO2的混合物，即所谓的ITO膜，或是用SnO2和In2O3涂覆的膜。可以使用ITO膜或涂覆有SnO2和In2O3的膜，该膜中掺有Sn或Sb以及MgO、ZnO等。
无需赘述，不仅透明电极材料、而且给定的导体材料如电化学稳定的金属都可以使用、铂、铬、铝、钴、钯等较为可取。在此情况下，在后述的支架7上形成一个由良导体如金属膜制成的膜。另外，碳可以用作公共电极。作为在电极上支撑碳的方法，有这样一种方法，即通过利用树脂作为涂料对衬底面进行刷涂。通过利用碳，可以降低电极的价格。
象素电极4的长度与电极之间的距离d(象素电极4和透明电极1之间的距离)之比优选为3∶1或更大。原因后叙。
TFT6是一种对对应的象素电极4执行切换功能的有源器件。利用TFT6以此方式驱动象素电极4的有源矩阵法对于防止像素之间的交扰(cross talk)是非常有效的。例如，形成的TFT6占据象素电极4的一个角，如图1所示，但象素电极4和TFT6可以在该层的方向重叠。可以根据条件如用于支架7的材料适当地选择TFT6的结构。
在设置于后侧上的支架7上形成象素电极4和TFT6。支架7不必一定是透明的，并且可以使用一种可以牢固地支撑象素电极4和TFT6的衬底或膜。例如，玻璃衬底如硅玻璃板和钠钙玻璃、陶瓷衬底、纸衬底和木质衬底。但是，作为合成树脂衬底，也可以使用酯类，如聚萘二甲酸乙二酯(polyethylene naphthalate)和聚对苯二甲酸乙二酯(polyethyleneterephthalate)；纤维素酯，如聚酰胺(polyamide)，聚碳酸酯和乙酰纤维素；氟聚合物，如聚氟乙烯和四氟乙烯-六氟丙烯共聚物；聚醚，如聚甲醛；聚烯烃，如聚缩醛，聚苯乙烯，聚乙烯，聚丙烯和甲基戊烯聚合物；以及聚酰亚胺，如聚酰亚胺-酰胺和聚醚酰亚胺。在这些合成树脂用于支架的情况下，支架可以做成难以弯曲的刚性衬底的形式，并且也可以做成挠性膜的结构。
在此显示单元的边缘部分形成一个支撑两支架5和7的密封树脂部件(图中未示出)。两支架5和7和被设置在支架5和7之间的透明电极1、显示层2、离子传导层3、象素电极4以及TFT6用该密封树脂部件牢固地支撑。
图2是显示图1所示的采用电致变色法的显示单元的方框图。对应于每个像素的象素电极4和与其对应的TFT6以矩阵形式分布，面对电极侧的电容是公共电极。栅极线(扫描线)12连接到TFT6的栅电极，数据线(信号线)13连接到TFT6的源极和漏极一侧。TFT6的源极和漏极的另一侧连接到象素电极4。栅极线12连接到栅极线驱动电路10，数据线13连接到数据线驱动电路9、9A。栅极线驱动电路10和数据线驱动电路9、9A连接到信号控制器11。
接下来，参见图3和图5描述根据本实施例的显示单元的驱动方法。
显示单元例如可以通过逐行驱动来驱动。即，当在1帧中栅极线驱动电路10对栅极线12逐行施加选择脉冲时，数据线驱动电路9、9A同时逐行对每个数据线13施加对应于选择的栅极线12的显示信号。施加到数据线13的显示信号经连接到选取的栅极线12的TFT6从象素电极4端写入，并且字符、图像等显示在显示层2上。
至于写入，通过利用所谓的脉冲驱动在对应于显示信号的给定时间内供给一定量的电流，可以确保将具有对应于着色密度(电流乘时间)的电荷的驱动电流施加到显示层2的每个像素上，并且可以获得一个稳定的对比度。
此处，最好驱动电流的电荷不超过被夹在加有驱动电流的象素电极4和透明电极1之间的显示层2的一部分着色饱和处的电荷的两倍。因此，流入到显示层2相邻像素或周围像素的电荷可以被抑制得较低。原因在于甚至当施加到其中一个象素电极4的驱动电流流过并使整个由于透明电极1而具有公共电势的显示层2着色时，电流分布在象素电极4正上方被施加驱动电流的区域最高，并且离该部分越远，电流分布越低。因此，可以控制显示层2的集聚电荷量，可以使得显示层2的过度着色降低，并且可以避免对相邻像素的重要影响，并因此可以使显示器没有质量问题。更为可取的是驱动电流的电荷被抑制不超过显示层2的一部分的着色饱和处的电荷，该部分被夹在被提供了驱动电流象素电极4和透明电极1之间。
图3示出在一个标准模块中沿一条栅极线13分布的六个像素的着色密度分布的例子，在此情况下，如上所述，通过将电荷限制在一个某一定值以及该值以下来进行驱动。当对应于一个图像选通TFT6时，例如从左对第二象素电极4以及从右对第二象素电极4施加脉冲电流时，整个显示层2被着色，因为显示层2由于透明电极1而具有公共电势；但是与其它区域相比，从左和从右在第二象素电极4正上方区域中的着色密度变高。在本实施例的显示单元中，因为像素不由象素电极4限定，所以像素可能有一点儿模糊。但是，因为给一个像素一个图像信息，所以甚至当它们的边界不清楚时也不会出现信息量的缺乏。，因为像素之间的边界并不显著，所以宁可使照片等有良好的显示。
另外，从显示单元结构的观点看，象素电极4的长度L与电极之间的距离(象素电极4和透明电极1之间的距离)之比最好不小于3∶1。原因在于通过这种方式避免了驱动电流扩散到离子传导层3中，并且可以减少对相邻像素的影响。
关于调节显示层2的集聚电荷量的其它方法，可以反转驱动电流的方向。例如，如图3所示，当由于驱动电流的施加而在整个显示层2上出现着色时，与驱动电流方向相反的电流可以立即施加到所有象素电极4，完成一帧内的每次写入。通过此种方式，如图4所示，可以从整个显示层2中同样地扣除一定量的着色，并且着色区回到原定的大小。此处，在反向电流的电荷量大于驱动电流的电荷量时，显示的图像被删除，使得反向电流的电荷量应该少于驱动电流的电荷。即，与供给驱动电流的时间相比，用于施加反向电流的时间将被设置得非常短。
图5是当对图4所示的所有象素电极4驱动电流的方向反转时标准模块显示条件的分解透视图。基底上的象素电极4和TFT6的图案看不见，并且在白色背景上只可以看见字符。这尤其适合于显示需要轮廓清晰的字符。
虽然可以如图4所示将反向电流立刻施加到所有象素电极4上，但也可以将反向电流立刻施加到对应于显示的轮廓部分的象素电极4上。通过这种方式，可以消除像素周围由于驱动电流在离子传导层3中的扩散而过度着色(脱色)。因此，可以补救像素的模糊和不清楚的状态，并且使清楚的显示成为可能。
如上所述，根据这个实施例，因为象素电极4在与显示层2相反的一侧形成在离子传导层3上，所以显示层2显示的字符和图像是从透明电极1一侧观看，并且像素电极4和TFT6位于显示层2的后侧。因此，TFT衬底的光学透射率不重要，由于TFT6、栅极线12和数据线13的写入电极所引起的阴影问题等也得以解决。另外，因为象素电极4和TFT6的图案从观察者一侧看不到，所以获得了真正的白色背景，并且可以实现高质量的显示。相反，因为在常规的和普通的配置中，经TFT一侧观察电致变色显示层，所以由于TFT占据面积的因素显示变暗，导致对比度降低。根据本实施例，因为直接观察(只经透明电极1)显示层2的颜色变化，所以与常规的方法不同，没有视差或者对光学透射率没有由于TFT6所致的影响，并且可以获得明亮的和高对比度显示。
另外，不仅TFT6的面积可以确保最大，并且可以利用a-Si TFT和有机TFT，而且象素电极4也不必由透明材料制作，也可以采用给定的电极材料。另外，对显示层2和透明电极1的图案化也不是必需的，这样可以获得很大的制造利润，如减少加工步骤数。
另外，因为显示层2的集聚电荷量通过控制驱动电流的电荷量或方向来控制，所以甚至当施加驱动电流并在整个因透明电极1而具有公共电势的显示层2上发生着色、或者甚至当驱动电流扩散到离子传导层3内部时，显示层2的过度着色(脱色)也被减少或消除。因此，可以避免对相邻像素的重要影响，并因此可以使显示器没有质量问题。
特别是，因为驱动电流的电荷被限制为不超过被夹在被提供驱动电流的象素电极4和透明电极1之间的显示层2的一部分着色饱和处的电荷的两倍，即全部起作用，所以可以抑制流入相邻或周围像素到达显示层2的电荷。结果，可以避免对相邻像素的重大影响，并且因为在像素之间没有显著的边界，所以宁愿例如使照片显示良好。
另外，特别是因为象素电极4的长度L与电极之间的距离(象素电极4和透明电极之间的距离)之比设置为不小于3∶1，所以驱动电流在离子传导层3中的扩散得到抑制，可以减小对相邻像素的影响。
另外，因为驱动电流的方向反转，所以泄漏到周围像素的电荷被清除，使得字符、图像等可以令人满意地显示在显示层2上，并且可以实现亮的无视差的反射显示。
特别是，因为反向电流立刻被施加到所有的象素电极4上，可以从整个显示层2中同样地扣除一定量的着色，并且着色面积返回到原始意定面积。因此，看不到基底上的象素电极4和TFT6的图案，并且白色背景上只可以看到字符。这尤其适合于显示需要轮廓清晰的字符。
图6是显示前述第一实施例的驱动方法的一种改进的视图。无需赘述，在第一实施例中可以通过调整电流供给时间来改变每个像素的着色密度进行灰度显示。在此改进中，灰度显示通过调整显示层2每个像素的着色面积，换言之，通过利用所谓的区域渐变(area gradation)进行灰度显示。在显示层如同常规的那样形成在象素电极上的情形中，着色面积由象素电极的电极面积决定。但是，根据本改进，通过利用由于驱动电流在离子传导层3中的扩散所致的着色，使该区域渐变显示成为可能。
在此改进中，象素电极4的长度最好比在第一实施例中的短，以便有效地利用驱动电流的扩散并实现一种适中地清晰显示。
图7是根据本发明第二实施例的显示单元的标准模块中的结构和显示条件的分解透视图。本实施例的显示单元通过简单矩阵法驱动，显示单元包括一个象素电极24，该电极制作成为彼此平行的一组带状透明电极；和透明电极21，该电极制作成为彼此平行的带状透明电极，垂直于象素电极24。在象素电极24和透明电极21的交叉处，分布着像素。透明电极21和象素电极24各自的材料与前述第一实施例中的透明电极1和象素电极4的相同。因为除象素电极24和透明电极21以外的其它元件与前述第一实施例的相同，所以采用相同的附图标记并省去对它们的描述。透明电极21形成在透明支架5(图7中未示出，参见图1)上，并且透明支架5设置在透明电极21上与显示层2相反的一侧上。象素电极24形成在支架7(图7中未示出，参见图1)上，并且支架7布置在象素电极24上与显示层2相反的一侧。
在此显示单元中，与给透明电极21供给扫描信号同步地给象素电极24供给一个显示信号，其中扫描信号具有对应于扫描选定周期的脉宽，而显示信号具有对应于着色密度的脉宽。在此简单矩阵法的情形中，例如在对透明电极21的每行写入之后，驱动电流的方向反转，并且反转为与驱动电流方向相反的电流以与第一实施例相同的方式施加到整个行，参见图4。按照这种方式，轮廓变得清晰，显示良好的图像和字符成为可能。在完成对一帧的写入后可以对每行或对透明电极21的所有行施加反向电流。沿透明电极21的给定线的横截面(图7中的单虚线)来看，其操作原理类似于有源矩阵法。
根据本实施例，因为可以把事实上由于交扰按常规一直被认为是困难的简单矩阵驱动用于电流驱动型电致变色显示单元，所以可以提供一种低成本和良好图像质量的电致变色显示单元。
图8是显示本发明第三实施例的显示单元的概略结构，以及显示在一个标准模块中沿一条栅极线13分布的六个像素的着色密度分布的实例的视图。该显示单元具有与图1所示第一实施例的显示单元相同的结构，除了通过选择消除象素电极之间的区域而在由固体电解质制成的离子传导层3上设置凹槽3C。因此，对相同的元件采用相同的附图标记并省去对它们的描述。在此显示单元中，因为把使用TFT6的有源矩阵驱动用于第一实施例的显示单元，所以它们的驱动方法与基于图3和4所述的驱动方法相同，并且在此省去详述。
设置在离子传导层3上的凹槽3C例如是空隙部分，通过凹槽3C为每个像素划分离子传导层3。因此，例如在驱动电流从左右只施加到第二像素电极4上、使得具有相同电荷的情况下，如图3所示，驱动电流聚焦在象素电极4之上如图8中着色密度分布曲线所示的区域，并且使清晰的显示成为可能。
作为选择消除离子传导层3以形成凹槽3C并空间地划分离子传导层3的具体技术，可以列出的有喷沙法、激光加工法等。喷沙法是通过从细喷嘴中迅速喷溅气体如包含细粉如氧化硅的空气而部分刨削固体材料的技术。当适当选择象素电极4或形成象素电极的掩模材料以及掩模材料的厚度时，可以利用上述掩模自校准修整(shaving)像素之间的离子传导层3。
激光加工是一项利用例如强紫外激光形成空隙来局部蒸发高聚合物的技术。如同在前述的喷沙法中，当适当选择象素电极4、形成象素电极4的掩模材料以及掩模材料的厚度时，可以利用上述掩模作为抗紫外激光掩模进行自校准激光加工。还可以通过利用光透射型掩模和狭缝上的柱状透镜并利用平行扫描光束形成线光束来形成多个长槽。虽然可以使用二氧化碳气体激光器和YAG基波红外激光器，但因为由于溶解和沸腾致使材料散布，所以利用此激光器很难进行约大50μm及以下的微制作。通过使用紫外激光器，可以直接切割化学键，并且能够进行小余量的高精度加工。
使用的激光器的具体实例如下1)准分子激光器(脉宽十至几十ns，周期频率200Hz)XeF351nm，XeCl308nm(用于硅退火)，ArF248nm，ArF193nm。
2)Q开关YAG激光器(脉宽几纳秒，周期频率10Hz/灯激励；10kHz/LD激励)三重波355nm，四重波266nm需要500mJ/cm2(每个脉冲)或更大的加工能力密度，并且可以获得大约0.1～1μm/脉冲的修整。由吸收系数和功率决定可获得的修整深度在前述激光器中，就效率、输出和稳定性而言ArF激光器较适合。加工宽度约为5μm。当进行进一步的微制作时，需要一个对波长有短吸收边缘的(无机氧化物等)处理、清洁处理(在有机物的情况下，波长越长，由于碳等所产生的污染越多)等，优选使用ArF激光器、YAG四重波等。
为了防止碳粘结，也可以进行激光辐射的同时喷射氧气。为了在缺氧环境(anaerobic atmosphere)中进行处理并防止散射物的再粘结，也可以在真空或He气环境中辐射激光。
根据本实施例，因为由凹槽3C、设置在像素之间的区域中的空隙部分为每个像素划分离子传导层3，所以驱动电流不会扩散到离子传导层3中，并且驱动电流聚焦到象素电极4之上的区域3A，使得清晰的显示成为可能。另外，因为不需要考虑驱动电流在离子传导层3中的扩散，所以电极之间的距离d(象素电极4和透明电极1之间的距离)可以进一步缩短，并且有望减小显示单元的厚度。
图9是显示根据本发明第四实施例的显示单元的轮廓结构的视图，并且表示了一个标准模块中沿一条栅极线13分布的六个像素的着色密度分布实例。在第三实施例中，离子传导层3通过选择去除而被空间划分。在此实施例中，通过选择降低或选择升高离子传导层3的离子电导率而为每个像素电极划分离子传导层3。即，本实施例的显示单元具有与图1所示的第一实施例的显示单元相同的结构，除了离子传导层3的组成使得对应于像素的区域3A的离子电导率高于像素之间的区域3B的离子电导率。因此，对相同的组件使用相同的附图标记，并且省去对它们的详细描述。另外，在此显示单元中，如同第一实施例的显示单元那样采用利用TFT6的有源矩阵驱动，并且其驱动方法与基于图3和4所述的方法相同，因此，在此省去对它们的详述。
具体地说，例如在利用制备固体电解质中的的聚合作用形成导体聚合物的情形中，该区域的电阻可以通过利用紫外线局部引起化学变化如交联等升高或降低。在利用光的情况下，在适当选择像素电极4或用于形成电极4的掩模材料以及掩模材料的厚度时，可以应用以该材料作为掩模的自校准法，并且就制造成本和产量方面来说也有很大的优点。
根据本实施例，通过降低离子电导率，换言之，通过使像素之间的区域3B的电阻升高到高于对应于像素的区域的离子电导率，即高于像素电极4之上的区域3A的电导率，可以抑制驱动电流在离子传导层3中的扩散，并且可以排除像素的模糊。
下面根据实验结果描述本发明的具体实例。但本发明自然不限于这些实例。
(显示极的制造)在玻璃衬底之上均匀地形成1.1mm厚和10cm×10cm尺寸的ITO膜之后，通过已知的方法在衬底的边缘部分形成引线部分。如图10所示，将此玻璃衬底31放置在一个用于电解质聚合的玻璃池32中。玻璃池32中的电解质溶液通过在碳酸异丙烯酯(propylene carbonate)中溶解1mol/l的四氟代硼酸四乙铵(tetraethyl ammonium tetrafluoro borate)和1mol/l的吡咯而获得。除去玻璃衬底31之外，在如图10所示的、用于电解质聚合的玻璃池中布置一个作为反电极的铂衬底33和一个作为参考电极的银线34。
随后，从一个未示出的驱动电路完全地施加2mA的恒定电流直到载流量变为3C(30mC/cm2)。在ITO上形成一个通过掺杂四氟代硼酸根离子(tetrafluoro borate anion)致使显黑色的聚吡咯的电解质聚合膜。然后，在包含一种电解质溶液的玻璃池中设置玻璃衬底31，其中电解质溶液通过在碳酸异丙烯酯中溶解1mol/l的四氟代硼酸四乙铵而获得，施加1mA的电流，直到载流量变为0.8C(8mC/cm2)，并且去除聚合期间掺入到吡咯中的离子。聚吡咯的电解质聚合膜的颜色变为轻微淡黄透明色。
(聚合物固体电解质的制备和应用)
在碳酸异丙烯酯中溶解8份重量的分子量约为0.35×106的聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride)和1mol的四氟代硼酸四乙铵。随后，把25份重量的平均颗粒直径为0.1μm的氧化钽加入上述混合物中，通过一个超声匀化器均匀地分散所得物。前述衬底在1,000rpm的条件下旋涂此聚合物溶液4秒钟。在110℃、0.1Mpa的低压下烘干此所得物1小时。在胶凝作用之后，把所得物添加到驱动极，并且在两个电极之间形成一种聚合物固体电解质作为离子传导层。然后，通过利用环氧紫外固化树脂(由Sekisui Chemical Co.，Ltd制造的Photolec)作为密封剂密封附着部分的边缘。
(驱动极的制造)在一块厚度为1.1mm、尺寸为10cm×10cm的玻璃衬底上，通过一种已知的方法制造一个ITO膜和150μm间距的二维分布的TFT。随后，通过一种已知的方法在玻璃衬底上制造一个连接到驱动电路的引线部分。
(驱动和显示特性的评估)通过在对显示极着色并还原期间以2μC/像素的电量氧化显示极来转换黑显示和无色(白)显示，此时的电量与通过用已知的有源矩阵驱动电路褪色期间的电量相同。
在无色(白)状态下的反射率为70％，着色(黑色)状态下显示部分的光密度(OD)约为1.3(反射率为5％)。因此，作为一种反射率对比(a contrastof reflectance)，得到1∶14。
在保持在着色状态并处于断路状态下之后的第7天，显示部分的光密度约为1.0，并且存在存储特性。在重复着色和褪色循环的情况下，着色期间直到黑色密度变为1.0或更小的循环次数约为8×106。
为了检查像素之外出现的模糊有多大，在与实例1相同的条件下在一线电极(4mm宽)上沉积聚吡咯作为第一电极，并在一全幅电极(alloverelectrode)上沉积聚吡咯作为第二电极。电致变色显示层由聚吡咯(聚合条件2mA的恒定电流，30mC/cm2的合成电量)制作，电解质由四氟代硼酸四乙铵制作，离子传导层的厚度为200μm。
根据电极形成在两个衬底上的部分的响应速度(两个电极上还形成聚吡咯)，比较距离电极1.1mm处的部分的响应速度。在透射式显微镜下测量响应速度，并用光电倍增管检测强度。驱动波形为0.1Hz的矩形，强制电压为±1V。因此，在两个衬底上有电极的部分聚吡咯的响应速度为190ms，只在一个衬底上有电极的部分，离两个衬底上有电极的边缘1.1mm处的聚吡咯的响应速度比上述速度慢160ms。
虽然已参考实施例和实例对本发明进行了描述，但本发明不限于所述的实施例和实例，可以做各种改进。例如，在第一实施例中，描述了在图3所示的将驱动电流的电荷限制为特定值或更小的方法以及在图4中所示的反转驱动电流的方向的方法。但是，这些方法可以同时采用，并且不用说也可以只采用其中一种。
另外，例如在第三实施例中，凹槽3C是空隙部分。但是可以在凹槽3C中填充绝缘材料。
另外，例如在第三和第四实施例中，以TFT进行有源矩阵驱动的情形为例进行描述。但是，如同在第三和第四实施例中那样对每个像素划分离子传导层3的那种结构，也可以用于简单矩阵驱动的情形。
如上所述，根据本发明的显示单元，因为在离子传导层上与显示层相反的一侧形成多个独立的电极，所以是从透明电极一侧观看由显示层显示的字符和图像，并且多个电极和连接到多个电极的TFT作为有源器件等位于显示层的后侧上。因此，TFT衬底的光透射率变得不用考虑，并且由于TFT、写入电极等所致的阴影的问题也得以解决。另外，因为从观察者一侧看不到多个电极和TFT的图案，所以显示层实际上变为白色背景，并且可以实现高质量显示。相反，在常规的和普通配置中，因为从TFT一侧观看电致变色显示层，所以由于TFT占据面积的因素显示变暗，导致较低的对比度。根据本发明，与常规的方法不同，直接观察(只通过透明电极)显示层的颜色变化，使得没有由于TFT所致的视差或是对光透射率没有影响，并且可以获得明亮的和高对比度的显示。
另外，不仅TFT的面积可以确保最大，并且可以利用a-Si TFT和有机TFT，而且不必一定要由透明材料制作多个电极，并且可以使用给定的电极材料。另外，显示层和透明电极的图案化也不是必需的，可以获得很大的制作便利，如减少加工步骤数。
特别是根据本发明一个方面的显示单元，因为通过设置在像素之间区域中的凹槽部分为每个像素划分离子传导层，所以驱动电流不在离子传导层中扩散并聚焦在多个电极中每一个之上的区域，产生清晰的显示。
另外，根据本发明另一方面的显示单元，离子传导层的组成使得对应于像素的区域的离子电导率高于像素之间的区域的离子电导率。因此，驱动电流的扩散得到抑制，并且像素的模糊变得无须考虑。因此，显示层只对应于被施加驱动电流的电极着色，并且可以有清晰地显示。
另外，根据本发明另一方面的显示单元，多个电极为一组彼此平行的带状电极，透明电极是一组彼此平行的垂直于上述多个电极的带状透明电极，像素分布在带状电极和带状透明电极的交叉处。因此可以采取实际上由于交扰而难以使用的简单矩阵驱动。由此可以提供一种进一步降低了成本并有良好的图像质量的显示单元。
另外，根据本发明另一方面的显示单元，在有源矩阵驱动的情形中，该多个电极的长度与透明电极和该多个电极之间的距离之比设置为不小于3∶1，并且在简单矩阵的情况下，包括该多个电极的带状电极的宽度与透明电极和该多个电极之间的距离之比设置为不小于3∶1。因此，离子传导层中驱动电流的扩散得到抑制，对相邻像素的影响也被减小。
根据本发明的显示单元的驱动方法，因为显示层的集聚电荷通过控制驱动电流的电荷或方向来控制，所以甚至在由于在透明电极而具有公共电势的整个显示层上施加驱动电流而出现着色时，或甚至在驱动电流在离子传导层内部扩散时，显示层的过度着色(脱色)也能被减少或消除。因此实际上可以避免对相邻像素的重大影响，不使显示装置出现质量问题。
特别是，根据本发明一个方面的显示单元的驱动方法，因为驱动电流的电荷被限制为不超过被夹在该多个电极和被提供给驱动电流的透明电极之间的显示层的一部分的褪色或着色饱和处的电荷的两倍，即全部起作用，所以可以抑制流入相邻或周围像素到达显示层的电荷。结果，可以避免对相邻像素的重大影响，并且因为像素之间的边界不明显，所以产生例如对照片良好的显示。
另外，根据本发明另一方面的显示单元的驱动方法，因为驱动电流的方向被反转，所以字符、图像等可以很好地显示在显示层2上，并且可以实现亮的无视差的反射显示。
另外，根据本发明另一方面的显示单元的驱动方法，因为反向电流立刻施加到所有的多个电极上，所以可以从整个显示层均匀地扣除一定的着色量，并且着色区的大小返回到原始意定大小。因此，只有对应于施加了驱动电流的电极的区域被着色，看不到基底上的象素电极和TFT的图案，并且白色背景上只可以看到字符。这尤其适合于显示需要轮廓清晰的字符的情况。
另外，根据本发明另一方面的显示单元的驱动方法，因为方向被反转的电流同时提供给多个电极中的对应于显示的轮廓部分的电极，所以可以消除像素周围由于驱动电流在离子传导层中的扩散而被过度着色(褪色)。因此可以补救像素的模糊和不清楚的状态，并且使清楚显示成为可能。
鉴于上述技术可以对本发明做各种显而易见的改进而变化。因此可以理解，在权利要求书记载的的范围内，除以上已作过具体描述的方式之外，本发明还可以以其他方式实施。
权利要求
1.一种显示单元，包括一个透明电极；一个形成在透明电极上、根据集聚的电荷量改变颜色的显示层，和一个形成在显示层上与透明电极相反的一侧的离子传导层，其中在离子传导层上与显示层相反的一侧形成有多个独立电极。
2.如权利要求1所述的显示单元，其中显示层包含一种由于电化学氧化和还原而着色或改变颜色的电致变色材料。
3.如权利要求1所述的显示单元，其中显示层包含一种由于电化学沉淀和洗提而着色或褪色的材料。
4.如权利要求1所述的显示单元，其中离子传导层被着色。
5.如权利要求4所述的显示单元，其中所述的颜色为白色。
6.如权利要求1所述的显示单元，其中离子传导层由固体电解质制成。
7.如权利要求1所述的显示单元，其中通过设置在像素之间的区域中的凹槽而对每个像素划分离子传导层。
8.如权利要求1所述的显示单元，其中离子传导层的组成使得对应于像素的区域的离子电导率大于像素之间的区域的离子电导率。
9.如权利要求1所述的显示单元，其中多个独立的电极对应于像素分布，并且分别连接到对应的薄膜晶体管；和透明电极是公共电极。
10.如权利要求9所述的显示单元，其中象素电极的长度与透明电极和多个电极之间的距离之比不小于3∶1。
11.如权利要求1所述的显示单元，其中多个独立的电极为一组彼此平行的带状电极；透明电极是一组彼此平行的垂直于多个独立电极的带状透明电极；和像素分布在带状电极和带状透明电极的交叉处。
12.如权利要求1所述的显示单元，其中由多个电极构成的带状电极的宽度与透明电极和多个电极之间的距离之比设置为不小于3∶1。
13.一种显示单元的驱动方法，其中显示单元包括一个透明电极；一个形成在透明电极上、根据集聚的电荷量改变颜色的显示层，和一个形成在显示层上与透明电极相反的一侧的离子传导层，其中在离子传导层与显示层相反的一侧上形成有多个独立电极，该方法通过选择性供给具有与多个独立电极和透明电极之间着色密度或着色面积相应的电荷量的驱动电流和通过控制驱动电流的电荷量或方向来控制显示层的集聚的电荷量。
14.如权利要求13所述的显示单元的驱动方法，其中通过限制驱动电流的电荷量来控制显示层的集聚电荷量，所述的驱动电流的电荷量被限制为不超过被夹在被提供给驱动电流的多个象素电极和透明电极之间的显示层的一部分的颜色变化或着色饱和处的电荷量的两倍。
15.如权利要求13所述的显示单元的驱动方法，其中显示层集聚的电荷量通过反转驱动电流的方向来控制。
16.如权利要求15所述的显示单元的驱动方法，其中反向电流的电荷量少于驱动电流的电荷量。
17.如权利要求15所述的显示单元的驱动方法，其中反向电流立刻被提供给所有的多个电极。
18.如权利要求15所述的显示单元的驱动方法，其中反向电流同时被提供给多个电极中对应于显示部分轮廓的电极。
全文摘要
本发明提供一种高显示质量的电致变色显示单元。该显示单元包括一个透明电极(1)；一个形成在透明电极(1)上的并根据集聚的电荷量改变颜色的显示层(2)；和一个形成在显示层(2)上的离子传导层(3)。在离子传导层上与显示层(2)相反的一侧形成有多个像素电极(4)。像素电极(4)例如由对应的薄膜晶体管(6)独立地驱动。在驱动中，通过施加给定电荷量的驱动电流，而后再施加一定量的反向电流，扣除一定量的着色，并且消除显示层(2)的过度着色。
文档编号G02F1/163GK1500228SQ02807598
公开日2004年5月26日 申请日期2002年3月29日 优先权日2001年3月30日
发明者新井道夫, 松居惠理子, 篠崎研二, 大畑丰治, 二, 治, 理子 申请人:索尼公司