透光率可变元件及包括该元件的显示装置用滤色器及智能窗的制作方法

本发明涉及一种透光率可变元件及包括该元件的显示装置用滤色器及智能窗，更详细地，涉及一种包括金属纳米粒子的透光率可变元件及包括该元件的显示装置用滤色器及智能窗。

背景技术：

如果透明的非导电性介质包括金属纳米粒子，则可带颜色。这是由被限制的局域表面等离子体共振(localizedsurfaceplasmonresonance，lspr)现象导致的。简单说明的话，金属纳米粒子内部的自由电子和光(电磁波)的电场产生相互作用，此时，产生共振现象的特定波长的光被吸收、散射，从而整体上带颜色。并且，该颜色可以根据金属纳米粒子的大小、间隔、形状而不同。其事例就是欧洲古城或者教堂的彩色玻璃。对这些彩色玻璃进行分析的话，非常小的尺寸的金(au)粒子包含在玻璃中，该金粒子的大小根据密度(间隔)、形状使得彩色玻璃的颜色不同。由此，为了利用这样的现象，在现有的研究中，主要是金属纳米粒子的大小调节粒子之间的间隔，或使用特殊的合成技术形成各种各样的形状，从而改变外观的颜色。

另外，液晶显示装置可以由滤色器基板、阵列基板(tft阵列基板)及形成于滤色器基板和阵列基板之间的液晶层构成。液晶显示装置的制造工艺基板上需要多个掩模工艺，即光刻(photolithography)工艺，因此在生产性方面要求减少掩模数量的方法。就所述使用于液晶显示装置的滤色器而言，利用染料或者颜料吸收不必要的颜色的光并使其消灭，仅使得想要体现的颜色的光透过，从而体现颜色，由此，在以一个子像素为基准入射的白色光中仅使得rgb三原色中的一种颜色透过，从而在颜色过滤层难以实现30(％)以上的透过率。由于这些理由，面板(lcd面板)的透过效率非常低，可能增加背光造成的电力消耗。此外，所述滤色器可以按各原色反复进行防染涂覆、曝光、显影及硬化工艺，因此工艺复杂。

技术实现要素：

本发明想要解决的技术课题是提供一种透光率可变元件，其包括基于lspr现象的结构，从而不仅是具有前述问题的现有的滤色器，而且还可以适用于各种透明信息显示装置。

为了实现所述技术课题，提出了一种透光率可变元件，其包括透光率可变结构，特征在于，透光率可变结构包括：第一电极；透光率可变层，其由金属纳米粒子分散的透明半导体物质形成，与第一电极进行电连接；第二电极；以及绝缘层，其介入在透光率可变层和第二电极之间。

此外，提出了一种透光率可变元件，其特征在于，透明半导体物质是选自zn、in及sn中的一种以上的氧化物。

此外，提出了一种透光率可变元件，其特征在于，透明半导体物质还包括选自si、ge、al及ga中的一种以上的元素。

此外，提出了一种透光率可变元件，其特征在于，所述金属纳米粒子是选自au、ag、cu、al、pt、pd、ni、co、fe、mn、cr、mo、w、v、ta、nb、hf、zr、ti、zn、in、sn、sb及bi中的一种金属或者两种以上的金属的合金。

此外，提出了一种透光率可变元件，其特征在于，第一电极及第二电极是透明电极或者反射电极。

此外，提出了一种透光率可变元件，其特征在于，向透光率可变层叠结构施加电压，对透光率可变层所包括的透明半导体物质的导电性进行控制，由此使得金属纳米粒子的被限制的局域表面等离子体共振状态变化，从而使得透光率可变层的透光率变化。

此外，提出了一种透光率可变元件，其特征在于，还包括透明半导体层，其介入在透光率可变层和第一电极之间。

此外，提出了一种透光率可变元件，其特征在于，在透光率可变结构的一面包括基板，第一电极及第二电极是透明电极，透光率可变元件还包括介入在透光率可变结构及基板之间的下部涂覆层。

此外，提出了一种透光率可变元件，其特征在于，还包括反射膜，该反射膜形成于透光率可变结构的另一面或形成于透光率可变结构和下部涂覆层之间。

并且，本发明在发明的另一个侧面提出了一种显示装置用滤色器，其包括透光率可变元件。

并且，本发明在发明的又另一侧面提出了一种智能窗，其包括透光率可变元件。

根据本发明的透光率可变元件，通过向包括含有电极/绝缘层/金属纳米粒子的透明半导体层的透光率可变层叠结构的两端施加电压，诱导被限制的局域表面等离子体共振(lspr)状态变化，从而可以自由改变含有金属纳米粒子的透明半导体层的透光率及颜色，因此不仅是现有显示装置用滤色器，还可以有用地使用于智能窗、智能眼镜等透明的信息显示产品。

附图说明

图1是根据本发明的透光率可变元件中所包括的透光率可变层叠结构(透射型及反射型)的模式图。

图2a至图2h作为根据本发明的透光率可变元件的一个例子，是第一电极及第二电极通过一次图案形成工艺而同时形成的“一面型”元件的截面图。

图3a至图3f作为根据本发明的透光率可变元件的一个例子，是第一电极及第二电极分别通过单独的图案形成工艺而形成的“两面型”元件的截面图。

图4a至图4c作为根据本发明的透光率可变元件的一个例子，是还包括下部涂覆层及/或反射膜的元件的截面图。

具体实施方式

在说明本发明时，判断对于相关的公知功能或者构成的具体说明可能不必要地模糊本发明的要旨的情况下，省略对其的详细说明。

就根据本发明的概念的实施例而言，可进行各种变更，可具有各种形态，因此将特定实施例示例在附图中，想在本说明书或者申请中进行详细说明。但是，这并非是将根据本发明的概念的实施例限定于特定的公开形态，应理解为将本发明的思想及技术范围内的所有变更、均等物或者代替物包括在内。

本说明书中使用的术语仅仅是为了说明特定的实施例而使用的，并不是想限定本发明的意图。只要在上下文没有明显不同的意思，单数的表达包括复数的表达。本说明书中，“包括”或者“具有”等术语应理解为想要指定所说明的特征、数字、步骤、动作、构成要素、零部件或它们组合的存在，而不是事先排除一个或者一个以上的其他特征或者数字、步骤、动作、构成要素、零部件或它们组合的存在或附加可能性。

下面，参照附图对本发明的实施例进行详细说明，以便本发明所属的技术领域中具有通常知识的技术人员能够容易实施。本发明可实现为各种不同的形态，并非限定于在此说明的实施例。

如前所述，就被限制的局域表面等离子体共振(lspr)现象而言，当金属纳米粒子在透明的非导电性介质里面时，与从外部进来的光进行相互作用，使得介质的透光率发生变化，最终带有颜色。

更详细说明的话，电子在金属内部可自由移动，但是电子在非导电性介质中无法自由移动。在这样的情况下，如果从外部施加电场，则金属内部的自由电子由于电场而像云一样向一侧方向聚集，从而金属纳米粒子产生电子较多的部分和电子不足的部分。但是，使得电磁波即光振动的电场可引起金属纳米粒子内部的自由电子的移动。金属纳米粒子的大小和间隔、形状等与可相互作用的电磁波的波长有关。如果光的电磁波的特定波长和金属纳米粒子的电子进行共振，则其特定波长可被吸收、散射。这种现象在金属纳米粒子被非导电性介质包围的情况下出现。其原因是自由电子不能通过非导电性介质移动而被限制在金属纳米粒子内部。但是，如果金属纳米粒子被导电性介质包围的情况，自由电子的一部分不会被金属纳米粒子限制，而是可自由移动，由此与入射的光的电场相互作用的条件可以不同，可共振的电磁波的波长可发生变化，从而外观的颜色可以不同。

根据本发明的透光率可变元件的核心技术思想是，以上述的lspr现象为基础将包围金属纳米粒子的介质构成为透明半导体物质并调节介质的导电性，从而使lspr状态发生变化，通过调节透光率使得外观颜色发生变化。

换句话说，将金属纳米粒子陷入透明半导体物质里面，将金属内部的自由电子区域调节至周边半导体区域为止，使得有效的自由电子区域发生变化，从而调整可透过的光的波长。此时，就对有效的电子的区域进行调节的方法而言，作为可从外部施加的电场，通过施加电压而调节包围金属纳米粒子的介质的导电性，使得lspr状态发生变化，最终改变外观颜色。

为此，根据本发明的透光率可变元件包括含有透光率可变层的透光率可变结构，透光率可变层由金属纳米粒子分散的透明半导体物质形成。

更加具体地，透光率可变结构包括：第一电极；透光率可变层，其由金属纳米粒子分散的透明半导体物质形成，与第一电极进行电连接；第二电极；以及绝缘层，其介入在透光率可变层和第二电极之间。

通过向透光率可变层叠结构的第一电极及第二电极之间施加电压，对透光率可变层所包括的透明半导体物质的导电性进行控制，从而使得金属纳米粒子的lspr状态发生变化，使得透光率可变层的透光率发生变化，最终改变透光率可变层的外观颜色。

此时，与透光率可变层进行电连接的第一电极及用于施加电压的第二电极可以由透明电极(ito透明电极、包括ag纳米线的ito透明电极等)或者反射电极(可玻璃反射的金属电极等)形成。

当第一电极及第二电极均由透明电极形成时，如图1的左侧图所示，形成透射型结构，如果将包括这种透光率可变结构的元件用作显示器的滤色器，则可通过调节施加电压而将透光率可变层调节为想要的颜色，从而与使用现有的各个rgb滤色器相比，可形成更小的像素，从而可实现更高画质的显示器。此外，如果将该元件用于透明显示器，则可以用作透明度更加高的显示器，可以应用于智能窗、智能眼镜等透明的信息显示装置。

此外，后面要叙述的“一面型”元件中，第一电极及第二电极均构成为反射电极，或在“两面型”元件中，第一电极构成为透明电极、第二电极构成为反射电极的情况，如图1的右侧图所示，形成反射型结构。

另外，优选地，构成透光率可变层的介质的透明半导体物质可以是金属氧化物半导体物质，这样的金属氧化物半导体物质可以是选自zn、in及sn中的一种以上的氧化物。

进一步，金属氧化物半导体物质还可包括选自si、ge、al及ga中的一种以上的元素。此外，金属氧化物半导体物质可以是非晶质状态。

作为参考，可以利用电场将透明金属氧化物半导体调节为半导体状态和非半导体状态。氧化物半导体的情况，几乎大部分是n型半导体，因此导电电荷是电子。如果能带隙约为3ev程度，则在可视光线区域透明，几乎没有少数电荷的空穴。如果在电极、绝缘体、半导体的mis层叠结构中向电极施加电压，则通过电场可调节半导体层的电荷的浓度。

如果在mis结构中向电极施加正电压，则在半导体层中诱导负电荷，从而充满作为n型半导体的主电荷的电子。相反，如果向电极施加负电压，则在半导体层中作为主电荷的电子被挤出，应该诱导正电荷，但是在具有较宽的能带隙的透明的氧化物半导体中没有作为正电荷的空穴，因此形成使得带正电荷的固定电荷露出的耗尽层。该耗尽层是几乎没有导电电荷的非导电体介质。

换句话说，可通过调整电极的电压而调节半导体层的电子密度。此时，如果在半导体层有金属纳米粒子，则包围周边的介质的电特性在导电性介质和非导电性介质之间可以变化。这样的话，使得lspr状态发生变化，从而可以改变外观颜色。

此外，在透光率可变层的透明半导体物质内分散的金属纳米粒子可以由选自au、ag、cu、al、pt、pd、ni、co、fe、mn、cr、mo、w、v、ta、nb、hf、zr、ti、zn、in、sn、sb及bi中的一种金属或者两种以上的金属的合金构成，其中，最优选地，由au构成，其原因如下。

透明金属氧化物半导体的导带最小值(conductionbandminimum,cbm)通常为-4.1ev～-4.4ev程度，金的功函数为-5.1ev。当半导体为非导电体状态时，这两能量的差约为0.7～1.0ev程度，在常温下是自由电子难以克服的程度的能量垒，因此可以更加稳定。此外，当遇到氧气时，与银和铜相比金更难以氧化，因此可以稳定。

图2a至图2h是根据本发明的透光率可变元件的各种截面结构中的包括通过一次图案形成工艺同时形成的第一电极及第二电极的所谓的“一面型”元件的截面图。

就图2a中示出截面的一面型元件而言，在由玻璃、pmma、pc、pet等透明材料构成的基板10上将透明电极图案化，从而形成作为透明电极的第一电极21及作为透明电极的第二电极22，接着，在形成相当于绝缘层的绝缘图案30后，依次形成透光率可变层40及绝缘膜50，从而获得所述一面型元件。

与图2a中示出的元件相比，图2b中示出截面的元件具有还包括介入在透光率可变层40和第一电极21之间的透明半导体层60的结构。

此外，就图2c中示出截面的元件而言，与图2a中示出的元件相比，在将基板10看作最下部时，用于施加电压的第二电极22位于透光率可变层40的上部。

与图2b中示出的元件相比，图2d中示出截面的元件具有还包括介入在透光率可变层40和第一电极21之间的透明半导体层60的结构。

在图2e至图2h中示出截面的元件分别与图2a至图2d中示出的元件相比，作为电极，包括作为反射电极的第一电极23和作为反射电极的第二电极24，在这一点上不同。

图3a至图3f是根据本发明的透光率可变元件的各种截面结构中的包括分别通过单独的图案形成工艺形成的第一电极及第二电极的所谓的“两面型”元件的截面图。

就图3a中示出截面的两面型元件而言，在由玻璃、pmma、pc、pet等透明材料构成的基板10上将透明电极图案化，从而形成作为透明电极的第二电极22，接着，在形成相当于绝缘层的绝缘图案30后，形成透光率可变层40及与之进行电连接的作为透明电极的第一电极21，最后形成绝缘膜50，从而获得所述两面型元件。

与图3a中示出的元件相比，图3b中示出截面的元件在形成作为透明电极的第一电极21后，形成透光率可变层40，从而获得该元件，只在这一点上不同。

此外，就图3c中示出截面的元件而言，与图3b中示出的元件相比，在将基板10看作最下部时，用于施加电压的第二电极22位于透光率可变层40的上部。

图3d至图3f中示出截面的元件分别与图3a至图3c中示出的元件相比，作为第二电极，包括作为反射电极的第二电极24，在这一点上不同。

图4a至图4c是根据本发明的透光率可变元件的各种截面结构中的包括下部涂覆层及/或反射膜的元件的截面图，当第一电极及第二电极由透明电极形成时下部涂覆层及/或反射膜可包括于元件结构。

与图2a中示出的元件相比，图4a中示出截面的元件是还包括介入在包括第一电极21及第二电极22的电极层和基板10之间的下部涂覆层70的透射型元件。

此外，与图4a中示出的元件相比，图4b中示出截面的元件在绝缘膜50上面还包括由可进行玻璃反射的金属等形成的反射膜80，从而成为不包括反射电极的上部反射型元件。

此外，图4c中示出截面的元件与图4a中示出的元件相比，在下部涂覆层70上面还包括反射膜80，从而成为不包括反射电极的下部反射型元件。

虽然在本申请附图中未示出，但是图2c中示出的元件也是因为第一电极及第二电极由透明电极形成，所以还可包括下部涂覆层70或者下部涂覆层70及反射膜80。

如前所述，根据本发明的透光率可变元件如上所述可体现为各种不同的形态，并非限定于上述说明的实施例。

根据前述的本发明的透光率可变元件，通过向包括含有电极/绝缘层/金属纳米粒子的透明半导体层的透光率可变层叠结构的两端施加电压，诱导被限制的局域表面等离子体共振(lspr)状态变化，从而可以自由改变含有金属纳米粒子的透明半导体层的透光率及颜色，因此不仅是现有显示装置用滤色器，还可以有用地使用于智能窗、智能眼镜等透明的信息显示产品。

产业上可利用性

根据本发明的透光率可变元件，诱导被限制的局域表面等离子体共振(lspr)状态变化，从而可以自由改变含有金属纳米粒子的透明半导体层的透光率及颜色，因此不仅是现有显示装置用滤色器，还可以有用地使用于智能窗、智能眼镜等透明的信息显示产品。