電子顯示器的製作方法
2023-05-03 09:15:16
專利名稱：電子顯示器的製作方法
技術領域：
本發明涉及電壓控制電子顯示器。
背景技術：
電壓控制顯示器的一種類型是電泳顯示器，如在MassachusettsInstitute of Technology(1998年6月)的「全印刷的雙穩態反射顯示器可印刷的電泳油墨和全印刷的金屬-絕緣體-金屬二極體」中描述且由E-INK Inc。Cambridge，Ma提供的顯示器。此種顯示器基於所謂的「電子油墨」，如基於所施加的電壓而改變其性質的電泳材料。使用諸如電子油墨的電泳材料，可在基體材料上印刷平板顯示器。這些顯示器抽運非常小的電流，因而消耗非常小的功率。任何電壓敏感材料可用作此顯示器。另一種在Scientific American(1996年9月)的「紙的再發明」中描述並稱為電壓敏感的材料的Gyricon。這兩種顯示器都在相對較高的電壓下工作。
金屬-絕緣體-金屬二極體(M-I-M二極體)表現出與半導體二極體相似的電流-電壓特性。與半導體二極體電流-電壓特性的一個區別是M-I-M二極體的電流-電壓特性是對稱的。M-I-M二極體典型的電流-電壓特性曲線是雙極的。也就是說，在預定的負電壓和基本相同的預定正電壓時，此二極體可在非導電狀態和導電狀態之間切換。
一種類型的金屬-絕緣體-金屬二極體包括複合金屬-絕緣層，在此層中以一定間隔配置兩導電層即電極。複合金屬/絕緣層包含其中懸浮相對較厚金屬顆粒的絕緣粘合劑，並在金屬顆粒上熱生長或澱積氧化物層。在Jaeyong Park的上述論文中，描述兩種生產此種金屬-絕緣體-金屬二極體的工藝。由此工藝產生的二極體表現出相對較高的切換電壓。
發明內容
根據本發明的一個方面，電壓控制顯示器包括具有一對電極的顯示元件以及其接線端與電壓控制顯示器的一對電極中的第一個耦合的分壓器。電壓控制顯示器還包括與分壓器耦合的切換電壓小於約10伏的金屬-絕緣體-金屬二極體。在如權利要求1所述的電壓控制顯示器中，分壓器包括一對具有相同電阻值的電阻。
在電壓控制顯示器中，在顯示元件第一接線端的電勢是信號線電壓的一部分，在顯示元件第二接線端的電勢由非線性元件和電阻上的電壓決定。電壓控制顯示器可包括與電阻串聯耦合的第二金屬-絕緣體-金屬器件。在此設置中，在顯示元件第一接線端的電勢是信號線電壓中固定的一部分；而在顯示元件第二接線端的電勢由非線性元件和電阻的連接處的電壓決定。
根據本發明的另一方面，電壓控制顯示器包括多個在陣列中耦合的顯示器單元。陣列的每個單元包括具有一對電極的顯示元件、其接線端與電壓控制顯示器一對電極中的第一個耦合的分壓器、以及與分壓器耦合的切換電壓小於約10伏的金屬-絕緣體-金屬二極體。
通過本發明一個或更多的方面可提供以下一個或更多的優點。與其它顯示器相比，本顯示器的一個優點在於，它使用非常小的電流並在低電壓時切換。本顯示器包括電壓敏感顯示器和低電壓切換的非線性元件，如低電壓金屬-絕緣體-金屬二極體(M-I-M二極體)。電壓敏感顯示器使用基於電壓切換的材料。另外，顯示器陣列、元件、電阻和非線性元件可使用常規且不昂貴的印刷技術製作。
圖1為低電壓低功率電壓控制顯示器元件的示意圖。
圖1A為優選的低電壓低功率電壓控制顯示器元件的示意圖。
圖2為低電壓低功率電壓控制顯示器元件的矩陣的示意設計圖。
圖3為M-I-M二極體結構的橫截面視圖。
圖3A為沿圖3中線3A-3A剖分的局部放大視圖。
圖4為可替代的M-I-M二極體結構的橫截面視圖。
圖4A為沿圖4中線4A-4A剖分的局部放大視圖。
圖5為另一可替代的M-I-M二極體結構的橫截面視圖。
圖6為製造圖3元件的工藝流程圖。
圖7A-7D為示出圖1-4中M-I-M二極體器件典型切換特性的電壓-電流曲線。
具體實施例方式
現在參照圖1，示出低功率低電壓顯示器10。顯示器10包括一對信號線，如顯示器接線端11a、11b。顯示器布置成包括顯示元件16的並聯電路。顯示元件16包括兩個夾住電泳油墨層15的電極12、14。電極12在由兩個電阻18和20形成的分壓器處與並聯電路連接。電極14連接到並聯電路的另一側。並聯電路的另一側包括非線性元件和第三電阻24，非線性元件即為用作M-I-M二極體的低電壓可控開關22。在切實可行的實施例中，顯示器10可複製許多次，並且顯示器10可布置到這些元件的有源矩陣中。
顯示器10是超低電流的電壓控制型的顯示器。電子油墨層15是基於所施加的電壓改變其性質的電泳材料。使用諸如電子油墨層15的電泳材料，可在基體材料上印刷平板顯示器。顯示器10在低電壓如小於10伏的電壓操作並抽運非常小的電流，因而消耗非常小的功率。任何電壓敏感材料可用作該顯示器。另一種具有相似性質的材料在ScientificAmerican 1998年9月的「紙的再發明」中描述並稱為「Gyricon」。Gyricon也是電壓敏感材料。顯示器10需要的工作電壓在10伏的範圍內，具體地在小於0.5到1-2伏，更具體地在0.5-1伏的電壓範圍內。
非線性元件22是M-I-M二極體，以下結合圖3-7D描述。
如果電阻18的值等於電阻20的值，在接線端12的電勢就總是接線端11a、11b信號電壓差的一半。電極14的電勢由非線性元件22和電阻24上的電壓決定。在接線端12的電壓會基於施加到接線端11a的信號，相對於電極14的電壓而變化。由於元件22是非線性的，有某點它會切換使電極12的電壓相對於電極14的電壓而變為負的。當非線性元件切換時，這會倒轉顯示元件16的極性，使顯示元件16改變顏色。通過安排多個顯示元件16，所形成的顯示器10可用於顯示各種信息。
由於顯示器10是印刷器件，非線性元件可安裝基於碳油墨的電極，這將在以下描述。電阻也可以是基於碳的，並且包含填充物以降低電阻的導電性而使它們更具電阻性。理想地，整個顯示器10應具有非常高的總電阻。對於一個單元它為15兆歐數量級。
現在參照圖1A，示出可替代的顯示器元件30。顯示器元件30包括電壓控制顯示元件38，在元件38中包括耦合到固定電勢的一個電極38a以及耦合到用作M-I-M二極體的一對非線性開關元件34和36中的第二電極38b，這將在以下描述。顯示器元件30還包括可以是印刷膜電阻的電阻32，此電阻32具有耦合到電源電勢V的一端以及耦合到一對非線性開關元件34和36的公共連接處的第二端。為了切換顯示器元件30的電勢差，非線性元件34、36用於把第二電極耦合到+V電勢或基準電勢如接地，並使顯示器切換顏色以響應輸入到一對非線性元件的控制信號。
現在參照圖2，示出多個在陣列40中耦合的顯示器元件30。多個顯示器元件30具有耦合到行41a-41b和列42a-42b可尋址線的導體。在切實可行的實施例中，可以有多於所示兩條線的許多行和列線。行可尋址線41a-41b耦合到每個顯示器元件30中相應一個的M-I-M二極體元件36，列可尋址線42a-42b耦合到每個顯示器元件30中相應一個的M-I-M二極體元件34。
陣列40還包括行驅動器41和列驅動器42。解碼器(未示出)把輸入信號解碼成有關線41a-41b和42a-42b的行和列信號，向行驅動器41和列驅動器42輸入解碼器信號，以便控制單個的顯示器元件30。因而，每一單個的顯示器元件30可以是顯示器陣列40中的相應象素元件。陣列40使驅動器41、42產生有關行線41a-41b和列線42a-42b的信號(基準電勢或電源電勢)，以便有選擇性地翻轉單個顯示器元件的電勢差，從而改變單個顯示器元件的顏色。
以單元30d為例，當第二電極38b的電勢值小於第一電極38a的電勢值時，顯示器元件30顯示一種顏色如白色；而當第二電極38b的電勢值大於第一電極38a的電勢值時，顯示器元件30顯示另一種顏色如黑色。當列42b線和行線41a中的一個或全部對於顯示器單元30d是5伏電勢時，在第二電極38b的電勢值會是5伏，從而顯示器元件30會是第一種狀態如白色，因為第一電極38a為固定電勢V/2，其正值小於第二電極38b。
為了切換顯示元件38的狀態，信號輸送到行和列驅動器41、42，使相應的行線41a和列線42b兩個都為0伏的基準電勢。這使二極體34和36都切換，在顯示元件38的第二電極38b處提供0伏的電勢。由於現在第二電極38b的正值小於第一電極38a，因此顯示器元件會切換到第二顏色如黑色。
現在參照圖3，示出適用於器件22(圖1)、34和36(圖1A和2)的金屬-絕緣體-金屬二極體50。金屬-絕緣體-金屬二極體50包括第一電極52，其中，電極52例如為銅箔基片；或另一導電材料如碳或金；或其它導電材料如鉻、鎢、鉬；或其它導電材料如彌散在諸如導電油墨的聚合物粘合劑中的金屬顆粒。金屬-絕緣體-金屬二極體50還包括複合金屬-絕緣體層54，其中，複合金屬-絕緣體層54包含懸浮在介電粘合層62中的金屬顆粒60。如圖3A所示，金屬顆粒60具有覆蓋在顆粒60表面上的本徵氧化物層60a。一種優選的金屬是鉭，它易於形成本徵的、穩定的且一般為均勻的本徵氧化物層60a。也可使用其它金屬如鈮。這些其它的金屬應該形成自限制性的、穩定的且對於應用具有合適介電常數的氧化物。優選鉭的一個原因是當鉭暴露在空氣中時在鉭上容易形成本徵氧化物層。
布置在複合金屬-絕緣層54上的是第二電極56，其中，電極56還例如包含銅；或另一導電材料如碳、鉻、鎢、鉬；或者金或其它導電材料。第二電極優選直接布置在層52上，以與顆粒60上的本徵氧化物層60a接觸。第二電極還可以是包含導電材料和粘合劑的複合層。通過改變電極層56的導電率，器件50的電氣特性可以改變。具體地，I-V特性曲線可製作得更尖銳從而獲得更陡峭的開/關特性。也就是說，導電率越高，曲線就越尖銳。
如以下在圖7A-7D中描述的，M-I-M器件具有表現出二極體類元件性質的對稱電流-電壓(I-V)特性曲線。此器件也可製作得比其它方法具有更低的切換電壓，如小於10伏並且更具體地小於1伏-約0.5伏，但同時具有相同的對稱性質。通過改變鉭對粘合劑的比例以及鉭-粘合劑層的厚度，使I-V特性曲線對於相同材料能在正/負 50％或更大的範圍內上下移動。
器件50的切換電壓對於不同的器件可以是更一致的。部分原因是有更一致的氧化物層厚度和更一致的內在形成氧化物的質量。與熱退火或陽極化的氧化物層相比，鉭氧化物層60a的厚度不會大幅度變化。相信內徵層60a對於不同的鉭顆粒60也具有基本均勻的厚度，此厚度為單分子層厚度的數量級。鉭顆粒的特點是其粉末的粒徑在小於0.5微米到大約10微米的範圍內。印刷層54的厚度小於0.5到8-10密耳。在這可使用其它的粒徑和厚度。
現在參照圖4，二極體的另一實施例50′包括層54′，其中，層54′包含另一介電材料的惰性顆粒64(如圖4A所示)，此顆粒例如為彌散在聚合物粘合劑62和具有氧化物層60a的鉭顆粒60之中的二氧化鈦TiO2或碳酸鎂MgCO3的顆粒64。在此實施例中，一部分(如0％-75％)鉭顆粒60由諸如二氧化鈦或碳酸鎂的惰性介電材料顆粒64取代。儘管優選單獨使用內徵氧化物層60a，但鉭顆粒60也可選地具有分布在鉭附近的退火氧化物層或其它類型的氧化物層。
在聚合物粘合劑62和鉭顆粒60中添加介電顆粒，如二氧化鈦固體，可改進層54′的印刷，使得能利用更少量的鉭顆粒但同時仍然保持高的固體含量，此高固體含量表現出良好的二極體性質。對於非常薄的金屬/絕緣材料層尤其希望如此，以避免兩電極52和56通過層54′短路。包含惰性材料可降低短路的可能性並提供更一致的膜/塗層。
而且，在鉭濃度足夠低時，可提供給器件更高的切換電壓。可以預料，不需在鉭顆粒周圍使用氧化物層作為絕緣體即作為電子為了導電而需要超越的勢壘，此勢壘將由惰性材料的介電性質決定，在鉭濃度更低時此惰性材料例如為二氧化鈦和粘合劑。
現在參照圖5，二極體的另一實施例50″具有第一電極52以及在第一電極上的金屬-絕緣層54或54′。當對金屬-絕緣層54或54′製作連接58時，此結構50″可得到相似的二極體性質。通過取消第二電極，器件50″有更少的層，其製作工藝改變，但基本上不改變金屬絕緣體層的特性。
現在參照圖6，圖3器件可以按如下製備工藝70包括把純度99.97％的鉭粉末與聚合物粘合劑以及觸變材料混合72，其中，鉭粉末具有本徵氧化物層且粒徑例如小於5微米，聚合物粘合劑例如為Acheson，Electrodag No.23DD146A或Acheson SS24686。這兩種聚合物粘合劑都是來自Acheson，Port Huron，MI。其它粘合劑與鉭可以用於形成鉭油墨。這些粘合劑應該與鉭或其它所用金屬是電絕緣的且穩定的，並且優選具有相對較高的固體含量如15％-35％左右。鉭可在粘合劑總重的100％-39％範圍內。也可採用其它範圍。鉭顆粒與粘合劑充分混合形成鉭油墨。鉭油墨印刷74在諸如為銅箔基片或其它導電材料的第一電極上。例如用收縮杆、絲網印刷、曲面或凹版印刷技術中的一種印刷該層。把此層烘乾76，例如在烘爐中在120℃下烘15-20分鐘。在鉭粘合劑層上印刷78第二導電層，第二導電層例如為以鉻顆粒形式混合在粘合劑材料中的鉻。此鉻層也例如在120℃下烘15-20分鐘80，形成器件50。隨後，可測試82器件50。
對於第一和/或第二電極可以使用可替代的導電層或金屬，如銅、鎢、鉬、碳等。此層的導電率隨著導電材料對粘合劑相對濃度的改變而變化。導電材料的典型範圍是30％-39％。通過改變此層的導電率，電流-電壓特性曲線的形狀可以變化，使得該曲線稍微尖銳點，以生產具有更陡峭開/關響應的二極體。
由於所用的鉭顆粒具有本徵氧化物層60a，因此可以簡化工藝。不需要對鉭粉末進行熱退火或其它預先的熱處理。本徵氧化物塗層在厚度和質量上非常一致。這趨向於生產非常一致的金屬-絕緣體層材料以及其切換電壓在一系列二極體中具有相對較低標準偏差的二極體。
另一優點在於，由於不需要對鉭粉末進行熱退火，可調整油墨的性質以實現各種二極體性質從而適合不同的應用。油墨形成是比鉭的熱處理更容易控制的工藝。
本器件也可被看作是壓敏電阻，即薄的印刷壓敏電阻。此M-I-M結構有利於需要非線性元件的應用中，其中非線性元件以較低的電壓及如果可能的話以較低的電流工作，此結構可以不用半導體澱積技術印刷。
現在參照圖7A-7D，圖中示出圖3-5 M-I-M二極體器件典型切換特性的電壓-電流曲線。如圖7A所示，M-I-M二極體器件的電流電壓特性曲線84在大約1.8伏的100na(納安)處表現出切換電壓，開/關比計算為約33。使用惠普半導體分析儀4155B型獲得電流電壓特性曲線84。
本器件所用的鉭層通過混合5克Alfa Aesar，Ward Hill，MA的粒徑小於2微米的鉭顆粒和20克Electrodag 23DD146A的聚合物而製備，此聚合物具有25％固體-75％揮發性化合物的組成。用15密耳的切口(cutout)把油墨塗敷到銅箔的導電錶面上，即形成溼厚15密耳的層。把試樣在烘爐中在120℃下烘乾20分鐘。用於二極體第二層的油墨通過混合5克AlfaAesar的粒徑小於5微米的鉻粉末和4克Electrodag 23DD146A而製備，並用5密耳的切口塗敷在鉭油墨層的頂部。此塗層在120℃下烘乾20分鐘。
如圖7B所示，基於不同的「P∶B」比例，即金屬(如鉭)顆粒對粘合劑的比例，M-I-M二極體可表現出不同的切換電壓。如圖7B所示，對於相同的15密耳厚度，P∶B比例分別為5、2和1時，器件在100納安表現出的切換電壓大約為9伏(曲線85a)、5.3伏(曲線85b)和3.8伏(曲線85c)。
另外如圖7C所示，改變鉭層的溼厚也可形成不同的切換電壓。對於鉭對粘合劑比例(P∶B)為8∶1的鉭層，具有15密耳厚鉭層的M-I-M二極體表現出的切換電壓為大約9伏(曲線86a)；具有10密耳厚鉭層的M-I-M二極體表現出的切換電壓為大約7.8伏(曲線86b)；具有5密耳厚鉭層的M-I-M二極體表現出的切換電壓為大約4.6伏(曲線86c)。每個切換電壓都是在100納安下測量的。
現在參照圖7D，在鉭層中添加碳酸鎂可形成具有一貫較高的開/關比例並且對切換電壓的影響最小的M-I-M二極體。如圖7D所示，隨著碳酸鎂的量增加，切換電壓特性變得更陡峭。曲線87a示出了切換特性，對於P∶B比例1∶1的100％鉭層，切換電壓為1.8伏。曲線87b-87d示出當碳酸鎂的量增加時，切換特性變得更陡峭，因此表示更好的開/關比例。
應該理解，雖然本發明已結合其詳細描述進行了說明，但前述描述只是示例性的，並不限制本發明的範圍，本發明的範圍由後附書的範圍確定。其它方面、好處、和變更都包括在後附權利要求的範圍之內。
權利要求
1.一種電壓控制顯示器，其中包括具有一對電極的顯示元件；其接線端與電壓控制顯示器一對電極的第一個耦合的分壓器；以及與分壓器耦合的切換電壓小於約10伏的金屬-絕緣體-金屬二極體。
2.如權利要求1所述的電壓控制顯示器，其中，顯示元件是電泳顯示器。
3.如權利要求1所述的電壓控制顯示器，其中，金屬-絕緣體-金屬二極體具有小於約2伏的切換電壓。
4.如權利要求1所述的電壓控制顯示器，其中，分壓器包括一對具有相同電阻值的電阻。
5.如權利要求4所述的電壓控制顯示器，其中，在顯示元件第一接線端的電勢是信號線電壓中的一部分，在顯示元件第二接線端的電勢由非線性元件和電阻上的電壓決定。
6.如權利要求1所述的電壓控制顯示器，進一步包括第二金屬-絕緣體-金屬器件，其中，分壓器包括與第二金屬-絕緣體-金屬二極體串聯耦合的電阻。
7.如權利要求6所述的電壓控制顯示器，其中，在顯示元件第一接線端的電勢是信號線電壓中的一部分，而在顯示元件第二接線端的電勢由非線性元件和電阻的連接處電壓決定。
8.如權利要求1所述的電壓控制顯示器，其中，根據輸送到顯示元件的顯示器控制信號，顯示元件一個接線端的電壓會相對於顯示元件另一接線端的電壓而改變。
9.如權利要求8所述的電壓控制顯示器，其中，第一和第二非線性元件會切換狀態，使顯示元件一個接線端的電壓相對於顯示元件另一個接線端的電壓變為負值，從而使顯示器的顏色改變。
10.一種電壓控制顯示器，包括多個在陣列中耦合的顯示器單元，其中，每個單元包括具有一對電極的顯示元件；其接線端與電壓控制顯示器一對電極的第一個耦合的分壓器；以及與分壓器耦合的切換電壓小於約10伏的金屬-絕緣體-金屬二極體。
11.如權利要求10所述的電壓控制顯示器，其中，顯示元件是電泳顯示器。
12.如權利要求10所述的電壓控制顯示器，其中，金屬-絕緣體-金屬二極體具有小於約2伏的切換電壓。
13.如權利要求10所述的電壓控制顯示器，其中，每個單元具有一對分別耦合到陣列的行或列線中的接線端。
14.如權利要求10所述的電壓控制顯示器，其中，陣列的行或列線由行和列驅動器電路形成，向此驅動器電路輸入信號以尋址和控制顯示器。
15.如權利要求10所述的電壓控制顯示器，其中，每個顯示元件的一個電極耦合到一個固定電壓。
16.如權利要求10所述的電壓控制顯示器，其中，在每個顯示元件第一接線端的電勢是顯示器源電壓中的一部分，在顯示元件第二接線端的電勢由非線性元件和電阻上的電壓決定。
17.如權利要求10所述的電壓控制顯示器，其中，當多個顯示元件中一個元件的第二接線端的電壓隨著其它的變化時，當在顯示器上存在相反的電勢差時，它使顯示器改變顏色。
全文摘要
本發明描述一種電壓控制顯示器。此電壓控制顯示器是低電壓顯示器,並且包括具有一對電極的顯示元件以及其接線端與電壓控制顯示器一對電極的第一個耦合的分壓器。切換電壓小於約10伏的金屬－絕緣體－金屬二極體耦合到分壓器。在優選實施例中,顯示器元件進一步包括第二金屬－絕緣體－金屬二極體,並且其中分壓器包括與第二金屬－絕緣體－金屬二極體串聯耦合的電阻。
文檔編號G09F9/37GK1347546SQ00806323
公開日2002年5月1日 申請日期2000年4月12日 優先權日1999年4月16日
發明者安妮·T·林奇, 傑弗裡·S·修斯, 馬克·卡克普勞伊茲 申請人:吉萊特公司