電場感應元件以及使用該電場感應元件的顯示裝置的製作方法

2023-05-04 19:23:56

專利名稱：電場感應元件以及使用該電場感應元件的顯示裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及可通過施加電場來控制可見光透過率的值的元件以及應用 該元件的顯示裝置。
背景技術：
作為對被施加的電場發生感應而光學透過率的值發生變化的材料，公 知有液晶和電致彩色發光物質。液晶已在顯示器中廣泛地使用。電致彩色 發光物質是通過電化學性氧化還原反應而呈現光致變色(可逆性的色變
化)的物質，可進行以類紙式顯示器(Paper-Like Displays)(所謂的電子 紙)為代表的各種應用。這種電場感應的材料與光感應或熱感應的物質相 比具有在控制單元的構成上容易進行控制的優點。
雖然電致彩色發光物質大多是化學合成的高分子化合物，但是在日本 專利文獻特表2000 - 502398號公報中公開有滲雜了銻或鈮的氧化錫呈現 電致彩色發光的內容。在該公報中公開有產生了追隨50mHz的電信號的周 期性色變的報告(此情況下的反應速度為20秒)。另外，在上述公報中 記載有混合二氧化鈦、二氧化矽、氧化鋁等亮色材料和經滲雜處理了的氧 化錫在對比度的提升上有效的內容。
專利文獻1:日本專利文獻特表2000 - 502398號公報。

發明內容
從對顯示器的應用的角度來看，與液晶相比，電致彩色發光物質由於 不需要偏振片和背光，因此在透光狀態下的透明性和消耗電力的角度上優 越。可是，光致變色伴隨著電解液中的離子的移動，因此難以將電致彩色 發光物質的感應的反應時間提高到與液晶的反應時間相同程度或其以上。 典型情況下，液晶的白與黑的變化的反應時間是10 20ms。本發明提供一種可見光透過率的值不同的狀態間的遷移快的、含有金 屬氧化物的新型的電場感應元件。本發明的電場感應元件包括光學功能 層，該光學功能層包括金屬氧化物和覆蓋所述金屬氧化物的絕緣體，並根 據電場的施加而發生可見光透過率的值的變化，所述金屬氧化物是從由二 氧化錫、二氧化鈦、以及氧化鋅組成的組中選出的；以及第一和第二電極 層，夾持所述光學功能層。
本發明所提供的顯示裝置包括支撐體，表面顏色為亮色；第一透光 性電極層，固定在所述支撐體上；光學功能層，覆蓋所述第一透光性電極 層；以及第二透光性電極層，層疊在所述光學功能層上。所述光學功能層 包括金屬氧化物和覆蓋所述金屬氧化物的絕緣體，並且可見光透過率的值 由於電場的施加而發生變化，所述金屬氧化物是從由二氧化錫、二氧化 鈦、以及氧化鋅組成的組中選出的。
本發明所提供的包括將固定在支撐體上的所述第一電極層用包括所 述金屬氧化物和覆蓋該金屬氧化物的絕緣體的透光性的層覆蓋的工序；向 所述透光性的層照射紫外線，從而使所述透光性的層轉變成所述光學功能 層的工序；以及將所述第二電極層固定在所述光學功能層上的工序。


圖1是表示本發明的實施例的電場感應元件的構成的截面圖； 圖2是表示本發明的實施例的顯示裝置的構成的立體圖； 圖3是表示本發明的第一實施例的電場感應元件的反應性能的示波器 波形的照片；
圖4是表示本發明的第二實施例的電場感應元件的反應性能的示波器 波形的照片；
圖5是本發明的實施例的電場感應元件的動作原理的說明圖。
具體實施例方式
本發明人發現如下情況，即是具有3.2eV以上的能帶隙的半導體並 且是具有透光性的金屬氧化物一旦在絕緣覆蓋的狀態下被施加有效的激發能，則變成根據電場的施加而發生可見光透過率的值發生變化的物質。二
氧化錫(Sn02) 、 二氧化鈦(Ti02)、以及氧化鋅(ZnO)屬於上述金屬 氧化物。作為絕緣覆蓋材料，存在聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚丁二 烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醯胺、聚碳酸酯、聚(醯)亞胺、 醋酸纖維素等熱可塑性樹脂和酚樹脂、氨基樹脂、不飽和聚酯樹脂、丙烯 基樹脂、醇酸樹脂、環氧基樹脂、聚氨基甲酸酯、矽樹脂等熱固化性樹 脂。其它還有聚烴矽氧(聚矽氧垸)、石蠟、礦物油、氧化鎂(MgO)、 二氧化矽(Si02)、氧化鋁(A1203)等。
通過如圖1那樣用材質不相同的電極層夾持上述物質，能夠實現發生 可逆性的可見光透過率的值發生變化的電場感應元件1。在圖1中，電場 感應元件1包括第一電極層7、第二電極層9、以及可見光透過率的值根 據電場的施加而發生變化的光學功能層5。在示例中，第一電極層7為單 層，與此相對的是，第二電極層9包括材質與第一電極層7的材質不相同 的下層9A和材質與第一電極層7的材質相同的上層9B。但是，也可以將 下層9A形成得足夠厚而省略上層9B。
在圖1的層構造中，下層9A具有防止向光學功能層5注入不必要的 電子的作用。可通過使與光學功能層5相接觸的兩個導體的材質不相同來 使得產生可逆性的狀態變化。
作為電場感應元件1的應用例子，有圖2所示的反射型的顯示裝置 10。顯示裝置IO包括表面顏色為亮色的基板11、固定在基板11上並平行 排列的帶狀的第一電極17、光學功能層15、以及固定在光學功能層15上 並平行排列的帶狀的第二電極19。第一電極17與第二電極19相互交叉， 構成電極矩陣。於是，電場感應元件1與各個電極矩陣的交點相對應。 即，各個第一電極17、光學功能層15、以及第二電極19的一部分對應於 第一電極層7、光學功能層5、以及第二電極層9。在圖中，用單點劃線的 四邊形表示了一個電場感應元件1的位置。
在顯示裝置10中，可通過按照每個元件控制在基板上反射的外光的 光亮來進行矩陣顯示。在如該應用例這樣在層壓方向上控制對象的光穿過 電場感應元件1的構成中，作為電場感應元件1的第一和第二電極層7、9，例如有必要設置由氧化銦錫(以下，稱為ITO)形成的透光性的導電 層。在第一電極層7為ITO的情況下，第二電極層9的下層的材質優選為 透明的半導體。
顯示裝置10以及被包含在其中的電場感應的製造方法包括如下的工 序1 工序4。
在工序1中，在兼具支撐體和反射部件的基板11上排列第一電極17。
在工序2中，將固定在基板11上的第一電極17用由金屬氧化物和覆 蓋該金屬氧化物的絕緣體形成的透光性的層覆蓋。金屬氧化物是從由二氧 化錫、二氧化鈦、以及氧化鋅組成的組中選出的化合物。
在工序3中，向透光性的層照射紫外線，從而使透光性的層轉變成呈 現光致變色的光學功能層15。關於轉變，可認為如後述那樣通過紫外線激 發而在金屬氧化物中形成能級。
在工序4中，在光學功能層15上排列第二電極19.
下面，示出電場感應元件l的具體例子。
第一實施例
在第一實施例中，以作為金屬氧化物的二氧化錫(Sn02)和作為絕緣 體的矽油為材料而形成光學功能層5。光學功能層5的厚度是lum。第 一電極層7是厚度為0.4 u m的ITO。第二電極層9的下層9A是厚度為 O.lum的氧化鎳(NiO)，上層9B是厚度為0.4P m的ITO。
通過噴鍍而在用作支撐體的厚度為lmm的白板玻璃上形成第一電極 層7後，在下一個步驟中形成了光學功能層5。準備己酸錫0.75g、 二甲苯 1.28g、以及矽油(東芝^U 〕一乂社製TSF433:日本東芝矽會社製造的 TSF433) O.lg的混合液。通過自旋玻璃(1200 rpm、 10 sec)在固定了第 一電極層7的白板玻璃上塗覆上述混合液，在5(TC的環境下晾乾10 min， 之後進行燒結。燒結溫度為320°C，燒結時間為10min。接著，使用低壓 水銀燈向進行了燒結處理的層照射紫外線。照射條件為200mW/cm2， 60min。
形成了光學功能層5後，通過噴鍍依次層疊下層9A和上層9B，結束電場感應元件1的製造。
為了確認電場感應元件1的光學功能，向電場感應元件1施加了電壓 脈衝信號。此時，第一電極層7連接至脈衝發生器的電位輸出端子，第二
電極層9 (嚴格地說上層9B)連接至接地端子。如圖3的(A)的上半部 所示的那樣，設定大致500ms的間隔而重複施加了振幅為+10V且脈衝寬 度為20ms的正極性脈衝和振幅為一20V且脈衝寬度為20ms的負極性脈 衝。與此同時，使用以發光二極體(LED)作為光源的測定器測定了電場 感應元件1對可見光的透過率。
如圖3的(A)的下半部所示的那樣，透過率的值與重複施加的脈衝 相呼應而發生了周期性變化。產生了透過率的值對負極性脈衝進行感應而 減小的狀態變化(將此稱為"著色")，並產生了透過率的值對正極性脈 衝進行感應而增大的狀態變化(將此稱為"消色")。在脈衝施加的間隔 期間，維持了不久前的變化結束時的狀態。著色結束時的透過率為80%， 消色結束時的透過率為86%。根據圖3的(A)，得知電場感應元件1的 第一實施例呈現光致變色。
圖3的(B)是放大了圖3的(A)的時間軸的比例的波形圖，並表示 了對正極性脈衝的響應性。消色的響應時間是5ms。
圖3的(C)是放大了圖3的(A)的時間軸的比例的波形圖，並表示 了對負極性脈衝的響應性。著色的響應時間是8ms。
第二實施例
在第二實施例中，以作為金屬氧化物的二氧化錫鈦(Ti02)和作為絕 緣體的矽油為材料而形成光學功能層5。光學功能層5的厚度是lum。 第一電極層7和第二電極層9的材質、厚度、以及形成方法與上述第一實 施例相同。
通過如下步驟而形成了光學功能層5。準備己酸鈦0.72g、 二甲苯 U4g、乙二醇二丁醚0.14g、以及矽油(東芝、:/U 〕一乂社製TSF433:曰 本東芝矽會社製造的TSF433) 0.25g的混合液。通過自旋玻璃(600 rpm、 10 sec)在固定了第一電極層7的白板玻璃上塗覆上述混合液，在50'C的 環境下晾乾10 min，之後進行燒結。燒結溫度為320°C，燒結時間為10min。接著，使用低壓水銀燈向進行了燒結處理的層照射紫外線。照射條 件為200mW/cm2， 60min。
通過與第一實施例相同方法而確認了電場感應元件1的光學功能。 即，如圖4的(A)的上半部所示的那樣，設定大致500ms的間隔而重複 施加了振幅為+10V且脈衝寬度為20ms的正極性脈衝和振幅為一20V且脈 衝寬度為20ms的負極性脈衝。與此同時，使用以LED作為光源的測定器 測定了電場感應元件1對可見光的透過率。
如圖4的(A)的下半部所示的那樣，透過率的值與重複施加的脈衝 相呼應而發生了周期性變化。產生了透過率的值對負極性脈衝進行感應而 減小的狀態變化(著色)，並產生了透過率的值對正極性脈衝進行感應而 增大的狀態變化(消色)。在脈衝施加的間隔期間，維持了不久前的變化 結束時的狀態。著色結束時的透過率為79%，消色結束時的透過率為 92%。根據圖4的(A)，得知電場感應元件1的第二實施例呈現光致變 色。
圖4的(B)是放大了圖4的(A)的時間軸的比例的波形圖，並表示 了對正極性脈衝的響應性。消色的響應吋間是17ms。
圖4的(C)是放大了圖4的(A)的時間軸的比例的波形圖，並表示 了對負極性脈衝的反應性。著色的反應時間是18ms。
第三實施例
準備己酸錫2g、 二甲苯3g、以及矽油(東芝^y 〕一^社製
TSF433:日本東芝矽會社製造的TSF433) 5g的混合液，與第一實施例同 樣地進行混合液的塗覆、晾乾、燒結、以及紫外線照射而形成光學功能層
將第二電極層9接地而向第一電極層7施加振幅為一20V且脈衝寬度 為10ms的負極性脈衝。響應於脈衝的施加，電場感應元件1的透過率的 值從85%變化到了 56%。之後，在施加電壓為O的期間，透過率的值維持 在56%。
第四實施例
準備與第三實施例相同的混合液，在進行了塗覆後，比第三實施例更加急劇地晾乾。其它與第三實施例相同。
通過使塗覆了的混合液急劇地晾乾，殘留溶劑蒸發引起的空隙而燒結 處理後的層成為粒子凝結體。多孔的光學功能層5使對比度提升。感應於
與第三實施例相同的脈衝施加，電場感應元件1的透過率的值從85%變化 到24%。
關於在以上的實施例中確認了的光致變色，可判定圖5中示出的動作 原理。雖然列舉了二氧化錫，但是二氧化鈦和氧化鋅也適合於以下的說 明。
如圖5的(A)所示， 一旦向ITO上的二氧化錫(非晶態)照射紫外 線，則二氧化錫的價電子帶的電子被傳導帶激發，其中所述ITO是一側的 電極，所述二氧化錫是金屬氧化物。在與ITO的界面附近，該電子以某一 概率穿過絕緣體而被ITO暫時性地俘獲，價電子帶的電子消失了的部位的 原子間距離發生變化。雖然被俘獲了的電子再次回到二氧化錫的價電子帶 中，但是此時的能級如圖5的(B)那樣移動到能帶隙內。這樣的現象重 復發生，在被照射紫外線的期間如圖5的(C)那樣在能帶隙內產生多個 能級。可是，應被這些能級俘獲的電子被紫外線激發而向ITO移動。這樣 產生的、無電子的能帶隙內的能級在結束了紫外線照射後還殘留著。金屬 氧化物所吸收的光的能量(波長)與能帶隙內的能級相關。在二氧化錫的 情況下，在能帶隙內的電子少的狀態下透過率的值大(透明的狀態)。
絕緣體的作用是在ITO與二氧化錫之間形成障礙壁，使被激發的電子 通過。在絕緣體介於ITO與二氧化錫之間的狀態下接受紫外線照射，從而 二氧化錫發生構造變化。
一旦向在能帶隙內具有能級的透明狀態的二氧化錫如圖5的(D)那 樣偏置並施加電場，則ITO的電子越過絕緣體所形成的障礙壁而向二氧化 錫移動。 一旦移動了的電子被二氧化錫的能帶隙間能級俘獲，則二氧化錫 的透過率的值變小。即，從透明的狀態轉變到呈現暗色的狀態。即使撤去 電場，也由於障礙壁的帶電荷而維持暗色的狀態。
一旦如圖5的(E)那樣施加與圖5的(D)相反極性的電場，則被能 帶隙俘獲了的電子在螢光體等的室內照明程度的光量的外光下以某一概率成為傳導帶的自由電子。該自由電子向ITO移動。因此，最終成為在能帶 隙內的能級處無電子的狀態。由此，從暗色的狀態回到透明的狀態。
根據以上的實施例，由於產生了消色的狀態下的透過率的值大，因此 能夠實現高對比度並且背景亮的反射型的顯示裝置。由於電場感應元件1 的主成分是固體，因此與全液體或大量地含有液體的構成相比，不容易發 生由於機械性衝擊而引起的破損。由於構造簡單，因此有利於降低價格。
在上述實施例的製造方法中，雖然絕緣體限於抗燒結的耐熱材料，但 是在採用了燒結處理後洗滌除去矽油後再填充樹脂的製造方法的情況下， 可使用丙烯、聚碳酸酯、環氧基等樹脂。
通過上述實施例或其變形而實現的本發明的電場感應元件有如下的應用。
由於透過率的變化量與施加的電壓成比例，因此可通過對施加電壓的
多值控制來進行多灰度級顯示。也可以使用背光和濾光器(filter)而進行
與液晶相同的全顏色顯示。
也可以通過任意模式的紫外線照射來形成發生了局部性的構造變化的
光學功能層5，通過照射模式和電極層模式的組合來顯示任意形狀。
作為顯示裝置10的變形例，也可以將通過層疊或塗裝而在具有剛性
或柔性的基板上固定了反射膜的基板作為電場感應元件1的支撐體。
電場感應元件1和顯示裝置10的構成、材質、以及涉及製造的方法
和材料等不限於示例，可在遵循本發明的宗旨的範圍內進行適宜地變更。 產業上的可利用性
本發明可用於僅在實質性地更新顯示內容時消耗電力的省電顯示器。 可利用於其它的顯示器、具有光學快門的各種光學功能裝置。
權利要求
1. 一種電場感應元件，其特徵在於，包括光學功能層，該光學功能層包括金屬氧化物和覆蓋所述金屬氧化物的絕緣體，並且可見光透過率的值會由於電場的施加而發生變化，所述金屬氧化物是從由二氧化錫、二氧化鈦、以及氧化鋅組成的組中選出的；以及夾持所述光學功能層的第一電極層和第二電極層。
2. 如權利要求1所述的電場感應元件，其中， 所述電場感應元件呈現光致變色。
3. 如權利要求2所述的電場感應元件，其中， 所述第一 電極層的材質與所述第二電極層的材質不同。
4. 如權利要求3所述的電場感應元件，其中，所述第一 電極層包括與所述金屬氧化物不同的透明導電材料， 所述第二電極層的至少與所述光學功能層接觸的部分包括P型半導體。
5. 如權利要求4所述的電場感應元件，其中， 所述第一 電極層包括氧化銦錫， 所述金屬氧化物是二氧化鋅，所述第二電極層的與所述光學功能層接觸的部分包括氧化鎳。
6. 如權利要求5所述的電場感應元件，其中， 所述電場感應元件對電場施加的響應時間是10ms以下。
7. 如權利要求4所述的電場感應元件，其中， 所述第一電極層包括氧化銦錫， 所述金屬氧化物是二氧化鈦，所述第二電極層的與所述光學功能層接觸的部分包括氧化鎳。
8. 如權利要求7所述的電場感應元件，其中， 所述電場感應元件對電場施加的響應時間是20ms以下。
9. 一種顯示裝置，其特徵在於，包括 支撐體，表面顏色為亮色；第一透光性電極層，固定在所述支撐體上； 光學功能層，覆蓋所述第一透光性電極層；以及 第二透光性電極層，層疊在所述光學功能層上；所述光學功能層包括金屬氧化物和覆蓋所述金屬氧化物的絕緣體，並 且可見光透過率的值由於電場的施加而發生變化，所述金屬氧化物是從由 二氧化錫、二氧化鈦、以及氧化鋅組成的組中選出的。
10. —種電場感應元件的製造方法，該電場感應元件是權利要求1所 述的電場感應元件，所述電場感應元件的製造方法的特徵在於包括將固定在支撐體上的所述第一電極層用包括所述金屬氧化物和覆蓋該 金屬氧化物的絕緣體的透光性的層覆蓋的工序；向所述透光性的層照射紫外線，從而使所述透光性的層轉變成所述光 學功能層的工序；以及將所述第二電極層固定在所述光學功能層上的工序。
全文摘要
電場感應元件(1)包括光學功能層(5)，該光學功能層包括金屬氧化物和覆蓋所述金屬氧化物的絕緣體，並可見光透過率的值由於電場的施加而發生變化，所述金屬氧化物是從由二氧化錫、二氧化鈦、以及氧化鋅組成的組中選出的；以及夾持所述光學功能層(5)的第一和第二電極層(7、9)。
文檔編號G02F1/15GK101535885SQ20068005629
公開日2009年9月16日 申請日期2006年11月2日 優先權日2006年11月2日
發明者中澤明 申請人:筱田等離子有限公司