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CN107003554A - 集成在电子显示设备屏幕中的偏振光伏模块 - Google Patents

集成在电子显示设备屏幕中的偏振光伏模块 Download PDF

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CN107003554A
CN107003554A CN201580055838.3A CN201580055838A CN107003554A CN 107003554 A CN107003554 A CN 107003554A CN 201580055838 A CN201580055838 A CN 201580055838A CN 107003554 A CN107003554 A CN 107003554A
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CN
China
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display device
polarizer
photovoltaic
light
photovoltaic module
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Application number
CN201580055838.3A
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English (en)
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B.克扎比
C.沙帕
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Original Assignee
Sun Partner Scientific & Technical Corp
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Publication date
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Abstract

一种配备有偏振光伏模块的显示设备，所述偏振光伏模块至少包括：（a）多个偏振器（4）；（b）发射或透射被称为图像光（6）的光的多个像素（3）；（c）多个光伏活性区（1）和多个孔（2），两个相邻的光伏活性区（1’、1”）形成孔（2）并且所述光伏活性区被布置在像素（3）和偏振器（4）之间；所述设备的特征在于所述偏振器（4）是半反射的并且由在凹或凸的平面表面之中所选的并且呈现抛物状、圆锥状、棱锥状、四面体、半圆柱形或抛物圆柱形的一个或多个表面构成，所述偏振器（4）被布置以使得一方面通过反射将环境光（5’）的第一线性偏振分量（P1）聚焦在所述光伏活性区（1）上并且另一方面使环境光（5”）或图像光（6’）的第二线性偏振分量（P2）透射通过偏振光伏模块。

Description

集成在电子显示设备屏幕中的偏振光伏模块
技术领域
本发明涉及构成包含一个或多个偏振器并且集成了半透明光伏模块的电子显示设备的部分的发射型、反射型或半透反射型（transflectif）屏幕。
背景技术
在本发明中，称为显示设备的是一种配备有使得能够通过由所述设备（发射型屏幕）所生成的光和/或环境光（反射型和半透反射型屏幕）的合适导向机构而显示发光消息或图像的屏幕的电子设备。
这些屏幕中的大部分是一般包含一个或两个偏振器的液晶或电致发光屏幕。偏振器的两个性能准则一方面是最大化入射光的第一线性偏振分量的透射率并且另一方面最大化消光系数，即，在第一线性偏振分量和第二线性偏振分量（与所述第一分量正交）之间的透射率的比。因此，如果偏振器让入射光的所有第一线性偏振分量通过并且阻止（通过吸收或反射）第二线性偏振分量的全部，则所述偏振器将理想地是性能最好的。
在显示设备中使用最多的标准偏振器是有机偏振器，其透射第一线性偏振分量的大约85%并且吸收所述第二分量的多于99%。为了增大效率并且为了降低所述有机偏振器的厚度，其它类型的无机偏振器已经出现，其在英语中通常被称为“线柵偏振器”或者通过首字母缩写词为WGP。由通过其宽度小于可见光波长的孔分离的许多反射金属带构成，WGP区别于有机偏振器之处在于它们反射第二线性偏振分量，由此得到其命名：半反射或半透反射型偏振器。仅仅是其成本仍然是对其使用的障碍，但是卷式制造方法（在英语中更一般地被称为“roll-to-roll（卷对卷）”）趋向于使其价格降低。
半透反射型偏振器与被置于所述偏振器下方的实心板光伏模块的组合使得能够取代标准偏振器中之一以及在这样的屏幕中所使用的后反射器，而同时产生电能。然而，在这样的系统中，50%的环境光在第一偏振器中损耗，50%剩余部分根据像素的状态（亮或暗）要么被第二半透反射型偏振器反射要么被透射。因此，平均只有25%的环境光被光伏模块转换成电。此外，根据屏幕所显示的图像，由光伏模块接收的光强度在其整个表面上不是均匀的，这在其中所述光伏模块由串联连接的单元构成的情况中存在问题。事实上，如果单元中之一处于比其它单元照明更小的照明之下，则该单元的电产量的降低将影响所有其它单元，因为在所有串联连接的单元中电流将以相同的方式降低。
另一途径，其与前述所有类型的屏幕兼容，在于在纳米度量的尺度上直接以“线柵”的形式结构化光伏材料，以便其起到偏振器的作用，而同时通过未透射的光的线性偏振分量的转换来生成电能量（公开Journal of Optics A: Pure and Applied Optics,2008,vol.10, p.44014-东京大学）。然而，这样的结构的制造需要经由复杂的方法以及因此的难以工业化的成本在纳米度量的尺度上控制蚀刻。此外，存在要在偏振效率和光伏转换效率之间找到的必要的折衷，特别地作用于所制造的纳米结构的厚度。现今达到的性能是非常弱的，其具有0.2%的转换效率以及大约5的消光系数，这证实了构思但是对于在屏幕中的集成而言仍然是不可接受的。
一种变型在于根据有机材料的相同混合的各向异性的构造来实现偏振器和光伏吸收器（专利WO2012142168和公开：Advanced Materials, 2011, vol.23, p.4193 –洛杉矶加州大学）。该变型的主要优点是固有地回收环境光的两个线性偏振分量之一（通过在标准有机偏振器中的吸收而损耗的那个）的光能量以用于生成电能量。然而，为了是有效的，有机光伏材料至少部分地吸收可见光的光谱，这给予该偏振光伏模块有色外观并且将显著地修改所述模块将被集成在其中的屏幕的色度。
发明内容
发明目的
本发明的主要目的是提出一种偏振光伏模块，其能回收并且利用通过偏振器吸收的线性偏振分量的光能量以用于将其变换成电能量，而同时最小化这样的模块（偏振并且光伏的）的集成对屏幕所显示的图像的品质的影响。
本发明的另一目的是独立于像素的状态（亮或暗）而产生电能量。
发明对象
本发明的对象涉及一种显示设备，以及所述设备的一部分的实现方法，以及包括这样的设备的一种装置。
根据本发明的显示设备配备有一种偏振光伏模块，所述偏振光伏模块至少包括：
(a) 多个偏振器；
(b) 发射或透射被称为图像光的光的多个像素；
(c) 多个光伏活性区和多个孔，两个相邻光伏活性区形成孔并且所述光伏活性区被布置在像素和偏振器之间；
所述设备的特征在于所述偏振器是半反射的并且由在凹或凸的平面表面之中所选的并且呈现抛物状、圆锥状、棱锥状、四面体、半圆柱形或抛物圆柱形的一个或多个表面构成，所述偏振器被布置使得一方面通过反射将环境光的第一线性偏振分量（P1）聚焦在所述光伏活性区上并且另一方面使环境光或图像光的第二线性偏振分量（P2）透射通过偏振光伏模块。
所述偏振器由反射带的网组成，所述反射带的宽度以及将其分离的距离有利地小于400纳米。所述反射带一般彼此平行并且是金属的，例如是银制的、铝制的或铜制的。它们还可以由其中的一个被接连地沉积在另一个之上的多个金属层构成。
将光聚焦器定义为光学聚焦器，其能收集在称为“输入表面”的空间区中具有不同入射角的光束的光以用于将其引导向被称为“输出表面”并且一般对应于聚焦器的顶端的更小表面。光聚焦器的聚焦比率于是被定义为输出表面与输入表面的比。
在本发明中，半反射的光聚焦器使得能够通过多重反射而将环境光的第一线性偏振分量（P1）引导向光伏活性区，以便产生电能量。因此，聚焦器的顶端应当被定位在光伏模块的活性区的相对处以使得由所述聚焦器所聚焦的环境光的所述第一线性偏振分量的主要部分被指引向光伏活性区。
所述多个光伏活性区可以形成唯一的光伏单元或者串联或并联地电连接的单元的集合以用于形成光伏模块。它还可以涉及多个独立的单元或模块。以一般的方式，在以下将这些配置中的任一个称为“光伏模块”。所述光伏活性区可以在一个或多个面上是活性的并且由可以是无机或有机、晶体或非晶、不透明或半透明的一种或多种活性材料构成。这些活性材料有利地是基于非晶或微晶硅、GaAs（砷化镓）、CdTe（碲化镉）、CIGS（铜-铟-镓-硒）、CZTS（铜-锌-锡-硒）或基于聚合物的薄层。它可以涉及p-i-n或p-n类型的结，又或是串列式单元，即包括优选地吸收光谱的不同部分的两个叠合单元。它们可以被设计用于将可见光和/或紫外光和/或红外光转换成电。
根据按照本发明的设备的某个实施例，所述光伏活性区被定位在所述偏振器的最大聚焦平面的附近。该配置优化被指引到光伏活性区上的环境光的量，并且因此使得能够最大化模块的电产量。实际上，被聚焦在活性区上的光的量尤其取决于在偏振器的表面处的环境光的入射角，其中光的一部分通过聚焦器的表面朝向设备外部的反射而损耗。事实上，所有聚焦器具有受约束的入射光接受锥，即受限入射角，超过所述受限入射角的入射光不再被聚焦而是被送回光学系统外。该接受锥取决于聚焦器的形式并且因为比聚焦比率—即输入光通量表面与输出光通量表面的比—很大而更为受限。
根据另一实施例，所述多个像素被由像素间矩阵彼此分离并且光伏活性区与所述像素间矩阵对准以使得最大地减少波纹闪光现象，其被本领域技术人员众所周知。
根据设备的补充实现变型，光伏活性区和偏振器被组织成基本图案的连续或不连续的网，所述基本图案限定所有类型的形状，特别是曲线形状（例如圆形的）、平面形状（例如多边形的、棱柱形的或六边形的）。在该情况中，可以有利地选择与像素间矩阵的步长适配的光伏活性区的网的步长以便最大地减少波纹闪光现象。
根据不同的实施例，所述像素可以由可能地与滤色器相关联的电光调制器或电致发光材料构成。电光调制器使得能够让像素的发光度变化并且滤色器通常是红色、绿色和蓝色的（RGB）以用于加法技术并且是青色、品红和黄色的（CMJ）以用于减法技术。加法RGB技术例如与“液晶显示器”类型的显示设备中的液晶调制器耦合，而减法CMJ技术通过利用被称为“电润湿”类型的调制器而被实施在设备中。
根据不同的实施例，图像光对应于在设备中完全或部分地被反射的环境光的一部分和/或由设备所发射的光的一部分。在发射型“液晶显示器”（LCD）类型的显示设备的情况中，由设备发射的光可以通过一个或多个电致发光二极管（LED）生成，所述电致发光二极管一般是白色的，直接位于本发明的对象设备的相对处，或者就位于光在其中传播的透明波导的侧边上。在OLED类型的显示设备的情况中，所发射的光通过优选地在可见光谱的一部分中发射的多个有机电致发光源生成。
根据不同实施例，显示设备此外包括一个或多个其它偏振器和/或四分之一波长薄片，其用于使图像光偏振。这些偏振器，例如为有机类型或“线柵”类型的，被集成在已知的LCD或OLED类型的设备中。包括偏振器和光伏活性区的、根据本发明的显示设备的模块可以在其上层压所述设备的最后一个偏振器和/或四分之一波长薄片。可替换地，它可以取代最后的偏振器以便使偏振表面是节省的并且降低所述显示设备的厚度。
在未表示的另一特定实施例中，显示设备此外包括功能性表面，例如抗反射、抗UV或触觉检测的功能性表面。
根据本发明的显示设备可以集成在固定或便携式的、刚性或柔性的电子装置中，诸如手表、电话、阅读器、平板设备、或者还有电脑中。
根据按照本发明的、由聚焦器和光伏活性区组成的显示设备的一部分的制造方法的示例，以如下方式进行：
(a) 供应由多个光伏活性区和多个孔组成的半透明光伏模块，所述光伏活性区由沉积在透明基底上的多个薄层构成；
(b) 沉积第一透明树脂层，然后结构化所述树脂以便形成聚焦器的几何结构；
(c) 在所述树脂的结构化面上沉积反射材料的共形层；
(d) 在反射层的整个表面上以带的形式并且在聚焦器的顶端处蚀刻所述反射层；
(e) 沉积平坦化的第二透明树脂层。
半透明光伏模块的透明基底一般由固体透明材料构成，如玻璃或者还有PMMA、PET或聚碳酸酯类型的聚合物，并且具有接近1.5的折射率。有利地，第一透明树脂层的折射率等同于透明基底的折射率。在该制造方法中，第一透明树脂层的结构化可以在UV辐照下实现，这借助于在光敏液态或半液态聚合物上印刷带形状的网的纹理化戳印或辊或者通过固体透明材料的冲压来实现。反射层的蚀刻步骤可以通过光刻方法或通过激光来实现。第二树脂层的折射率应当根据第一树脂层的折射率而被优化以便限制在界面处的全反射，但是还根据聚焦器的形状来被优化以便最大化入射光的接受角。
附图说明
本发明借助于其详细描述、结合附图将被更好地理解，在所述附图中：
-图1a和图1b示意性地示出了根据本发明的显示设备的一部分的横截剖面视图并且图示了其功能；
-图2示意性地通过横截剖面示出了根据本发明的发射型LCD类型的显示设备的结构；
-图3示意性地通过横截剖面示出了根据被发明的反射型LCD类型的显示设备的结构；
-图3示意性地通过横截剖面示出了根据本发明的OLED类型的显示设备的结构。
附图不是按比例的，其中设备的组件的相对厚度被故意放大以用于更好地使其结构显现。
具体实施方式
参照图1a和图1b，其示意性地表示了根据本发明的显示设备的一部分、称为偏振光伏模块18的横截剖面视图。所述偏振光伏模块18包括多个光伏活性区1，其中两个相邻的光伏活性区1’、1”形成孔2，以及多个半反射且抛物形状的偏振器4。一般由受控大小的金属带的集合构成，所述偏振器4被布置在两个透明材料层7、8之间的界面处，所述两个透明材料层7、8理想地具有等同或非常接近的折射率，以便限制穿过该界面的光的全反射现象。
如在图1a上所表示的，偏振器4反射由设备外部的人工或自然光源所发射的环境光5（因此在到达设备之前非偏振）的第一线性偏振分量5’并且使与所述第一分量正交的第二线性偏振分量5”透射通过偏振光伏模块18。由于其抛物形状，偏振器4通过如下而起到环境光5的一部分的聚焦器的作用：对其第一线性偏振分量5’进行多重反射。它们被相对于光伏活性区1定位以使得环境光5的所述第一线性偏振分量5’通过光聚焦器4被指引到所述光伏活性区1上。
图1b图示了与显示设备所发射的图像光6相对的偏振光伏模块18的功能，所述图像光6一般在发射型或反射型的OLED和LCD类型的设备的输出处起偏。此处考虑使能显示的组件被定向使得图像光6对应于第二线性偏振分量P2。在完美界面的情况中，偏振的图像光6的全部被通过半反射偏振器4而透射。实际上，在层8、4、7中接连发生的通过反射或通过吸收的损耗现象将透射光6’的量限制到来自图像的光6的量的大约90%。此外，图像光6的一部分在光伏活性区1的后面处被反射或吸收。然而，在恒定电产量下，所述光伏活性区1的表面分数相对于没有光聚焦器4的标准设备被减小，这使得能够增大透射图像光6’的总量。
偏振光伏模块18可以被集成在显示设备中，要么作为使得能够显示图像的组件的补充，要么取代图像光6所穿过的最后一个线性偏振器。在图2至图4中所描述的使用情况参照三个不同的显示设备，其中偏振光伏模块18来取代通常集成在这样的设备中的最后一个线性偏振器。
图2通过横截剖面示意化了根据本发明的发射型LCD类型的显示设备的结构。所述设备除了别的之外尤其由使得能够经由LED的照明而生成光的背光照明装置12以及使发自背光照明装置12的光偏振的第一线性偏振器11构成。光的偏振平面可以通过电光调制器10（在本情况中是液晶的）来被修改，所述电光调制器10借助于被沉积在玻璃基底9’、9”上的两个透明电极来被操纵。像素3由典型地为红色、绿色和蓝色的三个滤色器交替构成并且被像素间矩阵13分离。偏振光伏模块18起到上部偏振器的作用。为了最大化透射并且最大地限制本领域技术人员已知的波纹闪光现象，将根据像素间矩阵13的步长来选择光伏活性区1的网的步长。
图3通过横截剖面示意化了根据本发明的反射型LCD类型的显示设备的结构。这样的设备的组成不同于图2中所述设备之处在于所述背光照明装置和第一偏振器被镜件14取代。图像光6对应于由镜件14所反射并且穿过像素3的环境光。此外，标准地被布置在这样的设备的上部电极9”上方的偏振器被偏振光伏模块18取代。
以下描述具体实现示例。根据包含了通过30μm的像素间距离13彼此分离的宽150μm的像素3的网的显示设备，供应由通过20μm的孔分离的宽10μm的光伏活性带1的网形成的光伏模块。结构化的透明基底8具有接近1.5的折射率。偏振器4具有截断的抛物形状，其具有30μm宽的输入表面以及被包括在20μm和40μm之间的高度。在其中用于平坦化的透明树脂7具有接近1.5的折射率的情况中，在所述设备的表面处入射的环境光的接受角为60°。
图4通过横截剖面示意化了根据本发明的OLED类型的显示设备的结构。电致发光像素3，其典型地由以蓝色、绿色和红色发射的三个不同有机材料的交替所组成，被沉积在所述电致发光像素3的用于操纵的电子板17上，然后借助于透明材料16而被封装。封装层16使得能够尤其通过制成对氧和对水的屏障来增加在像素3的制造中所使用的材料的稳定性。图像光6直接由电致发光像素3发射。在这样的设备中，上部偏振器一般相关联于四分之一波长薄片15，所述四分之一波长薄片15使得能够消除环境光的反射。该偏振器被根据本发明的光伏模块取代。
本发明的优点
从前述中得出本发明实现了所确定的目标。本发明描述了一种电子显示设备，所述电子显示设备包括半透反射型偏振器，所述半透反射型偏振器能有效地将环境光的第一分量聚焦在光伏活性区的网上，而同时在光伏模块的孔处对图像光的第二偏振是透明的。因此，通常通过标准显示设备中的吸收所损耗的环境光的第一分量的能量被转换成电能量。
此外，本发明的对象设备具有以下优点：独立于图像的状态（亮或暗）而产生能量。
最后，光伏活性区的表面分数可以被优化以便限制环境光从偏振光伏模块朝向用户的反射。
在图中使用的标记列表：
1 光伏活性区 10 电光调制器
2 孔 11 第一偏振器
3 像素 12 背光照明装置
4 半反射偏振器 13 像素间
5 环境光 14 镜件
6 图像光 15 四分之一波长薄片
7 第一透明介电材料层 16 封装层
8 第二透明介电材料层 17 用于操纵的电子板
9 电光调制器的用于保护和操纵的玻璃 18 偏振光伏模块

Claims (11)

1.一种配备有偏振光伏模块（18）的显示设备，所述偏振光伏模块（18）至少包括：
（a）多个偏振器（4）；
（b）发射或透射被称为图像光（6）的光的多个像素（3）；
（c）多个光伏活性区（1）和多个孔（2），两个相邻的光伏活性区（1’、1”）形成孔（2）并且所述光伏活性区被布置在像素（3）和偏振器（4）之间；
所述设备的特征在于所述偏振器（4）是半反射的并且由在凹或凸的平面表面之中所选的并且呈现抛物状、圆锥状、棱锥状、四面体、半圆柱形或抛物圆柱形的一个或多个表面构成，所述偏振器（4）被布置以使得一方面通过反射将环境光（5’）的第一线性偏振分量（P1）聚焦在所述光伏活性区（1）上并且另一方面使环境光（5”）或图像光（6’）的第二线性偏振分量（P2）透射通过所述偏振光伏模块。
2.根据权利要求1所述的显示设备，其特征在于所述偏振器（4）由反射带的网组成，所述反射带的宽度以及将其分离的距离有利地小于400纳米。
3.根据前述权利要求中任一项所述的显示设备，其特征在于所述光伏活性区（1）被定位在所述偏振器（4）的最大聚焦平面的附近。
4.根据前述权利要求中任一项所述的显示设备，其特征在于所述多个像素（3）通过像素间矩阵（13）彼此分离并且在于所述光伏活性区（1）与像素间矩阵（13）对准。
5.根据前述权利要求中任一项所述的显示设备，其特征在于所述光伏活性区（1）和所述偏振器（4）被组织成基本图案的连续或不连续的网，所述基本图案限定所有的形状类型，特别是例如圆形的曲线形状，例如多边形的、棱柱形的或六边形的平面形状。
6.根据前述权利要求中任一项所述的显示设备，其特征在于所述像素（3）由可能地与滤色器相关联的电光调制器构成或者由电致发光材料构成。
7.根据前述权利要求中任一项所述的显示设备，其特征在于所述图像光对应于在设备中完全或部分地被反射的环境光的一部分和/或由设备所发射的光的一部分。
8.根据前述权利要求中任一项所述的显示设备，其特征在于所述显示设备此外包括一个或多个其它偏振器和/或四分之一波长薄片，其用于使图像光起偏。
9.根据前述权利要求中任一项所述的显示设备，其特征在于所述显示设备此外包括功能性表面，例如抗反射、抗UV或触觉检测的功能性表面。
10.一种根据前述权利要求中任一项所述的、由聚焦器（4）和光伏活性区（1）组成的显示设备的一部分的制造方法，其特征在于所述方法接连地包括在于以下各项的步骤：
（a）供应由多个光伏活性区（1）和多个孔（2）组成的半透明光伏模块，所述光伏活性区（1）由沉积在透明基底（8）上的多个薄层构成；
（b）沉积第一透明树脂层（8），然后结构化所述树脂（8）以便形成聚焦器的几何结构；
（c）在所述树脂（8）的结构化面上沉积反射材料的共形层；
（d）在反射层的整个表面上以带的形式并且在聚焦器的顶端处蚀刻所述反射层；
（e）沉积平坦化的第二透明树脂层（7）。
11.一种固定或便携式的、刚性或柔性的电子装置，其特征在于它包括根据权利要求1至9中任一项所述的显示设备。
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