KR100571185B1

KR100571185B1 - 광학 스위치

Info

Publication number: KR100571185B1
Application number: KR1020007009094A
Authority: KR
Inventors: 울프-게르노 드로스트; 클라우스 베른트; 안드레아스 베르거
Original assignee: 에프.오.베.게엠베하 게젤샤프트 페아티궁 화르비가 옵토엘렉트로니샤 바우엘레멘테
Priority date: 1998-02-20
Filing date: 1999-02-18
Publication date: 2006-04-13
Also published as: ATE248385T1; KR20010041057A; CN1291297A; CN1149432C; EP1055148A1; EP1055148B1; WO1999042896A1; US6515724B1; JP2002504713A

Abstract

본 발명은 광학 스위치에 관한 것이며, 특히, 컬러 디스플레이를 고해상도로 표현할 수 있는 광학 스위치에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 알려진 구조 해법보다 단순한 구조를 가지며, 높은 광 수율 및 낮은 시차를 갖는 광학 스위치를 제공하는데 있다. 또한 이 광학 스위치는 약 550℃에서의 작동이 보장되어야 한다. 본 발명에 따른 광학 스위치에서는 적어도 하나의 지지 플레이트가 색 구조화된 2중 색 편광 유리로 구성되고, 편광 유리 내에 2중 색 필터가 박히며, 2중 색 필터는 매트릭스 내부에 위치한 색 필터 레이어로 형성되고 상기 2중 색 필터 레이어는 지지 플레이트 표면으로부터 수 ㎛의 깊이의 범위가 되는 것을 특징으로 한다. 유리 지지 플래이트가 일단 형성되고 나면, 컬러 패턴은 약 550℃에서 안정되게 유지된다. 색 구조화된 2중 색 편광 필터를 사용한 결과, 본 발명은 종래의 LCD보다 편광 필터의 수가 적어도 하나 이상 줄어들게 되므로 더 간단한 구조를 갖게 된다.

Description

광학 스위치{Optical Switch}

본 발명은 일반적으로 광학 스위치에 관한 것으로, 더 구체적으로 고 해상도 컬러 디스플레이를 표현할 수 있는 광학 스위치에 관한 것이다. 이 광학 스위치는 컬러 및 편광 효과를 가져 가시 스펙트럼 영역에 한정되지 않는다. 또한, 가시 스펙트럼 영역에의 적용과 조합하여 적외선 및 자외선 영역에서 광도를 조절할 수 있는 가능성이 있다.

액정 디스플레이 장치(LCD)는 종래 기술 이래로 계속 연구되고 있다. 이 장치는 저전력 요구 및 견고한 구조에 특징이 있다. 이러한 액정 디스플레이 장치는 일상용품에 널리 사용되고 있으며, 액정의 회전된 레이어가 전기장이 공급되는가 여부에 따라 서로 다른 강도에서 빛의 편광 레벨을 회전시키는 원리에 기초하고 있다. 이때, 빛은 한 경우에는 제 2 편광 필터를 통과할 수 있고, 다른 경우는 통과할 수 없다.

상기와 같은 장치는 두 개의 유리 플레이트 및 지지 플레이트로 구성되고, 그 사이에 액정 물질이 위치된다. 두 개의 유리 플레이트는 전도성이 있고 투과성이 있는 전극을 가지며, 내부에 방위 레이어를 포함한다. 전기장이 활성화되지 않을 때, 액정 분자는 유리 플레이트에 평행한 방향을 향한다. 두 개의 유리 플레이트의 내부에서 서로에 대하여 회전된(보통 90도 또는 270도로) 마이크로 범위의 미세한 배열을 가진다. 액정 분자가 방위 레이어의 배열에 스스로 정렬되기 때문에, 액정 레이어 내에서 분자들이 서로에 대하여 회전된다. 반대 전극 사이에 전류가 공급되면, 이는 분자를 전기장 방향으로 정렬시키고, 관통하는 광선의 편광 방향은 더 이상 회전되지 않는다.

삭제

액정 디스플레이 장치의 구조는 일반적으로 다른 요소에 더하여 두 개의 편광 필터를 포함한다. 이러한 필터는 각각 지지 플레이트의 외면에 정렬되며, 컬러 LCD를 위하여 컬러 필터가 부가적으로 제공된다. 종래 방식의 LCD는 다층을 형성하면서 매우 복잡한 구조를 가진다. 컬러 필터는 고온에 민감하여 보통 유기 중합체 물질로 구성된다. 일반적으로 종래의 컬러 LCD의 광 산출량은 비교적 적다.

DE42 01 281 A1에 따르면, 화상의 컬러 재생성에 적합한 액정 디스플레이 장치를 위한 서브스트레이트 플레이트의 형성이 제안되었다. 그 공개문은 액정 디스플레이 장치를 위한 서브스트레이트 플레이트에 있어서, 그 제어는 도트 매트릭스 전극 구조에 의해 수행되고, 컬러 이미지가 지지 플레이트에 직접 다양한 기초 컬러의 컬러 픽셀를 형성하도록 하는 것은 일반적임을 언급하고 있다. 그러나, 컬러 픽셀은 어떠한 평면 윤곽도 형성하지 않기 때문에 이들은 커버 레이어에 고정된다. 상기 목적은 DE 42 01 281 A1에서 이러한 방향으로 더 개선되며, 여기서 컬러 픽셀로부터 형성되는 컬러 필터 레이어는 초박(ultera-thin) 유리 필름 또는 유리 레이어를 포함한다. 이러한 정도는 서브스트레이트가 디스플레이 장치에 사용되는 경우 필요하며, 이는 액정 분자 사이에 90도의 회전 각도를 제공하거나 또는 셀 플레이트 간에 작은 간격만을 허용한다. 평면의 결과로, 커버의 도움으로 달성되는 목적은 액정 분자의 균일한 스위칭 동작을 수행하는 것이다. 종래 기술의 이러한 예는 고품질의 컬러 디스플레이를 생성하기 위해 필요한 노력을 보인 것이다.
국제 공개 제 94/20879호에는 유리로 된 2개의 지지 플레이트로 구성된 액정 디스플레이가 공지되어 있다. 상기 지지 플레이트들 사이에는 액정 물질이 배치된다. 지지 플레이트들은 투명한 전극을 포함하며, 지지 플레이트의 외측면에 편광자가 배치된다.
적어도 하나의 지지 플레이트 상에는 색 구조화된 2중 색 필터가 배치된다.
상기 필터는 색 필터의 의미로 매트릭스 내부에 놓이며 지지 플레이트에 의해 지지된다.

이제 DE 특허 출원 196 42 116.0-33을 참조한다.

이 특허 출원은 "전자 빔으로 구조화된 에너지를 전송하는 방법"이라는 제목으로, 도체, 반도체 또는 부도체 물질 또는 이들의 조합으로 구성된 플레이트 또는 테이프와 같은 물체의 평면에 제한된 표면 요소로 짧은 시간 동안 전자 빔으로 에너지를 전송하는 방법에 관한 것이다. 유용한 기계적 효과는 전자 빔으로 에너지를 전송하기 위한 물질의 물리적 또는 화학적인 반응에 의해 결정된다. 이 출원의 바람직한 영역은, 행열 매트릭스와 같이 정렬되는 제한된 수의 반복 구성 요소를 갖는 임의의 길이의 스트립형 물체의 표면을 구성하는 것이다.

상기 특허 출원 중요 발명적 특징은 기계 가공되는 물체가 마스크 아래에서 무접촉 에너지 전송 중 이동되는 것이며, 여기서 전자 빔은 물체의 이동에 비해 매운 빠른 속도로 마스크의 오목부에 대해 물체의 이동 방향과 거의 수직으로 고주파수로 진동하면서 물질의 이동 방향으로 가이드된다.

이 발명의 한 가지 이로운 영역은 상대적으로 큰 표면 영역을 가진 물체의 매우 생산성 높은 구조화된 기계가공에 있다. 열 전자 빔 가공 영역에서, 이 방법은 적절하게 민감한 유리 표면의 컬러 구조를 위해서 다른 것들 사이에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 이러한 방법으로, 특별히 준비된 얇은 표면 레이어를 구비한 유리로 생성된 서브스트레이트는, 예를 들어 LCD 기술에서 일반화된 것처럼, 전자 빔 가공에 의해 반복된 구조의 컬러 패턴이 설치될 수 있다. 원하는 광학 효과를 얻기 위하여, 각각의 경우에 직각 매트릭스에 정렬되는 4 개의 픽셀은 에너지 밀도가 변화된다. 가공 중 열 효과는 픽셀마다 소정 광학 특징을 얻기 위하여 얇은 준비된 표면 레이어가 픽셀 영역에서 동시 온도 주기를 통하여 그러나 서로 다른 최대 온도로 실행되도록 한다.

특허 출원 196 42 116.0-33에 따른 방법에 의해, 물질 가공을 위하여 전자 빔으로 에너지를 전송하는 알려진 방법의 한계가 처음으로 극복되었다. 이제, 구성 요소 및 그 최소 표면 영역(예: 픽셀)에 특정 가공 효과를 얻기 위하여 표면에 특정 배열로 한정되는 전자 빔을 쬐게 할 수 있다.

본 발명의 목적은 종래의 구조와 비교하여 단순한 구조를 가지고 높은 광 수율 및 낮은 시차를 가진 광학 스위치를 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 또한 본 발명에 따른 해법의 직접적인 결과로 광 스위치가 온도의 효과에 상대적으로 낮은 민감도를 가져야 한다는 것이다. 상기에서 기술한 바와 같이, 특허 출원 DE 196 42 116.0-33에 따른 "전자 빔으로 구조화된 에너지를 전송하는 방법"은 현재 가장 최근의 종래 기술이다. 본 특허 출원의 다른 목적은 특허 출원 DE 196 42 116.0-33에 따른 방법에서 구조화되고 본 특허 출원에 대응하는 특별한 요소를 사용하는 것이다.

본 발명에 따르면, 이러한 목적은 첨부된 특허 청구 범위의 기본적인 발명 아이디어를 나타내는 청구항 1에 의해 해결될 것이다. 다른 바람직한 특징은 청구항 2 내지 6에 나타나 있다.

또 다른 관찰이 본 발명에 따른 해법에서 필요하다.

특히, 고해상도 디스플레이를 표현하는 광 스위치의 지지 플레이트는 2중 색 필터가 박혀 있는(imprinted) 유리로 구성된다. 이들은 DE 196.42.116.0-23에 따른 방법으로 구조화된 지지 플레이트이다. 이 지지 플레이트는 평면이거나 또는 평면이 아니도록 설계될 수 있다.

광 스위치 구조에 대해서, 단지 하나 또는 모든 지지 플레이트가 2중 색 필터가 박혀 있는 유리로 구성될 수 있다.

상기 지지 플레이트의 2중 색 필터 레이어는 일반적으로 지지 플레이트의 일면에 배열된다. 특별한 적용예의 경우에는, 2중 색 필터 레이어가 지지 플레이트의 양면에 배열될 수 있다.

양면 2중 색 필터 레이어에서는, 동일한 또는 서로 다른 흡수 및 편광 효과를 얻을 수 있다.

지지 플레이트의 2중 색 필터 레이어 각각은 단색(단색 디스플레이) 또는 색 구조화(다색 디스플레이)가 될 수 있다.

2중 색 필터 레이어는 지지 플레이트의 유리 매트릭스 내에 배치되고, 제조 공정에 따라 매트릭스와 같은 배열을 갖는다. 이러한 경우에 있어서의 색 패턴은 반복 구조를 가지며, 디스플레이의 구조가 전체 색채를 가능하게 한다.

지지 플레이트의 2중 색 필터 레이어는 유리 표면에서 수 ㎛의 깊이의 범위를 갖는다. 지적한 바와 같이, 여기에서는 최대 10 ㎛의 깊이를 언급할 수 있다. 여기서 컬러 존의 두께는 또한 단지 수십 ㎛일 수 있다.

2중 색 필터는 가시 및/또는 비가시 스펙트럼 영역(자외선, 적외선 영역)에서 색 및 편광 효과를 갖는다. 낮은 시차를 얻기 위하여, 바람직한 설계에서 지지 플레이트의 구조화된 색 필터는 그 일면이 액정 물질과 접촉하도록 정렬된다. 즉, 구조화된 표면의 가능한 가장 작은 거리를 얻기 위하여, 이러한 표면이 내부에 위치되어 있다. 원칙적으로, 여기서는 알려진 정렬이 사용되나, 알려진 종래 기술과는 달리, DE 196 42 116.0-33에 따른 공정에 따라 구조화된 지지 플레이트를 사용한다.

가능한 최저 시차가 중요하게 생각되지 않는다면, 하나 또는 두 개의 색 필터는 지지 플레이트의 외부에 위치하게 되고, 이는 원칙적으로 알려진 정렬 및 필터 구조를 갖는 경우이다.

지지 플레이트의 구조에 따르면, 이들이 유리로 구성되는 한, 색 패턴은 약 550℃/600℃까지 안정한 상태를 유지한다는 것은 강조할 필요가 있다. 여기서, 다른 물질이 제외되는 것은 결코 아니다.

이하에서 설명하는 바와 같이, 투과성, 반사성, 및 반투과성 구조가 가능하다.

2중 구조의 지지 플레이트를 사용하여 구현되는 광학 스위치(예컨대 LCD 형의)는 많은 경우 적어도 하나의 편광 필터가 필요없는 단순한 구조를 가지는 점에서 구별된다. 2중 색 구조의 색 필터들이 하나의 레이어 내에 위치되어, 픽셀의 레벨을 보상하는 부가 공정에 대한 필요성을 제거한다. 2중 색 필터는 종래 색 필터에 비해 낮은 기본 흡수력을 갖기 때문에, 높은 광 수율을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 몇몇 실시예를 설명한다.

도 1은 색 조합(적, 황, 청; 흑)을 투과하는 컬러 LCD,

도 2는 색 조합(적, 황, 청; 백)을 투과하는 컬러 LCD,

도 3은 색 조합(적, 황, 청; 백)을 반사하는 컬러 LCD,

도 4는 색 조합(적, 황, 청)을 투과하는 컬러 LCD,

도 5는 색 조합(적, 녹, 청; 백)을 투과하는 컬러 LCD,

도 6은 UV-A 광에 대한 광 스위치(투과성, 좁은 영역에서 소광),

도 7은 협 대역 UV-A 광에 대한 광 스위치(투과성),

도 8은 광 대역 UV-A 광에 대한 광 스위치(투과성)이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

1 - 색 구조화된 2중 색 유리 2 - 투명한 세그먼트 전극

3 - 방위 레벨 4 - 투명한 주 전극

5 - 유리지지부 6 - 전면 편광자

7 - 편광 필터 8 - 입사광

9 - 출력광 - 관찰자에 대해서 10 - 액정 분자

11 - 반사기 12 - 색 구조화된 2중 색 유리

13 - 2중 색 UV 유리 14 - 2중 색 UV 유리
15 - 2중 색 구조화된 UV 유리 16 - 2중 색 구조화된 UV 유리

삭제

dR - 2중 색의 적 dG - 2중 색의 황

dB - 2중 색의 청 R - 적

G - 황 B - 청

W - 백 UV pol 1 - UV 편광 유리

UV pol 2 - UV 편광 유리 UV pol 3 - UV 편광 유리

λ1, λ2, λ3 - 여러 파장의 출력 UV-A 광

도 1에 따른 색 조합을 갖는 투과성 컬러 LCD는 색 구조화된 2중 색 유리(1)로 구성된다. 광학적 활성 레이어가 일 면에 배치되며 내부로 정렬된다. 이 레이어는, 전자 빔으로 구조화된 에너지 전송을 위하여, 2중 색의 적(dR), 2중 색의 황(dG), 2중 색의 청(dB)를 갖는 유리로 상기한 방법에 따라 제조된다. 색 구조화된 2중 색 유리(1)에는 투명한 세그먼트 전극(2) 및 제 1 방위 레이어(3)가 내부에 있다. 제 2 유리 지지부(참조번호 5)에는 투명한 주 전극(4) 및 제 2 방위 레이어(3)(제 1 방위 레이어에 대하여 90도 회전되어 있음)가 내부에 정렬되어 있다. 유리 지지부(5) 아래에는 편광 필터(7)가 있고(외부에), 색 구조화된 2중 색 유리(1) 위에는 전면 편광자(6)가 위치되어 있다(역시 외부에). 두 편광 필터들은 서로가 90도로 회전되어 정렬된다.

편광되지 않은 입사광(8)이 전면 편광자(6)를 통과하며, 선형적으로 편광된다. 이 입사광은 색 구조화된 2중 색 유리(1)를 통과하면서 협 파장 대역에서 흡수가 일어나고, 그 후 액정 레이어를 통과하면서 전류가 흐르지 않을 경우(즉, 트리거되지 않은 상태에서) 편광 방향으로 90도 회전하며, 편광 필터(7)를 갖는 유리 지지부(5)를 통과한다. 편광 필터(7)의 방향으로 인하여 흡수는 일어나지 않는다. 편광 필터(7)로부터, 적, 황, 청 요소를 가진 선형적으로 편광된 빛이 나온다.

트리거 상태에서는, 액정 분자가 전장 방향으로 정렬되며, 빛의 편광 방향은 더 이상 회전되지 않는다. 빛은 편광 필터(7)에서 완전히 흡수되고(가시 스팩트럼의 모든 파장 영역에서), 트리거된 세그먼트는 흑색으로 나타난다.

도 2에 따르면, (편광되지 않은)입사광(8)이 색 구조화된 2중 색 유리(1)를 직접 통과한다. 전기장 벡터의 한 요소는 거의 영향을 받지 않지만, 두번째 요소에서는 90도 회전되어 협 파장 대역에서 흡수가 일어난다. 색 구조화된 2중 색 유리(1)를 떠난 후, (편광 면에서)백색광은 (제 1 평광 면에 90도로 회전된 편광 면에서) 색 요소 적, 황, 청으로 얻어진다. 전면 편광자는 더 이상 필요없다.

트리거되지 않은 상태에서, 편광 방향은 90도로 회전된다. 편광 필터(7)(백색 요소를 완전히 흡수하고 90도로 회전된 색 요소를 거의 약화시키지 않고 통과시키도록 방향이 설정됨)를 통과한 후, 이 빛은 단지 적, 황, 청 색 요소를 가지고, 선형적으로 편광된다.

트리거된 상태에서는, 빛의 편광 방향의 회전이 없으며, 따라서 색 요소는 편광 필터(7)에 의해서 흡수되고, 90도로 회전된 백색 요소는 통과될 수 있다. 출력 광은 백색이고 선형적으로 편광된다(도 2의 참조 번호 9).

도 3은, 편광 필터(7)(후면 편광자)의 외부에 반사기(11)가 설치된, 색 조합을 갖는 반사성 컬러 LCD의 구조를 보인 것이다. 흡수 및 색 조합에 관한 한, 도 2에 도시된 것과 동일한 효과가 발생된다. 단지 부가 요소인 반사기(11)가 편광 필터(7)를 통과한 빛을 반사시킨다.

도 1에서와 같이, 도 2 및 도 3에서도 광학적 활성 레이어는 일 면에 배열되고 내부적으로 정렬된다.

도 1, 도 2 및 도 3과 비교하여, 도 4는 다른 점을 가진다. 여기서는 색 구조화된 2중 색 유리(1,12)가 액정 레이어의 양면에 정렬된다(내부면, 즉 액정 물질과 접하는 면에 광학적 활성 레이어를 갖도록). 트리거된 상태에서, 부분적으로 선형적으로 편광된 백색 광은 90도로 회전된 편광 방향의 색 요소를 가지고 유리로부터 출력된다. 이 출력 광(참조 번호 9 - 출력광)은 관찰자에 의해서 약간 컬러화된 것으로 감지된다. 트리거되지 않은 상태에서는 출력 광은 완전히 컬러화되고 편광되지 않는다.

도 5에서 색 구조화된 2중 색 유리(1)는, 도 4와 대조적으로, 색 시퀀스 적, 청1, 청2를 갖는 반면, 색 구조화된 유리(12)는 색 시퀀스 적, 황, 청을 갖는다. 빔의 경로에서 청과 황을 오버래핑함으로써 녹색 광이 생성된다. 편광 필터(7)(후면 편광자)를 사용함으로써, 컬러 상태(적, 녹, 청)와 백색 상태 사이의 스위칭이 가능하다.

도 6은 UV-A 광을 위한 광학 스위치(전도성)를 도시한 것이다.

입사광(8)(UV-A 광, 편광되지 않음)은 색 구조화된 2중 색 UV 유리(15)(일면 내부쪽으로 광학적 활성 레이어를 가짐)를 통과하고, 액정 레이어를 통과한 후, 최종적으로 색 구조화된 2중 색 UV 유리(16)를 통과한다. 두 개의 유리(15,16)는 모두 일면 내부쪽으로 광학적 활성 레이어를 갖는다. 트리거된 상태에서, 최대 50%의 소광이 있다. 트리거되지 않은 상태에서는 상기 UV 파장 영역에서 거의 전체적 소광이 나타난다.

도 7은 편광되지 않은 협 대역 UV-A 광을 위한 광학 스위치를 도시한 것이ㄷ다. 입사광(8)은 일면에 내부쪽으로 광학적 활성 레이어를 갖는 2중 색 UV 유리(13)(협 대역)를 통과한다.

2중 색 UV 유리(14)는 광학적 활성 레이어를 구비하며, 이는 일면에 내부쪽으로 정렬된다. 트리거 되지 않은 상태에서는 전체적 소광이 있으며, 반면 트리거된 상태에서는 UV-A 광(9)이 출력되고, 이는 선형적으로 편광된다. 트리거된 상태에서 빛의 전송은 약 50%이다.

도 8은 광 대역 UV-A 광을 위한 광 스위치를 보인 것이며, 구조면에서 도 6과 비교하여 2중 색 UV 유리(13)가 양면에 광학적 활성 레이어를 구비하나, 이 광학적 활성 레이어들은 스펙트럼적으로 서로 다른 흡수 최대값(광 대역 확대)을 갖는다. 또한, 2중 색 UV 유리(14)도 양면에 스펙트럼적으로 서로 다른 흡수 최대값을 갖는 광학적 활성 레이어들을 갖는다. 도 6에서와 같이, 트리거되지 않은 상태에서 소광이 발생하며, 반면에 트리거된 상태에서는 입사 UV-A 광이 선형 방법으로 편광되고, 약 50% 전송된다.

Claims

유리로 된 2개의 지지 플레이트 사이에 액정 물질이 위치되고, 상기 지지 플레이트는 투명한 전극을 구비하며, 상기 지지 플레이트는 편광 필터를 포함하는 광학 스위치에 있어서,

적어도 하나의 지지 플레이트는 색 구조화된 2중 색 유리(1)로 이루어지고, 상기 유리 내에 2중 색 필터가 박혀 있으며(imprint), 상기 2중 색 필터는 유리매트릭스 내부에서 컬러 및 편광 필터 레이어의 효과를 나타내고, 상기 2중 색 필터는 지지 플레이트 표면으로부터 10 ㎛의 깊이까지 이르는 것을 특징으로 하는 광학 스위치.
제 1 항에 있어서, 상기 지지 플레이트는 평면 유리로 구성되는 것을 특징으로 하는 광학 스위치.
제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 지지 플레이트는 양면에 2중 색 필터가 박혀 있는 것을 특징으로 하는 광학 스위치.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 색 구조화된 2중 색 유리(1)로 이루어진 적어도 하나의 지지 플레이트 내에 단색의 색 필터 레이어가 박혀 있는 것을 특징으로 하는 광학 스위치.
제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 지지 플레이트의 색 필터 레이어는 액정 물질과 접촉되도록 정렬되는 것을 특징으로 하는 광학 스위치.
제 1 항에 있어서, 편광 필터의 수에 있어, 하나의 편광 필터만을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 스위치.
삭제