KR100610608B1 - 미세 광변조기를 이용한 투과형 표시소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광효율을 향상시키도록 한 투과형 표시소자에 관한 것이다.
본 발명에 따른 미세 광변조기를 이용한 투과형 표시소자는 고정부재들과 가동부재들 쪽으로 진행방향이 다른 전방향 광을 조사하기 위한 전방향 광원을 구비한다.
이러한 구성에 의하여, 본 발명에 따른 미세 광변조기를 이용한 투과형 표시소자는 평행광원을 사용하지 않고 출사광의 방향이 복수인 전방향 광원을 이용하여 전극패턴들 사이의 광경로를 통과하는 광의 효율을 높이게 된다.

Description

미세 광변조기를 이용한 투과형 표시소자{Transmission Type Display Device Using Micro Light Modulator}
도 1a 및 도 1b는 종래의 미세 광변조기를 이용한 투과형 표시소자를 나타내는 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 미세 광변조기를 이용한 투과형 표시소자를 투과하는 광을 모식적으로 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 광변조기를 이용한 투과형 표시소자를 나타내는 단면도.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 광변조기를 이용한 투과형 표시소자를 나타내는 단면도.
도 5는 도 4에 도시된 실린드리컬 렌즈 어레이를 상세히 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 미세 광변조기를 이용한 투과형 표시소자를 나타내는 단면도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
11 : 상부가동전극 12 : 하부고정전극
13 : 배면기판 20,30 : 실린드리컬 렌즈 어레이
21 : 베이스부 22 : 렌즈층
32 : 수지층, 글라스기판
본 발명은 투과형 표시소자에 관한 것으로, 특히 광효율을 향상시키도록 한 투과형 표시소자에 관한 것이다.
차세대 표시장치로서 각종 평판 표시소자(Flat Panel Display Device)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 평판 표시소자에는 이미 일반화된 액정디스플레이(Liquid Crystal Display : 이하 "LCD"라 함)와, 가스방전을 이용하는 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel : 이하 "PDP"라 함) 등이 있다. LCD는 시야각이 좁고 응답속도가 느릴뿐 아니라 반도체 제조공정으로 스위치소자인 박막트랜지터(Thin Film Transistor : 이하 "TFT"라 함)와 전극 등을 형성하게 되므로 제조공정이 복잡한 단점이 있다. PDP는 제조공정이 단순하여 대면적화에 유리하지만 방전 및 발광효율이 낮고 고가인 단점이 있다.
이에 따라, 평판 표시장치의 문제점들을 해결할 수 있는 새로운 표시소자에 대한 개발이 진행되고 있다. 최근에는 극초미세 가공기술인 마이크로 일렉트로메커니컬 시스템(Micro Electromechanical System : 이하 "MEMS"라 함)을 이용하여 화소셀(Pixel)마다 미세한 광변조기를 형성하여 화상을 표시할 수 있는 투과형 표시소자가 제안된 바 있다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 미세 광변조기를 이용한 투과형 표시소자는 기판(13) 상에 소정 간격을 두고 나란하게 형성되는 하부고정전극들(12)과, 전압신호에 응답하여 하부고정전극들(12)의 양변에 중첩되는 상부가동전극(11)을 구비한다. 하부고정전극들(12)은 기판(13) 상에 스트라입(Stripe) 형태로 형성된다. 상부가동전극들(11)은 양끝단이 기판(13) 상에 고정되며 그 중앙부분이 기판(13)으로부터 소정간격만큼 부상된다. 이들 하부고정전극들(12)과 상부가동전극들(11)은 전기적인 신호에 의해 제어되어 표시상태와 비표시상태에 따라 상호 작용하는 정전기력에 의해 광경로를 개폐시키는 역할을 하게 된다.
도 1a와 같은 비표시상태에서, 하부고정전극들(12)과 상부가동전극들(11)에는 소정레벨의 전압이 인가된다. 그러면 하부고정전극들(12)과 상부가동전극들(11)에는 정전기력에 의한 인력이 작용되므로 상부가동전극들(11)이 인접한 하부고정전극들(12)에 접촉된다. 이 때, 하부고정전극들(12)과 상부가동전극들(11)은 기판(13)의 배면에 설치된 백라잇으로부터 입사되는 광을 차단하게 된다.
이와 반대로 도 1b와 같은 표시상태에서, 하부고정전극들(12)과 상부가동전극들(11)에는 전압이 인가되지 않는다. 그러면 상부가동전극들(11)은 자신의 탄성복원력에 의해 원래의 상태로 복귀하게 되므로 기판(13)과 하부고정전극들(11)로부터 부상된다. 이 때, 하부고정전극들(12)과 상부가동전극들(11) 사이에는 광경로 가 형성된다. 이 광경로를 통하여 백라잇으로부터 입사되는 광이 표시면 쪽으로 투과되어 화상 또는 영상을 표시하게 된다.
그러나 도 1에 도시된 표시소자는 도 2에서 알 수 있는 바, 광원으로부터 입사되는 광량의 상당부분이 상부가동전극들(11)과 하부고정전극들(12)의 광흡수에 의해 손실되는 문제점이 있다. 다시 말하여, 도 2와 같이 임의의 경사방향을 따라 진행하는 평행광이 상부가동전극들(11)과 하부고정전극들(12) 쪽으로 진행하게 되면 상부가동전극들(11)과 하부고정전극들(12) 사이를 통과하여 표시면 쪽으로 진행하는 광에 비하여, 대부분의 광이 하부고정전극들(12)에 의해 차단된다. 실제로, 상부가동전극들(11)의 전극폭 a를 12μm, 상부가동전극들(11) 간의 간격 b를 8μm, 하부고정전극들(12)의 전극폭 c를 12μm, 하부고정전극들(12) 간의 간격 d를 8μm라 하고 상부가동전극들(11)과 하부고정전극들(12) 간의 간격 T를 2.5μm라 할 때 상부가동전극들(11)과 하부고정전극들(12)에 대한 수직방향으로부터 79°경사지게 입사되는 평행광원에 대하여 광학 시뮬레이션을 실시한 결과, 상부가동전극들(11)과 하부고정전극들(12) 사이의 광경로를 경유하여 투과되는 광(k)의 투과율은 상부가동전극들(11)과 하부고정전극들(12)이 없을 때에 대비하여 대략 25% 정도에 불과하게 된다. 다시 말하여, 광원으로부터의 입사광 중, 대략 75%의 광은 상부가동전극들(11)과 하부고정전극들(12)에 의해 투과하지 못하고 손실되게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 광효율을 향상시키도록 한 미세 광변조기를 이용 한 투과형 표시소자를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 미세 광변조기를 이용한 투과형 표시소자는 고정부재들과 가동부재들 쪽으로 진행방향이 다른 전방향 광을 조사하기 위한 전방향 광원을 구비한다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부한 도면들을 참조한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.
이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 광변조기를 이용한 투과형 표시소자를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 미세 광변조기를 이용한 투과형 표시소자는 전압신호에 응답하여 광경로를 개폐하는 상부가동전극들(11)과 하부고정전극들(12)과, 상부가동전극들(11)과 하부고정전극들(12)이 형성된 기판 상에 전방향으로 광을 조사하는 광원을 구비한다. 광원으로부터 입사되는 전방향의 광 중, 각 θ1과 θ2의 범위 내의 광분포를 갖는 광들은 상부가동전극들(11)과 하부고정전극들(12) 사이의 광경로를 경유하여 표시면 쪽으로 진행하게 된다. 반면, θ1과 θ2 이외의 경사각을 가지는 입사광은 상부가동전극들(11)과 하부고정전극들(12)에 의해 차단된다. 상부가동전극들(11)과 하부고정전극들(12)의 광경로를 경유하여 투과하는 광(k)의 투과율은 광원으로부터 입사되는 광 중 최고 휘도값을 갖는 주빔 성분과 분포에 따라 달라질 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 광변조기를 이용한 투과형 표시소자를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 미세 광변조기를 이용한 투과형 표시소자는 전압신호에 응답하여 광경로를 개폐하는 상부가동전극들(11)과 하부고정전극들(4)과, 상부가동전극들(11)과 하부고정전극들(4) 아래에 설치되는 실린드리컬 렌즈 어레이(Cylindrical lens array)(20)를 구비한다. 실린드리컬 렌즈 어레이(20)는 입사면이 평면이고 출사면이 소정 피치(pitch)(2R) 단위로 배열되는 원통형면으로 배열된다. 이러한 실린드리컬 렌즈 어레이(20)의 초점면(F)은 상부가동전극들(11)과 하부고정전극들(4) 사이에 존재하게 된다. 이렇게 초점면(F)이 설정되면 실린드리컬 렌즈 어레이(20)에 입사되는 광중 A와 B 사이의 출사곡면을 통하여 출사되는 광은 상부가동전극들(11)과 하부고정전극들(4) 사이의 광경로와 초점면이 교차하는 초점(F0)으로 집광된 후 발산되어 상부가동전극들(11)을 통과하게 된다. 이렇게 실린드리컬 렌즈 어레이(20)의 A와 B 사이의 출사곡면을 통과하여 상부가동전극들(11)과 하부고정전극들(4) 사이의 광경로를 통과하는 광은 상부가동전극들(11)과 하부고정전극들(4)의 간섭없이 표시면 쪽으로 진행하게 된다.
실린드리컬 렌즈 어레이(20)에 있어서, 초점면(F)는 단위 실린드리컬 렌즈의 피치 2R과 높이 H 그리고 하부고정전극들(11)과 실린드리컬 렌즈 어레이(20) 사이의 거리 D를 조정함으로써 상부가동전극들(11)과 하부고정전극들(4) 사이에 놓여질 수 있다. 여기서, 실린드리컬 렌즈 어레이(20)의 단위 실린드리컬 렌즈의 한피치는 상부고정전극들(11)과 하부고정전극들(4)의 한 주기와 같거나 작아야 한다. 그리고 실린드리컬 렌즈 어레이(20)의 출사면에 형성된 단위 실린드리컬 렌즈의 높이(H)와 1/2 피치(R)의 관계는 광효율을 높이도록 H<<R로 됨이 바람직하다.
이와 같이 실린드리컬 렌즈 어레이(20)를 설치한 경우, 소정 경사각 분포특성을 갖는 평행광 광원이 적용된 종래와 대비하여 볼 때 적어도 8% 이상으로 광효율이 향상됨을 확인하였다. 시뮬레이션 결과, 실린드리컬 렌즈 어레이(20)가 없이 평행광 광원으로만 구동되는 경우에는 입사광중 25.5% 정도만이 투과되는 반면, 실린드리컬 렌즈 어레이(20)를 이용하여 상부고정전극들(11)과 하부고정전극들(4)에 광을 조사하는 경우에는 입사광중 대략 34% 이상이 투과됨이 밝혀졌다. 실험 조건으로 설정된 전극들(11,12)의 폭과 간격 및 실린드리컬 렌즈 어레이(20)의 조건은 다음의 표 1과 같다.
광원 79°방향의 평행광원
a : b : c : d 12μm : 8μm : 12μm : 8μm
T 2.5μm
R 10.0μm
H 1.0μm
D 2.0μm
시뮬레이션에 사용된 실린드리컬 렌즈 어레이(20)의 굴절률은 도 5와 같이 백스케터링(Back scattering)을 줄이기 우하여 베이스부(21)의 굴절률보다 렌즈층(22)의 굴절률을 높게 설정되며, 각각 nBase= 1.64와 nLens= 1.59로 설정된다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 미세 광변조기를 이용한 투과형 표시소자를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 미세 광변조기를 이용한 투과형 표시소자는 전압신호에 응답하여 광경로를 개폐하는 상부가동전극들(11)과 하부고정전극들(12)과, 평탄하게 수지층(32)이 도포되는 실린드리컬 렌즈 어레이(Cylindrical lens array)(30)를 구비한다. 실린드리컬 렌즈 어레이(30)는 실린드리컬 렌즈 어레이 형태로 글라스 기판의 표면을 식각함으로써 형성된다. 수지층(32)은 글라스 기판 표면의 식가면 상에 표면이 평탄하게 도포됨으로써 형성된다. 이렇게 출사면이 평탄하지 않은 실린드리컬 렌즈 어레이(30) 상에 수지층(32)을 도포하고 그 위에 상부가동전극들(11)과 하부고정전극들(12)을 패터닝함으로써 도 4와 같이 실린드리컬 렌즈 어레이(20)에 직접 상부가동전극들(11)과 하부고정전극들(12)이 대면되는 형태에 비하여 구동시 유동을 방지할 수 있고 얼라인(Align)을 정확히 할 수 있기 때문에 광효율을 높일 수 있다. 여기서, 수지층(32)은 백스캐터링을 방지하도록 실린드리컬 렌즈 어레이(30)보다 작은 굴절률을 가진다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 미세 광변조기를 이용한 투과형 표시소자는 평행광원을 사용하지 않고 출사광의 방향이 복수인 전방향 광원을 이용하여 전극패턴들 사이의 광경로를 통과하는 광의 효율을 높이게 된다. 전방향 광원은 평행광이 입사되면 전방향 광으로 변환시키는 실린드리컬 렌즈 어레이로 대신될 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실린드리컬 렌즈 어레이는 동일한 기능 및 효과를 얻을 수 있는 광학요소(홀로그래픽 렌즈)로 대신될 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

Claims (6)

  1. 광경로를 개폐하기 위한 다수의 고정부재들과 다수의 가동부재들을 가지는 표시소자에 있어서,
    상기 고정부재들과 가동부재들 쪽으로 진행방향이 다른 전방향 광을 조사하기 위한 전방향 광원을 구비하는 것을 특징으로 하는 미세 광변조기를 이용한 투과형 표시소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전방향 광원은 상기 고정부재들과 가동부재들 사이에 초점이 존재하며 평행광빔을 전방향 광으로 변환하여 상기 초점 상에 집광시키는 실린드리컬 렌즈 어레이인 것을 특징으로 하는 미세 광변조기를 이용한 투과형 표시소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 실린드리컬 렌즈 어레이는 평행광빔을 발생하는 백라잇과, 상기 고정부재들과 가동부재들이 형성된 기판 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 미세 광변조기를 이용한 투과형 표시소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전방향 광원은 홀로그래픽 렌즈인 것을 특징으로 하는 미세 광변조기를 이용한 투과형 표시소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전방향 광원은 상기 고정부재들과 가동부재들 사이에 초점이 존재하며 평행광빔을 전방향 광으로 변환하여 상기 초점 상에 집광시키는 실린드리컬 렌즈 어레이인 것을 특징으로 하는 미세 광변조기를 이용한 투과형 표시소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 기판 상에 식각됨으로써 형성된 실린드리컬 렌즈 어레이 위에는 상기 실린드리컬 렌즈 어레이와의 굴절율 차이가 큰 수지층이 평탄하게 형성되는 것을 특징으로 하는 미세 광변조기를 이용한 투과형 표시소자.
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