KR101048796B1 - 투과발광형 디스플레이 소자 - Google Patents

투과발광형 디스플레이 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 투과발광형 디스플레이 소자에 관한 것으로서, 형광체 여기광원과, 전기장에 의해 포토닉 밴드갭이 조절되어 제1파장 영역의 여기광의 투과 세기를 조절할 수 있는 광셔터층과, 광셔터층을 투과한 제1파장 영역의 여기광을 입력받아 제2파장 영역의 빛을 발광하는 형광층과, 제1파장 영역의 여기광은 투과시키면서 제2파장 영역의 빛은 반사시키는 다층막층을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 투과발광형 디스플레이 소자는 다층막층의 광학적 특성에 의하여 발광 효율이 증가되고, 광셔터층으로 한 가지 파장의 빛만을 조절하므로 작동 원리가 간단하고, 경제적이다.

Description

투과발광형 디스플레이 소자{Transmitting-emissive display device}
본 발명은 투과발광형 디스플레이 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발광 효율이 우수하고, 제조공정 및 작동원리가 간단하여 경제성을 갖춘 디스플레이 소자에 관한 것이다.
최근 정보통신 기술의 발전에 따라 정보를 표현하는 다양한 용도의 디스플레이 소자에 대한 개발이 이루어지고 있다. 디스플레이 소자는 외부로 빛을 표시하는 방식에 따라 크게 반사형 디스플레이 소자(reflective display device), 투과형 디스플레이 소자(transmissive display device) 및 발광형 디스플레이 소자(emissive display device)로 나눌 수 있다.
대표적인 발광형 디스플레이 소자인 음극선관(cathode ray tube, CRT)은 화질의 우수성과 오랜 기간 동안 축적되어 온 기술에 의한 경제성으로 최근까지 가장 널리 사용되던 디스플레이 소자였다. 다만 음극선관은 전자총에서 발사된 전자의 경로를 조절하여 특정 화소의 형광체를 여기시키는 방식이므로 전체적인 두께를 줄이는데 한계를 가지고 있어 사양화되고 있다. 이러한 음극선관의 단점을 보완하면서도 음극선관에 버금가는 고화질을 구현하기 위한 발광형 평판 디스플레이 소자의 개발을 위한 노력들이 많이 이루어졌는데, 그 대표적인 것이 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel, PDP)과 유기 전계 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode, OLED)이다.
플라즈마 디스플레이 패널은 자발광 소자로 시야각의 제한이 없고, 응답속도가 빠르며, 대면적 제조시에 발광 효율이 높아지는 장점을 가지고 있다. 다만, 플라즈마 방전에 고전압이 필요하므로 부품의 가격이 높고 형광체의 열화가 일어나기 쉬워 수명이 상대적으로 짧은 단점을 가지고 있다. 유기 전계 발광 다이오드 또한 자발광 소자로서의 장점을 가지고 있으면서 발광 효율이 높은 장점을 가지고 있지만, 제조과정에 진공증착 공정이 필수적이므로 제조단가가 높고 대면적 대응력이 떨어지는 단점을 가지고 있다.
따라서 현재까지는 평판 디스플레이 소자로 액정표시소자가 가장 널리 사용되고 있다. 액정표시소자(liquid crystal display, LCD)는 반도체 기술에서 유래한 대면적화 기술로 높은 경제성을 가지고 있으며, 종래의 문제점이었던 시야각 문제 등을 해결하여 당분간 디스플레이 시장을 석권할 것으로 생각된다. 다만, 액정표시소자의 이러한 기술적, 산업적 장점에도 불구하고 투과형 비자발광 디스플레이 소자로 발광 효율이 5% 미만이고, 응답속도가 늦은 한계를 가지고 있다.
이러한 비자발광 디스플레이 소자의 효율을 향상시키고자 하는 다양한 시도로서 밴드갭 조절을 이용한 광결정 디스플레이 소자에 대한 선행기술이 있다. 선행기술은 전기장에 따라서 변화하는 굴절률을 갖는 물질을 포함하는 포토닉 밴드갭을 갖는 광결정을 이용하는 디스플레이 소자이고, 광결정의 칼라 영역별 높은 반사율 에 따른 반사형 디스플레이 또는 포토닉 밴드갭 조절에 따른 투과형 디스플레이 소자로 구현이 가능하다. 하지만, 상기 선행기술은 기존의 액정표시소자와 같이 비자발광 디스플레이 소자로서의 한계를 그대로 가지고 있고, 특히 특정 칼라를 구현하기 위하여 반사량 및 투과량을 각기 독립적으로 제어하고 조절하여야 하므로 천연색의 구현이 복잡하다는 문제점을 가진다. 또한 R, G, B 각 셀의 구동을 위하여 서로 다른 반사 파장의 포토닉 밴드갭을 갖는 복수 개의 광결정을 제조하여야 하고, 이 경우 다른 색의 화소를 구동하기 위해서는 다른 구동 전압과 주파수를 사용해야 하는 복잡성이 있으며, 더 나아가 반사되는 빛이나 투과되는 빛의 색이 시야각에 따라 크게 바뀌는 단점이 있다.
또한 이러한 광결정 디스플레이 소자는 3차원 광결정 구조를 완벽하게 만들 때 입사광의 99% 이상을 반사시킬 수 있다고 알려있으나 3차원 광결정의 경우 현재까지 알려진 바에 의하면 약 50 nm 정도의 반사광 파장의 변화만이 가능하다. 따라서 비록 일정 전기장에서 구동되는 경우에는 적색, 녹색, 청색의 파장의 스펙트럼의 반사가 가능하지만 광결정 구조를 결정-비결정 상변화를 일으키기 전에는 완벽한 총천연색의 반사형 디스플레이나 투과형 디스플레이로 개발하는데 어려움이 있으므로 다른 광학적 보강 장치가 필요하다. 즉, 종래의 광결정 디스플레이 소자는 현재 전기적 구동에 의하여 반사되는 빛을 조절할 수 있는 정도의 수준에 이르러 있지만 총 천연색 반사 혹은 투과 디스플레이 소자를 구현하고 있지는 못하는 실정이다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 일정한 구동 전압으로 모든 셀을 구동시킬 수 있고, 형광체에서 후면으로 발광된 빛을 반사시켜 발광 효율이 개선된 투과발광형 디스플레이 소자를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여, 형광체 여기광원과, 형광체 여기광원으로부터 조사되는 제1파장 영역의 여기광을 입력받으면서 외부에서 인가되는 전기장에 의해 포토닉 밴드갭이 조절되어 제1파장 영역의 여기광의 투과 세기를 조절할 수 있는 광셔터층과, 광셔터층을 투과한 제1파장 영역의 여기광을 입력받아 제2파장 영역의 빛을 발광하는 형광체층과, 광셔터층과 형광체층 사이에 형성된 다층막층을 포함하는 투과발광형 디스플레이 소자를 제공한다. 이때, 다층막층은 제1파장 영역의 여기광은 투과시키면서, 제2파장 영역의 빛은 반사시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 다층막층은 제1굴절율을 가지는 제1박막 및 상기 제1굴절율보다 높은 굴절율을 갖는 제2박막을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 다층막층은 제1박막과 제2박막이 교대로 반복되어 적층될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 제1박막은 산화실리콘으로 이루어지고, 제2박막은 산화티타늄으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 다층막층은 형광체층에서 발광된 제2파 장 영역의 빛을 반사시키면서 스펙트럼의 중심을 변화시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 광셔터층은 복수개의 광결정층을 포함하고, 그 중 적어도 하나는 외부 전기장의 인가에 따라 굴절율이 변화될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 굴절율이 변화되는 광결정층은 폴리(2-비닐 피리딘), 쿼터나이즈드 폴리(2-비닐 피리딘), 폴리(4-비닐 피리딘), 쿼터나이즈드 폴리(4-비닐 피리딘), 폴리(아크릴 산), 폴리(메타크릴 산), 폴리(에틸렌 옥사이드), 폴리(아크릴 아미드), 폴리(히드록시에틸메타크릴레이트), 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 외부 전기장의 인가에 따라 굴절율이 변화된 광결정층과 다른 광결정층의 유전상수비는 1.01 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 굴절율이 변화되는 광결정층은 외부 전기장의 인가에 의해 선택적으로 팽윤 또는 수축하여 굴절율이 변화될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 광결정층은 고분자 수지층과 전해질층으로 이루어지고, 광결정층의 팽윤은 전해질층의 이온이 고분자 수지층으로 이동하여 이루어지고, 광결정층의 수축은 고분자 수지층의 이온이 전해질층으로 이동하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 외부 전기장의 인가는 광셔터층의 전면 및 후면에 형성된 투명전극에 의하여 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 투과발광형 디스플레이 소자는 이론적으로 약 80%의 발광효 율을 가지는 형광체 여기광원을 사용하고, 여기광에 의하여 약 80%의 발광효율로 형광체를 발광시키며, 투과 효율이 60% 이상인 광셔터를 사용하므로 전체 디스플레이 소자의 효율은 이론적으로 30% 이상의 발광 효율이 달성될 수 있다. 또한 본 발명에서는 형광체 여기광원과 형광체층 사이에 형성된 다층막층이 형광체에서 후면으로 발광된 빛을 반사시켜 휘도를 증가시키므로 실제의 발광 효율을 이론적인 값에 더욱 가깝게 만들 수 있다. 또한 본 발명에 따른 투과발광형 디스플레이 소자는 광셔터로 한 가지 파장 영역의 형광체 여기광을 조절하므로 구동이 간단하고, 광셔터 및 형광체층의 형성 공정이 간단하여 대면적화에도 용이하며, 자발광 디스플레이 소자이므로 액정표시소자와 같은 투과형 디스플레이에 비교하여 효율이 뛰어나다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 투과발광형 디스플레이 소자는 형광체 여기광원, 광셔터층, 형광층 및 다층막층을 포함한다. 이때, 광셔터층은 형광체 여기광원으로부터 조사되는 여기광을 입력받으면서, 외부에서 인가되는 전기장에 의해 포토닉 밴드갭이 조절되어 여기광의 투과 세기를 조절함으로써 각 셀의 온-오프(on-off)를 구동한다. 다층막층은 형광체 여기광원의 빛은 투과시키면서, 형광층에서 발광된 빛은 디스플레이 소자의 전면으로 반사시킴으로써 휘도를 증가시킨다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투과발광형 디스플레이 소자의 구조를 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 투과발광형 디스플레이 소자의 제1기판(100a)의 하부에 형광체 여기광원(101)이 설치되고, 상부면에 절연 스페이서(102), 투명전극(103a, 103b), 광셔터층(104) 및 다층막층(105)이 형성된다. 제2기판(100b)의 하부면에는 R, G, B 형광체층(106a, 106b, 106c)이 패터닝되어 형성되어 있고, 그 사이에는 블랙 매트릭스(black matrix, 107)가 형성되어 있다. 도면에서는 다층막층이 제1기판의 상부면에 형성되어 있지만, 제2기판의 하부면에 형성되어 있을 수도 있으며, 광셔터층과 형광체층의 사이에 형성될 수 있다면 어떠한 결합방식으로 형성되어도 무방하다.
본 발명의 형광체 여기광원으로는 R, G, B 형광체를 여기시킬 수 있도록 광방출다이오드(light emitting diode, LED)나 기타의 자외선 램프가 사용될 수 있다. 형광체 여기광원에서 방출되는 여기광의 파장은 광원의 종류에 따라서 달라질 수 있는데, 광방출다이오드를 사용할 경우에는 여기광의 파장이 365nm 근처의 자외선 파장 영역이거나 405nm 근처의 보라색 파장 또는 450nm 근처의 청색 영역이 될 수 있다. 형광체 여기광원은 제1기판의 방향으로 직접 빛을 공급하는 직하형 방식으로 설치되거나, 기판의 측면부에 설치되어 도광판을 통하여 제1기판 방향으로 빛을 공급하는 방식으로 설치되거나, 면발광 방식을 이용하여 여기광 공급의 균일도를 증가시키는 방식으로 설치될 수도 있다. 이때, 형광체 여기광원에서 방출된 빛을 전면으로 고르게 공급하기 위하여 형광체 여기광원과 광셔터층 사이에 확산판(미도시)과 같은 광학층이 선택적으로 설치될 수 있다.
본 발명의 광셔터층은 특정한 파장 영역의 여기광을 투과시키거나 반사시키는 방식으로 여기광의 투과 세기를 조절한다. 이러한 여기광의 투과 세기 조절은 광셔터층에 일정한 크기의 전기장을 인가함으로써 이루어지는데, 이를 위하여 광셔터층의 상하부면에 전극이 형성된다. 전극은 빛이 통과할 수 있도록 투명한 재질로 이루어져야 하므로 인듐 틴 옥사이드(ITO)나 플루오린 틴 옥사이드(FTO)와 같은 재질로 이루어질 수 있다. 상기 전극은 각 셀별로 분리된 별도의 전극을 사용하여 독립적으로 구동되거나, 한쪽 면에는 공통전극을 사용하고 다른 쪽 면에는 셀별로 분리된 전극을 사용하여 구동되는 것이 가능하고, 이 경우 각 셀 사이에는 절연 스페이서가 설치될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 투과발광형 디스플레이 소자에 사용되는 광셔터층의 구성과 작동원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 광셔터층은 제1광결정층(202)과 제2광결정층(203)을 포함하고, 광셔터층의 상부면과 하부면에는 투명전극(201)이 형성되어 있다. 이때, 제1광결정층(202)은 외부의 전기장 변화에 의하여 선택적으로 팽윤 또는 수축하여 두께가 변화되고 이에 따라 굴절율이 변화된다. 도면에서는 광셔터층을 제1광결정층(202)과 제2광결정층(203)으로 2층씩 교대로 적층하였지만, 또 다른 재질의 광결정층을 추가로 적층하는 것도 가능하고, 적층수도 적절히 변화시킬 수 있다. 이때, 광셔터층은 두 가지 이상의 유전물질이 일정하게 배열되어 도메인의 크기가 최소 5nm 이상인 주기성을 갖는 두 층 이상의 다층구조의 광결정으로 구성되어 있으며, 전기장의 변화에 의하여 유전율 혹은 도메인의 크기가 변화함으로써 특정 파장 영역의 전자기파와 상호작용하여 전자기파를 투과시키거나 반사시키는 것을 특징으로 한다. 전기장이 인가되어 변화된 제1광결정층(202)과 제2광결정층(203)의 유전상수비는 1.01 이상인 것이 바람직 하다. 이는 특정 파장 영역의 빛을 선택적으로 반사시키는 효율을 높이기 위함이다.
광셔터층은 구체적으로 쿼터나이즈드 폴리(2-비닐 피리딘)(quaternized poly(2-vinyl pyridine), QP2VP) 고분자의 공중합체로 이루어진 제1광결정층과 폴리스티렌(polystyrene, PS)으로 이루어진 제2광결정층이 적층되어 이루어질 수 있다. 이때 도 2a와 같이 외부에서 전기장이 인가되지 않은 상태에서는 두 광결정층의 굴절률 차이가 거의 없으므로 여기광이 투과될 수 있다. 그러나 외부에서 전기장이 인가되면 도 2b와 같이 제1광결정층의 두께가 증가하여 굴절률과 도메인 간격이 달라지므로 특정 파장의 빛에 대하여 반사를 일으킨다. 본 발명에서는 여기광의 종류에 따라서 자외선에서 보라색 빛까지 반사되는 파장을 조절할 수 있다. 이와 같이 외부 자극, 특히 전기장의 인가에 의하여 굴절률이 변화되는 어떠한 광결정 물질도 본 발명의 광셔터층에 사용될 수 있으며, 그 일 예로 폴리(2-비닐 피리딘), 쿼터나이즈드 폴리(2-비닐 피리딘), 폴리(4-비닐 피리딘), 쿼터나이즈드 폴리(4-비닐 피리딘), 폴리(아크릴 산), 폴리(메타크릴 산), 폴리(에틸렌 옥사이드), 폴리(아크릴 아미드), 폴리(히드록시에틸메타크릴레이트) 또는 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드)가 사용될 수 있다. 본 발명에 사용되는 광셔터층의 제조방법과 파장 조절 방법에 대해서는 본 명세서의 실시예 부분에서 보다 구체적으로 설명될 것이다.
도 3은 본 발명에서 전기장의 인가에 의하여 광결정층의 굴절율이 변화되는 원리를 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 광결정층은 고분자 수지층(202a)과 전해질층(202b)을 포함한다. 광결정층에 전기장이 인가되면 전해질층(202b)의 이온 이 고분자 수지층(202a)으로 공급되어 고분자 수지층(202a)이 팽윤되고, 팽윤된 고분자 수지층(202a)에 반대 방향의 전기장이 인가되면 고분자 수지층(202a)에 공급되었던 이온이 전해질 쪽으로 다시 이동되어 고분자 수지층(202a)이 수축하게 된다. 이러한 고분자 수지층(202a)의 변화에 의하여 광결정층의 굴절율이 변화하게 된다.
본 발명의 다층막층은 서로 다른 굴절율을 가지는 복수개의 박막이 반복되어 적층되어 있다. 다층막층은 형광체 여기광은 투과시키며, 형광체에서 발광된 빛은 반사시키도록 구성되어 있으므로 투과발광형 디스플레이 소자의 효율을 증가시킨다.
도 4는 본 발명의 투과발광형 디스플레이 소자에 사용되는 다층막층의 기능을 설명하기 위한 도면이다. 도 4를 참조하면, 다층막층(105)의 후면에는 형광체 여기광원(101)이 위치하고, 전면에는 형광체층(106)이 위치한다. 형광체 여기광원(101)에서 공급된 여기광(채워지지 않은 화살표)은 복수개의 박막(105a, 105b)을 포함하는 다층막층(105)을 통과하여 형광체층(106)을 여기시킨다. 여기광에 의하여 형광체층(106)이 발광하게 되는데, 이러한 형광체층(106)의 발광된 빛(채워진 화살표)은 디스플레이 소자의 전면과 후면 방향으로 모두 방출된다. 이때, 다층막층(105)은 후면으로 방출된 빛을 다시 반사시켜 전면으로 방출시킨다. 상기와 같은 다층막층의 기능에 의하여 본 발명의 디스플레이 소자의 효율이 증가하게 된다.
다층막층은 특정 파장 영역이 빛은 투과시키고, 다른 파장 영역의 빛은 반사시킬 수 있도록 구성되어야 하며, 이를 위하여 굴절율이 상이한 복수개의 층을 적 층하여 제조한다. 아래에서 각 층의 굴절율과 층수 등을 조절하여 반사 영역대와 투과 영역대의 파장의 선택하는 Transfer Matrix Method 방식에 대하여 설명한다.
굴절율이 상이한 박막의 경계면 b에서의 전기장(E) 및 자기장(H)의 접선 성분은 아래 수학식 1과 같다.
Figure 112009021760177-pat00001
상기 수학식 1에서 +,-는 전기장 및 자기장의 진행방향을 의미하고,
Figure 112009021760177-pat00002
로 정의되는 물질의 optical admittance로 정의되는 양이다. 여기서
Figure 112009021760177-pat00003
로 자유공간의 optical admittance이다. 본 발명에서는 투명 유전체의 박막을 고려하고 있으므로 굴절율의 성분이 실수성분인 n과 허수성분인 k으로 나누어 진다. 즉 어떤 흡수물질의 굴절율은 다음과 같이 정의된다
Figure 112009021760177-pat00004
.
여기서 경계면에서 전기장과 자기장의 접선 성분이 연속이라는 경계조건 고려시 식(2)와 같은 Matrix를 구할수 있다.
Figure 112009021760177-pat00005
여기서
Figure 112009021760177-pat00006
이고
Figure 112009021760177-pat00007
는 빛의 파장이다.
다층 박막의 경우 matrix를 순차적으로 곱하면 된다. 또한 여기서 multilayer의 optical admittance
Figure 112009021760177-pat00008
를 도입하면 최종적인 matrix는 아래 수학식 2와 같다.
Figure 112009021760177-pat00009
여기서 반사 R , 투과 T, 흡수 A는 아래 수학식 3과 같다.
Figure 112009021760177-pat00010
본 발명은 결국 상술한 방식으로 다층막의 원하는 반사 영역과 흡수 영역을 계산하였는데, 만약 원하는 반사 영역과 흡수 영역이 정해진 경우라면, 상기 방식에 따라 원하는 다층막의 조건 또한 상술한 방식에 기초하여 설정할 수 있다.
본 발명에서 다층막층은 상대적으로 낮은 굴절율을 가지는 산화실리콘(SiO2)과, 상대적으로 높은 굴절율을 가지는 산화티타늄(TiO2)으로 이루어질 수 있다. 또한 다층막층은 2 내지 20층의 산화실리콘층과 산화티타늄층으로 이루어진 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 7 내지 11층일 수 있다. 적층수가 지나치게 많아지면 제조공정이 복잡해지며, 지나치게 적어지면 반사시켜야 할 파장대의 빛의 반사도가 낮아지기 때문이다.
본 발명에 사용되는 다층막층의 반사 스펙트럼의 파장 중심(λmax)은 형광체층의 발광 스펙트럼의 파장 범위 내에 존재하며, 그 결과로 형광체층에서 후면으로 방출되는 빛을 전면으로 반사시킬 수 있다. 이 경우 다층막층은 형광체층에서 발광 된 빛을 반사시키면서 스펙트럼의 중심(λmax)을 변화시킬 수 있다. 형광체층의 발광 스펙트럼의 파장 중심과 다층막층의 반사 파장 영역의 중심이 일치하는 경우 반사 효과가 극대화되는데, 발광 스펙트럼의 중심과 반사 스펙트럼의 중심을 적절히 어긋나게 설계하면 R, G, B 각 셀의 색순도와 white balance를 조절할 수 있다.
도 5는 본 발명의 투과발광형 디스플레이 소자의 정보 표시 방법을 빛의 경로를 표시하여 설명하는 도면이다. 도 5를 참조하면, 먼저, 자외선이나 청색광을 공급하는 형광체 여기광원(101)에서 여기광(채워지지 않은 화살표)이 R, G, B 각 셀을 구동하는 광셔터층(103a, 103b, 104)으로 공급된다. 이어서, 광셔터층(103a, 103b, 104)은 외부 구동에 의하여 여기광의 투과세기를 조절한다. 이때, 왼쪽의 셀과 같이 광셔터층에 일정한 방향으로 전기장이 인가된 경우에는 셀이 온(on) 상태에 있게 되고, 가운데와 오른쪽 셀과 같이 광셔터층에 반대 방향의 전기장이 인가된 경우에는 셀이 오프(off) 상태가 된다. 도면에서는 각 셀을 온-오프 상태로만 표시하였지만, 적절한 전기장의 인가로 광셔터층의 투과도를 필요한 만큼 조절하면 다양한 계조의 표현이 가능하다. 이어서, 광셔터층(103a, 103b, 104)을 투과한 여기광은 다층막층(105)을 투과하게 된다. 다층막층(105)은 짧은 파장의 빛은 통과시키고 긴 파장의 빛은 반사시키도록 설계되므로 여기광의 대부분은 다층막층(105)을 투과한다. 이어서, 다층막층(105)을 투과한 여기광이 형광체층(106b, 106c)에 공급되면 형광체층(106b, 106c)이 발광하여 디스플레이 소자에 정보를 표시하게 된다. 이때, 형광체층(106b, 106c)은 디스플레이 소자의 전면과 후면으로 모두 빛을 방출 하는데(채워진 화살표), 후면으로 방출된 빛은 휘도 증가에 도움을 주지 못한다. 따라서 다층막층(105)이 후면으로 방출된 빛을 다시 전면으로 반사시켜 디스플레이의 휘도를 증가시키고 전체적인 발광효율을 향상시킨다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
실시예 1-(1)
광셔터층의 제조
폴리스티렌(polystyrene, 이하에서 'PS'라 한다)/ 쿼터나이즈드 폴리(2-비닐 피리딘)(quaternized poly(2-vinyl pyridine), 이하에서 'QP2VP'라 한다)으로 구성되어 있는 층상구조의 광셔터층을 제조하였다. 상기 층상구조의 필름을 형성하기 위하여 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트(propylene glycol monomethyl ether acetate, 이하에서 'PGMEA'라 한다)에 녹인 PS-b-P2VP(Mn = 57 kg/mol-b-57 kg/mol) 용액을(5wt%) 3-이오도프로필-트리메톡시실란((3-iodopropyl)-trimethoxysilane)으로 개질된 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide, 이하에서 'ITO'라 한다)에 스핀코팅 하였고, 이때 필름의 두께는 약 1~3 um 정도로 조절되었다. 잘 배열된 층상구조의 필름은 50℃에서 약 24 시간 동안 클로로포 름(chloroform) 증기에서 어닐링함으로써 만들었다. 이후 P2VP 층은 1-브로모메탄(1-bromethane), 1,4-디브로모부탄(1,4-dibromobutane)을 다양한 조성비로 조합하여 quaternize/crosslinking 하였다. 구체적으로 quaternization/crosslinking을 위하여 어닐링된 PS-b-P2VP 필름을 헥산에 10 vol%로 녹아있는 1-브로모메탄/1, 4-디브로모부탄 혼합 용액에 넣어서 50℃에서 1~3일 동안 반응시켰다.
실시예 1-(2)
광셔터층의 제조
본 실시예의 광셔터 필름은 PS/QP2VP으로 구성되어 있는 층상구조이다. 이와 같은 층상구조의 필름을 형성하기 위하여 PGMEA에 녹인 PS-b-P2VP (Mn = 57 kg/mol-b-57 kg/mol) 용액을(5wt%) 3-이오도프로필-트리메톡시실란(3-iodopropyl-trimethoxysilane)으로 개질된 ITO에 스핀코팅 하였고, 이때 필름의 두께는 약 1~3 um 정도로 조절되었다. 잘 배열된 층상구조의 필름은 50℃에서 약 24 시간 동안 클로로포름 증기에서 어닐링함으로써 만들었다. 이후 P2VP 층은 이오도메탄(iodomethane)을 이용하여 quaternize 하였다. 구체적으로 quaternization을 위하여 어닐링된 PS-b-P2VP 필름을 헥산에 10 vol%로 녹아있는 이오도메탄 혼합 용액에 넣어서 50℃에서 1~3일 동안 반응시켰다.
실시예 1-(3)
광셔터층의 제조
본 실시예에서 제조된 광셔터 필름은 PS/QP2VP로 구성되어 있는 층상구조이다. 이와 같은 층상구조의 필름을 형성하기 위하여 PGMEA에 녹인 PS-b-P2VP (Mn = 190 kg/mol-b-190 kg/mol) 용액을(5wt%) 3-이오도프로필-트리메톡시실란으로 개질된 ITO상에 스핀코팅 하였고, 이때 필름의 두께는 약 1~3 um 정도로 조절되었다. 잘 배열된 층상구조의 필름은 50℃에서 약 24 시간 동안 클로로포름 증기에서 어닐링함으로써 만들었다. 이후 P2VP 층은 1-브로모메탄(1-bromothane), 1,4-디브로모부탄(1,4-dibromobutane)을 다양한 조성비로 조합하여 quaternize/crosslinking 하였다. 구체적으로 quaternization/crosslinking을 위하여 어닐링된 PS-b-P2VP 필름을 헥산에 10 vol%로 녹아있는 1-브로모메탄/1, 4-디브로모부탄 혼합 용액에 넣어서 50℃에서 1~3일 동안 반응시켰다.
실시예 1-(4)
광셔터층의 제조
본 실시예에서 제조된 광셔터 필름은 PS/QP2VP로 구성되어 있는 층상구조이다. 이와 같은 층상구조의 필름을 형성하기 위하여 PGMEA에 녹인 PS-b-P2VP (Mn = 25.5 kg/mol-b-23.5 kg/mol) 용액을(5wt%) 3-이오도프로필-트리메톡시실란으로 개질된 ITO상에 스핀코팅 하였고, 이때 필름의 두께는 약 1~3 um 정도로 조절되었다. 잘 배열된 층상구조의 필름은 50℃에서 약 24 시간 동안 chloroform 증기에서 어닐 링함으로써 만들었다. 이후 P2VP 층은 1-브로모메탄(1-bromothane), 1,4-디브로모부탄(1,4-dibromobutane)을 다양한 조성비로 조합하여 quaternize/crosslinking 하였다. 구체적으로 quaternization/crosslinking을 위하여 어닐링된 PS-b-P2VP 필름을 헥산에 10 vol%로 녹아있는 1-브로모메탄/1,4-디브로모부탄 혼합 용액에 넣어서 50℃에서 1~3일 동안 반응시켰다.
실시예 2-1-(1)
다층막층의 설계
투명 유리상에 저 굴절율층으로 SiO2 박막(L), 고굴절율층으로 TiO2 박막(H)을 사용하여 LHLHLHL의 7층 구조의 투명 유전체 다층막층을 설계하였다.
실시예 2-1-(2)
다층막층의 설계
투명 유리상에 저 굴절율층으로 SiO2 박막(L), 고굴절율층으로 TiO2 박막(H)을 사용하여 LHLHLHLHL의 9층 구조의 투명 유전체 다층막층을 설계하였다.
실시예 2-1-(3)
다층막층의 설계
투명 유리상에 저 굴절율층으로 SiO2 박막(L), 고굴절율층으로 TiO2 박막(H) 을 사용하여 LHLHLHLHLHL의 11층 구조의 투명 유전체 다층막층을 설계하였다.
실시예 2-2-(1)
다층막층의 제조
투명 유리상에 저 굴절율층으로 SiO2 박막(L), 고굴절율층으로 TiO2 박막(H)을 사용하여 LHLHLHLHLHLHL로 이루어진 11층 구조의 다층막층을 제조하였다. SiO2 박막(L) 과 TiO2 박막(H) 다층박막은 전자빔(e-beam)을 이용한 진공 증착기에서 일정두께의 SiO2 박막(L) 과 TiO2 박막(H)을 번갈아서 증착시키므로 같은 증착기에서 투명 유전체 다층막층을 제조하였다.
실시예 2-2-(2)
다층막층의 제조
저굴절율층 SiO2 박막(L), 고굴절율층 TiO2 박막의 두께만 다르게 하고 실시예 2-2-(1)과 동일한 방식으로 LHLHLHLHLHLHL로 이루어진 11층 구조의 다층막층을 제조하였다.
실험예 1
화학적 방법에 의한 광셔터층의 조절
실시예 1-(1)의 방법으로 만들어진 분자량 57k-b-57k를 갖는 PS-b-QP2VP 포토닉 셔터 필름을 수용액에서 충분히 팽윤되게 하였다. 팽윤된 필름은 수용액에 NH4Cl의 농도를 점차 증가시킴으로써 수축하였다. 이러한 수축에 의하여 초기 수용액에서 λmax=700 nm를 나타내었던 NH4Cl의 농도를 점차 증가함 (2M)에 따라 흡광스펙트럼이 300 nm로 이동하였다. 이때 필름이 수축하는 현상은 NH4Cl의 농도를 점차 증가시킴에 따라 필름에 작용하는 삼투압이 증가하였기 때문이다.
실험예 2
전기적 방법에 의한 포토닉 셔터층의 조절
실시예 1-(1)의 방법으로 만들어진 분자량 57k-b-57k를 갖는 PS-b-QP2VP 포토닉 셔터 필름은 200 um의 두께들 갖는 스페이서를 사이에 두고 다른 한 장의 ITO를 상대전극으로 하여 서로 마주보게 붙였다. 포토닉 셔터 필름과 ITO 전극사이의 공간은 수용액 전해질로 채워졌다. 포토닉 셔터 필름이 있는 전극에 (-), 그리고 다른 ITO 전극에 (+)를 연결하고 0~5 V의 직류전원을 연결하였다. 이때 (-) 전극에서 형성된 OH- 이온은 기존에 포토닉 필름에 존재하고 있던 Br- 이온을 치환하고 QP2VP 필름의 용해도를 증가시킴으로써 포토닉 셔터 필름이 팽창하게 한다. 전극에 전원을 0V에서 5V로 증가함에 따라 λmax=300nm에서 λmax=700nm로 증가하였다.
실험예 3
반사스펙트럼 계산
실시예 2-1-(1) 내지 실시예 2-1-(3)의 다층막층의 반사 영역대의 파장을 파악하기 위해 본 발명의 내용 중에서 언급한 Transfer Matrix Method(TMM) 방식을 사용하여 계산하였다. 저굴절율층 SiO2 박막(L)과 고굴절율층 TiO2 박막의 굴절률(n) 값과 흡광계수(k)을 측정하여 TMM 방식으로 계산하여 반사스펙트럼을 도 6에 나타내었다. 도 6을 참조하면, 가시광선 영역에서 다층막층이 매우 높은 반사도를 갖는 것을 알 수 있다. 특히 높은 층수의 실시예 2-1-(3)의 다층막층이 매우 높은 반사도를 갖는 것을 알 수 있다.
실험예 4
투과스펙트럼 계산
실시예 2-1-(1) 내지 실시예 2-1-(3)의 다층막층에 대한 투과 스펙트럼을 Transfer Matrix Method(TMM) 방식을 사용하여 계산하여 도 7에 나타내었다. 도 7을 참조하면, 청색 LED 소자의 파장 영역인 450nm 부근에서 거의 90%를 상회하는 높은 투과도를 나타내는 것을 알 수 있다.
실험예 5
주사전자현미경(SEM) 분석
실시예 2-2-(1)과 실시예 2-2-(2)의 다층막층을 주사현미경으로 측정하여 얻 은 영상사진을 도 8a 및 8b에 나타내었다. 도 8a 및 8b를 참조하면, 시뮬레이션에 의하여 디자인된 다층박막을 전자빔 증착방법으로 SiO2 박막(L) 과 TiO2 박막(H)을 번갈아서 증착시켜서 LHLHLHLHLHLHL로 이루어진 11층 다층막층을 쉽게 제조할 뿐만 아니라 수 nm의 두께 조절도 용이하다는 것을 잘 보여준다.
실험예 6
반사스펙트럼 분석
실시예 2-2-(1)과 실시예 2-2-(2)의 다층막층에 백색 Xe 램프를 조사한 후 얻어지는 반사스펙트럼을 측정하여 도 9에 나타내었다. 도 9를 참조하면, 상기 계산식에 의하여 얻어진 도 6의 다층막층의 반사스펙트럼과 잘 일치한다.
실험예 7
투과스펙트럼 분석
청색 LED를 사용하여 실시예 2-2-(1)과 실시예 2-2-(2)의 다층막층에 대한 투과 스펙트럼을 측정하여 도 10에 나타내었다. 도 10을 참조하면, 청색 LED 소자의 파장 영역인 460nm 부근에서 거의 90%를 상회하는 높은 투과도를 나타내는 것을 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투과발광형 디스플레이 소자의 구조를 도시한 것이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 투과방광형 디스플레이 소자에 사용되는 광셔터층의 구성과 작동원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에서 전기장의 인가에 의하여 광결정층의 굴절율이 변화되는 원리를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 투과발광형 디스플레이 소자에 사용되는 다층막층의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 투과발광형 디스플레이 소자의 정보 표시 방법을 빛의 경로를 표시하여 설명하는 도면이다.
도 6은 실시예 2-1-(1) 내지 실시예 2-1-(3)에 대하여 TMM 방식으로 반사 스펙트럼을 계산한 것이다.
도 7은 실시예 2-1-(1) 내지 실시예 2-1-(3)에 대하여 TMM 방식으로 투과 스펙트럼을 계산한 것이다.
도 8a 및 도 8b는 실시예 2-2-(1) 및 실시예 2-2-(2)의 다층막층에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 9는 실시예 2-2-(1) 및 실시예 2-2-(2)에 대한 반사 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 10은 실시예 2-2-(1) 및 실시예 2-2-(2)에 대한 투과 스펙트럼을 도시한 것이다.

Claims (11)

  1. 형광체 여기광원;
    상기 형광체 여기광원으로부터 조사되는 제1파장 영역의 여기광을 입력받으면서, 외부에서 인가되는 전기장에 의해 포토닉 밴드갭이 조절되어 상기 제1파장 영역의 여기광의 투과 세기를 조절할 수 있는 광셔터층;
    상기 광셔터층을 투과한 제1파장 영역의 여기광을 입력받아 제2파장 영역의 빛을 발광하는 형광체층; 및
    상기 광셔터층과 형광체층 사이에 형성된 다층막층;을 포함하며,
    상기 다층막층은 제1파장 영역의 여기광은 투과시키면서, 제2파장 영역의 빛은 반사시키는 것을 특징으로 하는 투과발광형 디스플레이 소자로서,
    상기 광셔터층은 복수개의 광결정층을 포함하고, 상기 복수개의 광결정층 중 적어도 하나는 외부 전기장의 인가에 따라 굴절율이 변화되고,
    상기 외부 전기장의 인가에 따라 굴절율이 변화된 광결정층과 다른 광결정층의 유전상수비는 1.01 이상인 것을 특징으로 하는 투과발광형 디스플레이 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다층막층은 제1굴절율을 가지는 제1박막 및 상기 제1굴절율보다 높은 굴절율을 갖는 제2박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 투과발광형 디스플레이 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 다층막층은 상기 제1박막과 상기 제2박막이 교대로 반복되어 적층된 것을 특징으로 하는 투과발광형 디스플레이 소자.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1박막은 산화실리콘으로 이루어지고, 상기 제2박막은 산화티타늄으로 이루어진 것을 특징으로 하는 투과발광형 디스플레이 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 다층막층은, 상기 형광체층에서 발광된 제2파장 영역의 빛을 반사시키면서 스펙트럼의 중심을 변화시키는 것을 특징으로 하는 투과발광형 디스플레이 소자.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 굴절율이 변화되는 광결정층은 폴리(2-비닐 피리딘), 쿼터나이즈드 폴리(2-비닐 피리딘), 폴리(4-비닐 피리딘), 쿼터나이즈드 폴리(4-비닐 피리딘), 폴리(아크릴 산), 폴리(메타크릴 산), 폴리(에틸렌 옥사이드), 폴리(아크릴 아미드), 폴리(히드록시에틸메타크릴레이트), 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 투과발광형 디스플레이 소자.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 굴절율이 변화되는 광결정층은 외부 전기장의 인가에 의해 선택적으로 팽윤 또는 수축하여 굴절율이 변화되는 것을 특징으로 하는 투과발광형 디스플레이 소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광결정층은 고분자 수지층과 전해질층을 포함하고, 상기 광결정층의 팽윤은 전해질층의 이온이 고분자 수지층으로 이동하여 이루어지고, 상기 광결정층의 수축은 고분자 수지층의 이온이 전해질층으로 이동하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 투과발광형 디스플레이 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 외부 전기장의 인가는 상기 광셔터층의 전면 및 후면에 형성된 투명전 극에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 투과발광형 디스플레이 소자.
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