KR101103408B1 - 반사율을 향상시킨 전기영동표시장치 - Google Patents

반사율을 향상시킨 전기영동표시장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기영동표시장치에 관한 것으로, 특히 빛을 효율적으로 집광하여 높은 정면 반사 특성 및 콘트라스트를 제공하는 전기 영동 표시 장치에 관한 것이다.
본 발명은 서로 교차하는 게이트 배선 및 데이터 배선에 의해 정의된 각 화소에 박막트랜지스터와 화소전극이 형성되는 하부기판; 상기 하부기판에 대향접착되며, 내면에 입사되는 빛의 전반사를 유도하는 광학부재가 형성되어 있는 상부기판; 및 상기 하부기판과 상부기판 사이에 개재되고, 서로 다른 전압에 이끌리도록 극성화된 흑색안료와 백색안료가 캡슐화되어 있는 전기영동막을 포함하며, 상기 전기영동막의 표면은 상기 상부기판의 내면에 형성된 광학부재의 형상으로 전사되어 있는 것을 특징으로 하는 전기영동표시장치를 제공한다.
전기영동표시장치(Electrophoretic Display), 광학부재, 반사율

Description

반사율을 향상시킨 전기영동표시장치{Electrophoretic Display having high reflectance and contrast}
본 발명은 전기영동표시장치(Electrophoretic Display Device: EPD)에 관한 것으로 특히, 높은 반사 특성 및 콘트라스트를 제공하고자 하는 전기영동표시장치에 관한 것이다.
전기영동표시장치는 전압이 인가되는 한쌍의 전극을 콜로이드 용액에 담그면 콜로이드 입자가 어느 한쪽의 극성으로 이동하는 현상을 이용한 화상표시장치로서, 백라이트를 사용하지 않으며 넓은 시야각, 높은 반사율, 높은 가독성 및 저소비전력 등의 특성을 갖고 있어, 전자 종이(electronic paper)로서 각광 받을 것으로 기대되는 표시 장치이다.
이와 같은 전기영동표시장치는 2개의 기판 사이에 전기영동막이 개재된 구조를 가진다. 2개의 기판 중 하부 기판에 화소 전극을 형성하고, 화소전극에 전압을 인가할 경우, 전기 영동막 내의 대전 입자가 화소 전극 측으로 또는 반대측으로 이 동하는데, 이것에 의해 뷰잉 시트(viewing sheet)를 통하여 이미지를 나타낼 수 있다.
이러한 전기영동표시장치는 2개의 기판 중 하나 이상은 투명하여야 반사형 모드로 이미지를 표시할 수 있는데, 외부 빛을 반사시켜 디스플레이한다. 따라서, 어두운 곳에서는 디스플레이 휘도, 명암비가 매우 나빠지기 때문에 디스플레이로써의 기능을 할 수 없는 단점을 가지고 있다.
도 1은 종래의 전기영동표시장치의 구조를 나타낸 단면도이다.
도시된 바와 같이, 전기영동표시장치는 투명 재질의 상부기판(10)과, 화소전극(32)이 형성된 하부기판(30)이 대향 배치되고, 상기 두 기판 사이에 전기 영동막(20)이 개재된 구조를 가진다.
이 때, 상,하부 기판(10, 30)은 얇고, 플렉서블(flexible)한 필름을 재료로 형성하되, 화소전극(32)은 고반사율의 금속, 일 예로 알루미늄, 구리 등을 재료로 형성된다. 다만, 플렉서블하지 않은 기판을 사용하거나 ITO와 같은 투명한 도전 물질로 화소전극을 형성하여도 무방하다.
그리고, 전기 영동막(20)은 전하를 띤 안료입자(charged pigment particles) (25,26)들을 포함한 솔벤트(solvent)로 구성되며, 코아서베이션(coacervation) 방법에 의해 마이크로 캡슐(22)로 만드는데, 마이크로 캡슐(22)을 바인더(binder)에 혼합하여 베이스 필름에 코팅(coating) 또는 라미네이팅(laminating)시켜 형성한다.
이 때, 안료입자는 서로 다른 색상으로 착색될 수 있는데, B,W(Black, White)의 안료를 첨가하여 이미지가 표현되도록 한다.
도면에서 흰색 안료가 첨가된 입자를 도면부호 25로 표시하고, 검정색 안료가 첨가된 입자를 도면부호 26으로 표시하였다.
솔벤트와 바인더는 투명한 물질로 형성하여 빛이 통과할 수 있게 한다. 상기의 전기 영동막은 안료 입자들이 마이크로 캡슐(22) 막에 둘러싸여 있기 때문에 인접 픽셀의 필드에 의해 안료 입자들이 원하지 않는 방향으로 이동하는 것을 억제할 수 있어 보다 나은 화질을 구현할 수 있다.
이러한 전기영동표시장치는, 상기 화소전극(32)에 전압이 인가될 때, 전하를 띤 안료입자들이 그 극성과 반대되는 극성을 띤 전극으로 이동되어, 상기 안료입자들에 의한 빛의 반사에 따라 소정의 화상을 표시하게 된다. 한편, 상기 안료입자들의 극성을 바꾸면 반대 극성을 띠는 전극 쪽으로 이동하게 되며, 또 다른 화상을 표시하게 된다.
도 2는 종래의 전기영동표시장치의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2를 참조하여, 전압의 인가에 따른 전기영동표시장치의 구동방법을 구체적으로 살펴본다..
도면은 전기영동막의 마이크로 캡슐(22)에 포함되어 있는 블랙 입자(26)는 부(-)로 대전되고, 화이트 입자(25)는 정(+)으로 대전된 경우를 나타낸 것이다.
물론, 이와 반대로 정(+)으로 대전된 블랙 입자와 부(-)로 대전된 화이트 입자를 사용하여도 무관하다.
도면의 좌측에 도시된 바와 같이 화소전극(32)에 정(+) 전압을 인가하면, 블 랙 입자(-)(26)들이 하강하고 화이트 입자(+)(25)들이 상승하여 상부기판(10) 측에 화이트(W)(25)가 관찰되고, 도면의 우측에 도시된 바와 같이, 화소전극(32)에 부(-) 전압을 인가하면, 화이트 입자(+)(25)들이 하강하고 블랙 입자(-)(26)들이 상승하여 상부기판(10) 측에서 블랙(B)이 관찰된다.
그리고, 화소전극에 소정의 전압을 인가하여 블랙 입자 및 화이트 입자의 분포를 적절히 조절하면 상부기판 측에서 그레이 색상(G)이 관찰된다. 이러한 구동 방법을 기본으로, 복수개의 화소 각각에 이미지 데이터에 따라 부(-) 전압 또는 정(+) 전압을 인가한다.
이때, 복수개의 화소 각각에 박막트랜지스터를 구비하여 능동적으로 화소전극에 인가되는 전압치를 조절할 수 있다. 따라서, 인가 전압의 극성을 각 화소마다 제어함으로써, 다양한 화상을 표시할 수 있다.
그러나, 종래 기술에 의한 전기 영동 표시 장치는 다음과 같은 문제점이 있었다.
종래의 전기 영동 장치는 반사형 모드로서 전기 영동막의 안료입자의 반사에 의해 화상이 표시되므로, 흑, 백을 표시하는 데는 큰 문제가 없으나 컬러(color) 표시를 위해 RGB 컬러 필터(color filter)를 상부 또는 하부 기판에 형성하는 경우 컬러 필터로 인하여 약 1/3 정도 반사율 저하가 되는 문제가 있다.
본 발명은 광학부재를 이용하여 빛을 효율적으로 집광하여 높은 정면 반사 특성 및 콘트라스트를 제공하는 반사율을 향상시킨 전기영동표시장치를 제공하는데 목적이 있다.
본발명은 서로 교차하는 게이트 배선 및 데이터 배선에 의해 정의된 각 화소에 박막트랜지스터와 화소전극이 형성되는 하부기판; 상기 하부기판에 대향접착되며, 내면에 입사되는 빛의 전반사를 유도하는 광학부재가 형성되는 상부기판; 및 상기 하부기판과 상부기판 사이에 개재되고, 서로 다른 전압에 이끌리도록 극성화된 흑색안료와 백색안료가 캡슐화되어 있는 전기영동막을 포함하며, 상기 전기영동막의 표면은 상기 상부기판의 내면에 형성된 광학부재의 형상으로 전사되어 있는 것을 특징으로 하는 전기영동표시장치를 제공한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 반사율을 향상시킨 전기영동표시장치의 실시예를 설명한다.
이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.
그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 전기영동표시장치의 상부기판과 전기영동막이 분리된 상태를 나타낸 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 전기영동표시장치의 상부기판이 부착된 상태를 나타낸 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전기영동표시장치는 서로 수직교차하는 게이트 배선 및 데이터 배선에 의해 정의된 각 화소에 박막트랜지스터(미도시), 화소전극(132)이 형성되는 하부기판(130)과, 상기 화소전극(132)의 상부에 적층되며 내부에 서로 다른 전압에 이끌리도록 극성화된 흑색안료와 백색안료가 캡슐화되어 있는 전기영동막(120)과, 상기 전기영동막(120)의 표면에 부착되는 상부기판(110)을 포함한다.
본 발명에 따른 전기영동표시장치는 상부기판(110)의 내면에 빛의 전반사를 유도하는 광학부재(115)를 형성하는 것을 특징으로 한다. 상부기판(110)은 기판에 광학부재(115)가 형성된 별도의 광학시트를 적층하여 형성하거나, 기판의 표면에 광학부재(115)를 일체로 형성할 수 있다.
도시된 실시예는 상부기판(110)의 내면에 광학부재(115)가 형성되고, 상기 광학부재(115)의 표면에 투명전극(112)이 형성된 형태를 도시하고 있으나, 하부기판에만 전극이 형성되는 타입인 경우에는 상기 투명전극(112)은 불필요하게 된다.
도 4를 참조하면, 내면에 광학부재(115)가 형성된 상부기판(110)을 전기영동막(120)의 표면에 접착하게 되면, 전기영동막(120)의 표면 형상이 광학부재의 형상에 대응하여 변형된다. 즉 광학부재의 형상이 전기영동막의 표면에 전사되는 것이다.
이렇게 전기영동막의 표면 형상에 변화를 주게 되면 입사되는 빛의 전반사를 유도할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 전기영동표시장치의 광학특성을 설명하기 위한 개념도이다.
본 발명에 따른 전기영동표시장치의 구동방법을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 블랙 입자(127)는 부(-)로 대전되고, 화이트 입자(125)는 정(+)으로 대전된 것으로 한다. 물론, 이와 반대로 정(+)으로 대전된 블랙 입자와 부(+)로 대전된 화이트 입자를 사용하여도 무관하다.
도면의 좌측에 도시된 바와 같이, 화소전극(132)에 정(+) 전압을 인가하면, 블랙 입자(-)(127)들이 하강하고 화이트 입자(+)(125)들이 상승하여 상부기판(110) 측에 화이트(W)가 관찰된다. 이 때, 상부기판(110)의 내면에 형성된 광학부재(115)에 입사되는 광의 일부는 광학부재(115) 내부의 전반사 효과에 의해 입사된 면으로 다시 반사되게 되고, 이러한 특성으로 인해 향상된 반사 특성을 얻을 수 있다. 따라서, 화이트(W) 상태의 휘도가 향상된다.
반면에 도면의 우측에 도시된 바와 같이 화소전극(132)에 부(-)전압을 인가하면, 화이트 입자(+)(125)들이 하강하고 블랙 입자(-)(127)들이 상승하여 상부기판(110) 측에서 블랙(B)이 관찰된다. 이 때, 블랙 입자(127)는 상부기판(110)의 광학부재(115)에 밀착되어 외부에서 입사되는 광을 흡수하므로 화이트 상태에서 나타내었던 전반사 효과는 나타나지 않으므로, 블랙(B) 상태의 휘도는 종래와 동일하게 된다.
따라서, 화이트(W) 상태의 휘도는 향상되고 블랙(B) 상태의 휘도는 유지되므로, 콘트라스트가 향상되는 것이다.
전기영동표시장치는 배경기술에서 설명한 바와 같이, 별도의 광원을 구비하는 것이 아니라 외부의 빛을 반사 또는 흡수하여 흑,백을 표시하게 되는 것인데, 본 발명은 전반사 특성을 가지는 광학부재를 상부기판의 내면에 형성하여 콘트라스트를 향상시킬 수 있다.
광학부재(150)는 입사되는 빛을 전반사시켜 다시 되돌릴 수 있는 광학적 형상을 가진다. 예를 들면 마이크로 렌즈 어레이(Micro Lens Array)나 렌티큘러 렌즈(Lenticular lens)가 사용될 수 있다.
마이크로 렌즈 어레이는 각각의 화소단위에 정렬 되도록 형성되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 화소 1개에 마이크로 렌즈 1개가 대응되도록 형성하거나, 화소 1개에 마이크로 렌즈 4개가 정렬되도록 형성할 수 있다.
렌티큘러 렌즈의 경우에는 렌즈의 폭이 화소의 폭에 대응하도록 형성하거나, 렌티큘러 렌즈 2개가 하나의 화소의 폭에 대응하도록 형성할 수 있다.
마이크로 렌즈나 렌티큘러 렌즈 모두 단면 형상은 반원형상으로 동일한데, 전반사의 반사율을 높이기 위해서는 높이(H)와 반지름(R)의 비(H/R)가 0.2~1 범위이 것이 바람직하다. 높이와 반지름 비가 0.2 이하이거나, 1 이상이면 전반사율이 낮아서 광학부재에 의한 집광효과가 작아진다.
또한, 마이크로 렌즈 어레이를 구성하는 개별 마이크로 렌즈의 반지름(R)은 10~500㎛ 범위인 것이 바람직하다. 10㎛ 이하는 제조가 곤란하고, 500㎛ 이상인 경우에는 마이크로 렌즈의 형상이 시인될 수 있는 문제점이 있다.
마이크로 렌즈 어레이의 Fill Factor는 30~100% 인 것이 바람직하다. 30% 이하인 경우에는 휘도 상승의 효과가 저하된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1~3은 상부기판에 광학부재로 마이크로 렌즈가 반지름 : 100um, fill factor : 78.5% (직각 정렬 구조 적용) 로 형성되되, 높이와 반지름의 비(H/R)가 각각 1(실시예 1), 0.8(실시예 2), 0.6(실시예3)으로 형성된 전기영동표시장치이고,
비교예는 상부기판에 광학부재가 형성되지 않은 점을 제외하고는 실시예와 동일한 조건을 가진다.
도 6은 비교예의 전기영동표시장치의 반사특성을 측정한 결과이며, 도 7은 실시예 1의 따른 전기영동표시장치의 반사특성을 측정한 결과이고, 도 8은 비교예와 실시예들의 반사특성을 비교한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 가로축은 표시장치의 수직방향에 대한 각도이며, 세로축은 반사율을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 0°(수직방향) ~ 40° 사이에서는 본원발명의 실시예 1~3이 종래의 전기영동표시장치(비교예)보다 높은 반사특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
상기의 각도 범위는 실질적으로 사용자가 표시장치를 보게 될 때의 각도범위이고, 특히 20°~40° 사이에서 반사율이 20% 가까이 상승하게 되는 유용한 효과를 가져온다. 30° 부근에서는 비교예가 40% 수준의 반사율을 보이는 것에 반해 실시예는 60% 수준의 반사율을 나타내므로, 실시예가 비교예보다 1.5배 높은 반사율을 나타내고 있다. 이정도의 반사율 향상은 컬러필터 채용시의 휘도 감소율을 보상할 수 있는 수준으로 의미있는 수치라고 하겠다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 종래의 전기영동표시장치의 구조를 나타낸 단면도,
도 2는 종래의 전기영동표시장치의 동작을 설명하기 위한 개념도,
도 3은 본 발명에 따른 전기영동표시장치의 상부기판과 전기영동막이 분리된 상태를 나타낸 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 전기영동표시장치의 상부기판이 부착된 상태를 나타낸 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 전기영동표시장치의 광학특성을 설명하기 위한 개념도,
도 6은 비교예의 전기영동표시장치의 반사특성을 측정한 결과,
도 7은 실시예 1의 전기영동표시장치의 반사특성을 측정한 결과,
도 8은 비교예와 실시예의 반사특성을 비교한 그래프임.

Claims (12)

  1. 서로 교차하는 게이트 배선 및 데이터 배선에 의해 정의된 각 화소에 박막트랜지스터와 화소전극이 형성되는 하부기판;
    상기 하부기판에 대향접착되며, 내면에 입사되는 빛의 전반사를 유도하는 광학부재가 형성되어 있는 상부기판; 및
    상기 하부기판과 상부기판 사이에 개재되고, 서로 다른 전압에 이끌리도록 극성화된 흑색안료와 백색안료가 캡슐화되어 있는 전기영동막을 포함하며,
    상기 전기영동막의 표면은 상기 상부기판의 내면에 형성된 광학부재의 형상으로 전사되어 있고,
    상기 상부기판은 기판에 광학부재가 형성된 별도의 광학시트를 적층하여 형성되는 것을 특징으로 하는 전기영동표시장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학부재는 마이크로 렌즈 어레이인 것을 특징으로 하는 전기영동표시장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학부재가 형성된 상부기판의 내면에 투명전극이 형성되는 것을 특징으로 하는 전기영동표시장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 어레이의 높이(H)와 반지름(R)의 비(H/R)는 0.2~1 범위인 것을 특징으로 하는 전기영동표시장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 어레이는 각각의 화소와 정렬되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전기영동표시장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 화소 1개당 마이크로 렌즈 1개 또는 4개가 정렬되는 것을 특징으로 하는 전기영동표시장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학부재는 렌티큘러 렌즈인 것을 특징으로 하는 전기영동표시장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 렌티큘러 렌즈의 높이와 반지름의 비는 0.2~1 범위인 것을 특징으로 하는 전기영동표시장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 렌티큘러 렌즈는 각각의 화소와 정렬되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전기영동표시장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 화소 1개당 렌티큘러 렌즈 1개 또는 2개가 정렬되는 것을 특징으로 하는 전기영동표시장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부기판은 기판과 표면에 광학부재가 형성된 광학시트가 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 전기영동표시장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부기판은 표면에 광학부재가 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 전기영동표시장치.
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