KR101293444B1 - 전기습윤 효과를 기초로 한 디스플레이 디바이스 - Google Patents

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Abstract

적어도 두 개의 상이한 상태를 갖는 층 해체 또는 층 변위를 기초로 하는 반사형 디스플레이 디바이스에서, 하나의 유체(5), 예컨대 오일이 제1 상태에서 적어도 제1 지지 플레이트(3)와 접하고 제2 상태에서 나머지 유체(6)가 제1 지지 플레이트와 부분적으로 인접하며, 화소가 충분한 광학 세기를 제공하기 위해, 오일(보통은 탄화수소이나 가능하게는 실리콘 또는 탄화플루오르)에 추가된 친수성 표면 염료(또는 때때로 색소)를 갖는 영역(13)에 의해 분리된다.

Description

전기습윤 효과를 기초로 한 디스플레이 디바이스 {DISPLAY DEVICE BASED ON ELECTROWETTING EFFECT}
본 발명은 제1 투명 지지 플레이트와 제2 지지 플레이트 사이의 공간 내에서 서로 섞이지 않는 적어도 하나의 제1 유체와 제2 유체를 포함하는 광학 스위치에 대한 것으로서, 제2 유체는 전기전도성 또는 극성이다.
특히, 본 발명은 제1 투명 지지 플레이트와 제2 지지 플레이트 사이의 공간 내에서 서로 섞이지 않는 적어도 하나의 제1 유체와 제2 유체를 포함하는 화소(픽셀)를 포함하는 디스플레이 디바이스에 대한 것으로서, 제2 유체는 전기전도성 또는 극성이다.
광학 스위치는 셔터 애플리케이션, 격벽(diaphrams)에 사용될 수 있으나 또한 예컨대 디스플레이 애플리케이션 내의 스위치가능한 컬러 필터에도 사용될 수 있다. 유체가 (컬러) 오일이고 제2 유체가 물인 경우(접속면의 텐션으로 인해), 물층과 오일층을 포함하는 두 개의-층 시스템이 제공된다. 그러나 전압이 물과, 제1 지지 플레이트 상의 전극 사이에 가해지는 경우, 오일층은 정전기력으로 인해 옆으로 이동하거나 해체된다. 이제 물의 일부가 오일층에 침투하기 때문에, 화소가 부분적으로 투명해진다.
이러한 원리를 기초로 하는 디스플레이 디바이스는 PCT-출원(PCT/IB/03/00196)(PH-NL02.0129)에 개시되어 있다.
반사형 디스플레이에 사용될 때 화소의 광학 성능은 비-반사 상태(오프 상태)에서 컬러 필터의 광학 세기에 의존하며, 염료(또는 때로는 색소)가 오일(보통은 탄화수소이나 또한 가능하게는 실리콘 또는 탄화플루오르)에 추가되어 충분한 광학 세기를 제공한다. 전기습윤 디스플레이 원리를 사용하는 경우, 반사 상태(온 상태)에서의 브라이트니스는 잔류 오일에 의해 점유되는 영역 일부와 (하부) 기판의 산란 특성에 의존한다. 이는 가능한한 적은 오일의 사용이 높은 브라이트니스를 제공할 것이라는 것을 의미한다. 그러나 콘트라스트 또한 비-반사 상태에서 컬러막의 광학 세기의 균질성 및 세기에 의존해서, 높은 콘트라스트를 위해 더 두꺼운 오일층이 바람직하다.
위에서 언급된 요건을 적어도 부분적으로 극복하는 것이 본 발명의 목적의 하나이다.
이를 위해, 본 발명에 따른 광학 디바이스는 염료를 포함하는 오일을 포함하는데, 염료의 농도는 최대 1M(mol/L)이다. 위에서 언급된 요건 사이에서 양호한 절충을 발견하기 위해 이러한 오일이 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다. 적절한 오일은 예컨대, 비-극성 염료로 컬러화된 알칸 계열 오일로서, 예컨대, 오일 청색 N(알킬아민 대용 안트라퀴논), 솔벤트 녹색, 수단 적색 및 수단 흑색이다. 염료의 농도는 양호한 컬러 품질을 얻기 위해 0.01M을 초과해야한다.
솔루션을 독립적으로 특징화하기 위해, 성능지수(FoM; Figure of Merit)이 (FoM = ε.C)로서 정의되는데, 여기서 ε는 염료의 감광(extinction) 계수이고, C는 제1 유체 내에서 용해된 염료의 농도이다. 바람직하게는, 제1 유체의 10㎛의 층두께를 위해, 디바이스는 적어도 100cm-1의 FoM(FoM = ε.C)을 가지며, 더 바람직하게는 적어도 500cm-1 그리고 가장 바람직하게는 적어도 1000cm-1의 FoM을 갖는다.
본 발명의 이들 및 다른 측면이 이후에 설명되는 실시예로부터 명백할 것이며 이 실시예를 참조해서 명료해질 것이다.
본 발명에 의해서, 발명의 배경이 되는 기술에서 나타난 문제점을 적어도 부분적으로 극복하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 디스플레이 디바이스가 기초로 하는 원리를 나타내기 위해, 디스플레이 디바이스의 일부의 개략적인 단면을 도시하는 도면.
도 2는 이러한 디스플레이 디바이스의 일부의 추가적인 개략적인 단면을 도시하는 도면.
도 3은 일정 광학 활동 기준(흡수도, 또는 광학 밀도, A=1)을 충족시키기 위해 필요한, FoM(FoM = ε.C)과 오일막 두께(l) 사이의 관계를 도시하는 도면.
도면은 개략적이며 축척에 맞게 작도되지 않았다. 대응하는 요소는 일반적으로 동일한 참조 번호로 나타난다.
도 1은 본 발명에 따른 디스플레이 디바이스가 기초로 하는 원리를 도시하는 디스플레이 디바이스(1)의 일부의 개략적인 단면도를 도시한다. 두 개의 투명 기판 또는 지지 플레이트(3, 4) 사이에, 제1 유체(5)와 제2 유체(6)가 제공되는데, 이들은 서로 섞이지 않는다. 제1 유체(5)는 예컨대, 헥사데칸같은 알칸 또는 본 예에서 컬러 오일이다. 제2 유체(6)는 전기전도성 또는 극성, 예컨대 물 또는 염 용액(예컨대, 물과 에틸 알콜의 혼합물 내의 KCl 용액)이다.
제1 상태에서, 어떠한 외부 전압도 인가되지 않을때(도 1(a), 오프 상태), 유체(5, 6)는 예컨대 유리 또는 플라스틱의 제1 및 제2 투명 지지 플레이트(3, 4)에 인접한다. 제1 지지 플레이트(3) 상에, 투명 전극(7), 예컨대 인듐(주석) 산화물이 제공되고 중간의 더 적은 습윤성 (소수성) 층(8), 본 예에서 비정질 불소중합체(AF1600)가 제공된다.
전압이 상호연결(20, 21)을 통해 인가될 때(전압원(9)), 층(5)은 옆으로 이동하거나 작은 방울(droplet)로 해체한다(도 1(b), 온 상태). 이는 정전기적 에너지 이득이 굽은 표면의 생성으로 인한 표면 에너지 손실보다 더 클때 발생한다. 매우 중요한 측면으로서, 지지 플레이트(3)를 커버하는 연속막(5)과 벽(2)에 인접하는 막 사이에서의 가역 전환이 전기적 전환 수단(전압원(9))에 의해 달성된다는 것이 발견되었다.
도 2는 본 발명에 따른 디스플레이 디바이스의 실시예를 도시하는데, 분리된 화소 사이의 벽이 간략함을 위해 더 큰 부분에 대해 생략되었다. 본 실시예에서, 픽셀벽(13)은 전체 픽셀 두께에 걸쳐 확장하지 않는다. 이러한 벽은 오프셋 인쇄 또는 종래기술에서 알려진 다른 인쇄 기법에 의해 획득될 수 있다. 오일막(5)은 매우 안정적인데, 이는 픽셀 크기가 감소함에 따라 훨씬 더 향상된다는 것이 명백하다. 따라서 전환하는 동안 오일은 각 영역 내에 갇힌 채로 있는다. 나머지 참조 번호는 도 1에서의 번호와 동일한 의미를 갖는다.
디스플레이는 도 1에 도시된 바와 같이 반사판(10)을 추가함으로써 반사형으로 만들어진다. 디스플레이 픽셀의 광학 성능은 본질적으로 오프 상태에서의 컬러막의 광학 세기 뿐만 아니라 전환시에 반사판(10)의 반사도 및 노출 부분에 의존한다. 충분한 광학 세기를 제공하기 위해, 염료(또는 때때로 색소)가 오일(보통은 탄화수소이나 또한 가능하게는 실리콘 또는 탄화플루오르)에 추가된다.
그러나, 디스플레이 픽셀의 콘트라스트(CR) 또한 오프 상태에서의 픽셀의 세기 및 균질성에 의존하며 다음과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 1]
CR = (R백색/R흑색).(1-커버리지)
여기서, "R백색" 및 "R흑색"은 온 상태 및 오프 상태 각각에서 픽셀의 커버되지 않은 영역의 반사도이고, "커버리지"는 '온 상태'에서 오일에 의해 점유되는 영역이다. 약 25%의 오일 잔류에 대해, 다음의 콘트라스트 값이 이후 백색 및 흑색 반사도의 함수로서 획득될 수 있다.
Figure 112012047696324-pat00001
표 1에서 T막은 흡수층(막)을 통한 단일 통과 동안에 투과된 광의 퍼센티지에 대응한다. 약 10의 콘트라스트 비가 종이-같은 광학 특성에 필요하다. 반사된 광이 컬러 오일막을 통해 두 번 통과해야 하기 때문에, 흑색 반사도(R흑색)는 T막 = 10%(흡수도 A=1)을 갖는 흡수층(막)에 대해 상당히 낮다. 콘트라스트가 어두운 상태의 반사도에 가장 강하게 의존하고 백색 반사도 및 잔류 오일 커버리지에 훨씬 덜 의존한다는 것이 또한 명백하다.
도 3은 일정한 광학 활동 기준(흡수도, 또는 광학 밀도, A=1)을 충족시키기 위해 필요한 FoM(FoM= ε.C)과 오일막 두께(l) 사이의 관계를 도시한다.
픽셀의 광학 활동을 증가시키는 경우, '오프-상태'가 높은 감광 계수(ε)를 높은 오일 용해도와 결합하는 염료를 사용해서 행해질 수 있다. 염료 흡수도(A)는 흔히 비어-램버트 법칙:
[수학식 2]
A = log10(I0/I) = ε.C.l
을 사용하는 농도와 관련되는데, I0는 입사 세기이고, I는 투과 세기이며, C는 농도이고, l은 광학 경로 길이이다. 따라서, 농도가 몰 단위, 즉 리터당 몰(mol/L) 및 길이(cm)로 표현될 때, ε은 M-1cm-1의 단위를 갖는다.
컬러 오일의 세기에 대해, 1의 흡수도(10% 투과율)이 양호한 예로서 선택된다. 이는 디스플레이에 입사하는 광이 시청자에게 도달하기 전에 오일막을 통해 두 번 통과해야 하기 때문에, 시각적으로 모든 광(즉, 99%)이 착색제(원색을 기초로 하는 디스플레이의 경우에는 적색, 녹색, 또는 청색을 생성하고, 반사 컬러로서 감산 컬러를 사용하는 디스플레이의 경우에는 자홍색, 청록색 또는 황색을 생성함)의 특정 흡수 범위에 흡수된다는 것을 의미한다. 소정의 오일막 두께(10㎛) 및 이에 따른 경로 길이에 대해, 다음의 FoM이 광학 세기를 정의하기 위해 본 특허 출원에서 사용된다:
[수학식 3]
FoM = ε.C [cm-1]
여기서, ε은 고유한 염료의 감광 계수이고, C는 M(mol/L)의 오일 상태 내의 용해된 염료의 농도이다.
예컨대, 0.01M의 염료 농도 및 104 - 105의 감광 계수를 갖는 염료로 달성될 수 있는 1의 막 흡수도(10㎛의 막두께에서 90%의 흡수도)를 이용해서, FoM이 100cm-1 와 1000cm-1 사이에서 획득된다.
데칸과 같은 알칸 내의 예컨대 파워 오일 블루 N(알킬아민 대용 안트라퀴논)의 양호한 솔루션을 획득하기 위해, 다음의 비법이 용해도를 증가시키기 위해 사용된다. 분산 또는 부분(partial) 용액이 우선 소리 전해조(sonic bath)에 투입된 후 저으면서 가열 플레이트에 투입되고 이후에는 실내 온도로 냉각되며 예컨대 0.2㎛로 필터링되어 용해되지 않은 염료를 제거한다. 이러한 방식으로 약 225의 FoM이 획득된다.
대안적인 방법은 비-극성 액체 염료 예컨대, 수단 적색 500, 수단 청색 673 및 수단 황색 172(BASF에 의해 공급됨)의 사용을 수반한다. 이 경우에, 염료는 7500cm-1, 15000cm-1 및 30000cm-1의 FoM 각각으로 농도가 훨씬 더 높을 수 있으며 이 염료의 형성은 선택된 알칸에서 원하는 FoM으로의 희석 단계, 및 휘발성 오염물질 및 미립 잔류물을 제거하기 위한 정제 단계로 구성될 수 있다. 이러한 방식으로 컬러 오일용액이 2 미크론보다 더 작은 막두께로 10% 투과 기준을 충족시키기 위해 충분히 농축된다.
본 원리에 대한 다양한 변형예가 가능하다. 반사형 디바이스가 개시되었으나, 본 발명은 또한 투과형 디스플레이 디바이스에도 적용 가능하다.
본 발명은 각각의 그리고 모든 신규한 특징적인 특징 및 각각의 그리고 모든 특징적인 특징의 조합에 존재한다. 청구항 내의 참조 번호는 보호 범위를 제한하지 않는다. 동사 "포함하기 위해" 및 이의 활용어의 사용은 청구항에 기술된 요소 이외의 요소의 존재를 배제하지 않는다. 단수 요소의 사용은 복수의 이러한 요소의 존재를 배제하지 않는다.
본 발명은 제1 투명 지지 플레이트와 제2 지지 플레이트 사이의 공간 내에서 서로 섞이지 않는 적어도 하나의 제1 유체와 제2 유체를 포함하는 광학 스위치에 이용 가능하다.

Claims (7)

  1. 유체를 포함하는 전기습윤 소자에 있어서, 상기 유체는 안트라퀴논(anthraquinone) 염료를 포함하는, 유체를 포함하는 전기습윤 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 안트라퀴논 염료는 알킬아민 대용 안트라퀴논(alkylamine substituted anthraquinone)을 포함하는, 유체를 포함하는 전기습윤 소자.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 알킬아민 대용 안트라퀴논은 오일 블루 N(Oil Blue N)을 포함하는, 유체를 포함하는 전기습윤 소자.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 알킬아민 대용 안트라퀴논은 솔벤트 그린(Solvent Green)을 포함하는, 유체를 포함하는 전기습윤 소자.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체는 오일을 포함하는, 유체를 포함하는 전기습윤 소자.
  6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체는 알칸(alkane)을 포함하는, 유체를 포함하는 전기습윤 소자.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 알칸은 헥사데칸(hexadecane) 또는 데칸(decane)을 포함하는, 유체를 포함하는 전기습윤 소자.
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