KR101620525B1 - 멤스를 이용한 표시 장치 및 그 구동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 멤스를 이용한 표시 장치 및 그 구동 방법에 관한 것이다. 본 발명의 한 실시예에 따른 멤스를 이용한 표시 장치는 표시판, 그리고 상기 표시판에 빛을 공급하는 백라이트부를 포함하고, 상기 표시판은 온 상태, 세미 온 상태, 그리고 오프 상태를 포함하는 적어도 세 개의 상태를 가지는 멤스 소자를 포함한다.
MEMS, 3진수, 구동, 셔터, 개구부, 제어 전극, 구동 마진

Description

멤스를 이용한 표시 장치 및 그 구동 방법{DISPLAY DEVICE USING MEMS AND DRIVING METHOD THEREOF}
본 발명은 멤스(micro electromechanical system, MEMS)를 이용한 표시 장치 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
차세대 표시 장치로서 각종 평판 표시 장치(flat panel display)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 평판 표시 장치는 화면의 크기에 비해 두께가 얇은 표시 장치를 말하며, 최근에는 멤스(micro electromechanical system, MEMS)를 이용하여 화소(pixel)마다 미세한 광 변조기를 형성하는 표시 장치가 연구되고 있다. 멤스는 수 나노(nanometer)에서 수 밀리미터(millimeter) 수준의 극초 미세 가공 기술 및 그 전자기기 시스템을 일컫는다. 이러한 멤스를 이용한 표시 장치는 액정 표시 장치 등에 비하여 높은 광효율을 가져 각광받고 있다.
그러나 멤스를 이용한 표시 장치는 반사를 하거나 안 하거나, 셔터를 닫거나 열거나 등의 온-오프(on-off) 특성만을 가지고 있어 계조 및 색을 표현하기 위해서는 멤스 소자를 짧은 시간에 여러 번 구동해야 하므로 구동 마진이 적어진다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 멤스를 이용한 표시 장치에서 구동 마진을 증가시키고 소비 전력을 감소시키는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 멤스를 이용한 표시 장치는 표시판, 그리고 상기 표시판에 빛을 공급하는 백라이트부를 포함하고, 상기 표시판은 온 상태, 세미 온 상태, 그리고 오프 상태를 포함하는 적어도 세 개의 상태를 가지는 멤스 소자를 포함한다.
상기 멤스 소자는 개구부가 형성될 수 있는 개구판, 상기 개구부의 적어도 일부를 가릴 수 있는 셔터, 그리고 상기 셔터의 위치를 제어하는 제어 전극을 포함할 수 있다.
상기 멤스 소자가 상기 세미 온 상태일 때 상기 셔터는 상기 개구부의 일부를 가릴 수 있다.
상기 멤스 소자가 상기 세미 온 상태일 때 상기 셔터는 상기 개구부의 일부를 가리는 기준 위치로의 복원력을 가질 수 있다.
상기 멤스 소자가 상기 온 상태일 때 상기 셔터는 상기 개구부를 완전히 열 수 있다.
상기 멤스 소자가 상기 오프 상태일 때 상기 셔터는 상기 개구부를 완전히 가릴 수 있다.
상기 제어 전극은 상기 셔터가 상기 개구부를 가리도록 제어하는 제1 제어 전극, 그리고 상기 개구부가 열리도록 상기 셔터를 제어하는 제2 제어 전극을 포함할 수 있다.
상기 멤스 소자가 상기 세미 온 상태일 때 상기 제1 제어 전극, 상기 제2 제어 전극, 그리고 상기 셔터는 제1전압을 공통으로 인가 받을 수 있다.
상기 제1전압은 공통 전압(Vcom)일 수 있다.
상기 멤스 소자가 상기 온 상태일 때 상기 제1 제어 전극과 상기 셔터는 제1전압을 공통으로 인가 받고, 상기 제2 제어 전극은 상기 제1전압과 다른 제2전압을 인가 받을 수 있다.
상기 멤스 소자가 상기 오프 상태일 때 상기 제2 제어 전극과 상기 셔터는 제1전압을 공통으로 인가 받고, 상기 제1 제어 전극은 상기 제1전압과 다른 제2전압을 인가 받을 수 있다.
상기 멤스 소자를 사이에 두고 마주하는 하부 기판 및 상부 기판을 더 포함하고, 상기 셔터는 상기 하부 기판 또는 상기 상부 기판의 면에 평행하게 움직이며, 상기 제1 제어 전극 및 상기 제2 제어 전극은 하부 기판 위에 위치할 수 있으며 상기 셔터를 사이에 두고 마주할 수 있다.
상기 멤스 소자를 사이에 두고 마주하는 하부 기판 및 상부 기판을 더 포함하고, 상기 제1 제어 전극은 연장 방향이 상기 하부 기판의 면에 평행하도록 배치되고, 상기 제2 제어 전극은 연장 방향이 상기 하부 기판의 면에 수직하도록 배치되고, 상기 셔터는 상기 제1 제어 전극과 상기 제2 제어 전극 사이를 스윙하며 움직일 수 있다.
상기 백라이트부는 시간에 따라 번갈아 서로 다른 기본색을 표시할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 멤스를 이용한 표시 장치의 구동 방법은 표시판, 그리고 상기 표시판에 빛을 공급하는 백라이트부를 포함하고, 상기 표시판은 복수의 화소를 포함하며, 각 화소는 온 상태, 세미 온 상태, 그리고 오프 상태를 포함하는 적어도 세 개의 상태를 가지는 멤스 소자를 포함하는 멤스를 이용한 표시 장치의 구동 방법으로서, n(≥3)진법으로 표현된 영상 신호를 입력 받는 단계, 상기 영상 신호의 각 자리(digit)의 숫자{=0, 1, …, (n-1)}에 해당하는 데이터 신호를 상기 복수의 화소에 인가하는 단계, 그리고 상기 멤스 소자는 상기 각 자리(digit)의 숫자에 대응하는 상태를 가지도록 동작하는 단계를 포함한다.
상기 백라이트부가 빛을 공급하여 상기 표시판이 영상을 표시하는 발광 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 발광 단계의 지속 시간은 상기 영상 신호의 각 자리(digit)의 자리 값(digit value)에 비례할 수 있다.
상기 영상 신호는 기본색마다 별개로 마련될 수 있고, 복수의 기본색에 각각 해당하는 영상 신호는 시간에 따라 번갈아 표시될 수 있다.
각 화소는 상기 복수의 기본색을 각각 표시하는 복수의 부화소를 포함할 수 있다.
상기 멤스 소자는 개구부가 형성될 수 있는 가지는 개구판, 상기 개구부의 적어도 일부를 가릴 수 있는 셔터, 그리고 상기 셔터의 위치를 제어하는 제어 전극을 포함할 수 있다.
상기 제어 전극에 데이터 전압을 전달하는 데이터선을 더 포함할 수 있고, 상기 데이터 전압은 제1전압 및 상기 제1전압과 다른 제2전압을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 세 가지 상태를 가지는 멤스 구조 및 구동 방법을 이용하여 표시 장치의 구동 마진을 향상하고 동시에 소비 전력을 감소시킬 수 있다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
먼저, 도 1, 도 2, 도 3 및 도 4를 참고하여 본 발명의 한 실시예에 따른 멤스를 이용한 표시 장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1, 도 2, 도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 한 실시예에 따른 멤스를 이용한 표시 장치의 단면도로서 멤스 소자의 세 가지 상태를 보여주는 도면이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 멤스를 이용한 표시 장치는 서로 마주하는 하부 기판(lower substrate)(110)과 상부 기판(upper substrate)(210), 그리고 두 기판(110, 210) 사이에 형성된 멤스 소자(MEMS element)(또는 멤스)를 포함하는 표시판(display panel)(300), 그리고 표시판(300)에 빛을 공급하는 백라이트부(backlight unit)(340)를 포함한다.
하부 기판(110) 및 상부 기판(210)은 투명한 유리 또는 플라스틱 따위의 투명한 절연 물질로 만들어질 수 있다.
멤스 소자는 개구판(aperture plate)(220), 셔터(shutter)(230), 제1 제어 전극(first control electrode)(170a) 및 제2 제어 전극(second control electrode)(170b)을 포함한다.
개구판(220)은 상부 기판(210) 위에 빛을 투과시키지 않는 물질로 형성되어 있으며 빛을 투과시킬 수 있는 복수의 개구부(opening)(225)를 가진다. 개구부(225)는 일정 간격을 두고 배치되어 있다.
제1 제어 전극(170a) 및 제2 제어 전극(170b)은 하부 기판(110) 위에 형성될 수 있다. 하나의 제1 제어 전극(170a) 및 하나의 제2 제어 전극(170b)은 짝을 이루어 일정 간격을 두고 배치되어 있으며 그 일정 간격은 개구부의 피치(pitch)와 실질적으로 동일하다. 또한 제1 제어 전극(170a) 및 제2 제어 전극(170b)은 개구판(220)의 개구부(225)의 경계 바깥에 위치하는데, 제1 제어 전극(170a)이 개구부(225)의 경계 바로 바깥쪽에 위치하고 제2 제어 전극(170b)이 제1 제어 전극(170a)의 옆에 위치한다. 제1 제어 전극(170a) 및 제2 제어 전극(170b)은 공통 전압(Vcom) 또는 정해진 전압을 인가 받을 수 있다.
셔터(230)는 개구판(220)의 개구부(225)를 가릴 수 있는 모양 및 면적을 가지며 빛을 투과시키지 않는 물질로 만들어질 수 있다. 셔터(230)는 제1 제어 전극(170a) 및 제2 제어 전극(170b) 사이에 위치하며 대응하는 개구부(225)의 일부를 가릴 수 있는 기준 위치로의 복원력을 갖는다. 셔터(230)는 이러한 기준 위치를 기점으로 기판(110, 210)에 평행한 방향, 즉 좌우로 이동할 수 있으며, 셔터(230)가 기준 위치에 있을 때에는 개구판(220)의 개구부(225)를 일부, 더 바람직하게는 반 정도 가릴 수 있다. 이 때 셔터(230)를 기준으로 개구부(225)에 가까운 쪽에 제1 제어 전극(170a)이 위치하고 그 반대쪽에 제2 제어 전극(170b)이 위치한다.
셔터(230)는 셔터(230)를 하부 기판(110) 상에 부유할 수 있도록 지지하고 셔터(230)가 기준 위치에서 좌우 방향으로 이동할 수 있게 하는 지지부(도시하지 않음)에 연결되어 있을 수 있다. 지지부는 셔터(230)가 좌우로 움직인 경우 다시 기준 위치로 복원할 수 있게 하는 탄성력을 가질 수 있도록 판 스피링이나 굴절 스프링 등의 형태를 가질 수 있다.
각 셔터(230)는 분리되어 있을 수도 있고, 두 개 이상의 셔터(230)가 서로 연결되어 있을 수도 있다. 셔터(230)는 공통 전압(Vcom)을 인가 받을 수 있다.
백라이트부(340)는 표시판(300) 쪽으로 빛을 공급하는데, 백색의 빛을 공급하거나 두 개 이상의 기본색을 번갈아 공급할 수도 있다. 기본색의 예로는 적색, 녹색, 청색 등 삼원색을 들 수 있다.
하나의 개구부(225)와 이에 대응하는 하나의 셔터(230), 그리고 하나의 셔터(230)의 양쪽에 위치하는 한 쌍의 제1 및 제2 제어 전극(170a, 170b)은 하나의 멤스 소자를 이룬다. 표시판(300)의 한 화소(pixel)는 하나의 멤스 소자를 포함할 수도 있고 복수개의 멤스 소자를 포함할 수도 있다.
그러면, 이러한 멤스 소자의 동작에 대해 설명한다.
먼저 도 1을 참고하면, 셔터(230), 제1 제어 전극(170a) 및 제2 제어 전극(170b)에 공통 전압(Vcom)과 같은 동일한 전압이 인가된다. 그러면 셔터(230)와 제1 제어 전극(170a) 사이, 그리고 셔터(230)와 제2 제어 전극(170b) 사이의 전압 차는 모두 0이기 때문에 셔터(230)는 어느 쪽으로도 움직이지 않고 기준 위치를 유지하여 상부의 개구부(225)를 일부 가린다. 이에 따라 백라이트부(340)로부터의 빛 중 셔터(230)에 의해 가려지지 않은 개구부(225)를 통과하는 빛만 바깥으로 나가 외부에서 시인될 수 있다. 이러한 멤스 소자의 상태를 반 켜짐 상태 또는 세미 온 상태(half-on/half-off state)라 한다. 이 때, 셔터(230)는 대응하는 개구부(225)의 반 정도를 가릴 수 있으나, 표시 장치의 특성에 맞게 기준 위치를 정할 수 있다.
다음 도 2를 참고하면, 셔터(230) 및 제2 제어 전극(170b)에는 공통 전압(Vcom)이 인가되고 제1 제어 전극(170a)에는 공통 전압(Vcom)과 다른 전압이 인가된다. 제1 제어 전극(170a)에 인가되는 전압은 공통 전압(Vcom)을 기준으로 정극성일 수도 있고 부극성일 수도 있다. 그러면 셔터(230)의 전압과 제1 제어 전극(170a)의 전압의 차이에 의해 셔터(230)와 제1 제어 전극(170a) 사이에 인력이 작용하여 셔터(230)는 제1 제어 전극(170a) 쪽으로 움직이게 된다. 따라서 셔터(230)는 대응하는 개구부(225)를 완전히 가리게 되어 백라이트부(340)로부터의 빛은 모두 차단된다. 이러한 상태를 꺼짐 상태 또는 오프 상태(off state)라 한다. 제1 제어 전극(170a)에도 공통 전압(Vcom)이 인가되면 셔터(230)는 다시 기준 위치로 복귀한다.
다음 도 3을 참고하면, 셔터(230) 및 제1 제어 전극(170a)에는 공통 전압(Vcom)이 인가되고 제2 제어 전극(170b)에 공통 전압(Vcom)과 다른 전압이 인가된다. 제2 제어 전극(170b)에 인가되는 전압은 공통 전압(Vcom)을 기준으로 정극 성일 수도 있고 부극성일 수도 있다. 그러면 셔터(230)의 전압과 제2 제어 전극(170b)의 전압의 차이에 의해 셔터(230)와 제2 제어 전극(170b) 사이에 인력이 작용하여 셔터(230)는 제2 제어 전극(170b) 쪽으로 움직이게 된다. 따라서 셔터(230)는 대응하는 개구부(225)가 완전히 열리게 하여 백라이트부(340)로부터의 빛이 완전히 열린 개구부(225)를 통해 바깥으로 나갈 수 있다. 이러한 상태를 켜짐 상태 또는 온 상태(on state)라 한다. 제2 제어 전극(170b)에도 공통 전압(Vcom)이 인가되면 셔터(230)는 다시 기준 위치로 복귀한다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 표시 장치의 멤스 소자는 개구부(225)가 완전히 열려 빛이 최대로 투과될 수 있는 온 상태, 개구부(225)가 일부만 열리는 세미 온 상태, 그리고 개구부(225)가 완전히 닫혀 빛이 투과될 수 없는 오프 상태의 세 가지 상태를 가진다. 따라서 이러한 멤스 소자를 포함하는 표시판(300)의 화소는 한번의 동작으로 세 가지의 계조(gray)를 표현할 수 있다. 즉, 온 상태의 계조를 '2'라 하면 세미 온 상태가 표현하는 계조는 '1', 그리고 오프 상태가 표현하는 계조는 '0'이 된다.
한편 도 4를 참고하면, 셔터(230)가 기준 위치에서 개구부(225)의 절반을 가리는 경우, 멤스 소자가 온 상태 또는 오프 상태로 변화할 때 셔터(230)는 개구부(225)의 너비(d)의 절반(d/2)만 움직이면 된다. 따라서 온 상태와 오프 상태의 두 가지 상태만을 갖는 멤스 소자의 경우에 비해 셔터(230)가 움직여야 할 거리가 반으로 줄어들 수 있고 표시 장치의 소비 전력을 줄일 수 있다. 도 4와 달리 셔터(230)가 기준 위치에서 개구부(225)의 절반이 아닌 일부를 가리는 경우에도 온 상태와 오프 상태의 두 가지 상태만을 갖는 멤스 소자에 비해 셔터(230)가 움직여야 하는 거리를 줄여 소비 전력이 감소될 수 있다.
본 실시예에서는 멤스 소자가 세 가지 상태를 가지는 것으로 설명하였지만 제1 제어 전극(170a) 및 제2 제어 전극(170b)의 전압을 조절하거나 셔터(230)의 지지부를 조절하는 등의 방법으로 멤스 소자가 네 가지 이상의 상태를 가지도록 할 수도 있다.
또한 본 실시예와 달리 하나의 제어 전극 또는 세 개 이상의 제어 전극으로 셔터를 제어할 수도 있으며 이 경우 제어 전극 및 셔터의 전압을 적절히 조절할 수 있다.
다음, 도 5, 도 6, 도 7 및 도 8을 참고하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 멤스 소자를 이용한 표시 장치에 대하여 상세하게 설명한다. 앞에서 설명한 실시예와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하고, 동일한 설명은 생략한다.
도 5, 도 6, 도 7 및 도 8은 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 멤스를 이용한 표시 장치의 단면도로서 멤스 소자의 세 가지 상태를 보여주는 도면이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 멤스를 이용한 표시 장치 역시 서로 마주하는 하부 기판(110)과 상부 기판(210), 그리고 두 기판(110, 210) 사이에 형성된 멤스 소자(또는 멤스)를 포함하는 표시판(300)과, 그리고 표시판(300)에 빛을 공급하는 백라이트부(340)를 포함한다.
하부 기판(110) 및 상부 기판(210)은 투명한 유리 또는 플라스틱 따위의 투 명한 절연 물질로 만들어질 수 있다.
멤스 소자는 개구판(220), 셔터(230), 제1 제어 전극(170c) 및 제2 제어 전극(170d)을 포함한다.
개구판(220)은 상부 기판(210) 위에 빛을 투과시키지 않는 물질로 형성되어 있으며 빛을 투과시킬 수 있는 복수의 개구부(225)를 형성 시킬 수 있다. 개구부(225)는 일정 간격을 두고 배치되어 있다.
제1 제어 전극(170c) 및 제2 제어 전극(170d)은 하부 기판(110) 위에 형성될 수 있다. 제1 제어 전극(170c)은 긴 변(또는 연장 방향)이 하부 기판(110)의 면에 평행하도록 하부 기판(110) 위에 형성될 수 있으며 개구부(225)와 실질적으로 동일한 피치를 가지고 배열되어 있다. 제2 제어 전극(170d)은 긴 변(또는 연장 방향)이 하부 기판(110)의 면에 수직하도록 하부 기판(110) 위에 세워질 수 있으며 개구부(225)와 실질적으로 동일한 피치를 가지고 배열되어 있다. 즉, 제1 제어 전극(170c)과 제2 제어 전극(170d)은 대략 서로 수직을 이루며 교대로 배열되어 있다. 또한 제1 제어 전극(170c)은 개구판(220)의 개구부(225)와 마주하나 제2 제어 전극(170d)은 개구부(225)가 위치하지 않는 개구판(220)과 마주한다. 제1 제어 전극(170c) 및 제2 제어 전극(170d)은 투명한 도전 물질로 만들어 질 수 있다. 제1 제어 전극(170c) 및 제2 제어 전극(170d)은 공통 전압(Vcom) 또는 정해진 전압을 인가 받을 수 있다.
셔터(230)는 개구판(220)의 개구부(225)를 가릴 수 있는 모양 및 면적을 가지며 빛을 투과시키지 않는 물질로 만들어질 수 있다. 셔터(230)는 제1 제어 전 극(170c) 및 제2 제어 전극(170d) 사이에 위치하며 제2 제어 전극(170d)이 하부 기판(110)과 만나는 곳 부근을 원점으로 제1 제어 전극(170c) 및 제2 제어 전극(170d)과 각각 0도가 아닌 일정 각도를 이루는 기준 위치로의 복원력을 갖는다. 셔터(230)가 기준 위치에 있을 때에는 개구판(220)의 개구부(225)를 일부, 더 바람직하게는 반 정도 가릴 수 있다. 셔터(230)는 이러한 기준 위치를 기점으로 그리고 원점을 중심으로 제1 제어 전극(170c) 또는 제2 제어 전극(170d) 사이를 스윙할 수 있다. 즉, 하부 기판(110)에 경첩이 달려진 것처럼(hinged) 스윙하며 개구부(225)를 가린 정도를 바꿀 수 있다.
셔터(230)는 셔터(230)를 가준 위치에서 스윙할 수 있게 하는 지지부(도시하지 않음)에 연결되어 있을 수 있으며, 지지부는 셔터(230)가 기준 위치에서 벗어나 제1 제어 전극(170c) 또는 제2 제어 전극(170d) 쪽으로 움직인 경우 다시 기준 위치로 복원할 수 있게 하는 탄성력을 가질 수 있다. 셔터(230)는 공통 전압(Vcom)을 인가 받을 수 있다.
백라이트부(340)는 표시판(300) 쪽으로 빛을 공급하는데, 백색의 빛을 공급하거나 두 개 이상의 기본색을 번갈아 공급할 수도 있다.
하나의 개구부(225)와 이에 대응하는 하나의 셔터(230), 그리고 하나의 셔터(230)의 스윙 폭을 결정하는 제1 및 제2 제어 전극(170c, 170d)은 하나의 멤스 소자를 이룬다. 표시판(300)의 한 화소는 하나의 멤스 소자를 포함할 수도 있고 복수개의 멤스 소자를 포함할 수도 있다.
그러면, 이러한 멤스 소자의 동작에 대해 설명한다.
먼저 도 5를 참고하면, 셔터(230), 제1 제어 전극(170c) 및 제2 제어 전극(170d)에 공통 전압(Vcom)과 같은 동일한 전압이 인가된다. 그러면 셔터(230)와 제1 제어 전극(170c) 사이, 그리고 셔터(230)와 제2 제어 전극(170d) 사이의 전압차는 모두 0이기 때문에 셔터(230)는 어느 쪽으로도 움직이지 않고 기준 위치를 유지하여 상부의 개구부(225)를 일부 가린다. 이에 따라 백라이트부(340)로부터의 빛 중 셔터(230)에 의해 가려지지 않은 개구부(225)를 통과하는 빛만 바깥으로 나가 외부에서 시인될 수 있다. 이로써 멤스 소자는 반 켜짐 상태 또는 세미 온 상태가 된다. 이 때, 셔터(230)는 대응하는 개구부(225)의 반 정도를 가릴 수 있으나, 표시 장치의 특성에 맞게 기준 위치를 정할 수 있다.
다음 도 6을 참고하면, 셔터(230) 및 제2 제어 전극(170d)에는 공통 전압(Vcom)이 인가되고 제1 제어 전극(170c)에는 공통 전압(Vcom)과 다른 전압이 인가된다. 제1 제어 전극(170c)에 인가되는 전압은 공통 전압(Vcom)을 기준으로 정극성일 수도 있고 부극성일 수도 있다. 그러면 셔터(230)의 전압과 제1 제어 전극(170c)의 전압의 차이에 의해 셔터(230)와 제1 제어 전극(170c) 사이에 인력이 작용하여 셔터(230)는 제1 제어 전극(170c) 쪽으로 움직이게 된다. 따라서 셔터(230)는 제1 제어 전극(170c)과 거의 나란하게 겹쳐지게 되고 대응하는 개구부(225)를 완전히 가려 백라이트부(340)로부터의 빛은 모두 차단된다. 이로써 멤스 소자는 꺼짐 상태 또는 오프 상태가 된다. 제1 제어 전극(170c)에도 공통 전압(Vcom)이 인가되면 셔터(230)는 다시 기준 위치로 복귀한다.
다음 도 7을 참고하면, 셔터(230) 및 제1 제어 전극(170c)에는 공통 전 압(Vcom)이 인가되고 제2 제어 전극(170d)에 공통 전압(Vcom)과 다른 전압이 인가된다. 제2 제어 전극(170d)에 인가되는 전압은 공통 전압(Vcom)을 기준으로 정극성일 수도 있고 부극성일 수도 있다. 그러면 셔터(230)의 전압과 제2 제어 전극(170d)의 전압의 차이에 의해 셔터(230)와 제2 제어 전극(170d) 사이에 인력이 작용하여 셔터(230)는 제2 제어 전극(170d) 쪽으로 움직이게 된다. 따라서 셔터(230)는 제2 전극(170d)과 거의 나란하게 겹쳐지게 되고 대응하는 개구부(225)가 완전히 열리게 하여 백라이트부(340)로부터의 빛이 완전히 열린 개구부(225)를 통해 바깥으로 나갈 수 있다. 이로써 멤스 소자는 켜짐 상태 또는 온 상태가 된다. 제2 제어 전극(170d)에도 공통 전압(Vcom)이 인가되면 셔터(230)는 다시 기준 위치로 복귀한다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 표시 장치의 멤스 소자도 개구부(225)가 완전히 열려 빛이 최대로 투과될 수 있는 온 상태, 개구부(225)가 일부만 열리는 세미 온 상태, 그리고 개구부(225)가 완전히 닫혀 빛이 투과될 수 없는 오프 상태의 세 가지 상태를 가진다. 따라서 이러한 멤스 소자를 포함하는 표시판(300)의 화소는 한번의 동작으로 세 가지의 계조를 표현할 수 있다. 즉, 온 상태의 계조를 '2'라 하면 세미 온 상태가 표현하는 계조는 '1', 그리고 오프 상태가 표현하는 계조는 '0'이 된다.
한편 도 8을 참고하면, 셔터(230)가 기준 위치에서 온 상태 또는 오프 상태로 변화할 때 셔터(230)가 이동해야 하는 각은 90도보다 작다. 따라서 온 상태와 오프 상태의 두 가지 상태만을 갖는 멤스 소자의 경우에 비해 셔터(230)가 움직여 야 할 각 또는 거리가 줄어들어 표시 장치의 소비 전력을 줄일 수 있다.
본 실시예에서도 멤스 소자가 세 가지 상태를 가지는 것으로 설명하였지만 제1 제어 전극(170c) 및 제2 제어 전극(170d)의 전압을 조절하거나 셔터(230)의 지지부를 조절하는 등의 방법으로 멤스 소자가 네 가지 이상의 상태를 가지도록 할 수도 있다.
또한 본 실시예와 달리 하나의 제어 전극 또는 세 개 이상의 제어 전극으로 셔터를 제어할 수도 있으며 이 경우 제어 전극 및 셔터의 전압을 적절히 조절할 수 있다.
이제, 도 9 및 도 10을 참고하여 본 발명의 한 실시예에 따른 멤스를 이용한 표시 장치의 표시 동작에 대해 설명한다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 멤스를 이용한 표시 장치의 블록도이고, 도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 멤스를 이용한 표시 장치의 한 프레임 동안의 색 및 계조 표현 방법을 보여주는 도면이다.
도 9를 참고하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 멤스를 이용한 표시 장치는 표시판(300), 주사 구동부(400), 데이터 구동부(500) 및 백라이트부(340)를 포함한다.
표시판(300)은 복수의 신호선(도시하지 않음)과 이들에 연결되어 있으며 대략 행렬(matrix)의 형태로 배열될 수 있는 복수의 화소(PX)를 포함한다.
표시판(300)은 복수의 신호선(G1-Gn, D1-D2m)과 이들에 연결되어 있으며 대략 행렬(matrix)의 형태로 배열될 수 있는 복수의 화소(PX)를 포함한다.
신호선은 주사 신호를 전달하는 복수의 주사선(scanning line)(G1-Gn) 및 데이터 전압을 전달하는 복수 쌍의 데이터선(data line)(D1-D2m)을 포함한다. 주사선(G1-Gn)은 대략 행 방향으로 뻗어 있을 수 있으며 데이터선(D1-D2m)은 대략 열 방향으로 뻗어 있을 수 있다. 데이터선(D1-D2m)은 두 개씩 짝을 이루어 하나의 화소(PX) 양측에 각각 배치될 수 있다. 여기서 데이터 전압은 공통 전압(Vcom) 및 정극성 또는 부극성의 일정 전압을 포함한다.
각 화소(PX)는 주사선(G1-Gn) 및 데이터선(D1-D2m)과 연결되어 있는 스위칭 소자부(switching element unit)(도시하지 않음) 및 멤스 소자를 포함할 수 있다. 멤스 소자는 앞에서 설명한 도 1 내지 도 4, 또는 도 5 내지 도 8에 도시된 구조 및 상태를 가질 수 있다.
스위칭 소자부는 각 화소(PX)의 양측에 배치된 한 쌍의 데이터선(D1-D2m)에 각각 연결되어 있는 한 쌍의 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 한 화소(PX)가 포함하는 한 쌍의 스위칭 소자는 도 1 내지 도 4, 또는 도 5 내지 도 8에 도시된 멤스 소자의 제1 제어 전극(170a, 170c) 및 제2 제어 전극(170b, 170d)에 각각 연결되어 데이터선(D1-D2m)에 인가되는 전압을 전달할 수 있다.
한편, 색 표시를 구현하기 위해서 각 화소(PX)가 시간에 따라 번갈아 기본색을 표시하게(시간 분할) 하여 이들 기본색의 시간적 합으로 원하는 색상이 인식되도록 할 수 있다. 기본색의 예로는 적색, 녹색, 청색 등 삼원색을 들 수 있다.
주사 구동부(400)는 표시판(300)의 주사선(G1-Gn)과 연결되어 있으며 스위칭 소자를 턴 온시킬 수 있는 게이트 온 전압(Von)과 턴 오프시킬 수 있는 게이트 오 프 전압(Voff)의 조합으로 이루어진 주사 신호를 주사선(G1-Gn)에 인가한다.
데이터 구동부(500)는 표시판(300)의 데이터선(D1-D2m)과 연결되어 있으며, 데이터 전압을 데이터선(D1-D2m)에 인가한다. 데이터 전압은 화소(PX)가 포함하는 멤스 소자의 세 가지 상태에 따라 그 값이 달라지는데 공통 전압(Vcom) 또는 공통 전압(Vcom)과 다른 일정 전압일 수 있다.
그러면 이러한 멤스를 이용한 표시 장치의 동작 및 구동 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
본 실시예에서는 계조를 나타내는 영상 신호가 다섯 자리(digit)(각 자리는 0, 1, 2를 나타낼 수 있음)의 3진수(in ternary numerical system)로 이루어진 경우를 예로 들어 설명한다. 이 경우 영상 신호는 243(=35) 개의 계조를 가지며, 각 자리(digit)가 나타내는 0, 1 및 2는 각각 순서대로 멤스 소자의 오프 상태, 세미 온 상태 및 온 상태로 구현될 수 있다.
도 10을 참고하면 한 프레임(frame)의 풀 컬러(full color) 영상은 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 등 삼원색과 같은 기본색을 한 화소(PX)가 시간에 따라 번갈아 표시하여 구현될 수 있다. 각 기본색(R, G, B)의 표시 구간은 하나의 서브 프레임(sub frame)을 이룬다. 본 실시예에서는 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)을 순서대로 표시하는 것으로 하였으나 그 순서는 바뀔 수 있으며 다른 기본색으로 구성될 수도 있다.
하나의 서브 프레임 동안에는 한 화소(PX)를 기준으로 5번의 멤스 소자의 구 동 동작이 이루어진다. 각각의 구동 동작은 5자리(digit) 3진수의 영상 신호의 각각의 자리(digit)에 해당한다.
각 구동 동작은 모든 주사선(G1-Gn)에 차례로 게이트 온 전압(Von)을 인가하여 각 화소(PX)에 데이터 전압을 인가하는 주사 구간(scanning period)(S), 멤스 소자가 동작하는 멤스 동작 구간(MEMS actuation period)(A), 그리고 백라이트부(340)가 빛을 내보내어 모든 화소(PX)가 영상을 표시하는 발광 구간(L)(light emitting period)을 포함한다.
주사 구간(S)에서는 주사 구동부(400)가 제어 신호에 따라 게이트 온 전압(Von)을 주사선(G1-Gn)에 인가하여 주사선(G1-Gn)에 연결된 스위칭 소자(도시하지 않음)를 턴온시킨다.
그리고 데이터 구동부(500)는 각 화소(PX)에 대한 영상 신호의 각 자리(digit)의 숫자, 즉 멤스 소자가 가져야 하는 상태에 따라 공통 전압(Vcom) 또는 이와 다른 일정 전압을 해당 데이터선(D1-D2m)에 인가한다. 도 1 내지 도 4의 멤스 소자 및 영상 신호의 최상위 자리(most significant digit)를 예를 들면, 최상위 자리의 숫자가 0인 경우 제1 제어 전극(170a)과 스위칭 소자를 통해 연결된 데이터선(D1-D2m)에는 공통 전압(Vcom)가 다른 일정 전압이 인가되도록 하고 제2 제어 전극(170b)과 스위칭 소자를 통해 연결된 데이터선(D1-D2m)에는 공통 전압(Vcom)이 인가되도록 한다. 최상위 자리 숫자가 1인 경우에는 제1 제어 전극(170a) 및 제2 제어 전극(170b) 모두에 공통 전압(Vcom)이 인가되도록 하고, 최상위 자리의 숫자가 2인 경우에는 최상위 자리의 숫자가 1인 경우와 반대가 된다.
그러면 턴온된 스위칭 소자를 통하여 각 데이터선(D1-D2m)의 데이터 전압이 해당 화소(PX)에 인가된다.
다음 멤스 동작 구간(A)에서는 데이터선(D1-D2m)에 인가된 데이터 전압에 따라 각 화소(PX)의 멤스 소자의 셔터(230)가 동작한다.
다음 발광 구간(L)에서는 백라이트부(340)가 동작하여 표시판(300)은 영상을 표시한다.
본 실시예에서는 주사 구간(S), 멤스 동작 구간(A), 그리고 발광 구간(L)을 구분하였지만, 각 구간(S, A, L)의 동작은 동시에 이루어질 수 있다. 즉, 데이터 전압을 화소(PX)에 인가하는 동시에 멤스 소자가 동작하고 백라이트부(340)가 빛을 낼 수 있다.
한편, 한 서브 프레임이 포함하는 5번의 구동 동작의 발광 구간(L)은 3진수 자리(digit)의 위치에 따라 발광 시간이 다르다. 즉, 휘도가 멤스 소자의 온 상태인 시간에 비례한다고 가정하면 최상위 자리(digit)부터 최하위 자리(digit)까지의 발광 구간(L)의 지속 시간의 비는 다음 수학식 1과 같이 각 자리(digit)의 자리 값(digit value)의 비와 같을 수 있다.
34:33:32:31:30=81:27:9:3:1
이와 같이 3진수의 영상 신호의 각 자리(digit)의 발광 구간(L)의 유지 시간을 다르게 하여 한 서브 프레임의 다양한 계조를 표현할 수 있다.
예를 들어 한 화소(PX)의 한 프레임 동안 적색(R) 영상 신호의 계조가 59인 경우 이는 3진법으로 "20123"로 표현된다. 그러면 이 화소(PX)의 멤스 소자는 적색(R) 서브 프레임 동안 5번 구동되며 차례대로 오프 상태(0), 온 상태(2), 오프 상태(0), 세미 온 상태(1), 그리고 온 상태(2)를 가진다. 또한 5번의 구동 동작의 발광 구간(L)은 81:27:9:3:1의 지속 시간 비(ratio)를 가지며 외부에서 시인되는 휘도도 이러한 비에 대략 비례한다. 따라서 한 서브 프레임 동안의 시간적 합으로 원하는 적색 휘도를 표시할 수 있다. 녹색(G) 및 청색(B)의 경우도 동일하다.
이와 같이 온 상태, 세미 온 상태, 그리고 오프 상태의 세 가지 상태를 가지는 멤스 소자를 사용함으로써 3진법으로 표현되는 계조를 구현할 수 있고, 따라서 온 상태 및 오프 상태만의 동작이 가능한 멤스 소자를 사용하는 경우와 유사한 계조 수를 표현하면서도 구동 회수를 줄일 수 있다. 즉, 기존 멤스 소자의 경우 256개의 계조를 표현하기 위해 한 서브 프레임 당 8번의 구동이 필요하지만, 본 발명의 실시예에 의하면 243개의 계조를 표현하기 위해서도 5번의 구동만이 필요하므로 구동 마진을 증가시킬 수 있다.
다음, 도 11 및 도 12를 참고하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 멤스를 이용한 표시 장치의 동작 및 구동 방법에 대해 설명한다. 앞에서 설명한 실시예와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하고, 동일한 설명은 생략한다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멤스를 이용한 표시 장치의 블록도이 고, 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멤스를 이용한 표시 장치의 한 프레임 동안의 색 및 계조 표현 방법을 보여주는 도면이다.
도 11을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 멤스를 이용한 표시 장치 역시 표시판(300), 주사 구동부(400), 데이터 구동부(500) 및 백라이트부(340)를 포함한다.
본 실시예에서는 도 9 및 도 10의 실시예와 달리 한 화소(PX)가 세 개의 부화소(subpixel)를 포함한다. 즉 각 부화소가 기본색 중 하나를 고유하게 표시할 수 있다(공간 분할). 기본색의 예로는 적색, 녹색, 청색 등 삼원색을 들 수 있다. 각 부화소는 각각의 영역에 기본색 중 하나를 나타내는 색필터를 구비할 수 있다.
또한 도시하지 않았지만, 각 기본색(R, G, B)를 나타내는 부화소는 주사선(도시하지 않음) 및 한 쌍의 데이터선(도시하지 않음)에 스위칭 소자를 통해 연결될 수 있다.
본 실시예에 따른 표시 장치의 동작에 대해 설명하면, 앞선 실시예와 달리 한 프레임 동안에 한 화소(PX)를 기준으로 5번의 멤스 소자의 구동 동작이 이루어진다. 한 프레임 동안 각 부화소에서 영상 신호의 각 자리(digit)에 해당하는 휘도의 시간적 합과 한 화소(PX)를 이루는 세 부화소의 기본색(R, G, B)의 공간적 합으로 원하는 휘도의 원하는 색상의 영상을 표시할 수 있다.
지금까지의 실시예에서는 영상 신호의 계조가 5자리(digit) 3진수로 표현되는 경우에 대해 설명했지만 원하는 계조 수에 따라 여러 가지 자리수로 구현될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1, 도 2, 도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 한 실시예에 따른 멤스를 이용한 표시 장치의 단면도로서 멤스 소자의 세 가지 상태를 보여주는 도면이고,
도 5, 도 6, 도 7 및 도 8은 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 멤스를 이용한 표시 장치의 단면도로서 멤스 소자의 세 가지 상태를 보여주는 도면이고,
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 멤스를 이용한 표시 장치의 블록도이고,
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 멤스를 이용한 표시 장치의 한 프레임 동안의 색 및 계조 표현 방법을 보여주는 도면이고,
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멤스를 이용한 표시 장치의 블록도이고,
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멤스를 이용한 표시 장치의 한 프레임 동안의 계조 표현 방법을 보여주는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110: 하부 기판 170a, 170b: 제어 전극
210: 상부 기판 220: 개구판
225: 개구부 230: 셔터
300: 표시판 340: 백라이트부

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  15. 표시판, 그리고 상기 표시판에 빛을 공급하는 백라이트부를 포함하고, 상기 표시판은 복수의 화소를 포함하며, 각 화소는 온 상태, 세미 온 상태, 그리고 오프 상태를 포함하는 적어도 세 개의 상태를 가지는 멤스 소자를 포함하는 멤스를 이용한 표시 장치의 구동 방법으로서,
    3진법 및 k개의 자리(digit)로 계조가 표현된 영상 신호를 입력 받는 단계,
    상기 영상 신호의 각 자리(digit)의 숫자{=0, 1, 2}에 해당하는 데이터 신호를 상기 복수의 화소에 인가하는 단계,
    상기 멤스 소자는 상기 데이터 신호에 따라 상기 자리(digit)의 숫자에 대응하는 상태를 가지도록 상기 온 상태, 상기 세미 온 상태, 및 상기 오프 상태 중 하나로 동작하는 단계, 그리고
    상기 백라이트부가 상기 영상 신호의 자리(digit)의 자리 값에 비례하는 발광 지속 시간 동안 빛을 공급하여 상기 표시판이 영상을 표시하는 단계
    를 포함하는 멤스를 이용한 표시 장치의 구동 방법.
  16. 삭제
  17. 제15항에서,
    상기 영상 신호는 기본색마다 별개로 마련되고, 복수의 기본색에 각각 해당하는 영상 신호는 시간에 따라 번갈아 표시되는 멤스를 이용한 표시 장치의 구동 방법.
  18. 제17항에서,
    각 화소는 상기 복수의 기본색을 각각 표시하는 복수의 부화소를 포함하는 멤스를 이용한 표시 장치의 구동 방법.
  19. 제15항에서,
    상기 멤스 소자는
    개구부를 가지는 개구판,
    상기 개구부의 적어도 일부를 가릴 수 있는 셔터, 그리고
    상기 셔터의 위치를 제어하는 제어 전극
    을 포함하는 멤스를 이용한 표시 장치의 구동 방법.
  20. 제19항에서,
    상기 제어 전극에 데이터 전압을 인가하고, 상기 데이터 전압은 제1전압 및 상기 제1전압과 다른 제2전압을 포함하는 멤스를 이용한 표시 장치의 구동 방법.
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