KR101807879B1 - 전기습윤 표시장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 전기습윤 표시장치는 상부기판의 컬러필터층과 공통전극 사이와 하부기판의 소수성물질의 절연층과 화소전극 사이에 굴절률 매칭(refractive index matching)을 위한 인덱스 매칭층을 형성함으로써 투과율을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 전기습윤 표시장치에 관한 것이다.
전기습윤(electrowetting)이란 고체에 전압이 인가되는 경우 고체와 전해질 사이에 접촉각(contact angle)이 변하는 현상을 의미하는 것으로, 근래 이러한 전기습윤현상을 이용한 전기습윤 표시장치의 기술이 제안되고 있다.
전기습윤 표시장치는 소수성물질의 절연층이 형성된 전극 위에 놓인 극성 액체와 절연층 하부의 전극에 전위 차를 발생시켰을 때 극성 액체의 습윤성이 변하는 현상을 이용한 표시장치를 말한다. 즉, 전극 위에 소수성물질로 절연층을 형성하고, 이 절연층 위에 극성 액체와 기름(oil)을 맞닿아 형성하게 되면, 상기 극성 액체와 전극 사이에 전압을 인가할 때 극성 액체의 소수성 계면의 성질이 친수성으로 변하면서 극성 액체의 접촉각이 낮아지고, 극성 액체의 접촉각이 낮아지면서 기름을 화소 벽으로 밀어내면서 명암을 표시하게 된다.
이러한 극성 액체와 기름을 사용한 전기습윤 표시장치는 빠른 응답시간과 높은 반사율 특성을 갖고 있기 때문에, 현존하는 전자 종이제품과 액정표시장치를 대체하는 표시장치로 많은 연구가 이루어지고 있다.
다만, 상기 전기습윤 표시장치는 구조상 광 경로가 상부기판, 공통전극, 극성 액체, 소수성물질의 절연층, 보호층, 화소전극, 박막 트랜지스터 등 비교적 많은 층을 통과하여야 하며, 이때 반사 또는 흡수 등의 광 손실이 발생하게 된다. 이에 따라 상기 전기습윤 표시장치를 투과형으로 구성하든 반사형으로 구성하든 투과율 및 대조비(contrast ratio; CR)가 감소하게 된다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 전기습윤 표시장치의 투과율 및 대조비를 향상시키는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 특징들은 후술되는 발명의 구성 및 특허청구범위에서 설명될 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 전기습윤 표시장치는 화상표시영역 및 화상비표시영역으로 구분되는 제 1 기판 및 제 2 기판, 상기 제 1 기판에 구비된 제 1 전극, 상기 제 1 전극이 구비된 제 1 기판 위의 제 1 인덱스 매칭층, 상기 제 1 인덱스 매칭층 위에 구비된 절연층, 상기 절연층 위의 상기 화상비표시영역에 구비된 격벽, 상기 제 2 기판 위의 제 2 인덱스 매칭층, 상기 제 2 인덱스 매칭층 위에 구비되어 상기 제 1 기판의 제 1 전극과 전계를 형성하는 제 2 전극 및 상기 제 1 기판 및 상기 제 2 기판 사이에 배치되어 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이의 전계에 의해 그 배열이 변화되어 광을 스위칭 시키는 불투명한 제 1 액체 및 투명한 제 2 액체를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 제 1, 제 2 인덱스 매칭층은 투명 절연물질로 이루어져 두께 조절에 따른 굴절률의 매칭을 통해 투과율을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제 1, 제 2 인덱스 매칭층은 투명 절연물질로 이루어져 두께 조절에 따른 굴절률의 매칭을 통해 투과율을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제 1 액체는 비극성 블랙액체이고 제 2 액체는 극성의 투명한 용액인 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 기판에 형성된 박막트랜지스터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1, 제 2 인덱스 매칭층은 벤조싸이클로부텐(benzocyclobutene; BCB)이나 포토아크릴(photo acryl)과 같은 유기절연물질로 이루어지거나 실리콘산화막(SiO2)이나 실리콘질화막(SiNx)과 같은 무기절연물질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1, 제 2 전극은 ITO(Indium Tin Oxide)나 IZO(Indium Zinc Oxide)와 같은 투명한 도전물질로 이루어진 것을 특징으로 한다.
500Å 두께의 ITO를 상기 제 2 전극으로 사용하는 경우에는 600Å ~ 1000Å 두께의 SiNx를 상기 제 2 기판의 제 2 인덱스 매칭층으로 사용하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 800Å 두께의 SiNx는 1.93의 굴절률을 가지는 것을 특징으로 한다.
500Å ~ 1000Å 두께의 ITO를 상기 제 2 전극으로 사용하는 경우에는 600Å ~ 2000Å 두께의 SiNx를 상기 제 2 기판의 제 2 인덱스 매칭층으로 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 기판에 형성된 컬러필터층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제 2 인덱스 매칭층은 상기 컬러필터층 위에 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 기판에 형성된 컬러필터층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 전극은 불투명한 도전물질로 이루어지며, 상기 제 2 전극은 ITO나 IZO와 같은 투명한 도전물질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1, 제 2 인덱스 매칭층은 다층구조 혹은 나노 패턴을 포함하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전기습윤 표시장치는 상부기판의 컬러필터층과 공통전극 사이와 하부기판의 소수성물질의 절연층과 화소전극 사이에 굴절률 매칭(refractive index matching)을 위한 인덱스 매칭층을 형성함으로써 투과율 및 대조비를 향상시키는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 전기습윤 표시장치의 구조를 개략적으로 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기습윤 표시장치를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 3은 제 2 인덱스 매칭층의 두께에 따른 투과율을 나타내는 표.
도 4a 및 도 4b는 상기 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 전기습윤 표시장치의 동작을 나타내는 단면도.
도 5a 내지 도 5f는 상기 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 전기습윤 표시장치의 제조방법을 순차적으로 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전기습윤 표시장치를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 7a 및 도 7b는 상기 도 6에 도시된 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전기습윤 표시장치의 동작을 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기습윤 표시장치를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 3은 제 2 인덱스 매칭층의 두께에 따른 투과율을 나타내는 표.
도 4a 및 도 4b는 상기 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 전기습윤 표시장치의 동작을 나타내는 단면도.
도 5a 내지 도 5f는 상기 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 전기습윤 표시장치의 제조방법을 순차적으로 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전기습윤 표시장치를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 7a 및 도 7b는 상기 도 6에 도시된 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전기습윤 표시장치의 동작을 나타내는 단면도.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전기습윤 표시장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 전기습윤 표시장치의 구조를 개략적으로 나타내는 사시도로써, 반사형 전기습윤 표시장치를 예를 들어 나타내고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기습윤 표시장치(100)는 제 1 기판(110)과 제 2 기판(105)이 서로 마주하는 형태로 합착되며, 상기 제 1 기판(110)과 제 2 기판(105) 사이에는 제 1 액체(미도시) 및 제 2 액체(미도시)가 배치된다.
상기 제 1 기판(110)에는 상기 제 1 액체 및 제 2 액체에 전압을 인가함과 동시에 외부로부터 입력되는 광을 반사하는 제 1 전극(118)이 형성되며, 그 위에는 소수성 절연물질로 이루어진 소수막(155)이 형성된다. 또한, 상기 제 1 기판(110)에는 격벽(150)이 형성된다. 상기 격벽(150)은 전기습윤 표시장치(100)의 각 화소를 구획하기 위한 것으로, 제 1 기판(110)과 제 2 기판(105) 상에 존재하는 제 1 액체가 상기 격벽(150)에 의해 화소별로 분리된다.
도시된 바와 같이, 상기 전기습윤 표시장치(100)는 R(Red)-화소, G(Green)-화소 및 B(Blue)-화소가 매트릭스(matrix)형상으로 반복되어 배치되어 있으며, 상기 격벽(150) 역시 매트릭스형상으로 배치되어 각각의 화소를 분리하다. 이때, 상기 격벽(150)은 실제 화상이 구현되지 않은 화상비표시영역에 형성된다.
제 2 기판(105)에는 블랙매트릭스(107)와 컬러필터층(106)이 형성된다. 상기 블랙매트릭스(107)는 제 1 기판(110)의 화소들 사이의 영역, 또는 격벽(150)이 형성된 영역과 대응하는 제 2 기판(105)의 영역에 형성되어 해당 영역으로 광이 누설되는 것을 방지한다. 상기 컬러필터층(106)은 제 2 기판(105)의 블랙매트릭스(107) 사이에 형성되어 컬러를 구현한다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 컬러필터층(106)은 상기 제 1 기판(110) 위에 형성될 수도 있다.
상기 컬러필터층(106) 위에는 제 2 전극(108)이 형성된다. 상기 제 2 전극(108)은 제 1 기판(110)의 제 1 전극(118)과 대향하여, 외부로부터 신호가 인가될 때 전계가 형성되어 제 1 액체 및 제 2 액체의 배열을 변경하여 상기 제 1 액체 및 제 2 액체에 의해 광을 스위칭(switching)시키도록 한다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 전기습윤 표시장치를 도 2를 참조하여 좀더 자세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기습윤 표시장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
이때, 전기습윤 표시장치에는 복수의 화소가 형성되지만, 설명의 편의를 위해 도면에서는 하나의 화소만을 나타내기로 한다. 실질적으로 전기습윤 표시장치에 형성되는 화소구조는 모두 동일하므로, 하나의 화소만을 설명하는 것으로 전체적인 전기습윤 표시장치의 구조를 설명할 수 있을 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기습윤 표시장치(200)는 크게 화상표시영역 및 화상비표시영역을 포함하는 제 1 기판(210)과 제 2 기판(205) 및 상기 제 1 기판(210)과 제 2 기판(205) 사이에 배치된 제 1 액체(230)와 제 2 액체(240)로 이루어진다.
또한, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 전기습윤 표시장치(200)는 상기 제 1 기판(210)에 형성된 박막트랜지스터, 상기 박막트랜지스터가 형성된 제 1 기판(210)에 형성된 보호층(215b), 상기 보호층(215b) 위의 화상표시영역에 형성되어 외부로부터 화상신호가 입력되는 제 1 전극(218), 상기 보호층(215b) 및 제 1 전극(218) 위에 형성된 소수성물질의 절연층(255) 및 상기 절연층(255) 위의 화상비표시영역에 형성되며 친수성물질로 이루어진 격벽(250)을 포함한다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 격벽(250)은 친수성을 가지지 않는 물질로 이루어질 수 있다.
상기 본 발명의 일 실시예에 따른 전기습윤 표시장치(200)는 상기 제 2 기판(205)의 화상비표시영역에 형성되어 해당 영역으로 광이 누설되는 것을 차단하는 블랙매트릭스(207), 제 2 기판(205)에 형성되어 컬러를 구현하는 컬러필터층(206) 및 제 2 기판(205)에 형성되어 제 1 기판(210)의 제 1 전극(218)과 전계를 형성하는 제 2 전극(208)을 포함한다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 컬러필터층(206)은 상기 제 1 기판(210) 위에 형성될 수도 있다.
상기 박막트랜지스터는 제 1 기판(210) 위에 형성된 게이트전극(221), 상기 게이트전극(221) 위에 형성된 게이트절연층(215a), 상기 게이트절연층(215a) 위에 형성된 비정질실리콘(amorphous silicon; a-Si)과 같은 반도체물질로 이루어진 반도체층(224), 상기 반도체층(224) 위에 형성된 소오스전극(222) 및 드레인전극(223)으로 이루어진다.
이때, 상기 반도체층(224) 위에는 상기 반도체층(224)의 소오스/드레인영역과 상기 소오스/드레인전극(222, 223) 사이에 오믹-콘택(ohmic contact)을 형성하기 위한 오믹-콘택층(225n)이 형성될 수 있다.
이때, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 제 1 기판(210)에는 복수의 게이트라인 및 데이터라인이 서로 수직으로 배열되어(즉, 게이트라인 및 데이터라인이 매트릭스형상으로 배열되어) 상기 게이트라인 및 데이터라인에 의해 구획되는 영역이 화소로 정의되며, 구획된 각각의 화소에 상기 박막트랜지스터가 배치된다. 상기 박막트랜지스터의 게이트전극(221)은 게이트라인과 전기적으로 접속되고 소오스전극(222)은 데이터라인과 전기적으로 접속되어, 게이트라인을 통해 주사신호가 게이트전극(221)으로 입력되면, 반도체층(224)이 활성화되어 박막트랜지스터가 턴-온(turn on)되고 동시에 데이터라인을 통해 화상신호가 소오스전극(222) 및 드레인전극(223)을 통해 제 1 전극(218)으로 입력된다.
상기 보호층(215b)은 벤조싸이클로부텐(benzocyclobutene; BCB)이나 포토아크릴(photo acryl)과 같은 유기절연물질로 이루어지며, 이때 박막트랜지스터의 드레인전극(223) 상부의 보호층(215b)에는 콘택홀이 형성되어 보호층(215b) 위에 형성된 제 1 전극(218)이 상기 콘택홀을 통해 박막트랜지스터의 드레인전극(223)과 전기적으로 접속된다. 또한, 상기 보호층(215b)으로서, 실리콘산화막(SiO2)과 실리콘질화막(SiNx)과 같은 무기절연물질을 사용할 수 있다.
상기 제 1 전극(218)은 화소전극으로서, 화상신호가 입력됨에 따라 제 2 기판(205)의 제 2 전극(208)과 전계를 형성함과 동시에 반사율이 좋은 금속으로 이루어져 외부로부터 입사되는 광을 반사한다. 즉, 제 1 전극(218)은 신호를 인가하는 전극의 역할뿐만 아니라 반사층으로서의 역할도 하는 것이다.
이때, 상기 제 1 전극(218)은 ITO(Indium Tin Oxide)나 IZO(Indium Zinc Oxide)와 같은 투명한 도전물질로 형성할 수도 있다. 이 경우, 별도의 반사층을 제 1 전극(218)의 하부에 배치함으로써 입사되는 광을 외부로 반사시켜야만 한다.
상기 절연층(255)은 소수성물질로 형성하거나 표면을 소수성 처리한다.
상기 격벽(250)은 상기 소수성의 절연층(255) 위에 친수성 물질로 이루어진다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 격벽(250)은 친수성을 가지지 않는 물질로 이루어질 수 있다. 상기 격벽(250)의 높이는 제 2 액체(240)에 의해 제 1 액체(230)가 격벽(250)으로 몰리는 경우 몰리는 제 1 액체(230)의 높이보다 높게 형성될 수 있다.
블랙매트릭스(207)는 화상비표시영역, 즉 격벽(250)이 형성된 영역으로 광이 누설되는 것을 방지하기 위한 것으로, CrO나 CrO2와 같은 금속산화물 또는 블랙수지 등으로 이루어진다. 컬러필터층(206)은 화상표시영역에 형성되어 실제 컬러를 구현하기 위한 것으로, R, G, B-화소가 반복되어 배치되며, 제 2 전극(208)은 공통전압이 인가되는 공통전극으로서, 제 1 기판(210)에 형성된 화소전극(218)과 대향하여 전계를 형성한다. 이때, 상기 제 2 전극(208)은 ITO나 IZO와 같은 투명한 도전성 산화물이나 전도성 고분자, 탄소나노튜브(carbon nano-tube) 등의 투명한 도전물질로 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이 상기 제 1 기판(210)과 제 2 기판(205) 사이에는 제 1 액체(230) 및 제 2 액체(240)가 형성된다.
상기 제 1 액체(230)는 비극성용액으로서, 예를 들면 블랙오일을 주로 사용하지만, 블랙상태의 실리콘오일, 미네랄오일, 사염화탄소(CCl4) 등의 유기용매를 사용할 수도 있다.
상기 제 2 액체(240)는 극성용액으로서, 예를 들면 수용액을 사용할 수 있다. 이때, 상기 수용액은 주로 물로 이루어지며, NaCl과 같은 전해질이 포함될 수 있다.
한편, 상기와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 전기습윤 표시장치(200)는 상기 제 2 기판(205)의 컬러필터층(206)과 제 2 전극(208) 사이와 상기 제 1 기판(210)의 소수성물질의 절연층(255)과 제 2 전극(218) 사이에 굴절률 매칭을 위한 인덱스 매칭층(209, 219)이 형성되는 것을 특징으로 한다.
즉, 전술한 바와 같이 상기 전기습윤 표시장치는 구조상 광 경로가 비교적 많은 층을 통과하여야 하며, 이때 반사 또는 흡수 등의 광 손실이 발생하게 된다. 이에 따라 상기 전기습윤 표시장치를 투과형으로 구성하든 반사형으로 구성하든 투과율 및 대조비가 감소하게 되는데, 상기와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 전기습윤 표시장치(200)는 상기 제 2 기판(205)의 컬러필터층(206)과 제 2 전극(208) 사이와 상기 제 1 기판(210)의 소수성물질의 절연층(255)과 제 2 전극(218) 사이에 절연물질의 제 2 인덱스 매칭층(209)과 제 1 인덱스 매칭층(219)을 각각 형성하여 상, 하부기판에서 굴절률을 매칭 함으로써 투과율을 향상시킬 수 있게 된다.
예를 들어, 제 2 기판(205)에서의 굴절률 매칭방법으로 제 2 전극(208)의 두께에 따른 최대의 투과율을 갖는 제 2 인덱스 매칭층(209)의 두께를 시뮬레이션(simulation)을 통해 얻을 수 있다. 이때, 상기 제 2 기판(205)에 형성된 컬러필터층(206)은 상기 제 2 전극(208)에 비해 충분한 두께를 가지고 있기 때문에 굴절률 매칭에서 고려되지 않을 수 있다.
도 3은 제 2 인덱스 매칭층의 두께에 따른 투과율을 나타내는 표로써, 상기 제 2 인덱스 매칭층으로 SiNx를 이용한 경우를 예를 들어 나타내고 있다.
또한, 상기 도 3은 제 2 기판에 형성된 제 2 전극으로 약 500Å 두께의 ITO를 사용한 경우를 예를 들어 나타내고 있다.
상기 도 3을 참조하면, 예를 들어 약 500Å 두께의 ITO를 제 2 전극으로 사용하는 경우에는 약 600Å ~ 1000Å 두께의 SiNx를 제 2 기판의 컬러필터층과 제 2 전극 사이의 제 2 인덱스 매칭층으로 사용할 때 90%이상의 투과율을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
특히, 800Å 두께의 SiNx를 제 2 인덱스 매칭층으로 추가하였을 때 가장 높은 투과율을 나타내고 있음을 알 수 있으며, 이 경우 상기 SiNx는 약 1.93의 굴절률을 가지게 된다.
또한, 약 500Å ~ 1000Å 두께의 ITO를 제 2 전극으로 사용하는 경우에는 약 600Å ~ 2000Å 두께의 SiNx를 제 2 기판의 제 2 인덱스 매칭층으로 사용할 수 있다.
이와 같은 방법으로 하부기판인 제 1 기판의 소수성물질의 절연층과 화소전극 사이에 제 1 인덱스 매칭층을 형성함으로써 투과율을 향상시킬 수 있게 된다.
이와 같은 상기 제 1, 제 2 인덱스 매칭층은 전기습윤 표시장치의 광 경로와 구조에 따라 상기 SiNx 이외에 SiO2 등 다양한 투명 절연물질을 이용하여 형성할 수 있으며, 전술한 단층구조 이외에 다층구조 혹은 나노 패턴을 포함하는 구조로 형성할 수도 있다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 전기습윤 표시장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 4a 및 도 4b는 상기 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 전기습윤 표시장치의 동작을 나타내는 단면도이다.
이때, 상기 도 4a 및 도 4b는 각각 제 1 전극에 신호가 인가되지 않았을 때와 인가되었을 때의 전기습윤 표시장치를 나타내는 도면으로, 도면에서는 박막트랜지스터와 같은 구체적인 구성은 생략하고 제 1 기판(210)과 제 2 기판(205), 제 1 전극(218)과 제 2 전극(208), 격벽(250), 절연층(255), 제 1 액체(230), 제 2 액체(240), 제 1 인덱스 매칭층(219) 및 제 2 인덱스 매칭층(209)만을 도시하였다. 또한, 도면에서는 인접하는 3개의 R, G, B-화소를 도시하였다.
도 4a에 도시된 바와 같이, R, G, B-화소에 각각 형성된 제 1 전극(218a, 218b, 218c)에 신호가 인가되지 않는 경우, 제 1 전극(218a, 218b, 218c)과 제 2 전극(208) 사이에는 전계가 형성되지 않으므로, 불투명한 제 1 액체(230)가 R, G, B-화소의 제 1 기판(210) 상에 고르게 퍼져 있게 된다. 이 상태에서 외부로부터(즉, 제 2 기판(205)의 상부로부터) 광이 입사되면, 상기 광이 불투명한 제 1 액체(230)에 흡수되고 외부로는 광이 반사되지 않아 전기습윤 표시장치의 화면에는 블랙이 구현된다.
도 4b에 도시된 바와 같이, R-화소의 제 1 전극(218a) 및 B-화소의 제 1 전극(218c)에는 신호가 인가되지 않고 G-화소의 제 1 전극(218b)에만 신호가 인가되는 경우, R-화소 및 B-화소에는 전계가 형성되지 않는 반면에, G-화소에는 전계가 형성된다. 따라서, R-화소 및 B-화소에서는 불투명한 제 1 액체(230)가 R-화소 및 B-화소의 제 1 기판(210)상에 고르게 퍼지게 되는 반면에, G-화소에서는 전계가 인가되어 전기습윤현상에 의해 절연층(255)의 젖음성 특성이 향상되어 절연층(255)이 친수성 특성을 갖게 되며, 이러한 친수성 특성에 의해 G-화소의 제 2 액체(240)가 G-화소의 제 1 기판(210) 상에 퍼지게 된다. 따라서, 상기 제 2 액체(240)의 제 1 기판(210) 상으로의 퍼짐에 의해 제 1 액체(230)가 G-화소 내에서 측면 측으로 밀려나게 되어 G-화소의 제 1 기판(210) 상에는 투명한 제 2 액체(240)가 퍼져 있고 불투명한 제 1 액체(130)는 격벽(250)측으로 몰리게 된다.
이러한 상태에서 외부로부터 광이 입사되면, R-화소 및 B-화소에서는 불투명한 제 1 액체(230)가 제 1 기판(210)상에 고르게 퍼지기 때문에, 외부로부터 입사되는 광이 상기 제 1 액체(230)에 의해 흡수되어 화면상에는 블랙이 표시된다. 반면에, G-화소에서는 외부로부터 입사되는 광이 투명한 제 2 액체(240)를 투과하여 제 1 전극(218)의 의해 반사된 후, G-컬러필터층(206b)을 투과하여 외부로 출력되므로, 녹색의 컬러가 구현된다. 결과적으로, G-화소에만 신호가 인가되는 경우 화면상에는 녹색의 컬러가 구현되는 것이다.
전압을 R-화소 및 B-화소의 제 1 전극(218a, 218c)에 각각 인가함으로써 화면상에 적색 컬러와 청색 컬러를 구현할 수 있으며, 이들 컬러의 휘도를 조절함으로써 원하는 컬러를 구현할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 불투명한 제 1 액체(230)와 수용액으로 이루어진 제 2 액체(240)에 전압을 인가하여 그 분포를 변화시킴으로써 광을 차단하고 반사시킴으로써 화상을 구현할 수 있게 된다. 이러한 전기습윤 장치는 기존의 액정표시장치나 유기발광 표시장치에 의해 전력소모가 작고 대조비가 좋다는 장점이 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기습윤 표시장치는 제 2 기판(205)의 컬러필터층(206)과 공통전극(208) 사이와 제 1 기판(210)의 절연층(255)과 화소전극(218) 사이에 굴절률 매칭을 위한 제 2 인덱스 매칭층(209)과 제 1 인덱스 매칭층(219)을 각각 형성함으로써 투과율과 대조비를 향상시키는 한편, 색감(파장에 따른 투과율 변화)을 자유롭게 조절할 수 있게 된다.
이하, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 전기습윤 표시장치를 제조하는 방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 5a 내지 도 5f는 상기 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 전기습윤 표시장치의 제조방법을 순차적으로 나타내는 단면도이다.
우선, 도 5a에 도시된 바와 같이, 유리나 플라스틱과 같이 투명한 물질로 이루어진 제 1 기판(210) 위에 Cr, Mo, Ta, Cu, Ti, Al 또는 Al합금과 같이 도전성이 좋은 불투명 금속을 스퍼터링(sputtering)에 의해 적층한다.
그리고, 상기 불투명 금속을 사진식각방법(photolithography process)에 의해 식각하여 게이트전극(221)을 형성한 후, 상기 게이트전극(221)이 형성된 제 1 기판(210) 전체에 걸쳐 SiO2나 SiNx 등과 같은 무기절연물질을 적층하여 게이트절연층(215a)을 형성한다.
이어서, 제 1 기판(210) 전체에 걸쳐 비정질실리콘과 같은 반도체물질을 적층한 후, 식각하여 반도체층(224)을 형성한다. 또한, 상기 반도체층(224)의 일부에 불순물을 도핑(doping)하거나 불순물이 첨가된 비정질실리콘을 적층하여 이후 형성되는 소오스전극 및 드레인전극을 반도체층(224)과 오믹콘택시키는 오믹콘택층(ohmic contact layer)(225n)을 형성한다.
그 후, 제 1 기판(210) 상에 Cr, Mo, Ta, Cu, Ti, Al 또는 Al합금과 같이 도전성이 좋은 불투명 금속을 스퍼터링에 의해 적층한 후 식각하여 반도체층(224) 위, 엄밀하게 말해서 오믹콘택층(225n) 위에 소오스전극(222) 및 드레인전극(223)을 형성하고, 이어서 상기 소오스전극(222) 및 드레인전극(223)이 형성된 제 1 기판(210) 전체에 걸쳐 BCB나 포토아크릴과 같은 유기절연물질을 적층하거나 SiO2나 SiNx와 같은 유기절연층을 증착하여 보호층(215b)을 형성한다.
이때, 도면에는 2번의 사진식각방법을 통해 반도체층(224)과 소오스전극(222) 및 드레인전극(223)을 형성하는 방법을 예를 들어 나타내고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 1번의 사진식각방법을 통해 상기 반도체층(224)과 소오스전극(222) 및 드레인전극(223)을 형성할 수 있다.
또한, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 보호층(215b)은 복수의 층으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 보호층(215b)은 BCB나 포토아크릴과 같은 유기절연물질로 이루어진 유기절연층 및 SiO2나 SiNx 등과 같은 무기절연물질로 이루어진 무기절연층의 이중의 층으로 형성될 수도 있고, 무기절연층과 유기절연층 및 무기절연층으로 형성할 수도 있을 것이다. 유기절연층을 형성함에 따라 보호층(215b)의 표면이 평탄하게 형성되며, 무기절연층을 적용함에 따라 보호층(215b)의 계면특성이 향상된다. 또한, 상기 보호층(215b)에는 콘택홀(H)을 형성하여 박막트랜지스터의 드레인전극(223)을 외부로 노출시킨다.
이어서, 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 보호층(215b) 위에 Al이나 Al합금과 같이 반사율이 좋고 전도율이 좋은 금속을 스퍼터링에 의해 적층하고 식각하여 제 1 전극(218)을 형성한다. 이때, 상기 제 1 전극(218)은 보호층(215b)에 형성된 콘택홀을 통해 박막트랜지스터의 드레인전극(223)과 전기적으로 접속된다.
이어서, 도 5c에 도시된 바와 같이, 상기 보호층(215b) 및 제 1 전극(218) 위에 BCB나 포토아크릴과 같은 유기절연물질을 적층하거나 SiO2나 SiNx와 같은 유기절연층을 증착하여 제 1 인덱스 매칭층(219)을 형성한다. 이때, 상기 제 1 인덱스 매칭층(219)은 하부 제 1 기판(210)에 형성되는 많은 층들을 투과하여 나오는 광의 투과율이 최대가 되는 굴절률에 매칭 되도록 절연물질의 두께를 조절하여 형성하게 된다.
그리고, 상기 제 1 인덱스 매칭층(219) 위에 불소중합체(fluoropolymer)나 실리콘과 같은 소수성 물질을 도포하여 소수성 절연층(255)을 형성한 후, 그 위에 친수성 물질을 도포하여 친수성 절연층을 형성한다.
그 후, 도 5d에 도시된 바와 같이, 상기 친수성 절연층을 식각하여 제 1 기판(210)의 화상비표시영역에 격벽(250)을 형성한다.
이어서, 도 5e에 도시된 바와 같이, 화상표시영역, 즉 격벽(250)에 의해 구획된 화소의 소수성 절연층(255) 위에 블랙오일 등과 같은 제 1 액체(230)를 도포한다.
그 후, 도 5f에 도시된 바와 같이, 유리나 플라스틱으로 이루어진 제 2 기판(205) 상에 블랙매트릭스(207)와 컬러필터층(206)을 형성하고 그 위에 BCB나 포토아크릴과 같은 유기절연물질을 적층하거나 SiO2나 SiNx와 같은 유기절연층을 증착하여 제 2 인덱스 매칭층(209)을 형성한다. 이때, 상기 제 2 인덱스 매칭층(209)은 상부 제 2 기판(205)에 형성되는 층들을 투과하여 나오는 광의 투과율이 최대가 되는 굴절률에 매칭 되도록 절연물질의 두께를 조절하여 형성하게 된다.
예를 들어, 약 500Å 두께의 ITO를 제 2 전극으로 사용하는 경우에는 약 600Å ~ 1000Å 두께의 SiNx를 제 2 기판(205)의 제 2 인덱스 매칭층(209)으로 사용할 때 90%이상의 투과율을 얻을 수 있다.
또한, 약 500Å ~ 1000Å 두께의 ITO를 제 2 전극으로 사용하는 경우에는 약 600Å ~ 2000Å 두께의 SiNx를 제 2 기판(205)의 제 2 인덱스 매칭층(209)으로 사용할 수 있다.
이후, 상기 제 2 인덱스 매칭층(209) 위에 제 2 전극(208)을 형성한다. 상기 블랙매트릭스(207)는 CrO이나 CrO2와 같은 산화금속을 적층한 후 사진식각공정에 의해 식각함으로써 형성하거나 블랙수지를 도포하고 식각함으로써 형성하며, 상기 컬러필터층(206)은 상기 블랙매트릭스(207)를 경계로 적, 녹, 청의 잉크나 레지스트를 적층 함으로써 형성된다.
그리고, 상기 제 2 전극(208)은 ITO나 IZO와 같은 투명한 도전성 산화물이나 전도성 고분자, 탄소나노튜브 등의 투명한 도전물질을 적층 함으로써 형성한다.
그 후, 상기 제 1 기판(210)과 제 2 기판(205)을 합착한 후, 상기 제 1 기판(210) 및 제 2 기판(205) 사이에 수용액으로 이루어진 제 2 액체(240)를 주입하고 실링재(미도시)에 의해 실링 함으로써 전기습윤 표시장치를 완성한다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전기습윤 표시장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 이때, 상기 본 발명의 다른 일 실시예의 전기습윤 표시장치는 투과형 표시장치로서, 도면에는 도시하지 않았지만, 표시장치에 광을 공급하는 백라이트가 구비된다. 본 발명의 다른 일 실시예의 전기습윤 표시장치는 상기 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 표시장치와는 그 구조가 유사하므로, 유사한 구조에 대해서는 간략하게 설명하고 다른 부분에 대해서만 자세히 설명한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 일 실시예의 전기습윤 표시장치(300)는 크게 화상표시영역 및 화상비표시영역을 포함하는 제 1 기판(310) 및 제 2 기판(305)을 구비하며 그 사이에 제 1 액체(330) 및 제 2 액체(340)가 채워진다.
상기 제 1 기판(310)은 박막트랜지스터 어레이기판으로서, 복수의 화소를 정의하는 게이트라인(미도시) 및 데이터라인(미도시)이 배열되고, 각각의 화소에 박막트랜지스터가 배치된다. 상기 박막트랜지스터는 제 1 기판(310) 위에 형성된 게이트전극(321), 상기 게이트전극(321) 위에 형성된 게이트절연층(315a), 상기 게이트절연층(315a) 위에 형성된 반도체층(324), 상기 반도체층(324) 위에 형성된 소오스전극(322) 및 드레인전극(323)으로 이루어진다.
상기 박막트랜지스터가 형성된 제 1 기판(310) 위에는 유기절연물질 또는 무기절연물질로 이루어진 보호층(315b)이 형성되며, 상기 보호층(315b) 위에 제 1 전극(318)이 형성된다. 상기 제 1 전극(318)은 ITO나 IZO와 같은 투명한 도전성 산화물이나 전도성 고분자, 탄소나노튜브 등의 투명한 도전물질을 적층 함으로써 형성되며, 보호층(315b)에 형성된 콘택홀을 통해 박막트랜지스터의 드레인전극(323)과 전기적으로 접속된다.
상기 보호층(315b) 및 제 1 전극(318) 위에는 유기절연물질 또는 무기절연물질로 이루어진 제 1 인덱스 매칭층(319)이 형성된다. 그리고, 상기 제 1 인덱스 매칭층(319) 위에는 소수성물질로 이루어진 절연층(355)이 형성되고 상기 절연층(355) 위의 화상비표시영역에 친수성 물질로 이루어진 격벽(350)이 형성된다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 격벽(350)은 친수성을 가지지 않는 물질로 이루어질 수 있다.
상기 제 2 기판(305)에는 화상비표시영역에 형성되어 해당 영역으로 광이 누설되는 것을 차단하는 블랙매트릭스(307), 제 2 기판(305)에 형성되어 컬러를 구현하는 컬러필터층(306), 상기 컬러필터층(306) 위에 유기절연물질 또는 무기절연물질로 형성되어 상부기판의 굴절률을 매칭 하는 제 2 인덱스 매칭층(309) 및 상기 제 2 인덱스 매칭층(309)에 형성되어 제 1 기판(310)의 제 1 전극(318)과 전계를 형성하는 제 2 전극(308)이 형성된다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 컬러필터층(306)은 상기 제 1 기판(310) 위에 형성될 수 있다.
이와 같이 구성된 상기 제 1 기판(310)과 제 2 기판(305) 사이에는 제 1 액체(330) 및 제 2 액체(340)가 채워진다. 이때, 상기 제 1 액체(330)는 비극성 액체이고 제 2 액체(340)는 극성용액으로서, 서로 다른 성질로 인해 서로 섞이지 않고 경계를 형성한다. 이때, 제 2 액체(340)가 수용액이고 제 1 기판(310)에는 소수성의 절연층(355)이 형성이며 격벽(350)은 친수성 물질로 이루어져 있으므로 제 1 액체(330)가 하부에 위치하고 제 2 액체(340)가 상부에 위치하게 된다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 격벽(350)은 친수성을 가지지 않는 물질로 이루어질 수 있다.
특히, 전술한 일 실시예에서와 같이, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전기습윤 표시장치는 제 2 기판(305)의 컬러필터층(306)과 공통전극(308) 사이와 제 1 기판(310)의 절연층(355)과 화소전극(318) 사이에 굴절률 매칭을 위한 제 2 인덱스 매칭층(309)과 제 1 인덱스 매칭층(319)을 각각 형성함으로써 투과율과 대조비를 향상시키는 한편, 색감(파장에 따른 투과율 변화)을 자유롭게 조절할 수 있게 된다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전기습윤 표시장치의 동작을 도 7a 및 도 7b를 참조하여 상세히 설명한다.
도 7a 및 도 7b는 상기 도 6에 도시된 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전기습윤 표시장치의 동작을 나타내는 단면도이다.
우선, 도 7a에 도시된 바와 같이, R, G, B-화소에 형성된 제 1 전극(318a, 318b, 318c)에 신호가 인가되지 않는 경우, 제 1 전극(318a, 318b, 318c)과 제 2 전극(308) 사이에는 전계가 형성되지 않으므로, 불투명한 제 1 액체(330)가 R, G, B-화소의 제 1 기판(310) 상에 고르게 퍼져 있게 된다.
이 상태에서 제 1 기판(310)의 하부에 배치된 백라이트(미도시)로부터 광이 입사되면, 상기 광이 불투명한 제 1 액체(330)에 의해 차단되어 제 2 기판(308)의 상부는 광이 투과되지 않게 되어 전기습윤 표시장치의 화면에는 블랙이 구현된다.
도 7b에 도시된 바와 같이, R-화소의 제 1 전극(318a) 및 B-화소의 제 1 전극(318c)에는 신호가 인가되지 않고 G-화소의 제 1 전극(318b)에만 신호가 인가되는 경우, R-화소 및 B-화소에는 전계가 형성되지 않는 반면에, G-화소에는 전계가 형성된다. 따라서, R-화소 및 B-화소에서는 불투명한 제 1 액체(330)가 R-화소 및 B-화소의 제 1 기판(310)상에 고르게 퍼지게 되는 반면에, G-화소에서는 전계가 인가되어 전기습윤현상에 의해 절연층(355)의 젖음성 특성이 향상되어 절연층(355)이 친수성 특성을 갖게 되며, 이러한 친수성 특성에 의해 G-화소의 제 2 액체(340)가 G-화소의 제 1 기판(310) 상에 퍼지게 된다. 따라서, 상기 제 2 액체(340)의 제 1 기판(310) 상으로의 퍼짐에 의해 제 1 액체(330)가 G-화소 내에서 측면 측으로 밀려나게 되어 G-화소의 제 1 기판(310) 상에는 투명한 제 2 액체(340)가 존재하게 되고 불투명한 제 1 액체(330)는 격벽(350)측으로 몰리게 된다.
이러한 상태에서 백라이트로부터 광이 입사되면, R-화소 및 B-화소에서는 불투명한 제 1 액체(330)가 제 1 기판(310)상에 고르게 퍼지기 때문에, 외부로부터 입사되는 광이 상기 제 1 액체(330)에 의해 차단되어 화면상에는 블랙이 표시된다. 반면에, G-화소에서는 백라이트로부터 입사되는 광이 투명한 제 2 액체(340)를 투과한 후 다시 G-컬러필터층(306b)을 투과하게 되므로, 녹색의 컬러가 구현된다. 결과적으로, G-화소에만 신호가 인가되는 경우 화면상에는 녹색의 컬러가 구현되는 것이다.
전압을 R-화소 및 B-화소의 제 1 전극(318a, 318c)에 각각 인가함으로써 화면상에 적색 컬러와 청색 컬러를 구현할 수 있으며, 이들 컬러의 휘도를 조절함으로써 원하는 컬러를 구현할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전기습윤 표시장치에서는 액체의 전기습윤 특성을 이용하여 반사형 또는 투과형으로 화상을 구현할 수 있게 된다.
한편, 상술한 설명에서는 특정 구조의 전기습윤 표시장치에 대해 설명하고 있지만, 본 발명이 이러한 특정 구조의 전기습윤 표시장치에만 한정되는 것은 아니다.
또한, 상술한 설명에서는 보호층 상부의 절연층이 소수성 물질로 이루어지고 격벽이 친수성 물질로 이루어져 있지만, 보호층 상부의 절연층이 친수성 물질로 이루어지고 격벽이 소수성 물질로 이루어질 수도 있다. 이 경우, 제 1 액체는 수용액 등의 극성용액으로 이루어지고 제 2 액체는 오일 등과 같은 무극성용액으로 이루어져, 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 제 1 액체 및 제 2 액체가 충진될 때 제 1 기판 측에는 제 1 액체가 존재하고 제 2 기판 측에 제 2 액체가 존재하게 된다.
상기한 설명에 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나 이것은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서 발명은 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위와 특허청구범위에 균등한 것에 의하여 정하여져야 한다.
105,205,305 : 제 2 기판 108,208,308 : 제 2 전극
110,210,310 : 제 1 기판 118,218,318 : 제 1 전극
155,255,355 : 절연층 150,250,350 : 격벽
209,309 : 제 2 인덱스 매칭층 219,319 : 제 1 인덱스 매칭층
230,330 : 제 1 액체 240,340 : 제 2 액체
110,210,310 : 제 1 기판 118,218,318 : 제 1 전극
155,255,355 : 절연층 150,250,350 : 격벽
209,309 : 제 2 인덱스 매칭층 219,319 : 제 1 인덱스 매칭층
230,330 : 제 1 액체 240,340 : 제 2 액체
Claims (13)
- 화상표시영역 및 화상비표시영역으로 구분되는 제 1 기판 및 제 2 기판;
상기 제 1 기판에 구비된 제 1 전극;
상기 제 1 전극이 구비된 제 1 기판 위의 제 1 인덱스 매칭층;
상기 제 1 인덱스 매칭층 위에 구비된 절연층;
상기 절연층 위의 상기 화상비표시영역에 구비된 격벽;
상기 제 2 기판 위의 제 2 인덱스 매칭층;
상기 제 2 인덱스 매칭층 위에 구비되어 상기 제 1 기판의 제 1 전극과 전계를 형성하는 제 2 전극; 및
상기 제 1 기판 및 상기 제 2 기판 사이에 배치되어 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이의 전계에 의해 그 배열이 변화되어 광을 스위칭 시키는 불투명한 제 1 액체 및 투명한 제 2 액체를 포함하며,
상기 제 1, 제 2 인덱스 매칭층은 투명 절연물질로 이루어져 두께 조절에 따른 굴절률의 매칭을 통해 투과율을 향상시키는 전기습윤 표시장치. - 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 액체는 비극성 블랙액체이고 상기 제 2 액체는 극성의 투명한 용액으로 구성되는 전기습윤 표시장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 기판에 구비된 박막트랜지스터를 추가로 포함하는 전기습윤 표시장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 인덱스 매칭층은 벤조싸이클로부텐(benzocyclobutene; BCB)이나 포토아크릴(photo acryl)의 유기절연물질로 이루어지거나 실리콘산화막(SiO2)이나 실리콘질화막(SiNx)의 무기절연물질로 구성되는 전기습윤 표시장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 전극은 ITO(Indium Tin Oxide)나 IZO(Indium Zinc Oxide)의 투명한 도전물질로 구성되는 전기습윤 표시장치.
- 제 1 항에 있어서, 500Å 두께의 ITO를 상기 제 2 전극으로 이용하는 동시에 600Å ~ 1000Å 두께의 SiNx를 상기 제 2 기판의 제 2 인덱스 매칭층으로 이용하는 전기습윤 표시장치.
- 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 기판의 제 2 인덱스 매칭층으로 1.93의 굴절률을 가지는 800Å 두께의 SiNx를 이용하는 전기습윤 표시장치.
- 제 1 항에 있어서, 500Å ~ 1000Å 두께의 ITO를 상기 제 2 전극으로 이용하는 동시에 600Å ~ 2000Å 두께의 SiNx를 상기 제 2 기판의 제 2 인덱스 매칭층으로 이용하는 전기습윤 표시장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 기판에 구비된 컬러필터층을 추가로 포함하는 전기습윤 표시장치.
- 제 9 항에 있어서, 상기 제 2 인덱스 매칭층은 상기 컬러필터층 위에 구비되는 전기습윤 표시장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 기판에 구비된 컬러필터층을 추가로 포함하는 전기습윤 표시장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극은 불투명한 도전물질로 구성되며, 상기 제 2 전극은 ITO나 IZO의 투명한 도전물질로 구성되는 전기습윤 표시장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 인덱스 매칭층은 다층구조 혹은 나노 패턴을 포함하는 구조로 구성되는 전기습윤 표시장치.
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