KR101808516B1 - 디스플레이 패널 및 이의 구동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 높은 광효율과 빠른 응답속도를 갖도록, 광학 필드를 제어하여 광원으로부터의 출사된 광을 변조시켜 출사시키는 디스플레이 패널 및 이의 구동 방법에 관한 것으로, 본 발명의 디스플레이 패널은, 본 발명의 디스플레이 패널은, 중앙에 복수개의 픽셀이 매트릭스상으로 정의되며, 상기 픽셀들의 외곽에 비표시 영역이 정의된 기판;과, 상기 기판의 비표시 영역에 형성되며, 외부에서 입사되는 광을 받아 상기 기판 내로 입사시키는 광커플러(light coupler);와, 상기 기판 상에, 각 픽셀들에 형성되며, 광학 필드를 변조시켜 발광하는 복수개의 픽셀 소자;와, 상기 광커플러와 연결되어, 상기 입사된 광을 받아 상기 복수개의 픽셀 소자측으로 각각 스위칭시켜 전달하는 광학 스위치 어레이; 및 상기 기판의 비표시 영역에, 상기 광학 스위치 어레이와 연결되며, 상기 광학 스위치 어레이로부터 각 픽셀 소자측으로 전달하는 전압 값을 출력하는 소오스 드라이버 IC 를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

디스플레이 패널 및 이의 구동 방법 {Display Panel and Method for Driving the Same}
본 발명은 디스플레이 패널에 관한 것으로 특히, 높은 광효율과 빠른 응답속도를 갖도록, 광학 필드를 제어하여 광원으로부터의 출사된 광을 변조시켜 출사시키는 디스플레이 패널 및 이의 구동 방법에 관한 것이다.
정보화 사회에서 디스플레이(Display)는 시각정보 전달매체로서 그 중요성이 더 한층 강조되고 있으며, 향후 주요한 위치를 점하기 위해서는 저소비전력화, 박형화, 경량화, 고화질화 등의 요건을 충족시켜야 한다.
이러한 디스플레이는 자체가 빛을 내는 브라운관(Cathode Ray Tube; CRT), 전계발광소자(Electro Luminescence; EL), 발광소자(Light Emitting Diode; LED), 진공형광표시장치(Vacuum Fluorescent Display; VFD), 전계방출디스플레이(Field Emission Display; FED), 플라스마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel; PDP) 등의 발광형과 액정표시장치(Liquid Crystal Display; LCD)와 같이 자체가 빛을 내지 못하는 비발광형으로 나눌 수 있다.
최근에는, 디스플레이는 상술한 방식에 한하지 않고, 사용자 욕구의 증대에 따라, 보다 고화질 및 빠른 응답 속도 등을 위해 새로운 디스플레이의 연구가 활발히 진행되고 있다.
예를 들어, 일반적인 표시 장치를 설명하면 다음과 같다.
일반적인 액정표시장치는 매트릭스(matrix) 형태로 배열된 화소들에 화상신호를 개별적으로 공급하여, 상기 화소들의 광투과율을 조절함으로써 원하는 화상을 표시할 수 있도록 한 표시장치이다. 이를 위해 액정표시장치는 박막 트랜지스터가 배열된 하부기판과, 컬러필터가 형성되어 있는 상부기판이 액정층을 사이에 두고 합착된 구조로 되어 있다. 또한, 상기 하부 기판과 상부 기판 표면에는 각각 편광판이 형성되어, 투과 방향의 따라 차단 또는 투과를 조절한다. 그리고, 상기 액정 표시 장치는, 하부에 백라이트 유닛을 구비하여, 상기 백라이트 유닛으로부터 출사되는 광을, 상기 박막 트랜지스터에 의한 전계 인가에 따라, 상기 액정층에서 광경로를 조절하여 출사시킨다.
이러한 액정 표시 장치는, 색상을 표시하기 위해 컬러 필터를 구비하는 것으로, 투과율이 떨어지며, 효율이 5% 정도로 낮은 광효율을 갖는 디스플레이다. 특히, 백라이트 유닛을 통과한 백색광이 하나의 색상만을 투과시키는 R, G, B 컬러 필터를 투과함에 따라, 그 광효율이 약 66% 정도 감소하게 되며, 픽셀들의 개구율에 의해 효율이 50% 가량 추가로 감소하여, 이는 전체 디스플레이의 광효율을 감소시키는 주요 원인이 된다.
또한, 응답 속도가 전계 인가에 따른 액정의 배향 변화에 따라 정해지는 것으로, 상대적으로 타 디스플레이에 대비해 낮은 응답 속도를 갖는다.
또한, 백라이트 유닛의 광을 이용하는 것으로, 자발광 디스플레이에 대비하여 상대적으로 낮은 대조비(contrast ratio)를갖는다.
그리고, 도시된 바와 같이, 박막 트랜지스터, 컬러 필터, 액정층, 편광판 등의 여러 구성요소를 구비하기 때문에, 복잡한 구성으로 이루어져, 여러 공정의 제조 단계를 거쳐야 하여, 공정의 번거로움이 있다.
일반적인 유기 발광 소자는, 기판 상에, 서로 대향된 양극과 음극과, 상기 양극, 음극 사이에 광을 발광시키는 발광층과, 상기 양극과 발광층 사이에 아래서부터 차례로 형성된 홀 주입층, 홀 전송층과, 상기 발광층과 상기 음극 사이에 차례로 형성된 전자 전송층 및 전자 주입층을 포함하여 이루어진다.
이러한, 유기 발광 소자는, 수분에 열화되기 쉬운 유기 재료를 포함하여 이루어지는 것으로, 완전한 씰링 등의 어려움이 있고, 또한, 픽셀별 발광층 형성시 이용하는 새도우 마스크 공정에서, 새도우의 막힘, 쳐짐 등의 문제로 인해, 대면적 패널로 형성하기 힘든 어려움이 있다.
또한, 발광층과 그 주변층들의 조건에 따라 발광 특성이 달라지기 때문에, 그 소재를 선택하는데 제약이 있어, 동 크기의 다른 디스플레이 대비 제조 단가가 높은 문제점이 있다.
그리고, 서로 다른 색상의 발광층을 이루는 발광 물질들의 열화 속도가 달라, 장시간 구동시 색 변화가 발생하는 문제가 있다.
더불어, 전극들과 그 주변층, 발광층들의 HOMO, LUMO 에너지 레벨을 인접한 층들에 맞추어 특정 조건이 필요하여, 각 에너지 레벨에 맞는 일함수를 갖는 전극 물질들이 요구되어 복잡한 전극 구조를 가질 수 있다.
상기와 같은 근래 각광받고 있는 유기 발광 소자나 액정 표시 장치는 다음과 같은 문제점이 있다.
즉, 유기 발광 소자는, 유기물 이용에 따라, 소자 열화 문제를 피할 수 없어, 장시간 구동이 불가능하다. 또한, 새도우 마스크를 이용한 발광층 증착 공정에서, 새도우의 막힘이나 쳐짐 등과 같은 공정적인 문제가 있어, 대형 패널의 제조가 어렵다. 그리고, 발광 물질과 그 주변층에 HOMO 및 LUMO 에너지에 따라, 전자 또는 정공의 수송이 가능하거나 수송 효율이 높은 것으로, 재료의 선택에 어려움이 있다.
그 외의 액정 표시 장치는, 색상 구현을 위해 컬러 필터를 사용하며, 또한, 액정의 전계 구동에 의해 박막 트랜지스터 및 기타 배선 형성으로 인해 개구율이 떨어지는 것으로, 광효율이 5% 정도로 낮다. 또한, 액정의 응답 속도가 늦기 때문에, 빠른 응답 속도를 얻기 힘들다. 그리고, 박막 트랜지스터, 컬러 필터, 액정층, 편광판의 구비에 따라, 공정이 복잡한 애로 사항이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 높은 광효과, 빠른 응답속도를 갖도록, 광학 필드를 제어하여 광원으로부터의 출사된 광을 변조시켜 출사시키는 새로운 형태의 디스플레이 패널 및 이의 구동 방법을 제공하는 데, 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 디스플레이 패널은, 중앙에 복수개의 픽셀이 매트릭스상으로 정의되며, 상기 픽셀들의 외곽에 비표시 영역이 정의된 기판;과, 상기 기판의 비표시 영역에 형성되며, 외부에서 입사되는 광을 받아 상기 기판 내로 입사시키는 광커플러(light coupler);와, 상기 기판 상에, 각 픽셀들에 형성되며, 광학 필드를 변조시켜 발광하는 복수개의 픽셀 소자;와, 상기 광커플러와 연결되어, 상기 입사된 광을 받아 상기 복수개의 픽셀 소자측으로 각각 스위칭시켜 전달하는 광학 스위치 어레이; 및 상기 기판의 비표시 영역에, 상기 광학 스위치 어레이와 연결되며, 상기 광학 스위치 어레이로부터 각 픽셀 소자측으로 전달하는 전압 값을 출력하는 소오스 드라이버 IC 를 포함하여 이루어진 것에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 광학 스위치 어레이는, 상기 비표시 영역에, 상기 광커플러와 연결되어, 상기 입사된 광이 일 방향으로 진행하는 기저 광도파관(backbone waveguide);와, 상기 비표시 영역에, 상기 기저 광도파관과 이격되어, 픽셀을 향해 상기 기저 광도파관과 교차하는 방향으로 배치된 복수개의 픽셀라인 광도파관(pixel line waveguide); 및 상기 기저 광도파관과 상기 픽셀라인 광도파관들 사이에 형성되며, 상기 입사된 광을 상기 각 픽셀 라인 광도파관으로 출력하는 복수개의 광학 스위칭부(optical switching block)를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 각 광학 스위칭부는, 상기 기저 광도파관과 상기 픽셀라인 광도파관을 지나며, 직렬로 형성되는 광량 배분 스위치 및 픽셀라인 광스위치를 포함한다.
이 때, 상기 광량 배분 스위치 및 픽셀라인 광스위치는, 상기 기저 광도파관과 상기 픽셀라인 광도파관과 각각 인접하게 형성된 스위칭 광도파관에 의해 정의된다.
또한, 상기 광학 스위칭부는 상기 픽셀 라인 광스위치와 직렬로 연결되는 광흡수부를 더 포함할 수 있다.
상기 스위칭 광도파관은, "⊂"형으로 형성되며, 상부의 'ㅡ'는 상기 기저 광도파관에 인접하며, 'l'은 상기 픽셀 라인 광도파관에 인접하고, 하부의 'ㅡ'는 상기 광흡수부에 형성될 수 있다.
이 때, 상기 광흡수부는 상기 스위칭 광도파관의 상하층에 광흡수물질을 증착하여 이루어진다.
상기 광흡수부에 대응되는 상기 스위칭 광도파관은 스캐터링 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 광량 배분 스위치는, 상기 인접한 기저 광도파관과 스위칭 광도파관; 및 상기 인접한 기저 광도파관과 상기 스위칭 광도파관 상에 형성되는, 제 1 전극;을 포함하여 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 제 1 전극은, 비표시 영역에 형성되는 전압인가 IC와 연결되며, 상기 전압인가 IC는 상기 각 광량배분 스위치에서 동일한 광량을 출력하도록 제어하는 전압을 상기 제 1 전극에 인가한다.
한편, 상기 광량 배분 스위치는, 제 1 입력포트와 제 1, 제 2 출력 포트를 갖고, 상기 제 1 입력 포트는 전단 광량 배분 스위치의 제 1 출력 포트와 연결되고, 상기 제 1 출력 포트는 다음 광학 스위칭부로 향하는 기저 광도파관이고, 상기 제 2 출력 포트는 상기 픽셀라인 광스위치로 향한다.
경우에 따라, 상기 광량 배분 스위치는, 상기 인접한 기저 광도파관과 스위칭 광도파관간의 광 커플링 길이 또는 간격에 의해 광량이 조절될 수 있다.
한편, 상기 픽셀라인 광스위치는 제 2 입력포트와 제 3, 제 4 출력 포트를 갖고, 상기 제 2 입력 포트는, 상기 광량 배분 스위치의 제 2 출력 포트와 연결되고, 상기 제 3 출력 포트는 픽셀라인 광도파관과 연결되고, 상기 제 4 출력 포트는, 상기 광 흡수부로 연결되어 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 픽셀라인 광스위치는, 상기 인접한 픽셀라인 광도파관과 상기 스위칭 광도파관; 및 상기 스위칭 광도파관과 상기 픽셀 라인 광도파관 상에 형성되며, 상기 소오스 드라이버 IC와 연결되는 제 2 전극;를 포함하여 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 픽셀라인 광 스위치는 상기 소오스 드라이버 IC로부터 전압 신호를 받아 출력되는 광량이 조절된다.
또한, 상기 광학 배분 스위치 및 상기 픽셀라인 광스위치는 각각 방향성 커플러(Directional Coupler) 소자 또는 멀티모드 인터피어런스(MMI: Multimode Interference) 소자일 수 있다.
그리고, 상기 픽셀 소자들은, 상기 기판 전면에 형성된 공통 전극;과, 상기 공통 전극 상에 형성되며, 상기 픽셀 라인 광도파관에서 연장되어 상기 픽셀들을 지나는 제 1 광도파관;과, 상기 제 1 광도파관 상에 형성된 굴절률 가변층;과, 상기 굴절률 가변층 상에, 가로 열상으로 형성된 게이트 전극; 및 상기 게이트 전극 상에, 상기 픽셀마다 형성된 컬러 전환 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 기판 상의 비표시 영역에 타측에, 상기 게이트 전극과 각각 연결된 게이트 드라이버를 더 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 공통 전극 및 게이트 전극은 투명 전극이다.
그리고, 상기 공통 전극에는 0V 또는 상전압(constant voltage)이 인가되고, 상기 게이트 전극에는 상측에서부터 하측으로 또는 하측에서부터 상측으로 순차적으로 동일한 게이트 온 전압이 인가될 수 있다.
상기 픽셀 소자들은, 상기 공통 전극과 상기 게이트 전극 사이에 전계가 형성되면,
상기 굴절률 가변층의 굴절률을 변화시켜, 상기 제 1 광도파관에 전달된 광의 광학필드를 변조하여, 변조된 광학 필드 테일이 상기 컬러 전환 물질에 전달되도록 한다.
그리고, 상기 컬러 전환 물질은, 다운 컨버젼(down-conversion) 물질의 발광층일 수 있다. 예를 들어, 상기 다운 컨버젼 물질은 광 발광(photo-luminescence) 물질이거나 형광 물질 또는 인광 물질일 수 있다.
또한, 상기 굴절률 가변층은 전기 광학적(Electro-optic)으로 굴절률이 가변되는 것일 수 있다.
한편, 상기 광커플러로 광을 입사시키는 광원을 더 포함할 수 있다. 그리고, 상기 광커플러는 상기 입사된 광을 받아 상기 기저 광도파관으로 전달하는 제 2 광도파관(waveguide)일 수 있다.
또한, 동일한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 디스플레이 패널은, 중앙에 복수개의 픽셀이 매트릭스상으로 정의되며, 상기 픽셀들의 외곽에 비표시 영역이 정의된 기판;과, 상기 기판의 비표시 영역에 형성되며, 외부에서 입사되는 광을 받아 상기 기판 내로 입사시키는 광커플러(light coupler);와, 상기 기판 전면에 형성된 공통 전극;과, 상기 광커플러와 연결되어, 상기 입사된 광이 일 방향으로 진행하는 기저 광도파관;과, 상기 기저 광도파관과 이격되어, 상기 기저 광도파관과 교차하는 방향으로 배치된 복수개의 픽셀라인 광도파관(pixel line waveguide);과, 상기 공통 전극 상에 형성되며, 상기 픽셀 라인 광도파관에서 연장되어 상기 픽셀들을 지나는 제 1 광도파관;과, 상기 제 1 광도파관 상에 형성된 굴절률 가변층;과, 상기 굴절률 가변층 상에, 가로 열상으로 형성된 게이트 전극;과, 상기 게이트 전극 상에, 상기 픽셀마다 형성된 컬러 전환 물질;과, 상기 기저 광도파관과 상기 픽셀라인 광도파관을 지나며, 직렬로 형성되는 광량 배분 스위치 및 픽셀라인 광스위치를 포함하는 광학 스위치 어레이; 상기 기판의 비표시 영역에, 상기 픽셀라인 광스위치와 연결되며, 각 픽셀 라인으로 전압 값을 인가하는 소오스 드라이버 IC; 및 상기 기판 상의 비표시 영역에 타측에, 상기 게이트 전극과 각각 연결된 게이트 드라이버;를 포함하여 이루어진 것에 또 다른 특징이 있다.
경우에 따라, 상술한 디스플레이 패널은, 상기 광량 배분 스위치와 연결되는 전압 인가 IC를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 소오스 드라이버 IC와 게이트 드라이버는, 외부의 타이밍 컨트롤러에 연결된다.
상술한 디스플레이 패널은, 상기 광커플러를 통해 상기 기판 내로 광이 입사되면, 상기 게이트 드라이버에서 상기 게이트 전극으로 순차적으로 게이트 전압을 인가하고, 상기 공통 전극에는 공통 전압을 인가하고, 상기 소오스 드라이버 IC에서, 각 픽셀 라인으로 해당 계조에 따른 전압 값을 인가하여 상기 픽셀들에 표시가 이루어진다.
상기 소오스 드라이버 IC에서, 각 픽셀라인으로 해당 계조에 따른 전압 값이 인가되면, 상기 광량 배분 스위치에서, 각 픽셀라인별로 동일한 광량을 분배하며, 상기 각 픽셀라인의 해당 계조에 따른 전압을 상기 픽셀라인 광스위치에 인가하여, 해당 계조에 따라 조절된 광량을 상기 제 1 광도파관으로 전달한다.
상기와 같은 본 발명의 디스플레이 패널 및 이의 제조 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 광이용 효율이 높은 수평진행 전반사 형태의 광도파관을 이용하여 광효율을 높일 수 있으며, 또한, 광량 전달에 의해 표시가 이루어지는 것으로 빠른 픽셀 응답 속도를 얻을 수 있다.
둘째, 광커플러를 통해 입사된 광의 전달에 있어서, 광학 스위치 어레이를 두개의 광스위치를 구비하며, 두개의 광스위치가 각각 소오스 드라이버 IC와 전압 인가 IC와 연결되도록 하여, 일차적으로 각 픽셀라인을 동등한 광량을 배분한 후, 소오스 드라이버 IC 제어에 의해 각 계조에 따라 전압 값을 인가하여 픽셀들에 표시를 수행하여, 액티브 매트릭스 방식으로 구현이 가능하다.
셋째, 상술한 두개의 광스위치를 이용한 광학 스위치 어레이를 구비하여 액티브 매트릭스 방식으로 구동시켜, 소오스 드라이버 IC측에서 클럭 스피드 로드를 줄일 수 있다. 즉, 소오스 드라이버 IC의 스피드 요구를 줄일 수 있다.
넷째, 클럭 스피드를 줄임으로써, 구동에 요구되는 전력을 감소시켜 구동 소비전력 효율을 증대시킬 수 있다.
다섯째, 경우에 따라 광학 스위치 어레이에서, 광학 커플링 길이 조절을 통해 광량을 배분하여, 구조적인 방식으로 광량 배분도 가능하다.
여섯째, 컬러 전환 물질에 이용되는 발광 물질 선택에 자유도가 높기 때문에, 선택된 발광 물질에 따라 높은 광 효율 및 높은 색 순도를 갖는 디스플레이 구현이 가능하며 빠른 픽셀 응답 속도와 높은 대조비(contrast ratio)를 갖는 디스플레이 픽셀 구현이 가능하다.
일곱째, 하나의 글래스 기판 위에 광커플러, 광학 스위치, 및 픽셀 소자와 같이, 광학 필드를 변조하는 모든 소자가 집적되어 있기 때문에, 패널 구조가 단순하며, 간결한 공정에 의한 제작이 가능하다.
여덟째, 디스플레이 패널의 투명성을 이용한 투명 디스플레이의 다양한 어플리케이션 창출이 가능하다.
아홉째, 광학 필드 변조 또는 스위칭에 의해 발광이 가능한 것으로, 광효율이 패널의 개구율에 영향을 받지 않아, 컬러 필터에 의한 빛의 흡수가 없다. 또한, 광학 필드에 의한 에너지가 굴절률을 변조시키는 전계로, 광 에너지를 발광층에 전달하기 때문에, 광효율의 감소가 없다.
열째, 포토 발광(photo-luminescence) 방식으로, 환경에 의한 열화도가 낮은 발광 물질을 자유롭게 선정할 수 있다. 그 밖의 전계 발광 소자의 경우는, 발광 물질 뿐만 아니라 전하를 공급하기 위한 전극 물질 또한 전자 에너지 레벨을 고려해서 선정해야 하여, 전극 물질의 열화 또한 전체 발광 소자의 성능을 좌우하는 요소가 된다. 예를 들어, 유기 전계 발광 소자의 경우, 발광층과 전도층이 유기물로 구성되어 있어, 수분에 의한 소자의 열화가 큰 이슈가 되고 있으며, 그 외로 양자점 발광 소자의 경우, 양자점 자체는 무기물로 긴 수명을 가질 가능성이 있지만, 많은 경우, 효율을 높이기 위해, 유기 전극 물질을 사용하기 때문에, 수분에 의한 열화를 피할 수 없다.
열한번째, 본 발명의 광학 필드 변조 발광 소자를 구비한 디스플레이는, 각각의 픽셀들이 스스로 빛을 내는 자발광으로 구동되기 때문에, 넓은 시야각을 갖는다.
도 1은 본 발명의 디스플레이 패널을 나타낸 평면도
도 2는 도 1의 사시도
도 3은 도 2의 광 커플러를 나타낸 평면도
도 4는 본 발명의 디스플레이 패널의 픽셀 소자를 나타낸 사시도
도 5는 도 1의 광학 스위칭부를 구체적으로 도시한 평면도
도 6은 도 5의 광학 스위칭부의 일예에 따른 도면
도 7은 도 6을 적용한 본 발명의 디스플레이 패널의 블럭도
도 8은 본 발명의 광학 스위칭부에 있어서, 광흡수부를 나타낸 단면도
도 9는 본 발명의 디스플레이 패널의 광학 스위칭부를 다른 예로 나타낸 도면
도 10은 도 9을 적용한 본 발명의 디스플레이 패널의 블럭도
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 디스플레이 패널의 광학 스위치의 광량 배분 스위치 또는 픽셀라인 광스위치를 다양한 실시예로 나타낸 도면
도 12는 본 발명의 픽셀 소자의 발광 및 비발광시의 광학 필드를 나타낸 단면도
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 픽셀 소자의 광학 필드 변조 전후를 나타낸 그래프
도 14는 본 발명의 픽셀 소자의 광학 필드 변조 전후의 에버네슨트 필드 테일 프로파일을 나타낸 그래프
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 디스플레이 패널 및 이의 제조 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 디스플레이 패널을 나타낸 평면도이며, 도 2는 도 1의 사시도이다. 그리고, 도 3은 도 2의 광 커플러를 나타낸 평면도이며, 도 4는 본 발명의 디스플레이 패널의 픽셀 소자를 나타낸 사시도이다.
도 1 내지 도 4와 같이, 본 발명의 디스플레이 패널은, 중앙에 복수개의 픽셀이 매트릭스상으로 정의되며, 상기 픽셀의 외곽에 비표시 영역이 정의된 기판(100)과, 상기 기판(100)의 비표시 영역에 형성되며, 외부에서 입사되는 광을 받아 여기시키는 광커플러(light coupler)(400)와, 상기 기판(100) 상에, 각 픽셀들에 형성되며, 광학 필드를 변조시켜 발광하는 복수개의 픽셀 소자를 갖는 픽셀 소자 어레이(500) 및 상기 광커플러(400)와 연결되어, 상기 여기된 광을 받아 상기 픽셀 소자측으로 스위칭시켜 전달하는 광학 스위치 어레이(Optical switch array)(300A)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 상기 광커플러(400)는 기판(100)에 형성된 광도파로(상기 광학 스위치 어레이(300A)와 연결)에 외부 광을 입사시킨다.
그리고, 상기 비표시 영역에는, 상기 광학 스위치 어레이(300A)로부터 각 픽셀 소자측으로 전달하는 전압 값(data signal)을 출력하는 소오스 드라이버 IC (도 6의 600 참조)와, 상기 픽셀들을 가로 방향으로 가로질러 형성된 게이트 전극(120)에 게이트 온 전압을 인가하는 게이트 드라이버(650)를 포함한다.
여기서, 상기 광학 스위치 어레이(300A)는 광커플러(400)와 연결되어 광이 입사되는 기저 광도파관(200)과, 광량을 픽셀소자측으로 향하는 픽셀라인 광도파관(250)을 포함하며, 상기 기저 광도파관(200)과 각 픽셀라인 광도파관(250) 사이에 광학 스위칭부(300)가 각각 형성되어 있어, 해당 픽셀라인에서, 상기 소오스 드라이버 IC(600)으로부터 해당 계조 전압(Data Signal)을 인가받아 표시가 이루어진다. 이 때, 상기 광학 스위칭부(300)에서는 상기 기저 광도파관(200)에서 전달되는 광량을 픽셀라인별로 동등하게 분배하여 전달하며, 상기 소오스 드라이버 IC(600)에서 인가되는 계조 전압 값에 따라 해당하는 광량으로 전이되어, 최종적으로 각 상기 픽셀라인에 연결된 제 1 광도파관(250a)으로 인가된다.
그리고, 상기 픽셀 소자 어레이(500)는, 상기 기판(100) 전면에 형성된 공통 전극(105)과, 상기 공통 전극(105) 상에 형성되며, 상기 픽셀 라인 광도파관(250)에서 연장되어 상기 픽셀들을 지나는 제 1 광도파관(250a)과, 상기 제 1 광도파관(250a) 상에 형성된 굴절률 가변층(160)과, 상기 굴절률 가변층(160) 상에, 가로 열(row) 방향으로 형성된 게이트 전극(120) 및 상기 게이트 전극(120) 상부에, 상기 픽셀마다 형성된 컬러 전환 물질(color conversion material)(190)을 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 공통 전극(105) 및 게이트 전극(120)은 투명 전극이며, 상기 제 1 광도파관(250a), 굴절률 가변층(160)은 광의 투과가 가능한 투명 물질이다.
그리고, 상기 굴절률 가변층(160)은 전기 광학적(Electro-optic)으로 굴절률이 가변되는 것으로, 하부의 공통 전극(105)과 상부 게이트 전극(120) 사이에 전계가 형성되었을 때, 상기 굴절률 가변층(160)의 굴절률을 변화시켜, 상기 제 1 광도파관(250a)에 전달된 광의 광학필드를 변조하여, 변조된 광학 필드 테일이 상기 컬러 전환 물질(190)에 전달되도록 한다..
또한, 상기 컬러 전환 물질(190)은 하부의 굴절률 가변층(160)의 굴절률 변화에 따라 포토루미네센스(photo-luminescence) 가능한 물질이다. 예를 들어, 다운 컨버젼(down-conversion) 물질의 발광층이다. 이러한 상기 다운 컨버젼 물질은 광 발광(photo-luminescence) 물질이다. 이러한 상기 다운 컨버젼 물질은, 형광 물질 또는 인광 물질일 수 있다.
이 때, 상기 굴절률 가변층은 전기 광학적(Electro-optic)으로 굴절률이 가변되는 것으로, 그 상하에 인가되는 전기장에 의해 굴절률이 가변되어, 상기 컬러 전환 물질(190)에 광학 필드를 변조시켜 전달한다.
한편, 상기 공통 전극(105)과 게이트 전극(120) 사이의 전계는, 상기 공통 전극(105)에는 0V 또는 상전압(constant voltage)이 인가되고, 상기 게이트 전극(120)에는 상측에서부터 하측으로 또는 하측에서부터 상측으로 순차적으로 동일한 게이트 온 전압(gate high voltage)이 인가되어 이루어진다. 이 때, 상기 게이트 온 전압과 상기 공통 전극(105)에 인가되는 상전압은 서로 다른 값을 가지며, 그 차 값이 클수록 강한 전계가 형성된다.
여기서, 상기 소오스 드라이버 IC(600)는, 상기 광학 스위칭부(300)에 제 2 전극(도 3의 470 참조)과 연결된다. 이 경우, 상기 광학 스위칭부(300) 상의 형성된 상기 제 2 전극(470)과 연결되는 데이터 연결 배선(305)이 구비되며, 상기 데이터 연결 배선(305)을 통해 인가되는 계조 전압 값에 따라 접속된 픽셀 라인 광도파관(250)에 인가되는 광량이 조절될 수 있다.
또한, 상기 게이트 드라이버(650)가 게이트 연결 배선(125)을 개재하여, 상기 게이트 전극(120)측에 차례로 게이트 온 전압을 인가한다.
한편, 본 발명의 디스플레이 패널은 상기 광커플러(400)로 광을 입사시키는 광원을 더 포함할 수 있다. 이러한 광원은 LED, 형광 램프 혹은 레이저 빔 등 상기 기판(100)에 광이 입사될 수 있는 광원이면 된다.
그리고, 상기 광커플러는 상기 입사된 광을 받아 상기 기저 광도파관으로 전달하는 제 2 광도파관(waveguide)일 수 있다.
상기 광커플러(400)에서 입사된 광은 상기 광커플러(400)로부터 상기 기저 광도파관(200)으로 전송되며, 해당 광학 스위치 어레이의 스위칭 동작에 따라, 스위칭된 부위의 소정 광량을 픽셀 소자에 인접한 픽셀 라인 광도파관(250)으로 전송한다. 그리고, 상기 픽셀 라인 광도파관(250)으로부터 전송된 광량은, 상기 제 1 광도파관(250a) 상의 게이트 전극(120)의 전압 인가 여부에 따라 해당 픽셀의 굴절률 변환층(160)의 광학 필드 변조가 발생하여, 컬러 전환 물질(190)이 발광한다.
구체적으로 상기 광학 스위칭부(300)를 살펴보면 다음과 같다.
도 5는 도 1의 광학 스위칭부를 구체적으로 도시한 평면도이며, 도 6은 도 5의 광학 스위칭부의 일예에 따른 도면이고, 도 6은 도 5를 적용한 본 발명의 디스플레이 패널의 블럭도이다.
도 5와 같이, 상기 광학 스위치 어레이(300A)는, 상기 비표시 영역에, 상기 광커플러(400)와 연결되어, 상기 입사된 광이 일 방향으로 진행하는 기저 광도파관(backbone waveguide)(200)와, 상기 비표시 영역에, 상기 기저 광도파관(200)과 이격되어, 픽셀을 향해 상기 기저 광도파관(200)과 교차하는 방향으로 배치된 복수개의 픽셀라인 광도파관(pixel line waveguide)(250) 및 상기 기저 광도파관(200)과 상기 픽셀라인 광도파관들(250) 사이에 형성되며, 상기 입사된 광을 상기 각 픽셀 라인 광도파관(250)으로 출력하는 복수개의 광학 스위칭부(optical switching block)(300)를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 각 광학 스위칭부(300)는, 상기 기저 광도파관(200)과 상기 픽셀라인 광도파관(250)을 지나며, 직렬로 형성되는 광량 배분 스위치(460a) 및 픽셀라인 광스위치(470a)를 포함한다. 여기서, 상기 광학 스위칭부(300)는 상기 픽셀 라인 광스위치와 직렬로 연결되는 광흡수부(480)를 더 포함할 수 있다.
광흡수부(480)는 상기 광량 배분 스위치(460a)에서 상기 픽셀라인 광스위치(470a)로 전달되지 않는 남은 여분의 빛을 흡수하는 기능을 하는 것으로, 경우에 따라 생략할 수도 있다. 그러나, 각 픽셀라인별로 정확한 계조 전압을 인가하고, 광학 스위칭부의 온도 상승을 방지하기 위해서라면 상기 광흡수부(480)를 포함하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 광량 배분 스위치(460a) 및 픽셀라인 광스위치(470a)는, 상기 기저 광도파관(200)과 상기 픽셀라인 광도파관(250)과 각각 인접하게 형성된 스위칭 광도파관(450)에 의해 정의된다.
이러한 상기 스위칭 광도파관(450)은, "⊂"형으로 형성되며, 상부의 'ㅡ'는 상기 기저 광도파관(200)에 인접하며, 'l'은 상기 픽셀 라인 광도파관(250)에 인접하고, 하부의 'ㅡ'는 상기 광흡수부(480)에 형성될 수 있다.
이 때, 상기 광흡수부(480)는 상기 스위칭 광도파관(450)의 상하층에 광흡수물질(light absorbing material)을 증착하여 이루어진다.
한편, 상기 광량 배분 스위치(460a) 및 상기 픽셀라인 광스위치(470a)는 각각 한개의 입력 포트와 2개의 출력 포트를 갖는 것이다.
즉, 상기 광량 배분 스위치(460a)는, 제 1 입력포트와 제 1, 제 2 출력 포트를 갖고, 상기 제 1 입력 포트는 전단의 광량 배분 스위치의 제 1 출력 포트와 연결되고, 상기 제 1 출력 포트는 다음 광학 스위칭부로 향하는 기저 광도파관(200)이고, 상기 제 2 출력 포트는 상기 픽셀라인 광스위치(470a)로 향한다.
또한, 상기 광량 배분 스위치는, 도시된 바와 같이, 상기 인접한 기저 광도파관(200)과 스위칭 광도파관(450) 및 상기 인접한 기저 광도파관(200)과 상기 스위칭 광도파관(450) 상에 형성되는, 제 1 전극(460)을 포함하여 이루어진다.
이 경우, 상기 제 1 전극(460)은 도 4 및 도 5와 같이, 전압 인가 IC(800)에 연결되며, 상기 전압인가 IC(800)는 상기 각 광량배분 스위치(460a)에서 동일한 광량을 출력하도록 제어하는 전압을 상기 제 1 전극(460)에 인가한다.
한편, 상기 픽셀라인 광스위치(470a)는 제 2 입력포트와 제 3, 제 4 출력 포트를 갖고, 상기 제 2 입력 포트는, 상기 광량 배분 스위치(460a)의 제 2 출력 포트와 연결되고, 상기 제 3 출력 포트는 픽셀라인 광도파관(250)과 연결되고, 상기 제 4 출력 포트는, 상기 광 흡수부(480)로 연결되어 이루어진다.
이 때, 도 6 및 도 7과 같이, 상기 픽셀라인 광스위치(470a)는, 상기 인접한 픽셀라인 광도파관(250)과 상기 스위칭 광도파관(450) 및 상기 스위칭 광도파관(450)과 상기 픽셀 라인 광도파관(250) 상에 형성되며, 상기 소오스 드라이버 IC(600)와 연결되는 제 2 전극(470)을 포함하여 이루어진다. 이 경우, 상기 픽셀라인 광 스위치(470a)는 상기 소오스 드라이버 IC(600)로부터 전압 신호를 받아 출력되는 광량이 조절된다.
한편, 도 7에서 설명하지 않은 타이밍 컨트롤러(900)는 각각 게이트 드라이버(650)와 소오스 드라이버 IC(600)에 연결되어, 이들에 신호 인가와 클럭 신호 인가를 수행한다.
그리고, 설명하지 않은 비디오 그래픽 컨트롤러(1000)는 상술한 디스플레이 패널의 외부의 시스템에 위치하여, 계조 신호를 상기 타이밍 컨트롤러(900)에 공급하는 역할을 수행한다.
이러한 타이밍 컨트롤러(900) 및 비디오 그래픽 컨트롤러(1000)의 구비에 따라, 상기 광커플러(400)를 통해 상기 기판(100) 내로 광이 입사되면, 상기 게이트 드라이버(650)에서 상기 게이트 전극(120)으로 순차적으로 게이트 온 전압을 인가하고, 상기 공통 전극에는 공통 전압을 인가하고, 상기 소오스 드라이버 IC(650)에서, 각 픽셀 라인으로 해당 계조에 따른 전압 값을 인가하여 상기 픽셀들에 표시가 이루어진다.
그리고, 상기 소오스 드라이버 IC(650)에서, 각 픽셀라인(250)으로 해당 계조에 따른 전압 값이 인가되면, 상기 광량 배분 스위치(460a)에서, 각 픽셀라인(250)별로 동일한 광량을 분배하며, 상기 해당 계조에 따른 전압을 상기 픽셀라인 광스위치(470a)에 인가하여, 해당 계조에 따라 조절된 광량을 상기 제 1 광도파관(250a)으로 전달한다.
도 8은 본 발명의 광학 스위칭부에 있어서, 광흡수부를 나타낸 단면도이다.
도 8과 같이, 상기 광흡수부에 대응되는 상기 스위칭 광도파관(450)은, 광량의 전달을 상하로 용이하게 하도록 그 상부 표면에 스캐터링(scattering) 구조(450a)을 포함할 수 있으며, 상기 스위칭 광도파관(450)의 스캐터링 구조(450a)를 덮는 클래드층 또는 절연층(455) 상부와, 상기 스위칭 광도파관(450)이 형성된 기판(100) 하측에 각각 광 흡수 물질(480a)을 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 광 흡수 물질(480a)은 상기 스캐터링 구조(450a)가 형성된 상하 표면에 모두 대응되어 형성하는 것이 바람직하다.
이하, 상기 광학 스위칭부는 다른 실시예로 구현한 예를 살펴본다.
도 9는 본 발명의 디스플레이 패널의 광학 스위칭부를 다른 예로 나타낸 도면이며, 도 10은 도 9를 적용한 본 발명의 디스플레이 패널의 블럭도이다.
한편, 도 9 및 도 10과 같이, 광량 배분 스위치는, 인접한 기저 광도파관(200)과 스위칭 광도파관(2500)간의 광 커플링 길이(light coupling length) 또는 인접 간격에 의해서도 광량이 조절될 수 있다. 즉, 상술한 바와 같이, 전압 인가 IC와 같은 별도 칩을 구비하지 않고, 구조적으로도 광량 배분이 가능하다. 이 경우에도 상기 광량 배분 스위치(570)는 상기 각 픽셀라인 광도파관(250)의 입사부측으로 동일한 광량이 전달되도록 출력 광량을 조절한다.
이러한 실시예에 따르면, 도 10과 같이, 일반 액티브 표시 장치와 같이, 소오스 드라이버 IC(600), 게이트 드라이버 (650), 및 이를 제어하는 타이밍 컨트롤러(900)와 비디오 그래픽 컨트롤러(1000)를 통해 구동이 가능하다. 즉, 앞서 설명한 실시예에 비해, 전압 인가 IC를 상대적으로 삭제할 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 디스플레이 패널의 광학 스위치의 광량 배분 스위치를 다양한 실시예로 나타낸 도면이다.
예를 들어, 상술한 실시예들의 상기 광학 배분 스위치 및 상기 픽셀라인 광스위치는 각각 방향성 커플러(Directional Coupler) 소자 또는 멀티모드 인터피어런스(MMI: Multimode Interference) 소자일 수 있다.
즉, 픽셀라인 광 스위치를 예로 들 때, 도 11a와 같이, 방향성 커플러형(Directional Coupler Type)으로 형성된다면, 두개의 인접한 광도파관(픽셀라인 도파광과 스위칭 도파관) 사이에 정의된다. 즉, 일 방향으로 진행하는 픽셀라인 광도파관(250)과, 소정 부위에 상기 픽셀라인 광도파관(250)과 인접하는 스위칭 광도파관(450)을 포함하며, 그 상부에 제 2 전극(470)을 포함하여 이루어진다.
이 때, 스위칭시 상기 스위칭 광도파관(450)에서 상기 픽셀라인 광도파관(250)으로 광의 전달이 이루어지는 것이다. 스위칭은 상기 제 2 전극(470)과, 상기 두개의 인접한 광도파관 하부에 형성되는 공통 전극(도 4의 105 참조)과의 전기장이 형성될 때, 이루어진다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 픽셀라인 광 스위치는 한개의 입력 포트와 두개의 출력 포트를 갖는 것으로, 이 때 제 2 입력 포트는, 상기 광량 배분 스위치(460a)의 제 2 출력 포트와 연결되고, 상기 제 3 출력 포트는 픽셀라인 광도파관(250)과 연결되고, 상기 제 4 출력 포트는, 상기 광 흡수부(480)로 연결되어 이루어진다.
광학적으로 설명하면, 상기 인접한 스위칭 광도파관(450)과 픽셀 라인 광도파관(250)의 코어들은, 비슷한 크기의 웨이브 벡터(wave vector)들을 갖는 파(eigen mode)를 진행시킬 수 있도록 디자인되어 있어, 에너지가 다른 코어로 스위칭될 수 있게 한다.
도시된 도면에서는 각 광도파관의 코어만을 도시한 것으로, 그 상하 또는 상부 혹은 하부를 클래드층이 감쌀 수 있다.
그리고, 상술한 픽셀라인 광 스위치의 형상은 마찬가지로, 세포트를 갖고, 인접하게 광도파관이 배치되어 형성되는 광량배분 스위치에도 적용할 수 있을 것이다.
도 11b와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 스위치는, MMI(Multimode Interference) 형으로, 기판(100) 상에 전면 형성된 제 1 코어층(820)과, 상기 제 1 코어층(820) 층 상에, 길이 L, 폭W을 갖는 영역으로 넓은 면적으로 패터닝된 스위칭 영역과, 입력 포트와 다음 광학 스위치로의 출력 포트(output port to next optical switch)와, 픽셀로의 출력 포트(output port to pixel)이 스위칭 영역으로부터 돌출되는 패터닝된 제 2 코어층(821)을 포함하여 이루어진다. 여기서, 상기 제 1 코어층(820)과 제 2 코어층(821)을 일체형이며, 동일 물질로 이루어진다.
상술한 도 11a에서 기술된 방향성 광학 스위치와 비교하여, MMI형 광학 스위치는, 광의 진행방향이 코어층의 패터닝된 가장자리나 포트 부위에서 광이 회절하며, 그 진행방향을 바꾸어 가며 변경되어 출력 방향이 결정된다. 이에 따라 상기 제2 코어층(821)의 형상에 따라 광의 진행 방향을 결정할 수 있는 것이다. 또한, 상술한 방향성 광학 스위치와 마찬가지로, 그 상부에 굴절률 가변층 및 데이터 연결 배선의 조건에 따라 광량을 조절할 수 있다.
이와 같이, 광 스위치의 패턴 형상, 픽셀라인 광스위치 상의 굴절률 가변층 및 데이터 연결 배선의 조건에 따라, 빛 에너지의 비율을 각각 0~100% 까지 연속적으로 배분하여 전송할 수 있다.
한편, 상술한 디스플레이 패널에서, 각 광도파관인, 기저 광도파관(200), 픽셀라인 광도파관(250), 상기 픽셀라인 광도파관(250)에서 픽셀 소자측으로 연결되는 제 1 광도파관(250a), 상기 광 커플러(400)측의 제 2 광도파관, 상기 광학 스위칭부(300)의 스위칭 광도파관(450)은 모두 하부에 상기 공통 전극(105) 전면에 형성된 클래드층(110)과, 그 상부에, 표면의 상부 일부 두께가 패터닝되어진 코어층(130)을 포함하여 이루어진다.
도 12는 본 발명의 픽셀 소자의 발광 및 비발광시의 광학 필드를 나타낸 단면도이다.
도 12를 참조하여, 본 발명의 픽셀 소자의 발광 및 비발광시의 광학 필드를 살펴본다.
비발광시에는, 상기 공통 전극(105)과 게이트 전극(120) 사이에 전계 형성이 없어, 상기 굴절률 가변층(160)으로부터 컬러 전환 물질(190)간 에너지 전달이 없게 된다. 이에 따라, 상기 픽셀 라인 광도파관(250: 110, 130 포함)을 진행하는 광학 필드의 이동이 없이, 상기 픽셀 라인 광도파관의 진행 방향으로 계속 광이 진행하게 된다.
발광시에는, 상기 공통 전극(105)과 게이트 전극(120) 사이에 전계가 형성되어, 상기 굴절률 가변층(160)의 굴절률 값이 상기 전계에 따라 결정되어, 굴절률이 일정 값 이상으로 커진다. 이와 같이, 굴절률이 증가하면, 상기 굴절률 가변층(160)으로부터 컬러 전환 물질(190)로의 에너지가 전달되어, 광학 필드의 이동이 있게 되며, 상기 컬러 전환 물질(190)을 여기시켜 발광이 이루어지게 된다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 픽셀 소자의 광학 필드 변조 전후를 나타낸 그래프이다.
도 13b를 참조하면, 전압 인가가 없거나, 인가되는 전압이 낮은 경우에는, 출사된 광원의 광이 가이딩되어 전달된 코어에 광학 필드의 중심이 유지된 바를 나타내고 있으며, 도 13a를 참조하면, 일정 전압 이상 인가된 경우, 상기 광도파관의 코어층(130) 상의 굴절률 가변층(160)의 굴절률이 높아져, 광학 필드의 중심이 위쪽으로 이동하였으며, 또한, 그 광학 테일이 점차 확장되어, 컬러 전환 물질(190)까지 영향을 미침을 알 수 있다.
도 14는 본 발명의 픽셀 소자의 광학 필드 변조 전후의 에버네슨트 필드 테일 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 14와 같이, 본 발명의 광학 필드 변조 발광 소자의 광학 모드의 프로파일을 나타낸 것으로, 사각형 점으로 나타낸 그래프는 굴절률 가변층의 굴절률이 낮은 굴절률을 가진 상태를 나타낸 것이고, 원형 점으로 나타내는 그래프는 굴절률 가변층이 변환되어 높은 굴절률을 나타낸 것으로, 각각 해당 광도파관의 상하의 전계 오프와 온 상태를 나타낸다.
이는, 광도파관 하부의 공통 전극과 상부의 게이트 전극 또는 데이터 연결 배선을 통해 광도파관 상측의 상기 굴절률 가변층의 굴절률을 조절했을 때, 광학 필드의 테일(Optical field tail)의 폭이 확장됨을 알 수 있으며, 이에 따라 굴절률 가변층에 인접한 발광층이 발광될 수 있음을 알 수 있다.
이 경우, 시뮬레이션 결과로부터 본 발명의 광학 필드 변조 발광 소자를 이용하여, 디스플레이를 형성시, 대조비는 2,000,000: 1로, 기타 디스플레이 대비 상당히 높음을 알 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 디스플레이 패널의 공정을 살펴본다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 중앙에 복수개의 픽셀이 매트릭스상으로 정의되며, 상기 픽셀의 외곽에 비표시 영역이 정의된 기판(100)을 준비한다.
이어, 상기 기판(100) 전면에, 투명한 공통 전극(105), 클래드층(110)을 차례로 형성한다.
이어, 상기 기판의 비표시 영역에, 전면 코어층(130)을 형성한 후, 그 표면 일부를 패터닝하여, 광커플러 코어층과, 상기 광커플러 코어층과 연결되며 일 방향의 기저 코어층과, 상기 기저 코어층과 인접하며 교차하는 방향으로 픽셀라인 코어층과, 상기 기저 코어층 및 픽셀라인 코어층에 인접하여 "⊂"자 형으로 형성된 스위칭 광도파관 코어층 및 상기 픽셀 라인 코어층의 진행 방향으로 연장되어 상기 픽셀들에 제 1 코어층을 형성하여, 각각 광커플러(400), 기저 광도파관(200), 픽셀라인 광도파관(250) 및 제 1 광도파관(250a)을 형성한다.
이어, 상기 광커플러(400), 기저 광도파관(200), 픽셀라인 광도파관(250), 스위칭 광도파관(450) 및 제 1 광도파관(250a)을 포함한 상기 클래드층(110) 상에 굴절률 가변층(160)을 형성한다.
이어, 상기 굴절률 가변층(160) 상에, 투명 전극을 패터닝하여 가로 방향의 픽셀들을 지나도록 게이트 전극(120)과 도 5와 같이, 인접한 기저 광도파관(200) 및 스위칭 광도파관(450) 상에 제 1 전극(460)과, 인접한 픽셀라인 광도파관(250)과 스위칭 광도파관(450) 상이 제 2 전극(470)을 형성한다. 이 때, 상기 제 1 전극(460) 및 제 2 전극(470)은 서로 이격되어, 각각 서로 다른 드라이버 IC(소오스 드라이버 IC 및 전압 인가 IC)에 의해 구동된다.
이어, 같이, 상기 게이트 전극(120) 상의 각 픽셀들에 대응하여 컬러 컨버젼 물질(190)을 형성한다.
이어, 상기 인접한 기저 광도파관(200)과 픽셀 라인 광도파관(250) 사이에 대응되는 상기 굴절률 가변층(160) 상에, 데이터 연결 배선(305)과, 상기 게이트 전극들(120)과 각각 연결되는 게이트 연결 배선(205)을, 상기 비표시 영역에 형성한다.
이어, 상기 데이터 연결 배선(305)을 통해 상기 제 1 전극(460)과 접속되는 소오스 드라이버 IC(600)와, 상기 게이트 연결 배선(205)과 접속되는 게이트 드라이버(650) 및 전압 인가 연결 배선(307)을 통해 상기 제 2 전극(460)과 접속되는 전압 인가 IC(800)를 형성한다.
그리고, 추가적으로 상기 광 흡수물질(280a)를 스위칭 광도파관(450)측의 광흡수부측에 형성한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 디스플레이 패널의 주요 구성 소자는, 광 커플러(light coupler), 광학 스위치 소자, 픽셀 소자이며, 이들은 하나의 기판 위에 집적되어 있다.
또한, 액티브 방식을 위해 광량 배분 스위치가 포함되어, 이를 구동하기 위해 추가로 전압 인가 IC를 더 구비하거나, 광커플링 길이 조절을 이용하여 광량 배분을 수행한다. 즉, 기저 광도파관에서, 픽셀라인 광도파관으로 광량이 전이되는 구조에서, 각 픽셀 라인 광도파관의 입사부측에 동등한 광량으로 배분해주는 수단을 더 구비함에 의해, 픽셀라인간 크로스 토크를 줄일 수 있으며, 이에 따라, 소오스 드라이버 IC측의 계조 전압 외에 광량 보상을 위해 고속의 데이터 신호 인가를 요구하지 않게 된다.
이러한 디스플레이 패널의 구조는 광 커플러(light coupler)와 연결되는 기저 광도파관(Backbone waveguide)와, 상기 기저 광도파관에 의해 서로 연결되어 있는 광 스위치 어레이(optical switch array) 및 각각의 광학 스위치로부터 분기되어 나가는 픽셀 라인 광도파관로 이루어진다. 그리고, 상기 픽셀 소자들은, 상기 픽셀 라인 광도파관를 따라 매트릭스 상으로 형성된다.
그리고, 상기 디스플레이 패널의 작동은, 기판의 외부의 광원으로부터 광을 광 커플러(light coupler)를 통해, 상기 기저 광도파관로 입사되는 것으로부터 시작되며, 상기 광 커플러를 통해 입사된 광은 기저 광도파관를 통해 진행하다가 광학 스위치에서 발광시키고자 하는 픽셀이 소속된 픽셀 라인 광도파관로 스위치되어 진행한다. 이에 따라, 해당 픽셀에 전압이 인가될 경우 해당 픽셀이 발광하게 된다.
이러한 구동을 위해 필요한 드라이버는 소오스 드라이버 IC와 게이트 드라이버로 구성된다.
여기서, 소오스 드라이버 IC는 광학 스위치에 전압을 인가하여 픽셀 라인 광도파관으로 전이되는 광의 양을 조절한다.
이 때, 상기 픽셀라인 광도파관의 광량 조절 전에, 상기 픽셀라인 광도파관에 최초 입사되는 광량은 별도의 광량 배분 스위치에 의해 각 픽셀라인에 대해 동일한 값으로 한다. 이는 상기 소오스 드라이버 IC측에서 계조 전압만을 제어하고, 상기 기저 광도파관에서의 차등 광량배분을 보상하기 위함이다. 이에 따라, 소오스 드라이버 IC측에서 제어를 변조없이 계조전압 제어만으로 단순히 할 수 있어, 소오스 드라이버 IC측의 클럭 스피드를 일반 표시 장치의 소오스 드라이버 IC 수준으로 낮출 수 있다.
그리고, 상기 게이트 드라이버는 해당 픽셀 열(pixel row)에 전압을 인가하여 픽셀 라인 광도파관를 따라 내려오는 광을 이용하여 해당 픽셀에서 발광하게 한다.
픽셀의 계조 표현은 해당 픽셀 라인 광도파관으로 진행하는 여기 광(excitation light)의 세기에 따라 결정되며, 픽셀 라인 광도파관으로 진행하는 여기 광의 세기는 광학 스위치를 이용해서 픽셀로 가는 여기 광의 세기 변화를 이용해서 결정하거나, 또는 광 커플러로 입사되는 외부 광의 세기에 변조시킴(modulation)으로써 결정한다.
이와 같은 본 발명의 디스플레이 패널은, 발광 물질 선택에 자유도가 높기 때문에, 선택된 발광 물질에 따라 높은 광 효율 및 높은 색 순도를 갖는 디스플레이 구현이 가능하며 빠른 픽셀 응답 속도와 높은 대조비(contrast ratio)를 갖는 디스플레이 픽셀 구현이 가능하다.
그리고, 하나의 글래스 기판 위에 모든 소자가 집적되어 있기 때문에, 패널 구조가 단순하며, 간결한 공정에 의한 제작이 가능하다.
또한, 디스플레이 패널의 투명성을 이용한 투명 디스플레이의 다양한 어플리케이션 창출이 가능하다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
100: 기판 105: 공통 전극
110: 클래드층 120: 게이트 전극
125: 게이트 연결 배선 130: 코어층
160: 굴절률 가변층 190: 컬러 전환물질
200: 기저 광도파관 250: 픽셀라인 광도파관
250a: 제 1 광도파관 300: 광학 스위칭부
300A: 광학 스위치 어레이 450: 스위칭 광도파관
400: 광커플러 500: 픽셀 소자 어레이

Claims (32)

  1. 중앙에 복수개의 픽셀이 매트릭스상으로 정의되며, 상기 픽셀들의 외곽에 비표시 영역이 정의된 기판;
    상기 기판의 비표시 영역에 형성되며, 외부에서 입사되는 광을 받아 상기 기판 내로 입사시키는 광커플러(light coupler);
    상기 기판의 비표시 영역에, 상기 광커플러와 연결되어, 상기 입사된 광이 일 방향으로 진행하는 기저 광도파관;
    상기 기판 상에, 상기 기저 광도파관과 이격되고 상기 기저 광도파관과 교차하는 방향으로 진행하여, 각각 상기 복수개의 픽셀과 중첩되며 배치된 복수개의 픽셀라인 광도파관(pixel line waveguide);
    상기 기판 상에, 각 픽셀들에 형성되며, 상기 픽셀라인 광도파관으로 전달된 광의 광학 필드를 변조시켜 발광하는 복수개의 픽셀 소자;
    상기 기저 광도파관으로부터 상기 입사된 광을 받아 상기 복수개의 픽셀 라인 광도파관 측으로 각각 스위칭시켜 전달하는 광학 스위치 어레이; 및
    상기 기판의 비표시 영역에, 상기 광학 스위치 어레이와 연결되며, 상기 광학 스위치 어레이로부터 각 픽셀라인 광도파관 측으로 전달되며 광의 광량을 조절하는 전압 값을 상기 각 픽셀라인 광도파관에 대해 출력하는 소오스 드라이버 IC 를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광학 스위치 어레이는, 상기 기저 광도파관과 상기 픽셀라인 광도파관들 사이에 형성되며, 상기 입사된 광을 상기 각 픽셀 라인 광도파관으로 출력하는 복수개의 광학 스위칭부(optical switching block)를 포함하며,
    각 광학 스위칭부는,
    상기 기저 광도파관과 상기 픽셀라인 광도파관을 지나며, 직렬로 형성되는 광량 배분 스위치 및 픽셀라인 광스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 광량 배분 스위치 및 픽셀라인 광스위치는,
    상기 기저 광도파관과 상기 픽셀라인 광도파관과 각각 인접하게 형성된 스위칭 광도파관에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 광학 스위칭부는 상기 픽셀 라인 광스위치와 직렬로 연결되는 광흡수부를 더 포함한 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 스위칭 광도파관은, "⊂"형으로 형성되며, 상부의 'ㅡ'는 상기 기저 광도파관에 인접하며, 'l'은 상기 픽셀 라인 광도파관에 인접하고, 하부의 'ㅡ'는 상기 광흡수부에 형성되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 광흡수부는 상기 스위칭 광도파관의 상하층에 광흡수물질을 증착하여 이루어진 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 광흡수부에 대응되는 상기 스위칭 광도파관은 스캐터링 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널.
  9. 제 4항에 있어서,
    상기 광량 배분 스위치는,
    상기 인접한 기저 광도파관과 스위칭 광도파관; 및
    상기 인접한 기저 광도파관과 상기 스위칭 광도파관 상에 형성되는, 제 1 전극;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1 전극은, 비표시 영역에 형성되는 전압인가 IC와 연결되며,
    상기 전압인가 IC는 상기 각 광량배분 스위치에서 동일한 광량을 출력하도록 제어하는 전압을 상기 제 1 전극에 인가하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널.
  11. 제 5항에 있어서,
    상기 광량 배분 스위치는,
    제 1 입력포트와 제 1, 제 2 출력 포트를 갖고,
    상기 제 1 입력 포트는 전단 광량 배분 스위치의 제 1 출력 포트와 연결되고, 상기 제 1 출력 포트는 다음 광학 스위칭부로 향하는 기저 광도파관이고, 상기 제 2 출력 포트는 상기 픽셀라인 광스위치로 향하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널.
  12. 제 4항에 있어서,
    상기 광량 배분 스위치는,
    상기 인접한 기저 광도파관과 스위칭 광도파관간의 광 커플링 길이 또는 간격에 의해 광량이 조절되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 픽셀라인 광스위치는
    제 2 입력포트와 제 3, 제 4 출력 포트를 갖고,
    상기 제 2 입력 포트는, 상기 광량 배분 스위치의 제 2 출력 포트와 연결되고, 상기 제 3 출력 포트는 상기 픽셀라인 광도파관과 연결되고, 상기 제 4 출력 포트는, 상기 광 흡수부로 연결된 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 픽셀라인 광스위치는,
    상기 인접한 픽셀라인 광도파관과 상기 스위칭 광도파관; 및
    상기 스위칭 광도파관과 상기 픽셀 라인 광도파관 상에 형성되며, 상기 소오스 드라이버 IC와 연결되는 제 2 전극을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널.
  15. 삭제
  16. 제 4항에 있어서,
    상기 광량 배분 스위치 및 상기 픽셀라인 광스위치는 각각 방향성 커플러(Directional Coupler) 소자 또는 멀티모드 인터피어런스(MMI: Multimode Interference) 소자인 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 픽셀 소자들은,
    상기 픽셀라인 광도파관 하측에 위치하며, 상기 기판 전면에 형성된 공통 전극;
    상기 픽셀라인 광도파관 상에 형성된 굴절률 가변층;
    상기 굴절률 가변층 상에, 가로 열상으로 형성된 게이트 전극; 및
    상기 게이트 전극 상에, 상기 픽셀마다 형성된 컬러 전환 물질을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 기판 상의 비표시 영역의 타측에, 상기 게이트 전극과 각각 연결된 게이트 드라이버를 더 구비한 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 공통 전극 및 게이트 전극은 투명 전극인 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널.
  20. 제 18항에 있어서,
    상기 공통 전극에는 0V 또는 상전압(constant voltage)이 인가되고, 상기 게이트 전극에는 상측에서부터 하측으로 또는 하측에서부터 상측으로 순차적으로 동일한 게이트 온 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 픽셀 소자들은, 상기 공통 전극과 상기 게이트 전극 사이에 전계가 형성되면,
    상기 굴절률 가변층의 굴절률을 변화시켜, 상기 픽셀라인 광도파관에 전달된 광의 광학필드를 변조하여, 변조된 광학 필드 테일이 상기 컬러 전환 물질에 전달되도록 하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널.
  22. 제 17항에 있어서,
    상기 컬러 전환 물질은, 다운 컨버젼(down-conversion) 물질의 발광층인 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널.
  23. 제 22항에 있어서,
    상기 다운 컨버젼 물질은 광 발광(photo-luminescence) 물질인 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널.
  24. 제 22항에 있어서,
    상기 다운 컨버젼 물질은, 형광 물질 또는 인광 물질인 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널.
  25. 제 17항에 있어서,
    상기 굴절률 가변층은 전기 광학적(Electro-optic)으로 굴절률이 가변되는 것임을 특징으로 하는 디스플레이 패널.
  26. 제 1항에 있어서,
    상기 광커플러로 광을 입사시키는 광원을 더 포함한 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널.
  27. 제 26항에 있어서,
    상기 광커플러는 상기 입사된 광을 받아 상기 기저 광도파관으로 전달하는 광도파관(waveguide)인 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널.
  28. 중앙에 복수개의 픽셀이 매트릭스상으로 정의되며, 상기 픽셀들의 외곽에 비표시 영역이 정의된 기판;
    상기 기판의 비표시 영역에 형성되며, 외부에서 입사되는 광을 받아 상기 기판 내로 입사시키는 광커플러(light coupler);
    상기 기판 전면에 형성된 공통 전극;
    상기 광커플러와 연결되어, 상기 입사된 광이 일 방향으로 진행하는 기저 광도파관;
    상기 기저 광도파관과 이격되어, 상기 기저 광도파관과 교차하는 방향으로 배치된 복수개의 픽셀라인 광도파관(pixel line waveguide)
    상기 공통 전극 상에 형성되며, 상기 픽셀 라인 광도파관에서 연장되어 상기 픽셀들을 지나는 제 1 광도파관;
    상기 제 1 광도파관 상에 형성된 굴절률 가변층;
    상기 굴절률 가변층 상에, 가로 열상으로 형성된 게이트 전극;
    상기 게이트 전극 상에, 상기 픽셀마다 형성된 컬러 전환 물질;
    상기 기저 광도파관과 상기 픽셀라인 광도파관을 지나며, 직렬로 형성되는 광량 배분 스위치 및 픽셀라인 광스위치를 포함하는 광학 스위치 어레이;
    상기 기판의 비표시 영역에, 상기 픽셀라인 광스위치와 연결되며, 각 픽셀 라인으로 전압 값을 인가하는 소오스 드라이버 IC; 및
    상기 기판 상의 비표시 영역의 타측에, 상기 게이트 전극과 각각 연결된 게이트 드라이버;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널.
  29. 제 28항에 있어서,
    상기 광량 배분 스위치와 연결되는 전압 인가 IC를 상기 기판의 비표시 영역에 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널.
  30. 제 28항에 있어서,
    상기 소오스 드라이버 IC와 게이트 드라이버는, 외부의 타이밍 컨트롤러에 연결된 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널.
  31. 제 28 내지 제 30항 중 어느 한 항의 디스플레이 패널의 구동 방법에 있어서,
    상기 광커플러를 통해 상기 기판 내로 광이 입사되면,
    상기 게이트 드라이버에서 상기 게이트 전극으로 순차적으로 게이트 온 전압을 인가하고,
    상기 공통 전극에는 공통 전압을 인가하고,
    상기 소오스 드라이버 IC에서, 각 픽셀 라인으로 해당 계조에 따른 전압 값을 인가하여 상기 픽셀들에 표시가 이루어지는 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널의 구동 방법.
  32. 제 31항에 있어서,
    상기 소오스 드라이버 IC에서, 각 픽셀라인으로 해당 계조에 따른 전압 값이 인가되면,
    상기 광량 배분 스위치에서, 각 픽셀라인별로 동일한 광량을 분배하며, 상기 각 픽셀라인의 해당 계조에 따른 전압을 상기 픽셀라인 광스위치에 인가하여, 해당 계조에 따라 조절된 광량을 상기 제 1 광도파관으로 전달하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널의 구동 방법.
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