KR101825628B1 - 디스플레이 장치 - Google Patents

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라이즈 아크레오 에이비
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Abstract

전기변색 패시브-매트릭스 디스플레이(100)가 개시되는데, 여기서 패시브 어드레스된 각각의 픽셀 셀(111. 112, 113)은 전기변색 및 전기화학적으로 활성인 폴리머(121)와 전기전도성 탄소(122)를 이온적으로 연결하는 전해질(113)을 포함한다. 결론적으로, 각 픽셀은 전기변색 디스플레이에서 크로스토크를 감소시키기 위해 충분한 확실한 문턱 전압을 갖는다.

Description

디스플레이 장치 {DISPLAY DEVICE}
본 발명은 전기화학적으로 활성인 유기 픽셀(pixel) 장치들, 및 특히 유기 전기변색 재료에 기반된 인쇄가능한 전기화학적으로 활성인 픽셀 장치들에 관한 것이다.
직접적으로 어드레스(address)된 전기변색 디스플레이에서 각각의 픽셀은, 디스플레이 내에서 동시에 모든 픽셀의 개개의 전기적인 제어를 용이하게 하는 외부의 구동 전압 소스에서 별도의 전기전도선에 의해 연결된다. 디스플레이 내의 픽셀의 수가 많을 경우에는, 각각의 픽셀에서 하나의 별도의 선을 연결하는 것이 물리적으로 불가능하거나 실리적이지 못하다. 이러한 문제점을 극복하기 위해, 상기 픽셀은 일반적으로 매트릭스(matrix) 구조 내에서 배열되는데, 이 구조에서 이들은 상기 매트릭스의 엣지로부터 행렬을 통하여 시간-다중화(time-multiplexing) 기술에 의해 다루어진다. 이러한 디스플레이 및 이들을 다루는 방법을 각각 매트릭스 디스플레이 및 매트릭스 어드레싱(addressing)이라 한다.
액티브-매트릭스(active-matrix) 디스플레이에서 각각의 픽셀은 적어도 하나의 트랜지스터를 갖는 전자회로가 갖춰져 있고, 여기서 각각의 트랜지스터의 전도 상태는 각각의 픽셀의 색(colour) 상태를 제어한다.
각각의 픽셀에 대해 별도의 트랜지스터가 없는 매트릭스 디스플레이는 패시브-매트릭스(passive-matrix) 디스플레이라고 일컬어진다. 액티브-매트릭스 디스플레이에서 상기 픽셀 회로는 상기 픽셀의 어드레싱 성질들을 증진시킨다. 그러나, 액티브-매트릭스 디스플레이의 제조는 패시브-매트릭스 디스플레이에 비하여 더욱 복잡하고 비싸다. 반면에, 느린 응답 시간, 이미지 흐림(image diffusion) 및 크로스토크(cross-talk) 등의 몇몇 결점은 전기변색 장치로 다루어지는 패시브-매트릭스 어드레스화 전기변색(electrochromic) 장치의 실제 응용을 제한하여 왔다. 이미지 흐림은 넓은 의미에서 크로스토크 효과로 분류될 수 있다. 이는 전해질을 통해 픽셀 간에 상호 작용하는, 그리고 선택된 행렬에서 이웃하는 픽셀의 경미한 착색(coloration)을 유발하는 현상이다. 원하지 않는 착색은 선택된 픽셀로부터의 거리가 증가됨에 따라 감소된다. 이미지 흐림 효과를 최소화하기 위해 일반적으로 사용되는 기술은 개개의 디스플레이 픽셀을 물리적으로 상호 격리시키는 것이다.
크로스토크의 또 다른 원인은 매트릭스와 연관된 전극들을 통한 픽셀들 간의 상호작용으로서, 즉, 어드레스된(addressed) 행렬 쌍의 교차점의 픽셀뿐만 아니라 다른 이웃하는 픽셀들도 그의 색을 변화시킨다는 것이다. 어드레스된 픽셀 주변의 픽셀들 내의 전해질에 있어서도 전압차가 존재하기 때문에 크로스토크가 발생한다. 게다가, 전기적으로 격리된 유색 디스플레이 픽셀은 보통 전하가 걸리지 않은 투명 픽셀에 비해 그것의 전극 간에 상이한 전압을 갖는다. 두 픽셀이 하전된 서로 다른 색 상태로되어, 함께 연결되면, 상기 유색 픽셀은 전기용량의 방전을 통해 투명 픽셀을 착색시키거나 구동하게 하는 경향이 있다.
전기변색 패시브 매트릭스 디스플레이의 일 예는 WO 2004/114008에 기재되어있다. 픽셀은 각각 전기변색 폴리머를 포함하는 두 유기층 사이에 끼워져 있는 전해질을 포함한다. 나아가, 상기 픽셀은 두 전극 사이에 끼워져 있다. 더욱이, 상기 패시브 매트릭스 디스플레이는 전극들 중 하나와 유기층 사이에 다이오드 특성을 갖는 층을 추가함으로써 형성된다. 즉, 상기 픽셀이 색을 변화시키기 전에 문턱 전압을 넘어서야 한다. 그에 따라, 디스플레이에서 크로스토크의 양은 감소된다. 픽셀 내로 다이오드 기능을 갖는 층을 도입하는 것뿐만 아니라, 상기 공개문헌은 픽셀 재료들의 세심한 조합에 의해 패시브 어드레스 가능한 픽셀이 얻어질 수 있다고 제안하고 있으나, 정작, 이 효과를 달성하기 위해 어떻게 이들 재료들을 선택해야하는지에 관하여는 어떠한 정보나 실시예도 전혀 제공하고 있지 않다.
발명의 개요
본 발명의 목적은 재료의 조합을 제시하는 것이며, 이는 픽셀 내에 별도의 다이오드 층을 필요로 함이 없이 패시브 어드레싱이 가능한 픽셀을 제공하는 데 있다.
이들 및 다른 목적은 독립항에 제공되는 발명에 의해 나타난다. 본 발명의 바람직한 구현예를 독립항에 나타낸다.
본 발명의 제1 측면에 따르면, 본 발명은 매트릭스 내에 배열된 픽셀 셀(cell) 세트를 포함하는 패시브 매트릭스 디스플레이 장치에 관한 것으로서,
여기서 각 픽셀 셀은:
시각적으로 감지가능한 상이한 착색 상태들 간에 전기화학적으로 스위칭 가능한 전기변색 및 전기화학 활성인 유기 폴리머 재료를 포함하는 제1 픽셀 층,
상기 제1 픽셀 층과 마주보는 제2 픽셀 층, 및
상기 제1 및 제2 픽셀 층과 이온 접촉하도록 제1 및 제2 픽셀 층 사이의 공간에 배열된 고체화(solidified) 전해질의 제3 픽셀 층
을 포함하되, 여기서 각 픽셀 셀의 상기 제2 픽셀 층은 전기전도성 탄소로 형성된 것인 패시브 매트릭스 디스플레이 장치에 관한 것이다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 본 발명은 매트릭스 내에 배열된 픽셀 셀 세트를 포함하는 패시브 매트릭스 디스플레이 장치에 관한 것으로서,
여기서 각 픽셀 셀은,
시각적으로 감지가능한 상이한 착색 상태들 간에 전기화학적으로 스위칭 가능한 전기변색 및 전기화학 활성인 유기 폴리머 재료를 포함하는 제1 픽셀 층,
상기 제1 픽셀 층과 마주보는 제2 픽셀 층, 및
상기 제1 및 제2 픽셀 층과 이온 접촉하도록 제1 및 제2 픽셀 층 사이의 공간에 배열된 고체화(solidified) 전해질의 제3 픽셀 층
을 포함하되, 여기서 각 픽셀 셀의 상기 제2 픽셀 층은 전기전도성 탄소로 형성됨으로 해서, 최소한 상기 전해질 전체에 걸쳐 인가되는 전압에 응답하는 문턱 전압(threshold voltage)을 제공하는 것인 패시브 매트릭스 디스플레이 장치에 관한 것이다.
각 픽셀의 착색(coloring)은 상기 전기변색 및 전기화학 활성인 유기 폴리머 재료의 산화환원 반응 상태의 변화에 의해 제공된다. 다시 말하면, 전해질에는 pH 염료, 즉 주위의 pH에 응답하여 색을 변화시키는 pH 염료와 같은 착색제가 없는 것이 보통이다. 이는, 픽셀의 색이 스위칭되는 동안, 전해질의 색이 보통 변하지 않거나 실질적으로 변하지 않은 채로 유지됨을 의미한다.
제1 픽셀 층이 픽셀 장치의 능동적인 색 변화층을 형성하는 전기화학 공정에서 제2 픽셀 층은 보통 카운터 전극으로서 기능하도록 배열된다. 상기 픽셀 장치의 층들은 실질적으로 상호 평행하게 배열된다. 일 구현예에서, 상기 픽셀 장치의 색 변화를 시각적으로 감지할 수 있도록, 상기 제1 픽셀 층의 전면의 층들, 예를 들면 상기 제1 절연층 및 상기 제1 전극은 투명하거나 반투명한 것이 바람직하다.
다시 말하면, 제2 픽셀 층은 전기전도성이다. 나아가, 상기 제2 픽셀 층은 탄소를 포함하거나, 또는 탄소를 포함하는 전기전도성 물질로 형성된다.
본 발명의 제3 측면에 따라, 적어도 픽셀 셀 전체에 걸쳐 인가되는 전압에 대하여 문턱 전압을 제공하기 위한, 픽셀 셀 세트의 용도가 제공되는데, 여기서 각 픽셀 셀은:
시각적으로 감지가능한 상이한 착색 상태들 간에 전기화학적으로 스위칭 가능한 전기변색 및 전기화학 활성인 유기 폴리머 재료를 포함하는 제1 픽셀 층,
상기 제1 픽셀 층과 마주보는 제2 픽셀 층, 및
상기 제1 및 제2 픽셀 층과 이온 접촉하도록 제1 및 제2 픽셀 층 사이의 공간에 배열된 고체화된 전해질의 제3 픽셀 층
을 포함하되, 여기서
상기 전해질은 pH 염료를 실질적으로 함유하지 않고,
각 픽셀 셀의 상기 제2 픽셀 층은 전기전도성 탄소를 포함하는 재료로 형성된 것이다.
상기 제1, 2 및 3 측면에 관하여 설명된 대로 장치를 배열함으로써, 전기변색 디스플레이에서 크로스토크를 감소시키기에 충분한, 확실한 문턱 전압을 갖는 픽셀이 제공된다. 전기변색 픽셀 장치의 역치 물성을 지배하는 화학적이고 물리적인 메카니즘은 여전히 규명되지 않았지만, 예를 들어 인가된 전압에 대해 비선형인 전류 및 색 대비(colour contrast) 변화와 같이, 매트릭스 디스플레이 내에서 크로스토크 효과를 최소화하는데, 결과적인 전압의 문턱 거동을 이용할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 디스플레이 장치는 전자적으로 상호 격리되고 다음의 패턴으로 배열된 제1 전극 세트 및 제2 전극 세트를 더 포함한다:
- 각각의 상기 제1 전극들은 각각의 상기 제2 전극들과 오직 한 교차점에서만 교차하고,
- 각각의 상기 제2 전극들은 각각의 상기 제1 전극들과 오직 한 교차점에서만 교차하며,
- 각각의 상기 픽셀 셀들은 각각의 제1 및 2 전극에 의해 형성되는 상기 각교차점들 중 하나에 배열되는데, 여기서;
- 상기 각 픽셀 셀들의 상기 제1 픽셀 층은 상기 각 제1 전극의 일부와 일치하거나, 또는 상기 각 제1 전극과 전자적으로 접촉하고 있고,
- 상기 각 픽셀 셀들의 상기 제2 픽셀 층은 상기 각 제2 전극의 일부와 일치하거나, 또는 상기 각 제2 전극과 전자적으로 접촉되어 있다.
상기 픽셀 층이 전극층과 일치하는 것과 관련된 한 가지 장점은 필요한 인쇄 단계의 수가 더 적다는 것이다. 즉, 더욱 효율적인 제조 공정을 달성할 수 있다.
상기 픽셀 층이 전극과 다르다는 것과 관련된 한 가지 장점은 픽셀 층과 전극에 서로 다른 재료를 사용할 수 있다는 점이다. 픽셀 층에 비해 전극 전도성이 더 높은 전극 재료를 선택함으로써, 전극을 따라 덜 확연한 전압 강하가 제공될 수 있고, 그렇게 함으로써 더 양호한 픽셀 셀의 스위칭이 제공될 수 있다.
일 구현예에 있어서 본 발명의 디스플레이 장치는, 각각의 제어 소자가 상기 픽셀 셀들 중 하나와 관련되고 상기 픽셀 셀의 색상을 능동적으로 제어하기 위한 트랜지스터 기능을 제공하도록 배열된 것인 개개 제어 소자들의 세트를 포함하지 않는다. 본 발명과 관련하여, 개개의 제어 소자는 픽셀 셀의 일부가 아닌 제어 소자이다. 즉, 상기 제어 소자는 픽셀 셀의 업스트림 또는 다운스트림에 전기적으로 배열된다.
일 구현예에 있어서 본 발명의 디스플레이 장치는, 플렉시블 기판(flexible substrate) 또는 플렉시블 캐리어(flexible carrier) 상에 배열되며, 상기 기판 또는 캐리어는 종이 및/또는 플라스틱을 포함하는 것이 좋다. 플렉시블 기판을 사용하는데 따른 한가지 장점은 이에 의해 디스플레이 제조를 위한 인쇄 공정의 이용이 용이해진다는 것이다.
일 구현예에 있어서 본 발명의 디스플레이 장치에는, 인쇄가능하거나 유연하거나 또는 양자 모두의 특성을 갖는 층들이 배열되어 있다.
상기 디스플레이 장치의 일 구현예에 따르면, 상기 픽셀 셀들의 상기 제1 전극 및 제1 픽셀 층은 전부 동일한 재료로 형성되거나 배열되고, 및/또는 상기 픽셀 셀들의 상기 제2 전극 및 제2 픽셀 층은 전부 동일한 재료로 형성되거나 배열된다. 몇몇 구성요소에 동일한 재료를 사용할 경우, 제조 공정이 단순화되고 제조 속도가 빨라진다는 장점이 있다.
상기 디스플레이 장치의 일 구현예에 따르면, 상기 픽셀 셀의 각각의 상기 제1 전극 및 제1 픽셀 층은 모두 동일한 층의 일부이고, 및/또는 상기 픽셀 셀의 각각의 상기 제2 전극 및 제2 픽셀 층은 모두 동일한 층의 일부이다. 이 구현예의 한가지 장점은 이 구체예가 보통 단순화된 구조를 제공함으로 해서, 인쇄 공정은 덜 필요로 하면서도 생산 비용 측면에서 더 효율적이라는 것이다.
별법으로, 상이한 재료들이 각각 제2 픽셀 층과 제2 전극을 모두 동일 평면에 배열하면서도, 상기 제2 픽셀 층과 제2 전극에 서로 다른 재료를 사용할 수 있다. 전극에 전도성이 높은 재료를 배열함으로써, 상기 제1 픽셀 층에 대한 스위칭 시간을 저감시킬 수 있고, 더 낮은 작동 전압을 사용할 수 있으며, 및/또는 더 극명한 색 대비를 달성할 수 있다. 상기 전극의 전도성이 제1 픽셀 층보다 더 높으면 전극의 전압 강하가 저하된다.
상기 디스플레이 장치의 일 구현예에 따르면, 상기 디스플레이 장치는 상기 픽셀 셀 세트의 각 픽셀 셀 내에 상기 제2 전극 및 상기 제2 픽셀 층 사이에 배열되는 절연층, 바람직하게는 플라스틱 절연층을 포함하고, 이 절연층은 각각 전자전도체를 갖도록 배열된 통로를 추가로 더 포함하며, 이 전자전도체는 각각의 픽셀 셀의 상기 제2 전극 및 각각의 제2 픽셀 층을 각각 전자적으로 연결한다. 이 구현예가 갖는 한가지 장점은 오직 중간 캐리어층(middle carrier layer)만으로도 생산이 가능하다는 것이다.
상기 디스플레이 장치의 일 구현예에 따르면, 상기 제2 픽셀 층은 상기 각각의 픽셀 셀들에서 상기 제3 픽셀 층의 중심부를 커버한다. 보다 구체적으로, 상기 제2 픽셀 층 및 제3 픽셀 층은 각 층의 중심이, 적층 배열된 상기 층들에 대한 수직 방향을 따라 일치되도록, 그리고 상호 평행하도록 배열될 수 있다.
상기 디스플레이 장치의 일 구현예에 따르면, 각 픽셀 셀 내에서 제2 픽셀 층의 표면적은 전해질 표면적의 60% 이상, 또는 75% 이상, 또는 90% 이상, 또는 95% 이상이다. 다시 말하면, 제2 픽셀 층은 전해질에 의해 커버되거나 또는 전해질 뒤로 배열될 수 있다.
상기 디스플레이 장치의 일 구현예에 따르면, 고체화된 전해질은 다중양이온성(polycationic) 전해질이다. 대안적인 구현예에 따르면 고체화된 전해질은 다중음이온성(polyanionic) 전해질이다.
본 발명의 일 실시예에서, 전해질은 작은 이온 착물(ion-complex)과 실질적으로 더 큰 이온 착물로 해리되도록 어레인지되는데, 여기서 작은 이온 착물은 제1 전하를 갖고, 큰 이온 착물은 반대 전하를 갖는다. 크기가 큰 착물 이온은 바람직하게는 긴 폴리머 사슬 또는 큰 분자를 포함하고, 양이온이거나 음이온이다. 다시 말하면, 본 발명의 일 실시예에서, 전해질은 더 큰 착물 양이온을 포함하는 다중전해질 또는 올리고머의 전해질이다. 대안적인 실시예에 따르면, 전해질은 더 큰 착물 음이온을 포함하는 다중전해질 또는 올리고머의 전해질이다.
기본적으로 픽셀 장치의 상기 제1 픽셀 층의 두께에 제한이나 한정은 없지만, 제조 및 유연성의 관점을 중심으로 보면, 그 두께는 일 구현예에서 통상 0.1 내지 7 ㎛ 사이일 수 있으며, 두께 선택은 소망되는 장치 특성에 따라 달라질 수 있다; 얇은 층일수록 픽셀 장치의 스위칭 시간이 더 짧고, 두꺼운 층일수록 색 대비가 더 크다. 더욱이, 픽셀 장치의 상기 제2 픽셀 층의 두께는 일 구현예에서 0.1 내지 40 ㎛일 수 있다. 층들의 두께를 선정할 때 다음을 주의해야 하는데, 제2 픽셀 층이 너무 얇으면 상기 제1 픽셀 층의 착색 성능을 저하시킬 수 있고, 층이 너무 두꺼우면 픽셀 장치의 벤딩(bending) 저항 및/또는 기계적 압력 저항을 감소시킬 수 있다. 또한, 픽셀 장치의 상기 제3 픽셀 층의 두께는 일 구현예에서 1 ㎛ 내지 20 ㎛일 수 있고, 또는 1 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있다. 보통, 층이 얇으면 얇아질수록, 유연성이 더 좋아지나, 동시에 색상 대비는 감소한다. 각 픽셀 층의 두께는 각각의 픽셀 층에 수직한 보는 방향에 따라 측정된다. 픽셀 층을 제공하는 임의적인 방법에 따르면, 이들은 스핀코팅, 잉크젯 인쇄법, 스크린 인쇄법, 이온 자기-조립 다중층법, 에어로졸젯 인쇄법, 또는 바코팅법 등의 많은 종래의 인쇄기술에 의해 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 절연층 내의 통로는 레이저 기술, 바람직하게는 레이저-드릴링(laser-drilling)법에 의해 제공된다. 절연층 내의 통로가 드릴링 또는 레이저-드릴링으로 제조될 경우, 녹는점이 충분히 높은 재료를 선택하는 것이 바람직한데, 통로 주위의 면적을 손상시키는 위험을 최소화하도록 선택하는 것이 바람직하다.
일 구현예에서, 픽셀 장치의 통로 횡단면의 면적은 예를 들면 10 ㎛2 내지 2 mm2일 수 있다. 다른 구현예에 따르면, 상기 면적은 100 ㎛2 내지 0.5 mm2 이다. 또 다른 구현예에 따르면, 상기 면적은 500 ㎛2 내지 0.2 mm2이다. 또 다른 구현예에 따르면, 상기 면적은 1000 ㎛2 내지 0.1 mm2이다. 횡단면 영역은 상기 통로의 확장에 직교하여 측정된다. 즉, 통로가 반지름 r인 종래의 중공 실린더의 형태라면, 통로의 횡단면 면적은 π(파이)×r2 이다. 상대적으로 큰 통로의 횡단면 면적은 더 높은 정도의 전기전도성을 제공하는데에 있어 장점이 된다. 그러나, 통로의 횡단면 면적이 너무 크면, 통로를 통해 제3 픽셀 층의 누출 등의 제조상 문제점을 유발할 수 있다.
몇몇의 제조 기술의 경우, 상기 통로에 제공되는 전기전도체는 상기 통로의 내부에만 배열되는데, 이는 상기 전기전도체가 내부 둘레와 외부 둘레를 갖는 중공형 또는 관형임을 시사하는 것으로, 여기서 적어도 상기 외부 둘레는 상기 통로의 둘레에 대응한다. 전도체가 상기 전도성 열(column)과 상기 제2 픽셀 층 사이의 전자적 연결을 제공하는 한, 상기 통로 내의 전기전도체의 다른 배열도 얼마든지 가능하다.
일반적으로, 본 발명에 따른 장치는 상기 제1 픽셀 층에 제1 전위(potential)를 인가함으로써, 그리고 상기 제2 픽셀 층에 상기 제1 전위와 상이한 제2 전위를 인가함으로써, 상기 고체화된 전해질 내에서 전기장이 생성되도록 구동된다. 전기장에 의해 상기 픽셀 층의 산화환원반응(redox reaction)이 개시되며, 전위가 충분히 길게 유지되는 한, 상기 반응은 상기 전기변색 재료의 색 변화를 일으킨다.
픽셀 장치의 스위칭 시간(switching time) 또는 색 변화는 일반적으로 예컨대 다음에 의해 결정된다:
- 전해질 내의 이온들의 이동성, 이동성이 높을수록 스위칭 시간은 짧다;
- 전해질 내의 이온 흐름의 강도, 이것은 전해질의 부피 뿐만 아니라 전해질 내의 이온 이동성 양자 모두에 의해 결정된다;
- 전기화학 활성 및/또는 전기변색 재료의 선택;
- 전기변색 재료의 색을 전환시키기 위해 반응이 일어나는 것이 필요한 전기화학적 활성인 및/또는 전기변색인 재료의 부피;
- 인가된 전압의 진폭; 전압이 높아질수록 짧아지는 전환시간, 및 그의 역.
전술한 바와 같이, 복수개의 전기변색 픽셀 장치의 어레인지에 의해, 개별적으로 어드레싱 가능한 몇몇 픽셀들을 갖는 디스플레이가 제공될 수 있다. 유리하게는, 패시브 매트릭스 어드레싱 개념이 통용되는 매트릭스 배열로 픽셀 장치가 배열되는 것이 좋다.
패시브 매트릭스 디스플레이의 어드레싱에 적절한, 또는 통상적인 또는 공지의 프로토콜을 이용하여 본 발명의 장치를 구동시킬 수 있다. 예를 들면: 행(rows)에 배열된 전극은 전기변색 픽셀 소자 또는 제1 픽셀 층을 지정하는 반면에, 열(column)에 배열된 전극은 매트릭스 디스플레이의 제2 픽셀 층을 지정한다. 디지털 집적회로의 출력 핀(pin)에 각각의 행렬을 연결하고, 이는 바람직하게 공급 전압에 의해 구동될 수 있다. 디스플레이에 의해 재생되는 원하는 이미지는 프로그래밍 가능한 회로에 저장될 수 있고, 이는 한번이든 반복하든, 전체 디스플레이를 업데이트하여 이미지를 출력한다. 매트릭스 디스플레이는, 열×열 스캔(scan) 또는 개개의 픽셀 스캔이 다른 가능한 어드레싱이라 하더라도, 통상 행×행으로 업데이트된다. 행×행 스캔에서, 출력 가능한 신호가 각각의 행을 활성화시키는데, 원하는 픽셀이 각각의 열에서 전압을 인가하여 업데이트될 수 있도록 활성화시킨다. 비활성 행 및 비-어드레스된 열의 출력은 오류가 있다. 그러면 업데이트된 행의 출력 핀은 오류 있는 출력으로 시작하고, 이 후에 행들은 동일한 방법에 의해 업데이트된다. 이러한 어드레싱 프로토콜 내에서 오류가 난 비-어드레스된 행렬과 결합하는 문턱 전압은 크로스토크가 적은 패시브-매트릭스 디스플레이의 업데이트를 가능케한다.
다른 실시예에서, 문턱 전압은 오직 아날로그 출력만을 갖는 외부 회로와 결합하는 이점이 있다. 여기서, 한 픽셀 셀 내의 전체적인 착색은 전압 V를 인가함으로써 이루어진다고 가정된다. 그러면 어드레스된 행은 이 전압의 반으로 시작하는 반면에, 어드레스된 열도 또한 이 전압의 반으로 시작하지만 이는 반대 극성이다. 따라서, 픽셀 셀에 걸리는 전체 전압은 V이다. 비-어드레스된 행렬은 바닥에서 시작된다. 어드레스된 행과 비-어드레스된 열, 또는 비-어드레스된 행과 어드레스된 열의 교차점에서 픽셀 셀은 업데이트한 전압 V의 반을 감지한다. 그러므로, 문턱 전압이 대략 업데이트한 전압 V의 반 정도만 되면, 각각의 픽셀 셀에서 문턱 전압은 크로스토크를 최소화할 것이다.
본 발명에 관한 제1 전극 세트 및 제2 전극 세트는 때때로 행렬 전극을 예로 든다. 심지어 이 전극들이 서로 평행하게 배열되지 않고, 직각으로 배열되지 않는다 하더라도, 행렬 전극에 대해 언급된 것은 제1 전극 세트 및 제2 전극 세트에도 또한 적용될 수 있다.
정의
층(layer): 일 구현예에 따르면, 픽셀 장치는 라미네이트 구조를 가지며, 여러가지 재료의 "층들"로 구성된다. 이들 층들은 연속화 및/또는 패턴화될 수 있고, 서로에게 (자가-지지 장치) 또는 지지체나 캐리어에(지지되는 장치) 적용될 수 있다. "자가-지지/지지되는"이라는 이들 용어는 별도의 층에도 사용될 수 있다. 자가-지지층은 그 자체로 다루어질 수 있는, 예를 들면 붕괴 없이 그리고 추가적인 지지층의 필요 없이 인쇄 기계에 고정될 수 있는 층이다. 나아가, 층이라는 용어는 재료가 패턴화되건 또는 불연속적인 '아일랜드(islands)'를 형성하는 것과 같이 차단되건 관계없이, 동일 평면상의 동일한 재료 모두를 아우를 수 있다.
절연층 (insulating layer): 절연층은 바람직하게 플라스틱을 포함하거나, 또는 플라스틱, 플라스틱 절연층, 플라스틱 필름, 또는 폴리에스테르 호일 등의 플라스틱 호일을 포함하는 층으로 형성된다. 플라스틱 절연층 또는 플라스틱을 포함하는 절연층의 경우, 예를 들면 그것의 필름, 포밍(foaming) 필름 또는 박층 형태의 필름을 포함할 수 있는데, 이는 예를 들면 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 그밖의 유사체 등의 폴리올레핀; 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 또는 그밖의 유사체 등의 폴리에스테르; 폴리비닐클로라이드, 폴리스티렌, 폴리우레탄, 폴리카보네이트, 폴리아마이드, 폴리이미드, 폴리 메틸 메타크릴레이트, 폴리부텐, 폴리부타디엔, 폴리 메틸 펜텐, 에틸렌-비닐 아세테이트 코폴리머, 에틸렌 (메트) 아크릴릭 코폴리머, 에틸렌 (메트) 아크릴레이트 코폴리머, ABS 레진, 이오노머 레진, 또는 그 밖의 유사체를 포함한다. 그러나 이러한 예들에 제한되지는 않는다. 또한, 층으로서, 상업적인 필름을 사용할 수 있고, 또한 공정 재료(process material)을 사용하는 성형틀 필름 공정에 의해 만들어진 필름을 사용할 수 있다.
추가적으로, 몇몇 픽셀을 포함하는 디스플레이는 최소한 상기 다수의 전기변색 픽셀 장치 중 일부인 상기 절연층을 형성하는 절연성 재료의 연속적인 층을 포함할 수 있다. 다시 말하면, 몇몇 픽셀의 절연층은 그 각각이 연속적인 절연층의 개별 부분일 수 있다.
전기변색 층(electrochromic layer): 본 발명에 관한 "전기변색 층"은 연속적인 기하학적 몸체인데, 이는 여러가지 형태로 패턴화될 수 있고, 하나의 재료 또는 재료들의 조합으로 구성된다. 재료(들)은 유기 또는 무기, 저분자 또는 폴리머 일 수 있다. 이러한 전기변색 층은 그것이 하나의 재료로 구성되었는지 또는 하나 보다 많은 재료의 총체인지와는 독립적으로, 다음의 물성들을 조합적으로 포함한다: 최소한 하나의 재료는 최소한 하나의 산화상태에서 전기전도성이고, 최소한 하나의 재료는 전기변색성임으로 해서, 즉 재료 내에서 전기화학적 산화환원반응의 결과로서 색 변화를 나타내는 것이다. 임의로, 전기변색 층은 전기화학 활성인 재료를 포함할 수 있다.
전기화학 활성인(electrochemically active): 본 발명에서 "전기화학 활성인" 층은 상기 재료의 산화환원 상태의 변화를 통해 전기화학적으로 전환될 수 있는 전자전도성을 갖는 재료의 단편이다. 일반적으로, 전기화학 활성인 소자의 적어도 일부분은 전해질과 이온적 접촉 상태에 있고, 전기화학 활성인 소자는 또한 동일하거나 상이한 재료로 구성된 전극에 집적될 수 있다. 또한, 전극은 상기 전기화학 활성인 재료 위에 배열될 수 있다.
전기변색 디스플레이(electrochemical display): "전기변색 디스플레이"는 본 발명에 있어서 하나 이상의 전기변색 픽셀 층을 포함하는 장치로서, 이 장치는 전기변색 층의 색 변화가 반사 및/또는 투과시 시각적으로 감지될 수 있도록 배열된다.
색 변화(colour change): "색 변화"라는 용어는 광학 밀도 또는 반사도의 변화도 포함하는 의미이다. 따라서, "색 변화"는 예를 들면 청색에서 적색, 청색에서 무색, 무색에서 청색, 어두운 녹색에서 밝은 녹색, 회색에서 흰색, 또는 어두운 회색에서 밝은 회색으로 변화도 상정한다.
패시브 매트릭스(passive matrix): 액티브-매트릭스 디스플레이에서 각각의 픽셀은 트랜지스터 기능을 제공하는 최소한 하나의 제어소자를 갖는 전자회로를 갖추고 있다. 이와 달리, 패시브-매트릭스 디스플레이 장치는 각 제어소자가 픽셀 셀 하나마다 연관되어 있는 별도(separate)의 제어소자 세트가 없는 디스플레이 장치이다. 제어소자는 추가적으로 배열되어, 상기 픽셀 셀의 색을 제어할 수 있는 트랜지스터 기능을 제공한다. 제어소자의 예로서는 전계효과 트랜지스터 및 전기화학 트랜지스터가 있다. 별도(separate)라 함은, 제어층이 상기 픽셀 셀의 업스트림 또는 다운스트림에 전기적으로 배열되어 있음을 의도하는 것이다.
픽셀 층(pixel layer): 본 발명에서 픽셀 층은 전해질과 전기전도성 층 사이의 계면으로 정의된다. 보다 구체적으로, 픽셀 층은 한쪽 면이 전해질로 덮인 전자전도층의 볼륨이다. 픽셀 층이 전기변색 층인 경우, 층의 색 변화는 전해질과 전기변색 층 사이의 계면, 즉 픽셀 층으로 정의되는 것의 확장에 상응하지 않을 수 있다. 예를 들면, 색 변화는 전해질과 전기변색 층 사이의 계면 외부로 뿐만 아니라, 전기변색 층을 통해 전해질로 덮인 쪽의 반대쪽 면으로도 확산될 수 있다.
일 실시예에 따르면 전해질은 탄소를 포함하는 전극층과 전기변색 및 전기화학 활성인 유기 폴리머를 포함하는 전극층 사이에 끼워져 있는데, 상기 전극층은 한 점에서 서로 교차하거나 가로지른다. 전술한 바와 같이, 픽셀 층은 전극과 전해질 사이의 각각의 계면으로 정의된다. 달리 말하면, 픽셀 층은 전극의 각 부분과 일치한다.
픽셀 장치의 임의적인 구현예에서, 전자전도체는 전자전도성 재료, 예컨대 전자전도성 폴리머, 예컨대 PEDOT:PSS (폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)폴리(스티렌설포네이트)), 탄소, 불활성 금속 또는 전기화학적으로 불활성인 금속, 예컨대 금, 또는 전기화학 활성인 층과 접촉하는데 적합한 다른 전도성 재료, 또는 이러한 전자전도성 재료들의 조합을 포함할 수 있다. 대개, 전기화학 활성인 층과 접촉하는데 적합한 전도성 재료는 실질적인 전기화학 반응이 일어나지 않도록 비활성이다. 예를 들면 이러한 재료들은 제조 또는 예비제조 공정 과정에서 통로 내에 배열되는 잉크 또는 페이스트로서 제공될 수 있다.
전극(electrodes): 전극은 전자전도성 재료, 예컨대 전기전도성 폴리머, 금속, 전도성 탄소, 티타늄, 플래티늄, 그래파이트(graphite), 그래핀(graphene), 귀금속 및 비활성 금속, 또는 이러한 전자전도성 재료들의 조합을 모두 포괄할 수 있다. 전극은 금 또는 전기화학 활성인 층과 접촉하는데 적합한 다른 전도성 재료 등과 같은 전기화학 비활성 금속을 더 포함할 수 있다. 통상, 전기화학 활성인 층과 접촉하는데 적합한 전도성 재료는 비활성이므로, 실질적인 전기화학 반응을 하지 않는다. 이러한 재료는 예를 들면 제조 또는 예비제조 공정 과정에서 상기 절연 필름 위에 배열되는 잉크 또는 페이스트로서 제공될 수 있다.
전극은 바람직하게는 연신되는 것이 좋으며 예컨대 휘거나, 성형되거나 또는 실이나 실 형태로서 어레인지될 수 있다. 예를 들면, 전극은 전도성 폴리머 층으로 배열될 수 있거나, 금속 쓰레드 또는 금속선으로 배열될 수 있다. 일 구현예에 따라, 제1 세트의 전극들은 제1 평면에서 서로 평행하게 배열된다. 제2 세트의 전극들은 제2 평면에서 서로 평행하게 배열되는데, 이 제2 평면은 상기 제1 평면과 상이하고, 여기서 상기 제1 및 2 평면은 서로 평행하게 배열된다. 제1 및 2 평면은 적어도 전해질의 높이와 맞먹는 짧은 거리만을 두고 이격되어 있는 것이 바람직하다. 나아가, 상기 제1 및 2 세트의 전극들은 일반적으로 서로 직각으로 배열된다. 다른 구현예에 따라, 상기 제1 및/또는 2 세트의 전극들은 서로 평행하게 배열되지 않거나, 또는 제1 및 2 평면은 서로 평행하게 배열되지 않는다. 나아가, 전극은 직선으로 배열될 수 있지만, 곡선으로 배열될 수도 있고, 불규칙적인 형태일 수도 있다. 다시 말하면, 매트릭스 내에 배열된 픽셀 셀은 반드시 직선 행렬로 배열될 필요는 없으며, 상기 제1 세트의 전극 각각이 오직 하나의 교차점에서 상기 제2 세트의 전극들 중의 각 전극과만 교차하는 한, 보다 불규칙적인 방식으로 배열될 수도 있다.
직접 전기적 접촉: 계면을 통한 전하 교환을 허용하는 두 개의 상 사이에 (예를 들면 전해질과 전기화학 활성인 유기 재료 사이) 직접 물리적 접촉 (공통 계면)이다. 계면을 통한 전하 교환은 전기전도성 상들 간의 전자 이송, 이온 전도성 상들 간의 이온 이송, 또는 전자 흐름과 이온 흐름 사이의 전환을 포함할 수 있는데, 예를 들면 이 전하 교환은 카운터(counter) 소자와 전해질 간의 계면 또는 전해질과 전기변색 소자 간의 계면에서의 전기화학법에 의하거나, 또는 이러한 계면에서 헬름홀츠(Helmholtz) 층의 하전에 기인하는 용량성 전류(capacitive currents)의 발생에 의한다.
두 소자들 사이의 이온적 접촉은 두 소자들 사이에서 이온을 이송할 수 있는 적어도 하나의 재료에 의해 제공된다. 제1 및 2 전기화학 활성인 층과 직접 접촉 상태의 (공통 계면) 전해질은, 두 개의 전기화학 활성 층들 간에 이온 접촉을 제공할 수 있는 재료의 일례이다. 이런 이유로, 전해질은 두 개의 전기화학 활성 층들과 이온 접촉된 것으로 칭해지기도 한다.
예를 들면 2종의 재료가 예컨대 제3의 재료를 통해 서로 전자적 접촉 상태에 있을 수 있다. 두 소자 사이의 전자적 접촉은 두 소자 사이에서 전자를 이송할 수 있는 최소한 하나의 재료에 의해 제공된다. 제1 및 2 전기화학 활성 층과 직접 접촉하는 (공통 계면) 탄소 층은 상기 2개의 층들 간에 전자적 접촉을 제공할 수 있는 재료의 일례이다. 이런 이유로, 탄소층은 전자전도체 또는 전자전도성이라고 불리울 수 있다.
직접적인 전자 접촉(direct electronic contact): 두 개의 전자전도체들 간의 직접적인 물리적 접촉(공통 계면)이다.
전기변색 재료 및/또는 전기화학 활성인 재료로서 전기변색 픽셀 장치는 최소한 하나가 산화상태인 전기전도성 폴리머일 수 있고, 임의로 다중음이온 화합물도 포함할 수 있다.
본 발명의 전기변색 픽셀 장치로 사용되는 전기변색 폴리머는, 예를 들면 전기변색 폴리티오펜, 전기변색 폴리피롤, 전기변색 폴리아닐린, 전기변색 폴리이소티아나프탈렌, 전기변색 폴리페닐렌 비닐렌 및 이들의 코폴리머로 이루어진 군에서 선택된다. 일 구현예에서, 전기변색 폴리머는 3,4-디알콕시티오펜의 호모폴리머(homopolymer) 또는 코폴리머인데, 여기서 상기 두 개의 알콕시기들은 동일하거나 상이하거나 함께 임의로 치환된 옥시-알킬렌-옥시 브릿지(bridge)를 나타낼 수 있다. 다른 일 구현예에서, 전기변색 폴리머는 호모폴리머 또는 폴리(3,4-메틸렌디옥시티오펜), 폴리(3,4-메틸렌디옥시티오펜) 유도체, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 유도체, 폴리(3,4-프로필렌디옥시티오펜), 폴리(3,4-프로필렌디옥시티오펜) 유도체, 폴리(3,4-부틸렌디옥시티오펜), 폴리(3,4-부틸렌디옥시티오펜) 유도체 및 이들의 코폴리머로 이루어진 군에서 선택되는 3,4-디알콕시티오펜의 코폴리머이다. 이 경우 다중음이온 화합물은 폴리(스티렌 설포네이트)가 바람직하다.
숙련된 자들에 의해 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명의 대안적인 구현예에서, 전기변색 재료는 전기변색 거동 뿐 아니라 최소한 하나의 산화 상태에서 전도성도 나타내는 비-폴리머(non-polymer) 재료, 비-폴리머 재료의 조합, 또는 비-폴리머 재료와 폴리머 재료의 조합을 모두 포함한다. 일 예로, 전기전도성 재료와 전기변색 재료의 복합재를 사용할 수 있는데, 예컨대 산화주석, ITO 또는 ATO 입자 등의 전기전도성 입자들과 같은 전기전도성 입자와 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 산화니켈, 폴리비닐페로센, 폴리비올로젠, 산화텅스텐, 산화이리듐, 산화몰리브데늄 및 프러시안 블루(Prussian blue, 철의 페로시안 화합물(ferric ferrocyanide)) 등의 폴리머 또는 비-폴리머 전기변색 재료와의 복합재를 사용할 수 있다. 본 발명의 장치에 사용되는 전기변색 소자들의 예로는: 전도성 및 전기변색 둘 모두에 해당하는 PEDOT-PSS의 피스(piece); Fe2 + /SCN-을 포함하는 PEDOT-PSS의 피스, 전도성 및 전기변색인 PEDOT-PSS, 그리고 추가적인 전기변색 성분인 Fe2 + /SCN- (아래 참조); 절연 폴리머성 매트릭스 내에서, 전기변색 WO3-코팅과 직접 전기적 접촉을 하고 있는 전도성 ITO 입자의 연속적인 네트워크로 구성된 피스; 절연 폴리머성 매트릭스 내에서, 전해질에 용해된 전기변색 성분과 접촉하고 있는 전도성 ITO 입자의 연속적인 네트워크로 구성된 피스가 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상술한대로, 전기변색 픽셀 장치는 하나보다 많은 색을 가지는 디스플레이의 실현을 위해 전기변색 재료를 더 포함할 수 있다. 이 추가적인 전기변색 재료는 고체화된 전해질 또는 전기변색 픽셀 소자 내에 제공될 수 있는데, 이는 한편으로는 무색인 Fe2 + 및 SCN- 이온의 산화환원 쌍, 그리고 다른 한편으로는 적색인 Fe3 + (SCN)(H2O)5 착물의 산화환원 쌍과 같은 전기변색 산화환원 시스템을 예로 들 수 있다. 추가적으로서, 이러한 재료들은 DMPA - 5,10-디히드로-5,10-디메틸페나진, DEPA - 5,10-디히드로-5,10-디에틸페나진 및 DOPA - 5,10-디히드로-5,10-디옥틸페나진 등의 여러가지 페나진(phenazine)으로부터, TMPD - N,N,N',N'-테트라메틸페닐렌디아민, TMBZ - N,N,N',N'-테트라메틸벤지딘, TTF - 테트라티아풀발렌, 페난트롤린-철 착물류, 에리오글라우신 A, 디페닐아민류, p-에톡시크리소이딘, 메틸렌 블루, 여러가지 인디고스류 및 페노사프라닌류로부터, 뿐만 아니라 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
고체화된 전해질(solidified electrolyte): 본 발명의 목적상 "고체화된 전해질"은 사용되는 온도에서 충분히 단단하여 벌크한 전해질 내의 입자들/플레이크들이 전해질의 높은 점도/강성(rigidity)에 의해 실질적으로 고정되어, 유동하거나 새지 않는 그러한 전해질을 의미한다. 바람직한 경우로, 이러한 전해질은 적절한 유동학적 특성을 가져, 예를 들면 기존의 인쇄 방법에 의한 패턴 또는 내장된 시트의 지지체를 기초로 이러한 재료의 응용을 가능하게 한다. 증착 이후에, 전해질 형성은 용매를 증발시키는 중에 굳거나, 또는 자외선의 조사, 적외선이나 극초단파 복사, 냉각 또는 다른 어떠한 것 등의 물리적인 효과에 의하든지, 또는 추가적인 화학 반응물에 의하든지 유발되는 화학적 가교 반응 때문에 굳는다. 고체화된 전해질은 예를 들면 젤라틴(gelatine) 또는 폴리머성 겔(gel) 등의 수성 또는 유기 용매-함유 겔을 포함할 수 있다. 그러나, 고체 폴리머성 전해질도 또한 고려되고, 그리고 본 발명의 범위 내로 포함된다. 게다가, 이 용어의 정의에는 종이, 섬유질 또는 다공성 폴리머 등의 적당한 매트릭스 재료 내로 침지되거나 또는 이들 재료에 기타의 방법으로 도입되는 모든 액체 전해질 용액도 포함된다. 본 발명의 어떤 구현예에서, 이 재료는 사실상 전기변색 장치가 배열되는 지지체이므로, 지지체는 전기변색 장치 구동부의 필수적인 일부분을 형성한다. 상기 고체화된 전해질은 바인더(binder)를 포함할 수 있다. 이 바인더는 겔 특성을 갖는 것이 바람직하다. 바인더는 젤라틴, 젤라틴 유도체, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리(비닐피롤리돈), 폴리사카라이드류, 폴리아크릴아마이드류, 폴리우레탄류, 폴리프로필렌 산화물류, 폴리에틸렌 산화물류, 폴리(스티렌 술폰산)과 폴리(비닐 알콜) 및 그들의 염과 코폴리머로 구성된 군에서 선택될 수 있고, 임의로 가교될 수 있다. 전해질은 이러한 재료의 둘 이상의 조합에 의해 또는 상기 나열한 재료들 중 하나에 의해 형성될 수 있다.
요약하면, 본 발명에 따라 재료 선택 및 픽셀 장치의 수직 설계구조 형태가 기존의 인쇄 기술을 포함하는 제조 공정을 가능하게 한다. 이러한 기존의 인쇄 기술은 바-코팅, 스크린 인쇄, 스핀-코팅, 잉크젯 인쇄, 에어로졸-젯 인쇄, 또는 이러한 제조과정상 다른 어떤 것을 아우를 수 있다. 또한 픽셀 장치의 설계구조는 대규모 제조로 쉽게 확장가능한 제조 과정의 이용을 가능하게 하며, 다음으로, 더 빠르며 저비용으로 제조할 수 있게 한다. 예를 들어, 본 발명에 의한 다수의 픽셀 장치를 포함하는 디스플레이 배열은 롤투롤(roll-to-roll) 제조 과정에 의해 제조될 수 있다.
픽셀 장치의 일 구현예에서, 전도성 열, 상기 통로에서의 전자전도체, 제2 픽셀 층, 제3 픽셀 층, 제1 픽셀 층은 인쇄기술로 배열될 수 있다. 이런 이유로, 상기 제2 픽셀 층과 전도성 열 사이의 전자적 연결을 제공하는 전자전도체는 용이한 제조를 위해 바람직하게는 인쇄가능한 재료, 즉 예를 들어 인쇄가능하게 하기 위한 적합한 유동학적 특성을 갖는 재료를 포함하는 재료로 배열될 수 있다. 전기전도성 폴리머 또는 전도성 탄소를 포함하는 잉크는 이러한 인쇄가능한 재료들의 예이다. 픽셀 장치를 제조하는 동안, 전자적으로 전도성인 재료는 바-코팅, 스크린-인쇄, 잉크젯 인쇄, 에어로졸-젯 인쇄, 스핀-코팅, 기타 등등의 많은 여러가지 인쇄 기술에 의해, 또는 통로에 재료를 도포하고 상기 통로 안으로 압축함으로써, 예를 들면 상기 통로를 가로질러 고무롤러를 당김으로써 상기 통로에 배열될 수 있다. 또한 전자전도체를 포함하여 배열된 통로를 갖는 절연층은 예비제조될 수 있거나 부분적으로 예비제조될 수 있다고 이해된다. 예를 들면, 통로 및 전자전도체는 예비제조 공정 과정에서 도포되거나 배열될 수 있다.
일반적으로, 본 발명의 다른 목적, 특징, 장점들은 후술하는 상세한 설명, 첨부된 종속항, 뿐만 아니라 도면에 나타날 것이다. 본 발명의 구현예들은 첨부하는 도면을 참조하여 실시예로 설명될 것이다. 도면은 실제 규모가 아니고, 이 기술 분야의 숙련된 자들에 의해 쉽게 이해될 수 있으며, 도면에 도시된 이들 이외에 범위는 본 발명의 범위 내로 동등하게 가능하다는 것 감안하여야 한다.
도 1a는 패시브 매트릭스 디스플레이의 분해도를 개략적으로 도시하는데, 여기서 픽셀 층과 전극은 일치한다.
도 1b는 도 1a에 설명된 대로 배열된 픽셀 장치 내 픽셀의 횡단면도를 개략적으로 도시한다.
도 2a는 패시브 매트릭스 디스플레이의 분해도를 개략적으로 도시하는데, 여기서 제1 픽셀 층과 제1 전극은 일치한다.
도 2b는 도 2a에 설명된 대로 배열된 픽셀 장치 내 픽셀의 횡단면도를 개략적으로 도시한다.
도 3a는 통로를 갖는 절연층을 포함하는 패시브 매트릭스 디스플레이의 분해도를 개략적으로 도시한다.
도 3b는 도 3a에 설명된 대로 배열된 픽셀 장치 내 픽셀의 횡단면도를 개략적으로 도시한다.
도 4는 디스플레이의 충전율(fill factor)을 컴퓨팅(computing)하는데 사용되는 파라미터를 도시한다.
도 5 내지 9는 본 발명에 따라 배열된 여러가지 샘플들의 Ⅰ 내지 Ⅴ 특징을 도시한다.
도 10a는 디스플레이 장치의 사진이다.
도 10b는 디스플레이 장치의 일부를 나타내고, 도 10a의 사진을 기초로 한 그림이다.
도 11 내지 14는 본 발명에 따라 배열된 여러가지 전해질을 포함하는 여러가지 샘플들의 Ⅰ 내지 Ⅴ 특징을 도시한다.
상세한 설명
본 발명에 의한 패시브 매트릭스 디스플레이의 일 실시예는 도 1a 및 1b에 개략적으로 도시된다. 도 1a는 패시브 매트릭스 디스플레이의 분해도인데, 여기서 픽셀 층 및 전극은 일치한다. 탄소를 포함하는 제2 전극 122 세트 뿐만 아니라 전기변색 재료의 제1 전극 121 세트도 제공된다. 각 전극은 직선으로 길게 늘어나는 소자로 형성된다. 제1 전극 121은, 즉 상기 제1 전극 세트 내의 전극은 보통의 제1 평면에서 서로 평행하게 배열된다. 제2 전극 122는, 즉 상기 제2 전극 세트 내의 전극은 보통의 제2 평면에서 서로 평행하게 배열된다. 나아가, 전극 121, 122의 두 세트는 서로 관련되어 배열되므로, 각각의 상기 제1 전극은 각각의 상기 제2 전극과 오직 한 교차점에서만 교차한다. 도 1에서, 제1 전극은 제2 전극과 직각으로 배열된다. 즉, 전극들은 서로 90도의 각도로 교차한다. 대안적으로, 전극들은 배열되어 서로 거의 다른 각도로 교차할 수 있는데, 충분하게 0도 및 180도에서, 예를 들면 10° 내지 170°의 간격 내에서 변화된다.
상기 제1 및 2 전극 사이의 각 교차점에, 두 전극 사이에 공간적으로 배열된 전해질 층 113이 있다. 다시 말하면 전해질 113은 상기 제1 전극 세트의 제1 전극 121a와 상기 제2 전극 세트의 제2 전극 122a 사이에 끼워져 있다. 나아가, 제1 픽셀 층 111은 제1 전극 121a와 전해질 113 사이의 계면의 확장에 의해 정해진다. 제2 픽셀 층 112는 제2 전극 122a와 전해질 113 사이의 계면의 확장에 의해 정해진다. 다시 말하면, 상기 제1 픽셀 층 111은 상기 제1 전극 121a의 일부와 일치하고; 그리고 상기 제2 픽셀 층 112는 상기 제2 전극 122a의 일부와 일치한다. 더욱 상세히는, 상기 제1 픽셀 층 111과 상기 제2 픽셀 층 112는 각각 상기 제1 전극 121a 및 제2 전극 122a의 전체 부피를 구성한다.
일 구현예에 따르면, 상기 제1 전극 세트는 제1 캐리어층 116 위에 배열되고, 상기 제2 전극 세트는 제2 캐리어층 117 위에 배열된다. 제1 및 2 캐리어층은 절연성 물질로 배열되는 것이 바람직하다. 픽셀 장치 제조시, 전해질은 각각 그들의 교차점에서 하나 또는 두 전극 모두 위에 배열될 수 있다. 그리고 난 후, 캐리어들은 합쳐지므로, 이온적 연결은 각각의 제1 및 2 전극 사이의 교차점에서 제공된다.
도 1b는 도 1a에 관하여 설명된 대로 픽셀 장치 내에 배열된 한 픽셀의 개략적인 횡단면도를 확대한 것이다. 픽셀의 층들은 수직 또는 적층되는 배열이다. 더욱 상세히는, 전해질 113은 전기변색 재료를 포함하는 제1 픽셀 층 111 및 탄소를 포함하는 제2 픽셀 층 112 사이에 끼워져 있다. 나아가, 제1 픽셀 층은 전해질 113과 제1 기판 116 사이에 공간적으로 배열되고; 그리고 제2 픽셀 층은 전해질과 제2 기판 117 사이에 공간적으로 배열된다. 상기 픽셀의 시야 방향은 상기 제1 캐리어층에 대하여 수직이고, 화살표 130에 의해 지시된다.
도 2a는 패시브 매트릭스 디스플레이의 분해도를 개략적으로 도시한다. 도 2a에 도시된 픽셀 장치 200은 상기 제2 픽셀 층이 상기 제2 전극과 같은 공간에 있지 않다는 것을 제외하고는 도 1a 및 1b에 관하여 설명된 대로 배열된다. 대신하여, 상기 제2 픽셀 층 212는 상기 제1 및 제2 전극 221a, 222a 사이의 교차점에서 제2 전극 222a와 전해질 213 사이에 공간적으로 배열된 전도성 탄소를 포함하는 별도의 층이다. 나아가, 제2 픽셀 층은 상기 제2 전극 222와 직접 전기적 접촉하여 배열된다. 제2 전극은 제2 픽셀 층과 동일한 재료로 배열되거나, 또는 은 등의 전자를 전도하는 성질이 높은 재료로 배열된다. 더욱 상세히는, 제1 전극 221a와 제2 전극 222a 사이의 각 교차점에서 전해질 213의 각각의 층 및 탄소 재료의 제2 픽셀 층 212는 서로 그 위에 적층되고, 상기 제1 및 제2 전극 221a, 222a 사이에 배열되므로, 상기 픽셀 층 212는 상기 제2 전극 222a와 직접 전자적 접촉하고, 상기 전해질 213은 상기 제2 픽셀 층 212 및 상기 제1 전극 221a의 전기변색 재료인 제1 픽셀 층 211 둘 모두와 이온적 접촉한다.
일 구현예에 따르면, 더욱 상세히는 상기 제1 전극 221 세트는 제1 캐리어층 216 위에 배열되고, 상기 제2 전극 222 세트는 제2 캐리어층 217 위에 배열된다. 제1 및 2 캐리어층 216, 217은 절연성 재료로 배열되는 것이 바람직하다. 나아가, 탄소의 제2 픽셀 층 212는 상기 제1 및 2 전극 221, 222 사이의 각각의 또는 일부 교차점에서 상기 제2 전극 222a 위에 배열된다. 나아가, 전해질 층 213은 각각 그들의 교차점에서 제1 및 2 전극 중 하나 또는 둘 모두 위에 배열된다. 그리고 난 후, 캐리어들은 합쳐지므로, 이온 접점은 각각의 제1 및 2 전극 221a, 222a 사이의 교차점에서 제1 및 2 픽셀 층 211, 212 사이로 제공된다.
도 2b는 도 2a에 관하여 설명된 대로 배열된 픽셀 장치 내에 한 픽셀의 개략적인 횡단면도를 확대한 것이다. 이 픽셀의 층들은 수직 또는 적층된 배열을 갖는다. 더욱 상세히, 전해질 213은 전기변색 재료를 포함하는 제1 픽셀 층 211과 탄소를 포함하는 제2 픽셀 층 212 사이에 끼워져 있다. 나아가, 제1 픽셀 층 211은 제1 기판 216과 전해질 213 사이에 공간적으로 배열되고; 그리고 제2 픽셀 층 212는 제2 전극 222와 전해질 213 사이에 공간적으로 배열된다. 더욱이, 제2 전극은 제2 픽셀 층과 제2 캐리어층 217 사이에 공간적으로 배열된다. 상기 픽셀의 시야 방향은 상기 제1 캐리어층에 대하여 수직이고, 화살표 230에 의해 지시된다.
도 3a는 패시브 매트릭스 디스플레이의 분해도를 도시한 것이다. 도 3a에 도시된 픽셀 장치 300은 상기 제2 픽셀 층 312가 상기 제2 전극 322와 직접 전자적 접촉을 하고 있지 않다는 것을 제외하고, 도 2a 및 2b에 관하여 설명된 대로 배열된다. 대신하여, 통로 319를 포함하는 절연층 318은 상기 제2 픽셀 층 312와 상기 제2 전극 322 사이에 배열된다. 전자전도체 320은 상기 통로 319 각각에 배열된다. 나아가, 절연층이 배열되어, 전자전도체 320 각각은 제2 전극 322와 제2 픽셀 층 312를 전자적 연결하도록 한다.
더욱 상세히, 그리고 일 구현예에 따르면, 절연성 재료의 제1 캐리어층 316이 제공되고, 그 위에 제1 전극 321 세트가 배열된다. 나아가, 절연성 재료의 중간 캐리어층 318이 제공되고, 그 안에 통로 319의 세트가 배열된다. 제2 전극 322는 상기 중간 캐리어층 318의 제1 측면에 배열되고, 그리고 전자전도체 320은 상기 통로 319 내에 제공된다. 더욱이 전도성 탄소를 포함하는 제2 픽셀 층 312 세트는 상기 중간 캐리어층 318의 반대 측면에 제공되고, 그리고 상기 제2 픽셀 층 312 각각을 상기 전자전도체 320 각각 하나에 전자적 접촉이 되도록 배열하는데, 각 전자전도체 320이 각각의 제2 픽셀 층 312a를 이에 대응하는 제2 전극 322a와 함께 전자적 연결되도록 배열한다. 모든 구현예에서, 제2 픽셀 층은 서로로부터 격리되도록 배열된다. 전해질 313을 포함하는 제3 픽셀 층은 상기 제2 픽셀 층 312의 각각 하나에 배열된다. 그 후, 제1 및 중간 캐리어 316, 318을 접촉시키는데, 상기 제1 전극 321 각각과 상기 제2 전극 322 각각을 오직 한 교차점에서만 교차하도록 접촉시킨다. 제1 및 중간 캐리어 316, 318은 다음의 방식으로 접촉되는데, 이온 연결이 제1 및 2 전극 321a 및 322a의 각각의 교차점에서, 상기 제3 픽셀 층 313 각각의 하나를 통하여, 상기 제1 전극 321a 각각 하나와 상기 제2 픽셀 층 312a 각각 하나 사이로 제공되는 방식이다. 제3 픽셀 층 313 세트와 제1 전극 321 사이의 이온적 접촉은 상술한 대로 제1 픽셀 층 311 세트를 제공한다.
추가적으로, 또는 대안적으로, 제1 및 중간 캐리어층 316, 318을 접촉시키기 전에, 상기 제3 픽셀 층은 상기 제1 및 2 전극 321, 322의 각 쌍의 미리 결정되는 교차점에 대응하는 위치에서 상기 제1 전극 321과의 이온적 접촉이 제공될 수 있다. 그 후, 제1 및 중간 캐리어 316, 318은 다음의 방식으로 접촉되는데, 이온 연결이 제1 및 2 전극 321a 및 322a의 각각의 교차점에서, 상기 제3 픽셀 층 313 각각의 하나를 통하여, 상기 제1 전극 321a 각각 하나와 상기 제2 픽셀 층 312a 각각 하나 사이로 제공되는 방식이다.
도 3b는 도 3a에 관하여 설명된 대로 배열된 픽셀 장치 내에 한 픽셀의 개략적인 횡단면도를 확대한 것이다. 이 픽셀의 층들은 수직 또는 적층되는 배열을 갖는다. 더욱 상세히, 전해질 313은 전기변색 재료를 포함하는 제1 픽셀 층 311과 탄소를 포함하는 제2 픽셀 층 312 사이에 끼워져 있다. 나아가, 제1 픽셀 층 311은 제1 절연층 316과 제3 픽셀 층 313 사이에 공간적으로 배열된다. 더욱이, 통로 319를 포함하는 제2 절연층 318은 상기 제2 픽셀 층 312와 상기 제2 전극 322 사이에 배열되고, 그리고 전자전도체 320은 상기 통로 319 내에 배열되며, 이 전자전도체는 상기 제2 픽셀 층 312와 상기 제2 전극 322를 전자적으로 연결한다. 임의적으로, 제2 픽셀 층 312는 상기 제2 절연층과 도 3a 및 3b에는 도시되지 않은 추가적인 절연층 사이에 배열될 수 있다.
도 4는 도 1a 및 1b에 관하여 설명된 대로 배열된, 매트릭스 내에 배열된 픽셀 셀의 세트를 포함하는 디스플레이를 개략적으로 도시한다. 다수의 픽셀 일부분은 매트릭스 배열 형태에 따라 배열되고, 여기서 각 픽셀 일부분은 도 1b에 관하여 설명된 대로 픽셀 장치를 형성한다. 디스플레이를 측정하는 일반적인 성질은 충전율(fill factor)에 관한 것이다. 이 충전율은 완성된 디스플레이의 주어진 면적과 비교하여 볼 때 각 픽셀의 유효면적(effective area)과 관련된다. 충전율은 도시된 치수(dimension) A와 B로부터 유도된다. 거리 A는 별도의 두 픽셀 부분 사이의 거리에 상응하고, 두 픽셀이 얼마나 가깝게 위치하는지 또는 얼마나 큰 비유효면적이 디스플레이 내에 있는지를 나타낸다. 거리 B는 픽셀 부분의 통상적인 치수를 나타내는데, 이는 픽셀 소자의 횡단면적에 상응한다. 일반적으로, 거리 A의 상대적인 감소는 충전율의 증가를 의미하고, 면적 B의 상대적인 증가는 충전율의 증가를 의미한다. 일 구현예에서, 본 발명에 의한 픽셀 장치를 포함하는 디스플레이의 충전율은 개개의 픽셀 부분 면적 1×1 mm2에 기초하여 90% 일 수 있다.
절연층을 포함하는 패시브 매트릭스 어드레스된 디스플레이의 제조방법
두께 50 ㎛의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(이하, PET라 함) 필름 (듀퐁 테이진(DuPont Teijin) 필름에 의해 제조된 Melinex 454) 포함하는 절연층을 제공하였다. 이 절연층에는 레이저 조사(irradiation)에 의해 통로들이 20×20의 망상 패턴으로 생성되어 있으며, 여기서 이웃하는 두 통로 사이의 거리는 1 cm였다. 이 통로의 입구 직경은 상기 절연층의 제1 측면에서 ~30 ㎛ 이었고, 상기 절연층의 다른 측면에서 ~70 ㎛ 이었다. 전기전도성 탄소 페이스트(paste) (듀퐁에서 제조된 7102 스크린 인쇄 탄소 페이스트)를 스퀴지(squeegee)를 사용하여 통로에 증착시켰다. 탄소 페이스트를 3분 동안 120℃에서 건조시킨 후에, 탄소 증착 공정 단계를 한번 더 반복하여 통로를 통한 전자전도를 확실히 하였다. 상기 절연층의 제1 측면 위에, 은 페이스트 (듀퐁사에서 제조된 Ag 5000 스크린 인쇄 은 페이스트)의 평행선 20개를 브러쉬(brush)로 증착시켰고, 여기서 각 선은 너비 ~2 내지 3 mm이고, 길이 >200 mm 이었는데, 각 선이 상기 절연층 내에서 통로 20개를 전기적으로 연결되도록 증착시켰다. 그 후 은 선을 5분 동안 120℃에서 열 처리하였다. 상기 절연층의 제2 측면 위에, 전도성인 탄소 페이스트(7102)를 증착시켜 상기 통로의 상부에 각 면적이 ~4 내지 5 mm2인 정사각형을 형성하였다. 전기변색 픽셀 장치 내에 카운터 전극 소자로서 역할을 하는 이 탄소 정사각형을 3분 동안 120℃에서 건조시켰다. 전해질 방울(BASF사에서 제조된 TiO2 분말(크로노스사에서 제조된 Kronos 2300) 10 wt%를 함유하는 Luviquat Excellence) 20×20을 탄소 정사각형 위에 증착시켰고, 1분 동안 60℃에서 건조시켰다. 루비콰트(Luviquat)는 수용액에서 비닐피롤리돈과 4차 비닐이미다졸의 코폴리머이다. 충분하게 불투명한 전해질을 만들기 위해 TiO2가 사용되었다. 예비코팅된 PEDOT:PSS(AGFA사에서 제조된 Orgacon EL-350)을 포함하는 PET-호일이 제공되었다. PEDOT:PSS층을 나이프 플로터 툴(knife plotter tool)로 각 직사각형이 면적 23×1 cm2가 되도록 20개의 직사각형을 패턴화하였다. PEDOT:PSS 직사각형들은 매트릭스 디스플레이 생성물 내에서 제1 전극과 제1 픽셀 층의 역할을 하였다. 전해질 방울 20×20을 제2 전극 위에 전해질 방울의 패턴을 동일한 그물모양으로 증착시키고, 1분 동안 60℃에서 건조시켰다. 마지막 공정 단계로서, 제2 전극 및 제1 픽셀 층을 적층하였는데, 이 층들은 수직 구조로 서로 마주보도록, 그리고 전도성 은 선과 전도성 PEDOT:PSS 직사각형들은 직각 형태로 위치되도록 적층하였다. 후자는 매트릭스 디스플레이에서 행렬을 구성한다.
견본 장치와 기준 장치의 제조방법
전기변색 픽셀 장치는 동일한 재료(탄소 페이스트, PEDOT:PSS 및 전해질)와 상기 언급한 매트릭스 디스플레이에 사용되는 기판(PET-호일)을 사용하여 제조될 수 있다. 은을 포함하는 전도성 선은 단일 픽셀 장치 내에서는 요구되지 않는다.
픽셀 장치의 제1 견본에 따르면, 탄소 페이스트(듀퐁사의 7102)와 PEDOT:PSS 페이스트(H.C. 스타크에 의해 제공된 클레이비오스(Clevios) S V3 스크린 인쇄 페이스트)를 각 증착된 층이 면적 35×35 mm2가 되도록 각각의 PET-호일 기판위에 스크린 인쇄하였다. 그리고 난 후, 각각 5분 및 2분 동안 110℃에서 건조시켰다. 그 후 각 기판에 대해 하나의 전해질 패턴으로, 면적 2×2 mm2인 전해질층을 이 예비코팅된 각각의 기판의 코너에서 증착시켰다. 1분 동안 60℃에서 전해질층을 건조시킨 후, 픽셀 장치를 수직 구조로 층들을 적층함으로써 완성하였는데, 여기서 사이에 끼워져 있는 전해질은 제1 및 2 픽셀 층 사이에서 이온적 연결이 되도록 해준다.
픽셀 장치의 제2 견본을 상기 제2 픽셀 층 위에 증착되었던 7102 탄소 페이스트 대신에 다른 종류의 탄소 페이스트(아체손(Acheson)에서 제조된 PF-407A)가 이용된 것을 제외하고는 제1 견본과 동일한 장치 설계구조를 갖도록 제조하였다.
픽셀 장치의 제3 견본을 예비코팅된 PEDOT:PSS (AGFA에서 제조된 오가콘(Orgacon) EI-350)를 포함하는 PET-호일을 상기 제1 픽셀 층으로 이용한 것을 제외하고는 제1 견본과 동일한 장치 설계구조를 갖도록 제조하였다.
제1 참조 샘플을 탄소 카운터 전극을 PEDOT:PSS를 포함하는 전극으로 교체한 것을 제외하고는 상기 제1 견본과 동일한 장치 설계구조를 갖도록 제조하였다.
제2 참조 샘플을 상기 제1 견본과 동일한 장치 설계구조를 갖도록 제조하였다. 그러나 여기서, 탄소 카운터 전극을 은 페이스트 전극(듀퐁사에서 제조된 Ag 5000)으로 교체하였다.
장치의 전기화학적 물성 측정
전기변색 픽셀 장치의 I-V 특징들은 이들을 반도체 파라미터 분석기(휴렛 패커드(Hewlett Packard)/애질런트(Agilent) 4155B)에 연결함으로써 측정되었다. 샘플 픽셀은 도 1a 및 1b에 관하여 설명된 대로 배열된 매트릭스 디스플레이를 제공함으로써, 그리고 매트릭스 디스플레이 내의 나머지 픽셀로부터 각 샘플 픽셀을 분리함으로써 제조되었다. 전위가 제2 픽셀 층에 연결되어있는 반면, 제1 픽셀 층은 바닥에 연결되어있다. 이 전위는 음의 값(제1 픽셀 층은 산화된다)에서 시작하고, 양의 값(제1 픽셀 층은 환원된다)으로 움직이며, 그 후 다시 음의 값으로 되돌아 온다. 예를 들면 -2 V 에서 2 V로, 2 V에서 -2 V로의 움직임이다. 인가된 전위는 20 ms 마다 10 mV 씩 증가된다. 다시 말하면, 픽셀 전극층은 그것의 초기 투명 산화 상태에서 그것의 청색 환원 상태로 전환되고, 그 후 투명 산화 상태로 되돌아 오며, 픽셀 장치를 통한 전류 흐름은 파라미터 분석기에 의해 지속적으로 기록된다.
테스트 결과
픽셀 장치의 제1 참조 샘플, 제1, 2 및 3 견본, 그리고 제2 참조 샘플의 I-V 커브 또는 I-V 특징들을 각각 도 5, 6, 7, 8 및 9에 나타내었다. 도 5 및 9의 탄소 카운터 전극이 없는 참조 샘플 양자 모두는 인가된 전위에 의해 더 혹은 덜 선형으로 전류가 증가/감소하기 때문에 전압 문턱 거동(voltage threshold behavior)이 없음을 나타낸다. 도 5 및 9의 샘플은 각각 카운터 전극으로서 PEDOT:PSS 및 은을 포함한다. 반면에, 도 6, 7 및 8의 픽셀 장치 구현예는 0.5-1.0 V 근처에서 전압 문턱 전위(voltage threshold potential)를 나타낸다. 이러한 전압 문턱 전위는 패시브 매트릭스 어드레싱에 의해 구동되는 매트릭스 디스플레이에서 이용될 수 있다.
도 11 내지 14는 여러가지 전해질 113을 포함하는 픽셀 장치의 견본 샘플의 I-V 커브 또는 I-V 특징들을 나타낸다. I-V 커브가 도 11 내지 14에 도시된 샘플 장치 도 1a 및 1b 관하여 설명된 대로 배열되는데, 여기서 각 샘플 픽셀은 매트릭스 디스플레이 내에 나머지 픽셀들로부터 격리되어 있다. 나아가, 각 픽셀 110의 제1 픽셀 층 111은 PEDOT:PSS를 전기변색 재료로서 포함하고, 제2 픽셀 층 112는 탄소를 포함한다. I-V 커브가 도 11에 도시된 픽셀 장치 샘플의 전해질은 수성 다중양이온 전해질 용액인 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로라이드)이다. 이러한 픽셀 장치는 ±1.0 V 근처에서 문턱 전압을 나타낸다. 또한, 견본 구현예는 0 V에서 낮은 누설 전류(leakage current)를 갖는다. 결론적으로, 이러한 픽셀 장치는 패시브 매트릭스를 어드레싱 함으로써 구동되는 매트릭스 디스플레이에 사용 가능하다.
도 12는 두 개의 다른 샘플의 구현예에 대한 I-V 커브를 나타낸다. 사각형으로 표시한 이 그래프는 다중양이온 전해질로서 비닐피롤리돈 및 4차 비닐이미다졸(BASF사에 의해 수성 용액으로서 제공되는 루비콰트®)의 코폴리머를 포함하는 샘플을 나타낸다. 원으로 표시한 이 그래프는 다중음이온 전해질(알파 아에사르(Alfa Aesar)에 의해 제공된, 분자량 ~70,000)로서 폴리스티렌 설포네이트 나트륨염의 수성 용액을 포함하는 샘플을 나타낸다. 도 12의 그래프에 대응하는 두 견본 장치 모두 ±1.0 V 근처에서 문턱 전압을 나타내고 0 V에서 낮은 누설 전류를 나타낸다. 결론적으로, 이러한 픽셀 장치들도 역시 패시브 매트릭스를 어드레싱함으로써 구동되는 매트릭스 디스플레이에 사용 가능하다.
도 13 및 14는 다중양이온 전해질로서 비닐피롤리돈 및 4차 비닐이미다졸(BASF사에 의해 수성 용액으로서 제공되는 루비콰트®)의 코폴리머를 포함하는 샘플에 대한 I-V 커브를 나타낸다. 그러나, 각 픽셀 장치의 전해질은 다양한 첨가제를 포함한다. 도 13의 커브를 결과시키는 픽셀 장치의 전해질에서 첨가제의 목적은 인쇄와 경화를 가능하게 하기 위함이다. 사각형으로 표시된 그래프는 루비콰트:DL-락트산의 비율이 중량비로 100:18.5인 전해질을 포함하는 샘플을 나타낸다. 원으로 표시된 그래프는 루비콰트:DL-락트산:글리세롤 1,3-디글리세롤레이트 디아크릴레이트의 비율이 중량비로 100:18.5:2.7인 전해질 포함하는 샘플을 나타낸다. 삼각형으로 표시된 그래프는 루비콰트:글리세롤 1,3-디글리세롤레이트 디아크릴레이트의 비율이 중량비로 100:10인 전해질을 포함하는 샘플을 나타낸다. 결론적으로, DL-락트산 및 글리세롤 1,3-디글리세롤레이트 디아크릴레이트 등의 첨가제는 패시브-매트릭스 디스플레이 내에 어드레싱이 가능하도록 요구되는 문턱 전압이 유지됨과 동시에, 인쇄성 및 경화성을 얻기 위해 루비콰트에 첨가제로서 사용될 수 있다.
도 14의 I-V 커브가 결과로 되는 픽셀 장치에 대하여, 첨가제는 글리세롤 1,3-디글리세롤레이트 디아크릴레이트(Sigma-Aldrich에서 구입), DL-락트산(Sigma-Aldrich에서 구입), Irgacure 2959(2-히드록시-4'-(2-히드록시에톡시)-2-메틸프로피오페논 98%, Sigma-Aldrich에서 구입), TPO(디페닐(2,4,6-트리메틸벤조일)포스핀 산화물, Lucirin TPO, BASF사에서 제공), TiO2 및 물이다. 사각형으로 표시한 그래프는 루비콰트:글리세롤 1,3-디글리세롤레이트 디아크릴레이트:DL-락트산:Irgacure 2959:TPO:TiO2의 비율이 중량비로 100:3:1.9:0.21:0.17:10인 전해질을 포함하는 샘플을 나타낸다. 원으로 표시한 그래프는 루비콰트:글리세롤 1,3-디글리세롤레이트 디아크릴레이트:DL-락트산:Irgacure 2959:TPO:TiO2:물의 비율이 중량비로 100:10.8:18.5:0.77:0.62:92:19.2인 전해질을 포함하는 샘플을 나타낸다. Irgacure 2959 및 TPO는 전해질층의 UV-경화를 할 수 있게 하는 광 개시제이고, TiO2 입자는 반사 모드로 작동하는 픽셀 내에서 불투명층으로 사용될 수 있다. 이 그래프는 이러한 첨가제들이 문턱 전압을 손실하는 것 없이 사용될 수 있다는 것을 나타낸다.
도 10a는 상기 제3 견본에 따라 제조된, 그리고 체스 보드 패턴에 따라 업데이트된 패시브 매트릭스가 어드레스된 디스플레이의 사진이다. 이 특정 매트릭스 디스플레이는 20×20 전기변색 픽셀 장치를 포함하며, 실질적인 크로스토크가 없어, 즉, 개별적인 각각의 픽셀은 어둡거나 투명하거나 둘 중 하나이다. 도 10b는 도 10a의 점선 원의 내용에 상응하는 디스플레이의 반사 부분을 스케치한 것이다. 도 10b의 스케치는 도 10a에 비해 약간 시계 방향으로 돌아가 있다. Ag-전극은 픽셀 소자의 각 행의 밑에 수평으로 뻗어있다. 도 10b의 스케치에서, Ag-전극은 직사각형으로서 도시되는데, 이는 오른쪽에서 왼쪽으로 볼 때 기울어져 있다(시계 방향 회전 때문에). 전극은 탄소 전극을 갖는 통로(via)를 포함하는 절연성 기판 위에 제공된다. 절연성 기판의 다른 측면은 탄소를 포함하는 픽셀 층이 제공된다. 나아가, 흰 전해질의 방울은 탄소를 포함하는 각 픽셀 층의 상부에 제공된다. 결국, 전기적으로 전도성 폴리머를 포함하는 반투명 시트가 제공되고, 반투명 시트가 모든 전해질을 덮도록, 즉 상기 전해질이 상기 반투명 시트와 접촉할 경우에 제1 픽셀 층이 형성되도록 배열된다. 서로로부터 픽셀의 섹션(section)을 전자적으로 격리되도록 하기 위해 얇고 곧은 수직 컷(cut)이 반투명 시트에 제공되는데, 여기서 각 섹션에 있는 픽셀은 사진의 하부로부터 사진의 상부로 차례로 배열된다. 두 수직 컷 사이의 거리는 1 cm이다. 각 섹션 내의 픽셀은 반투명 시트에 의해 서로 전자적 접촉을 하고 있다. 사진에서 보이듯이, 각 픽셀의 착색은, 즉 반투명 시트의 착색은 거의 완벽한 사각형에 상응한다. 픽셀 주변의 흰색 재료는 전해질이고 반투명 시트와 접촉해 있지 않지만, 그곳을 통해 볼 수 있다. 도 10b에서, 개별 부품(discrete islands)은 전해질에 상응하는 Ag-전극의 최상부에 배열된다. 더욱 상세히, 행(row)에 배열된 제1 전극 세트는 전기변색 픽셀 소자 또는 제1 픽셀 층을 지정하는 반면, 열(column)에 배열된 제2 전극 세트는 매트릭스 디스플레이의 제2 픽셀 층을 지정한다. 각각의 행렬은 디지털 집적회로의 출력핀에 연결되었는데, 이는 공급 전압에 의해 구동되었다. 디스플레이에 나타나는 원하는 이미지는 전체 디스플레이를 한번 또는 반복하여 업데이트 함으로써 이미지를 출력하는 프로그래밍 가능한 회로에 저장되었다. 열 별로 스캔 또는 개개의 픽셀 스캔이 다른 어드레스 가능한 대안이 있다 해도, 매트릭스 디스플레이는 행 별로 업데이트 되었다. 행 별 스캔에서, 출력은 각각의 행에서 신호를 활성화되게 하는데, 원하는 픽셀이 각각의 열에서 전압을 인가함으로써 업데이트 될 수 있도록 활성화 되게 한다. 비활성 행과 비어드레스된 열의 출력은 오류가 있었다. 그렇게 되면, 업데이트 된 행의 출력 핀에 오류가 생기고, 그리고 그 후 행은 동일한 방법에 의해 업데이트 된다.
상기 상세한 설명에서, 본 발명을 분명하게 기재된 많은 구현예들을 참조로서 주요하게 설명하였다. 그러나, 이 기술분야의 숙련된 자에 의해 손쉽게 이해되는 것으로서, 상기 기재된 것들 외에 다른 구현예들도 첨부되는 특허청구범위에 의해 정의된 대로 본 발명의 범위에 포함된다. 예를 들면, 도 5 내지 9의 구현예의 전기변색 픽셀 층은 PEDOT:PSS로 형성되는 것이다. 그러나, PEDOT:PSS에 의해 형성되는 전기변색 재료 외에도 다른 전기변색 재료들도 전기변색 픽셀 층으로 사용될 수도 있고, 본 발명의 범위로 포함된다. 추가적으로, 인가된 전위의 규모 외에 상기 개시된 것들도 동일하게 본 발명의 범위로 포함될 수 있다.

Claims (14)

  1. 패시브 매트릭스 디스플레이 장치(100;200)에 있어서,
    매트릭스 내에 배열되는 픽셀 셀(110;210)들의 세트를 포함하되,
    여기서 각 픽셀 셀은:
    시각적으로 감지가능한 상이한 착색 상태들 간에 전기화학적으로 스위칭 가능한 전기변색 및 전기화학 활성인 유기 폴리머 재료를 포함하는 제1 픽셀 층(111;211),
    상기 제1 픽셀 층과 마주보는 제2 픽셀 층(112;212), 및
    상기 제1 및 제2 픽셀 층과 이온 접촉하도록 제1 및 제2 픽셀 층 사이의 공간에 배열된 고체화된(solidified) 전해질의 제3 픽셀 층(113;213)
    을 포함하되, 여기서
    상기 전해질은 pH 염료 및 전기변색 재료를 함유하지 않고, 상기 전해질은 다중양이온성 전해질 또는 다중음이온성 전해질이고,
    각 픽셀 셀(110;210)의 상기 제2 픽셀 층(112;212)은 전기전도성 탄소로 형성된 것임으로 해서, 최소한 상기 픽셀 셀 전체에 걸쳐 인가된 전압에 응답하여 문턱 전압을 제공하는 것인 패시브 매트릭스 디스플레이 장치(100;200).
  2. 제1항에 있어서, 제1 전극(121; 221) 세트 및 제2 전극(122; 222) 세트를 더 포함하되, 상기 제1 및 2 전극은 서로 전자적으로 격리되고 다음의 패턴, 즉:
    - 각각의 상기 제1 전극들(121;221)은 각각의 상기 제2 전극들(122;222)과 오직 한 교차점에서만 교차하고, 및
    - 각각의 상기 픽셀 셀들(110;210)은 각각의 제1 및 2 전극들(121a, 122a; 221a, 222a)에 의해 형성되는 상기 각 교차점들 중 하나에 배열되는데, 여기서;
    - 상기 각 픽셀 셀들(110;210)의 상기 제1 픽셀 층(111;211)은 상기 각 제1 전극(121a; 221a)의 일부와 일치하고, 및
    - 상기 각 픽셀 셀들(110;210)의 상기 제2 픽셀 층(112;212)은 상기 각 제2 전극(122a; 222a)의 일부와 일치하거나, 또는 전자적으로 접촉하도록 하는 패턴으로 배열된 것인 패시브 매트릭스 디스플레이 장치.
  3. 제1항에 있어서, 제1 전극(121; 221) 세트 및 제2 전극(122; 222) 세트를 더 포함하되, 상기 제 1 및 2 전극은 서로 전자적으로 격리되고 다음의 패턴, 즉:
    - 각각의 상기 제1 전극들(121;221)은 각각의 상기 제2 전극들(122;222)과 오직 한 교차점에서만 교차하고, 및
    - 각각의 상기 픽셀 셀들(110;210)은 각각의 제1 및 2 전극들(121a, 122a; 221a, 222a)에 의해 형성되는 상기 각 교차점들 중 하나에 배열되는데, 여기서;
    - 상기 각 픽셀 셀들(110;210)의 상기 제1 픽셀 층(111;211)은 상기 각 제1 전극(121a; 221a)과 전자적으로 접촉하고 있고, 및
    - 상기 각 픽셀 셀들(110;210)의 상기 제2 픽셀 층(112;212)은 상기 각 제2 전극(122a; 222a)의 일부와 일치하거나, 또는 전자적으로 접촉하도록 하는 패턴으로 배열된 것인 패시브 매트릭스 디스플레이 장치.
  4. 제1항에 있어서, 제어 소자 각각이 픽셀 셀들 중 하나와 관련되고, 상기 픽셀 셀의 색상을 능동적으로 제어하기 위한 트랜지스터 기능을 제공하도록 배열된, 별도의 제어 소자들의 세트를 포함하지 않는 것인 패시브 매트릭스 디스플레이 장치.
  5. 제1항에 있어서, 플렉시블 기판(117;217)에 배열되는 것인 패시브 매트릭스 디스플레이 장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 픽셀 층들 및 전극 층들은 인쇄가능성과 유연성 중 적어도 하나의 특성을 갖는 것인 패시브 매트릭스 디스플레이 장치.
  7. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 픽셀 셀(110;210)의 제1 픽셀 층(111; 211) 및 상기 제1 전극(121; 221)은 모두 동일한 재료를 포함하고, 및/또는
    상기 픽셀 셀(110; 210)의 제2 픽셀 층(112; 212) 및 상기 제2 전극(122; 222)은 모두 동일한 재료로 배열된 것인 패시브 매트릭스 디스플레이 장치.
  8. 제7항에 있어서, 각각의 상기 픽셀 셀(110; 210)의 제1 픽셀 층(111; 211)과 상기 제1 전극(121; 221)은 모두 동일한 층의 일부이고, 및/또는
    각각의 상기 픽셀 셀(110; 210)의 제2 픽셀 층(112; 212)과 상기 제2 전극은 모두 동일한 층의 일부인 것인 패시브 매트릭스 디스플레이 장치.
  9. 제3항에 있어서, 상기 픽셀 셀 세트의 각 픽셀 셀(310) 내에 제2 전극(322) 및 제2 픽셀 층(312) 사이에 배열되는 절연층(318)을 포함하고, 이 절연층은 각각 전자전도체(320)를 갖도록 배열된 통로(319)를 추가로 더 포함하며, 이 전자전도체는 각각의 픽셀 셀(310)의 상기 제2 전극(322) 및 각각의 제2 픽셀 층(312)을 각각 전자적으로 연결하는 것인 패시브 매트릭스 디스플레이 장치.
  10. 제1항에 있어서, 각각의 픽셀 셀 내에 상기 제2 픽셀 층이 상기 제3 픽셀 층의 중심 부분을 덮고 있는 것인 패시브 매트릭스 디스플레이 장치.
  11. 제1항에 있어서, 각각의 픽셀 셀 내에서 제2 픽셀 층의 표면적은 전해질 표면적의 적어도 60%, 또는 적어도 75%, 또는 적어도 90%, 또는 적어도 95%인 것인 패시브 매트릭스 디스플레이 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 고체화된 전해질은 다중양이온성 전해질인 것인 패시브 매트릭스 디스플레이 장치.
  13. - 시각적으로 감지가능한 상이한 착색 상태들 간에 전기화학적으로 스위칭 가능한 전기변색 및 전기화학 활성인 유기 폴리머 재료를 포함하는 제1 픽셀 층(111;211),
    - 상기 제1 픽셀 층과 마주보고 있고, 전기전도성 탄소를 포함하는 재료로 형성된 제2 픽셀 층(112;212), 및
    - 상기 제1 및 제2 픽셀 층과 이온 접촉하도록 제1 및 제2 픽셀 층 사이의 공간에 배열된 고체화된 전해질의 제3 픽셀 층(113;213)으로서, 여기서 상기 전해질은 pH 염료 및 전기변색 재료를 함유하지 않은 것이고, 상기 고체화된 전해질은 다중양이온성 전해질 또는 다중음이온성 전해질인 제3 픽셀층(113;213)
    을 포함하는 픽셀 셀들의 세트로서,
    상기 각각의 픽셀 셀은 상기 픽셀 셀 전체에 걸쳐 인가되는 전압에 응답하여 각각의 문턱 전압을 갖는 것인 픽셀 셀들의 세트.
  14. 삭제
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