KR101858547B1 - 라플라스배리어를 갖는 전기유체 표시소자 - Google Patents

라플라스배리어를 갖는 전기유체 표시소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화소 사이의 채널 면적에 따른 휘도변화를 방지하기 위한 전기유체 표시소자에 관한 것으로, 복수의 게이트라인 및 데이터라인에 의해 정의되는 복수의 화소영역을 포함하는 제1기판 및 제2기판; 제1기판 전체에 걸쳐 형성된 보호층; 상기 제1기판 및 제2기판 사이에 형성되며, 전압이 인가됨에 따라 소수성 특성이 친수성 특성으로 변환되는 제1채널과 제2채널; 외부에 입사되는 광을 반사키는 반사층; 상기 제1채널 및 제2채널에 채워져 전압이 인가됨에 따라 제1채널 또는 제2채널로 퍼지는 유색용액 및 투명용액; 및 상기 제1채널 및 제2채널 적어도 하나의 채널에 형성되어 유색용액의 퍼짐을 정지시켜 반사층에 의한 반사율을 디지탈화하는 라플라스배리어로 구성된다.

Description

라플라스배리어를 갖는 전기유체 표시소자{ELECTROFLUICID DISPLAY DEVICE HAVING LAPLACE BARRIER}
본 발명은 전기유체 표시소자에 관한 것으로, 특히 쌍안정 전기유체 표시장치에서 채널내에 라플라스배리어를 형성하여 채널의 면적 차이에 기인하는 휘도차이를 방지할 수 있는 전기유체 표시소자에 관한 것이다.
근래, 핸드폰(Mobile Phone), PDA, 노트북컴퓨터와 같은 각종 휴대용 전자기기와 대향 전자기기가 발전함에 따라 경박단소용의 평판표시장치(Flat Panel Display Device)에 대한 요구가 점차 증대되고 있다. 이러한 평판표시장치로는 액정표시소자(Liquid Crystal Display)가 주로 사용되는데, 이러한 액정표시소자는 백라이트를 사용해야만 하기 때문에, 전력소모가 크게 되어 휴대용 전자기기에는 적합하지 않다는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 근래 전기영동 표시소자법(electrophoretic display device)가 제안되고 있다. 이러한 전기영동 표시소자는 2개의 기판 사이에 전기영동층이 개재된 구조를 가지며, 2개의 기판중 하나 이상은 투명한 기판으로 이루어지고 다른 하나의 기판은 반사판이 구비되어 입력되는 광을 반사하는 반사형 모드로 화상을 표시할 수 있으므로, 전력소모를 최소화한다.
그러나, 상기와 같은 전기영동 표시소자는 명암비가 나쁘며 컬러재현이 나쁘기 때문에, 컬러영상을 구현하는데 문제가 있었다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 전압의 인가에 따라 채널에 형성되는 절연층의 소수성특성을 친수성 특성으로 변환하여 유색용액이 채널로 퍼지하게 컬러를 구현하는 전기유체 표시소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 채널에 라플라스배리어를 형성하여 전압대 반사율의 변화를 디지탈화된 비연속적 변화로 변화시켜 화소 사이의 채널 단면적의 차이에 따른 휘도변화를 최소화함으로써 화질불량을 방지할 수 있는 전기유체 표시소자를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 전기유체 표시소자는 복수의 게이트라인 및 데이터라인에 의해 정의되는 복수의 화소영역을 포함하는 제1기판 및 제2기판; 제1기판 전체에 걸쳐 형성된 보호층; 상기 제1기판 및 제2기판 사이에 형성되며, 전압이 인가됨에 따라 소수성 특성이 친수성 특성으로 변환되는 제1채널과 제2채널; 외부에 입사되는 광을 반사키는 반사층; 상기 제1채널 및 제2채널에 채워져 전압이 인가됨에 따라 제1채널 또는 제2채널로 퍼지는 유색용액 및 투명용액; 및 상기 제1채널 및 제2채널 적어도 하나의 채널에 형성되어 유색용액의 퍼짐을 정지시켜 반사층에 의한 반사율을 디지탈화하는 라플라스배리어로 구성된다.
상기 제1채널은 상기 보호층 위에 형성되어 제1전압이 인가되는 제1전극; 상기 보호층 위에 형성된 제1격벽; 상기 제1격벽 위에 형성된 중간층; 상기 화소전극 위 및 제1격벽의 측벽에 형성된 소수특성의 제1절연층; 및 상기 중간층 하면에 형성된 소수특성의 제2절연층으로 이루어지며, 제2채널은 상기 제2기판에 형성된 제2전극; 상기 제2전극 위에 형성된 소수특성의 제3절연층; 상기 제2기판에 형성된 제2격벽; 상기 중간층 상면에 형성된 제3전극; 및 상기 제3전극 위에 형성된 소수특성의 제3절연층으로 이루어진다.
상기 라플라스배리어는 제1채널 및 제2채널중 적어도 하나의 채널을 따라 복수의 열로 배열되는 배리어, 제1채널의 제1격벽 및 제2채널의 제2격벽중 적어도 하나의 격벽의 측벽에 형성된 복수의 돌기, 또는 제1채널 및 제2채널의 제2격벽중 적어도 하나의 채널에 교대로 형성된 복수의 소수영역 및 친수영역이다.
본 발명에서는 채널에 라플라스배리어를 형성하여 전압대 반사율의 변화를 디지탈화된 비연속적 변화로 변화시켜 화소 사이의 채널 단면적의 차이에 따른 휘도변화를 최소화함으로써 화질불량을 방지할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기유체 표시소자의 구조를 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 전기유체 표시소자의 라플라스배리어의 구조를 나타내는 평면도.
도 3a-도 3c는 본 발명에 따른 전기유체 표시소자의 작동을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 전기유체 표시소자에서 라플라스배리어에 의한 표면장력에 의해 유색용액이 정지하는 것을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 전기유체 표시소자에서 라플라스배리어에 의해 전압대 반사율이 디지탈화된 것을 나타내는 그래프.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 전기유체 표시소자의 라플라스배리어의 다른 구조를 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기유체 표시소자의 구조를 나타내는 단면도.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에서는 전기유체 표시소자를 제공한다. 전기유체 표시소자는 채널영역과 저장영역으로 구성되고, 이들 채널영역과 저장영역에 투명한 오일과 전도성 유색용액을 채워 넣으면 표면에너지가 큰 친수성 용액인 유색용액은 초기에는 저장영역에 갇혀 있다가 전압이 인가되면 전기습윤(electrowetting)현상에 의해 저장영역의 유색용액은 채널영역으로 이동하고 표면에너지가 작은 소수성 용액인 투명오일은 저장용액으로 이동함으로써 반사모드의 영상을 구현한다.
전기습윤현상은 고체에 전압이 인가되는 경우 고체와 전해질 사이에 접촉각(contact angle)이 변하는 현상을 의미하는 것으로, 본 발명에서는 이러한 특성을 이용하여 전기유체 표시소자를 제안한다.
전기유체 표시장치는 전극 위에 소수성 절연물질을 적층하고 절연물질 위에 유색용액과 오일이 맞닿아 있을 때 전극에 전압을 인가하여 유색용액의 소수성 계면의 성질이 친수성으로 변하면서 유색용액의 접촉각이 낮아지고, 물의 접촉각이 낮아지면서 오일을 채널로부터 밀어내고 상기 유색용액이 채널을 채우게 되어 반사전극에서 상기 유색용액을 투과하여 빛이 반사되어 컬러를 표시하게 된다. 이러한 유색용액과 오일을 사용한 저기유체 표시장치는 빠른 응답시간과 높은 반사율 특성을 갖고 있기 때문에, 현존하는 전기영동 표시장치와 액정표시장치를 대치하도록 많은 연구가 이루어지고 있다.
특히, 본 발명에서는 저장영역 대신에 채널영역에 이중으로 상하로 구성되는 쌍안정(bi-stable) 전기유체 표시장치를 제공한다. 쌍안정 전기유체 표시소자는 넓이가 동일한 채널을 상하에 2층으로 형성하여 유색용기에 동일한 라플라스압력(laplace pressure)이 발생하도록 하여 쌍안정성을 갖도록 하는 것입니다.
이러한 쌍안정성 전기유체 표시소자에서는 상하의 채널에 다른 전압을 인가함으로써 라플라스압력의 변화를 조절함으로써 스위칭속도를 빠르게 할 수 있게 되어 다른 평판표시소자에 비해 화질을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 쌍안정 전기유체 표시소자의 구조를 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기유체 표시소자(1)는 유리나 플라스틱으로 이루어진 제1기판(10) 및 제2기판(30)과, 상기 제1기판(10) 및 제2기판(3)에 각각 형성된 제1박막트랜지스터 및 제2박막트랜지스터와, 상기 제1박막트랜지스터가 형성된 제1기판(10)에 형성된 제1보호층(22)과, 상기 제1보호층(22) 위에 형성되어 외부의 구동소자로부터 화상신호가 입력되는 제1화소전극(18)과, 상기 제2기판(30) 위에 형성된 블랙매트릭스(32)와, 상기 블랙매트릭스(32)가 형성된 제2기판(30)에 형성되어 그 위에 제2박막트랜지스터가 형성되는 버퍼층(31)과, 상기 제2박막트랜지스터가 형성된 제2기판(30) 전체에 걸쳐 형성된 제2보호층(38)과, 상기 제2보호층(38) 위에 형성되어 외부의 구동소자로부터 화상신호가 입력되는 제2화소전극(37)과, 상기 제1기판(10) 및 제2기판(30) 사이에 형성된 이중의 채널(41,42)로 구성된다.
상기 제1박막트랜지스터는 제1기판(10) 위에 형성된 제1게이트전극(11)과, 상기 제1게이트전극(11) 위에 형성된 제1게이트절연층(12)과, 상기 제1게이트절연층(12) 위에 형성된 비정질실리콘(a-Si)과 같은 반도체물질로 이루어진 제1반도체층(13)과, 상기 제1반도체층(13) 위에 형성된 제1소스전극(14) 및 제1드레인전극(15)으로 이루어진다.
도면에는 도시하지 않았지만, 상기 제1기판(10)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 제1박막트랜지스터가 배치된다. 제1박막트랜지스터의 제1게이트전극(11)은 게이트라인과 전기적으로 접속되고 제1소스전극(14)은 데이터라인과 전기적으로 접속되어, 게이트라인을 통해 주사신호가 제1게이트전극(11)으로 입력되면, 제1반도체층(13)이 활성화되어 제1박막트랜지스터가 턴온되고 동시에 데이터라인을 통해 화상신호가 제1소스전극(14) 및 제1드레인전극(15)을 통해 제1화소전극(18)으로 입력된다.
상기 제1게이트전극(11)은 Cr, Mo, Ta, Cu, Ti, Al 또는 Al합금과 같이 도전성이 좋은 불투명 금속을 스퍼터링법(sputtering process)에 의해 제1기판(10)에 적층한 후 사진식각방법(photolithography process)에 의해 식각함으로써 형성되며, 제1게이트절연층(22)은 제1기판(10) 전체에 걸쳐 CVD(Chemicla Vapor Deposition)법에 의해 SiO2나 SiNx 등과 같은 무기절연물질을 적층함으로써 형성된다.
제1반도체층(13)은 비정질실리콘(a-Si)과 같은 반도체물질을 CVD법에 의해 적층한 후 식각하여 형성한다. 이때 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 제1반도체층(13)의 일부에 불순물을 도핑하거나 불순물이 첨가된 비정질실리콘을 적층하여 이후 형성되는 제1소스전극 및 제1드레인전극을 제1반도체층(13)과 오믹접합시키는 오믹컨택층(ohmic contact layer)을 형성한다. 제1소스전극(14) 및 제1드레인전극(15)은 Cr, Mo, Ta, Cu, Ti, Al 또는 Al합금과 같이 도전성이 좋은 불투명 금속을 스퍼터링법에 의해 적층하고 식각하여 형성한다.
제1보호층(24)은 제1기판(120) 전체에 걸쳐 BCB(Benzo Cyclo Butene)이나 포토아크릴(photo acryl)과 같은 유기절연물질을 적층하여 형성한다.
또한, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 제1보호층(24)은 복수의 층으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 제1보호층(24)은 BCB이나 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 제1보호층(24)의 표면이 평탄하게 형성되며, 무기절연층을 적용함에 따라 제1보호층(24)과의 계면특성이 향상된다.
제1화소전극(18)은 Cr, Mo, Ta, Cu, Ti, Al 또는 Al합금과 같이 도전성이 좋은 금속이나 ITO나 IZO와 같은 투명도전물질을 적층하고 식각하여 형성한다.
제2기판(30)에 형성되는 블랙매트릭스(32)는 박막트랜지스터 영역이나 게이트라인 및 데이터라인의 형성영역에 형성되어 화상이 표시되지 않는 영역으로 광이 투과하여 화질이 저하되는 것을 방지하기 위한 것으로 Cr이나 CrO 등과 같은 금속성 물질을 적층하고 식각하여 형성하여 형성한다.
상기 블랙매트릭스(32) 위에 형성되는 버퍼층(31)은 SiO2나 SiN2와 같은 무기절연물질로 형성되며, 그 위에 제2박막트랜지스터가 형성된다. 이때, 상기 제1박막트랜지스터와 제2박막트랜지스터는 블랙매트릭스(32)에 대응하는 영역에 형성되어 상기 제1박막트랜지스터와 제2박막트랜지스를 통해 광이 누설되는 것을 블랙매트릭스(32)가 차단하게 된다.
제2박막트랜지스터는 제2기판(30) 위에 형성된 제2게이트전극(31)과, 상기 제2게이트전극(31) 위에 형성된 제2게이트절연층(24)과, 상기 제2게이트절연층(24) 위에 형성된 제2반도체층(33)과, 상기 제2반도체층(33) 위에 형성된 제2소스전극(35) 및 제3드레인전극(36)으로 이루어진다.
이때, 상기 제2게이트전극(31)과 제2반도체층(33), 제2소스전극(35) 및 제2드레인전극(36)은 모두 제1게이트전극(11)과 제1반도체층(13), 제1소스전극(14) 및 제1드레인전극(15)과 동일한 방법에 의해 형성되므로, 그 구체적인 방법 및 재질은 생략한다.
제2화소전극(37)은 ITO나 IZO와 같은 도전물질이나 질전도성 고분자, 또는 탄소나노튜브(Carbon Nano-tube) 등의 투명한 도전물질을 적층함으로써 형성한다.
이중의 채널(41,42)은 제1기판(10)의 보호층(22) 위에 형성된 제1격벽(44)과 상기 제1격벽(44) 위에 형성되어 상기 제1기판(10)과 제1채널(41)을 형성하는 중간층(40)과, 상기 중간층(40) 위에 형성되어 제2기판(30)과 제2채널(42)을 형성하는 제2격벽(45)으로 구성된다. 이때, 상기 중간층(40)에는 2개의 홀(48)이 형성되어 상기 제1채널(41)과 제2채널(42)이 상기 홀(48)을 통해 서로 소통된다. 이때 도면에는 2개의 홀(48)이 개시되어 있지만, 3개 이상의 홀이 형성될 수도 있을 것이다.
제1격벽(44) 및 제2격벽(45), 중간층(40)은 친수성물질로 형성되는데, 이때 상기 제1격벽(44)은 음성 또는 양성 레지스트로 형성되며, 중간층(40) 및 제2격벽(45)은 DFR(dry film resist)로 형성된다. 즉, 제1격벽(44)은 음성 또는 양성 레지스트를 도포한 후 마스크를 이용한 포토공정에 의해 형성하며, 중간층(40) 및 제2격벽(45)은 제1격벽(44) 위에 DFR을 부착함으로써 형성될 수 있다.
도면에는 도시하지 않았지만, 상기 제1격벽(44) 및 제2격벽(45)은 화소를 둘러싸도록 형성되어, 각각의 화소가 상기 제1격벽(44) 및 제2격벽(45)에 의해 인접하는 화소와 구획된다. 각각의 화소가 매트릭스 형상으로 형성되므로, 화소를 둘러싸도록 형성되는 제1격벽(44) 및 제2격벽(45) 역시 매트릭스형상으로 형성될 것이다.
중간층(40)의 상면 위에는 공통전극(52)이 형성된다. 상기 공통전극(52)은 Al이나 Al합금과 같이 전도성이 좋고 반사율이 좋은 금속으로 이루어져, 공통전압이 인가됨과 동시에 상부로부터 입력되는 광을 반사시켜 외부로 출력한다. 다시 말해서, 상기 공통전극(52)은 전극의 역할뿐만 아니라 반사형 표시장치인 전기유체 표시소자의 반사판의 역할도 한다.
제1기판(10)의 제1화소전극(18) 위, 제1격벽(44)의 측벽, 중간층(40)의 상하면과 홀(48)의 측벽, 제2기판(30)의 제2화소전극(37) 위에는 각각 소수성 물질로 이루어진 제1절연층(24), 제2절연층(54) 및 제3절연층(39)이 형성된다. 이때, 상기 제1절연층(24), 제2절연층(54) 및 제3절연층(39)은 불소중합체(fluoropolymer)나 실리콘(Silicon)과 같은 소수성 물질을 도포하고 패터닝하여 형성될 수 있다.
제1채널(41) 및 제2채널(42)에는 유색용액(62)과 투명한 오일(64)이 채워진다. 유색용액(62)은 친수성 특성을 갖고 오일(64)은 소수성 특성를 가지므로, 유색용액(62)은 소수성 절연층(24,54,36)이 형성되지 않은 제2격벽(45) 근처에 모여있고 오일(64)은 소수성 절연층(24,54,39)이 도포된 제1채널(41)과 제2채널(42)에 퍼져 있게 된다. 이때, 상기 유색용액(62)과 오일(64)은 홀(48)을 통해 상하의 제1채널(41)과 제2채널(42)에 퍼져 있게 된다.
유색용액(62)은 염료나 컬러입자를 분산된 친수성 용액이며, 오일(64)은 실리콘 오일 등과 같은 다양한 오일을 사용할 수 있다. 이때, 소수성 오일 등에 염료나 컬러입자 등을 분산하여 소수성 액체를 유색용액(62)으로 사용할 수 있으며 친수성 용액을 투명한 용액으로 사용할 수 있을 것이다. 다시 말해서, 컬러를 규현하는 유색용액은 필요에 따라 친수성이나 소수성으로 액체로 형성할 수 있다.
도면에는 도시하지 않았지만, 상기 유색용액(62)은 R,G,B컬러의 유기용액이다. 도면에는 비록 하나의 화소만이 개시되어 있어서, 이들 R,G,B컬러의 유기용액중 하나의 컬러의 유기용액(62)이 충진되어 있지만, 복수의 화소에는 각각 R,G,B컬러의 유기용액(62)이 충진되어 특정 컬러의 유기용액(62)이 충진된 화소가 해당 컬러를 구현하는 화소가 된다.
상기 중간층(40)의 제2절연층(54) 위에는 복수의 라플라스배리어(laplace barrier;48)가 형성된다. 상기 라플라스배리어(48)는 제2채널(42)의 라플라스압력을 양자화하기 위한 것으로, 유기용액(62)에 표면장력을 부여하여 라플라스압력이 채널내에서 연속적으로 형성되지 않고 불연속적으로 형성되도록 한다. 상기 라플라스배리어(48)는 무기절연물질이나 유기절연물질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 라플라스배리어(48)은 양성 또는 음성 감광성물질로 형성되어 증간층(40) 위에 감광성물질을 도포한 후, 포토공정에 의해 형성될 수 있다.
도 2는 상기 중간층(40)에 형성된 라플라스배리어(48)의 평면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 중간층(40)의 상면에는 중간층(40)의 길이방향을 따라 라플라스배리어(48)가 2줄로 배열되어 있다. 이때, 도면에서는 라플라스배리어(48)의 단면이 원형으로 이루어져 있지만, 사각형상이나 직각형상 또는 다른 다각형상으로 이루어질 수도 있을 것이다. 상기 라플라스배리어(48)가 형성되는 영역은 제2채널(42)에 대응한다. 따라서, 유기용액(62) 및 오일(64)이 상기 라플라스배리어(48)가 형성된 영역을 이동하게 되므로, 상기 라플라스배리어(48)는 유기용액(62) 및 오일(64)이 흐름이 방해되지 않는 크기로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 도면에는 상기 라플라스배리어(48)가 중간층(40) 상면의 제2채널(42)에 형성되어 있지만, 상기 라플라스배리어(48)는 제2기판(30)에 형성될 수도 있다. 또한, 상기 라플라스배리어(48)는 제1채널(41)에 형성될 수도 있고(제1기판에 형성되거나 또는/및 중간층(40)의 하면에 형성될 수도 있고) 제1채널(41) 및 제2채널(42) 모두에 형성될 수도 있을 것이다.
도 3a-도 3c는 상기와 같은 구성의 전기유체 표시소자의 구동을 나타내는 도면이다. 이때, 도면에는 구동의 설명의 편의를 위해, 박막트랜지스터와 같은 구성은 생략하고, 제1채널(41)과 제2채널(42), 화소전극(18,37)과 공통전극(52) 및 소수성 절연층(24,54,39)만을 도시하여 전기유체 표시소자의 구동을 설명한다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 제1화소전극(18)과 제2화소전극(28) 및 공통전극(52)에 전압이 인가되지 않은 상태에서는 유색용액(62)은 소수성 절연층(24,54,36)이 형성되지 않은 제2격벽(45) 근처에 충진되고 오일(64)은 소수성 절연층(24,54,36)이 도포된 제1채널(41)과 제2채널(42)에 퍼져 있게 된다.
이 상태에서 외부, 즉 제2기판(30)의 외부로부터 광이 입사되면 입사된 광은 투명한 오일(64)을 투과하여 중간층(40)의 상면에 형성된 공통전극(52), 즉 반사층에 의해 반사된 후 다시 오일(64)을 투과하여 외부로 출력된다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 화소전극(18)에 전압이 인가되면, 화소전극(18) 상부에 형성된 소수성의 제1절연층(24)의 젖음성 특성이 향상되어 제2절연층(24)이 친수성 특성을 갖게 되며, 이러한 친수성 특성에 의해 유색용액(62)이 제1채널(41)로 퍼지게 된다. 동시에 제1채널(41)을 채우고 있던 오일(64)은 유색용액(62)에 밀려 제2채널(42)로 퍼지게 된다.
이러한 유색용액(62)의 퍼짐성은 제1절연층(24)의 채널(41,42)에서의 라플라스압력(Laplace Pressure)이 변화됨에 따라 달라진다. 즉, 전압의 인가에 의해 발생하는 전기습윤특성에 의한 제1채널(41)과 제2채널(42)에서의 라플라스압력의 변화에 의해 유색용액(62)의 제1채널(41)과 제2채널(42)의 퍼짐정도가 달라지는 것이다. 본 발명에서는 제1채널(41)과 제2채널(42)이 동일한 단면 넓이로 형성되기 때문에, 제1채널(41)과 제2채널(42)에서의 라플라스압력은 동일하며, 따라서 유색용액(62)의 퍼짐정도는 제1절연층(24)의 젖음성특성에 의해 결정된다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 제2화소전극(37)에 전압이 인가되면, 제2화소전극(37) 상부에 형성된 소수성의 제3절연층(39)의 젖음성 특성이 향상되어 제3절연층(39)이 친수성 특성을 갖게 되며, 이러한 친수성 특성에 의해 유색용액(62)이 제2채널(42)로 퍼지게 된다. 동시에 제2채널(42)을 채우고 있던 오일(64)은 유색용액(62)에 밀려 제1채널(41)로 퍼지게 된다.
이 상태에서 외부, 즉 제2기판(30)의 외부로부터 광이 입사되면 입사된 광은 유색용액(62)을 투과하여 중간층(40)의 상면에 형성된 공통전극(52), 즉 반사층에 의해 반사된 후 다시 유색용액(62)을 투과하여 외부로 출력된다. 따라서, 해당 화소에는 유색용액(62)에 대응하는 컬러가 표시된다.
그런데, 제2채널(42), 즉 중간층(40)의 상면에는 복수의 라플라스배리어(48)가 형성되어 있다. 따라서, 유색용액(62)이 제2채널(42)로 이동하여 퍼질때 라플라스배리어(48) 사이에서 유색용액(62)의 표면장력에 의해 유색용액(62)의 흐름이 일정 시간 동안 멈추게 된다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 유색용액(62)이 제2채널(42)로 퍼질 때 흐르는 유색용액(62)이 라플라스배리어(48)에 의해 정지하게 된다. 이것은 라플라스배리어(48)에 의한 유색용액(62)의 표면장력에 기인한다. 따라서, 라플라스배리어(48)에 의해 유색용액(62)이 정지한 상태에서 미세하게 더 큰 전압이 인가되어도 표면장력에 의해 라플라스배리어(48)에서 유색용액(62)이 그 상태를 유지하게 된다.
제2화소전압의 크기가 유색용액(62)의 라플라스압력이 유색용액(62)의 표면장력을 넘을 정도로 커지면, 유색용액(62)은 라플라스배리어(48)를 넘어 제2채널(42)로 퍼져나가며, 다음의 라플라스배리어(48)에서 동일한 동작을 반복하게 된다. 라플라스배리어(48)와 라플라스배리어(48) 사이에서는 표면장력이 깨지는 순간 유색용액(62)에 인가되고 있던 라플라스압력에 의해 유색용액(62)이 다음의 라플라스배리어(48)까지 퍼지게 된다. 다시 말해서, 표면장력이 깨진 상태에서는 화소전압을 상승하지 않아도 유색용액(62)이 다음의 라플라스배리어(48)까지 퍼지게 되는 것이다.
이와 같이, 본 발명에서는 라플라스배리어(48)에 의해 전압대 반사율(반사율은 유색용액(62)의 퍼짐 정도에 따라 달라지므로)의 관계가 연속적으로 되는 것이 아니라 불연속적으로 된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제2화소전압이 증가함에 따라 유색용액(62)이 제2채널(42)로 퍼지게 되면 투명한 오일(64)에 비해 투과도가 저하되므로, 외부로부터 입사된 후 공통전극(52)에서 반사되는 광의 투과율이 저하된다. 이때, 라플라스배리어(48)가 형성되지 않았다면 제2화소전압이 증가함에 따라 투과율이 연속적으로 저하되지만, 본 발명에서는 라플라스배리어(48)가 형성되어 있기 때문에, 제2화소전압이 증가함에 따라 비연속적인 계단 형상으로 반사율이 감소한다.
즉, 이전의 라플라스배리어(48)에 의해 정지되었던 유색용액(48)이 라플라스배리어(48)을 거쳐 퍼지기 시작하는 전압(V1)에서 일정 크기의 전압(△V1)의 범위 내의 전압이 인가되는 경우(즉, 전압(V)이 V1<V<V1+△V1인 경우) 라플라스배리어(48)에 의한 유색용액(62)의 표면장력이 제2채널(42)에서의 라플라스압력에 비해 크기 때문에 유색용액(62)이 라플라스배리어(48)에 의해 정지된 상태로 되어 이 전압 범위 안에서는 반사율이 일정게 되며, 인가되는 전압의 크기가 이 범위(△V)를 초과하게 되면(즉, 전압(V)이 V1+△V1<V인 경우) 라플라스압력이 해당 라플라스배리어(48)에 의한 표면장력 보다 커지게 되어 해당 라플라스배리어(48)에 의한 표면장력이 깨지게 되어 유색용액(62)이 다음 열의 라플라스배리어(48)까지 퍼지게 되어 반사율이 인접하는 라플라스배리어(48)의 거리에 대응하는 정도로 감소하게 된다.
이와 같이, 본 발명에서는 라플라스배리어(48)를 형성하여 전압에 따른 반사율을 디지털화(또는 양자화)하여 연속적으로 반사율이 변하지 않도록 하는게, 그 이유는 다음과 같다.
전기유체 표시소자에서 채널(41,42)내로 유체를 퍼지게 하는 것은 라플라스압력에 기인한다. 이러한 라플라스압력은 채널(41,42)의 단면적 넓이와 전압의 인가에 의해 발생하는 채널(41,42)의 전기습윤특성에 기인한다. 그런데, 전기유체 표시소자를 제작할 때 공정마진 오차 등에 수많은 화소내의 채널(41,42)의 단면적 넓이를 동일하게 유지할 수 없게 되어, 화소마다 채널(41,42)의 단면적 넓이에 미세한 차이가 발생하게 된다.
이러한 화소 사이의 채널(41,42) 단면적의 넓이 차이는 화소 사이의 채널(41,42)의 라플라스압력의 차이를 야기하며, 이러한 라플라스압력의 차이는 반사율에 차이를 발생하게 하여, 결과적으로 전기유체 표시소자의 전체 화소에 휘도 오차가 발생하게 되어 화질이 저하된다.
그러나, 본 발명에서는 라플라스배리어(48)를 형성함으로써 이러한 문제를 해결한다. 통상적으로 화소 사이의 채널(41,42) 단면적의 넓이 차이는 매우 미세하며, 따라서 이에 따른 라플라스압력의 차이도 미세하다. 다시 말해서, 화소 사이의 채널(41,42) 단면적의 넓이 차이에 기인하는 라플라스압력의 차이는 라플라스배리어(48)에 의한 표면장력에 비해 매우 작다. 따라서, 단면적의 넓이 차이에 기인하는 라플라스압력의 차이는 라플라스배리어(48)에 의한 표면장력에 흡수되어, 단면적의 넓이 차이에 기인하는 라플라스압력의 미세한 차이는 반사율의 변화를 발생시키지 못하게 된다. 즉, 단면적의 넓이 차이에 기인하는 라플라스압력에 차이가 발생하여도 이 정도의 차이는 라플라스배리어(48)에 의해 정지되는 유기용액(62)의 흐름에 변화를 주지 못하기 때문에, 동일하게 인가되는 전압에 대하여 거의 동일한 반사율을 갖게 된다.
물론, 단면적의 넓이 차이에 기인하는 라플라스압력에 차이가 라플라스배리어(48)에 의한 표면장력에 영향을 줄 정도로 커질수는 있지만, 이 경우의 단면적의 넓이 차이가 설정된 공정오차를 넘어서게 되므로, 이 정도의 차이는 공정불량이 되는 것이다.
이와 같이, 본 발명에서는 이중의 채널(41,42)을 형성하여 이 채널(41,42)내에 유색용액(62)과 투명한 오일(64)을 채워놓고 라플라스압력의 변화에 의해 유색용액(62)과 오일(64)을 제1채널(41) 또는 제2채널(42)로 퍼지게 하여 화상을 구현한다. 이때, 본 발명에서는 제2채널(42) 상에 복수의 라플라스배리어(48)을 일렬로 배열하여 라플라스배리어(48)에 의한 표면장력에 의해 전기유체 표시소자의 반사율을 디지털화함으로써 화소 사이의 채널의 단면적 차이로 인한 화질저하를 방지할 수 있게 된다.
한편, 본 발명에서 라플라스배리어는 특정 형상에 한정되는 것은 아니라 다양한 형태로 형성될 수 있다. 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 라플라스배리어의 다른 형태를 나타내는 도면이다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 라플라스배리어는 제2채널(42)의 중앙영역에 복수개가 일렬로 형성되는 것이 아니라 제2격벽(45)으로부터 돌출된 돌기(48a)로 형성될 수도 있다. 이때에도 유색용액(62)은 상기 돌기(48a)에 의한 표면장력으로 인해 흐름이 상기 돌기(48a)가 형성된 영역에 정지하게 되며, 표면장력을 초과하는 전압이 인가되어야만 유색용액(62)이 해당 돌기(48a)를 지나 퍼지게 된다.
도 6b에 도시된 바와 같이, 라플라스배리어는 띠형상의 친수영역(49a)으로 형성할 수도 있다. 이때, 중간층(40)의 상면 또는 제2격벽(45)의 측면을 소수처리하고 일정 간격으로 배치되는 띠형상의 영역을 친수처리함으로서 친수영역(49a)과 소수영역(49b)이 교대로 배치시켜, 친수성의 유색용액(62)이 채널을 흐를때 상기 친수영역(49a)의 젖음성에 의해 흐름이 정지하도록 한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기유체 표시소자의 구조를 나타내는 도면이다.
도 7에 도시된 구조의 전기유체 표시소자는 도 1에 도시된 구조의 전기유체 표시소자의 유사한 구조로 형성된다. 따라서, 동일한 구조에 대해서는 설명을 생략하고 다른 구조에 대해서만 설명한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 전기유체 표시소자에서는 제1기판(110)에만 박막트랜지스터가 형성되고 제2기판(130)에는 박막트랜지스터가 형성되지 않는다.
다시 말해서, 박막트랜지스터를 통한 전압의 인가는 제1기판(110)에 형성되는 화소전극(118)에만 이루어지며, 제2기판(130)에 형성된 제1공통전극(137) 및 중간층(140)에 형성된 제2공통전극(152)에는 각각 일정한 값의 제1공통전압 및 제2공통전압이 인가된다.
또한, 중간층(140)의 상면, 엄밀하게 말해서, 중간층(140)의 제2공통전극(152) 위에 형성된 절연층(154) 위에는 복수의 라플라스배리어(148)가 형성된다. 이때, 상기 라플라스배리어(148)는 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 열로 제2채널(142)에 배치될 수도 있고 도 6a에 도시된 바와 같이 제2격벽(145)로부터 돌출된 돌기일 수도 있으며, 도 6b에 도시된 바와 같이 소수영역과 친수영역이 반복처리된 구조일 수도 있다.
이와 같이, 이 실시예에서는 제2기판(130)에는 박막트랜지스터를 형성하지 않고 제1기판(110)에만 박막트랜지스터를 형성하고 화소전극(118)에 가변전압을 인가하며, 제2기판(130)의 제2공통전극(139)에는 일정한 크기의 공통전압을 인가하여 전기유체 표시소자를 구동할 수 있게 된다. 따라서, 제1기판(110) 및 제2기판(130)에 각각 박막트랜지스터를 형성하는 구조에 비해, 제조공정을 단순화할 수 있고 제조비용을 절감할 수 있게 된다.
이 구조에서는 제2기판(130)의 제1공통전극(139)에 인가되는 제1공통전압(Vcom1)의 크기가 중간층(140)의 제2공통전극(152)에 인가되는 제2공통전압(Vcom2)의 크기보다 크며(Vcom1>Vcom2), 화소전극(118) 인가되는 화소전압(Vd)은 최소값이 제2공통전압(Vcom2)과 동일하고(Vdmin=Vcom2) 최대값이 제1공통전압(Vcom1) 보다 크다(Vdmax>Vcom1).
화소전극(118)에 최소값(Vdmin)의 화소전압이 인가되는 경우, 화소전압(Vd)과 제2공통전압(Vcom2)이 동일한 크기의 전압이므로, 화소전압(Vd)과 제2공통전극(Vcom2)이 제1공통전압(Vcom1) 보다 작게 된다(Vcom1>Vcom2=Vd). 따라서, 전계가 제1채널(141)에만 형성되므로 제1채널(141)의 소수성 제2절연층(154) 및 제3절연층(136)에 전기습윤현상이 발생하여 유색용액(162)이 상부의 제1채널(141)로 이동하게 되며, 따라서 외부로부터 입사되는 광이 상기 유색용액(162)을 통해 반사되므로, 유색용액(162)에 대응하는 컬러가 표시된다.
화소전극(118)에 최대값(Vdmax)의 화소전압이 인가되는 경우, 화소전압(Vd)은 제1공통전압(Vcom1) 보다 크게 된다(Vd>Vcom1>Vcom2). 따라서, 전계가 제1채널(141)과 제2채널(142)에 모두 형성되므로, 제1채널(141)의 소수성 제2절연층(154) 및 제3절연층(139)과 제2채널(136)의 소수성 제1절연층(124)과 제2절연층(154)에 전기습윤현상이 발생하게 된다. 이때, 전압차에 의해 제1채널(141)에 발생하는 전계보다 제2채널(142)에 발생하는 전계가 더 크므로, 제2채널(142)에 발생하는 전기습윤현상에 의한 힘이 제1채널(142)에 발생하는 전기습윤현상에 의한 힘보다 크게 된다. 그 결과 제2채널(142)의 라플라스압력이 제1채널(142)의 라플라스압력 보다 크게 되어 유색용액(162)은 제1채널(141)로 이동하여 외부에서 입사된 광이 투명한 오일(164)을 거쳐 반사층(152)에 의해 반사되므로, 컬러가 표시되지 않는다.
이때에도 제2채널(142)에는 라플라스배리어(148)가 형성되어, 유색용액(162)이 퍼질때 라플라스배리어(148)에 의한 표면장력 등에 의해 유색용액(162)의 퍼짐이 정지하게 되어, 디지탈화된 반사율을 구현할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명이 상술한 설명과 같이 특정 구조의 전기유체 표시소자에만 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 본 발명에서는 라플라스배리어가 제2채널에만 형성되어 있지만, 이러한 라플라스배리어는 제1채널에만 형성될 수도 있고 제1채널 및 제2채널 모두에 형성될 수도 있을 것이다. 또한, 상술한 설명에서는 주로 유색용액이 친수성 용액으로 되어 있지만, 유색용액이 소수성 용액이 되고 투명한 액체가 친수성 용액으로 될 수도 있을 것이다.
다시 말해서, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상술한 설명으로 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능할 것이다.
따라서, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10,30 : 기판 18 : 화소전극
24,39,54 : 소수성 절연층 40 : 중간층
44,45 : 격벽 48 : 라플라스 배리어
62 : 유색용액 64 : 오일

Claims (15)

  1. 복수의 게이트라인 및 데이터라인에 의해 정의되는 복수의 화소영역을 포함하는 제1기판 및 제2기판;
    제1기판 전체에 걸쳐 형성된 보호층;
    상기 제1기판 및 제2기판 사이에 형성되며, 전압이 인가됨에 따라 소수성 특성이 친수성 특성으로 변환되는 제1채널과 제2채널;
    외부에 입사되는 광을 반사시키는 반사층;
    상기 제1채널 및 제2채널에 채워져 전압이 인가됨에 따라 제1채널 또는 제2채널로 퍼지는 유색용액 및 투명용액; 및
    상기 제1채널 및 제2채널 적어도 하나의 채널에 형성되어 유색용액의 퍼짐을 정지시켜 반사층에 의한 반사율을 디지탈화하는 라플라스배리어로 구성된 전기유체 표시소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1채널은,
    상기 보호층 위에 형성되어 제1전압이 인가되는 제1전극;
    상기 보호층 위에 형성된 제1격벽;
    상기 제1격벽 위에 형성된 중간층;
    상기 제1전극 위 및 제1격벽의 측벽에 형성된 소수특성의 제1절연층; 및
    상기 중간층 하면에 형성된 소수특성의 제2절연층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기유체 표시소자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제2채널은,
    상기 제2기판에 형성된 제2전극;
    상기 제2전극 위에 형성된 소수특성의 제3절연층;
    상기 제2기판에 형성된 제2격벽;
    상기 중간층 상면에 형성된 제3전극; 및
    상기 제3전극 위에 형성된 소수특성의 제3절연층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기유체 표시소자.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제3전극이 외부로부터 입사되는 광을 반사하는 반사층인 것을 특징으로 하는 전기유체 표시소자.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1기판에 형성되어 제1전극에 제1화소전압을 인가하는 제1박막트랜지스터; 및
    상기 제2기판에 형성되어 제2전극에 제2화소전압을 인가하는 제2박막트랜지스터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기유체 표시소자.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1화소전압 및 제2화소전압은 가변하는 전압이고 상기 중간층에 형성된 제3전극에는 일정한 크기의 공통전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 전기유체 표시소자.
  7. 제2항에 있어서, 상기 제1기판에 형성되어 제1전극에 화소전압을 인가하는 박막트랜지스터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기유체 표시소자.
  8. 제7항에 있어서, 상기 화소전압은 가변하는 전압이고 제2기판에 형성된 제2전극 및 중간층에 형성된 제3전극에는 서로 다른 크기의 일정한 제1공통전압 및 제2공통전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 전기유체 표시소자.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1공통전압은 제2공통전압 보다 크고, 화소전압은 최소값이 제2공통전압과 동일하고 최대값이 제1공통전압 보다 큰 것을 특징으로 하는 전기유체 표시소자.
  10. 제1항에 있어서, 상기 라플라스배리어는 제1채널 및 제2채널중 적어도 하나의 채널을 따라 복수의 열로 배열되는 배리어인 것을 특징으로 하는 전기유체 표시소자.
  11. 제1항에 있어서, 상기 라플라스배리어는 제1채널의 제1격벽 및 제2채널의 제2격벽중 적어도 하나의 격벽의 측벽에 형성된 복수의 돌기인 것을 특징으로 하는 전기유체 표시소자.
  12. 제1항에 있어서, 상기 라플라스배리어는 제1채널 및 제2채널의 제2격벽중 적어도 하나의 채널에 교대로 형성된 복수의 소수영역 및 친수영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기유체 표시소자.
  13. 제1항에 있어서, 상기 유색용액이 컬러입자가 포함된 친수성 용액이고 투명용액이 소수성 오일인 것을 특징으로 하는 전기유체 표시소자.
  14. 제1항에 있어서, 상기 유색용액이 컬러입자가 포함된 소수성 오일이고 투명용액이 친수성 용액인 것을 특징으로 하는 전기유체 표시소자.
  15. 제1항에 있어서, 상기 유색용액은 R,G,B 유색용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기유체 표시소자.
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