KR101989443B1 - 나선광결정 기반의 반사형 컬러 디스플레이 및 이의 제조 방법 - Google Patents

나선광결정 기반의 반사형 컬러 디스플레이 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 반사형 컬러 디스플레이는, 하부 기판 및 상부 기판; 상기 상부 기판 상에 위치하는 편광판; 상기 하부 기판 및 상부 기판 사이에 배열되며 가시광선 영역에서 서로 상이한 광 반사 특성을 갖는 복수 개의 나선광결정; 및 상기 복수 개의 나선광결정 상에 위치하며, 위상 지연을 연속적으로 변화시킴으로써 반사강도를 조절하기 위한 가변위상층을 포함한다. 실시예에 따르면, 광결정 디스플레이의 색 반사 기능과 색 강도 조절 기능을 분리함으로써 삼원색 구현, 계조 표현, 고해상도, 고속응답속도 등의 특징을 동시에 달성할 수 있으므로 기존의 반사형 디스플레이 기술의 한계를 뛰어 넘을 수 있다.

Description

나선광결정 기반의 반사형 컬러 디스플레이 및 이의 제조 방법{HELICAL PHOTONIC CRYSTAL-BASED REFLECTIVE-TYPE COLOR DISPLAY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 나선광결정 기반의 반사형 컬러 디스플레이(reflective-type color display) 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 가시광선 영역에서 서로 상이한 광 반사 특성을 갖는 복수 개의 나선광결정(helical photonic crystal) 및 위상 지연을 연속적으로 변화시킴으로써 반사강도를 조절하기 위한 가변위상층을 이용하여, 나선광결정에서 반사되는 구조색(structural color)의 강도를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 반사형 컬러 디스플레이 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
반사형 디스플레이(reflective-type display) 기술의 핵심 개념은 반사형 디스플레이로 입사되는 자연광의 반사도를 조절하여 정적 또는 동적 이미지를 형성하는 것이다. 반사형 디스플레이의 색 표현은 투과형 컬러 필터를 사용하거나, 입사광으로부터 빛의 3원색인 적색(R), 녹색(G), 및 청색(B)의 빛을 선택적으로 반사시킴으로써 구현된다.
하지만 현재 상용화된 반사형 디스플레이 기술인 전자 종이(electronic paper)는 색과 계조 표현이 불가능했고, 간섭 변조기(interferometric modulator)는 색과 계조 표현은 가능하지만 공간 분할 방식을 사용하므로 계조와 해상도 사이에 상반관계가 존재하고 응답속도가 낮다는 단점을 가지고 있었다.
지금까지 기존의 반사형 디스플레이의 이러한 단점을 극복하기 위해 광결정(photonic crystal)의 구조발색(structural coloration)을 이용하려는 시도들이 있었다. 광결정의 구조색(structural color)은 입사광에 대한 강도가 높고 색이 균일하며 전기적, 열적, 광적, 기계적 자극 등의 다양한 외적 자극을 이용해 조절할 수 있는 장점을 가지고 있다. 하지만 광결정 제작 공정은 가시 광선 영역의 빛을 반사시키기 위해 수십 내지 수백 나노미터 단위의 패터닝 공정이 요구되므로, 대면적 어레이 형태로 제작하기 어렵고 공정 단가가 높다는 문제점이 있다.
또한, 광결정의 가변 특성은 고체로 형성되어있는 광결정의 물질을 치환하거나 구조를 변형시키는 방식을 반드시 수반하기 때문에 넓은 가변 범위, 빠른 응답속도, 반복 내구성, 적은 에너지 소모 등의 요건을 동시에 만족시키는 것이 매우 어려웠다.
최근에는 이러한 문제를 해결하기 위해 카이랄 액정(chiral liquid crystal)과 같은 유체 결정구조를 이용한 가변광결정(tunable photonic crystal) 기반의 반사형 디스플레이가 개발되었다. 카이랄 액정은 분자 정렬을 통해 나선광결정(helical photonic crystal)을 형성하여 단일 파장 대역의 특정 편광 성분의 빛을 반사시키게 된다. 카이랄 액정 기반 가변광결정의 반사 파장 대역은 액정의 광학 복굴절률과 나선주기(helical pitch)에 의해 결정되므로, 이들을 조절함으로써 가시광선 영역의 특정 파장 대역을 선택적으로 반사시킬 수 있다.
그러나 카이랄 액정을 사용한 가변광결정의 경우, 외부 열, 압력, 및 전압에 의해 나선구조가 왜곡되거나 나선주기가 변하여 색 균일도와 반사율이 감소하는 단점이 있어 반사형 컬러 디스플레이(reflective-type color display) 응용에 제약이 있다. 이러한 광결정의 구조발색을 실제 반사형 컬러 디스플레이에 적용하기 위해서는 기존의 방식을 넘어선 새로운 개념의 고효율 고균일도의 컬러 구현 기술이 필요하다.
대한민국 특허출원공개 제10-2011-0089214호
본 발명의 실시예들은, 구조색(structural color)을 결정하는 광결정(photonic crystal) 자체의 형태나 물질의 변화를 최소화하고, 구조색의 가변성을 주는 요소를 독립적으로 추가한 새로운 개념의 반사형 컬러 디스플레이 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
나아가, 광결정(photonic crystal)의 색 반사 기능과 색 강도 조절 기능을 분리함으로써 높은 색 균일도 및 높은 반사도를 구현하여 우수한 신뢰성과 안정성을 갖는 반사형 컬러 디스플레이 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 실시예에 따른 반사형 컬러 디스플레이는, 하부 기판 및 상부 기판; 상기 상부 기판 상에 위치하는 편광판; 상기 하부 기판 및 상부 기판 사이에 배열되며 가시광선 영역에서 서로 상이한 광 반사 특성을 갖는 복수 개의 나선광결정; 및 상기 복수 개의 나선광결정 상에 위치하며 위상 지연을 연속적으로 변화시킴으로써 반사강도를 조절하기 위한 가변위상층을 포함한다.
일 실시예에 따른 반사형 컬러 디스플레이에 있어서, 상기 복수 개의 나선광결정 중 적어도 둘 이상은, 각각의 두께 또는 나선주기가 서로 상이할 수 있다.
일 실시예에 따른 반사형 컬러 디스플레이에 있어서, 상기 나선광결정은 상기 나선주기에 따라서 결정되는 입사광의 파장 대역 및 나선선성과 반대가 되는 입사광의 편광 성분을 반사시키도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따른 반사형 컬러 디스플레이에 있어서, 상기 나선광결정은 상기 하부 기판의 표면에 수직한 방향으로부터 바라보았을 때 다각형 또는 곡선과 직선으로 이루어진 닫힌 도형 형상의 단면을 가질 수 있다.
일 실시예에 따른 반사형 컬러 디스플레이는, 상기 나선광결정이 배열되지 않은 부분인 광차단 영역을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 반사형 컬러 디스플레이에 있어서, 상기 나선광결정의 내부 분자 정렬은 상기 하부 기판에 수직한 방향을 축으로 나선 모양을 이루도록 설정될 수 있다.
일 실시예에 따른 반사형 컬러 디스플레이는, 상기 하부 기판 및 상부 기판의 서로 대향하는 면에 각각 패터닝된 전극층을 더 포함하되, 상기 전극 층은 상기 가변위상층의 위상지연을 조절할 수 있다.
일 실시예에 따른 반사형 컬러 디스플레이는, 상기 각각의 전극층 상에 형성된 배향층을 더 포함하되, 상기 배향층은 나선광결정의 초기 분자정렬 방향을 정의할 수 있다.
일 실시예에 따른 반사형 컬러 디스플레이는, 상기 가변위상층이 액정으로 구성된 반사형 액정 디스플레이일 수 있다.
일 실시예에 따른 반사형 컬러 디스플레이의 제조 방법은, 하부 기판 및 상부 기판의 서로 대향하는 면에 각각 전극층을 패터닝하는 단계; 상기 각각의 전극 층 상에 배향층을 형성하는 단계; 상기 하부 기판의 배향층 상에 복수 개의 나선광결정을 배열하는 단계; 상기 복수 개의 나선광결정 상에 가변위상층을 형성하는 단계; 상기 가변위상층 상에 상기 상부 기판의 배향층을 배치하는 단계; 및 상기 상부기판 상에 편광판을 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 반사형 컬러 디스플레이의 제조 방법에 있어서, 상기 복수 개의 나선광결정 중 적어도 둘 이상은 각각의 두께 또는 나선주기가 서로 상이할 수 있다.
일 실시예에 따른 반사형 컬러 디스플레이의 제조 방법에 있어서, 상기 나선광결정은 상기 나선주기에 따라서 결정되는 입사광의 파장 대역 및 나선선성과 반대가 되는 입사광의 편광 성분을 반사시키도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따른 반사형 컬러 디스플레이의 제조 방법에 있어서, 상기 나선광결정은 상기 하부 기판의 표면에 수직한 방향으로부터 바라보았을 때 다각형 또는 곡선과 직선으로 이루어진 닫힌 도형 형상의 단면을 가질 수 있다.
일 실시예에 따른 반사형 컬러 디스플레이의 제조 방법에 있어서, 상기 나선광결정의 내부 분자 정렬은 상기 하부 기판에 수직한 방향을 축으로 나선 모양을 이루도록 설정될 수 있다.
일 실시예에 따른 반사형 컬러 디스플레이의 제조 방법에 있어서, 상기 전극층은 상기 가변위상층의 위상지연을 조절하는데 이용될 수 있다.
일 실시예에 따른 반사형 컬러 디스플레이의 제조 방법에 있어서, 상기 배향층은 나선광결정의 초기 분자정렬 방향을 정의할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 가시광선 대역 내의 특정 파장 대역 및 편광 성분을 반사시킬 수 있는 나선광결정(helical photonic crystal)과, 상기 나선광결정 상에 위치하며 반사광의 세기를 조절할 수 있도록 하는 가변위상층(tunable waveplate)을 포함하는 반사형 컬러 디스플레이가 제공된다.
실시예에 의하면, 광결정 디스플레이의 색 반사 기능과 색 강도 조절 기능을 분리함으로써 삼원색 구현, 계조 표현, 고해상도, 고속응답속도 등의 특징을 동시에 달성할 수 있으므로 기존의 반사형 디스플레이 기술의 한계를 뛰어 넘을 수 있다.
또한, 기존 방식과 달리, 본 발명이 제안하는 방식은 시분할 방식으로 적색(R), 녹색(G), 및 청색(B)의 계조표현을 할 수 있으므로 고해상도의 동적 칼라 영상을 구현할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 반사형 컬러 디스플레이의 단면도이다.
도 2a 내지 2c는 일 실시예에 따른 반사형 컬러 디스플레이의 제조공정을 나타내는 단면도이다.
도 3a내지 3c는 실시예들에 따라 적색(R), 녹색(G), 및 청색(B)에 해당하는 파장 대역을 반사하도록 제작된 나선광결정의 파장별 반사도를 나타내는 그래프이다.
도4a 및 4b 는 일 실시예에 따른 반사형 컬러 디스플레이의 구동을 나타내는 개념도이다.
도 5a내지 5c 는 일 실시예에 따른 반사형 컬러 디스플레이의 적색(R), 녹색(G), 및 청색(B) 단위화소들의 전압에 따른 파장별 반사도 곡선이다.
도 6a내지 6d 는 일 실시예에 따른 반사형 컬러 디스플레의 실제 구동을 나타낸 도면들이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다.
또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 반사형 컬러 디스플레이(reflective-type color display)의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반사형 컬러 디스플레이는, 하부 기판(10) 및 상부 기판(20), 상기 상부 기판 상에 위치하는 편광판(30), 상기 하부 기판 및 상부 기판 사이에 배열되는 복수 개의 나선광결정(40 내지 42), 및 상기 복수 개의 나선광결정 상에 위치하는 가변위상층(50)을 포함한다.
실시예에 따라, 상기 반사형 컬러 디스플레이는 상기 하부 기판(10) 및 상부 기판(20)의 서로 대향하는 면(즉, 디스플레이 내부 방향)에 각각 패터닝된 전극층(11, 12)을 더 포함할 수 있고, 각각의 전극층(11, 12) 상에 형성된 각각의 배향층(12, 22)을 더 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 디스플레이를 구성하는 각각의 단위화소(100)는 하부 기판(10), 상부 기판(20), 편광판(30), 전극층(11, 21), 배향층(12, 22), 나선광결정(40, 41, 42 중 하나) 및 가변위상층(50)으로 구성되며, 디스플레이 중 상기 나선광결정(40 내지 42)이 형성되지 아니한 나머지 부분은 광차단영역(light-blocking region)으로 정의한다.
이하에서는, 단위화소(100)를 구성하는 상기 구성요소들의 기능에 대하여 상세하게 설명한다.
하부 기판(10) 및 상부 기판(20)은 반사형 컬러 디스플레이의 전체 구조를 지지하는 부분으로서, 유리, 수정(quartz), 고분자 수지(예컨대, 플라스틱 등), 또는 다른 적당한 물질로 이루어질 수 있다.
하부 기판 및 상부 기판 사이에 배열되는 복수 개의 나선광결정들(40 내지 42)은, 가시광선 대역에서 서로 상이한 광반사 특성을 갖는다. 예컨대, 복수 개의 나선광결정은 각각 적색(R), 녹색(G), 및 청색(B) 파장 중 나선선성(handedness)과 반대인 원편광 성분을 반사시킬 수 있다.
이와 같이 서로 상이한 광반사 특성을 갖도록 하기 위하여, 복수 개의 나선광결정(40 내지 42)은 각각의 두께 또는 나선주기(helical pitch)가 서로 상이하게 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 나선광결정들은 가시광선 대역의 광 반사특성을 나타내기 위해 1주기, 또는 1주기 이상의 나선주기를 가질 수 있다.
각각의 나선광결정은 하나 또는 두 종류 이상의 유전 물질로 이루어질 수 있으며, 예컨대 카이랄 반응성 메소겐(chiral reactive mesogen)으로 이루어질 수 있다. 다만 이는 예시적인 것일 뿐, 광결정의 분자 정렬을 통해 기판에 수직한 방향을 축으로 나선 모양을 형성함으로써 단일 파장 대역의 특정 편광 성분의 빛을 반사시키는 임의의 물질로 구성될 수 있으며 특정한 물질로 한정되는 것은 아니다.
복수 개의 나선광결정은 입사되는 빛을 적어도 부분적으로 투과시킬 수 있다. 예컨대, 상기 복수 개의 나선광결정은 입사광 중 나선광결정의 나선선성과 반대인 원편광 성분을 제외하고 나머지 빛은 투과시킬 수 있다.
복수 개의 나선광결정(40 내지 42)은 상부 및 하부 기판 사이에(보다 구체적으로는, 하부 배향층 상에) 주기적으로 배열되고, 이들 사이에 위치하는 광차단영역(200)에 의해 서로 구분될 수 있다. 상기 광차단영역(200)에 입사된 입사광은 반사되지 않고 투과되므로, 반사형 컬러 디스플레이에서 블랙 매트릭스(black matrix)에 대응될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수 개의 나선광결정(40 내지 42)은, 상기 기판의 표면에 수직한 방향으로부터 바라보았을 때 다각형, 닫힌 곡선, 또는 곡선과 직선으로 이루어진 닫힌 도형 형상의 단면을 가질 수 있다.
가변위상층(50)은 복수 개의 나선광결정(40 내지 42) 상에 형성되어 외부의 전압에 의해 위상지연을 연속적으로 변화시킬 수 있다. 일 실시예에서, 디스플레이는 상기 가변위상층(50) 부분이 액정으로 구성된 반사형 액정 디스플레이일 수 있다. 이때 상기 전극층(11,21)에 전압을 걸면 상기 가변위상층(50)에서 액정의 방향자가 전계의 수평방향으로 재정렬 되면서 위상지연의 크기가 감소되게 된다. 즉 전압을 이용해 가변위상층(50)의 위상지연을 조절할 수 있게 된다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 가변위상층을 구성하는 물질 및 가변 기작은 전술한 것에 한정되는 것은 아니다.
편광판(30)은 상부 기판(20) 전면 방향(즉, 가시광선이 입사하는 방향)에 형성될 수 있다. 상기 편광판(30)의 편광 방향은 가변위상층(50)의 광축과 임의의 각도를 가질 수 있다. 예를 들어, 편광판(30)의 편광 방향은 가변위상층(50)의 광축과 45°일 수 있다.
도 1을 참조하면, 디스플레이는 상기 하부 기판(10) 및 상부 기판(20)의 서로 대향하는 면에 각각 패터닝된 전극층(11, 21)을 더 포함할 수 있다. 상기 전극층(11, 21)은 가변위상층(50)의 위상지연을 조절하는데 이용된다. 전극층(11)은 하부 기판(10) 위에, 전극층(21)은 상부 기판(20) 아래에 패터닝되며, 유리나 플라스틱 등으로 이루어진 기판상에 마스크 공정 및 진공 증착 등을 이용하여 인듐주석산화물(indium-tin-oxide) 등의 투명전도체를 증착함으로써 형성할 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 기판(10, 20) 및 전극층(11, 21)을 구성하는 물질 및 형성 공정은 전술한 것에 한정되는 것은 아니다.
나아가, 실시예에 따른 반사형 컬러 디스플레이는 상기 전극층(11, 21) 상에 형성된 배향층(12, 22)을 더 포함할 수 있다. 상기 배향층(12, 22)은 나선광결정(40 내지 42)의 초기 분자정렬 방향을 정의하기 위해 이용된다. 배향층(12)은 하부 기판 쪽의 전극층(11) 위에 형성되며, 배향층(22)은 상부 기판 쪽의 전극층(21) 아래에 형성된다.
배향층(12, 22)은 광배향, 러빙, 또는 다른 적당한 방식으로 나선광결정(40 내지 42)의 초기 분자정렬 상태를 정의할 수 있다. 일 실시예에서, 배향층은 박막형성이 용이하고, 추가적인 공정을 통해 분자 정렬방향을 정의할 수 있는 물질, 예를 들어 폴리이미드(polyimide), 실리콘 산화물(SiO2) 등으로 이루어질 수 있으나, 이는 예시적인 것으로서, 배향층(12, 22)을 구성하는 물질 및 형성 공정은 전술한 것에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 기재된 실시예들에 따른 반사형 컬러 디스플레이는 나선광결정, 가변위상층 및 편광판으로 구성된 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 단위화소가 주기적으로 배열되도록 형성되었으나, 다른 실시예에서는 나선광결정의 종류, 각 나선광결정의 반사 파장 대역, 배열 순서, 및/또는 배열 형태가 본 명세서에 개시된 것과 상이하게 구성될 수도 있다. 예를 들어, 하늘색(cyan), 노란색(yellow), 및 자주색(magenta)의 단위화소로 구성된 반사형 컬러 디스플레이를 구성할 수도 있고, 응용하고자 하는 분야에 적합하도록 상기 요소들의 구조를 적절히 변화시킬 수도 있다.
이하에서는, 도 2a 내지 2c를 참조하여 일 실시예에 따른 반사형 컬러 디스플레이의 제조 공정을 설명하도록 한다.
도 2a를 참조하면, 하부 기판(10) 상에 전극(11)을 형성하는 단계가 수행된다. 예를 들어, 유리나 플라스틱 등으로 이루어진 기판상에 마스크 공정 및 진공 증착 등을 이용하여 인듐주석산화물(indium-tin-oxide) 등의 투명전도체를 증착함으로써 전극층(11)을 패터닝할 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 기판(10) 및 전극층(11)을 구성하는 물질 및 형성 공정은 전술한 것에 한정되는 것은 아니다.
이어서, 전극층(11) 상에 배향층(12)을 형성하는 단계가 수행된다. 배향층(12)은 광배향, 러빙, 또는 다른 적당한 방식으로 나선광결정의 초기 분자정렬 상태를 정의할 수 있다. 일 실시예에서, 배향층(12)은 폴리이미드(polyimide), 실리콘 산화물(SiO2)과 같이 박막형성이 용이하고, 추가적인 공정을 통해 분자 정렬방향을 정의할 수 있는 물질로 이루어질 수 있다.
실시예에 따라, 배향층(12)을 형성하는 공정은 나선광결정(40 내지 42)의 초기 분자정렬 상태를 정의하기 위해 러빙 등과 같은 공정을 추가할 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 배향층(12)을 구성하는 물질 및 형성 공정은 전술한 것에 한정되는 것은 아니다.
도 2b 를 참조하면, 배향층(12) 상에 복수 개의 나선광결정(40 내지 42)을 형성하는 단계가 수행된다. 복수 개의 나선광결정(40 내지 42)은 특정 파장 대역의 빛만을 선택적으로 반사시키기 위한 것이다. 예를 들어, 복수 개의 나선광결정(40 내지 42)은 각각 R, G, B 파장 중 나선선성과 반대인 원편광 성분을 반사시킬 수 있다. 나선광결정의 역할 및 기능에 대해서는 전술하였으므로 중복되는 설명은 생략한다.
공정에 있어서, 복수 개의 나선광결정(40 내지 42)은 배향층(12) 상에 용액 공정 등을 통해 카이랄 반응성 메조겐을 도포하고 광 마스크 공정과 광경화 과정을 하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 실시예에 따라, 상이한 광 반사 특성을 갖도록 하기 위해 카이랄 반응성 메조겐의 농도를 조절함으로써 나선광결정(40 내지 42)의 나선 주기를 변화시킬 수 있다.
일 실시예에서, 나선광결정(40 내지 42)의 두께는 나선 구조가 정의되도록 나선주기 보다 큰 두께로 형성될 수 있다. 각각의 나선광결정은 나선광결정 사이에 적절한 간격을 유지하도록 이격되어 형성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 이러한 이격은 광차단영역(도 1의 200)에 해당하며, 광차단영역에서는 배향층과 기판의 투과도가 높아 반사형 칼라 디스플레이에서 블랙 매트릭스와 같은 기능을 하게 된다.
도 2c를 참조하면, 상부 기판(20)의 양면 중 하부 기판(10)과 대향하는 면에 하부 기판과 동일한 방법으로 전극(21)과 배향층(22)이 형성될 수 있고, 양 기판 사이에는 수평배향구조를 가지고 양의 유전율 이방성을 가지는 액정층이 위치할 수 있다. 또한, 하부 기판(10)과 상부 기판(20)의 각 배향층(12, 22)은 서로 반대 방향으로 러빙되어 있을 수 있다.
상부 기판(10)의 전면 방향(즉, 가시광선이 입사하는 방향)에는 편광판(30)이 부착될 수 있다. 전술한 바와 같이 편광판(30)의 편광 방향은 액정 배향 방향과 45°가 될 수 있다.
이상에서 설명한 실시예에 따른 반사형 컬러 디스플레이 제조공정에서는, 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 단위화소에 해당하는 복수 개의 나선광결정이 모두 유사한 구조로 형성된다. 따라서, 나선광결정의 이격 영역에 해당하는 광차단영역이 단위화소에 자동으로 정렬되어 형성될 수 있어, 반사형 컬러 디스플레이 제조 공정 과정을 대폭 간소화할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 파장 대역을 각각 반사하도록 제작된 복수 개의 나선광결정(도 1의 40 내지 42)의 파장별 반사도 곡선을 나타낸 것이다. 실시예에서 유리 재질의 기판(도 1의 10, 20) 상에 용액 공정을 통해 배향층(도 1의 12, 22)을 형성한 후, 러빙을 통해 나선광결정의 초기 분자정렬방향을 정의하였다. 나선광결정은 약 2 ㎛ 두께를 가지며, 서로 상이한 나선주기를 갖는 카이랄 반응성 메소겐을 사용하여 형성되었다. 복수 개의 나선광결정의 파장별 반사도는 상용 자외선-가시광선 분광기(UV-Vis. fiber optic spectrometer) (Ocean Optics S2000)를 통하여, 대기환경(ambient environment)에서 측정하였다.
도 3a내지 도3c을 참조하면, 상이한 나선주기를 가지는 각각의 나선광결정은 반사 파장 대역의 중심 파장이 각각 약 620 nm (도 3a), 540 nm (도 3b), 460 nm (도 3c)로 전형적인 적색, 녹색 및 청색 파장 대역에 속한다. 도 3a내지 3c에 도시된 바와 같이, 복수 개의 나선광결정은 편광되지 않은 입사광 중 특정 파장 대역의 빛을 반사시키는 것을 확인할 수 있다. 그러나 나선광결정의 나선주기는 전술한 것에 한정되는 것은 아니며, 나선광결정의 반사 파장 대역은 나선광결정의 유효굴절률, 및/또는 나선주기 등을 이용하여 적절하게 조절될 수 있다.
도 4a 및 4b 는 일 실시예에 따른 반사형 컬러 디스플레이의 구동을 나타내는 개념도이다.
도 4a를 참조하면, 반사형 컬러 디스플레이에 전압이 인가되지 않은 경우 반사광이 밖으로 빠져나온다. 구체적으로, 반사형 컬러 디스플레이로 입사된 입사광은 편광판을 지나 선편광 상태가 되고 액정층을 지나면서 위상지연이 발생하게 된다. 이때, 각각의 나선광결정은 반사 중심 파장에 대해서 액정층이 3/4 파장만큼의 위상지연을 가질 수 있도록 두께가 조절되어 있다.
반사형 컬러 디스플레이에 전압이 인가되지 않은 경우, 수평 배향된 액정층은 기판에 수직하게 입사하는 빛에 대해 3/4 파장판으로 작용하므로 입사된 빛의 편광 상태는 원편광 상태가 된다. 이 원편광 상태는 나선광결정의 나선선성과 반대이므로 특정 파장 대역의 빛에 대해서 전반사가 일어나게 되고, 반사광의 편광 상태는 액정층을 지나면서 표시 장치 상부에 위치한 편광판의 편광 방향과 수평하게 편광 되어 R, G, B에 해당하는 파장이 각각 반사되어 나오게 된다.
반면 도 4b를 참조하면, 반사형 컬러 디스플레이의 각 단위화소에 액정의 문턱전압(threshold voltage) 이상의 전압이 인가되는 경우에는 빛이 외부로 빠져나오지 못한다. 구체적으로, 전극에 전압을 걸어 액정층이 1/4 파장판으로 작용하는 경우, 입사된 빛의 편광 상태는 나선광결정의 나선선성과 동일한 방향의 원편광 상태가 되어 반사가 일어나지 않는다. 그러나 전술한 반사형 컬러 디스플레이의 NW모드(normally white mode)는 단지 예시적인 것으로서, 전압 인가에 따른 밝기 조절 방식은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 편광판의 편광 방향과 액정 배향 방향이 135°인 경우 전압이 인가되지 않았을 때는 빛이 빠져나오지 못하고, 전압이 인가되는 경우 R, G, B에 해당하는 파장이 각각 반사되어 나오는 NB모드(normally black mode)가 될 수도 있다.
이와 같은 원리로 전압의 인가에 따라 가시광선의 반사 여부를 조절할 수 있으며, 후술하는 바와 같이 전압의 세기에 따라 반사도를 조절하는 것이 가능하다. 따라서 시분할 방식으로 적색(R), 녹색(G), 및 청색(G)의 계조표현을 할 수 있으며, 고해상도의 동적 칼라 영상을 구현하는 것이 가능하다.
도 5a 내지 5c 는 도 4a에 도시된 실시예들에 따른 반사형 컬러 디스플레이의 적색(R), 녹색(G), 및 청색(G) 단위화소들의 파장별 반사도 곡선이다. 도 3a 내지 3c의 파장별 반사도 측정 조건과 마찬가지로, 나선광결정은 약 2 ㎛ 두께를 가지며, 서로 상이한 나선주기를 갖는 카이랄 반응성 메소겐을 사용하여 형성되었다. 또한, 복수 개의 나선광결정의 파장별 반사도는 상용 자외선-가시광선 분광기(UV-Vis. fiber optic spectrometer) (Ocean Optics S2000)를 통하여, 대기환경(ambient environment)에서 측정하였다.
도 5a 는 적색(R) 단위화소의 파장별 반사도 곡선이다. 문턱전압(threshold voltage) 이상의 전압이 인가되는 경우, 입사하는 빛이 반사되지 못하는 어두운 상태(dark state)를 나타내고, 인가되는 전압이 낮아질수록, 반사 파장 대역은 유지되면서 반사도가 증가하게 된다. 도 5b 및 5c 는 도 5a와 마찬가지로 각각 녹색(G), 청색(B) 단위화소의 파장별 반사도 곡선을 나타내고, 적색(R) 단위화소의 파장별 반사도 곡선과 마찬가지로 인가되는 전압의 세기가 감소함에 따라 각각의 파장 대역이 유지되면서 반사도가 증가하게 된다.
도 6a 내지 6d 는, 실시예들에 따른 반사형 컬러 디스플레이의 실제 구동 사진이다. 반사형 컬러 디스플레이의 상부기판과 하부기판 사이의 셀 간격(cell gap)은 약 5 ㎛ 이고, 액정은 상대적으로 낮은 양의 유전율 이방성을 가진 ZLI-1800-100을 사용하였다. 적색(R), 녹색(G), 및 청색(G) 단위화소에 포함되어있는 나선광결정의 두께는 각각 1.3 ㎛, 1.6 ㎛, 1.9 ㎛ 이다.
적색(R), 녹색(G), 및 청색(B) 단위화소에 인가하는 전압을 각각 VR, VG, VB로 지칭하면, 도 6a는 R, G, B 단위화소 모두에 전압을 인가하지 않았을 경우(즉, VR = 0 V, VG = 0 V, VB = 0 V)를 나타낸 것으로서, 입사광이 R, G, B 단위화소 각각에서 반사되어 나타나는 것을 보여준다. 한편, 도 6b는 청색(B) 단위화소에만 문턱전압 이상의 전압이 인가된 경우(즉, VR = 0 V, VG = 0 V, VB = 3.8 V)의 사진으로서, 청색(B) 단위화소에서 반사된 빛이 장치 외부로 빠져 나오지 못하는 어두운 상태(dark state)를 나타낸다.
도 6c는 녹색(G) 단위화소에만 문턱전압 이상의 전압을 인가한 경우(즉, VR = 0 V, VG = 3.7 V, VB = 0 V)를 나타내고, 도 6d는 적색(R) 단위화소에만 문턱전압 이상의 전압을 인가한 경우(즉, VR = 3.2 V, VG = 0 V, VB = 0 V)를 나타낸 것으로서, 각 R, G, B 단위화소들이 독립적으로 구동될 수 있다는 것을 보여준다.
도 6a내지 6d를 참조하면 R, G, B 단위화소의 이격에 해당하는 광차단영역은 전압에 상관없이 반사광이 관측되지 않음을 확인할 수 있다. 따라서 전술한 바와 같이, 광차단영역은 별도의 추가적인 공정이 없이 자동 정렬된 블랙 매트릭스로서 작동하고 있다고 볼 수 있다.
이상에서 설명한 실시예들에 의하면, 광결정의 색 반사 기능과 색 강도 조절 기능을 분리함으로써 높은 색 균일도 및 높은 반사도를 갖는 반사형 컬러 디스플레이가 제공되며, 사용할 수 있는 물질의 제약이 완화되어 잠재적으로 우수한 신뢰성과 안정성을 가지게 되었다. 그러나 전술한 반사형 컬러 디스플레이의 구성은 단지 예시적인 것으로서, 구조색(structural color)의 강도를 조절할 수 있는 나선광결정, 가변위상층, 및 편광판의 일체형 구조는 실시예에서 사용한 물질에 한정되지 않으며, 빛의 편광을 조절할 수 있는 다른 임의의 물질일 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 하부 기판
20: 상부 기판
11, 21: 전극층
12, 22: 배향층
30: 편광판
40 내지 42: 나선광결정
50: 가변위상층
100: 단위화소
200: 광차단 영역

Claims (16)

  1. 하부 기판 및 상부 기판;
    상기 상부 기판 상에 위치하는 편광판;
    상기 하부 기판 및 상부 기판 사이에 배열되며, 가시광선 영역에서 서로 상이한 광 반사 특성을 갖는 복수 개의 나선광결정; 및
    상기 복수 개의 나선광결정 상에 위치하며, 위상 지연을 연속적으로 변화시킴으로써 반사강도를 조절하기 위한 가변위상층을 포함하고,
    각각의 나선광결정은 단결정으로 구성되며, 상기 복수 개의 나선광결정 중 적어도 둘 이상은 두께 또는 나선주기가 서로 상이하고,
    상기 나선광결정은 상기 나선주기에 따라서 결정되는 입사광의 파장 대역 및 나선선성과 반대가 되는 입사광의 편광 성분을 선택적으로 반사시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 반사형 컬러 디스플레이.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 나선광결정은, 상기 하부 기판의 표면에 수직한 방향으로부터 바라보았을 때 다각형 또는 곡선과 직선으로 이루어진 닫힌 도형 형상의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는, 반사형 컬러 디스플레이.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나선광결정이 배열되지 않은 부분인 광차단 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 반사형 컬러 디스플레이.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나선광결정의 내부 분자 정렬은, 상기 하부 기판에 수직한 방향을 축으로 나선 모양을 이루고 있는 것을 특징으로 하는, 반사형 컬러 디스플레이.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하부 기판 및 상부 기판의 서로 대향하는 면에 각각 패터닝된 전극층을 더 포함하되,
    상기 전극층은 상기 가변위상층의 위상지연을 조절하는 것을 특징으로 하는, 반사형 컬러 디스플레이.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 각각의 전극층 상에 형성된 배향층을 더 포함하되,
    상기 배향층은 나선광결정의 초기 분자정렬 방향을 정의하는 것을 특징으로 하는, 반사형 컬러 디스플레이.
  9. 제1항, 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 반사형 컬러 디스플레이는,
    상기 가변위상층이 액정으로 구성된 반사형 액정 디스플레이인 것을 특징으로 하는, 반사형 컬러 디스플레이.
  10. 반사형 컬러 디스플레이의 제조 방법으로서,
    하부 기판 및 상부 기판의 서로 대향하는 면에 각각 전극층을 패터닝하는 단계;
    상기 각각의 전극층 상에 배향층을 형성하는 단계;
    상기 하부 기판의 배향층 상에 복수 개의 나선광결정을 배열하는 단계;
    상기 복수 개의 나선광결정 상에 가변위상층을 형성하는 단계;
    상기 가변위상층 상에 상기 상부 기판의 배향층을 배치하는 단계; 및
    상기 상부기판 상에 편광판을 배치하는 단계를 포함하고,
    각각의 나선광결정은 단결정으로 구성되고, 상기 복수 개의 나선광결정 중 적어도 둘 이상은 각각의 두께 또는 나선주기가 서로 상이하고,
    상기 나선광결정은 상기 나선주기에 따라서 결정되는 입사광의 파장 대역 및 나선선성과 반대가 되는 입사광의 편광 성분을 선택적으로 반사시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 반사형 컬러 디스플레이의 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제10항에 있어서,
    상기 나선광결정은, 상기 하부 기판의 표면에 수직한 방향으로부터 바라보았을 때 다각형 또는 곡선과 직선으로 이루어진 닫힌 도형 형상의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는, 반사형 컬러 디스플레이의 제조 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 나선광결정의 내부 분자 정렬은, 상기 하부 기판에 수직한 방향을 축으로 나선 모양을 이루고 있는 것을 특징으로 하는, 반사형 컬러 디스플레이의 제조 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 전극층은 상기 가변위상층의 위상지연을 조절하는 것을 특징으로 하는, 반사형 컬러 디스플레이의 제조 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 배향층은 나선광결정의 초기 분자정렬 방향을 정의하는 것을 특징으로 하는, 반사형 컬러 디스플레이의 제조 방법.
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