KR102559091B1 - 포토닉 크리스탈 광학 소자 및 그를 이용한 표시 장치 - Google Patents

포토닉 크리스탈 광학 소자 및 그를 이용한 표시 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 포토닉 크리스탈에 전기적 신호를 가하여 상기 포토닉 크리스탈의 격자 간격을 변화시킴으로써 원하는 색을 얻을 수 있는 포토닉 크리스탈 광학 소자 및 이를 이용한 표시 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자는, 제 1 이온 전도체, 포토닉 크리스탈층, 제 2 이온 전도체를 포함하는 구조를 갖는다.

Description

포토닉 크리스탈 광학 소자 및 그를 이용한 표시 장치{Photonic Crystal Optical elements and Display Device using the Same}
본 발명은 광학 소자에 관한 것으로, 특히 포토닉 크리스탈을 이용한 광학 소자와, 이를 이용한 표시 장치에 관한 것이다.
포토닉 크리스탈(Photonic Crystal)은 서로 다른 굴절률을 갖는 물질들이 규칙적인 미세 구조로 배열된 결정으로서, 결정 격자의 간격에 따라 반사되는 빛의 파장이 결정되어 다양한 색상을 낼 수 있는 특징을 갖는다.
포토닉 크리스탈에 신호나 자극을 가하여 결정의 굴절률 또는 격자 간격을 변화시킴으로써 특정 파장의 원하는 색을 얻어 낼 수 있다. 이와 같은 포토닉 크리스탈의 특징으로 인해, 포토닉 크리스탈을 반사형 디스플레이에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
포토닉 크리스탈에서 반사되는 빛의 파장을 조절 가능하게 하는 신호와 자극들은 다양하게 존재한다. 지금까지는 화학적 자극, 온도 변화, 기계적 힘, 자기장, 빛 등을 이용하여 포토닉 크리스탈에서 나오는 빛을 조절하였다. 그러나, 위와 같은 신호들을 이용할 경우 색 변화를 구현해낼 수는 있으나 낮은 응답속도를 가지므로, 빠른 응답속도를 요구하는 디스플레이 장치에 구현할 수 없는 문제가 발생하였다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 포토닉 크리스탈에 전기적 신호를 가하여 상기 포토닉 크리스탈의 격자 간격을 변화시킴으로써 원하는 색을 얻을 수 있는 포토닉 크리스탈 광학 소자 및 이를 이용한 표시 장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자는, 제 1 이온 전도체, 포토닉 크리스탈층, 제 2 이온 전도체를 포함하는 구조를 갖는다. 한편, 본 발명에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자는, 제 1 이온 전도체와 포토닉 크리스탈층 사이에는 제 1 유전 탄성체가 위치하고, 제 2 이온 전도체와 포토닉 크리스탈층 사이에는 제 2 유전 탄성체를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 이온 전도체는 이온성 전해질을 포함하며, 이 때 이온성 전해질은 탄성체 또는 전도성 폴리머와, 이들 내에 전체적으로 분산된 전해질을 포함한다.
상기 이온성 전해질은 하이드로젤 형태로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 이온성 전해질 내에 분산된 전해질은 NaCl 등의 염 용액이거나 이온성 액체일 수 있다.
상기 포토닉 크리스탈층은 복수의 폴리카보네이트(PC) 비드가 충진된 젤 형태로 이루어질 수 있다.
본 발명에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자를 포함하는 표시 장치는, 상기 복수의 광학 소자들이 매트릭스 형태로 배열된 복수의 픽셀들을 포함하는 표시 패널을 포함한다.
상기 복수의 픽셀들은 교차 배열된 복수의 게이트 라인 및 데이터 라인이 정의하는 영역들에 위치하고, 각각의 픽셀들에는, 게이트 라인에 게이트 전극이 접속되고, 데이터 라인에 소스 전극이 접속되며, 드레인 전극이 상기 제 1 이온 전도체와 접속된 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자는 오직 전기적 신호만을 이용하여 포토닉 크리스탈층의 두께 및 폭을 변화시킴으로써 포토닉 크리스탈층이 나타내는 색상을 변화시킬 수 있으며, 그에 따라 빠른 속도를 용이하게 색을 조절할 수 있으므로 표시 장치에 적용이 가능한 효과를 갖는다.
또한 본 발명에 의한 포토닉 크리스탈 표시 장치는 외광을 반사하여 영상을 표시하는 것으로서, 백 라이트 등의 광원을 요구하지 않으며, 특히 실외 또는 밝은 조명 하에서 저전력으로도 영상을 표시할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 포토닉 크리스탈층 자체의 색이 변화하여 영상을 표시하므로, 별도의 컬러 필터를 요하지 않으며, 하나의 화면을 구현하는 데 있어서 모든 픽셀을 이용할 수 있다. 그에 따라 본 발명에 의한 포토닉 크리스탈 표시장치는 어떤 색을 표시하더라도 모든 픽셀을 이용하므로 실질적인 해상도가 증가하는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 전극을 포함하는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자를 설명하기 위한 개략도이다.
도 5는 본 발명에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자가 색을 구현하는 특징을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 본 발명에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자를 이용한 표시 장치를 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 제 1 실시예에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자를 적용한 표시 패널을 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 상기 제 2 실시예에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자를 적용한 표시 패널을 설명하기 위한 개략도이다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시예 중 하나의 유전 탄성체 및 하나의 이온 전도체를 포함하는 포토닉 크리스탈 광학 소자들을 적용한 표시 패널을 설명하기 위한 개략도이다.
도 10은 액티브 매트릭스 방식의 포토닉 크리스탈 표시 패널을 설명하기 위한 개략도이다.
도 11은 액티브 매트릭스 방식의 포토닉 크리스탈 표시 패널의 픽셀의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 12는 다른 실시예에 의한 액티브 매트릭스 방식의 포토닉 크리스탈 표시 패널의 픽셀 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 실질적으로 동일한 구성 요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 기술 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소 명칭은 명세서 작성의 용이함을 고려하여 선택된 것으로, 실제 제품의 부품 명칭과 상이할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자를 설명하기 위한 개략도이다.
본 발명에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자는, 기판(10) 상에 제 1 이온 전도체(11)와, 제 1 이온 전도체(11) 상에 위치하는 제 1 유전 탄성체(14)와, 상기 제 1 유전 탄성체(14)상에 위치하는 포토닉 크리스탈층(15)과, 상기 포토닉 크리스탈층(15)상에 위치하는 제 2 유전 탄성체(16) 및 상기 제 2 유전 탄성체(16) 상에 위치하는 제 2 이온 전도체(17)를 포함한다.
제 1 및 제 2 이온 전도체(11, 17)는 가교 된 삼차원 폴리머가 다량의 전해질을 함유하는 형태로 형성된다. 상기 삼차원 폴리머는 탄성체 또는 전도성 폴리머로서, 투명하고 높은 신축성을 가지며, 상기 탄성체 또는 전도성 폴리머에는 전해질이 분산되어 있다. 또한, 높은 유연성을 갖도록 하기 위하여 상기 제 1 및 제 2 이온 전도체(11, 17)는 이온액만으로 형성될 수도 있다.
상기 전해질은, 투명하고 이온을 수송할 수 있는 매질로서, NaCl 등의 수용성 염 용액을 이용할 수 있고, 비수용성 매질 또한 이용될 수 있다.
상기 삼차원 폴리머는 투명한 망상 폴리머(Polymer Network)를 이용하여 형성될 수 있다. 이와 같은 망상 폴리머는, 투명하면서도 탄성을 갖는 이온 전도성의 성질을 갖는다.
또한 상기 제 1 및 제 2 이온 전도체(11, 17)는 많은 양의 물을 포함하는 3차원 망상 폴리머로 이루어진 하이드로젤 형태로 형성될 수 있다. 이 때 사용될 수 있는 물질의 예는 폴리아크릴산, 폴리 N-이소프로필아크릴아미드(PNIPA), 폴리 하이드록시 에틸메타크릴레이트(PHEPA), 폴레에틸렌 글리콜(PEG), 폴리비닐알코올(PVA) 등이 있다. 또한 이온 가교 알지네이트와 공유 가교 폴리아크릴아미드를 이용하여 형성된 하이드로젤도 상기 제 1 및 제 2 전도체(11, 17)로 이용될 수 있다. 한편, 본 발명에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자는 제 1 및 제 2 유전 탄성체(14, 16) 중 어느 하나만 포함할 수도 있다.
제 1 및 제 2 유전 탄성체(14, 16)는, 높은 유전성 및 탄성을 갖는 다양한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 및 제 2 유전 탄성체(14, 16)는 실리콘 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(NBR), 하이드로제네이트 아크릴로니트릴 부타디엔 고무(H-NBR), 에틸렌프로필렌 디엔 고무(EPDM), 아크릴 고무, 우레탄 고무, 에피클로로하이드린 고무, 클로로설포네이티드 폴리에틸렌, 그리고 클로리네이티드 폴리에틸렌 등으로 형성될 수 있다. 다른 예로서 폴리디메틸실록산(PDMS) 및 아크릴 고무를 포함하는 투명 유전 탄성체도 상기 제 1 및 제 2 유전 탄성체(14, 16)로서 적용될 수 있다.
이외에도 상기 제 1 및 제 2 이온 전도체(11, 17) 및 상기 제 1 유전 탄성체(14) 및 제 2 유전 탄성체(16)는 미국 공개특허 US2016/0025669호 등에 개시된 물질들을 이용하여 형성될 수 있다.
포토닉 크리스탈층(15)은 젤 형태의 폴리머 물질에 비드(Bead)가 충진된 구조를 갖는다. 예를 들어, 포토닉 크리스탈층(15)은 하이드록시에틸 메타크릴레이트 (HEMA) 또는 폴리디메틸실록산(PDMS) 젤에 비드가 충진된 구조를 가질 수 있다. 이 때 비드는 폴리카보네이트(PC), 폴리스타이렌(PS), 실리카(SiO2) 등의 입자 형태의 물질들로 이루어질 수 있다.
상기 포토닉 크리스탈층(15)의 폴리머 물질은 앞서 언급한 제 1 및 제 2 이온 전도체(11, 17)에 사용되는 물질 또는 상기 제 1 및 제 2 유전 탄성체(14, 16)에 사용되는 물질을 포함할 수 있다. 포토닉 크리스탈층(15)이 유전 탄성체(14, 16)에 사용되는 물질들을 포함하는 경우, 포토닉 크리스탈층(15) 자체가 유전 탄성체의 기능을 가질 수 있으며, 따라서 제 1 및 제 2 유전 탄성체(14, 16)은 생략될 수 있다.
제 1 및 제 2 이온 전도체(11, 17)를 구성하는 젤 및 이온 전도체를 함유한 이온 전도체는, 낮은 면 저항을 가질 뿐 아니라 전기화학 반응 없이 높은 전압과 빠른 주파수에서도 구동이 가능한 특징을 갖는다. 또한, 상기 이온 전도체는 가시광선 영역에 해당하는 파장의 광을 모두 투과시켜 투명하다. 이와 같은 특징으로 인해, 이온 전도체는 포토닉 크리스탈 디스플레이의 전극으로 이용될 수 있다.
한편, 유전 탄성체는 전기에너지를 기계적인 에너지로 변환하는 특징을 가지며, 전기적인 자극에 의해 그 두께, 길이 및 폭이 빠른 속도로 변화한다. 이와 같은 유전성 탄성체는 전기적으로 탄성체의 형태를 빠르게 조절할 수 있다.
도 2는 전극을 포함하는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2와 같이, 제 1 이온 전도체(11)의 하부 및 제 2 이온 전도체(17)의 상부 에는, 상기 제 1 및 제 2 이온 전도체(11, 17)의 저항을 낮추기 위한 전극(20, 21)이 더 형성될 수 있다. 이 때 상기 전극(20, 21)은 ITO, IZO 등의 투명 도전성 물질로 형성되거나, Ag, Au, Cu, Al, Ni 등의 금속으로 형성될 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자를 설명하기 위한 개략도이다.
본 발명의 제 3 실시예에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자는, 도 3과 같이 전극(20), 제 1 유전 탄성체(14), 포토닉 크리스탈층(15), 제 2 유전 탄성체(16), 이온 전도체(17)를 포함하는 적층 구조로 형성될 수 있다. 이와 같은 구조 하에서도, 전극(20)으로 인가되는 전압에 의해 제 1 유전 탄성체(14) 및 제 2 유전 탄성체(16)의 형태가 변화됨으로써 포토닉 크리스탈층(15)의 구조를 변이시킬 수 있다.
또한 상기 포토닉 크리스탈 광학 소자는, 도 4와 같이 전극(20), 제 1 유전 탄성체(14), 포토닉 크리스탈층(15), 이온 전도체(17)를 포함하도록 적층되어 형성될 수도 있다. 앞서 언급한 것과 같이 이온 전도체(17) 자체가 탄성을 가질 수 있으므로, 전극(20)으로부터의 전압에 따라 상기 제 1 유전 탄성체(14) 및 이온 전도체(17)의 형태가 변화함으로써 포토닉 크리스탈층(15)의 구조가 변이되고, 그에 따라 포토닉 크리스탈 광학 소자의 색을 변화시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자는 유전 탄성체 및 이온 전도체를 이용한 다양한 실시예에 의해 그 구조 변경이 가능하다.
도 5는 본 발명에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자가 색을 구현하는 특징을 설명하기 위한 예시도이다.
본 발명에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자는, 이온 전도체(11)로 이루어진 전극에 전기적 신호를 인가하고, 그에 따라 유전 탄성체(14, 16)의 형태를 변화시킨다. 유전 탄성체(14, 16)가 이온 전도체(11, 17)로 이루어진 전극 사이에 있을 때 전압이 가해지면, 각 전극으로부터의 상반된 전하에 의해 정전기 힘이 생기며 Mexwell stress를 유도한다. 그로 인해 유전 탄성체(14, 16)의 두께는 압축되며, 그 면적은 팽창한다.
상기 유전 탄성체(14, 16)에 접하는 포토닉 크리스탈층(15)은 상기 유전성 탄성체의 두께 및 면적이 변화함에 따라 포토닉 크리스탈층(15)의 두께와 면적 또한 변화한다. 그에 따라 비드의 격자 거리에도 변화가 생기게 되고, 그 결과 포토닉 크리스탈층(15)이 반사하는 광의 파장이 변함으로써, 포토닉 크리스탈층(15)에서 반사되는 광의 색이 변화된다.
도 5를 참조하면, 상대적으로 낮은 전압(V1)을 인가할 경우 포토닉 크리스탈층(15)의 두께는 가장 두껍고 면적은 가장 작다. 이 때 비드의 격자 거리는 가장 가까우며, 포토닉 크리스탈층(15)은 적색에 해당하는 파장의 광을 반사하여 적색으로 관찰된다.
중간 정도의 전압(V2)을 인가할 때에는 포토닉 크리스탈층(15)의 비드의 격자 거리도 중간 정도의 값을 갖는데, 이 때 포토닉 크리스탈층(15)은 녹색 파장의 광을 반사하여 녹색으로 관찰된다.
가장 높은 전압(V3)을 인가할 때에는 포토닉 크리스탈층(15)의 비드간 격자 거리가 가장 커진다. 이 때 포토닉 크리스탈층(15)은 청색 파장의 광을 반사하여 청색으로 관찰된다.
즉, 본 발명에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자는 하나의 소자로 모든 색을 구현할 수 있다. 그에 따라 상기 포토닉 크리스탈 광학 소자를 이용한 표시 장치는 모든 픽셀을 이용하여 영상을 표시할 수 있으므로 높은 해상도 및 개구율을 갖는다.
도 6은 본 발명에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자를 이용한 표시 장치(이하, '포토닉 크리스탈 표시 장치' 라 함)를 설명하기 위한 예시도이다.
본 발명에 의한 포토닉 크리스탈 표시 장치는, 앞서 설명한 포토닉 크리스탈 광학 소자로 이루어진 픽셀들이 매트릭스 형태로 배치된 표시 패널(100)과, 상기 픽셀들에 데이터 전압을 공급하기 위한 데이터 드라이버(110)와, 외부에서 영상 데이터 및 각종 제어 신호들을 입력받고, 상기 각종 제어 신호들을 이용하여 데이터 드라이버(110)를 구동하는 데이터 제어 신호(DCS)들을 생성하고, 상기 영상 데이터 및 데이터 제어 신호(DCS)들을 데이터 드라이버(110)로 출력함으로서 영상의 표시 타이밍을 제어하는 타이밍 컨트롤러(120)를 포함한다.
각 포토닉 크리스탈 광학 소자들에는, 데이터 라인(DL)을 통해 데이터 드라이버(110)로부터의 데이터 신호가 각각 공급된다.
포토닉 크리스탈 광학 소자들(101)은 기판(10) 상에 매트릭스 형태로 배치된다. 여기서 기판(10)이 블랙 기판으로 형성될 경우, 포토닉 크리스탈 광학 소자들(101)에 전압이 인가되지 않음으로써 크리스탈 광학 소자들(101)이 투명 상태를 유지할 때 표시 패널(100)은 블랙 영상을 표시할 수 있다.
도 7은 제 1 실시예에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자를 적용한 표시 패널(100)을 설명하기 위한 단면도이다.
각 포토닉 크리스탈 광학 소자들의 제 1 이온 전도체(11)에는 데이터 라인(DL)들이 접속된다. 상기 제 1 이온 전도체(11) 및 데이터 라인(DL)들과 동일한 층에는 고 유전률 물질로 이루어진 평탄화막(22)이 더 형성될 수 있다.
평탄화막(22) 및 제 1 이온 전도체(11)상에는 제 1 유전 탄성체(14)가 형성된다.
제 1 유전 탄성체(14)상의 상기 제 1 이온 전도체(11)에 대응되는 위치에는 각각 포토닉 크리스탈층(15)이 형성된다.
포토닉 크리스탈층(15)상에는 제 2 유전 탄성체(16)가 위치한다.
이 때 상기 제 1 및 제 2 유전 탄성체(14, 16)는 기판(10)의 전면에 형성되며, 상기 제 1 유전 탄성체(14)에 포토닉 크리스탈층(15)을 수납하는 형태의 홀(144)을 구비하고, 상기 홀(144) 내에 복수 개의 포토닉 크리스탈층(15)이 위치하는 구조로 형성될 수 있다. 이 때, 상기 포토닉 크리스탈층(15)은 각 픽셀 영역에 대응되는 위치에 매트릭스 형태로 배열된다.
제 2 유전 탄성체(16) 상에는 제 2 이온 전도체(17)가 형성된다. 이온 전도체(17)는 각 포토닉 크리스탈층(15)의 위치에 대응되도록 형성될 수 있으며, 도 7과 같이 기판(10) 전체에 통전극 형태로 구비되어 공통전압(Vcom)을 공급하는 구조로 형성되어도 무방하다. 이 때 상기 이온 전도체(17)는 그라운드 전극으로 형성될 수 있다.
제 1, 2 이온 전도체(11, 17), 제 1, 2 유전 탄성체(14, 16) 및 포토닉 크리스탈층(15)은 앞서 설명한 것과 동일한 물질로 형성된다.
앞서 언급한 것과 같이 포토닉 크리스탈층(15)이 유전 탄성체를 포함하는 경우, 제1 및 제 2 유전 탄성체(14, 16)는 생략될 수 있다. 또한 설계에 따라 제 1 및 제 2 유전 탄성체(14, 16) 중 어느 하나만 형성될 수도 있다.
본 발명에 의한 포토닉 크리스탈 표시 장치의 데이터 드라이버(110)는 포토닉 크리스탈 광학 소자로 이루어진 각 픽셀에 데이터 신호를 공급한다. 상기 데이터 신호에 의해 제 1, 2 유전 탄성체(14, 16) 및 제 1, 2 이온 전도체(11, 17)는 상기 데이터 신호의 크기에 따라 그 두께 및 폭이 변화한다. 그러면, 유전 탄성체(14, 16) 및 이온 전도체(11, 17) 사이에 위치하는 포토닉 크리스탈층(15) 또한 그 두께 및 폭이 변화함과 아울러 비드간 격자 거리도 변화한다. 그에 따라 포토닉 크리스탈층(15)에서 반사되는 광의 파장이 변화함으로써 포토닉 크리스탈층(15)이 나타내는 색상 또한 변화한다.
다시 말하면, 본 발명에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자는 오직 전기적 신호만을 이용하여 포토닉 크리스탈층(15)의 두께 및 폭을 변화시킴으로써 포토닉 크리스탈층이 나타내는 색상을 변화시킬 수 있으며, 그에 따라 빠른 속도를 용이하게 색을 조절할 수 있으므로 표시 장치에 적용이 가능한 효과를 갖는다.
상기와 같은 포토닉 크리스탈 표시 장치는 외광을 반사하여 영상을 표시하는 반사형 디스플레이로서, 백 라이트 등의 광원을 요구하지 않으며, 특히 실외 또는 밝은 조명 하에서 저전력으로도 영상을 표시할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 포토닉 크리스탈층(15) 자체의 색이 변화하여 영상을 표시하므로, 별도의 컬러 필터를 요하지 않으며, 하나의 화면을 구현하는 데 있어서 모든 픽셀을 이용할 수 있다. 예를 들어 R/G/B 서브 픽셀로 이루어진 종래의 표시 장치는, R, G, B 중 어느 하나의 색상을 구현하기 위해서, 다른 두 서브 픽셀은 블랙 영상을 표시하여야 하므로, 실질적인 해상도가 낮아지는 문제가 발생하였다. 반면, 본 발명에 의한 포토닉 크리스탈 표시장치는 어떤 색을 표시하더라도 모든 픽셀을 이용하므로 실질적인 해상도가 증가하는 효과를 갖는다.
도 8은 상기 제 2 실시예에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자를 적용한 표시 패널(100)을 설명하기 위한 개략도이다.
도 8과 같이 포토닉 크리스탈 광학 소자가 위치하는 영역 각각에는 제 1 전극(20)이 형성되고, 제 1 전극(20) 상에는 제 1 이온 전도체(11)가 형성된다. 평탄화막(22)은 상기 제 1 전극(20)및 제 1 이온 전도체(11)가 형성되지 않은 영역에 상기 제 1 전극(20) 및 제 1 이온 전도체(11)를 합한 것과 같은 높이로 형성될 수 있다.
상기 제 1 전극(20) 및 제 1 이온 전도체(11) 상에는 제 1 유전 탄성체(14)가 위치하고, 그 상부에는 포토닉 크리스탈층(15)이 위치한다. 여기서, 제 1 유전 탄성체(14)는 포토닉 크리스탈층(15)을 수납하는 형태의 복수 개의 홀(144)을 구비하고, 홀(144) 내에 포토닉 크리스탈층(15)이 위치하는 구조로 형성될 수 있다.
포토닉 크리스탈층(15) 상에는 제 2 유전 탄성체(16)가 위치하고, 그 상부에는 제 2 이온 전도체(17) 및 제 2 전극(26)이 더 형성될 수 있다. 상기 제 2 이온 전도체(17) 및 제 2 전극(26)은 각 포토닉 크리스탈층(15)의 위치에 대응되도록 형성될 수도 있으며, 기판(10) 전체에 통전극 형태로 구비되어 공통전압(Vcom)을 공급하는 구조로 형성되어도 무방하다. 이 때 상기 이온 전도체(17)는 그라운드 전극으로 형성될 수도 있다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시예 중 하나의 유전 탄성체 및 하나의 이온 전도체를 포함하는 포토닉 크리스탈 광학 소자들을 적용한 표시 패널(100)을 설명하기 위한 개략도이다.
각 포토닉 크리스탈 광학 소자들의 제 1 전극(20)에는 데이터 라인(DL)들이 접속된다. 여기서, 제 1 전극(20)은 금속 또는 투명 도전성 물질로 형성될 수 있으며, 상기 기판(10)이 블랙 기판으로 형성될 경우, 블랙 색상을 투과시키기 위하여 상기 제 1 전극(20)은 ITO, IZO, ZnO 등의 투명 도전성 물질로 형성되는 것이 바람직하다.
제 1 전극(20)과 동일한 층에는 평탄화막(22)이 더 구비된다. 평탄화막(22)은 고 유전율을 갖는 유전 물질로 형성되는 것이 바람직하다.
제 1 전극(20) 상에는 유전 탄성체(14)가 형성된다. 유전 탄성체(14)상의 상기 제 1 전극(20)에 대응되는 위치에는 각각 포토닉 크리스탈층(15)이 형성된다. 여기서, 유전 탄성체(14)는 기판(10)의 전면에 위치하며, 상기 포토닉 크리스탈층(15)을 수납하는 형태의 홀(144)을 구비하고, 상기 홀(144) 내에 포토닉 크리스탈층(15)이 위치하는 구조로 형성될 수 있다.
포토닉 크리스탈층(15) 상에는 이온 전도체(17)가 형성된다. 이온 전도체(17)는 각 포토닉 크리스탈층(15)의 위치에 대응되도록 형성될 수도 있으며, 도 8과 같이 기판(10) 전체에 통전극 형태로 구비되어 공통전압(Vcom)을 공급하는 구조로 형성되어도 무방하다. 이 때 상기 이온 전도체(17)는 그라운드 전극으로 형성될 수도 있다.
이온 전도체(17), 유전 탄성체(14) 및 포토닉 크리스탈층(15)은 앞서 설명한 것과 동일한 물질들로 형성된다. 또한 전극(20)과 포토닉 크리스탈층(15) 사이에는 또 다른 유전 탄성체가 개재될 수도 있다. 이 또한 기판(10)의 전면에 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 포토닉 크리스탈 표시 장치의 데이터 드라이버(110)는 포토닉 크리스탈 광학 소자로 이루어진 각 픽셀에 데이터 신호를 공급한다. 상기 데이터 신호에 의해 유전 탄성체(14) 및 이온 전도체(17)는 상기 데이터 신호의 크기에 따라 그 두께 및 폭이 변화한다. 그러면, 유전 탄성체(14) 및 이온 전도체(17) 사이에 위치하는 포토닉 크리스탈층(15) 또한 그 두께 및 폭이 변화함과 아울러 비드간 격자 거리도 변화한다. 그에 따라 포토닉 크리스탈층(15)에서 반사되는 광의 파장이 변화함으로써 포토닉 크리스탈층(15)이 나타내는 색상 또한 변화한다.
다시 말하면, 본 발명에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자는 오직 전기적 신호만을 이용하여 포토닉 크리스탈층(15)의 두께 및 폭을 변화시킴으로써 포토닉 크리스탈층이 나타내는 색상을 변화시킬 수 있으며, 그에 따라 빠른 속도를 용이하게 색을 조절할 수 있으므로 표시 장치에 적용이 가능한 효과를 갖는다.
상기와 같은 포토닉 크리스탈 표시 장치는 외광을 반사하여 영상을 표시하는 것으로서, 백 라이트 등의 광원을 요구하지 않으며, 특히 실외 또는 밝은 조명 하에서 저전력으로도 영상을 표시할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 포토닉 크리스탈층(15) 자체의 색이 변화하여 영상을 표시하므로, 별도의 컬러 필터를 요하지 않으며, 하나의 화면을 구현하는 데 있어서 모든 픽셀을 이용할 수 있다. 예를 들어 R/G/B 서브 픽셀로 이루어진 종래의 표시 장치는, R, G, B 중 어느 하나의 색상을 구현하기 위해서, 다른 두 서브 픽셀은 블랙 영상을 표시하여야 하므로, 실질적인 해상도가 낮아지는 문제가 발생하였다. 반면, 본 발명에 의한 포토닉 크리스탈 표시장치는 어떤 색을 표시하더라도 모든 픽셀을 이용하므로 실질적인 해상도가 증가하는 효과를 갖는다.
상기 구조의 표시 패널(100)은 각각의 픽셀마다 하나의 데이터 라인이 필요하여 대면적의 표시 패널(100)을 구현하기에는 적합하지 않다. 대면적의 표시 패널을 구현하기 위하여, 각 픽셀은 스위칭 소자를 구비하고, 이를 통해 각각의 픽셀에 공급되는 데이터 신호를 제어할 수 있다.
도 10은 액티브 매트릭스 방식의 포토닉 크리스탈 표시 패널을 설명하기 위한 개략도이다.
표시 패널(200)은 교차 배열된 복수의 게이트 라인(GL) 및 데이터 라인(DL)들을 포함한다. 각 픽셀들은 상기 게이트 라인(GL) 및 데이터 라인(DL)들이 교차하여 정의되는 영역에 형성되며, 각 픽셀들은, 게이트 전극이 상기 게이트 라인과 접속되고, 소스 전극이 데이터 라인에 접속되며, 드레인 전극이 각 픽셀마다 구비된 포토닉 크리스탈 광학 소자(101) 의 전극 또는 이온 전도체와 접속되는 스위칭 소자(TFT)를 포함한다.
상기 표시 패널(200)을 구동하기 위하여 포토닉 크리스탈 표시 장치는 게이트 드라이버(130), 데이터 드라이버(110) 및 타이밍 컨트롤러(120)를 포함한다.
타이밍 컨트롤러는 외부로부터 입력되는 각종 제어 신호들을 이용하여 게이트 제어 신호(GCS) 및 데이터 제어 신호(DCS)들을 생성하고, 이를 게이트 드라이버(130) 및 데이터 드라이버(110)로 출력함과 아울러 외부로부터 입력되는 영상 데이터를 정렬하여 데이터 드라이버(110)로 출력한다.
게이트 드라이버(130)는 게이트 제어 신호(GCS)를 입력받아 상기 게이트 라인(GL)들을 구동하는 게이트 신호를 생성하고, 이를 각 게이트 라인(GL)들로 출력한다.
데이터 드라이버(110)는 상기 데이터 제어 신호(DCS)에 응답하여 상기 영상 데이터를 각 데이터 라인(DL)들로 출력한다.
각 픽셀마다 구비된 스위칭 소자(TFT)들은 상기 게이트 신호에 응답하여 상기 각 영상 데이터를 각 픽셀로 공급한다.
도 11은 표시 패널(200)의 픽셀의 구조를 설명하기 위한 단면도이다. 스위칭 소자(TFT)는 기판(10)상에 소스, 드레인 영역(1019a, 1019b)을 포함하는 반도체층(1011)과, 상기 반도체층(1011)상에 위치하는 게이트 절연막(1012)과, 상기 게이트 절연막(1012)상에 위치하는 게이트 전극(1014)과, 상기 게이트 전극(1014)을 덮도록 형성된 제 1 층간 절연막(1015)과, 상기 소스, 드레인 영역(1019a, 1019b)을 노출하도록 상기 제 1 층간 절연막(1015)이 식각된 위치에 구비된 소스, 드레인 전극(1013a, 1013b)을 포함한다.
상기 소스 드레인 전극(1013a, 1013b) 상에는 제 2 층간 절연막(1016)이 위치하고, 드레인 전극(1013b)을 노출하도록 콘택홀(1017)이 형성되며, 콘택홀(1017)을 통해 드레인 전극(1013b)과 접속된 전극(1018)이 위치한다. 전극(1018)은 제 1 이온 전도체(11)와 접속되며, 상기 제 1 이온 전도체(11)의 저항을 낮출 수 있다. 상기 전극(1018)은 경우에 따라서는 구비되지 않아도 무방하며, 드레인 전극(1013b)과 제 1 이온 전도체(11)가 직접 접속되도록 형성될 수도 있다. 여기서, 전극(1018)은 금속 또는 투명 도전체로 형성될 수 있다.
제 1 이온 전도체(11)와 동일한 층에는 평탄화막(22)이 형성될 수 있다. 평탄화막(22)은 제 1 이온 전도체(11)의 두께와 동일한 두께를 가지며, 상기 제 1 이온 전도체(11)와 동일한 높이를 갖는다.
제 1 이온 전도체(11)와 평탄화막(22) 상에는 제 1 유전 탄성체(14)가 위치한다. 제 1 유전 탄성체(14)는 제 1 이온 전도체(11)에 대응되는 위치에만 형성될 수도 있고, 기판(10)의 전면에 형성될 수도 있다.
제 1 유전 탄성체(14) 상에는 포토닉 크리스탈층(15)이 위치한다. 포토닉 크리스탈층(15)은 각 픽셀마다 상기 제 1 이온 전도체(11)에 대응되는 위치에 형성된다. 상기 제 1 유전 탄성체(14)가 기판(10)의 전면에 형성되는 경우, 제 1 유전 탄성체(14)는 복수개의 홀(144)을 포함하고, 상기 홀(144) 내에 포토닉 크리스탈층(15)이 위치할 수 있다.
포토닉 크리스탈층(15) 상에는 제 2 유전 탄성체(16)가 위치한다. 제 2 유전 탄성체(16) 또한 제 1 이온 전도체(11)에 대응되는 위치에만 형성될 수도 있고, 기판(10)의 전면에 형성될 수도 있다.
제 2 유전 탄성체(16)상에는 제 2 이온 전도체(17)가 위치한다. 제 2 이온 전도체(17) 또한 제 1 이온 전도체(11)에 대응되는 위치에만 형성될 수도 있고, 기판(10) 전면에 공통전극 형태로 형성되어도 무방하다.
또한 본 발명에 의한 포토닉 크리스탈 표시 장치는 제 2 이온 전도체(17)의 저항을 낮추기 위하여 제 2 이온 전도체(17)와 접속되도록 상부 전극(1020)을 더 구비할 수 있다.
상기 제 2 이온 전도체(17) 및 상부 전극(1020) 상에, 상기 기판(10)에 대향되도록 상부 기판(1000)이 더 위치한다. 상부 기판은 제 2 이온 전도체(17) 및 상부 전극(1020)을 포함하는 기판(10) 전면에 형성된 보호층에 의해 대체되어도 무방하다.
상기 제 1, 2 이온 전도체(11, 17), 제1, 2 유전 탄성체(14, 16) 및 포토닉 크리스탈층(15)은 앞서 설명한 것과 동일한 물질로 형성된다.
본 실시예에서는 편의상 제 1 실시예에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자를 포함하는 표시 패널(200)을 설명하였지만, 앞서 설명한 실시예들 중 어떤 형태의 포토닉 크리스탈 광학 소자를 사용하더라도 무방하다.
예를 들어, 제 3 실시예에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자를 사용하는 경우, 도 12에 도시된 것과 같이 전극(1018) 을 감싸도록 전극(1018)과 동일한 층에 평탄화막(22)이 형성되고, 평탄화막(22) 및 전극(1018) 상에 유전 탄성체(14), 포토닉 크리스탈층(15) 및 이온 전도체(17)가 적층되도록 형성되며, 그 상부에 상부 기판(1000) 또는 보호층이 위치하도록 형성되며, 이온 전도체(10)와 상부 기판(1000) 사이에 상부 전극(1020)을 더 포함할 수도 있다.
한편 다른 실시예에 의한 포토닉 크리스탈 광학 소자가 적용하는 경우에도, 유전 탄성체(14) 및 그 상부에 위치하는 이온 전도체(17)는 기판의 전면에 형성될 수 있다. 또한, 유전 탄성체(14)의 픽셀에 대응되는 영역에는 복수개의 홀이 위치하고, 상기 홀 내에 상기 포토닉 크리스탈층(15)이 위치하는 구조로 형성될 수 있다.
상기 각 실시예에 따른 포토닉 크리스탈 광학 소자의 구조는 이전에 설명하였으므로, 상세한 설명은 생략한다.
이같은 액티브 매트릭스 포토닉 크리스탈 표시 장치는, 게이트 라인으로부터의 게이트 신호에 응답하여 데이터 라인으로부터의 데이터 신호를 각 픽셀에 공급하는 스위칭 소자(TFT)를 구비함으로써, 하나의 게이트 라인 및 데이터 라인을 이용하여 복수의 픽셀들을 구동할 수 있는 특징을 갖는다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
10: 기판 11: 제 1 이온 전도체
14: 제 1 유전 탄성체 15: 포토닉 크리스탈층
16: 제 2 유전 탄성체 17: 제 2 이온 전도체
100, 200: 표시 패널 110: 데이터 드라이버
120: 타이밍 컨트롤러 130: 게이트 드라이버
101: 포토닉 크리스탈 광학 소자 1011: 반도체층
1019a, 1019b: 소스/드레인 영역 1012: 게이트 절연막
1014: 게이트 전극 1015: 제 1 층간 절연막
1013a, 1013b: 소스/드레인 전극 1016: 제 2 층간 절연막
1017: 콘택홀 1018: 전극
22: 평탄화막 1020: 상부 전극
1000: 상부 기판

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  17. 기판 상에 매트릭스 형태로 배열된 복수의 픽셀들을 포함하는 표시 패널을 포함하고,
    상기 표시 패널은,
    기판 상에 상기 각 픽셀에 대응되는 위치에 구비된 제 1 이온 전도체와, 상기 제 1 이온 전도체 상에 위치하는 포토닉 크리스탈층, 상기 포토닉 크리스탈층 상에 위치하는 제 2 이온 전도체, 및 상기 제 1 이온 전도체와 상기 포토닉 크리스탈층 사이에 위치하는 제 1 유전 탄성체를 포함하고,
    상기 제 1 유전 탄성체는 상기 픽셀에 대응되는 일정 영역에만 구비된 복수의 수납홀을 포함하고, 상기 포토닉 크리스탈층은 상기 복수의 수납홀 내에 구비되고,
    상기 표시 패널은, 교차 배열된 복수의 게이트 라인 및 데이터 라인을 더 포함하고,
    상기 각 픽셀은, 상기 데이터 라인과 상기 제 1 이온 전도체 사이에 연결된 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 스위칭 소자의 게이트 전극은 상기 게이트 라인에 접속되고, 상기 스위칭 소자의 소스 전극은 상기 데이터 라인에 접속되며, 상기 스위칭 소자의 드레인 전극은 상기 제 1 이온 전도체에 접속되는 포토닉 크리스탈 표시 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 표시 패널은,
    상기 포토닉 크리스탈층과 상기 제 2 이온 전도체 사이에 위치하는 제 2 유전 탄성체를 더 포함하는 포토닉 크리스탈 표시 장치.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 표시 패널은, 상기 제 1 이온 전도체의 하부에 위치하는 제 1 전극 및 상기 제 2 이온 전도체의 상부에 위치하는 제 2 전극 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 포토닉 크리스탈 표시 장치.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 표시 패널은 상기 제 1 이온 전도체와 동일한 층에 위치하는 평탄화막을 더 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 유전 탄성체는 상기 기판의 전면에 위치하는 포토닉 크리스탈 표시 장치.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 2 이온 전도체는, 상기 기판의 전면에 형성된 공통 전극 형태인 포토닉 크리스탈 표시 장치.
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  24. 기판 상에 매트릭스 형태로 배열된 복수의 픽셀들을 포함하는 표시 패널을 포함하고,
    상기 표시 패널은,
    상기 픽셀에 대응되는 영역에 위치하며, 투명 도전체로 이루어진 제 1 전극과, 상기 제 1 전극 상에 위치하는 제 1 유전 탄성체와, 상기 제 1 유전 탄성체 상에 위치하는 포토닉 크리스탈층 및 상기 포토닉 크리스탈층의 상부에 위치하는 제 2 이온 전도체를 포함하고,
    상기 제 1 유전 탄성체는 상기 픽셀에 대응되는 일정 영역에만 구비된 복수의 수납홀을 포함하고, 상기 포토닉 크리스탈층은 상기 복수의 수납홀 내에 구비되고,
    상기 표시 패널은, 교차 배열된 복수의 게이트 라인 및 데이터 라인을 더 포함하고,
    상기 각 픽셀은, 상기 데이터 라인과 상기 제 1 전극 사이에 연결된 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 스위칭 소자의 게이트 전극은 상기 게이트 라인에 접속되고, 상기 스위칭 소자의 소스 전극은 상기 데이터 라인에 접속되며, 상기 스위칭 소자의 드레인 전극은 상기 제 1 전극에 접속되는 포토닉 크리스탈 표시 장치.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 1 전극과 동일한층에 상기 제 1 전극과 동일한 높이로 위치하는 평탄화막을 더 포함하는 포토닉 크리스탈 표시 장치.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 포토닉 크리스탈층과 상기 제 2 이온 전도체 사이에 위치하는 제 2 유전 탄성체를 더 포함하는 포토닉 크리스탈 표시 장치.
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  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 유전 탄성체는, 상기 기판의 전면에 위치하는 포토닉 크리스탈 표시 장치.
  29. 삭제
  30. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 2 이온 전도체는, 상기 기판의 전면에 형성된 공통 전극 형태인 포토닉 크리스탈 표시 장치.
  31. 제 24 항에 있어서,
    상기 기판은 블랙 기판인 포토닉 크리스탈 표시 장치.
  32. 제 17 항에 있어서,
    상기 게이트 라인을 구동하는 게이트 드라이버;
    상기 데이터 라인을 구동하는 데이터 드라이버; 및
    게이트 제어 신호를 생성하여 상기 게이트 드라이버에 공급하고, 데이터 제어 신호를 생성하여 영상 데이터와 함께 상기 데이터 드라이버에 공급하는 타이밍 컨트롤러를 더 구비하는 포토닉 크리스탈 표시 장치.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 게이트 드라이버는 상기 게이트 제어 신호에 따라 게이트 신호를 생성하여 상기 게이트 라인으로 출력하고,
    상기 데이터 드라이버는 상기 데이터 제어 신호에 따라 상기 영상 데이터에 대응되는 데이터 신호를 상기 데이터 라인으로 출력하는 포토닉 크리스탈 표시 장치.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 게이트 라인으로부터의 상기 게이트 신호에 따라 상기 스위칭 소자가 온 되는 동안, 상기 영상 데이터에 대응되는 상기 데이터 신호가 상기 데이터 라인으로부터 상기 제 1 이온 전도체로 공급되는 포토닉 크리스탈 표시 장치.
  35. 제 24 항에 있어서,
    상기 게이트 라인을 구동하는 게이트 드라이버;
    상기 데이터 라인을 구동하는 데이터 드라이버; 및
    게이트 제어 신호를 생성하여 상기 게이트 드라이버에 공급하고, 데이터 제어 신호를 생성하여 영상 데이터와 함께 상기 데이터 드라이버에 공급하는 타이밍 컨트롤러를 더 구비하는 포토닉 크리스탈 표시 장치.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 게이트 드라이버는 상기 게이트 제어 신호에 따라 게이트 신호를 생성하여 상기 게이트 라인으로 출력하고,
    상기 데이터 드라이버는 상기 데이터 제어 신호에 따라 상기 영상 데이터에 대응되는 데이터 신호를 상기 데이터 라인으로 출력하는 포토닉 크리스탈 표시 장치.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 게이트 라인으로부터의 상기 게이트 신호에 따라 상기 스위칭 소자가 온 되는 동안, 상기 영상 데이터에 대응되는 상기 데이터 신호가 상기 데이터 라인으로부터 상기 제 1 전극으로 공급되는 포토닉 크리스탈 표시 장치.
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