KR20010105159A

KR20010105159A - 전계 방출 전하 제어 미러(ｆｅａ-ｃｃｍ)

Info

Publication number: KR20010105159A
Application number: KR1020017004751A
Authority: KR
Inventors: 윌리엄피. 로빈슨; 마이클제이. 리틀; 에릭에이. 지포드
Original assignee: 추후제출; 솔루스 마이크로 테크놀로지스 인코포레이티드
Priority date: 1998-10-15
Filing date: 1999-10-14
Publication date: 2001-11-28
Also published as: WO2000022472A1; CA2347726A1; US6034810A; EP1121618A1; KR100662144B1; AU6497899A; JP2002527790A

Abstract

밝고, 콘트래스트가 크며, 컴팩트하고, 넓은 영역을 가지며, 고해상도인 광변조기(50)는 전하 제어 미러(CCM)를 처리하기 위해 전계 방출기 어레이(FEA)(52)를 이용한다. FEA는 CCM에 전하 패턴을 증착하고, 이는 축적되는 전하량에 따라 마이크로미러(58)를 편향시키는 정전력을 생성한다. FEA와 조합되어 사용되는 CCM은 여러 다른 활성화 모드, 가령, 인력 모드, 척력 모드, 그리드 활성화 모드, 막 활성화 모드와, 여러 다른 전하 제어 모드, 가령, RC 붕괴, RC 지속, 그리고 전하 제어를 구현하기 위해 여러 다른 방식으로 배치될 수 있다.

Description

전계 방출 전하 제어 미러(ＦＥＡ-ＣＣＭ){FIELD EMISSION CHARGE CONTROLLED MIRROR(FEA-CCM)}

화상 디스플레이 장치는 전기 신호를 가시 화상으로 변환하는 데 사용된다. 투사 디스플레이 장치와 직접 주시 디스플레이 장치에 가장 널리 쓰이는 기술은 음극선 튜브(CRT)로서, 주사 전자총이 진공 사이에서 단일 빔의 전자를 쏘아, 인광체로 코팅된 양극을 주사한다. 전자는 개별 인광체를 투과하여, 인광체들이 빛을 방출하게 하고 직접적인 가시 화상을 생성하게 한다. 필요에 의해, 전자총은 인광체 스크린을 래스터 주사하는 양극으로부터 멀리 위치하여야 한다. 그 결과, 고해상도 대화면 직접 주시 디스플레이 장치는 이에 상응하여 매우 커지고 무겁게 된다.

성능 저하없이 기존 CRT의 길이 및 무게 제한을 극복할 수 있는 평면 CRT를 만들고자 지난 40년동안 수많은 시도가 있었다. 전자 소스와 기계적 구조의 엄청난 복잡도로 인해 몇몇 예외사항을 빼고는 거의 대부분의 노력이 상업화에 실패하였다. 그러나, 전계 방출 디스플레이 장치(FED)라는 새로운 대안이 최근에 나타나서이러한 문제들을 극복할 수 있다는 것을 보여주었다. FED는 매트릭스 형태로 형성되는 저온 음극 어레이, 대기압을 지지하기 위한 스페이서, 그리고 전자 빔을 가시 광선으로 효율적으로 변환하기 위한 음극-발광성 인광물질을 이용한다. 전류/전압 관계의 비선형성은 높은 콘트래스트비를 제공하면서 방대한 정보 내용 디스플레이의 매트릭스형 처리를 가능하게 한다.

FED는 CRT의 최고의 성질(풀 칼라, 풀 그레이스케일, 밝기, 비디오 레이트 속도, 넓은 시야각, 넓은 온도 범위)과 평판(Flat Panel) 기술의 최적의 속성(얇고, 가벼우며, 선형성을 가지고, 색 수렴효과를 가짐)을 조합한다. 그러나, 현재 생산되는 FED는 그 제작 및 진공 패키징 문제들로 인해 디스플레이 크기가 가령 10인치(화면의 대각선 길이)와 같이 제한된다. 디스플레이 크기가 대형인 기존 CRT의 무게 및 크기 제한을 극복하는 것이 평면 CRT 개발의 가장 중요한 동기이기 때문에, 앞서 디스플레이 화면이 작다는 것은 FED 기술의 성공적인 상용화에 큰 문제가 된다.

FED를 평가하기 위해서는 전계 방출의 물리적 원리를 이해하여야 한다. 금속 전도체 표면의 전위 장벽은 전자를 물질의 벌크에 가둔다. 이 전위 장벽은 일함수라고 불리며, 페르미 레벨과 장벽 높이 사이의 전위차로 정의된다. 전자가 물질을 떠나기 위하여, 전자는 일함수 보다 큰 에너지를 얻어야 한다. 이는 열적 여기(열이온적 방출), 전자 및 이온 충돌(제 2 방출), 그리고 광자 흡수(광전효과)를 포함한 여러 방식으로 달성될 수 있다. 파울러-노드하임(Fowler-Nordheim) 방출이나 전계 방출은 방출된 전자가 물질의 일함수보다 큰 에너지를 얻지 않는 점에서 다른형태의 방출과 다르다.

물질 표면에 외부에서 가해지는 전기장이 전자 터널링이 발생하는 점까지 전위 장벽을 좁힐 때 전계 방출이 발생하며, 따라서 전계 방출은 열이온적 방출과는 크게 다르다. 포함된 열이 없기 때문에, 전계 방출기는 "저온 음극" 전자 소스이다. 상당한 터널링 전류를 발생시키기 위해 금속 전도체의 표면에 30-70MV/cm 수준의 전기장을 가할 필요가 있다. 가령, 전극이 전도체 표면으로부터 1㎛에 위치할 때, 상당한 전류 흐름을 유도하기 위해 전극과 음극 사이에 1000V가 필요할 것이다. 1000V에서 처리되는 평판 디스플레이(FPD)는 거의 쓸모가 없다. 따라서, 필요한 처리 전압을 낮추기 위해 "전계 향상(증가)"이 사용된다.

전계 방출기는 연결 음극 전극, 유전층, 그리고 이에 근접한 고립형 추출 게이트를 갖춘 날카로운 점이다. 게이트와 음극 사이에 양전위가 가해지면, 균일한 전기장이 유전체에 생성된다. 그러나 날카로운 팁이 존재하므로, 팁에 압축된 동전위선이 생성되고, 따라서 높은 전기장이 생성된다. 전계 향상은 기하학적 성질로서, 팁의 날카로운 정도에 크게 좌우된다. 유전체는 비-향상 전계를 막아야한다. 그래서, 전계 향상이 전계 방출기의 작동에 중요하다. 전계 향상으로, 추출 게이트에 가해지는 합리적이 전압이 상기 지점에서 전자를 방출시키게 한다.

도 1에 도시되는 바와 같이, 진공 패키지 FED(10)는 매트릭스형 저온 음극 어레이(12), 대기압을 지지하는 스페이서(14), 그리고 음극발광형 양극(16)을 포함한다. 음극 어레이(12)는 산재한 전계 방출기 팁(17)으로 절연층(도시되지 않음)에 의해 분리되는 행과 열의 전도체로 이루어진다. 이 층들은 글래스와 같은 절연 기판(18)에 증착된다. 행과 열이 교차하는 위치가 화소를 형성한다. 행 전도체는 추출 게이트로 작용하고, 열 전도체는 음극에 연결된다.

양극(16)은 인광체 스크린으로서, 인광체 가루(20)로 이루어진다. 상기 인광체 가루(20)는 글래스 기판(22)의 검은 매트릭스 내에 증착되는 것이 일반적이다. 전체 양극(16)은 얇은 알루미늄층으로 덮히고, 이 알루미늄층은 스크린에 충돌하는 전자를 내놓으며, 전원으로 이들을 복귀시킨다. 음극과 스크린은 스페이서 물질과 함께 정렬되고, 밀폐되며, 진공화되어, 진공 패키지를 완성한다.

각각의 화소로부터의 전자 방출은 게이트와 음극 사이 순방향 바이어스에 의해 제어된다. 벌크 물질의 범위로부터 벗어나면, 방출된 전자는 인광체 스크린을 향해 가속된다. 음극에 대해 양전위로 바이어스되는 집광 그리드(도시되지 않음)는 스크린을 향한 전자의 가속에 따라 전자를 집광시키기 위해 자주 사용된다. 스크린에 가해지는 전압은 음극 전압이나 방출된 전자보다 높아야 한다. 전자들이 인광체 입자를 덮는 Al층을 투과할 때 대부분의 전자 에너지에 손실이 없도록 스크린 전압이 충분히 높아야한다.

도 1에 도시되고 도 2에 더욱 상세히 도시되는 바와 같이, 진공 패키지의 작동, 특히 음극 어레이(12)의 작동을 제어하기 위해 구동 전기장치(24)가 필요하다. 구동 전기장치 서브시스템은 전력 모듈(26), 비디오 컨트롤러(28), 패널 컨트롤러(30) 그리고 행/열 드라이버(32, 34)를 포함한다. 입력이 아날로그냐 디지털이냐에 따라 구성요소 서브시스템이 달라질 것이다.

적, 녹, 청(RGB) 정보를 포함하는 아날로그 복합 비디오 신호와 타이밍 신호에 대해, 비디오 컨트롤러(28)는 아날로그 비디오 신호를 샘플링하고, 이를 디지털화하며, 그리고 이를 RGB 성분으로 분리한다. 수평 및 수직 타이밍 정보 역시 복합 입력으로부터 추출된다. 비디오 컨트롤러(28)는 디지털화된 비디오 정보를 패널 컨트롤러(30)로 표준 디지털 비디오 인터페이스 규약에 정해진 형태로 보낸다. 이 표준은 디지털 RGB 데이터를 병렬 18비트, 수평 및 수직 동시성, 화소 클럭, 데이터 유효 신호까지 구체화한다. 비디오 컨트롤러에 요구될 수 있는 다른 처리과정은 색포화, 밝기, 그리고 콘트래스트의 조절과 감마 보정이다.

FED를 디지털 입력을 수용하는 다른 FPD 기술과 호환가능하게 유지하기 위하여, 패널 컨트롤러(30)는 표준 디지털-인터페이스 신호를 수용하여야 하고, FED 행/열 드라이버(32, 34)를 구동하기 위해 필요한 신호들을 추출하여야 한다. 대부분의 경우에, 디지털 인터페이스에 나타나는 신호들은 행/열 드라이버에 의해 직접 사용되고, 패널 컨트롤러의 기능은 최소한이다. 그러나, 사용되는 구동 접근법에 따라, 그리고 드라이버의 설계에 따라, 일부 기능이 패널 컨트롤러에 요구될 것이다.

FED에 이미지를 디스플레이하기 위해 선 단위 처리가 사용된다. 일반적으로, 행 연결은 FED 게이트이고, 열 연결은 FED 음극이다. 행은 상부로부터 하부까지 순차적으로 주사된다. 각각의 행이 선택됨에 따라, 선택된 행의 화소들의 전류를 변조시키기 위해 열이 사용된다. 이 결과는 기존 CRT의 비점(flying spot)에 의해 생성되는 것보다 더 긴 휴지 시간을 유발한다. 휴지시간이 길수록, 주어진 밝기에 대한 화소 전류가 낮아지며, 따라서 높은 밝기의 CRT에 발생하는 광선 발산과 인광체포화의 문제를 제거할 수 있다.

화소 사이에 가해지는 전압은 행-선택 전압과 열 전압 사이의 차이다. 전형적인 FED에서, 완전히 "흰" 밝기를 얻기 위해 대략 80V의 게이트-음극 전압이 필요하다. "흑색" 레벨의 화소 OFF 전류는 50V 이하이다. 각각의 화소의 강도를 제어하기 위해 사용되는 변조 전압은 백색과 흑색 레벨 사이의 차이고, 또는 30V이다. 기능적 관점에서 볼 때, 행 드라이버는 한 라인으로부터 다른 라인으로 디스플레이 장치가 주사될 때 오직 한 개의 행 선택 신호만을 제공하는 매우 간단한 회로이다. 열 드라이버는 그레이-스케일 화상 정보를 화소로 보내고, 기능적 복잡도와 대역폭 성능에서 행 드라이버와 다르다.

열 드라이버로 화소 강도를 변조하는 방법이 두가지 이상 존재하며, 전력 소모, 음극 결함의 가능성, 필요한 부하 구동 능력, 그리고 디스플레이 균일성을 포함한, 각각의 접근법과의 상호보상(trade-off)이 존재한다. 선행하는 접근법은 진폭 편조(AM), 펄스폭 변조(PWM), 그리고 혼합된 AM/PWM 접근법이다. 이 접근법들 각각은 전압이나 전류 소스로 열 드라이버를 갖추면서 사용된다.

평면 CRT가 제시되고 FED 기술을 이용하여 제한된 양으로 생성되었지만, FED 산업은 방출 디스플레이 장치의 내재적인 제한점으로 인해 전계 방출기 어레이의 진공 조립체 및 제작에서의 여러 중대한 문제점에 직면하고 있다. 매우 밝은 디스플레이를 얻기 위해 인광체는 높은 전력 레벨로 구동되어야 하고, 이는 인광체 수명을 크게 줄인다. 인광체 디스플레이 장치의 밝기가 1년 사용후 반으로 감소한다는 것은 프로젝터계에서 잘 알려진 사실이다. 추가적으로, 칼라 디스플레이 장치용RGB 인광체의 정렬은 까다롭다. 더욱이, 알루미늄 코팅을 투과하고 이 수준에서 인광체를 작동시키는 데 필요한 전압은 전계 방출기의 기대 수명을 줄게 한다. 이러한 신속한 에이징으로 인하여, FED가 투사 디스플레이 장치에는 적합하지 않다.

그 결과, FED는 텔레비젼과 컴퓨터 디스플레이 장치와 같은 직접적인 가시 디스플레이 장치로 그 용도가 현재 제한되고 있다. 이 경우에는 27인치나 16인치의 대형 디스플레이가 흔한 일이다. 불행하게도, 음극 및 양극 구조를 제작하기 위해 사용되는 얇은 필름과 굵은 필름의 공정들은 서로 호환불가능하다. 디스플레이 장치의 수명을 보존하면서 진공을 이끌어내고 유지하는 청정 장치를 생성하기 위해, 청정 박막 공정을 지저분한 후막 공정과 호환시키는 것은 매우 어렵다. 소비자 요구에 부합하는 대형 디스플레이 크기와 고해상도는 인광체의 총표면영역을 증가시킴으로서, 따라서, 시간에 따라 기체를 내보낼 수 있는 오염물에 대한 숨길 공간을 증가시킴으로서, 이 문제를 악화시킨다.

FED의 스페이서는 기계적으로 강하고 안정도가 높아야 한다. 그래서 주변 진공에 잘 적응하며 높은 항복 전압을 가져야 할 것이다. 추가적으로, 스페이서의 전기저항은 양극과 음극 사이의 누출 전류를 최소화할만큼 충분히 높아야한다. 그러나, 저항은 전하구축이 산재하도록 충분히 낮아야 하기도 하다. 현재, 스페이서는 견고한 픽 앤드 플레이스 과정을 이용하여 분리식으로 제작되고 양극에 위치한다. 이는 시간 및 비용 소요가 크다. 매우 밝으면서 시간이 지나도 밝기를 유지하는 대형 디스플레이 영역을 가지는 FED를 생성하기 위한 측면에서, 앞서 기술된 패키징 및 성능 제한은 산업적 유용성을 저하시킨다.

Leard 외 다수에게 허여된 미국 특허 5,196,767 호는 미국 특허 제 5,287,215 호에 기술되는 바와 같은 변형식 반사막과 같은 2차원 신호 프로세서 요소에 제어 전자 방출을 제공하는 매트릭스형 전계 방출기 어레이나, 액정 어레이를 이용하는 광학 신호 프로세서를 공개한다. 광학 신호 프로세서는 적응성 광학 장치, 광학적 연산, 타겟 인지, 트래킹, 그리고 신호 처리 및 광학 통신에의 응용에 특히 적합하다.

본 발명은 전계 방출 디스플레이 장치(FED)에 관한 것이고, 특히 전하 제어 미러(CCM)를 처리하기 위해 전계 방출기 어레이(FEA)를 사용하는 광 변조기 기술에 관한 것이다.

도 1은 공지된 FED의 단면도.

도 2는 도 1에 도시되는 FED에 대한 구동 전기장치의 도면.

도 3은 본 발명에 따르는 마이크로미러 전계 방출 디스플레이(FEA-CCM)의 단면도.

도 4는 투여 FEA-CCM 시스템의 대표도.

도 5a와 5b는 각각 FEA-CCM의 단면도와 토끼풀형 미러 구조의 평면도.

도 6은 척력 모드 FEA-CCM의 단면도.

도 7은 전하 제어를 갖춘 막-활성화 FEA-CCM의 단면도.

도 8은 프리바이어스 편향을 가지는 막-활성화 FEA-CCM의 단면도.

도 9는 전하 제어를 갖춘 컬렉터-그리드 활성화 FEA-CCM의 단면도.

도 10은 이중-활성화 FEA-CCM의 단면도.

도 11은 광선 에너지 제어를 갖춘 컬렉터-그리드 활성화 FEA-CCM의 단면도.

도 12a-d는 다른 처리 모드에 대한 미러 편향의 그래프.

(도면부호)

12 ... 저온 캐소드 어레이 14 ... 스페이서

16 ... 양극 17 ... 전계 방출기 팁

18 ... 절연 기판 20 ... 인광체 가루

22 ... 글래스 기판 24 ... 구동 전기장치

26 ... 전력 모듈 28 ... 비디오 컨트롤러

30 ... 패널 컨트롤러 32 ... 행 드라이버

34 ... 열 드라이버

앞서 문제점의 측면에서, 본 발명은 얇고, 밝으면서, 콘트래스트가 높고, 집적가능한 비디오 광 변조기를 제공한다. 상기 비디오 광 변조기는 상대적으로 저렴하면서도 시간이 지나도 균일한 성능을 보인다.

이는, 전계 방출기의 어레이가 전하 제어 미러를 다루는, 진공 패키지형 전계 방출 전하 제어형 미러(FEA-CCM) 디스플레이 장치로 달성된다. (마이크로미러 당 1개 이상의) 전계 방출기는 CCM에 전하 패턴을 충돌시키고 증착하는 제 1 전자를 안내하도록 구동되고, 이 전하 패턴은 마이크로미러를 편향시키는 정전력을 생성한다. 컬렉터 그리드는 CCM으로부터 방출되는 제 2 전자를 모은다. 진공 패키지를 지지하는 스페이서는 미러 포스트 영역에 형성되는 것이 선호되며, 컬렉터 그리드를 또한 지지한다. CCM과 FEA를 분리식으로 제작하여 함께 짝을 이루게하거나, 또는 FEA에 CCM을 제작하여 이 구조물을 글래스 페이스플레이트에 연결함으로서, FEA-CCM이 조립될 수 있다.

인력 모드, 척력 모드, 막 활성화, 그리고 그리드 활성화를 포함하는 수많은정전적 활성화 모드가 고려된다. 추가적으로, RC-붕괴, 이중-에너지 처리, 전하 제어, 차등 전하 제어, 그리고 이중 편향 전하 제어 등을 포함하는 비디오 프레임들 사이에서 마이크로미러를 소거하거나 재설정하기 위해, 여러 기술이 가용하다.

본 발명은 진공 셀 내에 완전히 밀폐되는 전하 제어형 미러(CCM)와 함께 전계 방출기 어레이(FEA)를 사용하는, 얇으면서도 매우 밝은 광 변조기를 제공한다. 전계 방출 전하 제어형 미러(FEA-CCM)는 인광체의 밝기와 에이징 특성에 의해 제한되지 않는다. 프레임 시간 이용과 빔-미러 정렬을 개선시켜서, 디스플레이 밝기와 해상도를 증가시키고자, 화소와 서브-화소 자리를 독립적으로 처리하는 FEA의 능력이 이용될 것이다.

빔들이 인광체의 Al 코팅을 투과하지 않기 때문에, 전계 방출기는 보다 낮은 빔 에너지에서 동작할 수 있다. 이는 전계 방출기의 수명을 증가시키고, 제작 과정에서 고압 요구사항을 완화시키며, 미러 형태를 최적화하는 유연성을 제공한다. 추가적으로, CCM의 일체형 부분으로 스페이서가 형성될 수 있어서, 픽 앤드 플레이스 과정을 피할 수 있고, 필 인자(fill factor)를 개선시킬 수 있다. 더욱이, 한 개의 미러가 적, 녹, 청색에 대해 사용되어 정렬 문제를 해결할 수 있는 칼라 순서 모드를 FEA-CCM이 사용할 수 있다.

그 중에서도, 전계 방출기 제작을 위해 사용되는 박막 공정과 호환되는 박막공정을 이용하여 CCM이 제작된다는 것이 무엇보다도 중요하다. 그 결과, FEA-CCM에 청정 진공을 이끌어내고 유지하는 것이 보다 용이해진다. 이는 대형 디스플레이 크기를 가능하게 한다. CCM과 FEA를 서로 따로 제작하여, 이들을 정렬시키고 연결하여, FEA-CCM이 조립될 수 있고, 그후 조립된 장치에 진공을 이끌어낼 수 있다. 대안으로, FEA와 CCM이 한 공정으로 제작되어, 글래스 페이스플레이트에 연결되어, 진공하에서 밀폐될 수도 있다.

FEA-CCM 구조

도 3에 도시되는 바와 같이, 진공 패키지 FEA-CCM(50)은 CCM(54)와 조합하여 도 1에 도시되는 종류의 FEA(52)를 사용한다. FEA(52)는 CCM(54)과 충돌하도록 집광되고 전위 V_A로 가속되는 제 1 전자를 방출한다. 가속되는 제 1 전자는 제 2 전자를 방출하고, 제 2 전자들은 컬렉터 그리드(56)에 의해 모인다. 제 2 전자의 모임과 조합된 FEA(52)의 제어된 변조는 캔틸레버형 마이크로미러(58)의 어레이를 편향시키는 정전력을 생성하는 전하 패턴을 CCM(52)에 형성한다. 본 발명에 의해 고려되는 수많은 CCM 구조와 정전 활성화 모드는 도 5-12를 들어 아래에서 상세히 설명될 것이다.

FEA(52)는 행 전도체(60)와 열 전도체(62)로 구성되며, 이들은 절연층(64)에 의해 분리되고 교차하는 개별 화소를 형성한다. 이 층들은 글래스와 같은 절연 기판(66)에 증착된다. 패턴처리된 열 전도체와 절연층은 하부 행 전도체(60)를 노출시키고, 상기 하부 행 전도체(60)는 열 전도체(62)에 근접한 부근에 날카로운 지점을 가지는 전계 방출기 팁(68)을 지지한다.

행 전도체(60)는 전계 방출기에 대한 음극으로 작용하고, 열 전도체(62)는 추출 게이트에 연결된다. 추출 게이트와 음극 사이에 양전위가 가해질 경우, 방출기는 팁(68)에 동전위선의 압축을 생성하고, 이는 날카로운 음극 팁으로부터 전자 방출을 이끈다. 상대적으로 양전위인 V_F로 유지되는 가속 집광 그리드(70)는 제 1 전자가 갭 사이에서 가속됨에 따라 제 1 전자를 집광한다.

구동 전기장치(72)는 전류 소스 Ie와 직렬 저항 Re로 도시되는 각각의 이어지는 행에 대하여 음극(60)을 작동시킴으로서, 그리고 동시에, 가변 저항 소스 Vc로 도시되는 각각의 열 전도체(추출 게이트)(62) 상의 전위를 변조함으로서, FEA(52)를 처리한다. 행이 작동할 때, 방출 전류가 전계 방출기 팁으로부터 흐른다. 직렬 저항은 높은 음극 빔 전류에서 팁으로부터 멀어져가는 전류를 배제함으로서 안정기로 작용한다. 외부 직렬 저항은 행 전도체 아래의 저항층으로 대체될 수 있다. 진폭 변조는 진폭이나 펄스폭 변조 기술을 이용하여 각각의 열에 가해지는 전압 Vc를 변화시킴으로서 달성된다.

CCM(54)은 글래스와 같은 기판(76)에 형성되는 캔틸레버형 마이크로미러(58)의 어레이를 포함한다. 선택되는 활성화 모드와 전하 제어 기술에 따라 미러(58)와 기판(76) 사이에 한 개 이상의 유전체나 전도층(78)이 형성될 수 있다. 도시되는 바와 같이, 상기 층들 중 하나가 양극을 형성하고, 접지 기준 전위에 연결된다. 대안으로, 이 층은 기판(76)의 전면에 형성될 수도 있다. 컬렉터 그리드(56)는CCM(54) 위에서 지지되고, 제 1 전자의 충돌에 따라 방출되는 제 2 전자를 모으기 위해 상대적 양전위인 V_G로 유지된다. 컬렉터 그리드가 없을 경우, 제 2 전자들은 CCM에서 스스로 재증착될 것이고, 바람직한 화상을 없앨 것이다. 컬렉터 그리드의 기능을 실행하여 추가 구조에 대한 필요성을 제거하고자 FEA의 집광 그리드(70)의 일부를 이용하는 것이 가능하다.

스페이서(82)를 미러의 포스트 영역에 형성하게 하는 기존의 박막 반도체 기술을 이용하여 CCM이 제작된다. 이는 공지된 FED와 마주칠 때의 필 인자(fill factor) 문제를 크게 감소시킨다. 추가적으로, 도 3에 도시되는 바와 같이 컬렉터 그리드(56)를 지지하기 위해, 그리고 미러 자체나 다른 상세한 실시예에서의 CCM 구조를 지지하기 위해, 스페이서가 사용될 수 있다. 대안의 실시예에서, 기판은 작은, 글래스 볼이 위치하여 반데르발스 결합력으로 그 상태를 유지하는, 움푹 들어간 어레이의 형태로 형성될 수 있다. 글래스 볼은 FEA에 필요한 기계적 지지를 제공할 수 있다.

FEA는 CCM 제작과 고도로 호환되는 박막 반도체 기술을 이용하여 제작될 수도 있다. FEA와 CCM이 정렬되고 함께 연결된다. 후방 글래스의 펌프 아웃 튜브(84)는 공동(cavity)을 투과한다. 조립되면, 공동은 적정 온도에서 펌핑되고, 튜브(84)는 CRT와 유사한 진공을 구축하고자 밀폐된다. 스페이서(82)는 대기압에 대해 FEA와 CCM을 지지한다. 대안으로, 펌프 아웃 튜브가 필요하지 않은 경우에 FEA와 CCM을 덮을만큼 충분히 큰 진공 챔버에서 FEA와 CCM이 정렬되고 연결될 수 있다.

축적대로 도시되지는 않지만, FEA-CCM은 매우 얇은 소자이다. FEA와 CCM 기판은 2MM 두께가 적절하며, 기판-미러와 미러-그리드 간격은 10 미크론 수준이며, 컬렉터 그리드-포커스 그리드와, 포커스 그리드-음극 간격은 대략 2미크론 수준이다. 그리고 전계 방출기 팁의 두께는 대략 1미크론이다. 스페이서(포스트)는 2:1이나 3:1의 애스펙트비를 가질 수 있다. FEA와 미러를 분리시키기 위해 컬렉터 그리드와 미러 사이에 막이 삽입될 경우, 전체 간격은 약간 증가한다. 역으로, 컬렉터 그리드가 집광 그리드의 일부일 경우, 간격은 감소한다.

투영 FEA-CCM

도 4에 도시되는 종류의 투영 시스템, 비-방출 직접적 관찰 시스템, 즉, "백지(white paper)", 그리고 평판 시스템 등을 포함하는 여러 다른 화상 디스플레이 시스템에 앞서 기술한 기본적인 FEA-CCM 기술이 사용될 수 있다. "백지"와 평판 시스템은 직접적 관찰을 수용하기 위해 수정된 미러 구조를 필요로할 수 있다. FEA-CCM 기술이 다른 전기광학적 분야에서의 응용을 찾을 수도 있다.

도 4에 도시되는 바와 같이, 단색 투영 FEA-CCM(100)은 반사기로 아크 램프와 같은 밝은 광원(102)을 포함한다. 이 구조의 한가지 주된 장점은 디스플레이 밝기가 (FEA-CCM에 연결될 수 있는) 아크 램프의 크기에 의해서만 제한되지, 인광체의 방출 성질에 의해 제한되지 않는다는 점이다. 아크 램프는 발산 광을 생성하고, 이는 광의 자외선 성분을 흡수하도록 선택되는 모집 광학 장치(104)에 의해 집광된다. 저온 미러(106)는 광의 적외선 성분을 통과시키고, 집광된 "저온"광을 컨덴서 렌즈(108)로 보낸다. 상기 컨덴서 렌즈(108)는 집광된 광을 회전 미러/슐리어렌 스탑(Schlieren stop)(110)으로 모이게 한다. 회전 미러는 발산되는 광을 전계 렌즈(112)로 다시 보내고, 상기 전계 렌즈는 광을 재집광하여 FEA-CCM(50)에 화상이 맺히게 한다. 저온 미러(106)와 렌즈(108) 사이에 RGB 칼라 휠을 위치시킴으로서 칼라 디스플레이 장치가 구현된다. 이는 흔히 "칼라 순서(color sequential)"로 명명된다.

FEA-CCM(50)은 비디오 처리 신호에 따라, 개별 마이크로미러의 편향의 진폭에 비례하게 광에 공간변조를 가한다. 공간적으로 변조된 광은 전계 렌즈를 다시 통과하게 되고, 여기서 회전 미러/슐리어렌 스탑(110)을 통해 뻗어가는 평면으로 집광된다. 슐리어렌 스탑은 공간적으로 변조된 빔을, 투영 렌즈(116)를 통과한 강도 변조 빔으로 변환하고, 상기 투영 렌즈(116)는 강도 변조된 광을 집광하고 스크린에 그 화상을 맺히게 한다.

투영 FEA-CCM은 가용 인광체 FED에 비해 수많은 제작시의 장점을 제공한다. 먼저, FED는 투영 시스템에 사용될만큼 충분히 밝지 않지만, 앞서 언급한 바와 같이 직접적 관찰 디스플레이 장치에 제한된다. 그 결과, 투영 시스템의 FEA-CCM 대각선 길이는 훨씬 짧아질 수 있고, 소비자 텔레비젼의 최소한 27인치에 대해 5인치 정도이다.

더 작은 디스플레이 크기의 장점은 여러 가지이다. 먼저, 전체 덮히는 표면 영역이 적어서, 양호한 진공을 얻고 유지하기기 보다 용이하다. 둘째로, 글래스의 27인치 조각보다 글래스의 5인치 조각의 조작 및 조립이 더 간단하고 저렴하다. 더욱이, 소형 디스플레이 장치의 경우에, 전면 및 후면 글래스 패널이 40mil 두께만을 필요로하기 때문에 웨이퍼 박막 글래스에 전체 FEA-CCM을 제작하는 것이 가능하다.

CCM 구조

FEA와 조합되어 사용되는 CCM은 인력 모드, 척력 모드, 그리드 활성화 모드, 또는 막-활성화 모드와 같은 다른 활성화 모드들과, RC 붕괴, RC 지속, 소거/판독, 그리고 차등 제어와같은 다른 전하 제어 모드를 구현하기 위해 여러 다른 방식으로 배치될 수 있다. 이 장치, 성능 요구사항, 그리고 비용 팩터들은 어느 구조가 최적인 지를 규정할 것이다. 콘트래스트 비, 정전적 불안정성, 전하 효율, 프레임 시간 이용, 광학적 효율, 비디오 성능, 미러 균일성, 해상도, 필 인자(fill factor), 제작 복잡도, 그리고 비용은 중대한 점들 중 일부이다.

인력 모드

1970년대 초반, Westinghouse Electric Corporation은 전자총에 의해 처리되는 캔틸레버 광선 변형 미러 장치를 개발하였다. 이는 R.Thomas 외 다수의 "The Mirror-Matrix Tube: A Novel Light Valve for Porjection Displays"(ED-22 IEEE Tran. Elec. Dev. 765(1975)와, 미국 특허 3,746,310호, 3,886,310호, 3,896,338 호에 기술되어 있다. 이 장치는 토끼풀형 미러 구조에 전하 패턴을 증착한 저에너지 주사 전자 빔에 의해 처리되었으며, 이는 정전 활성화에 의해 미러 변부 근처의 기판에 위치하는 기준 그리드 전극을 향해 미러를 변형시켰다. 1) 저에너지에서 주사총에 의해 나타나는 대형 빔 점 크기로 인한 해상도 제한, 2) 제한되는 편향 범위, 3) 반데르발스 인력에 의해 유발되는 스틱션(stiction)과 스냅-오버(snap-over)로 인한 불안정성 문제로, Westinghouse 설계의 유용성은 크게 제한되었다.

도 5a와 5b에 도시되는 바와 같이, 기본 Westinghouse 타겟은 편향 범위를 크게 개선시키고 불안정성을 제거하도록, 그리고 FEA의 작은 점 크기와 조합하여 해상도를 크게 향상시키도록 수정되었다. 전극-미러 간격의 83%가지 편향 범위를 증가시키도록 미러 하부의 기준 전극을 정형하고 위치설정함으로서 편향 범위가 증가된다. 그리드 전위 V_G가 미러의 스냅-오버 한계 전위 Vth보다 작도록 CCM의 마이크로미러를 설계하고 제 2 컬렉터 그리드를 바이어스함으로서 안정성이 개선된다. 최대 미러 전위는 V_G보다 약간 큰 값에서 안정화된다. 정확한 차이는 제 2 전자의 저에너지 스펙트럼과 전극 형태에 따라 좌우된다. 미러 전위가 한계 전위 아래에서 효과적으로 나뉘어질 경우, 미러는 정전 인력으로 인해 스냅-오버될 수 없다. 이는 완전한 전극-미러 간격의 83%까지 유용한 편향 범위를 효과적으로 증가시킨다. 자체 제한 특성이 없다면, 미러는 한계 전위를 넘을 지 모른다거나 스냅-오버를 일으킬 수 있다는 공포로 편향 범위의 일부에서만 구동될 수 있다.

FEA-CCM(120)은 진공 내에 인력 모드 CCM(124)을 처리하기 위해 앞서 언급한 종류의 FEA(122)를 사용한다. CCM(124)은 매장형 전도층(128), 절연층(130), 전도층(132)으로 코팅된 글래스 기판(126)에 형성된다. 매장형 전도층(128)은 300옹스트롬 두께의 ITO, 절연층(130)은 3000 옹스트롬 두께의 SiO₂, 그리고 전도층(132)은 300 옹스트롬 두께의 전도성 금속이나 산화물의 박막이다. 미러층은 공통 포스트 영역(136)을 공유하는 네 개의 중앙 결합형 캔틸레버 빔(134a-d)의 토끼풀형 어레이에 패턴처리된다. 상기 공통 포스트 영역(136)은 기판 위 3-15 미크론에서 상기 빔들을 매달고 있다. 미러층은 포스트 영역(136)에 캔틸레버 빔을 연결하는 비틀림 만곡 힌지(138a-d)를 형성하도록 또한 패턴처리된다. 다른 힌지 설계도 가능하지만, 주어진 필 인자에 높은 적응성을 보이는 비틀림 힌지가 선호된다. 제 2 전자 컬렉터 그리드(142)를 지지하고 진공하에서 FEA(122)를 지지하기 위해 포스트 영역(136)에 절연 포스트(140)가 형성된다.

한 실시예에서, 프레임 시간 유용성을 개선시키기 위해 빔(134)에 제어 패드(144)를 형성하도록 제 2 방출 물질이 패턴처리될 수 있다. 제 1 전자의 랜딩 에너지에서, 패드와 빔이 반대방향의 전자 친화성을 보이도록, 즉 하나는 단위값보다 크고, 다른 하나는 단위값보다 작도록, 미러의 패드와 빔 물질이 선택된다. 그 결과, 패드와 캔틸레버 빔의 선택적 처리로 인해, 미러 전위가 위아래로 이동하게 된다. 가령, 소거/기록 모드에서, 제어 패드와 함께 정렬된 전계 방출기는 바람직한 기준 전위, 즉 소거 상태로 화소 전위를 이끌기 위해 먼저 활성화된다. 캔틸레버 빔 맞은편의 이 전계 방출기는, 기준 전위로부터 멀리(즉, 기록 상태) 화소 전위를 조절하기 위하여 변조된다. 차등 기록 모드에서, 현 화소값은 메모리에 저장되고 다음 화소값은 제어 패드나 캔틸레버 빔을 처리함으로서 기록된다. 어느 경우에도, FTU는 100%에 접근한다. 공지된 RC 붕괴 및 스위치형 컬렉터 그리드 기술이 사용될 수 있지만, FTU를 희생시킨다.

기판을 향해 캔틸레버 빔을 당기는 전위차를 형성하기 위한 기준을 제공하는 기준 전극은 공통 포스트(136)를 지지하는 전기적 고립 패드(148)의 어레이를 형성하도록 층(132)을 패턴처리함으로서 생성되는 것이 선호된다. 패드(148)는 캔틸레버 빔과 각각 같은 전위로 안정화된다. 따라서, 인력을 생성할 수 없다. 각각의 패드(148)는 미러 대각선의 일부(60%가 적절함)를 대각선으로 가지는 네 개의 애퍼쳐(150)를 가진다. 편향 범위의 유용한 부분을 증가시키기 위해, 이 구조는 미러의 팁 바로 아래에 패드(148)를 위치시킨다. 정전적 장애나 기계적 장애로 인해 미러가 스냅-오버되면, 미러는 패드(148)와 접촉할 것이다. 전도 패드와 미러가 동일한 전위로 유지되기 때문에, 악화시키는 기계적 힘이 존재하지 않으며, 반데르발스력이 최소화되어 미러가 스틱다운 될 수 없다.

양극 전위를 유지하는 매장층(128), 절연층(130), 패드(148)의 조합은 애퍼쳐(150)의 크기와 형태를 가지는 실제 기준 전극을 생성한다. 즉, 캔틸레버 빔이 애퍼쳐를 통한 매장층과 캔틸레버 빔 사이에 생성되는 전기장을 볼 수 있다. 전하 패턴이 미러에 기록되면, 전하의 일부가 패드(148)로 재분배될 것이고, 따라서 캔틸레버 빔의 인력에 공헌하지 않는다. 그러나, 대부분의 전하는 애퍼쳐(150) 위 캔틸레버 빔의 하부에 유지될 것이고, 기판을 향해 빔을 편향시키는 인력을 생성할 것이다.

정전적 불안정성의 위험은 적절한 미러 형태와 바이어싱 조건을 통해 제거되지는 않더라도 추가적으로 감소될 수 있다. 일정 전압(트랜지스터 처리)과 일정 전하(빔-처리)에서, 미러와 기준 전극 사이의 전위차가 한계 전위 Vth를 넘을 때, 스냅-오버가 발생한다는 것은 잘 알려져 잇다. 이때 한계 전위 Vth는 미러 형태에 의해 정해진다. 한계 전위, 즉, 임계 편향각은 일정 전압 모드에서보다 일전 전하 모드에서 더 클 것이다. 전위차가 Vth를 넘을 경우, 인력이 캔틸레버 빔의 탄성력을 복원을 압도할 것이다. 그래서, 기준 전극까지 줄곧 스냅을 일으킬 것이다. 스냅-오버를 일으키도록 FEA를 고의적으로 구동하지 않더라도, FEA는 잠재적으로 매우 높은 대역폭을 가질 것이고, 따라서 스냅-오버 한계를 지나는 미러 전위를 구동할 수 있는 잡음에 종속되기 쉽다.

제 2 전자 컬렉터 그리드(142)는 양극 전위에 대해 양전위 V_G로 바이어스되어, 입사되는 제 1 전자에 따라 마이크로미러로부터 그리드(142)까지 방출되는 제 2 전자를 운반하는 데 일조하는 균일한 전기장을 구축한다. 그리드 전위 V_G는 미러 전위의 상한을 결정하고, 이 상한은 V_G보다 약간 높다. 미러 전위가 상기 사안을 일시적으로 넘어야할 경우, 제 2 전자는 미러 전위를 안정화된 값으로 구동하도록 미러에 다시 증착될 것이다.

따라서, 그리드 전위 V_G가 한계 전위 Vth보다 작도록 미러와 바이어싱 조건을 배치함으로서 정전적 불안정성이 제거된다. V_G< Vth - V_B가 되도록, 한계 전위로부터 멀리 그리드 전위가 정해지는 것이 선호된다. 이때, V_B는, 미러 전위가 V_B약간 위의 값에서 안정화될 것이라는 사실을 설명하기 위한 안전한 범위이다. 그 결과, 미러 전위는 절대 한계 전위를 넘지 않으며, 스냅-오버를 일으키지 않는다. 본 방식으로의 스냅-오버 문제 제거는 유용한 편향 범위를 효과적으로 증가시키는 부가 효과를 가진다. 오버슈팅이나 스냅-오버의 위험없이 미러-기판 갭의 33%나88% 중 어느 것이든지, 미러는 전체 편향 범위에 대해 구동될 수 있다. 콘트래스트 비와 신뢰성이 디스플레이 장치 평가에 중요한 성능 표시자 중 두가지이고 Westinghouse 설계가 부적절한 주된 이유 중 두가지이기 때문에, 수정된 인력 모드 CCM이 FEA와 조합하여 사용될 때 디스플레이 기술에 상당한 개선점을 제시한다.

척력 모드

미국 특허 제 5,768,009호(발명의 명칭: "Light Valve Target Comprising Electrostatically-Repelled Micromirrors")는 미러를 작동시키기 위해 정전 척력을 사용하는 마이크로미러 타겟을 기술하고, FEA로 타겟을 처리하는 방식을 제시한다. 척력 작용은 매우 매력적이다. 왜냐하면, 구조가 간단하고, 편향 범위가 힌지 높이에 의해 제한되지 않으며, 스냅-오버의 위험이 제거되기 때문이다. 그러나, 아래에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 인력 작용에 비해 척력 작용의 전하 효율은 저조하다.

도 6에 도시되는 바와 같이, FEA-CCM은 진공 내에서 척력 모드 CCM(162)을 처리하기 위해 앞서 기술된 종류의 FEA(160)를 이용한다. 전기적으로 고립된 마이크로미러(164)의 어레이가 글래스 기판(166)에 형성되고, 상기 글래스 기판(166)은 양극을 형성하는 전도층(168)으로 코팅되는 것이 선호된다.

방출된 전자는 전위 V_A에 의해 양극을 향해 가속되고, 마이크로미러(164)와 충돌한다. 방출되는 제 2 전자는 컬렉터 그리드(170)에 의해 집광되어, 미러에 전하 패턴(172)을 남긴다. 인력 모드 CCM과 연계하여 기술한 바와 같이, FTU 개선을위해 미러에 제어 패드(174)가 형성될 수 있다.

척력 모드 구조에서, 각각의 미러(164)는 내향의 전기 전도 힌지(180)를 이용하여 하부 베이스 전극(178)에 연결되는 편향가능한 미러 요소(176)를 포함한다. 미러 요소(176)와 베이스 전극(178)이 전기적으로 연결되기 때문에, 이들(176, 178)은 동일한 전위로 유지된다. 베이스 전극이 전체 미러를 덮는한, 스냅-오버를 일으킬 수 있는 어떤 인력도 미러 요소에 가해질 수 없다.

FEA가 전하 패턴(172)을 미러 요소(176)에 기록할 때, 전하는 미러 전체에 즉각적으로 분포되고, 가장 낮은 전위 상태로 안정화된다. 미러 요소(176)의 하부면과 베이스 전극(178)의 상부면상의 유사한 전하들이 서로 척력을 미치기 때문에, 전하는 가장 낮은 전위 상태로 미러 요소(176)의 상부면과 베이스 전극(178)의 하부면 사이에 주로 분포될 것이다. 이 분포는 양극과 컬렉터 그리드가 존재할 때 편향될 수 있다. 양극을 향해 양전하 패턴이 기울어질 수 있고, 그 역도 마찬가지다.

미러 요소(176)와 베이스 전극(178)의 마주보는 면에 어떤 전하도 존재하지 않기 때문에, 유일한 척력은 미러의 변부 주위에서의 프린지 효과로 인한 것이다. 유용한 미러 크기를 위해, 프린지 효과는 비교가능한 미러 크기에 대한 인력보다 작다. 이는 개선된 힌지 순응성과 증가된 전하 증착의 조합을 통해 극복될 수 있다. 단위 힘당 편향 크기가 증가하도록, 힌지가 보다 얇고 휘기쉽게 제작될 수 있다. 전체 어레이에 균일하게 반응하고 신뢰성있는 힌지를 제작하는 것에 어려움이 있다. FEA가 선으로 처리되기 때문에, 어레이의 열의 수만큼 거주 시간이 증가한다. 대략 수천배 증가한다. 그 결과, FEA는 단일 주사 전자총보다 마이크로미러에더 많은 전하를 증착할 수 있다.

막-활성화

1998년 10월 15일 출원된 계류중인 미국 특허 출원 제 09/172,613 호("Membrane Actuated Charge Controlled Mirror")에 기술되는 종류의 막-활성화 CCM(190)는 FEA(192)와 조합하여 사용될 수 있다. 막-활성화 CCM은 CCM으로부터 전자 빔을 분리시키는 절연 박막을 특징으로 한다. 막-활성화 장치는 제한된 편향 범위, 높은 빔 전류, 정전적 불안정성, 공지된 정전적 활성화 마이크로미러 타겟과 관련된 해상도의 문제점을 극복하고, 반사도와 비디오 성능에 대해 미러를 최적화시킨다.

도 7에 도시되는 바와 같이, 부동 전위 절연 박막(194)이 FEA(190)와 마이크로미러 어레이(196) 사이에 삽입된다. 막(194)은 매우 얇아서, 유동 전하 패턴으로 인해 가해진 전기장에 대해 그 자체를 지지할 수 없고, 포스트(198) 어레이에 지지되어야 한다. 선호되는 실시예에서, 포스트(198)는 진공 하에서 제 2 전자 컬렉터 그리드(200)와 FEA(190)를 지지하도록 연장된다.

마이크로미러 어레이(196)와 포스트 어레이(198)는 투과성 기판(202)에 형성된다. 이 기판은 부동태층으로 덮힐 수 있다. 매우 얇은 투과성 동전위층(204)의 상부에 전도 그리드(도시되지 않음)가 형성되는 것이 선호되며, 상기 동전위층(204)은 기판(202) 위의 투과성 전도성 필름이나 옥사이드(TCF나 TCO)로서 그 두께는 100 옹스트롬 이하이다. 층(204)은 미러와 기판 사이에 전위차가 생기는 것을 방지하며, 만약 전위차가 생길 경우엔 불안정성을 유발할 수 있다. 전도 그리드는 모든 마이크로미러 사이에 전기적 연속성을 보장하며, 기준 전위(양극 전위가 적절함)로 이들 모두를 유지한다. 층(204)은 두 기능을 모두 실행할 수 있지만, 전기적 연속성을 보장하기 위해 더 두꺼울 수도 있다. 이는 광학적 효율을 감소시킨다.

한 특정 실시예에서, 공통 포스트 영역을 공유하는 네 개의 중앙 연결된 캔틸레버 빔의 토끼풀형 어레이로 미러층이 패턴처리된다. 포스트가 미러의 공통 포스트 영역에 위치하는 일체형 갈매기-날개형 구조로 포스트와 막이 형성된다. 막은 다수의 환기 구멍을 가진 채로 형성되고, 상기 구멍은 마이크로미러와 막을 동시에 풀기위한 처리 중 사용되고 미러 사이에서 이격된다. 이 구조에서는 포스트의 직경이 상대적으로 크고 애스펙트 비가 작다. 이는 필 인자(fill factor)를 크게 감소시키지 않으면서 제작에는 바람직하다.

막(194)은 상부 및 하부 어트랙터 패드(206, 208)의 어레이 사이에 놓이는 것이 선호된다. 이 두 어레이는 커패시터 어레이를 형성한다. 어트랙터 패드(attractor pad)(206)는 작용력의 균일성을 개선시키고, 해상도를 개선시키며, 미러-막 간격의 83%까지 편향 범위를 증가시키도록 배치될 수 있다. 어트랙터 패드(208)는 패드(206)에 증착되는 어떤 전하도 미러를 형성하여, 미러에 의해 보이는 전하량을 감소시키지 않으면서 막의 후면에 증착되는 전하 패턴을 막의 정면까지 효과적으로 전송한다. 이는 단위 증착 전하당 편향을 증가시킨다. MgO와 같은 안정화 물질로 코팅될 때 막에 직접 전하를 기록함으로서 적절한 전하 국부화가 달성될 수 있다.

마이크로미러(196)를 활성화시키기 위하여, 라인처리된 FEA는 고정 빔의 어레이를 방출하고, 그 제 1 전자는 컬렉터 그리드(200)를 통해 가속되어 막(194)의 후면, 특히 어트랙터 패드(206)에 충돌한다. 그래서 제 2 전자가 방출되고 컬렉터 그리드에 집광된다. 이는 막의 어트랙터 패드(206)에 전하 패턴을 효과적으로 기록하고, 이 전하패턴은 어트랙터 패드(208)로 전송되어, 막(194)과 마이크로미러(196) 사이에 국부화된 전위차를 생성하며, 이 전위차가 기준 전위로 유지된다.

이 전위차는 기판(202)으로부터 외향으로 멀리 막(194)을 향해 마이크로미러(196)를 피봇시키고 편향시키는 인력을 생성한다. 이 인력은 미러 힌지의 탄성력에 대항한다. 편향 정도는 주어진 형태에 대한 힘 균형 방정식에 의해 결정된다. 빔 전류의 변조는 전위차의 크기와 미러(196)에 가해지는 정전력을 결정하여, 미러의 편향을 결정한다. 컬렉터 그리드(200)는 미러의 스냅-오버 한계 전위 아래의 전위 V_G로 바이어스될 수 있어서, 미러가 편향 범위를 벗어나는 것을 방지하고 막에 대해 스냅-오버되는 것을 방지할 수 있다.

막은 자체 전위를 바람직한 소거 전위로 가져옴으로서 소거된다. 한가지 접근법은 제어 패드(208)를 어트랙터 패드(206)에서 처리하는 것으로서, 이들 각각은 빔 랜딩 에너지에서 단위값 이상 및 이하의 전자 친화도를 보여준다. 제어 패드(208)를 처리함으로서 막 전위는 그리드 전위로 상승하고, 미러 자체를 처리함으로서 바람직한 전위로 막 전위가 하강한다. 대안으로, RC 붕괴나 스위치형 컬렉터 그리드 기술이 사용될 수 있다.

도 8에 도시되는 바와 같이, 막-활성화 CCM은 편향 범위를 증가시키도록 수정될 수 있다. 이는 기판과 막(194) 사이 중간쯤에 놓이도록 마이크로미러를 상승시키고 포스트(198)의 높이를 증가시킴으로서 달성된다. 이는 막의 기판에 스냅-오버를 일으키지 않으면서 미러의 편향에 충분한 공간을 제공한다.

매장형 전도층(210)과 스페이서층(212)은 기판(202) 위, 층(204) 아래에 형성된다. 바이어스 전위(214)가 매장층(210)과 TCF나 TCO층(204) 사이에 가해져서, 매장층(210)의 전위가 층(204)과 마이크로어레이의 기준 전위보다 작다. 개별 미러가 이 일정한 전기장을 확인하기 위하여, 마이크로미러 아래에 애퍼쳐(216)를 형성하도록 층(204)이 패턴처리된다. 애퍼쳐(216)는 어트랙터 패드의 형태를 닮은 미러의 팁으로부터 후방으로 이격되는 것이 선호된다.

애퍼쳐(216)를 통해 작동하는 전기장은 기판을 향해 미러를 인력으로 당기는 힘을 미러에 가한다. 막으로부터의 인력이 없을 때, 모든 마이크로미러는 바이어스 편향으로 낮게 유지된다. 바이어스 전위(214)가 일정하기 때문에, 스냅-오버를 유발할 수 있는 힘을 생성하는 전이 잡음 전압을 제거하도록 막이 두껍게 필터링될 수 있다. 전하가 막에 기록될 때, 막은 막을 향해 상향으로 미러를 편향시키는 반대 인력을 가할 것이다. 연장된 범위의 편향에 추가하여, 자연적인 기계적 휴지 위치에 대해 양방향으로 미러를 편향시키는 것은 힌지에 미치는 비대칭 응력의 크기를 감소시킬 것이고, 힌지의 수명과 성능을 증가시킬 수 있다.

그리드-활성화

1998년 10월 15일 출원된 미국특허출원 09/172,614호("Grid-Actuated Charge Controlled Mirror and Method of Addressing the Same")에서 기술되는 종류의 그리드-활성화 CCM(230)은 FEA(232)와 조합되어 사용될 수 있다. 그리드-활성화 CCM은 마이크로미러에 인력을 가하도록 제 2 전자 컬렉터 그리드와 기준 전극으로 작용하는 마이크로미러 어레이에 근접하게 위치하는 미세한 전도성 메시를 특징으로 한다. FEA는 미러가 컬렉터 그리드로 당겨지도록 음전하 패턴을 미러에 기록하기 위해 미러의 제 2 방출 계수가 1보다 작은 랜딩 에너지에서 FEA가 작동한다. 양극이 어레이에 또한 가까이 위치할 경우, 미러가 그리드와 양극을 향해 선별적으로 편향되도록 미러가 처리될 수 있다. 이 구조는 제한된 편향 범위의 문제점과, 공지 인력-모드 장치에 관련된 불안정성을 해결한다. 스냅-오버 위험에 맞딱드리지 않으면서 적절한 편향 범위를 제공하기에 충분히 크도록 미러-그리드 간격이 제작될 수 있다. 도 9에 도시되는 바와 같이, CCM(230)은 양극 전위로 유지되는 전도층(234), 절연층(236), 전기적으로 고립된 전도 패드(238) 어레이로 코팅된 글래스 기판(233)을 포함한다. 전도 패드는 기판에 축적될 수 있는 정적 전하 또는 스트레이 전하로부터 마이크로미러를 효과적으로 보호한다. 그렇지 않을 경우 이 전하들은 인력을 생성할 것이다. 미세한 전도 메시(242), 즉, 컬렉터 그리드는 마이크로미러(240) 위의 절연 포스트(244)의 어레이에 지지되고(10-20 미크론위), 양극 전위에 대해 양전위 +V_G로 바이어스된다. 필 인자(fill factor)를 개선시키기 위하여, 절연 포스트가 미러의 포스트 영역에 형성되는 것이 선호되며, 진공에서 FEA를 지지하기 위해 연장된다. 한 개 이상의 전계 방출기(246)가 각각의 마이크로미러(240)와 정렬되도록, FEA, 컬렉터 그리드, 마이크로미러 어레이가 정렬된다. 도시되는 한 실시예에서, 한 개 이상의 전계 방출기는 미러 위 제어 패드(248)에 또한 정렬된다. 제어 패드(248)는 제 2 방출 물질로부터 형성되고, 100%에 접근하는 프레임 시간 이용을 얻기 위해 소거중에 사용된다.

컬렉터 그리드와 양극 전위 간의 전위차는 컬렉터 그리드가 알짜 양전위 Q를 가지고 양극 전극이 같은 크기의 반대 전하 -Q를 가지도록 마이크로미러(240) 주위에 균일한 전기장을 구축한다. 증착된 전하가 없을 경우, 미러 전위는 양극 전위와 그리드 전위 사이의 한 전위로 안정화되어, 양극과 그리드 사이의 전기장을 만족시킨다. 미러 전위의 정확한 값은 컬렉터 그리드와 양극의 형태 및 마이크로미러에 대한 상대적 간격에 따라 좌우된다. 각각의 마이크로미러에서의 알짜 전하가 0이더라도, 전도 미러 금속의 자유 전자는 자체적으로 분포되어, 음전하 -Q가 미러의 상부면에 위치할 것이고, 양전하 Q가 미러의 하부면에 위치할 것이다. 전도 미러 내부의 전기장이 0이 되도록 균일한 전기장을 취소하는 전기장을 전하 불균형이 생성하며, 전하 불균형은 마이크로미러에 같은 크기 반대방향의 인력을 생성한다. 알짜 힘이 0이기 때문에, 마이크로미러는 움직이지 않는다.

FEA(232)는 전위 V_A를 통해 양극 전위를 향해 가속되는 제 1 전자를 방출한다. 제 1 전자는 컬렉터 그리드(242)를 통과하고 마이크로미러(240)와 충돌하여, 제 2 전자를 방출시키고 컬렉터 그리드(242)에 의해 모집된다. 마이크로미러의 알짜 전하는 미러의 제 2 전자 방출 곡선의 제 1, 2 크로스오버 사이에서 작동함으로서 양으로 구동될 수 있고, 상기 영역 외부에서 작동함으로서 음으로 구동될 수 있다. 빔 전류 및 방출 계수는 전하량을 함께 결정한다. 소스가 마이크로미러(240)에 전하 패턴을 기록할 때, 전하는 마이크로미러 표면에 가장 낮은 전하 상태를 찾는다. 알짜 전하가 음일 경우, 전하는 컬렉터 그리드(242) 맞은편 마이크로미러 상부에 위치할 것이다. 역으로, 알짜 전하가 양일 경우, 양극 전위 맞은편 마이크로미러의 하부에 전하가 위치할 것이다.

알짜 전하가 미러 전위를 변조한다. 이는 마이크로미러에 힘의 불균형(편향을 유발)을 생성한다. Westinghouse 장치와 같은 공지된 마이크로미러 타겟은 양극 전위에 매우 가깝게(4-5 미크론) 마이크로미러를 위치시키며, 즉, 기판 표면의 양극 전극에 매우 가깝게 마이크로미러를 위치시키며, 개방형 메시 컬렉터 그리드로부터 매우 멀리(200미크론) 마이크로미러를 위치시키고, 그리고 미러가 기판에 당겨지도록 제 1 크로스오버 위와 제 2 크로스오버 아래에서 작동한다. 앞서 언급한 바와 같이, 이 구조는 불안정하고, 제한된 편향범위를 가진다.

도 9에 도시되는 바와 같이, FEA(232)는 미러에 음전하 패턴을 기록하도록 제 1 크로스오버 아래와 제 2 크로스오버 위 랜딩 에너지에서 작동되고, 컬렉터 그리드(242)는 마이크로미러에 충분히 가깝게 위치하여, 컬렉터 그리드를 향해 미러를 편향시킨다. 적절한 기준을 제공하기 위해, 그리드는 미세한 간격을 가져야 한다. 일반적으로 마이크로미러 당 한 개 이상의 셀을 가진다. 공지된 타겟에 사용되는 개방 전도 메시는 적절하지 않다. 미러를 당기기에 충분히 가까움에도 불구하고, 컬렉터 그리드(242)는 큰 편향 범위를 제공하고 불안정성 물제를 회피하기 위해 충분히 멀리 떨어진다.

전하 패턴은 제어 패드(248)를 처리함으로서 소거된다. 이는 컬렉터 그리드 전위까지 미러 전위를 상승시키기 위해 FEA 빔 에너지에서 1보다 큰 방출 계수를 가진다. 각각의 미러를 소거하는 대신에, 바람직한 크기의 전하를 차등적으로 기록하기 위해 미러와 제어패드를 선별적으로 처리하는 것이 가능하다. FEA는 특정 CCM 구조에 이상적으로 적절하다. 왜냐하면, 그 전계 방출기가 미러와 제어 패드의 노출부들을 처리하기 위해 필요한 서브화소 해상도를 쉽게 가질 수 있기 때문이다. 다음 전하 패턴이 마이크로미러에 기록되기 전에, FEA(232)는 먼저, 그리드 전위로 미러를 구동함과 연관하여 양전하를 오프셋하도록 미러에 충분한 음전하를 증착하여야 한다. 미러가 중성화되면, FEA(232)는 컬렉터 그리드를 향해 미러를 편향시키는 인력을 생성하도록 미러에 음전하 패턴을 증착할 수 있다.

도 10에 도시되는 바와 같이, 미러의 편향 범위는 a) 미러(240)의 포스트 높이를 증가시키고 그리드-기판 간격을 증가시킴으로서, 그리고 b) 마이크로미러 아래 각각의 전도 패드(238)에 애퍼쳐(250)를 형성함으로서, 증가될 수 있다. 대안으로, 기판 표면에 기준 그리드로 양극이 형성될 수 있다. 제어 패드(248)가 처리될 때, 미러는 소거되지 않고, 기판을 향해 최대크기로 편향된다. 미러의 노출부가 처리되면, 힘 균형이 컬렉터 그리드를 향해 이동하고 미러가 컬렉터 그리드를 향해 다시 편향된다. 대칭 제공을 위해, 양방향의 최대 편향은 거의 동일하다. 이는 편향 범위를 두배로 할뿐아니라, 시간에 따른 결정 그레인 구조로 인해 일부 힌지가오프셋을 일으키는 것을 방지한다.

기판을 향해 마이크로미러를 당기는 것은 공지된 장치에 매우 흔한 스냅-오버와 스틱션에 관한 관심을 끌지 못한다. 미러가 스냅-다운되면, 미러는 전도 패드(238)와 접촉할 것이고, 전도 패드(238)는 동전위로 유지될 것이다. 이는 반데르발스힘으로 인한 스틱션을 제거하지 못하지만, 앞서의 문제를 개선시킬 것이다. 이때의 절충사항은 일부 전하량이 감소하는 것이다. 미러에 증착되는 일부 양전하가 전도 패드로 이동할 것이다. 홀이 커질수록, 전하 희석이 작아진다. 더욱이, 미러 전위가 컬렉터 그리드 전위에 의해 제한되기 때문에, 스냅-오버에 대한 한계 전압이 컬렉터 그리드 전위 +V_G를 넘도록 CCM 형태와 바이어스 조건이 형성될 것이다. 이는 스냅-오버를 방지할 수 있다.

제어 패드(248)가 100% 가까이 FTU를 효과적으로 증가시키지만, 열 리드의 수를 FEA에 대해 두배로 하는 대가를 치른다. 증가된 팬 아웃(fan out)은 작은 디스플레이 크기에서의 문제일 수 있다. 동일한 결과를 생성하는 대안의 접근법이 도 11에 도시된다. 이 경우에, 제 2 전자 방출 계수를 안정화시키기 위해 미러가 MgO로 코팅되고, 랜딩 에너지는 마이크로미러 기록과 소거를 위한 크로스오버 점 중 하나의 주위에서 변조된다. 활성화를 위해 미러에 의해 요구되는 낮은 전압(1000V 미만)은 δ<1인 낮은 랜딩 에너지를 부여하는 접지 전위에 가까운 작은 전압과, δ>1인 높은 랜딩 에너지를 부여하는 제 1 크로스 오버 위의 큰 전압 사이에서 각각의 행 음극/방출기를 스위칭하는 것을 가능하게 한다. 이는 직렬 저항 R1, R2로구성되는 전압 디바이더(260)를 바이어스 전압 V_A사이에 연결함으로서 달성된다. 이는 R1과 R2 사이의 전압이 제 1 크로스오버 아래에 놓이도록 비율이 정해지는 크로스오버들 사이에 랜딩 에너지를 생성한다. 스위치(262), HEXFET는 주어진 행의 미러를 먼저 소거하고 다시 기록하기 위해 한 위치로부터 다른 위치로 행 음극/방출기를 스위칭한다. 인력 모드, 척력 모드, 막 활성화 모드에서도 이와 동일한 기술이 사용될 수 있다.

도 5-12에서 기술되는 바와 같이, 여러 다른 방법, 즉 인력 모드, 척력 모드, 막 활성화 모드, 그리드 활성화 모드에서의 활성화에 추가하여, RC 붕괴, 기록/소거 전하 제어, 차등 전하 제어, 그리고 이중 편향 전하 제어(도 12a-d까지 차례로 도시됨)를 포함하는 여러 다른 기술을 이용하여 CCM이 처리될 수 있다. RC-붕괴는 가장 간단하면서도 가장 빈약한 FTU를 제공한다. 대략 가용광의 1/3만이 변조된다. 도 12a에 도시되는 바와 같이, 마이크로미러는 바람직한 편향(300)으로 구동되고, 미러나 막의 전하가 나올 때 붕괴가 일어난다. 전하 제어는 미러/막과 제어패드를 선별적으로 처리하지만 100%에 접근하는 FTU를 제공하는 과정을 포함한다. 도 12b에 도시되는 바와 같이, 마이크로미러는 소거 상태 302로 먼저 구동되고, 다시 기록 상태 304로 구동된다. 그래서 마이크로미러가 프레임 전체를 통해 유지된다. 도 12c에 도시되는 바와 같이, 마이크로미러는 한 개의 소거상태 306으로부터 다음 상태로 차등적으로 구동된다. 도 12d에 도시되는 바와 같이, 마이크로미러는 기판을 향해 최대 편향에 상응하는 소거 상태 308로 먼저 구동되고, 다시바람직한 소거 상태 310으로 구동된다.

FEA-CCM이 단색 스케일 디스플레이 장치의 범주에서 기술되었으나, 본 발명은 칼라 디스플레이에도 똑같이 적용할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 칼라 투영 디스플레이 장치는 "칼라 순서"라고 불리는 칼라 휠을 이용하여 구현될 수 있다. 또한, 칼라 디스플레이 장치는 세 개의 광 밸브를 각각의 칼라 필터를 갖춘 채로 이용함으로서, 또는 공간 칼라 분리를 이루는 미러 삼각형을 가짐으로서 구현될 수 있다. 후자의 경우에, 삼각형의 세 개의 요소 각각은 다른 축을 따라 편향하고, 최종 광선은 투영 칼라 광선으로 재조합되기 전에 각각의 칼라 필터를 통과한다. FEA-CCM의 소형화는 세 개의 FEA-CCM이 (세개의 TIR 프리즘을 조합하는) 칼라 튜브의 세 개의 다른 측부에 장착되는 또다른 칼라 디스플레이 구조에 사용될 수 있게 한다. 이러한 모드의 작동은 앞서와 동일하고 칼라 튜브의 결과에서만 차이가 발생한다.

Claims

한 개의 광변조기로서,

상기 광변조기는 얇은 진공 셀, 전하 제어 미러(CCM)(54), 컬렉터 그리드(56), 전계 방출기 어레이(FEA)(52)를 포함하며,

상기 얇은 진공 셀은 투명 페이스플레이트를 가지고,

상기 전하 제어 미러(CCM)(54)는 상기 페이스플레이트의 내면에 인접하게 상기 진공 셀 내에 위치하며, 상기 CCM은 정전적으로 작동하는 마이크로미러(58)의 어레이를 포함하며,

상기 컬렉터 그리드(56)는 상기 진공 셀 내에 위치하고,

상기 전계 방출기 어레이(FEA)(52)는 제 1 전자를 방출하는 전계 방출기 팁의 어레이를 포함하는 상기 진공 셀 내에 위치하고, 상기 제 1 전자는 상기 컬렉터 그리드를 통해 가속되어 CCM의 후면과 충돌하여, 제 2 전자를 방출시키고 컬렉터 그리드에 모이게 하며, 상기 마이크로미러를 편향시키는 정전력을 생성하는 CCM 후면에 전하 패턴을 남기는 것을 특징으로 하는 광 변조기.
제 3 항에 있어서, 상기 마이크로미러와 전도 패드(148)가 동전위에 놓이도록 각각의 상기 마이크로미러가 전도 패드(148)에 장착되는 것을 특징으로 하는 광변조기.
제 1 항에 있어서, 상기 CCM은 상기 CCM 후면에 제어 패드(144) 어레이를 추가로 포함하고, 상기 제어 패드와 상기 CCM 후면 중 하나는 1보다 작은 제 2 방출 계수를 나타내고, 그 중 다른 하나는 1보다 큰 제 2 방출 계수를 나타내며, 상기 다수의 전계 방출기 팁은 비디오 레이트에서 전하 패턴을 리프레시 하기 위해 상기 제어 패드와 상기 CCM 후면에 제 1 전자를 교대로 보내는 것을 특징으로 하는 광변조기.
제 3 항에 있어서, 상기 전계 방출기 팁은 먼저, 상기 미러를 소거 위치로 편향시키도록 상기 제어 패드에 전하를 보내고, 그 다음에, 상기 미러를 다음 기록 위치로 편향시키도록 CCM 후면에 전하를 보내는 것을 특징으로 하는 광변조기.
제 3 항에 있어서, 상기 전계 방출기 팁은 상기 제어 패드와 상기 CCM 후면에 전하를 선별적으로 보내어서, 한 기록 위치로부터 다른 위치로 미러를 편향시키도록 전하 패턴이 CCM에 차등적으로 기록되는 것을 특징으로 하는 광변조기.
제 1 항에 있어서, CCM 후면은 FEA와 마주보는 마이크로미러의 표면이고, 상기 전하 패턴은 상기 컬렉터 그리드를 향해 마이크로미러를 정전적으로 당기는 음의 극성을 가지는 것을 특징으로 하는 광변조기.
제 1 항에 있어서, 상기 전하 패턴은 상기 FEA로부터 마이크로미러를 분리시키는 얇은 절연막(194)에 기록되어, 상기 막을 향해 상기 마이크로미러를 편향시키도록 하는 것을 특징으로 하는 광변조기.
제 1 항에 있어서, 각각의 상기 마이크로미러는 기준 전위로 유지되는 하부 기준 전극(128, 120, 150) 위에 매달리는 편향가능한 미러 요소를 포함하고, 상기 전하 패턴은 편향가능한 미러 요소와 그 하부 기준 전극 사이에 전위차를 생성하여, 기준 전극을 향해 미러 요소를 편향시키는 것을 특징으로 하는 광변조기.
제 8 항에 있어서, 상기 전하 패턴은 컬렉터 그리드의 전위를 향해 마이크로미러 전위를 증가시켜서, 마이크로미러와 기준 전극간의 전위차가 미러 요소를 편향시키고, 상기 전위차가 한계 전위를 초과할 때 상기 마이크로미러는 스냅-오버를 일으키며, 상기 컬렉터 그리드는 상기 한계 전위보다 작은 그리드 전위에서 바이어스되는 것을 특징으로 하는 광변조기.
제 1 항에 있어서, 대기압에 버티기 위하여 상기 페이스플레이트로부터 상기 FEA까지 뻗어가는 포스트 어레이를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광변조기.