KR20020010685A - 고효율 가변 반사 이미지 디스플레이에 있어서 내부전반사의 전기영동과 고굴절률 및 상변화 제어를 이용하는반사 이미지 디스플레이장치 및 그 방법 - Google Patents

고효율 가변 반사 이미지 디스플레이에 있어서 내부전반사의 전기영동과 고굴절률 및 상변화 제어를 이용하는반사 이미지 디스플레이장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

FluorinertTMElectronic Liquid와 같은 매질 내에서 부유하는 하전 입자(21)가 고반사율의 재료 상에 형성된 역반사 표면에서 내부 전반사(TIR)을 전기영동적으로 제어하는데 사용된다. 프리즘 구조(35,32,81)는 머리 위의 광원으로부터의 주변 광을 디스플레이 이미지를 향해 리디렉트하고, 이미지로부터 이미지 전방의 영역으로 리디렉트하여 고콘트라스트의 반사 디스플레이를 산출한다. 투명 평면 도파관(36) 전방 광, 디스플레이의 연속적으로 플레쉬되는 적색, 청색 및 녹색광은 풀 칼라 디스플레이를 생성시킨다. 또한, TIR은 기체-액체 상변화에 의해 또는 전기적, 화학적 및/또는 전기 화학적 방법을 사용하여 재료의 흡수 계수를 변경함으로써 역반사 표면면에서 제어될 수 있다.

Description

고효율 가변 반사 이미지 디스플레이에 있어서 내부 전반사의 전기영동과 고굴절률 및 상변화 제어를 이용하는 반사 이미지 디스플레이장치 및 그 방법{ELECTROPHORETIC, HIGH INDEX AND PHASE TRANSITION CONTROL OF TOTAL INTERNAL REFLECTION IN HIGH EFFICIENCY VARIABLE REFLECTIVITY IMAGE DISPLAYS}
1999년 9월 28일 발행된 미국특허 제5,959,777호(이하, "777특허"라 함)는 다중 픽셀 이미지 디스플레이장치를 개시하고 있다. 각 픽셀은, 입사광이 내부 전반사("TIR")를 겪는 반사상태와, TIR이 방지되는(예컨대, "감쇄"되는) 비반사상태를 갖는 적어도 하나의 소자를 갖는다. 이러한 방지는 TIR과 연관된 에버너슨트파(evanescent wave)를 변경함으로써 달성될 수 있다. 특히, 부재는 소자에 인접하게 위치되어 제1 및 제2위치 사이로 변형된다. 제1위치에서는 에버너슨트파가 TIR에 대한 통상적인 특성을 갖도록 부재와 소자 사이에 간격이 있게 된다. 제2위치에서, 부재는 소자와 광 접촉하게 되어(즉, 간격 두께가 광파장 길이 보다 실질적으로 작게된다.), 실질적으로 에버너슨트파와 간섭하게 되므로, TIR을 방지한다.
2000년 2월 24일 발간된 국제출원공보WO 00/10048호는 777특허에 개시된 발명의 다수의 개선책이 개시되는데, TIR 현상을 제어하기 위한 전기영동의 사용과, 평판 표면에서 TIR 현상이 일어나고 제어될 수 있도록 허용하는 방법으로 2개의 프리즘 표면을 통과하는 광의 리디렉션과, 평판 표면에서 TIR 현상의 간격 없는 제어를 달성하기 위해서 전기영동과 2중 프리즘 표면 모두의 사용을 포함한다.
본 발명은 다른 굴절률을 갖는 재료 사이의 경계에서 내부 전반사를 제어할 수 있게 감쇄시키는 반사 디스플레이장치 및 방법에 관한 것이다.
도 1은 유리:공기 경계에서 굴절을 겪는 광선을 개략적으로 묘사한 도면이다.
도 2는 종래 역반사기의 동작을 확대해서 나타낸 도면이다.
도 3은 전기영동 매질과 접촉하는 역반사의 고굴절률 프리즘 표면의 분할된 확대 단면도로, 전기영동 매질을 통해서 입자가 선택적으로 수송되어, TIR이 정상적으로 일어나는 프리즘 경계에서 매질의 광 특성을 변경한다. 도 3의 좌측은 프리즘 경계로 입사하는 광선이 TIR을 겪도록 전기영동 활동이 없는 것을 나타낸다. 도 3의 우측은 프리즘 경계로 입사된 광이 TIR을 겪지 않도록 TIR을 감쇄하는, 전기영동적으로 프리즘 경계로 수송되는 입자를 나타낸다.
도 4a는 프리즘의 미세-구조 표면의 부분을 확대한 같은 크기의 도면으로, 미리 설정된 각도, 이 경우 45°의 주변 광에서 표면에 입사한 광선이 이미지를 향하고, 그 다음 이미지가 광선을 이미지로부터 이미지를 보기 위한 바람직한 방향으로 반사되도록 프리즘 미세-구조 표면이 위치될 수 있다.
도 4b는 도 4a의 미세 구조 표면과 도 3의 전기영동:고굴절률 역반사 구조를 통합하는 고반사, 고콘트라스트 이미지 디스플레이 부분의 확대된 측면도이다.
도 5a는 투명한 평면 도파관 전방 광과 통합되는 고반사, 고콘트라스트 이미지 디스플레이의 부분을 확대한 단면도이다. 도 5b는 도파관으로부터 바람직한 방향으로의 광의 추출을 개선하기 위해서, 미세-구조 렌즈 정렬이 어떻게 도 5a의 구조에 통합될 수 있는 가를 나타낸 도면이다.
도 6은 액체:기체 상변화가 TIR을 제어하는 고반사, 고콘트라스트 이미지 디플레이의 분할된 확대단면도이다. 도 6의 좌측 부분은 프리즘 표면에서 인접해서 야기되는 기체가 굴절률 부정합을 제공해서 입사 광선이 TIR을 겪는 것을 나타낸다. 도 6의 중앙 부분은 프리즘 표면에 인접한 액체가 굴절률의 실질적인 정합을 제공하여 TIR을 감쇄시키는 것을 나타낸다. 도 6의 우측 부분은 상부와 하부챔버 사이에서 액체가 흐르는 구경을 묘사한다.
도 7은 전극이 적용되어 조정할 수 있는 반사율을 갖는 산화금속 반도체 필드효과 트랜지스터("MOS-FET")를 형성하는 역반사, 고굴절 프리즘 표면을 확대해서 묘사한 도면이다.
본 발명은, 777특허와 국제출원공보WO 00/10048호에 개시된 이미지 디스플레이를 더 개선한다. 제1실시예에 있어서는, FluorinertTMElectronic Loquid와 같은 매질 내에서 부유하는 하전 입자가 고굴절률 재료 상의 역-반사 표면에서 TIR현상을 전기영동적으로 제어하는데 사용된다. 제2실시예는 머리 위의 광원으로부터의 주변 광을 디스플레이 이미지를 향해서 그리고 이미지로부터 이미지 전방의 시계 영역(viewing region)으로 리디렉트하여, 고콘트라스트의 반사 디스플레이를 생성하기 위해 프리즘구조를 사용한다. 제3실시예는 전방 광에 대한 투명한 평면 도파관을 칼라 디스플레이에 사용한다. 제4실시예는 기체-액체 상변화에 의해서 역반사 표면에서 TIR현상을 제어한다. 제5실시예는 전기적, 화학적 및/또는 전기 화학적 방법을 사용하여 재료의 흡수 계수를 변화시킴으로써, TIR현상을 제어한다.
다른 속도로 다른 매질 내를 진행하는 광이 널리 공지되어 있다. 속도의 변화는 굴절로 귀결된다. 스넬의 법칙은 한 매질로부터 제1매질과 다른 굴절률을 갖는 다른 매질로 통과하는 광선의 행동을 특징짓는다. 특히,
n1sinθ1=n2sinθ2(1)
여기서, 도 1에 나타낸 바와 같이, n1은 제1매질의 굴절률이고, n2는 제2매질의 굴절률이며, θ1은 제1매질에서의 광선과 두 매질 사이의 경계에 대한 법선 벡터 사이의 입사(또는 굴절) 각도이고, θ2는 제2매질에서의 광선과 법선 벡터 사이의 입사(또는 굴절) 각도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 광선(10)이 유리와 같은 보다 높은 굴절률 매질로부터 공기와 같은 보다 낮은 굴절률 매질로 통과할 때, 광선(10)은 법선(12)으로부터 굴절된다. 거꾸로, 낮은 굴절률의 매질로부터 높은 굴절률의 매질로 광선이 통과되도록 광선(10)의 방향이 역으로 되면, 광선은 법선(12)을 향해 굴절된다.
따라서, 광선(10)이 유리로부터 공기로 나올 때, 광선(10)의 굴절부는 법선(12)으로부터 굽혀진다. 광선(10)의 입사부가 법선(12)으로부터 벗어날수록 광선(10)의 굴절부는 법선으로부터 벗어난다. 광선(10)의 굴절된 부분이 유리로부터 공기로 나오는 각도(θ2)를 결정하기 위해서, 스넬의 법칙은 다음과 같이 해석될 수 있다:
(2)
sinθ1은 입사 광선(10)이 유리내에서 법선(12)으로부터 벗어남에 따라서 증가한다. arcsine 함수의 변수 n1/n2부분은 1을 초과한다(예컨대, 유리에 대해서 n1 1.5이고, 공기에 대해서 n2 1; 따라서, n1/n2 1.5이다). 그러나, sine함수의 최대값은 1이므로, arcsine 함수는 1보다 큰 변수를 위한 실수값을 산출하지 못한다. 결과적으로, n1/n2sinθ1≥1이면, 굴절된 각도(θ2)에 대한 해는 없다. 실제로, n1/n2sinθ1≥1이면 TIR이 일어나고, 입사 광선은 유리내로 반사된다. 광선(10)의 굴절된 부분이 법선(12)으로부터 이격되게 움직임에 따라 TIR이 최초로 일어나는 각도가 임계 각도(θc)로 불리며:
θc=arcsin(n2/n1) (3)
으로 주어진다.
방정식(3)은 2개의 굴절률 n1, n2의 비율과 관련된 임계 각도의 크기를 나타낸다. 2개의 굴절률의 차이가 비교적 크면, 임계 각도는 비교적 작게 되고(예컨대, 법선에 보다 근접하고), 반대면 반대로 된다. 본 발명의 목적을 위해서는, TIR이 일어날 수 있는 보다 큰 각도 범위를 제공하므로, 보다 작은 임계 각도(그리고 2개의 굴절률의 보다 큰 비율)가 바람직하다. 이것이 의미하는 것은, 보다 많은 입사광이 반사될 수 있고, 결과적으로 모두의 바람직한 특성인 개선된 범위의 시계 각도 및/또는 보다 백색인 외관을 갖는 디스플레이장치를 제공하는 것이 가능하다는 것이다. 따라서, n1은 가능한 크게 하고, n2는 가능한 작게 하는 것이 바람직하다는 것은 명백하다.
TIR을 겪는 광선의 입사 부분이 TIR이 일어나는 경계를 약간 관통하는 것이 널리 알려져 있다. 이 소위 "에버너슨트파 관통"은 가시 광선에 대해 대략 0.25㎛ 정도이다. 에버너슨트파와의 간섭(예컨대, 산란 및/또는 흡수)에 의해서, TIR을 방지하거나 "감쇄"시킬 수 있다.
특히, n2의 크기를 n1의 크기에 근접하도록 제2매질의 굴절률을 변화시킴으로써 TIR을 감쇄시킬 수 있다. 예컨대, 도 2는 코오너 반사기("코오너 큐브(corner cube)"로 공지된)를 묘사하는 것으로, 입사 광선이 코오너를 형성하는 3개의 수직하게 대향하는 면에서 3개의 분리 반사 각각에서 TIR을 겪는 것을 나타내는데, 최종적으로 광은 입사 광선의 방향에 대향하는 방향으로 코오너 반사기로부터 역반사된다. 프리즘 면(n=1.6) 외측의 공기(n=1)가 연한 고무 겔(gel;n=1.4)로 대체되면, 임계 각도는 대략 38°로부터 대략 61°로 변화되어 입사광 대부분의 반사를 방지한다. 따라서, 777특허에서 설명한 바와 같이, 역반사 소자의 그룹과 함께, 엘라스토머의 시트를 "광 접촉" 내로 가져옴으로써 TIR이 감쇄될 수 있다. 엘라스토머 시트와 소자 그룹 사이의 광 접촉은 엘라스토머 시트를 그룹에 1㎛ 보다 실질적으로 근접하게 가져와서, 그룹에 인접한 에버너슨트파를 산란 및/또는 흡수하므로, 입사 광선을 내부 전반사시키기 위한 코오너 반사기 그룹의 능력을 방지하거나 감쇄시킨다.
도 3은 상기 엘라스토머 시트와 같은 부분의 기계적인 운동이 필요 없는, TIR이 감쇄되지 않을 때마다 간격(예컨대, 다른 굴절률을 갖는 재료들 사이의 비광 접촉 영역)을 유지할 필요 없는, 그리고 TIR 경계에서 평판 표면이 필요 없는 TIR의 감쇄를 용이하게 하는 본 발명의 실시예를 나타낸다.
도 3은 고굴절률 재료의 시트(19)가 평판 시계 표면(28) 외측 및 역반사 프리즘 보유 표면(29) 내측에 위치되는 이미지 디스플레이장치를 묘사한다. 표면(29)상의 프리즘(27)은 넓은 범위의 프리즘이나 프리즘 유사형상 중 하나를 가질 수 있는데, 이하 설명되는 바와 같이, TIR이 감쇄되지 않으면 프리즘(27)이 입사 광선을 역반사할 필요가 있다. 특히, 프리즘(27)은 종래의 "코오너 튜브" 반사기 일 수 있다. 도시된 실시예에 있어서, 프리즘(27)은 평판 표면(28)에 대한 법선벡터에 대해서 45°경사진다.
시트(19)는, 예컨대 황화아연(ZnS, n2.4)이나, 이산화티타늄(TiO2, n2.5), 오산화니오븀(NbO5, n2.3) 또는 산화지르코늄(ZrO, n2.1)의 얇은 층일 수 있다. 초기에 평판인 시트를 기계 가공해서 프리즘(27)을 생성시킴으로써, 또는 스퍼터링이나 증착기술로 고굴절률 재료를 요구되는 역반사 프리즘 보유 표면(29)의 물리적인 "네가티브"를 구성하는 기계 가공된 모울트(mould)에 퇴적함으로써 표면(29) 상에 프리즘(27)이 형성될 수 있다. 프리즘(27)은 대략 2㎛ 깊이이고, 일반적으로 시트(19)는 완전하지는 않지만 평판인 전방 표면(28)의 제공을 용이하게 하기 위해서 충분히 두꺼울(예컨대, 5-10㎛) 필요가 있다. 시트(19)가 자체적으로 지지하기에 불충분하게 두꺼우면, 부가적인 시트(도시 생략)가 평판 표면(28)에 부착되어 필요한 지지를 제공할 수 있다. 소정의 이러한 부가 시트는 입사 광선의 굴절을 최소화하도록 설계되는데, 이에 따라 이하 설명되는 바와 같이 장치의 광 특성에 대한 이러한 부가 시트의 충격을 최소화시킨다.
전기영동 매질(20)은, 하부 시트(30)에 의해 한정된 저장소(85) 내에 매질(20)을 봉쇄함으로써 프리즘 표면(29)과 접촉을 유지한다. 본 발명자는 3M, St,Paul,MN으로부터 이용할 수 있는 FluorinertTMElectronic Ligquid FC-72(n1.25) 또는 FC-75(n1.27) 열전달 매질과 같은 낮은 굴절률, 낮은 점도의 전기적으로 절연되는 액체가 본 발명에서 실행하고 있는 전기영동 매질로서 매우 잘 기능한다는 것을 발견했다.
따라서, (ZnS가 시트(19)를 형성하는데 사용된다면) Fluorinert:ZnS TIR 경계가 형성된다. 매질(20)은 염색되거나 산란/흡수성의 실리카 입자(n1.44)나, 염색되어나 산란/흡수성의 라택스 입자(n1.5) 등과 같은 광 산란 및/또는 흡수성입자(21)의 미세하게 분산된 부유물을 포함한다. 시트(30)의 광 특성은 비교적 중요하지 않지만, 시트(30)는 전기영동 매질(20) 및 입자(21)를 봉쇄하기 위한 저장소를 형성할 필요가 있다.
상기된 바와 같이, TIR 경계에서는 작은 임계 각도가 바람직한데, 이는 TIR이 일어날 수 있는 큰 범위의 각도를 허용한다. Fluorinert의 굴절률에 대한 ZnS의 굴절률의 비교적 큰 비율은 대략 32°의 임계 각도를 산출하는데, 이는 매우 작은 것이다. 도 3의 좌측 매질(20)에 나타낸 바와 같이, 전기영동 활동의 부재하에서, 시트(19)를 통과하는 입사 광선(25)은 ZnS:Fluorinert 경계에서 TIR을 겪고, 도시된 바와 같이 역반사 된다. 이는, 광선(25)이 ZnS:Fluorinert TIR 경계에서 프리즘 면 중 하나인 제1면과 마주치는 45°각도가 경계면의 32°임계 각도를 초과하기 때문이다. 그 다음, 반사된 광선은 제1프리즘면과 대향하는 제2프리즘면과 마주치고, 반사된 광이 제2프리즘면과 마주치는 45°각도(또한, ZnS:Fluorinert TIR 경계의 부분을 형성)가 경계면의 32° 임계 각도를 초과하기 때문에, 제2프리즘면에서 다시 TIR을 겪는다. 상기된 바와 같이, 역반사 표면(29)에서 TIR을 2번 겪은 후, 역반사 광선은 ZnS:공기 경계를 통해 다시 방사되고, 도시된 바와 같이 초기 입사 광선의 방향에 대향해서 거의 180°인 방향으로 출현하므로, 반사 광의 "백색" 외관을 달성할 수 있다. 프리즘(29)이 코오너 반사기이거나 다른 3차원 역반사구조이면, 입사 광선(25)은 초기 입사 광선의 방향에 대향해서 거의 180°인 방향으로 ZnS:공기 경계를 통해 다시 방사되기 전까지 역반사 표면(29)에서 TIR을 3번 겪는다.
표면(29,30)에 각각 퇴적된 전극(23,22)을 매개로 전압이 매질(20)을 가로질러 인가될 수 있다. 전극(23)은 투명하고 실질적으로 얇으므로, ZnS:Fluorinert TIR 경계에서 입사 광선과 간섭하지 않게 된다. 전극(22)이 투명할 필요는 없다. 도 3에 묘사된 우측 절반의 매질(20)에 도시된 바와 같이, 전원(24)을 활성화시켜서 매질(20)을 가로질러 전압을 인가하므로써, 전기영동 매질(20)이 활성화되면, 부유되는 입자(21)는 ZnS:Fluorinert 경계(예컨대, 에버너슨트파 영역 내측)의 대략 0.25㎛ 내에서 전기영동적으로 움직이게 된다. "전기영동"은 널리 공지된 현상으로, 이에 의해 하전된 종(예컨대, 입자, 이온 또는 분자)이 인가된 전기장의 영향하에서 매질을 통해 움직인다. 상기된 바와 같이, 전기영동적으로 움직일 때, ZnS:Fluorinert 경계에서 굴절률 부정합을 야기함으로써 입자(21)는 광을 산란 또는 흡수한다. 이는 도 3의 광선(26)에 의해 나타나는데, 광선이 ZnS:Fluorinert 경계의 에버너슨트파 영역 내측에서 입자(21)를 때림에 따라서 산란 및/또는 흡수되어, 비반사 흡수영역 내의 "어두운" 외관을 달성한다.
전극(22,23)을 매개로 매질(20)을 가로질러 인가되는 전압을 제어함으로써, 표면(29)의 광 특성이 제어될 수 있다. 더욱이, 표면(29)의 분리 영역 또는 "픽셀"을 가로질러 매질(20)의 전기영동 활동을 제어하기 위해서 전극이 구획될 수 있는데, 이에 따라 이미지 디스플레이가 형성된다.
본 발명의 도 3의 실시예의 주요 특성은, 시트(19)와 전기영동 매질(20) 사이의 큰 굴절률 부정합이다. TIR 경계에서 임계 각도를 달성하는데 굴절률 부정합이 불충분하면, 도 3에서 묘사한 구조는 동작하지 않게 된다. 이 경우, 국제출원공보 WO 00/10048호의 도 5a의 실시예와 관련되어 기재된 바와 같이, 필요 각도에서 입사 광선이 TIR 경계와 마주치는 것을 보장하는데, 한 쌍의 프리즘 표면이 사용될 수 있다. 본 발명의 도 3의 실시예는 2중 프리즘 표면을 불필요하게 함으로써 중요한 단순화를 제공한다.
바람직한 저굴절률을 갖는 것을 제외하고, Fluorinert는 양호한 전기 절연성을 갖고 불활성이므로, 본 발명에 따라 형성된 디스플레이에 사용되기 적합하다. 또한, Fluorinert는 낮은 점도와 높은 밀도를 가지므로, Fluorinert 내에 부유되는 입자는 비교적 쉽게 전기영동적으로 움직일 수 있다. 상기된 바와 같이, ZnS는 시트(19)를 형성하는데 사용하기 적합한 바람직한 고굴절률 재료이다. 바람직하게는, 시트는 광학적으로 클리어(clear)하고, 가시광 파장의 범위에서 대략 2.4의 고굴절률을 갖는다 ("광학적으로 클리어"의 의미는, 법선 입사로 재료상에 입사하는 광의 실질적인 단편이 재료의 선택된 두께를 통과하는데, 이러한 통과 광의 작은 단편만이 재료에 의해 산란 및/또는 흡수된다는 것이다. 광이 재료를 통과함에 따라서, 광학적인 청명성(clarity)의 감소가 이러한 산란 및/또는 흡수, 전형적으로는 이들의 조합에 의해 야기된다. 본 발명의 도 3의 실시예에 있어서, 시트(19)는 대략 10㎛ 두께만을 필요로 한다. 그럼에도 불구하고, 이러한 재료의 10㎛ 두께가 법선 입사광의 작은 단편만을 산란 및/또는 흡수하면, 벌크 형태의 "불투명"한 재료는 본 발명의 목적을 위해서 "광학적으로 클리어"하게 될 수 있다.). 또한, 상기 파장 범위에서 낮은 흡수/산란 특성과 결과적으로 높은 광학적인 청명성을 갖기 때문에 본 발명에 따라 형성된 디스플레이에 사용되는데 ZnS가 매우 적합하다. 더욱이, ZnS는시트 형태로 이용할 수 있고, 기계 가공되어 상기된 바와 같은 바람직한 역반사 미세 구조를 산출할 수 있다.
전극(22,23)과 전원(24)에 의한 매질(20)을 교차하는 전압의 적용은 입자(21)를 정전기적으로 하전시키는데, 상기된 바와 같이 입자들을 에버너슨트파 영역 내로 움직이게 한다. 입자(21)가 에버너슨트파 영역으로 움직일 때, 이들은 에버너슨트파를 산란 및/또는 흡수함으로써 ZnS:Fluorinert 경계에서 TIR을 감쇄시킬 수 있어야 한다. 입자(21)의 직경이 1㎛ 정도 클 수 있음에도 불구하고, 바람직하게는 입자의 직경은 중대하게 서브 광학적(sub optical)으로 되므로(예컨대, 1㎛ 보다 작은 차수의, 소위 100nm), TIR 경계에서의 입자의 단일 층이 에버너슨트파 영역을 완전히 채우도록 한다. 입자(21)의 직경이 대략 1㎛이면 유용한 결과가 얻어지지만, 이미지 디스플레이장치의 콘트라스트 비율은, TIR경계에서 밀접하게 함께 묶여지는 입자(21)의 능력이 그들의 직경에 의해 제한되기 때문에 감소된다. 특히, 임계 각도 근방에서, 에버너슨트파는 매질(20)내로 괘 멀리 연장되므로, 대략 1㎛의 직경을 갖는 입자가 파를 산란 및/또는 흡수하고 이에 따라 TIR을 감쇄시킨다. 그러나, 입사 광선이 TIR 경계를 때리는 각도가 임계 각도에 비해서 증가함에 따라서, 에버너슨트파 영역의 깊이는 상당히 감소된다. 비교적 큰(예컨대, 1㎛) 직경의 입자는 이 감소된 깊이 영역 내에 밀접하게 묶일 수 없고, 이에 따라 이러한 입자는 바람직한 범위로 TIR을 감쇄시킬 수 없다. 그런데, 보다 작은 직경(예컨대, 100nm)의 입자는 이 감소된 깊이 영역 내에 밀접하게 묶여질 수 있고, 따라서 이러한 입자가 임계 각도를 초과하는 각도에서 TIR 경계를 때리는 입사 광선에 대해서TIR을 감쇄시킬 수 있다.
777특허 및 국제출원공보 WO 00/10048호에 설명된 바와 같이, 평판 표면에서 광 접촉을 달성하는 것이 보다 쉬우므로, TIR의 기계적인 감쇄(예컨대, 엘라스토머 시트를 에버너슨트파 영역 안으로 그리고 밖으로 움직임으로써)가 평판 표면에서 최상으로 달성될 수 있다. 프리즘 표면과 이 프리즘 표면과 광 접촉하거나 광 접촉 하지 않도록 기계적으로 움직이는 부분 사이에서 요구되는 정렬의 정확성을 달성하는데 있어서의 어려움 때문에, 프리즘 표면에서 TIR을 기계적으로 감쇄시키는 것은 비교적 어렵다. 그러나, 전기영동 매질(20)은 쉽게 흘러 역반사 프리즘 보유 표면(29)을 에워싸므로, 정렬의 어려움을 제거하고, TIR 경계에서와 같은 프리즘의 미세-구조 표면의 사용이 실용적이도록 한다.
도 4b는 고굴절률 재료의 프리즘 구조 시트(35:도 4a)가 장치(31)와 관찰자(83) 사이에 개재된 이미지 디스플레이장치(31)를 개략적으로 묘사한 도면이다. 도 4a에 나타낸 바와 같이, 그 수직 동작 배향에 있어서, 시트(35)는 평판 외측면(80)과 수직하게 적층된 복수의 수평하게 연장된 프리즘 구획(32)을 보유하는 대향하는 내측면을 갖춘다. 각 구획(32)은 복수의 수직하게 경사진 병렬 프리즘(81)을 구성한다. 각 구획(32)은 수직선에 대해서 각도(θ) 경사진다. 여기서,
(4)
여기서, φ는 입사 주변 광의 각도(전형적으로, 45°), n2는 주변 광이 통과하는 외측면(80)에 인접한 매질의 굴절률(예컨대, 공기 n2 1)이고, n1은 시트(35)를 구성하는 구축된 재료의 굴절률이다. 시트(35)를 구성하는 재료가 ZnS(n1 2.4)이면, θ8.5°이다.
프리즘(81)과 구획(32)은 초기에 평판 시트를 기계 가공함으로써, 또는 스퍼터링이나 증착기술을 매개로 고굴절률 재료를 요구되는 프리즘 보유 구조의 물리적인 "네가티브"를 구성하는 기계 가공된 모울드에 퇴적함으로써 형성될 수 있다. 프리즘(81)은 대략 2㎛ 깊이로만 될 필요가 있고, 일반적이지만 완벽하지 않은 평판 외측 시계 표면(80)의 제공을 용이하게 하기 위해서 시트(35)는 충분히 두꺼울 필요가 있다. 시트(35)가 자체적으로 지지되기에 충분히 두껍지 않으면, 필요한 지지를 제공하기 위해서 부가 시트(도시 생략)가 표면(80)에 부착될 수 있다. 이러한 부가 시트 중 몇몇은 입사 광선의 굴절을 감소시키도록 설계되는데, 이에 따라 상기된 바와 같이 장치의 광 특성에 대한 이러한 부가 시트의 충격을 감소시킨다.
도 4b에 묘사된 바와 같이, 머리 위의 광원(82)으로부터 나오는 입사 광선(34)은 외측의 수직하게 배향된 면(80)을 대략 45°로 때린다. 선(34)은 시트(35)에 의해 굴절된다. 공기:ZnS 경계에 대해서 굴절 각도는 대략 28°이다. 그 다음, 굴절 광선은 경사 프리즘(81) 중 하나와 대략 8.5°에서 마주치고, 이로부터 정반사된다. 또한, 프리즘 구획(32)이 8.5°로 경사지므로, 도시된 바와 같이 경사 프리즘(81) 중 하나에 의한 정반사 광선(34)이 관찰자(83)를 향한 광선(34)의 TIR로 귀결된다. 따라서, 시트(35)가 이하 설명된 바와 같은 이미지 디스플레이 표면이면, 시트(35)는 관찰자(83) 위로부터 대략 45°로 시트를 때리는 주변 광이 이미지 디스플레이 표면을 향해서 리디렉트하도록 위치될 수 있는데, 이미지 디스플레이 표면에서 광은 TIR을 겪고 관찰자(83)를 향해 리디렉트된다.
광원(82)으로부터 광을 리디렉트하여 이미지 디스플레이의 콘트라스트를 증가시키기 위해서, 프리즘 구획(32)의 길이 차원은 각 프리즘(81)의 높이 차원 보다 실질적으로 크게 된다(예컨대, 10 내지 100배). 이는 상기된 바와 같이, 구획(32) 중 하나의 내측으로 리세스된 에지와 구획에 밀접한 외측으로 돌출된 에지 사이의 "단차" 경계에서 광 간섭을 감소시키는 방법으로 정반사를 용이하게 한다. 적절한 설계 트레이드 오프(trade off)는, 시트(35)의 두께를 실질적으로 증가시키지 않고 이러한 "단차" 경계의 전체 수를 감소시키도록 만들어져야 한다.
프리즘 구획(32)의 후방측(예컨대, 도 4b의 우측에 도시된 바와 같이)으로부터 TIR이 제어 가능하게 감쇄되는 이미지 디스플레이장치(31:도 4b)를 산출하기 위해서, 도 3 및 도 4a의 실시예가 결합될 수 있다. 특히, 저장소(85)는 (예컨대, 오른쪽) 시트(35) 후방의 시트(30)에 의해 한정된다. 저장소(85)는 복수의 광 산란 및/또는 흡수 입자가 도 3과 연관해서 상기된 바와 같이 부유되는 전기영동 매질을 포함한다. 입자가 에버너슨트파 영역의 선택된 부분에 존재하지 않으면, 광원(82)으로부터 방사된 주변 광은 이러한 부분에 의해 정반사되고, 이에 따라 관찰자(83)에 대해 고반사를 나타내거나 백색을 나타낸다. 그런데, 입자가 전기영동적으로 에버너슨트파 영역 내로 움직이면, 광원(82)으로부터 방사된 주변 광의 정반사는 이러한 부분에서 감쇄되고, 이에 따라 관찰자(83)에 대해 어둡게 된다.
도 5a는 도 3, 도 4a 및/또는 도 4b의 실시예가 낮은 주변 광 상태에서 성능을 향상시키는 통합된 평면 도파관 전방 광원으로 사용하기 위해 어떻게 적용될 수 있는 지를 나타낸 도면이다. 미국 특허 제5,396,350호에 기재된 타입의 투명한 평면의 슬라브 도파관(36)이 상기된 이미지 디스플레이장치(31)의 전방에 탑재된다. 광원(37;예컨대, 복수의 광 방사 다이오드로 구성될 수 있다)이 하나 이상의 도파관의 기다란 에지를 통해 도파관(36) 내로 광을 방사한다. 투명 미세-구조의 정렬(38)이 도파관의 후방 표면(39)과 이미지 디스플레이장치(31)의 전방 표면(80) 사이에 탑재된다. 정렬(38)은 도파관(36)으로부터 광선을 균일하게 추출할 수 있는 소정 타입의 미세-구조(예컨대, 프리즘, 사다리꼴, 미늘 살창(louvers) 등)가 될 수 있고, 추출된 광선을 대략 45°의 입사 각도에서 표면(80)을 향해 리디렉트할 수 있다.
도 5a에 묘사된 바와 같이, 광원(37)에 의해 방출되는 광선(40,41)은, 도파관(36)의 전방 또는 후방 표면(43,39)을 때림에 따라 TIR을 겪게 되는데, 도파관(36) 내에서 이러한 광선은 초기에 한정된다. 그러나, 정렬(38)을 구비하여 구성되는 미세-구조 중 하나가 표면(39)과 접촉하는 지점에서 광선이 후방 표면(39)을 때리면, (도파관(36)과 정렬(38) 사이의 굴절률 부정합에 기인하여) TIR을 위해 필요한 상태가 만족되지 않고, 이러한 광선이 도파관(36)으로부터 벗어나서 정렬(38)을 통해 이미지 디스플레이장치(31)를 통과하게 한다. 특히, 도파관(36)으로부터 정렬(38)로 벗어난 광선은 이미지 디스플레이장치(31)의 전방 표면(80)에 대해서 45°의 바람직한 각도에서 측벽(44)에 의해 정렬(38)의 후방으로 반사된다. 상기 45°의 바람직한 각도에서 전방 표면(80)을 향해 도파관(36)으로부터 추출된 광선을 더 안내하는데 도움을 주기 위해서, 미세-구조 렌즈의 정렬(86:도 5b)이 제공될 수 있다.
바람직한 45°각도에서 전방 표면(80)을 행해 안내된 광선은 도 4b의 실시예와 관련하여 기재된 바와 같이 이미지 디스플레이장치(31)에 의해 반사되거나 흡수된다. 그 결과는, 평판 패널 디스플레이 적용에서 요구되는 바와 같은 좁은 프로파일을 갖춘 이미지 디스플레이장치를 위한 효과적이고, 고콘트라스트의 균일하게 비추어지는 전방 광이다. 낮은 주변 광 상태에서, 백색 광원이라면, 도 5a, 도 5의 실시예는 고콘트라스트의 흑색 및 백색 또는 단색 이미지를 산출할 수 있다. 밝은 주변 광 상태에서, 광원(37)은 이미지 디스플레이장치의 고콘트라스트 비율에 실질적인 영향 없이 에너지화될 수 있다.
도 5a, 도 5b의 실시예의 장점은 고콘트라스트의 다중 칼라 이미지 디스플레이를 생산하기 위한 능력이다. 특히, 광원(37)은 복수의 적색, 청색 및 녹색광을 방사하는 다이오드를 구비하여 구성될 수 있는데, 이 다이오드는 선택된 시간간격동안 이들 다이오드는 연속적으로 할성화되어 적색, 청색, 녹색광을 도파관(36)으로 방사할 수 있다. 이러한 칼라 광원은 제공된 다양한 구성을 가질 수 있는데, 상기된 리디렉트동안 도파관(36)으로 광을 균일하게 방사할 수 있다. 칼라 광이 도파관(36)으로 효과적으로 방사되면, 이미지 디스플레이장치(31)에 의한 리디렉션 또는 흡수를 위한 정렬(38)을 통해 벗어나는 광의 색은 광원(37)의 강도에 의해 지배된다. 관찰자(83)에 의해 감지된 반사된 이미지의 색이 상기된 바와 같이 광원(37)과 도파관(36)에 의해 제공된 색에 의존하므로, 감지된 이미지의 색이 광원(37)의 색을 제어함으로써 제어될 수 있다.
예컨대, 관찰자(83)에 의한 감지를 위해, 디스플레이장치(31) 상에 하나 이상의 적색 이미지 픽셀을 생성하는 것이 요구되는 경우를 고려하자. 이미지 디스플레이장치(31) 상에서 선택된 적색 픽셀은 장치(31)를 가동함으로써 고도로 반사적이 되거나 "온" 상태로 위치되는데, 전기영동 매질(20) 내에서 부유하는 입자가 선택된 적색 픽셀을 구성하는 디스플레이의 이들 부분에 걸친 프리즘(81)과 매질(20) 사이의 TIR 경계에서의 에버너슨트파 영역 내에서 밀집되지 않도록 된다. 선택되지 않은 픽셀(예컨대, 나머지 비-적색 픽셀)은 장치(31)를 가동함으로써 흡수적이 되거나 "오프" 상태로 위치되는데, 전기영동 매질(20) 내에서 부유하는 입자가 비선택 픽셀을 구성하는 디스플레이의 이들 부분에 걸친 프리즘(81)과 매질(20) 사이의 TIR 경계에서의 에버너슨트파 영역 내에서 밀집 되도록 된다. 그 다음, 광원(37)의 적색광 방사부가 가동되어 적색광을 도파관(36)으로 방사하는데, 이 광은 상기된 바와 같이 바람직한 45°각도로 전방 표면(80)을 향하고, 시트(35)를 통해 TIR 경계를 향한다. 선택된 (그리고 현재 고반사의) 픽셀은 적색광을 반사한다. 따라서, 관찰자(83)는 선택된 픽셀을 적색으로 감지한다. 유사한 양식으로, 선택된 픽셀이 선택될 수 있고 청색 또는 녹색광을 충분히 고속으로 연속해서 반사시킬 수 있으므로, 관찰자(83)가 적색과 청색 및 녹색 픽셀로 이루어지는 전체 색 이미지를 감지한다.
도 6은 낮은 끓는점 액체의 상변화가 제어 가능하게 TIR을 감쇄시키는데 사용되는 이미지 디스플레이장치를 묘사한다. 3M Diamond GradeTM반사 폴리카보네이트 시트와 같은 재료의 시트(50)가 외측의 자신의 평판 시계 표면(62)과 내측의 자신의 역반사 프리즘 보유 표면(52)과 함께 위치된다. 표면(52) 상의 프리즘은 넓은 범위의 프리즘이나 프리즘 유사 형상 중 소정의 하나를 가질 수 있는데, 이하 설명되는 바와 같이 TIR이 감쇄되지 않는 한 프리즘은 입사 광선을 역반사할 필요가 있다.
받침 시트(55)는 제1 및 제2챔버(53,54)를 갖춘 구획을 형성하기 위해서, 역반사 프리즘 보유 표면(52) 아래의 영역을 진공 밀봉한다. 챔버(53,54)는 완전히 분리된 챔버로 되거나 도 6에 나타낸 바와 같이 단일의 보다 큰 챔버를 상부 및 하부 챔버로 수평하게 나누기 위해서 열 장벽을 사용함으로써 형성될 수 있다. 열 장벽(51)은 복수의 개구(87)를 갖는 흑색의 광 흡수 재료인데(도 6의 우측부를 보자), 개구를 통해 액체(56)가 자유롭게 챔버(53,54) 사이로 흐를 수 있다. 개구(87)는 장벽(51)의 외측 시야계(視野計) 주위에 위치되어, 시계 표면(62)의 광 특성과의 간섭을 감소시킨다. 받침 시트(55)의 광 특성과 표면 프로파일은 중요하지 않다. 시트(55)는 챔버(54) 내의 액체(56)의 봉쇄를 위한 물리적 및 열 장벽을 제공한다.
액체(56)는 FlourinertTMElectronic Liquid FC-72(n1.25), FC-75(n1.27), 팬탄(C5H12, n1.36) 또는 헥산(C6H14, n1.38)일 수 있다. 실질적으로, 액체(56)의 굴절률은 시트의 굴절률(50:예컨대, 폴리카보네이터에 대해,n1.6)과 유사하고, 바람직하게는 액체(56)는 쉽게 기화된다(예컨대, 챔버(53,54)내의 압력에서 비교적 낮은 끓는점을 갖는다).
프리즘 표면(52) 및 저부 시트(55)의 표면(63)은 산화금속과 같은 재료로 이루어지는 얇은 투명 전극 필름(도시생략)으로 코팅된다. 한쪽 또는 다른쪽 전극을 저항 가열하기 위해서, 전원(58,59)이 전극에 제어 가능하게 전기적으로 연결되고, 이에 의해 가열된 전극에 인접한 영역 내의 액체(56)가 기화된다. 특히, 전원(59)이 표면(52) 상의 전극에 전기적으로 연결될 때, 전극 내에서 생성된 열은 표면(52)의 가열된 부분을 접촉시키는 액체(56)의 액체-기체 상변화를 야기시키므로, 도 6의 좌측 부분에 나타낸 바와 같이 표면(52)과 액체(56) 사이에 기체 장벽(57)을 형성한다. 전원(59)이 표면(52) 상의 전극과 끊어지고, 전원(58)이 표면(63) 상의 전극을 가열하기 위해 연결될 때, 기체 장벽(57)은 표면(52)에서 액체상으로 복귀되고, 동시에 표면(63)상의 (새롭게 가열된) 전극과 접촉하는 액체(56)는 도 6의 중앙 부분에서 참조부호 64로 나타낸 바와 같이 기체상태로 상변화된다. 기체층(64)은 광학 효과를 갖지 않지만, 상기된 바와 같이 표면(52,63) 상의 전극에 인가된 전압 포텐셜의 반전은 표면(52)에서 기체-액체 상변화를 가속시킨다. 따라서, 표면(52,63)에서의 액체-기체 및 기체-액체 상변화는 이들 표면 상의 전극에 인가된 전압 포텐셜을 적합하게 변화시킴으로써 쉽게 제어될 수 있다.
도 6의 좌측 부분은 상기 액체(56)의 저항 가열에 의해 액체(56)와 프리즘 표면(52) 사이에 생성된 기체 장벽(57)을 나타낸다. 기화된 Fluorinert가 액체 Fluorinert와 다른 굴절률을 가지므로, 프리즘 표면(52: 폴리카보네이트에 대해,n1.6)과 기체층(57: n1) 사이의 굴절률 부정합이 있게 되어, 제공된 저항 가열 전력이 기체층(57)을 유지하기 위해서 연속적으로 인가된다. 기체층(57)을 유지하기 위해서는 기체층을 생성할 때 보다 실질적으로 낮은 전력이 요구되므로, 작은 양의 전류만이 "온" 상태를 유지하기 위해서 가열 전극을 통해 흐르도록 요구되는 상태에서 구조는 합리적으로 쌍안정이 된다. 또한, 이는 동작동안 장치의 전체 전력 소비를 감소시킨다.
시트(50)로 입사하는 광선(60)은 표면(52) 상의 프리즘 면에 의해 대략 45°의 각도에서 표면(52)과 기체 장벽(57) 사이의 폴리카보네이트:기체 경계와 마주친다. 45°가 임계 각도(폴리카보네이트:기체 경계에 대해 대략 38°)를 초과하므로, 광선(60)은 표면(52)에서 TIR을 두 번(또는, 프리즘 표면이 코오너 반사기이면 세번) 겪고, 입사방향에 실질적으로 180°대향하는 방향으로 시계 표면(62)을 통해 출현한다. 반사된 광이 입사광의 방향에 거의 대향하는 방향으로 출현하므로, 시계 표면(62)은 상기 "온"상태에서 "백색" 외관을 나타낸다. 확산기가 시계 표면(62) 상에 겹쳐져서, "온"상태에서 자신의 백색 외관을 향상시킬 수 있다.
도 6의 중앙 부분상에 도시된 바와 같은 "오프"상태에서, 액체(56)는 상변화를 겪지 않지만, 프리즘 표면(52)에 인접해서 액체상태로 남는다. 이 경우, 챔버(53) 내에서 프리즘 표면(52)과 액체(56) 사이에는 작지만 실질적이지 않은 굴절률 부정합이 있게 된다 (예컨대, 폴리카보네이트에 대해, n1.6이고, 펜탄에 대해 n1.36). 따라서, TIR은 프리즘 표면(52)과 액체(56) 사이의 경계에서 방해된다. 시트(50)와 마주치는 입사 광선(61)은 프리즘 표면(52)과 액체(56) 사이의 경계를 통과함에 따라서 어느 정도 굴절되지만, 실질적이지는 않다. 폴리카보네이트:펜탄 경계에 대해서, 굴절 각도는 대략 12°이다. 광선(61)은 액체(56)를 통과하고, 흑색 흡수층(51)을 때리는데, 이 흑색 흡수층은 상기된 바와 같이 챔버(53,54) 사이에 열 장벽을 형성한다. 따라서, 입사 광선(61)은 장벽(51)에 의해 흡수되고, 시계 표면(62)은 "오프"상태에서 흑색을 나타낸다.
프리즘 표면(52) 상의 저항 가열 전극은 표면(52) 상의 분리 영역 또는 "픽셀"의 "어드레싱"을 용이하게 하도록 구획될 수 있는, 이미지 디스플레이를 형성할 수 있다. 개별적인 픽셀은 고해상도의 적용을 위해서 전형적인 컴퓨터 디스플레이 모니터의 픽셀 사이즈와 비교될 수 있는 사이즈로 될 수 있고, 또는 저해상도 정보 디스플레이에서 사용하기 위해서 몇몇 cm2만큼 클 수 있다. 기체 장벽(57)이 생성되면, 저항 가열 전압이 제거될 때까지 남아 있어, 기체가 냉각되고 압축되어 액체상태로 되돌려진다는 점에서 픽섹은 쌍안정이다. 픽셀 크기가 내측 프리즘 표면(52)에 인가된 패턴된 전극의 크기에 의해 결정되기 때문에, 고해상도 픽셀이 형성될 수 있다.
따라서, 역반사 표면(52)에서 액체:기체 상변화를 제어함으로써, 고반사, 고 콘트라스트 및, 잠재적으로 낮은 전력 이미지 디스플레이가 제공될 수 있다. 저전력 동작을 위해서, 액체를 기화하는데 작은 입력 에너지가 요구되도록 액체(56)는 낮은 끓는점을 가질 수 있다. 대기압 이하의 압력에서 챔버(53,54) 내에 액체(56)를 유지함으로써, 입력 에너지 요구가 감소될 수 있다.
재료의 굴절률은 재료를 통해 전자기파가 전파되는 방법을 결정한다. 재료가 상기된 바와 같이 균등질의 유전체이면(공기, 유리 등), 재료의 도전성은 0이 된다. 따라서, 재료를 통한 전자기파의 전파를 특징짖는 벡터는 실수가 된다(예컨대, 허수성분을 갖지 않는다). 그런데, 재료의 도전성이 0이 아니면, 재료를 통한 전자파의 전파를 특징짖는 벡터는 복소값이다(예컨대, 실수와 허수성분 모두를 갖는다). 재료의 굴절률이 전파 벡터와 연관되기 때문에, 굴절률 또한 복소수 nc로 나타내져야 한다. 여기서, nc=nR+inI이고, nR은 굴절률의 실수성분이고, nI는 허수성분이며,는 도전성 재료에 의해 전자기파가 흡수되는 범위를 결정한다. 이러한 흡수는, 재료가 전자기파와 간섭함에 따라 재료 내의 도전 전류의 곱(production)으로 에너지가 소비될 때 일어난다. 도전성 재료의 흡수 계수는 nI와 연관된다. 재료의 도전성을 제어함으로써, 재료의 굴절률의 허수성분(nI)을 차례로 제어할 수 있고 따라서 재료의 흡수 계수를 제어할 수 있다.
종래의 역반사 표면이 제어할 수 있는 흡수 계수를 갖춘 재료와 접촉하면, TIR은 역반사 표면에서 제어 가능하게 감쇄될 수 있다. 재료의 흡수 계수가 낮으면, 역반사 표면상에 입사하는 광선은 표면에서 TIR을 겪는다. 설명된 바와 같이, 재료의 도전성을 제어하는데 반도체기술이 사용될 수 있는데, 이에 의해 TIR을 제어 가능하게 감쇄시키는 역반사 표면에서의 에버너슨트파 영역에서 재료가 높게 흡수되도록 재료의 흡수 특성의 제어가 용이하게 된다.
도 7은 산화금속층(66)을 보유한 n-타입 반도체재료에 형성된 채널(65)을 갖춘 산화금속 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)를 묘사한 도면이다. 소스와 드레인 콘택트(67,68)가 채널(65)의 대향하는 단부에 제공된다. 다수 전하 캐리어(예컨대, 전자)를 포함하기 때문에, 채널(65)은 매우 도전적이다. 따라서, 전압 포텐셜이 이들 사이에 인가되면, 소스(67)와 드레인(68) 사이에 전류가 쉽게 흐른다. 게이트 콘택트(69)가 산화금속층(66) 상에 제공된다. 높은 네가티브 전압 포텐셜이 게이트(69)에 인가되면, 다수 전하 캐리어는 채널(65) 밖으로 움직여 채널의 도전성을 감소시킨다. 채널(65) 내에 남아 있는 다수 전하 캐리어의 밀도는 게이트(69) 영역내의 전기장의 크기에 의존한다. 따라서, 채널(65)의 도전성이 게이트(69)에 인가된 전압을 제어함으로써 제어될 수 있다.
채널(65)을 조립하는데 사용되는 n타입 반도체재료는 굴절률(n1)을 갖는 투명 재료이다. 일련의 병렬 프리즘(72)이 산화금속층(66)에 대향하는 채널(65)의 면상에 형성된다. 프리즘(72)과 동일한 일련의 병렬 프리즘(74)을 보유하는 투명 재료의 시트(70)가 프리즘(72,74)이 개재되도록 시트(70)에 고정된다. 즉, 프리즘(72)의 각 꼭지점 부분이 인접한 프리즘(74) 쌍의 꼭지점 부분 사이로 완전히 삽입되고, 프리즘(74)의 각 꼭지점 부분이 인접한 프리즘(72) 쌍의 꼭지점 부분 사이에 완전히 삽입된다. 시트(70)는 굴절률 n2을 갖고, 여기서 n2>n1이며, 평판 외측 시계 표면(75)을 갖는다.
시트(70) 상의 프리즘 구조는 바람직한 역반사 프리즘 보유 표면의 물리적인 "네가티브"를 보유한 기계 가공된 모울드 내로 스퍼터링이나 증착기술을 매개로 재료를 퇴적함으로써 조립될 수 있다. 퇴적된 층의 외측 표면은 지지용의 부가 평판 시트에 부착될 수 있다. 그 다음, 구축된 기재는 화학 부식액을 사용하여 기재를 에칭하거나 또는 다른 접착제를 사용하는 기재의 구축된 필름을 벗기는 것과 같은 다수의 방법에 의해 제거될 수 있다. 그 다음, n타입 반도체재료 층을 시트(70)의 구축된 표면에 유사하게 퇴적함으로써 채널(65)이 조립될 수 있다. 프리즘(72,74)의 개재된 부분의 접착을 보장하는데, 널리 공지된 표면처리기술이 사용된다. 한편, 프리즘(72)을 생성시키기 위해서 채널(65)이 먼저 퇴적될 수 있고, 이어서 재료 형성 시트가 프리즘(72) 상에 퇴적되어, 상기 개재된 형상으로 프리즘(72) 상에 부착된 프리즘(74)을 생성한다.
상기된 바와 같이, 채널(65)의 광 흡수 특성이 채널의 도전성의 함수로서 변화되도록 채널(65)을 조립하는데 사용되는 n타입 반도체재료가 선택된다. 고전압 포텐셜이 게이트(69)에 인가되면, 상기된 바와 같이 채널(65)은 낮은 도정성 상태에 있게 된다. 채널(65)이 낮은 도전성 상태에 있을 때, 매우 낮은 광 흡수를 갖는다. 결론적으로, 입사 광선(71)은 프리즘(72,74) 사이의 경계에서 TIR을 겪고, 시계 표면(75)은 장치의 "온"상태에 대응하는 고반사 외관을 갖는다. 게이트(69)에 인가된 전압이 낮으면, 채널(65)은 상기된 바와 같이 높은 도전상태로 된다. 채널(65)이 높은 도전상태일 때, 비교적 높은 광 흡수를 갖는다. 결과적으로, 입사 광선은 프리즘(72,74) 사이의 경계에서 흡수되고, 시계 표면(75)은 장치의 "온"상태에 대응하여 어둡게 된다. 따라서, 반도체재료의 선택된 영역(예컨대, "픽셀")의 반사율이 이미지 디스플레이를 형성하기 위해 전기적으로 제어될 수 있다. 반도체조립기술은 극단적으로 작은 구조의 조립을 용이하게 하므로, 본 발명의 이 실시예는 매우 높은 해상도 디스플레이의 생산을 가능하게 한다.
한편, p타입 반도체재료가 채널(65)을 조립하는데 사용될 수 있다. 이 경우, 다수 전하 캐리어는 n타입 반도체에서와 같은 네가티브적으로 하전된 전자보다는 포지티브적으로 하전된 "홀"이고, 소스(67)와 드레인(68)의 위치는 역으로 된다. 다시, 채널에 남아 있는 다수 전하 캐리어의 밀도는 게이트(69) 영역내의 전기장의 크기에 의존하므로, 채널의 도전성 및 그러므로 프리즘(72,74)의 경계에서의 흡수 특성이 게이트(69)에 인가된 전압을 적절히 제어함으로써 제어될 수 있다.
일렉트로크로믹(electrochromic) 재료의 성질의 전기화학적인 변화가 평판 패널 디스플레이를 조립하기 위한 기술로서 제안되고 있다. 일렉트로크로믹 재료에 인가된 전기장이 변화될 때, 재료는 투명으로부터 불투명 또는 색이 있게 변화된다. 반대 극성의 전압이 인가될 때, 효과는 역으로 된다. 효과가 막연히 역으로 될 수 없음에도 불구하고 10000 이상 스위칭 사이클이 달성될 수 있다. 그런데, 스위칭 생존시간 제한에 더해서, 일렉트로크로믹 재료의 중요한 단점은 느린 스위칭 속도이다. 일렉트로크로믹 재료의 흡수 특성이 중대하게 변화되기 위해서는 몇몇 초가 취해지는데, 이는 일반 목적의 디스플레이 적용(예컨대, 컴퓨터 모니터)에 있어서는 바람직하지 않다. 긴 스위칭 시간은 전체 일렉트로크로믹 반도체재료를 통한 재료의 색을 변경하는데 요구되는 큰 스케일 변화에 기인한다. 그런데, 이러한 큰스케일 변화는 본 발명의 도 7의 성공적인 동작을 위해서는 필요하지 않다. 에버너슨트파 전파가 일어나는 프리즘(72)에 인접한 얇은 영역 내에서 채널(65)의 흡수 특성을 변화시키는데 만 필요하다. 채널(65)의 전체 두께가 대략 1㎛이면, 반도체장치의 응답은 실질적으로 보다 빨라진다.
본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다양한 변경 및 변형이 가능한 것은, 광학 분야의 당업자에 있어서 명백하다. 특히, 매우 넓은 범위의 매질, 전기영동 입자 및, 고굴절 재료가 채용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 이하의 첨구범위에 의해 정의된 실체에 따라서 구성된다.

Claims (60)

  1. (a) 반사 시트(19)가 프리즘 내측 표면(29)과 대향하는 외측 표면(28)을 갖추고, 이 시트가 굴절률(n1)을 가지며,
    (b) 전기영동 매질(20)이 상기 프리즘 표면과 접촉하고, 이 매질이 굴절률(n2)를 가지며,
    (c) 복수의 입자(21)가 상기 매질 내에 부유되고,
    (d) 상기 매질을 가로질러 전압을 인가하는 수단(22,23,24)이 상기 프리즘 표면의 대략 0.25㎛ 내에서 상기 입자를 선택적으로, 전기영동적으로 운동시켜서, 상기 시트를 통과하는 광선의 상기 프리즘 표면에서의 내부 전반사를 감쇄시키고,
    n2는 n1보다 충분히 커서, 상기 시트를 통과하는 대부분의 상기 광선이 상기 인가된 전압의 부재하에서 상기 프리즘 표면에서 내부 전반사를 겪는 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  2. 제1항에 있어서,
    (a) n1은 2.1 내지 2.4 범위 내이고,
    (b) n2는 1.25 내지 1.27 범위 내인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 매질은 낮은 굴절률, 낮은 점도, 전기적으로 절연된 액체인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 매질은 FluorinertTMElectronic Liquid FC-72인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 매질은 FluorinertTMElectronic Liquid FC-75인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 시트는 광학적으로 클리어한 황화아연인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 시트는 광학적으로 클리어한 산화지르코늄인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  8. 제3항에 있어서, 상기 시트는 광학적으로 클리어한 황화아연인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  9. 제3항에 있어서, 상기 시트는 광학적으로 클리어한 산화지르코늄인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 시트는 광학적으로 클리어한 산화티타늄인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  11. 제3항에 있어서, 상기 시트는 광학적으로 클리어한 산화티타늄인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 입자는 서브-광학적인 입자 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 입자 직경은 1㎛ 미만인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 입자 직경은 대략 100nm인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  15. (a) 프리즘의 내측 표면과 대향하는 외측 표면을 갖추고, 굴절률(n1)을 갖는반사 시트를 제공하고,
    (b) 상기 프리즘 표면과 굴절률(n2)를 갖는 전기영동 매질을 접촉시키며,
    (c) 상기 매질내에 복수의 입자를 부유시키고,
    (d) 상기 매질을 가로질러 전압을 인가해서, 상기 프리즘 표면의 대략 0.25㎛ 내에서 상기 입자를 선택적으로, 전기영동적으로 운동시키서, 상기 시트를 통과하는 광선의 상기 프리즘 표면에서의 내부 전반사를 감쇄시키며,
    n2는 n1보다 충분히 커서, 상기 시트를 통과하는 대부분의 상기 광선이 상기 인가된 전압의 부재하에서 상기 프리즘 표면에서 내부 전반사를 겪는 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이방법.
  16. 제15항에 있어서,
    (a) n1은 2.1 내지 2.4 범위 내이고,
    (b) n2는 1.25 내지 1.27 범위 내인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 매질은 낮은 굴절률, 낮은 점도, 전기적으로 절연된 액체인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이방법.
  18. 제15항에 있어서, 상기 매질은 FluorinertTMElectronic Liquid FC-72인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이방법.
  19. 제15항에 있어서, 상기 매질은 FluorinertTMElectronic Liquid FC-75인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이방법.
  20. 제15항에 있어서, 상기 시트는 광학적으로 클리어한 황화아연인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이방법.
  21. 제15항에 있어서, 상기 시트는 광학적으로 클리어한 산화지르코늄인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이방법.
  22. 제15항에 있어서, 상기 시트는 광학적으로 클리어한 산화티타늄인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이방법.
  23. 제17항에 있어서, 상기 시트는 광학적으로 클리어한 황화아연인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이방법.
  24. 제17항에 있어서, 상기 시트는 광학적으로 클리어한 산화지르코늄인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이방법.
  25. 제17항에 있어서, 상기 시트는 광학적으로 클리어한 산화티타늄인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이방법.
  26. 제15항에 있어서, 상기 입자는 서브-광학적인 입자 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 입자 직경은 1㎛ 미만인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 입자 직경은 대략 100nm인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이방법.
  29. 반사 시트(35)가 프리즘 내측 표면과 대향하는 외측 표면(80)을 갖추고, 이 시트가 굴절률(n1)을 가지며, 상기 프리즘 내측 표면이 수직한 동작 배향을 갖고, 이 프리즘 내측 표면이 수직하게 적층된 복수의 수평하게 연장되는 프리즘 구획(32)을 더 구비하며, 상기 프리즘 구획 중 각각이 복수의 수직하게 연장되고 수직하게 경사진 병렬 프리즘(81)을 구비하고, 이 프리즘이 길이 차원과 높이 차원을 갖추며, 이 길이 차원이 상기 높이 차원 보다 실질적으로 큰 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  30. 제29항에 있어서, 상기 구획은 상기 수직한 동작 배향에 대해 각도(θ)로 경사지고,
    이며,
    φ는 상기 수직한 동작 배향에 대해 주변 광이 경사진 각도이고, n2는 상기 주변 광이 통과하는 상기 외측 표면에 인접한 매질의 굴절률인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  31. 제30항에 있어서, n2 1이고, n1 2.4이며, φ45°인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  32. 제29항에 있어서, (a) 전기영동 매질(20)이 상기 프리즘 표면과 접촉하고, 이 매질이 굴절률(n3)을 가지며,
    (b) 복수의 입자(21)가 상기 매질 내에 부유되며,
    (c) 상기 매질을 가로질러 전압을 인가하는 수단이 상기 프리즘 표면의 대략 0.25㎛ 내에서 상기 입자를 선택적으로, 전기영동적으로 운동시켜서, 상기 시트를통과하는 광선의 상기 프리즘 표면에서의 내부 전반사를 감쇄시키기고,
    n3는 n1보다 충분히 커서, 상기 시트를 통과하는 대부분의 상기 광선이 상기 인가된 전압의 부재하에서 상기 프리즘 표면에서 내부 전반사를 겪는 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  33. (a) 투명한, 평면 슬라브 도파관(36)과,
    (b) 이 도파관에 광을 방사하기 위한 광원(37) 및,
    (c) 상기 도파관의 후방 표면(39) 상에 탑재되는 미세-구조 정렬(38)을 구비하고,
    상기 정렬이 상기 도파관으로부터의 광선을 균일하게 추출하고, 대략 45°의 각도에서 상기 정렬의 후방으로 상기 광선을 리디렉트하는 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  34. 제33항에 있어서, (a) 반사 시트(35)가 상기 정렬의 후방에 탑재되고, 이 시트가 프리즘 후방 표면과 대향하는 전방 표면(80)을 갖추며, 상기 시트가 굴절률 n1을 갖고, 상기 프리즘 후방 표면이 수직 동작 배향을 가지며, 상기 프리즘 후방 표면이 수직하게 적층된 복수의 수평하게 연장되는 프리즘 구획(32)을 더 구비하여 구성되고, 이 프리즘 구획 중 각각이 복수의 수직하게 연장되고 수직하게 경사진 병렬 프리즘(81)을 구비하며, 이 프리즘이 길이 차원과 높이 차원을 갖고, 이 길이차원이 실질적으로 상기 높이 차원보다 크며,
    (b) 전기영동매질(20)이 상기 프리즘 표면을 접촉시키고, 이 매질이 n2의 굴절률을 갖고,
    (c) 복수의 입자(21)가 상기 매질 내에 부유되며,
    (d) 상기 매질을 가로질러 전압을 인가하는 수단이 상기 프리즘 표면의 대략 0.25㎛ 내에서 상기 입자를 선택적으로, 전기영동적으로 움직여서 상기 시트를 통과하는 광선의 상기 프리즘 표면에서의 내부 전반사를 감쇄시키고,
    n2가 n1보다 충분히 커서, 상기 시트를 통과하는 상기 광선이 상기 인가된 전압의 부재하여서 상기 프리즘 표면에서 내부 전반사를 겪는 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  35. 제33항에 있어서, 미세-구조 렌즈(86)의 정렬이 상기 미세-구조 정렬의 후방에 탑재되고, 이 렌즈가 상기 도파관으로부터 상기 광선을 균일하게 추출하고, 대략 45°의 각도에서 후방으로 상기 광선을 리디렉트 하는 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  36. 제33항에 있어서, 상기 광원이 다중 색 광원이고, 상기 이미지 디스플레이 장치가 상기 도파관으로 상기 선택된 색의 광선을 방사하도록 상기 광원을 가동하기 위한 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  37. (a) 반사 시트(50)가 프리즘 내측 표면(52)과 대향하는 외측 표면(62)을 갖추고, 이 시트가 굴절률 n1을 가지며,
    (b) 받침 시트(55)가 상기 반사 시트에 결합되어, 상기 프리즘 내측 표면과 상기 받침 시트 사이에 액체 및 기체 밀봉 챔버(53,54)를 형성하고,
    (c) 상기 챔버 내의 액체(56)가 낮은 끓는점을 갖고, 액체상태 굴절률 n2가 대략 n1과 동일하고, 기체상태 굴절률 n3가 실질적으로 n1과 동일하지 않으며,
    (d) 제1전압수단(59)이 상기 프리즘 내측 표면에 전압을 제어 가능하게 인가하여 상기 프리즘 내측 표면을 가열하고, 상기 프리즘 내측 표면에 인접한 영역에서 상기 액체를 기화하는 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  38. 제37항에 있어서, 제2전압수단(58)이 상기 받침 시트에 전압을 제어 가능하게 인가하여 상기 받침 시트를 가열하고, 상기 받침 시트에 인접한 영역에서 상기 액체를 기화하는 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  39. 제37항에 있어서, 상기 반사 시트는 폴리카보네이트 재료를 구비하고, 상기 액체는 FluorinertTM인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  40. 제37항에 있어서, 상기 반사 시트는 폴리카보네이트 재료를 구비하고 상기액체는 펜탄인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  41. 제37항에 있어서, 상기 반사 시트는 폴리카보네이트 재료를 구비하고, 상기 액체는 헥산인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  42. 제37항에 있어서, 상기 반사 시트는 3M Diamond GradeTM반사 시트를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  43. 제37항에 있어서, n1은 대략 1.6이고, n2는 대략 1.36이며, n3는 대략 1인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  44. 제37항에 있어서, 상기 액체는 낮은 굴절률, 낮은 점도, 전기적으로 절연된 액체인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  45. 제37항에 있어서, 상기 액체은 Fluorinert Electronic Liquid인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  46. 제37항에 있어서, 개구된 광 흡수 장벽(51)이 상기 프리즘 내측 표면의 수평하게 대향하는 표면과 상기 받침 시트 사이에서 수평하게 연장되는 것을 특징으로하는 이미지 디스플레이장치.
  47. 제37항에 있어서, 상기 제1전압수단은, (a) 상기 프리즘 내측 표면 상의 투명 전극과,
    (b) 상기 전극에 전기적으로 연결되는 전원을 더 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  48. 제37항에 있어서, (a) 상기 전압수단은,
    (i) 상기 프리즘 내측 표면상의 제1투명 전극과,
    (ii) 상기 제1전극에 전기적으로 연결된 제1전원을 더 구비하고,
    (b) 상기 제2전압수단은,
    (i) 상기 받침 시트상의 제2투명 전극과,
    (ii) 상기 제2전극에 전기적으로 연결되는 제2전원을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  49. (a) 프리즘 내측 표면과 대향하는 외측 표면을 갖춘 반사 시트를 제공하고, 이 반사 시트는 굴절률 n1을 가지며,
    (b) 상기 프리즘 내측 표면에 인접한 액체를 유지하고, 상기 액체가 낮은 끓는점을 갖고, 액체상태 굴절률 n2가 n1과 대략 동일하고, 기체상태 굴절률 n3가 n1과실질적으로 동일하지 않으며,
    (c) 상기 프리즘 내측 표면을 가열하여 상기 프리즘 내측 표면에 인접한 영역내의 상기 액체를 기화하는 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이방법.
  50. 제49항에 있어서, 상기 반사 시트는 폴리카보네이트 재료를 구비하여 구성되고, 상기 액체는 낮은 굴절률, 낮은 점도, 전기적으로 절연된 액체인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이방법.
  51. 제49항에 있어서, 상기 액체는 Fluorinert Electronic Liquid인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이방법.
  52. 제49항에 있어서, 상기 반사 시트는 폴리카보네이트 재료를 구비하고 상기 액체는 펜탄인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이방법.
  53. 제49항에 있어서, 상기 반사 시트는 폴리카보네이트 재료를 구비하고, 상기 액체는 헥산인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이방법.
  54. 제49항에 있어서, 상기 반사 시트는 3M Diamond GradeTM반사 시트를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이방법.
  55. 제49항에 있어서, n1은 대략 1.6이고, n2는 대략 1.36이며, n3는 대략 1인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이방법.
  56. 제49항에 있어서, 상기 액체는 FluorinertTMElectronic Liquid FC-72인 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이방법.
  57. 제49항에 있어서, 상기 가열은 상기 프리즘 내측 표면에 적용된 전극을 저항 가열하는 것을 더 구비한 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이방법.
  58. 제49항에 있어서, (a) "온" 동작상태에서 상기 가열이 수행되어 상기 액체를 기화하고, 상기 기화된 액체와 상기 프리즘 내측 표면 사이의 경계에서 굴절률 부정합을 야기하여, 상기 경계로 입사한 광선을 내부 전반사시키며,
    (b) "오프"동작상태에서 상기 가열이 억제되어 상기 액체의 기화를 방해하고, 상기 경계에서 굴절률 정합을 야기하여, 상기 경계를 통해 상기 경계에 입사한 광선을 충분히 굴절시키는 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이방법.
  59. (a) 투명의 반도체 채널(65)이 제1프리즘(72) 표면을 갖추고, 굴절률 n1을 가지며,
    (b) 산화금속층(66)이 상기 프리즘 표면에 대향하는 상기 채널의 표면에 적용되며,
    (c) 소스전극(67)이 상기 채널의 제1단부에 전기적으로 연결되고,
    (d) 드레인전극(68)이 상기 제1단부에 대향하는 상기 채널의 제2단부에 전기적으로 연결되며,
    (e) 게이트전극(69)이 상기 산화금속층에 전기적으로 연결되고,
    상기 게이트로의 제1전압포텐셜의 인가가 상기 채널의 광 흡수 계수를 감소시켜서, 상기 제1프리즘 표면에서 광선의 내부 전반사를 허용하고, 상기 게이트로의 제2전압포텐셜의 인가가 상기 채널의 흡수 계수를 증가시켜서, 상기 제1프리즘 표면에서 광선의 내부 전반사를 감쇄시키는 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
  60. 제59항에 있어서, 투명 시트(70)가 상기 제1프리즘 표면에 고정되어 개재된 제2프리즘(74) 표면을 갖추고, 상기 시트가 n2>n1의 굴절률을 가지며 상기 제2프리즘 표면에 대향하는 대향 외측 표면(75)을 갖춘 것을 특징으로 하는 이미지 디스플레이장치.
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