KR20020056951A - 투과반사형 전환 디스플레이 디바이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 반사 모드나 투과 모드에서 동작하며 고 브라이트니스를 가지는 디스플레이에 관한 것이다. 이 디스플레이는 전환 가능 층의 수소 함유량을 변화시켜 반사 상태, 투과 상태, 및 흡수 상태 사이에서 전환되는 전환가능 층(3)을 구비하는 화소 소자(20)를 포함한다. DC 전압을 전기전도성 층(11, 13)에 인가하는 것은 수소 함유량을 변화시킨다. 이들 전기전도성 층 사이에는 상기 전환 가능 층(3)을 포함하는 적층부 사이에 끼어 있으며, 상기 적층부는 투명 기판 위에 증착되어 있다.

Description

투과반사형 전환 디스플레이 디바이스{TRANSFLECTIVE SWITCHING DISPLAY DEVICE}

반사 모드나 투과 모드에서 동작되는 디스플레이 디바이스는 알려져 있다. 예를 들어, 투과반사형(transflective) LCD 디스플레이는 두 가지 서로다른 모드, 즉 디스플레이 뒤에 놓여 있는 백라이트에 의해 디스플레이가 조명될 때의 투과 모드와, 주위 광이 디스플레이를 조명할 때의 반사 모드의 서로다른 두 모드에서 동작된다. 투과반사형 LCD 디스플레이는 이 디스플레이가 제한된 브라이트니스를 가진다는 단점을 가지고 있다. 이것은, LCD 디스플레이의 화소 소자가 모두 결과적으로 작은 개구를 가지는 반사부와 투과부로 일반적으로 분할되기 때문이다. 기껏해야, 투과반사형 LCD 디스플레이는 반사형 LCD의 반사율의 절반과 투과형 LCD의 브라이트니스의 절반만을 가지고 있다. 더구나, 디스플레이의 셀 간격은, 브라이트니스를 더 줄이는, 반사 모드와 투과 모드 모두에 동시에 최적화될 수 없다. 게다가, 종래의 LCD 디스플레이는, 투과되는 광의 밀도를 2의 계수만큼 줄이는, 폴러라이저(polarizer)를 사용한다.

본 발명은, 반사 모드나 투과 모드에서 동작되며 광을 변조시키기 위한 화소 소자를 구비하는 디스플레이 디바이스에 관한 것이다.

도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따라 전환 미러 디스플레이의 적층부의 단면도.

도 2는 종래 기술에 따른 전환 미러 디스플레이의 화소 소자의 단면도.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 전환 미러 디스플레이의 적층부를 도시하는 도면.

도 4는 본 발명에 따른 전환 미러 디바이스의 화소 소자의 단면도.

도 5a, 도 5b, 및 도 5c는 본 발명에 따른 디바이스의 여러 실시예를 개략적으로 도시하는 도면.

본 발명의 목적은 향상된 브라이트니스를 가지는 디스플레이 디바이스를 제공하는 것이다. 이 목적을 위해, 본 발명은, 청구항 1에 기재된 바 디스플레이 디바이스를 제공한다.

투과반사형 LCD의 구성으로 인해, 기껏해야 각 화소의 화소 표면 영역 중 절반만이 광을 반사하는데 관여하고 다른 반은 광을 투과할 수 있다. 전 화소 표면이 사용되기 때문에, 전환 디스플레이 디바이스는 본질적으로 투과반사형 LCD보다 두 배 더 밝다. 이러한 전환 디스플레이는 폴러라이저가 요구되지 않기 때문에 훨씬 더 높은 브라이트니스를 가진다.

본 발명의 유리한 실시예는 종속 항에 기술되어 있다.

전환 미러 디스플레이는 US 5,905,590에 알려져 있다. 이러한 디스플레이는 가돌리늄(gadolinium)이나 다른 3가 금속(trivalent metal)의 수산화물을 포함하는 전환 미러 필름을 포함한다. 수소의 교환에 의해, 이 전환 필름은 투명 상태로부터 중간의 검은 흡수 상태를 경유하여 투과시키지 않는 미러 상태(mirror-like state)로 가역적으로 전환될 수 있다. 이 전환 필름은 투명 기판 위에 증착되어 있는 적층부로 이루어져 있다. 전환 필름에 패턴을 만들고 이 패턴 형성된 전환 필름에 투명 전극을 제공하여, 얇은 디스플레이가 제조될 수 있다.

하지만, US 5,905,590은 향상된 브라이트니스를 갖는 투과반사형 디스플레이가 특정 표면 전하 밀도를 전환 필름에 인가함으로써 제공될 수 있는 것을 개시하지 않고 있다.

본 발명의 이들 측면과 다른 측면은 이후 기술되는 실시예를 참조하여 명료해질 것이다.

전체적으로, 동일 참조 번호는 동일 소자를 나타낸다.

도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 전환 미러 디바이스의 단면도를 도시한다. 이 층의 두께는 축척에 맞게 그려져 있지 않다. 이 디바이스는 투명 유리 판(1)을 포함하는데, 이 투명 유리 판 위에는 적층부가 진공 증착, 스퍼터링, 레이저 식각, 화학적 증기 증착, 또는 전기 도금과 같은 종래 방법에 의해 증착된다. 이 적층부는, 두께가 약 200㎚인 전환 필름으로서 LMgH_x(L은 원소 주기율 표의 란탄 계열 중의 한 원소이거나, Y, Sc, 또는 Ni이다)의 층(3)과, 두께 약 5㎚의 팔라듐 층(5)과, 두께 0.1 내지 10㎛ 범위의 이온 전도성 전해질의 층(7)과, 및 수소 저장층(9)을 포함한다.

GdMgH_x는, 광학적 특성과 전환 시간에 관한 한, 가장 적합한 전환 재료이지만, 다른 3가 마그네슘 란탄족 합금도 또한 사용될 수 있다. 전환 필름(3)은 저 수소(x < ∼2) 혼합물(low-hydrogen composition)과 포화된 고 수소(x∼5) 혼합물(high-hydrogen composition) 사이에서 가역적으로 전환될 수 있다. 중간 수소 혼합물에서, 필름은 여러 각도에서 흡수한다. 실제로, 이 필름은 본질적으로 2.5 < x < 4.5의 범위인 수소 밀도로 흡수한다. 여러 혼합물은 서로다른 광학적 특성을 가진다. 저 수소 함유량에서, 필름은 금속 특성을 가지며 투명하지 않다. 이 필름은 이때 미러 같이 반사한다. 고 수소 함유량에서, 이 필름(3)은 반도체가 되고 투명한 반면, 중간 수소 농도에서 전환 필름은 흡수한다.

팔라듐 층(5)은 수산화(hydriding) 또는 탈수산화(dehydriding) 속도와 그리하여 전환 속도를 증가시키는 기능을 한다. 백금이나 니켈과 같은 다른 전기 촉매 금속이나 합금이 사용될 수도 있다. 게다가, 이 금속 층은 전해질에 의한 부식에 대해 기저 전환 필름(3)을 보호한다. 팔라듐 층(5)은 2와 25㎚ 사이의 범위에 있는 두께를 가질 수 있다. 하지만 필름의 두께가 전환 디바이스의 최대 투과율을 결정하기 때문에 2 내지 10㎚의 얇은 층이 바람직하다.

적절한 기능 동작을 위해, 수소 저장 층(9)과 수소 이온 전도 전해질 층(7)이 또한 필요하다. 우수한 수소 이온 전도체 전해질은 ZrO₂H_x이다. 이 전해질은 우수한 이온 전도체이어야 하지만, 이 전해질은 이 디바이스의 자체 방전을 방지하기위하여 전자에 대해서는 절연체이어야 한다. 이 디바이스를 간단하게 하기 위해 사용은 투명 고체 상태 전해질로 이루지는 것이 가장 바람직하며; 이 전해질은 밀봉 문제(sealing problems)를 방지하며, 그리고 이 디바이스는 취급하기에 더 용이하다.

전환 미러의 투명 상태가 요구된다면, 저장 층을 위한 우수한 후보 재료는 WO₃이다.

적층부는 예를 들어 인듐-주석 산화물(ITO : indium-tin oxide)의 두 개의 투명 전기전도성 전극 층(11, 13) 사이에 끼어있다. 전극 층(11,13)은 외부 전류 소스(도시되지 않음)에 연결된다. DC 전류를 인가함으로써, 저 수소의 미러 같은 혼합물은 투명하고 중성 회색인 고 수소의 혼합물로 변경된다. 이 디바이스는 이제 도 1a에 대시 라인으로 도시되어 있는 바와 같이 투명 창으로 작용한다. 전류를 역전시킬 때, 전환 필름(3)은 저 수소 상태로 복귀하며, 이 상태는 도 1b에 도시된 바와 같이, 미러 같으며 비투명하다. 이 전환 시간은 종래의 전기크로믹 디바이스(electrochromic device)의 전환 시간에 필적한다. 이 디바이스는 실온에서 동작할 수 있다. 일단 이 미러가 원하는 광학적 상태에 도달하면, 전류는 이 디바이스를 통해 거의 흐르지 않게 된다. 이것은 이 디바이스가 매우 낮은 전력으로 정보를 보유할 수 있음을 의미한다.

본 발명은, 전환 미러 효과가 향상된 브라이트니스를 갖는 투과반사형 디스플레이를 제공하는데 유리하게 사용될 수 있다는 인식에 기초하고 있다. 여기에서 도 5a, 도 5b, 도 5c에 개략적으로 도시되어 있는 3 가지 상태(반사 상태, 투명 상태, 흡수 상태) 중 어느 상태가 사용되는 지에 따라 몇몇 가능한 실시예가 있다. 반사 모드에 대한 여러 실시예는 이들 도면의 왼쪽 부분에 L 로 표시되어 도시되어 있는 반면, 투과 모드에 대한 여러 실시예는 R로 표시되어 오른쪽 부분에 도시되어 있다. 화살표는 디스플레이의 여러 모드와 화소의 상태에 대한 디스플레이 내의 광 경로를 나타낸다.

도 5a에 도시되어 있는 제 1 실시예에서, 반사 모드(L)는 반사 상태와 흡수 상태를 사용하는 반면, 투과 모드(R)는 투과 상태와 흡수 상태를 사용한다. 이 방식으로, 우수한 콘트라스트가 각 상태에서 확보된다. 화소(101)는 반사 상태를 나타내며, 화소(102)는 흡수 상태를 나타낸다.

투과 모드(R)에서, 백라이트(110)로부터 오는 광은 화소(104)에 의해서 투과되는 반면, 이 광은 화소(103)에 의해서는 흡수된다. 디스플레이를 보는 사람의 관점에 대하여, 백라이트는 화소(101-104) 뒤에 배치되어 있다.

도 5b에 도시되어 있는 제 2 실시예는, 반사 상태와 투과 상태만을 사용한다. 반사 모드(L)는 검은 화소를 만들기 위해 흡수 배경(115)을 사용하는 반면, 화소는 반사 상태(101)로부터 투과 상태(102)로 전환된다. 투과 모드(R)는 또한 반사 상태(103)와 투과 상태(104)를 사용하며, 여기서, 반사 상태에서 화소는 광을 차단하며, 검은색 화소를 만든다. 백라이트 구역으로 되반사된 광의 일부는 디스플레이의 브라이트니스를 증가시키기 위해 아직 더 재사용된다(대시 화살표로 표시됨). 3개의 화소 상태 중 두 개, 예컨대 반사 상태와 투과 상태만이 사용되는 사실로 인해, 디스플레이는 표면 밀도의 두 값에 의해서 전환되기만 하면 된다. 이것은 디스플레이를 구동하는데 요구되는 전자장치를 간단하게 해준다.

도 5c에 도시되어 있는 제 3 실시예에서, 사용은 다시 반사 상태, 투명 상태, 및 흡수 상태로 이루어진다. 이 경우에, 반사 모드(L)가 반사 상태(101)와 흡수 상태(102)를 다시 사용하는 반면, 투과 모드(R)는 반사 상태(103)와 투과 상태(104)를 이제 사용한다. 반사 모드는 제 1 실시예에서와 유사하게 우수한 성능을 가지고 있지만, 이제 백라이트 구역으로 되반사된 광의 재활용을 최대한 이용하는 것이 투과 모드에서 가능하다. 이것은 디스플레이의 브라이트니스를 더 증가시켜준다.

3개의 실시예는 일상 디스플레이 어플리케이션(즉, 흑색/백색 또는 컬러 필터를 갖는 풀 컬러 디스플레이)에 요구되는 바와 같은 백색 상태로 반사 상태를 변환하기 위하여 전면 산란 필름, 또는 유사한 광학적 구성성분(optical component)을 필요로 한다. 대안적으로, 반사 층의 구조는 흰색이나 검은 색으로 보이는 반사 상태를 제공하도록 원하는 산란 반사를 만들기 위하여 의도적으로 울퉁불퉁하게 제작될 수 있다.

도 5b 및 도 5c의 실시예에서, 투과 모드(R)에서 반사된 광의 재활용은 반사기의 하측, 백라이트의 하우징을 구조화하거나, 또는 백라이트/반사기의 영역에 호일(foil)을 추가하는 여러 방식으로 최적화될 수 있다.

디스플레이의 다른 실시예는, 브라이트니스, 콘트라스트, 및 전력 소비 요건을 최적화시키도록 주위 광 상태에 따라 반사 모드나 투과 모드 사이에서 디스플레이를 전환하는 (도 5c에서 소자(120)로 도시된 포토다이오드와 같은) 광 센서를 포함한다.

이제 도 2로 참고하면, 종래 기술에 따른 전환 미러 디바이스의 문제점은 활성 매트릭스의 소자(22)가 화소 소자(20)의 가시 면(24)에서 볼 수 있다는 것, 즉 디스플레이가 보이는 면에서 볼 수 있다는 것이다. 이 활성 매트릭스(박막 트랜지스터, 행, 열, 저장 커패시터, 등)는 화소 소자를 전환시키는데 필요한 전기 소자를 포함한다. 이 활성 매트릭스는 화소 소자에 또한 포함되어 있는 매립 층(26)에 매립(embedded)된다. 이 활성 매트릭스는 전극 층(11, 13)에 전기적으로 연결된다. 절연 층(28)은 적층부의 층으로부터 활성 매트릭스 소자(22)를 절연시킨다.

종래 기술에 따른 구성에서, 활성 매트릭스가 차지하는 표면 영역은 광학적 활성 층(3)에 사용될 수 없다. 이것은 이 디바이스가 가시 면(24)으로부터 보이는 경우 이 디바이스의 개구(aperture)를 줄여준다. 특히, 구동 회로가 비교적 복잡할 때, 그리고 트랜지스터가 전환 미러 디스플레이를 충전하는데 필요한 고 전류를 취급하기 위하여 비교적 크게 제조되는 것이 바람직하기 때문에, 이 개구는 비교적 작다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 전환 미러 디스플레이의 적층부를 도시한다. 이 경우에, 이 디바이스는 적층부가 증착되어 있는 기판의 면(24)으로부터 보인다. 전환 층(3)을 포함하는 적층부의 순서는 역전되어 있다. 이것은, 기판의 표면에서부터 시작하는 순서로, 이 적층부가 수소를 저장하기 위한 제 1 층(9), 수소를 전도시키기 위한 제 2 층(7), 및 전환 가능 층(3)을 포함하는 것을 의미한다.

이 적층부는 전기전도성 전극 층(11, 13) 사이에 끼어있다. 광학적으로 전환가능한 재료(3)는 수소의 밀도를 변화시켜 반사광 상태에서 흡수광 상태로 전환된다. DC 전압을 전기 전도성 층에 인가하는 것은 수소 밀도를 변화시킨다.

제 2 층이 예컨대 ZrO₂H_x인 전해질 재료를 포함하고, 상기 제 2 층(7)과 상기 전환 가능 층(3) 사이에 분리 층(5)이 존재하며, 그리고 제 1 층(9)이 GdMgH_x를 포함하는 적층부를 통해 우수한 결과가 얻어졌다.

도 4는 본 발명에 따른 화소 소자(20)의 단면도를 도시한다, 적층부의 적층 순서는 (도 3a와 도 3b에 보다 상세하게 도시되어 있는 바와 같이) 역전되어 있으며 전환 층(3)은 활성 매트릭스 소자(22)에 걸쳐 이어져 있다. 전기적 전환 수단은 이리하여 이 디스플레이 디바이스의 가시 면(24)에 대하여 광학적 전환 재료의 층 뒤에 배치된다. 전환 층이 반사 상태로부터 흡수 상태로 전환될 때와 그리고 그 역으로 전환될 때, 활성 매트릭스 소자(22)는 보이지 않는다. 이 활성 매트릭스 소자는 더 이상 반사 상태의 개구를 결정하지 않기 때문에, 이 디스플레이는 더 밝아진다.

전환 미러의 투명 상태가 요구되지 않기 때문에, 두 번째 LMgH_x층(L은 Y, Sc, 또는 Ni이거나, 원소 주기율표의 란탄 계열의 원소, 예컨대 Gd이다)은 저장 층으로 사용될 수 있다. 이것은 대칭 디바이스가 되며, 이것은 이 디바이스가 더 얇게 될 수 있는 이점을 가진다.

실험적으로 뿐만 아니라 이론적으로도 모두, 100㎚의 얇은 Gd₄₀Mg₆₀-수산화물 층에 대해, 투명 상태와 반사 상태 사이를 전환하기 위하여 하나의 층으로부터 다른 층으로 모든 수소를 전달하는데 약 0.1C/㎠의 전하가 필요한 것으로 밝혀졌다. 반사 상태와 흡수 상태 사이만을 전환하는데에는, (약 0.15 및 0.85C/㎠를 필요로 하는) 더 적은 수소가 전달됨에 틀림없다. 이 전하 밀도는 또한 층의 두께에 따라 달라질 수 있다. 더구나, 반사 상태와 흡수 상태 사이를 전환하는데에, 더 적은 전하(수소 이온)가 전달될 필요가 있으며, 즉 더 적은 전류가 전환에 요구된다.

대칭 디바이스는 반사 상태와 흡수 상태 사이를 전환하는 것만이 필요한 응용에 사용될 수 있다. 디스플레이 디바이스의 가시 면(24)에 산란 호일(scattering foil)이 제공된다면, 이 디스플레이의 콘트라스트가 향상된다. 이 호일의 존재로 인해, 반사 상태에서 전환 미러 화소는 희게 보이는 반면, 흡수 상태의 전환 미러 화소는 검게 보이게 된다. 이러한 타입의 디스플레이는 예컨대 문서 판독기(document leader)로 사용될 수 있다. 컬러 필터와 결합된, 이 원리는 풀-컬러 문서 판독기(full-color document reader)를 양산할 수 있게 한다.

요약하면, 본 발명은 반사 모드나 투과 모드에서 동작하며 고 브라이트니스를 가지는 디스플레이에 관한 것이다. 이 디스플레이는, 전환가능 층(3)의 수소 함유량을 변화시켜, 반사 상태, 투과 상태, 및 흡수 상태 사이에서 전환되는, 전환가능 층(3)을 구비하는 화소 소자(20)를 포함한다. DC 전압을 전기전도성 층(11, 13)에 인가하는 것은 수소 함유량을 변화시킨다. 이들 전기전도성 층 사이에는 전환 가능 층(3)을 포함하는 적층부가 끼어 있으며, 이 적층부는 투명 기판 위에 적층되어 있다.

위에 언급된 실시예는 본 발명을 한정하는 것이 아니라 예시하는 것이라는것과 이 기술 분야에 숙련된 사람이라면 첨부된 청구범위의 범주를 벗어나지 않고 대안적인 실시예를 많이 설계할 수 있을 것이라는 것을 유의하여야 할 것이다. 청구범위에서, 괄호 안에 있는 임의의 참조 부호는 청구항을 제한하는 것으로 해석되어서는 아니된다. "포함하는"이라는 동사와 그 동사 활용(conjugates)의 사용은 청구항에 언급된 것이 아닌 다른 요소나 단계의 존재를 배제하지 않는 것이다.

전술된 바와 같이, 본 발명은, 적어도 반사광의 제 1 상태와 흡수광의 제 2 상태 사이에서 가역적으로 전환 가능한 광 전환 디바이스에 이용 가능하다.

Claims (7)

1. 반사 모드(L)나 투과 모드(R)에서 동작되며 광을 변조시키기 위해 화소 소자(101-104)를 구비하는 디스플레이 디바이스로서, 상기 화소 소자는,

   상기 화소 소자(101-104)를 제 1 상태로부터 제 2 상태로 전환하는 광학적으로 전환가능한 재료의 전환가능 층(3)을 포함하는 적층부와, 여기서 상기 제 2 상태는 상기 제 1 상태와는 다르며, 상기 제 1 상태와 상기 제 2 상태는 반사 상태, 투과 상태 또는 흡수 상태 중 어느 하나인, 적층부와;

   반사 상태로부터 비반사 상태로 전환시켜서 상기 반사 모드(L)에서 광을 변조시키며, 투과 상태로부터 비투과 상태로 전환시켜서 상기 투과 모드(R)에서 광을 변조시키기 위한 수단으로서, 상기 비반사 상태는 상기 투과 상태 또는 상기 흡수 상태이며, 상기 비투과 상태는 상기 반사 상태 또는 상기 흡수 상태이며, 상기 광 변조 수단은, 실질적으로 -Q의 표면 전하 밀도를 상기 전환 가능 층(3)에 인가하여 상기 전환 가능 층(3)이 상기 투과 상태로 가게 하며, 실질적으로 +Q의 표면 전하 밀도를 상기 전환 가능 층에 인가하여 상기 전환 가능 층(3)이 상기 반사 상태로 가게 하며, 그리고 +0.15Q 및 +0.85Q 사이의 표면 전하 밀도를 각각 상기 전환 가능 층에 인가하여 상기 전환 가능 층(3)이 상기 흡수 상태로 가게 하기 위한 전기적 전환 수단(22)을 포함하는, 광 변조 수단;

   을 포함하는, 디스플레이 디바이스.
2. 제 1 항에 있어서, Q의 값은 상기 전환 가능 층(3)의 100㎚ 두께당 0.05 내지 0.15 Coulomb/㎠의 범위 내에 있는, 디스플레이 디바이스.
3. 재 1 항에 있어서, 상기 반사 모드(L)에서, 상기 화소는 상기 반사 상태에서 상기 흡수 상태로 전환되며, 그리고 상기 투과 모드(R)에서, 상기 화소는 상기 투과 상태로부터 상기 흡수 상태로 전환되는, 디스플레이 디바이스.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 반사 모드(L)에서, 상기 화소는 상기 반사 상태로부터 상기 투과 상태로 전환되며, 그리고 상기 투과 모드(R)에서, 상기 화소는 상기 반사 상태로부터 상기 투과 상태로 전환되는, 디스플레이 디바이스.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 반사 모드(L)에서, 상기 화소는 상기 반사 상태에서 상기 흡수 상태로 전환되며, 그리고 상기 투과 모드(R)에서, 상기 화소는 상기 반사 상태에서 상기 투과 상태로 전환되는, 디스플레이 디바이스.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 적층부는 기판(1)의 표면 위에 증착되며, 상기 적층부는, 상기 기판(1)의 표면에서 시작하는 순서로, 수소를 저장하기 위한 제 1 층(9), 수소를 전도시키기 위한 제 2 층(7)과, 상기 전환가능 층(3)을 포함하며, 광학적으로 전환가능한 재료는 수소 밀도를 변화시켜서 전환되는, 디스플레이 디바이스.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 디스플레이는 주위의 광 상태에 따라 상기 반사 모드(L)와 상기 투과 모드(R) 사이에서 상기 디스플레이의 전환을 제어하기 위한 광 센서(120)를 포함하는, 디스플레이 디바이스.