KR20020081423A - 리셋을 갖는 광 스위칭 장치 - Google Patents

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KR20020081423A
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마크 떼. 존슨
아이아인 엠. 헌터
스티븐 세. 디아네
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

스위칭 미러 디스플레이(20)를 어드레싱하기 위한 리셋 구동 구조(scheme)는 전류가 스위칭 요소(30)를 통해서 두개의 방향으로 흐르도록 한다. 상기 디스플레이는 미리 설정된 상태로 강제되고 연속적인 전류를 제공하는 어드레싱 가능한 TFT(31)를 사용함으로써 다른 광학적 상태로 상기 디스플레이를 구동한다. 이들 요구조건을 만족시키는 회로가 나타내진다.

Description

리셋을 갖는 광 스위칭 장치{LIGHT SWITCHING DEVICE WITH RESET}
미국특허 (특허번호5,905,590)는 다른 3가의 금속 및 마그네슘의 수소화물을 포함하는 스위칭 막(switching film)을 포함하는 스위칭 장치에 관한 것이다. 수소를 교환함으로써, 중간의 흑색 흡수 상태(intermediate black absorbing)를 통하여스위칭 막은 투명한 상태로부터 0의 투과율을 갖는 거울과 같은(mirror-like)(완전히 반사하거나 산란시키는)상태로 가역적으로 스위칭 될 수 있다. 스위칭 막은 층의 스택 안에 포함되어 있으며 상기 스택은 투명 기판 위에 증착되어 있다. 광학적 효과에 의해서 상기 장치는 예를 들어 가변 빔 스플리터(variable beam splitter),광학 셔터(optical shutter) 같은 광학적 스위칭 요소로 사용될 수 있으며, 루미네어(luminaire)에서 광의 빔의 모양이나 조명을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 상기 스위칭 장치는 데이터 저장을 위해서, 광학 계산(optical computing)을 위해서 그리고 건축용 유리, 시야 제어 유리(vision control glass), 선루프와 백미러(rear view mirror)같은 응용물에서도 역시 사용될 수 있다. 스위칭 막에서 패턴을 만들고 상기 패터닝된 스위칭 막에 투명 전극을 제공함으로써, 얇은 디스플레이가 제조될 수 있다.
스위칭 효과의 속도가 수소의 전달에 의해 결정되기 때문에 상기 장치가 상대적으로 느리다는 것이 이런 종류의 장치에 있는 문제점이다.
본 발명은 적어도 광을 반사하는 제1상태와 제2상태사이에서 가역적으로 스위칭할 수 있는 광 스위칭 장치에 관한것인데, 상기 제2 상태는 광을 흡수하는 상태 혹은 투과(transmissive) 상태중 하나이고, 상기 장치는 상기 장치의 제1상태에서 제2 상태로 스위칭을 일으키는 광학적으로 스위칭 가능한 물질의 스위칭 가능한 층(layer)을 포함하는 층들의 스택(stack)을 포함하는데, 특별히 물질은 수소의 밀도를 바꿈으로써 스위칭이 이루어지는 물질이다.
도1a, 도1b는 스위칭 미러(switching mirror) 디스플레이의 층(layer)의 스택(stack)의 단면을 도시한다.
도2는 본 발명에 따르는 스위칭 미러 장치의 픽셀 요소의 매트릭스(matrix)의 일부를 도시한다.
도3과 도4는 본 발명에 따르는 장치의 다양한 실시예를 개략적으로 도시한다.
도5a와 도5b는 본 발명에 따르는 평면도를 도시한다.
도면은 스케일에 따라 그려지지 않고 개략적으로 도시되었다. 일반적으로 같은 참조 번호는 같은 요소를 나타낸다.
본 발명의 목적은 개선된 속도를 갖는 스위칭 장치를 제공하는 것이다. 이 목적을 위해서, 본 발명은 청구항 1에 따르는 디스플레이 장치를 제공한다.
본 발명은 한편으로는 픽셀을 어드레싱(address)하기 위해 필요한 전하의 양이 너무 커서 이것은 차후의 수많은 어드레싱 주기 동안 픽셀에 로딩(loaded)될 수 없고, 반면에 다른 한편으로는 상기 픽셀은 재충전 가능한 배터리에 비교될 만하다. 스위칭 미러 장치(switching mirror device)에서 수소 이온은 수소를 포함하는 층에서 다른 층으로 확산하고, 반면에 전류(electric current)가 장치의 주위에서 흐른다. 광학적 특성은 이 수소 배터리의 전하의 상태에 달려 있다. 인가된 전압의 극성을 변화시킴으로써, 수소 이온은 거꾸로 흐를 것이다.
본 발명에 따라서, 각각의 픽셀 요소(pixel element)에 대해서 픽셀 요소를 충전시키기 위한 전류 소스와 상기 픽셀 요소의 직렬연결과, 픽셀 요소의 적어도 일부를 정의된 상태로 리셋(reset)하기 위한 추가적인 수단을 도입함으로써, 큰 전류가 양방향으로 인입될 수 있고(introduce), 이것은 픽셀의 빠른 스위칭을 허용하게 된다.
본 발명의 제1 실시예에서 픽셀 요소의 공통 포인트(common point)는 스위치를 경유해서 리셋 전압에 연결된다. 리셋은 스위치를 닫음으로서 이루어진다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 픽셀 요소와 전류 소스의 직렬연결이 전압 연결들 사이에 제공되고, 리셋을 위한 수단은 적어도 두 개의 전압사이에서 전압 연결(voltage connection)중 하나를 스위칭 하는 수단을 포함하는데 상기 전압은 다른 전압 연결(대칭 장치)에 대해서 다른 부호를 갖는다. 이런 방법으로 리셋을 위한 여분의 스위치는 없을 수도 있으며, 이것은 투과모드에서 더 높은 어퍼처(aperture)로 이끈다.
비대칭 장치에 관해서 두개의 다른 진폭사이에서 스위칭하는 것 역시 가능할 수 있다.
바람직하게는 전류 소스는 트랜지스터의 제어 연결에 접속된 커패시터 요소를 포함한다.
본 발명의 이러한 그리고 또 다른 양상은 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도1a, 1b는 스위칭 미러 장치의 단면도를 도시한다. 상기 장치는 진공 증착(vacuum evaporation), 스퍼터링(sputtering), 레이저 제거(laser ablation), 화학 증기 증착(chemical vapor deposition) 또는 전기도금(electroplating)같은 종래의 방법에 의해서 층의 스택이 증착되는(deposited) 투명 유리 판(1)을 포함한다. 상기 스택은 약 200nm의 두께를 갖는 스위칭 필름으로써 LMgHx의 층(3)(L은 원소 주기율표의 란탄계열의 원소,즉, Sc, Y 또는 Ni), 약 5nm의 두께를 갖는 팔라듐 층(5), 0.1에서 10 마이크로 미터의 범위의 두께를 갖는 이온 전도 전해질의 층(7)과 수소 저장 층(9)을 포함한다.
GdMgHx는 광학적 특성과 스위칭 타임에 관해서는 아주 적당한 스위칭 물질이지만, 다른 마그네슘-란탄족 합금 역시도 채택될 수 있다. 스위칭 필름(3)은 낮은 수소 배합(composition)과 높은 수소 배합사이에서 가역적으로 스위칭 될 수 있다. 중간 수소(H) 배합에서 상기 막(film)은 여러 각도에서 흡수성(absorbing)이 있다. 다양한 배합은 다른 광학적 특성을 갖는다. 낮은 수소 함유량에서, 막은 금속 같은특성을 갖고 투명하지 않다. 그럴 때 막은 거울처럼 반사한다. 높은 수소 함유량에서, 막(3)은 반도체성(semiconductive)이고 투명하고, 반면에 중간 수소 농도에서 스위칭 막은 흡수성(absorbing)이다.
팔라듐 층(5)은 수화(hydriding) 혹은 탈수화(dehydriding)의 속도, 그리고 그런 까닭에 스위칭 속도를 증가시키도록 동작한다. 백금이나 니켈 같은 다른 전기-촉매 금속 또는 합금도 사용될 수 있다. 게다가 이 금속 층은 전해질에 의한 부식에 대해서 밑에 있는 스위칭 막(3)을 보호한다. 팔라듐 층(5)은 2에서 25nm사이의 범위에서 두께를 가질수 있다. 그러나 2에서 10nm사이의 얇은 층이 바람직한데, 막의 두께가 스위칭 장치의 최대 투과도를 결정하기 때문이다.
더 나은 기능을 위해서 수소 저장 층(H-storage layer)(9)과 수소 이온전도 전해질 층(H-ion conducting electrolyte layer)(7)을 필요로 한다. 좋은 수소이온 전도 전해질은 ZrO2+xHy이다. 상기 전해질은 반드시 좋은 이온 전도체이어야 하지만장치의 자기 방전(self-discharge)을 막기 위해서 전자에 대해서 절연체가 되어야 한다. 가장 바람직하게는 투명 고체 상태 전해질이 사용되는데, 장치의 단순성 때문이다; 이것은 밀봉의 문제를 막아주고 장치를 다루기가 더 쉽다.
만약 스위칭 미러의 투명상태가 요구된다면, 저장 층으로서 좋은 후보는 WO3이다.
예를 들어, 인듐-주석 산화물(indium-tin oxide)(ITO)의 두 개의 투명 전기전도성 전극 층(electroconductive electrode layer)(11,13) 사이에 상기 스택이샌드위치되어 끼어진다. 전극 층(11,13)은 외부 전류 소스(도시되지 않음)에 연결된다. DC 전류를 인가함으로써 낮은 수소(low-hydrogen)의 유리 같은 배합은 고 수소 배합(high-htdrogen composition)으로 바꿔지는데, 이것은 투명하고 뉴트럴 그레이(neutral gray)이다. 상기 장치는 도1a에서 점선으로 도시된 것처럼 이제 투명 창으로 동작한다. 전류를 반대로 할 때 스위칭 막(3)은 낮은 수소상태로 돌아가고 이것은 도 1b에서 도시되듯이 유리같은 비투과성 이다. 스위칭 타임은 종래의 전기변색(electrochromic)장치의 스위칭 타임에 비교될 수 있다. 상기 장치는 실내온도에서 동작할 수 있다. 일단 상기 거울이 원하는 광학 상태에 도달하게 되면 실질적으로 상기 장치를 통하여 전류가 흐르지 않는다. 이것은 상기 디스플레이가 매우 낮은 전력으로도 정보를 유지할 것이라는 것을 의미한다.
도2는 디스플레이 장치(20)의 일부를 나타내는데, 상기 디스플레이 장치는 m 행 전극(row electrode)(22)(선택 전극)과 n 열 전극(column electrode)(23)(데이터 전극)의 교차 영역에서 디스플레이 회로 요소(21)의 매트릭스를 포함한다. 행 전극(22)은 행 구동기(row driver)(24)에 의해 선택되고, 반면에 열 전극(23)은 열 구동기(column driver)(25)를 통하여 데이터 전압을 제공받는다. 인입하는 데이터 신호(26)는 필요하다면 프로세서(27)에서 처리된다. 상호 동기는 제어 라인(28)을 통해서 일어난다.
본 발명에 따르는 디스플레이 회로 요소(21)의 일 실시예가 도3을 참조하여 설명될 것이다. 이것은 도1a, 1b를 참조하여 설명되었듯이 스위칭 미러 장치(30)를 포함하는데 단순함을 위해서 커패시터로 표시된다. 한 개의 투명 전기전도성 전극층(이 예에서는 11)이 전압 라인(35)에 의해서 공급되는 고정된 기준 전압(이예에서는 0V)에 연결된다. 또 다른 투명 전기 전도성 전극 층(13)은 스위치(이예에서는 n-타입의 전계 효과 트랜지스터(TFT)(31))를 통해서 음 전력 전압 선(negative power voltage line)(36)에 연결된다. TFT(31)의 게이트 연결은 커패시터(33)의 한쪽 판에 연결되고, 이 커패시터는 저장 커패시터로서 기능하고 m행 전극(22)(선택전극)과 n열 전극(23)(데이터 전극)을 통해서TFT(34)에 의해 어드레싱 된다.
전극(22)을 통해 행을 선택하는 동안, 데이터 전극(23)에 공급되는 데이터 전압은 n-타입 TFT(31)의 게이트에 전달된다. 전계 효과 트랜지스터(데이터 전압의 부호에 종속되는)는 전도(conduct)를 시작하고 전류 소스로서 동작하고 스위칭 미러 요소(30)를 충전(화살표38)하기 시작한다. 유지 시간(hold time) 동안 디스플레이에서 열의 남은 부분이 선택된다. 저장 커패시터(33)(TFT (31)의 고유 게이트 드레인 커패시턴스에 의해 형성될 수도 있는)는 이 유지 시간 동안 전류 소스가 스위칭 미러 요소(30)를 스위칭 하기에 필요로 되는 전류를 계속해서 전달하는 것을 보장한다. 이것은 한 프레임 주기(모든 라인이 한번 선택되는 시간) 동안 실행될 수 있지만 몇 프레임 시간(디스플레이의 사이즈, 즉 미러 및 TFT 의 크기에 달려있음) 동안 역시 지속할 수 있다. 충전하는 것을 마친 후에 전류는 스위치 오프 된다(switched off). 충전 또는 리셋의 끝을 검출 하기 위해서 바람직하게는 전류 센서(41)가 충전 모드와 리셋모드 모두에 공통인 전류 경로에 제공된다. 스위칭 미러 요소(30)는 그것이 도달한 상태에 남아 있을 것이다.
스위칭 미로 요소(30)를 충전하기 전에, 본 발명에 따라서, 스위칭 미러 요소의 전부 혹은 일부는 리셋된다(방전된다(화살표39)). 이 예에서 이것은 여분의 양의 전력 전압 라인(29)에 의해 성취된다. 상기 라인(29)상의 전압은 스위치(TFT)(32)를 통해 전극 층(11)에 인가되고, 제어 라인(40)에 의해 제어된다. 리셋을 위한 전압 소스를 사용함으로써 최적 속도(전류가 제한되지 않는)에서 리셋이 수행되는 반면에, 적당한 전압을 선택함으로써 스위칭 미러 요소는 저하(degradation)가 일어나기 전에 인가될 수 있는 최대 전압을 절대로 초과하지 않는다.
바람직하게는, 리셋전압은 디스플레이를 반사 혹은 백색(투과) 모드로 리셋시키는 그러한 방법으로 선택된다. 이것은 정보가 백색 배경 위에 어두운 글자로 주어지는 전자책이나 문서 뷰어(viewer)같은 많은 응용에 있어 유리하다. 이 경우에 디스플레이의 가장 작은 퍼센트는 낮은 전력 구동 방법과 연장된 디스플레이 수명으로 귀결 되는 리셋(오직 어두운 픽셀)을 필요로 한다.
도4는 도3의 TFT(32)와 전압 라인(29)이 필요 없게 돼서, 더 큰 어퍼쳐(aperture)가 실현될 수 있는 다른 실시예를 도시한다. 도시되지 않은 구동 수단은음의 전압(구동 전압)과 양의 전압(리셋 전압)사이에서 전력 전압 라인(36)을 스위칭 할 수 있다.
이미지를 리셋 하는 것은 먼저 전원 라인(36)을 리셋 전압에 셋팅하고, 모든 TFT(31)를 온(on)에 어드레싱 함으로써 이루어진다; 후자는 한번에 한 개의 행을 수행하거나 모든 행을 동시에 어드레싱 함으로써 될 수 있다.
TFT(31)는 스위치로 동작하고 모든 스위칭 미러 요소는 리셋된다. 스위칭 미러 요소와 TFT 의 특별한 특성에 달려 있기 때문에, 리셋 전류는 점차적으로 감소하고 이전의 이미지는 소거된다. 스위칭 미러 요소는 그리고나서 높은 임피던스가 되고 전류는 흐르는 것을 멈춘다. 전류가 전류 센서(41)에 의해 어떤 레벨 이하로 내려가게 되면 필요하다면 이 리셋 모드가 방해받을 수 있다.
다음 충전 모드 전에 이미지를 정의하는 화상요소가 선택되고 충전 모드에서 전원 라인(36)은 구동 전압으로 셋팅 되어서 새로운 이미지가 디스플레이된다. 모든 TFT(31)는 그리고 나서 오프(OFF)에 어드레싱되고 여하한 게이트 전압 스트레스를 감소시킨다. 새로운 이미지는 사이클이 반복 될 때까지 남아 있을 것이다. 도4에서 다른 참조 번호는 도3에서의 참조 번호들과 같은 의미를 갖는다.
알루미늄(또는 알루미늄 합금) 같은 폭넓은 금속 트랙이 전원라인(36)으로 사용될 수 있고 특별히 화상 요소의 블록이 리셋(충전)되면 전압 강하가 상기 라인을 따라 일어날 수 있다. 만약 화상 요소(스위칭 미러 요소(30))가 라인마다(혹은 열마다)베이스(도5a와 비교)상에서 선택되면, 전원 라인에 더 가까운 화상 요소는 먼저 스위칭 될 것이다. 이것은 특별히 많은 화상요소가 스위칭 해야 한다면 아티팩트(artefact)를 유발할 수 있다. 하나의 해법은 메쉬(mesh)또는 컴(comb) 구조에 전원 라인을 제공하는 것이다. 그러한 메쉬는 도5b에 도시되었다. 여기서 전류(화살표 42)가 좀더 균일한 스위칭으로 이끄는 많은 평행 라인을 따라 분포된다.
화상 요소(스위칭 미러 요소(30))를 리셋팅하는 다른 방법도 가능하다는 것은 말할 나위도 없다. 예를 들어 도3에서 리셋 전압은 스위칭 가능한 전압 소스를 사용함으로써 전극(11)에 인가될 수 있다. 리셋팅하는 다른 방법은 스위칭 미러 요소(30)를 단락시킴으로서 얻어 진다. 리셋은 모든 행(또는 부분집합)을 어드레싱하고 열 구동기를 통해서 리셋 전압을 공급함으로써 역시 이루어질 수 있다.
본 발명의 보호 범위는 설명된 실시예에 제한되지 않는다. 본 발명은 각각의 그리고 모든 신규한 특징적인 특성과 각각의 그리고 모든 특징적인 특성의 조합안에 존재한다. 청구항에서의 참조 번호는 보호범위를 제한하지 않는다. "포함하는"이라는 동사의 사용과 이것의 결합은 청구항에서 진술되지 않은 다른 요소의 존재를 배제하지 않는다. 요소에 선행하는 단수요소의 사용은 그러한 요소의 복수개의 존재를 배제하지 않는다.
상술한 발명은 디스플레이 분야에 사용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 반사 모드(L)혹은 투과 모드(transmissive)(R)에서 작동 가능하고 광을 변조(modulating light)하기 위한 픽셀 요소(pixel element)(30)를 구비하는 디스플레이 장치(20)로서, 상기 픽셀 요소는
    제1상태로부터 제2상태로 상기 픽셀 요소를 스위칭하는 광학적으로 스위칭 가능한 물질의 스위칭 가능한 층(layer)을 포함하는 층들의 스택(stack)으로서, 상기 제2상태는 상기 제1상태와 다르고, 상기 제1상태와 상기 제2상태는 다음의 상태: 반사상태, 투과상태, 흡수(absorbing)상태 중의 하나인, 층들의 스택과;
    반사 상태로부터 비 반사 상태로 스위칭 함으로써 상기 반사 모드(L)에서 빛을 변조(modulating) 하고, 투과 상태로부터 비투과 상태로 스위칭 함으로써 상기 투과 모드(R)에서 광을 변조하기 위한 수단으로서, 상기 비 반사 상태는 상기 투과 상태 혹은 상기 흡수 상태이고 상기 비 투과 상태는 상기 반사 상태 혹은 상기 흡수 상태인, 광 변조 수단을 포함하고;
    광 변조 수단은 각각의 픽셀 요소에 대하여 상기 픽셀 요소를 충전하기 위하여(충전 모드) 상기 픽셀 요소(30)와 전류 소스(31)의 직렬 연결을 포함하고,
    상기 장치는 상기 픽셀 요소의 적어도 일 부분을 정의된 상태(defined state)로 리셋팅 하기 위한 수단(리셋모드)을 더 포함하는,
    디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광학적으로 스위칭가능한 층은 수소의 농도를 변화시킴으로써 스위칭을 일으키는, 디스플레이 장치
  3. 제1항에 있어서, 상기 픽셀 요소와 전류 소스의 공통 포인트(common point)가 스위치(32)를 통해서 리셋 전압(29)에 연결되는, 디스플레이 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전류 소스는 트랜지스터의 제어 연결에 접속된 커패시터 요소(33)를 포함하는, 디스플레이 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 장치는 모든 픽셀 요소를 정의된 상태로 리셋팅하기 위한 수단, 그리고 선택된 픽셀 요소를 충전시키기 위한 추가 수단을 포함하는, 디스플레이 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 픽셀 요소와 상기 전류 소스의 직렬 연결은 전력 전압 연결(35,36) 사이에 제공되고, 리셋팅을 위한 상기 수단은 적어도 두 개의 전압 중 하나의 전력전압연결을 스위칭 하는 수단을 포함하는데, 상기 전압은 다른 전력 전압 에 대해서 다른 부호와 진폭을 갖는, 디스플레이 장치.
  7. 제1항에 있어서, 전류 센서(41)는 상기 디스플레이 장치의 상기 충전 모드와 상기 리셋 모드 둘 모두에 공통인 전류 경로 안에 제공되는, 디스플레이 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 픽셀 요소는 매트릭스 구조 안에 제공되고, 상기 추가 수단은 선택 라인((22), 이 라인에 데이터 라인(23)을 경유해서 데이터가 제공되는)에 의해서 제어되는 선택 스위치(34)를 포함하는, 디스플레이 장치.
  9. 제8항에 있어서, 픽셀 요소의 적어도 한 그룹에 대한 전력 전압 연결이 메쉬 구조로서 제공되는, 디스플레이 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 스위치는 박막 트랜지스터(thin film transistor)를 포함하는, 디스플레이 장치.
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