KR20030017661A - 꺾여진 내부 전반사에 기초한 디스플레이 디바이스 - Google Patents

꺾여진 내부 전반사에 기초한 디스플레이 디바이스 Download PDF

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Abstract

디스플레이 셀(1)은 상이한 굴절률 또는 흡수 계수를 갖는 2가지 섞이지 않는 유체(3,4)를 포함하고, 상기 셀은 내부 전반사(TIR)를 가능하게 하는 각주형 구조를 갖는 투명 기판(10) 아래에 위치한다. 스위칭은, (내부) 전극(5,6) 상의 정전기력, 및 전기적으로 전도되는 유체 중 하나(4)에 인가된 전위로 인해 셀 내에 유체를 (재)분배함으로써 꺽여진 TIR에 기초한다.

Description

꺾여진 내부 전반사에 기초한 디스플레이 디바이스{DISPLAY DEVICE BASED ON FRUSTRATED TOTAL INTERNAL REFLECTION}
이러한 유형의 디스플레이 디바이스는, 예를 들어 "각주형 미세구조에서의 내부 전반사에 기초한 새로운 반사형 디스플레이(New Reflective Display Based on Total Internal Reflection in Prismatic Microstructures)"(2000년, 제 20회 IDRC 회의의 회보, pp.311 내지 314)의 논문에 기재되어 있다. 이 논문은 제어된 프러스트레이션(frustration)에 기초한 내부 전반사의 원리를 설명한다. 내부 전반사는, 전기 영동(electrophoresis)에 의해 광 흡수 입자를 각주형 표면쪽으로 이동시킴으로써 하나의 상태에서는 불가능하다.
전기 영동 디스플레이 디바이스는 상이한 투과율 또는 반사율을 갖는 2가지 극단의 상태 사이에서의 전기장의 영향을 받는 일반적으로 대전된 채색 입자(colored particle)의 움직임에 기초한다. 이러한 디바이스를 통해, 어두운(채색된) 문자는 밝은(채색된) 배경 상에 이미징될 수 있고, 밝은 문자가 어두운 배경상에 이미징될 수도 있다.
그러므로, 전기 영동 디스플레이 디바이스는 특히 "화이트 페이퍼(white paper)" 응용(전자 신문, 전자 일기장)으로 언급되는 페이퍼의 기능을 대신하는 디스플레이 디바이스에 사용된다.
본 발명은 실질적으로 평평한 표면, 및 상기 평평한 표면에 접한 실질적으로 각주형(prismatic) 표면을 갖는 실질적으로 투명 기판을 포함하는 디스플레이 디바이스에 관한 것이다.
도 1a 및 1b는 본 발명에 따른 디스플레이 디바이스가 기초한 원리를 도식적으로 도시한 도면.
도 2는 도 1a 및 1b의 변형을 도시한 도면.
도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 디스플레이 셀의 가능한 형태를 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 디스플레이 셀의 또 다른 가능한 형태를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 디스플레이 디바이스의 전기 등가도.
본 발명은 2가지(어둠 및 밝음) 광학 상태에서 반사된 광의 차이를 실현시키기 위한 완전히 다른 메커니즘에 기초한다.
이 때문에, 본 발명에 따른 디스플레이 디바이스는 픽셀의 위치에 있는 저장 용기(reservoir)를 포함하는데, 상기 저장 용기는 상이한 굴절률 또는 상이한 흡수 계수, 및 전기 전도도의 차이를 갖는 적어도 2개의 실질적으로 섞이지 않는(immiscible) 유체를 포함하고, 상기 디스플레이 디바이스는 유체를 서로 바꾸어 놓기 위한 구동 수단을 또한 포함한다.
이후에 설명될 바와 같이, 광은 2가지 상태 중 하나의 상태에서 전반사되는 한편(유체 중 하나, 따라서 굴절률의 적합한 선택에 의해), 광은 다른 상태에서의 유체에 의해 흡수된다(또는 다른 곳에서 부분적으로 투과되고 흡수되거나 또는 그렇지 않음).
시청 측(viewing side) 상에서 시청자에 면하는 기판 표면이 평평할 수 있는데, 기판의 각주형 표면의 적어도 일부분은 저장 용기의 벽부의 부분을 형성한다. 대안적으로, 상기 기판 표면은 각주형일 수 있는데, 기판의 평평한 표면의 적어도 일부분은 저장 용기의 벽부의 부분을 형성한다.
유체를 서로 바꾸어 놓기 위해, 전기 컨덕턴스의 차이를 이용할 수 있고, 픽셀의 저장 용기의 벽부 영역에서, 구동 수단은 유체에 전기적으로 결합될 수 있는 적어도 2개의 전극을 포함한다.
픽셀의 저장 용기의 벽부 영역에서, 구동 수단은 유체로부터 절연되는 2개의 전극, 및 전기적으로 전도성 유체와 전기적 접촉 상태에 있는 제 3 전극을 포함하는 것이 바람직하다.
이 때문에, 매트릭스 디바이스는, 픽셀 전극과 행 또는 열 전극 사이에 적어도 하나의 스위칭 소자와 함께, 행 즉 선택 전극 및 열 즉 데이터 전극의 교차 영역에 있는 복수의 픽셀을 포함한다.
본 발명의 이러한 양상 및 다른 양상은 이후에 설명된 실시예로부터 명백해지고, 이 실시예를 참조하여 설명될 것이다.
도면은 도식적이고, 축적대로 도시되지 않았고; 대응하는 요소는 일반적으로 동일한 참조 번호로 표시된다.
도 1은, 예를 들어 투명한 유리 또는 합성 물질 엔벨로프(2)에서 2가지 액체, 즉 유체(3,4)를 갖는 디스플레이 셀(1)을 도식적으로 도시하는데, 상기 유체는 서로 혼합하지 않고, 유체 중 하나는 전기적으로 전도되고, 다른 하나는 절연된다. 이 예에서, 디스플레이 셀(1)은 예를 들어 수용액(칼라)(4)(전기적으로 전도됨), 예를 들어 메틸렌 블루(methylene blue) 또는 프러시안 블루(Prussian blue)(C6Fe2Kn6)의 수용액을 포함하는 한편, 질소와 같은 가스, 또는 알칸{예를 들어, 도데칸(docecane) 또는 헥사데칸(hexadecane)}, 실리콘 오일, 클로로나프탈렌(chloronaphtalene), 브로모나프탈렌(bromonaphtalene), 또는 1-브로모도데칸(1-bromododecane)과 같은 비극성(non-polar) 오일이 절연 유체로서 선택된다.
유체의 양 면상에, 디스플레이 셀(1)은 절연된 전극(5,6)을 포함하는데, 상기 절연된 전극(5,6)에는, 0V 및 V의 전압에 대한 관련 예에서 복수의 픽셀에 공통적인 전압(Vcom1, Vcom2)이 일반적으로 공급된다. 디스플레이 셀(1)은 또한 전극(7)을 포함하는데, 상기 전극(7)은 엔벨로프(2)를 통해 전기적으로 전도성 유체(4)와 전기적으로 전도성 접촉 상태에 있다. 전극(7)에는 전압(V픽셀)이 공급되고, 이 전압(V픽셀)에 의해 디스플레이 셀의 광학 상태가 조절된다. 본 발명을 이해하기 위해, 전극(5,6)이 엔벨로프 외부에 도시되었지만, 전극(5,6)은 사실상 엔벨로프(2) 내에제공되고, 플루오로폴리머(fluoropolymer)와 같은 낮은 습윤 히스테리시스(wetting hysteresis)를 갖는 절연 코팅에 의해 유체로부터 절연된다.
전기적으로 전도성 유체(4)는 정전기력에 의해 전극(5,6) 방향으로, 즉 (V픽셀-Vcom1)2에 비례하는 힘을 통해 전극(5)쪽으로, 및 전기 습윤(electrowetting) 또는 전기 모세관(electrocapillarity)으로 인해 (V픽셀-Vcom2)2에 비례하는 힘을 통해 전극(6)쪽으로 끌어 당겨진다. 각 정전기력 사이의 차이는 디스플레이 셀에서의 유체(4)의 위치를 한정한다. 도 1에서, Vcom1=0이고 Vcom2=V이다. V픽셀=0일 때, 전기적으로 전도성 유체(4)는 전극(6)의 위치에 있는 한편(도 1a), V픽셀=V일 때, 전기적으로 전도성 유체(4)는 전극(5)의 위치에 있다(도 1b). 픽셀 전위(V픽셀)를 변화시킴으로써, 전기적으로 전도성 유체(4)의 위치는 이에 따라 영향을 받을 수 있다. 전극(7)이 이 예에서 전도성 전극으로서 도시되고, 더욱이 유체 내로 돌출할지라도, 이것은 반드시 필요한 것은 아니다. 전위는 용량성 커플링(capacitive coupling)을 통해 전도성 유체 상에 또한 제공될 수 있다. 이 경우에, 전극(7)은 예를 들어 저장 용기(2) 외부에 배치되거나, 전극(7)에 절연 보호 코팅이 제공된다.
도 2는 도 1의 변형을 도시하는데, 여기서 전압(V픽셀)이 다시 공급되는 전극(7)은 2개의 하부 전극(7,7')으로 세분된다. 유체 사이의 경계는, 사용된 효과로 인해 도면의 수평면에서 약간 벗어날지라도{도 2에서, 이것은 도식적으로 비스듬한 선(8)으로 도시된다} 엔벨로프(2)의 상부 및 하부 벽부에 실질적으로 평행하다.
도 3a 및 3b는, 전술한 원리가 내부 전반사에 기초한 디스플레이 디바이스에 어떻게 사용되는지를 도시한다. 디스플레이 셀(1)은, 실질적으로 평평한 표면(11) 및 상기 평평한 표면과 마주보는 실질적으로 각주형 표면(12, 12')을 갖는, 유리 또는 합성 물질로 된 투명 기판(10)을 포함한다. 디스플레이 셀은 상이한 굴절률을 갖는 적어도 2개의 석이지 않는 유체(3,4)를 포함하는 저장 용기(13)를 포함하는데, 상기 유체는 서로 혼합하지 않고, 유체 중 하나는 전기적으로 전도성 유체이고, 다른 하나는 절연 유체이다. 디스플레이 셀(1)은 또한 전극(7)을 포함하는데, 상기 전극(7)에는 전압(V픽셀)이 공급되고, 전극(7)은 엔벨로프(미도시)를 통해 전기적으로 전도성 유체(4)와 전기적으로 전도성 접촉 상태에 있다. 이것이 도 3a 및 3b에 도시되지 않을지라도, 디스플레이 셀이 온도 변화 등을 통한 팽창과 관련하여 2가지 유체(복수의 디스플레이 셀에 대해서는 어느 것도 없는)가 넘친 것을 위한 공통 저장 용기(common overflow reservoir)를 갖는 경우 유리하다. 디스플레이 셀은 유체의 양 면상에 절연 전극(5,6)을 포함하는데, 상기 전극에는 전압(0V 및 V)에 대한 관련 예에서 공통 전압(Vcom1, Vcom2)이 공급된다.
V픽셀=0일 때, 전기적으로 전도성 유체(4)는 전극(6)의 위치에 있는 한편(도 3a), V픽셀=V일 때, 전기적으로 전도성 유체(4)는 전극(5)의 위치에 있다(도 3b, 여기서 전극은 도시되지 않음). 입사 광선(14)은 투명 (ITO) 전극(5)에 의해 먼저 언급한 경우(도 3a)에서 투과되고, 절연 유체의 굴절률을 적합하게 선택함으로써 표면(12) 상에서 전반사가 이루어진다. 반사된 광선(14')은 표면(12')상에서 한번 더 전반사가 이루어지고, 2번째로 반사된 광선(14")은 실질적으로 어떠한 광 손실을 입지 않고 디스플레이 셀(1)에서 나온다. 두 번째 경우(도 3b)에서, 입사 광선(14)은 투명 (ITO) 전극(5)에 의해 또한 투과되지만, 후속적으로 수용액(4)에 의해 표면(12) 상에서 전부 흡수되거나 부분적으로 흡수된다. 아마 광선(14)의 반사된 부분(14')은 표면(12') 상에서 흡수될 것이다.
이 예에서, 전극(6)은 픽셀의 하부면상에서만 도시되었는데, 그 이유는, 이것이 예를 들어 매트릭스 디스플레이 디바이스에서 하나의 기판 상에 수 개의 픽셀을 조합할 때 유리하기 때문이다. 다른 경우에, 저장 용기(13)의 벽부를 따라 전극(6)을 또한 제공하는 것이 유리하다. 이것은 도 3a에서 점선으로 도식적으로 도시되어 있다.
도 4는 도 2를 참조하여 설명된 저장 용기를 갖지만, 현재 픽셀의 면상에 실질적으로 평평한 표면(11) 및 시청 측 상의 실질적으로 각주형 표면(12,12')을 갖는 2개의 유사한 픽셀들의 조합을 도식적으로 도시한다. 다른 점에서, 참조 번호는 이전의 도면과 동일한 의미를 갖는다.
도 5는 본 발명이 적용가능한 칼라 디스플레이 디바이스(1')의 부분에 대한 전기 등가도를 도시한다. 칼라 디스플레이 디바이스는 행 즉, 선택 전극(27) 및 열 즉, 데이터 전극(26)의 교차 영역에 있는 픽셀(20)의 매트릭스를 포함한다. 행 전극(1 내지 m)은 행 구동기(24)에 의해 연속적으로 선택되는 반면, 열 전극(1 내지n)에는 데이터 레지스터(25)를 통해 데이터가 제공된다. 열(1, 4, 7, ..., n-2)에서의 픽셀은 이 예에서 적색 픽셀을 구성하고, 열(2, 5, 8, ..., n-1)에서의 픽셀은 이 예에서 녹색 픽셀을 구성하고, 열(3, 6, 9, ..., n)에서의 픽셀은 청색 픽셀을 구성한다. 이 때문에, 인입하는 데이터(22)는 필요하다면 먼저 프로세서(23)에서 처리된다. 행 구동기(24)와 데이터 레지스터(25) 사이의 상호 동기화는 구동 라인(28)을 통해 발생한다.
행 구동기(24) 및 데이터 레지스터(25)에서 나오는 구동 신호는 박막 트랜지스터(TFT)(29)를 통해 픽셀(20)을 선택하는데, 상기 박막 트랜지스터(29)는 행 전극(27)에 전기적으로 연결되는 게이트 전극, 및 열 전극(26){능동 구동(active drive)으로 언급됨}에 전기적으로 연결되는 소스 전극을 갖는다. 열 전극(26)에서의 신호는 TFT를 통해 드레인 전극에 결합된 픽셀(20)의 전극(7)으로 전달된다. 전극(7)은 도 1 내지 4를 참조하여 전술한 것과 동일한 기능을 갖는다. 픽셀(20)의 다른 전극(5,6)은 예를 들어 Vcom1(이 예에서는 접지) 및 Vcom2(이 예에서는 V)를 갖는 하나(또는 그 이상)의 공통 전극 또는 전극들에 연결된다. 도 5의 예에서, 그러한 TFT(29)는 하나의 픽셀(20)에 대해서만 도식적으로 도시되어 있다.
물론, 몇몇 변형은 본 발명의 범주 내에 가능하다. 예를 들어, 상이한 굴절률을 갖는 2개의 섞이지 않는 유체가 사용될 수 있다. 특정한 전극 구성에서, 입사 빔이 픽셀의 하부면에 도달하는 것이 가능하다. 원한다면, 픽셀의 하부면상에는 광 흡수 층이 제공될 수 있다.
박막 트랜지스터(TFT)(29) 대신에, 예를 들어 다이오드 회로와 같은 다른 스위칭 소자가 선택될 수 있다.
사용된 유체(3,4)가 소수성(hydrophobic properties)의 차이를 가져서, 설명된 바꾸어 놓는 것(displacement)이 발생하면(벽부는 습식 작용의 차이를 갖는다), 제 3 전극(5)은 또한 생략될 수 있다. 그럴 경우, 2개의 전극 중 하나는 구동 전극의 역할을 한다.
언급한 바와 같이, 용량성 커플링이 또한 사용될 수 있고; 이것은 TFT 또는 다른 스위칭 소자에 의해 전극의 구동에 적용된다.
본 발명의 보호 범주는 설명된 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명은 각각 및 모든 새로운 특징적인 특성, 및 특징적인 특성의 각각 및 모든 조합에 있다. 청구항에 있는 참조 번호는 그 보호 범주를 한정하지 않는다. 단어 "포함한다"의 사용은 청구항에 기재된 것 외의 다른 요소의 존재를 배제하지 않는다. 단일 요소의 사용은 복수의 그러한 요소의 존재를 배제하지 않는다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 실질적으로 평평한 표면, 및 상기 평평한 표면에 접한 실질적으로 각주형 표면을 갖는 실질적으로 투명 기판을 포함하는 디스플레이 디바이스 등에 이용된다.

Claims (8)

  1. 실질적으로 평평한 표면, 및 상기 평평한 표면에 접한 실질적으로 각주형(prismatic) 표면을 갖는 실질적으로 투명 기판을 포함하는, 디스플레이 디바이스로서,
    픽셀의 위치에서, 상이한 굴절률 또는 상이한 흡수 계수, 및 전기 전도성의 차이를 갖는 적어도 2가지의 실질적으로 섞이지 않는 유체를 수용하는 저장 용기(reservoir)를 포함하고,
    상기 유체를 서로 바꾸어 놓는 구동 수단을 또한 포함하는, 디스플레이 디바이스.
  2. 제 1항에 있어서, 상이한 굴절률을 갖는 2가지 섞이지 않는 유체를 포함하는데, 상기 유체 중 하나는 전기적으로 전도되고, 다른 하나는 실질적으로 절연되는, 디스플레이 디바이스.
  3. 제 1항에 있어서, 시청 측(viewing side) 상에 기판의 평평한 표면에 대해, 상기 기판의 각주형 표면의 적어도 일부분은 상기 저장 용기의 벽부의 일부분을 형성하는, 디스플레이 디바이스.
  4. 제 1항에 있어서, 시청 측 상에 상기 기판의 각주형 표면에 대해, 상기 기판의 평평한 표면의 적어도 일부분은 상기 저장 용기의 벽부의 부분을 형성하는, 디스플레이 디바이스.
  5. 제 1항에 있어서, 픽셀의 상기 저장 용기의 벽부의 영역에서 상기 구동 수단은 상기 유체에 전기적으로 연결될 수 있는 적어도 2개의 전극을 포함하는, 디스플레이 디바이스.
  6. 제 5항에 있어서, 픽셀의 상기 저장 용기의 벽부의 영역에서 상기 구동 수단은 상기 유체로부터 절연되는 2개의 전극과, 상기 전기적으로 전도성 유체와 전기적 접촉 상태에 있는 제 3 전극을 포함하는, 디스플레이 디바이스.
  7. 제 1항에 있어서, 행 즉 선택 전극, 및 열 즉 데이터 전극의 교차 영역에 있는 복수의 픽셀과 함께, 상기 픽셀의 전극과 행 또는 열 전극 사이에 적어도 하나의 스위칭 소자를 포함하는, 디스플레이 디바이스.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 전극과 열 전극 사이의 픽셀 당 하나의 TFT 트랜지스터에 대해, 상기 TFT 트랜지스터의 게이트는 행 전극에 연결되는, 디스플레이 디바이스.
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