KR20040044930A - 전기영동 능동 매트릭스 디스플레이 디바이스 - Google Patents

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KR20040044930A
KR20040044930A KR10-2004-7003827A KR20047003827A KR20040044930A KR 20040044930 A KR20040044930 A KR 20040044930A KR 20047003827 A KR20047003827 A KR 20047003827A KR 20040044930 A KR20040044930 A KR 20040044930A
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KR10-2004-7003827A
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파울 반데르슬루이스
마르크 테. 욘손
안나-마리아 야너
아드리아누스 셈펠
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

매트릭스 디스플레이(20)는 한 화학 상태로부터 또 다른 화학 상태로 스위칭될 수 있는 스위칭 가능한 층을 포함하는 스위칭 요소(30)에 기초로 한 픽셀을 포함하며, 상기 화학 상태의 광학 속성은 서로 다르다. 픽셀 성능 저하를 방지하는 전압-제한 디바이스(41, 42)는 스위칭 요소(30) 상에서 배치된다.

Description

전기영동 능동 매트릭스 디스플레이 디바이스{ELECTROPHORETIC ACTIVE MATRIX DISPLAY DEVICE}
US 5,905,590은 마그네슘 및 다른 3가 금속의 수산화물을 포함하는 스위칭 필름을 포함하는 스위칭 디바이스를 기술한다. 수소를 교환함으로써, 스위칭 필름은 중간 검은색 흡수 상태를 통해 투과율이 0이 되어 제 1의 투명 화학 상태에서 제 2의 미러형(전반사 또는 산란) 화학 상태로 가역적으로 스위칭될 수 있다. 스위칭 필름은 투명 기판 상에 증착된 적층에 포함된다. 광학 효과 덕분에, 디바이스는 예컨대 가변 빔 분할기인 광학 셔터와 같은 광학 스위칭 요소로서 사용될 수 있고, 조명도(illuminance) 또는 발광체에서의 광빔의 형상을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 스위칭 디바이스는 또한 데이터 저장을 위해 사용될 수 있고, 광학 계산기에서 및 건축용 유리, 시각 제어 유리, 썬루프 및 백미러와 같은 응용에서 사용될 수있다. 스위칭 필름에 패턴을 만들고, 패턴화된 스위칭 필름에 투명 전극을 제공함으로써, 픽셀 어레이를 갖는 얇은 디스플레이가 제조될 수 있다. 얇은 디스플레이 디바이스는 종래에는 픽셀 어레이와 이 픽셀을 스위칭하기 위한 구동 회로를 포함한다.
이러한 유형의 디바이스가 갖는 문제점은, 픽셀의 장기간의 안정성이 또한 필요하면서 디바이스에 걸쳐서 픽셀의 스위칭 동작이 동일해야 한다는 점이다. 이들 속성에서의 임의의 차이는 시청자에게 디스플레이 상의 세기나 이미지 차이로 또는 이미지의 진행중인 성능 저하(ongoing degradation)로 보여질 수 있거나 보여지게될 수 있다.
본 발명은 적어도 제 1 및 제 2 화학 상태 사이에서 가역적으로 스위칭될 수 있는 픽셀 어레이와, 이 픽셀을 스위칭하기 위한 구동 회로를 포함하는 디바이스에 관한 것이며, 상기 제 1 및 제 2 화학 상태는 광학 속성이 다르며, 상기 픽셀은 상기 픽셀의 제 1 상태에서 제 2 상태로의 스위칭을 초래하는 광학적으로 스위칭 가능한 물질의 스위칭 가능한 층을 포함하는 적층(a stack of layers)을 포함한다.
도 1a, 도 1b는 종래기술에 따른 스위칭 미러 디스플레이의 적층에 대한 횡단면도.
도 2는 본 발명에 따른 스위칭 미러 디바이스의 픽셀 요소 매트릭스의 일부를 도시한 도면.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 디바이스의 여러 실시예를 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 다이오드가 능동 매트릭스 기판 상의 기준 전압 라인에 연결되는 본 발명의 예를 도시한 도면.
도 6 내지 도 10은 본 발명에 따른 디바이스의 또 다른 실시예를 도시한 도면.
본 발명의 목적은 장기간 안정성 및 양호한 이미지 재생을 갖는 스위칭 디바이스를 제공하는 것이다. 이를 위해, 본 발명은 전압-제한 디바이스가 적층에 평행하게 배치된 픽셀을 디바이스가 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스를 제공한다.
픽셀은 적층 양단에 전압을 인가하여 적층에 스위칭 전류를 공급함으로써 스위칭된다. 상기 전압을 인가하면, 결국 스위칭 가능한 물질의 화학 상태가 변하게 된다, 예컨대 스위칭 미러 디바이스에서, 전류가 디바이스에 걸쳐서 흐르는 동안 H-이온은 하나의 H-포함 층에서 다른 층으로 이동한다. 광학 속성은 이 수소 배터리의 충전 상태, 즉 다시 말해 스위칭 가능한 층의 화학 상태에 의존한다. 스위칭 가능한 층의 또 다른 예는 예컨대 세계특허출원, 제 WO 98/48323호에 개시된 바와같은 전기변색(electrochromic) 디바이스에서 구현될 수 있고, 여기서 텅스텐 산화물, 몰리브덴 산화물, 니오븀 산화물(niobium oxide), 망간 산화물 또는 지르코늄 산화물 또는 이들의 혼합물과 같은 금속 산화물을 포함하는 스위칭 가능한 전기변색 층을 포함하는 적층이 존재한다. 구동 회로에서의 인가된 전압은 전류 손실로 인해 디스플레이에 걸쳐서 변할 것이다. 이상적으로, 픽셀은 빠르게 스위칭된다. 만약 디스플레이의 중심에 있는 특정한 픽셀이 스위칭하기에 충분한 전압, 즉 적층을 스위칭하기 위한 임계 전압보다 약간 더 높은 전압이 상기 적층 양단에 인가된다면, 주 전압원에 더 근접한 다른 픽셀은 구동 회로에서의 전기 손실로 인해 보통 훨씬 더 높은 전압, 즉 상기 스위칭 임계 전압보다 충분히 높은 전압을 수신할 것이다. 본 발명자가 깨달은 바와 같이, 픽셀 양단에 너무 높은 전압을 인가하면, 적층의 성능 저하 및 화상 품질의 손실을 초래할 것이다. 적층의 임계 전압은 적층의 성능을 저하시킬 전압 레벨에 상대적으로 근접한다. 만약 다른 한편으로 디스플레이 가장자리에서의 픽셀을 위한 스위칭 전압이 적절한 크기, 즉 적층을 스위칭하기에는 충분하지만 적층의 성능을 저하시키기에는 충분치 않은 크기를 갖는다면, 디스플레이의 중심부에 있는 픽셀에 대한 스위칭 전압은 상당히 더 낮아서, 그 결과로 스위치가 너무 느리거나 적층이 전혀 스위칭되지 않게 된다. 이들 두 현상은 이미지에 에러를 초래한다.
본 발명에 따라, 적어도 일부 픽셀을 위해, 바람직하게는 다이오드와 같은 적층 상의 전압-제한 디바이스를 도입함으로써, 적층 양단의 전압이 제한되어, 적층 양단에 너무 높은 전압을 인가하는 경우가 방지되며, 이를 통해 성능 저하를 방지한다. 이것은 디스플레이의 어느 곳에서도 적층을 스위칭하기 위한 임계치 이상이고, 적층의 성능 저하를 초래하는 전압 이상인 스위칭 전압을 디스플레이에서 사용하게 한다. 전압-제한 디바이스는 적층에 걸친 실효 전압이 적층의 성능 저하를 초래하는 전압 이하로 유지됨을 보장한다. 바람직하게는, 모든 픽셀은 각 픽셀의 성능 저하를 방지하도록 전압-제한 디바이스가 제공된다.
본 발명은, 전압을 인가함으로써 스위칭 가능한 층의 화학 상태에 변화가 생성되는 디바이스에 관한 것이라는 점을 주목해야 한다. 이러한 화학 상태의 변화는 본래 산화환원 반응이며, 이것에 의해 스위칭 가능한 층의 전후에서 이온(수소, 산소, 리튬 등) 또는 전자의 전송이 일어난다. 이러한 디바이스는, 본 발명의 구성 내에서 전압의 인가가 LCD 디바이스와 같이 화학 속성뿐 아니라 물리적인 속성(예컨대, 복굴절)도 다른 물질의 두 상태 사이에서의 전환을 초래하는 디바이스와는 기본적으로 다르다. LCD 디바이스에 스위칭 전압보다 훨씬 더 높은 전압을 인가하면, 보통 LCD 층에 영구적인 손상을 초래하지는 않는다(만약 보통 구동 회로의 범위보다 훨씬 바깥쪽에 있는 확실히 과도한 전압이 인가되지 않는다면).
전압-제한 요소로서 사용하기 위해 다이오드가 바람직하며, 이는 이것이 쉽게 구현될 수 있는 간단한 요소이기 때문이다. 또한 본 기술을 통해, 적절한 전압에서 동작하는 다이오드가 이용 가능하다. 본 발명의 구성 내에서, '다이오드'는 예컨대 다이오드-연결 트랜지스터를 포함하는, 다이오드로 기능하는 임의의 요소이다.
본 발명은 특히 TFT를 사용하는 능동 매트릭스 디스플레이를 사용할 때 유리하다.
"투명" 디바이스를 스위칭하는데 필요한 전압은 전형적으로 대략 1 내지 2V이며, 대칭형 디바이스의 경우, 전압은 대략 300mV 정도로 낮게될 수 있다.
픽셀을 스위칭하는데 필요한 전압은 1V보다 충분히 더 낮을 수 있으므로, TFT는 낮은 드레인-소스 전압(예컨대, 0.3V 내지 2V, 픽셀이 성능 저하하기 시작하기 이전의 최대 전압)으로 그러나 높은 게이트 전압(예컨대, 10V)으로 실행되어야 한다. 이것이 의미하는 바는 TFT가 현 포화 범위에서는 동작하고 있지 않고, 전류가 강하게 변할 수 있는 선형 범위에서 동작하고 있다는 점이다. 전류는 또한 이상적으로 필요로 한 것보다 더 낮아질 수 있으며, 이것은 스위칭의 속도를 늦출 것이다. 그러나, 원하는 픽셀 전류 레벨(전형적으로, 50㎂)을 얻기 위해, TFT는 전형적으로 대략 2-3V의 드레인-소스 전압을 필요로 한다. 본 발명의 적층 상에 전압-제한 디바이스를 사용함으로 인해, 픽셀 전압이 충전 주기 동안 및/또는 그 끝에서 이 값으로 증가하는 것(전압-제한 디바이스가 사용되지 않았다면 발생할 수 있었을 것임)이 방지되며, 이를 통해 디스플레이 디바이스가 능동 매트릭스 TFT 회로가 사용될 수 있게 하면서 강하게 성능 저하되거나 즉 파괴되는 것이 방지되며, 이것은 이러한 유형의 디스플레이 디바이스에 매우 유리하다.
바람직하게, 두 개의 전류-제한 디바이스가 충전 및 방전 동안에 적층 양단에서 전압을 제한하기 위해 적층 상에서 평행하게 배치된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 전압-제한 디바이스의 한 측면은 구동 회로의 기준 전압 지점 또는 라인에 연결된다. 이것은 적층에 대한 연결의 개수를 줄이며, 기준 전압을 조정할 수 있게 하며, 이를 통해 이 기준 전압을 조정함으로써 적층 양단에 제한 전압을 조정하게 한다.
본 발명의 이들 양상 및 다른 양상이 이제 도면을 참조하여 기술될 것이다.
도면은 개략적이며, 실제축적대로 도시되지 않는다. 일반적으로, 동일한 참조번호는 동일한 요소로 식별된다.
본 발명의 보호 범위는 수산화물 원료로 한 스위칭 가능한 물질을 갖는 스위칭 미러 디바이스에 관한 것인 아래에 기술된 실시예로 제한되지 않는다. 예컨대, 이것은 광학 스위칭 층이 수소, 리튬 또는 산소 이온의 농도의 변화를 초래하는 전기변색 디바이스에 적용될 수 있으며, 이러한 디바이스에서, 디바이스를 스위칭하기 위한 스위칭 임계 전압 및 성능 저하 임계 전압은 또한 서로 상대적으로 근접해 있다. 전기변색 디바이스는, 가역 감소/산화 또는 또 다른 전기화학 반응에 의해 스위칭 가능한 층의 화학 및/또는 전기 상태가 변하는 물질 종류를 형성한다. 스위칭 미러 디바이스는 스위칭 가능한 층의 화학적 조성이 수산화물의 한 형태로부터 또 다른 형태로 변하는 종류를 형성한다.
도 1a, 도 1b는 스위칭 미러 디바이스의 횡단면도이다. 이 디바이스는 예컨대 디스플레이 디바이스 또는 문서 판독기 또는 지문 판독기일 수 있다. 이 디바이스는 투명 유리 판(1)을 포함하며, 이 유리 판(1) 위에는 적층이 진공 증착(vacuum evaporation), 스퍼터링(sputtering), 레이저 절개(laser ablation), 화학 증기 증착(chemical vapor deposition) 또는 전기도금(electroplating)과 같은 종래의 방법에 의해 증착된다. 적층은 LMgHX{L은 Sc, Y 또는 Ni인, 주기계(Periodic System) 원소들 중 란탄계열(Lanthanide series)의 원소이다}인 스위칭 필름 층(3)을 포함한다. 스위칭 필름 층은 전형적으로 대략 200nm의 두께를 갖는다. 적층은 나아가 대략 5nm의 두께를 갖는 팔라듐 층(5)과, 0.1nm 내지 10nm 범위의 두께를 갖는 이온-전도성 전해질 층(7)과, 수소 저장 층(9)을 포함한다.
GdMgHX는 광학 속성 및 스위칭 시간에 관한 한 매우 적절한 스위칭 물질이지만, 다른 마그네슘-란탄 합금이 마찬가지로 사용될 수 있다. 스위칭 필름(3)은 저-수소 혼합물과 고-수소 혼합물 사이에서 가역적으로 스위칭될 수 있다. 중간 H 혼합물에서, 필름은 여러 각도(various degrees)로 흡수하고 있다. 다양한 혼합물은 서로 다른 광학 속성을 갖는다. 저-수소 함유량(content)에서, 필름은 금속 특성을 가지며, 투명하지 않다. 이때, 필름은 미러처럼 반사한다. 높은 수소 함유량에서, 필름(3)은 반도체이며 투명한 반면, 중간 수소 농도에서, 스위칭 필름은 흡수성이 있다. L은 또한 Pd, Pt, Ir, 또는 Rh일 수 있고, 이것들에 대해 본 발명자가 PdMgHX, PtMgHX, IrMgHX, RhMgHX가 뛰어난 콘트래스트 비를 가짐을 발견하게되었음이 주목되어야 한다. 상기 속성, 즉 뛰어난 콘트래스트 비가 여기서 기술된 다이오드의 사용 또는 구동 회로의 특정한 선택에 무관하게 스위칭 디바이스에서의 임의의 스위칭 가능한 층에 사용될 수 있고 유용하다.
팔라듐 층(5)은 수산화 또는 탈수산화(hydriding or dehydriding) 율을 증가시키며, 그에 따라 스위칭 속도를 증가시키는데 기여한다. 백금이나 니켈과 같은 다른 전자-촉매 금속 또는 합금이 또한 사용될 수 있다. 게다가, 이 금속 층은 전해질에 의한 부식에 대하여 아래 놓인 스위칭 필름(3)을 보호한다. 팔라듐 층(5)은 2 내지 100nm 사이의 범위의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 2 내지 10nm인 얇은 층이 바람직하며, 이는 필름의 두께가 스위칭 디바이스의 최대 투과도를 결정하기 때문이다.
적절한 기능을 위해, 또한 H-저장 층(9) 및 H-이온 전도 전해질 층(7)이 필요하다. 양호한 H-이온 전도 전해질은 ZrO2+XHy이다. 전해질은 양호한 이온 도체이어야 하지만, 이것은 디바이스의 자기-방전을 방지하기 위해 전자에 대한 절연체이어야 한다. 가장 바람직하게는 디바이스가 단순화되기 때문에 투명 고체-상태 전해질이 사용된다; 이들은 봉합 문제를 방지하고, 디바이스가 다루기 더 쉬워진다.
만약 스위칭 미러의 투명 상태가 필요하다면, 저장 층을 위한 양호한 후보로 WO3이 있다. 만약 스위칭 미러의 투명 상태가 필요치 않다면, 차선으로 GdH2Mg 층이 저장 층으로 사용될 수 있다. 이것은 결국 대칭형 디바이스를 야기할 것이며, 이것은 디바이스가 더 얇아질 수 있는 장점이 있다. 대칭형 디바이스는, 반사 상태 및 흡수 상태 사이의 스위칭만이 필요한 응용(예컨대, 문서 판독기)에 사용될 수 있다.
적층은 예컨대 인듐-주석 산화물(ITO)인 두 개의 투명한 전기전도성 전극 층(11, 13) 사이에 삽입된다. 전극 층(11, 13)은 한 개의 (외부) 전류원(미도시)에 연결된다. DC 전류를 인가함으로써, 저-수소 미러형 혼합물은 고-수소 혼합물로 변환되며, 이것은 투명한 중간회색이다. 이제, 디바이스는 점선으로 도 1a에 도시된 바와 같이 투명 윈도우로 동작한다. 전류를 반대로 할 때, 스위칭 필름(3)은 저-수소 상태로 복귀하며, 이것은 도 1b에 도시된 바와 같이 미러형이 되고 및 투명하지 않게 된다. 스위칭 시간은 종래의 전기변색 디바이스의 스위칭 시간과 비교될 수 있다. 디바이스는 실온에서 동작할 수 있다. 일단 미러가 원하는 광학 상태에 도달하면, 사실상 어떠한 전류도 디바이스에 흐르지 않을 것이다. 이것은, 디스플레이가 매우 낮은 전력으로 정보를 보유할 것임을 의미한다.
도 2는 m개의 행 전극(22)(선택 전극)과 n개의 열 전극(23)(데이터 전극)의교차부 영역에서 디스플레이 회로 요소(21) 매트릭스를 포함하는 디스플레이 디바이스(20)의 일부를 도시한다. 행 전극(22)은 행 구동기(24)에 의해 선택되는 반면, 열 전극(23)에는 열 구동기(25)를 통해서 데이터 전압이 제공된다. 인입되는 데이터 신호(26)는 필요하다면 프로세서(27)에서 처리된다. 상호 동기화가 제어 라인(28)을 통해서 발생한다.
본 발명에 따른 디스플레이 회로 요소(21)의 일 실시예가 이제 도 3을 참조하여 기술될 것이다. 이것은 도 1a, 도 1b를 참조하여 기술된 바와 같이 스위칭 미러 디바이스(30)를 포함하며, 이것은 간략화하기 위해 커패시터(30)로 표시되어 있다. 이 예에서, 하나의 투명한 전기전도성 전극 층(11)은 전압 라인(29)에 의해 공급된 고정 기준 전압(이 예에서 0V)에 연결된다. 다른 투명 전기전도성 전극 층(13)은 상보적인 스위치의 직렬 연결의 공통 지점에 연결되며, 이러한 스위치는 이 예에서는 양의 전압 라인(35)과 음의 전압 라인(36) 사이에 있는 n-타입 전계 효과 트랜지스터(TFT)(31)와 p-타입 전계 효과 트랜지스터(TFT)(32)이다. n-타입 TFT(31)와 p-타입 TFT(32)의 게이트 연결은 상호연결되며, 동시에 커패시터(33)의 한 판에 연결되며, 이 커패시터(33)는 축적 커패시터 기능을 하며, m개의 행 전극(22)(선택 전극)과 n개의 열 전극(23)(데이터 전극)을 통해 TFT(34)에 의해 주소지정된다. 다른 한 판은 음의 전압 라인(36)에 연결된다. 다이오드(41)는 충전하는 동안 적층 양단의 최대 전압이 임계 전압 이하로 유지되도록 스위칭 미러 디바이스 상에 배치되어, 다이오드(42)는 방전하는 동안 적층 양단의 최대 전압이 임계 전압 이하로 유지되도록 배치된다.
전극(22)을 통해 행을 선택하는 동안, 데이터 전극(23)에 의해 공급되는 데이터 전압은 n-타입 TFT(31)과 p-타입 TFT(32)의 게이트{노드(37)}에 전송된다. 전계 효과 트랜지스터(데이터 전압의 부호에 의존함) 중 어느 하나는 도통되기 시작하며, 전류원으로 동작하며, 데이터 전압의 부호에 따라서 스위칭 미러 요소(30)를 충전{화살표(38)} 또는 방전{화살표(39)}하기 시작한다. 홀드 시간 동안에, 디스플레이에 있는 나머지 행이 선택된다. 축적 커패시터(33){TFT(31)의 고유 게이트-드레인 커패시턴스에 의해 형성될 수 있음}는, 이러한 홀드 시간 동안에 전류원이 스위칭 미러 요소(30)를 스위칭하는데 필요한 전류를 계속 전달하게 하는 것을 보장한다. 이것은 한 프레임 주기 동안(모든 라인이 한번씩 선택되는 시간)에 실행될 수 있지만, 또한 {디스플레이의 크기, 미러의 치수(dimension) 및 TFT에 따라} 여러 프레임 시간 지속할 수 도 있다. 충전을 완료(예를 들어, 전류 검출기에 의해 결정될 것임)한 후, 전류는 스위칭 오프되며, 스위칭 미러 요소(30)는 이것이 도달한 상태에서 유지할 것이다.
"투명한" 디바이스를 스위칭하는데 필요한 전압은 전형적으로 대략 1 내지 2V이며, 대칭형 디바이스의 경우, 이것은 대략 300mV 정도로 낮을 수 있다.
적층 상의 전압-제한 디바이스(41 및 42)는 적층 양단의 전압을 제한하여, 적층 양단에 너무 높은 전압이 인가되는 것이 방지되며, 이를 통해 성능 저하가 방지된다. 이것은, 디스플레이의 어딘가에서 적층의 스위칭을 위한 임계치 이상이고 및 적층의 성능 저하를 초래할 전압 이상인 스위칭 전압을 디스플레이에서 사용하게 한다. 전압-제한 디바이스는 적층 양단의 실효 전압이 적층의 성능 저하를 초래하는 전압 이하로 유지되게 하는 것을 보장한다.
픽셀을 스위칭하는데 필요한 전압은 1V보다 충분히 더 낮을 수 있으므로, TFT는 낮은 드레인-소스 전압(예컨대 0.3V 내지 2V, 픽셀이 성능 저하를 시작하기 이전의 최대 전압)으로 그러나 높은 게이트 전압(예컨대 10V)으로 작동되어야 한다. 이것이 의미하는 점은 TFT가 전류 포화 범위에서 동작하고 있지 않고, 오히려 전류가 강하게 변할 수 있는 선형 범위에서 동작하고 있다는 점이다. 전류는 또한 이상적으로 필요한 것보다 더 낮을 수 있으며, 이것은 스위칭의 속도를 늦출 것이다. 그러나, 원하는 픽셀 전류 레벨(전형적으로 50㎂)을 얻기 위해, TFT는 대략 2 내지 3 V 또는 그 보다 더 높은 드레인-소스 전압을 필요로 한다. 본 발명의 적층 상의 전압-제한 디바이스(41 및 42)의 사용은 픽셀 전압이 충전 주기 또는 방전 주기 동안에 또는 그 끝에서 이러한 값으로 증가하는 것(전압-제한 디바이스를 사용하지 않았다면 발생했을 것임)을 방지한다.
이것과는 별도로, n-유형 및 p-유형 트랜지스터는 두 개의 별도의 선택 라인에 의해 주소지정될 수 있고(추가적인 축적 커패시터를 추가하면서), 그 이후 동일한 극성이 될 수 있다.
도 4는 여분의 n-타입 전계 효과 트랜지스터(TFT)(31')와 여분의 p-타입 전계 효과 트랜지스터(TFT)(32')를 희생하여 도 3의 전압 라인(29)이 필요 없게 되는 실시예를 도시한다. 두 상보적인 스위치{TFT(31', 32')}의 제 2 직렬 연결은 두 전압 라인(35, 36) 사이에서의 두 상보적인 스위치{TFT(31, 32)}의 제 1 직렬 연결에 대해 역방향으로 배치되어 있다. 투명 전기전도성 전극 층(11)은 이제 TFT(31',32')의 직렬연결의 공통 지점에 연결된다. 노드(37)에 전송된 데이터 전압에 따라, TFT(31, 31')가 도통되어 스위칭 미러 요소(30)를 충전시키기 시작하거나{화살표(38)}, 또는 TFT(32, 32')가 도통되어 스위칭 미러 요소(30)를 방전시키기 시작한다{화살표(39)}. 두 개의 다이오드(50 및 51)는 요소(30) 양단의 최대 전압을 제한하기 위해 배치된다. 도 4의 다른 참조번호는 도 3의 것과 동일한 의미를 갖는다.
도 3 및 도 4에 도시된 실시예의 제한 중 하나로, 다이오드에서 이용 가능한 전압(0.6 내지 0.8V)에서 성능 저하하는 스위칭 미러 디바이스만이 적절하게 보호될 수 있다는 점이다. 제 2 약점으로, 도시된 다이오드는 스위칭 미러의 상단 전극에 접촉될 필요가 있어서, 접촉 비아(via)가 매 픽셀에서 만들어질 것을 요구한다는 점이다. 이들 두 가지 문제점은 도 5에 도시된 바람직한 실시예에서는 회피된다. 도 5에서, 이것은 표준 구동 방법(도 3에 도시된) 중 하나를 기초하여 예시되었다-그러나, 이것은 도 4에 예시된 디바이스에도 똑같이 응용될 수 있다.
도 5에서, 다이오드(60, 61)는 더 이상 스위칭 미러 디바이스의 상단 전극에 연결되지 않지만, 능동 매트릭스 기판 상의 기준 전압 라인에 연결된다{각 전압(Vref1 및 Vref2)을 위해 남겨져 있고, 전체 디스플레이를 위해 하나의 추가적인 연결부가 있다}. 이것은 매 픽셀에서 상단 전극으로의 비아 연결을 불필요하게 한다.
더나아가, 상단 접촉 전압(도 5의 0V)에 대하여 기준 전압(Vref)을 조정함으로써, 스위칭 미러 양단의 최대 전압을 튜닝할 수 있다. 예로서, 만약 Vref1이0.3V로 설정될 때 0.7V 내부 전압을 갖는 다이오드를 사용한다면, 최대 전압은 1.0V로 설정될 것인 반면, -0.4V의 Vref1은 0.3V의 보호 전압을 초래할 것이다. 유사하게, Vref1을 -0.3V로 설정하면, 최대 전압은 -1.0V로 설정될 것인 반면, 0.4V의 Vref1은 -0.3V의 보호 전압을 초래할 것이다. 이렇게, 모든 스위칭 미러는 이러한 바람직한 실시예에 의해 보호될 수 있다. Vref1 및 Vref2를 충전 및 방전 주기 동안 서로 다르게 한정함으로써 비대칭형 스위칭 미러 디바이스를 보호하는 것이 심지어 가능하다.
본 발명에 따른 디바이스의 추가적인 실시예가 도 6 내지 도 8에 예시되어 있다.
도 6은 m개의 행 전극(22)(선택 전극) 및 n개의 열 전극(23)(데이터 전극)의 교차부 영역에서 디스플레이 회로 요소(21) 매트릭스를 포함하는 디스플레이 디바이스(20)의 일부를 도시한다. 행 전극(22)은 행 구동기(24)에 의해 선택되는 반면, 열 전극(23)에는 열 구동기(25)를 통해서 데이터 전압이 제공된다. 인입 데이터 신호(26)는 필요하다면 프로세서(27)에서 처리된다. 상호 동기화가 제어 라인(28)을 통해서 발생하며, 도 2의 설명을 또한 보기바란다.
본 발명의 이 실시예의 디바이스가 이제 도 7을 참조하여 기술될 것이다. 이것은 도 1a, 도 1b를 참조하여 기술된 바와 같이 스위칭 미러 디바이스(30)를 포함하며, 이것은 간략화하기 위해 커패시터로 표시되어 있다. 이 예에서, 하나의 투명한 전기전도성 전극 층(11)은 전압 라인(35)에 의해 공급된 고정 기준 전압(이 예에서 0V)에 연결된다. 다른 한 투명 전기전도성 전극 층(13)은 이 예에서 n-타입전계 효과 트랜지스터(TFT)(31)인 스위치를 통해서 음의 전력 전압 라인(36)에 연결된다. TFT(31)의 게이트 연결은 커패시터(33)의 한 판에 연결되며, 이것은 축적 커패시터 기능을 하며, m개의 행 전극(22)(선택 전극)과 n개의 열 전극(23)(데이터 전극)을 통해서 TFT(34)에 의해 주소지정된다.
전극(22)을 통해 행을 선택하는 동안, 데이터 전극(23)에 의해 공급된 데이터 전압은 n-타입 TFT(31)의 게이트로 전송된다. 전계 효과 트랜지스터는 (데이터 전압의 부호에 따라) 도통되기 시작하여, 전류원으로 동작하며, 스위칭 미러 요소(30)를 충전하기 시작한다{화살표(38)}. 홀드 시간 동안, 디스플레이의 나머지 행이 선택된다. 축적 커패시터(33){TFT(31)의 고유 게이트-드레인 커패시턴스에 의해 형성될 수 있음}는, 이러한 홀드 시간 동안에 전류원이 계속해서 스위칭 미러 요소(30)를 스위칭하는데 필요한 전류를 공급하게 한다. 이것은 한 프레임 주기(모든 라인이 한번씩 선택되는 시간) 동안에 실행되지만, (디스플레이의 크기, 미러의 치수 및 TFT에 따라) 또한 여러 프레임 시간 지속할 수 있다. 충전을 완료한 이후, 전류는 스위칭 오프된다. 충전 또는 리셋의 종료를 검출하기 위해, 바람직하게는, 전류 센서(71)가 충전 모드 및 리셋 모드에 공통인 전류 경로에 존재한다. 스위칭 미러 요소(30)는 이제 이 요소가 도달한 상태에서 유지될 것이다.
스위칭 미러 요소(30)를 충전하기 이전에, 본 발명에 따라, 스위칭 미러 요소 모두 또는 일부는 리셋된다[방전된다{화살표(39)}]. 이 예에서, 이것은 여분의 양의 전력 전압 라인(29)에 의해 달성된다. 상기 라인(29) 상의 전압은 제어 라인(40)에 의해 제어되는 스위치(TFT)(32)를 통해 전극 층(11)에 인가된다. 적절한 낮은 전압을 선택함으로써, 스위칭 미러 요소는 성능 저하가 발생하기 이전에 인가될 수 있는 최대 전압을 결코 초과하지 않지만, 충전 속도는 제한될 수 있다. 대안적으로, 리셋을 위해 더 높은 전압을 사용함으로써, 보호 다이오드(41)를 추가하여 다시 방전 동안에 초과 전압 성능 저하를 방지할 동안에 리셋은 최적 속도로 수행된다(전류는 제한되지 않는다).
바람직하게, 리셋 전압은 반사 또는 백색(투과) 모드로 디스플레이를 리셋하도록 선택된다. 이것은 문서 뷰어(viewer) 및 전자북과 같은 많은 응용에서 유리하며, 여기서 정보는 백색 배경 상의 어두운 글자로 제공된다. 이 경우, 가장 적은 퍼센트의 디스플레이가 낮은 전력 구동 방법 및 연장된 디스플레이 수명(lifetime)을 야기하는 리셋(어두운 픽셀만)을 필요로 한다. 스위칭 미러 요소(30) 상에 배치된 다이오드(41)는 충전하는 동안 요소(30) 양단의 과도한 전압에 대해 보호하도록 배치된다.
도 8은 도 7의 전압 라인(29)과 TFT(32)가 없이도 구현되어, 더 큰 애퍼쳐가 실현될 수 있는 또 다른 실시예를 도시한다. 구동 수단(미도시)은 음의 전압(구동 전압)과 양의 전압(리셋 전압) 사이에 전력 전압 라인(36)을 스위칭할 수 있다.
이미지의 리셋은 먼저 전력 전압 라인(36)을 리셋 전압으로 설정하고, 모든 TFT(31)를 온으로 주소지정함으로써 얻어진다; 주소지정은 한번에 한 행씩 수행될 수 있거나 모든 행을 동시에 주소지정하여 수행될 수 있다. TFT(31)는 스위치로 동작하며, 모든 스위칭 미러 요소는 리셋된다. TFT 및 스위치 미러 요소의 특정 특징에 따라, 리셋 전류는 점차 감소하며, 이전 이미지는 소거될 것이다. 그러면, 스위칭 미러 요소는 높은 임피던스를 얻으며, 전류 흐름은 정지한다. 필요하다면, 이 리셋 모드는 전류가 전류 센서(71)에 의해 특정 레벨 이하로 떨어진다면 중단될 수 있다. 리셋을 촉진하기 위해, 더 높은 전압이 다이오드(42)에 의한 픽셀의 보호로 인해 인가될 수 있다.
그 다음 충전 모드이전에, 이미지를 한정하는 화상 요소가 선택되며, 충전 모드에서, 전력 공급 라인(36)은 구동 전압으로 설정되어, 새로운 이미지가 디스플레이된다. 다시, 충전되는 픽셀은 다이오드(42)에 의해 초과 전압으로부터 보호된다. 이 후, 모든 TFT(31)는 임의의 게이트 전압 스트레스(stress)를 줄이기 위해 오프로 주소지정된다. 새로운 이미지는 주기가 반복될 때까지 유지될 것이다. 도 8의 다른 참조번호는 도 7의 참조번호와 동일한 의미를 갖는다.
요약하면, 본 발명은 다음과 같이 기술될 수 있다.
매트릭스 디스플레이(20)는 한 화학 상태로부터 또 다른 화학 상태로 스위칭될 수 있는 스위칭 가능한 층을 포함하는 스위칭 요소(30)를 기초로 한 픽셀을 포함하며, 상기 화학 상태의 광학 속성은 서로 다르다. 픽셀 성능 저하를 방지하는 전압-제한 디바이스(41, 42)는 스위칭 요소(30) 상에 배치된다.
본 발명의 보호 범위는 기술된 실시예로 제한되지 않는다. 예컨대, 광학 스위칭 층은 수소, 리튬 또는 산소 이온이나 전자의 농도의 변화를 야기하는 전기변색 디바이스에 적용될 수 있다. 본 발명은 각각의 모든 신규한 특징적 특성에 귀속되며, 특징적 특성의 각각의 모든 조합에 귀속된다. 청구항에서의 참조번호는 청구항의 보호 범위를 제한하지 않는다. 동사 "포함한다" 및 그 활용어의 사용이 청구항에 언급된 요소 이외의 요소의 존재를 배제하지 않는다. 단수로 기재된 요소의 사용은 이러한 요소가 복수 개 존재하는 것을 배제하지 않는다.
보호 범위는 TFT를 사용한 구동 회로의 사용으로 제한되지 않는다. 보호 범위는, 비록 위에서 설명된 바와 같이 본 발명이 특히 TFT를 구비한 구동 회로를 사용하는 디바이스에 유리하지만, 박막 다이오드 또는 MIM(Metal-Insulator-Metal) 스위치 또는 단결정 Si 스위치를 사용한 구동 스위치를 포함한다.
스위칭 가능한 층의 예로, 세계특허출원, 제 WO98/48323호에 기술된 전기변색 층과 같은 전기변색 층이 참조된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 장기간 안정성 및 양호한 이미지 재생을 갖는 스위칭 디바이스에 이용된다.

Claims (9)

  1. 적어도 제 1 및 제 2 화학 상태 사이에서 가역적으로 스위칭 가능한 픽셀 어레이로서, 상기 제 1 및 제 2 화학 상태는 광학 속성이 다르며, 상기 픽셀은 상기 픽셀의 상기 제 1 상태로부터 상기 제 2 상태로의 스위칭을 초래하는 광학적으로 스위칭 가능한 물질의 스위칭 가능한 층(3)을 포함하는 적층을 포함하는, 픽셀 어레이와, 상기 픽셀을 스위칭하기 위한 구동 회로(24, 25)를 포함하는 디바이스(20)에 있어서,
    적어도 하나의 전압-제한 디바이스(41, 42, 60, 61)가 상기 적층에 평행하게 배치되는 픽셀을 포함하는,
    것을 특징으로 하는, 픽셀 어레이와 구동 회로를 포함하는 디바이스.
  2. 제 1항에 있어서, 모든 픽셀에 대해, 전압-제한 디바이스가 상기 적층에 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는, 픽셀 어레이와 구동 회로를 포함하는 디바이스.
  3. 제 1항에 있어서, 두 개의 전압-제한 디바이스는 충전 및 방전 동안에 상기 적층 양단의 전압을 제한하도록 상기 적층 상에서 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는, 픽셀 어레이와 구동 회로를 포함하는 디바이스.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 전압-제한 디바이스는 다이오드(41, 42, 60, 61)인 것을 특징으로 하는, 픽셀 어레이와 구동 회로를 포함하는 디바이스.
  5. 제 1항 또는 제 4항에 있어서, 상기 전압-제한 디바이스(들)의 한 측면은 상기 구동 회로의 기준 전압 지점(Vref1, Vref2) 또는 라인에 연결되는 것을 특징으로 하는, 픽셀 어레이와 구동 회로를 포함하는 디바이스.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 구동 회로는 박막 트랜지스터(TFT)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 픽셀 어레이와 구동 회로를 포함하는 디바이스.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 물질은, 스위칭이 수소의 농도를 변경시킴으로써 얻어지는 물질인 것을 특징으로 하는, 픽셀 어레이와 구동 회로를 포함하는 디바이스.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 물질은 스위칭이 리튬의 농도를 변경시킴으로써 얻어지는 물질인 것을 특징으로 하는, 픽셀 어레이와 구동 회로를 포함하는 디바이스.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 물질은 전기변색(electrochromic) 물질인 것을 특징으로 하는, 픽셀 어레이와 구동 회로를 포함하는 디바이스.
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