KR20080077363A - 향상된 휘도 및 콘트라스트를 갖는 반사형 디스플레이 - Google Patents

향상된 휘도 및 콘트라스트를 갖는 반사형 디스플레이 Download PDF

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KR20080077363A
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샌더 제이. 루센다아알
마르티누스 에이치. 더블유. 엠. 반 델덴
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

복수의 픽셀(10)을 포함하는 반사형 디스플레이로서, 각 픽셀은, 제 1 전극; 광-수정층(12); 및 상기 전극 사이의 전압 인가를 통해 상기 광-수정층(12)에서 전기장의 형성을 가능하게 하도록 배열된 제 2 전극을 가지는 반사형 디스플레이가 개시된다. 상기 픽셀(10)은, 상기 전기장에 의해 광-수정 상태 사이에서 스위칭 가능한 활성화 부분(16)과, 비활성화 부분(17)을 포함한다. 이 비활성화 부분(17)은 상기 활성화 부분(16)쪽으로 상기 활성화 부분(17) 상에 충돌하는 적어도 소량의 인입광(20)을 향하게 하도록 광을 반사시키기 위해 배열된다. 결과적으로, 이 반사형 디스플레이의 콘트라스트 비율은 개선되는데, 왜냐하면 광이 이제 비활성화 부분으로부터 활성화 부분으로 향하게 되어, 시청자에 의해 관찰되는 바와 같이 디스플레이된 이미지에 기여하기 때문이다.
디스플레이, 백라이트, 반사형, 콘트라스트, 휘도

Description

향상된 휘도 및 콘트라스트를 갖는 반사형 디스플레이{REFLECTIVE DISPLAY HAVING IMPROVED BRIGHTNESS AND CONTRAST}
본 발명은 각각 제 1 전극, 광-수정층, 및 전극 사이의 전압 인가를 통해서 광-수정층에서 전기장의 형성을 가능하게 하기 위해 배열된 제 2 전극을 가지는 복수의 픽셀을 포함하는 반사형 디스플레이에 대한 것으로서, 여기서 픽셀은 전압 인가에 의해 광-수정층의 대응 부분에 대한 변경을 통해 광-수정 상태사이에서 스위칭 가능한 활성화 부분, 및 비활성화 부분을 포함한다.
다양한 종류의 평판 패널 디스플레이는 현재 풀 사이즈 텔레비전 스크린으로부터 저가 핸드-헬드 디바이스의 작은 디스플레이에 이르기까지, 다양한 응용을 위한 선택의 디스플레이다. 이들 모든 다양한 응용을 수용하기 위해, 액정 테크놀리지, 전기 습식 효과, 전기 영동 및 일렉트로크로미시티(electrochromicity)와 같은 다양한 이미지 형성 테크놀리지를 이용하여, 다양한 형태의 평면 패널 디스플레이가 개발되어 왔고, 개발중이다.
전력 소모가 중요한 관심사인 응용의 경우, 이미지를 디스플레이하기 위해 백라이트를 필요로 하지 않는 반사형 디스플레이가 일반적으로 사용된다. 반사형 디스플레이에서, 디스플레이에 입사하는 광은 디스플레이의 다른 영역에서 다르게 반사되며, 이에 의해 이미지는 사용자에게 가시적이 될 수 있다.
일반적으로, 반사형 디스플레이에서의 각 픽셀은, 이는 반사 상태와 흡수 상태 사이에서 스위칭될 수 있는 활성화 부분, 및 스위칭될 수 없는 비활성화 부분을 갖는다. 대부분, 반사기는 활성화 부분에 마련되어, 반사 상태는 활성화 부분을 투과 상태로 만들게 됨으로써 달성되며, 따라서 광은 활성화 부분을 통과하고 상기 반사기에 의해 반사된다.
예를 들면, 능동 매트릭스 반사형 LCD(Liquid Crystal Display)의 경우, 각 픽셀은 개별적으로 어드레싱되고, 2개 전극층 사이에 샌드위치되는 액정층에 대해 전압을 인가하는 것으로 활성화된다. 개별 픽셀을 구동하기 위해, 픽셀 전극은 일반적으로 구동 회로에 연결되고, 이는 보통 픽셀 전극과 동일한 평면에서 구현된다.
이러한 LCD의 경우에서, 각 픽셀의 비활성화 부분은 반사 전극층, 픽셀 선택 라인 등과 동일한 평면에서 구현되는 구동 회로에 의해 형성된다.
전통적으로, 반사형 디스플레이에서 픽셀의 비활성화 부분은 블랙 마스크(또는 '블랙 매트릭스(black matrix)'로서 명칭됨)에 의해 차폐된다. 블랙 마스크 부분으로 입사한 광은 디스플레이의 휘도 및/또는 콘트라스트에 기여할 수 없다. 이는 디스플레이의 휘도 및/또는 콘트라스트의 손실 원인이 되며, 이는 낮은 주변광 상황에 대해 특히 심각하다.
미국 특허 제5,500,750호에서, 액정 디스플레이가 공개되며, 이 경우 이 문제는 인입광으로부터 구동 회로를 차폐하고, 픽셀 구동 회로를 덮는 광 차폐층에 입사한 광을 반사시키기 위해 반사 광 차폐층 형성을 통하여 어드레싱되는 것이다. 광 차폐층은 반사 전극층과 동일한 평면에 놓이게 되고 범프(bump)는 디스플레이와 수직방향으로 비스듬하게 입사는 광의 방향을 변경시키기 위하여 반사 전극층상 뿐만 아니라 광 차폐층상에 형성된다. 그러나, 이러한 디스플레이의 콘트라스트는 영향을 받지 않은 또는 심지어 불리하게 영향을 받은 것으로 보인다.
따라서, 특히 개선된 콘트라스트를 가지는, 개선된 반사형 디스플레이를 위한 필요가 있다.
종래 기술의 위에 기술된 것 및 다른 단점의 견지에서, 본 발명의 일반적인 목적은 개선된 반사형 디스플레이를 제공하는 것이며, 특히 반사형 디스플레이에 증가된 콘트라스트율을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이들 및 다른 목적은, 복수의 픽셀을 포함하는 반사형 디스플레이로서, 각 픽셀은, 제 1 전극; 광-수정층; 및 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 전압 인가를 통해 상기 광-수정층에서 전기장의 형성을 가능하게 하도록 배열된 제 2 전극을 가지되, 상기 픽셀은, 상기 전기장에 의해 광-수정 상태 사이에서 스위칭 가능한 활성화 부분과, 상기 활성화 부분쪽으로 상기 활성화 부분 상에 충돌하는 적어도 소량의 인입광을 향하게 하도록 광을 반사시킬 수 있는 비활성화 부분을 포함하는, 반사형 디스플레이에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 반사형 디스플레이는 바람직하게는 평판이고 응용 분야에 따라 단단하거나 유연할 수 있음을 주목해야 한다.
본 발명에 따른 반사형 디스플레이는 광-수정층이 제 1 및 제 2 전극 사이에 샌드위치된 디스플레이, 및 제 1 전극과 제 2 전극이 필수적으로 동일한 평면내에 마련되는 평면 정렬(in-plane) 디스플레이 중의 하나일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 반사형 디스플레이는 각 픽셀에서 추가적인 전극 및 추가적인 광-수정층도 가질 수 있으며, 이는 스택 구성으로 배열될 수 있음을 주목해야 한다.
예를 들면, 디스플레이의 "콘트라스트"는 콘트라스트율(CR: Contrast Ratio)에 의해 표현될 수 있으면, 이는 다음식에 따라 정의된다.
Figure 112008041975019-PCT00001
여기서, Imax는 최대 반사율 상태에 있을 경우, 디스플레이로부터 반사된 광세기이며, Imin은 최소 반사율 상태에 있을 경우, 디스플레이로부터 반사된 광세기이다.
본 발명은 반사형 디스플레이의 콘트라스율이 활성화 부분쪽으로 제 2 전극의 비활성화 부분에 충돌하는 광의 방향을 변경함으로써 개선될 수 있는 실현에 기초된다. 만일 광이 비활성화 부분을 벗어나 활성화 부분쪽으로 반사된다며, 이는 디스플레이된 이미지에 기여한다. 더 많은 양의 입사광이 시청자쪽으로 다시 반사되므로, 따라서 반사형 디스플레이 상에 보여진 이미지는 증가된 최대 반사율 Imax, 및 증가된 콘트라스트율을 가질 수 있다.
활성화 부분보다 더 큰 각도 스프레드로 반사된 광을 스프레드할 수 있는 반사기를 픽셀의 비활성화 부분에서 제공함으로써, 더 많은 광이 역방향에서보다 비활성화 부분으로부터 활성화 부분쪽으로 향하게 될 수 있다. 그것에 의해, 활성화 부분에 충돌하는 광의 양에 대한 순 기여가 달성될 수 있다. 활성화 부분 상으로 인입광의 이러한 결과로서 발생하는 증가된 양은 결국 디스플레이의 개선된 휘도와 콘트라스트가 된다.
바람직하게는, 비활성화 부분은 활성화 부분으로부터 벗어나는 광의 각도 스프레드보다 더 큰 각도 스프레드로 광을 반사한다. 바람직한 실시예에서, 이후 본 발명에 따른 반사형 디스플레이는 광-수정층을 커버하기 위해 배열된 기판을 추가로 포함할 수 있는데, 이 기판은 인접한 주변 매체보다 더 높은 굴절률을 가지며, 여기서 인입광의 방향 수정된 량은 적어도 부분적으로 기판과 인접한 주변 매체 사이의 경계면에서 내부 전반사를 통해 활성화 부분쪽으로 향하게 된다.
비활성화 부분으로부터 반사된 광의 비교적 큰 각도 스프레드는 이 광의 꽤많은 양이 기판과 주변 매체 사이의 경계면에서의 임계 각도보다 더 큰 각도로 디스플레이를 통과하여 전파되어, 이는 이 경계면에서, 유리하게는 반사 디스플레이 픽셀의 활성화 부분쪽으로 반사되는 것을 보장한다. 이하에서 기술되는 바람직한 실시예에서, 비활성화 부분에서의 반사기 구성은 임계 각보다 더 큰 각으로 이동하는 반사된 광의 양이 가능하면 높도록 추가로 최적화된다.
기판의 경우, 유리 또는 다양한 형태의 플라스틱과 같은, 임의의 적합한 투명 재료가 사용될 수 있으며, 일반적인 인접한 주변 매체는 공기이다.
이러한 방식으로 기판을 추가함으로써, 픽셀의 비활성화 부분에 충돌하는 대량의 광은 내부 전반사(TIR: Total Internal Reflection)를 통하여 활성화 부분쪽으로 방향이 변경될 수 있다.
TIR은 경계면의 법선에 대해 임계 각도보다 더 큰 각도에서 기판-주변 경계면에 충돌하는 광에 대해 발생한다. 이 임계 각도는 다음 관계식에 따라 기판과 인접한 주변 매체의 굴절율 사이의 관계에 의존한다:
Figure 112008041975019-PCT00002
예를 들면, 기판 재료로서 유리(n유리
Figure 112008041975019-PCT00003
1.5) 및 인접한 주변 매체로서 공기(n공기 = 1)의 경우, 임계 각도는 약 42o가 된다.
위에서 기술된 바와 같이, 비활성화 부분에서 반사의 각도 스프레드는 바람직하게는 활성화 부분의 각도 스프레드보다 크며, 따라서 비활성화 부분에 의해 반사된 광의 더 많은 양이 임계 각도보다 큰 각도로 기판-주변 경계면을 치게 되므로, 따라서 제 2 전극쪽으로 다시 완전하게 반사될 것이다.
활성화 부분은 유리하게는 람베르티안 및 슈퍼-람베르티안 반사기 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
일반적으로, 반사기의 각도 스프레드는 반사 콘(reflection cone)에 의해 표시될 수 있으며, 이는 반사기에 법선 방향으로 충돌하는 광의 반사기에 의해 각도 스프레드를 한정한다. 이 반사 콘은 다음 관계식에 의해 주어진다:
Figure 112008041975019-PCT00004
여기서, θ는 반사기에 수직인 방향에 대한 시야각도이고, I(θ)는 이 시야각도에 의존하는 반사된 세기이며, I0 ,m은 정규화 팩터이다. 팩터 m은 반사기의 각도 스프레드를 결정하며, 따라서 더 큰 m은 더 협소한 반사 콘을 생성한다. 일반적으로 말하면, m=0의 경우 위 관계식에 의해 주어진 반사 세기 분포를 갖는 반사기는 등방성 반사기로 불리며, m=1을 갖는 반사기는 람베르티안 반사기로 불리고, m>1를 갖는 반사기는 슈퍼-람베르티안 반사기로 불린다.
활성화 부분에 람베르티안 및 슈퍼-람베르티안 반사기 중 어느 하나를 포함시킴으로써, 우수하고, 종이와 유사한 외관이 반사 상태에서 달성된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 비활성화 부분은 필수적으로 등방성 반사기를 포함할 수 있다.
위에 기술된 바와 같이, 등방성 반사기는 모든 방향에서 균등한 반사 세기로 정상적으로 인입광을 반사하는 반사기이다.
필수적으로 등방성 반사기를 비활성화 부분에 포함시킴으로써, 비활성화 부분에 충돌하는 광의 큰 부분은 임계 각도보다 더 큰 각도에서 기판-주변 경계면쪽으로 반사되어, 활성화 부분쪽으로 되 반사될 것이다. 이에 의해, 비활성화 부분에 초기 충돌한 광의 큰 부분은 활성화 부분에 충돌하도록 될 수 있으며 이에 의해 반사형 디스플레이의 휘도 및 콘트라스트에 기여할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 비활성화 부분은 매크로-구조 반사기를 포함할 수 있다.
본 출원에 관하여, "매크로-구조 반사기"는 일반적으로 반사광의 파장 보다 10배 이상 큰 치수로 구조화되고, 따라서 입사 위치에 의존하여 다르게 주어진 방향으로 입사하는 광을 반사하는 반사기로서 이해되어야 한다. 일부 굴절 효과는 반사광 파장의 10배 범위 내에 있는 치수로 구조화되는 반사기에 존재할 수 있음을 주목해야 한다. 그러나, 이들 굴절 효과는 매크로-구조 반사기의 반사 동작을 상당히 변경시키지않는다.
적절한 특성을 갖는 매크로-구조 반사기를 비활성화 부분에 포함시킴으로써, 비활성화 부분에 충돌하는 입사광의 큰 부분은 직접 또는 간접적으로, 활성화 부분쪽으로 방향이 변경될 수 있다.
유리하게는, 매크로-구조 반사기는 적어도 부분적으로 활성화 부분에 대해 거양(elevated)될 수 있다.
이에 의해, 활성화 부분을 향하는 광의 효율적인 직접 방향 변경(redirection)이 가능하게 된다.
더욱이, 매크로-구조 반사기는 제 2 전극에 의해 한정된 평면에 대항하는 베이스(base) 및 이 평면으로부터 멀어지는 쪽을 향하는 상부(top)를 가지는 빔-스프레딩 구조(beam-spreading structure)일 수 있으며, 이 상부는 베이스보다 더 협소하다.
빔-스프레딩 구조는 따라서, 상부가 시청자에 대항하도록 배열된다.
빔-스프레딩 구조의 톱 및 베이스를 연결하는 면은 직선, 볼록, 오목 또는 물결모양 방식으로 커브가 될 수 있으며, 빔-스프레딩 구조의 상부(top)는 예리하거나, 둥글거나 또는 평평할 수 있다.
이러한 빔-스프레딩 구조는 적어도 부분적으로 반사 표면을 가지며, 이는 예를 들면, 금속성 반사기와 같은 임의의 적합한 반사기에 의해 형성될 수 있다.
이러한 빔-스프레딩 구조를 통하여, 인입광의 많은 양은 입사 방향에 의존하여, 임계 각도보다 더 큰 각도에서 기판-주변 경계면쪽으로, 또는 활성화 부분쪽으로 직접 스프레드되고, 결과적으로 활성화 부분쪽으로 다시 반사된다.
일실시예에 따르면, 빔-스프레딩 구조는 필수적으로 V-형상 단면을 가질 수 있으며, 이 V의 개구부는 제 2 전극에 의해 한정된 평면에 대항한다.
더욱이, 빔-스프레딩 구조는 유리하게는 필수적으로 산마루(ridge)-형상이 될 수 있다.
리지-형상 빔-스프레딩 구조의 형성을 통하여, 인입광의 매우 효율적인 방향 변경(redirection)이 얻어질 수 있으며, 따라서 반사형 디스플레이의 휘도 및 콘트라스트는 많이 개선될 수 있다.
바람직하게는, V-형상 단면의 개구 각도는 150o보다 작을 수 있다.
실제적으로 모든 개구 각도에 대하여, 반사형 디스플레이의 휘도가 개선된다. 그러나, 콘트라스트에서의 개선은 대개 위 개구 각도에 의존적이다. 위 설명에 따르면 단면 개구 각도를 갖는 빔-스프레딩 구조를 형성함으로써, 만족스러운 콘트라스트율은 모든 조명 상황을 위해 획득된다.
훨씬 더 바람직하게는, V-형상 단면의 개구 각도는 90o보다 작을 수 있다.
개구 각도의 이러한 선택을 통하여, 활성화 부분쪽으로 비활성화 부분에 충돌하는 인입광의 매우 효율적인 방향 변경, 및 이에 의해 반사형 디스플레이의 개선된 콘트라스트는 실제적으로 모든 조명 상황을 위해 획득된다.
또 다른 실시예에 따르면, 빔-스프레딩 구조는 입사광을 흡수하기 위해 구성될 수 있는 필수적으로 평평한 상부를 가질 수 있다.
이 실시예를 통하여, 이는 적합한 산마루-형상 빔-스프레딩 구조의 형성이 종합적인 디스플레이 디자인 고려사항에 적합하지 않은 경우 특히 유용하며, 효율적인 빔-스프레딩 구조는 총 디스플레이 두께의 매우 적은 부분을 점유하면서도 형성될 수 있다. 본 발명에 따른 빔-스프레딩 구조의 면에 입사하는 광의 큰 부분은 이전에 기술된 바와 같이 내부 전반사를 따르거나 또는 직접적으로, 활성화 부분쪽으로 스프레드될 것이며, 반면에 빔-스프레딩 구조의 평평한 상부에 입사한 광은 시청자쪽으로 되반사되는 것보다 오히려 흡수될 것이다. 이에 의해, 디스플레이의 휘도 및 콘트라스트가 개선된다.
추가 실시예에 따르면, 빔-스프레딩 구조의 상부는 복수의 반사 표면 부분을 포함할 수 있으며, 이 부분 각각은 반사 디스플레이 표면에 수직인 라인에 대하여 다른 각도를 갖는다.
이러한 방식으로 빔-스프레딩 구조의 상부를 형성시킴으로써, 상부는 대규모로 평평할 수 있지만, 반면에 시청자쪽으로 입사광의 매우 적은 양만을 여전히 되반사시킬 수 있다. 이에 의해, 소 수직 폼팩터는 이전에 기술된 바와 같이 주로 내부 전반사를 통해, 활성화 부분쪽으로 입사광의 효율적인 방향 변경과 결합된다.
반사 표면 부분의 위 언급된 각도는 바람직하게는 이중 반사를 통하여 시청자쪽으로 되반사된 광의 양을 최소화시키기 위해 작을 수 있다.
더욱이, 빔-스프레딩 구조의 반사 부분은 유리하게는 특정 반사율을 가질 수 있으며, 이는 바람직하게는 60%보다 크다.
본 발명의 추가 실시예에 따르면, 비활성 부분은 인입광을 퍼지게 굴절시켜, 이에 의해 활성화 부분쪽으로 이 인입광의 방향 변경을 가능하게 하도록 배열된 렌즈 구조를 포함할 수 있다.
반사에 앞서 인입광을 퍼지게 굴절시킴으로써, 큰 각도 스프레드가 달성되고, 따라서 활성화 부분쪽으로 비활성화 부분에 충돌하는 광의 큰 부분에 대한 방향 변경이 달성된다.
렌즈 구조는 바람직하게는 인접한 매체보다 더 낮은 굴절율을 가지는 재료로 만들어진 플라노-볼록(plano-convex) 렌즈의 형태로 제공될 수 있으며, 이 매체는 예컨대, 플라스틱 충진 물질, 접착제, 광 수정층 또는 기판이 될 수 있다. 이 플라노-볼록 렌즈에는 등방성 반사기 또는 람베르티안 반사기와 같은, 제 2 전극에 의해 한정된 평면에 평면 반사기에 인접한 평면측과 상기 평면에서 멀어지는 쪽을 향하는 볼록측이 제공될 수 있다. 상기 플라노-볼록 렌즈의 평면측이 바람직하게는 시청자로부터 멀어지는 쪽을 향하도록 배열될 수 있으며, 결과적으로 볼록면은 시청자에게 대항하여 배열된다. 볼록 렌즈 표면을 치는 경우, 인입광은 렌즈 표면 법선(normal)으로부터 굴절되고, 평면 렌즈면 아래의 반사기에서 다음 반사는, 다시 한번 굴절되어, 이때 렌즈 법선쪽으로 향하고, 이에 의해 인입광의 매우 큰 각도 스프레드가 달성된다. 따라서 스프레드 광은 기판과 인접한 주변 매체 사이의 경계면에서 TIR를 통해 활성화 부분쪽으로 되반사되기를 계속할 수 있다. 입사광 부분은 또한 주위 매체와 렌즈의 볼록면 사이의 경계면에서 반사될 것이며, 이에 의해 만일 렌즈 구조가 활성화 부분에 대하여 거양된다면, 활성화 부분쪽으로 직접 방향이 변경될 것이다.
렌즈 구조는 대안적으로 주위 매체보다 더 높은 굴절율을 갖는 재료로 플라노-오목 렌즈의 형태로 제공될 수 있다. 그러나, 플라노-볼록 렌즈 구조는 이러한 플라노-오목 렌즈보다 선호된다.
본 발명의 반사형 디스플레이에 대한 일실시예에 따르면, 광-수정층은 액정층이 될 수 있고, 픽셀의 비활성화 부분은 박막 트랜지스터와 같은 전압 제어 디바이스를 포함할 수 있으며, 이 픽셀의 활성화 부분은 특정 픽셀의 대응하는 부분이 광-수정 상태 사이에 스위칭되도록, 액정층의 대응하는 부분의 편광 상태를 변경하도록 구성된 반사 전극을 포함할 수 있다.
본 발명의 이 실시예에서, 반사형 디스플레이는 결과적으로 능동 매트릭스 타입 LCD(Liquid Crystal Display)이다. 이 LCD는 전극층 사이에 샌드위치된 액정층을 가질 수 있거나, 소위 동일 평면 스위칭(in-plane switching)을 통하여 기능할 수 있으며, 이 경우 제 1 및 제 2 전극은 동일한 평면 내에 있다.
본 발명의 반사형 디스플레이의 또 다른 실시예에 따르면, 광-수정층은 유체를 포함할 수 있으며, 제 1 전극은 착색 유체와 섞이지 않는 유체를 포함할 수 있으며, 이 픽셀의 활성화 부분은 특정 픽셀의 대응 부분이 광-수정 상태 사이에서 스위칭될 수 있도록, 전극 사이의 전압 인가를 통하여 착색 유체를 측방향으로 변위시키도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이 실시예에서, 반사형 디스플레이는 결과적으로 전기 습식 디스플레이이다.
본 발명의 반사형 디스플레이에 대한 추가 실시예에 따르면, 광-수정층은 유체와 그 유체내에 부유하는 복수의 착색 대전 입자를 포함할 수 있으며, 픽셀의 활성화 부분은 제 2 전극에 의해 한정된 평면에 수직인 방향으로, 특정 픽셀의 대응하는 부분이 광-수정 상태사이에서 스위칭되도록, 전극 사이의 전압 인가를 통하여 복수의 대전 입자를 변위시키도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이 실시예에서, 반사형 디스플레이는 결과적으로 전기영동형 디스플레이이다. 이 전기영동형 디스플레이는 전극층 사이에 샌드위치된 광-수정층을 가질 수 있거나, 소위 평면 동일 스위칭을 통하여 기능할 수 있고, 이 경우 제 1 및 제 2 전극은 동일한 평면 내에 있다.
본 발명의 이들 및 다른 측면은 이제 본 발명의 현재 바람직한 실시예를 보여주는 첨부된 도면을 참조하여, 더 상세하게 기술될 것이다.
도 1은 예시적인 반사형 디스플레이 부분에 대한 개략적인 평면도를 보여주는 도면.
도 2a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반사형 디스플레이 부분에 대한 개략적인 단면도를 보여주는 도면.
도 2b는 다른 타입의 반사기에 대한 반사 동작을 개략적으로 예시하는 도면.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 4개의 예시적인 반사형 디스플레이 부분을 예시하는 개략적인 단면도를 보여주는 도면.
도 4a는 도 4b의 반사형 디스플레이를 위해 계산된 빔 스프레딩 구조 반사율의 함수로서 디스플레이 반사율을 예시하는 도면.
도 4b는 도 4b에서 반사형 디스플레이를 위해 계산된 빔 스프레딩 구조 반사율의 함수로서 콘트라스트 변조를 예시하는 도면.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 반사형 디스플레이 부분에 대한 개략적인 단면도를 보여주는 도면.
다음 설명에서, 본 발명은 제 1 투명 전극층과 제 2 전극층 사이에 샌드위치된 액정층을 갖는 반사형 액정 패널을 참조하여 기술된다. 이는 결코 본 발명의 범 위를 제한하려는 것이 아니고, 이는 전기습윤식 디스플레이, 전기영동형 디스플레이, 및 일렉트로크로믹(electrochromic) 디스플레이와 같은 다른 타입의 반사형 디스플레이에 동일하게 적용가능함을 주목해야 한다. 더욱이, 수개의 이들 디스플레이 타입은 또한 소위 평면 동일 정렬 스위칭(in-plane switching)을 통하여 기능할 수 있으며, 이 경우 제 1 및 제 2 전극은 동일한 평면 내에 있다. 이는 특히 액정 디스플레이 및 전기영동형 디스플레이를 위한 케이스이다.
도 1은 개략적으로 예시적인 반사형 디스플레이 부분에 대한 평면도를 개략적으로 보여준다. 특히, 도 1은 반사형 액정 패널의 제 1 층 부분을 보여준다.
도 1에서, 풀 픽셀에 대응하는 제 2 층의 영역(1)은 인접한 픽셀에 대응하는 영역의 부분(2a-h)에 의해 둘러싸인 것으로 도시된다. 풀 픽셀에 대응하는 영역(1)은 반사 전극층 부분(3) 형태의 활성화 부분 및 비활성화 부분(4)(도 1에서 빗금친 부분)에 의해 점유된다. 도 1에 예시된 예시적인 반사형 디스플레이 세그먼트에서, 비활성화 부분(4)은 반사 전극(3)을 구동하기 위해 사용된 박막 트랜지스터(TFT: Thin Film Transistor)(5), 수평(6a-b) 및 수직(7a-b) 픽셀 선택 라인, 및 TFT(5)와 수평(6a-b) 및 수직(7a-b) 픽셀 선택 라인으로부터 반사 전극층(3)을 분리하는 절연 흔적(8a-e)에 의해 주로 구성된다. 반사 전극 부분(3)에 제어 전압을 인가하는 경우, 이러한 반사 전극(3)에 대응하는 픽셀 영역은 입사광의 반사를 허용 또는 제한하기 위해 스위칭된다. 그러나, 비활성 부분(4)에 대응하는 픽셀의 상당한 크기 부분은 제어 전압의 인가에 의해 영향을 받지 않은 채로 남게 된다.
이러한 비활성 부분에 입사하는 적어도 소량의 광은 반사 전극층 부분(3)쪽 으로 방향 변경이 되고, 이에 의해 액정 패널의 휘도 및 콘트라스트에 어떻게 기여하는 지가 본 발명의 바람직한 실시예의 다음 설명에 보여 질 것이다.
간결을 목적으로, 본 설명에서, 본 발명의 다양한 실시예가 정렬층, 편광층, 상단 투명 전극층, TFT-형성층 등과 같은 당업계에서 잘 알려진 다양한 층이 특별하게 표시되지 않은 채, 반사형 디스플레이의 매우 간략화된 예시를 사용하여 기술된다.
도 2a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반사형 디스플레이에 대한 개략적인 단면도이다.
도 2a에서, 하나의 풀 픽셀(10)은 인접한 픽셀(11a-b) 부분에 의해 둘러싸인 채로 도시된다. 이 개략적 픽셀(10)은 제 1 ,투명한 전극층(미도시)으로 덮인 제 1 기판(13), 및 반사 전극층 부분(16)과 비활성화 부분(17)을 가지는 제 2 층(15)에 의해 덮인 제 2 기판(14) 사이에 샌드위치된 액정층(12)을 포함한다. 액정층 패널을 포함하는 액정 디스플레이의 사용자 친화형 종이유사 외관을 달성하기 위해, 반사 전극층 부분(16)은 바람직하게는 람베르티안 또는 슈퍼-람베르티안 반사기와 같은 협소 반사 콘(reflection cone)을 가지는 확산 반사기에 의해 형성되며, 이는 예를 들면, 반사형 LCD-테크놀리지에서 보통 사용되는 IDR(In-Cell Diffuse Reflector)에 형성될 수 있다. 반사 전극층 부분(16)의 반사 콘은 반사 전극 표면의 법선(normal)에 대하여 각도(θre)에 의해 한정된다. 다른 한편으로, 제 2 층의 비활성화 부분(17)은 필수적으로 등방성 반사기에 의해 형성되며, 이는 예를 들면 TiO2로 만들어진 소 확산 입자를 포함하는 층과 같은 고 산란 재료에 의해 형성될 수 있다. 비활성화 부분의 반사 콘은 도 2에 도시된 바와 같이 각도(θia)에 의해 한정되며, 제 1 기판(13)에 법선인 입사광 빔(18)은 실질적으로, 반사된 광빔(19)에 의해 예시된 바와 같이, 표시된 반사 콘 내의 방향으로 반사된다.
본 예시적인 실시예에서, 제 1 기판(13)은 약 1.5의 굴절율 n유리를 가지는 유리에 의해 형성된다. 인접한 주변 매체는 1의 굴절율 n공기를 가지는 공기이므로, 내부 전반사(TIR: Total Internal Reflection)에 대한 임계 각도(θcrit)는 arcsin(1/1.5)
Figure 112008041975019-PCT00005
42o이다. 이는 반사기로부터 기판(13)과 주변 사이의 상단 경계면까지 광빔에 의해 횡단되는 다른 층 경계면에서 추가 굴절이 없음을 가정하면, 임계 각도(θcrit)보다 큰 반사 각도를 가지는 비활성화 부분의 반사 콘에서의 모든 광은 인입 광빔(20)과 대응하는 반사 광빔(21a-c)에 의해 예시된 바와 같이, 이러한 경계면에서 제 2 층(15)쪽으로 되반사될 것이다. TIR을 통해 반사된 이러한 광의 대부분은 결과적으로 반사 전극층 부분(16)에서 끝나게 되므로, 따라서 액정 패널의 휘도 및 콘트라스트에 기여할 것이다.
도 2b에서, 다른 타입의 반사기에 대한 반사 동작이 개략적으로 예시된다. 도 2b에서 좌측으로부터 우측으로, 등방성(25), 람베르티안(26) 및 슈퍼-람베르티안(27)의 반사 거동이 예시된다. 람베르티안 반사기(26)의 경우, 각도(θL)에 의해 한정된 반사 콘이 표시된다. 이 반사 콘은 반사기의 각도 스프레드에 대한 편리한 척도이다.
도 3a-d는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반사형 디스플레이의 4가지 예를 예시하는 개략적인 단면도이다.
본 발명의 제 2 실시예의 제 1 예에 따른 액정 패널을 개략적으로 보여주는 도 3a을 참조하면, 예시된 액정 패널은 도 2에 도시된 액정 패널과 다른데, 이는 이 제 1 예에 따른 비활성화 부분(17)이 제 1 기판(13)상에 제공된 제 1 전극층(미도시)을 향하게 하는 필수적으로 V-형상 단면을 가지는 필수적으로 산마루-형상 빔-스프레딩 구조(30) 형태의 매크로-구조 반사기를 포함하는 점 때문이다. 본 제 1 예에 따른 산마루-형상 구조(30)는 알루미늄(Al), 은(Ag) 또는 알루미늄-네오디늄(Al-Nd) 합금과 같은 금속성 반사기 재료로 커버된 볼록면(31a-b), 및 뾰족한 끝이 있는 모서리(pointed edge)(32)를 가지며, 제 2 기판(14)으로부터 거리(D) 만큼 제 1 기판(12)쪽으로 연장된다. 산마루-형상 구조(30)는 도 3a에 표시된 바와 같이, 개구 각(θo)으로 한정된다. 산마루-형상 구조(30) 및 주위의 제 1 전극층(미도시)와 액정층(12) 사이의 갭(37)은 바람직하게는 아교(glue)와 같은 필수적으로 투명한 필러(filler)를 사용하여 충진되며, 이는 유리하게는 주위 구조의 굴절율과 매칭되는 굴절율을 갖는다.
인입 광빔(33 및 34)과 대응하는 반사 광빔(35 및 36) 각각에 의해 예시되는 바와 같이, 비활성 부분에 입사하는 광의 큰 부분은 제 1 기판(13)과 주변 사이의 경계면에서의 내부 전반사 이후, 직접적으로 또는 간접적으로, 반사 전극층 부분(16)쪽으로 방향 변경된다.
도 3b에서, 부분적으로 산마루 높이 아래쪽으로 연장하는 직선 경사면(41a-b)을 갖는 산마루-형상 빔 스프레딩 구조(40) 형태의 매크로-구조 반사기를 가지는 본 발명에 따른 액정 패널의 제 2 실시예에 대한 제 2 예가 도시된다. 산마루-구조(40)는 이 도면에 도시된 바와 같이, 개구 각도(θo)에 의해 한정된다. 도 4b에 도시된 빔-스프레딩 구조(40)의 함수는 도 4a의 함수와 유사하다.
이제 도 3c를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반사형 디스플레이의 제 3 실시예가 기술될 것이다.
도 3c에서, 제 2 전극층(15)에 대항하는 베이스(61)와 제 1 투명 전극층(미도시)에 대항하는 상부(top)(62)를 가지는 빔-스프레딩 구조(60)가 도시된다. 상부(62)는 평평하고 입사광을 흡수하도록 구성되며, 상부(62)와 베이스(61)를 연결하는 면(63a-b)은 반사적이고, 직접적으로 또는 제 1 기판(13)과 주변 사이의 경계면에서 내부 전반사를 통하여 활성화층 부분(16)쪽으로 인입 광을 반사하도록 각이 진다. 이는 인입 광빔(64)에 의해 예시되며, 이는 활성화층 부분(16)쪽으로 반사된 빔 스프레딩 구조(60 및 65)의 상부(62)에 의해 흡수된다.
본 발명의 제 4 예를 예시하는 도 3d에서, 도 4c의 흡수 상부(absorbing top)(62)는 반사 표면(71a-d)를 가지는 상부(70)로 대체되며, 이 반사표면은 입사광의 큰 부분이 내부 전반사에 대한 임계 각도보다 큰 각도로 반사되고, 이에 의해 제 1 기판(13)과 주변 사이의 경계면에서 내부 전반사 이후, 제 2 전극층쪽으로 되반사되도록 디스플레이에 대한 법선과 각이 진다. 이는 입사광 빔(72 및 73)에 의해 예시된다. 이 반사 표면(71a-d)는 바람직하게는 입사광 빔(74)에 의해 예시된 바와 같이, 이중 반사가 최소화되도록 법선에 오히려 작은 각도를 형성한다. 도 4a-b는 본 발명의 제 2 실시예에서 포함된 빔-스프레딩 구조의 개구 각도 및 반사율에 의존하는 예시적인 반사형 디스플레이의 성능을 예시한다. 도 4a-b의 그래프가 기초하는 계산은 확산 조명과 활성화층 부분이 람베르티안 반사기라는 가정하에 수행된다.
도 4a에서, 반사형 디스플레이의 반사율에 등가인 휘도가 2개의 개구 각도(θo)에 대하여 도 3b의 산마루-형상 빔 스프레딩 구조(40)의 반사율에 어떻게 의존하는 지가 도시된다. 도 4a에서 알 수 있는 바와 같이, 더 큰 빔-스프레딩 구조 반사율은 더 큰 디스플레이 반사율, 또는 휘도를 제공한다.
도 4b에서, 도 3b의 산마루-형상 빔-스프레딩 구조(40)의 반사율 함수로서 반사형 디스플레이의 콘트라스트 변조가 예시된다. 콘트라스트 변조(M)은 다음 관계식에 의해 주어진다:
Figure 112008041975019-PCT00006
여기서, CR은 액정 패널의 콘트라스트율이다. 전자 시사 및 도로 표지의 경우, 콘트라스트 변조(M)은 바람직하게는 0.8 보다 커어야만 하며, 이는 도 4b에서 알 수 있는 바와 같이, 80o의 개구 각도의 경우 모든 빔-스프레딩 구조 반사율을 위해 획득되며, 반면에 약 60% 미만의 반사율은 140o의 개구 각도에 대하여 유리하다. 도 4a에 따른 거동과 함께 취해진다면, 빔-스프레딩 구조 반사율에 대한 양호한 선택은 60%임이 이해된다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 액정 패널 부분에 대한 개략적 단면도이다.
도 5에서, 예시된 액정 패널은 도 2에 도시된 액정 패널과 다른데, 이는 이러한 제 3 실시예에 따라, 비활성화 부분(17)이 제 1 기판(13) 상에 제공된 투명 전극(미도시)에 대항하는 그 볼록면(51)으로 배열된 플라노-볼록 렌즈(50) 형태의 렌즈 구조, 및 제 2 층(15)의 비활성화 부분(17)에서 람베르티안 또는 등방성 반사기와 같은 확산 반사기에 인접한 그 평면측(52)을 포함한다는 점 때문이다. 렌즈(50)의 내부(53)상에 있는 재료는 렌즈의 외부(54) 상에 있는 재료보다 더 낮은 굴절율을 갖는다. 충진 재료는 바람직하게는, 필수적으로 아교와 같은 투명 필러이며, 이는 유리하게는 주위 구조의 굴절율과 매칭되는 굴절율을 갖는다.
인입광 빔(55 및 56) 및 대응하는 반사광 빔(57 및 58) 각각에 의해 예시된 바와 같이, 비활성 부분에 입사하는 광의 큰 부분은 제 1 기판(13)과 주변 사이의 경계면에서 내부 전반사 이후, 직접적으로 또는 간접적으로, 반사 전극층 부분(16)쪽으로 방향 변경된다. 플라노-볼록(plano-convex) 렌즈(50)의 내부(53)가 외부(54)보다 더 낮은 굴절율을 가지므로, 렌즈(50)은 인입광 빔(56)에 의해 예시된 바와 같이 인입광을 퍼지게 굴절하고, 이는 렌즈(50)의 볼록 표면(51)의 법선으로부터 떨어져서 굴절된다. 비활성 부분 반사기에서 반사에 이어, 굴절된 인입광 빔(56)이 다시 한번 렌즈(50)로부터 벗어날 때 이번에는 렌즈(50)의 볼록 표면(51)의 법선 쪽으로 굴절된다.
렌즈(50)를 통과한 그 통과로 인해, 반사된 빔(58)은 따라서 임계 각도보다 더 큰 각도로 제 1 기판(13)과 주변 사이의 경계면을 쳐서, 이에 의해 내부 전반사를 통하여 제 2 층(15)쪽으로 되반사되도록 충분히 스프레드된다.
당업자라면 본 발명이 결코 바람직한 실시예에 제한되는 것이 아님을 이해할 것이다. 예를 들면, 매크로-구조 반사기는 유리하게는 다수층 반사기의 상부 코팅을 가질 수 있다. 이러한 다수층 반사기는 금속성 반사기 보다 낮은 흡수율을 갖도록 디자인될 수 있다. 더욱이, 격자 또는 홀로그래피 구조와 같은 서브-파장 구조(반사광의 파장 보다 통상적으로 더 작은 치수를 갖는 구조임)의 형태에서와 같이, 다양한 확산 반사기가 위에 기술된 것 이외의 다른 방식으로 형성될 수 있다. 이러한 구조를 사용함으로써, 광 반사의 방향은 수정될 수 있다.
본 발명은 각각 제 1 전극을 가지는 복수의 픽셀, 광-수정층, 및 전극 사이의 전압 인가를 통해서 광-수정층에서 전기장의 형성을 가능하게 하기 위해 배열된 제 2 전극을 가지는 복수의 픽셀을 포함하는 반사형 디스플레이에 대해 이용가능하다.
여기서 픽셀은 전압 인가에 의해 광-수정층의 대응 부분에 대한 변경을 통해 광-수정 상태 사이에서 스위칭 가능한 활성화 부분, 및 비활성화 부분을 포함한다.

Claims (18)

  1. 복수의 픽셀(10)을 포함하는 반사형 디스플레이로서, 각 픽셀은,
    제 1 전극;
    광-수정층(12); 및
    상기 전극 사이의 전압 인가를 통해 상기 광-수정층(12)에서 전계의 형성을 가능하게 하도록 준비된 제 2 전극(3;6)을 가지되,
    상기 픽셀(10)은,
    상기 전기장에 의해 광-수정 상태 사이에서 스위칭 가능한 활성화 부분(16)과,
    상기 비 활성화 부분(17) 상에 충돌하는 적어도 소량의 인입광(20)을 상기 활성화 부분(16)쪽으로 향하게 하도록 광을 반사시킬 수 있는 비활성화 부분(17)을 포함하는, 반사형 디스플레이.
  2. 제 1 항에 있어서,
    비활성화 부분(17)은 활성화 부분(16)을 벗어난 빛의 각 스프레드(angular spread)보다 더 큰 각 스프레드를 통해 광을 반사시킬 수 있는, 반사형 디스플레이.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    디스플레이의 시청면에서 광-수정층(12)을 커버하기 위해 준비되는 기판(13)을 추가로 포함하되, 상기 기판(13)은 인접한 주변 매체보다 더 큰 굴절률을 가지며,
    비활성화 부분(17)에서 반사된 입사광의 일 부분은 적어도 부분적으로 상기 기판(13)과 상기 인접한 주변 매체 사이의 경계면에서 내부 전반사를 통해 상기 활성화 부분쪽으로 향하는, 반사형 디스플레이.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성화 부분(16)은 람베르티안(26) 및 슈퍼-람베르티안(27) 반사기 중 어느 하나를 포함하는, 반사형 디스플레이.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 비활성화 부분(17)은 필수적으로 등방성 반사기(25)를 포함하는, 반사형 디스플레이.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 비활성화 부분(17)은 매크로-구조 반사기(30;40;60)를 포함하는, 반사형 디스플레이.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 매크로-구조 반사기(30;40;60)는 적어도 부분적으로 상기 활성화 부분(16)에 대해 상승(elevated)되는, 반사형 디스플레이.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 매크로-구조 반사기는 제 2 전극(16)에 의해 한정된 평면에 대항하는 베이스(61) 및 상기 평면으로부터 멀어지는 쪽을 향하는 상부(top)(32;62;70)를 가지는 빔-스프레딩 구조(30;40;60)이되,
    상기 상부는 상기 베이스보다 더 협소한, 반사형 디스플레이.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 빔-스프레딩 구조(30;40;60)는 필수적으로 V-형상 단면을 가지며, 상기 V의 개구부는 상기 평면을 향하는, 반사형 디스플레이.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 매크로-구조 반사기(30;40;60)는 필수적으로 산마루(ridge)-형상인, 반사형 디스플레이.
  11. 제 8 항에 있어서,
    빔-스프레딩 구조(30;40;60)의 단면에 대한 개구 각도(θo)는 150o보다 작 은, 반사형 디스플레이.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 개구 각도(θo)는 90o보다 작은, 반사형 디스플레이.
  13. 제 8 항에 있어서,
    빔-스프레딩 구조(60)의 상기 상부(62)는 필수적으로 평평하고 입사광을 흡수하기 위해 구성되는, 반사형 디스플레이.
  14. 제 8 항에 있어서,
    빔-스프레딩 구조의 상기 상부(70)는 복수의 반사 표면 부분(71a-d)을 포함하되, 이 부분 각각은 상기 반사형 디스플레이 표면과 수직인 라인에 대해 다른 각도를 가지는, 반사형 디스플레이.
  15. 제 1 항에 있어서,
    비화성화 부분(17)은 인입광을 퍼지게 굴절시켜, 이에 의해 상기 인입광을 활성화 부분(16)쪽으로 방향수정을 가능하게 하도록 배열된 렌즈 구조(50)를 포함하는, 반사형 디스플레이.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 광-수정층(12)은 액정층이고,
    상기 픽셀(1;10)의 상기 비활성화 부분(4;17)은 박막 트랜지스터(5)와 같은 전압 제어 디바이스를 포함하고,
    상기 픽셀(1;10)의 상기 활성화 부분은 특정 픽셀(1;10)의 대응 부분이 광-수정 상태 사이에서 스위칭되도록, 상기 액정층(12)의 대응 부분에 대한 편광 상태를 변경하도록 구성되는 반사 전극(3;16)을 포함하는, 반사형 디스플레이.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 광-수정층은 착색 유체를 포함하고,
    상기 제 1 전극은 상기 착색 유체와 혼합하지 않는 유체를 포함하며,
    상기 픽셀의 상기 활성화 부분은 상기 특정 픽셀의 대응 부분이 광-수정 상태사이에서 스위칭되도록, 상기 전극 사이의 상기 전압 인가를 통하여 상기 착색 유체를 측면상으로 이동시키도록 구성되는, 반사형 디스플레이.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 광-수정층은 유체 및 여기에 부유된 복수의 착색 대전 입자를 포함하며,
    상기 픽셀의 상기 활성화 부분은, 상기 특정 픽셀의 대응 부분이 광-수정 상태 사이에서 스위칭되도록, 상기 제 2 전극에 의해 한정된 평면과 수직방향으로, 상기 전극 사이의 상기 전압 인가를 통하여 상기 복수의 대전 입자를 이동시키도록 구성되는, 반사형 디스플레이.
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