KR20100040650A - 광결정형 광학필터, 이를 이용한 투과형 컬러 필터, 반투과형 컬러 필터 및 디스플레이 장치 - Google Patents

광결정형 광학필터, 이를 이용한 투과형 컬러 필터, 반투과형 컬러 필터 및 디스플레이 장치 Download PDF

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Abstract

광결정형 광학필터, 이를 이용한 투과형 컬러 필터, 반투과형 컬러 필터 및 디스플레이 장치가 개시된다. 개시된 투과형 컬러 필터는 투명 기판; 상기 투명 기판 위에 형성되고 복수의 화소 영역을 구비하는 배리어 층; 상기 복수의 화소 영역에 형성된 것으로, 포토닉 밴드갭에 해당하는 파장 대역의 광을 투과시키도록 상대적으로 고굴절률을 가지는 제1물질과 상대적으로 저굴절률을 갖는 제2물질이 주기적으로 배열되고, 상기 제1물질 위에 광 컷-오프층이 형성된 구조의 복수의 광결정 유닛;을 포함한다.

Description

광결정형 광학필터, 이를 이용한 투과형 컬러 필터, 반투과형 컬러 필터 및 디스플레이 장치{Photonic crystal type optical filter, reflective type color filter, transflective type color filter and display device using the same}
개시된 실시예들은 광결정형 광학필터, 이를 이용하여 고색순도를 구현하는 투과형 컬러 필터, 반투과형 컬러 필터 및 디스플레이 장치에 관한 것이다.
컬러 필터를 제조하는 방법으로 포토레지스트에 안료를 분산시킨 용액을 기판 상에 도포하고, 이를 패터닝함으로써 각 색상의 픽셀들을 형성하는 안료 분산법(pigment dispersion method)이 주로 사용되었다. 이러한 안료 분산법은 포토리소그라피(photolithography) 공정을 사용하기 때문에 대면적 구현이 가능하고, 열적, 화학적으로 안정할 뿐만 아니라 색 균일성을 확보할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 이러한 안료형 컬러 필터(pigment type color filter)는 그 색 특성이 분산된 안료 고유의 흡수 스펙트럼에 의해 결정되고, 또한 컬러 필터의 두께가 두꺼워질수록 광투과율이 감소하기 때문에 고색순도의 컬러 필터를 제작하게 되면 휘도가 저하된다는 문제점이 있다.
최근에는 구조색(structural color)을 기반으로 하는 광결정형 컬러 필 터(photonic crystal type color filter)가 연구되고 있다. 광결정형 컬러 필터는 빛의 파장 보다 작은 크기의 나노 구조를 이용하여 외부에서 입사되는 빛의 반사 또는 흡수를 제어함으로써 원하는 색상의 빛은 반사(또는 투과)시키고 다른 색상의 파장은 투과(또는 반사)시킨다. 이러한 광결정형 컬러 필터는 나노 사이즈의 단위 블록들(unit blocks)이 일정한 간격으로 주기적으로 배열되는 구조를 가지고 있다. 광결정형 컬러 필터는 그 광학적 특성이 나노 구조의 크기 및 주기에 의하여 결정되기 때문에 특정 파장에 적합한 구조를 제작함으로써 파장 선택성이 우수하고, 컬러 밴드폭(color bandwidth) 조절이 용이하다는 장점이 있다.
본 발명의 실시예들은 광결정형 광학필터, 이를 이용하여 고색순도를 구현하는 투과형 컬러필터, 반투과형 컬러필터 및 디스플레이 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 광학필터는 투명 기판; 상기 투명 기판 위에 형성된 배리어 층; 상기 배리어 층 위에 형성된 것으로, 포토닉 밴드갭에 해당하는 파장 대역의 광을 투과시키도록 상대적으로 고굴절률을 가지는 제1물질과 상대적으로 저굴절률을 갖는 제2물질이 주기적으로 배열되고 상기 제1물질 위에 광 컷-오프층이 형성된 구조의 광결정층;을 포함한다.
상기 제1물질은 복수의 홀(hole)이 형성된 격자 패턴을 형성하도록 구성된다.
상기 제1물질과 상기 제2물질의 굴절률의 실수부 성분의 차가 2이상이 될 수 있고, 상기 제1물질과 상기 제2물질의 굴절률의 허수부 성분은 가시광 파장 대역에서 0.1 이하가 될 수 있다.
상기 제1물질은 복수의 홀(hole)이 형성된 격자 패턴을 형성하고, 상기 제2물질은 상기 격자 패턴을 지지하도록 상기 복수의 홀을 채우는 서포팅 층을 이룰 수 있다.
상기 배리어층은 상기 제2물질과 같은 재질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 투과형 컬러 필터는 투명 기판; 상기 투명 기판 위에 형성되고 복수의 화소 영역을 구비하는 배리어 층; 상기 복수의 화소 영역에 형성된 것으로, 포토닉 밴드갭에 해당하는 파장 대역의 광을 투과시키도록 상대적으로 고굴절률을 가지는 제1물질과 상대적으로 저굴절률을 갖는 제2물질이 주기적으로 배열되고, 상기 제1물질 위에 광 컷-오프층이 형성된 구조의 복수의 광결정 유닛;을 포함한다.
상기 복수의 광결정 유닛은, 적색광을 반사시키는 복수의 적색 광결정 유닛; 녹색광을 반사시키는 복수의 녹색 광결정 유닛; 청색광을 반사시키는 복수의 청색 광결정 유닛;을 포함한다.
상기 복수의 적색 광결정 유닛, 녹색 광결정 유닛 및 청색 광결정 유닛이 스트라이프형, 모자이크형 또는 델타형으로 배열될 수 있다.
상기 제1물질은 복수의 홀(hole)이 형성된 격자 패턴을 형성하도록 구성된다.
상기 제1물질과 상기 제2물질의 굴절률의 실수부 성분의 차가 2이상이 될 수 있고, 상기 제1물질과 상기 제2물질의 굴절률의 허수부 성분은 가시광 파장 대역에서 0.1 이하가 될 수 있다.
상기 제1물질은 복수의 홀(hole)이 형성된 격자 패턴을 형성하고, 상기 제2물질은 상기 격자 패턴을 지지하도록 상기 복수의 홀을 채우는 서포팅 층을 이룰 수 있다.
상기 배리어층은 상기 제2물질과 같은 재질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 반투과형 컬러필터는 투명 기판; 상기 투명 기판 위에 형성되고 복수의 화소 영역을 구비하는 배리어층; 상기 배리어층 위에 상기 복수의 화소 영역마다 마련된 것으로, 상대적으로 고굴절률을 가지는 제1물질과 상대적으로 저굴절률을 갖는 제2물질이 주기적으로 배열되고, 상기 제1물질이 복수의 섬 형상의 패턴을 이루는 반사 영역과 상기 제1물질이 복수의 홀이 형성된 격자 패턴을 이루는 투과영역을 구비하는 광결정 유닛;을 포함한다.
상기 제1물질 위에 광 컷오프층이 형성될 수 있다.
상기 제2물질은, 상기 복수의 섬 형상의 패턴 및 상기 복수의 홀이 형성된 격자 패턴을 지지하는 서포팅층을 이룰 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 디스플레이 장치는 입사광에 대한 투과율이 전기적으로 제어되는 액정층; 본 발명의 일 실시예에 의한 투과형 컬러 필터; 상기 액정층을 화상 정보에 따라 구동하는 복수의 박막 트랜지스터를 구비하는 TFT-어레이층;을 포함한다.
상기 복수의 박막 트랜지스터 각각은 화소 영역마다 상기 복수의 광결정 유닛 각각에 인접하여 마련되고, 상기 복수의 박막 트랜지스터와 복수의 광결정 유닛이 동일한 기판 상에 마련될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 반투과형 디스플레이 장치는 입사광에 대한 투과율이 전기적으로 제어되는 액정층; 본 발명의 실시예에 의한 반투과형 컬러 필터; 상기 액정층을 화상 정보에 따라 구동하는 복수의 박막 트랜지스터를 구비하는 TFT-어레이층;을 포함한다.
상기 복수의 박막 트랜지스터 각각은 화소 영역마다 상기 복수의 광결정 유닛 각각에 인접하여 마련되고, 상기 복수의 박막 트랜지스터와 복수의 광결정 유닛이 동일한 기판 상에 마련될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 광학필터는 고굴절 패턴들의 형상, 주기에 의해 투과 파장 대역을 용이하게 정할 수 있고 필터링 성능이 우수하다.
본 발명의 실시예에 의한 투과형 컬러 필터, 반투과형 컬러 필터는 우수한 색특성을 가지며, R,G,B 구현을 위해 동일 공정을 세 번 반복해야 하는 포토리소그라피 공정과 달리 한 번의 나노 임프린트 공정에 의해 R,G,B 구현이 가능하여 공정수가 절감된다.
본 발명의 실시예에 의한 디스플레이 장치는 컬러 필터와 TFT 어레이를 동일 기판에 형성할 수 있어, 제조 단계나 공정 오차가 줄어들 수 있고 비용절감이 가능하다. 또한, 반투과형 컬러 필터를 채용하는 반투과형 디스플레이 장치의 경우 시 인성이 좋고 전력소모가 적다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 광학필터(100)의 개략적인 구조를 보이는 사시도이고, 도 2는 도 1의 광학필터에 대한 단면도이다. 도면들을 참조하면, 광학필터(100)는 투명 기판(130), 투명 기판(130) 위에 형성된 배리어 층(150), 배리어 층(150) 위에 형성된 광결정층(160)을 포함한다.
광결정층(160)은 주기적인 굴절률 분포에 의해 포토닉 밴드갭에 해당하는 파장 대역의 광을 투과시키도록 마련된다. 광결정층(160)은 상대적으로 고굴절률을 가지는 제1물질(162)과 상대적으로 저굴절률을 갖는 제2물질(166)이 주기적으로 배열된 구조로 되어 있으며, 제1물질(162) 위에는 광 컷오프층(164)이 형성되어 있다.
제1물질(162)은 복수의 홀(hole)이 형성된 격자 패턴을 형성하고 있다. 도면에서는 직육면체의 홀 형상으로 도시되어 있으나 원, 타원 또는 다각형 홀 형상이 가능하며, 기타 다양한 형상을 가질 수 있다. 홀의 배열에 있어서도 도시된 입방(cubic) 배열 외에 6각형(hexagonal) 배열을 가질 수 있다. 제1물질(162)은 제2물질(166)에 비해 큰 굴절률을 갖는데, 예를 들어, 제1물질(162)의 굴절률과 제2물질(166)의 굴절률의 실수부 성분의 차가 2이상이 될 수 있다. 또한, 제1물질(162) 의 굴절률과 제2물질(166)의 굴절률의 허수부 성분은 가시광 파장 대역에서 0.1 이하가 될 수 있는데, 굴절률의 허수부 성분이 크면 반사율이 낮아지므로, 굴절률의 허수부 성분 값이 작은 물질을 사용하고자 하는 것이다. 제1물질(162)로 단결정 실리콘, 다결정 실리콘(Poly Si), AlSb, AlAs, AlGaAs, AlGaInP, BP, ZnGeP2 중 어느 하나가 채용될 수 있으며, 제2물질(166)로는 Air, PC, PS, PMMA, Si3N4, SiO2 중 어느 하나가 채용될 수 있다.
제2물질(166)은 복수의 홀이 형성된 격자 패턴 형상의 제1물질(162)을 지지하는 서포팅 층으로 구성될 수 있으며, 도시된 바와 같이, 복수의 홀을 채우며 제1물질(162)의 상부를 전체적으로 덮도록 형성될 수 있다. 이와 같은 구조는 예를 들어, 제1물질(162)을 비정질 실리콘으로 하여 패턴 형성한 후, 단결정 실리콘 또는 폴리 실리콘으로 결정화하는 단계에서 패턴 형상이 손상시키지 않고 보호하는 역할을 하기 위해 선택될 수 있다.
광 컷오프층(164)은 광학필터(100)의 컷-오프(cut-off) 특성을 개선하는 역할을 한다. 광 컷오프층(164)은 실리콘 산화막(SiO2) 또는 실리콘 질화막(Si3N4)으로 이루어질 수 있다.
배리어층(150)은 투명 기판(130)과 광결정층(160) 사이에 마련된다. 배리어층(150)은 예를 들어, 결정화 공정 중에 투명 기판(130)으로 사용되는 글래스 기판 내부의 불순물이 광결정층(160)의 제1물질(162)로 사용되는 실리콘 물질에 함입되어 실리콘의 결정 순도를 저하시키는 것을 방지하기 위한 것이다. 배리어층(150)은 투명 기판(130)의 굴절률과 유사한 굴절률을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 배리어층(150)의 재질로는 서포팅층을 이루는 제2물질(166)로 선택되는 재질과 같은 재질이 사용될 수 있다.
이상 설명한 구조의 광학필터(100)는 주기적인 굴절률 분포를 형성하는 광 결정(photonic cystal) 구조에 의해 특정 파장 대역의 광을 투과시킨다. 이 때, 밴드 대역과 폭이 제1물질(162)이 형성하는 패턴의 형상, 주기에 의해 정해지므로, 이를 적절히 선택하는 것이 용이하며 또한 필터링 성능이 우수하여 다양한 기술분야에 적용될 수 있다. 예를 들어, 태양전지, QD-LED, OLED에 적용될 수 있으며, 또한, 이하에서 기술하는 바와 같이, 디스플레이 장치의 컬러 필터로 적용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 투과형 컬러 필터의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다. 도면을 참조하면, 투과형 컬러 필터(200)는 투명 기판(230), 투명 기판(230) 위에 형성된 배리어층(250), 배리어층(250) 위에 형성된 소정 파장 대역의 광을 반사시키는 복수의 광결정 유닛(270,280,290)을 포함한다.
배리어층(250) 위의 영역은 복수의 화소 영역(PA1, PA2, PA3)으로 이루어지는데, 예를 들어, 화소 영역(PA1)에는 입사광(L) 중 적색광(LR)을 투과시키고 나머지는 반사시키는 적색 광결정 유닛(270)이, 화소 영역(PA2)에는 녹색광(LG)을 투과시키고 나머지는 반사시키는 녹색 광결정 유닛(280)이, 화소 영역(PA3)에는 청색광(LB)을 투과시키고 나머지는 반사시키는 청색 광결정 유닛(290)이 마련된다. 적색 광결정 유닛(270), 녹색 광결정 유닛(280) 및 청색 광결정 유닛(290)은 각각 상대적으로 고굴절률을 가지는 제1물질(272)(282)(292)과 상대적으로 저굴절률을 갖는 제2물질(276)(286)(296)이 주기적으로 배열되고, 제1물질(272)(282)(292) 위에 각각 광 컷오프층(274)(284)(294)이 형성된 구조로 되어 있다. 제1물질(272)(282)(292)은 예를 들어 도 1의 제1물질(162)을 형성하는 패턴과 같이, 복수의 홀이 형성된 격자 패턴을 형성한다.
적색 광결정 유닛(270), 녹색 광결정 유닛(280), 청색 광결정 유닛(290) 각각의 사이에는 블랙 매트랙스(260)가 형성된다.
적색 광결정 유닛(270), 녹색 광결정 유닛(280) 및 청색 광결정 유닛(290)에서 제1물질(272)(282)(292), 제2물질(276)(286)(296), 광 컷오프층(274)(284)(294)의 재질은 도 1의 광학필터(100)의 제1물질(162), 제2물질(166), 광 컷오프층(164)에 채용되는 다양한 재질 중에서 선택될 수 있다. 또한, 서로 다른 광결정 유닛에서 서로 다른 재질 또는 같은 재질로 선택될 수 있으며, 제1물질(272)(282)(292)이 형성하는 패턴 형상 및 주기가 각각 적색, 녹색, 청색에 해당하는 포토닉 밴드갭을 갖도록 서로 다르게 정해진다.
적색 광결정 유닛(270), 녹색 광결정 유닛(280), 청색 광결정 유닛(290)은 각각 적색광(LR), 녹색광(LG), 청색광(LB)을 투과시키고 나머지는 반사시키므로, 컬러 필터(200)의 색순도가 높아진다.
도면에서는 기본 화소를 이루는 세 개의 광결정 유닛(270,280,290)만을 예시 하여 도시하였지만, 투과형 컬러필터(200)는 기본 화소를 이루는 복수의 광결정 유닛(270,280,290)이 반복 배치된 구조를 갖는다.
도 4a 내지 도 4c는 도 3의 투과형 컬러 필터(200)의 복수의 광결정 유닛(270,280,290)의 배치 구조에 대한 다양한 실시예들을 보인다. 도 4a는 복수의 적색 광결정 유닛(270)이 줄을 맞추어 배열되고, 복수의 녹색 광결정 유닛(280) 및 복수의 청색 광결정 유닛(290)도 각각 줄을 맞추어 배열된 스트라이프 형의 배치를 보인다. 도 4b는 복수의 적색 광결정 유닛(270), 녹색 광결정 유닛(280) 및 청색 광결정 유닛(290)이 서로 다른 색상의 광결정 유닛이 이웃하도록 배열된 모자이크 형의 배치를 보인다. 도 4c는 적색 광결정 유닛(270), 녹색 광결정 유닛(280) 및 청색 광결정 유닛(290)의 중심을 연결한 형태가 델타(Δ) 형태가 되도록 복수의 적색, 녹색, 청색 광결정 유닛(270)(280)(290)이 배치된 델타 형 배치를 보인다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 디스플레이 장치의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다. 도면을 참조하면, 디스플레이 장치(300)는 광을 제공하는 백라이트 유닛(310), 입사광에 대한 투과율이 전기적으로 제어되는 액정층(360), 포토닉 밴드갭에 해당하는 파장 대역의 광을 투과시키는 투과형 컬러 필터(200), 액정층(360)을 화상 정보에 따라 구동하는 TFT-어레이층(350)을 포함한다.
투과형 컬러 필터(200)는 도 3에서 설명한 투과형 컬러 필터(200)와 실질적으로 동일한 구조를 가지므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
액정층(360)은 투명기판(340)과 투과형 컬러 필터(200) 사이에 마련되며, 당업자에게 잘 알려진 다양한 종류의 액정이 액정층(360)에 채용될 수 있다. 예를 들 어, TN(twisted nematic) 액정, IPS(in-plain switching) 액정, MVA(multi-domain vertical alignment), OCB(optical compensated bend) 액정 등이 채용될 수 있다.
TFT-어레이층(350)은 투명기판(340)의 일면에 마련된다. TFT-어레이층(350)은 상세히 도시되지는 않았으나 복수의 화소마다에 대응하는 복수의 박막 트랜지스터와 복수의 화소전극을 포함한다.
투과형 컬러 필터(200)의 일면에는 공통 전극으로 투명 전극(370)이 마련된다.
투명 기판(340, 230)의 각 외면에는 편광판(330, 390)이 마련된다. 액정층(360)의 구체적인 종류 및 구동 모드에 따라 1/2 파장판 또는 1/4파장판이 더 마련될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 디스플레이 장치(400)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다. 본 실시예는 TFT-어레이층(350)의 박막 트랜지스터(352)와 투과형 컬러 필터(200)의 광결정 유닛(270,280,290)이 동일 기판에 형성된 점에서 도 5의 디스플레이 장치(300)와 차이가 있다.
구체적으로 살펴보면, TFT-어레이층(350)은 복수의 박막 트랜지스터(352)와 복수의 화소 전극(354)을 포함하며, 복수의 박막 트랜지스터(312)는 배리어 층(250)위에, 복수의 광결정 유닛(270)(280)(290)마다에 인접하여 마련되어 있고, 복수의 화소 전극(354)은 광결정 유닛(270,280,290) 각각의 상부에 마련된다. 복수의 화소 전극(354)위로 배향막(362)이 마련되고, 액정층(360)의 상부에도 배향막(364)이 마련된다.
본 발명의 실시예의 디스플레이 장치(300)는 투과형 컬러필터(200)의 광결정 유닛(270,280,290)과 박막 트랜지스터(352)가 같은 기판에 형성된 구조를 가지며, 따라서, 투과형 컬러필터(200)와 TFT-어레이층(350)을 동일한 공정 단계에서 제조할 수 있는 형태이다. 이와 같은 구조는, 투과형 컬러 필터가 상부 기판에 마련되고 TFT 어레이가 하부 기판에 마련되는 것과 비교할 때, 다양한 제조상의 이점이 있다. 예를 들어, 컬러필터와 TFT 어레이를 따로 제작하여 접합할 때 화소 단위로 줄을 맞추어 접합하여야 하고 이 과정에서 얼라인 에러(alignment error)가 발생할 수 있는데, 본 실시예의 경우 동일한 기판 위에 컬러 필터와 TFT 어레이가 구비되므로 이러한 오차를 줄일 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 반투과형 컬러 필터(500)의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다. 도면을 참조하면, 반투과형 컬러 필터(500)는 투명 기판(530), 투명 기판(530) 위에 형성된 배리어층(550), 배리어층(550) 위에 형성된 광결정 유닛(560)을 포함한다. 도면에서는 하나의 화소 영역에 대응하는 광결정 유닛(560)을 도시하고 있지만, 예를 들어, 적색광, 녹색광, 청색광에 대응하는 복수의 광결정 유닛이 반복 배치된 구조를 갖는다.
광결정 유닛(560)은 상대적으로 고굴절률을 가지는 제1물질(562)과 상대적으로 저굴절률을 갖는 제2물질(566)이 주기적으로 배열된 구조로 되어 있다. 광결정 유닛(56-)은 반사 영역(RA)과 투과 영역(TA)을 포함하며, 반사 영역(RA)에는, 제1물질(562)이 복수의 섬 형상의 패턴을 이루고, 투과 영역(564)에서는 제1물질(562)이 복수의 홀이 형성된 격자 패턴을 이루고 있다. 즉, 제1물질(562)과 제2물 질(566)이 주기적으로 배열된 구조는 반사 영역(RA)과 투과 영역(TA)에서 역상을 이루고 있으며, 이에 따라, 반사 영역(RA)에서는 입사된 광 중 소정 파장의 광을 반사시키고, 투과 영역(TA)에서는 입사된 광 중 소정 파장의 광(Lc)을 투과시킨다.
제1물질(562) 위에 광 컷오프층(564)이 형성될 수 있으며, 광 컷오프층(564)은 컷-오프(cut off) 특성을 개선하는 역할을 한다. 또한, 제2물질(566)은 복수의 섬 형상의 패턴 및 상기 복수의 홀이 형성된 격자 패턴을 지지하는 서포팅층을 이룰 수 있으며, 즉, 도시된 바와 같이, 복수의 섬 형상의 패턴들 사이 및 복수의 홀을 채우고 제1물질(562) 전체를 덮는 형태로 마련될 수 있다.
제1물질(562), 제2물질(566), 배리어층(530), 광 컷오프층(564)의 재질로는 도 1의 설명에서 예시된 재질들이 채용될 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예에 의한 반투과형 디스플레이 장치의 개략적인 구조를 보이며, 각각 온 및 오프에 대응하는 광경로를 보인다.
도면들을 참조하면, 반투과형 디스플레이 장치(600)는 광을 제공하는 백라이트 유닛(310), 반투과형 컬러 필터(500), 액정층(660)을 포함한다. 반투과형 컬러 필터(600)는 도 7에서 설명한 것과 실질적으로 동일하므로 자세한 설명을 생략한다.
액정층(660)은 반투과형 컬러필터(500)와 투명 기판(670) 사이에 마련되며, 당업자에게 잘 알려진 다양한 종류의 액정이 액정층(660)에 채용될 수 있다. 액정층(660)은 반사 영역(RA)에 대응하는 영역과 투과 영역(TA)에 대응하는 영역이 동일한 두께를 가지며, 배향이 다르게 형성될 수 있는데, 예를 들어, 반사 영역(RA) 에 대응하는 영역은 λ/4의 위상차를 갖도록 형성되고 투과 영역(TA)에 대응하는 영역은 λ/2의 위상차를 갖도록 형성될 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이고, 반사 영역(RA)에 대응하는 영역의 두께가 투과 영역(TA)에 대응하는 두께의 반이 되며 동일한 배향을 갖도록 형성될 수도 있다.
두 투명기판(530,670)의 외면에는 각각 제1 및 제2 1/4파장판(620,680), 제1 및 제2편광판(610,690)이 마련된다. 제1 및 제2편광판(610,690)은 서로 수직인 편광축을 가지며, 제1편광(⊙), 제2편광(↔)으로 표시하였다. 제1 및 제2 1/4파장판(620,680), 제1 및 제2편광판(610,690)의 상술한 액정층(660)의 종류, 두께, 배향의 변화에 따라 일부 구성이 변하거나 생략될 수 있다. 기타, 반투과형 디스플레이 장치(600)는 개개의 화소에 대응하여 액정층(660)을 구동하는 박막 트랜지스터, 화소전극 및 공통 전극등을 더 구비한다.
본 발명의 반투과형 디스플레이 장치(600)는 주변광(La) 및/또는 백라이트 광(Lb)을 이용하여 화상을 형성하며, 이를 광경로의 설명과 함께 살펴보면 다음과 같다.
도 8a는 액정층(660)에 전기장이 인가되지 않은 상태로 초기 배향 상태를 보인다. 백라이트 유닛(310)에서 입사된 광(Lb)은 제1편광판(610)을 지난 후 제1편광(⊙)을 갖게 되고 제1 1/4파장판(620)을 지난 후 좌원 편광을 갖게 된다. 다음, 반투과형 컬러 필터(600)의 투과 영역(TA)을 지나며 해당하는 컬러를 갖게 된다. 다음, 액정층(660)을 지나며 λ/2의 위상차에 의해 우원 편광의 광이 되고 다음, 제2 1/4파장판(680)을 지나며 제2편광(↔)의 광이 되어 제2편광판(690)을 투과한 다. 디스플레이 장치(600)의 전면에서 입사하는 주변광(La)은 제2편광판(690)을 지난 후 제2편광(↔) 상태가 되고 제2 1/4파장판(680)을 지난 후 좌원 편광 상태가 된다. 다음, 액정층(660)을 통과한 후, λ/4의 위상차에 의해 제1편광(⊙) 상태가 된다. 다음, 반투과형 컬러필터(600)의 반사 영역(RA)에서 해당 컬러의 광만이 반사된다. 다음, 액정층(660)을 다시 통과하며 우원편광 상태가 되고 다음 제2 1/4파장판(680)을 지난 후 제2편광(↔) 상태가 되어 제2편광판(690)을 투과하게 된다.
도 8b는 액정층(660)에 전기장이 인가된 상태로 액정이 전기장의 방향을 따라 배열된 상태를 보인다. 백라이트 유닛(310)에서 입사된 백라이트 광(Lb)은 제1편광판(610)을 지난 후 제1편광(⊙)이 되고 제1 1/4파장판(620)을 지난 후 좌원 편광이 된다. 다음, 반투과형 컬러 필터(600)의 투과 영역(TA)을 지나며 해당하는 컬러를 갖게 된다. 다음, 액정층(660)을 통과하는 동안 광의 편광 상태는 변하지 않으며, 다음, 제2 1/4파장판(680)을 지난 후 제1편광(⊙)이 되어 제2편광판(690)을 투과하지 못한다. 디스플레이 장치(600)의 전면에서 입사하는 주변광(La)은 제2편광판(690)을 통과한 후 제2편광(↔) 상태가 되고 제2 1/4파장판(680)을 통과한 후 좌원 편광 상태가 된다. 다음, 액정층(660)을 통과하며 편광상태가 변하지 않으며 반투과형 컬러 필터(600)의 반사 영역(RA)에서 반사되며 해당 컬러를 갖게 된다. 다음, 액정층(660)을 통과하는 동안에도 좌원 편광을 유지하며, 제2 1/4파장판(680)에 의해 제1편광(⊙)이 되어 제2편광판(690)을 투과하지 못한다.
이상, 하나의 컬러 화소에 대해서만 온/오프를 설명하였지만, 본 발명의 실시예에 의한 반투과형 디스플레이 장치(600)는 복수의 컬러 화소를 포함하며, 이들 의 조합으로 화상이 형성된다. 본 발명의 실시예에 의한 반투과형 디스플레이 장치(600)는 주변광(La)과 백라이트 광(Lb)을 함께 이용하여 화상을 형성하므로 시인성이 좋고 전력소모가 적다.
이러한 본원 발명인 광학필터, 투과형 컬러 필터, 반투과형 컬러 필터 및 디스플레이 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 광학필터의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
도 2는 도 1의 광학필터에 대한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 투과형 컬러 필터의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 3의 투과형 컬러 필터의 복수의 광결정 유닛의 배치 구조에 대한 다양한 실시예들을 보인다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 디스플레이 장치의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 디스플레이 장치의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 반투과형 컬러 필터의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예에 의한 반투과형 디스플레이 장치의 개략적인 구조를 보이며, 각각 온 및 오프에 대응하는 광경로를 보인다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100...광학필터 130,230,340,430,530,460...투명기판
150,350,550...배리어층 160,270,280,290...광결정 유닛
162,272,282,292...제1물질 164,274,284,294,464...광 컷오프층
166,276,286,296...제2물질 200...투과형 컬러 필터
260...블랙매트릭스 500...반투과형 컬러 필터
300,400,600...디스플레이 장치 350...TFT-어레이층
352...박막 트랜지스터 354...화소 전극
362, 364...배향층 360,660...액정층
370...투명 전극 330,390,610,690...편광판
620,680...1/4 파장판

Claims (27)

  1. 투명 기판;
    상기 투명 기판 위에 형성된 배리어 층;
    상기 배리어 층 위에 형성된 것으로, 포토닉 밴드갭에 해당하는 파장 대역의 광을 투과시키도록 상대적으로 고굴절률을 가지는 제1물질과 상대적으로 저굴절률을 갖는 제2물질이 주기적으로 배열되고 상기 제1물질 위에 광 컷오프층이 형성된 구조의 광결정층;을 포함하는 광학필터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1물질은 복수의 홀(hole)이 형성된 격자 패턴을 형성하는 광학필터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1물질과 상기 제2물질의 굴절률의 실수부 성분의 차가 2이상인 광학필터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1물질과 상기 제2물질의 굴절률의 허수부 성분은 가시광 파장 대역에서 0.1 이하인 광학필터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1물질은 단결정 Si, Poly Si, AlSb, AlAs, AlGaAs, AlGaInP, BP, ZnGeP2 중 어느 하나인 광학필터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2물질은 Air, PC, PS, PMMA, Si3N4, SiO2 중 어느 하나인 광학필터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광 컷오프층은 실리콘 산화막(SiO2) 또는 실리콘 질화막(Si3N4)으로 이루어진 광학필터.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1물질은 복수의 홀(hole)이 형성된 격자 패턴을 형성하고,
    상기 제2물질은 상기 격자 패턴을 지지하도록 상기 복수의 홀을 채우는 서포팅 층을 형성하는 광학필터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 배리어층은 상기 제2물질과 같은 재질로 이루어지는 광학필터.
  10. 투명 기판;
    상기 투명 기판 위에 형성되고 복수의 화소 영역을 구비하는 배리어 층;
    상기 복수의 화소 영역에 형성된 것으로, 포토닉 밴드갭에 해당하는 파장 대역의 광을 투과시키도록 상대적으로 고굴절률을 가지는 제1물질과 상대적으로 저굴절률을 갖는 제2물질이 주기적으로 배열되고, 상기 제1물질 위에 광 컷오프층이 형성된 구조의 복수의 광결정 유닛;을 포함하는 투과형 컬러 필터.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 광결정 유닛은,
    적색광을 반사시키는 복수의 적색 광결정 유닛;
    녹색광을 반사시키는 복수의 녹색 광결정 유닛;
    청색광을 반사시키는 복수의 청색 광결정 유닛;을 포함하는 투과형 컬러 필터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 적색 광결정 유닛, 녹색 광결정 유닛 및 청색 광결정 유닛이 스트라이프형, 모자이크형 또는 델타형으로 배열되어 이루어진 투과형 컬러 필터.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1물질은 복수의 홀(hole)이 형성된 격자 패턴을 형성하는 투과형 컬 러필터.
    투과형 컬러 필터.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제1물질과 상기 제2물질의 굴절률의 실수부 성분의 차가 2이상인 투과형 컬러 필터.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 제1물질과 상기 제2물질의 굴절률의 허수부 성분은 가시광 파장 대역에서 0.1 이하인 투과형 컬러 필터.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 제1물질은 단결정 Si, Poly Si, AlSb, AlAs, AlGaAs, AlGaInP, BP, ZnGeP2 중 어느 하나인 투과형 컬러 필터.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 제2물질은 Air, PC, PS, PMMA, Si3N4, SiO2 중 어느 하나로 이루어진 투과형 컬러 필터.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 광 컷오프층은 실리콘 산화막(SiO2) 또는 실리콘 질화막(Si3N4)으로 이루어진 투과형 컬러 필터.
  19. 제10항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1물질은 복수의 홀(hole)이 형성된 격자 패턴을 형성하고,
    상기 제2물질은 상기 격자 패턴을 지지하도록 상기 복수의 홀을 채우는 서포팅 층을 형성하는 투과형 컬러 필터.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 배리어층은 상기 제2물질과 같은 재질로 이루어지는 투과형 컬러 필터.
  21. 투명 기판;
    상기 투명 기판 위에 형성되고 복수의 화소 영역을 구비하는 배리어층;
    상기 배리어층 위에 상기 복수의 화소 영역마다 마련된 것으로,
    상대적으로 고굴절률을 가지는 제1물질과 상대적으로 저굴절률을 갖는 제2물질이 주기적으로 배열되고, 상기 제1물질이 복수의 섬 형상의 패턴을 이루는 반사 영역과 상기 제1물질이 복수의 홀이 형성된 격자 패턴을 이루는 투과영역을 구비하는 광결정 유닛;을 포함하는 반투과형 컬러 필터.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제1물질 위에 광 컷오프층이 형성된 반투과형 컬러 필터.
  23. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    상기 제2물질은,
    상기 복수의 섬 형상의 패턴 및 상기 복수의 홀이 형성된 격자 패턴을 지지하는 서포팅층을 이루는 반투과형 컬러 필터.
  24. 입사광에 대한 투과율이 전기적으로 제어되는 액정층;
    제19항의 투과형 컬러 필터;
    상기 액정층을 화상 정보에 따라 구동하는 복수의 박막 트랜지스터를 구비하는 TFT-어레이층;을 포함하는 디스플레이 장치.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 복수의 박막 트랜지스터 각각은 화소 영역마다 상기 복수의 광결정 유닛 각각에 인접하여 마련되고,
    상기 복수의 박막 트랜지스터와 복수의 광결정 유닛이 동일한 기판 상에 마련되는 반사형 디스플레이 장치.
  26. 입사광에 대한 투과율이 전기적으로 제어되는 액정층;
    제23항의 반투과형 컬러 필터;
    상기 액정층을 화상 정보에 따라 구동하는 복수의 박막 트랜지스터를 구비하는 TFT-어레이층;을 포함하는 반투과형 디스플레이 장치.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 복수의 박막 트랜지스터 각각은 화소 영역마다 상기 복수의 광결정 유닛 각각에 인접하여 마련되고,
    상기 복수의 박막 트랜지스터와 복수의 광결정 유닛이 동일한 기판 상에 마련되는 반투과형 디스플레이 장치.
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