KR20110137768A - 방사 방출 소자 및 이를 제공하는 방법 - Google Patents

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KR20110137768A
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젠스 바겐블라스트 스투베 외스터가드
데이비드 스벤손
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Abstract

방사 방출 소자(radiation emitting element)가 제공되는바, 상기 방사 방출 소자는 제 1 굴절률, 제 1 표면, 반대인 제 2 표면을 갖는 방사 투과 소자, 기결정된 파장의 방사를 상기 방사 투과 소자 안으로 방출하는 방사 방출기, 그리고 복수의 방사 제어 소자들을 포함하며, 각각의 방사 제어 소자는, - 제 2 굴절률을 갖는 제 1 액체, - 상기 제 2 굴절률 보다 작은 제 3 굴절률을 갖는 제 2 유체, 상기 제 2 굴절률은 상기 제 3 굴절률 보다 상기 제 1 굴절률에 더 가까우며, - 2개의 모드들 사이에서 상기 제 1 액체의 형상을 변화(altering)시키는 수단을 포함하며, ○ 제 1 모드에서, 상기 제 1 액체는 제 1 표면 부분(first surface part)에서 상기 제 1 표면과 접촉하며 그리고 상기 제 1 액체와 상기 제 2 유체 사이의 인터페이스는, 상기 제 1 표면 부분에서, 상기 제 1 표면 부분과 평행하지 않으며, 그리고 ○ 제 2 모드에서, 상기 제 2 유체의 표면은 상기 제 1 표면 부분에서, 상기 제 1 표면 부분의 형상에 적어도 실질적으로 평행하며, 상기 제 1 액체는 상기 기결정된 파장에서 적어도 10%의 투과율(transmittance)을 갖는다.

Description

방사 방출 소자 및 이를 제공하는 방법{A RADIATION EMITTING ELEMENT AND A METHOD OF PROVIDING IT}
본 발명은 발광(lighting) 혹은 디스플레이 기법의 개선에 관한 것이다.
본 발명은 좀더 상세하게는 오일 혹은 다른 점성의 액체(liquid)가 2개의 지점 사이의 전기장에 의해서 이동하며, 이에 의해서 빛의 진로에 영향을 미칠 수 있는 경쟁적인 전기습윤 광게이트(competitive electrowetting lightgate)에 관한 것이다. 이러한 것은, 전기장에 따른 광게이트의 개폐(opening and closing)를 제공하는데 이용될 수 있다.
제 1 양상에서, 본 발명은 방사 방출 소자에 관한 것으로, 상기 방사 방출 소자는 제 1 굴절률, 제 1 표면, 반대인 제 2 표면을 갖는 방사 투과 소자(radiation transmissive element), 기결정된 파장의 방사를 상기 방사 투과 소자 안으로 방출하는 방사 방출기(radiation emitter), 그리고 복수의 방사 제어 소자들(radiation controlling element)을 포함하며, 각각의 방사 제어 소자는,
- 제 2 굴절률을 갖는 제 1 액체,
- 상기 제 2 굴절률 보다 작은 제 3 굴절률을 갖는 제 2 유체, 상기 제 2 굴절률은 상기 제 3 굴절률 보다 상기 제 1 굴절률에 더 가까우며,
- 2개의 모드들 사이에서 상기 제 1 액체의 형상을 변화(altering)시키는 수단
을 포함하며,
○ 제 1 모드에서, 상기 제 1 액체는 제 1 표면 부분(first surface part)에서 상기 제 1 표면과 접촉하며 그리고 상기 제 1 액체와 상기 제 2 유체 사이의 인터페이스는, 상기 제 1 표면 부분에서, 상기 제 1 표면 부분과 평행하지 않으며, 그리고
○ 제 2 모드에서, 상기 제 2 유체의 표면은 상기 제 1 표면 부분에서, 상기 제 1 표면 부분의 형상에 적어도 실질적으로 평행하며,
상기 제 1 액체는 상기 기결정된 파장에서 적어도 10%의 투과율(transmittance)을 갖는다.
본 명세서에서, 방사 방출 소자는 제어되는 방식으로 방사를 방출하도록 된 소자이다. 방사를 제어하는 방법 중 하나는, 시간에 대한 변조(modulation over time), 세기의 변화, 파장 혹은 이들의 조합인바, 이는 광 소스, 램프 등등으로부터 알수 있기 때문이다.
대안적으로 혹은 추가적으로, 가령, 개별적인 작은 영역들(가령, 픽셀)이 제어될 수 있는 디스플레이를 제공하는 경우, 상기 변조는 표면(surface)에 대한 것일 수도 있다.
본 명세서에서, 방사 투과성 소자(radiation transmissive element)는 적어도 소정 파장에서 투과성이며, 따라서 상기 방사는 상기 투과성 소자 내부에서 이동할 수 있다. 물론, 상기 방사 투과성 소자는 파장 범위 내의 모든 파장들에 대해서 충분히 큰 투과성(바람직하게는 20% 이상(가령, 30% 이상), 혹은 바람직하게는 40% 이상(가령, 50% 이상), 혹은 바람직하게는 60% 이상(가령, 70% 이상), 혹은 바람직하게는 80% 이상(가령, 90% 이상))을 가질 수 있으며, 특히 방사 방출기가 하나 이상의 파장에서 방사를 방출하는 경우에는 더욱 그러하다. 또한, 상기 방출기(emitter)가 바람직하지 않은 파장에서 방사(radiation)를 방출하는 경우, 상기 투과성 소자는 그 파장에서 낮은 투과율을 제공할 것인바, 이는 상기 바람직하지 않은 파장에서의 방사를 제거하기 위한 것이다.
상기 투과성 소자(transmissive element)는 제 1 굴절률, 제 1 표면, 그 반대인 제 2 표면(a second opposite surface)을 갖는다. 상기 투과성 소자의 표면에 접촉하는 요소들이 충분히 낮은 굴절률을 갖는다면, 상기 투과성 소자는 방출기로부터의 방사를 적어도 그 일부분에서 내부 전반사(Total Internal Reflection : TIR)에 의해 운반하도록 구성된다. 본 명세서에서 상기 투과성 소자는 서로 다른 굴절률들을 갖는 복수의 부분들 혹은 층들로 구성될 수 있음을 유의해야 한다.
통상적으로, 이들 층들은 서로 고정될 것이다. 또한, 낮은 굴절률의 층들이 상기 투과성 소자에 부착될 수도 있는바, 이는 제품의 조립을 용이하게 하기 위한 것이며 그리고 상기 층들 사이의 광 접촉(optical contact)을 보장하여 그 경계면에서의 바람직하지 않은 광자 손실(photon loss)을 최소화하기 위한 것이다.
상기 투과성 소자는 임의의 바람직한 임의의 치수를 가질 수 있는데, 그 전체 크기(overall extent thereof)는 다수의 방사 제어 소자들로부터 방사가 출력되는 표면을 정의하는바, 이들은 투과성 소자로부터의 방사 출력을 결합하도록 작동한다. 투과성 소자의 두께는 제조 파라미터들에 기초하여 선택될 수도 있으며, 상기 투과성 소자 등의 내부로 방사를 용이하게 발사(launching)시키도록 선택될 수도 있다. TIR에 의해서 방사를 운반하는 경우, 폭(width)을 2배로 하는 것은 TIR 표면 상에서 광자의 충격 위치들(position of impact) 간의 거리를 2배로 할 것이다. 이러한 이유 때문에, 얇은 투과성 소자가 바람직하다.
또한, 투과성 소자의 물질은 원하는 파장(또는 파장 범위)에서의 전송(transmission)에 기초하여 선택될 수도 있으며, 또한 제조 파라미터들, 세기(strength), 이용가능성, 가격 등등에 기초하여 선택될 수도 있다.
본 명세서에서, 방사 방출기는 원하는 파장의 방사 혹은 원하는 파장 범위를 갖는 방사를 방출하도록 된 소자이다. 이러한 소자는 가령, LED, OLED, 백열등(incandescent lamp) 등과 같은 방사 생성기(radiation generator)가 될 수도 있으며 혹은, 가령, 형광물질(fluorescent material)등과 같이 다른 파장을 갖는 방사를 원하는 파장(파장 범위)을 갖는 방사로 변환시키는 소자가 될 수도 있다. 방출기로부터의 방사는 임의의 적절한 방식으로 상기 투과성 소자 내부로 발사된다. 바람직하게, 이러한 발사(this launching)는 가능한한 많은 방사가 상기 투과성 소자 내에서의 TIR 운반을 지원하는 각도 내에서 발사되도록 하게 하는 방식으로 수행된다.
다음을 유의해야 하는바, 상기 투과성 소자 내부로 방출된 방사는 가시 파장 범위(visible wavelength interval) 내에 있을 필요는 없다. 다음에 상세히 설명되는 바와 같이, 비-가시(non-visible) 파장(들)의 방사가 이용될 수도 있으며 그리고 방사 제어 수단으로부터 방출된 이후에 변환될 수도 있다.
제 1 액체(liquid)의 굴절률과 제 2 유체(fluid)의 굴절률 간의 차이는, 상기 액체와 상기 유체 사이의 인터페이스가 방사를 리-다이렉트(re-direct)하도록 충분히 큰 것이 바람직하다. 제 2 굴절률은 제 1 굴절률에 가능한한 근접한 것이 바람직한바, 이는 제 1 액체와 상기 투과성 소자 사이의 인터페이스가 상기 방사의 초과량(excessive amount)을 리-다이렉트하지 않고 대신에, 상기 방사가 제 1 액체와 제 2 유체 사이의 인터페이스에 의하여 리-다이렉트되어 상기 방사가 제 1 액체 내를 이동하게 한다. 따라서, 이용가능하며 그리고 적절한 물질의 파라미터들을 고려하여, 제 3 굴절률은 가능한한 낮은 것이 바람직하다. 따라서, 상기 인터페이스의 형상의 변화는, 제 1 표면 부분의 상기 위치에서 방사의 리-다이렉션의 변화를 허용한다.
본 명세서에서, 투과성 소자의 굴절률은 제 1 표면에서의 굴절률이 될 것인바, 이는 관심있는 부분은 방사와 상기 인터페이스의 상호작용이기 때문이다.
물론, 주요 관심사항이 제 1 액체와 제 2 유체 사이의 인터페이스에 있기 때문에, 그 굴절률이 적절하다면 상기 제 2 유체는 액체 혹은 기체가 될 수도 있다. 제 2 유체가 액체인 것이 소정의 장점들을 제공할 것이지만, 가령 주위 공기(ambient air)와 같은 가스가 또한 이용될 수도 있다.
이러한 관점에서, 제 1 액체는 상기 변화 수단(alternating means)의 동작 모드에 따라 임의 유형의 액체가 될 수 있다. 일례에서, 상기 액체는 자성을 가질 수 있으며, 따라서 제 1 액체의 움직임은 자기력에 의한 것일 수 있다.
바람직하게, 상기 변화 수단은 전기장을 제공함에 의해서 동작할 수 있으며, 여기서 상기 제 1 액체와 상기 제 2 유체 중 하나는 다른 하나보다 더 극성(polar)이다. 상기 액체/유체에 전기장을 제공하는 것은, 이들의 표면 특성들을 변화시킬 것이며 그리고 이는 상기 액체/유체와 접촉하는 고 친화성 표면(higher affinity surface)을 제공함에 의한 장점들을 가질 수 있다. 전기장이 제공되는 경우 전기장이 없는 경우에 비하여, 상기 유체가 상기 고 친화성 표면에 대해서 더 큰 친화성을 갖고 그리고 전기장이 제공되지 않는 경우 상기 고 친화성 표면에 대해서 상기 유체보다 상기 액체가 더 큰 친화성을 갖도록, 상기 액체/유체 및 고 친화성 표면이 선택될 수 있다.
이러한 고 친화성 표면은 제 1 표면 부분에 제공될 수도 있으며, 따라서 전기장을 제공 혹은 제거하는 것은 상기 제 1 표면 부분에서 액체/유체 인터페이스를 변화시킬 것이다.
대안적으로, 고 친화성 표면은 제 1 표면 부분에 인접하게 제공될 수도 있는바, 전기장이 턴온/오프되는 경우에 유체/액체 인터페이스도 상기 위치에서 변화될 수 있기 때문이다.
특정 일례에서, 상기 유체는 낮은 극성을 갖는 오일(oil)이며 그리고 상기 유체는 더 큰 극성을 갖는 물-기반(water-based) 이다. 상기 고 친화성 표면은 소수성(hydrophobic) 표면이며, 그리고 이러한 일례에서, 전기장이 제공되지 않는 경우 상기 오일은 소수성 표면에 대하여 더 큰 친화성(혹은 더 작은 반발력)을 가질 것이다. 하지만, 전기장은 물-기반 유체가 소수성 표면에 대하여 더 큰 친화성을 갖도록 물-기반 유체의 표면 특성을 변화시킬 것이다. 따라서, 전기장이 제공되는 경우, 상기 물-기반 유체는 소수성 표면으로부터 상기 오일을 밀어낼 것이다.
하나의 대안으로서, 오일이 큰 친화성을 갖는 표면 혹은 매우 적은 친화성을 갖는 표면(소위 소유성(oilophobic) 표면 등)이 이용될 수도 있는바, 이러한 방식에서는 오일을 구동력(driving force)으로 이용하여 동일한 유형의 동작이 얻어질 수 있으며, 이에 의해서 상기 유체/액체는 다른 물질들로 대체될 수도 있다.
또한, 오일/물-기반 유체와 제 1 표면 부분과 임의의 커버링(covering) 소자(나중에 설명됨) 주위의 폐쇄 원(closed circle) 내에 친수성 물질(hydrophilic material)을 제공함에 의해서, 상기 오일/물-기반 유체가 캡슐화 혹은 내포될 수 있는바, 상기 친수성 물질에 대해 상기 물-기반 유체는 높은 친화성을 가지며, 이는 상기 오일이 빠져나가지 못하게 할 것이다.
제 2 모드에서, 제 2 유체의 표면은 제 1 표면 부분에서 제 1 표면 부분의 형상에 적어도 실질적으로 평행하다. 따라서, TIR에 의해서 상기 투과성 소자 내부를 이동하는 방사는 그 안에서 계속 이동할 것이며, 상기 제 1 액체가 상기 제 1 표면 부분 내에 존재하는 경우 이는 상기 투과성 소자 외부로 이동할 수도 있으며 그리고 제 1 액체와 제 2 유체 사이의 인터페이스에 의해서 리-다이렉트될 것이다. 만일 제 1 표면 부분에 액체가 존재하지 않는다면, 상기 유체와 투과성 소자 사이의 인터페이스는 방사를 리-다이렉트할 것이다. 2개의 경우 모두에서, 상기 방사는 상기 제 1 표면에 적어도 실질적으로 평행한 인터페이스에 의해서 리-다이렉트될 것이며, 이에 의해서 상기 방사의 TIR 운송이 계속된다.
본 명세서에서, "평행(parallel)" 및 "평행하지 않음(not parallel)" 은, 인터페이스의 임의 부분과 제 1 표면 부분의 임의 부분과의 사이의 각도 차이를 의미할 것이다. 이에 관하여, TIR 각도 혹은 TIR 각도에 매우 근접한 각도에서 이동하는 방사는 매우 작은 각도 보정이 커플 아웃됨을 필요로 할 것이며 그리고 낮은(lower) 각도에서의 방사는 추가 보정을 필요로 할 것이지만 결국에는 TIR 각도 위에서 충돌할 것이라는 점에서, 심지어 매우 작은 각도 차이도 방사를 커플 아웃(couple out)할 수 있다. 다음을 유의해야 하는바, TIR을 이용하여 투과성 소자 내에서 방사가 이상적으로 운반된다면, 방사는 제 1 표면 영역에서 항상 커플 아웃만될 것이다.
본 명세서에서, "평행하지 않음(not parallel)" 은, 인터페이스(제 1 표면 부분의 투영(projection)에 대응하고 그리고 제 1 표면 부분의 평면(plane) 상의 영역 내)의 임의의 부분 사이의 각도 차이가, 제 1 표면 부분에 대하여 1°이상, 가령 2°이상, 바람직하게는 5°이상, 가령, 10°이상의 각도를 가짐을 의미한다. 변화 수단(altering means)에 따라, 더 큰 각도들이 얻어질 수도 있다.
제 1 모드에서는, 반대로, 상기 방사는 제 1 액체 내로 이동할 것이며 그리고 상기 유체와 상기 액체 사이의 인터페이스와 상호작용할 것인바, 상기 인터페이스는 제 1 표면 부분과 평행하지 않으며, 이에 의해서 상기 방사는 개별 광자들이 도달한 각도와는 다른 각도로 다이렉트될 것이다. 따라서, 상기 방사는 투과성 소자에서 TIR 로서 지지되지 않는 각도 안으로 다이렉트될 수 있으며, 이에 의해서 상기 리-다이렉트된 방사는 투과성 소자로부터 방출될 것이다. 따라서, 제 1 표면 부분은, 서로 다른 각도가 방사(TIR에 의해서 투과성 소자 안으로 이전에 운반된 방사)에 제공될 수 있는 소정의 국부 영역이 될 것이며, 이는 상기 인터페이스의 작용에 의해서 그 안으로 재-도입(re-introduce)되는 경우에 상기 방사가 투과성 소자를 탈출하게 할 것이다. 가령, 방사 방출 소자(radiation emitting element)의 모든 방사 제공 소자들(all radiation providing elements)과 같은 복수의 방사 제어 소자들을 동일한 액체로 제공하고 그리고 제 1 액체는 적어도 10％의 투과율을 갖는다면, 매우 다재다능한 방출 소자가 제공될 것인바, 이 방출소자는 용이하게 제조될 수 있으며 그리고 디스플레이 뿐만 아니라 조명 목적(illumination purposes)을 위해서도 이용될 수 있다.
제 1 액체는 가능한한 많은 방사를 운반하는 것이 바람직하다. 따라서, 20％ 이상의 굴절률, 가령, 30％ 이상, 바람직하게는 40％ 이상, 가령 50％ 이상, 바람직하게는 60％ 이상, 가령 70％ 이상, 바람직하게는 80％ 이상, 가령 90％ 이상의 굴절률이 바람직하다.
또한, 원하는 파장들의 소정의 파장 범위 내에서 방사 방출기가 방사를 방출하는 경우에는, 파장 범위에 대한 제 1 액체의 흡수는 가능한한 균일한 것이 바람직하다.
따라서, 상기 범위에 대한 흡광도(absorbance)의 차이는 20％ 이하, 바람직하게는 5％ 이하인 것이 바람직하다.
일실시예에서, 적어도 하나의 방사 제어 소자는 커버링 소자를 포함하는바, 커버링 소자는 제 1 굴절률보다 작은 제 4 굴절률을 가지며 그리고 상기 제 1 표면에 접경하고 그리고 상기 제 1 표면 부분에 인접하게 위치한다. 적어도 하나의 방사 제어 소자의 변화 수단은, 제 2 모드에서, 제 1 액체의 적어도 일부를 상기 커버링 소자와 중첩하는 소정 위치로 이동시키도록 구성된다.
이러한 경우, 제 4 굴절률은 상기 투과성 소자 내에서 방사의 임의의 TIR 운송을 지지하도록 충분히 낮은 것이 바람직하다. 따라서, 커버링 소자와 중첩하는 소정 위치로 유체를 이동시키는 때, 이 액체는 방사의 운송에 더 이상 영향을 미치지 않는다. 다음에 상세히 설명되는 바와 같은 일실시예에서, 모든 액체는 커버링 소자와 중첩하는 위치로 적어도 실질적으로 이동되며, 제 1 표면 부분에는 그 어떤 액체도 존재하지 않으며, 그리고 상기 유체와 투과성 소자 사이의 인터페이스에서 리-다이렉션이 수행된다.
제 1 모드에서, 커버링 소자의 반대측(투과성 소자의 맞은편)으로 방사가 이동할 수도 있기 때문에, 상기 커버링 소자는 상기 방사에 대해서 투과성이 될 수 있으며, 이는 상기 방사가 투과성 소자쪽으로 되돌아 오는 것을 허용한다. 사실, 커버링 소자에는 소정 구조 혹은 굴절률 변화들이 제공될 수도 있는데, 이는 투과성 소자에 더 교차하는 방향으로 상기 방사를 지향하도록 작용하여 상기 방사의 아웃 커플링을 더욱 개선시키다.
통상적으로, 본 발명을 이용하는 디스플레이 혹은 광 소스를 제공하는 여러 방법들이 존재한다.
일례에서, 방사 방출기는 복수의 방사 방출기들과 방사 투과 소자 안으로 방사를 시간에 대해 순차적으로(sequentially in time) 방출하기 위하여 개별 방사 방출기들을 제어하도록 된 제어 수단들을 포함한다. 이러한 일례에서, 서로 다른 색상(가령, 통상적인 TV 혹은 모니터에서 이용되는 색상)들의 가시 광선이 상기 투과성 소자 안으로 시간에 대해 순차적으로 방출될 수 있다.
이러한 방식에서, 바람직하게는, 상기 소자는 방사 제어 소자들의 변화 수단들을 제어하기 위한 제어기와 함께 방사 방출기를 제어하기 위한 제어 수단들을 더 포함할 수 있다. 따라서, 방사 제어 소자들의 개/폐(opening/closing)(디스플레이의 표면에 대해 이들 소자들의 위치를 알고)가 서로 다른 색상들의 가시성 방사를 발사시키는 타이밍과 조화되는 경우, 임의의 원하는 이미지를 제공하는 디스플레이가 제공될 수 있다.
대안적인 방법으로서, 상기 소자는 복수의 방사 변환 수단들을 더 포함할 수 있는바, 방사 변환 수단들 각각은 하나 이상의 방사 제어 소자들로부터 방출된 방사를 수신하여 이를 소정의 파장과는 다른 하나 이상의 파장들의 방사로 변환시키도록 구성된다.
따라서, 상기 투과성 소자 안으로 방출된 방사는 항상 동일할 수도 있으며(동일한 파장 혹은 동일한 파장 범위), 그리고 개별 위치들에서의 개별적이고, 원하는 색상들이 상기 변환 수단들에 의해서 제공될 수 있다.
이러한 경우, 상기 투과성 소자 안으로 방출된 방사는 가시성(visible)일 필요는 없다. 사실, 투과성 소자 안으로 UV 방사 혹은 UV에 가까운 방사(near-UV radiation)를 발사하는 경우 많은 장점들이 획득될 수 있다.
일 상황에서, 다른 위치들에서의 상기 변환 수단들은 CRT 상의 형광 도트(fluorescent dot)처럼 서로 다르며, 이에 의해서 각각의 방사 제어 소자는 하나의 도트를 향해 방출된 방사를 제어할 수 있으며, 따라서 특정 색상과 함께 그 위치에 제공되는 가시광의 양을 제어할 수 있다.
다른 상황에서, 상기 방사 변환 수단들을 방출 및 수신된 방사를 적어도 실질적으로 백색인 광으로 변환시킬 수 있다. 이러한 상황에서 백색광 소스가 제공되는바, 이는 방사 제어 소자들의 서로 다른 위치들에서 제어가능한 백색 광 세기를 갖는다.
이러한 백색광 소스는 방사 방출기에 의해 방출된 방사의 파장을 판별하기 위한 수단을 포함하는 경우에 더욱 강화될 수 있는데, 이는 판별된 파장에 기초하여 하나 이상의 방사 변환 수단들을 선택하고 그리고 변환 수단들을 적절히 제어하기 위한 것이다. 이는 통상적인 많은 방사 소스들이 낡아지게 되어 이들의 세기들 및 파장들(혹은 파장 범위)이 변화될 것이다라는 사실에 관련된다. 이러한 상황에서, 파장 출력(wavelength outout)과 변환 수단들의 흡수 스펙트럼간의 중첩(overlap)은 덜 효과적이 될 것이다. 이러한 방식에서, 주어진 파장(범위)에서 타겟팅된 각각의 서로 다른 변환 수단들이 이용될 수 있으며, 서로 다른 변환 수단들이 시간에 대해 선택될 수 있는바, 이는 방출된 방사의 파라미터들과 흡수 파라미터들 및 방출된 백색광의 세기 간의 중첩을 최적화하기 위함이다.
수신된 방사를 백색광으로 변환하도록 된 서로 다른 모든 변환 수단들은 통상적으로 형광체들(fluorophores)의 혼합물(blend)이 될 것이다. 서로 다른 입사 파장들 혹은 파장 범위들에 대해서 서로 다른 혼합물들이 최적화될 수 있다.
백색광 소스의 다른 활용은 소위 백라이트(backlight)가 될 것인바, 여기서 상기 소자는 변환된 방사를 변환 수단으로부터 수신하며 그리고 수신된 방사로부터 소정 파장의 방사 혹은 소정 파장 범위의 방사를 제거하도록 된 색 선택 수단을 더 포함할 수 있다. 특별히 관심있는 실시예들 중 하나는 변환된 방사가 칼라 필터를 통해 발사되는 것으로, 이는 가령, 각각의 방사 제어 소자에 의해 조사된(illuminated) 영역과 같은 각각의 영역이 소정 색상 즉, 그 영역에서의 필터의 색상을 갖게 할 수 있다. 널리 알려진 칼라 필터 어레이는 예컨대, 카메라에서 이용되는 소위 Bayer 필터가 될 수 있다.
본 실시예에는 디스플레이 소자가 또한 제공될 수 있는데, 디스플레이 소자는, 그 각각이 변환 및/또는 선택 수단들로부터 방사를 수신하고 그리고 소정 세기를 갖는 수신된 방사를 출력하도록 된 복수의 강도(intensity) 제어 소자들을 포함할 수 있다. 일례에서, 이러한 것은 변환 수단들 및/또는 가시성(visible) 방사 출력의 강도를 조절하기 위한 방사 제어 수단들의 전면에 각각 위치한 LC 소자들의 어레이가 될 수도 있다.
이러한 유형의 디스플레이를 획득하는 방법들 중 하나는, 하나 이상의 방사 제어 소자들 각각에 대하여 및/또는 각각의 변환 수단들에 대하여 하나의 LC 소자를 제공하는 것이다. 이후, 상기 LC 소자는 상기 변환 수단/제어 소자(들)에 의해 제공되는 빛의 강도를 조절할 것이다. 변환 수단 및/또는 제어 소자들은 하나의 색상 혹은 한 세트의 색상들을 방출하는데 이용되며, 이에 의해서 다른 색상들 혹은 색상들의 세트들이 다른 지점들에서 차례로 출력되거나 혹은 상기 변환 수단/제어 소자들은 서로 다른 색상들을 동시에 방출한다.
특별히 관심있는 실시예에서, 상기 소자는 제 1 표면을 따라 연장하며 그리고 제 1 액체와 제 2 유체가 위치되는 공간을 한정하는 지지 소자(backing element)를 더 포함하며, 상기 공간은 방사 제어 소자를 둘러싸는 폐쇄 커브(closed curve)를 따라 제 1 표면과 상기 지지 소자 사이에서 연장되는 점성 액체(viscous liquid)에 의해 또한 한정된다.
이러한 일례에서, 상기 유체와 액체는 투과성 소자, 지지 소자, 및 점성 액체 사이의 공간에 둘러싸인다. 따라서, 유체/액체의 증발(evaporation)/유출(escape)이 방지되거나 혹은 적어도 실질적으로 감소될 수 있다.
사실, 이러한 점은 상기 점성 액체가 제 1 액체와 동일할 수도 있다는 추가적인 장점을 갖는바, 이에 의해서 제품의 제조가 더욱 용이해질 수 있다. 물론, 다른 액체들도 이용될 수 있는바, 예컨대, 액체를 상기 표면에 단순히 붓는(pouring) 대신에 액체의 투여(dosing)를 필요로 한다할지라도, 다른 액체들이 이용될 수 있다.
이러한 것은, 각각의 방사 제어 소자에 대하여 적어도 하나씩인 다수의 기결정된 영역들이 지지 소자 혹은 투과성 소자에 제공되는 경우에 보여질 수도 있는데, 상기 기결정된 영역들을 둘러싸는 영역들 보다 상기 기결정된 영역들의 표면에서 상기 액체가 더 큰 친화성을 갖는다. 또한, 상기 폐쇄 커브(closed curve)에는 유사한 물질이 제공된다. 또한, 상기 폐쇄 커브에는 소정의 폭(width)이 제공되는바, 상기 폭은 상기 기결정된 영역들 중 임의의 것의 최저 치수(lowest dimension) 보다 크다. 이 경우, 상기 액체를 상기 표면 위에 단순히 부을 수 있으며, 이에 의해 상기 액체의 방울(drop)들은 폐쇄 커브를 커버링할 뿐만 아니라 상기 기결정된 영역에 "고착(stick)" 될 것이다.
치수 요건들 때문에, 상기 액체의 높이는 기결정된 영역들에 비하여 상기 폐쇄 커브를 따라 높아질 것이다. 가령, 중력(상기 소자를 기울여서)과 같은 힘이 상기 액체에 작용하게 하거나 혹은 상기 소자를 회전시키거나/움직임에 의해서, 이러한 높이를 제어할 수 있다. 이러한 힘은 상기 액체가 떨어지게(fall off) 할 것인바, 이는 상대적인 높이 차이를 실질적으로 변화시킴이 없이 각 방울들(drops)의 높이를 감소시킬 것이다.
다음으로, 액적(liquid drop)들을 구비한 소자(투과성 소자 혹은 지지 소자)는 상기 2개의 소자들 중 다른 하나의 소자와 결합될 수 있으며, 따라서 높은(higher) 폐쇄 커브는 상기 다른 소자와 접촉하며 그리고 이에 의해 낮은(lower) 방울들이 상기 2개의 소자들 중 다른 하나의 소자에 접촉함이 없이 내부 "챔버(chamber)"를 밀봉한다. 따라서, 작은 방울들은 상기 변환 수단에 의해 요구되는 바와 같이 이동할 수 있을 것이며 반면에 폐쇄 커브는 상기 공간을 밀봉한다.
물론, 상기 폐쇄 커브 내부의 더 큰 영역들(larger areas)과 같은 또 다른 이격 소자들(spacing elements)이 제공될 수도 있다. 고 친화성 물질인 더 큰 영역을 상기 폐쇄 커브 내부에 제공하는 것은, 더 높은 방울을 이 영역에 제공할 것이며, 이것은 조립 이후에 상기 2개의 소자들 중 다른 하나의 소자에 접촉할 수 있다. 이러한 더 높은 방울은, 조립 이전에, 가령, 볼(ball) 혹은 펠릿(pellet)과 같은 고체 이격 요소들을 제공받을 수 있으며, 이는 유지되야할 바람직한 이격에 대응하는 높이/직경을 갖는다. 이러한 볼 혹은 펠릿이 일단 액체 내에 제공되면, 조립 이전에 처리되는 동안에도 액체 내에 유지될 것인바, 이는 상기 액체의 표면 장력 때문이다.
폐쇄 커브와 기결정된 영역들의 상기 액체의 전체 높이가 이들의 최소 치수들에 관련된다는 사실로 인해, 이들 치수들은 원하는 높이로 조절될 수 있다. 또한, 각각의 영역들과 이들을 둘러싸는 영역들의 속성들은, 획득된 높이에 영향을 미칠 것이다.
이러한 것은 해당 기술분야의 당업자에게 기본 지식(standard knowledge)이다.
상기 액체/유체 중 하나가 물 혹은 물-기반(water-based)인 일례에서, 이들 고 친화성 표면들의 바람직한 표면들은 친수성(hydrophilic)이며, 그리고 고 친화성 표면들 사이의 영역들은 저 친수성(less hydrophilic)이다. 다른 일례에서, 상기 액체/유체 중 하나는 오일이 될 수 있으며, 이 경우 고 친화성 표면들은 다른 영역들 보다 저 소유성(less oilophobic)(즉, 보다 더 친유성 : more oilophilic)인바, 이는 상기 오일을 원하는 위치에 속박(bind)하기 위함이다.
변화 수단(alternating means)에 대해서 매우 큰 다양성이 이용가능하다. 일례에서, 적어도 하나의 방사 제어 소자의 변화 수단은, 제 1 모드에서 적어도 제 1 액체 전부를 제 1 표면 부분으로 이동시킬 수 있으며 그리고 제 2 모드에서는 제 1 표면 부분으로부터 멀어지게 할 수 있다. 이러한 방법으로, 제 1 표면 부분에는 그 어떤 액체도 존재하지 않으며, 그리고 상기 투과성 소자와 상기 유체 사이의 인터페이스에 의해서 방사의 리-다이렉션이 핸들링된다.
일반적으로, 상기 변화 수단은 제 1 모드에서 제 2 모드로의 변화 및 제 2 모드에서 제 1 모드로의 변화 둘다를 용이하게 할 수 있으며 혹은, 일 모드에서 다른 모드로의 변화는 "자동(automatic)"으로 될 수도 있다.
제 1 일례에서, 상기 유체 및/또는 액체에 대해 힘을 양 "방향들(directions)"로 작용하는 것은, 더 큰 파워 소모를 필요로 할 것이며, 반면에 이는 더 빠른 전체 동작을 제공할 수도 있다.
제 2 일례에서, 상기 유체 혹은 액체가 예컨대 물이라면, 일 모드에서 다른 모드로의 자동 이동(automatic movement)이 얻어질 수도 있으며, 상기 변화 수단은 물에 대해 작용하는 소수성 표면들(hydrophobic surfaces)을 포함할 수 있으며, 이는 상기 물을 소정의 위치로 드라이브하도록 작용할 것이다(만일 이러한 힘이 더 큰 힘에 의해서 중화되지 않는다면).
일실시예에서, 상기 방사 제어 소자들 중 적어도 하나는 쌍안정(bistable)하며, 따라서 제 1 및 제 2 모드 간의 변경(바람직하게는 양 방향으로)은, 상기 변화 수단에 의한 전기 신호의 공급을 필요로 하며 그리고 전기 신호가 제공되지 않는 경우에는 상기 제 1 및 제 2 모드가 각각 유지된다.
이러한 측면에서, 상기 액체가 일 모드에서 다른 모드로 변화하는 것을 방지하는 소자들 혹은 힘(force)들이, 다양한 방식으로 제공될 수 있다. 일 방법에서, 적어도 하나의 방사 제어 소자의 변화 수단은 제 1 모드에서 적어도 제 1 액체 전부를 제 1 표면 부분으로 이동시킬 수 있으며 그리고 제 2 모드에서는 상기 제 1 표면 부분과 중첩되지 않는 제 2 영역(혹은 위치)으로 이동시킬 수 있다. 또한, 적어도 하나의 방사 제어 소자는 제 1 표면 부분과 제 2 영역/위치 사이에 위치한 분리 소자(separating element)를 포함하며, 상기 분리 소자는 전기 신호가 공급되지 않는 때에 제 1 유체가 상기 제 1 표면 부분 및 제 2 영역/위치 이외의 곳으로 이동하는 것을 방지하도록 구성된다. 이러한 것을 획득하는 방법 중 하나는, 상기 유체 혹은 액체로서 물 혹은 물을 포함하는 액체를 제공하고 그리고 상기 분리 소자로서 친수성 표면을 제공하는 것이다. 따라서, 액체가 일 모드에서 제공되는 경우, 상기 액체로 하여금 상기 친수성 표면에 의해 제공되는 보유력(retention)을 극복하게 하는 추가적인 힘이 제공될 때까지, 상기 액체는 친수성 표면에 의해서 그 모드에 있을 수 있다.
다른 방법에서, 제 1 유체는 쌍극성 액체(dipolar liquid)이고, 제 2 유체는 상기 액체의 극성보다 낮은 극성을 갖는 유체이며, 여기서 상기 변화 수단은 상기 액체를 이동시키도록 된 전자기장을 제공하는 하나 이상의 전극들을 포함한다. 상기 변화 수단의 하나의 전극은 상기 제 1 표면 영역에 인접하게 위치하며, 여기서 상기 액체는, 제 1 모드에서, 상기 하나의 전극의 표면을 넘어 확장한다.
만일, 고 친화성 표면이 일 전극 상에 제공되고, 그리고 기결정된 전계 강도가 제공되지 않는 경우에는 상기 액체/유체 중 하나가 상기 표면에 대해 더 높은 친화력을 가지며 그리고 기결정된 전계 강도가 제공되는 경우에는 상기 액체/유체 중 다른 하나가 상기 표면에 대해 더 높은 친화력을 갖게하는 소정의 액체/유체의 조합이 제공된다면, 2개의 모드들이 제공될 수 있다. 이러한 측면에서 고 친화성 표면은 상기 제 1 표면 부분에 대응하거나 혹은 인접할 수 있다.
하지만, 전기장이 제공되는 경우, 상기 전기장은 낮은 극성을 갖는 유체의 존재에 의해서 감쇠된다. 따라서, 기결정된 전계 강도를 제공하는 것은 상기 모드의 변화를 촉진시키기에 충분하지 않다.
더 높은 전계 강도를 제공하는 것은 액체/유체의 친화도를 변경시킬 수 있을 것이며 그리고 이에 의해 상기 유체가 상기 하나의 전극을 커버하게 할 것이다. 이에 후속하여, 상기 기결정된 전계 강도는 그 모드를 유지하게 충분하다.
이전 모드로 되돌아가는 것은, 상기 기결정된 전계 강도의 제거를 요구할 것이며 혹은 더 낮은 전계 강도의 제공을 적어도 요구할 것이다.
결과적으로, 상기 기결정된 전계 강도는 상수 변수(constant parameter)로 간주(혹은 제공)될 수 있으며, 그리고 변화를 용이하게 하는 파라미터는 전계 강도의 증가(addition) 혹은 감소(subtraction)이다. 즉, 전계 강도를 정의하는 예컨대 전압의 증가 혹은 감소이다.
바람직한 실시예에서, 제 1 액체는 오일이며 그리고 제 2 유체는 물-기반의 액체이다. 여기서 상기 물-기반의 액체는, 높은 극성으로 인하여, 전기장이 제공되는 때에 상기 오일 보다 그 표면 특성을 더욱 변화시킬 것인바, 이는 전술한 바와 같다. 다음으로, 커버된 전극에는 고 친화성 표면이 제공되는바, 상기 기결정된 전계 강도가 제공되는 경우에는 상기 물-기반의 액체가 상기 고 친화성 표면에 친화성을 갖고 그리고 상기 전계 강도가 없는 경우에는 상기 고 친화성 표면에 상기 오일이 더 큰 친화성을 갖는다.
물론, 임의의 앞선 실시예들에는 예컨대 방사 제어 소자들, 임의의 LC 소자들, 임의의 센서들 등등과 같은 개별 소자들을 제어하기 위한 또 다른 제어기들 등의 추가 구성요소들이 제공될 수 있다.
또한, 방사 제어 소자들, 임의의 변환 수단 및/또는 임의의 LC 혹은 다른 제어 수단 등으로부터 방출된 방사는, 이 빛 또는 방사를 단일 위치(단일 사용자)쪽으로 다이렉트시키거나 혹은 다른 사용자들도 그 내용물을 볼수 있도록 더 넓게(broader) 다이렉트시키기 위한 추가의 광학 소자를 통해 발사될 수 있다. 대안적으로는, 서로 다른 광학 소자들이 서로 다른 제어 수단들/변환 수단들/LC 혹은 다른 제어 소자들의 전면에 제공될 수 있는바, 여기서 각각의 제어 수단들/변환 수단들/LC 혹은 다른 제어 소자들의 선택은, 강도(strength)/색상 뿐만 아니라 원하는 광 효과를 선택할 수도 있다.
본 발명의 제 2 양상은 방사 방출 소자(radiation emitting element)를 동작시키는 방법에 관한 것인바, 상기 방사 방출 소자는 제 1 굴절률, 제 1 표면, 반대인 제 2 표면을 갖는 방사 투과 소자(radiation transmissive element), 기결정된 파장의 방사를 상기 방사 투과 소자 안으로 방출하는 방사 방출기(radiation emitter), 그리고 복수의 방사 제어 소자들(radiation controlling element)을 포함하며, 각각의 방사 제어 소자는,
- 제 2 굴절률을 가지며 그리고 상기 기결정된 파장에서 적어도 10%의 투과율(transmittance)을 갖는 제 1 액체,
- 상기 제 2 굴절률 보다 작은 제 3 굴절률을 갖는 제 2 유체, 상기 제 2 굴절률은 상기 제 3 굴절률 보다 상기 제 1 굴절률에 더 가까우며,
상기 방법은 상기 방사 방출기가 상기 방사 투과 소자 안으로 방사를 방출하는 단계와 그리고 이와 동시에 2개의 모드들 사이에서 상기 제 1 액체의 형상을 변화(altering)시키는 단계를 포함하며,
○ 제 1 모드에서, 상기 제 1 액체는 제 1 표면 부분(first surface part)에서 상기 제 1 표면과 접촉하며 그리고 상기 제 1 액체와 상기 제 2 유체 사이의 인터페이스는, 상기 제 1 표면 부분에서, 상기 제 1 표면 부분과 평행하지 않으며, 그리고
○ 제 2 모드에서, 상기 제 2 유체의 표면은 상기 제 1 표면 부분에서, 상기 제 1 표면 부분의 형상에 적어도 실질적으로 평행하다.
본 발명의 제 1 양상에 관한 대부분의 정의들 및 설명들은 또한 본 발명의 제 2 양상에 관련된다.
따라서, 일실시예에서 적어도 하나의 방사 제어 소자는 커버링 소자를 포함하는바, 커버링 소자는 제 1 굴절률 보다 작은 제 4 굴절률을 가지며 그리고 제 1 표면에 접경하고(abutting) 그리고 제 1 표면 부분에 인접하게 위치한다. 적어도 하나의 방사 제어 소자에서, 변화 단계(altering step)는, 제 2 모드로 변화되는 때에, 제 1 액체의 적어도 일부를 상기 커버링 소자와 중첩하는 소정 위치로 이동시키는 단계를 포함한다. 따라서, 이러한 커버링 소자는 제 2 모드에서 상기 액체를 동작불능(inoperable) 상태로 만드는데 이용될 수 있으며, 그리고 커버링 소자는 상기 방사에 투과성이 될 수 있으며 그리고 상기 방사의 아웃 커플링(out coupling)에 도움을 주는 구조를 가질 수 있다.
다른 실시예에서, 방출 단계는 방사 투과 소자 안으로 시간에 대해 순차적으로 방사를 방출하는 복수의 방사 방출기들을 포함한다. 이러한 방법으로, 원하는 가시 색상이 투과성 소자 안으로 하나씩 방출될 수 있으며, 방사 제어 소자는, 변화 단계가 변화(altering)와 방사 방출기들의 시퀀스를 조화시키는 단계를 포함하는 경우 원하는 곳에서 색상들이 방출되는 것을 보장한다.
다른 실시예에서, 상기 방법은 또한 복수의 방사 변환 수단들 각각이 하나 이상의 방사 제어 소자로부터 방출된 방사를 수신하고 이를 기결정된 파장과는 다른 하나 이상의 파장들을 갖는 방사로 변환하는 단계를 포함한다. 다음으로, 상기 변환 단계는 방출되고 그리고 수신된 방사를 적어도 실질적으로 백색광으로 변환하는 것을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 방법은 또한, 방사 방출기에 의해 방출된 방사의 파장을 결정하는 단계, 결정된 파장에 기초하여 하나 이상의 방사 변환 수단을 선택하는 단계, 그리고 각각의 방사 변환 수단들을 변화(altering)시키는 단계를 포함한다.
부가적으로 또는 대안적으로, 상기 방법은 또한, 색상 선택 수단이 변환된 방사를 상기 변환 수단으로부터 수신하는 단계 그리고 수신된 방사로부터 기결정된 파장을 갖는 방사 혹은 기결정된 파장 범위를 갖는 방사를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
부가적으로 또는 대안적으로, 상기 방법은 또한, 디스플레이 소자에 포함된 복수개의 강도 제어 소자들 각각이 상기 변환 및/또는 선택 단계로부터 방사를 수신하고 그리고 수신된 방사를 기결정된 강도로 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에서, 상기 변화 단계는, 적어도 하나의 방사 제어 소자에서, 적어도 제 1 액체 전부를 제 1 모드에서 제 1 표면 부분으로 이동시키는 것 그리고 제 2 모드에서는 제 1 표면 부분으로부터 멀어지게 하는 것을 포함할 수 있다.
상기 실시예 혹은 다른 실시예에서, 적어도 하나의 방사 제어 소자는 쌍안정(bistable)하며, 따라서 상기 변화 단계는 변화 수단에 의해서 전기 신호를 공급하는 단계를 포함하며 그리고 전기 신호가 제공되지 않는 경우에는 상기 제 1 및 제 2 모드가 각각 유지된다.
일례에서, 적어도 하나의 방사 제어 소자에서, 상기 변화 단계는, 제 1 모드에서 적어도 제 1 액체 전부를 제 1 표면 부분으로 이동시키고 그리고 제 2 모드에서는 상기 제 1 표면 부분과 중첩되지 않는 제 2 영역(혹은 위치)으로 이동시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 방사 제어 소자는 제 1 표면 부분과 제 2 영역/위치 사이에 위치한 분리 소자(separating element)를 포함하며, 상기 분리 소자는 전기 신호가 공급되지 않는 때에 제 1 유체가 상기 제 1 표면 부분 및 제 2 영역/위치 이외의 곳으로 이동하는 것을 방지한다.
다른 일례에서, 제 1 유체는 쌍극성 액체(dipolar liquid)이고, 제 2 유체는 상기 액체의 극성보다 낮은 극성을 갖는 유체이며, 여기서 상기 변화 단계는 하나 이상의 전극들을 이용하여 상기 액체를 이동시키기 위한 전자기장을 제공하는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 전극들 중 하나는 상기 제 1 표면 영역에 인접하게 위치하며, 상기 액체는 제 1 모드에서 상기 하나의 전극의 표면을 넘어 확장한다.
전술한 바와 같이, 제 1 유체는 물-기반의 액체이며, 제 2 유체는 오일이다. 그리고 제 1 표면 부분에는 상기 물과 오일에 대해 높은 친화성을 갖는 표면들이 각각 제공된다.
본 발명의 제 1 양상에 관련하여 설명된 바와 같이, 상기 소자의 용도(use) 및 임의 관찰자(들)의 위치에 따라, 다른 광학 전-처리(optical post-treatment) 혹은 동작들이 제공되는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 제 3 양상은 방사 방출 소자를 조립(assembling)하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은,
- 제 1 표면과 그 반대인 제 2 표면을 갖는 방사 투과 소자를 제공하는 단계;
- 상기 제 1 표면 상에 복수의 제 1 고친화성 표면 영역들(higher affinity surface areas)을 제공하는 단계;
- 상기 제 1 표면 상에 고친화성 물질의 폐쇄 커브(closed curve)를 제공하는 단계, 상기 폐쇄 표면(closed surface)은 상기 복수의 제 1 고친화성 표면 영역들을 둘러싸며(encircling);
- 상기 고친화성 표면 영역들과 상기 고친화성 물질에 대해 고친화성을 갖는 액체를 상기 제 1 표면 상에 제공하는 단계; 그리고
- 상기 폐쇄 커브의 상기 액체에는 접촉하지만 상기 복수의 제 1 고친화성 표면 영역들의 상기 액체에는 접촉하지 않도록, 지지 소자(backing element)를 제공하고 그리고 상기 지지 소자를 위치시키는 단계를 포함하며,
상기 폐쇄 커브 상에 제공된 상기 액체는 상기 복수의 제 1 표면 영역들 상에 제공된 상기 액체보다 상기 제 1 표면으로부터 더 멀리 연장된다.
물론, 상기 방사 방출 소자는 제 1 양상의 방사 방출 소자가 될 수도 있으며, 여기서 제 3 양상의 액체는 본 발명의 제 1 양상에 따른 제 1 액체 혹은 제 2 유체가 될 수도 있다.
이러한 측면에서, 본 발명의 제 1 양상에 따른 투과성 소자의 모든 파라미터들과 동작들은 본 발명의 제 3 양상에도 똑같이 적용될 수 있다.
물론, 고 친화성 표면들과 고 친화성 물질은 문제의 액체(the liquid in question)에 대응한다. 고 친화성은 제 1 표면의 다른 부분들에 비하여 물질/표면 영역 상에 자체적으로 부착(attach itself) 혹은 자체적으로 퇴적(deposit itself)하기를 원하는 액체에 관한 것이다. 따라서, 고 친화성 영역/물질은 사용되는 액체에 의존할 것이다. 만일 물이 이용된다면, 친수성(hydrophilic) 물질이 이용될 수 있으며 반면에 오일이 이용된다면 친유성(oliophilic) 물질이 바람직할 것이다.
본 명세서에서 고 친화성 물질과 고 친화성 표면 영역들은 동일하거나 혹은 서로 다른 물질들이 될 수 있다.
물론, 액적(liquid drop) 혹은 커브의 높이는, 액체의 친화도와 물질의 치수에 의존할 것이기 때문에, 다른 물질들 및/또는 다른 치수들에 대해 다른 액체들이 이용될 수 있다.
따라서, 액체 및/또는 물질이 적절히 선택된다면 더 좁은 폭과 더 큰 높이를 갖는 폐쇄 커브가 얻어질 수 있다
높은 친화도는 제 1 표면의 다른 영역들에 관한 것이며 그리고 예컨대, "친수성(hydrophilic)" 이라는 용어는, 상기 표면 상에서의 물방울의 넓은 범위의 접촉 각도들(wide interval of contact angles of a drop of water)에 관련될 수 있다.
본 발명에서는, 복수개의 제 1 고 친화성 표면 영역들이 제공된다. 본 발명의 제 1 양상에서, 이러한 표면 영역들 각각은 방사 제어 소자에 대응할 수 있다.
물론, 폐쇄 커브는 가령, 사각형, 원, 타원, 별모양(star-shaped), 삼각형 등등과 같은 임의의 형상을 가질 수 있다.
상기 액체에서의 높이 차이 때문에, 폐쇄 커브에서의 상기 층만이 양쪽(both) 소자들에 접촉하는 때에 조립이 중단되면, 폐쇄 커브의 액체는, 조립에 후속하여, 나머지 액체 부분들에 미치며 이를 에워쌀 것이다.
이러한 기술은 지지 소자(backing element) 상에 위치한 고 친화성 영역들/물질에도 동일하게 작용함을 유의해야 한다.
폐쇄 커브가, 가령, 제 1 표면의 평면에서 복수의 제 1 고 친화성 표면 영역들 중 임의의 것의 최저 치수 보다 큰 최저 폭을 갖는 경우, 폐쇄 커브 상에 퇴적된 상기 액체의 결과적인 두께는 더 두꺼워질 수도 있는바, 동일한 고 친화성 물질이 이용되는 경우라 할지라도 그러하며, 따라서 더 두꺼운 층들은 상기 지지 소자와 제 1 소자 이외의 것에 더 얇은 층들보다 먼저 접촉할 것이다.
일실시예에서, 상기 방법은 또한 폐쇄 커브 내에 유체를 제공하는 단계를 더 포함한다. 상기 유체는 지지 소자, 제 1 표면 및 상기 폐쇄 커브 사이의 공간을 충전하는데 이용될 수 있다. 이러한 충전은 조립 이전 혹은 이후에 수행될 수 있다. 조립 이후에 수행된다면, 이는 가령, 중공 바늘(hollow needle)과 같은 속이 빈 요소(hollow element)를 폐쇄 커브를 통하여 위치시키고 그리고 유체를 제공함에 의해서 수행될 수도 있다. 선택적으로는, 상기 유체를 제공하는 동안에 예컨대, 주위 공기(ambient air)를 제거하는데, 또 다른 속이 빈 요소가 이용될 수도 있다.
다른 실시예에서, 상기 방법은 제 1 표면 상에 그리고 폐쇄 커브 내에, 그 각각이 상기 복수의 제 1 고 친화성 표면 영역의 최저 치수보다 큰 최저 치수를 갖는 복수의 제 2 고 친화성 표면 영역들을 제공하는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 방법은 제 1 표면 상에 그리고 폐쇄 커브 내에, 그 각각이 상기 복수의 제 1 고 친화성 표면 영역의 최저 치수보다 큰 최저 치수를 갖는 복수의 제 2 고 친화성 표면 영역들을 제공하는 단계를 더 포함한다. 대안적으로, 또 다른 유체 혹은 다른 고 친화성 물질이 이용되어, 액체의 높이가 복수의 제 1 표면 영역들의 높이보다 높음을 보장할 수 있다.
이러한 복수의 제 2 표면 영역들은 폐쇄 커브 내에 제공되는 스페이서 소자로 이용될 수도 있다.
특정 일례에서, 상기 방법은 복수의 제 2 고 친화성 표면 영역들 각각에서 그리고 상기 액체를 제공하는 것에 후속하여, 가령, 볼(ball)과 같은 거리 정의 소자(distance defining element)를 제공하는 단계를 더 포함한다. 이 소자는 상기 액체의 표면 장력 때문에 각각의 영역에서 제자리에 유지되며 그리고 보다 정확하며 보다 튼튼한(rugged) 스페이싱 소자를 제공하는데 이용될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 방법은 상기 액체를 제공하는 단계 이후 및 상기 지지 소자를 제공하는 단계 이전에, 상기 액체에 가속력(acceleration force)을 제공하는 단계를 더 포함한다. 이러한 방식으로, 상대적인 높이 차이를 유지하면서도, 상기 커브 및 복수의 제 1 및 제 2 표면 영역들에서, 상기 액체의 전체 두께가 감소될 수 있으며, 따라서 상기 전술한 목적이 여전히 달성될 수 있다.
바람직한 실시예들이 도면들을 참조하여 다음에 설명된다.
도1은 전자습윤 광학 디바이스의 측단면도 및 평면도로서 광게이트들의 위치 및 유체 스페이서들 및 고체 장벽 및 유체 장벽 및 튜브를 통해 가스를 환기시키면서 쌍극성 액체로 충전하는 것을 예시한 도면이다.
도2는 전극들에 대한 다수의 서로 다른 구성들을 예시한다.
도3은 광게이트를 어드레싱하는 서로 다른 방식을 구현하는 4개의 기본적인 전극 구성을 예시한다.
도4는 닫힌 상태(shut state)에 있는, 낮은 n 아일랜드(low n island)를 중앙에 구비한 본질적으로 둥근(essentially round) 광 게이트를 예시한다.
도5는 오픈 상태(open state)에 있는, 낮은 n 아일랜드를 중앙에 구비한 본질적으로 둥근 광 게이트를 예시한다.
도6은 닫힌 상태인 푸시 & 플러시(push & flush) 광게이트를 도시한다.
도7은 오픈 상태인 푸시 & 플러시 광게이트를 도시한다.
도8은 닫힌 상태인 쌍안정(bistable) 푸시 & 플러시 광게이트를 도시한다.
도9는 오픈 상태인 쌍안정 푸시 & 플러시 광게이트를 도시한다.
도10은 닫힌 상태인 푸시 & 푸시(push & push) 광게이트를 도시한다.
도11은 오픈 상태인 푸시 & 푸시 광게이트를 도시한다.
도12는 닫힌 상태인 푸시 & 푸시 이진(binary) 광게이트를 도시한다.
도13은 오픈 상태인 푸시 & 푸시 이진 광게이트를 도시한다.
도13A는 오픈 상태(a)와 닫힌 상태(b)에서 푸시 & 푸시 이진 광게이트를 도시한다.
도14는 닫힌 상태에 있는 토러스 형상의 광게이트를 도시한다.
도15는 오픈 상태에 있는 토러스 형상의 광게이트를 도시한다.
도16은 닫힌 상태에 있는, 전도성 스페이서 도트들(dots)을 구비한 광게이트를 도시한다.
도17은 오픈 상태에 있는, 전도성 스페이서 도트들을 구비한 광게이트를 도시한다.
도18은 광게이트 제조에 이용가능한 특성을 갖는 나노임프린트(nanoimprint)를 도시한다.
도19는 도파관으로부터 추출된 빛을 변조하는데 적용가능한 다수의 서로 다른 층들을 예시한다.
도20은 오픈 상태 및 닫힌 상태에서 반전된 액적을 구비한 광게이트를 예시하며 그리고 도20A는 오픈 상태(a)와 닫힌 상태(b)에 있는 반전된 액적을 구비한 광게이트를 예시한다.
도21은 조명 유닛(illumination unit)을 예시한다.
도21A는 조명 유닛 도파관(illumination unit waveguide)을 예시한다.
도21B는 조명 유닛 스페이서 층(illumination unit spacer layer)을 예시한다.
도21C는 조명 유닛 최상위 표면(illumination unit top surface)을 예시한다.
도21D는 조명 유닛 장벽층(illumination unit barrier layer)을 예시한다.
도21E는 조명 유닛 보호성 상부 표면(illumination unit protective upper surface)를 예시한다.
도21F는 조명 유닛 보호성 하부 표면(illumination unit protective lower surface)를 예시한다.
도22는 유체의 위상 서스펜션(topological suspension)에 기초하는 반전된 광게이트를 예시한다.
도1은 본 발명에 따른 전자습윤 광 디바이스의 기본 구성을 나타낸다. 도파관(10)과 하부 기판(42)은 고형 증발 장벽(solid evaporation barrier)(90)에 의해서 결합된다. 생성된 공동(cavity) 내에서 광게이트(94)에서 이용된 것과 동일한 저극성 액체(less polar liquid)(35)로 구성된 유체 증발 장벽(91)은 쌍극성 유체(30)를 포함한다. 통상적으로 쌍극성 액체(30)는 물이 될 것이며 그리고 물은 담고있기가 어렵다(difficult to contain). 폴리머(polymer)가 이용되는 경우, 고형 증발 장벽(90)은 수증기가 빠져나갈 수 있는 작은 크랙(crack)을 남길 것이며 그리고 하부 기판(42)과 도파관(10)을 부착시키는데 이용되는 접착제는 또한 물이 빠져나갈 수 있는 작은 채널을 형성할 수 있다. 무차원 스태빌 내부(inside a non dimensional stabile)의 유체 증발 장벽(91)으로 인해 강력한 물 불투과성 장벽(highly water impermeable barrier)이 형성될 수 있다. 전자습윤 광 디바이스는, 소유성(oliophobic) 영역들이 친유성(oliophilic) 영역들의 패턴을 둘러싸도록 도파관(10)과 하부 기판(42)의 표면 에너지를 제어함으로서 형성될 수 있다. 이후, 상기 저극성 액체(less polar liquid)(35)가 도파관(10) 상에 스핀 코팅되며, 이는 소정 양의 저극성 액체(35)를 친유성 영역들 상에 퇴적시킨다(deposit). 광게이트 개구부(lightgate aperture)(96)의 일부분이 아닌 친유성 영역들은, 낮은 n을 갖는 낮은 n 클래딩(low n cladding)(5)에 의해서, 도파관(10) 내부에 포획된 방사로부터 광학적으로 디커플링될 수 있다. 저극성 액체(35)의 표면 장력 때문에, 이는 동일한 각도들로 액적들을 형성한 이후에 힘쓸것이며(strive) 따라서, 더 큰 친유성 영역들 상에 형성된 액적들은 더 작은 영역들 상에 형성된 액적들 보다 약간 더 커지게 될 것이다.
몇몇 경우에 있어서, 저극성 액체(35) 스페이서들은 폴리머 혹은 유사한 표면 에너지를 갖는 글래스 볼 스페이서(glass ball spacer)를 구비할 수 있으며, 이는 저극성 액체에 의해서 완벽하게 커버링될 것임을 보장할 것이다. 도파관(10)이 하부 기판(42)과 조립되는 경우, 도파관(10)에 형성된 큰 액적들은 2개의 평판들(planar plates) 사이를 연결할 것이다. 친유성 영역들을 둘러싸는 영역에서 저극성 액체(35)는 모이지 않을 것이며(will not assemble) 따라서 이들은 고형 증발 장벽(90)을 제자리에 튼튼하게 접합(glueing)할 준비가 된다. 저극성 액체(35)에 관한 요구사항들은, 고 투명성(high transparency), 낮은 확산(low diffusion), 그리고 낮은 UV 광루미네슨스(photoluminescence) 이다. 쌍극성 유체(30)는 고형 증발 장벽(90) 내에 준비된 채널 및 유체 증발 장벽(91)을 통한 중간(intermediate) 채널을 통해 유체 펌프(92)에 의해 전자습윤 광 디바이스에 제공된다.
포함된 가스가 빠져나가도록 유체 튜브(93)가 연결되면, 모세관력(capillary force)은 쌍극성 액체(30)를 끌어당길 것이다. 전자습윤 광 디바이스의 내부에 최소한의 가스가 포함되도록 저압 환경에서 이를 수행하면 이러한 프로세스가 가속될 수 있다. 충전이 완료되면, 유체 펌프(92)와 유체 튜브(93)가 제거되며 그리고 유체 증발 장벽(91)이 채널을 밀봉할 것이다.
전자습윤 광 디바이스 내부에 물을 보충하여 증발을 중화시키는 일 방법은, 유체 펌프(92)를 제자리에 남겨놓고 그리고 전자습윤 광 디바이스 내부의 액체 압력이 일정하게 유지되도록 압력을 유지하는 것이다. 대안적으로, 소금 혹은 설탕을 쌍극성 액체(30)에 제공하여 전자습윤 광 디바이스에 삼투압 구배(osmotic gradient)가 마련될 수 있다.
연결부를 통하여 쌍극성 액체(30)가 빠져나가는 것을 방지하기 위하여, 살아있는 모든 유기체의 세포에서 발견되는 필터들과 유사한 아쿠아포린 필터(aquaporin filter)가 이용될 수 있다.
외부 저장소(external reservoir)에 대안적으로, 사막 식물의 표면 디자인과 유사한 나노스트럭처 기반의 이슬 수집기(dew collector) 디자인이 부착될 수도 있는바, 이는 전자습윤 광 디바이스가 자체적으로 물을 보충할 수 있게 한다.
액체 내에 포획된 가스로 인한 문제점들을 중화시키는 방법은, 항상 저압 챔버 내에서 상기 액체를 처리하는 것이다. 액체 내의 가스는 몇몇 경우, 기포 혹은 부식 효과(corrosive effect)를 야기할 수 있다.
도2는 전극들에 대한 서로 다른 다수개의 구성들을 예시한다.
도2의 a에서 동일한 높이에서 서로 대향하고 있는 2개의 전하 전극들은 외부 전극과 내부 전극을 구비한 토러스(torus)를 형성한다. 반대측 상에는 선택기 전극(24)이 위치한다. 소유성(oliophobic) 페시베이션 영역(62)은 광게이트의 소정 부분들이 광학적 및 기계적으로 비활성화(inactive)되도록 제어하는데 이용되는바, 왜나하면 이 부분에는 저극성 액체(35)가 없으며(따라서, 경쟁적인 전자습윤도 없다) 그리고 저극성 액체(35)의 부재하에서 낮은 n을 갖는 쌍극성 액체(30)는 상기 영역이 도파관 내부에서 TIR에 의해 포획된 방사와 광학적으로 상호작용하지 않음을 보장할 것이기 때문이다. 소유성(oliophobic) 페시베이션 영역(62)은 광학 에지 효과(optical edge effect)를 방지하는데 유용하며 그리고 또한 저극성 액체(35) 이동 주위에서 액체 난류(turbulent liquid flow)를 위한 채널을 생성하는데 유용하다.
도2의 a에서 소유성 패시베이션 영역(62)은 난류 웬트(turbulence went)를 생성하며 그리고 바람직하지 않은 광학 에지 효과를 방지한다. 토러스 형상은 소정 라인을 생성하며 상기 라인은 소유성 패시베이션 영역(62)의 효과를 제외하면 동시에 광학적으로 전 방향성(optically omni directional)이다. 만일, 내부 전극이 비스듬한 각도(skewed angle)로 외곽(outer) 링 전극을 통해 진입하는 충분히 얇은 라인을 경유하여 외곽 전극을 통해 연결되면, 소유성 페시베이션 영역(62)에 대한 요구 없이 토러스를 형성하는 것이 가능하다. 푸시 & 푸시(push & push) 전극 구조를 구비한 토러스의 장점은, 수평 평면(horizontal plane)에서 유체의 순 이동(net movement)이 없게 되도록 시스템을 용이하게 설계할 수 있다는 점이다. 저극성 액체(35)는 확장 및 수축(spreading and contracting)하는 동일한 지점(spot)에서 단지 움직일 것이며 그리고 라군(lagoon) 내부의 쌍극성 액체(30)는 환초(atoll)에 대한 체적의 순 변동(net movement) 없이 단지 형태만 변경될 것이다. 만일, 푸시 & 플러시 전극이 본질적으로 원형 혹은 타원형 형상처럼 말아올려진다면(curl up), 푸시 & 플러시 전극에서도 이와 동일한 정적 움직임(stationary movement)이 얻어질 수 있다. 하지만, 이는 스위칭 속도의 희생을 야기할 것인바, 왜나하면 친유성 영역이 증가할 것이며 그리고 더 많은 양의 저극성 유체를 끌어당길 것이기 때문이다.
도2의 b에서는, 빗 모양(comb shaped)의 2개의 전극들이 서로 얽혀져서 광게이트를 형성하며 그리고 전자습윤에 의해서 유체 난류가 생성되는 동적 영역(dynamic areas)을 분리시키는데 소유성 페시베이션 영역(62)이 이용된다. 그 결과는 이러한 설계인바, 여기서 광게이트는 선 모양의 소형 광게이트들(linear micro lightgates)과 같이 배열된 서브 광게이트들의 라인을 구성한다. 이러한 설계의 목적은 가능한한 최소의 수평 단면(horizontal cross section)을 갖는 광게이트를 형성하는 것인바, 그 이유는 이러한 설계가 유체의 움직임을 최소화시키고 따라서 소비되는 에너지와 스위칭 시간을 또한 감소시킬 수 있기 때문이다. 또한, 소유성 페시베이션 영역(62)은 도파관으로부터의 빛을 아웃커플링하는 개구부들의 필 팩터(fill factor)를 제어하는 수단으로서 이용될 수 있으며 이에 의해서 특정 영역에서 빛 추출 효율이 증가할 수 있다.
도2의 c에서, 하부 전극(41)은 톱니 모양과 유사한 패턴으로 배열되며 이는 선택기 전극(24)에 의해 어드레싱된다. 여기서 소유성 페시베이션 영역(62)은 도시되지 않았다. 따라서, 상기 시스템은 강화 및 해제(build up and release)되는 통상적인 방향성 압력(common directional pressure)에 의존해야만 한다.
도2의 d에서, 하부 전극(41)은 이중 나선(double spiral)으로 배치된다. 도2의 d에는 소유성 페시베이션 영역(62)이 도시되어 있지 않지만, 난류(turbulence) 및 강화된 국부적인 압력의 악영향을 상쇄시킬 수 있는 압력 배출구(pressure vent)를 확보하기 위하여, 작은 페시베이션 영역들이 몇몇개 존재할 수도 있다.
도면에 도시되어 있지 않지만, 유전체층들에 의해 분리되는 복수개의 층들에 전극들이 위치하는 광게이트를 형성하는 것도 용이하며 따라서 서로 교차할 수 있다. 교차하는 전극들은 다중 전극들을 구비한 설계를 수용한다. 광게이트에 대한 기본 원리는, 상부 전극(25)과 상부 전극2(26)이 정렬되기 위한 액세스가 있다면, 선으로 그려질 수 있는 임의의 그림(figure)(정렬된 개구부와 에워싸는 친수성 영역들을 구비한 낮은 n 아일랜드(60)를 표시함)과 지우개(eraser)(소유성 페시베이션 영역 62)가 하나의 층에 생성될 수 있다는 것이다.
도파관(10)과 비홀더(beholder, 이하 '비홀더' 혹은 '보는 사람' 이라 함) 사이의 광학 경로에 전극들이 위치하는 경우에는 투명(transparent) 전극들이 적절하다. 투명 전극 대신에 메쉬(mesh) 내의 미러링 전극들이 채용될 수도 있는바, 메쉬 내의 개구부들은 도파관(10)으로부터의 방사가 홀더에 도달하는 것을 허용할 것이다. 가령 ITO와 같은 전극으로 적합한 대부분의 투명 물질들은 큰 굴절률을 제공할 것이며 이는 만일 높은 굴절률 물질 때문에 빛의 통과를 경험할 정도로 상기 층이 충분히 두껍다면 원치않는 프레넬 반사(Fresnel reflection)를 야기할 수도 있으며, 따라서, 20-40 nm인 얇은 퇴적층은 프레넬 반사를 방지할 것이다.
도파관(10)과 비홀더 사이의 광학 경로에 없는 전극들은, 그 목적이 광자를 재순환(recycle)하는 것인지 아니면 광자를 흡수하는 것인지에 따라 미러링 혹은 흡수할 것이다. 모든 전극들의 경우, 전극들과 입사 방사(impinging radiation)와의 광학적 상호작용은 낮은 n을 갖는 낮은 n 클래딩층(5)에 의해서 감소될 수 있는바, 상기 낮은 n 클래딩층(5)은 낮은 n 클래딩(5)과 가령, 도파관(10)과 같은 인접 표면 사이의 굴절률들에 의해서 형성된 임계각 보다 높은 각도에서 고효율의 TIR 미러로 작용할 것이다. 이러한 방식으로, 전극들은 원하지 않은 광 흡수를 제한할 것이다.
도3은 전극들에 대한 4개의 기본적인 구성을 도시한 것으로, 이는 광게이트를 어드레싱하는 서로 다른 방식들을 구현한다.
도3의 a에서, 푸시 & 플러시 로우(row) 선택기(70)가 푸시 & 플러시 광게이트를 선택한다. 컬럼 전극들은 미도시된 구동 회로에 의해서 제어되며, 따라서 상기 시스템은 광게이트 당 2개의 전극을 구비한 패시브 매트릭스(passive matrix) 이다.
도3의 b에서, 푸시 & 푸시 선택기 전극(71)은 푸시 & 푸시 광게이트를 선택한다. 광게이트 당 3개의 전극을 갖는 디자인은 차동적으로 구동되는 광게이트(differentially driven lightgate)를 허용한다. 패시브 매트릭스는 통상적으로 누화(crosstalk) 및 강화된 레벨의 전자기 간섭 방출의 경향이 있다. 전자습윤은 포지티브 및 네가티브 전기장 전위 사이에서 거의 완전히 대칭이다.
푸시 & 푸시 설계에서, 각각의 광게이트는 3개의 전극들, 하부 기판(42)의 최상부에 있는 하나의 푸시 & 푸시 접지 선택기(71)와 도파관(10) 아래에 있는 2개의 상부 전극(25) 및 상부 전극2(26)를 갖는다. 2개의 상부 전극들 각각과 상기 선택기 전극 사이의 캐패시턴스들이 동일하기만 하다면(각각의 픽셀에서), 픽셀 내에서 전극들이 어떻게 패터닝되는지(사각형, 토러스, 섬 island, 나선 등등)는 중요하지 않다.
저극성 액체(35)가 개구부(96) 혹은 낮은 n 아일랜드(60) 상으로 푸시될 것인지에 따라 상부 전극(25)과 상부 전극2(26)는 0V 혹은 10V에서 구동되며 그리고 푸시 & 푸시 접지 선택기(71)는 상부 전극들 중 하나와 유사한 로우(row)를 선택할 때마다 10V로 구동되며 그리고 선택하지 않는 때에는 2개의 상부 전극들의 평균 전하에 유사한 5V로 구동된다(로우를 선택하는 때에도 0V로 또한 구동될 수 있으며, 중요한 것은 로우를 선택하는 때에는 상부 전극(25) 혹은 상부 전극2(26) 중 하나에 매칭하며 그리고 선택하지 않는 때에는 2개의 상부 전극들의 평균 전하를 갖는다는 점이다). 이는, 업데이트될 때 상기 광게이트들이, 상부 전극(25) 및 상부 전극2(26)의 각각과 푸시 & 푸시 접지 선택기(71) 사이의 전위 차이에 비례하는 크기의 전기장을 보게됨을 의미한다.
로우가 선택되지 않는 때, 상기 로우 전극은 5V 이다. 이는 픽셀의 절반들 각각이 동일한 크기지만 반대 부호(sign)를 갖는 전계-강도를 갖게됨을 의미한다. 푸시 & 푸시 접지 선택기(71)와 2개의 상부 전극들 사이의 전위차는, 저극성 액체(35)가 광게이트를 둘러싸는 경계를 이루는 친수성 영역쪽으로 플러시 아웃(flush out)할 수 있도록 작게 유지되어야만 한다. 상기 전위차가 너무 커지면, 저극성 액체(35)는 높은 접촉 각도(high contact angle)로 푸시 업(pushed up)될 것이지만, 저극성 액체(35)는 수평 평면(lateral plane)의 가운데에 집중할 것인바, 왜나하면 상기 푸시는 양 측면으로부터 균형을 잡기 때문이다. 하지만, 후자의 내용은 광게이트가 장벽(63) 영역을 갖는 경우에는 맞지 않는데, 왜나하면 이는 장벽 영역(63)의 일측에서 높은 접촉 각도를 야기할 것이기 때문이다.
컬럼 전극들이 어떻게 스위칭되는지에 상관없이, 상기 변화들의 순 평균(net average)은 각각의 광게이트 내에서 0이 될 것이며, 따라서 각각의 푸시 & 푸시 접지 선택기 로우(71) 내에서 제로이며, 그리고 선택되지 않은 로우 전극들이 경험하게 될 용량성으로 커플링된 잡음의 순수 양(net amount)은 제로이다.
각각의 광게이트 내에서, 컬럼 전극들의 스위칭은 용량적으로 커플링된 전류를 푸시 & 푸시 접지 선택기 로우(71)에 유도할 것이다. 하지만, 이 전류는 상부 전극(25)과 상부 전극2(26)의 대칭적인 차동 구동 때문에, 광게이트 내에서 국부적으로 머무를 것이다(stay local intra lightgate).
또한, 푸시 & 푸시 접지 선택기 로우(71)는 광게이트를 업데이트하기 위해 선택되지 않는 때에 미드-레일(mid-rail)(5V)에서 안정적일 수 있기 때문에, 그 전압까지 적극적으로(actively) 구동될 수 있으며, 선택되지 않은 로우들이 저-임피던스 평면을 형성하게 할 수 있으며, RF 차폐 접지 평면으로서 작용하며 그리고 전자습윤 광학 디바이스의 구동으로부터 RF 방출을 감소시킬 수 있다.
도3의 c에서, 푸시 & 플러시 공통 접지 전극(72)은 항상 온(on)이며 그리고 쌍극성 액체(30)에 갈바니 연결(galvanically connected)될 수 있다. 컬럼 전극들은 구동회로(미도시)에 의해 제어되며 따라서 상기 시스템은 광게이트 당 2개의 전극들을 구비한 패시브 매트릭스이며 그리고 각각의 광게이트는 상기 컬럼의 전체 길이를 늘린다(stretch).
도3의 d에서, 푸시 & 푸시 액티브 매트릭스 접지 선택기 전극(73)은 전체 전자습윤 광학 디바이스에 걸쳐 산재되어 있는 다수의 광게이트들을 동시에 선택한다.
컬럼으로 어드레싱하는 것과 로우들을 하부 전극(41)으로 이용하는 것도 가능함을 유의해야 하며, 그리고 도파관 측(10)과 하부 기판(42)측에서의 전극들의 전위는 또한 역전될 수 있다.
도4는 닫힌 상태이며 중앙에 낮은 n 아일랜드를 구비한 본질적으로 둥근 광게이트를 도시한 도면이다.
최상위 표면(1)은 전자습윤 광 디바이스를 보호한다. 도파관의 최상부(top) 위에 있는 낮은 n 클래딩(low n cladding)(5)은 도파관(10) 내부의 임계각도를 보장한다. 전극들 위에 있는 패턴화된 낮은 n 클래딩(5)과 낮은 n 아일랜드(60)는 개구부(96) 이외에서 임계각도를 유지한다. 낮은 n 아일랜드(60)의 최상부에는 아웃커플링 구조(outcoupling structure)(61)가 있는데, 이는 저극성 액체(35)측으로부터 낮은 n 아일랜드(60)로 입사하는 방사가 상기 낮은 n 아일랜드(60)를 관통하게 될 것을 보장한다.
낮은 n 아일랜드(60)를 관통한 방사는 TIR에 의해서 포획(trap)될 수 없는바, 왜냐하면 낮은 n 아일랜드의 낮은 n이, 도파관(10)과 낮은 n 클래딩 사이에 형성된 임계각도 위인 소정 각도로 상기 방사가 진입하는 것을 방지하기 때문이다.
광 소스(20)로부터의 방사는, 도파관(10)과 낮은 n 클래딩 사이에 형성된 임계각도 보다 위인 소정 각도들로 도파관 내부로 진입한다. 광빔(15)은 낮은 n 아일랜드(60)에 부딛히며 TIR에 의해서 계속해서 포획된다.
개구부로 상기 광빔(15)이 입사하면, 쌍극성 액체(30)는 낮은 n 클래딩(5)에 매칭되는 충분히 낮은 n을 제공할 것인바, 따라서 상기 방사는 도파관 내부에서 TIR 반사를 계속할 것이다. 도면에서, 상부 전극(25)은 유전체층(3) 아래에 위치하며 그리고 이는 개구부(96)를 커버하지 않는다. 만일, 투명한 상부 전극(25) 혹은 미러링 메쉬 상부 전극(25)이 적용되었다면, 상기 상부 전극(25)은 개구부(96) 영역의 일부 혹은 전부를 커버할 수 있을 것이다.
저극성 액체(35)는 흡수 전극(absorbing electrode)(43)과 상부 전극(25)을 통해 제공된 전하에 의해서 로우 n 아일랜드(60)까지 압축되는바, 이는 인가된 전기장에 의해서 물 분자의 극성이 바뀌는 때에 상기 쌍극성 액체(30)가 소수성 표면들에 대해 친화성을 발달시키기 때문이다.
경쟁적인 전자습윤(competitive electrowetting)의 주요 원리는, 쌍극성 액체(30)가 저극성 액체(35)를 높은 접촉 각도(high contact angle)로 멀리 위로 밀어낸다는 것이다. 하부 기판(42)은 흡수 전극(43) 회로를 지원한다.
도5는 오픈 상태이며, 낮은 n 아일랜드를 중앙에 구비한 본질적으로 둥근 광게이트를 도시한 도면이다.
광빔(15)은 개구부(96) 상에 입사하며 그리고 저극성 액체(35) 안으로 진입하는데, 왜냐하면 도파관(10)과 저극성 액체(35) 사이에서 굴절률들의 매칭이 있기 때문이다. 광빔(15)은 저극성 액체(35)와 쌍극성 액체(30) 사이에 형성된 TIR 미러 상에서 반사되며 그리고 로우 n 아일랜드(60) 하부 쪽으로 진행하는바, 여기서 상기 아웃커플링 구조(61)는 임계각도 아래에서 상기 광빔을 도파관(10) 내부로 보낸다.
도파관(10)에 대한 기본 원리는 광자 재순환(photon recycling)을 보장하는 설계(design)이다. 광자 재순환은, 도파관(10)의 상부측 상의 낮은 n 클래딩(5)에 의해서 획득될 수 있는바, 도파관(10)의 상부측 상의 낮은 n 클래딩(5)은 도파관(10)의 하부측 상의 낮은 n 클래딩(5) 보다 낮은 굴절률을 가질 수 있으며, 따라서 도파관(10)의 상부측에서의 임계각도가 도파관(10)의 하부측에서의 임계각도 보다 작아진다. 임계각도에서의 이러한 차이는, 도파관(10) 내부에서 임계각도 아래로 편향된(deflected) 방사가 아래쪽으로 도파관(10)을 떠나게 할 것이다. 가령, 폴리머 혹은 얇은 유리(thin glass)와 같은 유연한(flexible) 물질들이 도파관(10)으로 이용가능하며 그리고 상부측에서 낮은 굴절률을 갖는 로우 n 클래딩 구조와 함께 유연한 도파관(10)을 구비한 전자습윤 광 디바이스를 허용한다. 상기 도파관(10)은, 사용되는 파장들에서 높은 투과율(high transmissivity)을 특징으로 하는 물질들로 만들어질 수 있다. 임의의 표면 결함은 편향(deflection)을 야기할 것이기 때문에 도파관(10)의 상부 및 하부 표면이 중요하며, 이러한 편향이 누적되면, TIR에 의해 포획된 빛이 임계각도 아래로 떨어지게 할 수 있으며 결과적으로 도파관(10)을 빠져나가게 할 수 있다. 또한, 도파관(10)은 확산이 없어야 하는바, 확산은 임계각도 아래로 방사가 진행하게 영향을 줄 수 있다. 도파관(10)의 에지들은 정확히 90도로 절단되어야 하며 그리고 모든 에지들은 완벽하게 평평해야 하는바, 이는 입사 각도(impinging angle)를 임계각도 아래로 초래함이 없이 입사 방사를 반사시키기 위함이다. 도파관(10)의 두께는 광게이트 개구부(96)의 필 팩터(fill factor)를 위해서 중요한데, 소정 영역 상에 충돌하는 포톤의 양은 도파관(10)의 두께에 따라 선형적으로 감소하며 따라서 두께가 절반인 도파관(10)은 주어진 도파관(10) 영역 상에 충돌하는 2배의 포톤을 갖게될 것이며 따라서, 동일한 유효 필 팩터를 획득하기 위하여 50% 적은 개구부 필 팩터를 요구한다. 반사율(reflectivity)을 향상시키기 위하여 로우 n 클래딩(5)이 상기 에지에 부가되며 따라서, 임계각도 위의 입사 방사는 100%의 효율로 TIR 반사될 것이며 그리고 로우 n 클래딩(5)의 뒤에는(behind) 고품질의 정반사성 거울(specular mirror)이 배치되어, 임계각도 아래에서 상기 에지에 충돌하는 빛을 반사시킨다. 에지 미러는 유전체층(3) 및 보호성 래커(lacquer)에 의해서 산소로부터 쉴딩(shielding)된다. 금속층과 전극들(25)이 또한 미러링(mirroring) 물질로 만들어진다면, 금속층과 전극들(25)은 함께 프로세싱될 수 있다. 주요 속성이 높은 반사율이므로 미러링 물질들 중에서, 알루미늄, 은, 금, 크롬 및 다른 금속들이 이용가능하다.
빛의 인커플링(incoupling)(미도시)은 임계각도 위로 빛을 들어가게 하며 그리고 도파관(10)의 설계는, 방사기 흡수되거나 혹은 임계각도 아래로 편향되거나 혹은 광게이트에 의해서 전자습윤 광학 디바이스의 외부로 편향될 때까지, 방사가 도파관(10) 내부에서 재순환되게할 것이다.
이러한 것의 효과는, 광 소스(20)에 의해서 도파관 내부로 진입한 방사는 광자들의 작은 부분들로 나누어질수(parcelled) 있으며, 이는 특정 광게이트 혹은 특정 광게이트 영역에 특별한 광학 변조 수단에 의해 처리될 수 있으며, 이는 많은 수의 서로 다른 광 변조 원리들 및 광학 어플리케이션들을 가능케한다.
적절한 도파관(10)들 중에서 폴리머 물질들은 광학 PMMA, PET, 및 폴리카보네이트이며 그리고 적절한 글래스(glass)는 BK 270, 융용 실리카(fused silica), LCD 글래스 기판 등인바, 이들 모두는 완벽한 표면 특성을 위해서 융용 글래스 처리(fused glass processing)에서 만들어진다. 도파관(10) 물질의 굴절률에 특별한 관심을 기울어야 하는바, 더 높은 굴절률은 도파관(10)과 로우 n 클래딩(5) 사이에서 더 높은 굴절 차이(higher refractive difference)를 제공할 것이기 때문이며, 이는 낮은 임계각도를 가능케하며 그리고 광소스(20)로부터 빛의 효율적인 인커플링을 용이하게 한다. 하지만, 또 다른 고려사항은 저극성 액체(35) 사이의 인덱스 매칭이 있어야 한다는 점인바, 이는 도파관(10)과 저극성 액체(35) 사이의 TIR로 인한 높은 각도 스팬(high angle span of)를 TIR 커팅(cutting)함이 없이 도판관(10)으로부터 저극성 액체(35) 안으로의 아웃커플링을 용이하게 하기 위한 것이다.
흡수 전극(43)의 광학적 기능은 도파관(10)을 탈출한 빛이 비홀더 쪽으로 반사되지 않도록 보장하며 그리고 바람직하지 않은 반사율(reflectance)을 야기하지 않고 전자습윤 광학 디바이스에 충돌하는 주위의 빛(ambient light)이 흡수될 것을 보장한다. 흡수 전극(43)은 주로 디스플레이 어플리케이션에 관련된다.
도면에 도시되지 않은 블랙 매트릭스가 광게이트들 사이에 삽입될 수 있으며 그리고 회로를 위한 공간을 허용할 수 있다. 결합 효과는, 전자습윤 광학 디바이스를 구성하는 상기 층들에 적용된 물질들 간의 낮은 굴절률 차이들과 흡수 전극(43)과 블랙 매트릭스에 의해 획득되는 높은 흡수율(absorptance)이다.
미러 전극(40)(미도시)은 조명을 목적으로 하는 전자습윤 광학 디바이스에서 하나의 대안인바, 왜냐하면 이는 광게이트로부터 FTIR에 의해 아래쪽으로 아웃커플링된 방사가 보는 사람(beholder)을 향해 반사될 수 있게 하기 때문이다. TIR 및 FTIR 아웃커플링의 조합은 매우 효율적이다.
비록, 본 발명의 바람직한 실시예들 모두는 프론트라이트(frontlight)를 그 특징으로 하고 있지만, 상기 시스템이 백라이트(backlight) 솔루션이 되도록 구성요소들을 결합하는 것은 극히 용이함을 유의해야 한다. 특히, 이러한 내용은 조명 어플리케이션들을 위한 솔루션들에게도 적용될 수 있다.
도6은 닫힌 상태의 푸시 & 플러시 광게이트를 도시한 도면이다.
상기 푸시 & 플러시 광게이트는 다음과 같은 차이점들을 제외하면 전술한 디자인과 동일한바, 상기 디자인은 말아올려지지(curl up) 않았으며 그리고 본질적으로 둥근 모양을 형성하지만 직선을 유지하며(stay a line), 여기서 유체들의 횡단 움직임(transverse movement)이 최소화되며 그리고 이동이 요구되는 저극성 액체(35)와 쌍극성 액체(30)의 양이 감소된 단면 면적 때문에 최소화된다.
도7은 오픈 상태의 푸시 & 플러시 광게이트를 도시한 도면이다.
상부 전극(25)에 인가된 전하가 해제된 이후에 상기 저극성 액체(35)가 개구부(96) 영역 안으로 쏟아져들어가면(flush) 상기 광게이트가 오픈된다. 본 발명에 따른 다른 모든 전자습윤 광학 디바이스들처럼 상기 푸시 & 플러시 광게이트는 2개의 액체들을 내부에 구비한 캐패시터이다. 광게이트에 걸쳐서 전하 포텐셜이 인가되면, 쌍극성 액체(30)의 극성은 변할 것이며 그리고 소수성 표면들에 대한 그것의 친화도가 변할 것인바, 따라서 그것은 소수성 영역으로부터 저극성 액체(35)를 밀어낼 것이다(push). 상기 푸시 & 플러시 광게이트는 약간 느린데, 이는 인가된 전기장에 의해서 오직 푸시(push)만이 야기되는 반면에 플러시(flush)는 전기장에 의한 도움을 받지 못하기 때문이다.
도8은 닫힌 상태이며, 전자적으로 제어되는 쌍안정성(bistability)을 갖는 푸시 & 플러시 광게이트를 도시한 도면이다.
통상적인 푸시 & 플러시 광게이트와 매우 유사한 이 디자인에서, 저극성 액체(35)를, 저극성 액체(35)가 상부 전극(25)을 범람하는 때에 전계 강도를 감소시키는 부가적인 유전층으로 이용하는 것이 가능하다.
감소된 전계 강도는, 저극성 액체(35)가 개구부(96) 안으로 쇄도(flush)하는 것을 방지하는데 필요한 전계 강도에 매칭되며 그리고 이는 2개의 상황들 중 하나가 발생하는 때에 전기 전하를 광게이트에 걸쳐 인가함에 의해서 쌍안정성이 생성되게 한다.
도9는 오픈 상태이며, 전자적으로 제어되는 쌍안정성을 갖는 푸시 & 플러시 광게이트를 도시한 도면이다.
쌍안정성은 RGB 기본 색상들을 구비한 3개의 광 소스들을 이용하여 이진 그레이스케일(Grayscale) 및 색상 깊이(colour depth)를 생성하는 다중 프레임들을 갖는 이진 원리(binary principles)에 기초한 디스플레이 디자인에서 하나의 장점이며, 이는 1-2-4-8-16-32-64-128에서 시작하는 에너지 양(energy amount)을 출력한다. 각각의 RGB 기본 색상들은 8비트 해상도를 특징으로 할 것이며 그리고 결합되면 이들은 16,777,216개 색상의 24비트 트루 컬러를 전달할 것이다.
시스템이 이를 달성하기 위해서는, 디스플레이가 보통 하나의 프레임을 보여주는 시간 기간(time span) 내에 24개의 프레임들을 보여줄 필요가 있다. 비디오 프레임레이트(video framerate)는 24이며 이는 상기 시스템이 1 ms 내에 off에서 on으로 스위칭되어야함을 나타내며 그리고 광 소스가 상기 시간 기간 내에 출력할 것을 허용한다. 만일, 우리가 고해상도(high definition) TV를 다루고 있다면, 1080개의 로우(row)와 1920개의 컬럼이 있을 것이다. 패시브 매트릭스에서, 각각의 로우는 배타적으로 하나씩 선택될 수 있으며 그리고 다른 모든 로우들은 총체적으로 동시에 선택될 수 있다. 이러한 것은 상기 시스템이 프레임당 1080×24 = 25,920 번을 어드레싱해야할 필요가 있음을 의미한다. 비디오 프레임레이트에서, 각각의 프레임은 41.6 ms 동안 존속하며 따라서 각각의 로우는 1000 / 24 / 25.92 / 1.000 = 0.0016ms 내에 완료되어야 한다.
100 Hz의 프레임레이트는 선형적으로 더 빠른 스위칭을 요구한다. 쌍안정 푸시 & 플러시 광게이트는 이러한 스위칭 속도에 도달할 것 같지 않으며 따라서 스위칭 속도가 그리 중요하지 않은 조명 어플리케이션에서 더 유용하다.
도10은 닫힌 상태의 푸시 & 푸시 광게이트를 예시한 도면이다.
75% 적은 유체를 포함하는 저극성 액체(35) 내에서 동일한 형상(geometry)을 가지며 저극성 액체(35) 전부가 낮은 n 아일랜드(60)으로부터 개구부(96)로 이동함에 따라 저극성 액체(35)의 양이 더 적어지기 때문에 상기 푸시 & 푸시 광게이트는 더 빠르다. 또한, 낮은 n 아일랜드(60) 내부로 푸싱하는 상부 전극(25)과 개구부(96) 안으로 푸싱하는 상부 전극2(26) 둘다를 가짐에 의해서 획득되는 추가된 힘은, 스위치 속도를 증가시킨다.
도11은 오픈 상태인 푸시 & 푸시 광게이트를 도시한다.
저극성 액체(35)는 개구부(96) 안으로 푸싱된다. 푸시 & 푸시 선택기 로우(row) 전극이 충전되면 광게이트는 상부 전극(25) 혹은 상부 전극2(26) 상의 전위에 따라 스위칭하지만, 상기 전극들 중 하나 상의 전위가 변화하면 광게이트는 그 즉시 다시 스위칭한다. 이는 일시적인 온 혹은 오프 상태가 고속으로 요구되는 디자인에서만 이러한 특별한 광게이트를 유용하게 만들며 그리고 3개의 전극들 중 하나에 대한 전하가 제거된 이후의 상태 소멸(state vanish)은 수용된다. 이러한 특성들은 공통 접지에 기초하는 전자습윤 광학 디바이스에 적합하며 여기서 상부 전극(25)과 상부 전극2(26)는 전체 컬럼을 선택한다.
도12는 닫힌 상태의 푸시 & 푸시 이진 광게이트를 도시한다.
푸시 & 푸시 이진 광게이트는 개구부(96)와 낮은 n 아일랜드(60) 사이에 삽입된 장벽(63) 영역을 제외하면 푸시 & 푸시 광게이트와 유사하다. 상기 장벽(63)은, 상부전극(25) 혹은 상부전극2(26) 중 어느 하나가 저극성 액체(35)를 낮은 n 아일랜드(60)쪽으로 푸시하거나 또는 낮은 n 아일랜드(35)를 개구부(96) 쪽으로 푸시할 때 그것이 장벽(63)을 넘어 플러시하기 전에 그것이 저극성 액체(35)를 높은 접촉 각도로 위쪽으로 먼저 푸시하도록, 친수성이거나 혹은 소수성과 소유성(oliophobic)의 조합이다. 50% 이상의 저극성 액체(35)가 장벽(63)을 넘어 이동하는 때에, 저극성 액체(35)는 장벽(63)의 어느 일측 상의 최대 영역에 더욱 강하게 부착되며 이는 장벽(63)을 넘어 그것을 끌어당길 것이다. 이러한 자기 완료 효과(self completion effect)때문에, 광게이트를 스위치하기 위해서 전하가 인가되어야만 하는데 요구되는 시간이 감소되며 그리고 광게이트는 내재적으로(inherently) 쌍안정하며 뿐만 아니라 진정 이진(is truly binary)인바, 오픈 혹은 닫힌 상태인 오직 하나의 상태 혹은 다른 하나의 상태만이 실행가능하기 때문이다.
고속의 스위칭 속도와 쌍안정성 및 이진 속성 때문에, 이 광게이트는 진정한 디지털 디스플레이에 이상적으로 적합하며 그리고 아날로그 강도 레벨이 요구되지 않는 조명(illumination)에도 또한 적합하다
도13은 오픈 상태의 푸시 & 푸시 이진 광게이트를 도시한다.
고속 스위칭 속도를 위한 요구는 이러한 특정 광게이트의 이진 속성 때문에 더욱 가능해진 몇몇 기법들에 의해서 조금 완화될 수 있으며 이는 이전에 업데이트된 상태에 광게이트가 머물게 허용한다.
디지털 디스플레이 원리는 여러 프레임들 대한 시간 변조에 기초하여 그리고 그 기본 개념에서 가령, 초당 24 프레임인 비디오 프레임레이트 혹은 초당 50 프레임인 고전적인 CTR 프레임레이트, 혹은 초당 100 프레임인 최신의 LCD 프레임레이트 등의 소정의 프레임레이트에 고정된다. 하지만, 비디오 콘텐츠에 따라 시간 변조가 느려지면 안된다거나 혹은 빨라지면 안된다거나 하는 그 어떤 이유도 없으므로, 느린 움직임(slow movement)들을 갖는 비디오 시퀀스들이 빠른 움직임(fast movement)들을 갖는 비디오 시퀀스들 보다 더 많은 프레임에 대해서 변조될 수 있으며 이는 슬로우 무빙 이미지(slow moving image)에 대해서 더 높은 컬러 깊이와 더 우수한 그레이스케일을 생성한다. 이러한 접근법의 결과는 슬로우 무빙 비디오 컨텐츠에서 예컨대, 24 비트 트루 컬러와 패스트 무빙 비디오 컨텐츠에서 8 비트를 보여주는 것이 실행가능해진다는 것이다. 이는 인간의 색상 및 그레이스케일 인지(human colour and grayscale perception)와 일치하며, 이러한 인지는 패스트 무빙 객체(object)에 대해서는 낮으며 그리고 슬로우 무빙 객체에 대해서는 높다.
컬러 필드 시퀀셜 모드는 그 순수한 형태에서, 각각의 광게이트가 또한 하나의 픽셀이라는 개념에 기초한다. 하지만 광게이트들이 픽셀들처럼 앙상블(ensemble)을 이루게 하는 것도 또한 실행가능하다. 만일 2개의 광게이트 하나의 픽셀로 결합한다면(join), 그레이스케일과 컬러 깊이가 2배가 될 수 있다. 이러한 특정한 디자인에서, 여러개의 광게이트들을 임의 개수의 광게이트들을 가질 수 있는 가상 픽셀들(virtual pixels)로 결합하는 것도 실행가능하며 따라서 디스플레이의 특정 영역들에서 해상도를 낮춤으로써 그레이스케일 및 컬러 깊이에서의 증가가 얻어질 수도 있다. 이러한 것은 사람 눈에 인식되지 않고 진행될 것이다. 하지만, 사람의 시각 시스템(vision system)은 주로 콘트래스트에 민감하기 때문에, 이미지의 하이 콘트래스트 영역이 최적의 해상도로 보여진다면 콘트래스트는 상기 방법에 의해 영향을 받지 않을 것이다.
다른 옵션은 속도에 대하여 그레이스케일 및 컬러 깊이를 희생하도록 특정 로우(rows) 및/또는 컬럼(columns)을 따라 광게이트들을 함께 묶는(bin) 것이다. 예를 들어, 와이드스크린 디스플레이 상에서 4:3 포맷으로 TV 콘텐츠를 시청하는 경우, 4:3 이미지 외곽의 임의의 해상도는 필요없으며, 따라서 이들 영역들은 하나의 블랙 픽셀로 단순히 묶여(bin)질 수 있으며, 이는 실제 활성의 4:3 콘텐츠 영역을 변조하기 위한 더 많은 시간을 제공할 것이며 따라서 더 우수한 그레이스케일 및 컬러 깊이가 제공될 것이다. 또한, 당신은 저해상도를 에뮬레이트하기 위하여 광게이트들을 묶음(binning)으로써, 디스플레이 해상도를 저해상도 콘텐츠에 맞출 수 있다.
2개의 전하 전극들을 구비한 모든 광게이트들을 위해 실행가능한 또 다른 옵션은, 액티브 매트릭스 접지(ground)를 채용하는 것이다. 이진 광게이트 디자인을 구비한 상기 구성은 모든 광게이트들을 동시에 어드레싱할 수 있기 때문에 풀 액티브 매트릭스 퍼포먼스(full active matrix performance)에 유사하지만, 닫혀질 광게이트들과 오픈될 광게이트들 모두를 업데이트할 필요가 있는 반면에 상태를 변경할 필요가 없는 것들은 어드레스되지 않는다. 비트당 2개의 프레임이 필요하며 이는 곧 풀 24 비트 트루 컬러 디지털 광게이트 디스플레이를 형성하기 위해서는 48 프레임이 필요함을 의미한다. 48개의 프레임은 540 배나 많은 프레임들을 요구하는 패시브 매트릭스 업데이트 보다 더 적으며 그리고 적어진 프레임 개수는 감소된 스위칭 속도 요건으로 해석되며 결과적으로 더 큰 광게이트 피쳐들을 허용한다. 액티브 매트릭스에 의해 제어되는 접지 전극들은 낮은 n 아일랜드(60)로 스위칭될 모든 광게이트들을 선택하며 그리고 이것이 수행되면 다음으로 개구부(96)로 스위칭될 모든 광게이트들이 선택된다. 스위칭을 필요로 하지 않는 광게이트들은 선택되지 않는다. 물론, 로우(rows) 대신에 컬럼을 통해 어드레싱을 선택하는 것도 가능하며 그리고 전하 전극들의 다른 쌍들에서 무엇이 수행되었는지에 관계없이 오픈 광게이트과 닫힌 광게이트 사이에서 교변하는 선택된 광게이트들을 전하 전극들의 개별 쌍들이 업데이트하게 하는 것도 가능하다. 이진 원리 때문에, 액티브 매트릭스는 제어되는 각각의 접지 전극에게 3개의 인스트럭션들을 전송만 할 수 있도록 간략화될 수 있는바, 최상위 전위로 전하 전극을 충전(charge matching the charge electrode with the highest potential), 최하위 전위로 전하 전극을 충전(charge matching the charge electrode with the lowest potential), 및 충전 안함(no charge)이 그것이다. 디스플레이 어플리케이션에서는, 블랙 레벨을 증가시키기 위해서 흡수 전극(43)을 채용하는 것이 가능하며 반면에 조명 어플리케이션에서는 미러 전극(40)을 채용할 수 있다.
도13A는 (a) 오픈 상태와 (b) 닫힌 상태의 푸시 & 푸시 이진 광게이트를 도시한 도면이다.
도면 (a)에서 저극성 액체(35)는 낮은 n 아일랜드에 위치하는바, 여기서 도파관(10) 내부의 방사는 낮은 n 아일랜드(60)로 사용된 낮은 n 물질과 도파관(10)으로 사용된 높은 n 물질간의 굴절률 차이에 의해 생성된 TIR 때문에 진입할 수 없다. 저극성 액체(35)는 저극성 액체(35) 내부의 표면 장력과 이를 둘러싼 쌍극성 액체(30) 때문에 액적(droplet)을 형성하며, 그리고 상기 액적은 낮은 n 아일랜드(60)와 개구부(96) 사이의 오목부(indention)에 의해서 제자리에 유지된다. 오목부 때문에, 상기 저극성 액체(35)는 낮은 n 아일랜드(60) 혹은 개구부(96) 중 어느 하나에 액적을 형성할 것이다. 그리고 낮은 n 아일랜드(60)에서 개구부(96)로의 천이(transition)(혹은, 개구부에서 낮은 n 아일랜드로의 천이)동안, 저극성 액체는, 천이가 개시되는 소정 위치에 더 많은 저극성 액체가 자체적으로 부착된다면, 일측에서 다른 일측으로의 이동을 완료할 것이다. 상기 디자인의 이진 특성 때문에, 스위칭은 낮은 n 아일랜드(60)와 개구부(96) 둘다의 아래에 있는 전극들을 필요로 한다. 또한, 오목부 원리(indention principle)는 다른 이진 픽셀 디자인에도 적용될 수 있다. 도시된 디자인은 오목부의 양측 혹은 어느 일측에서 둥근(rounded) 형상을 요구하지 않기 때문에 다를 수 있다. 접경하는(bordering) 2개의 영역들 사이에 있는 임의의 오목부는, 표면 장력을 초과하는 압력을 가하지 않을 정도로 저극성 액체(35)와 그 하부 표면 사이의 접촉 각도가 충분히 작다면, 쌍안정 상황(bistable situation)을 생성할 것이다. 저극성 액체(35)가 상기 오목부들에 의해서 수용될 수 있도록, 소수성(hydrophobicity), 친수성(hydrophilicity), 소유성 및 친유성 간의 균형이 이루어져야 한다. 또한, 저극성 액체(35)는, 이를 통해 상기 액체가 이동할 수 있는 복수의 오목부들을 그들 사이에서 생성하는 여러 포인트들을 구비한 소정 형태 내부에 수용될 수도 있다. 특정한 디자인에서, 상기 오목부들은, 도4 및 도5에 도시된 바와 같이 개구부(96)에 의해서 낮은 n 아일랜드가 둘러싸이는 원형의 광게이트를 생성할 수 있다. 도4 및 도5에 도시된 디자인은 오목부들을 도시하고 있지 않으며 그리고 요구되는 전극들의 이중 세트(double set) 역시도 도시되어 있지 않다.
도14는 닫힌 상태이며 토러스(torus) 형상의 광게이트를 도시한 도면이다.
토러스 광게이트 디자인은 푸시 & 푸시 광게이트 혹은 푸시 & 플러시 광게이트 중 어느 하나의 특별한 실시예이다.
푸시 & 푸시 디자인을 갖는 제 1 일례에서, 저극성 액체(35)는 동일한 중앙 포인트(centre point)에 남아있을 것이지만, 낮은 n 아일랜드 외곽의 개구부(96) 영역 안으로 확장하며, 이러한 연결에서 이는 환초(atoll)이거나 혹은 도면에 도시된 바와 같이 환초 상의 콘트랙트(contract onto the atoll)이다.
도15는 열린 상태이며 토러스 형상의 광게이트를 도시한 도면이다.
저극성 액체(35)는 개구부(96) 영역 안으로 확장되며, 이러한 특정 디자인에서 개구부(96) 영역은 환초 내부의 라군(lagoon)의 일부를 또한 커버한다. 토러스 디자인의 형상 때문에, 중요한 측면 치수에서 작은 피처 사이즈를 갖는 매우 큰 전방향(omni directional) 광게이트를 디자인하는 것이 가능하다.
도16은 닫힌 상태이며, 전도성 스페이서 도트(conductive spacer dots)를 구비한 광게이트를 도시한 도면이다. 스페이서 도트 디자인은 스페이서 도트 전극(27)을 도입하며, 스페이서 도트 전극(27)은 도면에 도시된 바와 같이 쌍극성 액체(30)의 층으로 커버되는 저극성 액체(35)의 층을 뚫고 돌출한다.
저극성 액체(35)와 쌍극성 액체(30) 사이의 경계는 스페이서 도트 전극(27)의 둘레에서 균형을 이루고 있는바, 왜냐하면 스페이서 도트 전극(27)의 표면 에너지가 저극성 액체(35)와 쌍극성 액체(30)의 표면 에너지들을 평균화하기 때문이다. 만일, 이러한 균형이 완벽하지 않다면, 스페이서 도트 전극(27)의 둘레의 저극성 액체(35)와 쌍극성 액체(30) 간의 인터페이스는 토폴로지(topology) 변화를 보일 것이다. 임의의 토폴로지 변화는 전자습윤 광학 디바이스로부터의 TIR 및 FTIR 아웃커플링을 야기할 것이다. 하지만, 저극성 액체(35)와 쌍극성 액체(30) 사이의 균형이 적절하지 않다면, 스페이서 도트 전극(27)에 바이어스 전하를 제공하는 것도 가능하며, 이는 균형을 만들어낼 것이며 따라서 저극성 액체(35)로 일부 구성된 도파관(10)을 가능케한다.
도17은 오픈 상태이며 전도성 스페이서 도트를 구비한 광게이트를 도시한 도면이다.
전하가 인가되는 때에, 스페이서 도트 전극(27)의 둘레에서의 저극성 액체(35)와 쌍극성 액체(30) 사이의 경계는 위치를 변경할 것이며, 이는 TIT FTIR 아웃커플링을 생성하는 토폴로지 변경을 야기할 것이다. 아웃커플링된 빛은 미러 전극(40)쪽으로 이동할 것이며 여기서 상기 빛은 도파관(10)을 통해 위쪽으로 반사될 것이며 혹은 도파관(10)을 통해 위쪽으로 이동할 것이다. 스페이서 도트 전극(27)이 경쟁적인 전자습윤(competitive electrowetting)을 위해 직립 표면(upright surface)을 제공하기 때문에, 2개의 유체들에 대해서 요구되는 접촉각도의 변화는 토폴로지 변경에 비하여 좀더 작다. 이는 도파관(10)으로부터 빛을 출력하기 위해서 좀더 낮은 전계 강도 변화를 요구하는 시스템을 초래한다. 스페이서 도트 전극(27)은 도파관(10)으로부터 일정한 빛 누설(constant light leakage)을 야기하는바, 왜냐하면 이들은 도파관에서 한결같은 결함(constant imperfection)이기 때문이다.
누설 효과는 스페이서 도트 디자인을 조명 목적으로만 사용할 수 있게 하는 반면에 상기 디자인은 백라이트 때문에 디스플레이 어플리케이션에는 덜 유용하다.
도18은 광게이트를 제조하는데 유용한 특성들을 갖는 나노임프린트(nanoimprint)를 도시한다.
피제어(controlled) 친수성/소수성/친유성/소유성/굴절률 표면들을 구비한 표면들을 제조하는 2가지 방법이 존재한다. 첫번째 방법은 서로 다른 물질 고유의 표면 속성들의 프린트를 이용하며 그리고 두번째 방법은 나노임프린트 기법에 의해 생성된 나노 구조를 사용하여 표면 속성들을 가공한다.
이들 방법들은 결합될 수 있으며 사실 나노임프린트 솔루션들을 위한 조합이 될 것인바, 이는 물질 고유의 표면 특성들이 나노가공된(nanoengineered) 표면들에 대해 중요한 역할을 하기 때문이다.
고유한 속성 세트에서 필요한 프린트 프로세스는 양호한 정렬을 요구하는데, 이러한 양호한 정렬은 획득하기 어렵다. 따라서, 피쳐 사이즈가 확대되어야만 하는데, 이는 광게이트의 스위칭 속도를 느리게 한다. 또한, 수율(yield)은 서로 부착될 수 있는 서로 다른 많은 물질들에 의존하는바, 이는 매우 복잡한 것이다. 요구되는 유전층은, 유전층의 특성 자체가 제조에 유용한 것이 아닌 한, 표면 속성 제어 물질들 아래에 있어야 하며, 따라서 전계 강도가 약해질 것이며 이는 또한 느린 광게이트를 야기하며 그리고 2개의 유체들의 전자습윤 작용을 획득하기 위하여 더 높은 전압이 인가될 것을 요구한다.
나노임프린트 방법은 표면 특성들을 제어하는 특별한 나노구조를 생성한다. 만일, 물질의 나노구조가 제어된다면, 상기 고유한 표면 특성들이 변경된다. 단일 프로세스 스텝에서 나노임프린트가 수행되는 경우에는, 표면 특성들 간의 정렬 문제가 존재하지 않으며 이는 곧 더 작은 피처 사이즈가 획득가능함을 의미한다. 하지만, 전극들 및 표면 특성들 간의 정렬은 여전히 중요하며 그리고 전극들 및 유전체층(3) 양자의 무결성(integrity) 역시 중요하다.
유전체층(3)은 전계 강도를 보존함에 있어 중요하다. 이산화 탄탈륨, 이산화 하프늄, 및 이산화 실리콘이 대체물로서 유용하다.
특히, 고유전 상수 때문에 이산화 탄탈륨과 이산화 하프늄이 흥미로운데, 고유전 상수는 20-40nm 정도의 얇은 층들이 사용될 수 있게 하며, 이는 전계 강도와 전자습윤 광학 디바이스의 광학 성능을 둘다에 대한 장점이 되는바, 통과하는 방사(passing radiation)는 이렇게 얇은 층을 굴절률을 갖는 물질로 간주하지 않을 것이기 때문이다.
친수성 구조(83)는 저극성 액체(35)를 포함하기 위해서 광게이트 디자인에서 이용되는바, 통상적으로 물을 기초로 하는 쌍극성 액체(30)는 친화성을 가질 것이며 반면에 통상적으로 오일을 기초로 하는 저극성 액체(35)는 저지(deter)될 것인 소정 표면을 단지 제공함으로써, 저극성 액체(35)가 포함된다. 굴절 가공 구조(refractive engineering structure)(84)는 서로 다른 굴절률들을 갖는 2개의 물질들을 함께 혼합(mix)함에 의해서 기능하는바 따라서, 빛은 혼합된 물질들을 구비한 층을 각각의 굴절률을 갖는 2개의 물질들의 결합된 굴절률을 갖는 층으로 보게될 것이다. 회절 구조(diffractive structure)(81)는, 통제되는 방식(controlled fashion)으로 생성되기 위해서 프린트 프로세스를 항상 필요로 하는 매우 큰 빛 제어 구조(large light controlling structure)이다. 소수성 구조(82)는 저극성 액체(35)를 끌어들이기 위해서 이용된다. 다음을 유의해야 하는바, 가령, 친유성, 소유성 등과 같은 또 다른 특정한 표면 특성들이 나노임프린트에 의해서 또한 생성될 수 있으며 그리고 가령, 소수성과 소유성 둘다인 표면과 같은 서로 다른 표면 속성들을 결합하는 표면들이 또한 생성될 수 있다. 그리고 굴절률은 가공되고, 회절 구조에 적합해질 수 있다. 또한, 서로 다른 속성들이 함께 섞일 수도 있을 뿐만 아니라 특정한 디자인 선호에 따라 서로 다른 특성들이 약하게 혹은 강하게 만들어 질 수 있도록, 서로 다른 속성들이 제어될 수 있다. 이러한 다양성의 이유는 서로 다른 구조들의 스케일의 차이 때문이다.
나노임프린트가 박막 필름 공정(thin film processing)에 우호적(benign)이라는 것이 나노임프린트의 중요 장점이다. 바람직한 실시예에서 도파관(10)은 프린트된 구조들을 구비하는 박막 필름인바, 프린트된 구조들은, 저극성 용액(35)이 자체적으로(it self) 부착되는 영역들을 포함할 수도 있도록 또한 소유성인 친수성 영역, 낮은 n 굴절률을 가지며 그리고 저극성 액체(35)가 자체적으로 부착되고 이와 동시에 도파관(10) 내부에서 TIR에 의해 포획된 빛과 상기 저극성 액체(35)가 광학적으로 상호작용하는 것이 방지되도록 소수성이면서 친유성인 영역들, 저극성 액체(35) 및 도파관(10)과 매칭되는 굴절률을 가지며 그리고 저극성 액체(35)가 자체적으로 부착되며 도파관(10) 내부에서 TIR에 의해 포획된 빛과 상기 저극성 액체(35)가 광학적으로 상호작용할 수 있는 소수성이면서 친유성인 영역들을 생성한다.
서로 다른 속성들의 등급들을 구비한 이러한 3가지 종류의 영역들은, 본 명세서에 개시된 광게이트 디자인들을 설계하기에 충분하다. 바람직한 실시예에서, 전극들 및 유전체층(3)은 나노가공된 구조(nanoengineered structure)의 최상부(top) 상에 위치하지만, 전극들 및 유전체층(3) 둘다는 박막 필름의 다른 측 상에 위치할 수도 있음을 유의해야 한다. 또한, 상기 박막 필름은 PET 혹은 유전체층(3)으로서 적합한 다른 폴리머로 만들어질 수 있다.
제조 공정은 다음과 같을 수 있다.
박막(thin film)이 포토레지스트로 클래딩된다.
나노구조들 및 마이크로구조들을 포함하는 스탬프에 의해서 포토레지스트 내에 구조들이 임프린트된다.
스탬프가 포토레지스트와 접촉하는 동안 UV 큐어링이 수행된다.
상기 구조들의 최상부 상에 전도성 표면이 형성된다.
상기 전도성 표면이 포토레지스트로 클래딩된다.
포토레지스트가 마스킹 및 현상된다.
현상되지 않은 포토레지스트가 제거된다.
포토레지스트에 의해 보호되지 않는 전도성 표면이 리프트 오프된다.
전도성 영역 위의 포토레지스트가 제거된다.
전도성 영역 위에 유전체층(3)이 형성된다.
안티 전하 트래핑(Anti charge trapping)
유전체층(3)은 이온들의 존재에 의해 영향을 받는데 이는 양단의 전압이 이온들을 끌어당길 것이며 그리고 전하 트래핑을 유발하기 때문이며, 전하 트래핑은 전자습윤 작용을 방해할 것이다. 전하 트래핑을 방지하는 수단으로서, 전하들을 이미 트랩하고 있는 긴 폴리머 체인(long polymer chain)이 가용성 물질(soluble)로서 물에 부가될 수도 있으며 혹은 표면에 프린트될 수도 있다. 이러한 입장(in this capacity)에서는 콜로이드가 유용하다.
도19 보조 층들(Auxiliary layers)
빛의 방출을 제어하기 위해서 최상위 표면(1) 아래에서 전자습윤 광학 디바이스에 보조 층들을 삽입하는 것이 가능하다.
설명된 전자습윤 광학 디바이스들과 함께 인광체(phosphor)(100), 빔 쉐이핑 옵틱스(beam shaping optics)(101) 및/또는 LC 소자들(104)을 채용함에 따라, 다양한 어플리케이션들을 생성할 수 있다.
이러한 어플리케이션의 일례는 스캐닝 백라이트(scanning backlight)인바, 여기서 인광체(100) 층은 도파관(10) 위의 낮은 n 클래딩(5) 위 및 최상부 표면(1) 밑에 위치할 수 있다. 스캐닝 백라이트 어플리케이션은 모든 유형의 전자습윤 광학 디바이스와 함께 구현될 수 있으며 여기서 광게이트들은 로우 혹은 컬럼의 전체 길이를 스트레치한다. 형광체층은 광 소스(20)로부터의 짧은 파장들을 가시 스펙트럼으로 변환할 것이며, 이는 초기(primary) 컬러 LED 보다 매우 효율적이며 그리고 훨씬 더 파워풀한 고휘도(high brightness) UV LED의 이용을 가능케 한다. 또한, 상기 형광체를 LED로부터 분리함에 의해서, LED 칩 및 형광체층 둘다의 내부에서 상호간에 해로운 열 생성을 방지하는 것이 가능해졌으며 그리고 더욱 양호한 LED 열 관리를 획득할 수 있게 되었다. 또한, 형광체로부터의 열 생성은 LED 칩에 대한 최대치 이상으로 온도를 조기에 상승시킬 수 있으며 따라서 이는 최대 LED 출력을 감소시킬 수 있음을 유의해야 한다. 또한, 증가된 열 생성은 LED 칩과 형광체 둘다의 열화를 가속시킨다. 하지만, 다음을 유의해야 하는바, 전자습윤 광학 디바이스는 또한 형광등(fluorescent tube)에도 적용될 수 있다.
형광체는 본질적으로 등방성(isotropic)이므로, 방사는 모든 방향으로 진행할 것이지만, 낮은 n을 갖는 낮은 n 클래딩(5)은 변환된 빛의 대부분을 비홀더쪽의 방향으로 TIR 반사할 것이다. 아래쪽으로 계속 진행하는 방사의 일부는 미러 전극(40)의 사용에 의해 재순환될 수 있다. 변환된 방사가 형광체 층을 지나 통과하는 경우, 형광체 층은 확산기(diffuser)로서 역할한다. 최상부 표면(1) 위에는 DBEF 필름으로 시작하는 통상적인 LCD 설계가 위치할 수 있다.
스캐닝 백라이트에 대한 다른 실시예에서, 가령, 프리즘 쉬트(prism sheet) 혹은 형광체의 특정 영역으로부터의 빛이 어디에 조사될 것인지를 제어하는 회절형 광학 소자(diffractive optical element) 등과 같은 빔 쉐이핑 옵틱스(beam shaping optics)(101)의 기능성을 확장하는 것도 가능하다. 백라이트 디자인의 영역 선택 속성(area selective nature)과 결합하여, 넓은 시야각(wide view angle) 혹은 좁은 시야각에서 확산(spread)되는 빛을 전송하는 로우들 혹은 컬럼들을 선택하는 것이 가능하게 되었다. 이러한 기능은 전력 절감에 특히 유용한바, 비홀더를 향하는 방향 이외의 방향으로 보내지는 에너지가 없어지기 때문이다.
스캐닝 백라이트에 대한 실시예에서, 특정한 로우 혹은 컬럼 광게이트들은 인광체(100) 층 밑의 빔 쉐이핑 옵틱스(101) 층을 선택하는바 이는 방출을 왼쪽 방향 혹은 오른쪽 방향으로 다이렉트하며 따라서 왼쪽 눈과 오른쪽 눈으로 이미지를 교번 출력하는 스캐닝 백라이트가 구현되며 백라이트는 임의의 노말 LC(104) 소자를 입체 컨텐츠(stereoscopic contents)를 디스플레이하는 액정 디스플레이로 변환할 수 있다.
스캐닝 백라이트에 대한 실시예에서, 왼쪽 및 오른쪽으로 전송하는 로우들은 로우들로 분할될 수 있으며 여기서 상기 인광체는 UV를 적색광 혹은 녹색광 혹은 청색광으로 배타적으로(exclusively) 변환한다. 따라서, LCD에서 베이어 필터(Bayer filter)를 제거하는 것이 가능해지며 그리고 컬러 필드 시퀀셜 모드(colour field sequential mode)에서 구동할 수 있다. 베이어 필터는 통상적인 LCD 백라이트 유닛으로부터 방출되는 광자들의 대략 75%를 소모하므로, 이는 상당한 장점이 된다. 또한, 컬러 필드 시퀀셜 모드로 스위치하는 경우에는, 1080 × 1920 HDTV 에서 요구되는 픽셀들의 개수가 1/4로 감소하는바, 이는 액티브 백라이트가 부가되는 경우라 하더라도 상기 디자인이 복잡도를 감소시킬 수 있게 한다. 짙게 포화된 청색 및 적색 인광체(deep saturated blue and red phosphors)를 구비한 보조(auxiliary) 광게이트들이 부가될 수 있으며 그리고 특정 프레임에서 사용되어 여분의 포화 색상들(extra saturated color)이 바람직한 이미지들의 일부분들을 강조(accentuate)할 수 있다. 또한, 상기 선택된 인광체들은 협대역 방출(narrowband emission)을 위해서 선택될 수 있으며 그리고 헬름홀츠 코라우스 효과(Helmholtz Kohlraus effect)를 통해 비홀더가 인지하는 휘도(beholder perceived brightness)를 증가시킬 수 있다.
스캐닝 백라이트에 대한 실시예에서, 상기 로우들은 또한 광 소스(20) 출력 스펙트럼에 대해 양호한 매치가 획득되도록, 약간씩 다른 여기 스펙트럼(excitation spectra)을 갖는 인광체들 사이에서 선택한다. 이러한 장점을 얻기 위하여, LED 방출 스펙트럼과 인광체들의 여기 스펙트럼 간의 매칭에 대한 측정이 이루어져야 하며 그리고 이러한 것은 하나 이상의 포토 센서를 최상부 표면(1)에 부가하고 그리고 안티글래어(antiglare)와 유사한 가느다란 토폴로지(slight topology)를 최상부 표면(1)에 도입하거나 혹은 최상부 표면(1)을 통과한 빛의 작은 일부분이 최상부 표면(1)의 가장자리(rim)까지 계속되도록 최상부 표면(1)을 약간 테이퍼링(tapering)함에 의해서 수행될 수 있으며 여기서 포토 센서는 에너지를 측정한다. 가장 양호한 매치는 포토 센서가 최대의 에너지를 출력하게 하는 단순한 매치이다. 포토 센서의 또 다른 활용은, LED 방출의 타이밍과 UV가 인광체에 입사하는 경우에 이로부터 발생하는 방출에 반응하기 위하여 인광체가 요구하는 시간 기간을 포함하는 LCD 업데이트를 매칭시키는 것이다.
스캐닝 백라이트에 대한 실시예에서, 전술한 것을 포함하는 모든 옵션들은 하나의 패키지에 결합되며, 이 경우 넓은 각도(wide angle) 혹은 좁은 각도에서 출력하는 인광체(100) 밑의 빔 쉐이핑 옵틱스(101) 층을 선택하는 부가된 광게이트 로우들 혹은 컬럼들이 또한 존재한다.
만일, 넓은 시야각 및 좁은 시야각, RGB 인광체들, 서로 다른 여기 스펙트럼을 갖는 2 세트의 인광체들, 그리고 왼쪽 및 오른쪽 옵틱스 소자들(left and right optics elements)을 포함하는 모든 피처들이 결합된다면, 상기 디자인은 순차 반복(in sequential repetition)에서 2×3×2×2 = 24 개의 광게이트들을 가질 필요가 있는바, 이는 비홀더의 요구사항에 따라 서로 다른 광학 변조들(optical modulations)을 선택한다. 백라이트 유닛 사이의 너무 먼 거리를 회피하기 위하여, 상기 24개의 반복되는 광게이트들은 지그 소우 패턴(jig saw pattern)으로 만들어질 수 있다.
또한, 모아레 현상(Moire effect)을 고려하면, 인광체 위의 모든 층들의 반복성(repetitive) 패턴들은 변화가 있어야만 하는바, 이는 모아레 패턴(Moire pattern)을 회피하기 위한 것이다. 전술한 바와 같은 서로 다른 백라이트 디자인은 모두 각각의 광게이트 위에 필요한 백라이트 강도(intensity)를 예견하는 고급 알고리즘(advanced algorithm)들과 결합될 수 있으며 그리고 RGB 컬러 필드 시퀀셜 모드를 포함하여 수행될 수 있다. 상기 강도는, 서로 다른 듀티 싸이클로 광 소스(20)를 펄싱함에 의해서 및/또는 광 소스(20)에 제공되는 에너지를 변화시킴에 의해서 및/또는 스캔 포지션의 존속기간(duration of scan position)을 변화시킴에 의해서, 변화될 수 있다. 후자는 LCD가 실제로 업데이는 되는 경우에만 스캐닝 백라이트가 계속 온(on) 되도록 매치하기 위해서 LCD의 스캔 레이트가 함께 제어(co-controlled)될 것을 필요로 할 것이다.
서로 다른 레벨의 개선점(refinement)으로 스캐닝 백라이트가 어떻게 만들어질 수 있는지가 앞서 상세히 설명되었다. 동일한 개선점(refinement)들이 다이내믹 백라이트에도 적용될 수 있는바, 여기서 백라이트는 푸시 & 푸시 액티브 매트릭스 접지 선택기(73)를 이용하여 설계되며, 이는 LC 소자들(104) 뒤의 매트릭스에서 광게이트들의 어드레싱을 가능케한다. 넓은 시야각 혹은 좁은 시야각, 왼쪽 혹은 오른쪽 방출, R 혹은 G 혹은 B 순차 컬러 필드, 포화된 프레임들의 부가, 인광체 여기 스펙트럼과 LED 방출 스펙트럼과의 매칭을 포함하는, 상기한 스캐닝 백라이트 어플리케이션에서 보여진 모든 구성요소들은, 단일 광게이트에 대한 액티브 매트릭스 선택과 결합되어 이용될 수 있으며, 이는 백라이트 방출의 강도가 백라이트 유닛 및 LC 소자(104) 둘다에 의해서 공동 변조(co-modulate)될 수 있게 하는바, 이는 비디오 콘텐츠에 의해 요구되는 다이내믹스(dynamics)와 매칭하기 위함이다.
백라이트 디자인 원리들은 또한 가령, 자동차 헤드램프와 같은 다른 어플리케이션들에도 적용가능하다. 자동차 헤드라이트에서, 전자습윤 광학 디바이스는 다음과 같은 점이 요구된다.
● 자동차의 균형(balance)에 따라 등(light)을 균형잡히게 한다. 이는 헤드라이트의 아래위 방향에 영향을 미칠 것이다.
● 라이트 끄기(close up light), 거리등(distance light), 안개등(mist light) 및 위치등(position light) 간을 전환한다.
● 왼쪽 및 오른쪽 커브쪽으로 라이트를 회전한다(turn).
● 좌측통행(left road driving) 혹은 우측통행에 대해 헤드라이트를 설정한다.
● 왼쪽 혹은 오른쪽으로 라이트를 깜박인다.
● 거리 법칙(distance law)을 보상하기 위하여 가까운 필드(close field)는 더 적은 광자를 얻고 그리고 먼 필드(far field)는 점진적으로 더 많은 광자를 얻도록 헤드라이트로부터의 강도를 분산시킨다. 그리고 이는 전방의 도로 및 장애물(obstacle)에 대한 최적의 조명을 가능케한다.
● 여러 색상의 장식 요소들(decorative elements)을 보여준다.
전술한 모든 설정들과 그 이외의 것들은 스캐닝 백라이트를 형성하는데 적용된 것과 동일한 기술들을 이용하여 구현될 수 있다. 만일, 서로 다른 3개의 균형 설정들(balance settings), 아울러 가까운 필드 점등(near field lighting), 먼 필드 점등(near field lighting), 안개등 점등(mist lighting) 및 위치등 점등(position lighting), 아울러 좌측통행 및 우측통행 설정 아울러 좌측 턴(left turn) 및 우측 턴 설정 및 이에 부가하여 좌측 및 우측으로 전등을 깜박임(blink)을 제공하고자 한다면, 전부 3×4×2×2 = 48개의 반복하는 광게이트들(48 lightgates in repetition)을 필요로하며, 그리고 좌측 및 우측 전등 깜박임(left and right blink light)을 부가하고자 하는 경우에는 액티브 컬럼 광게이트들을 어드레스하는 것이 바람직하다.
헤드라이트에서 최상부 표면(1)은 매우 단단해야할 필요가 있는데, 예컨대, 압착 유리(press glass) 혹은 몰딩된 폴리카보네이트(moulded polycarbonate)를 최상부 표면(1)으로 이용하면 이는 문제가 되지 않는다.
헤드라이트를 실장(mounting)하는 것은 표준 헤드라이트에 비하여 매우 용이한데, 왜나하면 폼 팩터(form factor)는 얕은 깊이를 제공하며, 이는 자동차 차체가 헤드라이트의 전기적 연결을 위한 작은 구멍들만을 가지면 되는 디자인을 허용하기 때문이다. 채용된 빔 쉐이핑 옵틱스(101) 층은 매우 경사진 프로파일을 허용할 수 있으며, 이는 공기역학적 특성뿐만 아니라 디자인적으로도 심미감을 향상시킨다. 또한, 전술한 바와 같이 구부릴수 있는(curvable) 전자습윤 광학 디바이스를 생성할 수 있다는 점은, 디자이너들에게 훌륭한 기회를 제공할 것이다.
본 발명의 일실시예에서는, 스캐닝 백라이트와 유사한 전자습윤 광학 디바이스가 이용되어 조정가능한(tuneable) LED가 형성되는바, 이는 가시 스펙트럼에 걸쳐 색채광(coloured light)을 출력할 수 있으며 또한, 연색지수(color rendering index : CRI)가 95% 보다 큰 백색광을 출력할 수 있다.
통상적인 고휘도 UV LED는 인광체들의 고정된 혼합물을 가지며, 이들은 LED 칩에 매우 가깝게 함께-위치(co-locate)되기 때문에 변환된 방출(converted color)의 색상을 조정하는 것이 불가능하였다. 고휘도 LED들의 배치(batch)가 제조되는 경우, 많은 이유들 때문에, 방출 스펙트럼의 변동 및 lm/w의 변동이 항상 존재할 것이다. 일반적으로, 백색 인광체 혼합물들은 그들의 여기 스펙트럼에 대한 정확한 매치를 요구하기 때문에, 성능에 따라 특히 방출 스펙트럼에 따라 LED들이 정렬되어야 한다. 필요요건들을 만족시키지 못하는 LED들은 할인되어 판매되며 그리고 LED들을 서로 다른 빈(bin)으로 정렬시키는데 필요한 공정 스텝들은 매우 고가이다. 전자습윤 광학 디바이스는 배치 내의 모든 고휘도 UV LED들 채용할 수 있으며 따라서 수율을 증가시키며 그리고 서로 다른 빈(bin)들로 정렬시키는 비용을 절감할 수 있다.
센서 기록치의 계산에 기초하는 방출 스펙트럼과 여기 스펙트럼간의 매칭에 대한 고유한 정확도 때문에, 개별적인 다수의 전자습윤 광학 디바이스들에 대하여 동일한 컬러 및 강도를 매칭하는 것이 가능해진다. 대부분의 광 소스들은 그들의 수명 동안에 효율성을 상실하며 그리고 색온도 변동(color temperature shift) 뿐만 아니라 시간이 지남에 따른 열화(ageing degradation)를 경험한다. LED들도 예외는 아니며, 따라서 동일한 조명 설계에서 균일한 색상과 강도를 출력하는 여러개의 LED 기반 램프들을 갖는 것은 거의 불가능하며, 이는 조명(lighting) 디자이너들이 당면한 주요 문제점이다. 빌트인(built in) 센서들은 LED 방출들간의 다크 싸이클에서 주위의 광 레벨(ambient light level)을 또한 측정하며 그리고 상기 조정가능한 LED는 주위의 광과 혼합된(blended) 광을 출력할 수 있는데, 이는 광의 세기를 소정 레벨로 유지하기 위한 것이다.
컬러 매치와 주위 혼합(ambient blend)을 계산하는 CPU는 예컨대 Z-wave 혹은 지그비(Zigbee)를 구동하는 송수신기를 장비하며 따라서, 상기 조정가능한 전자습윤 광학 디바이스를 원격으로 제어할 수 있다. 이러한 설비는 성능 제어를 가능케하며, 여기서 CRI를 바람직한 레벨에 매칭함에 의해서 최대 출력이 첫번째로 조사되며 그리고 두번째로 강도가 피크 출력에 도달할 때까지 강도를 증가시킨다. 최대 출력이 찾아지면, 듀티 싸이클, 전압 및 암페어를 변경함에 의해서 바람직한 CRI에 대한 최상의 lm/W 비율이 언제 획득되는지를 측정함으로써 최대 출력 효율이 조사된다. 이러한 정보는 비용 및 환경을 의식하는 설비 관리자에게 매우 유용할 것인바, 왜나하면 상기 조정가능한 전자습윤 광학 디바이스는 유지하기에 너무 고가인 경우에는 대체되어야만 하며 그리고 작동을 멈춘 경우에는 대체되지 않는다. 교체를 결정하기 위하여 진행하는데 필요한 공식(equation)은 설비 관리자에게 제공되는 소프트웨어의 일부분이 될 수 있으며 그리고 인터넷을 통해 업데이트될 수 있다. 따라서 매번 더 좋은 성능을 갖는 신규한 전자습윤 광학 디바이스가 이용가능해지며 그리고 LED 효율의 지속적인 개선의 결과, 설비 관리자는 신뢰성 있는 회수 시간 계산(payback time calculation)을 얻을 수 있는바, 이는 교체의 경제성과 환경적인 이익 둘다를 설명한다. 조정가능한 전자습윤 광학 디바이스에 대하여 설비 관리자에게 수집된 데이터는 실생활의 조명 체계들이 어떻게 운영되는지를 확립하는데 이용될 수 있으며 그리고 이러한 데이터에 기초한 상기 조명에 대한 다른 프로그래밍에 관한 연구는 시스템 기반 상에서 에너지 절약을 위한 기초를 형성할 수 있다.
원격 제어로 인해, 사용자는, 색온도와 강도를 포함하는 사용자의 요구사항에 따라 조명을 설정할 수 있다.
다른 램프에서 통상적으로 이용되는 근접 센서(proximity sensor) 역시도 무선 통신을 통해 연결될 수 있으며 혹은 조정가능한 전자습윤 광학 디바이스에 설치될 수 있다. 사람이 근처에 없는 경우, 이에 대한 반응은, 전등을 전부 끄거나, 전등을 희미하게 하거나 혹은 CRI를 낮은 값으로 설정하는 것 중 하나가 될 수 있는바, 여기서 높은 CRI 값들에 대해 lm/W 비율이 더 낫다(the lm/W ratio is better than for high CRI values).
본 발명의 다른 실시예에서 전자습윤 광학 디바이스는 디스플레이로서 기능한다. 도3(c는 예외)에 도시된 전극들의 서로 다른 구성을 구비하며 도2와 도4 내지 도17에 도시된 모든 광게이트들은 디스플레이 어플리케이션에서 기능할 것이지만, 서로 다른 광게이트들을 채용하는 디스플레이들의 성능에서는 상당한 차이가 있을 수 있다. 푸시 & 플러시 광게이트 유형은, 확장되는 때에, 커버되는 개구부 영역을 증가시킨다. 둥근 형상 및 토러스 형상의 푸시 & 플러시 디자인은 영역들을 지수적으로 증가시키는바, 이는 가령, 플라즈마 디스플레이, 액정 디스플레이 OLED 디스플레이 및 다른 현존하는 디스플레이 등에서 찾아볼 수 있는 선형 픽셀들 보다 대수적인 인간의 시각 시스템(logarithmic human vision system)에 더 잘 매칭된다. 선형 픽셀들은 그레이스케일에 관한 문제점을 갖는데, 왜냐하면 인가된 전하의 불확실성(uncertainty)과 픽셀 성능이 방출(emission)에 상관없이 똑같이 크기 때문이며 이는 상대적인 부정확성(inaccuracy)이 저레벨 방출에서 상당히 높다는 것을 의미하며, 저레벨 방출에서 인간의 시각 시스템은 흠결들을 기록하도록 가장 잘 적응된다. 가령, 둥근 광게이트와 같은 지수적인(exponential) 광게이트들의 경우, 많은 양의 전하가 이용되어 저극성 액체(35)를 높은 접촉 각도들 안으로 푸시할 때에 최상의 정확도가 획득되는바, 여기서 저극성 액체(35)는 상기 개구부(96)의 최소 영역을 커버한다. 둥근 형상 및 토러스 형상의 푸시 & 플러시 광게이트 둘다는, 저극성 액체(35)의 정확한 포지셔닝을 요구하기 때문에, 디스플레이를 제어하기 위하여 액티브 매트릭스의 사용이 요구된다. 출력에서의 차이들은 각각의 광게이트에 대해 혹은 디스플레이의 영역들에 대해 커플링 센서들의 사용에 의하여 완화될 수 있으며 그리고 광게이트로부터의 출력을 여러 프레임들에 대해서 시간 변조함에 의해서 잉여(surplus) 혹은 부족(deficit) 출력을 보상한다. 시간 변조는 또한 더 우수한 그레이스케일을 만들 수 있는데 왜냐하면 LED들은 순차적인 프레임들(in sequential frames)에서 교번하는 강도(alternating intensity)로 구동될 수 있기 때문이며 따라서 강도에 있어서의 미세한 차이들이 구현될 수 있다.
적어도 RGB 광 소스들(20)이 도파관(10)에 연결되어 있다면, 컬러 필드 시퀀셜 모드가 실행가능하다. 짙게 포화된 컬러들을 갖는 프레임들은 정상적인 RGB 프레임들 사이에 삽입될 수 있는데, 짙게 포화된 컬러들을 갖는 광 소스들(20)이 도파관에 부착된다면 그러하다. 이미지의 특정 부분들을 강조하기 위하여, 상기 짙게 포화된 컬러들이 채용될 것이다.
픽셀 필 팩터가 100% 보다 작은 모든 디스플레이는 픽실레이션 효과의 도시를 중지할 것이다(will close up show a pixilation effect). 그리고 라운드 푸시 플러시 광게이트 디자인의 경우, 스위치 속도가 충분히 고속인 광게이트를 디자인하기 위해서는 필 팩터가 낮아야 한다. 픽실레이션을 중화시키기 위하여, 빔 쉐이핑 옵틱스(101) 층은 광게이트로부터의 광을 확산하도록 적응될 수 있으며 그리고 빔 쉐이핑 옵틱스(103) 층2는 시야각(viewangle)을 조절하도록 적응될 수 있다. 디스플레이의 외양(appearance)은 픽셀들이 끊김없이(seamlessly) 중첩된 그런 모양이 될 것이다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 패시브 매트릭스 푸시 & 플러시 광게이트들이 이용되어, 전술한 것들 대신에 패시브 매트릭스에 기초한 이진 디스플레이를 생성한다. 모든 칼라 시퀀셜 모드 기법들이 적용가능하며 따라서 이는 안티 픽실레이션 디자인(anti pixilation design)이다. 패시브 매트릭스 디스플레이는 한번에 하나의 로우 혹은 하나의 컬럼만을 업데이트하도록 제한된다. HDTV의 경우, 프레임당 1080개의 로우들 × 1920개의 컬럼들이 업데이트되어야 한다. 24비트 트루 컬러 모드는 컬러 시퀀셜 이미지 프레임 당 25920개의 업데이트들을 필요로 할 것이다. 만일, 광게이트들이 서브-픽셀들(sub-pixels)처럼 운용된다면, 업데이트들의 개수는 감소할 수 있다. 2개의 광게이트 픽셀들 디자인(two lightgate pixels design)은 필요한 업데이트들을 반분할 수 있으며 그리고 4개의 광게이트 픽셀들 디자인은 이를 또 반분할 수 있다.
변화하는 개수의 광게이트들을 갖는 플로팅 픽셀들도 실행가능하다. 상기 이진 원리는 상기 광게이트가 닫힌 상태 혹은 오픈 상태인 2개의 상태들 중 오직 하나의 상태에 있어야 함을 요구한다. 푸시 & 플러시 디자인에서, 바이어스 전하를 업데이트되지 않은 로우들에 도입함에 의해서 이진 상태가 생성될 수 있다. 이진 전하(binary charge)는 광게이트가 닫힌 상태인 도8에 도시된 낮은 n 아일랜드(60) 상에 저극성 액체(35)를 푸시하는데 필요한 힘에 필적해야만 하며 그리고 이와 동시에 개구부(96)의 먼 경계(far border)로부터 저극성 액체(35)를 멀리 푸시하는데 필요한 최대 힘보다 작아야 한다. 상기 디자인은 유전체층(3) 아래의 상부전극(25)의 최상부 위에 저극성 액체(35)가 유전체층(3)의 일부가 되어야 함에 의존하며 이는 더 두꺼운 치수 때문에 낮아진 전계 강도를 생성하며 이는 전체 개구부(96)를 커버하는 저극성 액체(35)를 가동시키기 위한 바이어스 전하에 의해 생성되는 것보다 높은 전압 차이를 필요로 한다. 유전체층(3)을 두껍게하는 저극성 액체(35)에 의해서 전계 강도가 제한되지 않는한, 바이어스 전하는 저극성 액체(35)를 낮은 n 아일랜드 위로 밀어올릴 수 있다. 따라서 광게이트가 닫혀지면, 바이어스 전하가 인가되어야 하기 이전의 시간은 상부전극(25)을 지나서 저극성 액체를 다시 플러시(flush)하기 위한 첫번째 업데이트에 필요한 시간과 대등하다. 바이어스 전하는 광게이트가 닫히거나 혹은 열리는 때에만 오직 인가될 수 있다. 따라서 푸시 & 플러시 디자인에서는, 저극성 액체(35)에 의해서 마지막 개구부(96)가 완전히 커버되지 이전에 광게이트의 업데이트를 시작하지 않을 것이 요구된다. 다음으로, 상부전극(25)에 전하를 인가함에 의해서, 상기 저극성 액체(35)는 낮은 n 아일랜드(60) 위로 푸시된다. 저극성 액체(35) 플러시(flush)를 방지하기 위해서, 전하를 전체 상부전극(25)에 인가할 수 있으며 반면에 모든 푸시 & 플러시 로우 선택기 전극들(70)은 바이어스 전하로 충전된다.
전자습윤 광학 디바이스의 다른 실시예에서, 도10 및 도11에 도시된 푸시 & 플러시 디자인이 채용된다. 개구부(96)를 커버하기 위한 상기 플러시(flush)는 추가 상부전극2(26)에 의해서 가속된다. 설명된 바와같은 차별적인(differential) 구동 방식이 채용될 수 있다.
전자습윤 광학 디바이스의 다른 실시예에서, 도12 및 도13에 도시된 푸시 & 푸시 디자인이 채용된다. 광게이트를 둘러싸는 소유성 영역(62) 보다 약간 덜 소유성인 장벽(63) 영역 때문에, 상기 저극성 액체(35)는 개구부(96) 상에 혹은 낮은 n 아일랜드(60) 상에 수용될 것이다. 저극성 액체(35)가 장벽(63) 양단의 어느 일측으로부터 천이(transition)하는 때에, 저극성 액체(35)와 가장 많이 접촉하고 있는 어느 일측은, 심지어 전하가 제거된 경우에도 저극성 액체(35)를 장벽(63) 너머로 끌어당길 것이다. 이러한 자기 완료 효과(self completion effect)는 광게이트를 업데이트하는데 필요한 시간을 감소시키며 그리고 시스템의 이진 속성때문에 푸시 & 푸시 로우 선택기 전극(71) 상의 그 어떤 바이어스 전하도 필요하지 않다. 이진 상태는 광게이트를 통해 광 소스(20) 에너지를 파이어(fire)하는 더 긴 시간을 가능케한다.
전자습윤 광학 디바이스의 다른 실시예에서는, 도3d에 도시된 푸시 & 푸시 액티브 매트릭스 접지 선택기 전극(73)과 함께 도12 및 도13에 도시된 푸시 & 푸시 디자인이 채용된다. 이러한 디자인에서, 요구되는 스위치 속도는 감소되는데 왜냐하면 24비트 트루 컬러를 갖는 하나의 프레임을 생성하는데 총 48개의 서브-프레임들만이 필요하기 때문이다. 첫번째로, 상부전극(25)과 상부전극2(26)은 다음 업데이트가 광게이트를 오픈시킬지 혹은 닫을지를 선택한다. 다음으로 푸시 & 푸시 액티브 매트릭스 접지 선택기 전극(73)은 어떤 광게이트들이 업데이트되어야 하는지를 선택한다. 두번째로 푸시 & 푸시 액티브 매트릭스 접지 선택기 전극(73)이 어떤 광게이트들이 업데이트되어야 하는지를 선택하기 이전에 상부전극(25)과 상부전극2(26)의 전위가 반전된다. 업데이트가 필요없는 광게이트들은 변경되지 않는 채로 남아있는다.
도20은 오픈 및 닫힌 상태인 반전된 액적을 구비한 광게이트를 도시한다.
최상부 표면(top surface)(10)은 소수성 구조(82)들을 구비한 클래딩을 가지며 이는 저극성 액체(35)를 구비한 액적의 기저부를 최상부 표면(1)에 부착한다. 개구부(96) 영역으로서 작용하는 소수성 구조들(82)은 친수성 구조(83)에 의해서 분할되며, 친수성 구조(83)는 저극성 액체(35) 그곳에 부착하는 것을 방지한다. 각각의 소수성 구조들(82)과 친수성 구조들(83)이 어디에 프린트되는지를 제어함으로써, 최상부 표면(1)과 접촉하는 저극성 액체(35) 액적의 형태가 제어될 수 있다. 상부전극(26)은 저극성 액체(35)에 갈바닉적으로(galvanically) 연결되며, 이는 카본 나노 튜브 혹은 카본을 함유한 거대한 폴리머 체인 분자(large polymer chains molecules containing carbon)에 기초한 충전 물질(filler material)의 사용에 의해서 전도성이 된다. 에워싸는 쌍극성 액체(30)는 이온들을 제거함에 의해서 전기적으로 절연성이 되는바, 이는 쌍극성 액체(30)를 열등한(poor) 전기 전도체로 만들 것이다. 하부전극(41) 영역은 각각의 로우가, 정렬되는 홀수(uneven number)개의 전극들로 분할되도록 만들어진다. 정렬된 전극들은 어드레스가능한바, 모든 제 2 전극은 로우(row)에서 바로 이웃한(immediate neighbouring) 전극과는 다른 전위를 가질 수 있으며 반면에 한 로우의 외곽(outer) 전극들은 인접한 로우들이 오프인 때에 인접한 로우 전극들의 외곽 전극들과 항상 동등하다. 한 로우에 있는 정렬된 전극들이 서로 다른 전위들로 어드레스되는 때에, 수평적(horizontal) 전자습윤은 개구부(96) 영역쪽으로 물을 끌어당길 것인바, 개구부 영역은 친수성 구조들(83)에 의해 둘러싸인 소수성 구조들(82)을 나노-임프린팅함에 의해서 생성된다. 개구부(96) 영역들의 형태와 확장부는 변할 수 있다.
개구부(96) 영역들과 낮은 n 아일랜드(60) 영역은 낮은 n 클래딩 물질을 도파관(10) 위에 스핀 코팅하고 그리고 소수성 구조(82)를 나노임프린팅함에 의해서 생성되는바, 따라서 낮은 n 클래딩(5) 물질은 개구부(96) 영역에서 매우 얇아지게 되므로, 낮은 n 클래딩(5) 층, 나노임프린트된 구조와 유전체층(3)의 최상부 상의 ITO 하부전극(41) 층, 및 저극성 액체(35)의 결합된 굴절률은 도파관(10)의 굴절률과 매칭된다. 낮은 n 아일랜드(60)는 도20에 도시된 바와 같으며, 에워싸는(surrounding) "바다(sea)"는 친수성 구조들(83)로 구성되며 이는 쌍극성 액체(30)를 끌어당긴다. 낮은 n 아일랜드(60) 영역은 나노임프린트된 친수성 구조들(83)을 낮은 n 클래딩(5) 층의 최상부 상에 적용함에 의해서, 동일한 낮은 n 클래딩(5) 및 동일한 나노임프린트 프로세스에서 함께 제조되는바(co-produced), 낮은 n 클래딩(5) 층은 낮은 n 클래딩(5)의 낮은 n을 유지하기에 충분히 두꺼우며 따라서 낮은 n 클래딩(5)과 도파관(10) 사이에서 임계각도를 생성하며, 이는 도파관(10) 내부에서 TIR에 의해 포획된 빛이 낮은 n 아일랜드(60) 영역들을 통해 빠져나가는 것을 방지할 것이다.
광게이트가 정렬된 하부 전극들(41) 사이에서 전위 차이로 수평적으로 어드레스되는 때, 광게이트는 도20A의 b에 도시된 바와 같이 닫힐 것이다.
하나의 로우에 있는 정렬된 전극들 모두가 동일한 전기 전위를 갖는 경우, 상기 로우는 컬럼 방향으로의 상부전극들(25)을 통해 어드레스될 수 있는데, 왜냐하면 전기 전위 차이는 전자습윤을 유도할 것이며 그리고 도20A의 b에 도시된 바와 같이 광게이트를 닫을 것이고 그리고 동등한 전기 전위는 도20A의 a에 도시된 바와 같이 광게이트를 오픈할 것이다. 전자습윤이 온(on)인 때, 개구부(96) 영역들을 포함하는 모든 표면들은 도20A의 b에 도시된 바와 같이 습윤해지며 그리고 부가된 쌍극성 액체(30) 층은 굴절률을 낮출것인바, 따라서 도파관(10) 내부에서 TIR에 의해 포획된 방사는 빠져나가지 않을 것이다. 로우의 모든 전극들(41)이 동등한 전위를 갖고 그리고 상부 컬럼 전극(26)이 또한 동등한 전위를 갖는 경우, 개구부(96) 영역들은 저극성 액체(35) 및 도파관(10)과 인덱스 매칭될 것이다. 따라서 도파관(10) 내부의 방사는 저극성 액체(35) 안으로 진입할 수 있다. 저극성 액체(35)의 반전된 액적 안으로 방사가 진입하는 경우, 이는 저극성 액체(35)의 벽에서 TIR에 의해 반사될 것인바, 왜냐하면 가령 물과 같은 낮은 n을 갖는 쌍극성 액체(30)에 의해 경계를 이루고 있기 때문이다. 친수성 구조들(83)은 쌍극성 액체(30)에 의해 지속적으로(constantly) 범람될 것인바, 이는 도20A의 b에 도시된 바와 같이 광게이트가 닫혔을 때 쌍극성 액체(30)를 끌어당기는 소수성 영역들(82)을 위한 저장소(reservoir)로서 작용할 것이다. 쌍극성 액체(30) 층의 두께를 증가시킴에 의해서 광게이트를 닫는 것은, 닫혀질 광의 파장에 의존한다. 빛을 TIR 반사시키기 위해서는, 빛의 파장이 더 길수록 상기 층이 더 두꺼워져야 하며, 따라서 움직여야만 하는 쌍극성 액체(30)의 대응 체적(volume)도 파장에 따라 증가한다. 체적 이동(volume movement)은 광게이트가 얼마나 빨리 작동될 수 있는지를 결정하는 등식(equation)의 일부인바, 따라서 짧은 파장의 빛의 경우 광게이트가 더 빨라지므로 청색 및 UV 파장에 보다 더 적합하다.
저극성 액체(35)를 구비한 액적의 이동(movement)은 또한 상기 등식의 일부이며 그리고 이러한 디자인에서, 수평 평면에서는 저극성 액체(35) 액적을 가만히(still) 유지하면서 반면에 수직 평면에서는 수 나노미터만큼만 아래위로 움직이게 함으로써, 상기 이동은 이론상의 최소치(theoretical minimum)로 최소화된다. 이러한 결과, 유체들의 상대적인 속도는 최소한으로 제한되며, 이는 유체들간의 마찰(friction)을 방지하며 그리고 유체들간의 후속 혼합을 방지하는바, 이러한 혼합은 기본적으로 마요네즈와 유사한 유상액(emulsion: '유상액' 또는 '에멀션')를 생성할 수 있다. 에멀션 리스크(emulsion risk)는 속도의 상한(upper speed limit)이며 따라서 이러한 디자인을 통하여 광게이트의 닫힘 및 열림 동작이 최대로 증대된다. 서로 반발하는 액체들을 선택하고 그리고 거의 동일한 밀도를 갖는 액체들을 선택하고 그리고 서로간에 용해성이 가능한한 적은 액체들을 선택함으로써 에멀션 리스크가 감소될 수 있다.
개구부(96) 영역들은 소정 영역에 걸쳐 분산될 수 있는바, 예컨대 각각의 개구부(96)는 습윤성이 변하지 않는 영역으로 이루어진 바다(sea) 내의 아일랜드가 될 수 있다. 전자습윤 효과를 유발하는 전위 차이가 있는 경우, 굴절률의 변화가 생기도록 개구부(96) 영역들의 습윤성만이 영향을 받을 것이다. 상이한 소수성 성질 및 친수성 성질을 생성하는 나노 임프린트 구조들은 저극성 액체(35) 보다는 쌍극성 액체(30)로 충전되도록 최적화될 수 있다. 다수의 개구부(96) 영역들은 접지에 대하여 그리고 도20A에 도시된 반전된 액적 하부 콘택 영역들에 관련하여 가능한 최단 이동 거리(travel distance)를 생성한다. 도시된 개구부 영역들은 둥글지만 다른 형태를 갖는 것을 방해하거나 그라운드 퍼스펙티브(ground perspective)에 대한 최저 속도의 최적화를 방해하는 그 어떤 제한 인자도 존재하지 않는다. 개구부(96) 영역의 절단면은 가능한한 작아야 하는 반면에 그 길이는 중요하지 않은데 왜냐하면 그것이 에지에서 중앙까지의 가장 짧은 거리이기 때문이다.
도20에 도시된 반전된 액적들은 자체적으로 차원 안정적(dimensional stable)이지만, 상기 차원 안정성(dimensional stability)은, 최상부 표면(1)과 도파관(10)이 함께 압착될 수 없도록 도1에 도시된 것과 유사한 친유성 스페이서를 내부에 삽입함에 의해서 증강될 수 있다. 상기 유닛에 그 어떤 수직 압력도 가해지지 않는 경우에는, 최상부 표면(1)과 도파관(10)은 저극성 액체(35)의 필름 상에 떠있을 것이다.
도21은 조명 유닛(270)을 도시한다.
도21A, 21B, 21C, 21D, 21E 및 21F의 평면도에 도시된 서로 다른 기능들을 갖는 다수의 층들이 적층되며 그리고 정렬 마커(240) 때문에 높은 정렬 정확도로 조립된다. 정렬 마커(240)는 레이저 혹은 고압 워터 절단기를 이용하여 표면에서 절단되거나 혹은 층들의 표면들을 관통하여 드릴링된다. 도21E에 도시된 보호용 상부 표면(230)은 조명 유닛(270)을 위쪽에서 밀봉한다. 보호용 상부 표면(230)의 아래쪽 표면은 평탄한 것이 바람직하지만 보호용 상부 표면(230)의 위쪽 표면은 임의의 형태를 가질 수 있다. 보호용 상부 표면(230)의 아래쪽에는 하나 이상의 층들이 쌓일 수 있는데, 이는 인광체(100) 층, 빔 쉐이핑 옵틱스(101) 층 또는 보조층(102)을 포함하며 그리고 이들의 상대적인 위치의 순서는 목적에 따라 변할 수 있다. 상부 표면은 매크로 및 마이크로 프리즘들, 회절 옵틱스(diffractive optics), 콘투어 텍스트(contour text)로 콘투어될 수도 있으며(may be contoured), 그리고 얇은 층들을 포함할 수도 있는데, 상기 얇은 층들은 프레넬 반사(Fresnel reflection), 소수성 혹은 친수성 성질, 흡수성 컬러 필터 텍스트(absorptive color filter text) 혹은 장식 및 간섭 필터(ornamentation and interference filter)를 방지하기 위해서, 예컨대 긁힘 방지(scratch resistance), 경사 인덱스 매칭(graded index match)을 응용한다.
도21C에 도시된 최상부 표면(1)은 마이크로 프리즘 혹은 회절형 옵틱스 구조들(81)을 구비한 층으로 구성될 수 있는 빔 쉐이핑 옵틱스(101), 및/또는 짧은 파장의 빛을 가시 파장으로 변환하는 인광체(100) 층 및/또는 상부전극(26)으로 패턴화된 층 및/또는 유전체 층(3)으로 패턴화된 층을 포함할 수 있다. 최상부 표면(1)은 임의의 투명 물질로 형성될 수 있지만, 열 팽창을 고려하면 도21A에 도시된 도파관(10) 물질처럼 유사한 온도 의존 팽창성을 갖는 것이 바람직할 것이며 그리고 가능한한 작은 팽창성을 갖는 것도 바람직하다. 또한, 조명 유닛(270) 내에서 발생한 열이 소산될 수 있어야 하기 때문에 상기 물질은 열 전도체인 것이 바람직하다. 융용 실리콘 및 파이렉스 글라스(Pyrex glass) 등과 같은 물질이 이러한 요구조건에 맞을 것이나 임의의 다른 글래스 유형 및 폴리머들도 이용가능하다. 최상부 표면(1)의 아래쪽에서 도21D에 도시된 장벽층(210)은 상기 스택 내의 다른 층들을 일치시키는 정렬 마커(240)가 특징인 유리 시트(sheet of glass) 혹은 폴리머 그리고 전자습윤 광게이트들이 자리잡은 지역(zone)을 일치시키는 오픈 컷(open cut) 그리고 상기 장벽층(210)이 경쟁적인 전자습윤 광게이트들 안에서 활성(active)인 유체들을 포함하는 고형 증발 장벽(solid evaporation barrier)(90)을 구성하게 하는 방식으로 도파관(10)의 외곽둘레(outer perimeter)를 커버하는 가장자리부(rim)를 포함한다. 도파관(10)은, 개구부(96) 영역을 제외하고 도파관(10)과 낮은 n 클래딩(5) 사이에서 임계각도를 제공하는 낮은 n 클래딩(5) 물질을 포함하며, 개구부(96) 영역에서는 저극성 액체(35), 개구부 영역 및 도파관(10) 사이에서 인덱스 매치가 이루어져야 한다.
이를 획득하는 방법 중 하나는, 개구부(96) 영역의 주변에서는 낮은 n을 충분히 제공할 수 있을 정도로 낮은 n 클래딩이 두꺼운 반면에, 개구부(96) 영역에서는 낮은 n 클래딩이 다른 층들과 섞여서 도파관(10)과 저극성 액체(35)의 굴절률들과 매칭되는 혼합 굴절률을 형성할 수 있을 정도로 충분히 얇아지도록 낮은 n 클래딩(5)을 콘투어(contour)하는 것이다. 낮은 n 클래딩(5)의 콘투어링(contouring)은 임프린팅(imprinting)에 의해 수행될 수 있다. 대안적으로, 도파관(10)과 개구부(96)와 저극성 액체(35) 사이에서 인덱스 매칭을 생성하기 위한 콘투어링은, 스핀 코팅 공정에서 PMMA 포토레지스트를 낮은 n 클래딩(5) 위의 전체 도파관(10)에 적용하고, 개구부(96) 영역 주위의 레지스트를 UV 큐어링하고 그리고 개구부(96) 영역 위의 포토레지스트를 제거함으로써 수행될 수 있다. 낮은 n 클래딩(5)의 보다 양호한 접착을 위해서 도파관(10)의 최상부 상에 프라이머(primer)가 이용될 수 있으며 그리고 낮은 n 클래딩(5)과 PMMA 포토레지스트간의 보다 양호한 접착을 위해서 낮은 n 클래딩(5)에 대한 플라즈마 식각이 이용될 수 있으며 혹은 10nm 범위의 얇은 물질층(가령, 하프늄 이산화물)이 부가될 수 있다.
도파관(10)은 광게이트들을 정의하는 소수성(82) 및 친수성(83) 영역들 그리고 쌍극성 액체(30) 이외에는 받아들이지 않는 페시베이션된 주위의(surrounding) 친수성 영역들을 포함하는바, 이는 나노임프린트된 구조들에 의해서 만들어질 수 있다. PMMA는 나노임프린트에 매우 적합하며 그리고 불충분한(incomplete) 큐어링으로 인해 PMMA가 연성(soft)이 되도록 전술한 UV 큐어링이 수행될 수 있으며, 이는 나노임프린트의 품질 뿐만 아니라 이것이 수행되는 속도도 또한 향상시킬 수 있다. 나노임프린팅 이후에 혹은 나노임프린트 스탬프가 PMMA에 접촉하는 동안에 UV 큐어링이 수행될 수 있다. 나노임프린팅에 의해서 소수성 및 친수성 속성들을 생성하는 대신에, 친수성 혹은 소수성 구조들 중 어느 하나는 유전체층(3) 고유의 성질에 의존할 수 있으며, 이들 속성들은 화학 불순물(chemical impurities)을 유전체층(3) 첨가함에 의해서 강화되거나 혹은 조정될 수도 있는데, 예컨대, 잘 알려진 실리콘 이산화물의 경우 카본 불순물을 증가시키면 친수성 표면이 생성된다. 또한, 도파관(10)은 유전체 층(3) 아래의 전극들을 포함하며 이들은 전형적으로 로우들 혹은 컬럼들이다. 투과성 디스플레이(transmissive display)를 위한 전극(41)들은 일반적으로 ITO와 같은 투명 물질로 만들어지는데, ITO는 그것의 투명한 성질 및 잘 알려진 제어가능한 품질 때문에 디스플레이 산업 분야에서 널리 이용된다. 예를 들면 스퍼터링 공정에 의해서 전극(41) 물질이 도포되며, 그 후에 전극(41) 상에 포토레지스트가 스핀 코팅되며, 그 후에 UV 리소그래피를 이용하여 패터닝되며, 이후 UV 큐어링되지 않은 포토레지스트가 제거되며 이후, 노출된 전극(41) 층이 식각제거되며 이후, 남아있는 포토레지스트가 제거되며 그리고 최종적으로 도파관(10)이 세정 및 건조되고 다음으로 후속 공정 단계들이 진행되어, 전술한 본 발명에 따른 형상들 중 임의의 형상을 갖는 로우(row) 전극들을 구비한 도파관(10)이 형성될 것이다. 전극의 품질과 전도도(conductivity)를 강화시키기 위하여 전기도금 공정을 도입하는 것도 가능한바, 전기도금 공정에서는 이온들을 갖는 용액이 도파관(10)의 최상부 위에 부어지며 이후, 이온들을 전극(41)쪽으로 끌어당기는 소정 전위로 전극(41)이 충전되는바 따라서 전기 전도도를 증가시킬 수 있다. 전기도금 이후에 도파관은 세정 및 건조된다. 도파관(10)은 또한 유전체 층(3)을 포함하며, 유전체 층(3)은 가능한한 높은 유전 상수를 갖는 물질로 그리고 가능한한 양호한 무결성(integrity)을 구비하고 그리고 가능한한 얇은 층으로 형성되는 것이 바람직한바, 왜냐하면 전자습윤 프로세스를 유발하는 전계 강도는 이들 성질들에 의존하기 때문이다. 또한, 상기 층이 단지 20 ~ 40nm라 하더라도 투명성(transparency)이 매우 중요하다. 대안들 중에서도 특히 하프늄 이산화물, 탄탈륨 이산화물 및 실리콘 이산화물을 들 수 있다. 유전체 층(3)은 나노임프린트된 구조들 뿐만 아니라 ITO를 강화시킴에 의해서 중요한 역할을 수행한다. 전술한 공정에서 도파관(10)이 준비되는 경우, 상기 도파관은 유리 시트 혹은 폴리머의 형태 혹은 유리 혹은 폴리머의 롤(roll) 형태를 취할 수 있으며 그리고 조명 유닛(270)을 위한 많은 도판관(10)들은 상기 시트 혹은 롤로부터 절단될 수 있다. 도파관(10)을 절단하는 것은, 가령 워터 커팅 혹은 레이저 커팅과 같은 높으 정밀도를 갖는 다수의 기법들로 수행될 수 있다. 상기 커팅 공정의 중요한 특징은 상기 커팅 공정 이후에 완벽한 에지(perfect edge)를 남겨야 한다는 점인데 왜냐하면 도파관(10)의 상기 에지가 도21A에 도시된 도파관(10) 내부에서 선회하는 광자들(revolving photons)을 TIR 반사시키기 때문이다. 상기 도파관(10)의 저면(underside) 및 에지들은 1의 굴절률을 갖는 공기와 접경할 것이기 때문에, 임의의 낮은 n 클래딩(5)을 요구하지 않는바, 이는 임계치를 감소시킨다.
에지들에서, 결합된 각도들(combined angles) x, y, z이 함께 작용하며, 이는 x, y 각도들이 임계각도 보다 아래인 경우라 하더라도 광자들이 TIR 반사되게 한다. 도21A에 도시된 도파관(10) 디자인은 둥글며(roundish) 그리고 둥근 평면형 도파관(round planar wavwguide)에서 입사 방사의 각각의 반사는 x, y 평면에서 원형에 대한 접선(tangent to the circular form)에 의해 결정될 것이며 그리고 부속물들(appendices)(250)의 부가에 의해서 에지들은 완벽한 원(circle)에 비하여 약간 비스듬(slightly skewed)하므로 안정성을 위하여 각각의 반사는 x, y 평면에서 각도를 증가시킨다. 부속물들(appendices)(250)은 도파관(10)이 잘려나간 유리 시트 혹은 폴리머에 연결될 수 있다. 조명 유닛(270)을 구성하는 유리 혹은 폴리머의 다양한 층들은 구멍, 마크 등의 형태인 정렬 마크들(240)을 포함할 수 있는데, 정렬 마크(240)은 조명 유닛(270)을 구성하기 위하여 적층되는 다른 유리 시트 혹은 폴리머와 완벽히 정렬되어 조립되는 것을 보장한다. 부속물들(250) 각각에 광 소스(20)가 연결될 수 있으며 그리고 광 소스(20)들은 동일한 파장들 혹은 서로 다른 파장들을 가질 수 있다.
방사를 아웃커플링하기 위해 선호되는 광게이트 디자인은 도20과 도20A의 a 및 b에 도시된 반전된 액적 아웃커플링인데, 왜냐하면 이 디자인이 높은 아웃커플링 효율을 갖기 때문이며 그리고 개구부(96)를 통해 아웃커플링되지 않은 빛이 동일한 광학 경로를 유지하기 때문인바, 이는 광자들이 개구부(96)를 통해 빠져나갈 때까지 광자들이 도파관(10) 내부에서 포획되어 남아있을 것을 보장한다. 다른 모든 광게이트 디자인들은 광자들이 진입하는 것을 허용하며 그리고 진입한 광자의 소정 비율(percentage)을 출력하는 반면에, 소정 비율은 도파관(10) 내부로 반환되는바, 여기서 이것은 다른 각도들에서 바운드할 수도 있다. 하나 이상의 광 소스(20)에 의해서 하나 이상의 부속물들을 거쳐 도파관(10) 내부로 주입된 광자들이 개구부(96)를 통하지 않고서는 빠져나오지 않는 이유는, 도파관 내부에서 광자들이 도는(spin) 방향에 비하여 뒤쪽을 가리키는 부속물들(250)을 구비한 둥근 형상이, 일단 주입된 광자들이 개구부에 도달하는 경우를 제외하고 모든 표면에 의해 TIR 반사될 것을 보장하기 때문이다. 본 명세서에 설명된 다른 광게이트들도 채용될 수 있지만 선호되지는 않는데, 왜냐하면 아웃커플링되지 않은 광자들에 대한 광게이트들의 확산 성질(diffusive property)은 하부 및 에지들에서 미러링(mirroring)을 요구할 것이기 때문인바, 이는 아웃커플링되지 않은 산란된 광자들이 아웃커플링을 위해 지향되는 것을 보장하기 위한 것이다. 고품질의 미러들을 에지들 및 표면들에 배치하는 것도 전적으로 가능하지만, 이것은 디자인을 복잡하게 만들며 그리고 TIR 미러들에 비하여 손실 계수(loss factor)를 구성한다. 일반적으로, 둥근 도파관 내부로 주입된 광자는 원 내부에서 가능한 최대 오픈 각도에 근접할 때까지 더욱 더 오픈 각도로 점차 반사될 것이다. 상기 디자인은 도1에 도시된 고형 증발 장벽(90) 및 유체 증발 장벽(91)을 위한 장소를 찾아야 함을 요구한다. 연결된 부속물들(250)은 도파관(10) 내부에서 광자를 돌게할 것이며 도파관은 회전당 더 적은 바운스(bounces)로 더 집중화된다(centralized). 일실시예에서 광 소스(20)는 가시성 칼라 광 소스가 될 수 있으며 그리고 원하는 강도의 원하는 색상을 융합하도록 각각의 광 소스(20)로부터의 광자들을 혼합함에 의해서 조명 유닛(270)에서 출력되는 방사의 칼라와 세기가 제어될 수 있다. 이러한 셋업에서 상기 광 소스(20)는 서로 다른 색온도를 갖는 백색광을 방출하는 광 소스를 포함할 수도 있다. 반전된 액적 내부에서의 TIR 미러링은 프리즘 효과(prismatic effect)를 방지하며 그리고 방출된 빛이 프린징 현상(fringing effect) 없이 동일한 지점들로부터 오도록 빛이 섞이게 될것을 보장한다. 조명 유닛(270)으로부터 온 빛은 둥근 도파관(10)의 둘레(perimeter)에서 링(ring)으로부터 방출될 것이며 그리고 빛의 방향성(directionality)은 도파관(10) 내부에서의 광 순환(light circulation)의 주된(predominant) 방향에 매칭될 것이다. 따라서, 빛이 어디로 방출될 것인지는 매우 예측가능하다. 방출의 예측가능성은 빔 쉐이핑 옵틱스(101) 층에 매우 적합하다. 빔 쉐이핑 옵틱스(101) 층은 최상부 표면(1)에 위치될 수 있으며 그리고 회절 옵틱 구조 혹은 마이크로 프리즘이 될 수 있다. 빔 쉐이핑 옵틱스(101) 회절 구조(81)는, 도20에 도시된 반전된 액적 광게이트 디자인에서 필요한 소수성 구조(82) 및 친수성 구조(83)의 나노임프린트와 결합될 수 있다. 그리고 도18에 도시된 디자인에서 나노임프린트된 표면은 소수성(82), 친수성(83) 및 회절 구조(81)를 결합할 수 있다. 하나의 대안은, 반전된 액적을 향하고 있는 최상부 표면(1)의 하부측에 소수성 구조(82)와 친수성 구조(83)를 위치시키고 그리고 최상부 표면(1)의 반대측에 회절 구조(81)를 위치시키는 것인바, 회절 구조들(81)이 소수성 구조(82) 및 친수성 구조(83)와 결합되지 않고 그리고 회절 구조들(81)이 공기와 접하는 하이 인덱스 물질(high index material)로 만들어진다면, 회절 구조들(81)이 좀더 효율적이 될 수 있다라는 장점이 있다.
또한, 회절 구조들(81)을 최상부 표면(1)의 상부측에 위치시킴으로써, 최상부 표면의 두께를 광학 시스템의 스페이서 부분으로서 이용하는 것이 가능한데, 광학 시스템은 상기 방출을 다양한 각도들로 분해(disintegrate)하게 할것이며, 이는 특정 각도에서 수신된 광에 정렬되는 회절 구조들(81)에 의해서 광학적으로 핸들링될 수 있다. 다른 실시예에서, 도파관으로부터 추출된 빛은 자외선(UV)이며 그리고 인광체(100) 층이 배치되어 상기 UV 광을 가시광으로 변환한다. 이러한 실시예에서, 상기 인광체(100) 층은 삽입된 층으로서 자체적으로 부가될 수 있다. 인광체(100)는 서로다른 협대역 혹은 광대역 파장들을 방출하는 인광체들의 팔레트(palette)로 배치될 수 있으며 그리고 팔레트 내의 인광체들은 서로다른 여기 파장들을 갖도록 적응될 수 있는바, 따라서, 광 소스(20)로부터 방출된 짧은 파장의 방사가 방출 파장(emission wavelength)에 있어 변화한다면, 전술한 바와 같이 LED 방출(emission)에 인광체 여기(phosphor excitation)를 매칭시키는 것이 가능할 것이다. 또한, 인광체(100) 층은 광게이트들에 매칭하는 영역들을 포함할 수 있다. 하지만, 인광체가 없는 경우 주요(primary) 광 소스(20)들은 인광체에 의해 확산되거나 혹은 흡수되지 않고 도파관(10)으로부터 도출될 수 있다. 이러한 것은, 인광체들과 원색(primary color) 광 소스(20) 둘다로부터 빛의 섞임(blend)을 허용할 것이다. 이는 더욱 우수한 혼합을 가능케하며 따라서 원하는 색상을 혼합할 수 있는 더 큰 능력을 가능케한다. 원색(primary color)들은 예컨대 자외선(UV) 보다 긴 파장을 가지므로, UV에 대해서는 광게이트를 닫는 것이 가능하며 반면에 가시광선에 대해서는 광게이트를 오픈한 채로 유지하는 것이 가능한바, 왜냐하면 굴절률은 파장, 임계각도를 제공하는 낮은 n 물질의 두께, 그리고 방사의 입사각에 의존하기 때문이다. 반전된 액적 광게이트에서, 셔터(shutter) 매커니즘은 개구부(96) 영역과 반전된 액적 내의 저극성 액체(35) 사이에 주입된 쌍극성 액체(30)의 얇은 층이다. 쌍극성 액체(30) 층의 두께는 UV 방사를 먼저 차단할 것이며 그리고 낮은 입사 각도들의 방사를 차단하기 이전에 높은 입사 각도들의 방사를 차단할 것이다. 이는 다음을 의미하는바, 긴 가시 파장들에 대해서는 광게이트가 오픈될 수 있으며 반면에 짧은 파장인 UV 방사에 대해서는 광게이트가 닫힌다. 긴 파장의 방사가 인광체(100) 층에 진입하면, 상기 방사는 확산되지만 파장이 변환되지는 않는다. 인광체(100) 층 아래에는 낮은 n 클래딩(5)이 삽입될 수 있다. 낮은 n 클래딩(5)은 반전된 액적 광게이트들 내부의 저극성 액체(35)로부터의 방사에는 영향을 미치지 않을 것인바, 왜냐하면 반전된 액적의 형상(geometry)이 임계각도 보다 낮은 각도들에서 낮은 n 클래딩(5) 층쪽으로 방사를 향하게 할 것이기 때문이다. UV 방사가 인광체(100) 층에 진입하는 경우, 이것은 변환되며 그리고 램버션 방사(Lambertian radiation)로서 재방출(reemit)된다. 따라서, 적어도 50%가 위쪽으로 전파(propagate)할 것이며 아래쪽으로 전파할 방사의 50% 중에서 큰 부분(large portion)이 TIR 반사될 것이며 그리고 인광체(100) 층으로 재진입할 것인바, 여기서 재진입된 방사는 낮은 n 클래딩(5)으로 TIR 반사되었던 전반적인 방향(general direction)으로 확산될 것이다. 인광체와 인광체(100) 층내의 인광체 함유 물질의 결합된 굴절률은 낮은 n 클래딩(5)과 인광체(100) 층 사이의 임계각도가 낮아지도록 가능한한 높아야 하는바, 이러한 것은 TIR 반사되는 방사의 비율을 강화시킨다. 인광체(100) 층으로부터의 임계각도 아래의 변환된 방사 후방산란(backscatter)은 다중층 간섭 필터(multilayer interference filter)를 삽입함에 의해서 매우 큰 정도까지 차단될 수 있는바, 상기 다중층 간섭 필터는, 후방산란하는 방사의 비율을 제한하도록, 인광체(100) 층에 의해 변환된 가시 광선은 반사시키는 반면에 낮은 각도의 다이렉트 UV 방사는 곧바로 통과시키도록 설계된다. 후방산란된 방사는 도파관 아래의 미러들의 사용에 의해서 재방출될 수 있으며 그리고 상기 미러는 예컨대 하부 보호용 표면(200) 위에 위치할 수도 있다. 광 소스(20)는 부속물(appendices)(250) 표면에 부착되는 측면 방출(side emitting) LED가 될 수 있다. 도파관(10)의 에지에서 TIR 반사되지 않는 방사의 손실을 방지하기 위하여, 부속물(250) 안으로 지향되는 따라서 진로 상으로 보내지는 방사만이 에지를 탈출하도록 광 소스(20)가 미러링될 수 있으며, 이는 도파관(10) 내에서 방사가 순환할 것을 보장할 것이다. 도파관 내에서 올바른 각도 범위를 제어하는 것은 회절 구조(81)의 사용에 의해서 수행될 수 있다. 낮은 임계각도가 확보되도록 도파관(10)의 하부 표면을 공기와 대면시키기 위하여, 스페이서(220) 층이 주로 이용된다. 두번째로, 스페이서 층(220)은 도파관(10)에 대한 지지를 부분적으로 제공하며 그리고 도파관(10)과 보호성 하부층(200) 사이에 공동을 생성한다. 상기 공동(cavity)은 모든 이온들이 제거되는 때에 높은 열 전도도 및 양호한 전기 절연성을 갖는 낮은 n 액체(가령 쌍극성 액체 30)를 수용하는 것 등의 여러 목적을 위해 이용될 수 있다. 쌍극성 액체(30)가 있던 없던간에, 상기 공동의 내부에는, 전자적인 구성요소들 예컨대 광 소스(20)와 2D 혹은 3D 가속도계(accelerometer), 광 센서들, 카메라, 무선 통신 송수신기, 메모리, 프로그램가능한 CPU 등의 전자부품들이 포함될 수 있다. 이러한 전자부품들의 목적은, 서로 다른 광게이트들을 어드레싱하여 가령, 회절 구조(81) 및/또는 마이크로프리즘 및/또는 인광체(100) 층 및/또는 LC 소자들(104) 등의 상이한 광 변조 장치에 방사를 연결함에 의해서, 컬러 조정(tuning), LED 방출 스펙트럼과 인광체 여기 스펙트럼간의 매칭, 방출 강도, 스폿 폭(spot width) 등을 제어하기 위한 것이다.
도22는 유체의 위상 서스펜션(topological suspension)에 기초하는 반전된 광게이트를 예시한다.
반전된 액적 광게이트의 주요 아이디어는, 광게이트로 진입한 방사가, 굴절률들 차이로 인해 형성된 임계각도 때문에, 반전된 액적 내의 저극성 액체(35)와 외부의 낮은 n 쌍극성 액체(30) 사이의 경계에서 TIR 반사될 것이라는 점이다. 반전된 액적 광게이트의 싱글 사이디드 버전(single sided version)에서, 상기 액적은 2개의 표면들 사이에 이를 부유(suspending)시킴에 의해서 생성되지는 않는 반면에 도파관(10) 위의 낮은 n 클래딩(5)에서의 프린트된 오목부(printed indent)를 통해 쌍극성 액체(30)와 저극성 액체(35)의 위상(topology)과 분포(distribution)를 단지 제어함에 의해서 생성된다. 상기 프린트된 오목부는 융기부(ridge)를 갖게 설계되는바, 이는 쌍극성 액체(30)는 밀어내는 반면에 저극성 액체(25)를 끌어당겨, 쌍극성 액체를 개구부(96)가 위치하고 있는 오목부의 바닥으로 가게한다. 융기부들(ridges) 사이에서, 상기 오목부의 측벽들은 저극성 액체(35)는 반발시키지만 쌍극성 액체(30)는 끌어당기는 표면들을 갖는다. 오목부들 사이에서, 도파관(10) 표면은, 상승된 작은 영역들을 제외한 영역에서 쌍극성 액체(30)에 대한 친화성이 증가되도록 나노가공되는바, 상기 상승된 작은 영역들은 쌍극성 액체(30)에 대해 아주 적은 친화성을 갖거나 혹은 친화성이 없다. 이러한 상승된 영역들은 최상부 표면(1)을 지지하거나 및/또는 최상부 표면(1)에 부착하도록 된 스페이서 도트들(dots)을 형성한다. 저극성 액체(35)는, 프린트된 오목부들 및 나노가공된 속성들로 인해 도파관 표면(10)에 접촉하는 때에, 저극성 액체(35)에 대한 친화성을 증가시키기 위해 나노가공된 소정 표면들에 연결되며 그리고 쌍극성 액체(30)는 쌍극성 액체(30)에 대해 친화성을 가지도록 나노가공된 표면들에 부착될 것이다. 오목부들에서, 저극성 액체(35)는 액적이 융기부들(ridges) 및 개구부(96)에 의해 부유되게 할 것이며 그리고 다른 모든 측면들에서 쌍극성 액체(30)에 의해 둘러싸이게 할 것이다. 저극성 액체(35)의 부유된(suspended) 액적의 벽들은 90도 이상이 되도록 설계되는바, 따라서 방해된 전반사(frustrated total reflection)로 인해 도파관(10)을 빠져나가는 방사는 저극성 액체(35)와 쌍극성 액체(30) 사이의 경계와 저극성 액체(35)와 낮은 n 클래딩(5) 사이의 경계에서 TIR 반사된다. 이와 동시에 액적 벽들의 각도는 빠져나오는 방사를 낮은 각도로 위쪽으로 반사할 것이다. 하부 전극은 유전체 층(3) 아래에 위치한다. 하부 전극(41)은 공통 접지가 될 수도 있으며 혹은 로우 또는 컬럼으로 패터닝될 수도 있으며 혹은 액티브 매트릭스의 일부가 될 수도 있다. 하부 전극(41)과 유전체 층(3)은 낮은 n 클래딩(5)과 도파관(10)의 최상부 상에 위치할 수도 있으며 혹은 도파관(10)의 최상부 상에 바록 위치할 수도 있다. 만일, 하부 전극(41)과 유전체 층(3)이 낮은 n 클래딩(5)을 구비한 도파관(10)의 상에 위치한다면, 개구부(96)가 위치하는 오목부의 바닥 위에 낮은 n 클래딩(5) 프린트 공정이 잔여 물질들을 남길 가능성이 높으며, 이는 전계 강도의 감소를 야기할 수 있으며 그리고 전하 포획의 위험을 증가시킬 것이다. 이러한 문제점을 해결하는 방법 중 하나는 낮은 n 클래딩(5)을 구비한 전체 도파관(10)에 대한 식각 공정을 통해 잔여 물질을 식각하는 것이다. 하지만, 이러한 식각 공정은 나노가공된 속성들을 훼손시키지 말아야 하며 그리고 이는, 원하는 속성들을 변경함이 없이 상기 식각 공정을 충분히 견뎌낼 수 있을 정도의 큰 규모로 상기 나노가공된 속성들이 생성되어야함을 의미한다. 이를 획득하는 방법은, 나노가공된 표면들과 함께 물질에 대한 본래(intrinsic) 속성들이 원하는 성질을 제공하는 여전히 동안에만, 하나의 속성 혹은 몇몇 경우에는 2개의 속성들을 나노가공하는 것이다. 명백히, 이러한 공정은 전극(41)과 유전체 층(3)이 표면들 상에 도포되기 이전에만 상기 표면들에 오직 적용될 수 있다. 대안적인 제조 방법에서 하부전극(4)과 유전체 층(3)은 도파관(10)에 직접 도포되며 그리고 유전체 층(3)은 식각된 이후에도 쌍극성 액체(30) 보다 저극성 액체(35)에 대해 큰 친화성을 갖게되는 물질로 이루어진다.
몇몇 경우에는, 낮은 n 클래딩(5)이 도파관(10) 표면에 직접 부착될 수 있거나 혹은 유전체 층(3)에 부착될 수 있기 위해서는 프라이머(primer)를 필요로 한다. 프라이머는 원하는 표면 상에 스핀 코팅될 수도 있으며 혹은 대안적으로는 낮은 n 클래딩(5)과 프라이머 둘다가 다층 프린트 공정(multilayer print process)에 의해서 원하는 표면 상에 프린트될 수도 있다. 상기 다층 프린트 공정에서는, 먼저 낮은 n 클래딩(5)이 프린트 매트릭스에 제공되며, 이후 여분의 낮은 n 클래딩(5)이 제거되며 그리고 프라이머가 낮은 n 클래딩에 제공되며, 이후 상기 매트릭스는 프라이머와 낮은 n 클래딩(5) 둘다를 원하는 표면에 적용한다. 큐어링은 UV 큐어링이 바람직하며 그리고 상기 큐어링은 원하는 표면에 매트릭스가 여전히 접촉하고 있는 동안에 수행되는 것이 바람직하다. 전술한 공정은 매트릭스의 안전한 제거를 허용하는 물질 그리고 요구되는 나노가공된 구조를 좀더 잘 형성할 수 있는 물질에 의해 향상될 수 있다. 이 경우, 상기 프린트 공정은 다층화된(multilayered) 프린트를 상기 원하는 표면에 제공할 것이며 그리고 낮은 n 클래딩(5)은 내부의 샌드위치 구조로부터 원하는 속성을 나타낼 것이다. 이러한 방법의 장점은, 샌드위치에 있는 각각의 층들이 동일한 프린트 공정에서 적용되는 것 그리고 그 각각이 특정한 목적에 맞게 설계된 속성들을 가짐으로써 성능을 개선하는 것이다.
상기 공정에 적용된 프린트 매트릭스는 롤(roll)이 될 수 있으며, 이는 고속의 롤 투 롤(roll to roll) 제조를 가능케 한다. 고속의 롤 투 롤 제조의 경우, 큐어링이 똑깥이 고속으로 그리고 정확하게 수행되어야만 하는데, 이는 프린트가 프린트 매트릭스 내에 한정(confine)되는 동안에 큐어링이 수행되어야만 함을 수반한다.
나노가공된 표면은 전자습윤 유닛의 목적에 따라 흡수성 혹은 확산 반사성(diffuse reflective)이 될 수 있다. 조명 목적을 위해서는 입사 광자들을 반사시키는 것이 일반적으로 유용할 것이며 반면에 디스플레이 어플리케이션의 경우에는 블랙레벨을 강화시키기 위하여 상기 표면이 흡수성이 되는 것이 더 유용할 것이다.
전자습윤 디바이스의 저극성 액체(35)와 쌍극성 액체(30)의 분산을 보장하기 위하여, 최상부 표면(1) 하부는 저극성 액체(30)에 대해 친화성을 갖는다.
저극성 액체(30)는 카본 나노튜브 혹은 금속 이온들과 같은 첨가물들에 의해서 더 큰 전기 전도성을 가지게 되도록 가공될 수 있다. 전도성 저극성 액체(30)의 경우, 전계 강도가 증가될 수 있으며 그리고 요구되는 전압이 감소될 수 있다.
최상부 표면(1)의 하부면에는 오일이 있기 때문에, 상부전극(25)은 산소에 노출될 위험이 거의 없이 상기 오일에 다이렉트 갈바니 접촉(direct galvanic contact) 할 수 있다. 상부 전극(25)을 위한 이러한 보호받는 위치는 최상부 표면(1)의 하부 면 상에 액티브 매트릭스를 위치시키는데 이용될 수 있다. 액티브 매트릭스는 쌍극성 액체(30)는 반발하고 그리고 저극성 액체(35)에 대한 친화도를 증가시키는 오일 기반이 될 수 있는 프린트를 가질 수 있으며 그리고 산소 장벽을 형성하고 그리고 절연체로서 작용한다. 절연성 프린트는 패턴화된 전도성 프린트와 함께, 전도성 속성을 갖는 저극성 액체(35) 사이에서의 전기적 상호작용이 어디서 일어나는지를 정의할 수 있다. 다형체 실리콘(polymorph silicon) 혹은 결정질 실리콘에 기초하는 액티브 매트릭스는 산소에 대한 노출을 견뎌낼 수 있는 반면에 프린트된 저가의 전자 액티브 매트릭스는 산소에 대한 노출을 성능열화 없이 오랜 기간동안 견뎌내지 못하는 물질로 만들어진다. 액티브 매트릭스를 보호하는 프린트 및 오일 층은 프린트된 액티브 매트릭스가 산소 노출에 굴복(succumb)하기 전에 수명을 연장시킬 수 있다. 도파관(10)으로부터의 방사는 최상부 표면(1)을 통해 빠져나가며 그리고 최상부 표면(1) 아래에 액티브 매트릭스가 위치한다면, 상기 액티브 매트릭스는 부분적으로 투과성이 되어야 한다. 액티브 매트릭스를 위해 필요한 트랜지스터들 및 회로 내의 다른 소자들은 투명 버전(transparent version)에서도 이용가능하다.
따라서, 프린트된 전자 부품들에 기초하는 전체 전자습윤 유닛도 이용될 수 있다.
광게이트에 대한 전자적인 제어는 전위 차이를 적용함에 의해서 그리고 전위를 정렬시킴에 의해서 수행되는바, 전위 차이를 적용하는 것은 저극성 액체(35)에 대한 친화성에서 쌍극성 액체(30)에 대한 친화성으로 개구부(96) 영역을 변화시키며, 이는 쌍극성 액체(30)의 낮은 n 속성으로 인해 광게이트를 닫히게 한다. 또한, 전위를 정렬시키는 것은, 상기 개구부(96)가 저극성 액체(35)에 대해 친화성을 나타내게 할 것이며 따라서 도파관(10)과 저극성 액체(35) 사이에서 인덱스 매칭이 이루어진다.
액티브 매트릭스 뿐만 아니라 액티브 로우 혹은 컬럼들을 구비한 일실시예에서, 누화(corsstalk)가 존재할 것이다. 하지만, 저극성 액체(35)의 낮은 전도도 때문에 그리고 반전된 액적을 통한 개구부(96) 영역으로의 좀더 직접적인 연결(more direct connection)에 비하여 수직 평면에서의 훨씬 얇고 훨씬 긴 연결(much thinner and longer connetion) 때문에, 상기 누화가 제한될 것이다. 닫힌 광게이트와 인접한 열린 게이트 간의 누화는, 개구부(96) 영역이 그 친화성을 쌍극성 액체(30)쪽으로 스위칭하는 소정 레벨보다 낮을 것이며, 따라서 이는 누화가 존재할지라도 상기 누화가 오픈 상태와 닫힌 상태를 제어하는 것에 관련된 문제를 야기하기엔 불충분함을 보장할 것이다.

Claims (33)

  1. 방사 방출 소자(radiation emitting element)로서,
    상기 방사 방출 소자는 제 1 굴절률, 제 1 표면, 반대인 제 2 표면을 갖는 방사 투과 소자(radiation transmissive element), 기결정된 파장의 방사를 상기 방사 투과 소자 안으로 방출하는 방사 방출기(radiation emitter), 그리고 복수의 방사 제어 소자들(radiation controlling element)을 포함하며,
    각각의 방사 제어 소자는,
    - 제 2 굴절률을 갖는 제 1 액체,
    - 상기 제 2 굴절률 보다 작은 제 3 굴절률을 갖는 제 2 유체, 상기 제 2 굴절률은 상기 제 3 굴절률 보다 상기 제 1 굴절률에 더 가까우며,
    - 2개의 모드들 사이에서 상기 제 1 액체의 형상을 변화(altering)시키는 수단
    을 포함하며,
    ○ 제 1 모드에서, 상기 제 1 액체는 제 1 표면 부분(first surface part)에서 상기 제 1 표면과 접촉하며 그리고 상기 제 1 액체와 상기 제 2 유체 사이의 인터페이스는, 상기 제 1 표면 부분에서, 상기 제 1 표면 부분과 평행하지 않으며, 그리고
    ○ 제 2 모드에서, 상기 제 2 유체의 표면은 상기 제 1 표면 부분에서, 상기 제 1 표면 부분의 형상에 적어도 실질적으로 평행하며,
    상기 제 1 액체는 상기 기결정된 파장에서 적어도 10%의 투과율(transmittance)을 갖는 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방사 제어 소자들 중 적어도 하나는,
    상기 제 1 굴절률보다 낮은 제 4 굴절률을 가지며 그리고 상기 제 1 표면에 접경하며(abutting) 그리고 상기 제 1 표면 부분에 인접하여(adjacent) 위치된 커버 소자(covering element)를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 방사 제어 소자의 상기 변화 수단은, 상기 제 2 모드에서, 상기 제 1 액체의 적어도 일부를 상기 커버 소자와 중첩하는 위치로 이동시키는 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 방사 방출기는, 복수의 방사 방출기들을 포함하며 그리고 상기 방사 투과 소자 안으로 방사를 시간에 대해 순차적으로(sequentially in time) 방출하도록 각각의 방사 방출기들을 제어하는 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 방사 방출기들을 제어하는 상기 제어 수단과 조화되어(in coordination with) 상기 방사 제어 소자들의 상기 변화 수단을 제어하기 위한 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자.
  5. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    그 각각이, 하나 이상의 방사 제어 소자들로부터 방출된 방사를 수신하고 그리고 이를 상기 기결정된 파장과는 다른 하나 이상의 파장들을 갖는 방사로 변환시키는 복수의 방사 변환(converting) 수단들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 방사 변환 수단들은 방출 및 수신된 방사를 적어도 실질적으로 백색인 광으로 변환시키는 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 방사 방출기로부터 방출된 방사의 파장을 판별하고, 판별된 파장에 기초하여 하나 이상의 상기 방사 변환 수단들을 선택하고 그리고 이에 따라 상기 변화 수단을 제어하는 수단을 더 포함하는 것을 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    변환된 방사를 상기 변환 수단으로부터 수신하고 그리고 수신된 방사로부터 소정 파장을 갖는 방사 혹은 소정 파장 범위 내의 방사를 제거하도록 된 컬러 선택 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자.
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    그 각각이, 상기 변환 및/또는 선택 수단으로부터 방사를 수신하고 그리고 수신된 방사를 소정 강도(intensity)로 출력하도록 된 복수의 강도 제어 소자들을 포함하는 디스플레이 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자.
  10. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 표면을 따라 연장하며 그리고 상기 제 1 액체와 상기 제 2 유체가 위치되는 공간을 한정하는 지지 소자(backing element)를 더 포함하며,
    상기 공간은, 상기 방사 제어 소자를 둘러싸는 폐쇄 커브(closed curve)를 따라 상기 제 1 표면과 상기 지지 소자 사이에서 연장되는 점성 액체(viscous liquid)에 의해 더 한정(further delimited)되는 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자.
  11. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 방사 제어 소자의 상기 변화 수단은,
    상기 제 1 모드에서는 적어도 상기 제 1 액체 전부를 상기 제 1 표면 부분으로 이동시키며 그리고 상기 제 2 모드에서는 상기 제 1 표면 부분으로부터 떨어지게(away) 이동시키는 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자.
  12. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 모드와 제 2 모드 사이에서 변경되는 것은 상기 변화 수단에 의한 전기 신호의 제공을 필요로 하며 그리고 상기 전기 신호가 제공되지 않는 경우에는 상기 제 1 및 제 2 모드가 각각 유지되도록, 상기 방사 제어 소자들 중 적어도 하나는 쌍안정성(bistable)인 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 방사 제어 소자의 상기 변화 수단은,
    상기 제 1 모드에서는 적어도 상기 제 1 액체 전부를 상기 제 1 표면 부분으로 이동시키며 그리고 상기 제 2 모드에서는 상기 제 1 표면 부분과 중첩되지 않는 제 2 영역 혹은 위치로 이동시키며,
    상기 적어도 하나의 방사 제어 소자는, 상기 제 1 표면 부분과 상기 제 2 영역/위치 사이에 위치한 분리 소자를 더 포함하며,
    상기 분리 소자는 상기 전기 신호가 제공되지 않는 경우, 상기 제 1 표면 부분과 상기 제 2 영역/위치 이외의 곳으로 상기 제 1 유체가 이동하는 것을 방지하도록 된 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제 1 유체는 쌍극성(dipolar) 액체이며, 상기 제 2 유체는 상기 액체의 극성 보다 낮은 극성을 갖는 유체이며,
    상기 변화 수단은 상기 액체를 이동시키도록 된 전자기장을 제공하는 하나 이상의 전극들을 포함하며, 상기 변화 수단의 하나의 전극은 상기 제 1 표면 영역에 인접하게 위치하며,
    상기 액체는 제 1 모드에서 상기 하나의 전극의 표면 위로 연장하는 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자.
  15. 방사 방출 소자(radiation emitting element)를 동작시키는 방법으로서,
    상기 방사 방출 소자는 제 1 굴절률, 제 1 표면, 반대인 제 2 표면을 갖는 방사 투과 소자(radiation transmissive element), 기결정된 파장의 방사를 상기 방사 투과 소자 안으로 방출하는 방사 방출기(radiation emitter), 그리고 복수의 방사 제어 소자들(radiation controlling element)을 포함하며,
    각각의 방사 제어 소자는,
    - 제 2 굴절률을 가지며 그리고 상기 기결정된 파장에서 적어도 10%의 투과율(transmittance)을 갖는 제 1 액체,
    - 상기 제 2 굴절률 보다 작은 제 3 굴절률을 갖는 제 2 유체, 상기 제 2 굴절률은 상기 제 3 굴절률 보다 상기 제 1 굴절률에 더 가까우며,
    상기 방법은 상기 방사 방출기가 상기 방사 투과 소자 안으로 방사를 방출하는 단계와 그리고 이와 동시에 2개의 모드들 사이에서 상기 제 1 액체의 형상을 변화(altering)시키는 단계를 포함하며,
    ○ 제 1 모드에서, 상기 제 1 액체는 제 1 표면 부분(first surface part)에서 상기 제 1 표면과 접촉하며 그리고 상기 제 1 액체와 상기 제 2 유체 사이의 인터페이스는, 상기 제 1 표면 부분에서, 상기 제 1 표면 부분과 평행하지 않으며, 그리고
    ○ 제 2 모드에서, 상기 제 2 유체의 표면은 상기 제 1 표면 부분에서, 상기 제 1 표면 부분의 형상에 적어도 실질적으로 평행한 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자를 동작시키는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 방사 제어 소자들 중 적어도 하나는,
    상기 제 1 굴절률보다 낮은 제 4 굴절률을 가지며 그리고 상기 제 1 표면에 접경하며(abutting) 그리고 상기 제 1 표면 부분에 인접하여(adjacent) 위치된 커버 소자(covering element)를 포함하며,
    상기 변화시키는 단계는, 상기 적어도 하나의 방사 제어 소자에서, 상기 제 2 모드로 변화시킬때, 상기 제 1 액체의 적어도 일부를 상기 커버 소자와 중첩하는 위치로 이동시키는 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자를 동작시키는 방법.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 방출하는 단계는,
    복수의 방사 방출기들이 상기 방사 투과 소자 안으로 방사를 시간에 대해 순차적으로(sequentially in time) 방출하는 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자를 동작시키는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 변화시키는 단계는,
    변화(altering)와 상기 방사 방출기들의 시퀀스를 조화(coordinating )시키는 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자를 동작시키는 방법.
  19. 제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 방사 제어 소자들로부터 방출된 방사를 복수의 방사 변환(converting) 수단들 각각이 수신하고 그리고 이를 상기 기결정된 파장과는 다른 하나 이상의 파장들을 갖는 방사로 변환시키는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자를 동작시키는 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 변환시키는 단계는,
    방출 및 수신된 방사를 적어도 실질적으로 백색인 광으로 변환시키는 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자를 동작시키는 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 방사 방출기로부터 방출된 방사의 파장을 판별하고, 판별된 파장에 기초하여 하나 이상의 상기 방사 변환 수단들을 선택하고 그리고 상기 각각의 방사 변환 수단들을 변화(altering)시키는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자를 동작시키는 방법.
  22. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    변환된 방사를 컬러 선택 수단이 상기 변환 수단으로부터 수신하고 그리고 수신된 방사로부터 소정 파장을 갖는 방사 혹은 소정 파장 범위 내의 방사를 제거하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자를 동작시키는 방법.
  23. 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    디스플레이 소자에 포함된 복수의 강도(intensity) 제어 소자들 각각이, 상기 변환 및/또는 선택 단계로부터 방사를 수신하고 그리고 수신된 방사를 소정 강도로 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자를 동작시키는 방법.
  24. 제15항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변화시키는 단계는, 적어도 하나의 방사 제어 소자에서,
    상기 제 1 모드에서는 적어도 상기 제 1 액체 전부를 상기 제 1 표면 부분으로 이동시키며 그리고 상기 제 2 모드에서는 상기 제 1 표면 부분으로부터 떨어지게(away) 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자를 동작시키는 방법.
  25. 제15항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변화시키는 단계는 상기 변화 수단에 의해 전기 신호를 제공하는 단계를 포함하며 그리고 상기 전기 신호가 제공되지 않는 경우에는 상기 제 1 및 제 2 모드가 각각 유지되도록, 상기 방사 제어 소자들 중 적어도 하나는 쌍안정성(bistable)인 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자를 동작시키는 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 변화시키는 단계는, 상기 적어도 하나의 방사 제어 소자에서,
    상기 제 1 모드에서는 적어도 상기 제 1 액체 전부를 상기 제 1 표면 부분으로 이동시키며 그리고 상기 제 2 모드에서는 상기 제 1 표면 부분과 중첩되지 않는 제 2 영역 혹은 위치로 이동시키는 단계를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 방사 제어 소자는, 상기 제 1 표면 부분과 상기 제 2 영역/위치 사이에 위치한 분리 소자를 더 포함하며,
    상기 분리 소자는, 상기 전기 신호가 제공되지 않는 경우, 상기 제 1 표면 부분과 상기 제 2 영역/위치 이외의 곳으로 상기 제 1 유체가 이동하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자를 동작시키는 방법.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 제 1 유체는 쌍극성(dipolar) 액체이며, 상기 제 2 유체는 상기 액체의 극성 보다 낮은 극성을 갖는 유체이며,
    상기 변화시키는 단계는, 하나 이상의 전극들을 이용하여, 상기 액체를 이동시키도록 된 전자기장을 제공하는 단계를 포함하며,
    상기 전극들 중 하나는 상기 제 1 표면 영역에 인접하게 위치하며,
    상기 액체는, 제 1 모드에서, 상기 하나의 전극의 표면 위로 연장하는 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자를 동작시키는 방법.
  28. 방사 방출 소자를 조립(assembling)하는 방법으로서,
    - 제 1 표면과 그 반대인 제 2 표면을 갖는 방사 투과 소자를 제공하는 단계;
    - 상기 제 1 표면 상에 복수의 제 1 고친화성 표면 영역들(higher affinity surface areas)을 제공하는 단계;
    - 상기 제 1 표면 상에 고친화성 물질의 폐쇄 커브(closed curve)를 제공하는 단계, 상기 폐쇄 표면(closed surface)은 상기 복수의 제 1 고친화성 표면 영역들을 둘러싸며(encircling);
    - 상기 고친화성 표면 영역들과 상기 고친화성 물질에 대해 고친화성을 갖는 액체를 상기 제 1 표면 상에 제공하는 단계; 그리고
    - 상기 폐쇄 커브의 상기 액체에는 접촉하지만 상기 복수의 제 1 고친화성 표면 영역들의 상기 액체에는 접촉하지 않도록, 지지 소자(backing element)를 제공하고 그리고 상기 지지 소자를 위치시키는 단계
    를 포함하며,
    상기 폐쇄 커브 상에 제공된 상기 액체는 상기 복수의 제 1 표면 영역들 상에 제공된 상기 액체보다 상기 제 1 표면으로부터 더 멀리 연장되는 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자를 조립하는 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 폐쇄 커브는, 상기 복수의 제 1 고친화성 표면 영역들 중 임의의 것의 최저 치수(lowest dimension) 보다 큰 최저 폭(lowest width)을 갖는 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자를 조립하는 방법.
  30. 제28항 또는 제29항에 있어서,
    상기 폐쇄 커브 내에 유체를 제공하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자를 조립하는 방법.
  31. 제28항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 표면 상에 그리고 상기 폐쇄 커브 내에, 그 각각이 상기 복수의 제 1 고친화성 표면 영역들의 최저 치수보다 큰 최저 치수를 갖는 복수의 제 2 고친화성 표면 영역들을 제공하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자를 조립하는 방법.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 액체를 제공하는 것에 후속하여, 상기 복수의 제 2 고친화성 표면 영역들 각각에, 거리 정의 소자(distance defining element)를 제공하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자를 조립하는 방법.
  33. 제28항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체를 제공하는 단계에 후속하여 그리고 상기 지지 소자를 제공하는 단계 이전에, 상기 액체에 가속력(acceleration)을 제공하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사 방출 소자를 조립하는 방법.
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