KR20120090353A - 전기변색소자 및 전기변색 디스플레이 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기변색소자 및 전기변색 디스플레이 장치에 관한 것으로, 상기 전기변색소자는 서로 대향 배치되는 제1 전극 및 제2 전극, 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 위치하는 전해질층, 그리고 상기 일체(一體)의 제1 전극 일면에 위치하며, 전기변색물질을 포함하는 회절 격자 패턴을 포함한다.
상기 전기변색소자는 전기변색물질을 포함하는 회절 격자 패턴의 가역적인 색변화를 이용하여 광의 투과량, 회절정도 등의 회절 특성을 조절할 수 있어서 가변적으로 3차원 이미지를 제공할 수 있고, 백색광에 의하여 RGB 이미지를 제공할 수 있다.

Description

전기변색소자 및 전기변색 디스플레이 장치{ELECTROCHROMIC DEVICE AND ELECTROCHROMIC DISPLAY APPARATUS}
본 발명은 전기변색소자 및 전기변색 디스플레이 장치에 관한 것으로, 전기변색물질을 포함하는 회절 격자 패턴의 가역적인 색 변화를 이용하여 빛의 투과량, 회절 정도 등의 회절 특성을 조절할 수 있어서 가변적으로 3차원 이미지를 제공할 수 있고, RGB 이미지를 제공할 수 있는 전기변색소자 및 전기변색 디스플레이 장치에 관한 것이다.
인가되는 전압에 따라 가역적으로 색깔이 변화하는 현상을 전기변색현상(ELECTROCHROMISM)이라 하고, 이렇게 전기 화학적 산화 환원 반응에 의하여 광학적 특성이 가역적으로 변하는 물질을 전기변색 물질이라고 한다.
이러한 전기변색 물질로는 텅스텐, 이리듐과 같은 금속산화물, 피리딘계 화합물이나 아미노퀴논계 화합물 등의 유기물이 알려져 있고, 구체적으로 환원상태에서 색이 나타나고 산화상태에서 무색으로 되는 것을 환원발색(cathodic coloration), 환원상태에서 무색이고 산화상태에서 컬러가 나타나는 것을 산화발색(anodic coloration)이라고 한다.
이러한 전기변색 물질은 눈부심을 방지하기 위한 차량용 유리나, 건축자재, 전기변색 창문 등으로도 활용되고 있고, 최근에는 폴리티오펜 등의 전도성 고분자를 도입한 전기변색소자를 전자종이 등의 차세대 디스플레이 장치로의 응용이 연구되고 있다.
한편, 회절 현상을 적용한 디스플레이 장치로는, 입체영상 표시장치[US 특허 5301062, 출원 번호 10-2004-0085129], 광 디스플레이장치[출원번호 10-2006-0045082], 레이저 프로젝션 디스플레이 장치[10-2010-0045267]가 보고된 바 있으나, 표시 패널로는 LCD, PDP, FED, EL를 도입하여 부가적인 입체 영상을 구현하거나[출원번호 10-2004-0085129], 기존 디스플레이 장치들의 스펙클 패턴 제거, 화질 향상과 같은 성능 향상의 용도 정도로 회절 소자를 도입하고 있다.
본 발명의 목적은 인가되는 전압에 따라 회절 격자 패턴의 가역적인 색 변화 이용하여 빛의 투과량, 회절정도 등의 회절 특성을 조절할 수 있어서 가변적으로 3차원 이미지를 제공할 수 있고, 백색광을 광원으로 하여 RGB 이미지를 제공할 수 있는 전기변색소자 및 전기변색 디스플레이 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색소자는 서로 대향 배치되는 제1 전극 및 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 사이에 위치하는 전해질층, 그리고 상기 일체(一體)의 제1 전극 일면에 위치하며, 전기변색물질을 포함하는 회절 격자 패턴을 포함한다.
상기 회절 격자 패턴은 간격을 두고 배치된 복수의 전기변색층을 포함하는 것일 수 있다.
상기 회절 격자 패턴은 제1 전기변색층 및 상기 제1 전기변색층 위에 배치된 복수의 제2 전기변색층을 포함하고, 상기 복수의 제2 전기변색층은 일정한 간격을 두고 배치된 것일 수 있다.
상기 회절 격자 패턴은 교차 배열되는 전기 변색부와 전기 비변색부를 포함하는 것일 수 있다.
상기 회절 격자 패턴은 패턴의 너비가 10nm 내지 50um이고, 패턴의 높이가 1nm 내지 100um인 것일 수 있다.
상기 회절 격자 패턴은 패턴의 간격이 가시광 파장보다 작은 것일 수 있다.
상기 회절격자패턴은 소색, 착색 및 소색과 착색 사이의 색으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 색으로 변색되어 디스플레이에 회색구간(gray scale)을 형성하는 것일 수 있다.
상기 전기변색소자는 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제1 전극 각각에 대응하는 복수의 회절 격자 패턴을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예인 전기변색 디스플레이 장치는 상기 전기변색소자, 상기 전기변색소자에 빛을 조사하는 광원, 그리고 상기 전기변색소자와 전기적으로 연결되어 전압을 인가하는 전원부를 포함한다.
상기 전기변색 디스플레이 장치는 상기 전기변색소자의 상부 또는 하부에 독립적으로 구동되는 별개의 전기변색소자를 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 전기변색 디스플레이 장치는 입체 컬러 이미징용 픽셀을 포함하고, 상기 픽셀은 회절 격자 패턴의 방향이 서로 다른 복수의 전기변색소자를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 전기변색소자는 회절 격자 패턴의 가역적인 색 변화를 이용하여 빛의 투과량, 회절 정도 등의 회절 특성을 조절할 수 있고, 가변적 3차원 이미지를 제공할 수 있으며, 가변적으로 RBG 이미지를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 전기변색 디스플레이 장치는 낮은 전압으로 넓은 시야각을 가진 다양한 컬러 구현이 가능한 디스플레이 장치를 제공할 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예인 전기변색소자의 단면도이다.
도2는 회절 격자 패턴의 너비, 간격, 높이 및 두께를 표시한 단면도이다.
도3은 회절 격자 패턴의 일 변형예를 나타낸 사시도이다.
도4은 회절 격자 패턴의 다른 일 변형예를 나타낸 사시도이다.
도5은 회절 격자 패턴의 또 다른 일 변형예를 나타낸 사시도이다.
도6은 본 발명의 다른 일 실시예인 전기변색 디스플레이 장치에서 회절 격자 패턴이 발색된 경우를 나타내는 개념도이다.
도7은 본 발명의 다른 일 실시예인 전기변색 디스플레이 장치에서 회절 격자 패턴이 소색된 경우를 나타내는 개념도이다.
도8은 본 발명의 또 다른 일 실시예인 전기변색 디스플레이 장치에서 회절 격자 패턴이 발색된 경우를 나타내는 개념도이다.
도9은 전기변색 디스플레이 장치에 포함되는 복수의 전기변색소자의 배치예를 나타내는 평면도이다.
도10는 전기변색 디스플레이 장치에 포함되는 복수의 전기변색소자를 적층하여 구성한 배치예를 나타내는 단면도이다.
도11은 복수의 전기 변색 소자가 한 평면에 배치되어 픽셀화되어서 전압의 인가에 의하여 구동되는 것을 설명하는 개념도이다.
도12은 복수의 전기변색소자를 상하로 적층하여 수개의 전기변색소자가 하나의 픽셀화되어서 이미징하는 것을 설명하는 개념도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
도1은 본 발명의 일 실시예인 전기변색소자(200)의 단면도이다.
상기 도1을 참조하면, 상기 전기변색소자(200)는 서로 대향 배치되는 제1 전극(12) 및 제2 전극(22), 상기 제1 전극(12)과 상기 제2 전극(22)의 사이에 위치하는 전해질층(30), 그리고 상기 일체(一體)의 제1 전극(12) 일면에 위치하며, 전기변색물질을 포함하는 회절 격자 패턴(100)을 포함한다.
상기 제1 전극(12)은 제1 기판(11)의 전면에 형성될 수 있고, 상기 제2 전극(22)는 상기 제2 기판(21)의 전면에 형성될 수 있다.
상기 제1 기판(11) 및 제2 기판(21)은 각각 독립적으로 투명한 기판이 적용될 수 있으며, 구체적으로 유리, 유리섬유, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리에테르설폰, 폴리이미드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 제1 전극(12) 및 제2 전극(22)은 각각 독립적으로 전도성 투명 전극이 적용될 수 있고, 구체적으로 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide: ITO), 플루오린 틴 옥사이드(fluorine tin oxide: FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, 산화주석, 안티몬 틴옥사이드(antimony tin oxide, ATO), 산화아연(zinc oxide) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 이루어진 전극일 수 있다.
상기 제1 전극(12) 또는 제2 전극(22)은 광투과성 전극 및 반사형 비투명 전극으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 상기 제1 전극(12) 또는 제2 전극(22)을 반사형 비투명 전극으로 하는 경우에는 반사형 광학계에 포함되는 소자로 적용될 수 있다.
상기 반사성 비투명 전극은 알루미늄계 또는 알루미늄계 합금을 포함하는 금속전극 및 광투과성 전극에 금속 코팅층이 형성된 전극으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 제1 전극(12)과 제2 전극(22)의 사이에는 스페이서(40)가 위치할 수 있고, 상기 스페이서(40)는 제1 전극(12)과 제2 전극(22)의 간격을 유지하며, 상기 제1 전극(12)과 제2 전극(22)의 사이에 위치하는 전해질층(3)의 밀봉재의 역할이나 수개의 인접하는 전기변색소자 사이의 격막의 역할을 할 수 있다.
상기 스페이서(40)는 상기 회절 격자 패턴(100)으로 이루어진 단위마다 독립적으로 형성될 수 있고, 복수의 상기 회절 격자 패턴(100)이 포함된 전기변색소자의 단위로 형성될 수 있으며, 수개의 전기변색소자의 단위로 형성될 수 있다.
상기 전해질층(30)은 전해질염을 용해시킨 액상전해질, 젤상전해질, 고상전해질 및 고분자전해질로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있고, 상기 액상전해질의 경우에는 용매에 전해질염이 용해된 것일 수 있다.
상기 전해질염은 전기 소자에서 사용되는 전해질염이 적용될 수 있고, 구체적으로 n-Bu4NClO4, n-Bu4NPF6, NaBF4, LiClO4, LiPF6, LiBF4, LiN(SO2C2F5)2, LiCF3SO3, C2F6LiNO4S2, K4Fe(CN)6 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 용매는 비수성 용매라면 적용할 수 있고, 구체적으로 디클로메탄, 클로로포름, 아세토니트릴, 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 테트라하이드로퓨란(THF), 뷰틸렌 카보네이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 전해질 용액은 상기 용매에 상기 전해질염을 0.001 내지 10 몰농도로 포함할 수 있고, 0.1 내지 5 몰농도로 포함할 수 있다. 상기 전해질 용액의 농도가 0.001 몰농도 미만이면 전기변색이 충분히 이루어지지 않을 수 있고, 10 몰농도를 초과하면 전해질염이 용출될 수 있다.
상기 전해질층(30)은 액정(liquid crystal, 미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 전해질층에 상기 액정을 더 포함하는 경우에는 상기 전기변색소자에 편광성을 부여할 수 있고, 상기 액정은 주사하는 방법, 진공 주입하는 방법 등을 이용하여 상기 전해질층(30)에 투입할 수 있다.
회절 격자 패턴(100)은 상기 일체(一體)의 제1 전극(12) 일면에 위치하며, 전기변색물질을 포함한다. 구체적으로, 상기 회절 격자 패턴(100)은 일체(一體)를 이루는 제1 전극(12)의 일면에 형성한 전기변색물질을 포함하는 층에 회절 격자 패턴을 형성한 것일 수 있다.
상기 회절 격자 패턴(100)을 일체(一體)를 이루는 제1 전극(12)의 일면에 형성된 것이고, 회절 격자 패턴을 갖도록 미세한 일정한 간격으로 패턴화하여 구성하면서도 전기변색물질을 포함하여 형성하여서, 인접한 일체(一體)를 이루는 전극의 전압 인가 여부 및 인가되는 전압의 세기에 따라서 미세한 회절 격자 패턴의 소색 및 발색 뿐만 아니라 발색의 정도까지 회절 격자 패턴 단위로 조절할 수 있다.
상기 전기변색물질은 전기화학적 산화, 환원 반응에 의하여 광흡수도가 변화하는 전기변색특성을 갖는 물질로, 전압의 인가 여부 및 전압의 세기에 따라서 가역적으로 전기변색물질의 전기 화학적 산화, 환원 현상이 일어나고, 이에 의하여 상기 전기변색물질의 투명도 및 흡광도가 가역적으로 변경될 수 있는 물질이다.
상기 전기변색물질은 텅스텐, 이리듐, 니켈, 바나듐을 포함하는 금속 산화물 전기변색물질, 비올로겐, 퀴논을 포함하는 유기물 전기변색물질, 폴리티오펜, 폴리아닐린, 폴리피롤을 포함하는 전도성 고분자 전기변색물질 및 이들의 유도체가 적용될 수 있고, 구체적으로, 폴리티오펜(polythiophene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리안트라센(polyanthracene), 폴리플루오렌(polyfluorene), 폴리카바졸(polycarbazole), 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylenevinylene) 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 전기변색물질로 상기 전도성 고분자를 적용하는 경우에는 전도성 고분자의 분자구조변경을 통한 다양한 컬러의 구현할 수 있고, 전기변색소자의 작동 전압을 낮출 수 있으며, 전기변색소자를 경량화할 수 있다.
도2는 회절 격자 패턴(100)의 너비, 간격, 높이 및 두께를 표시한 단면도이고, 도3 내지 도5는 본 발명의 일 실시예인 전기변색소자(200)에 포함되는 회절 격자 패턴(100)의 변형예를 나타낸 도면이다.
이하, 상기 도2 내지 도5를 참조하여 상기 회절 격자 패턴(100)의 변형예를 설명한다.
상기 회절 격자 패턴(100)은 간격(a)을 두고 배치된 복수의 전기변색층(110)을 포함하는 것일 수 있고, 상기 복수의 전기변색층(110) 사이의 간격(a)은 가시광 파장보다 작은 것일 수 있다.
상기 간격(a)는 광간섭(interference)을 일으킬 수 있는 간격일 수 있고, 바람직하게 가시광 파장보다 작은 것(subwavelength)일 수 있으며, 상기 패턴의 간격(a)는 100um이하일 수 있고, 1nm 내지 90um일 수 있으며, 10nm 내지 50um일 수 있다.
상기 패턴의 간격이 상기 간격의 범위인 경우에는 높은 회절 특성을 보일 수 있고, 회절광의 방향성이 향상될 수 있다.
또한, 상기 패턴의 간격(a)이 10nm 내지 900nm인 경우에는 높은 회절 특성과 회절광의 방향성을 향상시킬 수 있으면서도, 회절광(공명광)의 상호작용이 가시영역에서 발생할 수 있어서 디스플레이의 선명도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 패턴의 너비는(b)는 10nm 내지 50um일 수 있으며, 상기 패턴의 높이(c)는 1nm 내지 100um인 것일 수 있고, 10nm 내지 100um인 것일 수 있다.
상기 전기변색층(110)의 높이(d)에는 특별한 제한이 없으나, 5nm 내지 100um일 수 있다.
상기 간격, 높이와 너비의 범위에서 상기 전기변색층의 패턴 형성의 효율성을 높일 수 있다.
상기 회절 격자 패턴(100)은 제1 전기변색층(120) 및 상기 제1 전기변색층 위에 간격을 두고 배치된 복수의 제2 전기변색층(130)을 포함하는 것일 수 있고, 상기 제2 전기변색층(130) 간의 간격(a), 너비는(b) 및 높이(c)에 관한 내용은 상기 전기변색층(110)에 관한 설명과 동일하므로 그 기재를 생략한다.
상기 제1 전기변색층(120)과 상기 제2 전기변색층(130)을 포함하는 회절 격자 패턴(100)의 높이(d)는 10nm 내지 120um일 수 있다.
상기 회절 격자 패턴(100)은 교차 배열되는 전기 변색부(140)와 전기 비변색부(150)를 포함하는 것일 수 있다.
상기 전기 비변색부(150)의 너비는 상기 전기변색층(110) 간의 간격(a)에 관한 설명과, 상기 전기 변색부(140)의 너비는 상기 전기변색층(110)의 너비는(b)에 관한 설명과, 그리고 상기 전기 변색부(140)의 높이는 상기 전기변색층(110)의 높이(c)에 관한 기재와 동일한바, 그 기재를 생략한다.
상기 전기변색소자(200)는 복수의 제1 전극(12) 및 상기 복수의 제1 전극 각각에 대응하는 복수의 회절 격자 패턴(100)을 포함할 수 있다. 상기 전기변색소자(200)가 복수의 제1 전극(12)과 이에 대응하는 복수의 회절 격자 패턴(100)을 포함하는 경우에는 광원의 회절광이 각 층이 각기 다른 방향성의 회절 격자 패턴(그레이팅)을 지날 때 변화하므로, 각기 다른 방향으로 투영되는 이미지를 형성할 수 있고, 입체 이미지를 구현할 수 있다.
상기 회절 격자 패턴(100)은 일체의 제1 전극 일면에 전기변색물질을 포함하는 층을 형성하고, 일정한 간격으로 상기 전기변색물질을 포함하는 층을 제거하여 간격을 두고 배치된 복수의 전기변색층(110, 130)을 형성하는 방식으로 제조될 수 있고, 전기변색물질을 포함하는 층을 반복하여 형성한 후에 그 일부를 일정한 간격으로 제거하여 형성할 수 있다.
또한, 상기 회절 격자 패턴(100)은 일체의 제1 전극(12) 일면에 전기변색물질을 포함하는 층과 전기변색물질을 포함하지 않는 층을 격자로 반복하여 형성할 수 있고, 일체의 제1 전극 일면(12)에 전기변색물질을 포함하는 층을 형성하고, 그 일부에 전기전도성을 상실시켜서 격자 패턴의 전기 비변색부(150)를 형성하는 방식으로 제조될 수 있다.
구체적으로, 상기 일체의 제1 전극(12)의 일면에 전기변색물질을 포함하는 층을 형성하는 방법은 상기 제1 전극(12)에 전기중합, 증기중합, 화학중합 등의 중합 방식으로 전기변색물질을 포함하는 고분자층을 형성하여 제조할 수 있고, 용액공정이 가능한 전도성 고분자의 경우에는 용매에 용해하여 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 바 코팅 등으로 코팅하여 박막을 형성할 수 있으며, 전기변색물질을 포함하는 박막층을 형성할 수 있는 방법이라면 제한없이 적용될 수 있다.
상기 회절 격자 패턴(100)은 임프린팅법, 홀로그라피법, MIMIC법(micromolding in capillaries process), 포토레지스트(photoresist) 패턴을 이용한 포토리소그라피법(photolithography), 전자빔 리소그라피법(e-beam lithography) 등의 패턴 공정을 이용하여 전기변색물질을 포함하는 층에 일부를 제거하여 패턴을 형성할 수 있고, 광경화성 작용기를 보유한 전도성 고분자 박막의 광패터닝(photo-patterning)에 의하여 박막상에 전기적 활성이 있는 전기 변색부(140)와 광반응에 의한 전도도 손실로 전기적 활성이 없는 전기 비변색부(150)가 교차, 반복적으로 나타나도록 하여 형성할 수 있다.
상기 회절 격자 패턴(100)은 상기 회절 격자 패턴의 흡광도, 패턴의 간격, 너비 등에 의한 굴절율의 차이로 일정한 회절현상(간섭현상을 포함한다)을 유도할 수 있다.
구체적으로, 상기 회절 격자 패턴(100)에 전압이 인가 여부에 따라 상기 회절 격자 패턴(100)에 포함된 전도성 고분자의 전기화학적 산화환원 상태가 변경되고, 이에따라 상기 회절 격자 패턴(100)의 광투과도, 굴절율 등이 변경된다. 따라서, 상기 회절 격자 패턴(100)을 선택적으로 빛을 회절, 투과, 차단할 수 있다.
구체적으로, 상기 회절 격자 패턴(100)을 투과하는 빛의 회절광의 각도 및 세기는 하기 식 1 내지 3을 만족한다.
식(1):
Figure pat00001
상기 식(1)은 평면으로부터 φm 각도로 나타나는 회절광을 의미하는 것으로, 상기 λ는 파장, 상기 d는 패턴 간격, 상기 m은 회절 차수를 나타낸다.
식(2):
Figure pat00002
회절 격자 패턴에 의한 회절 효율(DE, 입사광 세기에 대한 회절광[출사광] 세기의 비율)은 상기 식(2)로 나타나며, 상기 브랙 각(Bragg angle, θ)과 광학밀도(Optical density, OD), 그레이팅 사이즈(T), 입사광 파장(λ), 패턴 및 패턴과 접촉하는 매질의 흡수도 차이(Δk) 및 굴절률 차이(Δn)의 함수이다.
상기 굴절률 차이(Δn)는 흡광계수(Δα) 변화에 의존하므로, 하기 식(3)을 만족한다.
식(3):
Figure pat00003
따라서, 상기 전기변색층(10)의 그레이팅 패턴이 전기변색물질로 이루어져 있고, 전압의 인가에 의하여 전기변색층의 흡수도와 굴절률에 변화가 발생하면, Δk와 Δn 값 변화하고, 회절 효율(DE)이 변조된다.
구체적으로, 패턴이 소색되어 OD, Δk 및 Δn 값이 감소하게 되면, 결과적으로 DE가 감소하므로 해당 픽셀의 회절 이미징은 불가능하게 된다. 그러나, 반대로 패턴이 변색되면, DE가 증가하여 해당 전기변색소자는 뚜렷한 회절 이미지가 투영된다.
따라서, 전기변색물질의 특성, 패턴의 형태, 인가하는 전압의 크기, 입사각 등에 따라서 회절광의 세기와 회절의 정도를 조절할 수 있고, 이에 따라 상기 회절 격자 패턴(100)은 소색, 착색 및 소색과 착색 사이의 색(완전한 소색과 완전한 착색 사이의 다양한 색)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 색으로 변색되어 디스플레이에 회색구간(gray scale)을 형성할 수 있다.
상기 전기변색소자(200)은 백색광이 조사되는 경우에도 회절 격자 패턴(100)에 의하여 선명도가 향상된 컬러를 제공할 수 있고, 회절 격자 패턴(100)의 패턴 간격(a)이 가시광 파장보다 작은 경우(sub-wavelength gratings)에 공명광의 상호작용이 가시영역에서 발생하여 보다 선명도가 향상된 컬러를 제공할 수 있다.
상기 패턴 간격이 1400 내지 2000 lines/mm의 낮은 밀도의 패턴 그레이팅인 경우에는 멀티컬러를 나타낼 수 있고, 3000 lines/mm을 초과하는 패턴 그레이팅인 경우에는 파란색의 컬러를 넓은 범위의 각도로 제공할 수 있다.
상기 회절 격자 패턴(100)의 패턴 밀도나 전기변색층 사이의 간격(a)에 의하여 발생하는 공명현상은 전기변색소자(200)를 통과하는 빛의 회절에 영향을 미치고, 상기 회절 격자 패턴(100)에 의한 빛의 투과 및 반사에 의하여 전기변색 디스플레이 장치(300)는 다양한 컬러를 표현할 수 있다.
편광되지 않은 백색광을 조사하는 경우에, 회절광의 컬러는 회절 격자 패턴(100)의 특성(프로파일)을 다르게 하여 조절할 수 있고, 특정한 패턴의 회절 격자 패턴의 그레이팅 간격으로부터 얻을 수 있는 컬러에 해당하는 파장은 하기 식(4)으로부터 얻을 수 있다.
식(4): mλ = d (sinα + sinβ)
상기 식4에서, 상기 λ은 파장, 상기 d는 패턴 간격, 상기 m는 회절 차수, 상기 α는 입사각, 그리고 상기 β는 회절각을 나타낸다.
백색광이 광 진행 축의 θ 방향으로 정렬된 회절 그레이팅으로 보내졌을 때, 그레이팅 정렬에 따라 다르게 회절된 파장이 얻어질 수 있고, 상기 식4에 이를 반영하면, 하기 식5로 표현될 수 있다.
식(5): mλ= d (sinα ×cosθ + sinβ)
따라서, 회절 격자 패턴(100)의 간격, 입사각, 회절각 및 패턴 정렬 방향에 따라, 백색광을 광원으로 하였을 때 RGB 디스플레이 구현할 수 있다.
상기 회절 격자 패턴(100)은 제1 전극(12) 및 제2 전극(22)에 인가되는 전압에 의하여 빛의 투과 및 회절의 정도를 가역적으로 조절할 수 있다.
상기 회절 격자 패턴(100)에 인가되는 전압은 -10 내지 +10V일 수 있고, -5 내지 +5V일 수 있으며, -3 내지 +3V일 수 있고, -2 내지 +2V일 수 있다.
상기 회절 격자 패턴(100)에 인가되는 전압이 상기의 범위인 경우에 효율적이고 반복 가능한 변색이 가능할 수 있다. 또한, 낮은 전압으로 구동이 가능하여 에너지 절약의 차원에서도 유리한 특성을 가질 수 있다.
도6 및 도7은 본 발명의 다른 일 실시예인 전기변색 디스플레이 장치(투과형)에서 회절 격자 패턴이 발색된 경우와 소색된 경우를 나타내는 개념도이다. 또한, 도8은 본 발명의 다른 일 실시예인 전기변색 디스플레이장치(반사형)을 나타내는 개념도이다.
도6 내지 도8을 참조하면, 상기 전기변색 디스플레이 장치(300)는 광원(310), 전기변색소자(200), 전원부(320)를 포함한다.
상기 광원(310)은 상기 전기변색소자(200)에 빛을 조사하는 것으로, 빛을 조사할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않고 상기 광원이 될 수 있고, 단색광 또는 백색광을 조사하는 것일 수 있다.
상기 전원부(320)는 상기 전기변색소자(200)에 포함된 제1 전극(12), 제2 전극(22)에 연결되어 전압을 인가한다.
상기 전기변색소자(200)에 포함된 회절 격자 패턴(100)은 발색된 경우에 빛의 조사에 의하여 0차 회절광 이외에 +n, -n(n≥1)의 회절광을 발생시킨다. 한편, 전기변색소자(200)에 포함된 회절 격자 패턴(100)은 소색된 경우에는 0차 회절광 이외에 +n, -n차수(n≥1)의 회절광은 발생하지 않는다.
상기 광원(310)과 상기 전기변색소자(200) 사이에는 조명광학계(330)가 더 포함될 수 있다. 상기 조명광학계(330)는 상기 광원(310)에서 조사된 빛을 상기 전기변색소자(200)에 효율적으로 포커싱시킬 수 있다.
상기 전기변색 디스플레이 장치(300)는 투과형이거나 반사형일 수 있다.
상기 전기변색 디스플레이 장치가 반사형인 경우에는 상기 전기변색소자(200)에 포함되는 제1 전극(12) 또는 제2 전극(22)이 반사형 전극일 수 있고, 상기 전기변색소자(200)는 배치방향을 0 내지 90도로 조절하여 입사되는 빛의 각도를 특정한 방향으로 조절할 수 있다.
상기 반사형 전기변색 디스플레이 장치의 경우에는 상기 전기변색소자(200)의 발색 또는 소색에 의하여 각각 의하여 0차 반사 회절광 이외에 +n, -n차수(n≥1)의 반사 회절광을 만들어 내거나 0차 반사 회절광 이외의 반사 회절광이 발생하지 않도록 할 수 있다.
상기 전기변색 디스플레이 장치(300)는 투사렌즈(340), 공간주파수 필터(350)을 더 포함할 수 있다.
상기 공간주파수 필터(350)는 특정한 차수의 회절광을 선택적으로 진행시키거나 정지시킬 수 있다.
또한, 상기 전기변색 디스플레이 장치의 상기 광원(310)과 상기 전기변색소자(200)의 사이에 편광필터(미도시)를 더 도입하여 방향성일 가진 빛을 상기 전기변색소자(200)에 조사할 수 있다.
광원에 편광필터를 도입하는 경우에는 방향성을 가진 입사광으로 동일한 착색 상태에서도 특정 방향으로 정렬된 픽셀만을 선택적으로 회절 이미징 할 수 있다. 이러한 경우에는 전압 스위칭이 필요한 회절 격자 패턴의 수를 줄일 수 있고, 디스플레이 장치의 이미징 속도 및 내구성도 향상시킬 수 있다.
상기 전기변색 디스플레이 장치(300)는 입체 컬러 이미징용 픽셀을 포함하고, 상기 픽셀은 회절 격자 패턴의 방향이 서로 다른 복수의 전기변색소자(200)를 포함하는 것일 수 있다.
상기 회절 격자 패턴의 방향이 서로 다른 복수의 전개변색소자(200)는 횡으로 또는 종으로 수개가 하나의 픽셀을 이룰 수 있고, 상기 하나의 픽셀 내에 존재하는 복수의 전기변색소자(200) 및 하나의 전기변색소자(200) 내에 존재하는 수개의 회절 격자 패턴(100)은 각각 독립적으로 구동되는 전원부(320)에 의하여 각각 독립적으로 구동될 수 있다.
이렇게 각각 독립적으로 구동되는 수개의 전기변색소자 및 회절 격자 패턴은 선택적으로 입사광을 회절시키거나 투과 또는 차광시킬 수 있고, 입체 컬러 이미징을 제공할 수 있다.
상기 전기변색소자(200)과 상기 회절 격자 패턴(100)에 관한 구체적인 설명에서 상기 본 발명의 일 실시예로 설명한 것과 중복되는 내용은 그 기재를 생략한다.
도9 및 도10는 본 발명의 전기변색 디스플레이 장치(300)에 포함되는 복수의 전기변색소자(200)의 배치를 나타내는 도면이다. 상기 도9은 평면으로 배치된 전기변색소자를 나타내는 평면도이고, 상기 도10는 전기변색소자를 적층하여 구성한 배치예를 나타내는 단면도이다.
상기 도9을 참조하면, 복수의 전기변색소자(200)는 평면에 배치될 수 있고, 상기 배치된 복수의 전기변색소자(200)는 개별적으로 인가되는 전압에 의하여 회절 격자 패턴으로 구성되는 픽셀을 선택적으로 소색 또는 발색시킬 수 있고, 회절 이미지를 원하지 않는 픽셀은 소색하여 0차 회절광만을 투영하도록 할 수 있고, 이미징에 필요한 픽셀은 발색 상태를 유지하여 회절광이 투영되도록 할 수 있다. 또한, 0차 회절광은 주파수 필터를 통과시켜 이미징이 되지 않도록 할 수 있다.
상기 도10를 참조하면, 상기 전기변색 디스플레이 장치(300)에 포함된 상기 전기변색소자(200)는 그 상부 또는 하부에 상기 전기변색소자(200)와 독립적으로 구동할 수 있는 제2 전기변색소자(200’)를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 전기변색소자(200’)는 상기 전기변색소자(200)에 포함된 회절 격자 패턴(100)의 패턴의 방향이 서로 다른 것일 수 있다. 또한, 상기 전기변색디스플레이 장치(300)는 제3 전기변색소자(200’’)를 더 포함할 수 있으며, 제3 전기변색소자(200’’)도 상기 전기변색소자(200) 및 제2 전기변색소자(200’)와 패턴의 방향이 다른 것일 수 있다.
서로 패턴의 방향이 다른 전기변색소자(200, 200’, 200’’)를 적층하여 다중 적층 필셀을 구성하는 경우에는 조사된 빛의 회절각이 각 층의 다른 방향성을 가진 전기변색소자를 지날 때 변화하므로, 선택적으로 각기 다른 방향으로 투영되는 이미지를 형성할 수 있고, 입체 이미지를 형성할 수 있다.
상기 복수의 전기변색소자(200)의 배치는 스위칭 패널(51, 52)상에 이루어질 수 있고, 상기 스위칭 패널은 PM(passive matrix) 방식으로 전기변색소자(200)를 구동하도록 구성될 수 있고, AM(active matrix) 방식으로 전기변색소자(200)를 구동하도록 구성될 수 있으며, 구동방식에 특별한 제한은 없다.
상기 전기변색소자(200)에 전원부를 연결하고, 전기변색 디스플레이 장치(300)를 구성하는 것은 디스플레이 장치를 제조하는 방법이라면 특별히 제한되지 않는바, 그 기재를 생략한다.
도11은 다수의 전기 변색 소자가 한 평면에 배치되어 픽셀화되어서 전압의 인가에 의하여 구동되는 것을 설명하는 개념도이다.
상기 도11을 참조하면, 복수의 전기변색소자(200)는 서로 다른 회절 격자 패턴을 가질 수 있고, 이러한 복수의 전개변색소자는 각각 독립적으로 인가되는 전압에 의하여 소색 또는 발색(여기에서 발색은 완전한 발색 뿐만 아니라 소색과 완전한 발색 사이의 다양한 색을 포함한다) 될 수 있다.
원하는 특정한 이미지를 얻기 위하여, 회절 이미지를 원하지 않는 픽셀은 완전히 소색시켜서 0차 회절광만이 투영되도록 할 수 있고, 회절 이미징이 필요한 픽셀은 착색 상태를 유지하여 회절광이 투영되도록 할 수 있다.
이때, 0차 회절광은 광원(310)과 전기변색소자(200) 사이에 위치하는 편광필터(360)에 의하여 전기변색소자(200)에 입사되는 빛을 편광시킬 수 있고, 유사한 착색 상태라고 하더라도 특정한 방향으로 패턴화된 픽셀만이 선택적으로 회절 이미징될 수 있도록 할 수 있고, 이러한 선택적인 회절 이미징은 디스플레이의 좌, 우, 중앙 부분이 서로 다른 영상을 제공할 수 있어서, 입체영상의 구현이 가능할 수 있다. 이러한 선택적인 회절 이미징은 전압의 인가가 필요한 픽셀의 수를 줄일 수 있고, 디스플레이에 장치의 이미징 속도 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 복수의 전기변색소자(200)는 광원(310)의 반대편에 차광수단(370)을 더 포함하여, 선택적으로 회절광을 차단 또는 투과시켜서 입체영상의 구현이 가능할 수 있다.
도12은 복수의 전기변색소자(200, 200’, 200’’)를 상하로 적층하여 수개의 전기변색소자(200, 200’, 200’’)가 하나의 픽셀화되어서 이미징하는 것을 설명하는 개념도이다.
상기 도12을 참조하면, 광원(310)에 의한 빛은 적층된 수개의 전기변색소자(200, 200’, 200’’)를 통과할 수 있고, 이러한 빛은 각기 다른 방향성을 갖는 전기변색층을 지나면서 변화되므로, 각기 다른 방향으로 투영되는 이미지를 얻을 수 있고, 입체 이미징이 가능하다.
상기 광원(310)과 상기 전기변색소자 사이에는 편광필터가 위치할 수 있고, 상기 전기변색소자에 의하여 회절된 빛은 차광수단에 의하여 선택적으로 차광될 수도 있다.
상기 적층된 수개의 전기변색소자와 그에 포함된 전기변색층은 각각 서로 독립적으로 구동될 수 있으므로, 선택적으로 서로 다른 방향의 회절광으로 이미지를 표현할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 회절 격자 패턴 200: 전기변색소자
300: 전기변색 디스플레이 장치
11: 제1 기판 12: 제1 전극
21: 제2 기판 22: 제2 전극
30: 전해질층 40: 스페이서
51, 52: 스위칭 패널
110: 전기변색층 120: 제1 전기변색층
130: 제2 전기변색층 140: 전기 변색부
150: 전기 비변색부 310: 광원
320: 전원부 330: 조명 광학계
340: 투사렌즈 350: 공간주파수 필터
360: 편광필터 370: 차광수단

Claims (11)

  1. 서로 대향 배치되는 제1 전극 및 제2 전극,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 사이에 위치하는 전해질층, 그리고
    상기 일체(一體)의 제1 전극 일면에 위치하며, 전기변색물질을 포함하는 회절 격자 패턴
    을 포함하는 전기변색소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회절 격자 패턴은 간격을 두고 배치된 복수의 전기변색층을 포함하는 것인 전기변색소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 회절 격자 패턴은 제1 전기변색층 및 상기 제1 전기변색층 위에 배치된 복수의 제2 전기변색층을 포함하고,
    상기 복수의 제2 전기변색층은 일정한 간격을 두고 배치된 것인 전기변색소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 회절 격자 패턴은 교차 배열되는 전기 변색부와 전기 비변색부를 포함하는 것인 전기변색소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 회절 격자 패턴은 패턴의 너비가 10nm 내지 50um이고, 패턴의 높이가 1nm 내지 100um인 것인 전기변색소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 회절 격자 패턴은 패턴의 간격이 가시광 파장보다 작은 것인 전기변색소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 회절 격자 패턴은 소색, 착색 및 소색과 착색 사이의 색으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 색으로 변색되어 디스플레이에 회색구간(gray scale)을 형성하는 것인 전기변색소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전기변색소자는 복수의 제1 전극 및
    상기 복수의 제1 전극 각각에 대응하는 복수의 회절 격자 패턴을 포함하는 것인 전기변색소자.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 전기변색소자,
    상기 전기변색소자에 빛을 조사하는 광원, 그리고
    상기 전기변색소자와 전기적으로 연결되어 전압을 인가하는 전원부
    를 포함하는 전기변색 디스플레이 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전기변색 디스플레이 장치는 상기 전기변색소자의 상부 또는 하부에 독립적으로 구동할 수 있는 별개의 전기변색소자를 더 포함하는 것인 전기변색 디스플레이 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 전기변색 디스플레이 장치는 입체 컬러 이미징용 픽셀을 포함하고,
    상기 픽셀은 회절 격자 패턴의 방향이 서로 다른 복수의 전기변색소자를 포함하는 것인 전기변색 디스플레이 장치.
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