KR20120101134A - 소자의 어레이를 선택적으로 활성화시키는 전하 제어 기법 - Google Patents

소자의 어레이를 선택적으로 활성화시키는 전하 제어 기법 Download PDF

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Abstract

단지 원하는 수의 소자들만이 작동되도록 병렬로 구동되는 전기 기계 소자들(예컨대, MEMS 또는 NEMS)의 어레이로 전하가 전달될 수 있는 방법 및 장치가 기술되어 있다. 특정의 실시예는 간섭 변조기(IMOD)를 사용하여 구현되는 시각 디스플레이에 관한 것이다. 상세하게는, 종래의 공간 하프토닝 기법과 연관된 전력 손실(power penalty)을 특징으로 하지 않는, 이러한 디스플레이에서 그레이스케일을 달성하기 위한 공간 하프토닝 기법이 기술되어 있다.

Description

소자의 어레이를 선택적으로 활성화시키는 전하 제어 기법{CHARGE CONTROL TECHNIQUES FOR SELECTIVELY ACTIVATING AN ARRAY OF DEVICES}
관련 출원 데이터
본 출원은 2009년 12월 18일자로 출원된, 발명의 명칭이 "소자의 어레이를 선택적으로 활성화시키는 전하 제어 기법(CHARGE CONTROL TECHNIQUES FOR SELECTIVELY ACTIVATING AN ARRAY OF DEVICES)"인 미국 특허 출원 제12/642,437호(대리인 사건 번호 QUALP018/093399)를 기초로 우선권을 주장하며, 이 출원의 전체 개시 내용이 모든 목적을 위해 참조 문헌으로서 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 일반적으로, 예를 들어, 간섭 변조기(interferometric modulator, IMOD)와 같은 전기 기계 소자의 어레이의 선택적 제어에 관한 것이다. 특정의 부류의 실시예는 이러한 소자로 구성된 능동 매트릭스 디스플레이에서 그레이스케일을 달성하는 것에 관한 것이다.
그레이스케일이 종래에는 시간 변조(temporal modulation) 또는 공간 하프토닝(spatial halftoning)을 사용하여 MEMS 소자(예컨대, IMOD)로 구성된 능동 매트릭스 디스플레이에서 달성된다. 시간 변조의 경우, 원하는 픽셀 강도(pixel intensity)를 달성하기 위해 개개의 픽셀이 상이한 레이트로 온 및 오프 스위칭된다. 공간 하프토닝의 경우, 각각의 디스플레이 픽셀은 독립적으로 제어되는 서브픽셀의 어레이로 구성된다. 각각의 픽셀 어레이가 온 또는 오프일 때의 상이한 서브픽셀의 비에 의해 원하는 픽셀 강도가 달성된다. 이들 방식 둘다에서는 그레이스케일을 달성하기 위해 하프토닝 또는 시간 변조를 필요로 하지 않는 다른 유형의 능동 매트릭스 디스플레이[예컨대, 액정 디스플레이(LCD)]에 비해 부가의 바람직하지 않은 전력 소비가 있다 - 시간 변조에서는 연속적인 스위칭 오버헤드(그레이스케일 해상도의 비트 수에 적어도 선형적으로 비례함)가 필요하기 때문이고 공간 하프토닝에서는 각각의 서브픽셀을 독립적으로 구동하는 것과 연관된 오버헤드(서브픽셀의 수에 대체로 선형적으로 비례함) 때문임 -. 그에 부가하여, 어느 기법에서든지, 이 전력 소비 오버헤드는 디스플레이 콘텐츠 데이터의 고해상도 비트 평면에서의 상실된 수직 상관(vertical correlation)으로 인해 생기는 스위칭 손실에 의해 추가적으로 악화된다.
본 발명에 따르면, 단지 원하는 수의 소자만이 활성화되도록 전기 기계 소자의 어레이가 병렬로 구동될 수 있는 방법 및 장치가 기술되어 있다. 특정의 부류의 실시예에 따르면, 픽셀의 어레이를 포함하는 디스플레이가 제공된다. 각각의 픽셀은 복수의 서브픽셀 요소를 포함한다. 각각의 서브픽셀 요소는 2개의 상태 사이에서 스위칭하도록 구성되어 있는 전기 기계 소자이다. 각각의 전기 기계 소자는 2개의 상태 사이에서 스위칭할 시에 히스테리시스를 나타낸다. 구동 회로가 각각의 픽셀에 결합되어 있고 픽셀 내의 서브픽셀 요소들 중 2개 이상을 병렬로 구동하도록 구성되어 있다. 제어 회로는 어레이 내의 픽셀들 중 선택된 픽셀과 연관된 구동 회로를 선택적으로 활성화시키고 그에 따라 각각의 선택된 픽셀에 저장된 전하의 양을 제어함으로써, 전하의 양에 대응하는 각각의 선택된 픽셀에 대한 서브픽셀 요소들의 서브셋이 작동되도록 하고 그로써 선택된 픽셀들 각각에 대해 대응 픽셀 강도가 얻어지도록 구성되어 있다.
다른 부류의 실시예에 따르면, 전기 기계 소자의 하나 이상의 어레이를 포함하는 전기 기계 시스템이 제공된다. 각각의 전기 기계 소자는 2개의 상태 사이에서 스위칭하도록 구성되어 있다. 각각의 전기 기계 소자는 2개의 상태 사이에서 스위칭할 시에 히스테리시스를 나타낸다. 구동 회로가 각각의 어레이에 결합되어 있고 전기 기계 소자들 중 2개 이상을 병렬로 구동하도록 구성되어 있다. 제어 회로는 구동 회로를 활성화시키고 그로써 각각의 어레이에 저장된 전하의 양을 제어함으로써 전하의 양에 대응하는 전기 기계 소자들의 서브셋이 작동되도록 구성되어 있다.
명세서 및 도면의 나머지 부분을 참조하면 본 발명의 성질 및 이점에 대한 더 상세한 이해가 실현될 수 있다.
도 1은 제1 간섭 변조기의 가동 반사층(movable reflective layer)이 완화된 위치(relaxed position)에 있고 제2 간섭 변조기의 가동 반사층이 작동된 위치(actuated position)에 있는 간섭 변조기 디스플레이의 일 실시예의 일부분을 나타낸 등각도.
도 2는 3x3 간섭 변조기 디스플레이를 포함하는 전자 소자의 일 실시예를 나타낸 시스템 블록도.
도 3은 도 1의 간섭 변조기와 같은 간섭 변조기의 일 구현예에 대한 가동 거울 위치 대 인가 전압을 나타낸 도면.
도 4는 간섭 변조기 디스플레이를 구동하는 데 사용될 수 있는 일련의 행 및 열 전압을 나타낸 도면.
도 5a 및 도 5b는 한 프레임의 디스플레이 데이터를 도 2의 3x3 간섭 변조기 디스플레이에 기입하기 위해 사용될 수 있는 행 및 열 신호에 대한 타이밍도의 일례를 나타낸 도면.
도 6a 및 도 6b는 복수의 간섭 변조기를 포함하는 시각 디스플레이 장치의 실시예를 나타낸 시스템 블록도.
도 7a 내지 도 7e는 간섭 변조기의 다양한 대안의 구현예의 단면도.
도 8은 본 발명의 특정 실시예에 따라 구현된 MEMS 소자 어레이의 일례를 나타낸 도면.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 다양한 실시예에서 사용하기 위한 픽셀 구동 회로의 일례를 나타낸 도면.
도 10a 내지 도 10d는 본 발명의 특정 실시예에 따른 전하 제어를 사용하는 MEMS 소자의 연속적인 작동을 나타낸 도면.
도 11은 본 발명의 특정 실시예에 따라 구현된 픽셀에 대한 픽셀 강도 대 전하를 나타낸 그래프.
도 12는 본 발명의 특정 실시예에 따라 구현된 MEMS 소자 어레이의 간략화된 개략도.
도 13은 본 발명의 다른 특정 실시예에 따라 구현된 MEMS 소자 어레이의 간략화된 개략도.
도 14는 본 발명의 또 다른 특정 실시예에 따라 구현된 MEMS 소자 어레이의 간략화된 개략도.
이제부터, 본 발명을 수행하기 위해 발명자가 생각하는 최선의 실시 형태를 비롯하여 본 발명의 특정의 실시예에 대해 상세히 언급할 것이다. 이들 특정의 실시예의 일례가 첨부 도면에 예시되어 있다. 본 발명이 이들 특정의 실시예와 관련하여 기술될 것이지만, 본 발명을 기술된 실시예로 제한하려는 것이 아니라는 것을 잘 알 것이다. 이와 반대로, 본 발명이 첨부된 특허청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 사상 및 범위 내에 포함될 수 있는 대안, 수정 및 등가물을 포함하는 것으로 보아야 한다. 이하의 설명에서, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 구체적인 상세가 기재되어 있다. 본 발명이 이들 구체적인 상세 중 일부 또는 전부 없이 실시될 수 있다. 그에 부가하여, 본 발명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위해 공지의 특징이 상세히 기술되어 있지 않을 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 단지 원하는 수의 소자만이 작동되도록 병렬로 구동되는 전기 기계 소자의 어레이에 전하가 저장될 수 있는 기법 및 메커니즘이 제공된다. 이러한 전기 기계 소자는, 예를 들어, MEMS(microelectromechanical system) 소자는 물론, 소위 NEMS(nanoelectromechanical system) 소자도 포함한다. 이러한 소자에 기초한 간섭 변조기(IMOD) 및 디스플레이의 특정의 일례를 참조하여 특정의 실시예가 이하에 기술되어 있다. 상세하게는, 종래의 공간 하프토닝 기법과 연관된 전력 손실(power penalty)을 감소시키거나 제거하는, 이러한 디스플레이에서 그레이스케일을 달성하기 위한 공간 하프토닝 기법이 기술되어 있다. 그렇지만, 당업자라면 본 발명에 의해 가능하게 되는 기법 및 메커니즘이, 예를 들어, IMOD, 거울(DMD 등), MEMS 셔터, MEMS 트랜스듀서(마이크, 초음파 트랜스듀서 등)와 같은 다른 유형의 전기 기계 소자로 구성된 디스플레이에 더 광범위하게 적용가능하다는 것을 잘 알 것이다. 본 발명에 의해 가능하게 되는 기법 및 메커니즘은 또한 전기 기계 소자의 위상 어레이, 어레이 기반 마이크 등에도 적용가능하다. 그레이스케일을 달성하기 위해 시간 변조 또는 종래의 공간 하프토닝의 단점을 겪는 전기 기계 소자로 구성된 임의의 유형의 디스플레이는 본 발명의 실시예로부터 이득을 볼 수 있다. 보다 광의적으로는, 본 명세서에 기술된 기법 및 메커니즘이, 전기 기계 소자의 어레이를 사용하여 구성되고 이러한 어레이 내의 소자들의 전부가 아닌 일부를 작동시킬 수 있는 것으로부터 이득을 볼 수 있는 다른 유형의 시스템 및 소자에 적용가능하다. 이러한 시스템 및 소자는, 예를 들어, 프로젝터, 광학 필터, 마이크 등을 포함한다.
IMOD 디스플레이에 관한 특정의 부류의 실시예에 따르면, 그레이스케일을 달성하는 이전의 방식(예컨대, 시간 변조 또는 종래의 공간 하프토닝)과 연관된 전력 소비 문제를 적어도 부분적으로 완화시키는 방식으로 그레이스케일이 달성된다. 이들 실시예 중 일부에 따르면, 이러한 디스플레이 내의 각각의 픽셀은 복수의 서브픽셀 디스플레이 요소 - 그 각각이 IMOD임 - 로 구성되어 있다. 서브픽셀의 각각의 어레이 내의 IMOD는 종래의 공간 하프토닝 기법에서와 같이 독립적으로보다는 병렬로 구동된다. 단지 원하는 수의 IMOD가 작동되도록 구동 회로[하나 이상의 박막 트랜지스터(들)(TFT(들)) 또는 기타 회로를 포함할 수 있음]를 통해 서브픽셀 디스플레이 요소의 어레이에 저장된 전하의 양이 제어됨으로써, 원하는 픽셀 강도(예컨대, 그레이스케일)를 달성하게 된다.
본 발명의 실시예에 따라 구현될 수 있는 MEMS 및 IMOD, 및 IMOD 디스플레이에 관한 어떤 배경 기술은 예시적인 것일 것이다. MEMS는 마이크로 기계 요소(micromechanical element), 작동기 및 전자 회로를 포함한다. 마이크로 기계 요소는 기판 및/또는 증착된 물질층의 일부를 에칭 제거하거나 전기 및 전기 기계 소자를 형성하기 위해 층을 부가하는 증착, 에칭, 및/또는 기타 미세 가공 공정을 사용하여 생성될 수 있다. 한 유형의 MEMS 소자는 간섭 변조기(IMOD)라고 불린다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 간섭 변조기 또는 간섭 광 변조기(interferometric light modulator)라는 용어는 광학 간섭의 원리를 사용하여 광을 선택적으로 흡수 및/또는 반사하는 소자를 말한다. 간섭 변조기는 한 쌍의 전도성 플레이트를 포함하고, 그 중 하나 또는 둘 다가 전체적으로 또는 부분적으로 투명 및/또는 반사성일 수 있고, 적절한 전기 신호의 인가 시에 상대 운동을 할 수 있다. 특정의 구현예에서, 한쪽 플레이트는 기판 상에 증착된 정지층(stationary layer)을 포함할 수 있고, 다른쪽 플레이트는 공극에 의해 정지층과 분리되어 있는 금속 막(metallic membrane)을 포함할 수 있다. 본 명세서에 더 상세히 기술되어 있는 바와 같이, 한쪽 플레이트의 다른쪽 플레이트에 대한 위치가 간섭 변조기에 입사하는 광의 광학 간섭을 변경시킬 수 있다. 이러한 소자는 광범위한 응용을 가지며, 기존의 제품을 개량하고 아직 개발되지 않은 새로운 제품을 제작하는 데 소자의 특징이 이용될 수 있도록 이들 유형의 소자의 특성을 활용 및/또는 수정하는 것이 기술 분야에서 유익할 것이다.
논의할 것인 바와 같이, 본 발명의 실시예는 이미지[움직이는 것(예컨대, 비디오) 또는 정지해 있는 것(예컨대, 정지 이미지), 및 텍스트 또는 그림]를 디스플레이하도록 구성되어 있는 임의의 소자에서 구현될 수 있다. 보다 상세하게는, 본 발명의 실시예가 이동 전화, 무선 장치, PDA(personal data assistant), 핸드헬드 또는 휴대용 컴퓨터, GPS 수신기/내비게이터, 카메라, MP3 플레이어, 캠코더, 게임 콘솔, 손목 시계, 시계, 계산기, 텔레비전 모니터, 평판 디스플레이, 컴퓨터 모니터, 자동차 디스플레이(예컨대, 주행거리계 디스플레이 등), 조종실 컨트롤 및/또는 디스플레이, 카메라 뷰의 디스플레이(예컨대, 차량에서의 후방 감시 카메라의 디스플레이), 전자 사진, 전자 광고판 또는 간판, 프로젝터, 건축 구조, 포장 및 심미적 구조(예컨대, 보석 상의 이미지의 디스플레이)(이들로 제한되지 않음)와 같은 각종의 전자 장치에서 구현될 수 있거나 그와 연관될 수 있는 것이 생각되고 있다. 그렇지만, 앞서 언급한 바와 같이, 비디스플레이 응용(예컨대, 전자 스위칭 소자, 마이크 등)에 MEMS 소자(IMOD 및 기타 유형의 MEMS 소자 둘 다)의 어레이를 포함하는 본 발명의 실시예가 생각되고 있다.
2개의 간섭 MEMS 디스플레이 요소의 일례가 도 1에 예시되어 있다. 이러한 소자에서, 픽셀은 밝은 상태 또는 어두운 상태 중 어느 하나에 있다. 밝은("완화된" 또는 "열린") 상태에서, 각각의 디스플레이 요소는 입사 가시광의 대부분을 사용자에게 반사시킨다. 어두운("작동된" 또는 "닫힌") 상태에 있을 때, 각각의 디스플레이 요소는 입사 가시광을 사용자에게 거의 반사시키지 않는다. 실시예에 따라, "온" 및 "오프" 상태의 광 반사율 특성이 정반대로 될 수 있다. MEMS 픽셀이 또한 선택된 색상에서 우세적으로 반사하도록 구성되어 있음으로써 흑백에 부가하여 컬러 디스플레이를 가능하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 특정의 실시예를 구현하는 데 사용될 수 있는 2개의 인접한 MEMS 간섭 변조기 디스플레이 요소를 나타낸 등각도이다. 이러한 실시예에 따라 구현된 간섭 변조기 디스플레이는 이러한 간섭 변조기의 행/열 어레이를 포함한다. 논의할 것인 바와 같이, 디스플레이 내의 각각의 픽셀은 서브픽셀의 어레이(그 각각이 간섭 변조기임)를 포함한다. 각각의 간섭 변조기는 적어도 하나의 가변 치수를 갖는 공진 광학 갭(resonant optical gap)을 형성하기 위해 서로로부터 가변적이고 제어가능한 거리에 위치된 한쌍의 반사층을 포함한다. 도시된 디스플레이 요소에서, 반사층들 중 하나가 2개의 위치 사이에서 이동될 수 있다. 제1 위치(본 명세서에서 완화된 위치라고 함)에서, 가동 반사층은 고정된 부분 반사층으로부터 비교적 먼 거리에 위치되어 있다. 제2 위치(본 명세서에서 작동된 위치라고 함)에서, 가동 반사층은 부분 반사층에 더 가깝게 인접하여 위치되어 있다. 2개의 층으로부터 반사하는 입사광은 가동 반사층의 위치에 따라 보강 또는 상쇄 간섭을 하여, 각각의 요소에 대한 전체 반사(overall reflective) 또는 비반사(non-reflective) 상태를 생성한다.
도 1의 서브픽셀 어레이의 도시된 부분은 2개의 인접한 간섭 변조기(12a, 12b)를 포함한다. 왼쪽에 있는 간섭 변조기(12a)에서, 가동 반사층(14a)이 부분 반사층을 포함하는 광학 적층물(16a)로부터 소정의 거리에 있는 완화된 위치에 예시되어 있다. 오른쪽에 있는 간섭 변조기(12b)에서, 가동 반사층(14b)이 광학 적층물(16b)에 인접한 작동된 위치에 예시되어 있다.
광학 적층물(16a, 16b)[모두 합하여 광학 적층물(16)이라고 함]은, 본 명세서에서 언급하는 바와 같이, 통상적으로 몇 개의 융합층(fused layer) - 인듐 주석 산화물(ITO) 같은 전극층, 크롬과 같은 부분 반사층, 및 투명 유전체를 포함할 수 있음 - 을 포함한다. 광학 적층물(16)은 따라서 전기 전도성이고 부분적으로 투명하며 부분 반사성이고, 예를 들어, 상기 층들 중 하나 이상을 투명 기판(20) 상에 증착함으로써 제조될 수 있다. 부분 반사층이 부분 반사성인 각종의 물질(다양한 금속, 반도체 및 유전체 등)로 형성될 수 있다. 부분 반사층이 하나 이상의 물질층으로 형성될 수 있고, 각각의 층이 단일 물질 또는 물질들의 조합으로 형성될 수 있다.
일부 실시예에서, 광학 적층물(16)의 층이 평행한 스트립으로 패턴화될 수 있고, 이하에서 더 기술하는 바와 같이, 디스플레이 소자에 행 전극을 형성할 수 있다. 기둥(18)의 상부에 증착된 열 및 기둥들(18) 사이에 증착된 개재 희생 물질(intervening sacrificial material)을 형성하기 위해, 가동 반사층(14a, 14b)이 (16a, 16b의 행 전극에 직교인) 증착된 금속층 또는 층들의 일련의 평행한 스트립으로서 형성될 수 있다. 희생 물질이 에칭 제거될 때, 가동 반사층(14a, 14b)이 정의된 갭(19)에 의해 광학 적층물(16a, 16b)로부터 분리된다. 알루미늄과 같은 전도성 및 반사성이 높은 물질이 반사층(14)에 사용될 수 있고, 이들 스트립이 디스플레이 소자에서의 열 전극을 형성할 수 있다. 주목할 점은, 도 1이 축척대로 되어 있지 않을 수 있다는 것이다. 일부 실시예에서, 기둥들(18) 사이의 간격은 10-100 μm 정도일 수 있는 반면, 갭(19)은 1000 옹스트롬 미만 정도일 수 있다.
인가된 전압이 없는 경우, 가동 반사층(14a)과 광학 적층물(16a) 사이에 갭(19)이 있고, 이 때 도 1에 서브픽셀(12a)로 나타낸 바와 같이, 가동 반사층(14a)은 기계적으로 완화된 상태에 있다. 그렇지만, 선택된 행 및 열에 전위(예컨대, 전압)차가 인가될 때, 대응하는 서브픽셀에서 행 전극과 열 전극의 교차 부분에 형성되는 커패시터가 충전되고, 정전기력이 전극들을 서로 끌어당긴다. 전압이 충분히 높은 경우, 가동 반사층(14)이 변형되고, 광학 적층물(16)에 힘을 가한다. 광학 적층물(16) 내의 유전체층(동 도면에 예시되어 있지 않음)은 단락을 방지하고, 도 1의 오른쪽에 작동된 서브픽셀(12b)로 예시된 바와 같이, 층(14)과 층(16) 사이의 분리 거리를 제어할 수 있다. 이 거동은 인가된 전위차의 극성에 상관없이 동일하다.
도 2 내지 도 5는 디스플레이 응용에서 간섭 변조기의 어레이를 이용하는 프로세스 및 시스템의 일례를 나타낸 것이다. 도 2는 간섭 변조기를 포함할 수 있는 전자 소자를 나타낸 시스템 블록도이다. 전자 소자는 ARM®, Pentium®, 8051, MIPS®, Power PC®, 또는 ALPHA®과 같은 임의의 범용 단일칩 또는 멀티칩 마이크로프로세서, 또는 디지털 신호 처리기, 마이크로컨트롤러 또는 프로그램가능 게이트 어레이와 같은 임의의 특수 목적 마이크로프로세서일 수 있는 프로세서(21)를 포함한다. 종래 기술에서와 같이, 프로세서(21)는 하나 이상의 소프트웨어 모듈을 실행하도록 구성될 수 있다. 운영 체제를 실행하는 것에 부가하여, 프로세서는 하나 이상의 소프트웨어 응용 프로그램(웹 브라우저, 전화 응용 프로그램, 이메일 프로그램, 또는 임의의 다른 소프트웨어 응용 프로그램을 포함함)을 실행하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 프로세서(21)는 또한 어레이 구동기(22)와 통신하도록 구성되어 있다. 일 실시예에서, 어레이 구동기(22)는 디스플레이 어레이 또는 패널(30)에 신호를 제공하는 행 구동기 회로(24) 및 열 구동기 회로(26)를 포함한다. 도 1에 예시된 어레이의 단면이 도 2에 라인 1-1으로 나타내어져 있다. 주목할 점은, 도 2가 명확함을 위해 간섭 변조기의 3x3 어레이를 예시하고 있지만, 디스플레이 어레이(30)가 아주 많은 수의 간섭 변조기 디스플레이 요소를 포함할 수 있고 행에 있는 간섭 변조기의 수와 열에 있는 간섭 변조기의 수가 상이할 수 있다(예컨대, 300 픽셀/행 대 190 픽셀/열)는 것이다.
도 3은 도 1에 도시된 것과 같은 간섭 변조기의 일 구현예에 대한 가동 거울 위치 대 인가 전압의 다이어그램이다. MEMS 간섭 변조기의 경우, 행/열 작동 프로토콜은 도 3에 예시된 바와 같은 이들 소자의 히스테리시스 특성을 이용할 수 있다. 간섭 변조기는 가동층이 완화된 상태로부터 작동된 상태로 변형되게 하기 위해, 예를 들어, 10 볼트 전위차를 필요로 할 수 있다. 그렇지만, 소자의 히스테리시스로 인해, 전압이 그 값으로부터 감소되는 경우, 전압이 10 볼트 미만으로 다시 떨어질 때 가동층이 그의 상태를 유지한다. 도 3의 구현에서, 전압이 2 볼트 미만으로 떨어질 때까지 가동층이 완전히 완화되지 않는다. 따라서, 도 3에 예시된 일례에서, 소자가 완화된 상태 또는 작동된 상태에서 안정되어 있는 인가 전압의 윈도우가 존재하는 전압의 범위(약 3 내지 7 V)가 있다. 이것을 본 명세서에서 "히스테리시스 윈도우(hysteresis window)" 또는 "안정성 윈도우(stability window)"라고 한다. 도 3의 히스테리시스 특성을 가지는 디스플레이 어레이의 경우, 행 스트로브(row strobing) 동안, 작동되어야 하는 스트로브된 행 내의 픽셀이 약 10 볼트의 전압차에 노출되고 완화되어야 하는 픽셀이 0 볼트에 가까운 전압차에 노출되도록 행/열 작동 프로토콜이 설계될 수 있다. 스트로브 후에, 픽셀은, 행 스트로브가 픽셀을 어느 상태에 두든지 간에 그 상태를 유지하도록, 약 5 볼트의 정상 상태 또는 바이어스 전압차에 노출된다. 기입된 후에, 각각의 픽셀은, 이 일례에서, 3 내지 7 볼트의 "안정성 윈도우" 내에서 전위차를 보게 된다. 이 특징은 동일한 인가 전압 조건 하에서 작동된 또는 완화된 기존의 상태에서 픽셀을 안정되도록 만들어준다. 각각의 간섭 변조기가, 작동된 상태에 있든 완화된 상태에 있든 간에, 본질적으로 고정 반사층 및 이동 반사층으로 형성된 커패시터이기 때문에, 히스테리시스 윈도우 내의 전압에서 전력 소비가 거의 없이 이 안정 상태가 유지될 수 있다. 인가 전위가 고정되어 있는 경우, 본질적으로 전류가 간섭 변조기 내로 전혀 흐르지 않는다.
이하에서 더 기술하는 바와 같이, 전형적인 응용에서, 제1 행에 있는 원하는 일련의 작동된 픽셀에 따라 일련의 열 전극을 거쳐 일련의 데이터 신호(각각이 특정의 전압 레벨을 가짐)를 전송함으로써 이미지 프레임이 생성될 수 있다. 이어서, 행 펄스가 제1 행 전극에 인가되어, 일련의 데이터 신호에 대응하는 픽셀을 작동시킨다. 일련의 데이터 신호는 이어서 제2 행 내의 원하는 일련의 작동된 픽셀에 대응하도록 변경된다. 펄스가 이어서 제2 행 전극에 인가되어, 데이터 신호에 따라 제2 행 내의 해당 픽셀을 작동시킨다. 제1 픽셀 행은 제2 행 펄스에 의해 영향을 받지 않으며, 제1 행 펄스 동안 설정되어 있었던 상태에 그대로 있다. 프레임을 생성하기 위해, 이것이 일련의 행 전체에 대해 순차적으로 반복될 수 있다. 일반적으로, 이 프로세스를 어떤 원하는 수의 프레임/초로 계속 반복함으로써, 프레임이 새로운 이미지 데이터로 리프레시 및/또는 업데이트된다. 이미지 프레임을 생성하기 위해 픽셀 어레이의 행 및 열 전극을 구동하는 매우 다양한 프로토콜이 사용될 수 있다.
도 4 및 도 5는 도 2의 3x3 어레이 상에 디스플레이 프레임을 생성하는 한가지 가능한 작동 프로토콜을 나타낸 것이다. 예시된 일례에서, 각각의 픽셀은 단일 간섭 변조기로 구현되는 것처럼 기술되어 있다. 그렇지만, 이 설명을 각각의 픽셀이 서브픽셀 요소의 어레이를 포함하는 본 발명의 실시예로 일반화시키는 것이 기술 분야의 당업자에 의해 이해될 것이다. 도 4는 도 3의 히스테리시스 곡선을 나타내는 픽셀에 대해 사용될 수 있는 가능한 일련의 열 및 행 전압 레벨을 나타낸 것이다. 도 4에서, 픽셀을 작동시키는 것은 해당 열을 -Vbias로 그리고 해당 행을 +ΔV(각각 -5 볼트 및 +5 볼트에 대응할 수 있음)로 설정하는 것을 수반한다. 픽셀을 완화시키는 것은 해당 열을 +Vbias로 그리고 해당 행을 동일한 +ΔV로 설정하여, 픽셀 양단에 0 볼트 전위차를 생성하는 것에 의해 달성된다. 행 전압이 0 볼트로 유지되는 그 행에서, 픽셀은, 열이 +Vbias에 있든 -Vbias에 있든 상관없이, 픽셀이 원래 어느 상태에 있었든 간에 그 상태에서 안정되어 있다. 또한 도 4에 예시된 바와 같이, 상기한 것과 반대 극성의 전압이 사용될 수 있다 - 예컨대, 픽셀을 작동시키는 것은 해당 열을 +Vbias로 그리고 해당 행을 -ΔV로 설정하는 것을 수반할 수 있음 -. 이 실시예에서, 픽셀을 완화시키는 것은 해당 열을 -Vbias로 그리고 해당 행을 동일한 -ΔV로 설정하여, 픽셀 양단에 0 볼트 전위차를 생성하는 것에 의해 달성된다.
도 5b는 작동된 픽셀이 비반사성인 도 5a에 예시된 디스플레이 배열이 얻어지는 도 2의 3x3 어레이에 인가되는 일련의 행 및 열 신호를 나타낸 타이밍도이다. 도 5a에 예시된 프레임을 기입하기 전에, 픽셀은 임의의 상태에 있을 수 있고, 이 일례에서, 모든 행은 처음에 0 볼트에 있고, 모든 열은 +5 볼트에 있다. 이들 인가 전압에 의해, 모든 픽셀은 그의 기존의 작동된 또는 완화된 상태에서 안정되어 있다.
도 5a의 프레임에서, 픽셀 (1,1), (1,2), (2,2), (3,2) 및 (3,3)이 작동된다. 이것을 달성하기 위해, 행 1에 대한 "라인 시간(line time)" 동안, 열 1 및 열 2는 -5 볼트로 설정되고, 열 3은 +5 볼트로 설정된다. 이것은 어떤 픽셀의 상태도 변경하지 않는데, 그 이유는 모든 픽셀이 3 내지 7 볼트 안정성 윈도우에 있기 때문이다. 행 1은 이어서 0 볼트에서 최대 5 볼트로 되고 다시 영 볼트로 되는 펄스에 의해 스트로브된다. 이것은 (1,1) 및 (1,2) 픽셀을 작동시키고 (1,3) 픽셀을 완화시킨다. 어레이 내의 어떤 다른 픽셀도 영향을 받지 않는다. 원하는 바에 따라 행 2를 설정하기 위해, 열 2가 -5 볼트로 설정되고, 열 1 및 열 3이 +5 볼트로 설정된다. 행 2에 인가된 동일한 스트로브가 이어서 픽셀 (2,2)를 작동시키고 픽셀 (2,1) 및 (2,3)을 완화시킬 것이다. 다시 말하지만, 어레이의 어떤 다른 픽셀도 영향을 받지 않는다. 행 3도 이와 유사하게 열 2 및 열 3을 -5 볼트로 그리고 열 1을 +5 볼트로 설정함으로써 설정된다. 도 5a에 나타낸 바와 같이, 행 3 스트로브는 행 3 픽셀을 설정한다. 프레임을 기입한 후에, 행 전위는 0이고, 열 전위는 +5 또는 -5 볼트에 있을 수 있고, 그러면 디스플레이는 도 5a의 배열에서 안정되어 있다. 수십 또는 수백개의 행 및 열의 어레이에 대해 동일한 절차가 이용될 수 있다. 논의할 것인 바와 같이, 본 발명의 다양한 디스플레이-관련 실시예에 따른 각각의 픽셀 내의 서브픽셀의 선택적인 작동을 달성하기 위해, 행 및 열 작동을 수행하는 데 사용되는 전압의 타이밍, 순서 및 레벨이 상기한 일반 원리 내에서 광범위하게 변할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 디스플레이-관련 실시예가 구현될 수 있는 디스플레이 장치(40)의 일례를 나타낸 시스템 블록도이다. 디스플레이 장치(40)는, 예를 들어, 셀룰러 또는 이동 전화일 수 있다. 그렇지만, 디스플레이 장치(40)의 동일한 구성요소 또는 그의 약간의 변형도 역시 텔레비전 및 휴대용 미디어 플레이어와 같은 다양한 유형의 디스플레이 장치를 나타낸 것이다.
디스플레이 장치(40)는 하우징(41), 디스플레이(30), 안테나(43), 스피커(45), 입력 장치(48) 및 마이크(46)를 포함한다. 하우징(41)은 일반적으로 각종의 제조 공정[사출 성형(injection molding) 및 진공 성형(vacuum forming)을 포함함] 중 임의의 것으로 형성된다. 그에 부가하여, 하우징(41)은 각종의 물질(플라스틱, 금속, 유리, 고무 및 세라믹, 또는 그 조합을 포함하지만, 이들로 제한되지 않음) 중 임의의 것으로 제조될 수 있다. 일 실시예에서, 하우징(41)은 상이한 색상의 또는 상이한 로고, 그림 또는 심볼을 포함하는 다른 제거가능 부분과 교환될 수 있는 제거가능 부분(도시 생략)을 포함한다.
디스플레이 장치(40)의 디스플레이(30)는 각종의 디스플레이(본 명세서에 기술된 쌍안정 디스플레이를 포함함) 중 임의의 것일 수 있다. 다른 실시예에서, 디스플레이(30)는 상기한 플라즈마, EL, OLED, STN LCD, 또는 TFT LCD와 같은 평판 디스플레이, 또는 CRT 또는 기타 튜브 장치와 같은 비평판 디스플레이를 포함한다. 특정의 부류의 실시예에 따르면, 디스플레이(30)는 간섭 변조기 디스플레이를 포함한다.
디스플레이 장치(40)의 구성요소가 도 6b에 개략적으로 예시되어 있다. 예시된 디스플레이 장치(40)는 하우징(41)을 포함하고, 적어도 부분적으로 하우징 내에 들어 있는 부가의 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 장치(40)는 송수신기(47)에 결합되어 있는 안테나(43)를 포함하는 네트워크 인터페이스(27)를 포함할 수 있다. 송수신기(47)는 조절 하드웨어(conditioning hardware)(52)에 연결되어 있는 프로세서(21)에 연결되어 있다. 조절 하드웨어(52)는 신호를 조절(예컨대, 신호를 필터링)하도록 구성되어 있을 수 있다. 조절 하드웨어(52)는 스피커(45) 및 마이크(46)에 연결되어 있다. 프로세서(21)는 또한 입력 장치(48) 및 구동기 제어기(29)에 연결되어 있다. 구동기 제어기(29)는 프레임 버퍼(28)에 그리고 어레이 구동기(22)에 결합되어 있고, 어레이 구동기(22)는 차례로 디스플레이 어레이(30)에 결합되어 있다. 전원 공급 장치(50)는 특정의 디스플레이 장치(40) 설계에서 필요로 하는 모든 구성요소에 전력을 제공한다.
네트워크 인터페이스(27)는, 디스플레이 장치(40)가 네트워크를 통해 하나 이상의 장치와 통신할 수 있도록, 안테나(43) 및 송수신기(47)를 포함한다. 프로세서(21)의 요구사항을 완화시키기 위해, 네트워크 인터페이스(27)가 또한 얼마간의 처리 능력을 가질 수 있다. 안테나(43)는 신호를 전송 및 수신하는 매우 다양한 안테나 중 임의의 것일 수 있다. 안테나는, 예를 들어, IEEE 802.11 표준[IEEE 802.11(a), (b), 또는 (g)를 포함함]에 따라 RF 신호를 전송 및 수신할 수 있다. 다른 대안으로서, 안테나는 블루투스 표준에 따라 RF 신호를 전송 및 수신할 수 있다. 셀룰러 전화의 경우에, 안테나는 CDMA, GSM, AMPS, W-CDMA, 또는 무선 셀 전화 네트워크 내에서 통신하기 위해 사용되는 기타 기지의 신호를 수신하도록 설계될 수 있다. 송수신기(47)는 안테나(43)로부터 수신된 신호를, 그 신호가 프로세서(21)에 의해 수신되어 추가로 조작될 수 있도록, 전처리한다. 송수신기(47)는 또한 프로세서(21)로부터 수신된 신호를, 그 신호가 안테나(43)를 통해 디스플레이 장치(40)로부터 전송될 수 있도록, 처리한다.
대안의 구현예에서, 송수신기(47)는 수신기로 대체될 수 있다. 또 다른 대안의 구현예에서, 네트워크 인터페이스(27)는 프로세서(21)로 전송될 이미지 데이터를 저장하거나 발생할 수 있는 이미지 소스로 대체될 수 있다. 예를 들어, 이미지 소스는 이미지 데이터가 들어 있는 디지털 비디오 디스크(DVD) 또는 하드 디스크 드라이브, 또는 이미지 데이터를 발생하는 소프트웨어 모듈일 수 있다.
프로세서(21)는 일반적으로 디스플레이 장치(40)의 전체적인 동작을 제어한다. 프로세서(21)는 네트워크 인터페이스(27) 또는 이미지 소스로부터 압축된 이미지 데이터와 같은 데이터를 수신하고, 데이터를 원시 이미지 데이터(raw image data)로 처리하거나 원시 이미지 데이터로 즉각 처리되는 형식으로 처리한다. 프로세서(21)는 이어서 처리된 데이터를 구동기 제어기(29)로 또는 저장을 위해 프레임 버퍼(28)로 전송한다. 원시 데이터는 통상적으로 이미지 내의 각각의 위치에서의 이미지 특성을 식별해주는 정보를 말한다. 예를 들어, 이러한 이미지 특성은 색상, 채도, 및 그레이스케일 레벨을 포함할 수 있다.
프로세서(21)는 디스플레이 장치(40)의 동작을 제어하는 마이크로컨트롤러, CPU, 또는 논리 유닛을 포함한다. 조절 하드웨어(52)는 일반적으로 신호를 스피커(45)로 전송하고 마이크(46)로부터 신호를 수신하는 증폭기 및 필터를 포함한다. 조절 하드웨어(52)는 디스플레이 장치(40) 내의 개별 구성요소일 수 있거나, 프로세서(21) 또는 기타 구성요소 내에 포함될 수 있다.
구동기 제어기(29)는 프로세서(21)에 의해 발생된 원시 이미지 데이터를 프로세서(21)로부터 직접 또는 프레임 버퍼(28)로부터 받고, 어레이 구동기(22)로의 고속 전송을 위해 원시 이미지 데이터를 적절히 형식 재지정(reformat)한다. 구체적으로는, 구동기 제어기(29)는 원시 이미지 데이터를 래스터와 유사한 형식(raster-like format)을 가지는 데이터 흐름으로 형식 재지정함으로써, 원시 이미지 데이터가 디스플레이 어레이(30)에 걸쳐 주사하기에 적당한 시간 순서를 가지게 된다. 이어서, 구동기 제어기(29)는 형식 지정된 정보를 어레이 구동기(22)로 전송한다. 구동기 제어기(29)(LCD 제어기 등)가 종종 독립형 집적 회로(IC)로서 시스템 프로세서(21)와 연관되어 있지만, 이러한 제어기가 많은 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 구동기 제어기가 하드웨어로서 프로세서(21)에 내장되어 있거나, 소프트웨어로서 프로세서(21)에 내장되어 있거나, 어레이 구동기(22)와 하드웨어적으로 완전히 통합되어 있을 수 있다.
통상적으로, 어레이 구동기(22)는 구동기 제어기(29)로부터 형식 지정된 정보를 수신하고, 비디오 데이터를 디스플레이의 x-y 픽셀 어레이로부터 나오는 수백개, 때때로 수천개의 리드에 초당 여러번 인가되는 일련의 병렬 파형으로 형식 재지정한다.
구동기 제어기(29), 어레이 구동기(22) 및 디스플레이 어레이(30)는 본 명세서에 기술된 디스플레이 유형 중 어느 것에도 적절하다. 디스플레이-관련 부류의 실시예에 따르면, 구동기 제어기(29) 및 어레이 구동기(22)는, 이하에서 기술되는 것을 비롯하여, 본 발명의 이들 실시예에 따라 디스플레이 어레이를 구동하도록 구성되어 있다. 일부 실시예에 따르면, 구동기 제어기(29)는 어레이 구동기(22)와 통합되어 있다. 이러한 실시예는, 예를 들어, 고도로 집적된 시스템(셀룰러 전화, 손목시계 및 기타 소면적 디스플레이 등)에서 적당하다. 또 다른 실시예에서, 디스플레이 어레이(30)는 전형적인 디스플레이 어레이 또는 쌍안정 디스플레이 어레이(간섭 변조기의 어레이를 포함하는 디스플레이)이다.
입력 장치(48)는 사용자가 디스플레이 장치(40)의 동작을 제어할 수 있게 해준다. 입력 장치(48)는, 예를 들어, 키패드(예컨대, QWERTY 키보드 또는 전화 키패드), 하나 이상의 버튼, 하나 이상의 스위치, 터치 감응 스크린, 감압 또는 감열 막 등을 포함할 수 있다. 마이크(46)는 디스플레이 장치(40)의 입력 장치이다. 마이크(46)가 데이터를 장치에 입력하는 데 사용될 때, 디스플레이 장치(40)의 동작을 제어하는 음성 명령이 사용자에 의해 제공될 수 있다.
전원 공급 장치(50)는 기술 분야에 공지되어 있는 각종의 에너지 저장 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전원 공급 장치(50)는 충전용 배터리(니켈-카드뮴 배터리 또는 리튬 이온 배터리 등), 재생가능 에너지 소스, 커패시터, 또는 태양 전지(플라스틱 태양 전지 및 태양 전지 페인트를 포함함)일 수 있다. 전원 공급 장치(50)는 또한 벽 콘센트로부터 전원을 받도록 구성될 수 있다.
일부 구현예에서, 제어 프로그램이 전자 디스플레이 시스템 내의 몇몇 장소에 위치해 있을 수 있는 구동기 제어기에 존재한다. 어떤 경우에, 제어 프로그램이 어레이 구동기(22)에 존재한다. 잘 알 것인 바와 같이, 본 명세서에 기술된 기능 및/또는 최적화 중 몇몇이 임의의 수의 하드웨어 및/또는 소프트웨어 구성요소로 및 다양한 구성으로 구현될 수 있다.
이상에서 기재한 원리에 따라 동작하는 간섭 변조기의 구조의 상세는 본 발명의 다양한 실시예에 따라 광범위하게 변할 수 있다. 예를 들어, 도 7a 내지 도 7e는 가동 반사층(14) 및 그의 지지 구조물의 5개의 상이한 구현예를 나타낸 것이다. 도 7a는 도 1의 MEMS 소자의 단면이고, 여기서 금속 물질(14)의 스트립이 직교로 뻗어 있는 지지체(18) 상에 증착되어 있다. 도 7b에서, 각각의 간섭 변조기의 가동 반사층(14)은 형상이 정사각형 또는 직사각형이고, 코너에서만, 테더(32)를 통해 지지체에 부착되어 있다. 도 7c에서, 가동 반사층(14)은 형상이 정사각형 또는 직사각형이고, 연성 금속을 포함할 수 있는 변형가능 층(34)으로부터 매달려 있다. 변형가능 층(34)은 변형가능 층(34)의 주변부 주위에서 기판(20)에 직접 또는 간접적으로 연결되어 있다. 이들 연결부를 본 명세서에서 지지 기둥(support post)이라고 한다. 도 7d에 예시된 구현예는 지지 기둥 플러그(support post plug)(42) - 그 위에 변형가능 층(34)이 있음 - 를 가진다. 가동 반사층(14)은 도 7a 내지 도 7c에서와 같이 갭 상에 매달린 채로 있지만, 변형가능 층(34)은 변형가능 층(34)과 광학 적층물(16) 사이의 구멍을 채움으로써 지지 기둥을 형성하지 않는다. 오히려, 지지 기둥은 지지 기둥 플러그(42)를 형성하는 데 사용되는 평탄화 물질로 형성된다. 도 7e에 예시된 구현예는 도 7d에 도시된 구현예에 기초하고 있지만, 도 7a 내지 도 7c에 도시된 구현예 중 임의의 것은 물론, 도시되지 않은 부가의 구현예에서 동작하도록 구성될 수 있다. 도 7e에 도시된 구현예에서, 금속 또는 기타 전도성 물질의 부가층이 버스 구조물(44)을 형성하는 데 사용되었다. 이것은 간섭 변조기의 후방을 따라 신호 라우팅을 가능하게 해주어, 그렇지 않았으면 기판(20) 상에 형성했어야만 하는 다수의 전극을 없애준다.
도 7에 도시된 것과 같은 구현예에서, 간섭 변조기는 직접-뷰 소자로서 기능하고, 여기서 이미지는 투명 기판(20)의 전면 - 변조기가 배열되어 있는 측면과 반대쪽 측면 - 으로부터 보인다. 이들 구현예에서, 반사층(14)은 변형가능 층(34)을 포함하는 기판(20)의 반대쪽에 있는 반사층의 측면 상의 간섭 변조기의 일부분을 광학적으로 차폐시킨다. 이것은 차폐된 영역이 이미지 품질에 부정적 영향을 주지 않고 구성되고 조작될 수 있게 해준다. 예를 들어, 이러한 차폐는 도 7e의 버스 구조물(44)을 가능하게 해주고, 이는 변조기의 광학 특성을 변조기의 전기 기계적 특성(어드레싱 및 어드레싱으로부터 얻어지는 이동 등)으로부터 분리시키는 기능을 제공한다. 이러한 분리가능한 변조기 구조는 변조기의 전기 기계적 측면 및 광학 측면에 대해 사용되는 구조 설계 및 물질이 서로 독립적으로 선택되고 기능할 수 있게 해준다. 게다가, 도 7c 내지 도 7e에 도시된 소자는 반사층(14)의 광학 특성을 그의 기계적 특성 - 변형가능 층(34)에 의해 수행됨 - 으로부터 분리시키는 것 으로부터 도출되는 부가의 이점을 가진다. 이것은 반사층(14)에 사용되는 구조 설계 및 물질이 광학 특성과 관련하여 최적화될 수 있게 해주고, 변형가능 층(34)에 사용되는 구조 설계 및 물질이 원하는 기계적 특성과 관련하여 최적화될 수 있게 해준다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, MEMS 소자의 어레이가, 단지 원하는 수의 소자만이 작동되도록, 병렬로 구동될 수 있다. 특정의 부류의 실시예에 따르면, 이 기능이 다양한 레벨의 그레이스케일 또는 픽셀 강도를 달성하기 위해 이러한 소자의 어레이를 포함하는 시각 디스플레이와 관련하여 구현될 수 있다. 이 부류의 실시예들 중 한 서브셋은 많은 측면에서 도 1 내지 도 7e를 참조하여 전술한 바와 같이 동작하는 IMOD로 구성된 디스플레이를 포함한다. 이러한 실시예가 어떻게 구성될 수 있는지의 다양한 일례가 나머지 도면을 참조하여 이하에서 기술된다. 그렇지만, 다시 주목할 점은, 본 발명의 근간을 이루는 기본 원리가 상기한 특정의 유형의 디스플레이 요소로 또는 심지어 디스플레이 응용으로 제한되지 않는다는 것이다.
본 발명의 특정의 실시예에 따르면, IMOD 소자의 어레이가 병렬로 연결되고 동일한 회로에 의해 구동된다. 논의할 것인 바와 같이, 이러한 회로는 단일 제어 스위치를 포함할 수 있을 뿐만 아니라, 보다 복잡한 회로로 구현될 수 있다. 단일 제어 스위치를 이용하는 특정의 실시예에 따르면, IMOD 요소의 응답 시간보다는 작지만 각각과 연관된 전기 충전 및 방전 시간(예컨대, RC 시상수)보다는 큰 기간 동안 스위치가 턴온된다. 스위치가 턴오프되면, 그 결과 각각의 IMOD 요소와 연관된 커패시턴스가 얼마간의 전하를 저장한다. 스위치에 의해 전달되는 전하의 양을 제어함으로써(예컨대, 인가 전압 또는 스위치의 온-시간을 변화시킴으로써), 상이한 픽셀 강도를 달성하기 위해 작동되는(즉, 완화된 상태로부터 천이되는) 서브픽셀 IMOD 요소의 수가 제어될 수 있다.
도 8은 본 발명의 특정의 실시예에 따라 원하는 그레이스케일을 달성하기 위해 구동될 수 있는 9개의 서브픽셀 요소(804)를 포함하는 픽셀(802)의 일례를 나타낸 것이다. 이 일례에서, 각각의 서브픽셀 요소(804)는, 예를 들어, IMOD와 같은 MEMS 소자이다. 종래의 공간 하프토닝 기법과 달리, 도시된 픽셀의 서브픽셀 요소는 동일한 픽셀 구동 회로(806)에 의해 병렬로 연결되고 구동된다. 즉, 작동 전압이 픽셀에 대한 서브픽셀 요소 각각에 인가되는 전극들이, 그 전체가 단일 신호에 의해 구동될 수 있도록, 전기적으로 연결되어 있다.
컬러 디스플레이의 경우, 병렬로 구동되는 서브픽셀 요소의 어레이가 픽셀 색상들(예컨대, 적색, 녹색, 또는 청색) 중 하나에 대응할 것이라는 점에 주목해야 한다. 즉, 서브픽셀 요소의 어레이가 원하는 색상 강도를 달성하도록 구동되는 본 발명의 실시예가 생각되고 있다.
일부 실시예에 따르면, 도 9a에 도시된 바와 같이, 픽셀 구동 회로(806)가 단일 스위치 - 예컨대, 박막 트랜지스터(TFT) - 로 구현될 수 있다. 그렇지만, 이러한 방식은 스위치가 개별 MEMS 소자(예컨대, IMOD)의 기계적 응답 시간보다 상당히 더 빠르다는 가정에 기초하고 있다. 이렇지 않은 경우, 다른 회로가 필요할 수 있다. 예를 들어, 도 9b에 도시된 바와 같이, 각각의 픽셀이 MEMS 소자의 응답 시간에 민감하지 않은 전압-제어 전류원에 의해 구동될 수 있다. 보다 일반적으로, 서브픽셀을 병렬로 구동하기 위해, 다양한 구성으로 된 다수의 스위치, 상위 레벨 논리, 또는 임의의 다른 적당한 회로가 이용될 수 있다. 예를 들어, 단일 MEMS 소자를 구동하기 위해 종래에 사용되는 스위치 또는 논리의 임의의 구성이 본 발명의 실시예에 따라 병렬로 연결된 다수의 MEMS 소자에 전하를 저장하는 것을 제어하도록 구성될 수 있다. 광범위한 적당한 변형이 기술 분야의 당업자에 의해 행해질 수 있다. 픽셀 구동 회로(806)의 특정의 성질에 상관없이, 단일 데이터 라인(808)을 통해 픽셀 구동 회로로 전달되는 단일 기입 동작에 의해 도시된 실시예에서 원하는 픽셀 강도(예컨대, 그레이스케일)가 달성될 수 있다.
서브픽셀 요소들의 서브셋만이 작동되도록, 단일 기입 동작 동안 서브픽셀의 어레이로 전달되는 전하의 양이 제어된다. 다시 도 8을 참조하면, 각각의 서브픽셀 요소(804)는 관련 커패시턴스(Celement)를 가진다. 전하가 서브픽셀 어레이로 전달될 때, 서브픽셀 요소들 중 하나가 스위칭할 때까지 이들 커패시턴스가 충전된다. 이 시점에서, 스위칭된 서브픽셀 요소의 커패시턴스가 다른 스위칭되지 않은 요소에 비해 상당히(예컨대, 일부 실시예에서, 약 10배) 증가한다. 서브픽셀 요소의 작동 및 대응하는 커패시턴스의 변화가, 예를 들어, 도 1의 IMOD(12a, 12b)를 참조하면 이해될 수 있다. IMOD(12a)는 "완화된" 위치에 있는 것으로 도시되어 있고, 이 때 층(14a)은 대응하는 광학 적층물(16a)로부터 떨어져 있다. 이와 달리, 인접한 IMOD(12b)는 "작동된" 위치에 있는 것으로 도시되어 있고, 이 때 층(14b)은 광학 적층물(16b)에 가깝게 "당겨져(pull in)" 있다. 공지된 바와 같이, 커패시턴스는 대향하는 평행 전도성 평면 사이의 거리에 반비례한다 - 즉, 평면이 가까울수록, 커패시턴스가 크다 -. 따라서, 작동된 서브픽셀 요소는 완화된 상태에 있는 요소보다 더 큰 커패시턴스를 가진다.
작동된 서브픽셀 요소의 커패시턴스의 증가로 인해, 작동된 요소는, 다른 서브픽셀 요소 각각이 작동에 필요한 전위로부터 후퇴하고 동작의 안정성 윈도우에 도달되도록(예를 들어, 도 3 및 도 11 참조), 다른 서브픽셀 요소에 축적된 전하를 감소시킨다. 이어서, 추가의 전하가 서브픽셀 어레이로 전달됨에 따라, 원하는 수의 서브픽셀 요소가 작동될 때까지 프로세스가 반복된다. 이 과정은 도 10a 내지 도 10d 및 도 11을 참조하면 이해될 수 있다.
도 10a는 완화된 또는 반사 상태에 있는 9개의 IMOD의 어레이를 나타낸 것이다. 소자들 중 하나 상의 축적된 전하가 그 소자의 스위칭 임계값을 초과할 때(도 11 참조), 그 소자가 작동되고 그의 비반사 상태로 된다(도 10b). 추가의 전하의 부가는 제2 IMOD가 작동되게 하고(도 10c), 원하는 수의 IMOD가 작동되고(즉, 비반사로 되고) 원하는 그레이스케일 또는 픽셀 강도가 표현될 때(도 10d)까지 그렇게 계속된다. 이러한 연속적인 장치 작동이 도 11에 계단상 곡선으로 나타내어져 있으며, 여기서 각각의 하향 계단은 다른 소자의 작동 및 얻어지는 안정 레벨의 그레이스케일 또는 픽셀 강도를 나타낸다. 따라서, 다수의 MEMS 소자를 가짐에도 불구하고, 원하는 그레이스케일 또는 픽셀 강도가 단 한번의 기입 동작으로 달성될 수 있다.
한 부류의 실시예들 중 일부 - 그 중 특정의 것이 도 12의 간략화된 도면에 예시되어 있음 - 에 따르면, 픽셀(1202)의 서브픽셀 요소(1204)가 단일 스위치(1206)(예컨대, TFT) - 그의 소스는 단일 데이터 라인(1208)에 연결되어 있고, 그의 게이트는 단일 게이트 라인(1210)에 연결되어 있으며, 그의 드레인은, 도시된 바와 같이, 병렬로 배열된 서브픽셀 요소들의 각각의 전극에 연결되어 있음 - 를 사용하여 구동된다. 잘 알 것인 바와 같이, 서브픽셀 어레이 내의 MEMS 소자가 IMOD인 실시예의 경우, TFT의 드레인에의 연결은 각각의 서브픽셀 어레이에 걸쳐 있는 디스플레이 열 도체(display column conductor)를 통해 행해질 수 있다. 기술 분야의 당업자라면 잘 알 것인 바와 같이, 병렬 연결의 특정의 성질은 기본 MEMS 소자 유형에 의존할 것이다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 서브픽셀의 어레이로의 전하의 전달을 제어하는 것은 다양한 방식으로 달성될 수 있다. 예를 들어, 도 12의 회로도를 참조하면, 임의의 원하는 레벨의 전하를 달성하기 위해 TFT에 대한 게이트 구동의 펄스 폭이 조작될 수 있다. 이러한 펄스 폭 제어는, 예를 들어, 도 2의 어레이 구동기(22) 및 행 구동기 회로(24)에 의해 제공될 수 있다. 다른 대안으로서, 원하는 레벨의 전하를 달성하기 위해 게이트 펄스 폭이 일정한 채로 있을 수 있고 데이터 라인 상의 전압이 조작될 수 있다. 이러한 전압 제어는, 예를 들어, 도 2의 어레이 구동기(22) 및 열 구동기 회로(26)에 의해 제공될 수 있다.
정보가 게이트 제어와 동일한 차원으로 기입되는 디스플레이에 대해 후자의 방식이 바람직할 수 있다. 즉, 예를 들어, 콘텐츠가 디스플레이에 행별로 기입되고 픽셀이 동일한 축을 따라(즉, 행별로) 선택되는 경우, 행에 있는 각각의 픽셀은 동일한 펄스 폭을 보게 될 것이다.
보다 일반적으로, 각각의 픽셀에 있는 구동 회로에 신호를 제공하는 제어 회로가 본 발명을 벗어나지 않고 매우 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 이러한 제어 회로가 모놀리식 방식으로 또는 분산 방식으로 구현될 수 있다. 디스플레이 응용의 경우, 제어 회로[예컨대, 도 2의 어레이 구동기(22)]는 통상적으로, 예를 들어, 특정의 구동 전압을 선택하는 복수의 입력 비트를 수신할 수 있는 어레이의 주변부에 있는 각각의 열에 대한 열 구동기 회로[예컨대, 도 2의 회로(26)]를 포함할 것이다. 예를 들어, 9개 내지 15개의 서브픽셀 요소를 갖는 본 발명의 실시예에서, 이러한 회로의 3 내지 4 비트 제어를 사용하여 충분한 그레이스케일 제어가 달성될 수 있다. 기술 분야의 당업자라면 잘 알 것인 바와 같이, 특정의 응용에 적합하도록 다른 수의 비트가 사용될 수 있다. 제어 회로는 또한 통상적으로 열 구동기 회로를 통해 전달된 콘텐츠를 기입하기 위한 각각의 행을 선택하는 어레이의 주변부에 있는 행 구동기 회로[예컨대, 도 2의 회로(24)]를 포함할 것이다.
일부 실시예에 따르면, 전하가 전달될 때 주어진 픽셀 내의 서브픽셀 요소가 작동되는 순서는, 제조 허용오차 등으로 인해 생기는 소자 변동에 따라, 픽셀마다 랜덤하게 일어날 수 있다. 잘 알 것인 바와 같이, 예를 들어, 제조 동안의 공정 변동 및 허용오차로부터 생기는 이러한 변동이 아주 작을 수 있다. 예를 들어, IMOD의 어레이 내에서 상이한 "풀인" 전압(즉, 가동층이 광학 적층물로 당겨지는 전압)을 가져오는 임의의 소자 변동이 작동의 순서를 결정할 수 있다. 예를 들어, 다양한 MEMS 소자의 스프링 상수가 상이할 수 있다. 이것은 일반적으로 MEMS 소자의 기계적 층에서의 응력의 변동으로 인한 것이다. 다른 일례에서, 다양한 MEMS 소자의 오프셋 전압이 상이할 수 있다. 이것은 일반적으로 소자 내에서의 전하 포획으로 인한 것이며, 이것도 또한 각각의 소자가 구동된 과거의 전하 레벨에 의존한다. 본 발명의 범위 내에서 매우 다양한 다른 변동이 생각되고 있다.
다른 실시예에 따르면, 주어진 픽셀 내의 서브픽셀 요소가 작동되는 순서가 각종의 메커니즘을 사용하여 제어될 수 있다. 이들 실시예에 따르면, 작동의 순서를 결정하는 변동의 유형의 예측가능 분포를 제공하기 위해 구조적 메커니즘 또는 특징이 픽셀 내에 도입 및/또는 조작된다. 예를 들어, 이들 실시예의 일부에 따르면, 어떤 기계적 또는 물리적 비대칭이 서브픽셀 어레이 내의 MEMS 소자에 도입되고 예측가능한 작동 순서를 달성하도록 제어된다(예컨대, IMOD의 상대 크기 또는 면적, 각각과 연관된 스프링 상수 등).
도 13에 예시된 다른 일례에 따르면, 어레이 내의 상이한 서브픽셀 요소가 상이한 기준 전압에 연결된다. 동 도면에 도시된 바와 같이, 제1 서브픽셀 요소(하나 이상일 수 있음)는 접지에 연결되고, 제2 요소(하나 이상일 수 있음)는 기준 전압 V1에 연결되며, 제3 요소(하나 이상일 수 있음)는 V2에 연결되고, 이하 마찬가지이다. 따라서, 예를 들어, 모든 소자가 10.0 볼트의 작동 바이어스 전압을 가지고 V1 = 0.1 볼트이며, V2 = 0.2 볼트 등인 경우, 어레이에 인가된 바이어스 전압이 10.0 볼트일 때 일부가 작동될 것이고, 10.1 볼트일 때 더 많이 작동될 것이며, 10.2 볼트일 때 훨씬 더 많이 작동될 것이고, 이하 마찬가지이다.
픽셀에 있는 서브픽셀 요소과 동수의 기준 전압이 있는 도 13에 도시된 일례와 유사한 실시예가 구현될 수 있다. 다른 대안으로서, 실시예는 몇몇 서브픽셀 요소를 서로 그룹화함으로써 보다 적은 수의 기준 전압을 사용할 수 있다. 도 14는 다양한 레벨의 그레이스케일을 달성하기 위해 이러한 실시예에서의 서브픽셀 요소가 서브셋으로 그룹화될 수 있는 방식의 일례를 나타낸 것이다. 도시된 구현예에서, 4개의 인접한 서브픽셀 요소가 하나의 서브셋으로 서로 그룹화될 수 있고, 2개의 요소, 2개의 요소 및 1개의 요소로 된 부가의 서브셋이 있다. 상이한 서브셋을 상이한 기준 전압에 연결시킴으로써, 원하는 레벨의 그레이스케일 또는 픽셀 강도를 달성하기 위해 상이한 서브셋이 제어된 방식으로 작동될 수 있다.
이러한 기준 전압은 각종의 메커니즘을 사용하여 유입될 수 있다. 예를 들어, 각각의 기준 전압이 그 자신의 전도성 평면을 통해 유입될 수 있다. 다른 대안으로서, 모든 기준 전압이 동일한 평면(예컨대, 접지 평면)과 관련하여 도출될 수 있고, 부가의 회로 요소(예컨대, 분압기, 전압 조정기 등)가 소자 전극과 평면 사이에 개재되어 있다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 상이한 기준 전압을 달성하는 매우 다양한 메커니즘이 이용될 수 있다.
이상의 설명을 참조하면 잘 알 것인 바와 같이, 원하는 레벨의 그레이스케일 또는 픽셀 강도가 하나의 단계로(예컨대, 한번의 기입 동작으로) 달성될 수 있다는 점에서 디스플레이 응용이 본 발명의 실시예로부터 이득을 볼 수 있다. 이것은 서브픽셀을 독립적으로 구동하고, 따라서 동일한 결과를 달성하기 위해 다수의 단계를 필요로 하는 기법에 비해 상당한 전력 절감을 나타낸다. 그에 부가하여, 종래의 공간 하프토닝 기법에서와 같이 서브픽셀을 독립적으로 구동해야만 하는 것에 의해, 콘텐츠 데이터에서의 상실된 수직 상관과 연관된 전력 손실이 악화되지 않는다. 즉, 보다 적은 수의 기입 단계는 또한 콘텐츠 데이터에서의 상실된 수직 상관으로 인해 발생하는 전력 소비가 그레이스케일을 달성하기 위해 시간 변조 또는 공간 하프토닝을 필요로 하지 않는 디스플레이와 비슷하다는 것을 의미한다.
본 발명이 본 발명의 특정의 실시예을 참조하여 상세히 도시되고 기술되어 있지만, 기술 분야의 당업자라면 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 개시된 실시예의 형태 및 상세의 변경이 행해질 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 예를 들어, 앞서 논의된 바와 같이, 특정의 실시예가 IMOD에 기초한 시각 디스플레이와 관련하여 본 명세서에 기술되어 있다. 그렇지만, 본 발명의 범위가 그것으로 제한되지 않는다. 오히려, 본 발명의 범위는 훨씬 더 넓은 범위의 MEMS 및 NEMS 소자, 예컨대, 디스플레이가 기초할 수 있고, 히스테리시스를 특징으로 하는 방식으로 2개의 안정 상태 사이에서 스위칭하는 임의의 유형의 MEMS 또는 NEMS 소자에 기초하는 시각 디스플레이를 포함한다. 더욱 더 일반적으로, MEMS 또는 NEMS 소자의 어레이에 관련되어 있지만 시각 디스플레이에 관련되어 있지 않은 응용에서 구현될 수 있는 본 발명의 실시예가 생각되고 있다. 이러한 응용은 필터, 센서, MEMS 오디오 스피커 요소의 어레이(예컨대, 아날로그 스피커 콘의 움직임을 에뮬레이트함), 마이크 어레이 등을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다.
다른 일례에서, 전기 기계 소자의 어레이로 전하를 전달하는 것에 관해 본 명세서에서의 설명에도 불구하고, 그 대신에 소자들 중 적어도 일부로부터 이전에 저장된 전하를 제거함으로써 병렬로 구성되는 소자의 어레이에서의 소자의 서브셋의 선택적인 작동이 달성되는 본 발명의 실시예가 생각되고 있다. 한번의 기입 동작으로부터 원하는 양의 전하가 병렬 소자들에 분산되는 한, 이러한 실시예가 본 발명의 범위 내에 속한다.
그에 부가하여, 본 발명의 다양한 이점, 측면 및 목적이 다양한 실시예를 참조하여 본 명세서에 논의되어 있지만, 본 발명의 범위가 이러한 이점, 측면 및 목적을 참조하여 제한되어서는 안된다는 것을 잘 알 것이다. 오히려, 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위를 참조하여 결정되어야 한다.

Claims (19)

  1. 픽셀들의 어레이 - 각각의 픽셀은 복수의 서브픽셀 요소를 포함하고, 각각의 서브픽셀 요소는 2개의 상태 사이에서 스위칭하도록 구성되어 있는 전기 기계 소자를 포함하며, 각각의 전기 기계 소자는 상기 2개의 상태 사이에서 스위칭할 시에 히스테리시스(hysteresis)를 나타냄 -;
    각각의 픽셀에 결합되어 있고 상기 픽셀 내의 상기 서브픽셀 요소들 중 2개 이상을 병렬로 구동하도록 구성되어 있는 구동 회로; 및
    상기 어레이 내의 상기 픽셀들 중 선택된 픽셀들과 연관된 상기 구동 회로를 선택적으로 활성화시키고 그에 따라 각각의 선택된 픽셀에 저장된 전하의 양을 제어함으로써, 상기 전하의 양에 대응하는 각각의 선택된 픽셀에 대한 상기 서브픽셀 요소들의 서브셋이 작동되도록 하여, 상기 선택된 픽셀들 각각에 대해 대응 픽셀 강도가 얻어지도록 구성되어 있는 제어 회로
    를 포함하는 디스플레이.
  2. 제1항에 있어서, 각각의 전기 기계 소자는 간섭 변조기(interferometric modulator; IMOD)를 포함하는 디스플레이.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 선택된 픽셀들 각각 내의 상기 서브픽셀 요소는 제조 허용오차로 인해 생기는 소자 변동(device variations)에 의해 결정되는 순서로 작동되는 디스플레이.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 선택된 픽셀들 각각 내의 상기 서브픽셀 요소들의 서브셋은 미리 결정된 순서로 작동되도록 구성되어 있는 디스플레이.
  5. 제4항에 있어서, 상기 서브픽셀 요소들 각각의 적어도 하나의 물리적 파라미터는 상기 미리 결정된 순서로 작동을 야기하도록 구성되어 있는 디스플레이.
  6. 제5항에 있어서, 상기 적어도 하나의 물리적 파라미터는 소자 면적 또는 소자 스프링 상수 중 하나 이상을 포함하는 디스플레이.
  7. 제4항에 있어서, 상기 픽셀들 각각 내의 상기 서브픽셀 요소들은, 상기 미리 결정된 순서를 적어도 부분적으로 결정하는 복수의 상이한 기준 전압에 연결되어 있는 디스플레이.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 회로 및 상기 구동 회로는, 상기 선택된 픽셀들 각각에 인가되는 전압을 변화시킴으로써, 각각의 선택된 픽셀에 대한 전하의 양을 저장하도록 구성되어 있는 디스플레이.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 회로 및 상기 구동 회로는, 상기 선택된 픽셀들 각각에 인가되는 펄스의 폭을 변화시킴으로써, 각각의 선택된 픽셀에 대한 전하의 양을 저장하도록 구성되어 있는 디스플레이.
  10. 전기 기계 소자들의 하나 이상의 어레이 - 각각의 전기 기계 소자는 2개의 상태 사이에서 스위칭하도록 구성되어 있고, 각각의 전기 기계 소자는 상기 2개의 상태 사이에서 스위칭할 시에 히스테리시스를 나타냄 -;
    각각의 어레이에 결합되어 있고 상기 전기 기계 소자들 중 2개 이상을 병렬로 구동하도록 구성되어 있는 구동 회로; 및
    상기 구동 회로를 활성화시키고 그에 따라 각각의 어레이에 저장된 전하의 양을 제어함으로써 상기 전하의 양에 대응하는 상기 전기 기계 소자들의 서브셋이 작동되도록 구성되어 있는 제어 회로
    를 포함하는 전기 기계 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 각각의 전기 기계 소자는 간섭 변조기(IMOD)를 포함하는 전기 기계 시스템.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 전기 기계 소자는 제조 허용오차로 인해 생기는 소자 변동에 의해 결정되는 순서로 작동되는 전기 기계 시스템.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 기계 소자는 미리 결정된 순서로 작동되도록 구성되어 있는 전기 기계 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 전기 기계 소자들 각각의 적어도 하나의 물리적 파라미터는 상기 미리 결정된 순서로 작동을 야기하도록 구성되어 있는 전기 기계 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 적어도 하나의 물리적 파라미터는 소자 면적 또는 소자 스프링 상수 중 하나 이상을 포함하는 전기 기계 시스템.
  16. 제13항에 있어서, 상기 전기 기계 소자들은, 상기 미리 결정된 순서를 적어도 부분적으로 결정하는 복수의 상이한 기준 전압에 연결되어 있는 전기 기계 시스템.
  17. 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 회로 및 상기 구동 회로는, 상기 전기 기계 소자들의 어레이에 인가되는 전압을 변화시킴으로써, 상기 전하의 양을 저장하도록 구성되어 있는 전기 기계 시스템.
  18. 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 회로 및 상기 구동 회로는, 상기 전기 기계 소자들의 어레이에 인가되는 펄스의 폭을 변화시킴으로써, 각각의 선택된 픽셀에 대한 전하의 양을 저장하도록 구성되어 있는 전기 기계 시스템.
  19. 제10항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 기계 시스템은 디스플레이, 필터, 프로젝터, 마이크, 또는 스피커로 이루어진 그룹 중에서 하나를 포함하는 전기 기계 시스템.
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