KR20120132680A - 저온 실 유체 충전된 디스플레이 장치의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 명세서에서 설명되는 이 방법 및 장치들은 디스플레이들 및 MEMS를 포함하는 저온 실 유체 충전된 디스플레이들의 제조 방법에 관련된다. 유체는 실질적으로 MEMS 디스플레이의 움직이는 부품들을 실질적으로 둘러싸서, 정지 마찰의 효과를 감소시키고 디스플레이의 광학적 및 전기기계적 성능을 향상시킨다. 본 발명은 MEMS 디스플레이를 저온에서 실링함으로써, 증기 기포가 실 온도보다 약 15 ℃ 내지 약 20 ℃ 낮을 때에만 형성되도록 하는 방법에 관련된다. 몇 가지 실시형태들에서, MEMS 디스플레이 장치는 제 1 기판, 제 1 기판으로부터 갭에 의하여 분리되고 광 변조기들의 어레이를 지지하는 제 2 기판, 갭을 실질적으로 충전하는 유체, 갭 내의 복수 개의 스페이서들, 및 제 1 기판을 제 2 기판과 본딩시키는 실링 재료를 포함한다.

Description

저온 실 유체 충전된 디스플레이 장치의 제조 방법{METHODS FOR MANUFACTURING COLD SEAL FLUID-FILLED DISPLAY APPARATUS}

관련 출원들에의 상호-참조

본 출원은 2008년 8월 4일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 제 12/221,606 호에 대한 부분 계속 출원이다. 또한, 이 출원은 각각 2010년 2월 2일 및 2010년 2월 3일에 출원된 미국 가출원 번호 제 61/300,731 호 및 제 61/301,015 호에 대한 우선권을 주장한다. 이러한 출원들 각각의 내용들은 본 명세서에 그 전체가 참조로서 통합된다.

본 발명은 일반적으로 촬상 디스플레이 (imaging display) 및 프로젝션 디스플레이와 같은 디스플레이 분야에 관련된다. 특히, 본 발명은 유체 충전된 디스플레이 장치 (fluid filled display apparatus) 의 어셈블리 및 동작에 관련된다.

기계적 광 변조기들을 내장하는 디스플레이들은 수 백, 수천, 또는 어떤 경우에는 수백만 개의 움직이는 요소들을 포함할 수 있다. 어떤 디바이스들에서, 어떤 요소의 모든 움직임은 정지 마찰이 요소들 중 하나 이상을 디스에이블하게 할 가능성을 제공한다. 이러한 움직임은 모든 부품들을 동작 유체 (working fluid; 유체라고 불리기도 함) 내에 담그고 해당 유체를 MEMS 디스플레이 셀 내의 유체 스페이스 (fluid space) 또는 갭 내에 실링 (예를 들어, 접착제를 이용하여 실링) 함으로써 용이해질 수 있다. 유체는 일반적으로 낮은 마찰 계수, 낮은 점성, 및 오랜 기간 동안의 최소화된 열화 효과 (degradation effect) 를 가지는 것이다.

유체가 해당 유체를 포함하는 기판들의 열팽창 계수와는 다른 열팽창 계수를 가질 수도 있기 때문에, 동작 온도가 변경되면 해당 디스플레이 내의 유체 압력에 큰 변화가 발생될 수 있다. 이러한 내부 압력 변화는, 디스플레이 표면이 부풀거나 휘도록 할 수 있으며 어떤 경우에는 디스플레이 내에 증기 기포가 형성되도록 할 수 있다. 예를 들어, MEMS 기판을 위하여 이용될 수도 있는 유리의 열팽창 계수 (CTE) 는 약 3.5 ppm/K 일 수 있고, 적합한 동작 유체의 체적 열팽창 계수 (volumetric CTE) 는 약 1200 ppm/K 일 수 있다. 또한, 유체를 디스플레이 내에 실링하는데 이용되는 접착제의 CTE는 셀 갭의 확장을 좌우할 수 있다. 몇 가지 실시형태에서, 접착제의 CTE는 약 80 ppm/K 일수도 있다. 따라서, MEMS 디스플레이 내의 갭 내에 있는 동작 유체는 유리의 그것보다 약 400 배 더 그리고 접착제의 그것보다 15 배 더 팽창 및 수축한다. 약 섭씨 50 도의 온도 차이가 발생하면, 기판의 체적 및 유체의 체적 차이는 약 5.5% 이다. 그러므로, 디스플레이가 약 20 ℃에서 실링되고 추후에 약 80 ℃ 로 가열된다면, 유체는 유리 MEMS 기판보다 약 5.5% 더 팽창할 것이고, 이것은 다시 접착제의 팽윤 또는 팽창에 의하여 영향받는다. 팽창에 차이가 발생하면 유리에 힘이 작용하게 되며, 그 결과 디스플레이의 일부가 팽윤된다. 유리 MEMS 기판이 접착제에 의하여 에지를 따라서 구속되어 있고 중앙부에서는 일반적으로는 자유롭게 변형되기 때문에, 이러한 팽윤량은 정확하게 예측하기가 힘들다. 몇 가지 실시형태에서는, MEMS 디스플레이의 갭 중앙에서 이러한 팽윤 현상이 약 1.5 마이크론 만큼 클 수도 있다. 유사한 결과가 MEMS 디스플레이가 냉각될 때에 발생할 수도 있다. 만일 디스플레이가 약 50 ℃ 만큼 냉각된다면, 약 5.5% 의 동일한 유체 체적 변화가 발생될 것이다.

본 명세서에서 설명되는 방법 및 장치는 증기 기포의 형성이 실질적으로 방지되는 촬상 디스플레이들의 제조를 가능하게 한다.

디스플레이 셀의 내부 압력이 실 압력 (seal pressure) 의 내부 압력 아래로 감소하고 디스플레이 내에 사전 생성된 증기 기포들이 존재하지 않는다면, 증기 기포가 형성된다. 즉, 하나 이상의 증기 기포들이 갑자기 디스플레이의 여러 지점에서 발생된다. 만일 디스플레이가 실온에서 실링되면, 증기 기포는 실온보다 훨씬 낮은 온도에서 형성될 수도 있다. 실제로는, 증기 기포들은 디스플레이가 실 온도에 비하여 약 15 ℃ 내지 20 ℃ 아래에 도달할 때까지는 발생되지 않는다. 기포가 형성되는 실제 온도는 내부 압력 및 스페이서들이 수축 및/또는 팽창의 일부를 흡수하는 능력에 좌우되기 때문에 예상하기 힘들다.

일반적으로, 증기 기포 형성 조건들은, 디스플레이 셀의 갭 내의 유체의 체적이 감소하는 것에 따라서 셀이 수축되지 못할 때 존재한다. 디스플레이 셀의 주위 온도가 낮아지면, 기판은 수축하기 시작한다. 그러나, 반대 스페이서들 (opposing spacers) 이 서로 접촉하면, 즉, 셀의 제 1 기판 상의 스페이서들이 해당 셀의 제 2 기판 (예를 들어, 애퍼쳐 판 (aperture plate)) 상의 인접 스페이서들과 접촉하면, 디스플레이 셀은 한정되게 되며 더 이상 많이 수축될 수 없는 반면에 유체는 계속하여 수축한다. 그러면 이러한 한정이 디스플레이 셀 내부의 압력을 감소시킨다. 만일 온도가 계속 떨어진다면, 셀 내부의 압력이 증기 기포가 형성되도록 하는 값이 될 수도 있다. 증기 기포들이 사용자가 시청하는 광학부 내부에 형성되면, 이들은 매우 귀찮게 느껴지게 되고, 흔히 디스플레이의 교체에 이르게 된다.

본 명세서에서 설명되는 장치들 및 방법들은 특히 저온에서의 증기 기포 형성의 방지에 도움이 되는 해법들에 관련된다. 특히, 본 명세서에서 설명되는 방법들 및 장치들은, 저온에서 일어나는 유체 충전 및 실링 프로세스를 포함하는, 기계적으로 작동되는 (actuated) 디스플레이 장치의 어셈블리에 관련된다. 저온, 예를 들어, 0 ℃ 아래에서, 그리고 바람직하게는 약 -10 ℃ 내지 약 -25 ℃에서 MEMS 디스플레이 셀을 실링하기 위한 방법이 설명된다. 이러한 방법은, 증기 기포가 주변 온도가 실 온도 아래로 떨어질 때 즉시 형성하는 것이 아니라, 실 온도 아래로 약 15 ℃ 내지 약 20 ℃ 내려갈 때 형성된다는 지식을 고려한다. 이러한 방식으로, 증기 기포가 형성될 수 있는 온도는 약 -25 ℃ 미만으로 내려간다.

당업자들은 표준 실링 기법이 실온에서 수행되는 반면에, 본 명세서에서 설명되는 실링 프로세스는 실온보다 실질적으로 낮은 온도에서 (즉, 저온에서) 수행된다는 것을 이해할 것이며, 따라서 디스플레이 장치의 제조를 위한 "저온 실 (cold seal)" 프로세스가 본 명세서에서 설명된다.

일 양태에서, 본 발명은 제 1 투명 기판 및 제 2 투명 기판을 포함하는 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법에 관련된다. 본 발명에 따른 방법은 제 2 투명 기판 상에 광 변조기들의 어레이의 적어도 일부를 제공하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따른 방법은 제 1 및 제 2 기판들에 연결되어 두 기판들 간에 갭을 확립하는 복수 개의 스페이서들을 제공하는 단계를 더 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 방법은 제 1 및 제 2 기판들의 둘레를 본딩하기 위한 접착성 에지 실 (adhesive edge seal) 을 제공하는 단계, 및 제 1 온도에서 유체를 이용하여 디스플레이 어셈블리를 충전하는 단계를 포함한다. 더 나아가, 본 발명에 따른 방법은 디스플레이 어셈블리를 상기 제 1 온도보다 실질적으로 낮은 제 2 온도까지 냉각하는 단계, 및 디스플레이 어셈블리를 압축함으로써 제 1 및 제 2 기판들을 적어도 부분적으로 함께 푸시하는 단계를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 방법은 실 재료를 경화시켜 유체를 제 1 및 제 2 기판들 사이에서 실링하는 단계를 포함한다.

몇 가지 실시형태에서, 압축하는 단계는 제 2 온도에서 수행된다. 몇 가지 실시형태에서, 복수 개의 스페이서들은 두 기판들 사이에 적어도 제 1 갭을 유지시킨다. 몇 가지 실시형태에서, 접착성 에지 실은 제 1 및 제 2 기판들의 에지들이 제 2 갭만큼 분리되도록 유지한다. 몇 가지 실시형태에서, 접착성 에지 실은 적어도 하나의 에지 스페이서를 포함한다.

몇 가지 실시형태에서, 본 발명에 따른 방법은 디스플레이 어셈블리가 충전된 이후 및 디스플레이 어셈블리가 실온으로 되돌아가기 이전에 실 재료를 디스플레이 어셈블리의 에지를 따라서 배치된 충전 홀 (fill hole) 에 도포하는 단계를 더 포함한다. 몇 가지 실시형태에서, 충전 홀은 접착성 에지 실 내에 개구부 (opening) 를 포함한다. 몇 가지 실시형태에서, 충전 홀을 통하여 디스플레이를 충전하는 단계는, 유체가 제 1 온도에서 광 변조기들의 가동부들 (movable portions) 을 실질적으로 둘러싸게 하도록 수행된다.

몇 가지 실시형태에서, 제 1 온도는 실질적으로 실온이다. 몇 가지 실시형태에서, 제 1 온도는 약 18 ℃ 내지 약 30 ℃ 이다. 몇 가지 실시형태에서, 제 2 온도는 약 0 ℃ 아래이다. 몇 가지 실시형태에서, 실 재료를 경화시키는 단계는 약 0 ℃ 아래에서 발생한다. 몇 가지 실시형태에서, 제 2 온도는 약 -10 ℃ 내지 약 -25 ℃ 이다.

몇 가지 실시형태에서, 유체는 액체, 기체, 및 윤활제 중 하나이다. 몇 가지 실시형태에서, 유체는 하이드로플루오로에테르 액체 (hydrofluoroether liquid) 를 포함한다. 몇 가지 실시형태에서, 유체는 적어도 하나의 퍼플루오로카본 (perfluorocarbon) 및 적어도 하나의 퍼플루오로에테르의 혼합액 (liquid blend) 을 포함한다.

몇 가지 실시형태에서, 광 변조기들은 MEMS 광 변조기들이다. 몇 가지 실시형태에서, 본 발명에 따른 방법은 제 1 투명 기판 상에 MEMS 광 변조기들의 적어도 하나의 추가적 어레이를 제공하는 단계를 더 포함한다.

몇 가지 실시형태에서, 본 발명에 따른 방법은 제 1 및 제 2 투명 기판들 중 적어도 하나 상에 복수 개의 스페이서들을 제작하여 두 기판들 간에 갭을 유지하는 단계를 더 포함한다. 몇 가지 실시형태에서, 복수 개의 스페이서들은 두 기판들 간에 적어도 제 1 갭을 유지하며, 접착성 에지 실은 제 1 및 제 2 기판들의 에지들이 제 2 갭만큼 분리되도록 유지하고, 제 2 갭의 높이는 제 1 갭의 높이보다 높다. 몇 가지 실시형태에서, 제 2 갭의 높이는 제 1 갭의 높이보다 약 0.5 마이크론 내지 약 4 마이크론만큼 더 높다. 몇 가지 실시형태에서, 제 2 갭의 높이는 약 8 마이크론 내지 약 14 마이크론이다.

다른 양태에서, 본 발명은 제 1 투명 기판 및 제 2 투명 기판을 포함하는 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법에 관련된다. 본 발명에 따른 방법은 제 2 투명 기판 상에 광 변조기들의 어레이의 적어도 일부를 제공하는 단계를 포함한다. 더 나아가, 본 발명에 따른 방법은 제 1 및 제 2 기판들에 연결되는 복수 개의 스페이서들을 제공하여 두 기판들 간에 갭을 확립하는 단계를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 방법은 제 1 및 제 2 기판들의 둘레를 본딩하기 위한 접착성 에지 실을 제공하는 단계를 포함한다. 더 나아가, 본 발명에 따른 방법은 디스플레이 어셈블리를 압축함으로써 제 1 및 제 2 기판들을 적어도 부분적으로 함께 푸시하되, 압축 단계가 실질적으로 실온보다 낮은 온도에서 발생하는 단계를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 방법은 실 재료를 경화시켜 유체를 제 1 및 제 2 기판들 사이에서 밀봉하는 단계를 포함한다.

몇 가지 실시형태에서, 실온은 약 18 ℃ 내지 약 30 ℃ 이다. 몇 가지 실시형태에서, 실질적으로 실온보다 낮은 온도는 약 0 ℃ 아래이다. 몇 가지 실시형태에서, 실질적으로 실온보다 낮은 온도는 약 -10 ℃ 내지 약 -25 ℃ 이다. 몇 가지 실시형태에서, 실 재료를 경화시키는 단계는 적어도 부분적으로 실온보다 실질적으로 낮은 온도에서 발생한다.

몇 가지 실시형태에서, 복수 개의 스페이서들은 두 기판들 간에 적어도 제 1 갭을 유지한다. 몇 가지 실시형태에서, 접착성 에지 실은 제 1 및 제 2 기판들의 에지들이 제 2 갭만큼 분리되도록 유지한다. 몇 가지 실시형태에서, 접착성 에지 실은 적어도 하나의 에지 스페이서를 포함한다.

몇 가지 실시형태에서, 본 발명에 따른 방법은 디스플레이 어셈블리가 실온으로 되돌아가기 이전에 실 재료를 디스플레이 어셈블리의 에지를 따라서 배치된 충전 홀에 도포하는 단계를 더 포함한다. 몇 가지 실시형태에서, 충전 홀은 접착성 에지 실 내에 개구부를 포함한다.

제 3 양태에서, 본 발명은 디스플레이 장치에 관련된다. 본 발명에 따른 디스플레이 장치는 제 1 기판, 및 광 변조기들의 어레이의 적어도 일부를 포함하며 적어도 제 1 갭만큼 제 1 기판으로부터 분리되는 제 2 기판을 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 디스플레이 장치는 제 1 및 제 2 기판들에 연결되어 제 1 갭을 유지하는 복수 개의 스페이서들, 및 디스플레이 장치의 에지들이 적어도 제 2 갭만큼 분리되도록 유지하기 위한 접착성 에지 실을 포함한다. 제 2 갭의 높이는 제 1 갭의 높이보다 높다. 더 나아가, 본 발명에 따른 디스플레이 장치는, 제 1 갭 내에 포함된 유체, 및 제 1 갭 내에 유체를 밀봉하기 위한 경화된 실 재료를 포함한다. 몇 가지 실시형태에서, 본 발명에 따른 디스플레이 장치는 충전 홀을 더 포함하며, 이 충전 홀은 접착성 에지 실 내에 개구부를 포함한다.

몇 가지 실시형태에서, 유체는 액체, 기체, 및 윤활제 중 하나이다. 몇 가지 실시형태에서, 유체는 하이드로플루오로에테르 액 (hydrofluoroether liquid) 을 포함한다. 몇 가지 실시형태에서, 유체는 적어도 하나의 퍼플루오로카본 (perfluorocarbon) 및 적어도 하나의 퍼플루오로에테르의 혼합액 (liquid blend) 을 포함한다.

몇 가지 실시형태에서, 광 변조기들은 MEMS 광 변조기들이다. 몇 가지 실시형태에서, MEMS 광 변조기들은 셔터 기반 (shutter-based) 광 변조기들을 포함한다. 몇 가지 실시형태에서, MEMS 광 변조기들은 전기습윤 (electrowetting) 광 변조기들을 포함한다. 몇 가지 실시형태에서, 광 변조기들은 액정 변조기들 (liquid crystal modulators) 을 포함한다. 몇 가지 실시형태에서, 제 1 투명 기판은 광 변조기들의 어레이의 추가적인 일부를 포함한다.

몇 가지 실시형태에서, 복수 개의 스페이서들은 제 1 및 제 2 투명 기판들 중 하나 상에 제작된다. 몇 가지 실시형태에서, 제 1 기판은 컬러 필터 어레이 또는 컬러 필터 어레이 상에 형성된 애퍼쳐 층 (aperture layer) 중 하나를 포함한다. 몇 가지 실시형태에서, 상부 및 하부 기판들은 전기적으로 절연된다. 몇 가지 실시형태에서, 제 2 갭의 높이는 제 1 갭의 높이보다 약 0.5 마이크론 내지 4 마이크론 만큼 높다. 몇 가지 실시형태에서, 제 2 갭의 높이는 약 8 마이크론 내지 14 마이크론이다. 몇 가지 실시형태에서, 접착성 에지 실은 에폭시 실 (epoxy seal)이다. 몇 가지 실시형태에서, 에폭시 실은 자외선 광원을 이용하여 경화될 수 있다. 몇 가지 실시형태에서, 접착성 에지 실은 적어도 하나의 에지 스페이서를 포함한다.

본 명세서에서 제공되는 예시적 설명들은, MEMS 기판의 수축을 한정함으로써 저온에서의 기포 형성을 더욱 감소시키는데 이용될 수 있는 방법들을 포함한다. 예를 들어, 반대 스페이서들이 매우 낮은 온도에 도달하기까지는 완전하게 접촉하지 않도록 하는 방식으로 스페이서들을 활용함으로써, 디스플레이 장치 내의 증기 기포 형성 온도는 더욱 낮아질 수도 있다. 몇 가지 실시형태에서, 디스플레이 셀은 디스플레이 셀 내부의 스페이서들 각각의 높이보다 실질적으로 더 높은 높이를 가지는 접착 재료를 이용하여 실링될 수도 있다. 접착제는 에폭시 재료일 수 있다. 실은 디스플레이 셀의 에지에 위치될 수도 있다. 몇 가지 실시형태에서, 실 재료는 플라스틱, 유리, 세라믹, 또는 다른 재료로 제조된 스페이서들을 포함할 수 있다. 스페이서들은 압축이 불가능할 수도 있다. 몇 가지 실시형태에서, 스페이서는 임의의 적합한 미세구조 (microstructure) 일 수도 있다. 적합한 미세구조는 비드 (bead) 또는 구 (sphere) 를 포함한다. 비드 또는 구는 유리 또는 실리카로부터 형성될 수도 있다.

몇 가지 실시형태에서, 압축되는 상황에서도 실 재료는 실 근방의 기판들의 영역 내의 영역에서 최소 이격 (minimum separation) 또는 기판들 간의 셀 갭을 유지한다. 몇 가지 실시형태에서, 실 재료와 함께 포함된 미세구조는 실 근방의 기판들의 영역 내의 영역에서 최소 이격 또는 기판들 간의 셀 갭을 유지한다.

디스플레이 장치의 셀이 압축되면 (예를 들어, 셀 프레스 (cell press) 에 의하여 압축되면), 다수의 스페이서들은 그들의 개별 반대 스페이서들과 접촉하게 된다. 그러나, 셀 프레스 압력이 너무 높지 않고 실 재료가 기판 상의 반대 스페이서들의 전체 높이보다 크다면, 스페이서들 중 몇 몇은 디스플레이 셀의 최외곽 에지를 따라서 기판과 접촉하지 않을 것인데, 이것은 실 재료 및 디스플레이 셀의 최외곽 에지에서의 압축 불가능한 스페이서들의 위치에 기인할 수 있다. 그러면, 그 결과 유체 체적이 감소함에 따라서 셀 체적이 더욱 감소하도록 허용된다. 그럼에도 불구하고, 온도가 더 떨어짐에 따라서, 결과적으로 모든 또는 거의 모든 스페이서들이 기판과 접촉하게 될 것이고 및/또는 셀은 자신의 최소 허용가능 상태로까지 수축할 것이다.

몇 가지 실시형태에서, 디스플레이들은 디스플레이 셀의 냉각을 수행할 카세트를 포함하는 제조 장비를 이용하여 어셈블링된다. 몇 가지 실시형태에서, 제조 장비는 각 디스플레이 셀을 압축하기 위한 내장형 셀 프레스 (cell press) 들을 포함한다. 몇 가지 실시형태에서, 디스플레이 셀 갭은 실온에서 유체를 이용하여 충전되고, 디스플레이의 가압 및 실링만이 낮은 온도에서 수행된다.

본 명세서에서, 본 발명의 구현예들은 MEMS 광 변조기들로부터 제작된 디스플레이에 관련하여 우선적으로 설명될 것이다. 그러나, 본 명세서에서 개시되는 시스템들, 방법들 및 방법들 및 디바이스들은, 전기습윤 (electrowetting) 및 액정 디스플레이들을 포함하는 다른 타입의 디스플레이들에도 적용 가능하며, 더 일반적으로는 내부가 유체 배치된 장치들에도 적용 가능하다. 대안적인 MEMS-기반 광 변조기들에는 디지털 미러 디바이스들 (digital mirror devices, DMDs), 인터페이스 변조 디스플레이들 (interference modulation displays, IMODs), 및 광 탭 디스플레이들 (light tap displays) 또는 FIR 디스플레이들 (frustrated internal reflection displays) 이 포함될 수 있다.

전술된 논의는 첨부 도면들을 참조하여 후속되는 발명의 상세한 설명으로부터 더 용이하게 이해될 수 있을 것이다;
도 1a 는 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는 디스플레이 장치의 등축도 (isometric view) 이다;
도 1b 는 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는, 도 1a 에 도시된 디스플레이 장치의 블록도이다;
도 2a 는 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는, 도 1a 의 MEMS-기반 디스플레이 내에 내장되기 적합한 예시적인 셔터-기반 (shutter-based) 광 변조기의 사시도이다;
도 2b 는 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는, 도 1a 의 MEMS-기반 디스플레이 내에 내장되기 적합한 롤러세이드-기반 (rollershade-based) 광 변조기의 단면도이다;
도 2c 는 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는, 도 1a 의 MEMS-기반 디스플레이의 다른 실시형태 내에 내장되기 적합한 광-탭-기반 (light-tap-based) 광 변조기의 단면도이다;
도 2d 는 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는, 도 1a 의 MEMS-기반 디스플레이의 다른 실시형태 내에 내장되기 적합한 전기습윤-기반 광 변조기의 단면도이다;
도 3a 는 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는, 도 1a 의 MEMS-기반 디스플레이 내에 내장되는 광 변조기를 제어하기에 적합한 제어 매트릭스 (control matrix) 의 개략도이다;
도 3b 는 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는, 도 3a 의 제어 매트릭스에 연결되는 셔터-기반 광 변조기들의 어레이의 사시도이다;
도 4a 및 도 4b 는 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는, 듀얼-작동 셔터 어셈블리 (dual-actuated shutter assembly) 가 각각 열림 상태 및 닫힘 상태에 있는 것을 나타내는 평면도들이다;
도 5 는 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는, 셔터-기반 디스플레이 장치의 단면도이다;
도 6a 및 도 6b 는 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는, MEMS-다운 구성 (MEMS-down configuration) 에서 이용되기 위한 애퍼쳐 판 (aperture plate) 의 구조를 예시한다;
도 7 은 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는, 디스플레이의 단면도이다;
도 8 은 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는, 정밀 기판 정렬 장치 (precision substrate alignment apparatus) 의 개념도이다;
도 9 는 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는, 다중 변조기 및 애퍼쳐 어레이들을 각각 가지는 변조기 기판 및 애퍼쳐 판의 평면도이다;
도 10 은 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는, 정렬 이후의 패널 어셈블리의 평면도이다;
도 11 은 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는, 유체 충전된 셀 어셈블리 방법의 흐름도이다;
도 12 는 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는, 유체 충전 장치를 나타내는 도면이다;
도 13 은 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는, 다중 어레이를 위한 유체 충전된 셀 어셈블리 방법의 흐름도이다;
도 14 는 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는, 디스플레이 장치를 어셈블리하기 위한 저온 실 방법을 예시한다;
도 15 는 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는, 애퍼쳐 판 및 제 1 기판이 실질적으로 평행인, MEMS 디스플레이 셀을 도시한다;
도 16 내지 도 19 는 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는, 압축하에서의 디스플레이 셀들을 도시한다;
도 17 은 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는, 실링 온도 아래의 온도에서 디스플레이 셀이 더 압축된 이후의 조건에서의 디스플레이 셀을 도시한다;
도 18 은 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는, 셀 압력으로부터 또는 더 낮은 온도로부터 셀이 더욱 압축되어 있는 디스플레이 셀을 도시한다;
도 19a 는 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는 디스플레이 어셈블리를 도시하는데, 여기서 스페이서들이 탄성 재료로 제조되며 탄성 계수가 감소되도록 선택된 재료들로부터 형성된다;
도 19b 는 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는 디스플레이 어셈블리의 한 버전을 도시하는데, 여기서 셀이 더 높은 온도에서 이완되도록 허용된 때에도 스페이서들은 서로 계속 접촉된다;
도 20 은 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는 디스플레이 어셈블리의 다른 예시를 제공하며, 여기서 어셈블리는 가압으로부터 해제되고 실링된 바 있으며, 실온까지 데워지도록 허용된 바 있다.

본 발명을 전체적으로 이해할 수 있도록 하기 위하여, 이미지를 디스플레이하기 위한 장치 및 방법들을 포함하는 몇 몇 예시적인 실시형태들이 이하 설명될 것이다. 그러나, 당업자들에게는 본 명세서에서 설명되는 시스템들 및 방법들이 논의되는 응용에 적절한 것으로 적응 및 변형될 수도 있다는 것 및 본 명세서에서 설명되는 시스템들 및 방법들이 다른 적합한 응용들에 채택될 수도 있다는 것, 그리고 이러한 다른 추가 및 변형들이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않을 것이라는 것을 이해할 수 있을 것이다.

도 1a 는 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는, 다이렉트-뷰 (direct-view) MEMS-기반 디스플레이 장치 (100) 의 개략적인 도면이다. 디스플레이 장치 (100) 는 행렬로 배열된 복수 개의 광 변조기들 (102a-102d) (일반적으로 "광 변조기들 (102)" 이라고 함) 을 포함한다. 디스플레이 장치 (100) 에서, 광 변조기들 (102a 및 102d) 이 열림 상태에 있으며, 빛이 통과하도록 허용한다. 광 변조기들 (102b 및 102c) 은 닫힘 상태에 있으며, 빛의 통과를 방해한다. 광 변조기들 (102a-102d) 의 상태를 선택적으로 설정함으로써, 디스플레이 장치 (100) 는 후방 조명 디스플레이 (backlit display) 가 램프 또는 램프들 (105) 에 의하여 조사될 (illuminated) 경우에 이미지 (104) 를 형성하는데 이용될 수 있다. 다른 구현예에서는, 장치 (100) 는 장치의 전방에서 발생하는 주변광 (ambient light) 의 반사를 이용하여 이미지를 형성할 수도 있다. 다른 구현예에서는, 장치 (100) 는 디스플레이의 전방부에 위치한 램프 또는 램프들로부터의 광의 반사를 이용하여 이미지를 형성할 수도 있으며, 즉, 전방광 (frontlight) 을 이용할 수도 있다. 열림 또는 닫힘 상태들 중 하나에서, 광 변조기들 (102) 은 광 경로에서, 예를 들어, 이에 한정되지는 않지만, 차단 (blocking), 반사, 흡수, 필터링, 편광, 굴절, 또는 다른 방식으로서는 광 경로의 성질을 변경함으로써 광과 간섭한다.

디스플레이 장치 (100) 에서, 각 광 변조기 (102) 는 이미지 (104) 내의 한 픽셀 (106) 에 대응한다. 다른 구현예에서는, 디스플레이 장치 (100) 는 복수 개의 광 변조기들을 이용하여 이미지 (104) 내에 픽셀 (106) 을 형성할 수도 있다. 예를 들어, 디스플레이 장치 (100) 는 3색-특이적 (three color-specific) 광 변조기들 (102) 을 포함할 수도 있다. 특정 픽셀 (106) 에 대응되는 색-특이적 광 변조기들 (102) 의 하나 이상을 선택적으로 개방시킴으로써, 디스플레이 장치 (100) 는 이미지 (104) 내에 컬러 픽셀 (106) 을 생성할 수 있다. 다른 예에서, 디스플레이 장치 (100) 는 픽셀당 두 개 이상의 광 변조기들 (102) 을 포함하여 이미지 (104) 내에 계조 (grayscale) 를 제공한다. 특정 이미지에 관련하여, "픽셀" 은 그 이미지의 해상도에 의하여 정의되는 최소 픽쳐 요소에 대응한다. 디스플레이 장치 (100) 의 구조적 컴포넌트와 관련하여, "픽셀" 이라는 용어는 이미지의 단일 픽셀을 형성하는 광을 변조하는데 이용되는 기계적 및 전자적 결합 컴포넌트를 가리킨다.

디스플레이 장치 (100) 는 촬상 광학 기기 (imaging optics) 를 요구하지 않는다는 점에서 다이렉트-뷰 디스플레이이다. 사용자는 디스플레이 장치 (100) 를 직접 쳐다봄으로써 이미지를 보게 된다. 다른 실시형태에서, 디스플레이 장치 (100) 는 프로젝션 디스플레이 내에 내장된다. 이러한 실시형태들에서, 디스플레이는 광을 스크린 상에 또는 벽 위에 투영함으로써 이미지를 형성한다. 프로젝션 응용에서, 디스플레이 장치 (100) 는 투영된 이미지 (104) 보다 실질적으로 작다.

다이렉트-뷰 디스플레이들은 투과식 모드 (transmissive mode) 또는 반사식 모드 (reflective mode) 에서 동작할 수도 있다. 투과식 디스플레이에서, 광 변조기들은 디스플레이 후면에 배치된 램프 또는 램프들로부터 방출된 광을 필터링하거나 선택적으로 차단한다. 램프들로부터 방출된 광은 광 가이드 (light guide) 또는 "백라이트 (backlight)"로 선택적으로 주입된다. 흔히, 투과식 다이렉트-뷰 디스플레이 실시형태들은 투명 또는 유리 기판 상에 제작됨으로써, 광 변조기들을 포함하는 한 기판이 백라이트 상부에 직접 위치되도록 하는 샌드위치 어셈블리 구조 (sandwich assembly arrangement) 를 용이하게 한다. 몇 가지 투과식 디스플레이 실시형태에서, 색-특이적 광 변조기는 색 필터 재료를 각 변조기 (102) 와 관련시킴으로써 생성된다. 다른 투과식 디스플레이 실시형태에서, 색상은 후술되는 바와 같이 램프의 조사를 상이한 원색들을 이용하여 교호시킴으로써 구현되는 필드 순차 색 방법 (field sequential color method) 을 이용함으로써 생성될 수 있다.

각 광 변조기 (102) 는 셔터 (108) 및 애퍼쳐 (109) 를 포함한다. 이미지 (104) 내의 픽셀 (106) 을 조사하기 위하여, 셔터 (108) 는 광이 관찰자를 향하여 애퍼쳐 (109) 를 통과하게 허용하도록 하는 방식으로 배치된다. 픽셀 (106) 을 켜지지 않은 상태로 유지하기 위하여, 셔터 (108) 는 광이 애퍼쳐 (109) 를 통과하여 지나는 것을 방해하도록 하는 방식으로 배치된다. 애퍼쳐 (109) 는 반사 재료 또는 광-흡수 재료를 통해 패턴화된 개구부 (opening) 에 의하여 정의된다.

또한, 디스플레이 장치는 셔터들의 움직임을 제어하기 위하여 기판에 그리고 광 변조기들에 연결된 제어 매트릭스를 포함한다. 제어 매트릭스는, 픽셀들의 행 당 적어도 하나의 쓰기-허용 상호접속 (write-enable interconnect, 110) ("스캔-라인 상호접속"이라고도 불린다) 을 포함하는 일련의 전기적 상호접속들 (예를 들어, 상호접속 (110, 112, 및 114)), 픽셀들의 각 열에 대하여 하나의 데이터 상호접속 (112), 그리고 모든 픽셀들 또는 적어도 디스플레이 장치 (100) 의 다중 행들 및 다중 열들로부터의 픽셀들로 공통 전압을 제공하는 하나의 공통 상호접속 (114) 을 포함한다. 적절한 전압 ("쓰기-허용 전압 (write-enabling voltage, V_we)" 의 인가에 응답하여, 주어진 픽셀의 행에 대한 쓰기-허용 상호접속 (110) 은 해당 행의 픽셀들이 새로운 셔터 움직임 명령 (shutter movement instructions) 을 수락하도록 준비시킨다. 데이터 상호접속들 (112) 은 데이터 전압 펄스의 형태로 신규 움직임 명령들을 통신한다. 몇 가지 구현예들에서는, 데이터 상호접속들 (112) 에 인가된 데이터 전압 펄스들이 직접적으로 셔터들의 정전 움직임 (electrostatic movement) 에 기여한다. 다른 실시형태들에서, 데이터 전압 펄스들은, 전형적으로 그 크기에 있어서 데이터 전압보다 큰 개별 작동 전압들 (separate actuation voltages) 의 인가를 제어하는, 예를 들면 광 변조기들 (102) 에 연결되는 트랜지스터 또는 다른 비선형 회로 요소들과 같은 스위치들을 제어한다. 그러면, 이러한 작동 전압을 인가한 것이 셔터들 (108) 의 정전식으로 구동되는 움직임을 야기한다.

도 1b 는 디스플레이 장치 (100) 의 블록도 (150) 이다. 전술된 디스플레이 장치 (100) 의 요소들에 추가하여 도 1a 및 1b를 참조하면, 블록도 (150) 에 도시된 바와 같이 디스플레이 장치 (100) 는 복수 개의 스캔 드라이버들 (152) ("쓰기 허용 전압원들 (write enabling voltage sources) 라고도 불린다) 및 복수 개의 데이터 드라이버들 (154) ("데이터 전압원들 (data voltage sources)" 이라고도 불린다) 을 포함한다. 스캔 드라이버들 (152) 은 쓰기 허용 전압을 스캔-라인 상호접속들 (110) 에 인가한다. 데이터 드라이버들 (154) 은 데이터 전압을 데이터 상호접속들 (112) 에 인가한다. 디스플레이 장치의 몇 가지 실시형태들에서, 데이터 드라이버들 (154) 은 광 변조기에 아날로그 데이터 전압을 제공하도록 구성되는데, 특히 이미지 (104) 의 계조가 아날로그 방식으로 유도되어야 하는 곳에 제공하도록 구성된다. 아날로그 방식에서, 광 변조기들 (102) 의 동작은, 일정 범위의 중간 전압들이 데이터 상호접속들 (112) 을 통하여 인가될 때, 셔터들 (108) 내에 일정 범위의 중간적 열림 상태들이 발생하고 이에 따라서 이미지 (104) 내에 일정 범위의 중간 조도 상태 (intermediate illumination states) 또는 계조가 발생하도록 하는 방식으로 설계된다.

다른 경우에, 데이터 드라이버들 (154) 은 2 개, 3 개, 또는 4 개의 디지털 전압 레벨들만을 제어 매트릭스에 인가하도록 구성된다. 이러한 전압 레벨은, 디지털 방식으로 셔터들 (108) 각각을 열림 상태 또는 닫힘 상태로 설정하도록 설계된다.

스캔 드라이버들 (152) 및 데이터 드라이버들 (154) 은 디지털 제어기 회로 (digital controller circuit, 156) 에 연결된다 ("제어기 (156)"라고도 불림). 제어기 (156) 는 입력 처리 모듈 (input processing module, 158) 을 포함하는데, 이것이 착신 이미지 신호 (157) 를, 디스플레이 (100) 의 공간적 어드레싱 (spatial addressing) 및 계조 성능 (gray scale capabilities) 을 높이는데 적합한 디지털 이미지 포맷으로 처리한다. 각 이미지의 픽셀 위치 및 계조 데이터는 프레임 버퍼 (159) 내에 저장되어 필요할 경우 데이터가 데이터 드라이버들 (154) 로 공급될 수 있도록 한다. 데이터는 거의 직렬 형식으로 데이터 드라이버들 (154) 로 전송되는데, 이것들은 행들 및 이미지 프레임들에 의하여 그룹화된 선결 순서로 정렬된다. 데이터 드라이버들 (154) 은 직렬-병렬 데이터 변환기들, 레벨 시프터들 (level shifting), 및 몇 가지 적용예들에서는 디지털-아날로그 전압 변환기들을 포함할 수 있다.

선택적으로, 디스플레이 장치 (100) 는 일 세트의 공통 드라이버들 (153) 을 포함하는데, 이들은 공통 전압원들 (common voltage sources) 이라고 불릴 수도 있다. 몇 가지 실시형태들에서, 공통 드라이버들 (153) 은 예를 들어, 전압을 일련의 공통 상호접속들 (114) 에 공급함으로써, DC 공통 전위를 광 변조기들 (103) 의 어레이 내의 모든 광 변조기들로 공급한다. 다른 실시형태들에서, 공통 드라이버들 (153) 은, 제어기 (156) 로부터의 명령에 따라, 예를 들어 어레이 (103) 내의 다중 행들 및 열들 내의 모든 광 변조기들의 동시 작동 (simultaneous actuation) 을 구동 및/또는 개시할 수 있는 광역 작동 펄스들 (global actuation pulses) 과 같은 전압 펄스들 또는 신호들을 광 변조기들 (103) 의 어레이로 지급한다.

상이한 디스플레이 기능들을 위한 모든 드라이버들 (예를 들어, 스캔 드라이버들 (152), 데이터 드라이버들 (154), 및 공통 드라이버들 (153)) 은 제어기 (156) 내의 타이밍-제어 모듈 (160) 에 의하여 시간-동기화된다. 모듈 (160) 로부터의 타이밍 명령들은, 램프 드라이버들 (168) 을 통한 적색, 녹색, 청색 및 백색 램프들 (각각 162, 164, 166, 및 167) 의 조사, 픽셀들 (103) 의 어레이 내의 특정 행들의 쓰기-허용 동작 (write-enabling) 및 시퀀싱 (sequencing), 데이터 드라이버들 (154) 로부터의 전압의 출력, 및 광 변조기 작동을 제공하기 위한 전압들의 출력을 조절한다.

제어기 (156) 는 시퀀싱 및 어드레싱 스킴 (scheme) 을 결정하는데, 이를 통하여 어레이 (103) 내의 셔터들 (108) 각각이 신규 이미지 (104) 에 적절한 조사 레벨들 (illumination levels) 로 재설정될 수 있다. 적합한 어드레싱, 이미지 형성, 및 계조 표현 기법들은 미국 특허 출원 번호 제 11/326,696 및 11/643,042 에서 발견될 수 있는데, 이들은 그 전체가 본 명세서에 인용 문헌으로서 통합된다. 신규 이미지 (104) 들은 주기적 간격으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 비디오 디스플레이들에서, 컬러 이미지 (104) 또는 비디오의 프레임들은 10 내지 300 헤르츠의 주파수에서 리프레시된다. 몇 가지 실시형태들에서, 이미지 프레임을 어레이 (103) 로 설정하는 동작은, 램프들 (162, 164, 및 166) 의 조사가 동기화됨으로써, 적색, 녹색, 및 청색과 같은 일련의 교호하는 색상들에 의하여 교호하는 이미지 프레임들이 조사되도록 한다. 각각의 개별 색상을 위한 이미지 프레임들이 컬러 서브-프레임이라고 불린다. 필드 순차 색 방법이라고 불리는 이러한 방법에서, 컬러 서브-프레임이 20 Hz를 초과하는 주파수로 교호된다면, 인간의 두뇌는 교호하는 프레임 이미지들을 평균화하여 색상의 광범위한 연속 범위를 가지는 이미지로 인식할 것이다. 다른 예시적인 구현예들에서, 적색, 녹색, 및 청색 이외의 원색들을 채택하는 네 개 이상의 원색의 램프들이 디스플레이 장치 (100) 내에 채택될 수 있다.

디스플레이 장치 (100) 가 열림 및 닫힘 상태 사이에서 셔터들 (108) 을 디지털 스위칭하도록 설계되는 몇 가지 구현예들에서, 제어기 (156) 는 이미지 프레임들 간의 어드레싱 시퀀스 및/또는 시간 간격을 결정하여 적절한 계조를 가지는 이미지 (104) 를 생성한다. 셔터 (108) 가 특정 프레임 동안에 열려있는 시간의 양을 제어함으로써 계조의 변동 레벨을 생성하는 프로세스는 시분할 계조라고 불린다. 시분할 계조의 몇 가지 실시형태들에서, 제어기 (156) 는 해당 픽셀에 대하여 요구되는 조사 레벨 또는 계조에 따라서 셔터 (108) 가 열림 상태로 유지되도록 허용되는 각 프레임 내의 시간 간격 (time period) 또는 시간의 일부를 결정한다. 다른 구현예들에서, 각 이미지 프레임에 대하여, 제어기 (156) 는 어레이 (103) 의 다중 행들 및 열들 내의 복수 개의 서브-프레임 이미지들을 설정하며, 제어기는 각 서브-프레임 이미지가 계조에 대하여 코딩된 워드 (coded word) 내에 채택된 계조값 또는 의미값 (significance value) 에 비례하여 조사될 존속 기간을 변경한다. 예를 들어, 일련의 서브-프레임 이미지들에 대한 조사 시간들은 이진 코딩 수열 1,2,4,8... 에 비례하여 변경될 수 있다. 그러면, 어레이 (103) 내의 각 픽셀들에 대한 셔터들 (108) 이 계조에 대하여 해당 픽셀의 이진 코딩된 워드 내의 대응하는 지점에서의 값에 따라서, 서브-프레임 이미지 내에서 열림 또는 닫힘 상태로 설정된다.

다른 구현예들에서, 제어기는 특정 서브-프레임 이미지에 대하여 바람직한 계조값에 비례하여 램프들 (162, 164, 및 166) 로부터의 광의 강도를 변경한다. 또한, 셔터들 (108) 의 어레이로부터 색상들 또는 계조를 형성하기 위하여 복수 개의 혼성 기법들 (hybrid techniques) 역시 이용될 수 있다. 예를 들어, 전술된 바와 같은 시분할 기법이 픽셀당 다중 셔터들 (108) 을 이용하는 기법과 결합될 수 있거나, 또는 특정 서브-프레임 이미지에 대한 계조값이 서브-프레임 타이밍 및 램프 강도 모두를 조합함에 의하여 확립될 수 있다. 이러한 실시형태들 및 다른 실시형태들이 앞에서 언급된 미국 특허 출원 번호 제 11/643,042 호에서 발견될 수 있다.

몇 가지 실시형태들에서, 이미지 상태 (104) 에 대한 데이터가 제어기 (156) 에 의하여 개별 행들 (스캔 라인들이라고도 불림) 의 순차적 어드레싱을 통하여 변조기 어레이 (103) 로 로딩된다. 시퀀스 내의 각 행 또는 스캔 라인에 대하여, 스캔 드라이버 (152) 는 해당 어레이 (103) 에 대한 쓰기 허용 상호접속 (110) 에 쓰기-허용 전압을 적용하고, 이에 후속하여 데이터 드라이브 (154) 는 선택된 행의 각 열에 대하여 바람직한 셔터 상태들에 대응하여 데이터 전압들을 공급한다. 이러한 프로세스는 데이터가 어레이 내의 모든 행에 대하여 로딩 완료될 때까지 반복된다. 몇 가지 구현예들에서, 데이터 로딩을 위해 선택된 행들의 시퀀스는 순차적으로서, 어레이의 상부로부터 하부까지 진행한다. 다른 구현예들에서, 시각적 아티팩트를 최소화하기 위하여, 선택된 행들의 시퀀스는 의사-랜덤화된다 (pseudo-randomized). 그리고, 다른 구현예들에서 시퀀싱은 블록 단위로 구성되는데, 여기서 한 블록에 대하여 이미지 상태 (104) 의 특정 일부에 대한 데이터만이 어레이에 로딩되며, 예를 들어, 시퀀스 내의 어레이에서 매 5 번째 행만을 어드레싱할 수 있다.

몇 가지 구현예들에서, 어레이 (103) 로 이미지 데이터를 로딩하는 프로세스는 시간 측면에서 셔터들 (108) 을 작동시키는 프로세스로부터 분리된다. 이러한 구현예들에서, 변조기 어레이 (103) 는 어레이 (103) 내의 각 픽셀에 대한 데이터 메모리 요소들을 포함할 수도 있고, 제어 매트릭스는, 해당 메모리 요소들 내에 저장된 데이터에 따라서 셔터들 (108) 의 동시 작동을 개시하기 위한 트리거 신호들을 공통 드라이버 (153) 로부터 운반하기 위한 광역 작동 상호접속 (global actuation interconnect) 을 포함할 수도 있다. 다양한 어드레싱 시퀀스들 중 많은 것들이 미국 특허 출원 번호 제 11/643,042 내에 설명되는데, 이들은 타이밍 제어 모듈 (160) 을 이용하여 조절될 수 있다.

다른 실시형태들에서, 픽셀들 (103) 의 어레이 및 픽셀들을 제어하는 제어 매트릭스는 사각형 행렬이 아닌 구조로 배열될 수도 있다. 예를 들어, 픽셀들은 6 각형 어레이들 또는 만곡 선형 (curvilinear) 행렬의 구조로 배열될 수 있다. 본 명세서에서 이용되는 바와 같이, 일반적으로 스캔-라인이라는 용어는 쓰기-허용 상호접속을 공유하는 임의의 복수 개의 모든 픽셀들을 가리킬 수 있다.

디스플레이 (100) 는 타이밍 제어 모듈 (timing control module, 160), 프레임 버퍼 (159), 스캔 드라이버들 (152), 데이터 드라이버들 (154), 및 드라이버들 (153 및 168) 을 포함하는 복수 개의 기능 블록들로 구성된다. 각 블록은 구분 가능한 하드웨어 회로 및/또는 실행가능 코드를 나타내는 것으로 이해될 수 있다. 몇 가지 실시형태들에서, 기능 블록들은 회로 보드 및/또는 케이블에 의하여 함께 연결되는 개별 칩들 또는 회로들로서 제공될 수 있다. 선택적으로, 이러한 회로들 중 많은 것들이 유리 또는 플라스틱의 동일한 기판 상에 픽셀 어레이 (103) 와 함께 제작될 수 있다. 다른 구현예들에서, 블록도 (150) 에 있는 다중 회로들, 드라이버들, 프로세서들, 및/또는 제어 기능들은 단일 실리콘 칩 내에 함께 집적될 수도 있으며, 이것은 픽셀 어레이 (103) 를 홀딩하는 투명 기판에 직접 본딩된다.

제어기 (156) 는, 제어기 (156) 내에 구현되는 어드레싱, 컬러, 및/또는 계조 표현 알고리즘들을 특정 응용예의 필요성에 따라서 변경할 수 있는 프로그래밍 링크 (180) 를 포함한다. 몇 가지 구현예들에서, 프로그래밍 링크 (180) 는 주변광 또는 온도 센서들과 같은 주변 센서들로부터의 정보를 전달하여, 제어기 (156) 가 주변 조건에 대응하여 촬상 모드 (imaging modes) 또는 백라이트 전력을 조절할 수 있도록 한다. 또한, 제어기 (156) 는 광 변조기 작동은 물론 램프들에 필요한 전력을 제공하는 전력 공급 입력부 (power supply input, 182) 도 포함한다. 필요할 경우, 드라이버들 (152, 153, 154, 및/또는 168) 은 DC-DC 변환기들을 포함할 수 있거나 이와 관련될 수 있는데, 이 변환기는 입력부 (182) 에서의 입력 전압을 셔터들 (108) 의 작동 또는 램프들 (162, 164, 166, 및 167) 과 같은 램프들의 조사를 위하여 충분한 다양한 전압으로 변환하기 위한 것이다.

MEMS 광 변조기들

도 2a는 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는, 도 1a의 MEMS-기반 디스플레이 장치 (100) 에 내장되기에 적합한 예시적인 한 셔터-기반 광 변조기 (200) (광 어셈블리 (200) 라고도 불림) 의 사시도이다. 셔터-기반 광 변조기 (200) (셔터 어셈블리 (200) 라고도 불림) 는 작동기 (actuator, 204) 에 연결되는 셔터 (202) 를 포함한다. 작동기 (204) 는, 2005 년 10 월 14 일에 출원된 미국 특허 출원 번호 제 11/251,035 호에 설명된 바와 같은 두 개의 개별적인 가요성 (compliant) 전극 빔 작동기들 (205) ("작동기들 (205)" 이라고 불림) 로 이루어진다. 셔터 (202) 는 작동기들 (205) 의 일측에 연결된다. 작동기들 (205) 은, 표면 (203) 에 실질적으로 평행인 동작면 (plane of motion) 에서 표면 (203) 위를 횡단하도록 (transversely) 셔터 (202) 를 이동시킨다. 셔터 (202) 의 반대 측면은 작동기 (204) 에 의하여 인가되는 힘에 대항하는 복원력을 제공하는 스프링 (207) 에 연결된다.

각 작동기 (205) 는 가요성 셔터 (202) 를 로드 앵커 (208) 로 연결시키는 가요성 로드 빔 (206) 을 포함한다. 로드 앵커들 (208) 은 가요성 로드 빔들 (206) 과 함께, 셔터 (202) 가 표면 (203) 에 근접하게 걸려있도록 유지하는 기계적 지지체들 (mechanical supports) 로서 동작한다. 로드 앵커들 (208) 은 물리적으로 가요성 로드 빔들 (206) 및 셔터 (202) 를 표면 (203) 에 연결시키고, 전기적으로 로드 빔들 (206) 을 어떤 경우에는 그라운드인 바이어스 전압에 연결시킨다.

또한, 각 작동기 (205) 는 각 로드 빔 (206) 에 인접하여 배치된 가요성 드라이브 빔 (216) 을 포함한다. 드라이브 빔들 (216) 은 일단이 드라이브 빔들 (216) 간에 공유된 드라이브 빔 앵커 (218) 에 연결된다. 드라이브 빔 (216) 의 타단은 자유롭게 움직인다. 각 드라이브 빔 (216) 은 만곡되어, 이것이 드라이브 빔 (216) 의 자유단 및 로드 빔 (206) 의 앵커링된 단부 근처에서 로드 빔 (206) 에 가장 근접하도록 한다.

표면 (203) 은 광의 통과를 허용하기 위한 하나 이상의 애퍼쳐들 (211) 을 포함한다. 만일 셔터 어셈블리 (200) 가, 예를 들어 실리콘으로 만들어진 불투명 기판 상에 형성된다면, 표면 (203) 은 해당 기판의 표면이고, 애퍼쳐들 (211) 은 기판을 따라서 홀의 어레이를 식각함으로서 형성된다. 만일 셔터 어셈블리 (200) 가, 예를 들어 유리 또는 플라스틱으로 만들어진 투명 기판 상에 형성된다면, 표면 (203) 은 해당 기판 상에 배치된 광 차폐층 (light blocking layer) 의 표면이고, 애퍼쳐들은 표면 (203) 을 식각하여 홀들 (211) 의 어레이를 형성함으로써 형성된다. 일반적으로, 애퍼쳐들 (211) 은 그 형상에 있어서 원형, 타원형, 다각형, 꾸불꾸불한 형상, 불규칙한 형상일 수 있다.

동작 시에, 광 변조기 (200) 를 내장한 디스플레이 장치는 드라이브 빔 앵커 (218) 를 통하여 전위를 드라이브 빔들 (216) 에 인가한다. 두번째 전위가 로드 빔들 (206) 에 인가될 수도 있다. 결과적으로 발생되는 드라이브 빔들 (216) 및 로드 빔들 (206) 간의 전위 차이가 드라이브 빔들 (216) 의 자유단들을 로드 빔들 (206) 의 앵커링된 단부를 향하여 당기게 되고, 로드 빔들 (206) 의 셔터 단부들을 드라이브 빔들 (216) 의 앵커링된 단부들을 향하여 당기게 됨으로써, 셔터 (202) 를 드라이브 앵커 (218) 를 향하여 횡단하도록 구동한다. 가요성 부재들 (206) 은 스프링들처럼 동작함으로써, 빔들 (206 및 216) 에 걸린 전압이 제거되면, 로드 빔들 (206) 이 셔터 (202) 를 다시 최초 위치로 밀어냄으로써, 로드 빔들 (206) 내에 저장된 응력 (stress) 을 방출시키도록 한다.

셔터 어셈블리 (200) 는 탄성 셔터 어셈블리라고도 불리는데, 이것은 스프링과 같이 전압들이 제거된 이후에 셔터를 그 유휴 위치 (rest position) 또는 이완 위치 (relaxed position) 로 되돌려 놓기 위한 수동 복원력 (passive restoring force) 을 내장하고 있다. 복수 개의 탄성 복원 메커니즘들 및 다양한 정전 커플링들 (electrostatic couplings) 이 정전 작동기 (electrostatic actuators) 내에 내장되거나 이와 연결되도록 설계될 수 있으며, 셔터 어셈블리 (200) 내에 예시된 가요성 빔들은 이들 중 한 예에 불과하다. 다른 예들은 미국 특허 출원 번호 제 11/251,035 호 및 11/326,696 호 에 설명되는데, 이들은 그 전체가 본 명세서에 참조 문헌으로서 통합된다. 예를 들어, 동작의 "열림 (open)" 대 "닫힘 (closed)" 상태들 간의 급격한 전이가 발생되기 쉽도록 하고, 많은 경우에 셔터 어셈블리의 쌍안정 (bi-stable) 또는 히스테리시스 (hysteretic) 동작 특성을 제공하는 극도로 비선형적인 전압 변위 응답 (voltage-displacement response) 이 제공될 수 있다. 다른 정전 작동기들이 더 증가된 전압-변위 응답들 및 현저히 감소된 히스테리시스 특성을 가지고 설계될 수 있으며, 이들은 아날로그 계조 동작에 바람직할 수도 있다.

탄성 셔터 어셈블리 내의 작동기 (205) 는 닫힘 또는 작동 위치 (actuated position) 및 이완 위치 사이에서 작동한다고 여겨진다. 그러나, 설계자는 애퍼쳐들 (211) 을 배치하도록 선택함으로써, 작동기 (205) 가 그 이완 위치에 있을 때마다 셔터 어셈블리 (200) 가 "열림(open)" 상태 (즉, 광을 통과시킴) 또는 "닫힘 (closed)" 상태 (즉, 광을 차단함) 에 있도록 할 수 있다. 예시적인 목적에서, 본 명세서에서 설명되는 탄성 셔터 어셈블리들은 그 이완 상태에서 열린 상태가 되도록 설계되는 것으로 이하 가정된다.

많은 경우에서, 셔터 어셈블리의 일부로서 "열림" 및 "닫힘" 작동기들의 이중 세트를 제공함으로써 제어 전자 기기들이 셔터를 열림 또는 닫힘 상태들 각각으로 정전식으로 구동할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

다른 실시형태들에서, 디스플레이 장치 (100) 는 전술된 바와 같은 셔터 어셈블리 (200) 와 같은 횡단식 셔터-기반 광 변조기들이 아닌 광 변조기들을 포함한다. 예를 들어, 도 2b 는 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는, 도 1a 의 MEMS-기반 디스플레이 장치 (100) 에 내장되기에 적합한 롤링 작동기 셔터-기반 광 변조기 (220) 의 단면도이다. 그 전체가 참조 문헌으로서 본 명세서에 통합되는, 발명의 명칭이 "전기 디스플레이 디바이스 (Electric Display Device)" 인 미국 특허 번호 제 5,233,459 호 및 발명의 명칭이 "공간적 광 변조기 (Spatial Light Modulator)" 인 미국 특허 번호 제 5,784,189 호에 더 설명되는 바와 같이, 롤링 작동기-기반 광 변조기 (rolling actuator-based light modulator) 는 고정 전극을 마주보고 배치되며 바람직한 방향으로 움직이도록 바이어스 됨으로써 셔터가 전기장의 작용 범위 하에 놓이도록 하는 가동 전극을 포함한다. 몇 가지 실시형태들에서, 광 변조기 (220) 는 기판 (228) 및 절연층 (224) 사이에 배치된 평면 전극 (planar electrode, 226) 및 절연층 (224) 에 부착된 고정단 (230) 을 가지는 가동 전극 (222) 을 포함한다. 인가된 전압이 없으면, 가동 전극 (222) 의 가동단 (232) 은 고정단 (230) 을 향하여 자유롭게 롤링하여 롤링된 상태 (rolled state) 를 생성한다. 전극들 (222 및 226) 간에 전압을 인가하면, 가동 전극 (222) 이 언롤링되고 절연층 (224) 에 대하여 평평하게 놓이도록 야기하며, 이를 통하여 이것이 기판 (228) 을 통하여 진행하는 광을 차폐하는 셔터로서 동작한다. 전압이 제거된 이후에, 가동 전극 (222) 은 탄성 복원력을 이용하여 롤링된 상태로 복귀한다. 롤링된 상태로의 바이어스는 가동 전극 (222) 이 이방성 응력 상태 (anisotropic stress state) 를 포함하도록 제조함으로써 얻어질 수도 있다.

도 2c 는 예시적인 하나의 비셔터-기반 MEMS 광 변조기 (250) 의 단면도이다. 광 탭 변조기 (light tap modulator, 250) 는, 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는 도 1a의 MEMS-기반 디스플레이 장치 (100) 의 다른 일 실시형태에 내장되기에 적합하다. 그 전체가 참조 문헌으로서 본 명세서에 통합되는, 발명의 명칭이 "미세기계적 광학 스위치 및 평판 디스플레이 (Micromechanical Optical Switch and Flat Panel Display)" 인 미국 특허 번호 제 5,771,321 호에 상세히 설명되어 있는 바와 같이, 광 탭이 FTIR (frustrated total internal reflection) 의 원리에 따라서 동작한다. 즉, 광 (252) 이 광 가이드 (254) 내에 도입되고, 여기서 광 (252) 은 간섭이 없다면, 내부 전반사 (total internal reflection) 때문에 거의 전부가 광 가이드 (254) 의 전방 및 후방 표면들을 통하여 탈출하는 것이 불가능하다. 광 탭 (250) 은 현저하게 높은 굴절률을 가지는 탭 요소 (256) 를 포함하기 때문에, 탭 요소 (256) 가 광 가이드 (254) 와 접촉하는 것에 응답하여, 탭 요소 (256) 와 인접한 광 가이드 (254) 의 표면에 도달하는 광 (252) 이 시청자를 향하여 탭 요소 (256) 를 통하여 광 가이드 (254) 를 탈출하여 이미지의 형성에 공헌하게 된다.

몇 가지 실시형태들에서, 탭 요소 (256) 가 가요성 투명 재료의 빔 (258) 의 일부로서 형성된다. 전극들 (260) 은 빔 (258) 의 일측의 일부를 코팅한다. 반대 전극들 (opposing electrodes, 260) 은 광 가이드 (254) 상에 배치된다. 전극들 (260) 에 전압을 인가함으로써, 광 가이드 (254) 에 대한 탭 요소 (256) 의 위치가 선택적으로 제어되어 광 (252) 을 광 가이드 (254) 로부터 추출할 수 있다.

도 2d 는 본 발명의 다양한 실시형태들에 포함되기에 적합한 비셔터-기반 MEMS 광 변조기의 제 2 예시의 단면도이다. 특히, 도 2d 는 전기습윤-기반 광 변조 어레이 (270) 의 단면도이다. 전기습윤-기반 광 변조기 어레이 (270) 는 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는 도 1a 의 MEMS-기반 디스플레이 장치 (100) 의 다른 실시형태 내에 내장되기에 적합하다. 광 변조 어레이 (270) 는 광 공동 (optical cavity, 274) 상에 형성된 복수 개의 전기습윤-기반 광 변조 셀들 (272a-272d) (일반적으로 "셀들 (272)"이라고 불림) 을 포함한다. 또한, 광 변조 어레이 (270) 는 셀들 (272) 에 대응하는 일 세트의 컬러 필터들 (276) 을 포함한다.

각 셀 (272) 은 물 (또는 다른 투명 도전성 또는 극성 유체) 의 층 (278), 광 흡수 오일의 층 (280), 투명 전극 (282) (예를 들어, 인듐-주석 산화물로 제조됨) 및 광 흡수 오일의 층 (280) 과 투명 전극 (282) 사이에 배치된 절연층 (284) 을 포함한다. 이러한 셀들의 예시적인 구현예들은, 발명의 명칭이 "디스플레이 디바이스 (Display Device)" 이고, 그 전체가 참조 문헌으로서 본 명세서에 통합되는 2005 년 5 월 19 일에 공개된 미국 특허 출원 공개 번호 제 2005/0104804 호에 더 상세히 설명된다. 본 명세서에서 설명되는 실시형태에서, 전극은 셀 (272) 의 후방 표면의 일부를 차지한다.

스위칭 속도를 증가시키기 위하여, 전기습윤 디스플레이 내의 두 액체 성분들 (278 및 280) 중 적어도 하나는 낮은 점성을 가져야 하는데, 바람직하게는 70 센티푸아즈 (centipoise) 미만의 값을 가져야 하며, 더 바람직하게는 10 센티푸아즈 미만의 값을 가져야 한다. 두 액체 성분들 중 적어도 하나가 4000 그램/몰 미만의 분자량을 가지거나, 바람직하게는 400 그램/몰 미만의 분자량을 가지는 재료를 포함한다면, 점성을 더 낮추는 것이 용이해질 수 있다. 적합한 저점성 유체들에는 물, 알코올, 불화 실리콘 오일 (fluorinated silicone oils), 폴리디메틸실록산 (polydimethylsiloxane), 헥사메틸디실록산 (hexamethyldisiloxane), 옥타메틸트리실록산 (octamethyltrisiloxance), 옥탄 (octane), 및 디에틸벤젠 (diethylbenzene) 이 포함된다.

적합한 저점성 비극성 오일들에는, 파라핀, 올레핀, 에테르, 실리콘 오일, 불화 실리콘 오일, 또는 다른 천연 또는 합성 용매 또는 윤활제들이 포함되는데, 이들로 한정되는 것은 아니다. 유용한 오일들은 헥사메틸디실록산 (hexamethyldisiloxane) 및 옥타메틸트리실록산 (octamethyltrisiloxance) 과 같은 폴리디메틸실록산 (polydimethylsiloxanes) 이거나 또는 헥실펜타메틸디실록산 (hexylpentamethyldisiloxane) 과 같은 알킬 메틸 실록산 (alkyl methyl siloxanes) 일 수 있다. 유용한 오일들은 옥탄 (octane) 또는 데칸 (decane) 과 같은 알칸 (alkanes) 일 수 있다. 유용한 오일들은 니트로메탄 (nitromethane) 과 같은 니트로알칸 (nitroalkanes) 일 수 있다. 유용한 오일들은 톨루엔 (toluene) 또는 디에틸벤젠 (diethylbenzene) 과 같은 방향족 화합물 (aromatic compounds) 일 수 있다. 유용한 오일들은 부타논 (butanone) 또는 메틸 이소부틸 케톤 (methyl isobutyl ketone) 과 같은 케톤 (ketones) 일 수 있다. 유용한 오일들은 클로로벤젠 (chlorobenzene) 과 같은 클로로카본 (chlorocarbons) 일 수 있다. 그리고, 유용한 오일들은 디클로로플루오로에탄 (dichlorofluoroethane) 또는 클로로트리플루오로에틸렌 (chlorotrifluoroethylene) 과 같은 클로로플루오로카본 (chlorofluorocarbons) 일 수 있다. 오일들은 염료와 혼합되어, 청록색, 자홍색, 및 황색과 같은 특정 색상이나 더 넓은 스펙트럼 상에서 광흡수를 증가시킴으로써 블랙 잉크를 생성할 수도 있다.

많은 실시형태들에서, 상기 오일들의 혼합물을 포함하는 것이 유용하다. 예를 들어, 알칸의 혼합물 또는 폴리디메틸실록산의 혼합물들은 이 혼합물이 소정 범위의 분자량을 가지는 분자들을 포함하는 경우에 유용할 수 있다. 또한, 상이한 족들 (families) 로부터의 유체들 또는 상이한 성질들을 가지는 유체들을 혼합함으로써 성질을 최적화할 수도 있다. 예를 들어, 헥사메틸디실록산의 표면 웨팅 성질들은 부타논의 저점성과 결합하여 개선된 유체를 생성할 수 있다.

또한, 광 변조 어레이 (270) 는 광 가이드 (288) 및 광 (294) 을 광 가이드 (288) 에 주입하는 하나 이상의 광원들 (292) 을 포함한다. 일련의 광 리디렉터들 (redirectors, 291) 이 전향 반사층 (front facing reflective layer, 290) 에 인접하여 광 가이드의 후방 표면 상에 형성된다. 광 리디렉터들 (291) 은 확산 반사체 (diffuse reflector) 이거나 스페큘러 반사체 (specular reflector) 일 수도 있다. 변조 어레이 (270) 는, 셀들 (272) 각각 당 하나의 애퍼쳐의 비율로 일련의 애퍼쳐들로 패터닝되어 광선들 (294) 이 셀들 (272) 을 통과하여 시청자에게 도달하게 하는 애퍼쳐층 (286) 을 포함한다.

몇 가지 실시형태들에서, 애퍼쳐층 (286) 은 패턴화된 애퍼쳐들 외에는 광의 통과를 차단하는 광 흡수 재료로 이루어진다. 다른 실시형태에서, 애퍼쳐층 (286) 은 표면 애퍼쳐를 통과하지 못하는 광을 다시 광 가이드 (288) 의 뒤쪽으로 반사하는 반사 재료로 이루어진다. 광 가이드로 복귀한 이후에, 반사광은 전향 반사층 (290) 에 의하여 더 재활용될 수 있다.

동작 시에, 셀의 전극 (282) 에 전압을 인가하면 셀 내의 광 흡수 오일 (280) 이 셀 (272) 의 일부로 이동하거나 일부에서 모이도록 야기한다. 그 결과로서, 광 흡수 오일 (280) 은 더 이상 반사 애퍼쳐층 (reflective aperture layer, 286) 내에 형성된 애퍼쳐를 통하여 광의 통과를 방해하지 않는다 (예를 들어, 셀들 (272b 및 272c) 의 경우를 참조한다). 그러면, 애퍼쳐에서 광 가이드 (288) 를 탈출하는 광은 셀을 통하여 그리고 일 세트의 컬러 필터들 (276) 중 대응하는 컬러 필터 (예를 들어, 적색, 녹색, 또는 청색 필터) 를 통하여 탈출하여 이미지 내의 컬러 픽셀을 형성할 수 있다. 전극 (282) 이 접지되면, 광 흡수 오일 (280) 은 그 이전 위치로 복귀하고 (셀 (272a) 에서와 같이) 반사 애퍼쳐층 (286) 내의 애퍼쳐들을 덮음으로써, 이 층을 통과하려고 시도하는 모든 광 (294) 을 흡수한다.

롤러-기반 광 변조기 (220), 광 탭 (250), 및 전기습윤-기반 광 변조 어레이 (270) 는 본 발명의 다양한 실시형태들에 포함되기에 적합한 MEMS 광 변조기들의 제한된 예들이 아니다. 다른 MEMS 광 변조기들도 존재할 수 있으며 본 발명에 유용하게 포함될 수 있음이 이해될 수 있을 것이다.

미국 특허 출원 번호 제 11/251,035 호 및 제 11/326,696 호는 셔터의 어레이가 제어 매트릭스에 의하여 제어되어 적절한 계조를 가지는 이미지들 (많은 경우에 움직이는 이미지들) 을 생성할 수 있는지에 대하여 설명한 바 있다. 어떤 경우에는, 제어하는 동작은 디스플레이의 주변부 상의 구현된 드라이버 회로들에 연결된 행 및 열 상호접속들의 수동 매트릭스 어레이 (passive matrix array) 를 이용하여 달성된다. 다른 경우에는, 어레이의 각 픽셀 내에 스위칭 요소 및 데이터 저장 요소들을 포함시킴으로써 (소위 능동 매트릭스 (active matrix) 라고 불린다), 디스플레이의 속도, 계조 및/또는 전력 소비 성능을 개선하는 것이 적절하다.

도 3a 는 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는 도 1a 의 MEMS-기반 디스플레이 장치 (100) 내에 포함되는 광 변조기들을 제어하는데 적합한 제어 매트릭스 (300) 의 개략도이다. 도 3b 는 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는 도 3a 의 제어 매트릭스 (300) 에 연결되는 셔터 기반 광 변조기들의 어레이 (320) 의 사시도이다. 제어 매트릭스 (300) 는 픽셀들 (320) 의 어레이 ("어레이 (320)" 이라고도 함) 를 어드레싱할 수도 있다. 각 픽셀 (301) 은 도 2a의 셔터 어셈블리 (200) 와 같이, 작동기 (303) 에 의하여 제어되는 탄성 셔터 어셈블리 (elastic shutter array, 302) 를 포함한다. 또한, 각 픽셀은 애퍼쳐들 (324) 을 포함하는 애퍼쳐층 (322) 을 포함한다. 셔터 어셈블리 (302) 와 같은 셔터 어셈블리 및 이들에 대한 다양한 변경예들에 대한 더 자세한 전기적 및 기계적 설명들은 미국 특허 출원 번호 제 11/251,035 호 및 제 11/326,696에서 발견될 수 있다. 또한, 다른 제어 매트릭스들에 대한 설명들은 미국 특허 출원 번호 제 11/607,715 호에서 발견될 수 있는데, 이 출원 전부는 참조 문헌으로서 본 명세서에 통합된다.

제어 매트릭스 (300) 는 셔터 어셈블리 (302) 가 형성되는 기판 (304) 의 표면 상에 확산 전기 회로 또는 박막-성막 전기 회로 (thin-film-deposited electrical circuit) 로서 제조된다. 제어 매트릭스 (300) 는 제어 매트릭스 (300) 내의 픽셀들 (301) 의 각 행에 대한 스캔-라인 상호접속 (306) 및 제어 매트릭스 (300) 내의 픽셀들 (301) 의 각 열에 대한 데이터-상호접속 (308) 을 포함한다. 각 스캔-라인 상호접속 (306) 은 쓰기-허용 전압원 (307) 을 픽셀들 (301) 의 대응 행 내의 픽셀들 (301) 로 전기적으로 연결한다. 각 데이터 상호접속 (308) 은 데이터 전압원 (309) ("V_d 소스" 라고도 불림) 을 source") 픽셀들 (301) 의 대응 열 내의 픽셀들 (301) 로 전기적으로 연결한다. 제어 매트릭스 (300) 에서, 데이터 전압 (V_d) 은 셔터 어셈블리들 (302) 의 작동에 필요한 에너지의 대부분을 제공한다. 그러므로, 데이터 전압원 (309) 도 또한 작동 전압원으로서 동작한다.

도 3a 및 3b 를 참조하면, 픽셀들 (320) 의 어레이 내의 각 픽셀 (301) 또는 각 셔터 어셈블리 (302) 에 대하여, 제어 매트릭스 (300) 는 트랜지스터 (310) 및 커패시터 (312) 를 포함한다. 각 트랜지스터 (310) 의 게이트는 픽셀 (301) 이 위치한 어레이 (320) 내의 행의 스캔-라인 상호접속 (306) 에 전기적으로 연결된다. 각 트랜지스터 (310) 의 소스는 자신의 대응하는 데이터 상호접속 (308) 에 전기적으로 연결된다. 각 셔터 어셈블리 (302) 의 작동기들 (303) 은 두 개의 전극들을 포함한다. 각 트랜지스터 (310) 의 드레인은 대응하는 커패시터 (312) 의 일 전극으로 그리고 대응하는 작동기 (303) 의 전극들 중 하나에 전기적으로 병렬 연결된다. 셔터 어셈블리 (302) 내의 커패시터 (312) 의 다른 전극 및 작동기 (303) 의 다른 전극은 공통 또는 그라운드 전위에 연결된다. 다른 구현예들에서, 트랜지스터들 (310) 은 반도체 다이오드들 및/또는 금속-절연체-금속 샌드위치 타입 (metal-insulator-metal sandwich type) 의 스위칭 요소들로 대체될 수 있다.

동작 시에, 이미지를 형성하기 위하여, 제어 매트릭스 (300) 는 V_we 를 순서대로 각 스캔-라인 상호접속 (306) 에 인가함으로써 어레이 (320) 내의 각 행을 쓰기-허용한다. 쓰기-허용된 행에 대하여, V_we 를 해당 행 내의 트랜지스터들 (310) 의 게이트에 인가하는 것은, 트랜지스터들 (310) 을 통하여 데이터 상호접속들 (308) 을 통해 흐르는 전류 흐름으로 하여금 소정 전위를 셔터 어셈블리 (302) 의 작동기 (303) 에 인가하도록 허용한다. 해당 행이 쓰기-허용되는 동안에, 데이터 전압들 V_d 이 선택적으로 데이터 상호접속들 (308) 에 인가된다. 아날로그 계조를 제공하는 구현예들에서는, 각 데이터 상호접속 (308) 에 인가된 데이터 전압은 쓰기 허용된 스캔-라인 상호접속 (306) 및 데이터 상호접속 (308) 의 교차점에 위치한 픽셀 (301) 의 원하는 휘도에 관련하여 변경된다. 디지털 제어 체계를 제공하는 구현예들에서는, 데이터 전압은 상대적으로 낮은 크기의 전압 (즉, 접지에 가까운 전압) 이거나 또는 V_at (작동 임계 전압) 을 만족하거나 이를 초과하도록 선택된다. V_at 를 데이터 상호접속 (308) 에 인가하는 것에 응답하여, 대응하는 셔터 어셈블리 (302) 내의 작동기 (303) 가 작동하여, 해당 셔터 어셈블리 (302) 내의 셔터를 연다. 데이터 상호접속 (308) 에 인가된 전압은 제어 매트릭스 (300) 가 V_we 를 소정 행에 대해 인가하기를 멈춘 이후에도 픽셀 (301) 의 커패시터 (312) 내에 저장된 상태로 유지된다. 그러므로, 셔터 어셈블리 (302) 가 작동되기에 충분한 긴 시간동안 대기하여 행에 인가된 전압 V_we 를 유지시킬 필요가 없다; 이러한 작동은 쓰기-허용 전압이 해당 행으로부터 제거된 이후에도 계속될 수 있다. 또한, 커패시터들 (312) 은 어레이 (320) 내에서 메모리 요소들로서 동작하여, 이미지 프레임을 조사하기 위하여 필요한 시간 간격 동안 작동 명령들을 저장한다.

픽셀들 (301) 및 어레이 (320) 내의 제어 매트릭스 (300) 는 기판 (304) 상에 형성된다. 어레이는 기판 (304) 상에 배치된 애퍼쳐 층 (322) 을 포함하는데, 이것은 어레이 (320) 내의 각 픽셀들 (301) 에 대한 애퍼쳐들 (324) 을 포함한다. 애퍼쳐들 (324) 은 각 픽셀 내에서 셔터 어셈블리들 (302) 과 정렬된다. 일 구현예에서, 기판 (304) 은 유리 또는 플라스틱과 같은 투명 재료로 만들어진다. 다른 구현예에서, 기판 (304) 은 불투명 재료로 만들어지지만, 여기에 홀들이 식각되어 애퍼쳐들 (324) 을 형성한다.

셔터 어셈블리들 (302) 의 컴포넌트들은 동일한 기판 상에서 제어 매트릭스 (300후속 처리 단계들에서 처리된다. 제어 매트릭스 (300) 내의 전기적 컴포넌트들은 액정 디스플레이들를 위한 박막 트랜지스터 어레이의 제조와 공통되는 많은 박막 기술들을 이용하여 제조된다. 이용 가능한 기법들은 Den Boer 저, "Active Matrix Liquid Crystal Displays (Elsevier, Amsterdam, 2005)" 에 설명되는데, 이것은 그 전체가 참조 문헌으로서 본 명세서에 통합된다. 셔터 어셈블리들은 마이크로머시닝 (micromachining) 기술과 유사한 기술을 이용하거나 또는 미세기계 (즉, MEMS) 디바이스들을 제조하는 것으로부터 제작된다. 적용가능한 박막 MEMS 기법들이 Rai-Choudhury 편저, "Handbook of Microlithography, Micromachining & Microfabrication (SPIE Optical Engineering Press, Bellingham, Wash. 1997)" 에 설명되는데, 이 문헌은 그 전체가 참조 문헌으로서 본 명세서에 통합된다. 유리 기판 상에 형성된 MEMS 광 변조기들에 특이한 제작 기법들은 미국 특허 출원 번호 제 11/361,785 호 및 11/731,628 호에서 발견될 수 있는데 이들 전체는 참조 문헌으로서 본 명세서에 통합된다. 예를 들어, 이 특허 출원에 설명된 바와 같이, 셔터 어셈블리 (302) 는 화학적 기상 증착 프로세스 (chemical vapor deposition process) 에 의하여 증착된, 비정질 실리콘의 박막으로부터 형성될 수 있다.

셔터 어셈블리 (302) 및 작동기 (303) 는 쌍안정성을 갖도록 제작될 수 있다. 즉, 셔터들을 두 평형 위치들 (equilibrium positions) 에 유지시키기 위하여 전력이 거의 소모되지 않거나 소모되지 않는 방식으로, 셔터들은 적어도 두 개의 평형 위치들 (예를 들어, 열림 또는 닫힘 상태) 에 존재할 수 있다. 보다 특별히, 셔터 어셈블리 (302) 는 역학적으로 쌍안정성을 가질 수 있다. 셔터 어셈블리 (302) 의 셔터가 제위치 (in position) 에 설정되면, 해당 위치를 유지하기 위하여 전기적 에너지 또는 유지 전압 (holding voltage) 이 요구되지 않는다. 셔터 어셈블리 (302) 의 물리적 요소들에 가해지는 역학적 응력들이 셔터를 제자리에 유지시킬 수 있다.

또한, 셔터 어셈블리 (302) 및 작동기 (303) 는 전기적으로 쌍안정성을 갖도록 제작될 수 있다. 전기적으로 쌍안정성인 셔터 어셈블리에서, 셔터 어셈블리의 작동 전압보다 낮은 소정 범위의 전압들로서, 닫힌 작동기 (셔터가 열리거나 닫혀있는 상태) 에 인가될 경우에 대항력 (opposing force) 이 셔터에 인가되더라도 작동기를 닫힌 상태로 유지하고 셔터를 제자리로 유지하는 전압들이 존재한다. 대항력은 셔터-기반 광 변조기 (200) 내의 스프링 (207) 과 같은 스프링에 의하여 작용할 수도 있고, 또는 대항력은 "열린" 또는 "닫힌" 작동기와 같이 대항하는 작동기에 의하여 작용할 수도 있다.

광 변조기 어레이 (320) 는 픽셀당 단일 MEMS 광 변조기를 가지는 것으로 도시된다. 각 픽셀당 다중 MEMS 광 변조기들이 제공됨으로써, 각 픽셀 내에서 단지 이진인 "온" 또는 "오프" 광학 상태들 이상이 존재할 가능성을 제공할 수 있는 다른 실시형태들도 가능하다. 픽셀에 다중 MEMS 광 변조기들이 제공되고, 광 변조기들 각각과 관련된 애퍼쳐들 (324) 이 균등하지 않은 영역들을 가지는, 특정 형태의 코딩 영역 분할 (coded area division) 계조 표현 기법들도 가능하다.

다른 실시형태들에서, 롤러-기반 광 변조기 (220), 광 탭 (250), 또는 전기습윤-기반 광 변조 어레이 (270), 및 다른 MEMS-기반 광 변조기들이 광 변조기 어레이 (320) 내의 셔터 어셈블리 (302) 를 대체할 수 있다.

도 4a 및 도 4b 는 본 발명의 다양한 실시형태들에 포함되기에 적합한 다른 셔터-기반 광 변조기 (셔터 어셈블리) (400) 를 예시한다. 광 변조기 (400) 는 듀얼 작동기 셔터 어셈블리 (dual actuator shutter assembly) 의 일 예이며, 도 4a 에서는 열린 상태로 도시된다. 도 4b 는 닫힌 상태에 있는 듀얼 작동기 셔터 어셈블리 (400) 의 도면이다. 셔터 어셈블리 (400) 는 이미 참조된 바 있는 미국 특허 출원 번호 제 11/251,035 호에서 더 상세히 설명된다. 셔터 어셈블리 (200) 와 대조적으로, 셔터 어셈블리 (400) 는 셔터 (406) 의 각 측면에 작동기들 (402 및 404) 을 포함한다. 각 작동기들 (402 및 404) 은 독립적으로 제어된다. 제 1 작동기인 셔터-열림 작동기 (402) 는 셔터 (406) 를 열도록 동작한다. 대항하는 제 2 작동기인 셔터-닫힘 작동기 (404) 는 셔터 (406) 를 닫도록 동작한다. 작동기들 (402 및 404) 은 모두 가요성 빔 전극 작동기들이다. 작동기들 (402 및 404) 은 실질적으로 셔터가 매달린 (suspended) 애퍼쳐층 (407) 에 평행한 평면에서 셔터 (406) 를 구동함으로써 셔터 (406) 를 열고 닫는다. 셔터 (406) 는 작동기들 (402 및 404) 에 연결된 앵커 (408) 에 의하여 애퍼쳐층 (407) 상에서 짧은 거리만큼 매달린다. 셔터 (406) 의 이동축에 따라서 셔터의 양단부들에 부착된 지지체들을 포함시키면 셔터 (406) 의 평면외 움직임 (out of plane motion) 을 감소시키며, 이 움직임을 기판에 평행한 평면으로 실질적으로 한정한다. 도 3a 의 제어 매트릭스 (300) 와 유사하게, 셔터 어셈블리 (400) 와 함께 이용되기에 적합한 제어 매트릭스는 대항하는 셔터-열림 및 셔터-닫힘 작동기들 (402 및 404) 각각에 대하여 하나의 트랜지스터 및 하나의 커패시터를 포함할 수 있다.

셔터 (406) 는 광이 통과할 수 있는 두 개의 셔터 애퍼쳐들 (412) 을 포함한다. 애퍼쳐층 (407) 은 세 개의 애퍼쳐들 (409) 의 일 세트를 포함한다. 도 4a 에서, 셔터 어셈블리 (400) 는 열림 상태에 있으며, 따라서, 셔터-열림 작동기 (402) 는 작동된 바 있고, 셔터-닫힘 작동기 (404) 는 그 이완 위치에 있으며, 애퍼쳐들 (419 및 409) 의 중앙선들은 일치한다. 도 4b 에서, 셔터 어셈블리 (400) 는 닫힘 상태로 움직인 바 있고, 따라서, 셔터-열림 작동기 (402) 는 자신의 이완 위치에 있고, 셔터-닫힘 작동기 (404) 는 작동된 바 있으며, 셔터 (406) 의 광 차단부들은 이제 애퍼쳐들 (409) (점선으로 표시됨) 을 통한 광의 투과를 차단하는 위치에 있다.

각 애퍼쳐는 자신의 둘레 주위에 적어도 하나의 에지를 가진다. 예를 들어, 사각 애퍼쳐들 (409) 은 네 개의 에지들을 가진다. 애퍼쳐층 (407) 내에 원형, 타원형, 달걀형 (oval), 또는 다른 만곡된 애퍼쳐들이 형성되는 다른 구현예에서, 각 애퍼쳐는 오직 단일 에지만을 가질 수도 있다. 다른 구현예들에서, 애퍼쳐들은 수학적 의미에서 분리 또는 분산 (disjoint) 될 필요가 없으며, 그 대신에 연결될 수 있다. 즉, 애퍼쳐의 일부 또는 형상화된 섹션들이 각 셔터와의 대응성을 유지할 수 있는 한, 이러한 섹션들 서너 개가 연결되어 애퍼쳐의 하나의 연속 둘레 (continuous perimeter) 가 다중 셔터들에 의하여 공유되도록 연결될 수 있다.

다양한 출사각들을 가지는 광으로 하여금 열린 상태에 있는 애퍼쳐들 (412 및 409) 을 통과하여 지나갈 수 있도록 허용하기 위해서는, 애퍼쳐층 (407) 내의 애퍼쳐들 (409) 의 대응하는 너비 및 크기보다 셔터 애퍼쳐들 (412) 의 너비 및 크기를 더 크도록 하는 것이 바람직하다. 닫힘 상태에서 빛이 새어나오는 것을 효과적으로 차단하기 위하여, 셔터 (406) 의 광 차단부들이 애퍼쳐 (409) 와 중첩되는 것이 바람직하다. 도 4b 는 셔터 (406) 내의 광 차단부의 에지 및 애퍼쳐층 (407) 내에 형성된 애퍼쳐 (409) 의 일 에지 사이의 사전 정의된 중첩부 (416) 를 도시한다.

정전 작동기들 (402 및 404) 은, 그들의 전압-변위 동작 (voltage-displacement behavior) 이 셔터 어셈블리 (400) 에게 쌍안정 특성을 제공하도록 설계된다. 셔터-열림 및 셔터-닫힘 작동기들 각각에 대하여, 작동기가 닫힘 상태에 있다면 (셔터가 열리거나 닫힌 상태임), 작동 전압이 대항 작동기에 인가된 이후에도 작동기를 닫힘 상태로 유지하고 셔터를 제자리에 유지하게 할, 동작 전압보다 낮은 일정 범위의 전압들이 존재한다. 이러한 대항력에 반하여 셔터의 위치를 유지시키기 위하여 필요한 최소 전압은 유지 전압 (maintenance voltage) V_m이라고 불린다. 쌍안정 동작 특성을 이용하는 다수의 제어 매트릭스들이 이미 참조된 바 있는 미국 특허 출원 번호 제 11/607,715 호에 설명된다.

도 5는 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는, 셔터-기반 광 변조기들 (셔터 어셈블리들) (502) 를 내장하는 디스플레이 장치 (500) 의 단면도이다. 각 셔터 어셈블리는 셔터 (503) 및 앵커 (505) 를 내장한다. 앵커들 (505) 및 셔터들 (503) 사이에 연결될 경우, 셔터를 표면 위에 짧은 거리만큼 매달리게 하도록 돕는 가요성 빔 작동기들은 도시되지 않는다. 셔터 어셈블리들 (502) 은 바람직하게는 플라스틱 또는 유리로 만들어진 투명 기판 (504) 상에 배치된다. 후방-대향 반사층 (rear-facing reflective layer) 인 반사막 (506) 은 기판 (504) 상에 배치되고, 셔터 어셈블리 (502) 의 셔터들 (503) 의 닫힘 위치 밑에 위치하는 복수 개의 표면 애퍼쳐들 (508) 을 정의한다. 반사막 (506) 은 표면 애퍼쳐들 (508) 을 통과하지 못하는 광을 디스플레이 장치 (500) 의 후방을 향하여 다시 반사한다. 반사 애퍼쳐층 (reflective aperture layer, 506) 은, 스퍼터링, 증착, 이온 도금, 레이저 절삭 (laser ablation), 또는 화학적 기상 증착과 같은 복수 개의 증착 기법들에 의하여 박막 모양으로 형성되는 함유물들 (inclusions) 이 없는 파인-그레인 (fine-grained) 금속막일 수 있다. 다른 구현예에서, 후방-대향 반사층 (506) 은 유전체 미러 (dielectric mirror) 와 같은 미러로부터 형성될 수 있다. 유전체 미러는 고굴절률 및 저굴절률의 재료들을 교차시키는 유전체 박막들의 적층으로서 제작된다. 셔터들 (503) 을 반사막 (506) 으로부터 분리시키며 그 내부에서 셔터가 자유롭게 움직이는 수직 갭은 0.5 내지 10 마이크론의 범위를 가진다. 수직 갭의 크기는 바람직하게는, 닫힘 상태에서 도 4b 에 도시된 중첩부 (416) 와 같이, 셔터들 (503) 의 에지 및 애퍼쳐들 (508) 의 에지 간의 측면 중첩부보다 작다.

디스플레이 장치 (500) 는 선택적으로 확산체 (512) 및/또는 기판 (504) 을 평면 광 가이드 (516) 로부터 분리시키는 휘도 향상막 (brightness enhancing film, 514) 을 포함한다. 광 가이드는 투명한 재료, 즉, 유리 또는 플라스틱 재료로 이루어진다. 광 가이드 (516) 는 백라이트를 형성하는 하나 이상의 광원들 (518) 에 의하여 조사된다. 예를 들어, 광원들 (518) 은 백열등, 형광등, 레이저, 또는 발광 다이오드일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 반사체 (519) 는 램프 (518) 로부터의 광을 광 가이드 (516) 쪽으로 디렉팅하는 것을 돕는다. 전방-대향 반사막 (520) 은 백라이트 (516) 뒤에 위치하며, 광을 셔터 어셈블리들 (502) 을 향하여 반사시킨다. 백라이트로부터의 광선 (521) 과 같이 셔터 어셈블리들 (502) 중 하나를 통과하지 못하는 광선들은 백라이트로 되돌아간 뒤 막 (520) 으로부터 다시 반사될 것이다. 이러한 방식으로, 디스플레이를 떠나서 제 1 경로에서 이미지를 형성하지 못하는 광이 셔터 어셈블리들 (502) 의 어레이 내의 다른 애퍼쳐들을 통하여 다시 통과되도록 재활용되고 이용 가능해질 수 있다. 이러한 광 재활용이 디스플레이의 조사 효율 (illumination efficiency) 을 높인다고 증명되어 왔다.

광 가이드 (516) 는, 램프 (518) 로부터의 광을 애퍼쳐들 (508) 을 향하여, 즉 디스플레이의 전방을 향하여 리디렉팅하는 리디렉터들 (redirectors) 또는 프리즘들 (517) 의 세트를 포함한다. 이러한 광 리디렉터들은 교호적으로 그 단면이 삼각형, 사다리꼴, 또는 만곡되는 형상을 가지고 광 가이드 (516) 의 플라스틱 몸체 내에 몰딩될 수 있다. 프리즘들 (517) 의 밀도는 일반적으로 램프 (518) 로부터의 거리가 증가함에 따라서 증가한다.

다른 실시형태들에서, 애퍼쳐층 (506) 은 광 흡수 재료로 만들어질 수 있으며, 다른 실시형태들에서 셔터 (503) 의 표면들은 광 흡수 재료 또는 광 반사 재료로 코팅될 수 있다. 다른 실시형태들에서, 애퍼쳐층 (506) 은 광 가이드 (516) 의 표면에 직접 증착될 수 있다. 다른 실시형태들에서, 애퍼쳐층 (506) 은 셔터들 (503) 및 앵커들 (505) 과 동일한 기판 상에 배치될 필요가 없다 (후술되는 MEMS-다운 구성 (MEMS-down configuration) 을 참조한다). 미국 특허 출원 번호 제 11/218,690 호 및 제 11/528,191 호들에 디스플레이 조사 시스템에 대한 이러한 실시형태들 및 다른 실시형태들이 상세히 설명되는데, 이들은 그 전체가 본 명세서에 참조 문헌으로서 통합된다.

일 실시형태에서, 광원들 (518) 은 상이한 색상, 예를 들어, 적색, 녹색, 및 청색과 같은 상이한 색상들을 가지는 램프들을 포함할 수 있다. 컬러 이미지는, 인간의 두뇌가 상이하게 채색된 이미지들을 평균화하여 단일의 다중-색상 이미지로 인식하기에 충분한 속도로 상이한 색상들의 램프들을 이용하여 이미지를 순차적으로 조사함으로써 형성될 수 있다. 다양한 색상-특이적 이미지들은 셔터 어셈블리들 (502) 의 어레이를 이용하여 형성된다. 다른 구현예에서, 광원 (518) 은 세 개 초과의 상이한 색상 이상을 가지는 램프들을 포함한다. 예를 들어, 광원 (518) 은 적색, 녹색, 청색, 및 백색 램프들을 가지거나, 적색, 녹색, 청색, 및 황색 램프들을 포함할 수도 있다.

커버판 (522) 은 디스플레이 장치 (500) 의 정면을 형성한다. 커버판 (522) 의 후방측은 블랙 매트릭스 (524) 로 덮임으로써 콘트라스트를 증가시킬 수 있다. 다른 구현예들에서, 커버판은 컬러 필터들을 포함하는데, 예를 들어, 셔터 어셈블리들 (502) 중 상이한 것들에 대응되는 개별 적색, 녹색, 및 청색 필터들을 포함한다. 커버판 (522) 은 셔터 어셈블리들 (502) 로부터 소정 거리만큼 이격되어 지지되므로 갭 (526) 을 형성한다. 갭 (526) 은 기계적 지지체들 또는 스페이서들 (527) 에 의하여 유지되거나, 및/또는 커버판 (522) 을 기판 (504) 에 부착시키는 접착성 실에 의하여 유지된다.

접착성 실 (528) 은 동작 유체 내에서 실링된다. 동작 유체 (530) 는 바람직하게는 약 10 센티푸아즈 미만의 점성 및 바람직하게는 약 2.0 초과의 상대 유전률, 및 약 10⁴ V/cm 초과의 절연 파괴 강도 (dielectric breakdown strengths) 를 가지도록 만들어진다. 또한, 동작 유체 (530) 는 윤활제로서 동작할 수도 있다. 일 구현예에서, 동작 유체 (530) 는 높은 표면 웨팅 성능을 가지는 소수성 액체이다. 다른 예시적인 구현예들에서, 동작 유체 (530) 는 기판 (504) 의 그것보다 더 크거나 또는 더 작은 굴절률을 가진다.

MEMS-기반 디스플레이 어셈블리가 동작 유체 (530) 로서 어떤 액체를 포함하면, 이 액체는 MEMS-기반 광 변조기의 움직이는 부품들을 적어도 부분적으로 감싼다. 작동 전압을 감소시키기 위하여, 액체는 바람직하게는 70 센티푸아즈 미만의 점성을 가지며, 더 바람직하게는 10 센티푸아즈 미만의 값을 가진다. 70 센티푸아즈 미만의 점성을 가지는 액체들은 작은 분자량을 가지는 재료들을 포함할 수 있다: 이들의 분자량은 4000 그램/몰 미만이거나, 어떤 경우에는 400 그램/몰 미만이다. 적절한 동작 유체들 (530) 에는 탈이온수, 메탄올, 에탄올, 및 다른 알코올, 파라핀, 올레핀, 에테르, 실리콘 오일, 불화 실리콘 오일, 또는 다른 천연 또는 합성 용매 또는 윤활제들이 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 유용한 동작 유체들은 헥사메틸디실록산 및 옥타메틸트리실록산과 같은 폴리디메틸실록산이거나, 헥실펜타메틸디실록산과 같은 알킬 메틸 실록산일 수 있다. 유용한 유체들은 옥탄 또는 데칸과 같은 알칸일 수 있다. 유용한 유체들은 니트로메탄 (nitromethane) 과 같은 니트로알칸 (nitroalkanes) 일 수 있다. 유용한 유체들은 톨루엔 또는 디에틸벤젠과 같은 방향족 화합물일 수 있다. 유용한 유체들은 부타논 또는 메틸 이소부틸 케톤과 같은 케톤일 수 있다. 유용한 유체들은 클로로벤젠과 같은 클로로카본일 수 있다. 유용한 유체들은 디클로로플루오로에탄 또는 클로로트리플루오로에틸렌과 같은 클로로플루오로카본일 수 있다. 그리고, 이러한 디스플레이 어셈블리에 적합하다고 간주되는 유체들에는 부틸 아세테이트 (butyl acetate) 및 디메틸포름아미드 (dimethylformamide) 가 포함된다.

많은 실시형태들에서, 전술된 유체들의 혼합물을 내장하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 알칸의 혼합물 또는 폴리디메틸실록산의 혼합물들은, 이 혼합물이 소정 범위의 분자량을 가지는 분자들을 포함하는 경우에 유용하다. 또한, 상이한 족들로부터의 유체들 또는 상이한 성질들을 가지는 유체들을 혼합함으로써 성질을 최적화할 수도 있다. 예를 들어, 헥사메틸디실록산의 표면 웨팅 성질들은 부타논의 저점성과 결합하여 개선된 유체를 생성할 수 있다.

시트 금속 또는 몰딩된 플라스틱 어셈블리 브라켓 (532) 이 커버판 (522), 기판 (504), 백라이트 (516) 및 다른 부품들을 에지 주위에서 함께 수용한다. 어셈블리 브라켓 (532) 은 스크류 또는 인덴트 탭 (indent tabs) 을 이용하여 조여짐으로써 어셈블링된 디스플레이 장치 (500) 에 견고함을 더하게 된다. 몇 가지 실시형태들에서, 광원 (518) 은 에폭시 포팅 화합물 (epoxy potting compound) 을 이용하여 제자리에 몰딩된다. 반사체들 (536) 은 광 가이드 (516) 의 에지에서 새어나오는 광을 다시 광 가이드로 되돌리는 것을 돕는다. 셔터 어셈블리들 (502) 및 램프들 (518) 에 제어 신호들 및 전력을 공급하는 전기적 상호접속들은 도 5 에 도시되지 않는다.

디스플레이 장치 (500) 에 대한 더 상세한 세부 사항 및 다른 구조들, 그리고 이 장치의 제조 방법은 미국 특허 출원 번호 제 11/361,785 호 및 제 11/731,628 호에서 발견될 수 있는데, 이들은 그 전체가 본 명세서에 참조 문헌으로서 통합된다 .

다른 실시형태들에서, 롤러-기반 광 변조기 (220), 광 탭 (250), 또는 전기습윤-기반 광 변조 어레이 (270), 및 다른 MEMS-기반 광 변조기들이 디스플레이 어셈블리 (500) 내에서 셔터 어셈블리들 (502) 을 대체할 수 있다.

디스플레이 장치 (500) 는 MEMS-업 구성 (MEMS-up configuration) 인 것으로 설명되는데, 여기서 MEMS-기반 광 변조기들은 기판 (504) 의 전방 표면 상에, 즉, 시청자를 향한 표면 상에 형성된다. 셔터 어셈블리들 (502) 은 반사 애퍼쳐층 (506) 의 상부에 직접 형성된다. 본 발명의 다른 실시형태로서 MEMS-다운 구성이라고 불리는 실시형태에서는, 셔터 어셈블리가 반사 애퍼쳐층이 형성되는 기판과 분리된 기판 상에 배치된다. 반사 애퍼쳐층이 형성되는 기판이 복수 개의 애퍼쳐들을 정의하는데, 이것이 본 명세서에서는 애퍼쳐판이라고 불린다. MEMS-다운 구성에서, MEMS-기반 광 변조기들이 설치된 기판이 디스플레이 장치 (500) 의 커버판 (522) 의 위치를 차지하고, MEMS-기반 광 변조기들이 상부 기판의 후면 표면 (즉, 시청자로부터 멀어지도록 대향하고 백라이트 (516) 을 향해 배향되는 표면) 상에 위치되도록 배향된다. 그러므로, MEMS-기반 광 변조기들은 반사 애퍼쳐층으로부터의 갭에 직접적으로 반대되도록 그리고 이를 가로질러서 위치된다. 이러한 갭은 애퍼쳐층 및 MEMS 변조기들이 형성되는 기판을 연결하는 일련의 스페이서 포스트들에 의하여 유지될 수 있다. 몇 가지 구현예들에서, 스페이서들은 어레이 내의 각 픽셀 내에서 또는 픽셀들 사이에 배치된다. MEMS 광 변조기들을 그 대응하는 애퍼쳐들과 분리시키는 갭 또는 거리는 바람직하게는 10 마이크론보다 작으며, 또는 중첩부 (416) 와 같이 셔터 및 애퍼쳐 간의 중첩부보다 작은 거리이다. MEMS-다운 디스플레이 구성에 대한 더 상세한 내용 및 다른 실시형태들은 이미 참조된 바 있는 미국 특허 출원 번호 제 11/361,785 호, 제 11/528,191 호, 및 제 11/731,628 호에서 발견될 수 있다.

도 6에 도시된 애퍼쳐판 (2700) 은 MEMS-다운 구성 내에서 이용되기 위한 애퍼쳐판의 일 실시형태 내부의 상세한 구조를 예시한다. 애퍼쳐판 (2700) 은 기판 (2702), 유전 강화 금속 미러 (dielectrically enhanced metal mirror, 2704), 광 흡수층 (2706), 및 스페이서 포스트 (2708) 를 포함한다. 유전 강화 금속 미러 및 광 흡수층이 애퍼쳐들 (2709) 내에 패터닝된 바 있다.

기판 (2702) 은 바람직하게는 유리 또는 플라스틱과 같은 투명 재료이다. 유전 강화 금속 미러 (2704) 는, 기판으로부터 상향으로 Si3N4 의 박막 (2710), SiO2 의 박막 (2712), Si3N4 의 다른 박막 (2710), SiO2 의 다른 박막 (2712), 및 알루미늄 박막 (2714) 을 포함하는 재료들의 5-층 스택으로 이루어진다. 이러한 층들의 상대적 두께 및 바람직한 굴절률들이 [표 1] 에 제공된다.

[표 1]

유전 강화 금속 미러의 막 두께 및 굴절률들

광 흡수층 (2706) 은 블랙 크롬의 박막으로 형성될 수 있는데, 이것은 산화물 또는 질화물 매트릭스 내에 현탁된 크롬 금속 입자들의 복합물 (composite) 이다. 이것의 예에는 Cr2O3 매트릭스 내의 Cr 입자들 또는 SiO2 매트릭스 내의 Cr 입자들이 있다. 다른 구현예들에서, 블랙 크롬은 그 상부에 CrOx (크롬의 하급-산화물 (sub-oxide)) 의 박막이 성장되거나 성막된 크롬의 금속 박막으로부터 형성될 수 있다. 블랙 크롬의 바람직한 두께는 150 nm 이다.

애퍼쳐 윈도우들 (2709) 은 당업계에 포소리소그래피 및 식각 (photolithography and etch) 또는 포토리소그래피 및 리프트-오프 (photolithography and lift-off) 라고 불리는 프로세스들에 의하여 재료들의 박막 스택 (2704 및 2706) 으로부터 패터닝될 수 있다. 식각 프로세스에서, 포토레지스트의 층이 박막 스택 상부에 추가되고, 그 이후에 마스크를 통하여 UV 광에 노광된다. 포토레지스트의 노광된 층 내에 애퍼쳐 패턴을 현상한 이후에, 전체 스택이 기판 (2702) 으로까지 애퍼쳐들 (2709) 의 영역 내에서 식각된다. 이러한 식각은 습식 화학재료 내의 침지에 의하거나, 건식 플라즈마 또는 이온 빔 식각에 의하거나, 또는 이들의 임의의 조합에 의하여 에 침습시킴으로써 달성될 수도 있다. 리프트-오프 프로세스에서는, 포토레지스트 층이 박막 스택의 성막 이전에 유리에 추가되고, 레지스트가 식각 마스크 패턴의 반대인 패턴으로 현상된다. 이후, 박막 스택이 포토레지스트의 상부에서 성막됨으로써, 박막 스택이 애퍼쳐들 (2709) 의 영역 내를 제외하고 어디서건 유리와 연결되도록 한다. 박막 스택의 성막이 완료된 이후에, 포토레지스트는 물론 포토레지스트 상에 성막되었던 모든 박막 재료들을 용해하거나 리프트-오프하는 화학 재료의 배쓰 내에 기판이 디핑된다.

스페이서 포스트 (2708) 는 사진-이미지가능 에폭시 (photo-imageable epoxy) (특히, 노볼락 에폭시 (novolac epoxy)) 또는 사진-이미지가능 폴리이미드 재료와 같은 사진-이미지가능 중합체로부터 형성된다. 이러한 응용예에서 유용하며 사진-이미지가능 형태로 준비될 수 있는 다른 중합체 족들에는 폴리아릴렌 (polyarylene), 파릴렌 (parylene), 벤조사이클로부탄 (benzocyclobutane), 퍼플루오로클로로부탄 (perfluorocyclobutane), 실세스키옥산 (silsequioxane), 및 실리콘 중합체들이 포함된다. 스페이서 응용예에 유용한 특정한 사진-이미지가능 레지스트는 메사츄세츠주의 뉴턴 시에 본사가 있는 마이크로켐 코포레이션 (Microchem Corporation) 에 의하여 판매되는 Nano SU-8 재료이다.

중합체 스페이서 재료는 최초에 애퍼쳐들 (2709) 이 패터닝된 이후에 박막 필름 (2704 및 2706) 상부에 후막 (thick film) 으로서 성막된다. 그러면, 사진-이미지가능 중합체는 마스크를 통하여 UV 광에 노광된다. 정렬 마크가, 결과적으로 얻어지는 스페이서들 (2708) 이 애퍼쳐들 (2709) 에 대하여 정확하게 위치되어 있다는 것을 확인하는데 도움이 된다. 예를 들어, 정렬 기준들 (alignment fiducials) 이 애퍼쳐들 (2709) 을 식각하는 프로세스 동안에 디스플레이의 주변부에 형성될 수 있다. 그러면, 이러한 기준들이 노광 마스크 상의 기준들의 대응하는 세트와 정렬되어 스페이서들 (2708) 의 정확한 위치를 보장한다. 이후, 현상 프로세스가 UV에 노광된 부분을 제외하고 중합체 모두를 제거하는데 유효하다. 다른 방법에서, 노광 마스크 상의 피쳐들 (features) 이 애퍼쳐들 (2709) 과 같은 기판 (2702) 상의 디스플레이 피쳐들과 직접적으로 정렬될 수도 있다.

일 구현예에서, 스페이서 포스트들은 8 마이크론의 높이를 가질 수 있다. 다른 구현예에서, 스페이서 높이는 약 2 마이크론 내지 약 50 마이크론의 범위를 가질 수 있으며, 예를 들어, 4 마이크론 일 수 있다. 기판 (2702) 의 평면에서 단면을 취하면, 스페이서들은 너비가 2 내지 50 마이크론의 범위에 있는 원기둥 또는 사각형과 같은 규칙적 형태를 가질 수도 있다. 선택적으로, 이들은 기판 상의 애퍼쳐들 (2709) 와 같은 다른 구조들 사이에 정합되면서 스페이서의 접촉 면적을 최대화하도록 설계되는 복잡한 불규칙적인 단면들을 가질 수 있다. 바람직한 일 실시형태에서, 스페이서의 크기, 형상, 및 배치는, 스페이서들이 셔터들 (406) 과 같은 셔터들 또는 디스플레이 장치 (400) 내의 작동기들 (404) 과 같은 다른 MEMS 컴포넌트들의 움직임과 간섭되지 않도록 결정된다.

다른 실시형태에서, 스페이서 포스트 (2708) 는 중합체 재료로서 제공되지 않았지만, 그 대신에 솔더 합금과 같은 열 재흐름 접합 재료 (heat re-flowable joining material) 로 구성된다. 솔더 합금은, 솔더 합금으로 하여금 반대 기판 상의 접합면 (mating surface) 에 침습되거나 본딩되도록 하는 용융 또는 재흐름 단계를 통하여 흐를 수 있다. 그러므로, 솔더 합금은 애퍼쳐판 및 변조기 기판 간의 접합 재료로서의 추가 기능을 수행한다. 재흐름 프로세스 때문에, 솔더 합금은 전형적으로 솔더 범프라고 불리는 편원 형상 (oblate shape) 으로 이완된다. 기판들 간의 소정 스페이싱은 솔더 범프 내의 재료의 평균 체적에 대한 제어를 통하여 유지될 수 있다. 솔더 범프들은 박막 성막에 의하여, 스텐실 마스크를 통한 후박 증착을 통하여, 또는 전기도금을 이용하여 애퍼쳐판 (2700) 에 형성될 수 있다.

다른 실시형태에서, 애퍼쳐판 (2700) 은 광학 층들 (2704 및 2708) 을 형성하는 단계들 이후에 샌드블래스팅 (sandblasting) 처리를 받을 수 있다. 샌드블래스팅은 기판 표면을 애퍼쳐 (2709) 의 영역에서 선택적으로 거칠게하는 효과를 가진다. 애퍼쳐 (2709) 에서의 거친 표면은 디스플레이의 더 넓은 시야각 효과를 제공할 수 있는 광학 확산체로서 동작한다. 다른 실시형태에서, 애퍼쳐 (2709) 에서의 확산면들은 식각 프로세스를 이용하여 제공되고, 여기서 포토레지스트를 포토마스크에 노출시킨 이후에 애퍼쳐 (2709) 의 영역들 내에 식각이 선택적으로 적용된다. 각 식각 구멍들 (pits) 또는 트렌치들은 포토마스크의 적절한 설계를 통하여 생성될 수 있고, 구멍 또는 트렌치들의 측벽 각도 또는 깊이들은 습식 또는 건식 식각 프로세스를 이용하여 제어될 수 있다. 이러한 방식으로 제어된 정도의 확산 확장화 (diffusive broadening) 를 가지는 광학 구조체들이 생성될 수 있다. 이러한 방식으로 이방성 확산체들이, 광을 바람직한 광축을 따라서 편향시킴으로써 방출광의 타원형 및/또는 다방향성 콘들 (cones) 을 생성하는 기판면에 생성될 수 있다.

다른 실시형태에서, 식각된 트렌치가, 실질적으로 애퍼쳐들 (2709) 의 어레이의 주위를 따라서 (즉, 능동 디스플레이 영역의 주위를 따라서) 디스플레이를 실질적으로 둘러싸는 기판 (2702) 내에 제공될 수 있다. 식각된 트렌치가, 애퍼쳐판 (2700) 을 반대 기판에 실링하는데 이용되는 접착제 (528) 와 같은 접착제의 움직임 또는 흐름을 제한하기 위한 기계적 배치 구조 (mechanical locating structure) 로서 동작한다.

전술된 재료들 및 프로세스들에 관련된 다른 세부사항들은 미국 특허 출원 번호 제 11/361,785 호에서 발견되는데, 이것은 2006 년 2 월 23 일에 출원되었으며, 참조 문헌으로서 본 명세서에 통합된다. 예를 들어, 위 출원은 애퍼쳐, 광 흡수층, 및 스페이서 포스트들과 함께 유전 강화 금속 미러들을 형성하는데 관련된 추가적인 재료들 및 처리 기법들을 포함한다. 비록 유전체 미러들 및 스페이서들이 위 출원에서는 집적화된 (예를 들어, MEMS-업 형태의) 디스플레이 설계의 문맥에서 설명되지만, 유사한 프로세스들이 애퍼쳐판 (2700) 과 같은 애퍼쳐판의 제작에 적응될 수 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다.

애퍼쳐판 (2700) 의 몇 가지 구현예들에서, 기판 (2702) 용으로 투명 플라스틱 재료를 채택하는 것이 바람직하다. 적용 가능한 플라스틱들에는 폴리메틸메타크릴레이트 (polymethylmethacrylate, PMMA) 및 폴리카보네이트 (polycarbonate) 가 포함되지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 플라스틱 재료가 이용되면, 스페이서 포스트들 (2708) 의 형성을 위한 인젝션 몰딩 또는 스탬핑 프로세스들이 역시 이용될 수 있게 된다. 이러한 프로세스에서, 스페이서 포스트들은 유전 강화 금속 미러 (2704) 가 적용되기 이전에 우선 몰드 또는 스탬퍼 내에 형성된다. 그러면, 유전 강화 금속 미러 (2704) 의 모든 층들이, 이미 스페이서 포스트들 (2708) 을 가지는 기판 상에 순서대로 적층될 수 있다. 광 흡수층 (2706) 은 유전체 미러 (2704) 상에 적층된다. 애퍼쳐 윈도우 (2709) 를 패터닝하기 위하여, 스페이서 포스트들 (2708) 의 존재에 의하여 교란되지 않은 상태로 박막의 표면을 균일하게 코팅하는 특수 포토레지스트가 도포된다. 적합한 포토레지스트들에는 스프레이-온 포토레지스트들 및 전기도금된 포토레지스트들이 포함된다. 선택적으로, 스핀-온 레지스트가 도포되고 후속하여 애퍼쳐 (2709) 의 영역들 내의 박막 표면들에 고른 레지스트 두께를 제공하는 리플로우 단계가 수행된다. 이후, 전술된 바와 같이, 레지스트의 노광, 현상, 및 박막층들의 식각이 진행된다. 포토레지스트의 제거 이후에, 프로세스는 완결된다. 또한, 전술된 것과 같이 절연 성질이 향상된 미러를 패터닝하기 위하여 리프트-오프 프로세스도 채택될 수 있다. 스페이서 포스트들 (2708) 의 형성을 위하여 몰딩 또는 스탬핑 프로세스를 이용하면 애퍼쳐판 (2700) 의 제작에 필요한 재료 비용을 절감하는데 도움이 된다.

몇 가지 디스플레이 구현예들에서, 예를 들어 애퍼쳐판 (2804) 과 같은 애퍼쳐판은 광 가이드 (516) 와 같은 광 가이드와 결합하여 하나의 솔리드 바디가 되는데, 이것은 본 명세서에서 유니터리 (unitary) 또는 복합 백라이트라고 불리며, 미국 특허 출원 번호 제 11/218,690 호 및 제 11/528,191 호에서 각각 더 상세히 설명된다. 두 개의 출원들 모두 참조 문헌으로서 본 명세서에 통합된다. 유전 강화 금속 미러 (2704), 광 흡수층 (2706), 및/또는 스페이서 포스트들 (2708) 의 형성을 위하여 전술된 프로세스들 모두는, 광 가이드에 결합되거나 또는 다른 형태로는 광 가이드와 구분되는 기판에 유사한 방식으로 적용될 수 있다. 박막들이 형성되는 유니터리 백라이트의 표면은 유리일 수 있으며, 또는 이것은 스페이서들 (527) 과 같은 스페이서 포스트들을 형성하기 위해 몰딩된 플라스틱을 포함하는 플라스틱일 수 있다.

일 구현예에서, 스페이서 포스트들 (2708) 은 애퍼쳐판이 변조기 기판과 정렬되기 이전에 애퍼쳐판 (2700) 에 형성 또는 부착된다. 디스플레이 장치 (500) 의 다른 일 구현예에서, 스페이서 포스트들 (527) 은, 변조기 기판이 애퍼쳐판과 정렬되기 이전에, 변조기 기판 (504) 상에 그리고 그 일부로서 제작된다. 이러한 구현예가 전술된 미국 특허 출원 번호 제 11/361,785 호 내의 도 20과 관련하여 설명되었다.

도 7은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따르는 디스플레이의 단면도이다. 디스플레이 어셈블리 (2800) 는 변조기 기판 (2802) 및 애퍼쳐판 (2804) 을 포함한다. 또한, 디스플레이 어셈블리 (2800) 는 일 세트의 셔터 어셈블리들 (2806) 및 반사 애퍼쳐층 (2808) 을 포함한다. 반사 애퍼쳐층 (2805) 은 애퍼쳐들 (2810) 을 포함한다. 기판들 (2802 및 2804) 간의 소정 갭 또는 분리 상태는 스페이서들 (2812 및 2814) 의 반대되는 세트에 의하여 유지된다. 스페이서들 (2812) 은 변조기 기판 (2802) 상에 또는 그 일부로서 형성된다. 스페이서들 (2814) 은 애퍼쳐판 (2804) 상에 또는 그 일부로서 형성된다. 어셈블리 동안에, 두 개의 기판들 (2802 및 2804) 은, 변조기 기판 (2802) 상의 스페이서들 (2812) 이 개별 스페이서들 (2814) 과 접촉하도록 정렬된다.

이러한 예시적인 예의 이격 또는 거리는 8 마이크론이다. 이러한 이격을 확립하기 위하여, 스페이서들 (2812) 은 높이가 2 마이크론이고 스페이서들 (2814) 은 높이가 6 마이크론이다. 선택적으로, 스페이서들 (2812 및 2814) 모두가 4 마이크론 높이이거나, 또는 스페이서들 (2812) 이 6 마이크론 높이이고 스페이서들 (2814) 이 2 마이크론 높이일 수 있다. 사실상, 이들의 전체 높이가 원하는 이격 H12를 확립하는 한, 스페이서 높이의 임의의 조합이 채택될 수 있다.

스페이서들을 기판들 (2802 및 2804) 모두 상에 제공한 후에 이 기판들을 어셈블링하는 동안에 정렬 또는 결합하면, 재료 비용 및 처리 비용 측면에서 장점을 가진다. 스페이서 (2708) 와 같이 매우 높은 (예를 들어, 8 마이크론의 높이) 스페이서를 제공하면, 사진-이미지가능 중합체의 경화, 노광, 및 현상에 있어서 상대적으로 많은 시간을 요구할 수 있기 때문에 비용이 많이 발생될 수 있다. 디스플레이 어셈블리 (2800) 에서와 같은 결합 스페이서들 (mating spacers) 의 이용은, 기판들 각각 상에 중합체의 더 얇은 코팅의 사용이 가능하도록 허용한다.

다른 구현예에서, 변조기 기판 (2802) 상에 형성되는 스페이서들 (2812) 은, 셔터 어셈블리들 (2806) 을 형성하기 위하여 이용되었던 것과 동일한 재료들 및 패터닝 단계로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 셔터 어셈블리 (2806) 을 위하여 채택된 앵커들은 스페이서 (2812) 와 유가한 기능을 역시 수행할 수 있다. 이 구현예에서, 중합체 재료의 개별 도포 (application) 를 통하여 스페이서를 형성하는 것이 요구되지 않을 것이며, 스페이서들을 위한 개별 노광 마스크가 요구되지 않을 것이다.

셀 어셈블리 방법들

디스플레이 모듈의 어셈블리는 두 기판의 정렬 및 본딩을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판 (504) 과 같은 광 변조기 기판을 커버판 (522) 과 같은 커버판과 정렬시키는 것이 바람직하다. 또는, 기판 (2806) 과 같은 광 변조기 기판을 애퍼쳐판 (2804) 과 같은 애퍼쳐판에 정렬시키는 것이 바람직하다. 도 8은 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는, 정렬 프로세스를 달성하기 위한 정렬 장치 (3300) 를 예시한다. 정렬 장치 (3300) 는 고정식 척 (3302), 일 세트의 병진 (translational) 드라이브들 또는 모터들 (3304), 비전 시스템 (3305), 및 일 세트의 UV 노광 램프들 (3306) 을 포함한다. 변조기 기판 (3308) 은 척 (3302) 에 단단히 부착된다. 애퍼쳐판 (3310) 은 제 위치에 유지되며 모터들 (3304) 에 의하여 안내된다. 모터들 (3304) 은 기판 (3310) 을 세 개의 병진 방향으로, 예를 들어, 기판 (3310) 의 면 내에서는 x 및 y 축을 따라서, 그리고 추가적으로 z 축을 따라서 이동시킴으로써, 두 기판들 (3308 및 3310) 간의 거리를 확립 및 변경시키는 기능을 제공한다. 또한, 도 8 에는 도시되지 않지만, 세 개의 회전 모터들의 추가적이며 선택적인 세트가 제공될 수 있는데, 이들은 기판들 (3308 및 3310) 의 동평면성 (co-planarity) 및 x-y 평면에서의 그들의 적절한 회전 관련성들을 보장한다. 비록 모든 병진 모터들 (3304) 이 애퍼쳐판 (3310) 에 부착되는 것으로 도시되었으나, 다른 실시형태들에서는 모터들이 두 기판들 사이에서 상이하게 정렬될 수 있다. 예를 들어, z-축 병진 모터 및 세타 회전 모터 (z-축 주위를 회전하는 모터) 들이 척 (3302) 에 부착될 수 있는 반면, x-y 이동 모터들은 애퍼쳐판 (3310) 에 부착될 수 있다.

다양한 모터 타입들이 모터들 (3304) 에 이용될 수 있다. 몇 가지 실시형태들에서, 이러한 모터들은 디지털적으로 제어되는 스테퍼 모터들일 수 있고, 어떤 경우에는 선형 스크류 드라이브일 수 있으며, 다른 경우에는 이들은 자기적으로 구동되는 솔레노이드 드라이브들일 수 있다. 모터들은 기판 (3310) 과 같은 기판을 직접적으로 이동시키도록 배열될 필요가 없다. 대신에, 이들은 그 위에 작업 피스 또는 기판 (3310) 이 견고하게 부착되는 스테이지 또는 플래터를 이동시키도록 설계될 수 있다. 가동 스테이지 (moving stage) 를 이용하는 것이 바람직한데, 그 이유는 그 병진 위치를 1 마이크론 이상의 정밀도로 연속적으로 측정할 수 있는 추가적인 광학 측정 시스템 (몇 가지 경우에는 레이저 간섭 시스템이 제공될 수 있기 때문이다. 그러면, 피드백 전자 회로가 모터들 (3304) 및 광학 측정 시스템 사이에 채택되어 스테이지 위치의 정확성 및 안정성을 개선시킬 수 있다.

장치 (3300) 의 몇 가지 실시형태들에서, 척 (3302) 및 선택적인 가동 스테이지에는 히터 및/또는 온도 조절 장치가 탑재되어 기판들 (3308 및 3310) 전체에 온도가 균일하도록 보장할 수 있다. 균일한 온도는 두 기판들 상의 패턴들 간의 적절한 정렬을 보장하며, 특히, 대각선이 약 20 센티미터를 초과하는 기판들에 대해서 더욱 그러하다.

정렬 장치 (3300) 는 두 기판들 (3308 및 3310) 의 상대적 위치를 검출하기 위한 비전 시스템 (3305) 을 내장한다. 바람직한 일 실시형태에서, 정렬 마크들이 기판들 (3308 및 3310) 각각 상의 박막 내에 패터닝된다 (예를 들어, 도 9의 정렬 마크들 (3408 및 3412) 를 참조한다). 정렬 마크들이 상이한 표면 상에 위치한다는 (즉, z 축 상의 상이한 지점에 위치한다는) 사실에도 불구하고, 비전 시스템은 정렬 마크들을 두 개의 기판들 각각 상에 동시에 촬상할 수 있다.

예시된 실시형태에서, 비전 시스템 (3305) 은 두 개의 촬상 렌즈들 (3312 및 3313) 및 스플릿-필드 촬상 (split-field imaging) 이 가능한 하나의 현미경 또는 두 개의 카메라들 (3314 및 331) 을 내장한다. 그러므로, 비전 시스템 (3305) 은 두 개의 분리된 세트의 정렬 마크들을 실질적으로 동일하게 촬상할 수 있다. 두 세트의 정렬 마크들은 변조기 어레이 또는 패널의 단부 측면들 또는 모서리에 배치되는 것이 바람직하다.

동작 시에, 오퍼레이터는 비전 시스템 (3305) 을 이용하여 마크들 (3408 및 3412) 과 같은 정렬 마크들의 상대적 위치를 관측하고, 이로써 두 기판들 사이의 오정렬의 방향 및 정도를 판단한다. 그러면, 오퍼레이터는, 두 기판 상의 정렬 마크들이 허용 가능한 정도의 오류 이하의 오정렬을 보일 때까지 드라이브 모터들 (3304) 을 이용하여 기판들 (3308 및 3310) 사이의 정렬을 조절할 수 있다. 오정렬을 현저하게 감소시킨 다음에, 오퍼레이터는 임의의 스페이서들 (1010) 과 같은 스페이서들이 기판들 (3308 또는 3310) 중 하나 상에서, 반대 기판 (3308 또는 3310) 또는 반대 스페이서들에 접촉될 때까지 z-축 모터를 구동한다. 많은 경우에, 기판들의 오지향성 (mis-orientation) 또는 비-평면성 (non-planarity) 때문에, 오퍼레이터는 두 기판들 간의 z-축 거리가 감소됨에 따라서 기판들 간의 x-y 을 계속적으로 정렬할 필요가 있을 것이다. 몇 개의 실시형태들에서, 기판들 사이에 접촉이 확립된 이후에도 최종적인 x, y, 및 세타 정정이 이루어질 수 있다.

접촉이 이루어진 이후에, 접착제 (3318) 도 두 기판 사이에 접촉할 것이다. 몇 가지 실시형태들에서, 방법 (3301) 의 마지막 단계와 같이, 정렬 장치 (3300) 가 두 기판들을 제자리에 유지시키는 동안에 접착제는 적어도 부분적으로 경화된다. UV 노광 램프들 (3306) 이 접착제의 경화를 개시 또는 가속화하기 위하여 이용됨으로써, 두 기판들을 함께 본딩되도록 할 수 있다. 몇 가지 실시형태들에서, 기판 스테이지 또는 척 (3302) 에 히터가 탑재되어 접착제 (3318) 의 열 경화에 영향을 준다. 예를 들어, 마크들 (3408 및 3412) 과 같은 정렬 마크들은 일반적으로 동시에 패터닝 및 식각되고, 애퍼쳐들을 패터닝하는데 이용된 마스크들과 동일한 포토마스크들로부터 인쇄된다. 그러므로, 정렬 마크들은 기준 마커 기능 (fiduciary marker function) 을 위하여 설계되는데, 즉, 정렬 마크들 간의 충분한 정렬을 획득한 오퍼레이터는 이웃하는 어레이의 셔터들 및 애퍼쳐들도 역시 적절하게 정렬될 것이라는 확신을 가진다.

디스플레이 장치에 대한 논의에 따르면, 중첩은 2 마이크론 이상인 것이 바람직하다. 실무상, 제조 과정에서 신뢰성 있게 얻어지는 중첩 W2 는 마스크 내에 설계된 안전 마진 및 정렬 정밀도 또는 허용치에 의하여 결정된다. 정밀도 및 얻어지는 허용치는 정렬 장치 (3300) 의 설계, 정렬 마크들의 설계, 및 온도, 압력, 및 실 재료의 점성 또는 가소성에 의존한다. 허용 가능한 허용치 설계를 위하여 두 가지 예들이 이하 제공된다: 제조 도중에 정렬에서 상대적으로 넓은 변경을 허용하는 제 1 예에서, 셔터들 및 애퍼쳐들의 어레이는 22 마이크론의 공칭 (nominal) 중첩을 이용하여 설계되는데, 즉, 완벽하게 정렬된다면, 셔터들은 애퍼쳐들과 22 마이크론만큼 중첩되도록 설계된다. 그러면, 만일 장치 (3300) 가 +/- 20 마이크론의 정렬 반복가능성을 허용하면, 설계자는 셔터들 모두 (또는 신뢰도가 얼마나 규정되는지에 따라 99.99 % 일 수도 있음) 가 적어도 2 마이크론의 중첩을 가질 것이라고 확신할 수 있다. 그러나, 픽셀들의 어레이가 밀집한 경우에 대하여 (즉, 고해상도 디스플레이에 대하여), 22 마이크론의 중첩을 위한 이용 가능한 공간이 어레이 설계 내에는 일반적으로 존재하지 않는다. 따라서, 더 정밀한 정렬 성능이 요구된다.

제 2 예에서, 마스크 내에는 1 마이크론의 공칭 중첩 (nominal overlap) 만이 제공되며, 장치 (3300) 는 제 1 및 제 2 기판들 상의 패턴들 간에 +/- 1 마이크론 내의 정렬 정밀도를 제공하도록 설계된다. 이 정밀도를 얻기 위하여, a) 비전 시스템 (3305) 은 1 마이크론 미만의 해상도를 가지고, b) 모터들 (3304) (또는 관련된 병진 스테이지들) 은 안정적으로 구동하여 위치차를 1 마이크론 미만의 해상도로 결정하고, 및 c) 정렬 마크들은 1 마이크론보다 나은 해상도만큼 정밀한 에지들, 차원들, 및 위치들을 이용하여 패터닝되고 식각된다. 현재는 마이크론 단위 이하의 정밀도를 가지는 자동화 정렬 시스템들이 반도체 마스크 정렬, 광전자 부품 어셈블리 (optoelectronic component assembly), 및 극소 의학 디바이스 (micro-medical device) 등의 목적에 이용 가능하다. 이러한 시스템들의 대표적인 공급자들에는 캐나다의 온타리오 주 캠브리지 시에 있는 오토메이션 툴링 시스템즈 코포레이션 (Automation Tooling Systems Corp.) 및 독일 칼스루에 (Karlsruhe) 시의 피지크 인쉬트루멘테 엘페 (Physik Instrumente LP) 등이 포함된다.

일반적으로, 비전 시스템의 설계, 드라이브 모터들, 및 정렬 마크들의 설계에 주의를 기울인다면, 셔터들 및 애퍼쳐들 간의 중첩이 0 마이크론 보다 크고 20 마이크론보다 작을 것을 보장할 수 있는 정렬 장치 (3300) 및 정렬 방법을 제공하는 것이 가능하다. 바람직한 일 설계에서, 정렬 방법은 0 마이크론 보다 크고 4 마이크론보다 작은 중첩을 보장할 수 있다.

전술된 정렬 방법은 모터들 (3304) 의 능동 제어를 인간 오퍼레이터에게 지정한 정렬 방법의 일 예로서 제공되었다. 다른 방법들에서는, 정렬을 얻기 위하여 오퍼레이터의 개입이 요구되지 않는다. 예를 들어, 위에 식별된 제조자로부터 공급되는 지능형 비전 (기계 비전) 시스템들이 (즉, 디지털 카메라 및 컴퓨터 이미지 프로세싱을 포함하는 시스템들이), 두 기판들 상의 기준점들 간의 오정렬의 방향 및 양을 측정하고, 측정된 오정렬이 사전 규정된 수준보다 작아질 때까지 모터들 (3304) 을 구동할 수 있는 장치 (3300) 를 위하여 이용 가능하다.

장치 (3300) 에 의하여 채택된 정렬 마크들 또는 기준점들은 도 9 에 도시되거나 도 9 를 참조하여 아래서 논의된 것들 이외에, 많은 형태를 가질 수 있다. 몇 가지 실시형태들에서, 오퍼레이터 또는 기계 비전 시스템은 셔터 어셈블리들 또는 애퍼쳐들의 형상과 같은 기판 상의 특정 기능 패턴들을 식별할 수 있다. 이를 통하여, 비전 시스템은 셔터들 및 애퍼쳐들 간의 오정렬을 직접 측정하고 최소화한다. 다른 실시형태에서, 디스플레이 에지들은 셔터 및 애퍼쳐들의 위치에 대하여 정밀한 위치로 절단 또는 다이싱된다. 이를 통하여, 비전 시스템은 두 기판들의 에지들 간의 오정렬을 측정하고 최소화한다.

인간 오퍼레이터 또는 자동 정렬 시스템이 기판들을 정렬되도록 하고 두 기판들 간의 접촉을 확립한 이후에, UV 노광 램프들 (3306) 이 적어도 부분적으로 접착제 (3318) 를 경화시키기 위하여 채택될 수 있다. 접착제 본딩 재료 (3318) 는 장치 (3300) 내에서 정렬이 이루어진 이후에 기판들 (3308 및 3310) 간의 후속적인 상대적 움직임을 방지한다. 정렬이 이루어진 뒤에 두 기판들 간의 정렬을 유지하기 위하여 다른 수단들도 이용가능하다. 이러한 다른 수단에는 정렬 가이드와 같은 정렬 가이드들 및 스페이서와 같은 열 재흐름 스페이서 재료 (heat reflowable spacer materials) 를 이용하는 것이 포함된다.

비록 정렬 장치 (3300) 의 기능성이 MEMS-다운 구성에서의 디스플레이 (500) 의 예와 함께 제공되었으나, 유사한 정렬 기법들은 디스플레이 장치 (500) 에 의하여 예시된 바와 같은 MEMS-업 구성에 적용될 때 유용할 수 있다. 디스플레이 어셈블리 (500) 에서, 블랙 매트릭스 및 관련 애퍼쳐들 (524) 이 기판 (522) 상에 형성되는 반면 셔터 어셈블리들 (502) 은 기판 (504) 상에 형성된다. 두 기판들 (504 및 522) 은 정렬 장치 (3300) 에 의하여 정렬됨으로써, 셔터들 (503) 의 적어도 하나의 에지 및 블랙 매트릭스 (524) 의 대응 애퍼쳐의 에지 간에 중첩이 존재하도록 할 수 있다. 정렬 장치 (3300) 는 에지들 간의 중첩이 0 및 20 마이크론 사이가 되도록 보장한다. 바람직한 설계에서, 정렬 방법은 0 마이크론보다 크고 5 마이크론보다 작은 중첩을 보장하며, 또는 몇 가지 경우에는 4 마이크론보다 작은 중첩을 보장한다.

비록 정렬 장치 (3300) 의 기능성이 셔터 어셈블리와 같은 횡단식-셔터-기반 (transverse-shutter-based) 광 변조기들을 내장하는 디스플레이에 대하여 설명되었으나, 전술된 정렬 장치 (3300) 및 정렬 방법이 다른 MEMS 광 변조기 기술들에도 유용하게 적용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 애퍼쳐판이 변조기 기판에 정렬됨으로써, 오일의 에지와 광 차단 (light-obstructing) 상태, 필터링 (filtered) 상태, 또는 다크 (dark) 상태에 있는 애퍼쳐들의 에지 사이에 중첩이 확립되도록 할 경우에는 전기습윤 변조기가 유리하다. 이와 유사하게, 광 변조기 (220) 와 같은 롤링 작동기 광 변조기들 (rolling actuator light modulators) 이 유사한 방식으로 제작되고 정렬될 수 있으며, 여기서는 제 1 기판 상의 롤러-작동기-변조기 (roller-actuator-modulator) 의 차광 에지 (light obstructing edge) 와 제 2 기판 상에 패터닝된 대응 애퍼쳐의 에지 사이에 중첩이 제공된다.

다른 비셔터-기반 변조기들에도 전술된 정렬 장치 (3300) 및 방법의 장점이 적용될 수 있다. 예를 들어, 제 1 기판 상에 제작된 MEMS 간섭 변조기 (MEMS interference modulator) 또는 광 변조기 (250) 와 같은 MEMS 광 탭 변조기 (MEMS light tap modulator) 가 제 2 기판 상에 제작된 블랙 매트릭스의 에지에 정렬될 수 있다. 이러한 광 변조기들의 세부 사항들은 미국 특허 번호 제 6,674,562 호 및 제 5,771,321 호에서 발견될 수 있는데, 이들은 참조 문헌으로서 본 명세서에 통합된다.

패널 제작 프로세스들

제조 생산성은, 다중 디스플레이들을 위한 변조기 어레이들이 동일한 유리 또는 플라스틱 기판 상에 병렬 방식으로 형성될 수 있을 때마다 증가한다. 패널이라고 불리고 제작 장비와 관련되는 대형 유리 기판들은 현재 2 제곱 미터 까지의 크기로 이용 가능하다. 도 9는 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따라서, 애퍼쳐 홀들의 다중 어레이들이 대형 애퍼쳐판 (3404) 상에 형성될 수 있으면서도, 어떻게 MEMS 광 변조기들이 하나의 대형 변조기 기판 (3402) 상에 형성될 수 있는지를 예시한다. 패널 (3402) 은 6 개의 변조기 어레이들 (3406) 의 세트 및 4 개의 변조기 정렬 마크들 (3408) 의 세트를 포함한다. 패널 (3404) 은 6 개의 애퍼쳐 어레이들 (3410) 의 세트 및 4 개의 애퍼쳐 정렬 마크들 (3412) 의 세트를 포함한다. 변조기 어레이들 (3406) 각각은 애퍼쳐 어레이들 (3410) 중 하나에 대응됨으로써, 패널들 (3402 및 3404) 이 정렬 및 함께 실링되면, 대응하는 변조기 어레이--애퍼쳐 어레이 쌍들이 각각 하나의 디스플레이 어셈블리 (셀 어셈블리라고도 불린다) 를 형성하도록 설계된다. 그러면, 기판들 (3402 및 3404) 간에 정렬 및 실링 동작을 한번만 수행하더라도 6 개의 셀 어셈블리들을 동시에 정렬 및 실링하기에 충분하다. 도 9 에 예시된 바와 같이, 셀 어셈블리들 또는 디스플레이 영역들 각각이 대각선으로 10 cm 인데 반하여 유리 패널들 (3402 및 3704) 은 대각선으로 30 cm 이다. 다른 실시형태들에서, 대각선 크기가 50 cm 이거나 이보다 더 큰 패널들이 채택되어 패널당 25 개까지의 10 cm 대각선의 디스플레이들을 제작할 수도 있다.

또한, 에폭시 접착제 라인들 (실 재료의 일 타입임) (3414), 및 애퍼쳐판 (3404) 상의 어레이들 각각에 추가된 스페이서 포스트들 (3416) 이 도시된다. 디스플레이 어셈블리에 관련하여 설명되는 바와 같이, 다양한 스페이서들이 애퍼쳐판 (3404) 상의 각 어레이의 내부에 형성된다. 접착제를 도포하기 위한 프로세스가 셀 어셈블리 단계 3614 와 관련하여 이하 후술될 것이다.

본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는, 패널들 (3402 및 3404) 의 정렬 및 실링이 완성된 이후의 패널 어셈블리 (3500) 가 도 10 에 예시된다. 두 기판들이 성공적으로 정렬되었다는 것은 애퍼쳐 정렬 마크들 (3412) 내에 변조기 정렬 마크들 (3408) 을 네스팅함 (nesting) 으로써 표시된다. 정렬 마크들은, 마크 (3412) 의 내부 에지 및 마크 (3408) 의 외부 에지 사이에 공칭 1 마이크론 갭이 허용되도록 설계될 수 있다 (이러한 갭들은 도 10 에서는 예시의 목적으로 과장되게 표시된다. 이러한 정렬 디자인에서, 오퍼레이터 및/또는 자동 정렬 시스템은 툴 (3300) 내에서 기판들의 상대 위치를, 네스팅된 정렬 마크들에 대하여 x 방향 및 y 방향 모두에서 적절한 갭들이 보일 때까지 (예를 들어, 라인들 중 어떤 것도 교차되거나 접촉하지 않을 때까지) 조절한다. 적절한 갭들이 보이면 정렬이 성공적인 것으로 간주되는데, 즉, 오정렬은 허용 가능한 오차 범위 내로 감소되었으며, 어레이들 (3406 및 3410) 각각 내의 변조기들 및 애퍼쳐들 간의 기대된 중첩이 달성되었다고 간주된다.

정렬 마크들 간의 공칭 갭 (nominal gap) 은 정렬 프로세스의 기대되는 정밀도에 정합하도록 설계될 수 있는데, 예를 들어, 갭은 원하는 정렬 정밀도에 따라서 10 마이크론, 4 마이크론, 2 마이크론, 또는 1 마이크론일 수 있다. 다른 디자인에서, 어떤 정렬 마크는 원형 도트 (dot) 인데 다른 마크는 링 (ring) 모양의 형상을 가진다. 원하는 정렬 정밀도에 대응하여 갭은 도트 및 링 사이에서 설계될 수 있다. 몇 가지 정렬 기계 디자인에서는 정렬 마크들 간에 갭이 요구되지 않는다; 그 대신에 기계는 디지털 카메라를 이용하여 도트 및 링 모두의 중심점들을 예측한다. 그러면, 정렬 소프트웨어가 도트 및 링의 중심점들을 정렬하도록 추구한다. 두 패널들 (3402 및 3404) 은 접착제를 이용하여 제자리에 본딩된다. 이러한 접착제의 경화에 대해서는 셀 어셈블리 단계 3620 를 참조하여 이하 후술된다.

또한, 도 10 은 패널 어셈블리 (3500) 상에 중첩된 일 세트의 다이싱 선 (3502) 들을 예시한다. 다이싱 선 (3502) 들은 패널이 잘라질 라인을 따라서 마킹되어, 디스플레이들 또는 셀 어셈블리들이라고도 불리는, 개별 어레이들이 패널로부터 분리될 수 있도록 한다. 분리 프로세스는 개별화 (singulation) 이라고도 불리는데, 이것은 스크라이브 및 브레이크 (scribe and break) 방법을 이용하여 달성될 수 있다. 이 프로세스에서는, 라인 (3502) 에서 유리 패널들의 표면을 따라 라인을 스크래치하기 위하여 다이아몬드 또는 카바이드 팁 (carbide tip) 이 이용된다. 그러면, 단순한 벤딩 프로세스 (bending process) 가 이용되어 패널을 스크라이브 라인을 따라 브레이킹할 수 있다. 다른 실시형태에서, 분리 또는 개별화 프로세스는 다이싱 톱 (dicing saw) 을 이용하여 달성된다. 양 기판들 (3402 및 3408) 이 모두 동일한 다이싱 선을 따라 절단될 필요는 없다. 흔히, 변조기 기판이 애퍼쳐 기판에 대해서 진단된 것보다 더 넓은 너비를 가지는 둘레 (perimeter) 로 절단되는 것이 유리하다. 이렇게 되면 변조기 기판의 에지 상에 셀 어셈블리가 완성된 이후에 드라이버 칩들을 본딩하기 위한 공간이 허용된다. 듀얼 충전 홀들이 이용되는 경우와 같이, 가끔은 패널을 축 (3504) 을 따라서 절단함으로써 패널이 스트라이프들로 분리된다.

도 11은 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따라서 MEMS 광 변조기들을 내장하는 디스플레이 장치를 어셈블링하기 위한 제 1 방법 (3600) (셀 어셈블리 방법 (3600) 이라고도 불린다) 을 예시한다. 방법 (3600) 의 제 1 실시형태가 MEMS-다운 디스플레이 어셈블리에 관련하여 설명될 것이다. 그 이후에, MEMS-업 구성 내의 디스플레이들의 어셈블리에 대한 제 2 실시형태가 설명될 것이다.

MEMS-다운 디스플레이들을 위한 셀 어셈블리 방법 (3600) 은 단계들 (3602 및 3604) 에서 두 기판들을 제공하는 것으로써 개시된다. 이러한 기판들 모두는 투명하며, 유리 또는 프라스틱으로 제조된다. 어셈블리 방법은 단계 3606 에서 제어 매트릭스를 제작하는 것 및 단계 3608 에서 MEMS 변조기 어레이를 제조하는 것으로 계속된다. 일 실시형태에서, 제어 매트릭스 및 변조기 어레이 모두는 변조기 기판이라고 불리는 제 1 기판 상에 제작된다. 일 실시형태에서, 기포 포획 영역이라고도 알려진 트렌치가 변조기 기판 내에 제공된다. 그러나, 디스플레이 어셈블리 (3100) 와 관련하여 설명된 바와 같이, 이것들은 제어 매트릭스가 변조기 기판으로부터 이격된 기판 상에 제작될 수 있으며, 거기에 전기적인 도전체 스페이서들을 이용하여 연결될 수 있는 실시형태들이다. 변조기 기판의 제작에 대한 추가 상세 사항들은 이미 참조된 미국 특허 출원 번호 제 11/361,785 호에서 발견될 수 있다.

MEMS-다운 어셈블리 방법 (3600) 은 단계 3610 에서 애퍼쳐층을 제작하는 것으로 진행한다. 애퍼쳐층은 제 2 기판 상에 제작되는데, 이것은 바람직하게는 예를 들어 플라스틱 또는 유리와 같은 투명 재료로 제조된다. MEMS-다운 구성에서 제 2 기판은 애퍼쳐판이라고 불린다. 일 실시형태에서, 기포 포획 영역이라고도 알려진 트렌치가 단계 3611 에서 애퍼쳐판의 표면에 제공된다. 다른 MEMS-다운 실시형태들에서, 애퍼쳐층이 그 위에 제작되는 제 2 기판이 광 가이드로서도 이용된다. 몇 가지 실시형태들에서, 애퍼쳐층은 일련의 애퍼쳐들로 패터닝되는 광 흡수 재료로 이루어진다. 일 실시형태에서, 애퍼쳐층은 기판 후면으로부터 입사하는 광을 기판으로 반사하도록 설계된다.

방법은 스페이서들 (단계 3612) 및 실링 재료들 (단계 3614) 을 두 기판들 중 하나 또는 다른 것에 도포하는 단계로 계속된다; 그러면, 기판들은 정렬되고 함께 본딩된다. 방법 (3600) 은 단계 3612 에서 스페이서들을 형성시키는 것으로 계속된다. 기재된 제작 방법을 포함하여 스페이서들 (2708, 2812, 또는 2814) 에 의하여 예시되는 임의의 스페이서들이 단계 3612 에서 포함될 수 있다. 스페이서들은 제 1 및 제 2 기판들 중 하나 또는 이들 모두 위에 형성될 수도 있다.

방법 (3600) 은 단계 3614에서 에폭시 실 재료 (528) 와 같은 실 재료를 도포하는 것으로 진행한다. 실 재료는 방법 (3600) 에서 채택되는 제 1 및 제 2 기판들 중 하나 또는 이들 모두에 도포될 수 있다. 실 재료는 정렬 단계 이후에 제 1 및 제 2 기판들의 위치를 유지시킬 접착제 본딩 재료 (adhesive bonding material) 이다. 또한, 실 재료는 단계 3624 에서 추가될 유체를 두 기판들 사이의 갭 내에 포함시키는데도 이용될 수 있다. 도포가능한 실 재료들은 에폭시, 아크릴레이트, 또는 실리콘 재료와 같은 중합체 재료일 수 있으며, 또는 실 재료는 솔더 범프와 같은 열-재흐름 솔더 금속 (heat-reflowable solder metal) 으로 형성될 수 있다.

몇 가지 실시형태들에서, 실 재료는 이방성 도전 접착제 (3214) 와 같은 복합 재료일 수 있다. 실 재료는 노즐로부터 분사될 수 있으며, 이 노즐은 도 9 의 디스플레이 패널 (3404) 에 대하여 도시된 바와 같이, 변조기들 또는 애퍼쳐 어레이들 각각의 주위를 따라 이동한다.

실 재료 (3414) 는 디스플레이 패널 (3404) 상에서 각 디스플레이 영역을 완전하게 감싸지는 않는다. 충전 홀들이라고 불리는 하나 이상의 갭들 (3418) 이 주위 실 내에 의도적으로 남겨짐으로써, 단계 3624 에서의 유체를 이용한 셀의 충전을 수용한다. 일 실시형태에서, 이것들은 반대 측면들에 위치할 수도 있고, 동일한 측면들에 위치할 수도 있으며, 어느 측면에도 위치할 수 있다. 몇 가지 실시형태들에서, 이 갭은 기포 포획 영역 다음에 열린 상태로 남겨짐으로써, 기포가 실에 의하여 밀봉되는 공간 내에 의도적으로 도입될 수 있도록 한다.

방법 (3600) 은 단계 3616에서 도전성 접착제의 선택적 분사 (dispense) 로 계속된다. 만일 단계들 (3612 및 3614) 에서 추가된 스페이서들 또는 실 재료가 도전 성질을 가지지 않는다면, 이러한 성질을 가지는 추가적 접착제를 추가하는 것이 흔히 바람직하다. 단계 3616에서 추가된 도전성 접착제는 제 1 기판 상의 제어 매트릭스 및 제 2 기판 상의 애퍼쳐층 간의 전기적 연결을 허용한다. 단계 3616에서 추가된 접착제는 흔히 디스플레이 영역의 주위를 따라 몇 개의 지점에 위치한다.

분사된 이후에, 실 재료는 경화 단계를 거쳐서 상대적으로 단단하고 강해진다. 비록 실 재료가 단계 3614 의 일부로서 부분적으로 경화될 수 있지만, 다양한 실시형태들에서 최종적인 경화는 후속 단계들 (3618 또는 3620) 중 하나가 실시될 때까지는 일어나지 않는다. 실 재료는 다수의 다른 타입의 경화를 위하여 조제될 수 있는데, 이러한 경화에는 탈수 경화 (desiccation curing), UV 또는 자외선 경화, 열 경화, 또는 마이크로파 경화 (microwave curing) 가 포함된다. 장치 (3300) 와 같은 정렬 툴을 채택할 경우, UV-경화된 에폭시가 선호될 수 있다.

도 11 에 표시된 바와 같이, 제어 매트릭스 (3606) 의 제작, MEMS 변조기들 (3608) 의 제작, 애퍼쳐층 (3610) 의 제작, 스페이서들 (3612) 의 형성, 및 실 재료 (3614) 의 도포를 위한 단계들 모두가, 다중 디스플레이들이 대형 유리 또는 플라스틱 패널 상에 동시에 제작되는 패널 수준 (panel level) 에서 수행될 수 있다. 선택적으로, 이러한 단계들은 더 작은 기판들 상의 개별 디스플레이들에 대해서 수행될 수도 있다. 어셈블리 단계들 3606, 3608, 3610, 및 3612 에 대한 다른 제작 세부 사항들은, 이미 언급된 미국 특허 출원 번호 제 11/361,785 호 내에서 발견될 수 있다.

방법 (3600) 은 단계 3618에서, 도 8의 정렬 장치 (3300) 에 대하여 이미 설명된 바와 같이, 제 1 및 제 2 기판들의 정렬 단계로 진행한다. 정렬 장치 (3300) 는 정렬이 수용 가능한 오차 수준 안에서 정확하게 이루어졌음을 확정하기 위한 카메라 및/또는 현미경 시스템을 포함한다. 제 1 및 제 2 기판들은 정렬 단계 (3618) 의 일부로서 스페이서에 의하여 접촉하게 된다.

정렬 단계 (3618) 의 일부로서, 접착성 본딩 재료는 적어도 부분적으로 경화되어 두 기판들을 본딩하거나 이들의 상대적 위치를 유지한다. 정렬 장치 (3300) 는 접착제의 경화에 영향을 주기 위한 히터들 및/또는 UV 노광 램프들을 포함한다. 몇 가지 실시형태들에서, 실 (3414) 과 같은 전체 둘레 실 (whole perimeter seal) 이 적어도 부분적으로 단계 3618 의 일부로서 경화된다. 다른 실시형태들에서, 열 경화성 (thermally-curable) 실 재료 (3414) 에 추가하여, 복수 개의 uv-경화성 (uv-curable) 접착제 도트들이 정렬 이전에 기판들 상에 제공된다. 이러한 실시형태에서, 정렬 단계 (3618) 의 일부로서 에폭시 도트들만이 경화되는 반면에, 실 재료의 나머지는 단계 3620 에서 추후 경화된다.

방법 (3600) 은 단계 3620 에서 실 재료의 경화 단계로 계속된다. 이 실시형태들에서, 제 1 및 제 2 기판들 간의 적합한 정렬은 실 재료가 상대적으로 견고한 접착제로서 동작할 때에만 유지될 수 있다. 단계 3620 에서 접착제 경화가 실의 강성 (rigidity) 을 보장한다. 단계 3620 에서의 경화는 열, UV, 또는 마이크로파 경화에 의하여 수행될 수 있다. 몇 가지 실시형태들에서, 실은 가압하에서 또는 프레스 판들 사이에서 어셈블리를 오븐, 또는 UV 또는 마이크로파 노광 시스템 내에 위치시킴으로써 경화된다. 프레스는 접착제가 경화되는 동안에 기판의 휨 또는 뒤틀림을 최소화하는데 도움이 된다. 프레스는, 각 기판의 스페이서들에 대한 견고한 접촉을 보장함으로써, 갭이 유지되는 것을 보장하는데 도움이 된다.

방법 (3600) 은 단계 3622 에서 개별 디스플레이 어레이들을 다중 어레이들을 포함하는 대형 패널로부터 분리시키는 선택적인 동작으로 계속된다. 이러한 분리 동작은, 도 9 에 설명된 바와 같이 셀 어셈블리 단계들이 현재 시점까지 대형 패널 프로세스에 따라서 진행해 온 경우에만 필요하다. 만일 단계들 3606 내지 3614 에서 변조 기판 및 애퍼쳐판들이 개별 디스플레이들로서 제작된다면, 개별화 또는 분리 단계가 필요하지 않다. 분리 동작은 스크라이브 및 브레이크 프로세스 중 하나를 이용하거나 다이싱 톱을 이용하여 달성될 수도 있다.

이 방법은 더 큰 패널 어셈블리로부터 개별 디스플레이들을 분리 또는 개별화하는 동작 (단계 3622) 및 유체 또는 윤활제를 이용하여 두 기판들 사이의 갭을 충전하는 동작 (단계 3624) 을 포함하는데, 이를 통하여 디스플레이 어셈블리를 유체로 충전할 수 있다. 디스플레이 장치 (500) 에 대한 논의에서 나타난 바와 같이, 디스플레이 장치의 두 기판들이 갭 (526) 과 같은 갭에 의하여 분리되고, 이 갭이 동작 유체 (530) 와 같은 유체에 의하여 충전되는 것이 바람직하다. 많은 디스플레이들에 대하여, 유체는 MEMS 광 변조기들을 실질적으로 감싸는 윤활제로서 동작한다. 또한, 유체는 전술된 바와 같은 전기적 성질 및 광학적 성질들을 정의한 바 있다. 일 실시형태에서, 충전 홀들 중 하나 이상이 단계 3626 에서 실링될 것이다. 이에 후속하여, 기포가 단계 3625 에서 기포 포획 영역 내에 의도적으로 도입된다. 다른 실시형태에서, 충전 홀들 중 일부 및 모두는 단계 3628 에서 기포가 기포 포획 영역 내에 유도된 이후에 실링된다.

이제, 셀 어셈블리 방법 (3600) 이 MEMS-업 디스플레이 구성에 적용될 수 있는지에 대하여 재검토될 것인데, 이러한 구성의 예들은 도 5의 디스플레이 어셈블리 (500) 에 의하여 제공된다. MEMS-업 디스플레이 구성에 대하여, 제어 매트릭스 및 MEMS 변조기 어레이 모두가 단계들 3606 및 3608 에서 제 1 기판 상에 제작된다. 예들은 변조기 기판들로서 제공된다. 애퍼쳐층이 단계 3610에서 제 2 기판 상에 성막된다.

디스플레이 어셈블리 (3100) 에 대하여 논의된 바와 같이, MEMS 변조기 어레이가 제 1 기판 상에 제작되고 제어 매트릭스는 제 2 기판 상에 제작될 수 있는 실시형태들이 존재한다. 두 기판들은 도전성 스페이서들을 통하여 전기적으로 통신한다.

MEMS-업 디스플레이 구성에 대하여, 제 2 기판은 커버판 (522) 과 같은 커버판이라고 불린다. 단계 3610에서 제작된 애퍼쳐층은 블랙 매트릭스층 (524) 과 같이 블랙 매트릭스층이라고 불리며, 애퍼쳐들의 어레이로 패터닝된다. 블랙 매트릭스층은 디스플레이의 주변 콘트라스트를 개선하기 위한 광 흡수 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 어셈블리 이후에, 블랙 매트릭스 애퍼쳐들은 변조기 기판 상에 위치한 MEMS 광 변조기들과 중첩하는 것이 바람직하다.

MEMS-업 디스플레이 어셈블리 방법 (3600) 에 대하여, 커버판, 즉, 단계 3604에서 제공된 제 2 기판은 투명 재료, 즉, 플라스틱 또는 유리로 만들어지는 것이 바람직하다. 그러나, MEMS-업 어셈블리 방법에 대해서는, 단계 3602에서 제공되는 변조기 기판은 실리콘과 같은 불투명 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 반사식 MEMS-업 디스플레이 (reflective MEMS-up display) 에 대하여, 제 1 기판, 예를 들어, 실리콘은 단계들 3606 또는 3608 중 하나에서 반사층에 의하여 코팅될 수 있다. 투과식 MEMS-업 디스플레이 (transmissive MEMS-up display) 에 대하여, 제 1 기판 용으로 채택된 불투명 재료는 애퍼쳐들 (508) 과 같은 애퍼쳐들의 위치에 있는 스루홀들 (through-holes) 의 어레이를 이용하여 식각될 수 있다.

MEMS-업 디스플레이 어셈블리 (3600) 에 대해서는, 스페이서들이 단계 3612에서 형성되고, 실 재료는 단계 3614에서 제 1 또는 제 2 기판들 중 하나에, 즉, 변조기 기판 또는 커버판 중 하나에 도포된다. MEMS-다운 구성의 경우에서와 같이, 실 재료는 실에 의하여 밀봉된 공간의 주변을 따라 온전하게 도포되어, MEMS-다운 구성에 대하여 전술된 것과 유사한 방식으로 추후 실링될 예정인 하나 이상의 개구부들 (openings) 만을 남긴다.

MEMS-업 디스플레이 어셈블리 방법 (3600) 의 후속 단계들은 MEMS-다운 디스플레이 어셈블리 방법 (3600) 과 유사한데, 여기에는 정렬 단계 (3618), 실 재료의 경화 단계 (단계 3620), 패널로부터의 다중 디스플레이들의 분리 단계 (단계 3622), 단계 3624 에서의 유체 충전 단계, 및 최종 실링 단계 (3626 및 3628) 들이 포함된다.

정렬 장치 (3600) 와 관련하여 설명된 바와 같이, MEMS-업 또는 MEMS-다운 구성 중 하나를 가지는 어셈블리 방법 (3600) 이 복수 개의 다른 MEMS 광 변조기 기술들에 적용되는데, 이러한 기술에는 전기습윤 디스플레이들 및 롤링-작동기 디스플레이들이 포함된다. MEMS-업 디스플레이 어셈블리 방법 (3600) 은 간섭 변조기 디스플레이들 (interference modulator displays) 및 MEMS 광 탭 변조기 디스플레이들 (MEMS light tap modulator displays) 에 특히 적용 가능하다

유체 충전 프로세스 (단계 3624) 의 세부사항들은 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는 도 12에 예시되는 유체 충전 장치 (3700) 와 관련하여 설명될 것이다. 유체 충전 장치는, 동작 유체 (3704) 의 저장소 (reservoir) 에 의하여 부분적으로 충전되는 진공 챔버 (3702) 로부터 형성된다. 패널 어셈블리 (3500) 와 같은, 정렬되고 부분적으로 실링된 셀 어셈블리 또는 패널 어셈블리가 완드 (wand, 3706) 에 의하여 또는 가동 플래터 (movable platter) 에 의하여 유체 저장소 상부에 매달린다. 진공 챔버에는 진공 펌프로 유도되는 포트 (3708) 및 진공 챔버 내부를 대기압으로 배기하기 위한 포트 (3710) 가 부착된다. 비록 도 12 에는 도시되지 않았지만, 포트들 (3708 및 3710) 각각과 밸브들이 관련된다.

동작 시에, 어셈블리 (3500) 와 같은 패널 어셈블리 내의 기판들 간의 갭을 충전하는 프로세스는 2-단계 프로세스이다. 우선, 공기 또는 다른 기체가 두 판들 사이로부터 제거되고, 두 번째로 해당 갭이 유체에 의하여 충전된다. 공기는 진공 펌프로의 밸브가 열리고 전체 챔버 (3702) 가 실질적으로 1 torr 보다 낮은 압력으로까지 감소할 경우 제거된다. 그 다음에, 진공 밸브가 닫히고 완드 (3706) 가 이용되어 패널 어셈블리 (3500) 를 동작 유체의 저장소 (3704) 내에 침지시킨다. 침지되면, 배기 밸브가 공기, 또는 병으로부터의 청정 질소 또는 아르곤 기체로 열리게 된다. 복귀하는 공기는 모든 유체 상에 작용하는 압력을 대기압 (또는 600 torr 보다 큰 압력) 으로 다시 되돌린다. 그러면, 압력을 받은 상태에서 동작 유체는 셀 어셈블리 (3500) 의 기판들 사이의 갭 내로 강제 주입된다. 셀 어셈블리가 챔버 (3702) 로부터 제거되면, 셀 어셈블리에는 유체가 충전되고, 따라서 어셈블리 단계 (3624) 를 완료한다.

다른 디자인에서, 패널 어셈블리 (3500) 는 완드 (3706) 와 같은 가동 완드에 의하여 매달릴 필요가 없다. 그 대신에 패널 어셈블리는 제자리에 고정되고 일련의 밸브들을 이용하여 윤활제 (3705) 가 진공 챔버 (3702) 로 이동되거나 이로부터 나올 수 있다. 유체가 대략적으로 챔버로부터 없어지면 챔버는 소개된다. 소개 (evacuation) 가 이루어진 이후에, 챔버 내의 유체 레벨은 추가적인 유체를 챔버 내에 흘려보냄으로써 증가된다. 유체는, 어셈블리 (3500) 가 유체 내에 침지될 때까지 추가된다. 패널을 유체 내에 침지시킨 이후에, 시스템은 대기압으로 배기되어 갭에 유체를 충전한다.

다른 실시형태에서, 챔버 (3702) 는 액체 (3704) 에서와 같이 액체로 충전되지 않고, 그 대신에 챔버를 소개한 이후에 기체를 이용하여 백필링된다 (backfilled). 백필 기체들의 예에는 비활성 기체들 (아르곤, 질소), 증기상 윤활제, 특정 반응성 기체들, 또는 이들의 임의의 조합들이 포함된다. 반응성 기체들이란 MEMS 변조기들의 가동 표면과 반응하거나 이것 위에 증착될 수 있는 기체들이다. 이들은 가동 표면들의 표면 에너지를 감소시킴으로써 가동 표면들의 두께를 화학적으로 완화시키거나 감소시킬 수 있다. 예에는 디메틸디클로로실란 (dimethyldichlorosilane, DDMS), 트리데카플루오로-1,1,2,2-테트라하이드로옥틸트리클로로실란 (tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyltrichlorosilane, FOTS), 및 헵타데카플루오로-1,1,2,2-테트라하이드로데실트리클로로실란 (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyltrichlorosilane, FDTS) 등이 포함되는데, 이에 한정되는 것은 아니다. 증기상 윤활제들은 장치의 동작 전체에 걸쳐 실질적으로 증기 상태에 있는 기체들이며, 표면을 유사하게 완화시킬 수 있다. 이들의 예에는, 설퍼 헥사플루오라이드 (sulphur hexafluoride) 및 메탄올, 에탄올, 아세톤, 에틸렌 글리콜, 글리세롤, 실리콘 오일, 불화 실리콘 오일, 디메틸실록산 (dimethylsiloxane), 폴리디메틸실록산 (polydimethylsiloxane), 헥사메틸디실록산 (hexamethyldisiloxane), 및 디에틸벤젠 (diethylbenzene) 또는 이들의 혼합물이 포함되지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

챔버 (3702) 내에서의 유체 충전 프로세스들은 셀 레벨에서 또는 패널 레벨에서 실행될 수 있다. 어셈블리 프로세스 (3600) 에서, 개별화 단계 (3622) 는 유체 충전 단계 (3624) 에 선행하는데, 이것은 개별 디스플레이들을 위한 셀 어셈블리들이 유체 충전을 위하여 진공 챔버 (3702) 내로 로딩된다는 것을 의미한다. 진공 충전 챔버 (3702) 는 다중의 개별 디스플레이들을 단일 펌프-다운 동작에서 유지 및 침지시킴으로써 다중 디스플레이들이 동시에 유체로 충전될 수 있도록 할 수 있는 플래터 (platter) 를 포함할 수 있다. 선택적으로, 이러한 단계들의 순서를 거꾸로 만들어 어셈블리 (3500) 와 같은 완성품 패널 어셈블리를 진공 챔버 내에 로딩하는 것이 가능하다. 그러면, 패널 상의 디스플레이들 각각 내의 갭들은 동시에 소개되고 충전된다. 그러면, 유체 충전 단계 (3624) 가 완료된 이후에 다이싱 또는 개별화 프로세스 (3622) 가 실시된다.

방법 (3600) 에서, 셀 어셈블리는 단계 3626 에서 충전 홀을 실링함으로써 완성된다. 유체는 단계 3614 에서 둘레 실 내에 남겨진 바 있는 충전 홀 (3418) 을 통하여 단계 3624 에서 기판들 간의 공간으로 흘러가게 되거나 또는 강제로 흘러 들어가게 된 바 있다. 유체가 디스플레이 어셈블리 외부로 새어나오는 것을 방지하기 위하여, 이 홀은 어셈블리 프로세스의 마지막에 접착제를 이용하여 충전된다. 단계 3626 의 일부로서, 그리고 충전 홀을 실링하기 이전에, 프레스를 통하여 압력이 셀에 인가된다. 프레스는 두 기판들을 압축하여, 한 기판 상에 제작된 스페이서들이 다른 기판과 근접하여 접촉하도록 강제한다. 이를 통하여 두 개의 기판들 간에 균일한 갭 또는 간격이 확립된다. 그러면, 충전 홀은 디스플레이로부터 압력을 제거하기 이전에 접착제를 이용하여 실링된다. 실링되면, 셀 내에 닫히고 유체가 충전된 챔버는 대기 조건에서 기판들이 분리되는 것을 방지한다. 단계 3626 에서 채택된 접착제는 열 경화, UV 경화, 또는 마이크로파 경화를 이용하여 경화되는 중합체 접착제일 수도 있다.

이제, 셀 어셈블리 방법 (3600) 이 MEMS-업 디스플레이 구성에 적용되는 것에 대하여 재검토될 것인데, 이 구성의 일 예가 디스플레이 어셈블리 (500) 에 의하여 제공된다. MEMS-업 디스플레이 구성에 대하여, 제어 매트릭스 및 MEMS 변조기 어레이 모두가 단계 3606 및 3608 에서 제 1 기판 상에 제작된다. 그 예들이 변조기 기판들 (504 또는 2418) 로서 제공된다. 애퍼쳐층이 단계 (3610) 에서 제 2 기판 상에 증착된다.

디스플레이 어셈블리 (3100) 에 대하여 논의된 바와 같이, MEMS 변조기 어레이가 제 1 기판 상에 제작되는 반면 제어 매트릭스가 제 2 기판 상에 제작될 수 있는 실시형태들이 존재한다. 두 기판들은 도전성 스페이서들을 이용하여 전기적으로 통신한다.

MEMS-업 디스플레이 구성에 대하여, 제 2 기판은 커버판 (522) 과 같은 커버판이라고 불린다. 단계 3610 에서 제작된 애퍼쳐층이 블랙 매트릭스 (524) 와 같이 블랙 매트릭스층이라고 불리며, 이것이 애퍼쳐들의 어레이로 패터닝된다. 블랙 매트릭스층은 광 흡수 재료로 이루어져 디스플레이의 주변 콘트라스트를 향상시키는 것이 바람직하다. 어셈블리된 이후에, 블랙 매트릭스 애퍼쳐들은 변조기 기판 상에 위치한 MEMS 광 변조기들과 중첩되는 것이 바람직하다.

MEMS-업 디스플레이 어셈블리 방법 (3600) 에서, 커버판 (즉, 단계 3604 에서 제공된 제 2 기판) 은 투명 재료 (즉, 플라스틱 또는 유리) 로 제조되는 것이 바람직하다. 그러나, MEMS-업 어셈블리 방법에 대해서는, 단계 3602 에서 제공된 변조기 기판은 실리콘과 같은 불투명 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 반사형 MEMS-업 디스플레이에 대하여, 실리콘과 같은 제 1 기판은 단계들 3606 또는 3608 중 하나에서 반사층에 의하여 코팅될 수 있다. 투과형 MEMS-업 디스플레이에 대하여, 제 1 기판 용으로 채택된 불투명 재료는 애퍼쳐들 (508) 과 같은 애퍼쳐들의 위치에서 스루홀의 어레이를 이용하여 식각될 수 있다.

MEMS-업 디스플레이 어셈블리 (3600) 에 대하여, 단계 3612에서 스페이서들이 형성되며, 실 재료는 단계 3614 에서 제 1 또는 제 2 기판들 중 하나에, 즉, 변조기 기판 또는 커버판 중 하나에 도포된다.

MEMS-업 디스플레이 어셈블리 방법 (3600) 의 후속 단계들은 MEMS-다운 디스플레이 어셈블리 방법 (3600) 과 유사하며, 정렬 단계 (3618), 실 재료의 경화 단계 (3620), 패널로부터 개별 디스플레이들을 분리하는 단계 (3622), 및 단계 3624 에서의 유체 충전 동작을 포함한다.

정렬 장치 (3600) 에 대하여 설명된 바와 같이, MEMS-업 또는 MEMS-다운 구성에서의 어셈블리 방법 (3600) 은 전기습윤 디스플레이들 및 롤링-작동기 디스플레이들을 포함하는 복수 개의 다른 MEMS 광 변조기 기술들에 적용된다. MEMS-업 디스플레이 어셈블리 방법 (3600) 은 특히 간섭 변조기 디스플레이들 및 MEMS 광 탭 변조기 디스플레이들에 적용 가능하다.

도 13 은 MEMS 광 변조기들을 내장하는 디스플레이 장치를 어셈블링하기 위한 다른 하나의 방법을 예시한다. 방법 (3800) 은 디스플레이들을 방법 (3600) 에 대하여 설명된 바와 같은 MEMS-다운 구성 또는 MEMS-업 구성들 내에 어셈블링하기 위하여 채택될 수 있다. 방법 (3600) 과 유사하게, 어셈블리 방법 (3800) 은 그 상부에 디스플레이 컴포넌트들이 제작되는 (단계들 3806, 3608, 및 3810) 두 개의 기판들을 제공하는 (단계들 3802 및 3804) 로부터 개시된다. 방법 (3800) 은 두 기판들 중 하나 또는 다른 것에 스페이서들 (단계 3812) 및 실링 재료들 (단계 3814) 을 형성하는 것으로 계속된다. 또한, 방법 (3800) 은 디스플레이 어셈블리 내의 갭을 유체로 충전하는 과정 (단계 3118) 을 포함한다. 그러나, 방법 (3600) 과 반대로, 유체 충전 동작 (단계 3818) 및 디스플레이 어셈블리 동작 (단계들 3820, 3822, 및 3824) 의 순서가 반대가 된다. 어셈블리 방법 (3800) 은 가끔 원-드롭 충전 방법 (one-drop fill method) 라고 불린다.

어셈블리 방법 (3800) 은 제 1 및 제 2 기판들을 제공하는 작업들 (단계들 3802 및 3804) 과 함께 개시되고, 제어 매트릭스의 제작 (단계 3806), MEMS 변조기 어레이의 제작 (단계 3808), 애퍼쳐층의 제작 (단계 3810), 및 스페이서들의 형성 (단계 3812) 으로 계속된다. 이러한 단계들은 어셈블리 방법 (3600) 의 대응하는 단계들에 대하여 이용된 바 있는 것과 실질적으로 동일한 어셈블리 프로세스를 포함한다.

방법 (3800) 은 단계 3814에서 실 재료를 도포하는 과정으로 계속된다. 실 도포 단계 (3612) 에서 이용된 바 있는 것과 유사한 실 재료 및 유사한 처분 방법들이 단계 3814 에 적용될 수 있다. 그러나, 단계 3814 에서는 디스플레이의 능동 영역들의 둘레 주위의 실 재료에 갭 또는 충전 홀이 남지 않는다.

선택적인 도전성 접착제 도포 동작 (단계 3816) 이 후속되는데, 이것은 접착제 도포 단계 (3616) 와 유사하다.

방법 (3800) 은 단계 3818 에서 액체를 도포하는 단계로 계속된다. 윤활 특성 및 다른 전기적, 기계적, 및 광학적 특성을 포함하는 도포 가능한 액체들이 디스플레이 장치 (500) 와 관련하여 전술된 바 있다. 액체 충전 단계 (단계 3800) 에 대해서는, 장치 (3700) 와 같은 진공 충전 장치가 필요하지 않다. 정확한 체적의 유체가 직접적으로 제 1 또는 제 2 기판들 중 하나의 개방된 표면 상에 분사될 수 있다. 이 유체는 애퍼쳐층이 형성된 제 2 기판 상에 분사되는 것이 바람직한데, 그 이유는 제 2 기판은 일반적으로는 공기 기포가 모여들 수 있는 공동들 (cavities) 또는 재진입 표면들 (re-entrant surfaces) 을 가지는 MEMS 컴포넌트를 포함하지 않기 때문이다. 기판들이 패널 (3404) 에서와 같이 다중 디스플레이들을 내장하는 대형 패널인 경우, 정확한 체적의 유체가 각 어레이의 활성 영역 내에 분사된다. 일반적으로, 유체는 실 재료 (3414) 의 둘레에 의하여 한정될 때까지 기판의 표면 상에서 스프레딩될 것이다. 정확한 체적의 유체가 둘레 실 (perimeter seal) 에 의하여 정의되는 공동을 완전하게 충전할 것이다. 몇 가지 실시형태들에서, 패널 상의 개별 어레이들에 대한 실제 둘레 치수 (perimeter dimensions) 를 측정함으로써, 광학 측정 툴이 각 공동의 정확한 체적을 결정하는데 이용된다.

방법 (3800) 은 두 개의 기판들의 정렬을 이용하여 단계 3820 에서 계속된다. 윤활 유체가 이미 기판들 중 하나에 도포된 바 있기 때문에, 단계 3800 을 위하여 필요한 정렬 장치는 장치 (3300) 에 의하여 도시된 것과는 상이할 것이다. 주된 차이점으로서, 정렬 동작은 감압 또는 진공 조건하에서 수행되는 것이 바람직하다. 이것은, 제 1 및 제 2 기판들은 물론 가동부들 및 정렬을 위하여 제공된 비전 시스템의 부품들이 이제 정렬 챔버라고 불리는 진공 챔버 내에서 동작한다는 것을 의미한다.

동작 시에, 두 기판들은 정렬 챔버 내에 도입될 수 있고 챔버는 소개될 수 있다. 유체 (단계 3818에서 이미 처리됨) 의 증발을 방지하기 위하여, 챔버는 윤활제 유체의 평형 증기압으로 백필링될 수도 있다. 두 기판들이 정렬되고 함께 본딩된 이후에, 윤활 유체가 두 기판들 각각의 표면과 접촉할 수 있고, MEMS 광 변조기들의 가동부들 각각을 실질적으로 감쌀 수 있다. 기판들이 접촉하고 유체가 모든 표면들을 적신 뒤에, 정렬 챔버는 대기압으로 다시 배기된다 (단계 3822). 또한, 기판들이 접촉되게 된 이후에 부분 경화가 접착제에 적용될 수도 있다. 접착제는 진공 챔버 내에 설치된 열적 수단을 이용하거나 또는 UV 램프들을 이용하여 경화될 수 있다.

윤활제 유체가 높은 증기압을 가지는 경우 (즉, 이 유체가 실온에서 신속하게 증발될 수 있는 경우), 패널들이 정렬 챔버 내로 도입되기 이전에 유체를 단계 3818 에서 분사하는 것이 실용적이지 않을 수도 있다. 이러한 실시형태에서, 정렬 챔버가 소개되고 윤활제의 증기압에 의하여 백필링된 이후에, 두 기판의 정렬 단계가 수행되기 직전에 윤활 유체를 기판들 중 하나 상에 분사하는 노즐이 제공될 수 있다.

단계 3820 에서 정렬 동작 동안에 실 재료가 완전하게 경화되지 않는 정도로, 단계 3824 에서 추가 경화 단계가 적용된다. 단계 3824 에서의 경화 동작은 열 경화, UV 경화, 또는 마이크로파 경화로서 수행될 수 있다.

개별 디스플레이 어레이들을 다중 어레이들을 포함하는 대형 패널로부터 분리하는 선택적인 동작을 수행함으로써, 단계 3826 에서 방법 (3800) 이 완료된다. 이러한 분리 동작은, 현재 시점까지의 셀 어셈블리 단계들이 도 9 및 도 10 에 설명된 바와 같은 대형 패널 프로세스에 따라서 진행되어온 경우에만 필요하다. 만일 변조 기판 및 애퍼쳐판들이 단계들 3806 내지 3814 에서 개별 디스플레이들의 형태로 제작된다면, 최종적인 분리 단계가 필요하지 않다. 분리 동작은 스크라이브 및 브레이크 (scribe and break) 방법을 이용하거나 또는 다이싱 톱을 이용함으로써 달성될 수 있다.

방법 (3600) 을 완료한 이후에 디스플레이를 어셈블링하기 위한 최종 단계들은 흔히 총괄적으로 모듈 어셈블리 프로세스라고 불린다. 모듈 어셈블리는 제어 및 드라이브 회로를 포함하는 실리콘 칩 또는 칩들을 직접적으로 유리 기판에 부착하는 단계, 디스플레이를 외부 장치들과 상호 접속하기 위하여 가요성 회로들을 본딩하는 단계, 콘트라스트 필터와 같은 광학적 막들을 본딩하는 단계, 백라이트를 붙이는 단계, 및 디스플레이를 지지 구조체 또는 인클로져 (enclosure) 내에 탑재하는 단계를 포함한다. 가요성 회로는 단순 상호접속들을 포함하거나 저항, 커패시터, 인덕터, 트랜지스터, 또는 집적 회로들과 같은 추가적인 전기적 요소들을 포함할 수도 있다.

도 14 는 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는 디스플레이 장치를 어셈블링하기 위한 다른 방법 (4000) 을 예시한다. 방법 (4000) 은 디스플레이의 동작이 이루어지는 동안에 증기 기포가 발생되는 것을 방지하거나 회피하는데 도움이 되는 저온 실 프로세스 (cold seal process) 를 대표적으로 나타낸다. 어셈블리 방법 (4000) 은 어셈블리 방법 (3600) 과 유사하고 어셈블리 방법 (3600) 과 동일한 많은 프로세스 단계들을 포함하는데, 방법 (4000) 에서는 공동 내에 유체를 최종적으로 실링하는 단계가 감소된 온도에서 수행된다는 점만 예외이다.

특히, 어셈블리 방법 (4000) 은 그 중에서도 유체 충전, 셀 냉각, 셀 압축, 및 저온 실링을 위한 단계들을 포함한다. 셀 갭을 정의하는 제 1 및 제 2 기판을 포함하는 MEMS 디스플레이 셀이 단계 4002 에서 제공된다. 기판들 각각은 투명하다. 제 1 기판은 광 변조기의 어레이를 포함할 수도 있다. 제 2 기판은 커버판 (522) 과 같은 커버판 또는 애퍼쳐판 (2804) 과 같은 애퍼쳐판을 포함할 수도 있다.

디스플레이 셀에서, 제 2 기판은 제 1 기판과 인접하도록 위치되어, 제 1 기판이 제 2 기판으로부터 소정 갭만큼 분리될 수 있도록 한다. 제 1 기판 및 애퍼쳐판은 임의의 적합한 재료로 만들어질 수 있는데, 이러한 재료들의 예를 들면 플라스틱 또는 유리가 있다. 이러한 갭의 실질적 일부를 유지하는 복수 개의 스페이서들이 제 1 및 제 2 기판들 사이에서 형성된다 (단계 4004). 스페이서들은 제 1 및 제 2 기판들 중 어디에도 형성될 수 있다. 디스플레이 어셈블리 (2800) 와 유사한 일 실시형태에서, 스페이서들은 제 1 및 제 2 기판들 모두 위에 형성된다. 이러한 목적을 위하여, 애퍼쳐판 (2700) 및 스페이서들 (2708) 에 대하여 설명된 임의의 재료들 또는 제작 방법들이 적용될 수 있으나, 이것은 본 발명을 한정하는 것이 아니다.

어셈블리 방법 (4000) 은 에지 실을 도포하는 단계로 계속된다 (단계 4006). 에지 실은 적어도 광 변조기들의 어레이의 둘레의 일부에 도포된다. 실 재료는 제 1 및 제 2 기판들을 함께 본딩하기 위한 접착제로서 제공된다. 이러한 목적을 위하여, 에폭시 접착제들을 포함하며 단계 3614 에 관련하여 설명된 임의의 실 재료들이 채택될 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 몇 가지 실시형태들에서, 실은 디스플레이 어셈블리가 충전된 이후에 경화된다. 기판들은 실이 경화되기 이전에 전술된 것과 같은 정렬될 수도 있다. 유체가 갭 내에 충전되도록 허용하기 위하여 적어도 하나의 충전 홀이 에지 실의 둘레에 제공된다. 일 실시형태에서, 실 재료는 내부에 스페이서 재료들을 포함하는 복합 재료이다. 포함된 스페이서 재료들은 플라스틱, 유리, 세라믹 또는 다른 재료들로 제조될 수도 있다. 이러한 목적에 적합한 실 재료는 상품명 XNR5570 을 가지며 나가세 켐텍스 코포레이션 (Nagase Chemtex Corporation) 에 의하여 판매되는 UV 경화성 에폭시 (UV curable epoxy) 이다. 실 재료 XNR5570 은, 하나 이상의 12 마이크론 반지름의 유리 구들에 해당하는 농도로 혼합함으로써 스페이서 기능을 제공하도록 개선될 수 있다. 스페이서들은 압축 불가능할 수도 있다. 비록 다른 형상들 및 미세구조들이 제한없이 적합하게 이용될 수 있지만, 스페이서용으로 적합한 미세구조들에는 비드들 (beads) 또는 구들이 포함된다. 몇 가지 실시형태들에서, 실 재료에 의하여 확립되는 스페이서 높이는 디스플레이 셀 내에 위치된 스페이서들 (예를 들어, 스페이서들 (2708)) 각각의 높이보다 실질적으로 크다.

그러면, 단계 4008 에서 디스플레이 어셈블리는 충전 홀을 통하여 동작 유체를 이용하여 충전된다. 충전 동작은 유체 충전 챔버 (fluid fill chamber) 내에서, 그리고 충전 장치 (3700) 에 대하여 설명된 것과 유사한 충전 프로세스를 이용하여 일어날 수 있다. 동작 유체는 MEMS 광 변조기들의 가동 부분을 실질적으로 감싼다. 적합한 동작 유체들은 유체 (530) 와 관련하여 설명된 것들을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 추가적인 적합한 유체들은 이하 후술된다. 몇 가지 실시형태들에서, 유체는 디스플레이 컴포넌트들의 표면들 (움직이는 동적 요소들의 전방 및 후방 표면들을 포함한다) 을 침습시키며 정지 마찰을 감소시키고, 디스플레이의 광학적 그리고 전기기계적 성능을 향상시키는 무색의 동작 유체이다. 단계들 4002 내지 4008 은 실온에서 실행될 수 있다. 실온이란 약 18 ℃ 내지 약 30 ℃ 의 범위 내의 온도일 수도 있으며, 예를 들어, 약 20 ℃, 약 22 ℃, 약 24 ℃, 약 26 ℃, 또는 약 28 ℃ 일 수도 있다. 다른 실시형태에서, 충전 프로세스는 실질적으로 실온보다 높은 온도에서 수행되며, 이는 실질적으로 30 ℃ 이상에서 수행된다는 것을 의미한다.

다른 실시형태에서, 어셈블리 방법 (4000) 이 액정 디스플레이들 또는 전기습윤 디스플레이들에 적용될 수도 있다. 액정 디스플레이들에 대하여, 제 1 및 제 2 기판들은 액정 변조기들의 어레이의 부분에 대응할 수도 있는데, 예를 들어, 능동 매트릭스 기판 및 컬러 필터판에 대응할 수도 있다. 단계 4008 에서의 유체 충전 단계는 셀을 액정 재료로 충전하는 단계를 포함할 것이다. 전기습윤 디스플레이들에 대하여, 제 1 및 제 2 기판들은 제어 매트릭스 기판 및 블랙 매트릭스 기판을 각각 포함한다. 단계 4008 에서의 유체 충전 단계는 셀을 전술된 유체들 (278 또는 280) 중 하나 또는 이들 모두를 이용하여 충전하는 단계를 포함할 것이다.

다음으로, 어셈블리 방법 (4000) 을 계속 참조하면서 도 15 내지 도 20 에 대하여 설명한다. 도 15 내지 도 20 은 디스플레이 셀이 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라서 실링되는 것을 도시한다. 예시의 간략화를 위하여, 예를 들어 MEMS 광 변조기들, 광 가이드, 반사층과 같은 MEMS 디스플레이 셀들의 몇 가지 피쳐들 (features) 은 도 15 내지 도 20 으로부터 생략된 바 있다. 이러한 피쳐들의 구조, 동작, 및 정렬에 대한 세부 사항이 도 1 내지 도 10 을 참조하여 이미 설명된 피쳐들을 포함하지만, 이에 한정되지는 않을 것임이 이해될 것이다.

도 15 는 애퍼쳐판 및 제 1 기판이 실질적으로 평행인 MEMS 디스플레이 셀 (4100) 을 도시한다. 디스플레이 셀 (4100) 은 광 변조기 기판 (4102), 광 변조기 어레이 (미도시), 애퍼쳐판 (4104), 및 에지 실 (4106), 및 각각 기판들 (4102 및 4104) 상에 형성된 제 1 및 제 2 스페이서들 (4108 및 4110) 을 포함한다. 제 1 및 제 2 상의 스페이서들은 단계 4106 에서 에지 실을 본딩시키기 이전에 정렬될 수도 있다. 도 15에 도시된 디스플레이 셀 (4100) 의 형상은 디스플레이 셀이 실링 동작이 일어나기 이전에 가지는 형상이다. 제 1 기판 및 애퍼쳐판은 유체 충전 단계 (4008) 이전에 평행판 본더 (parallel plate bonder) 에 정렬될 수도 있다. 기판들 간의 거리는 실질적으로 에지 실 (4106) 의 높이에 의하여, 그리고 에지 실 (4106) 과 함께 포함되는 스페이서 재료들에 의하여 결정된다. 애퍼쳐판 (4104) 및 기판 (4102) 상에 위치한 스페이서들은 접촉하지 않는다.

유체를 디스플레이 셀 내에 실링하기 위하여, 우선 디스플레이 셀이 실온에서 유체 충전 챔버로부터 제거된다 (단계 4008). 방법 (4000) 에 대한 설명과 더불어 계속 진행하면, 각 디스플레이 셀의 충전 홀이 동작 유체 내에 침수되어 기포들이 디스플레이 셀 갭 내로 진입하는 것을 방지하는 동안에, 디스플레이들을 홀딩하는 장비 (예를 들어, 캐리어와 같은 장비) 는 약 -15 ℃ 내지 약 -20 ℃ 의 범위 내의 온도로 냉각된다. 몇 가지 실시형태들에서, 캐리어는 약 0 ℃, 약 -5 ℃, 약 -10 ℃, 약 -15 ℃, 약 -25 ℃, 약 -30 ℃, 또는 약 -40 ℃ 의 온도로 냉각된다. 그러면, 셀 프레스가 약 -20 ℃ (단계 4010 에서), 또는 약 5 ℃ 내지 약 0 ℃, 또는 약 0 ℃ 내지 약 -5 ℃, 약 -5 ℃ 내지 약 -10 ℃, 약 -10 ℃ 내지 약 -15 ℃, 약 -20 ℃ 내지 약 -25 ℃, 약 -25 ℃ 내지 약 -30 ℃, 약 -30 ℃ 내지 약 -35 ℃, 또는 약 -35 ℃ 내지 약 -40 ℃ 의 온도로 냉각된다. 다른 실시형태들에서, 셀 프레스는 약 -10 ℃ 내지 약 -25 ℃ 내의 범위의 어떤 온도로 냉각될 수 있다. 다른 실시형태에서, 셀 프레스는 약 0 ℃ 아래의 온도로 냉각될 수 있다. 디스플레이는 캐리어로부터 제거되고 셀 프레스에 놓이게 된다 (단계 4012 에서). 셀 프레스에 대기압보다 높은 사전 결정된 압력에까지 압력이 가해짐으로써 (즉, 각 기판들의 외측 표면들에 접촉하는 외부 탄성 블래더들 (external elastic bladders) 이 팽창된다), 디스플레이 셀이 압축되도록 한다 (단계 4014). 디스플레이가 압축되는 동안 유체가 충전 홀 바깥으로 강제로 흘러나온다. 이 유체는 닦아 없어지고, 실 에폭시가 충전 홀 내로 분사된다 (단계 4016).

디스플레이 셀이 여전히 냉각된 장비의 온도에서 유지되는 동안에, 충전 홀 내의 실 재료는 적어도 부분적으로 단계 4020 에서 경화된다. 이러한 경화 동작은 에폭시의 성분들 간의 화학 반응에 의하거나 또는 UV 방사선을 적용시킴으로써 달성될 수 있다.

도 16 내지 도 19 는 본 발명의 예시적인 실시형태들에 따라, 디스플레이 셀들이 단계 4014에서 압축되는 상태를 도시한다. 도 16 은 도 15 의 디스플레이 셀 (4100) 과 동일한 디스플레이 셀이 셀 프레스에 의하여 압축되어 있고 저온으로 유지되는 상태의 형상을 도시한다. 셀 프레스는 셀을 압축하여, 애퍼쳐판 상의 스페이서들 (4110) 중 다수가 애퍼쳐판 변조기 기판 상의 스페이서들 (4108) 과 접촉하도록 한다. 접촉하지 않는 잔여 스페이서들은, 예를 들어, 온도 변화 또는 압력 변화에 응답하여 추가적인 셀 압축을 허용하도록 할 것인데, 이들이 증기 기포가 형성될 가능성을 더욱 감소시킬 것이다.

도 17 은 동일한 디스플레이 셀 (4100) 을 실링 온도 아래의 온도로 더욱 압축된 이후의 상태에서 도시한다. 도 17 에 예시된 디스플레이 셀 (4100) 은 기판들 (4102 및 4104) 사이에 두 개의 상이한 갭들 또는 이격 거리들을 포함한다. 디스플레이 어셈블리의 중앙에서, 갭의 크기는 마커 "B" 에 의하여 표시된다. 이격 "B" 는 디스플레이 내부에 존재하는 스페이서들 간의 접촉에 의하여 확립된다; 이격 "B" 는 실질적으로 스페이서들 (4108 및 4110) 의 높이의 합과 동일하다. 디스플레이 어셈블리의 에지에서는, "A" 라고 표시된 상이한 갭이 에지 실 (4106) 의 높이에 의하여 확립되었다. 갭 "A" 는 실질적으로 에지 실의 높이와 동일하다. 실 재료 (4106) 가 복합 재료인 실시형태들에서, 이격 "A" 는 에지 실 내에 포함된 스페이서 재료들 또는 비드들 (beads) 의 높이에 의하여 확립된다. 비록 4 내지 20 마이크론의 범위에 속하는 셀 갭들이 이러한 목적에 유용할 수 있지만, 갭 "A" 의 높이는 바람직하게는 8 내지 14 마이크론의 범위 내에 있다. 갭들 (A 및 B) 간의 차이는 약 0.5 및 4 마이크론 사이일 수 있으므로, "B" < "A" 의 관계가 성립된다. 두 셀 갭들 ("A" 및 "B") 이 존재하기 때문에, 도 16 및 도 17 에 도시된 기판들은 더 이상 평평하지 않고, 오히려 일정 부분 만곡되거나 구부러져서 두 개의 상이한 셀 갭들을 수용하게 된다.

도 16 및 도 17 의 디스플레이 어셈블리 (4100) 에 대하여 예시된 굴곡도 (flexures) 를 비교하는 것이 유용하다. 도 17 의 디스플레이 어셈블리 (4100) 는 기판들 (4102 및 4104) 의 형상에 더 심한 만곡을 가지므로 도 16 에 도시된 동일한 디스플레이 어셈블리와 관련하여 상대적으로 더 압축된 위치에 있다. 디스플레이의 에지 근처에서 스페이서들 (1408 및 1410) 중 상대적으로 더 많은 것들이 도 17 에서는 접촉하게 되었다. 셀 갭들 ("A" 및 "B") 의 차이 때문에, 디스플레이 어셈블리는 전체적으로 기판들의 굴곡도에 기반하여 더 낮은 온도에서도 실질적으로 압축될 수 있다고 간주되어 왔다. 이러한 셀 압축 가능성은 주위 온도에 변화가 발생할 때 증기 기포들의 형성을 피하기 위한 유용한 특징이다.

도 18 은 셀이 해당 셀 압력으로부터 더욱 압축되거나 더 낮은 온도로부터 더욱 압축된 상태인 동일한 디스플레이 셀 (4100) 을 도시한다. 도 17 과 유사하게, 도 18 의 디스플레이 어셈블리 (4100) 는 두 개의 상이한 셀 갭들을 포함한다. 에지 실에 의해서 확립되는 갭 높이가 디스플레이 어셈블리의 중앙부 측의 스페이서들에 의하여 확립되는 갭 높이보다 더 크다. 도 18 에서 기판들 (4102 및 4104) 모두는 만곡되거나 구부러져서 더 낮은 온도에서의 압축을 수용한다.

도 19a 는 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따르는 디스플레이 어셈블리 (4300) 를 도시하는데, 여기서 스페이서들은 탄성 재료로 제조되며, 즉, 스페이서들 (4308 및 4310) 은 감소된 탄성 계수를 달성하기 위하여 선택된 재료들을 이용하여 형성된다. 이러한 스페이서들은 더 압축되고 탄성이 있으므로, 스페이서들이 접촉된 이후에도 추가적인 셀 압축을 허용한다. 스페이서들의 탄성 계수는 적합한 경화 방법들을 이용하여 변경될 수도 있다. 표준 포토레지스트의 탄성 계수는 약 7 내지 10 GPa 이지만, 만일 적절한 경화 방법이 이용된다면 탄성 계수는 더 감소되어 어느 정도의 압축을 허용하지만 여전히 애퍼쳐판이 MEMS 셔터와 접촉하게 되는 것을 방지할 수도 있다.

도 19b 는 동일한 디스플레이 어셈블리 (4300) 의 한 버전인데, 여기서 디스플레이 어셈블리는 셀이 더 높은 온도에서 이완되도록 허용된 때에도 스페이서들이 서로 접촉되어 있는 조건 하에서 도시된다. 몇 가지 실시형태들에서, 스페이서들은 압축되고 탄성을 가질 수도 있으며, 결과적으로 주위 온도가 내려가거나 셀이 냉각될 때 셀 압축을 허용한다. 이러한 실시형태들에 대하여 또는 이러한 온도에서, 애퍼쳐판 및/또는 제 1 기판 상의 스페이서들 (4308 및 4310) 의 높이는 에지 실 (4306) 의 높이와 실질적으로 동일할 수 있다. 전술된 바와 같이, 스페이서들의 탄성 계수는 임의의 적합한 경화 방법을 이용하여 변경될 수도 있다. 이러한 실시형태들에서, 디스플레이의 중앙에 위치한 스페이서들이 에지 실의 스페이서들보다 더 높은 압축가능성 (compressibility) 을 가짐으로써, 더 낮은 온도에서는 도 19a 에 도시된 바와 같이 디스플레이의 중앙부 및 에지에서 갭에 차이가 존재하도록 하는 것이 유용하다.

디스플레이 어셈블리 방법 (4000) 은 실온보다 실질적으로 낮은 온도에서의 디스플레이 어셈블리의 압축 및 디스플레이 어셈블리의 실링을 가능하게 한다 (적어도 단계들 4012 내지 4016). 실질적으로 낮은 실내 온도는 실온에서 적어도 약 15 ℃ 만큼 낮은 임의의 온도일 수 있으며, 예를 들어 약 0 ℃ 아래일 수도 있다. 셀이 실링된 이후에, 해당 어셈블리를 실온으로 복귀하도록 허용함으로써 셀 어셈블리 프로세스가 완료된다. 디스플레이가 단계 4016에서 실링된 이후에, 셀 프레스는 우선 부피가 줄어들고 (deflated) 압력이 제거되거나 (depressurized) 또는 해제 (released) 된다 (단계 4018). 셀은 실링되고 약간 음인 압력 하에 유지되기 때문에, 셀은 실링 단계 (4016) 에서 주어진 형상을 유지한다. 그 이후에, 셀이 실온까지 웜업 (warm up) 되는 동안, 제 1 기판 및 애퍼쳐판을 떨어뜨려 프레싱 (press) 할 유체의 체적은 증가한다. 웜-업 페이즈 동안에, 디스플레이 셀은 자신의 사전-압축 상태로 이완된다. 실 재료는 단계 4020 에서 소정 시간 동안 적어도 부분적으로 경화된다. 여기서 소정 시간은 실 에폭시가 특정 거리를 셀 내에 위킹 (wick) 하기 위하여 필요한 시간에 적어도 부분적으로 기반한다. 디스플레이는 단계 4022에서 실온까지 웜업되도록 허용되고, 그 시간 이후에 충전 홀 내의 실 재료에 최종 경화 단계가 적용될 수 있다.

도 20 은 본 발명의 예시적인 일 실시형태에 따라, 디스플레이 어셈블리 (4100) 가 프레스로부터 해제되고, 실링되고, 실온까지 다시 웜업되도록 허용된 이후의 소정 조건에서의 디스플레이 어셈블리 (4100) 의 다른 예시를 제공한다. 스페이서들 (4108 및 4110) 은 더 이상 접촉하지 않는다. 위치들 A 및 B 에서의 셀 갭들은 실질적으로 동일한 높이이다. 갭 내의 유체는 기판들 (4102 또는 4104) 의 모양 또는 편평도에 커다란 볼록 왜곡이 발생하지 않으면서 확장되도록 허용된 바 있다. 이와 같은 더 평평한 형상은 디스플레이의 광학적 특징들의 균일성을 향상시킨다. 특히, 더 평평한 셀은 디스플레이의 축외 콘트라스트 성능 (off-axis contrast performance) 를 개선한다.

디스플레이 장치의 저온 실링을 위한 전술된 프로세스들 각각은 해당 디스플레이의 기대 동작 온도에서 증기 기포들의 형성을 방지할 수도 있어 이롭다. 예를 들어, MEMS 디스플레이 셀 주위의 대기 온도가 감소하면, 스페이서들은 유체가 더 압축되더라도 MEMS 기판들 (유리로 제조될 수도 있음) 이 접촉하는 것을 방지한다. 더 나아가, 저온 실 프로세스를 수행함으로써, 일반적으로 실 온도보다 15 ℃ 아래에서 발생되는 증기 기포 형성 현상이 더 낮은 온도에서 발생한다.

동작 유체들 (Working Fluids)

전술된 바와 같이, 제 1 및 제 2 기판들 간의 공간이 (셀) 갭을 형성하고, 이것은 기체, 액체, 또는 윤활제와 같은 유체를 이용하여 충전될 수 있다. 동작 유체의 몇 가지 예들은 디스플레이 장치 (500) 내의 유체 (530) 와 관련하여 설명된다. 적합한 동작 유체의 다른 바람직한 성질들이 표 2 에 제공된다. 예를 들어, 유체는 낮은 점성을 가져야 한다. 디스플레이 내의 액체 또는 유체가 4000 그램/몰미만이거, 바람직하게는 400 그램/몰 미만의 분자량을 가지는 재료들을 포함한다면, 더 낮은 점성들도 용이하게 얻어질 수 있다.

[표 2]

동작 유체의 바람직한 성질들

또한, 유체가 높은 순도와, 온도에 따른 점성의 단지 작은 변화와, 실 에폭시와의 낮은 반응성을 가지며, 가연성 성질을 가지는 것이 바람직하다.

적합한 저점성 유체들에는, 물, 알코올, 불화 실리콘 오일, 폴리디메틸실록산, 헥사메틸디실록산, 옥타메틸트리실록산, 옥탄, 디에틸벤젠, 퍼플루오로카본 (perfluorocarbons), 하이드로플루오로에테르 (hydrofluoroethers) 또는 이들의 임의의 조합이 포함된다. 적합한 저점성 비극성 오일들에는, 파라핀, 올레핀, 에테르, 실리콘 오일, 불화 실리콘 오일, 또는 다른 천연 또는 합성 용매 또는 윤활제들이 포함되는데, 이들에 한정되는 것은 아니다. 유용한 오일들은 헥사메틸디실록산 (hexamethyldisiloxane) 및 옥타메틸트리실록산 (octamethyltrisiloxance) 과 같은 폴리디메틸실록산 (polydimethylsiloxanes) 이거나 또는 헥실펜타메틸디실록산 (hexylpentamethyldisiloxane) 과 같은 알킬 메틸 실록산 (alkyl methyl siloxanes) 이거나, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 유용한 오일들은 옥탄 또는 데칸과 같은 알칸일 수 있다. 유용한 오일들은 니트로메탄 (nitromethane) 과 같은 니트로알칸 (nitroalkanes) 일 수 있다. 유용한 오일들은 톨루엔 (toluene) 또는 디에틸벤젠 (diethylbenzene) 과 같은 방향족 화합물 (aromatic compounds) 일 수 있다. 유용한 오일들은 부타논 (butanone) 또는 메틸 이소부틸 케톤 (methyl isobutyl ketone) 과 같은 케톤일 수 있다. 유용한 오일들은 클로로벤젠 (chlorobenzene) 과 같은 클로로카본 (chlorocarbons) 일 수 있다. 그리고, 유용한 오일들은 디클로로플루오로에탄 (dichlorofluoroethane) 또는 클로로트리플루오로에틸렌 (chlorotrifluoroethylene) 과 같은 클로로플루오로카본 (chlorofluorocarbons) 일 수 있다. 전기습윤 디스플레이들에서 이용되기 위하여, 오일들은 염료와 혼합되어, 청록색, 자홍색, 및 황색과 같은 특정 색상이나 더 넓은 스펙트럼 상에서 광흡수를 증가시킴으로써 블랙 잉크를 생성할 수도 있다.

몇 가지 실시형태들에서, 상기 오일들의 또는 다른 유체들의 혼합물을 포함하는 것이 유용하다. 예를 들어, 알칸의 혼합물 또는 폴리디메틸실록산의 혼합물들은 이 혼합물이 소정 범위의 분자량을 가지는 분자들을 포함하는 경우에 유용할 수 있다. 또한, 상이한 족들로부터의 유체들 또는 상이한 성질들을 가지는 유체들을 혼합함으로써 성질을 최적화할 수도 있다. 예를 들어, 헥사메틸디실록산의 표면 웨팅 성질들은 부타논의 저점성과 결합하여 개선된 유체를 생성할 수 있다.

몇 가지 실시형태들에서, 동작 유체는 알칸 (예를 들어, 옥탄, 헵탄, 크실렌 (즉, 디메틸벤젠의 동소체)), 이온성 액체, 디비닐 벤젠 (divinyl benzene), 톨루엔 (메틸벤젠 (methylbenzene) 또는 페닐메탄 (phenylmethane) 이라고도 불림), 알코올 (예를 들어, 펜타놀, 부타놀), 및 케톤 (예를 들어, 메틸 에틸 케톤 (methyl ethyl ketone, MEK)) 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있는데, 이에 한정되는 것은 아니다.

몇 가지 실시형태들에서, 탄소, 불소, 및 산소를 포함하는 유체들이 동작 유체로서 이용될 수도 있다. 이러한 유체들의 예에는 플루오로케톤 (fluorroketone), 하이드로플루오로에테르 (hydrofluoroether), 에폭시-노나플루오로부탄 (ethoxy-nonafluorobutane), 에틸 노나플루오로부틸 에테르 (ethyl nonafluorobutyl ether), 플루오로부탄 (fluorobutane), 풀루오로헥산 (fluorohexane), 및 2-트리플루오로메틸-3-에톡시도데코플루오로헥산 (2-trifluoromethyl-3-ethoxydodecofluorohexane) 을 포함한다.

몇 가지 실시형태들에서, 퍼플루오로카본들 (perfluorocarbons) 및/또는 하이드로플루오로에테르 (hydrofluoroethers) 의 혼합액 (blend) 이 이용되어 개선된 유체를 생성할 수도 있다. 퍼플루오로카본들은 플로우리너트 전자공학용 액체 FC-84 (FLOURINERT Electronic Liquid FC-84) 를 포함하고, 하이드로플루오로에테르들은 노벡 7200 공학용 유체 (NOVEC 7200 Engineering Fluid) 또는 노벡 7500 공학용 유체 (NOVEC 7500 Engineering Fluid) 를 포함한다 (이들은 모두 3M 에 의하여 제조되며 3M의 등록 표장이다). 적절한 혼합액들의 예들을 표 3에 나타낸다. 당업자들은 다른 혼합 조성물들도 동작 유체로서 적합할 수도 있다는 것을 이해하게 될 것이다.

[표 3]

적합한 퍼플루오로카본들 및/또는 하이드로플루오로에테르의 예시적인 혼합액

본 발명은 본 발명의 기술적 사상 및 본질적인 특징들에서 벗어나지 않으면서 다른 특정 형태들로 구현될 수도 있다. 그러므로, 전술되는 실시형태들은 모든 측면에서 예시적인 것으로 판단되어야지 본 발명을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 된다.

Claims (48)

1. 제 1 투명 기판 및 제 2 투명 기판을 포함하는 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법으로서,
   상기 제 2 투명 기판 상에 광 변조기들의 어레이의 적어도 일 부분을 제공하는 단계;
   상기 제 1 및 제 2 기판들에 연결되는 복수 개의 스페이서들을 제공하여 두 기판들 간에 갭을 확립하는 단계;
   상기 제 1 및 제 2 기판들의 둘레를 본딩하기 위한 접착성 에지 실 (adhesive edge seal) 을 제공하는 단계;
   제 1 온도에서 유체를 이용하여 상기 디스플레이 어셈블리를 충전하는 단계;
   상기 디스플레이 어셈블리를 상기 제 1 온도보다 실질적으로 낮은 제 2 온도까지 냉각하는 단계;
   상기 디스플레이 어셈블리를 압축함 (compressing) 으로써 상기 제 1 및 제 2 기판들을 적어도 부분적으로 함께 푸시 (push) 하는 단계; 및
   상기 유체를 상기 제 1 및 제 2 기판들 사이에서 실링하기 위하여 실 재료를 경화시키는 단계를 포함하는, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 압축하는 단계는 상기 제 2 온도에서 수행되는, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수 개의 스페이서들은 상기 두 기판들 사이에 적어도 제 1 갭을 유지시키는, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 접착성 에지 실은 상기 제 1 및 제 2 기판들의 에지들이 제 2 갭만큼 분리되도록 유지하는, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 접착성 에지 실은 적어도 하나의 에지 스페이서를 포함하는, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 디스플레이 어셈블리가 충전된 이후 및 상기 디스플레이 어셈블리가 실온으로 되돌아가기 이전에, 상기 실 재료를 상기 디스플레이 어셈블리의 에지를 따라서 배치된 충전 홀 (fill hole) 에 도포하는 단계를 더 포함하는, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 충전 홀은 상기 접착성 에지 실 내에 개구부 (opening) 를 포함하는, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 온도는 실질적으로 실온인, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 온도는 약 18 ℃ 내지 약 30 ℃ 인, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 온도는 약 0 ℃ 아래인, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 실 재료를 경화시키는 단계는 약 0 ℃ 아래의 온도에서 일어나는, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 온도는 약 -10 ℃ 내지 약 -25 ℃ 인, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체는 하이드로플루오로에테르 액체를 포함하는, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
14. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체는 적어도 하나의 퍼플루오로카본 및 적어도 하나의 하이드로플루오로에테르의 혼합액 (liquid blend) 을 포함하는, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
15. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 변조기들은 MEMS 광 변조기들인, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
16. 제 1 항에 있어서,
    충전 홀을 통하여 상기 디스플레이를 충전하는 단계는, 상기 유체가 상기 제 1 온도에서 상기 광 변조기들의 가동부들 (movable portions) 를 실질적으로 둘러싸도록 수행되는, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
17. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 투명 기판 상에 MEMS 광 변조기들의 적어도 하나의 추가 어레이를 제공하는 단계를 더 포함하는, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
18. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 투명 기판들 중 적어도 하나 상에 복수 개의 스페이서들을 제작하여 상기 두 기판들 간에 갭을 유지하는 단계를 더 포함하는, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
19. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 스페이서들은 상기 제 2 온도에서 상기 압축을 허용하는 탄성 성질을 갖는, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
20. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 스페이서들은 상기 두 기판들 간에 적어도 제 1 갭을 유지하며,
    상기 접착성 에지 실은 상기 제 1 및 제 2 기판들의 에지들이 제 2 갭만큼 분리되도록 유지하고,
    상기 제 2 갭의 높이는 상기 제 1 갭의 높이보다 더 높은, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 2 갭의 높이는 상기 제 1 갭의 높이보다 약 0.5 마이크론 내지 약 4 마이크론만큼 더 높은, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
22. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 2 갭의 높이는 약 8 마이크론 내지 약 14 마이크론인, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
23. 제 1 투명 기판 및 제 2 투명 기판을 포함하는 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법으로서,
    상기 제 2 투명 기판 상에 광 변조기들의 어레이의 적어도 일 부분을 제공하는 단계;
    상기 제 1 및 제 2 기판들에 연결되는 복수 개의 스페이서들을 제공하여 두 기판들 간에 갭을 확립하는 단계;
    상기 제 1 및 제 2 기판들의 둘레를 본딩하기 위한 접착성 에지 실을 제공하는 단계;
    상기 디스플레이 어셈블리를 압축함으로써 상기 제 1 및 제 2 기판들을 적어도 부분적으로 함께 푸시하는 단계로서, 상기 압축이 실질적으로 실온보다 낮은 온도에서 일어나는, 상기 함께 푸시하는 단계; 및
    유체를 상기 제 1 및 제 2 기판들 사이에서 실링하기 위해서 실 재료를 경화시키는 단계를 포함하는, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
24. 제 23 항에 있어서,
    상기 실온은 약 18 ℃ 내지 약 30 ℃ 인, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
25. 제 23 항에 있어서,
    상기 실질적으로 실온보다 낮은 온도는 약 0 ℃ 아래인, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
26. 제 23 항에 있어서,
    상기 실질적으로 실온보다 낮은 온도는 약 -10 ℃ 내지 약 -25 ℃ 인, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
27. 제 23 항에 있어서,
    상기 실 재료를 경화시키는 단계는 적어도 부분적으로 실온보다 실질적으로 낮은 온도에서 일어나는, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
28. 제 23 항에 있어서,
    상기 복수 개의 스페이서들은 상기 제 2 온도에서 상기 압축을 허용하는 탄성 성질을 갖는, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
29. 제 23 항에 있어서,
    상기 복수 개의 스페이서들은 상기 두 기판들 간에 적어도 제 1 갭을 유지하며,
    상기 접착성 에지 실은 상기 제 1 및 제 2 기판들의 에지들이 제 2 갭만큼 분리되도록 유지하고,
    상기 제 2 갭의 높이는 상기 제 1 갭의 높이보다 더 높은, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
30. 제 29 항에 있어서,
    상기 제 2 갭의 높이는 상기 제 1 갭의 높이보다 약 0.5 마이크론 내지 약 4 마이크론만큼 더 높은, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
31. 제 29 항에 있어서,
    상기 제 2 갭의 높이는 약 8 마이크론 내지 약 14 마이크론인, 디스플레이 어셈블리를 제조하는 방법.
32. 디스플레이 장치로서,
    제 1 기판;
    광 변조기들의 어레이의 적어도 일 부분을 포함하며 적어도 제 1 갭만큼 상기 제 1 기판으로부터 분리되는 제 2 기판;
    상기 제 1 및 제 2 기판들에 연결되어 상기 제 1 갭을 유지하는 복수 개의 스페이서들;
    상기 디스플레이 장치의 에지들이 적어도 제 2 갭만큼 분리되도록 유지하기 위한 접착성 에지 실로서, 상기 제 2 갭의 높이가 상기 제 1 갭의 높이보다 더 높은, 상기 접착성 에지 실;
    상기 제 1 갭 내에 포함되는 유체; 및
    상기 제 1 갭 내에 상기 유체를 실링하기 위한 경화된 실 재료를 포함하는, 디스플레이 장치.
33. 제 32 항에 있어서,
    충전 홀을 더 포함하며, 상기 충전 홀은 상기 접착성 에지 실 내에 개구부를 포함하는, 디스플레이 장치.
34. 제 32 항에 있어서,
    상기 유체는 하이드로플루오로에테르 액체를 포함하는, 디스플레이 장치.
35. 제 32 항에 있어서,
    상기 유체는 적어도 하나의 퍼플루오로카본 및 적어도 하나의 하이드로플루오로에테르의 혼합액을 포함하는, 디스플레이 장치.
36. 제 32 항에 있어서,
    상기 광 변조기들은 MEMS 광 변조기들인, 디스플레이 장치.
37. 제 36 항에 있어서,
    상기 MEMS 광 변조기들은 셔터 기반 (shutter-based) 광 변조기들을 포함하는, 디스플레이 장치.
38. 제 36 항에 있어서,
    상기 MEMS 광 변조기들은 전기습윤 (electrowetting) 광 변조기들을 포함하는, 디스플레이 장치.
39. 제 32 항에 있어서,
    상기 광 변조기들은 액정 변조기들을 포함하는, 디스플레이 장치.
40. 제 32 항에 있어서,
    상기 제 1 투명 기판은 광 변조기들의 어레이의 추가 부분을 포함하는, 디스플레이 장치.
41. 제 32 항에 있어서,
    상기 복수 개의 스페이서들은 상기 제 1 및 제 2 투명 기판들 중 하나 상에 제작되는, 디스플레이 장치.
42. 제 32 항에 있어서,
    상기 제 1 기판은 상부에 형성된 컬러 필터 어레이 또는 애퍼쳐 층 (aperture layer) 중 하나를 포함하는, 디스플레이 장치.
43. 제 32 항에 있어서,
    상기 제 2 갭의 높이는 상기 제 1 갭의 높이보다 약 0.5 마이크론 내지 4 마이크론만큼 더 높은, 디스플레이 장치.
44. 제 32 항에 있어서,
    상기 제 2 갭의 높이는 약 8 마이크론 내지 14 마이크론인, 디스플레이 장치.
45. 제 32 항에 있어서,
    상기 접착성 에지 실은 에폭시 실인, 디스플레이 장치.
46. 제 45 항에 있어서,
    상기 에폭시 실은 자외선 광원을 이용하여 경화될 수 있는, 디스플레이 장치.
47. 제 45 항에 있어서,
    상기 접착성 에지 실은 적어도 하나의 에지 스페이서를 포함하는, 디스플레이 장치.
48. 제 32 항에 있어서,
    상기 복수 개의 스페이서들은, 상기 스페이서들이 상기 제 1 갭을 유지하도록 허용하는 탄성 성질을 갖는, 디스플레이 장치.

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