KR20150023220A - 현탁 강유전성 입자들을 갖는 디스플레이 장치 - Google Patents

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KR20150023220A
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아키히로 모치즈키
로라 파이트
매디스-마리우스 바흐트레
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비지트레트 디스플레이즈 엘티디
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Abstract

새로운 유형의 전기영동 디스플레이 모드가 본 발명에서 개시된다. 전기영동 기술에 투명 매체의 도입으로, 다양한 활용 형태의 풀 모션 비디오, 풀 컬러 이미지가 가능한 전기영동 디스플레이 시스템이 구현된다. 강유전성 커플링 토크에 기초한 광학 스위칭 요소의 새로운 개념은 상쾌한 풀 모션 비디오와 비전력 기반의 정지 이미지 모두를 가능하게 한다. 이러한 디스플레이 구성은 또한 상당한 전력 절감으로 대형 광고판 디스플레이들을 효과적으로 적용하게 한다.

Description

현탁 강유전성 입자들을 갖는 디스플레이 장치{DISPLAY DEVICE WITH SUSPENDED FERROELECTRIC PARTICLES}
본 발명은 그 구동 토크가 강유전성 커플링 기반으로부터 유래되는 전기영동 디스플레이들 및 디스플레이들의 반사형 및 투명형 모두와 같은 이들의 특정 구조에 관한 것이다.
메모리 형태의 디스플레이 장치들은 치열한 연구와 전력 소모 및 태양광 주변 밝기 조건 하에서 신뢰성에서의 장점으로 인해 평판 디스플레이 산업의 개시로부터 제품에 대한 고려를 유도하고 있다. 일부 액정 디스플레이들은 이들의 메모리 기능을 구비하여 이러한 목적을 위해 사용되고 있다. 과거 몇 년 동안, 일부 유형들의 전기영동 디스플레이들이 특히 이른바 e-리더(reader) 디스플레이들로서 폭넓게 사용되고 있다.
반사형 디스플레이 기술에 기초하는 메모리 기능은 이미지와 같은 페이퍼와 같이 특히 문자 디스플레이들을 위한 디스플레이 장치들을 위해 적합하다. 디스플레이 이미지의 반사 특성은 또한 종이 자원들의 절감 측면에서 뿐만 아니라 전자 에너지 전력 절감의 관점에서 강하게 요구되는 종이 매체들을 대체하는 데 매우 적합하다. 종이 매체들을 대체하는 관점에서, 이른바 e-페이퍼 장치가 정지 이미지만의 디스플레이 기능을 가지는 것은 상당히 자연스럽다. 이들 전자 종이 형태들의 디스플레이 모듈들의 메모리 기능은 이들의 메모리 기능으로 인하여 이들의 전력 소모를 상당히 절감시킨다. 이러한 상당한 전력 절감 특성은 또한 종이 매체들의 대체와 잘 부합된다.
반면에, 페이퍼와 같은 전자 디스플레이 장치는 이른바 풀 컬러의 기능을 가질 것으로 강하게 기대된다. 전자 종이 디스플레이 스크린이 종이 매체들 내에 나타나는 풀 컬러 이미지를 나타내는 것은 상당히 자연스러운 요구 사항이다. 풀 컬러 특성은 대부분의 메모리 형태들 또는 전기영동 디스플레이 장치들의 도전 과제들의 하나이다. 원칙적으로, 디스플레이 장치 매체에 의한 메모리 기능은 풀 컬러 디스플레이 기능과 간단한 양립성을 나타내지 않는다. 대부분의 메모리 형태의 디스플레이 기술들은 디스플레이 매체 자체의 쌍안정성(bi-stability)에 기초한다. 이에 따라, 다중 스크린 휘도 레벨 디스플레이 기술과 메모리 상태 디스플레이 기술은 이들의 디스플레이 기능들의 원리에서 기본적인 차이를 가진다. 디스플레이 장치의 통상적인 메모리 기능은 자체적으로 이른바 쌍안정성 또는 두 안정한 상태들의 교대를 이용한다. 그러므로 메모리 기능과 다중 상태 안정 상태들에 기초하는 그레이 스케일(grey scale)을 재생하는 능력은 양립하기 어렵다. 다중 상태 안정성의 기본적인 문제와 관계없이, e-리더 상의 풀 컬러 이미지가 요구되는 것은 매우 자연스럽다. 최근의 기술들로 풀 컬러 기능을 얻기 위하여, 서브-픽셀 기술과 함께 마이크로 컬러 필터가 폭넓게 사용된다. 이러한 기술은 사람의 눈의 공간적 해상력 한계에 근거한다. 이러한 최근의 기술은 여전히 이미지에 적용되는 한은 쌍안정성 형태의 디스플레이 기술에 기초하는 이른바 e-리더 활용을 위해 이용되기에 충분하게 우수하다. 그러나, 백라이트 형태의 디스플레이 장치들과는 달리, 반사형 디스플레이의 컬러 인식 기능은 전체적으로 주변 광 휘도 및 주요 파장에 의존한다. 더욱이, 서브-픽셀의 사용은 최초의 이미지 해상도에 비하여 적어도 3분의 1까지 이미지 해상도를 감소시킨다. 그러므로 대부분의 반사형 디스플레이를 위하여, 충분히 우수한 휘도의 디스플레이로 합당한 컬러 순도를 얻는 것은 이의 고유한 특성들을 처리하는 전체적으로 새로운 개념을 필요로 한다.
더욱이, 전자 종이 응용에서도, 움직이는 화상이나 비디오 이미지 재생은 또한 e-리더로서 요구되는 기능의 측면에서 어느 정도는 자연적인 요구 사항이다. 전술한 요구 사항들 하에서, 전체적으로 새로운 형태들의 메모리 형태의 디스플레이의 장점들과 충분하고 우수한 균형을 유지하는 전력 절감형 디스플레이들이 시급한 기술로서 요구되고 있다.
현재의 이른바 e-리더 형태의 디스플레이 기술들은 또한 디지털 사이니지(digital signage) 형태의 큰 광고판 디스플레이들에 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 잘 알려진 바와 같이, 대부분의 광고한 형태의 대화면 디스플레이들은 자체 발광에 관계없이 특정한 조명을 필요로 하거나 및/또는 스크린의 반사 성질을 향상시키는 조명 시스템을 필요로 한다. 비록 추가적인 조명 시스템이 요구되지만, 반사형 디스플레이 시스템은 세계의 대부분의 장소들에서 맑은 한낮에 통상적인 충분히 밝은 조명 환경 하에서 이의 특별한 장점들을 유지한다. 물론, 밤 시간과 매우 어두운 환경에서는 거의 특정 조명 시스템이 요구된다. 이러한 조명 시스템이 요구되는 경우라도, 반사 기반 디스플레이의 유효 표면 반사는 보다 효과적인 광 반사를 제공하여, 큰 광고판 형태들의 디스플레이 시스템들을 위해 상당한 전력 절감 효과를 야기한다. 현재의 일반적인 에너지 절감 요구 상황 하에서, 이러한 우수한 반사성은 특정 조명 시스템들이 요구되는 디스플레이 시스템들을 위해서도 효과적이다.
본 출원의 발명자들은 이러한 유형의 기술의 일부 기본적인 측면들을 계류 중인 2011년 12월 27일에 출원된 미국 출원 번호 제13/337,551호에 설명하였다. 상기 출원의 개시 사항은 여기에 참조로 포함된다.
본 발명은 상술한 문제점들의 해결책들을 제공한다. 메모리 형태의 반사형 디스플레이의 고유한 기능을 바탕으로, 본 발명은 풀 컬러의 반사형 및 투과형 모드들, 풀 모션 비디오 이미지 디스플레이들 모두를 가능하게 한다. 전술한 바와 같이, 충분히 우수한 풀-컬러 능력과 충분히 우수한 모션 비디오 이미지 능력을 획득하기 위한 메모리 형태의 디스플레이 시스템들의 가장 난점들 중의 하나는 이들의 매우 느린 광학 반응 성질이다. 종래의 액정 표시(LCD) 시스템들과 유사하게, 느린 광학 반응은 특정한 디스플레이 이미지 잔상(artifact)을 제공한다. 현재 알려진 전기영동 디스플레이 시스템들은 심지어는 전형적인 LCD 시스템들의 경우보다도 느리다. 불행하게도, 이는 자연적으로 충분히 우수한 풀-컬러 기능과 충분히 우수한 모션 비디오 이미지 기능을 제공하는 전기영동 디스플레이를 위해서는 어려움을 가져온다.
본 발명의 하나의 중요성은 전기영동 내에 강유전성 커플링 토크(ferroelectric coupling torque)에 기초한 새로운 유형의 풀-컬러, 풀 모션 비디오 이미지 디스플레이의 도입이다. 본 발명자들의 이론적인 연구는 현재 알려진 전기영동 디스플레이 시스템들에 비하여 고유한 메모리 형태의 전기영동 디스플레이 시스템 내에서 100배 내지 1,000배 빠른 광학 반응을 구현하였다. 이러한 극히 빠른 광학 반응은 디스플레이 매체에 대해 외부에서 인가되는 전기장으로 강유전성 커플링 토크를 도입하여 구현되었다. 상기 강유전성 커플링 토크를 기초로 하여, 본 발명은 반사형 및 투과형 전기영동 기반의 디스플레이들 모두를 가능하게 하는 특정한 디스플레이 요소 구조들을 제공한다. 상기 새로운 구조는 입사광 컨트롤 요소, 입사광 컨트롤 요소의 유지 매체, 투명한 컬러 필터 요소, 반사 컬러 필터 요소, 그리고 구동 전자 요소를 포함한다.
본 발명은 주변 광 조건들에 따른 디스플레이들의 투과형 및 반사형 모드들 모두에서 극히 신속한 광학 반응의 이론적 및 실험적 구성 모두를 제공한다. 상기 새로운 디스플레이 구성으로 인하여, 극히 빠른 광학 반응뿐만 아니라, 조명과 풀-컬러 기능으로 풀 모션 비디오 이미지를 갖는 극히 빠른 실제로 전력을 절감하는 디스플레이 장치들이 구현된다.
도 1은 강유전성 커플링 토크의 모델을 나타낸다.
도 2는 전기영동 환경에서 강유전성 커플링 토크를 나타낸다.
도 3은 강유전성 커플링 토크의 래칭 행동을 나타낸다.
도 4는 탄성 중합체 환경에서 강유전성 커플링 토크를 나타낸다.
도 5는 비-뉴턴 유체 환경에서 강유전성 커플링 토크를 나타낸다.
도 6은 컬러 필터들을 이용하는 컬러 재현 방법을 나타낸다.
도 7은 다중 컬러 입자들을 이용한 컬러 재현 방법을 나타낸다.
도 8은 투명 전기영동 디스플레이 매체의 기본 구조를 나타낸다.
도 9는 컬러 이미지를 표시하는 투명 전기영동 디스플레이 매체의 기본 구조를 나타낸다.
도 10은 그레이 쉐이드들을 표시하는 투명 전기영동 디스플레이 매체의 기본 구조를 나타낸다.
도 11은 플레이트와 같은 형상의 강유전성 요소를 나타낸다.
도 12는 외부에서 인가되는 전기장에 의해 스위치되는 플레이트와 같은 형상의 강유전성 요소를 나타낸다.
도 13a는 일 측면이 백색의 광 산란층으로 커버되는 플레이트 같은 요소를 갖는 새로운 디스플레이 구성의 반사형 모드를 나타낸다.
도 13b는 양 측면들이 백색의 광 산란층으로 커버되는 플레이트 같은 요소를 갖는 새로운 디스플레이 구성의 반사형 모드를 나타낸다.
도 14a는 일 측면이 흑색의 광 흡수층으로 커버되는 플레이트 같은 요소를 갖는 새로운 디스플레이 구성의 투과형 모드를 나타낸다.
도 14b는 양 측면들이 흑색의 광 흡수층으로 커버되는 플레이트 같은 요소를 갖는 새로운 디스플레이 구성의 투과형 모드를 나타낸다.
도 15a는 일 측면이 백색의 광 산란층으로 커버되는 플레이트 같은 요소를 갖는 새로운 디스플레이 구성의 반투과형 모드를 나타낸다.
도 15b는 일 측면이 백색의 광 산란층으로 커버되고 타 측면이 흑색의 광 흡수층으로 커버되는 플레이트 같은 요소를 갖는 새로운 디스플레이 구성의 반투과형 모드를 나타낸다.
도 15c는 일 측면이 백색의 광 산란층으로 커버되고 타 측면이 흑색의 광 흡수층으로 커버되는 플레이트 같은 요소를 가지며, 투명 전극들 상의 추가 주요 컬러 혼합 컬러 필터들 및 반사 전극들 상의 감산 주요 컬러 혼합 컬러 필터들을 구비하는 새로운 디스플레이 구성의 반투과형 모드를 나타낸다.
도 16은 샘플들의 기본적인 디스플레이 성능을 위한 측정 설정을 나타낸다.
기술의 특정 활용 분야들의 분석
본 발명은 강유전성 커플링 토크된 전기영동 현상을 기초로 하였다. 구동 토크로서 상기 강유전성 커플링 토크를 활용하여, 반사형 및 투과형의 디스플레이들 모두가 구현된다.
(a) e-리더(reader)
이러한 범주의 활용은 블랙 및 화이트 형태의 LCD 모듈들의 사용부터 개시되는 상당히 긴 역사를 가진다. 최근 몇 년 동안에, 메모리 형태들의 전기영동 디스플레이들은 이러한 범주의 활용에 폭넓게 사용되고 있다. 이러한 활용에서 특정한 메모리 형태의 전기영동 디스플레이의 주된 이점은 백색광 산란뿐만 아니라 문자 부분에서 흑색광 흡수를 가지는 상대적으로 우수한 반사성인 이의 종이와 같은 외형이다. 상기 디스플레이 요소의 메모리 기능은 디스플레이 모듈의 전력 소모를 절감시킨다. 이러한 메모리 효과는 이러한 형태의 e-리더를 종이 계통의 책과 유사하게 만들 수 있다. 따라서 이러한 특정한 범주의 활용을 위한 가장 중요한 요구 사항은 디스플레이 요소의 안정한 메모리 효과 및 우수한 가독성을 위한 문자 부분들의 충분히 우수한 광흡수를 갖는 이미지 배경을 위한 충분히 우수한 광 산란이다. 이러한 유형의 기술은 M. D. McCreary의 "Advances in Microencapsulated Electrophoretic Ink for Flexible Electronic Paper Displays"(International Meeting of Information Display(IMID) pp.234 -235, (2005)), B. Comiskey 등의 "Electrophoretic Ink: A printable Display Material"(Society for Information Display(SID) Technical Digest pp.75, (1997)) 등과 같은 많은 공개된 문헌들에 개시되어 있다.
보다 신속한 이미지 기록 시간 또는 스크린 리프레시(refresh) 시간도 중요하지만, 이는 픽셀들의 숫자와 또한 디스플레이 매체의 메모리 기능 형태의 디스플레이 내의 구동 방법에 의해 결정된다. 일반적으로, 이러한 특정한 활용이 종이 계통 책들을 대체하는 한, 기록 시간은 이차적인 요구 사항이다. 기록 시간보다 중요한 요구 사항은 다중 컬러 및/또는 풀 컬러 재현이다.
미국 특허 제7,167,155호("Color electrophoretic displays"), 제7,791,789호("Multi-color electrophoretic displays and materials for making the same"), 그리고 제8,040,594호("Multi-color electrophoretic displays")에서 알려진 바와 같이 충분히 우수한 컬러 재현 기능을 구현하기 위한 수많은 개발 노력들에도 불구하고, 이러한 유형의 디스플레이의 컬러의 품질은 여전히 개발 중이다. 이는 우수한 컬러 순도와 충분히 우수한 컬러 휘도의 제공이 반사형 디스플레이들을 위해서는 용이하지 않기 때문이다. 특히, 감색(subtract color) 재현은 전적으로 주위 입사광의 컬러 순도와 스크린 휘도에 따라 달라진다. 반면에, 백라이트 기반의 LCD들은 백라이트 유닛 시스템에 부합되는 마이크로 컬러 필터와 컬러 필터 스펙트럼들 사이의 조합으로 이들의 충분히 우수한 컬러 재현을 구현하였다. 비록 백라이트 전력 소모뿐만 아니라 스크린 이미지 구동의 리프레시에 상당한 양의 전력이 소모되지만, 주변 광 조건들에 관계없이 컬러 재현성이 상당히 우수하다. 현재의 유용한 전기영동 디스플레이 기술들은 여전히 이들의 전력 소모 측면에서 상당한 장점을 가지고 있으나, 컬러 이미지 품질은 감색 반사(subtract reflection) 기반의 컬러 재현으로 인하여 이들의 LCD 이미지들에 비해 매우 열악하다. 특히 마이크로 필터를 이용하는 잘 알려진 기술에 의한 컬러 재현도 상당한 광 투과량을 감소시켜, 스크린 휘도를 어둡게 하는 결과를 가져온다. 주변광을 광원으로 사용하는 반사형 디스플레이들을 위하여, 컬러 필터들에 의한 이러한 광 흡수는 열악한 스크린 휘도의 측면에서 상당한 단점을 야기한다. 컬러 필터의 사용에 의한 스크린 휘도 감소를 방지하기 위하여, 일부 실험들은 다중 컬러를 재현하도록 입사광의 선택적 반사를 이용한다. 국제 출원 공개 제WO 2008/1107989호에는 콜레스테릭(cholesteric) 액정들의 선택적 반사를 이용하는 3개의 층들이 적층되는 다중 컬러 시스템이 개시되어 있다. 이러한 방법은 마이크로 컬러 필터 서브-픽셀들에 의한 이미지 해상도를 희생하지 않고, 상대적으로 큰 광 투과량을 제공한다. 그러나, 이러한 방법은 콜레스테릭 액정 물질들의 선택적 광 반사 특성으로 인하여 컬러 순도에서 상당한 한계를 가진다. 이론적으로는, 콜레스테릭 액정들의 나선(helix)에 의한 선택적 반사가 넓은 스펙트럼 분포를 가지므로, 수득되는 선택적 광 반사가 넓은 범위의 파장을 포함하여, 어느 정도 선명하지 않은 컬러를 초래한다. 이에 따라, 진정한 의미에서 종이 계통의 책의 대체의 구현은 현재의 전기영동 디스플레이의 전력 절감 이점과 현재의 백라이트 기반의 컬러 LCD의 우수한 컬러 순도 사이에 어느 정도 특정한 균형을 요구한다.
비록 e-리더로서는 이차적인 요구 사항이지만, 모션 비디오(motion video) 이미지 능력은 콘텐츠 활용 개발의 측면에서 이러한 범주의 활용을 보다 폭넓게 하고 생산적으로 만들 수 있다. 상기 메모리 기반의 전기영동 디스플레이에서 모션 비디오 이미지 능력의 가장 큰 도전 과제는 메모리 기반의 전기영동 디스플레이의 가장 큰 장점과 모순되는 점이다. 따라서, 전기영동 디스플레이는 이의 디스플레이 매체 메모리 효과로 인하여 흑색/백색 기반의 e-리더로 사용되어 왔다. 이러한 메모리 기능은 현재의 종이 계통의 책들과 같이 정지된 이미지를 나타내기에 매우 효과적이다. 반면, 모션 비디오 이미지를 재생하는 것은 시간 기반의 이미지 재기록(rewriting)을 요구하며, 이는 일정한 수준의 전력 소모를 요구한다. 더욱이, 계속적인 이미지 리프레시 요구로 인하여 디스플레이 매질체 메모리 효과는 오히려 회피 가능한 문제이다. 이에 따라, 모션 비디오 이미지 재생을 위해서 일반적으로 메모리 기능은 선호되지 않는다. 실용적이며 전력을 절감하는 모션 비디오 이미지 다중 컬러 및/또는 풀 컬러 디스플레이들을 구현하기 위하여, 전력 소모와 디스플레이 이미지 성능 사이의 균형이 가장 필수적이다.
(b) 산업용 디스플레이들
이러한 범주의 활용은 실제로 디스플레이 모듈 유형들뿐만 아니라 이들의 크기와 사용 환경의 넓은 다양성을 가진다. 전통적인 기계 미터 유형들, 상대적으로 새로운 투명형 디스플레이 유닛으로부터 팝(pop) 형태의 광고 디스플레이 유닛들을 포함하는 폭넓은 다양한 활용들이 있다. 하나는 표시기 형태의 활용이다. 다른 활용은 Mike DeMario 등의 "Large LCD Displays for Collaboration and Situational Awareness in Military Environment"(ADEAC Technical digest pp.75-77. (2006)) 및 Ian Miller의 "VESA Monitor Command and Control Set(MCCS) Standard"(ADEAC Technical Digest pp. 90-93, (2006))에 기배된 바와 같은 상대적으로 큰 크기의 스크린을 사용하는 커맨드 컨트롤(command control) 디스플레이들이다. 이러한 유형의 활용은 측정 장비의 컨트롤 패널, 다양한 측정 시스템들을 위한 표시기 디스플레이, 자판기(vending machine) 디스플레이 등에 사용된다. 특히, 배터리 구동형 측정 기계는 극히 낮은 전력 소모 형태의 디스플레이 모듈로부터 커다란 장점을 가진다. 이러한 특정한 유형의 활용은 통상적으로 글자와 숫자 및/또는 간단한 애니메이션과 같이 상대적으로 간단한 디스플레이 콘텐츠들을 요구한다. 보다 구체적인 예들은 제품 가격 디스플레이 및/또는 주로 잡화점 또는 소매 가게에서 이용되는 선반(shelf) 디스플레이로 불리는 단순한 설명 목적의 디스플레이이다. 가격, 상품명 및/또는 매우 간단한 상품 설명과 같이 상대적으로 단순한 내용의 디스플레이가 주된 콘텐츠들이다. 이러한 범주의 활용을 위해 가장 요구되는 성능은 충분히 우수한 가독성과 극히 작은 전력 소모이다. 다른 활용은 자동차 판매의 사양과 같은 종이 브로셔(brochure)를 대체하는 목적의 상품 사양 설명이다. 이러한 유형의 활용은 이미지의 매우 높은 해상도뿐만 아니라 최소의 전력 소모로 많은 정보 내용을 요구한다. 이러한 유형의 디스플레이 장치의 특질에 있어서, 모듈 설계는 특정한 장치 및/또는 경우에 적합하도록 고도로 고객 맞춤화되고 전용으로 된다.
특정 범주에도 불구하고, 이러한 유형의 디스플레이 유닛은 디스플레이 내용이 스크린 내에 나타나는 동안, 거의 0의 전력을 요구한다. 반면에, 이러한 유형의 디스플레이는 빈번한 리프레시를 요구하지 않으며, 이는 정지된 이미지가 가장 중요한 요구 사항인 점을 의미한다. 일부 활용들은 다중 컬러 또는 심지어는 풀 컬러를 요구할 수 있지만, 일반적으로 애니메이션 기능을 요구하지는 않는다.
또한, 이들 범주들의 제품들은 특히 사양 디스플레이(specification display)를 위해 때때로 극히 높은 해상도, 높은 이미지 콘텐츠를 요구한다. 상대적으로 낮은 해상도 또는 작은 이미지 콘텐츠 디스플레이를 위하여, 직접 구동 또는 작은 수의 복합 구동(multiplexing drive)이 매우 경제적이다. 높은 해상도 또는 높은 이미지 콘텐츠 디스플레이 유닛을 위하여, 액티브 구동 백플레인(active drive backplane)이 적합하다. 그러나, 액티브 매트릭스 구동 백플레인은, Alex Ching-Wei Lin 등의 "LTPS circuit integration for system-on-glass LCDs"(Journal of SID 14/4, pp. 353-362, (2006))와 같은 이미지 신호 재생성(re-creation)이 요구되지 않지만, 픽셀의 각 트랜지스터에서 하나의 프레임 이미지 신호를 저장하는 특정한 정지 메모리 형태의 트랜지스터 내장형 백플레인을 제외하면, 모션 비디오 이미지 또는 정지 이미지만을 나타냄에도 불구하고, 모션 비디오 이미지 또는 상시 리프레시 형태의 전제 하에서 사용된다. 비록 이러한 정지 RAM 형태의 백플레인이 전력 절감 기능을 가지지만, 일반적으로 리프레시 형태의 구동 트레인들(drive trains)은 통상적으로 정지 이미지 또는 모션 비디오 이미지 재생에도 관계없이 상대적으로 작은 양의 전력을 요구하지 않는다. 요구되는 정보 내용이 매우 많고, 리프레시의 필요가 없을 경우, 트랜지스터의 메모리 효과가 아니라, 디스플레이 매체의 메모리 효과를 이용할 수 있다. 이러한 유형의 디스플레이 매체의 메모리 기능은 이론적으로는 제한이 없는 숫자의 스트로브 라인들(strove lines)을 야기한다.
(c) 대화면 디스플레이들
이러한 범주의 디스플레이 모듈은 대체로 큰 광고판 형태의 디스플레이에 사용된다. 실내용 및 실외용 형태들 모두가 대화면 디스플레이에 이용된다. 이러한 특정한 활용을 위한 메모리 형태의 전기영동 디스플레이들의 주목할 만한 이점들의 하나는 정지 이미지를 표시하는 동안의 낮은 전력 소모이다. 리프레시 형태의 디스플레이 유닛과는 달리, 디스플레이 이미지가 정지 이미지인한 메모리 형태의 전기영동 디스플레이는 그 자체로 0의 전력 소모를 가진다. 광고판 형태의 디스플레이의 대부분의 통상적인 활용은 대형 디스플레이 스크린 크기를 가지며, 일반적으로 디스플레이 전력 소모는 스크린 면적(스크린 크기)에 비례한다. 이에 따라, 메모리계 전기영동 대형 디스플레이는 리프레시 형태의 디스플레이 유닛에 비하여 상대적으로 낮은 전력 소모의 이점을 제공한다. 더욱이, 메모리 형태의 전기영동 디스플레이는 반사형 디스플레이로서 이의 사용 모델에 기초하여, 주변 휘도가 충분히 우수한 경우에 반사형 디스플레이조차도 조명광 전력을 절감할 수 있다. 대체로, 이러한 조명 전력은 매우 크므로, 조명광의 전력 절감은 상당히 중요하다. 어두운 주변 휘도 조건에서, 자체 발광(self-emission) 형태의 디스플레이 유닛과는 달리, 전기영동 디스플레이 유닛은 특정 조명광 시스템을 요구한다. 심지어 이러한 전기영동 디스플레이 유닛이 조명 시스템을 요구하지만, 보다 효과적인 반사가 구현되는 한, 이의 낮은 전력 소모의 이점은 여전히 고려될 수 있다. 컬러 순도, 컬러의 숫자 등과 같은 다른 요구되는 디스플레이 성능을 유지하면서 충분히 높은 반사도를 구현하기 위하여, 완전히 새로운 기술이 매우 요구된다.
메모리 형태의 반사형 전기영동 디스플레이는 이러한 유형들의 대형 광고판 디스플레이 활용에 잘 부합될 가능성이 있다. 현재의 알려진 전기영동 디스플레이 기술들이 극복해야 할 문제점은 다음과 같다.
각 활용의 기술적 요구 사항들
(a) e-리더
이러한 범주의 기술적인 부족 사항들은 컬러 재현과 모션 비디오 이미지 능력 모두이다. 상술한 바와 같이, 원칙적으로 전력 절감을 위해 우수한 메모리 효과와 비디오 속도(video rate)의 리프레시를 요구하는 모션 비디오 이미지 능력은 서로 모순적이다. 대부분의 화소화된 매트릭스 형태의 디스플레이들은 정지 이미지 또는 모션 비디오 이미지에 무관하게 충분히 우수한 이미지 품질을 유지하기 위하여 어느 면에서는 메모리 효과를 요구한다. 예를 들면, TFT(박막 트랜지스터) 구동 백플레인은 프레임에 대한 프레임 사이의 시간 간격 동안에 이미지 열화를 방지하기 위하여 전하 메모리 효과의 적어도 단일 프레임 스캔 시간(single frame scan time)을 사용한다. TFT 백플레인 측의 메모리 효과로 인하여, 디스플레이 매체는 물질로서 메모리 효과를 가질 필요는 없다. 디스플레이 매체에 메모리 효과를 유지시키는 대신, 다음 프레임의 전하 여기가 준비될 때까지 상기 디스플레이 매체의 이미지 상태를 유지시키도록 TFT 백플레인이 충분한 전하를 유지한다. 반면에, TFT 백플레인이 없고 디스플레이 매체에서 메모리 효과가 없을 경우, 충분히 우수한 이미지 품질을 유지하고, 디스플레이 스크린 상에 이미지를 유지하기 위하여, 매우 신속한 리프레시 또는 스크롤링(scrolling)이 요구된다. 패시브 매트릭스(passive matrix) 백플레인과 결합되는 이른바 복합 구동(multiplexing driving) 방법이 이러한 경우이다. 상기 복합 구동 경우에 있어서, 실제로 디스플레이 매체의 일부 특정한 느린 광학 반응이 충분히 우수한 이미지 품질을 유지하는데 유리하다. 수십 ㎑와 같이 극히 빠른 펄스 레이트(pulse rate)가 이러한 유형의 구동에 통상적으로 적용되기 때문에, 디스플레이 매체가 서브-밀리초의 광학 반응을 가질 경우, 수 ㎑의 여기 전압 펄스가 가해질 때마다 상기 디스플레이는 작지만 딱딱한 깜빡임(flickering)을 나타낸다. 이에 따라, 이러한 유형의 구동은 깜빡이는 이미지 잔상(image artifact)을 방지하기 위해서 보다 느린 반응을 위한 광학 매체에 오히려 적합하다.
이러한 모순점을 해결하기 위하여, 본 발명자들의 집중된 연구는 이들 기술적 문제들을 해결하는 다음과 같은 결과를 달성하였다. 보다 높은 품질의 컬러 재현과 최소한 또는 허용 가능한 수준의 이미지 고정 전력의 희생과 함께 모션 비디오 이미지 능력 모두를 얻기 위하여 다음과 같은 점들이 중요하다.
(1) 전기영동 기반의 메모리 형태의 디스플레이에서 극히 빠른 전기-광학 반응.
(2) 극히 빠른 광학 반응에 관계없이, 상기 디스플레이 매체는 어떠한 전력 없이도 이미지를 유지할 수 있는 메모리 효과를 가져야 한다.
(3) 이의 메모리 능력에 관계없이, 적절한 전기적 신호가 인가된다면, 표시된 이미지는 상기 새롭게 인가된 전기적 신호에 의해서 그 내용을 변화시켜야 한다.
(4) 현재의 구현된 평판 패널 디스플레이 기술과 양립성이 우수해야 한다.
상술한 네 가지 요점들이 이러한 범주의 장치들에 어떻게 효과적인지에 대한 이유가 다음에 기술된다.
(b) 산업용 디스플레이들
이러한 범주의 장치들의 가장 중요한 기술적 문제는 e-리더 분야의 요구 사항들과 공유된다. 특정한 활용 분야에 따라, 일부 활용은 e-리더에 비하여 보다 넓은 작동 온도 범위를 요구한다. 일부 활용은 e-리더에 비하여 보다 큰 콘트라스트비(contrast ratio)를 요구하며, 일부 활용은 보다 강한 기계적인 내구성을 요구한다. 주로, 이러한 범주의 특정한 기술적 문제점은 동작 환경 문제를 포함하는 신뢰성 문제들과 관련된다.
예들 중의 하나는 자동차 가스 스탠드(gas stand)를 위한 가스 펌프 미터 디스플레이이다. 기후 환경에 따라, 이는 상대적으로 넓은 허용 범위를 요구하지만, 일반적으로 이러한 특정한 활용은 -30℃ 내지 +75℃의 작동 온도 범위뿐만 아니라 -40℃ 내지 +90℃ 사이의 저장 온도 범위를 요구한다. 일부 액정 디스플레이(LCD)들은 적어도 온도에서는 이들 요구 사항들을 만족하지만, 여전히 현재 상업적으로 입수할 수 있는 디스플레이 모듈은 이러한 넓은 온도 범위와 함께 충분히 우수한 콘트라스트비와 스크린 휘도를 만족시키기는 어렵다. 더욱이, 기계적 내구성을 만족시키기는 매우 어렵다. 그러므로, 일반적으로, 이러한 범주의 디스플레이 모듈은 디스플레이 이미지 품질을 희생시키지 않고 극히 넓은 온도 범위를 개선할 필요가 있다. 더욱이, 기계적 내구성은 이러한 범주의 디스플레이 활용에 대한 모든 디스플레이 모듈에 대해서 가장 어려운 과제이다.
반면, 이러한 범주의 대부분의 디스플레이 모듈은 상기 e-리더 활용에서 요구되는 높은 컬러 품질을 요구하지 않으며, 더욱이 모션 비디오 이미지를 요구하지 않는다. 따라서, 이러한 범주의 디스플레이 유닛의 기술적 문제점들은 넓은 온도 범위에서 충분히 우수한 콘트라스트비와 스크린 휘도를 유지하는 것이다. 이와 같은 범주의 활용은 하나의 보다 중요한 요구 사항을 가진다. 이는 태양광 노출에 대한 내구성이다. 이들 범주의 많은 디스플레이 모듈은 야외 활용들에 사용된다. 이에 따라, 자외선(UV) 노출의 내구성이 또한 매우 중요한 요구 사항이다. 요약하면, 다음의 기술적 요구 사항들이 중요하다.
(1) 모두 충분히 넓은 작동 및 저장 온도 범위들.
(2) 상기 충분히 넓은 온도 범위에서 충분히 우수한 콘트라스트비 및 스크린 휘도의 유지.
(3) 태양광 노출의 내구성.
(4) 대형 스크린 디스플레이들.
(c) 대화면 디스플레이들
이러한 범주의 가장 최근의 활용은 이른바 e-사이니지(signage)이다. 전통적으로, 이러한 범주의 활용은 광고판 형태의 디스플레이 스크린으로 잘 알려져 왔다. 야외 야구장 형태의 스코어 보드(score board) 디스플레이부터 실내 안내판(announcement board) 디스플레이를 포함하는 대화면 디스플레이는 환경을 이용하고, 스크린 크기가 넓게 분포된다. 이와 같은 범주의 디스플레이 유닛의 기술적 과제는 스크린 크기와 사용 환경 모두의 측면에서 의논되어야 한다.
실내 형태에 관하여, 현재의 인기 있는 활용은 공항, 기차역, 쇼핑몰 복도 등과 같은 공공 서비스 영역에서의 e-사이니지이다. 이들 사용 환경들은 일반적으로 주변 휘도가 충분히 밝고, 이에 따라 대부분의 메모리 디스플레이 장치에 대하여 사용하기 좋은 환경이다. 이들 사용 환경들이 대부분 매우 안정적인 주변 휘도 조건을 유지하기 때문에, 전기영동 디스플레이와 같은 반사형 메모리 디스플레이들이 이의 전력 절감뿐만 아니라 감색 혼합에 기초한 일정한 컬러 품질의 측면에서 매우 효과적일 수 있다. 안정적이며 일정한 주변 휘도 환경은 반사형 디스플레이를 효과적인 방식으로 만든다. 더욱이, 이와 같은 주변 휘도 환경은 반사형 디스플레이 모듈에 대해 입사되는 광의 각도가 매우 정확히 예측 가능하다. 이는 상기 디스플레이 유닛의 반사 효율을 최대화할 뿐만 아니라 컬러 품질을 일정하게 만든다. 반면에, 백라이트 LCD 모듈을 포함하는 대부분의 자체 발광 형태의 e-사이니지 디스플레이 모듈은 이와 같은 높은 주변 휘도 조건에서 최초의 스크린 이미지 품질을 열화시킨다. 더욱이, 주변 조명 스펙트럼 조건에 따라, 컬러 순도도 작은 영향을 받지는 않는다. 그러므로, 이러한 특정한 실내 활용은 대부분의 메모리 형태의 반사 디스플레이 모듈에 적합하다. 반면에, 대부분의 자체 발광 형태의 디스플레이 모듈은 풀-컬러 능력을 포함하는 모션 비디오 이미지 재생에 적합하다. 메모리 형태의 디스플레이들, 특히 메모리 형태의 전기영동 디스플레이는 이의 메모리 기반의 특성으로 인하여 모션 비디오 이미지와 풀-컬러 이미지 재현을 모두 달성하기는 매우 어렵다.
전술한 논의는 자체 발광 형태의 디스플레이와 메모리 형태의 반사 디스플레이 모두의 장점과 단점을 모두 명확하게 하였다. 표 1은 이들의 요약이다. 표 1에 명확하게 기재된 바와 같이, 자체 발광 형태의 디스플레이 유닛은 모션 비디오 이미지 재현 능력이 매우 우수하지만, 이미지 품질은 주변 조명 스펙트럼들 및 휘도에 매우 의존하며, 지속적으로 큰 전력을 소모한다. 반면에, 메모리 기반의 반사형 디스플레이 유닛들은 컬러 이미지 조절성 및 정지 이미지 전력 소모에 대해서 매우 우수하다. 그러나, 상기 메모리 기반의 반사형 디스플레이 유닛의 가장 큰 기술적 과제는 열악한 모션 비디오 능력 또는 모션 비디오 능력이 없는 것이다.
E-사이니지 활용의 실내 사용을 위한 자체 발광 형태 및 메모리 기반의 반사형 디스플레이의 일반적 비교
실내 E-사이니지 자체 발광 디스플레이 메모리 기반의 반사형 디스플레이(현재 기술들)
정지 이미지 유지 전력 소모 스크린 크기에 비례 스크린 크기에 무관하게 0
모션 비디오 이미지 전력 소모 스크린 크기에 비례 스크린 크기에 비례
컬러 이미지 품질 주변 조명 스펙트럼에 의존 일관되게 우수
이미지 품질에 대한 주변 조명의 영향 조절이 어려움 조절 가능함
풀-컬러 재현 우수 열악 내지 사용 불가능
모션 비디오 이미지 품질 우수 열악 내지 사용 불가능
상술한 비교로부터, 실내 활용의 메모리 기반의 반사형 디스플레이를 위해서는 다음과 같은 점들이 중요하다.
(1) 모션 비디오 이미지가 자체 발광 형태의 디스플레이와 경쟁할 수 있어야 한다.
(2) 풀-컬러 재현이 가능해야 한다.
주어진 기술적 과제들을 극복하기 위한 일반적 접근
상술한 바와 같이, 메모리 형태의 반사형 디스플레이는 상술한 세 종류의 범주들의 활용에 대해서 고유한인 장점들을 가진다. 여러 메모리 형태의 반사 디스플레이들이 이미 알려져 있으며 실제 디스플레이 장치들로서 사용되고 있다. 예를 들면, (a) e-리더 활용: 전자책들(eBooks), (b) 산업용 디스플레이들: 잡화점의 선반 가격 태그들(tags), (c) 대화면 디스플레이들: 야구장 스코어 보드가 인기 있는 예들이다. 각각의 실제 사용되는 형태의 디스플레이 유닛은 그 자신의 장점을 가진다. 반면에, 각각의 활용은 여전히 각 범주의 디스플레이의 보다 폭넓고 효과적인 사용을 위하여 상술한 바와 같이 특정한 디스플레이 능력을 요구한다.
본 발명의 발명자들은 각 범주의 기술적 과제를 해결하기 위하여, 가장 고유한 기술적 배경 또는 기본적인 요구 사항에 집중하였다. 이와 같은 특정한 고려 사항에 있어서, 본 발명자들은 다음과 같은 기본적인 메커니즘 연구를 진행하였다. 다음은 본 발명에서의 기본적인 접근에 대한 설명이다.
먼저, 각 범주의 기술적 과제들이 완전히 분류된다. 이후의 전체 요구 사항들은 다음과 같다.
(1) 모션 비디오 이미지 재생을 만족시키기 위하여 광학 반응 시간이 극히 신속해야 한다.
(2) 정지 이미지 유지를 위하여 메모리 효과를 유지.
(3) 현재의 사용 가능한 플랫폼으로 극히 신속한 광학 반응이 실현되어야 한다.
(4) 풀-컬러 재현 능력.
(5) 충분히 넓은 온도 범위.
(6) 실외 디스플레이 유닛으로서의 내구성.
모션 비디오 이미지 재생 능력에 대하여, 이는 디스플레이 매체들만의 문제가 아니고, 구동 방식뿐만 아니라 구동 백플레인 능력이 고려되어야 한다. 물론, 구동 방식을 고려하지 않더라도, 상기 디스플레이 매체는 충분히 신속한 전기-광학 스위칭(electro-optical switching) 능력이 절대적으로 요구된다. 동시에, 구동 트레인 매칭(matching) 능력도 실용적인 모션 비디오 이미지 능력을 얻는다는 측면에서 중요한 요구 사항이다. 다양한 활용 능력을 확장하기 위하여, TFT 백플레인 구동과 같은 액티브 매트릭스 백플레인 구동과 복합 구동 방식을 갖는 패시브 매트릭스 구동이 모두 고려된다. 극히 신속한 광학 반응으로서, 풀 컬러 재현이 메모리 기반의 반사형 디스플레이 시스템에 대해 가능하게 된다. 비록, 이러한 점이 반사형 디스플레이의 경우에 한정되는 것은 아니지만, 이러한 기본 개념은 50년 이상 필드 시퀀셜 컬러(field sequential color) 방법으로 잘 알려져 왔다. 대부분의 픽셀화된 디스플레이들은 공간적으로 분해된 서브-컬러 시스템(sub-color system)을 사용한다. 예를 들면, 백라이트화 컬러 LCD는 서브-픽셀 구조를 가지며, 각 서브 픽셀들은 청색, 적색 및 녹색 컬러 필터와 같은 일차 컬러들의 컬러 필터를 가진다. 인간 시력의 제한된 공간 해상도를 이용하여, 각각의 매우 작은 일차 컬러 서브-픽셀들은 인간의 시력에 풀-컬러 이미지를 합성한다. 필드 시퀀셜 컬러 시스템은 공간적 해상도 대신에 시간 해상도(time resolution)를 이용한다. 인간 시력의 제한된 시간 해상도를 이용하여, 하나의 픽셀이 청색, 적색 및 녹색을 각기 인간의 시간 해상도보다 극히 빠른 시간 프레임으로 재생할 경우, 단일 픽셀은 인간의 뇌 속에서 풀-컬러 이미지를 합성한다. 이에 따라, 메모리 기반의 반사형 디스플레이 시스템이 인간 시력의 시간 해상도보다 충분히 빠른 전기-광학 반응 능력을 가질 경우, 상기 디스플레이는 풀-컬러 이미지를 인간의 뇌 속에 제공한다. 동시에, 상기 디스플레이 이미지가 정지 이미지이고, 일정한 시간 동안 재기록할 필요가 없을 경우, 상기 디스플레이 매체는 매체 자체 내에 메모리 능력을 가져야 한다. 모션 비디오 이미지 재생과 정지 이미지 재생 모두 뿐만 아니라 정지 이미지를 유지하는 메모리 기능은 디스플레이 장치를 현실적으로 적용하기 위하여 최근의 기술에 동작하게 적용되어야 한다. 또한, 넓은 온도 범위 요구와 태양광 노출의 내구성도, 비록 이와 같은 기술적 문제들을 회피하기 위해서 일부 추가적인 방법들도 고려될 수 있지만, 이들은 모두 기본적인 물질들의 선택의 문제이어야 한다.
상술한 전반적인 고려 사항을 바탕으로, 각각의 원칙적인 기술적인 요구 사항이 연구되었다. 어떻게 각각의 기술적 요구 사항들이 극복되었는지는 다음과 같다.
(a) 필드 시퀀셜 컬러 요구를 만족시키는 극히 신속한 전자-광학 반응
이는 적어도 1ms 또는 그보다 짧은 광학 반응 시간을 요구한다.
이러한 수준의 전자-광학 반응은 이론적으로 외부적으로 인가된 전기장과 함께 유전성 커플링 및/또는 외부적으로 인가된 전기장과 함께 강유전성 커플링에 의해 이론적으로만 가능하다.
(b) 효율적인 메모리 효과 유지
효율적인 메모리 효과를 유지하기 위하여, 여러 가지 방식들이 존재한다. 이들 중에서 하나는 자기 요소(magnetic element)를 사용하는 것이고, 하나는 시스(cis)-트랜스(trans) 분자 구조 배열과 같이 스위칭 가능한 분자 구조 구성 변화들을 이용하는 것이며, 하나는 스위칭 가능한 분자 또는 결정 구조 변화이고, 하나는 강유전 현상이다.
(c) 신뢰성 요구 사항
현재에 시판되는 기술들 중에서 입증된 신뢰성 있는 물질들이 있다. 일부는 물질들의 고유한 신뢰성이며, 일부는 자외선 차단 필터들을 사용하는 것과 같은 장치 모듈의 전체적인 성능이다.
또한, 반사형 디스플레이 본질로 인하여, 상당한 광 반사 때문에 디스플레이 스크린의 전면에 자외선 차단 필터를 사용하는 것은 쉽지 않다. 더욱이, 디스플레이 성능 변화가 최소화하도록 상당히 넓은 온도 범위가 처리되어야 한다.
현재의 요구 사항들 및 현재의 디스플레이 성능의 전술한 분석은 다음과 같은 디스플레이 구성의 새로운 개념들을 구현하였다.
(1) 디스플레이 이미지를 위해 주위 광의 사용을 최대화하는 전기영동 기반의 디스플레이 기술.
(2) 주변 또는 조명 광 효율의 이용을 최대화하는 투명한 광학 스위칭 매체.
(3) 활용 및/또는 디스플레이 활용에 따른 반사형 디스플레이 및 투과형 디스플레이 구성 모두의 구현.
현재의 기술적 문제들을 극복하기 위한 이론적인 요구 사항들
강유전성 커플링 토크의 간단한 모델은 도 1에 예시한 바와 같은 플립-플롭(flip-flop)과 같이 작용한다. 상기 강유전체 요소의 자발 분극은 외부의 전기장의 응용에 의해 간단히 그 방향을 전환한다. 상기 자발 분극의 방향에 대하여 180도 다른 외부의 전기장이 상기 요소에 인가될 때, 상기 요소는 상기 자발 분극이 상기 외부의 전기장 방향에 대해 평행하게 될 때까지 회전한다. 그러므로, 이러한 간단한 강유전체 요소 모델은 상방 및 하방의 자발 분극 방향들 사이의 단지 쌍안정한(bi-stable) 구성이다. 상기 간단한 강유전체 스위칭 모델에 있어서, 자발 분극이 스위치되면, 상기 강유전성 물질들의 특성들로 인하여, 상기 자발 분극 방향은 상기 외부에서 인가된 전기장이 제거된 후에도 그 자체로 보전된다.
도 1에 도시한 간단한 강유전성 스위칭 모델과는 달리, 대부분의 전기영동 환경들에서, 상기 자발 분극 스위칭은 도 2에 도시한 바와 같이 스위칭 요소(switching element)의 유지 매체(sustaining medium)로부터 일부 저항력을 가진다. 이러한 저항력은 상기 유지 매체의 탄성적이거나 유동적인 성질들로부터 유래된다. 상기 스위칭 요소가 외부로부터 인가되는 전기장으로부터 생성된 강유전성 커플링 토크를 받을 때, 상기 요소는 이의 스위칭을 시작한다. 상기 스위칭 요소가 그 스위칭을 시작하자마자, 상기 둘러싸는 유지 매체 탄성 물질의 유동의 성질에 의해 저항력을 제공한다. 이러한 저항력은 실질적으로 스위칭 컨트롤 매체로 작용한다. 또한, 통상적은 강유전성 커플링 토크는 도 3에 예시한 바와 같이 래칭 기반(latching base)으로 작용한다. 상기 강유전성 커플링 토크가 래칭 시간보다 길게 작용을 계속할 경우(도 3에서), 상기 강유전성 요소는 도 3에 예시한 바와 같이 어떠한 유지 매체 환경 없이 이의 회전을 완료한다. 상기 강유전성 커플링 토크가 상기 래칭 시간 보다 길게 계속되지 않을 경우, 그러면 상기 강유전체 요소는 이의 회전을 완료하지 못하며, 도 3에 예시한 바와 같이 외부에서 인가된 전기장이 제거된 후에 회전이 없는 결과로 된다.
유지 매체를 갖는 전기영동 환경에 있어서, 강유전체 스위칭 요소 행동은 도 3에 예시한 바와 같이 어떠한 유지 매체가 없는 구성에 비하여 약간 상이하다. 유동적 형상으로 인하여, 상기 강유전체 요소는 상기 유지 매체로부터 저항력을 가진다. 실제 저항력은 상기 유지 매체의 성질에 따라 달라진다. 상기 유지 매체가 탄성중합체일 때, 강유전체 스위칭 요소는 도 4에 도시한 바와 같이 이의 회전 동안에 저항력을 유지한다. 하나의 예는 이른바 폴리머 겔(polymer gel) 유지 매체이다. 폴리머 겔 유지 매체의 상대적으로 강한 탄성 상수들로 인하여, 상기 탄성 상수들은 상기 강유전체 커플링 토크에 경쟁적인 힘으로 작용한다. 매우 낮은 점성의 유체와는 달리, 상대적으로 강한 탄성 계수의 물질은 상기 강유전체 커플링 토크에 경쟁하는 힘 및 이들의 구동 토크가 제거된 후에 상기 강유전체 입자들의 위치들을 유지하는 유지력 모두로 작용한다.
상기 유지 요소가 요변성 매체(thixotropic medium)일 때, 상기 강유전체 스위칭 요소는 이의 스위칭의 개시에서 상당한 저항력만을 가진다. 상기 강유전체 스위칭 요소가 이의 이동을 시작하면, 이후에 상기 강유전성 스위칭 요소를 둘러싸는 상기 요변성 매체가 도 5에 도시한 바와 같이 비-뉴턴(Non-Newtonian) 유체의 성질로 인하여 상기 저항력의 상당한 감소를 보인다. 요변성 유지 매체가 사용될 때, 상기 강유전성 커플링 토크와 상기 유지 매체의 탄성 저항 사이의 경쟁은 기본적으로 상기 탄성 유지 매체들을 위한 경우들과 동일하다. 상기 탄성중합체 매체와 상기 요변성 매체 사이의 유일한 차이는 강유전성 구동 토크가 인가되는 점에서의 경쟁이다. 탄성중합에의 경우, 상술한 바와 같이, 탄성중합체의 탄성 상수로부터 유래되는 상기 경쟁하는 힘은 일정하게 작용한다. 반면에, 요변성 유지 매체가 사용될 때, 상기 요변성 매체로부터 유래되는 주요한 경쟁하는 힘은 강유전성 구동 토크가 외부에서 인가된 전기장의 소거에 의해 제거될 때에만 작용한다.
상기 유지 매체의 유형, 즉 탄성 중합체 또는 요변성에 관계없이, 전기영동 환경인 유지 매체 환경으로 상기 강유전성 스위칭 요소 구동 토크는 다음과 같이 기술된다. 아래의 식은 단지 일차원적인 힘(x 방향으로)을 설명한다. 유지 매체가 등방성 방식으로 이의 저항력을 작용시키기 때문에, 다른 방향들, y 및 z 방향 힘들은 다음의 x 방향 힘과 동일한 방식으로 표현된다.
[식 1]
Figure pct00001
여기서, F는 탄성 계수 저항력이고, B 탄성 계수 상수이며, D는 유전계 상수이고, γd는 표면 공간 상호작용 상수이며, αd는 표면 및 유지 매체 사이의 상호 상호작용이고, d는 상기 디스플레이 매체의 두께이다. 상기 식 1에 있어서, 첫 번째 적분 항목은 탄성 에너지와 전기 상호작용 에너지 모두를 나타낸다. 두 번째 항목은 표면 상호작용 에너지를 나타낸다.
상기 강유전성 커플링 토크는 식 2와 같이 표현된다.
[식 2]
강유전성커플링 토크＝PsE
상기 유지 매체의 저항력의 설명하기에 있어서, 상기 식 2에서 표현된 상기 강유전성 커플링 토크는 다음과 같이 표현된다.
[식 3]
강유전성 커플링 토크＝PsE/η
여기서, η는 물질의 자체 점도이다. 그러므로 유효 작용력은 식 3과 같이 나타난다.
전기영동 환경에 있어서, 실질적인 구동력은 식 1 및 식 3 사이의 경쟁적인 상태이다. 실제의 경쟁하는 힘은 제타 포텐셜(zeta potential)로 잘 알려진 운동 포텐셜 인자를 고려하는 것이 필요하지만, 여기서는 본 발명을 설명하는 이들 두 인자들의 논의로 충분하다.
상기 전기영동 디스플레이의 유지 매체가 탄성중합체일 때, 식 1의 첫 번째 항목, 특히 B는 상기 강유전성 요소 회전에 걸쳐 모든 방식으로 작용하여, 상대적으로 강한 중단 효과로 인해 어느 정도 제한된 스위칭 시간의 결과로 된다. 상기 전기영동 디스플레이의 유지 매체가 요변성 유체일 때, B는 단지 상기 강유전성 요소 회전의 초기 단계에서 작용하며, 상기 강유전성 요소가 이동을 개시하면, 갑가기 B가 매우 작아지고, 대부분의 경우들에서 이는 무시할 수 있다. 이는 요변성 유체의 특정한 특성들 또는 비-뉴턴 유체 성능으로서 널리 알려져 있다. 이는 어떤 매체가 특정한 활용을 위해 보다 좋은 가를 선택하는 요구된 광학 스위칭 시간에 의존한다. 일반적으로, 요변성 매체는 에스토니아 실용신안등록 출원 제EE U201000017호를 우선권으로 수반하는 국제 출원 제PCT/EP20101057865호에 개시된 바와 같이 이의 이동도(mobility)의 스위칭 요소 형상의 측면에서 보다 넓은 수용성을 가진다. 식 1에 제시된 바와 같이, 상기 탄성 저항력뿐만 아니라 상기 표면 유래 에너지도 본 발명자들의 고려 사항이다. 특히, 상기 스위칭 요소가 상대적으로 작거나 및/또는 상기 전기영동 매체가 상대적으로 얇을 때, 사이 표면 고정 에너지(anchoring energy) 항목은 저항력의 관점에서 상대적으로 큰 역할을 수행한다. 상기 스위칭 요소 크기가 20미크론 내지 30미크론의 평균 직경과 같이 작을 때, 그 부피와 비교하여 이의 상대 표면 면적은 평균 요소 크기가 약 100미크론일 때 보다 크다. 그러므로, 보다 작은 요소 크기는 보다 큰 요소 크기의 경우에 비래 큰 저항력을 제공하여, 노다 느린 반응 시간을 야기한다. 일반적으로, 보다 빠른 스위칭을 갖기 위하여, 유재 매체로서 요변성 유체와 함께 보다 큰 요소 크기를 사용하는 것이 좋다. 물론, 광학적 스위칭 반응은 또한 유지 매체 내의 요소의 분산 밀도, 표면 고정의 상대적 기여의 측면에서의 전체 막 두께, 그리고 물론 전기장의 강도에 따라 달라진다. 이론적인 주요 관점으로부터, 보다 빠른 광학 스위칭 조건은 다음과 같다.
(a) 보다 큰 스위칭 요소.
(b) 요변성 유지 유체의 사용.
(c) 상대적으로 작은 밀도의 스위칭 요소.
(d) 전기장의 요구되는 강도를 고려한 상대적으로 두꺼운 디스플레이 매체.
보다 큰 스위칭 요소 크기는 각 스위칭 요소의 표면 고정 효과의 부담을 가볍게 하고, 요변성 유지 매체의 사용은 저항력을 훨씬 작게 하며, 스위칭 요소의 상대적으로 작은 밀도는 표면 고정 효과를 보다 작게 하고, 보다 두꺼운 디스플레이 매체는 또한 주로 전극들의 계면 표면들로부터 표면 고정 효과를 감소시킨다. 그러나, 상기 인자들은 콘트라스트비 및 스크린 휘도와 같이 디스플레이 매체로서의 다른 요구되는 성능들과 충분히 우수한 균형을 가질 것이 요구된다. 여기서, 상술한 논의는 오직 보다 신속한 광학 스위칭을 얻기 위한 것이며, 이는 분명히 디스플레이 매체로서의 몇 가지 중대한 요구 사항들 사이에 우수한 균형을 만들기 위한 일부의 최적화이다.
보다 신속한 스위칭 성질을 갖는 측면에서의 두 번째 논의로서, 상기 유지 유체의 유전성 기여를 고려하는 것이 효과적이다. 식 1에 제시된 바와 같이, 유전성 항목이 클 때, 저항력 F는 보다 작아져, 보다 빠른 스위칭을 가져온다. 이론적으로는, 유전성 항목의 기여가 탄성 항목 및 표면 고정 항목의 경부들 보다 크다면, 심지어 F가 광학 스위칭을 가속화시키는 것이 가능하다. 그러나 상기 유전 항목이 상기 탄성 항목 및 표면 고정 항목의 기여보다 큰 지가 명확하지 않다면, 요변성 매체를 사용하는 경우에 상술한 바와 같이, 탄성 항목의 기여가 스위칭의 매우 초기 시작에서 제한되고, 이에 따라 요변성 매체는 일반적인 탄성중합체 매체에 비하여 보다 신속한 광학 스위칭을 제공한다.
강유전성 스위칭 요소를 위하여, 강유전성 물질의 사용이 요구된다. 현재의 사용 가능한 강유전성 스위칭 요소 물질들은 전위(dislocation) 형태의 강유전성 또는 고유의 강유전성 물질들 또는 질서/무질서(order/disorder) 형태의 물질들 모두이다. 양자는 전기영동 디스플레이를 위한 강유전성 스위칭 요소의 활용의 측면에서 장점들과 단점들을 가진다. 전위 형태의 강유전성 물질들은 많은 경우들에서 무기 결정으로 만들어진다. BaTiO3는 잘 알려진 전위 형태의 강유전성 물질이다. 일반적으로, 전위 형태의 강유전성 물질들은 상대적으로 큰 자발 분극을 가지며, 이에 따라 식 2에 제시된 바와 같이, 이의 구동 토크가 크다. 질서/무질서 형태의 강유전성 물질들은 주로 폴리머계 또는 저분자 유기 물질들이다. 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinyliden fluoride) 또는 PVDF가 이러한 형태의 강유전성 폴리머뿐만 아니라 나일론(Nylon) 11로서 잘 알려져 있다. 일부 액정 분자들도 이러한 유형의 강유전성 성능을 나타낸다. 일반적으로, 질서/무질서 형태의 강유전성 물질들은 상대적으로 작은 자발 분극을 보이며, 이에 따라 구동 토크가 상기 전위 형태의 강유전성 물질들의 경우에 비하여 상대적으로 작다. 반면에, 대부분의 질서/무질서 형태의 강유전성 물질들은 이들의 분자 형태를 상대적으로 용이하게 변화시킬 수 있어, 실질적으로 보다 낮은 점도를 가져온다. 이러한 보다 낮은 점도는 작은 자발 분극을 효과적으로 상쇄한다.
실제 설계들
전통적인 전기영동 디스플레이의 결점들을 극복하기 위하여, 본 발명자들은 상술한 강유전성 스위칭 요소의 이론적인 분석을 바탕으로 전기영동 디스플레이 장치에 대한 새로운 구조들을 발명하였다.
현재의 전기영동 디스플레이의 주요한 기술적인 문제는 전술한 바와 같이 풀 컬러 및 풀 모션 비디오 이미지 능력을 포함하여 낮은 전력 소모와 높은 이미지 품질 사이의 양립할 수 없는 문제이다. 전기영동 디스플레이에서의 이러한 고유의 양립할 수 없는 상태를 해결하기 위하여, 본 발명자들은 현재의 전기영동 디스플레이의 성능과 구조의 진단에 집중하였다. 디스플레이 매체 구성으로부터, 본 발명자들은 다음과 같이 결론지었다.
전기영동의 본질은 콜로이드 효과이며, 대부분의 콜로이드 효과들은 비투명성 혼합물 기반에 근거한다. 전기영동 효과가 이의 분산되는 입자 성질에 따라 비투명성 성질들 나타내는 것은 놀라운 일은 아니다. 가장 인기 있는 전기영동 디스플레이의 하나는 우유 같은 백색의 배경 상에 충분히 우수한 콘트라스트를 만들도록 흑색 및 백색의 입자들을 사용한다. 이는 주변 광을 이용하여 충분히 밝은 스크린 휘도를 가지기에 매우 효과적이다. 반면에, 전기영동 디스플레이 상의 디스플레이 요소들에 의한 우유 같은 백색광 산란은 비-투명성을 의미한다. 이가 투명할 경우, 이는 상기 디스플레이의 배경으로 충분히 우수한 우유 같은 백색광 산란을 가지지 못하는 것으로 예상된다. 그러므로, 현재 종래의 전기영동 디스플레이들은 충분히 좋은 투명 형태의 디스플레이를 갖는 고유한 문제를 가진다. 반사 형태의 전기영동 디스플레이들의 우유 같은 백색의 배경의 현재의 고유한 요구 사항의 전제 하에서, 본 발명자들은 우유 같은 백색광 산란 및 컬러 반사도의 메커니즘들과 가능한 효과적인 광-투과량(light-throughput) 형태의 디스플레이들을 분류하였다. 백라이트화 투명 형태의 전기영동 디스플레이들이 하나의 해결책이 될 수 있다.
(a) 광 산란 엔터티(Light scattering entity)
현재 알려진 전기영동 디스플레이들은 스위칭 요소 표면 또는 스위칭 요소들의 덩어리로부터 산란되는 광을 이용하여 효과적인 주변 광의 광 산란을 만든다. 이는 디스플레이 요소를 비-투명으로 만든다. 스위칭 요소의 표면으로부터의 광 산란이 충분히 좋은 광 산란을 갖도록 디스플레이 요소의 완정한 커버리지(coverage)를 요구하기 때문이다. 상기 커버리지가 충분하지 않을 경우, 광 산란 강도가 약해지고 충분히 우수한 우유 같은 백색광 산란을 얻지 못할 수 있다. 그러므로, 현재의 전기영동 현상에 근거한 디스플레이들은 기본적으로 이들의 디스플레이 요소에서 비-투명으로 될 것이 요구된다.
(b) 컬러 재현성Color Reproductivity
전기영동 디스플레이들 상의 현재 알려진 컬러 재현은 도 6 및 도 7에 각기 도시한 바와 같이 컬러 필터들 또는 다중 컬러의 스위칭 요소들을 이용한다. 이들은 광 산란과 컬러 흡수를 이용하며, 이에 따라 이들은 비-투명 디스플레이 시스템들이다.
광-투과 형태 또는 투명 형태의 전기영동 디스플레이 시스템을 가지기 위하여, 본 발명자들은 새로운 유형의 전기영동 현상에 기초하여 새로운 메커니즘들과 구조적 구성들을 발명하였다. 다음의 논의는 상기 새로운 메커니즘뿐만 아니라 상기 새로운 구조적 구성을 설명한다.
1. 광 투과량 시스템 메커니즘
충분히 우수한 스크린 휘도를 얻는 충분히 우수한 광 산란을 유지하기 위하여, 전기영동 디스플레이는 광 산란 메커니즘을 가져야한다. 디스플레이 기술들에 기반하는 알려진 전기영동은 모두 상기 광 산란 요소로서 스위칭 요소를 사용한다. 이는 비-투명 형태의 디스플레이의 결과로 된다. 그러므로, 본 발명자들은 투과 광학 스위칭 요소들 보다는 충분히 우수한 광 산란을 갖는 다른 메커니즘을 고려하였다.
충분히 우수한 광 산란을 가지는 다른 메커니즘이 존재한다. 이는 상기 디스플레이 요소들의 후면으로부터의 광을 이용하는 것이다. 도 8에 도시한 바와 같이, 주변 광이 상기 광학 요소들 후방에서 효과적으로 산란될 경우, 상기 디스플레이 시스템은 충분히 우수한 광 산란 성능을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 광학 스위칭 요소는 상기 요소들의 후면으로부터 효과적인 광 산란을 갖도록 충분히 우수한 광 투과량을 가질 것이 요구된다. 동시에, 흑색이나 임의의 컬러의 이미지를 표시하기 위하여, 상기 광학 스위칭 요소들은 또한 컬러 이미지의 충분히 우수한 강도를 나타낼 것이 요구된다. 광 산란 및 컬러 이미지 모두를 가능하게 하기 위하여, 본 발명자들은 디스플레이 성능 측면에서 전기영동 현상에 새로운 개념을 도입하였다. 우유 같은 백색광 산란 및 주변 광의 흡수에 의한 흑색 이미지를 나타내도록 상기 광학 스위칭 요소를 이용하는 대신에, 상기 광학 스위칭 요소는 오히려 도 8, 도 9 및 도 10에 각기 도시한 바와 같이 광 투과량 컨트롤 요소로서 동작한다. 이러한 방식에 있어서, 상기 광학 스위칭 요소는 광 산란 및 광 흡수 요소 대신에 광 차단, 광 투과 요소로 작용한다. 광 산란 및 컬러 재현 기능은 광학 스위칭 요소로부터가 아니라, 상기 후면으로부터이다. 도 8에 예시된 바와 같이, 상기 광학 스위칭 요소는 플레이트와 같은 형상을 가진다. 초기 단계에서, 상기 플레이트와 같은 형상의 요소는 기판의 후면에 대해 거의 평행하게 머무른다. 이러한 구성은 주변 광에 의한 광 산란을 가능하게 한다. 임의의 전압이 상기 패널에 인가될 때, 도 9에 예시한 바와 같이, 상기 플레이트 같은 요소가 회전하고 수직 상태로 된다. 이러한 구성에 있어서, 주위 광은 상기 패널의 후면을 통과한다. 상기 패널의 후면에 있어서, 컬러 필터들이 감산 컬러 배열에 기초하여 구비된다. 도 9에 있어서, 단지 2개의 컬러 필터들이 예로서 도시되어 있으며, 하나는 청록색(cyan)이고, 다른 하나는 황색이다. 이러한 구성에 있어서, 청록색 및 황색 모두가 상기 패널의 후면으로부터 반사되고, 그러면 상기 패널은 감산 혼합된 컬러를 재현한다. 도 10은 적절하게 인가된 전압의 선택에 의한 플레이트 같은 요소의 일부 중간 상태를 예시한다. 이러한 구성에 있어서, 반사된 색광의 강도는 도 9의 경우보다 작다. 따라서, 이러한 구성은 상기 컬러 재현의 그레이 쉐이드(gray shade)를 제공한다. 상기 플레이트 같은 스위칭 요소는 강유전체 물질을 포함하여야 하며, 이의 자발 분극은 도 11 및 도 12에 도시한 바와 같이 상기 플레이트 같은 평면에 직교한다. 상기 플레이트 같은 표면들의 두 측면들은 백색의 광 반사 물질들로 커버되거나 특별한 코팅이 없다. 특별한 코팅이 없는 경우, 상기 플레이트와 같은 물질과 유지 매체는 상기 플레이트 같은 요소의 표면에서 충분히 우수한 광 산란을 만들도록 적절한 굴절률 부정합(reflective index mismatching)을 가져야 한다.
2. 반사형 디스플레이 모드로서 컬러 재현 메커니즘
이러한 새로운 구성의 전기영동 디스플레이 시스템에 있어서, 컬러 재현은 원리적으로 컬러 필터에 의해 만들어진다. 도 8, 도 9 및 도 10에서 예시하는 바와 같이, 주변 광이 상기 플레이트와 같은 요소를 통해 컬러 필터들에 도달할 때, 상기 디스플레이 패널은 특정한 컬러를 나타낸다. 상기 플레이트 같은 요소가 상기 후방 플레이트에 대해 거의 평행하게 정렬될 때, 대부분의 주변 광이 상기 플레이트 같은 요소의 표면에 의해 반사되어, 우유 같은 백색의 스크린을 가져온다. 감산 컬러 혼합 시스템에 기초하여 컬러 필터들을 정렬함에 의해, 이러한 디스플레이는 풀 컬러 이미지를 재현한다.
3. 투과형 디스플레이 모드로서의 컬러 재현 메커니즘
전기영동 디스플레이의 하나의 중요한 이점은 이의 메모리 디스플레이 기능이다. 메모리 형태의 디스플레이는 상당한 전력 절감을 가능하게 한다. 특히 충분히 밝은 환경에서 정지 이미지 디스플레이를 위하여, 이러한 형태의 디스플레이가 매우 효과적이다. 반면에, 밤 시간과 같이 충분히 밝은 주변 광 조건이 없는 어두운 방에서, 추가적인 조명 소스가 요구된다. 더욱이, 모션 비디오 이미지에 대해여, 상기 전기영동 디스플레이의 메모리 기능은 심지어 해롭다. 모션 비디오 이미지 재현을 위하여, 이미지의 계속적인 리프레싱이 필요하며, 이에 따라 디스플레이 메모리 효과가 필요하지 않다. 그러므로, 모션 비디오 이미지 재생 및 어두운 주변 광 조건을 위하여, 추가적인 전력 소모가 거의 회피될 수 없다. 그러나, 이와 같은 경우에서도, 보다 높은 조명기 광 효율은 상당한 양의 전력을 절감한다. 주변 광 조건에 따라, 디스플레이는 적어도 두 기능들을 가진다. 하나는 충분히 밝은 주변 광 조건 하에서 반사형 디스플레이 기능이며, 다른 하나는 어두운 주변 광 조건 하에서 조명기를 구비하는 것이다. 상당한 전력 절감이 양 경우에 이루어진다.
도 13a는 본 발명에 기초한 반사 모드의 풀 컬러 디스플레이를 나타낸다. 이러한 실시예는 도 13a에 도시한 바와 같이 사용자의 관점으로부터 상기 후면으로서 유연한(flexible) 기판을 사용한다. 조명기 광으로 주변 광을 이용하여, 플레이트와 같은 요소가 이의 백색의 반사층이 상기 사용자를 마주하도록 배향될 때. 상기 플레이트 같은 요소의 백색의 반사층의 광 산란 효과로 인하여, 주변의 입사광이 산란되고 우유 같은 희끄무레한 컬러로 보인다. 상기 플레이트와 같은 요소가 도 13a에 도시한 바와 같이 외부에서 인가되는 전기장 때문에 기울어질 때(이러한 도면에서 진홍색(magenta) 컬러 필터 부분), 입사광의 일부가 상기 플레이트와 같은 요소에 의해 통과되고 상기 유연한 기판 상의 상기 컬러 필터에 도달한다. 상기 컬러 필터에 도달하는 광의 일부는 컬러 필터를 통과하며, 도 13a에 도시한 바와 같이 상기 컬러 필터 후방에 위치하는 상기 반사층(즉, 금속 전극)의 표면에서 반사된다. 상기 반사층에 의해 반사된 광은 진홍색 컬러 필터를 다시 통과하며, 상기 진홍색 컬러 필터의 이중 통과로 인하여 전체 광 투과량은 어느 정도 제한된다. 그러나, 상기 반사된 광은 사용자에게 우수한 컬러 순도를 제공한다.
상술한 바와 같이, 상기 플레이트 같은 요소의 기울어진 각도에 따라, 컬러의 반사된 광 강도가 조절될 수 있으며, 이는 연속적인 색광 강도(그라데이션(gradation))를 제공하여, 풀 컬러 이미지를 가져온다. 도 13a에 있어서, 상기 디스플레이 매체(즉, 상기 플레이트와 같은 요소 및 이들의 유지 매체)와 상기 유연한 기판의 표면 사이에, 아크릴 수지(acrylic resin)층이 존재한다. 이러한 층은 물리적 표면 토포그래피(surface topography) 및 광학적 반사율 정합 목적들 모두의 측면에서 표면 평탄화 목적을 위해 형성된다. 물리적 표면 평탄화 및 광학적 반사율 정합 모두는 두 물질들 사이의 계면에서 컬런 순도뿐만 아니라 특히 반사형 디스플레이들을 위한 콘트라스트비를 열화시키는 불필요한 광 반사와 광 산란을 최소화한다. 비록 도 13a에 상기 디스플레이 매체와 전면(사용자측에 가까운) 사이에 동일한 형태의 아크릴 수지층이 도시되지 않지만, 투명 전극의 반사율 및/또는 기판 물질의 반사율에 따라, 상기 계면으로부터 불필요한 반사와 광 산란을 최소화하는 것이 효과적이다.
도 13b는 백색의 산란층들에 의해 커버된 양 측면들을 갖는 플레이트 같은 디스플레이 요소를 나타낸다. 백색 광 산란층 물질들 및/또는 강유전성의 플레이트와 같은 요소 물질들의 선택에 따라, 일부 경우들에서, 심지어 단일의 백색 광 산란층이 충분히 입사광을 반사시키고 산란시키지 않거나, 및/또는 일부 입사광이 백색의 층과 강유전체층 모두를 통과하여, 디스플레이 성능의 열화를 초래한다. 이와 같은 경우에 있어서, 플레이트와 같은 디스플레이 요소의 양 측면들은 백색의 광 산란층들에 의해 덮일 수 있다. 도 14a 및 도 14b에 도시한 바와 같이 광 산란층들이나 광 흡수층들로 커버된 하나의 측면 또는 양 측면들은 또한 최초의 디스플레이 요소의 자발 분극의 전력에 영향을 미치는 고려 사항을 필요로 한다. 백색 및 흑색의 층 물질들 모두가 유전성 물질들이고, 거의 이들이 유전성 물질층들의 적층체로서 자발 분극의 전력에 일부 영향을 미치기 때문이다. 이에 따라, 단일 또는 이중층 커버리지의 측면에서 디스플레이 구성의 선택은 디스플레이 성능, 전력 소모 등의 포괄적인 인자들에 의해 결정된다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명에 기초한 투과 모드의 풀 컬러 디스플레이를 나타낸다. 상기 투과 모드는 주변 광 조건에 관계없이 충분히 우수한 컬러 이미지를 생성하도록 백라이트 유닛(backlight unit)을 요구한다. 이러한 투과 모드 디스플레이는 또한 광 효율을 최대화하도록 상기 스위칭 요소와 상기 백라이트 사이에 프리즘 시트(prism sheet)를 구비한다. 굴절률 정합 상태에 따라, 아크릴 수지층이 백라이트 플럭스의 효과적인 사용을 위하여 상기 프리즘 시트와 상기 기판의 후면 사이에 삽입될 수 있다. 블랙 매트릭스(black matrix)도 인접하는 컬러들 사이의 색 혼합을 방지하고 콘트라스트비를 증가시키기 위해 제공된다. 투과형 모드의 디스플레이 장치에 있어서, 추가적인 컬러 재현 시스템으로 인하여, 상기 플레이트 같은 요소들의 일측의 또는 두 측면의 표면들은 흑색 물질로 커버된다.
도 14a는 상기 플레이트와 같은 요소의 일 측면이 흑색 염료층에 의해 커버된 디스플레이 장치를 나타내고, 도 14b는 상기 플레이트 같은 요소의 양 측면들이 흑색 염료층에 의해 커버된 디스플레이 장치를 나타낸다. 이와 같은 특정한 구성에 있어서, 커버되는 양 측면들은 상대적으로 강한 조명으로 보다 높은 콘트라스트비를 가지는 것이 효과적이며, 커버되는 단일 측면은 상기 커버되는 양 측면들에 비하여 약간 작은 콘트라스트비로 덜 전력을 소모하는 디스플레이 유닛을 제공하는 데 적합하다. 이는 단일의 흑색층 모듈이 보다 작은 스크린과 실내 형태의 활용을 위해 상대적으로 적합하고, 이중 측면의 흑색층 모듈이 큰 스크린의 실외 활용들을 위해 상대적으로 적합한 점을 의미하지만, 이는 스크린 휘도, 콘트라스트비 및 전력 소모 사이에서 결정될 것이다.
패널 내의 각 플레이트 같은 디스플레이 요소의 배열에 대해서는 각 디스플레이 요소의 강유전성의 자발 분극 방향에 의해 결정된다. 예를 들면, 시트 형상의 강유전성 물질이 PVDF와 같은 폴리머로 만들어 질 때, 자발 분극의 방향은 상기 시트 두께 방향이 저면으로부터 상면까지와 같이 미리 설정된다. 따라서, 흑색 염료층이 상기 강유전성 시트 물질 상에 라미네이트될 때, 상기 흑색층과 상기 자발 분극의 방향 사이의 상대적인 방향은 이의 방향을 설정하도록 설계된다. 이러한 상대적인 방향 설계 상황은 백색광 산란 물질의 커버하는 층과 동일하다. 상기 디스플레이 요소의 양 측면들이 흑색만으로 또는 백색만으로 커버되거나, 하나의 측면이 흑색으로 다른 하나의 측면이 백색으로 커버될 때, 자발 분극의 방향은 항상 미리 정해진다. 상기 디스플레이 요소가 BaTiO3 입자와 같은 페로브스카이트(Perovskyte) 세라믹 물질들로부터 선택될 때, 컬러화 과정이 상기 기본 디스플레이 요소가 이의 강유전성 성질로 미리 설정되는 것을 의미하는 강유전성 예비 물질들에 수반되는 한, 상기 특정한 자발 분극 방향을 검출하는 것이 가능하다. 심지어 상기 특정한 자발 분극 방향이 어떤 이유로 알려지지 않을 경우, 상기 디스플레이 요소들이 디스플레이 패널 내에 이들의 유지 유체로 채워지고 특정 방향의 극성 자기장이 상기 패널에 인가된 후, 강유전성 기반의 디스플레이 요소들 모두가 상기 특정 전기장 방향을 따라 단일의 균일한 방향으로 정렬되며, 이에 따라 상기 초기 디스플레이 요소 방향이 용이하게 정렬된다. 이와 같은 투과 모드에 있어서, 플레이트와 같은 요소가 상기 컬러 필터 기판에 대해 거의 평행하게 정렬될 때, 디스플레이는 흑색 이미지를 나타낸다. 상기 플레이트와 같은 요소가 도 14에 도시한 바와 같이 일부 경사를 가질 때, 상기 디스플레이는 상기 인가되는 전기장에 의해 조절되는 상기 플레이트 같은 요소의 기울어진 각도에 따라 특정한 컬러를 나타낸다.
이러한 디스플레이 시스템의 다른 구성들이 도 15a, 도 15b 및 도 15c에 도시된다. 이들 구성들은 동일한 패널 내에 감산 컬러 및 추가 컬러 시스템들 모두를 가진다. 도 15a, 도 15b 및 도 15c에 도시한 바와 같이, 이들 구성들은 단일 패널 내에 투명 전극과 반사 전극들 모두를 가진다. 주변 밝기 수준과 요구되는 디스플레이 사양에 따라, 이들 디스플레이 시스템은 이들의 주요 기능으로서 반사성 디스플레이 이미지 및 투과성 백라이트화 이미지 모두를 구현한다. 도 15a, 도 15b 및 도 15c에 도시한 디스플레이 모듈들을 이용하여, 주변 광이 태양광 조건과 같이 충분히 밝을 때, 백라이트 유닛이 꺼지고 상기 디스플레이 모듈은 반사형 디스플레이로 사용된다. 이 경우, 충분히 밝은 주변 광 조건으로 인하여, 이러한 디스플레이 모듈은 도 13a 및 도 13b와 함께 설명한 바와 같이 반사형 디스플레이로 동작한다. 충분히 강한 입사광이 각 컬러 필터층 후방에 위치한 상기 반사층에 의해 반사되므로, 색광이 사용자의 시야에 도달한다. 주변 광이 상대적으로 어두울 때, 이러한 디스플레이 모듈은 그 자체의 조명기로서 백라이트 유닛을 사용한다. 상기 반사 모드와 상기 백라이트 조명기 모드의 전환은 특정한 주변 광 검출 시스템으로 수동으로 또는 자동적으로 조절된다. 백라이트 조명의 디스플레이 모듈을 위해, 이는 도 14a 및 도 14b로 설명한 바와 같이 작용한다.
상기 반사만의 디스플레이만 또는 상기 백라이트 조명만의 디스플레이와는 달리, 도 15a, 도 15b 및 도 15c의 반투과형(transflective) 디스플레이는 추가 또는 감산 컬러 모드들, 혹은 추가 및 감산 모두의 혼합이거나 및/또는 특정 사용 조건에 따른 각 픽셀에서 투과 및 반사 면적의 비율인 컬러 필터 혼합 방법의 측면에서 특정한 설계를 가진다. 반사형 사용 기회가 주된 용도일 경우, 그 반사 면적은 각 픽셀에서 투과 면적 보다 클 수 있다. 투과형 용도가 주될 경우, 투명한 픽셀 면적이 각 픽셀에서 상기 반사 면적 보다 클 것이다. 또한, 상기 주된 사용 모델 또는 다른 요구 사항에 따라, 컬러 필터들의 주된 컬러 조합의 선택도 고려될 수 있다. 일반적으로, 반사형 용도가 주될 경우, 감산 컬러 조합이 선택될 수 있다. 주된 사용 모델이 투과 모드일 경우, 추가적인 색 혼합이 선택될 수 있다. 또한, 추가 및/또는 감산 컬러 혼합의 선택에 따라, 백색 광 산란 및/또는 흑색 광 흡수층과 같은 표면 반사/흡수 물질들이 디스플레이 성능을 최대화하도록 선택될 수 있다.
일부 경우들에 있어서, 광 반사층 및 광 흡수층들 모두가 플레이트와 같은 요소의 양 측면들에 부착된다. 그러나, 디스플레이 콘텐츠들의 특정 요구 사항에 따라, 컬러 혼합의 결합이 결정된다. 컬러 필터 선택은 도면들에 도시된 하나에 한정되지는 않는다. 활용에 따라, 컬러 필터의 다른 선택이 이용될 수 있다. 도 15a 및 도 15b 사이의 설계 구성에서의 차이는 상기 플레이트 같은 디스플레이 요소 상의 단일 광 산란층의 사용(도 15a), 또는 하나의 측면 상의 광 산란층 및 다른 측면 상의 광 흡수층의 사용이다. 앞서 논의한 바와 같이, 도 15 형태의 디스플레이 모듈 구성이 주로 충분히 우수한 주변 광 조건으로 태양광 가독성을 요구하는 실외 활용에 적용될 경우, 상기 광 흡수층에 의해 커버된 다른 측면을 갖는 도 15b에 도시한 디스플레이가 상기 흑색광 흡수층을 갖지 않는 경우보다 우수할 수 있다.
대부분의 실외 디스플레이 활용들이 대각선으로 300 인치 이상인 것과 같이 상대적으로 큰 스크린을 요구하기 때문에, 보다 넓은 시야각이 중요한 요구 사항의 하나이다. 넓은 시야각의 가독성으로 인하여, 일부 입사광은 얕은 각도(shallow angle)로 나온다. 이들 매우 얕은 입사 각도의 광은 상기 플레이트 같은 요소들을 투과할 수 있으므로, 흑색 배경의 원하지 않은 디스플레이 이미지를 야기한다. 이와 같은 문제를 방지하기 위하여, 상기 플레이트 같은 요소의 일 측면 상의 반사층과 상기 플레이트 같은 요소의 다른 측면 상의 흡수층을 가지는 것이 효과적이다. 그러나, 상기 광 흡수층으로 인하여, 실제 디스플레이 이미지를 위해 사용되는 일부 입사광도 소실된다. 이에 따라, 상기 디스플레이 플레이트 같은 요소를 위한 커버하는 층들의 선택은 실제 디스플레이 활용 조건들의 고려 사항이 될 수 있다. 도 15b 및 도 15c 사이의 차이는 원칙적으로 색순도이다. 도 15c에 도시한 바와 같이, 이러한 특정 구성은 추가 및 감산 컬러 혼합 기능들 모두를 가진다. 비-광 투과성 전극을 구비하는 픽셀의 반사 부분이 백라이트 광속이 픽셀의 상기 부분을 통과하지 못하게 하기 때문에, 감산 컬러 필터 시스템은 백라이트 조명을 이용하는 광 투과형 디스플레이 모드에 어떠한 기여도 가지지 않는다. 투과형 사용을 위하여, 각 픽셀에서 투명 전극 부분만이 디스플레이 이미지에 기여한다. 도 15c에 도시한 디스플레이에 있어서, 적색, 녹색 및 청색 컬러 필터들로 구성되는 상기 추가 컬러 혼합이 투명 전극 상에 적용되며, 청록색, 진홍색 및 황색 컬러 필터들로 구성되는 상기 감산 컬러 혼합이 반사 전극 상에 적용된다. 도 15a, 도 15b 및 도 15c에 있어서, 백색 컬러 필터 픽셀도 장착된다. 반사형 또는 투과형에 관계없이, 백색 컬러 필터가 보다 밝은 이미지를 가지는 데, 특히 실외 및/또는 큰 스크린의 디스플레이 시스템들을 위해 효과적이다.
4. 플레이트 같은 요소의 구동 메커니즘
상기 플레이트와 같은 요소는 강유전성 물질을 포함한다. 이러한 플레이트 같은 물질의 하나의 예는 강유전성 폴리비닐 비닐리덴(polyvinyl vinyliden: PVDF)으로 만들어진다. 적절한 두께를 갖는 시트 형상의 강유전성 PVDF가 작은 조각들로 절단된다. 예를 들면, 40미크론 두께의 강유전성 PVDF 시트가 대략 200미크론 X 200미크론의 정사각형 형상의 조각들로 절단된다. 이들 작은 플레이트와 같은 강유전성 PVDF 요소들은 요변성 유체와 혼합된다. 상기 강유전성 PVDF 요소들과 혼합된 잘 제조된 요변성 매체는 500미크론 높이까지와 같이 좁고 높은 통로로 넣어진다. 이러한 낮은 프로파일은 자연히 유동 방향에 거의 평행한 플레이트 같은 입자들의 정렬을 유도한다.
각 강유전성의 플레이트와 같은 요소가 상기 유체 흐름에 거의 평행하게 정렬되면, 이러한 유체는 300미크론 높이까지의 패널 갭(panel gap) 내에 채워진다. 자발 분극이 막 두께에 직교하기 때문에, 채워진 디스플레이 매체는 패널 기판들에 직교하는 이들의 자발 분극을 나타낸다. 이후에, 필요한 경우, 전체 픽셀 요소들에 대해 동일한 방향으로 전압을 인가하는 것은 모든 자발 분극 방향이 동일한 방향으로 정확하게 정렬되게 만든다. 요변성 유지 매체 하에서의 입자 행동은 국제 특허 출원 제PCT/EP2010/057865호에 기재되어 있다.
실험예 (1)
두께가 40pm이었던 강유전성 PVDF 시트가 사용되었다. TiO2 분산 시트가 상기 PVDF 시트의 표면상에 라미네이트되었다. 상기 TiO2 분산 시트는 폴리에틸렌(polyethylene)으로 만들어진 베이스 시트 물질과 함께 10미크론의 두께였다. 이러한 라미네이트된 시트는 날카로운 정방형 스테인리스 칩을 사용하여 200㎛ X 200㎛의 평균 크기의 정사각형들로 절단되었다. 상기 요변성 유지 매체를 위하여, 5 센티-스트로크(centi-strokes)의 실리콘 유체(알드리치 케미컬즈(Aldrich Chemicals)) 및 흄드 이산화실리콘(fumed silicon dioxide) 플레이크들이 5：1의 중량비로 혼합되었다. 이들 둘이 완전히 혼합된 후, 5중량%의 앞서 제조된 PVDF 입자들의 잘린 조각들이 상기 요변성 매체와 혼합되었다. 최초의 PVDF 시트는 15nC/㎠의 자발 분극을 가졌다.
이러한 혼합물은 상당한 점성의 콜로이드성 유체를 형성하였다. 상기 유체를 안정화시키기 위하여, 이러한 유체를 실온에서 24시간 동안 둔 후에, 이 유체를 실험의 다른 단계로 이동시켰다. 청록색 및 황색 안료 기반의 컬러 필터 유리 기판들 모두가 마련되었다. 이들 컬러 필터 기판들은 또한 상기 컬러 필터들과 함께 알루미늄층으로 만들어진 금속 반사 전극들을 가졌다. 알루미늄 전극의 두께는 2,500Å이었고, 청록색 컬러 필터 두께는 0.7미크론이었으며, 황색 컬러 필터 두께는 0.8미크론이었다. 유리 기판의 다른 측면에는 1,500Å의 두꺼운 투명 전극들이 구비되었다. 300미크론의 스페이서 필름(spacer film)을 이용하여, 두 유리 기판들이 300미크론의 갭을 가지도록 형성되었다. 이러한 갭에 있어서, 전술한 상기 요변성 디스플레이 매체는 흡수 펌프를 사용하여 상기 패널의 일측 단부로부터 상기 매체를 둘러 올려 채워졌다. 상기 패널 갭이 상기 요변성 매체로 채워진 후, 두 유리 기판들 사이의 모든 개방된 면적들이 에폭시 실런트로 접착되었다. 30㎐로 250V의 직사각형 파형의 전압을 사용하여, 반응이 측정되었다. 백색의 산란 광원을 이용할 경우, 이러한 패널은 표 2에 나타낸 바와 같이 충분히 우수한 결과들을 보였다.
표 2에 나타낸 측정 결과들은 도 16에 예시한 반사형 광학 설정을 이용하여 수득되었다. 백색의 LED 광원이 도 16에 도시한 바와 같이 상기 패널 표면의 법선으로부터 30도 각도로 오목 렌즈에 의해 상기 샘플 패널 상으로 집중되었다. 상기 샘플 패널로부터 반사된 광은 도 16에 예시한 바와 같이 0.01도의 카메라 시야각으로 검출되었다. Si-PIN 포토다이오드에 의한 상기 반사된 광은 증폭되었고 상기 샘플 패널에 대해 인가된 전기장으로 동기화시킨 디지털 오실로스코프로 보내졌다. 컬러 재현이 동일한 광학 설정을 이용하여 상기 샘플 패널에서 육안으로 확인되었다.
표 2와 같이 이러한 예의 기본적인 디스플레이 성능이 요약되어 있다. 이는 충분히 우수한 광학 밀도를 보였다. 0.5의 신문 보도 상의 광학 밀도에 비하여, 일반적으로 이러한 실험예는 보도된 경우보다 우수한 광학 밀도를 나타내었다. 또한, 이러한 반사도는 반사형 디스플레이뿐만 아니라 각각의 감산 주요 컬러 재현 능력의 확인으로 충분히 우수한 35%이었다.
상기 그레이 쉐이드 디스플레이 능력을 확인하기 위하여, 두 가지 형태의 구동 전압들이 인가되었다. 하나는 30㎐의 직사각형 파형으로 180V였고, 다른 하나는 90㎐의 직사각형 파형으로 250V였다. 30㎐의 직사각형 파형으로 250V의 구동 전압에 비하여, 30㎐로 180V는 약 절반의 광 밀도를 나타내었고, 90㎐로 250V는 약 2/3의 광 밀도를 나타내었다.
광학 밀도 반사도 표색계
실험예 1 1.0 35% 청록색, 황색, 녹색, 흑색, 백색
실험예 (2)
두께가 40pm이었던 강유전성 PVDF 시트가 사용되었다. 탄소계 염료 분산 시트가 상기 PVDF 시트의 일 표면상에 라미네이트되었다. 상기 탄소 분산 시트는 폴리에틸렌으로 만들어진 베이스 시트와 함께 10미크론의 두께였다. 이러한 라미네이트된 시트는 예리한 정방형 스테인리스 스틸 칩을 이용하여 200㎛ X 200㎛의 평균 크기의 정사각형들로 절단되었다. 요변성 유지 매체를 위하여, 5센티-스트로크의 실리콘 유체(알드리치 케미컬즈) 및 흄드 이산화실리콘 플레이크들이 5：1의 중량비로 혼합되었다. 이들 둘이 완전히 혼합된 후에, 5중량%의 앞서 제조한 PVDF 입자들의 절단 조각들이 상기 요변성 유체와 혼합되었다. 최초의 PVDF 시트는 12nC/㎠의 자발 분극을 가졌다.
이러한 혼합물은 상당한 점성의 콜로이드성 유체를 형성하였다. 상기 유체를 안정화시키기 위하여, 이 유체를 실온에서 24시간 둔 후에, 이러한 유체를 실험의 다음 단계로 이동시켰다. 도 13-도 15에 도시한 바와 같이 투명 전극 기판들과 함께 적색, 청색 및 녹색 컬러 필터들을 사용하여, 패널이 제조되었다. 각 컬러 필터들의 두께는, 적색：0.8미크론, 청색：0.7미크론 및 녹색：0.9미크론이었다. 이들 컬러 필터들 모두는 안료 분산 유형을 기초로 하였다. 상기 투명 전극은 1,500Å의 두께였다. 유리 기판의 다른 측면에는 1,500Å 두께의 투명 전극이 구비되었다. 300 미크론의 스페이서 필름을 이용하여, 2개의 유리 기판들이 300미크론의 갭을 가지도록 형성되었다. 이러한 갭에 있어서, 상기 요변성 디스플레이 매체는 이에 따라 흡수 펌프를 이용하여 상기 패널의 일측 단부로부터 상기 매체를 들러 올려 채워져 제조되었다. 상기 패널 갭이 상기 요변성 매체로 채워진 후, 두 유리 기판들 사이의 모든 개방된 영역들은 에폭시 실런트에 의해 접합되었다. 30㎐로 250V의 정사각형 파형을 이용하여, 반응이 측정되었다. 이러한 패널은 표 3에 나타낸 바와 같이 충분히 우수한 결과들을 보였다.
표 3에 나타낸 측정 결과들은 또한 도 16에 예시한 투과형 광학 설정을 이용하여 수득되었다. 백색의 LED 광원이 도 16에 도시한 바와 같이 상기 패널 표면 법선으로 오목 렌즈에 의해 상기 샘플 패널 표면상에 집중되었다. 상기 샘플 패널로부터 투과된 광은 0.01도의 카메라 시야각으로 검출되었다. 도 16에 예시한 바와 같이 상기 패널 표면 법선으로부터 30도의 기울어진 각도였다. Si-PIN 포토다이오드에 의해 검출된 광은 증폭되었고, 상기 샘플 패널에 대해 인가된 전기장과 동기화된 디지털 오실로스코프로 투입되었다. 컬러 재현은 동일한 광학 설정을 이용하여 동일한 패널 표면에서 육안으로 확인되었다. 표 3에 열거한 바와 같이, 이러한 예는 충분히 우수한 광학 밀도, 즉 1.2를 나타내었다. 이와 같은 광학 밀도 레벨은 프린트된 종이의 우수한 품질에 가깝다. 더욱이, 65%의 광 투과량은 일반적인 필터 액정 디스플레이들의 경부 보다 훨씬 높다. 표 3에서 또한 표에 나타낸 바와 같이 주요 추가 컬러 재현 능력을 확인하였다.
그레이 쉐이드 디스플레이 능력의 확인을 위하여, 동일한 형태의 다른 전압들 및 주파수들이 실험예 1에서 인가된 바와 같이 이러한 구성에 인가되었다. 이러한 구성에 있어서, 직사각형 파형의 30㎐로 250V의 구동 전압에 비하여, 30㎐로 180V는 약 2/3의 광 강도를 보였고, 90㎐로 250V는 약 3/4의 광 강도를 보였다.
광학 밀도 투과도 표색계
실험예 2 1.2 65% 적색, 녹색, 청색, 백색, 흑색
실험예 (3)
두께가 40pm이었던 강유전성 PVDF 시트가 사용되었다. 상기 PVDF 시트는 상기 시트 표면에 직교하는 이의 자발 분극 방향을 가졌고, 실험예 1과 동일한 TiO2 분산 시트가 음의 분극된 방향이었던 상기 PVDF 시트의 표면상에 라미네이트되었다. 상기 TiO2 분산 시트는 폴리에틸렌으로 만들어진 베이스 시트 물질과 함께 10미크론의 두께였다. 실험예 2와 동일한 탄소계 염료 분산 시트가 양으로 대전된 방향이었던 상기 PVDF의 타측 표면상에 라미네이트되었다. 상기 PVDF의 양 측면들은 백색 및 흑색 시트들로 라미네이트되었다. 이러한 라미네이트된 시트는 날카로운 정방형 스테인리스 스틸 칩을 이용하여 200㎛ X 200㎛의 평균 크기의 정사각형들로 절단되었다. 요변성 유지 매체를 위하여, 5센티-스트로크의 실리콘 유체(알드리치 케미컬즈) 및 흄드 이산화실리콘 플레이크들이 5：1의 중량비로 혼합되었다. 이들 둘이 완전히 혼합된 후, 5중량%의 앞서 제조된 PVDF 입자들의 절단 조각들이 상기 요변성 유체와 혼합되었다. 최초의 PVDF 시트는 20nC/㎠의 자발 분극을 가졌다.
이러한 혼합물은 상당한 점성의 콜로이드성 유체를 형성하였다. 상기 유체를 안정화시키기 위하여, 이 유체를 24시간 동안 둔 후에, 이와 같은 유체는 실험의 다음 단계로 이동되었다. 금속 반사 및 ITO 투명 전극들 모두가 유리 기판 상에 제조되었다. 이들 금속 반사 전극들은 그 상부에 청록색 컬러 필터을 형성하지 않고 실험예 1과 동일한 방식으로 제조되었다. 동일한 기판에서, 투명 전극(ITO)이 이의 상부에 적색 컬러 필터와 함께 실험예 2와 같이 형성되었다. 대향 유리 기판은 실험예 1 및 2와 동일한 방식으로 코팅되었다. 300미크론의 스페이서 필름을 이용하여, 2개의 유리 기판들이 300미크론의 갭을 가지도록 형성되었다. 이러한 갭에 있어서, 상기 요변성 디스플레이 매체는 흡수 펌프를 이용하여 상기 패널의 일측 단부로부터 상기 매체를 들어 올려 채워졌다. 상기 패널 갭이 상기 요변성 매체로 채워진 후, 두 유리 기판들 사이의 모든 개방 영역들은 에폭시 실런트에 의해 접착되었다. 이와 같이 제조된 샘플 패널 구성은 도 15c에서 나타낸 바와 동일하다. 30㎐로 250V의 직사각형 파형을 이용하여, 반응이 측정되었다. 반사형 및 투과형 모드들 모두에서 백색의 산란 광원을 이용할 경우, 이러한 패널은 표 4에 나타낸 결과들을 보였다.
표 4에 나타낸 측정 결과들은 또한 도 16에 각기 예시한 반사형 및 투과형 광학 설정 모두를 이용하여 수득되었다. 반사도 측정을 위하여, 실험예 1의 경우와 같이, 백색의 LED 광원이 도 16에 도시한 상기 패널 표면 접선으로부터 30도의 오목 렌즈에 의해 상기 샘플 패널 상에 집중되었다. 투과도 측정을 위하여, 실험예 2의 경우와 같이, 백색의 LED 광 소스가 도 16에 도시한 바와 같이 상기 패널 표면 접선으로 오목 렌즈에 의해 상기 샘플 패널 상에 집중되었다. 상기 샘플 패널로부터 반사된 광은 도 16에 예시한 바와 같이 0.01도의 카메라 시야각으로 검출되었다. Si-PIN 포토다이오드에 의해 검출된 광은 증폭되었고 상기 샘플 패널에 대해 인가되는 전기장으로 동기화된 디지털 오실로스코프로 보내졌다. 컬러 재현은 동일한 샘플 설정을 이용하여 상기 샘플 패널에서 육안으로 확인되었다.
표 4에 열거한 바와 같이, 이러한 예는 각기 반사 디스플레이 모드를 위해 충분히 우수한 광학 밀도, 즉 1.2를 나타내었고, 투과 디스플레이 모드를 위해 1.1을 나타내었다. 이들 광학 밀도 레벨들은 프린트된 종이의 우수한 품질에 근접하였다. 더욱이, 37%의 광 반사도 및 55%의 광 투과율은 일반적인 반사 형태의 액정 디스플레이들 및 컬러 필터 투과 형태의 액정 디스플레이들의 경우들 보다 훨씬 높다. 표 4에서는 또한 일차 컬러 재생 능력을 확인하였다. 그레이 쉐이드 디스플레이 능력의 확인을 위하여, 실험예 1 및 실험예 2와 같은 동일한 형태들의 다른 전압들과 주파수들이 이러한 구성에 인가되었다. 이러한 구성에 있어서, 30㎐의 직사각형 파형으로 250V의 구동 전압에 비하여, 30㎐로 180V는 약 3/4의 광 강도를 보였고, 90㎐로 250V는 약 4/5의 광 강도를 보였다.
광학 밀도 반사도, 투과도 표색계
실험예 3
반사 모드		 1.2 37% 청록색, 황색, 녹색, 흑색, 백색
실험예 3
투과 모드		 1.1 55% 적색, 녹색, 청색, 백색, 흑색
투명 기반의 스위칭 요소는 e-리더로부터 큰 광고판 디스플레이들까지 디스플레이 활용의 확산을 가능하게 한다. 종래의 전기영동 디스플레이 시스템들과는 달리, 본 발명은 최소화된 전력 소모와 함께 풀 컬러, 풀 모션 비디오 이미지를 가능하게 한다. 투명한 매체는 또한 충분히 밝은 주변 광을 이용하는 감산 물 컬러 재현과 특정한 백라이트 시스템을 이용하는 추가 풀 컬러 재현 모두를 가능하게 한다. 백라이트 유닛을 사용하여도, 이의 투명한 성질로 인하여, 어떠한 분극된 컨트롤 없이, 백라이트 사용의 최대 이용을 제공하여, 높은 효율 보다 낮은 전력 소모의 풀 모션 비디오 이미지를 가져온다. 더욱이, TFT-LCD들, TFT-OLED들 그리고 AC-PDP들과는 달리, 본 발명은 전력 소모 없이 풀 모션 컬러 디스플레이들 및 정지 컬러 이미지를 제공한다. 이에 따라, 디스플레이 콘텐츠 요구 사항들에 따라, 이와 같은 기술은 동일한 개념의 구성을 이용하여 전력 소모에 대한 선택을 제공한다.

Claims (10)

  1. 제1 전극;
    제2 전극; 및
    상기 제1 및 제2 전극들 사이에 배치되는 투명한 광학 스위칭 요소(optical switching element)를 포함하며, 상기 광학 스위칭 요소는 상기 제1 및 제2 전극들 사이에 인가되는 전기장에 반응하여 배향을 변화시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기영동 디스플레이 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 광학 스위칭 요소는 플레이트와 같은 형상인 것을 특징으로 하는 전기영동 디스플레이 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 광학 스위칭 요소는 강유전성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기영동 디스플레이 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 적어도 상기 플레이트와 같은 형상의 광학 스위칭 요소의 주요 표면 상에 배치되는 백색의 광 산란층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기영동 디스플레이 장치.
  5. 제 2 항에 있어서, 적어도 상기 플레이트와 같은 형상의 광학 스위칭 요소의 주요 표면 상에 배치되는 흑색의 광 흡수층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기영동 디스플레이 장치.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 광학 스위칭 요소의 주요 표면 상에 배치되는 입사광 산란층, 상기 광학 스위칭 요소의 주요 표면 상에 배치되는 입사광 흡수층, 또는 상기 광학 스위칭 요소의 주요 표면 상에 배치되는 입사광 산란층 및 입사광 흡수층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기영동 디스플레이 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 백플레인(backplane) 및 상기 광학 스위칭 요소와 상기 백플레인 사이에 배치되는 컬러 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기영동 디스플레이 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 백플레인은 광 감산(light subtraction)에 의해 컬러를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기영동 디스플레이 장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 백플레인은 백라이트 유닛으로부터의 광 추가(light addition)에 의해 컬러를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기영동 디스플레이 장치.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 백플레인은 광 감산 및 백라이트 유닛으로부터의 광 추가에 의해 컬러를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기영동 디스플레이 장치.
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