KR20180108779A - 열 스위칭 상 변화 물질을 구비한 광학 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열 전도성, 광학 리플렉터 (15); 상기 리플렉터 (15) 위에 배치되고 광을 투과하는 열 전도 스페이서 (14); 및 상기 스페이서 (14) 위에 배치되고, PCM이 2개의 다른 굴절률 값을 나타내는 적어도 2개의 가역적으로 스위칭 가능한 상태를 가지는 상 변화 물질 (10), PCM을 갖는 적층 구조 (2)를 포함하는 광학 장치 (1)에 관한 것이다. 상기 리플렉터 (15), 스페이서 (14) 및 PCM (10)은 상기 적층 구조의 적층 방향 (z)을 따라 연속적으로 적층된다. 상기 광학 장치는 상기 PCM (10)을 전기적으로 절연시키도록 구성되는 반면, 상기 리플렉터 (15) 및 스페이서 (14)를 통해 PCM (10)과 열적으로 연통하는, 상기 리플렉터 (15)와 관련하여 상기 PCM (10)에 대향하는 히터 요소 (17); 및 상기 PCM (10)을 가열함으로써, 상기 PCM (10)의 굴절률 및/또는 흡수를 가역적으로 변화시도록 구성되는 컨트롤러 (19, 19a, 30)를 추가로 포함한다. 본 발명은 관련 광학 장치 (상기와 같은 적층 구조에 의해 형성된 하나 이상의 픽셀을 포함한다)에 관한 것이다.

Description

열 스위칭 상 변화 물질을 구비한 광학 장치
본 발명은 일반적으로 건축 및 자동차 애플리케이션을 위한 디스플레이로부터 스마트 글라스의 픽셀까지 다양한 분야에서 적용되는 광학 장치에 관한 것이다.
초 고해상도 반사형 디스플레이, 투시 디스플레이, 및 힘 센서와 같은 광전자 장치에서 소위 상 변화 물질 (PCM) 및 그것의 용도에 대해 상당한 연구가 존재한다. PCM은 하나 이상의 상 전환 가능한 물질을 포함한다. 상은 다른 광전자 특성을 가질수 있다. 또한, 상 전이가 완료된 이후에 새로운 상태에서 장치를 유지하기 위한 힘을 연속적으로 적용할 필요가 없기 때문에 이중-안정 PCM이 특히 매력적인 것으로 알려져있다.
그러나, 일반적으로 물질의 작은 부분만이 상기 물질의 전기적 스위칭 사이클에 능동적으로 관여하는 반면, 물질의 주변 부분은 본질적으로 영향을 받지 않은 상태로 유지된다. 이러한 현상은 공지되어 있으며 흔히 "필라멘트 스위칭"으로 지칭된다. 필라멘트 스위칭이 일부 애플리케이션에서 유리하게 이용될 수 있지만, 상기 현상이 발생하게 되면, PCM의 서로 다른 스위칭 상태들 사이의 광학적 특성에 악영향을 미칠 것이다.
상기 현상은 전형적으로 크로스바 회로 구성에서 발생한다. 크로스바 회로에서, 전압 펄스가 크로스바에 인가되어, 상기 바 사이의 PCM 장치를 통해 전류 흐름을 유도한다. 스위칭 프로세스에 의해 국부화된 도전로 (즉, "필라멘트")가 전극 사이에 생성된다. 일부 비-광학, 저항성 장치는 예를 들면 재료의 작은 부분 만이 스위칭되는 경우에도 만족스럽게 작동할 수 있다. 그러나, 광학 특성의 관점에서, 크로스바 회로 구성에서 PCM 픽셀은 활성 부분이 매우 작은 것으로, 스위칭되지 않을 수도 있다. 따라서, 필라멘트 스위칭은 디스플레이 및 스마트 글라스의 픽셀과 같은 광학 애플리케이션을 방해한다.
이러한 문제를 해결하고, 더욱 큰 스위칭 부분을 달성하기 위하여, PCM 영역을 나노크기 픽셀로 나눌 수도 있다. 그러나, 이것는 픽셀 수의 급격한 증가를 초래한다. 예를 들면, 디스플레이 애플리케이션의 경우, 스위칭 메커니즘은 날카로운 (예를 들면, 나노 초 지속기간) 전기 펄스의 적용을 요구하기 때문에, 상기 해결책은 고속으로 순차적으로 다수의 (통상적으로 수백만) 픽셀로 어드레싱할 것이 요구된다. 그러나, 이것은 픽셀 수와 함께 픽셀의 급격한 증가를 해결하기 위하여 전자 주변 구동 회로에 의해 필요한 연산 및 전력량 등 새로운 기술적 도전을 생성한다.
그렇지 않으면 PCM을 스위칭하기 위하여 히트 펄스를 사용하는 것으로 알려져 있다. 예를 들면, US2015098032는 각 PCM 픽셀이 PCM과 직접 접촉하는 전기 히터 부재에 의해 스위칭되는 PCM 디스플레이를 개시한다. PCM 장치는 그레이 스케일을 생성한다. 추가 필터 장치는 픽셀에 색상을 제공한다.
제1측면에 따르면, 본 발명은 광학 장치로 구현된다. 상기 장치는 열 전도성, 광 리플렉터; 빛을 투과하고 상기 리플렉터 위에 배치되는 열 전도성 (광) 스페이서; 및 상기 스페이서 위에 배치되고 적어도 2개의 가역적으로 전환 가능한 상태를 갖는 상 변화 물질, 또는 PCM의 적층 구조를 포함하고, 여기서 상기 PCM은 2개의 상이한 굴절률 및/또는 흡수 값을 갖는다. 상기 리플렉터, 스페이서 및 PCM은 상기 적층 구조의 적층 방향을 따라 연속적으로 적층된다. 상기 광학 장치는 상기 리플렉터에 대하여 PCM에 대향하는 히터 요소를 추가로 포함한다. 상기 적층 구조는 상기 히터 요소로부터 PCM을 전기적으로 절연하도록 구성되는 반면, 상기 히터 요소는 상기 리플렉터 및 스페이서를 통해 PCM과 열적으로 연통되는 상태로 존재한다. 상기 광학 장치는 또한 상기 히터 요소를 작동시켜 PCM을 가열하고 이에 따라 상기 PCM의 굴절률 및/또는 흡수를 가역적으로 변경하도록 구성된 컨트롤러를 포함한다.
상기 광학 소자의 구조는 PCM의 상당 부분이 스위칭되면서, 2개의 광학 기능을 활용할 수 있도록 고안된다. 상기 히터 요소는 스위칭 기능을 제공한다. 상기 PCM을 포함한 광학적 활성 요소는 전기적으로 절연 장벽에 의해 히터 요소로부터 분리됨에도 불구하고 열이 전도된다. 즉, 본 발명자들은 광학 활성 하부구조의 층의 정렬된 순서 (PCM-스페이서-리플렉터)를 보존하면서, PCM의 상당 부분이 스위칭되는 것이 가능하도록 하여 이를 달성하였다. 가역적으로 스위칭 가능한 상태는 2개의 상이한 굴절률 및/또는 흡수 값을 나타내도록 함으로써, 광학 특성 관점에서 제1의 자유도를 가능하게 한다 (제1 광학 기능). 동시에, 상기 스페이서의 두께는 조절될 수 있어 (또는 하나의 적층 구조로부터 다른 층 구조까지 변화될 수 있다), 광학 특성 관점에서 제2의 자유도를 가능하게 하나 (제2 광학 기능). 실제, 이것은 PCM의 굴절률 및/또는 흡수 및 스페이서의 두께에 의존하는 간섭 효과로 인하여, 반사율이 빛의 파장에 대한 함수로서 상당히 변화한다는 사실을 이용할 수 있게 한다. 그 결과, 상기 장치의 광학 특성은 추가 필터를 요구함이 없이 스페이서 (예를 들면, "컬러"를 서브픽셀로 제공) 덕분에 조정될 수 있다.
하기에 열거된 바람직한 실시예는 스위칭 (넓은 스위칭 영역을 유리하게 하기 위하여) 및 광학 특성들과 관련하여 추가적인 이점을 제공한다.
우선, 상기 장치는 바람직하게는 리플렉터의 평균 두께가 50nm 내지 1㎛이고, 스페이서의 평균 두께는 40nm 내지 300nm이며; PCM의 평균 두께는 0.5nm 내지 80nm으로 설계된다. 바람직하게는, 상기 PCM은 3nm 내지 15nm의 평균 두께를 갖는다.
한편, 본 접근법은 PCM의 상당 부분이 스위칭 가능하도록 하므로, 상기 적층 방향 (z)에 수직인 적층 구조의 측 방향 치수는 예를 들면 0.35㎛ 이상, 바람직하게는 5 ㎛이상 일 수 있다. 실제 더 큰 측면 치수도 고려 될 수 있다.
바람직하게는, 상기 장치는 상기 히터 요소와 상리 리플렉터 사이에 전기적으로 절연 물질을 추가로 포함하고, 이는 본질적으로 상기 히터 요소로부터 상기 리플렉터를 전기적으로 전연시키도록 배치된다.
구현예에서, 상기 컨트롤러는 또한 상기 히터 요소에 전류 및/또는 전압을 인가하도록 구성되어 (상기 후자는 저항성 히터 요소임) 상기 히터 요소를 작동시키고, PCM을 가열함으로써 PCM의 굴절률 및/또는 흡수를 가역적으로 변화시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 장치는 상기 적층 구조의 레벨에서 히터 요소가 삽입된 전기 전도층을 더욱 포함하고, 상기 전도층의 2개의 부분은 상기 히터 요소의 각각의 측면 상에 존재하고, 상기와 접촉 시, 상기 컨트롤러는 상기 히터 요소에 전류 및/또는 전압을 인가하기 위하여 상기 2개의 부분 중 각각 하나에 접촉하는 2개의 단자를 포함한다.
상기 컨트롤러는 예를 들면 적어도 2개의 별개의 신호에 따라 히터 요소를 작동시키도록 구성되어, 히터 요소가 적어도 2개의 별개의 열 펄스를 각각 인가하고 PCM을 상기 적어도 2개의 스위칭 가능한 상태로 가역적으로 스위칭하도록 한다.
바람직한 구현예에서, 상기 PCM은 하기의 화합물 중 하나 이상을 포함한다: GeSbTe, VOx, NbOx, GeTe, GeSb, GaSb, AgInSbTe, InSb, InSbTe, InSe, SbTe, TeGeSbS, AgSbSe, SbSe, GeSbMnSn, AgSbTe, AuSbTe, 및 AlSb.
바람직하게는, 상기 PCM은 Ge2Sb2Te5, GeTe 및 Ag3In4Sb76Te17 중 하나를 포함한다.
상기 히터 요소는 예를 들면 하기의 화합물 중에서 하나 이상을 포함한다: NiCrSi, NiCr, W, TiW, Pt, Ta, Mo, Nb 및 Ir.
본 발명은 또한 픽셀의 서브 픽셀을 형성하기 위하여 적층 구조들의 세트를 포함하는 광학 장치로 구현될 수도 있다. 상기 목적을 달성하기 위하여, 상기 장치는 열 전도성 광학 리플렉터 세트뿐만 아니라 각각의 하나의 리플렉터 위에 존재하는 열 전도성 스페이서 세트를 포함하고, 상기 스페이서는 실질적으로 상이한 두께를 가지며, 각각은 빛을 투과한다. 또한, 각각의 하나의 스페이서 위에 존재하는 상 변화 물질, 또는 PCM 세트를 포함한다. 상기 PCM 세트는 스페이서 및 리플렉터 세트와 함께 적층 구조 세트를 형성한다. 각각의 PCM은 적어도 2개의 가역적으로 스위칭 가능한 상태를 가지며, 이 상태에서 2개의 상이한 굴절률 및/또는 흡수 값을 나타낸다. 상기 장치는 또한 상기 각각의 하나의 리플렉터 및 상기 각각의 하나의 스페이서를 통해 상기 각각의 하나의 PCM과 열적으로 통신하지만, 상기 각각의 하나의 PCM으로부터 전기적으로 절연되는, 히터 요소 세트를 포함하며, 각각은 상기 각각의 하나의 리플렉터에 대해 상기 각각의 하나의 PCM에 대향하여 배치된다. 상기 컨트롤러는 히터 요소를 독립적으로 작동시키도록 구성되어, PCM을 독립적으로 가열함으로써 그것의 굴절률 및/또는 흡수를 가역적으로 변화시키고, 이에 따라 상기 각각의 PCM의 굴절률 및/또는 흡수는 컨트롤러를 통해 독립적으로 제어될 수 있다.
여기서, 상기 스페이서 부분은 각각의 구조 (또는 서브 픽셀)에 대해, 각 서브 픽셀에 입사하는 광에 대한 별개의 파장-의존성 반사율을 부여하기 위하여 상이한 치수로 구성된다. 즉, 각 서브 픽셀은 추가 필터 등을 요구함이 없이 (특히 별개의 스페이서 두께로 인해) 명확한 색상을 사용하여 (작동시 PCM 스위칭으로 인해) 점등될 수 있다.
구현예에서, 상기 장치는 픽셀의 세트를 포함하고, 상기 각각의 픽셀은 상술 한 바와 같은 적층 구조의 세트를 포함한다.
본 발명은 또한 상기 구현예에 기술한 바와 같이 광학 장치를 포함하는 디스플레이 장치로 구현될 수 있다. 다양한 구성 요소들은 픽셀의 세트를 형성하도록 배열되고, 각각이 적층 구조를 갖는다. 상기 적층 구조는 주목할 만하게는 전술한 광학 장치와 동일한 PCM 및 히터 요소를 포함한다. 또한, 리플렉터 및 스페이서를 형성하는 다른 구성 요소를 포함할 수도 있다. 한편, 픽셀이 그들의 구성 요소 중 일부를 공유할 수 있도록 다양한 배열이 고려될 수 있고, 이는 추후에 상세히 논의될 것이다. 모든 경우에, 상기 히터 요소는 각각의 픽셀에서 각각의 PCM으로부터 전기적으로 절연되고 열적으로 연통한다. 상기 디스플레이 장치는 임의의 픽셀을 작동하도록 구성된 컨트롤러를 더욱 포함하여, 그것의 PCM을 독립적으로 가열하여 그것의 굴절률 및/또는 흡수를 가역적으로 변화시킬 수 있다. 또한, 상기 디스플레이 장치는 한 쌍의 전극들의 배열을 포함하고, 여기서 상기 전극 쌍의 각각은 픽셀 중 하나의 히터 요소와 전기적으로 연통되어, 각각의 픽셀이 디스플레이 장치에서 컨트롤러에 의해 개별적으로 어드레싱될 수 있도록 한다.
바람직하게는, 한 쌍의 전극 각각은 상기 픽셀 중 하나의 적층 구조의 적층 방향 (z)에 평행하게 연장되는 비아를 통해 픽셀 중 하나의 히터 요소와 전기적으로 연통된다.
상기 비아는 예를 들면, 게이트 단자 및 소스 단자가 상기 각각의 전극 쌍의 각각의 전극과 전기적으로 접촉하는 박막 트랜지스터 또는 TFT의 드레인 단자와 전기적으로 접촉할 수 있으므로, 작동시, 전압이 TFT의 소스 단자와 드레인 단자 사이의 전류를 제어하기 위해 게이트 단자에 되도록 한다. 변형 예에서, 저항성 스위칭 장치가 사용될 수도 있다.
구현예에서, 각 픽셀의 히터 요소는 또한 다른 비아 (또한 적층 방향 z에 평행하게 연장됨)를 통해, 열 전도성, 광학 리플렉터와 전기적으로 연통된다. 상기 리플렉터는 또한 전기적으로 전도되어, 작동시 히터 요소를 통과하는 전류가 상기 광학 리플렉터를 통해 흐를 수 있도록 한다.
다른 구현예에서, 각 픽셀의 히터 요소는 또 다른 비아 (또한 z에 평행하게 연장됨)를 통해 디스플레이 장치의 공통 전극과 전기적으로 연통되며, 여기서 각각의 비아는 전극 쌍들의 배열의 평균 평면과 상기 히터 요소의 평균 평면 사이에서 연장된다. 이러한 방식으로, 히터 요소를 통과하는 전류는 작동시 공통 전극을 통해 흐를 수 있다.
다른 측면에 따르면, 본 발명은 상기 구현예에 따른 광학 장치를 제어하는 방법으로 구현된다. 기본적으로, 상기 방법은 광학 장치의 히터 요소를 컨트롤러를 통해 반복적으로 작동시키는 단계를 포함하고, 이에 의해 그것의 PCM을 가열하여 그것의 굴절률 및/또는 흡수를 가역적으로 변화시킨다.
바람직하게는, 상기 작동시키는 단계는 제1 시간 가열 프로파일에 따라 상기 PCM을 가열함으로써 상기 PCM을 제1 상태에서 제2 상태로 스위칭하기 위하여 시간 기간 (t 1) 동안 히터 요소를 작동시키는 단계, 및 제2 시간 가열 프로파일에 따라 상기 PCM을 가열함으로써 상기 PCM을 다시 제1 상태로 전환시키기 위하여 시간 기간 (t 2) 동안 히터 요소를 작동시키는 단계를 포함한다. 상기 제1 시간 가열 프로파일은 최대 온도 (T 1)를 나타내고 상기 제2 시간 가열 프로파일은 최대 온도 (T 2)를 나타내고, 여기서 t 1 > t 2 및 T 2 > T m > T 1 > T c 이고, 여기서 T m 및 T c 는 각각 상기 PCM의 용융 온도 및 결정화 온도에 해당한다.
본 발명을 구현하는 장치, 장치 및 방법은 하기에 첨부된 도면을 참고로 하여 비-제한적인 실시예에 의해 더욱 상세히 설명될 것이다.
도 1은 광학 장치의 2 차원 (2D) 단면도로서, 구현예에 따라 대 면적 PCM 서브 픽셀 또는 픽셀로서 현저하게 설계될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 바와 같은 하나 또는 그 이상의 장치를 스위칭하는데 사용될 수 있는 전계 효과 트랜지스터를 포함하는, 도 1에 도시된 스위칭 회로의 변형 예를 나타낸다.
도 3은 도 1에 나타낸 장치의 3 차원 (3D)도이다.
도 4는 도 1 또는 도 3에 도시된 바와 같은 장치의 PCM 요소의 온도 프로파일에 대한 플롯으로, 유한 요소 가열 모델로 얻어지는 바와 같은, PCM 장치와 열적으로 연통되지만 그것으로부터 전기적으로 절연된 히터 장치에 인가되는 고속 전류 펄스에 의해 야기되는 가열 펄스의 영향을 받는다.
도 5 및 도 6은 구현예에 따른 광학 장치의 PCM을 결정질 상태 (도 5)로 스위칭하고 비정질 상태로 되돌리기 위해 (도 6) 히터 요소의 제어 사이클에 의해 유도되는 가열 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 7은 각각이 1 세트의 서브 픽셀을 포함하는 3 × 3 매트릭스 픽셀을 포함하는 광학 장치를 예시하는 것으로, 여기서 상기 서브 픽셀은 각각 도 1의 광학 장치와 유사하게 설계되지만, 구현예에 따라 상이한 스페이서 두께를 갖는다.
도 8 및 도 9는 히터 전류가 리플렉터 (도 8) 또는 공통 전극 (도 9)으로 흐르는 관통-비아의 배열을 포함하는 추가 구현예에 따른 광학 장치의 2 차원 (2D) 단면도이다.
도 10 내지 도 12는 도 8에서와 같이 수직 관통-비아의 배열을 포함하는 구현예에 따른 디스플레이 장치의 2 차원 (2D) 단면 (부분)도이다. 각각의 경우, 간략화를 위하여 3 개의 픽셀 (단지)만을 도시하였다. 도 10에서, 연속 층은 캐핑층, PCM 층 및 스페이서 층을 형성하는데 사용되는 반면, 도 11 및 도 12는 별개의 층 부분을 포함하는 시프트된 구성을 나타낸다.
도 13은 도 9에서와 같이 공통 전극을 포함하는 구현예에 따른, 시스템 레벨에서의 디스플레이 장치에 대한 개략도이다.
첨부된 도면은 실시예와 관련된 장치 또는 그것의 부분의 단순화된 묘사를 나타낸다. 도면에 도시된 기술적 특징은 반드시 일정한 비율로만 도시되어있는 것은 아니다. 도면에서 유사하거나 기능적으로 유사한 구성 요소는 달리 지시되지 않는 한 동일한 참조 번호를 부여하였다.
하기의 설명은 다음과 같이 구성된다: 첫째, 일반적인 구현예와 고급 변형예가 기술된다 (1 절). 그 다음 섹션은 더욱 구체적인 구현예와 기술 구현 세부 사항을 다루고 있다 (2 절).
1. 일반적인 구현예 및 고급 변형예
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1측면에 따라, 단일 적층 구조 (2)를 포함하는 광학 장치 (1)가 기술된다. 기본적으로, 상기 장치 (1)는 리플렉터 (15), 광학 스페이서 (14), 상 변화 물질 (10), 또는 PCM, 히터 요소 (17) 및 컨트롤러 (19, 19a)를 포함한다.
상기 리플렉터 (15) 및 스페이서 (14)는 모두 열전도성이다. 상기 스페이서 (14)는 광에 대해 투과성이고 상기 리플렉터 (15) 위에 배치된다.
싱기 PCM (10)은 상기 스페이서 (14) 위에 배열된다. 그것은 두개의 실질적으로 다른 값의 굴절률 n (예를 들어, n은 하기 기술될 바와 같이 적어도 0.2가 상이하다)을 나타내는 2개 (또는 그 이상)의 전환 가능한 상태를 갖도록 선택된다. 보다 일반적으로, 상기 PCM은 그것의 굴절률 및/또는 그것의 광 흡수가 스위칭 가능하도록 선택될 수 있다. 본 명세서에서 고려된 PCM은 열 펄스의 적용하에서 가역적으로 전환될 수 있다. 이러한 물질은 그 자체로 공지되어 있다. 본 발명의 목적에 가장 적합한 재료의 예는 하기에 논의된다. 이하에서, 설명된 스위칭 메커니즘 간략화를 위해 본질적으로 PCM의 굴절률 특성을 나타낸다.
놀랍게도, 히터 요소 (17)는 리플렉터 (15)에 대하여, 즉 리플렉터 (15)의 다른 측면 상에 PCM (10)에 대향하여 위치되고, 따라서 PCM과 직접 접촉하지 않는다. 여전히, 상기 구성에 따라, 상기 히터 요소 (17)는 리플렉터 (15) 및 스페이서 (14)를 통해 PCM (10)과 열적으로 연통한다. 그러나, 상기 PCM (10)은 히터 요소 (17)로부터 전기적으로 절연된다. 추가적인 전기 절연 및 열 전도층 (18)이 그 목적을 위해 제공될 수 있다. 변형 예에서, 상기 리플렉터는 하기에서 논의되는 바와 같이 유전체 거울로 설계될 수 있다.
또한, 상기 컨트롤러 (19, 19a)는 히터 요소 (17)를 작동하도록 구성되어, 일반적으로 PCM (10)을 가열함으로써 PCM (10)의 굴절률을 가역적으로 변화시킨다. 상기 컨트롤러 (19)는 히터 요소 (17)에 전류 또는 전압을 인가하도록 구성되어, 상기 히터 요소를 가열함으로써 PCM을 스위칭한다. 상기 히터 요소가 가열될 때, 열은 리플렉터 (15) 및 스페이서 (14) (이들은 모두 열 전도성임)를 통해 PCM으로 신속하게 전달되어, PCM을 가열함으로써 하나의 상태에서 다른 상태로 스위칭되도록 한다. PCM을 여러 가지 상태로 스위칭하기 위하여 별도의 신호를 인가하는 것이 요구될 수도 있다.
여기서 스위칭은 PCM (10)에 직접 (또는 간접적으로) 전압 또는 전류를 인가하는 것보다는 히터 요소 (17)로 인해 달성된다. 상기 히터 요소는 바람직하게는 층으로서 제공되어, 층들 (10, 14, 15)의 적층을 완성한다. 즉, 히터 요소 (17), 리플렉터 (15), 스페이서 (14) 및 PCM (10)은 적층 구조 (2)의 적층 방향 (z)을 따라 층으로서 적층된다.
다양한 요소 (17, 15, 14 및 10)는 구조 (2)에서 적절한 순서의 시퀀스를 형성한다. 그러나, 상기 요소들은 반드시 바로 연속적인 것은 아니다. 즉, 상기 시퀀스는 시퀀스에 삽입된 하나 이상의 추가 층, 예를 들면 도 1의 층 (18)을 포함할 수 있다. 그러나, 임의의 추가 층은 상기 히터 (17)와 PCM (10) 사이에 원하는 열 경로 및 전기 배리어를 유지하도록 적합한 물리적 특성을 가져야 한다.
상기 층 (10-17)은 바람직하게 모두 동일한 측면 치수 x, y (적층 방향 z에 수직)를 갖는다. 구조물 (2)은 z를 따라 실질적으로 일정한 측 방향 치수를 가질 수 있어, 콤팩트하고 돌출된 구조 (2)를 형성함으로써 z를 따라 균일한 열 전파를 선호할 수 있다. 이는 차례로 균일한 스위칭을 달성하고 전력 소비를 최적화하는데 도움이 된다. 그러나, 도 1에서와 같이, 열이 만족스럽게 PCM으로 전달될 수 있는 한, 층 적층에서 실질적으로 동일한 측면 치수를 갖는 것은 중요하지 않다.
특히, 히터 요소 (17)의 측면 치수는 상부 요소 (10-15)의 측면 치수와 본질적으로 일치하거나 또는 열 전달을 위해 약간 더 클 수 있다. 다양한 요소 (17, 15, 14)의 두께는 열 특성이 최적화되도록 선택될 수 있다. 보다 일반적으로, 본 발명의 장치는 PCM (10)의 큰 부분에 걸쳐, 또는 가능하다면 그것의 주요 부분에 걸쳐, 균일한 스위칭을 선호하도록 설계된다.
유리하게는, 상기 히터 (17)의 위치는 차례로 그들의 광학 특성의 관점에서 최적화될 수 있는 순서화된 층 (10-14-15)의 시퀀스를 교란시키지 않는다.
특히, 이는 발명의 요약에 언급된 바와 같이, PCM (10)의 굴절률 및 스페이서 (14)의 두께에 의존하는 간섭 효과를 이용하기 위하여, 예를 들면 각각의 서브 픽셀에 대하여 스페이서 두께가 조정되는 것을 가능하게 한다. 따라서, 컬러 필터를 사용할 필요가 없다. 바람직한 구현예에서, 본 발명에 따른 장치는 임의의 컬러 필터가 요구되지는 않지만, 상기 필터는 필요한 경우, 변형예에서 상기 스페이서에 상보적으로 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 광 감쇠기 또는 전기-광학 감쇠기를 포함할 수 있거나, 여전히 올바른 디스플레이 쉐이드를 생성하기 위하여 구성된 임의의 필터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 히터 요소 (17)는 그것이 PCM, 즉 반사기 위에 직접 접촉하는 경우, 광에 대해 투과성일 필요는 없다. 대신에, 원하는 전기/열 특성 (예를 들면: 높은 저항)과 관련하여 최적화될 수는 있다. 상기 히터는 바람직하게는 리플렉터 (15) 아래의 저 저항성 전도층 (21)에 삽입되어, 도 1에 나타낸 바와 같이, 층 (21)을 작동하는 동안 변환을 최적화하고 전력 소비를 최소화시킨다. 이것은 활성 광학 영역을 사이에 삽입되는 전극이 필요 없이, 단일 전기 접촉부가 구조 (2)의 후면 상에 존재하기 때문에 전체 구조를 더욱 단순화시킨다.
본 발명에 따른 층 건축으로 인하여, 큰 서브 픽셀은 보다 용이하게 (전기적으로 어드레싱될 수 있음) 제작될 수 있으며, 각각은 상이한 컬러를 제공할 수 있다. 상기 히터는 바람직하게는 낮은 저항을 가지며 표준 CMOS 기술을 사용하여 작동되도록 선택된다. 본 발명에 따른 광학 장치는 통상적으로 디스플레이 장치 내의 컨트롤된 서브픽셀 또는 픽셀로 구현될 수 있다. 서브픽셀은 도 7을 참조하여 후술되는 바와 같이, 상이한 컬러를 제공하기 위해 실질적으로 다른 두께의 스페이서를 가질 수도 있다.
상기 층들 (10-17)은 반드시 평면일 필요는 없고; 그들은 일반적으로 적층 방향 z를 따라 적층되지만, 대신 구조화될 수는 있다. 특히, 상기 히터는 이를 통한 온도 프로파일 및 그에 따른 스위칭을 향상시키도록 구성될 수 있다.
전형적으로, 투명 캡핑 층 (16)은 PCM (10)의 상부에 배치되고, 그 표면 (16)은 도 1에 도시된 바와 같이 뷰잉 표면을 형성한다.
상기 층 (14-18)의 두께는 전형적으로 10nm 내지 250nm이다. 최적의 두께는 설계 크기 및 원하는 열 계수에 따라 달라진다. 그러나, 상기 PCM (10)의 두께는 실제로 사용되는 재료 및 요구되는 용도에 따라 0.5nm 내지 500nm 일 수 있다. 그러나, 바람직한 PCM 두께는 1nm 내지 80nm이며, 이는 일반적으로 요구되는 광학 특성을 달성하기에 충분할 것이다. GST, GeTe (이하 GT) 또는 AIST (또는 이와 유사한 재료)와 같은 PCM을 사용할 때, 후술되는 바와 같이, 충분한 두께는 전형적으로 3 내지 15nm이다.
최소한의 투명도가 층 16, 10 및 14에 대해 요구된다. 입사광의 투과율은 일반적으로 10% 이상이 요구된다. PCM 층의 경우 일반적으로 최소 1%가 요구된다. 정확한 투과율 값은 층의 실제 두께에 따라 달라진다. 상기 리플렉터 (15)는 전형적으로 광학적으로 두꺼울 필요가 있다. 예를 들면, 리플렉터 층 (15)이 본질적으로 은으로 제조되는 경우, 적어도 60nm, 바람직하게는 적어도 100nm의 두께를 갖는다. 상기 리플렉터는 바람직하게는 목적의 파장의 범위에 걸쳐 평균적으로 80%, 90% 또는 심지어 95% 이상의 반사율을 갖는다.
구조 (2)의 측면 (평균) 치수는 예를 들면 0.35 ㎛ 이상일 수 있다. 여전히, 본 접근법은 원칙적으로 1, 5, 10, 50 또는 100 ㎛ 보다 훨씬 더 큰 치수를 가능하게 한다. 더 큰 측면 (평균) 치수 예를 들면 1, 10 또는 100 mm 보다 큰 장치도 고려될 수 있다. 열 유도 스위칭에 의존하면 더 큰 부분이 스위칭되도록 하고, 이는 차례로 큰 측면 치수를 가능하게 한다. 적층 구조의 측면 치수는 사용되는 응용 분야, 건축 및 재료에 따라 크게 좌우된다.
PCM의 특성과 관련하여, 일반적으로 두 상태의 굴절률에 대해 최소한 0.2의 차이가 요구된다. 예를 들면, 고 굴절률 상태에서는 n = 2.4이고 저 굴절률 상태에서는 n = 1.6일 수 있다. 2개의 상태에서의 굴절률의 차이는 전형적으로 0.2 내지 4이다. GeSbTe 및 관련 재료에 대한 굴절률 및 흡광 계수의 전형적인 값은 "WHP Pernice and H. Bhaskaran, Photonic non-volatile memories using phase change materials, Applied Physics Letters, 101, 011243 2012"를 통해 알 수 있고, 특히 도 2a를 참고할 수 있다.
PCM에서 도달할 수 있는 온도 프로파일은 시뮬레이션 (도 4 참조)에 나타난 바와 같이, 일반적으로 GST의 경우 500-600℃ 또는 그 이상 (> 600℃)일 수 있다. PCM에서 실제 열 프로파일을 측정하는 실용적인 방법이 없다는 점에 유의하여야 한다 (특히 본 맥락에서, PCM이 절연된 경우). 이것은 재료 의존적이며, 모든 재료가 동일한 온도에서 시뮬레이션의 관심사와 같이 전환되는 것은 아니다.
바람직한 PCM은 균일한 (벌크) 스위칭을 선호하는, 즉 필라멘트 스위칭과는 반대로 스위칭 프로세스에서 재료의 많은 부분을 포함하는 물질이다. 다중 (평행) 필라멘트의 형성은 최종적으로 벌크 스위칭에 이르게 하여 소집될 수 있음을 주목하여야 한다. 그러나, PCM의 두께가 너무 두꺼우면, 이것은 아래에 예시된 바와 같이, 적절한 스위칭을 보장하지 않을 수 있고, 따라서 PCM 층의 두께를 제한할 것이 요구된다.
바람직하게, 본 발명의 구현예는 리플렉터를 체계적으로 사용하고 백라이트 유닛을 필요로 하지 않는다. 여전히, 변형예에서, 백라이트 유닛이 투과형 반사 디스플레이 또는 투과성의 유약 또는 광 변조와 같은 다른 용도에 포함될 수는 있다.
상기 언급된 바와 같이, 여러 가지 인자들이 스위칭을 향상시키는 데 기여한다. 그 중에서, 층 (10-18)의 수직 치수는 스위칭의 균일성에 영향을 미친다. 예를 들면, 너무 두꺼운 PCM은 필라멘트 스위칭을 선호할 수 있다. 따라서, 본원에서 유발된 전형적인 PCM의 경우, 필라멘트 스위칭을 완화하기 위하여 (달리 언급되지 않는 한, 닫힌 구간은 예를 들면, 끝점을 포함하는 닫힌 구간으로 가정됨) PCM (10)의 평균 두께는 0.5nm 내지 500nm (바람직하게는 1nm 내지 80nm 또는 3nm 내지 15nm)이다. 한편, 중간층 (14, 15)의 두께를 제한함으로써 더 나은 열 전파가 가능해진다 (따라서 더 적은 전력이 요구된다). 따라서, 상기 리플렉터 (15)의 평균 두께는 전형적으로 50nm 내지 1㎛ 이다.
상기 스페이서의 역할은 광 간섭 효과를 결정 (특히, 후자의 두께에 따라 달라진다)하는 것이기 때문에, 상기 스페이서의 두께는 바람직하기는 평균 40nm 내지 300nm로 제한된다.
상기 치수 특성은 일반적으로 열 확산에 심하게 영향을 미치지 않으며, 특히 PCM에 GST, GT 또는 AIST (또는 유사한 재료)가 사용되는 경우 균일한 스위칭을 선호하는 것으로 나타났다. 반대로, 횡 방향 치수는 상기한 바와 같이, 제한되지 않는다.
상기한 바와 같이, 리플렉터 (15)가 히터 요소 (17)로부터 전기적으로 절연되도록 히터 요소 (17)와 리플렉터 (15) 사이에 전기적으로 절연 물질 (18)이 제공되는 것이 바람직하다. 변형예에서, 상기 리플렉터 (15)는 유전체 거울로 구성되어 전기적 장벽으로 작용한다. 그러나, 상기 유전체 거울은 전형적으로 다수의 재료 층을 포함할 수 있다. 따라서, 다층 유전체 거울을 설계하는 것보다 전기 절연 층 (18)을 제공하는 것이 종종 더 간단하다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 히터 요소 (17)는 바람직하게는 저항성 히터 요소 (17)이고 상기 컨트롤러 (19, 19a)는 히터 요소 (17)에 전류 및/또는 전압을 인가하도록 구성되어, 후자를 가열하고, 차례로 PCM (10)을 가열함으로써, 이를 스위칭시킨다. 바람직하게는, 전류보다는 전압 펄스가 인가된다. 하나의 전류가 공급되는 장치가 고려될 수 있지만 실제로는 실제 장치에 전압보다 전류를 공급하는 것이 더 어려울 수 있다. 도 1 내지 도 3에 도시된 단순한 예시적인 전기 회로 (19)는 전압 펄스를 적용하여 PCM이 스위칭되도록 한다. 하기의 섹션 2에 상세히 기술되는, 도 2에 예시된 FET 회로 같이 더 정교한 작동 (19a)이 고려될 수 있다. 모든 경우에, 크로스바 회로 구성이 요구되지 않으므로 그것이 바람직한 것은 아니다.
도 1 내지 도 3에 추가 도시된 바와 같이, 상기 컨트롤러 (19)는 히터 요소 (17)에 전압 또는 전류를 인가하기 위하여, 히터 요소 (17)를 포함하는 도전층 (21)과 각각 접촉하는 2개의 단자 (191, 192)를 포함할 수 있다. 이의 구성은 상기 언급한 바와 같이 (크로스바 구성일 필요는 없음) 전반적인 계층 구조를 단순화한다. 도 1 또는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 히터 요소 (17)는 바람직하게는 층 (21)을 "방해"하여 전력-열 변환을 최대화하기 위하여 필라 (pillar) 구조 (2)의 레벨에서 도전층 (21)에 삽입된다. 상기 전기 전도층 (21)의 2개의 잔여 부분 (211, 212)은 단자 (191, 192) 중 하나에 의해 접촉되는 히터 요소 (17)의 측 방향 측면에 접촉하여 배열된다.
히터 (17)가 도전층 (21)에 삽입되는 구성은 디스플레이의 서브 픽셀을 어드레싱하기 위하여 다수의 수평 및/또는 수직 전극을 포함하는, 전극 배열 예를 들면 디스플레이 장치의 기본 요소를 형성할 수 있다. 도 1에서 가정된 기하학적 구조와는 달리, 잔류 부분 (211, 212)은 반드시 히터 (17)의 대향 측면에 배치될 필요는 없다. 직선으로 연장하는 대신에, 요소 (17, 21)는 다른 방법으로 예를 들면, 더 큰 픽셀이 가열되도록 패턴화될 수 있다.
변형 예에서, 상기 히터 (17)는 층 부분 대신에 (도 8-12의 구현에서 가정 된 바와 같이) 구불구불하게 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 구불구불 한 모양은 (도 1의 층 부분 (17)과 마찬가지로) 본질적으로 상기 리플렉터 (15)에 대해 PCM (10)에 대향하는 체적 내에 배열된다. 구불구불한 히터는 구조체를 지지하는 기판을 통해 연장된 관통 비아에 의해 접촉될 수 있다. 상기 구불구불한 모양은 가능한 한 균일하게 열을 분산시키도록 단단히 감겨 있는 것이 바람직하다. 도 8 내지 도 12에 상세히 후술되어 있다.
이제 바람직한 PCM이 논의된다. 상기 PCM (10)은 예를 들면 하기 화합물 중 하나 이상을 포함할 수 있다: GeSbTc, VOX, NbOx, GeTe, GeSb, GaSb, AglnSbTe, InSb, InSbTe, INSE, SbTe, TeGeSbS, AgSbSe, SBSE, GeSbMnSn, AgSbTe, AuSbTe 및 AlSb. 그러나, 상기 언급된 원소의 화학적 조합을 포함하는 다른 물질이 사용될 수도 있다. 특히, 상기 PCM은 상기 언급된 원소들의 조합, 즉 Ag, Al, Au, Ga, Ge, In, Mn, Nb, O, S, Sb, Se, Sn, Te 및 V 중에서 선택되는 화합물 또는 합금일 수도 있다.
바람직하게는, 상기 PCM (10)은 Ge2Sb2Te5 (GST라고도 함)를 포함한다. 다른 적합한 물질은 Ag3In4Sb76Te17 (AIST로도 공지됨)이다. 다른 예에서, GeTe (GT), 바람직하게는 Ge 및 Te가 비-동등한 비율로 사용할 수 있고, 이것은 큰 영역에 대해 보다 늦은 결정화 시간을 가능하게 하므로 유리할 수 있다.
보다 일반적으로, 상기 물질의 다양한 화학량론적 형태가 고려될 수 있는 것으로 이해된다. 다수의 화학량론적 형태는 Ge a Sb b Te c ,가 고려될 수 있고, 여기서 예를 들면, {a, b, c} = {1, 2, 4}, {4, 1, 5}, {8, 2, 11}, {6, 2, 9} 또는 {4, 2, 7}이다.
또한, PCM 화합물은 불순물 및/또는 도펀트를 포함할 수 있다. 예를 들면, 그것은 하나 또는 그 이상의 Si, C 및 N으로 도핑될 수 있고, 이는 전이 온도 및 전이 속도와 같은 매개 변수를 보다 잘 컨트롤하는데 유용할 수 있다.
상기 히터 요소 (17)는 예를 들면 저항성 및 실질적으로 높은 열 전도성을 나타내는 금속 또는 금속 합금을 포함할 수 있다. 예를 들면, 저항성 히터 요소 (17)는 질화 티탄 (TiN), 질화 티탈 (TaN), 니켈 크롬 실리콘 (NiCrSi), 니켈 크롬 (NiCr), 텅스텐 (W), 티탄-텅스텐 (TiW), 백금 (Pt), 탄탈륨 (Ta), 몰리브덴 (Mo), 니오븀 (Nb), 또는 일리듐 (Ir), 또는 임의의 조합 또는 원하는 특성을 갖는 유사한 금속 또는 금속 합금의 조합으로부터 선택될 수 있다. 상기 히터 (17)는 필요한 열 펄스를 가능하게 하기 위하여 PCM (10)의 용융 온도보다 높은 용융 온도를 갖는다.
전기 전도 층 (21)에 대한 잠재적 재료의 예는 TiN, TaN 또는 Al 일 수 있다.
배리어 층 (18)은 특히 SiO2, SiN, AlN, 탄화 규소 (SiC), 다이아몬드 (C) 또는 적절한 열전도성 및 전기 저항을 갖는 임의의 다른 재료로 형성될 수 있다. 하기의 표 1은 구현예에서 사용될 수 있는 물질의 조합의 예를 그들의 전기 전도도 (S/m) 및 열 전도도 (W/m.K)와 함께 나타낸다.
요소 (층) 참조 화합물 전기
전도도		 열
전도도
Heater 17 Tin 2 105 28.84
전기 전도층 21 NiCr 106 11
스페이서, 캐핑 및 절연 배리어 14, 16, 18 SiO2 0 1.4
리플렉터 15 Ag 61.6 106 429
PCM (비정질) 10 GST 0.1 0.2
PCM (결정질) 10 GST 103 0.5
표 1은 본 구현예에 따른 광학 장치의 바람직한 물질의 조합의 예를 나타낸다.
다음으로, 다수의 적층 구조 (2a, 2b)를 포함하는 다른 광학 장치가 기술된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 그러한 장치는 예를 들면 도 7의 픽셀 (100)를 형성하기 위한 구조체 (2, 2a, 2b)의 세트, 또는 픽셀의 매트릭스 (200)를 형성하기 위한 구조체 (2, 2a, 2b)의 다수의 세트를 포함할 수 있다. 단일의 장치 (100)는 한 세트의 열 전도성 스페이서 (14, 14a 및 14b)를 포함한다. 전술한 바와 같이, 각각의 스페이서 (4)는 리플렉터 (15) 위에 놓인다. 현저하게, 상기 스페이서는 실질적으로 상이한 두께를 갖는다. 상기 장치는 스페이서 및 리플렉터와 함께 적층 구조 (2, 2a, 2b)를 형성하는 상 변화 재료 (10) 또는 PCM 세트를 더욱 포함한다. 각각의 적층 구조 (2, 2a, 2b)에서, PCM (10)은 스페이서들 각각의 상부에 배치된다. 전술한 바와 같이, PCM (10)은 적어도 2개의 가역적으로 스위칭 가능한 상태를 갖고, 두 가지 다른 값의 굴절률을 나타낸다. 히터 요소 (17)는 리플렉터 (15)에 대하여 각각의 PCM (10) 및 스페이서 (14, 14a, 14b)에 대향하여 제공된다. 각각의 히터 (17)는 스페이서 및 리플렉터를 통해 각각의 PCM (10)과 열적으로 연통하지만, 예를 들면, 배리어 층 (18)으로 인해 각각의 PCM (10)으로부터 절연된다. 컨트롤러 (도 7에 도시하지 않음)은 히터 요소를 독립적으로 작동시키도록 추가 구성되어, PCM을 독립적으로 가열함으로써 그것의 굴절률을 변화시킨다. 결과적으로, 각각의 PCM의 굴절률은 컨트롤러를 통해 독립적으로 제어가능하다.
다시, 캡핑 층 (16)은 구조 (2, 2a, 2b)의 각각에서 또는 모든 구조 (서브 픽셀) (2, 2a, 2b)를 덮는 단일 층으로서 제공될 수 있다.
각각의 구조 (2, 2a, 2b)는 히터 (17), 리플렉터 (15), 스페이서 (14, 14a, 14b) 및 스페이서 위의 PCM (10)을 포함하고, 이는 방향 z를 따라 연속적으로 적층된다. 도 1 및 도 3의 단일 구조 (2)를 참조하여 논의된 모든 이전의 고려 사항 (특히 재료, 두께의 관점에서)이 구조 (2, 2a 및 2b)의 각각에 등가적으로 적용될 수 있다.
도 7에서, 상기 적층 구조 (2, 2a, 2b)는 픽셀을 형성하는 서브픽셀인 것으로 가정된다. 변형예에서, 픽셀은 3개 이상의 서브 픽셀을 포함할 수 있다.
광은 도 1과 같이 각 서브픽셀의 상부 표면 (16s)을 통해 들어가고 빠져나간다. PCM (10)의 굴절률 및 각각의 스페이서 (14, 14a, 14b)의 두께에 의존하는 간섭 영향으로 인해, 반사율은 각각의 경우에 빛의 파장에 대한 함수로서 현저하게 변화하지만, 스페이서의 두께가 다르기 때문에, 각각의 서브 픽셀 (2, 2a, 2b)에 대해 다르다. 다시 말해서, 스페이서 부분은 서브픽셀의 각각에 대해, 서브픽셀의 각각에 들어가는 광에 대한 별개의 파장-의존성 반사율을 부여하기 위하여 상이하게 치수가 정해진다. 즉, 각 서브픽셀이 점등될 수 있지만 (PCM 스위칭 덕분에) 별도의 필터 등을 요구함이 없이 별개의 색상 (별개의 스페이서 두께 덕분에)을 갖는다.
상기한 바와 같이, 디스플레이 애플리케이션에서, 장치 (200)는 각각이 상술 한 바와 같이 한 세트의 적층 구조 (2, 2a, 2b)를 포함하는 픽셀 세트 (100)를 포함할 것이다. PCM 필셀의 어레이는 예를 들면 FET/TFT 장치의 어레이의 상부 상에 제조될 수 있다. 수정된 제어 회로 (19a) (도 2에서와 같이)가 그것의 목표를 위해 사용될 수 있으며, 열이 픽셀에 인가되는 방법을 제어하기 위한 FET (22)를 포함한다. 변형예에서, PCM 픽셀 어레이 (200)는 액세스 장치로서 Mott memristor와 같은 비-선형 장치를 사용하여 패시브 PCM 디스플레이로 구현될 수 있다.
구현예에서, 컨트롤러 (19, 19a)는 바람직하게는 히터 요소 (17)를 독립적으로 작동시킬 수 있도록 구성되어야 한다. 사용된 PCM에 따라, 각각의 요소 (17)는 두 개 (또는 그 이상)의 별개의 신호에 따라 작동될 것이 요구되고, 이는 2개 (또는 그 이상)의 개별 열 펄스를 발생시켜 PCM (10)을 2개 (또는 그 이상)의 전환 가능한 상태로 각각 가역적으로 스위칭시킨다. 이것은 도 5 및 도 6에 도시 된 바와 같이 PCM (10)을 2개 (또는 그 이상)의 전환 가능한 상태로 가역적으로 스위칭하기 위해 요구되는 2개 (또는 그 이상)의 시간 열 프로파일 (P 1, P 2)을 생성할 것이다.
이제 본 명세서에 기술된 바와 같은 광학 장치를 제어하기 위한 방법으로 구현될 수 있는 본 발명의 또 다른 측면을 참조하여 상세히 설명된다. 가장 기본적으로, 본 방법은 각각의 PCM (10)을 가열하고 그것의 굴절률을 가역적으로 변화시킬 수 있는 컨트롤러 (19, 19a)를 통해 히터 요소 (17)를 반복적으로 작동시키는 것을 중심으로 설명된다.
상기한 바와 같이, 상기 PCM은 일반적으로 2개 (또는 그 이상)의 별개의 열 펄스를 인가하기 위해 2개 (또는 그 이상)의 별개 신호를 요구할 수 있다.
예를 들면, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 컨트롤러는 시간 기간 (t 1) 동안 히터 요소 (17)를 작동시켜 (S 1), 제1 시간 열 프로파일 (P 1)에 따라 상기 PCM을 가열하고 이에 따라 상기 PCM을 제1 (비정질) 상태에서 제2 (결정질) 상태로 전환시킨다. 그 다음, 상기 컨트롤러는 시간 기간 (t 2) 동안 상기 히터 요소 (17)을 연속적으로 작동시켜 (S 2), 제2 시간 가열 프로파일 (P 2)에 따라 상기 PCM을 가열하고 이에 따라 상기 PCM을 제1 (비정질) 상태로 다시 전환할 수 있다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 시간 열 프로파일 (P 1)은 최대 온도 (T 1)를 나타내고 제2 프로파일 (P 2)은 최대 온도 (T 2)를 나타낸다. 또한, 다음과 같은 부등식이 적용된다: t 1 > t 2 및 T 2 > T m > T 1 > T c , 여기서 T m 및 T c 는 각각 상기 PCM의 용융 온도 및 결정화 온도에 해당한다 (섹션 2 참조).
특히, (P 1로 이어지는) 첫 번째 신호 (S 1)는 안정한 결정화가 가능하도록, 재-비정질화 시간 (PCM의 경우 재-비정질화하는데 필요한 시간)보다 적어도 3배 긴 시간 동안 온도가 다시 T 1에서 T PCM로 돌아오는 동안 시간에 대해 (t fall 이라 함) 신중하게 설계될 필요가 있다.
인가되는 신호 (S 1, S 2)는 (도 5 및 도 6에서 가정된 바와 같이) 변형 예에서는 (도 5 및 도 6에서 가정된 시나리오와는 달리) 상이한 진폭을 가질 수 있는 전류 펄스일 수 있다. 이는 차례로, PCM을 적절하게 스위칭하는데 필요한 적용 시간 (t 1 및 t 2)에 영향을 미칠 수 있다. 다른 변형 예에서, 상기 논의된 이유로 전압 펄스를 인가하는 것이 바람직할 수 있다.
본 방법의 특정 구현예는 바람직한 광학 장치와 관련하여 섹션 2에서 보다 상세히 논의된다.
용어 "비정질"이란 PCM (10)이 "비정질" 상태, 본직적으로 비-결정성이며 장-범위 규칙도가 결여되어 있음을 의미한다. 단-범위 규칙도가 존재할 수 있지만, 이 화합물 (10)의 공지된 결정 형태에 대해 (예를 들면, 적어도 5%의 편차) 원자 간 거리 및/또는 결합 각도의 실질적인 편차가 존재할 수 있다. 상기 "비정질"은 화합물 (10)이 그것의 "비정질" 상태에서 작은 비-결정질 영역, 예를 들면 미세결정 또는 나노결정 영역을 포함할 수 있기 때문에 광범위하게 이해되어야 한다. 그럼에도 불구하고, 본원에서 고려되는 비정질 상태의 PCM (10)은 본질적으로 (및 가능하게는 완전히) 비정질, 즉 본질적으로 비-결정질로 유지되는 것으로 가정된다.
마찬가지로, 상기 PCM (10)은 "결정질" 상태, 본질적으로 결정성으로 존재하며, 장-범위 규칙도를 나타낸다. 그것은 전형적으로 다결정이며, 예를 들면 본질적으로 미세결정 또는 나노결정 영역으로 이루어진다. 그러나 "결정질" 상태의 화합물 (10)은 작은 비정질 영역을 포함할 수 있다.
상기 구현예는 (본질적으로) 결정질 및 (본질적으로) 비정질 상에 해당하는 전환가능한 상태를 언급하고 있지만, 구현예에서 임의의 2개의 고체상 사이에서 전환가능하도록 PCM이 작동될 수 있음을 명심하여야 하며, 이는 다른 결정 또는 준-결정 상 또는 그 반대의 결정상에 대해 결정형; 다른 결정 또는 준-결정/반-순서 또는 그 반대의 결정에 대해 비정질, 및 (상응하는 상태가 별개의 굴절률을 허용하는 한) 상기에서 모든 적합한 형태를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 2 가지 이상의 상태가 포함될 수도 있다.
본 발명은 또한 디스플레이 장치로 구현될 수 있다. 디스플레이 장치 (1c-1f)의 예는 도 8-13에 개략적으로 도시되어있다. 본 발명의 디스플레이 장치 (1c-1f)는 전형적으로 각각이 적층 구조 (2c-2f)를 갖는 픽셀의 세트를 형성하기 위하여 전술한 바와 같이 몇몇 광학 디바이스를 포함한다. 그러나, 광학 장치의 구성 요소 중 일부는 도 10-12를 참고하여 후술될 바와 같이, 디스플레이 장치의 픽셀 중에 공유될 수 있다.
모든 경우, 본 디스플레이 장치 (1c-1f)은 적층 구조 (2c-2f)가 적어도 하나의 PCM (또는 적어도 PCM 층의 스위칭 가능한 영역) 및 히터 요소 (17)를 포함하는 픽셀들을 포함하고, 바람직하기는 상술한 바와 같이 구불구불한 모양으로 구성된다. 상기 히터는 PCM (10)으로부터 전기적으로 절연되지만, PCM (10)과 열적으로 연통한다.
본 디스플레이 장치는 컨트롤러 (예를 들면, 도 13에 도시된 바와 같은 요소들 (31, 32, 41, 42)를 포함함)를 더욱 포함하고, 앞서 이미 설명한 원리들과 마찬가지로, 상기 컨트롤러는 PCM을 독립적으로 가열함으로써 그것의 굴절률을 가역적으로 변화시키기 위하여 임의의 픽셀을 작동시는데 사용될 수 있다.
또한, 이러한 장치 (1c-1f)는 도 13의 전극 (221, 222) 쌍의 배열을 더욱 포함하고, 여기서 각각의 픽셀이 컨트롤러에 의해 개별적으로 어드레싱 가능하도록, 각각의 전극 쌍들은 픽셀 (2c-2f) 중 하나의 히터 요소 (17)와 전기적으로 연통된다.
바람직하게는, 히터 (17)로 및 그로부터의 전기적 연통을 허용하기 위하여 횡단 비아들 (41, 42)이 사용되며, 그것은 상대적으로 간단한 제조 공정을 유지하면서, (픽셀) 필-팩터를 증가시키는 것을 가능하도록 만든다. 이러한 해결책은 PCM-기반 화소의 매트릭스 어드레싱된 어레이가 얻어지는 것을 가능하게 하고, 여기서 행 및 열 전극 (221, 222) 및 다른 상호접속 소자 (41, 42)가 히터 요소 (17) 아래에 놓인다. 비아 (41, 42)는 전형적으로 하나 이상의 열 전도성, 그러나 전기적으로 절연하는 배리어 (18, 18a) 내에 포함된다.
특히, 도 8 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 각각의 전극 쌍은 바람직하게는 픽셀의 적층 구조의 적층 방향 z에 평행하게 연장되는 비아 (41)를 통해 (픽셀들 (2c-2f) 중 하나의) 히터 요소 (17)와 전기적으로 연통한다.
도 8 내지 도 12의 예에서, 횡단 비아 (41)는 게이트 단자 및 소스 단자가 각각의 전극 (221, 222)과 전기적으로 접촉하는 박막 트랜지스터 (21) (이후 TFT)의 드레인 단자와 전기적으로 접촉한다. 따라서, 게이트 단자에 인가된 전압은 동작 중인 TFT의 소스 단자와 드레인 단자 사이의 전류를 제어하는데 사용될 수 있다.
도 8 및 9의 구현예에서, 상기 TFT (21)는 전극 (221, 222)에 의해 형성된 교차점에 대해 오프셋된다. 따라서, 전극 (221, 222) 각각 과의 접합부를 형성하는 보조 전극 아암으로 인해 전기적 통신이 달성된다. 아암 (22)은 도 8 및 9의 절단 평면도에서 볼 수 있다.
공지된 바와 같이, 예를 들면 유전체 소자 또는 브리지 (225)를 사용하여, 행 및 열 전극의 교차점을 절연시키는 것이 필요하다. 그러나, 절연은 이미 전극이 내장된 층에 의해 제공될 수 있다. 예를 들면, 브릿지 (225)는 먼저 각 교차점에서, 예를 들면 디스크 형상의 형태로 열 전극 (222) 위에 리소그래피로 제조된 중합체 재료로 제조될 수 있다. 그 다음, 상기 중합체 디스크는 각각의 디스크가 렌티큘러 모양을 형성하도록 유지 전이 온도를 지나 가열될 후 냉각된다. 횡 전극 및 브릿지 층 (225) 위에 행 전극의 제조는 날카로운 구배를 최소화하면서 각 크로스포인트에 걸쳐 행 전극을 유도하는 브릿지 (225)의 렌티큘러 형상으로 발생하며, 이는 저항 증가 또는 실패를 야기할 수 있다. 변형 예에서, 상기 브릿지는 마스크를 통해 증착된 산화물 또는 질화물 (예를 들면: Si3N4)로 제조될 수 있다.
TFT에 대한 변형예에서, 저항 스위칭 소자가 사용될 수 있다 (도시하지 않음). 이 경우, 상기 컨트롤러는 각각의 히터를 작동시켜 각각의 PCM의 굴절률 및/또는 흡수를 가역적으로 변화시키기 위하여, 후자가 고-저항 상태에서 저-저항 상태로 전환되도록 각각의 저항 스위칭 소자 (또는 RSE)를 통해 픽셀을 작동시킬 수 있도록 구성될 것이 요구된다. 이러한 변형은 RSE로 인하여 기습 전류 (sneak path) 또는 누설 전류 등과 같은 기생 전류 또는 전압 신호의 필터링을 가능하게 한다. 이것은 결국 PCM 요소의 우연한 스위칭을 방지한다. 이러한 해결책은 패시브 매트릭스 어드레싱 디스플레이에 특히 유리하다. 따라서, 본 디스플레이 장치는 임의적으로 패시브 매트릭스 어드레싱 디스플레로 구현될 수 있다.
바람직하게는 쌍-안정성 상태인 PCM (10)과 달리, 상기 RSE는 단안정 (고-저항이 안정한 상태임)일 것이 요구된다. RSE는 그 자체로 공지되어 있다. 저항 스위칭은 물질에 발생하는 물리적 현상, 예를 들면 충분한 전류 또는 전기장 또는 국부화된 열의 적절한 형태의 작동 하에 저항의 갑작스런 변경을 의미한다. 금속 산화물에서 칼코겐화물에 이르는 여러 종류의 스위칭 재료가 과거에 제안되었으며, 이는 현재의 목적을 위해 고려될 수 있다. 이러한 재료의 성능은 전력 소비, 집적 밀도 잠재력 및 내구성 측면에서 특히 높게 평가된다. RSE는 특히 비아 (41)의 일부분 (전형적으로는 별개로 제공되는 TFT (21)에 대한 변형에서)을 형성하거나 이와 전기적으로 접촉된 상태로 존재할 수 있다.
TFT에 대한 추가 변형예에서, 다이오드 또는 다른 박막 전자 소자가 개별 픽셀을 통한 전류 경로의 선택 가능성을 제공하기 위하여 사용될 수 있다.
도 8, 10-12에 도시된 구현예에서, 상기 디스플레이 장치 (1c, 1d, 1f)는 수직으로 시프트된 한 쌍의 비아 (41, 42)에 의존한다. 제1 비아 (41), 가로 비아 (41)는 TFT (21)의 드레인 단자와 전기적으로 접촉하고, 히터 요소 (17)는 제2 비아 (42)를 통해 리플렉터 (15)와 전기적으로 연통된다. 상기 비아 (42)는 또한 적층 구조의 적층 방향 (z)에 평행하게 연장된다. 이 경우, 작동 중에 상기 리플렉터 (15)는 전기 전도성이므로, 히터 요소 (17)를 통과하는 전류가 리플렉터 (15)를 통해 배출될 수 있다.
도 9에 도시된 변형 예에서, 상기 디스플레이 장치 (1d)의 히터 요소 (17)는 비아 (42a)를 통해 공통 전극 (223) (도 13 참조)과 전기적으로 연통한다. 후자는 또한 적층 구조의 적층 방향 (z)에 평행하게 연장된다. 그러나, 도 9의 실시예에서, 도 9에 도시된 바와 같이, 각각의 비아 (41, 42a)는 전극 (221, 222)의 평균 평면과 픽셀 (2d)의 히터 요소 (17)의 평균 평면 사이에서 연장되어 더욱 얇은 장치가 우수하게 얻어지는 것을 가능하게 한다. 도 9의 구현예에서, 히터 요소 (17)를 통과하는 전류는 작동시 공통 전극 (223)을 통해 배출된다.
상술한 바와 같이, 본 장치 (1, 1a-1f)의 구성 요소 중 일부는 공유될 수 있다. 예를 들면, 도 10 및 도 12에서, 상기 디스플레이 장치 (1c, 1f)는 단일의 연속적인 PCM 층 (10)에 의존한다. 또한, 단일의 연속적인 층이 캐핑층 (16, 16a)을 형성하기 위해 사용된다.
따라서, 단일의 연속적인 PCM 층 (10)이 별개의 PCM 부분들의 세트 대신에 사용되는 도 7의 변형이 고려될 수 있다. 사실, 많은 변형이 고려될 수 있다. 예를 들면, 단일의 연속적인 층이 도 10에서와 같이 스페이서 (14) 및 리플렉터 (15) 각각을 형성하기 위하여 사용될 수 있다. 그러나, 스페이서 (14)의 두께는 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 간섭 영향을 이용하기 위하여 하나의 픽셀에서 다른 것으로 변경될 수 있다.
이것은 도 11에서 상이한 높이의 픽셀을 발생시킨다 (왜냐하면, 도 10에 나타낸 바와 같이, 여기서 상기 리플렉터 (15)는 연속 층으로 형성되고 하부 구조 (18, 18a, 41, 42)가 하나의 픽셀에서 다른 것으로 동일하게 반복되기 때문이다). 그러나, 상기 리플렉터 (15)가 수직으로 시프팅되는 경우 (별도의 층 부분에 의해 형성되는 경우), 상기 히터 (17)와 리플렉터 (15s) 사이의 절연 층 부분 (18)은 도 12에 나타낸 바와 같이 다른 스페이서 층 두께를 보상하기 위하여, 하나의 픽셀 (또는 서브픽셀)에서 다른 것까지 다른 두께를 가질 수 있다. 후자의 경우, 픽셀은 여전히 상이한 컬러를 생성하는 반면, 균일한 PCM 및 캡핑 층이 증착될 수 있다.
캡핑 층 (16)은 예를 들면 하부 스페이서 (14)와 동일한 재료로 이루어질 수 있다. 도 8-12에서, 광학적으로 두꺼운 또는 산란 캡핑 층 (16a)은 캡핑 층 (16)의 상부에 증착된다는 것을 주목하여야 한다. 보다 일반적으로, 캡핑 층 (16, 16a)은 복합 층을 포함할 수 있고, 예를 들면 그것은 상이한 굴절률을 갖는 다수의 물질 층으로 형성됨으로써 원하는 광학 특성이 달성되도록 할 수 있다. 이는 스페이서 층 (또는 스페이서 층 부분)에도 동일하게 적용된다.
예를 들면, 상기 스페이서 층 (14) 및 캡핑 층 (16) 중 어느 하나 또는 모두는 상이한 굴절률을 갖는 다중 층의 재료로 이루어진 "복합" 층을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 이들 다중 층의 계면에서 더 많은 부분적인 내부 반사가 생성되고, 이로 인해 이용 가능한 상태의 반사 스펙트럼의 증가된 제어가 가능해진다. 이를 위하여, 캡핑 층의 굴절률은 전형적으로 적어도 1.6, 바람직하게는 적어도 1.8, 2.0 또는 심지어 2.2이다. 이는 (i) 높은 반사율을 갖는 반사 스펙트럼이 좁은 범위의 파장에 걸쳐 생성되도록 하여 보다 생생한 색 및 이로써 보다 넓은 색 영역을 생성하고, (ii) 원하는 반사 스펙트럼이 장치의 다중 상태에서 보다 독립적으로 튜닝되도록 한다.
실제, 본원에서 유발된 대부분의 물질 층 (예를 들면, 층 10, 14, 15, 16, 17, 18, 18a)은 실제로 구조화가 필요한 경우 하부층 스택으로 분해되어 원하는 기능을 달성하거나 개선시킬 수 있다. 심지어, 상기 PCM 층 (들) (10)은 동일한 재료 (또는 아닌)로 제조된 중첩된 PCM 층 (들)의 세트로 분해될 수 있고, 여기서 인접한 PCM 층들의 쌍은 열 전도 (그러나 전기적으로는 절연) 층에 의해 분리되는 것이 가능할 수 있다.
상기 구현예들은 첨부된 도면을 참조하여 간략하게 설명되었으며, 다수의 변형예를 수용할 수 있다. 상기 특징들의 여러 조합이 고려될 수 있다. 실시예는 다음 섹션에서 제공된다.
2. 특정 구현예 -기술적 구현 세부사항
광학 장치의 특정 구현예는 이제 섹션 1에 개시된 동일한 기본 원리를 따르면서 기술된다. 즉, 히터 요소는 스위칭 능력을 제공하는 반면, PCM을 포함하는 광학 능동 소자는 전기 절연성이지만 열 전도성 베리어에 의해 히터로부터 분리된다.
이러한 구조의 장점은 각 픽셀이 일반적으로 디스플레이 애플리케이션, 심지어 스마트 글라스에서 필요에 따라 (더 많은) 넓은 영역에서 요구되는 마이크론 스케일 영역에 걸쳐 스위칭될 수 있다는 것이다. 상기 히터는 전형적으로 PCM, 스페이서 및 거울의 광학 활성 구조 아래에 배치됨으로써 장치의 전기적 및 광학적 특성을 부분적으로 분리시킨다. 이것은 광학 특성에 대해 훨씬 더 나은 디자인 제어를 가능하게 하며, 이에 따라 필수적인 고 대비 및 채도가 있는 RGB 호환 색상이 필요한 많은 디스플레이 애플리케이션이 이용될 수 있도록 한다.
마지막으로, 인터페이스 엔지니어링은 PCM/전극 (예를 들면: ITO) 인터페이스에서의 산화물 형성에 대한 더 이상의 우려가 없기 때문에 더욱 간단한 반면, 히터는 유리하게도 (종래 기술 해결책과 비교하여) 낮은 저항을 가지며 표준 CMOS 기술을 사용하여 작동될 수 있다.
2.1 적층 구조
특정 구현예들이 이제 도 1을 참조하여 설명된다. 활성 고체 상태 재료 (10)의 일부는 층의 형태로 제공된다. 상기 층의 재료는 한 위상에서 다른 위상으로의 전이의 결과로서 영구적이지만 가역적으로 변화할 수 있는 굴절률을 갖는다. 따라서, 이 물질은 상 변화 물질 또는 PCM이라고 언급될 수 있다. 바람직한 PCM은 상기 섹션 1에서 언급된 바와 같이 GST, GeTe 또는 AIST이다.
상기 PCM (10)은 바람직하게 백금 또는 알루미늄과 같은 금속층인 리플렉터 (15) 위에 제공된다. 스페이서 층 (14)은 PCM (10)과 리플렉터 (15) 사이에 샌드위치된다. 캡핑 층 (16)은 PCM (10)의 상부에 제공된다. 층 (16)의 상부 표면 (16s)은 디스플레이 장치 (1)의 뷰잉 표면을 구성하고, 상기 리플렉터 (백라이트 유닛이 필요하지 않는)는 백-리플렉터이다. 빛은 화살표로 표시된 뷰잉 표면 (16s)을 통해 들어가고 떠난다. 앞서 언급한 바와 같이, PCM (10)의 굴절률 및 스페이서 (14)의 두께에 의존하는 간섭 효과로 인해, 이하에 설명되는 바와 같이, 반사율은 광의 파장에 대한 함수로서 현저하게 변화한다. 스페이서 (14) 및 캡핑 층 (16)은 모두 광학적으로 투과성이고, 이상적으로 가급적 투과성이다.
전극 사이에서 샌드위치 되는 스페이서 (14) 및 캡핑 층 (16)이 PCM (10)에 전압을 인가하기 위한 전극으로 추가 구성하는 방법은 공지되어있다 (예를 들면, WO2015/097468 A1 참조). 이러한 상황에서, 스페이서 (14) 및 캡핑 층 (16)은 인듐 주석 산화물 (ITO)과 같은 투명한 전기 전도성 물질로 만들어져야 한다. 본 접근법에서, 그러한 구속조건은 요구되지 않으며, 16 및 14의 재료는 그들의 단독 광학 특성에 대하여 최적으로 설계될 수 있다. 실현될 수 있기 때문에, 이것은 디스플레이에서 RGB 픽셀의 성능의 향상을 가능하게 한다.
본 해결책에서, PCM (10)의 위상 변화는 저항성 히터 소자 (17)로부터의 열 펄스에 의해 발생된다. 층 스택 (16, 10, 14, 15)은 통상적으로 SiO2를 포함하는 배리어 층 (18)에 의해 히터 (17)로부터 분리된다. 상기 배리어 층 (18)은 PCM 소자 (20)로부터 히터 (17)를 전기적으로 절연하지만 히터 (17)에 적합한 열적 연통을 제공한다 (섹션 1의 표 1 참고).
따라서, 히터 (17)로부터의 열은 층 (18)을 통과하여 PCM (10)에 도달함으로써 PCM의 상태를 결정형 상태로부터 비정질 상태로 변화시킬 수 있고, 반대로 도 5 및 도 6에서 설명한 바와 같이 적절한 열 프로파일이 인가된다.
도 1에 도시된 구조 (2)는 예를 들면, 반도체 웨이퍼, SiO2, 또는 중합체 필름과 같은 가요성 기판과 같은 기판 상에 (하기의 층 (21) 도시하지는 않음) 제공될 수 있다. 필요한 경우 다른 유형의 웨이퍼, 예를 들면 유리 패널이 고려될 수 있다.
층들은 전형적으로 상대적으로 낮은 온도 (예를 들면, 100℃)에서 수행될 수 있는 스퍼터링을 이용하여 증착된다. 상기 층은 또한 통상적인 리소그래피 기술 또는 공지된 그 밖의 기술, 예를 들면, 인쇄를 사용하여 패턴화될 수 있다. 필요한 경우, 추가 층이 제공될 수도 있다.
바람직한 구현예에서, 상기 PCM (10)은 본질적으로 GST로 구성되고, 80nm 미만, 바람직하게는 15nm 미만, 예를 들면 6 내지 7nm의 두께를 갖는다. 상기 스페이서 층 (14)은 후술하는 바와 같이 요구되는 색상 및 광학 특성에 따라, 전형적으로 10nm 내지 250nm의 두께를 갖도록 성장된다. 상기 캡핑 층 (16)은 예를 들면 20nm 두께이다. 히터 (17) (및 전체 구조체 (2))의 측면 치수는 예를 들면 1 미크론 내지 2 미크론일 수 있다. 보다 일반적으로, 상기 히터 (17) 및 층들의 상부 스택 (18, 15, 14, 10)은 바람직하게 PCM 층을 향하여 열을 "집중"시키고 에너지를 낭비하는 기판, 전극 등에 전달되는 열을 최소화시킬 수 있도록 동일한 측면 치수를 갖는다.
본 구현예에서, 상기 PCM (10), GST는 열적으로 유도된 가역적 위상 변화를 겪을 수 있다. 저항성 히터 (17)는 바람직하게는 고속의 나노초 열 펄스를 PCM (10)에 전달할 수 있도록 설계된다. 다른 물질 및 두께는 너무 많은 열이 히터 및 PCM에 인접한 영역으로 전달되거나, 그렇지 않으면 기생 스위칭이 야기되는 것을 막기 위하여 설계된다.
도 4는 상기 제공된 바람직한 파라미터 및 물질에 기초한, COMSOL 다중 물리학 패키지를 사용하는 유한 요소 열 모델을 예시한다. 도 4에서, 상기 히터는 1 마이크로초의 전류 펄스를 겪는다. Joule 가열로 인해 급격한 온도 상승이 발생한다. 도 4는 PCM (10)의 비정질화 요구되는 정확한 날카로운 시간 펄스를 갖는 반면, (PCM을 포함하는 층 스택에서 달성된) 온도 프로파일이 공간적으로 충분히 국부화됨을 보여준다.
2.2 스위칭 작동
스위칭 작동의 상세내용은 도 4 및 도 5에 예시되어있다. 섹션 1에서 설명한 바와 같이, 저항성 히터 요소 (17)는 PCM (10)을 결정질 상태와 비정질 상태 사이에서 스위칭하기 위한 제어 신호를 수신하도록 구성될 수 있다. 상기 저항성 히터 요소 (17)는 예를 들면, 앞서 예시된 바와 같이, 저항성 및 실질적으로 높은 열 전도성을 나타내는 금속 또는 금속 합금 물질을 포함할 수 있다. 신호는 예를 들면, 전류 펄스 (S 1, S 2)로서 제공되어 주울 (Joule) 가열을 통해 저항성 히터 요소 (17)로부터 대응하는 열 프로파일을 생성할 수 있다. PCM (10)에 대한 저항성 히터 요소 (17)의 배치로 인하여, 상기 열 프로파일은 PCM (10)에 열적으로 전달되어 PCM 장치의 상태를 제어할 수 있다.
인가된 신호 (S 1, S 2)는 히터 (17)의 열 프로파일을 결정하는 펄스 특성 (진폭 및 지속 시간)을 가지며, 차례로 상기 열은 PCM (10)에 전달된다. 예를 들어, 제1특성을 갖는 신호 (S 1)는 PCM (10)이 비정질 상태로 있는 동안, PCM (10)을 결정 상태로 설정하기 위하여 히터 (17)에 제공된다. 예를 들어, 도 5에 예시된 바와 같이, 인가된 신호는 (저항성 히터 요소 (17)로부터의) PCM에서 제1온도 프로파일 (P 1)을 발생시킨다. 히터 (17)로의 제1신호의 인가에 따라, 후자는 실질적으로 결정 구조 (즉, 결정 격자)로 배열된 PCM 원자가 도시된 바와 같이 우측도를 참고하면, PCM (10)을 결정화하기에 충분한 시간 동안 결정화 온도 (T c) 보다 높은 온도 (T 1) 및 융해 온도 (T m ) 보다 낮은 온도를 유도하기 위하여 PCM (10)에 수행되는 열을 발생시키고, 이는 온도 (T c ) 보다 높은 온도로 존재한다.
마찬가지로, 도 6에 예시되어 있는 바와 같이, PCM (10)이 결정 상태에 있는 동안 제2특성을 갖는 신호 (S 2)가 제공될 수 있으며, 이는 PCM에서 제2 열 프로파일 (P 2)을 생성하여 PCM (10)을 비정질 상태로 다시 설정한다. 여기서, 제2 신호가 저항성 히터 요소 (17)에 인가됨에 따라, 저항성 히터 요소 (17)는 제2 열 프로파일을 발생시키며, 이로써 열은 PCM (10)으로 전도된다. 이는 PCM이 용융 온도 (T m )보다 더 높은 온도 (T 2)로 존재하도록 하여 액상으로의 전이를 유도한다. 인가된 펄스의 하강-에지 이후에 온도가 급속하게 떨어지도록 함으로써, 비결정 상태에서 PCM (10)의 응고가 발생된다.
상기 인가된 펄스는 예를 들면 시행 착오와 재료 (17, 18, 15, 14, 10) 및 그것의 치수의 특성으로 시작하는 모든 관련 매개 변수에 기초하여 조정 및 정제될 수 있다. 이와 관련하여, 재료 (14, 16, 18)는 PCM (10)으로부터의 열의 신속한 소산을 보장하는 열적 및 전기적 특성을 갖도록 선택되거나 설계 (특히, 두께면에서)되고, 이로써 용융 이후의 PCM (10)의 재결정 (비정질화 공정 중)을 완화시킬 수 있다.
도 5 및 도 6의 구현예는 각각의 신호가 단일 펄스라고 가정한다. 그것의 적용 이후에, 상기 PCM (10)은 결정질 상태 및 비정질 상태 중 하나에서 안정한 상태로 존재한다. 그 결과, PCM은 전력을 유지할 필요 없이 주어진 광학 상태로 유지되어 전형적인 디스플레이 기술보다 전력 소모가 현저히 적다. 원칙적으로 스위칭은 무한 횟수로 수행될 수 있다. 스위칭 속도는 매우 빠르며, 일반적으로 인간의 눈으로 인식할 수 있는 것보다 훨씬 빠른 300ns 미만이다. 또한, 본 방법에 따라 구축된 PCM 픽셀은 애플리케이션에 요구되는 비교적 큰 영역, 예를 들어 5 x 10 미크론 또는 더 큰 영역을 가질 수 있다. 이러한 픽셀의 활성 영역은 주변의 빈 공간과 비교할 때 일반적인 크로스바 유형 픽셀보다 훨씬 크기 때문에, 이는 일반적으로 가로 지르며 100nm이고 100nm로 분리되어 1:1 픽셀 대 빈 공간 비율을 유도한다. 이와 비교하여, 예를 들어, 구현예는 픽셀이 각각 100 x 10 μm의 측면 치수를 가지며 0.5 μm로 분리되는 것이 고려될 수 있으며, 이는 200:1 픽셀 대 빈 공간 비율을 유도한다. 따라서, 구현예에 따른 넓은 면적의 픽셀은 종래 기술의 장치보다 광학 성능 측면에서 훨씬 더 효율적일 수 있다.
2.3 제어 회로
도 1 내지 3에서 알 수 있듯이, 컨트롤러 (19, 19a)는 물질 층 (10)을 스위칭하는데 필요한 기간 동안 요구되는 전압/전류를 인가하도록 제공될 수 있다. 상기 컨트롤러는 마이크로프로세서에 의해 구동되는 특정 전자 회로를 포함할 수 있다. 변형예에서 컨트롤러의 회로의 일부 (예를 들면, 구성 요소 191, 192, 211, 212) 또는 전부는 도 1의 광학 층을 갖는 기판 상에 집적되어 제공되거나 분리된 전용 회로로 제공될 수 있다.
본 명세서에 개시된 바와 같은 PCM (서브) 픽셀을 포함하는 임의의 디스플레이는 다수의 층으로된 장치의 어레이로서 구성될 것이 요구되며, 그러한 장치는 전기적으로 스위칭되어야 한다는 것을 이해할 것이다. 본 광학 장치는 통상적으로 필드 효과 트랜지스터 (FET)와 같은 표준 마이크로 전자 장치 스위치 또는 선택적으로 LCD 디스플레이에 일상적으로 사용되는 TFT (섹션 1에서 언급함)와 호환된다. 예시적인 스위칭 회로 (19a)가 도 2에 예시되어 있다. 적절한 나노-마이크로 초 펄스가 워드-라인으로부터 도 2의 FET (22)의 게이트로 전압 (VWL)으로서 인가된다. 이것은 VWL로부터 저항성 히터 (17)를 통해 비트 라인을 따라 전류가 흐르도록 한다. 그 다음, 주울 가열은 전술한 바와 같이 PCM (10)을 스위칭한다. 비정질 상태와 결정질 상태 사이의 스위칭은 상술한 바와 같이 펄스의 시간 주기를 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 당해 분야에 현재 장치와 호환 가능한 다른 장치가 공지되어 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
도 13의 구현예에서, 컨트롤러는 디스플레이 기판 (30) 상에 직접 배열된 컨트롤 전자 장치 (40) 및 구성 요소들 (31, 32)로 분해된다. 컨트롤 전자 장치는 입력에서 DC 전력 (43)을 수신하는 DC/DC 변환기 (41) (즉, 전압 변환기), 컨트롤 집적 회로, 또는 IC를 포함하고, 이는 전형적으로 애플리케이션-특이 집적 회로 또는 ASIC (42)으로 포함된다. IC (42)는 입력시 데이터 신호 (44)를 수신하는 반면 로우 라인 (전극) (222)에 연결된 게이트 드라이버 IC (32) 및 컬럼 라인 (전극) (221)에 연결된 컬럼 드라이버 IC (31)을 제어한다. 각 라인-컬럼 라인 쌍은 여기서 TFT (21)에 연결되고, 그 다음 비아 (41)에 연결되어 (도 8 내지 도 12 참조), 동작시 히터 (17)를 통과하는 전류를 통과되도록 제어한다.
2.4 픽셀 광 셔터
또한, 본 장치는 다른 광 변조 또는 디스플레이 장치와 결합될 수도 있다. 예를 들면, 본 장치의 전환 가능한 색상 반사가 (고 대비 이미지 디스플레이를 위함) 검은색으로 보이도록 하기 위하여 장치와 뷰어 사이에 위치한 추가 픽셀 광 셔터와 결합될 수 있다. 상기 부가적인 광학 셔터는 광을 선택적으로 전달 또는 흡수하는 스위칭 가능한 반사 장치의 픽셀과 일치하여 독립적으로 어드레싱 가능한 픽셀 영역을 가질 수 있다. 이러한 방식으로, 셔터는 광학 장치에 의해 생성된 유색 반사가 관찰자에 의해 관찰 가능하게 하거나 블랙으로 보이도록 차단한다.
상기 셔터는 투과되는 색 반사의 양을 단계적으로 제어 가능하도록 (그레이스케일) 가변적인 투과율을 제공할 수있다.
추가 셔터는 전술한 바와 같이 컨트롤러와 함께 조정된 방식으로 추가 컨트롤러에 의해 작동될 수 있다. 변형 예에서, 상기 컨트롤러 (19, 19a 및 31 내지 42)는 의도된 이미지를 디스플레이하기 위해 각 픽셀에서 추가 셔터에 요구되는 상태를 결정할 수 있고, 또한 스위치 가능한 반사 상태를 제어할 수 있도록 확대될 수 있다.
추가적인 셔터는 투과 상태와 흡수 상태 사이에서 공간적으로 제어되는 방식으로 스위칭 가능한 다수의 장치 유형, 예를 들면 액정 디스플레이 장치 (LCD), 편광기 없는 LCD (염료 도핑 및/또는 키랄 LCD 포함), 쌍안정 LCD, 일렉트로웨팅 또는 전기영동 디바이스에 의해 제공될 수 있다.
추가 셔터가 액티브 전기-광학 물질을 샌드위치하는 2개의 기판을 포함하는 경우 (LCD 및 일렉트로웨팅 장치의 경우와 같이), 전환 가능한 반사 장치의 구현예가 고려될 수 있으며, 추가 셔터 장치의 낮은 (가장 멀리 형성된 뷰어) 기판을 포함하고, 제조를 단순화시켜 결합된 장치의 전체 두께를 감소시킬 수 있다.
2.5 디스플레이 애플리케이션에 대한 본 발명의 해결책의 이점
요약에서 논의된 바와 같이, 본 발명의 접근법은 2개의 광학 기능을 허용한다. 상기 히터 요소는 스위칭 능력을 제공하여 PCM의 굴절률을 변화시킨다. 그러나, 상기 히터의 위치는 광학 활성 하부 구조 (PCM-스페이서-리플렉터)에서 층들의 순서화된 시퀀스를 보존할 수 있게 하며, 여기서 상기 스페이서 두께는 추가 필터를 요구함이 없이 서브 픽셀에 "컬러"를 부여하도록 설정될 수 있다. 광학 활성 하부 구조 (PCM-스페이서-리플렉터)와 관련하여 WO2015/097468에서 제기된 고려 사항은 여기서 동일하게 적용된다.
선행 특허 출원 (WO2015/097468)에서 입증된 바와 같이, 층 구조에 기초한 디스플레이 장치는 균일한 컬러를 나타나게 할 수 있고, 그 다음에 콘트라스트 컬러를 나타내거나 또는 반사율을 바꿈으로써 더 밝거나 더 어두어 보이도록 전환될 수있다. 이는 히터의 위치 및 후자와 PCM 사이의 전기 절연으로 인해 본 발명의 경우에도 달성될 수 있다. 따라서, 구현예들에서, 디스플레이 장치는 도 7에 예시된 바와 같이 몇몇 구조들 (2, 2a, 2b)을 포함할 수 있고, 여기서 각각의 구조 (2, 2a, 2b)가 개별적으로 전기적으로 제어 가능하고 전체 디스플레이 (200)의 픽셀 (100)의 서브 픽셀을 구성되고, 어레이 (200)에서 서로에 대해 인접하게 제조된다. 클러스터 (100) 내의 각각의 구조 (2, 2a, 2b)의 스페이서 (14, 14a, 14b)는 상이한 두께를 가질 수 있다. 변형 예에서, 장치는 각 픽셀이 도 1과 같은 단일 구조 (2)를 포함하도록 설계될 수 있고, 이 구조는 개별적으로 전기적으로 제어가능하다.
종래 기술의 해결책과는 달리, 본 방법 (벌크 PCM 스위칭에 의존함)은 RGB 디스플레이에 적합한 콘트라스트 및 채도를 달성될 수 있도록 한다. 반대로, WO2015/097468에 개시된 바와 같은 해결책은 (i) 캐핑 층 및 스페이서 층에 대한 전기적 요건 (광학 파라미터의 최적화를 제한함); (ii) 픽셀의 크기 (또는 픽셀의 활성 영역과 동등하게)를 제한하는 전기적 스위칭으로 인한 문제점을 갖는다.
따라서, 본 발명은 (영구적인 스위칭 가능한 상태들로 인하여) 전력 소비를 낮추면서, 우수한 채도 및 콘트라스트, 적절한 크기의 픽셀들 모두를 유도하는 RGB 디스플레이로서 구현될 수 있다. 예비 테스트는 예를 들면, 구현예에 따른 픽셀이 종래의 RGB 픽셀에 비해 100배 이상, 가능하게는 300배까지 전력 소비를 감소시킬 수 있다는 것을 보여준다. 오늘날 사용되는 RGB 디스플레이의 수를 염두에 두면, 전력 소모 측면에서 본 구현예의 잠재적 이점은 엄청날 것이다.
0, 30 및 60도 시야각을 위한 색 공간 및 픽셀 'ON' 및 픽셀 'OFF' 상태에 대해 수행된 테스트에 따라 적절한 적색, 녹색 및 청색 장치가 얻어질 수 있다.
본 발명을 구현하는 디스플레이 장치는 낮은 전력 소비를 가지지만, 고해상도의 컬러 디스플레이 (해상도는 사용된 리소그래피 기술에 의해서만 제한됨)를 제공할 수 있다. 디스플레이 장치는 높은 비율로 스위칭될 수 있고 (따라서, 비디오 신호에 적절하게 적용될 수 있음) 넓은 시야각을 갖는다. 장치는 표준 기술을 사용하여 제작될 수 있으며 매우 얇게 만들 수 있으며, 필요에 따라 유연하게 만들어질 수도 있다.
2.6 기타 애플리케이션
상기 기술된 장치는 일반적으로 건축 및 자동차 애플리케이션을 위한 디스플레이, 스마트 글라스에서 (서브) 픽셀의 제조에 사용될 수 있다.
또한, 본원에 기술된 광학 장치는: 스위칭 가능한 거울 (자동차 거울 포함), (컨트롤러에 의해 검출되는 RF 또는 NFC 입력에 시각적인 응답을 제공할 수 있는 문서 또는 제품 포장을 위한) 능동 보안 태그, 재구성 가능한 입력 장치 (예를 들면: 키보드, 휴대 기기, 웨어러블 기기 또는 사물 기기의 인터넷용 저전력 알림/상태 디스플레이)에 사용될 수 있다.
상기 생성된 장치는 원시 형태 (즉, 다중 패키지되지 않은 장치를 갖는 단일 제품) 또는 패키지 형태로 제조기에 의해 분배될 수 있다. 어떤 경우 든, 상기 장치는 (a) 중간 제품 또는 (b) 최종 제품의 일부로서 다른 장치, 개별 회로 요소 및/또는 다른 신호 처리 장치와 통합될 수 있다. 최종 제품은 저가형 애플리케이션에서 고급 제품에 이르기까지 상기 설명된 광학 장치를 포함하는 임의의 제품일 수 있다.

Claims (20)

  1. 열 전도성, 광학 리플렉터 (15);
    상기 리플렉터 (15) 위에 배치되고 광을 투과하는 열 전도성 스페이서 (14); 및
    상기 스페이서 (14) 위에 배치되고, 적어도 2개의 가역적으로 스위칭 가능한 상태를 가지는 상 변화 물질 (10), PCM (상기 PCM은 2개의 다른 굴절률 값을 나타낸다)을 갖는 적층 구조 (2)를 포함하는 광학 장치 (1)로서,
    상기 리플렉터 (15), 스페이서 (14) 및 PCM (10)은 상기 적층 구조의 적층 방향 (z)을 따라 연속적으로 적층되고,
    상기 광학 장치는:
    상기 PCM (10)을 전기적으로 절연시키도록 구성되는 반면, 상기 리플렉터 (15) 및 스페이서 (14)를 통해 PCM (10)과 열적으로 연통하는, 상기 리플렉터 (15)와 관련하여 상기 PCM (10)에 대향하는 히터 요소 (17); 및
    상기 PCM (10)을 가열함으로써, 상기 PCM (10)의 굴절률 및/또는 흡수를 가역적으로 변화시도록 구성되는 컨트롤러 (19, 19a, 30)를 추가로 포함하는 것인, 광학 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리플렉터 (15)의 평균 두께는 50nm 내지 1㎛이며;
    상기 스페이서 (14)의 평균 두께는 40nm 내지 300nm이며;
    상기 PCM (10)의 평균 두께는 0.5nm 내지 80nm인 것인, 광학 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적층 방향 (z)에 수직인 상기 적층 구조의 측 방향 치수는 0.35 ㎛ 이상, 바람직하게는 5 ㎛ 이상인 것인, 광학 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 리플렉터 (15)를 히터 요소 (17)로부터 본질적으로 절연시키도록 히터 요소 (17)와 리플렉터 (15) 사이에 배치된 전기 절연 물질 (18)을 추가로 포함하는 것인, 광학 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨트롤러 (19)는 상기 히터 요소 (17)에 전류 및/또는 전압을 인가하여, 상기 히터 요소 (17)를 작동시키기 위해 구성되고,
    상기 히터 요소 (17)은 저항성 히터 요소 (17)이고, PCM (10)을 가열시켜 상기 PCM (10)의 굴절률 및/또는 흡수를 가역적으로 바꿀 수 있는 것인, 광학 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 장치는 상기 적층 구조 (2)의 레벨에서 상기 히터 요소 (17)가 삽입되는 도전 층 (21)을 더축 포함하고, 상기 도전 층 (21)의 두 부분 (211, 212)은 히터 요소 (17)의 각각의 측 방향 측면에 접촉하고; 그리고
    상기 컨트롤러 (19)는 상기 히터 요소 (17)에 전류 및/또는 전압을 인가하기 위하여 각각 상기 두 부분 (211, 212) 중 하나와 접촉하는 2개의 단자 (191, 192)를 포함하는 것인, 광학 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨트롤러 (19)는 상기 히터 요소 (17)가 적어도 2개의 별개의 열 펄스를 각각 인가하고 PCM (10)을 적어도 2개의 전환가능한 상태로 가역적으로 스위칭되도록 적어도 2개의 별개의 신호에 따라 상기 히터 요소 (17)를 작동시키도록 구성되는 것인, 광학 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 PCM (10)은 하기의 화합물: GeSbTe, VOx, NbOx, GeTe, GeSb, GaSb, AgInSbTe, InSb, InSbTe, InSe, SbTe, TeGeSbS, AgSbSe, SbSe, GeSbMnSn, AgSbTe, AuSbTe, 및 AlSb 중 하나 이상을 포함하는 것인, 광학 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 PCM (10)은 Ge2Sb2Te5; GeTe; 및 Ag3In4Sb76Te17 중 하나를 포함하는 것인, 광학 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 PCM (10)은 3nm 내지 15nm의 평균 두께를 갖는 것인, 광학 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터 요소 (17)는 NiCrSi, NiCr, W, TiW, Pt, Ta, Mo, Nb 및 Ir 중 하나 이상을 포함하는 것인, 광학 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    열 전도성, 광학 리플렉터 (15)의 세트;
    상기 리플렉터 (15) 중 각각의 하나 위의 열 전도성 스페이서 (14)의 세트 (상기 스페이서는 실질적으로 상이한 두께를 가지며 각각이 광에 대해 투과성이다);
    상기 스페이서 세트 및 리플렉터 세트와 함께, 적층 구조 (2, 2a, 2b) 세트를 형성하기 위한 스페이서 중 각각의 하나 위의 상 변화 물질 (10), 또는 PCM의 세트 (상기 각각의 PCM은 적어도 2개의 가역적으로 스위칭 가능한 상태를 가지며, 이는 2개의 다른 굴절률 값을 나타낸다);
    상기 리플렉터 (15) 각각과 관련하여 상기 PCM (10) 중 각각의 하나에 대향하여 배치되고, 상기 리플렉터 (15) 중 각각의 하나와 상기 스페이서 (14) 중 각각의 하나를 통해 상기 PCM (10) 중 각각의 하나와 열적으로 연통하고, 상기 PCM (10) 중 각각의 하나로부터 전기적으로 절연되는 히터 요소 (17)의 세트를 포함하고,
    상기 컨트롤러 (19)는 히터 요소를 독립적으로 작동하도록 구성되어, PCM을 독립적으로 가열시킴으로써 그것의 굴절률 및/또는 흡수를 가역적으로 변화시키고, 상기 각각의 PCM의 굴절률 및/또는 흡수는 상기 컨트롤러에 의해 독립적으로 제어가능한 것인, 광학 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    픽셀 세트를 더욱 포함하고, 상기 픽셀의 각각은 상기 적층 구조들의 세트와 같은 적층 구조의 세트를 포함하는 것인, 광학 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 장치를 포함하는 디스플레이 장치 (1c-1f)로서, 각각이 픽셀의 세트를 형성하고, 상기 각각은:
    상기 PCM (10); 및
    상기 PCM (10)으로부터 전기적으로 절연되고 적층 구조 (2c-2f)에서 상기 PCM (10)과 열적으로 연통하는 히터 요소 (17)를 포함하는 적층 구조 (2c-2f)을 가지며,
    상기 디스플레이 장치는:
    상기 픽셀 중 어느 하나를 작동시키도록 구성되어 상기 임의의 픽셀의 PCM을 독립적으로 가열함으로써 그것의 굴절률 및/또는 흡수를 가역적으로 변화시키는 컨트롤러 (31, 32, 41, 42); 및
    상기 픽셀들 각각이 디스플레이 장치 내 컨트롤러에 의해 개별적으로 어드레싱 가능하도록, 상기 픽셀들 (2c-2f) 중 하나의 히터 요소 (17)와 전기적으로 연통하는 상기 전극 쌍들 (221, 222)의 배열을 추가로 포함하는 것인, 디스플레이 장치 (1c-1f).
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전극 쌍들의 각각은 상기 하나의 픽셀의 적층 구조의 적층 방향 (z)에 평행하게 연장되는 비아 (41)를 통해 픽셀들 (2c 내지 2f) 중 하나의 히터 요소 (17)와 전기적으로 연통하는 것인, 디스플레이 장치 (1c-1f).
  16. 제15항에 있어서,
    상기 비아 (41)는 박막 트랜지스터 (21), 또는 TFT의 드레인 단자와 전기적으로 접촉하고, 그것의 게이트 단자 및 소스 단자는 상기 전극 쌍 각각의 전극과 전기적으로 접촉하여, 작동시 TFT의 소스 단자와 드레인 단자 사이의 전류를 제어하기 위하여 게이트 단자에 전압을 인가하는 것인, 디스플레이 장치 (1c-1f).
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 히터 요소 (17)는 상기 픽셀 중 하나의 적층 구조의 적층 방향 (z)과 평행하게 연장하는, 다른 비아 (42)를 통해, 열 전도성, 광학 리플렉터 (15)와 전기적으로 연통하고, 상기 리플렉터는 전기 전도성이고, 이로써 상기 히터 요소 (17)를 통과하는 전류는 작동 시 광학 리플렉터 (15)를 통해 배출될 수 있는 것인, 디스플레이 장치 (1c, 1e, 1f).
  18. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 히터 요소 (17)는 상기 픽셀 중 하나의 적층 구조의 적층 방향 (z)과 평행하게 연장하는 다른 비아 (42)를 통해, 상기 디스플레이 장치의 공통 전극 (223)과 전기적으로 연통하고, 상기 각각의 비아 (41, 42)는 전극 쌍 (221, 222)의 상기 배열의 평균 평면 및 상기 픽셀 (2d)의 히터 요소 (17)의 평균 평면 사이로 연장하여 상기 히터 요소 (17)를 통과하는 전류를 작동 시 공통 전극 (223)을 통해 배출할 수 있는 것인, 디스플레이 장치 (1d).
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 광학 장치를 제어하는 방법으로서,상기 방법은:
    상기 광학 장치의 PCM을 가열하여 상기 PCM의 굴절률 및/또는 흡수를 가역적으로 변화시키도록, 상기 광학 장치의 히터 요소 (17)를 컨트롤러를 통해 반복적으로 작동시키는 단계를 포함하는 것인, 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 반복적으로 작동시키는 단계는
    시간 기간 (t 1) 동안 제1 시간 열 프로파일 (P 1)에 따라 상기 PCM을 가열하여 상기 PCM을 제1 상태로부터 제2 상태로 스위칭하기 위한 히터 요소 (17)를 작동시키는 단계; 및
    시간 기간 (t 2) 동안 제2 시간 열 프로파일 (P 2)에 따라 상기 PCM을 가열하여 상기 PCM을 다시 제1 상태로 스위칭하기 위한 히터 요소 (17)를 작동시키는 단계를 포함하고,
    상기 제1 시간 가열 프로파일 (P 1)는 최대 온도 (T 1)를 나타내고, 상기 제2 시간 가열 프로파일 (P 2)는 최대 온도 (T 2)를 나타내고,
    여기서 상기 t 1 > t 2 및 T 2 > T m > T 1 > T c , 상기 T m 및 T c 는 각각 상기 PCM의 용융 온도 및 결정화 온도에 해당하는 것인, 방법.


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