KR20190077073A - 도파관, 도파관으로부터 광을 출력 결합하는 방법, 및 디스플레이 - Google Patents

도파관, 도파관으로부터 광을 출력 결합하는 방법, 및 디스플레이 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기판(1)을 포함하는 도파관에 관한 것이며, 기판 상에는 적어도 2개의 층 형성부(3a, 3b)의 층 스택(2)이 배열되며, 각자의 층 형성부(3a, 3b)는 특히 기판(1)보다 더 높은 굴절률을 갖는 적어도 하나의 투명 유전체층(3a1, 3b2)을 포함하며, 2개의 인접한 층 형성부(3a, 3b) 사이에는 광 전파에 영향을 미치는 구조부, 특히 적어도 일부 영역에서 층 형태로 연장되는 구조부(4)가 배열되며, 층 스택 내에서 구조부(4)의 위치는 적어도 하나, 바람직하게는 정확히 하나의 노드(5a)를 포함하면서 도파관 내에서 가이드될 수 있는 도파관 모드의 노드 위치에 상응하며, 상기 도파관은 가이드되는 도파관 모드의 노드(5a)와 구조부(4) 상호 간의 상대 위치를 적어도 일시적으로 변경하기 위한 적어도 하나의 수단을 포함한다. 또한, 본 발명은 적어도 하나의 상기 도파관으로 이루어진 디스플레이, 그리고 도파관에서부터 광을 출력 결합하기 위한 방법에 관한 것이며, 광은 적어도 하나의 노드를 포함한 도파관 모드로서 전파되며, 노드의 노드 위치는 도파관 내에서 광 전파에 영향을 미치는 구조부의 위치에 상응하며, 도파관 모드의 노드와 구조부 상호 간의 상대 위치는 적어도 일시적으로 변위되며, 특히 구조부에 상대적인 노드의 변위를 통해, 또는 노드에 상대적인 구조부의 변위를 통해 변위된다.

Description

도파관, 도파관으로부터 광을 출력 결합하는 방법, 및 디스플레이
본 발명은 기판(substrate)을 포함하는 도파관(waveguide)에 관한 것이며, 기판 상에는 적어도 2개의 층 형성부(layer formation)의 층 스택(layer stack)이 배열되며, 각자의 층 형성부는 적어도 하나의 투명 유전체층(transparent dielectric layer)을 포함하며, 특히 기판보다 더 높은 굴절률을 갖는 적어도 하나의 투명 유전체층을 포함하며, 2개의 인접한 층 형성부 사이에는 광 전파(light propagation)에 영향을 미치는 구조부(structure), 특히 적어도 일부 영역에서 층 형태로 연장되는 구조부가 배열되며, 층 스택 내에서 구조부의 위치는 적어도 하나, 바람직하게는 정확히 하나의 노드를 포함하면서 도파관 내에서 가이드될 수 있는 도파관 모드(waveguide mode)의 노드 위치(node position)에 상응한다. 도파관 내에서 가이드될 수 있는 모드는 특히 성장 방향(growth direction)으로 적어도 하나의 노드를 각각 포함하는 TEn 또는 TMn 모드 또는 HEnm 또는 EHnm이다(여기서 n >=1이고 m은 임의의 수이다).
전술한 기판 상에서, 바람직하게는 층 형성부들은 기판 표면에 대해 수직인 방향으로 상호 간에 겹쳐서 배열되어 있다. 이는 층들의 성장 방향으로의 적층(stacking)에 상응한다. 또한, 구조부는 기판 표면에 대해 평행한 평면에 위치한다. 이런 평면에서 구조부는 평평하지만, 그러나 단지 선형으로만 형성될 수도 있다.
또한, 본 발명은 도파관으로부터, 특히 전술한 도파관으로부터 광을 출력 결합(output-coupling)하기 위한 방법에도 관한 것이며, 광은 적어도 하나의 노드를 포함한 도파관 모드로서 전파되며, 노드의 노드 위치는 도파관 내에서 광 전파에 영향을 미치는 구조부의 위치에 상응한다.
또한, 본 발명은 활성화 가능한 서브픽셀들(subpixel)의 행 및 열 배열(line and row array)을 가지면서 적어도 하나의 도파관을 포함하는 디스플레이에도 관한 것이다.
전술한 유형의 도파관은 본원 출원인이 출원한 특허 PCT/EP2014/001809에서부터 공지되어 있다. 상기 특허에 기술되는 어레이는, 외부에서부터 도파관에 부딪치는 광을, 구조부를 경유하여, 광 전파에 영향을 주는 것을 통해, 특히 산란을 통해 도파관 내로 입력 결합(input-coupling)하지만, 그러나 그와 동시에 상기 구조부가 그 반전(reverse)되는 방식으로 광에 대해 출력 결합 작용을 갖지 않는 점을 보장하기 위해 이용된다.
상기 출력 결합은, 도파관 내에서 횡방향 세기 분포로 적어도 하나, 바람직하게는 정확히 하나의 노드를 포함하는 모드가 여기되며, 그리고 도파관은, 전술한 구조가 적층 방향으로 고려되는 자신의 위치와 관련하여 노드 위치 내에 배열되고 그에 따라 광의 전파 동안 구조부는 기껏해야 무시될 정도로만 광 세기의 영향을 받으며 그에 따라 실제로는 구조부 상에서 도파관 내에서 전파되는 광의 산란이 발생하지 않도록 형성되는 것을 통해 방지된다.
그에 따라, 상기 도파관은 주변 환경에서부터 광을 그 자체로 집광(concentration)시키는 장점을 가지긴 하지만, 그러나 상기 도파관으로는 광의 출력 결합, 특히 필요에 따른 선택적 출력 결합의 직접적인 가능성을 개시하지 못한다는 단점도 갖는다.
그러므로 본 발명의 과제는, 자신에 의해 광의 저손실 전파가 가능해지며 그럼에도 특히 다수의 상이한 위치에서, 바람직하게는 각각 활성화를 통해 선택될 수 있는 다수의 상이한 위치에서 필요에 따른 출력 결합 역시도 개시되도록, 상기 공지된 도파관을 개량하는 것에 있다. 또 다른 과제는, 적어도 하나의 상기 도파관을 포함하는 디스플레이를 제공하고 상기 도파관으로부터 광을 출력 결합하기 위한 방법을 개시하는 것에 있다.
상기 과제는, 도파관과 관련하여, 도파관이 가이드되는 도파관 모드의 노드와 구조부 상호 간의 상대 위치를 적어도 일시적으로 변경하기 위한 적어도 하나의 수단을 포함하는 것을 통해 해결된다. 이를 위해, 예컨대 도파관은 광 전파에 영향을 미치는 구조부에 상대적으로, 가이드되는 도파관 모드의 노드를 적어도 일시적으로 변위시키거나, 또는 노드에 상대적으로 구조부를 적어도 일시적으로 변위시키기 위한 적어도 하나의 수단을 포함할 수 있다. 그에 따라, 바람직하게는 최초에 언급한 실시예에서, 상기 수단을 통해 도파관 내에서 노드의 국소 위치(local position)가 변경되며, 그리고 제2 실시예에서는 도파관 내에서 구조부의 국소 위치가 변경된다. 하기 기재내용에서는, "구조부"와 관련하여, 비록 상기 구조부가 그때마다 광 전파에 영향을 미치는 구조부를 의미하기는 하지만, 표현을 줄여서 단지 "구조부"로만 표현된다.
그러므로 본 발명에 따라서 광의 출력 결합을 위한 방법은, 도파관 모드의 노드와 구조부 상호 간의 상대 위치가 적어도 일시적으로 변위된다는 점, 특히 구조부에 상대적인 노드의 변위를 통해, 또는 노드에 상대적인 구조부의 변위를 통해 변위된다는 점을 기반으로 한다.
이로 인해, 기술적인 측면에서, 가이드되는 도파관 모드의 노드 위치가 구조부의 위치와 더 이상 일치하지 않게 되며, 그럼으로써 상기 구조부는 노드 위치에 존재하는 세기 최솟값(intensity minimum)에 의해 더 이상 직접적으로 에워싸이지 않게 될 뿐더러, 변위를 통해 이제부터는 모드의 횡방향 프로파일(transverse profile)의 유의적인 세기가 구조부에 중첩되게 되고, 그에 따라 광이 도파관에서부터 출력 결합되는 점에 한해 상기 구조부는 광 전파에 영향을 미치게 된다.
그에 따라, 최초에 언급한 종래 기술에서 의도되는, 구조부와 도파관 모드 간의 기능, 요컨대 도파관 내로 광만을 입력 결합하고, 도파관 내에서 전파되는 모드에는 영향을 미치지 않는 기능성은 본 발명에 따라서 전술한 수단을 통해 의도적으로 적어도 일시적으로 중단된다.
전술한 구조부는 도파관에서부터 광의 출력 결합을 목적으로 가능한 바람직한 실시예에서 산란 구조부로서, 그리고/또는 회절 및/또는 반사 구조부로서 형성될 수 있다. 그에 따라, 상기 구조부를 통해, 전파 방향이 도파관 모드에 상대적으로 변경될 수 있으며, 이는 출력 결합을 야기할 수 있다.
주로 가이드되는 모드의 전파 방향을 변경하는 산란, 회절 또는 반사 구조부들, 또는 하기에서 소극적으로 언급되는 구조부들과 달리, 발광 구조부들(luminescent structure) 역시도 이용될 수 있다. 제1 단계에서, 가이드되면서 발광을 여기하는 모드는 구조부 내에서 흡수(absorption)될 수도 있다. 본 발명의 문맥에서, 흡수는 구조부의 충전율(fill factor)에 따라 결정될 수도 있으며, 다시 말하면 노드 내의 발광 층에 상대적인 모드의 변위를 통해 설정될 수 있다. 흡수 후에, 증가된 파장의 광이 넓은 각도 범위에서 방출되며, 그럼으로써 상기 광 중 유의적인 부분이 도파관에서 벗어날 수도 있게 된다. 이런 효과는, 인광성, 형광성, 발광성, 또는 흡수와 방출 간의 스토크스 이동성(Stokes shift)을 보유하여 구조부 내에 존재하는 적어도 하나의 물질에 의해 야기될 수 있다.
전술한 실시예들의 경우, 특히 산란 구조부의 경우, 예컨대 광 출력 결합 구조부가 증착된 금속으로 이루어진 구조화된 층으로서 형성될 수 있다. 상기 구조화는 수 10㎚ 내지 수 마이크로미터의 치수 스케일(dimensional scale)에 존재할 수 있다.
상기 접근법의 장점은, 이미 매우 얇은 금속 구조부들, 다시 말해 노드 위치에 매우 충분히 적합한 구조부들이 광과 매우 강하게 상호작용할 수 있다는 사실에 있다. 이처럼 강한 상호작용은 일련의 플라스몬 적용 분야들(plasmonic applications)에서 활용된다. 그러나 상기 접근법의 단점은 목표 지향 방식으로 구조화해야 하는 필요성에 있다.
그러므로 일 개선예에서, 증착 후에, 우선 구조화되지 않은, 다시 말해 산란하지 않는 금속 층이 에칭될 수 있으며, 그럼으로써 광과의 산란식 상호작용이 달성될 수 있으며, 이때 특히 목표 지향 방식으로 구조화하지 않아도 된다. 이는 특히 바람직하게는 금속으로서의 은(silver)에 의해 제공된다.
또한, 거친 금속 층 역시도, 우선 베이스층이 거친 처리되고 이어서 금속 층이 증착됨으로써 생성될 수 있다. 거친 처리(roughening)는 표면의 기계적 처리를 통해, 이온의 조사, 플라스마 처리, 화학적 처리 및 기타 방법들을 통해 수행될 수 있다. 또한, 다른 기판 상에 생성되는 거친 표면(예: 구조 에칭형 실리콘 웨이퍼) 역시도 도파관의 표면 상으로 전사될 수 있으며, 그 결과 이 표면 상에 산란 구조부가 생성된다. 전사는 예컨대 나노임프린팅(nano-imprint), 엠보싱, 주조(cast) 및 경화(cure) 또는 유사한 방법들을 통해 수행될 수 있다.
또한, 금속 나노입자들(나노도트, 나노와이어 등)도, 예컨대 분무 코팅(spray coating), 딥코팅(dip coating), 다양한 인쇄 기술들 또는 예컨대 현탁액에서의 기타 증착 방법들을 통해 직접적으로 적층될 수 있다. 상대적으로 큰 응집체(agglomerate)의 방지를 위해, 특히 분무 코팅이 전도유망한 것으로 확인된다. 이렇게 예컨대 은 나노와이어들로 이루어져 강한 확산 산란(diffuse scattering)을 나타내고 성장 방향으로 여전히 부분적으로 투명하며 그리고 중첩되는 나노와이어들로 인해 측면 방향으로 전도성인 매우 얇은 박층들이 제조될 수 있다. 또한, 상기 박층들은 백색 산란 구조부로서, 그리고 그와 동시에 전극으로서 이용될 수 있다. 또한, 나노입자들은, 특히 자신들의 산란 작용이 자신들의 흡수 작용보다 우세하도록 하기 위해, 최소한 100나노미터를 초과하는 크기를 보유할 수 있다. 이렇게 발생하는 광대역(백색으로 보이는) 산란은 국소적으로 금속 표면들에서 반사를 통해 생성된다. 이런 국소적 금속 반사에 추가로, 투명한 유전체 재료들 간의 국소적 반사 역시도 이용될 수 있다. 이렇게 투명한 나노입자들 또는 결정립들은 마찬가지로 투명한 폴리머 기질(polymer matrix) 내에 매립될 수 있지만, 그러나 이 폴리머 기질은 상대적으로 더 높거나 더 낮은 굴절률을 보유한다. 나노입자들 대신, 기질 내에는 (예컨대 응축현상법(breath figure)을 통한) 기포들(entrapped air) 역시도 생성될 수 있다. 마찬가지로, 산란 구조부, 다시 말해 통계적 구조부들(statistical structure)을 생성하기 위해, 굴절률이 상이한 적어도 2개의 폴리머(예: 블록 코폴리머) 간의 편석(segregation)이 이용될 수 있다. 어느 경우에서든, 기질과 산란 요소로 이루어진 전체 구조부는, 다시금 노드 콘셉트(node concept)와 결합될 수 있도록 하기 위해, 충분히 얇게 형성된다.
회절 구조부(diffractive structure)는 적어도 가이드되는 모드의 전파 방향으로 고도 프로파일(elevation profile) 또는 굴절률 프로파일의 주기적인 변경을 통해 생성될 수 있다. 모드에 대해 회절격자(diffraction grating)로서 작용하는 상기 구조부는 예컨대 자기 조직화(self-organization) 방식으로 이미 언급한 편석을 통해 적어도 2개의 폴리머(예: 블록 코폴리머) 간의 위상 분리를 통해 수행될 수 있으며, 이런 위상 분리는 주기적 구조부들 역시도 생성할 수 있다. 또한, 격자들은 리소그래피 방식으로도 생성될 수 있다. 전자 빔 리소그래피에 추가로, 종래의 포토 리소그래피도 적용될 수 있다. 그러나 요구되는 구조부들은 주기적이기 때문에, 간섭 리소그래피, 변위 탤벗 리소그래피(displacement Talbot lithography: DTL) 또는 대면적(large-area)에서 상대적으로 더 간단한 기타 리소그래피 방법들 역시도 이용될 수 있다. 이 경우, 전자 빔 또는 광 감응 재료는, 구조부를 생성하기 위해, 추가로 도포될 수 있다. 리프트 오프(lift-off) 공정의 경우, 상기 재료는 차후의 구조부 아래에 증착될 수도 있으며, 에칭 시에는 상기 구조부 위쪽에 증착될 수도 있다. 두 사례에서, 전자 빔 또는 광 감응 재료는 구조화 후에 제거될 수도 있다. 또 다른 가능성으로서, 구조부 자체는 그에 상응하게 민감한 감응 재료를 포함할 수도 있거나, 또는 완전하게 그 감응 재료로 구성될 수도 있으며, 그럼으로써 리소그래피 구조화는 구조부의 기하학적 표면 또는 그 굴절률에, 또는 이 두 특성 모두에 영향을 미치게 된다. 이런 경우에, 구조화 후 잔존하는 감응 재료의 부분은 구조부 내에 잔존할 수도 있다.
도파관 상에 리소그래피 방식으로 회절 구조부들을 생성하는 기술한 방법들과 달리, 복제 방법들을 통해 도파관 상으로 기계적으로 고도 프로파일들(elevation profile)을 전사하는 점이 특히 선호된다. 그러므로 이런 방법은, 다이아몬드공구들을 이용한 스크라이빙(scribing)을 통해 매우 효율적인 블레이즈 격자들(blaze grating)이 제조되기 때문에, 바람직한 것으로 확인된다. 그러나 이런 방법은 저속으로 수행된다. 그러므로 도파관은, 매우 바람직한 형태에서, 교차 결합(cross-link)될 수 있는 고투명 폴리머들이면서 자신의 표면 구조가 기계적 각인(mechanical imprinting)을 통해 매우 적합한 영향을 받을 수 있는 것인 상기 고투명 폴리머들로 구성되기 때문에, 나노임프린팅, 엠보싱, 주조 및 경화 또는 유사한 방법들을 통해 도파관의 하부 투명 층 상으로 스크라이빙 가공된 원형들(scribed archetype)을 전사하는 것이 전도유망하다. 그러나 원형들의 설계 시, 전사 동안 구조부의 반전(inverting)이 발생한다는 점에 유념해야 한다. 상술한 정의에 따라서, 전사를 통해, 도파관의 하부 투명 층의 구조화된 상부 부분이 구조부가 된다. 그러나 그 다음 상기 구조부가 동일하거나 적어도 매우 유사한 굴절률을 갖는 상부 투명 폴리머를 이용한 코팅을 통해 코팅된다면, 구조화된 경계면은 평탄해지고 그에 따라 회절 작용은 완전하게, 또는 적어도 거의 완전하게 와해될 수도 있다. 다시 말해, 최종적으로 유효한 구조부는, 자신의 광학 특성과 관련하여 그 아래 위치하는 구조화된 재료와 구별되는 재료를 이용하여 구조화된 표면을 코팅하는 것을 통해 비로소 생성된다. 이런 코팅은 금속들, 서로 상이한 굴절률을 갖는 유전체들, 입자들 또는 상기에서 기술한 다른 수단들로 수행될 수 있다. 상기 코팅 후에 비로소, 상부 도파관 폴리머가 도포될 수 있다. 이런 상부 폴리머의 도포는 바람직한 실시예에서 적층(lamination)을 통해 수행될 수 있다. 그 결과, 특히 대칭성 구조부들의 실현을 생각해볼 수 있다.
회절 구조부들은, 산란 구조부들과 달리, 특히 출력 결합을 위해 색 또는 방향 선택성(color or direction selectivity)이 의도될 때 선호된다.
가이드되는 도파관 모드의 노드와 구조부 상호 간의 상대적 변위를 위한 수단으로서는 기본적으로 2가지 접근법을 생각해볼 수 있다.
첫 번째 접근법으로서, 도파관 내의 구조부는 기계적으로 조정될 수 있으며, 특히 국소적으로 변위될 수 있다. 이를 위해, 정전기 방식으로 변위될 수 있는 마이크로 또는 나노 기계 시스템들, 예컨대 금속 멤브레인들이 이용될 수 있다. 그에 따라, 상기 멤브레인들은 본 발명의 문맥에서 성장 방향으로, 또는 그 반대 방향으로 기계적으로 변위될 수 있는 구조부가 될 수도 있다. 이런 변위의 결과로서, 노드 위치 역시도 수월하게 변경될 수 있다. 그러나 핵심은, 여기서는 노드 위치에 상대적으로 구조부의 상대 위치가 변위될 수 있다는 점이다.
두 번째 접근법으로서, 구조부는 도파관 내에서 위치 고정되어 잔존하는 반면, 도파관은, 가이드되는 모드의 노드 위치가 수월하게 변경되는 방식으로 영향을 받는다. 본 실시예는, 기술적인 측면에서 상대적으로 더 간단하게 실현되고 분명하게 상대적으로 더 높은 스위칭 속도를 약속하기 때문에 선호된다. 이런 경우, 원칙상, 도파관 내에서 전파되는 횡방향 모드의 노드의 위치에 영향을 주는데 이용될 수 있는 모든 요소(element) 또는 복수의 요소 상호 간의 모든 어레이가 적합하다.
상기 두 가능성은 원칙상 상호 간에 조합될 수 있다.
특히 바람직하게는, 본 발명에 따라서, 층 스택의 적어도 하나의 층의 광학 두께, 바람직하게는 층 형성부들 중 적어도 하나의 층 형성부의 층이면서 광 출력 결합 구조부에 인접하는 상기 층의 광학 두께를 변경하는데 이용될 수 있는 수단이 선택된다.
상기 변경은 시간상 지속적으로 제공될 수 있거나, 또는 일시적으로만, 다시 말해 잠시 동안만 제공될 수 있다. 다시 말해, 노드 위치는 예컨대 2개 이상의 상태 또는 값 사이에서 왕복 스위칭될 수 있다. 이를 통해, 도파관에서부터 광의 출력 결합을 필요에 따라서 반복해서 실행하고 그에 따라 디스플레이들에서, 예컨대 적어도 하나의 본 발명에 따른 도파관을 포함하여 활성화될 수 있는 서브픽셀들의 행 및 열 배열을 포함하는 디스플레이들에서 본 발명의 적용 역시도 실행하는 가능성이 개시되되, 서브픽셀들은 노드의 적어도 일시적인 변위를 위한 각각의 수단을 통해 정의된다.
상기 기재내용의 범위에서는 디스플레이에서의 서브픽셀들에 대해 다루어지는데, 그 이유는 상기 서브픽셀들이 전형적인 색채 적용의 경우 전체 컬러 픽셀의 통상 단색인 부분을 형성하기 때문이다. 오직 순수 단색 디스플레이에서만, 또는 서브픽셀들을 시간상 연속해서 상이하게 단색으로 활성화하는 디스플레이들에서만, 지정된 서브픽셀은 디스플레이의 픽셀과 동일한 것으로서 평가된다.
이 경우, 층의 광학 두께로서 해석되는 것은 층의 기하학적 두께와 층의 굴절률의 곱이다. 이렇게 본 발명에 따른 수단에 의해 기하학적 두께, 또는 굴절률, 또는 기하학적 및 굴절률 모두 동시에 영향을 받을 수 있다. 이 경우, 일반적으로, 노드와 구조부 상호 간의 변위의 효과를 생성하기 위해, 수단은 단지 단일의 요소가 아니라, 바람직하게는 복수의 요소를 의미한다.
본 발명에 따라서, 바람직한 실시예의 경우, 층 스택 내의 각각의 수단에 의해, 전계(electric field)가 적어도 일시적으로 생성될 수 있다. 이런 각각의 필드 생성 수단은 예컨대 층 스택 내에 또는 상에 배열되어 활성화될 수 있는 적어도 2개, 바람직하게는 정확히 2개의 전극을 포함할 수 있으며, 특히 이들 전극에는 방법 실행을 위해 외부에서부터 일반적으로 시간에 따른 시간 의존 전압(time-dependent electric voltage)이 인가되며, 이 시간 의존 전압에 의해 층 스택 내에서는 전계가 적어도 일시적으로 생성될 수 있다. 그에 따라, 전압원은 수단(필드 생성 수단)에도 속하는 것으로서 해석될 수 있다.
이 경우, 층 스택의 적어도 하나의 층은 생성 가능한 전계에 의해 관통되며, 바람직하게는 상기 층은 바람직하게는 이격 간격 없이 광 출력 결합 구조부에 인접하는 층일 수 있다. 또한, 예컨대 층 스택의 2개 이상의 층이 전계에 의해 관통될 수 있다. 복수의 상기 층 내에서 전계들은 전계 강도 및/또는 전계 방향과 관련하여 동일할 수 있지만, 그러나 서로 상이할 수도 있다.
복수의 층이 전계에 의해 관통된다면, 본 발명에 따라서 바람직하게는 필드 생성을 위한 수단에 의해 각자의 관통되는 층에서는 전계가 동시에 생성될 수 있다.
전계로 2개의 층을 관통시킬 때, 상기 층들은 바람직하게는 구조부의 둘레에 배열될 수 있으며, 다시 말해 구조부는 상기 두 층에 의해 둘러싸일 수 있다.
전계에 의해 관통되는 각각의 층은, 예컨대 층 스택의 두 층 형성부 중 하나의 층 형성부의 단일의 층일 수 있거나, 또는 하나의 층 형성부의 복수의 층 중 하나의 층일 수도 있다.
적어도 일시적으로 생성될 수 있는 전계의 작용을 통해, 전계에 의해 관통되는 적어도 하나의 층의 광학 두께의 변경이 달성될 수 있으며, 그럼으로써 도파관의 동조(tuning)도 변경되게 되고 그에 따라 전술한 구조부에 상대적인 모드의 노드 위치도 변위되게 된다. 그에 따라, 전계 작용에 따라서, 국소적으로 전술한 수단의 위치에서 광의 출력 결합이 달성될 수 있으며, 전계의 강도를 통해 출력 결합의 강도 역시도 영향을 받을 수 있다.
특히 바람직하게는, 전계에 의해 관통되는 층은 생성 가능한 전계를 통해 변경될 수 있는 굴절률을 보유한다. 바람직하게는, 전계에 의해 관통되는 층을 위해, 굴절률이 전기 광학 효과를 기반으로 변경될 수 있는 것인 층이 이용된다. 예컨대 포켈 효과(Pockels effect) 또는 케르 효과(Kerr effect)를 통한 굴절률의 변경이 가능하다.
또 다른 실시예에서, 전계에 의해 관통되는 층은 생성 가능한 전계에 의해 변경될 수 있는 기하학적 두께를 보유할 수 있으며, 예컨대 층 내의 전기 일그러짐 효과(electrostrictive effect) 또는 압전 효과(piezoelectric effect)로 인해 변경 가능한 기하학적 두께를 보유할 수 있다. 자신의 광학 두께가 변경되는 것인 층으로서는, 전압을 인가하는 것을 통해 전기 용량성으로 변형되는 유전체층 역시도 생각해볼 수 있다. 마찬가지로, 자신의 광학 두께와 관련하여 전계를 통해 변경될 수 있는 액체들 또는 액정들도 생각해볼 수 있다.
노드 변위를 위해 이용되는 수단이 바람직하게는 전계의 생성을 위한 적어도 2개, 또는 정확히 2개의 전극을 포함하는 것인 실시형태들의 경우, 본 발명에 따라서, 하나의 수단의 전극들 중 적어도 하나는 도파관 내에서 가이드될 수 있는 도파관 모드의 노드 위치에, 또는 적어도 그 노드 위치의 영역에 배열될 수 있다.
이렇게, 한편으로, 전계가 도파관의 중앙 영역이면서 구조부 근처에 위치하는 상기 중앙 영역을 관통함으로써 노드 위치의 변위가 이미 전극들 간의 비교적 낮은 전압에 의해 가능해지는 점이 달성된다. 다른 한편으로는, 노드 위치에 또는 그 근처에 전극들 중 적어도 하나를 포지셔닝함으로 인해, 상기 전극 자체는 단지 극미하게만 광 영향에 기여하는데, 그 이유는 상기 전극에 구조부와 동일하게 어쨌든지 모드의 무시할 수 있는 광세기가 공급되기 때문이다.
전극의 배열을 위한 바람직한 영역으로서 해석되는 영역은 정확한 노드 위치의 둘레에서 세기가 노드의 옆에 위치하는 가장 가까운 세기 최댓값의 1/e x 최대 세기 미만이고, 바람직하게는 1/10 x 최대 세기 미만이고, 더욱 바람직하게는 1/100 x 최대 세기 미만이며, 특히 바람직하게는 1/1000 x 최대 세기 미만인 곳인 영역이다. 이 경우, 전파되는 모드에 노드 변위가 작용하지 않을 때의 상태가 고려된다.
또한, 본 발명에 따라서, 하나의 수단의 모든 전극은 도파관 내에서 가이드될 수 있는 도파관 모드의 노드 위치에, 또는 적어도 그 노드 위치의 영역에 배열될 수 있다. 이 경우, 바람직하게 전극들은 도파관 모드의 가능한 전파 방향들 중 적어도 하나에서 서로 이격된다. 이 경우, 인접한 전극들의 표면 영역들은 서로 맞물리는(interdigitating) 방식으로 형성되어 있을 수 있다. 이렇게 광 출력 결합 구조부의 둘레 영역에서 효과적으로 전계가 인접한 전극들 사이에 생성될 수 있으며, 그리고 이렇게 전계 작용의 위치에서 노드 위치가 변위될 수 있다.
노드 위치에 하나의 수단의 하나 또는 2개 내지 그 이상의 전극을 배열할 때, 본 발명에 따라서, 각각의 형성된 전극은 광 출력 결합 구조부 자체를 통해 형성될 수 있다. 그에 따라, 구조부와 전극은 함께 형성된다. 이는 제조 기술 측면의 장점들을 가질 수 있다.
노드 위치의 영역에서, 그러나 정확하지 않게 노드 위치에서 형성되는 각각의 전극은 예컨대 광 출력 결합 구조부에 인접하여, 예컨대 이격 간격 없이 인접하여 배열될 수 있다. 이렇게 도파관의 제조를 위한 층으로 연속적인 제조 공정에서, 전극은 구조부의 제조 후에 또는 전에 도파관의 층 형성부 내에 삽입될 수 있다.
또한, 본 발명에 따라서, 일측 전극은, 노드 위치 상에, 또는 적어도 노드 위치의 영역에 배열되어 있는 타측 전극에 대해 적층 방향으로 이격되어 있을 수 있다. 이런 이격된 전극은 예컨대 전체 층 스택에 인접하여, 바람직하게는 기판과 층 스택 사이에, 또는 가이드될 수 있는 동일한 도파관 모드의 다른 노드 위치에 배열될 수 있다. 여기서 마지막에 언급한 두 실시예는, 상기 이격된 전극이 모드의 광 세기의 작용을 받지 않는다는 장점을 갖는다. 도파관 모드의 동일한 노드 위치 상에, 또는 그 2개의 노드의 2개의 상이한 노드 위치에 전극들을 배열하는 실시예는, 층 스택의 바깥쪽에 하나 또는 두 전극을 배열하는 것에 비해, 구조부에 인접하는 층의 광학 두께를 변경하기 위해 상대적으로 더 낮은 전압이 요구된다는 장점을 갖는데, 그 이유는 그에 따라 상대적으로 더 작은 전극 간 이격 간격을 통해, 광학 두께를 충분하게 변경하기 위해, 이미 상대적으로 더 낮은 전압만으로도 충분히 높은 전계 강도가 달성되기 때문이다.
적층 방향으로 제1 전극으로부터 이격된 상기 제2 전극이 회절되거나 산란되거나 다른 방식으로 편향된 광에 의해 관통될 수 있는 점을 보장하기 위해, 본 발명에 따라서, 전극을 투명하게, 예컨대 TCO 층(TCO: 투명 전도 산화물)으로서 형성할 수 있다. 투명 또는 반투명 전극들에 대한 또 다른 가능성은, 특히 아일랜드 성장(island growth)을 저지하기 위해, 투명 층들을 통해 안정화되는 초박 금속 층들(ultra-thin metal layer)이다. 이런 경우, 상기 층들은 바람직하게는 10㎚ 미만의 두께를 보유할 때 초박으로서 지칭된다. 또한, 탄소 나노튜브들, 은 나노와이어들 등이 투명 유전체 또는 반도체 기질(예: 주석 산화물) 내로 혼입되는 것인 복합 재료들도 고려된다. 전술한 것처럼, 은 나노와이어들로만 구성되는 필름들 역시도, 동시에 산란 구조부들을 형성할 수 있는 반투명 전극들로서 생각해볼 수 있다.
가장 간단한 실시예의 경우, 본 발명에 따라서, 도파관 내에는 전술한 유형의 정확히 하나의 수단이 노드 변위의 달성을 위해 제공될 수 있다.
바람직한 실시형태들에 따라서, 전술한 유형의 복수의 수단을 포함하는 적어도 하나의 도파관으로 디스플레이를 구성할 수 있다. 상기 복수의 수단은 바람직하게는 n >= 1 및 m > 1인 조건의 n x m의 행렬로서 형성되며, 특히 상기 행렬은 상호 간에 수직으로 배향되는 행들과 열들을 포함한다.
그렇게 하여, 예컨대 행렬을 통해 형성되는 디스플레이의 서브픽셀이 특히 적층 방향으로 고려되는 영역이면서 각각의 수단이 그 내에서 가이드되는 도파관 모드의 노드와 구조부 상호 간의 상대 위치의 변경을 야기하는 것인 상기 영역을 통해 정의되는 것인 디스플레이의 형성이 개시된다. 그에 따라, 상기 변경이 존재하는 위치에서 광 출력 결합이 이루어지게 된다.
그에 따라, 하나의 수단의 전극들이 층 스택의 적층 방향으로 연이어 위치하는 경우, 서브픽셀은 적어도 실질적으로 전극의 기하학적 외부 테두리를 통해 한정되며, 특히 2개의 전극의 외부 테두리부들 사이의 체적부를 통해 한정된다. 적어도 전극들의 표면 영역들이면서 적층 방향으로 서로 중첩되는 상기 표면 영역들 사이에 위치하는 영역이 발광하게 된다. 이 경우, 바람직하게는, 적층 방향으로 이격된 전극들은 상기 적층 방향으로 고려할 때 서로 합동이 될 수 있다. 그러나 이는 반드시 필요한 것은 아니다. 여기서 바람직하게는 적어도 방출 방향에 위치하는 전극은 투명하다.
전극들이 도파관 모드의 전파 방향에서 특히 하나의 공통 노드 위치에 배열되는 경우, 서브픽셀은 동일하게 자신에 할당된 수단을 통해 발광하게 되는 영역을 통해 정의된다. 그러나 이 경우 이격 방향으로 전극 표면들 간에 중첩이 존재하지 않거나, 존재하더라도 적은 중첩만이 존재한다. 바람직하게 상기 영역은 수단의 부분이면서 적어도 전파 방향으로 서로 이격된 2개의 전극의 대향하는 전극 에지부들 사이에 위치하는 영역이다. 전체 발광 영역(overall luminescent region)은 전극 에지부들 사이의 상기 전술한 영역을 적어도 포함하게 되고 규칙적으로 더 커지는데, 그 이유는 전계가 에지부들 사이에서만 연장되는 것이 아니기 때문이다.
디스플레이의 단색 실시예들의 경우, 각각의 서브픽셀은 n x m의 행렬에서 각자의 행렬 위치의 유일하게 발광하는 이미지 영역을 형성할 수 있다. 그러므로 상기 서브픽셀은 (최초에 언급한 것처럼) 이와 같은 디스플레이의 특별한 경우에 동시에 픽셀을 형성한다.
컬러 디스플레이들의 경우, 최초에 언급한 정의의 서브픽셀은 디스플레이의 n x m의 행렬에서 각자의 행렬 위치의 픽셀이면서 전체적으로 컬러로 발광하는 상기 픽셀의 복수의 서브유닛 중 하나, 바람직하게는 적어도 3개의 서브유닛 중 하나를 형성할 수 있다.
가능한 실시예에서, 노드를 변위시키기고 이렇게 각각의 수단의 위치에서 광을 출력 결합하기 위해, 하나의 도파관 내에 상기 각각의 수단들이 수회 배열될 수 있다. 그 다음, 복수의 수단은 도파관의 여러 위치에 배열되며, 그럼으로써 수단들의 선택적 활성화를 통해 광의 출력 결합은 상기 도파관의 경우 여러 위치에서, 즉 활성화를 통해 선택될 수 있는 위치에서 달성될 수 있게 된다.
예컨대 복수의 수단은 층들에 대해 평행하게 위치하는 전파 방향들로 수회 서로 나란히 위치하는 방식으로는 배열될 수 있다. 상기 복수의 수단은 바람직한 실시예의 경우 n >= 1 및 m > 1인 조건의 n x m의 행렬을 형성할 수 있되, 이런 경우 각자의 수단을 통해 각각 하나의 서브픽셀이 정의되고 경우에 따라 동일하게 하나의 픽셀도 정의된다.
그에 따라, 각각의 수단이 2개의 전극을 포함하는 일 실시예에서, 디스플레이는 서브픽셀 개수에 상응하는 개수의 전극 쌍들을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예의 경우, 각각의 수단은 2개의 전극을 포함할 수 있지만, 그러나 수단들의 모든 그룹, 또는 적어도 하나의 그룹에 대해 2개의 전극 중 하나가 각각 동일한 전위에 위치할 수 있으며, 특히 다시 말해 상기 수단들은 하나의 공통 접지 전극을 형성할 수 있다. 일반적으로, 일측 수단의 요소, 예컨대 전극은 타측 수단, 특히 인접한 수단의 요소일 수도 있다.
그러나 본 발명은, 하나의 도파관, 특히 단일의 도파관이 상호 간에 평행하게 나란히 위치하는 복수의 전극의 제1 그룹을 포함하되, 복수의 전극은 각각 층들에 대해 평행하게 위치하고 가능한 제1 전파 방향에서 종방향으로 연장되며, 그리고 상기 도파관은 상호 간에 평행하게 나란히 위치하는 복수의 전극의 제2 그룹을 포함하되, 복수의 전극은 각각 층들에 대해 평행하게 위치하고 가능한 제2 전파 방향에서 종방향으로 연장되는 것인 실시예 역시도 제공할 수 있다.
상기 2개의 가능한 전파 방향은, 특히 전술한 n x m 디스플레이를 형성하기 위해, 바람직하게는 상호 간에 수직으로 위치할 수 있다. 그에 따라, 일측 그룹의 전극들은 행 전극들을 형성할 수 있고 타측 그룹의 전극들은 열 전극들을 형성할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따라서, 제1 그룹과 제2 그룹은 적층 방향으로 서로 이격되어 있다. 이 경우, 자신의 광학 두께가 전계에 따라서 변경될 수 있는 것이면서 전계에 의해 관통될 수 있는 층은 적층 방향으로 두 그룹 사이에 위치한다.
본 실시예의 경우, 각각의 수단은, 제1 및 제2 그룹의 전극들의 표면 영역들이면서 적층 방향으로 중첩되어 배열되는 상기 표면 영역들을 통해 형성된다. 이 경우, 각자의 개별 전극은 항상 서브픽셀의 전체 행 또는 전체 열에 할당된다. 그에 따라, 일측 그룹에서의 하나의 전극 및 타측 그룹에서의 하나의 전극의 활성화를 통해, 다시 말해 의도되는 버스 픽셀의 행 및 열에 상응하면서 상이한 전기 전위를 갖는 상술한 의미의 행 전극 및 열 전극의 활성화를 통해, 두 전극이 적층 방향으로 고려할 때 서로 교차하는 위치에서 전계가 형성되는 점이 달성되며, 그럼으로써 교차 위치에서 광이 출력 결합되게 되며, 그에 따라 상기 교차 위치가 서브픽셀을 나타낸다.
본 발명에 따른 유형의 디스플레이는, 바람직한 실시예에서, 정확히 하나의 도파관을 포함할 수 있다. 상기 도파관은 전술한 실시예들에 따라서 디스플레이의 수단들이면서 서브픽셀을 정의하는 상기 수단들 모두를 포함할 수 있다. 이 경우, 도파관은, 적어도 실질적으로 각각의 방향들에서 서브픽셀 개수의 비율에 상응하는 길이-폭 비율을 보유할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 디스플레이 내에서 서브픽셀들의 각자의 행에는 적어도 하나의 별도의 도파관이 할당될 수 있으며, 광학 두께의 변경을 위한 수단들은 상기 도파관의 종방향 연장 방향에 대해 수직으로 열들을 정의한다. 이렇게, 광원을 스위치 온하는 것을 통해, 단지 상기 광원에 할당되는 각각의 별도의 도파관은 광을 공급받을 수 있으며, 그리고 이렇게 정의되는 행들에 광이 흐르는 경우, 의도되는 서브픽셀에서 출력 결합을 달성하기 위해, 열에 속하는 수단이 활성화될 수 있다. 이렇게, 발광 서브픽셀은 조합된 광 기술적 및 전기적 선택을 통해 매우 신속하게 활성화될 수 있다.
이런 경우, 각자의 별도의 도파관은 실질적으로 스트립 형태인 도파관을 통해 형성될 수 있으며, 특히 상기 스트립의 종방향 연장 방향에서 하나의 행의 모든 서브픽셀은 연이어 위치하여 배열된다. 또한, 스트립 형태의 형성은 본 발명의 문맥에서 우선 차후의 디스플레이의 각자의 행에 개별 도파관을 할당하는 목표 설정으로 수행된다. 상기 스트립의 폭이 가이드되는 광의 파장에 비해 충분히 크다면, 상기 스트립 형태의 도파관은 물리적으로 볼 때 그 밖에도 적합한 근사로 필름 도파관으로서 고려될 수 있다. 상기 방향에서 다중 모드성(multi-modality)이 분명하게 제한되는 방식으로 폭이 강하게 감소될 때 비로소, 다시 말해 HEnm 또는 EHnm이 매우 큰 m으로 인해 더 이상 필름 모드들(TEn 또는 TMn)로 근사될 수 없을 때 비로소, 스트립 형태의 필름 도파관은 물리적 의미에서 스트립 도파관으로서 고려된다. 상기 유형의 실질적인 스트립 도파관은 측면 세기 최솟값들의 존재를 통해 본 발명의 문맥에서 스트립 도파관의 폭의 방향에서 기술한 구조부가 노드 위치로 제한됨으로써 활용될 수 있다. 이런 경우에, 구조부는 표면에서(전면에서) 기판 표면에 대해 평행한 평면에 배열되는 것이 아니라, 선형으로, 어쨌든지 스트립 형태로 배열된다. 이는, 결과적으로 오직 성장 방향에 걸쳐서만 측면 방향으로도 적용될 수 있는 본 발명에 따른 접근법에 상응한다. 하기에서는 기본적으로 스트립 형태의 도파관들에 대해 다루어진다. 이는, 하기에서 하나의 디스플레이 행에 대한 도파관의 할당을 의미한다. 이 경우, 스트립 도파관은 스트립 형태의 필름 도파관일 수 있지만, 그러나 물리적 의미에서 실제의 스트립 도파관일 수도 있다. 실제의 스트립 도파관의 경우, 노드 내에서 구조부의 본 발명에 따른 배치는 성장 방향에 걸쳐서 스트립 폭의 측면 방향에 전사될 수 있다.
디스플레이의 적어도 하나의 도파관은 일반적으로, 그리고 그에 따라 디스플레이 행렬의 열 및 열 형성의 구체적인 형성과 무관하게 광의 입력 결합을 위한 적어도 하나의 광원을 포함할 수 있다. 광원의 광은 입력 커플러(input coupler)를 통해 도파관 내로 입력 결합될 수 있다. 예컨대 입력 커플러는, 도파관의 표면 내로 삽입되어 입력 결합을 위해 요구되는 각도 하에 입력 결합 대상 광에 의해 조명되는 격자를 통해 형성될 수 있다.
이 경우, 바람직하게는, 광원에 의해 생성되는 광의 세기는 적어도 실제로 노드 위치의 변경을 위해 활성화되는 수단들의 개수에 따라서 변경될 수 있다. 특히, 이렇게, 활성화되는 수단들의 개수가 증가함에 따라, 광원의 세기도 증가될 수 있다. 또한, 본 발명에 따라서, 각각의 수단에서 출력 결합될 광의 세기가 증가함에 따라 광원의 세기도 증가시킬 수 있다.
하나의 수단의 위치에서, 또는 하나의 서브픽셀에서 출력 결합될 광세기는 바람직하게는 해당되는 수단들로 설정되는 전계 강도의 크기를 통해 선택될 수 있다. 그러므로 본 발명에 따라서, 광원의 세기는, (또한) 전계 강도에 따라서, 또는 하나의 수단을 통해 인가되는 전압에 따라서 변경될 수 있으며, 특히 전계 강도가 증가함에 따라 광원의 세기도 증가될 수 있다.
본 발명에 의해, 바람직하게는 상기 도파관의 각자의 서브픽셀은, 인가된 전압이 동일할 경우, 얼마나 많은 서브픽셀이 동시에 활성화되는지 그 여부와 무관하게, 바람직하게는 각각의 서브픽셀이 얼마나 밝은지 그 여부와 무관하게, 항상 동일한 광세기를 출력하는 점이 달성될 수 있다.
도파관의 상기 작동 방식, 또는 적어도 하나의 상기 도파관을 포함하는 디스플레이의 상기 작동 방식은 출력 결합을 통해 출력되는 총 세기에 따르는 광원(들)의 세기의 재조정(readjustment)으로서 지칭될 수 있다.
전술한 유형의 도파관들, 또는 이 도파관들을 포함하는 디스플레이들은 단색으로 작동될 수도 있거나 또는 컬러로도 작동될 수 있다.
바람직하게는, 디스플레이의 적어도 하나의 도파관이 단일의 광원으로부터 광을 공급받을 때, 또는 디스플레이 내의 도파관이 복수 개인 경우 모든 광원이 동일한 스펙트럼을 보유할 때, 단색 디스플레이가 형성될 수 있다.
디스플레이에서, 특히 앞에서 기술한 유형의 디스플레이에서 컬러 표시를 획득하기 위해, 본 발명에 따라서, 가능한 실시예에서, 각각의 서브픽셀을 통해 시간상 연속해서 상이한 광 스펙트럼들을 출력할 수 있으며, 이를 위해 디스플레이, 또는 이 디스플레이 내에 제공되는 각자의 도파관은 바람직하게는 적어도 3개의 광원을 포함하며, 이들 광원은 시간상 연속해서 활성화될 수 있고 그 각각은 상이한 광 스펙트럼을 가지면서 디스플레이의 각각의 도파관 내로 입력 결합되는 광을 방출한다. 상기 작동은 광원들의 시간 다중화(time-multiplex)로서도 지칭될 수 있다.
디스플레이에서 컬러 표시를 위한 또 다른 실시예의 경우, 컬러로 발광하는 각자의 픽셀을 서브유닛들로 분할하는 가능성이 존재하되, 각자의 서브유닛은 다른 컬러의 서브픽셀을 형성한다. 각자의 서브픽셀은 다시금 모드의 노드 변위를 야기하는 수단을 통해 정의되되, 여기서는 컬러로 보이는 이미지 영역의 다양한 서브유닛들의 수단들에 의해, 각각 다른 파장의 광이 도파관에서부터 출력 결합된다.
이는, 예컨대 각자의 서브유닛이 광 전파에 영향을 미치는 다른 구조부를 포함하는 것을 통해 수행될 수 있다.
예컨대 각자의 서브유닛은, 동일한 회절 방향에서 상이한 스펙트럼 조성의 광을 도파관에서부터 출력 결합하는 다른 격자/다른 격자 주기성(grating periodicity)을 포함할 수 있다. 또한, 각자의 구조부는 다른 색 필터, 특히 대역 통과로서 형성되는 색 필터를 포함할 수 있으며, 이 색 필터는 도파관 모드에서부터 출력 결합 동안 단지 필터에 적합한 스펙트럼 범위만을 통과시킨다. 이런 실시예들의 경우, 바람직하게는, 도파관 모드에서 백색광이 전파되며, 다시 말하면 눈의 스펙트럼 민감도를 충족하는 파장 조성을 갖는 광이 전파된다. 그에 따라, 이런 전체 스펙트럼에서 각자의 구조부에 의해 다른 파장 범위가 출력 결합된다.
다른 실시예의 경우, 각각의 서브픽셀의 구조부를 통해, 각각 다른 파장 변환이 실행될 수 있다. 예컨대 이를 위해 하나의 픽셀의 각자의 서브픽셀의 구조부 내에는 파장을 변환시키는 다른 물질들, 특히 상이한 인광체들이 이용될 수 있다. 본 실시예의 경우, 디스플레이의 적어도 하나의 도파관 내에서 모드가 전파될 수 있되, 이 모드의 파장은 바람직하게는 상이한 변환들을 가능하게 한다. 바람직하게는, 디스플레이의 최단파 색에 상응하는 도파관 모드의 파장이 선택될 수 있으며, 그리고 그에 따라 상기 최단파 색은 백색 산란을 통해 생성되고 상대적으로 더 긴 장파 색은 발광(luminescence)을 통해 생성될 수 있다. 다른 실시예의 경우, 디스플레이의 모든 색보다 더 짧은 단파인 도파관 모드의 파장(특히 다시 말해 자선 또는 자외선의 파장)이 선택될 수 있으며, 그리고 그에 따라 디스플레이의 상기 색들 모두는 발광을 통해 생성될 수 있다.
디스플레이의 컬러로 발광하는 픽셀의 서브유닛들을 형성하는 서브픽셀들은, 도파관의 각각 다른 스택 평면 내에 공간상 상호 간에 나란하게, 그러나 공간상 적층되는 방식으로, 특히 적층 방향으로 고려할 때 상호 간에 상대적으로 오프셋 되어 배열될 수 있다.
그에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따라서, 하나의 디스플레이 내에 복수의 도파관, 바람직하게는 적어도 3개의 도파관은 상호 간에 겹쳐서 적층되어 배열될 수 있되, 특히 적층된 상이한 도파관들은 광의 입력 결합을 위한 광원들을 포함하며, 이 광원들의 파장 스펙트럼들은, 함께 하나의 선택된 색 공간(color space)을 덮는 방식으로, 서로 상이하다.
이 경우, 디스플레이의 컬러로 발광하는 픽셀에 속하는 서브픽셀들과, 이 서브픽셀들을 정의하는, 적층된 도파관들의 복수의 수단은, 바람직하게는 적층 방향에서 상이한 평면으로, 특히 오프셋 되어 배열된다.
바람직하게 적층 방향은, 전파 방향에 대해 수직으로, 특히 도파관 내에서 전파되는 모드의 중심 전파 방향에 대해 적어도 수직으로 배열되는 방향에 상응한다. 적층 방향은 바람직하게는 제조 시 층들의 성장 방향에 상응한다.
이렇게, 인접하여 상이한 층 평면들에 위치하는 적어도 3개의 서브픽셀을 통해 상이한 스펙트럼의 광이 방출되며, 그리고 이렇게 전체적으로 바람직하게는 적어도 3개의 서브픽셀을 포함하는 컬러 픽셀이 생성된다. 이런 경우, 상기 컬러 이미지 영역의 인접하여 위치하는 서브픽셀들의 수단들은 광 출력 결합의 달성을 위해 동시에 활성화될 수 있다.
그러나 디스플레이의 각자의 도파관은 (앞에서 언급한 것처럼) 일반적으로 복수의 별도의 광원을 포함할 수 있되, 별도의 광원들 각자에 의해서는 다른 파장 스펙트럼의 광이 생성될 수 있으며, 그리고 상이한 광원들은, 각자의 픽셀을 이용하여 모든 파장 스펙트럼의 광을 연속해서 방출하기 위해, 시간상 연속해서 제어된다. 이렇게, 컬러로 보이는 이미지 영역은 단지 하나의 서브픽셀 및 이 서브픽셀의 활성화 수단(전극들)을 통해서만 형성되되, 컬러 인상(colored impression)은 사람의 눈의 관성을 통해 야기된다. 그에 따라, 이런 경우에, 구조적 또는 기하학적 서브유닛들은 존재하지 않으며, 단일의 서브픽셀은, 상이한 색들로 시간상 연속되는 수회의 조명을 통해, 컬러 픽셀이 된다.
실시예들은 하기에서 기술된다.
도 1에는, 도파관의 마찬가지로 명시된 굴절률 프로파일[n(x)]에 대한 전사 행렬 알고리즘(transfer matrix algorithm)에 의해 산출된 파장(532㎚)의 TE1 모드의 세기 분포[l(x)]가 도시되어 있다. 필름 모드(TE1)의 근사는, 측면 방향들로 충분히 큰 치수를 보유하는 도파관들에 적용된다. 상기에서 기술한 것처럼, 이런 전제 조건은 보통 본 발명의 문맥에서의 스트립 형태의 도파관을 위해서도 충족될 수 있다.
본 발명의 문맥에서, 상기 필름 도파관들에서의 선택의 모드는 통상 TE1이지만, 그러나 TM1도 생각해볼 수 있으며, 그리고 그에 상응하게 n > 1인 조건의 상대적으로 더 높은 모드인 TEn, TMn이다. 단지 매우 협폭인 스트립 형태의 도파관들에서만, 선택의 모드는 통상 그에 상응하게 유도되고 성장 방향으로 하나의 노드를 포함하는 모드(HE10)이다. 그러나 이런 경우 EH10 역시도 생각해볼 수 있으며, 그리고 일반적으로는 n ≥ 1인 조건의 모든 모드(HEnm 및 EHnm)도 생각해볼 수 있다. 이 경우, 스트립 폭의 방향에서 노드(m)의 개수는 임의의 수이다.
다시 말해, 도 1은 예시로서 통상 선택되는 필름 모드로 제한된다. 상대적으로 더 높은 고굴절 모드의 가이드를 위해 결정적인 도파관의 부분은 x = 400㎚과 x = 1400㎚ 사이에서 형성되되, 모드는 순간적(evanescent)으로도 외부 저굴절 영역(x < 400㎚, x > 1400㎚; 지수: 1.46) 안쪽으로 돌출되되, 이런 외부 저굴절 영역은 계산에서 무한대로 두꺼운 것으로서 상정되었다. 실제로, 상기 외부 영역의 두께는 파장에 대해 두꺼워야만 한다. 이 경우, 1㎛의 총 두께를 가지며 상대적으로 더 높은 고굴절 영역은 490㎚의 두께를 갖는 2개의 외부 층과 하나의 내부 층으로 구성된다. 20㎚의 두께 및 1.5의 상정된 굴절률을 갖는 내부 층은 구조부를 나타내야 한다.
전사 행렬 알고리즘은 단지 무한대로 연장되는 이상적인 필름 도파관의 간소화된 해결책만을 표현하는 것이다. 그에 상응하게, 알고리즘은 완벽한 층들을 전제조건으로 한다. 구조부의 경우, 상기 전제조건은 엄밀히 해석하면 충족되지 않는데, 그 이유는 상기 구조부가 정말로 이상적인 층의 의미에서 평면이 되어야 하는 것이 아니라, 굴절률 또는 흡수와 관련하여 거칠거나, 또는 적어도 불균질해야 하기 때문이다.
그럼에도 불구하고, 일반적으로, 도파관의 노드에, 또는 적어도 그에 가깝게 위치하는 매우 얇은 구조부의 내부에서의 불균질성은 상기 구조부의 안쪽에서 TE1 모드의 충전율(도면에서의 축약어: FF)의 현저한 변경을 초래하지 않는 것으로 상정할 수 있다. 이런 상정의 유효성은 얇은 산란 구조부들을 이용한 일부 사전 실험을 통해 확인되었다.
일반적으로, 기술한 간소화하는 상정 하에서, 시뮬레이션을 이용하여, 구조부를 이용한 모드의 충전율을 결정할 수 있다. 상기 상정은, 모드가 구조부와 얼마나 강하게 상호작용하는 지에 대한 적합한 척도를 제공한다.
다시 말해, 본 발명의 문맥에서 우수한 도파관은, 선택의 모드에서, 수단을 통해 야기되는 조정 동안, 구조부의 내부에서 충전율의 최대 변경이 이루어지는 것인 도파관이다.
도 1에서의 예에는, 조정 없이 완전하게 대칭성인 도파관이 도시되어 있다. 이런 대칭성의 장점은, TE1 모드의 노드가 광의 파장, 다시 말해 그 색과 무관하게 항상 정확히 도파관의 중심에 위치한다는 것에 있다. 이와 동일한 사항은, n이 홀수인 모든 TEn 및 TMn 모드에도 적용된다. 그러므로 대칭성 도파관들은 본 발명의 문맥에서 완전히 일반적으로 선호되는데, 그 이유는 상기 도파관들이 본 발명에 따른 기능성을 광대역으로 가능하게 하기 때문이다. 다시 말해 특히 컬러 디스플레이의 경우, 상기 도파관들이 매우 바람직하다.
상기 대칭성을 깨기 위해, 시뮬레이션에서, 구조부를 에워싸는 외부 고굴절 층들의 굴절률(최초 1.6)은 1퍼센트만큼 1.616으로 증가되는 점이 상정된다. 이 경우, 모든 나머지 층의 굴절률은 그대로 유지된다. 이런 도파관의 약간의 조정의 결과는 2.5 x 10-5에서 1.4 x 10-3으로 굴절률의 증가이다. 다시 말해, 1퍼센트만큼 층의 굴절률의 증가는 본 예에서 구조부의 충전율을 56의 계수(5600퍼센트)만큼 변경시킨다. 바람직하게는 일반적으로 충전율은 적어도 10의 계수만큼 증가된다. 이런 큰 변경은 도파관의 본 발명의 기능을 위한 핵심이다. 상기 변경은 마찬가지로 상기 원리를 기반으로 하는 디스플레이의 대비(contrast)와 직접적으로 관련된다.
도 2에는, 여기서 아래에 위치하는 기판(1)을 포함하는 본 발명에 따른 도파관이 도시되어 있으며, 기판 상에는 서로 겹쳐 위치하는 방식으로 2개의 층 형성부(3a 및 3b)가 배열되어 있다. 각자의 층 형성부는 본 실시예의 경우 2개의 투명 유전체층(3a1, 3a2; 3b1, 3b2)을 포함하며, 층 형성부들(3a 및 3b) 사이에는 광 출력 결합 층(4)이 배열된다. 상기 광 출력 결합 층은 여기서 예컨대 입자들로 덮여 있는 금속 층으로서 형성될 수 있다.
층 두께들의 매칭 및 층 재료들의 굴절률의 적합한 선택을 통해, 도파관 내에서 입력 결합되는 광은 (본 예에서) 정확히 하나의 노드(5a)를 포함하는 횡방향 모드(5)로서 형성되며, 노드의 위치는 광 출력 결합 층(4)의 위치와 일치한다. 그에 따라 모드의 전파는 도파관 내에서 층(4)을 통해 거의 교란되지 않는다.
그에 따라, 도 2의 하부 영역에 따라서, 형성된 모드는 도파관 내에서 화살표(7)에 따라서 저손실 방식으로 전파될 수 있다. 도파관의 단부들 상에서는, 이곳에서 (만곡된 화살표들을 통해 상징적으로 표시된) 반사를 달성하기 위해, 반사 코팅이 수행될 수 있다.
본 발명에 따라서, 예컨대 광 출력 결합 층(4)에 인접하여 전극(6a)이 배치되며, 그리고 기판과 하부 층 형성부(3b)의 제1 층 사이에 추가 전극이 형성된다. 하부 층 형성부(3b) 내에는 상부 층(3b2)이 전기 광학 특성들을 갖는 층으로서 선택되며, 다시 말해 이 층의 굴절률은 전극들(6a 및 6b) 사이에서 형성될 수 있는 전계에 의해 영향을 받을 수 있다.
도 2에는, 교란되지 않는 노드 전파, 다시 말해 접속된 필드가 없는 경우가 시각화되어 있으며, 다시 말해 여기서는 노드 위치(5a)가 출력 결합 층(4)의 위치와 일치한다.
도 3에 따라서는, 전극들(6a 및 6b) 사이에 전계가 형성되며, 이는, 층 형성부(3b) 내에서, 여기서는, 예컨대 도 2에 따른 층(3b2) 내에서 국소적 굴절률 변경을 야기한다. 그 결과, 도파관은, 이 도파관 내에서 노드 위치가 층(4)에 상대적으로 변위되도록 조정된다. 이를 통해, 횡방향 모드 프로파일의 유의적인 세기가 층(4)과 상호작용하며, 그럼으로써 광은 화살표(8)에 따라서 도파관에서부터 출력 결합된다. 도 1과 달리, 도 2 및 도 3에서의 세기 프로파일들은 정확한 해결책이 아니라, 오직 시각화만을 위한 개략도로서 이용된다.
도 4 내지 도 6에는, 전극 포지셔닝의 상이한 실시예들이 도시되어 있다. 이들 실시예의 경우, 구조부는 도파관 내에 위치 고정되는 반면, 도파관은 가이드되는 모드의 노드 위치가 약간 변경되는 방식으로 영향을 받는다.
도 4에서, 전극들(6a, 6b)은, 이미 도 2 및 도 3에 대해 기술한 것처럼, 배열되어 있다. 시각화에 따라서, 도 4에서 하부에는, 모드의 전파 방향에 대해 수직으로 층(3b2)을 관통하고 이를 통해 층(3b2)의 굴절률을 변경하는 횡방향 전계가 발생한다. 이런 구성의 단점은, 전계 강도의 절댓값(E)이 전극 간 이격 간격(d)이 증가함에 따라 감소한다(E~d-1)는 사실이다. 그러나 바로 노드 내에 위치하지 않는 하부 전극(6b)은, 모드의 전파 손실을 적게 유지하기 위해, 높은 전극 간 이격 간격(d)을 필요하게 한다. 다시 말해, 이런 구성에서, 전파 손실과 최대한 낮은 스위칭 전압 간에 절충안을 찾아야 한다. 이런 문제점의 해결책은 도 5의 구성으로 도시되어 있다.
도 5에는, 전극들을 통해 적어도 부분적으로 형성되는 수단의 모든 전극이 노드 위치에, 또는 적어도 노드 위치의 둘레의 영역에 배열되어 있는 것인 어레이가 선택되어 있다. 본 실시예의 경우, 수단은 서로 나란하게 위치하는 전극들(6a 내지 6e) 등을 포함한다. 이 경우, 본 예에서, 각자의 전극 및 바로 위의 전극은 동일한 전위에 위치한다(다시 말해 6a, 6c, 6e, ...는 일측 전위에 위치하고 6b, 6d, ...는 상이한 제2 전위에 위치한다). 그에 따라, 2개의 인접한 전극 사이에 전계가 인가되며, 이 전계는 여기서 하부 영역에서 다시금 층(3b2)을 관통하여 이 층의 굴절률을 변경한다. 인가된 전압이 기설정된 조건에서 국소적으로 작용하는 전계 강도는 여기서는 더 이상 단지 유전체층들의 두께에 따라서만 결정되는 것이 아니라, 주로 전극 간 이격 간격(L)에 따라서 결정된다. 이런 점에 한해, L << d인 경우, 특히 낮은 스위칭 전압이 달성될 수 있다. 모든 전극 및 구조부가 노드 내에 있기 때문에, 이런 경우 낮은 전파 손실이 달성될 수 있다.
도 6에는, 광 출력 결합 구조부는, 바람직하게는 전반적인 부분에서 언급되는 조건에 따라서 노드 위치 둘레의 영역에 위치되는 블레이즈 격자(blazed grating)를 통해 형성된다. 여기서 격자 구조는 더 나은 식별성을 이유로 과장되게 크게 도시되어 있으며, 그리고 실제로 최초에 정의한 세기 주변부(intensity surrounding)의 안쪽에 위치될 수 있다.
여기서 실시예는, 격자 구조가, 전파 방향에 대해 경사진 방식으로 배열되는, 다시 말해 그에 대해 수직을 이루지도 않고 평행하지도 않는 전극 표면들을 포함하도록 선택된다. 이 경우, 일 실시예(상부 회로도)에서, 이미 도 5에 기술한 것처럼, 모든 제2 전극은 동일한 전위에 위치할 수 있고, 이들 제2 전극 사이에서는 그에 상응하게 전계가 생성될 수 있다. 그 다음 상기 전계는 실질적으로 파의 전파 방향으로 정렬되되, 중심(우세한) 전계 방향은 전극들 사이의 일측 영역에서 다음 영역으로 전환된다. 하부 회로도에 따라서, 자신의 우세한 전계 성분이 방향 전환 없이 전파 방향으로 위치하는 것인 전계 역시도 생성될 수 있다. 여기서도 층(3b2)에서 상기 방식으로 굴절률이 변경되고 노드 위치는 변위된다.
도 7에는, 도파관 내의 구조부가, 특히 국소적 변위의 의미에서 기계적으로 조정되는 것인 일 실시예가 도시되어 있다. 여기서 구조부는 예컨대 금속 멤브레인들을 통해 형성되며, 이 금속 멤브레인들은 동시에 전극들을 형성한다. 멤브레인들은 고굴절 유전체(3a1) 안쪽의 비어 있거나 공기로 채워진 체적부(volume)(V) 내에 위치한다. 자신의 광학적 두께가 전계를 통해 변경될 수 있는 것인 층은 본 실시예에서는 필요하지 않다. 인가된 전계가 없으면, 각각의 멤브레인 전극(6b, 6c, ...)은 평면이며, 그리고 층 평면들에 대해 평행한 평면을 보유한다. 그에 따라, 멤브레인 전극들은 평평하게 놓이고 모드의 노드 내에 끼워 맞춰진다. 멤브레인 전극과 공통 접지 전극 사이에 전압을 인가하는 것을 통해, 상응하는 멤브레인 전극은 노드에서 그 외로 변위되고 그에 따라 가이드되는 파와 상대적으로 더 강하게 상호작용한다. 이 경우, 서브픽셀은 각각의 개별 멤브레인 전극마다, 또는 바람직하게는 복수 개, 특히 적어도 2개의 바람직하게는 인접하는 멤브레인 전극의 그룹을 통해 공통 전극(6a)과 함께 정의될 수 있다. 멤브레인 전극들의 그룹을 통해 정의되는 실시예는 설정 가능한 격자 주기를 갖는 인공 격자(artificial grating) 역시도 생성할 수 있으며, 그리고 이렇게 국소적 출력 결합의 색 및/또는 방향 의존성을 동조할 수 있다. 이를 위해, 예컨대 상이한 격자 주기들에 대해 바람직하게는 인접한 멤브레인 전극들의 상이한 개수들이 하나의 각각의 그룹으로 통합될 수 있다. 하나의 그룹 내에서 멤브레인 전극들은 예컨대 모두 동일하게 활성화된다.
도 8 및 도 9에는, 국소적 노드 변위를 위한 복수의 수단에 의해 단색 디스플레이가 형성되는 것인 실시예들이 도시되어 있다.
도 8에서의 도파관은 도 2에 따른 기본적인 구성을 보유하지만, 그러나 여기서는 시각화되지 않은 구조부의 평면 내에 제1 그룹의 전극들(10a, 10b, ...)이 배열되며, 이들 전극 중 각자의 전극(10)은 y 방향으로 종방향으로 연장된다. 전극들은 모두 상호 간에 평행하고 이격된다. 그에 따라, 기판(도면에서는 미도시)과 도파관의 최하부 유전체층 사이에는 적층 방향으로 제1 그룹에 대해 이격된 방식으로 제2 그룹의 전극들(11a, 11b, ...)이 배열된다. 이런 전극들 역시도 상호 간에 평행하고 이격되어 있지만, 그러나 z 방향으로 종방향으로 연장되고 그에 따라 제1 그룹에 대해 수직을 이룬다.
그룹들의 각자의 개별 전극은 전기 전위를 공급받되, 상이한 그룹들의 전극들은, 두 그룹의 전극들 사이에서 전위차를 형성하고 그에 따라 전계를 형성하기 위해, 상이한 전위를 공급받는다.
전계는, 상이한 전위로 활성화되는 2개의 전극(10, 11)이 적층 방향(x)으로 고려할 때 서로 교차하는 중첩 영역(12)에서 발생한다. 이렇게, 교차 영역을 통해, 광 출력 결합이 수행되어야 하는 픽셀이 정의되는데, 그 이유는 단지 그곳에서만 전파되는 모드의 노드 위치가 변위되기 때문이다. 대개, 컬러 디스플레이의 경우, 개별 서브픽셀에 대해 유사한 방식으로 처리할 수도 있다.
그에 따라, 제1 그룹은 디스플레이의 가능한 행 위치들을 정의할 수 있고 제2 그룹은 디스플레이의 가능한 열 위치들을 정의할 수 있다.
도파관이 단일의 광원으로 광을 공급받는 점에 한해, 단색 디스플레이가 형성된다. 그런 다음, 이런 광원의 (도면에서는 l O 로 표시된) 광은 본 발명에 따라서 최대한 균일하게 디스플레이의 전체 표면을 조명하게 된다. 시간상 연속해서 활성화되는 상이한 광원들을 통해, 동일한 서브픽셀은 시간 다중화에서 다색으로도 작동될 수 있다. 우측 하부의 (도면에서 S로 표시된) 개략도에는, 전체 디스플레이가 단일의 도파관(굵은 선의 직사각형)으로 구성되고 행 선택뿐만 아니라 열 선택 역시도 개별 전극들의 전기적 주소지정(electrical addressing)을 통해 수행되는(얇은 선들) 점이 도시되어 있다.
도 9에는, 동일하게 기본적으로 도 2의 구성에 상응하는 일 실시예가 도시되어 있다. 그러나 여기서는 도파관은, 상부 층 형성부(3a)가 도파관의 표면에 걸쳐서 관통되는 것이 아니라, 상호 간에 나란하게 위치하면서 평행하게 이격된 스트립들을 통해 형성되는 방식으로 구성된다. 각자의 스트립은 여기서 디스플레이의 행을 형성한다. 다른 실시예의 경우, 스트립들 사이에서 층 형성부(3b) 역시도 제거될 수도 있다.
도시된 예에서, 하부 층 형성부(3b)는 전체 표면에 걸쳐서 형성되며, 그리고 전면(full-face) 광 출력 결합 층(4), 결과적으로 노드 위치에, 또는 적어도 노드 위치의 주변부에 포지셔닝되는 전면 전극(6a)(full-faced electrode), 및 상부 층 형성부들(3a)의 모든 스트립을 지지한다. 상부 층 형성부(3a)의 스트립들은 모두 평행하게, 그리고 행 방향에 상응하는 제1 방향(y)으로 종방향으로 연장된다.
하부 층 형성부(3b)의 아래에는 스트립 형태 전극들(6b, 6c, 6d, ...)이 배열되며, 이 전극들은 평행하게 상호 간에 이격되어 있고 여기서는 방향(y)에 대해 수직인 방향(z)으로 종방향으로 연장된다.
상부 층 형성부(3a)의 각자의 스트립은 적어도 하나의 별도의 광원(도면에는 l O 로 표시됨)을 포함하며, 그럼으로써 상기 광원을 통해 항상 전체 스트립에는 광이 흐르게 되고, 스트립 및 하부 층 형성부(3b)를 통해 형성되는 도파관 내에서는 광이 전파되지만, 그러나 스트립을 통해 측면으로 제한되게 된다. 그에 따라, 각각의 광원의 활성화를 통해, 디스플레이 내의 행 위치가 정의된다.
이를 위해, 의도되는 전극(6b, 6c, 6d, ...)의 활성화를 통해, 의도되는 열 위치가 정의된다. 그에 따라, 광은 단지 층 형성부(3a)의 조명된 스트립에서부터 출력 결합되고, 상기 층 형성부의 아래에서는 전극(3b)을 통해 전계가 생성된다. 여기서 픽셀 또는 서브픽셀은, 층 형성부(3a)의 스트립 및 전극(6b)의 중첩 구역이면서 적층 방향으로 고려되는 상기 중첩 구역을 통해 정의된다. 우측 하부의 (도면에는 S로 표시된) 개략도에는, 전체 디스플레이가 상이한 도파관들(굵은 선의 직사각형들)로 구성되고, 이 도파관들은 행 선택을 가능하게 하는 반면, 오직 열 선택만이 개별 전극들의 전기적 주소지정을 통해 수행되는(얇은 선들) 점이 도시되어 있다. 상기 개략도는 도 10에서 다시 확인된다.
도 10에는, 컬러 디스플레이의 실현이 개략적으로 도시되어 있다. 도 9에 도시된 것처럼, 컬러 디스플레이는, 행 정의를 허용하는 스트립 형태의 도파관들로 구성된다. 스트립 형태의 도파관의 단부에서 광의 입력 결합은 예시로서 (도면에는 w n 으로 표시된) n번째 도파관에 대해 확대되어 도시되어 있으며, 그리고 이는 각자의 스트립 형태의 도파관에 대해 상응하는 방식으로 수행된다. 우선, 여기(excitation)는, 조사 광 세기의 최대한 높은 성분이 디스플레이의 기능을 위해 필요하고 정확한 모드 내로 입력 결합되는 점을 보장해야 한다.
가능한 실현에 대한 예는 격자 커플러(grating coupler)이다. 이런 격자 커플러는 정해진 파장을 가지면서 정해진 방향에서 입사되는 광을 정해진 유효 굴절률을 갖는 도파관 모드에 결합시킨다. 다시 말해, 이 경우, 정확한 각도의 설정을 통해, 예컨대 거의 모든 광이 TE1 모드 내로 입력 결합되고 상응하는 기본 모드에는 입력 결합되지 않는 점이 보장될 수 있는데, 그 이유는 기본 모드의 광이 즉시 구조부에서부터 강하게 출력 결합될 수도 있고 그에 상응하게 적용의 경우 소실될 수도 있기 때문이다. 이런 점이 더욱더 적합하게 기능할수록, 관여하는 모드들의 유효 굴절률의 차이는 더욱더 커지고(도파관 디자인), 스펙트럼 폭(광 스펙트럼의 파장에서의 차이) 및 광원의 빔 발산(beam divergence)(격자 커플러에 작용하는 입사각에서의 차이)은 더욱더 작아진다. 빔 발산에 대한 요건들은 특히 레이저들에 의해 매우 적합하게 충족될 수 있다.
예에서, 그리고 일반적인 유효성으로도, 도파관 내로의 광 입력 결합을 위해 블레이즈 격자가 이용될 수 있되, 이 블레이즈 격자는 각각의 도파관, 여기서는 스트립 형태의 도파관의 단부 상에서 상기 도파관 내에 각인되었다. 격자는 스트립 길이에 대해 수직인 평행한 라인들을 통해 개략적으로 도시되어 있다. 또한, 의도되는 방향으로 분극되는 복수 개, 여기서는 3개의 레이저빔, 예컨대 적색, 녹색 및 청색 레이저빔이 이용되며(도면에는 l O1 , l O2 , l O3 으로 표시됨), 이들 레이저빔은 코팅된 블레이즈 격자를 통해 매우 효율적으로(전형적으로 분명하게 50%를 초과하여) 의도되는 모드로 입력 결합된다. 이를 목적으로, 레이저빔들은 일반적으로 각각 상이한 각도들로 격자에 부딪친다.
오른쪽 그래프에는, 격자로 조사되는 레이저(l O,i )의 각각의 휘도가 (t로 표시된) 시간의 함수로서 도시되어 있다. 본 실시예의 경우, 결정적인 사항은, 각자의 시점에서 단지 하나의 레이저빔만이 도파관에 부딪친다는 점이다. 다시 말해, 상기 도파관은 항상 단색으로 조명된다. 그 밖에도(도 10에는 미도시), 항상 단지 하나의 행만이 조명된다. 이는, 분류 표시(Wi, i ≠ 1)를 포함한 상자를 통해 상징적으로 표시되어 있으며, 다시 말해 상자는, 디스플레이의 모든 나머지 도파관 또는 행이 조명되는 때의 시간 섹션을 표시한다. 다시 말해, 요컨대, 항상 단지 하나의 행(다시 말해 하나의 스트립 형태의 도파관)만이 각각 단지 하나의 색으로 조명된다. 이 경우, 상기 조명의 각각의 휘도는 변경될 수 있다.
열 선택(CB 표시가 있는 수직 라인들 및 상자)은 (도 9에 대해 예시로서 도시하고 기술한 것과 같은) 상응하는 수단들의 전기적 주소지정을 통해 수행된다. 이 경우, 곧바로 스위치 온되는 도파관의 곧바로 스위치 온되는 색의 모든 서브픽셀의 휘도 값들은 모두 동시에 주소지정될 수 있는데, 그 이유는 상기 휘도 값들이 물론 어두운 다른 도파관들에는 작용하지 않기 때문이다. 그에 따라, 새롭고 특히 극도로 신속한 유형의 디스플레이 주소지정이 달성된다. 전기적 열 선택을 위해서뿐만 아니라 행들의 조명을 위해서도, 일반적으로 유사한 레벨들이 이용될 수 있다. 도 10의 오른쪽 그래프에는, 휘도 레벨이 가변하는 점이 도시되어 있다. 이는 상기에서 기술한 "광원의 세기의 재조정"에 상응한다. 이런 재조정은, 발광 서브픽셀들의 개수 또는 휘도가 상대적으로 더 큰 경우 각자의 서브픽셀에 대해 의도하는 휘도를 달성하기 위해 필요하다. 더 나아가, 열 선택에 대한 유사한 레벨들의 이용은, 도파관 안쪽에서 무시할 수 없는 만일의 전파 손실들을 보상하기 위해 활용될 수 있다. 이런 경우, 수단들은 광원으로부터 더 멀리 이격되는 열들에 상응하게 상대적으로 더 강하게 활성화될 수도 있다.
심지어는, 레이저 조사(laser irradiation)를 통해 달성될 수 있는 극도로 높은 예상 스위칭 속도 및 높은 국소적 세기를 기반으로, 바로 스위치 온된 도파관의 바로 스위치 온된 색의 서브픽셀들을 마찬가지로 시간상 연속해서 스위치 온하는 점도 생각해볼 수 있다. 이런 경우에, 각자의 시점에서, 단지 하나의 색을 갖는 하나의 서브픽셀만이 스위치 온될 수도 있다. 대개, 그에 상응하게, "광원의 세기의 재조정"을 필요로 하지 않을 수도 있고, 오직 가능한 전파 손실들만이 보상되어야 한다. 이는, (바로 스위치 온된 픽셀 위치에 따라서) 광원의 레벨들의 선택에 상응하게 보장될 수도 있으며, 그럼으로써 대개 열 선택의 측에서 다시 일정한 레벨들을 근거로 할 수도 있다.
광원으로서 레이저를 이용할 때의 장점은, 달성할 수 있는 특히 큰 색 공간에 있다. 단점은 제조비용에 있을 수 있다. 도 10에 따른 디스플레이는 가장 간단한 경우에 디스플레이 열마다 3개의 레이저를 이용할 수도 있다. 그러나 언제든지 여하히 각각 단지 하나의 행만 조명되기 때문에, 행 선택에 열 선택을 위한 콘셉트를 전용하는 것이 절대적으로 적합한 것으로 보인다. 이는 도 11에 개략적으로 도시되어 있다.
도 11에는, 도 10과 유사한 개략도가 도시되어 있다. 이런 경우, 광원들(l O,i )의 광은 하나의 공통 광원 도파관(상부에서부터 하향 연장되는 굵은 선의 직사각형) 내로, 또는 각각의 광원마다 하나의 광원 도파관 내로 입력 결합된다. 행 선택은 이제 마찬가지로 본 발명에 따른 방법으로 수행된다(도면에는 수평 라인들 및 LB로 표시된 상자를 통해 도시되어 있음). 각각 정확히 하나의 행 위치에서 광은 광원 도파관에서부터 상기 행 위치에 상응하는 디스플레이의 도파관(좌측에서부터 오른쪽으로 연장되는 복수의 굵은 선의 직사각형) 내로 입력 결합된다. 상기 도파관에서부터는 선택된 열에서 출력 결합이 이미 기술한 방식으로 수행된다. 열 선택은 도면에 수직 라인들 및 CB로 표시된 상자를 통해 도시되어 있다. 이런 어레이의 장점은 전체적으로 필요한 광원들의 감소에 있다. 가장 간단한 경우에, 전체 컬러 디스플레이를 위해 그에 상응하게 고성능인 3개의 광원, 바람직하게는 레이저만으로도 충분하다.
본 신청의 근거가 되는 프로젝트를 위해, 재무지원 협약 제637367호의 범위에서, 보조금은 연구 및 혁신 "Horizont 2020"을 위한 유럽 연합의 프로그램에서부터 제공받았다.

Claims (27)

  1. 기판(1)을 포함하는 도파관으로서, 기판 상에는 적어도 2개의 층 형성부(3a, 3b)의 층 스택(2)이 배열되며, 각자의 층 형성부(3a, 3b)는 특히 기판(1)보다 더 높은 굴절률을 갖는 적어도 하나의 투명 유전체층(3a1, 3b2)을 포함하며, 2개의 인접한 층 형성부(3a, 3b) 사이에는 광 전파에 영향을 미치는 구조부, 특히 적어도 일부 영역에서 층 형태로 연장되는 구조부(4)가 배열되며, 층 스택 내에서 구조부(4)의 위치는 적어도 하나, 바람직하게는 정확히 하나의 노드(5a)를 포함하면서 도파관 내에서 가이드될 수 있는 도파관 모드의 노드 위치에 상응하는 것인, 상기 기판을 포함한 도파관에 있어서, 상기 도파관은 가이드되는 도파관 모드의 상기 노드(5a)와 상기 구조부(4) 상호 간의 상대 위치를 적어도 일시적으로 변경하기 위한 적어도 하나의 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판을 포함한 도파관.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구조부(4)는, 상기 도파관에서부터 광의 출력 결합을 목적으로, 산란 구조부 및/또는 회절 구조부 및/또는 반사 구조부 및/또는 발광 구조부로서 형성되는 것을 특징으로 하는 기판을 포함한 도파관.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 도파관은, 적층 방향으로 고려할 때 상기 구조부(4)의 둘레에 대칭형으로 형성되며, 특히 그럼으로써 상기 노드(5a)는 모든 파장에 대해 상기 구조부(4)를 에워싸는 상기 층들(3a1, 3b2) 사이의 중심에 위치하며, 바람직하게는 상기 도파관은 기판(2) 및 층들의 기하학적 두께 및 굴절률과 관련하여 대칭형인 것을 특징으로 하는 기판을 포함한 도파관.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 수단에 의해, 상기 층 스택(2)의 내부에서 상기 구조부(4)의 공간 위치가 변경될 수 있는 것을 특징으로 하는 기판을 포함한 도파관.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 수단에 의해, 층 스택의 적어도 하나의 층, 바람직하게는 상기 층 형성부들 중 적어도 하나의 층 형성부(3b)의 층(3b2)이면서 상기 광 출력 결합 구조부(4)에 인접하는 상기 층(3b2)의 광학 두께가 변경될 수 있으며, 특히 적어도 일시적으로 변경될 수 있는 것을 특징으로 하는 기판을 포함한 도파관.
  6. 제5항에 있어서,
    각각의 수단에 의해, 층 스택 내에서 전계가 적어도 일시적으로 생성될 수 있으며, 특히 각각의 수단은, 층 스택 내에 또는 상에 배열되어 활성화될 수 있는 적어도 2개, 바람직하게는 정확히 2개의 전극(5a, 5b)을 포함하며, 이들 전극에 의해서는 층 스택(2) 내에서 전계가 적어도 일시적으로 생성될 수 있으며, 그리고 바람직하게는 상기 광 출력 결합 구조부(4)에 인접하는, 상기 층 스택(2)의 적어도 하나의 층(3b2)은 상기 생성 가능한 전계에 의해 관통되는 것을 특징으로 하는 기판을 포함한 도파관.
  7. 제6항에 있어서,
    전계에 의해 관통되는 상기 층은, 특히 상기 층(3b2) 내에서의 전기 광학 효과, 바람직하게는 포켈 또는 케르 효과를 기반으로, 생성 가능한 전계에 의해 변경될 수 있는 굴절률을 보유하는 것을 특징으로 하는 기판을 포함한 도파관.
  8. 제6항에 있어서,
    전계에 의해 관통되는 상기 층은, 특히 상기 층(3b2) 내에서의 압전 또는 전기 용량 효과를 기반으로, 생성 가능한 전계에 의해 변경될 수 있는 기하학적 두께를 보유하는 것을 특징으로 하는 기판을 포함한 도파관.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나의 수단의 전극들(6a, 6b) 중 적어도 하나는 도파관 내에서 가이드될 수 있는 도파관 모드의 노드 위치 상에, 또는 그 노드 위치의 영역에 배열되는 것을 특징으로 하는 기판을 포함한 도파관.
  10. 제9항에 있어서,
    하나의 수단의 모든 전극은, 도파관 내에서 가이드될 수 있는 도파관 모드의 노드 위치에서, 또는 적어도 그 노드 위치의 영역에서 도파관 모드의 가능한 전파 방향들 중 하나의 전파 방향으로 상호 간에 이격되며, 특히 인접한 전극들의 표면 영역들은 서로 맞물리는 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 기판을 포함한 도파관.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 노드 위치 상에 형성되는 각각의 전극은 상기 광 출력 결합 구조부 자체를 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 기판을 포함한 도파관.
  12. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 노드 위치의 영역에 형성되는 각각의 전극(6a)은 상기 광 출력 결합 구조부(4)에 인접하여 배열되는 것을 특징으로 하는 기판을 포함한 도파관.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    일측 전극은, 상기 노드 위치 상에, 또는 적어도 상기 노드 위치의 영역에 배열되는 타측 전극에 대해 적층 방향으로 이격되며, 특히 상기 전극은
    i. 상기 전체 층 스택(2)에 인접하여, 바람직하게는 상기 기판(1)과 상기 층 스택(2) 사이에 배열되거나, 또는
    ii. 가이드될 수 있는 동일한 도파관 모드의 다른 노드 위치에 배열되는
    것을 특징으로 하는 기판을 포함한 도파관.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 수단은 층들에 대해 평행하게 위치하는 전파 방향들로 수회 서로 나란하게 위치하는 방식으로 배열되며, 특히 복수의 수단은 n >= 1 및 m > 1인 조건의 n x m의 행렬을 형성하는 것을 특징으로 하는 기판을 포함한 도파관.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 행렬을 통해 형성되는 디스플레이의 서브픽셀은 적층 방향으로 고려할 때 각자의 수단의 기하학적 경계를 통해 정의되는 것을 특징으로 하는 기판을 포함한 도파관.
  16. 제14항에 있어서,
    a. 상기 도파관은 상호 간에 평행하게 나란히 위치하는 복수의 전극의 제1 그룹을 포함하되, 복수의 전극은 각각 층들에 대해 평행하게 위치하고 가능한 제1 전파 방향에서 종방향으로 연장되며, 그리고
    b. 상기 도파관은 상호 간에 평행하게 나란히 위치하는 복수의 전극의 제2 그룹을 포함하되, 복수의 전극은 각각 층들에 대해 평행하게 위치하고 가능한 제2 전파 방향에서 종방향으로 연장되며, 특히 두 전파 방향은 상호 간에 수직으로 위치하며, 그리고
    c. 상기 제1 그룹과 상기 제2 그룹은 적층 방향으로 상호 간에 이격되며, 그리고
    d. 각각의 수단은, 상기 제1 및 상기 제2 그룹의 전극들의 표면 영역들이면서 적층 방향으로 중첩되어 배열되는 상기 표면 영역들을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 기판을 포함한 도파관.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 출력 결합 구조부(4)는,
    a. 구조화된 금속 층, 바람직하게는 증착 후에 에칭되는 금속, 특히 은으로서,
    b. 층 형성부의 층의 표면이면서 금속으로 코팅되고 거친 처리된 상기 표면으로서,
    c. 격자로서, 특히 블레이즈 격자로서,
    d. 금속 또는 유전체 나노입자들 또는 나노튜브들로 이루어진 층들로서,
    e. 층, 특히 폴리머 층 안쪽의 결공들(void)로서,
    f. 블록 코폴리머들 내의 위상 전이부들로서,
    g. 발광 층들로서, 또는
    h. 전정기로 이동 가능한 금속 멤브레인들로서
    형성되는 것을 특징으로 하는 기판을 포함한 도파관.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따르는 적어도 하나의 도파관을 포함하고 활성화 가능한 서브픽셀들의 행 및 열 어레이를 갖는 디스플레이에 있어서, 상기 서브픽셀들은 노드와 구조부 상호 간의 상대 위치를 적어도 일시적으로 변위시키기 위한 수단들을 통해 정의되는 것인, 디스플레이.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 도파관은 디스플레이의 수단들이면서 서브픽셀을 정의하는 상기 수단들 모두를 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이.
  20. 제18항에 있어서,
    서브픽셀들의 각자의 행에는 적어도 하나의 별도의 도파관이 할당되며, 광학 두께의 변경을 위한 상기 도파관의 수단들은 열들을 형성하는 것을 특징으로 하는 디스플레이.
  21. 제20항에 있어서,
    각자의 별도의 도파관은 행의 수단들이면서 서브픽셀을 정의하는 상기 수단들 모두를 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이.
  22. 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디스플레이는 상기 적어도 하나의 도파관 내로 광의 입력 결합을 위한 적어도 하나의 광원, 특히 레이저 광원을 포함하며, 상기 광원에 의해 생성되는 광의 세기는 실제로 노드 위치의 변경을 위해 활성화되는 수단들의 개수 및 상기 활성화의 강도에 따라서 변경될 수 있으며, 특히 활성화된 수단들의 개수 및 상기 활성화의 강도가 증가함에 따라서 상기 세기도 증가될 수 있는 것을 특징으로 하는 디스플레이.
  23. 제17항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 도파관, 바람직하게는 정확히 3개의 도파관이 상호 간에 겹쳐서 적층되어 배열될 수 있되, 특히 적층된 상이한 도파관들은 광의 입력 결합을 위한 광원들, 특히 레이저 광원들을 포함하며, 상기 광원들의 파장 스펙트럼들은, 함께 하나의 선택된 색 공간을 덮는 방식으로, 서로 상이한 것을 특징으로 하는 디스플레이.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 적층된 도파관들의 복수의 서브픽셀이면서 각각의 서브유닛들을 형성하는 상기 복수의 서브픽셀의 수단들이면서 컬러로 발광하는 하나의 공통의 픽셀에 속하는 상기 수단들은 상이한 평면으로, 특히 오프셋 되어 배열되는 것을 특징으로 하는 디스플레이.
  25. 제17항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디스플레이는 복수의 별도의 광원, 특히 레이저 광원을 포함할 수 있되, 상기 별도의 광원들 각자에 의해서는 다른 파장 스펙트럼의 광이 생성될 수 있으며, 그리고 상기 상이한 광원들은, 각자의 픽셀을 이용하여 모든 파장 스펙트럼의 광을 연속해서 방출하기 위해, 시간상 연속해서 제어되는 것을 특징으로 하는 디스플레이.
  26. 제20항에 있어서,
    상기 디스플레이는 적어도 하나의 광원, 바람직하게는 스펙트럼에 따라 상이한 복수의 광원을 포함하며, 상기 광원들의 광은 시간상 연속해서 하나의 공통의 광원 도파관 내로 전파되거나, 또는 상기 광원들의 광은 각각 스펙트럼에 따라 할당된 광원 도파관 내로 전파되되, 광은, 활성화 가능한 오버커플러들(over-coupler)에 의해, 광원 도파관에서부터, 활성화를 통해 선택되고 서브픽셀들의 각자의 행에 속하는 각각의 별도의 도파관 내로 과결합(over-coupling)될 수 있는 것을 특징으로 하는 디스플레이.
  27. 도파관, 특히 제1항 내지 17항 중 어느 하나에 따르는 도파관으로부터 광을 출력 결합하기 위한 방법으로서, 광은 적어도 하나의 노드를 포함한 도파관 모드로서 전파되며, 노드의 노드 위치는 도파관 내에서 광 전파에 영향을 미치는 구조부의 위치에 상응하는 것인, 상기 광의 출력 결합 방법에 있어서, 상기 도파관 모드의 노드와 상기 구조부 상호 간의 상대 위치는 적어도 일시적으로 변위되며, 특히 상기 구조부에 상대적인 노드의 변위를 통해, 또는 상기 노드에 상대적인 구조부의 변위를 통해 변위되는 것을 특징으로 하는 광의 출력 결합 방법.
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