KR20200054771A - 메타포토닉 적층 금속점 색 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 메타포토닉 적층 금속점 색 필터에 관한 것으로서, 본 발명의 메타포토닉 적층 금속점 색 필터는 열 및 화학적 안정성을 가지고 있는 금속 물질을 사용하며 금속점의 주기(간격) 및 이격거리에 따라 각 픽셀에서 R(Red), G(Green), 또는 B(Blue) 색상을 구현하여 해상도를 향상시킬 수 있다.

Description

메타포토닉 적층 금속점 색 필터{Metaphotonic color filter comprising stacked metal dots}

본 발명은 색 필터에 관한 것으로서, 특히, 금속점의 주기 및 간격 조절을 통해 색상이 조절되어 결정되도록 할 수 있는 메타포토닉 적층 금속점 색 필터에 관한 것이다.

현재 디스플레이 시장의 대부분은 박막 트랜지스터 액정표시장치(TFT LCD) 및 유기발광소자(OLED)가 점유하고 있는 상황이다. 박막 트랜지스터 액정 표시장치의 경우에는 발광소자를 통해 백색광을 광원으로 사용하고 컬러필터를 통해 색상을 구현하고, 유기발광소자 중 백색유기발광소자의 경우에는 적층 구조의 유기발광소자를 이용한 백색광을 광원으로 사용하고 컬러필터를 통해 색상을 구현한다.

현재 상용화 되어있는 컬러필터는 염료 및 안료 기반으로서 열 및 화학적 안정성이 떨어지는 문제를 가지고 있고, 이를 극복하기 위한 추가적인 배리어 공정이 요구되기 때문에 복잡한 제작 과정을 야기시키고 있다. 이를 해결하기 위해 열 및 화학적 안정성을 갖고 있는 금속을 활용하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

또한, 가상현실 디스플레이, 증강현실 디스플레이, 무안경 3D 디스플레이와 같은 차세대 디스플레이의 구현을 위해서는 초 고해상도 디스플레이의 개발이 필요하다. 현재 상용화 되어있는 염료 및 안료 기반의 컬러필터는 수 μm 수준 이하로 픽셀을 줄이는데 패터닝 공정상의 한계 때문에 초 고해상도 디스플레이 개발에 어려움을 가지고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 열 및 화학적 안정성을 가지고 있는 금속 물질을 사용하며 금속점의 주기(간격) 및 이격거리에 따라 각각의 픽셀에서 R(Red), G(Green), 또는 B(Blue) 색상을 구현하여 해상도를 향상시킬 수 있는 메타포토닉 적층 금속점 색 필터를 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의일면에 따른 메타포토닉 적층 금속점 색 필터는, 투명 기판 상에 소정의 간격으로 배열된 복수의 메타포토닉 표시장치를 포함하고, 상기 복수의 메타포토닉 표시장치 각각은, 상기 투명 기판 상에 순차로 제1금속점, 유전체점 및 제2금속점을 적층한 구조를 포함하고, 상기 메타포토닉 표시장치의 간격 및 상기 제1금속점과 상기 제2금속점의 이격 거리에 의해 상기 적층한 구조를 통과하는 빛의 투과도 또는 색 순도가 결정된다.

상기 메타포토닉 표시장치의 간격에 대하여, 상기 이격 거리에 따라, 각 픽셀마다 상기 적층한 구조를 통과하는 빛에 대한 R, G, 또는 B 색상 필터로 작용한다.

각 픽셀마다 상기 메타포토닉 표시장치의 간격에 의해 결정된 빛의 투과도에서 상기 제1금속점과 상기 제2금속점의 이격 거리에 의해 색 순도가 결정된다.

각 픽셀마다 상기 제1금속점과 상기 제2금속점의 두께는 10~100nm의 범위 내일 수 있다.

각 픽셀마다 상기 유전체점의 두께는 10~100nm의 범위 내일 수 있다.

각 픽셀마다 상기 제1금속점과 상기 제2금속점의 크기는 직경 10nm 내지 100μm의 범위 내일 수 있다.

본 발명에 따른 메타포토닉 적층 금속점 색 필터에 따르면, 금속점의 주기 및 상하부 금속점의 이격 거리 조절을 통해 투과도 및 및 색상 조절이 가능하므로, 나노(nano) 크기까지 가능한 각각의 서브픽셀에 R,G, 또는 B 색상이 구현되도록 하며 해상도를 향상시킬 수 있고 열적 및 화학적 안정성을 가지게 되며 공정이 단순해져 기존 컬러필터의 단점을 모두 보완할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 메타포토닉 적층 금속점 색 필터는, 열적 화학적 안정성이 낮으며 초미세 패턴이 제한되는 단점을 지닌 기존 염료/안료 기반의 컬러필터의 한계를 극복하고, 증강현실, 가상현실, 고정밀도가 요구되는 의료용 시술 영상기기 등의 분야에 적용하여 고화질의 선명한 디스플레이가 가능하게 할 수 있다.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부도면은, 본 발명에 대한 실시예를 제공하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타포토닉 컬러표시장치를 적용한 메타포토닉 적층 금속점 색 필터를 설명하기 위한 도면이다.
도 2은 도 1의 적층 금속점의 이격 거리 변화에 따른 R(Red) 영역에서의 빛의 투과도 조절을 나타내는 그래프이다.
도 3는 도 1의 적층 금속점의 이격 거리 변화에 따른 G(Green) 영역에서의 빛의 투과도 조절을 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 1의 적층 금속점의 이격 거리 변화에 따른 B(Blue) 영역에서의 빛의 투과도 조절을 나타내는 그래프이다.
도 5은 도 1의 유전체점 두께에 따른 빛 투과도의 정규화값을 나타낸 그래프이다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.

또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타포토닉 컬러표시장치(100)를 적용한 메타포토닉 적층 금속점 색 필터(200)를 설명하기 위한 도면이다.

도 1과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타포토닉 적층 금속점 색 필터(200)는, 투명 기판(10) 상에 메타포토닉 컬러표시장치(100)를 소정의 간격(가로/세로 픽셀 간격)으로 배열한 형태로서, 박막 트랜지스터 액정표시장치, LED/OLED 표시장치 등과 같은 디스플레이 장치의 컬러 필터 등으로 사용될 수 있다.

메타포토닉 컬러표시장치(100)는 소정의 간격(예, 가로/세로 픽셀 간격으로서 수십 nm ~ 수백 μm)으로 1차원 또는 2차원 배열로 형성될 수 있다.

도 1에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 메타포토닉 컬러표시장치(100)는, 투명 기판(10) 상에 순차로 제1금속점(110), 유전체점(120) 및 제2금속점(130)을 적층한 구조를 포함한다.

메타포토닉 컬러표시장치(100)는 하부의 제1금속점(110) 및 상부의 제2금속점(130) 사이의 이격거리(D)에 따라 위와 같은 적층한 구조를 통과하는 빛의 투과도가 조절되어 결정되도록 할 수 있도록 한 것으로서, 빛의 투과도 조절에 따라 컬러필터를 위해 각 픽셀마다 R,G, 또는 B 색상이 다르게 적절히 발현되도록 할 수 있다.

본 발명에서는 위와 같은 메타포토닉 컬러표시장치(100)의 간격 및 제1금속점(110)과 제2금속점(130)의 이격 거리(D)에 의해 제1금속점(110), 유전체점(120) 및 제2금속점(130)의 적층 구조를 통과하는 빛의 투과도 또는 색순도가 조절될 수 있도록 하였다. 예를 들어, 메타포토닉 컬러표시장치(100)의 간격은 빛의 투과도를 조절할 수 있고, 제1금속점(110)과 제2금속점(130)의 이격 거리(D)에 의해 색순도를 조절할 수 있다. 즉, 메타포토닉 표시장치(100)의 간격에 의해 결정된 빛의 투과도에서 미리 결정된 제1금속점(110)과 제2금속점(130)의 이격 거리(D)에 의해 색 순도를 변화시킬 수 있게 된다. 이에 따라, 메타포토닉 표시장치(100)의 소정의 간격에 대하여, 각각의 (서브)픽셀에서 제1금속점(110) 및 제2금속점(130) 사이의 이격 거리에 따라 상기 적층 구조를 통과하는 빛에 대한 R, G, 또는 B 색상 필터로 작용이 가능하게 된다.

이를 위하여 제1금속점(110)과 제2금속점(130)은 Al, Au, Ag 등 전도성이 우수한 금속물질로 형성되고, 그 두께는 10~100nm의 범위 내로 형성하는 것이 바람직하며, 예를 들어, 50nm 등으로 형성될 수 있다. 또한, 제1금속점(110)과 제2금속점(130)의 크기는 직경 10nm 내지 100μm의 범위 내로 형성하는 것이 바람직하며, 예를 들어, 50nm 등으로 형성될 수 있다.

유전체점(120)은 SiO₂와 같은 실리콘 산화물, MgO와 같은 금속 산화물 등 절연막 특성이 우수한 유전체 물질로 형성되고, 그 두께 역시 10~100nm의 범위 내로 형성하는 것이 바람직하며, 예를 들어, 픽셀마다 제1금속점(110)과 제2금속점(130)의 이격 거리(D)가 다르도록 적절한 두께로 형성될 수 있다. 유전체점(120)의 직경은 제1금속점(110) 또는 제2금속점(130) 중 어느 하나의 직경 보다 작거나 같게 할 수 있고, 제1금속점(110)과 제2금속점(130) 모두의 직경 보다 작거나 같게 할 수도 있다. 예를 들어, 유전체점(120)은 제1금속점(110)과 제2금속점(130)의 중심과 같은 중심을 가지며 중심(선)에 대해 대칭적으로 형성될 수 있고, 제1금속점(110)과 제2금속점(130)의 직경 크기가 동일한 경우에 그에 비교하여 1/10 ~ 9/10 정도의 직경을 가지도록 설계될 수 있다.

이와 같이 제1금속점(110), 제2금속점(130), 유전체점(120)의 크기는 디스플레이 장치에 적용되기 위한 설계 사양에 따라 수십 nm 내지 수백 μm까지 가능할 수 있으며, 고해상도를 위하여 바람직하게는 수십 내지 수백 nm 정도로 설계될 수 있다. 제1금속점(110), 제2금속점(130), 유전체점(120)의 모양은 원형, 삼각형, 사각형 등의 모양으로 설계될 수 있지만, 이러한 면에서 하나의 미세한 점들로 나타나게 되므로 직경으로 그 크기를 설명하였다. 제1금속점(110), 제2금속점(130), 유전체점(120)의 모양이 원형이 아닌 삼각형, 사각형 등으로 구분이 되는 경우에는, 위의 크기는 가장 긴 쪽의 직경을 나타내는 것으로 할 수 있다.

즉, 픽셀마다 제1금속점(110)과 제2금속점(130) 사이의 이격거리가 달라짐에 의해, 해당 픽셀이 각각 위와 같은 적층 구조를 통과하는 빛에 대한 R, G, 또는 B 색상 필터로 작용할 수 있게 된다.

예를 들어, 전면 증착과 패턴 공정을 통하여, 기판으로서 유리, 석영, 또는 PET(Polyethylene Terephthalate), PEN(Polyethylene naphthalate), PI(Polyimide), PC(Poly Carbonate) 등 수지계 플렉서블 필름과 같은 투명 기판(10) 상에 순차로 제1금속점(110), 유전체점(120) 및 제2금속점(130)의 적층 구조를 형성할 수 있지만, 투명기판(10)은 위와 같은 다양한 기판에 인듐 주석 산화물 (ITO, indium tin oxide)과 같은 투명 전도체층을 소정의 두께로 형성한 기판을 포함할 수 있고, 투명 전도체층 위에 위와 같은 적층 구조를 형성할 수도 있다.

상기 투명 전도체층을 형성하기 위한 투명 전도성 물질은, 인듐 주석 산화물 (ITO, indium tin oxide) 이외에도, 인듐 아연 산화물(IZO, indium zinc oxide), 알루미늄 아연 산화물(AZO, aluminum zinc oxide), 비소 주석 산화물 (ATO, antimony tin oxide), 불소 함유 주석 산화물 (FTO, fluorine-doped tin oxide), 아연 주석 산화물 (ZTO, zinc tin oxide), 주석산화물(SnO₂) 등이 활용될 수 있다.

도 2는 도 1의 적층 금속점(110, 130)의 이격 거리 변화에 따른 R(Red) 영역에서의 빛의 투과도 조절을 나타내는 그래프이다.

도 3은 도 1의 적층 금속점(110, 130)의 이격 거리 변화에 따른 G(Green) 영역에서의 빛의 투과도 조절을 나타내는 그래프이다.

도 4는 도 1의 적층 금속점(110, 130)의 이격 거리 변화에 따른 B(Blue) 영역에서의 빛의 투과도 조절을 나타내는 그래프이다.

도 2 내지 도 4에서, 제1금속점(110)과 제2금속점(130) 사이의 이격 거리(D)에 따른 투과도를 나타내며, 이격 거리(D)가 0에서 50까지 변할 때 투과도가 감소하고 있음을 확인하였다. 제1금속점(110)과 제2금속점(130) 사이의 이격거리에 따라 R, G, B 각 파장 영역을 결정할 수 있고, 해당 영역에서 전압의 미세 변화는 투과도 또는 색순도를 변화시킴을 알 수 있다. 이를 이용하여 디스플레이 장치의 픽셀들을 위치마다 적절히 설계하여, 유전체점(120)의 두께로 제1금속점(110)과 제2금속점(130) 사이의 이격거리가 달라지게 형성함으로써, 이용하여 디스플레이 장치의 색필터로 활용될 수 있다.

도 5은 도 1의 유전체점(120) 두께에 따른 빛 투과도의 정규화값을 나타낸 그래프이다.

도 5과 같은 유전체점(120) 두께에 따른 빛 투과도의 정규화값은, 적층 금속점(110, 130)의 이격 거리(D) 변화에 따른 빛 투과도의 정규화값과 유사한 양상으로 나타난다. 즉, 유전체점(120) 두께를 20에서 50까지 변화시킴에 빛 투과도의 정규화값은 커지고 있으며, 이는 유전체점(120) 두께(또는 이격 거리(D))가 커짐에 따라 파장별 투과도 피크값 등이 기준값(예, 두께0에서의 투과도)과 더 많이 차이가 남을 보여준다.

따라서, 이와 같이 제1금속점(110)과 제2금속점(130) 사이의 이격거리에 따라 적층구조를 통과하는 투과도/색순도를 변화시킬 수 있게 되며, 적층 구조의 모양과 크기 등을 적절히 설계하고 제1금속점(110)과 제2금속점(130) 사이의 이격거리를 맞추어 적절히 설계함으로써, 메타포토닉 표시장치(100)가 해당 픽셀에서 R, G, 또는 B 색상 필터가 되어 특정 파장의 빛 만을 통과시킴으로써, 디스플레이 장치의 컬러 필터로 사용 시 해상도를 높일 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 메타포토닉 적층 금속점 색 필터(200)에 따르면, 금속점(110, 130)의 주기 및 상하부 금속점(110, 130)의 이격 거리(D) 조절을 통해 투과도 및 및 색상 조절이 가능하므로, 나노(nano) 크기까지 가능한 각각의 서브픽셀에 R,G, 또는 B 색상이 구현되도록 하며 해상도를 향상시킬 수 있고 열적 및 화학적 안정성을 가지게 되며 공정이 단순해져 기존 컬러필터의 단점을 모두 보완할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 메타포토닉 적층 금속점 색 필터(200)는, 열적 화학적 안정성이 낮으며 초미세 패턴이 제한되는 단점을 지닌 기존 염료/안료 기반의 컬러필터의 한계를 극복하고, 증강현실, 가상현실, 고정밀도가 요구되는 의료용 시술 영상기기 등의 분야에 적용하여 고화질의 선명한 디스플레이가 가능하게 할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

메타포토닉 컬러표시장치(100)
메타포토닉 적층 금속점 색 필터(200)
투명 기판(10)
제1금속점(110)
유전체점(120)
제2금속점(130)

Claims (6)

1. 투명 기판 상에 소정의 간격으로 배열된 복수의 메타포토닉 표시장치를 포함하고,
   상기 복수의 메타포토닉 표시장치 각각은, 상기 투명 기판 상에 순차로 제1금속점, 유전체점 및 제2금속점을 적층한 구조를 포함하고,
   상기 메타포토닉 표시장치의 간격 및
   상기 제1금속점과 상기 제2금속점의 이격 거리에 의해 상기 적층한 구조를 통과하는 빛의 투과도 또는 색 순도가 결정되는 것을 특징으로 하는 색 필터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 메타포토닉 표시장치의 간격에 대하여, 상기 제1금속점과 상기 제2금속점의 이격 거리에 따라, 각 픽셀마다 상기 적층한 구조를 통과하는 빛에 대한 R, G, 또는 B 색상 필터로 작용하는 것을 특징으로 하는 색 필터.
3. 제1항에 있어서,
   각 픽셀마다 상기 메타포토닉 표시장치의 간격에 의해 결정된 빛의 투과도에서 상기 제1금속점과 상기 제2금속점의 이격 거리에 의해 색 순도가 다르게 결정되는 것을 특징으로 하는 색 필터.
4. 제1항에 있어서,
   각 픽셀마다 상기 제1금속점과 상기 제2금속점의 두께는 10~100nm의 범위 내인 것을 특징으로 하는 색 필터.
5. 제1항에 있어서,
   각 픽셀마다 상기 유전체점의 두께는 10~100nm의 범위 내인 것을 특징으로 하는 색 필터.
6. 제1항에 있어서,
   각 픽셀마다 상기 제1금속점과 상기 제2금속점의 크기는 직경 10nm 내지 100μm의 범위 내인 것을 특징으로 하는 색 필터.
   

Images