KR20200066742A - Lcd 디스플레이를 위한 메타표면 광-재순환 컬러 필터 - Google Patents

Lcd 디스플레이를 위한 메타표면 광-재순환 컬러 필터 Download PDF

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Abstract

본원에 개시된 양상들은 디스플레이 디바이스들을 위한 컬러 필터들에 대한 것으로, 더 구체적으로는, 액정 디스플레이 디바이스들에서 광의 컬러들을 투과시키거나 반사하고 재순환시키기 위한 컬러 필터들에 관한 것이다. 일 양상에서, LCD 디바이스의 2개의 편광기 사이에 메타표면이 형성된다. 다른 양상에서, LCD 디바이스의 백색 광 가이드 상에 메타표면이 형성된다. 메타표면은, 광의 원하는 컬러(들)를 투과시키고, 광의 원하지 않는 컬러(들)를, 재순환되어 다른 곳에서 LCD 디바이스를 통과하게 다시 광 가이드로 반사하도록 형성된다. 컬러 필터를 사용하여 광의 반사된 컬러들을 재순환시키는 것은, LCD 디바이스와 같은 디스플레이 디바이스의 효율을 증가시킨다.

Description

LCD 디스플레이를 위한 메타표면 광-재순환 컬러 필터
본원에 개시된 양상들은 디스플레이 디바이스들을 위한 컬러 필터들에 대한 것으로, 더 구체적으로는, 액정 디스플레이 디바이스들에서 광의 컬러들을 투과시키거나 반사하고 재순환시키기 위한 컬러 필터들에 관한 것이다.
액정 디스플레이(LCD)들은, 컴퓨터 모니터들, 텔레비전들, 계기판들, 및 휴대용 소비자 디바이스들, 이를테면, 스마트폰들, 모바일 폰들, 디지털 카메라들 및 시계들을 포함하는 광범위한 응용들에서 사용되는 평판 디스플레이의 하나의 유형이다. LCD 디바이스는 일반적으로, 자신에 인접한 액정들을 갖는 박막 트랜지스터(TFT) 층 및 컬러 필터 층을 포함하며, 이들은, 서로 이격되고, 2개의 전극과 2개의 수직-배향 편광기 사이에 정렬된다. LCD 디바이스들은, 컬러 또는 흑백 이미지들을 생성하기 위해, 백라이트 또는 반사기와 조합하여 액정들의 광 변조 특성들을 사용한다. 구체적으로, LCD 디바이스들은 일반적으로, 백라이트로부터의 광을 컬러화, 편광, 및 셔터링하기 위해 광학 디바이스들의 수 개의 층들을 사용한다. LCD 디바이스의 각각의 층뿐만 아니라 이미지 생성 프로세스의 모든 각각의 단계에서 비효율들이 발생한다.
예컨대, 종래에 사용된 컬러 필터 층들로부터 다양한 비효율들이 초래된다. LCD 디바이스들에서의 컬러 필터링을 위해, 흡수성 컬러 픽셀들, 전형적으로는, 적색, 녹색, 및 청색 흡수 픽셀들이 통상적으로 사용된다. 그러나, 흡수성 컬러 픽셀들은, 흡수를 통한 상당한 광 손실로 인해 전체 LCD 디바이스 효율 및 밝기를 감소시킨다.
따라서, LCD 디바이스들과 같은 디스플레이 디바이스들을 위한 개선된 컬러 필터링 장치 및 방법들에 대한 필요성이 존재한다.
본원에 개시된 양상들은 디스플레이 디바이스들을 위한 컬러 필터들에 대한 것으로, 더 구체적으로는, 액정 디스플레이 디바이스들에서 광의 컬러들을 투과시키거나 반사하고 재순환시키기 위한 컬러 필터들에 관한 것이다. 일 양상에서, LCD 디바이스의 2개의 편광기 사이에 메타표면이 형성된다. 다른 양상에서, LCD 디바이스의 백색 광 가이드 상에 메타표면이 형성된다. 메타표면은, 광의 원하는 컬러(들)를 투과시키고, 광의 원하지 않는 컬러(들)를, 재순환되어 다른 곳에서 LCD 디바이스를 통과하게 다시 광 가이드로 반사하도록 형성된다. 컬러 필터를 사용하여 광의 반사된 컬러들을 재순환시키는 것은, LCD 디바이스와 같은 디스플레이 디바이스의 효율을 증가시킨다.
일 양상에서, 액정 디스플레이 디바이스가 개시된다. 액정 디스플레이 디바이스는, 제1 편광기, 제2 편광기, 제1 편광기와 제2 편광기 사이에 위치되어, 자신에 인접한 픽셀 어레이로 배열되는 액정들의 층을 갖는 박막 트랜지스터 층, 및 액정들의 층과 제2 편광기 사이에 위치되는 메타표면을 포함한다.
다른 양상에서, 액정 디스플레이 디바이스가 개시된다. 액정 디스플레이 디바이스는, 광 가이드 위에 배치되는 메타표면, 단일 편광기, 및 메타표면과 단일 편광기 사이에 위치되어, 자신에 인접한 픽셀 어레이로 배열되는 액정들의 층을 갖는 박막 트랜지스터 층을 포함한다.
다른 양상에서, 액정 디스플레이 디바이스가 개시된다. 액정 디스플레이 디바이스는, 제1 편광기, 제2 편광기, 제1 편광기와 제2 편광기 사이에 위치되어, 자신에 인접한 픽셀 어레이로 배열되는 액정들의 층을 갖는 박막 트랜지스터 층, 및 액정들의 층과 제2 편광기 사이에 위치되는 컬러 필터를 포함하며, 컬러 필터는, 광의 특정 컬러들을 투과시키고, 광의 특정 컬러들을 반사하고, 광의 반사된 컬러들을 액정 디스플레이 디바이스의 다른 곳에서 사용하기 위해 재순환시키도록 구성된다.
다른 양상에서, 액정 디스플레이 디바이스가 개시된다. 액정 디스플레이 디바이스는, 광 가이드 위에 배치되는 컬러 필터 ― 컬러 필터는, 광의 특정 컬러들을 투과시키고, 광의 특정 컬러들을 반사하고, 광의 반사된 컬러들을 액정 디스플레이 디바이스의 다른 곳에서 사용하기 위해 재순환시키도록 구성됨 ―, 단일 편광기, 및 컬러 필터와 단일 편광기 사이에 위치되어, 자신에 인접한 픽셀 어레이로 배열되는 액정들의 층을 갖는 박막 트랜지스터 층을 포함한다.
또 다른 양상에서, 액정 디스플레이 디바이스를 제조하기 위한 방법이 개시된다. 방법은, 박막 트랜지스터 위에 액정들의 층을 증착하는 단계, 액정들의 층의 적어도 제1 측 위에 편광기를 증착하는 단계, 및 액정들의 층의 제2 측 위에 메타표면을 증착하는 단계를 포함하며, 제2 측은 제1 측에 대향한다. 메타표면은, 제1 패턴의 피쳐들을 갖는 제1 부분, 제2 패턴의 피쳐들을 갖는 제2 부분, 및 제3 패턴의 피쳐들을 갖는 제3 부분을 포함한다.
본 개시내용의 상기 언급된 특징들이 상세하게 이해될 수 있는 방식으로, 위에서 간략하게 요약된 본 개시내용의 보다 구체적인 설명이 예들을 참조하여 이루어질 수 있으며, 이러한 예들 중 일부가 첨부된 도면들에 예시되어 있다. 그러나, 첨부된 도면들은 본 개시내용의 단지 전형적인 예들을 예시하는 것이므로 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다는 것이 유의되어야 하는데, 이는 본 개시내용이 다른 균등하게 유효한 예들을 허용할 수 있기 때문이다.
도 1은 본 개시내용의 일 양상에 따른 LCD 디바이스이다.
도 2는 본 개시내용의 다른 양상에 따른 LCD 디바이스이다.
도 3은 본 개시내용의 양상들에 따른, LCD 디바이스를 형성하기 위한 방법의 프로세스 흐름이다.
이해를 용이하게 하기 위해, 가능한 모든 경우에, 도면들에 공통된 동일한 요소들을 지정하기 위해 동일한 참조 번호들이 사용되었다. 부가적으로, 일 예의 요소들은, 본원에 설명된 다른 예들에서의 활용을 위해 유리하게 적응될 수 있다.
본원에 개시된 양상들은 디스플레이 디바이스들을 위한 컬러 필터들에 대한 것으로, 더 구체적으로는, 액정 디스플레이 디바이스들에서 광의 컬러들을 투과시키거나 반사하고 재순환시키기 위한 컬러 필터들에 관한 것이다. 일 양상에서, LCD 디바이스의 2개의 편광기 사이에 메타표면이 형성된다. 다른 양상에서, LCD 디바이스의 백색 광 가이드 상에 메타표면이 형성된다. 메타표면은, 광의 원하는 컬러(들)를 투과시키고, 광의 원하지 않는 컬러(들)를, 재순환되어 다른 곳에서 LCD 디바이스를 통과하게 다시 광 가이드로 반사하도록 형성된다. 컬러 필터를 사용하여 광의 반사된 컬러들을 재순환시키는 것은, LCD 디바이스와 같은 디스플레이 디바이스의 효율을 증가시킨다.
본 개시내용은, "원하는 컬러들" 및 "원하지 않는 컬러들"을 언급한다. "원하는 컬러들"은 일반적으로, LCD 디바이스와 같은 디스플레이 디바이스에 의해 투영될 이미지의 일부로서 특정 픽셀에서 투과되어야 할 그 컬러들을 의미한다. "원하지 않는 컬러들"은 일반적으로, 투영될 이미지의 일부로서 특정 픽셀에서 투과되지 않아야 할 그 컬러들을 의미한다.
부가적으로, 광의 원하는 및 원하지 않는 컬러들을 각각 투과시키고 반사하기에 적합한 컬러 필터의 일 예로서 메타표면들이 본원에 설명된다. 그러나, 그 특정 픽셀에 대해 원하지 않는 컬러들을 반사하고 그 컬러들이 디스플레이 디바이스의 다른 부분을 통해 투과되도록 재순환시키기 위해 그 컬러들을 다시 광 가이드 또는 다른 소스로 지향시킬 수 있는 다른 적합한 컬러 필터들이 또한 본원에서 고려된다. 광의 컬러들을 재순환시키기에 적합한 컬러 필터를 활용함으로써, 전체 디바이스 효율이 증가된다.
도 1은 본 개시내용의 일 양상에 따른 LCD 디바이스(100)이다. LCD 디바이스(100)는 일반적으로, 자신에 인접한 픽셀 어레이로 배열되는 액정들의 층(104)을 갖는 TFT 층(102)를 포함한다. TFT 층(102) 및 액정들의 층(104)은, 제1 편광기(106)와 제2 편광기(108) 사이에 위치된다. LCD 디바이스(100)는, 액정들의 층(104)과 제1 편광기(106) 및 제2 편광기(108) 중 하나 사이에 위치되는 메타표면(110)을 더 포함한다. 메타표면(110)은, 광이 인터페이스를 통해 투과되거나 인터페이스에서 반사되도록 착신 광 상에 특정 위상 편이들을 부과하는 구조들을 상부에 갖는 인터페이스이며, 따라서, LCD 디바이스(100)의 컬러 필터의 역할을 한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 메타표면(110)은, 액정들의 층(104)과 제2 편광기(108) 사이에 위치된다. 메타표면(110)은 대안적으로, 제1 편광기(106)와 액정들의 층(104) 사이에 위치될 수 있다. 광 가이드(114)를 통해 광원(112)이 LCD 디바이스(100)에 결합된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 메타표면(110)은, 제1 부분(116), 제2 부분(118), 및 제3 부분(120)을 포함하고, 하나 이상의 피쳐(122)를 상부에 포함한다. 메타표면(110)의 각각의 부분은 일반적으로, 투영될 이미지의 일부를 포함하는 픽셀에 대응한다.
메타표면(110)은 일반적으로, 임의의 적합한 유전체 또는 다른 광학 물질이다. 적합한 메타표면 물질들은 일반적으로, 1.8 초과의 굴절률을 갖는 임의의 물질들을 포함한다. 적합한 물질들은, 인화갈륨(GaP), 비정질 규소(aSi), 결정질 규소(cSi), 질화갈륨(GaN), 질화규소(SiN), 및 아조 화합물들을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 일 양상에서, 메타표면(110)은, 산화물, 이를테면, 이산화티타늄(TiO2)을 포함한다. 하나 이상의 피쳐(122)가 메타표면(110) 상에 나노패터닝된다. 위에 설명된 바와 같이, 광의 특정 컬러들의 투과 또는 반사를 제공하는 것이 하나 이상의 피쳐(122)의 나노패터닝이다. 나노패터닝은 일반적으로, 나노-임프린트 리소그래피, 전자 빔(e-빔) 리소그래피, 포토리소그래피, 및 간섭 리소그래피를 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 적합한 나노패터닝 프로세스에 의해 수행된다. 부가적으로, 메타표면을 패터닝함에 있어 다층의 적층 증착이 적합한 방법이다.
일 양상에서, 하나 이상의 피쳐(122)의 패턴은, 제1 부분(116), 제2 부분(118), 및 제3 부분(120) 각각 상에서 상이하다. 예컨대, 제1 부분(116), 제2 부분(118), 및 제3 부분(120) 각각 상의 하나 이상의 피쳐(122)는 상이한 높이들, 폭들, 및/또는 형상들을 가질 수 있지만, 제1 부분(116), 제2 부분(118), 및 제3 부분(120)은, 이를테면, 크기, 형상, 및/또는 물질이 동일하다. 다른 예에서, 제1 부분(116), 제2 부분(118), 및 제3 부분(120) 각각 상의 하나 이상의 피쳐(122)의 높이, 폭, 및/또는 형상이 동일할 수 있지만, 제1 부분(116), 제2 부분(118), 및 제3 부분(120)은 상이한데, 이를테면, 상이하게 크기가 정해지거나 형상화되거나 또는 상이한 물질을 포함한다. 또 다른 예에서, 제1 부분(116), 제2 부분(118), 및 제3 부분(120) 각각 상의 하나 이상의 피쳐(122)는 상이한 높이들, 폭들, 및/또는 형상들을 가질 수 있고, 제1 부분(116), 제2 부분(118), 및 제3 부분(120)은 상이할 수 있는데, 이를테면, 상이하게 크기가 정해지거나 형상화되거나 또는 상이한 물질을 포함한다. 더욱이, 제1 부분(116), 제2 부분(118), 및 제3 부분(120) 각각의 하나 이상의 피쳐(122)의 패턴은, 개개의 부분들 각각의 표면에 걸쳐 규칙적이거나 불규칙적일 수 있다. 다른 양상에서, 하나 이상의 피쳐(122)의 패턴은 메타표면(110)에 걸쳐 균일하다. 게다가, 메타표면(110)은, 패터닝 또는 다른 방식에 의해, 광의 컬러들이 투과되는 각도들의 범위를, 전체 디바이스의 시야가 LCD 디바이스(100)의 응용에 더 양호하게 적합하도록 좁아지거나 넓어지게 또한 제어하도록 구성될 수 있다. 도 1은, 트렌치형 및 튜브형 피쳐들을 상부에 갖는 메타표면(110)을 도시한다. 그러나, 임의의 적합한 피쳐가 또한 본원에서 고려된다.
동작 시, 광원(112)으로부터의 광이 광 가이드(114)를 통해 LCD 디바이스(100)에 도입된다. 광은 광 가이드(114)로부터 제1 편광기(106)로 지향되고, 제1 편광기(106)는, 화살표들(124)로 도시된 바와 같이, "온(on)" 위치에 있는 액정들의 층(104)의 픽셀들을 통해, 편광된 광을 지향시킨다. 이어서, 편광된 광은 메타표면(110)과 상호작용한다. 하나 이상의 피쳐(122)는, 투영될 이미지에 대한 원하는 컬러(들)를 투과시키고 원하지 않는 컬러(들)를 반사하는 메타표면(110)의 능력에 기여한다. 따라서, 메타표면(110)의 제1, 제2, 및 제3 부분들(116, 118, 및 120)은 각각, 화살표들(126)로 도시된 바와 같이 이미지를 형성하기 위한 원하는 컬러(들)를 투과시키고 화살표들(128)로 도시된 바와 같이 원하지 않는 컬러(들)를 다시 광 가이드(114)로 반사하는데 사용되며, 따라서, 화살표들(130)로 도시된 바와 같이, 이미지에서의 투과를 위해, 반사된 광이 재순환되어 메타표면(110)의 다른 부분으로 지향될 수 있다. 화살표들(126)로 도시된 투과된 광은 제2 편광기(108)를 통해 지향되어 LCD 디바이스(100)에 의해 표시되는 이미징된 것의 일부로서 투영된다. 일 양상에서, 반사된 광은, 광 가이드(114)를 통해 재순환되고, 제1 편광기(106), TFT 층(102), 액정들의 층(104), 메타표면(110), 및 제2 편광기(108)를 통해 다시 재투영된다.
도 1에 도시된 예에서, 제1 부분(116)은 제1 컬러, 이를테면, 적색에 대응한다. 제2 부분(118)은 제2 컬러, 이를테면, 녹색에 대응한다. 제3 부분(120)은 제3 컬러, 이를테면, 청색에 대응한다. 적색, 녹색, 및 청색의 예에서, 제1 부분(116)은 이미지의 개개의 픽셀에 대해 적색 광을 투과시키는 반면 청색 및 적색 광을 반사하도록 패터닝 및 구성되는 한편, 제2 부분(118)은 이미지의 개개의 픽셀에 대해 녹색 광을 투과시키는 반면 청색 및 적색 광을 반사하도록 구성된다. 제3 부분(120)은, 이미지의 개개의 픽셀에 대해 청색 광을 투과시키는 한편 적색 및 녹색 광을 반사하도록 구성된다.
도 2는 본 개시내용의 다른 양상에 따른 LCD 디바이스(200)이다. LCD 디바이스(100)와 같이, LCD 디바이스(200)는 컬러 필터링을 위한 메타표면(210)을 포함한다. 그러나, LCD 디바이스(200)의 배열은 LCD 디바이스(100)와 상이하다. 더 상세하게는, 메타표면(210)은, 자신에 인접한 액정들의 층(104)을 갖는 TFT 층(102)과 광 가이드(214) 사이에 위치된다. 도 2에 도시된 양상에서, 메타표면(210)은 광 가이드(214) 상에 배치되고 그와 접촉한다. 그러나, 추가적인 양상들에서, 메타표면(210)은, 광 가이드(214) 위에, 예컨대, 광 가이드(214) 위에 일정 거리로 배치되는 것으로 고려된다. LCD 디바이스(200)는 단일 편광기(208)만을 포함하는데, 그 이유는, 메타표면(210)의 위치가 메타표면(210)의 구조와 조합되어 2개의 편광기에 대한 필요성을 제거하기 때문이다. 메타표면(110)과 같이, 메타표면(210)은 적어도 제1 부분(216), 제2 부분(218), 및 제3 부분(220)을 포함하고, 복수의 피쳐들(222)을 상부에 포함한다. 메타표면(210)의 각각의 부분은 일반적으로, 투영될 이미지의 일부를 포함하는 픽셀에 대응한다.
메타표면(210)은 일반적으로, 임의의 적합한 유전체 또는 다른 광학 물질이다. 적합한 메타표면 물질들은 일반적으로, 1.8 초과의 굴절률을 갖는 임의의 물질들을 포함한다. 적합한 물질들은, 인화갈륨(GaP), 비정질 규소(aSi), 결정질 규소(cSi), 질화갈륨(GaN), 질화규소(SiN), 및 아조 화합물들을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 일 양상에서, 메타표면(210)은, 산화물, 이를테면, 이산화티타늄(TiO2)을 포함한다. 하나 이상의 피쳐(222)가 메타표면(210) 상에 나노패터닝된다. 위에 설명된 바와 같이, 메타표면(210)을 통한 착신 광의 편광 및 광의 특정 컬러들의 투과 또는 반사를 제공하는 것이 하나 이상의 피쳐(222)의 나노패터닝이다. 나노패터닝은 일반적으로, 나노-임프린트 리소그래피, e-빔 리소그래피, 포토리소그래피, 및 간섭 리소그래피를 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 적합한 나노패터닝 프로세스에 의해 수행된다. 부가적으로, 메타표면을 패터닝함에 있어 다층의 적층 증착이 적합한 방법이다.
일 양상에서, 하나 이상의 피쳐(222)의 패턴은, 제1 부분(216), 제2 부분(218), 및 제3 부분(220) 각각 상에서 상이하다. 예컨대, 제1 부분(216), 제2 부분(218), 및 제3 부분(220) 각각 상의 하나 이상의 피쳐(222)는 상이한 높이들, 폭들, 및/또는 형상들을 가질 수 있지만, 제1 부분(216), 제2 부분(218), 및 제3 부분(220)은, 이를테면, 크기, 형상, 및/또는 물질이 동일하다. 다른 예에서, 제1 부분(216), 제2 부분(218), 및 제3 부분(220) 각각 상의 하나 이상의 피쳐(222)의 높이, 폭, 및/또는 형상이 동일할 수 있지만, 제1 부분(216), 제2 부분(218), 및 제3 부분(220)은 상이한데, 이를테면, 상이하게 크기가 정해지거나 형상화되거나 또는 상이한 물질을 포함한다. 또 다른 예에서, 제1 부분(216), 제2 부분(218), 및 제3 부분(220) 각각 상의 하나 이상의 피쳐(222)는 상이한 높이들, 폭들, 및/또는 형상들을 가질 수 있고, 제1 부분(216), 제2 부분(218), 및 제3 부분(220)은 상이할 수 있는데, 이를테면, 상이하게 크기가 정해지거나 형상화되거나 또는 상이한 물질을 포함한다. 더욱이, 제1 부분(216), 제2 부분(218), 및 제3 부분(220) 각각의 하나 이상의 피쳐(222)의 패턴은, 개개의 부분들 각각의 표면에 걸쳐 규칙적이거나 불규칙적일 수 있다. 다른 양상에서, 하나 이상의 피쳐(222)의 패턴은 메타표면(210)에 걸쳐 균일하다. 게다가, 메타표면(210)은, 패터닝 또는 다른 방식에 의해, 광의 컬러들이 투과되는 각도들의 범위를, 전체 디바이스의 시야가 LCD 디바이스(200)의 응용에 더 양호하게 적합하도록 좁아지거나 넓어지게 또한 제어하도록 구성될 수 있다. 더 추가로, 메타표면(210)은 또한, 광의 하나의 편광만을 투과시키도록 구성되어, LCD 디바이스(200)가 단일 편광기(208)만을 포함하도록 하나의 편광기에 대한 필요성을 제거한다. 도 2는, 트렌치형 및 튜브형 피쳐들을 상부에 갖는 메타표면(110)을 도시한다. 그러나, 임의의 적합한 피쳐가 또한 본원에서 고려된다.
부가적으로, 광 가이드(214)는, 광이 내부 전반사(TIR)를 통해 전파하도록 광을 결합(couple out)시키기 위한 하나 이상의 구조를 포함할 수 있다. LCD 디바이스(200)는 또한, 광을 다시 결합시키기 위한 부가적인 구조들을 포함할 수 있다.
동작 시, 광원(112)으로부터의 광이 광 가이드(214)를 통해 LCD 디바이스(200)에 도입된다. 광은 먼저 메타표면(210)을 통해 지향되고, 메타표면(210)은, 광을 편광시키고, LCD 디바이스(200)로부터 투영될 이미지에 대한 원하는 컬러(들)를 투과시키고 원하지 않는 컬러(들)를 반사한다. 구체적으로, 메타표면(210)의 제1, 제2, 및 제3 부분들(216, 218, 및 220)은 각각, 화살표들(126)로 도시된 바와 같이 이미지를 형성하기 위한 원하는 컬러(들)를 투과시키고 원하지 않는 컬러(들)를 다시 광 가이드(214)로 반사하는데 사용되며, 따라서, 화살표들(130)로 도시된 바와 같이, 이미지에서의 투과를 위해, 반사된 광이 재순환되어 메타표면(210)의 다른 부분으로 지향될 수 있다. 그 때, 화살표들(126)로 도시된 투과된 광은, "온" 위치에 있는 액정들의 층(104)의 부분들 또는 픽셀들을 통해 투과되어 LCD 디바이스(200)에 의해 표시되는 이미징된 것의 일부로서 투영된다. 그 때, "오프(off)" 위치에 있는 액정들의 층(104)의 부분들 또는 픽셀들로 투과된 광은 또한 메타표면(210)의 다른 부분으로의 지향을 위해 재순환된다.
제1, 제2, 및 제3 부분들이 도 1 및 도 2에 도시되지만, 메타표면들(110 및 210)은 일반적으로, 원하는 광 컬러(들)를 투과시키고 원하지 않는 광 컬러(들)를 그들이 재순환되어 LCD 디바이스(100 또는 200)를 통해 다른 곳에서 투과될 수 있도록 반사하기에 적합한 하나의 부분 또는 임의의 수의 부분들을 포함한다.
도 3은, LCD 디바이스를 제조하기 위한 방법(300)의 프로세스 흐름이다. 방법(300)은 동작(310)에서, 박막 트랜지스터 위에 액정들의 층을 증착함으로써 시작된다. 동작(320)에서, 액정들의 층의 적어도 제1 측 위에 편광기가 증착된다. 동작(330)에서, 액정들의 층의 제2 측 위에 메타표면이 증착되며, 제2 측은 제1 측에 대향한다.
위에 설명된 양상들은, LCD들과 같은 디바이스들에서, 원하는 광 컬러들을 투과시키고 원하지 않는 광 컬러들을 반사하여 재순환시키는 데 사용될 수 있는 컬러 필터들의 일부 예들을 제공한다. 부가적인 메타표면들 또는 다른 컬러 필터 구조들이 또한 본원에서 고려된다. 본원에서 고려되는 다른 컬러 필터의 일 예는, TiO2의 공진 기둥형 구조들을 상부에 갖는 측방향으로 패터닝된 메타표면이다. 본원에서 고려되는 또 다른 컬러 필터는, 다층화된 메타표면, 이를테면, TiO2 및 은(Ag)의 다층들을 갖는 다층화된 메타표면이다. 다층화된 메타표면은 또한, 하나 이상의 측방향 구조를 상부에 포함할 수 있다. 본원에서 고려되는 컬러 필터들의 추가적인 예들은 플라즈모닉 메타표면들이다.
본 개시내용의 이점들은, 증가된 디바이스 효율, 감소된 광 손실, 증가된 밝기, 및 감소된 제조 비용들을 포함한다. 더 구체적으로는, 메타표면이 특정 부분에서 투과되지 않은 광을 다시 광 가이드로 반사하기 때문에, 반사된 광은 재순환되어 그 광이 이미지의 투영을 위해 투과될 LCD 디바이스의 다른 부분들로 지향된다. 따라서, 컬러 필터링을 위한 메타표면을 내부에 갖는 설명된 LCD 디바이스들은 감소된 광 손실을 겪고 그에 따라 효율이 증가한다. 예컨대, 종래에 사용된 흡수성 컬러 필터들에서는 동작 동안 많게는 2/3의 광이 손실된다. 본원에 설명된 LCD 디바이스들은, 디바이스에 도입되는 광의 70 퍼센트 내지 95 퍼센트를 방출한다. 따라서, LCD 디바이스의 효율이 3배까지 증가될 수 있다. 부가적으로, LCD 디바이스에서 컬러 필터링을 위해 메타표면을 사용하는 것은 컬러 순도를 증가시킨다. 종래에 사용된 흡수성 컬러 픽셀들은 협대역이 아니고 그에 따라 컬러 순도를 제한하는 반면, 메타표면들은 협대역이고 컬러 순도를 증가시킨다. 거부된 광의 재순환 및 증가된 컬러 순도는, 균일성이 증가된 더 밝은 디스플레이를 제공한다. 더욱이, 메타표면이 편광 및 컬러 필터링을 제공하는 양상들에서는, 제2 편광기에 대한 필요성이 제거되기 때문에, 전체 디바이스 비용이 감소된다. 부가적으로, 제2 편광기의 제거는, 일반적으로 광 손실이 발생하는 전이가 디바이스 구조로부터 제거되기 때문에, LCD 디바이스를 통한 광 손실을 추가로 감소시킨다.
본원에 설명된 전술한 양상들은, LCD 디바이스들과 같은 디스플레이 디바이스들에서 컬러 필터링을 위해 메타표면을 사용하는 것에 관한 것이다. 또한, 설명된 메타표면들은, 이미지 센서들의 컬러 필터들을 대체하기에 적합한 것으로 고려된다. 부가적으로, 설명된 메타표면들은, 화학 금속 산화물 센서(CMOS: chemical metal oxide sensor) 디바이스의 컬러 필터 및 마이크로렌즈 층 중 하나 이상을 대체하기에 적합하다.
전술한 내용이 본 개시내용의 예들에 관한 것이지만, 본 개시내용의 다른 그리고 추가적인 예들이 본 개시내용의 기본적인 범위로부터 벗어나지 않으면서 고안될 수 있으며, 본 개시내용의 범위는 하기의 청구항들에 의해 결정된다.

Claims (15)

  1. 액정 디스플레이 디바이스로서,
    제1 편광기;
    제2 편광기;
    박막 트랜지스터 층 ― 상기 박막 트랜지스터 층은, 상기 제1 편광기와 상기 제2 편광기 사이에 위치되어, 상기 박막 트랜지스터 층에 인접한 픽셀 어레이로 배열되는 액정들의 층을 가짐 ―; 및
    상기 액정들의 층과 상기 제2 편광기 사이에 위치되는 메타표면을 포함하는, 액정 디스플레이 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메타표면은 하나 이상의 피쳐를 상부에 갖는, 액정 디스플레이 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 메타표면은, 원하는 컬러들을 투과시키고 원하지 않는 컬러들을 반사하도록 구성되는, 액정 디스플레이 디바이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 메타표면은, 제1 패턴을 갖는 제1 부분, 제2 패턴을 갖는 제2 부분, 및 제3 패턴을 갖는 제3 부분을 포함하는, 액정 디스플레이 디바이스.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 패턴은, 적색 광을 투과시키고 녹색 광 및 청색 광을 반사하도록 구성되는, 액정 디스플레이 디바이스.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제2 패턴은, 녹색 광을 투과시키고 적색 광 및 청색 광을 반사하도록 구성되는, 액정 디스플레이 디바이스.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제3 패턴은, 청색 광을 투과시키고 적색 광 및 녹색 광을 반사하도록 구성되는, 액정 디스플레이 디바이스.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제1 부분, 상기 제2 부분, 및 상기 제3 부분은, 이미지의 제1 픽셀, 이미지의 제2 픽셀, 및 이미지의 제3 픽셀에 각각 대응하는, 액정 디스플레이 디바이스.
  9. 액정 디스플레이 디바이스로서,
    광 가이드 위에 배치되는 메타표면;
    단일 편광기; 및
    박막 트랜지스터 층을 포함하며, 상기 박막 트랜지스터 층은, 상기 메타표면과 상기 단일 편광기 사이에 위치되어, 상기 박막 트랜지스터 층에 인접한 픽셀 어레이로 배열되는 액정들의 층을 갖는, 액정 디스플레이 디바이스.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 메타표면은, 상기 광 가이드 상에 배치되고 상기 광 가이드와 접촉하는, 액정 디스플레이 디바이스.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 메타표면은, 1.8 이상의 굴절률을 갖는 물질을 포함하는, 액정 디스플레이 디바이스.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 메타표면은, 이산화티타늄(TiO2), 인화갈륨(GaP), 비정질 규소(aSi), 결정질 규소(cSi), 질화갈륨(GaN), 질화규소(SiN), 및 아조 화합물들로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는, 액정 디스플레이 디바이스.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 메타표면은 제1 부분을 포함하고, 상기 제1 부분은 제1 나노패턴의 피쳐들을 상부에 갖고, 상기 메타표면은 제2 부분을 포함하고, 상기 제2 부분은 제2 나노패턴의 피쳐들을 상부에 갖고, 상기 메타표면은 제3 부분을 포함하고, 상기 제3 부분은 제3 나노패턴의 피쳐들을 상부에 갖는, 액정 디스플레이 디바이스.
  14. 액정 디스플레이 디바이스를 제조하기 위한 방법으로서,
    박막 트랜지스터 위에 액정들의 층을 증착하는 단계;
    상기 액정들의 층의 적어도 제1 측 위에 편광기를 증착하는 단계; 및
    상기 액정들의 층의 제2 측 위에 메타표면을 증착하는 단계를 포함하며, 상기 제2 측은 상기 제1 측에 대향하고,
    상기 메타표면은,
    제1 패턴의 피쳐들을 갖는 제1 부분,
    제2 패턴의 피쳐들을 갖는 제2 부분, 및
    제3 패턴의 피쳐들을 갖는 제3 부분을 포함하는, 액정 디스플레이 디바이스를 제조하기 위한 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 부분은, 적색 광을 투과시키고 녹색 광 및 청색 광을 반사하도록 구성되고, 상기 제2 부분은, 녹색 광을 투과시키고 적색 광 및 청색 광을 반사하도록 구성되고, 상기 제3 부분은, 청색 광을 투과시키고 적색 광 및 녹색 광을 반사하도록 구성되는, 액정 디스플레이 디바이스를 제조하기 위한 방법.
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