KR20210125039A - 향상된 광 변조기 - Google Patents

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KR20210125039A
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로마릭 마티외 마사드
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엘스타 다이내믹스 페이턴츠 베슬로텐 베누트샤프
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Abstract

본 발명은 투명 모드와 불투명 모드 사이를 스위칭하기 위한 전기 영동 장치 및 그 사용, 특히 윈도우 블라인드로서의 사용에 관한 것으로서, 상기 전기영동 장치는 유체, 입자들, 상기 입자들을 이동시키기 위한 전극들을 포함하고, 다양한 추가 엘리먼트들을 포함한다.

Description

향상된 광 변조기
본 발명은 투명 모드와 불투명 모드 사이를 스위칭하기 위한 전기 영동 장치 및 그 사용, 특히 윈도우 블라인드로서의 사용에 관한 것으로서, 상기 전기영동 장치는 유체, 입자들, 상기 입자들을 이동시키기 위한 전극들을 포함하고, 다양한 추가 엘리먼트들을 포함한다.
전자 디스플레이 장치 및 특히 전기영동 디스플레이 장치는 일반적으로 하전된 안료 입자가 수직으로 이동하여 픽셀의 필요한 착색을 생성하는 픽셀화된 디스플레이 장치입니다. 제1 방법에서는, 검정색 및 백색 입자들이 캡슐화되어 백색 입자들이 하향으로 이동할 때 검정색 입자들이 동시에 상향으로 이동하거나 그 반대의 경우도 가능한 폐쇄 공간을 규정하고, 그래서 백색 입자들 또는 검정색 입자들이 보이면서 동시에 다른 유형을 숨기도록 하여 투명한 상태가 불가능하게 된다. 안료 입자들은 마이크로캡슐로 둘러싸여 있기 때문에 자유롭게 움직일 수 없다. 안료 입자들은 비교적 크며 일반적으로 500 nm(0.5㎛)보다 크고 평균 1㎛ 이상이다. 일반적으로 사용되는 두 전극은 서로의 전극 상에 위치한다. 스위칭은 전기장에 의해 이루어지며, 입자들은 일반적으로 대전되거나 대전 가능하며, 이러한 타입의 디스플레이 장치는 US2002/167500 A1에 설명된 바와 같이 종종 E-잉크라고 칭해진다. 일반적으로 플라스틱으로 이루어진 마이크로 캡슐은 상대적으로 작다(30㎛). 컬러 필터를 적용함으로써, 색상이 제공될 수 있다. 유색 입자들이 개발되고 있으며 이에 따라, 전기적으로 구동될 수 있다. 스위칭은 비교적 빠르고(300m초 이내), 안정성이 양호하고(10초 이상), 명암비도 양호하다. 백색 또는 검정색 상태에 있는, 즉 항상 "색상"을 제공하는 마이크로캡슐의 고유한 존재로 인해 층들의 적층은 일반적으로 형성될 수 없다.
대체 기술에서, 유색 입자들은 픽셀에서 서로 독립적으로 더 자유롭게 이동할 수 있다. 유색 입자들은 픽셀의 한 위치에서 다른 위치로 이동하는데, 이는 인가된 전기장으로 인해 발생된다. 일반적으로 입자들이 축적되는 제1 위치는 고밀도 또는 고농도를 갖는 반면, 입자들이 일반적으로 균일하게 분산되어 있는 제2 위치는 저농도 또는 저밀도를 가지며, 유색 느낌을 제공한다. 종종 축적 영역이라고 칭해지는 제1 위치의 영역은 상대적으로 작다. 스위칭은 축적 전극(accumulation electrode)에서 제2 전극, 즉, 필드 전극(field electrode)으로 입자들을 이동시킴으로써 달성된다. 축적 영역을 향해 입자들을 응집함으로써(agglomerating) 디스플레이의 투명도가 변경된다. 평면도에서, 필드 영역과 축적 영역은 E-ink 방식(E-ink approach)과 달리 서로 인접하게 위치된다.
이 기술 분야에서의 현재 개발에 대한 추가적인 세부사항과 본 기술의 단점에 대해서는 최근에 출원되며 여기에 명시적으로 참조를 위해 통합된 NL2010936을 참조한다. 다른 기술과의 주요 차이점은 유색 입자들이 항상 가시적이라는 것이다. 일부 세부사항은 이하 설명된다.
하전된 입자들의 측면 스위칭의 이점은 전기영동 디스플레이 장치가 완전히 투명한 상태를 포함할 수 있다는 것이다. 원칙적으로, 리플렉터(reflector) 또는 가능하게 백라이트의 선택이 가능하다.
그러나, 전기 영동 디스플레이에서 "어두운(dark)" 상태에서 균일한 픽셀 흡광도를 제공하고 "밝은(light)" 상태의 입자들을 전극에 고정하기에 충분히 전기장 및 입자 모션 분포를 정확하게 제어하는 것은 상대적으로 어렵다.
또한, 상기 디스플레이에서 제1 상태에서 제2 상태로 스위칭하는 것은 상대적으로 느릴 수 있으며, 일반적으로 최근에 개선된 장치를 사용하더라도 많은 어플리케이션에서 너무 느리다. 일반적으로 종래 기술의 입자들은 초당 약 0.1 mm 미만의 속도로 이동하며, 이는 특정 어플리케이션의 경우 적어도 10배 느린 것으로 간주된다.
상기 픽셀들의 스택을 포함할 수 있는 풀 컬러 디스플레이의 경우, 상황은 분명히 훨씬 더 나쁘다.
다양한 픽셀 레이아웃이 존재함을 유의해야 한다. 전기 영동 디스플레이에서의 이슈는 특히 전극들의 수명이다. 예컨대, 픽셀에 대해 안정적인 구성을 얻는 것은 특히, 전기장이 제공되는 측면에서 어려운 것으로 밝혀졌다. 또한, 양호한 스위칭 시간과 안정성을 갖는 것은 여전히 어렵다.
일반적으로 전기 영동 픽셀들은 모델링 측면에서 상대적으로 어렵다는 점을 유의해야 한다. 유체 점도와 적용되는 필드를 연결하는(linking) 것과 같은 간단한 계산은 실제로 잘 적용되지 않는다. 이는 메이저 기업들이 수년간 전기영동 픽셀 개발에 실패했다는 사실을 반영한다.
본 발명의 목적은 기능 및 이점을 위태롭게 하지 않으면서 종래 기술의 전자 장치의 단점을 극복하는 것이다.
본 발명은 제1 측면에서 청구항 1에 따른 광 변조기에 관한 것이고, 제2 측면에서 상기 광 변조기를 포함하는 제품에 관한 것이고, 제3 측면에서 상기 광 변조기를 동작시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 서로 다른 조건에서 매우 상이한 동작 모드를 제공하는데, 펄스 모드는 전기장을 인가하고 양호한 전도성 물질을 전극으로서 본 발명의 광 변조기는 투명 상태와 적어도 부분적으로 불투명한 상태 사이에서 또는 그 반대로 스위칭하기 위한 것이며, 여기서 불투명한 상태에서는 일반적으로 70% 이상의 광, 예를 들어 90% 이상의 광이 변조기를 통과하지 못하도록 차단되며, 투명한 상태에서 대부분의 빛은 변조기를 통과하도록 한다. 불투명한 상태에서, 여전히 광 변조기가 보이고 다른 면에서 이미지를 인지할 수 있다. 광 변조기는 제1 및 제2 기판(11, 12)을 포함하며, 여기서 이들 기판들은 광학적으로 투명하고, 일반적으로 >99% 투명과 같은 관련 파장에서 >95% 투명하다. 적어도 2개의 전극들(13, 14)은 기판의 내측에 제공된다. 이들 전극들은 입자를 구동하기 위한 것이다. 유체(15)가 상기 기판 사이에 제공되며, 유체는 나노입자 및/또는 마이크로입자를 포함하며, 입자들은 전기적으로 대전되고 인가된 전위에 따라 전극들을 향해 또는 전극들로부터 멀어지도록 전기장에 의해 구동될 수 있다. 입자들은 광을 흡수하여 특정 파장이 통과하는 것을 방지하도록 구성된다. 또한, 전극들에 전자기장을 인가하기 위한 연결부가 제공되며, 사용시, 전극들에 인가된 전자기장은 제1 전극에서 제2 전극으로 또는 그 반대로 나노입자들 및 마이크로입자들의 이동을 제공한다. 본 발명의 광 변조기는 전극들이 20ºC에서 전기전도도 >1*107 S/m와 유사한 100 nΩm(273K에서; 비교를 위해, 일반적으로 사용되는 ITO는 105nΩm을 갖는다) 미만의 저항률을 갖는 전기 전도성 물질을 포함하는 것을 특징으로 한다. 추가 특징으로서, 단위 면적당 저항률(Ohms per square, Ω/□)이 사용될 수 있으며, 80Ω/□(273K에서) 미만의 값이 양호하며, 바람직하게는 60Ω/□ 미만, 보다 바람직하게는 10Ω/□ 미만(예컨대, 2Ω/□ 미만)이다. 따라서 양호한 전도성 재료가 이와 관련하여 사용되는데, 적어도 2개의 전극들이 상기 전극들 사이에 측방향 전기력을 제공하도록 구성되며, 입자들은 대부분 수평 방향으로 기판에 평행하게 이동한다. 또한, 적어도 2개의 전극들과 전기적으로 연결된 전력 제공기가 제공되며, 상기 전력 제공기는 파형 전력을 제공하도록 구성되고, 진폭, 주파수 및 위상 중 적어도 하나는 적용 가능하고, 전극들은 유체와 유동 접촉(fluidic contact) 상태에 있으며, 이 접촉은 직접(전극과 접촉하는 유체) 또는 간접적(제2 매체를 통해, 예컨대, 다공성 층(porous layer)과 접촉하는 유체) 형태일 수 있고, 여기서 전극들을 기판 표면의 1-30%를 덮는다. 이 구성에 의해 매우 안정적인 전극을 얻을 수 있는데, 즉, 전극들의 열화 없이 장기간 동작을 유지할 수 있다. 스위칭은 소정 어플리케이션에 대해 허용 가능하며 개선될 수 있다. 두가지 상태들(투명 및 불투명)의 안정성은 양호하다. 본 발명의 변조기는 제1 위치(예를 들어, 저장 영역)에서 제2 위치로 이동할 수 있는 전형적으로 유색(clored) 입자들을 포함한다. 이들 입자들은 대전되거나 대전 가능하다. 또한, 입자들은 비교적 작을 수 있는데, 900 nm 미만, 바람직하게는 400 nm 미만 및 30 nm 초과, 바람직하게는 40 nm 초과, 예를 들어 60-200 nm일 수 있다. 향상된 움직임과 제어를 위해 더 작은 입자들이 바람직하다. 대전성 이동(imparting movement)을 위해 적어도 두 개의 전극들이 제공된다. 본 발명의 경우, 각 기판에 대해 2개의 전극들이 충분한 것으로 밝혀졌다. 전극들은 기판의 내측에 즉, 유체를 향하는 영역을 차지한다. 하나의 전극은 전기적으로 중성(또는 접지) 전극과 관련될 수 있다. 장치에서 유색 입자의 이동 및 상태(투명 또는 유색)의 안정성을 제어하기 위해 변조기에 전자기장을 인가하기 위한 드라이버 회로가 제공될 수 있다.
상기 변조기는 전극들이 100 nΩm(273K에서) 미만의 저항률을 갖는 전기 전도성 재료를 포함하는 것을 특징으로 하며, 적어도 2개의 전극들은 불투명 상태로 스위칭할 때, 이들 전극들 사이의 전기력을 상기 기판에 평행하게 제공하도록 구성되며, 적어도 2개의 전극들은 투명 상태로의 스위칭할 때 상기 기판에 대한 배향(orientation)으로 상기 전극들 사이에 전기력을 제공하도록 구성되고, 상기 배향은 기판에 평행한 배향, 기판에 수직인 배향, 기판에 대해 대각선인 배향, 또는 이들의 조합으로부터 선택되고, 적어도 2개의 전극과 전기적으로 연결된 전력 제공기가 더 포함되고, 상기 전력 제공기는 파형 전력을 제공하도록 구성되고, 여기서, 진폭, 주파수 및 위상 중 적어도 하나는 적용 가능하고, 상기 전극들은 유체와 유동 접촉(fluidic contact) 상태에 있으며, 상기 전극은 기판 표면의 1-70%를 덮는다. 이것은 입자의 이동을 제공한다. 또한, 변조기는 전기 부식 여부에 관계없이 안전하게 작동될 수 있다. 상기 변조기는 일반적으로 15㎛와 같이 30㎛보다 작은, 제1 기판과 제2 기판 사이의 거리를 갖는다. 상기 변조기는 하나 이상의 픽셀, 일반적으로 다수의 픽셀을 포함할 수 있으며, 상기 픽셀은 단일의 광학적으로 스위칭가능한 개체(single optically switchable entity)이고, 그 크기는 다양할 수 있다. 상기 기판은 픽셀일 수 있는 체적(volume)을 적어도 부분적으로 둘러싼다. 상기 거리는 전형적인 종래 기술의 장치보다 훨씬 작을 수 있다. 상대적으로 작은 거리 뿐만 아니라 측면 이동을 허용하는 상기 디자인은 입자들의 이동을 훨씬 더 잘 제어하고 전기장의 우수한 제어는 기판을 아웃라인하고, 두 상태들의 우수한 안정성을 제공할 때 섭동(perturbations), 비생산 이슈와 같은, 사용된 재료의 불완전성에 거의 둔감하다.
또한, 상기 디자인은 전극이 더 오랜 기간 동안 대부분 손상되지 않은 상태로 유지된다는 점에서 훨씬 더 강력하다. 또한, 우수한 광학 특성이 제공된다. 더욱이, 상기 디자인은 이하 더 상세히 설명되는 바와 같은 종래 기술의 장치와 대조적으로 적층(stacking)을 허용한다.
입자들을 이동시키기 위해, 예를 들어 대전된 입자들을 끌어당기거나 밀어내도록 적절한 전기장이 전극들에 인가된다. 효과가 예상되는 각각의 전극 및 모든 전극에 대해, 이러한 작업이 수행되며, 다른 파트들(parts)에는 전기장이 없을 수 있다. 이러한 방식으로, 각 개별 파트, 일반적으로 픽셀은 독립적으로 처리될 수 있으며, 결과적으로 각 개별 파트는 투명 모드(전극(16) 상에서 가시적인 입자들만) 또는 "유색(colored)" 모드에 있을 수 있다. 마찬가지로, 전극은 전체적으로 제로(0) 전압, 또는 양 또는 음의 전압에 있을 수 있으므로 전기장에 기여한다. 유사한 방식으로, 전기장은 때때로 리플레쉬(refreshed)될 수 있다.
"광학"이라는 용어는 적용 가능한 경우 인간의 눈으로 볼 수 있는 파장(약 380 nm-약 750 nm)과 관련될 수 있으며 적외선(약 750nm - 1㎛) 및 자외선(약 10 nm-380 nm), 적용 가능한 경우 이들의 하위 선택(sub-selections)을 포함하는 더 넓은 파장 범위에 관련될 수 있다.
중요한 것은 본 픽셀과 장치가 변화하는 조명 조건에들에 적용 가능하다는 점이다.
본 장치는 내부에 픽셀들을 포함할 수 있으며, 픽셀들은 몇 초 이내에 대전될 수 있다.
본 변조기에는 예컨대, 적색, 녹색 및 청색 또는 마젠타색, 시안색 및 옐로우색 뿐만 아니라 이들의 조합으로부터 선택된 하나의 타입의 유색 입자가 존재할 수 있다. 변조기는 전기장의 변화에 따라 흰색(투명)에서 색상들 중 하나로 또는 그 반대로 변경될 수 있다. 또한, 검정색 입자들이 존재할 수 있지만 반드시 그런 것은 아니므로 디자인이 다소 복잡해 질 수 있다. 검정색/투명 어플리케이션의 경우 일반적으로 검정색 입자들만이 존재한다.
풀 컬러 어플리케이션의 경우 2개 또는 3개의 변조기들의 스택이 대부분 또는 모든 색상들을 각각 제공할 수 있다. 이러한 스택은 적어도 일부 다른 레이아웃에서는 불가능한 것으로 간주되는데, 이러한 경우, 검정색 또는 흰색 입자들이 항상 가시적이며, 안개(haze), 콘트라스트, 따뜻한/차가운 효과, 보완적인 콘트라스트, 동시 콘트라스트, 채도, 강도 등과 같이 일반적으로 고려되는 특징들을 추가로 제공하는 옵션도 없다. 본 발명의 픽셀의 경우, 이러한 모든 특징들이 매우 정밀하게 적용되고 제어될 수 있다.
검정색 입자들만을 포함하는 변조기는 검정색 콘트라스트가 높은 것으로 밝혀졌다.
본 발명의 장치는 전자기장을 인가함으로써 (개별) 픽셀들의 외관을 변경하기 위한 드라이버 회로(driver circuit)를 포함할 수 있다. 이와 같이, 디스플레이 장치 또는 그 하나 이상의 파트의 외관도 변경될 수 있다.
본 발명의 전자 장치는 식별을 위한 고유 코드를 포함할 수 있다. 따라서, 이러한 모든 전자 장치가 개별적으로 식별될 수 있다.
기판, 보호층 등을 포함하는 본 발명의 장치는 상대적으로 얇을 수 있으며, 그에 따라, 원칙적으로 예를 들어 장치들의 스택에 적용될 수 있다. 본 발명의 디스플레이는 0.1 cm 미만의 두께, 바람직하게는 10㎛-500㎛의 두께, 보다 바람직하게는 15㎛-300㎛의 두께, 더욱 더 바람직하게는 25㎛-200㎛의 두께, 예컨대 50㎛- 100㎛의 두께를 갖는다. 두께는 적용된 장치들의 개수에 따라 달라질 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 디스플레이 장치(투명 모드에서)는 사람의 눈에 보이지 않거나 거의 보이지 않는다.
특히, 소형 장치의 경우 일반적으로 배터리와 같은 전원 공급 장치도 제공될 수 있다.
본 발명은 IRX Technologies B.V.의 초기 연구 및 개발에 부분적으로 의존한다. 이러한 이유로 그리고 기본 기술에 대한 더 나은 이해를 위해, 최근에 출원된(2013년 6월 7일) 네덜란드 특허 출원 NL2010936이 참조된다. 다양한 측면들, 실시예들, 이점들 등은 원칙적으로 본 발명에 1:1로 적용될 수 있다. 상기 특허출원에 개시된 기술은 아직 실용화되지 않았다는 점에 유의한다. 여전히 해결해야 하는 다양한 난관들이 존재한다. 예를 들어, 이중 안정성(bi-stability) 및 스위칭 시간이 충분하지 않았다. 다양한 다른 측면들, 실시예들, 이점들 등은 원칙적으로 본 발명에 1:1로 적용될 수 있다. 상기 문헌의 교시 및 예시들은 본 명세서에 참고로 포함된다. 본 발명은 무엇보다도 선행 기술에 비추어 개선된 레이아웃을 제공한다.
이로써, 본 발명은 상기 언급된 문제 중 하나 이상에 대한 해결책을 제공한다.
본 설명의 장점은 설명 전체에 걸쳐 상세하게 설명되어 있다.
본 발명은 제1 양태에서 제1항에 따른 광 변조기에 관한 것이다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 파형 전력(waveform power)은 0.01-100Hz의 주파수, 최대 진폭의 5-100%의 진폭 변동(variation)을 특징으로 할 수 있으며, 여기서 최대 진폭은 최대 전압 동작이고, 0-180°의 위상 변동(위상 시프트)을 갖는다. 잉크 특성에 따라, 저주파 파형(0.01-1Hz)이 광변조기의 투명도를 높이는 것이 밝혀졌다. 고주파 파형(70-100Hz)은 광 변조기 투명도를 유지하거나 감소시키는 것이 밝혀졌다. 낮은 파형 진폭(20-50%)은 낮은 투명도 레벨을 유지하는 것이 밝혀졌다. 높은 파형 진폭(80-100%)은 높은 투명도 레벨을 유지하는 것이 밝혀졌다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 적어도 2개의 전극은 바람직하게는 양쪽 기판 상에 맞물린 패턴(interdigitated pattern)을 형성한다. 맞물린 패턴의 핑거들은 0.01-3cm의 간격을 갖는 가지(branch)와 같이, 적어도 하나의 가지, 통상적으로 양쪽중 어느 하나에 있는 적어도 하나의 가지를 더 포함할 수 있다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 맞물린 패턴은 규칙적인 2차원 패턴이고, 여기서 각각의 핑거는 적어도 하나의 파형을 포함하고, 상기 파형은 진폭 A 및 폭 W를 가지며, 상기 핑거들은 거리 d만큼 서로 떨어져 있으며 즉, 핑거들이 분리되어 있다. 기판 상의 전극들의 존재로 인해 더 높은 차수의 이미지가 형성되는 것으로 밝혀졌다. 이러한 2차 이미지를 최소화하기 위해, 맞물린 전극들의 핑거들은 직선 형태가 아닌 것이 바람직하다(예시 참조).
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 파형 사인파 형상의 대칭이 깨지는데, 예를 들어 파형 형상의 최대값에서 하향 만곡된 제1 돌출부가 제공되고, 파형 형상의 최소값에서 하향 또는 상향 만곡된 제2 돌출부가 제공된다. 이와 같이 함으로써, 높은 차원의 이미지가 크게 줄어든다. 직선 패턴에 비해, 밝기가 약 180에서 60으로 감소된다(8비트 그레이 스케일에서).
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 제1 돌출부는 제2 돌출부보다 더 큰 폭을 갖는다. 이에 따라, 더 높은 차원의 이미지가 훨씬 더 감소된다는 것이 밝혀졌다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 파형의 폭(W)은 50-750㎛, 예컨대, 100-500㎛이다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 파형의 진폭(A)는 10-500㎛, 예컨대, 20-400㎛이다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 핑거들 사이의 거리(d)는 10-500㎛, 바람직하게는 10-100 ㎛, 예를 들어, 20-70 ㎛이다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 제1 돌출부의 폭은 10-50㎛, 예컨대, 20-30㎛이다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 제2 돌출부의 폭은 10-50㎛, 예컨대, 20-30㎛이다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 제1 돌출부의 폭은 제2 돌출부의 폭의 2 내지 4배이다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 제1 돌출부의 높이(h)는 5-20㎛, 예컨대, 10-15㎛이다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 제2 돌출부의 높이는 5-20㎛, 예컨대, 10-15㎛이다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 돌출부의 형태는 원형 또는 타원형의 일부이다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 파형으로부터 돌출부로의 또는 그 반대로의 전이(transition)는 점진적이다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 전력 제공기(power provider)는 펄스들을 제공하고 상기 펄스들, 예를 들어 0.1-10초/분의 펄스들 사이의 간격, 0.1-1000초의 간격, 바람직하게는 5-600초 간격 동안 펄스들 제공하는 것을 억제하도록 구성된다.
예시적인 실시예에서, 광 변조기는 제어기를 포함할 수 있고, 상기 제어기는 양의 전류의 크기가 음의 전류의 크기의 0.9-1.1배, 바람직하게는 0.95-1.05배, 보다 바람직하게는 0.99-1.01배, 예를 들어, 0.995-1.005배인 교류 전류를 유지하도록 구성되고, 전류에 따라 전위를 변화시키도록 구성된다.
예시적인 실시예에서, 광 변조기는 바람직하게는 제1 기판의 전극들이 제2 기판의 전극과 완전히 정렬되도록, 더 바람직하게는, 제1 기판의 전극들이 제2 기판의 전극들로부터 돌출하도록 기판들을 정렬하기 위해, 각 기판 상에 적어도 2개의 마커들을 포함할 수 있다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 전극들은 구리, 은, 금, 알루미늄, 그래핀, 티타늄, 인듐, 및 이들의 조합, 바람직하게는 구리를 포함한다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 전력 제공기는 10-100Hz의 투명 상태로 스위칭하는 AC 주파수에서 동작된다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 전력 제공기는 일반적으로 입자들을 느리게 이동시키는 경우, 예컨대, 30-500 mHz인 1 Hz 미만의 불투명한 상태로 스위칭하는 AC 주파수에서 동작된다.
광변조기의 예시적인 실시예에서, 하나의 스위칭 사이클 내에서, 상기 전력 제공기는 10-100Hz의 투명 상태로 스위칭하기 위한 AC 주파수에서 투명 상태로 스위칭할 때 상기 사이클의 초기 단계에서 양의 또는 음의 전압에서 동작되는 상기 전력 제공기와 조합하여 그리고, 불투명 상태로 스위칭할 때 상기 사이클의 최종 단계에서 양의 또는 음의 전압에서 동작되는 상기 전력 제공기와 조합하여 동작된다. 초기 스테이지와 최종 스테이지 사이에서, 직접적인 양의 또는 음의 전압은 존재하지 않는다. 이를 통해, 무엇보다도 우수한 제어, 우수한 안정성 및 낮은 전력 소비가 달성된다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 유체는 입자 상의 전하를 보상하기 위한 반대 이온(counter ions)을 포함한다.
예시적인 실시예에서, 광 변조기는 온도 센서 및/또는 제어기를 포함할 수 있고, 상기 온도 센서는 제어기와 연결되고, 상기 제어기는 상기 전력 제공기와 연결되고, 상기 제어기는 온도 센서에 의해 측정된 온도를 고려해서 전력 제공기의 출력을 보상하도록 구성된다.
예시적인 실시예에서, 광 변조기는 광 변조기들의 스택(stack)을 포함할 수 있고, 여기서 광 변조기들의 개수는 2 내지 10, 바람직하게는 3-5이다. 상기 스택에서 각각의 변조기는 서로 다른 유색 입자들 및 이들의 (서로 다른) 혼합물들을 포함할 수 있다. 이를 통해, 풀 컬러 장치가 제공될 수 있다. 그 예로서, 제2 변조기의 제1 기판 및 제1 변조기의 제2 기판은 동일하며, 즉 하나의 기판으로 결합된다. 이에 따라, 상기 장치의 큰 장점으로서, 스택의 기판의 개수를 줄이고 콘트라스트 및 투명도를 개선하며 복잡성을 줄일 수 있다. 일 예에서, 유체는 투명하다. 상기 예들은 전체 또는 일부 결합될 수 있다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 선택적으로 제1 광 변조기의 적어도 하나의 기판(11, 12)은 적어도 하나의 제2 광 변조기의 기판(11, 12)과 동일하다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 전극들 각각은 개별적으로 1-30 ㎛, 바람직하게는 3-10 ㎛, 예컨대 5-8 ㎛의 폭을 갖는다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 전극들 각각은 개별적으로 0.1-200 ㎛, 바람직하게는 1-25 ㎛, 더욱 바람직하게는 1.5-15 ㎛, 예를 들어 2-5 ㎛의 두께를 갖는다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 전극들 각각은 30 nΩm(273K에서) 미만, 바람직하게는 20 nΩm 미만의 저항률을 갖는 전기 전도성 재료를 포함한다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 스페이서(spacer)는 제1 기판과 제2 기판 사이에서 바람직하게는 1-10000/mm2, 예컨대, 5-100/mm2 제공된다. 일 예에서, 제1 및 제2 기판은 2-30 ㎛, 바람직하게는 14-16 ㎛, 예컨대 15 ㎛의 직경을 갖는 (유리) 비드들에 의해 이격된다. 랜덤하게 분포된 비드들, 바람직하게는 유리 비드들 또는 폴리머 비드들이 기판 사이의 거리를 매우 정확하게 규정하고 강도와 유연성을 제공하며 색유 입자들의 움직임을 거의 방해하지 않는다. 비드들은 예를 들어, 0.1㎛ 이상의 정확도로, 매우 균질한 크기를 갖도록 제조될 수 있다.
비들들의 평균 부피는 총 부피에 대해 0.1-15 vol.%이며, 즉, 작은 부피만을 차지한다. 비드들은 유색 또는 검은색일 수 있다.
광 변조기 예시적인 실시예에서, 전극들은 기판 표면의 2-30%, 바람직하게는 3-20%, 보다 바람직하게는 4-10%, 예컨대 5-8%를 커버한다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 반대 이온은 설페이트, 클로라이드, 브로마이드 및 이들의 조합으로부터 선택된다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 전위는 -60 내지 +60V, 바람직하게는 -20 내지 +20V, 더 바람직하게는 -15 내지 +15V이다. 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 작은 거리의 관점에서 전기장(V/㎛)은 종래 기술의 장치에 비해 훨씬 더 높고, 일반적으로 5-20배 더 높다는 점에 유의한다. 유체 거동(fluid behavior)은 전압이 높을수록, 흐름 및 스위칭 시간의 측면에서 더 양호한 것이 밝혀졌다. 입자 전하를 안정화시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 더 나은 성능으로 필드 전극에 대한 분포의 관점에서, 더 빠르고 더 나은 제어 가능한 스위칭 시간이 달성된다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 전류는 -100㎂ 내지 +100㎂, 바람직하게는 -30㎂ 내지 +30㎂, 더 바람직하게는 -25㎂ 내지 +25㎂이다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 기판 재료는 유리 및 폴리머로부터 선택된다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 나노입자/마이크로입자는 안료 상의 코팅을 포함할 수 있고, 바람직하게는 코어를 포함할 수 있다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 기판들(11, 12)은 정렬되고 또는 전극들(13, 14)이 정렬된다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 유체는 분지형 또는 비분지형 C8-C60 알칸, 분지형 또는 비분지형 C8-C60 알켄, 분지형 또는 비분지형 C6-C60 알코올, 분지형 또는 비분지형 C6-C60 알코올, 분지형 또는 비분지형 C6-C60 알칸올, 분지형 또는 비분지형 C8-C60 케톤, 분지형 또는 비분지형 C8-C60 알데하이드, 실리콘 오일, 및 이들의 조합와 같은, 유전 상수가 15 미만인 무극성 유체(apolar fluid)이다. 고급(higher) 알칸, 알켄, 알코올, 알칸올, 케톤 및 알데하이드의 경우, 분지형 분자가 바람직하다. 예로서, 스쿠알렌(C30H62)과 스쿠알렌(C30H60)이 있다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 나노입자의 크기는 20-1000 nm, 바람직하게는 20-300 nm, 더 바람직하게는 200 nm 미만이다. 입자의 직경은 본 명세서에서, 입자의 경계에 접하는 두 개의 대향하는 평행선 사이에 형성될 수 있는 최대 거리로 정의된다. 이들 입자들은 현재(필드) 전극에 걸쳐 입자들의 양호한 분포를 제공하는 것으로 밝혀졌다. 인가될 전자기장의 측점에서, 해당 입자는 대전될 수 있거나 대전되어 있다. 마찬가지로, 자성 입자들(magnetic particles)이 사용될 수 있다. 안정적인 분산을 제공하는 것이 바람직하며, 따라서 전술한 크기가 선호된다. 입자 크기는 그 평균 직경의 단위로 간주된다. 광산란(Light scattering)은 예컨대, Malvern Zetasizer Nano Range를 사용하여 입자 크기 분포를 결정하는데 사용될 수 있다. 더 작은 입자는 픽셀들의 상기 특성에 크게 기여한다는 것이 추가로 밝혀졌다.
일반적으로, 상기 변조기의 반사율(reflectance)은 높으며, 통상적으로, 50% 보다 큰 반사율로 반사된다. 결과적으로, 검은색 입자들의 경우, >65%의 투과율이 달성되고 정교한 변조기의 경우 71% 이상의 값이 달성된다. 유색 입자들(예컨대, CMY)의 경우, >80%의 투과율이 쉽게 달성가능한 반면 >85% 또는 >90%의 레벨까지도 달성되었다. 특히, 스택형 변조기의 측면에서, 매우 관련되어 있다.
일 예에서, 개방(비전극) 영역은 70% 초과하여, 예를 들어 80% 투명하며, 바람직하게는 90% 초과하여 투명한데, 통상적으로 투명도는 550 nm의 파장에서 결정된다. 개방 영역은 유리 및, 폴리카보네이트(Perspex) 및 PET와 같은 적절한 폴리머 등의 기판으로 만들어질 수 있다. 재료는 0.01 mm - 2 mm, 바람직하게는 0.025 mm - 1 mm, 예를 들어 0.05 - 0.5 mm의 두께를 가질 수 있다. 가요성 픽셀 및/또는 디스플레이가 필요한 경우 얇은 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 약간의 강도가 필요한 경우 더 두꺼운 재료가 바람직하다. 이러한 투명성에 의해 에너지 소비가 훨씬 더 줄어들 수 있음이 밝혀졌다. 이는 사용의 측면에서 다음과 같은 큰 이점을 제공하는데, 로딩 장치, 더 작은 전하 저장 장치 등에 대한 필요성 감소, 특히 전력망(power grid)을 사용할 수 없는 경우에는 이러한 점이 인정될 수 있다.
일 예에서, 변조기는 가요성 폴리머로 제공될 수 있고 장치의 나머지 부분은 유리로 제공될 수 있다. 유리는 단단한 유리 또는 가요성 유리일 수 있다. 필요한 경우 보호층이 제공된다. 하나 이상의 색상이 제공되는 경우, 하나 이상의 가요성 폴리머층(layer of flexible polymer)이 제공될 수 있다. 폴리머는 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)(선택적으로 SiN 층을 가짐), 폴리에틸렌(PE) 등일 수 있다. 추가 예에서, 상기 장치는 적어도 하나의 가요성 폴리머로 제공될 수 있다. 이와 같이 변조기는 예컨대, 접착제를 사용하여 임의의 표면에 부착될 수 있다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 입자들은 10 nm-1 mm의 파장, 예컨대, 400-800 nm, 700 nm-1 ㎛, 및 10-400 nm의 파장을 갖는 광을 흡수하도록 구성되며 또는 10nm-1mm (필터) 이내 및 그 조합의 파장 범위를 갖는 광의 일부를 흡수하도록 구성된다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 제1 기판과 제2 기판 사이의 거리는 500 ㎛ 미만, 바람직하게는 200 ㎛ 미만, 더 바람직하게는 100 ㎛ 미만, 더욱 더 바람직하게는 50 ㎛ 미만, 예컨대 30 ㎛ 미만일 수 있다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 전극들은 입자들을 저장하기 위한 것이다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 입자들 상의 전하는 입자당 0.1e 내지 10e (5*10-7-0.1 C/m2)이다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 입자들의 코팅은 전도성 재료 및 반도체성 재료로부터 선택된 재료로 만들어진다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 유체는 1-1000 g/m2, 바람직하게는 2-75 g/m2, 더 바람직하게는 20-50 g/m2, 예컨대 30-40 g/m2의 양으로 존재한다. 상기 레이아웃으로, 훨씬 적은 유체 및 유사하게 입자들이 사용될 수 있다는 것이 큰 장점이다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 입자들이 0.01-70 g/m2, 바람직하게는 0.02-10 g/m2, 예를 들어 0.1-3 g/m2의 양으로 존재한다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 입자들이 시안, 마젠타, 및 옐로우, 및 블랙 및 화이트, 및 이들의 조합으로부터 선택된 색상을 갖는다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 유체는 계면활성제(surfactant), 유화제(emulsifier), 극성 화합물, 및 수소 결합을 형성할 수 있는 화합물 중 하나 이상을 포함한다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 유체는 100 미만, 바람직하게는 10 미만, 예컨대 5 미만의 상대 유전율(relative permittivity) εr을 갖는다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 동적 점도는 0.5 Pa*s 미만, 바람직하게는 100 mPa*s 미만의 동적 점도, 예를 들어 0.2-10 mPa*s와 같은 동적 점도, 예컨대, 0.5-5 mPa*s, 예컨대, 1-2 mPa*s, 바람직하게는 1 mPa.s 미만의 동적 점도를 갖는다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 광 변조기는 10-8-50 pixels/mm2, 바람직하게는 10-6-16 pixels/mm2, 더 바람직하게는 5*10-4-1 pixels/mm2, 훨씬 더 바람직하게는 1*10-3-0.11 pixels/mm2 를 포함한다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 제어기는 개별 픽셀을 스위칭하도록 구성된다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 전력 제공기는 결합된 AC/DC 공급기이다.
예시적인 실시예에서, 광 변조기는 시간 변화하는 전자기장을 제공하도록 구성된 드라이버 회로를 포함할 수 있다.
광 변조기의 예시적인 실시예에서, 파형 전력은 0.01-100Hz의 주파수, 최대 진폭의 5-100%의 진폭 변동을 특징으로 하며, 여기서 상기 최대 진폭은 최대 전압 동작이고, 0-180°의 위상 변동(위상 시프트)을 갖는다.
제2 측면에 따르면, 본 발명은 본 발명에 따른 광 변조기를 포함하는 제품에 관한 것으로, 여기서 상기 제품은 윈도우 블라인드, 사이니지(signage) 시스템, 옥외 디스플레이, 전자 라벨, 보조 스크린, 스마트 글래스, 컬러 패널 및 스크린으로부터 선택된다.
제3 측면에 다르면, 본 발명은 광 변조기를 동작시키는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 전기장을 인가하고, 전극에서 유체 쪽으로 입자들을 이동시키고, 역 전기장(reverse electrical field)을 인가하고, 퍼져 있는 입자들을 상기 전극을 향해 이동시키는 단계, 및 -220V와 + 220V 사이의 전위와 -100㎂와 +100㎂ 사이의 전류를 갖는 교류를 사용하는 단계를 포함하고, 두 단계들(two phases) 사이의 전자(electron) 소비는 실질적으로 동일하여 양의 전류 흐름과 음의 전류 흐름을 밸런싱할 수 있고, 제1 단계(first phase) 동안 전극 물질은 유체에 부분적으로 용해되고, 제1 단계 동안 +180도 용해된 전극 물질은 전극 상에 재증착된다. 이는 일반적으로 예를 들어, 전위만이 제어되고 밸런싱되지만 밸런싱에 주의를 기울이지 않는 종래 기술 장치의 경우와는 다른 것이다.
본 방법의 예시적인 실시예에서, 용해된 전극은 반대 전하를 띠는 전극 상에 증착되고, 따라서 물질은 (제1 위치(first place)에 물질이 제공된 것과 비교하여) 다른 전극 상에 증착될 수 있다.
본 발명은 본 발명의 범위를 제한하지 않으면서, 예시적이고 설명하기 위한 첨부된 도면 및 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명된다. 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하거나 그렇지 않은 많은 변형이 본 청구범위에 의해 정의된 보호 범위 내에 있는 것으로 인식됨이 명백할 수 있다.
본 발명은 상세한 설명 맥락에서 설명되었지만 첨부된 실시예 및 도면과 함께 가장 잘 이해될 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 광 변조기의 측면도를 도시한다.
도 2a 내지 도 2e는 상부 및 하부 기판으로부터 서로 맞물린 전극들을 도시한다.
도 3a 내지 도 3c는 개방 및 폐쇄 펄스를 도시한다.
도 1a는 광 변조기의 측면도를 도시한다. 첫 번째 경우인 P1에서 장치를 '온 상태'로 스위칭하기 위해, 상부 기판의 각 마이크로 와이어 전극으로 +V1의 전위가 인가되는 반면, 하부 기판의 각 마이크로 와이어 전극에는 음의 전압이 인가된다. 첫 번째 경우인 P1에서, 전위의 차이는 입자들이 상부 기판의 마이크로와이어 전극 부근으로 흐르게 하는데, 여기에서 입자들은 상부 마이크로와이어 전극들과 실질적으로 정렬된다. 기판들 사이에서 상부 구리 마이크로와이어 전극으로부터의 구리 이온들이 디스플레이 또는 스마트 윈도우의 이온 액체에 용해되고 용해된 구리 이온들은 하부 기판의 상응하는 정렬된 구리 마이크로와이어 전극으로 점진적으로 흘러가는데, 여기서 구리 이온들은 점진적으로 하부 기판의 정렬된 구리 마이크로와이어 전극 상에 증착한다.
두 번째 경우인 '온 상태'의 P2에서 상부 전극 구리 마이크로와이어의 전압과 하부 전극 구리 마이크로와이어의 전압은 P1의 경우와 반대로 반전된다. P2의 경우에, 상부 기판의 각 마이크로와이어 전극의 전압은 현재, 음의 전위 -V1로 공급되는 반면 하부 기판의 정렬된 구리 마이크로와이어의 전압들은 양의 전위로 공급된다. 전위의 차이는 윈도우 또는 디스플레이의 입자들이 하부 기판의 구리 마이크로와이어 전극 부근으로 흐르는데, 여기에서 입자들이 덩어리져 하부 마이크로와이어 전극들과 실질적으로 정렬될 것이다. 기판들 사이에서, 하부 구리 마이크로와이어 전극으로부터의 구리 이온들은 디스플레이 또는 스마트 윈도우의 이온성 액체에 용해되고, 용해된 구리 이온들은 상부 기판의 대응하는 정렬된 구리 마이크로와이어 전극으로 점진적으로 흐르는데, 여기에서 구리 이온들이 상부 기판의 정렬된 구리 마이크로와이어 전극 상에 점진적으로 증착한다. 전기분해 전류의 밸런스(balance of electrolysis current)는 상부 및 하부 전극 구리 마이크로 와이어들의 극성을 연속적으로 스위칭함으로써 얻어진다. 2개의 경우 사이에서, 2개의 기판들 사이의 부식 전류는 밸런싱되고 실질적으로(>95%) 밸런싱되는데, 즉, 상부 플레이트의 전극의 부식율이 발생함에 따라, P1의 각 경우에 그리고, P2의 경우에 반대로, 하부 전극 상에 구리의 밸런싱 증착(balancing deposition)이 있다. 따라서, 입자들이 상단 전극과 하단 전극 사이에서 지속적으로 전이되거나 이동하며 디스플레이 또는 스마트 위도우는 항상 온 상태에 있는 반면 상단 및 하단 전극 사이의 동적 전기분해 전류는 일정하므로 상부 및 하부 기판 상에 구리 전극 마이크로와이어 재료의 순 손실이 없거나 무시할 정도가 된다.
전극들은 폴리머 기반 기판에 내장된 구리로 만들어진 마이크로 와이어의 형태일 수 있다. 장치가 작동하는 동안, 일 단부에서 구리 이온이 용해되고 다른 단부로 구리 이온이 이동하면서 2개의 기판 사이의 디스플레이를 통해 전기화학적 전류가 생성된다. 디스플레이를 구동하기 위해, 2개의 기판 간의 구리 전극 용해 및 구리 전극 증착의 밸런싱을 달성하기 위해 2개의 기판 간의 새로운 전극 구성이 요구되는데, 즉 디스플레이를 통해 흐르는 전류의 밸런싱이 요구된다. 전기화학적 전류의 밸런싱을 유지하면서 디스플레이를 스위칭하는 방법에 과제가 놓여져 있다. 이것은 디스플레이의 전극 구성의 새로운 디자인에 의해 달성될 수 있다.
'오프 상태'를 달성하기 위해 상부 및 하부 기판들은 '온 상태'를 위해 전술한 바와 같이 배열된다. 그러나, 상부 기판 상에서, P3(도 1b)의 경우 제1 구리 마이크로와이어에 인가된 전위는 +V2이고 바로 인접한 마이크로와이어는 도 1b에 도시된 바와 같이, 반대 전위 -V2를 갖는다. 이것은 동일한 기판상에서 교류 전압을 생성한다. 유사하게, 하부 기판의 각각의 구리 마이크로와이어 전극은 도 1b에 도시된 바와 같이 상부 기판의 바로 반대편의 대응하는 마이크로와이어 전극과 동일한 전위를 갖는다. 입자들은 상부 기판과 하부 기판 사이에서 대각선으로 그리고 측면으로 이동하고 디스플레이의 눈에 보이는 개구(visible aperture)로의 입자들의 확산은 디스플레이의 폐쇄된 불투명 상태에 기여한다. 동시에, 구리 이온들은 동일한 기판 상에서 양전위를 갖는 상부 구리 마이크로와이어 전극들에서 용액으로 들어가고 상기 이온들은 하부 구리 마이크로와이어 전극으로 점진적으로 흐른다. 이동하는 구리 이온들은 음전위를 갖는 마이크로 와이어 상에 다시 증착한다.
시간 T4(도 1c)에서, 전압들은 도 1b와 대조적으로 교번된다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 상부 기판의 제1 구리 마이크로와이어에 인가된 전위는 -V2이고 다음 바로 이웃하는 마이크로와이어는 반대 전위 +V2을 갖는다. 이것은 동일한 기판상에서 교류 전압을 생성한다. 유사하게, 하부 기판의 각 구리 마이크로와이어 전극은 도 2b에 도시된 바와 같이 상부 기판의 바로 반대편의 대응하는 마이크로와이어 전극과 동일한 전위를 갖는다. 동시에, 구리 이온들은 동일한 기판 상에서 양전위를 갖는 하부 구리 마이크로와이어 전극에서 용액으로 들어가고 상기 이온들은 상부 구리 마이크로와이어 전극들을 향해 점진적으로 흐른다. 이동하는 구리 이온들은 양전위를 갖는 마이크로와이어에 다시 증착된다. AC 구동 사이클(AC drive cycle)은 도 2a-e의 평면도에 표시된 상부 및 하부 전극 구성을 결합한 맞물린 라인 구성(interdigitated line configuration)을 사용하여 구현될 수 있다.
상부 기판과 하부 기판 사이에서 상기 AC 구동 사이클을 사용함으로써, 대각선 방향 및 측방향 전기장이 두 기판 사이에 생성되어 입자들의 우연한 확산을 일으켜 디스플레이의 폐쇄된 상태를 생성한다. 전기 부식 과정은 디스플레이 또는 스마트 윈도우의 AC 구동과 함께 오프 상태에서도 동적으로 발생한다. 디스플레이 또는 스마트 윈도우를 구동하기 위해서는 디스플레이 액체에서의 구리 전극 용해와 두 기판 상의 구리 전극 증착의 밸런싱을 달성하기 위해 두 기판 사이의 새로운 전극 구성이 요구되는데, 즉 디스플레이를 흐르는 전류의 밸런싱이 요구된다. 디스플레이 또는 스마트 윈도우를 흐르는 전기화학적 전류의 밸런싱을 유지하면서 디스플레이를 스위칭하는 방법에 과제가 놓여져 있다. 이것은 디스플레이의 전극 구성의 새로운 디자인에 의해 달성될 수 있다.
이것은 도 1a에 도시된 구성에 의해 달성된다. 상부 기판 상에 배열된 마이크로와이어 메쉬와 같은 전도성 금속 전극 패턴은 하부 기판 상의 전도성 금속 전극 패턴과 완전히 또는 실질적으로 정렬된다. 전도성 금속 전극 패턴은 유리 기판에 증착되거나 마이크로와이어 메쉬가 플라스틱 기판에 내장될 수 있다.
도 2e는 이러한 전극 패턴을 생성하는 예이다. 각 전극 디자인은 반복되는 2개의 평행선으로 구성된다. 2개의 특정 평행선은 동일한 사인 곡선에 의해 시작된다. 소위 Rhine1 디자인은 진폭이 340㎛이고 파장이 340㎛인 정현파 곡선으로 구성되어 있다. Rhine2 프로젝트는 진폭 340㎛, 파장 640㎛의 정현파 곡선으로 구성되어 있다. 라인 갭은 일반적으로 70㎛로 설정된다. 그런 다음, 각 곡선에 대해 사인 곡선의 피크들이 검출된다(99.9% 허용 오차가 있음). 이러한 좌표들(각도 0 및 각도 180에서의 피크들 즉, 최저 피크 및 최고 피크에 해당하는 2개의 x 좌표들)에서 다음 4개의 기준, S1, S2, S3 및 S4 들이 사용된다.
2개의 곡선들 중 첫번째 곡선에서:
- S1은 하이 피크(high peak)의 x 좌표로 회복하는(retrieve to x coordinate) 수 ㎛에 해당한다.
- S2는 하이 피크의 x좌표에 더해지는 수 ㎛에 해당한다.
- S3는 로우 피크(low peak)의 x 좌표로 회복하는 수 ㎛에 해당한다.
- S4는 로우 피크의 x 좌표에 더해지는 수 ㎛에 해당한다.
첫번째 곡선의 S1-S2와 S3-S4 사이의 사인 곡선 부분만 상기 사인 곡선의 진폭의 아래쪽을 가리키는 타원형으로 대체된다. 두번째 평행한 사인 곡선의 경우 유사한 방식이 사용된다. S1, S2, S3 및 S4의 값들은 재사용되지만 여기에서는 다음과 같이 다르게 기여된다.
- S2는 하이 피크의 x 좌표로 회복하는 수 ㎛에 해당한다.
- S3는 하이 피크의 x 좌표에 더해지는 수 ㎛에 해당한다.
- S1은 로우 피크의 x 좌표를 회복하는 수 ㎛에 해당한다.
- S4는 로우 피크의 x 좌표에 더해지는 수 ㎛에 해당한다. 이 방식은 가능성들의 수를 제한하고, 더 무작위화된 시스템을 계산하는 가능성들을 제공하는 데 사용되었다.
타원형 모양은 도면에서 아래쪽을 가리키고 있다. 항상 사인파 곡선 내에서 타원형 모양을 가리킬 수도 있다. 전술한 규칙에 따라, 1000x1000㎛ 패턴 라인 이미지가 생성된다. 열린 상태(open state)를 시뮬레이션하기 위해 흰색 배경에 검은색으로 라인들이 그려져 있다. FFT 기능(Fast Fourier Transform)이 각 이미지에 적용된다.
그 후, FFT 이미지에 필터가 적용된다. 180 미만의 모든 픽셀 값은 0, 검정색(Black)으로 설정된다. 그런 다음, 8비트 스케일의 전술한 모든 값은 이전 값을 180-256 스케일의 일부로 간주하는 새로운 0-256 스케일 내의 값의 비율(proportion)로 대체된다. 이것은 회절 패턴을 나타낸다. 정사각형 이미지 FFT의 중심은 "초기 이미지"를 나타내며, 그에 따라, 이 픽셀도 0으로 설정된다. 이후, FFT 이미지 히스토그램이 분석되고 주요 기준들은 해당 이미지에서 가장 높은 그레이 값이 된다. 그레이 값이 높을수록 회절 효과가 더 강해진다. 따라서, 디자인된 것들은 이 최대 그레이 값에 따라 분류된다.
하나의 세트의 전극들에 추가될 수 있는 전기 신호가 도 3a 내지 도 3c에 개략적으로 나타나 있다. 맞물린 시스템(interdigitated system)의 다른 전극 세트는 반대 파형을 갖는다. 파형은 3가지 다른 위상들로 구성된다.
- P1: 개방 단계
- P2: 개방 상태 유지 단계
- P3: 폐쇄 단계
잉크 속성들에 따라 P1 단계는 DC 모드에서의 전위 증가(빠른 잉크의 경우) 또는 고주파 AC 신호(>10Hz)(느린 잉크의 경우)와 같은 다양한 방식으로 적용될 수 있다.
P2 단계는 잉크 안정성에 대응하는 정해진 시간(definitive amount of time) 동안 중단될 수 있는 고주파 신호(>10Hz)로 구성된다. 상기 단계 동안, 전위는 P1 단계와 비교하여 감소될 수 있다. 실제로 입자들을 전극으로 가져오려면 고전압이 필요할 수 있다(전극에서 더 멀리 떨어져 있는 입자들에 대해 충분한 전기장력을 생성해야 함). 입자들이 전극에 가까울 때 더 낮은 전위가 인가되어, 입자들에 대해 국부적으로 동일한 인력을 얻을 수 있다.
P3 단계는 폐쇄 단계이다. 느린 잉크를 사용하면, 저주파 AC 신호(1Hz 미만)가 인가될 수 있다. 반대 전극까지 입자들을 이동할 필요가 없기 때문에 P1에 비해 전위도 감소된다. 빠른 잉크 및 P1 DC에 대해, 전류의 밸런싱을 유지하기 위해 폐쇄는 P1 단계와 정반대일 수 있다.
상업적 응용을 위해, 본 발명에 개시된 것과 유사하고 본 발명의 사상 내에 있는 본 시스템의 하나 이상의 변형을 사용하는 것이 바람직할 수 있음을 이해해야 한다.
10: 광 변조기
11: 제1 기판
12: 제2 기판
13: 제1 전극
14: 제2 전극
15: 유체
21: 제1 돌출부
22: 제2 돌출부
30: 나노입자/마이크로입자
A: 파형의 진폭
d: 핑거들 사이의 거리
w: 파형의 폭

Claims (15)

  1. 투명한 상태와 불투명한 상태 사이를 또는 그 반대로 스위칭하는 광변조기(10)에 있어서,
    광학적으로 투명한 제1 및 제2 기판(11, 12)과,
    상기 기판의 내측에 구비되는 적어도 2개의 전극(13,14)과,
    상기 기판 사이에 제공되며 나노입자들 및/또는 마이크로입자들(30)을 포함하는 유체(15)로서, 상기 입자들은 전하를 띠거나 대전 가능하고, 상기 입자들은 광을 흡수하도록 구성되는 유체(15)와,
    상기 전극들에 인가된 전자기장은 제1 전극에서 제2 전극으로 또는 그 반대로 상기 나노입자 및 상기 마이크로입자의 이동을 제공하도록, 상기 전극들에 전자기장을 인가하기 위한 연결부를 포함하고,
    상기 전극들은 273K에서 100 nΩm 미만의 저항률을 갖는 전기 전도성 물질을 포함하고,
    적어도 2개의 전극들은 불투명 상태로 스위칭할 때, 이들 전극들 사이의 전기력을 상기 기판에 평행하게 제공하도록 구성되며, 적어도 2개의 전극들은 투명 상태로의 스위칭할 때 상기 기판에 대한 배향(orientation)으로 상기 전극들 사이에 전기력을 제공하도록 구성되고, 상기 배향은 기판에 평행한 배향, 기판에 수직인 배향, 기판에 대해 대각선인 배향, 또는 이들의 조합으로부터 선택되고,
    적어도 2개의 전극과 전기적으로 연결된 전력 제공기가 더 포함되고, 상기 전력 제공기는 파형 전력을 제공하도록 구성되고, 여기서, 진폭, 주파수 및 위상 중 적어도 하나는 적용 가능하고,
    상기 전극들은 유체와 유동 접촉(fluidic contact) 상태에 있으며, 상기 전극은 기판 표면의 1-30%를 덮으며,
    상기 적어도 2개의 전극들은 선택적으로 추가 가지들을 포함하는 맞물린 패턴을 형성하고, 상기 맞물린 패턴은 규칙적인 2차원 패턴이고, 상기 맞물린 패턴의 각각의 핑거는 적어도 하나의 파형 형상을 포함하고, 상기 파형 형상은 진폭 A와 폭 W를 가지며,
    상기 핑거들은 서로 거리 d만큼 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 광 변조기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파형 형상 대칭이 깨져, 상기 파형 형상의 최대값에서 하향 만곡된 제1 돌출부(21)가 제공되고, 상기 파형 형상의 최소값에서 하향 또는 상향 만곡된 제2 돌출부(22)가 제공되는 것을 특징으로 하는 광 변조기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 돌출부는 제2 돌출부보다 더 큰 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 광 변조기.
  4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 핑거들 사이의 거리 d는 10-500㎛, 바람직하게는 10-100㎛, 및/또는
    상기 파형의 폭 W는 50-750 ㎛이고, 및/또는
    상기 파형의 진폭 A는 10-500㎛이며,
    상기 거리 d는 10-100㎛이고, 및/또는
    상기 제1 돌출부의 폭은 10-50㎛이고, 및/또는
    상기 제2 돌출부의 폭은 10-50㎛이며,
    상기 제1 돌출부의 폭은 상기 제2 돌출부의 폭의 2-4배이며,
    상기 제1 돌출부의 높이 h는 5-20㎛이고, 및/또는
    상기 제2 돌출부의 높이 h는 5-20㎛이며, 및/또는
    상기 돌출부의 형태는 원 또는 타원의 일부이며, 및/또는
    상기 파형에서 돌출부로 또는 그 반대로의 전이는 점진적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 변조기.
  5. 제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 제공기는 펄스들을 제공하고 상기 펄스들, 예를 들어 0.1-10초/분의 펄스들 사이의 간격, 0.1-1000초의 간격, 바람직하게는 5-600초 간격 동안 펄스들을 제공하는 것을 억제하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광 변조기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    제어기를 더 포함하며,
    상기 제어기는 양의 전류의 크기가 음의 전류의 크기의 0.9-1.1배, 바람직하게는 0.95-1.05배, 보다 바람직하게는 0.99-1.01배, 예를 들어, 0.995-1.005배인 교류 전류를 유지하도록 구성되고, 전류에 따라 전위를 변화시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광 변조기.
  7. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    바람직하게는 제1 기판의 전극들이 제2 기판의 전극과 완전히 정렬되도록, 더 바람직하게는, 제1 기판의 전극들이 제2 기판의 전극들로부터 돌출하도록 기판들을 정렬하기 위해, 각 기판 상에 적어도 2개의 마커들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 변조기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 제공기는 10-100Hz의 투명 상태로 전환하기 위한 AC 주파수에서 동작되고, 및/또는, 상기 전력 제공기는 30 -500mHz와 같은 1 Hz 미만의 불투명한 상태로 전환하기 위한 AC 주파수에서 동작되며, 또는
    하나의 스위칭 사이클 내에서, 상기 전력 제공기는 10-100Hz의 투명 상태로 스위칭하기 위한 AC 주파수에서, 투명 상태로 스위칭할 때 상기 사이클의 초기 단계에서 양의 또는 음의 전압에서 동작되는 상기 전력 제공기와 조합하여, 그리고, 불투명 상태로 스위칭할 때 상기 사이클의 최종 단계에서 양의 또는 음의 전압에서 동작되는 상기 전력 제공기와 조합하여 동작되는 것을 특징으로 하는 광 변조기.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    온도 센서 및 제어기를 포함하고,
    상기 온도 센서는 상기 제어기와 연결되고, 상기 제어기는 상기 전력 제공기와 연결되고, 상기 제어기는 상기 온도 센서에 의해 측정된 온도를 고려하여 상기 전력 제공기의 출력을 보상하도록 구성된 것을 특징으로 하는 광 변조기.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체는 분지형 또는 비분지형 C8-C60 알칸, 분지형 또는 비분지형 C8-C60 알켄, 분지형 또는 비분지형 C6-C60 알코올, 분지형 또는 비분지형 C6-C60 알칸올, 분지형 또는 비분지형 C8-C60 케톤, 분지형 또는 비분지형 C8-C60 알데하이드, 실리콘 오일, 및 이들의 조합과 같은, 유전 상수가 15 미만인 무극성 유체(apolar fluid)인 것을 특징으로 하는 광 변조기.
  11. 제1항 내지 제10항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체의 동적 점도는 500 mPa.s 이하이고, 바람직하게는 50 mPa.s 이하, 예컨대 1 mPa.s 미만인 것을 특징으로 하는 광 변조기.
  12. 제1항 내지 제11항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체는 100 미만, 바람직하게는 10 미만의 상대 유전율 εr을 갖는 것을 특징으로 하는 광 변조기.
  13. 제1항 내지 제12항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파형 전력은 0.01-100Hz의 주파수, 최대 진폭의 5-100%의 진폭 변동을 특징으로 하며, 상기 최대 진폭은 최대 전압 동작이고, 0-180°의 위상 변동(위상 시프트)을 갖는 것을 특징으로 하는 광 변조기.
  14. 제1항 내지 제13항중 어느 한 항에 따른 광 변조기를 동작시키는 방법에 있어서,
    전기장을 인가하는 단계,
    전극으로부터 상기 유체를 향해 나노입자 및/또는 마이크로입자를 이동시키는 단계,
    역 전기장을 인가하고, 퍼져 있는 입자들을 상기 전극을 향해 이동시키는 단계,
    -220V와 + 220V 사이의 전위와 -100㎂와 +100㎂ 사이의 전위를 갖는 2개의 단계들을 갖는 교류를 이용하는 단계를 포함하고,
    상기 2개의 단계들 사이의 전자 소비는 실질적으로 동일하여 양의 전류 흐름과 음의 전류 흐름을 밸런싱하며,
    상기 제1 단계(first phase) 동안 상기 전극 물질은 유체에 부분적으로 용해되고, 상기 제1 단계 동안 +180도 용해된 전극 물질은 전극 상에 재증착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 용해된 전극 물질은 반대 전하를 띤 전극에 증착되는 것을 특징으로 하는 방법.
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