KR20240031366A - 전극 상에 유전체 코팅을 갖는 전기영동 디스플레이 - Google Patents

전극 상에 유전체 코팅을 갖는 전기영동 디스플레이 Download PDF

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KR20240031366A
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칼 레이먼드 에이먼드슨
코스타 라다백
스티븐 제이 텔퍼
댄 존 라우버
다윈 스코트 불
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이 잉크 코포레이션
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Abstract

전기영동 디스플레이 (100) 는, 유체에 배치되고 전기장의 인가 시에 유체를 통해 이동할 수 있는 전기적으로 하전된 입자들을 갖는 전기영동 매체 (114) 를 포함한다. 전극 (104, 120) 은 전기영동 매체에 인접하게 배치되고 전기장을 인가하도록 배열된다. 유전체 층 (106, 118) 이 전기영동 매체 (114) 와 전극 (104, 120) 사이에 배치되고, 이를 통해 연장되는 적어도 하나의 애퍼처 (107, 119) 를 갖는다. 유전체 층들에의 애퍼처들 (107, 119) 의 제공은 유전체 층들 (106, 118) 로 하여금 전극 (104, 120) 을 보호하면서 전기광학 킥백을 감소시킬 수 있게 한다. 다중의 전극들 (104, 120) 이 전기영동 매체 (114) 에 인접하게 존재할 경우, 1 초과의 또는 모든 전극들 (104, 120) 에는 개구된 유전체 층들 (106, 118) 이 제공될 수도 있다.

Description

전극 상에 유전체 코팅을 갖는 전기영동 디스플레이
본 출원은 미국 특허 번호 9,726,957 및 10,520,786, 그리고 출원공개 번호 2020/0117069 A1 과 관련된다.
전술한 가출원, 특허들 및 출원공개, 그리고 하기에서 언급되는 모든 다른 미국 특허들 및 공개들 및 공동 계류 출원들의 전체 내용들은 본 명세서에 참조에 의해 통합된다.
본 발명은, 적어도 하나의 전극이 유전체 코팅을 갖는 전기영동 디스플레이에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은, 유전체 코팅에 적어도 하나의 애퍼처가 제공되는 그러한 전기영동 디스플레이에 관한 것이다.
입자 기반 전기영동 디스플레이들은, 전기장의 영향 하에서 유체를 통해 이동하는 복수의 하전된 입자들을 포함하는 전기영동 매체를 갖는다. 전기영동 디스플레이들은, 액정 디스플레이들과 비교할 때, 양호한 밝기 및 콘트라스트, 넓은 시야각들, 상태 쌍안정성, 및 낮은 전력 소비의 속성들을 가질 수 있다. 통상적으로, 전기영동 디스플레이는 전기영동 재료의 층 및 전기영동 재료의 반대측들 상에 배치된 적어도 2개의 다른 층들을 포함하며, 이들 2개의 층들 중 하나는 전극층이다. 대부분의 그러한 디스플레이들에 있어서, 그 층들 양자 모두는 전극층들이고, 전극층들 중 하나 또는 양자 모두는 디스플레이의 픽셀들을 정의하도록 패터닝된다. 예를 들어, 하나의 전극층은 세장형 로우 전극들로 패터닝되고 다른 전극층은 로우 전극들에 직각으로 이어지는 세장형 컬럼 전극들로 패터닝될 수도 있으며, 픽셀들은 로우 및 컬럼 전극들의 교차점들에 의해 정의된다. 대안적으로 및 더 일반적으로, 하나의 전극층은 단일 연속 전극의 형태를 갖고, 다른 전극층은 픽셀 전극들의 매트릭스로 패터닝되며, 그 각각은 디스플레이의 하나의 픽셀을 정의한다. 디스플레이로부터 분리된 스타일러스, 프린트 헤드 또는 유사한 가동 전극과의 사용을 위해 의도된 다른 타입의 전기영동 디스플레이에 있어서, 전기영동층에 인접한 층들 중 오직 하나만이 전극을 포함하며, 전기영동층의 반대측 상의 층은 통상적으로, 가동 전극이 전기영동층을 손상시키는 것을 방지하도록 의도된 보호층이다.
2개의 전극 층들 사이에 샌드위치된 전기영동 매체를 갖는 전기영동 디스플레이에 있어서, 매체의 광학 상태에서의 변화들이 광 투과성 전극 층을 통해 디스플레이를 시인하는 관찰자에게 보일 수 있게 하기 위해, 전극 층들 중 적어도 하나는 광 투과성이어야 하고, 바람직하게는 본질적으로 투명해야 한다. 하나의 전극층이 단일 연속 전극이고 다른 전극층이 픽셀 전극들을 형성하도록 패터닝될 경우, 단일 연속 전극 층이 패터닝된 전극 층보다 시각적 아티팩트들을 생성할 가능성이 적기 때문에, 디스플레이가 시인되는 시인 표면을 형성하는 것은 일반적으로 연속 전극이다. 그러한 전극들을 형성하기 위해 전기 전도율과 광 투과율의 필요한 조합을 갖는 재료들의 수는 제한되며, 대부분의 상업적 전기영동 디스플레이들은 인듐 산화물 또는 인듐 주석 산화물과 같은 스퍼터링된 금속 산화물들로부터 형성된 광 투과성 전극 층들을 사용하지만, 전도성 폴리머들로부터 형성된 전극 층들이 또한 사용된다. 적절한 투명도를 보장하기 위해, 스퍼터링된 금속 산화물 전극 층들은 통상적으로 1 nm 미만의 두께이다.
전기영동 디스플레이들에서의 전극 층들은 기계적 및 전기화학적 손상 양자 모두에 취약하다는 것이 오랫동안 알려져 있다. 예를 들어, 전극에 대한 기계적 또는 전기화학적 손상을 방지하도록 적응된 보호 층을 갖는 전기영동 디스플레이를 기술하는 미국 특허 번호 6,724,519 를 참조한다. 보호 층은 금속 또는 금속 산화물을 포함할 수도 있다. 또한, 적어도 하나의 전극이 니트로, 하이드록실, 알콕시, 할로, 시아노, 술포네이트, 아미노 함유 또는 아미노 유래 극성 기, 탄수화물 기, 인 함유 극성 기, 황 함유 극성 기, 및 음이온 (anion) 으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 극성 기를 포함하는 극성 올리고머 또는 폴리머 재료를 포함하는 조성물로부터 형성된 전극 보호 층을 갖는 마이크로셀 전기영동 디스플레이를 기술하는 미국 특허 번호 8,441,432 를 참조하며; 여기서, 상기 디스플레이 셀들 또는 상기 전극 보호 층은 약 107 내지 약 1012 ohm cm 범위의 저항율을 갖는다. 미국 특허 번호 9,244,325 는, 디스플레이 층을 복수의 영역들로 분할하는 파티션 구조, 및 파티션 구조와 일체로 형성된 전극 보호 층을 갖는 마이크로셀 전기영동 디스플레이를 기술하며, 그 양자 모두는, 에틸렌 옥사이드 측 사슬을 갖는 자외선 경화성 폴리머인 전기전도성 폴리머로 주로 구성된다. 미국 특허 번호 3,792,308 은, 하나 또는 양자 모두의 전극들이, 예를 들어, 비닐 아세테이트 수지, 폴리스티롤 또는 젤라틴으로 전극을 코팅함으로써 제조된 절연 층으로 코팅된 전기영동 디스플레이를 기술한다. 마지막으로, 미국 특허 번호 6,850,357 은 아크릴 감광성 수지, 비감광성 수지 및 무기 절연층으로부터 형성된 전극 보호 층들을 갖는 전기영동 디스플레이를 기술한다.
기계적 손상에 대해 전기영동 디스플레이에서의 전극들을 보호하기 위한 보호 층을 설계하는 것은 비교적 간단하지만, 전기화학적 손상에 대해 보호하는 것은 더 복잡하다. 이미 언급된 바와 같이, 전기영동 디스플레이들은 통상적으로 쌍안정적이다. (용어들 "쌍안정" 및 "쌍안정성" 은 적어도 하나의 광학 특성에 있어서 상이한 제 1 및 제 2 디스플레이 상태들을 갖는 디스플레이 엘리먼트들을 포함하는 디스플레이들을 지칭하도록 당업계에서의 그 종래의 의미로 본 명세서에서 사용되며, 그에 따라, 임의의 주어진 엘리먼트가 그 제 1 또는 제 2 디스플레이 상태 중 어느 하나를 가정하기 위해 유한한 지속기간의 어드레싱 펄스에 의해 구동된 이후, 어드레싱 펄스가 종료된 후, 그 상태는 디스플레이 엘리먼트의 상태를 변경하는데 요구된 어드레싱 펄스의 최소 지속기간의 적어도 수배, 예를 들어, 적어도 4배 동안 지속될 것임. 미국 특허 번호 7,170,670 에서, 그레이 스케일이 가능한 일부 입자 기반 전기영동 디스플레이들은 그 극단적인 블랙 및 화이트 상태들에서 뿐만 아니라 그 중간의 그레이 상태들에서도 안정적임이 나타나 있음. 이러한 타입의 디스플레이는 쌍안정적이라기 보다는 "멀티-안정적" 으로 적절히 지칭되지만, 편의상, 용어 "쌍안정" 은 쌍안정 및 멀티-안정 디스플레이들 양자 모두를 커버하도록 본 명세서에서 사용될 수도 있음). 실제로, 그러한 쌍안정성은 휴대용, 배터리 전력공급식 전기영동 디스플레이들의 전력 소비를 감소시킴에 있어서 중요한 팩터인데, 왜냐하면 디스플레이가 제 1 이미지 (예를 들어, 책의 제 1 페이지) 를 디스플레이하기 위해 아마도 0.5 초 동안 구동될 수 있고, 사용자가 제 1 이미지를 읽거나 검사하는 동안 아마도 30 초 동안 구동되지 않은 채로 남겨질 수 있고, 제 2 이미지를 디스플레이하기 위해 아마도 0.5 초 동안 구동될 수 있는 등등이어서, 디스플레이는 사용자가 디스플레이를 사용하고 있는 시간의 작은 부분 동안에만 구동되고 있기 때문이다. 전기영동 디스플레이들을 구동하는데 사용되는 구동 방식들은, 디스플레이의 특정 픽셀이 초기 그레이 레벨로부터 시작하여 다른 그레이 레벨들을 방문하지만 초기 그레이 레벨에서 종료하는 일련의 트랜지션들을 겪는다면, 일련의 트랜지션들의 전체 임펄스 (시간에 대한 구동 전압의 적분) 가 실질적으로 제로여야 한다는 의미에서 DC 밸런싱되어야 한다는 것이 한동안 알려져 왔다. 그렇지 않은 경우라면, 장시간 사용 이후 디스플레이는 전극 층들에서 영구적인 전기화학적 변화들을 나타낼 가능성이 있고, 이들 변화들은 디스플레이의 전기광학 성능을 손상시키거나 심지어 파괴할 수도 있다.
하지만, 전체 구동 방식이 DC 밸런싱되더라도, 개별 트랜지션들에 사용되는 파형들 자체가 DC 밸런싱되지 않으면 문제들이 여전히 발생할 수 있다. 종종, 전기영동 디스플레이들은 구동 이후에 "잔류 전압" 을 나타낸다. 디스플레이의 전극들에 걸친 개방 회로 전압으로서 측정되는 이러한 잔류 전압은 전기영동 디스플레이의 다양한 층들 내의 전하들의 축적 (buildup) 에 기인하는 것으로 여겨지며, 디스플레이의 구동이 종료된 후에 상당한 기간 동안 지속될 수 있다. 잔류 전압은, 디스플레이가 구동되지 않는 기간들 동안 디스플레이의 광학 상태의 원치않은 변화들을 초래할 수 있으며, 동일한 광학 상태로 유지되도록 의도된다. 대부분의 전기영동 매체들이 임계 전압을 거의 또는 전혀 갖지 않기 때문에 작은 잔류 전압들이라도 문제들을 야기할 수 있어서, 2개의 연속적인 트랜지션들 사이의 연장된 기간 동안 심지어 작은 잔류 전압의 존재라도 매체의 광학 상태에 상당한 변화를 야기할 수 있다. 광학 상태에서의 그러한 원치않은 변화들은 풀 컬러 (full color) 디스플레이들에서 특히 문제가 되는데, 왜냐하면 사람의 눈이 모노크롬 디스플레이들에서 그레이 레벨에서의 작은 변동들보다 색조에서의 약간의 변화들에 더 민감한 경향이 있기 때문이며; 특히, 특별히, 그리니쉬 (greenish) 틴트가 전개된다면 피부 톤들에서의 컬러 변동은 매우 두드러진다. 잔류 전압을 감소시키거나 제거하기 위한 방법들이 알려져 있지만 (예를 들어, 미국 특허 번호 10,475,396 참조), 전기영동 디스플레이들의 구동 동안 상당한 잔류 전압들이 전개되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
잔류 전압의 축적을 방지하기 위해, 전기영동 디스플레이들은 각각의 파형이 그 자체로 DC 밸런싱되는, 즉 각각의 파형 뿐만 아니라 전체 구동 방식이 DC 밸런싱되는 구동 방식들을 사용하여 구동될 수 있다. 하지만, 모든 파형들을 DC 밸런싱되게 만드는 것은, 특히, 풀 컬러 디스플레이들의 경우에 추가적인 복잡성들을 도입한다. 통상적으로, DC 밸런싱된 파형들은 구동 섹션이 뒤이어지는 DC 밸런싱 섹션을 포함하고; DC 밸런싱 섹션은, 구동 섹션과 크기에서는 동일하지만 극성에서는 반대인 네트 임펄스를 갖도록 배열되어, 전체 파형의 네트 임펄스는 본질적으로 제로이다. 예를 들어, 4 입자 (화이트, 옐로우, 시안 및 마젠타), 풀 컬러 디스플레이에 사용되는 이러한 타입의 파형을 나타내는 미국 특허 번호 10,276,109, 도 11 을 참조한다. 하지만, DC 밸런싱 섹션은 파형의 지속기간에 상당한 증가를 도입하고, 따라서, 트랜지션에 소요되는 시간에서의 상당한 증가를 도입할 뿐만 아니라, 구동 (컬러 렌더링) 섹션의 지속기간을 증가시키는 경향이 있다. DC 밸런싱 섹션은 구동 섹션에 대해 반대 극성의 네트 임펄스를 가져야 하기 때문에, DC 밸런싱 섹션은, 본질적으로, 구동 섹션 동안 구동될 방향들과는 반대 방향들로 전기영동 입자들을 구동시키는 경향이 있고, 실제로, DC 밸런싱 섹션의 끝에서, 전기영동 입자들은 원하는 상대 위치들의 거의 반대쪽에 배치된다. 결과적으로, 구동 또는 컬러 렌더링 섹션은 DC 밸런싱 섹션에 의해 초래된 입자 변위들을 극복하기 위하여 (수 초 정도) 길어질 필요가 있을 수도 있다.
미국 특허공개 번호 2022/0084473 A1 은 4 입자, 풀 컬러 전기영동 디스플레이들을 구동하기 위한 DC 임밸런싱된 (imbalanced) 파형들을 기술하며, 이들 파형들은 전술한 미국 특허 번호 10,276,109 에 기술된 DC 밸런싱된 파형들보다 훨씬 더 짧다. 하지만, 잔류 전압 축적 및 전극 열화의 완화 없이는, 그러한 파형들은 허용가능한 수명들을 갖는 상업적 디스플레이들에서 사용될 수 없었다.
상기에서 언급된 바와 같이, 전극 위에 보호 (및 통상적으로, 유전체) 층을 제공함으로써 전기영동 디스플레이의 하나 또는 양자 모두의 전극들을 보호하는 것이 알려져 있다. 하지만, 그러한 유전체 층은 디스플레이의 2개의 전극들 사이에 전기영동 매체와 직렬인 커패시터를 도입한다. 이 커패시터는, 전기영동 디스플레이가 구동됨에 따라 충전되고, 파형의 끝에서, 2개의 전극들이 (전기영동 매체에 걸친 전기장을 제로로 감소시키고, 따라서, 전기영동 매체를 원하는 광학 상태로 유지하기 위해) 동일한 전위로 설정될 때, 이 커패시터의 방전은 충분한 전류가 전기영동 매체를 통해 흐르게 하여 그의 광학 상태에서 현저한 및 반대할만한 변화, "전기광학 킥백 (kickback)" 으로서 알려진 현상을 야기할 수도 있다. 본 발명은 킥백의 문제를 감소시키거나 제거하면서 그러한 유전체 층들의 이점들을 제공하고자 한다.
이에 따라, 본 발명은 전기영동 디스플레이를 제공하며, 전기영동 디스플레이는, 전기영동 매체로서, 유체에 배치되고 전기영동 매체로의 전기장의 인가 시에 유체를 통해 이동할 수 있는 복수의 전기적으로 하전된 입자들을 포함하는, 상기 전기영동 매체; 전기영동 매체에 인접하게 배치되고 전기장을 인가하도록 배열된 전극; 및 전기영동 매체와 전극 사이에 배치된 유전체 층을 포함하고, 유전체 층은 유전체 층을 통해 연장되는 적어도 하나의 애퍼처를 갖는다.
본 발명의 전기영동 디스플레이는, 유전체 층에 인접한 전극으로부터 전기영동 매체의 반대측 상에 배치된 제 2 전극을 포함할 수도 있고, 통상적으로, 포함할 것이다. 제 2 유전체 층이 전기영동 매체와 제 2 전극 사이에 배치될 수도 있고, 제 2 유전체 층은 제 2 유전체 층을 통해 연장되는 적어도 하나의 애퍼처를 갖는다. 유전체 층은 적어도 약 107 V/M 의 유전 강도를 가질 수도 있다. 또한, 유전체 층은 약 10 내지 100 nm 범위의 두께를 가질 수도 있고, 적어도 하나의 애퍼처는 실질적으로 원형일 수도 있고, 약 1 내지 5 ㎛ 범위의 직경을 가질 수도 있다. 유전체 층은 실리콘 이산화물, 실리콘 질화물, 금속 산화물 또는 유기 재료 중 임의의 하나 이상, 예를 들어, 아연 산화물, 탄탈륨 산화물, 하프늄 산화물, 페릴렌 또는 포토레지스트 중 임의의 하나 이상으로부터 형성될 수도 있다.
본 발명의 전기영동 디스플레이는, 유전체 층과 전기영동 매체 사이에 배치된 접착제층을 더 포함할 수도 있다. 이러한 접착제층은 그 전기 저항을 감소시키기 위해 이온 재료로 도핑될 수도 있다.
본 발명의 전기영동 디스플레이는 캡슐화되거나 또는 캡슐화되지 않을 수도 있고, 캡슐화될 경우에는 당업계에 공지된 타입들 중 임의의 타입일 수도 있으며; 예를 들어, 전기적으로 하전된 입자들 및 유체는 복수의 캡슐들 또는 마이크로셀들 내에 한정될 수도 있거나, 또는 폴리머 재료를 포함하는 연속상 (continuous phase) 에 의해 둘러싸인 복수의 별개의 액적들로서 존재할 수도 있다.
본 발명의 전기영동 디스플레이는 전기영동 매체에 인접하게 배치된 복수의 전극들을 가질 수도 있고, 그 디스플레이는 복수의 전극들의 전위를 서로 독립적으로 변경하기 위한 전압 제어 수단을 포함할 수도 있다. 유전체 층에는 복수의 전극들의 각각으로 연장되는 복수의 애퍼처들이 제공될 수도 있으며, 복수의 전극들의 각각은 중앙 영역 및 주변 영역을 가지며, 단위 면적당 애퍼처들의 사이즈 및/또는 수는 주변 영역에서보다 중앙 영역에서 더 크다.
본 발명은 또한, 본 발명의 전기영동 디스플레이를 제조하기 위한 프로세스를 제공한다. 이 프로세스는 전극을 제공하는 단계; 전극을 포토레지스트로 코팅하는 단계; 포토레지스트를 방사선에 이미지별로 노출하는 단계; 노출된 포토레지스트를 세척하여, 노출된 포토레지스트를 통해 적어도 하나의 애퍼처를 형성하는 단계; 및 노출된 포토레지스트에 인접하게 전기영동 매체를 배치하는 단계를 포함한다. 이 프로세스에서, 포토레지스트는 신나메이트 포토레지스트일 수도 있다.
첨부 도면들 중 도 1 은 본 발명의 마이크로셀 전기영동 디스플레이를 통한 개략적인 단면도이다.
도 2 는 유전체 층이 없는 종래 기술의 전기영동 디스플레이의 모델의 회로도이다.
도 3 은 도 2 와 유사하지만, 복수의 애퍼처들이 제공된 유전체 층을 갖는 본 발명의 전기영동 디스플레이의 모델의 회로도이다.
도 4 는 유전체 층을 관통한 단일 애퍼처를 도시한 본 발명의 전기영동 디스플레이 부분을 통한 개략적인 단면도이고, 개구된 유전체 층의 저항을 계산하는데 사용되는 방법을 예시한다.
도 5 는 각각의 전극 위의 애퍼처들의 분포를 도시한 본 발명의 전기영동 디스플레이의 백플레인의 상부 평면도이다.
도 6 은 유전체 층의 두께의 함수로서 본 발명의 풀 컬러 전기영동 디스플레이의 광학 킥백을 도시한 그래프이다.
도 7 은 도 6 과 유사하지만, 유전체 층이 없지만 개구된 유전체 층의 효과를 모방하기 위해 외부 병렬 저항기 및 커패시터가 디스플레이와 직렬인 유사한 풀 컬러 전기영동 디스플레이의 광학 킥백을 도시한 그래프이다.
이미 언급된 바와 같이, 본 발명은, 전기영동 매체, 전기영동 매체에 인접하게 배치된 전극, 및 전기영동 매체와 전극 사이에 배치된 유전체 층을 포함하는 전기영동 디스플레이를 제공하며, 유전체 층은 유전체 층을 통해 연장되는 적어도 하나의 애퍼처를 갖는다.
본 발명에서 사용되는 전기영동 매체 및 전극은 당업계에 공지된 타입들 중 임의의 타입일 수도 있다. MIT (Massachusetts Institute of Technology), E Ink Corporation, E Ink California, LLC 및 관련 회사들에 양도되거나 또는 이들 명의의 다수의 특허들 및 출원들은, 캡슐화된 및 마이크로셀 전기영동 및 다른 전기광학 매체들에서 사용된 다양한 기술들을 설명한다. 캡슐화된 전기영동 매체들은 다수의 소형 캡슐들을 포함하고, 그 각각은 자체가 유체 매체에 전기영동적으로 이동가능한 입자들을 함유하는 내부 상 (internal phase), 및 그 내부 상을 둘러싸는 캡슐 벽을 포함한다. 통상적으로, 캡슐들은 자체가, 2개의 전극들 사이에 포지셔닝된 코히어런트 층을 형성하기 위해 폴리머 바인더 내에 유지된다. 마이크로셀 전기영동 디스플레이에 있어서, 하전된 입자들 및 유체는 마이크로캡슐들 내에 캡슐화되지 않지만, 대신 캐리어 매체, 통상, 폴리머 필름 내에 형성된 복수의 캐비티들 내에 보유된다. 이들 특허들 및 출원들에서 설명된 기술들은 다음을 포함한다:
(a) 전기영동 입자들, 유체들 및 유체 첨가제들; 예를 들어, 미국 특허 번호 7,002,728 및 7,679,814 참조;
(b) 캡슐들, 바인더들 및 캡슐화 프로세스들; 예를 들어, 미국 특허 번호 6,922,276 및 7,411,719 참조;
(c) 마이크로셀 구조들, 벽 재료들 및 마이크로셀 형성 방법들; 예를 들어, 미국 특허 번호 7,072,095 및 9,279,906 참조;
(d) 마이크로셀 충전 및 밀봉 방법들; 예를 들어, 미국 특허 번호 7,144,942 및 7,715,088 참조;
(e) 전기광학 재료들을 함유하는 필름들 및 서브어셈블리들; 예를 들어, 미국 특허 번호 6,982,178 및 7,839,564 참조;
(f) 디스플레이들에서 사용되는 백플레인들, 접착제층들 및 다른 보조층들 그리고 방법들; 예를 들어, 미국 특허 번호 D485,294; 6,124,851; 6,130,773; 6,177,921; 6,232,950; 6,252,564; 6,312,304; 6,312,971; 6,376,828; 6,392,786; 6,413,790; 6,422,687; 6,445,374; 6,480,182; 6,498,114; 6,506,438; 6,518,949; 6,521,489; 6,535,197; 6,545,291; 6,639,578; 6,657,772; 6,664,944; 6,680,725; 6,683,333; 6,724,519; 6,750,473; 6,816,147; 6,819,471; 6,825,068; 6,831,769; 6,842,167; 6,842,279; 6,842,657; 6,865,010; 6,873,452; 6,909,532; 6,967,640; 6,980,196; 7,012,735; 7,030,412; 7,075,703; 7,106,296; 7,110,163; 7,116,318; 7,148,128; 7,167,155; 7,173,752; 7,176,880; 7,190,008; 7,206,119; 7,223,672; 7,230,751; 7,256,766; 7,259,744; 7,280,094; 7,301,693; 7,304,780; 7,327,346; 7,327,511; 7,347,957; 7,349,148; 7,352,353; 7,365,394; 7,365,733; 7,382,363; 7,388,572; 7,401,758; 7,442,587; 7,492,497; 7,535,624; 7,551,346; 7,554,712; 7,560,004; 7,583,427; 7,598,173; 7,605,799; 7,636,191; 7,649,674; 7,667,886; 7,672,040; 7,688,497; 7,733,335; 7,785,988; 7,830,592; 7,839,564; 7,843,626; 7,859,637; 7,880,958; 7,893,435; 7,898,717; 7,905,977; 7,957,053; 7,986,450; 8,009,344; 8,027,081; 8,049,947; 8,072,675; 8,077,141; 8,089,453; 8,120,836; 8,159,636; 8,208,193; 8,237,892; 8,238,021; 8,362,488; 8,373,211; 8,389,381; 8,395,836; 8,437,069; 8,441,414; 8,456,589; 8,498,042; 8,514,168; 8,547,628; 8,576,162; 8,610,988; 8,714,780; 8,728,266; 8,743,077; 8,754,859; 8,797,258; 8,797,633; 8,797,636; 8,830,560; 8,891,155; 8,969,886; 9,147,364; 9,025,234; 9,025,238; 9,030,374; 9,140,952; 9,152,003; 9,152,004; 9,201,279; 9,223,164; 9,285,648; 9,310,661; 9,419,024; 9,454,057; 9,529,240; 9,620,066; 9,632,373; 9,632,389; 9,666,142; 9,671,635; 9,715,155; 9,777,201; 9,778,500; 9,841,653; 9,897,891; 9,910,337; 9,921,422; 9,964,831; 10,036,930; 10,037,735; 10,048,563; 10,048,564; 10,190,743; 10,324,577; 10,365,533; 10,372,008; 10,429,715; 10,446,585; 10,466,564; 10,466,565; 10,495,940; 10,495,941; 10,503,041; 및 10,509,294; 및 미국 출원공개 번호 2002/0060321; 2004/0085619; 2004/0105036; 2005/0122306; 2005/0122563; 2006/0255322; 2007/0052757; 2009/0122389; 2009/0315044; 2010/0177396; 2011/0140744; 2011/0187683; 2011/0292319; 2014/0078024; 2014/0192000; 2014/0210701; 2014/0368753; 2015/0378235; 및 2016/0077375; 및 국제 출원공개 번호 WO 00/38000; 유럽 특허 번호 1,099,207 B1 및 1,145,072 B1 참조;
(g) 컬러 형성 및 컬러 조정; 예를 들어, 미국 특허 번호 6,017,584; 6,545,797; 6,664,944; 6,788,452; 6,864,875; 6,914,714; 6,972,893; 7,038,656; 7,038,670; 7,046,228; 7,052,571; 7,075,502; 7,167,155; 7,385,751; 7,492,505; 7,667,684; 7,684,108; 7,791,789; 7,800,813; 7,821,702; 7,839,564; 7,910,175; 7,952,790; 7,956,841; 7,982,941; 8,040,594; 8,054,526; 8,098,418; 8,159,636; 8,213,076; 8,363,299; 8,422,116; 8,441,714; 8,441,716; 8,466,852; 8,503,063; 8,576,470; 8,576,475; 8,593,721; 8,605,354; 8,649,084; 8,670,174; 8,704,756; 8,717,664; 8,786,935; 8,797,634; 8,810,899; 8,830,559; 8,873,129; 8,902,153; 8,902,491; 8,917,439; 8,964,282; 9,013,783; 9,116,412; 9,146,439; 9,164,207; 9,170,467; 9,170,468; 9,182,646; 9,195,111; 9,199,441; 9,268,191; 9,285,649; 9,293,511; 9,341,916; 9,360,733; 9,361,836; 9,383,623; 9,423,666; 9,436,056; 9,459,510; 9,513,527; 9,541,814; 9,552,780; 9,640,119; 9,646,547; 9,671,668; 9,697,778; 9,726,959; 9,740,076; 9,759,981; 9,761,181; 9,778,538; 9,779,670; 9,779,671; 9,812,073; 9,829,764; 9,921,451; 9,922,603; 9,989,829; 10,032,419; 10,036,929; 10,036,931; 10,332,435; 10,339,876; 10,353,266; 10,366,647; 10,372,010; 10,380,931; 10,380,955; 10,431,168; 10,444,592; 10,467,984; 10,475,399; 10,509,293; 및 10,514,583; 및 미국특허 출원공개 번호 2008/0043318; 2008/0048970; 2009/0225398; 2010/0156780; 2011/0043543; 2012/0326957; 2013/0242378; 2013/0278995; 2014/0055840; 2014/0078576; 2015/0103394; 2015/0118390; 2015/0124345; 2015/0268531; 2015/0301246; 2016/0026062; 2016/0048054; 및 2016/0116818 참조;
(h) 디스플레이들을 구동하는 방법들; 예를 들어, 미국 특허 번호 7,012,600 및 7,453,445 참조;
(i) 디스플레이들의 어플리케이션들; 예를 들어, 미국 특허 번호 7,312,784 및 8,009,348 참조; 그리고
(j) 디스플레이들 이외의 캡슐화 및 마이크로셀 기술의 어플리케이션들; 예를 들어, 미국 특허 번호 7,615,325; 및 미국특허 출원공개 번호 2015/0005720 및 2016/0012710 참조.
전술된 특허들 및 출원들 중 다수는, 캡슐화된 전기영동 매체에서의 별개의 마이크로캡슐들을 둘러싼 벽들이 연속상에 의해 대체되고 따라서 전기영동 매체가 전기영동 유체의 복수의 별개의 액적들 및 폴리머 재료의 연속상을 포함하는 소위 폴리머 분산형 전기영동 디스플레이를 제조할 수 있는 것, 및 그러한 폴리머 분산형 전기영동 디스플레이 내의 전기영동 유체의 별개의 액적들은 별개의 캡슐 멤브레인이 각각의 개별 액적과 연관되지 않더라도 캡슐들 또는 마이크로캡슐들로서 간주될 수도 있는 것을 인식한다: 예를 들어, 미국 특허 번호 6,866,760 참조.
전기영동 매체들은 종종, 불투명하고 (예를 들어, 다수의 전기영동 매체들에서, 입자들은 디스플레이를 통해 가시 광의 투과를 실질적으로 차단하므로) 반사 모드에서 동작하지만, 다수의 전기영동 디스플레이들은 하나의 디스플레이 상태가 실질적으로 불투명하고 하나는 광 투과성인 소위 "셔터 모드" 에서 동작하도록 제조될 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 번호 5,872,552; 6,130,774; 6,144,361; 6,172,798; 6,271,823; 6,225,971; 및 6,184,856 참조. 전기영동 디스플레이들과 유사하지만 전기장 강도에서의 변동들에 의존하는 유전영동 디스플레이들이 유사한 모드에서 동작할 수 있다; 미국 특허 번호 4,418,346 참조. 다른 타입들의 전기 광학 디스플레이들이 또한 셔터 모드에서 동작 가능할 수도 있다. 셔터 모드에서 동작하는 전기광학 매체들은 풀 컬러 디스플레이들을 위해 다층 구조들에서 유용할 수도 있고; 그러한 구조들에서, 디스플레이의 시인 표면에 인접한 적어도 하나의 층은, 시인 표면으로부터 더 멀리 떨어진 제 2 층을 노출하거나 은닉하도록 셔터 모드에서 동작한다.
전기영동 디스플레이는 일반적으로, 전기영동 재료의 층 및 전기영동 재료의 반대측들 상에 배치된 적어도 2개의 다른 층들을 포함하며, 이들 2개의 층들 중 하나는 전극층이다. 대부분의 그러한 디스플레이들에 있어서, 그 층들 양자 모두는 전극층들이고, 전극층들 중 하나 또는 양자 모두는 디스플레이의 픽셀들을 정의하도록 패터닝된다. 예를 들어, 하나의 전극층은 세장형 로우 전극들로 패터닝되고 다른 전극층은 로우 전극들에 직각으로 이어지는 세장형 컬럼 전극들로 패터닝될 수도 있으며, 픽셀들은 로우 및 컬럼 전극들의 교차점들에 의해 정의된다. 대안적으로 및 더 일반적으로, 하나의 전극층은 단일 연속 전극의 형태를 갖고, 다른 전극층은 픽셀 전극들의 매트릭스로 패터닝되며, 그 각각은 디스플레이의 하나의 픽셀을 정의한다. 디스플레이로부터 분리된 스타일러스, 프린트 헤드 또는 유사한 가동 전극과의 사용을 위해 의도된 다른 타입의 전기영동 디스플레이에 있어서, 전기영동층에 인접한 층들 중 오직 하나만이 전극을 포함하며, 전기영동층의 반대측 상의 층은 통상적으로, 가동 전극이 전기영동층을 손상시키는 것을 방지하도록 의도된 보호층이다.
전술된 미국 특허 번호 6,982,178 은 대량 생산에 잘 적응되는 고체 전기광학 디스플레이 (캡슐화된 전기영동 디스플레이 포함) 를 어셈블리하는 방법을 설명한다. 본질적으로, 이 특허는 광 투과성 전기 전도층; 전기 전도층과 전기적으로 접촉하는 고체 전기광학 매체의 층; 접착제층; 및 릴리스 시트를 순서대로 포함하는 소위 "전면 라미네이트" ("FPL") 를 설명한다. 통상적으로, 광 투과성 전기 전도층은 광 투과성 기판 상에 운반될 것이며, 이 광 투과성 기판은, 그 기판이 영구 변형없이 직경이 10 인치 (254 mm) 로 드럼 (세이) 에 수동으로 랩어라운드될 수 있다는 의미에서 바람직하게는 가요성이다. 용어 "광 투과성" 은 본 특허 및 본 명세서에서 사용되어, 이에 따라 지정된 층이 그 층을 통해 관찰하는 관찰자로 하여금 일반적으로 전기 전도층과 인접한 기판 (존재하는 경우) 을 통해 시인될 전기광학 매체의 디스플레이 상태들의 변화를 관찰할 수 있도록 충분한 광을 투과시키는 것을 의미하며; 전기광학 매체가 비가시 파장들에서 반사율의 변화를 디스플레이하는 경우들에 있어서, 용어 "광 투과성" 은 물론, 관련 비가시 파장들의 투과를 지칭하도록 해석되어야 한다. 기판은 통상적으로 폴리머 필름일 것이며, 일반적으로 약 1 내지 약 25 mil (25 내지 634 ㎛), 바람직하게는 약 2 내지 약 10 mil (51 내지 254 ㎛) 의 범위의 두께를 가질 것이다. 전기 전도층은 편리하게, 예를 들어, 알루미늄 또는 ITO 의 얇은 금속 또는 금속 산화물층이거나, 또는 전도성 폴리머일 수도 있다. 알루미늄 또는 ITO 로 코팅된 폴리(에틸렌 테레프탈레이트) (PET) 필름들은, 예를 들어, E.I.du Pont de Nemours & Company, Wilmington DE 로부터의 "알루미늄화 Mylar" ("Mylar" 는 등록 상표임) 로서 상업적으로 입수가능하고, 그러한 상업적 재료들은 전면 라미네이트에서 좋은 결과들로 사용될 수도 있다.
그러한 전면 라미네이트를 사용한 전기광학 디스플레이의 어셈블리는 전면 라미네이트로부터 릴리스 시트를 제거하고, 접착제층이 백플레인에 접착되도록 하는 효과적인 조건들 하에서 접착제층을 백플레인에 접촉시키고 이에 의해 접착제층, 전기광학 매체의 층 및 전기 전도층을 백플레인에 고정시킴으로써 실시될 수도 있다. 이러한 프로세스는, 통상적으로 롤-투-롤 코팅 기법들을 사용하여 전면 라미네이트가 대량 생산된 다음 특정 백플레인들과 함께 사용하는데 필요한 임의의 사이즈의 피스들로 절단될 수도 있기 때문에 대량 생산에 잘 적응된다.
미국 특허 번호 7,839,564 는 전술된 미국 특허 번호 6,982,178 에서 설명된 전면 라미네이트의 변형예인 소위 "역전형 전면 라미네이트" 를 설명한다. 이 역전형 전면 라미네이트는 광 투과성 보호층 및 광 투과성 전기 전도층 중 적어도 하나; 접착제층; 고체 전기광학 매체의 층; 및 릴리스 시트를 순서대로 포함한다. 이 역전형 전면 라미네이트는 전기광학층과 전면 전극 또는 전면 기판 사이에 라미네이션 접착제의 층을 갖는 전기광학 디스플레이를 형성하는 데 사용되고; 제 2 의 통상적으로 얇은 접착제층이 전기광학층과 백플레인 사이에 존재할 수도 있거나 존재하지 않을 수도 있다. 그러한 전기광학 디스플레이들은 양호한 해상도와 양호한 저온 성능을 결합할 수 있다.
전면 라미네이트들 및 역전형 전면 라미네이트들 양자 모두의 전극들에는 본 발명에 따른 개구된 유전체 층이 제공될 수도 있다.
첨부 도면들 중 도 1 은, 일반적으로 100 으로 지정되는 본 발명의 마이크로셀 디스플레이를 통한 개략적인 단면도이다. 유리 또는 폴리머로부터 형성될 수도 있는 제 1 기판 (102) 은 그 위에 제 1 전극층 (104) 을 형성하고, 이는 복수의 픽셀 전극들 (104A) 로 분할되고, 그 각각은 디스플레이의 하나의 픽셀을 정의한다. 기판 (102) 및 제 1 전극층 (104) 은 함께 디스플레이 (100) 의 백플레인을 형성한다. 픽셀 전극들 (104A) 은 각각의 개별 픽셀 전극 (104A) 과 연관된 로우 및 컬럼 전극들 및 트랜지스터들이 제공된 액티브 매트릭스 백플레인의 부분을 형성할 수도 있지만, 이들 종래의 컴포넌트들은 예시의 용이를 위해 도 1 로부터 생략된다. 대안적으로, 디스플레이 (100) 는, 각각의 개별 픽셀 전극 (104A) 에 별도의 전압 공급 라인 (도시되지 않음) 이 제공되는 직접 구동 타입일 수도 있다.
관통하여 연장되는 애퍼처들 (107) 을 갖는 유전체 층 (106) 은 제 1 전극층 (104) 과 접촉한다. 도 1 에 도시된 애퍼처들 (107) 의 수는, 예시의 용이를 위해, 실제로 통상적으로 사용되는 것보다 적다. 더욱이, 도 1 은 양 전극층들과 연관된 유전체 층을 도시하지만, 본 발명은, 오직 하나의 전극층만이 연관된 유전체 층을 갖는 디스플레이로 확장된다. 유전체 층 (106) 위에는 전기 전도성 접착제층 (108) 이 실장되고, 차례로, 그 위에 밀봉층 (110) 이 실장된다.
디스플레이 (100) 는, 폴리머 층 (116), 분할 벽들 (112) 및 전술한 밀봉층 (110) 에 의해 정의된 마이크로셀들 내에 한정되는 전기영동 매체 (114) 를 더 포함한다. 밀봉층 (116) 은, 애퍼처들 (119) 이 제공된 제 2 유전체 층 (118) 과 접촉하고, 제 2 유전체 층 (118) 은 제 2 기판 (122) 상에 형성된 투명 전극층 (120) 에 부착된다. 다시, 도 1 에 도시된 애퍼처들 (119) 의 수는, 예시의 용이를 위해, 실제로 통상적으로 사용되는 것보다 적다. 폴리머 층 (116) 은, 전극층 (120) 에 대한 마이크로셀 층의 다른 컴포넌트들 상의 접착을 돕기 위한 프라이머 층을 포함할 수도 있다.
도 1 에 도시된 마이크로셀 디스플레이는, 상기 언급된 특허들 및 출원들에서 제시된 마이크로셀 디스플레이들을 제조 및 충전하기 위한 종래 기술의 프로세스들의 단지 미미한 수정만으로 제조될 수 있다. 제시된 바와 같이, 마이크로셀 디스플레이들은 먼저 제 2 기판 (122) 상에 전극 (120) 을 형성함으로써 제조될 수도 있으며; 실제로, 폴리머 베이스 필름들 상에 투명 전극층들을 포함하는 필름들은 상업적으로 용이하게 입수 가능하고, 그러한 필름들은 전극 (120) 및 기판 (122) 을 형성하는데 용이하게 사용될 수 있다. 그 다음, 전극층 (120) 이 위쪽에 있는 상태에서, 엠보싱가능한 프리-폴리머 (pre-polymer) 의 층이 제 2 전극 (120) 위에 코팅되고, 엠보싱되고 경화되어 폴리머 층 (116) 및 분할 벽들 (112) 을 형성한다. 그 다음, 생성된 개방 마이크로셀들은 전기영동 매체 (114) 로 충전되고, 프리-폴리머 필름이 마이크로셀들 위에 코팅되고 경화되어 밀봉층 (110) 을 형성한다. 별도로, 층들 (102 및 104) 을 포함하는 백플레인이 형성되고, 접착제층 (208) 으로 코팅되며; 실제로, 이는 일반적으로 오프라인으로 실시되고, 접착제층 (208) 은 릴리스 필름 (도시되지 않음) 으로 커버된다. 그 다음, 마이크로셀 필름 및 백플레인 필름은 (필요하다면, 백플레인 필름으로부터 릴리스 필름의 제거 후에) 통상적으로 롤-투-롤 (roll-to-roll) 라미네이션 프로세스에서 함께 라미네이팅되어, 도 1 에 도시된 바와 같은 최종 디스플레이를 형성한다.
이러한 종래 기술의 프로세스는 (a) 접착제층 (108) 이 적용되기 전에 제 1 전극층 (104) 위에 유전체 층 (106) 을 코팅함으로써; 및/또는 (b) 마이크로셀들을 형성하기 위해 프리-폴리머가 적용되기 전에 제 2 전극층 위에 유전체 층 (118) 을 코팅함으로써, 도 1 에 도시된 개구된 유전체 층들 (106 및 118) 중 하나 또는 그 양자 모두를 통합하도록 용이하게 수정될 수 있다. 원칙적으로, 개구된 유전체 층은 도 1 에 도시된 디스플레이 (100) 의 임의의 2개의 인접한 층들 사이에 통합될 수 있지만, 실제로, 유전체 층은 도 1 에 도시된 바와 같이 제 1 또는 제 2 전극 층 (104 또는 120) 과 접촉하는 것이 바람직하다.
유전체 층들 (104 및 120) 은 유기 또는 무기 재료, 예를 들어, 실리콘 이산화물, 실리콘 질화물, 아연 산화물, 탄탈륨 산화물, 하프늄 산화물 등과 같은 금속 산화물, 및 페릴렌 또는 다른 폴리머 화합물들과 같은 유기 재료들로부터 형성될 수도 있다. 1 초과의 재료의 조합들이 사용될 수도 있으며, 유전체 층은 1 초과의 서브층을 포함할 수도 있고, 다양한 서브층들은 상이한 재료들로부터 형성될 수도 있다. 하기에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 유전체 층들은 또한, 포토레지스트로부터 형성될 수도 있다. 사용되는 재료는 이온들 및 전자들에 대해 불투과성이어야 하고, (이는 전기영동 디스플레이들을 구동하는데 사용되는 높은 전기장들을 받게 될 것이기 때문에, 통상적으로 106 V/m 정도임) 높은 유전 강도, 바람직하게는 적어도 약 107 V/m 의 유전 강도를 가져야 한다. 유전체 층의 최적의 두께는, 하기에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 그 유전 상수에 의존한다.
상기에서 언급된 바와 같이, 도 1 에 도시된 것과 같은 전기영동 디스플레이로의 유전체 층의 통합은 2개의 전극들 사이에 전기영동 유체와 직렬인 커패시터를 도입하며, 2개의 전극들이 트랜지션 후에 동일한 전위로 유지될 경우, 이 커패시터의 방전은 광학 상태에서 반대할만한 시프트, 소위 전기광학 킥백을 야기하도록 전기영동 매체를 통해 흐르는 충분한 전류를 초래할 수도 있다. 본 발명에 따른 개구된 유전체 층을 사용하는 것은 커패시터 (유전체 층의 비-개구된 부분들에 의해 형성됨) 와 병렬인 저항기 (애퍼처들에 의해 형성됨) 를 사실상 도입하며, 이러한 RC 배열은 전기영동 유체와 직렬이다. 유전체 층에서의 애퍼처들의 사이즈 및 수는 전기영동 매체를 통한 전류 흐름 및 따라서 유전체 층의 커패시턴스에 저장된 전하의 완화 레이트를 제어한다. 이러한 전기적 완화 시간을 제어하는 능력은, 전기광학 킥백 및 잔류 전압의 축적을 제한하는 것, 및 디스플레이로 로컬 전기장들을 제어하는 것에 의해 전기영동 디스플레이들의 성능을 개선시킨다. 애퍼처들의 면적들이 유전체 층의 총 면적에 비해 적다면, 유전체 층을 방전하기 위한 RC 시간은, 전기영동 디스플레이들에서 통상적으로 사용되는 이온 도핑된 전도성 폴리머 접착제 내에 형성된 계면 이중 층을 방전하기 위한 것보다 훨씬 더 짧게 될 수 있다.
전기영동 디스플레이 기술에서의 당업자는, 전기영동 디스플레이들의 전기적 거동이 전극들 사이의 다양한 층들 및 계면들에 대응하는 일련의 Voigt 엘리먼트들 (즉, 저장 및 손실 컴포넌트들의 병렬 배열들) 로서 모델링될 수 있음을 알고 있다. 이들 모델들이 실제 전기영동 디스플레이들의 전기적 거동의 과대 단순화들이지만, 이들은 본 발명에서 사용되는 개구된 유전체 층과 같은 추가적인 층들을 디스플레이에 도입하는 효과를 이해하기 위한 유용한 기초를 제공한다. 도 2 는 전극에 인접한 임의의 유전체 층이 없는 종래 기술의 캡슐화된 전기영동 디스플레이의 그러한 모델의 회로도이고, 도 3 은 하나의 전극에 인접한 개구된 유전체 층을 갖는 본 발명의 캡슐화된 전기영동 디스플레이의 회로도이다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 캡슐화된 전기영동 디스플레이 (캡슐화가 도 1 에 도시된 바와 같은 마이크로셀들에 있든지, 별개의 캡슐들에 있든지 또는 폴리머 분산형 전기영동 매체로서 있든지 본 목적들을 위해 무관함) 는 전기영동 매체 자체에 대한 엘리먼트 (C1/R1), 전기영동 매체 자체와 외부상 (external phase) 사이의 계면을 나타내는 엘리먼트 (C2/R2), 외부상을 나타내는 엘리먼트 (C3/R3), 및 외부상과 전극 사이의 계면을 나타내는 엘리먼트 (C4/R4) 를 포함하는 Voigt 엘리먼트들의 스택으로서 모델링된다. (용어 "외부상" 은, 전기영동 매체 자체 이외의 디스플레이를 포함하는 모든 층들을 표기하기 위해 전기영동 디스플레이들에 관하여 그 종래의 의미에서 사용됨. 따라서, 도 1 에 도시된 디스플레이에서, 용어 "외부상" 은 전기영동 매체를 둘러싸는 폴리머 층 (116), 분할 벽들 (112) 및 밀봉 층 (110) 뿐만 아니라 접착제 층 (108) 을 포함함).
저 유전 상수들 (약 2) 을 갖는 용매들을 포함하는 통상적인 전기영동 매체 ("내부상") 는, 10-25 ㎛ 범위의 두께를 갖는 층들에 있을 경우, 0.02-5 nF/cm2 범위의 벌크 커패시턴스 (C1) 및 약 1-10 MΩ.cm2 의 저항 (R1) 을 갖는다. 전기영동 유체와 외부상 사이의 계면에서의 커패시턴스 (C2) 는 추정하기가 더 어렵지만, 2개의 커패시터들을 직렬로 결합함으로써 근사화될 수도 있으며, 각각의 유전체 두께는 각각의 매체 (즉, 내부상 및 외부상) 에서의 Debye 길이에 의해 근사화된다. 이는 약 10-100 nF/cm2 의 C2 에 대한 추정치를 제공한다. 경계를 가로지르는 이온들의 통과에 대응하는 계면의 저항 (R2) 은 추정하기 어렵다. 이 저항이 너무 높으면, 디스플레이는 전기적 (및 아마도, 광학적) 킥백을 나타낼 것이다. 통상적인 디스플레이를 구동할 경우 전류 측정들과 가장 우수하게 일치하는 R2 의 값은 외부상의 저항과 거의 동일하다, 즉, 1-10 MΩ.cm2 범위이다. 외부상의 벌크 커패시턴스 (C3) 는, 이동성 이온들을 함유하는 약 10 의 유전 상수의 폴리머 재료를 포함한다고 가정하면, 약 0.1-10 nF/cm2 인 것으로 추정된다. 외부상의 저항 (R3) 은 1-10 MΩ.cm2 범위이다. 최종적으로, 전극 경계에서의 계면 커패시턴스 (C4) 는 도핑된 폴리머 외부상에서의 Debye 길이로부터 추정된다. 그 전도도는 내부상의 전도도와 거의 동일하지만, 폴리머의 점도가 전기영동 용매의 점도보다 수십배 더 높기 때문에 전하 캐리어들의 이동도는 훨씬 더 낮다. 결과적으로, 이온들의 농도는 내부상에서보다 외부상에서 훨씬 더 높아야 하며, 따라서, Debye 길이는 훨씬 더 적어야 한다. 계면의 커패시턴스는 2-20 nF/cm2 의 범위로서, 즉, 시스템에서의 임의의 다른 커패시턴스보다 훨씬 더 크게 추정된다. 이러한 계면에서의 전기화학적 반응들이 도 2 에서 "저항성" 경로 (R4) 를 생성할 수도 있음이 가능하지만, 이는 단순 저항기가 아닐 것이다. 이러한 경로는, 상기 설명된 바와 같이, 전극들의 궁극적인 열화를 초래할 수도 있기 때문에 바람직하지 않다. 전기영동 디스플레이들에서 전기화학적 전류들을 완화시키는 방법들은, 예를 들어, 국제 특허 출원 WO 2014/110394 A1 에서 상세히 논의된다.
이미지를 생성하는데 요구된 시간은 커패시터 (C2) 를 충전하기 위한 RC 시상수와 관련되며, 이는 통상적으로 1초 미만이다. 하지만, 전극 계면에서 커패시턴스 (C4) 를 충전하기 위한 RC 시상수는 훨씬 더 길며, 통상적으로 100초 정도이어서, C4 는 오직 C2 가 완전히 충전되는 시간에 부분적으로만 충전될 것이다. C4 에 걸친 전압은 디스플레이에 저장된 "잔류 전압" 의 근사치이다. DC 밸런싱된 파형에서, 이러한 잔류 전압은 대부분 방전되지만, 비-DC 밸런싱된 파형에서는 지속될 것이다. C4 를 충전 및 방전하기 위한 RC 시간이 너무 길기 때문에, 양 전극들을 동일한 전위에 배치함으로써 이 커패시턴스를 완전히 방전시키는 것은 실용적이지 않다. 훨씬 나쁘게, 도 2 에서 R4 로서 표시된 전기화학적 반응들에 의해 C4 의 방전의 가능성이 있으면, 업데이트 이후 잔류 전압에 의해 야기된 비구동 디스플레이에서의 전극들의 느린 전기화학적 열화가 또한 있을 수도 있다.
하나의 전극에 인접한 개구된 유전체 층을 갖는 본 발명의 전기영동 디스플레이에 대한 도 3 에서의 회로도는 도 2 에 도시된 것과 동일한 Voigt 엘리먼트들 (C1/R1, C2/R2 및 C3/R3) 을 갖는다. 하지만, 애퍼처들에 의해 점유된 유전체 층의 면적의 비율이 a 이면, 외부상/전극 계면은 (a) 애퍼처들 자체를 나타내는 Voigt 엘리먼트 (C4.a/R5) (애퍼처들에서, R5 에 의해 나타낸 전기화학적 전류의 가능성이 있음); 및 (b) (유전체 층 자체의 커패시턴스를 나타내는) 커패시터 (C5.(1-a)) 와 직렬인 (계면의 비-개구된 부분을 나타내는) 커패시터 (C4.(1-a)) - 명백하게, 이 영역에서 전기화학적 전류의 가능성은 없으므로, 저항성 엘리먼트는 필요하지 않음 - 의 병렬적인 조합으로서 모델링되어야 한다.
R5 를 결정하기 위하여, 도 4 에 도시된 바와 같이, 전도층과 접촉하는 단일 애퍼처로 천공된 유전체 재료의 시트의 저항을 고려할 필요가 있다. 이 저항 (R) 은 애퍼처를 통한 전도층에서의 전류의 플럭스를 계산함으로써 (즉, 도 4 에 예시된 지오메트리에 대한 라플라스 방정식을 풂으로써) 추정될 수 있다. 애퍼처의 반경이 전극들 사이의 거리보다 훨씬 작은 경우에 대해, 다음과 같이 나타낼 수 있다:
l = 2πraσ(VTP - VP),
여기서, l 는 유효 컴플라이언스이고, ra 는 애퍼처의 반경이고, VTP 및 VP 는 각각 상부 평면 (전방) 및 픽셀 전극들의 전위들이다.
따라서, 저항은 애퍼처의 반경 및 위에 놓인 층의 전도율에 반비례한다. 복수의 n개의 유사한 애퍼처들에 대해, 개구된 유전체 층과 오버레이하는 전도성 재료의 조합의 저항은 각각의 개별 애퍼처와 연관된 저항들의 하모닉 합이다. 따라서, 애퍼처 반경 및 밀도를 변경하는 것은 유전체 층에 의해 형성된 커패시터의 전기적 완화를 위한 RC 시상수를 조정하는데 사용될 수 있다. 이 커패시턴스는 유전체 층의 유전 상수에 의존하고 그 두께에 역으로 의존할 것이다.
애퍼처 밀도가 유전체 층의 전체 영역에 걸쳐 일정할 필요도 없고, 모든 애퍼처들의 치수들이 동일할 필요도 없다. 따라서, 특정 영역들에서 애퍼처 패턴들의 적합한 선택에 의해 유전체 층의 로컬 전기적 완화 시간을 제어하는 것이 가능하다. 더 낮은 애퍼처 밀도를 갖는 영역들에서, 이러한 완화 시간은 더 길 것이다. 도 5 는 다양한 애퍼처 밀도를 갖는 개구된 유전체 층이 위에 놓인 픽셀 어레이의 상부 평면도이다. 각각의 픽셀과 연관된 유전체 층은 중앙 영역 및 주변 영역을 가지며, 단위 면적당 애퍼처들의 수는 주변 영역에서보다 중앙 영역에서 더 크다. 주변 영역들에서의 더 낮은 애퍼처 밀도에 의해 제공되는 더 긴 완화 시간은 프린징 필드(fringing field)들의 더 양호한 제어를 허용할 수도 있고, 따라서, 디스플레이에서 감소된 에지 아티팩트들을 허용할 수도 있다.
이미 언급된 바와 같이, 유전체 층에 의해 제공되는 커패시터 상에 저장된 전하들의 완화를 허용함으로써, 본 발명은 전기영동 디스플레이들에서 광학 킥백을 완화시킬 수 있다. 도 6 은 다양한 두께들의 비-개구된 유전체 층들을 갖는 풀 컬러 전기영동 디스플레이의 광학 킥백 (dE* 단위) 을 도시한다. 도 7 은 동일한 전기영동 매체를 갖지만 유전체 층이 없는, 그리고 개구된 유전체 층의 효과를 모방하기 위해 외부 병렬 커패시터/저항기가 디스플레이와 직렬인, 동일한 전기영동 디스플레이의 광학 킥백을 도시하며, 커패시터는 커패시턴스 300 nF/cm2 의 유전체 층에 대응하도록 선택된다. 저항기가 약 7 MΩ.cm2 에 대응하는 약 360 kΩ 미만일 때, 광학 킥백 (그레이 라인) 은 외부 커패시터가 없는 값 (블루 라인) 과 외부 저항기가 없는 값 (오렌지 라인) 사이에 있도록 완화될 수 있다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 전극으로부터 유전체 층의 반대측에 놓이는 전도성 재료는 접착제 층일 수도 있으며, 이는 그의 전도율을 향상시키기 위해 이온 재료들로 도핑될 수도 있다. 개구된 유전체 층에 인접한 1 초과의 전도성 재료 층을 제공하는 것이 바람직할 수도 있으며, 전도성 재료 층들의 각각은 상이한 전도율을 갖는다. 유전체 층과 접촉하는 (그리고 따라서, 유전체 층의 애퍼처들을 충전하는) 층의 전도율은 이 층과 유전체 층의 조합이 원하는 전기적 특성들을 달성하도록 조정될 수도 있는 반면, 유전체층으로부터 이격된 다른 층들은 다른 특성들, 예를 들어, 접착 또는 컴플라이언스에 대해 최적화될 수도 있다.
상기 도 4 의 논의로부터 명백할 바와 같이, 본 발명의 디스플레이에서, 전기화학적 전류는 유전체에서의 애퍼처들을 통해 흐르고, 산화적 또는 환원적 손상으로부터 하부 전극 재료를 보호할 필요가 있을 수도 있다. 예를 들어, 애퍼처들의 영역에서, 전극 재료 (통상적으로, 금속) 는 종래에 있는 경우보다 두껍게 제조될 수도 있다. 대안적으로, 유전체 층과 접촉하는 전도층은, 당업계에 공지된 바와 같이, 전자 도너들 또는 전자 어셉터들을 함유할 수도 있다.
개구된 유전체 층은, 사용되는 유전체 재료에 의존하여 임의의 편리한 프로세스에 의해 형성될 수도 있다. 예를 들어, 유전체 층이 무기물이면, 애퍼처들은 레이저 어블레이션에 의해 형성될 수도 있다. 하지만, 실제로 요구되는 많은 수의 및 작은 사이즈의 애퍼처들이 주어지면 (예를 들어, 도 5 는 픽셀당 44개의 애퍼처들, 또는 800 x 600 디스플레이 상에 2천만개 초과의 애퍼처들을 갖는 유전체 층을 도시하며, 애퍼처들은 통상적으로 직경이 1-5 ㎛ 임), 포토리소그래피에 의한 애퍼처들의 형성은 종종 가장 편리한 방법이다. 개구된 유전체 층을 운반할 전극은 포토레지스트로 코팅되고, 그 다음, 이는 방사선에 이미지별로 노출되고 세척되어 애퍼처들을 형성한다. 그 다음, 전기영동 매체 및 접착제들과 같은 임의의 개재 층들이, 노출된 포토레지스트에 인접하게 배치된다. 개구된 유전체 층의 형성을 위한 그러한 포토레지스트 기반 프로세스는 전기영동 디스플레이들의 대량 생산에 적합하다. 개구된 유전체 층들에서의 사용을 위해 적절한 유전 특성들을 갖는 포토레지스트들, 예를 들어, 신나메이트 부류의 포토레지스트들이 상업적으로 입수가능하다. 미국 특허 번호 7,981,989 는, 커패시터 구성에서, 2 MV/cm 의 필드 하에서 2 x 10-9 A/cm2 및 4 MV/cm 의 필드 하에서 1 x 10-8 A/cm2 의 누설 전류 밀도, 460 nm 두께의 층에서 6.0 nF/cm2 의 커패시턴스, 및 200 볼트 초과의 브레이크다운 전압을 갖는 폴리(하이드록시에틸 메타크릴레이트) 및 신나모일 클로라이드의 폴리머 부가물을 기술한다. 유사한 광 패턴가능 유기 유전체 재료들이 미국 특허 번호 8,338,555; 8,937,301; 9,082,981; 9,341,948; 9,704,997; 9,923,158; 10,147,895 및 10,551,745 에 기술된다. 다양한 이용가능한 광 패턴가능 폴리머 유전체 재료들은 유전체 층 성능을 최적화하기 위해 유전체 특성들의 정밀한 맞춤화를 허용한다. 이들 유전체 재료들은 용액 프로세싱가능하고, 이들 타입들의 재료들의 상용화는 기존의 TFT 제조 라인들과 양립가능한 프로세스들 및 용매들을 사용한 유기 박막 트랜지스터 디바이스들의 제조에 대해 이미 증명되었다.
전술한 바로부터, 본 발명은 제어된 전류들 및 감소된 전기광학 킥백을 갖는 전기영동 디스플레이들을 제공할 수 있고, 이에 의해, 그러한 디스플레이들이 디스플레이들에 대한 손상 없이 DC 임밸런싱된 파형들로 구동되게 할 수 있다는 것을 알 것이다.

Claims (15)

  1. 전기영동 디스플레이로서,
    전기영동 매체로서, 유체에 배치되고 상기 전기영동 매체로의 전기장의 인가 시에 상기 유체를 통해 이동할 수 있는 복수의 전기적으로 하전된 입자들을 포함하는, 상기 전기영동 매체; 및
    상기 전기영동 매체에 인접하게 배치되고 전기장을 인가하도록 배열된 전극을 포함하고,
    상기 전기영동 디스플레이는,
    상기 전기영동 매체와 상기 전극 사이에 배치된 유전체 층으로서, 상기 유전체 층은 상기 유전체 층을 통해 연장되는 적어도 하나의 애퍼처를 갖는, 상기 유전체 층을 특징으로 하는, 전기영동 디스플레이.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 층에 인접한 상기 전극으로부터 상기 전기영동 매체의 반대측 상에 배치된 제 2 전극을 더 포함하는, 전기영동 디스플레이.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전기영동 매체와 상기 제 2 전극 사이에 배치된 제 2 유전체 층을 더 포함하고, 상기 제 2 유전체 층은 상기 제 2 유전체 층을 통해 연장되는 적어도 하나의 애퍼처를 갖는, 전기영동 디스플레이.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체 층은 적어도 약 107 V/M 의 유전 강도를 갖는, 전기영동 디스플레이.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체 층은 약 10 내지 100 nm 범위의 두께를 갖고, 상기 적어도 하나의 애퍼처는 실질적으로 원형이고, 약 1 내지 5 ㎛ 범위의 직경을 갖는, 전기영동 디스플레이.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체 층은 실리콘 이산화물, 실리콘 질화물, 금속 산화물 또는 유기 재료 중 임의의 하나 이상으로부터 형성되는, 전기영동 디스플레이.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 유전체 층은 아연 산화물, 탄탈륨 산화물, 하프늄 산화물, 페릴렌 또는 포토레지스트 중 임의의 하나 이상으로부터 형성되는, 전기영동 디스플레이.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 층과 상기 전기영동 매체 사이에 배치된 접착제층을 더 포함하는, 전기영동 디스플레이.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 접착제층은 그 전기 저항을 감소시키기 위해 이온 재료로 도핑되는, 전기영동 디스플레이.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기적으로 하전된 입자들 및 상기 유체는 복수의 캡슐들 또는 마이크로셀들 내에 한정되는, 전기영동 디스플레이.
  11. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기적으로 하전된 입자들 및 상기 유체는, 폴리머 재료를 포함하는 연속상에 의해 둘러싸인 복수의 별개의 액적들로서 존재하는, 전기영동 디스플레이.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기영동 매체에 인접하게 배치된 복수의 전극들을 갖고, 상기 디스플레이는 상기 복수의 전극들의 전위를 서로 독립적으로 변경하기 위한 전압 제어 수단을 더 포함하고, 상기 유전체 층에는 상기 복수의 전극들의 각각으로 연장되는 복수의 애퍼처들이 제공되고, 상기 복수의 전극들의 각각은 중앙 영역 및 주변 영역을 가지며, 단위 면적당 애퍼처들의 사이즈 및/또는 수는 상기 주변 영역에서보다 상기 중앙 영역에서 더 큰, 전기영동 디스플레이.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전면 라미네이트 또는 역전형 전면 라미네이트의 형태인, 전기영동 디스플레이.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 기재된 전기영동 디스플레이를 제조하기 위한 방법으로서,
    전극을 제공하는 단계;
    상기 전극을 포토레지스트로 코팅하는 단계;
    상기 포토레지스트를 방사선에 이미지별로 노출하는 단계;
    노출된 상기 포토레지스트를 세척하여, 상기 노출된 포토레지스트를 통해 적어도 하나의 애퍼처를 형성하는 단계; 및
    상기 노출된 포토레지스트에 인접하게 상기 전기영동 매체를 배치하는 단계를 포함하는, 전기영동 디스플레이를 제조하기 위한 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 포토레지스트는 신나메이트 포토레지스트인, 전기영동 디스플레이를 제조하기 위한 방법.
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