KR980010487A - 가변 굴절률 분포 미러 - Google Patents

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맥코넬 게이츠 스테판
씨. 로위 안쏘니
페제스키 바르디아
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제프리 엘. 포먼
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Abstract

본 발명은 두께가 얇고; 해상도, 반사율 및 콘트라스트가 높으며; 넓은 시야각; 저전격 소비; 및 저전압 동작의 특성을 갖는 고해상도의 반사 디스플레이용 가변 굴절률 분포 미러에 관한 것이다. 상기 미러는 실질적으로 투명한 상태와 반사 상태 사이에서 전기적으로 스위칭이 가능하거나 또는 변화가 가능하다. 상기 미러는 고정 굴절률을 갖는 제1물질과 가변 굴절률을 갖는 제2물질로 이루어진 교대하는 층(alternating layers)들을 갖는다. 제2물질은 예를 들어 네마틱 액정일 수 있다. 교대하는 층들은 한 쌍의 전극 사이에 위치된다. 가변 굴절률은 투명 상태에서는 고정 굴절률과 거의 동일하고 또한 반사 상태에서는 상기 고정 굴절률과 상이하다 가변 굴절률은 상기 한 쌍의 전극을 가로질러 인가된 신호에 응답하여 변한다. 미러는 단색 디스플레이를 형성하기 위해 특정 컬러에 동조된다. 각각 개별적으로 구동되고 서로 다른 컬러에 동조되는 이러한 미러 3개는 컬러 디스플레이를 형성한다. 흑백 단색 디스플레이의 경우에는 상기 3개의 미러가 집합적으로 구동된다.

Description

가변 굴절률 분포 미러
본 발명은 가변 굴절률 분포 미러(mirror)에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 투명 상태와 반사상태 사이에서 변화될 수 있는 다층 미러(multi-layer mirror)에 관한 것이다.
다층 미러는 광코팅(optical coation) 및 전광(electro-optical;電光)장치에 빈번히 사용된다. 일반적으로 유전체층이 파장의 1/4 두께를 가지며 그 상부면 및 하부면이 다른 물질로 둘러싸여져 있는 경우, 상부 접촉면 및 하부 접촉면 각각으로부터의 반사는 위상(phase)이 보강된다. 이것은 보강 간섭이라고 불리워진다. 2개 반사의 보강 간섭은 1/4 파장 유전체층의 반사율을 증가시킨다.
도1은 λ/4에 해당하는 두께를 갖는 유전체층(10)를 도시하고 있는데, 여기서 λ는 그 유전체층으로 입사하는 광(light)의 파장이다. 입사 접촉면(interface)(16)상으로 입사하는 광(14)는 그 입사 접촉면(16)에서 반사 (18) 및 굴절(20)된다. 광의 굴절은 입사 접촉면(16)의 양쪽에 있는 매질의 굴절률 n₁ 및 n₂의 차이에 의해 발생된다. 굴절광 (20)은 그 후 유전체(10)의 대향 접촉면(26)에서 굴절(22) 및 반사(24)된다. 대향 접촉면(26)으로부터 반사되면, 반사광(24)는 대향 접촉변(26)상으로 입사하는 굴절광(20)에 대해 π라디안(Radian)의 위상 전이(phase shift)가 일어난다. 대향 접촉면(26)에서의 반사된 광(24)는 다시 입사 접촉면(16)에서 굴절 및 반사한다. 입사 접촉면(16)에서 유전체(10)을 빠져 나오는 굴절광이 도1에서 참조번호(28)로 표시되어 있다.
유전체층(10)의 두께(12)가 λ/4이고 대향 접촉면(26)에서의 반사에 따른 위상 전이가λ/2이므로, 입사 접촉면(16)에서 굴절광(28) 및 반사광(18)은 위상이 보강된다. 이것은 유전체층(10)의 반사율을 증가시킨다. 본 발명의 다층 미러는 하나의 모드에서 반사를 최대화하기 위해 상기 원리를 사용하는 반사 디스플레이를 제공한다.
종래의 디스플레이는 몇가지 원하는 특성들을 동시에 제공하지 못한다. 휴대용 컴퓨터 산업이 직면하고 있는 주요한 문제 중의 하나는 다음과 같은 특성들 즉, 고해상도(high resolution), 상대적으로 넓은 시야각(viewing angle), 및 저전력 소비 특성들을 갖는 디스플레이를 필요로 한다는 점이다. 종래의 디스플레이는 이들 특성들 중의 단지 하나만을 최적화할 수 있는데, 그 이유는 하나의 특성을 최적화하면 일반적으로 나머지 다른 특성들이 열화(degradation;劣化)되기 때문이다.
기존의 해결 방법들은 이들 특성들을 개별적으로 다루고 있다. 예를 들어, 어떤 디스플레이 기술은 레이저 프린터의 해상도에 필적하는, 예를 들어 80㎛피치(pitch)의, 높은 해상도를 갖는 디스플레이에 대한 가능성을 제시한다. 또 다른 디스플레이들은±45°까지의 넓은 시야각을 갖는다. 또한 예를 들어 1와트(watt) 미만의 저전력을 소비하는 디스플레이들도 있다. 그러나, 이들 세가지 요건 모두를 동시에 집합적으로(collectively) 만족시키기 위한 노력은 성공하지 못했다. 더구나, 종래의 디스플레이들은 반사율과 콘트라스트(contrast)를 증가시키기 위해 편광자(polarizer) 및 백라이트(backlight)를 필요로 한다.
종래 디스플레이의 하나는 고분자 안정 콜레스테릭 조직(polymer stabilized cholesteric texture;PSCT)구조를 사용한다. PSCT 디스플레이는 전압에 응답하여 반사 상태 및 투과 상태 사이에서 전기적으로 스위치된다. 반사 상태에서는 광이 파장 대역(band)에 걸쳐 브래그(Bragg) 반사에 의해 반사된다. 투과 상태에서는 광이 전방 산란(forward-scatter)된다. PSCT 디스플레이는 스위칭 전압이 높다는 등의 많은 단점을 갖는다. 예를 들어, 3개층이 적층된 PSCT 미러는 100볼트가 넘는 스위칭 전압을 갖는다. 또한, 상기 적층 내의 각 층은 광의 하나의 편파에 대해서만 동작하여 좌선 원평파광 또는 우선 원편파광(left-handed or right-handed circular polarized light)중 하나만을 반사시킨다. 따라서, 각 컬러(color)에 대해 2개의 층이 필요하다. 이것은 RSCT 디스플레이의 두께 및 비용을 증가시킨다. PSCT 디스플레이는 또한 스위칭 속도가 느리며, 따라서 영상(video)속도를 구현하기 위해서는 복잡한 액티브 매트릭스(active matrix)회로가 필요하다.
또 다른 종래의 디스플레이들은 전기적으로 스위칭 가능한 홀로그램을 사용하는데, 이 경우 컬러-선택(color-selective)미러는 단량체/비반응성 네마틱(monomer/non-reactive nematic)시스템의 광중합/상 분리(photo-polymerization/phase-separation)에 의해 제조되거나 또는 나중에 네마택 물질로 채워질(back-fill ed)질수 있는 공기 틈새(void)를 포함하는 홀로그램을 만들어내는 모노머 시스템의 광중합에 의해 제조된다. 이러한 화학 반응, 고분자 분산 액정(polymer dispersed liquid crystal; PDLC)물질을 만들기 위해 사용되는 화학 반응과 비슷하다. 홀로그래픽 디스플레이의 네마틱 영역은 회절이 일어나고 홀로그램이 작동하는(functional)상태인 굴절률이 일치되지 않은 상태로부터, 디스플레이가 비산란(non-scattering)되고 투명상 상태인 굴절률이 일치되는 상태로, 전기적으로 스위칭된다. 홀로그래픽 디스플레이의 단점은 대역폭(bandwidth)과 시야각이 충분히 넓지 못하며, 반사 효율이 낮고, 시야각에 대한 파장의 의존도가 상당히 높다는 점이다. 또한, 홀로그램 디스플레이를 스위치시키기 위해서는 컬러마다 약 100볼트가 필요하다.
따라서, 종래의 디스플레이들은 고해상도, 넓은 시야각 및 저전력 소비를 동시에 갖추지 못하고 있다. 종래 디스플레이들은 두께가 두껍고, 높은 전압에서 동작하며, 스위칭 속도가 느리고 파장 대역이 좁으며, 복잡한 스위칭 매트릭스 회로를 필요로 한다.
고해상도, 넓은 시야각 및 저전력 소비가 동시에 달성될 경우 배터리로 동작되는 휴대용 컴퓨터 및 디스플레이를 갖는 기타 장치들의 광범위한 사용이 크게 증가될 것이다.
본 발명의 목적은 종래 디스플레이들의 문제점을 제거한 전광(electro-optical)장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 고해상도를 가지며, 전련 소비가 적고 또한 넓은 시야각을 갖는 전광 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 비교적 두께가 얇고, 백라이트 또는 편광자가 없이도 적절하게 동작되며 또한 높은 반사율 및 콘트라스트를 갖는 전광 장치를 제공하는 것이다.
제1도는 광(light)에 대해 종래 유전체층의 영향을 도시한 도면.
제2도는 본 발명에 따른 가변 굴절률 분포 미러의 하나의 실시예를 도시한 도면.
제3a도 및 제3b도는 본 발명에 따른 서로 적층된 제2도의 가변 굴절률 분포 미러 3개를 사용한 또다른 실시예를 도시한 도면.
제4도는 본 발명에 따른 제2도의 가변 굴절률 분포 미러의 반사율이 변하는 효과를 예시한 수직 입사광에서의 반사율 대 파장의 그래프.
제5도는 본 발명에 따른 도2의 가변 굴절률 분포 미러 상에 입사한 광 편파(light polarization)효과를 예시한 40°입사광에서으 반사율 대 파장의 그래프.
제6도는 본 발명에 따른 제2도의 가변 굴절률 분포 미러 상에 입사한 40°p-편파된(p-polarized)광의 반사율 대 파장을 예시한 그래프.
제7도는 본 발명에 따른 가변 굴절률 분포 미러의 굴절률을 테스트하기 우하여 액정으로 채워진 테스트 구조를 도시한 도면.
제8도는 본 발명에 따른 제7도의 테스트 구조에 대한 전압 인가 효과를 예시하는 수직 입사광에서의 반사율 대 파장의 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100, 170 : 미러 105, 105a, 105b, 105c : 적층(stack)
115, 115a, 115b, 115c, 120, 120a, 120b, 120c : 전극 125 : 하부면
130 : 상부면 135 : 유전체
140 : 광학적 이방성 물질 145 : 신호원
150, 152 : 터미널 155 : 드라이버(driver)
155a, 155b, 155c : 제어회로 160 : 3중 적층(triple stack)
300 : 테스트 미러(test mirror)
본 발명은 투명 상태 및 반사 상태 사이에서 가변성을 갖는 전광 장치를 제공함으로써 본 발명의 상기 목적 및 기타 목적을 달성한다. 본 발명의 전광 장치는 가변 굴절률 분포 미러 또는 디스플레이다. 투명한 상태에서는, 광이 상기 전광 장치를 통과하여 흡수된다. 따라서, 투명한 상태에서는 어둡게 보인다.
본 발명의 가변 굴절률 분포 미러는 실질적으로 투명한 상태와 반사 상태 사이에서 전기적으로 변화할 수 있다. 상기 본 발명의 미러는 고정 굴절률을 갖는 제1물질과 가변 굴절률을 갖는 제2물질이 교대하는 층들로 이루어진 적층을 포함한다. 상기 제2물질은 전기 광학적으로 액티브(electro-optically active)한 물질이다. 교대하는 층들은 실질적으로 투명한 한쌍의 전도 전극 사이에 위치된다.
가변 굴절률은 투명한 상태에서는 고정 굴절률과 거의 동일하고 반사 상태에서는 고정 굴절률과 상이한다. 가변 굴럴률은 전극들을 가로질러 인가된 신호에 응답하여 변한다. 상기 신호는 제어회로 또는 드라이버(driver)를 통해 전극을 가로지르는 신호를 인가하는 신호원(signal source)에 의해 제공된다. 드라이버는 기판 상에 형성될 수 있으며 미러 적층(mirror stack)은 그 드라이버 상에 형성될 수 있다. 미러적층은 단색 컬러 화소(pixel)를 형성하기 위하여 특정 컬러에 동조(tune)된다. 가변 굴절률 분포 미러들의 매트릭스 또는 어레이는 하나의 디스플레이를 형성한다.
본 발명의 전광 장치의 또 다른 실시예에 있어서, 컬러 화소 및 디스플레이는 3개의 미러를 수직으로 적층하고 개별적으로 구동함으로써 실현된다. 3개의 미러는 예를 들어 적색(red), 녹색(green) 및 청색(blue)에 각각 동조된다. 흑백의 단색 디스플레이의 경우에는, 3개의 미러가 집합적(collectively)으로 구동된다.
교대하는 층들이 λ/4에 해당하는 두께를 갖도록 함으로써 미러는 특정 컬러에 동조되는데, 여기서 λ는 그 특정 컬러를 갖는 광의 파장이다. 미러의 파장 대역을 증가시키기 위해서는 상기 교대하는 층들의 두께가 λ/4에서 점진적으로 변할 수 있다.
고정 굴절률을 갖는 물질은, 예를 들어 산화물, 질화물, 무기 유전체(inorganic dielectric)또는 유기 고분자(organic polymer)이다. 가변 굴절률을 갖는 전기광학적으로 액티브한 물질은 네마틱 액정(nematic liquid crystal; NLC)과 같은 액정이 될 수 있다. 네마틱 액정(NLC)은 양의 유전체 이방성(positive dielectric anisotropy)를 가질 수 있다. 이러한 경우, 미러는 전계가 인가된 필드-온(field-on)상태에서 투명하며, 여기서 전계는 한쌍의 전극들을 가로질러 인가된다.
신호가 없는 경우, 즉 전계가 인가되지 않은 필드-오프(field-off)상태에서는, 양의 이방성 네마틱 액정은 층의 평면에 나란한 상태로 랜덤하게(randomly)배열된 분자축을 가질 수 있다. 상기 층의 평면은 교대하는 층들 사이의 경계면 또는 접촉면의 평면이다. 상기 분타축은 디렉터(derector)라고도 한다. 또 다른 방법으로는, 디렉터는 층의 평면에 나란한 상태로 일정하게 배열될 수도 있다. 이 경우는, 디렉터는 연속적인 네마틱 액정층들 각각에 대해 예를 들어 90°만큼 회전될 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 네마틱 액정은 음의 유전체 이방성(negative dielectric anisotropy)을 가질 수도 있으며 호메오트로픽하게(homeotropically)배열된다. 이러한 실시예에 있어서, 전계가 인가되지 않은, 필드-오프 상태에서는 미러가 투명하다. 이것은 디렉터가 층 평면에 수직으로 배열되기 때문이다.
본 발명의 전광 장치는 종래의 디스플레이에서는 동시에 달성될 수 없었던 많은 바람직한 특성들을 갖는다. 본 발명의 전광 장치는 적절한 동작을 하기 위해 필요한 백라이트와 편광자를 사용할 필요가 없다. 본 발명의 장치는 저전력을 소비하며, 저전압에서 동작하고, 빠른 응답시간과 넓은 파장 대역을 가지며, 비교적 두께가 얇다. 얇은 두께를 갖는 본 발명의 장치는 고해상도의 반사 디스플레이로 사용하기에 적합하다. 또한 본 발명의 전광 장치는 넓은 시야각을 갖는다. 본 발명 전광 장치는 높은 해상도, 반사율 및 콘트라스트를 갖는다.
높은 해상도, 저전력 소비 및 넓은 시야각을 동시에 요구하는 전광 장치에 사용될 수 있는 기술은 제한되어 있다. 기술적 제한 사항의 예시는 다음과 같다.
1. 저전력 소비 요건은 백라이트를 사용하거나 또는 어떠한 방출 디스플레이(emissive display)기술을 사용하는 것을 배제한다. 따라서, 본 발명 디스플레이는 반사 디스플레이이다.
2. 통상의 주변 광(ambient light)내에서 만족스러운 표시(appearance)를 달성하기 위해서 본 발명의 반사 디스플레이는 최소한 60%의 반사율을 갖는다 이것은 최대 유효 반사율이 40%에 불과한 편광자를 사용해야 하는 시스템을 배제한다.
3. 감산 필터(subtractive filter)를 사용하여 컬러를 실현하는 경우에는 반사율이 약 30%로 제한된다. 따라서, 본 발명의 디스플레이에서는 적색, 녹색, 및 청색 영역의 스텍트럼 상에서 연속적으로 동작함으로써 컬러가 실현된다.
도2에는 본 발명에 따른 가변 굴절률 분포 미러(100)를 갖는 전광 디스플레이의 하나의 실시예가 도시되어 있다. 미러(100)은 단색 컬러 화소용으로 사용된다. 어레이 또는 매트릭스 내에 배열된 많은 수의 미러들(100)은 하나의 단색 컬러 디스플레이를 형성한다.
미러(100)은 고정 굴절률 및 가변 굴절률을 갖는 물질의 교대하는 충들로 된 적층(105)를 갖는다. 적층(105)는 기판(110)상에 위치되는데, 이 기판(110)은 유기 기판 또는 실리콘 기판일 수 있다. 실질적으로 투명한 하나의 전도 전극(120)이 적층(105)의 상부면(130)에 위치된다. 실질적으로 광을 흡수하는 제 2도 전도 전극(115)는 적층 (105)의 하부면(125)에 위치된다. 투명 상태에서는, 광이 적층(105)를 통과하여 흡수된다. 따라서, 투명 상태는 어둡게 보인다. 또 다른 방법으로는, 하부 전극(115)가 불투명하게 될 수도 있다.
2개의 전극(115) 및 (120)사이에는 2개의 물질이 서로의 상부에서 교대로 적층된다. 하나의 물질은 고정 굴절률 ndielectric을 갖는 유전체(135)이다. 유전체(135)는 등방성(isotropic)이 될 수 있으며 따라서 그 유전체의 굴절률은 입사광의 방향과는 무관하다. 등방성 유전체는 광에 미치는 영향이 모든 방향에서 동일하다. 또 다른 물질은 광학적으로 이방성인 물질(140)로 이 이방성 물질(140)은 2분자축에 각 각수령 및 수직한 굴절률 nll, nㅗ를 갖는다. 나아가, 이방성 물질(140)의 분자배양(onientation) 및 그에 따른 유효굴절률 neff가 전계에 응답하여 변한다. 예를 들어, 광학적으로 이방성인 유동물질(Mobile mafenial)은 액점, 바람직하게는 네마틱 액정이다.
적층(105)에는 터미널(150) 및 (152)를 통해 전극(115) 및 (120)에 접속된 신호원(145)에 의해 발생되는 전계가 인가되어 있다. 예를 들어, 신호원(145)는 교류(AC) 신호를 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 신호는 사인파(sinusoid)형, 톱니(sawtooth)형, 램프(ramp)형, 펄스형 신호 또는 기타 다른 형태의 신호가 될 수 있다.
제어 회로는 드라이버(155)는 전극(115) 및 (120)을 가로지르는 신호의 인가를 제어한다. 예를 들어, 드라이버(155)는 기판(110) 및 하부 전극(115)사이에 형성된 박막 트랜지스터(TFT)이다. 따라서, 신호원(145)에 의해 제공된 신호는 드라이버(155)를 통해 하부 전극(115)에 인가된다. 드라이버(155)는 신호의 세기를 점진적으로 변화시킨다. 이에 따라 유효 굴절률 neff가 점진적으로 변화되고 그 결과 미러(100)의 반사율이 점진적으로 변한다.
서로 교대하는 물질(135) 및 (140)은 유전체(135)의 제1층이 하부 전극(115)상에 위치되고, 상기 하부 전극(115)는 기판(110)상에 위치되도록 배열된다. 광학적으로 액티브한 제1층(140)은“주기(period)”라고 지칭되는 한 쌍의 층을 형성하기 위해 제1유전체층(135)상에 위치된다. 예를 들어, 상기 적층은 17주기를 갖는 적층이다. 적층(105)의 상부에 있는 마지막 층은 광학적으로 액티브한 물질(140)으로 형성된다. 이러한 광학적으로 액티브한 최상부층(140)은 상부 투명 전극(120)으로 덮혀있다. 또 다른 방법으로는, 다수의 교대하는 층(135) 및 (140)은 그 수가 일치할 필요는 없으며, 또한 제1층을 형성하는 물질은 적층(105)의 마지막 층을 형성하는 물질과 같은 물질일 수도 있다. 적층(105)의 상부면(130)은 공기중에 노출되거나 또는, 예를 들어 유리와 같은, 고체 상태의 투명 기판에 노출되어 있다. 상부 전극(120)과, 예를 들어 유리 또는 공기와 같은 매질 사이의 접촉면에서의 반사는 전계에 의해 변화될 수 없기 때문에, 상부 전극(120)의 굴절률과 그 상부 전극 위에 매질의 굴절률이 실질적으로 일치된다는 것이 장점이다. 이것은 상기 2개의 굴절률 간의 차이를 최소화한다. 이러한 사실은 상부 전극(120)의 굴절률과 그 상부 전극 바로 밑에 있는 층의 굴절률에도 동일하게 적용된다. 즉, 상부 전극(120)의 굴절률과 그 상부전극 바로 밑에 있는 층의 굴절률 간의 차이가 최소화된다.
적층(105)는 유전체층(135)와 희생물질(sacrificial material)(도시되지 않음)층을 교대로 쌓음으로써 형성될 수 있다. 희생층(sacrificial layer)은 유전체층(135)사이에서 틈(opening)또는 틈새(void)를 만들기 위해 선택적으로 에칭된다. 그 후 틈새는 액정(140)으롤 채워진다. 희생층을 에칭한 후에 액정(140)은 모세관 작용에 의해 미러(100)내로 스며들어간다. 물론, 유전체층(135)사이의 틈새를 지지하기 위해서는 지지체가 필요하다. 이들 지지체는 또한 전극층(115) 및 (120)에 전기 접속을 제공하기 위기 위한 비아(via)로 작용할 수 있다. 마지막으로, 액정(140)을 담기 위해 덮개가 사용된다.
적층(105)의 반사율을 증가시키기 위해 각 층은 λ/4의 두께를 가지며, 여기서 λ는 특정한 컬러를 갖는 광의 파장으로 400㎚내지 800㎚이다. 이 경우, λ/4를 갖는 각층의 두께는 100㎚내지 200㎚이다. 두께가 λ/4인 층들을 갖는 적층은 반-공명(anti-resonant)적층이라고도 한다. 반-공명 적층은 일반적으로 이러한 λ/4에 해당하는 점(quarter wave point)주위에서 넓은 반사율 범위 또는 대역폭을 갖는다.
이러한 높은 반사율 범위를 갖는 파장 범위 및 반사율의 크기는 2개의 물질(135) 및 (140)의 굴절률에 의존한다. 반사율의 크기는 또한 적층내의 주기의 수 또는 여러 층의 쌍의 수에 의존한다.
파장 범위(Δλ), 즉 최대 강도의 절반에서의 반사 피크의 전체폭(full width of the reflection peak at half the maximum intensity;FWHM)은 근사적으로는 다음식으로 주어진다.
Δλ/λ = (4/π)sin-1(nH-nL/nH+nL) (1)
상기식에서 nL은 유전체(130)의 굴절률이다. nH는 전광 물질(140)의 굴절률인데 그 값이 변한다.
공기중에서 nS의 굴절률을 갖는 기판(110)상에서, P주기의 최대 반사율 크기R이 아래의 식(2)에 의해 주어진다.
R =〔1-(nH/nL)2P(nH 2/NS)/1+(nH/nL)2P(nH 2/nS)〕2(2)
가능한 최대의 반사율을 얻기 위해서는 굴절률에 있어서 최대 불연속(discontinuity)이 유지된다. 이것은 적층(105)가 최상부의(highest)굴절률층으로 끝나도록 함으로써 얻어진다. 예를 들어, 적층 상부(130)에 있는 층은 유전체(135)의 고정 굴절률 nL보다 큰 가변 굴절률 nH를 갖는 광학적으로 액티브한 물질(140)이다. 이렇게 하면 적층(105)의 적층 상부(130)위에 있는, 예를 들어 공기와 같은 물질과, 최상부층(140)사이의 최대의 굴절률 불연속이 생긴다.
가변 굴절률 분산 미러(100)은 투명 상태와 점진적으로 반사하는 상태 사이에서 변할 수 있다. 2개의 전극(115)와(120)사이에 인가된 전계에 응답하여 변화 또는 스위칭이 일어난다. 미러(100)은 전체가 변함에 따라 주어진 범위에서 점진적으로 더욱 큰 반사 특성을 갖는다. 교대하는 층(135) 및 (140)의 굴절률 간의 차이를 증가시킴으로써 반사율이 증가된다.
하나의 실시예에 있어서, 미러(100)은 전계-오프 상태에서는 투명하다(즉, 반사율이 제로이다.). 전광 물직(140)의 전계-오프 상태 굴절률을 유전체 물질(135)의 고정 굴절률과 동일하게 함으로써 투명 상태가 달성된다. 미러(100)은 반사를 일으키는 미러 내부에서의 굴절률 불연속이 없기 때문에 투명하다. 후에 논의되는 바와 같이, 상기 전광 물질(140)은 음의 유전체 이방성(Δε〈0)을 가지며 호메오트로픽하게 배역된 네마택 액정일 수 있다.
전계-온 상태에서, 미러(100)은 반사특성을 갖는다. 미러(100)은 전계가 증가함에 따라 주어진 파장에서 점진적으로 더욱 큰 반사 특성을 갖는다. 미러(100)이 더욱 큰 반사 특성을 갖는 이유는, 전계가 증가되면 액정(140)의 굴절률이 증가되고 따라서 2개의 물질(135) 및 (140)의 굴절률의 불일치가 증가되기 때문이다.
예를 들어, 적층(105)내의 모든 층들이 동일한 파장에 대해λ/4의 두께를 가질 때, 각각 0.15내지 0.3의 굴절률 범위에 대해 약 33㎚ 내지 60㎚의 반사 대역폭이 얻어진다. 파장λ는 원하는 배경색을 달성하도록 선택된다. 이 경우, 미러(100)은 단색의 화소를 형성하고, 이러한 미러9100)들의 매트릭스는 단색 디스플레이를 형성한다.
많은 디스플레이들은 상기 식(1)로부터 계산된 것보다 더 큰 반사 파장 대역폭을 필요로 한다. 더 넓은 반사 대역폭을 얻기 위해 하나의 쌍(또는 주기)를 형성하는 λ/4두께를 갖는 2개의 층(135) 및 (140)의 두께는 쌍마다 점진적으로 변한다. 이것은 동일한 두께로 된 층들을 갖는 모든 쌍들을 대신한다. 점진적으로 더 두꺼운 층들을 갖는 미러는 점진적으로 더 두꺼운 쌍들 각각이 서로 다른 파장 λ에 동조되기 때문에 디스플레이 동작을 향상시킨다. 점진적으로 더 두꺼운 쌍들을 갖는 미러는 대역폭이 증가되며 필요한 대역폭 전체에 걸쳐 동작한다. 또한, 서로 다른 두께를 갖는 쌍들은 후술된 오프-노말(off-normal)효과를 최소화하는데, 그 이유는 적층 내의 단 한쌍의 층들만이 원하는 파장 대역의 단부(edge)에서 동작하기 때문이다.
도3a 및 3b에 도시된 또 다른 실시예들에 있어서, 몇 개의 적층(105)가 하나의 미러를 형성하기 위해 서로 윗방향으로 적층된다. 명확한 이해를 위해, 서로 교대하는 고정 및 가변 굴절률 층들(도 2에 도시됨)(135) 및 (140)은 도3a 및 도3b에서는 생략되어있다. 예를 들어 3개의 적층(105a), (105b), 및 (105c)는 3중(triple)적층(160)을 형성한다.
도3a는 컬러 화소를 제공하는 미러(170)을 도시하고 있으며, 이 컬러 화소에 어레이가 컬러 디스플레이를 형성한다. 각각의 적층(105a), (105b), 및 (105c)는 가시광 스펙트럼의 서로 다른 영역에 걸쳐 있는 반사율 범위를 갖는다. 예를 들어, 3개의 적층 (105a), (105b), 및 (105c)의 반사 범위는, 적색, 녹색, 청색의 색과 각각 관련되어 있다. 이것은 적층 (105a), (105b), 및 (105c)에 대해 서로 다른 층 두께인 λ/4를 갖도록 함으로써 달성되는데, 여기서 파장λ의 값이 컬러에 결정된다.
또한, 적층 (105a), (105b), 및 (105c)각각은 그 자신의 제어회로 (155a), (155b), 및 (155c)를 이용하여 개별적으로 어드레스된다. 제어회로 (155a), (155b), 및 (155c)는 신호원(145)에 집합적으로 접속되는 하나의 단부(end)와 적층(105a), (105b), 및 (105c)의 각 전극에 개별적으로 접속되는 또 다른 단부를 갖는다. 예를 들어, 제어회로 (155a), (155b), 및 (155c)는 전극 (120a), (120b), 및 (120c)각각에 접속된다. 다른 전극 (115a), (115b), 및 (115c)는 신호원(145)에 접속된다. 적색, 녹색, 및 청색 컬러에 동조된 적층 (105a), (105b), 및 (105c)의 투명도/반사율을 개별적으로 제어함으로써, 원하는 컬러가 얻어진다.
도3b는 흑백 단색 화소를 형성하는 미러(180)을 도시하고 있다. 이러한 화소들의 어레이는 흑백 단색 디스플레이를 형성한다. 미러(180)은 적층 (105a), (105b), 및 (105c) 각각의 투명 전극들 (115a), (115b), (115c)와 (120a), (120b), (120c)가 단일 유닛으로서 어드레스된다는 점을 제외하고는 도 3a의 미러(170)과 유사하다. 이것은 3개의 적층 (105a), (105b), 및 (105c) 모두에 대해 단일 제어회로(155)를 갖도록 함으로써 달성될 수 있다. 또 다른 방법으로는, 개별적인 제어회로 또는 드라이버들이 단일의 집합적 제어회로를 형성하기 위해 함께 축소될 수 있다. 3개의 컬러에 동조된 적층 (105a), (105b), 및 (105c)를 집합적으로 제어하여 컬러 성분들을 연속적으로 더해 혼합 백색광을 형성한다. 이렇게 하여 미러(180)은 흑백 단색 화소가 된다.
도2로 다시 돌아가서, 유전체(135)는 예를 들어 1.55의 고정 굴절률(ndielectric=1.55)를 갖도록 선택되며 산화물 또는 질화물과 같은 무기 유전체 물질이 될 수 있다. 또 다른 방법으로는, 유전체(110)은 아크릴과 같은 유기 고분자 박막이다.
광학적으로 액티브한 물질(140)은 굴절률이 1.55와 1.95사이에서 변하는 조절가능한 굴절률을 가질 수 있다. 예를 들어, 비선형 광학적 물질(140)으로 액정이 사용되는데, 그 이유는 그 액정의 전압 의존적 배향성으로 인하여 작은 전압변화에 대해서도 예를 들어 1내지 2의 큰 굴절률 변화를 발생시키기 때문이다. 바람직하게는, 광학적으로 액티브한 물질(140)은 내마틱 액정이다.
네마틱 액정은 단출(uniaxial)대칭을 갖는데 여기서 분자의 장축은 디렉터(director)라고도 한다. 디렉터는 전계에 응답하여 층 평면에 수평한 상태 및 수직한 상태 사이의 배향을 변화시킨다. 층 평면은 액정이 형성되는 평면, 즉 고정 및 가변 굴절률 물질(135) 및 (140)사이의 경계면 또는 접촉면의 평면을 나타낸다. 디렉터의 배향 변화는 액정의 굴절률을 변화시킨다.
디렉터에 수직한 방향에서의 굴절률을 n수직(nㅗ)으로 표시된다. 이와 유사하게, 디렉터에 수평한 방향에서의 굴절률을으로 표시된다. 예를 들어, 네마틱 액정의 nㅗ는 1.55이고,은 1.75내지 1.95범위를 갖는다. 미러(100)은 네마틱 액정(140)의 수직 방향 굴절률인 nㅗ이 고정 유전체 굴절률인 ndielectric와 동일할 때, 즉 ndielectric=nㅗ=1.55일 때 투명하다.
양의 유전체 이방성(Δε〉0)을 갖는 네마틱에 대해, 인가된 전압이 없는(전계-오프상태인)경루 디렉터는 층 평면에 평행하다. 그러나, 전계가 인가된(전계-온상태인) 경우에는 디렉터가 층 평면에 수직으로 배향된다. 이러한 네마틱을 이용하는 실시예에 있어서, 미러(100)은 전계-온상태에서 투명상태가 되는데, 여기서 네마틱의 전계-온 굴절률은 nㅗ이다.
또 다른 실시예는 음의 유전체 이방성(Δε〈0)을 가지며 호메오트로픽하게 배열된, 즉 층 평면에 수직한 디렉터를 갖도록 배열된 네마틱을 사용한다. 이러한 네마틱의 전계-오프 굴절률은 nㅗ이다. 이러한 실시예에 있어서, 굴절률이 일치된 또는 투과(transmissive)상태는 전계-오프 상태이다. 따라서, 인가 전압이 없는 경우, 층(135) 및 (140)의 굴절률이 일치하며, 굴절률 불연속이 존재하지 않는다. 적층의 굴절률이 일치되면 미러는 제로 반사율을 갖는다 액정층(140)의 굴절률이 전계를 인가함으로써 변하면, 미러(100)은 특정 파장λ의 범위에서 더 큰 반사특성을 가지게 되는데, 여기서 층들은 약 λ/4의 두께를 갖는다.
미러(100)의 반사율 변화가 도4에 도시되어 있는데 도4는 수직 입사광에서의 반사율 대 파장의 그래프이다. 도 4는 네마틱(140)의 수평 굴절률인 n11을 1.75에서 1.95까지 변화시킬 때의 효과를 예시한 것이다. 도 4는 17주기를 갖는 적층에 대한 것으로, 여기서 적층(105)상에 입사하는 광은 적층 상부면(130)에 대해 수직이다. 이러한 경우를 수직 입사라 한다. 도4와 관련하여 사용된 유전체(135)의 굴절률 및 네마틱의 전계-오프 굴절률nㅗ은 1.55이다.(즉,ndielectric=nㅗ=1.55이다)
곡선(200) 및 (210)은 수평 굴절률 n11이 각각 1.75 및 1.95인 서로 다른 2개의 네마틱(140)에 대해 계산된 반사율이다. 약 500㎚내지 550㎚사이의 반사율이 높다는 점으로부터 높은 반사율 및 콘트라스트가 얻어짐을 알 수 있다. 도 4의 곡선(200) 및 (210)을 산출하는 계산을 하기 위해 적층의 양쪽 측면을 두꺼운 유전체층으로 둘러싼다. 물론, 유전체(135)와 네마틱(140)의 굴절률이 같은(ndielectric=nㅗ=1.55) 경우, 즉 전계가 인가되지 않은 경우, 반사율은 제로이며 미러는 투명하다.
만일 중심 파장이 주요 컬러 중의 하나에 일치하게 되면, 디스플레이 또는 미러(100)은 수직 굴절률 nㅗ이 증가됨에 따라 그 특정된 컬러에서 더 높은 반사율을 나타낸다. 이것은 도 4에 도시되어 있는데, 도 4에는 수직축 상에 도시된 반사율의 크기가 곡선(210)(n11=1.95)의 경우에 더 크다. 이것은 곡선(210)이 곡선(200)(n11=1.75)보다 수평 굴절률 n11이 더 커서, 그 결과 고정 유전체 굴절률(ndiedlectric=1.55)에 비해 더 큰 굴절률 불연속을 갖기 때문이다.
도4에서 알 수 있는 바와 같이, 네마틱(140)의 수평 굴절률 n11이1.75에서 1.95로 증가됨에 따라 더 긴 파장쪽으로 약간의 전이가 발생한다. 세기(intensity)에 따른 컬러에 있어서의 이러한 파장의 전이 또는 변화는 제 2계 차수 효과(second order effect)이며, 적층의 설계시에 보상될 수 있다.
전계의 변화 이와의 요소들도 또한 네마틱의 유효 굴절률 neff의 값에 영향을 미친다. 이들 요소들은 또한 미러(100)의 반사율에도 영향을 미친다. 네마틱 액정의 유효 굴절률은 다음의 함수이다.
1. 디렉터와 입사 평면 사이의각Ø;
2. 층 내에서의 광 전파각(傳播角;propagation angle)Ψ; 및
3. 네마틱 디렉터와 그 시평균(time-averaged) 방향 사이의 평균 순간각을 나타내는 차수 파라미터(order parameter)S
다음의 논의는 양의 유전체 이방성을(Δε〉0) 갖는 네마틱에 적용되지만, 음의 유전체 이방성(Δε〈0)을 갖는 네마틱에도 또한 적용될 수 있다는 것이 이해될수 있을 것이다.
양의 유전체 이방성(Δε〉0)을 갖는 네마틱의 경우, Φ 및 φ의 모든 값에 대한 굴절률 n의 평균값이 식(3)내지 (6)을 이용하여 계산된다. 이것은 1981년 Mo.Cryst.Liq.Cryst. 제 66권 제 309-318페이지에 실린 에이.씨.로웨(A.C.Lowe) 및 알.티. 콕스(R.T.Cox)의 논문 Order Parameter and the Performance of Nematic Guest-Host Displays에 기술된 방법과 유사하다. 단순화하기 위하여, 네마틱이 완전차주(S=1)을 갖는다고 가정한다.
전계-오프 조건
p평면과 s평면 내에서 전개한 평균 전계-오프 굴절률에 대한 표현은 다음과 같다;
여기서 nㅗ은 네마틱 굴절률의 수직성분이고;은 네마틱 굴절률의 수평성분이며; ø은 입사각이고 ψ는 입사평면이다.
따라서, 다음 식이 얻어진다.
네마틱에 대해서는 2개지 가능한 구조가 존재한다. 첫 번째 구조에 있어서, 네마틱 디렉터의 배역이 적층 내의 각 네마틱층에 대한 내측 평면(in-plane)에서 램덤한다. 식(3)내지 (6)은 이러한조건과 관련된다.
제 2네마틱 액정(NCL)의 구조는 균일한 내측 평면 배열을 사용하는데, 여기서 배열방향은 적층 내의 각 연속 네마틱층에 대해 90°만큼 회전된다.
이러한 제 2네마틱 액정 구조의 장점 중의 하나는 비틀림 네마틱 액정(twisted nematic liquid crystal;TNLC)디스플레이에서 요구되는 만큼의 배열의 균일성을 요하지 않는다는 점이다.
전계-온 조건
전계-온 조건에 있어서, 네마틱은 층 평면여 수직으로 배향되어 있으며, 다음식이 유도된다.
전계-오프 상태에서는, 식(5) 및 (6)에서 알수 있는 바와같이, 만일 유전율이이면 ø=0에대한 p-편파광 및 s-편파광은 반사되지 않는다. 그러나, 식(6)에서 알수 있는 바와 같이, p-편파광은 ø값이 제로가 아닌 오프-노말(off-normal)입사에 대해서는 반사하며, 따라서는의 유전율 값과 동일하지 않다.
내측평면에서 랜덤과 네마틱 액정의 제 1구조에 있어서, 도메인(domain)은 네마틱 액정 배열이 실질적으로 일방향인(unidirectional)영역으로 정의된다 제 2네마틱 액정 구조에 있어서, 적층 내의 각 층이 본질적으로 하나의 도메인이 된다. 전계-오프 상태에서의 오프-노말 입사의 경우, 몇 개의 도메인들은 다른 도메인들에 비해 더 높은 반사 특성을 갖는다. 이것은 도메인과 도메인 간에 입사 평면ψ(식(3)및(4))의 유효 변화의 결과이다. 최대의 디스플레이 콘트라스트를 얻기 위해서, 반사 상태의반사율을 최대화하는 것보다 투과 상태의 반사율을 최소화하는 것이 더 중요하다.
전계-오프 상태와는 반대로, 전계-온 상태는 균일하고 도메인이 없다.(domain-free). 이것은 모든 분자가 호메오트로픽 배향 내에서 균일하게 배열하기 때문이다. 따라서, 양의 유전체 이방성(Δε〉0)을 갖는네마틱에 대한 전계-온상태는 최적의 투과 상태를 제공하는데, 여기서 고체 상태 유전체층의 굴절률은 ndielectric과 일치하는 nㅗ이 된다. 수직입사에서, 미러(100)은 편파와 무관(polanization independent)하나, 이것은 식(5) 및 (7)에서 ø=0로 함으로써 알수 있는데, 그 결과는 두 개의 편파에 대해 동일한 유효 굴절률 값, 즉 전계-오프 상태에서는, 그리고 전계-온 상태에서 nㅗ이 된다.
배열 또는 디렉터가 연속된 액정층 내에서 90°만큼 교대로 변할 때, 액정층의 절반만이과 동일한 굴절률을 갖는다. 나머지 절반의 액정층의 굴절률은 유전체 굴절률과 동일하다(즉,nㅗ=ndielectric이다). 각 배향에 대한 층의 수가 동일한 대칭적인 적층의 경우, 굴절률은 어느 편파에 대해서도 동일하다.
또 다른 방법으로는, 만일 광이 액정의 광축(optical axis)또는 디렉터를 따라 45°편파된 경우, 모든 액정층은 식(9)에서 보여지는 바와 같이 불일치된 굴절률을 갖는다.
식(9)는 식 (7)에서 ø=45°로 함으로써 유도된다.
만일 배열이 층들 내에서 램덤한 경우에는, 상당히 큰 적층에 대한 전계-오프/림덤한 상태에 대한 식(5)및(6)이나 또는 전계-온/배열된 상태에 대한 식(7) 및 (8)을 이용하여 동일한 결과를 부여하도록 층들 사이에서 램덤한 배열들의 균뷴(average out)된다는 가정이 유효하다.
다른 여러 오프-노말 입사각에서 ,p-편파광에 대한 유효 굴절률 및 그에 따른 반사율은 식(5) 및 (7)에 따르면 각에 따라 좌우된다. 그러나 ,s-편파광에 대해서는, 굴절률들이 일정하다.
도5는 40°입사에 대한 반사율 대 파장의 그래프이다. 도5는 ndielectric=nㅗ=1.55 및=1.95이고, 17주기(period)를 갖는 적층(105)에 대한 계산의 결과를 보여주고 있다. 도5에서 도시된 바와 같이, 40°입사에서는 반사율이 높게 유지되며, 따라서 넓은 반사율과 콘트라스트를 제공한다.
도4 및 도5에 모두에 나타난 곡선(210)은 수직 입사 또는 0°입사각에 대해 계산된 반사율을 보여주고 있다. 곡선(210)에 대한 최대 반사율은 520-525㎚의 파장에서 나타남에 유의하여야 한다. 곡선(210)을 곡선(240)과 비교하면 반사 범위가 청색(짧은 파장)으로 전이하는 것을 알수 있다. 또한, s-편파에 대한 반사율이 증가한다. 곡선(250)은 반사율이 감소하고 더 긴 파장으로(적색쪽으로) 전이가 일어나는 상기와는 반대현상이 p-편파에 대해 일어나는 것을 보여준다.
이러한 효과에 의해 컬러가 변화된다. 그러나, 편파되지 않은 광을 사용하는 정상 동작의 경우에는 이러한 효과는 제1계 차수까지 상쇄된다. 그 순결과(netresult)로 반사율 밴드(reflectivity band)가 넓어진다.
복굴절(birefringence)은 또한 전계-온 상태에서 디스플레이에 영향을 미치며, p-편파에 대한 완전한 투명을 방해한다. 적층(105)를 통과하여 적층을 투명하게 하는 대신, p-편파된 오프-노말 광은 적층(105)에서 반사된다. 도6은 전계-온 조건에서 p-편파된 40°입사에 대해 반사율 대 파장의 그래프이다. 도6은 원하지 않는 p-편파 반사율을 예시하고 있다.
수직으로부터 멀어지는 각도에서, 등방성 유전체는 동일한 반사율을 유지하는 반면, p-편파광에 대한 굴절율을 액정(140)내에서 변한다. 곡선(260)은 도4및 도5의 곡선(210)과 동일한 파라미터를 사용하여 p-편파광에 대한 계산된 기생 반사율(parasitic reflectivity)를 보여주고 있다. 도5에서 도시된 곡선(250)에서는 약 570㎚에서 최대 반사율을 갖는데 비해 곡선(260)에서는 파장이 550㎚에서 최대 반사율을 갖는다는 점이 주목할 만하다. 이것은 광축을 벗어난 오프-축(off-axis)시야에서의 반사율을 약간 제한하며 또한 컬러를 왜곡시킨다. 물론, 적층은 s-편파에 대해 투명한 채로 남아 있다.
네마틱의 굴절률에 대해서는 서로 상반되는 요건들이 존재한다. 반면에 수동형 유전체층(passive dielectric layers)(135) 및 액정(140)모두에서의 높은 굴절률은 반사율의 각도 의존성을 감소시킨다.
한편, 주어진 굴절륭의 차Δn(여기서Δn=noff-non)에 대해서, 낮은 값을 갖는 굴절율들은 Δλ 및 적층의 반사율 모두를 증가시킨다. 그러나, 최대 디스플레이 콘트라스트의 경우, Δn이 최대인 것이 주된 요건이다. 대부분의 네마틱 물질들은이다. 따라서의 상한은 1.85-1.95범위내에 있다.
20주기를 갖는(즉,20개의 고정된 유전체층(135)와 20개의 가변 굴절률층(140)을 갖는)적층된 미러(100)을 스위칭 또는 변화시키는데 소비되는 전력은 500㎠의 면적을 갖는 하나의 전형적인 디스플레이 전체에 대해 약 0.01watt이다. 이러한 전력 소비는 2x10-5watt/㎠에 해당된다. 전력 소비 및 동작 전압이 낮은 이유는 백라이트가 필요하지 않으며 박막 트랜지스터(TFT)와 같은 저전압의 고체 상태 드라이버가 사용되기 때문이다. 본 발명의 미러는 반사 상태의 높은 반사율과 투명 상태 또는 비반사(non-reflective)상태의 낮은 반사율로 인해 콘트라스트 및 반사율을 증가시킨다.
본 발명은 이하의 예에서 더욱 상세히 기술된다. 그러나, 본 발명은 이러한 예에 제한되도록 해석되지 않는다는 점을 이해하여야 한다.
도7은 도2의 미러(100)을 단순화한 버전(version)인 테스트 미러(test mirror)(300)을 도시하고 있다. 테스트 미러(300)은 고정 굴절률을 갖는 유전체(135)의 층들 사이에 삽입된 단일층으로 된 전광 가변 굴절률을 갖는(액성)물질(140)을 갖는다. 테스트 미러가 만들어졌다. 가변 굴절률을 갖는(액정)물질의 두께는 170㎚이다. 비정질 실리콘 질화물(SiN)이 유전체 물질(135)로 사용되었다.
테스트 미러(300)은 n-형 도펀트(dopant)로 강하게 도프된(heavily doped) 실리콘 웨이퍼(110)상에서 만들어진다. 각각이 약 170㎚두께를 가지며 170㎚만큼 이격되어 있는 2개의 SiN층(135)는 기판9110)상에 형성된다. 광학적 및 전기-기계적인 측정 장치들이 SiN(135)의 2개의 층사이에 갭(gap)이 존재하는지를 확인하기 위해 사용된다. 매우 얇은 금속이 상부 전극(120)으로 사용된다. 예를 들어, 상부 전극(120)의 두께는 20㎚이며 금(Au)으로 만들어진다. SiN(135)의 2개의 층을 이격시키는 갭은 얇은 액정층(140)으로 채워진다.
도8은 인가된 교류 전계(3볼트의 피크대 피크 전압10㎐)을 사용하며 또한 10㎐의 인가된 전계의 주파수에서의 반사율 변화만을 검지하는 반사율 대 파장의 그래프가 도시되어 있다.
곡선(320)은㎚의 액정층이 650㎚와 700㎚ 사이의 파장 근처에서 최대 피크를 갖는 강력하고, 재생이 가능한 반사율 신호를 발생했음을 보여주고 있다. 최대 반사율 변화의 절대값은 670㎚에서 약 1%였다. 이러한 피크는 몇 개의 테스트 화소에 대해 재생이 가능하였다. 화소 크기는 200x200미크론이었다.
이러한 결과들은 본 발명의 가변 굴절률 분포 미러를 형성하기 위해 사용된 매우 짧은 거리만큼 이격된 유전체층들을 생성하는 것이 가능하다는 것을 보여준다. 이러한 테스트 결과는 또한 유전체층들 사이의갭을 액정으로 채우면 원하는 반사율 변조가 생성된다는 것을 보여준다.
도7의 테스트 구조(300) 및 오 8에 도시된 관련된 결과가 인접층들 사이의 굴절률에 있어서 최적(즉,최대)의 불일치 상태를 갖도록 만들어진 것은 아니라는 점에 주의해야 한다. 거의 투명한 상태에서 높은 반사 상태까지 반사율 변화를 증가시키기 위해서는 다음 사항이 행해져야 한다.
1. 유전체의 굴절률 및 액정의 굴절률에 있어서의 불일치의 증가
2. 액정층의 수의 증가 및
3. 액증의 배열 및 전압 응답의 최적화
고정 굴절률 유전체층들 사이의공동(cavity)또는 갭은 100-200㎚로 매우 얇기 때문에 표면 효과(surface effect)가 액정을 지배할 수 있다. 따라서, 최적화된 장치에서는 표면 배열 효과가 특별한 관심사가 된다.
본 발명의 미러 및 디스플레이는 현미경으로 단면을 관찰함으로써 용이하게 분석할 수 있다. 본 발명의전광 장치는 여러 가지 원하는 특성들이 동시에 달성되기 때문에 고해 상도를 갖는 반사 디스플레이로서
사용하기에 이상적이다. 예를 들어, 본 발명의디스플레이는 두께가 얇으며, 적절한 동작을 하기 위해 백라이트 또는 편광자가 필요하지도 않다. 나아가, 본 발명의 디스플레이는 전력 소비가 낮고, 저전압에서 동작하며, 응답시간이 빠르다. 반면에, 전기적으로 스위칭이 가능한 홀로그램 및 고분자 안정 콜레스테릭 조직(PSCT)은 더 높은 동작 전압 및 더 낮은 응답시간을 가지며, 더 많은 전력을 소비하고, 본 발명의전광 장치만큼 두께가 얇지 않다.
또한, 본 발명의 전광 장치는 넓은 시야각을 가지며, 동시에 높은 해상도, 높은 반사율과 콘트라스트, 및 넓은 파장대역을 갖는다. 따라서, 본 발명의전광 장치는 휴대용 컴퓨터 및 휴대용 정보 단말기(PDA'Personal Digital Assitants),노트북 컴퓨터, 전자 서적, 비속박(untethered)워크스테이션 터미널의 디스플레이용으로 사용될 수 있다. 본 발명의 미러는 또한 단일 목표(single target), 고해상도 컬러 영사 시스템(projection system)내의 변환기(transducer)로 사용될 수 있다.
예시적이고 바람직한 실시예에 대하여 특별히 도시하고 기술하였지만, 본 발명은 첨부된 특허청구범위에 의해서만 제한되어져야 하며 본 발명의 정신 및 범위를 벗어남이 없이 형태 및 상세한 내용에 있어서 상기 변경 및 기타 변경들이 이루어질 수 있다는 점이 본 발명 기술 분야의 통상적인 지식을 가진 자에게 이해될 수 있을 것이다.

Claims (21)

  1. 한 쌍의 전극; 및 상기 한 쌍의 전극 사이에 위치되어 있으며, 고정 굴절률을 갖는 제1물질과 가변 굴절률을 갖는 제2물질의교대하는 층들(alternating layers);을 포함하고, 상기 제2물질의 가변 굴절률이 상기 한 쌍의 전극을 가로질러 인가되는신호에 응답하여 변하는 실질적으로 투명한 상태와 반사 상태 사이에서 전기적으로 변화가 가능한 수직분포 미러.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가변 굴절률이 상기 투명 상태에서는 상기 고정 굴절률과 거의동일하고 또한 상기 반사 상태에서는 상기 고정 굴절률과 상이한 미러.
  3. 제1항에 있어서, 상기 미러는 상기 한 쌍의 전극을 가로질러 접속되는 신호원을 더 포함하고, 상기 신호원은 상기 신호를 상기 한 쌍의 전극에 제공하는 미러.
  4. 제1항에 있어서, 상기미러는 기판을 더 포함하고, 상기 한 쌍의 전극 중 제1전극은 상기 기판 상에 형성되는 미러.
  5. 제4항에 있어서, 상기 한 쌍의 전극 중 제2전극은 상기 교대하는 층들 중의 하나와 매질(medium)사이에 있으며, 상기 제 2전극과 상기 매질의 굴절률의 차가 최소화되며 또한 상기 교대하는 층들 중의 하나와 상기 매질의 굴절률의 차가 최소화되는 미러.
  6. 제1항에 있어서, 상기 교대하는 층들의 각각의 두께가λ/4-여기서 λ는 상기 미러상에 입사하는 광의 파장임-인 미러.
  7. 제1항에 있어서, 상기 교대하는 층들의 두께가λ/4-여기서 λ는 상기 미러 상에 입사하는 광의 파장임-에서 점진적으로 두꺼워지고, 상기 점진적으로 두꺼워진 층들은 상기 미러의 파장 대역을 증가시키는 미러.
  8. 제1항에 있어서, 상기 한 쌍의 전극 중의 하나는 투명 상부 전극이고, 상기 한 쌍의 전극 중의 다른 하나는 불투명 하부 전극인 미러.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제2물질이 상기 신호가 없는 상태에서는 상기 교대하는 층들 사이의 접촉면에 나란한 상태로 램덤하개 배열된 분자축을 갖는 액정층인 미러.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제2물질이 상기 신호가 없는 상태에서는 제 1층 및 제 2층 사이의 접촉면에 나란한 상태로 균일하게 배열된 분자축을 갖는 액정층인 미러.
  11. 제10항에 있어서, 상기 액정층의 분자축이 연속된 각 액정층에 대해 90°회전된 미러.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제2물질이 양의 유전체 이방성(positive dielectric anisotropy)을 갖는 액정인 미러.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제2물질이 음의 유전체 이방성(negative dielectric anisotropy)을 갖는 액정이로 호메오트로픽하게(homeotropically)배열된 미러
  14. 제1항에 있어서, 제1물질이 산화물, 질화물, 무리 유전체, 및 유기 고분자(organic polymer)중의 하나인 미러.
  15. 실질적으로 투명 상태와 반사상태 사이에서 전기적으로 변화가 가능한 수직 분포 미러 적층을 포함하는 디스플레이에 있어서, 상기 미러 적층이 드라이버를 갖는 기판 상에 형성된 제1투명 전극; 제2투명 전극; 상기 투명 전극들 사이에 위치되어 있으며, 고정 굴절률을 갖는 제1물질과 가변 굴절률을 갖는 제2물질의 교대하는 층들(alternating layers);을 포함하고, 상기 제2물질의 가변 굴절율이 상기 드라이버로부터의 신호에 응답하여 변하는 디스플레이.
  16. 제15항에 있어서, 상기 가변 굴절률이 투명 상태에서는 상기 고정 굴절률과 거의 동일하고 또한 반사상태에서는 상기 고정 굴절률과 상이한 디스플레이.
  17. 제15항에 있어서, 상기 디스플레이가 단색 디스플레이가 되도록 상기 미러적층이 특정 컬러에 동조되는 디스플레이.
  18. 제17항에 있어서, 상기 동조된 미러 적층의 상기 교대하는 층들의 각각이 λ/4-여기서λ는 상기 특정 컬러의 파장임-의 두께를 가지는 디스플레이.
  19. 실질적으로 투명 상태와 반사 상태사이에서 전기적으로 변화가 가능한 복수의 수직 분포 미러들을 포함하는 디스플레이에 있어서, 상기 미러들 각각이 한 쌍의 전극; 및 상기 한쌍의 전극 사이에 위치되어 있으며, 고정 굴절률을 갖는 하나의 물질과 가변 굴절률을 갖는 다른 물질의 교대하는 층들(alternating layers);을 포함하는 디스플레이.
  20. 제19항에 있어서, 상기 디스플레이가 흑백의 단색 디스플레이가 되도록 상기 미러들이 서로 다른 컬러들에 동조되고 또한 전기적으로 집합적으로 구동되는 디스플레이.
  21. 제19항에 있어서, 상기 디스플레이가 컬러 디스플레이가 되도록 상기 미러들이 서로 다른 컬러들에 동조되고 또한 전기적으로 개별적으로 구동되는 디스플레이.
    ※ 참고사항 : 최초출원 내용에 의하여 공개하는 것임.
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