WO2012173308A1 - 액체 미세 셔터 표시장치 - Google Patents

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WO2012173308A1
WO2012173308A1 PCT/KR2011/007565 KR2011007565W WO2012173308A1 WO 2012173308 A1 WO2012173308 A1 WO 2012173308A1 KR 2011007565 W KR2011007565 W KR 2011007565W WO 2012173308 A1 WO2012173308 A1 WO 2012173308A1
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transparent
liquid
shutter
transparent electrode
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PCT/KR2011/007565
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이영주
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엘지전자 주식회사
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    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/09—Function characteristic transflective

Definitions

  • the present invention relates to a liquid fine shutter display, and more particularly, to a fine shutter display that can improve light utilization efficiency, reduce power consumption, and provide clear image quality.
  • LCD which is a representative example of the screen display device, is a display device such as a television or a monitor, a mobile phone, a portable device such as a portable media player (MPP), an MP3 player, a digital camera, or an information display in a public place. It is used as a display device of almost all electronic devices such as a public information display (PID) and an indoor / outdoor advertising display.
  • PID public information display
  • each pixel includes a transparent substrate facing each other, a transparent electrode formed on the substrate, and a liquid crystal encapsulated between the transparent electrodes.
  • a color filter constituting a sub-pixel is added to the surface of the transparent substrate in order to express colors such as red, green, and blue.
  • Polarizer plates or polarizer layers having polarization characteristics perpendicular to each other are disposed on both sides of the transparent substrate so that the polarizer blocks the light irradiated from the backlight unit.
  • a thin film transistor (TFT) driving circuit is usually integrated in a two-dimensional matrix on a lower transparent substrate constituting the liquid crystal panel.
  • a liquid crystal display In a liquid crystal display, pixels constituting an image do not emit light by themselves. That is, the liquid crystal display displays an image by intermitting the illumination light emitted from the rear light source by the liquid crystal and the combination of two or more polarizers. In this case, more than half of the back light is lost by the polarizing plate, and only about one third of the light passing through the polarizing plate while passing through the spatially separated color filter is used for screen display, and light loss is caused by other optical film elements.
  • a liquid crystal display is a device having a very low light utilization efficiency.
  • the conventional transmissive liquid crystal display has a problem that the luminance of the display irradiated from the backlight and finally emitted through the liquid crystal and the plurality of polarizers is relatively low compared to the ambient brightness caused by natural light.
  • readability and visibility are very poor due to the influence of external light reflected from the surface of the liquid crystal display.
  • a reflective liquid crystal display using bright ambient light such as natural light as a light source
  • the reflective liquid crystal display is composed of a liquid crystal layer, a color filter, a polarizing filter or a polarizing plate, a transparent substrate, and the like as a general transmissive liquid crystal display.
  • the operation principle for displaying an image is similar to that of a transmissive liquid crystal display.
  • a color filter is removed and a reflective layer or the like is added to a portion of the lower pixel.
  • the reflection type liquid crystal display reflects light incident from the outside through the region from which the color filter is removed through the reflection layer to adjust the brightness through the liquid crystal of each sub-pixel and pass the color filter to display an image. This is different from the transmissive liquid crystal display in that respect.
  • the reflection type liquid crystal display does not need an additional light source, and thus has low power consumption and improved readability even in bright external light, but has a disadvantage in that image quality may deteriorate in a room or a dark environment.
  • trans-reflective liquid crystal display devices and the like have been researched and developed as a liquid crystal display device in which a reflection type using external light and a transmission type using a conventional back light illumination are compromised.
  • the trans-refelctive liquid crystal display device is configured by combining the divided pixels of the display device by areal division of the area for the reflective operation and the area for the transmissive operation. Deterioration of spatial resolution in transmission mode driving and reflection mode driving is inevitable, and maximum optical brightness cannot be achieved for each mode as well.
  • portable devices such as mobile phones are often used indoors and outdoors without restriction of places, and the demand for low power consumption due to battery operation is increased. There is a need for an alternative that can overcome the limitations of existing liquid crystal displays.
  • liquid fine shutter display device having an improved light utilization efficiency than a transmissive screen display device using a conventional technology such as a liquid crystal display device.
  • a liquid fine shutter display device capable of displaying a screen of a characteristic intended by a user.
  • liquid fine shutter display device capable of optimizing and providing a transmission function by back light and a reflection function using external light as a light source.
  • Liquid fine shutter display device is a light source for emitting light, a transparent lower substrate located on the optical path of the light source, the function of converting the light of the light source to light of a different wavelength band and external light
  • a light conversion unit performing at least one function of reflecting light, a transparent upper substrate positioned on an optical path of the light emitted from the light conversion unit, and positioned between the transparent lower substrate and the transparent upper substrate to open or close a path of light; It characterized in that it comprises a liquid fine shutter, characterized in that it comprises a liquid fine shutter for adjusting the opening area.
  • a lower panel including an electrowetting driving lower transparent electrode layer a lower panel including a liquid fine shutter to open and close the path of the light emitted from the light conversion unit, or to control the opening area
  • an upper panel including the electrowetting driving upper transparent electrode layer It is characterized by including.
  • the liquid fine shutter is characterized in that it comprises a partition structure in which the cavity is formed and a non-polar non-conductive colored liquid in the partition structure.
  • the space between the lower panel and the upper panel is a polarized conductive transparent liquid
  • the lower transparent electrode layer is characterized in that it comprises a lower transparent electrode, the first transparent insulator layer.
  • the display apparatus may further include a second transparent insulator layer between the light conversion unit, the lower transparent electrode, and the first transparent insulator layer.
  • the colored liquid is collected at a predetermined position on the surface of the first transparent insulator layer to determine an opening region.
  • the apparatus may further include a back dimming unit for irradiating back light.
  • the rear light dimming part may include a light guide plate element having a reflective layer on a surface opposite to a bonding surface with the transparent lower substrate, and a light source for irradiating back light to the light guide plate element.
  • the reflective layer is characterized in that it comprises a fine pattern of reflective pattern.
  • the light conversion unit may include a light excitation unit made of a fluorescent material for converting the back light into a primary color light corresponding to a lower pixel, and a dichroic reflective layer and a lower light reflecting the converted primary color light and transmitting the unconverted back light. And a light conversion region including at least one of color filters for lower pixels that transmit primary color light corresponding to the pixels, and a light shielding portion that reflects back light or blocks external light.
  • a drive circuit for supplying a drive signal for driving the liquid fine shutter is provided on the transparent lower substrate, and a planarization layer is formed on the surface of the drive circuit.
  • the liquid fine shutter is driven by an electric field between the lower transparent electrode layer and the upper transparent electrode layer generated by the driving voltage. do.
  • the driving voltage may be applied in an analog manner.
  • the voltage application waveform for applying the drive voltage is characterized by consisting of a digital waveform.
  • the conductive transparent liquid of the polarity is characterized in that the liquid is a liquid that the difference in refractive index between the light exit surface of the lower panel, the light incident surface of the upper panel is minimized.
  • the apparatus may further include an external light detecting sensor and control means for adjusting the amount of emitted light of the light source based on a measurement result of the external light detecting sensor.
  • the photoexcited light emitting unit may be formed of nanoparticles including at least one of a quantum dot and a nanorod.
  • the light excitation light emitting part may be omitted.
  • a liquid fine shutter display device includes a light source for emitting light in a first wavelength band, a light conversion unit positioned on an optical path in the first wavelength band, and opening or closing an emission path of light. And a dichroic reflective layer for transmitting light in the first wavelength band and reflecting light outside the first wavelength band, the first light having passed through the dichroic reflective layer.
  • a light excitation light emitting part for converting light in a wavelength band into light in a second wavelength band, and a color filter for transmitting only light in the second wavelength band among external light incident on a path different from light emitted from the light source; It features.
  • the dichroic reflective layer is characterized in that the dichroic filter.
  • the apparatus may further include an external light detecting sensor and control means for adjusting the amount of emitted light of the light source based on a measurement result of the external light detecting sensor.
  • the display device improves the backlight utilization efficiency and the transmission efficiency of the conventional display device, thereby displaying an image having the same brightness with lower power consumption, and displaying a brighter image with the same power consumption. I can display it.
  • the display device can easily express an image having a desired characteristic by easily adjusting an open aperture ratio of a shutter.
  • the display device can achieve the maximum light luminance in each mode by performing the transmissive and reflective operations without sacrificing the spatial resolution. And readability.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a flat display panel and a unit pixel constituting the panel according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a perspective view of a unit pixel of a liquid fine shutter display device.
  • FIG. 2B is an exploded view of main components of unit pixels.
  • Fig. 3 (a) is a view showing a cut plane of Fig. 2 (a) B3-B4, and Fig. 3 (b) shows a cut plane of Fig. 2 (a) C3-C4.
  • FIG. 4 (a) is a cross-sectional view taken along the imaginary line of A1-A2
  • Figure 4 (b) is a cross-sectional view taken along the imaginary line of B1-B2
  • Figure 4 (c) is a virtual line of C1-C2. Sectional view cut along the side.
  • FIG. 5 is a view schematically illustrating a reflective mode driving principle of a liquid fine shutter display device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a pixel configuration and a color display method of pixels of a liquid fine shutter display device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Figure 7 (a) is a view showing a micro-shutter opening (aperture area) changes according to the method, drive voltage for applying a driving voltage (V S) to the sub-pixel.
  • FIG. 7B is a view schematically illustrating a change in the aperture area of the fine shutter according to the driving voltage.
  • FIG. 8A is a diagram illustrating a liquid fine shutter closed state and an open state of a lower pixel, and driving voltages for each state.
  • FIG. 8B is a diagram illustrating a liquid fine shutter driving voltage waveform when the primary colors of the lower pixels represented by N-bit gray scales are displayed at maximum brightness.
  • FIG. 8 (c) shows the liquid fine shutter driving voltage when the primary colors of the lower pixels capable of expressing N-bit gradations are represented by arbitrary gradations (gradations corresponding to arbitrary integers between 0 and (2 N -1)). The figure which shows a waveform.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of applying the fine shutter screen display device according to the present invention to a portable electronic device.
  • FIG. 10 shows a fine means for detecting the external light 3 environment and adjusting the light output of the rear light source 310 based on this to optimize the screen display contribution ratio of the transmissive and reflective motions.
  • Fig. 1 shows the configuration in combination with the shutter screen display device.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a flat display panel and a unit pixel constituting the panel according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • a unit pixel is configured by a lower panel 100 including an access fine shutter and an upper panel 200 having a transparent counter electrode for electrowetting driving of a liquid fine shutter.
  • the unit pixel may be configured by separately sub-pixels SP representing primary colors such as red, green, and blue.
  • the lower panel 100 and the upper panel 200 are bonded to each other by the airtight sealing structure 410 of the edge portion of the panel, and the conductive conductive liquid 400 having a polarity is sealed in the sealing structure to form a display panel. .
  • FIG. 2 is a diagram illustrating in more detail a unit pixel structure in a liquid micro-shutter display according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a perspective view of a unit pixel of a liquid fine shutter display device.
  • FIG. 2B is an exploded view of main components of unit pixels.
  • the lower panel 100 of the liquid fine shutter display device drives individual lower pixels such as electrodes and thin film transistors (TFTs).
  • the circuit integrated circuit may include a transparent lower substrate 10, a light conversion unit 20 sequentially stacked thereon, a lower transparent electrode layer 30 for electrowetting driving, and a liquid fine shutter array structure 40.
  • the light conversion region 21-1 for the red representation, the light conversion region 21-2 for the green representation, for the blue representation may be partitioned and arranged by the shape of the light blocking portion 24.
  • the lower transparent electrode layer 30 is a lower transparent electrode made of indium tin oxide (ITO) patterned with a planar shape suitable for electrowetting driving, and a first for electrically insulating the upper and lower portions of the transparent electrode.
  • the transparent insulator layer and the second transparent insulator layer may be included.
  • the liquid fine shutter array structure 40 includes a non-polar insulating colored liquid 41 which serves as a shutter function to shield or open the back light or the external light, and the colored parts arranged in the light conversion unit for each lower pixel. It may include a lower pixel sidewall grid 42 having a microcavity for partitioning and supporting liquid.
  • an upper transparent electrode layer is integrated on the bottom of the upper panel 200.
  • Fig. 3 (a) is a view showing a cut plane of Fig. 2 (a) B3-B4, and Fig. 3 (b) shows a cut plane of Fig. 2 (a) C3-C4.
  • a configuration of the fine shutter display device will be described in more detail with reference to FIG. 3.
  • the lower panel 100 of the liquid fine shutter display device of the present invention includes a transparent lower substrate 10, a function of converting back light into a primary color corresponding to a lower pixel, and a lower one. Opening and closing the path of the light emitted from the light conversion unit 20, the electro-wetting lower transparent electrode layer 30, the light conversion unit 20 performs at least one of the function of reflecting the external light of the primary color band corresponding to the pixel. Or a liquid fine shutter 40 for adjusting the opening area.
  • the upper panel 200 of the liquid fine shutter display device of the present invention may include a transparent upper substrate 201 and an upper transparent electrode layer 202 for driving the electrowetting.
  • the liquid fine shutter display device of the present invention may further include a light source (not shown) and a rear dimming part 300 positioned on the bottom of the lower panel 100 to emit light of the first wavelength band.
  • the rear dimming part 300 may include a transparent material LGP 301 and a reflective layer 302 having a high reflectivity provided on the bottom surface of the transparent material LGP in order to uniformly induce the back light to the entire screen area.
  • the back dimming part 300 may be provided on a bottom surface of the transparent lower substrate 10.
  • the light blocking part reflective surface 24-1 may be formed in a predetermined area of the transparent lower substrate 10 facing the light blocking part 24 of the light conversion part 20.
  • the light blocking part reflective surface 24-1 may reflect the back light 1 emitted from a light source (not shown).
  • a lower pixel driving integrated circuit including an electrode array or a thin film transistor array may be installed on one surface of the transparent lower substrate 10.
  • the planarization layer 12 may be formed on the surface of the driving integrated circuit.
  • the planarization layer may be formed of an insulator.
  • the light blocking portion reflective surface 24-1 may be provided at an interface between the planarization layer 12 and the light blocking portion 24.
  • the back light 1 is formed by the reflective layer 302 and the light blocking part reflective surface 24-1 between the transparent material light guide plate 301 and the transparent lower substrate 10. You get multiple reflections.
  • the back light 1 may enter the light aperture of the transparent lower substrate 10 on which the light blocking portion reflecting surface 24-1 is not formed through the multiple reflections. Therefore, the ratio of the amount of individual primary colors emitted from the lower substrate to the fine shutter by the multiple reflections can be increased.
  • the light guide plate element and the lower substrate are combined to form a backlight unit assembly, and a reflective layer is bonded or laminated to the side of the backlight illuminator except for the region where the light is incident from the rear light source to use the backlight. The efficiency can be improved.
  • the reflective layer 302 may include a plurality of fine uneven reflection pattern elements to direct the reflected light path toward the lower substrate and to improve the uniformity of luminance distribution over the entire screen.
  • the light conversion unit 20 includes an optical excitation light emitting unit including a fluorescent material for converting the back light 1 of the first wavelength band into primary color light having a wavelength band different from that of the back light 1 corresponding to the lower pixel. (21), a dichroic reflective layer 23 that reflects the converted primary color light and transmits unconverted back light, and a sub-pixel color filter 22 that transmits the converted primary color light.
  • the light-excited light emitting portion 21 has a narrow full width at half maxium (FWHM) characteristics, and has a color wavelength peak saturated in each primary color in the color coordinate system of the visible light region. It is preferable to include a fluorescent substance that emits light.
  • the photoexcited light emitter 21 includes a quantum dot ensemble or a quantum dot matrix having a photoluminescent property corresponding to each subpixel. ) May include a structure configured by applying a phosphor.
  • the photoexcited light emitting unit 21 is based on nanoparticles including quantum dots, nanorods, and the like, which are semiconductor excited light emitting materials having a nanometer diameter. The lower pixel may be configured to match the primary colors.
  • the light-excited light emitter 21 is formed of a photoluminescence material such as a phosphor that emits light having wavelength conversion by using incident light as excitation light.
  • the back light 1 is converted into the primary color light 2 for image display of red, green, or blue for the corresponding lower pixel.
  • the dichroism is transmitted through the wavelength band of the backlight 1, and the other converted wavelength region is reflected.
  • the reflective layer 23 may be further included between the transparent substrate 10 and the photoexcited light emitter 21.
  • the dichroic reflective layer 23 may be implemented with an optical element such as a dichroic mirror or a filter.
  • a color filter 22 for each lower pixel may be stacked on the photoexcited light emitter 21 to transmit a band of the converted primary color light. Since the color filter 22 passes only light corresponding to the lower pixel, the color filter 22 is necessary to provide a full color reflective function to the screen display device according to the present invention. In addition, when the screen display device according to the present invention operates in a transmissive or monochrome reflective type, the color filter 22 may be omitted.
  • the lower transparent electrode layer 30 may be formed on the light conversion unit 20.
  • the lower transparent electrode layer 30 electrically lowers the lower transparent electrode 31 made of indium tin oxide (ITO) or the like having a planar shape suitable for electrowetting driving, and an upper portion of the lower transparent electrode 31 electrically.
  • a first transparent insulator layer 32 for insulating may be included, and a second transparent insulator layer 33 for electrically insulating a lower portion of the transparent electrode.
  • the second transparent insulator layer 33 may be formed by stacking transparent thin films on the surface of the light conversion unit 20 in order to suppress discoloration and deformation of the light conversion unit 20 due to an external environment. have.
  • an upper surface of the light blocking portion 24 in contact with the second transparent insulator layer 33 may be formed to include a black matrix to minimize reflection of external light or to blacken the surface of the light blocking material. Can be configured.
  • a conductive transparent liquid 400 of polarity may be enclosed in a space between the lower panel 100 and the upper panel 200.
  • the conductive transparent liquid 400 is a liquid in which the difference in refractive index between the light exit surface of the lower panel and the light incident surface of the upper panel is minimized. In this case, light loss such as scattering or total reflection that may occur at each interface can be minimized, and image distortion can be reduced to provide a clearer screen.
  • the dichroic reflective layer 23 that can be provided on the bottom surface of the light conversion unit can increase the primary color reflection efficiency for each lower pixel when the external light 3 is used.
  • the image display can be performed only by the reflective driving without using the back light 1.
  • the power of the screen display device may be reduced by lowering the intensity of the backlight 1 to an appropriate level and utilizing reflection by external light.
  • the display device performs transmissive and reflective operations without sacrificing spatial resolution by the components included in the rear dimming unit 300 and the lower panel 100. You can do that.
  • FIG. 3 discloses a configuration of a light conversion unit for each sub-pixel using a rear light source different from the primary colors constituting the screen display device.
  • the rear light source is configured with a band that matches the primary color of the screen display device, such as a red light emitting diode
  • the structure of the lower pixel expressing blue and green colors 3 the red light excitation light emitting layer 21 may be omitted in the structure of the red lower pixel.
  • the color filter 22 of each of the red, green, and blue subpixels may be omitted.
  • the liquid fine shutter array structure 40 includes a non-polar insulating colored liquid 41 and a lower pixel partition wall structure in which a microcavity is formed to align and support the colored liquid, arranged in a light conversion unit for each lower pixel. grid) 42.
  • the insulating colored liquid 41 is responsible for the shutter function of shielding or opening the backlight or the external light.
  • the liquid fine shutter array structure 40 is opened and closed by a signal applied to the lower wet electrode layer 30 for driving the electrowetting and the upper transparent electrode layer 202 for driving the wet. That is, a driving displacement occurs in an in-plane direction of the lower substrate and the upper substrate facing each other in which the liquid fine shutter array structure is integrated to cover the light conversion region provided in the lower substrate with the colored liquid. Or by opening or closing the fine shutter array structure.
  • FIG 3 (a) is a drive voltage (V S) applied to the lower transparent electrode 30 is the different from the voltage of the upper transparent electrode layer represents a fine shutter open. That is, the insulator colored liquid 41 is agglomerated in a predetermined region (the part without the lower transparent electrode) where an electric field is not formed between the upper transparent electrode layer and the lower transparent electrode layer by the electrowetting phenomenon. The shutter is in the shutter open state. Further, 3 (b) also has a drive voltage (V S) applied to the lower transparent electrode 30 is the same as the voltage of the upper transparent electrode layer represents a micro-shutter is closed.
  • V S drive voltage
  • a transparent electrode may be provided on the polar liquid so that the transparent electrode is energized with the polar liquid.
  • FIG. 3 (a) shows that the primary color light 2 of the lower pixel emitted from the light conversion unit 20 passes through the light opening around the light-shielding colored nonpolar liquid 41 through the color conversion process described above. It shows the process of transmitting through and expressing the primary color of the lower pixel.
  • 3 (b) shows a state in which the primary color light 2 emitted from the light conversion unit 20 is shielded by the colored nonpolar liquid 41 covering the light opening and displayed in black on the screen.
  • FIG. 4 shows a rear view light source 310 as illumination light of an image display in a direct color display having a liquid micro-shutter array as an optical switching element. Transmissive mode drive principle.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the display device shown in FIG. 2A taken along an imaginary line A1-A2, B1-B2, and C1-C2.
  • FIG. 4 (a) shows a cross section taken along an A1-A2 imaginary line
  • FIG. 4 (b) shows a cross section taken along a B1-B2 imaginary line
  • FIG. 4 (c) shows a C1-C2 imaginary line. The cross section cut along the line is shown.
  • FIG. 4A illustrates a process of emitting red and blue converted light in proportion to the open area of each liquid fine shutter in the red and blue subpixels.
  • green conversion light has shown blocked pixel display operation.
  • the back light 1 emitted from the light source 310 is multi-reflected by the reflective layer 302 and the light blocking part reflective surface 24-1 between the transparent material LGP 301 and the lower transparent substrate 10. Done.
  • the multi-reflective back light 1 is emitted toward the transparent upper substrate 201 in the light opening region where the light shielding portion is not formed.
  • the back light 1 passes through the light conversion regions 21-1, 21-2, and 21-3 integrated in the light opening region, and is required for the corresponding lower pixel spatially partitioned. , Red (2-1), green, blue (2-3) and the like.
  • the shutter is opened in a region where the red converted light 2-1 and the blue converted light 2-3 pass. Therefore, the converted light is displayed on the screen in the region. And the shutter is closed in the area
  • the unit pixel may display purple.
  • FIG. 4B shows a state in which the back light 1 is converted to display the red 2-1 in the red lower pixel in which the liquid fine shutter is opened.
  • Fig. 4C shows a state in which the green conversion light emission is blocked by closing the liquid fine shutter of the green lower pixel.
  • the non-polar liquid 41 of the fine shutter function is comprised in black. This is because the conversion light blocking efficiency and the external light reflection suppression efficiency can be further increased when the nonpolar liquid 41 is formed in black.
  • the driving signal is controlled according to the gray scale required for each individual sub-pixel according to the driving signal of the individual sub-pixel required for the entire image display, thereby making it possible to obtain full color.
  • a transparent screen display device capable of displaying an image can be provided.
  • FIG. 5 is a view schematically illustrating a reflective mode driving principle of a liquid fine shutter display device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the liquid fine shutter display device may use ambient light 3 as an illumination light source without the back light 1. Even in the reflective operation, full color display is possible.
  • the light conversion region 21-1 of the individual subpixels and the light openings of the liquid fine shutter are aligned along the light path.
  • the external light 3 is incident to the light conversion unit 20.
  • the incident external light 3 transmits only the light of the band corresponding to the lower pixel in the color filter 22 to reach the dichroic reflective layer 23.
  • the light reaching the dichroic reflective layer 23 is reflected by the dichroic reflective layer 23 and exits to the exit side.
  • the primary color wavelength band required for the corresponding lower pixel is reflected by the color conversion function provided in the light conversion region 21-1 to display colors.
  • the lower pixel is represented in black.
  • the light of the wavelength band converted by the excitation light emitter 21 and the light of the band corresponding to the lower pixel of the external light 3 are combined and emitted so that the entire light is emitted. It is also possible to increase the output.
  • each liquid fine shutter may be driven by an image control signal for each sub-pixel required to compose an image.
  • the entire image desired by the user may be displayed by the above driving.
  • the transmissive operation described with reference to FIG. 4 and the reflective operation described with reference to FIG. 5 may be simultaneously performed.
  • the display device according to the present invention can achieve the maximum light brightness for each mode by performing the transmissive operation and the reflective operation without compromising the spatial resolution, It can ensure visibility and readability even under various usage environments.
  • the display device according to the present invention can optimize the transmissive and reflective operations and actively adjust them, thereby reducing power consumption and providing vivid image quality anytime and anywhere.
  • the unit pixel may be composed of sub-pixels SP1, SP2, and SP3 representing red, green, and blue.
  • pixels having the configuration as shown in FIG. 6 are arranged in a two-dimensional matrix in the screen area.
  • red, green, and blue are displayed by driving a lower pixel corresponding to each corresponding primary color in a shutter open state, and in the case of black, all lower pixels are maintained in a shutter closed state.
  • all the lower pixels may be driven in an open state of the shutter so that primary colors may be mixed.
  • gradation expression of the image display color required for the individual subpixels is possible by independent driving of the fine shutters of the individual subpixels.
  • FIG. 7 illustrates a method of driving a liquid fine shutter for each lower pixel by an analog driving method.
  • V S driving voltage
  • the surface tension at the interface is in contact with the colored liquid 41 in the non-polar (surface tension) or surface
  • the surface energy changes.
  • the two types of liquids 41 and 400 and the solid 32 are disposed at predetermined positions on the surface of the first transparent insulating layer 32 where the surface tensions of the two types of liquids 41 and 400 and the solid 32 are balanced.
  • Interface is formed.
  • the open area of the liquid fine shutter is determined by the interface which changes according to the driving voltage.
  • the optical path opening ratio by the liquid fine shutter can be controlled based on the magnitude of the driving voltage.
  • the gray scale or the brightness of the display device may be controlled by adjusting the amount of primary color light emitted from the light conversion unit by an analog driving method.
  • FIG. 7 (a) shows a microstructure of a shutter opening (aperture area) changes according to the method, drive voltage for applying a driving voltage (V S) to the sub-pixel.
  • FIG. 7B schematically illustrates a change in the aperture area of the fine shutter according to the driving voltage.
  • V T denotes a threshold voltage at which the liquid fine shutter starts to open
  • V max denotes a driving voltage required to secure the maximum opening degree A max of the liquid fine shutter
  • V DD denotes a lower panel ( A power supply voltage applied to 100) is shown.
  • the driving voltage is less than or equal to the threshold voltage
  • the liquid fine shutter is closed. Since the driving voltage exceeds the threshold voltage, the liquid fine shutter is opened according to the driving voltage, and when the driving voltage is V max or more, the liquid fine shutter is completely opened.
  • the analog driving method as described above may cause nonuniformity in the screen area in image display. This is caused by the characteristic variation of the individual elements of the fine shutter 100 integrated in each of the lower pixels and the nonuniformity in the entire screen area of the driving power source of the upper panel 200. Therefore, it is possible to more easily secure the same driving characteristics in the entire screen display area, and apply a driving signal of a digital driving method that can be implemented by a simple driving circuit.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an embodiment of a waveform for applying a driving voltage V S to drive a shutter.
  • FIG. 8A shows the liquid fine shutter closed state, the open state, and the driving voltage of each state of the lower pixel.
  • the driving waveforms of FIGS. 8 (b) and 8 (c) are used for digital driving expressing multiple levels of gradation by time division of two states of an open state or a closed state of the fine shutter 40.
  • FIG. 8 (b) is a liquid fine shutter driving voltage waveform when the primary colors of the lower pixels represented by N-bit gray scales are displayed at maximum brightness
  • FIG. 8 (c) shows the N-bit gray scale representations. It is a liquid fine shutter drive voltage waveform in the case where the primary colors of possible lower pixels are represented by arbitrary gray scales (gradations corresponding to any integer between 0 and ( 2N- 1)).
  • the period of a unit image frame is represented by T f , and a new image frame is started to convert an image signal corresponding to an individual sub-pixel into a driving signal for a predetermined time and finely.
  • An initialization section for each video frame such as initializing the shutter 40 to a driving standby state is denoted as T reset .
  • a time section obtained by subtracting the frame initialization section T reset from the image frame period T f may be allocated for the primary color gray scale representation of the individual lower pixel.
  • the lower pixel may represent black having minimum luminance and saturation.
  • the time t 0 divided by the maximum gray scale step (2 N -1) to express the allocated gray scale interval (T f -T reset ) is set as the minimum width of the driving pulse for the gray scale unit.
  • the shutter opening driving voltage V S (V DD in the example of FIG. 8) is a predetermined section within the gradation representation section within the frame period during the section T open where the unit driving pulse width is an integer multiple between 0 and (2 N ⁇ 1).
  • the gray scale interval may be allocated to and applied to the remaining gray scale interval, and the gray scale interval may be expressed by maintaining the driving voltage to be in the shutter closed state.
  • the driving electrical signal for displaying an image of the fine shutter 40 for each individual pixel of the fine shutter screen display according to the present invention may be supplied by an electrode array or a thin film transistor circuit integrated in the lower panel 100. .
  • the driving voltage for opening the shutter can be easily implemented using the power supply voltage V DD and the ground potential of the integrated circuit of the upper substrate.
  • T on means a point in time at which the fine shutter 100 for each pixel is switched to an open state, and T on is preferably determined by optimizing in the image frame such that the gray level is most naturally recognized by the viewer.
  • the gray scale expression may be variously implemented according to a user's needs.
  • the liquid fine shutter structure according to the present invention is more bright and clear because it can easily realize a higher aperture opening ratio of the shutter, compared to the electromechanical fine shutter that can be implemented as a micromechanical structure.
  • the image can be expressed.
  • each of the components of the present invention described with reference to FIG. 3 and the driving signal application method of the present invention described with reference to FIGS. 7 and 8 may be combined to provide an improved screen display device as follows. That is, the display device according to the exemplary embodiment of the present invention can achieve the maximum light luminance for each mode by performing the transmissive and reflective operations without disturbing the spatial resolution.
  • an improved image can be displayed on a display device by a configuration having improved light utilization efficiency than a conventional display device and a configuration capable of displaying an image of accurate accuracy and luminance desired by a user. Therefore, in the present invention, the user can easily express an image having a desired brightness with reduced power consumption, and can ensure visibility and readability even in various use environments.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of applying the fine shutter screen display device according to the present invention to a portable electronic device.
  • FIG. 9 (a) schematically illustrates the reflective color screen display operation in a strong external light environment
  • FIG. 9 (b) illustrates the transmissive color display operation by the backlight.
  • the user may configure to switch the screen display method to suit the external light environment.
  • the display device may detect external light so that the screen display method is automatically switched.
  • FIG. 10 shows a fine means for detecting the external light 3 environment and adjusting the light output of the rear light source 310 based on this to optimize the screen display contribution ratio of the transmissive and reflective motions.
  • Fig. 1 shows the configuration in combination with the shutter screen display device.
  • a photo sensor 501 for detecting illuminance of external light and the like may be used to determine the detected external light condition and to match the external light environment.
  • a logic calculator 502 for calculating optimization conditions such as determining a light output level of the rear light source, a light source controller 503 for adjusting the light output of the rear light source 310 in response to the determined optimal screen display method, and the like.
  • the fine shutter screen display device can be configured. By optimizing the transmissive and reflective operations, backlight power consumption can be reduced. In addition, viewers can be provided with clear picture quality and high visibility suitable for an external light environment.

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Abstract

본 발명은 표시장치에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 광을 발산하는 광원, 상기 광원의 광경로상에 위치하는 투명 하부기판, 상기 광원의 광을 하위 화소에 대응하는 다른 파장 대역의 광으로 변환하는 기능 및 하위 화소에 대응하는 외부광을 반사시키는 기능 중 적어도 하나를 수행하는 광변환부, 상기 광변환부에서 출사된 광의 광경로상에 위치하는 투명 상부 기판, 상기 투명 하부 기판과 투명 상부기판의 사이에 위치되어 광의 경로를 개폐하거나 개구 영역을 조절하는 액체 미세셔터를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 미세 셔터 표시장치에 관한 것이다.

Description

액체 미세 셔터 표시장치
본 발명은 액체 미세 셔터 표시장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광 이용 효율을 개선할 수 있고, 전력 소모를 절감하며, 선명한 화질을 제공할 수 있는 미세 셔터 표시 장치에 관한 것이다.
화면 표시장치의 대표적인 예인 액정 표시장치(LCD)는 텔레비전, 모니터 등의 디스플레이(Display)기기, 휴대전화, PMP(potable media player), MP3 플레이어, 디지털 카메라 등의 휴대용 기기, 공공 장소에서의 정보 표시용 디스플레이(Public Information Display; PID), 실내/외 광고용 디스플레이 등 거의 모든 전자기기의 표시장치로 이용되고 있다.
기존 기술에 의한 통상적인 액정 표시장치는 2차원 매트릭스(Matrix) 형태로 배열된 다수 개의 화소(pixel)로 이루어진다. 이때, 각 화소는 서로 대향하는 투명기판, 상기 기판상에 형성된 투명 전극, 상기 투명 전극 사이에 봉입된 액정(Liquid Crystal)으로 구성된다. 그리고 컬러 디스플레이의 경우에는 적, 녹, 청 등의 색상 표현을 위하여 하위 화소(sub-pixel)를 구성하는 색 필터(color filter)가 상기 투명기판 표면에 부가되어 있다. 그리고 서로 수직인 편광 특성을 갖는 편광판(polarizer plates or polarizer layers)이 상기 투명기판 양쪽에 각각 배치되어, 평상시에는 상기 편광판이 배면 조광부(backlight unit)에서 조사되는 빛을 차단한다. 그러나 액정에 전압이 인가되면 액정의 배열이 회전하면서 빛의 위상을 변화시켜 상기 편광판이 배면 조광부(backlight unit)에서 조사되는 빛을 투과시키게 된다. 또, 상기 하위 화소 영역의 액정을 독립적으로 구동시키기 위하여, 통상 액정 패널을 구성하는 하부 투명기판에 박막 트랜지스터(thin film transistor; TFT)구동 회로가 2차원 매트릭스 형태로 집적되어 있다.
액정 표시장치는 영상을 구성하는 화소가 자체적으로 발광하지 못한다. 즉, 액정 표시장치는 배면 광원으로부터 조사되는 조명 광을 액정 및 두 개 이상의 편광판 조합에 의하여 단속(intermittence)하는 것에 의하여 영상을 표시한다. 이 경우, 편광판에 의해 배면광의 절반 이상이 손실되고, 공간적으로 분리된 색 필터를 통과하면서 편광판을 지나온 빛의 1/3 정도만이 화면 표시에 이용되며, 기타 광학 필름 요소에 의하여 광 손실이 일어나므로, 광학적 측면에서 액정 표시장치는 광 이용 효율이 매우 낮은 소자이다.
한편, 휴대 전화기, 태블릿 컴퓨터(Tablet Computer), 개인용 정보 보조 장치(PDA), 휴대용 멀티미디어 기기 등의 휴대 기기와 공공 정보 표시장치(Public Information Display) 및 옥외 광고 표시장치 등과 관련된 분야에서, 강한 자연광 등의 외광(ambient light) 환경에서도 우수한 화질을 제공할 수 있는 표시장치에 대한 요구가 증가하고 있다. 그러나, 기존 투과형(transmissive) 액정 표시장치는 백라이트에서 조사되어 액정 및 복수의 편광판을 거쳐 최종적으로 출사되는 디스플레이의 휘도가 자연광에 의한 주변 밝기에 비해 상대적으로 낮다는 문제점이 있다. 또, 액정 디스플레이 표면에서 반사되는 외광의 영향 등으로 가독성(readability) 및 시인성(visibility)이 매우 떨어진다는 문제점이 있다. 또한, 액정 표시장치를 채용한 TV, 컴퓨터 모니터(monitor) 등의 경우에도 강한 실내 조명과 같은 환경에 의하여 시인성 저하가 나타나기도 한다. 이러한 투과형 액정 표시장치의 문제점과 관련하여, 외광의 밝기를 검지한 후 외광 조건에 근거하여 배면 광원의 휘도를 증가시키는 방안이 있었다. 그러나, 발광 소자의 효율 및 발열 등의 기술적 문제로 배면 광원의 휘도를 증가시키는 것에는 한계가 있으며, 이 경우 전력 소모 또한 급격히 증가한다는 문제점이 있다.
한편, 밝은 외광 환경에서도 시인성을 확보하고 백라이트 유닛에 의한 소모전력을 저감하기 위하여 자연광 등의 밝은 외광(ambient light)을 광원으로 사용하는 반사형(reflective) 액정 표시장치가 개발되었다. 반사형 액정 표시장치는 일반적인 투과형 액정 표시장치와 같이 액정 층, 색 필터, 편광 필터 또는 편광판, 투명기판 등으로 구성되며, 영상 표시를 위한 동작 원리도 투과형 액정 표시장치와 유사하다. 그러나, 반사형 액정 표시장치는 하위 화소의 일부 영역에 색 필터를 제거하고 반사 층 등이 부가되어 있다. 그리고, 반사형 액정 표시장치는 상기 색 필터가 제거된 영역을 통하여 외부에서 입사된 빛을 반사 층을 통하여 반사시켜 각 하위 화소의 액정을 통하여 밝기를 조절하고 색 필터를 통과하도록 하여 영상을 표시한다는 점에서 투과형 액정 표시장치와 차이가 있다. 반사형 액정 표시장치는 추가의 광원이 필요 없으므로 소모전력이 낮고 밝은 외광의 환경에서도 가독성을 개선할 수 있다는 장점이 있으나, 실내 또는 어두운 환경에서 화질이 악화될 수 있다는 단점이 있다.
최근, 외부광을 이용하는 반사형과 기존의 배면광 조명을 이용하는 투과형을 절충한 액정 디스플레이 장치로 반투과형(trans-reflective) 액정 표시장치 등이 연구 개발되고 있다. 그러나, 반투과형(trans-refelctive) 액정 표시장치는 반사형 동작을 위한 영역과 투과형 동작을 위한 영역이 평면적으로 분할(areal division)되어 디스플레이 장치의 분할된 각 화소(pixel)를 조합하여 구성되므로, 투과 모드 구동일 때와 반사 모드 구동일 때의 공간 해상도 저하를 피할 수 없고, 각각의 모드에 대해 최대의 광 휘도 역시 달성할 수 없다. 특히, 최근에 휴대 전화와 같은 휴대용 기기가 실내 및 실외를 가리지 않고 장소의 제한이 없이 사용되는 경우가 많다는 점, 배터리(battery) 구동으로 인한 저전력 소모에 대한 요구가 높아진다는 점 등을 감안했을 때, 기존 액정 표시장치의 한계를 극복할 수 있는 대안이 요구되고 있다.
액정 표시장치 등 기존 기술에 의한 투과형 화면 표시장치보다 향상된 광 이용 효율을 가진 액체 미세 셔터 표시장치를 제공한다.
사용자가 의도하는 특성의 화면 표시가 가능한 액체 미세 셔터 표시장치를 제공한다.
배면광에 의한 투과형 기능과 외광을 광원으로 하는 반사형 기능을 단일 화면 표시장치에서 최적화하여 제공할 수 있는 액체 미세 셔터 표시장치를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 액체 미세 셔터 표시장치는 광을 발산 하는 광원, 상기 광원의 광경로상에 위치하는 투명 하부기판, 상기 광원의 광을 다른 파장 대역의 광으로 변환하는 기능 및 외부광을 반사시키는 기능 중 적어도 하나를 수행하는 광변환부, 상기 광변환부에서 출사된 광의 광경로상에 위치하는 투명 상부 기판, 상기 투명 하부 기판과 투명 상부기판의 사이에 위치되어 광의 경로를 개폐하거나 개구 영역을 조절하는 액체 미세셔터를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 미세 셔터를 포함 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 전기 습윤 구동용 하부 투명 전극층, 상기 광변환부에서 출사되는 광의 경로를 개폐하거나 개구 영역을 조절하는 액체 미세셔터를 포함하는 하부 패널, 및 전기 습윤 구동용 상부 투명 전극층을 포함하는 상부 패널을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 액체 미세 셔터는 캐비티가 형성되어 있는 격벽 구조물 및 상기 격벽 구조물내의 무극성 비전도성의 유색 액체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하부 패널과 상기 상부 패널의 사이의 공간은 극성의 전도성 투명 액체를 포함하고, 상기 하부 투명 전극층은 하부 투명 전극, 제 1 투명 절연체층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광변환부와 하부 투명 전극 및 제 1 투명 절연체층 사이에 제 2 투명 절연체층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 전기 습윤 구동시, 상기 제 1 투명 절연체층 표면 소정의 위치에서 상기 유색 액체가 모여 개구 영역이 결정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 배면광을 조사하는 배면 조광부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배면 조광부는 상기 투명 하부기판과의 접합면과 대향하는 면에 반사층을 구비하여 구성되는 도광판 요소, 및 상기 도광판 요소에 배면광을 조사하는 광원을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반사층은 미세 요철 형상의 반사 패턴 요소를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광변환부는 상기 배면광을 하위 화소에 대응하는 원색광으로 변환하는 형광 물질로 이루어진 광여기 발광부, 변환된 상기 원색 광은 반사시키고 변환되지 않은 배면광은 투과시키는 이색성 반사층 및 하위 화소에 대응하는 원색 광을 투과시키는 하위 화소 별 색 필터 중 적어도 하나를 포함하는 광변환 영역, 및 배면광을 반사시키거나 외광을 차단하는 차광부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 액체 미세 셔터를 구동하기 위한 구동 신호를 공급하는 구동 회로를 상기 투명 하부기판에 설치하고, 상기 구동 회로의 표면에 평탄화층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하부 투명 전극층 및 상기 상부 투명 전극층에 구동 전압이 인가되는 경우에, 상기 구동 전압에 의하여 발생한 상기 하부 투명 전극층과 상기 상부 투명 전극층 사이의 전계에 의해 상기 액체 미세 셔터가 구동되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구동 전압은 아날로그 방식으로 인가되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구동 전압을 인가하기 위한 전압 인가 파형은 디지털 파형으로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 극성의 전도성 투명 액체는 상기 하부패널의 광 출사면, 상기 상부패널의 광 입사면 각각과 굴절률 차이가 최소화되는 액체인 것을 특징으로 한다.
또한, 외광 검지 센서, 및 상기 외광 검지 센서의 측정 결과에 근거하여 상기 광원의 출사 광량을 조절하는 제어수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광여기 발광부는 양자점(quantom dot) 및 나노 막대(nanorod) 중 적어도 하나를 포함하는 나노 입자로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배면광이 상기 하위 화소에 대응하는 원색 광을 조사하는 경우, 상기 광여기 발광부를 생략하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 액체 미세 셔터 표시장치는, 제 1 파장 대역의 광을 발산하는 광원, 상기 제 1 파장 대역의 광 경로상에 위치하는 광 변환부, 광의 출사 경로를 개폐하거나 개구 영역을 조절하는 액체 미세 셔터로 이루어지고, 상기 광변환부는, 상기 제 1 파장 대역의 광은 투과 시키고 상기 제 1 파장 대역 이외의 광은 반사 시키는 이색성 반사층, 상기 이색성 반 사층을 투과한 제 1 파장 대역의 광을 제 2 파장 대역의 광으로 변환하는 광여기 발광부, 상기 광원에서 발산되는 광과는 다른 경로로 입사되는 외부광중 상기 제 2파장 대역의 광만을 투과시키는 색필터를 포함 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이색성 반사층은 다이크로익 필터 인 것을 특징으로 한다.
또한, 외광 검지 센서, 및 상기 외광 검지 센서의 측정 결과에 근거하여 상기 광원의 출사 광량을 조절하는 제어수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 표시장치는, 기존 표시장치보다 배면광 이용 효율, 투과 효율을 향상시킴으로써, 보다 낮은 소모 전력으로 동일한 밝기의 화상을 표시할 수 있고, 동일한 소모 전력으로 보다 밝은 화상을 표시할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 표시장치는, 셔터의 개구율(open aperture ratio)을 용이하게 조절함으로써, 사용자가 원하는 특성의 화면을 용이하게 표현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 표시장치는, 공간해상도를 저해하지 않으면서 투과형 동작과 반사형 동작을 수행함으로써, 각각의 모드에 대해서 최대의 광 휘도를 달성할 수 있고, 다양한 사용환경 하에서도 시인성 및 가독성을 확보하도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 평판형 디스플레이 패널(flat display pannel) 및 상기 패널을 구성하는 단위 화소(unit pixel)를 나타내는 도면이다.
도 2(a)는 액체 미세 셔터 표시장치의 단위 화소에 대한 사시도이다. 도 2(b)는 단위 화소의 주요 구성별 분해도를 나타낸 도면이다.
도 3(a)는 도 2(a) B3-B4의 절단면을 도시한 도면이고, 도 3(b)는 도 2(a) C3-C4의 절단면을 도시한 도면이다.
도 4(a)는 A1-A2의 가상선을 따라 절단한 단면도이고, 도 4(b)는 B1-B2의 가상선을 따라 절단한 단면도이고, 도 4(c)는 C1-C2 의 가상선을 따라 절단한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 액체 미세 셔터 표시장치의 반사 방식(reflective mode) 구동 원리를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 액체 미세 셔터 표시장치의 화소 구성과 화소의 색상 표시 방식을 나타낸 도면이다.
도 7(a)는 하위 화소에 구동 전압(VS)을 인가하는 방식 및 구동 전압에 따른 미세 셔터의 개도(aperture area) 변화를 나타낸 도면이다. 도 7(b)는 구동 전압에 따른 미세 셔터의 개도(aperture area) 변화 양상을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8(a)는 하위 화소의 액체 미세 셔터 폐쇄 상태와 개방 상태 및 각 상태별 구동 전압을 나타낸 도면이다. 도 8(b)는 N-bit의 계조(grey scale)로 표현되는 하위 화소의 원색을 최대 밝기로 표시하는 경우의 액체 미세 셔터 구동 전압 파형을 나타낸 도면이다. 도 8(c)는 N-bit 계조 표현이 가능한 하위 화소의 원색을 임의의 계조(0과 (2N-1) 사이의 임의의 정수에 해당하는 계조)로 표현하는 경우의 액체 미세 셔터 구동 전압 파형을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 의 미세 셔터 화면 표시장치를 휴대형 전자 기기에 적용한 사용 예를 나타낸 도면이다.
도 10은 외광(3) 환경을 검지(sensing)하고 이에 근거하여 배면 광원(310)의 광 출력을 조절함으로써, 투과형과 반사형 동작의 화면 표시 기여 비율을 최적화하여 병행하도록 할 수 있는 수단을 미세 셔터 화면 표시장치와 조합한 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 평판형 디스플레이 패널(flat display pannel) 및 상기 패널을 구성하는 단위 화소(unit pixel)를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 액세 미세 셔터를 포함하는 하부 패널(100)과 액체 미세 셔터의 전기 습윤(electrowetting) 구동을 위한 투명 대향 전극을 구비한 상부 패널(200)에 의하여 단위 화소가 구성된다. 상기 단위 화소는 적색, 녹색, 청색 등의 원색을 표현하는 하위 화소(sub-pixel: SP)가 개별적으로 구획되어 구성될 수 있다. 상기 하부 패널(100)과 상기 상부 패널(200)은 패널의 테두리 부위가 기밀 봉합 구조(410)로 접합 조립되며, 상기 봉합 구조 내에 극성의 전도성 투명 액체(400)가 봉입되어 디스플레이 패널이 구성된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 액체 미세 셔터 표시장치(liquid micro-shutter display)에서의 단위 화소(unit pixel) 구조를 보다 상세하게 나타낸 도면이다.
도 2(a)는 액체 미세 셔터 표시장치의 단위 화소에 대한 사시도이다. 도 2(b)는 단위 화소의 주요 구성별 분해도를 나타낸 도면이다.
도 2(a), (b)를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 액체 미세 셔터 표시장치의 하부 패널(100)은 전극 및 박막 트랜지스터(thin film transistor; TFT) 등의 개별 하위 화소 구동 회로가 집적된 투명 하부 기판(10), 그 위에 순차적으로 적층되는 광변환부(20), 전기 습윤 구동용 하부 투명 전극층(30), 액체 미세 셔터 배열 구조(40)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 의할 때, 상기 광변환부(20)에서는, 적색 표현을 위한 광변환 영역(21-1), 녹색 표현을 위한 광변환 영역(21-2), 청색 표현을 위한 광변환 영역(21-3) 등이 차광부(24)의 형상에 의하여 구획되어 배열될 수 있다. 상기 하부 투명 전극층(30)은 전기 습윤 구동에 적합한 평면 형상이 패터닝 된 인듐 주석 산화물(indium tin oxide; ITO) 등으로 이루어진 하부 투명 전극, 상기 투명 전극의 상부 및 하부를 전기적으로 절연하기 위한 제 1 투명 절연체층, 제 2 투명 절연체층을 포함할 수 있다. 상기 액체 미세 셔터 배열 구조(40)는 배면광 또는 외광을 차폐 또는 개방시키는 셔터 기능을 담당하는 무극성(non-polar)의 절연성 유색 액체(41)와, 하위 화소 별 광변환부에 정렬되어 상기 유색 액체를 구획하여 담지하는 미세 공간(cavity)이 형성된 하위 화소 격벽 구조물(sidewall grid)(42)을 포함할 수 있다. 또, 상부 패널(200)의 저면에는 상부 투명 전극층이 집적되어 있다.
도 3(a)는 도 2(a) B3-B4의 절단면을 도시한 도면이고, 도 3(b)는 도 2(a) C3-C4의 절단면을 도시한 도면이다. 도 3을 참조하여 미세 셔터 표시장치의 구성을 더욱 상세하게 살펴보기로 한다.
도 3(a), (b)를 참조하면, 본 발명의 액체 미세 셔터 표시장치의 하부 패널(100)은 투명 하부 기판(10), 배면광을 하위 화소에 대응하는 원색으로 변환하는 기능 및 하위 화소에 대응하는 원색 대역의 외광을 반사시키는 기능 중 적어도 하나를 수행하는 광변환부(20), 전기 습윤 구동용 하부 투명 전극층(30), 상기 광변환부(20)에서 출사되는 광의 경로를 개폐하거나 개구 영역을 조절하는 액체 미세셔터(40)를 포함할 수 있다. 또, 본 발명의 액체 미세 셔터 표시장치의 상부 패널(200)은 투명 상부 기판(201), 전기 습윤 구동용 상부 투명 전극층(202)을 포함할 수 있다. 또, 본 발명의 액체 미세 셔터 표시장치는 하부 패널(100)의 저면에 위치하여 제 1파장 대역의 광을 발산하는 광원(미도시)과 배면 조광부(300)를 더 포함할 수 있다.
상기 배면 조광부(300)는 배면광을 화면 영역 전체에 균일하게 유도하기 위하여 투명 소재 도광판(301), 상기 투명 소재 도광판 저면에 구비된 높은 반사도를 갖는 반사층(302)을 포함할 수 있다. 상기 배면 조광부(300)는 상기 투명 하부기판(10)의 저면에 구비될 수 있다. 한편, 상기 광변환부(20)의 차광부(24)와 대향하는 투명 하부 기판(10)의 소정의 영역에서 차광부 반사면(24-1)이 형성될 수 있다. 상기 차광부 반사면(24-1)은 광원(미도시)에서 출사된 배면광(1)을 반사시킬 수 있다. 또는, 상기 투명 하부기판(10)의 일면에 전극 배열 또는 박막 트랜지스터 배열로 구성되는 하위 화소 구동 집적 회로가 설치될 수 있다. 그리고, 상기 구동 집적 회로 표면에 평탄화층(12)이 형성될 수 있다. 상기 평탄화층은 절연체로 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 차광부 반사면(24-1)은 상기 평탄화층(12)과 상기 차광부(24)의 계면에 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의할 때, 배면광(1)은 투명 소재 도광판(301)과 투명 하부기판(10) 사이에서 상기 반사층(302)및 상기 차광부 반사면(24-1)에 의하여 다중 반사를 하게 된다. 상기 배면광(1)은 상기 다중 반사를 통하여 상기 차광부 반사면(24-1)이 형성되어 있지 않은 투명 하부기판(10)의 광 개구부(aperture)로 입사할 수 있다. 따라서, 상기 다중 반사에 의하여 배면광량 대비 하부기판에서 상기 미세 셔터로 출사되는 개별 원색 광량의 비율을 높일 수 있다. 또, 도광판 요소와 하부기판을 결합하여 배면광 조광 장치(backlight unit assembly)를 구성하고, 배면 광원에서 광이 입사되는 영역을 제외한 배면광 조광 장치의 측면에 반사 층을 접합하거나 적층하여 배면광 이용 효율을 개선할 수 있다. 또한, 상기 반사층(302)은 반사되는 광 경로를 상기 하부기판 방향으로 지향하도록 하고, 화면 전체에 대한 휘도 분포 균일도를 향상시키기 위하여 다수의 미세 요철 형상의 반사 패턴 요소를 포함할 수 있다.
상기 광변환부(20)는 제 1 파장 대역의 상기 배면광(1)을 하위 화소에 대응하는 상기 배면광(1)과는 다른 파장 대역의 원색 광으로 변환하는 형광 물질로 이루어진 광여기 발광부(21), 변환된 상기 원색 광은 반사시키고 변환되지 않은 배면광은 투과시키는 이색성 반사 층(23), 변환된 원색 광을 투과시키는 하위 화소 별 색 필터(22)를 포함할 수 있다. 한편, 상기 광여기 발광부(21)는 발광 대역 반치폭(full width at half maxium; FWHM) 특성이 좁고, 가시광 영역의 색 좌표계에서 각각의 원색에 포화된(color saturated) 중심 파장(peak wavelength)을 발광하는 형광 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 또, 본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 광여기 발광부(21)는 각각의 하위 화소에 대응하는 광발광 특성을 갖는 양자 점 집합체(quantum dot ensemble) 또는 양자점을 함유하는 복합(quantum dot matrix) 형광체를 적용하여 구성하는 구조를 포함할 수 있다. 또, 상기 광여기 발광부(21)는 나노미터(nanometer) 수준의 직경을 갖는 반도체 여기 발광 물질인 양자 점(quantum dot), 나노 막대(nanorod) 등을 포함하는 나노 입자를 기반으로 하여, 필요한 하위 화소 별 원색에 맞게 구성될 수 있다.
상기 광여기 발광부(21)는 입사된 광을 여기 광(excitation light)으로 하여 파장 천이(wavelength conversion)된 광을 발광하는 형광체(phosphor) 등의 광발광(photoluminescence) 물질로 형성되어 있다. 상기 광여기 발광부(21)에 의하여, 상기 배면광(1)은 해당 하위 화소에 대한 적색, 녹색, 또는 청색 중 하나의 화상 표시용 원색광(2)으로 변환된다. 상기 변환된 원색광(2) 중 하부의 배면 조광부(backlight unit) 방향으로 향하는 성분과 관련하여, 배면광(1)의 파장 대역은 투과하고, 그 이외의 변환된 파장 영역은 반사하는 이색성 반사층(23)을 상기 투명기판(10)과 상기 광 여기 발광부(21) 사이에 더 포함하여 구성할 수 있다. 상기 이색성 반사층(23)은 이색성 경면 또는 필터(dichroic mirror/filter) 등의 광학 요소로 구현될 수 있다. 상기 광 여기 발광부(21) 상부에는 변환된 원색광의 대역을 투과시키는 해당 하위 화소 별 색 필터(color filter)(22)를 적층할 수 있다. 상기 색 필터(22)는 해당 하위 화소에 해당하는 광만을 통과시키므로 본 발명에 의한 화면 표시장치에 천연색(full color) 반사형 기능을 부여하는 경우에 필요하다. 그리고, 본 발명에 의한 화면 표시장치가 투과형 또는 단색(monochrome) 반사형으로 동작하는 경우에는 상기 색 필터(22)를 생략할 수 있다.
상기 하부 투명 전극층(30)은 상기 광변환부(20)의 상부에 형성될 수 있다. 상기 하부 투명 전극층(30)은 전기 습윤 구동에 적합한 평면 형상이 패터닝된 인듐 주석 산화물(indium tin oxide; ITO) 등으로 이루어진 하부 투명 전극(31), 상기 하부 투명 전극(31)의 상부를 전기적으로 절연하기 위한 제 1 투명 절연체층(32), 상기 투명 전극의 하부를 전기적으로 절연하기 위한 제 2 투명 절연체층(33)을 포함할 수 있다. 한편, 상기 제 2 투명 절연체층(33)은, 외부 환경에 의한 광변환부(20)의 변색 및 변형을 억제하기 위하여, 상기 광변환부(20)의 표면에서 투명 박막이 적층되어 형성될 수 있다. 또, 상기 제 2 투명 절연체층(33)과 접하는 차광부(24)의 상부 면은 외광에 의한 반사를 최소화 할 수 있도록 흑체(black matrix)를 포함하여 형성하거나, 상기 차광부 물질 표면을 흑화 처리하여 구성할 수 있다.
한편, 상기 하부패널(100)과 상기 상부패널(200) 사이의 공간에는 극성의 전도성 투명 액체(400)가 봉입될 수 있다. 또, 상기 전도성 투명 액체(400)는 상기 하부패널의 광 출사면, 상기 상부패널의 광 입사 표면 각각과 굴절률 차이가 최소화되는 액체인 것이 바람직하다. 이 경우, 각각의 계면에서 발생할 수 있는 산란, 전반사 등의 광 손실을 최소화할 수 있고, 화상 왜곡을 줄여서 보다 선명한 화면을 제공할 수 있다.
또, 광 변환부의 저면에 구비될 수 있는 이색성 반사층(23)은, 외광(3)을 이용한 경우의 하위 화소 별 원색 반사 효율을 높일 수 있다. 맑은 날의 실외 자연광 환경과 같이 외광(3)이 강한 경우에는 배면광(1)을 이용하지 않고, 반사형 구동만으로도 화상 표시가 가능하다. 또, 실내 조명 환경과 같이 외광의 세기(intensity)가 충분하지 않은 경우에는 배면광(1)의 세기를 적절한 수준으로 낮추고 외광에 의한 반사를 활용함으로써, 화면 표시장치의 전력 소모를 줄일 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 표시장치는, 배면 조광부(300) 및 하부 패널(100)에 포함된 각 구성에 의하여, 공간해상도를 저해하지 않으면서 투과형 동작과 반사형 동작을 수행하도록 할 수 있다.
도 3은 화면 표시장치를 구성하는 원색과는 상이한 배면 광원을 이용하는 세부 하위 화소 별 광 변환부 구성을 개시하고 있다. 그러나, 본 발명의 일실시예에 의할 때, 배면 광원을 적색 발광 다이오드(light emitting diode) 등과 같이 화면 표시장치의 원색과 일치하는 대역으로 구성하는 경우, 청색 및 녹색을 표현하는 하위 화소의 구조는 상기 도 3과 동일하게 구성하고, 적색 하위 화소의 구조에서는 적색 광여기 발광층(21)을 생략할 수 있다. 또, 화면 표시장치에서 반사형 기능을 적용하지 않고 투과형 기능만 이용할 경우에는 적색, 녹색, 청색 각 하위 화소의 색 필터(22)를 생략할 수 있다.
상기 액체 미세 셔터 배열 구조(40)는 무극성의 절연성 유색 액체(41)와, 하위 화소 별 광변환부에 정렬되어 상기 유색 액체를 구획하여 담지하는 미세 공간(cavity)이 형성된 하위 화소 격벽 구조물(sidewall grid)(42)을 포함할 수 있다. 상기 절연성 유색 액체(41)는 배면광 또는 외광을 차폐하거나 개방시키는 셔터 기능을 담당한다.
상기 하부 투명 전극층(30)과 상기 상부 투명 전극층(202)에 소정의 전위를 인가함으로써, 상기 하부 투명 전극층(30)과 상기 상부 투명 전극층(202) 사이에 전계를 인가시킬 수 있다. 이때, 상기 전기 습윤 구동용 하부 투명 전극층(30) 및 상기 전기 습윤 구동용 상부 투명 전극층(202)에 인가되는 신호에 의하여 상기 액체 미세 셔터 배열 구조(40)의 개폐가 이루어진다. 즉, 상기 액체 미세 셔터 배열 구조물이 집적된 서로 대향하는 하부 기판 및 상부 기판의 평면 방향(in-plane direction)으로 구동 변위가 발생하여, 상기 하부 기판에 구비된 광 변환 영역을 상기 유색 액체로 가리거나 개방하도록 함으로써 상기 미세 셔터 배열 구조의 개폐가 가능하다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 도 3(a)는 하부 투명 전극층(30)에 인가되는 구동 전압(VS)이 상부 투명 전극층의 전압과는 상이하여 미세 셔터가 개방된 상태를 나타내고 있다. 즉, 전기 습윤 현상에 의하여 절연체 유색 액체(41)가 상기 상부 투명 전극층과 상기 하부 투명 전극층 사이에 전계가 형성되어 있지 않은 소정의 영역(하부 투명 전극이 없는 부분)에서 뭉쳐짐으로써, 상기 액체 미셔셔터는 셔터 개방상태가 된다. 또, 도 3(b)는 하부 투명 전극층(30)에 인가되는 구동 전압(VS)이 상부 투명 전극층의 전압과 동일하여 미세 셔터가 폐쇄된 상태를 나타내고 있다. 즉, 절연체 유색 액체(41)와 극성의 전도성 투명 액체(400)의 정상 상태(steady state)의 표면 장력과, 상기 두 액체(41, 400), 소수성(hydrophobic)의 제 1 투명 절연체층(32) 및 하위 화소 격벽 구조물(42)간의 표면 에너지의 균형 상태로 인하여, 상기 액체 미셔셔터는 셔터 폐쇄 상태가 된다. 이는 무극성 액체 상부에 극성의 액체가 상 분리(phase separation) 되는 현상에 의하여 이루어진다. 또, 앞서 기재한 바와 같이, 상기 극성 액체의 상부에는 투명 전극이 구비되어, 상기 투명 전극이 상기 극성 액체와 통전되도록 할 수 있다.
즉, 도 3(a)는, 앞서 설명한 색상 변환 과정을 통하여, 광변환부(20)에서 출사되는 하위 화소의 원색 광(2)이 상기 차광용 유색의 무극성 액체(41) 주변의 광 개구부를 통해 투과되어 해당 하위 화소의 원색을 표현하는 과정을 나타내고 있다. 그리고, 도 3(b)는, 광 변환부(20)에서 출사되는 원색 광(2)이 광 개구부를 덮은 유색의 무극성 액체(41)에 의해 차광 되어 화면에는 흑색으로 표시되는 상태를 나타내고 있다.
도 4는, 액체 미세 셔터(liquid micro-shutter) 배열을 광 스위칭(optical switching) 요소로 갖는 직시형 천연색 표시장치(full color display)에 있어서, 배면 광원(310)을 화상 표시의 조명 광으로 이용하는 투과 방식(transmissive mode) 구동 원리를 나타낸다.
도 4는 도 2(a)에 표시되어 있는 표시장치를 A1-A2, B1-B2 및 C1-C2 가상선을 따라 절단한 단면을 나타낸 도면이다. 도 4(a)는 A1-A2 가상선을 따라 절단한 단면을 나타내고 있고, 도 4(b)는 B1-B2 가상선을 따라 절단한 단면을 나타내고 있고, 도 4(c)는 C1-C2 가상선을 따라 절단한 단면을 나타내고 있다. 도 4를 참조하여, 화소 동작 원리에 대하여 구체적으로 살펴보도록 한다. 도 4(a)는 적색 및 청색 하위 화소에서, 각각의 액체 미세 셔터의 개구 영역(open area)에 비례하는 적색 및 청색 변환 광이 출사되는 과정을 나타내고 있다. 한편, 녹색 변환 광은 차단되어 있는 화소 표시 동작을 나타내고 있다. 상기 광원(310)으로부터 출사되는 배면광(1)은 투명 소재 도광판(301)과 하부 투명기판(10) 사이에서 상기 반사층(302)및 상기 차광부 반사면(24-1)에 의하여 다중 반사를 하게 된다. 다중 반사하는 배면광(1)은 상기 차광부가 형성되어 있지 않은 광 개구부 영역에서 투명 상부기판(201) 방향으로 출사된다. 출사되는 과정에서 상기 배면광(1)은, 상기 광 개구부 영역에 집적되어 있는 광변환 영역(21-1, 21-2, 21-3)을 거치면서, 공간적으로 구획되어 있는 해당 하위 화소에 필요한, 적색(2-1), 녹색, 청색(2-3) 등으로 변환된다. 도 4(a)를 참조하면, 적색 변환 광(2-1) 및 청색 변환 광(2-3)이 통과하는 영역에서는 셔터가 개방되어있다. 따라서 상기 영역에서는 변환 광이 화면에 표시된다. 그리고, 녹색 변환 광이 통과하는 영역에서는 셔터가 폐쇄되어 있다. 따라서, 상기 영역에서는 변환 광이 화면에 표시되지 않는다. 상기와 같이 하위 화소가 동작하는 경우, 단위 화소는 보라색을 표시할 수 있다.
도 4(b)는 액체 미세 셔터가 열려 있는 적색 하위 화소에서, 배면광(1)을 변환하여 적색(2-1)을 표시하는 상태를 나타낸다. 도 4(c)는, 녹색 하위 화소의 액체 미세 셔터를 닫아, 녹색 변환 광 출사를 차단한 상태를 나타낸다.
한편, 미세 셔터 기능의 무극성 액체(41)는 흑색으로 구성하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 상기 무극성 액체(41)를 흑색으로 구성하였을 때, 변환광 차단 효율과 외광 반사 억제 효율을 더욱 높일 수 있기 때문이다.
또, 본 발명의 일실시예에 의할 때, 전체 화상 표시에 필요한 개별 하위 화소의 구동 신호에 따라 개별 하위 화소 별로 필요로 하는 계조(grey scale)에 맞게 구동 신호를 제어하여, 천연색(full color) 화상 표시가 가능한 투과형 화면 표시장치를 제공할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 액체 미세 셔터 표시장치의 반사 방식(reflective mode) 구동 원리를 개략적으로 나타낸 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 액체 미세 셔터 표시장치는 배면광(1) 없이 외광(ambient light; 3)을 조명 광원으로 이용할 수 있다. 이렇게 반사형 동작을 하는 경우에도 천연색(full color) 표시가 가능하다. 도 5를 참조하면, 높은 휘도의 자연광 또는 실내 조명 광이 액체 미세 셔터 표시장치에 입사하면, 개별 하위 화소의 광변환 영역(21-1)과 액체 미세 셔터의 광 개구부가 광 경로를 따라 정렬되는 그림의 (a)와 같은 셔터 개방 상태(shutter open state)에서는 외광(3)이 광변환부(20)으로 입사된다. 입사된 외광(3)은 색 필터(22)에서 하위 화소에 해당하는 대역의 빛만이 투과되어 이색성 반사 층(23)에 도달한다. 상기 이색성 반사 층(23)에 도달한 빛은 상기 이색성 반사 층(23)에 반사되어 출구측으로 출사된다.
위와 같이 상기 광변환 영역(21-1)에 구비되는 색 변환 기능에 의하여 해당 하위 화소에 필요한 원색 파장 대역이 반사되어 색상을 표시할 수 있다. 한편, 액체 미세 셔터의 액체(41)에 의하여 외광(3)이 상기 광 변환영역(21-2)에 도달하는 것이 차단되는 도 4(b)와 같은 셔터 폐쇄 상태(shutter close state)에서는, 해당 하위 화소가 흑색으로 표현된다.
또한, 배면광(1)과 외광(3)을 동시에 이용하는 경우, 여기 발광부(21)에서 변환된 파장 대역의 광과 외광(3)중 하위 화소에 해당하는 대역의 광이 합쳐져서 출사되므로 전체 광출력을 증가 시키는 것도 가능하다.
앞서 설명한 바와 같이, 화상을 구성하는데 필요한 개별 하위 화소별 영상 제어 신호에 의하여 각각의 액체 미세 셔터가 구동될 수 있다. 그리고 상기와 같은 구동에 의하여 사용자가 원하는 전체 화상이 표시될 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 의할 때, 상기 도 4에서 설명한 투과형 동작과 상기 도 5에서 설명한 반사형 동작은 동시에 수행될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의할 때, 본 발명에 의한 표시 장치는 공간해상도를 저해하지 않으면서 투과형 동작과 반사형 동작을 수행함으로써, 각각의 모드에 대해서 최대의 광 휘도를 달성할 수 있고, 다양한 사용환경 하에서도 시인성 및 가독성을 확보하도록 할 수 있다. 또, 본 발명에 의한 표시 장치는,투과형과 반사형 동작을 최적화하여 능동적으로 조절할 수 있으므로, 전력 소모를 절감하고 언제 어디서나 선명한 화질을 제공할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 액체 미세 셔터 표시장치의 화소 구성과 화소의 색상 표시 방식을 나타낸 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 단위 화소는 적색, 녹색, 청색을 표현하는 각각의 하위 화소(sub-pixel) SP1, SP2, SP3로 구성될 수 있다.
본 발명에 의한 미세 셔터 표시장치는 도 6과 같은 구성을 갖는 화소가 화면 영역에 2차원 매트릭스 형태로 배열되어 구성된다. 도 6을 참조하면, 적색, 녹색, 청색은 각각의 해당 원색에 대응하는 하위 화소를 셔터 개방 상태로 구동하여 표시하며, 흑색의 경우에는 모든 하위 화소를 셔터 폐쇄 상태로 유지하여 표현한다. 또, 백색의 경우에는 모든 하위 화소를 셔터 개방 상태로 구동하여 원색이 혼색되도록 하여 구현할 수 있다. 자연스러운 천연색을 표현하기 위해서는 상기 기본 원색 표현뿐만 아니라, 개별 원색의 계조(grey scale) 또는 휘도(brightness)를 표현할 수 있어야 한다. 이를 위하여 개별 하위 화소의 미세 셔터의 독립적인 구동에 의해 개별 하위 화소에 요구되는 화상 표시 색상의 계조 표현이 가능하다.
도 7은 아날로그 구동 방식에 의한 하위 화소별 액체 미세 셔터의 구동 방법을 나타낸다. 구동 전압(VS)에 의한 정전기력이 변화됨에 따라, 극성 투명 액체(400)와 제 1 투명 절연층(32), 무극성의 유색 액체(41)가 접하는 계면에서의 표면 장력(surface tension) 또는 표면 에너지(surface energy)가 변한다. 그리고 상기 두 종류의 액체(41, 400)와 고체(32)의 표면 장력이 균형을 이루는 제 1 투명 절연층(32) 표면 소정의 위치에서 상기 두 종류의 액체(41, 400)와 고체(32)의 계면이 형성된다. 한편, 구동 전압에 따라 변화되는 계면에 의해 액체 미세 셔터의 개구 영역(open area)이 결정된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 의할 때, 구동 전압의 크기에 근거하여 액체 미세 셔터에 의한 광 경로 개구율을 제어할 수 있다. 그리고, 아날로그 구동 방식으로 상기 광변환부에서 출사되는 원색광의 광량을 조절함으로써 표시 장치의 계조(grey scale) 또는 휘도(brightness)를 제어할 수 있다.
도 7(a)는 하위 화소에 구동 전압(VS)을 인가하는 방식 및 구동 전압에 따른 미세 셔터의 개도(aperture area) 변화를 나타낸다. 도 7(b)는 구동 전압에 따른 미세 셔터의 개도(aperture area) 변화 양상을 개략적으로 나타낸다. VT는 액체 미세 셔터가 열리기 시작하는 문턱 전압(threshold voltage)을 나타내고, Vmax는 액체 미세 셔터의 최대 개도(Amax) 확보에 필요한 구동 전압을 나타내며, VDD는 화면 표시장치의 하부 패널(100)에 인가되는 전원 전압을 나타낸다. 도 7을 참조하면, 구동 전압이 문턱 전압 이하일 때에는 액체 미세 셔터가 닫힌 상태이다. 구동 전압이 문턱 전압을 넘어서면서부터, 구동 전압에 따라 액체 미세 셔터가 개방되게 되고, 구동 전압이 Vmax 이상이 되면 액체 미세 셔터가 완전 개방된다.
다만, 상기와 같은 아날로그 구동 방식은 화상 표시에 있어서 화면 영역에서의 불균일 특성을 야기할 가능성이 있다. 이것은, 각 하위 화소 별로 다수 개 집적되는 미세 셔터(100) 개별 소자의 특성 편차와 상부패널(200)의 구동 전원의 화면 영역 전체에서의 불균일 특성 등에 의하여 발생한다. 따라서, 보다 용이하게 전체 화면 표시 영역 내에서 동일한 구동 특성을 확보할 수 있고, 간단한 구동 회로에 의해 구현할 수 있는 디지털 구동 방식의 구동 신호를 인가할 수 있다.
도 8은 셔터 구동을 위한 구동 전압(VS) 인가 파형의 일실시예를 나타낸 도면이다. 도 8(a)는 하위 화소의 액체 미세 셔터 폐쇄 상태와 개방 상태 및 각 상태별 구동 전압을 나타내고 있다. 도 8(b), (c)의 구동 파형은 미세 셔터(40)의 개방 상태 또는 폐쇄 상태의 두 상태를 시분할(time division)하여 다단계의 계조를 표현하는 디지털 구동에 사용된다.
도 8(b)는 N-bit의 계조(grey scale)로 표현되는 하위 화소의 원색을 최대 밝기로 표시하는 경우의 액체 미세 셔터 구동 전압 파형이고, 도 8(c)는 N-bit 계조 표현이 가능한 하위 화소의 원색을 임의의 계조(0과 (2N-1) 사이의 임의의 정수에 해당하는 계조)로 표현하는 경우의 액체 미세 셔터 구동 전압 파형이다.
도 8(b), (c)를 참조하면, 단위 영상 프레임의 주기를 Tf로 나타내었으며, 새로운 영상 프레임이 시작되어 소정의 시간 동안 개별 하위 화소에 해당하는 영상 신호를 구동 신호로 변환하고 미세 셔터(40)를 구동 대기 상태(standby state)로 초기화하는 등의 영상 프레임 별 초기화 구간을 Treset으로 나타냈다. 상기 영상 프레임 주기 Tf에서 프레임 초기화 구간 Treset을 뺀 시간 구간을 개별 하위 화소의 원색 계조 표현을 위해 할당할 수 있다. 상기 영상 계조 표현 구간 전체에서 셔터 폐쇄 상태일 경우에, 해당 하위 화소는 휘도 및 채도가 최소인 흑색을 표현할 수 있다. 계조 표현 구간 전체에서 셔터 개방 상태로 해당 하위 화소의 원색 광을 출사시키면 해당 하위 화소에서 표현 가능한 (2N-1) 단계의 가장 높은 채도의 원색을 표현할 수 있다. 할당된 계조 표현 구간(Tf - Treset)을 표현하고자 하는 최대 계조 단계(2N -1)로 나눈 시간 t0를 계조 표현을 위한 미세 셔터 단위 구동 펄스(driving pulse)의 최소 폭으로 한다. 상기 단위 구동 펄스 폭을 0과 (2N-1)사이의 정수 배만큼 한 구간 Topen동안 셔터 개방 구동 전압 VS(도 8의 예에서는 VDD)를 프레임 주기 내의 계조 표현 구간 안에서 소정의 구간에 할당하여 인가하고, 나머지 계조 표현 구간은 셔터 폐쇄 상태가 되도록 구동 전압을 유지하여 임의의 계조를 표현할 수 있다. 본 발명에 의한 미세 셔터 화면 표시장치의 개별 하위 화소 별 미세 셔터(40)의 영상 표시를 위한 구동 전기 신호는 하부패널(100)에 집적되어 구성되는 전극 배열 또는 박막 트랜지스터 회로에 의해 공급될 수 있다. 이 경우, 셔터 개방을 위한 구동 전압은 상기 상부 기판의 집적회로의 전원 전압(VDD)과 접지(ground; GND) 전위를 이용하여 용이하게 구현할 수 있다. 또, Ton은 화소 별 미세 셔터(100)가 개방 상태로 전환되는 시점을 의미하는데, Ton은 해당 계조가 시청자에게 가장 자연스럽게 인식되도록 영상 프레임 내에서 최적화하여 결정하는 것이 바람직하다. 또, 이러한 계조 표현은 사용자의 필요에 따라 다양하게 구현될 수 있다.
특히 본 발명에 의한 액체 미세 셔터 구조는, 미세 기계 구조물로 구현할 수 있는 기전(electromechanical) 방식의 미세 셔터와 비교하여, 더 높은 셔터의 개구율(open aperture ratio)을 용이하게 구현할 수 있으므로, 보다 밝고 선명한 영상을 표현할 수 있다.
도 3에서 설명했던 본 발명의 각 구성, 도 7, 8에서 설명했던 본 발명의 구동 신호 인가 방식을 결합하여 다음과 같이 개선된 화면 표시 장치를 제공할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 의한 표시장치는, 공간해상도를 저해하지 않으면서 투과형 동작과 반사형 동작을 수행함으로써, 각각의 모드에 대해서 최대의 광 휘도를 달성할 수 있다. 또, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 기존 표시장치보다 향상된 광이용 효율을 가진 구성 및 사용자가 원하는 정확한 계도 및 휘도의 화상표현이 가능한 구성에 의하여 개선된 화상을 표시 장치에 표시할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 보다 절감된 소모 전력으로 사용자가 원하는 밝기의 영상을 용이하게 표현할 수 있으며, 다양한 사용 환경에서도 시인성 및 가독성을 확보하도록 할 수 있다.
도 9는 본 발명에 의 미세 셔터 화면 표시장치를 휴대형 전자 기기에 적용한 사용 예를 나타낸 도면이다. 도 9(a)는 강한 외광 환경에서의 반사형 천연색 화면 표시 동작을 모식적으로 표현하였으며, 도 9(b)는 배면광에 의한 투과형 천연색 표시 동작을 예시하였다. 상기와 같이 외광 환경에 맞게 화면 표시 방식을 전환하는 것을 사용자가 선택하도록 구성할 수 있다. 또는, 표시장치가 외광을 검지하여 자동적으로 화면 표시 방식이 전환되도록 할 수도 있다.
도 10은 외광(3) 환경을 검지(sensing)하고 이에 근거하여 배면 광원(310)의 광 출력을 조절함으로써, 투과형과 반사형 동작의 화면 표시 기여 비율을 최적화하여 병행하도록 할 수 있는 수단을 미세 셔터 화면 표시장치와 조합한 구성을 나타낸 도면이다. 도 10을 참조하면, 환경 적응형(adaptive) 화면 표시 장치의 구성의 일례로, 외광의 조도 등을 검지하는 광 센서(photo sensor)(501), 상기 검지된 외광 조건을 판단하고 외광 환경에 맞게 배면 광원의 광 출력 수준을 결정하는 등의 최적화 조건을 산출하기 위한 논리 연산부(502), 결정된 최적 화면 표시 방식에 대응하여 배면 광원(310)의 광 출력을 조절하기 위한 광원 제어부(503) 등을 미세 셔터 화면 표시장치에 더 부가하여 구성할 수 있다. 이러한 투과형 및 반사형 동작의 최적화를 통하여 배면광(backlight) 소모 전력을 절감할 수 있다. 또한, 시청자에게는 외광 환경에 적합한 선명한 화질 및 높은 시인성을 제공할 수 있다.

Claims (21)

  1. 광을 발산하는 광원,
    상기 광원의 광경로상에 위치하는 투명 하부기판,
    상기 광원의 광을 하위 화소에 대응하는 다른 파장 대역의 광으로 변환하는 기능 및 하위 화소에 대응하는 외부광을 반사시키는 기능 중 적어도 하나를 수행하는 광변환부,
    상기 광변환부에서 출사된 광의 광경로상에 위치하는 투명 상부 기판,
    상기 투명 하부 기판과 투명 상부기판의 사이에 위치되어 광의 경로를 개폐하거나 개구 영역을 조절하는 액체 미세셔터를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 미세 셔터 표시장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    전기 습윤 구동용 하부 투명 전극층,
    상기 광변환부에서 출사되는 광의 경로를 개폐하거나 개구 영역을 조절하는 액체 미세셔터를 포함하는 하부 패널; 및
    전기 습윤 구동용 상부 투명 전극층을 포함하는 상부 패널을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 미세 셔터 표시장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 액체 미세셔터는, 캐비티가 형성되어 있는 격벽 구조물 및 상기 격벽 구조물내의 무극성 비전도성의 유색 액체를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 미세 셔터 표시장치.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 하부 패널과 상기 상부 패널의 사이의 공간은 극성의 전도성 투명 액체를 포함하고,
    상기 하부 투명 전극층은 하부 투명 전극, 제 1 투명 절연체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 미세 셔터 표시장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 광변환부와 하부 투명 전극 및 제 1 투명 절연체층 사이에 제 2 투명 절연체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 미세 셔터 표시장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    전기 습윤 구동시, 상기 제 1 투명 절연체층 표면 소정의 위치에서 상기 유색 액체가 모여 개구 영역이 결정되는 것을 특징으로 하는 액체 미세 셔터 표시장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    배면광을 조사하는 배면 조광부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 미세 셔터 표시장치.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 배면 조광부는,
    상기 투명 하부기판과의 접합면과 대향하는 면에 반사층을 구비하여 구성되는 도광판 요소; 및
    상기 도광판 요소에 배면광을 조사하는 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 미세 셔터 표시장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 반사층은 미세 요철 형상의 반사 패턴 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 미세 셔터 표시장치.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 광변환부는,
    상기 광원의 광을 하위 화소에 대응하는 파장 대역의 원색광으로 변환하는 형광 물질로 이루어진 광여기 발광부,
    변환된 상기 원색 광은 반사시키고 변환되지 않은 상기 광원의 광은 투과시키는 이색성 반사층, 및
    하위 화소에 대응하는 원색 광을 투과시키는 하위 화소 별 색 필터 중 적어도 하나를 포함하는 광변환 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 미세 셔터 표시장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 액체 미세 셔터를 구동하기 위한 구동 신호를 공급하는 구동 회로를 상기 투명 하부기판에 설치하고, 상기 구동 회로의 표면에 평탄화층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 미세 셔터 표시장치.
  12. 제 2항에 있어서,
    상기 하부 투명 전극층 및 상기 상부 투명 전극층에 구동 전압이 인가되는 경우에, 상기 구동 전압에 의하여 발생한 상기 하부 투명 전극층과 상기 상부 투명 전극층 사이의 전계에 의해 상기 액체 미세 셔터가 구동되는 것을 특징으로 하는 액체 미세 셔터 표시장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 구동 전압은 아날로그 방식으로 인가되는 것을 특징으로 하는 액체 미세 셔터 표시장치.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 구동 전압을 인가하기 위한 전압 인가 파형은 디지털 파형으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 미세 셔터 표시장치.
  15. 제 4항에 있어서,
    상기 극성의 전도성 투명 액체는 상기 하부패널의 광 출사면, 상기 상부패널의 광 입사면 각각과 굴절률 차이가 최소화되는 액체인 것을 특징으로 하는 액체 미세 셔터 표시장치.
  16. 제 7항에 있어서,
    외광 검지 센서; 및
    상기 외광 검지 센서의 측정 결과에 근거하여 상기 광원의 출사 광량을 조절하는 제어수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 미세 셔터 표시장치.
  17. 제 10항에 있어서,
    상기 광여기 발광부는 양자점(quantom dot) 및 나노 막대(nanorod) 중 적어도 하나를 포함하는 나노 입자로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세 셔터 표시장치.
  18. 제 10항에 있어서,
    상기 배면광이 상기 하위 화소에 대응하는 원색 광을 조사하는 경우, 상기 광여기 발광부를 생략하는 것을 특징으로 하는 액체 미세 셔터 표시장치.
  19. 제 1 파장 대역의 광을 발산하는 광원,
    상기 제 1 파장 대역의 광 경로상에 위치하는 광 변환부,
    광의 출사 경로를 개폐하거나 개구 영역을 조절하는 액체 미세 셔터로 이루어지고, 상기 광변환부는,
    상기 제 1 파장 대역의 광은 투과 시키고 상기 제 1 파장 대역 이외의 광은 반사 시키는 이색성 반사층,
    상기 이색성 반 사층을 투과한 제 1 파장 대역의 광을 제 2 파장 대역의 광으로 변환하는 광여기 발광부,
    상기 광원에서 발산되는 광과는 다른 경로로 입사되는 외부광중 상기 제 2파장 대역의 광만을 투과시키는 색필터를 포함 하는 것을 특징으로 하는 액체 미세 셔터 표시장치.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 이색성 반사층은 다이크로익 필터 인 것을 특징으로 하는 액체 미세 셔터 표시장치.
  21. 제 19항에 있어서,
    외광 검지 센서; 및
    상기 외광 검지 센서의 측정 결과에 근거하여 상기 광원의 출사 광량을 조절하는 제어수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 미세 셔터 표시장치.
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