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WO2012165721A1 - 미세 셔터 표시장치 - Google Patents

미세 셔터 표시장치 Download PDF

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WO2012165721A1
WO2012165721A1 PCT/KR2011/007567 KR2011007567W WO2012165721A1 WO 2012165721 A1 WO2012165721 A1 WO 2012165721A1 KR 2011007567 W KR2011007567 W KR 2011007567W WO 2012165721 A1 WO2012165721 A1 WO 2012165721A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
shutter
fine
display device
conversion unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2011/007567
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
이영주
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LG Electronics Inc
Original Assignee
LG Electronics Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by LG Electronics Inc filed Critical LG Electronics Inc
Priority to US13/521,203 priority Critical patent/US8947473B2/en
Publication of WO2012165721A1 publication Critical patent/WO2012165721A1/ko
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/02—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the intensity of light
    • G02B26/023—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the intensity of light comprising movable attenuating elements, e.g. neutral density filters
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09F—DISPLAYING; ADVERTISING; SIGNS; LABELS OR NAME-PLATES; SEALS
    • G09F9/00—Indicating arrangements for variable information in which the information is built-up on a support by selection or combination of individual elements
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09G—ARRANGEMENTS OR CIRCUITS FOR CONTROL OF INDICATING DEVICES USING STATIC MEANS TO PRESENT VARIABLE INFORMATION
    • G09G5/00—Control arrangements or circuits for visual indicators common to cathode-ray tube indicators and other visual indicators
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09F—DISPLAYING; ADVERTISING; SIGNS; LABELS OR NAME-PLATES; SEALS
    • G09F9/00—Indicating arrangements for variable information in which the information is built-up on a support by selection or combination of individual elements
    • G09F9/30—Indicating arrangements for variable information in which the information is built-up on a support by selection or combination of individual elements in which the desired character or characters are formed by combining individual elements
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09G—ARRANGEMENTS OR CIRCUITS FOR CONTROL OF INDICATING DEVICES USING STATIC MEANS TO PRESENT VARIABLE INFORMATION
    • G09G5/00—Control arrangements or circuits for visual indicators common to cathode-ray tube indicators and other visual indicators
    • G09G5/10—Intensity circuits

Definitions

  • the present invention relates to a fine shutter display device, and more particularly, to a fine shutter display device 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.
  • the present invention provides a fine shutter display device having improved light utilization efficiency than a transmissive screen display device using a conventional technology such as a liquid crystal display device.
  • the present invention provides a 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.
  • a fine shutter display device includes a light source for emitting light, a function of converting back light emitted from the light source into a primary color corresponding to a lower pixel, and reflecting external light of a primary color band corresponding to the lower pixel.
  • a lower substrate having a light conversion unit performing at least one of functions, a fine shutter for opening and closing a path of the light emitted from the light conversion unit, a driving circuit for supplying a driving signal to the movable part electrode or the fixed counter electrode,
  • the shutter is a shutter microstructure consisting of a shutter film for blocking the light emitted from the light converter, a shutter opening formed on the side of the shutter film to transmit the light emitted from the light converter, shutter connected to the shutter microstructure
  • An elastic element that provides elastic restoring force when the microstructure is driven, and is configured to be connected to the shutter microstructure Eastern electrode, and characterized by consisting of a fixed counter electrode which are spaced by a predetermined distance and the movable electrode.
  • the fine shutter display device may further include a rear dimming unit for irradiating the rear light.
  • the light conversion unit a light excitation light emitting unit made of a fluorescent material for converting the light of the light source into the primary color light of the wavelength band corresponding to the lower pixel, the converted primary color And at least one of a dichroic reflective layer that reflects light and transmits light of the unconverted light source, and a color filter for each lower pixel that transmits primary color light corresponding to the lower pixel.
  • the light conversion unit is disposed between the rear dimming unit and the fine shutter, and the color filter is disposed between the photoexcited light emitting unit and the fine shutter. It is done.
  • the light-excited light emitting part is formed of nanoparticles including at least one of a quantum dot and a nanorod.
  • the fine shutter display device is characterized in that the light excitation light emitting part is omitted when the back light emits primary color light corresponding to the lower pixel.
  • the dichroic reflective layer is a dichroic filter.
  • a fine shutter display device wherein the lower substrate includes a transparent substrate, a light shielding portion formed on one surface of the transparent substrate, and a transparent protective layer protecting surfaces of the light shielding portion and the light conversion portion.
  • a lower substrate reflective surface is formed between the transparent substrate and the light blocking portion, and a lower substrate blackening surface is formed between the light blocking portion and the transparent protective layer to perform a light blocking function.
  • the rear light dimming part includes a light guide plate element having a reflective layer on a surface opposite to a bonding surface with a lower substrate, and a light source for irradiating back light to the light guide plate element. Characterized in that it comprises a.
  • the reflective layer includes a reflective pattern element having a fine uneven shape.
  • the fine shutter display device 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 fine shutter display device is characterized in that the lower substrate and the fine shutter are connected through at least one conductive fixing part.
  • the fine shutter display device is in a shutter-open state when a potential difference applied between the movable part electrode and the fixed counter electrode is greater than a pull-in voltage, and between the movable part electrode and the fixed counter electrode.
  • the shutter is closed when there is no potential difference applied, and when the potential difference applied between the movable part electrode and the fixed counter electrode is smaller than the pull-in voltage, the shutter is partially opened at a point where the restoring force and the electrostatic force of the elastic spring element are balanced. It is characterized by becoming a state.
  • the driving signal is electrostatic driving, electrostatic or piezoelectric driving, electrothermal driving, electromagnetic driving, shape memory material (shape) It is characterized in that it is applied by at least one of a driving method by a memory material and a driving method by an electro-active polymer microstructure.
  • a fine shutter display device includes a light emitting surface of the lower substrate and a light incident surface of the upper substrate in a space between the lower substrate, the fine shutter, and the upper substrate including the driving circuit. It characterized in that it comprises a fluid in which the difference in refractive index is minimized.
  • 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 achieve the maximum light luminance in each mode by performing the transmissive and reflective operations without sacrificing the spatial resolution. And readability.
  • FIG. 1 (a) is a perspective view of a lower pixel of the fine shutter display device in the shutter closed state
  • FIG. 1 (b) is a cross-sectional view illustrating a cross section of the lower pixel of the fine shutter display device in the YY 'direction in the shutter closed state
  • 1 (c) is a schematic diagram for explaining a structure and an operation principle for primary color display for each lower pixel.
  • FIG. 2 (a) is a perspective view of a lower pixel of the fine shutter display device in the shutter open state
  • FIG. 2 (b) is a cross-sectional view illustrating a cross section of the lower pixel of the fine shutter display device in the YY 'direction in the shutter open state
  • 2 (c) is a detailed view of the Ao region of FIG. 2 (b) in which the light opening of the fine shutter is aligned with the light conversion portion of the lower substrate to emit primary color light of the lower pixel.
  • FIG. 3 (a) and 3 (b) show a shutter open state and a shutter closed state of the fine shutter display device in the transmissive operation, and FIG. 3 (c) shows the ambient light;
  • FIG. 4A is a view showing a state where the fine shutter is closed in the primary color subpixel constituting the unit pixel
  • FIG. 4B is a view showing a state where the fine shutter is opened in the primary color subpixel constituting the unit pixel.
  • 5 (a) and 5 (b) show an example of an input electric driving signal applying method for driving individual sub-pixels.
  • 6 (a) and 6 (b) illustrate an embodiment of a waveform for applying a driving voltage V A for driving a shutter.
  • FIG. 7A illustrates a structure of a pixel of a fine shutter screen display device according to an exemplary embodiment of the present invention, which is composed of sub-pixels SP1, SP2, and SP3 representing red, green, and blue.
  • FIG. 7B is a state diagram schematically illustrating a principle of implementing full color in the pixel.
  • 8 (a) and 8 (b) are diagrams showing examples of applying the fine shutter screen display device according to the present invention to a portable electronic device.
  • FIG. 9 is a combination of a fine shutter screen display device that detects an external light environment and adjusts the light output of the rear light source based thereon to optimize and optimize the screen display contribution ratio of the transmissive and reflective operations. It is a figure which shows one structure.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a lower pixel structure of a fine shutter display device in a shutter closed state.
  • the fine shutter display apparatus includes a rear dimming unit 300 for irradiating back light and a lower substrate having a light conversion unit for converting the back light or external light into respective primary colors corresponding to lower pixels ( 200, a fine shutter 100 that opens and closes a path of light emitted from the light conversion unit, and an upper substrate 400 including an electrode array or a thin film transistor driving circuit.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view of a lower pixel of the fine shutter display device cut in the Y-Y 'direction when the shutter is closed.
  • the fine shutter is a thin plate-shaped movable microstructure including a shutter film 101 and a shutter opening 102, and fixed to provide driving force to the movable microstructure. Microstructures.
  • the movable microstructure may include a shutter microstructure each having at least one shutter opening 102 adjacent to the shutter film 101, an elastic spring element 103 connected to the shutter microstructure, and a fixed facing of the fixed microstructure.
  • the movable part electrode 104 is integrated to the outer surface of the movable microstructure opposite the electrode 105.
  • the movable microstructure may be mechanically bonded and fixed to the upper substrate 400 or the lower substrate 200 by the movable microstructure fixing portion 107 in a predetermined region of the distal end of the elastic spring element 103.
  • the movable microstructure is suspended from the surfaces of the lower substrate 200 and the upper substrate 400 by a predetermined gap.
  • the shutter film may block the output light 2 by the converted back light through the light conversion unit 210 area or block external light from reaching the light conversion unit.
  • the elastic spring element 103 may provide a restoring force opposite to the displacement direction when the shutter microstructure is driven to cause displacement.
  • the movable microstructure fixing unit 107 may not only perform mechanical bonding between the movable microstructure and the upper or lower substrate, but also transmit a driving electrical signal to the movable microstructure.
  • the movable part electrode 104 may be connected to the elastic spring element 103 and may provide a driving force for generating displacement of the movable microstructure.
  • the fixed microstructure is a fixed counter electrode structure fixing part 106 that mechanically bonds the fixed counter electrode 105 and the fixed counter electrode with the upper substrate 400 or the lower substrate 200 to act as anchors. It is connected and provided.
  • the fixed counter electrode structure fixing unit 106 also performs a mechanical bonding function and also serves as an electrical wiring for electrically feeding a driving electrical signal to the fixed counter electrode 105.
  • a driving force for operating the movable microstructure is generated by the movable part electrode 104 and the fixed counter electrode 105 provided to face the movable part electrode, which will be described later.
  • FIG. 1C is a schematic diagram for explaining a structure and an operation principle for the primary color display for each lower pixel, and the primary color light 2 of the pixel converted by the light conversion unit 210 by the shutter film 101. The blocked state is shown.
  • the rear dimming part 300 may provide a high reflectance provided on the bottom of the transparent material LGP 301 and the transparent material LGP 301 in order to uniformly induce the back light to the entire screen area. It may include a reflective layer 302 having.
  • the lower substrate 200 includes a transparent substrate 201, a light conversion unit 210 for converting the back light or external light into respective primary colors corresponding to lower pixels, and a light shielding portion 202 formed on one surface of the transparent substrate. ), And a transparent passivation layer 203 for protecting the surfaces of the light conversion unit 210 and the light blocking unit 202 from discoloration and deformation caused by an external environment.
  • the lower substrate reflecting surface 202-1 reflecting back light is formed at an interface between the light blocking portion 202 formed in a predetermined region of the surface of the transparent substrate 201 and the transparent substrate 201.
  • the lower substrate blackening surface 202-2 may be formed by blackening the surface of the light blocking material.
  • the upper surface of the light blocking portion in contact with the transparent protective layer may include a black body to minimize reflection by external light.
  • the light conversion unit 210 includes a light excitation unit 211 made of a fluorescent material for converting the back light into primary light corresponding to a lower pixel, and reflects the converted primary light and transmits unconverted back light.
  • the dichroic reflective layer 213 includes a sub-pixel color filter 212 that transmits the converted primary color light.
  • the photoexcited light emitting unit has a narrow full width at half maxium (FWHM) characteristic and emits a color saturated peak wavelength in each primary color in a color coordinate system of a visible light region. It is preferable to include.
  • the light emitting unit is a structure configured by applying a quantum dot ensemble or a quantum dot matrix phosphor containing quantum dots having a photoluminescent property corresponding to each subpixel. It may include.
  • the photoexcited light emitting unit is based on nanoparticles including quantum dots, nanorods, and the like, which are semiconductor excited light emitting materials having a nanometer-level diameter, and require primary colors for each lower pixel. It can be configured to fit.
  • the back light is multi-reflected by the reflective layer 302 and the lower substrate reflective surface 202-1 between the transparent material LGP 301 and the transparent substrate 201.
  • the back light may enter the light aperture of the lower substrate on which the light blocking portion 202 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 back light unit assembly, and the side of the back light device except for a region where light is incident from the back light source is bonded or stacked with a reflective layer to use the back light. The efficiency can be improved.
  • the reflective layer 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 photoexcited light emitter 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 is converted into the primary color light 2 for image display of red, green, or blue for the corresponding lower pixel.
  • a dichroic mirror surface or filter which transmits the wavelength band of the backlight 1 and reflects the other converted wavelength region in relation to the component of the converted primary color light directed toward the lower backlight unit.
  • the dichroic reflective layer 213 implemented as an optical element such as a dichroic mirror / filter may be further included between the transparent substrate 201 and the photoexcited light emitting part 211.
  • a color filter 212 for each lower pixel that transmits a band of the converted primary color light may be stacked on the photoexcited emission unit 211. Since the color filter 212 passes only the light corresponding to the lower pixel, the color filter 212 is required 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 as a transmissive function or a monochrome reflective function, the color filter 212 may be omitted.
  • Surfaces of the light conversion unit 210 and the light shielding unit 202 preferably add a transparent passivation layer 203 in which a transparent thin film is laminated in order to suppress discoloration and deformation caused by an external environment.
  • the space between the lower substrate 200, the fine shutter 100, and the upper substrate 400 may further include a fluid that minimizes a difference in refractive index between the light exit surface of the lower substrate and the light incident surface of the upper substrate. have.
  • light loss such as scattering or total reflection that may occur at each interface may be minimized, and image distortion may be reduced to provide a clearer screen.
  • FIG. 2 is a view illustrating a shutter opening state in which a shutter microstructure in which a shutter film is formed is moved when a driving voltage is applied between a movable part electrode and a fixed counter electrode of the fine shutter to generate an electrostatic force.
  • FIG. 2A is a perspective view of a lower pixel of the fine shutter display device in the shutter open state.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view of a lower pixel of the fine shutter display device cut in the Y-Y 'direction in a shutter open state.
  • the shutter opening and closing state may be changed, and in the shutter opening state, the lower pixel emitted from the light converter 210 may be changed.
  • Primary color light 2 may be transmitted through the light openings between the shutter films 101.
  • the movement of the shutter microstructure may be performed by an electrostatic force generated when a driving voltage is applied between the movable electrode 104 and the fixed electrode 105.
  • the surface of the conductive fine shutter structure including the contact surface of the movable part electrode 104 and the fixed part electrode 105 of the fine shutter may further include an electrical insulation layer.
  • the optical path aperture ratio by the fine shutter is controlled according to the magnitude of the driving voltage, and the gradation of primary color light emitted from the light conversion unit by an analog driving method is used. You can also control gray scale or brightness.
  • an analog driving method is likely to cause nonuniformity in the screen area in image display, and an auxiliary means for compensating for such nonuniformity is required. Therefore, a digital driving method that can easily secure the same driving characteristics in the entire screen display area and can be implemented by a simple driving circuit is more preferable. The detailed digital driving principle will be described later in the section describing the fine shutter driving waveform.
  • FIG. 2C illustrates an area A O of FIG. 2B in which the light opening of the fine shutter 100 is aligned with the light conversion unit 210 of the lower substrate 200 to emit the primary color light 2 of the lower pixel.
  • the reflective operation is performed in the shutter open state, external light 3 incident from the outside is irradiated to the light conversion unit 210, and the color filter included in the light conversion unit is used. The color band of the corresponding primary color is reflected and the primary color light 2 corresponding to the image information of the individual lower pixel is displayed on the screen.
  • the dichroic reflective layer 213 that may be provided on the bottom surface of the light conversion unit may increase primary color reflection efficiency for each lower pixel when external light 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.
  • 1 and 2 disclose 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 matching the primary color of the screen display device such as a blue light emitting diode
  • a structure of lower pixels representing red and green colors 1 and 2 may be omitted in the structure of the blue lower pixel.
  • the color filter 212 of each of the red, green, and blue subpixels may be omitted.
  • 3 (a) and 3 (b) are views illustrating a shutter open state and a shutter closed state of the fine shutter display device in the transmissive operation.
  • the back light 1 emitted from the back light source 310 includes a lower substrate reflecting surface 202-1 and a bottom dimming part of the bottom surface of the light blocking part 202 provided in the lower substrate 200. Multiple reflections are made between the reflective layers 302 of 300. The multi-reflected back light is emitted toward the upper substrate 400 in the light opening region where the light blocking portion 202 is not formed. In the exiting process, the back light is converted into one of red, green, and blue light required for the lower pixel while passing through the light converter 210 integrated in the light opening area. The corresponding lower pixel is spatially partitioned.
  • the sub-pixels are driven by driving signals of individual sub-pixels necessary for displaying the entire image.
  • the primary color element of the pixel is displayed.
  • a black state in which the primary color elements of the lower pixel are not displayed is implemented.
  • FIG. 3C is a diagram illustrating a reflective mode operation when the fine shutter display device uses an ambient light 3 as an illumination light source without back light.
  • the lower pixel is displayed in black in the shutter close state in which the light blocking part of the fine shutter blocks the external light 3 from reaching the light conversion part.
  • the image control signal for each sub-pixel necessary to compose the image drives the fine shutter.
  • the gray scale or luminance of each sub-pixel may be adjusted by combining the sustain ratio of the shutter open state and the shutter closed state to match the image control signal within a unit image frame duration.
  • FIG. 3D illustrates a reflective operation of the blue subpixel of each subpixel representing the primary color in the fine shutter screen display device using the blue light as the back light source 310.
  • the red and green sub-pixels are implemented by a transmissive operation through wavelength conversion of the back light in the light conversion unit.
  • the principle of implementing the reflective operation using the external light is as described above. However, in the case of the blue lower pixel, it is not necessary to color convert the back light 1.
  • the back light is transmitted without being converted in the blue subpixel of the transmissive operation, and the light conversion unit of the blue subpixel reflects a predetermined ratio of the external light components of the blue band in the reflective operation and transmits the rest to the light guide plate element.
  • the external light can be configured to be utilized again as illumination light in the entire screen area.
  • the primary color and the gray scale of the blue subpixel may be expressed in the same manner as the driving method of the fine shutter described above.
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating a detailed operation of the fine shutter 100 provided in the individual lower pixels.
  • FIG. 4A is a view showing a state where the fine shutter is closed in the primary color subpixel constituting the unit pixel
  • FIG. 4B is a view showing a state where the fine shutter is opened in the primary color subpixel constituting the unit pixel. Drawing.
  • the fine shutter when the fine shutter is closed, the fine shutter is displayed in black by blocking back light transmission or reflection of external light.
  • the primary shutter may display the primary color by enabling the back light transmission and the external light reflection. That is, the primary path light emitted through the light converter is blocked or opened in accordance with the driving displacement of the shutter blade 101 and the shutter aperture 102 provided in the fine shutter 100.
  • the fine shutter of the figure is an in-plane driving element in which displacement occurs in the planar direction of the substrate on which the microstructure is installed.
  • the micro device may use an electrostatic force due to a potential difference as a driving power.
  • FIG. 5 illustrates an example of a method of applying an input electric driving signal for driving individual sub-pixels.
  • FIG. 5A shows a state where the fine shutter is closed when the driving voltage V A is controlled to be equal to the shutter voltage V S applied to the movable part so that no driving force is generated.
  • V S is configured to be connected to the ground level
  • V A is configured to be connected to the ground potential corresponds to a normal state.
  • FIG. 5B illustrates a shutter opening state in which the movable microstructure is moved by electrostatic force when the driving voltage V A is different from the movable shutter voltage V S.
  • the movable part shutter is moved by an electrostatic force caused by the difference between the driving voltage V A and the movable part shutter voltage V S , and the restoring force generated by the deformation of the elastic spring element 103 is balanced with the electrostatic force.
  • the displacement is determined at the position of.
  • the electrostatic force rapidly increases nonlinearly as the spacing between two opposing electrodes decreases.
  • the restoring force of the elastic spring is linearly proportional to the displacement, when the displacement exceeds a certain limit and the distance between the driving electrodes is reduced below the critical gap distance, the movable structure is moved to the fixed electrode. It comes with a sudden.
  • the voltage when the movable structure suddenly comes to the fixed electrode is called a pull-in voltage (V PI ).
  • the pull-in voltage corresponds to a threshold voltage for the eddy open state. Therefore, according to an embodiment of the present invention, it is preferable that the driving voltage of the fine shutter 100 is configured to be greater than the pull-in voltage V PI .
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an embodiment of a waveform for applying a driving voltage V A for driving a shutter.
  • the driving waveform is 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 100.
  • a description will be given based on a fine shutter configured as a normally closed element that maintains a shutter closed state when a driving power is not applied.
  • the same principle can be applied to a fine shutter display device composed of a normally open element.
  • FIG. 6 (a) is a 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. 6 (b) shows N-bit gray scales. It is a fine shutter driving voltage waveform when the primary colors of the lower pixels are expressed by arbitrary gray scales (gradations corresponding to arbitrary integers between 0 and (2 N -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 then finely.
  • An initialization section for each video frame such as initializing the shutter 100 to a driving standby state is represented 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 a minimum volatility and zero 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 A is applied to a predetermined section within the gradation representation section in a frame period during the section T open by an integer multiple between 0 and (2 N -1), and the remaining gradation representation is applied.
  • the interval may express an arbitrary gray level by maintaining the driving voltage to be in the shutter closed state.
  • the driving electrical signal for displaying an image of the fine shutter 100 for each lower 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 on the upper substrate 400.
  • the driving voltage for opening the shutter can be easily implemented using the power supply voltage V DL 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.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a pixel configuration of a fine shutter display device and a color display method of pixels.
  • 7A illustrates a structure of a pixel of a fine shutter screen display device according to an exemplary embodiment of the present invention, which is composed of sub-pixels SP1, SP2, and SP3 representing red, green, and blue.
  • FIG. 7B is a state diagram schematically illustrating a principle of implementing full color in the pixel.
  • pixels having the configuration as shown in FIGS. 7A and 7B are arranged in a two-dimensional matrix form in the screen area.
  • the red, green, and blue colors are displayed by driving the lower pixels corresponding to the respective primary colors in the shutter open state, and in the case of black, the lower pixels are maintained by the 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. 8 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. 8 (a) schematically illustrates the reflective color screen display operation in a strong external light environment
  • FIG. 8 (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. 9 shows a means for detecting the external light 3 environment and adjusting the light output of the rear light source 310 based thereon to thereby optimize and parallelize the screen display contribution ratios of the transmissive and reflective operations.
  • Fig. 1 shows the configuration in combination with the shutter screen display device.
  • a photo sensor 501 that detects illuminance of external light, and the like may be used to determine the detected external light condition and to fit 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.
  • the fine shutter is not limited to being driven by the electrostatic actuation described above as an embodiment, that is, opening or opening the light opening including the light conversion unit.
  • Various driving schemes that can cause displacement or deformation of the shutter microstructure by the driving electrical signal to be blocked are also included in the spirit of the present invention.
  • Drive by electrodistortion or piezoelectric, electrothermal drive, electromagnetic drive, drive by shape memory material, drive by electro-active polymer microstructure And the like are a part of the above various driving methods applicable to the fine shutter marker apparatus according to the present invention.

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Abstract

본 발명은 표시장치에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 광을 발산하는 광원, 상기 광원에서 출사되는 배면광을 하위 화소에 대응하는 원색으로 변환하는 기능 및 하위 화소에 대응하는 원색 대역의 외광을 반사시키는 기능 중 적어도 어느 하나를 수행하는 광변환부를 갖는 하부기판, 상기 광변환부에서 출사되는 광의 경로를 개폐하는 미세 셔터, 가동부 전극 또는 고정 대향 전극에 구동 신호를 공급하는 구동 회로로 구성되고, 상기 미세 셔터는 상기 광변환부에서 출사된 광을 차단하는 셔터막, 상기 셔터막 옆에 형성되어 상기 광변환부에서 출사된 광을 투과시키는 셔터 개구부로 이루어진 셔터 미세 구조물, 상기 셔터 미세 구조물에 연결되어 셔터 미세 구조물의 구동시 탄성 복원력을 제공하는 탄성 요소, 상기 셔터 미세 구조물에 연결되어 구성되는 가동부 전극, 및 상기 가동부 전극과 소정의 간격을 두고 이격되어 있는 고정 대향 전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는 미세 셔터 표시장치에 관한 것이다.

Description

미세 셔터 표시장치
본 발명은 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 미세 셔터 표시장치를 제공한다.
배면광에 의한 투과형 기능과 외광을 광원으로 하는 반사형 기능을 단일 화면 표시장치에서 최적화하여 제공할 수 있는 미세 셔터 표시장치를 제공한다.
본 발명의 일 양상에 따른 미세 셔터 표시장치는, 광을 발산하는 광원, 상기 광원에서 출사되는 배면광을 하위 화소에 대응하는 원색으로 변환하는 기능 및 하위 화소에 대응하는 원색 대역의 외광을 반사시키는 기능 중 적어도 어느 하나를 수행하는 광변환부를 갖는 하부기판, 상기 광변환부에서 출사되는 광의 경로를 개폐하는 미세 셔터, 가동부 전극 또는 고정 대향 전극에 구동 신호를 공급하는 구동 회로로 구성되고, 상기 미세 셔터는 상기 광변환부에서 출사된 광을 차단하는 셔터막, 상기 셔터막 옆에 형성되어 상기 광변환부에서 출사된 광을 투과시키는 셔터 개구부로 이루어진 셔터 미세 구조물, 상기 셔터 미세 구조물에 연결되어 셔터 미세 구조물의 구동시 탄성 복원력을 제공하는 탄성 요소, 상기 셔터 미세 구조물에 연결되어 구성되는 가동부 전극, 및 상기 가동부 전극과 소정의 간격을 두고 이격되어 있는 고정 대향 전극으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양상에 따른 미세 셔터 표시장치는, 배면광을 조사하는 배면 조광부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따른 미세 셔터 표시장치는, 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 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따른 미세 셔터 표시장치는, 상기 광변환부는 상기 배면 조광부와 상기 미세 셔터 사이에 배치되고, 상기 색 필터는 상기 광여기 발광부와 상기 미세 셔터 사이에 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따른 미세 셔터 표시장치는, 상기 광여기 발광부는 양자점(quantum dot) 및 나노 막대(nanorod) 중 적어도 하나를 포함하는 나노 입자로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따른 미세 셔터 표시장치는, 상기 배면광이 상기 하위 화소에 대응하는 원색 광을 조사하는 경우, 상기 광여기 발광부를 생략하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따른 미세 셔터 표시장치는, 상기 이색성 반사층은 다이크로익 필터인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따른 미세 셔터 표시장치는, 상기 하부기판은, 투명기판, 투명기판의 일면에 형성되는 차광부, 및 상기 차광부와 상기 광변환부의 표면을 보호하는 투명 보호층을 포함하되, 상기 투명기판과 상기 차광부 사이에는 하부기판 반사면이 형성되어 있고, 상기 차광부와 상기 투명 보호층 사이에는 차광 기능을 수행하는 하부기판 흑화 면이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따른 미세 셔터 표시장치는, 상기 배면 조광부는, 하부기판과의 접합면과 대향하는 면에 반사층을 구비하여 구성되는 도광판 요소, 및 상기 도광판 요소에 배면광을 조사하는 광원을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따른 미세 셔터 표시장치는, 상기 반사층은 미세 요철 형상의 반사 패턴 요소를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따른 미세 셔터 표시장치는, 외광 검지 센서, 및 상기 외광 검지 센서의 측정 결과에 근거하여 상기 광원의 출사 광량을 조절하는 제어 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따른 미세 셔터 표시장치는, 상기 하부기판과 상기 미세 셔터는 적어도 하나의 도전성 고정부를 통하여 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따른 미세 셔터 표시장치는, 상기 가동부 전극과 상기 고정 대향 전극 사이에 인가되는 전위 차가 풀인 전압보다 큰 경우에 셔터 개방 상태가 되고, 상기 가동부 전극과 상기 고정 대향 전극 사이에 인가되는 전위 차가 없는 경우에 셔터 폐쇄 상태가 되고, 상기 가동부 전극과 상기 고정 대향 전극 사이에 인가되는 전위 차가 풀인 전압보다 작은 경우에는 상기 탄성체 스프링 요소의 복원력과 정전기력이 균형을 이루는 지점에서 셔터 일부 개방 상태가 되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따른 미세 셔터 표시장치는, 상기 구동 신호는 정전 구동 방식, 전왜 또는 압전(piezoelectric) 구동 방식, 전열(electrothermal) 구동 방식, 전자기(electromagnetic) 구동 방식, 형상 기억 물질(shape memory material)에 의한 구동 방식 및 전기 활성 다중체(electro-active polymer) 미세 구조에 의한 구동 방식 중 적어도 어느 하나에 의하여 인가되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따른 미세 셔터 표시장치는, 상기 하부기판, 상기 미세 셔터 및 상기 구동 회로를 포함하는 상부기판 사이의 공간에 상기 하부기판의 광 출사면, 상부기판의 광 입사면 각각과 굴절률 차이가 최소화되는 유체를 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, 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 1(a)는 셔터 폐쇄 상태시 미세 셔터 표시장치의 하위 화소에 대한 사시도이고, 도 1(b)는 셔터 폐쇄 상태에서 미세 셔터 표시장치의 하위 화소를 Y-Y' 방향으로 절단한 단면을 나타내는 단면도이고, 도 1(c)는 하위 화소 별 원색 표시를 위한 구조 및 동작 원리를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2(a)는 셔터 개방 상태시 미세 셔터 표시장치의 하위 화소에 대한 사시도이고, 도 2(b)는 셔터 개방 상태에서 미세 셔터 표시장치의 하위 화소를 Y-Y' 방향으로 절단한 단면을 나타내는 단면도이고, 도 2(c)는 미세 셔터의 광 개구부가 하부기판의 광 변환부와 정렬되어 하위 화소의 원색 광을 출사하는 도 2(b)의 Ao영역의 상세도이다.
도 3(a), (b)는 투과형 동작시 미세 셔터 표시장치의 셔터 개방 상태 및 셔터 폐쇄 상태를 나타낸 도면이고, 도 3(c)는 미세 셔터 표시장치가 배면광 없이 외광(ambient light; 3)을 조명 광원으로 이용하는 경우, 반사형(reflective mode) 동작을 나타내는 도면이고, 도 3(d)는 청색광을 배면 광원으로 이용하는 미세 셔터 화면 표시장치에 있어서, 원색을 표현하는 각각의 하위 화소 중 청색 하위 화소에의 반사형 동작을 나타내는 도면이다.
도 4(a)는 단위 화소를 구성하는 원색 하위 화소에 있어서, 미세 셔터가 닫힌 상태를 나타내는 도면이고, 도 4(b)는 단위 화소를 구성하는 원색 하위 화소에 있어서 미세 셔터가 열린 상태를 나타내는 도면이다.
도 5(a), (b)는 개별 하위 화소(sub-pixel) 구동을 위한 입력 전기 구동 신호 인가 방법의 일 예를 나타낸다.
도 6(a), (b)는 셔터 구동을 위한 구동 전압(VA) 인가 파형의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 7(a)는 적색, 녹색, 청색을 표현하는 하위 화소(sub-pixel) SP1, SP2, SP3로 구성되는 본 발명의 일실시예에 의한 미세 셔터 화면 표시장치의 화소(pixel)의 구조를 나타낸 도면이고, 도 7(b)는 상기 화소에서 천연색(full color)이 구현되는 원리를 모식적으로 보여주는 상태도이다.
도 8(a), (b)는 본 발명에 의한 미세 셔터 화면 표시장치를 휴대형 전자 기기에 적용한 사용 예를 나타낸 도면이다.
도 9는 외광 환경을 검지(sensing)하고 이에 근거하여 배면 광원의 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 셔터 폐쇄 상태시, 미세 셔터 표시장치의 하위 화소 구조를 나타내기 위한 도면이다.
도 1(a)는 셔터 폐쇄 상태시 미세 셔터 표시장치의 하위 화소에 대한 사시도이다. 도 1(a)를 참조하면, 미세 셔터 표시장치는 배면광을 조사하는 배면 조광부(300), 상기 배면광 또는 외광을 하위 화소에 대응하는 각각의 원색으로 변환하는 광변환부를 갖는 하부기판(200), 상기 광변환부에서 출사되는 광의 경로를 개폐하는 미세 셔터(100), 전극 배열 또는 박막 트랜지스터 구동 회로를 포함하는 상부기판(400)을 포함할 수 있다.
도 1(b)는 셔터 폐쇄 상태에서 미세 셔터 표시장치의 하위 화소를 Y-Y' 방향으로 절단한 단면을 나타내는 단면도이다. 도 1 (a),(b)를 참조하면, 미세 셔터는 셔터막(101)과 셔터개구부(102)를 포함하는 박판 형상의 가동(movable) 미세 구조물, 상기 가동 미세 구조물에 구동력을 제공하는 고정 미세 구조물을 포함한다.
상기 가동 미세 구조물은 셔터막(101)과 인접하는 셔터개구부(102)가 각각 하나 이상 구비되는 셔터 미세 구조물, 상기 셔터 미세 구조물과 연결되어 있는 탄성체 스프링 요소(103), 상기 고정 미세 구조물의 고정 대향 전극(105)과 대향하여 상기 가동 미세 구조물의 외곽 일면에 집적되는 가동부 전극(104)을 포함한다. 상기 가동 미세 구조물은 상기 탄성체 스프링 요소(103)의 말단부 소정의 영역에서 가동 미세 구조물 고정부(107)에 의하여 상부 기판(400) 또는 하부기판 (200)과 기계적으로 접합되어 고정될 수 있다. 또, 상기 가동 미세 구조물은 하부기판(200) 및 상부기판(400) 표면에서 소정의 간극만큼 이격되어 현가되어(suspended) 있다. 한편, 상기 셔터막은 광 변환부(210) 영역을 투과하며 변환된 배면광에 의한 출사 광(2)을 차단하거나, 외광을 상기 광 변환부에 도달하지 못하도록 차단할 수 있다. 또, 상기 탄성체 스프링 요소(103)는 상기 셔터 미세 구조물이 구동되어 변위(displacement)가 생기는 경우에 변위 방향과 반대의 복원력을 제공할 수 있다. 또, 상기 가동 미세 구조물 고정부(107)는 가동 미세 구조물과 상부 또는 하부기판과의 기계적인 접합을 수행할 뿐만 아니라, 상기 가동 미세 구조물에 구동 전기 신호를 전달할 수 있다. 또, 상기 가동부 전극(104)은 탄성체 스프링 요소(103)와 연결되고, 상기 가동 미세 구조물의 변위가 발생하기 위한 구동력을 제공할 수 있다.
상기 고정 미세 구조물은 고정 대향 전극(105)과 상기 고정 대향 전극을 상부 기판(400) 또는 하부기판(200)과 기계적으로 접합하여 고정점(anchor)으로 작용하는 고정 대향 전극 구조물 고정부(106)이 연결되어 구비된다. 상기 고정 대향 전극 구조물 고정부(106) 역시 기계적인 접합 기능을 수행할 뿐만 아니라 전기적으로 상기 고정 대향 전극(105)에 구동 전기 신호를 연결(feedthrough)하는 전기적 배선 역할도 수행한다.
한편, 상기 가동부 전극(104)과 상기 가동부 전극과 대향하여 구비되는 고정 대향 전극(105)에 의하여 상기 가동 미세 구조물이 동작하기 위한 구동력이 발생하는데, 그 구체적인 동작에 대해서는 후술하기로 한다.
도 1(c)는 하위 화소 별 원색 표시를 위한 구조 및 동작 원리를 설명하기 위한 개략도이며, 광 변환부(210)에 의하여 변환된 해당 화소의 원색광(2)이 셔터 막(101)에 의해 차단되어 있는 상태를 도시하고 있다.
도 1(c)를 참조하면, 상기 배면 조광부(300)는 배면광을 화면 영역 전체에 균일하게 유도하기 위하여 투명 소재 도광판(301), 상기 투명 소재 도광판(301) 저면에 구비된 높은 반사도를 갖는 반사층(302)을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 하부기판(200)은 투명기판(201), 상기 배면광 또는 외광을 하위 화소에 대응하는 각각의 원색으로 변환하는 광변환부(210), 투명기판의 일면에 형성되는 차광부(202), 광 변환부(210) 및 차광부(202)의 표면을 외부 환경에 의한 변색 및 변형으로부터 보호하기 위한 투명 보호층(passivation layer)(203)을 포함할 수 있다. 한편, 상기 투명기판(201) 표면의 소정의 영역에 형성된 차광부(202)와 상기 투명기판(201)과의 계면에는 배면광을 반사시키는 하부기판 반사면(202-1)이 형성되고,상기 차광부 물질 표면을 흑화처리하여 하부기판 흑화 면(202-2)을 형성할 수 있다. 또는, 투명 보호층과 접하는 차광부의 상부면은 외광에 의한 반사를 최소화 할 수 있도록 흑체를 포함할 수 있다. 상기 광변환부(210)는 상기 배면광을 하위 화소에 대응하는 원색 광으로 변환하는 형광 물질로 이루어진 광여기 발광부(211), 변환된 상기 원색 광은 반사시키고 변환되지 않은 배면광은 투과시키는 이색성 반사 층(213), 변환된 원색 광을 투과시키는 하위 화소 별 색 필터(212)를 포함한다. 한편, 상기 광여기 발광부는 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. 본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 발광부는 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 발광부는 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.
본 발명의 일실시예에 의할 때, 배면광은 투명 소재 도광판(301)과 투명기판(201) 사이에서 반사층(302) 및 하부기판 반사면(202-1)에 의하여 다중 반사를 하게 된다. 상기 배면광은 상기 다중 반사를 통하여 상기 차광부(202)가 형성되어 있지 않은 하부기판의 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, 상기 도광판 요소와 하부기판을 결합하여 배면광 조광 장치(backlight unit assembly)를 구성하고, 배면 광원에서 광이 입사되는 영역을 제외한 배면광 장치의 측면은 반사 층을 접합하거나 적층하여 배면광 이용 효율을 개선할 수 있다. 또한, 상기 반사층은 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 광 여기 발광부는 입사된 광을 여기 광(excitation light)으로 하여 파장 천이(wavelength conversion)된 광을 발광하는 형광체(phosphor) 등의 광발광(photoluminescence) 물질로 형성되어 있다. 상기 광 여기 발광부(211)에 의하여, 상기 배면광은 해당 하위 화소에 대한 적색, 녹색, 또는 청색 중 하나의 화상 표시용 원색광(2)으로 변환된다. 상기 변환된 원색 광 중 하부의 배면 조광부(backlight unit) 방향으로 향하는 성분과 관련하여, 배면광(1)의 파장 대역은 투과하고 그 이외의 변환된 파장 영역은 반사하는 이색성 경면 또는 필터(dichroic mirror/filter) 등의 광학 요소로 구현되는 이색성 반사 층(213)을 상기 투명기판(201)과 상기 광 여기 발광부(211) 사이에 더 포함하여 구성할 수 있다. 상기 광 여기 발광부(211) 상부에는 변환된 원색 광의 대역을 투과시키는 해당 하위 화소 별 색 필터(color filter)(212)를 적층할 수 있다. 상기 색 필터(212)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 기능 또는 단색(monochrome) 반사형 기능으로 동작하는 경우에는 상기 색 필터(212)를 생략할 수 있다. 상기 광 변환부(210) 및 차광부(202)의 표면은 외부 환경에 의한 변색 및 변형을 억제하기 위하여 투명 박막을 적층한 투명 보호층(passivation layer)(203)을 부가하는 것이 바람직하다. 또, 투명 보호층(203)과 접하는 차광부(202)의 상부 면은 외광에 의한 반사를 최소화 할 수 있도록 흑체(black matrix)를 포함하여 형성하거나, 상기 차광부 물질 표면을 흑화 처리한 하부기판 흑화 면(202-2)을 형성할 수 있다. 마찬가지로, 상부 기판(400)과 대향하는 미세 셔터(100)의 표면 역시 흑화하여 구성하는 것이 바람직하다.
한편, 하부기판(200), 미세 셔터(100) 및 상부기판 (400) 사이의 공간에는 상기 하부기판의 광 출사면, 상부 기판의 광 입사 표면 각각과 굴절률 차이가 최소화되는 유체를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 각각의 계면에서 발생할 수 있는 산란, 전반사 등의 광 손실을 최소화할 수 있고, 화상 왜곡을 줄여 보다 선명한 화면을 제공할 수 있다.
도 2는 미세 셔터의 가동부 전극과 고정 대향 전극 간에 구동 전압이 인가되어 정전기력이 발생한 경우, 셔터막이 형성된 셔터 미세 구조물이 이동한 셔터 개방 상태를 나타낸 도면이다.
도 2(a)는 셔터 개방 상태시 미세 셔터 표시장치의 하위 화소에 대한 사시도이다. 도 2(b)는 셔터 개방 상태에서 미세 셔터 표시장치의 하위 화소를 Y-Y' 방향으로 절단한 단면을 나타내는 단면도이다.
셔터 개방 상태에서는 미세 셔터가 개방되어 있다는 점을 제외하고는 그 세부 구성이 셔터 폐쇄 상태와 동일하므로 구성에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다. 또, 배면광을 여기광으로 하는 광 변환 원리도 앞서 설명한 것과 동일하므로 그에 대한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 광 차단용 셔터막(101)이 형성된 셔터 미세 구조물이 이동하는 경우 셔터 개폐 상태를 변경할 수 있으며, 셔터 개방 상태에서는 광 변환부(210)에서 출사되는 하위 화소의 원색광(2)이 상기 셔터막(101) 사이의 광 개구부를 통해 투과될 수 있다. 상기 셔터 미세 구조물의 이동은 가동부 전극(104)과 고정부 전극(105) 사이에 구동전압을 인가한 경우에 발생하는 정전기력(electrostatic force)에 의하여 수행될 수 있다. 한편, 미세 셔터의 가동부 전극(104)과 고정부 전극(105)의 접촉 면을 포함하는 전도성 미세 셔터 구조물의 표면은 전기적 절연층(insulator)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의할 때, 가동부 전극(104)과 고정부 전극(105)에 인가된 구동 전압에 의하여 발생하는 정전기력에 의한 인력(attractive force)에 의해, 상부 및 하부기판 표면과 평행한 방향으로 상기 셔터 미세 구조물이 이동할 수 있다. 그리고, 가동부 전극(104)과 고정부 전극(105)의 전압이 동일하도록(예를 들어, 접지 전위가 되도록)구동 전압을 해제하면, 셔터 블레이드의 변위에 대응하는 탄성 변형된 탄성체 스프링 요소(103)의 복원력으로 인하여 상기 미세 셔터(100) 구조물이 정상 상태로 복귀하게 된다. 통상적으로, 구동 전압에 의한 정전기력과 탄성체 스프링 요소에 의한 복원력이 균형을 이루는 지점에서 셔터 블레이드의 구동 변위가 결정된다. 따라서, 본 발명에 의한 미세 셔터(100)는 구동 전압의 크기에 따라 미세 셔터에 의한 광 경로 개구율(aperture ratio)이 제어되고, 아날로그(analogue) 구동 방식으로 상기 광 변환부에서 출사되는 원색 광의 계조(grey scale) 또는 휘도(brightness)를 제어할 수도 있다. 다만, 각 하위 화소 별로 다수 개 집적되는 미세 셔터(100) 개별 소자의 특성 편차와 상부 기판(400)의 구동 전원의 화면 영역 전체에서의 불균일 특성(non-uniformity) 등을 감안해 보았을 때, 상기와 같은 아날로그 구동 방식은 화상 표시에 있어서 화면 영역에서의 불균일 특성을 야기할 가능성이 있고, 이러한 불균일성을 보완할 수 있는 보조적인 수단이 필요하다. 따라서, 전체 화면 표시 영역 내에서 용이하게 동일한 구동 특성을 확보하며, 간단한 구동 회로에 의해 구현할 수 있는 디지털(digital) 구동 방식이 보다 바람직하다. 자세한 디지털 구동 원리는 미세 셔터 구동 파형에 대하여 설명하는 절에서 후술하기로 한다.
도 2(c)는 미세 셔터(100)의 광 개구부가 하부기판(200)의 광 변환부(210)와 정렬되어 하위 화소의 원색광(2)을 출사하는 도 2(b)의 AO영역의 상세도이다. 도 2(c)를 참조하면, 셔터 개방 상태에서 반사형 동작을 하는 경우, 외부로부터 입사되는 외광(3)이 광 변환부(210)에 조사되고, 상기 광 변환부에 구비되어 있는 색 필터에서 해당 원색의 색상 대역이 반사되어 개별 하위 화소의 화상 정보에 해당하는 원색광(2)이 화면에 표시된다. 또, 광 변환부의 저면에 구비될 수 있는 이색성 반사 층(213)은, 외광을 이용한 경우의 하위 화소 별 원색 반사 효율을 높일 수 있다. 맑은 날의 실외 자연광 환경과 같이 외광이 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.
도 1과 도 2는 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 청색 발광 다이오드(light emitting diode) 등과 같이 화면 표시장치의 원색과 일치하는 대역으로 구성하는 경우, 적색 및 녹색을 표현하는 하위 화소의 구조는 상기 도 1, 도 2와 동일하게 구성하고, 청색 하위 화소의 구조에서는 청색 광 여기 발광층(211)을 생략할 수 있다. 또, 화면 표시장치에서 반사형 기능을 적용하지 않고 투과형 기능만 이용할 경우에는 적색, 녹색, 청색 각 하위 화소의 색 필터(212)를 생략할 수 있다.
도 3(a), (b)는 투과형 동작시 미세 셔터 표시장치의 셔터 개방 상태 및 셔터 폐쇄 상태를 나타낸 도면이다.
도 3(a)에 의하면, 배면 광원(310)으로부터 출사되는 배면광(1)은 하부기판(200)에 구비된 차광부(202) 저면의 하부기판 반사 면(202-1)과 배면 조광부(300)의 반사층(302) 사이에서 다중 반사된다. 상기 다중 반사되는 배면광은 차광부(202)가 형성되어 있지 않은 광 개구부 영역에서 상부 기판 (400) 방향으로 출사된다. 출사되는 과정에서 상기 배면광은 상기 광 개구부 영역에 집적되어 있는 광 변환부(210)를 거치면서 해당 하위 화소에 필요한 적색, 녹색, 청색 광 중 하나로 변환된다. 상기 해당 하위 화소는 공간적으로 구획되어 있다. 즉, 상기 미세 셔터(100)의 광 개구부가 상기 광 변환부에서 출사되는 광 경로와 정렬되도록 구동되는 셔터 개방 상태(shutter open state)에서는 전체 화상 표시에 필요한 개별 하위 화소의 구동 신호에 의하여 해당 하위 화소의 원색 요소가 표시된다. 그리고, 상기 미세 셔터(100)의 광 차단부가 상기 광 변환부에서 출사되는 광 경로를 차단하는 셔터 폐쇄 상태(shutter close state)에서는 해당 하위 화소의 원색 요소가 표시되지 않는 흑색 상태를 구현하게 된다. 개별 하위 화소가 필요로 하는 계조(grey scale)가 표현되도록 화상의 표시 단위인 단위 프레임(frame) 지속 시간 동안 상기 도 1(a) 상태와 도 1(b) 상태의 비율을 제어하면, 천연색(full color) 화상 표시가 가능한 투과형 화면 표시장치를 제공할 수 있다.
도 3(c)는 미세 셔터 표시장치가 배면광 없이 외광(ambient light; 3)을 조명 광원으로 이용하는 경우, 반사형(reflective mode) 동작을 나타내는 도면이다. 도 3(c)를 참조하면, 셔터 개방 상태에서 높은 휘도의 자연광 또는 실내 조명광이 미세 셔터 표시장치에 입사하는 경우, 상기 광 변환부에 구비되는 색 변환 기능에 의하여 해당 하위 화소에 필요한 원색 파장 대역이 반사되어 색상을 표시할 수 있다. 그리고, 도면에 별도로 도시하지는 않았지만, 미세 셔터의 광 차단부가 외광(3)이 상기 광 변환부에 도달하는 것을 차단하는 셔터 폐쇄 상태(shutter close state)에서는 해당 하위 화소가 흑색으로 표시된다. 전체 화상 표시를 위하여, 화상을 구성하기 위해 필요한 개별 하위 화소 별 영상 제어 신호가 미세 셔터를 구동시킨다. 그리고, 상기 셔터 개방 상태와 상기 셔터 폐쇄 상태의 지속 비율을 단위 영상 프레임 지속 주기 내에서 영상 제어 신호에 맞도록 조합함으로써 각 하위 화소의 원색 별 계조(grey scale) 또는 휘도를 조절할 수 있다.
도 3(d)는 청색광을 배면 광원(310)으로 이용하는 미세 셔터 화면 표시장치에 있어서, 원색을 표현하는 각각의 하위 화소 중 청색 하위 화소에의 반사형 동작을 보여 준다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 배면광을 청색으로 하는 경우에 적색 및 녹색 하위 화소는 상기 광 변환부에서 배면광의 파장 변환을 통한 투과형 동작에 의하여 구현된다. 또, 외광을 이용한 반사형 동작을 구현하는 원리는 전술한 바와 같다. 그러나, 청색 하위 화소의 경우에는 배면광(1)을 색상 변환할 필요가 없다. 따라서, 투과형 동작의 청색 하위 화소에서는 배면광이 변환되지 않고 투과하고, 반사형 동작에서는 상기 청색 하위 화소의 광 변환부에서 청색 대역의 외광 성분 중 소정의 비율을 반사하고 나머지는 도광판 요소로 투과하도록 함으로써, 외광을 전체 화면 영역에 조명광으로 재차 활용할 수 있도록 구성할 수 있다. 또, 앞서 설명한 미세 셔터의 구동방식과 동일하게 청색 하위 화소의 원색 및 계조 표현을 할 수 있다.
도 4는 개별 하위 화소에 구비되는 미세 셔터(100)의 세부적인 동작을 설명하기 위한 사시도이다. 도 4(a)는 단위 화소를 구성하는 원색 하위 화소에 있어서, 미세 셔터가 닫힌 상태를 나타내는 도면이고, 도 4(b)는 단위 화소를 구성하는 원색 하위 화소에 있어서 미세 셔터가 열린 상태를 나타내는 도면이다.
도 4(a)를 참조하면, 미세 셔터가 닫힌 상태에서는 미세 셔터가 배면광 투과 또는 외광 반사를 차단하여 흑색으로 표시가 된다. 도 4(b)를 참조하면, 구동 전기 신호에 의하여 미세 셔터가 열린 상태에서는 미세 셔터가 배면광 투과와 외광 반사를 가능하게 함으로써 원색을 표시할 수 있다. 즉, 광 변환부를 통해 출사되는 원색 광은 미세 셔터(100)에 구비되는 셔터막(shutter blade)(101)과 셔터개구부(aperture)(102)의 구동 변위에 따라 광 경로가 차단되거나 개방된다. 도면의 미세 셔터는 미세 구조물이 설치되는 기판의 평면 방향으로 변위가 발생하는 수평(in-plane) 구동 소자이다. 그리고 상기 미세소자는 전위차에 의한 정전기력(electrostatic force)을 구동 동력으로 이용할 수 있다.
도 5는 개별 하위 화소(sub-pixel) 구동을 위한 입력 전기 구동 신호 인가 방법의 일 예를 나타낸다. 도 5(a)는 구동 전압(actuation voltage; VA)이 가동부에 인가된 셔터 전압(VS)과 동일하도록 제어되어 구동력이 발생하지 않는 경우, 미세 셔터가 닫힌 상태를 보여 준다. 또, VS가 접지 전위(ground level)에 연결되도록 구성되고, VA도 접지 전위에 연결되도록 구성되는 경우는 정상 상태에 해당된다. 도 5(b)는 구동 전압(VA)이 가동부 셔터 전압(VS)과 상이한 경우, 정전기력(electrostatic force)에 의해 가동 미세 구조물이 움직인 셔터 개방 상태를 나타낸다. 이 경우, 구동 전압(VA)과 가동부 셔터 전압(VS)의 차에 의한 정전기력으로 가동부 셔터가 움직이게 되며, 상기 탄성체 스프링 요소(103)의 변형에 의해 발생하는 복원력과 정전기력이 균형을 이루는 소정의 위치에서 변위가 정해진다. 통상, 정전기력 구동 소자의 경우, 대향하는 두 전극 간의 간격이 줄어듦에 따라 정전기력은 비선형적으로 급격히 증가한다. 그리고, 탄성체 스프링의 복원력은 변위에 선형적으로 비례하는 특성을 나타내므로, 상기 변위가 특정 한도를 넘어 구동 전극 간의 간격이 임계 거리(critical gap distance) 이하로 줄어들게 되면, 상기 가동 구조물이 고정 전극으로 급격히 딸려가게 된다. 상기 가동 구조물이 고정 전극으로 급격히 딸려가게 될 때의 전압을 소위 풀인 전압(pull-in voltage; VPI)이라고 한다. 상기 풀인 전압은 와전 개방 상태를 위한 문턱 전압에 해당한다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 의할 때, 미세 셔터(100)의 구동 전압이 풀인 전압(VPI) 보다 크게 인가될 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.
도 6은 셔터 구동을 위한 구동 전압(VA) 인가 파형의 일 실시예를 나타낸 도면이다. 상기 구동 파형은 미세 셔터(100)의 개방 상태 또는 폐쇄 상태의 두 상태를 시분할(time division)하여 다단계의 계조를 표현하는 디지털 구동에 사용된다. 본 도면에서는 구동 전원이 인가되지 않는 경우 셔터 폐쇄 상태를 유지하는 정상 폐쇄(normally close) 소자로 구성된 미세 셔터를 기준으로 설명한다. 그러나, 정상 개방(normally open) 소자로 구성되는 미세 셔터 표시장치의 경우에도 동일한 원리가 적용될 수 있다.
도 6(a)는 N-bit의 계조(grey scale)로 표현되는 하위 화소의 원색을 최대 밝기로 표시하는 경우의 미세 셔터 구동 전압 파형이고, 도 6(b)는 N-bit 계조 표현이 가능한 하위 화소의 원색을 임의의 계조(0과 (2N-1) 사이의 임의의 정수에 해당하는 계조)로 표현하는 경우의 미세 셔터 구동 전압 파형이다.
도 6(a), (b)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(100)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 휘소가 최소가 되고 채도가 0이 되는 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 VA를 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(100)의 영상 표시를 위한 구동 전기 신호는 상부 기판 (400)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(VDL)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.
도 7은 미세 셔터 표시장치의 화소 구성 예와 화소의 색상 표시 방식을 나타낸 도면이다. 도 7(a)는 적색, 녹색, 청색을 표현하는 하위 화소(sub-pixel) SP1, SP2, SP3로 구성되는 본 발명의 일실시예에 의한 미세 셔터 화면 표시장치의 화소(pixel)의 구조를 나타낸 도면이고, 도 7(b)는 상기 화소에서 천연색(full color)이 구현되는 원리를 모식적으로 보여주는 상태도이다.
본 발명에 의한 미세 셔터 화면 표시장치는 도 7(a), (b)와 같은 구성을 갖는 화소가 화면 영역에 2차원 매트릭스 형태로 배열되어 구성된다. 도 7(b)를 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 8은 본 발명에 의한 미세 셔터 화면 표시장치를 휴대형 전자 기기에 적용한 사용 예를 나타낸 도면이다. 도 8(a)는 강한 외광 환경에서의 반사형 천연색 화면 표시 동작을 모식적으로 표현하였으며, 도 8(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 9는 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 9를 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.
한편, 본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 미세 셔터는 실시 예로 앞서 기술한 정전 구동 방식(electrostatic actuation)에 의하여 구동되는 것에 국한되는 것은 아니다, 즉, 상기 광 변환부가 포함된 광 개구부를 개방 또는 차단할 수 있도록 구동 전기 신호에 의해 셔터 미세 구조물의 변위 또는 변형을 일으킬 수 있는 다양한 구동 방식 역시 본 발명에 의한 사상에 포함된다. 전왜 또는 압전(piezoelectric)방식에 의한 구동, 전열(electrothermal)구동, 전자기(electromagnetic)구동, 형상 기억 물질(shape memory material)에 의한 구동, 전기 활성 다중체(electro-active polymer) 미세 구조에 의한 구동 등이 본 발명에 의한 미세 셔터 표지장치에 적용 가능한 상기 다양한 구동 방식의 일부이다.

Claims (15)

  1. 광을 발산하는 광원;
    상기 광원에서 출사되는 배면광을 하위 화소에 대응하는 원색으로 변환하는 기능 및 하위 화소에 대응하는 원색 대역의 외광을 반사시키는 기능 중 적어도 어느 하나를 수행하는 광변환부를 갖는 하부기판;
    상기 광변환부에서 출사되는 광의 경로를 개폐하는 미세 셔터;
    가동부 전극 또는 고정 대향 전극에 구동 신호를 공급하는 구동 회로로 구성되고, 상기 미세 셔터는
    상기 광변환부에서 출사된 광을 차단하는 셔터막, 상기 셔터막 옆에 형성되어 상기 광변환부에서 출사된 광을 투과시키는 셔터 개구부로 이루어진 셔터 미세 구조물;
    상기 셔터 미세 구조물에 연결되어 셔터 미세 구조물의 구동시 탄성 복원력을 제공하는 탄성 요소;
    상기 셔터 미세 구조물에 연결되어 구성되는 가동부 전극; 및
    상기 가동부 전극과 소정의 간격을 두고 이격되어 있는 고정 대향 전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는 미세 셔터 표시장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    배면광을 조사하는 배면 조광부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 셔터 표시장치.
  3. 제 2항에 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 것을 특징으로 하는 미세 셔터 표시장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 광변환부는 상기 배면 조광부와 상기 미세 셔터 사이에 배치되고,
    상기 색 필터는 상기 광여기 발광부와 상기 미세 셔터 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 미세 셔터 표시장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 광여기 발광부는 양자점(quantum dot) 및 나노 막대(nanorod) 중 적어도 하나를 포함하는 나노 입자로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세 셔터 표시장치.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 배면광이 상기 하위 화소에 대응하는 원색 광을 조사하는 경우, 상기 광여기 발광부를 생략하는 것을 특징으로 하는 미세 셔터 표시장치.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 이색성 반사층은 다이크로익 필터인 것을 특징으로 하는 미세 셔터 표시장치.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 하부기판은,
    투명기판;
    투명기판의 일면에 형성되는 차광부; 및
    상기 차광부와 상기 광변환부의 표면을 보호하는 투명 보호층을 포함하되,
    상기 투명기판과 상기 차광부 사이에는 하부기판 반사면이 형성되어 있고, 상기 차광부와 상기 투명 보호층 사이에는 차광 기능을 수행하는 하부기판 흑화 면이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세 셔터 표시장치.
  9. 제 2항에 있어서, 상기 배면 조광부는,
    하부기판과의 접합면과 대향하는 면에 반사층을 구비하여 구성되는 도광판 요소; 및
    상기 도광판 요소에 배면광을 조사하는 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 셔터 표시장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 반사층은 미세 요철 형상의 반사 패턴 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 셔터 표시장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    외광 검지 센서; 및
    상기 외광 검지 센서의 측정 결과에 근거하여 상기 광원의 출사 광량을 조절하는 제어 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 셔터 표시장치.
  12. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 하부기판과 상기 미세 셔터는 적어도 하나의 도전성 고정부를 통하여 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 미세 셔터 표시장치.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 가동부 전극과 상기 고정 대향 전극 사이에 인가되는 전위 차가 풀인 전압보다 큰 경우에 셔터 개방 상태가 되고,
    상기 가동부 전극과 상기 고정 대향 전극 사이에 인가되는 전위 차가 없는 경우에 셔터 폐쇄 상태가 되고,
    상기 가동부 전극과 상기 고정 대향 전극 사이에 인가되는 전위 차가 풀인 전압보다 작은 경우에는 상기 탄성체 스프링 요소의 복원력과 정전기력이 균형을 이루는 지점에서 셔터 일부 개방 상태가 되는 것을 특징으로 하는 미세 셔터 표시장치.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 구동 신호는 정전 구동 방식, 전왜 또는 압전(piezoelectric) 구동 방식, 전열(electrothermal) 구동 방식, 전자기(electromagnetic) 구동 방식, 형상 기억 물질(shape memory material)에 의한 구동 방식 및 전기 활성 다중체(electro-active polymer) 미세 구조에 의한 구동 방식 중 적어도 어느 하나에 의하여 인가되는 것을 특징으로 하는 미세 셔터 표시장치.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 하부기판, 상기 미세 셔터 및 상기 구동 회로를 포함하는 상부기판 사이의 공간에 상기 하부기판의 광 출사면, 상부기판의 광 입사면 각각과 굴절률 차이가 최소화되는 유체를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 셔터 표시장치.
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