KR20080060104A

KR20080060104A - 전기습윤 표시장치

Info

Publication number: KR20080060104A
Application number: KR1020060134210A
Authority: KR
Inventors: 김영석
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2006-12-26
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2008-07-01

Abstract

본 발명은 전기습윤 표시장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 전기습윤 표시장치는, 표시패널과 상기 표시패널에 자외선을 공급하는 자외선광원으로 구성되며, 상기 표시패널은 복수의 화소가 형성된 제1기판 및 제2기판과; 상기 제2기판 상에 형성된 형광컬러필터와; 상기 제1기판 상의 각 화소에 형성된 화소전극; 및 상기 제1기판과 제2기판 사이의 화소에 배치된 서로 혼합되지 않는 제1유체와 제2유체로 구성되며, 상기 제2유체는 불투명한 유체로 형성되고, 상기 화소전극의 전압을 조절함에 따라 상기 제1, 제2 유체의 분포를 변경하여 자외선을 차단하거나 투과시키는 것을 특징으로 한다.

전기습윤(electrowetting), 계면, 접촉각, 유체

Description

전기습윤 표시장치{ELECTROWETTING DISPLAY DEVICE}

도 1은 종래 발명에 따른 액정표시장치를 이루는 액정패널의 단면도.

도 2는 전기습윤 현상을 나타낸 것으로, 전기습윤 표시장치에 전압을 가하지 않았을 경우를 나타낸 도면.

도 3은 전기습윤 현상을 나타낸 것으로, 전기습윤 표시장치에 전압을 가했을 경우를 나타낸 도면.

도 4는 본 발명에 따른 전기습윤 표시장치의 한 화소를 나타낸 단면도.

도 5는 본 발명에 따른 전기습윤 표시장치의 박막트랜지스터의 온(on) 상태를 나타낸 단면도.

도 6는 본 발명에 따른 전기습윤 표시장치의 박막트랜지스터의 오프(off) 상태를 나타낸 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

202 : 형광컬러필터 203 : 제2기판

205 : 제1기판 206 : 화소전극

209 : 박막트랜지스터 211 : 게이트전극

212 : 게이트절연막 213 : 액티브층

214 : 소스전극 215 : 드레인전극

221 : 제1유체 222 : 제2유체

230 : 자외선광원

본 발명은 전기습윤 방식의 표시장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 형광컬러필터가 형성된 기판과 자외선광원을 이용하여 전기습윤 방식으로 소정공간 내에서 액체를 유동시키켜 화상을 표시하는 전기습윤 표시장치에 관한 것이다.

근래 정보화 사회로 진입함에 따라 각종 정보를 화상으로 표시하는 표시장치에 대한 요구가 점차 증대되고 있다. 이러한 표시장치로는 LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), FED(Field Emission Display), VFD(Vacuum Fluorescent Display) 등이 있으나, 양산화 기술, 구동수단의 용이성, 고화질의 구현이라는 이유로 인해 현재에는 액정표시장치(LCD)가 각광을 받고 있다.

도 1은 일반적인 액정표시장치를 이루는 액정패널의 단면을 개략적으로 나타낸 것이다. 도면에 도시된 바와 같이, 액정패널(1)은 제1기판(5)과 제2기판(3) 및 상기 제1기판(5)과 제2기판(3) 사이에 형성된 액정층(7)으로 구성되어 있다. 제1기판(5)은 박막트랜지스터(Thin Film Transister ; TFT ; 9)가 장착된 기판으로서 도면에는 도시하지 않았지만 상기 기판(5) 상에 복수의 화소가 형성되어 있으며 각 화소마다 박막트랜지스터(9)와 같은 구동소자가 형성되어 있다. 따라서 상기 기판(5)을 박막트랜지스터 기판이라고도 한다. 제2기판(3)은 컬러를 구현하기 위한 컬러필터(Color Filter ; CF ; 2)가 형성된 기판으로 액정층(7)을 사이에 두고 제1기판(5)과 대향하여 구성된다. 상기 기판(3)은 컬러필터기판이라고도 한다. 상기 기판(3)에는 불필요한 광을 차단하기 위한 블랙매트릭스(Black Matrix ; BM ; 8)가 형성되어 있다.

또한, 상기 제1기판(5) 및 제2기판(3)에는 각각 화소전극(6) 및 공통전극(4)이 형성되어 있으며 액정층(7)의 액정분자를 배향하기 위한 배향막(미도시)이 도포되어 있어 액정 분자의 배향성을 결정하게 된다.

상기 제1기판(5)과 제2기판(3)의 서로 대면하지 않는 반대면에는 액정패널(1)을 투과한 빛이 편광되도록 편광판(10)이 구비된다. 상기 액정패널의 양면에 편광축이 서로 수직교차하도록 배치된다.

상기 제1기판(5) 및 제2기판(3)은 액정층(7)을 사이에 두고 합착되어 있으며, 액정패널(1)은 상기 제1기판(5)에 형성된 박막트랜지스터(9)로 대표되는 구동소자에 의해 액정분자를 구동하여 액정층을 투과하는 광량을 제어함으로써 정보를 표시하게 된다.

이러한 액정패널(1)은 스스로 빛을 내지 못하는 비발광소자이므로, 화상을 구현하기 위해서는 액정패널(1)에 광을 공급하는 광원(30)을 필요로 하게 된다. 따라서, 액정패널(1)의 하부에는 액정패널(1)에 광을 공급하는 광원(30)이 구비된다.

그러나, 상기한 일반적인 액정표시장치는 광원(30)에서 나온 빛이 액정패널(1)의 양면에 부착된 편광판(10)을 통과하면서 특정 방향의 광을 차단함으로써 광의 밀도가 줄어들게 된다. 이러한 광손실에 의해 광효율이 10% 이하로 매우 낮아지게 되며, 이에 따라 화상의 휘도가 낮아지는 것은 물론이고 고휘도의 광원을 구비해야 하는 등 다른 문제점을 야기하였다.

또한 광원(30)으로 형광램프를 사용하는 경우에는 붉은색, 녹색, 푸른색의 컬러의 형광물질을 이용하여 백색광을 만든 후 다시 액정패널의 컬러필터를 거쳐 붉은색, 녹색, 푸른색의 화상을 만들기 때문에 이때에도 불필요한 과정을 반복함으로써 광손실이 발생하게 된다.

상기한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 편광판을 제거하고 형광물질을 컬러필터로 사용하여 광효율이 높은 표시장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기습윤 표시장치는, 표시패널과 상기 표시패널에 자외선을 공급하는 자외선광원으로 구성된다. 상기 표시패널은 복수의 화소가 형성된 제1기판 및 제2기판과, 상기 제2기판 상에 형성된 형광컬러필터와, 상기 제1기판 상의 각 화소에 형성된 화소전극, 및 상기 제1기판과 제2기판 사이의 화소에 배치된 서로 혼합되지 않는 제1유체와 제2유체로 구성된다. 이때, 상기 제2유체는 불투명한 유체로 형성되고, 상기 화소전극의 전압을 조절함에 따라 상기 제1, 제2 유체의 분포를 변경하여 자외선을 차단하거나 투과시키는 것을 특징으로 한다.

상기 제1유체와 상기 제2유체는 전기전도도가 다른 물질이며, 상기 제1유체는 전기전도성을 가지며 상기 제2유체는 실질적으로 전기절연성인 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제1유체는 용매가 물인 전해질 용액(electrolyte), 상기 제2유체는 오일(oil)인 것이 바람직하다.

한편, 상기 형광컬러필터는 자외선를 흡수하고 청색광, 녹색광, 적색광을 방출하는 형광물질을 포함하는 광-전환 조성물을 포함한다.

자외선을 공급하는 광원으로는 LED 또는 CCFL를 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 전기습윤 표시장치는 상기 제1기판 상에 서로 수직교차하여 화소를 정의하는 게이트라인 및 데이터라인과, 상기 게이트라인과 데이터라인의 교차지점에 형성된 상기 화소전극의 전압을 조절하는 스위칭소자를 더 포함하여 구성된다.

상기 스위칭 소자는 상기 게이트라인 상에 형성된 게이트전극과, 상기 게이트전극 상에 형성된 반도체층과, 상기 반도체층 상에 형성된 소스전극과 드레인전극, 및 상기 드레인전극과 전기적으로 접속된 화소전극으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

전기습윤(electrowetting)이란, 유체의 계면에 존재하는 전하에 의하여 계면의 표면장력이 변화되면서 접촉각(contact angle)이 변화되는 전기모세관(electrocapillary) 현상에서 파생된 것으로, 절연체로 코팅된 전극위에 전도성 유체와 비전도성 유체가 맞닿아 있을 때 외부에서 전극과 전도성 유체에 전압을 인가하여 전도성 유체의 표면장력을 제어함으로써 전도성 유체의 접촉각과 두 유체의 계면의 형상을 변화시키는 기술을 말한다.

도 2과 도 3은 전기습윤 현상을 나타낸 도면으로, 도 2는 전기습윤 표시장치에 전압을 가하지 않았을 때, 도 3은 전압을 가했을 때를 나타낸 것이다.

도 2을 참조하면, 절연체(117)로 코팅된 전극(106) 상에 제1유체(121)와 제2유체(122)가 형성된다. 제1유체(121)는 전해질(electrolyte)이며, 제2유체(122)는 실질적인 절연 물질로 마련된다.

전극(106)에 전압이 가해지지 않으면 제1유체(121)와 제2유체(122)는 밀도, 표면에너지 또는 표면장력 등 여러 요건에 따라 전극(106)과 평행하게 순차적으로 형성된다.

그런데, 상기 전극(106)에 도 3와 같이 전압을 가하게 되면, 제1유체(121)는 전해질이므로 전극(106)에서 형성된 전계의 영향을 받게 되며, 전기적 인력에 의해 두 유체(121, 122) 사이의 계면이 변화하게 된다. 즉, 전하를 띠는 제1유체(121)는 전극(106) 상부의 절연체(117)에 접하여 배치되며, 제2유체(122)는 전하를 띠지 않은 일정영역의 절연체(117) 상부에 배치되어 계면이 변화하게 된다. 상기 계면의 변화는 제2유체(122)의 접촉각을 변화시킨다.

상기한 바와 같이, 전기습윤 현상에 의하면 유체에 전압을 인가하여 유체의 유동을 빠르고 효과적으로 제어할 수 있으며, 가역적으로 유체의 이송 및 제어가 가능한 장점이 있다.

본 발명은 상기한 전기습윤 현상을 이용한 것으로, 유체를 구동하는 스위칭 소자로 박막트랜지스터를 이용하며, 광원으로 자외선광원을 이용한 전기습윤 표시장치에 관한 것이다. 이하 도면을 참조하여 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 전기습윤 표시장치를 나타낸 단면도이다. 전기습윤 표시장치는 복수 개의 화소로 이루어져 있으나 설명의 편의상 하나의 화소만 나타내었으며, 먼저 본 발명에 따른 전기습윤 표시장치의 구조를 설명하고 구동 방식에 대해 설명한다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기습윤 표시장치는 화상을 표시하는 표시패널(200)과 표시패널(200)에 광을 공급하는 자외선광원(230)을 포함하여 형성된다.

상기 표시패널(200)은 제1기판(205)과, 상기 제1기판(205)에 대향하여 위치한 제2기판(203), 및 상기 제1기판(205)과 제2기판(203) 사이에 형성된 유체층(221, 222)을 포함하여 구성된다.

제1기판(205)은 유리, 석영, 세라믹 또는 플라스틱 등의 절연성 재질을 포함하여 만들어지며, 제1기판(205) 상에는 서로 교차하여 화소영역을 정의하는 게이트라인(미도시)과 데이터라인(미도시)이 구비된다.

상기 화소영역에는 상기 유체층(221, 222)에 전계를 인가하기 위한 화소전극(206)이 형성된다. 상기 유체층(221, 222)은 화소전극(206)의 전압을 조절함에 따라 분포가 변경되어 자외선을 차단하거나 투과시키게 된다.

상기 게이트라인과 데이터라인의 교차점에는 상기 게이트라인과 데이터라인 의 신호에 따라 상기 화소전극(206)을 구동하는 스위칭 소자인 박막트랜지스터(209)가 구비된다.

상기 박막트랜지스터(209)는 각 화소마다 배치되어 액정층(122)에 신호 전압을 인가하거나 차단하는 역할을 한다.

상기 박막트랜지스터(209)는 게이트라인에서 분지되어 주사신호가 인가되는 게이트전극(211)과 게이트전극(211)의 상부에 형성될 다른 금속배선 사이를 절연시키는 게이트절연막(212)이 형성되어 있다. 게이트절연막(212)은 실리콘질화물(SiNx), 실리콘산화물(SiO2) 등의 무기 절연물질로 이루어져 있다.

게이트절연막(212) 상에는 주사신호에 대응하여 활성화되어 채널을 형성하는 반도체층 및 상기 반도체층의 양측 상부에 n+ 도핑되어 형성된 오믹 접촉층(ohmic contact layer)으로 구성된 액티브층(213)과, 액티브층(213)의 상부에 형성되어 데이터 신호가 입력되는 소스전극(214)과, 상기 반도체층이 활성화됨에 따라 상기 소스전극(214)으로 입력된 데이터 신호를 화소전극(206)에 인가하는 드레인전극(215)이 형성된다. 이때, 소스전극(214)과 드레인전극(215)은 게이트전극(211)을 중심으로 서로 분리되어 형성되며, 상기 소스전극(214)은 데이터라인으로부터 분지되어 형성된다. 반도체층은 비정질실리콘이나 폴리실리콘 등으로 이루어질 수 있다.

상기 소스전극(214) 및 드레인전극(215)의 상부에는 기판(205) 전체에 걸쳐 보호막(216)이 형성된다. 상기 보호막(216)에는 콘택홀이 형성되어, 상기 드레인전극(215)과 화소전극(206)이 전기적으로 접속된다. 상기 화소전극(206)은 빛이 투과되도록 투명한 물질로 형성된다. 화소전극(206)은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide) 등의 투명한 도전물질로 이루어져 있다.

상기 화소전극(206) 상에는 전면에 걸쳐 절연막(217)이 상기 제1유체(221)와 제2유체(222)와 화소전극(206)을 분리하고 보호하게 된다.

제2기판(203)에는 형광컬러필터(202)층이 형성되며, 각 화소마다 붉은색(R), 녹색(G) 및 푸른색(B) 컬러필터가 반복되어 형성된다. 형광컬러필터(202)층은 광원으로부터 조사된 자외선을 흡수하여 특정 색의 가시광선을 내어 화상에 색상을 부여하는 역할을 한다. 형광컬러필터(202)는 자외선(Ultra Violet; UV)을 흡수하고 가시광선을 방출하는 광-전환 형광물질(phosphor)을 포함하여 형성되는 것이 특징이다.

형광컬러필터(202)층에 사용되는 형광물질은 후술할 자외선광원(230)에서 출사된 자외선을 흡수하여 들뜬상태(excited state)로 된 후 바닥상태(ground state)로 떨어지는 과정을 거쳐 가시광선을 방출한다. 상기한 물질로 광효율이 높은 희토류 원소(Rare Earth element) 이트륨(Y), 세륨(Ce), 터븀(Tb) 등이 포함된 화합물을 사용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 필요에 따라 공지된 붉은색, 녹색, 푸른색을 내는 형광물질도 사용 가능하며, 예를 들어 BaMgAl₁₀O₁₇:Eu, Zn₂SiO₄ :Mn 및 (Y,Gd)BO₃:Eu 등을 사용할 수도 있다.

제1기판(205)과 이에 대향하는 제2기판(203) 사이에는 유체층(221, 222)이 위치한다. 유체층(221, 222)은 실질적으로 서로 혼합될 수 없는 제1유체(221)와 제2유체(222)로 이루어진다. 그리고, 제2유체(222)는 투명한 물질로 형성되나 제1유 체(221)는 불투명하게 형성되며, 바람직하게는 검은색으로 형성된다.

상기 제1유체(221)와 제2유체(222)는 서로 다른 전기전도도 또는 극성을 가진다. 바람직하게는 제1유체(221)는 전기전도성을 가지는 반면에, 제2유체(222)는 실질적인 전기절연성을 가진 것을 특징으로 한다.

여기서 전기전도성을 가진 제1유체(221)로는 전해질용액(electrolyte)가 적절하며, 용매로는 물을 사용할 수 있다. 제2유체(222)는 제1유체(221)와 섞이지 않으면서 전기절연성을 띠어야 하므로 오일(oil)이 바람직하다.

상기 표시패널(200)에 광을 공급하는 광원으로는 형광컬러필터(202)층에 자외선을 공급하는 자외선광원(230)이 구비된다. 자외선을 공급하는 광원이라면 특별이 한정되지는 않으나 LED(Light Emitting Diode)램프나 자외선을 공급하는 CCFL(Cold Cathode Fluorescence Lamp)가 바람직하다.

이하, 상술한 구조를 갖는 전기습윤 표시장치의 구동방법에 대하여 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 전기습윤 표시장치의 한 화소의 박막트랜지스터(209)의 온(on) 상태를 나타낸 단면도이며, 도 6은 한 화소의 박막트랜지스터(209)의 오프(off) 상태를 나타낸 단면도이다.

도 5를 참조하면, 상술한 구조의 박막트랜지스터(209)에서 게이트신호에 따라 게이트전극(211)에 전압이 인가되어 박막트랜지스터(209)가 온(on)이 되면, 이로 인해 게이트전극(211) 상부의 반도체 층에 채널이 형성되어 전류가 흐르게 된다. 이에 따라 데이터신호는 소스전극(214)에서 오믹콘택층과 반도체층을 통과하여 드레인전극(215)으로 이동하며, 드레인전극(215)과 콘택홀을 통해 전기적으로 접속된 화소전극(206)에 전압을 인가하게 된다.

화소전극(206)에 전압이 인가되면, 절연막(217)을 사이에 두고 있는 유체층(221, 222)이 상기 전압에 의해 두 유체 사이의 계면의 모양과 접촉각이 변화하게 된다. 즉, 제1유체(221)는 전기전도도나 극성이 크므로, 화소전극(206)과 서로 반대되는 전기적 인력에 의해, 절연막(217)을 사이에 두고 상기 화소전극(206) 상에 위치하게 된다. 제2유체(222)는 화소전극(206)이 형성되지 않은 박막트랜지스터(209) 상으로 이동하게 된다. 이에 따라 제1유체(221)와 제2유체(222)의 화소내 분포가 달라진다.

이때, 상기 제1유체(221)는 투명한 물질로 형성되기 때문에 표시패널(200)의 하부에서 공급되는 자외선이 모두 투과된다. 투과된 자외선은 제2기판(203)에 형성된 형광컬러필터(202)에 다다르며, 형광컬러필터(202)는 상기 자외선을 흡수하여 형광컬러필터(202)의 종류에 따라 붉은색, 녹색, 푸른색 중의 어느 한 색의 가시광선을 나타내게 되므로 화상이 표시된다.

도 6을 참조하면, 상술한 구조의 박막트랜지스터(209)에서 게이트 신호에 따라 박막트랜지스터(209)가 오프(off)가 되면, 화소전극(206)에 전압이 인가되지 않는다. 따라서, 제1유체(221)와 제2유체(222)는 전기적인 영향없이 밀도나, 절연막(217)과의 표면에너지 차이, 표면 장력 등에만 영향을 받게 되므로, 도시한 바와 같이 제2유체(222)가 박막트랜지스터(209)와 화소전극(206)의 전면 상에 형성된다.

상기 제2유체(222)는 불투명하게 형성되므로 표시패널(200)의 하부에서 자외 선이 출사되더라도 자외선이 차단되어 화상을 형성하지 않는다.

상술한 바와 같이 박막트랜지스터(209)의 온/오프(on/off)에 따라 각 화소의 광투과율이 달라짐에 따라 화상신호에 따른 화상의 형성이 가능하다.

본 발명에 따른 상술한 구조를 갖는 표시패널은, 종래 기술에 따른 액정표시장치와는 달리 편광판을 사용하지 않아 광효율이 증가하는 장점이 있다. 특히, 액정표시장치의 경우 편광판을 지난 빛이 편광을 유지해야 하므로 편광판을 제거할 수 없었을 뿐만 아니라, 액정층이 자외선에 취약하여 형광물질을 액정패널의 내부나 액정층을 투과하게 형성시키는 것이 어려운 문제점이 있었다. 그러나, 본 발명에 따른 표시패널에 사용되는 유체는 자외선에 영향을 받지 않으므로 이러한 문제점을 해결할 수 있다.

본 발명에 따른 전기습윤 표시장치는 액정표시장치와 비교하여 편광판이나 배향막 등이 적용되지 않아 재료비와 공정시간이 절감되며, 특히 광원에 의한 광손실이 낮기 때문에 작은 소비전력에도 높은 휘도의 화상을 형성할 수 있다.

또한 전기습윤 표시장치는 구동전압에 의한 구동속도가 액정표시장치와 유사하여 동영상이 구현가능한 장점이 있다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따르면 편광판이 없이 형광컬러필터와 자외선광원을 사용하여 광효율이 높으며 이에 따라 소비전력이 작은 표시장치를 제공할 수 있다.

Claims

표시패널과 상기 표시패널에 자외선을 공급하는 자외선광원으로 구성되며,

상기 표시패널은,

복수의 화소가 형성된 제1기판 및 제2기판;

상기 제2기판 상에 형성된 형광컬러필터;

상기 제1기판 상의 각 화소에 형성된 화소전극; 및

상기 제1기판과 제2기판 사이의 화소에 배치된 서로 혼합되지 않는 제1유체와 제2유체로 구성되며,

상기 제2유체는 불투명한 유체로 형성되고, 상기 화소전극의 전압을 조절함에 따라 상기 제1, 제2 유체의 분포를 변경하여 자외선을 차단하거나 투과시키는 것을 특징으로 하는 전기습윤 표시장치.
제1항에 있어서,

상기 제1유체와 상기 제2유체는 전기전도도가 다른 물질인 것을 특징으로 하는 전기습윤 표시장치.
제2항에 있어서,

상기 제1유체는 전기전도성을 가지며 상기 제2유체는 실질적으로 전기절연성인 것을 특징으로 하는 전기습윤 표시장치.
제3항에 있어서,

상기 제1유체는 용매가 물인 전해질 용액(electrolyte)인 것을 특징으로 하는 전기습윤 표시장치.
제3항에 있어서,

상기 제2유체는 오일(oil)인 것을 특징으로 하는 전기습윤 표시장치.
제1항에 있어서,

상기 형광컬러필터는 자외선를 흡수하고 청색광, 녹색광, 적색광을 방출하는 형광물질을 포함하는 광-전환 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기습윤 표시장치.
제1항에 있어서,

상기 자외선광원은 LED 또는 CCFL인 것을 특징으로 하는 전기습윤 표시장치.
상기 제1항에 있어서,

상기 제1기판 상에 서로 수직교차하여 화소를 정의하는 게이트라인 및 데이터라인과,

상기 게이트라인과 데이터라인의 교차지점에 형성된 상기 화소전극의 전압을 조절하는 스위칭소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기습윤 표시장치.
제8항에 있어서,

상기 스위칭 소자는

상기 게이트라인 상에 형성된 게이트전극;

상기 게이트전극 상에 형성된 반도체층;

상기 반도체층 상에 형성된 소스전극과 드레인전극; 및

상기 드레인전극과 전기적으로 접속된 화소전극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기습윤 표시장치.