可调光子晶体滤色器和彩色图像显示装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了可调光子晶体滤色器和包括该可调光子晶体滤色器的彩色图像显示装置。该可调光子晶体滤色器包括：第一电极；第二电极，布置为面对第一电极；介质，布置在第一电极和第二电极之间；纳米颗粒，以晶格结构分布在介质中并且是带电的；以及离子散布防止层，布置在第一电极和第二电极中的至少一个的表面上。
【专利说明】可调光子晶体滤色器和彩色图像显示装置
【技术领域】
[0001]本公开涉及可调光子晶体滤色器以及包括该可调光子晶体滤色器的彩色图像显示装置。
【背景技术】
[0002]彩色图像显示装置一般包括用于显示梯度(gradient)的图像面板和用于施加颜色到其上的滤色器。
[0003]反射型彩色图像显示装置利用被固定在各像素中的区域划分的3个滤色器经由透射或反射来显示颜色。在显示原色和与原色类似的颜色的情形下，这样的区域划分的滤色器阻挡对应于其它颜色的光，因此颜色损失是相当大的。
[0004]此外，吸收型滤色器被广泛用于彩色图像显示装置中。这里，吸收型滤色器仅透射对应于期望颜色的光并吸收对应于其它颜色的光，因此光损失是相当大的。此外，如果吸收型滤色器用于反射型彩色图像显示装置中，则由于反射型彩色图像显示装置的机理而需要使光经过滤色器两次，在滤色器产生两次光损失，因此难以显示明亮的颜色。
[0005]因此，正在研究包括光子晶体的滤色器来代替吸收型滤色器，该光子晶体反射对应于光子带隙的颜色的光并透射对应于其它颜色的光。
【发明内容】
[0006]提供具有改善的色彩逼真度和可靠性的可调光子晶体滤色器。
[0007]提供彩色图像显示装置，该彩色图像显示装置包括具有改善的色彩逼真度和可靠性的可调光子晶体滤色器。
[0008]额外的方面将在以下的描述中被部分地阐述，并将部分地从该描述变得明显，或者可以通过实践给出的实施方式而掌握。
[0009]根据本发明的一方面，一种可调光子晶体滤色器包括:第一电极；第二电极，布置为面对第一电极；介质，布置在第一电极和第二电极之间；纳米颗粒，以晶格结构分布在介质中并且是带电的；以及离子散布防止层(ion spread preventing layer),布置在第一电极和第二电极中的至少一个的表面上。
[0010]离子散布防止层包括用于抑制羟基离子散布的层。
[0011]离子散布防止层由全氟碳磺酸(perfluorocarbonic sulfonic acid)或基于磺化四氟乙烯(sulfonated tetrafIuoroethylene)的含氟聚合物形成。
[0012]离子散布防止层包括用于抑制氢离子散布的层。
[0013]离子散布防止层包括季铵碱(quaternary ammonium base)、季卩比唳碱(quaternary pyridinium base)和季咪唑喊(quaternary imidazolium base)当中的至少一种。
[0014]第一电极和第二电极中的至少一个形成为透明电极。
[0015]第一电极是透明的，并且第二电极是黑色的。[0016]介质包括水溶液。
[0017]第一电极是阴极电极，负离子散布防止层布置在第一电极的内侧表面上。
[0018]第二电极是阳极电极，正离子散布防止层布置在第二电极的内侧表面上。
[0019]根据本发明的另一方面，一种彩色图像显示装置包括:第一电极；第二电极，布置为面对第一电极；介质，布置在第一电极和第二电极之间；纳米颗粒，以晶格结构分布在介质中并且是带电的；离子散布防止层，布置在第一电极和第二电极中的至少一个的表面上；电路层，包括用于施加电压到第一电极和第二电极的开关器件；以及控制单元，控制开关器件并控制电压。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]从以下结合附图对实施方式的描述，这些和/或其它的方面将变得明显且更易于理解，在附图中:
[0021]图1是示出根据本发明的实施方式的可调光子晶体滤色器的示意图；
[0022]图2是示出根据本发明另一实施方式的可调光子晶体滤色器的图示，其中离子散布防止层布置在与图1的可调光子晶体滤色器不同的电极上；
[0023]图3是示出根据本发明另一实施方式的可调光子晶体滤色器的图示，其中离子散布防止层布置在两个电极上；
[0024]图4是曲线图，显示了对于根据本发明的实施方式的可调光子晶体滤色器和根据比较实施方式的滤色器的电流关于电势的变化；
[0025]图5是示出根据本发明的实施方式的彩色图像显示装置的示意图；以及
[0026]图6是示出根据本发明另一实施方式的彩色图像显示装置的图示。
【具体实施方式】
[0027]现在将详细参照实施方式，其示例在附图中示出，其中相同的附图标记始终指代相同的元件。在这点上，本实施方式可以具有不同的形式，而不应被解释为限于这里阐述的描述。因此，以下通过参照附图仅描述了实施方式以解释本说明书的多个方面。当在这里使用时，术语“和/或”包括一个或多个所列相关项目的任意和所有组合。诸如至少中的至少一个”的表述，当在一列元件之前时，修饰整列的元件而不修饰该列中的单个元件。
[0028]现在将参照附图更全面地描述根据本发明实施方式的可调光子晶体滤色器以及包括该可调光子晶体滤色器的彩色图像显示装置。在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，为了清晰，层和区域的厚度可以被夸大。这里，以下描述的实施方式仅是示例，不同的变型可以由其产生。例如，当一层被称为在另一层或基板“上”时，它可以直接在该另一层或基板上，或者也可以存在中间层。
[0029]图1是示出根据本发明实施方式的可调光子晶体滤色器10的示意图。
[0030]参照图1，可调光子晶体滤色器10包括第一电极11和面对第一电极11的第二电极15。光子晶体层14可以布置在第一电极11和第二电极15之间。光子晶体层14可以包括介质12和分布在介质12中的纳米颗粒13。纳米颗粒13带电并可以以晶格结构分布在介质12中。离子散布防止层可以布置在第一电极11和第二电极15中的至少一个的表面上。图1示出了其中第一离子散布防止层16布置在第一电极11下面的示例。例如，第一电极11可以是阴极电极，而第二电极15可以是阳极电极。第一离子散布防止层16可以是负离子散布防止层。例如，第一离子散布防止层16可以包括用于抑制羟基离子的散布的层。例如，第一离子散布防止层16可以包含全氟碳磺酸或基于磺化四氟乙烯的含氟聚合物。例如，第一离子散布防止层16可以是杜邦(Dupont)的以Nafion? (全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物)为商标的商品化的产品。
[0031]光子晶体是通过周期性地布置具有不同介电常数的材料形成的人造晶体，使得光子带隙(PBG)形成在电磁波的能谱中。当光入射到光子晶体时，对于大部分波长，光透射穿过光子晶体而没有被散开。然而，反射区可以是在特定波长(或频率)下光没有被透射的区域。该区域被称为PBG。如果具有与PBG相应的波长(或频率)的光入射到光子晶体，则光不会传播到光子晶体中而是被反射。光子晶体通过周期性地布置电介质材料形成，其中PBG的大小或位置可以根据折射率和周期性结构改变。在光子晶体层14中，纳米颗粒13通过由电动现象规则地散布而形成光子晶体结构。此外，光子晶体层14的PBG可以通过改变光子晶体的形状、光子晶体的体积、纳米颗粒之间的间距和光子晶体的折射率当中的至少一个而改变。当PBG改变时，可以调整将被反射的光的波长带宽。因此，可调光子晶体滤色器10可以调整从外部光L反射的光的颜色。例如，如果外部光L入射到可调光子晶体滤色器
10,则与第一波长带相应的光LO可以被反射而与另一波长带相应的光Lr可以被透射。
[0032]在可调光子晶体滤色器10中，由于纳米颗粒13带电，所以当电压V施加在第一电极11和第二电极15之间时，纳米颗粒13根据电压V移动。因此，纳米颗粒13之间的间距改变，因而PBG可以根据纳米颗粒13之间的间距而改变。光子晶体层14的PBG确定要被反射的光的波长，其中PBG取决于纳米颗粒13的尺寸和纳米颗粒13之间的间距中的至少一个。因此，纳米颗粒13的尺寸可以基于要被反射的光的波长而被适当地确定。例如，纳米颗粒13可以具有从几十nm到数百nm的尺寸。例如，纳米颗粒13可以具有数百nm例如约300nm的尺寸，以反射与可见光带相应的颜色。
[0033]第一电极11和第二电极15中的至少一个可以是透明的以使光通过。例如，在光入射侧的第一电极11可以是透明的。
[0034]例如，第一电极11可以是阴极电极，而第二电极15可以是阳极电极。如果在阴极电极和阳极电极上没有离子散布防止层，则来自阴极电极的负离子和来自阳极电极的正离子散布到光子晶体层14中，并且负离子和正离子围绕纳米颗粒。因此，纳米颗粒的表面电荷会减少。结果，纳米颗粒之间的排斥力会减小，从而降低了纳米颗粒的结晶性(Crystallinity)0因此，色彩重现性和清晰性会劣化。然而，根据本实施方式，提供离子散布防止层以抑制来自第一电极和/或第二电极的离子散布到光子晶体层中，从而提高色彩重现性。
[0035]为了良好的透射率，第一电极11可以由导电的金属氧化物形成。第二电极15可以是透明的或可以不是透明的。例如，第二电极15可以具有黑颜色以吸收透射的光。如果第二电极15具有黑颜色，则第二电极15可以吸收透过光子晶体层14的光。如果第二电极15吸收透过光子晶体层14的光，则第二电极15可以防止光被第二电极15下面的另一层反射回到光子晶体层14。
[0036]接着，下面将描述可调光子晶体滤色器10的操作机制。
[0037]纳米颗粒13带正(+ )电或负(_)电，并可以由于静电斥力而彼此间隔地散开。当电压V施加到第一电极11和第二电极15时，电场E形成在介质12中。这里，具有电偶层的纳米颗粒13沿朝向第一电极11或第二电极15的方向在介质12中移动，在与静电斥力形成平衡的同时规则地散开，并构成其中纳米颗粒13以恒定的晶格间距D布置的晶格结构。
[0038]光子晶体层14的晶格结构具有由于折射率的周期性分布而反射或透射特定波长的光的PBG。根据布拉格定律，根据以下的公式I的特定波长的光没有透射穿过光子晶体层14而是被反射。
[0039][方程式I]
[0040]m λ =2nD.s
[0041]这里，λ表不被折射或反射的光的波长,η表不光子晶体层14的有效折射率,D表示光子晶体层14的晶格间距，Θ表示光的入射角。m是一整数。
[0042]如果施加到第一电极11和第二电极15的电压V改变，则与静电斥力的平衡改变，因此纳米颗粒13之间的晶格间距D变化。因此，被反射的光LO的波长λ可以通过调整施加到第一电极11和第二电极15的电压V来控制。例如，随着施加到第一电极11和第二电极15的电压V增加，被光子晶体层14反射的光LO的波长可以减小。
[0043]同时，下面将描述根据介质类型的光子晶体层的特性。如果介质是有机溶剂并且带电的纳米颗粒分布在有机溶剂中，则晶格的均匀性不能被保证，因为纳米颗粒在有机溶剂中没有充分地带电。因此，反射光谱不会是足够尖锐的，并且颜色不会是清晰的。此外，如果带电的纳米颗粒分布在水溶液中，则水溶液中的纳米颗粒具有足够的表面电荷，因而反射光谱的峰是尖锐的。然而，如果电压被施加到电极以形成电场，则在预定电压会引起水溶液的电解，因此纳米颗粒的电荷或介质中的电场会改变。结果，晶格结构会倒塌。根据本实施方式，由于离子散布 防止层布置在第一电极11和第二电极15中的至少一个上,所以由第一电极11或第二电极15产生的负离子或正离子被离子散布防止层阻挡，从而减少或防止离子散布到光子晶体层14中。
[0044]例如，如果介质12是水溶液，则与第一电极11和第二电极15有关的反应方程式如下所示。
[0045]2H20+2e—H2 (g) +20H (aq)(阴极电极)
[0046]2H20 — O2 (g) +4H+ (aq) +4e_ (阳极电极)
[0047]H+离子可以从阳极电极产生，而0H_离子可以从阴极电极产生。布置在第一电极11上的第一离子散布防止层16阻挡负离子，也就是羟基(0H-)离子，从而减少或防止0!1_离子散布到光子晶体层14中。
[0048]在图2所示的可调光子晶体滤色器IOA中，第二离子散布防止层17布置在第二电极15上。第二离子散布防止层17可以包括用于抑制正离子散布的层。第二离子散布防止层17可以例如包括季铵碱、季吡啶碱(quaternary pyridinium base)和季咪唑碱(quaternary imidazolium base)当中的至少一种。例如，第二离子散布防止层17可以是以FAA-3为商标的商品化的产品。如果介质12是水溶液，则正离子(也就是氢(H+)离子)可以从第二电极15产生。此外，H+离子被布置在第二电极15上的第二离子散布防止层17阻挡，从而减少或防止H+离子散布到光子晶体层14。由于第一离子散布防止层16和第二离子散布防止层17减少或防止正离子和负离子散布到光子晶体层14，所以可以减少附着到纳米颗粒13的离子。结果，可以防止由于由离子引起的纳米颗粒13的电荷变化或介质12中的电场变化而引起的结晶性的破坏。
[0049]在图3所示的可调光子晶体滤色器IOB中，第一离子散布防止层16布置在第一电极11的内侧表面上，而第二离子散布防止层17布置在第二电极15的内侧表面上。如果第一离子散布防止层16和第二离子散布防止层17如图3所示一起布置，则与其中仅布置第一离子散布防止层16或者第二离子散布防止层17的情形相比，可以更有效地防止离子被散布。如上所述，根据本发明的实施方式，即使正离子和负离子由于介质的电解而产生，也可以抑制或防止正离子和负离子散布到光子晶体层中。因此，可以实现具有良好的色彩逼真度和可靠性的滤色器。
[0050]图4示出在Nafion?布置在电极上作为负离子散步防止层的情形和没有布置Nafion?的情形下，电流关于电势的变化。在布置Nafion?!的情形下，示出根据Nafion?的厚度的电流关于电势的变化。保持恒定的电流减小或增大的点对应于电解发生的电压。此外，电流关于电势的斜率越大，更多的离子由于电解而移动。
[0051]与其中布置Nafion?的情形相比，在没有布置Nafion?的情形下，更多的离子由于电解而移动。此外，考虑电流关于电势分别在Nafion的厚度是25nm、60nm和200nm的情形下的变化，随着Nafion?帕厚度增大，电流越不显著地改变。换言之，Nafion?:越厚，由阴极电极产生的负离子更少地散布到光子晶体层中。
[0052]如上所述，根据本发明的实施方式，通过利用离子散布防止层减少或防止由电解产生的负离子或正离子散布到光子晶体层中，光子晶体层的结晶性被保持的时间段可以增加。
[0053]图5是示出根据本发明实施方式的彩色图像显示装置100的示意图。
[0054]彩色图像显示装置100可以包括:可调光子晶体滤色器105 ;电路层140，包括用于施加电压到可调光子晶体滤色器105的开关器件；以及控制单元150，控制开关器件并控制电压。可调光子晶体滤色器105可以包括多个被独立控制的像素。
`[0055]可调光子晶体滤色器105可以包括第一电极111、布置为面对第一电极111的第二电极115、以及布置在第一电极111和第二电极115之间的光子晶体层114。光子晶体层114可以包括介质112和分布在介质112中的纳米颗粒113。纳米颗粒113可以以晶格结构分布并可以带电。纳米颗粒113之间的晶格间距可以根据第一电极111和第二电极115之间的电压而改变。
[0056]第一电极111和第二电极115中的至少一个可以是透明的，用于光入射。例如，在光入射侧的第一电极111可以是透明的。第一电极111可以是阴极电极，而第二电极115可以是阳极电极。
[0057]离子散布防止层可以布置在第一电极111和第二电极115中的至少一个上。在图5中，第一离子散布防止层116布置在第一电极111下面，而第二离子散布防止层117布置在第二电极115上。当第一电极111是阴极电极时，第一离子散布防止层116可以是负离子散布防止层。例如，第一离子散布防止层116可以包括用于抑制羟基(0H—1)离子的散布的层。当第二电极115是阴极电极时，第二离子散布防止层117可以是正离子散布防止层。例如，第二离子散布防止层117可以包括用于抑制氢(H+)离子的散布的层。第一离子散布防止层116可以例如包含基于磺化四氟乙烯的含氟聚合物，其中该材料以Nafion?'为商标被商品化。
[0058]例如，第二离子散布防止层117可以包括季铵碱、季吡啶碱和季咪唑碱当中的至少一种，其中该材料以FAA-3为商标被商品化。
[0059]用于施加电压到第一电极111和第二电极115的开关器件可以例如是TFT器件。开关器件可以相对于每个像素独立地起作用。另外，像素中的第一电极111可以彼此绝缘，而第二电极115可以形成为公共电极。然而，本发明不限于此。
[0060]参照图5，下面将描述彩色图像显示装置100的运行。彩色图像显示装置100可以包括第一像素110、第二像素120和第三像素130。控制单元150可以通过根据图像信号来驱动电路层140的开关器件而施加电压到各个像素。例如，通过施加第一电压到第一像素110,第一波长的光LI可以从外部入射的光L反射,其它波长的光可以被透射。通过施加第二电压到第二像素120，第二波长的光L2可以从外部入射的光L反射，其它波长的光可以被透射。通过施加第三电压到第三像素130，第三波长的光L3可以从外部入射的光L反射，其它波长的光可以被透射。在这点上，彩色图像可以通过反射来自各个像素的预定波长的光而显示。
[0061]这里，如以上参照图1至图3描述的，可调光子晶体滤色器105包括离子散布防止层，从而通过防止由第一电极111和第二电极115产生的离子散布到光子晶体层114中而抑制光子晶体层114的结晶性的劣化。因此，即使可调光子晶体滤色器105被反复地驱动，可调光子晶体滤色器105的色彩重现性和可靠性也可以被改善。
[0062]图6是示出根据本发明另一实施方式的彩色图像显示装置100A的图示。与图5的彩色图像显示装置100相比，彩色图像显示装置100A还包括在电路层140下面的光吸收层160。可调光子晶体滤色器105仅反射基于光子晶体层114的结构的预定颜色的光并透射其它颜色的光。这里，为了防止透射的光被其它器件或层反射回到外部并影响所显示的图像，光吸收层160布置在电路层140下面以吸收透射的光。因此，彩色图像的品质可以被改善。
[0063]应当理解，这里描述的示例性实施方式应当仅以说明性的含义来理解，而不是为了限制的目的。对每个实施方式内的特征或方面的描述应当通常被理解为可用于其它实施方式中的其它类似特征或方面。
[0064]本申请要求于2012年9月19日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请N0.10-2012-0104214的权益，其公开内容通过引用整体结合于此。
【权利要求】
1.一种可调光子晶体滤色器，包括: 第一电极； 第二电极，布置为面对所述第一电极； 介质，布置在所述第一电极和所述第二电极之间； 纳米颗粒，以晶格结构分布在所述介质中并且是带电的；以及 离子散布防止层，布置在所述第一电极和所述第二电极中的至少一个的表面上。
2.根据权利要求1所述的可调光子晶体滤色器，其中所述离子散布防止层包括用于抑制羟基离子散布的层。
3.根据权利要求2所述的可调光子晶体滤色器，其中所述离子散布防止层由全氟碳磺酸或基于磺化四氟乙烯的含氟聚合物形成。
4.根据权利要求1所述的可调光子晶体滤色器，其中所述离子散布防止层包括用于抑制氢离子散布的层。
5.根据权利要求4所述的可调光子晶体滤色器，其中所述离子散布防止层包括季铵碱、季吡啶碱和季咪唑碱当中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的可调光子晶体滤色器，其中所述第一电极和所述第二电极中的至少一个形成为透明电极。
7.根据权利要求1所述的可调光子晶体滤色器，其中所述第一电极是透明的，并且所述第二电极是黑色的。
8.根据权利要求1所述的可调光子晶体滤色器，其中所述介质包括水溶液。
9.根据权利要求1所述的可调光子晶体滤色器，其中所述第一电极是阴极电极，和 负离子散布防止层布置在所述第一电极的内侧表面上。
10.根据权利要求1所述的可调光子晶体滤色器，其中所述第二电极是阳极电极，和 正离子散布防止层布置在所述第二电极的内侧表面上。
11.一种彩色图像显示装置，包括: 第一电极； 第二电极，布置为面对所述第一电极； 介质，布置在所述第一电极和所述第二电极之间； 纳米颗粒，以晶格结构分布在所述介质中并且是带电的； 离子散布防止层，布置在所述第一电极和所述第二电极中的至少一个的表面上； 电路层，包括用于施加电压到所述第一电极和所述第二电极的开关器件；以及 控制单元，控制所述开关器件并控制所述电压。
12.根据权利要求11所述的彩色图像显示装置，其中所述离子散布防止层包括用于抑制羟基离子散布的层。
13.根据权利要求12所述的彩色图像显示装置，其中所述离子散布防止层由全氟碳磺酸或基于磺化四氟乙烯的含氟聚合物形成。
14.根据权利要求11所述的彩色图像显示装置，其中所述离子散布防止层包括用于抑制氢离子散布的层。
15.根据权利要求14所述的彩色图像显示装置，其中所述离子散布防止层包括季铵碱、季吡啶碱和季咪唑碱当中的至少一种。
16.根据权利要求11所述的彩色图像显示装置，其中所述第一电极由导电的金属氧化物形成。
17.根据权利要求11所述的彩色图像显示装置，其中所述第一电极和所述第二电极中的至少一个形成为透明电极。
18.根据权利要求11所述的彩色图像显示装置，其中所述第一电极是透明的，并且所述第二电极是黑色的。
19.根据权利要求11所述的彩色图像显示装置，其中所述介质包括水溶液。
20.根据权利要求11所述的彩色图像显示装置，还包括布置在所述电路层下面的光吸收层。`
【文档编号】G02F1/19GK103676397SQ201310428427
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2012年9月19日
【发明者】沈洪植, 韩文奎, 许哲准 申请人:三星电子株式会社