전기영동 표시장치 및 이의 화소 구동방법 document_id A220623034756

전기영동 표시장치(EPD: Electrophoretic Display Device)는 전압이 인가되는 한 쌍의 전극을 폴라이드 용액에 담그면 콜로이드 입자가 어느 한쪽의 극성으로 이동하는 현상을 이용한 화상표시장치이다. 예를 들어, 상부기판과, 화소전극이 형성된 하부기판이 대향지게 배치되고 그 사이에 전기 영동막이 개재된 전기영동 표시장치에서, 상기 화소전극에 부극성(-)의 전압을 인가하면 블랙 입자(+)들이 하강하고 화이트 입자(-)들이 상승하여 상부기판 측에 화이트가 관찰된다. 또한, 상기 화소전극에 정극성(+)의 전압을 인가하면 화이트 입자(-)들이 하강하고, 블랙 입자(+)들이 상승하여 상부기판 측에 블랙이 관찰된다. 또한, 상기 화소전극에 소정의 전압을 인가하여 블랙 입자 및 화이트 입자의 분포를 적절히 조절하면 상부기판 측에서 그레이 색상이 관찰된다. 이와 같은 전기영동 표시장치는 백라이트를 사용하지 않으며 넓은 시야각, 높은 반사율, 읽기 쉬움 및 저소비전력 등의 특성이 있으므로 향후 전기 종이(electric paper)로서 각광을 받을 것으로 기대된다. 근래 들어, 전기영동물질을 이용한 화상표시 장치가 많이 제안되었는데, 그 예로써, 미국특허 US6961047B2, US7012600B2 등을 들 수 있다. 도 1 내지 도 6은 전기영동 소자의 구동원리를 예시적으로 나타내기 위한 상기 미국특허 US6961047B2와 관련된 도면이다. 도 1 은 종래의 전기영동 표시패널의 기계적인 구성을 나타낸 분해사시도이고, 도 2는 그의 부분 단면도이다. 상기 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 전기영동 표시패널(A)은 픽셀전극(104) 등이 형성된 유리나 반도체 등의 소자기판(100)과, 평면상의 공통전극(201) 등이 형성된 대향기판(200)을 구비한다. 상기 소자기판(100)과 대향기판(200)은 일정한 간격을 유지하고, 각각의 전극 형성 면이 서로 대향되게 부착된다. 상기 소자기판(100)과 대향기판(200) 사이의 공간은 일정한 높이를 가지는 격벽(110)에 의해 구분되어 있다. 여기서, 상기 격벽(110)은 화상의 표시 단위인 픽셀을 구분하도록 설치되어 있다. 상기 격벽(110)에 의해 구분되는 공간은 분할 셀(cell)이라 칭하고, 여기에는 분산계(1)가 충전되어 있다. 상기 분산계(1)는 분산매(2)에 전기영동입자(3)를 분산시키는 것이다. 상기 분산매(2)는 계면활성제 등의 첨가제가 필요에 따라 첨가되어 있다. 상기 분산계(1)에서는 전기영동입자(3)의 중력에 의한 침강을 피하기 위하여, 분산매(2)의 비중과 전기영동입자(3)의 비중은 거의 같아지도록 선택되어 있다. 이와 같이 상기 격벽(110)에 따라 다수의 분할셀(11C)을 설치하기 때문에 전기영동입자(3)가 영동 가능한 영역이 분할셀(11C)의 내부로 제한된다. 상기 분산계(1)에는 입자의 분산이 치우치거나 복수의 입자가 결합되어 큰 덩어리로 되는 응결이 일어날 수 있다. 하지만, 상기 격벽(110)을 이용하고 복수의 분할셀(11C)을 형성하면 나쁜 현상을 방지하고 표시화상의 품질을 향상시키는 것이 가능해진다. 상기 전기영동 표시패널(A)은 풀컬러 표시가 가능하다. 이 경우 각 픽셀에 있어서 원색(RGB) 중 1 색을 표시할 수 있게 하기 위하여 분산계(1)로서는 적색, 녹색, 청색에 3 종류가 사용된다. 우선, 적색(R)에 대응하는 분산계(1r)는 전기영동입자(3r)로서 적색의 입자를 이용하는 것과 동시에, 분산매(2r)로서 시안(cyan)색의 것을 이용한다. 이 전기영동입자(3r)로서는 예를 들어, 산화철을 이용할 수 있다. 그리고 녹색(G)에 대응하는 분산계(1g)는 전기영동입자(3g)로서 녹색의 입자를 이용함과 동시에, 분산매(2g)로서 마젠다의 것을 이용한다. 상기 전기영동입자(3g)로서는 예를 들어, 코발트 그린(cobalt green)의 안료 입자를 이용할 수 있다. 그리고, 청색(B)에 대응하는 분산계(1b)는 전기영동입자(3b)로서 청색의 입자를 이용함과 동시에, 분산매(2b)로서 옐로(yellow) 색의 것을 이용한다. 상기 전기영동입자(3b)로서는 예를 들어, 코발트 블루(cobalt blue)의 안료 입자를 이용한다. 즉, 전기영동입자(3)로서 표시색을 반사하는 것을 이용하는 한편, 분산매(2)로서 표시색을 흡수하는 색(상기 예에서 보색)에 대응한 것을 이용한다. 그리고, 대향기판(200) 및 봉지재(202)의 부재를 이용한다. 따라서, 상기 전기영동입자(3)가 표시면과 반대측의 전극에 부상할 때 전기영동입자(3)에 따라 표시색에 대응하는 파장의 빛이 반사되고, 이 반사광에 따라 관측자가 색을 인식한다. 한편, 상기 전기영동입자(3)가 표시면과 반대측의 전극에 침강할 때 표시색에 대응하는 파장의 빛은 분산매(2)에 의해 흡수되기 때문에 그 파장의 빛이 관측자에게 도착하지 않아 관측자는 색을 인식할 수 없게 된다. 하지만, 분산계(1)에 인가하는 전계의 방향과 강도에 따라서 상기 전기영동입자(3)를 분산계(1)의 두께 방향에 어떻게 분포시킬지를 제어할 수 있다. 따라서, 전기영동입자(3)와 그 반사광을 흡수하는 분산매(2)를 조합하여 이용함과 동시에 전기장 강도를 제어하는 것에 의해 전기영동입자(3)에 의해 반사되는 빛의 강도를 조정할 수 있고, 그 결과 관측자에게 도달하는 빛의 강도를 변화시킬 수 있다. 상기 소자기판(100)의 표면에는 표시영역(A1)과 주변영역(A2)이 마련되어 있다. 상기 표시영역(A1)은 상기 격벽(110)에 의해 구분하게 되어 있고, 거기에는 픽셀전극(104)의 다른 곳에 후술하는 주사선, 데이터선, 및 스위칭 소자로서 기능하는 박막 트랜지스터(TFT: Thin Film Transistor)가 형성되어 있다. 한편, 상기 소자기판(100)의 주변영역(A2)에는 후술하는 주사선 구동회로, 데이터선 구동회로 및 외부접속전극이 형성되어 있다. 도 3은 종래의 전기영동 표시장치의 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 전기영동 표시장치는 전기영동 표시패널(panel)(A)과 그 주변회로인 화상신호 처리회로(300A) 및 타이밍 발생기(timing geneator)(400)를 구비하고 있다. 상기 화상신호 처리회로(300A)는 입력화상신호(VID)에 상기 전기영동 표시패널(A)의 전기적인 특성에 대응하는 보정처리를 실시하여 화상데이터(D)를 생성 출력함과 아울러, 이 화상데이터(D)를 출력하기 전에 리세트 데이터(Drest)를 소정 기간 출력한다. 상기 리세트 데이터(Drest)는 분산계(1) 중을 영동하고 있는 전기영동입자(3)를 픽셀전극(104) 측으로 끌어당기고, 그 공간적인 상태를 초기화하기 위해 사용된다. 이하 설명에서는 설명을 간략화하기 위해 분산계(1)의 분산매(2)는 흑색으로 착색되어 있고, 상기 전기영동입자(3)는 산화 티탄(Titan) 등의 백색의 입자인 동시에, 확실하게 대전하고 있는 것으로 한다. 또한, 상기 타이밍 발생기(400)는 화상데이터(D)가 상기 화상신호 처리회로(300A)로부터 출력될 때 주사선 구동회로(130)나 데이터선 구동회로(140A)를 제어하기 위한 각종 타이밍신호를 생성한다. 소자기판(100)의 표시영역(A1)에는 X 방향에 따라 평행하게 복수개의 주사선(101)이 형성되고, 또한 이것과 직교하는 Y 방향에 따라 평행하게 복수개의 데이터선(102)이 형성되어 있다. 그리고, 이러한 주사선(101)과 데이터선(102)의 각 교차점에 있어서는, 박막트랜지스터(TFT)(103)의 게이트 전극이 상기 주사선(101)에 접속되는 한편, 그의 소스전극이 데이터선(102)에 접속되고, 또한 그의 드레인 전극이 픽셀전극(104)에 접속되어 있다. 각 픽셀은 픽셀전극(104)과 대향기판(200)에 형성되는 공통전극(201)과, 이들의 양 전극간에 협지되는 분산계(1)에 의해 구성된다(도 2 참조). 즉, 각 픽셀은 주사선(101)과 데이터선(102)의 교차에 대응하여 매트릭스 모양으로 배열되어 있다. 이와 같은 전기영동 표시패널(A)에 있어서, 주사선신호 Yj가 액티브되면 해당 주사선신호 Yj가 공급되어 있는 j번째의 주사선(101)의 박막트랜지스터(103)가 온 상태가 되어, 데이터선 신호 X1,X2,…,Xn이 픽셀전극(104)에 공급된다. 한편, 대향기판(200)의 공통전극(201)에는 도시하지 않은 전원회로로부터 공통전압이 인가되게 되어 있다. 이에 의해 픽셀전극(104)과 공통전극(201)의 사이에 전위차가 생겨 분산계(1)의 전기영동입자(3)가 영동하고 화상데이터(D)에 따르는 계조의 표시가 각 픽셀마다 행하여진다. 다음에 계조의 표시 원리에 대하여 설명한다. 도 4는 분할 셀(cell)의 구조를 간략하게 나타낸 단면도이다. 이 예의 전기영동 표시장치에 있어서는, 우선 리세트 동작이 행해진다. 이 리세트 동작에서는 전기영동입자(3)가 픽셀전극(104) 측으로 끌어 당겨진다. 확실하게 대전한 전기영동입자(3)를 이용하는 경우, 공통전극(201)의 전압을 기준으로 음극성의 전압이 픽셀전극(104)에 인가된다. 이 결과, 도 4의 (a)에서와 같이 픽셀전극(104)에서 전기영동입자(3)가 끌어 당겨진다. 다음에, 도 4의 (b)에서와 같이 표시해야 할 계조에 따르는 정극성의 전압을 전극간에 인가한다. 이렇게 하면 전계에 따라서 전기영동입자(3)는 공통전극(201) 측으로 이동한다. 전위차를 제로(zero)로 한다면 전계가 작용하지 않게 되므로 전기영동입자(3)는 분산매(2)의 점성 저항에 따라서 정지한다. 이 경우, 전기영동입자(3)의 이동 속도는 전기장 강도 즉, 인가 전압에 따라 정해지기 때문에 그 이동 거리는 인가 전압과 인가 시간에 따라 결정된다. 따라서, 인가 시간을 일정하게 하면 인가 전압을 조정하는 것에 의해 전기영동입자(3)의 두께 방향의 위치를 제어할 수 있다. 상기 공통전극(201) 측으로부터 입사한 빛은 전기영동입자(3)에 의해 반사되고, 이 반사광이 공통전극(201)을 통과하여 관측자의 눈에 이르게 된다. 입사광과 반사광은 분산매(2)에 의해 흡수되는데 그 흡수되는 정도는 광로 길이에 비례한다. 따라서, 관측자가 인식하는 계조는 전기영동입자(3)의 위치에 따라 결정된다. 상기한 바와 같이 인가시간을 일정하게 할 경우 전기영동입자(3)의 두께 방향의 위치는 인가 전압에 따라 결정되기 때문에 표시하여야 할 계조에 상응되는 전압을 인가하면 원하는 계조 표시가 가능하게 된다. 그런데, 상기 분산계(1)는 다수의 전기영동입자(3)를 포함하고 있다. 여기에서, 전기적 특성(예를 들면, 전하량)이나 기계적 특성(예를 들면, 입자경, 중량) 등의 입자 특성이 갖추어져 있으면, 모든 입자의 이동속도가 일정해지고 모든 전기영동입자(3)는 똑같이 행동한다. 다음으로, 상기 주사선(101) 및 데이터선(102)을 구동하는 회로에 대하여 설명한다. 먼저, 주사선 구동회로(130)는 시프트 레지스터를 구비하여 타이밍 발생기(400)로부터의 클럭신호(YCK)나 이의 반전된 클럭신호(YCKB)를 근거로 하고, 수직 주사 기간의 개시로 액티브 상태로 되는 전송개시펄스(DY)를 순차적으로 시프트시켜 주사선신호(Y1,Y2,…Ym)를 생성한다. 이에 의해 액티브 기간(H 레벨)이 순차적으로 시프트되어 가는 주사선신호(Y1,Y2,…Ym)를 생성하여 각 주사선(101)에 출력한다. 다음에, 데이터선 구동회로(140A)는 상기 화상신호 처리회로(300A)로부터 화상데이터(D) 및 리세트 데이터(Drest)를 공급받고, 상기 타이밍 발생기(400)로부터 X 클럭신호(XCK) 및 반전된 X 클럭신호(XCKB), X 전송 개시펄스(DX) 등을 공급받아 데이터선 신호(X1,X2…,Xn)를 생성하여 이들을 각 데이터선(102)에 출력한다. 다음에, 도 5의 타이밍 챠트를 참조하여 전기영동 표시장치의 동작 개요를 설명한다. 우선, 시각 t0에 있어서, 전기영동 표시장치의 전원이 오프 상태에서 온 상태로 되면, 상기 화상신호 처리회로(300A), 타이밍 발생기(400) 및 전기영동 표시패널(A)에 전원이 급전된다. 이로부터 소정 시간이 경과되어 회로 동작이 안정되는 시각 t1에 있어서, 상기 화상신호 처리회로(300A)는 리세트 데이터(Drest)를 1 필드 기간동안 출력한다. 이 리세트 기간(Tr)에 있어서는 상기 설명에서와 같이 전기영동입자(3)가 픽셀전극(104) 측으로 끌어당겨 지고, 그 공간적인 상태가 초기화 된다. 데이터선 구동회로(140)가 상기 리세트 데이터(Drest)의 데이터값에 상응되는 리세트 전압(Vrest)을 각 데이터선(102)에 출력하는 한편, 주사선 구동회로(130)가 각 주사선(101)을 순차적으로 선택하는 것에 의해 픽셀전극(104)에 전압이 공급되고, 모든 픽셀전극(104)과 공통전극(201) 사이에 리세트전압(Vrest)이 인가되는 것이 된다. 다음에, 시각 t2에 이르면, 기록시간 Tw가 개시된다. 이 기록시간 Tw에 있어서는, 상기 화상신호 처리회로(300A)가 1 필드 기간에 걸쳐 화상데이터(D)를 출력한다. 각 픽셀전극(104)에는 표시해야 할 계조에 대응한 계조전압(V)이 기록되고, 이에 의해 1 장의 표시 화면이 완성된다. 다음에, 시각 t3에서부터 시각 t4까지의 유지기간 Th는, 직전의 기록기간 Tw로 기록되는 화상을 지지하는 기간이고, 그 길이는 임의로 설정할 수 있다. 해당 기간에 있어서, 화상신호 처리회로(300A)는 동작을 정지하여 화상데이터(D)를 출력하지 않고, 픽셀전극(104)와 공통전극(201)의 사이에는 전계가 발생하지 않도록 된다. 상기 전기영동입자(3)는 전계가 없으면 공간적인 상태에 변화가 없게 된다. 따라서, 해당 기간에 정지화상이 표시된다. 다음에, 시각 t4에서부터 시각 t6은 화상데이터를 다시 쓰기 위한 기간으로서, 상기 시각 t1으로부터 시각 t3 까지의 기간에서와 같이 리세트 동작과 기록동작이 행해진다. 이에 의해 표시화면이 갱신된다. 결국, 주사선 구동회로(130)가 각 주사선(101)을 순차적으로 선택하는 것에 의해 픽셀전극(104)이 선택되고, 이렇게 선택된 픽셀전극(104)을 대상으로 상기 데이터선 구동회로(140)가 상기와 같은 과정을 통해 정극성의 데이터 또는 부극성의 데이터를 출력하는 동작을 반복적으로 수행하게 된다. 이와 같은 과정을 통해 각 픽셀에 공급된 정극성의 데이터와 부극성의 데이터의 합계 값에 의해 해당 픽셀이 표시하게 될 계조가 결정되며, 이와 같이 동작하는 픽셀들에 의해 전체 화상이 결정된다. 그러나, 이와 같은 종래의 전기영동 표시장치 및 그 밖의 전기영동 표시장치에 있어서는 픽셀전극에 데이터를 전달하기 위한 스위칭 소자로서 박막 트랜지스터(TFT: Thin Film Transistor)를 사용하는데, 이와 같은 경우 후속 패너닝 공정이 어려운 문제점이 있었다. 즉, 전기영동 표시장치의 스위칭 소자로 사용되는 TFT는 TFD(MIM diode)와 비교해 볼 때 제조공정이 복잡하여 비용이 많이 소요되는 문제점이 있었다.