[논문]전기영동형 전자종이 디스플레이에서 전자잉크의 주입 방법 및 구동파형에 따른 전류 특성 분석

이주원; 김영조

doi:10.4313/jkem.2020.33.5.386

전기영동형 전자종이 디스플레이에서 전자잉크의 주입 방법 및 구동파형에 따른 전류 특성 분석
Analysis on Current Characteristics According to Injection Method and Driving Waveform in Electrophoretic-Type E-Paper Display 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.33 no.5, 2020년, pp.386 - 392

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the drift current characteristics of charged particles are analyzed for panels fabricated by varying the waveform biasing of the active particle loading method (APLM), which is a method driven by the electrophoretic principle of loading charged particles into a cell of a barrier rib-type electronic paper. We prepare 3 panels using APLM and 1 panel without APLM. The waveform of APLM uses square wave and ramp wave, and the step voltage wave is applied to the driving voltage. The drift currents measured from the square wave and ramp wave with the same period applied by APLM are 4.872 µC and 5.464 µC, respectively, and the ramp wave is shown to be relatively advantageous for loading charged particles that have a large q/m. The time-current curve results confirm that the abrupt movement of charged particles is occurring. When the step form wave signal with a short time of 1s is first applied, initial large movement of the charged particles is confirmed to occur in all samples, which is understood as the effect of applying the voltage necessary to remove the imaging force. The results of this study are expected to improve the loading of charged particles into the electronic paper cell, driven by the electrophoretic principle and optimization of the driving conditions.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Fabrication process of electronic ink.
그림 Fig. 2. White charged particle injection method of image panel.
그림 Fig. 3. Voltage waveform applied at APLM and driving (a) APLM waveform applied to #2, (b) APLM waveform applied to #3 and #4, (c) driving waveform of positive half-cycle, and (d) driving waveform of negative half-cycle.
그림 Fig. 4. Current measurement system.
그림 Fig. 5. Area classification according to the characteristics of charged particles.
그림 Fig. 6. Sample 1~4 output current. (a) When driven under condition ① and (b) when driven under condition ②.
표 Table 1. Charge amount of white charged particles in each sample under various driving conditions.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 하전입자 농도를 제어할 수 있는 APLM 의 파형 종류에 따라서 각 sample을 제작한 후 표동 전류를 비교하여 APLM 파형에 따른 하전입자의 운동을 분석하고, 계단파를 구동파형으로 인가할 경우 image force 제거에 미치는 영향을 분석하고자 한다.
각 sample의 셀 내에 주입되어 있는 하전입자의 비율은 흑색 하전입자가 백색 하전입자의 운동에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 백색 하전입자의 비율이 매우 높게 제작되었다. 셀 내에 주입된 백색 하전입자들의 특성을 비교하기 위하여 인가되는 전압의 전체 주기에서 음의 반주기에 해당하는 전류 특성을 예로 들어 분석하고자 한다. 2가지의 구동조건에서 모든 주기의 전류 특성은 각 sample에서 거의 비슷하기 때문에 이 주기의 파형과 sample을 선택한 것은 특별한 경우가 아니며 단지 편의성 때문임을 밝힌다.

제안 방법

초록색으로 표시한 영역 Ⅰ은 drift 영역, 영역 Ⅱ는 saturation 영역으로 정의하였다. 각 sample에 구동 파형이 인가될 때 백색 하전입자가 운동하는 음의 반주기에서 출력된 전류 값을 root mean square (RMS)로 계산한 평균값과 전류 그래프가 중첩되는 시점을 기준으로 Ⅰ, Ⅱ 영역을 구분하였다. Drift 영역은 셀 내에 주입되어 있는 백색 하전입자 중에서 우선적으로 운동한 백색 하전입자들이 이동하는 영역을 의미한다.
계단파를 인가하기 위해서 Agilent사의 waveform generator를 사용하였다. 각 sample에 인가되는 파형의 총 주기는 20s로 동일하게 설정하고, 반주기에서 인가되는 전압의 주기를 변화시켰다. 인가되는 구동 파형의 시간은 2개의 조건으로 나누어서 각 sample에 인가하였다.
본 연구에서는 APLM으로 제작하지 않은 1개의 sample과 APLM의 방식을 다르게 하여 3개의 sample을 제작하였다. 각 sample의 셀 내에 주입되어 있는 백색 하전입자의 특성을 비교하기 위하여 2가지의 구동 조건을 인가한 후 표동전류 및 포화전류를 측정하였다. 각 구동 조건에서 모든 sample의 출력전류를 비교한 결과로부터 #4의 셀 내에 주입되어 있는 백색 하전입자의 전류특성을 다른 sample들과 비교할 때 상대적으로 큰 q/m 값을 가지는 것을 확인하였다.
본 연구를 위하여 양의 전하를 띠고 있는 백색 하전 입자와 음의 전하를 띠고 있는 흑색 하전입자를 중성 유체에 혼합하여 실험을 진행하였다. 각 sample의 셀 내에 주입되어 있는 백색 하전입자의 특성을 비교하기 위하여 비교 대상인 백색 하전입자를 흑색 하전입자보다 4배의 질량비를 가지도록 중성 유체 내에 고농축으로 혼합하였다 [16]. 이때, 백색 하전입자의 중심물질은 TiO₂이고, 흑색 하전입자의 중심물질은 carbon black인 고분자-쉘 구조로 제조하였고, 중성 유체는 isopar M과 halocarbon oil 0.
각 셀 내에 전자잉크를 충분히 주입한 후 패키징하였으며, 본 실험에서는 선택적인 입자 주입 방법으로 제안되고 사용하였던 APLM을 개선하여 4개의 sample을 제작한 뒤 실험을 진행하였다. 그림 2는 APLM으로 하부기판 셀 내에 백색 하전입자의 주입공정을 보인 것이다.
이때, 외부 광원이 상부 기판으로 입사한 후 반사되면서 백색 이미지를 표시할 수 있다. 다음으로 흑색 이미지를 상부기판에 표시하기 위하여 상부기판의 전극에 흑색 하전 입자의 극성과 반대인 양의 전압을 인가하고 하부기판의 전극은 접지한다. 이를 통하여, 흑색 하전입자는 상부기판의 전극으로 이동한 후 image force로 인하여 부착되고, 백색 하전입자는 하부기판의 전극으로 이동한 후 image force로 인하여 부착되게 된다.
5 g의 비율로 혼합하였고, 이는 백색 하전입자가 운동할 때 흑색 하전입자의 영향을 최소화시키기 위한 것이다. 따라서 위에서 언급한 바와 같이 백색 하전입자와 흑색 하전입자의 최종적인 혼합비는 20:1이 되며, 중성 유체 내에 혼합되어 있는 하전입자들의 입자 뭉침 현상을 제거하기 위하여 MUJIGAE사에서 제작한 Ultrasonic dispersing machine을 사용하여 하전입자들을 분산시킨 후, DAIHAN Scientific사에서 제작한 Vortex mixer을 사용하여 혼합하였다. 이상의 공정으로 제조한 전자잉크의 순서를 그림 1에 보였다.
본 연구를 위하여 격벽형 전자종이를 제작하였다. 격벽형 전자종이는 하부 기판과 상부 기판에 인가되는 전압에 의해서 하전입자들의 이동이 발생하게 되는데, 이때 하전입자들이 이동하는 공간을 형성하기 위해서 하부 기판의 각 셀에 격벽을 패터닝하였다.
본 연구를 위하여 양의 전하를 띠고 있는 백색 하전 입자와 음의 전하를 띠고 있는 흑색 하전입자를 중성 유체에 혼합하여 실험을 진행하였다. 각 sample의 셀 내에 주입되어 있는 백색 하전입자의 특성을 비교하기 위하여 비교 대상인 백색 하전입자를 흑색 하전입자보다 4배의 질량비를 가지도록 중성 유체 내에 고농축으로 혼합하였다 [16].
하전입자를 제조하는 과정에서 하전입자들의 고유 전하량 대 질량비(q/m)가 균일하게 제조되는 것은 제조 원리상 불가능하며, 따라서 일정한 불균일성을 가진다. 본 연구에서는 APLM으로 제작하지 않은 1개의 sample과 APLM의 방식을 다르게 하여 3개의 sample을 제작하였다. 각 sample의 셀 내에 주입되어 있는 백색 하전입자의 특성을 비교하기 위하여 2가지의 구동 조건을 인가한 후 표동전류 및 포화전류를 측정하였다.

대상 데이터

격벽의 높이는 53.57 μm로 제조하였고, 하나의 셀은 210×210 μm2가 되도록 격벽을 패터닝하였다.
하전입자들의 이동에 의해서 drift current와 saturation current가 발생하게 되는데, 이 값은 μA 단위의 값으로 출력이 된다. 측정된 전류 값들은 KEYSIGHT사의 software인 BenchVue (2019)를 통하여 수집하였다.
하부 기판의 활성 영역은 200×210 μm2이며 하부 기판 및 상부 기판의 전극은 높은 전기 전도도와 외부 광의 투과성을 지니고 있는 ITO를 사용하였다 [18].

이론/모형

그림 3(c), (d)는 각 sample에 인가되는 구동 파형을 나타낸 것이다. 각 sample을 구동하기 위해서 인가하는 파형은 계단파(staircase waveform)를 사용하였다. 계단파를 인가하기 위해서 Agilent사의 waveform generator를 사용하였다.
각 sample을 구동하기 위해서 인가하는 파형은 계단파(staircase waveform)를 사용하였다. 계단파를 인가하기 위해서 Agilent사의 waveform generator를 사용하였다. 각 sample에 인가되는 파형의 총 주기는 20s로 동일하게 설정하고, 반주기에서 인가되는 전압의 주기를 변화시켰다.

성능/효과

각 sample의 셀 내에 주입되어 있는 백색 하전입자의 특성을 비교하기 위하여 2가지의 구동 조건을 인가한 후 표동전류 및 포화전류를 측정하였다. 각 구동 조건에서 모든 sample의 출력전류를 비교한 결과로부터 #4의 셀 내에 주입되어 있는 백색 하전입자의 전류특성을 다른 sample들과 비교할 때 상대적으로 큰 q/m 값을 가지는 것을 확인하였다. 대표적으로 구동조건 ①을 각 sample에 인가하였을 때 영역 Ⅰ에서 이동한 전하량을 비교하면, #1은 4.
74 μC의 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. 이를 통하여 APLM으로 제작하지 않은 #1을 포함하여 APLM으로 제작한 #2, #3 그리고 #4 중에서 #4의 셀 내에 주입되어 있는 백색 하전입자가 영역 Ⅰ에서 가장 많이 이동한 것을 확인할 수 있다.
#1~3은 #4에 비하여 큰 q/m 값을 지닌 하전입자들이 셀 내에 적게 주입되어 초기에 형성되는 전계에 빠르게 대응하여 이동하는 하전입자들이 적은 것으로 판단된다. 패널을 제작할 때 인가하는 APLM 파형 중 전력 측면에서 볼 때 RAMP 파형이 구형파보다 일시적으로 구동하는 데 유리한 것을 확인하였다. 결과적으로 각 sample에 인가되는 구동조건에 따른 백색 하전입자의 특성을 비교해 보면, 앞서 설명한 것과 같은 이유로 판단할 수 있다.

후속연구

또한, 모든 sample에 인가한 구동 전압은 구형파가 아닌 계단파를 사용하였다. Image force를 제거하는 전압의 주기는 짧은 쪽이긴 쪽보다 전류 특성을 개선하는 것으로 판단되며, 이는 좀 더 정밀한 추가 연구가 필요한 것으로 판단된다.
본 연구는 전기영동 원리로 구동되는 격벽형 전자종이 디스플레이에서 하전입자 주입 방법 개선 및 구동 전압의 최적화 연구에 기여할 수 있을 것이며, 향후 하전입자의 반사율 및 응답시간에 관한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하전입자들의 이동으로 셀 내에 흐르는 표동 전류를 측정하여 분석할 수 있는 것은 무엇인가?	전기영동의 원리로 이미지를 표시할 때는 외부에서 인가되는 전압에 대응하여 셀 내에는 전계가 형성되고, 하전입자들이 지닌 극성과 상반되는 극성을 갖고 있는 전극으로 이동하게 되는데, 이러한 하전입자들의 이동으로 셀 내에는 표동 전류가 흐르게 된다. 여기서 검출되는 전류를 측정하여 셀 내에 주입되어 있는 하전 입자의 특성을 분석할 수 있다 [13,14].
	전자종이란 무엇인가?	전자종이(electronic paper)는 일상생활에서 쉽게 접할 수 있는 책 또는 신문과 같은 종이의 특성을 지니면서, 디스플레이 기능을 할 수 있는 전자장치이다. 전자종이는 여러 디스플레이 기술들로 정보를 표시할 수 있지만, 대표적으로 전기영동의 원리로 운동하는 전자잉크를 동작시켜서 정보를 표시하는 방법을 들 수 있다.
	전기영동 원리를 사용하여 정보를 표시하는 방법에는 어떠한 것들이 있는가?	전기영동 원리를 사용하여 정보를 표시하는 전자종이 디스플레이는 컬러를 표현하기 위하여 하전입자의 컬러를 이용하거나, 중성유체의 컬러를 사용하여 정보를 표시할 수 있다 [7,8]. 전기영동 원리를 사용하여 정보를 표시하는 방법은 마이크로 캡슐형과 격벽형이 있다 [9,10].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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