KR100262044B1 - 화상표시장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 액정표시패널등에 조명광을 조사하여 표시패턴을 형성하는 투과형 화상표시장치로, 특히 조명광을 액정표시패널의 각화소에 접속시키기 위해 평판 마이크로렌즈 어레이를 갖춘 화상표시장치에 관한 것으로, 종래, 원형의 평판 마이크로렌즈에서는 조명광을 유효하게 이용할 수 없어 화면이 어둡다는 문제점이 있었다.

본 발명에서는, 종과 횡의 배열피치가 다른 복수의 화소를 갖는 투과형 표시패널과 상기 화소의 각각에 대응하여 조명광을 집광시키는 복수의 마이크로렌즈를 기판에 형성하여 이루어진 평판 마이크로렌즈 어레이를 갖춘 화상표시장치로서, 상기 마이크로렌즈를 상기 화소의 종횡의 배열피치에 의거한 화소형상에 맞추어 장원형으로 형성하고, 액정표시패널에 입사하는 조사광을 각 화소에 집광시켜 유효하게 이용하여, 밝은 투영화상을 제공함으로써 상기의 문제점을 해결한 화상표시 장치이다.

Description

화상표시장치

제1도는 본 발명에 관한 화상표시장치의 모식도.

제2도는 평판 마이크로렌즈 어레이(array)의 사시도.

제3도는 평판 마이크로렌즈 어레이의 평면도.

제4a도는 장원형의 마이크로렌즈의 평면도.

b도는 제4a도 X-X'선의 단면도 및 입사광선의 집광상태도.

c도는 제4a도의 Y-Y'선의 단면도 및 입사광선의 집광상태도.

d도는 초점면에서의 집광모양의 형상도.

제5a도는 화소에 점하는 화소개구부의 평면도.

b도는 화소개구부의 평면도.

제6도는 화소개구부의 평면도.

제7a도는 청구범위 2에 관한 화상표시장치에 사용하는 평판마이크로렌즈 어레이의 평면도.

b도는 청구범위 2에 관한 화상표시장치에 사용하는 평판마이크로렌즈 어레이의 화소개구부의 배열도.

제8a도는 청구범위 2에 관한 화상표시장치에 사용하는 평판마이크로렌즈 어레이의 다른 실시예의 평면도.

b도는 청구범위 2에 관한 화상표시장치에 사용하는 평판마이크로렌즈 어레이와 화소개구부의 다른 실시예의 배열도.

제9도는 종래의 평판 마이크로렌즈 어레이의 평면도.

제10도는 접착제의 굴절율과, 접착제로 접착후의 마이크로렌즈(표면 굴절율이 1.6 정도의 경우)·접착제·투명기판(표면굴절율이 1.53의 경우)의 투과율과의 관계도.

본 발명은, 액정표시 패널등에 조명광을 조사하여 표시패턴을 형성하는 투과형의 화상표시장치로, 특히 조명광을 액정표시패널의 각 화소에 집속시키기 위한 평판 마이크로렌즈 어레이를 구비한 화상표시장치에 관한 것이다.

종래, 이 종류의 투영형의 화상표시장치에서 사용되는 액정표시패널은, 화소라고 불리는 최소의 표시단위가 규칙적으로 배열되어 있고, 그들 화소에 각각 독립된 구동전압을 인가하여, 각 화소를 구성하는 액정의 광학특성을 변화시킴으로써 화상이나 문자가 표시된다. 그러나, 구동전압을 공급하는 라인을 각 화소중에 배선하지 않으면 안되기 때문에 화소에 있어서 실제로 광이 투과하는 화소개구부가 화소에 있어 점하는 비율(개구율)은 낮아지게 된다.

따라서, 액정표시 패널의 조명광의 강도가 동일한 경우에는, 액정표시패널의 개구율이 낮을 수록 화소개구부 이외에 입사된 광은 스크린에 도달하지 않기 때문에 화면은 어두어진다.

그점에서, 액정표시 패널의 개구율이 낮음으로써 화면이 어두워진다는 문제를 해결하기 위해, 액정표시 패널로의 조명광을 화소마다에 집광시키는 수단으로서 광축에 대하여 회전대칭으로 형성한 원형의 평판 마이크로렌즈를 각 화소에 대향하도록 형성한 평판 마이크로렌즈 어레이를 배치한 것이 알려져 있다.

(예를들면, 특개소 60-165621호 공보, 특개소 60-165622호 공보, 특개소 60-165623호 공보, 특개소 60-165624호 공보 참조)

종래의 원형의 평판 마이크로렌즈에서는, 도 9에 나타낸 바와 같이 화소가 델타(delta)형으로 배치되어 있어, 그 횡방향 피치(a)와 종방향 피치(b)의 차가 클 때에는, 대향하는 화면 중에서, 평판 마이크로렌즈(100)로서 커버할 수 없는 영역(101)이 커지게 되어 조명광을 유효하게 이용할 수 없어 화면이 어두워 진다고 하는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 화소배치의 일례로서 델타형 배치를 나타냈지만, 그밖의 배치방식에서도 화소의 종횡의 배열 피치가 다르면 동일한 문제가 발생한다.

또한, 도 5(a)에 나타낸 바와같이 화소(1b)에 있어서 실제로 광이 투과하는 화소개구부(15)는, 특히 액티브 매트릭스형 액정표시패널의 경우, TFT 소자(박막 트랜지스터)나 MIM 소자(금속-절연체-금속다이오우드)등, 화소전극에 전압을 가하기 위한 스위칭소자 형성영역(16) 부분이 이용될 수 없기 때문에 비대칭의 형상이 되어 있는 일이 많다.

따라서, 종래에는 원형의 평판 마이크로 렌즈(100)에 의한 원형의 집광점의 중심이 도 5(b)에 나타낸 화소개구부(15)의 선 M위에 위치하기 때문에 화소개구부(15) 중 영역 S는 집광점의 중심에서 멀어져 유효하게 사용될 수 없게되어 화면이 어두워진다는 문제점을 갖고 있었다.

본 발명은, 종과 횡의 배열피치가 서로 다른 복수의 화소를 갖는 투과형의 표시패널과 상기 복수의 화소 각각에 대응하여 조명광을 집속시키는 복수의 마이크로렌즈를 기판에 형성하여 이루어진 평판 마이크로렌즈를 갖춘 화상표시장치에 있어서, 상기 마이크로렌즈를 상기 화소의 종횡의 배열피치에 의거하여 화소형상 맞추어 장원형으로 형성한 것으로, 평판 마이크로렌즈의 형상을 효과적으로 바꾸어, 조명광의 이용율을 높여, 밝은 화상표시장치를 제공한다.

마이크로렌즈 사이의 비 렌즈영역이 적어져, 마이크로렌즈의 기판에 대한 충진율이 100%에 보다 가까운 값이 되어, 조명광의 집광효율이 향상되고, 표시패널의 화소를 집중적으로 조사하기 때문에 밝은 화상이 얻어진다.

이하에 본 발명의 실시예를 첨부도면에 의거하여 설명한다.

화상표시장치는, 투과형 표시패널인 액정표시패널(1)과, 복수의 마이크로렌즈(2)를 기판(3)에 형성하여 이루어진 평판 마이크로렌즈 어레이(4)와, 집광렌즈(5)와, 백색광원(6)에서 방사된 광을 액정표시패널(1)에 향하도록 반사시키는 반사경(7)과, 투영 스크린(8)과 액정표시패널(1)을 투과한 광을 투영스크린(8)에 투영하기 위한 투영렌즈(9)로 구성되어 있다.

액정패널(1)은, 2매의 투명기판(1a),(1a)의 사이에 복수의 화소(1b)를 형성하고, 표시화면의 유효크기가 약 45.6mm×62.0mm, 화소피치가 종 190㎛×횡129㎛, 개구율이 41%, 기판(1a)의 굴절율(n)이 1.53, 1매의 기판(1a) 두께가 0.7mm로 구성되어 있다.

평판 마이크로렌즈 어레이(4)는, 액정표시패널(1)의 화소피치가 종 190㎛×횡129㎛이기 때문에 화소(1b)가 정삼각형 배열에서 크게 벗어나기 때문에 도 2 또는 도 3에 나타낸 바와같이 각 마이크로렌즈(2)를 장원형으로 형성하여, 마이크로렌즈(2)가 각각 대향하는 화소(1b)를 포함한 영역을 광범위하게 커버할 수 있도록 했다.

평판 마이크로렌즈 어레이(4)에 있어서 마이크로렌즈(2)의 배열피치는, 액정표시패널(1)의 화소피치(종 190㎛×횡129㎛)에 대응하고, 초점거리는 액정패널(1)의 기판(1a) 두께 0.7mm와 동일하다. (공기중에서는, 0.7/1.53=0.46mm)

마이크로렌즈(2)는 이온교환법을 이용하여 제작된다. 도4(a)는 개개의 마이크로렌즈(2)를 기판(3)의 수직방향에서 본 모식도, 도 4(b)는 도 4(a)의 X-X'선 단면도 및 입사광선(R)의 집광상태를 나타내는 도면, 도 4(c)는 도 4(a)의 Y-Y'선 단면도 및 입사광선(R)의 집광 상태를 나타내는 도면, 도 4(d)는 초점면에서의 집광모양(10)의 형상을 나타내는 도면이다.

우선, 액정표시패널(1)의 각 화소에 대응하는 위치에 미세한 개구창을 형성한 AI, Ti, Ni 혹은 Cr 등으로 이루어진 금속마스크에 의해 유리기판(3)의 표면을 코팅한 후, 유리기판(3)을 유리기판(3)에 함유되는 1가의 이온보다 굴절율에 기여가 큰 이온을 함유하는 용융 염(鹽)중에 소정 시간 담근다. 이것에 의해, 금속마스크 개구창부근에서 부터 주위를 향하여 굴절율이 서서히 낮아지는 굴절율 분포형의 마이크로렌즈(2)가 형성된다. 또한, (11)은 마이크로렌즈(2)에 있어서 동일 굴절율 부분을 연결한 선이다.

이때, 확산마스크의 개구부(12) 형상은 화소의 종횡의 배열피치에 대응하여 도 4(a)에 나타낸 바와같이 장원형으로 한다. 즉, 원을 절반으로 분할하고, 그 사이를 원의 직경과 같은 길이의 변을 갖는 장방형으로 접속된 형상으로 한다. 확산은 등방적으로 하기위해 확산프론트(확산된 이온의 최전면부의 면)(13)의 형상은, 장원형의 확산마스크의 개구부(12)에 곡선에서 측정한 등거리(확산길이 L)에 있는 곡선이 된다. 이 확산 프론트(13)의 형상도 또한 장원형으로 이루어져 있다. 이렇게 형성된 타원형의 마이크로렌즈(2)는 화소의 종횡 배열 피치중 긴쪽의 피치 방향으로 연장된 장원형이 되고, 이것에 의해 다음과 같은 성질을 갖는다.

마이크로렌즈(2)는, 도 4(a)에 나타낸 바와같이 2개의 반구형의 렌즈(A),(A')에서 한방향만의 집광작용을 갖는 렌즈부(B)를 사이에 두고 구성되어 있다. 이와같은 마이크로렌즈(2)에 도 1에 나타낸 바와같은 구성에서 광선(R)이 입사하면, 렌즈(A) 부분에서는 개구의 반원의 중심(O)을 향하여 광선(R)이 모아진다. 렌지(A') 부분에서는 동일하게 (O')에 광선(R)이 모아진다. 이곳을 장원형 렌즈의 초점면이라고 부른다. 렌즈부(b)는 종방향(Y-Y' 방향)에는 집광작용을 갖지않고 횡방향(X-X' 방향)에만 광선(R)을 모은다. 이 모양은 도 4(b),(c)에 나타낸 바와같이 마이크로렌즈(2)에 의해 집속된 광선(R)은 초점면에서 (O),(O')를 중심으로 도 4(d)와 같은 장원형의 집광모양(10)을 만든다.

집광모양(10)의 반원부분의 반경(rs) 및 폭은 도 1에 나타낸 광학계의 광원(6)으로 부터의 광의 확산각도와 마이크로렌즈(2)의 초점거리로 결정된다. 광원(6)의 줄사각도가 5°이고, 마이크로렌즈(2)의 초점거리가 0.46mm 일때, 집광모양(10)의 반경(rs) 및 폭은 약 35㎛였다. 확산마스크의 개구부(12)의 각 반원의 중심(O),(O') 사이의 거리(W)는, 반경 약 35㎛의 장원형의 집광모양(10)이 액정표시패널(1)의 각화소(1b)의 개구에 들어가도록 설계한다. 여기에서, 확산마스크의 개구부(12) 반경(rm)은, 도 3과 같이 마이크로렌즈(2)가 서로 근접하여 형성되어 있을 때 확산프론트(13)의 반경을 r로 할 때, r/rm이 1.8~3.0의 범위에 들어가도록 설계하면 수차(收差)가 적어져 효율적으로 광을 모을 수 있다.

또한 도 5(a)에 나타낸 바와같이 종(a)과 횡(b)의 배열피치에 일치하는 종(a)×횡(b) 화소(1b)의 화소개구부(15) 형상은, 일반적으로 비대칭이다. 이 비대칭성은 앞에서 서술한 바와같이 액티브 매트릭스형의 액정표시패널에서는 화소(1b)에 전압을 가하는 스위칭소자 형성영역(16)에 의해 발생하고 있다.

종래의 방법에서는, 회전대칭의 원형 집광점의 중심을 도 5(b)에 나타낸 화소개구부(15)의 직선 M 상에서 화소개구부(15)의 거의 중앙에 맞추고 있다.

여기에서, 청구범위 2에 관한 발명에서는 화소개구부(15)의 전체 면적을 유효하게 사용하기 위해 도 6에 나타낸 바와 같이 화소 개구부(15)를 2개의 장방향으로 분할하고, 각각의 중심(d),(d')을 연결한 직선 N상에 도 4(d)에서 나타낸 바와 같은 장원형의 집광모양(10)의 중심선(V)이 합치되도록 마이크로렌즈(2)의 장축(P)을 액정표시패널(1)의 화소배열 좌표축(T)에 대해서 비스듬하게 평판 마이크로렌즈 어레이(20)를 형성한다.

본 실시예에서는, 도 7(a)에 나타낸바와 같이 마이크로렌즈(2)의 장축(P)은 액정표시패널(1)의 화소배열의 좌표축(T)에 대해서 약 12°기울어져 있다. 화소개구부(15)의 형상이, 본 실시예와 다른 경우에도 동일한 방법으로 액정표시패널(1)의 화소배열 좌표축(T)에 대한 마이크로렌즈(2)의 장축(P)의 기울기를 최적으로 하여 평판 마이크로렌즈 어레이(20)를 형성하면 된다. 도 7(b)는 이렇게 하여 설계된 평판 마이크로렌즈 어레이(20)의 각 마이크로렌즈(2)와 액정표시패널(1)의 각 화소(1b)의 배열도이다.

이렇게하여 형성된 도 3 또는 도 7에 나타낸 평판 마이크로렌즈 어레이(4),(20)는, 각 마이크로렌즈(2)를 액정표시패널(1)의 각 화소(1b)의 위치에 대응시켜, 굴절율이 액정표시패널(1)의 투명기판(1a)의 굴절율과 거의 같은 투명한 광학용 접착제(25)로 붙임으로써 도 1에 나타난 바와같은 상태로 설치된다.

투명기판(1a)의 표면굴절율은 1.53이고, 마이크로렌즈(2)의 표면 굴절율은 1.6 정도였다. 이때, 도 10에 나타낸 바와같이 접착제(25)의 굴절율이 1.4~1.7 범위의 것을 사용하면 마이크로렌즈(2)에서 투명기판(1a)으로의 광의 경로에 있어서 굴절율의 차이 때문에 발생하는 반사손실을 1% 이내로 억제할 수 있다.

또한, 접착제(25)의 굴절율을 마이크로렌즈(2)의 표면굴절율(1.6 정도)과 액정표시패널(1)의 투명기판(1a)의 표면굴절율(1.53)과의 중간 값으로 하면 도 10에 나타낸바와 같이 반사손실을 최소로 할 수 있어 바람직하다.

또한, 마이크로렌즈를 타원형으로 하지 않았던 것은, 타원형으로 하면 마이크로렌즈의 종방향과 횡방향에서 초점거리가 달라져버려, 한쪽의 초점거리 위치에 액정표시패널(1)의 화소(1b) 위치를 맞추어도 다른 초점거리가 맞지않아 종합적으로 조명광을 유효하게 모을 수 없기 때문이다.

또한, 본 실시예에서는 평판 마이크로렌즈 어레이(4),(20)를 각 마이크로렌즈(2)가 서로 경계를 접하도록 제작했지만, 극단적으로 렌즈의 수차가 증가하지 않는 범위에서 과잉 확산시켜 마이크로렌즈 상호간의 렌즈 미 형성영역이 없도록 해도 좋다. 그와 같이한 마이크로렌즈(2)의 장축(P)을 액정표시패널(1)의 화소배열의 좌표축(T)에 대하여 비스듬하게 형성된 평판 마이크로렌즈 어레이(20)의 평면도를 도 8에 나타낸다. 이 경우에는 조명광을 무한히 100%에 가까운 값까지 이용할 수 있다.

또한, 평판 마이크로렌즈 어레이(4)를 이온교환법에 의해 제작했지만, 플라스틱을 이용한 확산중합법으로 제작할 수도 있다.

또한 본실시예에서는 쾨러조명(Kohler's illumination)의 경우를 나타냈지만, 다른 조명법, 예를들면 크리티컬(critical) 조명이나 텔리센트릭계(telecentric system)에도 적용할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 액정표시패널(1)을 1매만 이용한 방식의 장치였지만, 본 발명은 3매의 액정표시패널을 이용하여 각각에 3원색의 화상을 표시하고, 그것을 광학적으로 합성하여 칼라화상을 얻는 3매 방식에도 적용됨은 말할 것도 없다. 표시패널은, 액정표시패널(1)에 한정되지 않고 투과성의 표시패널이라면 본 발명의 적용이 가능하다. 프로젝터(projector) 방식이 아니라도, 직시(直視)형의 투과형 표시패널에도 적용할 수 있다.

Claims (6)

1. 종과 횡의 배열피치가 다른 복수의 화소를 갖는 투과형의 표시패널과 상기 복수의 화소 각각에 대응하여 조명광을 집속시키는 복수의 마이크로렌즈를 기판에 형성하여 이루어진 평판 마이크로렌즈 어레이를 갖춘 화상표시 장치에 있어서, 상기 마이크로렌즈가 상기 화소의 종횡의 배열피치에 의거한 화소형상에 맞추어 장원형으로 형성되어 있는 화상표시방법.
2. 제1항에 있어서, 장원형으로 형성되어 있는 상기 마이크로렌즈는, 화소개구부의 형상을 커버하도록 상기 마이크로렌즈의 장축이, 상기 표시패널의 화소배열 좌표축에 대해서 비스듬하게 형성되어 있는 화상표시장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 마이크로렌즈의 배열피치는, 상기 표시패널의 화소피치에 대응하고, 초점거리는 상기 표시패널의 기판두께와 같은 화상표시장치.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 확산마스크의 개구부의 반경은, 마이크로렌즈가 서로 근접하여 형성되어 있을때 확산프론트의 반경을 r로 할때, r/rm이 1.8~3.0의 범위에 들어가도록 하는 화상표시장치.
5. 제1항, 제2항, 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 평판 마이크로렌즈 어레이는, 각 마이크로렌즈를 표시패널의 각 화소의 위치에 대응시켜, 굴절율이 표시패널의 투명기판 굴절율과 거의 같은 투명한 광학용 접착제로 붙이는 화상표시장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 접착제의 굴절율은, 마이크로렌즈의 표면 굴절율과 표시패널의 기판표면 굴절율과의 중간치인 화상표시장치.