KR100426097B1 - 포토닉 크리스탈을 이용한 편광변환장치 및 이를 이용한디스플레이장치 - Google Patents

포토닉 크리스탈을 이용한 편광변환장치 및 이를 이용한디스플레이장치 Download PDF

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Abstract

포토닉 크리스탈을 이용한 편광변환장치 및 이를 이용한 디스플레이장치가 개시된다. 이러한 포토닉 크리스탈을 이용한 편광변환장치는 광가이드, 편광의존반사기 및 편광조정기를 구비한다. 광가이드는 임의의 편광에 대해 밴드갭을 갖는 구조의 포토닉 크리스탈로 형성되고, 입사된 임의의 편광을 가이드한다. 편광의존 반사기는 제 1편광 및 제 2편광중 어느 하나의 편광에 대해서만 밴드갭을 갖는 구조의 포토닉 크리스탈로 형성되고, 상기 밴드갭에 해당하는 편광만을 반사하여, 입사된 임의의 편광을 서로 직교인 두 편광으로 분리한다. 편광조정기는 상기 편광의존 반사기에 의해 편광된 광을 다른 하나의 편광과 동일한 편광으로 조정한다. 따라서, 본 발명에 의하면, 소형이고 광효율을 증가시킨 편광변환장치 및 이를 이용한 디스플레이장치를 얻을 수 있다.

Description

포토닉 크리스탈을 이용한 편광변환장치 및 이를 이용한 디스플레이장치{Polarization converter using photonic crystal and display device using the polarization converter}
본 발명은 포토닉 크리스탈을 이용한 편광변환장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일정한 편광이 없는 빛을 하나의 편광을 가지도록 변환시키도록 하여 광효율을 증가시킨 포토닉 크리스탈을 이용한 편광변환장치 및 이를 이용한 디스플레이장치에 관한 것이다.
휴대전화, PDA와 같은 휴대기기의 화면표시장치로서 액정 컬러 디스플레이가 사용된다.
그런데, 임의의 편광을 가진 빛을 투과형 액정 디스플레이에 사용하려면, 편광판을 통과시켜 일정한 편광을 갖는 빛만을 이용하여야 한다.
이를 위해 편광변환장치(polarization converter)가 제안되었다. 그런데, 편광변환장치를 구현하기 위해서는 부피가 큰 광학부품을 사용하거나, 적층구조의 필름을 만들어 붙이므로, 여러번의 작업이 요구되고, 소형으로 만들기에 많은 어려움이 있었다.
또한, 편광을 이용하는 장치에서 편광되지 않은 빛을 광원으로 이용할 경우, 편광판을 통과시켜 광원의 일부만을 통과시켜 사용함으로써 광효율이 감소되었다.
또한, 폴라라이징 빔 스플리터의 경우에는 경계면에서 반사가 발생하며 이를 줄이기 위해서는 무반사코팅을 해야하는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 포토닉 크리스탈을 편광의존 반사장치와 광가이드로 이용함으로써, 소형이고 광효율을 증가시킨 편광변환장치 및 이를 이용한 디스플레이장치를 제공하는 것이다.
도 1은 편광변환장치의 기능을 설명하기 위한 블록 다이어그램이고,
도 2는 도 1의 편광변환장치를 포토닉 크리스탈(photonic crystal)을 이용하여 일체형으로 형성한 것을 나타내고,
도 3a는 3차원 포토닉 크리스탈 구조를 이용한 디스플레이장치를 나타내며, 도 3b는 2차원 포토닉 크리스탈 구조를 이용한 디스플레이장치를 나타낸다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
11: 편광의존 반사장치 12: 편광조정기
13: 합파기 31: 광가이드
32: 편광의존 반사기 33: 편광조정기
30: 편광변환장치
상기 목적을 달성하기 위하여, 임의의 편광에 대해 밴드갭을 갖는 구조의 포토닉 크리스탈로 형성되고, 입사된 임의의 편광을 가이드하는 광가이드; 제 1편광 및 제 2편광중 어느 하나의 편광에 대해서만 밴드갭을 갖는 구조의 포토닉 크리스탈로 형성되고, 상기 밴드갭에 해당하는 편광만을 반사하여, 입사된 임의의 편광을 서로 직교인 두 편광으로 분리하는 편광의존 반사기;및 상기 편광의존 반사기에 의해 편광된 광을 다른 하나의 편광과 동일한 편광으로 조정하는 편광조정기를 구비하는 것을 특징으로 하는 포토닉 크리스탈을 이용한 편광변환장치가 제공된다.
상기 편광조정기는 웨이브 플레이트(waveplate)가 사용될 수 있다.
상기 편광의존 반사기는 임의의 편광을 TE모드와 TM모드로 분리한다.
또한, 상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 편광변환장치가 복수개 배열되며, 상기 편광변환장치는 임의의 편광에 대해 밴드갭을 갖는 구조의 포토닉 크리스탈로 형성되고, 입사된 임의의 편광을 가이드하는 광가이드와, 제 1편광 및 제 2편광중 어느 하나의 편광에 대해서만 밴드갭을 갖는 구조의 포토닉 크리스탈로 형성되고, 상기 밴드갭에 해당하는 편광만을 반사하여, 입사된 임의의 편광을 서로 직교인 두 편광으로 분리하는 편광의존 반사기 및 상기 편광의존 반사기에 의해 편광된 광을 다른 하나의 편광과 동일한 편광으로 조정하는 편광조정기를 구비하고, 상기 편광변환장치와 대향하여 백라이트가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 포토닉 크리스탈을 이용한 편광변환장치를 이용한 디스플레이장치가 제공된다.
그리고, 상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 임의의 편광에 대해 밴드갭을 갖는 구조의 포토닉 크리스탈로 형성되고, 입사된 임의의 편광을 가이드하는 광가이드와, 제 1편광 및 제 2편광중 어느 하나의 편광에 대해서만 밴드갭을 갖는 구조의 포토닉 크리스탈로 형성되고, 상기 밴드갭에 해당하는 편광만을 반사하여, 입사된 임의의 편광을 서로 직교인 두 편광으로 분리하는 편광의존 반사기 및 상기 편광의존 반사기에 의해 편광된 광을 다른 하나의 편광과 동일한 편광으로 조정하는 편광조정기를 구비한 편광변환장치; 및 상기 편광변환장치로부터 출력되는 빛의 방향을 변환해주는 복수개의 확산판을 구비하는 것을 특징으로 하는 포토닉 크리스탈을 이용한 편광변환장치를 이용한 디스플레이장치가 제공된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 편광변환장치의 기능을 설명하기 위한 블록 다이어그램이다.
도 1을 참고하면, 편광변환장치는 편광의존 반사장치(11), 편광조정기(12) 및 합파기(13)를 구비한다.
일정한 편광이 없는 빛(20)을 편광의존 반사장치(11)를 통과시키면 서로 직교의 성질을 가지는 두 가지 편광을 가진 빛(21, 22)으로 나뉜다. 예를 들면, 편광(21)은 TE(Transverse Electric)모드이고, 편광(22)은 TM(Transverse Magnetic)모드이다.
편광조정기(12)는 이렇게 나뉜 두 편광중 하나의 편광(21)을 다른 편광(22)과 동일하게 조정한 편광(23)을 출력한다.
합파기(13)는 제 1편광(22)과 제 2편광을 제 1편광으로 조정한 편광(23)을 합쳐서 하나의 편광(24)을 만들수 있다.
본 발명의 실시예에서, 편광의존 반사장치(11)는 포토닉 크리스탈을 이용하고, 편광조정기(12)는 웨이브플레이트(waveplate)를 이용하고, 합파기(13)는 Y형 광가이드를 이용한다.
도 2는 도 1의 편광변환장치를 포토닉 크리스탈(photonic crystal)을 이용하여 일체형으로 형성한 것을 나타낸다.
포토닉 크리스탈은 유전물질(dielectrics)을 주기적으로 배열하여 이루어진 것으로, 굴절률과 주기, 주기적인 구조의 형태 등에 따라 포토닉 밴드갭의 크기나 위치가 달라진다.
일 예로서, 공기중에 원기둥(예를 들면, 유전상수=11.4)을 사각형 격자를 가지게 배열하면, TM모드에서만 밴드갭이 나타나서, TM모드는 반사하고, TE모드는 투과하게 된다.
또한, 포토닉 크리스탈을 이용하면 편광변환장치의 크기를 작게 할 수 있고, 각각의 부분에 필요한 밴드갭을 갖도록 설계하여 편광변환장치를 일체형으로 만들 수 있다.
포토닉 크리스탈을 제작할 때, 밴드갭의 크기를 조절하는 것은 이 분야에서 이미 알려진 기술이므로, 여기서는 포토닉 크리스탈의 제작과정에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 하나의 마스크에 광가이드(31), 편광의존 반사기(32)를 포토닉 크리스탈을 이용하여 제작하고, 편광조정기(33)를 설치한 편광변환장치(30)의 다이어그램이다.
광가이드(31)는 Y형 구조를 가지며, TE모드와 TM모드에 모두 밴드갭을 갖는구조로 형성하여, 입사된 광을 원하는 곳으로 가이드한다. 그리고, 편광의존 반사기(32)는 TE모드에 대해서만 밴드갭을 갖는 구조로 형성하여, TE모드를 반사하고, TM모드를 투과하게 하여 서로 직교인 두 편광으로 분리한다.
편광조정기(33)는 웨이브 플레이트(waveplate)가 사용되며, TE모드의 편광을 조정하여 모두 하나의 편광 즉, TM모드를 가지도록 한다.
다음은 도 2의 편광변환장치를 이용한 디스플레이장치에 대하여 설명한다.
편광변환장치를 디스플레이장치에 응용하는 경우에, 편광조정되어 출력된 광을 한 곳으로 모으지 않고 그대로 이용할 수 있다.
도 3는 도 2의 편광변환장치를 디스플레이장치에 적용한 예를 나타낸다.
도 3a는 3차원 포토닉 크리스탈 구조를 이용한 디스플레이장치를 나타내며, 도 3b는 2차원 포토닉 크리스탈 구조를 이용한 디스플레이장치를 나타낸다.
도 3a에 도시한 것같이, 도 2의 구조를 갖는 편광변환장치가 복수개 배열되며, 이 편광변환장치와 대향하여 백라이트(40)가 설치된 구조를 갖고 있다.
백라이트(40)로부터 임의의 편광을 가진 빛이 편광변환장치에 입사되어 일정한 편광을 갖는 빛이 출력된다.
도 3b에 있어서, 2차원 구조를 이용하는 경우, 빛이 지면에서 나오는 방향이 되어야 하므로 확산판(34, 35) 등을 이용하여 빛의 방향을 바꾸어 준다.
본 발명에 의하면, 소형이고 광효율을 증가시킨 편광변환장치 및 이를 이용한 디스플레이장치를 얻을 수 있다.
또한, 기존에 편광판에 의해 소멸되는 빛까지도 편광을 조절하여 이용함으로써 광효율을 획기적으로 증대시킬 수 있다.
포토닉 크리스탈을 편광의존 반사장치와 광가이드에 이용하면, 일체형으로 제작할 수 있으며, 크기를 작게 할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (5)

  1. 임의의 편광에 대해 밴드갭을 갖는 구조의 포토닉 크리스탈로 형성되고, 입사된 임의의 편광을 가이드하는 광가이드;
    제 1편광 및 제 2편광중 어느 하나의 편광에 대해서만 밴드갭을 갖는 구조의 포토닉 크리스탈로 형성되고, 상기 밴드갭에 해당하는 편광만을 반사하여, 입사된 임의의 편광을 서로 직교인 두 편광으로 분리하는 편광의존 반사기;및
    상기 편광의존 반사기에 의해 편광된 광을 다른 하나의 편광과 동일한 편광으로 조정하는 편광조정기를 구비하는 것을 특징으로 하는 포토닉 크리스탈을 이용한 편광변환장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 편광조정기는 웨이브 플레이트(waveplate)가 사용되는 것을 특징으로 하는 포토닉 크리스탈을 이용한 편광변환장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 편광의존 반사기는 임의의 편광을 TE모드와 TM모드로 분리하는 것을 특징으로 하는 포토닉 크리스탈을 이용한 편광변환장치.
  4. 편광변환장치가 복수개 배열되며, 상기 편광변환장치는 임의의 편광에 대해 밴드갭을 갖는 구조의 포토닉 크리스탈로 형성되고, 입사된 임의의 편광을 가이드하는 광가이드와, 제 1편광 및 제 2편광중 어느 하나의 편광에 대해서만 밴드갭을 갖는 구조의 포토닉 크리스탈로 형성되고, 상기 밴드갭에 해당하는 편광만을 반사하여, 입사된 임의의 편광을 서로 직교인 두 편광으로 분리하는 편광의존 반사기 및 상기 편광의존 반사기에 의해 편광된 광을 다른 하나의 편광과 동일한 편광으로 조정하는 편광조정기를 구비하고, 상기 편광변환장치와 대향하여 백라이트가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 포토닉 크리스탈을 이용한 편광변환장치를 이용한 디스플레이장치.
  5. 임의의 편광에 대해 밴드갭을 갖는 구조의 포토닉 크리스탈로 형성되고, 입사된 임의의 편광을 가이드하는 광가이드와, 제 1편광 및 제 2편광중 어느 하나의편광에 대해서만 밴드갭을 갖는 구조의 포토닉 크리스탈로 형성되고, 상기 밴드갭에 해당하는 편광만을 반사하여, 입사된 임의의 편광을 서로 직교인 두 편광으로 분리하는 편광의존 반사기 및 상기 편광의존 반사기에 의해 편광된 광을 다른 하나의 편광과 동일한 편광으로 조정하는 편광조정기를 구비한 편광변환장치; 및
    상기 편광변환장치로부터 출력되는 빛의 방향을 변환해주는 복수개의 확산판을 구비하는 것을 특징으로 하는 포토닉 크리스탈을 이용한 편광변환장치를 이용한 디스플레이장치.
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