KR100438287B1 - 광섬유 배열을 이용한 영상표시장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 광섬유 배열을 이용한 영상표시장치는, 적색, 녹색, 청색의 빛을 발광하는 복수의 광원과; 상기복수의광원으로부터 발광되는 빛을각각입사받아 전송하며, 영상 표시 영역을 이루는 평면 상에 제 1 방향으로배열되어복수의 화소(pixel) 영역을 형성하는복수의 광섬유; 및압전물질로 구성되어 상기 각각의 화소 영역에 대응되어 형성되고,상기 영상 표시 영역에 배열되어 있는 상기 광섬유의 선택된화소영역에 대하여, 상기 광섬유의 내부 전반사 조건이 파괴되도록전기적인 신호에 의하여물리적인 변형을 발생시켜, 상기 선택된화소영역에서 상기 광섬유를 통하여 전송되는 빛이 광섬유 외부로 방출되도록 하여 상기 선택된화소영역의 영상 표시를 제어하는 복수의 광섬유 변형 유도부; 를 포함한다.

여기서, 광원은 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD)가 이용된다.

또한 광섬유의 배열 중에서, 적색광원, 녹색광원, 청색광원과 각각 연결된 3 개의 광섬유가 모여서 하나의 화소(pixel)를 형성한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 광섬유의 배열을 만들고, 배열된 광섬유에 제어 가능한 변형 유발 구조를 형성하여, 광섬유에서 발생되는 광손실을 단계적으로 제어하고 이로부터 적색(Red), 녹색(Green), 청색(Blue) 각각의 빛을 혼합하여 원하는 빛의 색상과 세기를 조절할 수 있는 장점이 있다.

Description

광섬유 배열을 이용한 영상표시장치{Display device using optical fiber array}

본 발명은 영상표시장치에 관한 것으로서, 더 상세히는 광섬유 배열을 이용한 영상표시장치에 관한 것으로, 특히 광섬유의 배열을 만들고, 배열된 광섬유에 제어 가능한 변형 유발 구조를 형성하여, 광섬유에서 발생되는 광손실을 단계적으로 제어하고 이로부터 적색(Red), 초록색(Green), 청색(Blue) 각각의 빛을 혼합하여 원하는 빛의 색상과 세기를 조절할 수 있는 광섬유 배열을 이용한 영상표시장치에 관한 것이다.

오늘날, 디스플레이 시장의 규모는 갈수록 커지고 있으며, 시장 주류는 기존의 CRT에서 LCD, EL로 그 주도권이 넘어가는 단계이다. 대면적에서는 플라즈마 방전 디스플레이(PDP)와 프로젝션 TV가 우세를 보이고 있는 상황이며, 메탈 팁( metal-tip)과 탄소나노튜브(CNT:Carbon NanoTube)를 이용한 FED의 타당성 검토가 이루어지고 있다.

구동방식 면에서 분류해보면, CRT와 FED는 열전자 방출과 냉음극이라는 차이 외에는 같은 원리를 사용하고 있고, LCD는 백라이트에서 발생된 빛을 액정과 칼라 필터를 이용하여 제어하는 방법을 택하고 있으며, PDP는 형광등의 원리를 디스플레이에 응용한 것이다. 또, 레이저 다이오드(LD)를 사용하여 프로젝션 방식으로 구현되는 디스플레이도 있다.

그러나, 앞에서 검토해 본 모든 디스플레이는 각각 그 장단점을 가지고 있으며, 이에 따라 각 디스플레이는 크기나 가격 면에서 나름대로의 강점과 약점을 지니고 있다.

한편 광통신에서 주로 사용되고 있는 광섬유는, 물질의 전반사를 이용하여 빛을 손실 없이 원하는 지점에서 원하는 지점으로 전송하는 광선로이다. 광섬유는 그 방식에 따라 굴절율의 차이가 계단식으로 이루어지는 스텝 인덱스형(step index)과 굴절율이 원만한 차이를 보이면서 변하는 그레디언트 인덱스(gradient index) 방식이 있다. 여기서, 그 원리는 도 1에 나타낸 바와 같이, 코어(core) 부와 클래딩(cladding) 부의 굴절율 차이에 의한 전반사를 이용한 것이다. 도 1은 일반적인 광섬유의 원리와 벤딩에 의한 광손실을 개념적으로 나타낸 도면이다.

즉, 입사광의 입사각이 일정각보다 작을 때, 반사광의 반사각이 스넬의 법칙(Snell's Law)에 따라 정해진 일정 반사각 이하로 정해지므로 광섬유에서 나가는 빛이 전반사에 의해 다시 광섬유로 돌아오는 원리를 이용한 것이다. 이는, 코어부의 굴절율이 클래딩부의 굴절율 보다 더 크기 때문에 나타나는 광학적인 현상이다.

이론적으로 입사광의 각도와 광섬유의 굴절율이 정해진 사양을 구비하면 손실 없이 빛의 전송이 광섬유를 통하여 수행된다. 그러나, 광섬유가 일정 각도 이상으로 휘어지게 되면 전반사각이 만족되지 못하므로 휘어진 부분에서 광손실이 일어나게 된다. 이때 이러한 현상을 이용하면, 외부에서 인위적인 변형을 가하여 광섬유의 변형을 유도하고, 이 변형부분으로부터 새어나오는 빛을 디스플레이에 응용할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 여건을 감안하여 창출된 것으로서, 광섬유의 배열을 만들고, 배열된 광섬유에 제어 가능한 변형 유발 구조를 형성하여, 광섬유에서 발생되는 광손실을 단계적으로 제어하고, 이로부터 적색(Red), 초록색(Green), 청색( Blue) 각각의 빛을 혼합하여 원하는 빛의 색상과 세기를 조절할 수 있는 광섬유 배열을 이용한 영상표시장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 광섬유의 원리와, 광섬유의 벤딩에 의해 발생되는 광손실을 개념적으로 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에 따른 광섬유 배열을 이용한 영상표시장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.

도 3은 본 발명에 따른 광섬유 배열을 이용한 영상표시장치에 있어서, 압전체에 의하여 광섬유의 변형이 유도되는 것을 개념적으로 나타낸 도면.

도 4는 본 발명에 따른 광섬유 배열을 이용한 영상표시장치에 있어서, 발광소자 배치의 여러 가지 형태를 나타낸 도면.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광섬유 배열을 이용한 영상표시장치는,적색, 녹색, 청색의 빛을 발광하는 복수의 광원과;상기복수의광원으로부터 발광되는 빛을각각입사받아 전송하며, 영상 표시 영역을 이루는 평면 상에 제 1 방향으로배열되어복수의 화소(pixel) 영역을 형성하는복수의 광섬유; 및

압전물질로 구성되어 상기 각각의 화소 영역에 대응되어 형성되고,상기 영상 표시 영역에 배열되어 있는 상기 광섬유의 선택된화소영역에 대하여, 상기 광섬유의 내부 전반사 조건이 파괴되도록전기적인 신호에 의하여물리적인 변형을 발생시켜, 상기 선택된화소영역에서 상기 광섬유를 통하여 전송되는 빛이 광섬유 외부로 방출되도록 하여 상기 선택된화소영역의 영상 표시를 제어하는 복수의 광섬유 변형 유도부; 를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

또한, 상기 광원은 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD)가 이용되는 점에 그 특징이 있다.

또한 상기 광섬유의 배열 중에서, 적색광원, 녹색광원, 청색광원과 각각 연결된 3 개의 광섬유가 모여서 하나의 화소(pixel)를 형성하는 점에 그 특징이 있다.

또한 상기 광섬유는 물리적인 변형에 의하여, 상기 광섬유 내에 전송되는 빛에 대한 손실이 민감하게 변화되는 점에 그 특징이 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 광섬유의 배열을 만들고, 배열된 광섬유에 제어 가능한 변형 유발 구조를 형성하여, 광섬유에서 발생되는 광손실을 단계적으로 제어하고 이로부터 적색(Red), 녹색(Green), 청색(Blue) 각각의 빛을 혼합하여 원하는 빛의 색상과 세기를 조절할 수 있는 장점이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 광섬유 배열을 이용한 영상표시장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 광섬유 배열을 이용한 영상표시장치를 설명하면, 우선 수직(도 2의 (a) 참조) 혹은 수평(도 2의 (b) 참조) 방향으로 배열된 광섬유가 있으며, 상기 광섬유 배열의 수직 또는 수평 방향에 배치된 발광 다이오드(LED:Light Emitting Diode) 또는 레이저 다이오드(LD:Laser Diode)가 광원의 역할을 수행한다.

그리고, 디스플레이에서는 R(Red), G(Green), B(Blue)의 세 가지 광원이 필요하므로, 현재까지의 기술로는 LED를 이용하는 방법과 레이저 다이오드를 이용하는 방법이 있으나, 가격 면에서 LED를 사용하는 것이 타당하겠고, 앞으로 레이저 다이오드의 대중화가 이루어지면 레이저 다이오드를 사용할 수도 있다.

이때, 광원에서 여러 줄의 광섬유로 광의 전송이 이루어진다. 이 때는 전통적으로 사용되는 렌즈나 광섬유의 마운팅(mounting)을 위하여 광학대(optical bench)로 사용되는 V-groove 형태의 홀더를 사용할 수도 있다. 그리고, 광의 효율성을 높이기 위하여 발광소자와 광섬유의 연결 부분에 내벽이 반사막으로 된 캐비티(cavity)를 사용할 수도 있다.

이와 같은 광섬유는 적색광원, 녹색광원, 청색광원 3 개가 한 조로 이루어져 각각의 화소(pixel) 부분에 할당된다. 이때 화소 내에서 광섬유의 배면은, 도 3에 나타낸 바와 같이, 압전체와 연결되어 있는 구조로 되어 있다. 도 3은 본 발명에 따른 광섬유 배열을 이용한 영상표시장치에 있어서, 압전체에 의하여 광섬유의 변형이 유도되는 것을 개념적으로 나타낸 도면이다.

이때, 압전체는 압전 박막이나 압전 소자의 형태를 띠고 있어도 무방하다. 이 압전부분은 회로에서 보내는 전기 신호를 기계적인 신호로 바꾸어 광섬유에 인위적인 변형을 유도하는 역할을 한다. 그리고, 256 등급 이상의 민감한 변형을 유도하기 위해서는 전기적 신호에 매우 민감한 압전 특성을 보이는 압전 박막과, 인위적인 변형에 아주 민감한 광손실을 보이는 광섬유가 사용되는 것이 바람직하다.

한편, 광섬유에 발생된 변형은 다시 압전체의 압전 작용에 의해서 제거될 수 있다. 즉, 전기적 신호가 없어지면 압전체는 원래의 크기대로 다시 돌아가게 되고, 기계적으로 압전체와 연결된 광섬유는 다시 원래의 변형 없는 상태로 돌아가 광손실을 보이지 않고 광을 전송하게 된다.

예컨대, 압전체 필름은 전기 신호를 기계적인 신호로 바꾸어주며 표면탄성파 필터의 경우에서도 알 수 있듯이, 매우 높은 주파수까지 그 동작이 보장되므로 이를 이용하여 광섬유를 밀어주거나, 당겨주면 광섬유의 특정 부분이 물리적인 변형을 일으키게 되고 원하는 양만큼의 빛이 새어나오게 할 수 있게 된다.

이러한 디스플레이는 다음과 같은 많은 장점들을 가지게 된다.

1. 발광원인 LED, LD의 수명이 길다.

2. LED나 광섬유가 싸기 때문에 제조 비용이 낮아진다.

3. 대면적으로 제조하기가 용이하다.

4. 꼭 필요한 양만큼의 빛만이 사용되므로 전력 소모 면에서 타 디스플레이보다 유리하다.

5. 현재 사용되는 광섬유는 다양한 직경의 것이 있으므로, 디스플레이 용도에 적합한 광섬유를 쉽게 구할 수 있다.

6. 보통의 디스플레이의 경우, 각 칼라 간의 휘도가 달라 애로를 겪는 경우가 많은데, 광섬유 배열을 이용하는 경우에는 각 R, G, B 광원의 파장과 출력을 조절하여 이 문제를 용이하게 해결할 수 있다.

7. 종과 횡의 방향 모두에서 광섬유를 교차시키는 방식이 아니라, 종과 횡 중에서 특정한 방향으로만 광섬유를 배열하면 되므로, 곡면 형태의 휘어진 디스플레이를 만들 때 더 유리하다. 즉, 발광 소자 부분의 설계와 유연성 있는 유기 TFT( Thin Film Transistor)의 설계만 적당하다면 가변성 디스플레이(deformable display)가 가능하다.

그러면, 광섬유의 광손실에 대해서 알아보기 전에 광섬유에 대하여 간략하게 정리해 보기로 한다. 광섬유란 반사 또는 굴절에 의해 광에너지를 전파하는 부전도성의 도파관으로 굴절률이 높은 코어(core) 부와 굴절률이 약간 작은 클래딩( cladding) 부로 구성되어 있다. 이에 따라, 입력된 광신호는 코어와 클래딩의 경계면에서 전반사를 반복하면서 도파하고, 클래딩의 외부를 둘러싸고 있는 코팅은 습기나 마모로부터 광섬유를 보호하는 역할과 동시에 취급을 용이하게 하는 역할을 한다.

그리고, 광섬유에서 발생하는 손실은 산란 손실(재료 손실로서 재료의 밀도나 성분이 국소적으로 불균일한 응고로 인한 불가피한 손실)과, 흡수 손실(재료 손실인 금속이온 불순물과, OH^-기, SiO₂에 의한 손실로 고유 손실), 구조 불완전 손실(코어와 클래드의 경계면의 미소한 구조상의 변동이나 광섬유 내의 광도파로 구조의 불균일에 의해서 생김), 마이크로 밴딩 손실(코어의 구조 불균일에 의한 모드 변환에 의해 발생되는 손실) 및 굴곡 손실(광섬유가 구부러졌을 때 생기는 손실)이 있다.

본 발명에서는, 이와 같은 광섬유에서 발생되는 손실 중에서, 굴곡 손실 또는 마이크로 밴딩 손실을 인위적으로 이용하는 것이다. 즉, 도 3에 나타낸 바와 같이, 압전물질의 신축/팽창을 이용하여 원하는 화소 영역에 위치한 광섬유에 변형을 발생시키고, 그 변형된 광섬유에서 발생되는 빛의 손실을 통하여 디스플레이가 구현되는 것이다. 한편, 변형이 없을 경우에는 광섬유의 손실은 일반적으로 매우 작다. 예컨대, 표준 동축 케이블이 2.5MHz 전송시 손실이 3.5dB/Km 임에 반해, 광섬유 케이블은 1GHz 신호 전송시 0.2~1.0dB/Km 정도이다.

이제, 이러한 광섬유 배열을 이용한 영상표시장치에 있어서의 발광 소자의 배치에 대하여 도 4를 참조하여 알아보도록 한다. 도 4는 본 발명에 따른 광섬유 배열을 이용한 영상표시장치에 있어서, 발광소자 배치의 여러 가지 형태를 나타낸 도면이다. 그리고, LD는 아직은 사파이어 기판을 사용하는 등 가격 상의 문제가 많아 광원을 크게 만들기는 어렵지만, LED의 경우 장비가 허용하는 한 크게 만들 수 있으며, 가격 또한 매우 저렴하다.

도 4의 (a)에 나타낸 바와 같이, 직선형으로 긴 접합(이 경우에는 접합이 바로 광원이 된다)을 가지는 LED 소자를 제작하거나, 도 4의 (b)에 나타낸 바와 같이, 일정 간격으로 접합부위를 가지는 LED를 제작하면 간단히 해결될 수 있다. 또는, 도 4의 (c)처럼 개개의 LED 또는 LD를 집적화시키고 광섬유를 연결시키면 된다. 그리고, 개개의 발광원을 사용하거나 집적화된 하나의 발광원을 사용하거나에 관계없이 도 4의 (d)처럼 V-groove 형상의 광학대(optical bench)와 광섬유를 패키징할 수도 있다. 이때, 패키징은 흔히 이용되는 플립 칩(flip-chip) 패키징 방식이 유용하게 이용될 수 있다.

또한, 화면이 커질 경우에는 전체에 하나의 칼라에 대해 한 발광소자를 사용하는 것이 아니라, 몇 개의 군으로 나누어서 사용하면 소자의 제작 가격도 떨어지고, 제어하기도 용이해진다. 그리고, 발광소자는 항상 켜져있는 상태에서 광섬유의 변형만 유도하면 되므로 오히려 발광 부분의 문제는 줄어들게 된다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 광섬유 배열을 이용한 영상표시장치 및 그 구동방법에 의하면, 광섬유의 배열을 만들고, 배열된 광섬유에 제어 가능한 변형 유발 구조를 형성하여, 광섬유에서 발생되는 광손실을 단계적으로 제어하고 이로부터 적색( Red), 초록색(Green), 청색(Blue) 각각의 빛을 혼합하여 원하는 빛의 색상과 세기를 조절할 수 있는 장점이 있다.

Claims (6)

1. 적색, 녹색, 청색의 빛을 발광하는 복수의 광원과;

   상기복수의광원으로부터 발광되는 빛을각각입사받아 전송하며, 영상 표시 영역을 이루는 평면 상에 제 1 방향으로배열되어복수의 화소(pixel) 영역을 형성하는복수의 광섬유; 및

   압전물질로 구성되어 상기 각각의 화소 영역에 대응되어 형성되고,상기 영상 표시 영역에 배열되어 있는 상기 광섬유의 선택된화소영역에 대하여, 상기 광섬유의 내부 전반사 조건이 파괴되도록전기적인 신호에 의하여물리적인 변형을 발생시켜, 상기 선택된화소영역에서 상기 광섬유를 통하여 전송되는 빛이 광섬유 외부로 방출되도록 하여 상기 선택된화소영역의 영상 표시를 제어하는 복수의 광섬유 변형 유도부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 배열을 이용한 영상표시장치.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 광원은 발광 다이오드(LED)인 것을 특징으로 하는 광섬유 배열을 이용한 영상표시장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 광원은 레이저 다이오드(LD)인 것을 특징으로 하는 광섬유 배열을 이용한 영상표시장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 광섬유의 배열 중에서, 적색광원, 녹색광원, 청색광원과 각각 연결된 3 개의 광섬유가 모여서 하나의 화소(pixel)를 형성하는 것을 특징으로 하는 광섬유 배열을 이용한 영상표시장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 광섬유는 물리적인 변형에 의하여, 상기 광섬유 내에 전송되는 빛에 대한 손실이 민감하게 변화되는 것을 특징으로 하는 광섬유 배열을 이용한 영상표시장치.