KR100499515B1 - 반사형 패널 및 이를 이용한 광학계 - Google Patents

반사형 패널 및 이를 이용한 광학계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반사형 패널에 관한 것으로, 특히 광학계에 쓰여 효율을 좋게하는 단판식 반사형 패널에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 상기 반사형 패널은 기판과, 상기 기판 상부에 적/녹/청색의 빛 중 어느 한 색에 해당하는 영상 정보를 표시하는 적어도 하나 이상의 액정층과, 상기 적어도 하나 이상의 액정층 하부에 각각 형성되어 액정층의 해당 색은 반사하고 나머지는 투과하는 적어도 하나 이상의 필터로 구성되어 광학계에 쓰일 경우 광 효율을 좋게하고, 구성이 간단해지며, 가격이 저렴해 지는 효과가 있다.

Description

반사형 패널 및 이를 이용한 광학계{Reflective panel and Projection system using the same}
본 발명은 반사형 패널에 관한 것으로, 특히 구조가 간단한 프로젝션 디스플레이에 적합한 단판식 반사형 패널의 구조와 광학계 구성에 관한 것이다.
최근의 디스플레이 장치는 경량화, 경박화뿐만 아니라 대화면으로 되어가는 추세에 놓여져 있다. 특히 대화면 디스플레이 장치는 디스플레이 분야에 있어서 중요한 이슈(issue)로 떠오르고 있으며, 현재까지 이러한 대화면 디스플레이 장치로 개발된 것 중에는 프로젝션 티브이(projection TV)가 있다.
이와 같은 대화면 디스플레이 장치인 프로젝션 티브이는 CRT 프로젝션 티브이와 LCD 프로젝션 티브이의 두 가지 형태로 나뉠 수 있다.
여기서 상기 LCD를 이용한 프로젝션 티브이는 다시 투과형 LCD를 이용하는 시스템과 반사형 LCD(Lcos)를 이용하는 시스템으로 나뉜다.
여기서 반사형 LCD를 이용하는 시스템은 투과형 LCD보다 패널의 가격을 저렴하게 제작할 수 있는 장점이 있다.
도 1a는 상기 반사형 LCD의 단면을 나타낸 도면이다.
도 1a와 같이, 상기 반사형 LCD는 유리 기판(101), ITO 전극(102), 정렬 층(alignment layer)(103), 액정(104), 세 번째 금속(Third metal : 반사형 전극(reflective metal))(105), 두 번째 금속(Second metal : 배선 차폐(wiring shield))(106), 첫 번째 금속(First metal : 배선(wiring))(107), 실리콘 면(108), 캐패시터 폴리실리콘(capacitor polysilicon)(109), 게이트(gate)(110), 소스(source)(111), 드레인(drain)(112), Capacitor diffusion(113)으로 구성된다.
도 1b는 상기 투과형 LCD의 단면을 나타낸 도면이다.
도 1b와 같이, 상기 투과형 LCD는 편광판(114), 유리 기판(115), 블랙 메트릭스(black matrix)(116), 투명전극(117), TFT(18), 실(seal)(119), 액정(120), 스페이서(spacer)(121), 스토리지 캐패시터(Sorage capacitor)(122)로 구성된다.
상기의 반사형 LCD를 이용한 프로젝션 광학계는 다음의 세가지로 분류된다.
첫 번째는 3판식 광학계로 반사형 LCD(LCoS : Liquid Crystal of Silicon 이후 'LCoS') 3매를 이용하여 R,G,B의 색을 분리 합성하여 영상정보를 표시하는 것이다.
도 2a 내지 2b는 일반적인 3판식 광학계를 나타낸 도면이다.
도 2a는 상기 3판식 광학계 중 3개의 PBS를 사용하여 구성한 광학계를 나타낸 도면이다.
도 2a와 같이, 상기 3 PBS(Polarized Beam Splitter) 시스템은, 렘프(201), 적분기(integrator)(202), 집광렌즈(condensing lens)(203), 적/녹 다이크로익 미러(Red/Green dichroic Mirror)(204), 녹색 다이크로익 미러(Green dichroic Mirror)(205), 전반사 미러(206), 적색 LCD(207), 청색 LCD(208), 녹색 LCD(209), 3개의 PBS(210), X 프리즘(X-prism)(211)으로 구성된다.
도 2b는 상기 3판식 광학계 중 컬러 쿼드 시스템(color quad system)을 나타낸 도면이다.
도 2b와 같이, 상기 컬러 쿼드 시스템은, 렘프(201), 적분기(202), 집광렌즈(203), 적색 LCD(207), 청색 LCD(208), 녹색 LCD(209), PBS(210), color select(211)로 구성된다.
이와 같이, LCoS를 이용한 3판식 광학계는 광효율이 높다는 장점을 가지고 있는 반면, 도 2a 내지 2b에서 보듯 시스템이 복잡하고, 패널간 정렬(alignment) 문제가 발생한다.
따라서, 상기 3판식 광학계의 문제점을 개선하기 위해 2판식 광학계 혹은 단판식 광학계를 구성하게 된다.
도 3a 내지 3b는 일반적인 2판식 광학계를 나타낸 도면이다.
도 3a는 상기 2판식 광학계 중 컬러 드럼을 사용한 광학계를 나타낸 도면이다.
도 3a와 같이, 상기 컬러 드럼을 사용한 2판식 광학계는 렘프(301), 컬러 드럼(color drum)(302), 적분기(303), 조명 렌즈(Illumination Lens)(304), PBS(305), 적색 LCoS 패널(306), 녹/청 LCoS 패널(307)로 구성된다.
도 3b는 상기 2판식 광학계 중 컬러 스위치를 사용한 광학계를 나타낸 도면이다.
도 3b와 같이, 상기 컬러 스위치를 사용한 광학계는, 렘프(301), FEL(Fly Eye Lens)(308), PCS(Polarization Conversion System)(309), 조명렌즈(304), 컬러 스위치(310), 적색 LCoS 패널(307), 녹/청 LCoS 패널(306), PBS(305)로 구성된다.
도 4a 내지 4c는 일반적인 반사형 단판식 광학계를 나타낸 도면이다.
도 4a는 상기 단판식 광학계 중 회전 프리즘을 사용한 광학계를 나타낸 도면이다.
도 4a와 같이, 상기 회전 프리즘을 사용한 광학계는 렘프(401), FEL(Fly Eye Lens)(402), PBS 어레이(403), 집광렌즈(404), 적색 다이크로익 미러(Red dichroic Mirror)(405), 녹색 다이크로익 미러(Green dichroic Mirror)(406), 릴레이 렌즈(relay lens)(407), 전반사 미러(408), 회전 프리즘(rotating prism)(409), 적/녹 다이크로익 미러(410), PBS(411), LCD(412)로 구성된다.
도 4b는 단판식 광학계 중 컬러 드럼을 사용한 광학계를 나타낸 도면이다.
도 4b와 같이, 상기 컬러 드럼을 사용한 광학계는, 렘프(401), FEL(402), PBS 어레이(403), 집광렌즈(404), TIR(Total Internal Reflection) 프리즘 혹은 미러(413), 컬러 드럼(414), 조명 렌즈(415), PBS(411), LCD(412)로 구성된다.
도 4c는 컬러 드럼을 사용하는 단판식 광학계 중 PCCR 적분기를 사용하여 구성한 광학계를 나타낸 도면이다.
도 4c와 같이, PCCR 적분기를 사용하여 구성한 광학계는 도 4b 구성에서 FEL(402) 및 PBS 어레이(403), 집광렌즈(404) 대신 PCCR 적분기(416)을 사용하여 구성하였다.
위와 같이, 2판식 혹은 단판식 광학계의 경우 하나의 패널이 두 개 혹은 그 이상의 색에 해당하는 정보를 시간에 따라 표시해야 하기 때문에 도 3내지 도 4에서 보듯, 컬러 스위치나 컬러 휠, 혹은 컬러 드럼이나 회전 프리즘과 같은 부품을 사용해야 한다.
도 5는 상기의 컬러 스위치를 나타낸 분해 사시도이다.
도 5와 같이, 일반적인 컬러 스위치는 렘프(501), PCCR 적분기(502), 컬러 휠(503), 릴레이 렌즈(504), PBS(505), LCoS 패널(506)로 구성되어, 상기 컬러 휠(503)이 회전하면서, 색을 분리 합성하게 된다.
상기의 컬러 스위치, 컬러 휠, 컬러 드럼 혹은 회전 프리즘과 같은 부품을 사용하여 광학계를 구성하게 되면, 3판식 광학계보다는 간단하고 저렴하게 구성할 수 있으나, 상기의 부품을 사용해야 하고, 패널에 표시되는 영상 정보에 맞추어 회전 속도 및 위치를 정확히 제어해야 하는 문제점이 발생한다.
또한, R,G,B의 색을 분리 합성하는 과정에서 시간에 따라 분리 및 합성을 하므로 일정시간 동안 광 손실이 일어나게 되어 광효율이 저하되는 문제점을 가지게 된다.
도 6a 내지 6b는 상기 일정시간 동안 광 손실이 일어나는 것을 알아보기 위해 컬러 휠 혹은 컬러 드럼을 사용하는 경우 시간에 따른 단판식 LCoS 패널에서의 조명광의 색 변화를 나타낸 도면이다.
도 6a는 일반적인 LCoS 패널에서의 조명광의 색 변화를 나타낸 도면이다. 도 6a에서 점선으로 나타낸 부분이 LCoS 패널 부분이다. T=0 시간에서는 상기 LCoS 패널에 녹색이 비추고 있음을 알 수 있다. T=T1시간에는 상기 컬러 휠 혹은 컬러 드럼이 회전하므로, 녹색 영역과 적색 일부 영역이 LCoS 영역을 비추게 되고, T=T2 시간에는 적색이 LCoS 영역을 비추게 된다.
이 때, 상기 적색 빛이 조명된 부분(T=T2)에서는 LCoS 패널 영역 이외 부분, 즉 적색 빛 일부와, 녹색 빛, 청색 빛은 손실되었음을 알 수 있다.
상기의 문제점을 다소나마 해소하고자 종래에는 상기 LCoS 패널의 크기를 상기 적/녹/청색의 크기에 맞추어 제작하기도 하였다. 이를 도 6b에 나타내었다.
그러나 이때에도, 적/녹/청색의 빛 중 어느 한 색이 상기 LCoS 패널을 비추고 있을 때에는 나머지 색들의 빛은 손실됨을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 앞서 설명한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 단판식 LCoS 패널에서 종래의 색 분리 합성 방법인 시분할 방식이 아닌 새로운 형태의 일차원적 공간 분할 방식이 가능한 단판식 LCoS 패널의 구조를 사용함으로써, 광 손실을 개선하며, 구조가 간단하고, 저렴한 광학계를 제작하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반사형 패널은 기판과, 상기 기판 상부에 적/녹/청색의 빛 중 어느 한 색에 해당하는 영상 정보를 표시하는 적어도 하나 이상의 액정층과, 상기 적어도 하나 이상의 액정층 하부에 각각 형성되어 액정층의 해당 색은 반사하고 나머지는 투과하는 적어도 하나 이상의 필터로 구성됨을 특징으로 한다.
상기 반사형 패널은 적/녹/청색의 빛 중 상기 청색 빛에 해당하는 영상 정보를 표시하는 제 1 액정층과, 상기 제 1 액정층 하부에 형성되어 적색, 녹색 빛은 투과되고, 청색 빛은 반사되는 제 1 필터와, 상기 제 1 필터 하부에 형성되어 제 1 필터를 투과한 적색, 녹색 빛 중 녹색 빛에 해당하는 영상 정보를 표시하는 제 2 액정층과, 상기 제 2 액정층 하부에 형성되어 적색 빛은 투과되고, 녹색 빛은 반사되는 제 2 필터와, 상기 제 2 필터 하부에 형성되어 제 2 필터를 투과한 적색 빛에 해당하는 영상 정보를 표시하는 제 3 액정층과, 상기 제 3 액정층 하부에 형성되어 적색 빛을 반사하는 기판이 일차원적으로 배열되어 구성되는 것이 바람직하다.
상기 필터로 다이크로익 미러를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 반사형 액정 패널을 사용하여 광학계를 구성하는 것을 특징으로 한다.
이하 발명의 바람직한 실시예에 따른 구성 및 작용을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 7a 내지 7b는 본 발명에 따른 새로운 형태의 LCoS 패널의 구조를 나타낸 도면이다.
도 7a와 같이, 기판(701) 상부에 Red LC(Liquid Crystal)(702), 녹색 다이크로익 미러(703), Green LC(704), 청색 다이크로익 미러(705), Blue LC(706)으로 구성되고, 상기 적색, 녹색, 청색에 해당하는 픽셀이 일직선상에 존재한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 LCoS 패널을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 7b와 같이, 조명광이 입사되는 첫 층은 청색 빛에 해당하는 영상정보를 표시하는 Blue LC(706)층이고, 그 아래층의 청색 다이크로익 미러(705)에 의해서 청색 빛은 반사된다. 투과된 녹색과 적색 빛은 Green LC(704)층에서 녹색 빛에 해당하는 영상 정보가 표시되고, 그 아래층의 녹색 다이크로익 미러(703)에 의해 녹색 빛은 반사된다. 이때 투과된 적색 빛은 그 아래층의 Red LC(702)층에 의해서 적색 빛의 영상 정보가 표시되어 기판(701)의 반사면에 의해서 반사된다.
이러한 구조에 의해 적/녹/청색의 빛이 분리되고, 분리된 빛에 각각 해당하는 영상정보가 표시되어 반사되는 것이다.
여기서, Blue LC(706), Green LC(704), Red LC(702)는 실제로 앞서 설명했던 투과형 LCD와 같은 구조를 갖는다.
도 8은 상기 Blue LC, Green LC, Red LC 층의 구조를 나타내기 위해 도시한 것으로 픽셀 하나의 모습을 나타내었다.
도 8과 같이 상기 LC 층은 게이트 라인(gate line)(805), 스위칭 소자인 TFT(803), 데이터 라인(data line)(801), 들어온 데이터 화소 정보를 잠시 저장하는 스토리지 캐패시터(storage capacitor)(802), 빛이 나오는 개구부(804)로 구성된다.
이와 같은 새로운 구조의 단판식 LCoS 패널은 색 분리 및 합성을 공간적으로 수행하게 되어, 종래 시간에 따라 색 분리 및 합성을 하기 위해 사용했던 컬러 휠, 컬러 드럼, 컬러 스위치 등과 같은 부품을 사용할 필요가 없게 된다.
이를 첨부한 도면을 통해 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 9a 내지 9b는 본 발명에 따른 단판식 LCoS 패널을 이용한 광학계의 실시예를 나타낸 도면이다.
도 9a는 플라이 아이 렌즈와 프로젝션 렌즈를 사용한 광학계에 상기 LCoS 패널을 적용한 예를 나타낸 도면이다.
도 9a와 같이 상기 광학계는 빛을 생성하는 렘프(901), 상기 빛을 평행광으로 변환해 주는 플라이 아이 렌즈(FEL)(902), 상기 플라이 아이 렌즈(902)를 통과한 광의 편광 방향을 변환시켜주는 PBS 어레이(903), 조명 렌즈(904), 청색과 녹색의 중간색인 청록색(cyan)의 빛과, 녹색과 적색의 중간색인 노란색(yellow)의 빛을 잘라주고, 상기 녹색 빛의 세기를 조절하여 전체 광학시스템의 색온도와 색순도를 조절하는 노취 필터(Notch Filter)(905), 특정 편광 방향의 빛은 반사시키고 나머지는 투과시키는 PBS(906), 본 발명에 따른 LCoS 패널(907), 상기 LCoS 패널(907)에 의해 투광 조절된 빛을 확대 투사하는 투사 렌즈(projection lens)(908)로 구성된다.
도 9b는 도 9a의 구성 중 투사 렌즈(908) 대신 필름 타입의 PBS(Film Type PBS)를 사용하여 구성한 광학계를 나타낸 것이다.
도 9c는 상기 도 9b의 구성 중 플라이 아이 렌즈(902) 및 PBS 어레이(903) 대신 적분기(910)를 사용하여 구성한 광학계를 나타내었다.
도 9a 내지 9c에서 보듯, 본 발명에 따른 새로운 반사형 LCoS 패널을 이용한 광학계는 종래의 색 분리 합성을 수행하던 컬러 휠, 컬러 드럼, 회전 프리즘, 컬러 스위치등이 필요치 않아 그 구성이 간단함을 알 수 있다.
더불어 위와 같은 시간적인 색 분리 장치와 각 색에 해당하는 영상 정보의 위상을 맞춰 주기 위한 회로부나 센서등이 불필요하게 되며, 종래 하나 혹은 2개의 색에 대해 광손실이 발생했던 것을 공간적으로 분리 및 합성을 함으로써 광효율 또한 향상되게 된다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 반사형 액정 패널 및 이를 이용한 광학계는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 종래 단판식 광학계에서 사용하던 시분할 방식이 아닌 일차원적 공간분할 방식으로 색을 분리 합성함으로써 구조가 간단하고 효율이 좋은 단판식 패널을 제작하는 효과가 있다.
둘째, 상기의 단판식 패널을 이용하여 구성한 광학계 또한 구조가 간단하고, 효율이 좋으며, 가격이 저렴해지는 효과가 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허청구범위에 의해서 정해져야 한다.
도 1a 내지 1b는 일반적인 반사형 LCD와 투과형 LCD의 단면을 나타낸 도면
도 2a 내지 2b는 일반적인 3판식 광학계를 나타낸 도면
도 3a 내지 3b는 일반적인 2판식 광학계를 나타낸 도면
도 4a 내지 4c는 일반적인 단판식 광학계를 나타낸 도면
도 5는 일반적인 컬러 스위치를 나타낸 분해 사시도
도 6a 내지 6b는 단판식 LCoS 패널에서의 조명광의 색 변화를 나타낸 도면
도 7a 내지 7b는 본 발명에 따른 새로운 형태의 LCoS 패널의 구조를 나타낸 도면
도 8은 본 발명에 따른 Blue LC, Green LC, Red LC 층의 픽셀 하나의 구조를 나타낸 도면
도 9a 내지 9c는 본 발명에 따른 단판식 LCoS 패널을 이용한 광학계의 실시예를 나타낸 도면
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
701 : 기판 702 : Red LC
703 : 녹색 다이크로익 미러 704 : Green LC
705 : 청색 다이크로익 미러 706 : Blue LC

Claims (4)

  1. 기판과,
    상기 기판 상부에 적/녹/청색의 빛 중 어느 한 색에 해당하는 영상 정보를 표시하는 적어도 하나 이상의 액정층과,
    상기 적어도 하나 이상의 액정층 하부에 각각 형성되어 액정층의 해당 색은 반사하고 나머지는 투과하는 적어도 하나 이상의 필터로 구성됨을 특징으로 하는 반사형 패널.
  2. 적/녹/청색의 빛 중 상기 청색 빛에 해당하는 영상 정보를 표시하는 제 1 액정층과,
    상기 제 1 액정층 하부에 형성되어 적색, 녹색 빛은 투과되고, 청색 빛은 반사되는 제 1 필터와,
    상기 제 1 필터 하부에 형성되어 제 1 필터를 투과한 적색, 녹색 빛 중 녹색 빛에 해당하는 영상 정보를 표시하는 제 2 액정층과,
    상기 제 2 액정층 하부에 형성되어 적색 빛은 투과되고, 녹색 빛은 반사되는 제 2 필터와,
    상기 제 2 필터 하부에 형성되어 제 2 필터를 투과한 적색 빛에 해당하는 영상 정보를 표시하는 제 3 액정층과,
    상기 제 3 액정층 하부에 형성되어 적색 빛을 반사하는 기판이 일차원적으로 배열되어 구성된 것을 특징으로 하는 반사형 패널.
  3. 제 1 항 내지 제 2 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 필터로 다이크로익 미러를 사용함을 특징으로 하는 반사형 패널.
  4. 반사형 패널을 사용하여 구성된 광학계에 있어서,
    상기 반사형 패널로 제 1 항에 따른 반사형 패널을 사용하여 구성됨을 특징으로 하는 광학계.
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