KR100906799B1 - 압전 소자 구동 방법 및 압전 소자를 포함하는 광변조기구동 방법 및 이를 실행하기 위한 프로그램을 기록한 기록매체 - Google Patents

압전 소자 구동 방법 및 압전 소자를 포함하는 광변조기구동 방법 및 이를 실행하기 위한 프로그램을 기록한 기록매체 Download PDF

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Abstract

압전 소자 구동 방법 및 압전 소자를 포함하는 광변조기 구동 방법 및 이를 실행하기 위한 프로그램을 기록한 기록 매체가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 인가된 구동 신호에 따라 수축 또는 팽창하여 변위 대상의 위치 변화를 유도하는 압전 소자의 구동 방법에 있어서, (a) 제1 전압 범위 내에서 제1 구동 주기 동안 상기 압전 소자에 구동 신호를 인가하는 단계; (b) 상기 제1 구동 주기 동안의 구동에 따른 상기 압전 소자의 분극 이력을 조정하기 위한 조정 신호를 상기 압전 소자에 인가하는 단계; 및 (c) 제2 전압 범위 내에서 제2 구동 주기 동안 상기 압전 소자에 구동 신호를 인가하는 단계를 포함하는 압전 소자의 구동 방법이 제공된다. 본 발명에 의하면, 압전 소자의 히스테리시스 특성을 감소시켜 압전 소자를 구동시킴에 있어 동작의 정확성 및 신뢰성을 높일 수 있고, 압전 방식의 광변조기를 이용한 컬러 디스플레이 장치 등에 있어서 영상 왜곡을 방지하여 보다 정확하고 고선명의 영상을 구현할 수 있는 효과가 있다.
Figure R1020070053750
압전 소자, 히스테리시스, 광변조기, 구동 전압.

Description

압전 소자 구동 방법 및 압전 소자를 포함하는 광변조기 구동 방법 및 이를 실행하기 위한 프로그램을 기록한 기록 매체{Driving method for piezoelectric element and optical modulatior and record medium recorded program for realizing the same}
도 1은 압전 소자에 인가된 구동 전압에 따른 변위 대상에 발생된 변위에 나타나는 분극 이력(hysteresis) 특성을 예시한 도면.
도 2는 압전 방식의 광변조기의 구조를 나타낸 도면.
도 3은 압전 방식의 광 변조기의 다른 구조를 나타낸 도면.
도 4는 압전 방식의 광변조기에 구동 전압을 인가하지 않은 경우의 리본의 위치를 예시한 도면.
도 5는 압전 방식의 광변조기에 구동 전압을 인가한 경우의 리본의 위치를 예시한 도면.
도 6는 도 2의 압전 방식의 광변조기에서의 광 변조 원리를 설명하기 위한 도면.
도 7은 도 2의 압전 방식의 광변조기로 구성된 광변조기 어레이의 평면도.
도 8은 도 7의 광변조기 어레이를 이용한 컬러 디스플레이 장치의 일 구성 도.
도 9는 도 8의 컬러 디스플레이 장치에 따라 스크린에 투사되는 1 프레임의 영상 구현 방법을 설명하기 위한 도면.
도 10은 압전 방식의 광변조기에서 색광별 광변조에 이용되는 구동 전압 범위를 예시한 도면.
도 11 및 도 12는 압전 방식의 광변조기를 이용한 색광별 광변조를 수행함에 있어서 본 발명의 일 실시예에 따른 광변조기 구동 방법을 나타낸 도면.
도 13 및 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 광변조기 구동 방법에 의할때 압전 소자의 분극 이력 특성의 조정 원리를 설명하기 위한 도면.
도 15는 본 발명의 광변조기 구동 방법에 의한 구현 컬러 영상의 일 예를 나타낸 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
150 : 압전 소자 151 : 하부 전극
152 : 압전층 153 : 상부 전극
230 : 광변조기 어레이 235 : 구동부
본 발명은 압전 소자(Piezoelectric element)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압전 소자의 히스테리시스 특성을 감소시킬 수 있는 압전 소자 구동 방법 및 압전 소자를 포함하는 광변조기 구동 방법 및 이를 실행하기 위한 프로그램을 기록한 기록 매체에 관한 것이다.
압전 소자는 인가된 구동 전압에 따라 수축 또는 팽창하는 압전 재료의 특성을 이용하여 위치 변화를 유도하고자 하는 대상(이하, 이를 변위 대상이라 함)의 변위 발생을 위한 구동력을 부여하는 마이크로 머신(Micromachine)이다. 압전 소자는 주사 현미경, 광학 프로브, 광변조기, 데이터 저장 장치 등의 다양한 멤스 소자(MEMS : Micro Electro Mechanical System)에 광범위하게 활용되고 있다.
이러한 압전 소자는 인가된 구동 전압과 그에 따라 변위 대상에 발생되는 변위 간의 전압-변위 관계가 도 1에 도시된 것과 같은 히스테리시스 특성을 나타낸다. 이와 같은 압전 소자의 히스테리시스(hysteresis) 특성은 구동 전압의 인가에 따른 압전 소자에서의 압전 효과(즉, 압전층의 분극(polarization)에 따른 수축 또는 팽창)와 관련된 분극 이력 현상에 의해 발생한다. 이를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 압전 소자의 히스테리시스 특성 곡선을 살펴보면, 압전 소자에 구동 전압을 점점 증가시켜 인가하는 경우에는 제1 특성 곡선(11)을 따라 변위 대상의 위치가 변화하고, 압전 소자에 구동 전압을 점점 감소시켜 인가하는 경우에는 제2 특성 곡선(12)을 따라 변위 대상의 위치가 변화한다. 즉, 압전 소자의 히스테리시스 특성(분극 이력 현상)에 의하여 전압-변위 관계는 구동 전압의 증가 방향 과 감소 방향에 대해 다른 특성을 나타내게 된다. 이러한 이유로 압전 소자에 동일 크기의 구동 전압을 인가함에도 불구하고, 그때에 변위 대상에 발생하는 변위는 구동 전압이 증가하는 방향에 있느냐와 감소하는 방향에 있느냐에 따라 그 변위값이 상이해지는 문제점이 있다. 예를 들어, 압전 소자에 동일한 크기의 구동 전압인 V2 전압이 인가되는 경우에도, 구동 전압이 V1으로부터 V2로 증가하는 경우 변위 대상에 발생하는 변위는 S21로 나타나고, 구동 전압이 Vmax로부터 V2로 감소하는 경우 변위 대상에 발생하는 변위는 S22로 나타나서 서로 다른 값을 갖는다는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 종래 기술에 따른 압전 소자 구동 방법에 의하면, 동일 크기의 구동 전압을 인가함에도 불구하고 압전 소자의 히스테리시스 특성 문제에 의하여 다른 변위값을 갖는 경우가 발생하므로, 압전 소자를 활용한 다양한 응용 소자, 장치에 있어서 그 정확성 및 신뢰성을 기할 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 압전 소자의 히스테리시스 특성을 감소시켜 압전 소자 또는 압전 방식의 광변조기를 구동시킴에 있어 동작의 정확성 및 신뢰성을 높일 수 있는 압전 소자 구동 방법 및 압전 소자를 포함하는 광변조기 구동 방법 및 이를 실행하기 위한 프로그램을 기록한 기록 매체를 제공한다.
또한, 본 발명은 압전 소자의 히스테리시스 특성을 감소시켜 압전 방식의 광 변조기를 이용한 컬러 디스플레이 장치 등에 있어서 영상 왜곡을 방지하여 보다 정확하고 고선명의 영상을 구현할 수 있는 압전 소자 구동 방법 및 압전 소자를 포함하는 광변조기 구동 방법 및 이를 실행하기 위한 프로그램을 기록한 기록 매체를 제공한다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 인가된 구동 신호에 따라 수축 또는 팽창하여 변위 대상의 위치 변화를 유도하는 압전 소자의 구동 방법에 있어서, (a) 제1 전압 범위 내에서 제1 구동 주기 동안 상기 압전 소자에 구동 신호를 인가하는 단계; (b) 상기 제1 구동 주기 동안의 구동에 따른 상기 압전 소자의 분극 이력을 조정하기 위한 조정 신호를 상기 압전 소자에 인가하는 단계; 및 (c) 제2 전압 범위 내에서 제2 구동 주기 동안 상기 압전 소자에 구동 신호를 인가하는 단계를 포함하는 압전 소자의 구동 방법이 제공될 수 있다.
여기서, 상기 조정 신호는 제1 시간 동안 미리 설정된 기저 전압값을 유지하고, 제2 시간 동안 상기 제2 전압 범위의 최고 전압값을 유지하며, 제3 시간 동안 상기 제2 전압 범위의 최저 전압값을 유지할 수 있다.
여기서, 상기 압전 소자의 분극 이력은 상기 조정 신호에 의해 상기 제2 구동 주기 동안 상기 제2 전압 범위의 최저 전압값 및 상기 제2 전압 범위의 최고 전 압값을 양 끝점으로 잇는 폐루프 곡선 내에서 변화하도록 조정될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 인가된 구동 신호에 따라 수축 또는 팽창하여 변위 대상의 위치 변화를 유도하는 압전 소자를 포함하는 광변조기의 구동 방법에 있어서, (a) 이전 서브 프레임에 의한 상기 압전 소자의 분극 이력을 조정하는 조정 신호를 상기 압전 소자에 인가하는 단계; 및 (b) 현재 서브 프레임에 해당하는 색광의 변조를 위하여 상기 색광에 상응하여 설정된 변조 전압 범위 내에서 상기 압전 소자에 구동 신호를 인가하는 단계를 포함하는 광변조기의 구동 방법이 제공될 수 있다.
여기서, 상기 조정 신호는 제1 시간 동안 미리 설정된 기저 전압값을 유지하고, 제2 시간 동안 상기 변조 전압 범위의 최고 전압값을 유지하며, 제3 시간 동안 상기 변조 전압 범위의 최저 전압값을 유지할 수 있다.
여기서, 상기 압전 소자의 분극 이력은 상기 조정 신호에 의해 상기 현재 서브 프레임 동안 상기 변조 전압 범위의 최저 전압값 및 상기 변조 전압 범위의 최고 전압값을 양 끝점으로 잇는 폐루프 곡선 내에서 변화하도록 조정될 수 있다.
여기서, 상기 조정 신호의 인가 시간은 상기 광변조기의 1 픽셀 변조 시간과 동일하거나 또는 보다 짧게 설정될 수 있다.
여기서, 하나의 컬러 영상 프레임은 복수개의 서브 프레임에 의해 구현되되,각 서브 프레임에 해당하는 색광의 변조가 수행될 때마다 상기 단계 (a) 및 상기 단계 (b)를 반복할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 인가된 구동 신호에 따라 수축 또는 팽창 하여 변위 대상의 위치 변화를 유도하는 압전 소자의 구동 방법을 수행하는 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 명령어들의 프로그램이 유형적으로 구현되어 있으며 컴퓨터에 의해 판독될 수 있는 기록 매체가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 인가된 구동 신호에 따라 수축 또는 팽창하여 변위 대상의 위치 변화를 유도하는 압전 소자를 포함하는 광변조기의 구동 방법을 수행하는 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 명령어들의 프로그램이 유형적으로 구현되어 있으며 컴퓨터에 의해 판독될 수 있는 기록 매체가 제공될 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치 하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명의 실시예에 따른 압전 소자 구동 방법 및 압전 소자를 포함하는 광변조기 구동 방법을 상세히 설명하기에 앞서, 그 일 이용례로서 광변조기 및 컬러 디스플레이 장치에 대하여 도 2 내지 도 9를 참조하여 설명하기로 한다. 또한, 도 10 내지 도 15에서 설명할 본 발명에 따른 압전 소자 구동 방법 및 압전 소자를 포함한 광변조기 구동 방법도 도 2 내지 도 9에서 설명할 광변조기 및 컬러 디스플레이 장치에 응용되는 경우를 중심으로 설명한다.
도 2는 압전 방식의 광변조기의 구조를 나타낸 도면이고, 도 3은 압전 방식의 광 변조기의 다른 구조를 나타낸 도면이며, 도 6은 도 2의 압전 방식의 광변조기에서의 광변조 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 압전 방식의 광변조기는 기판(110), 절연층(120), 희생층(130), 리본층(140) 및 압전 소자(150)를 포함한다. 여기서, 리본층(140)의 중앙 부분(이하, 이를 리본이라 함)에는 복수개의 홀(hole)(도 2의 140(b) 또는 도 3의 140(d))이 구비되어 있다. 또한, 리본 중 홀이 형성되어 있지 않은 부분 상에는 상부 광반사층(도 2의 140(a) 또는 도 3의 140(c))이 형성되고, 홀의 위치와 대응되는 절연층(120) 상에는 하부 광반사층(도 2의 120(a) 또는 도 3의 120(b))이 형성된다. 압전 소자(150)는 2개의 전극(즉, 하부 전극(151) 및 상부 전극(153))간 에 인가되는 구동 전압에 의해 발생하는 압전층(152)의 수축 또는 팽창 정도에 따라 리본을 상하로 움직이게 하는 구동력을 부여한다. 예를 들어, 압전 소자(150)에 구동 전압이 인가되지 않았을 경우 리본은 도 4에 도시된 것과 같은 원 위치(즉, 절연층(120)과 이격 거리 Smin인 위치)에 있다가, 임의의 구동 전압이 인가되는 경우 도 5에 도시된 것과 같이 인가 전압에 상응하는 소정 위치(즉, 절연층(120)과 소정 이격 거리 Smin인 위치)로 움직이게 된다.
이하, 도 6을 참조하여 압전 소자를 포함하는 압전 방식의 광변조기에서의 광변조 원리를 설명한다. 여기서, 도 6은 후술할 도 7의 BB'선을 기준선으로 하여 나타낸 단면도이다.
먼저 도 6의 (a)를 참조하면, 광변조기로 입사된 빛의 파장이 λ인 경우 상부 광반사층(140(a))이 형성된 리본과 하부 광반사층(120(a))이 형성된 절연층(120)간의 간격이 (2n)λ/4(n은 자연수)가 되도록 하는 제1 구동 전압이 압전 소자(150)에 인가된다. 이때, 0차 회절광의 경우 상부 광반사층(140(a))에서 반사된 광과 하부 광반사층(120(a))에서 반사된 광 사이의 전체 경로차는 nλ와 같아서 보강 간섭을 하여 회절광은 최대 휘도를 가지며, +1차 및 -1차 회절광의 경우 광의 휘도는 상쇄 간섭에 의해 최소 휘도를 갖는다.
도 6의 (b)를 참조하면, 상부 광반사층(140(a))이 형성된 리본과 하부 광반사층(120(a))이 형성된 절연층(120)간의 간격이 (2n+1)λ/4(n은 자연수)가 되도록 하는 제2 구동 전압이 압전 소자(150)에 인가된다. 이때, 0차 회절광의 경우 상부 광반사층(140(a))에서 반사된 광과 하부 광반사층(120(a))에 반사된 광 사이의 전체 경로차는 (2n+1)λ/2와 같아서 상쇄 간섭을 하여 회절광은 최소 휘도를 가지며, +1차 및 -1차 회절광의 경우 보강 간섭에 의해 광의 휘도는 최대 휘도를 갖는다.
이와 같이 압전 방식의 광변조기는 압전 소자에 인가된 구동 전압에 따라 상부 광반사층(140(a)) 및 하부 광반사층(120(a))에 의해 각각 반사된 반사광의 간섭의 결과를 이용하여 반사광 또는 회절광의 광량을 조절함으로써 신호를 빛에 실을 수 있게 된다. 도 6에서는 리본과 절연층(120)간의 간격이 (2n)λ/4 또는 (2n+1)λ/4가 되도록 하는 2가지 구동 전압을 인가한 경우만을 예를 들어 설명하였으나, 입사광의 반사 또는 회절에 의해 간섭되는 세기를 조절할 수 있는 간격을 가지고 구동할 수 있는 다양한 크기의 구동 전압이 압전 소자에 인가될 수 있음은 자명하다. 예를 들어, 도 2 내지 도 6에서 설명한 압전 방식의 광변조기에서 픽셀별 광변조를 위해 그 광강도 값을 0 ~ 255 단계로 구분하는 경우를 가정하면, 총 256개의 구분되는 전압값을 갖는 구동 전압이 이용될 수 있을 것이다. 또한, 본 명세서에서는 압전 소자 또는 압전 방식의 광변조기의 구동에 있어서 전압을 인가하는 전압 제어 방식을 중심으로 설명하지만, 이외에도 다양한 구동 방식, 구동 신호에 의하여 압전 소자 또는 압전 방식의 광변조기를 구동할 수 있음은 물론이다.
또한, 도 4 내지 도 6에서는 리본에 복수개의 홀이 구비된 광변조기를 중심으로 도시하였지만, 광 회절 특성을 구현하기 위해 전극간 인가되는 구동 전압에 따라 수축 및 팽창하여 변위 대상인 리본에 상하 구동력을 발생시키는 압전 소자를 포함하는 압전 방식의 광변조기라면 아무런 제한없이 본 발명이 적용될 수 있음은 자명하다 할 것이다.
도 7은 도 2의 압전 방식의 광변조기로 구성된 광변조기 어레이의 평면도이고, 도 8은 도 7의 광변조기 어레이를 이용한 컬러 디스플레이 장치의 일 구성도이며, 도 9는 도 8의 컬러 디스플레이 장치에 따라 스크린에 투사되는 1 프레임의 영상 구현 방법을 설명하기 위한 도면이다. 이하, 도 7 및 도 9를 참조하여 도 8의 압전 방식의 광변조기 어레이를 이용한 컬러 디스플레이 장치의 일 예를 설명한다.
도 8의 컬러 디스플레이 장치는 3색 광원(210), 조명 광학계(220), 광변조기 어레이(230), 구동부(235), 릴레이 광학계(240), 스캐너(250), 투사 광학계(260), 스크린(270), 영상 제어 회로(280)을 포함한다. 여기서, 3색 광원(210), 조명 광학계(220), 릴레이 광학계(240), 투사 광학계(260)는 프로젝션 장치 등의 디스플레이 장치에서는 일반적인 구성부인바, 그 상세한 설명은 생략한다.
3색 광원(210)은 영상 제어 회로(280)로부터 전달되는 소정의 광원 제어 신호(212, 214 또는 216)에 해당하는 색광을 조사하며, 이는 조명 광학계(220)를 거쳐 광변조기 어레이(230)로 입사된다.
광변조기 어레이(230)는 도 7과 같이 구성될 수 있다. 즉, 광변조기 어레이(230)는 도 7에서와 같이 제1 화소(pixel #1), 제2 화소(pixel #2), …, 제m 화소(pixel #m)를 각각 하나씩 담당하는 m개의 광변조기(100-1, 100-2, …, 100-m)로 구성됨으로써, 수직 주사선 혹은 수평 주사선에 해당하는 1차원 영상의 구현을 위한 광변조를 수행하게 된다. 예를 들어, 스크린에 구현되는 영상이 도 9와 같이 640(수평 픽셀수) × 480(수직 픽셀수) 해상도를 갖고, 광변조기 어레이(230)가 수직 주사선에 해당하는 1차원 영상의 구현을 위한 광변조를 담당하는 경우를 가정하면, 광변조기 어레이(230)는 상기 수직 픽셀수에 대응되는 총 480개의 광변조기로 구성될 수 있다.
이때, 광변조기 어레이(230)를 구성하는 각각의 광변조기는 수직 주사선을 구성하는 각각의 픽셀에 대한 광강도 정보에 따라 입사된 색광에 대한 광변조를 수행하여 회절광을 생성한다. 여기서, 광강도 정보는 영상 제어 회로(280)로부터 전달(도 8의 광변조기 제어 신호 참조)되며, 구동부(235)는 전달된 해당 광강도 정보에 상응하는 소정 크기의 구동 전압을 각각의 광변조기(정확하게는 각 광변조기에 포함된 압전 소자)에 인가함으로써, 광변조기 어레이(230)가 1차원 영상의 구현을 위한 광변조를 수행할 수 있게 한다.
스캐너(250)는 광변조기 어레이(230)로부터 전달된 변조광(회절광)을 영상 제어 회로(280)로부터 전달된 스캐너 제어 신호에 따라 스크린(270) 상에 스캔한다. 예를 들어, 스캐너(250)는 도 9와 같이 광변조기 어레이(230)로부터 전달된 각각의 수직 주사선(제1 수직 주사선 내지 제n 수직 주사선)에 해당하는 1차원 영상을 수평 방향으로 스캔함으로써 스크린(280) 상에 2차원 영상이 표시될 수 있게 한다.
상술한 색광의 광변조 및 스캔 과정을 적색광, 녹색광 및 청색광에 대하여 각각 1회씩 수행하게 되면, 스크린(280) 상에는 1 프레임의 컬러 영상이 표시될 수 있다. 여기서, 적색광, 녹색광 및 청색광에 대한 광변조에 걸리는 총 시간은 1/(텔 레비전 방송 방식에 따른 필드 주파수) 내 이어야 한다. 본 명세서에서는 빛의 3원색인 적색광, 녹색광 및 청색광을 이용하여 컬러 영상을 구현하는 경우를 예로 들어 설명하지만, 이와 다른 색광의 조합에 의해 컬러 영상을 구현할 수 있음은 자명하다.
텔레비전 방송 방식에 따른 필드 주파수는 사람이 시각적으로 동영상 화면의 끊김을 감지할 수 없는 최소 주파수를 의미한다. 컬러 디스플레이 장치로서 텔레비전 방송방식은 NTSC(national television system committee) 방식, PAL(phase alternation by line) 방식 등이 있다. NTSC 방식은 적색, 녹색, 청색의 삼원색 신호를 하나의 휘도신호(Y)와 두 개의 색차신호(I, Q)로 행렬변환한 다음 다중화하여 6MHz의 주파수 대역폭으로 전송하는 방식이다. PAL 방식은 NTSC 방식의 단점인 색상의 전송방식을 보완한 방식이다. NTSC 방식은 주사선이 525개, 필드 주파수가 60Hz로 구성되어 있으며, PAL 방식은 주사선이 625개, 필드 주파수가 50Hz로 구성되어 있다.
따라서, 필드 주파수에 따라 빛의 3원색인 적색광, 녹색광, 청색광에 대한 각각의 변조광이 1/(필드 주파수, 예를 들어 NTSC 방식의 경우 60Hz, PAL 방식의 경우 50Hz) 시간내에 한 화면 상에 각각 한번씩 투사되면 사람의 눈은 동시에 적색, 녹색, 청색을 모두 포함하는 풀 컬러 영상이 표현된 화면이 형성되고 있는 것으로 인식하게 된다. 즉, 적색, 녹색, 청색에 대한 총 3개의 서브 프레임이 일 화면상에 디스플레이됨으로써 1 프레임의 컬러 영상이 구현되는 것이다.
이하, 도 10 내지 도 15를 참조하여 압전 소자를 포함한 광변조기의 구동 방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 10은 압전 방식의 광변조기에서 색광별 광변조에 이용되는 구동 전압 범위를 예시한 도면이고, 도 11 및 도 12는 압전 방식의 광변조기를 이용한 색광별 광변조를 수행함에 있어서 본 발명의 일 실시예에 따른 광변조기 구동 방법을 나타낸 도면이다.
먼저, 색광별 광변조에 이용되는 구동 전압의 범위는 예를 들어 도 10에 도시된 바와 같을 수 있다. 즉, 압전 방식의 광변조기를 이용하여 색광별로 광변조를 수행함에 있어서 1 픽셀을 8비트 영상 데이터(즉, 256 단계(0~255)의 광강도 세기로 구분되는 영상 데이터)로 표현하는 경우를 가정하면, 적색광의 경우에는 VRmin을 최저 전압값(적색광의 광강도 0에 해당), VRmax를 최고 전압값(적색광의 광강도 255에 해당)으로 하는 전압 범위 내에서 총 256 단계로 구분되는 구동 전압이 인가되고, 녹색광의 경우에는 VGmin을 최저 전압값(녹색광의 광강도 0에 해당), VGmax를 최고 전압값(녹색광의 광강도 255에 해당)으로 하는 전압 범위 내에서 총 256 단계로 구분되는 구동 전압이 인가되며, 청색광의 경우에는 VBmin을 최저 전압값(청색광의 광강도 0에 해당), VBmax를 최고 전압값(청색광의 광강도 255에 해당)으로 하는 전압 범위 내에서 총 256 단계로 구분되는 구동 전압이 광변조기(압전 소자)에 인가될 수 있다. 다만, 도 10에 도시된 색광별 구동 전압 범위는 일 예에 불과하며, 색광의 파장, 색광을 조사하는 광원의 출력 세기, 구현하고자 하는 컬러 영상의 밝기, 선명도 등의 설계 사양에 따라서 다양한 변경이 가능함은 물론이다.
도 11 및 도 12에는 본 발명에 따른 압전 소자를 포함하는 압전 방식의 광변조기에서의 구동 방법이 예시되고 있다. 도 11에 따라 본 발명의 광변조기 구동 방법을 살펴보면, 광변조기를 이용하여 적색광에 대한 광변조를 수행하기에 앞서 소정의 조정 시간을 두어 제1 조정 신호(11)를 압전 소자에 인가한다. 이후, 적색광에 대한 광변조를 위하여 소정의 구동 전압 범위(이하, 이를 제1 전압 범위라 함) 내에서 구동 신호를 압전 소자에 인가한다. 이때, 적색광에 대한 광변조는 해당 화면 상에 적색에 관한 1 서브 프레임의 구현이 완료될 때까지 계속된다(도 11의 적색광 변조 주기 참조).
여기서, 제1 조정 신호(11)는 제1 시간(도 12의 T1 참조) 동안 미리 설정된 기저 전압값(도 11 및 도 12의 Vmin 참조)을 유지하고, 제2 시간(도 12의 T2 참조) 동안 제1 전압 범위의 최고 전압값(도 11 및 도 12의 VRmax 참조)을 유지하며, 제3 시간(도 12의 T3 참조) 동안 상기 제1 전압 범위의 최저 전압값(도 11 및 도 12의 VRmin 참조)을 유지하는 펄스 신호로 설정될 수 있다. 여기서, 색광의 광변조에 앞서 인가되는 제1 조정 신호(11)(후술할 제2 조정 신호(12) 및 제3 조정 신호(13)도 동일함)는 구동 중인 압전 소자에 발생하는 분극 이력을 조정하기 위한 것으로서, 이 에 대한 상세한 설명 및 분극 이력의 조정 원리는 이하 도 13 및 도 14를 통해 보다 명확히 이해할 수 있을 것이다.
적색광에 대한 광변조가 완료된 이후에는 다시 소정의 조정 시간을 두고 압전 소자에 제2 조정 신호(12)를 인가한다. 제2 조정 신호(12)가 인가된 이후에는 녹색광에 대한 광변조를 위하여 소정의 구동 전압 범위(이하, 이를 제2 전압 범위라 함) 내에서 구동 신호를 압전 소자에 인가한다. 이때, 녹색광에 대한 광변조도 해당 화면 상에 녹색에 관한 1 서브 프레임의 구현이 완료될 때까지 계속된다(도 11의 녹색광 변조 주기 참조). 또한 여기서, 제2 조정 신호(12)는 제1 시간(도 12의 T1과 동일 시간) 동안 미리 설정된 기저 전압값(도 11의 Vmin 참조)을 유지하고, 제2 시간(도 12의 T2과 동일 시간) 동안 제2 전압 범위의 최고 전압값(도 11의 VGmax 참조)을 유지하며, 제3 시간(도 12의 T3과 동일 시간) 동안 상기 제2 전압 범위의 최저 전압값(도 112의 VGmin 참조)을 유지하는 펄스 신호로 설정될 수 있다.
녹색광에 대한 광변조가 완료된 이후에는 또다시 소정의 조정시간을 두고 압전 소자에 제3 조정 신호(13)를 인가하며, 제3 조정 신호(13)가 인가된 이후에는 청색광에 대한 광변조를 위하여 제3 전압 범위 내에서 구동 신호를 압전 소자에 인가한다. 제3 조정 신호(13)는 제1 시간(도 12의 T1과 동일 시간) 동안 미리 설정된 기저 전압값(도 11의 Vmin 참조)을 유지하고, 제2 시간(도 12의 T2과 동일 시간) 동안 제3 전압 범위의 최고 전압값(도 11의 VBmax 참조)을 유지하며, 제3 시간(도 12의 T3과 동일 시간) 동안 상기 제3 전압 범위의 최저 전압값(도 112의 VBmin 참조)을 유지하는 펄스 신호로 설정될 수 있다.
여기서, 청색광에 대한 광변조 역시 해당 화면 상에 청색에 관한 1 서브 프레임의 구현이 완료될 때까지 계속되며(도 11의 청색광 변조 주기 참조), 이로써 적색, 녹색 및 청색에 관한 총 3개의 서브 프레임이 일 화면 상에 1/(텔레비전 방송 방식에 따른 필드 주파수, 본 실시예에서는 60Hz) 시간 내에 순차 디스플레이됨으로써 전체적으로 1 프레임의 컬러 영상이 구현되게 된다(후술할 도 15 참조).
도 13 및 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 광변조기 구동 방법에 의할때 압전 소자의 분극 이력 특성의 조정 원리를 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 도 13은 본 발명에 따른 구동 방법으로 압전 소자 또는 광변조기를 구동시킬때의 압전 소자의 분극 이력 특성을 나타낸 것이고, 도 14는 종래의 구동 방법에 따를 때의 압전 소자의 분극 이력 특성을 나타낸 것이다.
앞서 설명한 도 11 또는 도 12에 도시된 방식과 같은 본 발명의 구동 방법에 따라 압전 소자 또는 광변조기를 구동시키는 경우, 압전 소자에 나타나는 분극 이력 특성은 도 13에 도시된 바와 같은 작은 루프(minor loop)에 의해 변화하게 된다. 즉, 본 발명의 구동 방법에 따라 색광별 광변조를 수행함에 있어서 그 사이사이에 소정의 조정 신호를 인가하게 되면, 압전 소자의 분극 이력 특성은 원래의 큰 루프(main loop)에 따른 분극 이력 곡선(도 13의 식별번호 20 및 30 참조)에 의해 변화하지 않고, 그 내부에 형성되는 작은 루프에 의한 분극 이력 곡선(도 13의 식별번호 40 및 50 참조) 내에서 변화하게 되는 것이다. 그 구체적인 이유를 도 11 및 도 12의 제1 조정 신호(11)의 경우를 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
먼저, 적색광에 대한 광변조를 수행하기에 앞서 제1 조정 신호(11)의 제1 시간 동안 미리 설정된 기저 전압값(도 13의 식별번호 11-2)에 해당하는 전압을 유지함에 따라, 압전 소자의 구동 중에 발생한 분극 이력이 원상태로 회복되게 된다. 즉, 이전 색광에 대한 1 서브 프레임의 광변조가 완료된 시점에 최종적으로 인가되었던 구동 전압값(도 11 내지 도 13의 식별번호 11-1 참조)에 의한 분극 이력은 제1 시간 동안 제거되어 원상태로 복귀된다. 이때, 기저 전압값은 최대 0V ~ 10V 사이의 구동 전압을 광변조에 이용하는 경우를 가정할 때 예를 들어 OV로 설정될 수 있다. 물론 설계 사양에 따라 이와 달리 설정될 수도 있음은 자명하다. 그리고 제1 조정 신호(11)의 제2 시간 동안 제1 전압 범위의 최고 전압값(도 11 및 도 12의 VRmax, 도 13의 식별번호 11-3 참조)에 해당하는 전압을 유지함에 따라, 압전 소자의 분극 이력은 메인 루프의 식별번호 20에 해당하는 곡선을 따라 변화한다. 다시 제1 조정 신호(11)의 제3 시간 동안 제1 전압 범위의 최저 전압값(도 11 및 도 12의 VRmin, 도 13의 식별번호 11-4 참조)에 해당하는 전압을 유지함에 따라, 압전 소자의 분극 이력은 마이너 루프의 식별번호 50에 해당하는 곡선을 따라 변화한다. 따라서, 이러한 제1 조정 신호를 압전 소자에 인가한 이후에 적색광에 대한 광변조를 수행하게 하게 되면, 압전 소자의 분극 이력이 적색광 변조 주기 동안 제1 전압 범 위의 최저 전압값(도 13의 식별번호 11-4 참조) 및 제1 전압 범위의 최고 전압값(도 13의 식별번호 11-3 참조)을 양 끝점으로 잇는 마이너 루프의 폐곡선 내에서 변화되도록 조정된다.
이는 제2 조정 신호(12) 및 제3 조정 신호(13)의 경우에도 동일한 결과로서 나타난다. 즉, 본 발명의 구동 방법에 의하면 각각 해당 색광에 대한 광변조가 수행되기에 앞서 소정의 조정 신호를 압전 소자에 인가하는 방법을 이용함으로써, 압전 소자가 갖는 원래의 분극 이력 특성(hysteresis)(즉, 도 13 및 도 14의 식별번호 20 및 30에 의한 메인 루프)에 따라 발생하는 구동상 오류(도 14의 △S1 참조)를 크게 감소시킬 수 있는 이점이 있다(도 13의 마이너 루프에서의 △S1 참조). 이와 같이 압전 소자의 분극 이력에 따른 구동상 오류가 줄어들게 되면, 해당 동작의 정확성 및 신뢰성을 보다 높일 수 있으므로 압전 소자 또는 압전 방식의 광변조기의 일 이용례로서 앞서 설명한 컬러 디스플레이 장치 등에 있어서 보다 정확하고 선명한 컬러 영상을 구현할 수 있는 이점이 있다.
도 15는 본 발명의 광변조기 구동 방법에 의한 구현 컬러 영상의 일 예를 나타낸 도면이다.
본 발명의 구동 방법에 따라 색광의 광변조를 수행하게 되면, 화면 상에는 예를 들어 도 15와 같은 영상이 구현될 수 있다. 즉, 실제 색광의 광변조에 따라 구현되는 컬러 영상 이외에도 1 프레임의 영상의 앞 부분에는 조정 신호에 의해 생 성된 영상(도 15의 조정 영상 신호 참조)도 함께 표시되는 것이다. 이와 같은 조정 영상 신호는 1 영상 프레임에서 실제 구현하고자 하는 컬러 영상과는 무관하게 생성되는 무의미한 영상 데이터인바, 일종의 디스플레이 공간의 손실(loss)에 해당된다고 할 수 있다. 하지만, 1 영상 프레임에서 조정 영상 신호가 차지하는 부분을 최소화할 수 있도록 조정(예를 들어, 도 15과 같이 1 수평 픽셀 또는 그 이하로 조정)한다면, 사람이 이를 인식할 수 없을 뿐만 아니라 화면 상에 구현된 전체 컬러 영상에도 전혀 영향을 주지 않을 수 있다. 반면에 조정 신호를 압전 소자에 인가한 후 색광별 광변조를 수행하게 되면, 압전 소자의 분극 이력을 크게 감소시켜 보다 정확한 광변조 및 그에 따른 보다 고선명, 고화질의 컬러 영상 구현이 가능하다는 이득이 있게 된다. 따라서, 색광별 실제 광변조에 앞선 조정 신호에 따른 분극 이력의 조정 시간(도 11 및 도 12의 조정 시간 참조)은 1 픽셀 변조 시간 또는 그보다 짧게 설정될 수 있다.
이상에서는 본 발명에 일 실시예에 따라 압전 소자 또는 압전 방식의 광변조기 소자의 구동 방법만을 설명하였지만, 상술한 구동 방법은 이를 실행하기 위한 명령어들의 프로그램이 유형적으로 구현됨으로써 컴퓨터를 통해 판독될 수 있는 기록 매체(예를 들어, 하드 디스크, CD-ROM 등)에 포함되어 제공될 수도 있음을 당업자들은 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 압전 소자 구동 방법 및 압전 소자를 포함하는 광변조기 구동 방법 및 이를 실행하기 위한 프로그램을 기록한 기록 매체에 의하면, 압전 소자의 히스테리시스 특성을 감소시켜 압전 소자 또는 압전 방식의 광변조기를 구동시킴에 있어 동작의 정확성 및 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 압전 소자의 히스테리시스 특성을 감소시켜 압전 방식의 광변조기를 이용한 컬러 디스플레이 장치 등에 있어서 영상 왜곡을 방지하여 보다 정확하고 고선명의 영상을 구현할 수 있는 효과가 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 인가된 구동 신호에 따라 수축 또는 팽창하여 변위 대상의 위치 변화를 유도하는 압전 소자의 구동 방법에 있어서,
    (a) 제1 전압 범위 내에서 제1 구동 주기 동안 상기 압전 소자에 구동 신호를 인가하는 단계;
    (b) 상기 제1 구동 주기 동안의 구동에 따른 상기 압전 소자의 분극 이력을 조정하기 위한 조정 신호를 상기 압전 소자에 인가하는 단계; 및
    (c) 제2 전압 범위 내에서 제2 구동 주기 동안 상기 압전 소자에 구동 신호를 인가하는 단계를 포함하되,
    상기 조정 신호는 제1 시간 동안 미리 설정된 기저 전압값을 유지하고, 제2 시간 동안 상기 제2 전압 범위의 최고 전압값을 유지하며, 제3 시간 동안 상기 제2 전압 범위의 최저 전압값을 유지하는 신호인 것을 특징으로 하는 압전 소자의 구동 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압전 소자의 분극 이력은 상기 조정 신호에 의해 상기 제2 구동 주기 동안 상기 제2 전압 범위의 최저 전압값 및 상기 제2 전압 범위의 최고 전압값을 양 끝점으로 잇는 폐루프 곡선 내에서 변화하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 압전 소자의 구동 방법.
  4. 인가된 구동 신호에 따라 수축 또는 팽창하여 변위 대상의 위치 변화를 유도하는 압전 소자를 포함하는 광변조기의 구동 방법에 있어서,
    (a) 이전 서브 프레임에 의한 상기 압전 소자의 분극 이력을 조정하는 조정 신호를 상기 압전 소자에 인가하는 단계; 및
    (b) 현재 서브 프레임에 해당하는 색광의 변조를 위하여 상기 색광에 상응하여 설정된 변조 전압 범위 내에서 상기 압전 소자에 구동 신호를 인가하는 단계를 포함하되,
    상기 조정 신호는 제1 시간 동안 미리 설정된 기저 전압값을 유지하고, 제2 시간 동안 상기 변조 전압 범위의 최고 전압값을 유지하며, 제3 시간 동안 상기 변조 전압 범위의 최저 전압값을 유지하는 신호인 것을 특징으로 하는 광변조기의 구동 방법.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 압전 소자의 분극 이력은 상기 조정 신호에 의해 상기 현재 서브 프레임 동안 상기 변조 전압 범위의 최저 전압값 및 상기 변조 전압 범위의 최고 전압값을 양 끝점으로 잇는 폐루프 곡선 내에서 변화하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 광변조기의 구동 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 조정 신호의 인가 시간은 상기 광변조기의 1 픽셀 변조 시간과 동일하거나 또는 보다 짧게 설정되는 것을 특징으로 하는 광변조기의 구동 방법.
  8. 제4항에 있어서,
    하나의 컬러 영상 프레임은 복수개의 서브 프레임에 의해 구현되되,
    각 서브 프레임에 해당하는 색광의 변조가 수행될 때마다 상기 단계 (a) 및 상기 단계 (b)를 반복하는 것을 특징으로 하는 광변조기의 구동 방법.
  9. 인가된 구동 신호에 따라 수축 또는 팽창하여 변위 대상의 위치 변화를 유도하는 압전 소자의 구동 방법을 수행하는 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 명령어들의 프로그램이 유형적으로 구현되어 있으며 컴퓨터에 의해 판독될 수 있는 기록 매체에 있어서,
    제1항 또는 제3항에 기재된 압전 소자의 구동 방법을 실행하는 프로그램이 기록되고 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체.
  10. 인가된 구동 신호에 따라 수축 또는 팽창하여 변위 대상의 위치 변화를 유도하는 압전 소자를 포함하는 광변조기의 구동 방법을 수행하는 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 명령어들의 프로그램이 유형적으로 구현되어 있으며 컴퓨터에 의해 판독될 수 있는 기록 매체에 있어서,
    제4항, 제6항 내지 제8항 중 어느 한항에 의한 광변조기의 구동 방법을 실행하는 프로그램이 기록되고 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체.
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