KR101222989B1 - 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극 구조를 변경하여 액정의 배향에 의해 렌즈를 구현시 완만한 포물면의 렌즈면 형성을 가능하게 하며, 소요되는 액정층의 셀갭을 줄일 수 있으며 대면적 표시 장치에서도 안정적인 프로파일을 갖는 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치에 관한 것으로, 본 발명의 액정 전계 렌즈는 액정 전계 렌즈는, 복수개의 렌즈영역을 포함하는 액티브 영역과, 그 외곽에 패드 영역을 구비하여 정의되어, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판;과, 상기 각 렌즈 영역들에 대응되어 상기 제 1 기판 상에, 서로 이격된 복수개의 제 1 전극;과, 상기 제 2 기판 상에 전면 형성된 제 2 전극;과, 상기 복수개의 제 1 전극에 각각 서로 다른 전압과, 상기 제 2 전극에 접지 전압을 인가하는 전압원; 및 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 채워진 액정층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
미세 전극, 전압 분배, 입체 표시 장치, 액정 전계 렌즈, 피치

Description

액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치{Liquid Crystal Lens Electrically driven and Stereoscopy Display Device}
본 발명은 표시장치에 관한 것으로 특히, 전극 구조를 변경하여 액정의 배향에 의해 렌즈를 구현시 렌즈면이 완만한 포물면을 갖도록 하며, 소요되는 액정층의 셀갭을 줄일 수 있으며 대면적 표시 장치에서도 안정적인 프로파일을 갖는 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치에 관한 것이다.
오늘날 초고속 정보 통신망을 근간으로 구축될 정보의 고속화를 위해 실현될 서비스들은 현재의 전화와 같이 단순히「듣고 말하는」서비스로부터 문자, 음성, 영상을 고속 처리하는 디지털 단말을 중심으로 한「보고 듣는」멀티 미디어형 서비스로 발전하고 궁극적으로는「시·공간을 초월하여 실감 있고 입체적으로 보고 느끼고 즐기는」초공간형 실감 3차원 입체 정보통신 서비스로 발전할 것으로 예상된다.
일반적으로 3차원을 표현하는 입체화상은 두 눈을 통한 스테레오 시각의 원리에 의하여 이루어지게 되는데 두 눈의 시차 즉, 두 눈이 약 65mm 정도 떨어져서 존재하기 때문에, 두 눈의 위치의 차이로 왼쪽과 오른쪽 눈은 서로 약간 다른 영상 을 보게 된다. 이와 같이, 두 눈의 위치 차이에 의한 영상의 차이점을 양안 시차(binocular disparity)라고 한다. 그리고, 3차원 입체 영상 표시 장치는 이러한 양안 시차를 이용하여 왼쪽 눈은 왼쪽 눈에 대한 영상만 보게 하고 오른쪽 눈은 오른쪽 눈 영상만을 볼 수 있게 한다.
즉, 좌/우의 눈은 각각 서로 다른 2차원 화상을 보게 되고, 이 두 화상이 망막을 통해 뇌로 전달되면 뇌는 이를 정확히 서로 융합하여 본래 3차원 영상의 깊이감과 실제감을 재생하는 것이다. 이러한 능력을 통상 스테레오그라피(stereography)라 하며, 이를 표시 장치로 응용한 장치를 입체 표시 장치라 한다.
한편, 입체 표시 장치는 3D(3-dimension)을 구현하는 렌즈를 이루는 구성요소에 따라 구분될 수 있으며, 일 예로, 액정층을 이용하여 렌즈를 구성하는 방식을 액정 전계 렌즈 방식이라 한다.
일반적으로 액정 표시 장치는 마주보는 2개의 전극과 그 사이에 형성되는 액정층으로 구성되는데, 2개의 전극에 전압을 인가하여 생성되는 전기장으로 액정층의 액정분자를 구동한다. 액정 분자는 분극 성질과 광학적 이방성(optical anisotropy)을 갖는다. 여기서, 분극 성질은 액정분자가 전기장 내에 놓일 경우 액정 분자내의 전하가 액정 분자의 양쪽으로 몰려서 전기장에 따라 분자 배열 방향이 변환되는 것을 말하며, 광학적 이방성은 액정분자의 가늘고 긴 구조와 앞서 말한 분자배열 방향에 기인하여 입사광의 입사 방향이나 편광 상태에 따라 출사광의 경로나 편광 상태를 달리 변화시키는 것을 말한다.
이에 따라 액정층은 2개의 전극에 인가되는 전압에 의하여 투과율의 차이를 나타내게 되고 그 차이를 화소별로 달리하여 영상을 표시할 수 있다.
최근에 이러한 액정분자의 특성을 이용하여 액정층이 렌즈 역할을 하게 하는 액정 전계 렌즈(liquid crystal lens electrically driven)가 제안되었다.
즉, 렌즈는 렌즈를 구성하는 물질과 공기와의 굴절율 차이를 이용하여 입사광의 경로를 위치별로 제어하는 것인데, 액정층에 전극의 위치별로 서로 다른 전압을 인가하여 상기 서로 다른 전기장에 의하여 액정층이 구동되도록 하면, 액정층에 입사하는 입사광은 위치별로 서로 다른 위상 변화를 느끼게 되고, 그 결과 액정층은 실제 렌즈와 같이 입사광의 경로를 제어할 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래의 액정 전계 렌즈를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 액정 전계 렌즈를 나타낸 단면도와, 도 2는 도 1의 액정 전계 렌즈 형성시 전압 인가 후 전위 분포를 나타낸 도면이다.
도 1과 같이, 종래의 액정 전계 렌즈는 마주보는 제 1 및 제 2 기판(10, 20)과, 상기 제 1, 제 2 기판(10, 20) 사이에 형성된 액정층(30)으로 구성된다.
여기서, 상기 제 1 기판(10) 상에는 서로 제 1 이격 거리로 제 1 전극(11)이 형성된다. 이 때, 인접한 제 1 전극(11)들간에 있어서, 일측 제 1 전극(11)의 중심으로부터 타측 제 1 전극(11)의 중심까지의 거리를 피치(pitch)라 하며, 상기 피치를 주기로 동일한 패턴(제 1 전극)이 반복되어 형성된다.
상기 제 1 기판(20)상에 대향되는 제 2 기판(20) 상에는 전면 제 2 전극(21)이 형성된다.
상기 제 1, 제 2 전극(11, 21)은 투명 금속으로 이루어진다. 그리고, 상기 제 1, 제 2 전극(11, 21) 사이의 이격 공간에는 액정층(30)에 형성되며, 이러한 액정층(30)을 이루는 액정 분자는 전기장의 세기 및 분포에 따라 반응하는 특성에 의해 도 2와 같은 액정 전계 렌즈와 유사한 위상분포를 갖게 된다.
이러한 액정 전계 렌즈는 상기 제 1 전극(11)에 고전압을 인가하고, 상기 제 2 전극(21)을 접지시키는 조건에서 형성되는 것으로, 이러한 전압 조건에 의해 제 1 전극(11)의 중심에서 가장 강한 수직 전계가 형성되고, 상기 제 1 전극(11)으로부터 멀어질수록 약한 수직 전계가 형성된다. 이에 따라, 액정층(30)을 이루는 액정 분자가 양의 유전율 이방성을 가질 때, 상기 액정 분자는 전계에 따라 배열되어, 상기 제 1 전극(11)의 중심에서는 서있게 되고, 상기 제 1 전극(11)과 멀어질수록 수평에 가깝게 기울어진 배열을 갖게 된다. 따라서, 광의 전달의 입장에서는 도 2와 같이, 상기 제 1 전극(11)의 중심이 광경로가 짧게 되고, 상기 제 1 전극(11)으로 멀어지면 멀어질수록 광경로가 길어지게 되며, 이를 위상면으로 나타냈을 때, 표면이 포물면을 갖는 렌즈와 유사한 광 전달 효과를 갖게 된다.
여기서, 상기 제 2 전극(21)은 액정 전계의 거동을 유발하여, 전체적으로 빛이 느끼는 굴절율을 공간적으로 포물 함수가 되도록 유도하며, 제 1 전극(11)은 렌즈의 모서리부(에지 영역)를 형성토록 한다.
이 때, 제 1 전극(11)은 제 2 전극(21)에 비해 다소 높은 전압이 인가되며, 따라서, 도 2와 같이, 제 1 전극(11)과 제 2 전극(21) 사이에는 전위차가 발생함으로써, 특히, 상기 제 1 전극(11) 부위에는 급격한 측면 전장을 유발하게 된다. 이에 따라, 액정은 완만한 분포를 이루지 못하고, 다소 왜곡된 형태의 분포를 이룸으로써, 공간적인 굴절율 분포를 포물면 형태로 이루지 못하거나, 혹은 전압에 대해 매우 민감하게 움직이는 특징이 있다.
이러한 액정 전계 렌즈는 물리적으로 포물면의 표면을 갖는 렌즈의 구비없이, 액정과 상기 액정을 사이에 두고 양기판 상에 전극을 형성하고, 이에 전압을 인가함에 의해 얻어질 수 있다.
상기와 같은 종래의 액정 전계 렌즈는 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 하판에 형성되는 전극이 렌즈 영역의 극히 일 부분에만 형성되어, 상기 전극에 대응되는 렌즈 에지 영역과 이와 멀어지는 렌즈 중심 영역 사이의 전계가 완만하게 형성되지 않고, 급격한 측면 전장을 유발시켜 다소 왜곡된 위상의 액정 전계 렌즈를 갖도록 형성한다. 특히, 액정 전계에 의해 형성하는 액정 전계 렌즈에 있어서, 렌즈 영역의 피치가 늘면 늘수록 고전압이 인가되는 전극이 유한하기 때문에, 렌즈 영역에 상기 고전압이 인가되는 전극과 대향기판 사이에 걸리는 전계가 충분하지 않아, 렌즈와 동일 효과를 갖는 완만한 포물면의 액정 전계 렌즈의 형성이 점점 어려워진다.
둘째, 대면적 표시 장치일수록 고전압이 인가되는 전극이 위치한 렌즈 영역의 에지 영역에서 멀어지는 렌즈 중심 영역은 전계에 의한 효과가 거의 없어져, 이 부위에서 전기장에 의한 액정 배열 조절이 힘들며, 이에 따라 전계로 조성되는 렌즈 형상의 왜곡이 심하다. 경우에 따라, 렌즈 중심 영역에서 조절이 불가하거나 어려운 경우, 형성된 액정 전계 렌즈는 불연속적인 렌즈 프로파일을 갖게 되어, 렌즈로 이용하기 어려운 실정이다.
셋째, 단일의 고전압이 인가되는 전극과 이에 대향하는 기판 상에 전면 형성된 전극과의 수직 전계에 따라 조성되는 액정 전계 렌즈의 높이(sag)는 그 높이가 높고, 이러한 액정 전계 렌즈의 높이의 상하로 마진을 구비하여야 하기 때문에, 전 체적으로 상기 액정 전계 렌즈를 형성하기 위해 소요되는 액정량이 많다. 이에 대한 개선이 요구되는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 전극 구조를 변경하여 액정의 배향에 의해 렌즈를 구현시 완만한 포물면의 렌즈면 형성을 가능하게 하며, 소요되는 액정층의 셀갭을 줄일 수 있으며 대면적 표시 장치에서도 안정적인 프로파일을 갖는 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치를 제공하는 데, 그 목적이 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 액정 전계 렌즈는, 복수개의 렌즈영역을 포함하는 액티브 영역과, 그 외곽에 패드 영역을 구비하여 정의되어, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판;과, 상기 각 렌즈 영역들에 대응되어 상기 제 1 기판 상에, 서로 이격된 복수개의 제 1 전극;과, 상기 제 2 기판 상에 전면 형성된 제 2 전극;과, 상기 복수개의 제 1 전극에 각각 서로 다른 전압과, 상기 제 2 전극에 접지 전압을 인가하는 전압원; 및 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 채워진 액정층을 포함하여 이루어진 것에 그 특징이 있다.
상기 제 1 전극들은 상기 제 1 기판의 세로 방향을 따라 막대 형상으로 형성되며, 각각의 폭은 동일하게 형성한다. 이 경우, 상기 제 1 전극들간의 간격은 동일한 것이 바람직하다.
또한, 상기 복수개의 제 1 전극은 상기 제 1 전극의 폭 및 인접한 제 1 전극간의 이격 간격은 2~10㎛으로 한다.
이러한, 상기 복수개의 제 1 전극은 상기 제 1 기판 상의 동일층 상에 형성될 수도 있고, 경우에 따라, 상기 제 1 기판 상에 하나 이상의 절연막을 더 구비하여 형성할 수도 있다. 후자의 경우, 상기 복수개의 제 1 전극은 상기 제 1 기판의 각 렌즈 영역에서, 좌우 대칭형이 되도록, 상기 제 1 기판 및 절연막 상에 형성하며, 상기 절연막 상의 복수개의 제 1 전극은 상기 제 1 기판 상의 복수개의 제 1 전극이 형성되지 않은 부위에 대응되어 형성한다.
상기 전압원은, 상기 복수개의 제 1 전극에 각각 서로 다른 전압을 인가하기 위해, 최대전압과 최소 전압을 인가받아 그 사이의 복수개의 서로 다른 전압을 생성하는 분배 전압 생성부를 포함하여 이루어진다.
그리고, 이 때, 상기 패드 영역에는 금속 배선을 더 포함하며, 상기 분배 전압 생성부로부터 출력되는 전압 신호들은 상기 패드 영역의 금속 배선에 연결되고, 상기 금속 배선과 상기 제 1 전극의 단부에서 콘택을 갖는다. 이 경우, 상기 분배 전압 생성부로부터 출력되는 전압 신호들의 수는 상기 각 렌즈 영역의 에지부와 중앙부 사이에 위치하는 제 1 전극 수에 상당하다. 이 때, 상기 분배 전압 생성부로부터 출력되는 전압 신호들은 상기 각 렌즈 영역의 중앙부와 에지부 사이에서, 상기 중앙부 또는 에지부를 경계로 좌우 양의 2차함수 형에 해당하는 전압 신호들이 대응된다.
한편, 상기 분배 전압 생성부는, 최대 전압과 최소 전압 사이의 전압 신호 분배를 위해, 최대 전압과 최소 전압 인가단과 각 전압 신호 출력단들 사이의 저항(resistor)과, 각 전압 신호 출력단으로부터 상기 패드 영역의 금속 배선 사이에 버퍼를 구비하여 이루어진다.
그리고, 상기 복수개의 제 1 전극들을 포함한 상기 제 1 기판 상에 제 1 배향막이, 상기 제 2 전극 상에 제 2 배향막이 더 형성되며, 상기 제 1 배향막은 상기 제 1 전극의 길이 방향으로 러빙되며, 상기 제 2 배향막은 상기 제 1 배향막의 러빙 방향과 교차하는 방향으로 러빙된다.
그리고, 상기 제 1 및 제 2 전극은 투명 금속으로 형성한다.
또한, 본 발명의 입체 표시 장치는, 상술한 액정 전계 렌즈와, 상기 액정 전계 렌즈 하측에, 상기 액정 전계 렌즈로 이차원의 영상 신호를 전달하는 표시 패널을 포함하여 이루어진 것에 또 다른 특징이 있다.
상기와 같은 본 발명의 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 종래의 액정 전계 렌즈는 하판의 일부영역에만 전극이 형성되어, 상기 전극에 의해 유도되는 수직 전계에 측면 전기장의 영향이 전극에 멀어질수록 작아져, 전극과 멀어지는 영역, 예를 들어, 렌즈 영역의 중심 부위에서 액정의 배향 조절이 힘들다. 본 발명의 액정 전계 렌즈는 렌즈 영역 전체에 걸쳐 전극을 일정 간격으로 형성하고, 상기 전극들에 서로 다른 전압, 예를 들어, 렌즈 영역의 에지부는 가장 큰 전압을 인가하고, 중심 영역으로 갈수록 서서히 작은 값을 인가하여, 렌즈 영역 내에 완만하고 부드러운 계면의 포물면 형태의 액정 전계 렌즈의 형성이 가능하다.
둘째, 완만한 포물면 형태의 액정 전계 렌즈의 형성에 의해 렌즈가 형성되는 액정층의 셀갭을 줄일 수 있어, 액정층 형성에 소요되는 시간 및 공정에 대한 부담을 줄일 수 있다. 이는 결과적으로 비용 감소의 효과를 얻을 수 있다.
셋째, 단일 렌즈 영역 내의 단일층 또는 복수층의 절연층(또는 기판) 상에 복수개의 전극들을 배치하여, 이들 각각에 전압을 인가하여 액정층을 구동시켜 액정 전계 렌즈를 얻는 것으로, 렌즈 영역의 전체에 걸쳐 전극이 배치되어, 위치별로 특별히 전계가 강하거나 약해지는 문제점을 해결하여, 대면적 표시 장치의 경우에도 액정층 구동에 필요한 완만한 전계 형성이 가능하여, 이로 인해 완만한 포물면 렌즈를 갖는 액정 전계 렌즈의 형성이 가능하다.
넷째, 이중층 혹은 그 이상의 층으로, 복수개의 미세 전극을 구비하여 일 렌즈 영역을 구동하고, 이들 복수층의 각 미세 전극들의 평면적으로 상기 액티브 영역을 모두 메우는 정도의 폭을 갖도록 전극 배치를 취할 경우, 액정 전계 렌즈의 프로파일을 보다 매끄럽게 향상시킬 수 있고, 또한, 전계 효과 상승에 의해 액정 전계 렌즈가 형성되는 셀 갭을 보다 낮출 수 있어, 액정층 형성에 소요되는 최소 셀갭을 줄여 액정층을 이루는 액정량을 감소시킬 수 있다.
다섯째, 액정 전계 렌즈에 복수개의 전극을 구비할 경우, 해당 전극들에 서로 다른 전압을 인가시 이들 전압을 설정된 최소 전압과 최대 전압 사이에 복수개의 저항과 버퍼를 구비하여, 복수개의 전압 값으로 분배하는 분배 전압 생성부를 더 구비함에 의해, 미세 전극 구비시 인가되는 전압 값의 생성을 가능하게 할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정 전계 렌즈를 이용한 입체 표시 장치를 나타낸 단면도이며, 도 4는 도 3의 액정 전계 렌즈를 나타낸 단면도이다.
도 3과 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정 전계 렌즈를 포함하는 입체 표시 장치는, 전압 인가에 따라 구동되어 렌즈 기능을 갖는 액정 전계 렌즈(1000)와, 상기 액정 전계 렌즈(1000) 하측에 이차원 영상 정보를 출사하는 표시 패널(350)과, 상기 표시 패널(350) 하측에 표시 패널(350)로 광을 전달하는 광원(700)을 포함하여 이루어진다.
경우에 따라, 상기 표시 패널(350)이 광을 직접 발광하는 장치라면, 상기 광원(700)의 생략이 가능하다.
상기 표시패널(350)에는 제 1 및 제 2 영상(IM1, IM2)을 각각 표시하는 제 1 및 제 2 영상 화소(P1, P2)가 순차적으로 반복 배열되어 있으며, 이러한 표시패널(350)로는 액정표시소자(Liquid crystlal Display Device: LCD), 유기 발광 소자(Organic Light Emitting Display Device: OLED), 플라즈마 표시 소자(Plasma Display Panel: PDP), 전계발광소자(Field Emission Display Device: FED) 등의 평판 표시 장치가 사용될 수 있다. 이러한 표시 패널(350)은 상기 액정 전계 렌즈(1000) 하측에 위치하여, 상기 액정 전계 렌즈(1000)로 이차원의 영상 신호를 전달하는 역할을 한다.
본 발명의 액정 전계 렌즈(1000)는, 이차원 영상 신호를 렌즈면의 프로파일에 따라 삼차원 영상 신호를 출사하는 기능을 갖는 것으로, 상기 이차원을 구현하는 표시 패널(350) 상부에 위치하며, 전압 인가 여부에 따라 선택적으로 삼차원 영상 신호의 출사 혹은 이차원 영상 신호를 그대로 출사하는 기능을 한다. 즉, 상기 액정 전계 렌즈(1000)에 전압 무인가시 광이 투과되는 특성을 이용하여 전압 무인가시는 이차원 표시가 가능하고, 상기 액정 전계 렌즈(1000)에 전압 인가시는 삼차원 표시와 같은 스위칭 기능을 겸용할 수 있다.
이하, 상기 액정 전계 렌즈(1000)를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 3 및 도 4와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정 전계 렌즈(1000)는, 복수개의 렌즈영역이 대응되어 정의되며, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판(100, 200)과, 각 렌즈 영역들에 대하여 상기 제 1 기판(100) 상에 서로 이격된 복수개의 제 1 전극(101)과, 상기 제 2 기판(200) 전면에 형성된 제 2 전극(201)과, 상기 제 1 전극들(101)에 각각 서로 다른 전압을 인가하는 전압원(Vmin, V1, V2, ...,Vmax) 및 상기 제 1 기판(100) 및 제 2 기판(200) 사이에 채워진 액정층(300)을 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 제 1 및 제 2 전극(101, 201)은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide)과 같은 투명 금속으로 형성하여, 각 전극이 위치한 부위에서 투과율의 손실을 방지한다.
이때, 상기 렌즈 영역(L)의 중심(O)에서는 대략 문턱 전압(Vth)에 상당한 제 1 전압(Vmin)이 인가되며, 상기 렌즈 영역(L)들의 에지부(E)에 위치한 제 1 전 극(101)에 가장 큰 제 n 전압(Vmax)이 인가된다. 이 경우, 상기 렌즈 영역(L)의 중심(O)과 에지부(E) 사이의 위치하는 상기 제 1 전극들(101)에 인가되는 전압은 상기 렌즈 영역의 문턱 전압에 상당한 제1 전압(Vmin)에서 제 n 전압(Vmax) 사이이며, 상기 렌즈 영역(L)의 중심에서 멀어질수록 점점 커지는 값의 전압이 인가된다. 한편, 이와 같이, 상기 복수개의 제 1 전극(101)에 전압이 인가되면 상기 제 2 전극(201)에는 접지 전압을 인가하여, 상기 제 1 전극(101)과 상기 제 2 전극(201) 사이에 수직 전계를 조성한다.
이러한 복수개의 제 1 전극(101)은 상기 렌즈 영역(L)에서, 상기 렌즈 영역의 에지부(E)를 경계로 좌우 대칭형으로 형성된다. 이러한 상기 각 제 1 전극(101)들은 패드부(표시 패널(350)의 비표시부에 대응)에서, 해당 전압원(Vmin, V1, V2, V3, ..., Vmax)들과 금속 배선들(110)을 통해 연결되어, 해당 전압이 인가된다.
여기서, 상기 렌즈 영역(L)의 중심(O)에 대응되어 형성된 제 1 전극(101)에 인가되는 가장 작은 문턱 전압에 해당하는 상기 제 1 전압(Vmin)은 약 1.4~2V 를 피크(peak) 값으로 하는 교류 사각파이며, 이러한 문턱 전압 Vmin)은
Figure 112007075252394-pat00001
(Δε는 액정 유전율 이방성, K1은 액정의 탄성 계수, ε0은 자유공간 유전율)로 계산된다. 또한, 상기 렌즈 영역(L)의 에지(E)에 대응되어 제 1 전극(101)에 인가되는 전압 중 가장 큰 고전압은 약 2.5~10V를 피크값으로 하여 인가되는 교류 사각파이다.
한편, 상기 액정 전계 렌즈(1000)에 구비된 복수개의 제 1 전극들(101)에 상술한 문턱전압(1.4~2V를 피크값으로 하는 교류 사각파)에서 고전압(2.5~10V를 피크 값으로 하는 교류 사각파) 사이의 값으로 인가하고, 상기 제 2 전극(201)에 접지 전압을 인가할 경우, 액정 전계 렌즈(1000)는 포물선면의 광학 렌즈와 유사한 렌즈로 작용하게 되고, 상기 표시 패널(350)로부터 출사된 제 1 및 제 2 영상(IM1, IM2)은 상기 액정 전계 렌즈(1000)에 의하여 각각 제 1 및 제 2 시역(viewing zone)(V1, V2)으로 전달되고, 상기 제 1, 제 2 시역(V1, V2)간의 거리를 사람의 두 눈 사이의 거리로 설계하면 사용자는 상기 제 1 및 제 2 시역(V1, V2)으로 각각 전달되는 제 1 및 제 2 영상(IM1, IM2)을 합성하여 양안시차에 의한 3차원 영상을 인식한다.
한편, 제 1 전극(101) 및 제 2 전극(201)에 전압을 인가하지 않을 경우, 상기 액정 전계 렌즈(1000)는 상기 표시 패널(350)의 제 1 및 제 2 영상(IM1, IM2)의 굴절 없이 그대로 표시되는 단순 투명층 역할을 한다. 따라서, 제 1 및 제 2 영상(IM1, IM2)은 시역구분 없이 그대로 사용자에게 전달되고 사용자는 2차원 영상을 인식하게 된다.
도면에서는, 상기 액정 전계(1000)의 일 렌즈 영역(L)은, 액정 전계 렌즈 하측에 위치하는 표시 패널(350)의 2개의 화소들(P1, P2)의 폭에 대응되어 형성된 모습을 나타내고 있으며, 경우에 따라 복수개의 화소들이 상기 일 렌즈 영역(L)에 대응되어 형성될 수 있다. 또한, 상기 렌즈 영역(L)들은 화소들에 대하여 일정 각도로 기울인 방향으로 형성할 수도 있고, 경우에 따라 화소들에 대해 계단형상(렌즈 배치가 n번째 화소 수평 라인에 대해 (n+1)번째 화소 수평라인측에서 일정 폭 쉬프트되어 형성)으로 형성할 수도 있을 것이다.
상기 렌즈 영역(L)은 일 피치(pitch)에 대응되는 폭을 갖도록 정의되며, 동일한 피치를 갖는 렌즈 영역(L)이 일 방향(도 4에서는 가로 방향)으로 주기적으로 반복된다. 이 때, 일 피치(P: pitch)란 일 렌즈 영역(L)의 가로폭을 의미하며, 상기 렌즈 영역은 도시된 볼록 렌즈와 같은 물리적인 렌즈 형상을 갖는 것이 아니라, 전계 인가에 따라 액정 배열되어 이루어지는 하나의 렌즈 기능을 갖는 영역을 표시한 것이다. 도 4에서, 상기 렌즈 영역(L)의 중심(O)에서 상기 렌즈 영역(L)의 에지부(E)까지는 P/2에 상당한 거리를 가지는 것으로, 상기 렌즈 영역(L)의 에지부(E)에서 각 렌즈 영역의 중심(O)까지 대칭형의 제 1 전극(101)들에 대칭의 전압 값이 인가됨을 나타낸다.
그리고, 상기 제 1 전극(101)을 포함한 상기 제 1 기판(100)과, 상기 제 2 전극(201) 상에는 각각 제 1 배향막(102)과 제 2 배향막(202)이 형성된다. 이 때, 상기 제 1, 제 2 배향막(102, 202)은 전압 무인가시의 초기 상태에서 상기 액정 전계 렌즈(1000)가 투과층으로 기능시키기 위해, 제 1 배향막(102)의 러빙 방향을 상기 제 1 전극(101)의 방향과 동일하게 하고, 상기 제 2 배향막(202)의 러빙 방향을 이에 교차하는 방향으로 한다. 이를 통해 표시 패널(350)을 통해 하부에서 전달되는 되는 상기 액정 전계 렌즈(1000)를 거쳐 그대로 관측자에게 투과 전달시킨다.
상술한 렌즈 영역(L)은 도시된 4에 도시된 형상이 일 피치(P)를 주기로 가로 방향으로 반복되어 형성된다.
그리고, 상기 복수개의 제 1 전극(101)은 상기 제 1 기판(100)의 세로 방향(도면을 투과하는 방향)을 따라 막대 형상으로 형성되며, 단일 제 1 전극(101)의 폭을 2~10㎛으로 하며, 인접한 제 1 전극(101)간의 간격을 2~10㎛로 하여 배치한다. 예를 들어, 렌즈 영역의 피치(pitch)는 90 내지 1000㎛ 정도로 다양하게 가변할 수 있는데, 상술한 제 1 전극(101)의 폭 및 이격 간격에 따라 렌즈 영역별로 10개 내외에서 100개 이상까지 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 제 1 전극(101)의 폭 및 이격 간격은 균일 간격을 갖도록 한다. 상술한 수치 2~10㎛의 범위에서 동일한 값을 갖도록 한다.
한편, 도시하지 않았지만, 상기 제 1, 제 2 기판(100, 200)의 외곽 영역(패드부를 포함한 비표시 영역)에는 씰 패턴(미도시)이 형성되어 상기 제 1, 제 2 기판(100, 200) 사이를 지지한다. 또한, 상기 제 1, 제 2 기판(100, 200) 사이의 액정층(300)은 충분한 위상의 액정 전계 렌즈 형성을 위해, 약 15㎛ 이상의 두께에 상당하도록 충분한 두께로 형성하는데, 이러한 액정층(300)의 두께를 안정하게 유지하기 위해 상기 제 1, 제 2 기판(100, 200) 사이의 셀 갭을 지지하는 볼 스페이서 또는 칼럼 스페이서가 더 형성될 수 있다. 이 경우, 포함되는 스페이서는 상기 액정 전계 렌즈의 위상을 왜곡시키지 않는 위치에 형성하는 것이 좋다.
도 5는 본 발명의 액정 전계 렌즈와 이의 전압 인가부를 나타낸 개략도이며, 도 6은 본 발명의 액정 전계 렌즈를 나타낸 평면도이다.
도 5 및 도 6과 같이, 본 발명의 액정 전계 렌즈는, 크게 표시가 이루어지는 액티브 영역(151)과, 상기 액티브 영역(151)에 형성된 제 1 전극(101) 및 제 2 전극(201)에 전압 신호를 인가 및 전달하기 위한 패드 영역(152)을 포함하여 이루어진다.
그리고, 상기 패드 영역(152)은 외부로부터 전압 신호를 인가하는 전압원을 구비하며, 상기 전압원은 분할 전극에 인가 전압을 생성하는 분배 전압 생성부(도 8의 160 참조)와, 상기 분배 전압 생성부와 상기 패드 영역(152)을 연결하는 링크부(161)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 상기 전압원은 상기 복수개의 제 1 전극(도 3 및 도 4의 101)에 각각 서로 다른 전압과, 상기 제 2 전극(도 3 및 도 4의 201)에 접지 전압을 인가하며, 이 때, 상기 복수개의 제 1 전극(101)에 서로 다른 전압을 인가하기 위해, 상기 전압원은 최대, 최소 전압과 그 사이의 각각의 전압 출력단 사이에 저항을 구비하고, 상기 전압 출력단에 버퍼를 더 구비하여 분배전압 생성부를 더 형성된다. 이 때, 상기 최소 전압(Vmin)과 최대 전압(Vmax)과, 각각의 전압 출력단 사이에 출력되는 저항들(R1, ..., Rn-1)의 크기는 분배가 이루어지는 전압 크기에 따라 조절한다. 상기 렌즈 영역(L)의 에지부(E)에서 중앙부(O)로 가면서 각 제 1 전극(101)에 인가되는 전압이 점점 커진 값으로 인가되며, 이러한 전압의 조절은 앞서 저항들의 크기에 따라 조절될 수 있다.
여기서, 상기 각 제 1 전극(101)의 단부와, 상기 패드 영역에 형성된 각각 제 1 전압(Vmin)부터 제 n 전압(Vmax)까지의 총 n 개의 전압 신호가 인가되는 금속 배선들(110)과 콘택된다.
도 6에서는, 금속 배선(110)이 각각 액티브 영역의 상하에 위치한 패드 영역 에 위치한 상태가 도시되어 있고, 상기 상하 패드 영역에 (2n-1)개의 금속 배선이 형성된 상태를 나타내고 있다. 여기서, 도면상의 중앙에 도시된 렌즈 영역의 에지부와 좌측의 렌즈 영역의 중심부 사이에, 총 n 개의 금속 배선(110)이 가장 하단부터 시작하여, 제 1 전압(Vmin)이 인가되며 이로부터 점점 커져 n 번째 금속 배선(110)에서는 제 n 전압(Vmax)이 인가된다. 그리고, 상기 우측의 렌즈 영역의 중심부(O)와, 중앙에 도시된 렌즈 영역의 에지부(E) 사이에, 총 n개의 금속 배선(110)이 위치하고, 위에서부터 차례로, 제 1 전압(Vmin)부터 제 n전압(Vmax)까지 인가된다. 이 경우, 전압 인가는 상기 렌즈 영역(L)의 에지부(E)를 경계로 하여, 상기 에지부(E)에 대응되는 제 1 전극(101)과 이와 콘택하는 금속 배선(110)을 경계로 하여, 그 상하의 금속 배선(110)이 대칭적으로 점점 제 n 전압(Vmax)으로부터 제 1 전압(Vmin)까지 줄어드는 전압 신호가 인가되며, 각각의 제 1 전극(101)들이 이들 금속 배선과 차례로 콘택되어, 상기 렌즈 영역의 에지부(E)로부터 중심부(O)로 갈수록 점점 줄어드는 전압 값이 인가된다. 이 때, 상기 제 1 전극(101)들과 상기 금속 배선(110)과의 콘택은 그 사이에 보호막(미도시)을 개재하여 콘택홀을 형성하여 이루어진다.
여기서, 상기 복수개의 제 1 전극(101)은 상기 렌즈 영역에서 동일 간격의 폭과 이격 간격을 갖도록 배치되며, 이들은 상기 제 1 기판(100) 상의 동일층 상에 형성된다. 도 3 및 도 4에 있어서는, 상기 제 1 전극(101)이 상기 제 1 기판(100)의 표면에 바로 형성된 상태가 도시되어 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다른 형태를 갖는 액정 전계 렌즈를 나타낸 평면도이다.
도 7a는 다른 형태를 갖는 액정 전계 렌즈의 평면도로, 도 6과 비교하여, 패드 영역의 구성을 상하 대칭 구조로 취하지 않고, 액티브 영역의 상측에만 n 개의 금속 배선(110)을 포함한 패드 영역을 구비하여, 최대한 금속 배선(110) 형성 부위와 콘택 부위를 줄여, 액티브 영역을 늘려 형성한 예를 나타낸다. 이 경우, 상기 금속 배선(110) 중, n 개의 금속배선(110)은 제 1 전압(Vmin)부터 제 n 전압(Vmax)까지 각각 총 n 개의 전압 신호가 인가되어 있고, 하나의 렌즈 영역(도면상에서는 가운데를 렌즈 영역의 에지부로 하고, 가장자리를 중앙부로 정의), 일측 에지부부터 타측 에지부까지 총 (2n-1)개의 제 1 전극(101)이 구비되어 있어, 제 n 전압(Vmax)신호가 인가되는 금속 배선(110)을 제외하고는 나머지 제 1 전압(Vmin)부터 제 (n-1) 전압(Vmax-1)신호가 인가되는 금속 배선들(110)을 각각의 제 1 전극(101)과 좌우 대칭적으로 2개의 콘택을 구비하고 있다.
이러한 상기 패드부의 구성을 제외하고는 상기 상술한 구조는 앞서 설명한 도 6의 구조와 일치하며, 동일한 부분에 대하여는 설명을 생략한다.
도 7b는 도 7a와 비교하여, 각각 액티브 영역의 상하부에 총 n 개의 금속 배선(110)을 구비한 패드 영역을 형성한 것으로, 도 7a에 있어서, 일측에만 구비되었던 패드 영역이 상하측에 대칭적으로 형성된 점을 제외하고는 동일하다. 따라서, 동일 부분에 대하여는 설명을 생략한다.
도 6과 도 7a 및 도 7b의 기능을 살펴보면, 각각 복수개의 제 1 전극들에 서 로 다른 전압 값을 인가하기 위해 패드 영역의 구성을 취한 것으로, 도 6 및 도 7b의 경우, 액티브 영역의 상하단부에 패드 영역을 서로 대칭적으로 구성으로, 일측으로만 전압 신호가 인가시 타측에 있어서, 전압 강하가 일어나는 문제점과 이로 인한 불량을 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 도 7a와 같이, 일측에만 패드 영역을 구성을 형태는 소형 모델 등에 주로 이용될 수 있는 것으로, 전극의 길이가 짧아 전압 강하의 문제점이 없는 경우에 개구율의 손실없이 주로 이용할 수 있다.
도 8은 본 발명의 전압 인가 방식을 나타낸 블럭도이다. 그리고, 도 9는 본 발명의 액정 전가 렌즈의 인가 전압에 따른 위상차와 이에 따른 렌즈 모양을 나타낸 그래프이며, 도 10은 본 발명의 액정 전계 렌즈의 위치별 전위 분포이다.
한편, 도 8과 같이, 상기 전압원으로 기능하는, 분배 전압 생성부(160)는, 최대 전압(Vmax)과 최소 전압(Vmin) 사이의 전압 신호 분배를 위해, 최대 전압(Vmax)과 최소 전압 인가단(Vmin)과 각 전압 신호 출력단들 사이의 저항(resistor)(R1, R2, ..., Rn-1)과, 각 전압 신호 출력단으로부터 링크부(161)를 거쳐 상기 패드 영역(152)의 금속 배선(110)으로 인가되며, 상기 각 전압 신호 출력단의 단부에 신호를 안정화하여 출력하는 버퍼(B1, B2,...., Bn)를 구비하여 이루어진다.
상기 제 1 전극들에 인가되는 전압은 도 9 및 도 10에서 정의된 관계로 산출하며, 이 경우, 각각의 전압 생성은 도 8의 Vmax(최대 전압)과 Vmin(최소 전압) 사이에 분배 전압 생성부(160)를 두어 이루어진다. 이 때, 상기 분배 전압 생성 부(160)는 상기 Vmax(최대 전압)과 Vmin(최소 전압)의 각각의 전원 전압원 사이에 각 제 1 전극들에 인가되는 전압을 분배 가능한 복수개의 저항(R1, R2, ...., Rn-2, Rn-1)을 구비하고, 상기 복수개의 저항들 사이에 노드를 설정하고, 상기 노드들로부터 출력되는 전압 신호를 안정화하는 버퍼(buffer)를 구비한다. 이 때, 버퍼로부터 상기 전압원들과의 연결 배선과 상기 패드 영역의 금속 배선과의 연결을 통해 최종적으로 상기 액티브 영역으로 해당 전압 신호가 인가된다.
이 때, 상기 전압 분배기를 흐르는 전류는 수 mA로 설정한다. 여기서, 전류는 너무 작으면 구동 전압 편차가 커져 안정적이지 못한 전압 레벨이 각 노드로 출력될 수 있고, 전류가 너무 커지면 불필요하게 전압 분배기 내의 저항들에 열소모 전력이 발생할 수 있으므로, 전압 분배기 내의 구동 전압 편차와 열소모 전력을 가감하여 소정의 전류 값을 결정하도록 한다.
상기 분배 전압 생성부(160)로부터 출력되는 전압 신호(Vmin, V1, ..., Vmax)들은 링크부(161)를 거쳐 상기 패드 영역(152)의 금속 배선(110)에 연결되고, 상기 금속 배선(110)과 상기 제 1 전극(101)의 단부에서 콘택을 갖는다. 이 경우, 상기 분배 전압 생성부(160)로부터 출력되는 전압 신호들의 수는 상기 각 렌즈 영역의 에지부(E)와 중앙부(O) 사이에 위치하는 제 1 전극들(101)의 수에 상당하다. 이 때, 상기 분배 전압 생성부(160)로부터 출력되는 전압 신호들은 상기 각 렌즈 영역의 중앙부와 에지부 사이에서, 상기 중앙부 또는 에지부를 경계로 도 10에 도시된 바와 같은, 좌우 양의 2차 함수 형에 해당하는 전압 신호들이 대응된다.
그리고, 이러한 적절한 인가 전압의 선택은 예를 들어, 도 9와 같이, 인가 전압을 소정 값으로 하였을 때, 액정층이 갖는 위상차에 따라 산출한 테이블을 예로 하여, 상기 전압 및 위상차에 관계에 따라 시뮬레이션된 액정 전계 렌즈와, 구현하고자 하는 시뮬레이션의 형상이 유사한 경우, 해당 테이블을 선택하고, 해당 테이블로부터 렌즈 영역의 전극 위치별 전압 값을 산출한다.
도 9와 같이, 본 발명의 액정 전계 렌즈는 도 7에서와 같은 포물 렌즈면을 갖는 렌즈의 형성이 가능하기 위해서는 복수개 형성된 제 1 전극에 인가되는 전압이 렌즈 영역의 에지부로부터 중심까지 점차 낮은 전압이 인가되어야 한다. 즉, 도 9에서 위상차(렌즈 모양에 있어서, 세로축에 해당)가 큰 쪽(렌즈 영역의 중심)은 인가 전압이 낮은 전압이 인가되는 것이며, 위상차가 낮은 쪽(렌즈 영역의 에지부)은 인가 전압이 높은 전압이 인가되어야 한다. 즉, 인가 전압과 위상차는 서로 반비례 관계에 있다.
또한, 도 10과 같이, 렌즈 영역 내의 에지부에서 중심으로 갈수록 인가 전압은 Vmax에서 Vmin으로 낮아지는 관계를 가지며, 이 때, 하나의 렌즈 영역 내에 중심을 경계로 좌우 에지부에 서로 대칭형의 관계를 가진다. 즉, 중심을 0점이라 하고, 상기 중심의 좌측과 우측을 에지부까지를 각각 (-), (+)x축 관계에 있다고 할 때, 상기 중심으로부터 거리(x)의 제곱에 비례하는 값이 인가 전압(V) 값으로 정의된다.
도 11은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 시뮬레이션도이며, 도 12는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정 전계 렌즈의 렌즈 모양을 나타낸 도면이다.
도 11은 상술한 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정 전계 렌즈의 전위 분포를 나타낸 것으로, 이와 같은 시뮬레이션에서 상기 액정층(300)의 두께는 20.000㎛으로 하고, 상기 액정층(300)을 이루는 액정은 양의 유전율 이방성을 갖는 것이다.
이 때, 즉, 액정층(300)의 셀갭을 하측의 0.000㎛ 지점을 상기 제 1 기판(100)의 제 1 배향막(102) 표면이라 하고, 20.000㎛ 지점을 상기 제 2 기판(200)의 제 2 배향막(202)의 표면이라 할 수 있다. 이와 같이, 동일 기판 상에 서로 동일 폭의 제 1 전극의 배치가 이루어지고, 상기 제 1 전극들에 대하여 렌즈 영역의 에지부로부터 중앙까지 점점 작아지는 전압 인가에 의해, 도 11과 같이, 전체적으로 수직 전계가 완만하게 조성되고, 인접한 제 1 전극들 사이에는 약하게 횡전계가 조성된다. 결과적으로 상기 렌즈 영역의 에지부(E)(도면상의 중심)에서 강하며, 상기 렌즈 영역의 중심(O)에서 약하게 걸리는, 완만한 측면 전기장이 형성된 것으로 관측된다. 따라서, 도 12와 같이, 위치별 전기장에 따라 배향되는 액정의 광경로 길이를 나타내면, 상기 렌즈 영역의 에지부(E)에서 가장 광경로 짧으며, 렌즈 영역 중심(O)에서 가장 긴 형태의 완만한 포물렌즈 렌즈면(빨강색 라인)과 유사한 형상으로 액정 전계 렌즈(파랑색 라인)가 형성됨을 알 수 있다. 이 때, 상기 액정 전계 렌즈는 각 렌즈 영역별 복수개의 미세전극을 구비하고, 이들에 서로 다른 전압을 인가하여 완전히 매끄러운 포물 렌즈를 구현하는 것이 아니고, 약간의 미세 파동을 갖는 것으로, 포물 렌즈면과 거의 근사한 형태로 렌즈 프로파일이 형성된다.
도 11에서는 상기 액정층(300)의 셀 갭을 20.000㎛으로 한 것으로, 상술한 미세한 제 1 전극 구비에 의해 액정 전계 렌즈의 새그(렌즈의 고점)가 낮아지게 되 어, 액정 전계 렌즈가 형성되는 액정층(300)의 두께(셀갭)를 낮게할 수 있음을 의미하기도 한다. 즉, 종래의 하판측에 렌즈 에지부에만 유한하게 형성되는 전극을 구비하는 액정 전계 렌즈의 경우, 도 11에 시뮬레이션된 그래프와 동일한 새그를 갖기 위해서는 액정층을 약 50.000㎛ 정도 혹은 그 이상의 셀갭(두께)로 하여야 하나, 본 발명에서는 렌즈 영역 전계의 완만한 전계 분포에 의해 상기 액정층을 줄일 수 있게 한다.
또한, 이러한 미세한 패턴의 제 1 전극(101)의 구비에 의해 일 렌즈 영역에 복수개의 뷰(view)를 갖는 경우, 본 발명의 액정 전계 렌즈가 종래의 액정 전계 렌즈에 비해 유리함을 알 수 있다. 종래의 경우 피치 증가에 따라 하판의 전극이 부재하는 렌즈 영역의 중심에서 전계 약화에 의해 액정 배향 조절이 어려운데 비해, 본 발명의 액정 전계 렌즈는 이러한 위치별 전계 조절이 용이하다.
도 13은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액정 전계 렌즈를 나타낸 단면도이며, 도 14는 도 13의 분해사시도이다.
도 13 및 도 14와 같이, 제 1 기판(400) 상에 하나 이상의 절연막을 더 구비하여 형성할 수도 있다.
즉, 도 13 및 도 14와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액정 전계 렌즈는 복수개의 제 1 전극(401a, 401b)을 서로 다른 층에 형성한 것으로, 렌즈 영역의 피치에 요구되는 제 1 전극의 수가 크고, 단일층에서는 제 1 전극간 이격 간격 확보가 어려울 때, 이용할 수 있는 예이다. 즉, 제 1 기판(400) 상부에 제 1 절연 막(402) 혹은 그 외에 복수층의 절연막을 더 구비함에 의해 기판 및 제 1 절연막(402)에 제 1 전극들을 분배하여 배치할 수도 있다. 여기서, 상기 복수개의 제 1 전극(401a, 401b)은 상기 제 1 기판(400) 상 또는 복수개의 절연막(402) 상에 대하여, 상기 렌즈 영역에서, 상기 렌즈 영역의 에지부(E)를 경계로 좌우 대칭형이 되도록 형성한다.
여기서, 설명하지 않은 나머지 구성 요소 403은 제 1 배향막이고, 500은 제 2 기판을 나타내고, 501, 502는 각각 제 2 전극과 제 2 배향막을 나타내고, 600은 액정층으로 앞서 설명한 제 1 실시예와 동일 기능을 갖는 것으로, 이에 대한 설명은 생략한다.
여기서, 상기 절연막(402)은 복수개 형성될 수 있으며, 제 1 기판(400)과 상기 각 절연막들 상에 형성되는 제 1 전극들은 가능한한 서로 다른 영역에 형성되며, 최종적으로, 상기 전극의 형상을 상부에서 평면적으로 바라볼 때, 한 렌즈 영역의 제 1 전극들의 총 배치합은 상기 제 1 기판(400)의 액티브 영역을 모두 채우는 형상을 갖도록 하는 것이 안정적인 프로파일의 액정 전계 렌즈 형성이 용이하다.
도 13 및 도 14에 있어서는, 상기 절연막(402) 상의 복수개의 제 1 전극(401b)은 상기 제 1 기판(401) 상의 복수개의 제 1 전극(401a)이 형성되지 않은 부위에 대응되어 형성한다.
도 15는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 시뮬레이션도이며, 도 16은 본 발명 의 제 2 실시예에 따른 액정 전계 렌즈를 나타낸 단면도이다.
도 15는 상술한 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액정 전계 렌즈의 전위 분포를 나타낸 것으로, 이와 같은 시뮬레이션에서 상기 액정층(600)의 두께는 20.000㎛으로 하고, 상기 액정층(600)을 이루는 액정은 양의 유전율 이방성을 갖는 것이다.
이 때, 즉, 액정층(600)의 셀갭을 하측의 0.000㎛ 지점을 상기 제 1 기판(400)의 제 1 배향막(402) 표면이라 하고, 20.000㎛ 지점을 상기 제 2 기판(500)의 제 2 배향막(502)의 표면이라 할 수 있다. 이와 같이, 동일 기판 상에 서로 동일 폭의 제 1 전극(401a, 401b)의 배치가 이루어지고, 상기 제 1 전극들(401a, 401b)에 대하여 렌즈 영역의 에지부로부터 중앙까지 점점 작아지는 전압 인가에 의해, 도 15와 같이, 전체적으로 수직 전계가 완만하게 조성되고, 인접한 제 1 전극들 사이에는 약하게 횡전계가 조성된다. 결과적으로 상기 렌즈 영역의 에지부(E)(도면상의 중심)에서 강하며, 상기 렌즈 영역의 중심(O)에서 약하게 걸리는, 완만한 측면 전기장이 형성된 것으로 관측된다. 따라서, 도 16과 같이, 위치별 전기장에 따라 배향되는 액정의 광경로 길이를 나타내면, 상기 렌즈 영역의 에지부(E)에서 가장 광경로 짧으며, 렌즈 영역 중심(O)에서 가장 긴 형태의 완만한 포물렌즈 렌즈면과 유사한 형상으로 액정 전계 렌즈가 형성됨을 알 수 있다. 이 때, 상기 액정 전계 렌즈는 각 렌즈 영역별 복수개의 미세전극을 구비하고, 이들에 서로 다른 전압을 인가하여 완전히 매끄러운 포물 렌즈를 구현하는 것이 아니고, 약간의 미세 파동을 갖는 것으로, 포물 렌즈면과 거의 근사한 형태로 렌즈 프로파일이 형성된다.
상기 제 2 실시예에 따른 도 15 및 도 16과, 제 1 실시예에 따른 도 11 및 도 12를 비교하면, 상대적으로 이중층으로 제 1 전극을 배치한 제 2 실시예에 있어서, 도 15에 있어서와 같이, 액정층(600)의 전위 분포가 도 11에서의 렌즈 영역 에지부에서 나타나는 미세한 파동없이, 매끄러운 전위 분포를 갖게 되고, 이에 따라 조성되는 액정 전계 렌즈(파란색 라인) 역시 도 16과 같이, 거의 포물면 렌즈(빨강색 라인)에 유사한 형상으로 에지부에서도 왜곡을 거의 발생시키지 않고 형성된다.
즉, 상술한 이중층 혹은 그 이상의 층으로, 복수개의 미세 전극을 구비하여 일 렌즈 영역을 구동하고, 이들 복수층의 각 미세 전극들의 평면적으로 상기 액티브 영역을 모두 메우는 정도의 폭을 갖도록 전극 배치를 취할 경우, 액정 전계 렌즈의 프로파일을 보다 매끄럽게 향상시킬 수 있고, 또한, 전계 효과 상승에 의해 액정 전계 렌즈가 형성되는 셀 갭을 보다 낮출 수 있어, 액정층 형성에 소요되는 최소 셀갭을 줄여 액정층을 이루는 액정량을 감소시킬 수 있다.
한편, 제 2 실시예에 따른 액정 전계 렌즈에 있어서, 앞서 제 1 실시예에 있어서 설명한 바와 같이, 패드 영역의 구성과 전압 분배 기능을 갖는 전압을 더 구비하여 제 1 내지 제 n 전압(Vmin~Vmax) 신호를 인가받을 수 있다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도 1은 종래의 액정 전계 렌즈를 나타낸 단면도
도 2는 도 1의 액정 전계 렌즈의 위치에 따른 광경로 길이(위상)를 나타낸 그래프
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정 전계 렌즈를 이용한 입체 표시 장치를 나타낸 단면도
도 4는 도 3의 액정 전계 렌즈를 나타낸 단면도
도 5는 본 발명의 액정 전계 렌즈와 이의 전압 인가부를 나타낸 개략도
도 6은 본 발명의 액정 전계 렌즈를 나타낸 평면도
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다른 형태를 갖는 액정 전계 렌즈를 나타낸 평면도
도 8은 본 발명의 전압 인가 방식을 나타낸 블럭도
도 9는 본 발명의 액정 전가 렌즈의 인가 전압에 따른 위상차와 이에 따른 렌즈 모양을 나타낸 그래프
도 10은 본 발명의 액정 전계 렌즈의 위치별 전위 분포
도 11은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 시뮬레이션도
도 12는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정 전계 렌즈의 렌즈 모양을 나타낸 도면
도 13은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액정 전계 렌즈를 나타낸 단면도
도 14는 도 13의 분해사시도
도 15는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 시뮬레이션도
도 16은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액정 전계 렌즈를 나타낸 단면도
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100, 400 : 제 1 기판 101, 401a, 401b : 제 1 전극
102, 403 : 제 1 배향막 402 : 제 1 절연막
151 : 액티브 영역 152 : 패드부
160 : 분할전극 인가 전압 생성부 161 : 링크부
200, 500 : 제 2 기판 201, 501 : 제 2 전극
202, 502: 제 2 배향막 1000 : 액정 전계 렌즈
350 : 표시 패널 600 : 액정층
700 : 광원

Claims (17)

  1. 복수개의 렌즈영역을 포함하는 액티브 영역과, 그 외곽에 패드 영역을 구비하며, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판;
    상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이의 상기 패드 영역에, 상기 액티브 영역을 둘러싸며 형성된 씰 패턴;
    상기 각 렌즈 영역들에 대응되어 상기 제 1 기판 상에, 상기 제 1 기판의 세로 방향을 따라 막대 형상으로 서로 이격된 복수의 제 1 전극;
    상기 제 2 기판 상에 전면 형성된 제 2 전극;
    상기 제 2 전극에 접지 전압을 인가하고, 상기 접지 전압보다는 크게 상기 각 렌즈 영역의 에지부에서 중앙부로 가며 상기 복수개의 제 1 전극들에 점점 줄어드는 서로 다른 전압을 인가하는 전압원; 및
    상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 채워진 액정층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 전극들은 각각의 폭이 동일한 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 전극들간의 간격은 동일한 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 복수개의 제 1 전극은 상기 제 1 전극의 폭 및 인접한 제 1 전극간의 이격 간격은 2~10㎛인 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 복수개의 제 1 전극은 상기 제 1 기판 상의 동일층 상에 형성된 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 기판 상에 하나 이상의 절연막을 더 구비한 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 복수개의 제 1 전극은 상기 제 1 기판의 각 렌즈 영역에서, 좌우 대칭형이 되도록, 상기 제 1 기판 및 절연막 상에 형성된 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 절연막 상의 복수개의 제 1 전극은 상기 제 1 기판 상의 복수개의 제 1 전극이 형성되지 않은 부위에 대응되어 형성되는 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 전압원은,
    상기 복수개의 제 1 전극에 각각 서로 다른 전압을 인가하기 위해,
    최대전압과 최소 전압을 인가받아 그 사이의 복수개의 서로 다른 전압을 생성하는 분배 전압 생성부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 패드 영역에는 금속 배선을 더 포함하며,
    상기 분배 전압 생성부로부터 출력되는 전압 신호들은 상기 패드 영역의 금속 배선에 연결되고, 상기 금속 배선과 상기 제 1 전극의 단부에서 콘택을 갖는 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 분배 전압 생성부로부터 출력되는 전압 신호들의 수는 상기 각 렌즈 영역의 에지부와 중앙부 사이에 위치하는 제 1 전극수에 상당한 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 분배 전압 생성부로부터 출력되는 전압 신호들은 상기 각 렌즈 영역의 중앙부와 에지부 사이에서, 상기 에지부를 경계로 좌우 양의 2차함수 형에 해당하는 전압 신호들이 대응되는 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 분배 전압 생성부는,
    최대 전압과 최소 전압 사이의 전압 신호 분배를 위해, 최대 전압과 최소 전압 인가단과 각 전압 신호 출력단들 사이의 저항(resistor)과,
    각 전압 신호 출력단으로부터 상기 패드 영역의 금속 배선 사이에 버퍼를 구비하는 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 복수개의 제 1 전극들을 포함한 상기 제 1 기판 상에 제 1 배향막이, 상기 제 2 전극 상에 제 2 배향막이 더 형성된 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제 1 배향막은 상기 제 1 전극의 길이 방향으로 러빙되며, 상기 제 2 배향막은 상기 제 1 배향막의 러빙 방향과 교차하는 방향으로 러빙되는 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전극은 투명 금속인 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  17. 제 1항 내지 제 16항 중 어느 한 항의 액정 전계 렌즈와,
    상기 액정 전계 렌즈 하측에, 상기 액정 전계 렌즈로 이차원의 영상 신호를 전달하는 표시 패널을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치.
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