KR101362158B1 - 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 버퍼층의 배치 또는 전극 구조를 변경하여 액정의 배향에 의해 렌즈를 구현시 완만한 포물면의 렌즈면 형성이 가능하게 하며, 소요되는 액정층의 셀갭을 줄일 수 있는 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치에 관한 것으로, 본 발명의 액정 전계 렌즈는, 복수개의 렌즈영역이 대응되어 정의되어, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판과, 상기 제 1 기판 상의 각 렌즈 영역들에 대하여, 인접한 좌우 렌즈영역의 중심 사이에 걸쳐 형성된 제 1 전극과, 상기 제 1 전극을 포함한 상기 제 1 기판 상에 형성된 제 1 절연막과, 상기 제 1 절연막 상에, 상기 각 렌즈 영역의 에지부에 대응하여 형성된 제 2 전극과, 상기 제 2 전극을 포함한 상기 제 1 절연막 상에 형성된 버퍼층과, 상기 제 2 기판 상에 전면 형성된 제 3 전극 및 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 채워진 액정층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
3D(3 Dimension), 크로스토크, 오버코트층, 액정 전계 렌즈

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, 버퍼층의 배치 또는 전극 구조를 변경하여 액정의 배향에 의해 렌즈를 구현시 완만한 포물면의 렌즈면 형성을 가능하게 하며, 소요되는 액정층의 셀갭을 줄일 수 있는 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 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, 도 2의 액정 전계 렌즈와 같이, 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.
한편, 도 2와 같이, 제 1 전극(11)에 인가된 전압에 의해 전위 분포가 급격히 변화하는 부분에 액정이 맞닿아 있음을 확인할 수 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.
즉, 구조상 전극과 바로 인접하여 액정이 위치하여, 전위 분포가 급격히 변하는 부분에 액정이 배치한다. 따라서, 전압에 대해 매우 민감하게 액정이 움직임을 알 수 있어, 전압 인가에 따른 액정의 배향이 급격하게 이루어져, 완만한 액정 전계 형성이 어려움을 알 수 있다. 또한, 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.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 버퍼층의 배치 또는 전극 구조를 변경하여 액정의 배향에 의해 렌즈를 구현시 완만한 포물면의 렌즈면 형성이 가능하고, 소요되는 액정층의 셀갭을 줄일 수 있는 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치를 제공하는 데, 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 액정 전계 렌즈는, 복수개의 렌즈영역이 대응되어 정의되어, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판과, 상기 제 1 기판 상의 각 렌즈 영역들에 대하여, 인접한 좌우 렌즈영역의 중심 사이에 걸쳐 형성된 제 1 전극과, 상기 제 1 전극을 포함한 상기 제 1 기판 상에 형성된 제 1 절연막과, 상기 제 1 절연막 상에, 상기 각 렌즈 영역의 에지부에 대응하여 형성된 제 2 전극과, 상기 제 2 전극을 포함한 상기 제 1 절연막 상에 형성된 버퍼층과, 상기 제 2 기판 상에 전면 형성된 제 3 전극 및 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 채워진 액정층을 포함하여 이루어진 것에 그 특징이 있다.
상기 버퍼층은 포토 아크릴 또는 BCB(BenzeneCycloButene)이다. 이 때, 상기 버퍼층의 유전율이 액정층의 유전율보다 작은 것이다. 상기 버퍼층은 1~10㎛의 두께를 갖는다.
한편, 상기 제 1 전극은 상기 제 2 전극을 경계로 좌우 인접한 렌즈 영역에 대해 대칭형으로 형성한다.
그리고, 상기 버퍼층 및 상기 제 3 전극 상에 각각 제 1, 제 2 배향막이 더 형성된다. 이 때, 상기 제 1 배향막은 상기 제 2 전극의 길이 방향으로 러빙되며, 상기 제 2 배향막은 상기 제 1 배향막의 러빙 방향과 교차하는 방향으로 러빙된다.
상기 제 1 및 제 3 전극은 투명 금속으로 형성하며, 상기 제 2 전극은 차광성 금속으로 형성한다.
또한, 상기 액정층의 구동시 상기 제 1 전극에는 1.6~2V를 피크값으로 하는 교류 전압이 인가되며, 상기 제 2 전극에 2.5~15V를 피크값으로 하는 교류 전압이 인가되고, 상기 제 3 전극은 접지된다.
상기 제 1 기판과 상기 제 1 전극을 포함한 제 1 절연막 사이의 층간에, 제 2 절연막을 개재하여 상기 제 1 기판 전면에 형성된 제 4 전극을 더 포함할 수도 있다.
또한, 동일한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 액정 전계 렌즈는 복수개의 렌즈영역이 대응되어 정의되어, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판과, 상기 제 1 기판 전면에 형성된 제 1 전극과, 상기 제 1 전극을 포함한 상기 제 1 기판 상에 형성된 제 1 절연막과, 상기 제 1 절연막 상에, 각 렌즈 영역들에 대하여, 인접한 좌우 렌즈영역의 중심 사이를 걸쳐 형성된 제 2 전극과, 상기 제 2 전극을 포함한 상기 제 1 절연막 상에 형성된 제 2 절연막과, 상기 제 2 절연막 상에, 상기 각 렌즈 영역의 에지부에 대응하여 형성된 제 3 전극과, 상기 제 2 기판 전면에 형성된 제 4 전극 및 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 채워진 액정층을 포함하여 이루어진 것에 또 다른 특징이 있다.
상기 제 3 전극을 포함한 상기 제 2 절연막 상 및 상기 제 4 전극 상에는 각각 제 1, 제 2 배향막이 더 형성될 수 있다. 이 때, 상기 제 1 배향막은 상기 제 2 전극의 길이 방향으로 러빙되며, 상기 제 2 배향막은 상기 제 1 배향막의 러빙 방향과 교차하는 방향으로 러빙되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 제 1, 제 2 전극 및 제 4 전극은 투명 금속으로 형성되며, 상기 제 3 전극은 차광 금속으로 이루어진다.
그리고, 상기 제 3 전극을 포함한 상기 제 2 절연막 상에는 오버코층이 더 형성될 수 있다.
상기 액정층의 구동시 상기 제 1 전극에는 0~1.6V의 교류 전압이 인가되며, 상기 제 2 전극에는 1.6~2V를 피크값으로 하는 교류 전압이 인가되며, 상기 제 3 전극에 2.5~10V를 피크값으로 하는 교류 전압이 인가되고, 상기 제 4 전극은 접지된다.
또한, 동일한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 입체 표시 장치는 상술한 액정 전계 렌즈와, 상기 액정 전계 렌즈 하부에 이차원의 제 1 및 제 2 영상을 출사하는 표시 패널을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 급격한 전기장 변화가 액정층에 직접 맞닿지 않도록, 오버코트층과 같은 버퍼층을 액정층과 전극 사이에 형성한다. 이로써, 버퍼층에 렌즈 에지의 강한 전계 변화가 일어나는 부분이 포함되도록 하고, 실질적으로 액정 렌즈가 구현되는 액정층에는 완만한 전계 효과에 따라 완만한 포물면을 그리는 액정 전계 렌즈를 형성할 수 있다.
둘째, 마스크 수의 증가 없이, 하판측에 인접한 렌즈 영역 중심간에 형성되는 제 2 전극과 상기 제 2 전극 중심에 대응되어 형성되는 제 3 전극 외에 상기 제 2 전극측 하부에 하판상에 전면 형성되는 제 1 전극을 형성하고, 이들과 대향 기판측에 형성된 제 4 전극에 전압을 인가하여 수직 전계를 형성하여 액정을 배향시켜 액정 전계 렌즈를 형성함에 있어서, 다층의 전극 구성에 의해 보다 완만한 전계 형성에 따른 완만한 포물면을 갖는 액정 전계 렌즈 형성이 가능하다.
셋째, 완만한 액정 전계 형성, 즉, 새그(액정 전계 렌즈의 높이)의 크기를 줄일 수 있으며, 이에 따라 소요되는 액정층의 셀갭을 줄이게 되어, 액정의 주입 또는 적하시에 필요한 액정량을 줄일 수 있으며, 이로 인해 공정 부담을 줄일 수 있다.
넷째, 완만한 액정 전계에 의해 형성할 수 있는 렌즈 영역 피치를 넓게 할 수 있어, 이로 인해 하나의 렌즈 영역으로 볼수 있는 뷰(view) 수를 늘릴 수 있어, 대면적 표시 장치에 있어서도 이용가능하며, 이로 인해 멀티뷰(multi-view)가 가능하여 입체 표시 장치의 시감을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치를 상세히 설명하면 다음과 같다.
* 제 1 실시예 *
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 단면도이고, 도 5는 도 4의 구조에 전압 인가시 전위 분포 및 액정 분자 배열 분포를 나타낸 그래프이며, 도 6은 도 4 및 도 5를 통해 얻어진 액정 전계 렌즈의 위치에 따른 위상을 나타낸 그래프이다.
도 3과 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정 전계 렌즈를 포함하는 표시 장치는, 전압 인가에 따라 구동되어 렌즈 기능을 갖는 액정 전계 렌즈(10000)와, 상기 액정 전계 렌즈(10000) 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 Divice :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.
도 3 내지 도 6과 같이, 상기 액정 전계 렌즈(10000)에 구비된 제 1, 제 2 및 제 3 전극(101, 103, 201)에 각각 문턱 전압, 고전압 및 접지 전압을 인가할 경우, 액정 전계 렌즈(10000)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(10000)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, 제 2 및 제 3 전극(101, 103, 201)에 전압을 인가하지 않을 경우, 상기 액정 전계 렌즈(10000)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.
도시된 도면에서는, 상기 액정 전계(10000)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, 동 일한 피치를 갖는 렌즈 영역(L)이 일 방향(도 4에서는 가로 방향)으로 주기적으로 반복된다. 이 때, 일 피치(pitch)란 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 렌즈 기능을 갖는 영역을 표시한 것이다.
이하, 상기 액정 전계 렌즈(10000)를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
상기 액정 전계 렌즈(10000)는 복수개의 렌즈영역이 대응되어 정의되어, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판(100, 200)과, 상기 제 1 기판(100) 상의 각 렌즈 영역들에 대하여, 인접한 좌우 렌즈영역의 중심 사이에 걸쳐 형성된 제 1 전극(101)과, 상기 제 1 전극(101)을 포함한 상기 제 1 기판(100) 상에 형성된 절연막(102)과, 상기 절연막(102) 상에, 상기 각 렌즈 영역의 에지부에 대응하여 형성된 제 2 전극(103)과, 상기 제 2 전극(103)을 포함한 상기 절연막(102) 상에 형성된 버퍼층(104)과, 상기 제 2 기판(200) 상에 전면 형성된 제 3 전극(201) 및 상기 제 1 기판(100) 및 제 2 기판(200) 사이에 채워진 액정층(300)을 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 제 2 전극(103) 상에 위치한 버퍼층(104)은 예를 들어, 포토아크릴(photo-acryl)이나 BCB(BenzeneCycloButene)와 같은 저유전율의 유기막 성분으로 오버코트층(Overcoat layer)과 같은 형상으로 표면이 평탄하게 형성하며, 약 1~10㎛ 두께를 가지며, 상기 액정층(300)에 비해 낮은 유전율을 갖는 유기 성분의 재료를 이용한다.
여기서, 상기 버퍼층(104)은 상기 제 3 전극(201)과, 상기 제 2 전극(103)간 에 형성되는 강한 전계를 완충하는 작용을 한다. 특히, 급격히 전기장 변화가, 상기 제 2 전극(103) 상측 위에 수 ㎛ 두께의 버퍼층(104)의 배치에 의해 완화된다. 이 경우, 상기 버퍼층(104)의 유전율은 액정층(300)의 장/단축 유전율 각각에 대해 작기 때문에, 전계는 유전율이 작은 쪽에 더욱 집중되는 현상을 보이므로 실질적으로 상기 버퍼층(104) 상의 액정층(300)은 도 5와 같이, 상기 버퍼층(104)에서보다 완만한 전위 분포를 형성한다.
결과적으로 액정층(300)의 액정 분자는 상기 제 2 전극(103) 부근에서는 전체적으로 일어섰다가 상기 제 2 전극(103)으로부터 멀어질수록 완만하게 눕는 배열을 가지므로, 도 5와 같이, 위치에 따른 전계 효과 및 액정 배열을 그래프에 따르면, 상기 제 2 전극(103)에 의해 유도되는 강한 전계는 대부분 상기 버퍼층(104) 내에서 생성되며, 실제로 상기 액정층(300)에서는 완만한 전계에 따라 완만한 포물면을 형성함을 알 수 있다. 즉, 광의 전달의 입장에서는, 상기 제 2 전극(103)의 중심이 광경로가 짧게 되고, 상기 제 2 전극(103)으로부터 멀어지면 멀어질수록 광경로가 길어지게 되며, 이를 위상면으로 나타냈을 때, 도 6과 같이, 상기 제 2 전극 형성 부위를 경계로, 좌우 대칭된 반분된 포물 렌즈와 거의 동일한 광 전달 효과를 갖는 위상의 액정 전계 렌즈가 형성됨을 알 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정 전계 렌즈(10000)는, 그 자체로는 삼차원 구현에 이용되는 렌즈 역할을 하는 것이고, 도 3과 같이, 이차원을 구현하는 표시 패널(350) 상부에 위치하여, 이차원 영상을 삼차원 영상으로 변환시켜 영상을 표시하는 스위칭 수단으로 이용될 수 있다. 즉, 전압 무인가시 광이 투과되는 특성을 이용하여, 전압 무인가시는 이차원 표시, 전압 인가시는 삼차원 표시와 같은 스위칭 기능을 겸용할 수 있다. 즉, 상기 2차원 영상 표시와 3차원 영상 표시의 스위칭(switching) 기능이 가능하여, 상기 액정 전계 렌즈는 전압 인가시 하부 표시 장치로부터 나오는 이차원 영상 신호의 입체(삼차원) 영상 표시를 가능하게 하고, 전압 무인가시에는 하부 표시 장치(350)로부터 나오는 2차원 영상 표시를 바로 관측자에게 전달하여 2차원 영상 표시가 가능할 것이다.
이 때, 상기 액정 전계 렌즈(10000)에 전압 무인가시 2차원 영상 표시가 가능하도록 도 4와 같이, 상기 제 1, 제 2 기판(100, 200)에, 초기 상태(전압 무인가시)에서 광의 투과가 가능하게 배향처리를 한다. 즉, 상기 제 1, 제 2 배향막(105, 202)은 전압이 인가되지 않은 초기 상태에서, 상기 액정층(300)이 광을 투과시키는 배향 특성을 갖도록, 상기 제 1 배향막(105) 측은 상기 제 2 전극(103) 방향(도면상에서 지면을 통과하는 방향)으로 러빙(rubbing)하고, 상기 제 2 배향막(202)은 이에 교차하는 방향으로, 안티 패럴랠(anti-parallel)하게 한다. 여기서, 상기 제 1, 제 2 기판(100, 200)의 배면측은 편광판이 구비되지 않는 것으로, 이에 따라 하부로부터 상기 표시장치(350)를 통해 상기 액정 전계 렌즈(10000)를 통과한 빛은 그대로 관측자에게 투과되어 전달된다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정 전계 렌즈는 각 전극에 전압 인가시 상기 액정층(300)이 포물선면의 표면을 갖는 렌즈와 동일한 효과를 갖는 것으로, 이를 이용할 경우, 좌안과 우안에서 다른 영상 신호를 인지할 수 있는 효과에 의해 관측자에게 삼차원 구현이 가능하게 된다.
특히, 본 발명의 액정 전계 렌즈는, 왜곡이 심한 렌즈 에지 영역(제 2 전극 부근)에 있는 상기 제 2 전극(103) 자체를 차광 금속으로 하여, 이 부위를 차광시켜, 상기 제 2 전극(103)의 부근에 각각 좌안 및 우안에 잘못된 정보가 인가되어 발생하는 크로스토크(crosstalk) 현상을 개선할 수 있게 된다.
한편, 상기 제 1 전극(101)과, 제 2 전극(103)이 상기 제 3 전극(201)에 대하여 갖는 수직 거리를 살펴보면, 상기 제 2 전극(103)이 상기 제 1 전극(101)에 비해 상기 제 3 전극(201)에 대해 거리가 가까움을 알 수 있다. 또한, 상기 제 2 전극(103)이 상대적으로 고전압이 걸리기 때문에, 상기 제 2 전극(103)과 상기 제 3 전극(201) 사이의 전압차에 의한 전계의 영향이 강하게 걸린다. 여기서, 상기 제 1 전극(101)의 기능은 고전압에 비해 상대적으로 작은 전압 값을 주어, 상기 제 2 전극(103)이 형성되지 않은 부위의 전계의 컨트롤을 가능하게 하며, 전계 형성이 급격하지 않고, 완만한 곡선을 갖도록 하고, 또한, 상기 제 2 전극(103)과 함께, 전계에 따라 배열되는 액정의 배향 특성에 기하여 얻어지는 액정 전계 렌즈의 위상의 크기를 조절할 수 있게 한다.
상기 제 1 및 제 2 전극(101, 103)은 도면에 수직한 방향(도면을 투과하는 방향)으로 연장된 막대 형상으로 형성한다.
또한, 상기 일 렌즈 영역(L)은, 액정 전계 렌즈 하측에 위치하는 표시 패널(350)의 화소들(P1, P2)에 대응되어 형성되며, 복수개의 화소들이 상기 일 렌즈 영역(L)에 대응되어 형성할 수 있다. 또한, 상기 렌즈 영역(L)들은 화소들에 대하 여 일정 각도로 기울인 방향으로 형성할 수도 있고, 경우에 따라 화소들에 대해 계단형상(n번째 수평 라인에 대해 (n+1)번째 수평라인이 일정 폭 쉬프트됨)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(pitch)란 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 렌즈 기능을 갖는 영역을 표시한 것이다.
도 4에 도시한 단면도는 좌우 인접한 렌즈 영역의 중심부 사이의 영역을 나타낸 것(제 2 전극(103)이 각각 좌우 인접한 렌즈 영역의 에지부가 되며, 'O'점 표시가 좌우 렌즈 영역의 중심부를 나타냄)으로, 렌즈 영역의 일 피치(pitch)에 해당하는 폭의 단면도이다. 이 경우, 상기 제 2 전극(103)과 제 1 전극(101)에는 각각 2.5~15V 정도의 고전압, 1.6~2V의 문턱 전압을 각각 인가하고, 대향되는 제 3 전극(201)에 접지 전압을 주게 되면, 전계에 의한 액정의 배향의 따라 굴절률 차이가 발생하여, 이로 인해 상기 제 2 전극(103)의 중심을 기준으로 인접한 좌우 렌즈 영역(L)의 각각의 반분된 포물선면의 위상 특성을 갖는 액정 전계 렌즈가 형성된다. 여기서, 상기 제 1 전극(101)에 인가되는 전압은 V=
Figure 112007049136576-pat00001
(Δε는 액정 유전율 이방성, K1은 액정의 자유 상태(Splay) 탄성 계수, ε0은 자유공간 유전율) 을 피크값으로 하는 교류 사각파(square wave)이며, 상기 제 2 전극(103)에 인가되는 전압은 상기 2.5~15V를 피크값으로 하여 인가되는 교류 사각파이다.
이러한 동일한 구조의 패턴이 일 방향(가로 방향)으로 반복되면 포물선면의 액정 전계 렌즈가 연속하여 일 피치(pitch)를 주기로 형성된다.
한편, 도시하지 않았지만, 상기 제 1, 제 2 기판(100, 200)의 외곽 영역에는 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, 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.
여기서, 상기 제 1 전극(101) 및 제 3 전극(201)은 투명 전극으로 형성되며, 상기 제 2 전극(103)은 차광 금속으로 이루어진다. 이 경우, 도 5와 같이, 상기 차광 금속으로 이루어진 제 2 전극(103) 형성 부위는, 상기 제 2 전극(103)에 의해 가려진다. 이때, 상기 제 2 전극(103)은 고전압이 인가되는데, 상기 제 2 전극(103)과 상기 제 3 전극(201) 사이의 강한 전계 중 대부분의 강한 전계는 유전율이 낮은 상기 버퍼층(104)에 집중된다. 이러한 상기 버퍼층(104)은 투명하여, 전계의 집중과 함께 하부로부터 표시 패널(350)을 통해 나오는 광을 투과시키는 역할을 한다.
이러한 구성의 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정 전계 렌즈의 경우, 포물면의 유효 전계 렌즈가 버퍼층 상부의 액정층에만 형성되며, 또한, 전계 자체는 버퍼층을 포함하여 액정층에 조성되는 것으로, 실제로 유효 액정 전계 렌즈가 형성되는 액정층의 두께는 상기 버퍼층의 두께에 상당한 정도를 줄일 수 있다. 이에 의해 상기 제 1, 제 2 기판 사이에 액정층을 형성시, 줄어든 셀갭 두께만큼 액정량을 줄일 수 있으며, 이에 따라 상기 액정층을 형성하기 위한 진공 주입 또는 적하시 액정층 형성 공정 부담을 줄일 수 있다.
여기서, 상기 제 2 전극(103)측에 인가되는 전압은, 상기 제 2 전극(103)과 상기 제 3 전극(201)과의 사이에 수직 전계가 상기 액정층(300)에 충분히 영향을 끼치기 위하여는 상대적으로 버퍼층을 구비하지 않는 구조에 비해 높은, 예를 들어, 약 1.5배 정도 높은 전압이 인가되는 것이 좋다. 즉, 버퍼층(104)이 없는 일반 전극 구조에서 하판에 형성된 전극에 인가되는 전압이 약 2.5~10V라 하면, 상기 제 2 전극(103)에 인가되는 전압은 2.5~15V로 인가한다.
도 5를 참조하면, 상기 버퍼층(104)의 두께가 약 5㎛일 때, 상기 액정층(300)의 두께가 약 10㎛ 정도가 됨을 알 수 있다. 이 경우, 즉, 전계 형성은 상기 버퍼층(104)이 형성되는 상기 제 1 기판(미도시)의 계면에 형성되는 시점부터 그 표면높이까지에 해당되는 전계만큼 상기 액정층(300)의 두께를 줄일수 있음을 의미한다. 여기서, 렌즈 영역의 피치는 약 94㎛ 정도로, 시뮬레이션에 이용된 표시 패널은 각 단위 서브픽셀(R, G, B 서브픽셀)의 폭이 50㎛ 이하로 작은 소형 모델이다.
또한, 상기 제 2 전극(103) 상부는, 상기 제 2 전극(103)에 기인한 급격한 전기장 변화가 직접 액정층(300)에 맞닿지 않도록 버퍼층(104)이 더 형성되어 있다. 이 때, 상기 버퍼층(104)의 유전율은 상기 액정층(300)을 이루는 액정 분자의 장/단축 유전율보다 작도록 하면, 전계는 유전율이 작은 쪽에 더욱 집중되는 현상을 보이므로, 상기 버퍼층(104)은 심한 전계가 형성된 부위를 포함하고, 상기 액정층(300)은 완만한 전위 분포가 포함된다. 결과적으로 상기 액정층(300)의 액정 분자는 전체적으로 완만하게 일어섰다가 눕는 형상을 가지므로, 이를 도 6을 참조한 굴절율에 있어서, 상기 제 2 전극(103)의 중심으로부터 멀어질수록(렌즈 영역의 중심으로 갈수록) 완만한 포물 렌즈면(일점쇄선)에 가깝게 형성할 수 있다. 즉, 액정 전계 렌즈(실선)의 위상이 완만한 포물 렌즈면 형태로 형성된다.
또한, 전압 변동에 민감한 액정 전계 렌즈를 보다 전압에 덜 민감하게 형성할 수 있으며, 완만한 포물 렌즈면(일점쇄선) 효과에 의해 액정 전계 렌즈의 높이(새그:sag)가 낮아져, 액정층(300)의 셀갭을 줄일 수도 있다. 즉, 상기 버퍼층(104)이 상기 액정층(300)과 함께 전계가 형성되는 부위로 이용되고, 또한, 전계 형성시 심한 변화가 발생한 부위를 포함하게 되어, 액정층(300)에 대한 버퍼 기능을 갖게 되는 것이다.
*제 2 실시예*
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액정 전계 렌즈를 이용한 입체 표시 장치를 나타낸 단면도이다.
도 7과 같이, 본 발명의 액정 전계 렌즈를 포함하는 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)의 광을 전달하는 광원(700)을 포함하여 이루어진다.
경우에 따라 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 Divice :LCD), 유기 전기 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.
상기 액정 전계 렌즈(1000)에 포함된 제 1 내지 제 4 전극(401, 403, 405, 501)에 각각 문턱 전압보다 작은 양전압, 문턱 전압, 고전압 및 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 스테레오 그래픽에 의한 3차원 영상을 인식한다.
한편, 제 1 내지 제 4 전극(401, 403, 405, 501)에 전압을 인가하지 않을 경우, 상기 액정 전계 렌즈(1000)는 각각 제 2 및 제 3 전극(403, 405) 방향으로 러빙된 제 1 배향막(406)과, 이에 교차하게 배향된 제 2 배향막(502)에 의해 제 1 배향막(406)으로부터 제 2 배향막(502)까지 수평하게 배향된 액정층(600)에 의해, 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.
그리고, 도 8은 도 7의 액정 전계 렌즈와 대응되는 픽셀 어레이를 나타낸 평면도이며, 도 9는 액정 전계 렌즈의, 제 2 기판 상의 전극을 나타낸 평면도이고, 도 10은 액정 전계 렌즈의, 제 1 기판 상의 전극을 나타낸 평면도이다. 또한, 도 11은 도 7의 액정 전계 렌즈를 나타낸 단면도이고, 도 12는 도 7의 액정 전계 렌즈를 나타낸 사시도이다.
도 8 내지 도 12와 같이, 각각 R, G, B 영상 신호가 스프라이프(stripe)형으로 출사되는 표시 패널(350)에 대하여, 상측에 위치하여 2D 영상 신호를 3D 영상 신호로 출사하는 액정 전계 렌즈(1000)가 위치한다.
여기서, 도 8과 같이, 상기 표시 패널(350)은, 하나의 픽셀당 R, G, B 서브 픽셀이 포함되어 이루어지며, 상기 하나의 픽셀의 가로 폭이 상기 액정 전계 렌즈의 일 렌즈 영역(L)의 피치(pitch)에 상당한다. 이러한 표시 패널(350)은 2차원 영상 표시가 가능한 액정 패널, 유기 EL(Electro Luminescence) 패널, PDP 패널 등을 이용할 수 있다.
또한, 액정 전계 렌즈는 도 9와 같이, 제 1 기판(400: 도 11 및 도 12 참조) 상에는, 전면 형성된 제 1 전극(401)과, 인접한 좌우 렌즈 영역들의 중심간에 형성된 제 2 전극(403)과, 상기 제 2 전극(403)의 중심에 위치하며, 또한, 렌즈 영역(L) 에지부에 대응되기도 한 제 3 전극(405)을 포함하여 형성되며, 도 10과 같이, 상기 제 2 기판(500: 도 11 및 도 12 참조)의 전면에 제 4 전극(501)이 형성된다.
여기서, 도시된 도면에서는 상기 표시 패널(350)의 상기 R, G, B 열을 합한 폭에 대응되어 렌즈 영역의 피치(pitch)가 결정되며, 각 렌즈 영역의 에지가 상기 표시 패널(350)의 G열에 대응되어 위치하는 것으로 나타내고 있다. 상기 표시 패널(350)에 대응되는 렌즈 영역의 폭은 경우에 따라 변경될 수 있다. 이에 따라, 상기 상기 렌즈 영역(L)의 에지에 대응되는 상기 표시 패널(350)의 부위도 그 위치 및 주기를 달리할 수 있다.
실험상으로, 상기 제 1 전극(401)의 길이가 길수록 형성되는 액정 전계 렌즈의 광경로가 전압에 덜 민감해질 수 있음을 확인할 수 있었다. 이를 이용하여, 상기 제 1 전극(401)의 폭을 최대로 길게, 즉, 상기 제 1 기판(400) 전면에 투명한 상기 제 1 전극(401)을 형성한다. 이러한 상기 제 1 전극(401) 위에 인접한 렌즈 영역의 중심으로부터 이격하여 인접한 좌우 렌즈 영역에 걸쳐 투명한 상기 제 2 전극(403)을 형성하고, 상기 제 2 전극(403)의 중앙 부위에 대응하여 금속 패턴을 이용하여 제 3 전극(405)을 형성한다. 즉, 마스크의 증가없이, 상기 제 1 전극(401) 의 형성이 가능하고, 또한, 렌즈 피치(pitch: 일 렌즈 영역의 가로 폭)가 넓고 셀갭이 낮은 완만한 렌즈 모양을 형성할 수 있다.
이 때, 상기 제 2 전극(403)에는 1.6~2V의 문턱 전압을, 상기 제 3 전극(405)에는 약 2.5~10V의 고전압을 인가하고, 상기 제 4 전극(501)에는 접지 전압(0V)을 인가한다. 그리고, 상기 제 1 전극(401)에는 접지 전압(0V)과 상기 제 2 전극(403)에 인가되는 전압(1.6~2V) 사이의 전압 값을 인가한다. 여기서, 상기 제 2 전극(403)에 인가되는 문턱 전압은 V=
Figure 112007049136576-pat00002
(Δε는 액정 유전율 이방성, K1은 액정의 탄성 계수, ε0은 자유공간 유전율)로 계산되며, 이를 피크값으로 하는 교류 사각파(square wave)로 인가되며, 상기 제 1 전극(401)에는 이보다 작은 값을 피크값으로 하는 교류 사각파, 상기 제 3 전극(405)는 약 2.5~10V를 피크값으로 하여 인가되는 교류 사각파이다.
이러한 전압 인가에 의해 서로 대향된 제 1, 제 2 기판(400, 500)간에는 수직 전계가 형성되고, 상기 제 1 기판(400) 상에 형성된 제 1 내지 제 3 전극(401, 403, 405)에 의해 상기 제 1, 제 2 기판(400, 500) 사이의 조성되는 전기장은 완만하게 포물선이 그려지는 측면 전기장으로 형성된다.
즉, 구체적으로 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액정 전계 렌즈를 도 11 및 도 12를 통해 참조하면 설명한다.
복수개의 렌즈영역이 대응되어 정의되어, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판(400, 500)과, 상기 제 1 기판(400) 전면에 형성된 제 1 전극(401)과, 상기 제 1 전극(401) 상에 형성된 제 1 절연막(402)과, 상기 각 렌즈 영역들에 대하여, 인접한 좌우 렌즈영역의 중심 사이에 걸쳐 형성된 제 2 전극(403)과, 상기 제 2 전극(403)을 포함한 상기 제 1 절연막(402) 상에 형성된 제 2 절연막(404)과, 상기 제 2 절연막(404) 상에, 상기 각 렌즈 영역의 에지부에 대응하여 형성된 제 3 전극(405)과, 상기 제 2 기판(500) 상에 전면 형성된 제 4 전극(501) 및 상기 제 1 기판(400) 및 제 2 기판(500) 사이에 채워진 액정층(600)을 포함하여 이루어진다.
이러한 제 2 실시예에 따른 액정 전계 렌즈는, 문턱 전압이 인가되는 상기 제 2 전극(403) 외에 상대적으로 면적이 더 크며 낮은 전압이 인가되는 제 1 전극(401)이 형성되어, 상기 제 3 전극(405)과 상기 제 4 전극(501)과의 사이에 형성되는 전위면이 낮아지게 하고, 이에 따라 결과적으로 형성되는 액정 전계 렌즈의 높이, 즉, 새그(sag)를 낮출 수 있게 되어, 액정 전계 렌즈가 형성되지 않는 두께의 액정을 생략할 수 있어, 액정층(600)의 두께를 줄일 수 있다.
또한, 여기서, 상기 제 3 전극(405)을 포함한 상기 제 2 절연막(404) 상에 버퍼층을 형성할 수도 있는데, 앞서 설명한 원리로 전압 변화가 심한 부위를 버퍼층(미도시)을 두어, 실질적으로 액정층(600)에는 보다 포물면이 완만한 액정 전계 렌즈의 형성이 가능하다.
도시된 도면에서는, 상기 액정층(600)을 이루는 액정 분자는 양의 유전율 이방성을 가진 경우를 도시하였으나, 도 3에 도시된 액정 전계 렌즈와 달리 이에 비 해 쉬프트된 액정 전계 렌즈를 의도하는 경우, 혹은 도시된 바와 동일한 효과의 액정 전계 렌즈를 형성하는 경우라도, 상기 제 1 기판(400) 상에 배치되는 전극의 배치를 달리하거나 상기 제 1, 제 2 기판(400, 500)의 위치를 서로 반전시켜 음의 유전율 이방성을 갖는 재료를 사용할 수도 있다.
한편, 본 발명의 액정 전계 렌즈(1000)는, 그 자체로는 삼차원 구현에 이용되는 렌즈 역할을 하는 것이고, 경우에 따라, 이차원을 구현하는 표시 장치상에 위치하여, 이차원 영상을 삼차원 영상으로 변환시켜 영상을 표시할 수 있다. 또한, 전압 무인가시 광이 투과되는 특성을 이용하여, 전압 무인가시는 이차원 표시, 전압 인가시는 삼차원 표시와 같은 스위칭 기능을 겸용할 수 있다. 이러한 액정 전계 렌즈는, 하부에 2차원 영상 표시가 가능한 표시 장치를 두어, 이용가능할 것이다. 즉, 상기 2차원 영상 표시와 3차원 영상 표시의 스위칭(switching) 기능이 가능하여, 상기 액정 전계 렌즈는 전압 인가시는 하부 표시 장치로부터 나오는 이차원 영상 신호의 입체(삼차원) 영상 표시를 가능하게 하고, 전압 무인가시에는 하부 표시 장치로부터 나오는 2차원 영상 표시를 바로 관측자에게 전달하여 2차원 영상 표시가 가능할 것이다.
이 때, 전압 무인가시 2차원 영상 표시가 가능하도록 상기 제 1, 제 2 기판(400, 500)에, 초기 상태(전압 무인가시)에서 광의 투과가 가능하게 배향처리를 한다. 즉, 상기 제 1, 제 2 배향막(406, 502)은 전압이 인가되지 않은 초기 상태에서, 상기 액정층(600)이 광을 투과시키는 배향 특성을 갖도록, 상기 제 1 배향막(406) 측은 상기 제 3 전극(405)으로 러빙(rubbing)하고, 상기 제 2 배향막(502) 은 이에 교차하는 방향으로, 안티 패럴랠(anti-parallel)하게 한다. 여기서, 상기 제 1, 제 2 기판(400, 500)의 배면측은 편광판이 구비되지 않는 것으로, 이에 따라 하부로부터 표시장치를 통해 상기 액정 전계 렌즈를 통과한 빛은 그대로 관측자에게 투과되어 전달된다.
본 발명의 액정 전계 렌즈는 각 전극에 전압 인가시 상기 액정층(600)이 포물선면의 표면을 갖는 렌즈와 동일한 효과를 갖는 것으로, 이를 이용할 경우, 영상 신호의 삼차원 구현이 가능하게 된다.
특히, 본 발명의 액정 전계 렌즈는, 액정 전계 변화가 심한 부위를 버퍼층으로 가려, 실질적으로 액정층의 전계 변화를 낮추어, 액정 전계 렌즈를 완만하게 조절할 수 있으며, 그 높이까지 조절할 수 있다.
이하, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액정 전계 렌즈와 버퍼층을 구비하지 않은 3전극 구조의 액정 전계 렌즈에 대해 시뮬레이션된 자료를 통해 비교 설명한다.
도 13은 버퍼층의 구비없이 3 전극을 구비한 액정 전계 렌즈의 렌즈 모양의 시뮬레이션도이며, 도 14는 본 발명의 4 전극을 구비한 액정 전계 렌즈의 렌즈 모양의 시뮬레이션도이다.
액정층 외에 별도 버퍼층의 구비없이, 3전극으로 액정 전계 렌즈를 형성시는 도 13과 같이 포물렌즈면에 비해 그 표면에서 일탈이 심하였고, 반면 도 14와 같이, 4전극으로 액정 전계 렌즈를 형성시는 포물렌즈면과 유사한 위상을 갖는 것이 관찰된다. 여기서, 도 13 및 도 14에서 각각 고전압이 인가되는 제 2 전극 및 제 3 전극은 차광 금속으로 이루어져 렌즈 형성이 이루어지지 못하고 차광되는 영역으로 이 부위에서 동일한 광경로를 갖게 되어 동일한 위상 값을 나타나고 있다.
도 13 및 도 14의 액정 전계 렌즈를 시뮬이션한 값을 일예로 들어 설명한다.
예를 들어, 셀갭의 비율이 약 10: 1(실험상에서는 렌즈 영역의 일 피치가 200㎛이며, 액정층의 셀갭이 20㎛)일 때, 각각 최적 전압에서 형성되는 렌즈 프로파일을 보면, 3 전극 구조의 경우 정상적인 렌즈 프로파일(포물렌즈면)을 갖는 갖지 못함을 알 수 있었다. 이는 렌즈 영역의 피치가 커질수록, 제 2 전극 위치에서 높게 형성되는 위상의 특성상 렌즈의 꼭지점(렌즈의 높이가 가장 높은 점)을 적어도 포함하여야 하는 액정층의 셀갭은 자연적으로 커지기 마련이다. 그러나, 도 14와 같이, 4 전극 구조의 경우, 제 1 기판 상에 형성되는 제 1 전극부터 제 3 전극으로 갈수록 점점 작아지고, 좀 더 큰 전압이 인가되게 되므로, 측면 전기장이 보다 완만하게 조성되며, 이에 수직한 위상 또한, 완만한 포물렌즈면에 유사하게 형성되어, 물리적으로 형성한 포물 렌즈와 비교하여 크게 렌즈면 차이가 없는 액정 전계 렌즈의 형성이 가능하게 된다.
실험상에서, 상기 렌즈 영역의 피치는 200㎛로 한 것으로, 이 때 상기 제 2 전극의 폭은 이의 9/10의 정도인 약 180㎛ 정도로 하며, 상기 제 3 전극은 렌즈 영역의 1/20인 10㎛으로 하여 얻은 액정 전계 렌즈의 프로파일이다. 필요한 렌즈의 피치 및 새그에 따라, 각각의 폭 및 배율 정도는 변경 가능할 것이다.
상술한 시뮬레이션에서 관찰된 액정 전계 렌즈는 2뷰(view)(뷰: 하나의 시역안에 들어있는 서브픽셀 수) 또는 3뷰(view)가 가능한 것으로 중소형 패널에 적용하기 용이한 것으로, 이하, 표시 패널의 단일 화소가 커지는 대면적 표시 장치에 있어서, 렌즈 영역의 뷰 수를 늘려 실험한 예를 살펴본다.
도 15a 및 도 15b는 9뷰(view) 액정 전계 렌즈를 버퍼층 없이 3전극으로 구현한 경우의 배치 구조와 이의 렌즈 모양을 나타낸 시뮬레이션도이며, 도 16a 및 도 16b는 9뷰(view) 액정 전계 렌즈를 4전극 및 버퍼층을 함께 구비하여 구현한 경우의 배치 구조와 이의 렌즈 모양을 나타낸 시뮬레이션도이다.
9뷰를 구현하기 위하여는 일 렌즈 영역의 가로길이에 4.5개, 세로길이에 2개의 서브픽셀(R, G, B 서브픽셀)이 들어오도록 피치를 늘려야 한다. 3 전극 구조의 도 15a의 시뮬레이션 상에서는, 상기 피치를 730㎛로 하였으며, 상기 일 렌즈 영역내에 전계에 의한 효과를 충분히 주기 위해 상대적으로 제 2 전극의 폭을 약 90㎛ 정도로 하였다. 도 15b 를 통해 이 경우, 액정층의 전기장 변화에 따른 렌즈 프로파일을 살펴보면, 포물 렌즈의 형상으로부터 일탈이 심함을 알 수 있다. 특히, 상기 제 2 전극의 부근, 상기 제 2 전극과 제 3 전극(대향기판측에 전면 형성된 전극) 사이에 수직 전계가 강하게 걸리는 부위에, 포물렌즈에 대비된 기울기가 커지며, 렌즈 중심 영역(도면에서 좌우 가장자리)에 비해 광경로가 매주 작아지게 되어, 렌즈로 이용할 수 없는 비유효 영역이 발생하며, 이와 같이, 포물 렌즈의 형상에 비해 많이 일탈하거나 비유효 영역이 늘게 될수록, 왜곡을 유발하는 정도가 커 지므로 액정 전계 렌즈로 이용하기 힘들다.
이에 비해, 도 16a와 같이, 9뷰 액정 전계 렌즈를 4 전극 및 버퍼층을 함께 구비하여 구현한 경우, 하판측에 위에서부터 아래로 점점 폭이 넓어지는 제 1 내지 제 3 전극을 형성하고, 대향 기판측에 전면 형성된 제 4 전극을 형성시, 도 16b와 같이, 상기 제 3 전극 부근을 제외하고는 거의 포물 렌즈에 근사한 형태의 렌즈 프로파일을 얻을 수 있다.
이 경우, 상기 제 1 전극에는 약 1.8V, 제 2 전극에는 약 2V, 제3 전극에는 4V을 인가하였으며, 상기 제 1 내지 제 3 전극의 폭을 각각 730㎛, 230㎛, 10㎛로 하여 실험하였다. 이 때, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에는 제 1 절연막을 개재하고, 상기 제 2 전극 및 제 3 전극 사이에는 제 2 절연막을 개재하고, 상기 제 3 절연막 상에는 버퍼층을 더 구비하였고, 이 때, 각 절연막 및 버퍼층의 두께는 차례로, 0.2㎛, 0.2㎛, 2㎛으로 하였다.
상기 제 3 전극은 차광 금속을 이용하여 형성하여, 특히, 크로스토크가 심한 부위를 선택적으로 가리도록 하며, 이에 따라, 상기 제 3 전극 상부는 굴곡을 갖는 렌즈로 이용되지 않는다.
이러한 9뷰 4전극 구조에서는, 렌즈 영역의 피치가 큰 관계로, 피치에 비례하여 새그(sag) 또한 커질것으로, 충분히 액정층의 두께를 두껍게(약 50㎛ 상당) 하여, 액정 전계 렌즈를 형성한다.
이러한 버퍼층과 4전극을 구비한 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액정 전계 렌즈는 도 16b와 같이, 포물 렌즈에 거의 유사한 형태로 안정적인 프로파일을 구현 할 수 있어, 특히, 5뷰, 7뷰, 9뷰 등의 멀티뷰로 표시되는 대면적 표시 장치에 이용하기 유용하다.
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 렌즈 형성시 전압 인가 후 전위 분포를 나타낸 도면
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 도 4의 구조에 전압 인가시 전위 분포 및 액정 분자 배열 분포를 나타낸 그래프
도 6은 도 4 및 도 5를 통해 얻어진 액정 전계 렌즈의 위치에 따른 위상을 나타낸 그래프
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액정 전계 렌즈를 이용한 입체 표시 장치를 나타낸 단면도
도 8은 도 7의 액정 전계 렌즈와 대응되는 픽셀 어레이를 나타낸 평면도
도 9는 액정 전계 렌즈의, 제 2 기판 상의 전극을 나타낸 평면도
도 10은 액정 전계 렌즈의, 제 1 기판 상의 전극을 나타낸 평면도
도 11은 도 7의 액정 전계 렌즈를 나타낸 단면도
도 12는 도 7의 액정 전계 렌즈를 나타낸 사시도
도 13은 버퍼층의 구비없이 3 전극을 구비한 액정 전계 렌즈의 렌즈 모양의 시뮬레이션도
도 14는 본 발명의 4 전극을 구비한 액정 전계 렌즈의 렌즈 모양의 시뮬레이션도
도 15a 및 도 15b는 9뷰(view) 액정 전계 렌즈를 버퍼층 없이 3전극으로 구현한 경우의 배치 구조와 이의 렌즈 모양을 나타낸 시뮬레이션도
도 16a 및 도 16b는 9뷰(view) 액정 전계 렌즈를 4전극 및 버퍼층을 함께 구비하여 구현한 경우의 배치 구조와 이의 렌즈 모양을 나타낸 시뮬레이션도
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 제 1 기판 101 : 제 1 전극
102 : 절연막 103 : 제 2 전극
104 : 버퍼층 200 : 제 2 기판
201 : 제 3 전극 300 : 액정층
350 : 표시 패널 400 : 제 1 기판
401 : 제 1 전극 402 : 제 1 절연막
403 : 제 2 전극 404 : 제 2 절연막
405 : 제 3 전극 406 : 제 1 배향막
500 : 제 2 기판 501 : 제 4 전극
502 : 제 2 배향막 600 : 액정층
700 : 광원 1000, 10000: 액정 전계 렌즈

Claims (19)

  1. 복수개의 렌즈영역이 정의되어, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판;
    상기 제 1 기판 상에, 인접한 렌즈영역들의 중심 사이에 걸쳐 형성된 제 1 전극;
    상기 제 1 전극을 포함한 상기 제 1 기판 상에 형성된 제 1 절연막;
    상기 제 1 절연막 상에, 상기 각 렌즈 영역의 에지부에 대응하여 형성된 제 2 전극;
    상기 제 2 전극을 포함한 상기 제 1 절연막 상에 형성된 버퍼층;
    상기 제 2 기판 상에 전면 형성된 제 3 전극; 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 버퍼층은 포토 아크릴 또는 BCB(BenzeneCycloButene)인 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 버퍼층의 유전율이 액정층의 유전율보다 작은 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 버퍼층은 1~10㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 상기 제 2 전극을 경계로 양측의 인접한 렌즈 영역들에서 대칭형으로 형성된 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 버퍼층 및 상기 제 3 전극 상에 각각 제 1, 제 2 배향막이 더 형성된 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제 1 배향막은 상기 제 2 전극의 길이 방향으로 러빙되며, 상기 제 2 배향막은 상기 제 1 배향막의 러빙 방향과 교차하는 방향으로 러빙되는 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 3 전극은 투명 금속인 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제 2 전극은 차광성 금속인 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 액정층의 구동시
    상기 제 1 전극에는 1.6~2V를 피크값으로 하는 교류 전압이 인가되며, 상기 제 2 전극에 2.5~15V를 피크값으로 하는 교류 전압이 인가되고, 상기 제 3 전극은 접지되는 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 기판과 상기 제 1 전극을 포함한 제 1 절연막 사이의 층간에, 제 2 절연막을 개재하여 상기 제 1 기판 전면에 형성된 제 4 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  12. 복수개의 렌즈영역이 정의되어, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판;
    상기 제 1 기판 전면에 형성된 제 1 전극;
    상기 제 1 전극을 포함한 상기 제 1 기판 상에 형성된 제 1 절연막;
    상기 제 1 절연막 상에, 인접한 렌즈영역들의 중심 사이에 걸쳐 형성된 제 2 전극;
    상기 제 2 전극을 포함한 상기 제 1 절연막 상에 형성된 제 2 절연막;
    상기 제 2 절연막 상에, 상기 각 렌즈 영역의 에지부에 대응하여 형성된 제 3 전극;
    상기 제 2 기판 전면에 형성된 제 4 전극; 및
    상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 채워진 액정층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제 3 전극을 포함한 상기 제 2 절연막 상 및 상기 제 4 전극 상에는 각각 제 1, 제 2 배향막이 더 형성된 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 제 1 배향막은 상기 제 2 전극의 길이 방향으로 러빙되며, 상기 제 2 배향막은 상기 제 1 배향막의 러빙 방향과 교차하는 방향으로 러빙되는 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2 전극 및 제 4 전극은 투명 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 제 3 전극은 차광 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  17. 제 12항에 있어서,
    상기 제 3 전극을 포함한 상기 제 2 절연막 상에는 오버코층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  18. 제 12항에 있어서,
    상기 액정층의 구동시
    상기 제 1 전극에는 0~1.6V의 교류 전압이 인가되며, 상기 제 2 전극에는 1.6~2V를 피크값으로 하는 교류 전압이 인가되며, 상기 제 3 전극에 2.5~10V를 피크값으로 하는 교류 전압이 인가되고, 상기 제 4 전극은 접지되는 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  19. 제 1항 내지 제 18항 중 어느 한 항의 액정 전계 렌즈와,
    상기 액정 전계 렌즈 하부에 이차원의 제 1 및 제 2 영상을 출사하는 표시 패널을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치.
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