KR101429906B1 - 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나의 시역당 뷰수를 늘린 멀티 뷰(multi view)를 구현하고, 시야각을 개선하며, 전극의 에지부에 일어나는 크로스토크를 개선한 입체 표시 장치에 관한 것으로, 복수개의 서브픽셀을 매트릭스형으로 구비하며, 이차원의 영상 신호를 출사하는 표시 패널과, 상기 표시 패널 상부에 위치하며, 상기 서브픽셀의 가로 폭의 제 m 배, 세로 폭의 제 n배를 렌즈 영역으로 하여, 열 방향에서 전단 라인의 렌즈 영역에 비해 현단 라인의 렌즈 영역이 a 만큼 쉬프트된, 액정 전계 렌즈를 포함하여 이루어지며, 상기 액정 전계 렌즈는, 서로 대향된 제 1, 제 2 기판과, 상기 제 1 기판 상의 각 렌즈 영역들에 대하여, 각 렌즈 영역의 에지부에 대응되어 제 1 기판 상에 형성된 제 1 전극과, 상기 제 1 전극을 그 중심으로 하여, 상기 제 1 전극 하부의 상기 제 1 기판 상에, 인접한 좌우 렌즈영역의 중심 사이에 걸쳐 형성된 제 2 전극과, 상기 열 방향에서 라인별 렌즈 영역의 경계부를 지나도록 형성된 블랙 매트릭스층과, 상기 제 2 기판 상에 전면 형성된 제 3 전극 및 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 채워진 액정층을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

멀티 뷰(multi view), 렌즈 영역, 액정 전계 렌즈, 렌즈 피치, 시역, 3D, 크로스 토크(crosstalk)

Description

액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치{Liquid Crystal Lens Electrically Driven and Stereoscopy Display Device}

본 발명은 액정 전계 렌즈에 관한 것으로 특히, 하나의 시역당 뷰수를 늘린 멀티 뷰(multi view) 입체 표시에 있어서, 시야각을 개선하고, 전극의 에지부에 일어나는 크로스토크를 개선한 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 65mm정도 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, 일예로, 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 위치별로 서로 다른 전압을 인가하여 위치별로 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 도시한 단면도이며, 도 2는 액정 전계 렌즈에 빛을 통과시킬 경우, 위치에 따른 입사광의 위상 변화를 나타낸 그래프이다.

도 1 및 도 2와 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 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)이 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.

이러한 액정 전계 렌즈는 물리적으로 포물면(볼록면)의 표면을 갖는 렌즈의 구비없이, 액정과 상기 액정을 사이에 두고 양기판 상에 전극을 형성하고, 이에 전 압을 인가함에 의해 얻어질 수 있다.

그러나, 도 2에서 살펴보면, 액정 전계 렌즈는 구현을 위해 전압 인가시 포물면과 완전히 동일한 위상면을 갖도록 이루어지기 힘들며, 특히, 상기 제 1 전극 중심에 대응되는 부위에서, 즉, 액정 전계 렌즈의 에지부에서 포물면 렌즈의 형상에 비해 많이 벗어남을 알 수 있다. 이와 같이, 상기 포물면 렌즈로부터 위상면이 벗어났다는 것은, 해당 부위에서 광전달이 포물면 렌즈와 다르게 이루어지는 것을 의미하는 것으로, 이로 인해 3D 화면 구현시 왜곡된 영상이 표현될 수 있다. 여기서, 상기 제 1 전극 중심은 렌즈의 입장에서 에지(edge) 부위에 해당하며, 이러한 에지(제 1 전극 부위)에서 렌즈의 형상의 왜곡이 일어나는 것으로, 의도되지 않은 신호의 유발이라 하여 크로스토크(crosstalk)라 하며, 이러한 신호 왜곡 부위를 에지(edge) 에러 영역이라 한다. 이 경우, 렌즈 영역의 가로 폭인 피치가 점점 커지는 대면적으로 진행할수록 상기 제 1 전극에 멀어지는 부위에서 전계 효과가 떨어져 렌즈 형상의 왜곡이 발생하기 쉽다.

여기서, 상기 제 1 전극은 도면을 투과하는 방향의 막대 형상으로 형성되며, 상기 제 1 전극과 제 2 전극간의 수직 전계에 의해 형성되는 액정 전계 렌즈는 도 2와 같이, 포물선 형상이 가로 방향에서 발생하고, 상기 제 1 전극의 길이 방향(도면을 투과하는 방향)에서는 동일한 전계에 의해 액정층의 액정이 동일한 위상차를 갖게 되어, 한 단면이 포물면을 갖는 실린더 형태로 도면을 투과하는 방향으로 액정 전계 렌즈가 형성된다.

또한, 종래의 액정 전계 렌즈는 가로 방향에서 액정층의 액정이 포물면의 형 상으로 광경로차를 갖게 되어, 포물면 형상의 광학 렌즈와 같은 기능을 기대할 수 있지만, 세로 방향에서는 동일한 위상차로 액정이 구동함으로써, 세로 방향에서 동일한 효과를 갖게 되는 것으로, 사용자가 정지된 상태에 있을 때, 최적의 입체 표시 시감을 얻을 수 있다. 그러나, 사용자(관측자)의 가로 또는 세로로 그 움직임을 달리할 때, 액정 전계 렌즈의 서로 다른 부위를 인식하여, 사용자가 관측시 영상을 제대로 인지하지 못하거나 왜곡된 영상을 인지할 수 있다.

상기와 같은 종래의 액정 전계 렌즈는 다음과 같은 문제점이 있다.

즉, 액정 전계 렌즈를 형성시, 액정 전계 렌즈의 에지부에서의 위상이, 물리적으로 구현한 포물면 또는 볼록면을 갖는 렌즈의 형상으로부터 크게 벗어나는 형상으로 형성되어, 입체 표시(3D) 구현시 상기 에지부에서 굴절률의 왜곡이 발생하여 이 부위에서 크로스토크(crosstalk)를 유발하여 정상 표시가 불가능하다.

또한, 종래의 액정 전계 렌즈는 가로 방향에서 액정층의 액정이 포물면의 형상으로 광경로차를 갖게 되어, 포물면 형상의 광학 렌즈와 같은 기능을 기대할 수 있지만, 세로 방향에서는 동일한 위상차로 액정이 구동함으로써, 동일한 광학 효과를 갖게 되는 것으로, 사용자가 정지된 상태에 있을 때, 최적의 입체 표시 시감을 얻을 수 있다. 그러나, 사용자(관측자)의 가로 또는 세로로 그 움직임을 달리할 때, 액정 전계 렌즈의 서로 다른 부위를 인식하여, 사용자가 관측시 영상을 제대로 인지하지 못하거나 왜곡된 영상을 인지할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 하나의 시역당 뷰수를 늘린 멀티 뷰(multi view) 입체 표시에 있어서, 시야각을 개선하고, 전극의 에지부에 일어나는 크로스토크를 개선한 액정 전계 렌즈를 포함하는 입체 표시 장치를 제공하는 데, 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 입체 표시 장치는, 복수개의 서브픽셀을 매트릭스형으로 구비하며, 이차원의 영상 신호를 출사하는 표시 패널과, 상기 표시 패널 상부에 위치하며, 상기 서브픽셀의 가로 폭의 제 m (m은 실수)배, 세로 폭의 제 n (n은 자연수)배를 렌즈 영역으로 하여, 열 방향에서 전단 라인의 렌즈 영역에 비해 현단 라인의 렌즈 영역이 a 만큼 쉬프트된, 액정 전계 렌즈를 포함하여 이루어지며, 이 때, 상기 액정 전계 렌즈는, 서로 대향된 제 1, 제 2 기판과, 상기 제 1 기판 상의 각 렌즈 영역들에 대하여, 각 렌즈 영역의 에지부에 대응되어 제 1 기판 상에 형성된 제 1 전극과, 상기 제 1 전극을 그 중심으로 하여, 상기 제 1 전극 하부의 상기 제 1 기판 상에, 인접한 좌우 렌즈영역의 중심 사이에 걸쳐 형성된 제 2 전극과, 상기 열 방향에서 라인별 렌즈 영역의 경계부를 지나도록 형성된 블랙 매트릭스층과, 상기 제 2 기판 상에 전면 형성된 제 3 전극 및 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 채워진 액정층을 포함하여 이루어짐에 그 특징이 있다.

여기서, 상기 a는 상기 서브픽셀의 가로 폭을 n으로 나눈 값에 상당한다.

여기서, 상기 제 2 전극은 상기 제 1 기판 전면에 형성되거나, 상기 인접한 좌우 렌즈 영역의 중심간에 형성되며, 상기 블랙 매트릭스층은 상기 제 2 기판 상에 형성될 수 있다.

혹은, 상기 블랙 매트릭스층은 경우에 따라 상기 제 1 기판 상에 형성될 수도 있고, 이 때, 상기 제 2 전극 및 제 1 전극은 상기 블랙 매트릭스층 상부에 차례로 형성된다.

또한, 상기 제 1 전극을 포함한 상기 제 1 기판 전면 및 상기 제 3 전극 상에 각각 제 1, 제 2 배향막이 더 형성될 수 있으며, 이 때, 상기 제 1 배향막은 상 기 제 1 전극의 길이 방향으로 러빙되며, 상기 제 2 배향막은 상기 제 1 배향막의 러빙 방향과 교차하는 방향으로 러빙된다.

상기 제 2 및 제 3 전극은 투명 금속이며, 상기 제 1 전극은 차광성 금속으로 형성할 수 있다.

여기서, 상기 블랙 매트릭스층은 블랙 레진(black resin), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 및 알루미늄-네오디늄(AlNd) 중 어느 하나이다.

그리고, 상기 액정층의 구동시 제 1 전극에 2.6~10V의 전압이 인가되고, 상기 제 2 전극에는 1.6~2.0V의 전압이 인가되며, 상기 제 3 전극은 접지된다.

그리고, 상기 각 렌즈 영역은 동일한 개수의 서브픽셀에 대응된다.

상기 렌즈 영역은 열 방향에서 계단형상을 가질 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 액정 전계 렌즈를 포함하는 입체 표시 장치는 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명의 액정 전계 렌즈는, 왜곡이 심한 에지 영역을 전극을 차광성 금속을 이용하여 가려주어 크로스토크의 발생을 최소화하고, 또한, 계단형의 렌즈 영역들간의 라인별 렌즈 영역의 경계부는 별도로 블랙 매트릭스층을 형성하여, 수직 방향의 전기장이 발생하는 부위에서 위상차가 급격히 변하는 부위를 가려주어, 사용자의 시감을 향상시킬 수 있다.

또한, 계단형의 렌즈 영역을 구비함에 의해 단순히 일자형의 렌즈 영역을 구비하는 경우에 비해, 렌즈 영역간 멀티뷰(multi view)를 구현하는 경우, 수평 방향 에서만 해상도가 손실이 발생됨을 방지할 수 있고, 해상도를 상하 방향 각각 골고루 분산하여 감소시켜, 특정 방향에서 해상도 손실을 줄여, 시감을 향상할 수 있다.

또한, 현재 대형 액정 표시 장치에 있어서, 편광판 광축 방향이 0도나 90도가 일반적인데, 액정 전계 렌즈는 선편광 성분의 광경로를 제어하기 때문에, 액정의 배열 및 회전이 액정 패널의 편광판 광축 방향과 일치하는 것이 유리하다. 본 발명의 계단형의 렌즈 영역을 구비하는 경우, 기존의 슬랜티드(slanted) 구조에 비해, 렌즈 영역의 배치를 편광판의 광축 방향과 일치시켜, 편광판과 틀어져 기울어져 전압 인가시 액정 배열이 비대칭성을 갖는 슬랜티드 구조에 비해 화질 향상을 기대할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 표시 장치를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 액정 전계 렌즈를 포함한 입체 표시 장치를 나타낸 개략 단면도이다.

도 3과 같이, 본 발명의 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(2000)과, 상기 표시 패널(2000) 하측에 표시 패널(2000)로 광을 전달하는 광원(3000)을 포함하여 이루어진다.

경우에 따라, 상기 표시 패널(2000)이 광을 직접 발광하는 장치라면, 상기 광원(3000)의 생략이 가능하다.

상기 표시패널(2000)에는 복수개의 서브픽셀이 매트릭스(matrix) 형상으로 형성되어 있으며, 각 서브픽셀에는 r, g, b 영상신호가 열(column)별로 차례로 인가된다.

이러한 표시패널(2000)로는 액정표시소자(Liquid crystal 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 이용될 수 있다.

또한, 상기 액정 전계 렌즈(1000)는 전압의 온/오프(on/off)에 따라, 2D(이차원)/3D(삼차원)의 영상을 선택적으로 출사하는 기능을 갖는 것으로, 전압이 인가되지 않은 상태에서는 상기 액정 전계 렌즈(1000)가 투과층으로 기능하여, 상기 표시 패널(2000)로부터 인가되는 2차원의 영상을 그대로 출사하며, 전압을 인가한 상태에서는 상기 액정 전계 렌즈(1000)가 액정의 위치별 광경로차에 의해 포물렌즈(행 방향에서는 포물선을 갖고, 상기 포물선이 열방향에서는 상기 포물렌즈가 동일하게 반복되어, 포물선 형태의 위상이 열 방향에서 실린더 형상으로 이루어지는) 형태로 작용한다.

여기서, 상기 액정 전계 렌즈(1000)는 가로 폭 p, 세로 폭 q (도 4 참조)로 하는 렌즈 영역(L)을 단위로 하여 이루어지며, 각 렌즈 영역(L)의 행 방향에서 도 3에 도시된 바와 같은, 포물선 형태의 광경로차가 발생하여 이루어지는 광학 렌즈를 구현한다. 그리고, 각 렌즈 영역(L)에 대응되어, 상기 표시 패널(2000)에 구비된 숫자(1~9)는 하나의 렌즈 영역(L)에서 포함되는 뷰(view: 시점) 수로, 사용자(관측자)의 이동에 따라 발생할 수 있는 시점 수를 나타내는 것으로 자연수일 수 있다. 도시된 도면에서는 총 9개의 뷰수를 구비한 경우를 나타내고 있으며, 여기서, 상기 뷰 수 총 9개는 가로 4.5개의 서브픽셀과, 세로 총 2개의 서브픽셀에 대응된 것이다.

경우에 따라, 상기 뷰수는 도시된 9개에 한정된 것이 아니라, 렌즈 영역(L)이 갖는 피치와 표시 패널의 서브 픽셀의 크기에 따라 가감되어 변경될 수 있다.

여기서, 상기 렌즈 영역(L)은 도시된 볼록 렌즈와 같은 물리적인 렌즈 형상을 갖는 것이 아니라, 전계 인가에 따라 액정 배열되어 이루어지는 광경로차에 따라 렌즈와 동일한 광학 효과를 갖는 영역을 표시한 것이다.

이하, 상기 멀티 뷰 구현이 가능하며, 2D/3D 스위칭 기능이 가능한 본 발명의 액정 전계 렌즈(1000)를 도면을 참조하여 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 액정 전계 렌즈의 하부 기판(제 1 기판)을 나타낸 평면도이며, 도 5는 도 4의 계단형상의 렌즈 영역의 각 층별 구현되는 렌즈모양을 나타낸 그래프이다. 그리고, 도 6은 본 발명의 액정 전계 렌즈의 상부 기판(제 2 기판)을 나타낸 평면도이며, 도 7은 본 발명의 액정 전계 렌즈의 상하부 기판을 합착한 상태를 나타낸 평면도이다. 도 8은 도 4의 I~I' 선상의 구조 단면도이며, 도 9는 도 4의 Ⅱ~Ⅱ' 선상의 구조 단면도이다.

도 4 내지 도 9와 같이, 본 발명의 입체 표시 장치 내의 액정 전계 렌즈는, 복수개의 서브픽셀(SP)을 매트릭스형으로 구비한 표시 패널에 대하여, 그 상부에 위치하며, 상기 서브픽셀의 가로 폭의 제 m (m은 실수)배, 세로 폭의 제 n(n은 자연수)배를 단위 렌즈 영역으로 하여, 열 방향에서 전단 라인의 렌즈 영역에 비해 현단 라인의 렌즈 영역이 a (렌즈 영역의 가로 폭보다 작은 간격)만큼 쉬프트되어 배치된다. 이 때, 뷰수는 m*n으로 결정된다.

이 때, 단위 렌즈 영역(L)은 그 크기를 단위 렌즈 영역당 가로 p, 세로 q의 폭을 가지며, 상기 p*q가 갖는 면적은 상기 단위 렌즈 영역(L)에 구비된 뷰(view)수와 서브픽셀이 갖는 면적을 곱한 값이다. 이러한 상기 각 단위 렌즈 영역(L)은 동일한 개수의 서브픽셀에 대응된다.

이러한 렌즈 영역(L)은 열 방향으로 보았을 때, 계단 형상으로 형성되며, 전단 라인과 현단 라인의 쉬프트 정도인 a는 상기 렌즈 영역의 가로 폭을 뷰수로 나눈 값으로, a= p/(m*n) =(서브픽셀의 가로 폭의 m배)/(m*n)이 된다. 따라서, a 값은 서브픽셀의 가로 폭을 n(렌즈 영역이 세로길이가 서브픽셀의 세로 폭에 갖는 비)으로 나눈 값에 상당한다. 예를 들어, 렌즈 영역이 서브픽셀의 가로 폭에 비해 4.5배, 세로 폭에 비해 2배를 가진다고 가정하면, 상기 a는 상기 서브픽셀의 가로 폭을 2로 나눈 값에 상당하며, 도 6 및 도 7에서 이러한 결과를 관찰할 수 있다.

이 때, 상기 각 열상에서 형성되는 액정 전계 렌즈를 살펴보면, 서로 대향된 제 1, 제 2 기판(100, 200)과, 상기 제 1 기판(100) 상의 각 렌즈 영역들(L1, L2, L3, L4, ...)에 대하여, 각 렌즈 영역(L1, L2, L3, L4, ...)의 에지부(E)에 대응되어 제 1 기판(100) 상에 형성된 제 1 전극(105)과, 상기 제 1 전극(105)을 그 중심 으로 하여, 상기 제 1 전극(105) 하부의 상기 제 1 기판(100) 상에, 인접한 좌우 렌즈영역(L1, L2, L3, L4, ...)의 중심(O) 사이에 걸쳐 형성된 제 2 전극(103)과, 상기 열 방향에서 라인별 렌즈 영역(L1, L2, L3, L4, ...)의 경계부를 지나도록 형성된 블랙 매트릭스층(101)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 액정층을 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 제 2 전극(103)은 상기 제 1 기판(100) 전면에 형성될 수도 있고, 도시된 바와 같이, 상기 인접한 좌우 렌즈 영역(L1, L2, L3, L4, ...)의 중심(O)간에 상기 제 1 폭(105)보다 큰 폭으로 형성될 수도 있다. 도시된 바와 같이, 각기 인접한 좌우 렌즈 영역(L)의 중심(O)으로부터 소폭 이격하여 형성할 수도 있고, 경우에 따라 상기 이격 폭을 '0'으로 하여, 상기 제 1 기판(100) 전면에 형성될 수도 있다. 이와 같이, 상기 제 2 전극(103)은 상기 제 1 전극(105)에 비해 넓은 폭으로 형성한 이유는, 다음과 같다. 즉, 상기 제 1 전극(105)과 제 2 전극(103)에 각각 고전압, 문턱 전압을 인가하고, 대향되는 제 3 전극(201)에 접지 전압을 주어, 상기 액정층(300)을 구동하는데, 상대적으로 제 1 전극(105)에 비해 약한 전압이 걸리는 제 2 전극(103)이 제 3 전극(201)과 작용하여 전계 형성을 할 때, 전계를 매끄럽게 하고, 또한 상기 제 1 전극(103)과 함께 상기 액정층(300)에 형성되는 액정 전계 렌즈의 높이(sag) 조절에 영향을 주기 위해서는 상기 제 1 전극(105) 보다는 양측으로 더 폭을 가져야 하기 때문이다.

또한, 상기 블랙 매트릭스층(101)은 상기 제 1 기판(100) 상에 형성되고, 상 기 제 2 전극(103) 및 제 1 전극(105)은 상기 블랙 매트릭스층(101) 상부에 차례로 제 1 절연막(102) 및 제 2 절연막(104)을 개재하여 형성된다.

여기서, 상기 블랙 매트릭스층(101)은 블랙 레진(black resin)이나, 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 및 알루미늄-네오디늄 합금(AlNd) 중 어느 하나로 이루어지며, 블랙 레진으로 형성시에는 도 8 및 도 9에서의, 제 1 절연막(102)을 생략하여 형성할 수도 있다.

또한, 상기 블랙 매트릭스층(101)이 갖는 폭은 상기 표시 패널이 액정 패널일 경우, 상기 서브픽셀들간의 경계부에 블랙 매트릭스가 형성되는데, 서브픽셀의 블랙 매트릭스층에 비해 상기 렌즈 영역(L)간의 경계부의 블랙 매트릭스층(101)을 더 큰 폭으로 형성한다. 예를 들어, 상기 서브픽셀의 블랙 매트릭스층의 상하 폭이 20~30㎛라 하면, 상기 액정 전계 렌즈의 블랙 매트릭스층(101)은 40~60㎛의 폭으로 형성한다.

경우에 따라, 상기 서브픽셀의 블랙 매트릭스층과 상기 액정 전계 렌즈의 블랙 매트릭스층(101)이 오버랩되는 관계에 있다 하더라도, 상기 액정 전계 렌즈와 표시 패널이 수 mm 이격되어 있으므로, 사용자가 정면이 아닌 상하측에서 혹은 소정 각도로 좌우 방향에서 바라볼 때, 상기 서브픽셀의 블랙 매트릭스층이 액정 전계 렌즈측의 렌즈 영역 경계부를 가리지 못하는 경우가 있다. 이 경우, 상기 블랙 매트릭스층(101)을 액정 전계 렌즈 내에 구비함에 의해 정면 외의 타방향에서 일어나는 렌즈의 왜곡 영역을 가릴 수 있다.

상기 블랙 매트릭스층(101)은 상기 렌즈 영역(L1, L2, L3, L4,....)들의 경계부에 위치함에 의해 상기 렌즈 영역(L1, L2, L3, L4,....)의 경계부에서 발생하는 렌즈 형상 왜곡을 가려주어, 사용자(관측자)의 시감을 향상시킬 수 있다. 여기서, 상기 렌즈 영역(L1, L2, L3, L4,....)의 경계부는 액정층의 위상차가 급격히 변화하는 부위이고, 공간적으로 균일한 값의 위상차를 얻기 힘들므로, 이 부위를 가리게 된다. 또한, 전기장 측면에서 고찰하여 보아도, 상기 렌즈 영역(L1, L2, L3, L4,....)의 경계부에서는 제 1, 제 2 전극(105, 103)이 길이 방향(세로 방향)이 아닌 가로 방향으로 형성되어, 수직 방향의 전기장을 유도할 수 있어, 이 부위에서 액정층이 수직 방향으로 회전하여 액정 배향에 의해 형성된 렌즈 특성이 악화될 수 있다. 본 발명의 액정 전계 렌즈는 이러한 전기장의 왜곡이 발생되는 상기 영역(L1, L2, L3, L4,....)의 경계부를 가려주어 이 부위에서 광이 투과되는 것을 방지하여, 전체적으로 액정 전계 렌즈의 렌즈 효과를 향상시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 액정 전계 렌즈는 각 전극에 전압을 인가하지 않는 오프 상태에서는 하부 표시 패널(2000)로부터 출사되는 이차원의 영상 신호를 그대로 투과시키는데, 이는 상기 액정층(300)의 초기 상태를 조절하여 이룰 수 있다. 이는, 액정층(300)의 초기 상태를 제어하는 제 1, 제 2 배향막(106, 202)을 상기 제 1, 제 2 기판(100, 200) 각각에 형성하여 이루어질 수 있다.

즉, 상기 제 1 전극(105)을 포함한 상기 제 2 절연막(104) 전면 및 상기 제 3 전극(201) 상에 각각 제 1, 제 2 배향막(106, 202)이 더 형성될 수 있으며, 이 때, 상기 제 1 배향막(106)은 상기 제 1 전극(105)의 길이 방향으로 러빙되며, 상 기 제 2 배향막(202)은 상기 제 1 배향막(106)의 러빙 방향과 교차하는 방향으로 러빙된다.

여기서, 상기 제 2 및 제 3 전극(103, 201)은 ITO(Incium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 등의 투명 금속으로 이루어지며, 상기 제 1 전극(105)은 액정 전계 렌즈의 에지부에서 크로스토크에 대한 영향을 방지하기 위해 이 부위를 가리도록 크롬이나 몰리브덴 등의 차광성 금속으로 형성하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 액정층(300)의 구동시 제 1 전극(105)에는 고전압이 인가되고, 상기 제 2 전극(103)에는 문턱 전압이 인가되고, 상기 제 3 전극(201)에는 접지 전압이 인가되어, 상기 제 1, 제 2 기판(100, 200) 사이에 수직 전계를 조성하여, 이에 의한 액정층(300)의 위치별 광경로차를 유도한다. 이 때, 상기 제 2 전극(103)에 인가되는 문턱 전압은 V=

(Δε는 액정 유전율 이방성, K1은 액정층의 탄성 계수, ε₀은 자유공간 유전율)을 피크값으로 하는 교류 사각파(square wave)이며, 상기 제 1 전극(105)에 인가되는 고전압은 2.5~10V을 피크값으로 하는 교류 사각파이다.

도 10은 다른 실시예에 따른 도 4의 Ⅱ~Ⅱ' 선상의 구조 단면도이다.

도 10은 다른 실시예에 따른 본 발명의 액정 전계 렌즈를 나타낸 것으로, 블랙 매트릭스층(310)이 제 2 기판(200) 상에 형성된 상태를 나타낸다. 상기 블랙 매 트릭스층(310)의 위치를 제외하고는 상술한 도 4 내지 도 9의 액정 전계 렌즈와 동일 구성을 갖는 것으로, 이하, 그 구체적인 설명은 생략한다.

블랙 매트릭스층(310)은 열상에서 렌즈 영역들간의 경계부에 대응하여 형성하는 것으로, 형성 위치가 제 1 기판(100)이거나 제 2 기판(200)인 점은 크게 무관하다. 경우에 따라, 각각 패터닝이 이루어지는 층간의 정렬을 위한 상기 제 1 기판(100)의 외곽부에 주변 키(key)(미도시)가 형성되는데, 여기서, 상기 주변 키를 형성하는 공정과 동시에, 상기 블랙 매트릭스층(101)을 형성하면, 별도 마스크를 구비하지 않아도 되므로 공정 수를 줄이는 이점이 있다.

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, 약 15~30㎛의 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.

도시된 도면에서는, 상기 액정층(300)을 이루는 액정 분자는 양의 유전율 이방성을 가진 경우를 도시하였으나, 도시된 액정 전계 렌즈와 달리 이에 비해 쉬프트된 액정 전계 렌즈를 의도하는 경우, 혹은 도시된 바와 동일한 효과의 액정 전계 렌즈를 형성하는 경우라도, 상기 제 1 기판(100) 상에 배치되는 전극의 배치를 달리하거나 상기 제 1, 제 2 기판(100, 200)의 위치를 서로 반전시켜 음의 유전율 이방성을 갖는 재료를 사용할 수도 있다.

한편, 본 발명의 액정 전계 렌즈는, 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.

특히, 본 발명의 액정 전계 렌즈는, 왜곡이 심한 에지 영역을 전극을 차광성 금속을 이용하여 가려주고, 또한, 계단형의 렌즈 영역들간의 라인별 렌즈 영역의 경계부는 별도로 블랙 매트릭스층으로 가려 주어, 크로스 토크가 발생하는 부위와, 위상차가 급격히 변하는 부위를 가려주어, 사용자의 시감을 향상시킬 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 종래의 액정 전계 렌즈의 위상을 나타낸 그래프

도 3은 본 발명의 액정 전계 렌즈를 포함한 입체 표시 장치를 나타낸 개략 단면도

도 4는 본 발명의 액정 전계 렌즈의 하부 기판(제 1 기판)을 나타낸 평면도

도 5는 도 4의 계단형상의 렌즈 영역의 각 층별 구현되는 렌즈모양을 나타낸 그래프

도 6은 본 발명의 액정 전계 렌즈의 상부 기판(제 2 기판)을 나타낸 평면도

도 7은 본 발명의 액정 전계 렌즈의 상하부 기판을 합착한 상태를 나타낸 평면도

도 8은 도 4의 I~I' 선상의 구조 단면도

도 9는 도 4의 Ⅱ~Ⅱ' 선상의 구조 단면도

도 10은 다른 실시예에 따른 도 4의 Ⅱ~Ⅱ' 선상의 구조 단면도

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100 : 제 1 기판 101, 310 : 블랙 매트릭스층

102 : 제 1 절연막 103 : 제 2 전극

104 : 제 2 절연막 105 : 제 1 전극

106 : 제 1 배향막 200 : 제 2 기판

201 : 제 3 전극 202 : 제 2 배향막

300 : 액정층 L: 단위 렌즈 영역

L1, L2, L3, L4,.. : 열별 렌즈 영역

Claims (13)

1. 복수개의 서브픽셀을 매트릭스형으로 구비하며, 이차원의 영상 신호를 출사하는 표시 패널과, 상기 표시 패널 상부에 위치하며, 상기 서브픽셀의 가로 폭의 제 m (m은 실수)배, 세로 폭의 제 n (n은 자연수)배를 렌즈 영역으로 하여, 열 방향에서 전단 라인의 렌즈 영역에 비해 현단 라인의 렌즈 영역이 일정 간격만큼 쉬프트된, 액정 전계 렌즈를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치에 있어서,

   상기 액정 전계 렌즈는,

   서로 대향된 제 1, 제 2 기판;

   상기 제 1 기판 상의 각 렌즈 영역들에 대하여, 각 렌즈 영역의 에지부에 대응되어 제 1 기판 상에 형성된 제 1 전극;

   상기 제 1 전극을 중심으로 하여, 상기 제 1 전극 하부의 상기 제 1 기판 상에, 인접한 렌즈영역들의 중심 사이에 걸쳐 형성된 제 2 전극;

   상기 열 방향에서 라인별 렌즈 영역의 경계부를 지나도록 형성된 블랙 매트릭스층;

   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 입체 표시 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 전단 라인의 렌즈 영역에 비해 현단 라인의 렌즈 영역이 쉬프트된 간격은 상기 서브픽셀의 가로 폭을 상기 n으로 나눈 값에 상당하는 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 제 2 전극은 상기 제 1 기판 전면에 형성되거나, 상기 인접한 좌우 렌즈 영역의 중심간에 형성된 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 블랙 매트릭스층은 상기 제 2 기판 상에 형성된 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 블랙 매트릭스층은 상기 제 1 기판 상에 형성되고,

   상기 제 2 전극 및 제 1 전극은 상기 블랙 매트릭스층 상부에 차례로 형성된 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치.
6. 제 3항에 있어서,

   상기 제 1 전극을 포함한 상기 제 1 기판 전면 및 상기 제 3 전극 상에 각각 제 1, 제 2 배향막이 더 형성된 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치.
7. 제 6항에 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 입체 표시 장치.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 제 2 및 제 3 전극은 투명 금속인 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치.
9. 제 7항에 있어서,

   상기 제 1 전극은 차광성 금속인 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치.
10. 제 1항에 있어서,

    상기 블랙 매트릭스층은 블랙 레진(black resin), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 및 알루미늄-네오디늄(AlNd) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치.
11. 제 1항에 있어서,

    상기 액정층의 구동시

    제 1 전극에 2.6~10V의 전압이 인가되고, 상기 제 2 전극에는 1.6~2.0V의 전압이 인가되며, 상기 제 3 전극은 접지되는 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치.
12. 제 1항에 있어서,

    상기 각 렌즈 영역은 동일한 개수의 서브픽셀에 대응되는 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치.
13. 제 1항에 있어서,

    상기 렌즈 영역은 열 방향에서 계단형상을 갖는 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치.

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