KR101649234B1 - 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치 - Google Patents

액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101649234B1
KR101649234B1 KR1020090134355A KR20090134355A KR101649234B1 KR 101649234 B1 KR101649234 B1 KR 101649234B1 KR 1020090134355 A KR1020090134355 A KR 1020090134355A KR 20090134355 A KR20090134355 A KR 20090134355A KR 101649234 B1 KR101649234 B1 KR 101649234B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
liquid crystal
lens
electric field
electrode
substrate
Prior art date
Application number
KR1020090134355A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20110077709A (ko
Inventor
김성우
이승철
Original Assignee
엘지디스플레이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엘지디스플레이 주식회사 filed Critical 엘지디스플레이 주식회사
Priority to KR1020090134355A priority Critical patent/KR101649234B1/ko
Priority to CN2010105097255A priority patent/CN102116991B/zh
Priority to US12/958,833 priority patent/US8860894B2/en
Publication of KR20110077709A publication Critical patent/KR20110077709A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101649234B1 publication Critical patent/KR101649234B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1343—Electrodes
    • G02F1/134309—Electrodes characterised by their geometrical arrangement
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N13/00—Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/30—Image reproducers
    • H04N13/302—Image reproducers for viewing without the aid of special glasses, i.e. using autostereoscopic displays
    • H04N13/305—Image reproducers for viewing without the aid of special glasses, i.e. using autostereoscopic displays using lenticular lenses, e.g. arrangements of cylindrical lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1343—Electrodes
    • G02F1/134309—Electrodes characterised by their geometrical arrangement
    • G02F1/134381—Hybrid switching mode, i.e. for applying an electric field with components parallel and orthogonal to the substrates
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/294—Variable focal length devices
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/24—Function characteristic beam steering
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N13/00—Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/30—Image reproducers
    • H04N13/356—Image reproducers having separate monoscopic and stereoscopic modes

Abstract

본 발명은 액정 전계 렌즈 상측에 편광판을 적용하여 하판에 미세 분할 전극을 구비한 액정 전계 렌즈에 있어서, 인접한 전극끼리 횡전계가 걸려 횡방향으로 비틀려 렌즈의 왜곡이 발생함을 방지한, 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치에 관한 것으로, 본 발명의 액정 전계 렌즈는 복수개의 렌즈영역을 포함하여, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판;과, 상기 각 렌즈 영역들에 대응되어 상기 제 1 기판 상에, 서로 이격되며 형성되고, 상기 렌즈 영역의 중심부부터 에지부까지 점차 인가받는 전압의 크기가 증가하며, 일방향으로 형성된 복수개의 제 1 전극;과, 상기 제 2 기판 상에 전면 형성된 제 2 전극;과, 상기 제 1 전극을 포함한 상기 제 1 기판 전면에 형성되며, 제 1 방향으로 러빙된 제 1 배향막;과, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 채워진 액정층; 및 상기 제 2 기판의 배면 상에 상기 제 1 방향과 같거나 상기 제 1 방향으로부터 좌우 10° 내의 투과축을 갖는 편광판을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
액정 전계 렌즈, 편광판, 투과축, 러빙 방향, 배향막, 횡전계, 미세 분할 전극, 2D(이차원)/3D(삼차원), 입체 표시 장치

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, 액정 전계 렌즈 상측에 편광판을 적용하여 하판에 미세 분할 전극을 구비한 액정 전계 렌즈에 있어서, 인접한 전극끼리 횡전계가 걸려 횡방향으로 비틀려 렌즈의 왜곡이 발생함을 방지한, 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 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 전기장를 조성하여 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(10)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)이 형성되며, 이러한 액정층(30)을 이루는 액정 분자는 전기장의 세기 및 분포에 따라 반응하는 특성에 의해 포물선상의 전위면을 갖게 되고, 이에 상관하여 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 중심에서 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 양 기판 상에 전극을 형성하고, 이에 전압을 인가함에 의해 얻어질 수 있다.
그러나, 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 힘들다. 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 일 피치당 액정 전계 렌즈의 높이(sag)는 그 높이가 높고, 이러한 액정 전계 렌즈의 높이의 상하로 마진을 구비하여야 하기 때문에, 전체적으로 상기 액정 전계 렌즈를 형성하기 위해 소요되는 액정량이 많 다. 특히, 액정 전계 렌즈의 높이가 높아질수록 체적단위로 늘어나는 액정량 소모로, 고가의 액정량 증가로 비용이 상승되고, 또한, 공정성이 매우 떨어지기 때문에, 이를 개선하고자 하는 노력이 제기된다.
넷째, 액정 전계 렌즈의 초점 거리는 액정 전계 렌즈의 높이(sag)에 반비례하는 것으로, 짧은 초점 거리를 갖는 액정 전계 렌즈를 제작하기 위해서는, 높은 높이의 액정층이 필요하여, 이는 비용 상승의 큰 원인이었다. 특히, 액정은 장치에서 그 비용이 매우 고가이며, 셀갭이 늘수록 체적 단위로 늘게 되어, 이에 따라 셀 갭을 줄이고자 하는 요구가 늘고 있는 실정이다.
특히, 종래의 액정 전계 렌즈에 있어서, 일정한 렌즈 프로파일을 확보하기 위해서는 액정층의 두께, 즉, 셀 갭 30㎛ 이상으로 크고, 특히 피치가 넓은 대면적의 경우에는 액정층의 두께가 더욱 두껍게 된다. 그러나, 액정 패널곽 같은 표시 패널 어레이 공정에서는 셀갭을 10㎛ 이하로 진행하고 있어, 높은 높이의 액정층 셀 갭 형성이 어려워 현재 액정 패널을 형성하는 어레이 공정에서는 상술한 액정 전계 렌즈의 액정층을 형성하기 곤란한 문제가 있다.
다섯째, 상술한 셀 갭을 줄이고자 하는 노력에 따라 그 일환으로 프레넬 렌즈가 제기되었으나, 상기 프레넬 렌즈에서는 렌즈 영역들의 서로 다른 고점을 갖는 영역들 사이마다 불연속면이 발생하여, 인한 표시 품위를 저하시키는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 액정 전계 렌즈 상측에 편광판을 적용하여 하판에 미세 분할 전극을 구비한 액정 전계 렌즈에 있어서, 인접한 전극끼리 횡전계가 걸려 횡방향으로 비틀려 렌즈의 왜곡이 발생함을 방지한, 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 렌즈영역을 포함하여, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판;과, 상기 각 렌즈 영역들에 대응되어 상기 제 1 기판 상에, 서로 이격되며 형성되고, 상기 렌즈 영역의 중심부부터 에지부까지 점차 인가받는 전압의 크기가 증가하며, 일방향으로 형성된 복수개의 제 1 전극;과, 상기 제 2 기판 상에 전면 형성된 제 2 전극;과, 상기 제 1 전극을 포함한 상기 제 1 기판 전면에 형성되며, 제 1 방향으로 러빙된 제 1 배향막;과, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 채워진 액정층; 및 상기 제 2 기판의 배면 상에 상기 제 1 방향과 같거나 상기 제 1 방향으로부터 좌우 10° 내의 투과축을 갖는 편광판을 포함하여 이루어진 것에 그 특징이 있다.
상기 제 1 배향막은 상기 제 1 전극과 동일한 방향으로 러빙되거나 혹은 상기 제 1 배향막은 상기 제 1 전극과 수직한 방향으로 러빙된 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 2 전극 상에 제 2 배향막이 더 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 제 2 배향막은 제 1 배향막의 러빙 방향에 안티패러랠(anti-parallel)하게 러빙된 것이 바람직하다.
여기서, 액정층의 두께를 줄이기 위해 상기 렌즈 영역별로 중심부부터 에지부까지 서로 다른 전압을 인가하는 전압원 대신 상기 렌즈 영역을 복수개의 서브 영역으로 나누어 각 서브 영역별로 서로 다른 렌즈 형상을 갖도록, 서브 영역별로 다른 전압들을 인가하는 전압원을 더 구비하는 경우도 있다.
또한, 동일한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 입체 표시 장치는, 이차원의 영상 신호를 출사하는 표시 패널; 및 상기 표시 패널로부터 이차원의 영상 신호를 그대로 출사하거나 이를 삼차원의 영상 신호로 변환하여 출사하는, 상술한 액정 전계 렌즈를 포함하여 이루어진 것에 또 다른 특징이 있다.
여기서, 상기 표시 패널로부터 상기 액정 전계 렌즈측으로 편광된 광이 전달될 때, 상기 편광된 광의 투과축은 상기 제 1 배향막의 러빙 방향과 동일하게 한 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명의 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 액정 전계 렌즈의 미세하고 안정적인 프로파일 확보를 위해 하판에 형성하는 제 1 전극들을 미세 분할하여 형성하고, 이들 제 1 전극들에 서로 다른 전압을 인가하여, 상판 상에 형성된 제 2 전극과 제 1 전극들간의 수직 전계에 의해 완만한 포물면 렌즈 형상의 프로파일을 갖는 액정 전계 렌즈를 형성한다.
둘째, 액정량을 줄이기 위해 렌즈 영역을 복수개의 서브 영역으로 구분하여 이들 각각의 서브 영역에 고점을 갖는 프레넬(fresnel) 렌즈 구조를 적용하여 셀 갭 두께를 줄여 액정층의 사용량을 줄일 수 있다.
셋째, 상술한 미세 분할 전극 구조에서는 하판 상의 제 1 전극들간 차전압으 로 횡전계가 형성되어, 전압 인가시 액정이 횡방향으로 비틀리는 현상이 발생하고, 프레넬 렌즈의 경우에는 렌즈 불연속면이 나타날 수 있다. 이러한 불연속면과 횡방향의 비틀림을 액정 전계 렌즈 상에 액정 전계 렌즈의 러빙축과 일치하거나 소정 각 이내의 투과축을 갖는 편광판을 적용하여, 일부 틀어지는 빛의 경로를 차단하여 크로스토크(crosstalk)를 감소시켜 3D(입체) 표시 효과를 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치를 상세히 설명하면 다음과 같다.
렌즈 영역에 단일 전극으로 액정 전계 렌즈를 구현시 렌즈의 미세한 프로파일 제어가 힘들기 때문에, 이를 해결하고자 일 렌즈 영역에 미세 분할 전극들의 구조를 적용하고, 이들에 전압을 차등하여 인가하는 방식이 제안되었다.
이러한 구조에서는 하판에서는 1차 미세 분할 전극이 적용되고, 상판은 기판 전면에 형성되는 2차 전극이 형성되며, 이들 사이의 수직 전계에 의해 액정 전계 렌즈가 구동된다.
그리고, 상기 1차 미세 분할 전극이 적용된 하판에는 전극 방향과 평행하게 러빙하는 구조를 택하고 있다.
이하에서는 먼저, 이러한 구조에서 나타나는 액정의 배향 특성을 살펴본다.
도 3a 및 도 3b는 전극 방향에 수평한 러빙시 전압 무인가 상태 및 전압 인가 상태의 액정 방향을 나타낸 도면이다.
미세 분할 구조에서 러빙 방향을 1차 미세 분할 전극들(101a, 101b)의 방향과 수평하게 한 경우에는, 도 3a 와 같이, 액정 분자(110)들은 전압 무인가시의 초기 상태에서 상기 러빙 방향을 따라 상기 1차 미세 분할 전극들(101a, 101b)에 평행하게 배향된다.
그리고, 액정 전계 렌즈에 1차 미세 분할 전극과 제 2 전극에 전압을 인가하면, 그들 사이의 수직 전계가 조성되어, 서로 다른 전위면에 배향된 액정들의 굴절률 차로 액정 전계가 조성된다.
그런데, 도 3b와 같이, 1차 미세 분할 전극(101a, 101b)들에 전압이 걸리게 되면, 1차 미세 분할 전극(101a, 101b)뿐만 아니라 상기 1차 미세 분할 전극들(101a, 101b)간의 차전압에 의해 횡전계가 조성되어, 렌즈 구동을 위한 수직 전계와 함께 횡전계가 하판측에서 강하게 걸려 액정 분자의 횡방향 비틀림이 발생하여 정상적인 렌즈의 역할을 하지 못한다.
또한, 하판에 형성된 1차 미세 분할 전극들(101a, 101b)에 인가하는 전압은, 액정층의 셀갭을 낮추기 위해 특히 고전압(high voltage)을 인가하기도 한다. 예를 들어, 인접한 1차 미세 분할 전극들(101a, 101b)에 각각 5V와 1V로 인가한다고 하였을 때, 인접한 두 전극 사이에 횡전계가 조성되어, 전압 무인가시 전극 방향으로 놓여진 액정 분자(110)는 상기 전계 방향을 따라 배향이 틀어져 전극들(101a, 101b)에 대해 교차하는 방향으로 배향되게 된다. 이러한 경향은 상기 1차 미세 분할 전극(101a, 101b)이 형성된 하판에 인접한 액정 분자들(110)에 더 잘 나타나는 경향을 보인다.
도 4는 도 3a 및 도 3b의 전극 구조를 갖는 액정 전계 렌즈의 이의 광경로를 영역별로 나타낸 도면이다.
도 4와 같이, 미세 분할 전극 구조의 액정 전계 렌즈는 서로 대향되는 제 1, 제 2 기판(100, 200)과, 상기 제 1 기판(100) 상에 렌즈 영역마다 복수개로 나누어져 제 1 기판(100)과 절연막(105)의 서로 다른 층상에 형성된 제 1 전극(101a, 101b)과, 상기 제 2 기판(200) 상에 전면 형성된 제 2 전극(201) 및 액정층 내의 액정 분자(110)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 제 1 전극(101b)의 상부를 포함한 상기 절연막(105) 상에는 도시되지 않았지만, 배향막이 도포되고, 상기 배향막에는 러빙이 상기 제 1 전극들(101a, 101b)의 길이 방향과 같이, 지면을 통과하는 방향으로 이루어진다.
이 경우, 제 1 전극(101a, 101b)과 제 2 전극(201)에 전압을 인가하여 액정 전계 렌즈를 구동시, 상기 액정 전계 렌즈를 통과하기 전에 지면을 통과하는 방향의 빛의 경로가 상기 액정 전계 렌즈를 경유하며, 액정층 내의 액정 분자가 갖는 배향에 따라, 서있는 액정 분자들에 대해서는 지면을 통과하는 방향으로 그대로 투과하지만, 비스듬히 누워있는 액정 분자들의 경우에는 선 편광 빛이 정상 경로를 벗어나 원편광으로 변화하여 투과하게 되며, 이는 관찰자에게 광간섭을 일으켜 입체 표시의 시감을 떨어뜨렸다.
이 경우, 상기 액정 분자들이 비스듬히 누워있게 된 것은, 미세 분할된 제 1 전극들(101a, 101b) 사이의 차전압에 의해 횡전압이 발생되어 발생된 것이다.
한편, 액정 전계 렌즈에 있어서, 제 1, 제 2 기판(100, 200) 사이에 채워지 는 액정층의 두께는 그 두께가 늘어난만큼 요구되는 액정량은 체적단위로 늘게 된다. 특히, 액정은 고비용으로, 이에 따라 액정층의 두께를 줄이고자 하는 노력이 제기되었다.
상술한 바와 같이, 일 피치당 하나의 포물 렌즈를 구성하는 액정 전계 렌즈의 경우, 피치당 그려지는 포물 렌즈의 높이가 크기 때문에, 포물 렌즈의 높이와 일정 마진을 더한 값으로 액정층이 요구되는 점을 미루어 보아, 액정층의 두께가 크게 설정되어야 하고, 이로 인해 액정층에 소요되는 액정량이 많이 들고, 이에 따라 공정 부담 및 공정 비용의 증가의 우려가 있다.
더불어, 액정 패널을 액정 전계 렌즈의 하부에 두는 경우, 액정 패널의 액정층 두께는 3~5㎛의 범위에서 설정되고, 공정이 이 같은 조건에서 설정되는데, 상술한 일 피치당 일 포물선 렌즈를 갖는 경우에는, 그 두께가 30㎛ 이상 갖기 쉬워, 일반적인 액정층 형성 공정으로는 액정 전계 렌즈의 액정층 형성의 공정성이 현저히 떨어진다.
이하에서는, 액정층의 두께를 낮추기 위해 프레넬(fresnel lens)의 기법을 도입한 예를 살펴본다.
도 5는 일반 액정 전계 렌즈와 대비된 프레넬 렌즈와 불연속면을 나타낸 도면이다.
프레넬 렌즈란, 집광렌즈 중 하나로 두께를 줄이기 위하여 몇 개의 띠 모양으로 나누어 각 띠에 프리즘작용을 가지게 하여 수차(收差)를 작게 한 것이다.
도 5에서와 같이, 예를 들어, 액정 전계 렌즈에 프레넬 렌즈를 적용하는 것 은, 일 피치를 복수개의 구간으로 나누고, 중심에 대응하여서는 상대적으로 작은 포물선 형태의 렌즈를 구비하도록 하고, 나머지 좌우 영역에 대응하여서는 상기 중심의 프레넬 렌즈의 최고 높이에 상당한 값까지 가상 포물선 렌즈의 일 곡면을 이용한 것이다.
이 경우, 프레넬 렌즈를 적용한 경우, 중심의 포물선 형태의 렌즈와, 좌우의 가상의 포물선 렌즈의 일 곡면의 경계부에는 불연속면을 갖게 된다.
그런데, 상술한 프레넬 렌즈를 액정 전계 렌즈에 적용시 일 피치(pitch)에 해당하는 폭이 크지 않아, 이를 분할하는 데 한계가 있고, 또한, 상기 피치를 분할한 영역들의 경계부가 불연속면을 갖는 에러 값을 갖게 되어, 액정 전계 렌즈의 왜곡 값이 발생되어 이 점이 문제점으로 지적되고 있다.
도 6은 본 발명의 액정 전계 렌즈를 나타낸 단면도이며, 도 7은 도 6의 영역별 광경로를 나타낸 도면이다.
도 6과 같이, 본 발명의 액정 전계 렌즈는, 복수개의 렌즈영역(L)이 대응되어 정의되며, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판(400, 500)과, 상기 제 1 기판(400) 상의 각 렌즈 영역들에 대하여, 서로 동일 간격으로 이격된 복수개의 제 1 전극(401a, 401b)과, 상기 제 2 기판(500) 전면에 형성된 제 2 전극(501)과, 상기 제 1 전극들(401a, 401b)에 각각 서로 다른 전압을 인가하는 전압원(Vmin, V1, V2, ...,Vmax)과, 상기 제 1 전극을 포함한 상기 제 1 기판 전면에 형성되며, 제 1 방향으로 러빙된 제 1 배향막(403)과, 상기 제 2 전극(501)을 포함한 전면에 형성 된 제 2 배향막(502)과, 상기 제 1 기판(400) 및 제 2 기판(500) 사이에 채워진 액정층(600) 및 상기 제 2 기판의 배면 상에 상기 제 1 방향과 같거나 상기 제 1 방향으로부터 좌우 10° 내의 투과축을 갖는 편광판(700)을 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 편광판(700)은 상기 제 1 배향막(403)의 러빙 방향인 제 1 방향과 같거나 상기 제 1 방향으로부터 좌우 10° 내의 방향으로 투과축을 갖게 한 것은, 액정 전계 렌즈 하측의 표시 패널로부터 들어오는 광 중 정상적으로 수직 전계에 의해 영향받는 액정 분자들을 통과한 광 경로만을 선택적으로 투과시키기 위함이다.
즉, 상기 편광판(700)을 구비하여, 미세 분할 전극 구조에서 횡방향으로 비틀리는 액정 분자에 의한 광경로와 프레넬 렌즈 적용시 서브 영역들간의 경계에서 렌즈 불연속면에서 더욱 많이 나타나는 광경로를 상기 편광판(700)에서 차단하여, 이러한 광경로에 의한 간섭 문제를 제거한다.
여기서, 상기 편광판(700)은 그 투과축을 상기 액정 전계 렌즈의 러빙축, 특히 제 1 기판(400) 상의 러빙축에 일치하여 형성하거나 상기 러빙축(제 1 방향)으로부터 좌우 10° 내로 투과축을 갖춘 것으로, 그 투과축 이외의 광은 차단되고, 투과축과 같은 방향의 광만 투과되는 것이다. 즉, 원편광으로 변환된 이상 광경로를 갖는 광들이 상기 편광판(700)에서 차단된다.
이러한 상기 편광판(700)은 상기 제 2 기판(200)의 배면측에 부착하여 형성한다.
한편, 여기서, 상기 액정 전계 렌즈는 하나의 액정 전계 렌즈 내에서 이러한 광경로차를 갖는 부분을 갖는 렌즈 영역(L)이 주기적으로 반복된다.
또한, 상기 제 1 전극(401a, 401b)들간의 간격은 도시된 바와 같이, 서로 동일 간격 이격하여 형성하거나 혹은 경우에 따라 에지부(E)에서 중앙부(O)로부터 갈수록 간격을 점차 늘리거나 혹은 간격을 점차 줄이도록 하여 형성할 수 있다.
여기서, 상기 제 1 및 제 2 전극(401a/401b, 501)은 투명 금속으로 형성하여, 각 전극이 위치한 부위에서 투과율의 손실을 방지한다.
그리고, 상기 제 1 전극은 하나의 층상에 서로 이격하여 형성할 수도 있고, 도시된 바와 같이, 제 1 기판(400)측의 제 1 전극(401a)과 상기 절연막(402) 상의 제 1 전극(401b)과 같이 서로 다른 층에 나누어 형성할 수도 있다. 이 때, 후자의 경우 각 층의 제 1 전극(401a, 401b)의 형성시 동일층의 이격한 제 1 전극간의 거리에 여유를 가져 상기 제 1 전극(401a, 401b)들을 미세 폭으로 형성시 인접한 제 1 전극간의 쇼트가 발생됨을 방지할 수 있다 또한, 평면상에서 상기 제 1 전극들(401a, 401b)은 상기 제 1 기판(400)의 표면을 거의 채울 정도로 촘촘히 형성할 수 있다.
이때, 상기 렌즈 영역(L)의 중심(O)에서의 제 1 전극은 대략 문턱 전압에 상당한 제 1 전압(Vmin)이 인가되며, 상기 렌즈 영역(L)들의 에지부(E)에 위치한 제 1 전극에 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(401a, 401b)에 인가되는 전압은 상기 렌즈 영역의 문턱 전압(Vmin)에서 제 n 전압(Vmax) 사이에서, 상기 렌즈 영역(L)의 중심에서 멀어질수록 점점 커지는 값의 전압이 인가된다. 한편, 이와 같이, 상기 복수개의 제 1 전극(401a, 401b)에 전압이 인가되면 상기 제 2 전극(501)에는 접지 전압을 인가하여, 상기 제 1 전극들(401a, 401b)과 상기 제 2 전극(501) 사이에 수직 전계를 조성한다.
이러한 전압 인가시, 서로 인접한 상기 제 1 전극(401a, 401b)들간의 인가되는 전압 차는 1V 이하로 하여, 상기 제 1 전극들(401a, 401b)간에 조성되는 수평 전계가 크게 발생하지 않도록 한다.
이러한 복수개의 제 1 전극(401a, 401b)은 상기 렌즈 영역(L)에서, 상기 렌즈 영역의 에지부(E)를 경계로 좌우 대칭형으로 형성된다. 이러한 상기 각 제 1 전극들(401a, 401b)은 패드부(표시 패널(350)의 비표시부에 대응)에서, 해당 전압원(Vmin, V1, V2, ..., Vmax)들과 금속 배선(미도시)을 통해 연결되어, 해당 전압이 인가된다.
여기서, 상기 렌즈 영역(L)의 중심(O)에 대응되어 형성된 제 1 전극(401a 또는 401b)에 인가되는 가장 작은 문턱 전압(Vmin)은 약 1.4~2V 를 피크값으로 하는 교류 사각파이며, 이러한 문턱 전압 Vmin)은
Figure 112009081756718-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 전극들(401a, 401b)에 인가되는 전압 중 가장 큰 고전압은 약 2.5~10V를 피크값으로 하는 인가되는 교류 사각파이다.
렌즈 영역(L)의 폭이 피치(P)라고 할 때, 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 전극들(401a, 401b)에 대칭의 전압 값이 인가됨을 나타낸다.
그리고, 상기 제 1 전극들(401a, 401b)을 포함한 상기 제 1 기판(400)과, 상기 제 2 전극(501) 상에는 각각 제 1 배향막(403)과 제 2 배향막(502)이 형성된다. 이 때, 상기 제 1, 제 2 배향막(403, 502)은 전압 무인가시의 초기 상태에서 상기 액정 전계 렌즈(2000)를 투과층으로 기능시키기 위해, 제 1 배향막(403)의 러빙 방향을 상기 제 1 전극(401a, 401b)의 길이 방향과 수평하거나 수직하게 교차하는 방향으로 할 수 있다(도시된 도면에서는 상기 제 1 전극(401a, 401b)의 길이 방향과 수평하게 러빙된 점을 도시). 이 때, 상기 제 2 배향막(502)의 러빙 방향을 평행하거나 안티 패럴랠(anti-parallel: 평행하나 진행 방향이 반대) 방향으로 한다. 이를 통해 상기 액정 전계 렌즈의 하부에 있는 표시 패널을 통해 하부에서 전달되는 되는 영상이 그대로 관측자에게 투과 전달시킨다.
어느 경우이나 상기 제 1 배향막(403)의 러빙 방향과 상기 편광판(700)의 투과축을 일치시키거나 그 변위를 러빙 방향에서 좌우 10도 내에서 투과축을 정한다.
그리고, 상기 복수개의 제 1 전극(401a, 401b)은 상기 제 1 기판(400) 또는 절연막(402)의 세로 방향(상기 제 1 기판(400)의 일 변의 방향)을 따라 일 방향으로 막대 형상으로 형성되며, 단일 제 1 전극들(401a, 401b)의 각각의 폭은 1~10㎛ 으로 하며, 인접한 제 1 전극(401a, 401b)간의 간격을 1~10㎛로 하여 배치한다. 예를 들어, 피치는 90 내지 1000㎛ 정도로 다양하게 가변할 수 있는데, 상술한 제 1 전극(401a, 401b)의 폭 및 이격 간격에 따라 렌즈 영역별로 10개 내외에서 100개 이상까지 형성할 수 있다.
한편, 도시하지 않았지만, 상기 제 1, 제 2 기판(400, 500)의 외곽 영역(패드부를 포함한 비표시 영역)에는 씰 패턴(미도시)이 형성되어 상기 제 1, 제 2 기판(400, 500) 사이를 지지한다. 또한, 상기 제 1, 제 2 기판(400, 500) 사이의 액정층(600)은 충분한 위상의 액정 전계 렌즈 형성을 위해, 약 15㎛ 이상의 두께에 상당하도록 충분한 두께로 형성하는데, 이러한 액정층(600)의 두께를 안정하게 유지하기 위해 상기 제 1, 제 2 기판(400, 500) 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.
이와 같이, 상기 제 1 기판(400) 상에 서로 동일 폭의 제 1 전극(401a, 401b의 배치가 이루어지고, 상기 제 1 전극들(401a, 401b)에 대하여 렌즈 영역(L)의 에지부(E)로부터 중앙(O)까지 점점 작아지는 전압 인가에 의해, 전체적으로 상기 제 1 전극들(401a, 401b)과 제 2 전극(501)간 수직 전계가 완만하게 조성되고, 인접한 제 1 전극들(401a, 401b) 사이에는 약하게 횡전계가 조성된다. 결과적으로 상기 렌즈 영역의 에지부(E)에서 강하며, 상기 렌즈 영역의 중심(O)에서 약하게 걸리는, 완만한 측면 전기장이 형성된 것으로 관측된다.
따라서, 위치별 전기장에 따라 배향되는 액정의 광경로 길이를 나타내면, 상 기 렌즈 영역의 에지부(E)에서 가장 광경로가 짧으며, 렌즈 영역 중심(O)에서 가장 긴 형태의 완만한 포물렌즈 렌즈면과 유사한 형상으로 액정 전계 렌즈가 형성됨을 알 수 있다.
여기서, 상기 제 1 전극(401a, 401b)과 제 2 전극(501)에 전압 인가는 액정 전계의 거동을 유발하여, 전체적으로 빛이 느끼는 굴절율이 공간적으로 포물 함수가 되도록 유도한다.
여기서, 상기 제 1 전극들(401a, 401b)은 도시된 바처럼 이층으로 나누어 형성하여도 좋고, 혹은 동일층에 형성할 수도 있다. 또, 그 간격과 폭을 등간격으로 하여 형성할 수도 있고, 간격과 폭 중 하나를 비등간격으로 하거나, 간격과 폭 모두를 비등간격을 하여 형성할 수 있다. 이러한 간격과 폭의 변경은 상기 형성하고자 하는 렌즈의 프로파일에 따라 달리할 수 있을 것이다.
한편, 만일, 상기 액정 전계 렌즈를 프레넬 렌즈를 구현할 경우에는, 동일한 구성을 갖되, 상기 도 5에 도시된 바와 같은 렌즈로 구동시키기 위해 서브 영역별로 나누어 전압을 인가한다. 이 경우, 중심의 서브 영역을 갖는 영역에서 렌즈의 고점은 최저 전압, 저점은 최고 전압을 인가하고, 나머지 서브 영역들에서는 렌즈 영역의 고점부터 저점까지 각 원하고자 하는 렌즈 높이에 상당한 전압 값을 인가한다. 이 경우, 불연속면으로부터 투과되는 광은 상기 편광판(700)의 투과축 외에 부위에서 차단되어 가려질 것이다.
도 8은 본 발명의 액정 전계 렌즈와 상부 편광판과의 러빙 방향 및 투과축과의 관계를 나타낸 개략도이다.
도 8은 편광판(700)과 액정 전계 렌즈(1000)를 위에서 바라본 것으로, 액정 전계 렌즈(1000)의 러빙축과 상기 편광판(700)의 투과축이 같거나 서로 좌우 10도 범위 내에 있음을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 액정 전계 렌즈 구조와 이에 대비된 일반 액정 전계 렌즈 구조의 영역별 광량 및 이의 크로스토크를 나타낸 도면이다.
도 9와 표 1은, 본 발명의 액정 전계 렌즈(ELC+POL)를 이에 대비된 일반 액정 전계 렌즈(ELC)에 있어서, 크로스토크 정도를 나타낸 것이다.
2번의 시료들을 비교한 것으로, 각각 액정 전계 렌즈는 동일한 조건으로 놓고, 본 발명의 경우 추가로 투과축을 제 1 배향막의 러빙축과 동일 각도로 한 편광판을 더 구비한 것이다.
표 1을 통해 살펴보면, 각각 액정 전계 렌즈를 단독으로 구비한 경우에 비해 편광판을 구비한 경우, 첫번째 시료에서는 크로스토크가 23.7%가 감소하였고, 두번째 시료에서는 크로스토크가 19.3% 감소하였다
크로스 토크(%) 비고
ELC #1 17.7
크로스토크 23.7% 감소
본발명 (ELC #1+POL) 13.5
ELC #2 19.2
크로스토크 19.3% 감소
본발명 (ELC #2+POL) 15.5
여기서, 크로스토크는 액정 전계 렌즈의 1view당 광량을 최소 값(Min(1 view 광량))을 최대 값(Max(1 view 광량))으로 나눈 값에 100%로 곱한 값이다 (Crosstalk =
Figure 112009081756718-pat00002
)이다.
상술한 실험들은 시료 1, 2가지 값의 결과이며, 여러 실험을 통해 액정 전계 렌즈의 제 1 배향막의 러빙축과 편광판의 투과축을 일치시켰을 경우, 크로스토크가 평균 21.5% 감소하여 입체 표시의 시감을 향상시킴을 알 수 있다.
또한, 크로스토크의 개선이 보이는 것은 상기 제 1 배향막의 러빙축과 편광판의 투과축이 10도 이내로 틀어졌을 때임을 확인하였다.
도 9의 그래프에서는 크로스토크 세기가 본발명에서 감소됨이 나타나 있다.
도 10은 본 발명의 액정 전계 렌즈를 적용한 입체 표시 장치를 나타낸 단면도이다.
도면상에서는 도 10을 기준으로 이와 같은 렌즈 영역(L)이 가로 방향에서 반복되며, 지면을 관통하는 방향으로 상기 제 1 전극들(401a, 401b)이 막대 형상으로 길게 형성된다.
도 10과 같이, 본 발명의 액정 전계 렌즈(1000)를 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(650)을 포함하여 이루어진다.
여기서, 상술한 바와 같이, 상기 액정 전계 렌즈(1000)의 제2 기판(500)의 상부에는 제 1 기판 상의 제 1 배향막과 동일 방향 또는 좌우 10도 이내의 투과축을 갖는 편광판(700)이 배치되어 있다. 이는 상기 편광판(700)을 통해 전압 인가시 횡방향으로 틀어지거나 일부 불연속면의 간섭 광을 제어하기 위함이다.
경우에 따라, 상기 표시 패널(350)이 광을 직접 발광하는 장치라면, 상기 광원(650)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. 이러한 표시 패널(350)은 상기 액정 전계 렌즈(1000) 하측에 위치하여, 상기 액정 전계 렌즈(1000)로 이차원의 영상 신호를 전달하는 역할을 한다.
여기서, 상기 표시 패널(350)이 그 상부측의 별도의 편광판을 구비하였다면, 상기 표시 패널(350)의 상부의 편광판의 투과축은 상기 액정 전계 렌즈(1000)의 러빙축 및 상기 액정 전계 렌즈(1000)의 최상측의 편광판의 투과축과 동일하게 하는 것이 하부 표시 패널(350)로부터 투사되는 영상을 이용하는데 가장 바람직하다.
본 발명의 액정 전계 렌즈(1000)는, 이차원 영상 신호를 렌즈면의 프로파일(profile)과 같이 삼차원 영상 신호를 출사하는 기능을 갖는 것으로, 상기 이차원을 구현하는 표시 패널(350) 상에 위치하며, 전압 인가 여부에 따라 선택적으로 삼차원 영상 신호의 출사 혹은 이차원 영상 신호를 그대로 출사하는 기능을 한다. 즉, 전압 무인가시 광이 투과되는 특성을 이용하여, 전압 무인가시는 이차원 표시, 전압 인가시는 삼차원 표시와 같은 스위칭 기능을 겸용할 수 있다.
한편, 상기 액정 전계 렌즈(1000)에 구비된 복수개의 제 1 전극들(401a, 401b)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(501)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(401a, 401b) 및 제 2 전극(501)에 전압을 인가하지 않을 경우, 상기 액정 전계 렌즈(2000)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 렌즈(1000)의 일 렌즈 영역(L)은, 액정 전계 렌즈 하측(2000)에 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 6에서는 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 액정이 배열되어 광경로 차에 의해 시감적으로 렌즈 효과를 갖는 영역을 표시한 것이다. 상술한 렌즈 영역(L)은 도 10에 도시된 형상이 일 피치(P)를 주기로 가로 방향으로 반복되어 형성된다.
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 3a 및 도 3b는 전극 방향에 수평한 러빙시 전압 무인가 상태 및 전압 인가 상태의 액정 방향을 나타낸 도면
도 4는 도 3a 및 도 3b의 전극 구조를 갖는 액정 전계 렌즈의 이의 광경로를 영역별로 나타낸 도면
도 5는 일반 액정 전계 렌즈와 대비된 프레넬 렌즈와 불연속면을 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 액정 전계 렌즈를 나타낸 단면도
도 7은 도 6의 영역별 광경로를 나타낸 도면
도 8은 본 발명의 액정 전계 렌즈와 상부 편광판과의 러빙 방향 및 투과축과의 관계를 나타낸 개략도
도 9는 본 발명의 액정 전계 렌즈 구조와 이에 대비된 일반 액정 전계 렌즈 구조의 영역별 광량 및 이의 크로스토크를 나타낸 도면
도 10은 본 발명의 액정 전계 렌즈를 적용한 입체 표시 장치를 나타낸 단면도
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
400 : 제 1 기판 401a, 401b, : 제 1 전극
402 : 절연막 403 : 제 1 배향막
500 : 제 2 기판 501 : 제 2 전극
502 : 제 2 배향막 600 : 액정층
700: 편광판

Claims (9)

  1. 복수개의 렌즈영역을 포함하여, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판;
    상기 각 렌즈 영역들에 대응되어 상기 제 1 기판 상에, 서로 이격되며 일방향으로 형성된 복수개의 제 1 전극;
    상기 제 2 기판 상에 전면 형성된 제 2 전극;
    상기 제 1 전극을 포함한 상기 제 1 기판 전면에 형성되며, 제 1 방향으로 러빙된 제 1 배향막;
    상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 채워진 액정층; 및
    상기 제 2 기판의 배면 상에 상기 제 1 방향과 같거나 상기 제 1 방향으로부터 좌우 10° 내의 투과축을 갖는 편광판을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 배향막은 상기 제 1 전극과 동일한 방향으로 러빙된 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 배향막은 상기 제 1 전극과 수직한 방향으로 러빙된 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 전극 상에 제 2 배향막이 더 형성된 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제 2 배향막은 제 1 배향막의 러빙 방향에 안티패러랠하게 러빙된 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 렌즈 영역의 중심부부터 에지부까지 점차 인가받는 전압의 크기가 증가하게 인가하는 전압원을 더 구비한 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 렌즈 영역을 복수개의 서브 영역으로 나누어 각 서브 영역별로 서로 다른 렌즈 형상을 갖도록, 서브 영역별로 다른 전압들을 인가하는 전압원을 더 구비한 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  8. 이차원의 영상 신호를 출사하는 표시 패널; 및
    상기 표시 패널로부터 이차원의 영상 신호를 그대로 출사하거나 이를 삼차원 의 영상 신호로 변환하여 출사하는, 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 액정 전계 렌즈를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 표시 패널로부터 상기 액정 전계 렌즈측으로 편광된 광이 전달될 때, 상기 편광된 광의 투과축은 상기 제 1 배향막의 러빙 방향과 동일하게 하는 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치.
KR1020090134355A 2009-12-30 2009-12-30 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치 KR101649234B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090134355A KR101649234B1 (ko) 2009-12-30 2009-12-30 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치
CN2010105097255A CN102116991B (zh) 2009-12-30 2010-09-30 电场驱动液晶透镜单元及采用该透镜单元的立体图像显示装置
US12/958,833 US8860894B2 (en) 2009-12-30 2010-12-02 Electric field driven liquid crystal lens cell and stereoscopic image display device using the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090134355A KR101649234B1 (ko) 2009-12-30 2009-12-30 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110077709A KR20110077709A (ko) 2011-07-07
KR101649234B1 true KR101649234B1 (ko) 2016-08-19

Family

ID=44187123

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090134355A KR101649234B1 (ko) 2009-12-30 2009-12-30 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치

Country Status (3)

Country Link
US (1) US8860894B2 (ko)
KR (1) KR101649234B1 (ko)
CN (1) CN102116991B (ko)

Families Citing this family (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8760396B2 (en) * 2010-06-11 2014-06-24 Lg Display Co., Ltd. Stereoscopic image display device
US9645399B2 (en) 2010-10-19 2017-05-09 Superd Co. Ltd. Autostereoscopic display apparatus and method
JP5927532B2 (ja) * 2011-03-22 2016-06-01 株式会社Ｊｏｌｅｄ 表示装置および電子機器
JP5732348B2 (ja) 2011-08-12 2015-06-10 株式会社ジャパンディスプレイ 表示装置
CN102323701B (zh) * 2011-10-12 2013-06-05 福州华映视讯有限公司 立体显示装置
KR20130046116A (ko) * 2011-10-27 2013-05-07 삼성디스플레이 주식회사 2차원/3차원 전환 가능한 디스플레이 장치
KR101937865B1 (ko) 2012-02-09 2019-01-15 삼성디스플레이 주식회사 액정 렌즈 패널 및 이를 구비하는 표시 장치
JP5865117B2 (ja) * 2012-02-24 2016-02-17 株式会社ジャパンディスプレイ 光学素子、表示装置、電子機器、および製造方法
JP5904826B2 (ja) * 2012-03-08 2016-04-20 株式会社ジャパンディスプレイ 光学素子、表示装置、及び電子機器
KR102017203B1 (ko) * 2012-05-25 2019-10-22 삼성디스플레이 주식회사 액정 렌즈 및 이를 포함하는 표시 장치
KR20140028475A (ko) 2012-08-29 2014-03-10 삼성디스플레이 주식회사 액정 렌즈 패널, 이를 포함하는 3차원 패널 어셈블리 및 표시 장치
JP2014081433A (ja) * 2012-10-15 2014-05-08 Japan Display Inc ３次元画像表示装置
KR102134904B1 (ko) 2013-10-30 2020-07-17 삼성디스플레이 주식회사 3차원 표시 장치 및 3차원 표시 장치용 액정 렌즈부
KR20150061967A (ko) * 2013-11-28 2015-06-05 삼성디스플레이 주식회사 표시장치
KR20150086762A (ko) 2014-01-20 2015-07-29 삼성디스플레이 주식회사 표시장치
KR20150092430A (ko) 2014-02-04 2015-08-13 삼성디스플레이 주식회사 액정 렌즈 및 이를 포함하는 디스플레이 장치
CN103941469B (zh) * 2014-04-09 2023-03-03 京东方科技集团股份有限公司 显示面板及其制作方法、显示装置
KR102221553B1 (ko) * 2014-05-09 2021-03-02 삼성디스플레이 주식회사 3차원 표시 장치 및 이를 위한 액정 렌즈 패널 장치
KR20160024252A (ko) 2014-08-25 2016-03-04 삼성디스플레이 주식회사 액정을 포함한 광 변조 장치, 그 구동 방법, 그리고 이를 이용한 광학 장치
CN104238230B (zh) * 2014-09-02 2020-06-23 深圳超多维科技有限公司 液晶透镜及立体显示装置
KR102161620B1 (ko) * 2014-09-30 2020-10-06 엘지디스플레이 주식회사 편광제어 유닛
CN104317133A (zh) * 2014-11-12 2015-01-28 京东方科技集团股份有限公司 液晶透镜及显示装置
CN105785575B (zh) * 2014-12-24 2018-01-12 深圳超多维光电子有限公司 立体显示装置
KR102354503B1 (ko) * 2015-03-17 2022-01-21 삼성디스플레이 주식회사 광 변조 장치 및 그 구동 방법
CN104865771B (zh) * 2015-06-18 2019-03-15 京东方科技集团股份有限公司 显示装置、液晶透镜及其制作方法
CN107728401A (zh) * 2017-10-25 2018-02-23 福州大学 一种节距可控的液晶透镜及其制备方法
WO2021077409A1 (zh) * 2019-10-25 2021-04-29 京东方科技集团股份有限公司 液晶透镜及其控制方法、液晶眼镜
CN111261694A (zh) * 2020-03-25 2020-06-09 京东方科技集团股份有限公司 显示面板和显示装置
CN116338975B (zh) * 2023-05-30 2023-07-28 成都工业学院 一种基于显示条阵列的立体显示装置

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009020161A (ja) 2007-07-10 2009-01-29 Seiko Epson Corp 液晶装置及び電子機器

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090009702A1 (en) * 2007-07-02 2009-01-08 Seiko Epson Corporation Liquid Crystal Device and Electronic Apparatus
KR101222990B1 (ko) * 2007-10-22 2013-01-18 엘지디스플레이 주식회사 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치
KR101528143B1 (ko) * 2007-11-02 2015-06-15 엘지디스플레이 주식회사 액정전계렌즈를 이용한 입체표시장치
KR101419234B1 (ko) * 2007-12-18 2014-07-15 엘지디스플레이 주식회사 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치
JP5093726B2 (ja) * 2007-12-26 2012-12-12 Ｎｌｔテクノロジー株式会社 表示装置及びそれを用いた端末装置
KR101658147B1 (ko) * 2009-12-30 2016-09-21 엘지디스플레이 주식회사 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009020161A (ja) 2007-07-10 2009-01-29 Seiko Epson Corp 液晶装置及び電子機器

Also Published As

Publication number Publication date
US20110157498A1 (en) 2011-06-30
CN102116991B (zh) 2013-08-07
CN102116991A (zh) 2011-07-06
US8860894B2 (en) 2014-10-14
KR20110077709A (ko) 2011-07-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101649234B1 (ko) 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치
KR101419234B1 (ko) 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치
KR101362157B1 (ko) 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 표시 장치
KR101622650B1 (ko) 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치
US7872694B2 (en) Electrically-driven liquid crystal lens and stereoscopic display device using the same
KR101658147B1 (ko) 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치
US8305550B2 (en) Electrically-driven liquid crystal lens and stereoscopic device using the same
KR101585003B1 (ko) 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 영상 표시 장치
KR101429906B1 (ko) 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치
US8941786B2 (en) Electrically-driven liquid crystal lens and stereoscopic display device using the same
CN103048835B (zh) 一种液晶光栅及其驱动方法和立体显示装置
EP2357519A1 (en) Electric field driven liquid crystal lens cell and stereoscopic image display device using the same
KR101649235B1 (ko) 입체 표시 장치
CN103235462A (zh) 液晶透镜及其在进行3d显示时的驱动方法、立体显示装置
US20150249818A1 (en) Stereoscopic display device
KR101362160B1 (ko) 액정 전계 렌즈, 이를 이용한 입체 표시 장치 및 이의 구동방법
KR101362158B1 (ko) 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치
KR101419231B1 (ko) 입체 표시 장치
US9081198B2 (en) Liquid crystal lens and stereo display device
CN103605245A (zh) 一种液晶透镜和立体显示装置
KR101675860B1 (ko) 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치
WO2011055280A1 (en) Optical-beam manipulation device

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190723

Year of fee payment: 4