KR101857819B1

KR101857819B1 - 액정 프리즘

Info

Publication number: KR101857819B1
Application number: KR1020120028474A
Authority: KR
Inventors: 윤민성; 신민영; 김선우
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2012-03-20
Filing date: 2012-03-20
Publication date: 2018-05-14
Also published as: KR20130106719A

Abstract

본 발명의 일 실시예에서는 제1 기판과 제2 기판 사이에 협지된 액정셀과, 상기 액정셀을 이루는 액정 분자들을 회전시키는 전기장을 생성하는 제1 전극 및 제2 전극과, 상기 액정분자들은 프리즘의 밑면 길이에 해당하는1피치 내에서 상기 전기장에 맞춰 배열이 점진적으로 변화하고, 상기 제1 기판 또는 제2 기판 중 적어도 하나는 플라스틱 기판으로 이뤄진 액정 프리즘을 개시한다.

Description

액정 프리즘{Prism using a liquid crystal}

본 발명은 입체영상 또는 홀로그램을 구현하는데 유용하게 사용되는 액정을 이용해서 구현한 프리즘(이하, 액정 프리즘)에 관한 것이다.

사람의 양안은 약 6.5cm 떨어져 있기 때문에, 좌안과 우안으로 보는 이미지에 차이가 생기며, 머릿속에서 두 개의 이미지를 자동으로 합성하여 하나로 인식하는 과정에서 입체감을 느끼게 된다. 지금의 스테레오 스코픽(stereo-scopic) 입체 영상은 이러한 차이를 이용하는 것으로, 좌/우 눈에 차이가 있는 이미지를 보여줌으로써 입체감을 표현한다.

입체 영상을 표시하는 방식으로 크게, 안경방식과 무안경방식으로 나눌 수 있다. 안경방식은 직시형 표시소자나 프로젝터에 좌우 시차 이미지의 편광 방향을 바꿔서 또는 시분할 방식으로 표시하고, 편광 안경 또는 액정셔터 안경을 사용하여 입체이미지를 구현한다. 무안경 방식은 일반적으로 좌우 시차 이미지의 편광축을 분리하기 위한 패럴렉스 베리어, 렌티큘러 렌즈 등의 광학 부품을 표시 화면의 앞에 또는 뒤에 설치하여 입체이미지를 구현한다.

안경 방식의 경우, 일반적으로 편광필름 또는 액정셔터를 렌즈로 사용하는 안경이 보편적으로 사용되고 있는데, 시청자가 안경을 착용한 채 이미지를 보아야 하기 때문에 시야에 제한을 받거나 착용감/움직임 등에서 불편한 점이 있다.

이 같은 이유로, 안경을 쓰지 않은 채 입체 영상을 볼 수 있는 무안경 방식이 사용자에게 보다 가깝게 다가 갈 수 있으나, 시점이 한정돼 있다는 한계가 있다. 즉, 무안경 방식의 입체 표시장치는 모두 빛을 특정 시점으로 모아주는 렌즈를 사용하는데, 렌즈를 투과한 빛은 특정한 지점에 모이게 된다. 따라서, 시청자는 이 지점에 위치한 경우에만 입체 영상을 볼 수 가 있고, 다른 곳에서는 입체 영상을 보지 못하는 한계가 있다.

하지만, 액정 프리즘은 빛을 원하는 방향으로 굴절시킬 수가 있어, 시청자의 위치에 맞춰 빛을 굴절시키는 경우에, 시청자는 무안경 방식으로 어느 곳에서나 입체 영상을 시청할 수가 있다.

본 발명은 이 같은 배경에서 창안된 것으로, 원하는 방향으로 빛을 굴절시킬 수 있는 액정 프리즘을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명은 종전 입체 표시장치에 적용하는 경우에, 디스플레이의 두께 및 무게를 줄일 수 있도록 한 액정 프리즘을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명은 직각 삼각형 형태를 이루는 이상적인 액정 프리즘을 제공하는데 있다.

상기 플라스틱 기판은 폴리카보네이트 또는 폴리이미드 중 하나로 이뤄질 수 있다.

상기 액정셀은 ECB 모드 액정셀이고, 상기 제1 전극은 상기 제1 기판 상에 스트라이프 배열을 이루도록 형성되며, 상기 제2 전극은 상기 제2 기판 상에 전체로 이뤄진다.

상기 1피치 내에서, 상기 액정분자들은 선형적으로 굴절율이 커지는 방향으로 배열될 수 있다.

상기 1 피치 내에 상기 제1 전극은 n(n=자연수)개가 배열되고, 상기 n개의 제1 전극들로는 전압이 최대에서 최소 방향으로 선형적으로 작아지는 전압들로 이뤄진 구동전압이 인가되고, 상기 제2 전극으로는 공통 전압이 인가될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서는 제1 기판과 제2 기판 사이에 협지된 액정셀과, 상기 액정셀을 이루는 액정 분자들을 회전시키는 프린지 필드를 생성하는 제1 전극 및 제2 전극과, 상기 액정분자들은 프리즘의 밑면 길이에 해당하는1피치 내에서 상기 프린지 필드에 맞춰 배열이 점진적으로 변화하고, 상기 액정셀은 HAN 모드 액정셀로 구성되고, 상기 액정셀을 이루는 액정분자들 중 일부는 상기 프린지 필드의 방향에 따라 동일한 평면에서 시계 방향으로 회전된 상태로 배열되고, 나머지는 반시계 방향으로 회전된 상태로 배열되는 액정 프리즘을 개시한다.

상기 액정 프리즘에 입사되는 수직방향으로 선편광시키는 선편광판과, 상기 선편광판을 투과한 빛을 좌원편광 또는 우원편광시켜 액정 프리즘으로 공급하는 원편광판을 포함할 수 있다.

상기 1피치 내에서, 상기 액정분자들은 정극성 전압(전위차가 +)에 따라 시계방향으로 0도에서 90도까지 회전된 상태로 배열되고, 부극성 전압(전위차가 -)에 따라 반시계 방향으로0도에서 90도까지 회전된 상태로 배열될 수 있다.

상기 액정분자들은 동일 평면에서 0도 에서 360도까지 선형적으로 회전한 배열을 이루고, 이 중 0도에서 180도 범위의 액정분자 배열에 의해 제1 프리즘이 이뤄지고, 180도에서 360도 범위의 액정분자 배열에 의해 제1 프리즘에 이웃해서 제2 프리즘이 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는, 유리기판을 사용하지 않고 플라스틱 기판을 사용해서 액정 프리즘을 형성하므로, 장치의 두께 및 무게 그리고 제조 비용을 줄일 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에서는 액정분자들이 동일 평면에서 0도 에서 360도까지 선형적으로 회전한 배열을 가지고 액정 프리즘을 구현함으로써, 직각 삼각형 모양의 이상적인 프리즘을 구현할 수가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 프리즘의 단면 모습을 보여주는 도면이다.
도 2는 액정 프리즘과 표시패널의 배치관계를 설명하는 도면이다.
도 3은 액정 프리즘이 비활성화된 상태에서 빛이 진행하는 경로를 예시하는 도면이다.
도 4는 액정 프리즘이 활성화된 상태에서 빛이 진행하는 경로를 예시하는 도면이다.
도 5 내지 도 9는 도 1에 도시한 액정 프리즘의 제조 과정을 설명하는 도면이다.
도 10은 ECB 모드 액정셀로 구현된 액정 프리즘에서 액정분자의 배열을 보여주는 도면이다.
도 11 내지 도 14는 죤스 메트릭스를 설명하기 위한 도면들이다.
도 15는 HAN 모드 액정셀에서 액정분자를 0도에서 180도까지 배열시킨 상태와 그에 따른 구동 전압을 보여주는 도면이다.
도 16 내지 도 17은 HAN 모드 액정셀로 구현된 액정 프리즘을 설명하는 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 실질적으로 동일한 구성요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 프리즘(100)의 단면 모습을 보여준다. 이 실시예에서, 액정 프리즘(100)은 두 전극 사이에 액정이 협지된 구조를 이루고 있으나, IPS 모드나 FFS모드처럼 두 전극은 동일 기판에 형성돼서 수평방향의 전계를 형성하는 것도 가능하다. 이 액정 프리즘(100)은 액정의 배열 방향을 조절해서 선 격자(line grating)를 이루고, 이에 따라 빛을 원하는 방향으로 굴절시킬 수 있도록 한다.

도 1에서, 액정 프리즘(100)은 제1 기판(110)과 제2 기판(120) 사이에 액정(LC)이 주입된 구조를 이룬다.

제1 기판(110)은 폴리카보네이트와 같은 물질로 이뤄진 플라스틱 기판으로 구성된다. 폴리카보네이트는 유리에 비해 내열성 범위가 섭씨 150도~180도로 낮지만, 필름 형태로 얇게 기판을 만들 수 있으며, 또한 유리보다 가벼우면서도 플렉서블한 장점을 가지고 있다. 따라서, 플라스틱 기판으로 제1 기판을 구성하는 경우에, 액정 프리즘(100)의 두께 및 무게를 줄일 수 있다.

이 제1 기판(110) 위에는 제1 전극(113)이 형성된다. 제1 전극(113)은 투명한 도전성 물질, 일 예로, ITO, IZO와 같은 투명한 도전성 산화물을 포토리소그라피 공정을 통해서 하부 기판(110) 위에 형성될 수 있다. 이 제1 전극(113)은 일 방향으로 길게 연장돼 있으며, 이웃한 것과는 소정 거리로 떨어져 있으며, 서로 나란하게 배치돼서 격자 형태를 이룬다. 도 1에서는 제1 전극(113)이 도면을 관통하는 방향으로 서로 나란하게 배치된 형태를 예시한다. 이러한 제1 전극(113)은 투명한 보호층(115)으로 덮어져 보호된다. 이 투명한 보호층(115)은 산화 실리콘(SiOx) 또는 질화 실리콘(SiNx) 등의 무기물로 이뤄진다.

제2 기판(120)은 유리기판으로 이뤄져 액정 프리즘(100)의 기계적 강도를 유지하도록 구성된다. 이처럼, 제2 기판(120)은 유리기판으로 구성됨으로, 제1 기판(110)에 비해서 상대적으로 두껍다. 도면에 예시된 바처럼, 제1 기판(110)은 플라스틱 기판으로 구성돼 제1 두께(d1)를 이루고 있지만, 제2 기판(120)은 유리기판으로 구성돼 제1 두께(d1)보다 두꺼운 제2 두께(d2)를 이룬다. 따라서, 제1 및 제2 기판(110, 120)이 모두 유리기판으로 구성되는 경우와 비교해서, 제2 두께(d2)와 제1 두께(d1)의 차이(d2-d1)에 해당하는 만큼의 두께를 줄일 수 있다. 또한, 제1 기판(110)은 제2 기판(120)에 비해서 상대적으로 가벼운 플라스틱을 사용하기 때문에, 무게 역시 줄일 수가 있다.

제2 기판(120) 위에는 제2 전극(121)이 형성되는데, 제1 전극(113)과 달리 상부 기판(120) 전체에 공통으로 형성된다. 이 같은 제2 전극(121)은 빛이 통과할 수 있도록 투명한 물질, 예로 ITO, IZO와 같은 투명한 도전성 산화물로 형성될 수 있다. 이러한 제2 전극(121)은 투명한 보호층(123)으로 덮어져 보호된다. 이 투명한 보호층(123)은 산화 실리콘(SiOx) 또는 질화 실리콘(SiNx) 등의 무기물로 이뤄진다.

이처럼 구성되는 액정 프리즘(100)은 도 2에서 예시하는 바처럼, 입체영상을 표시하는 표시패널(11)의 픽셀 열들과 얼라인된 상태로 배치된다. 도 2에서, 예시된 액정 프리즘(100)은 제1 내지 제10 유닛(TC1~TC10)으로 구성되는 것을 예시한다. 유닛(TC1-TC10)은 액정 프리즘(100)이 구동되는 최소 단위로, 액정(LC)은 유닛 단위로 프리즘을 형성해 빛을 원하는 방향으로 굴절시켜 시청자에게 제공한다. 예로, 제1 유닛(TC1)에 대응하게 배치된 픽셀 열들(도면의 점선)은 제1 유닛(TC1)이 형성하는 프리즘의 영향을 받아 소정 각도로 빛이 굴절된다.

이하, 유닛(TC1~TC10) 단위로 이뤄진 액정 프리즘의 동작에 대해서 설명한다. 도 3은 제1 전극(113)과 제2 전극(121) 사이에 전위차가 발생하지 않은 경우, 즉 액정 프리즘이 비활성화된 상태에서, 빛이 진행하는 경로를 예시하는 도면이다.

두 전극(113, 121) 사이에 전계가 인가되지 않으면, 액정(LC)은 초기 배열 상태를 유지한다. 예로, ECB모드 액정(LC)은 수평 방향으로 배열된다. 이처럼, 액정셀(LC)은 모두 수평 상태로 배열된 상태를 유지하기 때문에, 위치에 따라 액정들의 굴절율에는 아무런 변화가 없다. 이에 따라, 액정 프리즘(100)은 투과하는 빛에 아무런 영향을 주지 않아, 빛은 아무런 변화없이 액정 프리즘(100)을 그대로 투과한다.

도 4는 제1 전극(113)과 제2 전극(121) 사이에 전위차가 발생하는 경우에, 빛이 진행하는 경로를 예시하는 도면이다. 이하의 설명에서, 액정 프리즘은 4개의 제1 전극들(113a~113d)로 이뤄진 경우를 예로 설명하고, 액정 프리즘(100)을 이루는 제1 전극은 왼편에서 오른편의 방향으로 가전극(113a), 나전극(113b), 다전극(113c), 라전극(113d)이라 한다.

도 4에서, 제2 전극(121)에는 공통전압(Vcom)이 인가되고, 가전극(113a)은 제1 전압(V1)이 인가되고, 나전극(113b)은 제2 전압(V2)이, 다전극(113c)은 제3 전압(V3)이, 라전극(113d)은 제4 전압(V4)이 인가된다. 전압의 크기는 '제1 전압(V1) < 제2전압(V2) < 제3전압(V3) < 제4전압(V4)'의 순서를 만족한다.

따라서, 가전극(113a)과 제2 전극(121) 사이에 배치된 제1 액정은 가전압에 비례해서 회동하고, 나전극(113b)과 제2 전극(121) 사이에 배치된 제2 액정은 나전압에 비례해서 제1 액정보다 더 많이 회동한다. 마찬가지로, 제3 액정과 제4 액정도 둘 사이에 걸리는 전압에 비례해 회동하므로, 제1 액정에서 제4 액정으로 갈수록 액정의 회동 정도는 커지게 된다. 따라서, 도 4에 예시한 바와 같이, 위치에 따른 굴절율의 차이가 발생해 액정셀(LC)에는 직각 삼각형 모양의 프리즘이 형성된다. 이 상태에서, 하부 기판(110)을 통해 들어온 빛은 액정 프리즘의 빗면 기울기 각도 α와 동일한 각도만큼 굴절되어 액정 프리즘(100)을 투과하게 된다.

여기서, 굴절 각도(α)는 아래의 수학식 1과 같이 빛의 파장(λ)과 프리즘의 피치 폭(Wp)에 의해서 결정된다.

[수학식 1]

sin α = λ / Wp

이처럼, 액정 프리즘(100)은 유닛에 배치된 액정의 배열 상태를 조절해서 프리즘을 형성하므로, 시청자의 위치에 맞춰 빛을 굴절시키게 되면 무안경 방식으로도 시야각에 제한을 받지 않고 입체 영상을 볼 수가 있다. 예를 들어서, 입체 표시장치가 좌안을 표시하는 동안에, 액정 프리즘(100)은 시청자의 좌안 위치에 맞춰 빛을 굴절시킨다. 그리고, 우안을 표시하는 동안에, 액정 프리즘(100)은 시청자의 우안 위치에 맞춰 빛을 굴절시킨다. 이처럼 액정 프리즘(100)이 좌안 영상 및 우안 영상을 시청자의 위치에 맞춰 각각 공급함으로써, 시청자는 무안경 상태로 입체 영상을 시청할 수가 있다.

한편, 상술한 액정 프리즘(100)은 제1 기판(110)이 플라스틱 기판으로 구성되는 경우를 실시예로 설명했지만, 제1 기판(110)은 유리기판으로 구성되고, 제2 기판(120)은 플라스틱 기판으로 구성하는 것도 가능하다. 나아가, 제1기판(110) 및 제2 기판(120) 모두를 플라스틱 기판으로 구성할 수도 있다.

이하, 첨부 도면을 참조로 상술한 실시예처럼 제1 기판은 플라스틱 기판으로 구성되고, 제2 기판은 유리기판으로 구성된 액정 프리즘의 제조 과정을 설명한다.

먼저, 도 5 및 도 6은 유리기판으로 이뤄진 제2 기판을 베이스로 한 제조 과정을 보여준다.

도 5 및 도 6에서, 유리기판(120)을 세정한 후에, ITO를 스패터링 타겟(Spattering Target)으로 가공해서 유리기판(120) 전체에 스퍼터링시키거나, ITO를 유리기판(120)에 증착시켜서 제2 전극(121)을 형성할 수가 있다.

이처럼, 유리기판(120)에 ITO를 증착한 후에는 제2 전극(121)의 면저항값이 40(Ω/square) 가 되도록 섭씨 230도 내지 섭씨 250도 범위로 어닐링(annealing)을 실시한다.

어닐링이 끝난 후에는, 제2 전극(121) 위로 산화 실리콘(SiOx) 또는 질화 실리콘(SiNx) 등의 무기물을 증착해서 투명한 보호층(123)을 형성한다. 이 투명한 보호층(123)은 제2 전극(121)이 손상되는 것을 방지한다.

다음으로, 도 7 내지 도 9를 참조로 플라스틱 기판으로 이뤄진 제1 기판을 베이스로 한 제조 과정을 설명한다.

도 7 및 도 9에서, 플라스틱 기판(110) 위에 ITO를 증착해서 제1 전극패턴(113A)을 전면적으로 형성한다.

이처럼, 플라스틱 기판(110) 위에 제1 전극패턴(113A)을 형성한 후에는 그 위에 제1 전극패턴(113A)을 패터닝(patterning)하기 위한 마스크(MA)를 준비한다. 도 8에서는 포토리소그라피 방식으로 제1 전극패턴(113A)을 패터닝하는 방법을 예시하고 있고, 마스크(MA)가 포토레지스트로 구성되는 경우를 예로써 보여준다. 주지하는 바처럼, 포토리소그라피 방식은 포토레지스트(MA)에 패턴을 전사한 다음에, 이를 베리어로 제1 전극패턴(113A)을 패터닝하게 된다.

도 8에서와 같이 마스크(MA)를 이용해서 제1 전극패턴(113A)을 패터닝하게 되면, 상술한 바처럼 스트라이프 형상을 이루고, 이웃한 것과 평행하게 배치된 제1 전극(113)이 플라스틱 기판(110) 위에 형성된다. 그리고 나서 마스크(MA)층은 제거한다.

이처럼, 제1 전극(113)을 플라스틱 기판(110) 위에 형성한 후에는 제1 전극(113)을 어닐링한다. 그런데, 상술한 바처럼, 제1 전극(113)은 폴리카보네이트로 이뤄진 플라스틱 기판(110) 위에 형성돼 있기 때문에, 폴리카보네이트의 내열성을 감안해서, 제1 전극(113)의 면저항값이 47(Ω/square)이 되도록 섭씨 120도 내지 130도 범위에서 어닐링을 실시한다.

어닐링이 끝난 후에는, 제1 전극(113) 위로 산화 실리콘(SiOx) 또는 질화 실리콘(SiNx) 등의 무기물을 증착해서 투명한 보호층(115)을 형성한다. 이 투명한 보호층(115)은 제1 전극(113)이 손상되는 것을 방지한다.

이처럼, 제1 기판 및 제2 기판의 제조가 끝난 후에는 두 기판 사이에 액정을 채워 액정 프리즘(100)을 완성한다. 일 실시예에서, 액정셀(LC)은 아래에서 설명되는 바처럼, ECB(Electrically Controlled Birefringence) 모드로 구성될 수 있다.

주지하는 바처럼, ECB 모드는 제1 및 제2 기판 내측에 형성된 배향막(미도시)의 러빙 방향이 같고, 프리 틸티각은0도이다. 그리고, 그 사이에 존재하는 액정들은 장축이 기판에 대해서 평행하도록 수평배향 되어 있다. 이 ECB 모드에서, 전압을 인가하기 전에는 액정셀 내의 모든 액정분자들은 기판에 대해 장축이 평행한 상태로 배열되며, 전압을 인가하면 액정분자들은 전기장과 동일한 방향으로 장축이 배열된 상태를 이루도록 회동한다. 즉, ECB 모드에서, 액정분자들은 수평방향과 수직방향 사이의 90도 회동을 한다.

도 10은 이처럼 회전하는 ECB 모드의 액정 배열을 상술한 액정 프리즘에 맞춰 보여주는 도면이다.

도시된 바처럼, ECB 모드에서 액정 프리즘은 액정의 배열 방향을 조절하는 것으로 구현된다. 즉, ECB 모드에서 액정은 기판에 대해서 수평한 상태(도면의 x축 방향)와 기판에 대해서 수직한 상태(도면의 y축 방향) 사이의 배열 상태를 이룬다. ECB 모드에서 액정은 기판에 대해서 수직한 방향을 이루고 있을 때 굴절율(no)이 최소이고, 기판에 대해서 수평한 방향을 이루고 있을 때 굴절율(ne)은 최대이다. 따라서, 프리즘의 1피치(P) 내에 포함되는 액정의 배열 방향을 수직한 상태에서 점진적으로 수평한 상태가 되도록 액정의 배열 방향을 조절하게 되면, 기울기가 θ인 액정 프리즘을 형성할 수가 있다.

그런데, 플라이백 영역(flyback region), 즉 액정분자의 굴절율이 최대(ne)에서 최소(no)로 급격히 변화는 부분(A)을 보면, 새로운 액정 프리즘을 형성하기 위해서 인접한 두 전극들에 연속적으로 최소전압(Vn)과 최대전압(Vo)이 인가된다. 이상적인 액정 프리즘은 직각 삼각형을 이뤄야 하지만, 플라이백 영역에서 액정은 최소전압에 의해서 수평배열을 이루는 한편, 최대전압에 의해서 수직 배열을 이루고, 또한 점선으로 도시한 바처럼 수평배열에서 점진적으로 수직배열을 이루는 다수의 액정들이 혼재하게 된다. 따라서, 이 플라이백 영역때문에, ECB 모드의 액정 프리즘은 이상적인 직각 삼각형이 아닌 삼각형 모양을 이루게 된다. 이처럼 액정 프리즘이 형성되면, 플라이백 영역으로 들어온 빛은 액정 프리즘의 굴절 각도 (θ)로 꺾이지 못하고, 원하지 않는 방향으로 굴절되는 현상이 발생될 수 있다.

이와 비교해서, 액정셀(LC)이 아래에서 설명되는 바처럼, HAN(Hybrid Alignment Nematic) 모드로 구성되면, 상술한 현상을 해결할 수가 있다.

주지하는 바처럼, HAN 모드는 제1 기판 내측에 형성된 배향막(미도시)의 러빙 방향에 맞춰 액정의 장축이 기판에 대해서 수평한 방향으로 프리틸트되며, 제2 기판 내측에 형성된 배향막(미도시)의 러빙 방향에 맞춰 액정의 장축이 기판에 대해서 수직한 방향으로 프리틸트된다. 그리고, 그 사이에 존재하는 액정들은 프린지 필드에 의해서 수평 배향된 상태로 동일 평면에서 회전을 한다.

HAN 모드에서 액정셀에 입사된 빛이 액정분자의 회전각도(θ)에 따라 어떻게 위상 변조되는지는 아래의 죤스 메트릭스(Jones Matrix)를 통해서 모델링할 수 있는데, 이에 대해서 설명하면 다음과 같다.

HAN 모드에서, 액정은 상술한 바처럼 동일 평면에서 회전을 하므로, 반파장판(HWP)과 동일하다고 볼 수가 있다. 따라서, 이를 죤스 메트릭스를 이용해서 표현하면 다음의 수학식 1과 같다.

[수학식 1]

그리고, 액정셀에 입력되는 광의 편광 상태에 따라, 우원편광된 광은 아래의 수학식 2처럼 표현되고, 좌원편광된 광은 아래의 수학식 3처럼 표현된다.

[수학식 2]

[수학식 3]

한편, 도 11에서와 같이 HAN 모드 액정셀(310) 앞에 원편광판(320)과 선편광판(330)이 순차적으로 배치된 경우, 액정셀(310)로 입사되는 빛의 편광 상태는 원편광이다. 보다 자세히, 선편광판(330)을 통과한 빛은 선편광되고, 다시 원편광판(320)에서 λ(파장)/4만큼 위상 지연이 일어나 원편광된다. 따라서, 액정셀(310)로는 원평광판(320)의 편광 조절 방향에 따라 좌원평광 또는 우원편광된 빛이 입사된다.

이에 따라, HAN 모드 액정셀로 입사되는 빛이 우원편광된 상태로 액정셀에 입사가 되면, HAN 모드 액정셀에서 액정의 장축이 θ만큼 회전한 경우에 있어, 이때 출력되는 빛의 위상변조는 아래의 수학식 4와 같이 정의되므로, 이 경우에 빛은 좌원편광된 상태로 출력되며 2θ만큼 위상 변조된다는 사실을 알 수 있다.

[수학식 4]

그리고, 도 12에서와 같이 좌원편광된 상태로 액정셀(310)에 빛이 입사되면, HAN 모드 액정셀에서 액정의 장축이 θ만큼 회전한 경우에 있어, 이때 출력되는 빛의 위상변조는 아래의 수학식 5 같이 정의되므로, 이 경우에 빛은 우원편광된 상태로 출력되며 -2θ만큼 위상 변조된다는 사실을 알 수 있다.

[수학식 5]

그리고, 도 13에서와 같이 우원편광된 상태로 HAN 모드 액정셀에 빛이 입사되면, 액정셀에서 액정의 장축이 -θ만큼 회전한 경우에 있어, 이때 출력되는 빛의 위상변조는 아래의 수학식 6과 같다. 따라서, 이 경우에 빛은 좌원편광된 상태로 출력되며, -2θ만큼 위상 변조된다는 사실을 알 수 있다.

[수학식 6]

마지막으로, 도 14에서와 같이 좌원편광된 상태로 HAN 모드 액정셀에 빛이 입사되면, 액정셀에서 액정의 장축이 -θ만큼 회전한 경우에 있어, 이때 출력되는 빛의 위상변조는 아래의 수학식 7과 같다. 따라서, 이 경우에 빛은 우원편광된 상태로 출력되며, +2θ만큼 위상 변조된다는 사실을 알 수 있다.

[수학식 7]

이상의 모델링을 통해서 알 수 있듯이, 원편광된 상태로 HAN 모드 액정셀에 입사된 빛은 액정의 회전각도(θ)에 2배에 해당하는 만큼 위상 지연된 상태로 출력되는 것을 알 수 있다. 또한, HAN 모드 액정셀에 원편광된 상태로 입사된 빛은 원편광과 반대방향으로 회전하는 원편광 상태로 출력되는 것을 알 수 있다.

이상과 같은 모델링 결과를 통해서, 액정의 회전각도(θ)를 0도에서 180도 범위로 조절하면, HAN 모드 액정셀을 액정 프리즘으로 구현하는 경우에 2π 위상 변조가 가능하다는 것을 알 수 있다.

도 15는 HAN 모드 액정셀에서 인가전압에 따른 액정의 배열 방향을 보여주는 도면이다.

도 15에서, 액정은 동일 평면(도면의 xy 평면)에서 0도에서 180도 사이의 범위에서 회전하는 것을 보여준다. 도 15에서 예시하는 바처럼, HAN 모드 액정셀에서 액정분자는 인가전압의 방향에 맞춰서 회전한다. 즉, 정극성 전압(전위차가 +)이 인가되는 경우에, 액정은 시계방향으로 회전을 하고, 부극성 전압(전위차가 -)에 대해서는 반시계 방향으로 회전을 한다.

이에 맞춰, 도 15에서 예시하는 바처럼, 전압을 부극성 방향으로 순차적으로 인가해서 액정을 반시계 방향으로90도 회전시키고, 전압을 정극성 방향으로 인가해서 액정을 순차적으로 시계방향으로 90도 회전시키게 되면, 전체적으로 액정은 180도 범위에서 회전을 시킬 수 있다. 도 15에서는 액정의 회전 방향을 쉽게 알 수 있도록 액정 분자의 한쪽 끝에 바를 표시하였다.

도 16은 상술한 바와 같은 배경에 맞춰서 HAN 모드에서 구현된 액정 프리즘과 액정의 배열 방향에 따른 위상 지연값을 보여준다. 도 16에서는 2개의 액정 프리즘이 연속해서 형성된 것을 예시한다.

도 16에서, 액정셀(310)에 입사되는 빛은 좌원편광 또는 우원편광된 빛이다. 상술한 죤스 메트릭스 모델링을 통해서 확인한 바처럼, HAN 모드 액정셀에 원광편광된 빛이 입사되는 경우에 2π 위상 변조를 할 수가 있다. HAN 모드 액정셀을 투과한 빛은 좌원편광 빛이 액정셀로 입사된 경우에 우원편광 빛으로 출력되고, 우원편광된 빛이 액정셀에 입사되면 좌원편광된 빛이 출력된다.

도 16에서, 액정셀의 액정은 xy 평면에서 반시계 방향으로 360도 회전하는 것을 보여준다. 액정의 회전 방향을 쉽게 이해하기 위해서, 도면에서는 액정의 한쪽 끝에 바를 표시하였다.

상술한 모델링 과정을 통해서 확인했듯이, 액정의 회전각도(θ)를 0도에서 180도 범위 내로 조정하면, 2π 위상 변조가 가능하다. 여기서, 위상변조 값의 범위는 0 라디안(rad)에서 2π라디안(rad)을 갖는다. 도 16의 경우는 이러한 위상 변조의 특성에 의해 연속적으로 2개의 액정 프리즘이 형성되는 것을 보여준다. 이하, 이 중 액정이 0도 에서 180도 회전함에 따라 구현된 액정 프리즘을 제1 액정 프리즘(1LP)이라 하고, 180도에서 360도까지 회전함에 따라 구현된 액정 프리즘을 제2 액정 프리즘(2LP)이라 한다. 이때, 제1 액정 프리즘(1LP)은 제1 피치(1P)의 길이로 형성되며, 제2 액정 프리즘(2LP)은 제2 피치(2P)의 길이로 형성된다. 여기서, 제1 피치(1P)와 제2 피치(2P)의 길이는 동일하다.

도 16에서, 제1 액정 프리즘(1LP)을 살펴보면, 액정이 +y축과 나란한 방향으로 배열된 초기 상태를 기준으로 반시계 방향(+θ)으로 180도 회전함으로써 하나의 단위 액정 프리즘이 x축 방향을 따라 구현된 모습을 보여준다. 도 16에서 보여지는 액정의 배열 방향은 액정셀(310)의 저면에서 본 모습을 도시한 것이다.

이 경우에, 우원편광 빛이 액정 셀에 들어오면, 주어진 위치의 액정셀을 통과하면서 위의 수학식 4에 맞춰 위상 변조된 상태로 출력이 된다. 즉, 액정분자의 회전각도(+θ)가 커지면 커질수록 위상 변조 역시 이에 비례해서 커지게 된다. 따라서, x축 양의 방향으로 갈수록 위상 변조값은 커져서 180도 였을 때 최대인 2π라디안(rad)이 된다. 결과적으로 1피치(1P)에 속한 액정들의 위상 변조값은 + x축 방향으로 점진적으로 커지는 선형 값을 가지므로, 기울기가 tan(+α)인 제1 액정 프리즘(1LP)이 형성된다.

제2 액정 프리즘(2LP) 역시 제1 액정 프리즘(1LP)과 마찬가지로 구현되는데, 다만 제2 액정 프리즘(2LP)은 x축 양의 방향으로 이동할수록 y축과 나란한 방향 (180도)으로 배열된 액정이 반시계 방향으로180도 만큼 더 회전(360도)해서, 위상 변조값은 0라디안 에서2π라디안까지 증가하게 된다. 결과적으로 2피치(2P)에 속한 액정들의 위상 변조값은 점진적으로 증가하는 선형 값을 가지므로, 기울기가 tan(+α)인 제2 액정 프리즘(2LP)이 형성된다.

도 17의 경우는 상술한 위상 변조의 특성에 의해서 도 16의 경우와 반대의 기울기(tan(-α))를 갖는, 연속적으로 2개의 프리즘이 형성되는 것을 보여주고 있다. 도 16에서 보여지는 액정의 배열 방향은 액정셀(310)의 저면에서 본 모습을 도시한 것이다.

이하, 이 중 액정이 0도 에서 180도 회전함에 따라 구현된 액정 프리즘을 제1 액정 프리즘(1LP)이라 하고, 180도에서 360도까지 회전함에 따라 구현된 액정 프리즘을 제2 액정 프리즘(2LP)이라 한다. 이때, 제1 액정 프리즘(1LP)은 제1 피치(1P)의 길이로 형성되며, 제2 액정 프리즘(2LP) 역시 제2 피치(2P)의 길이로 형성된다. 여기서, 제1 피치(1P)와 제2 피치(2P)는 동일하다.

도 17에서 먼저, 제1 액정 프리즘(1LP)을 살펴보면, 액정이 +y축과 평행한 방향으로 배열된 초기 상태를 기준으로 시계 방향으로 180도 회전함으로써 하나의 단위 액정프리즘이 x축 방향을 따라 구현된 모습을 보여준다. 이 경우에, 우원편광 빛이 액정 셀에 들어오면, 주어진 위치의 액정셀을 통과하면서 위의 수학식 6에 맞춰 위상 변조된 상태로 출력이 된다. 즉, 액정분자의 회전각도(θ)가 커지면 커질수록 위상 변조 역시 이에 비례해서 작아지게 된다.

따라서, x축 양의 방향으로 갈수록 위상 변조값은 작아져서 0도 였을 때 최대인 2π라인이 되고, 180도였을 때 최소인 0라디안이 된다. 결과적으로 1피치(1P)에 속한 액정들의 위상 변조값은 +축 방향으로 점진적으로 작아지는 선형 값을 가지므로, 기울기가 tan(-α)인 제1 액정 프리즘(1LP)이 형성된다.

제2 액정 프리즘(2LP) 역시 제1 액정 프리즘(1LP)과 마찬가지로 구현되는데, 다만 제2 액정 프리즘(2LP)은 x축 양의 방향으로 이동할수록 y축과 나란한 방향 (180도)으로 배열된 액정이 시계 방향으로180도 만큼 더 회전(360도)하게 된다는 점에서만 차이가 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

Claims

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제1 기판과 제2 기판 사이의 액정셀과,
상기 액정셀을 이루는 액정 분자들을 회전시키는 프린지 필드를 생성하는 제1 전극 및 제2 전극과,
상기 액정분자들은 프리즘의 밑면 길이에 해당하는1피치 내에서 상기 프린지 필드에 맞춰 배열이 점진적으로 변화하고,
상기 액정셀은 HAN 모드 액정셀로 구성되고,
상기 액정셀을 이루는 액정분자들 중 일부는 상기 프린지 필드의 방향에 따라 동일한 평면에서 시계 방향으로 회전된 상태로 배열되며,
상기 제1 기판은 플라스틱 기판으로 이루어지는 액정 프리즘.
제7항에 있어서,
상기 액정 프리즘에 입사되는 빛을 90도 위상 지연시켜서 선편광시키는 선편광판과,
상기 선편광판을 투과한 빛을 좌원편광 또는 우원편광시켜 액정 프리즘으로 공급하는 원편광판을 포함하고,
빛이 액정 프리즘으로 입사되는 방향을 기준으로 그 앞에 선편광판과 원편광판이 순차적으로 배치되는 액정 프리즘.
제8항에 있어서,
상기 1피치 내에서, 상기 액정분자들은 정극성 전압(전위차가 +)에 따라 시계방향으로 0도에서 90도까지 회전된 상태로 배열되고, 부극성 전압(전위차가 -)에 따라 반시계 방향으로0도에서 90도까지 회전된 상태로 배열되는 액정 프리즘.
제7항에 있어서,
상기 액정분자들은 동일 평면에서 0도 에서 360도까지 선형적으로 회전한 배열을 이루고, 이 중 0도에서 180도 범위의 액정분자 배열에 의해 제1 프리즘이 이뤄지고, 180도에서 360도 범위의 액정분자 배열에 의해 제1 프리즘에 이웃해서 제2 프리즘이 형성되는 액정 프리즘.
제7항에 있어서,
상기 제1 기판에 형성되는 상기 제1 전극의 면저항값은 47 Ω/square인 액정 프리즘.
제7항에 있어서,
상기 제1 전극은 상기 제1 기판에 형성되고 상기 제2 전극은 상기 제2 기판에 형성되며, 상기 제1 전극의 면저항은 상기 제2 전극의 면저항 보다 큰 액정 프리즘.