KR101915623B1 - 액정 렌즈 패널 및 이를 구비하는 표시 장치 - Google Patents

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Abstract

액정 렌즈 패널은 제1 기판, 제2 기판, 및 상기 제1 기판과 제2 기판 사이에 배치되는 액정층을 포함한다. 여기서, 사익 제1 기판은 제1 베이스 기판 및 상기 제1 베이스 기판 상에 배치되는 제1 전극층을 구비할 수 있다. 상기 제2 기판은 상기 제1 베이스 기판에 대향하는 제2 베이스 기판, 및 상기 제2 베이스 기판의 상기 제1 베이스 기판에 마주하는 면 상에 배치되는 제2 전극층을 포함할 수 있다. 상기 액정층의 굴절률은 0.2 내지 0.29의 범위를 가지며, 상기 액정층의 유전율은 5.5F/m 내지 10F/m의 범위를 가질 수 있다.

Description

액정 렌즈 패널 및 이를 구비하는 표시 장치{LIQUID CRYTAL LENS PANEL, DISPLAY DEVICE HAVING THE SAME}
본 발명은 액정 렌즈 패널 및 이를 구비하는 표시 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 입체 영상의 표시 품질이 향상된 액정 렌즈 패널 및 이를 구비하는 표시 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 입체 영상 표시 장치는 양안 시차(Binocular disparity)를 가지는 좌안 영상과 우안 영상을 관찰자의 좌안과 우안 각각에 분리하여 보여준다. 관찰자는 양안을 통해 좌안 영상과 우안 영상을 보게 되고, 뇌에서 이 영상들을 융합하여 입체감을 시인하게 된다.
상기 입체 영상을 만들기 위하여 입체 안경을 이용하여 좌안 화상과 우안 화상을 분리하는 선편광 방식 입체 영상 표시 장치가 사용되었지만, 시청자가 안경을 착용해야 한다는 불편함이 있었다.
상기 불편함을 해소하기 위하여 최근에는 상기 안경을 착용하지 않는 방식의 입체 영상 표시 장치들이 제안되고 있다.
본 발명의 일 목적은 입체 영상의 표시 품질이 향상시킬 수 있는 액정 렌즈 패널을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 액정 렌즈 패널을 구비하는 표시 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 액정 렌즈 패널은 제1 기판, 제2 기판, 및 상기 제1 기판과 제2 기판 사이에 배치되는 액정층을 포함한다. 여기서, 사익 제1 기판은 제1 베이스 기판 및 상기 제1 베이스 기판 상에 배치되는 제1 전극층을 구비할 수 있다. 상기 제2 기판은 상기 제1 베이스 기판에 대향하는 제2 베이스 기판, 및 상기 제2 베이스 기판의 상기 제1 베이스 기판에 마주하는 면 상에 배치되는 제2 전극층을 포함할 수 있다. 상기 액정층의 굴절률은 0.2 내지 0.29의 범위를 가지며, 상기 액정층의 유전율은 5.5F/m 내지 10F/m의 범위를 가질 수 있다.
상기 액정층의 두께는 2.3㎛ 이상 내지 5㎛ 이하일 수 있다.
상기 제2 전극층은 상기 제2 베이스 기판 상에 배치된 복수의 제1 전극 패턴들, 및 상기 제1 전극 패턴들과 절연되어 교번 배치되는 제2 전극 패턴들을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 패턴들 및 상기 제2 전극 패턴들의 폭은 상기 액정층의 두께 이상일 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 표시 장치는 상기 액정 렌즈 패널을 구비한다.
본 발명의 액정 렌즈 패널 및 이를 구비하는 표시 장치는 입체 영상의 표시 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 표시 장치의 표시 패널 및 액정 렌즈 패널에 한정하여 도시한 일부 단면도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 액정 렌즈 패널을 설명하기 위한 일부 단면도이다.
도 4는 도 3의 액정 렌즈 패널의 제1 전극층에 인가되는 전압을 도시한 도면이다.
도 5는 도 3의 액정 렌즈 패널의 각 서브 영역에서의 위상 지연을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 3의 액정 렌즈 패널의 한 주기에 포함되는 위상 지연 모습을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 1 및 도 2에 도시된 액정 렌즈 패널의 제2 액정층의 초기 배향 상태를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 도 1 및 도 2에 도시된 액정 렌즈 패널의 제2 액정층의 전계에 따른 배향 상태를 설명하기 위한 단면도이다.
도 9는 인가되는 전압에 따라 액정 렌즈 패널의 제2 액정층을 투과하는 광의 위상 지연을 설명하기 위한 그래프이다.
도 10은 액정 렌즈 패널에 사용되는 액정층의 유전율에 따른 투과 광의 위상 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 11은 액정 렌즈 패널에 사용되는 액정층의 굴절률 및 유전율에 따른 최소 위상 지연값을 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치를 설명하기 위한 분해 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 표시 장치의 표시 패널 및 액정 렌즈 패널에 한정하여 도시한 일부 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치는 표시 패널(100) 및 액정 렌즈 패널(200)을 포함하며, 상기 표시 패널(100) 및 상기 액정 렌즈 패널(200)은 광투과가 가능한 접합 부재를 통하여 접합될 수 있다. 예를 들면, 상기 표시 패널(100) 및 상기 액정 렌즈 패널(200) 사이에는 상기 접합 부재로 광학 투명 접합 시트(optically clear adhesive)(OCA)가 배치되어, 상기 표시 패널(100) 및 상기 액정 렌즈 패널(200)를 접합할 수 있다. 여기서, 상기 광학 투명 접합 시트(OCA)는 광학적으로 투명한 점착제를 포함하여 투명도 및 점착력을 모두 가진다.
상기 표시 패널(100)은 영상을 표시하여 시청자가 영상을 감상할 수 있도록 한다. 상기 표시 패널(100)로는 다양한 형태의 표시 패널이 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기 표시 패널(100)로 유기 발광 표시 패널(organic light emitting display panel, OLED panel) 및 플라즈마 표시 패널(plasma display panel, PDP)과 같은 자발광이 가능한 표시 패널을 사용하는 것이 가능하다. 또한, 상기 표시 패널(100)로 액정 표시 패널(liquid crystal display panel, LCD panel), 전기영동 표시 패널(electrophoretic display panel, EPD panel), 및 일렉트로웨팅 표시 패널(electrowetting display panel, EWD panel)과 같은 비발광성 표시 패널을 사용하는 것이 가능하다. 상기 표시 패널(100)로 비발광성 표시 패널을 사용하는 경우, 상기 표시 장치는 상기 표시 패널(100)로 광을 공급하는 백라이트 유닛(Back-light unit)(미도시)을 구비할 수도 있다. 본 실시예에서는 상기 표시 패널(100)로 상기 액정 표시 패널을 예로서 설명한다.
상기 표시 패널(100)은 장변 및 단변을 구비하는 직사각형의 판상으로 마련되며, 표시 영역(140)에서 화상을 표현한다. 또한, 상기 표시 패널(100)은 어레이 기판(110), 상기 어레이 기판(110)에 대향되는 대향 기판(120) 및 상기 어레이 기판(110)과 상기 대향 기판(120) 사이에 형성된 제1 액정층(130)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 어레이 기판(110)은 다수의 화소가 매트릭스 형태로 구비될 수 있다. 각 화소 사이의 영역에는 광차단막이 배치되어 각 화소를 투과하는 광의 간섭을 방지하여 상기 표시 패널(100)의 콘트라스트(contrast)를 향상시킨다. 또한, 상기 각 화소는 제1 방향, 예를 들면, 상기 어레이 기판(110)의 일 모서리에 평행한 방향으로 연장된 게이트 라인(미도시), 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되어 게이트 라인과 절연되게 교차하는 데이터 라인(미도시) 및 화소 전극(미도시)을 구비한다. 또한, 상기 각 화소에는 상기 게이트 라인 및 데이터 라인에 전기적으로 연결되며, 상기 화소 전극에 대응하여 전기적으로 연결된 박막 트랜지스터(미도시)가 구비된다. 상기 박막 트랜지스터는 대응하는 화소 전극 측으로 제공되는 구동 신호를 스위칭한다.
또한, 상기 어레이 기판(110)의 일측에는 드라이버 IC(미도시)가 구비될 수 있다. 상기 드라이버 IC는 외부로부터 각종 신호를 입력받으며, 입력된 각종 제어 신호에 응답하여 상기 표시 패널(100)을 구동하는 상기 구동 신호를 상기 박막 트랜지스터 측으로 출력한다.
상기 대향 기판(120)은 그 일면 상에 상기 백라이트 유닛(300)에서 제공되는 광을 이용하여 소정의 색을 구현하는 RGB 컬러필터(미도시) 및 상기 RGB 컬러필터 상에 형성되어 상기 화소 전극과 대향하는 공통 전극(미도시)을 구비할 수 있다. 여기서 상기 RGB 컬러필터는 박막 공정을 통하여 형성될 수 있다. 한편, 본 발명에서는 상기 대향 기판(120)에 컬러필터가 형성된 것을 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 컬러필터는 상기 어레이 기판(110) 상에 형성될 수도 있음은 당업자에게 자명한 사실이다.
상기 제1 액정층(130)은 상기 화소 전극 및 상기 공통 전극에 인가되는 전압에 의하여 특정 방향으로 배열됨으로써, 상기 백라이트 유닛(300)로부터 제공되는 상기 광의 투과도를 조절하여, 상기 표시 패널(100)이 영상을 표시할 수 있도록 한다.
상기 액정 렌즈 패널(200)은 상기 표시 패널(100)의 영상을 2차원 영상 또는 3차원 영상으로 변환할 수 있다. 상기 액정 렌즈 패널(200)은 상기 표시 패널(100)에서 영상이 출사되는 방향 상에 배치되며, 상기 표시 패널(100)의 상기 표시 영역(140)에 대응하는 투과 영역(240)을 가질 수 있다. 여기서, 상기 투과 영역(240)은 상기 표시 영역(140)에서 생성된 이미지를 투과할 수 있다. 또한, 상기 액정 렌즈 패널(200)은 상기 표시 패널(100)에 대응하는 형상을 가질 수 있다. 즉, 상기 액정 렌즈 패널(200)은 상기 표시 패널(100)과 마찬가지로 단변 및 장변을 가지는 직사각형의 판상으로 마련될 수 있다.
상기 액정 렌즈 패널(200)은 복수의 렌즈부(LP)들을 구비하며, 상기 렌즈부(LP)들은 상기 표시 패널(100)에서 형성된 영상을 좌안 영상 및 우안 영상으로 분리할 수 있다.
상기 액정 렌즈 패널(200)은 상기 표시 패널(100)의 광이 출사하는 방향에 배치되는 제1 기판(210), 상기 제1 기판(210)에 대향하는 제2 기판(220), 및 상기 제1 및 제2 기판(210, 220) 사이의 제2 액정층(230)을 포함한다.
상기 제1 기판(210)은 제1 베이스 기판(211), 상기 제1 베이스 기판(211) 상에 배치되는 제1 전극층(212), 및 상기 제1 전극층(212) 상에 배치되는 제1 배향막(213)을 포함한다.
상기 제2 기판(220)은 제2 베이스 기판(221), 상기 제2 베이스 기판(221) 상에 배치되는 제2 전극층(222), 및 상기 제2 전극층(222) 상에 배치되는 제2 배향막(223)을 포함한다.
상기 제1 전극층(212) 및 상기 제2 전극층(222)은 복수의 전극 패턴들을 포함할 수 있다. 또한, 상기 전극 패턴들은 투명 도전성 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 전극 패턴들은 ITO(Indium Tin Oxide) 및 IZO(Indium Zinc Oxide) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 제1 전극층(212) 및 상기 제2 전극층(222)은 은 인가되는 전압에 의하여 전계를 형성하며, 상기 전계에 의하여 상기 제2 액정층(230) 내의 액정 분자들은 배열하게 된다.
상기 제1 배향막(213) 및 상기 제2 배향막(223)은 상기 액정층 내의 액정 분자들의 초기 배향을 결정한다. 따라서, 상기 제1 배향막(213) 및 상기 제2 배향막(223)은 상기 액정 분자들의 배열 방향을 미리 결정하므로, 상기 전계에 따라 상기 액정 분자들이 신속하게 배열될 수 있도록 한다.
상기 제2 액정층(230)은 수직 배향 모드, 수평 배향 모드 등 다양한 모드로 배향될 수 있다. 또한, 상기 제2 액정층(230)의 초기 배향 상태에서는, 상기 액정 분자들은 상기 제1 기판(210) 및 상기 제2 기판(220) 사이에서 장축이 트위스트(twist)되지 않을 수 있다.
여기서, 상기 제2 액정층(230)의 굴절률은 0.2 내지 0.29의 범위를 가질 수 있으며, 상기 제2 액정층(230)의 유전율은 5.5 내지 10 F/m의 범위를 가질 수 있다. 또한, 상기 제2 액정층(230)의 두께는 2.2 내지 10㎛의 범위를 가질 수 있다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 액정 렌즈 패널을 설명하기 위한 일부 단면도이며, 도 4는 도 3의 액정 렌즈 패널의 제1 전극층에 인가되는 전압을 도시한 도면이며, 도 5는 도 3의 액정 렌즈 패널의 각 서브 영역에서의 위상 지연을 나타내는 도면이며, 도 6은 도 3의 액정 렌즈 패널의 한 주기에 포함되는 위상 지연 모습을 나타내는 도면이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 상기 액정 렌즈 패널(200)은 제1 기판(210), 제2 기판(220), 및 상기 제1 기판(210)과 상기 제2 기판(220) 사이의 제2 액정층(230)을 포함한다.
상기 제1 기판(210)은 제1 베이스 기판(211), 상기 제1 베이스 기판(211) 상에 배치되는 제1 전극층(212), 및 상기 제1 전극층(212) 상에 배치되는 제1 배향막(213)을 포함한다. 여기서, 상기 제1 전극층(212)은 상기 제1 베이스 기판(211) 상에 배치되는 복수의 제1 전극 패턴(212A)들, 상기 제1 전극 패턴(212A)들을 커버하는 절연막(212B), 및 상기 절연막(212B) 상에 배치되는 복수의 제2 전극 패턴(212C)들을 포함한다.
상기 제1 전극 패턴(212A)들 및 상기 제2 전극 패턴(212C)들은 상기 액정 렌즈 패널(200)의 장변 및 단변 중 어느 하나에 평행한 방향으로 연장된 스트라이프 형상일 수 있다. 또한, 상기 제1 전극 패턴(212A)들 및 상기 제2 전극 패턴(212C)들은 상기 액정 패널(200)의 상기 장변 및 상기 단변 중 어느 하나에 대하여 경사진 방향으로 연장된 스트라이프 형상일 수 있다.
또한, 상기 제1 전극 패턴(212A)들 및 상기 제2 전극 패턴(212C)들은 서로 평행하며, 평면상에서 교번 배치될 수 있다. 즉, 상기 제1 전극 패턴(212A)들 및 상기 제2 전극 패턴(212C)들은 평면상에서 서로 중첩하지 않을 수 있다.
상기 절연막(212B)은 투명한 무기 절연물 또는 투명한 유기 절연물을 포함할 수 있으며, 상기 제1 전극 패턴(212A)들 및 상기 제2 전극 패턴(212C)들을 전기적으로 절연시킨다.
상기 제2 기판(220)은 제2 베이스 기판(221), 상기 제2 베이스 기판(221) 상에 배치되는 제2 전극층(222), 및 상기 제2 전극층(222) 상에 배치되는 제2 배향막(223)을 포함한다. 여기서, 상기 제2 전극층(222)은 상기 제2 베이스 기판(221)의 상기 제1 베이스 기판(211)에 마주하는 면 상에 배치된 공통 전극일 수 있다.
한편, 상기 제1 배향막(213) 및 상기 제2 배향막(223)은 상기 제1 전극 패턴(212A)들 및 상기 제2 전극 패턴(212C)들의 연장 방향에 평행한 방향 또는 상기 연장 방향에 대하여 경사진 방향으로 러빙(rubbing) 또는 광배향(Light Arrangement)될 수 있다. 상기 제1 배향막(213) 및 상기 제2 배향막(223)의 러빙 또는 광배향 방향은 서로 반대 방향일 수 있다.
상기 제2 액정층(230)의 액정 분자(231)들은 상기 제1 기판(210) 및 상기 제2 기판(220)의 표면에 실질적으로 수평인 방향으로 초기 배향되어 있을 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 상기 액정 분자(231)들의 초기 배향 방향을 한정하지는 않는다. 예를 들면, 상기 제2 액정층(230)의 액정 분자(231)들은 상기 제1 기판(210) 및 상기 제2 기판(220)의 표면에 실질적으로 수직인 방향으로 초기 배향되어 있을 수도 있다.
한편, 상기 액정 렌즈 패널(200)은 복수의 렌즈부(LP)들을 구비하며, 각 렌즈부(LP)는 하나의 프리넬 렌즈로 동작할 수 있다. 상기 렌즈부(LP)들은 상기 제1 전극 패턴(212A)들 및 상기 제2 전극 패턴(212C)들의 연장된 방향에 평행한 방향의 렌즈축()을 가질 수 있다. 또한, 상기 렌즈부(LP)들은 복수의 프리넬 영역들을 구비한다.
이를 보다 상세히 설명하면, 어느 하나의 렌즈부(LP)의 중심에서 인접하는 렌즈부(LP) 방향으로 갈수록 상기 제1 전극 패턴(212A)들 및 상기 제2 전극 패턴(212C)들 사이의 간격이 감소한다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, (n-1)번째 프리넬 영역, n번째 프리넬 영역, 및 (n+1)번째 프리넬 영역 각각은 복수, 예를 들면 2 개의 제1 전극 패턴(231A)들 및 복수, 예를 들면, 2 개의 제2 전극 패턴(212C)들을 구비할 수 있다. 또한, 상기 (n-1)번째 프리넬 영역에서의 상기 제1 전극 패턴(212A)들 사이의 간격 및 상기 제2 전극 패턴(212C)들 사이의 간격이 가장 넓으며, 상기 (n+1)번째 프리넬 영역에서의 상기 제1 전극 패턴(212A)들 사이의 간격 및 상기 제2 전극 패턴(212C)들 사이의 간격이 가장 좁을 수 있다.
또한, 상기 각 프리넬 영역은 다수의 서브 영역(sZ1, sZ2, sZ3, sZ4)들을 포함한다. 예를 들면, 상기 각 프리넬 영역은 상기 제1 전극 패턴(212A)들 및 상기 제2 전극 패턴(212C)들이 배치된 영역에 대응하는 4 개의 서브 영역(sZ1, sZ2, sZ3, sZ4)을 포함할 수 있다. 즉, 각 프리넬 영역은 제1 서브 영역(sZ1), 제2 서브 영역(sZ2), 제3 서브 영역(sZ3), 및 제4 서브 영역(sZ4)을 포함할 수 있다.
여기서, 각 프리넬 영역에서 상기 제1 전극 패턴(212A)들 및 상기 제2 전극 패턴(212C)들의 폭은 10㎛ 이하일 수 있다. 바람직하게는 상기 제1 전극 패턴(212A)들 및 상기 제2 전극 패턴(212C)들의 폭은 5㎛ 이하일 수 있다.
한편, 상기 제2 액정층(230)의 두께는 제1 전극 패턴(212A)들 및 상기 제2 전극 패턴(212C)들의 폭은 상기 제2 액정층(230)의 두께, 즉, 상기 제1 기판(210) 및 상기 제2 기판(220) 사이의 간격보다 크거나 같을 수 있다. 따라서 상기 제2 액정층(230)의 두께는 10㎛ 이하, 바람직하게는 5㎛ 이하일 수 있다.
상기한 바와 같이, 상기 제2 액정층(230)의 두께를 5㎛ 이하로 유지하면, 상기 제2 액정층(230)에서는 상기 액정 분자(231)들은 전계에 의하여 용이하게 제어될 수 있다.
이하, 상기 액정 렌즈 패널(200)의 동작에 대하여 설명한다. 하기에서는 상기 액정 렌즈 패널(200)에서 어느 하나의 렌즈부(LP)를 기준으로 하여 설명한다.
상기 제2 전극층(222)은 공통 전압(Vcom)을 인가받으며, 상기 제1 전극층(212)에서, 상기 제1 전극 패턴(212A)들 및 상기 제2 전극 패턴(212C)들은 상기 인접하는 렌즈부(LP)의 경계에서 상기 렌즈부(LP)의 중심 방향으로 갈수록 그 크기가 점차 커지는 계단형의 전압을 인가받는다. 예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1 서브 영역(sZ1)의 상기 제1 전극 패턴(212A)은 공통 전압(Vcom)을 인가받고, 상기 제2 서브 영역(sZ2)의 상기 제2 전극 패턴(212C)은 제1 레벨의 전압을 인가받으며, 상기 제3 서브 영역(sZ3)의 상기 제1 전극 패턴(212A)은 제2 레벨의 전압을 인가받으며, 상기 제4 서브 영역(sZ4)의 상기 제2 전극 패턴(212C)은 제3 레벨의 전압을 인가받을 수 있다. 따라서, 상기 각 프리넬 영역에서 동일한 서브 영역의 상기 제1 전극 패턴(212A)들 또는 상기 제2 전극 패턴(212C)들은 상기 액정 분자(231)들이 재배열되어 입사되는 광을 동일한 위상으로 지연시키도록 전압을 인가받는다.
상기한 바와 같이, 상기 제1 전극층(212) 및 상기 제2 전극층(222)에 전압을 인가하면, 상기 제1 기판(210) 및 상기 제2 기판(220) 사이에 전계가 발생한다. 상기 전계가 발생하면, 상기 제2 액정층(230) 내의 상기 액정 분자(231)들은 도 3에 도시된 바와 같이 재배열될 수 있다. 즉, 상기 제2 액정층(230)의 상기 액정 분자(231)이 수평 방향으로 초기 배열되어 있다면, 상기 제4 서브 영역(sZ4)의 액정 분자들은 상기 제1 기판(210) 및 상기 제2 기판(220)의 표면에 대하여 수평 방향으로 배향을 유지하고, 상기 제3 서브 영역(sZ3)으로부터 상기 제1 서브 영역(sZ1)으로 갈수록 상기 액정 분자(31)들은 상기 제1 기판(210) 및 상기 제2 기판(220)의 표면에 대하여 수직한 방향으로 재배열될 수 있다. 한편, 본 실시예에서는 상기 제2 액정층(230) 내의 상기 액정 분자(231)들의 초기 배향 방향이 수평인 경우를 예로서 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 제2 액정층(230) 내의 상기 액정 분자(231)들의 초기 배향 방향이 수직할 수도 있다.
따라서, 상기 액정 렌즈 패널(200)을 투과한 광의 위상 지연값은 도 5에 도시된 바와 같이, 각 서브 영역(sZ1, sZ2, sZ3, sZ4)에 따라 달라질 수 있다. 즉, 상기 액정 렌즈 패널(200)의 각 서브 영역()에서 광의 위상 지연값이 중심 방향으로 갈 수록 계단형으로 점차 커지게 된다. 따라서, 상기 렌즈부(LP)들은 각각 하나의 프리넬 렌즈가 될 수 있다. 한편, 본 실시예에서는 상기 제1 전극 패턴(212A)들 및 상기 제2 전극 패턴(212C)들에 인가되는 전압의 값이 클수록 상기 제2 액정층(230)을 투과하는 광의 위상 지연이 작아지는 경우를 예로서 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 제1 전극 패턴(212A)들 및 상기 제2 전극 패턴(212C)들에 인가되는 전압의 값이 클수록 상기 제2 액정층(230)을 투과하는 광의 위상 지연이 커지도록 하는 것도 가능하다.
상술한 바와 같이, 상기 액정 렌즈 패널(200)은 상기 제2 전극층(222), 상기 제1 전극 패턴(212A), 및 상기 제2 전극 패턴(212C)에 인가되는 전압을 조절하여 각 프리넬 영역에서 상기 제2 액정층(230)의 위상 지연값의 변화가 멀티 레벨로 변화하도록 하여 도 6에 도시된 바와 같이, 하나의 렌즈부(LP)가 하나의 위상 변조형 프리넬 렌즈를 형성하도록 할 수 있다. 따라서, 상기 액정 렌즈 패널(200)은 각 프리넬 영역을 투과하는 광의 회절, 소멸 및 보강 간섭을 통하여 광을 초점 위치에 모이도록 굴절시킬 수 있다.
한편, 상기 액정 렌즈 패널(200)은 상기 제1 전극 패턴(212A) 및 상기 제2 전극 패턴(212C)에 인가되는 전압을 모두 동일하게 하면, 상기 제2 액정층(230)은 프리넬 렌즈로서 동작하지 않고, 광을 모두 투과시킬 수 있다. 따라서, 상기 액정 렌즈 패널(200)은 상기 표시 패널(100)에서 생성된 평면 영상을 좌안 및 우안에서 인지되도록 할 수 있다.
상기와 같이, 본 실시예에 따르면 상기 액정 렌즈 패널(200)은 프레넬 렌즈의 원리를 이용함으로써 상기 액정 렌즈 패널(200)의 상기 제2 액정층(230)의 두께, 즉, 상기 액정 렌즈 패널(200)의 샐갭을 더욱 줄일 수 있다. 따라서, 상기 제2 액정층(230)의 두께가 작으므로, 상기 액정 렌즈 패널(200)은 상기 액정 분자(231)들을 용이하게 제어할 수 있다. 또한, 상기 제2 액정층(230)과 접촉하는 상기 제1 기판(210) 및 상기 제2 기판(220)의 표면이 실질적으로 평탄하므로, 상기 액정 렌즈 패널(200)은 상기 제2 액정층(230)의 배향의 균일성을 향상시킬 수 있다.
도 7은 도 1 및 도 2에 도시된 액정 렌즈 패널의 제2 액정층의 초기 배향 상태를 설명하기 위한 단면도이며, 도 8은 도 1 및 도 2에 도시된 액정 렌즈 패널의 제2 액정층의 전계에 따른 배향 상태를 설명하기 위한 단면도이며, 도 9는 인가되는 전압에 따라 액정 렌즈 패널의 제2 액정층을 투과하는 광의 위상 지연을 설명하기 위한 그래프이다. 여기서, 상기 제2 액정층의 굴절률은 0.3이며, 사용되는 광은 파장이 550㎚이다.
우선, 도 7을 참조하면, 제2 액정층(230)의 액정 분자(231)들은 러빙 또는 광배향된 초기 상태에서 제1 기판(210) 및 제2 기판(220)의 표면에 완전히 평행한 상태가 아니며, 일정 각도로 경사진 방향으로 배향될 수 있다. 예를 들면, 상기 액정 분자(231)들은 초기 상태에서 상기 제1 기판(210) 및 상기 제2 기판(220)의 표면에 약 5~6° 경사진 상태로 배향될 수 있다. 따라서, 상기 제2 액정층(230)을 투과한 광의 위상 지연값은 상기 제2 액정층(230)으로 입사되는 광의 파장보다 클 수 있다.
예를 들면, 상기 제2 액정층(230)내의 상기 액정 분자(231)들이 약 5~6°의 초기 배향 상태를 유지하고, 상기 제2 액정층(230)으로 입사되는 광의 파장이 약 550㎚라면, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 제2 액정층(230)은 상기 광을 최대 약 680㎚ 만큼 위상 변화시킬 수 있다. 즉, 상기 제2 액정층(230)을 투과하는 광의 최대 위상 지연값(Rmax)은 약 680㎚일 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 제1 기판(210) 및 상기 제2 기판(220) 사이에 전계가 형성되면, 상기 제2 액정층(230) 내의 액정 분자(231)들은 상기 전계에 의하여 재배열될 수 있다. 여기서, 상기 액정 분자(231)들은 상기 제1 기판(210) 및 상기 제2 기판(220)의 표면에 수직한 방향으로 재배열될 수 있다.
그러나, 상기 액정 분자(231)들은 상기 제1 기판(210) 및 상기 제2 기판(220)의 표면에 완전히 수직하지는 않다. 따라서, 상기 제2 액정층(230)은 상기 광을 위상 변화없이 투과시키지 못한다. 즉, 상기 제2 액정층(230)을 투과하는 광의 위상은 0보다 크게 지연된다.
예를 들면, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 액정 분자(231)들이 전계에 따라 재배열된 경우, 550㎚의 파장을 갖는 광이 상기 제2 액정층(230)에 입사하면, 상기 제2 액정층(230)을 투과한 광의 최소 위상 지연값은 0보다 큰 약 130㎚일 수 있다. 즉, 상기 제2 액정층(230)을 투과하는 광의 최소 위상 지연값(Rmin)은 130㎚일 수 있다.
그러나, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 제2 액정층(230)을 투과하는 광의 최소 위상 지연값(Rmin)이 100㎚ 이상인 경우에는 상기 액정 렌즈 패널을 구비하는 표시 장치에서 영상의 왜곡이 발생할 수 있다. 이는 투과되는 광의 최소 위상 지연값(Rmin)이 100㎚ 이상이기 때문이다. 따라서, 상기 제2 액정층(230)은 최소 위상 지연값(Rmin)이 100㎚ 미만이어야 한다.
한편, 상기 액정 렌즈 패널(200)의 상기 제2 액정층(230)을 투과하는 광의 최대 위상 지연값(Rmax) 및 최소 위상 지연값(Rmin)의 차이는 투과하는 광의 파장과 동일 또는 유사할 수 있다. 즉, 상기 제2 액정층(230)을 투과하는 광의 최대 위상 지연값 및 최소 위상 지연값은 하기의 수학식 1을 만족할 수 있다.
Figure 112012030816803-pat00001
여기서, λ는 상기 제2 액정층(230)을 투과하는 광의 파장이다. 상기 Rmax는 상기 제2 액정층(230)을 투과하는 광의 최대 위상 지연값으로, 상기 액정 렌즈 패널(200)에 전계가 형성되지 않은 경우에 상기 제2 액정층(230)을 투과하는 광의 위상 지연값이다. 상기 Rmin은 상기 제2 액정층(230)을 투과하는 광의 최소 위상 지연값으로, 상기 액정 렌즈 패널(200)에 전계가 형성된 경우에 상기 제2 액정층(230)을 투과하는 광의 위상 지연값이다.
따라서, 상기 액정 렌즈 패널에 사용되는 상기 제2 액정층(230)은 최소 위상 지연값(Rmin)이 0보다 큰 값을 가지므로, 상기 제2 액정층(230)의 초기 위상 지연값은 550㎚보다 클 수 있다.
도 10은 액정 렌즈 패널에 사용되는 액정층의 유전율에 따른 투과 광의 위상 변화를 설명하기 위한 그래프이며, 표 1은 액정층의 굴절률 및 유전율에 따른 투과 광의 위상 지연을 설명하기 위한 표이다. 여기서, 실험예 1 내지 실험예 4의 최대 위상 지연값(Rmax) 및 최소 위상 지연값(Rmin)은 550㎚의 광이 액정층들을 투과한 광을 측정한 것이다.
액정층의 유전율 변화에 따른 투과 광의 위상 지연
실험예 1 실험예 2 실험예 3 실험예 4
굴절률(Δn) 0.29 0.29 0.29 0.29
두께(㎛) 2.793 2.443 2.442 2.426
초기 위상 지연값(㎚) 810.04 708.4 708.12 703.64
유전율(F/m) 5.5 5.5 8.0 10.0
Rmax(㎚) 723.03 623.26 623.36 633.67
Rmin(㎚) 74.59 67.26 46.31 35.18
유효 위상 지연값(㎚) 648.45 556 577.05 598.49
도 10 및 표 1을 참조하면, 우선, 액정 렌즈 패널에 사용되는 액정층의 초기 위상 지연값(dΔn)은 상기 액정층의 두께 및 상기 액정층의 굴절률의 곱으로 정의될 수 있다. 또한, 유효 위상 지연값은 상기 액정층을 투과한 광의 최대 위상 지연값(Rmax) 및 최소 위상 지연값(Rmin)의 차이일 수 있다.
상기 초기 위상 지연값(dΔn)은 상기 액정층을 투과하는 광의 위상 변화에 대한 이상적인 값으로, 상기 액정층 내의 액정 분자들이 상기 액정 렌즈 패널에서 광이 출사하는 면에 완전히 평행한 방향으로 배열된 상태를 기준으로 하는 값이다. 그러나, 상기 액정층을 투과한 광의 최대 위상 지연값(Rmax)은 상기 초기 위상 지연값(dΔn)과 다를 수 있다. 이는 상기 액정층 내의 액정 분자들이 상기 액정 렌즈 패널에서 광이 출사하는 면에 완전히 평행한 방향으로 배열되지 않기 때문이다.
한편, 실험예 1 내지 실험예 4는 최소 위상 지연값(Rmin)이 모두 100㎚ 이하므로, 액정 렌즈 패널에 사용하는 것이 가능하다.
또한, 실험예 1 및 실험예 2를 비교하면, 상기 액정층의 굴절률 및 유전율이 동일한 조건에서, 상기 액정층의 두께가 작을수록 상기 최소 위상 지연값(Rmin)이 감소함을 알 수 있다. 즉, 초기 위상 지연값이 작을수록 상기 최소 위상 지연값(Rmin)이 감소함을 알 수 있다. 이는 실험예 2의 초기 위상 지연값이 실험예 1의 초기 위상 지연값보다 작기 때문이다. 여기서, 상기 최소 위상 지연값(Rmin)이 작음은 상기 액정층을 투과한 광은 위상 변화가 작음을 의미한다. 따라서, 상기 실험예 1의 액정층을 투과한 광에 비하여 상기 실험예 2의 액정층을 투과한 광은 위상 변화가 작으며, 상기 실험예 2의 액정층을 투과한 광은 상기 실험예 2의 상기 액정층으로 입사할 때와 유사한 위상을 가지게 된다. 따라서, 실험예 1에 비하여 실험예 2의 액정층을 포함하는 액정 렌즈 패널을 구비하는 표시 장치에서, 영상의 왜곡이 적음을 알 수 있다.
또한, 실험예 2 내지 실험예 4를 비교하면, 상기 액정층의 굴절률 및 두께가 동일 또는 유사한 조건에서, 상기 액정층은 유전율이 클수록 최소 위상 지연값(Rmin)이 적음을 알 수 있다. 따라서, 유전율이 큰 액정층을 포함하는 액정 렌즈 패널을 구비하는 표시 장치에서의 영상의 왜곡이 적음을 알 수 있다.
한편, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 액정층의 유전율이 클수록, 전계 형성을 위하여 인가되는 전압이 낮더라도 상기 액정층 내의 액정 분자들이 전계에 의하여 재배열될 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 유전율이 높을수록 상기 액정층의 두께를 낮추는 것이 가능하다.
또한, 상기 액정층의 두께가 동일하더라도 상기 액정층으로 유전율이 높은 액정층을 적용하면, 표시 장치에서 영상의 왜곡이 적음을 알 수 있다.
도 11은 액정 렌즈 패널에 사용되는 액정층의 굴절률 및 유전율에 따른 최소 위상 지연값을 설명하기 위한 그래프이며, 표 2는 액정층의 유전율 및 액정층의 두께 변화에 따른 투과 최소 위상 지연값(Rmin)의 변화를 설명하기 위한 표이다. 여기서, 실시예 5 내지 실시예 7의 최소 위상 지연값(Rmin)은 550㎚의 광이 액정층을 투과한 것을 특정한 것이다.
액정층의 유전율 및 액정층의 두께 변화에 따른 투과 최소 위상 지연값(Rmin)의 변화
실험예 5 실험예 6 실험예 7 실험예 8 실험예 9 실험예 10
굴절률(Δn) 0.29 0.29 0.25 0.25 0.25 0.25
두께(㎛) 2 2.5 2.5 2.4 2.5 2.3
초기 위상 지연값(dΔn) 580㎚ 696㎚ 625㎚ 600㎚ 625㎚ 575㎚
유전율(F/m) 5.5 5.5 8 8 10 10
Rmin(㎚) 100 68.83 60 47.6 40 26.8
도 11 및 표 2를 참조하면, 액정층의 굴절률 및 두께가 균일한 경우, 액정층의 유전율이 높을수록 최소 위상 지연값(Rmin)이 작음을 알 수 있다. 또한, 액정층의 굴절률 및 유전율이 동일한 경우, 액정층의 두께가 작을수록 최소 위상 지연값(Rmin)이 작음을 알 수 있다.
이를 보다 상세히 설명하면, 실험예 5의 초기 위상 지연값은 580㎚이며, 실험예 7 및 9의 초기 위상 지연값은 625㎚이다. 그러나, 실험예 5의 초기 위상 지연값이 실험예 7 및 9의 초기 위상 지연값보다 작음에도 불구하고, 실험예 5의 최소 위상 지연값(Rmin)은 실험예 7 및 9의 최소 위상 지연값(Rmin)보다 큼을 알 수 있다. 즉, 액정층의 유전율이 높을수록 최소 위상 지연값(Rmin)이 작음을 알 수 있다.
한편, 실험예 5는 초기 위상 지연값이 580㎚이며, 최소 위상 지연값(Rmin)은 100㎚이다. 그러나, 실험예 5의 액정층은 최대 위상 지연값이 580㎚ 이하가 되므로, 액정 렌즈 패널의 액정층으로 적용하기 어렵다. 따라서, 실험예 6과 같이 액정층의 유전율이 5.5인 경우에는 상기 액정층의 두께가 2.5㎛ 이상이어야 한다.
실험예 7 및 실험예 8과 같이, 상기 액정층의 굴절률이 0.25이며, 유전율이 8인 경우에는 상기 액정층의 두께를 2.4㎛ 이상일 수 있음을 알 수 있다.
또한, 실험예 9 및 10과 같이, 상기 액정층의 굴절률이 0.25이며, 유전율이 10인 경우에는 상기 액정층의 두께가 2.3㎛ 이상임을 알 수 있다.
이를 종합하면, 상기 액정 렌즈 패널에 적용되는 액정층의 굴절률은 0.25 내지 0.29이며, 상기 액정층의 유전율은 5.5 내지 10이며, 상기 액정층의 두께는 2.3㎛ 이상일 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하고 설명하는 것이다. 또한, 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 전술한 바와 같이 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있으며, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한, 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
100; 표시 패널 110; 어레이 기판
120; 대향 기판 130; 제1 액정층
200; 액정 렌즈 패널 210; 제1 기판
220; 제2 기판 230; 제2 액정층

Claims (21)

  1. 제1 베이스 기판 및 상기 제1 베이스 기판 상에 배치되는 제1 전극층을 구비하는 제1 기판;
    상기 제1 베이스 기판에 대향하는 제2 베이스 기판, 및 상기 제2 베이스 기판의 상기 제1 베이스 기판에 마주하는 면 상에 배치되는 제2 전극층을 포함하는 제2 기판; 및
    평면 상에서 일방향으로 배열되는 복수의 렌즈부들이 정의되고, 상기 제1 및 제2 기판 사이에 배치되는 액정층을 포함하고,
    상기 렌즈부들 각각은 렌즈축을 포함하고,
    상기 제2 전극층은,
    상기 렌즈축과 평행하게 연장되고, 상기 제2 베이스 기판 상에 배치된 복수의 제1 전극 패턴들; 및
    상기 렌즈축과 평행하게 연장되고, 상기 제1 전극 패턴들과 절연되어 교번 배치되는 제2 전극 패턴들을 포함하고,
    상기 렌즈축들로부터 멀어질수록 상기 제1 전극 패턴들 및 상기 제2 전극 패턴들 사이의 간격이 감소하고,
    상기 액정층의 굴절률은 0.2 내지 0.29의 범위를 가지며, 상기 액정층의 유전율은 5.5F/m 내지 10F/m의 범위를 가지는 액정 렌즈 패널.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 액정층의 두께는 2.3㎛ 이상 내지 10㎛ 이하인 액정 렌즈 패널.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 액정층의 두께는 2.3㎛ 이상 내지 5㎛ 이하인 액정 렌즈 패널.
  4. 삭제
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 전극층은 상기 제1 전극 패턴들을 커버하는 절연막을 더 포함하는 액정 렌즈 패널.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 전극 패턴들 및 상기 제2 전극 패턴들의 폭은 상기 액정층의 두께 이상인 액정 렌즈 패널.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 액정층의 굴절률 변화는 0.29이고, 유전율은 5.5인 경우, 셀갭은 2.5㎛ 이상인 액정 렌즈 패널.
  8. 제2 항에 있어서,
    상기 액정층의 굴절률 변화는 0.25이고, 유전율은 8.0인 경우, 셀갭은 2.4㎛ 이상인 액정 렌즈 패널.
  9. 제2 항에 있어서,
    상기 액정층의 굴절률 변화는 0.25이고, 유전율은 10인 경우, 셀갭은 2.3㎛ 이상인 액정 렌즈 패널.
  10. 영상을 표시하는 표시 패널; 및
    상기 표시 패널의 영상을 2차원 영상 또는 3차원 영상으로 변환하는 액정 렌즈 패널을 구비하며,
    상기 액정 렌즈 패널은
    제1 베이스 기판 및 상기 제1 베이스 기판 상에 배치되는 제1 전극층을 구비하는 제1 기판;
    상기 제1 베이스 기판에 대향하는 제2 베이스 기판, 및 상기 제2 베이스 기판의 상기 제1 베이스 기판에 마주하는 면 상에 배치되는 제2 전극층을 포함하는 제2 기판; 및
    평면 상에서 일방향으로 배열되는 복수의 렌즈부들이 정의되고, 상기 제1 및 제2 기판 사이에 배치되는 액정층을 포함하고,
    상기 렌즈부들 각각은 상기 렌즈부들 각각의 중심에 정의되는 렌즈축을 포함하고,
    상기 제2 전극층은,
    상기 렌즈축과 평행하게 연장되고, 상기 제2 베이스 기판 상에 배치된 복수의 제1 전극 패턴들; 및
    상기 렌즈축과 평행하게 연장되고, 상기 제1 전극 패턴들과 절연되어 교번 배치되는 제2 전극 패턴들을 포함하고,
    상기 렌즈축들로부터 멀어질수록 상기 제1 전극 패턴들 및 상기 제2 전극 패턴들 사이의 간격이 감소하고,
    상기 액정층의 굴절률은 0.2 내지 0.29의 범위를 가지며, 상기 액정층의 유전율은 5.5F/m 내지 10F/m의 범위를 가지는 표시 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 액정층의 두께는 2.3㎛ 이상 내지 10㎛ 이하인 표시 장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 액정층의 두께는 2.3㎛ 이상 내지 5㎛ 이하인 표시 장치.
  13. 삭제
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 제2 전극층은 상기 제1 전극 패턴들을 커버하는 절연막을 더 포함하는 표시 장치.
  15. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 전극 패턴들 및 상기 제2 전극 패턴들의 폭은 상기 액정층의 두께 이상인 표시 장치.
  16. 제11 항에 있어서,
    상기 액정층의 굴절률 변화는 0.29이고, 유전율은 5.5인 경우, 셀갭은 2.5㎛ 이상인 표시 장치.
  17. 제11 항에 있어서,
    상기 액정층의 굴절률 변화는 0.25이고, 유전율은 8.0인 경우, 셀갭은 2.4㎛ 이상인 표시 장치.
  18. 제11 항에 있어서,
    상기 액정층의 굴절률 변화는 0.25이고, 유전율은 10인 경우, 셀갭은 2.3㎛ 이상인 표시 장치.
  19. 제10 항에 있어서,
    상기 표시 패널 및 액정 렌즈 패널 사이에 배치되는 광학 투명 접합 시트를 더 포함하는 표시 장치.
  20. 제1 베이스 기판 및 상기 제1 베이스 기판 상에 배치되는 제1 전극층을 구비하는 제1 기판;
    상기 제1 베이스 기판에 대향하는 제2 베이스 기판, 및 상기 제2 베이스 기판의 상기 제1 베이스 기판에 마주하는 면 상에 배치되는 제2 전극층을 포함하는 제2 기판; 및
    상기 제1 기판 및 제2 기판 사이에 배치되는 액정층을 포함하고,
    상기 액정층을 투과하는 광의 최소 위상 지연값은 100nm 미만인 액정 렌즈 패널.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 액정층의 굴절률은 0.2 내지 0.29의 범위를 가지며, 상기 액정층의 유전율은 5.5F/m 내지 10F/m의 범위를 가지는 액정 렌즈 패널.
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