KR102320053B1 - 디스플레이 기술들을 위한 나노구조 평판 렌즈들 - Google Patents

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Abstract

본원에 설명된 실시예들은 디스플레이 디바이스들, 예를 들어, 가상 및 증강 현실 디스플레이들 및 응용들에 관한 것이다. 일 실시예에서, 평면 기판은 기판 상에 형성된 계단식 피쳐들 및 피쳐들 각각 상에 형성된 이미터 구조들을 갖는다. 캡슐화 층이 기판 상에 배치되고, 복수의 균일한 유전체 나노구조들이 캡슐화 층 상에 형성된다. 본원에 개시된 장치에 의해 생성된 가상 이미지들은 이미지 평면에서의 색수차들을 감소시킴으로써 개선된 이미지 선명도를 제공한다.

Description

디스플레이 기술들을 위한 나노구조 평판 렌즈들
본 개시내용의 실시예들은 일반적으로, 증강 및 가상 현실 응용들을 위한 디스플레이 디바이스들에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본원에 설명되는 실시예들은 증강 및 가상 현실 디스플레이들의 활용을 위한 구조화된 렌즈들에 관한 것이다.
증강 현실은 일반적으로, 주변 환경을 보기 위해, 또한, 디스플레이를 위해 생성되고 환경의 일부로서 보이는 가상 물체들의 이미지들을 보기 위해, 사용자가 안경 또는 다른 머리 착용 디스플레이(head-mounted display; HMD) 디바이스들의 디스플레이 렌즈들을 통해 볼 수 있는 경험을 가능하게 하는 것으로 간주된다. 증강 현실은 임의의 유형의 입력, 예컨대, 청각 및 촉각 입력들뿐만 아니라, 사용자가 경험하는 환경을 향상시키거나 증대시키는 가상 이미지들, 그래픽들 및 비디오를 포함할 수 있다.
그러나, 가상 현실은 일반적으로, 사용자가 명백한 물리적 존재를 갖는 컴퓨터 생성 모의 환경인 것으로 간주된다. 가상 현실 경험은 3D로 생성되어, HMD, 예컨대, 실제 환경을 대체하는 가상 현실 환경을 디스플레이하기 위한 렌즈들로서 근안 디스플레이 패널들을 갖는 다른 착용가능 디스플레이 디바이스들의 안경으로 보여질 수 있다.
근안(near eye) 디스플레이 패널들은 몇 가지 기술적 난제들을 갖는다. 몰입형 가상 경험을 가능하게 할 수 있는 가상 현실 디스플레이들을 구현하는데 있어서, 예를 들어, 제한된 시야, 색수차들과 연관된 디스플레이 선명도, 및 다른 난제들이 지속된다. 더 구체적으로, 다양한 파장들의 광을 활용할 때, 광의 경로의 기하학적 길이와 광이 전파되는 매질의 굴절률의 곱인 광학 경로 길이 차이가 존재할 수 있다. 이로써, 적색, 녹색, 및 청색 광의 광학 경로 길이 차이가 이미지 평면 상에 정확하게 집속되지 않을 수 있는데 이는 전술된 색수차로 이어진다. 이에 따라, 신흥 기술로서, 가상 및 증강 현실 디바이스들을 위한 디스플레이들을 제조하는 데에 있어서, 많은 난제들 및 설계 제약들이 존재한다.
일 실시예에서, 디스플레이 장치가 제공된다. 장치는, 기판 상에 형성된 복수의 피쳐들을 갖는 기판, 제1 평면에 배치된 제1 피쳐, 및 제1 피쳐 상에 배치된 제1 이미터 구조를 포함한다. 장치는 또한, 제1 평면과 상이한 제2 평면에 배치된 제2 피쳐, 제2 피쳐 상에 배치된 제2 이미터 구조, 제1 평면 및 제2 평면과 상이한 제3 평면에 배치된 제3 피쳐, 및 제3 피쳐 상에 배치된 제3 이미터 구조를 포함한다. 캡슐화 층이 복수의 피쳐들 위에 형성되고 기판에 결합되며, 복수의 유전체 나노구조들이 캡슐화 층 상에 형성된다.
다른 실시예에서, 디스플레이 장치가 제공된다. 장치는, 기판 상에 형성된 복수의 피쳐들을 갖는 기판, 제1 평면에 배치된 제1 피쳐, 제1 피쳐 상에 배치된 제1 이미터 구조, 및 제1 이미터 구조 위에 형성된 제1 캡슐화 층을 포함한다. 장치는 또한, 제1 평면과 상이한 제2 평면에 배치된 제2 피쳐, 제2 피쳐 상에 배치된 제2 이미터 구조, 및 제2 이미터 구조 위에 형성된 제2 캡슐화 층을 포함한다. 또한, 장치는 제1 평면 및 제2 평면과 상이한 제3 평면에 배치된 제3 피쳐, 제3 피쳐 상에 배치된 제3 이미터 구조, 및 제3 이미터 구조 위에 형성된 제3 캡슐화 층을 포함한다. 복수의 유전체 나노구조들은 제1 캡슐화 층, 제2 캡슐화 층, 및 제3 캡슐화 층 상에 형성된다.
또 다른 실시예에서, 디스플레이 장치가 제공된다. 장치는 제1 표면 및 제1 표면 반대편에 배치된 제2 표면을 갖는 기판을 포함하고, 제1 표면 및 제2 표면은 평면이다. 제1 이미터 구조는 제1 표면 상에 배치되고, 제2 이미터 구조는 제1 표면 상에 배치되고, 제3 이미터 구조는 제1 표면 상에 배치된다. 캡슐화 층은 제1 이미터 구조, 제2 이미터 구조, 및 제3 이미터 구조 위에 배치된다. 제1 치수들을 갖는 제1 복수의 유전체 나노구조들은 제1 이미터 구조의 영역에 대응하는 캡슐화 층 상에 배치된다. 제1 치수들과 상이한 제2 치수들을 갖는 제2 복수의 유전체 나노구조들은 제2 이미터의 영역에 대응하는 캡슐화 층 상에 배치된다. 제1 치수들 및 제2 치수들과 상이한 제3 치수들을 갖는 제3 복수의 유전체 나노구조들은 제3 이미터 구조들의 영역에 대응하는 캡슐화 층 상에 배치된다.
본 개시내용의 위에서 언급된 특징들이 상세히 이해될 수 있도록, 위에 간략히 요약된 본 개시내용의 더 구체적인 설명이 실시예들을 참조하여 이루어질 수 있으며, 이들 중 일부는 첨부 도면들에 예시되어 있다. 그러나, 첨부 도면들은 단지 예시적인 실시예들만을 예시하고 따라서 그의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 되며, 다른 동등하게 효과적인 실시예들을 허용할 수 있다는 점에 주목해야 한다.
도 1은 본원에 설명된 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본원에 설명된 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본원에 설명된 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 단면도이다.
도 4a는 본원에 설명된 실시예에 따른 발광 다이오드(LED) 어레이의 개략적인 부분 평면도이다.
도 4b는 본원에 설명된 실시예에 따른 나노렌즈들이 도 4a의 LED 어레이의 픽셀들 상에 배치된 LED 어레이의 개략적인 부분 평면도이다.
이해를 용이하게 하기 위해, 가능한 경우, 도면들에 공통된 동일한 요소들을 지시하는 데에 동일한 참조 번호들이 사용되었다. 일 실시예의 요소들 및 특징들이 추가의 언급 없이 다른 실시예들에 유익하게 통합될 수 있다는 것이 고려된다.
본원에 설명된 실시예들은 디스플레이 디바이스들, 예를 들어, 가상 및 증강 현실 디바이스들 및 응용들에 관한 것이다. 일 실시예에서, 평면 기판은 기판 상에 형성된 계단식 피쳐들 및 피쳐들 각각 상에 형성된 이미터 구조들을 갖는다. 캡슐화 층이 기판 상에 배치되고, 복수의 균일한 유전체 나노구조들이 캡슐화 층 상에 형성된다. 본원에 개시된 장치에 의해 생성된 가상 이미지들은 이미지 평면에서의 색수차들을 감소시킴으로써 개선된 이미지 선명도를 제공한다.
도 1은 본원에 설명된 실시예에 따른 디스플레이 장치(100)의 개략적인 단면도이다. 디스플레이 장치(100)는, 기판 상에 형성된 복수의 계단식 피쳐들(112, 114, 116)을 갖는 기판(102)을 포함한다. 기판(102)은 광학적으로 투명한 물질, 예컨대, 유리로 만들어진다. 대안적으로, 기판(102)은 사파이어 물질로 만들어질 수 있다. 다른 실시예에서, 기판(102)은 질화알루미늄 물질로 만들어질 수 있다. 피쳐들(112, 114, 116)은 패터닝 및 식각 툴들에 의해 기판(102) 내로 패터닝되고 식각된다. 그러한 툴들의 예들은 캘리포니아주 산타 클라라 소재의 어플라이드 머티어리얼스 인코포레이티드(Applied Materials Inc.)로부터 입수가능하다.
피쳐들(112, 114, 116)은 기판(102) 상에, 기판(102)의 평면 표면(158) 반대편에 형성된다. 제1 피쳐(112)는 제1 평면(146)에 배치된 표면을 한정한다. 제2 피쳐(114)는 제2 평면(148)에 배치된 표면을 한정한다. 제3 피쳐(116)는 제3 평면(150)에 배치된 표면을 한정한다.
피쳐들(112, 114, 116) 각각은 서로 상이한 평면들에 배치된다. 예를 들어, 각각의 피쳐(112, 114, 116)는 이미지 평면(132)에 대해 고유 초점 거리를 갖는 평면에 배치된다. 제1 평면(146)에 배치된 제1 피쳐(112)는 제1 평면(146)으로부터 이미지 평면(132)까지의 제1 초점 거리(152)를 갖는다. 제2 평면(148)에 배치된 제2 피쳐(114)는 제2 평면(148)으로부터 이미지 평면(132)까지의 제2 초점 거리(154)를 갖는다. 제3 평면(150)에 배치된 제3 피쳐(116)는 제3 평면(150)으로부터 이미지 평면(132)까지의 제3 초점 거리(156)를 갖는다. 제2 초점 거리(154)는 제1 초점 거리(152)보다 더 크고 제3 초점 거리(156)는 제2 초점 거리(154)보다 더 크다. 피쳐들(112, 114, 116)의 초점 거리들(152, 154, 156)을 각각 다르게 함으로써, 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이 색수차에 대한 사전 보상이 달성된다.
복수의 이미터 구조들(122, 124, 126)이 복수의 피쳐들(112, 114, 116) 상에 형성된다. 제1 이미터 구조(122)는 제1 피쳐(112) 상에 배치된다. 제2 이미터 구조(124)는 제2 피쳐(114) 상에 배치된다. 제3 이미터 구조(126)는 제3 피쳐(116) 상에 형성된다. 이미터 구조들(122, 124, 126) 각각은 이미지 평면(132)에 이미지를 형성하기 위해 광을 생성한다. 예를 들어, 제1 이미터 구조(122)는 이미지 평면(132) 상에 이미지화되는 광(138)을 방출하고, 제2 이미터 구조(124)는 이미지 평면(132) 상에 이미지화되는 광(136)을 방출하고, 제3 이미터 구조(126)는 이미지 평면(132) 상에 이미지화되는 광(134)을 방출한다.
이미터 구조들(122, 124, 126) 각각에 대한 적합한 디바이스들의 예들은, 특히, 액정 디스플레이(LCD) 디바이스들, 발광 다이오드(LED) 디바이스들, 및 유기 발광 다이오드(OLED) 디바이스들을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 일 실시예에서, 이미터 구조들(122, 124, 126)은 픽셀(104)을 구성하고, 제1 이미터 구조(122)는 제1 서브 픽셀(106)이고, 제2 이미터 구조(124)는 제2 서브 픽셀(108)이고, 제3 이미터 구조(126)는 제3 서브 픽셀(110)이다. 대안적인 실시예에서, 제1 이미터 구조(122), 제2 이미터 구조(124) 및 제3 이미터 구조(126) 각각이 픽셀들로 간주될 수 있다.
일 예에서, 제1 이미터 구조(122)는 제1 대역폭을 갖는 제1 파장의 광을 생성하도록 구성된다. 일 실시예에서, 제1 이미터 구조(122)는 청색 광을 생성한다. 제2 이미터 구조(124)는 제1 파장 및 제1 대역폭과 상이한 제2 대역폭을 갖는 제2 파장의 광을 생성하도록 구성된다. 일 실시예에서, 제2 이미터 구조(124)는 녹색 광을 생성한다. 제3 이미터 구조(126)는, 제1 및 제2 파장들 및 대역폭들과 각각 상이한 제3 대역폭을 갖는 제3 파장의 광을 생성하도록 구성된다. 일 실시예에서, 제3 이미터 구조(126)는 적색 광을 생성한다.
이미터 구조들(122, 124, 126) 각각은 피쳐들(112, 114, 116) 중 각각의 피쳐 상에 배치된다. 이로써, 이미터 구조들(122, 124, 126) 각각은 이미지 평면(132)으로부터 상이한 초점 거리에 배치된다. 피쳐들(112, 114, 116)에 의해 각각 한정된 평면들(146, 148, 150), 및 궁극적으로, 피쳐들 상에 배치된 이미터 구조의 색상 유형은, 유한 차분 시간 영역 모의들을 수행하여 평면들(146, 148, 150) 사이의 델타를 결정함으로써 결정된다.
예를 들어, 제1 평면(146)을 한정하는 제1 피쳐(112)는 제1 피쳐 상에 배치된 청색 광 이미터 구조(122)를 갖는다. 제2 평면(148)을 한정하는 제2 피쳐(114)는 제2 피쳐 상에 배치된 녹색 광 이미터 구조(124)를 갖는다. 제3 평면(150)을 한정하는 제3 피쳐(116)는 제3 피쳐 상에 배치된 적색 광 이미터 구조(126)를 갖는다. 이 예에서, 제1 평면(146)과 제2 평면(148) 사이의 평면 델타(118)는 청색 광 파장과 녹색 광 파장 사이의 파장 차이의 규모에 의해 결정된다. 유사하게, 제2 평면(148)과 제3 평면(150) 사이의 평면 델타(120)는 녹색 광 파장과 적색 광 파장 사이의 파장 차이의 규모에 의해 결정된다. 결과적으로, 피쳐들(112, 114, 116)의 상대 위치들, 그리고 따라서, 대응하는 이미터 구조들(122, 124, 126)이, 다양한 파장들을 갖는 광의 광학 경로 길이 차이들을 사전 보상하기 위해 이미지 평면(132)에 대해 위치될 수 있다. 이에 따라, 이미지 평면(132)에서의 색수차가 감소되고 이미지 선명도가 개선된다.
디스플레이 장치(100)는 캡슐화 층(128) 및 캡슐화 층(128) 상에 배치된 복수의 나노구조들(130)을 더 포함한다. 캡슐화 층(128)은 광학적으로 투명한 물질로 제조되고, 피쳐들(112, 114, 116) 상에 형성된 이미터 구조들(122, 124, 126)을 캡슐화하는 기능을 한다. 캡슐화 층(128)은 제1 표면(142), 및 제1 표면(142) 반대편에 배치된 제2 표면(140)을 갖는다. 제1 표면(142) 및 제2 표면(140)은 둘 모두 평면이고 서로 평행하다. 제1 표면(142)은 기판(102)에 결합되고 기판(102)에 인접하여 배치된다. 일 실시예에서, 캡슐화 층(128)은, 이미터 구조들 중 적어도 하나, 예컨대, 최단 광학 경로 길이(152)를 갖는 제1 이미터 구조(122)와 접촉하여 배치된다.
피쳐들(112, 114, 116)의 계단식 형태 및 캡슐화 층 제1 표면(142)의 평면 형태로 인해, 각각, 제2 및 제3 피쳐들(114, 116)과 캡슐화 층(128)의 제1 표면(142) 사이에 틈새 공간(144)이 형성된다. 일 실시예에서, 틈새 공간(144)은 가스, 예컨대, 공기 등으로 채워진다. 대안적인 실시예에서, 틈새 공간(144)은 기판 물질의 굴절률 또는 캡슐화 층 물질의 굴절률 중 어느 하나와 유사한 굴절률을 갖는 물질로 채워진다.
복수의 나노구조들(130)은 캡슐화 층(128)의 제2 표면(140) 상에 배치된다. 복수의 나노구조들(130)은 유전체 물질, 예컨대, ZnO 물질들, TiO2 물질들, GaN 물질들, 및 이들의 조합들로 형성된다. 유전체 물질은, 상이한 결정학적 격자 구조들(또는 결정학적 격자 구조들의 결여)과 연관된 원하는 광학 속성들에 따라, 결정질 또는 비정질일 수 있다. 복수의 나노구조들(130) 중 각각의 나노구조는 실질적으로 동일한 형태로 제조된다. 즉, 복수의 나노구조들(130)은 균일하다. 각각의 나노구조(130)의 형태는 원주형, 기둥형, 입방형 등일 수 있다. 개별 나노구조들의 높이, 폭, 길이, 직경, 간격, 또는 다른 물리적 특성은 복수의 나노구조들(130) 중 다른 나노구조들과 실질적으로 유사하다. 일 실시예에서, 각각의 나노구조(130)의 폭/직경은 약 100 nm 내지 약 350 nm이고, 각각의 나노구조(130)의 높이는 약 200 nm 내지 약 300 nm이고, 인접한 나노구조들 사이의 간격은 약 50 nm 내지 약 250 nm이다.
나노구조들(130)은 나노구조들(130)을 제조하는 데에 활용되는 유전체 물질의 유형에 따라 다양한 기법들에 의해 증착된다. 적합한 증착 기법들은 화학 기상 증착, 물리 기상 증착, 분자 빔 에피택시 등을 포함한다. 그러한 증착 프로세스들을 수행하기에 적합한 장치는 캘리포니아주 산타 클라라 소재의 어플라이드 머티어리얼스 인코포레이티드로부터 입수가능한 툴들이다. 나노구조들(130)을 형성하기 위해 증착된 유전체 막들의 패터닝은, 프로세스들, 예컨대, 나노-임프린트 리소그래피, e-빔 리소그래피, 또는 위에서 설명된 형태 크기들과 같은 형태 크기들을 갖는 나노구조들(130)을 형성하기에 적합한 다른 리소그래피 기법들을 포함한다. 따라서, 균일한 나노구조들(130)의 제조는 고유 형태 나노구조들을 형성하는 것보다 더 용이하게 달성된다.
계단식 피쳐들(112, 114, 116)을 활용함으로써, 상이한 파장 광의 광학 경로 길이 차이들을 사전 보상한 경우, 나노구조들(130)은 광을 이미지 평면(132) 상에 추가적으로 집속하는 데에 활용될 수 있다. 예를 들어, 제3 이미터 구조(126)로부터 방출된 적색 광(134)은 이미지 평면(132)에 집속되고, 제2 이미터 구조(124)로부터 방출된 녹색 광(136)은 이미지 평면(132)에 집속되고, 제1 이미터 구조(122)로부터 방출된 청색 광(138)은 이미지 평면(132)에 집속된다. 계단식 피쳐들(112, 114, 116)의 광학 경로 길이 사전 보상 및 나노구조들(130)의 광 집속 특성들의 결과로서, 이미지는 시청자의 관점(101)으로부터 이미지 평면(132)에서 개선된 선명도로 색수차 없이 보여질 수 있다. 이에 따라, 광(134, 136, 138)은 동일 평면(예를 들어, 이미지 평면(132))에 이미지화되고, 광에 의해 평면에 생성된 가상 이미지는 어떠한 색수차도 없이 또는 적어도 실질적으로 감소된 색수차로 보여질 수 있다.
도 2는 본원에 설명된 실시예에 따른 디스플레이 장치(200)의 개략적인 단면도이다. 디스플레이 장치(200)는 이미터 구조들(122, 124, 126) 상에 배치된 복수의 캡슐화 층들(202, 204, 206)을 포함한다. 예를 들어, 제1 캡슐화 층(202)은 제1 이미터 구조(122) 상에 배치되고 그와 접촉하며, 제2 캡슐화 층(204)은 제2 이미터 구조(124) 상에 배치되고 그와 접촉하며, 제3 캡슐화 층(206)은 제3 이미터 구조(126) 상에 배치되고 그와 접촉한다. 이로써, 제1, 제2, 및 제3 캡슐화 층들(202, 204, 206)은 피쳐들(112, 114, 116)의 계단식 배향과 유사하게 계단식으로 배향된다. 캡슐화 층들(202, 204, 206)에 대해 선택되는 물질들은 캡슐화 층(128)의 물질들과 유사하다.
제1 복수의 나노구조들(208)은 제1 캡슐화 층(202) 상에 배치되고, 제2 복수의 나노구조들(210)은 제2 캡슐화 층(204) 상에 배치되고, 제3 복수의 나노구조들(212)은 제3 캡슐화 층(206) 상에 배치된다. 나노구조들(130)과 유사하게, 나노구조들(208, 210, 212) 각각은 유전체 물질로 형성되고 균일한 형태를 갖는다. 디스플레이 장치(100)와 달리, 디스플레이 장치(200)는 계단식 피쳐들(112, 114, 116)의 광학 경로 길이 사전 보상 및 나노구조들(130)의 광 집속 특성들을, 시청자의 관점(101)으로부터 이미지 평면(132)에서 개선된 선명도로 색수차 없이 이미지를 보는 것을 가능하게 하는 데에 활용한다.
도 3은 본원에 설명된 실시예에 따른 디스플레이 장치(300)의 개략적인 단면도이다. 디스플레이 장치(300)는 제1 표면(304) 및 제2 표면(306)을 갖는 기판(302)을 포함한다. 기판(302)은 실질적으로 평면이고, 제1 표면(304) 및 제2 표면(306)은 서로 대향하여 평행하게 배치된다. 기판(302)에 활용되는 물질들은 위에서 설명된 기판(102)에 대해 선택된 것과 유사하다.
제1 이미터 구조(308), 제2 이미터 구조(310), 및 제3 이미터 구조(312)는, 공통 평면을 한정하는 제1 표면(304) 상에 배치된다. 이미터 구조들(308, 310, 312)은 위에서 설명된 이미터 구조들(122, 124, 126)과 유사할 수 있다. 제2 이미터 구조(310)는 제1 이미터 구조(308)에 인접하여 배치되고, 제3 이미터 구조(312)는 제2 이미터 구조(310)에 인접하여 배치된다. 일 실시예에서, 제1 이미터 구조(308)는 청색 광을 생성하도록 구성되고, 제2 이미터 구조(310)는 녹색 광을 생성하도록 구성되고, 제3 이미터 구조(312)는 적색 광을 생성하도록 구성된다.
캡슐화 층(128)과 관련하여 설명된 물질들과 유사한 물질들로 제조된 캡슐화 층(314)은 이미터 구조들(308, 310, 312) 위에 배치된다. 일 실시예에서, 캡슐화 층(314)은 이미터 구조들(308, 310, 312)과 접촉하여 배치된다. 캡슐화 층(314)은 형태가 실질적으로 평탄하고, 이미터 구조들(308, 310, 312)에 인접한 모든 영역들에서 실질적으로 균일한 두께를 갖는다.
제1 복수의 나노구조들(316)은 제1 이미터 구조(308)의 영역, 예를 들어, 제1 이미터 구조(308)에 대응하는 기판(302)의 영역인 서브 픽셀 영역(106)에 대응하는 캡슐화 층(314) 상에 형성된다. 제1 나노구조들(316)은 서브 픽셀 영역(106) 내에서 균일한 치수 형태(크기, 형상, 및 간격)를 공유한다. 제1 나노구조들(316)의 치수 형태는, 단일 이미지 평면(322)에 이미지화된 상이한 파장들의 광 사이의 광학 경로 길이 차이들을 보상하기 위해, 제1 이미터 구조(308)로부터 방출되는 광의 파장에 기초하여 선택된다. 예를 들어, 제1 나노구조들(316)은 제1 이미터 구조(308)로부터 방출된 청색 광(328)을 이미지 평면(322)에 이미지화하고 집속하도록 선택된 치수 형태를 갖는다.
제2 복수의 나노구조들(318)은 제2 이미터 구조(310)의 영역, 예를 들어, 서브 픽셀 영역(108)에 대응하는 캡슐화 층(314) 상에 형성된다. 제2 나노구조들(318)은 서브 픽셀 영역(108) 내에서 균일한 치수 형태를 공유한다. 제1 나노구조들(316)과 유사하게, 제2 나노구조들(318)의 치수 형태는, 이미지 평면(322)에 이미지화된 상이한 파장들의 광 사이의 광학 경로 길이 차이들을 보상하기 위해, 제2 이미터 구조(310)로부터 방출되는 광의 파장에 기초하여 선택된다. 제2 나노구조들(318)의 치수 형태는 제1 나노구조들(316)의 치수 형태와 상이하다. 예를 들어, 제2 나노구조들(318)은 제2 이미터 구조(310)로부터 방출된 녹색 광(326)을 이미지 평면(322)에 이미지화하고 집속하도록 선택된 치수 형태를 갖는다.
제3 복수의 나노구조들(320)은 제3 이미터 구조(312)의 영역, 예를 들어, 서브 픽셀 영역(110)에 대응하는 캡슐화 층(314) 상에 형성된다. 제3 나노구조들(320)은 서브 픽셀 영역(110) 내에서 균일한 치수 형태를 공유한다. 제1 및 제2 나노구조들(316, 318)과 유사하게, 제3 나노구조들(320)의 치수 형태는, 이미지 평면(322)에 이미지화된 상이한 파장들의 광 사이의 광학 경로 길이 차이들을 보상하기 위해, 제3 이미터 구조(312)로부터 방출되는 광의 파장에 기초하여 선택된다. 제3 나노구조들(320)의 치수 형태는 제1 나노구조들(316) 및 제2 나노구조들(318)의 치수 형태와 상이하다. 예를 들어, 제3 나노구조들(320)은 제3 이미터 구조(312)로부터 방출된 적색 광(324)을 이미지 평면(322)에 이미지화하고 집속하도록 선택된 치수 형태를 갖는다.
이에 따라, 이미지 디스플레이는, 시청자의 관점(101)으로부터 이미지 평면(322)에서 개선된 선명도로 색수차 없이 이미지를 보기 위해, 상이한 파장들을 갖는 광의 광학 경로 길이 차이들을 보상하는 나노구조들(316, 318, 320) 및 나노구조들(316, 318, 320)의 광 집속 특성들을 활용함으로써 달성될 수 있다.
도 4a는 본원에 설명된 실시예에 따른 발광 다이오드(LED) 어레이(400)의 개략적인 부분 평면도이다. 적합한 LED 어레이들의 예들은, 특히, LED 디바이스들 및 유기 발광 다이오드(OLED) 디바이스들을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 일 실시예에서, LED 어레이(400)는 기판(408)을 포함하고, 기판 상에 배치된 복수의 픽셀들(402, 404, 406)을 갖는다. 일 예에서, LED 어레이(400)는 OLED 펜타일 어레이이다.
일 예에서, 제1 픽셀(402)은 제1 대역폭을 갖는 제1 파장의 광을 생성하도록 구성된다. 일 실시예에서, 제1 픽셀(402)은 적색 광을 생성한다. 제2 픽셀(404)은 제1 파장 및 제1 대역폭과 상이한 제2 대역폭을 갖는 제2 파장의 광을 생성하도록 구성된다. 일 실시예에서, 제2 픽셀(404)은 청색 광을 생성한다. 제3 픽셀(406)은, 제1 및 제2 파장들 및 대역폭들과 각각 상이한 제3 대역폭을 갖는 제3 파장의 광을 생성하도록 구성된다. 일 실시예에서, 제3 픽셀(406)은 녹색 광을 생성한다.
픽셀들(402, 404, 406) 각각은 기판(408) 상에, 어레이(400)를 형성하기 위한 패턴으로 배열된다. 일 실시예에서, 픽셀들(402, 404, 406)은 균일한 크기 및 분포 아키텍처를 갖는다. 다른 실시예에서, 픽셀들(402, 404, 406) 각각은 각각 고유 크기 및 어레이(400)에 걸친 균일한 분포 패턴을 갖는다. 픽셀들(402, 404)은 주로 사각형 형상을 갖는 것으로 예시되지만, 임의의 바람직한 형상이 픽셀들(402, 404)에 대해 활용될 수 있는 것이 고려된다. 유사하게, 픽셀들(406)은 원형 또는 장방형 형상을 갖는 것으로 예시되지만, 임의의 바람직한 형상이 픽셀들(406)에 대해 활용될 수 있는 것이 고려된다.
도 4b는 본원에 설명된 실시예에 따른 나노렌즈들(410, 414, 418)이 각각 도 4a의 LED 어레이(400)의 픽셀들(402, 404, 406) 상에 배치된 LED 어레이(400)의 개략적인 부분 평면도이다. 제1 나노렌즈(410)는 제1 나노렌즈 상에 형성된 복수의 제1 나노구조들(412)을 갖고, 제1 픽셀들(402) 상에 배치된다. 제2 나노렌즈(414)는 제2 나노렌즈 상에 형성된 복수의 제2 나노구조들(416)을 갖고, 제2 픽셀들(404) 상에 배치된다. 제3 나노렌즈(418)는 제3 나노렌즈 상에 형성된 복수의 제3 나노구조들(420)을 갖고, 제3 픽셀들(406) 상에 배치된다. 나노렌즈들(410, 414, 418) 각각은, 대응하는 하부 픽셀들(402, 404, 406)의 크기 및 형상에 실질적으로 대응하도록 크기가 정해지고 성형된다.
일 실시예에서, 나노렌즈들(410, 414, 418) 각각은 단색 렌즈들이다. 이 실시예에서, 각각의 나노렌즈(410, 414, 418)에 대응하는 복수의 나노구조들(412, 416, 420)은 대응하는 픽셀들(402, 404, 406)로부터 방출된 단일 파장 또는 정의된 범위의 파장들의 광을 변조하도록 적응된다. 예를 들어, 제1 나노렌즈(410) 상에 배치된 제1 복수의 나노구조들(412)은 이미지 평면에서의 색수차들을 감소 또는 제거하고 적색 광의 광학 경로 길이를 보상하도록 적응된다. 제2 나노렌즈(414) 상에 배치된 제2 복수의 나노구조들(416)은 이미지 평면에서의 색수차들을 감소 또는 제거하고 청색 광의 광학 경로 길이를 보상하도록 적응된다. 제3 나노렌즈(418) 상에 배치된 제3 복수의 나노구조들(420)은 이미지 평면에서의 색수차들을 감소 또는 제거하고 녹색 광의 광학 경로 길이를 보상하도록 적응된다. 따라서, 다양한 파장들의 광으로 이미지 평면에 집속된 이미지를 형성하는 것이 가능하다.
나노렌즈들(410, 414, 418) 및 나노구조들(412, 416, 420) 중 각각의 나노렌즈들 및 나노구조들은, 각각, 유전체 물질, 예컨대, ZnO 물질들, TiO2 물질들, GaN 물질들, 및 이들의 조합들로 형성된다. 유전체 물질은, 상이한 결정학적 격자 구조들(또는 결정학적 격자 구조들의 결여)과 연관된 원하는 광학 속성들에 따라, 결정질 또는 비정질일 수 있다. 일 실시예에서, 나노렌즈들(410) 상에 배치된 복수의 제1 나노구조들(412) 중 각각의 나노구조는 실질적으로 균일한 제1 형태로 제조된다. 나노렌즈들(414) 상에 배치된 복수의 제2 나노구조들(416) 중 각각의 나노구조는, 제1 형태와 상이한 실질적으로 균일한 제2 형태로 제조된다. 나노렌즈들(418) 상에 배치된 복수의 제3 나노구조들(420) 중 각각의 나노구조는, 제1 형태 및 제2 형태와 상이한 실질적으로 균일한 제3 형태로 제조된다. 이 실시예에서, 제1 형태는 적색 광을 변조하도록 적응되고, 제2 형태는 청색 광을 변조하도록 적응되고, 제3 형태는 녹색 광을 변조하도록 적응된다.
제1, 제2 및 제3 형태들 각각이 고유하지만, 나노구조들(412, 416, 420) 각각의 형태는 원주형, 기둥형, 입방형 등일 수 있다. 나노구조들(412, 416, 420)의 높이, 폭, 길이, 직경, 간격 또는 다른 물리적 특성은, 각각, 제1, 제2, 및 제3 형태들에 대해 고유하다. 일 실시예에서, 나노구조들(412, 416, 420) 중 각각의 나노구조의 폭은 약 50 nm 내지 약 100 nm이다.
다른 실시예에서, 나노구조들(412, 416, 420) 중 각각의 나노구조의 높이는, 각각, 나노렌즈들(410, 414, 418)에 의해 변조되는 광 색상에 대응하는 파장 차이의 규모이다. 예를 들어, 나노구조들(412)의 높이는 픽셀들(402)로부터 방출되는 적색 광과, 각각, 인접한 픽셀들(404, 406)로부터 방출되는 청색 및 녹색 광 사이의 파장 차이에 대응한다. 나노구조들(416)의 높이는 픽셀들(404)로부터 방출되는 청색 광과, 각각, 인접한 픽셀들(402, 406)로부터 방출되는 적색 및 녹색 광 사이의 파장 차이에 대응한다. 나노구조들(420)의 높이는 픽셀들(406)로부터 방출되는 녹색 광과, 각각, 인접한 픽셀들(402, 404)로부터 방출되는 적색 및 청색 광 사이의 파장 차이에 대응한다.
나노구조들(412, 416, 420)은 나노구조들(412, 416, 420)을 제조하는 데에 활용되는 유전체 물질의 유형에 따라 다양한 기법들에 의해 증착된다. 적합한 증착 기법들은 화학 기상 증착, 물리 기상 증착, 분자 빔 에피택시 등을 포함한다. 그러한 증착 프로세스들을 수행하기에 적합한 장치는 캘리포니아주 산타 클라라 소재의 어플라이드 머티어리얼스 인코포레이티드로부터 입수가능한 툴들이다.
나노구조들(412, 416, 420)을 형성하기 위해 증착된 유전체 막들의 패터닝은, 프로세스들, 예컨대, 나노-임프린트 리소그래피, e-빔 리소그래피, 또는 위에서 설명된 형태들과 같은 형태들을 갖는 나노구조들(412, 416, 420)을 형성하기에 적합한 다른 리소그래피 기법들을 포함한다. 이로써, 대응하는 나노구조들을 갖는 단색 나노렌즈들이 픽셀들(402, 404, 406) 각각에 대해 고유한 방식으로 형성될 수 있다. 또한, 위에서 설명된 바와 같은 나노렌즈들에 추가하여, 본원에 설명된 실시예들은 다른 광 변조 디바이스들, 예컨대, 편광기들, 파동 지연 판들 등으로 구현될 수 있는 것이 고려된다.
전술한 내용은 본 개시내용의 실시예들에 관한 것이지만, 본 개시내용의 다른 그리고 추가적인 실시예들은 그의 기본 범위로부터 벗어나지 않고 안출될 수 있으며, 그의 범위는 후속하는 청구항들에 의해 결정된다.

Claims (15)

  1. 디스플레이 장치로서,
    기판;
    제1 평면에 배치된, 상기 기판 상에 형성된 제1 피쳐;
    상기 제1 피쳐 상에 배치된 제1 이미터 구조;
    상기 제1 평면과 상이한 제2 평면에 배치된, 상기 기판 상에 형성된 제2 피쳐;
    상기 제2 피쳐 상에 배치된 제2 이미터 구조;
    상기 제1 평면 및 상기 제2 평면과 상이한 제3 평면에 배치된, 상기 기판 상에 형성된 제3 피쳐;
    상기 제3 피쳐 상에 배치된 제3 이미터 구조;
    상기 피쳐들 위에 형성된 캡슐화 층; 및
    상기 캡슐화 층 상에 형성된 복수의 유전체 나노구조들을 포함하고,
    상기 제1 이미터 구조, 상기 제2 이미터 구조, 및 상기 제3 이미터 구조 각각에 의해 생성된 광이 단일 이미지 평면 상에 집속되는, 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 투명한 유리 물질인, 디스플레이 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 피쳐는 이미지 평면으로부터 제1 초점 거리에 배치되고, 상기 제2 피쳐는 상기 이미지 평면으로부터, 상기 제1 초점 거리보다 더 큰 제2 초점 거리에 배치되고, 상기 제3 피쳐는 상기 이미지 평면으로부터, 상기 제2 초점 거리보다 더 큰 제3 초점 거리에 배치되는, 디스플레이 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 이미터 구조, 상기 제2 이미터 구조, 및 상기 제3 이미터 구조는 픽셀을 구성하는 서브 픽셀 요소들인, 디스플레이 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 이미터 구조는 제1 대역폭을 갖는 제1 파장의 광을 생성하도록 구성되는, 디스플레이 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 이미터 구조는 상기 제1 파장 및 상기 제1 대역폭과 상이한 제2 대역폭을 갖는 제2 파장의 광을 생성하도록 구성되는, 디스플레이 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제3 이미터 구조는 상기 제1 파장 및 상기 제1 대역폭 및 상기 제2 파장 및 상기 제2 대역폭과 상이한 제3 대역폭을 갖는 제3 파장의 광을 생성하도록 구성되는, 디스플레이 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 피쳐, 상기 제2 피쳐, 및 상기 제3 피쳐 반대편에 배치된, 상기 기판의 표면은 평면인, 디스플레이 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 유전체 나노구조들의 치수들은 각각의 나노구조의 폭, 각각의 나노구조의 높이, 및 인접한 나노구조들 사이의 간격을 포함하고, 상기 유전체 나노구조들의 치수들은 균일한, 디스플레이 장치.
  10. 디스플레이 장치로서,
    기판 ― 상기 기판은 상기 기판 상에 형성된 복수의 피쳐들을 가짐 ―;
    제1 평면에 배치된 제1 피쳐;
    상기 제1 피쳐 상에 배치된 제1 이미터 구조;
    상기 제1 이미터 구조 위에 형성된 제1 캡슐화 층;
    상기 제1 평면과 상이한 제2 평면에 배치된 제2 피쳐;
    상기 제2 피쳐 상에 배치된 제2 이미터 구조;
    상기 제2 이미터 구조 위에 형성된 제2 캡슐화 층;
    상기 제1 평면 및 상기 제2 평면과 상이한 제3 평면에 배치된 제3 피쳐;
    상기 제3 피쳐 상에 배치된 제3 이미터 구조;
    상기 제3 이미터 구조 위에 형성된 제3 캡슐화 층; 및
    상기 제1 캡슐화 층, 상기 제2 캡슐화 층, 및 상기 제3 캡슐화 층 상에 형성된 복수의 유전체 나노구조들을 포함하고,
    상기 제1 이미터 구조, 상기 제2 이미터 구조, 및 상기 제3 이미터 구조 각각에 의해 생성된 광이 단일 이미지 평면 상에 집속되는, 디스플레이 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 피쳐는 이미지 평면으로부터 제1 초점 거리에 배치되고, 상기 제2 피쳐는 상기 이미지 평면으로부터, 상기 제1 초점 거리보다 더 큰 제2 초점 거리에 배치되고, 상기 제3 피쳐는 상기 이미지 평면으로부터, 상기 제2 초점 거리보다 더 큰 제3 초점 거리에 배치되는, 디스플레이 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 피쳐, 상기 제2 피쳐, 및 상기 제3 피쳐 반대편에 배치된, 상기 기판의 표면은 평면인, 디스플레이 장치.
  13. 디스플레이 장치로서,
    제1 표면 및 상기 제1 표면 반대편에 배치된 제2 표면을 갖는 기판 ― 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면은 평면이고 상기 제2 표면은 상기 제1 표면에 평행함 ―;
    상기 제1 표면 상에 배치된 제1 이미터 구조;
    상기 제1 표면 상에 배치된 제2 이미터 구조;
    상기 제1 표면 상에 배치된 제3 이미터 구조;
    상기 제1 이미터 구조, 상기 제2 이미터 구조 및 상기 제3 이미터 구조 위에 배치된 캡슐화 층;
    상기 제1 이미터 구조의 영역에 대응하는 상기 캡슐화 층 상에 배치된, 제1 치수들을 갖는 제1 복수의 유전체 나노구조들;
    상기 제2 이미터 구조의 영역에 대응하는 상기 캡슐화 층 상에 배치된, 상기 제1 치수들과 상이한 제2 치수들을 갖는 제2 복수의 유전체 나노구조들; 및
    상기 제3 이미터 구조의 영역에 대응하는 상기 캡슐화 층 상에 배치된, 상기 제1 치수들 및 상기 제2 치수들과 상이한 제3 치수들을 갖는 제3 복수의 유전체 나노구조들을 포함하고,
    상기 제1 이미터 구조, 상기 제2 이미터 구조, 및 상기 제3 이미터 구조 각각에 의해 생성된 광이 단일 이미지 평면 상에 집속되는, 디스플레이 장치.
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