KR102629389B1 - 액정 렌즈 및 이를 포함하는 표시 장치 - Google Patents

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Abstract

액정 렌즈 및 이를 포함하는 표시 장치가 제공된다. 액정 렌즈는 서로 대향하는 제1 전극 및 제2 전극, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 개재되는 액정층을 포함하되, 상기 제1 전극은 적어도 하나의 단위 패턴을 포함하고, 상기 단위 패턴은 상기 단위 패턴의 가장자리 내측을 따라 접하는 패턴 전극 및 상기 패턴 전극의 내측에 배치되는 개구부를 포함한다.

Description

액정 렌즈 및 이를 포함하는 표시 장치{LIQUID CRYSTAL LENS AND DISPLAY DEVICE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 액정 렌즈 및 이를 포함하는 표시 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 광 경로를 조절하는 액정 렌즈 및 이를 포함하는 표시 장치에 관한 것이다.
표시 장치는 다양한 방식으로 광을 방출하여 영상을 표시한다. 표시 장치가 광을 방출하는 방식은 표시 장치의 종류를 구분하는 기준이 되기도 한다. 각 광 방출 방식에 대해 방출되는 광의 휘도를 효과적으로 제어하고, 표시 품질을 향상시키기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있다.
한편, 광 휘도 제어와는 별도로, 광 경로 제어를 통해 3차원 영상을 구현하는 입체 영상 표시 장치에 대한 연구가 각광을 받고 있다. 좌안 영상을 관찰자의 좌안에, 우안 영상을 관찰자의 우안에 제공하면, 관찰자가 이를 입체로 인식할 수 있다는 것을 기본 원리로 하고 있다. 안경 방식에 해당하는 편광 방식, 시분할 방식이나, 무안경 방식에 해당하는 패럴랙스-배리어 방식, 렌티큘러(lenticular) 또는 마이크로 렌즈방식 및 블린킹 라이트(blinking light) 방식 등이 주로 연구되고 있으며, 이외의 다양한 방식도 연구되고 있다.
한편, 3차원 영상 콘텐츠가 제공될 경우 3차원 영상으로 표시 가능하나, 2차원 영상 콘텐츠가 제공될 경우 3차원 영상으로 표시할 수 없어, 2차원 영상으로 표시해야할 경우가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 광 경로의 조절이 가능한 액정 렌즈를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 광 경로의 조절이 가능한 표시 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 렌즈는 서로 대향하는 제1 전극 및 제2 전극, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 개재되는 액정층을 포함하되, 상기 제1 전극은 적어도 하나의 단위 패턴을 포함하고, 상기 단위 패턴은 상기 단위 패턴의 가장자리 내측을 따라 접하는 패턴 전극 및 상기 패턴 전극의 내측에 배치되는 개구부를 포함한다.
또한, 상기 개구부는 상기 제1 전극이 배치되는 평면상에서 직사각형 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 개구부는 상기 제1 전극이 배치되는 평면상에서 정사각형 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 개구부는 상기 제1 전극이 배치되는 평면상에서 원 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 단위 패턴은, 상기 단위 패턴의 가장자리의 내측 일부를 따라 접하는 이격부를 더 포함하되, 상기 패턴 전극의 가장자리는 상기 제1 전극이 배치되는 평면상에서 원 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 개구부는 상기 제1 전극이 배치되는 평면상에서 육각형 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 개구부는 상기 제1 전극이 배치되는 평면상에서 정다각형 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 패턴 전극은 상기 단위 패턴의 가장자리 내측을 따라 접하는 제1 서브 패턴 전극 및 상기 제1 서브 패턴 전극의 내측을 따라 접하는 제2 서브 패턴 전극을 포함하고, 상기 제1 서브 패턴 전극의 높이와 상기 제2 서브 패턴 전극의 높이는 서로 상이할 수 있다.
또한, 상기 단위 패턴의 장축의 길이는 200um 이하일 수 있다.
또한, 상기 제2 전극은 상기 제1 전극이 배치되는 평면과 평행하도록 배치되는 평탄한 면으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 전극은 적어도 하나의 제1 대향 패턴을 더 포함하되, 상기 제1 대향 패턴은 상기 패턴 전극의 가장자리 내측을 오버랩하도록 형성되는 제1 대향 패턴 전극을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 전극은 적어도 하나의 제2 대향 패턴을 더 포함하되, 상기 제2 대향 패턴은 상기 제2 대향 패턴의 가장자리 내측을 따라 접하는 제2 대향 패턴 전극 및 상기 제2 대향 패턴 전극의 내측에 배치되는 제2 대향 개구부를 포함할 수 있다.
또한, 각각의 상기 단위 패턴은 서로 동일한 모양으로 형성되고, 매트릭스 배열될 수 있다.
또한, 각각의 상기 단위 패턴은 상기 제1 전극이 배치되는 평면상의 제1 방향(X)으로 일대일 대응되도록 배치되고, 상기 제1 방향(X)에 수직한 제2 방향(Y)으로는 일대다 대응되도록 배치될 수 있다.
또한, 각각의 상기 단위 패턴은 서로 동일한 모양으로 형성되고, 벌집 형상으로 배치될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 표시 장치는, 광 제공 장치, 및 상기 광 제공 장치 상에 배치된 액정 렌즈로서, 서로 대향하는 제1 전극 및 제2 전극, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 개재되는 액정층을 포함하되, 상기 제1 전극은 적어도 하나의 단위 패턴을 포함하고, 상기 단위 패턴은 상기 단위 패턴의 가장자리 내측을 따라 접하는 패턴 전극 및 상기 패턴 전극의 내측에 배치되는 개구부를 포함하는 액정 렌즈를 포함한다.
또한, 상기 광 제공 장치는 상기 액정 렌즈로 광을 제공하되, 상기 광은 하나의 방향으로 편광될 수 있다.
또한, 상기 광 제공 장치는 표시 패널을 포함할 수 있다.
또한, 상기 표시 패널은 OLED(Organic Light Emitting Diode), LED, 무기 EL(Electro Luminescent display), FED(Field Emission Display), SED(surface-conduction electron-emitter display), PDP(Plasma Display Panel), CRT(Cathode Ray Tube), LCD(Liquid Crystal Display), 및 전기영동 표시장치(Electrophoretic Display, EPD) 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 표시 패널은 매트릭스 배열되는 복수의 화소를 포함하되, 상기 단위 패턴은 2 이상의 상기 화소와 중첩될 수 있다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 광 경로의 조절이 가능한 액정 렌즈를 제공할 수 있다.
나아가, 광 경로의 조절이 가능한 표시 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 렌즈의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 패턴을 포함하는 액정 렌즈의 사시도이다.
도 4는 제1 모드인 경우 도 3에 도시된 액정 렌즈를 제3 방향의 역방향에서 바라본 평면도이다.
도 5는 제1 모드인 경우 도 3에 도시된 액정 렌즈를 제2 방향으로 바라본 단면도이다.
도 6은 제1 모드인 경우 도 3에 도시된 액정 렌즈를 제1 방향으로 바라본 단면도이다.
도 7은 제2 모드인 경우 도 3에 도시된 액정 렌즈를 제3 방향의 역방향에서 바라본 평면도이다.
도 8은 제2 모드인 경우 도 3에 도시된 액정 렌즈를 제2 방향으로 바라본 단면도이다.
도 9는 제2 모드인 경우 도 3에 도시된 액정 렌즈를 제1 방향으로 바라본 단면도이다.
도 10은 제1 모드인 경우 하나의 단위 패턴과 중첩되는 액정층의 영역별 굴절률을 도시한 그래프이다.
도 11은 제2 모드인 경우 하나의 단위 패턴과 중첩되는 액정층의 영역별 굴절률을 도시한 그래프이다.
도 12는 단위 패턴의 장축의 길이가 200㎛인 단위 패턴의 위치별 굴절률을 도시한 그래프이다.
도 13은 단위 패턴의 장축의 길이가 60㎛인 단위 패턴의 위치별 굴절률을 도시한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 다른 단위 패턴을 포함하는 액정 렌즈의 사시도이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 패턴을 포함하는 액정 렌즈의 사시도이다.
도 16은 도 15에 도시된 액정 렌즈를 제2 방향으로 바라본 단면도이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 패턴을 포함하는 액정 렌즈의 사시도이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 패턴을 포함하는 액정 렌즈의 사시도이다.
도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 패턴을 포함하는 액정 렌즈의 사시도이다.
도 20은 도 19에 도시된 액정 렌즈를 제2 방향으로 바라본 단면도이다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 패턴을 포함하는 액정 렌즈의 사시도이다.
도 22는 도 21에 도시된 액정 렌즈를 제2 방향으로 바라본 단면도이다.
도 23은 본 발명의 다른 실시예에 따른 액정 렌즈의 사시도이다.
도 24는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액정 렌즈의 사시도이다.
도 25는 도 24에 도시된 실시예에 따른 단위 패턴을 포함하는 액정 렌즈의 사시도이다.
도 26은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 패턴을 포함하는 액정 렌즈의 사시도이다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치의 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)"로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 표시 장치(30)는 광 제공 장치(20) 및 광 제공 장치(20)의 일측에 배치된 액정 렌즈(10)를 포함한다.
광 제공 장치(20)는 액정 렌즈(10)에 광을 제공한다. 광 제공 장치(20)가 액정 렌즈(10)에 제공하는 광은 광 제공 장치(20)로부터의 출사광 및/또는 액정 렌즈(10)로부터 입사되어 광 제공 장치(20)에 의해 반사되는 반사광을 포함할 수 있다.
광 제공 장치(20)는 표시 패널을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 표시 패널은 OLED(Organic Light Emitting Diode), LED, 무기 EL(Electro Luminescent display), FED(Field Emission Display), SED(surface-conduction electron-emitter display), PDP(Plasma Display Panel), CRT(Cathode Ray Tube) 등과 같은 자발광 표시 패널일 수 있다. 다른 몇몇 실시예에서, 상기 표시 패널은 LCD(Liquid Crystal Display), 전기영동 표시 장치(Electrophoretic Display, EPD) 등과 같은 비발광 표시 패널일 수 있다. 상기 표시 패널이 비발광 표시 패널인 경우, 광 제공 장치(20)는 백라이트 어셈블리(미도시)와 같은 광원을 더 포함할 수 있다.
액정 렌즈(10)는 광 제공 장치(20)의 일측에 배치되어 광 제공 장치(20)로부터 출사된 광을 입사받는다. 액정 렌즈(10)는 입사된 광의 경로나 위상 등의 광 특성을 적어도 부분적으로 변조한다. 몇몇 실시예에서, 액정 렌즈(10)의 광 특성 변조는 모드에 따라 상이할 수 있다. 예를 들어, 제1 모드에서 액정 렌즈(10)는 광 특성을 변조시키지 않지만, 제2 모드에서 액정 렌즈(10)는 광 특성을 변조시킬 수 있다, 각각의 모드별로 광 변조 특성을 다르게 변조하면 광 제공 장치(20)의 상기 표시 패널에서 출사되는 화상을 모드별로 다르게 변조할 수 있고, 그에 따라 액정 렌즈(10)를 통해 출사되는 화상을 모드별로 다르게 제어할 수 있다. 이와 같은 액정 렌즈(10)의 모드별 선택적 광변조 특성은 후술하는 바와 같이, 2D 영상을 표시하는지 여부 및 3D 영상을 표시하는지 여부의 선택이 가능한 표시 장치(30)를 구현할 수 있게 한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 렌즈(10)에 대해 더욱 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 렌즈의 사시도이다.
도 2에서, 제1 방향(X), 제2 방향(Y) 및 제3 방향(Z)은 각각 서로 수직인 관계를 가질 수 있다.
도 2를 참조하면, 액정 렌즈(1100)는 서로 대향하는 제1 전극(110)과 제2 전극(120), 제1 전극(110)과 제2 전극(120) 사이에 개재된 액정층(130)을 포함한다.
제1 전극(110)은 제1 기판(101) 상에 형성될 수 있다. 제2 전극(120)은 제2 기판(102) 상에 형성될 수 있다. 제1 기판(101) 및 제2 기판(102)은 투명 기판일 수 있다. 예를 들어, 제1 기판(101) 및 제2 기판(102)은 투명한 플라스틱 기판, 투명한 유리 기판, 또는 투명한 석영 기판 등으로 형성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 기판(101) 및 제2 기판(102) 중 적어도 하나는 가요성 기판일 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 제1 기판(101) 및 제2 기판(102) 중 적어도 하나는 생략될 수도 있다. 즉, 액정 렌즈(1101)와 광 제공 장치(20)가 일체로 형성되는 경우, 광 제공 장치(20)의 일면이 제1 기판(101) 또는 제2 기판(102)의 역할을 대신 수행할 수도 있다.
제1 전극(110)과 제2 전극(120)은 각각 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ZO(Zinc Oxide), IO(Indium Oxide), TiO(Titanium Oxide) 등과 같은 산화물로 이루어질 수 있다. 또 다른 예로, CNT(Carbon Nanotube), 금속 나노와이어(metal nanowire), 전도성 고분자(Conductive Polymer) 등의 물질을 포함할 수 있다. 다만, 제1 전극(110)과 제2 전극(120)이 반드시 동일한 물질로 이루어질 필요는 없다.
제1 전극(110)은 제1 전압을 인가받고, 제2 전극(120)은 제2 전압을 인가받는다. 따라서, 제1 제2 전압의 차이에 상응하는 소정의 전계가 형성될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 제1 전극(110) 및 제2 전극(120) 중 적어도 어느 하나는 패터닝이 된 전극일 수 있다. 패터닝된 적어도 하나의 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)에 의하여, 제1 전극(110)과 제2 전극(120) 사이에 형성되는 전계가 제3 방향(Z)이 아닌 방향을 향하도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 영역별로 액정(131)이 서로 다른 방향을 향하도록 배열될 수 있다.
제1 전극(110)과 제2 전극(120)은 상호 평행하게 배치될 수 있다.
제1 전극(110) 및 제2 전극(120) 사이에는 액정층(130)이 개재된다. 액정층(130)은 복수의 액정(131)을 포함한다. 이러한 액정(131)은 액정층(130)의 전 영역에 걸쳐 균일한 밀도로 분포될 수 있다. 본 실시예에서, 액정(131)은 양의 유전율 이방성을 가지며, 수평 방향을 따라 초기 배향되어 있다. 여기서, 수평 방향을 따라 초기 배향되었다 함은 액정(131)의 장축이 제1 방향(X) 또는 제2 방향(Y)에 평행하게 놓여지는 상태를 의미할 수 있다. 본 실시예에서는 제1 방향(X)을 따라 초기 배향된 상태를 예시한다.
본 발명의 다른 몇몇 실시예에서, 액정(131)은 음의 유전율 이방성을 가질 수도 있다. 이 경우, 액정(131)은 수직 방향으로 초기 배향될 수 있다. 수직 방향을 따라 초기 배향되었다 함은 액정(131)이 제3 방향(Z)에 평행하게 놓여지는 상태를 의미할 수 있다.
도시하지는 않았지만, 제1 전극(110)의 상부에는 액정층(130) 내의 액정(131)을 초기 배향하는 제1 배향막이 개재될 수 있다. 또한, 제2 전극(120)의 상부(도면상으로, 하부)에도 액정층(130) 내의 액정(131)을 초기 배향하는 제2 배향막이 개재될 수 있다.
한편, 도시하지는 않았지만, 제1 전극(110)의 상부 또는 상기 제1 배향막의 상부에는 제1 평탄화막이 개재될 수 있다. 제1 평탄화막은 제1 전극(110)에 형성된 단차에 의하여 액정(131)이 오배열되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제2 전극(120)의 상부(도면상으로, 하부) 또는 상기 제2 배향막의 상부(도면상으로, 하부)에는 제2 평탄화막이 개재될 수 있다. 상기 제2 평탄화막은 상기 제1 평탄화막과 마찬가지로 제2 전극(120)에 형성된 단차를 평탄화할 수 있다. 다만, 제2 전극(120)에 단차가 형성되지 않은 경우, 제2 평탄화막은 생략될 수 있다.
한편, 도시하지는 않았지만, 제1 기판(101)의 하부에는 액정 렌즈로 입사되는 광이 특정 편광을 갖도록 하는 편광판이 배치될 수 있다. 액정 렌즈로 입사되는 광은 특정 방향으로 편광된 성분만을 포함해야 액정층(130)에서 광 경로가 원활하게 제어될 수 있는데, 상기 편광판은 이를 원활하게 하는 역할을 수행할 수 있다. 다만, 광 제공 장치로부터 제공되는 광이 이미 특정 방향을 갖도록 편광되어 있다면, 상기 편광판은 생략될 수 있다. 본 실시예의 경우, 광 제공 장치로부터 제공되는 광은 제1 방향(X)을 따라 편광되어 있거나, 상기 편광판에 의하여 제1 방향(X)을 따라 편광되는 것을 예시하기로 한다.
제1 전극(110)은 적어도 하나의 단위 패턴(140)을 포함한다. 각 단위 패턴(140)은 실질적으로 동일한 형상을 가질 수 있다. 각 단위 패턴(140)은 행과 열을 이루어 매트릭스 형태로 배열될 수 있다.
서로 인접하는 단위 패턴(140)은 일체로 형성될 수 있다. 즉, 단위 패턴(140)이 서로 인접하는 가장자리를 따라 양측으로 모두 투명 도전성 전극이 배치되는 경우, 각각 다른 단위 패턴(140)에 속하는 서로 인접하는 투명 도전성 전극은 서로 구분되지 아니하고 일체로 형성될 수 있다. 이러한 단위 패턴(140)이 복수 개 모여 제1 전극(110)을 형성할 수 있다.
이하에서는, 단위 패턴(140)에 대하여 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 패턴을 포함하는 액정 렌즈의 사시도이다.
도 3을 참조하면, 단위 패턴(140)은 단위 패턴(140)의 가장자리 내측을 따라 접하는 패턴 전극(141)과, 패턴 전극(141)의 내측에 배치되는 개구부(142)를 포함한다.
패턴 전극(141)은 투명 도전성 물질로 형성되며, 각각의 단위 패턴(140)에 배치되는 패턴 전극(141)이 모여 제1 전극(110)을 형성할 수 있다. 패턴 전극(141)은 단위 패턴(140)의 가장자리로부터 내측 방향으로 일정한 두께를 갖도록 형성될 수 있으며, 개구부(142)는 단위 패턴(140)의 가장자리와 접하지 않을 수 있다.
본 실시예에서는, 하나의 단위 패턴(140)은 제1 전극(110)이 배치되는 평면상에서 정사각형 형상의 영역에 배치된 것을 예시하고 있으며, 이에 따라 단위 패턴(140)의 가장자리 또한 정사각형 형상을 가질 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이며, 하나의 단위 패턴(140)은 직사각형 형상 또는 기타 다른 형상을 갖는 영역에 배치될 수 있고, 단위 패턴(140)의 가장자리 또한 단위 패턴(140)의 형상을 반영할 수 있다.
개구부(142)는 투명 도전성 물질이 배치되지 않아 제1 전극(110)의 하부에 배치되는 제1 기판(101)의 상부면을 노출시키는 관통홀로서, 제1 전극(110)을 관통하는 모양으로 형성될 수 있다.
개구부(142)는 단위 패턴(140)의 중앙에 배치될 수 있다. 개구부(142)는 패턴 전극(141)에 의하여 둘러싸이도록 배치될 수 있다. 따라서, 인접하는 두 개 이상의 단위 패턴(140)들 각각에 배치되는 개구부(142)는 이격되도록 배치될 수 있다.
본 실시예에서는, 개구부(142)는 제1 전극(110)이 배치되는 평면상에서 정사각형 형상의 영역에 배치된 것을 예시하고 있으나, 이에 제한되지는 아니한다. 즉, 개구부(142)가 배치되는 영역의 형상은 단위 패턴(140)의 가장자리의 형상과 무관하게 결정될 수 있다. 다만, 액정 렌즈의 시야각 향상을 위하여, 단위 패턴(140)의 중심에 배치되는 위치를 가리키는 중심점을 기준으로 점대칭일 수 있다.
한편, 광 경로 변화가 완만하게 발생하도록 하기 위하여, 단위 패턴(140)의 장축의 길이는 200㎛ 이하일 수 있다. 이에 관한 구체적인 내용은 도 12 및 13을 참조하여 후술하기로 한다.
이하에서는, 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압의 차이에 따른 액정(131)의 배열의 변화 및 이에 따른 광 경로 변화에 대하여 설명하기로 한다. 설명의 편의를 위하여, 하나의 단위 패턴(140)을 기준으로 설명하기로 한다.
도 4는 제1 모드인 경우 도 3에 도시된 액정 렌즈를 제3 방향의 역방향에서 바라본 평면도이며, 도 5는 제1 모드인 경우 도 3에 도시된 액정 렌즈를 제2 방향으로 바라본 단면도이며, 도 6은 제1 모드인 경우 도 3에 도시된 액정 렌즈를 제1 방향으로 바라본 단면도이다.
제1 모드란 제1 전극(110)에 제공되는 상기 제1 전압의 전압값과, 제2 전극(120)에 제공되는 상기 제2 전압의 전압값이 동일한 경우를 의미한다. 즉, 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 전압값 차이가 0인 경우를 의미한다.
또한, 도 5에 도시된 단면도는 액정 렌즈(1100)를 제2 방향(Y)으로 바라보되, 제3 방향(Z)의 역방향으로 진행하며 제1 점(P1)을 관통하는 직선과 제3 방향(Z)의 역방향으로 진행하며 제2 점(P2)을 관통하는 직선이 배치되는 평면상의 단면을 도시한다. 또한, 도 6에 도시된 단면도는 액정 렌즈를 제1 방향(X)으로 바라보되, 제3 방향(Z)의 역방향으로 진행하며 제3 점(P3)을 관통하는 직선과, 제3 방향(Z)의 역방향으로 진행하며 제4 점(P4)을 관통하는 직선이 배치되는 평면상의 단면을 도시한다. 여기서, 제1 내지 제4 점(P1~P4)은 단위 패턴의 외변의 중점을 각각 나타낸다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 제1 모드인 경우 액정(131)은 액정층(130)의 모든 영역에서 장축이 제1 방향(X)에 평행하도록 배열되는 초기 배향 상태를 유지한다.
전술한 바와 같이, 본 실시예에서 액정층(130)의 하부로 입사되는 광은 제1 방향(X)으로 편광된 상태의 광이므로, 단위 패턴(140) 내에서의 위치와 무관하게 액정(131)의 장축 방향에 대응되는 굴절률을 느끼게 된다. 즉, 액정층(130)의 하부로 입사되는 광은 단위 패턴(140) 내에서의 위치와 무관하게 동일한 굴절률을 느끼게 된다. 따라서, 액정층(130)에 입사된 광은 액정층(130) 내에서 광 진행 경로를 바꾸지 않고 직진하게 된다. 결과적으로, 제1 기판(101)의 하부로 입사된 광은 액정 렌즈(1100) 내부에서 직진하며, 광 경로를 유지하며 제2 기판(102)의 상부를 향하여 출사할 수 있다.
도 7은 제2 모드인 경우 도 3에 도시된 액정 렌즈를 제3 방향의 역방향에서 바라본 평면도이고, 도 8은 제2 모드인 경우 도 3에 도시된 액정 렌즈를 제2 방향으로 바라본 단면도이며, 도 9는 제2 모드인 경우 도 3에 도시된 액정 렌즈를 제1 방향으로 바라본 단면도이다.
제2 모드란 제1 전극(110)에 제공되는 상기 제1 전압의 전압값과, 제2 전극(120)에 제공되는 상기 제2 전압의 전압값이 상이한 경우를 의미한다. 즉, 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 전압값 차이가 0이 아닌 경우를 의미한다. 제2 모드인 경우, 제1 전극(110)과 제2 전극(120) 사이에 소정의 전계가 형성될 수 있다. 따라서, 단위 패턴(140) 내에서, 액정(131)은 위치에 따라 부분적으로 서로 상이한 방향을 향하도록 배열될 수 있다.
한편, 도 8에 도시된 단면도는 액정 렌즈(1100)를 제2 방향(Y)으로 바라보되, 제3 방향(Z)의 역방향으로 진행하며 제1 점(P1)을 관통하는 직선과 제3 방향(Z)의 역방향으로 진행하며 제2 점(P2)을 관통하는 직선이 배치되는 평면상의 단면을 도시한다. 또한, 도 9에 도시된 단면도는 액정 렌즈(1100)를 제1 방향(X)으로 바라보되, 제3 방향(Z)의 역방향으로 진행하며 제3 점(P3)을 관통하는 직선과 제3 방향(Z)의 역방향으로 진행하며 제4 점(P4)을 관통하는 직선이 배치되는 평면상의 단면을 도시한다.
한편, 설명의 편의를 위하여, 단위 패턴(140)을 복수의 영역으로 나누어 지칭하기로 한다. 즉, 제1 방향(X)을 따라 A1 내지 A7 영역으로 지칭되는 7등분된 7개의 영역으로 구분하여 지칭하고, 제2 방향(Y)을 따라 B1 내지 B7 영역으로 지칭되는 7등분된 7개의 영역으로 구분하여 지칭하기로 한다. 여기서, A1 내지 A7 영역 중 어느 하나와, B1 내지 B7 영역 중어느 하나가 중첩하는 경우, 각각의 명칭을 연속하여 지칭하기로 한다. 예를 들면, 단위 패턴(140)의 가장 중심에 배치되는 영역의 경우, A4B4 영역으로 지칭하기로 한다.
도 7 내지 9를 참조하면, 제2 모드인 경우 하나의 단위 패턴(140)과 중첩하도록 배치되는 액정층(130)에는 부분적으로 서로 다른 세기 및 방향을 갖는 전계가 형성될 수 있다.
구체적으로, 단위 패턴(140)의 가장자리에 가까울수록 제1 전극(110)과 제2 전극(120) 사이의 거리가 가까워지므로, 형성되는 전계의 세기가 셀 수 있다. 반면, 단위 패턴(140)의 중심에 가까울수록 제1 전극(110)과 제2 전극(120) 사이의 거리가 멀어지므로, 형성되는 전계의 세기가 약할 수 있다.
이에 따른 액정(131)의 배열은 제1 전극(110)이 배치되는 평면상에서 액정(131)이 회전하는 정도와 관련된 요소, 즉, 극각을 결정하는 요소와, 제1 전극(110)이 배치되는 평면에 수직한 방향으로 액정(131)이 어느정도 기울어지는지와 관련된 요소, 즉, 방위각을 결정하는 요소에 의하여 결정될 수 있다.
먼저, 액정(131)의 극각을 결정하는 요소에 대하여 설명하기로 한다.
단위 패턴(140)의 가장자리에 가까울수록 제1 전극(110)과 제2 전극(120) 사이의 거리가 가까워져 액정층(130)에 형성되는 전계의 세기가 세질 수 있고, 단위 패턴(140)의 중심에 가까울수록 제1 전극(110)과 제2 전극(120) 사이의 거리가 멀어져 액정층(130)에 형성되는 전계의 세기가 약할 수 있다. 따라서, 단위 패턴(140)의 가장자리에 가까울수록 액정(131)의 극각은 클 수 있고, 단위 패턴(140)의 중심에 가까울수록 액정(131)의 극각은 작을 수 있다. 즉, A1 영역, A7 영역, B1 영역 및 B7 영역에 가까울수록 액정(131)의 극각이 더 클 수 있고, A4B4 영역에 가까울수록 액정(131)의 극각이 더 작을 수 있다.
예시적으로, 도 7에 도시된 바와 같이 A4B4 영역에 배치되는 액정(131)은 제1 극각(θ1)을 가지고, A4B5 영역에 배치되는 액정(131)은 제2 극각(θ2)을 가지고, A4B6 영역에 배치되는 액정(131)은 제3 극각(θ3)을 가지는 경우, 제2 극각(θ2)은 제1 극각(θ1)보다 큰 값을 갖고, 제3 극각(θ3)은 제2 극각(θ2)보다 큰 값을 가질 수 있다.
다음으로, 액정(131)의 방위각을 결정하는 성분에 대하여 설명하기로 한다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 단위 패턴(140)의 가장자리에 가까울수록 액정층(130)에 형성되는 전계는 제1 전극(110)이 배치되는 평면에 수직한 방향으로 형성되며, 단위 패턴(140)의 중심에 가까울수록 액정층(130)에 형성되는 전계는 제1 전극(110)이 배치되는 평면에 평행한 방향으로 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 액정(131)은 양의 유전율 이방성을 가지므로, 전계의 세기가 클수록 전계가 형성되는 방향에 더 가깝게 배열된다. 결과적으로, A1 영역, A7 영역, B1 영역 및 B7 영역에 배치되는 액정(131)은 제3 방향(Z)과 평행하게 배열된다. 반면, 단위 패턴(140)의 중심인 A4B4 영역에 배치되는 액정(131)은 제1 전극(110)이 배치되는 평면과 평행한 방향으로 배열된다. 본 실시예에서, 액정(131)의 초기 배향 방향은 제1 방향(X)이므로, A4B4 영역에 배치되는 액정(131)은 제1 방향(X)으로 배열된다.
이러한 제2 모드의 액정(131) 배열로 인하여, 단위 패턴(140)의 가장자리에 가까울수록 액정층(130)을 통과하는 광이 느끼는 굴절률이 최소화되며, 단위 패턴(140)의 중심에 가까울수록 액정층(130)을 통과하는 광이 느끼는 굴절률이 최대화된다. 이에 따라, 액정층(130)으로 입사되는 광은 액정층(130)을 통과하는 동안 광 경로가 변경될 수 있다.
이에 대한 더욱 구체적인 설명을 위하여 도 11 및 도 12가 참조된다.
도 10은 제1 모드인 경우 하나의 단위 패턴과 중첩되는 액정층의 영역별 굴절률을 도시한 그래프이며, 도 11은 제2 모드인 경우 하나의 단위 패턴과 중첩되는 액정층의 영역별 굴절률을 도시한 그래프이다.
도 10 및 도 11에서, x축 및 y축은 하나의 액정층(130)의 위치별 좌표를 나타내며, z축은 굴절률 값을 의미한다. nm은 액정층(130)이 가질 수 있는 최대 굴절률을 의미하며, n0는 액정층(130)이 가질 수 있는 최소 굴절률을 의미한다. 본 그래프에서는, n0와 nm의 굴절률 사이 구간을 6등분 하였으며, 이 중 가장 작은 굴절률을 갖는 구간을 제1 구간(R1)으로 지칭하고, 굴절률의 값이 증가할수록 순서대로 제2 구간 내지 제6 구간(R2, R3, R4, R5, R6)으로 지칭하기로 한다.
먼저, 도 10을 참조하면, 제1 모드인 경우 단위 패턴(140)의 모든 영역에서 액정층(130)은 nm의 굴절률을 갖는다. 즉, 모든 영역에서 동일한 굴절률을 가지므로, 액정층(130)을 투과하는 광은 그 경로가 변경되지 않고 직진할 수 있다.
다음으로, 도 11을 참조하면, 제2 모드인 경우 단위 패턴(140)은 영역별로 상이한 굴절률을 갖는다. 구체적으로, 중심에 가까울수록 nm에 가까운 굴절률을 가지며, 가장자리에 가까울수록 n0에 가까운 굴절률을 갖는다. 또한, 그래프의 각 측정치를 연결한 면은 단위 패턴(140)의 중심을 대칭으로 단위 패턴(140)의 중심에서 볼록한 형상을 갖는다.
광은 굴절률이 균일한 매질 내에서는 직선으로 진행하지만, 도 11과 같이 매질 내에서 굴절률이 점진적으로 변하는 그린(GRIN, Gradient Index) 렌즈 구조에서는 굴절률이 낮은 매질에서 높은 매질 측으로 광 경로가 휘어진다. 따라서, 제2 모드에서 액정층(130)을 통과하는 빛은 고굴절률의 매질 측으로 광 경로가 변경되어, 도 8 및 도 9와 같은 광 진행 경로를 나타낼 수 있다. 도 8 및 도 9의 광 진행 경로의 변경은 마치 볼록 렌즈를 통과한 광 진행 경로와 유사할 수 있다. 즉, 제2 모드에서 액정 렌즈의 액정층(130)은 별도의 볼록 렌즈 없이도 광을 집광할 수 있다.
이러한 굴절률 변화는 제1 방향(X)을 따라서 관찰하여도, 또는 제2 방향(Y)을 따라서 관찰하여도 모두 동일하게 측정될 수 있다. 따라서, 사용자의 시점이 액정 렌즈로부터 떨어진 거리가 같다면, 액정 렌즈(1100)를 어느 방향에서 관찰하더라도, 동일한 표시 품질을 갖는 3D 영상이 사용자에게 시인될 수 있다.
도 12는 단위 패턴의 장축의 길이가 200㎛인 단위 패턴의 위치별 굴절률을 도시한 그래프이고, 도 13은 단위 패턴의 장축의 길이가 60㎛인 단위 패턴의 위치별 굴절률을 도시한 그래프이다.
제1 선(L1)은 제2 모드에서 최적의 표시 품질을 얻어낼 수 있는 이상적인 위치별 굴절률 값을 나타낸 그래프이다. 반면, 제2 선(L2) 및 제3 선(L3)은 제2 모드에서 실제로 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)에 전압이 제공된 경우의 측정값을 나타낸 그래프이다. 여기서, 제3 선(L3)에 의하여 도시된 실시예는 제2 선(L2)에 의하여 도시된 실시예보다 액정층(130)에 형성된 전계의 세기가 셀 수 있다.
또한, 제4 선(L4)은 제2 모드에서 최적의 표시 품질을 얻어낼 수 있는 이상적인 위치별 굴절률 값을 나타낸 그래프이며, 제5 선(L5)은 제2 모드에서 실제로 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)에 전압이 제공된 경우의 측정값을 나타낸 그래프이다.
먼저, 도 12를 참조하면, 단위 패턴(140)의 장축의 길이가 200㎛인 경우, 제2 선(L2) 및 제3 선(L3)은 제1 선(L1)과 서로 다른 경향성을 가짐을 알 수 있다. 특히, 액정층(130)에 형성되는 전계의 세기를 조절하더라도, 단위 패턴(140)의 중심에서는 nm의 굴절률을 달성할 수 있다 하더라도, 단위 패턴(140)의 가장자리에서는 n0의 굴절률을 달성할 수 없다. 이에 따라, 단위 패턴(140)의 장축의 길이가 200㎛인 액정 렌즈는 관찰자의 위치에 따라 영상이 급격히 다르게 시인될 수 있어, 표시 품질이 저하될 수 있다.
반면, 도 13을 참조하면, 단위 패턴(140)의 장축의 길이가 60㎛인 경우, 제4 선(L4)과 제5 선(L5)은 거의 동일한 경향성을 가짐을 알 수 있다. 이에 따라, 단위 패턴(140)의 장축의 길이가 60㎛인 액정 렌즈는 관찰자의 위치가 변하더라도 대체로 균일한 영상을 시인할 수 있어, 표시 품질이 향상될 수 있다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 다른 단위 패턴을 포함하는 액정 렌즈의 사시도이다.
본 실시예에 포함된 구성 중 전술한 실시예에서 이미 설명한 구성과 동일한 구성에 대하여는 동일한 참조 번호로서 지칭하며, 중복 설명은 생략하거나 간략화하기로 하고, 차별점을 갖는 구성을 위주로 설명하기로 한다.
도 14를 참조하면, 도 3에 도시된 실시예와는 달리, 단위 패턴(140a)의 가장자리로부터 패턴 전극(141a)이 연장되는 길이가, 위치별로 상이할 수 있다. 구체적으로, 패턴 전극(141a)은 제1 방향(X)을 따라서는 단위 패턴(140a)의 가장자리로부터 제2 길이(d2)만큼 연장되고, 제2 방향(Y)을 따라서는 단위 패턴(140a)의 가장자리로부터 제2 길이(d2)보다 긴 제3 길이(d3)만큼 연장될 수 있다. 이 경우, 단위 패턴(140a)의 중심에 배치되는 개구부(142a)는 제1 전극(110a)이 배치되는 평면상에서 정사각형을 제외한 직사각형 형상으로 형성될 수 있다.
이러한 패턴 전극(141a)의 형상에 의하는 경우, 제2 모드에서 액정층(130)에 형성되는 전계는 제1 방향(X) 성분의 세기보다 제2 방향(Y) 성분의 세기가 더 셀 수 있다. 따라서, 제1 방향(X)으로의 시야각의 향상보다, 제2 방향(Y)으로의 시야각의 향상이 더 요구되는 경우, 제2 방향(Y)으로의 시야각 향상을 더 크게 할 수 있다. 다만, 이에 제한되지 아니하고, 제2 길이(d2)가 제3 길이(d3)보다 더 길 수도 있으며, 이 경우 제2 방향(Y)으로의 시야각 향상보다, 제1 방향(X)으로의 시야각 향상을 더 크게 할 수 있다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 패턴을 포함하는 액정 렌즈의 사시도이고, 도 16은 도 15에 도시된 액정 렌즈를 제2 방향으로 바라본 단면도이다.
도 16에 도시된 단면도는 액정 렌즈(1102)를 제2 방향(Y)으로 바라보되, 제3 방향(Z)의 역방향으로 진행하며 제1 점(P1)을 관통하는 직선과 제3 방향(Z)의 역방향으로 진행하여 제2 점(P2)을 관통하는 직선이 배치되는 평면상의 단면을 도시한다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 도 3, 도 5 및 도 6에 도시된 실시예와는 달리, 단위 패턴(140b)은 제1 서브 패턴 전극(141b) 및 제2 서브 패턴 전극(143b)을 포함한다.
제1 서브 패턴 전극(141b)은 단위 패턴(140b)의 가장자리 내측을 따라 접하도록 배치되며, 제1 높이(d4)를 갖는다. 제2 서브 패턴 전극(143b)은 제1 서브 패턴 전극(141b)의 내측을 따라 접하도록 배치되며, 제1 높이(d4)와 서로 상이한 값을 갖는 제2 높이(d5)를 갖는다. 여기서, 제2 높이(d5)는 제1 높이(d4)보다 작은 값을 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 제2 높이(d5)가 제1 높이(d4)보다 클 수도 있다. 제2 서브 패턴 전극(143b)의 내측으로는 개구부(142b)가 배치될 수 있다.
이러한 구조에 의하여, 단위 패턴(140b)의 영역별 굴절률이 더욱 완만하게 변화하여, 표시 품질을 향상시킬 수 있다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 패턴을 포함하는 액정 렌즈의 사시도이다.
도 17을 참조하면, 단위 패턴(140c)은 이격부(143c), 패턴 전극(141c), 개구부(142c)를 포함한다.
이격부(143c)는 투명 도전성 물질이 배치되지 않는 개구된 영역으로서, 단위 패턴(140c)의 가장자리 내측 일부를 따라 접하도록 배치된다. 이격부(143c)로 인하여, 패턴 전극(141c)은 제1 전극(110)이 배치되는 평면상에서 원 형상으로 형성될 수 있으며, 패턴 전극(141c) 내부에 배치되는 개구부(142c) 또한 제1 전극(110)이 배치되는 평면상에서 원 형상으로 형성될 수 있다.
패턴 전극(141c)이 제1 전극(110)이 배치되는 평면상에서 원 형상으로 형성됨에 따라, 액정 렌즈(1103)를 제1 방향(X) 또는 제2 방향(Y)에서 시인하는 경우와, 제1 방향(X)과 제2 방향(Y) 사이 방향에서 시인하는 경우의 표시 품질 차이를 최소화할 수 있다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 패턴을 포함하는 액정 렌즈의 사시도이다.
도 18을 참조하면, 도 17에 도시된 실시예와는 달리, 제2 전극(120)은 제1 대향 패턴 전극(151d)을 포함하는 제1 대향 패턴(150d)을 더 포함할 수 있다.
제1 대향 패턴 전극(151d)은 대향하여 배치되는 패턴 전극(141d)의 가장자리 내측 영역을 오버랩하도록 형성될 수 있으며, 패턴 전극(141d)의 가장자리 내측 영역과 오버랩하지 않는 영역은 투명 도전성 물질이 배치되지 않는 개구된 영역으로 잔류할 수 있다.
따라서, 패턴 전극(141d)이 제1 전극(110)이 배치되는 평면 상에서 원 형상으로 형성될 뿐만 아니라, 제2 전극(120) 또한 제1 대향 패턴 전극(151d)을 포함하므로, 액정 렌즈(1104)를 제1 방향(X) 또는 제2 방향(Y)에서 시인하는 경우와, 제1 방향(X)과 제2 방향(Y) 사이 방향에서 시인하는 경우의 표시 품질 차이를 더욱 최소화할 수 있다.
도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 패턴을 포함하는 액정 렌즈의 사시도이고, 도20은 도 19에 도시된 액정 렌즈를 제2 방향으로 바라본 단면도이다.
도 20에 도시된 단면도는 액정 렌즈(1105)를 제2 방향(Y)으로 바라보되, 제3 방향(Z)의 역방향으로 진행하며 제1 점(P1)을 관통하는 직선과 제3 방향(Z)의 역방향으로 진행하여 제2 점(P2)을 관통하는 직선이 배치되는 평면상의 단면을 도시한다.
도 19를 참조하면, 도 2 및 도 3에 도시된 실시예와는 달리, 제1 전극(110)이 제2 기판(102) 상(도면상으로, 하부)에 배치되고, 제2 전극(120)이 제1 기판(101) 상에 배치된다. 이에 따라, 도 8 및 도 9에 도시된 실시예에 따라 액정층(130)에 형성되는 전계와 역방향의 전계가 형성되므로, 액정(131) 배열은 도 8 및 도 9에 도시된 실시예에 따른 액정(131) 배열과 반대 방향으로 기울어질 수 있다.
본 실시예에 따르면, 제2 모드인 경우에 단위 패턴(140e)의 중심을 통과하는 광은 가장 큰 굴절률을 갖게 되며, 단위 패턴(140e)의 가장자리를 통과하는 광은 가장 작은 굴절률을 갖게 되므로, 이전 실시예들과 마찬가지로 광을 집광할 수 있다. 즉, 제1 전극(110)의 배치와 제2 전극(120)의 배치는 서로 바뀔 수 있으며, 제1 전극(110)과 제2 전극(120)의 배치가 서로 바뀌더라도 동일한 특성을 갖는 액정 렌즈로서 기능할 수 있다.
이는, 개구부(142e)가 제1 전극(110)이 배치되는 평면상에서 정사각형 형상으로 형성되는 경우뿐만 아니라, 개구부(142e)가 기타 다른 형상을 갖는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 패턴을 포함하는 액정 렌즈의 사시도이고, 도22는 도 21에 도시된 액정 렌즈를 제2 방향으로 바라본 단면도이다.
도 22에 도시된 단면도는 액정 렌즈(1106)를 제2 방향(Y)으로 바라보되, 제3 방향(Z)의 역방향으로 진행하며 제1 점(P1)을 관통하는 직선과 제3 방향(Z)의 역방향으로 진행하여 제2 점(P2)을 관통하는 직선이 배치되는 평면상의 단면을 도시한다.
본 실시예에 따르면, 제2 전극(120)은 제2 대향 패턴(150f)을 더 포함한다.
제2 대향 패턴(150f)은 단위 패턴(140f)에 대응하는 영역을 의미하며, 제2 대향 패턴 전극(151f) 및 제2 대향 개구부(152f)를 포함한다.
제2 대향 패턴 전극(151f)은 제2 대향 패턴(150f)의 가장자리 내측을 따라 접하도록 배치되며, 제2 대향 개구부(152f)는 제2 대향 패턴 전극(151f)의 내측에 배치된다. 제2 대향 패턴 전극(151f)은 상술한 패턴 전극(141f)과 동일한 설명이 적용될 수 있으며, 제2 대향 개구부(152f)는 상술한 개구부(141f)와 동일한 설명이 적용될 수 있다.
다만, 제2 전극(120)에 배치되는 제2 대향 개구부(152f)는 제1 전극(110)에 배치되는 개구부(142f)에 의하여 오버랩될 수 있다. 이는, 제2 대향 개구부(152f)와 개구부(142f)가 동일한 면적으로 서로 오버랩되도록 형성된다면, 액정층(130)에 형성되는 전계는 주로 제3 방향(Z)을 향하여만 형성되고, 방향성이 약해지므로, 원활하게 광 조절 기능을 수행할 수 없기 때문이다.
본 실시예에서는, 제2 대향 개구부(152f)가 개구부(142f)에 의하여 오버랩하며 더 넓은 면적에 배치되는 구조를 예시하였으나, 이에 제한되지 아니하고, 제2 대향 개구부(152f)가 개구부(142f)를 오버랩하며 더 넓은 면적에 배치되는 구조가 적용될 수도 있다.
도 23은 본 발명의 다른 실시예에 따른 액정 렌즈의 사시도이다.
본 실시예에 따른 액정 렌즈(1107)는, 도 2에 도시된 실시예에 따른 액정 렌즈(1100)와는 달리, 각각의 단위 패턴(140g)이 매트릭스 배열되지 않는다.
즉, 본 실시예에 따른 액정 렌즈(1100)는, 제1 방향(X)으로는 일대일 대응되도록 배치되되, 제2 방향(Y)으로는 일대다 대응되도록 배치될 수 있다. 본 실시예에서는 각각의 단위 패턴(140g)이 제2 방향(Y)으로 일대이(1:2) 대응되도록 배치된 것을 예시하였다.
단위 패턴(140g)을 이와 같이 형성하는 경우, 제2 모드에서 더욱 입체적인 영상을 표시할 수 있다.
도 24는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액정 렌즈의 사시도이고, 도 25는 도 24에 도시된 실시예에 따른 단위 패턴을 포함하는 액정 렌즈의 사시도이다.
본 실시예에 따른 액정 렌즈(1108)는, 도 2에 도시된 실시예에 따른 액정 렌즈(1100)와는 달리, 각각의 단위 패턴(140h)이 매트릭스 배열되지 않으며, 벌집 형상으로 배치된다. 이에 따라, 단위 패턴(140h)에 형성되는 개구부(142h)를 제1 전극(110)이 배치되는 평면상에서 정육각형 형상으로 형성하는 경우, 더욱 입체적인 영상을 표시할 수 있다.
도 26은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 패턴을 포함하는 액정 렌즈의 사시도이다.
본 실시예에 따른 단위 패턴(140i)은, 도 25에 도시된 단위 패턴(140h)과는 달리 제1 전극(110)이 배치되는 평면상에서 원 형상으로 형성되는 개구부(142i)를 포함한다.
개구부(142i)가 제1 전극(110)이 배치되는 평면상에서 원 형상으로 형성됨에 따라, 액정 렌즈를 제1 방향(X) 또는 제2 방향(Y)에서 시인하는 경우와, 제1 방향(X)과 제2 방향(Y) 사이 방향에서 시인하는 경우의 표시 품질 차이를 최소화할 수 있다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치의 단면도이다.
도 27은 액정 렌즈로 도 8에 도시된 실시예에 따른 액정 렌즈(1100)를 채용하고, 광 제공 장치로서 액정 표시 패널을 적용한 예를 도시한다.
도 33을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치는 액정 표시 패널(200) 및 액정 렌즈(1100)를 포함한다.
액정 표시 패널(200)은 서로 대향하는 하부 기판(210)과 상부 기판(220), 및 이들 사이에 개재된 액정분자층(230)을 포함한다. 하부 기판(210) 상에는 매트릭스 형태로 배열되도록 정의된 복수의 화소 영역(PA1~PA6)들마다 화소 전극(211)이 형성되어 있다. 화소 전극(211)은 박막 트랜지스터와 같은 스위칭 소자에 연결되어 개별적으로 화소 전압을 인가받는다.
상부 기판(220)의 아래에는 화소 전극(211)과 대향하는 공통 전극(224)이 배치되어 있다. 상부 기판(220)에는 화소 영역(PA1~PA6)별로 대응하여 R, G 및 B 컬러 필터(221)가 배치될 수 있다. 화소 영역(PA1~PA6)의 경계에는 블랙 매트릭스(222)가 형성될 수 있다. 컬러 필터(221) 및 공통 전극(224) 사이에는 평탄화막(223)이 개재될 수 있다.
하부 기판(210)과 상부 기판(220) 사이에는 액정분자층(230)이 개재된다. 액정분자층(230)의 액정분자들은 화소 전극(211)과 공통 전극(224) 사이에 형성되는 전계에 의해 회전하여 액정 표시 패널(200)의 투과율을 제어한다.
하부 기판(210) 및 상부 기판(220)의 외측에는 각각 상기 편광판이 부착될 수 있다. 전술한 바와 같이, 액정 렌즈(1100)의 제1 기판(101)의 외측면에도 상기 편광판이 부착될 수 있다. 이 경우, 상부 기판 상의 편광판은 생략될 수 있다.
액정 표시 패널(200)의 하측에는 백라이트 어셈블리(미도시)가 배치될 수 있다.
액정 표시 패널(200) 상에는 액정 렌즈(1100)가 배치된다. 도면에서는 액정 렌즈(1100)가 액정 표시 패널(200)과 이격되어 배치된 예를 도시하고 있지만, 이에 제한되는 것은 아니며, 액정 렌즈(1100)가 액정 표시 패널(200)에 부착될 수도 있다.
액정 렌즈(1100)의 단위 패턴(140)은 액정 표시 패널(200)의 복수의 화소 영역(PA1~PA6)에 대응하도록 배치될 수 있다. 본 실시예는 6개의 화소 영역(PA1~PA6)과 하나의 단위 패턴(140)이 상호 대응되는 경우를 예시한다. 즉, 하나의 단위 패턴(140)의 폭 내에 R, G, B, R, G, B의 6개의 화소 영역(PA1~PA6)이 배열된다.
이와 같은 표시 장치에서, 액정 렌즈(1100)를 제1 모드로 구동시키면, 액정 렌즈(1100)가 광 경로를 특별히 변조시키지 않으므로, 표시 장치는 2D 영상을 표시할 수 있다. 반면, 도시된 바와 같이, 액정 렌즈(1100)를 제2 모드로 구동시키면, 표시 장치는 3D 영상을 표시할 수 있다.
제2 모드에서의 액정 렌즈(1100)의 광학 특성은 전술한 바와 같이, 볼록 렌즈와 유사하다. 따라서, 단위 패턴(140)의 중앙을 기준으로 좌측에 배열된 R, G, B 세개의 화소 영역(PA1, PA2, PA3)으로부터 단위 패턴(140)에 입사된 광은 마치 볼록렌즈의 좌측 영역을 통과하는 것처럼 광 경로가 변조되므로, 우측 방향으로 휘어져간다. 반면, 단위 패턴(140)의 중앙부를 기준으로 우측에 배열된 R, G, B 세개의 화소 영역(PA4, PA5, PA6)으로부터 단위 패턴(140)에 입사된 광은 마치 볼록렌즈의 우측 영역을 통과하는 것처럼 광 경로가 변조되므로, 좌측 방향으로 휘어져간다. 위 광들이 각각 관찰자의 좌안 및 우안에 입력되면, 관찰자는 3차원 영상을 인식할 수 있다.
본 도면에 도시된 실시예에서는 하나의 단위 패턴(140)의 폭 내에 6개의 화소 영역(PA1~PA6)을 배열시키는 것을 예시하였으나, 하나의 단위 패턴(140)의 폭 내에 더 많은 화소 영역을 배열시킬 수도 있으며, 이 경우 다시점 3차원 영상 구동이 가능해진다. 또, 상술한 것처럼 액정 렌즈(1100)의 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)에 인가되는 전압을 조절하면, 액정 렌즈(1100)의 초점 거리를 바꿀 수 있으므로, 3차원 시청이 가능한 시점의 거리를 조절할 수 있다. 예를 들어, 관찰자가 리모콘을 통해 표시 장치에 시점 전환 모드를 작동시키고, 그 응답으로 액정 렌즈(1100)의 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)에 인가되는 전압이 순차적으로 바뀌면서 시점이 전후방으로 이동하도록 하면, 편리하게 3차원 영상 시청 가능 시점을 찾을 수 있다.
본 발명의 다른 몇몇 실시예에서, 액정 표시 패널(200)의 상부 기판(220)은 액정 렌즈(1100)의 제1 기판(101)과 공유될 수 있다. 따라서, 액정 표시 패널(200)의 상부 기판(220) 및 액정 렌즈(1100)의 제1 기판(101) 중 어느 하나는 생략될 수 있다. 더 나아가, 액정 표시 패널(200)의 공통 전극(224)과 액정 렌즈(1100)의 제1 전극(110) 중 어느 하나가 생략되고 공유될 수도 있다.
본 실시예에서는 광 제공 장치(20)로서 액정 표시 패널(200)을 적용한 것을 예시하였지만, 앞서 설명한 것처럼, OLED, LED, 무기 EL, FED, SED, PDP, CRT, 전기영동 표시 장치 등을 적용할 수도 있다.
또한, 본 실시예에서는 액정 렌즈(1100)로서 도 8의 실시예에 따른 액정 렌즈(1100)를 채용한 경우를 예시하였지만, 그 밖의 본 발명의 다양한 실시예에 따른 액정 렌즈가 적용될 수 있음은 자명하다
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10, 1100, 1101, 1102, 1103, 1104, 1105, 1106, 1107, 1108: 액정 렌즈
20: 광 제공 장치
30: 표시 장치
101: 제1 기판
102: 제2 기판
110: 제1 전극
120: 제2 전극
130: 액정층
131: 액정
140: 단위 패턴
141: 패턴 전극
142: 개구부

Claims (20)

  1. 영상을 제공하는 광 제공 장치; 및
    상기 광 제공 장치 상에 배치된 액정 렌즈를 구비하고,
    상기 액정 렌즈는,
    서로 대향하는 제1 전극 및 제2 전극;
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 개재되는 액정층을 포함하되,
    상기 제1 전극은 적어도 하나의 단위 패턴을 포함하고,
    상기 단위 패턴은 상기 단위 패턴의 가장자리 내측을 따라 접하는 패턴 전극 및 상기 패턴 전극의 내측에 배치되는 개구부를 포함하며,
    제1 방향에서 상기 단위 패턴의 가장자리로부터 상기 개구부까지의 거리는 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향에서 상기 단위 패턴의 가장자리로부터 상기 개구부까지의 거리보다 작으며,
    상기 제1 방향은 상기 영상의 시야각 향상을 크게 하기 위한 방향인 표시 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 개구부는 상기 제1 전극이 배치되는 평면상에서 직사각형 형상으로 형성되는 표시 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 서로 대향하는 제1 전극 및 제2 전극;
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 개재되는 액정층을 포함하되,
    상기 제1 전극은 적어도 하나의 단위 패턴을 포함하고,
    상기 단위 패턴은 상기 단위 패턴의 가장자리 내측을 따라 접하는 패턴 전극 및 상기 패턴 전극의 내측에 배치되는 개구부를 포함하며,
    상기 패턴 전극은 상기 단위 패턴의 가장자리 내측을 따라 접하는 제1 서브 패턴 전극 및 상기 제1 서브 패턴 전극의 내측을 따라 접하는 제2 서브 패턴 전극을 포함하고,
    상기 제1 서브 패턴 전극의 높이와 상기 제2 서브 패턴 전극의 높이는 서로 상이한 액정 렌즈.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 단위 패턴의 장축의 길이는 200um 이하인 표시 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 제1 전극이 배치되는 평면과 평행하도록 배치되는 평탄한 면으로 형성되는 표시 장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제1 항에 있어서,
    각각의 상기 단위 패턴은 서로 동일한 모양으로 형성되고, 매트릭스 배열되는 표시 장치.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 광 제공 장치; 및
    상기 광 제공 장치 상에 배치된 액정 렌즈로서,
    서로 대향하는 제1 전극 및 제2 전극,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 개재되는 액정층을 포함하되,
    상기 제1 전극은 적어도 하나의 단위 패턴을 포함하고,
    상기 단위 패턴은 상기 단위 패턴의 가장자리 내측을 따라 접하는 패턴 전극 및 상기 패턴 전극의 내측에 배치되는 개구부를 포함하는 액정 렌즈를 포함하며,
    상기 제2 전극은 적어도 하나의 대향 패턴을 더 포함하되,
    상기 대향 패턴은 상기 대향 패턴의 가장자리 내측을 따라 접하는 대향 패턴 전극 및 상기 대향 패턴 전극의 내측에 배치되는 대향 개구부를 포함하고,
    상기 대향 개구부는 상기 개구부와 중첩하며,
    상기 대향 개구부의 면적은 상기 개구부의 면적과 상이한 표시 장치.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 광 제공 장치는 상기 액정 렌즈로 광을 제공하되,
    상기 광은 하나의 방향으로 편광된 표시 장치.
  18. 제16 항에 있어서,
    상기 광 제공 장치는 표시 패널을 포함하는 표시 장치.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 표시 패널은 OLED(Organic Light Emitting Diode), LED, 무기 EL(Electro Luminescent display), FED(Field Emission Display), SED(surface-conduction electron-emitter display), PDP(Plasma Display Panel), CRT(Cathode Ray Tube), LCD(Liquid Crystal Display), 및 전기영동 표시장치(Electrophoretic Display, EPD) 중 어느 하나인 표시 장치.
  20. 제18 항에 있어서,
    상기 표시 패널은 매트릭스 배열되는 복수의 화소를 포함하되,
    상기 단위 패턴은 2 이상의 상기 화소와 중첩되는 표시 장치.
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