KR20000044175A - 박막형 미러 어레이 패널을 포함하는 투사형 화상표시 장치 - Google Patents

Abstract

박막형 미러 어레이(TMA) 패널을 포함하는 투사형 화상표시 장치가 개시되어 있다. 상기 장치는 백색광을 방출하는 광원, 백색광을 적색, 녹색 또는 청색의 색 광선으로 분리하기 위하여 적색, 녹색 및 청색을 각각 투과시키는 다수의 컬러 필터들이 스퀘어 패턴으로 순차적으로 배열되어 있는 컬러 바 어레이, 컬러 바 어레이를 통과한 색 광선의 플럭스를 집중시키기 위한 소오스 스톱, 소오스 스톱을 통과한 색 광선을 반사시키기 위한 미러의 화소들로 구성되며, 각 미러가 스크린 상에 표시되는 다수의 화소들 중 대응되는 하나의 화소의 세기에 상응하는 변형 크기로 변형되는 TMA 패널, TMA 패널의 각 미러로부터 반사된 색 광선의 플럭스를 집중시키기 위한 프로젝션 스톱, 그리고 프로젝션 스톱을 통과한 색 광선을 스크린 상에 투사하기 위한 프로젝션 렌즈를 구비한다. 컬러 필터들 간의 경계 영역에 의한 색순도의 저하 및 광손실을 감소시킬 수 있다.

Description

박막형 미러 어레이 패널을 포함하는 투사형 화상표시 장치

본 발명은 투사형 화상표시 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단판식 박막형 미러 어레이(Thin-film Micromirror Array-actuated; 이하 TMA라 칭함) 패널을 포함하는 투사형 화상표시 장치에 있어서 컬러휠(color wheel)을 이용하여 컬러화상을 표시할 수 있는 투사형 화상표시 장치에 관한 것이다.

광학 에너지를 스크린 상에 투영하기 위한 광로조절 장치 또는 공간적 광변조기는 광통신, 화상 처리 및 정보 디스플레이 장치와 같은 다양한 분야에 응용될 수 있다. 통상적으로 이러한 광변조기를 이용한 화상 처리 장치들은 광학 에너지를 스크린 상에 표시하는 방법에 따라 직시형 화상표시 장치와 투사형 화상 표시 장치로 구분된다.

직시형 화상표시 장치의 예로서는 CRT(Cathode Ray Tube)를 들 수 있는데, 이러한 CRT 장치는 소위 브라운관으로 불리는 것으로서 화질은 우수하나 화면의 대형화에 따라 그 중량과 용적이 증가하여 제조 비용이 상승하게 되는 문제가 있다. 투사형 화상표시 장치로는 액정표시 장치(LCD), DMD(Deformable Mirror Device) 및 AMA(Actuated Mirror Array)를 들 수 있다. 이러한 투사형 화상표시 장치는 다시 그들의 광학적 특성에 따라 2개의 그룹으로 나뉠 수 있다. 즉, LCD와 같은 장치는 전송 광변조기로 분류될 수 있는데 반하여, DMD 및 AMA는 반사 광 변조기로 분류될 수 있다.

LCD와 같은 전송 광변조기는 광학적 구조가 매우 간단하므로, 얇게 형성하여 중량을 가볍게 할 수 있으며 용적을 줄이는 것이 가능하다. 그러나, 빛의 극성으로 인하여 광효율이 낮으며, 액정재료에 고유하게 존재하는 문제, 예를 들면 응답 속도가 느리고 그 내부가 과열되기 쉬운 단점이 있다. 또한, 현존하는 전송 광변조기의 최대 광효율은 1∼2% 범위로 한정되며, 수용 가능한 디스플레이 품질을 제공하기 위해서 암실 조건을 필요로 한다. 따라서, 상술한 문제점들을 해결하기 위하여 DMD 및 AMA와 같은 광변조기가 개발되었다.

DMD는 5% 정도의 비교적 양호한 광효율을 나타내지만, DMD에 채용된 힌지 구조물에 의해서 심각한 피로 문제가 발생할 뿐만 아니라, 매우 복잡하고 값비싼 구동 회로가 요구된다는 단점이 있다.

AMA는 그 내부에 설치된 각각의 미러들이 광원으로부터 입사되는 빛을 소정의 각도로 반사하고, 상기 반사된 빛이 슬릿이나 핀홀과 같은 개구를 통과하여 스크린에 투영되어 화상을 맺도록 광속을 조절할 수 있는 장치이다. 따라서, 그 구조와 동작 원리가 간단하며, LCD나 DMD에 비해 높은 광효율(10% 이상의 광효율)을 얻을 수 있다. 또한, 스크린에 투영되는 화상의 콘트라스트가 향상되어 보다 밝고 선명한 화상을 얻을 수 있다.

AMA의 각 액츄에이터는 인가되는 전기적인 화상 신호 및 바이어스 전압에 의하여 발생되는 전기장에 따라 변형을 일으킨다. 액츄에이터가 변형을 일으킬 때 그 상부에 장착된 각각의 미러들이 경사지게 된다. 따라서, 경사진 미러들은 광원으로부터 입사된 빛을 소정의 각도로 반사시켜 스크린 상에 화상을 맺을 수 있도록 한다. 각각의 미러들을 구동하는 액츄에이터로서 PZT(Pb(Zr, Ti)O₃), 또는 PLZT((Pb, La)(Zr, Ti)O₃) 등의 압전물질이 이용된다. 또한, PMN(Pb(Mg, Nb)O₃) 등의 전왜 물질로서 액츄에이터를 구성할 수도 있다.

이러한 AMA는 크게 벌크형과 박막형으로 구분된다. 벌크형 AMA는 Gregory Um 등에게 허여된 미합중국 특허 제5,085,497호에 개시되어 있다. 벌크형 AMA는 다층 세라믹을 얇게 절단하여 내부에 금속 전극이 형성된 세라믹 웨이퍼를 트랜지스터가 내장된 액티브매트릭스에 장착한 후, 쏘잉 방법으로 가공하고 그 상부에 미러를 설치함으로써 이루어진다. 그러나, 벌크형 AMA는 설계 및 제조에 있어서 매우 높은 정밀도가 요구되며, 변형층의 응답이 느리다는 단점이 있다. 이에 따라, 최근에는 반도체 제조 공정을 이용하여 제조할 수 있는 박막형 AMA(TMA)가 개발되었다. 예를 들면, 본 출원인이 대한민국 특허청에 특허출원한 특허출원 제95-13353호(발명의 명칭 : 광로조절 장치의 제조방법)에 이러한 TMA가 개시되어 있다.

TMA는 현미경적인 미러들과 관련하여 박막 압전 액츄에이터를 이용하는 반사형 광변조기로서, 단판식으로 이루어진 미러의 300,000 개 이상의 화소(Pixel)에 걸쳐서 대규모 집적의 균등도를 갖도록 개발되어 왔다. 이러한 TMA는 각각 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)을 나타내는 640×480 화소의 패널들로 구성된다. 화소들은 광효율을 높이도록 미러의 표면적을 최대화하기 위해서 캔틸레버(cantilever) 구조물로 고안된다. 캔틸레버 구조물은 화상신호 전압이 인가되는 액티브매트릭스 및 인가된 신호 전압에 의해 작동되는 미러를 포함한다.

도 1은 단판식 TMA를 이용하여 순차적으로 적색, 녹색 및 청색의 광선들을 스크린 상에 투사하여 색광선(colored light)들에 상응하는 컬러 화상을 표시할 수 있는 종래의 투사형 화상표시 장치를 도시한다.

스크린 상에 컬러 화상을 표시하기 위해서는 적색, 녹색 및 청색의 3개의 광선들이 TMA와 같은 공간적 광변조기에 의해 변조되어야 하는데, 특히 단판식의 광변조기를 이용하는 투사 시스템에서는 이러한 광변조기에 순차적으로 적색, 녹색 및 청색광들을 조사시키기 위한 수단을 필요로 한다.

도 1을 참조하면, 종래의 투사형 화상표시 장치(10)는 광선을 방출하기 위한 170W 내지 250W의 할로겐 금속 램프(metal halide lamp)(11), 램프(11)로부터 방출된 광선을 균일하게 만들기 위한 광 파이프(15), 광 파이프(15)를 통과한 광선을 순차적으로 적색, 녹색 및 청색 광선으로 분리시키기 위한 컬러 휠(19), 광선을 집광시키기 위한 소오스 렌즈(12), 광선을 통과시키기 위한 개구(aperture)를 갖고 화상을 형성하는 광선의 양을 결정하는 소오스 스톱(13), 소오스 스톱(13)을 통과한 광선을 반사시키기 위한 소오스 미러(14), 소오스 스톱(13)의 이미지를 프로젝션 스톱(20)에 1:1로 대응시키기 위한 필드 렌즈(16), 다수의 미러를 구비하며 필드 렌즈(16)로부터 조사되는 광선의 세기를 변조시키기 위한 TMA 패널(18), 광선을 통과시키기 위한 개구를 가지며 TMA 패널(18)에 의해 변조된 광선의 플럭스를 집중시키기 위한 프로젝션 스톱(20), 그리고 프로젝션 스톱(20)을 통과한 광선을 스크린(도시하지 않음) 상에 투사하기 위한 프로젝션 렌즈(22)를 포함한다.

도 2는 컬러 휠(19)을 확대 도시한 평면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 컬러 휠(19)은 적색, 녹색 및 청색 투과 필터들(transmission filters)의 세 개의 컬러 단편들로 구성되며 모터와 같은 구동 장치에 의해 그 축에 대해 회전하면서 백색광의 컬러를 변화시킨다.

상기한 구조를 갖는 종래의 투사형 화상표시 장치(10)의 동작 원리를 간단히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 할로겐 금속 램프(11)로부터 방출된 백색광이 광 파이프(15)를 통과하면서 적절히 혼합되어 그 세기가 균일하게 만들어진 후, 컬러휠(19) 상에 조사된다. 컬러 휠(19)은 그것의 컬러 단편들이 순차적으로 백색광을 차단하도록 그 축에 대해 회전한다. 이에 따라, 백색광이 컬러휠(19)을 통과한 후에는 적색, 녹색 및 청색의 색광선들로 순차적으로 변하게 되며, 이러한 색광선들은 순차적으로 소오스 렌즈(12)에 의해 집광되어 소오스 스톱(13)의 개구를 통과한 후 소오스 미러(14) 상에 조사된다. 소오스 미러(14)로부터 순차적으로 반사된 색광선들은 필드 렌즈(16)를 통해 평행광으로 TMA 패널(18)에 순차적으로 조사된다.

TMA 패널(18)의 각 미러는 그 아래에 구비된 액츄에이터에 인가된 화상 신호에 따라 색광선들을 변조시킨다. 그 결과, TMA 패널(18)의 각 미러로부터 반사된 색광선들은 필드 렌즈(16)를 통해 프로젝션 스톱(20) 상에 조사된다.

프로젝션 스톱(20)의 전면에 입사된 색광선은 개구를 통과하지 못하고 전부 반사되며, 개구를 통과한 색광선만이 프로젝션 렌즈(22)에 의해 스크린 상에 투사됨으로써 그에 대응되는 컬러 화상을 표시한다. 예를 들어, 적색 광선이 TMA 패널(18)에 조사되면, 이때 TMA 패널(18)은 적색에 상응하는 화상을 형성시켜 스크린 상에 투사한다. 그리고, 순차적으로 녹색 광선에 의한 녹색 화상, 및 청색 광선에 의한 청색 화상이 스크린 상에 표시된다. 그러나, 육안으로는 적색, 녹색 및 청색 각각의 단색 화상들이 합쳐져서 모든 색상(full color)으로 인식된다.

상술한 종래의 투사형 화상표시 장치에 의하면, 컬러휠을 회전시키면서 백색광을 적색, 녹색 및 청색광으로 순차적으로 변화시킨다. 따라서, 광 파이프를 통과한 백색광이 컬러휠의 컬러 단편들, 예컨대 적색 단편과 청색 단편 사이의 경계 영역에 조사되면, 단색의 광선이 나오지 않고 두 영역에 걸쳐진 색상의 광선이 나오기 때문에 스크린 상에 표시되는 컬러 화상의 색 순도가 저하되는 문제가 발생한다. 또한, 이러한 색 순도의 저하를 방지하기 위하여 컬러 단편들 간의 경계 부위를 공백(blanking) 처리할 경우에는 광 손실이 크게 발생하게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 TMA 패널을 포함하는 투사형 화상표시 장치에 있어서 색 순도의 저하 및 광 손실을 방지할 수 있는 투사형 화상표시 장치를 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 투사형 화상표시 장치를 나타내는 개략도이다.

도 2는 도 1의 컬러휠을 확대한 평면도이다.

도 3은 본 발명에 의한 투사형 화상표시 장치를 나타내는 개략도이다.

도 4는 도 3의 컬러바 어레이를 확대 도시한 평면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 투사형 화상표시 장치 101 : 반사경

102 : 광원 103 : 광 파이프

105 : 컬러 바 어레이 104 : 소오스 렌즈

106 : 소오스 스톱 108 : 소오스 미러

110 : 필드 렌즈 112 : TMA 패널

114 : 프로젝션 스톱 116 : 프로젝션 렌즈

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 백색광을 방출하기 위한 광원, 백색광을 적색, 녹색 또는 청색의 색광선으로 분리하기 위하여 적색, 녹색 및 청색을 각각 투과시키는 다수의 컬러 필터들이 스퀘어 패턴으로 순차적으로 배열되어 있는 컬러 바 어레이(color bar array), 컬러 바 어레이를 통과한 색광선의 플럭스를 집중시키기 위한 소오스 스톱, 소오스 스톱을 통과한 색광선을 반사시키기 위한 미러의 화소들로 구성되며, 각 미러가 스크린 상에 표시되는 다수의 화소들 중 대응되는 하나의 화소의 세기에 상응하는 변형 크기로 변형되는 TMA 패널, TMA 패널의 각 미러로부터 반사된 색광선의 플럭스를 집중시키기 위한 프로젝션 스톱, 그리고 프로젝션 스톱을 통과한 색광선을 스크린 상에 투사하기 위한 프로젝션 렌즈를 구비하는 투사형 화상표시 장치를 제공한다.

본 발명에 의하면, 광원으로부터 방출되는 백색광을 균일하게 만들기 위한 광 파이프와 소오스 렌즈 사이에 컬러 바 어레이를 배치한다. 컬러 바 어레이에서는 적색, 녹색 및 청색의 컬러 필터들이 스퀘어 패턴으로 순차적으로 배열되어 있어 TMA 패널에 인가되는 적색, 녹색 및 청색 신호들에 1:1로 컬러 필터들을 대응시킴으로써, 컬러 필터들 간의 경계 영역에 의한 색 순도의 저하 및 광 손실을 감소시킬 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 의한 단판식 TMA를 이용하여 순차적으로 적색, 녹색 및 청색의 광선들을 스크린 상에 투사하여 상기 색광선들에 상응하는 컬러 화상을 표시할 수 있는 투사형 화상표시 장치를 도시한다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 투사형 화상표시 장치(100)는 반사경(101), 광원(102), 광 파이프(103), 컬러 바 어레이(105), 소오스 렌즈(104), 소오스 스톱(106), 소오스 미러(108), 필드 렌즈(110), TMA 패널(112), 프로젝션 스톱(114) 그리고 프로젝션 렌즈(116)를 포함한다.

광선들을 방출하기 위한 광원(102)은 바람직하게는, 170∼270W의 할로겐 금속 램프로서 스펙트럼에서 장파장의 적외선(LWIR) 내지 자외선(UV)을 방출한다. 반사경(101)은 소오스 렌즈(104)에 대해 반대 방향으로 광원(102)으로부터 방출되는 광선들을 반사시켜 다시 소오스 렌즈(104)로 향하게 하는 역할을 한다.

광 파이프(103)는 광원(102)으로부터 방출된 광선들을 혼합하여 적절히 섞은 후 컬러 바 어레이(105)로 조사하는 역할을 한다. 광 파이프(103)는 광 손실을 경감시키기 위해 비집속 전송이나 반사를 이용하는 광 전송 요소로서, 빛을 보다 균일하게 분배시키기 위해 사용된다. 구체적으로, 광 파이프(103)는 램프로부터 방출되는 원형 광선이 스톱이나 렌즈와 같은 광학 구성물을 통과할 때 그 일부분이 광학 구성물의 엣지부에서 손실되는 것을 방지하기 위하여 원형 광선의 손실 부위를 미리 컷팅하여 광 손실을 경감시키고, 전반사 면을 이용하여 빛의 각도 분배를 재분배하는 변환기(scrambler)의 역할을 하며, 램프의 후면에 위치한 반사경에 의해 야기되는 색 이동(color shift)을 감소시키는 역할을 한다.

컬러 바 어레이(105)는 도 4에 도시한 바와 같이, 적색, 녹색 및 청색을 각각 투과시키는 다수의 컬러 필터들이 스퀘어 패턴으로 순차적으로 배열되어 있는 구조를 갖는다.

소오스 렌즈(104)는 컬러 바 어레이(105)를 통과한 적색, 녹색 또는 청색 광선들을 평행광으로 집광시키는 역할을 한다. 소오스 스톱(106)은 광학적으로 불투명한 부재이며, 광선들을 통과시키도록 형성된 개구를 갖는다. 바람직하게는, 이 개구는 핀홀 또는 슬릿이다. 소오스 스톱(106)은 화상을 형성하는 광선들의 양을 결정한다. 소오스 미러(108)는 소오스 스톱(106)을 통과한 광선들을 반사시켜 그 경로가 TMA 패널(112)로 향하도록 변경시키는 역할을 한다.

필드 렌즈(110)는 소오스 스톱(106)의 이미지가 프로젝션 스톱(114)에 1:1로 대응되도록 하기 위하여, 소오스 스톱(106)을 통과한 각각의 광선들을 광 손실 없이 TMA 패널(112)로 조사하는 역할을 한다.

TMA 패널(112)은 조사된 광선들을 반사시키기 위한 다수의 미러를 포함하며, 각 미러는 그 아래에 구비된 액츄에이터에 인가되는 전기 신호에 따라서 광선들의 세기를 변조한다. 즉, 각 미러는 스크린 상에 표시되는 다수의 화소들 중에서 대응되는 하나의 화소의 세기에 상응하는 변형 크기로 변형된다.

프로젝션 스톱(114)은 광학적으로 불투명한 부재이며, 광학적으로 반사면인 전면 및 광선들을 통과시키도록 형성된 개구를 구비한다. 바람직하게는, 이 개구는 핀홀 또는 슬릿이다. 프로젝션 스톱(114)의 개구를 통과하는 광선의 플럭스는 TMA 패널(112)의 각 미러로부터 반사된 광선의 세기를 제어한다. 프로젝션 렌즈(116)는 프로젝션 스톱(114)의 개구를 통과한 광선들을 스크린(도시되지 않음) 상에 투사하여 그에 상응되는 화상을 표시하는 기능을 수행한다.

상술한 구조를 갖는 본 발명에 따른 투사형 화상표시 장치(100)의 작동 원리를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 할로겐 금속 램프와 같은 아크 램프로 이루어진 광원(102)으로부터 방출된 백색광들이 광 파이프(103)를 통과하면서 적절히 혼합되어 그 세기가 균일하게 만들어진 후 컬러 바 어레이(105) 상에 포커싱된다. 컬러 바 어레이(105)를 통과하면서 순차적으로 얻어지는 적색, 녹색 및 청색의 색광선들은 소오스 렌즈(104)에 의해 평행광이 되어 순차적으로 소오스 스톱(106)으로 향한다. 소오스 스톱(106)의 개구를 순차적으로 통과한 적색, 녹색 및 청색의 색광선들은 소오스 미러(108)로부터 반사되어 필드 렌즈(110)를 통해 평행광으로 TMA 패널(112)에 순차적으로 조사된다.

TMA 패널(112)의 각 미러는 그 아래에 구비된 액츄에이터에 인가된 신호에 따라서 색광선들을 변조한다. 만일, 특정 액츄에이터에 오프(OFF) 전압, 즉 제로(0)의 전압이 인가되면, 그 액츄에이터에 대응되는 미러가 틸팅되지 않으며 이에 따라 그 미러에 조사된 색광선들은 프로젝션 스톱(114)을 통과하지 못하게 된다.

만일, 특정 액츄에이터에 온(ON) 전압이 인가되면, 그 액츄에이터에 대응되는 미러가 틸팅되고 이에 따라 그 미러에 조사된 색광선들은 세기가 변조되어 프로젝션 스톱(114)의 개구를 통과한 후 프로젝션 렌즈(116)에 의해 스크린 상에 투사됨으로써 그에 대응되는 컬러 화상을 표시한다. 예를 들어, 적색 광선이 TMA 패널(112)에 조사되면, 이때 TMA 패널(112)은 적색에 상응하는 화상을 형성시켜 스크린 상에 투사한다. 그리고, 순차적으로 녹색 광선에 의한 녹색 화상 및 청색 광선에 의한 청색 화상이 스크린 상에 표시된다. 그러나, 육안으로는 적색, 녹색 및 청색 각각의 단색 화상들이 합쳐져서 모든 색상(full color)으로 인식된다.

상술한 바와 같이 본 발명의 투사형 화상표시 장치에 의하면, 광원으로부터 방출되는 백색광을 균일하게 만들기 위한 광 파이프와 소오스 렌즈 사이에 컬러 바 어레이를 배치한다. 컬러 바 어레이에서는 적색, 녹색 및 청색의 컬러 필터들이 스퀘어 패턴으로 순차적으로 배열되어 있으므로, 컬러 필터들 간의 경계 영역에 의한 색 순도의 저하 및 광 손실을 방지할 수 있으며 TMA 패널에 인가하는 화상 신호를 용이하게 제어할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (2)

1. 백색광을 방출하기 위한 광원(102);

   상기 백색광을 적색, 녹색 또는 청색의 색광선으로 분리하기 위하여 적색, 녹색 및 청색을 각각 투과시키는 다수의 컬러 필터들이 스퀘어 패턴으로 순차적으로 배열되어 있는 컬러 바 어레이(105);

   상기 컬러 바 어레이(105)를 통과한 색광선의 플럭스를 집중시키기 위한 소오스 스톱(106);

   상기 소오스 스톱(106)을 통과한 색광선을 반사시키기 위한 미러의 화소들로 구성되며, 각 미러가 스크린 상에 표시되는 다수의 화소들 중 대응되는 하나의 화소의 세기에 상응하는 변형 크기로 변형되는 박막형 미러 어레이(TMA) 패널(112);

   상기 TMA 패널(112)의 각 미러로부터 반사된 색광선의 플럭스를 집중시키기 위한 프로젝션 스톱(114); 그리고

   상기 프로젝션 스톱(114)을 통과한 색광선을 스크린 상에 투사하기 위한 프로젝션 렌즈(116)를 구비하는 것을 특징으로 하는 투사형 화상표시 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 광원(102)으로부터 방출되는 백색광을 균일하게 만들기 위하여 광원(102)과 컬러 바 어레이(105) 사이에 배치된 광 파이프(103)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 투사형 화상표시 장치.