KR20050006160A - 컬러 엘씨오에스 마이크로 디스플레이 장치 - Google Patents
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Abstract
컬러 LCoS 마이크로 디스플레이 장치는, CMOS 실리콘 후면(backplane), 금속 반사 어레이(metal reflector array), 하부 LC 어라인먼트층, LC 층, 상부 LC 어라인먼트층, 투명 전도층 및 커버 글래스 기판으로 이루어지며, 상기 상부 LC 어라인먼트층과 상기 커버 글래스 기판 사이에 마이크로 다이크로익 필터 어레이(micro-dichroic-filter array)를 구비한다. 상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이의 각 픽셀은 상기 금속 반사 어레이의 픽셀과 대응한다. 그리고, 상기 금속 반사 어레이의 상기 픽셀들은 또한, DC 전압 또는 펄스의 인가에 의해 각기 활성화하는 전극 역할을 하게 된다. 이와 같이, 단일 패널 프로젝션 컬러 디스플레이 시스템이 완성된다.
Description
고선명 텔레비전(HDTV)의 개발로 인하여, 플라즈마 디스플레이 플레이트(PDP), 박막 트랜지스터(TFT), 디지털 마이크로미러 디바이스(DMD) 및 실리콘 상층 액정(LCoS) 기술과 같이 많은 새로운 디스플레이 기술이 제시되었다. 이러한 기술들 중 LCoS는 높은 해상도와 낮은 단가로 인해 가장 장래성이 있는 기술 중 하나이다.
종래의 LCoS 장치들은 모두 단색이었다. 컬러 프로젝션 장치에서는, 복잡한 광학 시스템이 조사되는 백색광을 3원색(RED, GREEN 및 BLUE)의 광 빔(beam)들로 분리하고, 세개의 종래의 LCoS 장치로 각기 투사한 후, 컬러 이미지를 형성하기 위하여 세개의 변조된 광 빔들을 하나의 빔으로 합성하였다. 상기 광학 시스템은 매우 복잡하고 비싸며 성능이 낮은 문제점이 있다.
본 발명은 광전자공학(opto-electronics)에 관한 것으로서, 특히 컬러 엘씨오에스(LCoS)(liquid crystal on silicon) 마이크로 디스플레이 장치에 관한 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 컬러 마이크로 디스플레이 장치의 단면도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 컬러 마이크로 디스플레이 장치의 마이크로 다이크로익 필터 어레이의 모양 및 배열을 도시한 도이다(a. 정사각형 구조, b. 벌집 구조).
도 3 은 벌집 구조의 마이크로 다이크로익 필터 어레이의 픽셀 모양의 예시도이다.
본 발명의 목적은, 단일 패널 컬러 디스플레이에 사용될 수 있으며 이에 따라 더욱 간단하고 성능이 개선된 광학 시스템을 만들 수 있는 컬러 LCoS 마이크로 디스플레이 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 픽셀의 모양을 조정함으로써 왜곡이 적은 컬러 LCoS 마이크로 디스플레이 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은, IC 구조를 갖는 실리콘 후면(backplane), 금속 반사체 어레이, 하부 액정(LC) 어라인먼트층(alignment layer), 액정층, 상부 액정 어라인먼트층, 투명 전도층, 마이크로 다이크로익 필터 어레이 및 커버 글래스 기판(cover glass plate)으로 이루어지는 컬러 LCoS 마이크로 디스플레이 장치를 제공한다. 상기 실리콘 후면, 금속 반사 어레이, 하부 액정 어라인먼트층, 액정층, 상부 액정 어라인먼트층, 투명 전도층 및 커버 글래스 기판은, 상기 상부 액정 어라인먼트층과 상기 커버 글래스 기판 사이에 위치하는 상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이와 함께 상기 순서대로 봉인된다. 두개의 액정 어라인먼트층 사이의 간격은 0.5㎛ 내지 10㎛가 되도록 한다. 상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이의 각 픽셀의 모양과 크기는, 상기 금속 반사 어레이의 대응하는 픽셀과 동일 또는 유사하며, 상기 대응하는 픽셀들은 패키징 과정중에 함께 정렬된다. 상기 금속 반사 어레이의 각 픽셀은 또한 전극이 되며, 상기 실리콘 후면 하부의 IC를 통해 적용되는 DC 전압 또는 펄스에 의해 구동될 수 있다.
백색의 선형 편광된 광 빔(beam)이 본 발명에 따른 장치를 조사하면, 광의 일부는 편광이 변경되지 않은 채 상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이에 의해 반사되는 반면, 광의 나머지 일부는 상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이 및 상기 액정층을 통과한 후, 금속 반사 어레이의 상기 픽셀들에 적용된 상기 DC 전압 또는 펄스의 폭에 따라 편광 방향이 회전하면서 상기 금속 반사 어레이에 의해 반사된다. 이에 따라, 편광 빔 분배기(PBS)는 상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이로부터 직접 반사된 상기 광의 일부 및 상기 금속 반사 어레이로부터 반사된 상기 광의 일부를 분리하는데 사용될 수 있다. 상기 금속 반사체 어레이로부터 반사된 상기 광의 일부가 이미지 정보를 전송하기 위하여 변조되기 때문에, 상기 프로젝션 렌즈를 통해 컬러 디스플레이용으로 투사될 수 있다. 그리고, 상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이로부터 직접 반사된 상기 광의 일부는 광 효율을 높이기 위하여 재생 기구(recycle equipment)에 의해 재사용될 수 있다.
본 발명은 마이크로 다이크로익 필터 어레이를 LCoS 장치에 삽입함으로써, 새로운 단일 패널 컬러 디스플레이 솔루션을 제공한다. 이는 컬러 프로젝션 시스템을 크게 간소화시키며, 이에 따라 크기와 비용을 감소시키고 효율성과 신뢰성을 높이게 된다.
상기 상부 LC 어라인먼트층과 상기 투명 전도층 사이 또는, 상기 투명 전도층과 상기 커버 글래스 기판 사이에 위치하는 상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이는 적색, 녹색 및 파랑색 색상의 세개의 마이크로 다이크로익 필터들을 포함한다. 세개의 마이크로 필터들은 적색, 녹색 및 파랑색 영역의 빛을 각기 전송하고, 다른 스펙트럼의 빛은 차단한다. 상기 각 마이크로 필터는 서로 다른 굴절지수 (refractive index)를 갖는 두개 또는 그 이상의 유전물질(dielectric material)로이루어진 다중층을 포함한다. 전체 두께는 대략 1㎛ 내지 5㎛가 된다.
누출을 줄이기 위하여, 인접한 마이크로 필터들의 각각의 쌍 사이의 공간으로는, Al, Cr, Ni, Cu 또는 그들의 합금과 같은 물질로 이루어진 대략 0.3 내지 1㎛ 두께를 갖는 불투명 코팅이 형성된다. 이는 이미지 품질을 더욱 향상시킬 수 있으며, 콘트라스트를 더욱 증가시키고 장치의 수명을 더욱 늘릴 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이의 각 컬러의 픽셀들의 영역을 조절함으로써 상기 장치의 컬러 균형을 개선하는 것이다. 예를 들면, 상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이의 기본 구조가 적색, 녹색 및 파랑색 마이크로 필터들의 세개의 직사각형을 포함하는 정사각형이고, 상기 세개의 직사각형 영역들은 컬러 균형에 따라 동일하거나 달라질 수 있다.
또 다른 예로서, 상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이의 기본 구조가 적색, 녹색 및 파랑색 마이크로 필터의 세개의 평행사변형을 포함하는 육각형이고, 상기 어레이는 다수의 상기 육각형 기본 구조로 이루어진 벌집 모양을 이룬다. 상기 육각형 기본 구조의 유효 길이는 상기 평행사변형들의 내부 각도와 측면 길이를 조절함으로써 유효 폭과 매우 근접하게 조절되고, 이에 따라 디스플레이 이미지가 왜곡되지 않게 된다. 그리고, 적색, 녹색 및 파랑색 픽셀들의 영역들은 컬러 균형을 유지하기 위해 서로 다르다.
도면을 참조하면, 도 1 은 본 발명에 따른 컬러 마이크로 디스플레이 장치의 단면도이다. 상기 컬러 마이크로 디스플레이 장치는, IC 구조를 갖는 실리콘 후면(1), 금속 반사체 어레이(2), 두개의 LC 어라인먼트층들(3) 사이에 끼워진 LC 층(4), 투명 전도층(5), 3원색의 마이크로 다이크로익 필터 어레이(6) 및 커버 글래스 기판(7, cover glass plate)을 포함한다.
(도 1 에 도시한 바와 같이) 상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이(6)는 상기 투명 전도층(5)과 상기 커버 글래스 기판(7) 사이에 위치할 수 있다. 또한, 상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이(6)는 상부 LC 어라인먼트층(3)과 상기 투명 전도층(5) 사이에 위치할 수도 있다. 상기 두개의 LC 어라인먼트층들(3) 사이의 간격은 대략 0.5㎛ 내지 10㎛가 되도록 하며, 최상의 결과를 위하여 1㎛ 내지 6㎛ 또는 2㎛ 내지 3㎛ 가 되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이(6)의 픽셀들의 수량, 모양, 크기 및 배열은, 상기 실리콘 후면(1) 상에 코팅된 상기 금속 반사 어레이(2)의 픽셀과 일치한다. 그리고, 상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이(6)와 상기 금속 반사 어레이(2) 모두의 픽셀들은 함께 정렬된다. 상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이(6)의 각 픽셀은, 3원색, 즉 적색, 녹색 및 파랑색를 각기 전송하고, 다른 스펙트럼의 가시광은 반사하는, 다중층을 이루는 유전체의 광학 코팅들로 이루어진다.
상기 금속 반사 어레이(2)의 각 픽셀은 마이크로 반사체 뿐만 아니라 마이크로 전극이 되어, 상기 실리콘 후면(1) 하부의 IC에 의해 전압 또는 펄스를 적용하기 위하여 선택될 수 있다. 상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이(6)의 상기 픽셀들 사이의 스페이서(8, spacer)는 대략 0.3㎛ 내지 1㎛가 되고, 광의 누출을 방지하기 위하여 스페이서(8)는 Al, Cr, Ni, Cu 또는 그들의 합금과 같은 불투명한 물질로 코팅되어야 한다.
제조 공정에 대하여 설명하면, (대략 10mm 내지 50mm 비스듬한) 실리콘 기판(1)이 표준 CMOS 프로세스를 통해 어드레서블 픽셀 어레이(addressable pixel array) 상에 만들어진 후, 알루미늄과 같은 금속 반사체(2)로 픽셀들이 코팅된다. 실리콘 기판(1)과 유사한 크기를 갖는 투명 유리 기판(7)은, 사진 평판술(photolithography) 및 진공 코팅 디포지션(vacuum coating deposition)의 조합에 의해, 적색, 녹색 및 파랑색 마이크로 다이크로익 필터 어레이(6) 상에 코팅된다.
평탄화 이후에, 코팅된 글래스 기판은 다음으로 투명 전도층(5)으로 코팅된다. 코팅된 글래스 기판과 코팅된 실리콘 칩 모두 LC 어라인먼트층(3) (PI 또는 그와 유사한 것)에 의해 코팅되고, 배양을 위해 (기계적 러빙(mechanical rub) 또는 그와 유사하게) 처리된다. 상기 두개의 처리된 기판들은 서로 간에 0.5㎛ 내지10㎛의 셀갭(cell gap)을 갖고 서로 대향하며 봉인된다. 상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이 및 상기 금속 반사 어레이의 대응하는 픽셀들은 함께 정렬되고, 다음으로 셀은 적절한 액정(LC) 물질(4)로 채워짐으로써 본 발명에 따른 컬러 LCoS 장치를 완성하게 된다.
도 2 는 본 발명에 따른 컬러 마이크로 디스플레이 장치의 마이크로 다이크로익 필터 어레이의 모양 및 배열을 나타낸 도이다. 도 2(a)에서는 상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이의 각 픽셀이 직사각형이고, 상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이의 기본 구조가 각기 적색(R), 녹색(G) 및 파랑색 (B)의 세개의 픽셀들로 이루어지는 정사각형을 이룬다. 이미지 픽셀에 대응되는 상기 기본 구조가 정사각형이기 때문에, 이미지가 왜곡되지 않게 된다. RGB 픽셀들의 상대적 폭의 비율을 조절함으로써 이미지의 컬러 채도를 조절할 수 있으며, 광원 또는 광학 시스템으로 인한 일부 컬러의 손실을 보정하는데 사용될 수 있다. 그러나, 보정 이후에 일부 픽셀들의 폭대 길이의 비율이 더 커질 수 있으며, 이는 특히 픽셀 크기가 제조 한계(manufacturing limitation)에 근접하는 고선명 장치들에 대하여 몇가지 제조의 곤란함을 초래할 수 있다.
도 2(b)는 상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이의 모양 및 배열의 또 다른 예이다. 상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이의 기본 구조는, 평행사변형 모양을 이루는 적색, 녹색 및 파랑색 세개의 픽셀들을 포함하는 육각형 모양을 이룬다. 그리고, 전체 어레이는 육각형을 이루는 상기 기본 구조의 벌집 구조로 배열된다. 상기 육각형의 유효 길이는 상기 육각형의 내부 각도 및 측면 길이들을 조절함으로써 폭에 가까워질 수 있으며, 왜곡을 방지할 수 있다.
도 3 은 도 2(b)에 도시된 바와 같은 벌집 구조의 특별한 예이다. 기본 구조는, 측면 길이가 대략 4㎛ 내지 10㎛인 세개의 다이아몬드 형상의 RGB 픽셀들로 이루어진 육각형을 이룬다. 녹색 픽셀(9) 및 파랑색 픽셀(10)의 모양은 동일한데, 즉 양자 모두 내부 각도가 50° 내지 56°이고, 바람직하게는 53°를 이룬다. 그리고, 다른 픽셀인 적색 픽셀의 모양은 다이아몬드 모양으로, 내부 각도가 70° 내지 78°이고, 바람직하게는 74°를 이룬다. 이에 따라, 적색 픽셀 영역은 녹색 또는 파랑색 픽셀 영역보다 얇으며, 이는 종래의 UHP 램프의 적색 스펙트럼이 적은 것을 보정할 수 있다.
본 발명은 상기에서 기술한 특징 및 실시례에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다른 방법으로 실시될 수 있는 것으로 이해되어져야 한다.
Claims (12)
- 실리콘 상층 액정(LCoS) 기반의 컬러 마이크로 디스플레이 장치로서,CMOS IC 구조를 갖는 실리콘 기판;금속 반사체 어레이;하부 어라인먼트층;액정층;상부 어라인먼트층;투명 전도층;마이크로 다이크로익 필터 어레이; 및커버 글래스 기판(cover glass plate)을 포함하고,a. 상기 금속 반사 어레이 및 상기 하부 어라인먼트층을 포함하는 상기 실리콘 기판, 상기 액정층, 상기 상부 어라인먼트층 및 투명 전도층을 포함하는 상기 커버 글래스 기판이 하나의 패키지로 봉인되고, 상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이가 상기 상부 어라인먼트층과 상기 커버 글래스 기판 사이에 배치되며, 상기 두개의 어라인먼트층들 사이의 거리가 0.5㎛ 내지 10㎛ 사이이고,b. 상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이의 각 필셀의 크기 및 모양이, 상기 금속 반사 어레이의 각 픽셀 하나하나와 동일하거나 유사하고, 상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이의 각 픽셀이 상기 금속 반사 어레이의 픽셀과 대응하고,c. 상기 금속 반사 어레이의 각 픽셀이, 상기 실리콘 기판 하부의 상기 CMOSIC를 통해 적용되는 DC 전압 또는 전자 펄스에 의해 활성화될 수 있는 전극이 되는 것을 특징으로 하는 컬러 LCoS 디스플레이 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 두개의 어라인먼트층 사이의 거리가 1㎛ 내지 6㎛ 사이인 것을 특징으로 하는 컬러 LCoS 디스플레이 장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 두개의 어라인먼트층 사이의 거리가 2㎛ 내지 4㎛ 사이인 것을 특징으로 하는 컬러 LCoS 디스플레이 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이가 상기 상부 어라인먼트층과 상기 투명 전도층 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 컬러 LCoS 디스플레이 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이가 상기 투명 전도층과 상기 커버 글래스 기판 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 컬러 LCoS 디스플레이 장치.
- 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이가 3원색(RGB)에 해당하는 세종류의 다이크로익 필터들을 포함하고, 각 필터는 서로 다른 굴절률을 갖는 적어도 두 종류의 유전 물질들로 이루어진 교차하는 유전 박막층들의 다중층을 포함하고, 상기 다중층의 전체 두께가 1㎛ 내지 5㎛ 사이인 것을 특징으로 하는 컬러 LCoS 디스플레이 장치.
- 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,두개의 상기 마이크로 다이크로익 필터 마다의 간격이 0.3㎛ 내지 1㎛이고, 상기 간격 영역이, 알루미늄, 크롬, 니켈, 구리, 철, 아연, 티타늄, 금, 은, 백금, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈, 지르코늄, 탄소 및 그들의 합금과 같은 불투명한 물질들로 코팅되는 것을 특징으로 하는 컬러 LCoS 디스플레이 장치.
- 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이의 각 기본 셀의 모양이, RGB 각각의 세개의 직사각형 모양을 이루는 다이크로익 필터들을 포함하는 정사각형 모양인 것을 특징으로 하는 컬러 LCoS 디스플레이 장치.
- 제 8 항에 있어서,RGB의 서로 다른 컬러를 갖는 상기 직사각형 모양의 다이크로익 필터들의 영역들이 서로 다른 것을 특징으로 하는 컬러 LCoS 디스플레이 장치.
- 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,상기 마이크로 다이크로익 필터 어레이의 각 기본 셀의 모양이, 평행사변형 모양을 이루는 RGB 각각의 세개의 다이크로익 필터들로 이루어진 육각형 모양이고, 전체 어레이가 벌집 구조로 상기 기본 셀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 컬러 LCoS 디스플레이 장치.
- 제 10 항에 있어서,RGB의 서로 다른 컬러를 갖는 상기 평행사변형 모양의 다이크로익 필터들의 영역들이 서로 다른 것을 특징으로 하는 컬러 LCoS 디스플레이 장치.
- 제 11 항에 있어서,각 RGB 다이크로익 필터의 모양이 마름모꼴을 이루고, 두개의 마름모꼴들의 모양이 50° 내지 56°의 하나의 내부 각도를 가지며 동일하고, 나머지 모름모꼴이 70° 내지 78°의 내부각도를 갖는 것을 특징으로 하는 컬러 LCoS 디스플레이 장치.
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