KR20050075778A - 광학 필터 - Google Patents

Abstract

3차원 입체 영상 표시를 위한 광학 필터의 구조가 개시된다. 개시된 광학 필터는, 편광의 방향을 일정 각도로 돌려주는 수단과 렌즈 어레이와 일정한 광축을 가진 리타더 층을 포함한다. 완성된 광학 필터를 표시 장치에 부착하여 2D와 3D 전환이 가능하고 2D 대비 휘도 저하가 없는 3차원 입체 영상 표시 장치를 구현할 수 있다.

Description

광학 필터{OPTICAL FILTER}

본 발명은 광학 필터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 입체 영상 표시 장치용 광학 필터에 관한 것이다.

최근 액정 표시 장치(liquid crystal display; LCD), 유기 발광(organic electro-luminescence) 표시 장치, 플라스마 표시 장치(plasma display panel; PDP) 등의 평판 표시 장치가 활발히 개발되고 있다.

액정 표시 장치는 일반적으로 공통 전극과 색 필터(color filter) 등이 형성되어 있는 상부 기판과 박막 트랜지스터와 화소 전극 등이 형성되어 있는 하부 기판 사이에 액정 물질을 주입해 놓고 화소 전극과 공통 전극에 서로 다른 전위를 인가함으로써 전계를 형성하여 액정 분자들의 배열을 변경시키고, 이를 통해 빛의 투과율을 조절함으로써 화상을 표현하는 장치이다.

플라스마 표시 장치는 기체 방전에 의해 생성된 플라즈마를 이용하여 문자 또는 영상을 표시하는 평면 표시 장치로서, 그 크기에 따라 수십에서 수백 만개 이상의 픽셀(pixel)이 매트릭스(matrix)형태로 배열되어 있다. 이러한 PDP는 인가되는 구동 전압 파형의 형태와 방전 셀의 구조에 따라 직류형(DC형)과 교류형(AC형)으로 구분된다.

유기 발광(organic electro-luminescence)은 형광성 유기 물질을 전기적으로 여기 발광시켜 화상을 표시하는 표시 장치로서, 정공 주입 전극(애노드)과 전자주입 전극(캐소드)과 이들 사이에 형성되어 있는 유기 발광층을 포함하고, 유기 발광층에 전하를 주입하면, 전자와 정공이 쌍을 이룬 후 소멸하면서 빛을 내는 자기발광형 표시 장치이다.

이러한 표시 장치는 화상을 효과적으로 표시하기 위해서는 3차원으로 표시할 수 있는데, 이를 위해서는 표시 장치의 화면 표시부 전면에 광학 필터를 추가로 부착하는 것이 바람직하다. 미국특허 제6459532호에 의하면 개시된 픽셀 구조의 전면에 배리어를 위치시키고 배리어 피치가 픽셀 피치의 2배가 되게 함으로써 양안 시차가 생기게 하여 입체 영상을 표시하게 된다.

미국특허 제6459532호의 구조는 안경을 쓰지 않고도 입체 영상을 구현할 수 있다는 장점은 있지만 2D에 비해 3D에서 휘도 저감이 문제가 된다.

한편 SID 2003 LP.1에 개시된 바에 따르면, 액정 표시 장치 앞에 편광 기동 마이크로렌즈와 전기적으로 동작하는 편광 회전 수단 및 편광판을 위치시켜 액정 표시 장치에서 나오는 편광의 방향에 따라 마이크로렌즈의 기능이 사라지기도 하고 발휘되기도 하게 함으로써 2D와 3D 전환 가능한 장치를 개시하고 있다. 이 구조는 휘도 특성이 우수한 무안경식 3D 디스플레이를 구현할 수 있는 장점이 있지만, 편광판을 탈부착하는 단계가 추가되어야 하고 2D와 3D 모드별로 별개의 감마 회로를 준비해야 하며 특정 모드에서 칼라 특성이 저하되는 단점을 지닌다. 그리고 무엇보다 제조가 어렵다는 것이 큰 단점이다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 단순한 제조 단계를 가지고 휘도 특성이 우수하며 제조 경비 및 수율 면에서 월등하게 우수한 무안경식 입체 영상 디스플레이용 광학 필터를 제공하는 것이다.

이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 표시 장치용 광학 필터는,

표시 장치에 부착되고 전기적으로 동작하는 편광 회전 수단, 그리고

상기 편광 회전 수단에 부착되는 렌즈 어레이(Lens array)를 일정한 광축을 가진 리타더 층으로 코팅한 편광 기동 마이크로렌즈

를 포함하고,

상기 리타더 층의 광축 방향 또는 광축에 수직한 방향의 굴절율과 상기 렌즈 어레이의 굴절율과의 차이가 소정 범위 이내이다.

상기 편광 회전 수단은 45도 내지 120도 사이의 꼬임각을 갖는 네마틱(Nematic) 상의 액정 셀(cell)로 이루어질 수 있다.

상기 편광 회전 수단은 녹색 파장의 1/2 위상차를 가지는 ECB 모드 액정 셀로 이루어질 수 있다.

상기 리타더 층으로 코팅되어 있는 상기 편광 기동 마이크로렌즈의 표면은 평탄한 표면인 것이 바람직하다.

상기 리타더 층의 광축은 상기 편광 회전 수단에서 방출되는 편광 방향과 수직 또는 평행이 되도록 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 표시 장치용 광학 장치는,

전기적으로 동작하는 제1 편광 회전 수단,

상기 제1 편광 회전 수단에 부착되고 렌즈 어레이를 일정한 광축을 가진 리타더 층으로 코팅한 편광 기동 마이크로렌즈, 그리고

상기 제1 편광 회전 수단과 표시 장치 사이에 위치하며, 전기적으로 동작하지 않는 제2 편광 회전 수단

을 포함하고,

상기 리타더 층의 광축 방향 또는 광축에 수직한 방향의 굴절율과 상기 렌즈 어레이의 굴절율의 차이가 소정 범위 이내이다.

상기 제1 편광 회전 수단은 45도 내지 120도 사이의 꼬임각을 갖는 네마틱 상의 액정 셀로 이루어질 수 있다.

상기 렌즈 어레이는 기둥 모양이며, 상기 리타더 층의 광축은 상기 렌즈 어레이의 상기 기둥 방향과 나란하게 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 표시 장치용 광학 장치는,

표시 장치에 부착되고 전기적으로 동작하는 제1 편광 회전 수단,

기둥 모양의 렌즈 어레이를 일정한 광축을 가진 리타더 물질로 코팅한 편광 기동 마이크로렌즈, 그리고

상기 제1 편광 회전 수단과 상기 편광 기동 마이크로렌즈 사이에 위치하며, 전기적으로 동작하지 않는 제2 편광 회전 수단

을 포함하고,

상기 리타더 물질의 광축 방향 또는 광축에 수직한 방향의 굴절율과 상기 렌즈 어레이의 굴절율의 차이가 소정 범위 이내이다.

상기 리타더 물질의 광축은 상기 제2 편광 회전 수단에서 방출되는 편광 방향과 수직 또는 평행이 되도록 형성되는 것이 바람직하다.

상기 표시 장치는 액정 표시 장치, 유기 발광 표시 장치, 그리고 플라스마 표시 장치 중 어느 하나일 수 있다.

본 발명은 표시 장치 앞에 편광 회전 수단을 놓고, 편광 회전 수단 앞에 편광기동 마이크로렌즈를 놓는다. 본 발명에서 표시 장치는 편광판을 떼어 낸다든지 감마(Gamma) 회로를 2가지로 해야 한다든지 할 필요가 없이 그대로 사용할 수 있다. 표시 장치에서 나오는 편광은 편광 회전 수단에 의해 편광 방향이 일정한 각도로 회전하게 되고, 이 편광이 편광 기동 마이크로렌즈에 입사된다. 편광 기동 마이크로렌즈는 렌즈 어레이(Lens array)에 리타더 층이 일정한 광축을 가지고 코팅되어 있다.

렌즈 어레이 굴절률과 리타더 층의 굴절률이 다를 때, 렌즈 어레이와 리타더 층의 계면에서 빛의 굴절이 일어나 렌즈 특성이 나타나고, 양안 시차가 생겨 3D 화면이 보이게 된다. 렌즈 어레이 굴절률과 리타더 층의 굴절률이 같으면, 렌즈 어레이와 리타더 층의 계면에서 굴절이 일어나지 않고 빛이 그대로 통과하여 2D 화면이 표시된다. 편광 기동 마이크로렌즈의 리타더 층은 광축 방향으로는 굴절율이 렌즈의 굴절율과 같고 광축과 수직한 방향으로는 굴절율이 렌즈의 굴절율과 다르게 되어 있다.

편광 회전 수단은 상하 기판에 전극이 형성되어 있고 일정한 꼬임각을 갖는 액정 셀(Cell)로 구성된다. 전압을 인가하지 않으면 일정한 꼬임각을 갖는 상태가 되고 여기에 입사되는 편광은 액정을 꼬임을 따라 회전하게 된다. 전압을 인가하면 액정이 모두 일어서고 여기에 입사되는 편광은 회전 없이 그대로 통과하게 된다.

이러한 편광 회전 수단의 동작에 의해 전압을 인가하지 않으면 편광이 렌즈 어레이 상에 코팅된 리타더 층의 광축과 나란한 방향이 되고 렌즈 어레이의 굴절율과 리타더 층의 굴절율이 같음으로 인해 렌즈 특성이 사라지게 된다. 즉, 평범한 2D 화면을 나타내게 된다.

편광 회전 수단에 전압을 인가하면, 표시 장치에서 나오는 편광 방향이 편광 회전 수단에 의해 회전하지 않고 그대로 통과하여 편광 기동 마이크로렌즈에 입사된다. 이때는 편광이 렌즈 어레이에 코팅된 리타더 층의 광축과 수직하게 되어 렌즈 특성이 나타나게 된다. 즉 3D 화면을 나타내게 된다.

본 발명은 종래 발명이 지닌 원가 상승 문제 및 색 특성 저하 문제, 제조의 어려움 등을 완벽하게 극복할 수 있는 장점을 지닌다.

이하 본 발명의 실시예에 따른 광학 필터 구조를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학 필터의 구조를 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명은 액정 표시 장치, 유기 발광 표시 장치, 플라스마 표시 장치 등과 같은 표시 장치에 부착되고 전기적으로 동작하는 편광 회전 수단(32); 렌즈 어레이(Lens array) 상에 일정한 광축을 가진 리타더 물질을 코팅한 편광 기동 마이크로렌즈(33);를 포함하고 상기 리타더 물질은 광축 방향 또는 광축에 수직한 방향의 굴절율이 렌즈 어레이의 굴절율과 상당 부분 근접한 것을 특징으로 하는 입체영상 표시 장치용 광학 필터를 제공한다.

상기 렌즈 어레이는 표시 장치의 화소 피치의 2배가 되는 피치를 갖는 기둥 모양의 렌즈들로 구성될 수 있다. 표시 장치에서 세로 줄 무늬 패턴으로 좌우 영상이 교차하여 표시되고 이것이 기둥 모양의 렌즈들을 통과하면서 좌우 영상 각각 일정한 광로를 가지고 관찰자의 좌우안에 각각 입사되어 입체 영상을 느끼게 해 준다. 렌즈 어레이 제조는 일반적으로 PMMA 등의 재료를 사용하고 금형 사출 작업을 통해 제작된다. 보다 선명한 3D 화면을 위해서 렌즈의 곡률 반경이 정확하게 형성되어야 한다. 렌즈의 초점 거리가 길수록 곡률 반경이 커져 휘도는 다소 저하되나 렌즈 제작이 용이하다. 본 발명은 종래보다 렌즈의 초점 거리가 길어 렌즈 제작이 용이한 장점도 지닌다.

상기 편광 회전 수단(32)은 약 45도에서 120도 정도의 꼬임각을 갖는 네마틱(Nematic)상의 액정 셀(cell)로 구성할 수 있다. 상기 편광 회전 수단(32)에 투명 전극이 형성되어 전압을 인가하지 않을 때, 꼬임각을 갖는 액정 셀로서 동작하여 편광을 일정 각도로 회전시킨다. 전압을 인가하면 액정이 일어서게 되어 편광을 회전시키지 않는다.

한편 녹색(green) 파장의 1/2의 위상차를 가지는 ECB 모드 액정 셀(cell)로도 편광 회전 수단을 구성할 수 있다. 양의 유전율 이방성을 가진 ECB 모드 액정 셀일 경우, 전압을 인가하지 않을 때, 녹색 파장의 1/2의 위상차를 가지게 되어 입사되는 편광을 일정 방향으로 회전시킨다. 전압을 인가하면 액정이 일어서게 되어 편광을 회전시키지 않는다. 음의 유전율 이방성을 가진 ECB 모드 액정 셀일 경우, 전압을 인가하지 않을 때, 액정이 모두 일어서 있는 수직 배향 모드가 되어 편광을 회전시키지 않는다. 전압을 인가하면 액정이 눕게 되면서 녹색 파장의 1/2의 위상차를 가지게 되어 편광을 일정 각도로 회전시킨다.

상기 리타더 층은 렌즈 어레이의 요철 표면을 충분히 덮어서 외부적으로 평탄한 표면 형상을 가질 정도의 두께로 코팅하는 것이 바람직하다. 리타더 층은 광학적 이방성을 가진 물질로 이루어진다. 광학적 이방성 물질로는 광가교성(Photo linkable) 액정이 바람직하다.

리타더 층을 이루는 광학적 이방성 물질을 일정 방향으로 정렬시키기 위해서는 일정한 고분자 막을 렌즈 어레이 표면에 코팅해야 한다. 고분자 막에 적절한 표면처리를 해줌으로써 고분자 막의 분자들이 일정 방향으로 정렬한다. 그 위에 광학적 이방성 물질을 코팅하면 고분자 막 분자들의 정렬 방향대로 광학적 이방성 물질도 정렬하게 된다. 정렬된 광학적 이방성 물질을 열이나 광을 통해 고착시킴으로써 편광기동 마이크로 렌즈가 완성된다.

상기 리타더 층의 광축은 편광 회전 수단(32)에서 방출되는 편광 방향과 수직 또는 평행이 되도록 형성하는 것이 바람직하다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 동작을 설명한다. 도 2a 및 도 2b에서 리타더 층의 광축은 기둥 모양의 렌즈 어레이의 기둥 방향과 나란하게 되어 있다. 도 2a 및 도 2b는 리타더 층의 광축 방향 굴절률이 렌즈 어레이 굴절률과 같은 경우로서, 도 2a에서와 같이 편광 회전 수단에 전압을 인가하지 않으면 편광 회전 수단(32)에서 방출되는 편광 방향과 리타더 층의 광축 방향이 평행하게 되고, 렌즈 효과가 사라져 2D 화면을 표시하게 된다. 도 2b에서와 같이 편광 회전 수단에 전압을 인가하면 편광 회전 수단(32)에서 방출되는 편광 방향과 리타더 층 광축 방향이 수직되고, 렌즈 효과가 나타나 3D 화면을 표시하게 된다.

만일 리타더 층의 광축에 수직한 방향 굴절률이 렌즈 어레이 굴절률과 같다면 도 2a 및 도 2b와 반대로 동작할 것이다.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예를 들어, 본 발명에서 표시 장치와 전기적으로 동작하는 편광 회전 수단의 사이 또는 전기적으로 동작하는 편광 회전 수단과 편광 기동 마이크로렌즈의 사이에 전기적으로 동작하지 않는 편광 회전 수단을 삽입하여 편광 기동 마이크로렌즈에 입사되는 편광 방향을 보정할 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구 범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 액정 표시 장치 앞에 편광 회전 수단을 놓고, 편광 회전 수단 앞에 편광 기동 마이크로렌즈를 배치하여 입체 영상 디스플레이용 광학 필터를 구성하는 것으로서, 본 발명에 의하면 제조가 쉽고 휘도 특성이 우수한 특성을 가지는 무안경식 입체 영상 디스플레이용 광학 필터를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 입체 영상 표시 장치용 광학 필터의 개략도이다.

도 2a는 본 발명에 따른 입체 영상 표시 장치용 광학 필터의 2D 모드 동작을 보여주는 도면이다.

도 2b는 본 발명에 따른 입체 영상 표시 장치용 광학 필터의 3D 모드 동작을 보여주는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

20; 액정 표시 장치 11; 픽셀 구조

31; 편광판 32; 편광 회전 수단

33; 편광 기동 마이크로 렌즈

Claims (11)

1. 표시 장치에 부착되고 전기적으로 동작하는 편광 회전 수단, 그리고

   상기 편광 회전 수단에 부착되는 렌즈 어레이(Lens array)를 일정한 광축을 가진 리타더 층으로 코팅한 편광 기동 마이크로렌즈

   를 포함하고,

   상기 리타더 층의 광축 방향 또는 광축에 수직한 방향의 굴절율과 상기 렌즈 어레이의 굴절율과의 차이가 소정 범위 이내인

   표시 장치용 광학 필터.
2. 제1항에서,

   상기 편광 회전 수단은 45도 내지 120도 사이의 꼬임각을 갖는 네마틱(Nematic) 상의 액정 셀(cell)로 이루어지는 표시 장치용 광학 필터.
3. 제1항에서,

   상기 편광 회전 수단은 녹색 파장의 1/2 위상차를 가지는 ECB 모드 액정 셀로 이루어지는 표시 장치용 광학 필터.
4. 제1항에서,

   상기 리타더 층으로 코팅되어 있는 상기 편광 기동 마이크로렌즈의 표면은 평탄한 표면인 표시 장치용 광학 필터.
5. 제1항에서,

   상기 리타더 층의 광축은 상기 편광 회전 수단에서 방출되는 편광 방향과 수직 또는 평행이 되도록 형성되는 표시 장치용 광학 필터.
6. 전기적으로 동작하는 제1 편광 회전 수단,

   상기 제1 편광 회전 수단에 부착되고 렌즈 어레이를 일정한 광축을 가진 리타더 층으로 코팅한 편광 기동 마이크로렌즈, 그리고

   상기 제1 편광 회전 수단과 표시 장치 사이에 위치하며, 전기적으로 동작하지 않는 제2 편광 회전 수단

   을 포함하고,

   상기 리타더 층의 광축 방향 또는 광축에 수직한 방향의 굴절율과 상기 렌즈 어레이의 굴절율의 차이가 소정 범위 이내인

   표시 장치용 광학 필터.
7. 제6항에서,

   상기 제1 편광 회전 수단은 45도 내지 120도 사이의 꼬임각을 갖는 네마틱 상의 액정 셀로 이루어지는 표시 장치용 광학 필터.
8. 제6항에서,

   상기 렌즈 어레이는 기둥 모양이며, 상기 리타더 층의 광축은 상기 렌즈 어레이의 상기 기둥 방향과 나란하게 형성되는 표시 장치용 광학 필터.
9. 표시 장치에 부착되고 전기적으로 동작하는 제1 편광 회전 수단,

   기둥 모양의 렌즈 어레이를 일정한 광축을 가진 리타더 물질로 코팅한 편광 기동 마이크로렌즈, 그리고

   상기 제1 편광 회전 수단과 상기 편광 기동 마이크로렌즈 사이에 위치하며, 전기적으로 동작하지 않는 제2 편광 회전 수단

   을 포함하고,

   상기 리타더 물질의 광축 방향 또는 광축에 수직한 방향의 굴절율과 상기 렌즈 어레이의 굴절율의 차이가 소정 범위 이내인

   표시 장치용 광학 필터.
10. 제9항에서,

    상기 리타더 물질의 광축은 상기 제2 편광 회전 수단에서 방출되는 편광 방향과 수직 또는 평행이 되도록 형성되는 표시 장치용 광학 필터.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에서,

    상기 표시 장치는 액정 표시 장치, 유기 발광 표시 장치, 그리고 플라스마 표시 장치 중 어느 하나인 표시 장치용 광학 필터.