KR20080048331A - 액정렌즈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액정렌즈에 관한 것으로서, 특히 3차원 영상 표현의 개선 및 높은 셀갭 유지 효과를 제공하는 액정렌즈에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 제1전극이 형성된 제1기판과; 상기 제1기판과 대향되며, 제1거리만큼 이격된 제2전극과, 상기 제2전극 상부에 제2거리만큼 이격된 제3전극이 형성된 제2기판과; 상기 제1기판과 제2기판 사이에 형성된 액정층과; 상기 제1기판과 제2기판 사이에 형성되며, 상기 제3전극과 중첩되는 영역에 형성되는 컬럼스페이서를 포함하는 액정렌즈를 제공하며, 3개의 전극을 이용하여 액정층을 구동하는 액정렌즈의 단부를 컬럼스페이서로 차단함으로써 상기 액정렌즈에 통해 글라스 렌지와 같은 형태의 굴절율 특성을 제공하는 것을 장점으로 한다. 이에 입사광 위상변화를 왜곡 없이 정밀하게 제어할 수 있어 3차원 영상의 개선효과를 높이고, 아울러 높은 셀 갭 유지 효과를 제공하여 고품위의 액정렌즈를 실현함으로써 제품 경쟁력을 제고하는 효과가 있다.

Description

액정렌즈{Liquid crystal Lens}
도1a 및 도1b는 각각 일반적인 액정렌즈의 사시도 및 단면도
도2는 도1a 및 도1b의 액정렌즈를 빛이 통과할 경우 입사광의 위상변화를 도시한 그래프
도 3은 본 발명에 따른 액정렌즈의 구성을 개략적으로 도시한 단면도
도 4는 본 발명에 따른 액정렌즈의 굴절율 분포를 도시한 그래프
도 5는 본 발명에 따른 액정렌즈에서 컬럼스페이서의 구성을 제외한 액정렌즈의 굴절율 분포를 도시한 그래프
<도면의 주요부분에 대한 간단한 설명>
110 : 액정렌즈 120 : 제1기판
122 : 제1전극 124 : 제1배향막
130 : 제2기판 132 : 제2전극
134 : 절연층 136 : 제3전극
138 : 제2배향막 140 : 액정층
150 : 컬럼스페이서
본 발명은 액정렌즈에 관한 것으로서, 특히 3차원 영상 표현의 개선 및 높은 셀갭 유지 효과를 제공하는 액정렌즈에 관한 것이다.
일반적으로 액정표시장치는 마주보는 2개의 전극과 그 사이에 형성되는 액정층으로 구성되는데, 2개의 전극에 전압을 인가하여 생성되는 전기장으로 액정층의 액정분자를 구동한다. 액정분자는 분극성질과 광학적 이방성(optical anisotropy)을 갖는데, 분극성질은 액정분자가 전기장 내에 놓일 경우 액정분자내의 전하가 액정분자의 양쪽으로 몰려서 전기장에 따라 분자배열 방향이 변화되는 것을 말하고, 광학적 이방성은 액정분자의 가늘고 긴 구조와 앞서 말한 분자배열 방향에 기인하여 입사광의 입사방향이나 편광상태에 따라 출사광의 경로나 편광상태를 달리 변화시키는 것을 말한다.
이에 따라 액정층은 2개의 전극에 인가되는 전압에 의하여 투과율의 차이를 나타내게 되고 그 차이를 화소별로 달리하여 영상을 표시할 수 있다.
최근에 이러한 액정분자의 특성을 이용하여 액정층이 렌즈 역할을 하게 하는 액정렌즈가 제안되었다.
즉, 렌즈는 렌즈를 구성하는 물질과 공기와의 굴절률 차이를 이용하여 입사광의 경로를 위치별로 제어하는 것인데, 액정층에 위치별로 서로 다른 전압을 인가 하여 위치별로 서로 다른 전기장에 의하여 액정층이 구동되도록 하면, 액정층에 입사하는 입사광은 위치별로 서로 다른 위상 변화를 느끼게 되고, 그 결과 액정층은 실제 렌즈와 같이 입사광의 경로를 제어할 수 있게 된다.
이러한 액정렌즈를 도면을 참조하여 설명한다.
도1a 및 도1b는 각각 일반적인 액정렌즈의 사시도 및 단면도이다.
도1a 및 도1b에 도시한 바와 같이, 일반적인 액정렌즈(10)는 마주보는 제1 및 제2기판(20, 30)과 제1 및 제2기판(20, 30) 사이에 형성된 액정층(40)으로 구성된다. 제1기판(20)의 내면 전체에는 제1전극(22)이 형성되어 있고, 제2기판(30)의 외면에는 이격거리(d)만큼 서로 이격된 제2전극(32)이 형성되어 있다.
제1 및 제2전극(22, 32)에 전압이 인가되면 두 전극 사이에는 전기장(electric field: E)이 형성되는데, 제2전극(32)이 제2기판(30)의 외면 전체에 형성되어 있지 않고 분리된 형태를 가지므로 완전한 수직 전기장이 형성되지 않고 제2전극(32)의 이격구간(32a)에서 멀리 떨어진 영역에는 제1 및 제2기판(20, 30)에 거의 수직한 전기장이 생성되는 반면, 제2전극(32)의 이격구간(32a)에 가까운 영역에는 제1 및 제2기판(20, 30)에 경사진 전기장이 생성된다.
따라서 제1 및 제2전극(22, 32)에 의하여 생성된 전기장(E)은 제2전극(32)의 이격구간(32a)으로부터의 거리에 따라 세기와 방향이 변하고, 그 결과 전기장(E)에 의하여 구동되는 액정층(40)도 제1 및 제2전극(22, 32)의 이격구간(32a)으로부터의 거리에 따라 입사광의 위상을 다르게 변화시킨다.
도2는 도1a 및 도1b의 액정렌즈를 빛이 통과할 경우 입사광의 위상변화를 도 시한 그래프이다. 도2에서는 비교를 위하여 빛이 실제 렌즈를 통과할 경우에 느끼는 위상변화를 함께 도시하였다.
도2에서, 제1, 2, 3곡선(40a, 40b, 40c)은 액정렌즈를 통과하는 빛의 위상변화를 보여주는 곡선이며, 제4곡선(40d)은 유리 등으로 구성되는 실제 렌즈를 통과하는 빛의 위상변화를 보여주는 곡선이다. 제1, 2, 3곡선(40a, 40b, 40c)에서 알 수 있듯이, 액정렌즈를 통과하는 빛의 위상변화는 제2전극(도1a 및 도1b의 32)의 이격구간(도1a 및 도1b의 32a)을 중심으로 좌우로 대칭을 이룬다.
예를 들어 제1, 2, 3곡선(40a, 40b, 40c)은 제2전극(도1a 및 도1b의 32)의 이격거리(도1a 및 도1b의 d)를 점점 크게 변화시킬 때의 곡선일 수 있는데, 이격거리(도1a 및 도1b의 d)를 적절히 조절한다고 해도 한계가 있어서 실제 렌즈처럼 완벽한 결과를 얻을 수는 없다. 즉, 제1, 2곡선(40a, 40b)은 전체적으로 제4곡선(40d)보다 위상변화가 적은 반면, 제3곡선(40c)은 전체적으로 제4곡선(40d)보다 위상변화가 많다.
이러한 결과는 액정렌즈의 위상변화 조절 변수가 적은 것이 기인하는 것으로, 액정렌즈에 있어서 위상변화를 조절할 수 있는 것은 제2전극(도1a 및 도1b의 32)의 이격거리(도1a 및 도1b의 d)와 제2전극(도1a 및 도1b의 32)에 인가되는 전압뿐이어서, 이를 적절히 조절한다고 해도 실제 렌즈에서의 위상변화와 동일한 곡선을 얻기는 어렵다.
이에 본 발명은 3개의 전극을 이용하여 액정층을 구동함으로써 상기 액정층에서의 입사광 위상변화를 정밀하게 제어할 수 있으며, 또한 3차원 영상의 개선효과를 높이고 높은 셀갭 유지 효과를 제공하는 액정렌즈를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 제1전극이 형성된 제1기판과; 상기 제1기판과 대향되며, 제1거리만큼 이격된 제2전극과, 상기 제2전극 상부에 제2거리만큼 이격된 제3전극이 형성된 제2기판과; 상기 제1기판과 제2기판 사이에 형성된 액정층과; 상기 제1기판과 제2기판 사이에 형성되며, 상기 제3전극과 중첩되는 영역에 형성되는 컬럼스페이서를 포함하는 액정렌즈를 제공한다.
상기 액정렌즈는, 상기 제1전극 상부에 형성되는 제1배향막과; 상기 제2전극과 제3전극 사이에 형성되는 절연막과; 상기 제3전극 상부에 형성되는 제2배향막을 더욱 포함한다.
상기 액정렌즈는, 상기 제3전극과 제2배향막 사이에 형성되는 보호막을 더욱 포함한다.
상기 제1거리는 제2거리보다 작은 거리인 것을 특징으로 한다.
상기 제1전극은 상기 제1기판의 일면 전체에 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 액정층은 상기 제1전극과 제3전극 사이에 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 컬럼스페이서는 수지로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 수지는 감광성의 유기수지인 것을 특징으로 한다.
상기 컬럼스페이서의 유전율은 상기 액정층에 포함된 액정분자의 장축 유전율보다 작고 또한 상기 액정분자의 단축 유전율보다 큰 것을 특징으로 한다.
상기 컬럼스페이서의 유전율(εc/s)은, 수식εc/s = 1/3(εL + 2εS)(여기서, εL은 액정분자의 장축 유전율, εS는 액정분자의 단축 유전율)과 같이 나타나는 것을 특징으로 한다.
상기 컬럼스페이서의 굴절율은 상기 액정층에 포함된 액정분자의 단축 굴절율과 같은 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 액정렌즈(110)의 구성을 개략적으로 도시한 단면도로서, 제1 및 제2기판(120, 130)과 액정층(140) 및 컬럼스페이서(150)로 구성된다.
상기 제1기판(120)은 제1전극(122)이 일면 전체에 걸쳐 형성되고, 상기 제1전극(122)의 상부에는 제1배향막(124)이 형성된다.
상기 제2기판(130)은 상기 제1기판(120)의 대향기판으로서, 도시된 바와 같이, 상기 제2기판(130)의 하면 양쪽 단부에는 서로 제1거리(d1)만큼 이격된 제2전극(132)이 형성되고, 상기 제2전극(132)의 하부와 노출된 제2기판(130)의 전면에는 절연막(134)이 형성된다.
아울러 상기 절연막(134) 하부 중 상기 제2전극(132)과 중첩되는 영역에는 제3전극(136)이 제2거리(d2) 만큼 이격되어 형성된다. 이때 상기 제2거리(d2)는 상기 제1거리(d1)보다 긴 거리이다.
상기 제2전극(132) 및 제3전극(136)은 ITO 등의 투명 도전성 물질 또는 금속 소재로 형성할 수 있으며, 특히 상기 제3전극(136)은 빛의 투과를 차단하기 위한 블랙매트릭스(BM) 역할을 수행하기 위해 금속 소재로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 제3전극(136)과 노출된 절연막(134) 하부에는 제2배향막(138)이 형성되는데, 상기 제1배향막(124)과 제2배향막(138)은 생략할 수 있다.
또한 상기 제3전극(136)과 제2배향막(138) 사이에는 별도의 보호막이 더욱 형성될 수도 있다.
아울러 상기 제1기판(120)과 제2기판(130) 사이, 다시 말해 상기 제1배향막(124)과 제2배향막(138) 사이에는 액정층(140)과 컬럼스페이서(150)가 형성된다.
상기 컬럼스페이서(150)는 서로 대향하는 제1 및 제2기판(120, 130)의 양 단부 사이에 구성되며, 바람직하게는 상기 제3전극(130)의 구성 영역에 중첩되도록 형성한다.
상기 컬럼스페이서(150)의 소재는 수지(resin)이며, 특히 감광성 유기 수지를 이용하여 포토리소그래피 공정을 통해 형성할 수 있으며, 상기 제1기판(120)과 제2기판(130)간 거리 또는 상기 제1배향막(124)과 제2배향막(138)간 거리로 표현되는 셀갭(cell gap)의 균일도를 향상시켜준다.
상기 컬럼스페이서(150)는 블랙매트릭스 역할을 겸하는 상기 제3전극(130)과 더불어 빛의 누수를 방지하며, 이에 상기 액정렌즈(110)를 통해 생성되는 입사광의 위상 변화, 즉 액정렌즈의 굴절률 n(x)를 액정렌즈(110)의 I-I 위치에서 살펴보면 도 4와 같다.
도 4의 그래프를 보면, 컬럼스페이서(150)가 형성된 부분(I-II 사이)에는 빛이 투과되지 못하므로 굴절률 그래프가 존재하지 않음과 더불어 II의 위치에 근접된 굴절율 그래프의 곡률이 변동없이 유지되는 것을 볼 수 있는데, 이는 상기 컬럼스페이서(150)의 형성 목적 중에 하나라고 할 수 있다.
즉, 도 5의 그래프를 같이 참조하여 설명하면, 도 5의 굴절률 그래프는 본 발명에서 제안한 컬럼스페이서(150)를 구성하지 않은 액정렌즈에서의 굴절률을 나타낸 그래프로서, 본 발명에 따른 액정렌즈(110)가 컬럼스페이서(150) 형성 부분에서 굴절률값을 나타내지 않는 반면에 상기 컬럼스페이서(150)를 형성하지 않은 액정렌즈에서는 도 5의 I-II 영역에 그래프의 곡률이 변화되는 변곡점을 가지는 별도의 굴절율값이 존재하는 것을 알 수 있다.
이는 본 발명에서와 같이 컬럼스페이서(150)를 형성하지 않고, 예를 들어 볼 스페이서(Ball spacer) 등을 형성할 경우 액정이 격리되지 않으므로 인접한 액정 렌즈의 액정끼리 서로 접촉되어 결국 높은 계면에너지에 의한 왜곡된 굴절율을 나타내고, 실제로 왜곡된 영상을 표시할 수도 있다.
그러나 본 발명과 같이 액정 렌즈의 경계에 컬럼스페이서(150)를 형성할 경우, 상기 컬럼스페이서(150) 대체 영역(I-II)을 투과한 빛이 상기 제2전극(132) 및 제3전극(136)의 개구부를 통해 출사하게 되고 이에 굴절율값이 나타나게 되지만, 상기 컬럼스페이서(150)에 의해 인접 액정렌즈간 액정이 서로 격리되어 그 계면에 너지가 매우 작아 실제로 상기 컬럼스페이서(150) 대체 영역(I-II)에 인접된 위치에서도 그래프의 곡률이 변곡점을 가지지 않는 형상으로 나타난다.
따라서 도 5의 영역(I-II)에서와 같이 그래프의 곡률이 변화되는 변곡점을 가지는 영역을 상기 컬럼스페이서(150)로 제거함으로서 글라스 렌즈와 같은 곡률의 변동이 없는 깔끔한 굴절율값을 제공하는 영역만을 제공함으로써 고품위의 3 차원 영상을 제공할 수 있다.
이러한 목적으로 구성된 상기 컬럼스페이서(150)는 물성 특징 중 유전율(εc/s)은 상기 제1 내지 제3전극(122,132,136) 이 형성하는 전계에 영향을 미치지 않는 범위 내에서는 어떤 유전율도 가능하나, 아래 수식(1)과 같은 관계를 가지는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 수식(2)을 만족하는 값을 가진다.
수식(1) εc/s = εS < εc/s < εL
수식(2) εc/s = 1/3(εL + 2εS)
상기 수식(1)(2)에서, εc/s는 컬럼스페이서(150)의 유전율, εL은 액정분자의 장축 유전율, εS는 액정분자의 단축 유전율을 나타낸다.
또한 상기 컬럼스페이서(150)의 굴절율(nc/s) 역시 영상을 왜곡하지 않는 범위의 유전율이면 가능하나, 글라스(glass) 수준의 굴절율을 가지는 것이 바람직하며, 수식(3)과 같이 상기 액정층(140)에 구성된 액정분자의 단축 굴절율 수준이어도 무방하다.
수식(3) nc/s = nS (nS는 액정분자의 단축 굴절율)
상기와 같이 설명한 본 발명에 따른 액정렌즈는, 3개의 전극을 이용하여 액정층을 구동하는 액정렌즈의 단부를 컬럼스페이서로 차단함으로써 상기 액정렌즈에 통해 글라스 렌즈와 같은 형태의 굴절율 특성을 제공하는 것을 장점으로 한다. 이에 입사광 위상변화를 왜곡 없이 정밀하게 제어할 수 있어 3차원 영상의 개선효과를 높이고, 아울러 높은 셀갭 유지 효과를 제공하여 고품위의 액정렌즈를 실현함으로써 제품 경쟁력을 제고하는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 제1전극이 형성된 제1기판과;
    상기 제1기판과 대향되며, 제1거리만큼 이격된 제2전극과, 상기 제2전극 상부에 제2거리만큼 이격된 제3전극이 형성된 제2기판과;
    상기 제1기판과 제2기판 사이에 형성된 액정층과;
    상기 제1기판과 제2기판 사이에 형성되며, 상기 제3전극과 중첩되는 영역에 형성되는 컬럼스페이서
    를 포함하는 액정렌즈
  2. 청구항 제 1 항에 있어서,
    상기 제1전극 상부에 형성되는 제1배향막과;
    상기 제2전극과 제3전극 사이에 형성되는 절연막과;
    상기 제3전극 상부에 형성되는 제2배향막
    을 더욱 포함하는 액정렌즈
  3. 청구항 제 2 항에 있어서,
    상기 제3전극과 제2배향막 사이에 형성되는 보호막
    을 더욱 포함하는 액정렌즈
  4. 청구항 제 1 항에 있어서,
    상기 제1거리는 제2거리보다 작은 거리인 것을 특징으로 하는 액정렌즈
  5. 청구항 제 1 항에 있어서,
    상기 제1전극은 상기 제1기판의 일면 전체에 형성되는 것을 특징으로 하는 액정렌즈
  6. 청구항 제 1 항에 있어서,
    상기 액정층은 상기 제1전극과 제3전극 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 액정렌즈
  7. 청구항 제 1 항에 있어서,
    상기 컬럼스페이서는 수지로 형성되는 것을 특징으로 하는 액정렌즈
  8. 청구항 제 7 항에 있어서,
    상기 수지는 감광성의 유기수지인 것을 특징으로 하는 액정렌즈
  9. 청구항 제 1 항에 있어서,
    상기 컬럼스페이서의 유전율은 상기 액정층에 포함된 액정분자의 장축 유전율보다 작고 또한 상기 액정분자의 단축 유전율보다 큰 것을 특징으로 하는 액정렌즈
  10. 청구항 제 1 항에 있어서,
    상기 컬럼스페이서의 유전율(εc/s)은, 수식 εc/s = 1/3(εL + 2εS)(여기서, εL은 액정분자의 장축 유전율, εS는 액정분자의 단축 유전율)과 같이 나타나는 것을 특징으로 하는 액정렌즈
  11. 청구항 제 1 항에 있어서,
    상기 컬럼스페이서의 굴절율은 상기 액정층에 포함된 액정분자의 단축 굴절 율과 같은 것을 특징으로 하는 액정렌즈
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