KR20090063699A - 액정 전계 렌즈 및 이를 적용한 입체 표시 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전계 인가 방식에 따라 구현되는 광경로차의 조건을 상이하게 하여 볼록 렌즈와 오목렌즈로 가변될 수 있는 액정 전계 렌즈 및 이를 적용한 입체 표시 장치에 관한 것으로, 본 발명의 액정 전계 렌즈는, 복수개의 렌즈영역이 대응되어 정의되며, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판과, 상기 제 1 기판 상의 각 렌즈 영역들에 대하여, 서로 이격되어 형성된 복수개의 제 1 전극과, 상기 제 2 기판 상에 전면 형성된 제 2 전극과, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 채워진 액정층과, 상기 각 렌즈 영역의 제 1 전극들에 각각 서로 다른 전압을 인가하며, 상기 제 1, 제 2 기판 사이에 상기 액정층이 각 렌즈 영역에 대하여, 볼록 렌즈형의 광경로차를 갖게 하는 제 1 전압원과, 오목 렌즈형의 광경로차를 갖게 하는 제 2 전압원 및 상기 제 1 전압원과 제 2 전압원 중 어느 하나를 선택하여 상기 제 1 전극들에 전압을 인가하는 선택부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

인테그럴(Integral) 방식, 볼록 렌즈, 오목 렌즈, 가변 렌즈, 입체 표시 장치

Description

액정 전계 렌즈 및 이를 적용한 입체 표시 장치{Liquid Crystal Lens Electrically driven and Stereoscopy Display Device Using the Same}

본 발명은 입체 표시 장치에 관한 것으로 특히, 전계 인가 방식에 따라 구현되는 광경로차의 조건을 상이하게 하여 볼록 렌즈와 오목렌즈로 가변될 수 있는 액정 전계 렌즈 및 이를 적용한 입체 표시 장치에 관한 것이다.

오늘날 초고속 정보 통신망을 근간으로 구축될 정보의 고속화를 위해 실현될 서비스들은 현재의 전화와 같이 단순히「듣고 말하는」서비스로부터 문자, 음성, 영상을 고속 처리하는 디지털 단말을 중심으로 한「보고 듣는」멀티 미디어형 서비스로 발전하고 궁극적으로는「시·공간을 초월하여 실감 있고 입체적으로 보고 느끼고 즐기는」초공간형 실감 3차원 입체 정보통신 서비스로 발전할 것으로 예상된다.

일반적으로 3차원을 표현하는 입체화상은 두 눈을 통한 스테레오 시각의 원리에 의하여 이루어지게 되는데 두 눈의 시차 즉, 두 눈이 약 65mm 정도 떨어져서 존재하기 때문에, 두 눈의 위치의 차이로 왼쪽과 오른쪽 눈은 서로 약간 다른 영상을 보게 된다. 이와 같이, 두 눈의 위치 차이에 의한 영상의 차이점을 양안 시 차(binocular disparity)라고 한다. 그리고, 3차원 입체 영상 표시 장치는 이러한 양안 시차를 이용하여 왼쪽 눈은 왼쪽 눈에 대한 영상만 보게 하고 오른쪽 눈은 오른쪽 눈 영상만을 볼 수 있게 한다.

즉, 좌/우의 눈은 각각 서로 다른 2차원 화상을 보게 되고, 이 두 화상이 망막을 통해 뇌로 전달되면 뇌는 이를 정확히 서로 융합하여 본래 3차원 영상의 깊이감과 실제감을 재생하는 것이다. 이러한 능력을 통상 스테레오그라피(stereography)라 하며, 이를 표시 장치로 응용한 장치를 입체 표시 장치라 한다.

상술한 3차원 입체 영상을 표시하는 기술은 양안 시차를 이용하는 입체 표시 방식, 체적 단위로 인식하는 체적 측정 방식으로 분류될 수 있다. 이 중 체적 측정 방식 중 일예로, 홀로그램과 같은 이미지(image)로 영상을 집적하여 인식하는 집적 영상(IP: Integral Photography) 표시 방식이 있으며, 이러한 집적 영상 표시 방식은, 안경을 이용하지 않고, 렌즈를 마이크로 렌즈 어레이를 사용하여 형성한다.

여기서, 3차원 화상을 구현하는 기술 중 마이크로 렌즈 어레이를 이용하는 집적 영상 표시 방식은, 1908년 리프만(Lippman)에 의해 처음 제안된 후, 그 동안 촬영소자난 표시소자 기술의 한계에 의해 크게 주목을 받지 못하다가 고분내능 촬영소자 및 고해상도 표시 소자의 개발과 함께 최근 연구가 활발해지고 있다.

이하, 도면을 참조하여 일반적인 입체 표시 장치를 살펴본다.

도 1은 일반적인 집적 영상(IP: Integral Photography) 방식의 입체 표시 장 치를 나타낸 개략도이며, 도 2는 거리와 화질간의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 1과 같이, 일반적인 집적 영상(IP: Integral Photography) 방식의 입체 표시 장치는, 표시 장치(10)와, 마이크로 렌즈로 단위 렌즈를 구성하는 렌즈 어레이(20)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 렌즈 어레이(20)를 이루는 마이크로 렌즈가 f 의 초점 거리를 가질 때, 상기 표시 장치(10)와 렌즈 어레이(20)간의 간격(a)이 정해지면, 상기 렌즈 어레이(20)와 집적 영상이 맺히는 거리(b)는 다음 수학식에 의해 도출된다.

여기서, 입체 표시 장치 내에서, 상기 렌즈 어레이(20)는 이를 이루는 마이크로 렌즈의 형상(표면이 볼록한 정도)이 정해지면, f 값이 마이크로 렌즈의 표면 형상에 따라 정해진다. 입체 표시 장치 내에서, 상기 렌즈 어레이(20)와 표시 장치(20)의 간격(a)은 특정 값으로 일정하게 정해지므로, 상기 렌즈 어레이(20)와 집적 영상(IP)이 맺히는 거리(b)는 상기 f(초점 거리) 값과, a(렌즈 어레이와 표시 장치의 간격)에 의해 결정된다.

그러나, 상기와 같은 종래의 집적 영상 방식의 입체 표시 장치는 다음과 같은 문제점이 있다.

표면이 곡면을 갖는 렌즈 어레이를 형성함에 있어서, 공정상에서 곡면의 영역별 균일한 제어가 어렵고, 하부 표시 장치와의 접착 및 정렬의 어려운 점 등이 발생하였고, 이에 따라 표시 상의 시감 저하라는 문제점이 발생하였다.

따라서, 렌즈 어레이 형태를 변경코자 하는 노력이 제기되었으며, 이에 소개된 것이 전계 구동의 의해 액정의 굴절률차에 의해 렌즈 효과를 갖게 하는 액정 전계 렌즈가 소개되었다. 이러한 액정 전계 렌즈는 표면을 가공하지 않고, 간단한 전극의 배치에 의해 전압인가에 의해 형성이 가능한 것으로, 렌즈 가공의 문제점을 방지할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 전계 인가 방식에 따라 구현되는 광경로차의 조건을 상이하게 하여 볼록 렌즈와 오목렌즈로 가변될 수 있는 액정 전계 렌즈 및 이를 적용한 입체 표시 장치를 제공하는 데, 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 액정 전계 렌즈는, 복수개의 렌즈영역이 대응되어 정의되며, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판과, 상기 제 1 기판 상의 각 렌즈 영역들에 대하여, 서로 이격되어 형성된 복수개의 제 1 전극과, 상기 제 2 기판 상에 전면 형성된 제 2 전극과, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 채워진 액정층과, 상기 각 렌즈 영역의 제 1 전극들에 각각 서로 다른 전압을 인가하며, 상기 제 1, 제 2 기판 사이에 상기 액정층이 각 렌즈 영역에 대하여, 볼록 렌즈형의 광경로차를 갖게 하는 제 1 전압원과, 오목 렌즈형의 광경로차를 갖게 하는 제 2 전압원 및 상기 제 1 전압원과 제 2 전압원 중 어느 하나를 선택하여 상기 제 1 전극들에 전압을 인가하는 선택부를 포함하여 이루어진 것에 그 특징이 있다.

상기 제 1 전압원 및 제 2 전압원의 선택을 행하는 상기 선택부를 제어하는 제어부를 더 포함한다.

이 때, 상기 제어부는 사용자가 제어할 수 있다.

그리고, 상기 제어부는 상기 제 1 전압원과 제 2 전압원의 선택부의 선택을, 표시되는 영상의 3차원 깊이 정보에 따라 조절할 수도 있고, 상기 제어부는 상기 제 1 전압원과 상기 제 2 전압원의 선택부의 선택을, 상기 액정 전계 렌즈와 시청자와의 거리 정보에 따라 수행할 수도 있다.

그리고, 상기 복수개의 제 1 전극은 복수개의 층에 나누어, 평면상으로 서로 다른 영역에 배치되어 형성될 수도 있다.

또한, 상기 제 1 기판의 가장자리에는 상기 각 렌즈 영역별로 각 제 1 전극과 콘택되는 금속 배선을 더 구비하고, 상기 금속 배선은 상기 선택부와 연결되어 형성된다. 이 때, 상기 제 1 전압원과 제 2 전압원은 각각 저항 어레이부를 구비하고, 각각의 저항 어레이부에 전압차를 갖는 제 1, 제 2 전압을 인가하여, 상기 금 속 배선 수에 상당한 분배 전압을 출력한다.

또한, 동일한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 입체 표시 장치는, 이차원의 영상 신호를 출사하는 표시 패널과, 상기 표시 패널 상부에, 복수개의 렌즈영역이 대응되어 정의되며, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판과, 상기 제 1 기판 상의 각 렌즈 영역들에 대하여, 서로 이격되어 형성된 복수개의 제 1 전극과, 상기 제 2 기판 상에 전면 형성된 제 2 전극 및 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 채워진 액정층을 포함하여 이루어진 액정 전계 렌즈와, 상기 각 렌즈 영역의 제 1 전극들에 각각 서로 다른 전압을 인가하며, 상기 제 1, 제 2 기판 사이에 상기 액정층이 각 렌즈 영역에 대하여, 볼록 렌즈형의 광경로차를 갖게 하는 제 1 전압원과, 오목 렌즈형의 광경로차를 갖게 하는 제 2 전압원과, 상기 제 1 전압원과 제 2 전압원 중 어느 하나를 선택하여 상기 제 1 전극들에 전압을 인가하는 선택부 및 상기 제 1 전압원 및 제 2 전압원의 선택을 행하는 상기 선택부를 제어하는 제어부를 포함하여 이루어진 것에 또 다른 특징이 있다.

상기와 같은 본 발명의 액정 전계 렌즈 및 이를 적용한 입체 표시 장치는 다음과 같은 효과가 있다.

영상의 깊이 정보 또는 사용자의 액정 전계 렌즈로부터의 이격 거리에 따라 볼록 렌즈 또는 오목 렌즈의 프로파일을 갖는 액정 전계 렌즈의 형성이 가능하다. 따라서, 사용자의 시감을 향상시킬 수 있다. 경우에 따라, 깊이(depth) 반전을 해결할 수 있으며, 이에 따라 표시 가능한 깊이 범위가 증가할 수 있다.

각각의 볼록 렌즈와 오목 렌즈를 선택하여 해당 렌즈에 상당하는 액정 전계 렌즈로 구현시, 전압 레벨 조정부를 더 구비하여, 렌즈의 높이(sag)를 제어하여 사용자의 시감을 더 향상시킬 수도 있다.

최근에 이러한 액정분자의 특성을 이용하여 액정층이 렌즈 역할을 하게 하는 액정 전계 렌즈(liquid crystal lens electrically driven)가 제안되었다.

즉, 렌즈는 렌즈를 구성하는 물질과 공기와의 굴절율 차이를 이용하여 입사광의 경로를 위치별로 제어하는 것인데, 액정 전계 렌즈는 액정층에 전극의 위치별로 서로 다른 전압을 인가하여 상기 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.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 액정 전계 렌즈 및 이를 적용한 입체 표시 장치를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 액정 전계 렌즈에 있어서, 거리(위치)에 따른 광경로차를 나타낸 그래프이며, 도 3은 도 2의 액정 전계 렌즈의 거리별 광경로차를 나타낸 개략도이다.

도 2 및 도 3과 같이, 본 발명의 액정 전계 렌즈(300)는, 복수개의 렌즈영역이 대응되어 정의되고 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판(310, 320)과, 각 렌즈 영역(L)들에 대하여 상기 제 1 기판(310) 상에 서로 이격된 복수개의 제 1 전극(311) 과, 상기 제 2 기판(320) 전면에 형성된 제 2 전극(321)과, 상기 제 1 전극들(311)에 각각 서로 다른 전압을 인가하는 전압원(Vmin, V1, V2, ...,Vmax) 및 상기 제 1 기판(310) 및 제 2 기판(320) 사이에 채워진 액정층(330)을 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 제 1 및 제 2 전극(311, 321)은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide)과 같은 투명 금속으로 형성하여, 각 전극이 위치한 부위에서 투과율의 손실을 방지한다.

여기서, 상기 제 1 기판(310) 상에는 각 렌즈 영역(L)에 동일 간격 이격되는 제 1 전극(311)이 복수개 형성된다. 이 때, 상기 렌즈 영역(L)은 액정층(330)의 구동에 의해 조성되는 액정 전계 렌즈에 있어서 도 2 및 도 3과 같은, 하나의 렌즈 형태의 광경로차를 갖는 영역을 말하는 것으로, 하나의 액정 전계 렌즈(300) 내에서 이러한 광경로차를 갖는 부분을 갖는 렌즈 영역(L)이 주기적으로 반복된다. 도면상에서는 도 2를 기준으로 이와 같은 렌즈 영역(L)이 가로 방향에서 반복되며, 지면을 관통하는 방향으로 상기 제 1 전극들(311)이 막대 형상으로 길게 형성된다.

편의상 상기 렌즈 영역(L)에 있어서 에지부(E)는 볼록 렌즈 구현시 렌즈의 저점이 발생되는 부분을 말하며, 중앙부(O)는 볼록 렌즈 구현시 렌즈의 고점이 발생되는 부분을 말한다. 만일 오목 렌즈로 구현하게 되면, 상기 에지부(E)는 오목 렌즈의 고점에 해당하고, 중앙부(O)는 저점에 해당할 수 있을 것이다.

또한, 상기 제 1 전극(311)들간의 간격은 도시된 바와 같이, 서로 동일 간격 이격하여 형성하거나 혹은 경우에 따라 에지부(E)에서 중앙부(O)로부터 갈수록 간격을 점차 늘리거나 혹은 간격을 점차 줄이도록 하여 형성할 수 있다. 제 1 전 극(311)간의 간격을 달리하는 경우는 상대적으로 동일 간격인 경우에 비해, 각 제 1 전극에 인가되는 전압 레벨 정도로 좀더 미세하게 조절할 필요가 있다. 마찬가지로, 상기 제 1 전극(311)들의 폭 역시 동일하게 혹은 에지부(E)에서 중앙부(O)로 갈수록 점차 크게 하거나 얇게 하는 것 모두 가능하다.

상기 액정층(330)을 이루는 액정 분자는 상기 제 1, 제 2 전극(311, 321)에 인가하는 전기장의 세기 및 분포에 따라 반응하는 특성에 의해 도 3과 같은 액정 전계 렌즈와 유사한 위상분포를 갖게 된다.

그리고, 상기 제 1 전극(311)을 포함한 상기 제 1 기판(310)과, 상기 제 2 전극(321) 상에는 각각 제 1 배향막(312)과 제 2 배향막(322)이 형성된다. 이 때, 상기 제 1, 제 2 배향막(312, 322)은 전압 무인가시의 초기 상태에서 상기 액정 전계 렌즈(300)가 투과층으로 기능시키기 위해, 제 1 배향막(312)의 러빙 방향을 상기 제 1 전극(301)의 방향과 동일하게 하고, 상기 제 2 배향막(202)의 러빙 방향을 이에 안티패럴랠(anti-parallel)한 방향으로 한다.

여기서, 상기 제 1 전극(311)과 제 2 전극(321)에 전압 인가는 액정 전계의 거동을 유발하여, 전체적으로 빛이 느끼는 굴절율이 공간적으로 포물 함수가 되도록 유도한다.

여기서, 상기 렌즈 영역(L)의 중앙부(O)에 대응되어 형성된 제 1 전극(311)에 인가되는 가장 작은 최소 전압은, 문턱 전압(Vmin) 값으로, 이 문턱 전압(Vmin)은 약 1.4~2V 를 피크값으로 하는 교류 사각파이며, 이러한 문턱 전압 Vmin)은

(Δε는 액정 유전율 이방성, K1은 액정의 탄성 계수, ε₀은 자유공간 유전율)로 계산된다. 또한, 상기 렌즈 영역(L)의 에지(E)에 대응되어 제 1 전극(311)에 인가되는 전압 중 가장 큰 고전압은 약 2.5~10V를 피크값으로 하는 인가되는 교류 사각파이다.

도 2 및 도 3에 도시된 액정 전계 렌즈(300)는 볼록 렌즈의 동일한 위상 효과를 갖는 바를 도시하였는데, 본 발명의 액정 전계 렌즈(300)는 볼록 렌즈와 같은 위상 분포(도 2, 3 참조)와 오목 렌즈와 같은 위상 분포(도 6 및 도 8 참조)를 선택적으로 가질 수 있다.

만일, 도 2 및 도 3과 같이, 액정 전계 렌즈(300)를 볼록 렌즈와 같은 위상 효과를 갖도록 형성한다면, 상기 렌즈 영역(L)에서 에지부(E)에 위치한 제 1 전극(311)에 고전압을 인가하고 차례로 상기 중앙부(O)로 가며 위치한 제 1 전극(311)들에 점차 낮은 전압을 인가하여 , 상기 제 2 전극(321)을 접지시키는 조건에서 형성되는 것으로, 이러한 전압 조건에 의해 상기 렌즈 영역(L)의 에지부에서 가장 강한 수직 전계가 형성되고, 상기 에지부(E)에서 멀어질수록 약한 수직 전계가 형성된다. 이에 따라, 액정층(330)을 이루는 액정 분자가 양의 유전율 이방성을 가질 때, 상기 액정 분자는 전계에 따라 배열되어, 상기 렌즈 영역의 에지부(E)에서는 서있게 되고, 상기 렌즈 영역의 중앙부(O)에서는 수평에 가깝게 기울어진 배 열을 갖게 된다. 따라서, 광의 전달의 입장에서는 도 3과 같이, 상기 렌즈 영역의 에지부(E)에서는 광경로가 짧게 되고, 상기 에지부(E)에서 렌즈 영역의 중앙부(O)로 갈수록 점점 광경로가 길어지게 되며, 이를 위상면으로 나타냈을 때, 표면이 볼록 렌즈와 유사한 광 전달 효과를 갖게 된다.

그리고, 액정 전계 렌즈(300)를 오목 렌즈와 같은 위상 효과를 갖도록 형성한다면, 상기 렌즈 영역(L)에서 중앙부(O)에 위치한 제 1 전극(311)에 고전압을 인가하고 차례로 상기 중앙부(E)로 가며 위치한 제 1 전극(311)들에 점차 낮은 전압을 인가하여 , 상기 제 2 전극(321)을 접지시키는 조건에서 형성되는 것으로, 이러한 전압 조건에 의해 상기 렌즈 영역(L)의 중앙부(O)에서 가장 강한 수직 전계가 형성되고, 상기 중앙부(O)에서 멀어질수록 약한 수직 전계가 형성된다. 이에 따라, 액정층(330)을 이루는 액정 분자가 양의 유전율 이방성을 가질 때, 상기 액정 분자는 전계에 따라 배열되어, 상기 렌즈 영역의 중앙부(O)에서는 서있게 되고, 상기 렌즈 영역의 에지부(E)에서는 수평에 가깝게 기울어진 배열을 갖게 된다. 따라서, 광의 전달의 입장에서는(도 7 참조)와 같이, 상기 렌즈 영역의 중앙부(O)에서는 광경로가 짧게 되고, 상기 중앙부(O)에서 렌즈 영역의 에지부(E)로 갈수록 점점 광경로가 길어지게 되며, 이를 위상면으로 나타냈을 때, 표면이 오목 렌즈와 유사한 광 전달 효과를 갖게 된다.

이상과 같이, 볼록 렌즈와 오목 렌즈로 액정 전계 렌즈(300)를 구동시 각 제 1 전극들(311)에 인가하는 전압의 형태는 단순히 렌즈 영역에서 에지부(E)에서 중앙부(O)로 갈 때 인가하는 전압을 서로 역의 관계로 인가하는 것이 아니다. 즉, 볼 록 렌즈나 오목 렌즈가 구현되는 액정 전계 렌즈(300)의 광경로차가 이루는 곡면의 기울기가 서로 다르기 때문에, 제 1 전극(311)에 인가되는 전압이 에지부(E)에서 중앙부(O)로 가면 점차 크거나 커질 때 다른 비율로 조정되게 된다.

즉, 볼록 렌즈로 상기 액정 전계 렌즈(300)를 구동시 상기 볼록 렌즈의 계면 변화는 상기 에지부(E)에 인접한 측에서 크고, 중앙부(O)에 인접한 측은 완만하다. 따라서, 상기 에지부(E)에 위치한 제 1 전극에는 가장 큰 전압을 인가하고, 상기 중앙부(O)에 위치한 제 1 전극에는 가장 작은 전압을 인가하게 되므로, 상술한 볼록 렌즈 계면 변화를 위해, 에지부(E)에서 중앙부(O)로 갈수록 상기 에지부(E)의 제 1 전극(311)부터 최대전압을 인가하고, 이로부터 각 제 1 전극(311)들에 큰 전압 차이에서 점차 작은 전압 차이를 주어 상기 중앙부(O)에 최소 전압을 인가한다.

만일, 오목 렌즈로 상기 액정 전계 렌즈(300)를 구동시에는, 구현되는 오목 렌즈의 기울기가 에지부(E)에서 가장 크고, 중앙부(O)로 갈수록 점차 줄어들고 있다. 이 경우, 상기 에지부(E)에 위치한 제 1 전극(311)에는 가장 큰 전압이 인가되고 상기 중앙부(O)에 위치한 제 1 전극(311)에는 가장 작은 전압이 인가되는 것으로, 상술한 오목렌즈 계면 변화를 위해, 중앙부(O)에서 에지부(E)로 갈수록 점차 작은 전압을 인가하고, 중앙부(O)에서 에지부(E)로 갈수록 상기 중앙부(O)의 제 1 전극(311)부터 최대전압을 인가하고, 이로부터 각 제 1 전극(311)들에 작은 전압 차이에서 점차 큰 전압 차이를 주어 상기 중앙부(O)에 최소 전압을 인가한다.

한편, 도면상에서 설명하지 않은 S는 렌즈의 높이를 말하는 것으로, 액정층(300) 내에 상기 제 1, 제 2 전극(311, 321)에 전압을 인가하였을 때의 형성되는 전계에 의해 액정 구동시 영역별 나타나는 광경로차가 발생했을 때, 가장 큰 광경로차를 갖는 부분에 해당한 것이다. 그리고, 상기 S 값은 상기 제 1 전극(311)에 인가되는 전압 중 가장 큰 전압의 조절에 의해 조절 가능하며, 이로 인해 볼록 렌즈 또는 오목 렌즈 구현시 그 곡률은 부분적으로 변경할 수도 있을 것이다.

이하, 상술한 볼록 렌즈와 오목 렌즈의 전환 구동이 가능하게 하는 구동부를 소개한다.

도 4는 본 발명의 액정 전계 렌즈의 블록도이며, 도 5a는 볼록 렌즈 구현시, 도 4의 전압 생성부(160)와 연결된 제 1 기판(310) 내의 일 렌즈 영역의 제 1 전극 및 금속 배선을 나타낸 평면도이며, 도 5b는 오목 렌즈 구현시 도 4의 전압 생성부(160)와 연결된 제 1 기판(310) 내의 일 렌즈 영역의 제 1 전극 및 금속 배선을 나타낸 평면도이다.

도 4와 같이, 상기 본 발명의 액정 전계 렌즈(300)를 평면상에서 관찰할 때, 그 중앙이 표시가 이루어지는 액티브 영역(151)으로, 그 상하측 단부가 패드 영역(152)으로 정의할 수 있다. 도시된 바에 따르면 상기 패드 영역(152)은 상하측 단부에 한하여 도시되었지만, 좌우측 단부에도 함께 형성될 수 있다. 후자의 경우, 제 1 전극(311)과 콘택되는 금속 배선(도 5a 및 도 5b의 340 참조)들이 좌우측 단부로 꺽어져 이 부위에서 외부의 전압 생성부(160)와 FPC(Flexible Printed Circuit)(미도시)와 같은 커넥터를 통해 연결된다.

이와 같이, 상기 제 1 기판(310)에 형성된 각 제 1 전극(도 2의 311)에 들어 가는 전압 신호들은 상기 제 1 기판(310)의 외부에 분배 전압 생성부(160)로부터 생성되어 전달되며, 상기 분배 전압 생성부(160)는 오목 렌즈에 해당하는 전계 구동을 위한 분배 전압을 생성하는 오목 저항 어레이(166)와, 볼록 렌즈에 해당하는 전계 구동을 위한 분배 전압을 생성하는 볼록 저항 어레이(167)와, 상기 오목 저항 어레이(166) 또는 볼록 저항 어레이(167) 중 어느 하나의 구동을 선택하는 선택부(165)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 선택부(165)는 외부의 제어부(170)의 제어를 받아, 오목 저항 어레이(166)와 볼록 저항 어레이(167) 중 하나의 구동을 선택할 수 있다. 그리고, 상기 오목 저항 어레이(166)와 볼록 저항 어레이(167) 중 하나가 선택되면, 선택된 어레이로부터 출력되는 n개의 전압 신호가 링크부(161)를 통해 상기 패드 영역(152)에 형성된 금속 배선(미도시)에 전달된다. 이 경우, 상기 오목 저항 어레이(166)와 볼록 저항 어레이(167)의 출력단 수는 동일하며, 이들의 수는 이들에 연결되는 상기 금속배선(340)과 동일하다. 이러한 해당 어레이의 선택을 가능하게 하는 상기 제어부(170)의 제어는 사용자의 선택 또는 자동 전환에 따라 모두 조절 가능하게 한다. 이 때, 상기 제어부(170)의 제어가 자동 전환으로 이루어지는 경우는, 표시하는 영상의 깊이 정보 또는 사용자의 이격 거리에 따라 이루어질 수 있다.

도 5a 및 도 5b와 같이, 상기 전압 생성부(160)로부터 상기 링크부(161)를 통해 전압 신호가 인가되는 금속 배선(340)은 각 렌즈 영역에 대하여, 중앙부(O)를 기준으로 좌우 에지부(E)로 갈수록 서로 대칭되는 위치에서, 각 금속 배선(340)과 교차하는 제 1 전극(311)과 전기적 콘택(345)을 갖는다. 이에 따라 해당 금속 배선(340)과 콘택된 콘택(345)을 통해 상기 각 금속 배선(340)에 인가되는 최소 전압(Vmin)에서 최대 전압(Vmax)까지 총 n개의 전압 신호가 인가된다. 이 때, 도시된 도면에 따르면 상기 렌즈 영역은 중앙부(O)에서 좌우 에지부(E)가 대칭적으로 금속 배선(340)과 상기 금속 배선(340)간의 콘택(345)을 갖고, 이 때, 상기 금속 배선(340)은 총 n개 형성되므로, 이에 콘택되는 각 렌즈 영역에서 제 1 전극(311)은 총 2n-1개 형성된다. 상기 금속 배선(340)은 도시된 바와 같이, 금속 배선(340)은 각각이 제 1전극(311)의 양단부와 교차하도록 형성될 수도 있고, 경우에 따라 일측 단부에서 그 형성을 생략할 수도 있다.

이러한 금속 배선(340)은 각각 액정 전계 렌즈(300)가 볼록 렌즈 구현시와 오목 렌즈 구현시에 따라 전압 인가 조건이 달라진다.

도 5a에서는 볼록 렌즈로 액정 전계 렌즈(300)를 구현시를 나타낸 것으로, 따라서, 도면 상에서 좌측에서부터 설명하면, 상기 금속배선(340)은 중앙부(O)에서 에지부(E)로 갈수록 최소 전압(V1min)부터 최대 전압(V1max)까지 차례로 전압 분배된 총 n개의 전압 값(V1min, V11, V12, ...., V1max-1, V1max)이 인가되며, 다시 에지부에서 우측 중앙부(O)로 가며, 대칭적으로 최대 전압(V1max)부터 최소 전압(V1max)까지 차례로 전압 분배된 전압 값이 인가된다.

그리고, 도 5b에서는 오목 렌즈로 액정 전계 렌즈(300)를 구현시를 나타낸 것으로, 도면 상에서 좌측에서부터 설명하면, 상기 금속배선(340)은 중앙부(O)에서 에지부(E)로 갈수록 최대 전압(V2max)부터 최소 전압(V2min)까지 차례로 전압 분배 된 총 n개의 전압 값(V2max, V2max-1, ...., V21, V2min)이 인가되며, 다시 에지부(E)에서 우측 중앙부(O)로 가며, 대칭적으로 최소 전압(V2min)부터 최대 전압(V2max)까지 차례로 전압 분배된 전압 값이 인가된다.

도 6은 본 발명의 액정 전계 렌즈에 있어서, 볼록 렌즈 프로파일을 구현시 거리별 광경로 차를 나타낸 개략도이며, 도 7은 본 발명의 액정 전계 렌즈에 있어서, 오목 렌즈 프로파일을 구현시 거리별 광경로 차를 나타낸 개략도이다.

도 6 과 같이, 본 발명의 액정 전계 렌즈에 볼록 렌즈 구현시를 나타낸 것으로, 렌즈 영역의 중앙부(A)보다 에지부(B)에 강한 수직 전계가 형성되도록 한 것으로, 이로 인해 거의 중앙부(A)에서 볼록한 형태의 프로파일을 갖는 액정 전계 렌즈가 형성된 것을 나타낸다. 이 경우, 중앙부(A)는 약한 수직 전계 조성에 의해 거의 액정 분자가 누워있게 되며, 상대적으로 에지부(B)는 강한 수직 전계 조성에 의해 액정 분자가 서있게 됨을 나타낸다.

도시된 도면은 일반 포물 렌즈에 대비하여 중앙부(A)보다 에지부(B)에 전기장 세기를 강하게 주었을 때, 위치별로 액정이 갖는 유효 굴절률 차로 나타난 광경로차를 나타낸 것으로, 중앙부(A)측에서 나타난 렌즈의 높이는 약 20㎛ 정도에 해당한다.

도 7과 같이, 본 발명의 액정 전계 렌즈에 오목 렌즈 구현시를 나타낸 것으로, 렌즈 영역의 에비부(B)보다 중앙부(A)에 강한 수직 전계가 형성되도록 한 것으로, 이로 인해 거의 중앙부(A)에서 오목한 형태의 프로파일을 갖는 액정 전계 렌즈 가 형성된 것을 나타낸다. 이 경우, 중앙부(A)는 강한 수직 전계 조성에 의해 액정 분자가 서있게 되며, 상대적으로 에지부(B)는 약한 수직 전계 조성에 의해 액정 분자가 거의 누워있게 됨을 나타낸다.

도시된 도면은 일반 오목 렌즈에 대비하여 중앙부(A)를 에지부(B)보다 전기장 세기를 강하게 주었을 때, 위치별로 액정이 갖는 유효 굴절률 차로 나타난 광경로차를 나타낸 것으로, 에지부(B)측에서 나타난 렌즈의 높이는 약 20㎛ 정도에 해당한다.

도 6 및 도 7의 렌즈의 높이는 시뮬레이션 값을 나타낸 것으로, 상기 전기장 세기 값을 조절하여 20㎛ 보다 크거나 작게도 변경할 수도 있다.

도 8은 본 발명의 액정 전계 렌즈를 이용한 입체 표시 장치에 있어서, 볼록 렌즈 프로파일 구현시 최적 깊이 조건을 나타낸 도면이며, 도 9는 본 발명의 액정 전계 렌즈를 이용한 입체 표시 장치에 있어서, 오목 렌즈 프로파일 구현시 최적 깊이 조건을 나타낸 도면이다.

도 8 및 도 9는 본 발명의 액정 전계 렌즈를 이용한 입체 표시 장치는, 표시 패널(100)과 상기 표시 패널과 제 1 간격(a) 이격된 액정 전계 렌즈(200 또는 250)를 구비한다. 이 경우, 상기 액정 전계 렌즈가 형성되지 않은 측의 표시 패널(100) 하측에는 별도의 광원이 더 형성되어 있을 수도 있다. 이 경우, 상기 표시 패널(100)이 자체 수광 장치라면 상기 광원을 생략할 수도 있다.

그리고, 상기 액정 전계 렌즈는 경우에 따라 도 8과 같이, 볼록 렌즈 어레 이(200)로 구현되거나 도 9와 같이 오목 렌즈 어레이(250)로 구현되는 것으로, 오볼록 렌즈에서 오목 렌즈의 가변 혹은 오목 렌즈에서 볼록 렌즈로의 가변이 모두 가능하다.

이는 액정 전계 렌즈에서 구현되는 볼록 렌즈 혹은 오목 렌즈의 초점 거리(f1 또는 f2)의 조절에 의해 이루어진 것으로, 초점 거리가 양일 때는 볼록 렌즈 어레이(200)로 구현되고 초점 거리가 음일 때는 오목 렌즈 어레이(250)로 구현된다.

즉, 표시 패널(100)로부터 출사하여 상기 액정 전계 렌즈를 통해 입체 표시 장치를 하고자 하는 영상의 최적 깊이 조건이 도시된 바와 같이, 도 8과 같이, 상기 표시 패널(100) 전에 위치하는 경우, 상기 초점 거리를

의 조건으로 0보다 크게 하여 볼록 렌즈로 구동하고, 도 9와 같이, 상기 표시 패널(100) 앞에 위치하는 경우, 상기 초점 거리를

의 조건으로 0보다 작게 하여, 오목 렌즈로 구동한다.

여기서, 상기 표시 패널(100)과 상기 액정 전계 렌즈(200 또는 250)의 간격은 장치 내에서 제 1 간격(a) 값으로 정의된 것으로, 볼록 렌즈 또는 오목 렌즈로의 가변 또는 유지시 상기 최적 깊이 조건이나 초점 거리를 변경하여 이를 행할 수 있다.

이하, 본 발명의 입체 표시 장치를 구체적으로 구현한 형태에 대하여 살펴본다.

도 10은 본 발명의 액정 전계 렌즈를 포함한 입체 표시 장치를 나타낸 단면도이다.

본 발명의 액정 전계 렌즈를 포함하는 입체 표시 장치는, 전압 인가에 따라 구동되어 렌즈 기능을 갖는 액정 전계 렌즈(300)와, 상기 액정 전계 렌즈(300) 하측에 이차원 영상 정보를 출사하는 표시 패널(350)과, 상기 표시 패널(350) 하측에 표시 패널(350)로 광을 전달하는 광원(700)을 포함하여 이루어진다.

경우에 따라, 상기 표시 패널(350)이 예를 들어, 유기 발광 소자와 같이, 광을 직접 발광하는 장치라면, 상기 광원(700)의 생략이 가능하다.

상기 표시패널(350)에는 제 1 및 제 2 영상(IM1, IM2)을 각각 표시하는 제 1 및 제 2 영상 화소(P1, P2)가 순차적으로 반복 배열되어 있으며, 이러한 표시패널(350)로는 액정표시소자(Liquid crystlal Display Device: LCD), 유기 발광 소자(Organic Light Emitting Display Device: OLED), 플라즈마 표시 소자(Plasma Display Panel: PDP), 전계발광소자(Field Emission Display Device: FED) 등의 평판 표시 장치가 사용될 수 있다. 이러한 표시 패널(350)은 상기 액정 전계 렌즈(300) 하측에 위치하여, 상기 액정 전계 렌즈(300)로 이차원의 영상 신호를 전달하는 역할을 한다.

본 발명의 액정 전계 렌즈(300)는, 이차원 영상 신호를 렌즈면의 프로파일에 따라 삼차원 영상 신호를 출사하는 기능을 갖는 것으로, 상기 이차원을 구현하는 표시 패널(350) 상부에 위치하며, 전압 인가 여부에 따라 선택적으로 삼차원 영상 신호의 출사 혹은 이차원 영상 신호를 그대로 출사하는 기능을 한다. 즉, 상기 액정 전계 렌즈(1000)에 전압 무인가시 광이 투과되는 특성을 이용하여 전압 무인가시는 이차원 표시가 가능하고, 상기 액정 전계 렌즈(300)에 전압 인가시는 삼차원 표시와 같은 스위칭 기능을 겸용할 수 있다.

여기서, 상기 액정 전계 렌즈(300)는 도 2의 구조를 그대로 따르며, 경우에 따라 상기 제 1 전극(311)을 각 렌즈 영역(L)에 복수개 구비함에 있어서, 복수의 층에 나누어 형성할 수 있다. 예를 들어, 각각 제 1 기판(310)과 그 상부에 제 1 절연막(미도시)에 제 1 전극(311)을 나누어 형성할 때, 상기 제 1 기판(310) 상에 위치한 제 1 전극(311)과 상기 제 1 절연막 상의 제 1 전극은 서로 교번되는 위치에 위치하며, 평면상에서 제 1 전극(311)이 거의 제 1 기판(310)을 채우도록 하여 형성할 수도 있다.

이 경우, 상기 제 1 전극(311)은 2이상의 복수개의 층에 나누어 형성할 수 있고, 이는 전극간의 쇼트를 방지하고, 보다 안정적인 프로파일을 갖는 액정 전계 렌즈를 형성하기 위함이다.

한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

도 1은 일반적인 집적 영상 방식의 입체 표시 장치를 나타낸 개략도

도 2는 본 발명의 액정 전계 렌즈를 나타낸 단면도

도 3은 도 2의 액정 전계 렌즈의 거리별 광경로차를 나타낸 개략도

도 4는 본 발명의 액정 전계 렌즈의 블록도

도 5a는 볼록 렌즈 구현시, 도 4의 전압 생성부와 연결된 제 1 기판 내의 일 렌즈 영역의 제 1 전극 및 금속 배선을 나타낸 평면도

도 5b는 오목 렌즈 구현시 도 4의 전압 생성부와 연결된 제 1 기판 내의 일 렌즈 영역의 제 1 전극 및 금속 배선을 나타낸 평면도

도 6은 본 발명의 액정 전계 렌즈에 있어서, 볼록 렌즈 프로파일을 구현시 거리별 광경로 차를 나타낸 개략도

도 7은 본 발명의 액정 전계 렌즈에 있어서, 오목 렌즈 프로파일을 구현시 거리별 광경로 차를 나타낸 개략도

도 8은 본 발명의 액정 전계 렌즈를 이용한 입체 표시 장치에 있어서, 볼록 렌즈 프로파일 구현시 최적 깊이 조건을 나타낸 도면

도 9는 본 발명의 액정 전계 렌즈를 이용한 입체 표시 장치에 있어서, 오목 렌즈 프로파일 구현시 최적 깊이 조건을 나타낸 도면

도 10은 본 발명의 액정 전계 렌즈를 포함한 입체 표시 장치를 나타낸 단면도

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

151: 액티브 영역 152 : 패드 영역

160: 전압 생성부 161 : 링크부

165 : 선택부 166 : 오목 저항 어레이

167 : 볼록 저항 어레이 170 : 제어부

300 : 액정 전계 렌즈 310 : 제 1 기판

311 : 제 1 전극 312 : 제 1 배향막

320 : 제 2 기판 321 : 제 2 전극

322 : 제 2 배향막 330 : 액정층

Claims (16)

1. 복수개의 렌즈영역이 대응되어 정의되며, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판;

   상기 제 1 기판 상의 각 렌즈 영역들에 대하여, 서로 이격되어 형성된 복수개의 제 1 전극;

   상기 제 2 기판 상에 전면 형성된 제 2 전극;

   상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 채워진 액정층;

   상기 각 렌즈 영역의 제 1 전극들에 각각 서로 다른 전압을 인가하며, 상기 제 1, 제 2 기판 사이에 상기 액정층이 각 렌즈 영역에 대하여, 볼록 렌즈형의 광경로차를 갖게 하는 제 1 전압원과, 오목 렌즈형의 광경로차를 갖게 하는 제 2 전압원; 및

   상기 제 1 전압원과 제 2 전압원 중 어느 하나를 선택하여 상기 제 1 전극들에 전압을 인가하는 선택부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1 전압원 및 제 2 전압원의 선택을 행하는 상기 선택부를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 제어부는 사용자가 제어하는 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 제어부는 상기 제 1 전압원과 제 2 전압원의 선택부의 선택을, 표시되는 영상의 3차원 깊이 정보에 따라 조절하는 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 제어부는 상기 제 1 전압원과 상기 제 2 전압원의 선택부의 선택을, 상기 액정 전계 렌즈와 시청자와의 거리 정보에 따라 수행하는 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 복수개의 제 1 전극은 복수개의 층에 나누어, 평면상으로 서로 다른 영역에 배치되어 형성된 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1 기판의 가장자리에는 상기 각 렌즈 영역별로 각 제 1 전극과 콘택되는 금속 배선을 더 구비하고,

   상기 금속 배선은 상기 선택부와 연결되는 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌 즈.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 제 1 전압원과 제 2 전압원은 각각 저항 어레이부를 구비하고, 각각의 저항 어레이부에 전압차를 갖는 제 1, 제 2 전압을 인가하여, 상기 금속 배선 수에 상당한 분배 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 제 1, 제 2 전압 중 큰 전압의 레벨을 조절하는 전압 레벨 조정부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
10. 이차원의 영상 신호를 출사하는 표시 패널;

    상기 표시 패널 상부에, 복수개의 렌즈영역이 대응되어 정의되며, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판과, 상기 제 1 기판 상의 각 렌즈 영역들에 대하여, 서로 이격되어 형성된 복수개의 제 1 전극과, 상기 제 2 기판 상에 전면 형성된 제 2 전극 및 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 채워진 액정층을 포함하여 이루어진 액정 전계 렌즈;

    상기 각 렌즈 영역의 제 1 전극들에 각각 서로 다른 전압을 인가하며, 상기 제 1, 제 2 기판 사이에 상기 액정층이 각 렌즈 영역에 대하여, 볼록 렌즈형의 광경로차를 갖게 하는 제 1 전압원과, 오목 렌즈형의 광경로차를 갖게 하는 제 2 전 압원;

    상기 제 1 전압원과 제 2 전압원 중 어느 하나를 선택하여 상기 제 1 전극들에 전압을 인가하는 선택부; 및

    상기 제 1 전압원 및 제 2 전압원의 선택을 행하는 상기 선택부를 제어하는 제어부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치.
11. 제 10항에 있어서,

    상기 제어부는 사용자가 제어하는 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치.
12. 제 10항에 있어서,

    상기 제어부는 상기 제 1 전압원과 제 2 전압원의 선택부의 선택을, 표시되는 영상의 3차원 깊이 정보에 따라 조절하는 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치.
13. 제 10항에 있어서,

    상기 제어부는 상기 제 1 전압원과 상기 제 2 전압원의 선택부의 선택을, 상기 액정 전계 렌즈와 시청자와의 거리 정보에 따라 수행하는 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치.
14. 제 10항에 있어서,

    상기 제 1 기판의 가장자리에는 상기 각 렌즈 영역별로 각 제 1 전극과 콘택 되는 금속 배선을 더 구비하고,

    상기 금속 배선은 상기 선택부와 연결되는 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치.
15. 제 14항에 있어서,

    상기 제 1 전압원과 제 2 전압원은 각각 저항 어레이부를 구비하고, 각각의 저항 어레이부에 전압차를 갖는 제 1, 제 2 전압을 인가하여, 상기 금속 배선 수에 상당한 분배 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치.
16. 제 15항에 있어서,

    상기 제 1, 제 2 전압 중 큰 전압의 레벨을 조절하는 전압 레벨 조정부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치.

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