KR20090083318A - 미세 액적 분사를 이용한 레이저 디스플레이 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 토출 노즐을 통해 허공으로 액적을 방출하는 토출 헤드; 상기 액적의 직진 탄도에 대하여 광축이 일치하는 레이저 빔을 상기 액적에 조사하도록 배치된 레이저 광원; 및 상기 액적이 비행하는 중에 상기 레이저 광원의 구동을 제어하는 제어부;를 포함하는 레이저 디스플레이 장치를 개시한다.

액적, 탄도, 잉크젯 헤드, 체적형 디스플레이, 복셀

Description

미세 액적 분사를 이용한 레이저 디스플레이 장치{LASER DISPLAY DEVICE USING MINUTE DROPLET EJECTION}

본 발명은 레이저 광원을 사용하여 영상을 표시하는 레이저 디스플레이 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 비행하는 미세 입자에 레이저 빔을 조사하여 허공에 3차원(3D) 영상을 표시하는 레이저 디스플레이 장치에 관한 것이다.

일반적으로 레이저 디스플레이 장치는 레이저 광원으로부터 출사되는 레이저 빔을 스캐닝 유닛을 이용해 평면 스크린에 주사함으로써 스크린 상에 2차원(2D) 영상을 표시하도록 구성된다.

그러나, 이러한 기존의 레이저 디스플레이 장치는 미리 평면 스크린이 준비되어야만 영상 표시가 가능하므로 사용공간의 제약이 많고, 화면의 크기가 실질적으로 레이저 디스플레이 장치의 출사렌즈로부터 평면 스크린까지의 투사거리에 의해 결정되는 구조상 대화면을 구현하기 위해서는 긴 투사거리가 확보되어야 하는 취약점이 있다.

또한, 종래의 레이저 디스플레이 장치는 2D 영상 표시만이 가능하므로 디스플레이 장치 자체에 의한 입체 영상 기능은 제공할 수 없는 한계가 있다.

한편, 본 출원인은 대한민국 공개특허 제2003-0025899호를 통하여 소정의 추진력에 의해 발사되어 비행중인 산란체(탄환체)에 레이저 빔을 조사하여 허공에 레이저 광을 표시하는 레이저 조사방법 및 장치를 제안한 바 있다.

상기 기술을 디스플레이 분야에 적용할 경우 기존의 레이저 디스플레이 장치와는 다르게 사용공간에 제약이 없고 다차원의 영상을 형성할 수 있는 디스플레이 장치를 구현하는 것이 가능하다.

그러나, 상기 공개특허 제2003-0025899호에도 레이저 디스플레이용으로 사용되기에 적합한 산란체나 추진기구에 관한 구체적인 기술적 구성은 개시된 바가 없다. 즉, 방대한 영상 데이터의 처리가 가능하도록 빠른 응답속도를 지원할 수 있는 추진력 제공기구나 산란체의 구조가 개시되어 있지 않으며, 안정적이고 충분한 비거리(탄도)를 제공하면서도 산란체의 회수 문제를 해결할 수 있는 방안은 제시된 바가 없다.

예를 들어, 산란체가 고체재료로 이루어진 경우에는 임의의 허공에 영상을 표시한 이후에 이를 회수하기가 곤란한 문제가 발생할 수 있으며, 산란체가 비눗방울 형태로 이루어진 경우에는 레이저 디스플레이용으로 적합하도록 충분한 비거리를 확보하기가 어렵고 비눗방울 내부에 존재하는 공기로 인해 분사시 혹은 비행중에 비눗방울이 터져 버릴 수 있는 우려가 있다.

한편, 미국특허 제620,592호, 한국공개특허 제2005-37459호에는 포그 스크린(fog screen)으로 알려진 입자 구름 스크린상에 프로젝터를 영사하여 자유공간에 입체 영상을 표시하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 이 기술은 입자 구름에 의해 자유공간에 형성되는 평면 스크린에 영상을 표시하는 방식을 사용하므로 사방에서 관측 가능한 진정한 3D 영상은 구현할 수 없는 한계가 있다. 또한, 입자 구름 스크린을 형성하기 위해 다량의 액체가 소요됨에도 불구하고, 프로젝터의 영상이 투사된 부분에 놓인 입자만이 실제 영상 표시에 관여하게 되므로 전력효율이나 재료소모 측면에서 비경제적인 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 고려하여 창안된 것으로서, 빠른 응답속도로 산란체 입자의 분사 제어가 가능하고, 디스플레이용에 적합한 충분한 비거리를 확보하면서도 사용 후 자연제거가 가능하도록 속이 찬 미세 액적을 분사하여 허공에 3D 영상을 표시하는 구조를 가진 레이저 디스플레이 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 레이저 디스플레이 장치는, 토출 노즐을 통해 허공으로 액적을 방출하는 토출 헤드; 상기 액적의 직진 탄도에 대하여 광축이 일치하는 레이저 빔을 상기 액적에 조사하도록 배치된 레이저 광원; 및 상기 액적이 비행하는 중에 상기 레이저 광원의 구동을 제어하는 제어부;를 포함한다.

레이저 디스플레이 장치는, 상기 레이저 광원에서 발생된 레이저 빔을 상기 토출 헤드의 내부로 도입하여 상기 토출 노즐의 중공을 통해, 비행중인 액적의 후 면으로 안내하는 광유도수단;을 구비할 수 있다.

대안으로, 상기 레이저 광원은 상기 토출 노즐에 대하여 반대편에서 대향하는 원격 지점에서, 비행중인 액적의 전면에 레이저 빔을 조사할 수도 있다.

상기 토출 헤드는 피에조 구동방식, 열 구동방식 또는 정전 구동방식의 잉크젯 헤드인 것이 바람직하다.

레이저 디스플레이 장치는, 상기 액적의 방출을 감지하여 트리거 신호를 발생시키는 액적 감지부;를 더 포함하고, 상기 제어부는 광 표시가 요구되는 타겟 포인트까지의 예상 도달시간을 미리 산출하고, 상기 트리거 신호의 발생시점으로부터 상기 타겟 포인트 도달시간이 경과했을 때 레이저 구동신호를 출력하는 것이 바람직하다.

상기 레이저 디스플레이 장치는, 상기 액적을 탄도를 따라 가속시키기 위한 정전기력, 자기력, 공압 또는 광압을 제공하는 가속수단;을 더 포함할 수 있다.

상기 토출 노즐은 점형, 선형 또는 매트릭스 형상으로 배열될 수 있다.

본 발명에 따른 미세 액적 분사를 이용한 레이저 디스플레이 장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.

① 허공중에 레이저 광을 표시하기 위한 비행 입자로서 미세 액적이 사용되므로 빠른 응답속도의 분사 제어가 가능하고, 광 표시가 완료된 후에는 액적이 기화되어 자연제거되므로 환경오염의 문제를 유발하지 않는다.

② 기존의 체적형(Volumetric) 3D 디스플레이와는 달리 영상 표시가 이루어 지는 위치에 표시스크린이나 회전미러가 설치될 필요가 없으므로 영상 표시를 위한 사용공간에 제약이 없다. 따라서, 3D 영상 표시가 요구되는 광고, 의료, 게임, 군사, 교육 등 다양한 산업분야에 유용하게 적용될 수 있다.

③ 실제 영상이 존재하는 위치와 사용자의 눈을 통해 영상이 존재하는 것으로 지각되는 위치가 정확히 일치하므로 눈의 피로가 발생하지 않는다.

④ 입자 구름 스크린을 이용하는 기존의 프로젝션 방식 디스플레이와는 달리, 분사된 액적 입자 하나하나를 상호 충돌없이 독립적으로 제어하여 복셀(voxel)로 활용할 수 있으므로 불필요한 액적의 분무에 따른 전력효율 문제와 재료소모 문제를 해소할 수 있다. 또한, 분무입자들 간의 상호 충돌과 난류화로 인해 초래되는 이미지 펄럭임(image fluttering) 현상이 발생하지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 디스플레이 장치의 정면도이며, 도 2 및 도 3은 토출 헤드의 내부 구성과 레이저 광원의 배치관계를 도시한 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 디스플레이 장치는 액적(1)을 방출하는 토출 헤드(100)와, 토출 헤드(100)로부터 방출되는 액적(1)의 후면에 레이저 빔을 조사하도록 배치된 레이저 광원(101)과, 토출 헤드(100)의 분사 제어를 비롯하여 레이저 광원(101)의 구동 제어를 담당하는 제어 부(102)를 포함한다.

토출 헤드(100)는 액체 챔버(100a)에 공급된 액체(10)를 가압하여 토출 노즐(100b)을 통해 허공으로 속이 찬 액적(1)을 방출한다. 토출 헤드(100)에서 액적(1)이 방출되는 방향은 도 1에 도시된 바와 같이 하방에 한정되지 않고 허공중의 어떠한 방향이라도 무방함은 물론이다.

토출 헤드(100)는 전기신호에 의한 압전소자(piezo actuator)의 기계적 변형을 이용하여 액체 챔버(100a)의 부피를 변화시킴으로써 액체 챔버(100a) 안의 액체(10)를 토출 노즐(100b) 밖으로 밀어내어 액적(1)을 방출하는 피에조 구동방식이나, 히터의 열에 의해 발생하는 버블(bubble)을 이용하여 액체 챔버(100a) 안의 액체(10)를 토출 노즐(100b) 밖으로 밀어내어 액적(1)을 방출하는 열 구동방식이나, 전기장을 이용해 토출 노즐(100b) 밖으로 액적(1)을 방출하는 정전 구동방식이나, 그밖의 다양한 방식의 액적 분사 기구를 채용하여 구성될 수 있다. 이러한 액적 분사 기구는 통상의 잉크젯 헤드(ink jet head)에서 채택하고 있는 액적 분사 기구와 기본적인 구성이 실질적으로 동일하므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

토출 헤드(100)의 액체 챔버(100a)에 공급되는 액체(10)는 기본적으로 물로 이루어지며, 필요에 따라 액적(1)의 중량, 점도, 기화율, 색상 등을 결정하는 기능성 첨가물을 더 포함할 수 있다. 또한, 토출 헤드(100)에서 생성되는 액적(1)의 직경은 요구되는 화소의 크기나 피치에 따라 수 십 ㎛ 내지 수 ㎜의 범위 내에서 결정되는 것이 바람직하다. 이와 같은 미세 액적은 그 일면에 레이저 빔이 조사되더라도 레이저 광의 산란, 반사, 굴절 작용 등에 의해 사방에서 발광이 관측될 수 있 다.

토출 헤드(100)에 있어서 토출 노즐(100b)은 실질적인 점형, 선형 또는 매트릭스(matrix) 어레이 형상을 이루도록 배치된다. 토출 노즐(100b)의 개수나 배치 형태는 필요에 따라 다양한 변형예가 있을 수 있다.

수 십 센티미터(㎝) 내지 수 미터(m) 길이의 충분한 직진 탄도를 얻기 위해 토출 노즐(100b) 주변에는 액적(1)을 그 탄도를 따라 가속시키기 위한 가속수단(미도시)이 부가될 수 있다. 가속수단은 액체 챔버(100a) 내에서 미리 하전 처리된 후 토출 노즐(100b)로부터 방출된 액적(1)을 정전기력이나 자기력을 이용해 가속시키는 전자기 편향판 형태로 제공될 수 있다. 대안으로 가속수단은 토출 노즐(100b)로부터 방출된 액적(1)의 후면에 공압을 가하여 가속시키는 공압 기구 형태로 제공될 수 있다. 다른 대안으로 가속수단은 토출 노즐(100b)로부터 방출된 액적(1)의 후면에 고에너지의 적외선에 의한 광압을 가하여 가속시키는 레이저 발생기 형태로 제공될 수 있다.

레이저 광원(101)은 토출 헤드(100)에서 방출되어 직진하는 액적(1)의 탄도선 상에 광축이 정렬되는 레이저 빔을 발생시켜 비행중인 액적(1)에 조사한다. 레이저 빔의 광축은 정확히 직선을 이루므로 액적(1)이 직진하는 범위 내에서는 정확히 액적(1)의 탄도선과 일치하도록 정렬될 수 있다.

레이저 광원(101)으로는 레이저 다이오드(LD)는 물론 다양한 형태의 레이저 발생기가 채택 가능하다. 레이저 광원(101)은 디스플레이용으로 적합한 출력을 가진 가시광선 파장대의 레이저 빔을 제공하는 것이 바람직하다. 이때, 레이저 광 원(101)은 단일 파장대의 레이저 빔을 출력하는 단일 형태로 제공되거나, R(적색)/G(녹색)/B(청색) 파장대의 레이저 발생기들 중 적어도 둘 이상이 광학계에 의해 조합된 형태로 제공될 수 있다. 부가적으로, 레이저 광원(101)에 고에너지 레이저를 조합할 경우에는 액적(1)을 이용해 광 표시를 완료한 이후에 해당 액적(1)에 고에너지의 적외선 레이저 빔 등을 조사하여 액적(1)의 기화작용을 촉진하는 것이 가능하다.

대안으로, 레이저 광원(101)은 자외선 또는 이에 근접한 파장대의 레이저 빔을 제공해도 무방하다. 이 경우 액체 챔버(100a)에 공급되는 액체(10)에는 기능성 첨가물로서 자외선 여기 형광물질이 포함된다.

레이저 빔을 액적(1)의 후면에 조사하기 위해 레이저 광원(101)은 광유도수단(103)과 광학적으로 커플링된다. 광유도수단(103)은 레이저 광원(101)에서 발생된 레이저 빔을 토출 헤드(100)의 내부로 도입하여 토출 노즐(100b)의 중공을 통해 비행중인 액적(1)의 후면으로 안내한다. 광유도수단(103)은 도 2에 도시된 바와 같이 토출 헤드(100)의 몸체에 있어서 토출 노즐(100b)이 위치한 지점의 정후방에 마련되어 레이저 빔을 투과시키는 윈도우(window) 형태로 제공된다. 대안으로, 광유도수단(103)은 렌즈나 광도파로, 광섬유 형태로 제공될 수도 있다.

토출 노즐(100b)이 어레이 형태로 다수 배열되는 경우, 레이저 광원(101)은 각각의 토출 노즐(100b)과 일대일 대응되게 다수 구비될 수 있다. 대안으로는, 도 3에 도시된 바와 같이 각각의 토출 노즐(100b)에 대응하도록 마이크로 미러(micro mirror)(104)의 어레이(array)를 구비하고, 각 마이크로 미러(104)를 순차적으로 예컨대, 45°만큼 틸트(tilt)시켜 단일의 레이저 광원(101)으로부터 제공되는 레이저 빔을 마이크로 미러(104)에 대응하는 토출 노즐(100b)에 순차적으로 도입하는 것도 가능하다.

제어부(102)는 토출 헤드(100)로부터 액적(1)이 방출되어 직진 탄도를 따라 비행하는 중에 레이저 광원(101)을 구동하여 액적(1)에 레이저 빔의 펄스를 가하는 제어기능을 수행한다. 액적(1)에 레이저 빔이 조사되면 액적(1)에서 레이저 광의 산란 및 반사 작용 등이 일어나서 실질적으로 개개의 액적(1)은 레이저 디스플레이 장치의 화소 역할을 하게 된다.

제어부(102)는 탄도를 따라 비행하는 액적(1)이 광 표시가 요구되는 타겟 포인트에 도달했을 때 미리 설정된 색상, 휘도 등에 따라 선택적으로 발광이 이루어지도록 레이저 광원(101)에 제어신호를 출력한다.

바람직하게 토출 노즐(100b) 주변에는 액적(1)의 방출을 감지하여 트리거 신호를 발생시키는 액적 감지부로서 포토 커플러(105)가 구비되고, 제어부(102)는 포토 커플러(105)에서 발생하는 트리거 신호를 기준으로 레이저 조사시점을 결정한다.

즉, 제어부(102)는 토출 헤드(100)의 설계시 결정되는 액적(1)의 토출속도를 이용해 타겟 포인트까지의 도달시간을 미리 산출하고, 트리거 신호의 발생시점으로부터 타겟 포인트 도달시간이 경과했을 때 레이저 구동신호를 출력함으로써 타겟 포인트에 도달한 액적(1)의 화소를 선택적으로 발광시킨다.

동일 탄도상에 타겟 포인트가 복수개가 존재할 경우에는 동일 액적(1)에 대 하여 해당 탄도상의 모든 타겟 포인트의 어드레스(address)가 지정되고, 레이저 빔의 조사는 액적(1)이 진행하여 타겟 포인트에 도달할 때마다 수행될 수 있다. 대안으로는, 동일 탄도상에서 뒤따라 비행하는 후발 액적(1)들에 대하여 타겟 포인트의 어드레스를 배분하여 지정하는 것도 가능하다. 도 1에는 동일 액적(1)에 대하여 해당 탄도상의 모든 타겟 포인트의 어드레스(address)가 지정된 예가 도시되어 있다. 이해를 도모하기 위해 도 1에서는 가상의 좌표계를 도시하여 타겟 포인트들의 위치를 표시하였다.

도 1은 L2 내지 L6의 레이저 광원(101)에 대응하는 토출 노즐(100b)에서 동시에 액적(1)을 방출하고, L2, L3, L4, L5, L6의 레이저 광원(101)에 대응하는 액적(1)이 각각 P4, P3 및 P5, P2 및 P6, P3 및 P5, P4에 도달한 시점에 선택적으로 레이저 빔의 펄스를 가하여 액적(1)들을 발광시킨 예를 나타낸다. 도 1에서 모든 액적(1)들은 현재 P7 지점에 도달해 있으나, 고속으로 비행하는 액적(1)으로부터 제공되는 잔상효과에 의해 전체적으로 마름모꼴을 이루는 3D 이미지가 허공에 표출된다. 이때 액적(1)들은 매우 미세하므로 레이저 빔이 조사되지 않은 상태에서는 실제로 육안으로 거의 관찰되지 않는다.

레이저 조사시점의 정확도를 보다 높이기 위해, 토출 헤드(100) 주변에는 액적(1)의 토출속도를 실시간으로 검출하기 위한 속도 검출수단(미도시)이 추가될 수도 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 디스플레이 장치의 구성도이다. 본 실시예에 있어서 레이저 광원(101)은 액적(1)의 전면에 레이저 빔을 조사하 도록 배치된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 레이저 광원(101)은 비행 중인 액적(1)의 전면에 레이저 빔을 조사하도록 레이저 광원(101)이 토출 헤드(100)에 대하여 반대편의 원격 지점에서 토출 노즐(100b)과 대향하도록 배치된다. 여기서, 레이저 광원(101)이 놓여진 위치에는 레이저 광원(101)에 광학적으로 커플링된 마이크로 미러(104)가 배치될 수도 있다.

레이저 광원(101)의 전방에는 액적(1)이 레이저 광원(101)과 충돌하는 것을 차단하는 동시에 레이저 빔은 투과시킬 수 있는 쉴드 부재(shield member)(106)가 구비되는 것이 바람직하다. 쉴드 부재(106)는 투명 플레이트 또는, 액적(1)을 통과 및 편향시키는 다공 플레이트 형태로 제공될 수 있다.

전술한 실시예와 마찬가지로 각각의 액적(1)이 타겟 포인트에 도달했을 때 레이저 광원(101)은 제어부(102)에 의해 구동되어 액적(1)에 레이저 빔을 조사함으로써 액적 화소들을 발광시킨다.

상기와 같은 구성을 가진 레이저 디스플레이 장치는 토출 노즐(100b)에서 분사된 액적(1)들이 각각의 탄도를 따라 비행하여 지정된 어드레스에 대응하는 타겟 포인트에 도달했을 때 각각의 액적(1)과 대응되는 레이저 광원(101)을 제어하여 레이저 빔을 액적(1)에 조사함으로써 허공중에 다양한 3D 영상을 표시할 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조로 설명하였다. 여기서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법 으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 상술한 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 디스플레이 장치의 구성을 도시한 정면도,

도 2는 본 발명에 따른 레이저 디스플레이 장치에 구비되는 토출 헤드의 일부 구성과, 레이저 광원의 배치관계를 도시한 단면도,

도 3은 도 2의 변형예를 도시한 단면도,

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 디스플레이 장치의 구성을 도시한 정면도이다.

<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>

1: 액적 10: 액체

100: 토출 헤드 100a: 액체 챔버

100b: 토출 노즐 101: 레이저 광원

102: 제어부 103: 광유도수단

104: 마이크로 미러 105: 포토 커플러

106: 쉴드 부재

Claims (7)

1. 토출 노즐을 통해 허공으로 액적을 방출하는 토출 헤드;

   상기 액적의 직진 탄도에 대하여 광축이 일치하는 레이저 빔을 상기 액적에 조사하도록 배치된 레이저 광원; 및

   상기 액적이 비행하는 중에 상기 레이저 광원의 구동을 제어하는 제어부;를 포함하는 레이저 디스플레이 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 레이저 광원에서 발생된 레이저 빔을 상기 토출 헤드의 내부로 도입하여 상기 토출 노즐의 중공을 통해, 비행중인 액적의 후면으로 안내하는 광유도수단;을 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 디스플레이 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 레이저 광원은 상기 토출 노즐과 대향하는 원격 지점에서, 비행중인 액적의 전면에 레이저 빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 레이저 디스플레이 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 토출 헤드는 피에조 구동방식, 열 구동방식 또는 정전 구동방식의 잉크젯 헤드인 것을 특징으로 하는 레이저 디스플레이 장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 액적의 방출을 감지하여 트리거 신호를 발생시키는 액적 감지부;를 더 포함하고,

   상기 제어부는 광 표시가 요구되는 타겟 포인트까지의 예상 도달시간을 미리 산출하고, 상기 트리거 신호의 발생시점으로부터 상기 타겟 포인트 도달시간이 경과했을 때 레이저 구동신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 레이저 디스플레이 장치.
6. 제4항에 있어서,

   상기 액적을 탄도를 따라 가속시키기 위한 정전기력, 자기력, 공압 또는 광압을 제공하는 가속수단;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 디스플레이 장치.
7. 제4항에 있어서,

   상기 토출 노즐이 점형, 선형 또는 매트릭스 형상으로 배열된 것을 특징으로 하는 레이저 디스플레이 장치.

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