KR20100009739A - 액정 전계 렌즈를 구비한 입체 표시 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시청자의 움직임에 관계없이, 입체 영상의 시청이 가능하도록, 이동 정보에 따라 액정 전계 렌즈의 광학적 렌즈 효과를 달리하는 액정 전계 렌즈를 구비한 입체 표시 장치에 관한 것으로, 이차원 영상을 출사하는 표시 패널과, 상기 표시 패널 상에, 서로 대향되며 복수개의 렌즈 영역이 정의된 제 1, 제 2 기판과, 상기 제 1, 제 2기판 사이의 액정층과, 상기 제 1 기판 상의 각 렌즈 영역에 형성된 복수개의 제 1 전극 및 상기 제 2 기판 상에 형성된 제 2 전극을 포함하여 이루어지며, 상기 이차원 영상을 삼차원 영상으로 변환시켜 출사하는 액정 전계 렌즈와, 관측자가 상기 액정 전계 렌즈를 바라볼 때, 관측자의 움직임을 읽어들어, 기준 위치에서 이동 정도를 파악하고, 그 이동 정보를 계산하는 웹캠 및 상기 웹캠으로부터 이동 정보를 받아, 상기 액정 전계 렌즈의 제 1 전극에 인가하는 전압 인가 순서를, 관측자의 움직임에 상응하여 변경시키는 제어부를 포함하여 이루어진 것에 그 특징이 있다.

아이 트랙킹(eye tracking), 입체 표시 장치, 액정 전계 렌즈, 2D/3D 전환, 이동 정보

Description

액정 전계 렌즈를 구비한 입체 표시 장치{Stereoscopy Display Device Using Liquid Crystal Lens Electrically Driven}

본 발명은 액정 전계 렌즈에 관한 것으로 특히, 시청자의 움직임에 관계없이, 입체 영상의 시청이 가능하도록, 이동 정보에 따라 액정 전계 렌즈의 광학적 렌즈 효과를 달리하는 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 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 영상 을 보게 된다. 이와 같이, 두 눈의 위치 차이에 의한 영상의 차이점을 양안 시차(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 양안 시차를 이용하는 입체 표시 장치에 있어서, 액정의 전계 효과를 이용하여 렌즈 효과를 갖는 방식을 액정 전계 렌즈라 한다.

즉, 렌즈는 렌즈를 구성하는 물질과 공기와의 굴절율 차이를 이용하여 입사광의 경로를 위치별로 제어하는 것인데, 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 종래의 액정 전계 렌즈를 설명하면 다음과 같 다.

도 1은 종래의 입체 표시 장치의 영역별 표시 상태를 나타낸 도면이다.

도 1과 같이, 종래의 입체 표시 장치는, 각각 2차원의 좌안 영상 신호(L)와, 우안 영상 신호(R)를 출사하는 표시 패널(12)과, 상기 표시 패널(12) 상에 위치하여, 각각 좌안 영상 신호(L)와 우안 영상 신호(R)을 선택적으로 차단 또는 투과시키는 패럴랙스 배리어(parallax barrier, 11)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 배리어(11)는, 슬릿 및 배리어를 구비하며, 관찰자(15)와, 표시 패널(12) 사이에서 위치한다. 그리고, 상기 표시 패널(12)로부터 출사하는 좌안 영상 신호(L) 및 우안 영상 신호(R)를 각각 관찰자(15)의 좌안과 우안에 도달하도록, 슬릿을 통해 광투과시키고, 배리어를 통해 좌안에 대하여는 우안 영상신호(R)가 차단되며, 우안에 대하여는 좌안 영상 신호(L)가 차단되도록 광투과를 조절한다.

이 경우, 상기 표시 패널(12)에서는 각각 좌안 영상 신호(L) 및 우안 영상 신호(R)가 서로 교번하여 배치된 좌안 픽셀 및 우안 픽셀로부터 출사되게 된다.

상기 패럴랙스 배리어(11)에 있어서, 좌안 영상 신호(L)와 우안 영상 신호(R)는 상기 관찰자(15)가 정상 위치에 위치하게 되면, 상기 관찰자(15)의 좌안 및 우안에 각각 좌안 영상 신호(L)와 우안 영상 신호(R)를 받게 되어, 상기 좌안 영상 신호(L)와 우안 영상 신호(R)간의 충분히 시차 정보가 형성되어, 이로 인해 관찰자(15)가 3차원 영상을 즐길 수 있게 된다. 이 경우, 관찰자(15)는 정입체시 영역에 위치한다고 한다.

그러나, 관찰자(15)가 만일 소정 위치에서 우측이나 좌측으로 움직이게 되어 그 위치가 정입체시 영역에서 틀어질 경우(15a), 상기 관찰자의 좌안 및 우안에 들어와야 할 광이 상기 패럴랙스 배리어(11)의 배리어에 의해 차단되어, 표시가 불가하게 되며, 이 경우, 사용자가 역입체시 영역에 위치한다고 한다. 이 경우에는, 입체 영상(3D 영상)의 시청이 불가능하다.

또한, 상기 패럴랙스 배리어(11)를 구비한 경우, 상기 표시 패널(12)는 총 픽셀 수에 대해 이를 이분하여 좌안 픽셀 신호와 우안 픽셀 신호를 이용하도록 하는 것으로, 이를 입체 표시에 이용할 경우는, 상기 표시 패널(12)이 갖는 해상도에 비해 실제 입체 표시에서 해상도가 반으로 줄게 되는 문제점이 있다.

도 2a 및 도 2b는 종래의 입체 표시 장치에 있어서, 정입체/역입체 변환의 방법을 나타낸 도면이다.

도 2a는 관찰자(15a)가 역입체시 영역으로 이동하였을 때, 표시 패널(12)의 좌안/우안 영상 신호(L/R)를 도 1과 비교하여, 역으로 인가하는 것으로, 예를 들어, 하나의 렌즈 영역에 표시 패널의 2개의 화소(pixel)가 대응되는 2view 방식에서 이용하는 것이다. 이 경우에는 상기 표시 패널(12)에는 각각 해당 픽셀의 영상 신호를 전환하여 주는 별도의 구동부가 구비되어 있어야 한다. 그러나, 별도의 구동부 구비에 의해 표시 패널의 영상 표시에 속도 지연이 발생할 수 있는 우려가 있다. 이 경우, 패럴랙스 배리어(11)를 투과하여 통과하는 광은, 각각 역입체시로 이동된 좌안과 우안에 각각 변조되어 출사되는 좌안 영상 신호와 우안 영상 신호가 인가된다.

도 2b는 관찰자(15a)가 역입체시 영역으로 이동하였을 때, 패럴랙스 배리어(11a)가 관찰자(15a)의 움직임에 따라 대응하여 이동하는 방식을 나타낸 도면이다. 도 2a와 마찬가지로, 이 방식도 하나의 렌즈 영역에 표시 패널의 2개의 화소가 대응되는 2 view 방식이다. 이 경우, 상기 패럴랙스 배리어(11a)는 각각 슬릿을 투과하여 나온 좌안 영상 신호와 우안 영상 신호가 관찰자의 좌안 및 우안에 대응되도록 상기 패럴랙스 배리어(11a)를 이동시킨다.

상기와 같은 종래의 입체 표시 장치는 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 일반적으로 입체 표시 장치는 사람의 양안 시차를 이용하는 것으로, 사람의 양안 시차 간격은 약 65mm에 해당한다. 따라서, 예를 들어, 입체 표시 장치가 패럴랙스 배리어와 같이, 배리어를 구비한 경우, 관찰자가 만일 소정 위치에서 우측이나 좌측으로 움직이게 되어 상기 양안 시차 간격을 벗어나 그 위치가 정입체시 영역에서 틀어지게 되면, 상기 관찰자의 좌안 및 우안에 들어와야 할 광이 상기 패럴랙스 배리어의 배리어에 의해 차단되어, 입체 표시가 불가하게 된다. 이 경우에는, 입체 영상(3D 영상)의 시청이 불가능하다.

둘째, 패럴랙스 배리어를 구비한 경우, 상기 표시 패널는 총 픽셀 수에 대해 이를 이분하여 좌안 픽셀 신호와 우안 픽셀 신호를 이용하도록 하는 것으로, 이를 입체 표시에 이용할 경우는, 상기 표시 패널이 갖는 해상도에 비해 실제 입체 표시에서 해상도가 반으로 줄게 되는 문제점이 있다.

한편, 상기 사용자의 움직임을 고려하여, 패럴랙스 배리어를 이동시키는 대안이 고려되었으나, 이 경우에도 해상도가 반으로 줄어드는 문제는 해결할 수 없는 문제점이 있다.

또한, 상기 표시 패널의 좌안 우안 화소의 신호를 역으로 하여 인가하는 경우를 고려해볼 수 있으나, 이 경우, 표시 패널의 구동 회로의 변경이 필요하며, 이 조정이 사실상 힘들며, 이러한 구동 회로의 변경시 표시 패널의 영상 표시에 있어 서, 속도가 저감될 우려가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 시청자의 움직임에 관계없이, 입체 영상의 시청이 가능하도록, 이동 정보에 따라 액정 전계 렌즈의 광학적 렌즈 효과를 달리하는 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치를 제공하는 데, 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 액정 전계 렌즈를 구비한 입체 표시 장치는, 이차원 영상을 출사하는 표시 패널과, 상기 표시 패널 상에, 서로 대향되며 복수개의 렌즈 영역이 정의된 제 1, 제 2 기판과, 상기 제 1, 제 2기판 사이의 액정층과, 상기 제 1 기판 상의 각 렌즈 영역에 형성된 복수개의 제 1 전극 및 상기 제 2 기판 상에 형성된 제 2 전극을 포함하여 이루어지며, 상기 이차원 영상을 삼차원 영상으로 변환시켜 출사하는 액정 전계 렌즈와, 관측자가 상기 액정 전계 렌즈를 바라볼 때, 관측자의 움직임을 읽어들어, 기준 위치에서 이동 정도를 파악하고, 그 이동 정보를 계산하는 웹캠 및 상기 웹캠으로부터 이동 정보를 받아, 상기 액정 전계 렌즈의 제 1 전극에 인가하는 전압 인가 순서를, 관측자의 움직임에 상응하여 변경시키는 제어부를 포함하여 이루어진 것에 그 특징이 있다.

그리고, 상기 제어부는, 상기 웹 캠으로부터 이동 정보를 인가받는 코딩 제어부와, 상기 복수개의 제 1 전극에 대응되어 서로 다른 전압을 생성하는 저항 어레이와, 상기 저항 어레이로부터 출력되는 복수개의 전압을 상기 이동 정보에 따라 전압 인가 순서를 변경하는 코딩부를 포함하여 이루어진다.

상기 액정 전계 렌즈는, 상기 저항 어레이로부터 출력되는 복수개의 전압 수의 배수에 상당한 수의 금속 배선들을 더 포함하며, 상기 금속 배선들은 상기 제 1 전극을 가로지르는 방향으로 형성된다.

또한, 상기 금속 배선들에 상당한 위치에 상기 제 1 기판 상에 블랙 매트릭스층이 더 형성된다.

그리고, 상기 제 1 전극들은 각 렌즈 영역에서, 각각 동일한 전압이 인가되는 금속 배선들과 전기적으로 접속된다.

여기서, 상기 코딩부는 상기 웹 캠으로부터 제공된 이동 정보에 따라, 상기 금속 배선들에 인가하는 전압들의 순서를 조절하게 된다.

상기와 같은 본 발명의 액정 전계 렌즈를 구비한 입체 표시 장치는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 2뷰(2view)로 3D를 구현할 경우, 정입체시 영역과 역입체시 영역이 1:1로 나타나 입체 영상을 시청할 수 있는 영역이 매우 좁다. 이런 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 입체 표시 장치는, 배리어 방식이 아닌 액정 전계 렌즈를 이용하여, 멀티뷰(multiview)를 이용하더라도, 관측자의 위치 이동에 대응되어 이동 정보를 그대로 받아들여, 액정 전계 렌즈의 각 전극에 인가하는 전압 정보를 쉬프트된 정보로 인가함으로써, 사용자가 어느 위치로 이동하나, 그에 대응되어 입체 표시가 가능하게 된다.

둘째, 웹 캠을 이용하여, 동공의 움직임을 추적하는 아이 트랙킹(eye tracking)을 이용함으로써, 관측자의 움직임을 쫓고, 실질적으로 아이 트랙킹과 관련하여 입체 영상 정보 자체를 변환하는 것이 아니라, 전압 인가 순서를 변경하여 액정 전계 렌즈측의 광학적인 렌즈 효과를 달리하는 것이다. 따라서, 상기 아이 트랙킹과 관련하여 영상 정보 변경시 소요되는 시간이 길 때 사용자의 움직임이 더 빠른 경우에 관측장의 움직임에 적절한 입체 영상의 투사가 불가능함을 방지하고, 보다 움직임에 따른 전압 인가 순서만을 변경하여, 광학적 렌즈 형성에 소요되는 시간을 줄여 입체 영상 표시를 관측자 움직임에 상응하게 적절히 조절할 수 있다.

셋째, 액정 전계 렌즈는 그 전압인가에 따라 이차원의 영상 정보를 투사하는 표시 패널을 선택적으로 이차원 영상과, 삼차원 영상으로 조절하여 출사시킬 수 있는 것으로, 사용자의 선택에 따라 입체 표시로도 이차원 표시로도 이용될 수 있다.

넷째, 패럴랙스 배리어 구조와 달리, 렌즈의 위치의 변경으로 사용자 움직임에 대응시키는 것으로, 배리어 구비에 따라 해상도 및 개구율이 떨어지는 문제점을 개선할 수 있다.

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

도 3은 본 발명의 액정 전계 렌즈를 포함한 입체 표시 장치를 나타낸 블럭도이다.

도 3과 같이, 본 발명의 입체 표시 장치는, 크게 대향된 한쌍의 기판과, 그 사이에 액정층이 채워지고, 각각의 기판 상에 형성된 전극에 전압을 인가하여 조성 된 액정 전계 렌즈(100)와, 상기 액정 전계 렌즈(100)의 전극에 인가하는 전압 인가 순서를 제어하는 제어부(200)와, 관찰자(400)의 움직임을 읽어들여 이에 대한 정보를 제어부에 전달하는 웹캠(300)으로 이루어진다.

여기서, 상기 제어부(200)는 상기 웹 캡(300)과 연결되어 관찰자(400)가 정상 위치로부터 어느 정도 이격되어있는지를 판단하여 해당 이동 정보를 전달받는 코딩 제어부(210)와, 해당 이동 정보에 따라 상기 액정 전계 렌즈(100)의 전극에 인가하는 전압의 조건을 변경하는 코딩부(220)와, 상기 액정 전계 렌즈(100)의 각 전극에 전압을 생성하는 저항 어레이(230)를 포함하여 이루어진다.

그리고, 상기 웹 캠(300)은 관찰자(400)의 움직임 변화를 쫓는 것으로, 2차원 영상을 표시하는 표시 패널에 부착되어 형성될 수 있다. 이러한 웹캡(300)은 관찰자(400)의 동공의 움직임이나 관찰자의 헤드(head)의 이동을 실시간으로 추적하고, 추적된 관찰자의 동공 또는 헤드의 움직임을 계산하며, 이에 대한 움직임을 이동 정보로 변환하여 저장하며, 이를 상기 제어부(200)의 코딩 제어부(210)로 전달한다.

여기서, 상기 저항 어레이(230)는 최소 전압(Vmin) 및 최대 전압(Vmax)을 인가받아 상기 최소 전압과 최대 전압 사이에 전압 값을 n개로 분배하여 출력하는 기능을 한다.

그리고, 코딩부(220)에서는, 예를 들어, 상기 액정 전계 렌즈(100)의 각 렌즈 영역에 4개의 전극이 구성되어 있다고 할 때, 4개의 각 전극(L1, L2, L3, L4)에 인가되는 전압들(V1, V2, V3, V4)을 상기 이동 정보에 따라 그 순서를 달리하여 전 달하는 기능을 한다. 여기서, 전극은 각 렌즈 영역 내에 4개 외의 복수개로 구비될 수 있으며, 그 개수가 n개라고 하면, n 개에 상당한 전압들이 상기 저항 어레이(230)에서 출력되고, 상기 코딩부(220)에서는 이동 정보에 따라 그 인가위치를 다르게 코딩하여 액정 전계 렌즈(100)로 전달하게 된다.

즉, 상기 액정 전계 렌즈(100)에는 렌즈 영역마다 렌즈를 구현하기 위해 n개의 전극을 구비하는 것이 요구되고, 따라서, n개의 서로 다른 전압 값이 요구된다. 본 발명의 입체 표시 장치에 있어서는, 이 경우, 웹 캡(300)으로부터 관찰자의 위치를 읽어들어, 예를 들어, 우측으로 "a" 만큼 혹은 좌측으로 "b"만큼 이동시 그에 따라 n개의 전압 값들이 인가되는 전극 위치를 바꾸어, 관찰자의 이동 위치에 맞는 렌즈 형상을 투사시켜 입체 표시를 가능하게 하는 것이다.

여기서, 상기 액정 전계 렌즈를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 액정 전계 렌즈를 나타낸 평면도이며, 도 5는 도 4의 I~I' 선상의 구조 단면도이고, 도 6은 도 4의 Ⅱ~Ⅱ' 선상의 구조 단면도이다.

본 발명의 입체 표시 장치의 액정 전계 렌즈(100)는, 단위 렌즈 영역 내에 n개의 복수개의 제 1 전극(111, 112)이 형성된다. 여기서, 상기 복수개의 제 1 전극(111, 112)은 서로 다른 층에 번갈아 형성된다.

본 발명의 액정 전계 렌즈(100)는, 이차원 영상 신호를 하부로부터 받아 각 전극에 전압 인가 후 액정층에 광학적 효과를 주어 광학적 경로가 렌즈 형상을 갖도록 할 때, 렌즈면의 프로파일에 따라 삼차원 영상 신호를 출사하는 기능을 갖는다. 이 경우, 상기 액정 전계 렌즈(100)는, 상기 이차원을 구현하는 표시 패널(미 도시) 상에 위치하며, 상기 액정 전계 렌즈(100)를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

한편, 상기 표시 패널(미도시)은 상기 액정 전계 렌즈(100)의 하측에 위치하며, 이차원 영상 정보를 출사하며, 복수개의 서브픽셀이 매트릭스(matrix) 형상으로 형성되어 있으며, 각 서브픽셀에는 r, g, b 영상신호가 열(coulmn)별로 차례로 인가된다.

이러한 표시패널로는 액정표시소자(Liquid crystlal Display Divice :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 이용될 수 있다.

도 4 내지 6과 같이, 본 발명의 액정 전계 렌즈(100)는, 복수개의 렌즈영역이 대응되어 정의되며, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판(110, 120)과, 각 렌즈 영역들에 대하여 상기 제 1 기판(110) 상에 서로 이격된 복수개의 제 1 전극(111, 112)과, 상기 제 2 기판(120) 전면에 형성된 제 2 전극(121)과, 상기 제 1 전극들(111, 112)에 각각 서로 다른 전압을 인가하는 전압원(Vmin, V1, V2, ...,Vmax)과 연결되어 해당 전압이 인가되는 금속 배선(133) 및 상기 제 1 기판(110)과 제 2 기판(120) 사이에 채워진 액정층(130)을 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 제 1 전극 (111, 112) 및 제 2 전극(121)은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide)과 같은 투명 금속으로 형성하여, 각 전극이 위치 한 부위에서 투과율의 손실을 방지한다. 그리고, 상기 제 1 전극들(111, 112)은 서로 교번된 위치에 그 사이에 제 2 절연막(113)을 개재하여 형성되어 있다.

여기서, 상기 제 1 전극들(111, 112)은 서로 동일 간격으로 이격되어 있을 수도 있고, 형성하고자 하는 렌즈 영역(L)의 중심에서 에지로 가면서 더 간격을 좁히거나 넓히거나 하여 형성할 수 있다. 이 때, 상기 각 제 1 전극들(111, 112)에 인가되는 전압 값은, 중심에서 에지부로 가며 점점 큰 값이 되는 양의 이차 함수에 상응하는 값으로 인가하도록 한다. 또한, 상기 제 1 전극들(111, 112)은 일 방향으로 긴 막대 형상으로 형성되며, 도시된 도면에서는 세로 방향으로 길게 도시된 형상으로 도시되었다. 이 경우, 형성되는 렌즈는 각 렌즈 영역(L)에 포물선의 광경로 효과를 갖도록 이루어진다. 즉, 복수개의 포물선 형태의 렌즈가 가로 형태로 형성되는 것이다.

또한, 상기 제 2 절연막(113) 상에 형성된 제 1 전극들(112) 상에는 제 1 배향막(115)이 형성되며, 상기 제 2 전극(121) 상에는 제 2 배향막(122)이 더 형성되어, 상기 제 1 전극들(111, 112) 및 제 2 전극(121)에 전압이 인가되기 전의 초기 상태의 액정 배향을 제어한다. 이 때, 상기 제 1, 제 2 배향막(115, 122)은 전압 무인가시의 초기 상태에서 상기 액정 전계 렌즈(100)가 투과층으로 기능시키기 위해, 제 1 배향막(115)의 러빙 방향을 상기 제 1 전극(111)의 방향과 동일하게 하거나 수직 방향으로 하고, 상기 제 2 배향막(122)의 러빙 방향을 이에 교차하는 방향으로 한다. 이를 통해 전압 무인가시 표시 패널(미도시)을 통해 하부에서 전달되는 되는 상기 액정 전계 렌즈(100)를 거쳐 그대로 관찰자(400)에게 투과 전달시 킨다.

상술한 렌즈 영역(L)은 도시된 4에 도시된 형상이 일 피치를 주기로 가로 방향으로 반복되어 형성된다.

그리고, 상기 복수개의 제 1 전극(111, 112)은 막대 형상으로 형성되며, 단일 제 1 전극(111, 112)의 폭을 2~10㎛으로 하며, 인접한 제 1 전극(111, 112)간의 간격을 2~10㎛로 하여 배치한다. 예를 들어, 렌즈 영역(L)의 피치(pitch)(가로 폭)는 90 내지 1000㎛ 정도로 다양하게 가변할 수 있는데, 상술한 제 1 전극(111, 112)의 폭 및 이격 간격에 따라 렌즈 영역별로 10개 내외에서 100개 이상까지 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 제 1 전극(111, 112)의 폭 및 이격 간격은 균일 간격을 갖도록 한다. 상술한 수치 2~10㎛의 범위에서 동일한 값을 갖도록 한다.

한편, 도시하지 않았지만, 상기 제 1, 제 2 기판(110, 120)의 외곽 영역(패드부를 포함한 비표시 영역)에는 씰 패턴(미도시)이 형성되어 상기 제 1, 제 2 기판(110, 120) 사이를 지지한다. 또한, 상기 제 1, 제 2 기판(110, 120) 사이의 액정층(130)은 충분한 위상의 액정 전계 렌즈 형성을 위해, 약 15㎛ 이상의 두께에 상당하도록 충분한 두께로 형성하는데, 이러한 액정층(130)의 두께를 안정하게 유지하기 위해 상기 제 1, 제 2 기판(110, 120) 사이의 셀 갭을 지지하는 볼 스페이서 또는 칼럼 스페이서가 더 형성될 수 있다. 이 경우, 포함되는 스페이서는 상기 액정 전계 렌즈의 위상을 왜곡시키지 않는 위치에 형성하는 것이 좋다.

그리고, 상기 금속 배선(133)은 상기 제 1 전극들(111)과 제 1 절연막(109)을 사이에 두고 하측에 형성되며, 각 렌즈 영역에 대해 하나의 제 1 전극(111 또는 112)에 콘택홀(135)을 통해 접속되어 있다. 이 경우, 상기 금속 배선(133)은 단부에 전압이 인가되는 전압원과 연결되어 있다. 여기서, 전압원은 상기 제어부(200)의 저항 어레이(230)에서 생성된 전압들(V1, V2, V3, V4,...)의 순서를 관찰자의 위치에 상응하여 조절한 코딩부(220)와 연결되어 있다.

그리고, 여기서, 상기 콘택홀(135)은 하나의 제 1 전극(111 또는 112)에 대하여 하나씩 대응하여 형성될 수도 있고, 경우에 따라 상기 제 1 전극(111 또는 112)이 갖는 라인 저항 딜레이를 고려하여 2개 이상 하측의 금속 배선(133)과 접속하도록 형성할 수도 있다. 이 경우에는 동일한 전압이 인가되는 금속 배선(133)과 해당 제 1 전극(111 또는 112)이 복수개의 지점에서 접속되는 것이다.

상기 금속 배선들(133)은 상기 제 1 전극(111, 112)을 가로지르는 방향으로 형성되며, 상기 금속 배선(133)이 형성되는 부위에서 광학적인 크로스토크(crosstalk)를 방지하도록, 그 위치에 상당하여 블랙 매트릭스층(미도시)을 더 형성할 수 있다. 혹은 경우에 따라 상기 금속 배선(133)을 차광 금속으로 형성되어 동일 효과를 얻기도 한다. 실질적으로 적어도 금속 배선들(133)과 상기 제 1 전극(111, 112)는 일대일로 대응 접속되며, 경우에 따라 대형 패널일 경우, 동일 전압을 인가하는 2개 이상의 배수의 금속 배선(133)과 다른 위치에서 상기 제 1 전극(111, 112)이 접속될 수 있다.

전압이 인가되는 측면을 살펴보면 다음과 같다.

형성하고자 하는 렌즈 영역(L)의 중심(O)에서는 대략 문턱 전압(Vth)에 상 당한 최소 전압(Vmin)의 제 1 전압이 인가되며, 상기 렌즈 영역(L)들의 에지부(E)에 위치한 제 1 전극들(111, 112)에 가장 큰 최대 전압(Vmax)의 제 n 전압이 인가된다. 이 경우, 상기 렌즈 영역(L)의 중심(O)과 에지부(E) 사이의 위치하는 상기 제 1 전극들(111, 112)에 인가되는 전압은 상기 렌즈 영역의 문턱 전압에 상당한 제 1 전압(Vmin)에서 제 n 전압(Vmax) 사이이며, 상기 렌즈 영역(L)의 중심에서 멀어질수록 점점 커지는 값의 전압이 인가된다. 한편, 이와 같이, 상기 복수개의 제 1 전극(111, 112)에 전압이 인가되면 상기 제 2 전극(121)에는 접지 전압을 인가하여, 상기 복수개의 제 1 전극(111, 112)과 상기 제 2 전극(121) 사이에 수직 전계를 조성한다.

이러한 복수개의 제 1 전극(111, 112)은 상기 렌즈 영역(L)에서, 상기 렌즈 영역의 에지부(E)를 경계로 좌우 대칭형으로 형성된다. 이러한 상기 각 제 1 전극(111, 112)들은, 해당 전압원들(Vmin, V1, V2, V3, ..., Vmax)과 금속 배선들(133)을 통해 연결되어, 해당 전압이 인가된다.

여기서, 상기 렌즈 영역(L)의 중심(O)에 대응되어 형성된 제 1 전극(111, 112)에 인가되는 가장 작은 문턱 전압에 해당하는 상기 제 1 전압(Vmin)은 약 1.4~2V 를 피크(peak) 값으로 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 전 극(111, 112)에 인가되는 전압 중 가장 큰 고전압은 약 2.5~10V를 피크값으로 하여 인가되는 교류 사각파이다.

한편, 상기 액정 전계 렌즈(100)에 구비된 복수개의 제 1 전극들(111, 112)에 상술한 문턱전압(1.4~2V를 피크값으로 하는 교류 사각파)에서 고전압(2.5~10V를 피크 값으로 하는 교류 사각파) 사이의 값으로 인가하고, 상기 제 2 전극(121)에 접지 전압을 인가할 경우, 액정 전계 렌즈(100)는 포물선면의 광학 렌즈와 유사한 렌즈로 작용하게 된다.

도면에서는, 상기 액정 전계 렌즈(100)의 일 렌즈 영역(L)은, 액정 전계 렌즈 하측에 위치하는 표시 패널(미도시)의 2개의 화소들(P1, P2)의 폭에 대응되거나, 경우에 따라 복수개의 화소들이 상기 일 렌즈 영역(L)에 대응되어 형성될 수 있다. 또한, 상기 렌즈 영역(L)들은 화소들에 대하여 일정 각도로 기울인 방향으로 형성할 수도 있고, 경우에 따라 화소들에 대해 계단형상(렌즈 배치가 n번째 화소 수평 라인에 대해 (n+1)번째 화소 수평라인측에서 일정 폭 이동되어 형성)으로 형성할 수도 있을 것이다.

상기 렌즈 영역(L)은 일 피치(pitch)에 대응되는 폭을 갖도록 정의되며, 동일한 피치를 갖는 렌즈 영역(L)이 일 방향(도 4에서는 가로 방향)으로 주기적으로 반복된다. 이 때, 일 피치(P: pitch)란 일 렌즈 영역(L)의 가로폭을 의미하며, 상기 렌즈 영역은 도시된 볼록 렌즈와 같은 물리적인 렌즈 형상을 갖는 것이 아니라, 전계 인가에 따라 액정 배열되어 이루어지는 하나의 렌즈 기능을 갖는 영역을 표시한 것이다. 도 4에서, 상기 렌즈 영역(L)의 중심(O)에서 상기 렌즈 영역(L)의 에지 부(E)까지는 P/2에 상당한 거리를 가지는 것으로, 상기 렌즈 영역(L)의 에지부(E)에서 각 렌즈 영역의 중심(O)까지 대칭형의 제 1 전극들(111, 112)에 대칭의 전압 값이 인가됨을 나타낸다.

한편, 도 5에 있어서, 도시된 초기 렌즈 형상과 변경된 렌즈 형상은, 각각 관찰자의 정상 위치와, 이로부터 움직였을 때의 위치에 대응되는 렌즈의 형상을 나타내는 것으로, 각 제 1 전극들(111, 112)에 인가되는 전압 순서를 변경시켜 이루어질 수 있다.

도 7은 본 발명의 액정 전계 렌즈를 포함한 구동부를 나타낸 간략 회로도이다.

도 7과 같이, 본 발명의 액정 전계 렌즈(100)에 전압을 인가하는 제어부(200)를 살펴보면 다음과 같다.

제어부(200)의 저항 어레이부(230)는, 일 렌즈 영역(L)에 구비된 전극에 개수에 상응하는 전압을 출력하는 부분으로, 외부로부터 최소 전압(Vmin) 및 최대 전압(Vmin)을 인가받은, 이를 복수개의 전압(Vmin, V2, V3,....Vn-1, Vmax) 을 출력한다.

상기 저항 어레이부(230)는 상기 액정 전계 렌즈(100)의 제 1 전극(111, 112)을 렌즈 영역별로 복수개의 미세 전극형태로 구분하여 형성할 때, 각 미세 전극에 인가하는 전압을 생성하기 위해, 전압원으로 기능하는 저항 어레이부(230)는, 최대 전압(Vmax)과 최소 전압(Vmin) 사이의 전압 신호 분배를 위해, 최대 전압(Vmax)과 최소 전압 인가단(Vmin)과 각 전압 신호 출력단들 사이의 저 항(resistor)(R1, R2, ..., Rn-1)과, 각 전압 신호 출력단으로부터 링크부를 거쳐 상기 미세 전극의 패드 영역의 금속 배선(미도시)으로 인가되며, 상기 각 전압 신호 출력단의 단부에 신호를 안정화하여 출력하는 버퍼(B1, B2,...., Bn)를 구비하여 이루어진다.

상기 저항 어레이부(230)로부터 출력되는 전압 신호(Vmin, V2, ..., Vmax)들은 코딩부(220)를 거쳐, 상기 액정 전계 렌즈(100)의 n 개의 금속 배선(L1, L2, L3,..., Ln)으로 연결되는데, 여기서, 상기 코딩부(220)에서는 웹캠(300)으로부터 인가된 관측자(400)의 움직임 정보에 따라 상기 전압 신호들((Vmin, V2, ..., Vmax)의 순서를 변경하여, 관측자(400)가 움직인 위치로 이동된 액정 전계 렌즈(100)에 상당한 전압 값으로 해당 금속 배선들에 인가한다.

상기 금속 배선(133)과 상기 코딩부(220)는 상기 금속 배선(133)의 단부에서 콘택을 갖는다.

이 경우, 상기 저항 어레이부(230)로부터 출력되는 전압 신호들의 수는 상기 각 렌즈 영역의 에지부(E)와 중앙부(O) 사이에 위치하는 미세 전극들의 수에 상당하다. 이 때, 상기 저항 어레이부(230)로부터 출력되는 전압 신호들은 상기 각 렌즈 영역의 중앙부와 에지부 사이에서, 상기 중앙부 또는 에지부를 경계로, 좌우 양의 2차 함수 형에 해당하는 전압 신호들이 대응된다.

그리고, 이러한 적절한 인가 전압의 선택은 예를 들어, 인가 전압을 소정 값의 전원 전압으로 하였을 때, 액정층이 갖는 위상차에 따라 산출한 테이블을 예로 하여, 상기 전압 및 위상차에 관계에 따라 시뮬레이션된 액정 전계 렌즈와, 구현하 고자 하는 시뮬레이션의 형상이 유사한 경우, 해당 테이블을 선택하고, 해당 테이블로부터 렌즈 영역의 전극 위치별 전압 값을 산출한다.

이하, 본 발명의 입체 표시 장치의 실시 형태에 대해 살펴본다.

도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 입체 표시 장치에 있어서 광세기와, 렌즈 이동시 관찰자 대응을 나타낸 도면이다.

도 8은, 2뷰(2view)로 구현된 입체 표시 장치를 나타낸 것으로, 액정 전계 렌즈(100)의 각 렌즈 영역들에 각각 우안, 좌안 신호(R, L)가 인가된다고 할 때, 관측자의 위치가 정입체시에서 역입체시(400b->400a)로 이동시, 렌즈 영역의 반(L/2)만큼 이동된 형태(100')로 전극들에 해당 전압을 인가하여, 렌즈 형상이 렌즈 영역의 반(L/2)만큼 이동된 형태로 구현되도록 한 것을 나타낸다.

이 경우, 정입체시에서는 관측자(400b)의 왼쪽 눈에 좌안 영상이 대응되고, 오른쪽 눈에 우안 영상이 대응되어, 양안 시차에 따라 3D 영상을 느낄 수 있다. 이 경우, 관측자가 역입체시(400a)의 위치로 움직일 때 이를 웹캠(300)을 통해 움직임을 읽어들여, 움직인 위치에 이동된 렌즈가 대응되도록 렌즈 영역의 복수개의 제 1 전극들에 인가하는 전압은 정입체시에 비해 렌즈 영역의 가로 폭의 L/2만큼 이동된 순서로 인가한다.

도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 입체 표시 장치에 있어서, 초기 상태와, 렌즈 이동시 렌즈 형상의 변화를 나타낸 도면이다.

도 9와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 입체 표시 장치는, 상술한 제 1 실시예에 비교하여, 보다 미세하게 이동 정도를 조절하는 것으로, 웹캠(300)에서 아이 트랙킹(eye tracking: 동공의 움직임을 읽어들여 해당 이동 정보를 전달) 후, 초기 상태의 렌즈 모양(165)에서 관측자가 움직인 만큼대응되어 이동되어 변조된 렌즈 형태(165a)를 보이고 있다.

이러한 제 2 실시예는 2뷰에 한정된 것이 아니고, 도 3~ 도 7의 구조를 갖는 입체 표시 장치에서 미세 분할 전극으로 이루어진 제 1 전극(111, 112)에 전압 인가 위치를, 관측자가 이동한만큼 이동시켜 인가하는 것이다.

도 10 및 도 11은 본 발명의 액정 전계 렌즈의 전극 배치 및 이의 전압 인가시 전계 효과를 나타낸 시뮬레이션도이다.

도 10 은 일 렌즈 영역에 상당한 폭에 대응되는, 미세 분할 전극을 나타낸 것으로, 여기에는 복수개의 제 1 전극(111, 112)들이 서로 다른 층에 나누어 형성된다.

도 11은 상기 복수개의 제 1 전극(111, 112)에 각각 전압을 인가하고, 대향되는 제 2 전극(121)에 전압을 인가하였을 때의 전계 형상을 나타내는 것으로, 상기 도시된 그래프의 중앙이 렌즈 영역의 에지에 대응되는 것으로, 에지 영역에서 전계 세기가 가장 세고, 여기서 가장 광학적 경로가 짧아 액정 전계 렌즈의 에지로 기능하고, 상기 그래프의 가장 자리가 렌즈 영역의 중앙으로, 가장 광학적 경로가 길게 되는 영역이 됨을 알 수 있다.

이러한 본 발명의 액정 전계 렌즈의 경우, 관측자가 소정 방향으로 이동하게 되면, 그 움직임을 웹 캠에서 읽어들여 상기 제 1 전극(111, 112)들에 인가되는 전압 인가 순서를 변경하여 관측자가 이동한 방향으로 쉬프트된 렌즈를 형성할 수 있다.

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 종래의 입체 표시 장치를 나타낸 도면

도 2a 및 도 2b는 입체 표시 장치에 있어서, 정입체/역입체 변환의 한 방법을 나타낸 도면

도 3은 본 발명의 액정 전계 렌즈를 포함한 입체 표시 장치를 나타낸 블럭도

도 4는 본 발명의 액정 전계 렌즈를 나타낸 평면도

도 5는 도 4의 I~I' 선상의 구조 단면도

도 6은 도 4의 Ⅱ~Ⅱ' 선상의 구조 단면도

도 7은 본 발명의 액정 전계 렌즈를 포함한 구동부를 나타낸 간략 회로도

도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 입체 표시 장치에 있어서 광세기와, 렌즈 이동시 관찰자 대응을 나타낸 도면

도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 입체 표시 장치에 있어서, 초기 상태와, 렌즈 이동시 렌즈 형상의 변화를 나타낸 도면

도 10 및 도 11은 본 발명의 액정 전계 렌즈의 전극 배치 및 이의 전압 인가시 전계 효과를 나타낸 시뮬레이션도

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100 : 액정 전계 렌즈 110 : 제 1 기판

111, 112 : 제 1 전극 109, 113 : 절연막

120 : 제 2 기판 121 : 제 2 전극

115 : 제 1 배향막 122 : 제 2 배향막

130 : 액정층 133 : 금속 배선

135 : 콘택홀 200 : 제어부

210 : 코딩 제어부 220 : 코딩부

230 : 저항 어레이 300 : 웹캠

400 : 관찰자

Claims (7)

1. 이차원 영상을 출사하는 표시 패널;

   상기 표시 패널 상에, 서로 대향되며 복수개의 렌즈 영역이 정의된 제 1, 제 2 기판과, 상기 제 1, 제 2기판 사이의 액정층과, 상기 제 1 기판 상의 각 렌즈 영역에 형성된 복수개의 제 1 전극 및 상기 제 2 기판 상에 형성된 제 2 전극을 포함하여 이루어지며, 상기 이차원 영상을 삼차원 영상으로 변환시켜 출사하는 액정 전계 렌즈;

   관측자가 상기 액정 전계 렌즈를 바라볼 때, 관측자의 움직임을 읽어들어, 기준 위치에서 이동 정도를 파악하고, 그 이동 정보를 계산하는 웹캠; 및

   상기 웹캠으로부터 이동 정보를 받아, 상기 액정 전계 렌즈의 제 1 전극에 인가하는 전압 인가 순서를, 관측자의 움직임에 상응하여 변경시키는 제어부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈를 구비한 입체 표시 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제어부는,

   상기 웹 캠으로부터 이동 정보를 인가받는 코딩 제어부와,

   상기 복수개의 제 1 전극에 대응되어 서로 다른 전압을 생성하는 저항 어레이와,

   상기 저항 어레이로부터 출력되는 복수개의 전압을 상기 이동 정보에 따라 전압 인가 순서를 변경하는 코딩부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈를 구비한 입체 표시 장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 액정 전계 렌즈는, 상기 저항 어레이로부터 출력되는 복수개의 전압 수의 배수에 상당한 수의 금속 배선들을 더 포함하며, 상기 금속 배선들은 상기 제 1 전극을 가로지르는 방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈를 구비한 입체 표시 장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 금속 배선들에 상당한 위치에 상기 제 1 기판 상에 블랙 매트릭스층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈를 구비한 입체 표시 장치.
5. 제 3항에 있어서,

   상기 제 1 전극들은 각 렌즈 영역에서, 각각 동일한 전압이 인가되는 금속 배선들과 전기적으로 접속된 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈를 구비한 입체 표시 장치.
6. 제 3항에 있어서,

   상기 코딩부는 상기 웹 캠으로부터 제공된 이동 정보에 따라, 상기 금속 배 선들에 인가하는 전압들의 순서를 조절하는 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈를 구비한 입체 표시 장치.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 웹캠은 관측자의 움직임을 관측의 동공의 움직임을 통해 인식하는 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈를 구비한 입체 표시 장치.

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