KR20100083696A

KR20100083696A - 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터와 이를 이용하는 투과형 액정 디스플레이

Info

Publication number: KR20100083696A
Application number: KR1020090097800A
Authority: KR
Inventors: 김은석
Original assignee: 은성디스플레이 주식회사
Priority date: 2009-01-13
Filing date: 2009-10-14
Publication date: 2010-07-22
Also published as: KR101082366B1

Abstract

본 발명은 액정디스플레이 장치의 광 효율을 높이기 위한 것으로, 광원과 액정디스플레이 소자 사이에 위치하여 기판의 광원측에서 들어오는 백색광을 파장에 따라 공간적으로 분리하는 제 1 홀로그램을 형성하고, 그 반대 측면에 분리된 빔의 방향을 광원의 방향과 동일하도록 하는 제 2 홀로그램을 형성하여 칼라필터의 부 화소에 각각 대응하는 파장 대역만을 입사시키는 이중 구조로 된 홀로그래픽 칼라필터에 관한 것이다. 기판의 재질과 두께를 고려하여 백색광에 포함된 모든 파장이 하나의 화소 크기와 동일한 영역으로 회절하도록 설계된 단일 화소 크기를 갖는 홀로그램 조각들로 이루어진 제 1 홀로그램을 통과하는 백색광은 각각의 파장에 따라 서로 다른 각도로 회절되어 제 2 홀로그램면에 도달하고, 제 2 홀로그램은 공간상으로 분리된 각 파장의 진행 방향을 광원의 방향과 동일하도록 보정하여 칼라필터의 각 부 화소에 해당 대역의 파장만을 입사시킨다.

Description

이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터와 이를 이용하는 투과형 액정 디스플레이{Dual layer holographic color filter and transmission type liquid crystal display using the same}

본 발명은 이중 구조를 갖는 색 분리용 홀로그래픽 칼라필터와 이를 이용하는 투과형 액정디스플레이에 관한 것으로, 특히 액정디스플레이 소자의 RGB 칼라필터에 해당 대역폭의 파장만을 입사시켜 칼라필터에서 흡수되는 빛의 양을 최소화함으로써 광 효율을 높이고, 각각의 칼라필터 사이에 중첩되는 파장이 없도록 함으로써 색 재현성을 높이는 광학 소자와 이를 이용하는 액정 디스플레이에 적합한 구조를 제시하기 위한 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터와 이를 이용하는 투과형 액정 디스플레이에 관한 것이다.

일반적으로 액정디스플레이는 백라이트에서 제공되는 광원 중 약 90%가 편광판과 칼라필터에서 흡수되어 매우 낮은 광 효율을 갖는다. 특히 염료나 안료를 사용하여 제작되는 칼라필터는 백색광원 중 RGB 각각의 칼라필터에서 해당하는 파장만을 선별적으로 투과시키기 때문에 최대효율이 33%를 넘을 수 없고, RGB 칼라필터가 완벽한 필터링을 하지 못함으로써 대역폭이 넓어지는 단점을 갖고 있다.

이를 해결하기 위해 렌즈역할을 수행하는 단위 화소 크기의 홀로그램을 어레이로 만들고, 분산에 의해 RGB 대역폭을 갖는 파장을 공간적으로 분리한 후 각 부 화소에 해당 파장을 입사시키는 방법이 미국특허 5,506,701/6,473,144 B1에 제안되어 있으며, 2개의 홀로그램과 그 사이에 렌즈 어레이를 두어 하나의 홀로그램에서 백색광을 분산시키면 화소 크기의 렌즈에 의해 각각의 파장이 각 부 화소 크기에 맞게 빛을 모아주고 다른 하나의 홀로그램에서 광 경로를 원래의 상태로 보정해주는 방법이 미국특허 7,046,407 B2에 제안되어 있다.

그리고, 하나의 홀로그램 격자를 이용하여 색을 분산시키고 RGB 파장에 각각 반응하여 빛을 모아주는 기능을 하는 3층의 렌즈기능을 수행하는 홀로그램을 두어 빛을 각 부 화소에 입사시키는 방법이 미국특허 5,894,359로 제안되었다.

미국특허 5,506,701의 방법은 도 1에서 보는 바와 같이 백라이트(3)로부터 입사되는 백색광은 렌즈로 동작하는 단일 화소크기의 홀로그램(5)인 프레넬 존 플레이트(Fresnel zone plate)를 통과한 후 액정(10)의 칼라필터(1)의 RGB 각 부 화소(1')에 해당 파장대역을 선택적으로 입사시킨다. 그러나 이 경우 프레넬 존 플레이트(Fresnel zone plate)를 사용하기 때문에 칼라필터(1)의 각 부 화소(1') 근처에서 원형의 초점이 맺힘으로써 액정에서 빛의 편광을 완벽하게 회전시키기 어렵고, 분리된 RGB 파장의 진행 방향이 각각 달라지는 분산 현상에 의해 색 조합에 문제가 발생하는 단점을 갖고 있다. 미국특허 6,473,144 B1 역시 미국특허 5,506,701과 동일한 구조로, 다만 입사되는 빛의 방향을 수직에서 사선 방향으로 바꿈으로써 칼라필터에 입사되는 빔의 방향을 변경하였지만 렌즈의 역할을 하는 마이크로 홀로 그램 어레이를 사용하였고, 액정 근처에서 초점이 맺히도록 구성하여 편광이 완벽하게 회전하지 않는 단점과 색 분리 후 분산에 의한 색 조합에 문제가 발생하는 단점을 그대로 갖고 있다.

미국특허 7,046,407 B2의 방법은 도 2에서 보는 바와 같이, 하나의 일반 격자(16)에 의해 광원(14)으로부터 나온 백색광을 파장별로 분리한 후 화소 크기의 마이크로렌즈(18)를 통과하면 화소의 크기에 맞게 RGB 파장이 분리되며, 다른 하나의 격자(22)를 통과하면서 각각의 파장은 하나의 일반 격자(16)에 입사되기 전의 방향으로 복구되어 LCD(20)에 입사된다. 그러나 이 방법은 투사형 액정에 디스플레이에 적합하도록 고안된 것으로 회절격자 16과 22 사이에 상당한 거리가 필요하며, 그 사이에 위치하는 마이크로렌즈(18)의 제작이 어렵고 이 세 소자를 정확히 정렬하는데 상당한 어려움을 갖고 있다.

미국특허 5,894,359의 방법은 도 3에서 보는 바와 같이 백라이트로부터 입사되는 백색광 F1이 첫 번째 홀로그램(16)을 통과하면서 회절에 의해 파장의 진행방향이 달라진다. 이 후 렌즈로써 동작하는 두 번째 홀로그램(14)에 도달한 파장 중 적색 파장대역은 적색 대응 홀로그램(14R)에 의해, 녹색 파장대역은 녹색 대응 홀로그램(14G)에 의해, 청색 파장대역은 청색 대응 홀로그램(14B)에 의해 각각 미리 정해진 위치에 초점이 맺히게 된다. 이 방법은 RGB 각 파장에 대해 초점방향이 동일하도록 제작할 수 있어 분산에 의한 색 조합의 문제는 해결할 수 있으나 렌즈로 동작하는 세 개의 층으로 이루어진 두 번째 홀로그램(14)을 화소단위로 구현하는데 상당한 어려움을 갖고 있으며, 홀로그램 층이 두꺼워질수록 빛의 흡수가 많아 지는 단점을 갖고 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 투과형 액정 디스플레이에서 칼라필터의 각 부 화소(R, G, B)에 모든 파장을 포함하는 백색광원이 들어가던 것을 적색 부 화소(R)에는 적색 파장대만, 녹색 부 화소(G)에는 녹색 파장대만, 그리고 청색 부 화소(B)에는 청색 파장대만 입사시킴으로써 칼라필터에서 광량의 3분의 2가 차단되던 문제를 해소함으로서, 투과형 액정 디스플레이에서 광 효율을 향상시킨다. 이를 위하여 한 쌍의 홀로그램으로 구성된 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터를 제공하고, 이러한 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터를 이용하여 액정 디스플레이를 구성하기 위한 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 수행하기 위한 본 발명은,

백색광에 포함된 파장을 화소 단위 크기로 공간상에 분포시키는 제 1 홀로그램,

제 1 홀로그램을 지지하고, 회절 공간을 제공하는 기판,

제 1 홀로그램에 의해 분리된 파장의 방향을 원래의 방향으로 복원시키고 각각의 부 화소에 해당 파장만을 입사시켜 색 조합에 문제를 발생시키지 않도록 하는 제 2 홀로그램으로 구성된 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터를 제공함을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 칼라필터를 포함하는 액정디스플레이에 있어서,

이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터를 광원과 상기 칼라필터 사이에 위치시켜 구성됨을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명의 다른 실시예에서는 칼라필터를 포함하지 않는 액정디스플레이에 있어서,

이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터를 광원과 상기 액정디스플레이의 액정사이에 위치시켜 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명은 칼라필터에서 흡수되던 광량을 모두 사용할 수 있고, 파장의 중첩이 없어 우수한 색 재현성을 갖는 저 소비전력 액정 디스플레이를 구현할 수 있으며, 종래의 색 분리형 칼라필터가 갖고 있는 문제점들을 보완함으로써 현실적으로 구현 가능하면서도 광학적 문제점들을 해결할 수 있는 광학소자를 제공하는 효과가 있다. 본 발명은 광원의 종류와 특성에 맞게 설계 제작이 가능하여 모든 액정 디스플레이 장치에서 휘도를 향상시킴으로써 소비전력을 낮추는 효과가 있으며, 칼라필터를 대체할 경우 적, 녹, 청색의 3단계의 칼라필터 제조공정을 제 1 홀로그램과 제 2홀로그램을 제작하는 2단계 공정으로 줄일 수 있어 설비와 공정을 단축하는 효과가 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 액정디스플레이 소자의 각 부 화소(R, G, B) 간격에 맞춰 파장을 분리하고, 서로 다른 광 경로를 갖는 각각의 파장에 대해 동일한 방향이 되도록 보정하는 두 개의 홀로그램으로 구성된 홀로그래픽 칼라필터를 백라이트유닛과 액정디스플레이 소자 사이에 위치시켜 구현된다.

도 4에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터(100)는 광원(60)과 액정디스플레이 소자(200) 사이에 위치되며, 광원(60)측에 제 1 홀로그램(110)이, 액정디스플레이 소자(200)측에 제 2 홀로그램(120)이 위치되고, 제 1 홀로그램(110) 및 제 2 홀로그램(120)사이에 유리 또는 플라스틱 재질로 형성된 기판(130)이 위치된다.

또한, 액정디스플레이 소자(200)와 결합되는 칼라필터(210)의 단위 화소에는 각각 하나의 적색 부 화소(210R), 녹색 부 화소(210G), 그리고 청색 부 화소(210B)를 포함하고 있다. 적색 부 화소(210R)에서는 입사되는 빛 중 적색의 파장만을, 녹색 부 화소(210G)에서는 녹색의 파장만을, 그리고 청색 부 화소(210C)에서는 청색의 파장만을 투과시켜 액정디스플레이 소자(200)를 통과 후 색 조합에 의해 칼라를 표현한다.

제 1 홀로그램(110)은 단위 화소의 크기를 갖는 투명한 투과형 제 1 홀로그램 조각(111)들이 다수 개 배열하여 구성되며, 제 1 홀로그램 조각(111)은 기판(130)의 재질과 두께에 따라 제 2 홀로그램(120)면에서 단위 화소의 크기와 정확히 일치되도록 설계된 CGH(computer generated hologram)기법에 의해 다층구조의 표면 양각형 홀로그램 또는 홀로그래픽 기록매질에 직접 기록된 부피형 홀로그램으 로 제작된다.

광원 측면에 위치한 제 1 홀로그램(110)은 광원(60)으로부터 입사된 백색광원 중 CGH 설계 또는 부피형 홀로그램 기록에 사용된 기록광원을, 예를 들어 녹색 파장을 기록광원으로 사용한 경우, 제 2 홀로그램(120)면의 녹색 부 화소(210G) 측면에서 길이 방향으로 부 화소의 길이보다 작은 일직선의 재생상을 만들도록 설계된 제 1 홀로그램 조각(111)들로 구성된다. 이 녹색의 기준광원과 비교하여 파장이 긴 적색 파장은 더 큰 각도로 회절하여 적색 부 화소(210R)에 좀 더 긴 재생상을 만들고, 파장이 짧은 청색 파장은 더 작은 각도로 회절하여 청색 부 화소(210B)에 좀 더 짧은 재생상을 만든다. 따라서 제 1 홀로그램(110)을 통과한 RGB 파장을 포함하는 백색광원은 회절에 의해 제 2 홀로그램(120) 면에서 각각의 부 화소에 해당하는 파장만이 입사되도록 색 분리가 일어난다.

제 2 홀로그램(120)은 단위 화소의 크기를 갖는 투명한 투과형 제 2 홀로그램 조각(121)들의 배열로 구성되며, 제 1 홀로그램(110)에 의해 색 분리되어 서로 다른 각도로 진행하는 RGB 파장의 방향을 보정하여 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터(100)를 통과한 후에도 빔의 방향이 최초의 광원(60)의 방향과 동일하게 액정디스플레이 소자(200)에 입사되도록 함으로써 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터(100)를 투과형 액정 디스플레이에 삽입했을 때 발생할 수 있는 색 분산의 문제를 해결하고, 색 조합에서 발생할 수 있는 문제를 해결하도록 구성된다. 제 2 홀로그램 조각(121)은 제 1 홀로그램 조각(111)과 동일하게 설계된 CGH 기법에 의한 다층구조의 표면 양각형 홀로그램 또는 홀로그래픽 기록매질에 직접 기록된 부피형 홀로그 램으로 제작된다.

제 2 홀로그램 조각(121)을 통해 진행방향이 보정된 RGB 파장은 칼라필터(210)의 각 부 화소(210R, 210G, 210B)에 정확히 수직으로 입사하도록 칼라필터(210)와 동축(on-axis) 상에 위치해야 하며, 제 1 홀로그램 조각(111)은 회절된 파장들이 대응하는 제 2 홀로그램 조각(121)의 위치에 도달하도록 회절 각도를 고려하여 제 1 홀로그램조각들(111)과 비축(off-axis) 상에 위치한다. 제 1 홀로그램 조각(111)과 제 2 홀로그램 조각(121)은 설계와 제조 방식에 따라 단위 화소의 정수배로 구성하는 것도 가능하다.

본 발명에 따른 제 1 홀로그램 조각(111)의 제작 방법에는 도5 및 6에서 보는 바와 같이 CGH 기법을 이용한 다층구조의 표면 양각형 홀로그램 또는 홀로그래픽 기록매질에 부피형 홀로그램을 직접 기록하는 방법이 있다.

도 5a를 참조하여 CGH 기법을 이용한 다층구조의 표면 양각형 홀로그램 제작 방식을 보다 자세히 설명하면, 우선 광원(60)에 포함된 전체 가시광선 영역의 파장 λ에 대해 적녹청색의 중심파장(λr, λg, λb)이 식 (1)의 회절공식에 의해 회절각 θ(λr의 회절각 θr, λg의 회절각 θg, λb의 회절각 θb)를 이룰 때 기판(130)의 두께 D를 지난 후 θr과 θb의 거리가 각각의 부 화소(210R, 210B)의 중심 사이의 거리가 되도록 홀로그램의 최소 패턴의 크기 d와 목표영상의 중심으로부터 재생상(81)의 위치를 결정한다. 이 때 재생상(81)을 포함하는 목표영상(80)의 크기는 단일 화소의 크기와 동일하도록 설정하며, m은 회절차수로 다층 구조에서는 1 이다. 이렇게 계산된 목표영상과 패턴의 크기, 그리고 재생상의 위치를 고려하여 CGH 기법으로 도 5b와 같은 홀로그램 패턴(91)을 만들고, 계산된 각 화소의 높이 값에 따라 다층구조로 일반적인 표면 양각형 홀로그램을 제작한다.

식1

도 6은 본 발명에서 기록매질에 부피형 홀로그램을 직접 기록하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도6을 참조하면, 기록에 사용되는 광원이 예를 들어 녹색 파장(λg)의 레이저인 경우 여기에 반응하는 홀로그래픽 기록매질(31)이 코팅된 기판(130) 위에 사선으로 입사되는 물체광(object beam)(34)의 음영지역을 고려하여 단위 화소 크기보다 약간 넓은 면적이 투명하고 나머지는 빛이 통과되지 못하도록 구성된 어퍼쳐(aperture)를 놓고, 레이저를 참조광(reference beam)(33)과 물체광(34)으로 분리한 후 교차시켜 홀로그램을 기록한다. 참조광(33)은 광원(60)의 진행방향을 의미하며 일반적으로 직진하는 형태를 띠지만 광원의 방사패턴에 따라 발산(divergence) 또는 수렴(convergence)의 형태를 취할 수도 있다. 물체광(34)의 입사각은 식 (1)에 의해 기판(130)의 두께 D를 진행한 후 적색 파장(λr)과 청색 파장(λb)의 재생상이 각각 가상의 부 화소(210R', 210B')의 중심이 되도록 계산된 기록광원에 대한 특정 위치를 향하도록 정해진다. 여기서 가상의 부 화소(210R', 210G', 210B')는 실제로는 제 2 홀로그램 조각(121)이 위치하는 곳이며, 레이저에서 분리된 물체광(34)은 모든 방향에서 빛을 모아주는 일반 렌즈(35)와 한쪽 방향의 빛만을 모아주는 렌티큘라 렌즈(Lenticular lens; 36)를 조합하여 가상의 녹색 부 화소(210G')의 중심에 선형의 초점을 형성한다. 따라서 백색광원이 이 홀로그램 에 입사되면 기록에 사용된 녹색 파장을 중심으로 그 위쪽에는 적색 파장이, 그 아래쪽에는 청색 파장이 하나의 부 화소 간격으로 위치하게 된다.

실제로 투과형 액정디스플레이에 사용되는 광원에 포함된 RGB 중심파장은 정확히 동일한 파장 간격과 세기를 갖고 있지 않음으로, 제 1 홀로그램 조각(111)을 통과한 후 회절에 의해 공간적으로 분리된 후 칼라필터(210)의 각 부 화소에 입사되는 빛은 중심파장이 중앙에 위치하지 않거나 세기가 다를 수 있다. 따라서 광원(60)에 포함된 RGB 중심파장의 대역폭과 세기비 등을 고려하여 제 1 홀로그램 조각(111)의 설계에 사용되는 기준광원에 대한 재생상의 길이나 위치 등을 조절하여 각 부 화소에 입사되는 광량을 사용자 편의에 맞게 조절할 수 있다.

위와 같은 방법을 따라 제작된 제 1 홀로그램(110)을 통과한 백색광은, 도 7에서 보는 바와 같이 각 파장의 길이에 따라 회절각이 달라지며, 따라서 재생면(80)의 크기와 재생상(81)의 위치도 달라지지만 전체 재생면(80)에 대한 재생상(81)의 비율은 각각의 파장과 관계없이 일정하게 유지 된다. 따라서 적색 파장(λr)에 대해서는 적색 파장에 대한 재생면(80R)과 재생상(81R)을, 녹색 파장(λg)에 대해서는 녹색 파장에 대한 재생면(80G)과 재생상(81G)을, 청색 파장(λb)에 대해서는 청색 파장에 대한 재생면(80B)과 재생상(81B)을 각각 만든다. 제 1 홀로그램 조각(111)의 재생상(81)은 파장에 관계없이 단위 화소 크기의 영역을 통과하는 빛이 하나의 선으로 수렴되도록 만들어졌기 때문에 광원에 포함된 전체 파장(λmin~λmax)에 대해서 짧은 파장(λmin)이 만드는 아래쪽의 짧은 수렴선으로부터 긴 파장(λmax)이 만드는 위쪽의 긴 수렴선까지 파장에 따라 재생상(81)의 절대적 위 치가 변하면서 사다리꼴 모양으로 분포하게 된다. 이 재생상(81)의 분포는 백색광에 포함된 가시광선 영역의 주파수 스펙트럼을 공간 스펙트럼 분포로 변형된 것으로 파장 사이에 중첩이 없이 광원(60)에 포함된 모든 파장별 세기 분포를 나타내며, 전체 광량의 변화는 없다. 또한, 굵은 실선으로 나타낸 모든 파장에 대한 재생상(83)을 포함하는 전체 크기는 단위 화소의 크기와 동일하도록 설계한다.

도4를 참조하면, 제 1 홀로그램(110)에 의해 화소 단위로 회절되어 기판(130)을 통과한 빛은 파장에 따라 서로 다른 방향으로 진행하게 되어 그대로 칼라필터(210)나 액정 디스플레이 소자(200)에 들어갈 경우 색 분산 현상이 나타나고, 따라서 색 조합에 문제를 발생시킨다. 이러한 문제를 없애기 위해 각 파장의 진행방향을 보정할 필요가 있고, 홀로그래픽 칼라필터(210)의 삽입에 의한 휘도 상승 이외의 광학적 특성 변화를 최소화하기 위하여 광원(60)과 동일한 광 특성을 갖도록 하는 것이 바람직한 데, 이러한 동작을 수행하는 것이 제 2 홀로그램 조각(121)이 다수 개 배열되어 구성된 제 2 홀로그램(120)이다.

제 2 홀로그램(120)의 동작특성은 도 8에서 보는 바와 같이, 제 2 홀로그램 조각(121)이 단위 화소 크기를 갖고 입사되는 RGB 중심파장(λr, λg, λb)에 대해 제 2 홀로그램(120) 면에 수직(x-y 평면에 수직)인 방향으로 진행하도록 구성된 홀로그램이다. 실제로 제 1 홀로그램 조각(111)에서 분리된 빛 중 적색 파장(λr)은 위쪽에, 녹색 파장(λg)은 중앙에, 그리고 청색 파장(λb)은 아래쪽으로 회절하며, 제 2 홀로그램 조각(121)은 예를 들어 녹색 파장(λg)이 회절각 θg로 입사된 경우 표면에 수직인 방향으로 진행하도록 구성한 경우 제 1 홀로그램(110)에서 동일방향 으로 입사된 RGB 파장별 회절각이 달라지던 것과 같은 원리로 제 2 홀로그램(120)에서는 서로 다른 각도로 입사되는 RGB 중심파장에 대해 동일한 방향으로 회절시킨다. 따라서 기판(130)을 중심으로 제 1 홀로그램(110)의 반대측면에 도 5와 6의 방법에 의하여 제작된 다수 개의 제 2 홀로그램 조각(121)으로 구성된 제 2 홀로그램(120)을 형성하면 회절에 의한 색 분산을 없애고 파장의 진행 방향을 광원(60)과 동일하게 만들어 기존 방식을 따른 색 조합이 가능하다.

본 발명에서 고안된 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터(100)는 칼라필터(210)의 각 색소층(R, G, B)에 의한 필터링이 아닌 공간 스펙트럼 분포에 의한 필터링 동작을 수행함에 따라 칼라필터(210)에서의 흡수는 거의 발생하지 않고, RGB 대역폭간 중첩이 없어 높은 광 효율과 우수한 색 재현성을 갖는 투과형 액정디스플레이를 구현할 수 있다. 칼라필터(210)의 각 색소층을 통과하는 파장의 대역폭과 세기는 광원(60)의 파장별 스펙트럼 분포에 대한 제 1 홀로그램(110)의 격자간격을 변경하여 조절할 수 있고, 색소층을 벗어난 파장은 인접한 색소층에 의해 차단되어 보다 균일한 세기 분포를 유도할 수 있다.

상술한 바와 같이 제 1 홀로그램(110)과 제 2 홀로그램(120)은 각각 표면 양각형 홀로그램과 부피형 홀로그램을 이용하여 제작 가능하며, 본 발명에 따른 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터(100)는 기술적 편의에 따라 도 9에 나타낸 것과 같이 네 가지 형태의 조합이 가능하다.

도 9a는 제 1 홀로그램(110)과 제 2 홀로그램(120)을 모두 표면 양각형 홀로그램(111a, 121a)으로 구성한 경우이며, 도 9b는 제 1 홀로그램(110)은 표면 양각 형 홀로그램(111a)으로 제작하고 제 2 홀로그램(120)은 부피형 홀로그램(121b)으로 제작한 경우이며, 도 9c는 제 1 홀로그램(110)을 부피형 홀로그램(111b)으로 제작하고 제 2 홀로그램(120)을 표면 양각형 홀로그램(121a)으로 제작한 경우이며, 도 9d는 제 1 홀로그램(110)과 제 2 홀로그램(120)을 모두 부피형 홀로그램(111b, 121b)으로 구성한 경우이다. 어느 형태의 조합으로 구성하든지 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터(100)는 동일한 동작을 수행하지만 표면 양각형 홀로그램은 층의 수가 적은 경우 효율이 떨어지고 층의 수가 높은 경우 제작이 어렵다는 단점을 갖고 있어 홀로그래픽 기록매질에 레이저를 이용하여 직접 기록하는 부피형 홀로그램이 효율과 안정성 면에서 우수한 특성을 나타낸다.

현재 상용화 되어 있는 액정 디스플레이는 색 조합을 위해 다양한 칼라필터의 배열을 갖고 있으며, 이에 적합한 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터를 구성하기 위한 방법을 도 10에 나타내었다. 하기에서는 동일한 동작에 대해 동일한 번호를 부여하였으며, 제 1 홀로그램 조각(111)과 제 2 홀로그램 조각(121)은 비축(off-axis)으로 일대일 대응하는 구조를 갖고 있으므로 제 1 홀로그램 조각(111) 배열만을 이용하여 동작 특성을 나타낸다. 또한, 모든 파장에 대한 재생상(83)에서 각 색소층에 입사되는 부분을 색소층과 동일하게 R, G, B로 나타내었으며, 색소층의 배열에 맞춰 색 분리 광학소자를 90도 회전시켜 나타내었다.

도 10a는 스트라입(stripe)배열 칼라필터를 갖는 액정 디스플레이에 적합하도록 구성된 스트라입(stripe)형 제 1 홀로그램(15)이다. 제 1 홀로그램 조각(111)의 모든 파장에 대한 재생상(83)이 R, G, B 색소층과 동일한 크기가 되도록 설계된 제 1 홀로그램 조각(111)을 스트라입(stripe)배열 칼라필터와 동일한 형태로 배열한다. 도 10b는 모자익(mosaic)배열 칼라필터를 갖는 액정 디스플레이에 적합하도록 구성된 모자익(mosaic)형 제 1 홀로그램(16)이다. 각 제 1 홀로그램 조각(111)의 모든 파장에 대한 재생상(83)이 R, G, B 색소층과 동일한 크기가 되도록 설계된 제 1 홀로그램 조각(111)을 모자익(mosaic)배열 칼라필터와 동일하게 라인별로 하나의 색소층 폭 만큼 이동시켜 배열한다. 도 10c는 델타(delta)배열 칼라필터를 갖는 액정 디스플레이에 적합하도록 구성된 델타(delta)형 제 1 홀로그램(17)이다. 모든 파장에 대한 재생상(83)이 R, G, B 색소층(71)과 동일한 크기가 되도록 설계된 제 1 홀로그램 조각(111)을 델타(delta)배열 칼라필터와 동일하게 라인별로 전체 넓이의 반만큼 이동시켜 배열한다. 특히 모자익(mosaic)형 제 1 홀로그램은 재생상에서 RGB 중심파장 사이의 간격이 큼으로 제 1 홀로그램 조각(111)을 설계할 때 최소패턴의 크기 d를 좁게 하고, 재생상의 위치를 가능한 한 외곽에 설정할 필요가 있다.

상술한 실시예에서의 본 발명에 따른 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터(100)는 독립된 구조로 액정 디스플레이 소자(200)에 인접하도록 설계되었지만, 액정 디스플레이 소자(200)의 제작 과정에 채택되어 하나의 모듈로 구성하는 것도 가능하다. 액정 디스플레이 소자(200)에 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터(100)를 채택함에 있어 칼라필터(210)를 포함하는 경우와 칼라필터(210)를 포함하지 않는 경우에 대한 투과형 액정 디스플레이의 개략적 도면을 도 11과 도 12에 나타내었다.

도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 제 2 실시예는 칼라필터(210)를 포함하는 액정 디스플레이 소자(200)에 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터(100)를 채택한 경우로, 기판(130)의 일측인 광원(60)측에 제 1 홀로그램(110)을, 액정 디스플레이 소자(200)측에 제 2 홀로그램(120)을 형성한 후 제 2 홀로그램(120)과 액정디스플레이(200)의 액정(250)사이에 칼라필터(210)를 형성한 액정 디스플레이 구조를 갖는다.

도 12를 참조하여, 제 3 실시예는 칼라필터(210)를 포함하지 않는 액정 디스플레이 소자(200)에 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터(100)를 채택한 경우로, 기판(130)의 일측인 광원(60)측에 제 1 홀로그램(110)을 액정(250)에 인접한 면에 제 2 홀로그램(120)을 형성하여 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터(100)가 액정디스플레이 소자(200)의 칼라필터의 기능을 대체한다.

이와 같은 제 2 및 제 3 실시예의 액정디스플레이에서도 본 발명에 따른 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터는 제 1 홀로그램에서 입사되는 백색광에 포함된 파장을 화소 단위 크기의 공간상에 분포시며, 기판은 회절 공간을 제공하고, 제 2 홀로그램이 제 1 홀로그램에 의해 분리된 파장의 방향을 원래의 방향으로 복원시킴으로써, 색 조합에 문제를 발생시키지 않는다.

이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당업자에 의해 그 개량이나 변형이 가능하다.

도 1은 종래 기술을 설명하기 위한 미국특허 5,506,701호의 참고도면이다.

도 2는 종래 기술을 설명하기 위한 미국특허 7,046,407 B2호의 참고도면이다.

도 3은 종래 기술을 설명하기 위한 미국특허 5,894,359호의 참고도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터를 채택한 투과형 액정 디스플레이의 구조를 보여주는 도면이다.

도 5a 와 b는 본 발명에 따른 홀로그래픽 칼라필터의 제조시 CGH 기법을 이용한 다층구조의 표면 양각형 홀로그램 제작 방식을 설명하기 위한 도면이다.

도 6은 본 발명에 따른 홀로그래픽 칼라필터의 제조시 기록매질에 부피형 홀로그램을 직접 기록하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 7은 본 발명에 따른 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터에서 제 1 홀로그램 조각에 의해 기판을 통과한 후 제 2 홀로그램 면에 형성되는 파장별 재생 위치도이다.

도 8은 본 발명에 따른 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터에서 제 1 홀로그램에 의해 만들어진 파장별 서로 다른 진행방향을 보정하기 위한 제 2 홀로그램의 동작 특성을 나타내는 도면이다.

도 9는 본 발명에 따른 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터가 각기 실시예로 제작됨을 설명하기 위한 도면이다.

도 10a는 본 발명에 따른 이중구조의 홀로그래픽 칼라필터의 제 1 홀로그램 의 배열과 그 재생상이 스트라입(stripe)배열의 칼라필터를 갖는 투과형 액정 디스플레이에 적합하도록 설계된 실시예를 보여주기 위한 도면이다.

도 10b는 본 발명에 따른 이중구조의 홀로그래픽 칼라필터의 제 1 홀로그램의 배열과 그 재생상이 모자익(mosaic)배열의 칼라필터를 갖는 투과형 액정 디스플레이에 적합하도록 설계된 실시예를 보여주기 위한 도면이다.

도 10c는 본 발명에 따른 이중구조의 홀로그래픽 칼라필터의 제 1 홀로그램의 배열과 그 재생상이 델타(delta)배열의 칼라필터를 갖는 투과형 액정 디스플레이에 적합하도록 설계된 실시예를 보여주기 위한 도면이다.

도 11 본 발명에 따른 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터를 채택한 칼라필터를 포함하는 액정 디스플레이의 구조를 도시한 도면이다.

도 12는 본 발명에 따른 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터를 채택한 칼라필터를 포함하지 않는 액정 디스플레이의 구조를 도시한 도면이다.

Claims

광원(60)측에 인접하여 형성되며 백색광에 포함된 파장을 화소 단위 크기의 공간상에 분포시키는 다수의 제 1 홀로그램 조각(111)들이 배열된 제 1 홀로그램(110);

상기 제 1 홀로그램(110)을 지지하도록 인접 형성되며 회절 공간을 제공하는 기판(130); 및

상기 제 1 홀로그램에 의해 분리된 파장의 방향을 원래의 방향으로 복원시키고 각각의 부 화소에 해당 파장만을 입사시켜 색 조합에 문제를 발생시키지 않도록 액정디스플레이 소자(200)측과 인접하여 형성되는 제 2 홀로그램(120)을 포함하는 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터.
청구항 1항에 있어서, 상기 제 1 홀로그램(110)은 단위 화소의 크기를 갖는 투명한 투과형 제 1 홀로그램 조각(111)들이 다수 개 배열되어 구성됨을 특징으로 하는 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터.
청구항 1항 또는 청구항 2항에 있어서, 상기 제 1 홀로그램(110)을 구성하는 각각의 제 1 홀로그램 조각(111)들은 상기 광원(60)으로부터 입사된 백색광원 중 적색파장, 녹색파장 및 청색파장 중 어느 하나의 파장을 기준광원으로 사용하며, 상기 기준광원보다 긴 파장은 더 큰 각도로 회절하고, 기준광원 보다 짧은 파장은 더 작은 각도로 회절하도록 CGH 설계 또는 부피형 홀로그램 기록방식에 의하여 제작됨을 특징으로 하는 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터.
청구항 1항에 있어서, 상기 제 2 홀로그램(120)에서는 상기 제 1 홀로그램(110)을 통과하여 기판(130)에서 회절되어 서로 다른 각도로 입사되는 적색, 녹색 및 청색의 중심파장에 대해 상기 광원(60)과 동일한 방향으로 회절시키도록 제작됨을 특징으로 하는 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터.
청구항 1항에 있어서, 상기 액정디스플레이 소자(200)측과 인접하여 형성되는 제 2 홀로그램(120)은 단위 화소의 크기를 갖는 투명한 투과형 제 2 홀로그램 조각(121)들의 배열로 구성됨을 특징으로 하는 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터.
청구항 5항에 있어서, 상기 제 2 홀로그램 조각(121)들은 상기 액정디스플레이 소자의(200)에 정확히 수직으로 입사되도록 액정디스플레이 소자(200)의 화소와 동축(on-axis) 상에 위치됨을 됨을 특징으로 하는 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터.
청구항 2항 또는 청구항 5항에 있어서, 상기 제 1 홀로그램 조각(111)들은 회절된 파장들이 대응하는 제 2 홀로그램 조각(121)의 위치에 도달하는 회절 각도를 고려하여 제 2 홀로그램 조각(121)들과 비축(off-axis) 상에 위치됨을 됨을 특 징으로 하는 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터.
청구항 2항 또는 청구항 5항에 있어서, 상기 제 1 홀로그램 조각(111)과 제 2 홀로그램 조각(121)들은 단위 화소의 정수배로 구성됨을 특징으로 하는 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터.
청구항 1항에 있어서, 상기 제 1 홀로그램(110)과 상기 제 2 홀로그램(120)은 공히 표면 양각형 홀로그램으로 제작됨을 됨을 특징으로 하는 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터.
청구항 1항에 있어서, 상기 제 1 홀로그램(110)은 표면 양각형 홀로그램으로 제작되고 상기 제 2 홀로그램은 부피형 홀로그램으로 제작됨을 됨을 특징으로 하는 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터.
청구항 1항에 있어서, 상기 제 1 홀로그램(110)은 부피형 홀로그램으로 제작되고 상기 제 2 홀로그램은 표면 양각형 홀로그램으로 제작됨을 됨을 특징으로 하는 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터.
청구항 1항에 있어서, 상기 제 1 홀로그램(110)과 상기 제 2 홀로그램(120)은 공히 부피형 홀로그램으로 제작됨을 됨을 특징으로 하는 이중 구조의 홀로그래 픽 칼라필터.
칼라필터를 포함하는 액정디스플레이에 있어서,

청구항 1의 구조를 갖는 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터를 광원과 상기 칼라필터사이에 위치시켜 구성됨을 특징으로 하는 액정디스플레이.
청구항 1항 및 청구항 13항에 있어서, 상기 제 1 홀로그램 조각(111)의 모든 파장에 대한 재생상(83)은 R, G, B 색소층과 동일한 크기가 되도록 설계된 제 1 홀로그램 조각(111)들이 스트라입(strip)배열 칼라필터와 동일한 형태로 배열됨을 특징으로 하는 액정디스플레이.
청구항 1항 및 청구항 13항에 있어서, 상기 제 1 홀로그램 조각(111)의 모든 파장에 대한 재생상(83)은 R, G, B 색소층과 동일한 크기가 되도록 설계된 제 1 홀로그램 조각(111)들이 모자익(mosaic)배열 칼라필터와 동일하도록 라인별로 하나의 색소층 폭 만큼 이동시켜 배열됨을 특징으로 하는 액정디스플레이.
청구항 1항 및 청구항 13항에 있어서, 상기 제 1 홀로그램 조각(111)의 모든 파장에 대한 재생상(83)은 R, G, B 색소층과 동일한 크기가 되도록 설계된 제 1 홀로그램 조각(111)들이 델타(delta)배열 칼라필터와 동일하게 라인별로 전체 넓이의 반만큼 이동시켜 배열됨을 특징으로 하는 액정디스플레이.
칼라필터를 포함하는 액정디스플레이에 있어서,

청구항 1의 구조를 갖는 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터를 상기 액정디스플레이의 칼라필터 다음에 형성시켜 구성됨을 특징으로 하는 액정디스플레이.
칼라필터를 포함하지 않는 액정디스플레이에 있어서,

청구항 1의 구조를 갖는 이중 구조의 홀로그래픽 칼라필터를 광원과 상기 액정디스플레이의 액정사이에 위치시켜 구성됨을 특징으로 하는 액정디스플레이.