KR20120108233A - 능동 광학 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치 - Google Patents

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KR20120108233A
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삼성전자주식회사
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Abstract

개시된 능동 광학 소자는 그래핀층, 그래핀층 상에 마련된 복수의 탄소 나노튜브, 복수의 탄소 나노튜브와 이격되어 마련된 투명 전극층 및 그래핀층과 투명 전극층 사이에 마련된 액정층을 포함할 수 있다. 그리고, 개시된 디스플레이 장치는 영상을 표시하는 디스플레이부와 디스플레이부 상에 마련된 능동 광학 소자를 포함할 수 있다.

Description

능동 광학 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치{Active optical device and display apparatus including the same}
능동 광학 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것이다.
렌즈(lens), 미러(mirror), 프리즘(prism) 등과 같은 수동 광학 소자들은 광학 시스템 내에서 광 경로를 변경시키는 수단으로 다양하게 활용될 수 있다. 이러한 수동 광학 소자들은 일반적으로 고정된 굴절률 값을 가지는 재료로 이루어지며, 그 형태를 가공하여 광 경로를 변경시킬 수 있다. 따라서, 광학 시스템 내에서 수동 광학 소자들을 이용하여 광 경로를 제어하기 위해서는 많은 수의 수동 광학 소자들과 복잡한 구조가 필요하다.
이러한 복잡성을 해결할 수 있는 방법으로서, 굴절률이 외부 신호에 따라 제어되는 능동 광학 소자에 대한 관심이 높아지고 있다. 대표적인 능동 광학 소자로서, 고분자 분산 액정(polymer dispersed liquid crystal, PDLC)이 사용된다. 고분자 분산 액정은 인가된 전기장에 따라 액정의 굴절률이 변화되며, 이에 따라 주변 폴리머와의 굴절률 차이에 변화가 발생하여 광 경로를 제어할 수 있다.
투과도가 우수한 능동 광학 소자를 제공한다. 화학 공정에 안정한 능동 광학 소자를 제공한다. 또한, 이러한 능동 광학 소자를 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다.
개시된 능동 광학 소자는
그래핀층;
상기 그래핀층 상에 마련된 복수의 탄소 나노튜브;
상기 복수의 탄소 나노튜브로부터 이격되게 배치된 투명 전극층; 및
상기 그래핀층과 상기 투명 전극층 사이에 마련된 액정층;을 포함할 수 있다.
상기 그래핀층과 상기 복수의 탄소 나노튜브 사이에 마련된 복수의 촉매부를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 촉매부는 서로 이격되게 배열될 수 있다.
상기 그래핀층은 상기 탄소 나노튜브 각각에 개별 전압을 인가하기 위해서 서로 이격된 복수의 서브 그래핀을 포함할 수 있다.
상기 그래핀층은 적어도 하나의 그래핀 시트(sheet)를 포함할 수 있다.
상기 복수의 탄소 나노튜브는 서로 이격되어 어레이 형태로 배열될 수 있다.
상기 탄소 나노튜브는 단일벽 탄소 나노튜브(single-walled carbon nanotube)와 다중벽 탄소 나노튜브(multi-walled carbon nanotube) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 그래핀층의 하면에 마련된 제1기판과 상기 투명 전극층의 상면에 마련된 제2기판을 더 포함할 수 있다.
상기 제1기판과 상기 제2기판 중에서 적어도 하나는 투명한 기판일 수 있다.
상기 제1기판과 상기 제2기판은 플렉서블한 기판일 수 있다.
상기 제1기판과 상기 제2기판은 유리, 석영, 플라스틱 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 그래핀층과 상기 투명 전극층 사이에 마련된 복수의 스페이서를 더 포함할 수 있다.
상기 그래핀층과 상기 투명 전극층 사이에 전압이 인가되면, 상기 액정층의 굴절률이 변할 수 있다.
상기 복수의 탄소 나노튜브와 상기 투명 전극층 사이에 각각 개별 전압이 인가되면, 상기 액정층의 굴절률이 부분적으로 변할 수 있다.
개시된 디스플레이 장치는
2D 및 3D 영상 중에서 적어도 하나를 표시하는 디스플레이부; 및
상기 디스플레이부 상에 마련된 상기 능동 광학 소자;를 포함할 수 있다.
개시된 능동 광학 소자는 그래핀층과 탄소 나노튜브를 포함하여, 화학 공정에 안정하다. 그래핀층 상에 탄소 나노튜브를 용이하게 성장시킬 수 있으며, 저렴한 기판과 플렉서블한 기판 등을 구비할 수 있다. 개시된 능동 광학 소자는 그래핀층과 탄소 나노튜브를 포함하여, 광 투과도가 우수하다. 또한, 개시된 능동 광학 소자는 인가되는 전압의 온/오프에 의해서 능동 광학 소자의 온/오프를 결정할 수 있다. 인가되는 전압에 의해서 형성된 전기장에 따라서 액정 분자를 배열시켜서, 개시된 능동 광학 소자의 굴절률을 변화시킬 수 있다. 아울러, 복수의 탄소 나노튜브에 개별 전압을 인가하여, 개시된 능동 광학 소자가 서로 다른 초점 거리를 갖는 렌즈를 구비하는 렌즈 어레이로서 작동할 수 있다.
도 1a는 개시된 능동 광학 소자의 개략적인 평면도이고, 도 1b는 도 1a의 AA'에서 바라본 개시된 능동 광학 소자의 개략적인 단면도이다.
도 2는 개시된 능동 광학 소자의 작동 원리를 설명하는 개략적인 단면도이다.
도 3a는 개시된 다른 능동 광학 소자의 개략적인 평면도이고, 도 3b는 도 3a의 BB'에서 바라본 개시된 다른 능동 광학 소자의 개략적인 단면도이다.
도 4는 개시된 다른 능동 광학 소자의 작동 원리를 설명하는 개략적인 단면도이다.
도 5는 개시된 또 다른 능동 광학 소자의 개략적인 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 개시된 능동 광학 소자를 포함하는 디스플레이 장치의 개략적인 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 개시된 능동 광학 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치에 대해서 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서, 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성 요소의 크기는 설명의 명료성과 편의성을 위해서 과장되어 있을 수 있다.
도 1a는 개시된 능동 광학 소자(100)의 평면도를 개략적으로 도시한 것이고, 도 1b는 도 1a의 AA'에서 바라본 능동 광학 소자(100)의 오프(off) 상태의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 능동 광학 소자(100)는 그래핀층(120), 그래핀층(120) 상에 마련된 복수의 탄소 나노튜브(carbon nanotube, CNT)(140)를 포함할 수 있다. 능동 광학 소자(100)는 복수의 탄소 나노튜브(140)와 이격되어 마련된 투명 전극층(170), 그래핀층(120)과 투명 전극층(170) 사이에 마련된 액정층(150)을 포함할 수 있다. 제1기판(110)이 그래핀층(120) 아래에 마련될 수 있으며, 제2기판(160)이 투명 전극층(170) 상에 마련될 수 있다.
개시된 능동 광학 소자(100)는 투과형 광학 소자일 수 있다. 즉, 제1기판(110)에서 제2기판(160) 방향으로 광이 투과하거나, 그 반대 방향으로 광이 투과할 수 있다. 따라서, 제1기판(110)과 제2기판(160)은 투명한 기판일 수 있으며, 예를 들어, 유리, 석영(Quartz), 플라스틱 등으로 형성될 수 있다. 또한, 제1기판(110)과 제2기판(160)은 플렉서블(flexible)하거나, 펼쳐질 수 있는(stretchable) 기판일 수 있다. 제1기판(110)과 제2기판(160)은 서로 이격되어 나란하게 마련될 수 있으며, 그 사이에는 액정이 채워질 수 있다.
그래핀층(120)은 제1기판(110) 상에 마련될 수 있으며, 적층된 적어도 하나의 그래핀 시트(sheet)를 포함할 수 있다. 그래핀층(120)은 제1기판(110) 상에 화학 증기 증착법(chemical vapor deposition, CVD), 기계적 또는 화학적 박리법, 에피택시(epitaxy) 성장법 등으로 형성될 수 있다. 여기에서, 그래핀층(120)을 형성하는 그래핀은 탄소원자들이 2차원 상에서 벌집 모양으로 배열된 전도성 물질이다. 그래핀은 구조적, 화학적으로 매우 안정적이며, 우수한 전도체로서 실리콘보다 빠른 전하 이동도를 가지고, 구리보다 많은 전류를 흐르게 할 수 있다. 그래핀은 2차원의 시트 형태로 마련되므로, 그래핀 시트라고 지칭될 수 있다. 그래핀 시트는 예를 들어, 구리, 니켈 등의 금속 기판 상에 화학 증기 증착법으로 성장시킬 수 있다. 그리고, 그래핀층(120)은 상기 금속 기판 상의 그래핀 시트를 PMMA 등을 사용하여 제1기판(110) 상에 전사(transfer)시켜서 형성할 수 있다.
촉매부(130)가 그래핀층(120)과 탄소 나노튜브(140) 사이에 더 마련될 수 있다. 촉매부(130)는 촉매부(130) 상에서 탄소 나노튜브(140)가 성장하는 것을 촉진할 수 있다. 촉매부(130)는 금속 예를 들어, Fe, Al, Ni 등으로 형성될 수 있다. 복수의 촉매부(130)는 서로 일정한 간격으로 이격된 어레이 형태로 배열될 수 있다. 복수의 촉매부(130)는 그래핀층(120) 상에 형성된 금속층을 어레이 형태로 패터닝하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 촉매부(130)는 그래핀층(120) 상에 금속층을 형성하고, 이 금속층을 포토리소그래피(photolithography) 공정 또는 전자 빔 리소그래피(e-beam lithography) 공정 등으로 패터닝하여 형성될 수 있다. 도 1a에는 촉매부(130)가 원형으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 다각형 형태로 형성될 수 있다. 한편, 촉매부(130)의 두께는 수 ㎚일 수 있다. 예를 들어, 촉매부(130)가 Fe로 형성되는 경우 그 두께가 약 1㎚일 수 있으며, Al으로 형성되는 경우 그 두께가 약 7㎚일 수 있다. 또한, 촉매부(130)가 Ni로 형성되는 경우 약 5㎚의 두께를 가질 수 있다. 촉매부(130)의 크기 즉, 지름은 수 ㎚일 수 있다.
탄소 나노튜브(140)는 단일벽 탄소 나노튜브(single-walled carbon nanotube)와 다중벽 탄소 나노튜브(multi-walled carbon nanotube) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 탄소 나노튜브(140)는 예를 들어, 복수의 촉매부(130) 상에 CVD 공정 또는 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 공정으로 성장시킬 수 있다. 복수의 탄소 나노튜브(140)는 서로 일정한 간격만큼 이격된 어레이 형태로 배열될 수 있다.
탄소 나노튜브(140)의 높이(h)는 이를 성장시키는 공정의 시간에 비례할 수 있으며, 탄소 나노튜브(140)의 높이(h)는 수 ㎛일 수 있다. 또한, 탄소 나노튜브(140)의 높이(h)는 복수의 탄소 나노튜브(140)가 서로 이격된 거리(d)의 1/2(half)보다 작거나 같을 수 있다. 복수의 탄소 나노튜브(140)가 서로 이격된 거리(d)가 예를 들어, 약 10㎛인 경우, 탄소 나노튜브(140)의 높이(h)는 약 1 내지 약 5㎛일 수 있으며, 예를 들어, 약 3㎛일 수 있다. 한편, 탄소 나노튜브(140)의 크기 즉, 지름은 수 ㎚일 수 있으며, 촉매부(130)의 크기에 비례할 수 있다.
개시된 능동 광학 소자(100)는 그래핀층(120)과 탄소 나노튜브(140)를 포함하며, 그래핀층(120)은 전극으로 사용될 수 있다. 능동 광학 소자(100)는 금속 전극이나 ITO(indium tin oxide), ZnO 등으로 형성된 투명 전극을 구비하는 광학 소자 보다 투과도가 우수하다. ITO는 고온에서 분해될 수 있으며, ZnO는 탄소 소스에 의해서 쉽게 식각될 수 있다. 그래서, ITO 또는 ZnO로 형성된 투명 전극 상에는 탄소 나노튜브를 성장시키기 어렵다. 그러나, 능동 광학 소자(100)에 포함된 그래핀층(120)과 탄소 나노튜브(140)는 이중 결합된 sp2 탄소를 포함하여, 화학 공정에 안정할 수 있다. 따라서, 능동 광학 소자(100)는 에칭 공정이나 고온의 CVD 공정 예를 들어, 650℃ 내지 700℃의 CVD 공정에서도 안정할 수 있다. 또한, 능동 광학 소자(100)는 물-플라즈마 등과 같은 원거리(remote) PECVD 공정으로 탄소 나노튜브를 성장시키는 경우, 탄소 나노튜브의 성장 온도를 약 450℃까지 낮출 수 있다. 그래서, 저렴한 유리, 석영, 플라스틱 등으로 형성된 기판 상에 광학 소자를 형성할 수 있다.
그래핀층(120)과 탄소 나노튜브(140)의 제조 방법의 일 예로, 그래핀층(120) 상에 탄소 나노튜브(140)를 성장시키고, 이들을 제1기판(110)으로 전사시킬 수 있다. 보조 기판 상에 금속 촉매층을 형성하고, 금속 촉매층 상에 그래핀 시트를 성장시킨다. 그리고, 그래핀 시트 상에 다시 패터닝된 촉매부를 형성하고, 그 위에서 탄소 나노튜브(140)을 성장시킨다. 다음으로, 탄소 나노튜브(140)가 마련된 그래핀층(120)을 PMMA 등과 같은 재료로 코팅한다. 코팅된 그래핀층(120)을 금속 촉매층을 식각하여, 코팅된 그래핀층(120)으로부터 보조 기판을 제거한다. 코팅된 그래핀층(120)을 제1기판(110)에 전사한 뒤, 아세톤 등으로 PMMA 등의 코팅제를 제거한다. 제1기판(110)은 플렉서블(flexible)하거나, 펼쳐질 수 있는(stretchable) 기판일 수 있다.
투명 전극층(170)은 그래핀층(120)과 마주하도록 제2기판(160)의 일면에 마련될 수 있으며, 예를 들어, ITO, ZnO 등으로 형성될 수 있다. 또한, 투명 전극층(170)은 복수의 탄소 나노튜브(140)와 이격되어 마련될 수 있다. 한편, 투명 전극층(170)은 적어도 하나의 그래핀 시트로 형성될 수 있다.
액정층(150)은 제1기판(110)과 제2기판(160) 사이를 액정으로 충진하여 형성될 수 있다. 액정층(150)에 포함된 액정 분자(155)는 그래핀층(120)과 투명 전극층(170) 사이에 전압이 인가되지 않은 경우 즉, 능동 광학 소자가 오프(off) 상태인 경우, 도 1b에 도시된 바와 같이 균일한 방향으로 배열될 수 있다. 이러한 경우, 액정층(150)은 균일한 굴절률 분포를 가질 수 있다.
도 2는 개시된 능동 광학 소자(100)의 온(on) 상태의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 그래핀층(120)과 투명 전극층(160) 사이에 전압(V)이 인가되면, 액정층(150) 즉, 탄소 나노튜브(140)의 끝단과 투명 전극층(160) 사이에 3차원의 전기장이 형성될 수 있다. 그리고, 이 전기장을 따라서 액정 분자(157)의 배열이 변할 수 있으며, 액정 분자(157)가 재배열됨에 따라 액정층(150)의 굴절률이 변할 수 있다. 여기에서, 전기장은 그 단면이 가우스 분포 곡선의 상하를 반전시킨 것과 유사한 반구형으로 형성될 수 있으며, 이 전기장 분포에 따라 액정 분자(157)가 배열될 수 있다.
전기장 영역(159)에 포함된 액정 분자(157)들은 전기장 분포에 따라 재배열되고, 액정층(150)의 전기장 영역(159)은 n의 굴절률을 가질 수 있다. 전기장 영역(159)은 볼록 렌즈와 유사한 형상을 갖는 가상의 렌즈로 기능할 수 있다. 이 가상의 렌즈는 어레이 형태로 배열된 복수의 탄소 나노튜브(140) 각각에 대해서 형성되므로, 액정층(150)은 이 가상의 렌즈로 이루어진 렌즈 어레이로서 기능할 수 있다.
한편, 3차원 전기장 영역(159) 외부의 액정 분자(155)는 이 전기장의 영향을 받지 않아, 기존의 균일한 배열 상태를 유지할 수 있다. 전기장 영역(159)과 그 외부 영역을 포함하는 액정층(150)은 전체적으로 n'의 굴절률을 가질 수 있다. 따라서, 개시된 능동 광학 소자(100)는 그래핀층(120)과 투명 전극층(160) 사이의 전압 인가에 따라 능동 광학 소자(100)의 온/오프를 제어할 수 있다. 또한, 인가되는 전압의 크기를 조절하여 액정 분자의 배열 상태를 변화시켜서, 능동 광학 소자(100)의 굴절률을 변화시킬 수 있다. 아울러, 능동 광학 소자(100)의 굴절률이 변하는 경우, 이에 따라 능동 광학 소자(100)의 초점 거리도 선택할 수 있다.
도 3a는 개시된 다른 능동 광학 소자(200)의 평면도를 개략적으로 도시한 것이고, 도 3b는 도 3a의 BB'에서 바라본 능동 광학 소자(200)의 오프(off) 상태의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다. 능동 광학 소자(200)에 대해서는 도 1a 및 도 1b에 도시된 능동 광학 소자(100)와의 차이점을 위주로 상세하게 설명하기로 한다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 능동 광학 소자(200)는 그래핀층(220). 그래핀층(220) 상에 마련된 복수의 탄소 나노튜브(240)를 포함할 수 있다. 능동 광학 소자(200)는 복수의 탄소 나노튜브(240)와 이격되어 배치된 투명 전극층(270)과, 그래핀층(220)과 투명 전극층(270) 사이에 마련된 액정층(250)을 포함할 수 있다. 또한, 제1기판(210)이 그래핀층(220)의 하면에 마련될 수 있으며, 제2기판(260)이 투명 전극층(270)의 상면에 마련될 수 있다.
그래핀층(220)은 복수의 탄소 나노튜브(240) 각각에 개별 전압을 인가하기 위해서 그래핀 시트를 패터닝하여 형성될 수 있다. 즉, 그래핀층(220)은 복수의 서브 그래핀(221, 223, 225)을 포함할 수 있다. 그래핀층(220)은 예를 들어, 그래핀 시트를 포토리소그래피 공정 또는 전자 빔 리소그래피 공정으로 패터닝하여 형성될 수 있다. 복수의 서브 그래핀(221, 223, 225)은 서로 이격된 어레이 형태로 배열될 수 있다. 서브 그래핀(221, 223, 225)은 각각 그래핀 시트를 패터닝한 배선(227)으로 연결될 수 있다. 서브 그래핀(221, 223, 225)은 사각형으로 도시되어 있으나, 원형이나 다른 다각형으로 패터닝될 수 있다. 도 3a에는 패터닝된 그래핀층(220) 즉, 서브 그래핀(221, 223, 225)이 예시적으로 도시되어 있으나, 그 패터닝된 형태와 서브 그래핀(221, 223, 225)의 형태는 이에 한정되는 것은 아니다. 서브 그래핀(221, 223, 225)은 복수의 탄소 나노튜브(240) 각각에 개별 전압을 인가하기 위해서, 서로 전기적으로 절연되도록 형성될 수 있다. 패터닝된 배선(227)은 제1기판(210) 상에 마련되어, 외부 전원과 서브 그래핀(221, 223, 225)을 연결시킬 수 있다. 한편, 또 다른 예로써, 배선은 제1기판(210)을 관통하는 비아홀에 형성될 수 있다. 이 경우, 서브 그래핀(221, 223, 225)은 비아홀에 형성된 배선을 통해서 외부 전원과 연결될 수 있다.
능동 광학 소자(200)는 그래핀층(220) 즉, 서브 그래핀(221, 223, 225) 상에 각각 마련된 복수의 촉매부(230)를 더 포함할 수 있다. 복수의 탄소 나노튜브(240)는 각각 복수의 촉매부(230) 상에서 성장될 수 있다. 촉매부(230)는 촉매부(230) 상에서 탄소 나노튜브(240)가 성장하는 것을 촉진할 수 있다. 촉매부(230)는 금속 예를 들어, Fe, Al, Ni 등으로 형성될 수 있다. 복수의 촉매부(230)는 서로 일정한 간격으로 이격된 어레이 형태로 배열될 수 있다. 촉매부(230)는 예를 들어, 그래핀층(220) 상에 금속층을 형성하고, 이 금속층을 포토리소그래피(photolithography) 공정 또는 전자 빔 리소그래피(e-beam lithography) 공정으로 패터닝하여 형성될 수 있다. 능동 광학 소자(200)는 복수의 서브 그래핀(221, 223, 225)과 투명 전극층(270) 사이에 전압이 인가될 수 있다. 또한, 복수의 서브 그래핀(221, 223, 225)과 투명 전극층(270) 사이에는 각각 서로 다른 전압이 인가될 수 있다. 즉, 각각의 탄소 나노튜브(240)와 투명 전극층(270) 사이에는 개별 전압이 인가될 수 있다.
도 4는 개시된 다른 능동 광학 소자(200)의 온(on) 상태의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 복수의 서브 그래핀(221, 223, 225)과 투명 전극층(260) 사이에 각각 전압(V1, V2, V3)이 인가되면, 액정층(250) 즉, 각각의 탄소 나노튜브(241, 243, 245)의 끝단과 투명 전극층(260) 사이에 3차원의 전기장이 형성될 수 있다. 그리고, 이 전기장을 따라서 액정 분자(257)의 배열이 변할 수 있으며, 액정 분자(257)가 재배열됨에 따라 액정층(250)의 굴절률이 변할 수 있다. 여기에서, 전기장은 그 단면이 가우스 분포 곡선의 상하를 반전시킨 것과 유사한 반구형으로 형성될 수 있으며, 이 전기장 분포에 따라 액정 분자(257)가 배열될 수 있다.
탄소 나노튜브(241, 243, 245)와 투명 전극층(260) 사이에 서로 다른 전압(V1, V2, V3)이 각각 인가되는 경우, 그 전압에 따라서 전기장의 분포가 달라질 수 있다. 또한, 전기장 분포에 따른 액정 분자(257)의 재배열로 전기장 영역(259, 251, 253)의 굴절률이 조절될 수 있다. 예를 들어, 탄소 나노튜브(241)에 전압(V1)이 인가되는 경우, 전기장 영역(259) 내의 액정 분자(257)들의 변화된 배열에 따라 액정층(250)의 전기장 영역(259)은 n1의 굴절률을 가질 수 있다. 즉, 전기장 영역(259)은 볼록 렌즈와 유사한 형상을 갖는 가상의 렌즈로 기능할 수 있다.
한편, 탄소 나노튜브(243, 245)에 각각 전압(V2, V3)이 인가되는 경우, 전기장 영역(251, 253)은 각각 n2 및 n3의 굴절률을 가질 수 있으며, 각각 가상의 렌즈로 기능할 수 있다. 어레이 형태로 배열된 복수의 탄소 나노튜브(241, 243, 245)는 각각 가상의 렌즈로서 기능할 수 있으므로, 액정층(250)은 이 가상의 렌즈로 이루어진 렌즈 어레이로서 기능할 수 있다. 이러한 렌즈 어레이는 각각의 탄소 나노튜브(241, 243, 245)에 인가되는 전압 크기에 따라 전기장 영역(259, 251, 253)의 굴절률을 변화시킬 수 있다. 또한, 전기장 영역(259, 251, 253)은 굴절률에 따라서 가상의 렌즈의 초점 거리를 조절할 수 있다. 즉, 능동 광학 소자(200)는 부분적으로 서로 다른 초점 거리를 갖는 렌즈 어레이로서 기능할 수 있다. 예를 들어, 능동 광학 소자(200)가 2?3차원 겸용 집적 영상 시스템에 적용되는 경우, 각 렌즈 어레이의 가상의 렌즈의 초점 거리를 피사체나 재생된 3차원 영상으로부터의 거리에 비례하도록 조절하여 기록하거나 재생할 수 있어 집적 영상 기법 사용시 이미지 흐림(image blurring)이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
개시된 능동 광학 소자(200)는 그래핀층(220)과 투명 전극층(260) 사이의 전압 인가에 따라 능동 광학 소자(200)의 온/오프를 제어할 수 있다. 또한, 각각의 탄소 나노튜브(221, 223, 225)에 대한 전압 인가 여부에 따라 능동 광학 소자(200)를 부분적으로 스위칭이 가능하다. 한편, 각각의 탄소 나노튜브(221, 223, 225)에 서로 다른 전압을 인가하여 액정 분자(257)의 배열 상태를 서로 다르게 변화시켜서, 능동 광학 소자(200)가 부분적으로 서로 다른 굴절률을 가질 수 있다. 또한, 능동 광학 소자(200)의 굴절률이 부분적으로 변하는 경우, 이에 따라 능동 광학 소자(200)의 초점 거리도 부분적으로 제어될 수 있다.
도 5는 개시된 또 다른 능동 광학 소자(300)의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다. 능동 광학 소자(300)에 대해서는 앞서 설명된 능동 광학 소자(100, 200)와의 차이점을 위주로 상세하게 설명하기로 한다.
도 5를 참조하면, 능동 광학 소자(300)는 그래핀층(320). 그래핀층(320) 상에 마련된 복수의 탄소 나노튜브(340)를 포함할 수 있다. 능동 광학 소자(300)는 복수의 탄소 나노튜브(340)와 이격되게 마련된 투명 전극층(370)과, 그래핀층(320)과 투명 전극층(370) 사이에 마련된 액정층(350)을 포함할 수 있다. 제1기판(310)이 그래핀층(320) 아래에 마련될 수 있으며, 제2기판(360)이 투명 전극층(370) 상에 더 마련될 수 있다. 능동 광학 소자(300)는 그래핀층(320) 상에 마련된 복수의 촉매부(330)을 더 포함할 수 있으며, 복수의 탄소 나노튜브(340)는 서로 이격되어 배치된 복수의 촉매부(330) 상에 각각 마련될 수 있다. 또한, 능동 광학 소자(300)는 그래핀층(320)과 투명 전극층(370) 사이에 마련된 복수의 스페이서(380)를 더 포함할 수 있다.
그래핀층(320)은 복수의 그래핀 시트를 포함할 수 있으며, 도 5에는 예시적으로 3장의 그래핀 시트가 적층되어 형성된 그래핀층(320)이 도시되어 있다. 그래핀 시트의 광 투과도가 우수하기 때문에, 3장의 그래핀 시트가 적층된 경우에도 한 장의 그래핀 시트의 광 투과도와 비교하여 약 80% 이상의 광 투과도를 보일 수 있다.
스페이서(380)는 제1기판(310)과 제2기판(360)이 서로 이격되어 배치될 수 있도록, 그 사이에 마련될 수 있다. 스페이서(380)는 그래핀층(320)과 투명 전극층(370) 사이에 마련될 수 있다. 복수의 스페이서(380)가 그래핀층(320) 상에 일정한 간격으로 이격되어 어레이 형태로 배열될 수 있다. 스페이서(380)의 높이 즉, 그래핀층(320)과 투명 전극층(370) 사이의 거리는 약 10㎛ 내지 100㎛일 수 있으며, 예를 들어 약 20㎛일 수 있다. 스페이서(380)는 도 5에 도시된 바와 같이, 비드(bead) 형태로 형성될 수 있으나, 그 형태가 이에 한정되는 것은 아니다.
도 6a 및 도 6b는 개시된 능동 광학 소자를 포함하는 디스플레이 장치의 개략적인 단면도이다.
도 6a를 참조하면, 디스플레이 장치(400)는 2D 및 3D 영상 중에서 적어도 하나를 표시하는 디스플레이부(105)와 디스플레이부(105) 상에 마련된 능동 광학 소자(100)를 포함할 수 있다.
디스플레이부(105)는 2D 영상, 3D 영상 또는 2D 및 3D 영상을 동시에 표시할 수 있다. 디스플레이부(105)는 광원과 디스플레이 패널 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 디스플레이부(105)는 렌즈, 미러, 프리즘 등과 같은 수동 광학 소자를 더 포함할 수 있다.
능동 광학 소자(100)는 그래핀층(120)과 투명 전극층(170) 사이에 인가되는 전압의 크기에 따라서 그 굴절률이 제어될 수 있다. 디스플레이부(105)로부터 출사된 광은 능동 광학 소자(100)를 투과할 수 있다. 능동 광학 소자(100)를 투과한 광은 능동 광학 소자(100)의 굴절률에 따라서 일정한 방향으로 굴절될 수 있다. 개시된 디스플레이 장치(400)는 전압 인가에 따라 온/오프가 가능한 능동 광학 소자(100)를 구비하여, 디스플레이부(105)로부터 출사된 광을 제어할 수 있다.
도 6b를 참조하면, 디스플레이 장치(450)는 2D 및 3D 영상 중에서 적어도 하나를 표시하는 디스플레이부(105)와 디스플레이부(105) 상에 마련된 능동 광학 소자(200)를 포함할 수 있다.
디스플레이부(105)는 2D 영상, 3D 영상 또는 2D 및 3D 영상을 동시에 표시할 수 있다. 디스플레이부(105)는 광원과 디스플레이 패널 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 디스플레이부(105)는 렌즈, 미러, 프리즘 등과 같은 수동 광학 소자를 더 포함할 수 있다.
능동 광학 소자(200)는 복수의 서브 그래핀(221, 223, 225)과 투명 전극층(260) 사이에 인가되는 전압의 크기에 따라서 그 굴절률이 부분적으로 제어될 수 있다. 디스플레이부(105)로부터 출사된 광은 능동 광학 소자(200)를 투과할 수 있다. 능동 광학 소자(200)를 투과한 광은 투과한 능동 광학 소자(200)의 해당 부분의 굴절률에 따라서 일정한 방향으로 굴절될 수 있다. 즉, 능동 광학 소자(200)의 서로 다른 부분을 투과한 광은 투과한 부분의 굴절률에 따라서 각각 서로 다른 방향으로 굴절될 수 있다. 개시된 디스플레이 장치(450)는 개별 전압 인가에 따라 굴절률이 부분적으로 달라질 수 있는 능동 광학 소자(200)를 구비하여, 디스플레이부(105)로부터 출사된 광을 부분적으로 제어할 수 있다.
이러한 본 발명인 능동 광학 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100, 200, 300: 능동 광학 소자 110, 210, 310: 제1기판
120, 220, 320: 그래핀층 130, 230, 330: 촉매부
140, 240, 340: 탄소 나노튜브 150, 250, 350: 액정층
160, 260, 360: 제2기판 170, 270, 370: 투명 전극층
400, 450: 디스플레이 장치 105: 디스플레이부

Claims (16)

  1. 그래핀층;
    상기 그래핀층 상에 마련된 복수의 탄소 나노튜브;
    상기 복수의 탄소 나노튜브로부터 이격되게 배치된 투명 전극층; 및
    상기 그래핀층과 상기 투명 전극층 사이에 마련된 액정층;을 포함하는 능동 광학 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀층과 상기 복수의 탄소 나노튜브 사이에 마련된 복수의 촉매부를 더 포함하는 능동 광학 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 촉매부는 서로 이격되게 배열된 능동 광학 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀층은 상기 탄소 나노튜브 각각에 개별 전압을 인가하기 위해서 서로 이격된 복수의 서브 그래핀을 포함하는 능동 광학 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀층은 적어도 하나의 그래핀 시트(sheet)를 포함하는 능동 광학 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 탄소 나노튜브는 서로 이격되어 어레이 형태로 배열된 능동 광학 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브는 단일벽 탄소 나노튜브(single-walled carbon nanotube)와 다중벽 탄소 나노튜브(multi-walled carbon nanotube) 중에서 적어도 하나를 포함하는 능동 광학 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀층의 하면에 마련된 제1기판과 상기 투명 전극층의 상면에 마련된 제2기판을 더 포함하는 능동 광학 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1기판과 상기 제2기판 중에서 적어도 하나는 투명한 기판인 능동 광학 소자.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1기판과 상기 제2기판은 플렉서블(flexible)한 기판인 능동 광학 소자.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1기판과 상기 제2기판은 유리, 석영, 플라스틱 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성된 능동 광학 소자.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀층과 상기 투명 전극층 사이에 마련된 복수의 스페이서를 더 포함하는 능동 광학 소자.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀층과 상기 투명 전극층 사이에 전압이 인가되면, 상기 액정층의 굴절률이 변하는 능동 광학 소자.
  14. 제 4 항에 있어서,
    상기 복수의 서브 그래핀과 상기 투명 전극층 사이에 각각 개별 전압이 인가되면, 상기 액정층의 굴절률이 부분적으로 변하는 능동 광학 소자.
  15. 2D 및 3D 영상 중에서 적어도 하나를 표시하는 디스플레이부; 및
    상기 디스플레이부 상에 마련된 제 1 항 내지 제 14 항 중에서 어느 한 항에 따른 능동 광학 소자;를 포함하는 디스플레이 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 디스플레이부는 광원과 디스플레이 패널 중에서 적어도 하나를 포함하는 디스플레이 장치.
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