KR20160039104A - 편광제어 유닛 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2Ｄ/3Ｄ 영상 표시장치에 적합한 편광제어 유닛에 관한 것으로, 제 1 기판, 제 2 기판, 제 1 전극, 제 2 전극, 및 고분자 분산형 액정층을 포함한다. 제 2 기판은 제 1 기판과 대향 배치된다. 제 1 전극은 제 2 기판과 대향하는 상기 제 1 기판의 대향면에 형성되고, 제 2 전극은 제 1 기판과 대향하는 제 2 기판의 대향면에 형성된다. 고분자 분산형 액정층은 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치되어 제 1 및 제 2 기판들을 지지하는 격벽과, 격벽에 의해 구획되는 공간에 배열되는 액정분자들을 포함한다.

Description

편광제어 유닛{POLARIZTION CONTROL UNIT}
본 발명은 편광제어 유닛에 관한 것으로, 특히 2Ｄ/3Ｄ 영상 표시장치에 적합한 편광제어 유닛에 관한 것이다.
입체영상 표시장치는 양안시차방식(stereoscopic technique)과 복합시차지각방식(autostereoscopic technique)으로 나뉘어진다. 양안시차방식은 입체 효과가 큰 좌우 눈의 시차 영상을 이용하며, 안경방식과 무안경방식이 있고 두 방식 모두 실용화되고 있다.
안경방식은 직시형 표시소자나 프로젝터에 좌우 시차 영상의 편광을 바꾸는 방식 또는 시분할 방식으로 표시하고, 편광 안경 또는 액정셔터 안경을 사용하여 입체영상을 구현한다. 무안경방식은 일반적으로 패럴렉스 배리어(parallax barrier) 방식과 렌티큘러(lenticular) 방식이 있다.
패럴렉스 배리어 방식은 배리어를 이용하여 표시패널로부터 입사되는 광을 선택적으로 차단함으로써 좌안 영상과 우안 영상을 나누어 입체 영상을 구현하는 방식으로, 배리어에서 투과되는 광이 입사광 대비 대략 50% 이하로 줄기 때문에 휘도 손실이 많은 단점이 있다. 또한, 렌티큘러 방식은 표시패널과 시청자 사이에 위치하는 렌티큘러 렌즈가 우안 영상과 좌안 영상을 분리하여 입체영상을 구현하는 방식으로, 패럴렉스 배리어 방식에 비해 휘도손실이 작은 장점이 있다.
그러나, 전술한 패럴렉스 배리어 방식과 렌티큘러 방식은 광 분리를 온/오프할 수 없으므로 입체 영상 외에 2D 영상을 구현할 수 없는 문제점이 있다. 이에 따라, 휘도 손실이 없으며, 2D 및 3D 영상이 호환가능한 스위처블(Switchable) 방식이 제안되고 있다.
스위처블 방식은 액정을 전압으로 제어하여 2D 및 3D 영상을 스위칭하는 방식으로 영상표현을 위한 표시패널과, 3D 구현을 위한 편광제어 유닛(polarization control unit)과, 편광렌즈를 포함한다. 이러한 스위처블 방식의 편광제어 유닛으로는 "입체영상 디스플레이 장치"라는 발명의 명칭으로 2013년 5월 30일자로 공개된 국제특허공개번호 WO 2013/077664호가 알려져 있다.
종래의 편광제어 유닛은 상기 국제특허공보에서 스위처블 디퓨저로 언급되어 있으며, 서로 대향하는 면에 각각 전극이 형성된 상부 기판 및 하부 기판과, 상부 기판과 하부 기판 사이에 배치되는 고분자 분산형 액정층(Polymer Dispersed Liquid Crystal, PDLC)을 포함한다. 고분자 분산형 액정층에서 고분자는 액정 분자를 지지하는 매트릭스 구조를 형성한다. 이와 같은 편광제어 유닛에 전압을 인가하면 액정층 내의 고분자 배열을 제어할 수 있기 때문에 광의 산란 및 투과를 제어할 수 있다.
그러나, 종래의 편광제어 유닛은 상부 기판과 하부 기판이 접촉되지 않도록 적정 간격이 유지되어야 한다. 특히, 상하부 기판들의 휨 및 두께 편차에 따른 리타데이션의 균일성(retardation uniformity)에 관한 문제가 발생하여 최적 상태의 리타데이션 설계를 어렵게 하였다. 이러한 리타데이션의 최적화가 곤란할 경우, 파장별 색분산 및 누설광이 발생하여 광 효율이 낮아지는 문제점이 있었다.
또한, 상하부 기판들 사이의 간격이 너무 좁으면 기판의 휨이나 외부 압력으로 인해 상부 기판과 하부 기판이 쇼트되어 고장이 발생할 수 있는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 파장별 색분산 및 누설광이 발생하여 광 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있고, 양 전극간의 접촉을 방지하여 제품불량을 방지할 수 있는 편광제어 유닛을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적 달성을 위해 본 발명의 편광제어 유닛은, 제 1 기판, 제 2 기판, 제 1 전극, 제 2 전극, 및 고분자 분산형 액정층을 포함한다. 제 2 기판은 제 1 기판과 대향 배치된다. 제 1 전극은 제 2 기판과 대향하는 상기 제 1 기판의 대향면에 형성되고, 제 2 전극은 제 1 기판과 대향하는 제 2 기판의 대향면에 형성된다. 고분자 분산형 액정층은 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치되어 제 1 및 제 2 기판들을 지지하는 격벽과, 격벽에 의해 구획되는 공간에 배열되는 액정분자들을 포함한다.
상기 구성에서, 고분자 분산형 액정층은 0.15~0.18의 범위의 굴절율과 5.9~10.8㎛ 범위의 두께를 갖는다.
또한, 격벽은 고분자 물질을 경화시켜 형성할 수 있다.
또한, 고분자 분산형 액정층의 액정은, 제 1 및 제 2 전극들에 전계가 인가되지 않을 경우에는 입사된 빛의 수직방향 선평광을 90°만큼 회전시켜 수평방향 선편광으로 변화시키도록 배열되고, 제 1 및 제 2 전극들에 전계가 인가되는 경우에는 상기 입사된 빛의 수직방향 선평광을 그대로 투과시키도록 배열된다.
본 발명에 따르는 편광제어 유닛에 의하면, 고분자 분산형 액정층의 굴절율과 두께를 적정치로 설정하고, 양 기판 사이에 격벽을 형성함으로써 파장별 색 분산 감소 및 누설광 감소로 인한 광효율을 상승시킬 수 있을 뿐 아니라 제 1 전극과 제 2 전극의 접촉을 방지할 수 있으므로 제품불량을 줄일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따르는 편광제어 유닛을 개략적으로 도시한 단면도,
도 1b는 도 1a에 도시된 편광제어 유닛의 격벽을 도시한 평면도,
도 2는 특정값의 △n에서 고분자 분산형 액정층(PDLC)의 두께(d)에 따르는 투과도를 도시한 그래프,
도 3은 도 2의 영역 R을 확대 도시한 그래프,
도 4는 본 발명의 실시예에서 △n별 적용될 수 있는 고분자 분산형 액정층(PDLC)의 두께범위를 도시한 그래프
도 5a는 본 발명의 실시예에 따르는 편광제어 유닛에 전계가 인가되지 않은 상태에서 빛의 편광 방향을 설명하기 위한 단면도,
도 5b는 본 발명의 실시예에 따르는 편광제어 유닛에 전계가 인가된 상태에서 빛의 편광 방향을 설명하기 위한 단면도.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 실질적으로 동일한 구성요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그에 대한 상세한 설명을 생략한다.
우선 도 1a 및 도 1b를 참조하여 본 발명의 실시예에 따르는 편광제어 유닛에 대해 설명하기로 한다. 도 1a는 본 발명의 실시예에 따르는 편광제어 유닛을 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 편광제어 유닛의 격벽을 도시한 평면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따르는 편광제어 유닛은 제 1 기판(SUB1), 제 1 기판(SUB1)과 대향 배치된 제 2 기판(SUB2), 서로 대향하는 제 1 기판(SUB1)과 제 2 기판(SUB2)의 대향면 상에 각각 형성된 제 1 전극(E1) 및 제 2 전극(E2), 제 1 및 제 2 전극들(E1, E2) 사이에 배치된 고분자 분산형 액정층(PDLC), 고분자 분산형 액정층(PDLC)에 배치되는 격벽(PW)을 포함한다.
제 1 기판(SUB1)과 제 2 기판(SUB2)은 투명한 광등방성 재료로 형성될 수 있으며, 예를 들어 COP(Cyclo Ollefin Polymer), TAC(Triacetyl Cellulose), PC(Polycarbonate) 등의 플라스틱 재질의 필름(film)으로 이루어질 수 있다. 그러나 그 재료가 이에 한정되는 것은 아니며, 제 1 기판(SUB1)과 제 2 기판(SUB2)은 투명한 광등방성 재료라면 유기, 무기 복합재료 등으로도 형성될 수 있다.
제 1 전극(E1)과 제 2 전극(E2)은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), GZO(Gallium-doped Zinc Oxide)와 같은 투명 도전성 물질로 형성된다.
고분자 분산형 액정층(PDLC)은 액정물질(LC)과 격벽(PW)으로 이루어진다. 격벽(PW)은 액정물질과 모노머 상태의 고분자 물질을 액체상태로 혼합한 후 포토마스크를 이용한 자외선 경화에 의해 형성된다. 즉, 광차단부와 광 투과부를 갖는 포토마스크를 이용하여 자외선을 조사하면, 광 투과부를 통해 입사된 광이 고분자 물질을 경화시켜 도 1b에 도시된 바와 같이 복수의 윈도우(W)를 갖는 격벽(PW)이 형성된다. 도 1b에서 격벽의 윈도우는 장방형을 갖는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 그 형상은 다양하게 형성될 수 있다.
이 격벽(PW)은 제 1 기판(SUB1)과 제 2 기판(SUB2) 사이에 배치되어 제 1 기판(SUB1)과 제 2 기판(SUB2)을 지지하므로, 제 1 및 제 2 기판들(SUB1, SUB2)의 휨 현상이나 외부 압력에 의해 제 1 기판(SUB1)과 제 2 기판(SUB2)의 대향면들에 각각 형성된 제 1 및 제 2 전극들(E1, E2)의 쇼트가 방지된다. 따라서, 편광제어 유닛의 제품불량을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에서 고분자 분산형 액정층(PDLC)의 액정분자는 굴절율(△n)은 0.15~0.18의 범위을 가지며, 두께(d)는 5.9~10.8㎛의 범위를 갖도록 설정된다. 편광제어를 위해서는 고분자 분산형 액정층(PDLC)의 리타데이션(retardatin)이 균일해야 하는데, 이 리타데이션은 △n×d(즉, △nd)에 의해 결정된다. 여기에서, △n은 고분자 분산형 액정층을 구성하는 물질에 의해 결정되는 구성이고, d는 물리적 두께에 의해 결정되는 요소이므로, 고분자 분산형 액정층의 두께를 제어함으로써 고분자 분산형 액정층(PDLC)의 리타데이션을 제어하는 것이 보다 용이하다.
이하, 고분자 분산형 액정층(PDLC)의 두께 결정에 대해 도 2 내지 도 5를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다. 도 2는 특정값의 △n에서 고분자 분산형 액정층(PDLC)의 두께(d)에 따르는 투과도를 도시한 그래프이고, 도 3은 도 2의 영역 R을 확대 도시한 그래프이며, 도 4는 본 발명의 실시예에서 △n별 적용될 수 있는 고분자 분산형 액정층(PDLC)의 두께범위를 도시한 그래프이다.
고분자 분산형 액정층(PDLC)은 전계의 인가 여부에 따라 입사되는 광의 편광방향이 변경된다. 다음의 표 1은 모귄조건(Mouguin Condition)을 만족시키는 고분자 분산형 액정층(PDLC)의 △n별 두께를 나타낸다. 표 1에서 1차 내지 3차 최대값은 주기적으로 특정 투과도를 달성할 수 있는 △n별 고분자 분산형 액정층(PDLC)의 두께를 나타낸다.
△n 0.1 0.105 0.11 0.12 0.15 0.18 0.2
1차 최대값(㎛) 4.76±0.48 4.54±0.46 4.33±0.43 3.97±0.4 3.18±0.32 2.65±0.27 2.40±0.24
2차 최대값(㎛) 10.65±1.1 10.14±0.96 9.68±0.9 8.88±0.68 7.10±0.6 5.92±0.48 5.3±0.4
3차 최대값(㎛) 16.27±1.6 15.49±1.5 14.79±1.4 13.56±1.25 10.85±0.95 9.04±0.8 8.1±0.7
표 1 및 도 2, 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 각각의 △n에서 일정값 이상의 투과율은 주기적으로 발생함을 알 수 있으며, 또한 동일 투과율을 얻을 수 있는 조건에서 1차 최대값보다 그 후에 발생하는 최대값에서 고분자 분산형 액정층(PDLC)의 두께가 커지는 것을 알 수 있다.
상술한 표 1을 보면, 최대 투과도가 얻어지는 1차 최대값의 경우, △n별 고분자 분산형 액정층(PDLC)의 두께(d)는 너무 작아지기 때문에 제조공정상 고분자 분산형 액정층(PDLC)의 격벽(PW)을 형성하기 곤란하다. 또한, 4차 최대값 부터는 △n별 고분자 분산형 액정층(PDLC)의 두께(d)가 너무 크기 때문에 부적절하다. 따라서, △n별 고분자 분산형 액정층(PDLC)의 두께(d)는 2차 내지 3차 최대값 중에서 선택하는 것이 바람직하다.
또한, 고분자 분산형 액정층(PDLC)의 굴절율(△n)이 0.11 이하인 경우에는 두께가 너무 커지고, 굴절율(△n)이 0.20 이상인 경우에는 두께가 너무 작아져 공정상 격벽 형성이 용이하지 않기 때문에, 굴절율은 0.15~0.18의 범위를 갖고, 두께(d)는 5.9~10.8㎛의 범위를 갖도록 설정하는 것이 바람직하다.
상술한 본 발명의 실시예에 따르는 편광제어 유닛은 표시장치에 적용될 경우 표시장치 상에 배치되며, 전압(V)의 인가 유무에 따라 표시장치에서 공급되는 빛을 그대로 투과시키거나 90°만큼 선편광시킨다.
다음으로, 도 5a, 5b를 참조하여 본 발명의 실시예에 따르는 편광제어 유닛의 동작에 대해 설명하기로 한다. 도 5a는 본 발명의 실시예에 따르는 편광제어 유닛에 전계가 인가되지 않은 상태에서 빛의 편광 방향을 설명하기 위한 단면도이고, 도 5b는 본 발명의 실시예에 따르는 편광제어 유닛에 전계가 인가된 상태에서 빛의 편광 방향을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 편광제어 유닛에 전계가 인가되지 않은 상태에서는 액정분자들은 도 5a에 도시된 바와 같이 입사된 빛의 수직방향(ⓧ) 선평광을 90°만큼 회전시켜 수평방향(↔) 선편광으로 변화시키도록 배열된다. 반면, 편광제어 유닛에 전계가 인가되면 액정분자들은 도 5b에 도시된 바와 같이 빛을 그대로 투과시키도록 배열된다. 이에 따라, 전계가 인가되지 않은 상태에서, 도 5a에 도시된 바와 같이 편광제어 유닛은 수직방향(ⓧ)의 편광축을 갖는 빛을 수평방향(↔)의 편광축을 갖는 빛으로 선편광시켜서 투과시킨다. 그리고, 전계가 인가된 상태에서, 편광제어 유닛은 도 5b에 도시된 바와 같이 수직방향(ⓧ)의 편광축을 갖는 빛을 그대로 투과시켜 투과된 빛의 편광축 역시 수직 방향으로 된다.
상술한 본 발명의 실시예에 따르는 편광제어 유닛에 의하면, 고분자 분산형 액정층(PDLC)의 굴절율과 두께를 적정치로 설정하고, 양 기판 사이에 격벽을 형성함으로써 파장별 색 분산 감소 및 누설광 감소로 인한 광효율을 상승시킬 수 있을 뿐 아니라 제 1 전극과 제 2 전극의 접촉을 방지할 수 있으므로 제품불량을 줄일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
SUB1: 제 1 기판 SUB2: 제 2 기판
E1: 제 1 전극 E2: 제 2 전극
LC: 액정 PW: 격벽
PDLC: 고분자 분산형 액정층

Claims (4)

  1. 제 1 기판;
    상기 제 1 기판과 대향 배치되는 제 2 기판;
    상기 제 2 기판과 대향하는 상기 제 1 기판의 대향면에 형성되는 제 1 전극;
    상기 제 1 기판과 대향하는 상기 제 2 기판의 대향면에 형성되는 제 2 전극; 및
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 배치되는 고분자 분산형 액정층을 포함하고,
    상기 고분자 분산형 액정층은 상기 제 1 및 제 2 기판들을 지지하는 격벽과, 상기 격벽에 의해 구획되는 공간에 배열되는 액정분자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 편광제어 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 분산형 액정층은 0.15~0.18의 범위의 굴절율과 5.9~10.8㎛ 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 편광제어 유닛.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 격벽은 고분자 물질을 경화시켜 형성한 것을 특징으로 하는 편광제어 유닛.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 분산형 액정층의 액정은,
    상기 제 1 및 제 2 전극들에 전계가 인가되지 않을 경우에는 입사된 빛의 수직방향 선평광을 90°만큼 회전시켜 수평방향 선편광으로 변화시키도록 배열되고,
    상기 제 1 및 제 2 전극들에 전계가 인가되는 경우에는 상기 입사된 빛의 수직방향 선평광을 그대로 투과시키도록 배열되는 것을 특징으로 하는 편광제어 유닛.

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