KR20160096785A - 광 변조 장치 및 그 구동 방법, 그리고 영상 표시 장치 - Google Patents

Abstract

광 변조 장치는, 복수의 제1 하판 전극을 포함하는 제1 판; 상기 제1 판과 마주하고, 적어도 하나의 상판 전극을 포함하는 제2 판; 상기 제1 판 및 상기 제2 판 사이에 위치하고, 복수의 액정 분자를 포함하는 액정 층; 및 복수의 제1 저항을 포함하고, 상기 복수의 제1 저항을 통해 전압을 분배하여 상기 복수의 제1 하판 전극에 인가하는 제1 저항열을 포함한다.

Description

광 변조 장치 및 그 구동 방법, 그리고 영상 표시 장치{OPTICAL MODULATOIN DEVICE, DRIVING METHOD THEREOF, AND DISPLAY DEVICE}

본 발명은 광 변조 장치 및 그 구동 방법에 관한 것으로, 특히 액정을 포함하는 광 변조 장치, 그 구동 방법, 그리고 이를 이용한 광학 장치에 관한 것이다.

최근에는 광의 특성을 변조하는 광 변조 장치를 이용한 광학 장치에 대한 개발이 활발하다. 예를 들어 3차원 영상을 표시할 수 있는 광학 표시 장치가 관심을 끌고 있으며, 시청자가 영상을 입체 영상으로 인식할 수 있도록 하기 위해 서로 다른 시점에 영상을 분리하여 보내기 위한 광 변조 장치가 필요하다. 무안경식 입체 영상 표시 장치에서 사용될 수 있는 광 변조 장치로는 표시 장치의 영상의 빛의 경로를 변경하여 원하는 시점으로 보내는 렌즈, 프리즘 등이 있다.

이와 같이 입사광의 방향을 바꾸기 위해 빛의 위상 변조를 통한 빛의 회절을 이용할 수 있다.

편광된 빛이 위상지연자 등의 광 변조 장치를 통과하면 편광 상태가 바뀐다. 예를 들어 원편광된 빛이 반파장판에 입사하면 원편광된 빛의 회전 방향이 반대로 바뀌어 출사된다. 예를 들어 우원편광된 빛이 반파장판을 통과하면 좌원편광된 빛이 출사된다. 이때 반파장판의 광축, 즉 느린축의 각도에 따라 출사되는 원편광된 빛의 위상이 달라진다. 구체적으로 반파장판의 광축이 평면상(in-plane) φ만큼 회전(rotation)하면 출력되는 광의 위상은 2φ 만큼 변한다. 따라서 공간상 x축 방향으로 180도(π radian)만큼의 반파장판의 광축 회전이 생기면 출사되는 빛은 x축 방향으로 360도(2π radian)의 위상 변조 또는 위상 변화를 가지며 출사될 수 있다. 이와 같이 광 변조 장치가 위치에 따라 0부터 2π 까지의 위상 변화를 일으키도록 하면 통과되는 빛의 방향이 바뀌거나 꺾을 수 있는 회절 격자 또는 프리즘을 구현할 수 있다.

이러한 반파장판 등의 광 변조 장치의 위치에 따른 광축을 용이하게 조절하기 위해 액정을 이용할 수 있다. 액정을 이용한 위상지연자로서 구현되는 광 변조 장치에서는 액정층에 전기장을 인가하여 배열된 액정 분자들의 장축을 회전시켜 위치에 따라 다른 위상 변조를 일으킬 수 있다. 광 변조 장치를 통과하여 출사되는 빛의 위상은 배열된 액정의 장축의 방향, 즉 방위각(azimuthal angle)에 따라 결정될 수 있다.

액정을 이용한 광 변조 장치를 이용해 연속적인 위상 변조를 일으켜 프리즘, 회절 격자, 렌즈 등을 구현하기 위해서는 액정 분자의 장축이 위치에 따라 연속적으로 변하도록 액정 분자가 배열되어야 한다. 출사되는 광이 위치에 따라 0부터 2π로 변하는 위상 프로파일을 갖기 위해서는 반파장판의 경우 그 광축이 0부터 π까지 변해야 한다. 이를 위해 액정층에 인접한 기판에 대해 위치에 따라 서로 다른 방향의 배향 처리가 필요하기도 하여 공정이 복잡해진다. 또한 미세하게 구분하여 배향 처리를 하여야 하는 경우 러빙 공정 등의 배향 처리를 균일하게 하기 힘들어 표시 장치에 이용될 경우 표시 불량으로 나타날 수 있다.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 액정을 포함하는 광 변조 장치에서 액정 분자의 평면상 회전각을 용이하게 조절하여 광 위상을 변조시키고, 액정 분자의 회전 방향을 제어하여 다양한 빛의 회절각을 형성하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 광 변조 장치의 전극 구조를 간소화하고, 광 변조 장치의 하판 전극에 전압을 인가하기 위한 채널의 수를 최소화하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 액정을 포함하는 광 변조 장치의 제조 공정을 간단히 하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 액정을 포함하는 광 변조 장치의 대형화를 가능하게 하는 것이며, 렌즈로서 기능할 수 있도록 하여 입체 영상 표시 장치 등의 광학 장치에 사용될 수 있도록 하는 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 광 변조 장치가 제공된다. 상기 광 변조 장치는, 복수의 제1 하판 전극을 포함하는 제1 판; 상기 제1 판과 마주하고, 적어도 하나의 상판 전극을 포함하는 제2 판; 상기 제1 판 및 상기 제2 판 사이에 위치하고, 복수의 액정 분자를 포함하는 액정 층; 및 복수의 제1 저항을 포함하고, 상기 복수의 제1 저항을 통해 전압을 분배하여 상기 복수의 제1 하판 전극에 인가하는 제1 저항열을 포함한다.

상기 제1 저항열은 저항 물질(resistance material)의 증착(deposition)을 통해 형성될 수 있다.

상기 저항 물질은 니켈-크롬(Ni-Cr) 및 IZO(Indium Zinc Oxide) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 복수의 제1 저항은 직렬로 연결되고, 상기 제1 저항 각각은 상기 복수의 제1 하판 전극 사이에 위치할 수 있다.

상기 복수의 제1 하판 전극 중 첫번째 제1 하판 전극은 제1 전압이 인가되는 제1 버스 라인에 연결될 수 있고, 마지막 제1 하판 전극은 상기 제1 전압과 다른 제2 전압이 인가되는 제2 버스 라인에 연결될 수 있다.

상기 광 변조 장치는, 상기 복수의 제2 저항을 통해 전압을 분배하여 복수의 제2 하판 전극에 인가하는 제2 저항열을 더 포함할 수 있다.

상기 제1 판은 상기 복수의 제2 하판 전극을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예예 따르면, 영상 표시 장치가 제공된다. 상기 영상 표시 장치는, 광 변조 장치; 및 상기 광 변조 장치에 인가되는 전압을 제어하는 전압 제어 장치를 포함한다.

상기 전압 제어 장치는, 직렬로 연결된 복수의 제1 저항을 통해 전압을 분배하여 상기 광 변조 장치에 연결되는 복수의 제1 버스 라인에 인가하는 제1 저항열을 포함할 수 있다.

상기 광 변조 장치는, 상기 복수의 제1 버스 라인에 일대일로 연결되는 복수의 제1 하판 전극을 포함하는 제1 판; 상기 제1 판과 마주하고, 적어도 하나의 상판 전극을 포함하는 제2 판; 및 상기 제1 판 및 상기 제2 판 사이에 위치하고, 복수의 액정 분자를 포함하는 액정 층을 포함할 수 있다.

상기 복수의 제1 저항에 의해 분배된 전압들은 단조 증가 또는 단조 감소할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 광 변조 장치의 구동 방법이 제공된다. 상기 구동 방법은, 복수의 제1 하판 전극 중 첫번째 제1 하판 전극에 연결된 제1 버스 라인을 통해 제1 전압을 인가 받는 단계; 상기 복수의 제1 하판 전극 중 마지막 제1 하판 전극에 연결된 제2 버스 라인을 통해 제2 전압을 인가 받는 단계; 상기 제1 전압과 상기 제2 전압을, 상기 복수의 제1 하판 전극 사이에 위치하는 복수의 제1 저항을 통해 분배하는 단계; 및 상기 분배된 전압을 상기 복수의 제1 하판 전극에 인가하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 액정을 포함하는 광 변조 장치에서 액정 분자의 평면상 회전각을 용이하게 조절하여 광 위상을 변조시키고, 액정 분자의 회전 방향을 제어하여 다양한 빛의 회절각을 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 액정을 포함하는 광 변조 장치의 제조 공정을 간단히 할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 액정을 포함하는 광 변조 장치의 대형화를 가능하게 할 수 있고, 렌즈로서 기능할 수 있도록 하여 입체 영상 표시 장치 등의 광학 장치에 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 단조 증가 또는 단조 감소하는 전압을 저항 스트링의 전압 분배를 통해 광 변조 장치의 전극에 인가할 수 있다. 이를 통해, 광 변조 장치의 전극에 컨택되는 버스 라인의 수를 줄일 수 있고, 전원 소스의 수를 줄일 수 있고, 구동 회로부(전원 소스)를 간소화할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 전압 인가 채널의 수를 감소시킴으로써, 외부 앰프(amplifier)에서 FPC(Flexible Printed Circuit)을 통해 직접적으로 전압을 전극에 인가할 수 있다. 이를 통해, D-IC를 제거할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 패널 내부에 고 저항 물질로 저항 스트링을 형성함으로써, 버스 라인의 수를 감소시킬 수 있다. 이를 통해, 패널의 크기(Dimension)을 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치가 포함하는 제1판 및 제2판에서의 배향 방향을 보여주는 평면도이다.
도 3은 도 2에 도시한 제1판 및 제2판을 합착하는 공정을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치의 제1판 및 제2판에 전압차를 부여하지 않았을 때의 액정 분자의 배열을 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시한 광 변조 장치를 I 선, II 선, 그리고 III 선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치의 제1판 및 제2판에 전압차를 부여하였을 때의 액정 분자의 배열을 나타낸 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시한 광 변조 장치를 I 선, II 선, 그리고 III 선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치의 구동 신호의 타이밍도이다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치의 제1판 및 제2판에 전압차가 부여되기 전과 제1스텝의 구동 신호가 인가된 후의 액정 분자의 배열을 나타낸 단면도로서 도 8의 IV 선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치에 제1스텝의 구동 신호를 인가한 후 배열이 안정된 액정 분자의 배열을 나타낸 단면도로서 도 8의 V 선을 따라 잘라 도시한 단면도 및 그에 대응하는 위상 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치에 제1스텝의 구동 신호를 인가한 후 배열이 안정된 액정 분자의 배열을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치의 제1판 및 제2판에 전압차를 부여하기 전의 액정 분자의 배열을 나타낸 단면도로서 도 8의 IV 선을 따라 잘라 도시한 단면도 및 V 선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 14는 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치에 제1스텝의 구동 신호가 인가된 경우의 액정 분자의 배열을 나타낸 단면도로서 도 8의 IV 선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 15는 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치에 제1스텝의 구동 신호가 인가된 후 안정되기 전의 액정 분자의 배열을 나타낸 단면도로서 도 8의 IV 선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 16은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치에 제1스텝의 구동 신호가 인가된 후 안정된 액정 분자의 배열을 나타낸 단면도로서 도 8의 IV 선을 따라 잘라 도시한 단면도 및 V 선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 17은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치의 제1판 및 제2판에 전압차가 부여되기 전과 제1 내지 제3스텝 각각의 구동 신호가 인가된 후의 액정 분자의 배열을 나타낸 단면도로서 도 8의 IV 선을 따라 잘라 도시한 단면도들이다.
도 18 및 도 19는 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치에 제1내지 제3스텝의 구동 신호를 차례대로 인가한 후 배열이 안정된 액정 분자의 배열을 나타낸 단면도로서 도 8의 V 선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 20은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치를 이용하여 구현할 수 있는 렌즈의 위치에 따른 위상 변화를 나타내다.
도 21 및 도 22는 각각 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치를 이용한 광학 장치의 한 예로서 입체 영상 표시 장치의 개략적인 구조 및 2차원 영상 및 3차원 영상을 표시하는 방법을 보여주는 도면이다.
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 광 변조 장치에 전압 분배를 위한 저항 스트링이 형성된 경우를 나타내는 도면이다.
도 24는 도 23의 나선형 존을 RC 모델링한 경우를 나타내는 도면이다.
도 25는 도 24의 전극에 인가되는 전압을 나타내는 SPICE 시뮬레이션 그래프이다.
도 26은 본 발명의 실시예에 따른 광 변조 장치에 인가되는 전압을 제어하는 전압 제어 장치에 저항 스트링이 형성된 경우를 나타내는 도면이다.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.

본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치에 대하여 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치가 포함하는 제1판 및 제2판에서의 배향 방향을 보여주는 평면도이고, 도 3은 도 2에 도시한 제1판 및 제2판을 합착하는 공정을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치(optical modulation device)(1)는 서로 마주하는 제1판(100) 및 제2판(200), 그리고 그 사이에 위치하는 액정층(3)을 포함한다.

제1판(100)은 유리, 플라스틱 등으로 만들어질 수 있는 제1 기판(110)을 포함할 수 있다. 제1 기판(110)은 강성(rigid) 또는 가요성(flexible)일 수 있으며, 평평하거나 적어도 일부분 휘어 있을 수도 있다.

제1 기판(110) 위에는 복수의 하판 전극(191)이 위치한다. 하판 전극(191)은 도전성 물질을 포함하며 ITO, IZO 등의 투명 도전 물질 또는 금속 등을 포함할 수 있다. 하판 전극(191)은 전압을 인가하는 구성(미도시)으로부터 전압을 인가받을 수 있고, 인접하거나 서로 다른 하판 전극(191)은 서로 다른 전압을 인가받을 수 있다.

복수의 하판 전극(191)은 일정한 방향, 예를 들어 x축 방향으로 배열되어 있을 수 있으며, 각 하판 전극(191)은 배열된 방향에 수직인 방향, 예를 들어 y축 방향으로 길게 뻗을 수 있다.

이웃한 하판 전극(191) 사이의 공간(space)(G)의 폭은 광 변조 장치의 설계 조건에 따라 다양하게 조절될 수 있다. 하판 전극(191)의 폭과 그에 인접한 공간(G)의 폭의 비는 대략 N:1 (N은 1 이상의 실수)일 수 있다.

제2판(200)은 유리, 플라스틱 등으로 만들어질 수 있는 제2 기판(210)을 포함할 수 있다. 제2 기판(210)은 강성 또는 가요성일 수 있으며, 평평하거나 적어도 일부분 휘어 있을 수도 있다.

제2 기판(210) 위에는 상판 전극(290)이 위치한다. 상판 전극(290)은 도전성 물질을 포함하며 ITO, IZO 등의 투명 도전 물질 또는 금속 등을 포함할 수 있다. 상판 전극(290)은 전압을 인가하는 구성(미도시)으로부터 전압을 인가받을 수 있다. 상판 전극(290)에는 접지 전압 뿐만 아니라 접지 전압이 아닌 다양한 전압이 인가될 수 있다. 상판 전극(290)은 제2 기판(210) 상에서 통판(whole body)으로 형성되어 있을 수도 있고 패터닝되어 복수의 이격된 부분을 포함할 수도 있다.

액정층(3)은 복수의 액정 분자(31)를 포함한다. 액정 분자(31)는 음의 유전율 이방성(negative dielectric anisotropy)을 가져 액정층(3)에 생성되는 전기장의 방향에 대해 가로지르는(transverse) 방향으로 배열될 수 있다. 액정 분자(31)는 액정층(3)에 전기장이 생성되지 않은 상태에서 제2판(200) 및 제1판(100)에 대해 대략 수직으로 배향되어 있으며, 특정 방향으로 선경사(pre-tilt)를 이룰 수 있다. 액정 분자(31)는 네마틱 액정 분자일 수 있다.

액정층(3)의 셀갭(cell gap)의 높이(d)는 특정 파장(λ)의 빛에 대해 대략 [수학식1]을 만족할 수 있다. 이에 따르면 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치(1)는 대략 반파장판으로 기능할 수 있고, 회절 격자, 렌즈 등으로 사용 가능하다.

위 [수학식1]에서 Δnd는 액정층(3)을 통과하는 빛의 위상 지연값이다.

제1판(100)의 안쪽 면에는 제1 배향자(11)가 위치하고, 제2판(200)의 안쪽 면에는 제2 배향자(21)가 위치한다. 제1 배향자(11) 및 제2 배향자(21)는 수직 배향막일 수 있고, 러빙 공정, 광배향 등의 다양한 방법으로 배향력을 가져 제1판(100) 및 제2판(200)에 근접한 액정 분자(31)의 선경사 방향을 결정할 수 있다. 러빙 공정에 의한 경우 수직 배향막은 유기 수직 배향막일 수 있다. 광배향 공정을 이용하는 경우 제1판(100) 및 제2판(200)의 안쪽 면에 감광성 고분자 물질을 포함하는 배향 물질을 도포한 후 자외선 등의 광을 조사하여 광중합 물질을 형성할 수 있다.

도 2를 참조하면 제1판(100) 및 제2판(200)의 안쪽 면에 위치하는 두 배향자(11, 21)의 배향 방향(R1, R2)은 서로 실질적으로 평행(parallel)하다. 또한 각 배향자(11, 21)의 배향 방향(R1, R2)도 일정하다.

제1판(100) 및 제2판(200)의 오정렬(misalign) 마진을 고려할 때 제1판(100)의 제1 배향자(11)의 방위각과 제2판(200)의 제2 배향자(21)의 방위각의 차이는 대략 ±5도일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

도 3을 참조하면, 서로 실질적으로 평행하게 배향된 배향자(11, 21)가 형성된 제1판(100) 및 제2판(200)을 서로 정렬하고 합착하여 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치(1)를 형성할 수 있다.

도시한 바와 달리 제1판(100)과 제2판(200)의 상하 위치는 바뀔 수도 있다.

이와 같이 본 발명의 한 실시예에 따르면 액정을 포함하는 광 변조 장치(1)의 제1판(100) 및 제2판(200)에 형성된 배향자(11, 21)가 서로 평행하며, 각 배향자(11, 21)의 배향 방향이 일정하므로 광 변조 장치의 배향 공정이 간단해지며 복잡한 배향 공정이 필요 없어 광 변조 장치(1)의 제조 공정을 간단히 할 수 있다. 따라서 배향 불량에 따른 광 변조 장치 또는 이를 포함한 광학 장치의 불량을 방지할 수 있다. 이에 따라 광학 변조 장치의 대형화도 용이하다.

그러면 앞에서 설명한 도 1 내지 도 3과 함께 도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치의 동작에 대해 설명한다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 제1판(100)의 하판 전극(191)과 제2판(200)의 상판 전극(290) 사이에 전압차가 부여되지 않아 액정층(3)에 전기장이 생성되지 않은 경우 액정 분자(31)는 초기의 선경사를 이루며 배열되어 있다. 도 5는 도 4에 도시한 광 변조 장치(1)의 복수의 하판 전극(191) 중 어느 한 하판 전극(191)에 대응하는 I 선을 따라 잘라 도시한 단면도, 이웃한 두 하판 전극(191) 사이의 공간(G)에 대응하는 II 선을 따라 잘라 도시한 단면도, 그리고 상기 하판 전극(191)에 인접한 하판 전극(191)에 대응하는 III 선을 따라 잘라 도시한 단면도로서, 이를 참조하면 액정 분자(31)의 배열은 대략 일정할 수 있다.

도 5 등의 도면에서 액정 분자(31)의 일부가 제1판(100) 또는 제2판(200) 영역에 침투한 것으로 도시되어 있는 부분이 있으나 이는 편의상 그렇게 도시된 것으로 실제 제1판(100) 또는 제2판(200) 영역에 액정 분자(31)가 침투하여 위치하는 것은 아니며, 이는 이후 도면에서도 마찬가지이다.

제1판(100) 및 제2판(200)에 인접한 액정 분자(31)는 배향자(11, 21)의 평행한 배향 방향에 따라 초기 배향되므로 제1판(100)에 인접한 액정 분자(31)의 선경사 방향과 제2판(200)에 인접한 액정 분자(31)의 선경사 방향은 서로 평행하지 않고 반대이다. 즉, 제1판(100)에 인접한 액정 분자(31)과 제2판(200)에 인접한 액정 분자(31)는 단면도 상에서 액정층(3)의 중앙을 따라 가로로 뻗는 가로 중앙선을 기준으로 서로 대칭을 이루는 방향으로 기울어져 있을 수 있다. 예를 들어 제1판(100)에 인접한 액정 분자(31)가 오른쪽으로 기울어져 있으면 제2판(200)에 인접한 액정 분자(31)는 왼쪽으로 기울어져 있을 수 있다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 제1판(100)의 하판 전극(191)과 제2판(200)의 상판 전극(290) 사이에 문턱 전압 이상의 전압차가 부여되어 액정층(3)에 전기장이 생성된 직후에는 음의 유전율 이방성을 가지는 액정 분자(31)는 전기장의 방향에 수직인 방향으로 기울어지려 한다. 따라서 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이 액정 분자(31)는 대부분 제1판(100) 또는 제2판(200)의 표면에 대략 평행하게 기울어져 평면상(in-plane) 배열을 이루며 액정 분자(31)의 장축이 평면상 회전되며 배열된다. 평면상(in-plane) 배열이란 액정 분자(31)의 장축이 제1판(100) 또는 제2판(200)의 표면에 평행하도록 배열되는 것을 의미한다.

이때 액정 분자(31)의 평면상(in-plane)에서의 회전각, 즉 방위각(azimuthal angle)은 대응하는 하판 전극(191) 및 상판 전극(290)에 인가되는 전압에 따라 달라질 수 있으며, 결국 x축 방향의 위치에 따라 나선형(spiral)으로 변할 수 있다.

그러면 앞에서 설명한 도면들과 함께 도 8 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치(1)를 이용하여 순 위상경사를 구현하는 방법에 대해 설명한다.

도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정을 포함하는 광 변조 장치(1)를 도시하며 앞에서 설명한 실시예와 동일한 구조를 가질 수 있다. 광 변조 장치(1)는 복수의 단위 영역(unit)을 포함하고, 각 단위 영역(unit)은 적어도 하나의 하판 전극(191)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 각 단위 영역(unit)이 하나의 하판 전극(191)을 포함하는 예를 중심으로 설명하며, 이웃한 두 단위 영역(unit)에 각각 위치하는 두 하판 전극(191a, 191b)을 중심으로 살펴본다. 두 하판 전극(191a, 191b)을 각각 제1 전극(191a) 및 제2 전극(191b)이라 한다.

도 10의 위쪽 그림을 참조하면, 제1 및 제2 전극(191a, 191b)과 상판 전극(290)에 전압이 인가되지 않았을 때 액정 분자(31)는 제1판(100) 및 제2판(200)의 평면에 대략 수직인 방향으로 초기 배향되어 있으며, 앞에서 설명한 바와 같이 제1판(100) 및 제2판(200)의 배향 방향에 따라 선경사를 이룰 수 있다. 이때 제1 및 제2 전극(191a, 191b)에 상판 전극(290)의 전압을 기준으로 0V의 전압이 인가될 수도 있고, 액정 분자(31)의 배열이 바뀌기 시작하는 문턱 전압(Vth) 이하의 전압이 인가될 수도 있다.

도 9를 참조하면, 먼저 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치(1)가 순 위상경사를 구현하기 위해 한 프레임 동안 이웃한 하판 전극(191a, 191b) 및 상판 전극(290)은 제1스텝(step1)의 구동 신호를 인가받을 수 있다. 제1스텝(step1)에서는 제1판(100)의 하판 전극(191a, 191b)과 제2판(200)의 상판 전극(290) 사이에 전압차가 형성되면서 인접한 제1 전극(191a)과 제2 전극(191b) 사이에도 전압차가 형성된다. 예를 들어 제2 전극(191b)에 인가되는 제2 전압의 절대치의 크기가 제1 전극(191a)에 인가되는 제1 전압의 절대치보다 클 수 있다. 또한 상판 전극(290)에 인가되는 제3 전압은 하판 전극(191a, 191b)에 인가되는 제1 전압 및 제2 전압과 다르다. 예를 들어 상판 전극(290)에 인가되는 제3 전압은 제1 및 제2 전극(191a, 191b)에 인가되는 제1 전압의 절대치 및 제2 전압의 절대치보다 작을 수 있다. 예를 들어 제1 전극(191a)에 5V, 제2 전극(191b)에 6V, 그리고 상판 전극(290)에 0V의 전압이 인가될 수 있다.

도시한 바와 달리 단위 영역(unit)이 복수의 하판 전극(191)을 포함하는 경우, 하나의 단위 영역(unit)의 복수의 하판 전극(191)에는 모두 동일한 전압이 인가될 수도 있고 적어도 하나의 하판 전극(191)을 단위로 순차적으로 변하는 전압이 인가될 수도 있다. 이때 이웃한 단위 영역(unit)의 경계를 기준으로 한쪽 단위 영역(unit)의 하판 전극(191)에는 적어도 하나의 하판 전극(191)을 단위로 점차적으로 증가하는 전압이 인가될 수 있고 다른 쪽 단위 영역(unit)의 하판 전극(191)에는 적어도 하나의 하판 전극(191)을 단위로 점차적으로 감소하는 전압이 인가될 수 있다.

모든 단위 영역(unit)의 하판 전극(191)에 인가되는 전압은 상판 전극(290)의 전압을 기준으로 정극성 또는 부극성으로 일정한 극성을 가질 수 있다. 또한 하판 전극(191)에 인가되는 전압의 극성은 적어도 한 프레임을 주기로 반전될 수 있다.

그러면 도 10의 아래쪽 그림 및 도 11과 같이 액정 분자(31)가 액정층(3)에 생성된 전기장에 따라 재배열된다. 구체적으로 액정 분자(31)는 대부분 제1판(100) 또는 제2판(200)의 표면에 대략 평행하게 기울어져 평면상(in-plane) 배열을 이루며 장축이 평면상 회전되어 도 11 및 도 12에 도시한 바와 같이 나선형(spiral) 배열을 이루며, 더 구체적으로 u자형 배열을 이룬다. 액정 분자(31)는 하판 전극(191)의 피치를 주기로 액정 분자(31)의 장축의 방위각이 대략 0도부터 대략 180도까지 변화할 수 있다. 액정 분자(31)의 장축의 방위각이 대략 0도부터 대략 180도까지 변화하는 부분이 하나의 u자형 배열을 형성할 수 있다.

광 변조 장치(1)가 제1스텝(step1)의 구동 신호를 인가받은 후 액정 분자(31)의 배열이 안정화되기까지 일정 시간이 걸릴 수 있으며 순 위상경사를 형성하는 광 변조 장치(1)는 도 9에 도시한 바와 달리 제1스텝(step1)의 구동 신호를 지속적으로 인가받을 수 있다.

도 11을 참조하면, 액정 분자(31)가 x축 방향을 따라 180도 회전하며 배열되는 영역을 하나의 단위 영역(unit)으로 정의할 수 있다. 본 실시예의 경우 하나의 단위 영역(unit)은 제1 전극(191a) 및 그에 인접하는 제2 전극(191b)과의 사이의 공간(G)을 포함할 수 있다.

앞에서 설명한 바와 같이 광 변조 장치(1)가 [수학식1]을 만족하여 대략 반파장판으로 구현될 경우 입사된 원편광된 빛의 회전 방향이 반대로 바뀐다. 도 11은 예를 들어 우원편광된 빛이 광 변조 장치(1)에 입사된 경우 x축 방향의 위치에 따른 위상 변화를 나타낸다. 광 변조 장치(1)를 통과한 우원편광된 빛은 좌원편광된 빛으로 바뀌어 출사되며, 액정층(3)의 위상 지연값이 x축 방향에 따라 다르므로 출사되는 원편광된 빛의 위상도 연속적으로 바뀐다.

일반적으로 반파장판의 광축이 평면상(in-plane) φ 만큼 회전(rotation)하면 출력되는 광의 위상은 2φ 만큼 변하므로 도 11에 도시한 바와 같이 액정 분자(31)의 장축의 방위각이 180도 변하는 하나의 단위 영역(unit)에서 출사되는 빛의 위상은 x축 방향을 따라 0부터 2π(radian)까지 변한다. 이를 순 위상경사라 하기로 한다. 이러한 위상 변화는 단위 영역(unit)마다 반복될 수 있고, 이러한 광 변조 장치(1)를 이용해 빛의 방향을 바꾸는 렌즈의 순 위상경사 부분을 구현할 수 있다.

그러면 앞에서 설명한 도면들과 함께 도 13 내지 도 16을 참조하여 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치(1)가 도 11에 도시한 바와 같은 순 위상경사를 구현하는 방법에 대해 설명한다.

도 13은 광 변조 장치(1)의 제1판(100)의 제1 및 제2 전극(191a, 191b)과 제2판(200)의 상판 전극(290) 사이에 전압차를 부여하기 전의 액정 분자(31)의 배열을 나타낸 단면도로서 도 8의 IV 선을 따라 잘라 도시한 단면도이다. 도 13 내지 도 16에서는 앞에서 설명한 도면들과 달리 수평 방향으로 한 단위 영역(unit) 이동한 부분을 도시한다.

액정 분자(31)는 제1판(100) 및 제2판(200)의 평면에 대략 수직인 방향으로 초기 배향되어 있으며, 앞에서 설명한 바와 같이 제1판(100) 및 제2판(200)의 배향 방향(R1, R2)에 따라 선경사를 이룰 수 있다. 액정층(3)에 등전위선(VL)을 도시하였다.

도 14는 광 변조 장치(1)의 제1판(100)의 제1 및 제2 전극(191a, 191b)과 제2판(200)의 상판 전극(290)에 제1스텝(step1)의 구동 신호가 인가된 경우의 액정 분자(31)의 배열을 나타낸 단면도로서 도 8의 IV 선을 따라 잘라 도시한 단면도이며, 한 단위 영역(unit) 수평 이동한 부분을 도시한다. 제1판(100)과 제2판(200) 사이에 전기장(E)이 생성되고 이에 따른 등전위선(VL)이 표시된다. 이때 제1 및 제2 전극(191a, 191b)은 가장자리 변을 가지므로 도 14에 도시한 바와 같이 제1 및 제2 전극(191a, 191b)의 가장자리 변과 상판 전극(290) 사이에는 프린지 필드(fringe field)가 형성된다.

제1스텝(step1)의 구동 신호가 제1 및 제2 전극(191a, 191b)과 상판 전극(290)에 인가된 경우에, 제2 전극(191b)을 포함하는 단위 영역(unit)의 액정층(3)에서는 제1판(100)에 인접한 영역(D1)에서의 전기장의 세기가 제2판(200)에 인접한 영역(S1)에서의 전기장 세기보다 크고, 제1 전극(191a)을 포함하는 단위 영역(unit)의 액정층(3)에서는 제1판(100)에 인접한 영역(S2)에서의 전기장의 세기가 제2판(200)에 인접한 영역(D2)에서의 전기장 세기보다 약하다.

이웃한 두 단위 영역(unit)의 제1 전극(191a)과 제2 전극(191b)에 인가되는 전압에도 차이가 있으므로 도 14에 도시한 바와 같이 제1 전극(191a)에 인접한 영역(S2)에서의 전기장 세기가 제2 전극(191b)에 인접한 영역(D1)에서의 전기장 세기보다 약할 수 있다. 이를 위해 앞에서 설명한 도 9에 도시한 바와 같이 제2 전극(191b)에 인가되는 전압이 제1 전극(191a)에 인가되는 전압보다 클 수 있다. 상판 전극(290)에는 제1 및 제2 전극(191a, 191b)에 인가되는 전압과 다른 전압, 더 구체적으로 제1 및 제2 전극(191a, 191b)에 인가되는 전압보다 작은 전압이 인가될 수 있다.

도 15는 도 8에 도시한 광 변조 장치(1)에 제1스텝(stpe1)의 구동 신호가 인가된 후 액정층(3)에 생성된 전기장(E)에 반응하는 액정 분자(31)의 배열을 나타낸 단면도로서 도 8의 IV 선을 따라 잘라 도시한 단면도이며, 한 단위 영역(unit) 수평 이동한 부분을 도시한다. 앞에서 설명한 바와 같이 제2 전극(191b)에 대응하는 액정층(3)에서는 제2 전극(191b)에 인접한 영역(D1)에서의 전기장이 가장 세므로 이 영역(D1)의 액정 분자(31)의 기울어지는 방향이 결국 제2 전극(191b)에 대응하는 액정 분자(31)의 평면상(in-plane) 배열 방향을 결정한다. 따라서 제2 전극(191b)에 대응하는 영역에서는 제1판(100)에 인접한 액정 분자(31)의 초기 선경사 방향으로 액정 분자(31)가 기울어져 평면상(in-plane) 배열을 이룬다.

이와 반대로, 제1 전극(191a)에 대응하는 액정층(3)에서는 제1 전극(191a)이 아닌 이와 마주하는 상판 전극(290)에 인접한 영역(D2)에서의 전기장이 가장 세므로 이 영역(D2)의 액정 분자(31)의 기울어지는 방향이 결국 액정 분자(31)의 평면상(in-plane) 배열 방향을 결정한다. 따라서 제1 전극(191a)에 대응하는 영역에서는 제2판(200)에 인접한 액정 분자(31)의 초기 선경사 방향으로 기울어져 평면상(in-plane) 배열을 이룬다. 제1판(100)에 인접한 액정 분자(31)의 초기 선경사 방향과 제2판(200)에 인접한 액정 분자(31)의 초기 선경사 방향은 서로 반대이므로 제1 전극(191a)에 대응하는 액정 분자(31)의 기울어지는 방향은 제2 전극(191b)에 대응하는 액정 분자(31)의 기울어지는 방향과 반대가 된다.

도 16은 도 8에 도시한 광 변조 장치(1)에 제1스텝(step1)의 구동 신호가 인가된 후 안정된 액정 분자(31)의 배열을 나타낸 단면도로서 도 8의 IV 선을 따라 잘라 도시한 단면도 및 V 선을 따라 잘라 도시한 단면도이며, 한 단위 영역(unit) 수평 이동한 부분을 도시한다. 제1 전극(191a)에 대응하는 액정 분자(31)의 평면상(in-plane) 배열 방향은 제2 전극(191b)에 대응하는 액정 분자(31)의 평면상 배열 방향과 반대이며, 인접한 제1 전극(191a) 및 제2 전극(191b) 사이의 공간(G)에 대응하는 액정 분자(31)는 x축 방향을 따라 연속적으로 회전하여 나선형(spiral) 배열을 이룬다.

최종적으로 광 변조 장치(1)의 액정층(3)은 입사광에 대해 x축 방향을 따라 변화하는 위상 지연을 부여할 수 있다.

도 16을 참조하면, 액정 분자(31)가 x축 방향을 따라 180도 회전하며 배열되는 영역을 하나의 단위 영역(unit)으로 정의되고, 하나의 단위 영역은 하나의 하판 전극(191a, 191b)과 그에 인접하는 다른 하판 전극(191a, 191b)과의 사이의 공간(G)을 포함할 수 있다. 예를 들어 우원편광된 빛이 본 발명의 한 실시예와 같은 순 위상경사를 형성한 광 변조 장치(1)에 입사된 경우 x축 방향의 위치에 따른 위상 변화를 나타내고, 우원편광된 빛은 좌원편광된 빛으로 바뀌어 출사되며, 액정층(3)의 위상 지연값이 x축 방향에 따라 다르므로 출사되는 원편광된 빛의 위상도 연속적으로 바뀐다.

이제 앞에서 설명한 도면들, 특히 도 9 내지 도 11과 함께 도 17 내지 도 19를 참조하여 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치(1)를 이용하여 역 위상경사를 구현하는 방법에 대해 설명한다.

도 17의 좌상 그림을 참조하면, 제1 및 제2 전극(191a, 191b)과 상판 전극(290)에 전압이 인가되지 않았을 때 액정 분자(31)는 제1판(100) 및 제2판(200)의 평면에 대략 수직인 방향으로 초기 배향되어 있으며, 앞에서 설명한 바와 같이 제1판(100) 및 제2판(200)의 배향 방향에 따라 선경사를 이룰 수 있다.

앞에서 설명한 도 9를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치(1)가 제1스텝(step1)의 구동 신호를 인가받은 후 일정 시간(예를 들어 50ms)이 지난 후 하판 전극(191a, 191b) 및 상판 전극(290)은 제2스텝(step2)의 구동 신호를 인가받을 수 있다.

제2스텝(step2)에서는 이웃한 제1 전극(191a)과 제2 전극(191b)에 상판 전극(290)에 인가되는 전압을 기준으로 반대 극성의 전압을 인가할 수 있다. 예를 들어 제1 전극(191a)에는 상판 전극(290)의 전압을 기준으로 -6V의 전압이 인가되고 제2 전극(191b)에는 6V의 전압이 인가될 수 있고, 이와 반대일 수도 있다.

그러면 도 17의 좌하 그림에 도시한 바와 같이 등전위선(VL)이 형성되고 제1 및 제2 전극(191a, 191b) 사이의 공간(G)에 대응하는 영역(A)의 액정 분자(31)가 기판(100, 200)에 대략 수직인 방향으로 배열되고 평면상 나선형 배열이 깨진다.

제2스텝(step2)의 구간은 예를 들어 20ms일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

도시한 바와 달리 단위 영역(unit)이 복수의 하판 전극(191)을 포함하는 경우, 하나의 단위 영역(unit)의 복수의 하판 전극(191)에는 모두 동일한 전압이 인가될 수도 있고 적어도 하나의 하판 전극(191)을 단위로 순차적으로 변하는 전압이 인가될 수도 있다. 이웃한 단위 영역(unit)의 하판 전극(191)에 인가되는 전압은 상판 전극(290)의 전압을 기준으로 서로 반대의 극성의 전압이 인가될 수 있다. 또한 하판 전극(191)에 인가되는 전압의 극성은 적어도 한 프레임을 주기로 반전될 수 있다.

다음, 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치(1)가 제2스텝(step2)의 구동 신호를 인가받은 후 일정 시간(예를 들어 20ms)이 지난 후 하판 전극(191a, 191b) 및 상판 전극(290)은 제3스텝(step3)의 구동 신호를 인가받고 해당 프레임의 나머지 구간 동안 유지할 수 있다.

제3스텝(step3)에서 하판 전극(191a, 191b) 및 상판 전극(290)에 인가되는 전압 레벨은 제1스텝(step1)에서와 유사하나 제1 전극(191a)과 제2 전극(191b)에 인가되는 전압의 상대적인 크기가 반대로 바뀔 수 있다. 즉, 제1스텝(step1)에서 제1 전극(191a)에 인가된 전압이 제2 전극(191b)에 인가된 전압보다 작았다면, 제3스텝(step3)에서는 제1 제1 전극(191a)에 인가된 전압이 제2 전극(191b)에 인가된 전압보다 클 수 있다. 예를 들어 제3스텝(step3)에서 제1 전극(191a)에 10V, 제2 전극(191b)에 6V, 그리고 상판 전극(290)에 0V의 전압이 인가될 수 있다.

그러면 도 17의 우하 그림과 같이 액정 분자(31)가 액정층(3)에 생성된 전기장에 따라 재배열된다. 구체적으로 액정 분자(31)는 대부분 제1판(100) 또는 제2판(200)의 표면에 대략 평행하게 기울어져 평면상(in-plane) 배열을 이루며 장축이 평면상 회전되어 도 18 및 도 19에 도시한 바와 같이 나선형(spiral) 배열을 이루며, 더 구체적으로 n자형 배열을 이룬다. 액정 분자(31)는 하판 전극(191)의 피치를 주기로 액정 분자(31)의 장축의 방위각이 대략 180도부터 대략 0도까지 변화할 수 있다. 액정 분자(31)의 장축의 방위각이 대략 180도부터 대략 0도까지 변화하는 부분이 하나의 n자형 배열을 형성할 수 있다.

광 변조 장치(1)가 제3스텝(step3)의 구동 신호를 인가받은 후 액정 분자(31)의 배열이 안정화되기까지 일정 시간이 걸릴 수 있으며 역 위상경사를 형성하는 광 변조 장치(1)는 제3스텝(step3)의 구동 신호를 지속적으로 인가받을 수 있다.

앞에서 설명한 바와 같이 광 변조 장치(1)가 [수학식1]을 만족하여 대략 반파장판으로 구현될 경우 입사된 원편광된 빛의 회전 방향이 반대로 바뀐다. 도 18은 예를 들어 우원편광된 빛이 광 변조 장치(1)에 입사된 경우 x축 방향의 위치에 따른 위상 변화를 나타낸다. 광 변조 장치(1)를 통과한 우원편광된 빛은 좌원편광된 빛으로 바뀌어 출사되며, 액정층(3)의 위상 지연값이 x축 방향에 따라 다르므로 출사되는 원편광된 빛의 위상도 연속적으로 바뀐다.

일반적으로 반파장판의 광축이 평면상(in-plane) φ 만큼 회전(rotation)하면 출력되는 광의 위상은 2φ 만큼 변하므로 도 18에 도시한 바와 같이 액정 분자(31)의 장축의 방위각이 180도 변하는 하나의 단위 영역(unit)에서 출사되는 빛의 위상은 x축 방향을 따라 2π(radian)부터 0까지 변한다. 이를 역 위상경사라 한다. 이러한 위상 변화는 단위 영역(unit)마다 반복될 수 있고, 이러한 광 변조 장치(1)를 이용해 빛의 방향을 바꾸는 렌즈의 역 위상경사 부분을 구현할 수 있다.

역 위상 경사를 구현하는 방법은 순 위상 경사를 구현하는 방법과 그 원리가 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면 구동 신호의 인가 방법에 따라 액정 분자(31)의 평면상 회전각을 용이하게 조절하여 광 위상을 다양하게 변조시킬 수 있고, 다양한 빛의 회절각을 형성할 수 있다.

도 20은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치를 이용하여 구현할 수 있는 렌즈의 위치에 따른 위상 변화를 나타낸다.

본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치(1)는 앞에서 설명한 바와 같이 위치에 따라 구동 신호의 인가 방식을 달리 하여 순 위상경사와 역 위상경사를 모두 구현할 수 있으므로 렌즈를 형성할 수 있다. 도 20는 광 변조 장치(1)가 구현할 수 있는 렌즈의 예로서 프레넬 렌즈(Fresnel lens)의 위치에 따른 위상 변화를 나타낸다. 프레넬 렌즈는 프레넬 존 플레이트(Fresnel zone plate)의 광학적 특성을 이용한 렌즈로서 위상 분포가 주기적으로 반복되어 유효 위상 지연이 고체 볼록 렌즈 또는 그린 렌즈와 동일하거나 유사할 수 있다.

도 20에 도시한 바와 같이 하나의 프레넬 렌즈의 중심(O)을 기준으로 좌측 부분(La)은 x축 방향의 폭이 다를 수 있는 복수의 순 위상경사 영역을 포함하고, 우측 부분(Lb)은 x축 방향의 폭이 다를 수 있는 복수의 역 위상경사 영역을 포함한다. 따라서 프레넬 렌즈의 좌측 부분(La)에 대응하는 광 변조 장치(1)의 부분은 앞에서 설명한 제1스텝(step1)의 구동 신호만을 인가하여 순 위상경사를 형성할 수 있고, 프레넬 렌즈의 우측 부분(Lb)에 대응하는 광 변조 장치(1)의 부분은 앞에서 설명한 제1스텝(step1), 제2스텝(step2) 및 제3스텝(step3)의 구동 신호를 순차적으로 인가하여 역 위상경사를 형성할 수 있다.

프레넬 렌즈의 좌측 부분(La)이 포함하는 복수의 순 위상경사는 위치에 따라 다른 폭을 가질 수 있는데, 이를 위해 각 순 위상경사 부분에 대응하는 광 변조 장치(1)의 하판 전극(191)의 폭 및/또는 한 단위 영역(unit)에 포함되는 하판 전극(191)의 수 등을 적절히 조절할 수 있다. 마찬가지로 프레넬 렌즈의 우측 부분(Lb)이 포함하는 복수의 역 위상경사는 위치에 따라 다른 폭을 가질 수 있는데, 이를 위해 각 역 위상경사 부분에 대응하는 광 변조 장치(1)의 하판 전극(191)의 폭 및/또는 한 단위 영역(unit)에 포함되는 하판 전극(191)의 수 등을 적절히 조절할 수 있다.

하판 전극(191) 및 상판 전극(290)에 인가되는 전압을 조절하면 프레넬 렌즈의 위상 곡률도 변경할 수 있다.

도 21 및 도 22는 각각 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치(1)를 이용한 광학 장치의 한 예로서 입체 영상 표시 장치의 구조 및 2차원 영상 및 3차원 영상을 표시하는 방법을 보여준다.

도 21 및 도 22를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 광학 장치는 입체 영상 표시 장치로서 표시판(300), 그리고 표시판(300)의 영상이 표시되는 전면 앞에 위치하는 광 변조 장치(1)를 포함할 수 있다. 표시판(300)은 영상을 표시하는 복수의 화소를 포함하며, 복수의 화소는 행렬 형태로 배열되어 있을 수 있다.

표시판(300)은 2차원 모드에서는 도 21에 도시한 바와 같이 표시판(300)이 표시하는 각 프레임의 2차원 영상을 표시하고, 3차원 모드에서는 도 22에 도시한 바와 같이 우안용 영상, 좌안용 영상 등 여러 시점에 해당하는 영상을 공간 분할 방식으로 분할하여 표시할 수 있다. 3차원 모드에서 복수의 화소 중 일부는 어느 한 시점에 대응하는 영상을 표시할 수 있고, 다른 일부는 다른 시점에 대응하는 영상을 표시할 수 있다. 시점의 개수는 2개 이상일 수 있다.

광 변조 장치(1)는 복수의 순 위상경사 부분과 복수의 역 위상경사 부분을 포함하는 프레넬 렌즈를 반복적으로 구현하여 표시판(300)에서 표시된 영상을 시점 별로 분할할 수 있다.

광 변조 장치(1)는 스위칭 온/오프가 가능할 수 있다. 광 변조 장치(1)가 온(on)되면 입체 영상 표시 장치는 3차원 모드로 동작하며, 도 22에 도시한 바와 같이 표시판(300)이 표시하는 영상을 굴절시켜 해당 시점에 영상이 표시되도록 하는 복수의 프레넬 렌즈를 형성할 수 있다. 반면, 광 변조 장치(1)가 오프(off)되면 도 21에 도시한 바와 같이 표시판(300)이 표시하는 영상이 굴절되지 않고 통과하여 2차원 영상이 관찰될 수 있다.

도 23은 본 발명의 실시예에 따른 광 변조 장치(1)에 전압 분배를 위한 저항 스트링이 형성된 경우를 나타내는 도면이다.

평면상 나선 모드 패널(in-plane spiral mode panel) 제작 시에, 저항 스트링(string)이 광 변조 장치(1)의 나선형 존(spiral zone, SZ1, SZ2, SZ3) 내에 형성될 수 있다. 여기서, 각 나선형 존(SZ1~SZ3)은 액정 분자(31)가 x축 방향을 따라 회전하며 배열되는 영역에 대응할 수 있다. 구체적으로, 각 나선형 존(SZ1~SZ3)은 액정 분자(31)의 나선형 배열(예, 도 11 및 도 12의 u자형 배열, 도 18 및 도 19의 n자형 배열)이 형성되는 영역에 대응할 수 있다. 도 23에서는 설명의 편의를 위해서, 제1판(100)에 포함된 다수의 하판 전극 중 일부(192a~192c, 193a~193e, 194a~194f)를 예시하였다. 도 23의 하판 전극(192a~192c, 193a~193e, 194a~194f)은 상술한 하판 전극(191, 191a, 191b)과 동일/유사하다.

나선 존(SZ1)은 복수의 하판 전극(192a~192c)을 포함하고, 나선 존(SZ2)은 복수의 하판 전극(193a~193e)을 포함하고, 나선 존(SZ3)은 복수의 하판 전극(194a~194f)을 포함한다.

하판 전극(192a~192c, 193a~193e, 194a~194f)은 막대 형상이고, 배열된 방향에 대각선 방향으로 길게 뻗을 수 있다.

나선형 존(SZ1)의 하판 전극(192a)는 버스 라인(B1a)에 연결되고, 나선형 존(SZ1)의 하판 전극(192c)는 버스 라인(B1b)에 연결된다. 나선형 존(SZ1)의 하판 전극(192a~192c) 사이에 제1 저항 스트링이 형성된다. 제1 저항 스트링은 복수의 저항(P1a, P1b)를 포함한다. 각 저항(P1a, P1b)은 고 저항 물질(High Resistance Material)의 증착(deposition)을 통해 형성될 수 있고, 증착 길이에 대응하는 크기를 가질 수 있다. 고 저항 물질은 마스크(Mask) 1매를 이용하여 증착될 수 있다. 고 저항 물질이 직접적으로 컨택(contact)될 수 있다. 예를 들어, 각 저항(P1a, P1b)은 니켈-크롬(Ni-Cr), 또는 IZO(Indium Zinc Oxide)로 형성될 수 있다. 각 저항(P1a, P1b)은 하판 전극(192a~192c) 사이에 형성될 수 있다. 하판 전극(192a~192c) 사이에 형성되는 저항(P1a, P1b)의 연결은, 저항(P1a, P1b)의 시리즈-션트 연결(series-shunt connection)이다.

나선형 존(SZ2)과 나선형 존(SZ3)은 나선형 존(SZ1)과 동일한 방식으로 형성될 수 있다. 구체적으로, 나선형 존(SZ2)의 하판 전극(193a)는 버스 라인(B1c)에 연결되고, 나선형 존(SZ2)의 하판 전극(193e)는 버스 라인(B1d)에 연결된다. 나선형 존(SZ2)의 하판 전극(193a~193e) 사이에 제2 저항 스트링이 형성된다. 제2 저항 스트링은 복수의 저항(P2a~P2d)를 포함한다. 각 저항(P2a~P2d)은 고 저항 물질의 증착을 통해 형성될 수 있고, 증착 길이에 대응하는 크기를 가질 수 있다. 각 저항(P2a~P2d)은 하판 전극(193a~193e) 사이에 형성될 수 있다.

나선형 존(SZ3)의 하판 전극(194a)는 버스 라인(B1e)에 연결되고, 나선형 존(SZ3)의 하판 전극(194f)는 버스 라인(B1f)에 연결된다. 나선형 존(SZ3)의 하판 전극(194a~194f) 사이에 제3 저항 스트링이 형성된다. 제3 저항 스트링은 복수의 저항(P3a~P3e)를 포함한다. 각 저항(P3a~P3e)은 고 저항 물질의 증착을 통해 형성될 수 있고, 증착 길이에 대응하는 크기를 가질 수 있다. 각 저항(P3a~P3e)은 하판 전극(194a~194f) 사이에 형성될 수 있다. 도 23에서는 설명의 편의를 위해서, 모든 하판 전극(194a~194f) 사이에 저항(P3a~P3e)이 형성된 경우를 예시하였으나, 일부 하판 전극 사이에는 저항이 형성되지 않을 수도 있다. 예를 들어, 하판 전극(194e)과 하판 전극(194f) 사이에 저항(P3e)이 형성되지 않을 수도 있다.

전압 제어 장치(400)는 버스 라인(B1a~B1f)을 통해 광 변조 장치(1)에 전압을 인가한다. 구체적으로, 전압 제어 장치(400)는 구동 IC(D-IC: Driver Integrated circuit)를 포함하거나, D-IC와 별도로 FPC(Flexible Printed Circuit)를 통해 광 변조 장치(1)에 전압을 직접적으로 인가하는 장치(예, 외부 앰프)일 수 있다. 전압 제어 장치(400)는 영상 표시 장치에 포함될 수 있다.

버스 라인(B1a)과 버스 라인(B1b)에 전압 제어 장치(400)로부터 전압이 인가된 경우에, 제1 저항열을 통해 전압이 분배되고, 분배된 전압은 나선형 존(SZ1)의 하판 전극(192a~192c)에 인가된다. 예를 들어, 버스 라인(B1a)에 인가된 전압이 V1a 이고, 버스 라인(B1b)에 인가된 전압이 V1b 이고, V1b > V1a 이라고 가정한다. 노드(N1c)의 전압(=하판 전극(192c)에 인가되는 전압)은 V1b이다. 노드(N1b)의 전압(=하판 전극(192b)에 인가되는 전압)은 (V1b - 저항(P1b)에 의해 강하된 전압) 이다. 노드(N1a)의 전압(=하판 전극(192a)에 인가되는 전압)은 V1a(= V1b - 저항(P1b)에 의해 강하된 전압 - 저항(P1a)에 의해 강하된 전압) 이다. V1b가 V1a 보다 큰 경우에, 하판 전극(192a~192c)에 단조 증가하는 전압이 인가된다. 구체적으로, 하판 전극(192b)에 인가되는 전압은 하판 전극(192a)에 인가되는 전압 보다 크고, 하판 전극(192c)에 인가되는 전압은 하판 전극(192b)에 인가되는 전압 보다 크다. 이와 반대로, V1a가 V1b 보다 큰 경우에, 하판 전극(192a~192c)에 단조 감소하는 전압이 인가된다.

나선형 존(SZ2)을 위한 버스 라인(B1c, B1d)에 전압이 인가된 경우에, 나선형 존(SZ1)과 마찬가지로, 제2 저항열을 통해 전압이 분배되고, 분배된 전압이 나선형 존(SZ2)의 하판 전극(193a~193e)에 인가된다. 하판 전극(193a~193e)에는 단조 증가 또는 단조 감소하는 전압이 인가될 수 있다.

나선형 존(SZ3)을 위한 버스 라인(B1e, B1f)에 전압이 인가된 경우에, 나선형 존(SZ1)과 마찬가지로, 제3 저항열을 통해 전압이 분배되고, 분배된 전압이 나선형 존(SZ3)의 하판 전극(194a~194f)에 인가된다. 하판 전극(194a~194f)에는 단조 증가 또는 단조 감소하는 전압이 인가될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 도 23에서와 같이, 전압 분배를 위한 저항열을 이용해 전극 구조를 간소화할 수 있고, 각 나선형 존(SZ1~SZ3)을 위한 버스 라인의 수를 최소화할 수 있다. 예를 들어, 나선형 존(SZ3)은 6개의 하판 전극(194a~194f)을 포함하지만, 6개의 하판 전극(194a~194f)에 전압을 인가하기 위하여, 나선형 존(SZ3)의 양끝 하판 전극(194a, 194f)에 연결된 2개의 버스 라인(B1e, B1f)만이 필요하다.

도 24는 도 23의 나선형 존(SZ1)을 RC 모델링한 경우를 나타내는 도면이다.

도 24의 저항(P1a')은 도 23의 저항(P1a)에 대응하고, 도 24의 저항(P1b')은 도 23의 저항(P1b)에 대응한다. 도 24의 노드(N1a')는 도 23의 노드(N1a)에 대응하고, 도 24의 노드(N1b')는 도 23의 노드(N1b)에 대응하고, 도 24의 노드(N1b')는 도 23의 노드(N1b)에 대응한다. 노드(N1a')에 연결된 전극(E1)은 도 23의 하판 전극(192a)에 대응하고, 노드(N1b')에 연결된 전극(E2)은 도 23의 하판 전극(192b)에 대응하고, 노드(N1c')에 연결된 전극(E3)은 도 23의 하판 전극(192c)에 대응한다.

하판 전극(192a)은 복수의 저항(P6a~P6g) 및 복수의 커패시터(C3a~C3g)를 통해 RC 모델링될 수 있다. 하판 전극(192b)은 복수의 저항(P5a~P5g) 및 복수의 커패시터(C2a~C2g)를 통해 RC 모델링될 수 있다. 하판 전극(192c)은 복수의 저항(P4a~P4g) 및 복수의 커패시터(C1a~C1g)를 통해 RC 모델링될 수 있다.

도 25는 도 24의 전극(E1~E3)에 인가되는 전압을 나타내는 SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) 시뮬레이션 그래프이다. 도 25에서는 V1b가 V1a 보다 큰 경우를 가정하였다.

그래프(G1a)는 전극(E1)에 인가되는 전압을 나타내고, 그래프(G1b)는 전극(E2)에 인가되는 전압을 나타내고, 그래프(G1c)는 전극(E3)에 인가되는 전압을 나타낸다. V1b와 V1a는 직렬로 연결된 저항(P1a', P1b')에 의해 분배되고, 분배된 전압은 각 전극(E1~E3)에 인가된다. 구체적으로, 단조 증가하는 전압이 전극(E1~E3)에 인가된다. 즉, 전극(E2)에 인가되는 전압은 전극(E1)에 인가되는 전압 보다 크고, 전극(E3)에 인가되는 전압은 전극(E2)에 인가되는 전압 보다 크다.

도 26은 본 발명의 실시예에 따른 광 변조 장치(1)에 인가되는 전압을 제어하는 전압 제어 장치(401)에 저항 스트링이 형성된 경우를 나타내는 도면이다. 도 23의 저항 스트링은 나선형 존(SZ1~SZ3) 내에 형성되지만, 도 26의 저항 스트링은 전압 제어 장치(401) 내에 형성되는 점에서 차이가 있다. 도 26에서는 설명의 편의를 위해서, 광 변조 장치(1)에 포함되는 복수의 나선형 존 중 2개의 나선형 존(SZ1, SZ2)을 예시하였다. 전압 제어 장치(401)는 영상 표시 장치에 포함될 수 있다.

구체적으로, 나선형 존(SZ1)의 각 하판 전극(192a~192c)은 서로 다른 버스 라인(B2a~B2c)에 연결되고, 나선형 존(SZ2)의 각 하판 전극(193a~193e)은 서로 다른 버스 라인(B2d~B2h)에 연결된다.

전압 제어 장치(401)는 광 변조 장치(1)와 연결되는 버스 라인(B2a~B2h)에, 커넥터(500)를 통해 직접적으로 전압을 인가한다. 전압 제어 장치(401)는 제어 보드(control board)에 포함될 수 있다. 구체적으로, 전압 제어 장치(401)는 럼프드(lumped) 저항을 이용해 형성된 저항 스트링(예, 제4 저항 스트링, 제5 저항 스트링)을 포함할 수 있다. 제4 저항 스트링은 직렬로 연결된 복수의 저항(P7a, P7b)를 포함하고, 제5 저항 스트링은 직렬로 연결된 복수의 저항(P8a~P8d)를 포함할 수 있다. 전압 제어 장치(401)는 저항 스트링(제4 저항 스트링, 제5 저항 스트링)을 통해 전압을 분배하고, 분배된 전압을 커넥터(500)를 통해 버스 라인(B2a~B2h)에 인가한다. 노드(N2a)의 전압은 버스 라인(B2a)를 통해 하판 전극(192a)에 인가될 수 있고, 노드(N2b)의 전압은 버스 라인(B2b)를 통해 하판 전극(192b)에 인가될 수 있고, 노드(N2c)의 전압은 버스 라인(B2c)를 통해 하판 전극(192c)에 인가될 수 있다. 노드(N2a~N2c)의 전압은 단조 증가 또는 단조 감소하는 전압일 수 있다. 노드(N3a)의 전압은 버스 라인(B2d)를 통해 하판 전극(193a)에 인가될 수 있고, 노드(N3b)의 전압은 버스 라인(B2f)를 통해 하판 전극(193b)에 인가될 수 있고, 노드(N3c)의 전압은 버스 라인(B2h)를 통해 하판 전극(193c)에 인가될 수 있고, 노드(N3d)의 전압은 버스 라인(B2g)를 통해 하판 전극(193d)에 인가될 수 있고, 노드(N3e)의 전압은 버스 라인(B2e)를 통해 하판 전극(193e)에 인가될 수 있다. 노드(N3a~N3e)의 전압은 단조 증가 또는 단조 감소하는 전압일 수 있다.

예를 들어, 노드(N2a)에 전압 V2a가 인가되고, 노드(N2c)에 전압 V2b가 인가되고, V2b > V2a 이라고 가정한다. 노드(N2c)의 전압(= V2b)은 버스 라인(B2c)를 통해 하판 전극(192c)에 인가된다. 노드(N2b)의 전압(= V2b - 저항(P7b)에 의해 강하된 전압)은 버스 라인(B2b)를 통해 하판 전극(192b)에 인가된다. 노드(N2a)의 전압(= V2a = V2b - 저항(P7b)에 의해 강하된 전압 - 저항(P7a)에 의해 강하된 전압)은 버스 라인(B2a)를 통해 하판 전극(192a)에 인가된다. 결국, 하판 전극(192a~192c)에는 단조 증가하는 전압이 인가된다.

다른 예를 들어, 노드(N3a)에 전압 V3a가 인가되고, 노드(N3e)에 전압 V3b가 인가되고, V3a > V3b 이라고 가정한다. 노드(N3a)의 전압(=V3a)은 버스 라인(B2d)를 통해 하판 전극(193a)에 인가된다. 노드(N3b)의 전압(= V3a - 저항(P8a)에 의해 강하된 전압)은 버스 라인(B2f)를 통해 하판 전극(193b)에 인가된다. 노드(N3c)의 전압(= V3a - 저항(P8a, P8b)에 의해 강하된 전압)은 버스 라인(B2h)를 통해 하판 전극(193c)에 인가된다. 노드(N3d)의 전압(= V3a - 저항(P8a, P8b, P8c)에 의해 강하된 전압)은 버스 라인(B2g)를 통해 하판 전극(193d)에 인가된다. 노드(N3e)의 전압(= V3b = V3a -저항(P8a, P8b, P8c, P8d)에 의해 강하된 전압)은 버스 라인(B2e)를 통해 하판 전극(193e)에 인가된다. 결국, 하판 전극(193a~193e)에는 단조 감소하는 전압이 인가된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

3: 액정층
11, 21: 배향자
31: 액정 분자
100: 제1판
110, 210: 기판
191, 191a, 191b, 192a~192c, 193a~193e, 194a~194f: 하판 전극
200: 제2판
290: 상판 전극

Claims (13)

1. 복수의 제1 하판 전극을 포함하는 제1 판;
   상기 제1 판과 마주하고, 적어도 하나의 상판 전극을 포함하는 제2 판;
   상기 제1 판 및 상기 제2 판 사이에 위치하고, 복수의 액정 분자를 포함하는 액정 층; 및
   복수의 제1 저항을 포함하고, 상기 복수의 제1 저항을 통해 전압을 분배하여 상기 복수의 제1 하판 전극에 인가하는 제1 저항열을 포함하고,
   상기 제1 저항열은 저항 물질(resistance material)의 증착(deposition)을 통해 형성되는
   광 변조 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 저항 물질은 니켈-크롬(Ni-Cr) 및 IZO(Indium Zinc Oxide) 중 적어도 하나를 포함하는
   광 변조 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 제1 저항은 직렬로 연결되고, 상기 제1 저항 각각은 상기 복수의 제1 하판 전극 사이에 위치하는
   광 변조 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 복수의 제1 하판 전극 중 첫번째 제1 하판 전극은 제1 전압이 인가되는 제1 버스 라인에 연결되고, 마지막 제1 하판 전극은 상기 제1 전압과 다른 제2 전압이 인가되는 제2 버스 라인에 연결되는
   광 변조 장치.
5. 제4항에 있어서,
   복수의 제2 저항을 통해 전압을 분배하여 복수의 제2 하판 전극에 인가하는 제2 저항열을 더 포함하고,
   상기 제1 판은 상기 복수의 제2 하판 전극을 더 포함하는
   광 변조 장치.
6. 광 변조 장치; 및
   상기 광 변조 장치에 인가되는 전압을 제어하는 전압 제어 장치를 포함하고,
   상기 전압 제어 장치는 직렬로 연결된 복수의 제1 저항을 통해 전압을 분배하여 상기 광 변조 장치에 연결되는 복수의 제1 버스 라인에 인가하는 제1 저항열을 포함하고,
   상기 광 변조 장치는,
   상기 복수의 제1 버스 라인에 일대일로 연결되는 복수의 제1 하판 전극을 포함하는 제1 판;
   상기 제1 판과 마주하고, 적어도 하나의 상판 전극을 포함하는 제2 판; 및
   상기 제1 판 및 상기 제2 판 사이에 위치하고, 복수의 액정 분자를 포함하는 액정 층을 포함하는
   영상 표시 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 복수의 제1 저항에 의해 분배된 전압들은 단조 증가 또는 단조 감소하는
   영상 표시 장치.
8. 광 변조 장치의 구동 방법으로서,
   복수의 제1 하판 전극 중 첫번째 제1 하판 전극에 연결된 제1 버스 라인을 통해 제1 전압을 인가 받는 단계;
   상기 복수의 제1 하판 전극 중 마지막 제1 하판 전극에 연결된 제2 버스 라인을 통해 제2 전압을 인가 받는 단계;
   상기 제1 전압과 상기 제2 전압을, 상기 복수의 제1 하판 전극 사이에 위치하는 복수의 제1 저항을 통해 분배하는 단계; 및
   상기 분배된 전압을 상기 복수의 제1 하판 전극에 인가하는 단계
   를 포함하는 구동 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 광 변조 장치는
   상기 복수의 제1 하판 전극을 포함하는 제1 판;
   상기 제1 판과 마주하고, 적어도 하나의 상판 전극을 포함하는 제2 판; 및
   상기 제1 판 및 상기 제2 판 사이에 위치하고, 복수의 액정 분자를 포함하는 액정 층을 포함하는
   구동 방법.
10. 제9항에 있어서,
    직렬로 연결된 상기 복수의 제1 저항 각각은 고 저항 물질(high resistance material)의 증착(deposition)을 통해 형성되는
    구동 방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 고 저항 물질은 니켈-크롬(Ni-Cr)을 포함하는
    구동 방법.
12. 제9항에 있어서,
    상기 분배된 전압을 인가하는 단계는,
    상기 복수의 제1 하판 전극 중 첫번째 제1 하판 전극에, 상기 제1 전압을 인가하는 단계; 및
    상기 복수의 제1 하판 전극 중 두번째 제1 하판 전극에, 상기 제1 전압 보다 크거나 같은 전압을 인가하는 단계를 포함하는
    구동 방법.
13. 제9항에 있어서,
    상기 분배된 전압을 인가하는 단계는,
    상기 복수의 제1 하판 전극 중 첫번째 제1 하판 전극에, 상기 제1 전압을 인가하는 단계; 및
    상기 복수의 제1 하판 전극 중 두번째 제1 하판 전극에, 상기 제1 전압 보다 작거나 같은 전압을 인가하는 단계를 포함하는
    구동 방법.

Images