KR20160110667A - 액정 렌즈 및 이를 포함하는 표시 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치는 절연 기판, 상기 기판 위에 위치하는 박막 트랜지스터, 상기 박막 트랜지스터 위에 위치하며, 절연층을 사이에 두고 중첩하는 공통 전극과 화소 전극, 상기 화소 전극 및 공통 전극과 미세 공간을 사이에 두고 이격되게 형성되며 지지 부재를 포함하는 지붕층, 및 상기 미세 공간을 채우고 있는 액정층을 포함하고, 상기 미세 공간은 게이트선의 연장 방향으로 반원형의 단면을 가지며 데이터선의 연장 방향으로 뻗어있는 복수개의 미세 공간을 포함한다.

Description

액정 렌즈 및 이를 포함하는 표시 장치{LIQUID CRYSTAL LENS PANEL AND DISPLAY DEVICE INCLUDING LIQUID CRYSTAL LENS PANEL}
본 발명은 액정 렌즈 및 이를 포함하는 표시 장치에 대한 것이다.
일반적으로, 표시 장치는 2차원 평면 영상을 표시한다. 최근 게임, 영화 등과 같은 분야에서 3차원 입체 영상에 대한 수요가 증가함에 따라, 상기 표시 장치를 이용하여 3차원 입체 영상을 표시하고 있다.
입체 영상 표시 장치는 양안 시차(Binocular disparity)를 가지는 좌안 영상과 우안 영상을 관찰자의 좌안과 우안 각각에 분리하여 보여준다. 관찰자는 양안을 통해 좌안 영상과 우안 영상을 보게 되고, 뇌에서 이 영상들을 융합하여 입체감을 시인하게 된다.
상기 입체 영상을 만들기 위하여 입체 안경을 이용하여 좌안 화상과 우안 화상을 분리하는 선편광 방식 입체 표시 장치가 사용되었지만, 시청자가 안경을 착용해야 한다는 불편함이 있었다.
상기 불편함을 해소하기 위하여 최근에는 상기 안경을 착용하지 않는 방식들이 제안되고 있다. 상기 안경을 착용하지 않는 방식은 방향별 영상을 분리하는 소자에 따라 렌티큘라(Lenticular) 방식, 패럴렉스(Parallax) 방식, 인티그럴 포토그래피(Integral Photography) 방식, 홀로그래피(Holography) 방식 등으로 구분되며, 최근에는 렌티큘라 방식의 입체 영상 표시 장치에 관심이 집중되고 있다.
상기 렌티큘라 방식에 사용되는 렌즈는 볼록 렌즈 및 프레넬(Fresnel) 렌즈가 사용될 수 있다. 상기 프레넬 렌즈는 상기 볼록 렌즈 보다 얇은 두께를 가진다. 상기 프레넬 렌즈는 표면에 복수의 원호들을 갖는다. 상기 프레넬 렌즈는 상기 원호들에서 광을 굴절시킨다.
최근, 전기장으로 액정의 방향자 분포를 제어하여 렌즈를 구현하는 액정 렌즈들이 제조되고 있다. 상기 액정 렌즈들은 상판, 하판 및 상기 상판 및 하판 사이의 두꺼운 액정층을 포함한다. 상기 액정 렌즈는 복수의 전극으로 이루어져 있으며, 각각의 전극에 상이한 전압을 공급하여 액정의 방향자 분포를 제어한다.
한편 평면 영상 표시 방법에서 입체 영상 표시 방법으로 전환하는 과정에서 2차원/3차원 겸용 영상 표시 장치가 개발되고 있으며, 이를 위해 스위칭이 가능한 렌즈가 개발되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 표시 패널 위에 액정 렌즈가 위치함으로써 2차원 영상 및 3차원 영상을 모두 표시할 수 있고, 또한 액정 렌즈의 텍스쳐가 발생하던 문제를 개선한 표시 장치를 제공하는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치는 영상을 표시하는 표시 패널, 및 상기 표시 패널의 영상을 2차원 영상 또는 3차원 영상으로 인지되도록 하기 위해 2차원 모드 또는 3차원 모드로 동작하는 액정 렌즈 패널을 포함하고, 상기 액정 렌즈 패널은 서로 마주하는 하부 기판 및 상부 기판, 상기 하부 기판 위에 형성된 하부 렌즈 전극, 상기 상부 기판 위에 형성된 상부 렌즈 전극, 및 상기 하부 기판 및 상기 상부 기판 사이에 형성된 간격재 및 액정층을 포함하고, 상기 간격재와 대응하는 상부 렌즈 전극의 일 영역에 개구부가 형성되어 있다.
상기 상부 렌즈 전극의 개구부는 간격재와 일부만 오버랩되어 형성되어 있을 수 있다.
상기 개구부는 원형일 수 있다.
상기 개구부가 형성된 영역의 액정층은 전계가 형성되지 않을 수 있다.
상기 간격재 및 상기 개구부는 액정 렌즈 패널에서 복수개로 존재할 수 있다.
상기 하부 렌즈 전극은 복수개의 가지 전극이 스트라이프 형상으로 배열될 수 있다.
상기 복수개의 가지 전극의 폭이 동일할 수 있다.
상기 복수개의 가지 전극의 폭이 서로 상이할 수 있다.
상기 복수개의 가지 전극의 폭은 이웃하는 가지 전극으로 갈수록 넓어졌다가 다시 좁아질 수 있다.
상기 상부 렌즈 전극은 통판 형태일 수 있다.
상기 표시 패널은 액정 표시 패널(liquid crystal display panel, LCD panel), 전기영동 표시 패널(electrophoretic display panel, EDP), 유기 발광 표시 패널(organic light-emitting display panel, OLED panel) 및 플라즈마 표시 패널(plasma display panel, PDP)로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.
상기 액정 렌즈는 2차원 모드에서는 상기 액정 렌즈의 상기 상부 렌즈 전극 및 상기 하부 렌즈 전극에 전압이 인가되지 않고, 3차원 모드에서는 상기 하부 렌즈 전극을 구성하는 복수개의 가지 전극에 서로 상이한 전압이 인가되고, 상기 상부 렌즈 전극에는 일정 크기의 공통 전압이 인가될 수 있다.
상기 하부 렌즈 전극 위에 형성된 하부 배향막 및 상기 상부 렌즈 전극 위에 형성된 상부 배향막을 포함할 수 있다.
상기 액정 렌즈 패널은 전압 공급에 의해 프레넬 렌즈처럼 기능할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 표시 장치는 표시 패널 위에 액정 렌즈가 위치함으로써 액정 렌즈의 온/오프에 따라 2차원 영상 및 3차원 영상을 모두 표시할 수 있다.
또한 액정 렌즈의 상부 공통 전극에 개구부를 형성함으로써, 액정 렌즈에 형성되는 간격재에 의한 텍스쳐 불량을 제어하였다.
도 1은 본 발명 일 실시예에 따른 표시 장치를 도시한 것이다.
도 2A는 일반 프레넬 렌즈의 구조를 도시한 것이고, 도 2B는 도2A에서 점선으로 표시한 부분을 확대하여 도시한 것이다. 도 2C는 본 발명 일 실시예에 따른 액정 렌즈를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명 일 실시예에 따른 액정 렌즈의 하부 렌즈 전극의 단면도 및 배치도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 렌즈를 3차원으로 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 액정 렌즈의 상부 렌즈 전극 및 하부 렌즈 전극을 각각 분리하여 도시한 것이다.
도 6은 도 5의 VI-VI선을 따라 잘라 도시한 액정 렌즈의 단면도이다.
도 7은 본 발명 비교예에 따른 액정 렌즈의 액정 배향을 시간에 따라 도시한 것이다.
도 8은 실제로 액정 렌즈에서 간격재 주위에서 액정의 배열이 달라진 이미지이다.
도 9 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 렌즈에서 시간에 따른 액정 분자의 배열을 나타낸 것으로, 도 9, 도 11, 도 13은 액정 렌즈의 정면도이고 도 10, 도 12, 도 14는 각각 도 9, 도 11, 도 13의 액정 렌즈의 측면도이다.
도 15는 본 발명 액정 렌즈 및 비교예에 따른 액정 렌즈를 비교한 이미지이다.
도 16은 본 발명 비교예에 따른 액정 렌즈의 기준위상과 시험 위상을 나타낸 것이다.
도 17은 본 발명 실시예에 따른 액정 렌즈에서 기준 위상과 시험 위상을 나타낸 것이다.
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 경우뿐 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.
이제 본 발명의 실시예에 따른 액정 렌즈 및 표시 장치에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
먼저 도 1 및 도 2를 참고로 하여 본 발명 실시예에 따른 표시 장치에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명 일 실시예에 따른 표시 장치를 도시한 것이다.
도 1을 참고하면, 본 발명 일 실시예에 따른 표시 장치는 표시 패널(40), 표시 패널 위에 위치하는 액정 렌즈 패널(50)를 포함한다.
표시 패널(40)로는 액정 표시 패널(liquid crystal display panel, LCD panel), 전기영동 표시 패널(electrophoretic display panel, EDP), 유기 발광 표시 패널(organic light-emitting display panel, OLED panel) 및 플라즈마 표시 패널(plasma display panel, PDP) 등의 다양한 표시 패널이 사용될 수 있다. 본 실시예에서는 표시 패널(40)로 상기 액정 표시 패널(LCD)을 예로서 설명한다.
표시 패널(40)은 서로 마주보는 제1 기판(110) 및 제2 기판(210), 상기 기판 사이에 위치하는 액정층(3)을 포함한다. 제1 기판과 제2 기판에 형성된 전극에 가해지는 전위에 따라 액정 분자들이 배항하며, 영상을 표시하게 된다.
제1 기판은 다수의 화소 영역을 구비한다. 각 화소 영역에는 제 1 방향으로 연장된 게이트선(미도시), 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향으로 연장되어 게이트선과 절연되게 교차하는 데이터선(미도시) 및 화소 전극(미도시)을 구비한다. 또한, 각 화소에는 게이트선 및 데이터선에 전기적으로 연결되며, 화소 전극에 대응하여 전기적으로 연결된 박막 트랜지스터(미도시)가 구비된다. 박막 트랜지스터는 대응하는 화소 전극 측으로 제공되는 구동 신호를 제공한다. 또한, 제1 기판의 일측에는 드라이버 IC(미도시)가 구비될 수 있다. 드라이버 IC는 외부로부터 각종 신호를 입력받으며, 입력된 각종 제어 신호에 응답하여 표시 패널(40)을 구동하는 구동 신호를 상기 박막 트랜지스터 측으로 출력한다.
제2 기판은 일면 상에 백라이트 유닛(미도시)에서 제공되는 광을 이용하여 소정의 색을 구현하는 RGB 컬러필터 및 RGB 컬러필터 상에 형성되어 화소 전극과 대향하는 공통 전극(미도시)을 구비할 수 있다. 여기서 RGB 컬러필터는 박막 공정을 통하여 형성될 수 있다. 한편, 본 발명에서는 제2 기판에 컬러필터가 형성된 것을 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 컬러필터는 제1 기판 상에 형성될 수도 있다. 또한, 제2 기판의 공통 전극이 제1 기판에 형성될 수도 있다.
액정층(3)은 화소 전극 및 공통 전극에 인가되는 전압에 의하여 특정 방향으로 배열됨으로써, 백라이트 유닛으로부터 제공되는 광의 투과도를 조절하여, 표시 패널(40)이 영상을 표시할 수 있도록 한다. 백라이트 유닛이 존재하지 않는 경우, 표시판 전면으로 입사되어 반사되는 빛의 투과도를 조절하여 영상을 표시한다.
표시 패널(40) 상부에는 액정 렌즈(50)가 위치한다. 액정 렌즈(50)는 하부 기판(310), 상기 하부 기판에 대향하는 상부 기판(410) 및 상기 하부 기판 및 상부 기판 사이에 개재된 액정층(31)을 포함한다.
도 1을 참고로 하면, 하부 기판(310)의 내측에는 하부 렌즈 전극(391)이, 상부 기판의 내측에는 상부 렌즈 전극(470)이 형성되어 있다.
하부 기판(310)과 상부 기판(410) 사이에는 간격재(350)가 형성되어 있으며, 상부 렌즈 전극(470)에는 간격재(350)가 형성된 위치와 일부 겹쳐지는 개구부(450)가 형성되어 있다.
본 발명의 액정 렌즈는 간격재(350)가 형성된 위치와 대응하게 상부 렌즈 전극(470)에 개구부(450)를 형성함으로써 액정 렌즈의 간격재(350)에 의해 액정 렌즈에 텍스쳐가 발생하던 문제점을 해결하였다.
그럼, 이하에서 도면을 참고로 하여 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 렌즈의 구조 및 효과에 대하여 상세히 설명한다.
도 2A는 일반 프레넬 렌즈의 구조를 도시한 것이고, 도 2B는 도2A에서 점선으로 표시한 부분을 확대하여 도시한 것이다. 도 2B에 도시된 계단 모양의 직선은 ZONE PALTE 위상 분포를 도시한 것이다. 도 2C는 본 발명 일 실시예에 따른 액정 렌즈를 도시한 것이다.
본 발명에서, 액정 렌즈의 렌즈 전극은 복수의 개별 전극으로 이루어진 하부 렌즈 전극(391) 및 상기 하부 전극과 마주보고 위치하는 상부 렌즈 전극(470)으로 이루어져 있다. 상부 렌즈 전극은 판으로 이루어질 수 있으며, 상부 렌즈 전극과 하부 렌즈 전극 모두 투명하다.
도 3은 본 발명 일 실시예에 따른 액정 렌즈의 하부 렌즈 전극(391)의 단면도 및 배치도를 도시한 것이다. 하부 렌즈 전극(391)은 복수의 가지 전극들이 스트라이프(stripe) 형상으로 배치되어 있을 수 있다. 상기 가지 전극은 일정한 패턴으로 반복되어 배치되어 있으며, 하나의 동일 패턴이 하나의 단위 렌즈 그룹을 구성할 수 있다. 즉, 도 3은 하나의 단위 렌즈 그룹을 도시한 것이다.
도 3을 참고하면, 하나의 단위 렌즈는 중심으로 갈수록 개별 렌즈 전극의 폭이 커지는 형상을 가지고 있다. 이러한 단위 렌즈는 존 플레이트(zone plate) 타입의 액정 렌즈로 기능한다. 존 플레이트는 프레넬 존 플레이트(Fresnel zone plate)라고도 불리우며, 빛의 회절(diffraction) 현상을 이용하여 렌즈 효과(lensing effect)를 구현한다. 본 발명 표시 장치의 액정 렌즈는, 복수의 하부 개별 렌즈 전극에 각기 다른 전압이 인가되고, 상부 렌즈 전극에는 공통 전압이 인가되어 렌즈 전극의 각 위치마다 액정 분자의 배향 정도가 달라지기 때문에 프레넬 렌즈처럼 기능할 수 있다.
그러나 하부 렌즈 전극(391)은 동일 폭을 갖는 복수의 가지 전극들이 동일 간격으로 배치된 스트라이프 형태일 수도 있다.
도 2C에 도시된 바와 같이, 본 발명 액정 렌즈는 하부 기판 (310), 상기 하부 기판에 대향하는 상부 기판(410) 및 상기 하부 기판 및 상부 기판 사이에 개재된 액정층(31)을 포함한다.
제1 기판은 하부 기판(310), 하부 기판 위에 형성된 하부 렌즈 전극(391)을 포함한다.
하부 렌즈 전극(391)은 투명 전도성 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 렌즈 전극(391)은 인듐 주석 산화물(indium tin oxide: ITO), 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide: IZO) 등을 포함할 수 있다. 도시되지는 않았지만, 하부 렌즈 전극(391)은 일측에 위치한 구동 IC와 연결되어 액정 렌즈가 온(on)되는 경우 전압을 공급받는다.
도시되지는 않았지만, 하부 렌즈 전극(391) 하부, 상부 또는 둘다에 절연층(미도시)이 위치할 수 있다. 이러한 절연층은 광을 투과시키는 절연 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 절연층은 실리콘 질화물(SiNx), 실리콘 산화물(SiOx) 등을 포함할 수 있다.
하부 렌즈 전극(391)위에는 배향막(미도시)이 위치할 수 있다.
다음, 상부 기판(410) 위에는 상부 렌즈 전극(470)이 형성되어 있다. 상부 렌즈 전극(470)은 투명 도전성 산화 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상부 렌즈 전극(470)은 인듐 주석 산화물(indium tin oxide ITO), 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide IZO) 등을 포함할 수 있다.
도시하지 않았지만, 상부 렌즈 전극(470)위에는 보호막(미도시) 및 배향막(미도시)등이 위치할 수 도 있다.
상부 렌즈 전극(470) 및 하부 렌즈 전극(391)에 전압이 공급되면, 액정층의 액정 분자들이 재배열된다. 따라서, 하부 렌즈 전극(391) 및 상부 렌즈 전극(470). 액정층(31)은 단위 렌즈를 구성한다.
액정층(31)은 약 2㎛ 내지 5㎛의 두께를 가질 수 있다. 액정층(31)은 얇은 두께를 가지므로, 액정 분자(33)의 배향에 따른 고속 전환이 가능하다. 액정층(31)은 하부 렌즈 전극(391) 및 상부 렌즈 전극(470)에 의해 프레넬 렌즈의 굴절율을 갖도록 배향될 수 있다.
액정 렌즈에 구동 전압이 인가되면, 하부 렌즈 전극(391)과 상부 렌즈 전극(470)간에 전위가 발생하고, 하부 렌즈 전극(391) 및 상부 렌즈 전극(470)간에 개재된 액정층(31)의 액정 분자(33)들이 재배열한다. 이에 따라, 단위 렌즈는 프레넬 렌즈와 동일한 위상차 변화를 가질 수 있다. 따라서 액정 렌즈가 표시 패널 위에 위치하는 경우, 안경 없이도 3차원 입체 영상을 표시할 수 있다.
본 발명 액정 렌즈는 액정 렌즈에 전압이 인가되지 않는 경우, 액정 렌즈의 액정층(31)의 액정 분자(33)가 배향되지 않으므로 2차원 영상을 표시한다. 그러나 액정 렌즈에 전압이 인가되는 경우, 액정 렌즈 액정층의 액정 분자가 배향되면서 3차원 입체 영상을 표시하게 된다. 즉, 본 발명의 액정 렌즈는 표시 장치 위에 위치하면서, 2차원 영상 및 3차원 영상을 자유롭게 표시할 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시되지는 않았지만, 본 발명 일 실시예에 따른 액정 렌즈의 하부 기판(310)과 상부 기판(410) 사이에는 간격재(350)가 형성되어 있으며, 상부 렌즈 전극(470)에는 간격재(350)가 형성된 위치와 일부 겹쳐지는 개구부(450)가 형성되어 있다.
본 발명의 액정 렌즈는 간격재(350)가 형성된 위치와 대응하게 상부 렌즈 전극(470)에 개구부를 형성함으로써 액정 렌즈의 간격재(350)에 의해 액정 렌즈에 텍스쳐가 발생하던 문제점을 해결하였다.
그러면 도 4 내지 도 6을 참고로 하여 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치의 액정 렌즈의 구조에 대하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 액정 렌즈를 3차원으로 도시한 것이다. 도 5는 본 발명의 액정 렌즈의 상부 렌즈 전극 및 하부 렌즈 전극을 각각 분리하여 도시한 것이다. 도 6은 도 5의 VI-VI선을 따라 잘라 도시한 액정 렌즈의 단면도이다.
도 4를 참고로 하면 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 렌즈는 스트라이트 형태로 배치된 하부 렌즈 전극(391), 상기 하부 렌즈 전극과 마주보고 있는 상부 렌즈 전극(470), 상기 하부 렌즈 전극과 상기 상부 렌즈 전극 사이에 형성된 간격재(column spacer, 350) 를 포함한다.
도 4를 참고로 하면, 상부 렌즈 전극(470)은 간격재(350)가 형성된 위치와 일부 겹쳐지는 영역에 개구부(450)가 형성되어 있다. 본 도면에서 개구부(450)는 원형으로 형성되어 있으나 이에 제한되지는 않는다.
간격재(350)의 형성 위치와 개구부(450)의 형성 위치는 동일하지 않다. 즉, 간격재(350)의 형성 위치와 상부 렌즈 전극(470)의 개구부(450) 형성 위치가 일부 겹쳐지지만, 개구부(450)와 간격재(350)의 형성 영역이 완전히 겹쳐지는 것은 아니다.
도 5를 참고하면, 개구부(450)의 형성 위치는 간격재(350)가 형성되는 영역과 일부만 겹쳐지도록 형성되어 있다.
따라서 개구부(450)의 일부는 간격재(350)에 의하여 공간이 채워져 있으나, 개구부(450)의 일부 영역은 간격재(350)에 의하여 가려지지 않고 상부 기판(410)이 노출되어 있다.
도 6은 도 5의 VI-VI선을 따라 잘라 도시한 액정 렌즈의 단면도이다. 도 6을 참고로 하면, 하부 기판(310) 위에는 하부 렌즈 전극(391)이, 상부 기판(410) 위에는 상부 렌즈 전극(470)이 형성되어 있으며, 하부 렌즈 전극(391)과 상부 렌즈 전극(470) 사이에는 간격재(350)가 형성되어 있다.
상부 렌즈 전극(470)에는 개구부(450)가 형성되어 있으며, 개구부(450)의 형성 위치는 간격재(350)의 형성 위치와 일부 겹쳐지지만 동일하지는 않다.
따라서 개구부(450)의 일부는 간격재(350)에 의하여 가려지지만, 개구부(450)의 일부는 노출되어 있다.
즉, 상부 기판(410)의 일부 영역은 상부 렌즈 전극(470)이 형성되지 않고 노출되게 된다.
이러한 구조의 본 발명 액정 렌즈는, 간격재(350)와 인접한 위치에 개구부(450)를 형성함으로써 간격재(350)에 형성에 의한 액정렌즈 액정층의 배열이 깨지는 현상 및 그 진행을 억제할 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 렌즈의 효과에 대하여 도 7 내지 도 17을 참고로 하여 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명 비교예에 따른 액정 렌즈의 액정 배향을 시간에 따라 도시한 것이다. 도 7을 참고로 하면 본 발명의 비교예에 따른 액정 렌즈는 간격재(350) 근처에 개구부가 형성되어 있지 않다.
도 7a를 참고로 하면, 간격재(350)부근의 액정은 간격재(350)에 의해 액정의 배열이 주위 영역과는 다르게 흐트러진다. 이렇게 액정 분자의 배열이 흐트러진 영역을 사각형 박스로 표시하였다.
도 7a는 액정분자가 배열된 직후의 이미지이고, 도 7b는 시간이 지난 후 액정 배열을 나타낸 것이다. 도 7a 및 도 7b를 참고하면, 기존에는 간격재(350) 인접 영역에서만 액정 분자의 배열 흐트러짐이 나타났으나, 시간이 지날수록 배열 흐트러짐이 진행되어 도 7b를 참고하면 보다 넓은 영역에서 액정 분자의 배열이 달라지는 것을 확인할 수 있다.
액정 분자의 배열이 흐트러진 부분은, 인접 액정 분자의 배열까지 흐트러트리기 때문에 간격재(350)에 의한 액정 분자의 배열 깨짐은 계속 진행하여 그 영역이 넓어지게 된다. 따라서 이렇게 액정 분자의 배열이 깨진 영역은 텍스쳐로 시인되게 되며, 액정 렌즈의 성능을 감소시키는 원인이 된다.
도 8은 실제로 액정 렌즈에서 간격재 주위에서 액정의 배열이 달라진 이미지이다. 도 8을 참고로 하면 간격재가 형성된 영역에서는 액정 분자의 spiral 한 배열이 무너지고 주변 영역과는 다른 배열이 나타난다.
앞서 도 7에 도시된 바와 같이 이러한 spiral 깨짐은 인접 영역으로 확장되어 진행하며 따라서 이는 이후 텍스쳐로 시인되는 문제가 있다.
그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 렌즈는 간격재가 형성되는 영역 근처에 상부 렌즈 전극의 개구부를 형성하여 이러한 문제를 해결하였다.
도 9 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 렌즈에서 시간에 따른 액정 분자의 배열을 나타낸 것이다.
도 9, 도 11, 도 13은 액정 렌즈의 정면도이고 도 10, 도 12, 도 14는 각각 도 9, 도 11, 도 13의 액정 렌즈의 측면도이다.
도 9 및 도 10은 렌즈 전극에 전계가 인가되기 전의 액정 분자의 배열을 나타낸 것이다. 도 9 및 도 10을 참고로 하면, 아직 하부 렌즈 전극 및 상부 렌즈 전극에 전계가 인가되지 않았기 때문에 액정은 일 방향으로 서 있다.
그러나 간격재(350) 부근에서는 간격재 표면에 의한 영향력으로 간격재를 향해서 액정 분자(33)가 배향되어 있다. 즉 간격재(350) 부근의 액정 분자(33)는, 액정 렌즈에 전압이 인가되기 전에도 간격재(350)를 향하는 방향으로 배향되어 있다.
다음, 도 11 및 도 12는 렌즈 전극에 전계를 인가한 직후의 액정 분자의 배열을 나타낸 것이다. 즉, 도 11 및 도 12는 전계 인가 후 15 ms 이후의 액정 분자의 배열이다.
도 11 및 도 12를 참고로 하면 전계 인가에 의하여 액정 분자들은 일 방향으로 배향된다.
즉, 인접한 하부 렌즈 전극(391)과 하부 렌즈 전극(391) 사이에 형성되는 전계 및 하부 렌즈 전극(391)과 상부 렌즈 전극(470) 사이에 형성되는 전계에 의해 액정 분자는 spiral 형태로 배열된다.
즉, 액정 분자는 나선형 형태로 배열되지만 간격재(350) 부근에서는 간격재(350)의 표면에 의한 영향력으로 인해 액정 분자의 배열이 달라지게 된다.
도 12를 참고하면, 도 12에서 간격재를 기준으로 왼쪽 영역의 액정 분자는 액정 분자의 머리(붉은색)가 간격재를 향하는 방향으로 배열되어 있다.
그러나 간격재(350)의 오른쪽 영역의 경우, 전체적으로 액정 분자는 머리가 오른쪽을 향하는 방향으로 배열 되어 있으나 간격재와 인접한 액정 분자는 간격재(350)의 표면에 의한 영향으로 간격재(350)를 향하는 방향인 왼쪽으로 배열되어 있다.
따라서 이렇게 액정 분자의 배열 흐트러짐이 나타나지만, 본 발명에서는 간격재 옆의 상부 렌즈 전극(470)에 개구부(450)가 형성되어 있다. 개구부(450)가 형성된 위치에는 상부 렌즈 전극(470)이 존재하지 않으므로, 개구부(450)에 대응하는 영역에서는 하부 렌즈 전극(391)과 상부 렌즈 전극(470) 사이에 전계가 형성되지 않는다. 따라서 이 영역의 액정 분자는 일정 방향으로 배향되지 않고 마치 전계가 공급되지 않은 것처럼 서 있게 된다.
도 12를 참고하면, 간격재의 오른쪽 에서 두번째 열에 위치한 액정 분자는 어느 방향으로도 배열되지 않고 수직으로 서 있다. 이는 앞서 설명한 바와 같이 개구부(450)가 형성된 위치는 상부 렌즈 전극(470)이 존재하지 않고 따라서 상부 기판(410)과 하부 기판(310) 사이에 전계가 형성되지 않기 때문이다.
이렇게 개구부에 대응하는 위치에 배열되지 않은 액정 분자는 그 자체로 버퍼층과 같은 역할을 한다. 따라서 간격재(350) 부근에서 액정 분자의 배열이 흐트러진다 하더라도, 이러한 흐트러진 배열이 진행하는 것을 막아주는 역할을 한다.
도 12를 참고로 하면, 간격재의 오른쪽에 인접한 1열의 액정 분자는 머리를 간격재를 향하는 방향으로 배열이 흐트러져 있다. 그러나 인접한 2열의 액정 분자는 앞서 설명한 바와 같이 개구부(450)때문에 전계가 형성되지 않아 수직으로 서있다. 다음 인접한 3열의 액정 분자는 1열의 액정 분자의 흐트러짐의 영향을 받지 않고, 원래 전계에 의해 의도한 방향대로 머리를 오른쪽으로 향하며 배열되어 있다.
즉, 개구부의 형성에 의해 간격재 주위에서 전계가 형성되지 않는 영역이 형성되게 되고, 이러한 영역의 액정분자가 액정 분자의 흐트러짐의 진행을 막는 버퍼층으로 기능하면서 액정 렌즈의 텍스쳐 발생을 막는다.
도 13 및 도 14는 렌즈 전극에 전계를 인가한 후 시간이 지난 후 액정 분자의 배열을 나타낸 것이다. 즉, 도 13 및 도 14는 전계 인가 후 30 ms 이후의 액정 분자의 배열이다.
도 13 및 도 14를 참고로 하면 시간이 지난 후에도 간격재 주위에서 액정 분자의 배열 깨짐이 진행하지 않고 유지되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명 비교예의 경우 간격재 주위에서 액정 분자의 배열 깨짐이 나타나고, 이는 시간이 지날수록 더 넓은 영역으로 진행하였다.
그러나 도 14에 나타난 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 렌즈는 개구부(450) 형성에 의해 개구부(450) 형성 영역의 액정 분자가 전계를 인가받지 못하고 수직으로 정렬하여 버퍼층으로 기능함으로써, 액정 분자의 배열 깨짐이 진행하는 것을 막는다.
도 15는 이러한 본 발명 액정 렌즈의 효과를 구체적으로 보여주는 이미지이다.
도 15의 a는 본 발명 비교예에 따른 액정 렌즈에서 전압 인가 50 ms 경과 후 액정 배향을, b 는 본 발명 비교예에 따른 액정 렌즈에서 전압 인가 800 ms 경과 후 액정 배향을, c는 본 발명 비교예에 따른 액정 렌즈에서 전압 인가 800 ms 경과 후의 액정 배향을 도시한 것이다.
도 15를 참고로 하면 본 발명 비교예에 따른 액정 렌즈는 간격재가 형성된 영역 근처에 개구부가 형성되어 있지 않다. 그러나 본 발명 실시예에 따른 액정 렌즈는 간격재가 형성된 영역 근처에 개구부가 형성되어 있다.
도 15 a 및 b를 참고로 하면, 처음에 간격재가 형성된 영역 근처에서 나타나는 액정의 배향 불량은(도 15a의 화살표로 도시), 시간이 지날수록 이웃 영역으로 진행하여 간격재와 멀리 떨어진 영역에서도 나타난다(도 15b의 화살표로 도시).
그러나 도 15c를 참고로 하면 본 발명의 액정 렌즈는 간격재 부근에 개구부가 형성되어 있고, 이러한 개구부에 의해 액정 분자의 일부 영역에 앞서 설명한 바와 같은 버퍼층이 형성된다. 따라서 도 15c에 도시된 바와 같이 시간이 지나더라도, 간격재 부근에 형성된 액정의 배향 불량은 진행하지 않고 간격재 부근에 고정되어 있다. 따라서 액정의 배향 불량이 확산되지 않으므로, 액정 렌즈의 성능을 유지할 수 있다.
도 16은 본 발명 비교예에 따른 액정 렌즈의 기준위상과 시험 위상을 나타낸 것이다. 도 17은 본 발명 실시예에 따른 액정 렌즈에서 기준 위상과 시험 위상을 나타낸 것이다.
도 16을 참고로 하면, 도 16에 도시된 액정 렌즈의 일 영역(simulation area)에 대하여 프레넬 액정 렌즈로 기능하기 위한 시험 위상과 기준 위상을 비교하였다. 그 결과 도 16에 도시된 바와 같이 본 발명 비교예에 따른 액정 렌즈는 간격재에 의해 액정의 배향 불량이 나타났고, 이로 인해 프레넬 액정 렌즈로 기능하기 위한 기준 위상과, 실제 액정 렌즈 구동시 나타나는 시험 위상간의 차이가 크게 나타난다.
그러나 도 17을 참고로 하면 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 렌즈는 앞서 설명한 바와 같이 간격재 부근에 상부 렌즈 전극의 개구부를 형성함으로써 액정 배향 불량의 확산을 막았다. 따라서 도 17에 도시된 바와 같이 기준 위상과 시험 위상이 거의 일치하는 것을 확인할 수 있다. 즉 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 렌즈는 실제 프레넬 렌즈로 동작하기 위한 기준 위상과, 본 발명의 액정 렌즈 구동시 나타나는 시험 위상이 거의 일치하며 따라서 우수한 렌즈 성능을 가짐을 확인할 수 있었다.
즉, 본 발명의 액정 렌즈는 간격재의 형성에 관계없이 액정 렌즈의 프레넬 렌즈 성능을 유지할 수 있다. 기존 본 발명 비교예의 경우 액정 배향 불량에 의한 텍스쳐 발생으로 인해 간격재의 형성 위치 및 수가 제한적이었다.
그러나 본 발명의 액정 렌즈는 간격재 부근에 개구부를 형성하는 방법으로 간격재에 의한 텍스쳐 발생을 해결하였는바, 간격재의 수 및 형성 위치를 자유롭게 조절할 수 있다.
따라서 간격재의 수를 증가시킬 수 있으므로, 기존 본 발명 비교예에 비하여 대면적의 패널을 제조할 수 있다. 또한 대면적의 패널에 액정 렌즈를 적용하면서도 텍스쳐 없이 렌즈의 성능을 유지할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치는 표시 패널 위에 액정 렌즈가 위치하며, 이러한 액정 렌즈의 온/오프에 따라 2차원 영상 및 3차원 영상을 모두 표현할 수 있다. 또한 액정 렌즈의 상부 렌즈 전극에서, 간격재와 대응하는 위치에 개구부가 형성되어 간격재에 의한 액정의 배향 불량을 억제하고 우수한 렌즈 성능을 유지할 수 있다.
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.
40: 표시 패널 50: 액정 렌즈 패널
110: 제1 기판 210: 제2 기판
310: 하부 기판 410: 상부 기판
391: 하부 렌즈 전극 470: 상부 렌즈 전극
350: 간격재 450: 개구부
3, 31: 액정층 33: 액정 분자

Claims (14)

  1. 영상을 표시하는 표시 패널, 및
    상기 표시 패널의 영상을 2차원 영상 또는 3차원 영상으로 인지되도록 하기 위해 2차원 모드 또는 3차원 모드로 동작하는 액정 렌즈 패널을 포함하고,
    상기 액정 렌즈 패널은 서로 마주하는 하부 기판 및 상부 기판,
    상기 하부 기판 위에 형성된 하부 렌즈 전극,
    상기 상부 기판 위에 형성된 상부 렌즈 전극, 및
    상기 하부 기판 및 상기 상부 기판 사이에 형성된 간격재 및 액정층을 포함하고,
    상기 간격재와 대응하는 상부 렌즈 전극의 일 영역에 개구부가 형성된 표시 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 상부 렌즈 전극의 개구부는 간격재와 일부만 오버랩되어 형성되어 있는 표시 장치.
  3. 제1항에서
    상기 개구부는 원형인 표시 장치.
  4. 제1항에서,
    상기 개구부가 형성된 영역의 액정층은 전계가 형성되지 않는 표시 장치.
  5. 제1항에서,
    상기 간격재 및 상기 개구부는 액정 렌즈 패널에서 복수개로 존재하는 표시 장치.
  6. 제1항에서,
    상기 하부 렌즈 전극은 복수개의 가지 전극이 스트라이프 형상으로 배열된 표시 장치.
  7. 제6항에서,
    상기 복수개의 가지 전극의 폭이 동일한 표시 장치.
  8. 제6항에서,
    상기 복수개의 가지 전극의 폭이 서로 상이한 표시 장치.
  9. 제8항에서,
    상기 복수개의 가지 전극의 폭은 이웃하는 가지 전극으로 갈수록 넓어졌다가 다시 좁아지는 표시 장치.
  10. 제1항에서
    상기 상부 렌즈 전극은 통판 형태인 표시 장치.
  11. 제1항에서,
    상기 표시 패널은 액정 표시 패널(liquid crystal display panel, LCD panel), 전기영동 표시 패널(electrophoretic display panel, EDP), 유기 발광 표시 패널(organic light-emitting display panel, OLED panel) 및 플라즈마 표시 패널(plasma display panel, PDP)로 이루어진 군에서 선택된 하나인 표시 장치.
  12. 제1항에서,
    상기 액정 렌즈는 2차원 모드에서는 상기 액정 렌즈의 상기 상부 렌즈 전극 및 상기 하부 렌즈 전극에 전압이 인가되지 않고,
    3차원 모드에서는 상기 하부 렌즈 전극을 구성하는 복수개의 가지 전극에 서로 상이한 전압이 인가되고, 상기 상부 렌즈 전극에는 일정 크기의 공통 전압이 인가되는 표시 장치.
  13. 제1항에서,
    상기 하부 렌즈 전극 위에 형성된 하부 배향막 및
    상기 상부 렌즈 전극 위에 형성된 상부 배향막을 포함하는 표시 장치.
  14. 제1항에서,
    상기 액정 렌즈 패널은 전압 공급에 의해 프레넬 렌즈처럼 기능하는 표시 장치.
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