KR20180043161A - 유연 액정 프레넬 렌즈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액정 프레넬 렌즈에 관한 것으로, 고분자 박막 기판을 이용하여 렌즈를 구현하되, 렌즈에 입사되는 빛의 편광에 상관없이 동일한 전기--학적 특성을 제공함으로써, 플렉시블하면서 높은 이미지 품질을 제공할 수 있도록 해 주는 유연 액정 프레넬 렌즈에 관한 것이다.
본 발명에 따른 유연 액정 프레넬 렌즈는 상부기판과 프레넬 영역 패턴이 형성된 하부기판 사이에 액정층이 형성되어 구성되는 액정 프레넬 렌즈에 있어서, 상기 하부기판과 상기 상부기판은 각각 복굴절률을 가지면서 투명하고 유연한 특성의 재질을 포함하는 제1 기판 및 제2 기판을 포함하고, 상기 하부기판과 상기 상부기판의 광축은 상호 직교하도록 구성되고, 상기 액정층은 상기 하부기판과 상기 상부기판에 대해 각각 45도의 각도를 이루도록 광축이 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

유연 액정 프레넬 렌즈{Flexible liquid crystal lens}
본 발명은 액정 프레넬 렌즈에 관한 것으로, 고분자 박막 기판을 이용하여 렌즈를 구현하되, 렌즈에 입사되는 빛의 편광에 상관없이 동일한 전기-광학적 특성을 제공함으로써, 플렉시블하면서 높은 이미지 품질을 제공할 수 있도록 해 주는 유연 액정 프레넬 렌즈에 관한 것이다.
현대사회 인구의 약 60% 이상이 안경, 컨택트 렌즈 또는 안과 수술과 같은 시력교정을 필요로 하며 나이가 들면 많은 인구가 노안을 위한 시력교정을 필요로 한다.
노안을 위한 시력교정을 위해 한 렌즈로 근거리에서 원거리까지 원활하고 선명한 시야를 제공해주는 누진 렌즈가 널리 이용되어 왔다. 하지만 누진 렌즈는 착용자가 렌즈에 적응할 때까지 현기증, 두통, 통증, 눈 피로 및 계단을 오르내릴 때 계속 발을 헛디디는 현상을 유발한다. 특히 계단을 오르내릴 때 발을 헛디디는 현상은 누진 렌즈를 착용하는 고 연령대에 빈번한 골절을 유발하며 이에 따른 여러 합병증은 노년층을 사망에까지 이르게 한다.
한편, 최근에는 액정을 기반으로 하며 전기적으로 렌즈의 초점거리를 변화 시킬 수 있는 렌즈를 안경렌즈에 활용하기 위한 여러 연구가 진행되어 왔다. 액정은 배향에 따라 다른 굴절률을 가지고 액정의 배향은 전기장을 인가함으로써 변화 시킬 수 있어 다양한 광학 시스템에 적용되고 있다. 이에, 액정에 전기장을 인가하기 위한 다양한 전극 패턴이 연구되어 왔다. 즉, 프레넬 영역 패턴에 의한 근접장 회절을 동작원리로 하여 프레넬 영역 패턴 전극에 개별적으로 전기장을 인가함으로써, 렌즈를 통과한 광이 초점에서 완벽한 보강간섭이 되도록 위상을 변화시켜 높은 회절 효율을 제공하는 것이다.
하지만, 안경렌즈에 응용되고 있는 액정 프레넬 렌즈는 빛의 직교하는 두 편광성분 중 하나에 대해서만 전기-광학적 반응을 보인다. 따라서 자연광과 같은 무편광된 광(unpolarziaed light) 또는 무작위 방향으로 편광된 광(randomly polarized light)의 직교하는 두 편광성분 모두에 대해서는 전기-광학적 반응을 제공하지 못하는 단점이 있다. 즉, 상기한 액정 프레넬 렌즈는 편광에 의존적이기 때문에 편광에 무관한 렌즈를 구현하기 위해서는 필수적으로 두 개의 렌즈를 수직적으로 적층해야 한다.
그러나, 종래 액정 프레넬 렌즈는 단단한 유리기판 상에 제작되어 렌즈 두께가 두껍고 무겁기 때문에, 그 활용성에 한계가 있다. 특히, 편광에 무관한 렌즈를 구현하기 위해 두 개의 렌즈를 적층 구성하는 경우, 그 활용성은 더욱 제한된다.
또한, 유리기판을 이용하는 종래 액정 프레넬 렌즈는 렌즈 공정시 유리기판이 쉽게 깨지기 때문에 공정 환경에 상당한 조심성을 기해야하는 단점이 있음은 물론, 안경 렌즈와의 접착성이 용이하지 않아 실제 제품에 적용하기에 다소 어려움이 있다. 특히, 구면 렌즈에 결합하여 사용하고자 하는 경우, 별도의 구조적인 결합부재가 추가적으로 필요할 수 있다.
1. 한국공개특허 제2015-0070784호 (명칭: 액정 프레넬 렌즈 및 그 제조방법)
이에, 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로, 고분자 박막 기판의 광축과 액정이 광축 배열을 특정 각도로 설정하여, 단일 소자로 편광에 무관하면서 전기적으로 초점거리를 가변시킬 수 있는 유연 액정 프레넬 렌즈를 제공함에 그 기술적 목적이 있다.
또한, 본 발명은 투명성과 유연성 특성을 갖는 고분자 박막 기판 사이에 액정을 배치하여 초경량이면서 유연성 특성을 갖는 액정 프레넬 렌즈를 제공함에 또 다른 기술적 목적이 있다.
또한, 본 발명은 다수의 액정 프레넬 렌즈를 적층 구성하고, 선택적으로 각 층의 액정 프레넬 렌즈를 활성화함으로써, 보다 넓은 렌즈 초점거리의 조절이 가능하도록 된 유연 액정 프레넬 렌즈를 제공함에 또 다른 기술적 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 상부기판과 프레넬 영역 패턴이 형성된 하부기판 사이에 액정층이 형성되어 구성되는 액정 프레넬 렌즈에 있어서, 상기 하부기판과 상기 상부기판은 복굴절률을 가지면서 투명하고 유연한 특성의 재질을 포함하는 제1 기판 및 제2 기판을 포함하고, 상기 하부기판과 상기 상부기판의 광축은 상호 직교하도록 구성되고, 상기 액정층은 상기 하부기판과 상기 상부기판에 대해 각각 45도의 각도를 이루도록 광축이 형성되는 것을 특징으로 하는 유연 액정 프레넬 렌즈가 제공된다.
또한, 상기 액정층은 상기 하부기판과 상기 상부기판 사이의 내주면 테두리에 배치되는 스페이서와, 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 및 상기 스페이서에 의해 형성되는 액정공간에 채워지는 액정을 포함하여 구성되고, 상기 스페이서는 상기 액정층 높이에 대응되는 두께를 갖는 양면 테이프로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유연 액정 프레넬 렌즈가 제공된다.
또한, 상기 액정층은 상기 하부기판과 상기 상부기판 사이의 내주면 테두리에 배치되는 스페이서와, 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 및 상기 스페이서에 의해 형성되는 액정공간에 채워지는 액정을 포함하여 구성되고, 상기 스페이서는 일정 두께의 필름의 양측면에 양면 접착물질이 도포되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 유연 액정 프레넬 렌즈가 제공된다.
또한, 상기 하부기판은 입력되는 광을 ex-오디너리(extraordinary) 방향 성분 또는 오디너리(ordinary) 방향 성분의 광으로 진행시키고, 액정층은 하부기판으로부터 인가되는 ex-오디너리(extraordinary) 방향 성분 또는 오디너리(ordinary) 방향 성분의 광에 대해 ex-오디너리(extraordinary) 방향 성분과 오디너리(ordinary) 방향 성분의 액정 광으로 분해하여 진행시키며, 상기 상부기판은 액정층으로부터 인가되는 ex-오디너리(extraordinary) 방향 성분과 오디너리(ordinary) 방향 성분의 액정 광에 대해 ex-오디너리(extraordinary) 방향 성분과 정산 방향 성분의 출력 광으로 각각 분해하여 출력하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 유연 액정 프레넬 렌즈가 제공된다.
또한, 상기 하부기판은 제1 기판과 프레넬 영역 패턴에 대응되도록 전극이 형성되는 제1 투명전극과, 절연층, 상기 제1 투명전극과 전기적으로 연결되는 금속라인 및, 제1 정렬층이 순차 적층된 형태로 구성되고, 상기 상부기판은 제2 정렬층과, 공통 전극으로 이루어지는 제2 투명전극 및, 제2 기판이 순차 적층된 형태로 구성되며, 상기 하부 기판의 제1 정렬층은 일정 단방향으로 러빙되고, 상기 상부 기판의 제2 정렬층은 상기 제1 정렬층의 방향과 반평행하도록 러빙되어 상기 제1 정렬층 및 상기 제2 정렬층 사이에 배치된 상기 액정층의 액정 배향 방향을 45도 방향으로 유도하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 유연 액정 프레넬 렌즈가 제공된다.
또한, 상기 절연층은 유연한 성질을 가질 수 있다.
또한, 상기 하부기판의 제1 투명전극은 적어도 하나 이상의 프레넬 영역 패턴을 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 유연 액정 프레넬 렌즈가 제공된다.
또한, 상기 프레넬 영역 패턴으로 인가되는 전압 레벨에 따라 렌즈 초점거리가 가변되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 유연 액정 프레넬 렌즈가 제공된다.
또한, 렌즈의 곡률 반경 변경을 통해 프레넬 영역 패턴을 변화시킴으로써, 렌즈 초점거리를 변경 설정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 유연 액정 프레넬 렌즈가 제공된다.
또한, 적어도 둘 이상의 상기 유연 액정 프레넬 렌즈가 적층된 형태로 구성되고, 적층된 유연 액정 프레넬 렌즈 층을 적어도 하나 이상 선택적으로 활성화시킴으로써, 초점거리가 가변되는 것을 특징으로 하는 유연 액정 프레넬 렌즈가 제공된다.
또한, 평면 또는 곡면의 광학 렌즈 또는 가상현실 장비를 포함하는 광학 디스플레이에 적용되어 이용되는 것을 특징으로 하는 유연 액정 프레넬 렌즈가 제공된다.
또한, 상기 유연 액정 프레넬 렌즈는 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 중 적어도 하나에 부착된 광학적 등방성을 갖는 기판을 더 포함할 수 있다.
상기 프레넬 영역 패턴은 제1 프레넬 영역 패턴 및 제2 프레넬 영역 패턴을 포함하고, 상기 제1 프레넬 영역 패턴 위에 상기 제2 프레넬 영역 패턴이 적층된 구조이며, 상기 제1 프레넬 영역 패턴과 상기 제2 프레넬 영역 패턴의 배열 방법이 서로 다를 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 복굴절률을 갖는 투명성 및 유연성을 갖는 폴리머 기판을 이용하여 액정 프레넬 렌즈를 구현함으로써, 단일 소자로 편광에 무관한 렌즈의 제작이 가능하고, 이로 인해 렌즈의 두께를 수십 내지 수백 μm 단위로 감소시켜 초박형, 초 경량의 액정 프레넬 렌즈의 제공이 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 유연하고 구부릴 수 있는 특성의 유연 액정 프레넬 렌즈를 통해 곡면을 갖는 렌즈, 예컨대 안경 또는 가상현실 장비의 디스플레이 표면에 용이하게 부착하여 활용할 수 있게 된다. 특히, 고분자 물질의 기판을 이용하여 액정 프레넬 렌즈를 구현함으로써, 종래 유리기판으로 구현되는 액정 프레넬 렌즈에 비하여 적층시 상호간 증착이 용이하기 때문에, 일반 광학 렌즈나 광학 디스플레이 등에 집적화시 별도의 추가 구성 없이도 콤팩트하게 결합시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 초박형 유연 액정 프레넬 렌즈를 적층함으로써, 렌즈의 면적을 늘리지 않으면서도 렌즈 파워를 증가시킬 수 있어 단면적으로 보다 넓은 초점거리 가변 범위를 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 액정 프레넬 렌즈의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 액정층(300)의 광축 배열각도를 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 액정층(300) 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 스페이서(310)의 형상을 예시한 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 유연 액정 프레넬 렌즈로 0도, 45도, 90도, -45도로 편광된 광을 입사시킨 경우의 광 투과율 측정결과를 도시한 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 유연 액정 프레넬 렌즈를 전기적으로 온(ON) 또는 오프(OFF) 시켰을 경우의 초점거리 실험결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 1에 도시된 유연 액정 프레넬 렌즈 장치를 개념적으로 설정하기 위한 도면이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 액정 프레넬 렌즈의 다양한 실시 형태를 예시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 유연 액정 프레넬 렌즈의 구성을 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 나타내고 있음을 유의해야 한다. 한편, 이에 앞서 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유연 액정 프레넬 렌즈의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 액정 프레넬 렌즈는, 기본적으로 하부 기판(100)과, 상부 기판(200) 및 이들 사이에 위치하는 액정층(300)을 포함한다.
이때, 하부 기판(100)과 상부 기판(200)은 투명하면서 복굴절률을 갖는 유연한 특성의 기판으로 구성되고, 하부 기판(100)의 광축과 상부 기판(200)의 광축은 상호 직교하도록 배치된다.
또한, 하부 기판(100)과 상부 기판(200)은 투명하면서 유연한 특성의 재질을 포함한다. 이로 인해 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 프레넬 렌즈는 재질에 대응하여 유연성을 갖게 된다.
또한, 액정층(300)은 상기 하부 기판(100)과 상부 기판(200) 사이의 일정 공간상에 액정을 주입하여 형성된다. 이때, 상기 액정의 배향 방향 즉, 액정층(300)의 광축은 도 2에 도시된 바와 같이 상호 직교하는 하부 기판(100) 및 상부 기판(200)의 광축과 각각 45도 각도를 이루도록 배치된다.
또한, 액정층(300)은 도 3에 도시된 바와 같이 하부 기판(100)과 상부 기판(200) 사이의 내주면 테두리에 배치되는 스페이서(310)와, 하부 기판(100), 상부 기판(200) 및 스페이서(310)에 의해 형성되는 액정 공간(320)에 채워지는 액정(330)을 포함한다.
여기서, 스페이서(310)는 소정의 액정층(300) 높이에 대응되는 두께를 갖는 양면 테이프로 구성될 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이 일정 두께를 갖는 유연성 재질의 물질(311)의 양측면 즉, 상측과 하측에 제1 및 제2 양면 접착물질(312, 313)을 도포하여 이루어지는 것도 가능하다. 예컨대, 스페이서(310)는 양면에 접착물질이 도포된 폴리머 필름으로 구현될 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 양면 접착물질(312, 313)은 양면 테이프를 포함하는 각종 형태의 접착물질로 구성될 수 있음은 물론이다.
한편, 하부 기판(100)은 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 기판(110)과, 제1 투명전극(120), 절연층(130), 금속라인(140) 및, 제1 정렬층(150)이 순차로 적층된 형태로 구성될 수 있다.
제1 기판(110)은 복굴절률을 가지면서 투명하고 유연한 특성을 갖는 고분자 박막 또는 세라믹 기판으로 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 기판(110)은 복굴절 필름으로, PET(Polyethlene terephthalate)나 PEN(Polyethlene nephthalate), PC(Polycatbonate), PES(Polyethersulfone)으로 구성될 수 있다. 이 뿐만 아니라 제1 기판(110)은 쿼츠(Quartz)와 같은 투명 복굴절 물질로 구성될 수도 있다.
또, 제1 기판(110)은 유리와 같이 광학적 등방성을 가지는 기판에 앞에서 설명한 투명 복굴절 물질이 부착된 형태로 구성될 수도 있다. 이러한 실시예를 도 11에 도시하였고, 도 11을 참고하면, 유리와 같이 광학적 등방성을 갖는 기판(105)에 앞에서 설명한 제1 기판(110)을 부착하여 도 1을 참고하여 설명한 유연 액정 프레넬 렌즈를 구현할 수 있다.
제1 투명전극(120)은 제1 기판(110)의 상면에 배치되면서, 개별적으로 제어가능한 프레넬 영역으로 패턴화된 투명 전극들을 포함한다. 이때 프레넬 영역은 각종 형태의 패턴으로 이루어질 수 있으며, 예컨대 증가하는 반경을 갖는 원 형상(도 8 내지 도 9의 P) 등의 교대 패턴으로 구현될 수 있다. 본 실시예에서 543 나노미터 파장의 빛에 대해 1 디옵터의 파워를 가지는 프레넬 영역 패턴이 127 마이크로미터 두께의 ITO(Indium Tin Oxide)로 형성될 수 있다. 또한, 각 프레넬 영역은 복수의 서브 영역으로 이루어질 수 있다. 프레넬 영역 패턴은 ITO 외에 투명 전도체로서 투명 유기물 또는 그래핀 등으로 형성될 수도 있다.
후술하는 공통 전극에 해당하는 제2 투명전극(220)과 복수의 서브 영역을 갖는 프레넬 영역 패턴 사이에 전기장을 인가하여 액정의 방향을 변화시킴으로써 각 서브 영역에서 서로 다른 굴절률을 얻을 수 있다.
절연층(130)은 유연하고 투명성을 갖는 물질로 구성되어, 제1 투명전극(120)의 전극들을 분리한다. 이때, 절연층(130)의 상면에는 각 패턴화된 제1 투명전극(120)에 전기장을 인가해 주기 위한 다수의 금속라인(140)이 배치된다. 금속라인(140)은 약 550 나노미터 두께의 Al, Au, Pt, Ni, Ti 및 Cu 등을 포함하는 단일층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다. 다층 구조의 금속라인(140)의 경우, 절연층(130)과 접촉하는 하부층은 절연층(130)과의 점착 계수가 높은 금속을 사용하여 형성하고, 하부층 위의 상부층은 전기 전도도가 높은 금속을 사용하여 형성하는 것이 바람직하다. 여기서, 금속라인(140)과 제1 투명전극(120)은 도시되지는 않았지만, 절연층(130) 내의 비아(via, 수직 홀 또는 특정 경로)를 통해 전기적으로 연결된다. 상기 비아를 통해 전기적으로 연결되는 부분을 제외하고, 절연층(130)은 제1 투명전극(120)과 금속라인(140) 사이를 절연 및 이격하는 역할을 할 수 있다.
본 실시예에서 절연층(130)은 유연한 층을 형성하도록 약 500 나노미터 두께의 SU-8로 형성될 수 있다. 절연층(130)은 SU-8 외에도 이산화규소(SiO2)와 같은 다른 물질을 사용할 수도 있다.
제1 정렬층(150)은 절연층(130)의 상면에 배치된다. 제1 정렬층(150)은 단방향으로 러빙(rubbed)되어 절연층(130)의 상면에 배치된 금속라인(140)들을 분리시킨다. 본 실시예에서 제1 정렬층(150)은 5 나노미터의 폴리비닐 알코올 또는 폴리이미드를 사용하여 형성할 수 있다. 제1 정렬층(150)의 러빙 방향은 액정(330)의 광축을 결정할 수 있다.
또한, 하부기판(100)의 제1 정렬층(150)의 상면에는 액정층(300)이 배치된다. 액정층(300)은 네마틱 액정을 사용할 수 있고, 액정층(300)의 두께는 렌즈 테두리에 위치하는 스페이서(310)의 두께에 의해 결정될 수 있다.
한편, 상부기판(200)은 액정층(300)의 상면에 배치되되, 제2 정렬층(210)과 제2 투명전극(220) 및 제2 기판(230)이 순차로 적층되어 구성될 수 있다.
제2 정렬층(210)은 하부기판(100)의 제1 정렬층(140)의 러빙 방향과 반평형한 방향 즉, 45도 경사 방향으로 러빙되어 형성될 수 있다. 이는 제1 정렬층(140)과 제2 정렬층(210) 사이에 형성된 액정(330)의 배향 방향이 45도가 되도록 유도하기 위한 것이다.
제2 투명전극(220)은 공통 전극층이다. 제2 투명전극(220)은 약 127 나노미터 두께의 ITO(Indium Tin Oxide)로 형성될 수 있다. 제2 투명전극(220)은 ITO 외에 투명 전도체로서 투명 유기물 또는 그래핀 등으로 형성될 수도 있다.
제2 기판(230)은 제1 기판(110)과 마찬가지로 복굴절률을 가지면서 투명하고 유연한 특성을 갖는 고분자 박막 또는 세라믹 기판으로 형성될 수 있다. 예컨대, 제2 기판(230)은 복굴절 필름으로, PET(Polyethlene terephthalate)나 PEN(Polyethlene nephthalate), PC(Polycatbonate), PES(Polyethersulfone)으로 구성될 수 있다. 이 뿐만 아니라 제2 기판(230)은 쿼츠(Quartz)와 같은 투명 복굴절 물질로 구성될 수도 있다.
또, 제2 기판(230)은 유리와 같이 광학적 등방성을 가지는 기판에 앞에서 설명한 투명 복굴절 물질이 부착된 형태로 구성될 수도 있다. 이러한 실시예를 도 11에 도시하였고, 도 11을 참고하면, 유리와 같이 광학적 등방성을 갖는 기판(225)에 앞에서 설명한 제2 기판(230)을 부착하고, 제2 기판(230)이 기판(225)과 제2 투명전극(220) 사이에 위치하도록 함으로써, 도 1을 참고하여 설명한 유연 액정 프레넬 렌즈를 구현할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 제2 기판(230)은 하부기판(100)의 제1 기판(110)의 광축과 직교하는 광축을 갖도록 배치된다.
이하에서는 표 1을 참조하여 도 1에 도시된 유연 액정 프레넬 렌즈의 동작을 설명한다.
표 1은 도 1에 도시된 유연 액정 프레넬 렌즈에서 발생되는 각 광경로(하부기판(100), 액정층(300), 상부기판(200))에서의 굴절률을 나타낸 것이다. 보다 상세하게는 하부기판(100)의 광축과 평행하게 편광된 빛, 즉 광이 입사되었을 때 유연 액정 프레넬 렌즈를 통과하면서 발생되는 각 광경로에서의 굴절률을 나타낸 것이다. 이때, 하부 기판(100)과 상부 기판(200)의 제1 기판(110) 및 제2 기판(230)은 모두 복굴절률을 갖는 물질로 이루어지며, 복굴절률을 갖는 물질은 오디너리(ordinary) 굴절률과 ex-오디너리(extraordinary) 굴절률을 갖는다. 따라서, 광이 복굴절 물질에 입사하면 매질 내에서 복굴절 물질의 방향자(director; 광축) 방향의 편광 방향을 갖는 오디너리광선(ordinary ray)과 방향자와 수직인 방향의 편광 방향을 갖는 ex-오디너리광선(extraordinary ray)으로 나뉘어져 진행한다. 오디너리광선(ordinary ray)과 ex-오디너리광선(extraordinary ray)은 각각 오디너리(ordinary) 굴절률과 ex-오디너리(extraordinary) 굴절률을 겪으면서 진행한다.
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
는 광의 단위벡터,
Figure pat00003
는 ex-오디너리(extraordinary) 방향의 단위벡터,
Figure pat00004
는 오디너리(ordinary) 방향의 단위벡터,
Figure pat00005
는 액정층(300)의 ex-오디너리(extraordinary) 방향 굴절률,
Figure pat00006
는 액정층(300)의 오디너리(ordinary) 방향 굴절률,
Figure pat00007
는 하부기판(100)의 이상방향 굴절률,
Figure pat00008
는 상부기판(200)의 ex-오디너리(extraordinary) 방향 굴절률,
Figure pat00009
는 상부기판(200)의 오디너리(ordinary) 방향 굴절률을 각각 나타낸다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 하부 기판(100)의 광축은 x축과 평행하고, 상부 기판(200)의 광축은 y축과 평행하며, 액정층(300)의 광축은 하부 기판(100)과 상부 기판(200)과 각각 45도 각도를 이루고 있는 상태에서, 유연 액정 프레넬 렌즈에 x 방향으로 편광된 광이 입사된다.
상기한 상태에서 광이 하부 기판(100)으로 ex-오디너리 굴절률을 갖는 광축과 평행하게 입사될 때 굴절률은 하부 기판(100)의 ex-오디너리 굴절률로서, 하부 기판(100)을 통과하여 나오는 광의 편광 방향은 입사된 광의 편광 방향과 같다. 즉, 표 1과 같이 ex-오디너리 굴절률을 갖는 광축과 평행하게 입사되는 광의 편광(
Figure pat00010
)과 하부 기판(100)의 ex-오디너리 굴절률(
Figure pat00011
)에 대한 광의 편광 방향(
Figure pat00012
)은 동일하게 된다.
또한, 제1 기판(110)의 광축과 액정(330)의 광축이 서로 45도를 이루고 있어, 하부 기판(100)을 통과한 광의 편광방향은 액정(330)의 ex-오디너리 굴절률을 갖는 광축과 45도 각도를 이루면서 입사되고, 이 각도로 입사되는 광은 액정(330)의 ex-오디너리 방향과 오디너리 방향의 성분을 갖는 광으로 분해되어 서로 다른 굴절률을 가지면서 진행한다. 이중 액정(330)의 ex-오디너리 방향의 광은 전기장의 세기에 따른 굴절률 변화를 겪으면서 진행하게 된다. 즉, 표 1과 같이 하부기판(100)으로부터 액정층(300)으로 인가되는 ex-오디너리 방향 광(
Figure pat00013
)은 ex-오디너리 방향 굴절률(
Figure pat00014
)에 대해 ex-오디너리 방향(
Figure pat00015
)으로 진행하고, 오디너리 방향 굴절률(
Figure pat00016
)에 대해서는 오디너리 방향(
Figure pat00017
)으로 각각 진행한다. 이에 따라 액정층(300)을 통과하여 나오는 광의 편광은 액정층의 ex-오디너리 방향과 오디너리 방향으로 편광된 광으로 각각 출력된다.
이처럼, 액정(330)의 광축과 45도를 이루면서 액정(330)에 입사하는 광은 액정(330)에 인가된 전기장의 세기에 따른 굴절률의 변화를 겪게 되며, 제1 기판(110)의 렌즈에 입사한 빛이 액정(330)의 광축과 45도를 이루도록 가이드 해주는 역할을 한다. 제1 기판(110)의 광축과 액정(330)의 광축이 서로 평행 또는 수직인 경우는 편광에 의존성을 가지게 되며 그 외의 경우는 편광 의존성이 없어지며 두 광축이 이루는 각도가 45도일 때 가장 높은 투과율을 제공한다.
액정층300)을 통과한 오디너리 방향의 광과 ex-오디너리 방향의 광은 제2 기판(230)의 광축과 45도를 이루면서 제2 기판(230)에 입사한다. 한편, 액정층(300)을 통과한 ex-오디너리 방향의 광은 상부 기판(200)의 ex-오디너리 방향과 오디너리 방향에 대해 상대적으로 45도 각도를 가지고 입사하게 되고, 이 광은 상부 기판(200)의 ex-오디너리 방향의 광과 오디너리 방향의 광으로 각각 분해되어 서로 다른 굴절률을 가지고 진행한다. 또한, 액정층(300)을 통과한 오디너리 방향의 광 또한 상술한 액정층(300)을 통과한 ex-오디너리 방향의 광과 같이 상부 기판(200)의 ex-오디너리 방향과 오디너리 방향 성분을 갖는 광으로 각각 분해되어 서로 다른 굴절률을 가지고 진행한다. 즉, 표 1과 같이 액정층(300)을 통과한 ex-오디너리 방향의 광은 상부 기판(200)에서 ex-오디너리 굴절률(
Figure pat00018
)에 대한 ex-오디너리 방향 광(
Figure pat00019
)과, 오디너리 굴절률(
Figure pat00020
)에 대한 오디너리 방향 광(
Figure pat00021
)으로 각각 출력되고, 액정층(300)을 통과한 오디너리 방향의 광 역시 상부 기판(200)에서 ex-오디너리 굴절률(
Figure pat00022
)에 대한 ex-오디너리 방향 광(
Figure pat00023
)과, 오디너리 굴절률(
Figure pat00024
)에 대한 오디너리 방향 광(
Figure pat00025
)으로 각각 출력된다.
또한, 상기 표 1에서는 광이 하부 기판(100)의 광축과 평행하게 입사하는 경우에 대해 설명하였으나, 동일한 원리에 의해 하부 기판(100)의 광축과 직교하게 입사하는 광에 대해서도 유연 액정 프레넬 렌즈를 통해 겪게 되는 총 굴절률은 하부 기판(100)의 광축과 평행하게 입사하는 경우와 같다.
따라서, 본 발명과 같은 유연 액정 프레넬 렌즈는 입사되는 광의 편광이 어느 방향이든 렌즈를 통과하면서 겪는 총 굴절률은 동일하기 때문에 편광에 무관하게 전기장의 세기 변화에 따른 굴절률의 변화를 가지게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 액정 프레넬 렌즈의 하부 기판으로 ex-오디너리 굴절률을 갖는 광축에 대해 각각 0도, 45도, 90도, -45도로 편광된 광을 입사시킨 경우의 광 투과율 측정결과를 도시한 것으로, 하부 기판(100)과 상부 기판(200)에 증착된 제1 투명전극(120)으로 인가되는 전압을 변화시키면서 광의 투과율을 측정한 결과값이 도시되어 있다. 이러한 결과값을 얻기 위해, 서로 직교하는 편광판 사이에 본 발명의 실시예에 따른 유연 액정 프레넬 렌즈를 두고, 렌즈의 광축의 각도를 변화시켜가며 전압-투과도를 측정하였다. 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 액정 프레넬 렌즈는 편광에 무관하게 유사한 전기-광학 특성이 나타남을 알 수 있다.
또한, 도 6은 상기한 유연 액정 프레넬 렌즈를 전기적으로 온(ON) 또는 오프(OFF) 시켰을 경우의 초점거리 결과를 나타낸 것으로, 유연 액정 프레넬 렌즈가 온(ON) 상태에서 약 400 mm 위치의 렌즈 센터점에서 광 감도(Intensity)가 크게 나타난다. 이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 액정 프레넬 렌즈는 온(ON) 상태에서 광이 임의 초점 거리에서 한 점으로 모임을 확인할 수 있다.
이에, 본 발명의 일 실시예에 있어서는 앞에서 설명한 도 5 및 도 6의 특성을 근거로 유연 액정 프레넬 렌즈의 프레넬 영역 패턴으로 구성된 제1 투명전극(120)의 전극 위치 및 해당 전극으로 인가되는 전압 레벨을 조절함으로써, 초점거리를 변경하는 것이 가능하게 된다. 즉, 유연 액정 프레넬 렌즈 장치는 도 7에 도시된 바와 같이 유연 액정 프레넬 렌즈(1)와 이 유연 액정 프레넬 렌즈(1)의 일정 위치 전극으로 일정 레벨의 전압을 제공하여 프레넬 영역 패턴을 활성화시킴으로써, 유연 액정 프레넬 렌즈(1)의 초점거리를 가변시키는 제어부(2)를 포함한다.
이때, 제어부(2)는 목적하는 초점거리에 대응되는 전극 위치 및 전압레벨 정보를 미리 메모리(미도시)에 저장하고, 이를 근거로 원하는 초점거리에 대응되는 전압을 유연 액정 프레넬 렌즈(1)의 해당 위치의 제1 투명전극(120)으로 공급함으로써, 초점거리를 가변시킨다. 여기서, 액정에 전압을 인가하여 프레넬 영역 패턴을 활성화시킴으로써, 회절 동작원리에 따라 초점 거리를 변화시키는 기술은 공지의 기술이므로 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 제어부(2)는 사용자의 안구 추적기능을 수행하여, 사용자의 시점에 대응하여 유연 액정 프레넬 렌즈(1)의 초점거리를 가변시키도록 제어할 수 있다. 이때, 제어부(2)는 카메라(미도시)를 통해 제공되는 사용자의 안구 영상을 근거로 안구 추적 알고리즘에 따른 안구 추적기능을 수행한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 있어서는 도 8과 같이 다수의 프레넬 영역 패턴(P)이 형성된 유연 액정 프레넬 렌즈를 구현할 수 있다. 이는 하부기판(100)의 제1 투명전극(120) 배치 패턴을 도 8과 같은 형태로 구성함으로써 가능하게 된다.
즉, 상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예는 하나의 렌즈를 이용하여 편광에 무관한 굴절률을 제공하는 유연 액정 프레넬 렌즈를 구현할 수 있다.
또한, 상기 설명한 유연 액정 프레넬 렌즈는 평면 또는 곡면의 광학 렌즈나 광학 디스플레이 적용되거나, 또는 초점 거리가 고정된 기존 평면 또는 곡면의 광학 렌즈나 광학 디스플레이의 전면 또는 후면측에 부착하여 이용할 수 있다. 예컨대, 초점 거리가 고정된 일반 안경 렌즈에 부착하여 전기적으로 초점거리를 가변시킴으로써, 노안, 근시, 원시에 대한 자동 도수 조절이 가능하게 된다.
또한, 본 발명에 있어서는 도 9와 같이 상술한 구성으로 된 다수의 유연 액정 프레넬 렌즈를 적층하여 하나의 적층 유연 액정 프레넬 렌즈를 구현하도록 실시하는 것도 가능하다. 이는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 액정 프레넬 렌즈가 일정 두께 이하의 초박형 제1 및 제2 기판을 이용하여 구성됨으로써, 종래 일정 두께 이상의 두 장의 유리 기판을 이용하여 생성하는 렌즈의 두께에 비하여 현저하게 두께가 얇고, 고분자 물질로 구현되어 종래 유리기판으로 구현되는 액정 프레넬 렌즈에 비하여 적층시 상호간 증착이 용이하기 때문에 충분한 활용성이 확보된다.
예컨대, 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 액정 프레넬 렌즈는 수 100μm 의 얇은 기판을 이용하여 구성되는 바, 도 9(a)와 같이 다수의 유연 액정 프레넬 렌즈를 적층하여 아주 짧은 초점 거리 즉, 높은 렌즈 파워를 갖는 렌즈를 구현하는 것이 가능하다. 이때, 초점 거리에 대응되도록 일정 수의 유연 액정 프레넬 렌즈를 전기적으로 활성화시킴으로써, 단일 유연 액정 프레넬 렌즈에 비해 렌즈 면적을 넓히지 않고도 초점거리 가변 범위를 넓히는 것이 가능하게 된다.
또한, 도 9(b) 또는 (c)에 도시된 바와 같이 다수의 프레넬 영역 패턴이 형성된 렌즈를 적층하여 평면 또는 곡면의 광학 렌즈나 광학 디스플레이에 적용하거나, 또는 기존 광학 렌즈나 광학 디스플레이에 부착함으로써, 광시야각에 따른 초점거리 가변 범위를 보다 더 확장하는 것이 가능하다.
예컨대, 도 9 (b) 또는 (c)와 같은 적층 유연 액정 프레넬 렌즈는 가상 현실(Virtual reality) 장비 등에 적용되어 실시될 수 있다. 이때, 도시되지는 않았지만, 통상 가상 현실 장비는 크게 디스플레이 수단과 광학부로 구성되고, 광학부는 약 +9 디옵터의 파워를 갖는 광학 렌즈로 이루어진다. 그러나, 현실적으로 가상 현실 장비를 통해 3D 이미지 구현시 해당 장비 착용자는 두통, 구토 증세를 겪는 경우가 많이 보고되고 있다. 이는 디스플레이에서 착용자에게 원근의 사물을 지속적으로 변화시키면서 보여주는 상황에서 착용자의 눈의 초점거리 및 수렴(vergence)은 보고 있는 사물의 원근에 상관없이 항상 일정하게 고정되기 때문에 나타나는 수렴-조절 불일치(vergence-accommodation conflict)에 기인한다. 이에, 본 발명의 일 실시예에 있어서는 다수의 프레넬 영역 패턴으로 구성되는 렌즈를 적층하여 가상 현실 장비의 디스플레이 수단 내측에 배치하고, 가상현실 장비의 디스플레이 수단에서 보여지는 사물의 원근에 대응하여 렌즈의 활성화 층 수 및 활성화 층 위치를 변경 설정함으로써, 사물의 원근에 따른 초점거리를 변화시켜 상기한 종래 수렴-조절 불일치(vergence-accommodation conflict) 문제를 해결하는 것이 가능하다. 이와 같이 다수 프레넬 영역 패턴의 렌즈를 적층하여 이루어지는 적층 유연 액정 프레넬 렌즈는 가상현실 장비를 포함하는 각종 형태의 다양한 헤드업 디스플레이(head-up-display) 장비에 적용되어 실시될 수 있음은 물론이다.
도 10을 참고하면, 배열 방법을 달리하여 각 층의 단위 렌즈를 적층함으로써 시야 범위 내 영역에서 액정 렌즈가 차지하는 영역을 최대한 넓게 하여 넓은 시야 범위에서 초점거리 가변 효과를 얻을 수 있다. 도 10에서 상대적으로 얇게 표시된 액정 렌즈 어레이(제1 프레넬 영역 패턴)를 갖는 기판과 상대적으로 굵게 표시된 액정 렌즈 어레이(제2 프레넬 영역 패턴)를 갖는 기판이 적층되어 시선 방향에 따라 선택적으로 활성화하여 시야 범위 내에서 넓은 영역에서 초점거리 가변 효과를 얻을 수 있다. 변형 실시예로, 상기 제1 프레넬 영역 패턴과 상기 제2 프레넬 영역 패턴이 동일한 기판 위에 위치하면서, 상기 제1 프레넬 영역 패턴과 상기 제2 프레넬 영역 패턴 사이에 절연층이 배치되는 구조를 형성할 수도 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 있어서는 액정 프레넬 렌즈가 유연성을 갖는 바, 물리적으로 곡률 반경을 변경시켜 프레넬 영역 패턴을 변화시킴으로써, 렌즈 초점거리를 일정 범위 가변시키는 것도 가능하다.
100: 하부기판 110: 제1 기판
120: 제1 투명전극 130: 절연층
140: 금속라인 150: 제1 정렬층
200: 상부기판 210: 제2 정렬층
220: 제2 투명전극 230: 제2 기판
300: 액정층 310: 스페이서
320: 액정 공간 330: 액정

Claims (13)

  1. 상부 기판과 프레넬 영역 패턴이 형성된 하부 기판 사이에 액정층이 형성되어 구성되는 액정 프레넬 렌즈에 있어서,
    상기 하부 기판과 상기 상부기판은 각각 복굴절률을 가지면서 투명하고 유연한 특성의 재질을 포함하는 제1 기판 및 제2 기판을 포함하고, 상기 하부 기판과 상기 상부 기판의 광축은 상호 직교하도록 구성되고,
    상기 액정층은 상기 하부 기판과 상기 상부 기판에 대해 각각 45도의 각도를 이루도록 광축이 형성되는 것을 특징으로 하는 유연 액정 프레넬 렌즈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액정층은 상기 하부기판과 상기 상부기판 사이의 내주면 테두리에 배치되는 스페이서와, 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 및 상기 스페이서에 의해 형성되는 액정공간에 채워지는 액정을 포함하여 구성되고,
    상기 스페이서는 상기 액정층 높이에 대응되는 두께를 갖는 양면 테이프로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유연 액정 프레넬 렌즈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 액정층은 상기 하부기판과 상기 상부기판 사이의 내주면 테두리에 배치되는 스페이서와, 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 및 상기 스페이서에 의해 형성되는 액정공간에 채워지는 액정을 포함하여 구성되고,
    상기 스페이서는 일정 두께의 필름의 양측면에 양면 접착물질이 도포되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 유연 액정 프레넬 렌즈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하부 기판은 입력되는 광을 ex-오디너리(extraordinary) 방향 성분 또는 오디너리(ordinary) 방향 성분의 광으로 진행시키고,
    상기 액정층은 상기 하부 기판으로부터 인가되는 ex-오디너리(extraordinary) 방향 성분 또는 오디너리(ordinary) 방향 성분의 광에 대해 ex-오디너리(extraordinary) 방향 성분과 오디너리(ordinary) 방향 성분의 액정 광으로 분해하여 진행시키며,
    상기 상부 기판은 상기 액정층으로부터 인가되는 ex-오디너리(extraordinary) 방향 성분과 오디너리(ordinary) 방향 성분의 액정 광에 대해 ex-오디너리(extraordinary) 방향 성분과 정산 방향 성분의 출력 광으로 각각 분해하여 출력하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 유연 액정 프레넬 렌즈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하부 기판은 상기 제1 기판과 상기 프레넬 영역 패턴에 대응되도록 전극이 형성되는 제1 투명전극과, 절연층, 상기 제1 투명전극과 전기적으로 연결되는 금속라인 및, 제1 정렬층이 순차 적층된 형태로 구성되고,
    상기 상부 기판은 제2 정렬층과, 공통 전극으로 이루어지는 제2 투명전극 및, 상기 제2 기판이 순차 적층된 형태로 구성되며,
    상기 하부 기판의 제1 정렬층은 일정 단방향으로 러빙되고, 상기 상부 기판의 제2 정렬층은 상기 제1 정렬층의 방향과 반평행하도록 러빙되어 상기 제1 정렬층 및 상기 제2 정렬층 사이에 배치된 상기 액정층의 액정 배향 방향을 45도 방향으로 유도하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 유연 액정 프레넬 렌즈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 절연층은 유연한 성질을 갖는 유연 액정 프레넬 렌즈.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 하부 기판의 상기 제1 투명전극은 적어도 하나 이상의 프레넬 영역 패턴을 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 유연 액정 프레넬 렌즈.
  8. 제1항, 5항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레넬 영역 패턴으로 인가되는 전압 레벨에 따라 렌즈 초점거리가 가변되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 유연 액정 프레넬 렌즈.
  9. 제1항에 있어서,
    렌즈의 곡률 반경 변경을 통해 프레넬 영역 패턴을 변화시킴으로써, 렌즈 초점거리를 변경설정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 유연 액정 프레넬 렌즈.
  10. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    적어도 둘 이상의 상기 유연 액정 프레넬 렌즈가 적층된 형태로 구성되고, 적층된 유연 액정 프레넬 렌즈 층을 적어도 하나 이상 선택적으로 활성화시킴으로써, 초점거리가 가변되는 것을 특징으로 하는 유연 액정 프레넬 렌즈.
  11. 제1항에 있어서,
    평면 또는 곡면의 광학 렌즈 또는 가상현실 장비를 포함하는 광학 디스플레이에 적용되어 이용되는 것을 특징으로 하는 유연 액정 프레넬 렌즈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 중 적어도 하나에 부착된 광학적 등방성을 갖는 기판을 더 포함하는 유연 액정 프레넬 렌즈.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 프레넬 영역 패턴은 제1 프레넬 영역 패턴 및 제2 프레넬 영역 패턴을 포함하고, 상기 제1 프레넬 영역 패턴 위에 상기 제2 프레넬 영역 패턴이 적층된 구조이며, 상기 제1 프레넬 영역 패턴과 상기 제2 프레넬 영역 패턴의 배열 방법이 서로 다른 유연 액정 프레넬 렌즈.
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