KR20200082056A - 전기변색 광학장치 및 그를 포함하는 표시장치 - Google Patents

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KR20200082056A
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김욱성
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Abstract

본 실시예는 전기변색 광학장치 및 그를 포함하는 표시장치에 관한 것으로서, 전기변색 재료층을 포함하며, 매트릭스 형태로 배열되는 다수의 픽셀과, 상기 픽셀 양측에서 전원을 공급하는 제1전극 및 제2전극을 포함하는 전극부 및, 상기 복수의 픽셀 중 특정 픽셀의 광투과도를 조절하기 위하여 상기 제1전극 및 제2전극으로 전원을 선택적으로 공급하기 위한 스위칭부를 포함하는 전기변색 광학장치를 제공함으로써, 증강 현실용 가상 이미지가 표시되는 특정 영역의 광투과도를 선택적으로 조절하여, 증강 현실용 가상 이미지의 시인성을 향상시킬 수 있다.

Description

전기변색 광학장치 및 그를 포함하는 표시장치{Electrochromic Optical Apparatus and Display Device with the same}
본 발명은 전기변색 광학장치 및 그를 포함하는 표시장치, 더 구체적으로는 전기변색 특성을 통해 가상 이미지가 표시되는 특정 영역의 광투과 특성을 조절할 수 있는 전기변색 광학장치 및 그를 포함하는 표시장치에 관한 것이다.
최근 표시장치 및 기타 장비를 이용하여 인간에게 가상 환경을 체험하게 해주는 각종 장비가 개발되고 있으며, 그 예로서 가상적인 이미지 또는 환경을 구현하는 가상 현실(Virtual Reality; VR) 장치와, 실제 현실 정보에 가상의 정보를 부가하여 제공하는 증강 현실(Augmented Reality; AR) 장치 등을 포함할 수 있다.
이중에서 증강현실(AR) 장치는 현실 세계의 이미지 상에 가상 현실을 나타내는 가상 이미지를 중첩시켜 출력하는 AR 표시장치 등을 포함할 수 있다.
이러한 AR 표시장치에 가상 이미지를 나타내기 위하여 가상 이미지를 하드웨어적으로 표시장치에 복사(Copy) 하거나 안경 등과 같은 웨어러블 표시장치(Wearable Display Device)을 통해 피실험자의 눈으로 직접 보는 방법이 있다.
한편, 일정 이상의 전기장이 인가되면 광투과 특성이 변화되는 재료를 전기변색 물질(Electrochromic Material)이라 부르며, 이러한 전기변색 물질을 이용한 표시장치인 일렉트로크로믹 디스플레이(Electrochromic Display; ECD) 또는 안경 등과 같은 웨어러블 광학기구 등이 개발되고 있다.
예를 들면, 전기변색 조성물을 포함하는 투명층을 안경 등의 안면에 배치하고, 강한 자외선이 있는 경우 등에서 전기장을 인가하여 안경의 광투과도를 조절하는 것이 그 일예이다.
한편, 전술한 증강 현실 표시를 위한 웨어러블 표시장치인 AR 안경 등에서는, 외부에 존재하는 실제 현실 이미지가 안경의 일정 영역을 통하여 관찰자의 시야로 전달되는 상태에서, 증강 현실을 위한 가상 이미지를 안경의 특정 영역에 더 표시할 수 있다.
이 때, 실제 현실 이미지가 강하게 표시되는 환경에서는 가상 이미지의 표시 강도가 실제 이미지보다 상대적으로 약하게 되어, 증강 현실을 위한 가상 이미지가 관찰자에게 잘 시인되지 않는 문제가 발생될 수 있다.
본 실시예는 이러한 점에 착안하여, 증강현실을 위한 가상 이미지가 표시되는 표시장치에서, 가상 이미지의 표시 성능을 향상시킬 수 있는 방안을 제시하고자 한다.
본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 증강 현실용 가상 이미지의 시인성을 향상시킬 수 있는 광학장치 및 그를 포함하는 표시장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 전기변색 재료층을 포함하는 전기변색 픽셀과, 전기변색 픽셀로의 전원 공급을 위한 전극부 및 각 픽셀로의 전원 공급을 선택적으로 스위칭하기 위한 스위칭부를 포함함으로써, 특정 영역의 광투과도를 선택적으로 조절할 수 있는 광학장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 전기변색 픽셀을 포함하는 광학장치를 포함하는 증강 현실을 위한 표시장치를 제공하는 것이다.
더 구체적으로는, 전기변색 픽셀로의 선택적인 전원 공급을 통해 증강 현실용 가상 이미지가 투영되는 특정 영역의 광투과도를 선택적으로 조절함으로써, 증강 현실용 가상 이미지의 시인성을 향상시킬 수 있는 표시장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 실시예에 의하면, 전기변색 재료층을 포함하며, 매트릭스 형태로 배열되는 다수의 픽셀과; 상기 픽셀 양측에서 전원을 공급하는 제1전극 및 제2전극을 포함하는 전극부와; 상기 복수의 픽셀 중 가상 이미지가 표시되는 위치에 대응되는 특정 픽셀의 광투과도를 조절하기 위하여 상기 제1전극 및 제2전극으로 전원을 선택적으로 공급하기 위한 스위칭부;를 포함하는 전기변색 광학장치를 제공한다.
일실시예에서는, 상기 스위칭부는 각 픽셀에 대응되고, 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하는 박막 트랜지스터를 포함하며, 상기 제1전극은 상기 박막 트랜지스터의 상기 드레인 전극에 전기적으로 연결되는 픽셀전극이고, 상기 제2전극은 상기 픽셀전극에 대향하여 광학장치 전면에 배치되는 공통전극일 수 있다.
또한, 상기 스위칭부는 상기 박막트랜지스터의 게이트전극에 스캔신호를 인가하기 위한 게이트라인과, 상기 박막 트랜지스터의 소스전극에 데이터 신호를 인가하기 위한 데이터라인을 더 포함할 수 있다.
또한, 광학장치는 상기 전기변색 재료층과, 상기 박막트랜지스터와 상기 픽셀전극이 패터닝된 제1기판과, 상기 공통전극 및 공통전극 상에 배치되는 카운터층을 포함하고 상기 제1기판과 합착되는 제2기판과, 상기 제1기판과 상기 제2기판 사이에 배치되는 전해질층을 포함할 수 있다.
한편, 패시브 셔터 구조의 다른 실시예에서는, 상기 스위칭부는 상기 픽셀에 스캔신호 및 데이터신호를 인가하기 위한 스캔라인과 데이터라인을 포함하며, 상기 제1전극은 상기 스캔라인과 전기적으로 연결되고 각각의 픽셀 영역을 커버하는 제1픽셀전극이고, 상기 제2전극은 상기 데이터라인과 전기적으로 연결되고 상기 제1픽셀전극과 대향하여 상기 각각의 픽셀영역을 커버하는 제2픽셀전극을 포함하며, 상기 전기변색 재료층은 상기 제1픽셀전극 및 제2픽셀전극 사이에 배치될 수 있다.
이 때, 상기 광학장치는 상기 전기변색 재료층과, 상기 스캔라인 및 상기 제1픽셀전극을 포함하는 제1기판과, 상기 데이터라인과 상기 제2픽셀전극 및 상기 픽셀전극 일측의 전면을 커버하는 카운터층을 포함하여 상기 제1기판에 합착되는 제2기판과, 상기 제1기판과 상기 제2기판 사이에 배치되는 전해질층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 실시예들에서, 상기 광학장치는 상기 제1전극 및 제2전극 사이에 전기변색을 위한 전위차를 형성하도록 투과도 조절신호를 인가하기 위한 구동부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 외부광을 투과시키는 광학렌즈부와, 상기 광학렌즈부 일측에 배치되며, 전기변색 재료층을 포함하며, 매트릭스 형태로 배열되는 다수의 픽셀과, 상기 픽셀 양측에서 전원을 공급하는 제1전극 및 제2전극을 포함하는 전극부와, 상기 복수의 픽셀 중 특정 픽셀의 광투과도를 조절하기 위하여 상기 제1전극 및 제2전극으로 전원을 선택적으로 공급하기 위한 스위칭부를 포함하는 전기변색 광학장치와, 상기 광학렌즈부를 통하여 시인되는 현실 이미지와 합성되는 가상 이미지를 생성하기 위한 출력이미지를 생성하여 출력하는 가상 이미지 출력부, 및 상기 가상 이미지가 상기 현실 이미지와 합성되는 제1영역에 해당되는 픽셀의 광투과도를 가변시키는 투과도 조절부를 포함하는 표시장치를 제공할 수 있다.
이 때, 상기 투과도 조절부는 상기 출력 이미지로부터 제1가상 이미지를 생성하고, 상기 제1가상 이미지로부터 망막 투영 이미지를 생성하며, 상기 망막 투영 이미지로부터 상기 가상 이미지에 대응되는 쉐도우 이미지를 생성하며, 상기 쉐도우 이미지에 대응되는 영역을 상기 제1영역으로 설정하고, 상기 제1영역의 픽셀 광투과도를 가변시킬 수 있다.
또한, 투과도 조절부는 상기 제1영역의 픽셀 광투과도를 상기 가상 이미지의 출력 강도에 비례하도록 가변시킬 수 있다.
또한, 상기 표시장치는 주변 밝기 감지 센서를 더 포함하며, 상기 투과도 조절부는 상기 제1영역의 픽셀 광투과도를 상기 주변밝기 감지센서에 의하여 감지된 주변 밝기에 반비례하도록 가변시킬 수 있다.
이하 설명할 바와 같은 본 발명의 실시예에 의하면, 증강 현실용 가상 이미지의 시인성을 향상시킬 수 있는 광학장치 및 그를 포함하는 표시장치를 제공할 수 있다.
더 구체적으로는, 전기변색 재료층을 포함하는 전기변색 픽셀과, 전기변색 픽셀로의 전원 공급을 위한 전극부 및 각 픽셀로의 전원 공급을 선택적으로 스위칭하기 위한 스위칭부를 포함하는 광학장치를 제공함으로써, 증강 현실용 가상 이미지가 표시되는 특정 영역의 광투과도를 선택적으로 조절할 수 있다.
또한, 외부광이 투과되는 광학렌즈부와, 전기변색 픽셀을 포함하는 광학장치를 포함하는 표시장치를 제공하며, 상기 광학렌즈부를 통하여 시인되는 현실 이미지와 합성되는 가상 이미지의 투영 위치의 전기변색 픽셀의 광투과도를 가변시킴으로써, 증강 현실용 가상 이미지의 시인성을 향상시킬 수 있는 표시장치를 제공할 수 있다.
도 1은 일반적인 증강현실 표시장치에서 가상 이미지가 표시되는 형태를 도시한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 광학장치의 평면도 및 단면도를 도시한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 광학장치의 평면도 및 단면도를 도시한다.
도 6 및 도 7은 본 실시예에 의한 광학장치 및 그를 포함하는 표시장치에서, 증강 현실용 가상 이미지가 표시되는 원리와, 광투과도가 조절되는 광학장치의 제1영역을 결정하는 원리를 도시한다.
도 8 및 도 9는 본 실시예에 의한 광학장치에서 광투과도가 조절되는 제1영역을 결정하는 흐름을 도시한다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 의한 광학장치의 구성도를 도시한다.
도 11은 본 실시예에 의한 광학장치가 차량의 헤드업 디스플레이 적용되는 예를 도시한다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "개재"되거나, 각 구성 요소가 다른 구성 요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 일반적인 증강현실 표시장치에서 가상 이미지가 표시되는 형태를 도시한다.
도 1과 같이, 일반적인 증강 현실 표시장치(10)는 안경형태로서 사용자의 눈앞에 착용하여 표시장치의 광학렌즈부를 통해서 투시되는 외부의 현실 이미지에 가상 이미지를 중첩시켜 표시하는 것이 보통이다.
즉, 도 1의 하부 도면에서 실선으로 표시한 이미지가 외부 실제 물체가 투과되어 시인되는 현실 이미지(22)이며, 점선으로 표시한 이미지가 별도의 가상 이미지 생성 장치에 의하여 발생되어 표시되는 증강 현실용 가상 이미지(21)이다.
통상적으로, 가상 이미지(21)는 증강현실 표시장치에 구비된 가상 이미지 생성장치에 의하여 생성되고 표시장치의 일정 영역으로 투사(Project)되며, 표시장치에서 반사되어 사용자의 눈에 인식되게 된다.
이 때, 가상 이미지가 표시되는 영역에는 가상 이미지 이외에 외부로부터 투사되어 표시되는 현실 이미지가 중첩되며, 따라서 가상 이미지의 시인이 어려울 수 있다.
이러한 현상은 가상 이미지가 표시되는 영역에 중첩되는 현실 이미지의 밝기가 밝은 경우에 더 심하게 되며, 결과적으로 증강 현실용 가상 이미지의 시인성이 떨어져서 충분한 증강 현실 효과를 제공할 수 없게 된다.
즉, 도 1의 하부 도면과 같이, 증강 현실 표시장치의 일정 영역에 가상이미지(21)로서 가상 비행체 영상을 표시하려고 하는 경우, 그와 동일한 위치에 중첩되는 현실 이미지(22)로서 건물, 태양 등이 시인됨으로써, 가상 이미지가 흐리게 보이거나 잘 시인되지 않는 문제가 발생되는 것이다.
이를 해결하기 위해서, 가상 이미지의 강도를 크게 할 수 있지만, 이런 경우 표시장치의 전력소비가 커질 뿐 아니라, 사용자에게 너무 밝은 가상 이미지가 제공됨으로써 눈의 피로 등을 야기할 수 있다.
한편, 일정 이상의 전기장이 인가되면 광투과 특성 또는 색상이 변화되는 재료를 전기변색 물질(Electrochromic Material)이라 부르며, 이러한 전기변색 물질을 이용한 표시장치인 일렉트로크로믹 디스플레이(Electrochromic Display; ECD) 또는 안경 등과 같은 웨어러블 광학기구 등이 개발되고 있다.
예를 들면, 전기변색 조성물을 포함하는 투명층을 안경 등의 안면에 배치하고, 강한 자외선이 있는 경우 등에서 전기장을 인가하여 안경의 광투과도를 조절하는 것이 그 일예이다.
본 발명의 각 실시예는 이러한 점에서 착안한 것으로서, 증강현실 표시장치에 전기변색 재료를 가지면서 픽셀 단위의 제어가 가능한 광학장치를 배치하고, 증강현실용 가상 이미지가 표시되는 영역의 광투과도를 조절함으로써, 가상 이미지의 시인특성을 향상시키고자 한다.
구체적으로, 본 실시예에 의한 광학장치는 전기변색 재료층을 포함하며, 매트릭스 형태로 배열되는 다수의 픽셀과, 상기 픽셀 양측에서 전원을 공급하는 제1전극 및 제2전극을 포함하는 전극부와, 상기 복수의 픽셀 중 가상 이미지가 표시되는 위치에 대응되는 특정 픽셀의 광투과도를 조절하기 위하여 상기 제1전극 및 제2전극으로 전원을 선택적으로 공급하기 위한 스위칭부를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 의한 증강 현실 표시장치는 외부광을 투과시키는 광학렌즈부와, 광학렌즈부의 전면에 배치되는 전술한 구조의 전기변색 광학장치와, 광학렌즈부를 통하여 시인되는 현실 이미지와 합성되는 가상 이미지를 생성하기 위한 출력이미지를 생성하여 출력하는 가상 이미지 출력부와, 상기 가상 이미지가 상기 현실 이미지와 합성되는 제1영역에 해당되는 픽셀의 광투과도를 가변시키는 투과도 조절부를 포함하여 구성될 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 의한 광학장치 및 그를 포함하는 표시장치의 여러 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 광학장치의 평면도 및 단면도를 도시하며, 도 3은 도 2의 I-I' 라인을 따르는 단면도이다.
본 발명의 일실시예에 의한 광학장치는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 전기변색 재료층(Electrochromic Layer; EC)을 포함하며, 매트릭스 형태로 배열되는 다수의 픽셀(P)과, 픽셀 양측에서 전원을 공급하는 제1전극 및 제2전극을 포함하는 전극부, 복수의 픽셀 중 AR을 위한 가상 이미지가 표시되는 영역에 대응되는 특정 픽셀의 광투과도를 조절하기 위하여 상기 제1전극 및 제2전극으로 전원을 선택적으로 공급하기 위한 스위칭부를 포함할 수 있다.
도 2 및 도 3의 실시예는 전기변색 재료층을 포함하는 픽셀 형태의 어레이 기판을 제공하되, 스위칭부를 FET 구조의 박막 트랜지스터 형태로 구성하여 픽셀 단위의 광투과도 제어를 하는 액티브 셔터(Active Shutter) 방식으로 정의할 수 있다.
즉, 도 2 및 도 3의 실시예에 의한 광학장치에서의 스위칭부는 각 픽셀(P)에 대응되고, 게이트 전극(233), 소스 전극(235), 드레인 전극(236) 및 소스-드레인전극 사이에 배치되는 활성화층(234)을 포함하는 박막 트랜지스터(230)를 포함하며, 전극부의 제1전극은 박막 트랜지스터의 드레인 전극(236)에 전기적으로 연결되는 픽셀전극(250)이고, 제2전극은 픽셀전극에 대향하여 광학장치 전면에 배치되는 공통전극(320)으로 구성될 수 있다.
구체적으로, 도 2 및 도 3의 실시예에 의한 광학장치는 스위칭부로서의 박막 트랜지스터(230)와 전기변색 재료층(260) 및 제1전극(픽셀전극; 250)을 포함하는 제1기판(200)과, 제2전극으로서의 공통전극(320)을 포함하는 제2기판(300)이 합착된 형태의 패널 구조 또는 필름 구조를 가진다.
즉, 전기변색 광학장치는 전기변색 재료층(EC Layer; 260)과, 박막트랜지스터(230)와 픽셀전극(250)이 패터닝된 제1기판(200)과, 공통전극(320)이 기판 전면에 패터닝된 제2기판(300)을 포함한다.
이 때, 제2기판의 공통전극(320) 전면을 커버하는 카운터층(330)을 더 포함할 수 있고, 제1기판(200)과 제2기판(300) 사이에는 기판 합착 및 정전용량 형성을 위한 전해질층(400)이 배치될 수 있다.
또한, 스위칭부는 박막트랜지스터의 게이트전극(233)에 스캔신호를 인가하기 위한 스캔라인 또는 게이트라인(215)과, 박막 트랜지스터의 소스전극(235)에 데이터 신호를 인가하기 위하여 소스전극에 전기적으로 연결되는 데이터라인(315)을 더 포함할 수 있다.
게이트라인(스캔라인)은 일정한 간격을 가지면서 광학장치의 제1방향(스캔방향)으로 연장되도록 형성되고, 데이터라인은 일정한 간격을 가지면서 제1방향에 수직한 제2방향으로 연장되며, 스캔라인과 데이터라인의 교차영역이 픽셀영역이 된다.
아래에서는, 도 2 및 도 3의 실시예에 의한 광학장치를 구성하는 제1/2기판의 세부 구조와 그 제조방법에 대하여 설명한다.
하판 전극 기판인 제1기판(200)은 a-Si TFT 기판(210)을 사용할 수 있으며, 산화물 및 저온다결정 실리콘(LTPS) 기판이 이용될 수 있으며, 두께는 1T, 3T 구성 모두 적용이 가능하다.
일반적으로 1T 구조를 기반으로 구성하면, 기판(210) 상에 게이트라인, 게이트전극(233), 게이트절연층(Gate insulator; 220), 활성영역으로서의 활성화층(234)와, 소스전극(235) 및 드레인전극(236)를 각각 패터닝하여 적층 형성한 후 유기보호층(PAC) 또는 무기보호층(PAS) 등의 보호층(240)으로 평탄화를 한다.
이후 드레인전극(236)을 노출시키기 위한 컨택홀을 형성한 후, 투명 도전성 재료로 픽셀전극(250)을 픽셀크기로 패터닝한다.
다음으로, 습식 코팅 공정(스핀 코팅 및 슬롯 다이 코팅)을 통해 픽셀의 전기변색 재료층이 형성되는 코어층(두께 <6um)를 형성한 후 포토레지스터(PR) 공정을 통해 코어층을 패너닝한다.
이 때, 각 픽셀(P)의 크기(pixel size)는 약 250*250㎛, 픽셀간 거리(pixel distance)는 약 10~13㎛으로 형성할 수 있으나 그에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 제1기판(200)을 전기변색물질 분산액(1% alcohol)에 디핑(dipping)하여 코어층상부에 전기변색을 흡착하여 코어-셀(core-shell) 구조의 전기변색 재료층(260)을 형성한다.
상판인 제2기판(300)은 상부기판(310)과, 그 상부기판의 전면에 증착되는 투명전극으로서의 공통전극(320)을 포함하며, 공통전극(320) 전면에 카운터물질로 구성된 카운터층(330)을 습식 코팅(스핀 코팅 or 슬롯 다이 코팅 스프레이 코팅)으로 증착함으로써, 제2기판을 제작한다.
이후, 제1기판(200)에 전해질층(400)을 습식 코팅한후 기판 외곽부는 실런트를 디스펜싱하고, 제1기판 및 제2기판을 합착한다.
기판 합착 주 겔(Gel) 형태의 전해질층(400) 및 실런트을 UV 경화하여 고상화함으로써, 누액 등을 방지하면서 기판 합착이 완료된다.
또한, 본 실시예에 의한 광학장치(100)의 제1기판(200)의 하부에는 증강현실용 표시장치의 광학렌즈부(500)에 접착하기 위한 투명 접착층인 OCA층(300)을 더 배치할 수 있다.
이 때, 스위칭부를 구성하는 게이트 라인 또는 게이트 전극의 게이트 금속층 또는 소스/드레인 전극의 금속층은 저저항 특성을 가지는 금속재료로서 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(AlNd), 구리(Cu), 구리합금, 몰리브덴(Mo) 및 몰리브덴 합금(MoTi) 중 하나 또는 둘 이상의 물질일 수 있다.
게이트 절연막(GI; 220) 및 무기보호층(PAS)은 산화실리콘(SiO2) 또는 질화실리콘(SiNx) 등과 같은 무기절연물질로 이루어질 수 있으나 그에 한정되는 것은 아니며, 전기적으로 절연된 기타 다른 재료로 형성될 수도 있을 것이다.
박막 트랜지스터(TFT)의 활성영역을 구성하는 활성화층(234)의 재료로서 비정질 실리콘(a-Si)나, 징크 옥사이드(ZnO) 계열의 산화물 예를들면 IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ZTO(Zinc Tin Oxide), ZIO(Zinc Indium Oxide) 등과 같은 산화물 반도체로 형성될 수 있으나 그에 한정되는 것은 아니다.
평탄화 및 보호를 위한 보호층(240)으로서의 유기 보호층(PAC)은 포토-아크릴(Photo-Acryl), 아크릴레이트(Acrylate), 폴리아미드(Pilyamide), 벤조사이클로부텐(BCB) 등과 같은 재료로 형성될 수 있으나 그에 한정되는 것은 아니다.
또한, 제1전극 및 제2전극에 해당되는 픽셀전극(250) 및 공통전극(320)은 모두 일함수 값이 비교적 큰 투명 도전성 물질, 예를 들면 인듐-틴-옥사이드(ITO) 또는 인듐-징크-옥사이드(IZO)과 같은 금속 산화물, ZnO:Al 또는 SnO2:Sb와 같은 금속과 산화물의 조합으로 이루어질 수 있다.
전기변색 재료층(260)을 구성하는 재료로는 Vio2+/TiO2(viologen modified high-surface area TiO2 electrodes), 산화 텅스텐(WO3) 등이 이용될 수 있으나, 그에 한정되는 것은 아니며 제1전극 및 제2전극 사이의 전위차 또는 그로 인한 전류에 의하여 광투과도 또는 색상 등이 변경되는 물질이면 여타의 다른 물질이 사용될 수도 있을 것이다.
또한, 제2기판(300)의 공통전극 전면에 배치되는 카운터층(33)을 구성하는 카운터재료로는 SnO2 등이 이용될 수 있으며, 이러한 카운터층(330)은 양 기판 사이의 착색 효율(colorant efficiency)을 향상시키는 기능을 한다.
또한, 양 기판 사이에 배치되는 전해질층(400)을 구성하는 재료로는 Methoxy poly(ethylene glycol) 1000 monomethacrylate (MPEGM), poly(ethylene glycol) dimethylether(PEGDMe), Triallyl-1,3,5-triazine-2,4,6- (1H,3H,5H)-trione (TATT), Irgacure 784 등으로 로 구성된 광경화 고분자 재료를 사용하였으며, 겔 폴리머 매트릭스(Gel polymer matrix)를 사용했으며, 염은 Lithium trifluoromethanesulfate (LiCF3SO3)를 사용하여 열 안전성 및 구동 안정성을 확보하였다.
물론, 이상의 광학장치를 구성하는 각 구성요소의 재료는 위와 같은 기재에 한정되는 것은 아니며, 각 구성요소의 고유한 기능을 달성할 수 있는 한 다른 재료가 사용될 수 있을 것이다.
이상과 같은 도 2 및 도 3의 광학장치를 도 2에서와 같이 증강현실 표시장치를 구성하는 광학렌즈부(500)의 전면에 배치되어 사용되며, 가상 이미지가 표시되는 2차 디스플레이로 기능할 수 있다.
또한, 아래에서 설명할 바와 같이, 구동부 및 스위칭부에 의하여 각 픽셀단위로 전기변색 재료층 양단에 인가되는 전위차를 제어하여, 각 픽셀단위의 광투과도를 가변시킬 수 있다.
따라서, 증강현실용 가상 이미지가 표시되는 제1영역에 있는 픽셀의 광투과도를 동적으로 가변 제어함으로써, 증강현실용 가상 이미지의 시인성을 향상시킬 수 있다.
예를 들면, 증강현실용 가상 이미지가 표시되는 기간 동안, 증강현실용 가상 이미지가 표시되는 제1영역에 있는 픽셀의 광투과도를 일정 정도 저하시키는 광차단을 하면, 제1영역을 통해서 투과되는 외부의 현실 이미지를 어느 정도 차단할 수 있고 그에 따라 증강현실용 가상 이미지의 시인성을 향상시킬 수 있다.
도시하지는 않았지만, 이러한 픽셀단위의 광투과도 조절을 위하여, 본 실시에에 의한 광학장치는 제1전극인 픽셀전극(250) 및 제2전극인 공통전극(320)에 투과도 조절신호를 인가하기 위한 구동부를 더 포함할 수 있다.
한편, 이러한 구동부는 후술되는 표시장치의 투과도 조절부의 일부로 구현될 수도 있으며, 별도의 제어장치로 구성될 수도 있을 것이다.
이 때, 투과도 조절신호는 후술할 바와 같이, 공통전극에 인가되는 공통전압(Vs), 게이트라인 및 게이트전극에 인가되는 스캔신호인 게이트전압(Vg), 데이터라인을 통하여 소스전극 및 ON된 픽셀의 드레인전극 및 픽셀전극으로 인가되는 데이터 전압(Vdata)일 수 있다.
구체적으로, 구동부는 스위칭부인 박막 트랜지스터의 게이트전극(233)에 스캔신호를 인가하기 위한 스캔 구동부와, 박막 트랜지스터의 소스전극에 데이터 신호를 제공하기 위한 데이터 구동부를 포함할 수 있으며, 이러한 스캔 구동부와 데이터 구동부는 단일의 구동부로 구현될 수 있다.
더 구체적으로, 구동부는 1회의 수평주기(H) 또는 스캔주기 동안 게이트라인(GL)을 통하여 k번째 게이트 라인에 연결된 픽셀 전극의 게이트건극에 게이트 구동전압(Vg)을 인가하여 박막 트랜지스터를 ON 시킨다.
그 상태에서 구동부는 데이터라인을 통하여 각 픽셀의 소스전극으로 원하는 크기의 데이터 전압(Vdata)을 인가한다.
그에 따라, 해당되는 게이트라인에 연결된 각 픽셀의 드레인전극 및 픽셀전극(250)에는 데이터 전압(Vdata)이 인가되고, 그에 대향된 공통전극(320)에는 공통전압(Vs)가 인가되며, 데이터전압과 공통전압 사이의 전위차에 의하여 그 사이에 배치되는 전기변색 재료층(260)의 광투과 특성이 조절될 수 있다.
아래의 표 1 및 표 2은 도 2 및 도 3의 실시예의 광학장치에서, 제2전극인 공통전극에는 공통전압(Vs)을 인가하고, 게이트라인을 통하여 특정한 게이트라인에 연결된 픽셀들의 박막 트랜지스터를 ON 시킬 수 있는 스캔신호인 게이트전압(Vg)을 인가하며, 데이터라인을 통하여 소스전극 및 ON된 픽셀의 드레인전극 및 픽셀전극으로 데이터 전압(Vdata)를 인가하는 경우, 전기변색 재료층의 광투과도 변경 상태를 예시하는 표이다.
[표 1] 광투과도 제어 구동신호
Figure pat00001
[표 2] 광투과도 가변상태
Figure pat00002
표 1의 맨아래 칼럼과 같이, 공통전극(Vs)에 5V의 공통전압을 인가한 상태에서, 스캔신호인 Vg를 +15V 인가하여 박막트랜지스터를 ON 시킨 상태에서, 데이터전압(Vdata)으로 8V를 인가하면 픽셀전극에는 8V가 인가되며, 결과적으로 전기변색 재료층 사이의 제1전극(픽셀전극) 및 제2전극(공통전극) 사이의 전위차는 +3V가 된다.
이러한 상태에서는 전기변색 재료층에서는 제1전극에서 제2전극 방향으로 흐르는 전류의 양은 13μA가 되며, 이 때 표 2와 같이 해당되는 픽셀의 투과부, 즉 박막트랜지스터와 구동라인과 같은 비투과부를 제외한 투과부의 광투과도가 약 75.1%인 투명모드로 동작한다. 이 때, 해당 픽셀 전체 또는 광학장치 전체의 광투과도는 약61.2% 가 된다.
반면, 표 1의 맨위 칼럼과 같이, 공통전극(Vs)에 5V의 공통전압을 인가한 상태에서, 스캔신호인 Vg를 +15V 인가하여 박막트랜지스터를 ON 시킨 상태에서, 데이터전압(Vdata)으로 0V를 인가하면 픽셀전극에는 0V가 인가되며, 결과적으로 전기변색 재료층 사이의 제1전극(픽셀전극) 및 제2전극(공통전극) 사이의 전위차는 -5V가 된다.
이러한 상태에서는 전기변색 재료층을 통해 흐르는 전류의 양은 제2전극에서 제1전극 방향으로 21μA가 되며, 이 때 표 2와 같이 해당되는 픽셀의 투과부, 즉 박막트랜지스터와 구동라인과 같은 비투과부를 제외한 투과부의 광투과도가 약 1.3%인 차광모드로 동작한다. 이 때, 해당 픽셀 전체 또는 광학장치 전체의 광투과도는 약1.7% 가 된다.
한편, 게이트전압(Vg)을 -10V인 OFF 상태가 되면, 박막 트랜지스터가 OFF 상태가 되며, 이 상태에서는 전기변색 재료층 양단의 전위차가 그대로 유지되기 때문에 전류 흐름이 억제되어 이전 상태의 광투과도를 유지하는 플로팅 모드(Floating mode)로 동작한다.
즉, 1회 수평주기(H) 또는 스캔주기 동안 ON된 픽셀은 1회 구동주기(즉 1 프레임)의 구동이 수행되어 다음 ON 될 때까지는 플로팅 모드로 동작하며, 이러한 플로팅 모드에서는 ON 상태의 광투과도 상태를 그대로 유지하게 된다.
이와 같이, 본 실시예에 의한 광학장치에서는, 플로팅 모드를 이용함으로써, 박막트랜지스터의 전류 흐름을 억제하여 픽셀 내 전압을 유지함으로써, 쌍안정 특성(bi-stability)을 이용하여 픽셀의 광투과도 제어 상태를 지속적으로 유지할 수 있게 한다.
한편, 도 2에서와 같이, 본 실시예에 의한 광학장치는 증강현실용 표시장치를 구성하는 렌즈부인 광학렌즈부(500)의 전면에 배치되어 사용될 수 있다.
본 실시예에 의한 광학장치가 적용된 증강현실용 표시장치는 외부광을 투과시키는 광학렌즈부(500)와, 전술한 구성의 전기변색 광학장치(100) 이외에, 광학렌즈부를 통하여 시인되는 현실 이미지와 합성되는 가상 이미지를 생성하기 위한 출력이미지를 생성하여 출력하는 가상 이미지 출력부와, 가상 이미지가 상기 현실 이미지와 합성되는 제1영역에 해당되는 픽셀의 광투과도를 가변시키는 투과도 조절부를 포함할 수 있다.
이 때, 투과도 조절부는 가상 이미지 출력부로부터 출력된 출력 이미지로부터 제1가상 이미지를 생성하고, 제1가상 이미지로부터 망막 투영 이미지를 생성하며, 망막 투영 이미지로부터 상기 가상 이미지에 대응되는 쉐도우 이미지를 생성하며, 쉐도우 이미지에 대응되는 영역을 상기 제1영역으로 설정하고, 상기 제1영역의 픽셀 광투과도를 가변시키는 제어를 수행할 수 있으며, 이에 대해서는 도 8 및 도 9를 기초로 아래에서 더 상세하게 설명한다.
또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 증강현실용 표시장치는 주위 밝기 감지센서(810) 및 가상이미지 강도 산출부(820)를 더 포함할 수 있다.
이러한 구성을 이용하여, 투과도 조절부는 제1영역에 표시되는 가상 이미지의 출력 강도, 즉 밝기 등을 산출하고, 제1영역의 픽셀 광투과도를 상기 가상 이미지의 출력 강도에 비례하도록 가변시킬 수 있다.
이로써, 제1영역에 표시되는 가상 이미지가 밝은 경우에는 광차단을 적게 하고, 가상 이미지가 상대적으로 어두운 경우에는 광차단을 크게 함으로써, 가상 이미지의 시인성을 좋게 하면서도 눈의 피로를 최소화할 수 있다.
또한, 투과도 조절부는 제1영역의 픽셀 광투과도를 주변밝기 감지센서(810)에 의하여 감지된 주변 밝기에 반비례하도록 가변시킬 수 있다.
예를 들면, 주변 밝기가 밝은 경우에는 광투과도를 낮게(즉, 광차단 효과를 크게) 하고, 주변이 어두운 경우에는 광투과도를 높게(즉, 광차단 효과를 작게) 함으로써, 현실 이미지와의 중첩효과를 저해하지 않으면서도 가상 이미지의 시인성을 향상시킬 수 있다.
이러한 기능을 위하여, 픽셀전극(250)에 인가되는 데이터전압(Vdata)은 3개 이상의 레벨로 구분되는 이산 전압값을 가질 수 있으며, 이러한 이산전압값을 픽셀에 인가함으로써, 픽셀의 광투과도를 여러 레벨(N 레벨)로 가변시킬 수 있을 것이다.
예를 들면, 위의 설명에서 데이터 전압을 0V(차광모드) 및 8V(투명모드)의 2레벨로만 구분하였으나, 데이터전압을 0~8V 사이에 배치되는 2, 4, 6의 이산 전압값으로 구분하여 인가함으로써, 총 5레벨의 광투과도 조절이 가능할 것이다.
실제 본 발명의 실험에서는, 데이터 전압을 총 15레벨의 이산 전압값으로 구분함으로써, 총 15개의 광투과도 제어 단계를 포함할 수 있음을 확인하였다.
이상과 같이, 도 2 및 도 3의 실시예에 의한 광학장치와 그를 포함하는 증강현실용 표시장치에 의하면, 증강현실용 가상 이미지가 표시되는 제1영역의 픽셀의 광투과도를 동적으로 조절함으로써, 증강현실용 가상 이미지의 시인성을 좋게 할 수 있다.
한편, 이상의 설명에서는 본 실시예에 의한 광학장치를 구성함에 있어서, 박막 트랜지스터를 이용한 액티브 구동 구조를 예시하였으나, 반드시 그러한 구성에 한정되는 것은 아니며, 격자형태로 배치되는 스캔라인 및 데이터라인과 제1/2픽셀전극을 이용한 패시브 구동 구조로 구현될 수도 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 광학장치의 평면도 및 단면도를 도시하며, 도 5는 도 4의 II-II' 라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 4 및 도 5는 패시브 셔터 구조의 광학장치에 해당되는 것으로서, 전기변색 재료층을 포함하며, 매트릭스 형태로 배열되는 다수의 픽셀(P)과, 픽셀 양측에서 전원을 공급하는 제1전극 및 제2전극을 포함하는 전극부와, 복수의 픽셀 중 특정 픽셀의 광투과도를 조절하기 위하여 제1전극 및 제2전극으로 전원을 선택적으로 공급하기 위한 스위칭부를 포함하는 광학장치의 기본 구성을 포함한다.
다만, 이때의 스위칭부는 픽셀에 스캔신호 및 데이터신호를 인가하기 위한 스캔라인(1215, SL)과 데이터라인(1315, DL)을 포함하며, 제1전극은 스캔라인과 전기적으로 연결되고 각각의 픽셀 영역을 커버하는 제1픽셀전극(1250)이고, 제2전극은 데이터라인과 전기적으로 연결되고 상기 제1픽셀전극(1250)과 대향하여 각각의 픽셀영역을 커버하는 제2픽셀전극(1320)을 포함한다.
이 때, 전기변색 재료층(1260)은 제1픽셀전극(1250) 및 제2픽셀전극 사이(1320)에 배치된다.
구체적으로, 도 4 및 도 5에 의한 패시브 셔터 구조의 광학장치는, 전기변색 재료층(1260)과, 스캔라인(1215; SL) 및 제1픽셀전극(1250)을 포함하는 제1기판(1200)과, 데이터라인(1315; DL)과 제2픽셀전극(1320)를 포함하는 제2기판(1300)이 합착되어 형성될 수 있다.
이 때, 제2기판(1300)의 제2픽셀전극(1320) 일측의 전면을 커버하는 카운터층(1330)을 더 포함할 수 있으며, 제1기판(1200)과 제2기판(1300) 사이에 배치되는 전해질층을 더 포함할 수 있다.
또한, 도시하지는 않았지만, 도 4 및 도 5에 의한 광학장치 역시 제1전극(제1픽셀전극; 1250) 및 제2전극(제2픽셀전극; 1320) 사이에 전기변색을 위한 전위차를 형성하도록 투과도 조절신호를 인가하기 위한 구동부를 더 포함할 수 있다.
이때, 투과도 조절신호는 제1픽셀전극 및 제2픽셀전극에 각각 인가되는 제1구동전압 및 제2구동전압일 수 있다.
아래에서는 도 4 및 도 5의 실시예에 의한 패시브 셔터 방식의 광학장치를 구성하는 제1/2기판의 세부 구조와 그 제조방법에 대하여 설명한다.
우선, 제1기판(하부기판)의 제작을 위하여 하부기판(1210) 상에 일정한 간격을 가지면서 제1방향(스캔방향)으로 연장되는 일정한 선폭의 스캔라인(1215; SL)을 패터닝한다.
마찬가지로, 제2기판(상부기판)의 제작을 위해서 상부기판(1310) 상에 일정한 간격을 가지면서 제1방향에 수직한 제2방향으로 연장되는 일정한 선폭의 데이터라인(1315; DL)을 패터닝한다.
이 때, 스캔라인 및 데이터라인은 각각 스캔전극 또는 데이터전극으로 표현될 수도 있다.
스캔라인 및 데이터라인의 재료로는 일반적인 금속 전극 재료인 Cu, Ni, Cr, Au, Ag 등을 이용할 수 있으며, 기판상으로의 스퍼터링 공정 및 포토리소그래피 공정에 의하여, 선폭 3~5um, 높이 500~10000Å로 패터닝할 수 있다.
다음으로, 투명 도전성 재료인 ITO, IZO, MgAg, IGZO 등을 이용하여 픽셀 크기의 제1픽셀전극(1250) 및 제2픽셀전극(1320)을 각각 제1기판 및 제2기판에 패터닝하며, 제1픽셀전극(1250) 및 제2픽셀전극(1320)의 일측은 각각 스캔라인 및 데이터라인에 전기적으로 연결된다.
이 때, 제1픽셀전극(1250) 및 제2픽셀전극(1320)의 크기는 각각 약500㎛ x 500㎛ 이하일 수 있으나 그에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 스캔라인 및 데이터라인은 버스 전극으로서 픽셀전극의 재료인 투명 전극 재료보다는 전기전도도가 높은 재료를 사용하여 IR 저하(drop)를 최소화할 수 있다.
각 픽셀전극와 인접한 픽셀전극 사이에는 절연 배리어로서 뱅크(1270, 1370)이 배치될 수 있다.
다음으로, 제2픽셀전극(1320)의 일측 전면에 카운터물질로 구성된 카운터층(1330)을 습식 코팅(스핀 코팅 or 슬롯 다이 코팅 스프레이 코팅)으로 증착함으로써, 제2기판(1300) 제작을 완료한다.
이후, 제1기판(1200)에 전해질층(400)을 습식 코팅한후 기판 외곽부는 실런트를 디스펜싱하고, 제1기판(1200) 및 제2기판(1300)을 합착한다.
기판 합착 주 겔(Gel) 형태의 전해질층(400) 및 실런트을 UV 경화하여 고상화함으로써, 누액 등을 방지하면서 기판 합착이 완료된다.
한편, 전기변색 재료층(260)을 구성하는 재료와 물성, 제2기판(1300)에 포함되는 카운터층(1330)을 구성하는 카운터 재료와 물성, 및 양 기판 사이에 배치되는 전해질층(400)을 구성하는 재료 및 물성은 도 2 및 도 3의 실시예와 동일할 수 있다.
도 4 및 도 5와 같은 패시브 셔터 방식의 광학장치에서, 구동부는 일정한 스캔 주기 동안 k번째 스캔라인에 스캔신호인 제1구동전압(V1)을 인가하고, 그 상태에서 각 데이터라인에는 가변 크기의 데이터전압인 제2구동전압(V2)을 인가함으로써, 특정 픽셀의 광투과도를 가변시킨다.
제2픽셀전극(1320)에는 제2구동전압(V2)이 인가되고, 그에 대향된 제1픽셀전극(1250)에는 제1구동전압(V1)가 인가되며, 제1/2구동전압 사이의 전위차에 의하여 그 사이에 배치되는 전기변색 재료층(1260)의 광투과 특성이 조절될 수 있다.
[표 3] 도 4/5 실시예의 광투과도 제어 구동신호
Figure pat00003
예를 들면, 표 3과 같이, 하부기판의 전극인 제1픽셀전극(1250)에 인가되는 제1구동전압(V1)가 3V인 상태에서, 상부기판의 제2픽셀전극(1320)에 제2구동전압(V1)으로 8V를 인가하면, 전기변색 재료층 사이의 제1픽셀전극(1250) 및 제2픽셀전극(1320) 사이의 전위차는 -5V가 된다.
이러한 상태에서는 전기변색 재료층을 통해 흐르는 전류의 양은 제2픽셀전극(1320)에서 제1픽셀전극(1250) 방향으로 21μA가 되며, 해당 픽셀은 차광모드로 동작한다.
한편, 하부기판의 전극인 제1픽셀전극(1250)에 인가되는 제1구동전압(V1)가 3V인 상태에서, 상부기판의 제2픽셀전극(1320)에 제2구동전압(V1)으로 0V를 인가하면, 전기변색 재료층 사이의 제1픽셀전극(1250) 및 제2픽셀전극(1320) 사이의 전위차는 +3V가 된다.
이러한 상태에서는 전기변색 재료층에서는 제1픽셀전극에서 제2픽셀전극 방향으로 흐르는 전류의 양은 13μA가 되며, 해당 픽셀은 투명모드로 동작한다.
한편, 제1구동전압(V1)이 인가되는 스캔라인 이외의 스캔라인은 전기적으로 플로팅된다.
즉, k번째 수평주기 또는 스캐닝 주기 동안 k번째 스캔라인에 제1구동전압(V1)이 인가되고, 나머지 스캔라인은 전기적으로 플로팅되며, 다음 수평주기 동안에는 k+1번째 스캔라인에 제1구동전압(V1)이 인가되고, 나머지 스캔라인은 전기적으로 플로팅 되는 방식으로 구동될 수 있다.
물론, 각 스캐닝 주기동안에는, 각 데이터라인으로 원하는 크기의 데이터 전압, 즉 제2구동전압(V2)를 인가함으로써, 특정한 픽셀의 광투과도를 픽셀 단위로 조절할 수 있다.
이상과 같이, 도 4 및 도 5와 같은 패시브 셔터 방식의 광학장치는, 도 2 및 도 3과 같은 액티브 셔터 방식에 비하여 간단한 구조를 가지면서도, 제1픽셀전극(1250) 및 제2픽셀전극(1320)에 인가되는 제1구동전압(V1) 및 제2구동전압(V2)를 조절함으로써, 픽셀 단위의 광투과도 조절이 가능하다.
한편, 도 4 및 도 5의 광학장치 또는 그를 포함하는 증강현실용 표시장치 역시, 광학렌즈부를 통하여 시인되는 현실 이미지와 합성되는 가상 이미지를 생성하기 위한 출력이미지를 생성하여 출력하는 가상 이미지 출력부와, 가상 이미지가 상기 현실 이미지와 합성되는 제1영역에 해당되는 픽셀의 광투과도를 가변시키는 투과도 조절부를 포함할 수 있으며 그 구성은 도 2 및 도 3의 실시예와 동일할 수 있다.
또한, 제1픽셀전극(1250) 및 제2픽셀전극(1320)에 인가되는 제1구동전압(V1) 및 제2구동전압(V2)의 크기를 여러 레벨로 구분함으로써, 픽셀의 광투과도의 가변 레벨을 조절할 수 있음도 동일하다.
또한, 주위 밝기 감지센서(810) 및 가상이미지 강도 산출부(820)를 더 포함하고, 제1영역의 픽셀 광투과도를 상기 가상 이미지의 출력 강도에 비례하도록 가변시키거나, 제1영역의 픽셀 광투과도를 주변밝기 감지센서(810)에 의하여 감지된 주변 밝기에 반비례하도록 가변시킬 수도 있다.
도 6 및 도 7은 본 실시예에 의한 광학장치 및 그를 포함하는 표시장치에서, 증강 현실용 가상 이미지가 표시되는 원리와, 광투과도가 조절되는 광학장치의 제1영역을 결정하는 원리를 도시한다.
또한, 도 8 및 도 9는 본 실시예에 의한 광학장치에서 광투과도가 조절되는 제1영역을 결정하는 흐름을 도시한다.
도 6과 같이, 이상의 실시예에 의한 광학장치(100)를 증강현실용 표시장치의 광학렌즈부(500)의 전면에 배치하여 사용한다.
본 실시예에 의한 광학장치가 적용된 증강현실용 표시장치에서는 광학렌즈부를 통하여 시인되는 현실 이미지와 합성되는 가상 이미지를 생성하기 위한 출력이미지를 생성하여 출력하는 가상 이미지 출력부(600)를 더 포함할 수 있다.
이러한 가상 이미지 출력부(600)는 일종의 프로젝터로서, 증강현실용 가상이미지의 최초 영상인 출력 이미지(710)를 생성하여 표시장치의 일정 영역을 향해 투사한다.
한편, 표시장치는 광학렌즈부(500)을 통하여 투과되어 인식되는 현실 이미지와 합성되는 가상 이미지(740)가 배치되는 제1영역(750)에 해당되는 픽셀의 광투과도를 가변시키는 투과도 조절부를 더 포함한다.
이러한 투과도 조절부는, 가상 이미지 출력부로부터 최초로 투사되는 출력이미지로부터 여러 이미지 처리를 통하여 표시장치, 구체적으로는 2차 디스플레이로 기능하는 본 실시예에 의한 광학장치에 표현되어야 하는 최종 가상 이미지의 강도(Intensity) 및 위치(r)를 결정하는 기능을 수행한다.
이 때, 광학장치에 표현되어야 하는 최종 가상 이미지의 위치(r)를 제1영역으로 정의할 수 있다.
구체적으로, 도 8과 같이, 본 실시예에 의한 투과도 조절부는 제1영역을 결정하기 위하여 아래와 같은 단계를 수행한다.
우선, 가상 이미지 출력부로부터 최초로 투사되는 출력이미지(710; Io(r))로부터 사용자가 원거리에 있는 것으로 인식하게 되는 제1가상 이미지(720; I'o(r))를 생성한다.(S810, S820)
본 명세서에서 이미지 정보 중 I는 이미지의 강도(Intensity)를 나타내고, r 또는 은 이미지의 위치/방향을 나타내는 벡터값을 의미한다.
다음으로, 광학처리 파라미터 σ, σ', σ'-1를 산출한다.(S830)
이러한 광학처리 파라미터 중 σ는 표시장치에서 관찰자의 눈(Eye) 까지의 광경로에 의하여 결정되는 파라미터이고, σ'는 가상 이미지에서 관찰자의 눈(Eye) 까지의 광경로에 의하여 결정되는 파라미터이며, σ'-1는 눈의 망막(Retina)에서 본 실시예에 의한 광학장치의 표면(즉, 2차 디스플레이)까지의 광경로에 의하여 결정되는 파라미터이다.
다음으로, 제1가상 이미지 제1가상 이미지(720; I'o(r))로부터 망막 투영 이미지(730; Ir(r))를 연산한다.(S840)
망막 투영 이미지(730; Ir(r))는 σIo(r) 또는 σ'I'o(r)로 표현될 수 있다.
다음으로, 망막 투영 이미지(730; Ir(r))로부터 최종적으로 표현되는 가상 이미지에 대응되는 쉐도우 이미지(740; Is(r))를 산출한다,(S860)
이 때, 쉐도우 이미지(740; Is(r))는 σ'-1 Ir(r)로 표현될 수 있다.
쉐도우 이미지(740; Is(r))에 대응되는 광학장치의 해당 영역을 제1영역(750)으로 설정하고, 제1영역의 픽셀 광투과도를 가변시키는 제어를 수행한다. (S850)
도 6에서는 이러한 최초 출력 이미지(710; Io(r)), 제1가상이미지(720; I'o(r)), 망막 투영 이미지(730; Ir(r)), 쉐도우 이미지(740; Is(r))의 관계를 도시하며, 도 7은 결과적으로 본 실시예에 의한 광학장치가 적용된 증강현실용 표시장치에 쉐도우 이미지(740)이 표시된 상태를 도시한다.
즉, 위와 같은 투과도 조절부의 기능에 따라서, 최종 표시되는 가상이미지인 쉐도우 이미지(740)가 표시장치에 표시되며, 쉐도우 이미지가 표시되는 일정한 영역인 제1영역(750)에 배치된 광학장치 픽셀의 광투과도를 일정 이하로 낮춤으로써, 증강 현실영 가상 이미지의 시인성을 향상시킬 수 있게 된다.
도 9는 광학장치의 광투과 조절 영역인 제1영역을 결정하는 과정에서 수행될 수 있는 시야방향 추적 기능 및 위치 보정 기능의 흐름을 도시한다.
도 9에서와 같이, 도 8과 같은 제1영역 결정 과정 중에서 사용자 눈(Eye)의 방향을 트래킹하고 그에 따른 제1영역 위치 보정단계를 더 포함할 수 있다.(S850)
구체적으로는, 도 9와 같이, 동공의 방향 또는 시야 방향을 일정한 센서로 감지하여 추적하고(S852), 시야 방향이 양안의 중앙을 향하는지 여부를 판단한다.(S854)
시야 방향이 양안의 중앙을 향하는 경우에는 위치 보정없이 이후의 제1영역 결정 과정인 S860 단계로 진행하고, 만일 시야 방향이 양안 중앙방향이 아닌 경우에는 시야가 향하는 방향인 눈 주축(Eye Principal Axis)을 산출하고(S854), 그를 기초로 위치 정보를 보정하는 과정(S858)을 수행할 수 있다.
한편, 본 실시예에 의한 광학장치가 적용되는 증강현실용 표시장치는 도 1과 같은 안경 형태의 웨어러블 표시장치일 수 있으나 그에 한정되는 것은 아니다.
도 11은 본 실시예에 의한 광학장치가 차량의 헤드업 디스플레이 적용되는 예를 도시한다.
도 11과 같이, 차량의 전면 유리인 윈드실드(900)의 일부 영역에는 차량의 운행에 필요한 각종 정보를 가상 이미지 형태로 표시하는 헤드업 디스플레이가 구비될 수 있다.
도 11에서는 운전자 전방의 헤드업 디스플레이 영역에 속도를 나타내는 속도 가상 이미지(920)와 선회방향을 나타내는 방향 가상 이미지(910)가 표시되는 경우를 예시한다.
이 때, 헤드업 디스플레이를 구성하는 윈드실드의 일부분인 광학렌즈부(940) 전면에 본 실시예에 의한 광학장치(100)가 배치되고, 광학장치가 가상이미지를 표시하는 2차 디스플레이로 기능할 수 있다.
이때, 가상 이미지는 차량 내부에 배치되는 가상 이미지 출력장치(미도시)에서 생성된 최초의 출력 이미지가 윈드실드의 광학렌즈부(940) 또는 본 실시예에 의한 광학장치(100)이 일정 영역에 투사되어 표시되며, 이때 외부의 현실 이미지 역시 중첩되어 시인될 수 있다.
따라서, 이러한 경우, 속도 가상 이미지(920)와 방향 가상 이미지(910)가 투사되는 제1영역(740, 740')의 픽셀 광투과도를 조절하여 가상 이미지의 시인성을 더 향상시킬 수 있다.
이상에서는 본 실시예에 의한 광학장치가 적용되는 증강현실용 표시장치의 예로서 안경 형태의 웨어러블 표시장치나 차량 헤드업 디스플레이를 예시하였으나 그에 한정되지는 않는다.
결론적으로, 본 발명은 증강현실용 가상이미지를 현실 이미지와 함께 표시할 수 있는 모든 형태의 표시장치에 적용될 수 있을 것이다.
이상의 실시예를 이용하면, 전기변색 재료층을 포함하는 픽셀과, 픽셀로의 전원 공급을 위한 전극부 및 각 픽셀로의 전원 공급을 선택적으로 스위칭하기 위한 스위칭부를 포함하는 광학장치를 제공하여, 증강 현실용 가상 이미지가 표시되는 특정 영역의 광투과도를 선택적으로 조절할 수 있다.
결론적으로, 외부광이 투과되는 광학렌즈부를 통하여 시인되는 현실 이미지와 증상현실용 가상 이미지를 중첩시켜 표시할 때, 가상이미지의 투영 위치의 픽셀의 광투과도를 가변시킴으로써, 증강 현실용 가상 이미지의 시인성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이상에서의 설명 및 첨부된 도면은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 나타낸 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 구성의 결합, 분리, 치환 및 변경 등의 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 광학장치
200, 1200 : 제1기판 300, 1300 : 제2기판
230 : 박막 트랜지스터 250 : 픽셀전극
260, 1260 : 전기변색 재료층
320 : 공통전극 1250 : 제1픽셀전극
1320 : 제2픽셀전극 215, 1215: 스캔라인(스캔전극)
315, 1315 : 데이터라인(데이터전극) 300 : OCA층
400 : 전해질층 710 : 출력이미지
720 : 제1가상이미지 730 : 망막 투영 이미지
740 : 쉐도우 이미지 750 : 제1영역

Claims (16)

  1. 전기변색 재료층을 포함하며, 매트릭스 형태로 배열되는 다수의 픽셀;
    상기 픽셀 양측에서 전원을 공급하는 제1전극 및 제2전극을 포함하는 전극부; 및,
    상기 복수의 픽셀 중 가상 이미지가 표시되는 위치에 대응되는 특정 픽셀의 광투과도를 조절하기 위하여 상기 제1전극 및 제2전극으로 전원을 선택적으로 공급하기 위한 스위칭부;
    를 포함하는 전기변색 광학장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭부는 각 픽셀에 대응되고, 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하는 박막 트랜지스터를 포함하며,
    상기 제1전극은 상기 박막 트랜지스터의 상기 드레인 전극에 전기적으로 연결되는 픽셀전극이고, 상기 제2전극은 상기 픽셀전극에 대향하여 광학장치 전면에 배치되는 공통전극인 전기변색 광학장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스위칭부는 상기 박막트랜지스터의 게이트전극에 스캔신호를 인가하기 위한 게이트라인과, 상기 박막 트랜지스터의 소스전극에 데이터 신호를 인가하기 위한 데이터라인을 더 포함하는 전기변색 광학장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 광학장치는 상기 전기변색 재료층과, 상기 박막트랜지스터와 상기 픽셀전극이 패터닝된 제1기판과, 상기 공통전극 및 공통전극 상에 배치되는 카운터층을 포함하고 상기 제1기판과 합착되는 제2기판과, 상기 제1기판과 상기 제2기판 사이에 배치되는 전해질층을 포함하는 전기변색 광학장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭부는 상기 픽셀에 스캔신호 및 데이터신호를 인가하기 위한 스캔라인과 데이터라인을 포함하며,
    상기 제1전극은 상기 스캔라인과 전기적으로 연결되고 각각의 픽셀 영역을 커버하는 제1픽셀전극이고, 상기 제2전극은 상기 데이터라인과 전기적으로 연결되고 상기 제1픽셀전극과 대향하여 상기 각각의 픽셀영역을 커버하는 제2픽셀전극을 포함하며,
    상기 전기변색 재료층은 상기 제1픽셀전극 및 제2픽셀전극 사이에 배치되는 전기변색 광학장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광학장치는 상기 전기변색 재료층과, 상기 스캔라인 및 상기 제1픽셀전극을 포함하는 제1기판과, 상기 데이터라인과 상기 제2픽셀전극 및 상기 픽셀전극 일측의 전면을 커버하는 카운터층을 포함하여 상기 제1기판에 합착되는 제2기판과, 상기 제1기판과 상기 제2기판 사이에 배치되는 전해질층을 포함하는 전기변색 광학장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광학장치는 상기 제1전극 및 제2전극 사이에 전기변색을 위한 전위차를 형성하도록 투과도 조절신호를 인가하기 위한 구동부를 더 포함하는 전기변색 광학장치.
  8. 외부광을 투과시키는 광학렌즈부;
    상기 광학렌즈부 일측에 배치되며, 전기변색 재료층을 포함하며, 매트릭스 형태로 배열되는 다수의 픽셀과, 상기 픽셀 양측에서 전원을 공급하는 제1전극 및 제2전극을 포함하는 전극부와, 상기 복수의 픽셀 중 특정 픽셀의 광투과도를 조절하기 위하여 상기 제1전극 및 제2전극으로 전원을 선택적으로 공급하기 위한 스위칭부를 포함하는 전기변색 광학장치;
    상기 광학렌즈부를 통하여 시인되는 현실 이미지와 합성되는 가상 이미지를 생성하기 위한 출력이미지를 생성하여 출력하는 가상 이미지 출력부;
    상기 가상 이미지가 상기 현실 이미지와 합성되는 제1영역에 해당되는 픽셀의 광투과도를 가변시키는 투과도 조절부를 포함하는 표시장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 투과도 조절부는 상기 출력 이미지로부터 제1가상 이미지를 생성하고, 상기 제1가상 이미지로부터 망막 투영 이미지를 생성하며, 상기 망막 투영 이미지로부터 상기 가상 이미지에 대응되는 쉐도우 이미지를 생성하며, 상기 쉐도우 이미지에 대응되는 영역을 상기 제1영역으로 설정하고, 상기 제1영역의 픽셀 광투과도를 가변시키는 표시장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 투과도 조절부는 상기 제1영역의 픽셀 광투과도를 상기 가상 이미지의 출력 강도에 비례하도록 가변시키는 표시장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 표시장치는 주변 밝기 감지 센서를 더 포함하며,
    상기 투과도 조절부는 상기 제1영역의 픽셀 광투과도를 상기 주변밝기 감지센서에 의하여 감지된 주변 밝기에 반비례하도록 가변시키는 표시장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 스위칭부는 각 픽셀에 대응되고, 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하는 박막 트랜지스터를 포함하며,
    상기 제1전극은 상기 박막 트랜지스터의 상기 드레인 전극에 전기적으로 연결되는 픽셀전극이고, 상기 제2전극은 상기 픽셀전극에 대향하여 광학장치 전면에 배치되는 공통전극인 표시장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 스위칭부는 상기 박막트랜지스터의 게이트전극에 스캔신호를 인가하기 위한 게이트라인과, 상기 박막 트랜지스터의 소스전극에 데이터 신호를 인가하기 위한 데이터라인을 더 포함하는 표시장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 광학장치는 상기 전기변색 재료층과, 상기 박막트랜지스터와 상기 픽셀전극이 패터닝된 제1기판과, 상기 공통전극 및 공통전극 상에 배치되는 카운터층을 포함하고 상기 제1기판과 합착되는 제2기판과, 상기 제1기판과 상기 제2기판 사이에 배치되는 전해질층을 포함하는 표시장치.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 스위칭부는 상기 픽셀에 스캔신호 및 데이터신호를 인가하기 위한 스캔라인과 데이터라인을 포함하며, 상기 제1전극은 상기 스캔라인과 전기적으로 연결되고 각각의 픽셀 영역을 커버하는 제1픽셀전극이고, 상기 제2전극은 상기 데이터라인과 전기적으로 연결되고 상기 제1픽셀전극과 대향하여 상기 각각의 픽셀영역을 커버하는 제2픽셀전극을 포함하며, 표시장치.
    상기 전기변색 재료층은 상기 제1픽셀전극 및 제2픽셀전극 사이에 배치되는 표시장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 광학장치는 상기 전기변색 재료층과, 상기 스캔라인 및 상기 제1픽셀전극을 포함하는 제1기판과, 상기 데이터라인과 상기 제2픽셀전극 및 상기 픽셀전극 일측의 전면을 커버하는 카운터층을 포함하여 상기 제1기판에 합착되는 제2기판과, 상기 제1기판과 상기 제2기판 사이에 배치되는 전해질층을 포함하는 표시장치.
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