KR20210031585A - 화각 및 가간섭성 능동제어 랜덤 굴절 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

화각 및 가간섭성 능동제어 랜덤 굴절 소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

랜덤 구조체와 분리된 구조를 가지고 전기적으로 스위칭 가능한 능동형 편광 스위칭 소자를 이용하여, 높은 시야각을 확보함과 동시에 고전압 구동 및 낮은 응답속도 문제를 해결할 수 있는 능동형 랜덤 굴절 소자 및 그 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 능동형 랜덤 굴절 소자는 화각 및 가간섭성 능동제어가 가능하고 컬러 모아레(color moire) 제거가 가능한 능동형 랜덤 굴절 소자로서, 광의 편광 방향에 관계 없이 동일한 굴절률을 특성을 가지는 등방성 매질로 이루어지는 랜덤 구조체; 상기 랜덤 구조체 상에 배향되고, 상기 광의 편광 방향에 따라 굴절률 특성이 변화하는 액정상 고분자; 및 상기 광의 편광 방향을 서로 직교하는 제1 방향 및 제2 방향 간에 스위칭하는 편광 스위칭 소자를 포함한다. 상기 랜덤 구조체와 상기 액정상 고분자 간의 굴절면은 광의 입사 방향과 수직한 수평 방향을 따라 경사각도가 랜덤하게 분포된다. 상기 능동형 랜덤 굴절 소자는 상기 광의 편광에 따라 투과 모드와 굴절 모드 간에 전환될 수 있다. 상기 투과 모드는 상기 랜덤 구조체와 상기 액정상 고분자 간의 굴절율 매칭에 의해 상기 굴절면에서 상기 광이 굴절되지 않고 투과되는 모드이고, 상기 굴절 모드는 상기 랜덤 구조체와 상기 액정상 고분자 간의 굴절율 부조화에 의해 상기 굴절면에서 상기 광이 굴절되는 모드이다.

Description

화각 및 가간섭성 능동제어 랜덤 굴절 소자 및 그 제조 방법{Structure and fabrication method of active switching random-refraction device to control field of view and coherency of light}
본 발명은 화각 및 가간섭성 능동제어 랜덤 굴절 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 랜덤 구조체와 분리된 구조를 가지고 전기적으로 스위칭 가능한 능동형 편광 스위칭 소자를 이용하여, 높은 시야각을 확보함과 동시에 고전압 구동 및 낮은 응답속도 문제를 해결할 수 있는 능동형 랜덤 굴절 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
도 1은 전계를 이용한 폴리머 안정화 콜레스테릭 필름(PSCT; polymer stabilised cholesteric texture films)의 개념도이다. PSCT는 콜레스테릭(cholesterics) 액정에 폴리머가 혼합되어 있는 구조로, 초기 전계가 가해지지 않은 오프 상태(off state)에서는 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 콜레스테릭 액정이 랜덤하게 분포되어 있는 포칼 코닉 상태를 가지고, 입사하는 빛을 산란시키는 산란 모드(scattering mode)가 된다. PSCT는 전계가 가해지는 온 상태(on state)에서는 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 모든 액정이 전극에 수직한 방향으로 정렬되며 입사하는 빛은 산란 없이 투과하는 투과 모드(transparent mode)가 된다. PSCT는 콜레스테릭 액정을 안정화하기 위해 사용되는 폴리머의 양이 적기 때문에 비스듬한 광선(oblique ray)에 대한 헤이즈(haze) 특성이 적은 장점을 가지고 있다. 하지만, 시야각(산란도)을 확보하기 위해서는 액정소자의 셀 갭이 커져야 하고, 이에 따라 온/오프(on/off) 전환을 위한 구동전압이 증가하게 된다. 즉, 구동전압과 시야각 특성은 트레이드 오프(trade off) 관계를 가지며 낮은 구동전압과 높은 시야각을 동시에 확보하는 것은 불가능하다.
도 2는 전계를 이용한 폴리머 분산 액정(PDLC; Polymer Dispersed Liquid Crystal)의 개념도이다. PDLC는 고분자 물질 안에 미세한 액정 방울들이 형성되어 있는 구조로, 광 경화성 고분자 물질이 액정과 혼합된 후, 자외선(UV)에 의해 고분자 물질의 원료들이 중합반응(polymerization) 하게 된다. 중합되기 전 액정 분자와 고분자는 상 분리를 일으켜 고분자 망 사이에 작은 액정 방울을 형성하게 된다. 초기 전계가 가해지지 않은 오프 상태(off state)에서, 액정 방울 내의 액정은 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 방향성 없는 정렬로 평균 굴절률을 가지게 되고, 입사되는 빛은 굴절율 부조화(index mismatching)에 따라 불투명하게 산란하게 된다. 전계가 가해지는 온 상태(on state)에서, 액정 방울의 액정은 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 전계 방향으로 정렬되며, 액정 방울의 유효 굴절률은 고분자의 굴절률과 동일해지고, 입사하는 빛은 굴절율 부조화에 의한 굴절률 차이를 겪지 않고 소자를 투과하게 된다. PDLC는 액정 배향을 위한 공정이 생략되기 때문에 제조 공정이 간단하다는 이점이 있으며, 투과 모드(transparent mode)일 때 높은 투과 특성을 보여준다. 하지만 PDLS는 PSCT와 마찬가지로 높은 시야각을 확보하기 위해, 높은 구동전압을 요구한다는 단점이 있으며, 액정과 혼합하는 고분자 물질의 농도가 상당히 높기 때문에 투과 상태일 때 비스듬한 광선에 헤이즈(haze) 특성이 존재하게 된다. 이에 따라, 낮은 구동전압과 높은 시야각을 동시에 확보하기는 불가능하다.
본 발명은 시야각과 구동 전압간의 트레이드 오프(trade off) 관계를 해결할 수 있으며 기존 기술의 구동전압 대비 높은 시야각을 가지는 능동형 랜덤 굴절 소자를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 능동형 랜덤 굴절 소자는 화각 및 가간섭성 능동제어가 가능하고 컬러 모아레(color moire) 제거가 가능한 능동형 랜덤 굴절 소자로서, 광의 편광 방향에 관계 없이 동일한 굴절률을 특성을 가지는 등방성 매질로 이루어지는 랜덤 구조체; 상기 랜덤 구조체 상에 배향되고, 상기 광의 편광 방향에 따라 굴절률 특성이 변화하는 액정상 고분자; 및 상기 광의 편광 방향을 서로 직교하는 제1 방향 및 제2 방향 간에 스위칭하는 편광 스위칭 소자를 포함한다. 상기 랜덤 구조체와 상기 액정상 고분자 간의 굴절면은 광의 입사 방향과 수직한 수평 방향을 따라 경사각도가 랜덤하게 분포된다. 상기 능동형 랜덤 굴절 소자는 상기 광의 편광에 따라 투과 모드와 굴절 모드 간에 전환된다. 상기 투과 모드는 상기 랜덤 구조체와 상기 액정상 고분자 간의 굴절율 매칭에 의해 상기 굴절면에서 상기 광이 굴절되지 않고 투과되는 모드이고, 상기 굴절 모드는 상기 랜덤 구조체와 상기 액정상 고분자 간의 굴절율 부조화에 의해 상기 굴절면에서 상기 광이 굴절되는 모드이다.
상기 랜덤 구조체는 일 방향으로 랜덤 구조를 가지는 1차원 배열 랜덤 구조체 또는 양 방향으로 랜덤 구조를 가지는 2차원 배열 랜덤 구조체를 포함할 수 있다. 상기 랜덤 구조는 렌즈 구조 또는 피라미드 구조를 가질 수 있다.
상기 랜덤 구조체는, 시야각 확보 및 간섭성 특성 제어가 가능하도록, <110> 실리콘 기판의 이방성 선택 화학 에칭을 통해 설정값 이상의 충진인자 및 경사각도를 가지도록 제작된 랜덤 피라미드 구조체에 대한 임프린팅 공정을 통해, 상기 설정값 이상의 충진인자 및 경사각도의 피라미드 구조를 가질 수 있다.
상기 편광 스위칭 소자는, 액정 및 상기 액정에 전압을 인가하는 한 쌍의 전극을 포함하고, 상기 랜덤 구조체와 분리된 구조에 의해 18 m/s 이상의 고속 응답속도를 가지고 5V 이하의 저전압 구동이 가능할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 능동형 랜덤 굴절 소자는 상기 랜덤 구조체 상에 도포된 상기 액정상 고분자의 중합반응을 통한 배향을 위해 상기 액정상 고분자를 덮는 필름 기판을 더 포함할 수 있다. 상기 능동형 랜덤 굴절 소자의 두께 감소 및 투과도 개선을 위해, 상기 필름 기판은 상기 액정상 고분자가 배향된 후 상기 액정상 고분자로부터 분리 가능하게 제공될 수 있다.
상기 랜덤 구조체는, 기판의 제1 면 상에 제공되는 제1 랜덤 구조체 및 상기 기판의 제2 면 상에 제공되는 제2 랜덤 구조체를 포함할 수 있다. 상기 랜덤 구조체는, 단일의 랜덤 구조체 보다 넓은 시야각 확보가 가능하고 상기 단일의 랜덤 구조체 보다 높은 가간섭성 특성 제어 성능을 가질 수 있다.
상기 액정상 고분자는, 상기 제1 랜덤 구조체 상에 제공되는 제1 액정상 고분자 및 상기 제2 랜덤 구조체 상에 제공되는 제2 액정상 고분자를 포함할 수 있다.
상기 제1 랜덤 구조체와 상기 제1 액정상 고분자 간의 굴절면은 광의 입사 방향과 수직한 수평 방향을 따라 경사각도가 랜덤하게 분포될 수 있다. 상기 제2 랜덤 구조체와 상기 제2 액정상 고분자 간의 굴절면은 상기 수평 방향을 따라 경사각도가 랜덤하게 분포될 수 있다.
상기 능동형 랜덤 굴절 소자는, 직진성을 가지는 지향성 백라이트 유닛의 광을 직진성을 가지는 가간섭성 모드와, 광시야각을 가지며 가간섭성이 제어된 면광원 모드 간에 전환하는 능동형 백라이트 유닛으로 사용될 수 있다.
입사 편광 유지가 가능한 화각 및 가간섭 제어를 위해, 상기 편광 스위칭 소자는, 상기 랜덤 구조체 및 상기 반응성 메조겐을 기준으로 반대측에 제공되어 적층되는 제1 편광 스위칭 소자 및 제2 편광 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
상기 제1 편광 스위칭 소자 및 상기 제2 편광 스위칭 소자는 상기 광의 편광 방향을 서로 직교하는 제1 방향 및 제2 방향 간에 스위칭할 수 있다.
상기 제1 편광 스위칭 소자는 상기 랜덤 구조체로 입사되는 광의 편광을 스위칭하도록 상기 광의 진행방향을 기준으로 상기 반응성 메조겐 및 상기 랜덤 구조체의 전방에 제공될 수 있다. 상기 제2 편광 스위칭 소자는 상기 반응성 메조겐으로부터 출력된 광의 편광을 스위칭하도록 상기 광의 진행방향을 기준으로 상기 랜덤 구조체 및 상기 반응성 메조겐의 후방에 제공될 수 있다.
상기 제2 편광 스위칭 소자는, 상기 제2 편광 스위칭 소자를 통과한 광의 편광 상태가 상기 제1 편광 스위칭 소자로 입사되기 전의 광의 편광 상태와 동일해지도록, 상기 광의 편광을 스위칭할 수 있다.
상기 능동형 랜덤 굴절 소자는, 편광판을 구비하는 액정표시장치(LCD) 또는 공간광변조기(SLM) 패널에 대한 능동형 백라이트 유닛(BLU)으로 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 시야각과 구동 전압간의 트레이드 오프(trade off) 관계를 해결할 수 있으며 기존 기술의 구동전압 대비 높은 시야각을 가지는 능동형 랜덤 굴절 소자가 제공된다.
본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 전계를 이용한 폴리머 안정화 콜레스테릭 필름(PSCT; polymer stabilised cholesteric texture films)의 개념도이다.
도 2는 전계를 이용한 폴리머 분산 액정(PDLC; Polymer Dispersed Liquid Crystal)의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 능동형 랜덤 굴절소자 시스템의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 능동형 랜덤 굴절 소자의 제작 방법을 나타낸 도면이다.
도 5는 랜덤 굴절 소자를 임프린팅 방식으로 제작하기 위해 사용된 랜덤 몰드 템플릿(random-mold template)의 전자 현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제작된 능동형 랜덤 굴절 소자의 랜덤 굴절 모드일 때의 시야각 특성을 보여준다.
도 7은 마흐젠더 간섭계 실험의 셋업 모식도이고, 도 8은 촬영된 줄무늬 패턴과 줄무늬 가시성 값을 나타낸다.
도 9는 투과 모드에서 능동형 랜덤 굴절 소자가 없을 때의 줄무늬 패턴의 줄무늬 가시성 값과 능동형 랜덤 굴절 소자 있을 때의 줄무늬 패턴의 줄무늬 가시성 값을 비교한 이미지이다.
도 10은 능동형 랜덤 굴절 소자의 랜덤 굴절 모드와 능동형 주기적 굴절 소자의 주기적 굴절 모드의 줄무늬 패턴을 촬영하기 위한 실험 셋업을 나타낸 모식도이고, 도 11은 촬영된 이미지이다.
도 12는 람버시안 형태로 표시되는 디스플레이 상에서, 능동형 랜덤 굴절 소자의 랜덤 굴절 모드 및 투과 모드에 따른 결상을 확인하기 위한 모식도와, 카메라에 의해 촬영된 이미지이다.
도 13은 람버시안 형태로 표시되는 디스플레이 상에 백색 이미지를 띄운 뒤, 능동형 랜덤 굴절 소자의 랜덤 굴절 모드와 능동형 주기적 굴절 소자의 주기적 굴절 모드의 결상 특성을 확인한 이미지이다.
도 14a 및 도 14b는 능동형 랜덤 굴절 소자에 사용되는 2D형 랜덤 구조체의 실시예이다.
도 15는 능동형 랜덤 굴절 소자에 사용되는 2D형 랜덤 구조체의 실시예이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층 구조의 능동형 랜덤 굴절 소자를 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 입사 편광 유지가 가능한 능동형 랜덤 굴절 소자의 모식도이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 도면에서 일부 구성은 다소 과장되거나 축소되어 도시될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 능동형 랜덤 굴절소자 시스템의 구조를 나타낸 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 능동형 랜덤 굴절소자 시스템(100)은 랜덤한 구조체(랜덤 구조 프리즘)에 액정상 고분자(RM; reactive mesogen)가 배향된 구조로, 반응성 메조겐(110), 랜덤 구조체(120), 노출 유리 기판(130) 및 편광 스위칭 소자(TN cell)(140)를 포함한다. 반응성 메조겐(110)은 편광 방향에 따라 굴절률 특성이 변하는 복굴절 매질이다. 랜덤 구조체(120)는 편광 방향에 관계 없이, 동일한 굴절률을 특성을 가지는 등방성(isotropic) 매질이다. 노출 유리 기판(bare glass)(130)은 랜덤 구조체의 임프린팅을 위한 기판으로 사용된다. 편광 스위칭 소자(TN cell)(140)는 편광을 스위칭하기 위한 소자로 사용된다. 입사하는 빛은 복굴절 매질의 장축 방향과 동일한 방향으로 입사되며, 편광 스위칭 소자(TN cell)(140)는 액정에 인가되는 전압을 온/오프(on/off) 함에 따라 편광 방향을 서로 직교(orthogonal)한 상태로 변환시켜준다. 편광 스위칭 소자(140)는 액정에 선택적으로 전압을 인가하는 한 쌍의 전극을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 능동형 랜덤 굴절소자 시스템은 입사하는 빛의 편광에 따라 투과하는 투과 모드(transparent mode), 랜덤하게 굴절하는 랜덤 굴절 모드(random-refraction mode)를 가진다. 복굴절 특성을 가지는 반응성 메조겐(RM)(110)의 장축방향 굴절률을 ne, 단축방향 굴절률을 nO라고 하면, 입사하는 빛의 편광방향이 단축방향과 일치하는 경우(도 3의 (a)), RM의 굴절률은 nO이며, 이는 랜덤 구조체의 굴절률 np와 일치하여 굴절하지 않는다(transparent mode). 입사하는 빛의 편광 방향이 장축방향과 일치하는 경우(도 3의 (b)), RM의 굴절률은 ne이며, 이는 렌즈 구조체(120)의 굴절률 np와 차이를 가지게 되고, 랜덤 구조체(120)의 경사각도(slope angle)에 따라 굴절하게 된다(random-refraction mode).
본 발명의 실시예에 따라 랜덤 구조체(120)를 도입함으로써, 기존의 능동형 프리즘의 주기적인 구조에서 발생하는 간섭(coherence) 특성 및 디스플레이 이미지(display image) 상에서 생기는 컬러 모아레(color moire) 현상 제어가 가능하다. 본 발명의 실시예에 따른 랜덤 굴절 소자는 편광 의존 특성에 따라 모드가 바뀌며, 입사하는 빛의 편광 전환을 위한 편광 스위칭 소자(TN cell)(140)를 구비한다. 본 발명의 실시예에 따른 랜덤 굴절 소자는 액정 기반의 스위칭 소자이기 때문에 낮은 구동전압(~5V)과 빠른 응답속도(~18.6m/s)를 가진다. 또한, 시야각 특성이 랜덤 구조체(120)의 충진인자(fill-factor) 및 경사각도(slope angle) 변화에 따라 제어되기 때문에, 별도로 존재하는 편광 스위칭부의 구동전압은 영향을 받지 않는다. 즉, 시야각과 구동전압 간의 트레이드 오프 관계를 해결할 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 능동형 랜덤 굴절 소자의 제작 방법을 나타낸 도면이다. 도 5는 랜덤 굴절 소자를 임프린팅 방식으로 제작하기 위해 사용된 랜덤 몰드 템플릿(random-mold template)의 전자 현미경 사진이다. 랜덤 몰드 템플릿은 샌드블라스트(sandblast) 기법으로 미세하게 식각하여 제작한 샌드블라스트 템플릿(도 5의 (a)), 비드(bead)를 이용하여 제작한 랜덤 비드 템플릿(도 5의 (b)), 또는 <110> si wafer 기판을 이방성 선택 화학 에칭(anisotropic selective chemical etching)하여 제작한 랜덤 피라미드(pyramid) 템플릿(도 5의 (c)) 등이 사용될 수 있다.
랜덤 굴절 소자 제작을 위해, 글래스(Glass) 기판(10)에 광경화성 물질(20)(예를 들어, NOA89(n=1.51))을 도포한 뒤, 랜덤 몰드 템플릿(random mold template)(30)을 덮고, 자외선(UV)을 조사(20mW/cm2, 2분)한 다음, 랜덤 몰드 템플릿(30)을 분리함으로써 랜덤 몰드 템플릿(30)의 역상을 가지는 랜덤 구조체(120)를 제조할 수 있다(도 4a). 그리고 나서, RM(reactive mesogen) 배향용 친수성 폴리비닐 알코올(PVA) 박막 형성을 위해, UV 오존 처리를 한 뒤, PVA를 코팅 및 열처리(9℃, 30분)한 후, 러빙 공정을 진행한다(도 4b). 그리고 나서, RM(110)을 랜덤 구조체(120) 위에 떨어뜨리고 필름 기판(40)을 덮어 UV 조사(20 mW/cm2, 1분)한 뒤, 상부 필름 기판(40)을 분리한다(도 4c). 상부 필름 기판(40) 또한 하부 기판(10)과 동일하게 배향을 위한 공정 처리 과정을 진행한다. 그리고 나서, 분리된 소자 하부에 편광 스위칭 소자(TN_cell)(140)를 부착시키기 위해, UV 경화성 접착층(adhesive layer)(150)(예를 들어, NOA 69)을 도포해 준 뒤, 분리한 소자를 부착하고 UV 경화시킨다(도 4d).
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제작된 능동형 랜덤 굴절 소자의 랜덤 굴절 모드일 때의 시야각 특성을 보여준다. 시야각 특성은 충진인자(fill-factor)가 크며, 높은 경사각도(slope angle)를 가진 랜덤 피라미드 템플릿(random pyramid template)을 적용했을 때 가장 높은 특성을 보여 주었다. 제작된 능동형 랜덤 굴절 소자는 스위칭 소자부와 랜덤 구조체부가 분리되어 있기 때문에, 구동전압과 관계없이 랜덤 몰드 템플릿의 충진인자가 크고, 경사각도가 높을수록 시야각이 향상된다.
도 7은 마흐젠더 간섭계 실험의 셋업(set up) 모식도이다. 본 발명의 실시예에 따라 제작된 능동형 랜덤 굴절 소자의 간섭(coherence) 특성을 평가하기 위해, 마흐젠더 간섭계를 이용하여 줄무늬(fringe) 패턴을 형성하고, 능동형 랜덤 소자의 스위칭부에 인가되는 전압별로 줄무늬 가시성(fringe visibility)을 평가하기 위한 실험을 하였다. 도 8은 촬영된 줄무늬 패턴과 줄무늬 가시성 값을 나타낸다. 랜덤 굴절 모드(random-refraction mode)에서 투과 모드(transparent mode)로 전환될수록 줄무늬 가시성(fringe visibility) 값이 증가됨을 확인하였다. 즉, 스위칭부의 전압에 따라 간섭(coherence) 특성의 제어가 가능하다.
도 9는 투과 모드에서 능동형 랜덤 굴절 소자가 없을 때의 줄무늬 패턴의 줄무늬 가시성 값(도 9의 좌측 도면)과 능동형 랜덤 굴절 소자 있을 때의 줄무늬 패턴의 줄무늬 가시성 값(도 9의 우측 도면)을 비교한 이미지로, 두 경우에 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있다. 즉, 투과 모드(transparent mode) 일 때 간섭(coherence) 특성이 잘 유지됨을 보여준다.
도 10은 능동형 랜덤 굴절 소자(Active switching random-refraction device)의 랜덤 굴절 모드(random-refraction mode)와 능동형 주기적 굴절 소자(Active switching periodic-refraction device)의 주기적 굴절 모드(periodic-refraction mode)의 줄무늬 패턴을 촬영하기 위한 실험 셋업을 나타낸 모식도이고, 도 11은 촬영된 이미지를 보여준다. 능동형 랜덤 굴절 소자의 경우, 간섭(coherence) 특성이 제어되어 줄무늬 패턴이 사라졌으며, 능동형 주기적 굴절 소자의 경우 규칙적인 구조로 인해 간섭 특성이 제어되지 못해 줄무늬 패턴이 남아 있음을 보여준다.
도 12는 람버시안 형태로 표시되는 디스플레이 상에서, 능동형 랜덤 굴절 소자(100)의 랜덤 굴절 모드 및 투과 모드에 따른 결상을 확인하기 위한 모식도와, 카메라에 의해 촬영된 이미지이다. 투과 모드에서는 투과된 빛이 굴절율 매칭(index matching)을 만족하여, 왜곡 없는 이미지가 획득되었으며, 굴절 모드에서는 투과된 빛이 굴절율 부조화(index mismatching) 되어, 굴절에 의해 중첩된 흐릿한 이미지가 관측되었다.
도 13은 람버시안 형태로 표시되는 디스플레이 상에 백색 이미지(white image)를 띄운 뒤, 능동형 랜덤 굴절 소자(100)의 랜덤 굴절 모드와 능동형 주기적 굴절 소자의 주기적 굴절 모드의 결상 특성을 확인한 이미지이다. 비주기적인 구조체의 경우 백색 이미지가 그대로 결상되었으나, 능동형 주기적 굴절 소자의 경우, 주기적인 구조체로 인해 컬러 모아레 현상이 관측되는 것을 확인할 수 있다. 즉 비주기적인 구조체를 적용 시, 컬러 모아레 현상을 제거할 수 있음을 보여준다.
도 14a 및 도 14b는 능동형 랜덤 굴절 소자에 사용되는 2D형 랜덤 구조체(random-mold template)의 실시예이다. 2D형 랜덤 구조체를 갖는 능동형 랜덤 굴절 소자에 의하면, 수직(vertical) 방향과 수평(horizontal) 방향 모두 굴절이 일어날 수 있다. 2D 배열 랜덤 구조체는 렌즈, 피라미드 등의 다양한 형태로 제작될 수 있다. 도 14a는 랜덤한 렌즈 구조체로서, 짧은 초점거리 및 높은 배향성을 통해, 높은 시야각 특성을 확보할 수 있다. 하지만 짧은 초점거리를 가지는 렌즈를 직접 식각하기 위해서는 공정상 어려움과 많은 비용이 소모된다. 도 14b는 피라미드 구조물 형태의 랜덤 구조체로, 이방성 선택 화학 에칭(anisotropic selective chemical etching) 공정을 통해 큰 충진인자(fill-factor) 및 높은 경사각도(slope angle)를 가질 수 있으며, 비교적 간단한 공정과 적은 비용이 소모된다. 또한 특정 방향으로 중심축이 편향된 피라미드 구조체를 적용하면, 특정 방향으로 높은 시야각 특성 요구하는 응용처(자동차, display 등)로 사용이 가능하다. 또한 피라미드 구조체는 마름모 형태의 구조를 가지기 때문에, 배향 방향에 따라 그 특성이 바뀐다. 따라서 피라미드 구조체의 구조를 파악한 뒤 배향을 해줌으로써 더 높은 배향성을 확보할 수 있고, 시야각을 향상시킬 수 있다.
도 15는 능동형 랜덤 굴절 소자에 사용되는 2D형 랜덤 구조체(random-mold template)의 실시예이다. 1D형 랜덤 구조체는 수직(vertical) 방향 또는 수평(horizontal) 방향 중 원하는 방향으로 시야각 확보가 가능하다. 1D형 랜덤 구조체는 2D형 랜덤 구조체 대비 제작공정이 간단하며, 골방향을 따라 배향이 가능하기 때문에, 액정상 고분자의 배향성이 더욱 향상될 수 있다. 또한 중심축이 특정 방향으로 편향된 1D형 랜덤 구조체(도 15의 (b))를 이용해 특정 방향으로 시야각을 확보할 수 있다. 1D형 랜덤 구조체는 렌즈 모양의 구조체로 제공될 수도 있다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층 구조의 능동형 랜덤 굴절 소자를 나타낸 도면이다. 도 16은 랜덤 굴절 소자 2개가 노출 유리 기판(bare glass) 양면으로 적층된 구조를 나타낸다. 능동형 랜덤 굴절 소자는 유리 기판(130)의 제1 면 상에 제공되는 제1 랜덤 구조체(120), 유리 기판(130)의 제2 면 상에 제공되는 제2 랜덤 구조체(120'), 제1 랜덤 구조체(120) 상에 제공되는 제1 액정상 고분자(110), 제2 랜덤 구조체(120') 상에 제공되는 제2 액정상 고분자(110') 및 편광 스위칭 소자(140)를 포함할 수 있다.
제1 랜덤 구조체(120)와 제1 액정상 고분자(110) 간의 굴절면은 광의 입사 방향과 수직한 수평 방향을 따라 경사각도가 랜덤하게 분포될 수 있다. 제2 랜덤 구조체(120')와 제2 액정상 고분자(110') 간의 굴절면은 광의 입사 방향과 수직한 수평 방향을 따라 경사각도가 랜덤하게 분포될 수 있다. 적층 구조를 이용하면, 랜덤 구조체의 충진인자(fill factor)를 상승시키고 경사각(slope angle)을 높이는 방법보다 비교적 간단한 공정으로 시야각을 향상시킬 수 있다. 또한, 적층 구조에 따라 투과도 저하가 일어나기 때문에, 노출 유리(bare glass) 양면을 임프린팅 기판으로 사용할 수 있으며, 광경화성 액정상 고분자의 상판 필름 분리를 통해 투과도 저하 문제를 개선할 수 있다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 입사 편광 유지가 가능한 능동형 랜덤 굴절 소자의 모식도이다. 도 17에 도시된 능동형 랜덤 굴절 소자는 랜덤 굴절 소자의 양면에 각각 편광 스위칭 소자(140, 140')를 적층한 구조를 가진다.
능동형 랜덤 굴절 소자는 랜덤 구조체(120) 및 반응성 메조겐(110)을 기준으로 반대측에 제공되는 제1 편광 스위칭 소자(140) 및 제2 편광 스위칭 소자(140')를 포함할 수 있다. 제1 편광 스위칭 소자(140) 및 제2 편광 스위칭 소자(140')는 광의 편광 방향을 서로 직교하는 제1 방향 및 제2 방향 간에 스위칭할 수 있다. 제1 편광 스위칭 소자(140)는 랜덤 구조체(120)로 입사되는 광의 편광을 스위칭하도록 광의 진행방향을 기준으로 반응성 메조겐(110) 및 랜덤 구조체(120)의 전방에 제공될 수 있다. 제2 편광 스위칭 소자(140')는 반응성 메조겐(110)으로부터 출력된 광의 편광을 스위칭하도록 광의 진행방향을 기준으로 랜덤 구조체(120) 및 반응성 메조겐(110)의 후방에 제공될 수 있다.
제2 편광 스위칭 소자(140')는 제2 편광 스위칭 소자(140')를 통과한 광의 편광 상태가 제1 편광 스위칭 소자(140)로 입사되기 전의 광의 편광 상태와 동일해지도록, 광의 편광을 스위칭할 수 있다. 도 17의 실시예에 의하면, 입사전 편광 상태와 입사후 편광 상태를 동일하게 유지 시켜줄 수 있다. 즉, 입사 전과 후의 편광을 유지한 채로, 화각 및 가간섭 제어가 가능하기 때문에, 편광 필터를 사용하는 디스플레이 장치(LCD; Liquid crystal display, SLM; Spatial Light Modulator)에 사용이 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 능동형 랜덤 굴절 소자는 편광 스위칭부와 랜덤 구조체 부분이 분리되어 있기 때문에, 랜덤 구조체의 표면 모폴로지(mopology) 특성과 액정 기반의 편광 스위칭 소자를 통해, 낮은 구동전압, 빠른 응답 속도, 빠른 모드 전환속도, 및 높은 시야각 특성을 얻을 수 있다. 본 발명의 실시예에 의하면, 편광 스위칭부의 전압 조절 및 랜덤 구조체 도입에 의해 입사빔의 랜덤 굴절을 발생시킬 수 있고, 주기적인 구조가 가지는 간섭(coherence) 특성의 제어가 가능하며, 디스플레이 이미지에 적용 시 컬러 모아레 현상을 방지할 수 있다.
또한, 적층 구조를 이용해 능동형 랜덤 굴절 소자를 제작시, 광경화성 액정상 고분자의 기판 필름 제거와 글라스 기판 양면 임프린팅이 가능하다. 따라서 투과율 감소를 최소화할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 능동형 랜덤 굴절 소자는 직진성을 가지는 지향성 BLU(back light unit)을 광시야각을 가지는 면광원 모드로 변환할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 능동형 랜덤 굴절 소자는 1D 배열의 렌즈 모양(lenticular) 랜덤 구조체 또는 2D 배열 랜덤 구조체(lens, pyramid 등)로 제작될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 능동형 랜덤 굴절 소자는 <110> 실리콘 웨이퍼 기판 공정을 통해 큰 fill-factor 및 높은 경사각도를 가지는 랜덤 피라미드 구조체 기판의 임프린팅을 통해 비교적 간단한 공정 및 저비용으로 제작이 가능하다. 또한, 편광 스위칭 부를 랜덤 굴절소자 양면에 적층함으로써, 입사 편광 상태를 유지한채 화각 및 가간섭 제어가 가능하다. 본 발명의 실시예에 따른 능동형 랜덤 굴절 소자는 스마트 윈도우(smart window), 자동차 디스플레이, 모바일 디스플레이 등의 다양한 분야에 응용될 수 있다.
이상의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 보호범위는 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 보호범위는 청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.

Claims (14)

  1. 화각 및 가간섭성 능동제어가 가능하고 컬러 모아레(color moire) 제거가 가능한 능동형 랜덤 굴절 소자로서,
    광의 편광 방향에 관계 없이 동일한 굴절률을 특성을 가지는 등방성 매질로 이루어지는 랜덤 구조체;
    상기 랜덤 구조체 상에 배향되고, 상기 광의 편광 방향에 따라 굴절률 특성이 변화하는 액정상 고분자; 및
    상기 광의 편광 방향을 서로 직교하는 제1 방향 및 제2 방향 간에 스위칭하는 편광 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 랜덤 구조체와 상기 액정상 고분자 간의 굴절면은 광의 입사 방향과 수직한 수평 방향을 따라 경사각도가 랜덤하게 분포되고,
    상기 능동형 랜덤 굴절 소자는 상기 광의 편광에 따라 투과 모드와 굴절 모드 간에 전환되고,
    상기 투과 모드는 상기 랜덤 구조체와 상기 액정상 고분자 간의 굴절율 매칭에 의해 상기 굴절면에서 상기 광이 굴절되지 않고 투과되는 모드이고,
    상기 굴절 모드는 상기 랜덤 구조체와 상기 액정상 고분자 간의 굴절율 부조화에 의해 상기 굴절면에서 상기 광이 굴절되는 모드인 능동형 랜덤 굴절 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 랜덤 구조체는 일 방향으로 랜덤 구조를 가지는 1차원 배열 랜덤 구조체 또는 양 방향으로 랜덤 구조를 가지는 2차원 배열 랜덤 구조체를 포함하고, 상기 랜덤 구조는 렌즈 구조 또는 피라미드 구조를 가지는 능동형 랜덤 굴절 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 랜덤 구조체는,
    시야각 확보 및 간섭성 특성 제어가 가능하도록, <110> 실리콘 기판의 이방성 선택 화학 에칭을 통해 설정값 이상의 충진인자 및 경사각도를 가지도록 제작된 랜덤 피라미드 구조체에 대한 임프린팅 공정을 통해, 상기 설정값 이상의 충진인자 및 경사각도의 피라미드 구조를 가지는 능동형 랜덤 굴절 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 편광 스위칭 소자는, 액정 및 상기 액정에 전압을 인가하는 한 쌍의 전극을 포함하고, 상기 랜덤 구조체와 분리된 구조에 의해 18 m/s 이상의 고속 응답속도를 가지고 5V 이하의 저전압 구동이 가능한 능동형 랜덤 굴절 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 랜덤 구조체 상에 도포된 상기 액정상 고분자의 중합반응을 통한 배향을 위해 상기 액정상 고분자를 덮는 필름 기판을 더 포함하고,
    상기 능동형 랜덤 굴절 소자의 두께 감소 및 투과도 개선을 위해, 상기 필름 기판은 상기 액정상 고분자가 배향된 후 상기 액정상 고분자로부터 분리 가능하게 제공되는 능동형 랜덤 굴절 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 랜덤 구조체는, 기판의 제1 면 상에 제공되는 제1 랜덤 구조체 및 상기 기판의 제2 면 상에 제공되는 제2 랜덤 구조체를 포함하고, 단일의 랜덤 구조체 보다 넓은 시야각 확보가 가능하고 상기 단일의 랜덤 구조체 보다 높은 가간섭성 특성 제어 성능을 가지는 능동형 랜덤 굴절 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 액정상 고분자는, 상기 제1 랜덤 구조체 상에 제공되는 제1 액정상 고분자 및 상기 제2 랜덤 구조체 상에 제공되는 제2 액정상 고분자를 포함하는 능동형 랜덤 굴절 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 랜덤 구조체와 상기 제1 액정상 고분자 간의 굴절면은 광의 입사 방향과 수직한 수평 방향을 따라 경사각도가 랜덤하게 분포되고,
    상기 제2 랜덤 구조체와 상기 제2 액정상 고분자 간의 굴절면은 상기 수평 방향을 따라 경사각도가 랜덤하게 분포되는 능동형 랜덤 굴절 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 능동형 랜덤 굴절 소자는, 직진성을 가지는 지향성 백라이트 유닛의 광을 직진성을 가지는 가간섭성 모드와, 광시야각을 가지며 가간섭성이 제어된 면광원 모드 간에 전환하는 능동형 백라이트 유닛으로 사용되는 능동형 랜덤 굴절 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    입사 편광 유지가 가능한 화각 및 가간섭 제어를 위해, 상기 편광 스위칭 소자는, 상기 랜덤 구조체 및 상기 반응성 메조겐을 기준으로 반대측에 제공되어 적층되는 제1 편광 스위칭 소자 및 제2 편광 스위칭 소자를 포함하는 능동형 랜덤 굴절 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 편광 스위칭 소자 및 상기 제2 편광 스위칭 소자는 상기 광의 편광 방향을 서로 직교하는 제1 방향 및 제2 방향 간에 스위칭하는 능동형 랜덤 굴절 소자.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 편광 스위칭 소자는 상기 랜덤 구조체로 입사되는 광의 편광을 스위칭하도록 상기 광의 진행방향을 기준으로 상기 반응성 메조겐 및 상기 랜덤 구조체의 전방에 제공되고,
    상기 제2 편광 스위칭 소자는 상기 반응성 메조겐으로부터 출력된 광의 편광을 스위칭하도록 상기 광의 진행방향을 기준으로 상기 랜덤 구조체 및 상기 반응성 메조겐의 후방에 제공되는 능동형 랜덤 굴절 소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 편광 스위칭 소자는, 상기 제2 편광 스위칭 소자를 통과한 광의 편광 상태가 상기 제1 편광 스위칭 소자로 입사되기 전의 광의 편광 상태와 동일해지도록, 상기 광의 편광을 스위칭하는 능동형 랜덤 굴절 소자.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 능동형 랜덤 굴절 소자는, 편광판을 구비하는 액정표시장치(LCD) 또는 공간광변조기(SLM) 패널에 대한 능동형 백라이트 유닛(BLU)으로 사용되는 능동형 랜덤 굴절 소자.
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