KR20230137804A - 광 가이드 모듈 - Google Patents

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KR20230137804A
KR20230137804A KR1020220125014A KR20220125014A KR20230137804A KR 20230137804 A KR20230137804 A KR 20230137804A KR 1020220125014 A KR1020220125014 A KR 1020220125014A KR 20220125014 A KR20220125014 A KR 20220125014A KR 20230137804 A KR20230137804 A KR 20230137804A
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light
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light guide
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KR1020220125014A
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이규태
김범진
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

실시예에 따른 광 가이드 모듈은 제 1 광 가이드 및 제 2 광 가이드를 포함하고, 상기 제 1 광 가이드는 제 1 파장의 제 1 광 및 제 3 파장의 제 3 광과 반응하는 제 1 패턴영역을 포함하고, 상기 제 2 광 가이드는 제 2 파장의 제 2 광 및 제 3 파장의 제 3 광과 반응하는 제 2 패턴영역을 포함하고, 상기 제 1 패턴영역은 복수개의 제 1 패턴을 포함하고, 상기 제 2 패턴영역은 상기 제 1 패턴과 다른 복수개의 제 2 패턴을 포함하고, 상기 제 1 패턴은 중심을 포함하는 중심 영역이 가장 두껍고, 상기 중심을 통과하는 제 1 방향을 기준으로 대칭된다.

Description

광 가이드 모듈{LIGHT GUIDE MODULE}
실시예는 광 가이드 모듈에 관한 것이다.
최근 기술의 발전에 따라, 신체에 착용 가능한 다양한 형태의 웨어러블 장치가 나오고 있다. 그 중 증강현실(Augmented Reality, AR) 장치는 사용자의 머리에 착용하는 안경 형태의 웨어러블 장치로써, 디스플레이를 통해 시각적 정보를 제공함으로써 사용자에게 증강현실 서비스를 제공할 수 있다.
증강현실(Augmented Reality)이란, 실제 환경에 3차원 영상을 삽입하여 현실 세계 정보와 가상의 영상을 혼합한 것을 의미한다.
현실 세계 정보에는 착용자가 필요로 하지 않는 정보도 있고, 때로는 착용자가 필요로 하는 정보가 부족할 수도 있다. 그러나 증강현실 시스템은 현실 세계와 가상 세계를 결합함으로써 실시간으로 착용자에게 현실 세계와 필요한 정보의 상호 작용이 이루어지도록 하는 것이다.
이러한 증강현실(AR) 장치는 시야가 막히는 가상현실(VR) 장치와 달리 이용 도중에도 앞을 볼 수 있다. 또한, 일반 안경처럼 착용한 상태에서 눈앞에 와이드 스크린 화면 수준의 디스플레이를 띄우거나 다양한 AR 콘텐츠 이용이 가능하다. 또한, 사용자 중심으로 360도 모든 공간을 활용하여 현실과 AR 콘텐츠를 결합한 확장현실 경험을 지원할 수 있다. 또한, 양손이 자유로운 상태에서 사용자 시점에 최적화된 디스플레이를 제공한다는 점에서 스마트폰을 대체하는 기술로 발전 중이다.
상기 증강현실 장치는 착용자들에게 증강현실 영상을 제공하기 위해 광학 모듈을 포함한다. 예를 들어, 상기 증강현실 장치는 웨어러블 글라스로 구성되고, 상기 웨어러블 글라스에 영상을 투사하는 프로젝터가 결합될 수 있다.
이러한 프로젝터에서 출사되는 광은 광 가이드를 통과하여 사용자의 눈으로 입사되고, 이에 의해 사용자는 증강현실 디스플레이를 시인할 수 있다.
한편, 상기 프로젝터에서 출사되는 광은 광 가이드에서 회절된 후, 사용자의 눈으로 입사될 수 있다. 이를 위해, 상기 광 가이드는 회절 패턴을 포함할 수 있다. 그러나, 상기 회절 패턴은 파장의 크기에 따라 회절효율에 큰 차이가 발생한다. 이에 따라, 적색광, 녹색공 및 청색광의 회절 효율을 모두 만족하기 위해서는 각각의 파장에 적합한 회절 패턴을 포함하는 3장의 광 가이드가 요구되었다. 이에 따라, 광 가이드를 포함하는 디스플레이 장치의 두께가 두꺼워지는 문제점이 있다.
따라서, 향상된 회절 효율을 가지며 두께를 감소할 수 있는 광 가이드가 요구된다.
한편, 이러한 회절 패턴을 포함하는 광 가이드는 한국등록특허 KR10-2102888(2020.04.21)에 개시되어 있다.
실시예는 향상된 회절 효율을 가지고, 두께가 감소된 광 가이드 모듈을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 광 가이드 모듈은 제 1 광 가이드 및 제 2 광 가이드를 포함하고, 상기 제 1 광 가이드는 제 1 파장의 제 1 광 및 제 3 파장의 제 3 광과 반응하는 제 1 패턴영역을 포함하고, 상기 제 2 광 가이드는 제 2 파장의 제 2 광 및 제 3 파장의 제 3 광과 반응하는 제 2 패턴영역을 포함하고, 상기 제 1 패턴영역은 복수개의 제 1 패턴을 포함하고, 상기 제 2 패턴영역은 상기 제 1 패턴과 다른 복수개의 제 2 패턴을 포함하고, 상기 제 1 패턴은 중심을 포함하는 중심 영역이 가장 두껍고, 상기 중심을 통과하는 제 1 방향을 기준으로 대칭된다.
실시예에 따른 광 가이드 모듈은 2개의 광 가이드를 포함한다. 자세하게, 상기 광 가이드 모듈은 제 1 광 가이드 및 제 2 광 가이드를 포함한다.
자세하게, 상기 광 가이드 모듈은 청색광, 적색광 및 녹색광을 회절하는 2개의 광 가이드를 포함한다. 자세하게, 상기 광 가이드 모듈은 청색광 및 녹색광을 회절하는 제 1 광 가이드 및 적색광 및 녹색광을 회절하는 제 2 광 가이드를 포함한다.
이에 따라, 광 가이드 모듈의 광 가이드의 수가 감소된다. 따라서, 광 가이드 모듈 및 이를 포함하는 디스플레이 장치의 크기를 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 복수의 광 가이드는 각각 설정 범위의 파장 대역의 광과 반응하는 패턴을 포함할 수 있다.
상기 복수의 광 가이드는 각각 상기 패턴의 형상이 제어될 수 있다. 또한, 상기 복수의 광 가이드는 각각 상기 패턴의 두께가 제어될 수 있다. 또한, 상기 복수의 광 가이드는 각각 단위 패턴의 크기가 제어될 수 있다. 또한, 상기 복수의 광 가이드는 각각 상기 단위 패턴의 대칭 방향이 제어될 수 있다. 또한, 상기 복수의 광 가이드는 각각 상기 단위 패턴의 형상이 제어될 수 있다.
이에 따라, 실시예에 따른 광 가이드 모듈은 입사되는 청색광, 적색광 미 녹색광이 최적의 회절 효율을 가지면서 회절될 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 광 가이드 모듈은 넓은 입사각도 범위에서도 균일하고 높은 회절 효율을 가질 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 광 가이드 모듈을 통과하는 광의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 실시예에 따른 제 1 광 가이드 및 제 2 광 가이드를 도시한 도면이다.
도 3은 실시예에 따른 광 가이드를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 실시예에 따른 광 가이드 모듈의 배치예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 7은 실시예에 따른 제 1 광 가이드의 상면도를 도시한 도면들이다.
도 8 내지 도 10은 실시예에 따른 제 1 광 가이드의 회절 효율을 설명하기 위한 그래프를 도시한 도면들이다.
도 11 내지 도 13은 실시예에 따른 제 2 광 가이드의 상면도를 도시한 도면들이다.
도 14 내지 도 16은 실시예에 따른 제 1 광 가이드의 회절 효율을 설명하기 위한 그래프를 도시한 도면들이다.
도 17은 실시예에 따른 광 가이드 부재가 적용되는 웨어러블 장치를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “A 및(와) B, C중 적어도 하나(또는 한 개 이상)”로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, 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 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다. 그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속＇되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우 뿐 만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐 만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
한편, 이하에서 설명하는 제 1 방향 및 제 2 방향은 X축 방향(좌우 방향) 또는 Y축 방향(상하 방향)일 수 있다. 예를 들어, 제 1 방향이 X축 방향인 경우, 제 2 방향은 Y축 방향일 수 있다. 또는, 제 1 방향이 Y축 방향인 경우, 제 2 방향은 X축 방향일 수 있다.
이하, 도면들을 참조하여 실시예에 따른 광 가이드 모듈을 설명한다. 이하에서 설명하는 광 가이드 모듈은 웨이브가이드를 포함할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 광 가이드 모듈을 통과하는 광(빛)의 흐름을 설명하기 위한 도면이다. 도 2는 실시예에 따른 제 1 광 가이드 및 제 2 광 가이드를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 광원(10)에서는 광(빛)이 출사된다. 자세하게, 상기 광원(10)에서는 레이저 광이 출사될 수 있다. 상기 광원(10)에서 출사되는 광은 상기 광 가이드 모듈(1000)을 통과하여, 사용자의 눈으로 입사된다. 예를 들어, 상기 광원(10)은 프로젝터를 포함할 수 있다.
도 1에서는 상기 광원(10)과 사용자의 눈이 상기 광 가이드 모듈(1000)의 반대면에 배치되는 것을 도시하였으나, 실시예는 이에 제한되지 않는다, 즉, 상기 광원(10)과 사용자의 눈은 상기 광 가이드 모듈(1000)의 동일면에 배치될 수 있다.
상기 광원(10)은 서로 다른 색을 가지는 복수의 광을 출사한다. 자세하게, 상기 광원(10)은 서로 다른 파장을 가지는 복수의 광을 출사한다. 예를 들어, 상기 광원(10)은 제 1 광, 제 2 광 및 제 3 광을 출사할 수 있다. 자세하게, 상기 광원(10)은 청색광(B)의 제 1 광, 적색광(R)의 제 2 광 및 녹색광(G)의 제 3 광을 출사할 수 있다. 자세하게, 상기 광원(10)은 제 1 파장의 제 1 광, 제 2 파장의 제 2 광 및 제 3 파장의 제 3 광을 출사할 수 있다
상기 광 가이드 모듈(1000)은 복수의 광 가이드를 포함한다. 자세하게, 상기 광 가이드 모듈(1000)은 제 1 광 가이드(1100) 및 제 2 광 가이드(1200)를 포함한다.
도 2를 참조하면, 상기 제 1 광 가이드(1100)는 제 1 패턴 영역(1110)을 포함한다. 상기 제 1 패턴 영역(1110)은 상기 제 1 파장의 제 1 광 및 상기 제 3 파장의 제 3 광과 반응할 수 있다. 이에 따라, 상기 제 1 패턴 영역(1110)은 청색광을 가이드할 수 있다. 또한, 상기 제 1 패턴 영역(1110)은 녹색광의 일부를 가이드할 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 패턴 영역(1110)은 상기 청색광 및 녹색광의 일부를 확산시키고, 상기 적색광 및 상기 녹색광의 다른 일부는 통과시킬 수 있다. 이를 위해, 상기 제 1 패턴 영역(1110)은 복수 개의 제 1 단위 패턴을 포함하는 제 1 패턴을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2 광 가이드(1200)는 제 2 패턴 영역(1210)을 포함한다. 상기 제 2 패턴 영역(1210)은 상기 제 2 파장의 제 2 광 및 상기 제 3 파장의 제 3 광과 반응할 수 있다. 이에 따라, 상기 제 2 패턴 영역(1120)은 적색광을 가이드할 수 있다. 또한, 상기 제 2 패턴 영역(1210)은 녹색광의 다른 일부를 가이드할 수 있다. 즉, 상기 제 2 패턴 영역(1210)은 상기 제 1 패턴 영역(1110)에서 가이드되지 않은 녹색광을 가이드할 수 있다. 자세하게, 상기 제 2 패턴 영역(1210)은 상기 적색광 및 녹색광의 다른 일부를 확산시키고, 상기 청색광 및 상기 녹색광의 일부는 통과시킬 수 있다. 이를 위해, 상기 제 2 패턴 영역(1210)은 복수 개의 제 2 단ㄴ위 패턴을 포함하는 제 2 패턴을 포함할 수 있다.
상기 제 1 패턴 영역(1110)과 상기 제 2 패턴 영역(1210)은 중첩되어 배치될 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 패턴 영역(1110)과 상기 제 2 패턴 영역(1210)은 상기 제 1 광 가이드의 일면에 대해 수직한 방향으로 중첩되어 배치될 수 있다.
상기 제 1 패턴 및 상기 제 2 패턴은 회절 패턴을 포함할 수 있다. 즉, 상기 제 1 패턴은 제 1 회절 패턴일 수 있고, 상기 제 2 패턴은 제 2 회절 패턴일 수 있다.
상기 제 1 패턴 및 상기 제 2 패턴은 설정된 범위의 파장 영역에서만 반응한다. 즉, 상기 제 1 패턴 및 상기 제 2 패턴은 파장 선택적 특성을 가진다. 이에 의해, 상기 제 1 광, 상기 제 2 광 및 상기 제 3 광은 상기 제 1 광 가이드(1100) 및 제 2 광 가이드(1200) 중 적어도 하나의 광 가이드에서 회절될 수 있다.
즉, 상기 제 1 광 및 상기 제 2 광은 서로 다른 광 가이드에서 회절된다. 또한, 상기 제 3 광은 상기 제 1 광 가이드 및 상기 제 2 광 가이드 중 적어도 하나의 광 가이드에서 회절된다.
이에 따라, 서로 다른 3개의 광은 2개의 광 가이드를 통해 회절된다. 따라서, 3개의 광 가이드를 사용하는 것에 비해 광 가이드 모듈의 두께가 감소된다. 또한, 상기 광 가이드 모듈이 적용되는 디스플레이 장치의 두께도 감소된다.
한편, 이러한 광 가이드 모듈은 사용자의 시인성을 향상시키기 위해, 넓은 입사각도를 가지는 광을 회절할 수 있어야 하고, 상기 입사각도 범위에서 균일하고 높은 회절 효율을 가지는 것이 요구된다.
이하에서는, 넓은 입사각도의 대역폭을 가지면서, 상기 입사각도 범위에서 균일하면서 높은 회절 효율을 가질 수 있는 광 가이드의 회절패턴을 설명한다.
도 3은 실시예에 따른 광 가이드를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 상기 제 1 광 가이드 및 제 2 광 가이드 중 적어도 하나의 광 가이드는 기판(100) 및 구조체(200)를 포함한다.
상기 기판(100)은 광을 투과할 수 있는 물질을 포함한다. 예를 들어, 상기 기판(100)은 유리 또는 플라스틱을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(100)은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 또는 폴리이미드(PI)를 포함할 수 있다.
상기 기판(100)은 상기 구조체(200)를 지지한다. 상기 기판(100)은 제 1 면(1S) 및 상기 제 1 면(1S)과 반대되는 제 2 면(2S)을 포함한다. 상기 광 가이드로 입사되는 광은 상기 제 1 면(1S)으로 입사되고, 상기 제 1 면(1S)으로 출사된다. 예를 들어, 상기 광 가이드로 입사되는 광은 상기 제 1 면(1S)의 인 커플링(in-coupling) 구조체를 통과하여 상기 기판(100)의 내부로 입사되고, 상기 기판(100)의 내부에서 전반사되고, 상기 제 1 면(1S)의 아웃 커플링(out-coupling) 구조체를 통과하여 상기 기판(100)의 제 1 면(1S)의 외부로 출사된다.
이하에서 설명하는 상기 구조체(200)는 상기 광 가이드 인 커플링(in-coupling) 구조체 및 아웃 커플링(out-coupling) 구조체 중 적어도 하나일 수 있다. 예를 들어, 이하에서 설명하는 상기 구조체(200)는 인 커플링(in-coupling) 구조체 이거나, 아웃 커플링(out-coupling) 구조체이거나 또는, 인 커플링(in-coupling) 구조체 및 아웃 커플링(out-coupling) 구조체일 수 있다.
상기 구조체(200)는 상기 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 상기 구조체(200)는 상기 기판(100)의 제 1 면(1S) 상에 배치된다. 상기 구조체(200)는 앞서 설명한 상기 제 1 패턴 영역(1110)의 제 1 패턴 및 제 2 패턴 영역(1210)의 제 2 패턴일 수 있다.
상기 구조체(200)는 상기 기판(100)과 동일하거나 유사한 물질을 포함할 수 있다. 또는 상기 구조체(200)는 상기 기판(100)과 다른 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 구조체(200)는 TiOx, HfOx, SiOx, Si, GaAs 또는 Ge를 포함할 수 있다.
상기 구조체(200)는 회절 패턴일 수 있다. 즉, 상기 광 가이드를 통과하는 광은 상기 구조체(200)를 통해 회절될 수 있다. 상기 구조체(200)는 복수의 패턴을 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 구조체(200)는 서로 이격하여 배치되는 복수의 패턴을 포함할 수 있다. 상기 구조체(200)는 프리폼 형상의 메타 표면으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 광 가이드는 설정된 범위의 파장을 가지는 광을 설정된 범위의 회절각도로 회절할 수 있다.
상기 구조체(200)는 설정된 범위의 폭(W) 및 두께(T)를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 구조체(200)는 설정된 범위의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 구조체(200)는 상기 기판(100)의 전 영역에서 유사한 두께로 형성될 수 있다. 또한, 상기 구조체(200)는 설정된 범위의 폭을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 구조체(200)는 상기 기판(100)의 전 영역에서 다른 폭으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 기판(100)의 일 영역에 배치되는 상기 구조체(200)의 폭과 상기 기판(100)의 다른 영역에 배치되는 상기 구조체(200)의 폭은 다를 수 있다. 이에 따라, 상기 구조체(200)는 상기 기판(100)의 전 영역에서 두께는 서로 유사하면서 폭은 다른 크기로 형성될 수 있다.
또한, 상기 기판(100)과 상기 구조체(200)는 설정된 범위의 굴절율을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 기판(100)과 상기 구조체(200)는 1.5 내지 4의 굴절율을 가질 수 있다. 상기 기판(100)과 상기 구조체(200)는 상기 굴절율 범위에서 동일하거나 다른 굴절율을 가질 수 있다. 일례로, 상기 구조체(200)의 굴절율은 상기 기판(100)의 굴절율 이상일 수 있다.
한편, 상기 광 가이드 모듈의 회절 효율은 입사되는 빛의 세기 대비하여 회절각 방향으로 진행하는 빛의 세기로 결정될 수 있다. 또한, 상기 광 가이드 모듈을 통과하는 빛의 세기는 입사하는 광과 구조체와의 상호작용의 결과인 투과도와, 투과 후 위상변화에 의해 결정될 수 있다.
즉, 상기 회절각 방향으로 진행하는 빛의 세기는 상기 광 가이드의 패턴의 형상, 배치 및 크기에 의해 달라질 수 있다.
실시예에 따른 광 가이드 모듈은 상기 제 1 광 가이드 및 제 2 광 가이드로 입사되는 빛의 파장에 따라 최적의 회절 효율을 가지는 형상으로 패턴을 배치하여, 각각의 광 가이드를 통과하는 빛이 넓은 입사각도 범위 내에서 균일하고 높은 회절 효율을 가지도록 할 수 있다.
이하, 도 4 내지 도 16을 참조하여, 제 1 광 가이드 및 제 2 광 가이드를 설명한다.
도 4를 참조하면, 상기 광 가이드 모듈(1000)은 제 1 광 가이드(1100) 및 제 2 광 가이드(1200)를 포함한다.
상기 제 1 광 가이드(1100)는 상기 제 2 광 가이드(1200) 상에 배치된다. 자세하게, 광의 이동 경로를 기준으로, 상기 제 1 광 가이드(1100) 및 상기 제 2 광 가이드(1200)는 순차적으로 배치된다. 상기 제 1 광 가이드(1100)는 제 1 패턴(PA1)을 포함한다. 상기 제 2 광 가이드(1200)는 제 2 패턴(PA2)을 포함한다.
상기 제 1 패턴(PA1)은 설정된 범위의 파장에 선택적으로 반응한다. 이에 따라, 상기 제 1 광(L1)은 상기 제 1 광 가이드(1100)의 내부에서 전반사된다.
상기 제 2 패턴(PA2)은 설정된 범위의 파장에 선택적으로 반응한다. 이에 따라, 상기 제 2 광(L2)은 상기 제 2 광 가이드(1200)의 내부에서 전반사된다.
또한, 상기 제 3 광(L3)은 상기 제 1 광 가이드(1100) 및 상기 제 2 광 가이드(1200) 중 적어도 하나의 광 가이드의 내부에서 전반사된다. 예를 들어, 도 4의 (a), (b)와 같이 상기 제 3 광(L3)은 상기 제 1 광 가이드(1100) 및 상기 제 2 광 가이드(1200)의 내부에서 전반사된다. 또는, 도 4의 (c)와 같이 상기 제 3 광(L3)은 상기 제 2 광 가이드(1200)의 내부에서 전반사된다.
즉, 상기 제 1 패턴(PA1)은 상기 제 1 광(L1) 및 상기 제 3 광(L3)의 파장 범위의 광과 반응하고, 상기 제 2 패턴(PA2)은 상기 제 2 광(L2) 및 상기 제 3 광(L3)의 파장 범위의 광과 반응한다.
상기 제 1 패턴(PA1) 및 상기 제 2 패턴(PA2)은 상기 제 1 광(L1), 상기 제 2 광(L2) 및 상기 제 3 광(L3)의 회절 효율을 향상시키기 위해, 설정된 형상, 크기를 가질 수 있고, 설정된 위치에 배치될 수 있다.
도 5 내지 도 7은 제 1 광 가이드(1100)의 상면도를 도시한 도면이다. 도 5 내지 도 7을 참조하면, 상기 제 1 광 가이드(1100)는 제 1 기판(110) 및 제 1 패턴(PA1)을 포함한다.
상기 제 1 패턴(PA1)은 설정된 범위의 파장 대역의 광을 회절할 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 패턴(PA1)은 제 1 광 및 제 3 광 중 적어도 하나의 파장 대역의 광을 선택적으로 회절할 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 패턴(PA1)은 청색광의 파장 대역의 광을 선택적으로 회절하거나, 녹색광의 파장 대역의 광을 선택적으로 회절하거나, 또는, 청색광 및 녹색광의 파장 대역의 광을 선택적으로 회절할 수 있다.
이하에서는, 설명의 편의를 위해 상기 제 1 패턴(PA1)이 제 1 광 및 제 3 광의 파장 대역의 광을 선택적으로 회절하는 경우를 중심으로 설명한다.
상기 제 1 기판(110)은 상기 제 1 패턴(PA1)에 의해 제 1 투과 영역(T1) 및 제 2 투과 영역(T2)을 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 기판(110)은 상기 제 1 패턴(PA1)이 배치되지 않는 제 1 투과 영역(T1) 및 상기 제 1 패턴(PA1)이 배치되는 제 2 투과 영역(T2)을 포함할 수 있다. 상기 제 1 투과 영역(T1) 및 상기 제 2 투과 영역(T2)을 통해 상기 제 1 광 가이드(1100)를 통과하는 광은 회절될 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 투과 영역(T1)을 통과하는 광과 상기 제 2 투과 영역(T2)을 통과하는 광은 위상 차이가 발생하고, 상기 위상 차이의 합이 회절 현상으로 나타날 수 있다.
상기 제 1 패턴(PA1)은 복수의 단위 패턴을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 패턴(PA1)은 복수의 제 1 단위 패턴(UP1)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 단위 패턴(UP1)은 상기 제 1 기판(110)을 복수의 단위 면적으로 구분하였을 때. 복수의 단위 면적에서 동일한 형상의 구조체 형상이 반복되는 구조로 정의될 수 있다.
상기 제 1 단위 패턴(UP1)은 상기 제 1 광 가이드의 면들 중 광이 입사하는 면에 배치되고, 상기 제 1 광 가이드로 입사하는 광을 가이드할 수 있다.
상기 제 1 단위 패턴(UP1)은 서로 연결되어서 제 1 패턴 라인(PAL1)을 형성할 수 있다.
상기 제 1 패턴(PA1)은 복수의 제 1 패턴 라인(PAL1)을 포함할 수 있다. 또한, 복수의 제 1 패턴 라인(PAL1)은 서로 이격하여 배치될 수 있다. 자세하게, 복수의 제 1 패턴 라인(PAL1)은 서로 연결되지 않는다.
예를 들어, 상기 제 1 패턴(PA1)은 제 1-1 패턴 라인(PAL1-1), 제 1-2 패턴 라인(PAL1-2)을 포함할 수 있다. 상기 제 1-1 패턴 라인(PAL1-1) 및 상기 제 1-2 패턴 라인(PAL1-2)은 상기 제 2 방향(2D)으로 연장하면서 배치될 수 있다. 즉, 상기 제 1-1 패턴 라인(PAL1-1) 및 상기 제 1-2 패턴 라인(PAL1-2)은 상기 제 1 방향(1D)으로 폭을 가지고, 상기 제 2 방향(2D)으로 길이를 가질 수 있다. 또한, 상기 제 1-1 패턴 라인(PAL1-1) 및 상기 제 1-2 패턴 라인(PAL1-2)은 서로 이격하여 배치될 수 있다. 자세하게, 상기 제 1-1 패턴 라인(PAL1-1) 및 상기 제 1-2 패턴 라인(PAL1-2)은 제 1 방향(1D)으로 이격하여 배치될 수 있다.
이에 따라, 상기 제 1 방향(1D)으로 인접하는 상기 제 1 단위 패턴(UP1)들은 서로 동일한 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 방향(1D)으로 인접하는 제 1 단위 패턴(UP1)들 중 어느 하나의 제 1 단위 패턴은 상기 제 1-1 패턴 라인(PAL1-1)일 수 있고, 다른 하나의 제 1 단위 패턴은 상기 제 1-2 패턴 라인(PAL1-2)일 수 있다.
또한, 상기 제 2 방향(2D)으로 인접하는 상기 제 1 단위 패턴(UP1)들은 서로 동일한 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 방향(2D)으로 인접하는 제 1 단위 패턴(UP1)들은 모두 상기 제 1-1 패턴 라인(PAL1-1)이거나 또는 모두 상기 제 1-2 패턴 라인(PAL1-2)일 수 있다.
또한, 상기 제 1 방향(1D) 및 상기 제 2 방향(2D)의 대각선 방향으로 인접하는 상기 제 1 단위 패턴(UP1)들은 서로 동일한 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 대각선 방향으로 인접하는 제 1 단위 패턴(UP1)들 중 어느 하나의 제 1 단위 패턴은 상기 제 1-1 패턴 라인(PAL1-1)일 수 있고, 다른 하나의 제 1 단위 패턴은 상기 제 1-2 패턴 라인(PAL1-2)일 수 있다.
즉, 상기 제 1 패턴(PA1)은 복수의 제 1 단위 패턴(UP1)들의 집합체일 수 있다.
상기 제 1 단위 패턴(UP1)은 서로 대칭되는 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 단위 패턴(UP1)은 상기 제 1 단위 패턴(UP1)의 중심을 통과하는 상기 제 1 방향(1D)을 기준으로 대칭될 수 있다. 즉, 상기 제 1 단위 패턴(UP1)은 제 1 방향(1D)을 축으로 하여 대칭될 수 있다. 또한, 상기 제 1 단위 패턴(UP1)은 제 1 방향(1D)과 수직한 제 2 방향(2D)을 기준으로는 대칭되지 않을 수 있다. 즉, 상기 제 1 단위 패턴(UP1)은 상기 제 2 방향(2D)을 축으로 하여 대칭되지 않는다. 따라서, 상기 제 1 단위 패턴(UP1)은 좌우 대칭 및 상하 대칭 중 어느 하나의 대칭을 만족하고, 좌우 대칭 및 상하 대칭을 동시에 만족하지 않는다.
상기 제 1 단위 패턴(UP1)은 위치마다 서로 다른 폭으로 형성될 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 단위 패턴(UP1)은 상기 제 1 단위 패턴(UP1)의 중심(C1)을 포함하는 중심 영역(CA1)의 폭이 가장 넓을 수 있다.
상기 제 1 단위 패턴(UP1)은 몸체부(BA1) 및 상기 몸체부(BA1)로부터 연장된 날개부(WA1)를 포함할 수 있다. 상기 날개부(WA1)는 상기 몸체부(BA1)를 중심으로 대칭 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 제 1 단위 패턴(UP1)은 상기 제 1 방향(1D)을 기준으로, 상기 몸체부(BA1)의 폭은 크고, 상기 날개부(WA1)의 폭은 상기 몸체부(BA1)의 폭보다 작을 수 있다.
상기 제 1 패턴(PA1)은 설정된 범위의 두께를 가질 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 패턴(PA1)은 상기 제 1 패턴(PA1)이 반응하는 광의 파장 크기와 관계될 수 있다.
상기 제 1 패턴(PA1)의 두께는 상기 제 1 패턴(PA1)과 반응하는 광의 파장보다 작을 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 패턴(PA1)의 두께는 상기 제 1 패턴(PA1)과 반응하는 제 1 광의 제 1 파장 및 제 3 광의 제 3 파장보다 작을 수 있다. 상기 제 1 패턴(PA1)의 두께는 하기의 수학식 1을 만족할 수 있다.
[수학식 1]
제 1 파장 * 0.45 < 제 1 패턴 두께 ≤ 제 1 파장 * 0.75 이고,
제 3 파장 * 0.35 < 제 1 패턴 두께 ≤ 제 3 파장 * 0.65
(여기서, 제 1 파장은 450㎚ 내지 490㎚이고, 제 3 파장은 490㎚ 초과 내지 570㎚)
상기 제 1 패턴(PA1)의 두께가 상기 수학식 1을 만족하면, 설정된 각도로 입사하는 광(빛)과 제 1 패턴(PA1)의 상호작용이 증가하여 상기 제 1 광 및 상기 제 3 광의 회절 효율이 향상될 수 있다.
그러나, 상기 제 1 패턴(PA1)의 두께가 상기 제 1 파장의 0.45 이하인 경우 설정된 각도로 입사하는 제 1 광과 제 1 패턴(PA1)의 상호작용이 감소하여 회절 효율이 감소될 수 있다. 또한, 상기 제 1 패턴(PA1)의 두께가 상기 제 1 파장의 0.75 초과인 경우, 서로 다른 각도로 입사하는 제 1 광의 회절 효율 변화가 증가할 수 있다. 이에 따라, 전체적으로는 넓은 입사각도 범위에서 낮은 회절 효율 또는 불균일한 회절 효율을 가질 수 있다.
또한, 상기 제 1 패턴(PA1)의 두께가 상기 제 3 파장의 0.35 이하인 경우 설정된 각도로 입사하는 제 3 광과 제 1 패턴(PA1)의 상호작용이 감소하여 회절 효율이 감소될 수 있다. 또한, 상기 제 1 패턴(PA1)의 두께가 상기 제 3 파장의 0.65 초과인 경우, 서로 다른 각도로 입사하는 제 3 광의 회절 효율 변화가 증가할 수 있다. 이에 따라, 전체적으로는 넓은 입사각도 범위에서 낮은 회절 효율 또는 불균일한 회절 효율을 가질 수 있다.
상기 제 1 단위 패턴(UP1)은 설정된 범위의 크기를 가질 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 단위 패턴(UP1)의 제 1 방향의 길이(L1-1)와 제 2 방향의 길이(L1-2)는 설정된 범위의 크기를 가질 수 있다.
상기 제 1 방향의 길이(L1-1)와 상기 제 2 방향의 길이(L1-2)는 동일할 수 있다. 즉, 상기 제 1 단위 패턴(UP1)은 상기 제 1 방향의 길이(L1-1)와 상기 제 2 방향의 길이(L1-2)가 동일한 정사각형 형상으로 형성될 수 있다.
또는, 상기 제 1 방향의 길이(L1-1)와 상기 제 2 방향의 길이(L1-2)는 다를 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 방향의 길이(L1-1)는 상기 제 2 방향의 길이(L1-2)보다 클 수 있다. 또는, 상기 제 1 방향의 길이(L1-1)는 상기 제 2 방향의 길이(L1-2)보다 작을 수 있다. 즉, 상기 제 1 단위 패턴(UP1)은 상기 제 1 방향의 길이(L1-1)와 상기 제 2 방향의 길이(L1-2)가 다른 직사각형 형상으로 형성될 수 있다.
상기 제 1 방향의 길이(L1-1)와 상기 제 2 방향의 길이(L1-2)는 상기 제 1 패턴(PA1)과 반응하는 상기 제 1 광 및 상기 제 3 광의 파장 크기와 관계될 수 있다.
상기 제 1 방향의 길이(L1-1)와 상기 제 2 방향의 길이(L1-2) 중 적어도 하나의 길이는 상기 제 1 패턴(PA1)과 반응하는 상기 제 1 광의 파장 및 상기 제 3 광의 파장보다 작을 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 방향의 길이(L1-1)와 상기 제 2 방향의 길이(L1-2)는 하기의 수학식 2를 만족할 수 있다.
[수학식 2]
제 1 파장 * 0.65 < 제 1 방향의 길이(L1-1) ≤ 제 1 파장 * 0.9 또는,
제 1 파장 * 0.65 < 제 2 방향의 길이(L1-2) ≤ 제 1 파장 * 0.9 또는,
제 1 파장 * 0.65 < 제 1, 2 방향의 길이(L1-1, L1-2) ≤ 제 1 파장 * 0.9 이고,
제 3 파장 * 0.60 < 제 1 방향의 길이(L1-1) ≤ 제 3 파장 * 0.8 또는,
제 3 파장 * 0.60 < 제 2 방향의 길이(L1-2) ≤ 제 3 파장 * 0.8 또는,
제 3 파장 * 0.60 < 제 1, 2 방향의 길이(L1-1, L1-2) ≤ 제 3 파장 * 0.8
(여기서, 제 1 파장은 450㎚ 내지 490㎚이고, 제 3 파장은 490㎚ 초과 내지 570㎚)
상기 제 1 방향의 길이(L1-1) 및 상기 제 2 방향의 길이(L1-2)의 길이가 상기 수학식 2를 만족함에 따라, 설정된 각도로 입사하는 제 1 광 및 제 3 광과 제 1 패턴(PA1)의 상호작용이 증가하여 회절 효율이 향상될 수 있다.
그러나. 상기 제 1 방향의 길이(L1-1) 및 상기 제 2 방향의 길이(L1-2)의 길이가 상기 수학식 2를 만족하지 못하는 경우, 설정된 각도로 입사하는 제 1 광 및 제 3 광과 제 1 패턴(PA1)의 상호작용이 감소하여 회절 효율이 감소될 수 있다.
또는, 상기 제 1 방향의 길이(L1-1)와 상기 제 2 방향의 길이(L1-2)는 상기 제 1 패턴(PA1)의 두께와 관계될 수 있다.
상기 제 1 방향의 길이(L1-1)와 상기 제 2 방향의 길이(L1-2) 중 적어도 하나의 길이는 상기 제 1 패턴(PA1)의 두께보다 클 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 방향의 길이(L1-1)와 상기 제 2 방향의 길이(L1-2)는 하기의 수학식 3을 만족할 수 있다.
[수학식 3]
제 1 방향의 길이(L1-1) * 0.55 < 제 1 패턴 두께 ≤ 제 1 방향의 길이(L1-1) * 0.8 또는,
제 2 방향의 길이(L1-2) * 0.55 < 제 1 패턴 두께 ≤ 제 2 방향의 길이(L1-2) * 0.8 또는,
제 1, 2 방향의 길이(L1-1, L1-2) * 0.55 < 제 1 패턴 두께 ≤ 제 1, 2 방향의 길이(L1-1, L1-2) * 0.8
상기 제 1 패턴(PA1) 두께가 상기 수학식 3을 만족함에 따라, 설정된 각도로 입사하는 상기 제 1 광 및 상기 제 3 광과 제 1 패턴(PA1)의 상호작용이 증가하여 회절 효율이 향상될 수 있다.
그러나. 상기 제 1 패턴(PA1) 두께가 상기 수학식 5를 만족하지 못하는 경우, 설정된 각도로 입사하는 상기 제 1 광 및 상기 제 3 광과 제 1 패턴(PA1)의 상호작용이 감소하여 회절 효율이 감소될 수 있다.
도 8 내지 도 10은 각각 도 5 내지 도 7의 제 1 단위 패턴을 가지는 제 1 광 가이드의 회절 효율을 설명하기 위한 도면들이다.
도 8 내지 도 10의 (a)는 청색광인 즉, 450㎚ 내지 490㎚의 파장을 가지는 제 1 광의 회절효율을 나타낸 그래프이고, (b)는 녹색광인 즉, 490㎚ 초과 내지 570㎚의 파장을 가지는 제 3 광의 회절효율을 나타낸 그래프이다.
도 8 내지 도 10의 그래프에서, m=0은 회절이 없는 투과(굴절)된 빛을 의미하고, m=1은 회절된 빛을 의미하고, m=-1은 회절을 목표로 하지 않았지만 환경에 따라 다양한 사이드 효과(side effect)를 발생시킬 수 있는 빛을 의미한다. 또한, m=-1, m=0, m=1 이외의 선은 -1차, 0차 및 1차의 회절 효율을 모두 합한 값을 의미하며, -1차, 0차, 1차 이외의 고차항들의 효율이 있다는 것을 의미한다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 회절되는 m=1의 곡선은 -23°내지 23°의 범위에서 균일하면서 높은 회절 효율을 가지는 것을 알 수 있다.
즉, 실시예에 따른 제 1 패턴을 포함하는 제 1 광 가이드는 넓은 입사각도의 대역 범위에서 균일하고 높은 회절 효율을 가지는 것을 알 수 있다.
이하, 도 11 내지 도 16을 참조하여, 제 2 광 가이드의를 설명한다.
도 11 내지 도 13은 제 2 광 가이드(1200)의 상면도를 도시한 도면이다. 도 11 내지 도 13을 참조하면, 상기 제 2 광 가이드(1100)는 제 2 기판(120) 및 제 2 패턴(PA2)를 포함한다.
상기 제 2 패턴(PA2)은 설정된 범위의 파장 대역의 광을 회절할 수 있다. 자세하게, 상기 제 2 패턴(PA2)은 제 2 광 및 제 3 광 중 적어도 하나의 파장 대역의 광을 선택적으로 회절할 수 있다. 즉, 상기 제 2 패턴(PA2)은 적색광의 파장 대역의 광을 선택적으로 회절하거나, 녹색광의 파장 대역의 광을 선택적으로 회절하거나, 또는, 적색광 및 녹색광의 파장 대역의 광을 선택적으로 회절할 수 있다.
이하에서는, 설명의 편의를 위해 상기 제 2 패턴(PA2)이 제 2 광 및 제 3 광의 파장 대역의 광을 선택적으로 회절하는 경우를 중심으로 설명한다.
상기 제 2 기판(120)은 상기 제 2 패턴(PA2)에 의해 제 1 투과 영역(T1) 및 제 2 투과 영역(T2)을 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 제 2 기판(120)은 상기 제 2 패턴(PA2)이 배치되지 않는 제 1 투과 영역(T1) 및 상기 제 2 패턴(PA2)이 배치되는 제 2 투과 영역(T2)을 포함할 수 있다. 상기 제 1 투과 영역(T1) 및 상기 제 2 투과 영역(T2)을 통해 상기 제 2 광 가이드(1200)를 통과하는 광은 회절될 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 투과 영역(T1)을 통과하는 광과 상기 제 2 투과 영역(T2)을 통과하는 광은 위상 차이가 발생하고, 상기 위상 차이의 합이 회절 현상으로 나타날 수 있다.
상기 제 2 패턴(PA2)은 복수의 단위 패턴을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 패턴(PA2)은 복수의 제 2 단위 패턴(UP2)을 포함할 수 있다. 상기 제 2 단위 패턴(UP2)은 상기 제 2 기판(120)을 복수의 단위 면적으로 구분하였을 때. 복수의 단위 면적에서 동일한 형상의 구조체 형상이 반복되는 구조로 정의될 수 있다.
상기 제 2 단위 패턴(UP2)은 상기 제 2 광 가이드의 면들 중 광이 입사하는 면에 배치되고, 상기 제 2 광 가이드로 입사하는 광을 가이드할 수 있다.
상기 제 2 단위 패턴(UP2)은 서로 연결되어서 제 2 패턴 라인(PAL2)을 형성할 수 있다.
상기 제 2 패턴(PA2)은 복수의 제 2 패턴 라인(PAL2)을 포함할 수 있다. 또한, 복수의 제 2 패턴 라인(PAL2)은 서로 이격하여 배치될 수 있다. 자세하게, 복수의 제 2 패턴 라인(PAL2)은 서로 연결되지 않는다.
예를 들어, 상기 제 2 패턴(PA2)은 제 2-1 패턴 라인(PAL2-1), 제 2-2 패턴 라인(PAL2-2)을 포함할 수 있다. 상기 제 2-1 패턴 라인(PAL2-1) 및 상기 제 2-2 패턴 라인(PAL2-2)은 상기 제 2 방향(2D)으로 연장하면서 배치될 수 있다. 즉, 상기 제 2-1 패턴 라인(PAL2-1) 및 상기 제 2-2 패턴 라인(PAL2-2)은 상기 제 1 방향(1D)으로 폭을 가지고, 상기 제 2 방향(2D)으로 길이를 가질 수 있다. 또한, 상기 제 2-1 패턴 라인(PAL2-1) 및 상기 제 2-2 패턴 라인(PAL2-2)은 서로 이격하여 배치될 수 있다. 자세하게, 상기 제 2-1 패턴 라인(PAL2-1) 및 상기 제 2-2 패턴 라인(PAL2-2)은 제 1 방향(1D)으로 이격하여 배치될 수 있다.
이에 따라, 상기 제 1 방향(1D)으로 인접하는 상기 제 2 단위 패턴(UP2)들은 서로 동일한 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 방향(1D)으로 인접하는 제 2 단위 패턴(UP2)들 중 어느 하나의 제 2 단위 패턴은 상기 제 2-1 패턴 라인(PAL2-1)일 수 있고, 다른 하나의 제 2 단위 패턴은 상기 제 2-2 패턴 라인(PAL2-2)일 수 있다.
또한, 상기 제 2 방향(2D)으로 인접하는 상기 제 2 단위 패턴(UP2)들은 서로 동일한 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 방향(2D)으로 인접하는 제 2 단위 패턴(UP2)들은 모두 상기 제 2-1 패턴 라인(PAL2-1)이거나 또는 모두 상기 제 2-2 패턴 라인(PAL2-2)일 수 있다.
또한, 상기 제 1 방향(1D) 및 상기 제 2 방향(2D)의 대각선 방향으로 인접하는 상기 제 2 단위 패턴(UP2)들은 서로 동일한 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 대각선 방향으로 인접하는 제 2 단위 패턴(UP2)들 중 어느 하나의 제 2 단위 패턴은 상기 제 2-1 패턴 라인(PAL2-1)일 수 있고, 다른 하나의 제 2 단위 패턴은 상기 제 2-2 패턴 라인(PAL2-2)일 수 있다.
즉, 상기 제 2 패턴(PA2)은 복수의 제 2 단위 패턴(UP2)들의 집합체일 수 있다.
상기 제 1 패턴 라인(PAL1)과 상기 제 2 패턴 라인(PAL2)은 중첩되거나 또는 중첩되지 않을 수 있다.
예를 들어, 복수개의 제 1 패턴 라인(PAL1) 중 하나의 제 1 패턴 라인은 인접한 두 개의 상기 제 2 패턴 라인(PAL2) 사이에 배치될 수 있다. 즉, 상기 제 1 패턴 라인(PAL1)과 상기 제 2 패턴 라인(PAL2)은 중첩되지 않을 수 있다.
또는, 상기 복수개의 제 1 패턴 라인(PAL1) 중 적어도 하나의 제 1 패턴 라인은 상기 복수개의 제 2 패턴 라인 중 적어도 하나의 제 2 패턴 라인과 중첩될 수 있다. 즉, 상기 제 1 패턴 라인(PAL1)과 상기 제 2 패턴 라인(PAL2)은 중첩될 수 있다.
또한, 상기 제 1 패턴 라인(PAL1)과 상기 제 2 패턴 라인(PAL2)은 서로 평행할 수 있다. 자세하게, 상기 복수개의 제 1 패턴 라인 중 적어도 하나의 제 1 패턴 라인은 상기 복수개의 제 2 패턴 라인 중 적어도 하나의 제 2 패턴 라인과 평행할 수 있다.
상기 제 2 단위 패턴(UP2)은 서로 대칭되는 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 단위 패턴(UP2)은 상기 제 2 단위 패턴(UP2)의 중심을 통과하는 상기 제 1 방향(1D)을 기준으로 대칭될 수 있다. 즉, 상기 제 2 단위 패턴(UP2)은 제 1 방향(1D)을 축으로 하여 대칭될 수 있다. 또한, 상기 제 2 단위 패턴(UP2)은 제 1 방향(1D)과 수직한 제 2 방향(2D)을 기준으로는 대칭되지 않을 수 있다. 즉, 상기 제 2 단위 패턴(UP2)은 상기 제 2 방향(2D)을 축으로 하여 대칭되지 않는다. 따라서, 상기 제 2 단위 패턴(UP2)은 좌우 대칭 및 상하 대칭 중 어느 하나의 대칭을 만족하고, 좌우 대칭 및 상하 대칭을 동시에 만족하지 않는다.
상기 제 2 단위 패턴(UP2)은 위치마다 서로 다른 폭으로 형성될 수 있다. 자세하게, 상기 제 2 단위 패턴(UP2)은 상기 제 2 단위 패턴(UP2)의 중심(C2)을 포함하는 중심 영역(CA2)의 폭이 가장 넓을 수 있다.
상기 제 2 단위 패턴(UP2)은 몸체부(BA2) 및 상기 몸체부(BA2)로부터 연장된 날개부(WA2)를 포함할 수 있다. 상기 날개부(WA2)는 상기 몸체부(BA2)를 중심으로 대칭 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 제 2 단위 패턴(UP2)은 상기 제 1 방향(1D)을 기준으로, 상기 몸체부(BA2)의 폭은 크고, 상기 날개부(WA2)의 폭은 상기 몸체부(BA2)의 폭보다 작을 수 있다.
상기 제 2 패턴(P2)은 설정된 범위의 두께를 가질 수 있다. 자세하게, 상가 제 2 패턴(P2)은 상기 제 2 패턴(P2)이 반응하는 광의 파장 크기와 관계될 수 있다.
상기 제 2 패턴(P2)의 두께는 상기 제 2 패턴(P2)과 반응하는 광의 파장보다 작을 수 있다. 자세하게, 상기 제 2 패턴(P2)의 두께는 상기 제 2 패턴(P2)과 반응하는 제 2 광의 제 2 파장 및 제 3 광의 제 3 파장보다 작을 수 있다. 상기 제 2 패턴(P2)의 두께는 하기의 수학식 4를 만족할 수 있다.
[수학식 4]
제 2 파장 * 0.4 < 제 2 패턴 두께 ≤ 제 1 파장 * 0.6 이고,
제 3 파장 * 0.45 < 제 2 패턴 두께 ≤ 제 3 파장 * 0.65
(여기서, 제 2 파장은 620㎚ 내지 780㎚이고, 제 3 파장은 490㎚ 초과 내지 570㎚)
상기 제 2 패턴(P2)의 두께가 상기 수학식 4를 만족하면, 설정된 각도로 입사하는 광(빛)과 제 2 패턴(P2)의 상호작용이 증가하여 상기 제 2 광 및 상기 제 3 광의 회절 효율이 향상될 수 있다.
그러나, 상기 제 2 패턴(P2)의 두께가 상기 제 2 파장의 0.4 이하인 경우 설정된 각도로 입사하는 제 2 광과 제 2 패턴(P2)의 상호작용이 감소하여 회절 효율이 감소될 수 있다. 또한, 상기 제 2 패턴(P2)의 두께가 상기 제 2 파장의 0.6 초과인 경우, 서로 다른 각도로 입사하는 제 2 광의 회절 효율 변화가 증가할 수 있다. 이에 따라, 전체적으로는 넓은 입사각도 범위에서 낮은 회절 효율 또는 불균일한 회절 효율을 가질 수 있다.
또한, 상기 제 2 패턴(P2)의 두께가 상기 제 3 파장의 0.45 이하인 경우 설정된 각도로 입사하는 제 3 광과 제 2 패턴(P2)의 상호작용이 감소하여 회절 효율이 감소될 수 있다. 또한, 상기 제 2 패턴(P2)의 두께가 상기 제 3 파장의 0.65 초과인 경우, 서로 다른 각도로 입사하는 제 3 광의 회절 효율 변화가 증가할 수 있다. 이에 따라, 전체적으로는 넓은 입사각도 범위에서 낮은 회절 효율 또는 불균일한 회절 효율을 가질 수 있다.
상기 제 2 단위 패턴(UP2)은 설정된 범위의 크기를 가질 수 있다. 자세하게, 상기 제 2 단위 패턴(UP2)의 제 1 방향의 길이(L2-1)와 제 2 방향의 길이(L2-2)는 설정된 범위의 크기를 가질 수 있다.
상기 제 1 방향의 길이(L2-1)와 상기 제 2 방향의 길이(L2-2)는 동일할 수 있다. 즉, 상기 제 2 단위 패턴(UP2)은 상기 제 1 방향의 길이(L2-1)와 상기 제 2 방향의 길이(L2-2)가 동일한 정사각형 형상으로 형성될 수 있다.
또는, 상기 제 1 방향의 길이(L2-1)와 상기 제 2 방향의 길이(L2-2)는 다를 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 방향의 길이(L2-1)는 상기 제 2 방향의 길이(L2-2)보다 클 수 있다. 또는, 상기 제 1 방향의 길이(L2-1)는 상기 제 2 방향의 길이(L2-2)보다 작을 수 있다. 즉, 상기 제 2 단위 패턴(UP2)은 상기 제 1 방향의 길이(L2-1)와 상기 제 2 방향의 길이(L2-2)가 다른 직사각형 형상으로 형성될 수 있다.
상기 제 1 방향의 길이(L2-1)와 상기 제 2 방향의 길이(L2-2)는 상기 제 2 패턴(PA2)과 반응하는 상기 제 2 광 및 상기 제 3 광의 파장 크기와 관계될 수 있다.
상기 제 1 방향의 길이(L2-1)와 상기 제 2 방향의 길이(L2-2) 중 적어도 하나의 길이는 상기 제 2 패턴(PA2)과 반응하는 상기 제 2 광의 파장 및 상기 제 3 광의 파장보다 작을 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 방향의 길이(L2-1)와 상기 제 2 방향의 길이(L2-2)는 하기의 수학식 5를 만족할 수 있다.
[수학식 5]
제 2 파장 * 0.65 < 제 1 방향의 길이(L2-1) ≤ 제 2 파장 * 0.85 또는,
제 2 파장 * 0.65 < 제 2 방향의 길이(L2-2) ≤ 제 2 파장 * 0.85 또는,
제 2 파장 * 0.65 < 제 1, 2 방향의 길이(L2-1, L2-2) ≤ 제 2 파장 * 0.85 이고,
제 3 파장 * 0.8 ≤ 제 1 방향의 길이(L2-1) < 제 3 파장 * 0.9 또는,
제 3 파장 * 0.8 ≤ 제 2 방향의 길이(L2-2) < 제 3 파장 * 0.9 또는,
제 3 파장 * 0.8 ≤ 제 1, 2 방향의 길이(L2-1, L2-2) < 제 3 파장 * 0.9
(여기서, 제 2 파장은 620㎚ 내지 780㎚이고, 제 3 파장은 490㎚ 초과 내지 550㎚)
상기 제 1 방향의 길이(L2-1) 및 상기 제 2 방향의 길이(L2-2)의 길이가 상기 수학식 5를 만족함에 따라, 설정된 각도로 입사하는 제 2 광 및 제 3 광과 제 2 구조체의 상호작용이 증가하여 회절 효율이 향상될 수 있다.
그러나. 상기 제 1 방향의 길이(L2-1) 및 상기 제 2 방향의 길이(L2-2)의 길이가 상기 수학식 5를 만족하지 못하는 경우, 설정된 각도로 입사하는 제 2 광 및 제 3 광과 제 2 구조체의 상호작용이 감소하여 회절 효율이 감소될 수 있다.
또는, 상기 제 1 방향의 길이(L2-1)와 상기 제 2 방향의 길이(L2-2)는 상기 제 2 패턴(PA2)의 두께와 관계될 수 있다.
상기 제 1 방향의 길이(L2-1)와 상기 제 2 방향의 길이(L2-2) 중 적어도 하나의 길이는 상기 제 2 패턴(PA2)의 두께보다 클 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 방향의 길이(L2-1)와 상기 제 2 방향의 길이(L2-2)는 하기의 수학식 6을 만족할 수 있다.
[수학식 6]
제 1 방향의 길이(L1-1) * 0.6 < 제 2 패턴 두께 ≤ 제 1 방향의 길이(L1-1) * 0.8 또는,
제 2 방향의 길이(L1-2) * 0.6 < 제 2 패턴 두께 ≤ 제 2 방향의 길이(L1-2) * 0.8 또는,
제 1, 2 방향의 길이(L1-1, L1-2) * 0.6 < 제 2 패턴 두께 ≤ 제 1, 2 방향의 길이(L1-1, L1-2) * 0.8
상기 제 2 패턴(PA2) 두께가 상기 수학식 6을 만족함에 따라, 설정된 각도로 입사하는 상기 제 2 광 및 상기 제 3 광과 제 2 구조체의 상호작용이 증가하여 회절 효율이 향상될 수 있다.
그러나. 상기 제 2 패턴(PA2) 두께가 상기 수학식 6을 만족하지 못하는 경우, 설정된 각도로 입사하는 상기 제 2 광 및 상기 제 3 광과 제 2 구조체의 상호작용이 감소하여 회절 효율이 감소될 수 있다.
도 14 내지 도 16은 각각 도 8 내지 도 10의 제 2 단위 패턴을 가지는 제 2 광 가이드의 회절 효율을 설명하기 위한 도면들이다.
도 14 내지 도 16의 (a)는 적색광인 즉, 620㎚ 내지 780㎚의 파장을 가지는 제 2 광의 회절효율을 나타낸 그래프이고, (b)는 녹색광인 즉, 490㎚ 초과 내지 570㎚의 파장을 가지는 제 3 광의 회절효율을 나타낸 그래프이다.
도 14 내지 도 16의 그래프에서, m=0은 회절이 없는 투과(굴절)된 빛을 의미하고, m=1은 회절된 빛을 의미하고, m=-1은 회절을 목표로 하지 않았지만 환경에 따라 다양한 사이드 효과(side effect)를 발생시킬 수 있는 빛을 의미한다. 또한, m=-1, m=0, m=1 이외의 선은 -1차, 0차 및 1차의 회절 효율을 모두 합한 값을 의미하며, -1차, 0차, 1차 이외의 고차항들의 효율이 있다는 것을 의미한다.
도 14 내지 도 16을 참조하면, 회절되는 m=1의 곡선은 -23°내지 23°의 범위에서 균일하면서 높은 회절 효율을 가지는 것을 알 수 있다.
즉, 실시예에 따른 제 2 패턴을 포함하는 제 2 광 가이드는 넓은 입사각도의 대역 범위에서 균일하고 높은 회절 효율을 가지는 것을 알 수 있다.
이하, 도 17을 참조하여. 실시예에 따른 광 가이드 모듈을 포함하는 디스플레이 장치의 일례를 설명한다.
도 17을 참조하면, 실시예에 따른 광학장치는 웨어러블 디스플레이 장치에 적용될 수 있다. 자세하게, 실시예에 따른 광학 장치는 인체의 머리 또는 인체의 귀에 착용하는 웨어러블 디스플레이 장치에 적용될 수 있다.
일례로, 상기 디스플레이 장치(3000)는 증강현실 장치일 수 있다.
상기 디스플레이 장치(3000)는 착용부(3100) 및 디스플레이부(3200)를 포함할 수 있다. 상기 디스플레이부(3200)는 AR 글래스일 수 있다. 또는, 상기 디스플레이부(3200)는 앞서 설명한 광 가이드 모듈일 수 있다.
상기 착용부(3100)는 일 방향으로 연장할 수 있다. 상기 착용부(1000)는 사용자의 신체에 착용될 수 있다. 예를 들어, 상기 착용부(3100)는 사용자의 머리 또는 귀에 착용되고, 이에 의해 상기 디스플레이 장치(3000)는 사용자의 신체에 고정될 수 있다.
또한, 광원이 출사되는 프로젝터(15)는 상기 착용부(3100) 또는 상기 디스플레이부(3200)와 연결될 수 있다. 즉, 상기 프로젝터(15)는 상기 착용부(3100)와 연결되고, 상기 프로젝터(15)는 상기 디스플레이부(3200)와 인접하여 배치될 수 있다.
또는, 상기 프로젝터(15)는 상기 디스플레이부(3200)의 상부에 배치될 수 있다.
상기 프로젝터(15)는 상기 디스플레이부(3200) 방향으로 광을 전달할 수 있다. 자세하게, 상기 프로젝터(15)는 광 신호 생성부에 의해 이미지 정보가 출력된 광을 상기 디스플레이부(3200)로 전달할 수 있다.
이에 의해, 사용자는 상기 디스플레이부(3200)를 통해 이미지 정보를 전달받을 수 있다. 이에 따라, 사용자는 상기 광학 장치를 통해 가상 현실 및 실제 현실의 증강 현실을 시인할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (24)

  1. 제 1 광 가이드 및 제 2 광 가이드를 포함하고,
    상기 제 1 광 가이드는 제 1 파장의 제 1 광 및 제 3 파장의 제 3 광과 반응하고 제 1 패턴이 배치되는 제 1 패턴 영역을 포함하고,
    상기 제 2 광 가이드는 제 2 파장의 제 2 광 및 제 3 파장의 제 3 광과 반응하고 제 2 패턴이 배치되는 제 2 패턴 영역을 포함하고,
    상기 제 1 패턴 영역은 복수개의 제 1 단위 패턴을 포함하고,
    상기 제 2 패턴 영역은 상기 제 1 단위 패턴과 다른 복수개의 제 2 단위 패턴을 포함하고,
    상기 제 1 단위 패턴은 중심을 포함하는 중심 영역이 가장 넓고, 상기 중심을 통과하는 제 1 방향을 기준으로 대칭되는 광 가이드 모듈.
  2. 제 1항에 있어서,
    제 1 광 가이드 및 제 2 광 가이드를 포함하고,
    상기 제 1 광 가이드는 청색광; 및 녹색광의 일부를 가이드하는 제 1 패턴 영역을 포함하고,
    상기 제 2 광 가이드는 적색광; 및 녹색광의 다른 일부를 가이드하는 제 2 패턴 영역을 포함하고,
    상기 제 1 패턴 영역은 상기 녹색광의 상기 다른 일부와 상기 적색광을 통과시키고, 상기 청색광 및 상기 녹색광의 상기 일부를 확산시키고,
    상기 제 2 패턴 영역은 상기 적색광 및 상기 녹색광의 상기 다른 일부를 확산시키는 광 가이드 모듈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 복수개의 제 1 단위 패턴은 서로 연결되어 제 1 패턴 라인을 형성하고,
    상기 제 1 패턴 영역은 복수개의 제 1 패턴 라인을 포함하는 광 가이드 모듈.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 복수개의 제 1 패턴 라인은 서로 연결되지 않는 광 가이드 모듈.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 단위 패턴은 상기 제 1 방향과 수직한 제 2 방향으로 대칭되지 않는 광 가이드 모듈.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 단위 패턴은 좌우대칭 및 상하대칭을 동시에 만족하지 않는 광 가이드 모듈.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 패턴 영역과 상기 제 2 패턴 영역은 상기 제 1 광 가이드의 면에 수직한 방향으로 중첩되어 배치되는 광 가이드 모듈.
  8. 제 1항에 있어서
    상기 제 1 단위 패턴은 몸체부로부터 연장된 날개부를 포함하고,
    상기 몸체부를 중심으로 상기 날개부는 대칭 형상을 가지는 광 가이드 모듈.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제 1 단위 패턴은 상기 제 1 방향을 기준으로, 상기 날개부의 폭은 상기 몸체부의 폭보다 작은 광 가이드 모듈.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 단위 패턴은 상기 제 1 광 가이드 일면인 광이 입사하는 면에 배치되고,
    상기 제 1 단위 패턴은 입사하는 광을 가이드하는 광 가이드 모듈.
  11. 제 4항에 있어서,
    상기 복수개의 제 2 단위 패턴은 서로 연결되어 제 2 패턴 라인을 형성하고,
    상기 제 2 패턴 영역은 복수개의 제 2 패턴 라인을 포함하는 광 가이드 모듈.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 복수개의 제 2 패턴 라인은 서로 연결되지 않는 광 가이드 모듈.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 복수개의 제 1 패턴 라인 중 하나의 제 1 패턴 라인은 인접한 두 개의 상기 제 2 패턴 라인 사이에 배치되는 광 가이드 모듈.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 복수개의 제 1 패턴 라인 중 적어도 하나의 제 1 패턴 라인은 상기 복수개의 제 2 패턴 라인 중 적어도 하나의 제 2 패턴 라인과 중첩되는 광 가이드 모듈.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 복수개의 제 1 패턴 라인 중 적어도 하나의 제 1 패턴 라인은 상기 복수개의 제 2 패턴 라인 중 적어도 하나의 제 2 패턴 라인과 평행한 광 가이드 모듈.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 파장은 450㎚ 내지 490㎚이고,
    상기 제 2 파장은 620㎚ 내지 780㎚이고,
    상기 제 3 파장은 490㎚ 초과 내지 570㎚인 광 가이드 모듈.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 패턴의 두께는 하기의 수학식 1을 만족하는 광가이드 모듈.
    [수학식 1]
    제 1 파장 * 0.45 < 제 1 패턴 두께 ≤ 제 1 파장 * 0.75 이고,
    제 3 파장 * 0.35 < 제 1 패턴 두께 ≤ 제 3 파장 * 0.65
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 제 1 단위 패턴의 제 1 방향의 길이 및 상기 제 1 방향과 수직한 제 2 방향의 길이는 동일하거나 다른 광가이드 모듈.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 1 방향의 길이와 상기 제 2 방향의 길이는 하기의 수학식 2를 만족하는 광가이드 모듈.
    [수학식 2]
    제 1 파장 * 0.65 < 제 1 방향의 길이(L1-1) ≤ 제 1 파장 * 0.9 또는,
    제 1 파장 * 0.65 < 제 2 방향의 길이(L1-2) ≤ 제 1 파장 * 0.9 또는,
    제 1 파장 * 0.65 < 제 1, 2 방향의 길이(L1-1, L1-2) ≤ 제 1 파장 * 0.9 이고,
    제 3 파장 * 0.60 < 제 1 방향의 길이(L1-1) ≤ 제 3 파장 * 0.8 또는,
    제 3 파장 * 0.60 < 제 2 방향의 길이(L1-2) ≤ 제 3 파장 * 0.8 또는,
    제 3 파장 * 0.60 < 제 1, 2 방향의 길이(L1-1, L1-2) ≤ 제 3 파장 * 0.8
  20. 제 18항에 있어서,
    상기 제 1 방향의 길이와 상기 제 2 방향의 길이는 하기의 수학식 3을 만족하는 광가이드 모듈.
    [수학식 3]
    제 1 방향의 길이(L1-1) * 0.55 < 제 1 패턴 두께 ≤ 제 1 방향의 길이(L1-1) * 0.8 또는,
    제 2 방향의 길이(L1-2) * 0.55 < 제 1 패턴 두께 ≤ 제 2 방향의 길이(L1-2) * 0.8 또는,
    제 1, 2 방향의 길이(L1-1, L1-2) * 0.55 < 제 1 패턴 두께 ≤ 제 1, 2 방향의 길이(L1-1, L1-2) * 0.8
  21. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 패턴의 두께는 하기의 수학식 4를 만족하는 광 가이드 부재.
    [수학식 4]
    제 2 파장 * 0.4 < 제 2 패턴체 두께 ≤ 제 1 파장 * 0.6 이고,
    제 3 파장 * 0.45 < 제 2 패턴 두께 ≤ 제 3 파장 * 0.65
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 제 2 단위 패턴의 제 1 방향의 길이 및 상기 제 1 방향과 수직한 제 2 방향의 길이는 동일하거나 다른 광가이드 모듈.
  23. 제 22항에 있어서,
    상기 제 1 방향의 길이와 상기 제 2 방향의 길이는 하기의 수학식 5를 만족하는 광가이드 모듈.
    [수학식 5]
    제 2 파장 * 0.65 < 제 1 방향의 길이(L2-1) ≤ 제 2 파장 * 0.85 또는,
    제 2 파장 * 0.65 < 제 2 방향의 길이(L2-2) ≤ 제 2 파장 * 0.85 또는,
    제 2 파장 * 0.65 < 제 1, 2 방향의 길이(L2-1, L2-2) ≤ 제 2 파장 * 0.85 이고,
    제 3 파장 * 0.8 ≤ 제 1 방향의 길이(L2-1) < 제 3 파장 * 0.9 또는,
    제 3 파장 * 0.8 ≤ 제 2 방향의 길이(L2-2) < 제 3 파장 * 0.9 또는,
    제 3 파장 * 0.8 ≤ 제 1, 2 방향의 길이(L2-1, L2-2) < 제 3 파장 * 0.9
  24. 제 22항에 있어서,
    상기 제 1 방향의 길이와 상기 제 2 방향의 길이는 하기의 수학식 6을 만족하는 광가이드 모듈.
    [수학식 6]
    제 1 방향의 길이(L1-1) * 0.6 < 제 2 패턴 두께 ≤ 제 1 방향의 길이(L1-1) * 0.8 또는,
    제 2 방향의 길이(L1-2) * 0.6 < 제 2 패턴 두께 ≤ 제 2 방향의 길이(L1-2) * 0.8 또는,
    제 1, 2 방향의 길이(L1-1, L1-2) * 0.6 < 제 2 패턴 두께 ≤ 제 1, 2 방향의 길이(L1-1, L1-2) * 0.8
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