KR20230142883A - 카메라 모듈의 전자식 광량 조절장치 - Google Patents

카메라 모듈의 전자식 광량 조절장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 평상시보다 광량이 많이 입사될 경우 카메라 모듈 내 이미지 센서에서 발생하는 광학적 왜곡을 최소화할 수 있는 액정 광량 조절 장치 및 이를 이용한 카메라 모듈의 광량 조절장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 광량 조절 장치는 카메라 모듈에 구비되어 광량을 조절하는 장치로서, 일정한 이격 거리를 두고 상호 대향하도록 배치되는 투명한 상판과 투명한 하판; 상기 상판과 하판 사이에 액정, 이색성 염료 및 카이랄 도펀트를 혼합하여 충진된 혼합 액정층; 및 상기 혼합 액정층에 전계를 인가하기 위한 전극층;을 포함하고, 상기 혼합 액정층이 아래 [수학식 1]과 [수학식 2]를 만족하는 조건 하에서, 상기 카이랄 도펀트는 0.1% ~ 13% 범위 내의 농도를 만족하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
1/P = H * C
(여기서, P: 액정의 피치(pitch), H: 카이랄 도펀트의 헤리칼 트위스팅 파워(HTP), C: 카이랄 도펀트의 농도(%))
[수학식 2]
TR = (Δn * d) / λR
TG = (Δn * d) / λG
TB = (Δn * d) / λB

Description

카메라 모듈의 전자식 광량 조절장치{Electrical Light Control Unit of CAMERA MODULE}
본 발명은 카메라 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 최적의 광량을 이미지 센서에 제공함으로써, 항상 선명한 이미지를 얻을 수 있도록 하는 카메라 모듈의 전자식 광량 조절장치에 관한 것이다.
일반적으로, 태블릿 PC, 스마트폰을 비롯한 휴대용 단말기와 토이 카메라(TOY CAMERA), 자동차, 의료산업, 보안산업 및 기타산업(드론, 웨어러블 소자, 3D 프린터 등) 등 다양한 산업에서 적용되고 있는 카메라 모듈(CCM:COMPACT CAMERA MOUDULE)은 소형으로 제작되고 있는 바, 최근에 이르러서는 고객의 다양한 취향에 맞추어 다양한 기능을 가진 카메라 모듈이 장착되어 제품출시가 점차 늘어나고 있는 실정이다.
이와 같은 카메라 모듈은 CCD나 CMOS 등의 이미지센서를 주요 부품으로 하여 제작되고 있으며 이러한 이미지센서에 피사체의 이미지에 대한 빛의 밝기정보와 색(color)정보를 제공하여 기기내의 이미지 프로세싱을 거쳐 기기내의 디스플레이 매체를 통해 자연색에 가까운 영상으로 보여지게 되도록 한다.
한편, 휴대용 단말기의 디자인이 다양해지고 그에 따른 제품의 차별화와 소비자들의 다양한 요구에 따라 휴대용 단말기에 내장되는 카메라 모듈을 비롯한 부품 기술 개발이 빨라짐과 동시에 자동차, 의료산업, 보안산업 및 기타산업용 카메라 모듈도 소비자 및 제조사들의 다양한 욕구를 충족시키기 위한 다양한 기능을 갖춘 제품들이 속속 개발되고 있다.
최근에는 메가 픽셀급의 렌즈가 장착된 카메라 모듈이 그 구성요소에 따라 각기 다른 패키지 방식으로 휴대용 단말기, 자동차, 드론, 로봇, CCTV 및 기타 관련제품에 내장되어 다양한 형태로 구동되고 있는 바, 다양한 방식의 카메라 구동과 동시에 야간 촬영 시나 어두운 곳을 조명하기 위한 플래쉬 기능, HDR(High Dynamic Range), 수동으로 렌즈 초점을 변경시켜 근거리의 피사체를 촬영하기 위한 접사 기능 및 화상과 피사체의 특정 부분을 확대하기 위한 디지털 줌 및 광학 줌 기능이 선택적으로 추가된 제품이 시판되고 있다.
이를 첨부된 도면에 의하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 카메라 모듈을 몇 개의 주요 기능 블록으로 분해하여 표시한 블록도이다.
도 1a는 오토 포커싱 기능이 포함된 카메라 모듈에 있어서, 이미지 센서와 인쇄회로 기판이 이격되어 구성된 개략 구성도이고,
도 1b는 오토 포커싱 기능이 포함된 카메라 모듈에 있어서, 이미지 센서가 인쇄회로 기판에 실장된 상태의 개략 구성도이고,
도 1C는 오토 포커싱 기능이 없는 카메라 모듈의 개략 구성도이다.
도 1a에서 볼 수 있는 바와 같이, 종래의 카메라 모듈은 렌즈부, 액츄에이터, 필터부, 이미지 센서 및 인쇄회로기판으로 이루어진다.
렌즈부(10)는 렌즈(11)와 이를 보관하는 헤드 케이스와 베이스 케이스로 이루어진 케이싱 및 패널과 보빈으로 이루어진 캐리어(12)로 이루어진다.
액츄에이터(20)는 렌즈를 수직 방향으로 이동시키며 오토 포커싱 기능을 제공하는 모듈로서, 상부 스프링, 하부 스프링, 요크, 마그네트, 코일 등으로 구성된다.
필터부(30)는 액츄에이터(20) 하부에 위치되어 불필요한 파장 대의 광을 차단시키는 역할을 한다.
이미지 센서(40)는 필터부(30) 하부에 위치하게 되며, 렌즈(11)를 통해 들어온 이미지를 인식하는 역할을 하게 된다.
인쇄회로기판(50)은 이미지 센서(40)에서 인식한 빛의 밝기정보와 색(color)정보를 이미지 프로세서에 전달하여, 사용자가 물체를 인식할 수 있도록 하는 기능을 하게 된다.
미설명 부호 41은 이미지 센서에서의 신호를 인쇄회로기판(50)에 전달하기 위한 신호선으로서, 통상 플렉서블 인쇄회로기판(Flexible Printed Circuit Board, 통상 'FPCB'라 한다)으로 구성된다.
상기한 신호선(41)은 도 1b에서와 같이, 이미지 센서(40)가 인쇄회로기판(50)에 실장됨으로써, 생략될 수도 있다.
한편, 오토 포커싱 기능을 제공하지 않는 카메라 모듈의 경우는 도 1c에서와 같이, 액츄에이터(20)가 생략되어 구성될 수 있다.
이와 같이 구성된 종래의 카메라 모듈에서는, 하루의 오전, 정오, 오후 시간, 주야간, 및 계절에 따라 동일한 시간대에 촬영을 하더라도 광량 차이가 존재하는데 이러한 광량 차이에 따른 입사광의 광량을 적절히 하드웨어적으로 조절할 수 없었다.
따라서 이러한 입사광에 따른 광학적 왜곡을 프로그램을 이용하여 소프트웨어적인 방식으로 조절을 해 왔으나, 소프트웨어 방식에 의한 처리의 한계에 의해 선명한 화질을 얻을 수가 없는 문제점이 있다.
특히 전술한 바와 같이 이미지 센서가 점점 높은 사양을 요구하여 해상도가 높아짐에 따라 작은 광량의 차이에 따라서도 민감하게 반응하여 노이즈가 발생하는데 이에 대한 광학적 처리를 할 수 없어 선명한 화질을 얻을 수 없는 문제점이 있는 것이다.
이와 같이 입사광의 광량을 하드웨어적으로 조절하는 하나의 방편으로 액정표시장치의 액정표시패널을 적용하는 방안을 고려할 수 있으나, 패시브소자(수동소자)디스플레이 패널은 2개의 편광판을 사용함으로써 전압 비인가 상태에서는 투과율(Toff/Ton)은 1% ~ 5%이고, 전압 인가 상태에서의 투과율 (Ton/Toff)은 42% ~ 45%의 특성을 갖게 된다. 그리고 최대 투과율을 얻기 해서 다음 식을 사용한다
T = (Δn * d) / λ
여기서 Δn은 액정의 굴절률이고 d는 액정 층의 두께이며 λ는 550nm의 단일파장을 사용한다.
그런데, 이와 같은 투과율 특성을 갖는 통상의 액정표시패널을 카메라 모듈에 그대로 적용하게 되면, 빛의 밝기정보만을 보여주게 되고, 특히 전압 인가에 따른 광량 증가 모드 구동시 투과율이 너무 낮아 카메라의 촬상을 위한 조건에 부적합하여 이러한 종래 액정표시패널은 카메라 모듈에 적용하기 곤란한 문제점이 있었다.
특허문헌 1: 한국공개특허 제10-2009-0105018호 (2009.10.07. 공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 평상시보다 광량이 많이 입사될 경우 카메라 모듈 내 이미지 센서에서 발생하는 광학적 왜곡을 최소화할 수 있는 빛의 밝기정보와 색(color)정보를 제공하는 카메라 모듈의 전자식 광량 조절 장치를 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 카메라 모듈의 전자식 광량 조절 장치는 카메라 모듈에 구비되어 광량을 조절하는 장치로서,
카메라 모듈에 있어서,
상판, 하판, 혼합 액정층으로 구성되어 있으며,
상판에는 전극층과 배향제를 포함하며 반사방지막 코팅이 되어있고,
하판에는 전극층과 배향제를 포함하며 반사방지막 코팅이 되어있고,
상판과 하판은 일정 간격을 이격하여, 그 사이에 혼합 액정층이 구성되며,
혼합 액정층은 액정, 이색성 염료와 카이랄 도펀트가 혼합되어 구성된 것이다.
상기 혼합 액정층이 아래 [수학식 1]을 만족하는 조건 하에서, 상기 카이랄 도펀트는 무게 백분율이 0.1% ~ 1.5% 범위 내의 농도를 만족하도록 구성된다.
[수학식 1]
1/P = H * C
(여기서, P: 액정의 피치(pitch), H: 카이랄 도펀트의 헤리칼 트위스팅 파워(HTP : Helical Twisting Power), C: 카이랄 도펀트의 농도(%))
또한, 상기 혼합 액정층이 아래 [수학식 2]를 만족하는 조건 하에서, 상기 혼합액정들과 이색성 염료는 무게 백분율이 5% ~ 20% 범위 내의 농도를 만족하도록 구성된다.
[수학식 2]
TR = (Δn * d) / λR
TG = (Δn * d) / λG
TB = (Δn * d) / λB
(여기서 Δn은 액정의 굴절률이고 d는 액정층의 두께이며 λ는 R, G, B의 파장을 사용한다.)
또한, 투과율 향상을 위하여 반사방지막 코팅은 다음의 재료들의 조합으로 이루어진다.
SiO2, ZrO2, TiO2, Mg2O, Al2O3, SiO.
SV5, SV7, SV8, SV10, SV20, SV21, SV55, SV71.
상기와 같이 구성된 카메라 모듈의 전자식 광량 조절 장치는 카메라 모듈의 렌즈부 전방 또는 이미지 센서 전방에 설치되어, 외부의 과도하게 밝은 광량을 빛의 밝기 정보와 색(color) 정보를 조절하여 이미지 센서에 전달할 수 있도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 카메라 모듈의 전자식 광량 조절 장치는 촬영하고자 하는 이미지의 광량이 많은 것을 감지하고 이미지 센서에 최적의 광량이 입사되도록 함으로써 이미지 센서에서 발생하는 투과율 왜곡 및 화상 왜곡의 광학적 왜곡을 최소화할 수 있다.
또한, 액정과 그 외 첨가물의 조합 그리고 이들의 농도와 피치 조절을 통해 카메라 모듈의 광량 조절 시 요구되는 적정 Total 투과율과 색(color) 투과율을 구현할 수 있게 되었고, 장치의 안정적인 구동(즉, 액정의 안정적인 제2 배향 상태 구현)을 보장할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 카메라 모듈을 몇 개의 주요 기능 블록으로 분해하여 표시한 블럭도이다.
도 1a는 오토 포커싱 기능이 포함된 카메라 모듈에 있어서, 이미지 센서와 인쇄회로 기판이 이격되어 구성된 개략 구성도이고,
도 1b는 오토 포커싱 기능이 포함된 카메라 모듈에 있어서, 이미지 센서가 인쇄회로 기판에 실장된 상태의 개략 구성도이고,
도 1C는 오토 포커싱 기능이 없는 카메라 모듈의 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명에 의한 전자식 광량 조절장치를 피사체와 이미지센서와의 사이에 설치한 상태의 단면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 카메라 모듈의 전자식 광량 조절 장치가 온/오프시의 투과율 변화를 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 카메라 모듈의 전자식 광량 조절 장치가 온/오프시의 동작상태에서 측정된 60%투과율과 90%투과율이 각각 90% 및 60%의 투과율을 갖는 표준 ND-Filter와 비교한 광학특성비교 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 카메라 모듈의 전자식 광량 조절 장치가 토탈 투과율이 90%와 60%이고 R/G/B파장에서 인가전압 온/오프시 투과율이 자연광의 R/G/B파장과 유사한 파장을 나타내어 자연광에 의한 자연적인 화상(영상)을 얻을 수 있는 결과를 나타내는 광학측정치이다.
도 6은 본 발명의 전자식 광량 조절 장치를 자율주행차량에 적용하여 역광을 보정한 것을 보여주는 사진이다.
도 7은 본 발명의 전자식 광량 조절 장치를 자율주행차량에 적용할 때, 차량의 시야를 다수로 분할하여 광량이 과도한 부분에만 전자식 광량 조절 장치를 동작시키는 것을 설명하는 그림이다.
도 8은 본 발명의 전자식 광량 조절 장치를 스마트윈도에 적용하여 광량을 조절하는 것을 보여주는 사진이다.
본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서, "~ 상에 또는 ~ 상부에" 라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 또한, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에 또는 상부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 상에 또는 상부에" 접촉하여 있거나 간격을 두고 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한 본 명세서에서, 엘씨디(LCD) 특성상 포지티브 방식과 네가티브 방식이 존재하므로 하나의 방식을 예를 들어 설명을 하였다고 해서 다른 방식을 배제하는 것은 아닌 것이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 종래의 카메라 모듈에 본 발명에 의한 전자식 광량 조절장치를 설치한 상태의 구성도이다.
본 발명에 의한 전자식 광량 조절장치를 포함한 카메라 모듈은, 인쇄회로 기판(50)상에 광량 조절장치(100)에 신호를 보내기 위한 제어부(150)를 포함한다.
발명의 광량 조절 장치(100)는 상판, 하판, 혼합 액정층을 포함한다.
상판에는 상판의 전극층과 배향제가 포함되며,
하판에는 하판의 전극층과 배향제가 포함되고,
상판과 하판 사이에 혼합 액정층이 배치된다.
혼합 액정층은 액정에 이색성 염료와 카이랄 도펀트가 일정 비율로 혼합되어 구성된다.
여기서, 혼합 액정층의 액정은 네마틱(Nematic) 액정으로 구성되며, 바람직하게는 유전율 이방성이 음(-)인 네거티브(N형) 네마틱 액정으로 구성할 수 있고,
유전율 이방성이 양(+)인 포지티브(P형) 네마틱 액정으로 구성할 수도 있다.
더욱 상세하게는, 본 발명에 의한 전자식 광량조절장치(100)는 상판과 하판이 일정한 거리를 이격하여 상호 대향면을 가지면서 대향하도록 배치되는 판체로서, 광 투과도가 우수하고 복굴절 효과가 없는 투명 기판에, 전극층 및 배향제 역시 빛 투과도가 우수한 재질인 유리 또는 필름 또는 플라스틱 및 이들의 조합으로 이루어진 재질을 사용할 수 있다.
상판과 하판의 두께(D)는 0 < D <= 1.5mm 범위로 구성되며, 바람직하게는 0.1 ~ 0.4mm 범위의 두께로 구성하는 것이 좋다.
혼합 액정층은 상판과 하판 사이에 일정 간격으로 충진되어 인가전압에 의하여 광량 즉, 광 투과율을 조절하는 역할을 하게 되는 것으로서, 혼합 액정층에는 액정, 이색성 염료, 카이랄 도펀트가 일정 비율로 균일하게 혼합되어 포함된다.
여기서, 액정은 네마틱(Nematic) 액정으로 구성되며, 바람직하게는 유전율 이방성이 음(-)인 네거티브(N형) 네마틱 액정으로 구성되어 전압 비인가시 투명상태를 구현할 수 있다.
이색성 염료(Dichroic dye)는 전압 인가에 따른 혼합 액정층의 광량 감소 모드 구동시 혼합 액정층으로 입사되는 광을 흡수하기 위한 구성이다.
따라서, 이색성 염료는 다음과 같은 특성을 갖는 것을 사용한다.
즉, 이색성 염료는 분자의 장축 방향과 단축 방향의 흡광도의 차이가 큰 이색성과, 호스트(host) 물질인 액정에 대해 친화력이 큰 염색성과, 전압 제어에 따른 액정의 배향에 연동하여 쉽게 배향될 수 있는 배향성과, 제조 공정 및 사용 조건 하에서 충분히 견딜 수 있는 내구성을 지니는 것을 사용한다.
바람직한 실시예에 따르면, 이색성 염료는 장축 방향으로 편광된 빛의 흡수율이 큰 P형이고, 검은색을 갖는 이색성 염료로 구성하는 것이 좋다.
카이랄 도펀트는 액정의 피치가 혼합 액정층의 두께와 조합되어 전기장 인가에 따른 액정의 제2 배향 동작시 그 광축 회전이 한쪽 방향으로 안정적으로 발생하도록 안내하고, 후술할 제2 배향 상태에서 액정이 비틀림 구조를 이루며 배열될 수 있도록 유도하여 카메라 모듈에 적합한 투과율을 구현할 수 있도록 하는 구성이다.
혼합 액정층은 전압 비인가시 액정들이 후술할 제1 배향 상태를 형성하고 전압 인가시 후술할 제2 배향 상태를 형성하여 광량을 조절할 수 있게 되는데, 특히 본 발명의 액정 광량 조절장치를 일반 표시 장치가 아닌 카메라 모듈에 사용하기 위해서는 제1 배향 상태의 투과율은 60% ~ 95%이고, 제2 배향 상태의 투과율은 20% ~ 60%의 범위를 갖도록 구성해야 한다.
참고로 패시브소자(능동소자)의 액정표시패널은 전압 비인가에 따른 초기 배향 상태(본 발명의 제1 배향 상태)의 투과율은 42% ~ 45%이고, 전압 인가에 따라 회전된 배향 상태(본 발명의 제2 배향 상태)의 투과율은 1% ~ 5%의 특성을 갖도록 구성된다.
그런데, 이와 같은 투과율 특성을 갖는 통상의 액정표시패널을 카메라 모듈에 그대로 적용하게 되면, 특히 전압 비인가 모드 구동시 카메라의 촬상을 위한 조건에 부적합하여 이러한 종래 액정표시패널은 카메라 모듈에 사용할 수 없게 된다.
결국, 카메라 모듈에 탑재되어 광량 조절 및 촬상을 수행하기 위해서는 비구동 모드시 60% ~ 95%의 투과율과, 특히 구동 모드시 20% ~ 60%의 투과율을 구현할 수 있어서 빛의 밝기정보를 제공할 수 있어야 하고, 더불어 자연광과 유사한 색(R/G/B) 정보를 주어야 한다, 본 발명의 액정 광량 조절장치는 이러한 투과율 특성의 구현을 위해 혼합 액정층이 다음의 수학식 1을 만족하는 조건 하에서, 카이랄 도펀트는 0.1% ~ 2%(바람직하게는 0.5% ~ 1.5%)범위 내의 농도를 만족하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
1/P = H * C
(여기서, P: 액정의 피치(pitch), H: 카이랄의 헤리칼 트위스팅 파워(HTP), C: 카이랄 도펀트의 농도(%))
[수학식 2]
TR = (Δn * d) / λR
TG = (Δn * d) / λG
TB = (Δn * d) / λB
(여기서 Δn은 액정의 굴절률이고 d는 액정층의 두께이며 λ는 R, G, B의 파장을 사용한다.)
한편, 카이랄 도펀트(135)는 좌선성 또는 우선성 성질을 갖는 것으로 구성하거나, 또는 좌선성과 우선성이 함께 공존하는 형태로 구성할 수 있다.
그리고, 본 발명의 액정 광량 조절장치는 다양한 온도 환경에 노출될 수 있는 바, 이러한 다양한 온도 환경 즉, 액정 광량 조절장치가 노출될 수 있는 온도 범위를 고려한 온도 보상이 필요하고, 이러한 온도 범위 설정에 따라 카이랄 도펀트(135)의 농도 범위는 수학식1 및 다음의 수학식 3에 의해 결정될 수 있다.
[수학식 3]
(P-1)(TL) = (P-1)(TU) = (-)1/5 ~ (-)1/20
(여기서, P: 액정의 피치(pitch), TL: 최저 온도, TU: 최고 온도)
일 실시 예로서, 액정 광량 조절장치가 노출될 수 있는 온도 환경의 최고 온도와 최저 온도의 차이를 80℃로 예상한다면, 카이랄 도펀트는 0.2% ~ 9% 범위의 농도를 갖도록 구성할 수 있다.
여기서, 카이랄 도펀트를 좌선성과 우선성이 함께 공존하는 형태로 구성한다면, 좌선성 카이랄 도펀트는 0.1% ~ 5% 범위의 농도로 구성하고, 우선성 카이랄 도펀트는 0.1% ~ 4% 범위의 농도(중량%)로 구성하는 것이 바람직하다.
또 다른 실시예로서, 액정 광량 조절장치가 노출될 수 있는 온도 환경의 최고 온도와 최저 온도의 차이를 50℃로 예상한다면, 카이랄 도펀트는 0.1% ~ 7% 범위의 농도를 갖도록 구성할 수 있다.
여기서, 카이랄 도펀트를 좌선성과 우선성이 함께 공존하는 형태로 구성한다면, 좌선성 카이랄 도펀트는 0.1% ~ 4% 범위의 농도로 구성하고, 우선성 카이랄 도펀트는 0.0% ~ 3% 범위의 농도로 구성하는 것이 바람직하다.
한편, 이러한 카이랄 도펀트는 콜레스테릭상 또는 네마틱상 중 어느 하나의 상태로 혼합 구성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 의한 혼합 액정층은 액정과 함께 카이랄 도펀트가 혼재되게 구성함으로써, 액정의 피치가 혼합 액정층의 두께와 조합되어 전원 인가에 따른 액정의 제2 배향 동작시 그 광축 회전이 한쪽 방향으로 안정적으로 발생하도록 안내하고, 제2 배향 상태에서 액정이 비틀림 구조를 이루며 배열될 수 있도록 구성되는데, 여기서 상기 '액정의 피치가 혼합 액정층의 두께와 조합됨'은 구체적으로 다음을 의미한다.
[수학식 4]
수학식 4 조건에서 혼합 액정층의 두께(이하, '셀갭'이라 함)는 1.5um~15um를 만족하면 되며, 바람직하게 4um~12um가 좋다. 수학식 4 조건에서 액정의 피치(pitch:P)는 전계가 인가된 제2 배향 상태에서
i) 액정의 트위스트 각(Φ)이 = 90인 경우 0.2 <= d/P <= 0.3 범위
ii) 액정의 트위스트 각(Φ)이 = 180인 경우 0.25 <= d/P <= 0.6 범위
ⅲ) 액정의 트위스트 각(Φ)이 = 270인 경우 0.6 <= d/P <= 0.8 범위
ⅳ) 액정의 트위스트 각(Φ)이 = 360인 경우 0.8 <= d/P <= 1 범위
를 만족하는 액정을 선정하면 된다.
그리고, 액정의 유전율 이방성(△ε)은 음(-)의 값을 가지며, 1kHz, 25℃에서 "-15 < -△ε< 0"을 가지면 액정 광량 조절장치로 사용 가능하며, 바람직하게는 동일 조건에서 "-14 <= -△ε<= -0.5" 유전율 이방성을 갖는 것이 좋다.
전극층은 혼합 액정층에 전계를 인가하기 위한 구성으로서, 이러한 전극층은 상판과 하판 사이 즉, 혼합 액정층에 수직으로 전계를 인가하게 되는 것으로서, 전극은 인듐 주석 산화물 (ITO), 인듐 아연 산화물 (IZO), 아연 산화물 (Zinc Oxide), 주석 산화물 (Tin Oxide), 불소가 도핑된 주석 산화물 (Fluorine-doped Zinc Oxide, FTO), 피도트 (PEDOT:PSS), 그래핀 (Graphene), 실버나노와이어(AgNW) 및 카본나노튜브(CNT)로 이루어진 투명 도전성 물질 군에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
한편, 전극층은 전계를 형성하기 위해 한 쌍의 전극(예컨대, 화소 전극과 공통 전극)을 동일 기판(즉, 상판과 하판) 상에 동일 층으로 형성한 IPS(In-Plane Switching) 방식으로 구성할 수도 있다.
또 다른 실시 예로서, 전극층은 전계를 형성하기 위해 한 쌍의 전극(예컨대, 화소 전극과 공통 전극)을 동일 기판(즉, 상판과 하판) 상에 형성하되, 화소 전극과 공통 전극을 서로 다른 층에 배치하고 그 사이에 절연막을 개재시킨 FFS (Fringe-Field Switching) 방식으로 구성할 수도 있다.
이와 같이 구성되는 전극층은, 단일 셀에 하나의 전극으로서, 단일 셀 전체적으로 광량을 조절하여 사용할 수 있으며, 전극층을 수평 (또는 수직) 스트라이프 형태로 제작하여 부분적으로 광량을 제어할 수도 있고, 도트 매트릭스 형태로 제작하여 구역별로 스태틱 구동방식으로 광량을 제어할 수도 있다.
배향제는 전극층이 형성된 상판에 도포되는 상판 배향제와 하판에 도포되는 하판 배향제를 포함한다.
이와 같이 각각의 전극 상에 구비되는 각각의 배향제는 러빙처리를 할 수도 있고 하지 않을 수도 있다.
이상에서와 같이 구성된 전자식 광량조절장치(100)는 혼합 액정층에 전압이 인가되지 않은 경우(즉, 전계 비형성(OFF)), 혼합 액정층 내부에 포함된 액정과 이색성 염료들은 수직 배향된 상태 즉, 상판과 하판에 대해 수직 방향으로 배열된 상태(제1 배향 상태)로 존재하게 된다.
이에 따라, 혼합 액정층, 즉, 액정 광량 조절장치으로 입사되는 광의 대부분을 그대로 통과시킴으로써 화이트 상태의 표시(광량 증가 모드)를 구동할 수 있게 된다.
혼합 액정층에 전압이 인가될 경우, 혼합 액정층 내부에 존재하는 액정, 이색성 염료, 카이랄 도펀트들은 특정 방향으로 배향되게 된다.
보다 구체적으로 설명하면, 혼합 액정층은 전압 인가에 의해 수직 전계가 형성되면 이에 반응하여 네가티브(N형) 액정들이 상기 수직 전계 방향에 수직한 방향으로 배열(이하, '수평 배향 동작' 이라 함)되는 동작이 일어나게 된다.
이와 같이, 전압 인가에 의해 액정들이 수평 배향 동작하게 되면, 해당 액정과 함께 혼합 액정층 내부에 존재하는 이색성 염료들도 액정의 수평 배향 동작에 연동하여 동일한 방향으로 배향된 상태를 형성하게 된다.
이는, 이색성 염료와 같은 자연계 상태 있는 물질들은 항시 가장 낮은 에너지 상태에 있으려는 성질과, 액정들의 수평 배향 동작에 따른 인터랙션 (interaction)에 기인한다.
즉, 혼합 액정층 내부의 액정들이 전계 방향에 대해 수직 방향으로 배열되면, 이색성 염료는 상기 액정 방향(전계 방향에 대해 수직 방향)을 따라 배열되는 것이 가장 낮은 에너지 상태에 해당하고, 더불어 액정의 제2 배향 동작시 해당 액정에 근접해 있는 이색성 염료에 인터랙션이 발생하여 해당 이색성 염료도 동일한 방향으로 배향 동작이 발생된다.
이에 따라, 혼합 액정층으로 입사되는 광의 대부분은 이색성 염료에 의해 흡수될 수 있고, 더불어 액정의 복굴절에 의한 입사광의 산란이 더해져, 광량 감소 내지 블랙 상태의 표시(광량 감소 모드)를 구동할 수 있게 된다.
즉, 혼합 액정층에 전계가 인가되면 제1 배향 상태에서 제2 배향 상태로 전이를 하면서 광량 감소 모드를 구동할 수 있게 되고, 이와 같은 광량 감소 모드에서 전계 강도의 제어를 통해 액정을 틸트시켜 광 투과도를 조절함으로써 이미지 센서(30)로 입사되는 광량을 세부적으로 조절할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 혼합 액정층에 전압이 인가되면, 액정들은 수평 배향됨과 동시에 종국에는 상부에서 하부 방향으로 트위스트된 비틀림 구조를 이루며 수평 방향으로 배열된 상태(제2 배향 상태)를 형성하게 되는 것을 특징으로 한다.
이는, 원통 대칭성을 갖는 네마틱 액정에 카이랄 도펀트에 의한 분자 비대칭성이 도입되면, 인접하는 액정 분자간의 비틀림이 생겨 액정 분자 배열에 비틀림 배열이 유도되는 것이다.
그리고, 전기장 인가에 따른 액정의 수평 배향 동작시 카이랄 도펀트는 액정의 광축 회전이 한쪽 방향으로 안정적으로 발생하도록 하고, 이에 따라 구현되는 제2 배향상태는 보다 안정적으로 이루어질 수 있게 된다.
여기서, 카이랄 도펀트에 의해 유도되는 2중 비틀림 구조는 3차원의 공간을 연속적으로 채울 수 없기 때문에 3차원 공간을 2중 비틀림 구조로 채우기 위해서는 결함의 발생 내지 불안정한 배열이 동반될 수 있는데, 본 발명의 액정 광량 조절 장치는 전술한 수학식 1과 0.5% ~ 15% 농도 범위에 근거하여, 카이랄 도펀트 농도에 따라 피치 거리를 안정적인 제2 배향 상태를 구현할 수 있게 된다.
결국, 본 발명의 광량 조절장치는 광량을 감소시키는 제2 배향 상태에서 액정들을 단순히 수평 배향시킴에 그치지 않고, 카이랄 도펀트의 농도와 액정의 피치 조절을 통해, 액정들이 안정적인 비틀린 구조를 취하며 수평 배향된 상태를 형성하도록 구성함으로써, 카메라 모듈에 요구되는 적정 투과율을 구현할 수 있게 되는 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 액정광량 조절장치의 온/오프시의 투과도상태를 나타낸 사진이다.
사진에서 볼 수 있는 바와 같이, 전압 비 인가시에는 90%이상의 광량을 투과할 수 있으며, 전압 인가시에는 60%만을 투과함으로써, 광량을 조절 할 수 있으며,
또한, 이를 2중으로 사용할 경우에는 전압 비인가시에 80%, 전압 인가시에는 40%의 투과율을 구할 수 있어, 이로써, 광량을 조절할 수 있도록 할 수 있음을 보여주고 있는 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 카메라 모듈의 전자식 광량 조절 장치가 온/오프시의 동작상태에서 측정된 60%투과율과 90%투과율이 각각 90% 및 60%의 투과율을 갖는 표준 ND-Filter와 비교한 광학특성비교 결과이다.
도 5에서 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 카메라 모듈의 전자식 광량 조절 장치가 토탈 투과율이 90%와 60%이고 R/G/B파장에서 인가전압 온/오프시 투과율이 자연광의 R/G/B파장과 유사한 파장을 나타내어 자연광에 의한 자연적인 화상(영상)을 구현한다.
한편, 상기 전자식 광량 조절장치는 자율주행차량 또는 스마트윈도에 적용될 수 있다.
터널 입구와 출구에서 나타나는 불랙홀 또는 화이트 홀 현상, 도심에서 유리창에 의한 강한 빛 반사, 또는 역광이나 노을, 낮은 고도의 태양에 의한 눈부심이 강한 빛에 의해 자율주행차량의 카메라 모듈이 주변 물체를 제대로 감지할 수 없는 경우가 있다.
따라서 본 발명의 전자식 광량 조절 장치를 자율주행차량의 카메라 모듈에 적용하면, 이러한 강한 빛에 대하여 광량을 줄여 줌으로써 주변 물체를 선명하세 감지할 수 있다.
도 6은 자율주행차량의 카메라 모듈에 본 발명의 전자식 광량조절장치를 적용하여 역광을 보정한 것을 보여준다. 역광에 의해 주변 물체들이 카메라 영상에서 분간할 수 없는 상태인 사진이 좌측에 수록되었고, 여기에 본 발명의 전자식 광량조절장치를 카메라 모듈에 적용하면 우측과 같이 주변 물체들을 식별할 수 있는 영상이 나타난다.
특히, 자율주행차량에 본 발명의 전자식 광량조절장치를 적용할 경우, 도 7과 같이, 화면을 분할하여 광량이 과도한 구역만 전자식 광량조절장치가 동작되게 할 수 있다.
즉, 차량의 전체 시야에 해당하는 카메라 모듈의 전자식 광량 조절장치의 면을 다수로 분할(본 실시예는 9분할)하고 각 분할면마다 온/오프 가능하도록 전극과 광센서를 배열하여, 소정의 광량 이상이 감지되는 분할면에 대해 전자식 광량조절장치가 온(ON) 되게 하여 광량을 보정한다.
이러한 구성으로 자율자행차량의 카메라 모듈은 안정적으로 시야를 확보할 수 있다.
도 8은 본 발명의 전자식 광량 조절 장치를 스마트윈도에 적용하여 광량을 조절하는 것을 보여주는 사진이다.
다중 유리를 포함한 스마트윈도에 본 발명의 전자식 광량 조절 장치를 적용하면, 강한 빛이 창문으로 입사하지 않도록 광량을 적절하게 조절할 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명의 실시 예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시 예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
10: 렌즈부 11: 렌즈
12: 캐리어 20: 액츄에이터
30: 필터부 40: 이미지센서
41: 신호선 50: 인쇄회로기판
100: 광량조절장치

Claims (11)

  1. 카메라 모듈에 배열되는 전자식 광량 조절장치로서,
    전자식 광량 조절장치는,
    상판;
    상기 상판과 소정 간격으로 이격된 하판; 및
    상판과 하판 사이에 충진되는 혼합 액정층;을 포함하고,
    상판은 상판 전극층과 상판 배향제를 포함하고,
    하판은 하판 전극층과 하판 배향제를 포함하고,
    상기 혼합 액정층은 액정, 이색성 염료 및 카이랄 도펀트를 포함한 것을 특징으로 하는 카메라 모듈에 배열되는 전자식 광량 조절장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 혼합 액정층은 ,
    다음의 수학식 1과 수학식 2를 만족하는 조건 하에서, 상기 카이랄 도펀트는 0.1중량% ~ 13중량% 범위 내의 농도를 만족하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈에 배열되는 전자식 광량 조절장치.
    [수학식 1]
    1/P = H * C
    (여기서, P: 액정의 피치(pitch), H: 카이랄 도펀트의 헤리칼 트위스팅 파워(HTP), C: 카이랄 도펀트의 농도(중량%))

    [수학식 2]
    TR = (Δn * d) / λR
    TG = (Δn * d) / λG
    TB = (Δn * d) / λB
    (여기서 Δn은 액정의 굴절률이고 d는 액정층의 두께이며 λ는 R, G, B의 파장을 사용한다.)
  3. 제1항에 있어서,
    상기 액정은 네가티브(N형) 액정이고, 상기 전극층은 상기 혼합 액정층에 수직 전계를 인가하기 위한 수직 전계 방식의 전극층이고, 상기 혼합 액정층은 전압 비인가시 제1 배향 상태를 형성하여 입사광의 투과율을 증가시키도록 구동하고, 전압 인가시 제2 배향 상태를 형성하여 입사광의 투과율을 감소시키도록 구동하며,
    상기 전압 인가에 의한 상기 제2 배향 상태는, 상기 액정이 비틀림 구조를 이루며 상기 수직 전계 방향에 수직한 방향으로 배열된 상태인 것을 특징으로 하는 카메라 모듈에 배열되는 전자식 광량 조절장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 카이랄 도펀트는 좌선성 또는 우선성 성질을 갖는 것으로 구성하거나, 또는 좌선성과 우선성이 함께 공존하는 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈에 배열되는 전자식 광량 조절장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 이색성 염료는 검은색으로 이루어지고, P형 이색성 염료인 것을 특징으로 하는 카메라 모듈에 배열되는 전자식 광량 조절장치.
  6. 제1항에 있어서 투과도 향상을 위하여 반사방지막 코팅재료로서,
    SiO2, ZrO2, TiO2, Mg2O, Al2O3, SiO, SV5, SV7, SV8, SV20, SV10, SV21, SV55, SV71 중 어느 하나 이상을 조합하여 상판 또는 하판에 코팅하는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈에 배열되는 전자식 광량 조절장치.
  7. 카메라 모듈에 있어서,
    카메라 모듈의 렌즈부 전방과 이미지 센서 사이에 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 전자식 광량 조절 장치를 포함한 것을 특징으로 하는 카메라 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 카메라 모듈 내부에 위치한 필터를 상기 전자식 광량 조절 장치로 대체하여 상기 전자식 광량 조절 장치가 필터의 기능도 포함하는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈.
  9. 제7항의 카메라 모듈을 자율주행차량에 포함된 카메라 모듈인 것을 특징으로 하는 카메라 모듈.
  10. 제9항에 있어서, 상기 카메라 모듈에 포함된 전자식 광량 조절장치는,
    차량의 전체 시야에 해당하는 전자식 광량 조절장치의 면을 다수로 분할하고 각 분할면마다 온/오프 가능하도록 구성된 전극과 광센서를 포함하여, 소정의 광량 이상이 감지되는 분할면에 대해 전자식 광량조절장치가 온(ON) 되게 하여 광량을 보정하는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈.
  11. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 전자식 광량 조절 장치를 포함한 것을 특징으로 하는 스마트윈도.

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