WO2021049778A1 - 화각 및 가간섭성 능동제어 랜덤 굴절 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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김학린
주경일
이태현
박민규
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경북대학교 산학협력단
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    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/07—Polarisation dependent

Definitions

  • the present invention relates to a field of view and a coherent active control random refractive element and a method of manufacturing the same, and more particularly, a high viewing angle is secured by using an active polarization switching element that has a structure separated from a random structure and is electrically switchable.
  • the present invention relates to an active random refractive element capable of solving the problem of high voltage driving and low response speed and a method of manufacturing the same.
  • PSCT polymer stabilised cholesteric texture films
  • PSCT has the advantage of having less haze characteristics for oblique rays because the amount of polymer used to stabilize the cholesteric liquid crystal is small.
  • the cell gap of the liquid crystal device in order to secure the viewing angle (scattering degree), the cell gap of the liquid crystal device must be increased, and accordingly, the driving voltage for switching on/off is increased. That is, the driving voltage and the viewing angle characteristic have a trade off relationship, and it is impossible to secure a low driving voltage and a high viewing angle at the same time.
  • PDLC polymer dispersed liquid crystal
  • UV ultraviolet
  • the liquid crystal molecules and the polymer cause phase separation to form small liquid crystal droplets between the polymer networks.
  • the liquid crystal in the liquid crystal droplet has an average refractive index with non-directional alignment, as shown in Fig. 2(a), and incident light is index mismatching. It will be opaquely scattered according to.
  • the liquid crystal of the liquid crystal droplet is aligned in the electric field direction as shown in Fig. 2(b), and the effective refractive index of the liquid crystal droplet becomes the same as the refractive index of the polymer, and incident light Silver is transmitted through the device without experiencing a difference in refractive index due to mismatch of the refractive index.
  • PDLC has the advantage that the manufacturing process is simple because the process for liquid crystal alignment is omitted, and shows high transmission characteristics in the transparent mode.
  • PDLS has the disadvantage of requiring a high driving voltage to secure a high viewing angle, and because the concentration of the polymer material mixed with the liquid crystal is quite high, the haze characteristic exists in the oblique light when it is transmitted. do. Accordingly, it is impossible to secure a low driving voltage and a high viewing angle at the same time.
  • An object of the present invention is to provide an active random refractive element having a higher viewing angle compared to a conventional driving voltage and capable of solving a trade off relationship between a viewing angle and a driving voltage.
  • the active random refractive device is an active random refractive device capable of active control of an angle of view and coherence and removal of color moire, and is made of an isotropic medium having the same refractive index regardless of the polarization direction of light.
  • Random structure A liquid crystal polymer that is oriented on the random structure and changes in refractive index characteristics according to the polarization direction of the light; And a polarization switching element for switching the polarization direction of the light between a first direction and a second direction that are orthogonal to each other.
  • the refractive surface between the random structure and the liquid crystal polymer has an inclination angle randomly distributed along a horizontal direction perpendicular to an incident direction of light.
  • the active random refractive element is switched between a transmission mode and a refractive mode according to the polarization of the light.
  • the transmission mode is a mode in which the light is transmitted without being refracted from the refracting surface due to refractive index matching between the random structure and the liquid crystal polymer
  • the refractive mode is a mode in which the refractive index is mismatched between the random structure and the liquid crystal polymer. In this mode, the light is refracted.
  • the random structure may include a one-dimensional array random structure having a random structure in one direction or a two-dimensional array random structure having a random structure in both directions.
  • the random structure may have a lens structure or a pyramid structure.
  • the random structure performs an imprinting process for a random pyramid structure manufactured to have a filling factor and an inclination angle greater than or equal to a set value through anisotropic selective chemical etching of a silicon substrate so as to secure a viewing angle and control coherence characteristics. Through this, it is possible to have a pyramid structure having a filling factor and an inclination angle equal to or greater than the set value.
  • the polarization switching element includes a liquid crystal and a pair of electrodes for applying a voltage to the liquid crystal, and has a high-speed response speed of 18 m/s or more and a low voltage drive of 5 V or less by a structure separated from the random structure. have.
  • the active random refractive element according to an embodiment of the present invention may further include a film substrate covering the liquid crystal polymer for alignment through polymerization reaction of the liquid crystal polymer applied on the random structure.
  • the film substrate may be provided to be separable from the liquid crystal polymer after the liquid crystal polymer is aligned.
  • the random structure may include a first random structure provided on a first surface of the substrate and a second random structure provided on a second surface of the substrate.
  • the random structure may secure a wider viewing angle than a single random structure and may have a higher coherence characteristic control performance than the single random structure.
  • the liquid crystal polymer may include a first liquid crystal polymer provided on the first random structure and a second liquid crystal polymer provided on the second random structure.
  • the refractive surface between the first random structure and the first liquid crystal polymer may have an inclination angle randomly distributed along a horizontal direction perpendicular to an incident direction of light.
  • the refractive surface between the second random structure and the second liquid crystal polymer may have an inclination angle randomly distributed along the horizontal direction.
  • the active random refractive element may be used as an active backlight unit that converts light from a directional backlight unit having linearity between a coherent mode having a linearity and a surface light source mode having a wide viewing angle and controlled coherence.
  • the polarization switching device includes a first polarization switching device and a second polarization switching device provided on the opposite side based on the random structure and the reactive mesogen and stacked. I can.
  • the first polarization switching element and the second polarization switching element may switch polarization directions of the light between a first direction and a second direction that are orthogonal to each other.
  • the first polarization switching element may be provided in front of the reactive mesogen and the random structure based on a traveling direction of the light so as to switch polarization of light incident on the random structure.
  • the second polarization switching element may be provided behind the random structure and the reactive mesogen based on the traveling direction of the light so as to switch the polarization of the light output from the reactive mesogen.
  • the second polarization switching element may switch the polarization of the light so that the polarization state of the light passing through the second polarization switching element becomes the same as the polarization state of the light before incident to the first polarization switching element.
  • the active random refractive element may be used as an active backlight unit (BLU) for a liquid crystal display (LCD) including a polarizing plate or a spatial light modulator (SLM) panel.
  • BLU active backlight unit
  • LCD liquid crystal display
  • SLM spatial light modulator
  • a trade off relationship between a viewing angle and a driving voltage can be solved, and an active random refractive element having a higher viewing angle compared to a driving voltage of the conventional technology is provided.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of polymer stabilised cholesteric texture films (PSCT) using an electric field.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram of a polymer dispersed liquid crystal (PDLC) using an electric field.
  • PDLC polymer dispersed liquid crystal
  • FIG. 3 is a diagram showing the structure of an active random refractive device system according to an embodiment of the present invention.
  • 4A to 4D are diagrams illustrating a method of manufacturing an active random refractive device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 5 is an electron micrograph of a random-mold template used to fabricate a random refractive element by an imprinting method.
  • FIG. 6 shows viewing angle characteristics of an active random refractive device manufactured according to an embodiment of the present invention in a random refractive mode.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of the setup of a Mach-Zender interferometer experiment
  • FIG. 8 shows a photographed stripe pattern and stripe visibility values.
  • 9 is an image comparing a stripe visibility value of a stripe pattern when there is no active random refractive element in a transmission mode and a stripe visibility value of a stripe pattern when there is an active random refractive element.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing an experimental setup for photographing a stripe pattern in a random refractive mode of an active random refractive element and a periodic refractive mode of an active periodic refractive element
  • FIG. 11 is a photographed image.
  • FIG. 12 is a schematic diagram for confirming an image formed according to a random refraction mode and a transmission mode of an active random refraction element on a display displayed in a Lambertian form, and is an image photographed by a camera.
  • FIG. 13 is an image showing imaging characteristics of a random refraction mode of an active random refractive element and a periodic refraction mode of an active periodic refractive element after displaying a white image on a display displayed in a Lambertian form.
  • 14A and 14B are an embodiment of a 2D type random structure used in an active random refractive element.
  • 15 is an embodiment of a 2D type random structure used in an active random refractive element.
  • 16 is a diagram illustrating an active random refractive device having a stacked structure according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • 17 is a schematic diagram of an active random refractive device capable of maintaining incident polarization according to another embodiment of the present invention.
  • the active random refractive device system 100 has a structure in which a liquid crystal polymer (RM) is oriented in a random structure (random structure prism), and a reactive mesogen 110, a random structure ( 120), an exposed glass substrate 130, and a polarization switching element (TN cell) 140.
  • the reactive mesogen 110 is a birefringent medium whose refractive index characteristics change according to the polarization direction.
  • the random structure 120 is an isotropic medium having characteristics of the same refractive index regardless of the polarization direction.
  • the bare glass substrate 130 is used as a substrate for imprinting a random structure.
  • the polarization switching element (TN cell) 140 is used as an element for switching polarization.
  • the incident light is incident in the same direction as the long axis direction of the birefringent medium, and the polarization switching element (TN cell) 140 turns on/off the voltage applied to the liquid crystal so that the polarization directions are orthogonal to each other. ) It converts to one state.
  • the polarization switching element 140 may include a pair of electrodes selectively applying a voltage to the liquid crystal.
  • the active random refracting device system has a transparent mode that transmits according to polarization of incident light and a random-refraction mode that refracts randomly. If the refractive index in the long axis direction of the reactive mesogen (RM) 110 having birefringence is n e and the refractive index in the short axis direction is n O , the polarization direction of the incident light coincides with the minor axis direction (Fig. 3 (a)). ), the refractive index of RM is n O , which coincides with the refractive index n p of the random structure and does not refract (transparent mode).
  • RM reactive mesogen
  • the refractive index of RM is n e , which is different from the refractive index n p of the lens structure 120, and the random structure 120 ) According to the slope angle (random-refraction mode).
  • the random refractive element according to the embodiment of the present invention has a polarization switching element (TN cell) 140 for converting the polarization of incident light and changing the mode according to the polarization dependent characteristic. Since the random refractive element according to the embodiment of the present invention is a liquid crystal-based switching element, it has a low driving voltage ( ⁇ 5V) and a fast response speed ( ⁇ 18.6m/s).
  • the viewing angle characteristic is controlled according to changes in the fill-factor and slope angle of the random structure 120, the driving voltage of the polarization switching unit, which exists separately, is not affected. That is, the trade-off relationship between the viewing angle and the driving voltage can be resolved.
  • FIG. 5 is an electron micrograph of a random-mold template used to fabricate a random refractive element by an imprinting method.
  • the random mold template is a sandblast template produced by finely etching by a sandblast technique (Fig. 5(a)), a random bead template made using beads (Fig. 5(b)), Alternatively, a random pyramid (pyramid) template (FIG. 5(c)) manufactured by anisotropic selective chemical etching of the ⁇ 110> si wafer substrate may be used.
  • a random mold template 30 Covering, ultraviolet (UV) irradiation (20mW/cm 2 , 2 minutes), and then separating the random mold template 30, a random structure 120 having an inverse phase of the random mold template 30 can be manufactured.
  • UV ultraviolet
  • a hydrophilic polyvinyl alcohol (PVA) thin film for RM (reactive mesogen) orientation UV ozone treatment is performed, PVA is coated and heat treated (9°C, 30 minutes), and then the rubbing process is performed ( Fig. 4b).
  • the RM 110 is dropped on the random structure 120 and the film substrate 40 is covered and UV irradiation (20 mW/cm 2 , 1 minute) is performed, and the upper film substrate 40 is separated (FIG. 4C). ).
  • the upper film substrate 40 also undergoes a process process for orientation in the same manner as the lower substrate 10.
  • a UV-curable adhesive layer 150 for example, NOA 69 was applied, and then the separated element was removed. Attached and UV cured (Fig. 4D).
  • FIG. 6 shows viewing angle characteristics of an active random refractive device manufactured according to an embodiment of the present invention in a random refractive mode. Viewing angle characteristics have a large fill-factor and show the highest characteristics when a random pyramid template with a high slope angle is applied. In the fabricated active random refractive element, since the switching element unit and the random structure unit are separated, the filling factor of the random mold template is large regardless of the driving voltage, and the viewing angle is improved as the inclination angle increases.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a set-up of a Mach-Zehnder interferometer experiment.
  • a fringe pattern is formed using a Mahzender interferometer, and each voltage applied to the switching unit of the active random element is An experiment was conducted to evaluate fringe visibility. 8 shows photographed stripe patterns and stripe visibility values. It was confirmed that the fringe visibility value increased as the transition from the random-refraction mode to the transparent mode increased. That is, it is possible to control coherence characteristics according to the voltage of the switching unit.
  • FIG. 9 is a comparison of the stripe visibility values of the stripe pattern when there is no active random refractive element in the transmission mode (left side of FIG. 9) and the stripe visibility value of the stripe pattern when there is an active random refractive element (right side of FIG. 9). With one image, you can see that there is no significant difference between the two cases. That is, it shows that the coherence characteristic is well maintained in the transparent mode.
  • FIG. 10 is a stripe of a random-refraction mode of an active switching random-refraction device and a periodic-refraction mode of an active switching periodic-refraction device It is a schematic diagram showing an experimental setup for photographing a pattern, and FIG. 11 shows a photographed image.
  • the active random refractive device the coherence characteristic was controlled and the stripe pattern disappeared, and in the case of the active periodic refractive device, the interference property was not controlled due to the regular structure, and thus the stripe pattern remained.
  • FIG. 12 is a schematic diagram for confirming an image formed according to a random refractive mode and a transmission mode of the active random refractive element 100 on a display displayed in a Lambertian form, and an image taken by a camera.
  • the transmitted light satisfies index matching, so that an image without distortion was obtained, and in the refractive mode, the transmitted light was index mismatched, and a blurred image superimposed by refraction was observed.
  • FIG. 13 is an image showing imaging characteristics of a random refractive mode of an active random refractive element 100 and a periodic refractive mode of an active periodic refractive element after displaying a white image on a display displayed in a Lambertian form.
  • a white image was formed as it is, but in the case of the active periodic refractive element, it can be seen that the color moiré phenomenon is observed due to the periodic structure. In other words, it shows that the color moiré phenomenon can be eliminated when an aperiodic structure is applied.
  • 14A and 14B are an embodiment of a 2D type random structure used in an active random refractive device.
  • the active random refractive element having a 2D type random structure refraction may occur in both a vertical direction and a horizontal direction.
  • the 2D array random structure can be manufactured in various shapes such as a lens or a pyramid.
  • 14A is a random lens structure, and a high viewing angle characteristic can be secured through a short focal length and high orientation.
  • 14B is a random structure in the form of a pyramid structure, and can have a large fill-factor and a high slope angle through an anisotropic selective chemical etching process, and a relatively simple process and small Cost is consumed.
  • a pyramid structure in which the central axis is deflected in a specific direction is applied, it can be used as an application (car, display, etc.) that requires a high viewing angle characteristic in a specific direction.
  • the pyramid structure has a rhombus-shaped structure, its characteristics change according to the orientation direction. Therefore, by grasping the structure of the pyramid structure and performing the orientation, higher orientation can be secured and the viewing angle can be improved.
  • the 1D type random structure can secure a viewing angle in a desired direction of a vertical direction or a horizontal direction.
  • the 1D-type random structure has a simpler manufacturing process compared to the 2D-type random structure, and because it can be aligned along the bone direction, the alignment of the liquid crystal polymer can be further improved.
  • it is possible to secure a viewing angle in a specific direction by using a 1D type random structure (FIG. 15B) in which the central axis is deflected in a specific direction.
  • the 1D type random structure may be provided as a lenticular structure.
  • 16 is a diagram illustrating an active random refractive device having a stacked structure according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • 16 shows a structure in which two random refractive elements are stacked on both sides of a bare glass substrate.
  • the active random refractive element includes a first random structure 120 provided on the first surface of the glass substrate 130, a second random structure 120 ′ provided on the second surface of the glass substrate 130, and the first A first liquid crystal polymer 110 provided on the random structure 120, a second liquid crystal polymer 110 ′ provided on the second random structure 120 ′, and a polarization switching element 140 may be included. have.
  • the refractive surface between the first random structure 120 and the first liquid crystal polymer 110 may have an inclination angle randomly distributed along a horizontal direction perpendicular to the incident direction of light.
  • the refracting surface between the second random structure 120 ′ and the second liquid crystal polymer 110 ′ may have an inclination angle randomly distributed along a horizontal direction perpendicular to the incident direction of light. If the stacked structure is used, the viewing angle can be improved through a relatively simple process than a method of increasing the fill factor of the random structure and increasing the slope angle.
  • both sides of bare glass can be used as an imprinting substrate, and the problem of lowering the transmittance can be improved by separating the upper film of the photocurable liquid crystal polymer.
  • FIG. 17 is a schematic diagram of an active random refractive device capable of maintaining incident polarization according to another embodiment of the present invention.
  • the active random refractive element shown in FIG. 17 has a structure in which polarization switching elements 140 and 140' are stacked on both sides of the random refractive element, respectively.
  • the active random refractive element may include a first polarization switching element 140 and a second polarization switching element 140 ′ provided on opposite sides based on the random structure 120 and the reactive mesogen 110.
  • the first polarization switching element 140 and the second polarization switching element 140 ′ may switch a polarization direction of light between a first direction and a second direction that are orthogonal to each other.
  • the first polarization switching element 140 may be provided in front of the reactive mesogen 110 and the random structure 120 based on a traveling direction of light so as to switch the polarization of light incident on the random structure 120.
  • the second polarization switching element 140 ′ may be provided behind the random structure 120 and the reactive mesogen 110 based on a traveling direction of light so as to switch the polarization of light output from the reactive mesogen 110.
  • the second polarization switching element 140 ′ switches the polarization of light so that the polarization state of the light passing through the second polarization switching element 140 ′ becomes the same as the polarization state of the light before incident to the first polarization switching element 140. can do.
  • the polarization state before incident and the polarization state after incident can be maintained in the same manner. That is, since the angle of view and coherence can be controlled while maintaining the polarization before and after the incident, it can be used in a display device (LCD; Liquid Crystal Display, SLM; Spatial Light Modulator) using a polarization filter.
  • LCD Liquid Crystal Display
  • SLM Spatial Light Modulator
  • the surface morphology of the random structure and the liquid crystal-based polarization switching element provide low Driving voltage, fast response speed, fast mode switching speed, and high viewing angle characteristics can be obtained.
  • the active random refractive element according to an embodiment of the present invention may convert a directional back light unit (BLU) having a straightness into a surface light source mode having a wide viewing angle.
  • BLU back light unit
  • the active random refractive element according to the exemplary embodiment of the present invention may be manufactured as a 1D array of lenticular random structures or 2D array of random structures (lens, pyramid, etc.).
  • the active random refractive device can be manufactured at a relatively simple process and low cost through imprinting of a random pyramid structure substrate having a large fill-factor and a high inclination angle through a silicon wafer substrate process. .
  • by laminating the polarization switching unit on both sides of the random refractive element it is possible to control the angle of view and coherence while maintaining the incident polarization state.
  • the active random refractive element according to an embodiment of the present invention can be applied to various fields such as a smart window, a vehicle display, and a mobile display.

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
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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