WO2023022270A1 - 증강현실 장치 - Google Patents

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김희경
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Abstract

마이크로 디스플레이, 마이크로 디스플레이로부터의 광을 소정의 경로로 전달하는 전달 광학계, 회절 광학소자 및/또는 홀로그래픽 광학 소자를 포함하는 증강현실 장치에서, 마이크로 디스플레이로부터 회절 광학소자 및/또는 홀로그래픽 광학소자로 입사하는 이미지 광의 경로 중의 한 곳에 퀀텀 닷을 포함하는 소자가 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

증강현실 장치
본 발명은 증강현실 장치에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는, 퀀텀 닷 소자를 채용하여 광학계를 소형화 및 경량화하고, 이미지를 더욱 선명하게 한 증강현실 장치에 관한 것이다.
증강현실(Augmented Reality, AR)은 가상현실(VR)의 한 분야로 실제로 존재하는 환경에 가상의 사물이나 정보를 합성하여 마치 원래의 환경에 존재하는 사물처럼 보이도록 하는 컴퓨터 그래픽 기법이다. 현실세계의 물체와 실시간으로 겹쳐치는 가상의 이미지가 매우 높은 사실감을 갖는 경우, 증강현실 장치의 착용자는 현실세계의 이미지와 가상으로 구현된 이미지를 구별하기 어려운 정도까지 이를 수 있으며, 이를 지향하는 기술을 혼합현실(Mixed Reality, MR)이라고도 한다. 증강현실 기술은 현실 환경과 가상 환경을 융합하는 복합형 가상현실 시스템(Hybrid VR system)으로서, 현재 여러 나라에서 연구 및 개발이 활발하게 진행되고 있다.
현실세계를 가상세계로 보완해 주는 개념인 증강현실 기술은 컴퓨터 그래픽 등으로 만들어진 가상 이미지 정보를 현실환경에 겹쳐서 투영해 주는 방식으로 구현된다. 가상 이미지는 현실환경의 특정 요소의 시각적 효과를 증강시키거나 현실세계에 관련된 정보를 표시해주는 역할을 한다. 이러한 증강현실 기술은 안경이나 헬멧과 같이 착용가능한 기기에 탑재된 디스플레이 등에 적용된다. 증강현실 안경과 같은 기기는 현재의 스마트폰의 모든 기능을 포함하는 것은 물론이며, 이에 더해서 착용자의 시각적 정보인지 능력을 극대화하는 기능을 갖게 된다. 향후 모든 컴퓨팅 인터페이스가 증강현실 디스플레이가 되리라는 전망을 가지고 애플, 구글, 페이스북 등과 같은 주요 글로벌 업체들이 엄청난 규모의 투자를 하면서 개발을 진행하고 있다.
증강현실 장치는 착용형이 될 때 가장 효과적으로 기능을 수행하는 것이 가능하며, 산업계에서는 증강현실 장치를 소형화하면서도 시각적으로 크고 선명한 증강현실 이미지를 제공하는 광학계를 개발하는 것이 절실히 필요하다.
도 1은 종래의 증강현실 장치의 광학계의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에서 볼 수 있듯이, 증강현실 장치의 광학계는 이미지 소스인 마이크로 디스플레이(1), 및 하나 이상의 렌즈로 이루어지며 이미지 광을 전달받아서 내부에서 반사하여 눈으로 전달하는 전달 광학계(2) 등을 포함하여 구성된다.
상기 이미지 소스로 사용되는 마이크로 디스플레이(1)는 LCOS(Liquid Crystal On Silicon) 디스플레이, 유기 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode, OLED) 등이 사용될 수 있다. 도 1에서는 LCOS를 마이크로 디스플레이로 사용한 예를 설명한다.
상기 전달 광학계에서는 웨이브가이드 방식, 프로젝션 방식을 채용한 직접 투사방식, 프리즘 방식 등이 사용될 수 있으나, 도 1에서는 프리즘 방식을 사용한 예를 설명한다.
이미지 광이 LCOS 디스플레이(1)로부터 전달 광학계(2)인 프리즘으로 입사되면, 입사된 이미지 광은 도 1에 도시된 바와 같이 프리즘 내부에서 반사되어 사용자의 눈에 이르게 된다. 이때, 사용자의 눈앞 일정 거리에서 공간에 이미지(3)가 구현되어 보여지게 된다.
상기 이미지 광이 광학계 내부 반사를 거치면서 사용자의 눈앞에서 선명한 이미지를 형성하도록 하기 위해서는 이미지 결상 시에 발행하는 수차를 최소화하고 이미지의 왜곡을 최소화하도록 해야 한다. 이를 위해 광학계를 구성하는 프리즘의 한 면 이상의 면은 구면, 비구면, 자유 곡면 등으로 특별히 설계 및 가공된다. 광학계의 결상 시에 발생하는 수차는 선명도의 저하를 가져오는데, 일반적으로 광학 설계시에 선명도를 높일수록 이미지의 왜곡도 높아지며, 왜곡을 개선하면 이미지의 선명도가 낮아지는 트레이드 오프 문제가 발행한다.
증강현실 광학계를 통해 눈에 형성되는 이미지의 왜곡을 저감시키면서도 수차를 억제하여 높은 선명도를 확보하기 위한 수단으로서 회절 광학 소자(Diffractive Optical Element, DOE)를 사용하거나 홀로그래픽 광학 소자 (Holographic Optical Element, HOE)를 광학계의 광경로의 일부에 반사방식 또는 투과방식으로 활용하고 있다.
회절 광학 소자 또는 홀로그래픽 광학 소자는 매우 얇은 필름 또는 구조물의 형태로서, 수차(aberration)가 없는 이미지 형성이 가능하게 해주며 비구면, 자유 곡면과 같은 특수 광학면으로 제어하지 못하는 수차도 추가로 개선해 주는 장점을 가지고 있다. 회절 광학 소자 또는 홀로그래픽 광학소자는 증강현실 광학계에서도 이미지의 해상도를 향상시켜서 그 선명도를 뚜렷하게 하는 역할을 한다.
회절 광학 소자 또는 홀로그래픽 광학소자는, 광학 시스템에 있어서 광을 조절하기 위하여 광학 매질의 두께 또는 굴절률에 있어서 주기 구조(periodic structures)를 형성하여 회절 (diffraction) 현상을 이용하는 소자이다.
회절 광학 소자는 광학 시스템에 있어서 광을 조절하기 위하여 광학 매질의 두께에 있어서 수 nm 내지 수백 nm의 주기를 갖는 주기 구조(periodic structures)를 형성하도록 기계적 가공 등을 통하여 사각형 또는 쐐기형의 주기적 단면을 갖는 그레이팅과 같은 격자 구조를 갖도록 제작하는 소자이다.
홀로그래픽 광학 소자는 광학 시스템에 있어서 광을 조절하기 위하여 광학 매질의 굴절률에 있어서 주기 구조(periodic structures)를 형성하도록 광반응성 광학 매질에 대해 하나 이상의 레이저를 이용한 광 간섭법 등을 활용하여 굴절률의 주기적 배치를 갖는 필름 형태의 모양을 갖도록 가공하여 제작하는 소자이다.
한편, 증강현실 장치 등에서. 회절 광학 소자 또는 홀로그램 광학 소자를 사용하기 위해서는 회절효율(Diffraction Efficiency)이, 예를 들어 60% 또는 그 이상으로 높을 것이 요구된다. 회절 효율이란, 입사된 총 빛의 강도에 대비해서 회절된 빛의 강도를 측정하여 계산된다. 예를 들어, 홀로그램을 재생할 때, 회절효율은 홀로그램의 1차 회절파의 강도 I1과 조명파의 강도 I0의 비를 말한다. 이 회절효율이, 예를 들어 60 퍼센트 이하로 낮을 경우에는 광의 손실이 심각하여 AR 이미지의 밝기가 심각히 저하되어 이미지 시인성, 증강현실 디바이스의 전력 효율이 크게 저하되므로 이를 적용하는 의미가 없어지게 된다.
회절 광학 소자 또는 홀로그램 광학 소자의 회절효율(Diffraction Efficiency, θ)을 높이기 위해서는 소자에 입사하는 광의 파장 스펙트럼의 대역 폭이 작을 것이 요구된다는 것이 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 이론적으로 실험적으로 잘 알려져 있다.
도 2는 회절 광학 소자(DOE) 또는 홀로그램 광학 소자(HOE)에서의 회절 효율 계산 모델을 도시한 도면이며, 도 3은 투과형 회절 소자의 회절 효율 계산 모델 및 반사형 회절소자의 회절 효율 계산 모델을 도시한 도면이다.
한편, 투과형 회절소자에 대한 회절효율 계산식은 하기의 수학식 1과 같으며, 반사형 회절소자에 대한 회절효율 계산식은 하기의 수학식 2와 같다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2021011138-appb-img-000001
[수학식 2]
Figure PCTKR2021011138-appb-img-000002
이때, 각각의 수식에서 인수들은 다음과 같다.
θ: 회절 효율(Diffraction Efficiency), f = 1 / Μ, 그레이팅(DOE)의 공간 주파수(spatial frequency of grating (DOE)), Λ: 그레이팅의 주기(period of the grating), μ: 파장(wavelength), Δμ: 파장 변이(wavelength deviation), d: 두께(thickness), n: 굴절율(refractive index)
상기한 바와 같이 증강현실 광학계에 적용되는 DOE 또는 HOE의 회절효율은 소자에 입사하는 광의 파장의 변이, 즉, 선폭 Δμ에 크게 의존하며, 입사광의 파장의 선폭이 작을수록 높은 회절효율을 보인다.
증강현실 광학 소자에서 사용되는 마이크로 디스플레이 중에는 LCOS, 마이크로 OLED, 무기 LED, DMD 등이 있다.
도 4는 LCOS 마이크로 디스플레이에서 방출되는 이미지 광의 파장 스펙트럼을 도시한 도면이며, 도 5는 OLED 마이크로 디스플레이에서 방출된 이미지 광의 파장 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 4에서 볼 수 있듯이, LCOS 마이크로디스플레이는 LED를 백 라이트로 사용하는데, LED 광의 파장 스펙트럼은 R, G, B 각 색깔에 대하여 중심파장으로부터 비교적 넓게 분포되는 것을 알 수 있다.
도 5에서 볼 수 있듯이, OLED 마이크로 디스플레이의 파장 스펙트럼도 R, G, B의 각 중심파장에 대하여 대역폭이 매우 넓게 형성되어 있음을 알 수 있다
상용 LCOS 디스플레이는 LED 백라이트 및 편광필름, 보상필름, 칼라 필터 등의 부품으로 구성되며 발광 스펙트럼의 파장 선폭은 OLED 디스플레이의 발광 스펙트럼의 발광 선폭과 비교해서 다소 좁아진다. 따라서 AR 글라스에서 LCOS 이미지 광이 DOE 혹은 HOE에 입사하는 경우 OLED 이미지 광이 DOE 혹은 HOE에 입사하는 경우에 비해서 비교적 높은 회절효율을 얻을 수 있다. OLED 디스플레이의 이미지 광은 비교적 선폭이 넓으므로 DOE 혹은 HOE에 입사되는 경우에 회절효율이 현저하게 낮아지게 된다.
말하자면, 증강현실 디바이스에서 LCOS 디스플레이를 사용하는 경우, 전체적인 디바이스의 광 효율을 크게 손상시키지 않으면서도 DOE 또는 HOE를 사용하여 광학 수차를 저감시키는 효과를 얻는 것이 가능하다. 그렇지만, LCOS 디스플레이는 LCD 패널과 LED 발광 유닛, 편광필름, 보상필름, 리사이클링 필름 등의 복합 부품을 적용해야 하므로 전체적으로 부피가 커지게 된다. 이로 인해서 경량화 소형화를 추구하는 착용형(wearable) 증강현실 디바이스에 적용하기에 매우 불리하다.
착용형 증강현실 디바이스에서는 기기의 부피를 저감하고 경량화하는 것이 반드시 필요하며, 착용형 증강현실 디바이스에 적용되는 마이크로 디스플레이 소자로서 부피가 큰 LCOS를 대체하여 LCOS 보다 부피가 1/4 수준으로 작은 OLED 마이크로 디스플레이를 적용하는 것이 매우 유리하다. 그러나, OLED 디스플레이를 사용하는 경우, 상술한 바와 같이 마이크로 OLED에서 방출되는 비교적 대역폭이 넓은 이미지 광이 DOE 혹은 HOE 소자로 입사되어 회절효율이 급격히 낮아지게 된다. 따라서, 전체적인 디바이스의 광 효율이 낮아지게 되어, DOE 또는 HOE를 사용하여 광학 수차를 저감시키는 효과를 얻는 것은 불가능하다.
실제로 OLED와 DOE 혹은 HOE를 결합하여 제작하는 것이 경량화 소형화 및 고선명 이미지 확보를 위해 가장 바람직함에도 불구하고, 상기의 제약 사항 때문에 현재 증강현실 디바이스 제조업계에서는 이러한 조합으로 제품을 출시 또는 발표한 사례가 없음이 알려져 있다.
따라서, 증강현실 디바이스의 소형화를 위해 마이크로 OLED를 사용하면서도 수차 저감 및 고선명 이미지를 구현해주는 DOE 또는 HOE 소자들의 회절효율을 높이도록 마이크로 OLED의 파장의 선폭을 좁게 해주는 수단이 필요하다.
또한 증강현실 디바이스에서 마이크로 OLED 이외에도 마이크로 LED, MEMS 디스플레이 등의 넓은 발광 스펙트럼을 갖는 다른 마이크로 디스플레이들의 경우에도, 수차 저감 및 고선명 이미지를 제공하는 DOE, HOE 소자의 회절효과를 높이도록 디스플레이의 발광 스펙트럼의 선폭을 줄여주는 수단이 필요하다. 상기에 기술한 것처럼 증강현실 디바이스에서 비교적 좁은 발광 스펙트럼을 갖는 LCOS 디스플레이를 적용하는 경우에도 수차 저감 및 고선명 이미지를 제공하는 DOE, HOE 소자의 회절효과를 높이도록 디스플레이의 발광 스펙트럼의 선폭을 더욱 더 줄여주는 수단이 필요하다.
본 발명은, 마이크로 OLED, LCOS, 마이크로 LED, MEMS 디스플레이 등의 마이크로 디스플레이 소자를 적용한 증강현실 광학계에서 마이크로 OLED광의 파장 선폭을 저감시켜 주도록 하는 고효율의 퀀텀 닷(Quantum Dot) 또는 양자 로드(Quantum Rod)를 포함하는 광학 요소를 마이크로 디스플레이의 발광면과 DOE 및/또는 HOE 사이에 또는, 그 사이에 있는 광학부품의 한 면에 도입하는 하는 경우에, DOE, HOE에 입사하는 이미지 광의 선폭이 극적으로 감소하며, 이로 인해 DOE, HOE의 회절효율이 60% 또는 그 이상으로 향상되는 효과를 가진 퀀텀 닷 채용 증강현실 장치를 제공하고자 한다.
마이크로 디스플레이, 마이크로 디스플레이로부터의 광을 소정의 경로로 전달하는 전달 광학계, 회절 광학소자 및/또는 홀로그래픽 광학 소자를 포함하는 증강현실 장치에 있어서, 마이크로 디스플레이로부터 회절 광학소자 및/또는 홀로그래픽 광학소자로 입사하는 이미지 광의 경로 중의 한 곳에 퀀텀 닷을 포함하는 소자가 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 마이크로 디스플레이는 OLED, LCOS, LCD, DMD, 무기 LED, 레이저 빔 스캐닝 미러 방식 디스플레이, 파이버 스캐닝 방식 디스플레이, 중 하나인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 회절 광학소자는 광학소재를 이용하여 1차원 또는 2차원의 격자 구조의 높낮이 패턴을 형성시킨 소자인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 홀로그래픽 광학소자는 광학소재를 이용하여 1차원 또는 2차원의 격자 구조의 굴절률 분포 패턴을 형성시킨 소자인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 퀀텀 닷을 포함하는 소자는 CdSeS/ZnS alloyed 퀀텀 닷, CdSe/ZnS core-shell type 퀀텀 닷, CdSe/ZnS core-shell type 퀀텀 닷, CdTe core-type 퀀텀 닷, PbS core-type 퀀텀 닷, cesium　lead　halide 와 같은 페로브스카이트(perovskite) 계열의 퀀텀 닷, Cd을 포함하지 않는 화합물로 이루어지는 퀀텀 닷을 포함하여 양자역학적 에너지 준위 스플리팅을 기반으로 포토루미너선스 현상을 보이는 수십 마이크로미터 이하의 분자 단위 크기의 소재로 이루어지는 소자인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 퀀텀 닷을 포함하는 소자는 폴리머 또는 유리 소재에 분산되어 필름, 코팅 또는 플레이트의 형태로 제공되는 소자인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 퀀텀 닷을 포함하는 소자는 마이크로 디스플레이의 내부 또는 기판에 분산된 형태, 또는 코팅 또는 필름 형태로 포함되어 있는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 전달 광학계는, 구면, 비구면 또는 자유 곡면 형상의 렌즈 또는 프리즘 또는 미러 중 하나 이상의 소자로 구성되는 광학계, 자유공간 반사형 미러 방식 광학계, 빔 스플리터 방식 광학계, 반사형 또는 투과형 핀 홀 방식 광학계, 웨이브가이드 방식 광학계, 패터닝 구조 또는 미러 어레이 구조를 갖는 웨이브가이드 방식 광학계, 버드 배스 타입 (bird-bath-type) 광학계 중 하나 이상을 포함하는 광학계인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 증강현실 장치는, 머리 장착형의 일체형 증강현실 장치 또는 테더드(Tethered) 방식인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따라서, 마이크로 OLED, LCOS, 마이크로 LED, MEMS 디스플레이 등의 마이크로 디스플레이 소자를 적용한 증강현실 광학계에서 마이크로 OLED광의 파장 선폭을 저감시켜 주도록 하는 고효율의 퀀텀 닷(Quantum Dot)또는 양자 로드(Quantum Rod)를 포함하는 광학 요소를 마이크로 디스플레이의 발광면과 DOE 및/또는 HOE 사이에 또는, 그 사이에 있는 광학부품의 한 면에 도입하는 하는 경우에, DOE, HOE에 입사하는 이미지 광의 선폭이 극적으로 감소하며, 이로 인해 DOE, HOE의 회절효율이 60% 또는 그 이상으로 향상되는 효과가 있다.
본 발명에서, 착용형 증강현실 디바이스의 디스플레이 장치에 있어서 넓은 선폭을 갖는 마이크로 디스플레이를 적용하는 경우에도 DOE, HOE에 의해 효과적으로 수차를 저감시킴과 동시에 높은 회절효율을 얻는 것이 가능해지므로, 전체적인 증강현실 디바이스의 경량화, 소형화와 함께 높은 선명도를 갖는 증강현실 이미지를 제공하는 것이 가능해진다. 이는 착용형 증강 현실 디바이스의 상용화에 크게 기여한다.
도 1은 종래의 증강현실 장치의 광학계의 일예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 회절 광학 소자(DOE) 또는 홀로그램 광학 소자(HOE)에서의 회절 효율 계산 모델을 도시한 도면이다.
도 3은 투과형 회절 소자의 회절 효율 계산 모델 및 반사형 회절소자의 회절 효율 계산 모델을 도시한 도면이다.
도 4는 LCOS 마이크로 디스플레이에서 방출된 이미지 광의 파장 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 5는 OLED 마이크로 디스플레이에서 방출된 이미지 광의 파장 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 마이크로 디스플레이의 이미지 광의 선폭 저감을 위해 적용되는 Perovskite QD 2종(CH3NH3Pb(I1xBrx)3 및 CH3NH3PbBr3)의 좁은 발광 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 증강현실 장치의 광학계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 증강현실 장치의 광학계에서 HOE 또는 DOE를 마이크로 디스플레이의 일면에 부착한 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 프리즘 커플러 방식의 증강현실 광학계에서 마이크로 OLED 소자의 전면에 퀀텀 닷(QD) 필름을 설치하여 선폭을 감소시켜 홀로그래픽 광학소자 또는 회절광학 소자의 회절 효율을 증가시키는 본 발명의 AR 광학계 구조를 도시한 도면이다.
도 10은 자유공간 광학계 방식에서, 반사형 컴바이너(6)를 포함하는 증강현실 장치의 광학계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11은 자유공간 광학계 방식에서, 반사형 컴바이너(6)를 포함하는 증강현실 장치의 광학계에 홀로그래픽 광학소자 또는 회절광학 소자(4)를 반사형 컴바이너(6)의 일면에 부착한 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 12는 자유공간 광학계 방식에서, 마이크로 디스플레이(1)의 전면에 퀀텀 닷 소자(5)를 설치하여 선폭을 감소시켜 홀로그래픽 광학소자 또는 회절광학 소자(4)의 회절 효율을 증가시키는 구조를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 증강현실 장치에서, 마이크로 디스플레이(1)와 홀로그래픽 광학소자 또는 회절광학 소자(4)사이의 광경로 중에 퀀텀 닷 소자(5)를 배치하는 본 발명의 기본 구조를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명에 따른 증강현실 장치에서 홀로그래픽 광학소자 또는 회절광학 소자(4)가 전달 광학계(2)와 증강현실 이미지(3) 사이에 위치하는 경우, 마이크로 디스플레이(1)와 홀로그래픽 광학소자 또는 회절광학 소자(4) 사이의 광경로 중에 퀀텀 닷 소자(5)를 배치하는 것을 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명에 따른 증강현실 장치에서 퀀텀 닷 소자(5)가 마이크로 디스플레이(1)의 내부 활성층에 위치하는 경우를 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명의 증강현실 장치에서 퀀텀 닷 소자(5)가 마이크로 디스플레이(1)의 기판 내부에 위치하는 경우를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 실시예들은 발명의 이해를 돕기 위한 것이지 본 발명을 예시되는 실시예로 한정하는 것은 아니다. 본 발명의 권리 범위는 후술되는 특허청구범위에 의해서만 한정되는 것임을 알 수 있다.
본 발명에서, 퀀텀 닷을 포함하는 소재, 예를 들면, 퀀텀 닷 필름을 OLED, LCOS, 마이크로 LED, MEMS 디스플레이와 같은 마이크로 디스플레이와 전달 광학계 사이에 배치하는 경우, 마이크로 디스플레이에서 방출되는 대역 폭이 넓은 출력 광을 좁은 대역 폭의 광으로 변조시킬 수 있게 된다. 그리하여, 그 퀀텀 닷 필름의 후단에 배치되는 회절 광학소자의 회절 효율을 높일 수 있게 된다. 그로 인해서 전달 광학계를 통과하는 이미지 광의 수차가 줄어들게 되고 선명한 이미지를 구현하는 것이 가능해진다.
퀀텀 닷은 수십 나노미터(㎚) 이하의 반도체 결정물질로 특이한 전기적·광학적 성질을 지니는 입자이다. 퀀텀 닷 입자에 빛을 조사하는 경우 도 6 에서와 같이 퀀텀 닷이 입사광을 흡수하여 퀀텀 닷의 물질 고유의 반도체적 특성에 따라서 그리고 퀀텀 닷의 크기에 따라서 서로 다른 고유의 에너지 밴드 갭에 해당하는 빛을 방출하는 포토 루미네센스(Photo Luminescence) 현상이 일어난다.
본 발명에서 적용가능한 퀀텀 닷 소재로서는 전통적인 CdSeS/ZnS alloyed quantum dots, CdSe/ZnS core-shell type quantum dots, CdSe/ZnS core-shell type quantum dots, CdTe core-type quantum dots, PbS core-type quantum dot 들을 이용할 수 있다. 또한 최근 들어 높은 발광효율을 보이는 것으로 알려진 페로브스카이트(Perovskite) 계열의 퀀텀 닷(QDs) 을 이용할 수 있는데, cesium　lead　halide(CsPbBr3)　페로브스카이트 퀀텀 닷 등을 사용할 수 있다.
본 발명에서 증강현실 디바이스에서 활용하는 퀀텀 닷은 수십 마이크로미터 단위의 입자로서 취급하기가 매우 어려우므로 퀀텀 닷의 물성을 활용한 광학 소자를 만들기 위해 퀀텀 닷을 필름 형성이 가능한 폴리머 소재의 재료와 혼합하여 필름형태로서 색감을 선명하게 하는 얇은 필름형태로 만들어서 증강현실 디바이스의 광의 경로 중 한 곳에 편리하게 적용한다.
퀀텀 닷에 조사되는 빛의 파장 대역이 넓은 경우에도 퀀텀 닷이 방출하는 빛의 파장 대역 폭은 극적으로 좁아지게 된다. 퀀텀 닷 소재는 매우 좁은 선폭을 보이므로 디스플레이에서 선명한 색감의 이미지를 제공한다.
도 7에서는 퀀텀 닷 중에서도 매우 좁은 대역폭과 높은 발광효율을 갖는 페로브스카이트 QD 물질 2종(CH3NH3Pb(I1xBrx)3 및 CH3NH3PbBr3)이 좁은 발광 스펙트럼이 나타내는 점을 예시적으로 보여준다.
본 발명에서 증강현실 디바이스에서 활용하는 퀀텀 닷은 수십 마이크로미터 단위의 입자로서 취급하기가 매우 어려우므로 퀀텀 닷의 물성을 활용한 광학 소자를 만들기 위해 퀀텀 닷을 필름 형성이 가능한 폴리머 소재의 재료와 혼합하여 필름형태로 만들어 색감을 선명하게 하는 얇은 필름형태로 만들어 증강현실 디바이스의 광의 경로 중 한 곳에 편리하게 적용한다.
본 발명에서 증강현실 디바이스에 적용되는 마이크로 디스플레이 중에는 마이크로 OLED, LCOS, 마이크로 LED, DMD(digital micromirror device), 파이버 스캐닝 디스플레이(Fiber Scanning Display), MEMS 스캐닝 미러 디스플레이 등 디스플레이로 부터 나오는 출력광의 발광 선폭을 좁게 하여서, 증강현실 디바이스 디스플레이의 수차 저감을 위한 DOE, HOE 소자의 회절 효율을 충분히 높이도록 해주는 것이 필요한 모든 광대역폭의 발광 스펙트럼을 갖는 마이크로 디스플레이가 포함된다.
본 발명에서 증강현실 디바이스에 적용되는 마이크로 디스플레이의 발광 대역폭을 줄여주는 퀀텀 닷 필름의 소재에는 본 발명에서 적용가능한 전통적인 CdSeS/ZnS alloyed quantum dots, CdSe/ZnS core-shell type quantum dots, CdSe/ZnS core-shell type quantum dots, CdTe core-type quantum dots, PbS core-type quantum dot 들을 이용할 수 있다. 또한 친환경적 소재로 최근 개발되어 있는 Cd을 포함하지 않는 화합물로 이루어지는 퀀텀 닷 들을 이용할 수 있다. 또한 최근 들어 높은 발광효율을 보이는 것으로 알려진 페로브스카이트 계열의 퀀텀 닷(QDs)을 이용할 수 있는데, cesium　lead　halide　(CsPbBr3) 페로브스카이트 퀀텀 닷 등을 사용할 수 있다. 본 발명에서 증강현실 디바이스에 적용되는 퀀텀 닷 필름의 소재에는 상술한 소재 이외에 양자역학적 에너지 준위 스플리팅 현상을 기반으로 포토 루미네선스(Photo luminescence) 현상을 보이는 수십 마이크로미터 이하 크기의 분자 단위의 소재 중 어느 것이라도 활용할 수 있다.
본 발명에서 증강현실 디바이스에서 활용하는 퀀텀 닷은 광 반응성 폴리머, 열 경화성 폴리머, 코팅에 의한 박막형성이 가능한 소재, 용매와의 혼합에 의한 분산이 가능한 폴리머 소재, 모노머 소재 등과 혼합되어 스핀 코팅, 다이 캐스팅, 연신 등의 공정을 거쳐서 박막 또는 필름 형태로 제형 될 수 있다.
본 발명에서 증강현실 디바이스에 활용하는 퀀텀 닷은 필름 또는 기판상에 증착, 또는 코팅 방식으로 도포될 수 있다.
본 발명에서 증강현실 디바이스에 활용하는 퀀텀 닷 소자는 필름 또는 도포형, 증착형, 코팅형 플레이트의 형태로 마이크로 디스플레이 내부 또는 기판에 포함되어 있을 수 있다.
본 발명의 증강현실 디바이스에 활용되는 DOE 소자는 기계적 가공 방식으로 소자의 두께 분포에 있어서 쐐기 모양 혹은 계단 모양 혹은 주기적 삼각함수 모양의 막의 높낮이의 1차원적, 2차원적 혹은 3차원적 주기적 분포를 갖는 동심원 또는 격자 모양으로 형성되는 소자로 이루어질 수 있다.
본 발명의 증강현실 디바이스에 활용되는 HOE 소자는 레이저 광 간섭 방식으로 굴절률 분포에 있어서 주기적 삼각함수 모양의 막의 높낮이의 1차원적, 2차원적 혹은 3차원적 주기적 분포를 갖는 동심원 또는 격자 모양의 굴절률 분포 패턴을 형성하는 평탄한 필름 모양의 소자로 이루어질 수 있다.
본 발명의 증강현실 디바이스에 활용되는 광학계에는 프리즘 커플러 방식 광학계, 자유공간 미러 배치 방식 광학계, 다양한 광 입사 또는 추출 패턴을 포함하는 웨이브 가이드 방식 광학계, 빔 스플리터 방식 (버드 배스 방식, Bird Bath 방식) 광학계, 반사 방식 핀 미러 방식 광학계, 투과 방식 핀 홀 방식 광학계, 레이저 스캐닝 미러 방식의 광학계 등 모든 광학계가 포함된다.
도 8은 본 발명에 따른 증강현실 장치의 광학계에서 HOE 또는 DOE를 전달 광학계의 일면에 부착한 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 증강현실 장치의 전달 광학계의 일면에 HOE 또는 DOE를 부착한 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 이와 같은 구성에 의해서 마이크로 디스플레이에서 조사되는 이미지 광의 수차를 줄여서 보다 선명한 이미지 광을 전달 광학계에 전달하게 되고 이는 보다 선명한 증강현실 이미지를 구현할 수 있게 한다.
도 9는 프리즘 커플러 방식의 증강현실 광학계에서 마이크로 OLED 소자의 전면에 퀀텀 닷(QD) 필름을 설치하여 선폭을 감소시켜서 DOE 또는 HOE 소자의 회절 효율을 증가시키는 본 발명의 AR 광학계 구조를 도시한 도면이다.
도 9에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 증강현실 디바이스의 광학계는 마이크로 디스플레이(1), 퀀텀 닷 필름(5), 회절 광학소자(4), 프리즘 커플러를 적용한 전달 광학계(2)를 포함하여 이루어진다. 상기 회절 광학소자(4)는 DOE 또는 HOE를 모두 사용할 수 있으나, 본 실시예에서는 HOE를 채용한 광학계를 예로서 설명한다. 퀀텀 닷 필름(5)은 도면에서와 같이 마이크로 디스플레이(1)와 회절 광학소자(4) 사이에 배치될 수도 있고, 회절 광학소자(4)와 전달 광학계(2) 사이에 배치될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는 증강현실 장치에서 마이크로 OLED 디스플레이 소자의 선폭 저감을 위해 페로브스카이트 계열 QD 인 (CH3NH3Pb(I1xBrx)3, CH3NH3PbBr3) 입자를 광경화성 폴리머에 분산시켜서 도포하여 필름으로 제막한 후에 UV를 조사하여 형성시킨 퀀텀 닷 필름, 수차 저감 효과를 주기 위해 그레이팅 형상을 갖는 DOE, 프리즘 커플러 방식의 광학 컴바이닝 소자로 구성된 증강현실 디스플레이 디바이스를 구성한다.
도 10은 본 발명에 따른 자유공간에서의 반사형 컴바이너를 포함하는 증강현실 장치의 광학계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 마이크로 디스플레이(1)에서 조사된 이미지 광은 반사형 컴바이너(6)에서 반사되어 사용자의 눈으로 입사되면 사용자의 전면에 증강현실 이미지(3)가 형성된다. 이 경우에 마이크로 디스플레이에서 조사된 이미지 광이 프리즘의 매질을 통과하지 않고 자유 공간상에서 반사되어 증강현실 이미지(3)를 형성하므로 자유 공간 광학 방식이라 한다.
도 11은 본 발명에 따른 자유공간에서의 반사형 컴바이너(6)를 포함하는 증강현실 장치의 광학계에서, HOE 또는 DOE(4)를 반사형 컴바이너(6)의 일면에 부착한 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
이와 같은 방식으로 반사형 컴바이너(6)에서 반사된 이미지 광의 수차를 저감시켜서 보다 선명한 증강현실 이미지(3)를 구현할 수 있게 된다.
도 12는 자유공간 광학계 방식의 증강현실 장치에서 마이크로 OLED 소자의 전면에 QD 필름을 설치한 구성을 도시한 도면이다.
도 12에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 자유공간에서의 반사형 컴바이너를 포함하는 증강현실 디바이스의 광학계는 마이크로 디스플레이, 퀀텀 닷(Quantum Dot) 필름, 회절 광학소자, 반사형 컴바이닝 소자를 적용한 전달 광학계를 포함하여 이루어진다. 상기 회절 광학소자는 DOE 또는 HOE를 모두 사용할 수 있으나, 본 실시예에서는 HOE를 채용한 광학계를 예로서 설명한다. 퀀텀 닷 필름은 도면에서와 같이 마이크로 디스플레이와 회절 광학소자 사이에 배치될 수도 있고, 회절 광학소자와 반사형 컴바이닝 소자 사이에 배치될 수도 있다. 어느 경우이든, QD 필름에 의해서 조사되는 이미지 광의 선폭을 감소시켜 DOE 소자의 회절 효율을 증가시키게 된다.
도 13은 증강현실 디스플레이 시스템에서 마이크로 디스플레이와 홀로그래픽 광학소자 또는 회절광학 소자사이의 광경로 중에 퀀텀 닷 소자를 배치하는 본 발명의 기본 구조를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 증강현실 디스플레이 시스템에서 홀로그래픽 광학소자 또는 회절광학 소자가 증강현실 광학계와 눈 사이에 위치하는 경우, 마이크로 디스플레이와 홀로그래픽 광학소자 또는 회절광학 소자사이의 광경로 중에 퀀텀 닷 소자를 배치하는 것을 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 증강현실 디스플레이 시스템에서 퀀텀 닷 소자를 포함하는 소자가 마이크로 디스플레이의 내부 활성층에 위치하는 경우를 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 증강현실 디스플레이 시스템에서 퀀텀 닷 소자가 마이크로 디스플레이의 기판 내부에 위치하는 경우를 도시한 도면이다.
전술한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어 나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (9)

  1. 마이크로 디스플레이, 마이크로 디스플레이로부터의 광을 소정의 경로로 전달하는 전달 광학계, 회절 광학소자 및/또는 홀로그래픽 광학 소자를 포함하는 증강현실 장치에 있어서,
    마이크로 디스플레이로부터 회절 광학소자 및/또는 홀로그래픽 광학소자로 입사하는 이미지 광의 경로 중의 한 곳에 퀀텀 닷을 포함하는 소자가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 디스플레이는 OLED, LCOS, LCD, DMD, 무기 LED, 레이저 빔 스캐닝 미러 방식 디스플레이, 파이버 스캐닝 방식 디스플레이, 중 하나인 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
  3. 제1 또는 2항에 있어서,
    상기 회절 광학소자는 광학소재를 이용하여 1차원 또는 2차원의 격자 구조의 높낮이 패턴을 형성시킨 소자인 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
  4. 제1 또는 2항에 있어서,
    상기 홀로그래픽 광학소자는 광학소재를 이용하여 1차원 또는 2차원의 격자 구조의 굴절률 분포 패턴을 형성시킨 소자인 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
  5. 제1 또는 2항에 있어서,
    상기 퀀텀 닷을 포함하는 소자는 CdSeS/ZnS alloyed 퀀텀 닷,
    CdSe/ZnS core-shell type 퀀텀 닷, CdSe/ZnS core-shell type 퀀텀 닷, CdTe core-type 퀀텀 닷, PbS core-type 퀀텀 닷, cesium　lead　halide 와 같은 페로브스카이트(perovskite) 계열의 퀀텀 닷, Cd을 포함하지 않는 화합물로 이루어지는 퀀텀 닷을 포함하여 양자역학적 에너지 준위 스플리팅을 기반으로 포토루미너선스 현상을 보이는 수십 마이크로미터 이하의 분자 단위 크기의 소재로 이루어지는 소자인 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
  6. 제1 또는 2항에 있어서,
    상기 퀀텀 닷을 포함하는 소자는 폴리머 또는 유리 소재에 분산되어 필름, 코팅 또는 플레이트의 형태로 제공되는 소자인 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
  7. 제1 또는 2항에 있어서,
    상기 퀀텀 닷을 포함하는 소자는 마이크로 디스플레이의 내부 또는 기판에 분산된 형태, 또는 코팅 또는 필름 형태로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
  8. 제1 또는 2항에 있어서,
    상기 전달 광학계는, 구면, 비구면 또는 자유 곡면 형상의 렌즈 또는 프리즘 또는 미러 중 하나 이상의 소자로 구성되는 광학계, 자유공간 반사형 미러 방식 광학계, 빔 스플리터 방식 광학계, 반사형 또는 투과형 핀 홀 방식 광학계, 웨이브가이드 방식 광학계, 패터닝 구조 또는 미러 어레이 구조를 갖는 웨이브가이드 방식 광학계, 버드 배스 타입 (bird-bath-type) 광학계 중 하나 이상을 포함하는 광학계인 것을 특징으로 하는 증강현실 장치.
  9. 제1 또는 2항의 증강현실 장치를 적용한 머리 장착형의 일체형 증강현실 장치 또는 테더드(Tethered) 방식인 증강현실 장치.
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