KR100358807B1 - 칼라 필터를 채용한 프로젝션 시스템 - Google Patents

Abstract

반사형 액정 디스플레이가 구현한 영상을 확대 투사하여 대화면 영상을 표시하는 프로젝션 시스템에서, 보다 단순화된 광학 구성으로 고휘도의 풀-칼라 화면을 구현하기 위한 목적으로,

백색광을 방출하는 광원과, 백색광 가운데 자외선과 적외선을 제외한 가시광 파장대의 빛을 선택적으로 투과하는 광학 필터와, 입사된 빛을 S-편광 빛과 P-편광 빛으로 분리하는 편광 빔 스플리터와, 편광 빔 스플리터에서 S-편광 빛을 제공받으며, 액정층 일면에 칼라 필터층을 구비하여 액정의 화소별 구동으로 풀-칼라 영상을 구현하는 반사형 액정 디스플레이와, 광 경로상에 배치되어 특정 편광축의 빛을 선택적으로 투과하는 편광판과, 반사형 액정 디스플레이가 구현한 영상을 스크린으로 확대 투사하는 투영 렌즈계를 포함하는 프로젝션 시스템을 제공한다.

Description

칼라 필터를 채용한 프로젝션 시스템 {A color-filter embedded projection system}

본 발명은 액정 디스플레이가 구현한 영상을 확대 투사하여 대화면 영상을 표시하는 프로젝션 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액정 디스플레이 내부에 칼라 필터를 구비하여 단순화된 광학 구성으로 고휘도의 풀-칼라 화면을 구현할 수 있는 프로젝션 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 반사형 액정 디스플레이 가운데 엘코스(LCOS; Liquid Crystal On Silicon, 이하 LCOS라 칭한다)는 공지의 액정 디스플레이와는 달리 반도체 기판 위에 액정셀을 형성한 것으로서, 각 화소의 구성 요소와 구동 회로를 고집적으로 배치할 수 있으므로, 대략 1인치 정도의 소형 크기로 엑스지에이(XGA; eXtended Graphics Array)급 이상의 고해상도 디스플레이를 실현할 수 있다.

이러한 이유로 프로젝션 시스템의 영상 구현 장치로서 LCOS 패널이 주목을 받고 있으며, 상기 LCOS 패널과 이를 이용한 프로젝션 시스템의 기술 개발 및 상품화가 활발하게 진행되고 있다.

이러한 프로젝션 시스템이 풀-칼라 화면을 구현하는 방식에는 R, G, B 광에 대응하는 3개의 LCOS 패널을 구비하고, 각 LCOS 패널이 구현한 R, G, B 영상을 하나로 조합하는 방식이 있는데, 이는 화면 휘도가 우수한 반면, 3개의 LCOS 패널을 구비하는 관계로 제조 가격면에서 불리할 뿐만 아니라 광학계 구성이 복잡한 단점을 가지고 있다.

그리고 하나의 LCOS 패널을 구비하여 풀-칼라 화면을 구현하는 방식에는 칼라 셔터 방식과, 홀로그램 칼라 필터 방식이 알려져 있으며, 미국 특허 제 5,999,282호가 상기 홀로그램 칼라 필터 방식을 개시하고 있다.

도 6은 칼라 셔터 방식을 적용한 프로젝션 시스템의 개략도로서, 칼라 셔터(1)는 결상 렌즈(3)와 편광 빔 스플리터(PBS; Polarizing Beam Splitter)(5) 사이에 배치되고, 제어 신호에 따라 순차적으로 구동하는 R, G, B용 세장의 액정 패널로 구성된다. 이로서 칼라 셔터(1)는 광원(7)에서 방출된 백색광을 순차적으로 R, G, B 광으로 변환하여 이를 LCOS 패널(9)에 제공한다.

이러한 칼라 셔터 방식은 광학 구성이 단순하여 제조 가격면에서 유리한 반면, 광 이용 효율이 낮아 화면 휘도가 낮고, LCOS 패널(9)이 R, G, B 광에 대응하는 영상을 순차적으로 구현해야 하므로 액정의 빠른 응답 속도가 요구되는 단점이 있다.

도 7은 홀로그램 칼라 필터 방식을 적용한 프로젝션 시스템의 개략도로서, 편광 빔 스플리터(5)에서 S-편광된 백색광을 R, G, B 세개의 다이크로익 미러(dichroic mirror)(11)가 R, G, B 파장대 빛으로 선택 반사하면, 편광 홀로그램(13)이 상기 R, G, B 광을 LCOS 패널(9) 외면에 구비된 칼라 필터(15)의 각 R, G, B 화소 영역으로 선택적으로 회절시켜 이를 LCOS 패널(9)에 제공한다.

이와 같이 세개의 다이크로익 미러(11)와 편광 홀로그램(13) 및 칼라 필터(15)를 구비하여 풀-칼라 화면을 구현하는 상기 방식은, 이론적으로는 거의 100%에 가까운 우수한 광 이용 효율을 나타낼 수 있지만, 높은 정밀도의 광학계 정렬이 요구될 뿐만 아니라 전체적인 시스템 구성이 복잡하여 생산성과 제조 가격면에서 불리한 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 고안된 것으로서, 본 발명의 목적은 기존의 칼라 셔터 방식보다 광 이용 효율을 향상시켜 우수한 화면 휘도를 구현할 수 있는 프로젝션 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 광학 구성과 구동 방식을 단순화하면서도 풀-칼라를 용이하게 실현하여 생산성과 제조 가격면에서 유리한 프로젝션 시스템을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 의한 프로젝션 시스템의 개략도.

도 2는 반사형 액정 디스플레이의 단면도.

도 3은 다른 실시예에 의한 반사형 액정 디스플레이의 단면도.

도 4는 안료 분산법의 세부 과정을 도시한 개략도.

도 5는 전착법의 세부 과정을 도시한 개략도.

도 6∼도 7은 종래 기술에 의한 프로젝션 시스템의 개략도.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

백색광을 방출하는 광원과,

상기 백색광 가운데 자외선과 적외선을 제외한 가시광 파장대의 빛을 선택적으로 투과하는 광학 필터와,

입사된 빛을 S-편광 빛과 P-편광 빛으로 분리하는 편광 빔 스플리터와,

상기 편광 빔 스플리터에서 S-편광 빛을 제공받으며, 액정층 일면에 칼라 필터층을 구비하여 액정의 화소별 구동으로 풀-칼라 영상을 구현하는 반사형 액정 디스플레이와,

광 경로상에 배치되어 특정 편광축의 빛을 선택적으로 투과하는 편광판과,

상기 반사형 액정 디스플레이가 구현한 영상을 스크린으로 확대 투사하는 투영 렌즈계를 포함하는 프로젝션 시스템을 제공한다.

이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 실시예에 의한 프로젝션 시스템의 개략도로서, 도시한 바와 같이 프로젝션 시스템은 광원(2)에서 방출된 백색광을 광학 필터(4)와 다수의 광학 렌즈 및 편광 빔 스플리터(6)를 거쳐 반사형 액정 디스플레이(8)에 제공하며, 반사형 액정 디스플레이(8)가 구현한 영상을 투영 렌즈계(10)를 통해 도시하지 않은 스크린으로 확대 투사하여 대화면 영상을 구현한다.

상기 광원(2)은 일면으로 포물선 모양의 반사판(12)을 구비하여 광원(2)에서방출된 빛이 광학 필터(4)를 향해 집중 조사되도록 하고, 광학 필터(4)는 광원(2)에서 제공받은 빛 가운데 가시광의 적색보다 파장이 긴 적외선과 가시광의 자색보다 파장이 짧은 자외선을 차단하여 가시광선 범위의 빛을 선택적으로 투과시킨다.

그리고 광학 필터(4) 전면에 한쌍의 집광 렌즈(14)와 편광 변환계(PCS; Polarization Conversion System)(16)가 구비되는데, 상기 편광 변환계(16)는 광원(2)에서 방출된 불안정한 편광 상태의 빛을 반사형 액정 디스플레(8)이 구동에 유리한 안정된 편광 상태로 변환하며, 편광 변환계(16) 전면에 위치한 결상 렌즈(18)가 편광 변환계(16)를 통과한 빛을 굴절시켜 편광판(20)에 결상시킨다.

이와 같이 결상 렌즈(18)를 통해 빛을 제공받은 편광판(20)은 자신의 편광축과 동일한 방향으로 진동하는 빛을 선택적으로 투과시키고, 편광 빔 스플리터(6)는 편광판(20)에서 입사된 빛을 S-편광 빛과 P-편광 빛으로 분리시키며, 이 가운데 반사 효율이 좋은 S-편광 빛을 반사형 액정 디스플레이(8)에 제공한다.

상기 반사형 액정 디스플레이(8)는 S-편광 빛을 제공받아 액정을 화소별 구동하여 화면을 구현하며, 내장된 도시하지 않은 반사판에 의해 입사된 빛을 다시 편광 빔 스플리터(6)에 제공한다. 그리고 편광 빔 스플리터(6)를 빠져나온 영상은 다수개 렌즈가 조합된 투영 렌즈계(10)를 거치면서 스크린으로 확대 투사된다.

이 때 본 실시예가 제공하는 반사형 액정 디스플레이(8)는 그 내부로 칼라 필터층을 구비하여 광원(2)에서 제공받은 백색광으로 풀-칼라 화면을 구현한다. 이로서 프로젝션 시스템은 광원(2)과 반사형 액정 디스플레이(8) 사이에 칼라 셔터나 다이크로익 미러와 같은 별도의 칼라화 수단을 구비하지 않아도 반사형 액정 디스플레이(8) 자체가 풀-칼라 화면을 구현함으로써 광학 구성이 훨씬 단순화되는 장점을 갖는다.

도 2는 본 실시예에 의한 반사형 액정 디스플레이의 단면도로서, 반사형 액정 디스플레이(8)는 반도체 하부 기판(22)에 스위칭(switching) 소자인 반도체 집적 회로(24)와 구동 회로를 형성하고, 액정층(26)을 사이로 반도체 하부 기판(22)에 상부 기판(28)을 일체로 조합한 LCOS 패널로 이루어지며, 상기 액정층(26)의 일면으로 각 화소에 R, G, B 색을 부여하는 칼라 필터층(30)을 더욱 포함한다.

상기 액정층(26)과 마주하는 상부 기판(28)의 일면에는 인듐 틴 옥사이드(ITO; Indium Tin Oxide)막과 같은 투명 전극(32)이 형성되고, 상부 기판(28)과 마주하는 반도체 하부 기판(22)의 일면에는 각 화소별로 알루미늄막과 같은 반사 전극(34)이 형성되며, 상기 투명 전극(32)과 반사 전극(34)이 조합되어 화소를 구성하면서 각각은 공통 전극과 화소 전극으로 기능한다.

특히 반사 전극(34)은 각 화소별로 제공된 반도체 집적 회로(24)와 전기적으로 연결되는데, 보다 구체적으로 반도체 집적 회로(24)는 반도체 하부 기판(22) 내에 형성되는 소스(36)와 드레인(38) 및 이들을 사이에 두고 배치되는 게이트 전극(40)을 포함하며, 상기 드레인(38)은 연결 전극(42)에 의해 반사 전극(34)과 전기적으로 연결되고, 게이트 전극(40)과 이웃해서는 캐패시터(44)가 배치된다.

그리고 게이트 전극(40)과 연결 전극(42) 및 캐패시터(44)는 절연층(46)에 의해 상호 접촉하지 않도록 분리된다.

이와 같은 구성의 반도체 집적 회로(24)가 해당 반사 전극(34)으로 신호를인가하면, 반사 전극(34)은 투명 전극(32)과 함께 액정 분자를 화소별로 구동하여 소정의 영상을 구현하게 된다. 이 때 반사형 액정 디스플레이(8)가 구현하는 영상은 액정층(26)과 마주하는 상부 기판(28) 일면에 제공된 칼라 필터층(30)에 의해 칼라화되어 편광 빔 스플리터(6)로 향하게 된다.

상기 칼라 필터층(30)은 도시한 바와 같이 액정층(26)과 마주하는 상부 기판(28)의 일면에 각 화소별로 R, G, B 염료막이 형성된 구성으로 이루어지며, 다른 실시예로서 도 3에서 도시한 바와 같이 액정층(26)과 마주하는 반도체 하부 기판(22)의 일면에 각 화소별로 R, G, B 염료막이 형성된 구성으로 이루어진다.

상기 칼라 필터층(30)이 상부 기판(28)에 형성되는 경우, 칼라 필터층(30)은 일례로 투명 전극(32)이 형성되기 전, 반사 전극(34)과 마주하게 될 화소 영역에 미리 형성될 수 있으며, 일례로 안료 분산법으로 제작될 수 있다.

상기 안료 분산법은 도 4에서 도시한 바와 같이, 글래스 기판(48)에 R 염료가 착색된 레지스트(50)를 코팅하고, 그 위에 폴리비닐알콜(PVA; PolyVinyl Alcohol)막(52)을 형성하며, 포토 마스크(54)를 통해 특정 부위를 선택적으로 경화한 다음, 경화되지 않은 나머지 레지스트를 현상하여 R 염료막을 형성하며, 상기한 과정으로 B 염료와 G 염료 과정을 반복하여 각 화소 영역에 R, G, B 염료막을 형성하는 방법이다.

그리고 칼라 필터층(30)이 반도체 하부 기판(22)에 형성되는 경우, 칼라 필터층(30)은 액정층(26)과 마주하는 반사 전극(34) 표면에 형성되며, 일례로 전착법으로 제작될 수 있다. 이 때 칼라 필터층(30) 표면으로는 도시하지 않은 절연막과배향막이 형성된다.

상기 전착법은 도 5에서 도시한 바와 같이, 글래스 기판(48)에 각 R, G, B 염료막이 부착될 위치에 투명 전극(56)을 형성하고, 기판 전면에 R 염료를 도포한 다음 R 염료막에 대응하는 투명 전극(56)에 전착 전압을 인가하면, 전압이 인가된 투명 전극(56) 위로 R 염료막이 형성되며, 상기한 과정으로 B 염료와 G 염료 과정을 반복하여 각 투명 전극(56) 위에 R, G, B 염료막을 형성하는 방법이다.

이와 같이 반도체 하부 기판(22)에 칼라 필터층(30)을 형성하는 경우, 상기한 전착법으로 칼라 필터층(30)을 제작하면, 반도체 하부 기판(22) 위에 반사 전극(34)이 형성되어 있으므로 별도의 투명 전극 없이도 반사 전극(34)에 직접 전착 전압을 인가하여 반사 전극(34) 위에 각각의 R, G, B 염료막을 형성할 수 있다.

물론 상기 칼라 필터층(30)은 상기한 방법 이외에 투명 전극(32) 위에 전착법으로 형성될 수 있으며, 반사 전극(34) 위에 전착법 이외에 다른 방법으로도 제작될 수 있다. 또한 칼라 필터층(30)이 구비하는 각각의 R, G, B 염료막은 각 화소에 대응하는 도트 형상으로 이루어지거나 스트라이프 형상으로 이루어지는 등 여러 가지 모양으로 형성 가능하다.

이와 같이 칼라 필터층(30)은 기존의 안료 분산법과 전착법을 그대로 응용하여 액정층(26)과 마주하는 상부 기판(28)의 일면 또는 액정층(26)과 마주하는 하부 기판(22)의 일면과 같이, 반사형 액정 디스플레이(8) 내부에 용이하게 형성될 수 있다.

이로서 상기 반사형 액정 디스플레이(8)를 구비하는 프로젝션 시스템은 하나의 반사형 액정 디스플레이(8)를 구비하면서도 상기 칼라 필터층(30)이 각 화소를 구성하는 투명 전극(32) 또는 반사 전극(34)의 일면에 직접 형성되어, 반사형 액정 디스플레이(8) 자체에서 풀-칼라 화면을 구현하게 된다.

따라서 본 실시예가 제공하는 프로젝션 시스템은 다음과 같은 장점을 갖는다.

첫째, 반사형 액정 디스플레이(8)가 내부로 칼라 필터층(30)을 구비함에 따라, 광원(2)과 반사형 액정 디스플레이(8) 사이에 백색광을 R, G, B 광으로 분리시키는 칼라화 수단이 요구되지 않는다. 이로서 광학 구성 및 내부 구조가 단순화되어 소형화 설계 및 제작에 유리하다.

둘째, 반사형 액정 디스플레이(8)가 광원(2)에서 방출된 백색광을 제공받아 이를 풀-칼라화하므로, 홀로그램 칼라 필터 방식에 비해 정밀한 광학계 배열 없이도 고해상도의 풀-칼라 화면을 용이하게 구현할 수 있다. 이로서 작업 효율이 향상되어 생산성이 향상되며, 양산에 유리하다.

셋째, 칼라 셔터 방식에 비해 광 이용 효율이 2배 정도 향상되어 화면의 휘도를 효과적으로 향상시킬 수 있다. 다음의 수학식 1과 수학식 2는 각각 칼라 필터를 내장한 경우와, 칼라 셔터 방식으로 구동하는 반사형 액정 디스플레이의 광 이용 효율을 계산한 것으로서, 동일한 패널 사이즈와 화소수를 갖는 액정 디스플레이를 비교하였으며, 두 경우 모두에 있어서 액정모드 자체의 편광변환 효율을 동일하다고 가정하였다.

광 이용 효율 = 개구율(약 86%) × 칼라 필터 효율(약 95/3 %) × 액정 효율(약 88%) = 약 24%

%) = 약 14%

여기서, 칼라 필터 방식은 하나의 화소를 R, G, B 3개의 픽셀로 분할해야 하므로 칼라 셔터 방식에 비해 개구율이 낮으나, 빠른 응답 속도가 요구되는 칼라 셔터 방식과 비교하여 액정 효율이 높고, 칼라 필터 효율이 칼라 셔터 효율보다 높기 때문에, 본 실시예에 의한 프로젝션 시스템의 광 이용 효율이 기존 칼라 셔터 방식에 비해 높은 값을 나타낸다.

넷째, R, G, B 광을 순차적으로 반사형 액정 디스플레이에 제공하는 칼라 셔터 방식에 비해, 액정의 반응 시간에 대한 부담이 감소하므로, 액정의 제조가 용이해져 반사형 액정 디스플레이의 제조 가격을 저감시킬 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이와 같이 공지의 LCOS 패널로 구비되는 반사형 액정 디스플레이 내부에 고감도 칼라 필터층을 구비함으로써 본 발명에 의한 프로젝션 시스템은 칼라 셔터나 다이크로익 미러와 같은 별도의 칼라화 수단이 없이도 광원에서 방출된 백색광을 이용하여 반사형 액정 디스플레이 자체에서 풀-칼라 화면을 구현할 수 있다.

이로서 광학 구성이 단순화되어 소형화 설계 및 제작에 유리하고, 정밀한 광학 배열 없이도 고해상도의 풀-칼라 화면을 용이하게 구현할 수 있어 양산에 적합하며, 칼라 셔터 방식에 비해 광 이용 효율을 향상시켜 고휘도의 풀-칼라 화면을 구현할 수 있다.

Claims (6)

1. 백색광을 방출하는 광원과;

   상기 백색광 가운데 자외선과 적외선을 제외한 가시광 파장대의 빛을 선택적으로 투과하는 광학 필터와;

   입사된 빛을 S-편광 빛과 P-편광 빛으로 분리하는 편광 빔 스플리터와;

   상기 편광 빔 스플리터에서 S-편광 빛을 제공받으며, 액정층 일면에 칼라 필터층을 구비하여 액정의 화소별 구동으로 풀-칼라 영상을 구현하는 반사형 액정 디스플레이와;

   광 경로상에 배치되어 특정 편광축의 빛을 선택적으로 투과하는 편광판과;

   상기 반사형 액정 디스플레이가 구현한 영상을 스크린으로 확대 투사하는 투영 렌즈계를 포함하는 프로젝션 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 반사형 액정 디스플레이가,

   반도체 집적 회로와 구동 회로를 형성하는 반도체 하부 기판과;

   상기 반도체 하부 기판에 대향 배치되며, 반도체 하부 기판과 마주하는 일면에 투명 전극을 형성하는 상부 기판과;

   상기 반도체 하부 기판과 상부 기판 사이에 배치되는 액정층과;

   상기 반도체 집적 회로와 전기적으로 연결되면서 그 위에 형성되어 투명 전극과의 조합으로 화소를 구성하는 반사 전극과;

   상기 액정층 일면에 제공되며 다수개 화소들에 각각의 R, G, B 색을 부여하는 칼라 필터층을 포함하는 프로젝션 시스템.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 칼라 필터층이 상부 기판과 투명 전극 사이의 각 화소 영역에 형성되는 프로젝션 시스템.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 칼라 필터층이 액정층과 마주하는 반사 전극 위에 형성되는 프로젝션 시스템.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 반사 전극이 전착 전압을 제공받아 그 표면으로 R, G, B 염료막을 형성하는 프로젝션 시스템.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 광학 필터와 편광 빔 스플리터 사이에 배치되며, 광원에서 방출된 불안정한 편광 상태의 빛을 반사형 액정 디스플레이 구동에 유리한 안정된 편광 상태로 변환하는 편광 변환계를 더욱 포함하는 프로젝션 시스템.