KR101622650B1 - 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상하판에 모두 미세 분할 전극을 적용하고, 입체 표시의 해당 뷰 수에 따라 전압 조건을 달리하여, 복수개의 뷰 표시를 가능하게 한 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치에 관한 것으로, 본 발명의 액정 전계 렌즈는 각각 서로 다른 피치를 갖는 복수개의 제 1, 제 2 렌즈영역을 갖고, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판;과, 상기 제 1 기판 상에, 상기 각 제 1 렌즈 영역 내에 일 방향으로 형성된 복수개의 제 1 전극;과, 상기 제 2 기판 상에, 상기 각 제 2 렌즈 영역 내에 일 방향으로 형성된 제 2 전극;과, 상기 제 1 렌즈 영역의 중앙에서 에지부까지 위치한 상기 제 1 전극들에 인가되는 서로 다른 전압들의 제 1 전압군과, 상기 제 2 렌즈 영역의 중앙에서 에지부까지 위치한 상기 제 2 전극들에 인가되는 서로 다른 전압들의 제 2 전압군과, 상기 제 1 전극들 또는 제 2 전극들에 인가하는 공통 전압을 생성하는 전압원; 및 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 채워진 액정층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
액정 전계 렌즈, 차광부, 2D(dimension)/3D(dimension), 입체, 2 뷰(2 view), 멀티 뷰(multi view)

Description

액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치 {Liquid Crystal Lens Electrically driven and Stereoscopy Display Device}
본 발명은 액정 전계 렌즈에 관한 것으로 특히, 상하판에 모두 미세 분할 전극을 적용하고, 입체 표시의 해당 뷰 수에 따라 전압 조건을 달리하여, 복수개의 뷰 표시를 가능하게 한 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치에 관한 것이다.
오늘날 초고속 정보 통신망을 근간으로 구축될 정보의 고속화를 위해 실현될 서비스들은 현재의 전화와 같이 단순히「듣고 말하는」서비스로부터 문자, 음성, 영상을 고속 처리하는 디지털 단말을 중심으로 한「보고 듣는」멀티 미디어형 서비스로 발전하고 궁극적으로는「시·공간을 초월하여 실감 있고 입체적으로 보고 느끼고 즐기는」초공간형 실감 3차원 입체 정보통신 서비스로 발전할 것으로 예상된다.
일반적으로 3차원을 표현하는 입체화상은 두 눈을 통한 스테레오 시각의 원리에 의하여 이루어지게 되는데 두 눈의 시차 즉, 두 눈이 약 65mm 정도 떨어져서 존재하기 때문에, 두 눈의 위치의 차이로 왼쪽과 오른쪽 눈은 서로 약간 다른 영상 을 보게 된다. 이와 같이, 두 눈의 위치 차이에 의한 영상의 차이점을 양안 시차(binocular disparity)라고 한다. 그리고, 3차원 입체 표시 장치는 이러한 양안 시차를 이용하여 왼쪽 눈은 왼쪽 눈에 대한 영상만 보게 하고 오른쪽 눈은 오른쪽 눈 영상만을 볼 수 있게 한다.
즉, 좌/우의 눈은 각각 서로 다른 2차원 화상을 보게 되고, 이 두 화상이 망막을 통해 뇌로 전달되면 뇌는 이를 정확히 서로 융합하여 본래 3차원 영상의 깊이감과 실제감을 재생하는 것이다. 이러한 능력을 통상 스테레오그라피(stereography)라 하며, 이를 표시 장치로 응용한 장치를 입체 표시 장치라 한다.
한편, 입체 표시 장치는 3D(3-dimension)을 구현하는 렌즈를 이루는 구성요소에 따라 구분될 수 있으며, 일 예로, 액정층을 이용하여 렌즈를 구성하는 방식을 액정 전계 렌즈 방식이라 한다.
일반적으로 액정 표시 장치는 마주보는 2개의 전극과 그 사이에 형성되는 액정층으로 구성되는데, 2개의 전극에 전압을 인가하여 생성되는 전기장으로 액정층의 액정분자를 구동한다. 액정 분자는 분극 성질과 광학적 이방성(optical anisotropy)을 갖는다. 여기서, 분극 성질은 액정분자가 전기장 내에 놓일 경우 액정 분자내의 전하가 액정 분자의 양쪽으로 몰려서 전기장에 따라 분자 배열 방향이 변환되는 것을 말하며, 광학적 이방성은 액정분자의 가늘고 긴 구조와 앞서 말한 분자배열 방향에 기인하여 입사광의 입사 방향이나 편광 상태에 따라 출사광의 경로나 편광 상태를 달리 변화시키는 것을 말한다.
이에 따라 액정층은 2개의 전극에 인가되는 전압에 의하여 투과율의 차이를 나타내게 되고 그 차이를 화소별로 달리하여 영상을 표시할 수 있다.
최근에 이러한 액정분자의 특성을 이용하여 액정층이 렌즈 역할을 하게 하는 액정 전계 렌즈(liquid crystal lens electrically driven)가 제안되었다.
즉, 렌즈는 렌즈를 구성하는 물질과 공기와의 굴절율 차이를 이용하여 입사광의 경로를 위치별로 제어하는 것인데, 액정층에 전극의 위치별로 서로 다른 전압을 인가하여 전기장를 조성하여 액정층이 구동되도록 하면, 액정층에 입사하는 입사광은 위치별로 서로 다른 위상 변화를 느끼게 되고, 그 결과 액정층은 실제 렌즈와 같이 입사광의 경로를 제어할 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래의 액정 전계 렌즈를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 액정 전계 렌즈를 나타낸 단면도와, 도 2는 도 1의 액정 전계 렌즈 형성시 전압 인가 후 전위 분포를 나타낸 도면이다.
도 1과 같이, 종래의 액정 전계 렌즈는 마주보는 제 1 및 제 2 기판(10, 20)과, 상기 제 1, 제 2 기판(10, 20) 사이에 형성된 액정층(30)으로 구성된다.
여기서, 상기 제 1 기판(10) 상에는 서로 제 1 이격 거리로 제 1 전극(11)이 형성된다. 이 때, 인접한 제 1 전극(11)들간에 있어서, 일측 제 1 전극(11)의 중심으로부터 타측 제 1 전극(11)의 중심까지의 거리를 피치(pitch)라 하며, 상기 피치를 주기로 동일한 패턴(제 1 전극)이 반복되어 형성된다.
상기 제 1 기판(10)상에 대향되는 제 2 기판(20) 상에는 전면 제 2 전극(21)이 형성된다.
상기 제 1, 제 2 전극(11, 21)은 투명 금속으로 이루어진다. 그리고, 상기 제 1, 제 2 전극(11, 21) 사이의 이격 공간에는 액정층(30)이 형성되며, 이러한 액정층(30)을 이루는 액정 분자는 전기장의 세기 및 분포에 따라 반응하는 특성에 의해 포물선상의 전위면을 갖게 되고, 이에 상관하여 도 2와 같은 액정 전계 렌즈와 유사한 위상분포를 갖게 된다.
이러한 액정 전계 렌즈는 상기 제 1 전극(11)에 고전압을 인가하고, 상기 제 2 전극(21)을 접지시키는 조건에서 형성되는 것으로, 이러한 전압 조건에 의해 제 1 전극(11)의 중심에서 가장 강한 수직 전계가 형성되고, 상기 제 1 전극(11)으로부터 멀어질수록 약한 수직 전계가 형성된다. 이에 따라, 액정층(30)을 이루는 액정 분자가 양의 유전율 이방성을 가질 때, 상기 액정 분자는 전계에 따라 배열되어, 상기 제 1 전극(11)의 중심에서는 서있게 되고, 상기 제 1 전극(11)과 멀어질수록 수평에 가깝게 기울어진 배열을 갖게 된다. 따라서, 광의 전달의 입장에서는 도 2와 같이, 상기 제 1 전극(11)의 중심에서 광경로가 짧게 되고, 상기 제 1 전극(11)으로 멀어지면 멀어질수록 광경로가 길어지게 되며, 이를 위상면으로 나타냈을 때, 표면이 포물면을 갖는 렌즈와 유사한 광 전달 효과를 갖게 된다.
여기서, 상기 제 2 전극(21)은 액정 전계의 거동을 유발하여, 전체적으로 빛이 느끼는 굴절율을 공간적으로 포물 함수가 되도록 유도하며, 제 1 전극(11)은 렌즈의 모서리부(에지 영역)를 형성토록 한다.
이 때, 제 1 전극(11)은 제 2 전극(21)에 비해 다소 높은 전압이 인가되며, 따라서, 도 2와 같이, 제 1 전극(11)과 제 2 전극(21) 사이에는 전위차가 발생함으로써, 특히, 상기 제 1 전극(11) 부위에는 급격한 측면 전장을 유발하게 된다. 이에 따라, 액정은 완만한 분포를 이루지 못하고, 다소 왜곡된 형태의 분포를 이룸으로써, 공간적인 굴절율 분포를 포물면 형태로 이루지 못하거나, 혹은 전압에 대해 매우 민감하게 움직이는 특징이 있다.
이러한 액정 전계 렌즈는 물리적으로 포물면의 표면을 갖는 렌즈의 구비없이, 액정과 상기 액정을 사이에 두고 양 기판 상에 전극을 형성하고, 이에 전압을 인가함에 의해 얻어질 수 있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 액정 전계 렌즈는 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 하판에 형성되는 전극이 렌즈 영역의 극히 일 부분에만 형성되어, 상기 전극에 대응되는 렌즈 에지 영역과 이와 멀어지는 렌즈 중심 영역 사이의 전계가 완만하게 형성되지 않고, 급격한 측면 전장을 유발시켜 다소 왜곡된 위상의 액정 전계 렌즈를 갖도록 형성한다. 특히, 액정 전계에 의해 형성하는 액정 전계 렌즈에 있어서, 렌즈 영역의 피치가 늘면 늘수록 고전압이 인가되는 전극이 유한하기 때문에, 렌즈 영역에 상기 고전압이 인가되는 전극과 대향기판 사이에 걸리는 전계가 충분하지 않아, 렌즈와 동일 효과를 갖는 완만한 포물면의 액정 전계 렌즈의 형성이 점점 어려워진다.
둘째, 대면적 표시 장치일수록 고전압이 인가되는 전극이 위치한 렌즈 영역의 에지 영역에서 멀어지는 렌즈 중심 영역은 전계에 의한 효과가 거의 없어져, 이 부위에서 전기장에 의한 액정 배열 조절이 힘들다.
셋째, 액정 전계 렌즈는 하나의 렌즈 셀 내에서 2뷰(2 view)로만 구현된다. 즉, 렌즈 영역의 일 피치 내에 하부 표시 패널의 2개의 픽셀들이 대응되어 배치되는 것이다.
이는, 전극이 패터닝된측의 피치별로 렌즈가 제한 형성되어, 다양한 표시를 위해 하나의 액정 전계 렌즈 내에서 액정 전계 렌즈의 뷰 수를 늘리는 점과 상기 뷰 수의 전환을 시키고자 하는 노력이 제기되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 상하판에 모두 미세 분할 전극을 적용하고, 입체 표시의 해당 뷰 수에 따라 전압 조건을 달리하여, 복수개의 뷰 표시를 가능하게 한 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치를 제공하는 데, 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 액정 전계 렌즈는 각각 서로 다른 피치를 갖는 복수개의 제 1, 제 2 렌즈영역을 갖고, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판;과, 상기 제 1 기판 상에, 상기 각 제 1 렌즈 영역 내에 일 방향으로 형성된 복수개의 제 1 전극;과, 상기 제 2 기판 상에, 상기 각 제 2 렌즈 영역 내에 일 방향으로 형성된 제 2 전극;과, 상기 제 1 렌즈 영역의 중앙에서 에지부까지 위치한 상기 제 1 전극들에 인가되는 서로 다른 전압들의 제 1 전압군과, 상기 제 2 렌즈 영역의 중앙에서 에지부까지 위치한 상기 제 2 전극들에 인가되는 서로 다른 전압들의 제 2 전압군과, 상기 제 1 전극들 또는 제 2 전극들에 인가하는 공통 전압을 생성하는 전압원; 및 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 채워진 액정층을 포함하여 이루어진 것에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 제 1 렌즈 영역에 해당하는 렌즈를 구현시, 상기 전압원은, 상기 제 1 전압군을 상기 제 1 전극들에 인가하고, 상기 제 2 전극들에 공통 전압을 인가한다.
또한, 상기 제 2 렌즈 영역에 해당하는 렌즈를 구현시, 상기 전압원은, 상기 제 2 전압군을 상기 제 2 전극들에 인가하고, 상기 제 1 전극들에 공통 전압을 인 가한다.
그리고, 상기 제 1 전압군은 상기 제 1 렌즈 영역의 중앙에서부터 에지부까지 위치한 상기 제 1 전극들에 점차 커지는 전압들이 대응되며, 상기 제 2 전압군은, 상기 제 2 렌즈 영역을 복수개의 서브 영역들로 나누어, 각 서브 영역별로 고점을 갖도록, 서브 영역의 고점에서부터 상기 서브 영역의 경계부까지에 위치한 상기 제 2 전극들에 점차 커지는 전압들이 대응되는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 제 2 렌즈 영역의 피치가 상기 제 1 렌즈 영역의 피치보다 큰 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제 1, 제 2 전극들은 서로 동일 방향의 투명 전극으로 이루어진다.
한편, 동일한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 입체 표시 장치는, 상술한 액정 전계 렌즈; 및 상기 액정 전계 렌즈 하측에 위치하며, 이차원의 영상 신호를 전달하는 표시 패널을 포함하여 이루어진 것에 또 다른 특징이 있다.
여기서, 상기 전압원을 통해 상기 제 1, 제 2 전극들에 인가되는 전압을 차단하여 이차원 표시를 수행하고, 상기 전압원을 통해 제 1 전극들 또는 제 2 전극들에 서로 다른 전압을 인가하여 삼차원 표시를 수행한다.
여기서, 상기 제 1 렌즈 영역은 표시 패널의 2 서브 픽셀에 상당한 피치를 갖고, 상기 제 2 렌즈 영역은 상기 표시 패널의 3 이상의 서브 픽셀에 상당한 피치를 갖는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 제 2 렌즈 영역의 피치 대 상기 제 1 렌즈 영역의 피치를 나눈 값의 제곱에 비례하여 상기 제 2 렌즈 영역의 서브 영역들의 개수를 정하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명의 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 액정 전계 렌즈의 미세하고 안정적인 프로파일 확보를 위해 하판에 형성하는 제 1 전극들을 미세 분할하여 형성하고, 이들 제 1 전극들에 서로 다른 전압을 인가하여, 상판 상에 형성된 제 2 전극과 제 1 전극들간의 수직 전계에 의해 완만한 포물면 렌즈 형상의 프로파일을 갖는 액정 전계 렌즈를 형성한다.
둘째, 상판과 하판 모두에 구비한 전극을 미세 분할 전극으로 형성하고, 각 기판마나 렌즈 영역의 피치를 다르게 적용하여 일 서로 다른 뷰(view) 수를 하나의 액정 전계 렌즈로 구현할 수 있다. 이에 따라, 입체 표시 대응되는 서브 픽셀의 수를 사용자는 다르게 느낄 수 있어, 보다 다양한 입체 표시를 시인할 수 있다.
이 경우, 서로 다른 뷰 수를 대응시킬 때, 뷰 수가 늘어남에 따라 액정층에 두께가 늘어나는 점은, 상대적으로 뷰 수가 큰 쪽의 렌즈 영역을 복수개의 서브영역으로 구분하여 각각 서브 영역마다 고점을 갖는 프레넬 렌즈를 적용함으로써 동일한 액정층 두께로 다른 뷰 수를 구현한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치를 상세히 설명하면 다음과 같다.
렌즈 영역에 단일 전극으로 액정 전계 렌즈를 구현시 렌즈의 미세한 프로파 일 제어가 힘들기 때문에, 이를 해결하고자 일 렌즈 영역에 미세 분할 전극들의 구조를 적용하고, 이들에 전압을 차등하여 인가하는 방식이 제안되었다.
도 3은 미세 분할 전극 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3과 같이, 복수개의 렌즈영역이 대응되어 정의되어, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판(50, 60)과, 상기 제 1 기판(50) 상의 각 렌즈 영역들에 대하여, 서로 이격하여 형성된 복수개의 제 1 전극(51)과, 상기 제 2 기판(60) 상에 전면 형성된 제 2 전극(61)과, 상기 각 렌즈 영역별로 복수개의 상기 제 1 전극들에 서브 영역별 서로 다른 전압들을 인가하고 상기 제 2 전극에 상전압(0V 또는 일정한 값의 전압)을 인가하는 전압원(V0, V1, V2, ..., Vmax) 및 상기 제 1 기판(50)과 제 2 기판(60) 사이에 채워진 액정층(55)을 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 각 제 1 전극들(51)은 각각의 서로 다른 전압들(V0~Vmax)이 인가되는 금속 라인들(65)과 콘택홀(70)을 통해 콘택되어 전압 신호가 인가되고 있다.
여기서, 본 발명의 액정 전계 렌즈는, 이차원 영상 신호를 렌즈면의 프로파일에 따라 삼차원 영상 신호를 출사하는 기능을 갖는 것으로, 상기 이차원을 구현하는 표시 패널(미도시) 상에 위치하며, 전압 인가 여부에 따라 선택적으로 삼차원 영상 신호의 출사 혹은 이차원 영상 신호를 그대로 출사하는 기능을 한다. 즉, 전압 무인가시 광이 투과되는 특성을 이용하여, 전압 무인가시는 이차원 표시, 전압 인가시는 삼차원 표시와 같은 스위칭 기능을 겸용할 수 있다.
여기서, 상기 제 1 전극들(51) 및 제 2 전극(61)은 투명 금속으로 형성하여, 각 전극이 위치한 부위에서 투과율의 손실을 방지한다.
이때, 상기 렌즈 영역에 대응하여 하나의 포물 렌즈 형상의 액정 전계 렌즈 형성시, 상기 렌즈 영역의 중심에서는 대략 문턱 전압에 상당한 제 1 전압(V0)이 인가되며, 상기 렌즈 영역들의 에지부에 위치한 제 1 전극(51)에는 가장 큰 제 n 전압(Vmax)이 인가된다. 이 경우, 상기 렌즈 영역의 중심과 에지부 사이의 위치하는 상기 제 1 전극들(51)에 인가되는 전압은 상기 렌즈 영역의 제 1 전압(V0)에서 제 n 전압(Vmax) 사이에서, 상기 렌즈 영역의 중심에서 멀어질수록 점점 커지는 값의 전압이 인가된다. 한편, 이와 같이, 상기 복수개의 제 1 전극(51)에 전압이 인가되면 상기 제 2 전극(61)에는 접지 전압 또는 문턱 전압 등의 상전압을 인가하여, 상기 제 1 전극(51)과 상기 제 2 전극(61) 사이에 수직 전계를 조성한다.
그런데, 이와 같은 미세 분할 전극 구조는 하나의 뷰(view) 수로만 표현되기에, 특정 방향에서 입체 표시가 제한되는 문제가 있었다.
도 4와 같이, 본 발명의 액정 전계 렌즈(1000)는, 각각 서로 다른 피치를 갖는 복수개의 제 1, 제 2 렌즈영역(L1, L2)을 갖고, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판(100, 200)과, 상기 제 1 기판(100) 상에, 상기 각 제 1 렌즈 영역 내에 일 방향으로 형성된 복수개의 제 1 전극(101a, 101b)과, 상기 제 2 기판(200) 상에, 상기 각 제 2 렌즈 영역 내에 일 방향으로 형성된 제 2 전극(201a, 201b)과, 상기 제 1 렌즈 영역의 중앙에서 에지부까지 위치한 상기 제 1 전극(101a, 101b)들에 인가되는 서로 다른 전압들의 제 1 전압군과, 상기 제 2 렌즈 영역의 중앙에서 에지부까지 위치한 상기 제 2 전극(201a, 201b) 들에 인가되는 서로 다른 전압들의 제 2 전압군과, 상기 제 1 전극들 또는 제 2 전극들에 인가하는 공통 전압을 생성하는 전압원(VS) 및 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 채워진 액정층(150)을 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 제 1 렌즈 영역에 해당하는 렌즈를 구현시, 상기 전압원(VS)은, 상기 제 1 전압군을 상기 제 1 전극들(101a, 101b)에 인가하고, 상기 제 2 전극들(201a, 201b)에 동일한 공통 전압(Vcom)을 인가한다. 여기서, 공통 전압은 0V일수도 있고, 혹은 일정한 레벨을 갖는 상전압(constant voltage) 또는 교류 전압이다. 어느 경우나 그 값은 대향되는 제 1 전극들(101a, 101b)과의 수직 전계 형성을 위해, 상기 제 1 전극들(101a, 101b)에 인가되는 전압 값들보다는 낮은 값으로 한다.
또한, 상기 제 2 렌즈 영역에 해당하는 렌즈를 구현시, 상기 전압원은, 상기 제 2 전압군을 상기 제 2 전극들(201a, 201b)에 인가하고, 상기 제 1 전극들(101a, 101b)에 공통 전압을 인가한다. 여기서, 상기 제 1 전극들(101a, 101b)에 인가하는 공통 전압은 상술한 0V 또는 일정한 레벨을 갖는 상전압 또는 교류 전압으로, 상기 제 2 전극(201a, 201b)에 인가하는 전압들보다는 작은 값이다.
여기서, 상기 제 1 전압군은 상기 제 1 렌즈 영역(L1)의 중앙에서부터 에지부까지 위치한 상기 제 1 전극들에 점차 커지는 전압들이 대응되된다. 이 경우, 상기 제 1 전극들(101a, 101b)에 제 1 전압군이 인가되고, 상기 제 2 전극들(201a, 201b )에 공통 전압이 인가될 때에는, 예를 들어, 상기 제 상기 제 1 렌즈 영역(L1)의 가로 방향으로 표시 패널측의 2개의 서브픽셀이 대응되는 것으로, 2 view에 해당하는 렌즈를 구현한다.
상기 제 2 전압군은, 상기 제 2 렌즈 영역(L2)을 복수개의 서브 영역들로 나누어, 각 서브 영역별로 고점을 갖도록, 서브 영역의 고점에서부터 상기 서브 영역의 경계부까지에 위치한 상기 제 2 전극들에 점차 커지는 전압들이 대응되는 것으로, 일종의 프레넬 렌즈(fresnel lens)와 같은 형상으로 렌즈를 구현하게 전압들을 인가한다. 도시된 바와 같이, 이는 제 1 렌즈 영역(L1)에 비해 상기 제 2 렌즈 영역(L2)의 피치가 큰 경우에 대응된 것이다. 도시된 바에 따르면, 각각 제 1 렌즈 영역(L1)은 2뷰를 나타내고, 제 2 렌즈 영역(L2)은 4 뷰를 나타낸다.
여기서, 피치가 크게 형성되는 렌즈 영역측에 프레넬 렌즈를 구현하는 이유는, 뷰 수 변화에 따라 셀갭이 변경될 수 있기 때문에, 상기 셀갭(액정층의 두께)를 줄이고자 하기 위함이다. 뷰수의 제곱만큼 셀갭이 늘어나는 경향이 있으므로, 이를 고려하여, 상대적으로 큰 뷰수를 갖는 측에 대응하여서는 프레넬 렌즈로 렌즈의 높이를 줄이고자 함이다.
한편, 본 발명의 액정 전계 렌즈(1000)에 있어서는 하나의 액정 전계 렌즈(1000)로 제1, 제 2 전극들에 인가하는 전압 조건들을 달리하여 서로 다른 뷰 수를 구현하는 것으로, 이 경우, 서로 다른 뷰 수에 해당하는 렌즈들의 배면거리와 액정층의 두께가 동일해야 하며, 다음의 조건을 따라야 한다.
즉, 배면 거리에 대해서는 수학식 1을, 셀갭의 두께에 대해서 수학식 2의 조건을 따른다.
여기서, f1은 배면거리(렌즈와 표시패널간 거리)를 나타내며, D는 3D 시청거 리, Plens는 해당 렌즈 영역의 피치이며, N은 뷰 수, E는 양안 간격(대략 65mm로 설정함)이다. 이 경우, 뷰 수가 늘어나면 피치도 늘어나게 되므로, 상기 f1의 배면거리는 동일한 값을 가진다.
Figure 112009082118485-pat00001
반면, d와 같이, 셀갭(d)는 뷰 수의 제곱에 따라 늘어나므로, 본 발명에서는 상술한 바와 같이, 상대적으로 뷰 수가 큰쪽에서 뷰 수가 늘어난 정도를 고려하여 서브 영역의 개수를 설정하는 것이다.
Figure 112009082118485-pat00002
상술한 도 4의 예로 설명하면, 상기 제 2 렌즈 영역의 피치 대 상기 제 1 렌즈 영역의 피치를 나눈 값의 제곱에 비례하여 상기 제 2 렌즈 영역의 서브 영역들의 개수를 정하는 것이 바람직할 것이다.
이하에서는 표 1을 참조하여, 실제 설계에서 적용한 렌즈의 뷰수와 이에 따른 일반 액정 전계 렌즈의 새그(형성하는 렌즈 높이)와, 이의 프레넬 렌즈 구현시 렌즈 새그와, 필요한 액정층의 셀갭 및 배면거리를 살펴본다.
이하의 설계에서는 각각 4.3인치 랜드스케이프형(가로 방향으로 긴 패널) 액정 전계 렌즈 셀과, 4.0인지 포트레이트형(세로 방향으로 긴 패널) 액정 전계 렌즈 셀에 적용한 예를 나타낸다.
Figure 112009082118485-pat00003
위의 설계에서는 각각 렌즈 방향을 서브픽셀에 대해 일정 기울기를 가진 슬랜티드(slanted) 방식과 동일한 방향으로 배열한 스트라이프 방식을 4뷰에 모두 적용해보았고, 2뷰의 경우는 스트라이프 방식으로 제한하여 설계를 적용하였다. 그리고, 2뷰의 경우는 뷰수가 작으므로, 프레넬 렌즈를 적용하지 않고, 4뷰의 경우만 액정층의 두께를 줄이고자 프레넬 렌즈 구조를 적용하였다.
위 실험에서 알 수 있는 바와 같이, 각각 4.3 인치 랜드스케이프형에서 배면 거리가 307~311㎛로, 액정층의 셀갭을 15~16㎛으로 거의 유사 범위에 있는 것을 알 수 있으며, 4.0인치 포트레이트형에서 배면거리가 875~899㎛로, 액정층의 셀갭은 20~27㎛로 유사범위에 있는 것을 알 수 있다. 셀갭이 다른 경우에는 큰쪽에 셀갭을 맞추어 액정층의 두께를 설정하면, 셀갭이 작은 쪽의 렌즈가 두꺼운 액정층의 두께로 설정된 내주에 들어오게 되므로 문제는 없을 것이다.
또한 배면 거리가 20㎛ 정도의 편차는 관찰자가 약간의 미동정도로 이 정도의 마진은 사용자가 시인하지 못할 것으로 오차 범위 이내에 있는 것으로 판단되며, 상술한 표의 결과를 통해 2뷰와 4뷰의 전환이 가능함을 예상할 수 있을 것이다.
여기서, 뷰 수의 적용이 2뷰와 4 뷰와 같이, 도시된 바에 한정된 것은 아니고, 제 1, 제 2 기판(100, 200) 상에 서로 다른 피치를 갖도록 전압 조건을 달리하여 서로 다른 뷰 수를 하나의 액정 전계 렌즈로 구현할 수 있을 것이다. 또한, 한 뷰에 하나의 서브픽셀만 대응된 경우만 가능할 뿐만 아니라 한 뷰에 한 픽셀에 대응된 경우도 가능할 것이다.
여기서, 상기 제 1, 제 2 전극들(101a, 101b/ 201a, 201b)은 투명 전극들로 빛의 투과의 영향을 미치지 않는 성분의 재료로 형성하며, 서로 제 1 전극들(101a, 101b)과 제 2 전극들(201a, 201b)이 동일한 간격과 동일한 폭으로 형성될 수도 있고, 혹은 구현하고자 하는 렌즈 영역에 맞추어 제 1 전극들(101a, 101b)과 제 2 전극들(201a, 201b)끼리 서로 다른 폭과 간격으로 형성될 수도 있다. 어느 경우나 각 전극들이 형성된 기판측의 렌즈 영역을 구현하기 위해 해당 전극들에 서로 다른 전압을 인가시 대향 기판측에는 동일한 전압이 인가되기 때문에, 동일한 전압이 인가된 측의 미세 패턴된 전극들이 시인되지 않기 때문에, 전극들의 폭과 간격에 의한 영향은 없다.
상기 표시 패널(300)은 R, G, B 서브 픽셀의 표현으로 간략히 도시하였으나, 액정표시소자(Liquid crystlal Display Divice: LCD), 유기 발광 소자(Organic Light Emitting Display Device: OLED), 플라즈마 표시 소자(Plasma Display Panel: PDP), 전계발광소자(Field Emission Display Device: FED) 등의 평판 표시 장치가 사용될 수 있으며, 이는 서로 대향된 기판과 각 기판 상부에 형성된 어레이들을 포함한 구성을 가질 수 있다.
한편, 상기 제 1 전극들(101a, 101b)과 제 2 전극들(201a, 201b)은 하나의 층상에 서로 이격하여 형성할 수도 있고, 도시된 바와 같이, 각각 제 1, 제 2 기판(100, 200)측의 제 1 전극(101a) 및 제 2 전극(201a)과 상기 제 1, 제 2 절연막(103, 203) 상의 제 1 전극(201b) 및 제 2 전극(201b)과 같이 서로 다른 층에 나누어 형성할 수도 있다. 이 때, 후자의 경우 각 층의 제 1 전극(101a, 101b) 또는 제 2 전극(201a, 201b)의 형성시 동일층의 이격한 제 1 전극(101a, 101b)간 또는 제 2 전극(201a, 201b)간의 거리에 여유를 가져 상기 제 1 전극들(101a,101b)들 또는 제 2 전극들(201a, 201b)을 미세 폭으로 형성시 인접한 제 1 전극간, 제 2 전극간의 쇼트가 발생됨을 방지할 수 있다. 경우에 따라 또한, 평면상에서 상기 제 1 전극들(101a, 101b)은 및 제 2 전극들(201a, 201b) 상기 제 1 기판(100) 또는 제 2 기판(200)의 표면을 거의 채울 정도로 촘촘히 형성할 수 있다.
이때, 상기 제 1 렌즈 영역(L1)의 중심(O)에서의 제 1 전극은 대략 문턱 전압에 상당한 제 1 전압(Vmin)이 인가되며, 상기 렌즈 영역(L)들의 에지부(E)에 위치한 제 1 전극에 가장 큰 제 n 전압(Vmax)이 인가된다. 이 경우, 상기 제 1 렌즈 영역(L1)의 중심(O)과 에지부(E) 사이의 위치하는 상기 제 1 전극들(101a, 101b)에 인가되는 전압은 상기 렌즈 영역의 문턱 전압(Vmin)에서 제 n 전압(Vmax) 사이에서, 상기 렌즈 영역(L1)의 중심에서 멀어질수록 점점 커지는 값의 전압이 인가된다. 한편, 이와 같이, 상기 복수개의 제 1 전극(101a, 101b)에 전압이 인가되면 상기 제 2 전극들(201a, 201b)에는 공통 전압을 인가하여, 상기 제 1 전극들(101a, 101b)과 상기 제 2 전극들(201a, 201b) 사이에 수직 전계를 조성한다.
이러한 전압 인가시, 서로 인접한 상기 제 1 전극(101a, 101b)들간의 인가되는 전압 차는 1V 이하로 하여, 상기 제 1 전극들(101a, 101b)간에 조성되는 수평 전계가 크게 발생하지 않도록 한다.
이러한 복수개의 제 1 전극(101a, 101b)은 상기 렌즈 영역(L)에서, 상기 렌즈 영역의 에지부(E)를 경계로 좌우 대칭형으로 형성된다. 이러한 상기 각 제 1 전극들(101a, 101b)은 패드부(표시 패널(300)의 비표시부에 대응)에서, 해당 전압원(Vmin, V1, V2, ..., Vmax)들과 금속 배선(미도시)을 통해 연결되어, 해당 전압이 인가된다.
여기서, 상기 렌즈 영역(L)의 중심(O)에 대응되어 형성된 제 1 전극(101a 또는 101b)에 인가되는 가장 작은 문턱 전압(Vmin)은 약 1.4~2V 를 피크값으로 하는 교류 사각파이며, 이러한 문턱 전압 Vmin)은
Figure 112009082118485-pat00004
(Δε는 액정 유전율 이방성, K1은 액정의 탄성 계수, ε0은 자유공간 유전율)로 계산된다. 또한, 상기 렌즈 영역(L)의 에지(E)에 대응되어 제 1 전극들(101a, 101b)에 인가되는 전압 중 가장 큰 고전압은 약 2.5~10V를 피크값으로 하는 인가되는 교류 사각파이다.
만일, 앞서 설명한 바와 같이, 제 2 렌즈 영역(L2)을 구현시에는 상기 제 2 렌즈 영역(L2)을 복수개의 서브 영역으로 나누어, 해당 서브 영역별로 렌즈 고점을 갖도록 하여 이에 맞추어 전압을 인가한다.
렌즈 영역(L)의 폭이 피치(P)라고 할 때, 상기 렌즈 영역(L)의 중심(O)에서 상기 렌즈 영역(L)의 에지부(E)까지는 P/2에 상당한 거리를 가지는 것으로, 상기 렌즈 영역(L)의 에지부(E)에서 각 렌즈 영역의 중심(O)까지 대칭형의 제 1 전극들(101a, 101b)에 대칭의 전압 값이 인가됨을 나타낸다.
그리고, 상기 제 1 전극들(101a, 101b)을 포함한 상기 제 1 기판(100)과, 상기 제 2 전극들(201a, 201b) 상에는 각각 제 1 배향막(미도시)과 제 2 배향막(미도시)이 형성된다. 이 때, 상기 제 1, 제 2 배향막은 전압 무인가시의 초기 상태에서 상기 액정 전계 렌즈(1000)를 투과층으로 기능시키기 위해, 제 1 배향막의 러빙 방향을 상기 제 1 전극(101a, 101b)의 길이 방향과 수직하게 교차하거나 수평하게 하거나 소정 각을 주어 러빙을 할 수 있다. 이 때, 상기 제 2 배향막의 러빙 방향을 이에 교차하는 방향 또는 안티 패럴랠(anti-parallel: 평행하나 진행 방향이 반대) 방향으로 한다. 이를 통해 상기 액정 전계 렌즈의 하부에 있는 표시 패널을 통해 하부에서 전달되는 되는 영상이 그대로 관측자에게 투과 전달시킨다.
그리고, 상기 복수개의 제 1 전극들(101a, 101b) 및 제 2 전극들(201a, 201b)의 각각의 폭은 1~10㎛으로 하며, 인접한 제 1 전극들(101a, 101b) 및 제 2 전극들(201a, 201b)간의 간격을 1~10㎛로 하여 배치한다. 예를 들어, 피치는 90 내지 1000㎛ 정도로 다양하게 가변할 수 있는데, 상술한 제 1 전극들(101a, 101b) 및 제 2 전극들(201a, 201b)의 폭 및 이격 간격에 따라 렌즈 영역별로 10개 내외에서 100개 이상까지 형성할 수 있다.
한편, 도시하지 않았지만, 상기 제 1, 제 2 기판(100, 200)의 외곽 영역(패드부를 포함한 비표시 영역)에는 씰 패턴(미도시)이 형성되어 상기 제 1, 제 2 기판(100, 200) 사이를 지지한다. 또한, 상기 제 1, 제 2 기판(100, 200) 사이의 액정층(150)은 충분한 위상의 액정 전계 렌즈 형성을 위해, 약 15㎛ 이상의 두께에 상당하도록 충분한 두께로 형성하는데, 이러한 액정층(150)의 두께를 안정하게 유지하기 위해 상기 제 1, 제 2 기판(100, 200) 사이의 셀 갭을 지지하는 볼 스페이서 또는 칼럼 스페이서가 더 형성될 수 있다. 이 경우, 포함되는 스페이서는 상기 액정 전계 렌즈의 위상을 왜곡시키지 않는 위치에 형성하는 것이 좋다.
도 5는 본 발명의 액정 전계 렌즈를 2뷰로 이용하는 경우의 단면도이며, 도 6은 도 5의 액정 전계 렌즈 및 표시 패널 대응 관계를 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은, 본 발명의 액정 전계 렌즈를 2뷰로 이용한 형태로, 각각 표시 패널(300)의 R, G 혹은 B, R의 2개의 서브 픽셀에 대해 렌즈가 형성된다. 앞서 설명한 바와 같이, 제 1 기판에 형성된 제 1 전극들의 렌즈 영역의 중심을 기준으로 서로 대칭형으로 서로 다른 전압이 인가되었으며, 상기 제 2 기판의 제 2 전극들에는 공통 전압이 인가된 상태이다.
도 7은 본 발명의 액정 전계 렌즈를 4뷰로 이용하는 경우의 단면도이며, 도 8은 도 7의 액정 전계 렌즈 및 표시 패널 대응 관계를 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8은 액정 전계 렌즈를 4뷰로 이용한 형태로, 각각 표시 패널(300)의 연속된 R, G, B, R의 4개의 서브 픽셀에 대해 렌즈가 형성된다. 앞서 설명한 바와 같이, 제 2 기판에 형성된 제 2 전극들의 렌즈 영역의 중심을 기준으로 서로 대칭형으로 서로 다른 전압이 인가되었으며, 이 때는 셀갭의 높이를 조절하기 위해 프레넬 렌즈를 통해 렌즈 영역을 쪼개어 앞서 설명한 2뷰에 필요한 액정층 두께와 동일한 두께의 액정층에서 렌즈가 형성되도록 한다.
상술한 액정 전계 렌즈(1000)는 그 하부에 표시 패널(300)을 구비하여 상기 표시 패널(300)에서 나오는 이차원 영상을 상기 전압원(VS)의 구동 여부에 따라 이차원 또는 삼차원으로 선택하여 구동할 수 있다. 전압원(VS)을 오프하였을 때는 하부 표시 패널(300)로부터 이차원 영상이 그대로 출사되며, 삼차원 표시의 경우는 필요한 해당 렌즈 영역을 선택하여 이에 맞게 전압원(VS)에서 해당 전압을 인가한다.
여기서, 상기 제 1 렌즈 영역은 표시 패널의 2 서브 픽셀에 상당한 피치를 갖고, 상기 제 2 렌즈 영역은 상기 표시 패널의 3 이상의 서브 픽셀에 상당한 피치를 갖는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 제 2 렌즈 영역의 피치 대 상기 제 1 렌즈 영역의 피치를 나눈 값의 제곱에 비례하여 상기 제 2 렌즈 영역의 서브 영역들의 개수를 정하는 것이 바람직하다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도 1은 종래의 액정 전계 렌즈를 나타낸 단면도
도 2는 도 1의 액정 전계 렌즈 형성시 전압 인가 후 전위 분포를 나타낸 도면
도 3은 미세 분할 전극 구조를 나타낸 단면도
도 4는 본 발명의 액정 전계 렌즈를 나타낸 단면도
도 5는 본 발명의 액정 전계 렌즈를 2뷰로 이용하는 경우의 단면도
도 6은 도 5의 액정 전계 렌즈 및 표시 패널 대응 관계를 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 액정 전계 렌즈를 4뷰로 이용하는 경우의 단면도
도 8은 도 7의 액정 전계 렌즈 및 표시 패널 대응 관계를 나타낸 도면
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 제 1 기판 101a, 101b, : 제 1 전극
103 : 절연막 150: 액정층
200 : 제 2 기판 201a, 201b : 제 2 전극
203 : 제 2 배향막

Claims (10)

  1. 각각 서로 다른 피치를 갖는 복수개의 제 1, 제 2 렌즈영역을 갖고, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판;
    상기 제 1 기판 상에, 상기 각 제 1 렌즈 영역 내에 일 방향으로 형성된 복수개의 제 1 전극;
    상기 제 2 기판 상에, 상기 각 제 2 렌즈 영역 내에 일 방향으로 형성된 제 2 전극;
    상기 제 1 렌즈 영역의 중앙에서 에지부까지 위치한 상기 제 1 전극들에 인가되는 서로 다른 전압들의 제 1 전압군과, 상기 제 2 렌즈 영역의 중앙에서 에지부까지 위치한 상기 제 2 전극들에 인가되는 서로 다른 전압들의 제 2 전압군과, 상기 제 1 전극들 또는 제 2 전극들에 인가하는 공통 전압을 생성하는 전압원; 및
    상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 채워진 액정층을 포함하여 이루어지며,
    상기 제 1 전압군은 상기 제 1 렌즈 영역의 중앙에서부터 에지부까지 위치한 상기 제 1 전극들에 점차 커지는 전압들이 대응되며,
    상기 제 2 전압군은, 상기 제 2 렌즈 영역을 복수개의 서브 영역들로 나누어, 각 서브 영역별로 고점을 갖도록, 서브 영역의 고점에서부터 상기 서브 영역의 경계부까지에 위치한 상기 제 2 전극들에 점차 커지는 전압들이 대응되는 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 렌즈 영역에 해당하는 렌즈를 구현시, 상기 전압원은, 상기 제 1 전압군을 상기 제 1 전극들에 인가하고, 상기 제 2 전극들에 공통 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 렌즈 영역에 해당하는 렌즈를 구현시, 상기 전압원은, 상기 제 2 전압군을 상기 제 2 전극들에 인가하고, 상기 제 1 전극들에 공통 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 렌즈 영역의 피치가 상기 제 1 렌즈 영역의 피치보다 큰 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2 전극들은 서로 동일 방향의 투명 전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
  7. 제 1 항 내지 제 3항과 제 5항 및 제 6항 중 어느 한 항의 액정 전계 렌즈; 및
    상기 액정 전계 렌즈 하측에 위치하며, 이차원의 영상 신호를 전달하는 표시 패널을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 전압원을 통해 상기 제 1, 제 2 전극들에 인가되는 전압을 차단하여 이차원 표시를 수행하고,
    상기 전압원을 통해 제 1 전극들 또는 제 2 전극들에 서로 다른 전압을 인가하여 삼차원 표시를 수행하는 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1 렌즈 영역은 표시 패널의 2 서브 픽셀에 상당한 피치를 갖고, 상기 제 2 렌즈 영역은 상기 표시 패널의 3 이상의 서브 픽셀에 상당한 피치를 갖는 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제 2 렌즈 영역의 피치 대 상기 제 1 렌즈 영역의 피치를 나눈 값의 제곱에 비례하여 상기 제 2 렌즈 영역의 서브 영역들의 개수를 정하는 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치.
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