KR101704738B1

KR101704738B1 - 고해상도 홀로그래픽 디스플레이

Info

Publication number: KR101704738B1
Application number: KR1020100125081A
Authority: KR
Inventors: 채병규; 박성수; 안승호
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2010-07-26
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2017-02-08
Also published as: US20120019883A1; KR20120010554A

Abstract

본 발명은 고속 응답속도를 가진 고밀도로 화소 제작이 가능한 공간 광변조 패널 시스템을 개발하여 고해상도 입체영상을 구현할 수 있는 홀로그래픽 디스플레이를 제공한다. 본 발명에서 제공하는 홀로그래픽 디스플레이 장치는 고밀도로 화소 제작을 할 수 있는 고속 응답속도를 가진 고분자 박막이나 유전체 박막을 이용한 공간 광변조기, 공간 광변조기를 홀로그램 프린지 신호와 동기화하면서 순차적으로 이동할 수 있는 미세변위 패널 시스템, 가간섭성 광원, 공간 광변조 패널 시스템 및 광학 소자를 효율적으로 배치한 광학계를 포함한다. 본 발명의 홀로그래픽 디스플레이는 단순히 공간 광변조기를 순차적으로 이동하면서 영상을 집적하여 표현하거나 홀로그램 프린지 패턴을 중첩하는 방법으로 원리적으로는 향후 기술적 진보에도 실현이 어려운 고해상도 입체영상을 표현할 수 있는 특징이 있다.

Description

고해상도 홀로그래픽 디스플레이{Holographic display with high resolution}

본 발명은 홀로그래픽 디스플레이에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 고밀도로 화소 제작이 가능한 고속 응답속도를 가진 공간 광변조 패널 시스템을 개발하고 공간 광변조기를 순차적으로 이동하면서 영상을 집적하여 표현하거나 홀로그램 프린지 패턴을 중첩하는 방법으로 고해상도 입체영상을 표현할 수 있는 홀로그래픽 디스플레이에 관한 것이다.

홀로그래픽(holographic) 방식을 이용한 입체영상 기술은 현재 양안시차(binocular disparity)를 이용하여 입체영상을 보는 스테레오스코픽(stereoscopic) 방식에서 나타나는 피로도를 근원적으로 피할 수 있으므로, 궁극적으로 도달하여야 할 차세대 입체영상 기술로 많은 주목을 받고 있다. 홀로그래픽 영상은 눈의 착시를 이용하여 입체감을 느끼는 기존 방식과는 다르게 실제 상이 맺히는 것을 직접 눈으로 보기 때문에, 실물을 보는 것과 차이가 없는 입체감을 느낄 수 있다. 따라서, 장시간 시청하여도 피로도가 나타나지 않는 장점을 갖는다.

홀로그래피(holography) 기술은 1949년 가보어(Gabor) 박사가 전자빔의 파면(wave front)을 기록하여 전자현미경의 분해능을 높이기 위한 방법을 찾는 과정에서 발견되었다. 그 후 기술적 진보가 많이 이루어져, 빛을 이용하여 필름(film)에 홀로그램(hologram)을 기록하고 재생하는 사진 기술은 천연색 영상을 고해상도로 구현할 수 있을 정도로 성숙 단계에 와 있는 상황이다. 하지만, 전자적으로 동영상을 표현하는 기술은 방대한 홀로그램 데이터(data)를 획득하고 처리하기 위해서, 고밀도 전자소자가 개발되어야 하고 데이터 처리와 전송 속도가 현재 기술에 비하여 비약적으로 발전하여야 하기 때문에, 아직 초기 단계로 볼 수 있다.

2차원 사진이 빛의 세기만을 기록하여 재생하는데 반하여 홀로그래피는 빛의 세기와 위상을 같이 기록하여 3차원 영상을 재생하는 기술이다. 가간섭성(coherent) 광원을 이용하여 기준파(reference wave)와 물체에서 반사되어 나온 물체파(object wave)의 간섭 무늬를 감광 필름에 홀로그램 형태로 기록한다. 즉, 기존의 2차원 사진은 영상이 필름에 직접 기록되지만, 홀로그래피는 영상이 아니라 간섭 무늬를 감광 필름에 기록하게 되는 것이다. 여기서, 홀로그램 감광 필름에 기준파를 조사하면, 빛의 회절 원리에 따라 원래 위치에 물체의 상이 그대로 재생된다. 무엇보다 고해상도 영상을 넓은 시야에서 보기 위해서는 감광 필름이 고분해능을 가져야 함을 알 수 있다. 현재 이러한 고해상도를 실현할 수 있는 홀로그램 감광 필름은 많이 개발되어있다.

하지만, 홀로그램을 전자적으로 획득하고 표시할 수 있는 전자소자 제조 기술은 아직 고해상도 영상을 얻기에는 크게 미치지 못하고 있다. 즉, 홀로그램 정보량을 모두 표현하기 위해서는 적어도 수~수십 기가(G) 이상의 화소(pixel) 수를 가진 촬영 소자 소자나 디스플레이(display)가 필요하다. 홀로그램에 포함된 정보량은 브래그(Bragg) 회절공식,

를 이용하여 간섭 무늬의 수를 계산함으로써, 간단히 추산할 수 있다. 여기서,

와

는 홀로그램의 크기와 광 파장을 나타내며,

는 홀로그램을 기록할 때 기준파와 물체파가 이루는 각도이다. 만약, He-Ne 레이저(

=0.6328㎛)를 이용하여 10cm×10cm 크기 홀로그램을 30도에서 기록한다고 하더라도, 총 정보량은 대략 25 기가비트(GB)에 이른다. 그러므로, 화소 크기가 0.6㎛ 이하가 되는 고밀도 홀로그램 표시 소자가 개발되어야 고해상도 입체영상을 표현할 수 있다.

최근 디지털(digital) 홀로그래피 기술이 크게 발전하여 영상을 획득하여 홀로그램을 생성하는 기술은 어느 정도 가능성을 보이고 있는 실정이다. 깊이 정보를 얻을 수 있는 카메라를 이용하거나, 집적 영상(integral imaging) 방법으로 영상을 촬영하여 홀로그램을 생성하는 기술이 개발되고 있으며, 특히, 수직시차(vertical parallax)를 줄이든지 하여 홀로그램 정보량을 상당히 감소할 수 있는 계산 알고리즘(algorithm)이 개발되어, 현재 데이터 처리 전송 속도의 발전에 비추어 보면 실현 가능성이 매우 높아 보인다.

홀로그램을 표시하는 방법은 크게 음향 광학 변조기(AOM : Acousto-Optic Modulator)나 액정 표시 장치(LCD : Liquid Crystal Display)와 같은 공간 광변조기(SLM : Spatial Light Modulator)를 이용하여 이루어진다. MIT 공간 이미징 그룹과 KIST에서는 다채널 음향 광학 변조기를 제조하여 입체영상을 보여주었으나, 음향 광학 변조기는 근원적으로 선형 홀로그램을 표시하므로, 수평시차(horizontal parallax)만 줄 수 있는 한계를 가질 뿐만 아니라, 수직거울(vertical mirror)과 폴리곤거울(polygon mirror) 등을 이용하는 기계식이기 때문에, 상대적으로 구조가 복잡하다. 일본 치바대학 등에서는 액정 표시 장치 공간 광변조기를 사용하여 천연색 동영상을 구현하고 있다. 하지만, 액정 표시 장치 소자가 가지는 한계, 즉, 고속 응답속도와 고밀도 제작이 어려운 점 때문에, 아직까지 고해상도 입체영상을 구현하기에는 현재 기술로는 근원적으로 어려운 실정이다.

본 발명이 해결하려는 과제는 기존의 음향 광학 변조기나 액정 표시 장치와 같은 공간 광변조기에서 나타나는 고밀도 화소 제작의 어려움을 해결하기 위하여, 고속 응답속도를 가진 고분자(polymer) 박막이나 유전체(dielectric) 박막을 이용한 공간 광변조기를 제조하여 고해상도 입체영상이 구현 가능한 홀로그래픽 디스플레이를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 고속 응답속도를 가진 공간 광변조기를 순차적으로 이동하면서 홀로그램을 표시하는 공간 광변조 패널 시스템을 개발하여 고해상도 입체영상 표현을 가능하게 한다.

본 발명이 해결하려는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 홀로그래픽 디스플레이는 고밀도로 화소 제작을 할 수 있는 고속 응답속도를 가진 고분자 박막이나 유전체 박막을 이용한 공간 광변조기, 공간 광변조기를 홀로그램 프린지 신호와 동기화하면서 순차적으로 이동할 수 있는 미세변위 패널 시스템, 가간섭성 광원과 공간 광변조 패널 시스템 및 광학 소자를 효율적으로 배치한 광학계로 구성한다.

고분자 박막이나 유전체 박막은 전기광학 계수(electro-optic coefficient)가 매우 크고, 전기장 인가에 따른 고속 응답속도를 가져 공간 광변조기로 응용하기에 적합한 특징이 있다.

고속 응답속도를 가진 공간 광변조기는 고분자 박막이나 유전체 박막을 사용하여 제조한 패널 양면에 수직과 수평 편광자(polarizer)를 적층하여 구성한다.

공간 광변조기는 고분자 박막이나 유전체 박막의 전기광학 효과를 이용하여 입사광의 편광을 조절하여 광변조를 일으키게 된다.

공간 광변조 패널층은 투명기판 혹은 투명전극/투명기판 위에 고분자 박막이나 유전체 박막을 증착하는 공정과 화소 별로 패터닝하는 공정, 금속전극 형성 과정, 그리고 각각의 화소에 형성되는 박막형 트랜지스터 제조 과정을 포함한다.

고속 응답속도를 가진 공간 광변조기는 편광자를 사용하지 않고 광의 위상을 변화시켜 광변조를 조절하는 경우도 포함한다.

상기 미세변위 패널 시스템은 공간 광변조기를 홀로그램 프린지 신호와 동기화시켜 순차적(sequential)으로 이동하면서 홀로그램 프린지 패턴을 표시할 수 있는 장치를 제공한다.

상기 방식에서, 분할하기 전을 하나의 프레임 입체영상이라고 보면, 순차적으로 재생되는 입체영상이 분할하기 전의 한 프레임 내에서 차례로 집적되어 고해상도 입체영상을 구현하게 된다.

상기 방식에서, 또 다른 방법으로, 순차적으로 이동하는 전기장으로 기록하는 공간 광변조기(EASLM; electrically addressed spatial light modulator)에 표시된 홀로그램을 광으로 기록하는 공간 광변조기(OASLM; optically addressed spatial light modulator)에 복사 기록하여 고밀도 홀로그램을 만들어 입체영상을 구현한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 고속 응답속도를 갖는 공간 광변조기를 이용하여 영상을 집적하면서 고해상도 입체영상을 얻을 수 있는 홀로그래픽 디스플레이 장치는 현실적으로 한계가 되는 고해상도 입체영상 구현의 어려움을 극복하여 실감나는 3차원 영상을 재생할 수 있는 장치가 된다.

또한, 본 발명에 따른 고해상도 홀로그래픽 디스플레이에 있어서, 고분자 박막이나 유전체 박막을 이용한 공간 광변조기를 개발함으로 써, 고속 응답속도를 가진 고밀도 공간 광변조기를 구현할 수 있는 특징을 갖는다.

도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 투과형 공간 광변조기를 이용한 3차원 영상을 표시할 수 있는 홀로그래픽 디스플레이 장치에 대한 개략도를 도시한 도면이다.
도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반사형 공간 광변조기를 이용한 3차원 영상을 표시할 수 있는 홀로그래픽 디스플레이 장치에 대한 개략도를 도시한 도면이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 두 개의 선 편광자와 공간 광변조 패널층으로 이루어진 고속 응답속도를 갖는 공간 광변조기에 대한 구성도이다.
도 2b는 포켈스 효과에 대한 원리를 설명하기 위해서 도시한 구조도이다.
도 2c는 인가 전압에 따른 광 투과도 변화를 도시한 도면이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 반사형 공간 광변조기에 대한 구성도이다.
도 3b는 씨모스 기술로 트랜지스터를 분리 집적한 공간 광변조기에 대한 구성도이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 공간 광변조 패널층의 어레이 구조에 대한 평면도를 도시한 도면이다.
도 4b는 공간 광변조 패널층에 있어서 각 화소에서 광변조층의 단면도를 도시한 도면이다.
도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공간 광변조 패널층의 어레이 구조에 대한 평면도를 도시한 도면이다.
도 5b는 도 5a의 공간 광변조 패널층에 있어서 각 화소에서 광변조층의 단면도로써, 공간 광변조기의 구동 원리를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광의 위상을 변화시켜 광변조를 조절하는 마흐-젠더 간섭 원리를 이용한 공간 광변조 패널층의 단면을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 공간 광변조기를 순차적으로 이동하면서 홀로그램을 표시할 수 있는 미세변위 공간 광변조 패널 시스템을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 영상을 집적함으로써, 고해상도 입체영상을 구현할 수 있는 원리를 보여주기 위해 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 홀로그램 프린지 패턴을 중첩함으로써, 고해상도 입체영상을 구현할 수 있는 방식에 대해 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.

이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.

도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 영상을 표시할 수 있는 홀로그래픽 디스플레이 장치에 대한 개략도로서 투과형 공간 광변조기를 이용하는 방식에 대한 것이다. 도 1a를 참조하면, 홀로그래픽 디스플레이 장치는 가간섭성 평면 광원을 만드는 조명부, 홀로그램 프린지 패턴을 표시하는 공간 광변조 패널 시스템, 입체영상을 재생하는 광학부를 포함한다.

조명부는 가간섭성 빛을 내는 레이저나 LED 광원(101)과 평면 광원을 만드는 대물렌즈(102)와 핀홀(103)을 이용한 공간 필터와 조준렌즈(104)로 구성되며, 얻고자 하는 평면 빔의 직경 크기에 따라 적절히 이격되어 배치될 수 있다.

홀로그램 프린지 패턴을 표시하는 공간 광변조 패널 시스템은 고분자나 유전체를 이용한 공간 광변조기(105)를 순차적으로 이동하면서 홀로그램 프린지 패턴을 표시할 수 있게 설계 제조된다. 공간 광변조기(105)가 순차적으로 이동하면서 홀로그램 프린지 패턴을 표시하는 것은 PC 등과 같은 컴퓨터(108)에 의해 제어될 수 있다.

입체영상을 재생하는 광학부(106)는 고효율 영상을 갖는 재생 영상(109)을 재생할 수 있도록 광학계를 최적화하여 설계한다.

도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 반사형 공간 광변조기를 사용한 홀로그래픽 디스플레이 장치에 대한 개략도이다.

상기 반사형 공간 광변조기를 이용한 홀로그래픽 디스플레이 장치는 가간섭성 평면 광원을 만드는 조명부, 빔 분할기(107), 홀로그램 프린지 패턴을 표시하는 공간 광변조 패널 시스템, 입체영상을 재생하는 광학부(106)로 구성된다.

빔 분할기(107)는 입사 빔을 공간 광변조기(105)로 보내고 공간 광변조기(105)에서 반사되어 나온 빔을 광학부(106)로 보내기 위하여 사용한다.

도 2a는 전기광학 효과를 보이는 고분자 박막이나 유전체 박막을 이용한 공간 광변조기에 대한 구성도로서, 고밀도로 화소가 집적된 공간 광변조 패널층(201) 양면에 편광 방향이 수직으로 교차하게 배치된 두 개의 선 편광자(202)가 적층되어 구성된다. 여기서 광변조 효율을 최적화하기 위해서 보상기(203)가 적절히 배치된다.

도 2b는 포켈스(Pockels) 효과에 대한 원리를 설명하기 위해서 도시한 구조도이다. 도시한 바와 같이, 전기광학 소재(204)에 전기장을 인가하면 전기광학 효과에 의해서 굴절율이 변화되어 위상이 달라지는데, 이때 선 편광자(205)를 통과하여 선형 편광된 입사광은 박막의 이방성 때문에 타원 편광(206)되어 진행하게 된다. 박막에서 위상 변화는 다음과 같은 수식,

에 따라 변화한다. 여기서

,

과

는 각각 특정상수, 광 진행 거리와 외부 전압이다. 특히, 전기광학 계수(

)가 큰 경우 위상변화를 쉽게 일으킬 수 있으며, 반파장 위상변화에서는 선 편광을 90° 변화시켜 입사광을 모두 투과시키게 된다. 선 편광자(207)을 통과하여 광변조가 완성된다.

도 2c는 인가 전압에 따른 광 투과도 변화를 도시한 것으로 광 투과도는 편광 방향과 편광자 배치에 의존하여 계산된다. 상기 원리를 이용하면 효과적으로 광 투과도를 조절할 수 있음을 알 수 있다.

광 입사부에 있는 선 편광자의 편광방향은 광변조 박막의 이방성을 이용하여 타원 편광을 효율적으로 일으키기 위해서 광축에 대해 45도로 배치되어 설치되는 것이 바람직하다.

상기 공간 광변조기는 각각의 화소에 전기적 신호를 인가하여 광 투과도를 제어하게 되는데, 전기적 신호가 없을 때, 즉, 오프(OFF) 상태에서는 고분자 박막이나 유전체 박막이 광학적으로 등방적(isotropic)이기 때문에 하나의 선 편광자를 통과한 선형 편광된 광이 수직으로 편광된 다른 편광자를 통과할 수 없어 광 투과를 못하게 한다. 여기서 전기적 신호를 가하면, 즉, 온(ON) 상태에서는 전기광학 효과에 의해서 굴절율이 변화되어 선형 편광된 광이 박막을 통과하면서 타원 편광이 되어 다른 선 편광자를 통과할 수 있게 된다.

상기 설명한 바와 같이 각 화소에 전기적 신호를 인가하여 광 투과에 대한 ㅇ온/오프 상태를 효과적으로 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 전기적 신호 세기를 분할하여 광 투과도 세기를 제어할 수 있으므로, 본 시스템은 광의 세기와 위상을 변조할 수 있는 공간 광변조기가 된다.

상기 공간 광변조기는 다중 셀 신호처리 기술을 이용하여 각 화소를 효율적으로 제어하게 된다.

도 3a는 고분자 박막이나 유전체 박막을 사용한 반사형 공간 광변조기에 대한 구성도로서, 고밀도로 화소가 집적된 공간 광변조 패널층(201)과 선 편광자(202), 보상기(203), 그리고 광 반사 패널(301)을 포함한다.

도 3b는 시모스(CMOS) 기술로 트랜지스터를 분리 집적한 공간 광변조기에 대한 구성도로서, 트랜지스터가 집적화된 부분(302)과 광 반사 패턴(303), 그리고 공간 광변조 패널층(304)이 적층되어 구성된다. 입사광과 반사광은 도시한 바와 같이 상부에 적절히 위치한 수직으로 교차하는 2개의 편광자(305)로 제어된다.

도 4a는 상기 공간 광변조 패널층의 어레이 구조에 대한 평면도를 도시한 것으로, 편의상 일부분 화소 배치를 표시하여 전체 구조를 파악할 수 있게 하였다.

상기 공간 광변조 패널층의 단위 화소는 고분자 박막이나 유전체 박막을 이용하여 구성된 광변조층(401), 각 화소를 어드레싱(addressing)하기 위한 금속 배선(402)과 박막형 트랜지스터(403)로 이루어진다.

도 4a에서 보듯이 각각의 화소는 상호 간섭을 일으키지 않도록 효율적으로 서로 이격되어 배치되어 있으며, 각각의 화소는 독립적으로 접근 가능하도록 수직과 수평 방향의 금속 배선(402)으로 연결되고 박막형 트랜지스터(403)를 이용하여 제어하게 된다.

도 4a에서 각 요소들의 배치는 특정 예로 고정된 것이 아니며, 투명 트랜지스터와 광변조 패널층이 적층 형태로 제조될 수 있다.

도 4b는 상기 공간 광변조 패널층에 있어서 각 화소에서 광변조층의 단면도를 도시한 것이다.

상기 광변조층은 투명기판(404) 위에 하부 투명전극(405)을 증착하는 공정, 하부 투명전극(405) 위에 고분자 박막(406)이나 유전체 박막(406)을 증착하는 과정, 고분자 박막이나 유전체 박막 위에 상부 투명전극(407)을 형성하는 단계, 및 단위 화소 별로 패턴하는 공정을 포함하여 제조한다.

상기 투명전극은 ITO, SnO₂, ZnO₂ 등의 산화물 전극을 포함할 수 있으며, 비정질 혹은 등방성 결정 투명기판(404) 위에 스퍼트(sputter)법이나 전자빔 등의 박막 증착 방법 등으로 제조될 수 있다.

상기 고분자 박막(406)이나 유전체 박막(406)은 전기광학 계수가 수십 pm/V 정도로 매우 크고, 나노초 이하의 고속 스위칭 속도를 가져, 전기장을 이용하여 효과적으로 광변조를 일으킬 수 있다.

상기 고분자 박막(306)은 전기장 인가에 따른 매우 큰 광학적 이방성을 보이는 PMMA, P2ANS, DANS/MMA, NPT/epoxy, PUR/AZO 등의 고분자 물질을 포함한다.

상기 유전체 박막(306)은 전기광학 효과가 매우 큰 PLZT계, BaTiO₃ 등의 페로바스카이트 형, LiNbO₃, LiTaO₃, NH₄H₂PO₄, KH₂PO₄ 등의 유전체를 포함한다.

본 발명에 있어서 공간 광변조기에 사용한 물질은 고분자와 유전체로 한정하는 것은 아니며, 전기광학 계수가 큰 다양한 물질을 포함할 수 있다. 여기서 GaAs, InP, CdS 등의 반도체도 포함할 수 있다.

상기 고분자 박막(306)과 유전체 박막(306)은 졸겔법, CVD법 등과 같은 화학적 증착 방법이나 스퍼트법 등과 같은 물리적 증착 방법을 이용하여 제조할 수 있다

상기 고분자 박막(306)이나 유전체 박막(306)을 이용한 공간 광변조기는 기존의 LCD 소자에 비해서 고속 스위칭이 가능하고 고밀도로 화소 제작이 가능한 특성이 있다.

도 5a는 도 4a와는 다른 구조를 갖는 공간 광변조 패널층의 어레이 구조에 대한 평면도를 도시한 것으로, 투명기판 위에 고분자 박막이나 유전체 박막을 직접 증착하여 사용할 수 있는 장점을 갖는다.

상기 공간 광변조 패널층의 단위 화소는 고분자 박막(501)이나 유전체 박막(501), 각 화소를 어드레싱하기 위한 금속 배선(502)과 투명 금속전극(503), 박막형 트랜지스터(504)로 구성된다.

도 5a에서 보듯이 각각의 화소는 상호 간섭을 일으키지 않도록 효율적으로 서로 이격되어 배치되어 있으며, 각각의 화소는 독립적으로 접근 가능하도록 수직과 수평 방향의 금속 배선으로 연결되고 박막형 트랜지스터를 이용하여 제어하게 된다.

도 5b는 상기 공간 광변조 패널층에 있어서 각 화소에서 광변조층의 단면도와 구동 원리를 도시한 것이다.

상기 공간 광변조기에 있어서, 광 투과도의 온/오프는 두 전극 사이에서 인가되는 전압으로 결정되는데, 광 투과도가 온 상태는 어느 하나의 전압만이 인가되는 경우임을 알 수 있다.

즉, 두 전극 사이에 전압 차가 생겨 전기장이 인가되면 도 5b에 도시한 바와 같이 전기광학 효과 때문에 굴절율이 변화되어 선형 편광된 광이 박막을 통과하면서 타원 편광이 되므로 상술한 바와 같이 광 투과도를 제어할 수 있다.

상기 광변조층은 투명기판(505) 위에 고분자 박막(506)이나 유전체 박막(506)을 증착하는 과정, 고분자 박막9506)이나 유전체 박막(506) 위에 복수의 상부 투명전극들(507)을 형성하는 단계, 단위 화소 별로 패턴하는 공정을 포함하여 제조한다.

상기 상부 투명전극(507)은 ITO, SnO₂, ZnO₂ 등의 산화물 전극을 포함할 수 있으며, 상기 투명기판(505)은 비정질 혹은 등방성 결정 투명기판을 포함한다.

상기 상부 투명전극(507)은 스퍼트법이나 전자빔 등의 박막 증착 방법 등으로 제조될 수 있으며, 고분자 박막(506)이나 유전체 박막(506)은 졸겔법, CVD법 등과 같은 화학적 증착 방법이나 스퍼트법 등과 같은 물리적 증착 방법을 이용하여 제조할 수 있다.

도 6은 상기 고분자 박막이나 유전체 박막을 이용한 공간 광변조기에 있어서, 편광 원리를 이용하지 않고 광의 위상을 변화시켜 광변조를 조절하는 마흐-젠더(Mach-Zehnder) 간섭 원리를 이용한 공간 광변조 패널층의 단면도를 도시한 것이다. 도시한 바와 같이 입사광은 전기광학 효과를 일으킬 수 있는 층과 전기광학 효과를 일으킬 수 없는 층을 동시에 통과한 후 합쳐지게 되는데, 이때 두 층을 통과한 빔의 위상차를 이용하여 광변조를 조절한다.

상기 공간 광변조기는 수직과 수평 편광자 없이 제조되는데, 투명기판(601) 혹은 하부 투명전극(602)/투명기판(601) 위에 고분자 박막(603)이나 유전체 박막(603)을 증착하는 공정과 화소 별로 패턴하는 공정, 상부 투명전극(604)을 형성하는 과정, 그리고 각각 화소에 형성되는 박막형 트랜지스터 제조 과정을 포함한다. 하부 투명전극(602), 고분자 박막(603)이나 유전체 박막(603) 및 상부 투명전극(604)는 전기광학 효과를 일으킬 수 있는 영역을 구성하고, 이들과 광 차단층(606)에 의해 격리된 고분자 박막(603)이나 유전체 박막(603)은 전기광학 효과를 일으킬 수 없는 영역을 구성한다. 또한, 두 층을 통과한 광을 효율적으로 모으기 위하여 광 반사층(605)을 사용한다.

상기 편광 원리를 이용하지 않는 공간 광변조기는 마흐-젠더 간섭 원리에 국한되지 않음은 당연하다. 즉, 광의 위상과 세기를 조절할 수 있는 다양한 방식이 이용될 수 있다.

도 7은 공간 광변조기(701)를 순차적으로 이동하면서 홀로그램 프린지 패턴을 표시할 수 있는 미세변위 공간 광변조 패널 시스템을 도시한 것이다.

도 7에서 보듯이 공간 광변조기(701)는 홀로그램 프린지 신호에 동기화시켜 순차적으로 대각선 방향으로 이동 가능하게 설계 제작된다. 공간 광변조기(701)의 미세변위는 압전소자 등을 이용하여 구현할 수 있는데, 하나의 화소에서 보면 수 내지 수십 등분하여 이동하는 방식이다.

도 8은 영상을 집적함으로써 고해상도 입체영상을 구현할 수 있는 원리를 보여주기 위한 도면을 도시한 것이다. 도시한 바와 같이, 예를 들어, 화소 크기가 10㎛ × 10㎛인 경우, 일반적으로 홀로그램 간섭 무늬를 모두 표시하기에는 매우 부족하므로 입체영상이 흐릿하게 나타날 수밖에 없다. 하지만, 본 발명에서 제안한 바와 같이, 예를 들어, 상기 화소 크기를 10 등분하여 홀로그램 프린지 패턴을 표시하면, 사실상 1㎛ × 1㎛ 화소 크기(801)로 홀로그램 프린지 패턴을 표시하는 효과를 거둘 수 있다.

상기 고해상도 입체영상 구현 원리는 다음과 같이 설명된다. 먼저 홀로그램 간섭 무늬를 공간 광변조기에 표시함과 동시에 재생광을 공간 광변조기에 조사하여 입체영상을 재생하는 과정, 다음으로 공간 광변조기를 한 단계 이동한 후 이동된 공간 광변조기에 맞게 생성된 홀로그램 프린지 패턴을 표시하여 입체영상을 재생하는 과정이 분할된 영역 내에서 순차적으로 반복된다. 이렇게 하면, 분할하기 전을 하나의 프레임 입체영상이라고 보면, 순차적으로 재생되는 입체영상이 분할하기 전의 한 프레임 내에서 집적되어 고해상도 입체영상을 구현하게 된다.

도 9는 상기와는 다른 방법으로, 홀로그램 프린지 패턴을 중첩하므로써 고해상도 입체영상을 구현할 수 있는 방식에 대해 도시한 것이다.

상기 고해상도 입체영상 구현 원리는 다음과 같이 설명된다. 도시한 바와 같이 먼저 전기장으로 기록하는 공간 광변조기(EASLM)(901)에 표시된 홀로그램 프린지 패턴을 재생광으로 직접 재생하지 않고, 복사 광을 이용하여 광으로 기록하는 공간 광변조기(OASLM)(902)에 복제하는 과정을 거친다. 여기서 EASLM을 순차적으로 이동하면서 홀로그램 프린지 패턴을 OASLM에 중첩하여 기록하는 방법으로 고밀도 홀로그램을 만든다. 이때 EASLM에 순차적으로 표시되는 홀로그램 프린지 패턴은 OASLM에 중첩하여 기록하는 방법으로 초기의 고밀도 홀로그램을 만들 수 있도록 적절히 계산하여 생성한다. 최종적으로 OASLM에 기록된 고밀도 홀로그램 프린지 패턴에 재생광을 조사하여 입체영상을 구현한다.

이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

101 : 광원
102 : 대물렌즈
103 : 핀홀
104 : 조준렌즈
105, 701, 901, 902 : 공간 광변조기
106 : 광학부
107 : 빔 분할기
108 : 컴퓨터
109 : 재생 영상
201, 304 : 공간 광변조 패널층
202, 205, 207 : 선 편광자
203 : 보상기
204 : 전기광학 소재
206 : 타원 편광
301, 303 : 광 반사 패널
302 : 트래지스터가 집적화된 부분
305 : 편광자
401 : 광변조층
402, 502 : 금속 배선
403, 504 : 박막형 트랜지스터
404, 505, 601 : 투명기판
405, 602: 하부 투명전극
406, 501, 506, 603 : 고분자(또는 유전체) 박막
407, 507, 604 : 상부 투명전극
503 : 투명 금속전극
605 : 광 반사층
606 : 광 차단층
801 : 화소 크기

Claims

가간섭성 평면 빔을 만드는 조명부;
화소들이 집적된 공간 광변조 패널층, 및 상기 공간 광변조 패널층 양면 상에 각각 배치되되 편광 방향이 수직으로 교차하는 제 1 및 제 2 선 편광자들을 포함하는 공간 광변조기; 및
입체영상을 재생하는 광학부를 포함하되,
상기 공간 광변조 패널층은 광변조 영역 및 광 차단층으로 격리된 비광변조 영역을 포함하고,
상기 광변조 영역은:
투명기판;
상기 투명기판 상의 하부 투명전극;
상기 하부 투명전극 상의 광변조막; 및
상기 광변조막 상의 상부 투명전극을 포함하며,
상기 가간섭성 평면 빔이 상기 광변조 영역 및 상기 비광변조 영역을 동시에 통과한 후 합쳐질 때 나타나는 위상차를 이용하여 상기 광변조를 조절하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 조명부는:
가간섭성 빛을 내는 광원; 및
상기 가간섭성 빛을 상기 가간섭성 평면 빔으로 만드는 직렬로 배치된 대물렌즈, 공간 필터 및 조준렌즈를 포함하되,
상기 공간 필터는 핀홀을 이용하고,
상기 광원, 상기 대물렌즈, 상기 공간 필터 및 상기 조준렌즈는 얻고자 하는 평면 빔의 직경 크기에 따라 서로들 사이의 이격된 거리가 조절되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
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제 1 항에 있어서,
상기 공간 광변조기는 화소들에 각각 전기적 신호를 인가하여 광 투과에 대한 온/오프 상태를 제어하고, 그리고 상기 전기적 신호 세기를 분할하여 광 투과도의 세기를 제어하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 선 편광자들 중 어느 하나와 상기 공간 광변조 패널층 사이에 개재된 보상기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 공간 광변조 패널층은:
전기광학 효과를 이용하는 광변조층; 및
각각의 화소들을 어드레싱하기 위한 트랜지스터들 및 금속 배선들로 구성되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
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제 1 항에 있어서,
상기 투명기판은 비정질 또는 등방성 결정 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 하부 및 상부 투명전극은 ITO, SnO₂, ZnO₂ 및 이들의 조합 중에서 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 하부 및 상부 투명전극은 스퍼트법 또는 전자빔 증착 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 광변조막은 전기광학 계수가 수십 pm/V 이상이고, 그리고 마이크로초 이하의 고속 스위칭 속도를 갖는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 광변조막은 PMMA, P2ANS, DANS/MMA, NPT/epoxy, PUR/AZO 및 이들의 조합 중에서 하나의 고분자 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 광변조막은 PLZT계, 페로바스카이트형, LiNbO₃, LiTaO₃, NH₄H₂PO₄, KH₂PO₄ 및 이들의 조합 중에서 하나의 유전 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 광변조막은 GaAs, InP, CdS 및 이들의 조합 중에서 하나의 반도체 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
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제 1 항에 있어서,
상기 비광변조 영역은 상기 광변조막과 동일한 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
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제 15 항에 있어서,
상기 광변조층에 전기장을 인가하면, 상기 광변조층은 상기 전기광학 효과에 의해서 굴절율이 변화되고,
상기 제 1 선 편광자에 의해 선형 편광된 상기 가간섭성 평면 빔은 상기 광변조층의 이방성에 의해 타원 편광되고, 그리고
타원 편광된 상기 가간섭성 평면 빔은 상기 제 2 선 편광자를 통과하는 것에 의해 광변조가 조절되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
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