KR101886792B1 - 액정상 고분자를 이용한 이중 초점 렌즈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이중 초점 렌즈에 관한 것이다. 상기 이중 초점 렌즈는, 평탄한 표면을 갖는 투명 기판; 단일 방향으로 배향되어 상기 투명 기판위에 형성된 배향막; 및 상기 배향막위에 형성되고, 복굴절성을 갖는 광경화성 액정상 고분자 물질이 상기 배향막에 의해 단일 방향으로 배향되어 이루어지고, 공기층과 맞닿는 일면이 오목 렌즈 형상 또는 볼록 렌즈 형상을 갖는 렌즈층;을 구비하며, 상기 렌즈층은 정상광 굴절률(n_o) 및 이상광 굴절률(n_e)를 가지며, 상기 렌즈 구조체는 상기 렌즈층에 대한 정상광 굴절률 및 이상광 굴절률과 상이한 굴절률(n_p)을 갖는 물질로 구성하여, 입사되는 광의 편광에 따라 렌즈 구조체와 렌즈층의 계면에서의 굴절률 차이가 발생하고, 상기 계면에서의 굴절률 차이에 의해 결정되는 2개의 초점 거리를 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

액정상 고분자를 이용한 이중 초점 렌즈{Bi-focal lens using reactive mesogen}

본 발명은 이중 초점 렌즈에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 입사되는 광의 편광 방향에 따라 초점 거리가 변화되도록 구성된 액정상 고분자를 이용한 이중 초점 렌즈에 관한 것이다.

최근 3차원 디스플레이 장치 등에 대한 기술이 다양하게 연구됨에 따라, 입사되는 편광에 따라 구동여부가 결정되는 렌즈 기술들이 다양하게 제안되었다.

도 1은 종래의 전계 분포를 이용한 Gradient Index (GRIN) 렌즈를 설명하기 위하여 도시한 단면도 및 개념도이다. 도 1의 (a)는 H. Ren, et al, Opt. Express, 14, 11292 (2006)에 게재된 전계 분포를 이용한 GRIN 렌즈의 개념도이며, (b)는 Y.-C. Chang, et al, Opt. Express., 22, 2714 (2014) 에 게재된 전계 분포를 이용한 GRIN 렌즈의 개념도이다.

도 1을 참조하면, 전계 분포를 이용한 GRIN Lens 기술은 액정 소자(LC cell)에 있어서, 상하부 방향으로 액정에 인가되는 전계가 공간적으로 달라져, 특정 편광에 대해 GRIN Lens 굴절률 프로파일을 나타나게 하는 기술이다. GRIN Lens 굴절률 프로파일은 x축 방향으로 공간적으로 굴절률 분포가 저-고-저로 형성되는 것을 말하며, 이와 같이 GRIN Lens 굴절률 프로파일을 가지면 물체가 평평하더라도 볼록렌즈와 같이 초점면을 형성할 수 있게 된다.

도 1의 (a)는 x축 방향으로 공간적으로 상하부 ITO 전극 간격이 달라지도록 구현함으로써, 액정 층에 인가되는 전계 크기를 조절한 경우이다. 액정층에 인가되는 전계의 크기를 간단한 수식으로 표현하면, E_a = V_a/d 이다. 여기서, E_a는 전계의 크기, V_a는 인가되는 전압의 크기, d는 전극과 전극사이의 거리이다. 상하부 전극에 인가되는 전압은 동일하더라도, 전극간의 간격이 달라짐에 따라, x축 방향에 따라 z축 방향으로 인가되는 전계의 크기는 달라지며, 그 결과 GRIN Lens 굴절률 프로파일을 도출할 수 있다.

도 1의 (b)는 상부 전극을 패터닝함으로써, 상하부로 전압을 인가하였을 때, fringe-field 가 형성된다. 형성된 fringe-field를 벡터 분해하면, x축 방향에 따라 z축 방향으로 인가되는 전계의 크기는 달라지며, 그 결과 GRIN Lens 굴절률 프로파일을 도출할 수 있다.

전술한 전계 분포를 이용한 GRIN Lens 기술은 기존 LCD 공정과의 호환성을 가지는 장점을 가지고 있다. 그러나, 구동 측면에서 여러 가지 단점을 가지고 있다. 첫 번째로, 짧은 초점거리를 가지기 위해 액정소자의 셀 갭(Cell Gap)이 커져야하며, 이에 따라 구동전압이 증가하며 응답속도가 느려지는 단점을 가지고 있다. 두 번째로, 패턴된 전극 바로 위 부분에서는 fringe-field가 형성되지 않음에 따라, dead-zone이 발생하게 되고 그 결과 fill-factor를 감소시키는 단점이 발생한다.

따라서, 전계 분포를 이용한 GRIN Lens는 무한대의 초점거리(2D 모드)에서 특정한 초점거리까지 액정소자에 인가되는 전압에 따라 연속적인 가변 초점 특성을 가질 수 있다. 그러나 응답속도가 약 50 ms 이상으로서 응답 속도가 느리기 때문에 시분할 기술에 적용하기 어려운 기술적 한계점을 갖고 있다.

도 2는 종래의 렌즈 구조체를 적용한 GRIN 렌즈를 도시한 구성도로서, Y. Choi, et al, Opt. Mater., 21, 643 (2002)에 게재된 렌즈 구조체를 적용한 GRIN 렌즈를 도시한 구성도이다.

도 2를 참조하면, 렌즈 구조체를 적용한 GRIN Lens 기술은 액정소자의 액정들이 렌즈 구조체 위에 배향된 구조를 갖는다. 전술한 구조의 렌즈는, 상하부 전극에 인가되는 전압 값에 따라 액정의 분포가 달라짐에 따라, 도 2의 x축 편광과 같은 특정 편광에 대해, 유효 굴절률 값이 가변되어, 등방상 렌즈 구조체와 액정층 간의 굴절률 차이가 가변되어, 가변 초점을 구현할 수 있는 기술이다.

전술한 렌즈 구조체를 적용한 GRIN Lens 기술은 액정소자에 인가되는 전압에 따라 오목렌즈에서부터 특정한 초점거리를 가지는 볼록렌즈까지 연속적인 가변 초점 특성을 가지게 된다. 하지만, 액정을 스위칭하기 위한 상하부 전극 사이에 형성된 등방상 렌즈 구조체 때문에, 구동전압이 증가하며, 응답속도가 느려지는 단점을 가진다. 이에 따라, 시분할 기술에 적용하기는 어렵다.

도 3은 종래의 액정상 고분자를 이용한 편광 의존형 GRIN 렌즈 기술을 설명하기 위하여 도시한 구조도로서, G. J. Woodgate, et al, SID03 Digest, 394 (2003)에 게재된 액정상 고분자를 이용한 편광 의존형 GRIN 렌즈 기술을 설명하는 구조도이다.

도 3을 참조하면, 액정상 고분자를 이용한 편광 의존형 GRIN 렌즈 기술은 렌즈 구조체에 액정상 고분자(Reactive Mesogen(RM))가 배향된 형태로, 입사하는 빛의 편광에 따라 능동적으로 동작하는 구조이다. 일반적으로 막대모양 가지는 RM의 장축방향 굴절률을 extraordinary 굴절률 (n _e ), 단축방향 굴절률을 ordinary 굴절률 (n _o ) 이라고 하며, 입사되는 빛의 편광 방향에 따라 복굴절을 가진다. 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 선편광으로 입사하는 빛의 편광방향이 RM의 단축방향과 일치하는 경우, 선편광된 빛에 대해 RM 의 굴절률은 n _o 가 되며, 이는 isotropic polymer의 굴절률 n _p 와 일치하여 렌즈 기능이 사라진다. 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 입사하는 빛의 편광방향이 RM 의 장축방향과 일치하는 경우, 선 편광된 빛에 대해 RM 의 굴절률은 n _e 가 되며, 이는 isotropic polymer의 굴절률 n _p 와 불일치하여 렌즈로써 동작한다.

또한, 전술한 액정상 고분자를 이용한 편광 의존형 GRIN 렌즈는 편광 스위칭부와 편광 의존형 렌즈부가 별도로 존재하기 때문에, 기존 액정소자와 같은 구동전압 및 스위칭 속도를 가질 수 있다. 기존의 액정상 고분자를 이용한 편광 의존형 GRIN 렌즈 기술은 RM 의 n _o 와 등방상을 가지는 렌즈 구조체의 굴절률 n _p 를 일치시켜, 가변적으로 입사되는 2개의 편광 상태에 대해, 특정한 초점거리를 가지는 볼록렌즈로 동작하거나 렌즈로 동작을 하지 않는 무한대의 초점거리 상태를 스위칭하는 구조이다.

한국공개특허공보 제 10-2015-0032231호 한국공개특허공보 제 10-2015-0084631호

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 광경화성 액정상 고분자를 이용하여 입사되는 광의 편광에 따라 서로 다른 2개의 초점거리를 갖는 이중 초점 렌즈를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 광경화성 액정상 고분자를 이용한 이중 초점 렌즈를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징에 따른 이중 초점 렌즈는, 투명 기판; 단일 방향으로 배향되어 상기 투명 기판위에 형성된 배향막; 및 상기 배향막위에 형성되고, 복굴절성을 갖는 광경화성 액정상 고분자 물질이 상기 배향막에 의해 단일 방향으로 배향되어 이루어지고, 공기층과 맞닿는 일면이 렌즈 형상을 갖는 렌즈층;을 구비하며, 상기 렌즈층은 정상광 굴절률(n_o) 및 이상광 굴절률(n_e)를 가지며, 상기 렌즈층의 정상광 굴절률 및 이상광 굴절률은 공기층의 굴절률(n_air)과 서로 상이하여, 입사되는 광의 편광에 따라 공기층과 렌즈층의 계면에서의 굴절률 차이가 발생하고, 상기 계면에서의 굴절률 차이에 의해 결정되는 2개의 초점 거리를 갖는다.

전술한 제1 특징에 따른 이중 초점 렌즈에 있어서, 상기 공기층과 맞닿는 렌즈층의 일면은 볼록 렌즈 형상 또는 오목 렌즈 형상으로 이루어진 것이 바람직하다.

본 발명의 제2 특징에 따른 이중 초점 렌즈는, 평탄한 표면을 갖는 기판; 상기 기판위에 형성된 반사층; 단일 방향으로 배향되어 상기 반사층위에 형성된 배향막; 및 상기 배향막위에 형성되고, 복굴절성을 갖는 광경화성 액정상 고분자 물질이 상기 배향막에 의해 단일 방향으로 배향되어 이루어지고, 공기층과 맞닿는 일면이 렌즈 형상을 갖는 렌즈층;을 구비하며, 상기 렌즈층은 정상광 굴절률(n_o) 및 이상광 굴절률(n_e)를 가지며, 상기 렌즈층의 정상광 굴절률 및 이상광 굴절률은 공기층의 굴절률(n_air)과 서로 상이하여, 입사되는 광의 편광에 따라 공기층과 렌즈층의 계면에서의 굴절률 차이가 발생하고, 상기 계면에서의 굴절률 차이에 의해 결정되는 2개의 초점 거리를 갖는다.

전술한 제2 특징에 따른 이중 초점 렌즈에 있어서, 상기 공기층과 맞닿는 렌즈층의 일면은 볼록 렌즈 형상 또는 오목 렌즈 형상으로 이루어진다.

본 발명의 제3 특징에 따른 이중 초점 렌즈 제작 방법은, (a) 제1 기판위에 등방상 고분자 물질을 증착한 후 렌즈 구조를 갖는 스탬프를 임프린팅하여 렌즈의 역상 구조를 갖는 렌즈 구조체를 제작하는 단계; (b) 렌즈 구조체의 상부표면에 제1 배향막을 형성하여 하부 기판을 완성하는 단계; (c) 투명 기판위에 제2 배향막을 형성하여 상부 기판을 완성하는 단계; (d) 하부 기판의 배향막위에 광경화성 액정상 고분자 물질을 도포하고 상부 기판을 덮어 라미네이팅한 후, 광경화시켜 광경화성 액정상 고분자층을 고형화시키는 단계; 및 (e) 고형화된 광경화성 액정상 고분자층과 결합된 상부 기판을 상기 하부 기판으로부터 픽업하는 단계;를 구비하여, 공기층에 노출된 광경화성 액정상 고분자층의 일면이 렌즈 형상을 갖는다.

전술한 제3 특징에 따른 이중 초점 렌즈 제작 방법에 있어서, 공기층에 노출된 광경화성 액정상 고분자층의 일면은 오목 렌즈 형상 또는 볼록 렌즈 형상으로 이루어진 것이 바람직하다.

전술한 제3 특징에 따른 이중 초점 렌즈 제작 방법에 있어서, 상기 (b) 단계는 렌즈 구조체의 상부 표면에 제1 배향막을 스핀 코팅하기 전에 UVO 처리하여 렌즈 구조체를 구성하는 등방상 고분자층을 친수화시켜, 제1 배향막의 표면 에너지를 증가시키는 것이 바람직하다.

전술한 제3 특징에 따른 이중 초점 렌즈 제작 방법에 있어서, 상기 (c) 단계는 기판의 표면에 제2 배향막을 스핀 코팅하기 전에 UVO 처리하여 기판을 친수화시켜, 제2 배향막의 표면 에너지를 증가시키는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 이중 초점 렌즈는 복굴절 물질인 광경화성 액정상 고분자를 이용한 편광 의존형 GRIN 렌즈 기반 기술로서, 복굴절 물질로 이루어지는 렌즈층의 굴절률 n _o , n _e 및 렌즈층과 접하는 공기층의 굴절률 n _air 의 굴절률 관계에 의해, 이중 초점을 갖게 된다.

본 발명의 일실시예에 따른 투과형 이중 초점 렌즈는, 공기층에 노출된 렌즈층의 일면을 볼록 렌즈 형상으로 구성함으로써 , 공기층의 굴절률(n _air ) 및 상기 렌즈층의 정상광 굴절률(n _o )과 이상광 굴절률(n _e )에 대한 n _air ＜ n _o ＜ n _e 의 관계에 의하여, 입사되는 광의 편광에 따라 서로 다른 2개의 초점거리(초점면)을 가지는 볼록렌즈들로 동작시킬 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 투과형 이중 초점 렌즈는, 공기층에 노출된 렌즈층의 일면을 오목 렌즈 형상으로 구성함으로써, 공기층의 굴절률(n _air ) 및 상기 렌즈층의 정상광 굴절률(n _o )과 이상광 굴절률(n _e )에 대한 n _air ＜ n _o ＜ n _e 의 관계에 의하여, 입사되는 광의 편광에 따라 서로 다른 2개의 허초점거리를 갖는 오목렌즈들로 동작시킬 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반사형 이중 초점 렌즈는, 공기층에 노출된 렌즈층의 일면을 볼록 렌즈 형상으로 구성하고 렌즈층의 타면에 반사층을 더 구비함으로써, 공기층의 굴절률(n _air ) 및 상기 렌즈층의 정상광 굴절률(n _o )과 이상광 굴절률(n _e )에 대한 n _air ＜ n _o ＜ n _e 의 관계에 의하여, 입사되는 광의 편광에 따라 서로 다른 2개의 초점거리(초점면)을 가지는 반사형 볼록렌즈들로 동작시킬 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 빈시형 이중 초점 렌즈는, 공기층에 노출된 렌즈층의 일면을 오목 렌즈 형상으로 구성하고 렌즈층의 타면에 반사층을 더 구비함으로써, 공기층의 굴절률(n _air ) 및 상기 렌즈층의 정상광 굴절률(n _o )과 이상광 굴절률(n _e )에 대한 n _air ＜ n _o ＜ n _e 의 관계에 의하여, 입사되는 광의 편광에 따라 서로 다른 2개의 허초점거리를 갖는 반사형 오목렌즈들로 동작시킬 수 있다.

도 1은 종래의 전계 분포를 이용한 Gradient Index (GRIN) 렌즈를 설명하기 위하여 도시한 단면도 및 개념도이다.
도 2는 종래의 렌즈 구조체를 적용한 GRIN 렌즈를 도시한 구성도이다.
도 3은 종래의 액정상 고분자를 이용한 편광 의존형 GRIN 렌즈 기술을 설명하기 위하여 도시한 구조도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이중 초점 렌즈의 구성 및 동작을 설명하기 위하여 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이중 초점 렌즈의 구성 및 동작을 설명하기 위하여 도시한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이중 초점 렌즈의 구성 및 동작을 설명하기 위하여 도시한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 이중 초점 렌즈의 구성 및 동작을 설명하기 위하여 도시한 개념도이다.
도 8은 본 발명에 따른 이중 초점 렌즈의 제조 공정을 도시한 공정도이다.
도 9는 본 발명에 따른 이중 초점 렌즈의 제조 공정에 있어서, 사용된 마이크로 렌즈 어레이 template를 도시한 것이다.

본 발명에 따른 이중 초점 렌즈는 복굴절성을 갖는 광경화성 액정상 고분자를 이용한 편광 의존형 GRIN 렌즈 기반 기술로서, 복굴절성을 갖는 광경화성 액정상 고분자 물질의 굴절률 n _o , n _e 및 렌즈와 맞닿는 공기층의 굴절률 n _air 의 굴절률 관계에 의해, 이중초점을 갖는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 이중 초점 렌즈는 종래의 액정상 고분자를 이용한 편광 의존형 GRIN 렌즈 기술과 동일하게 편광 스위칭부와 편광 의존형 렌즈부가 별도로 존재하기 때문에, 종래의 액정소자와 같은 구동전압 및 빠른 스위칭 속도를 가질 수 있으므로 시분할 기술이 적용 가능하게 된다.

복굴절성을 갖는 광경화성 액정상 고분자 물질(RM)은 단일 방향으로 배향된 특징을 가져, 입사하는 빛의 편광 방향이 RM 분자의 장축 방향과 일치하는 경우 n _e 의 굴절률을 가지게 되며, 입사하는 빛의 편광 방향이 RM 분자의 단축 방향과 일치하는 경우 n _o 의 굴절률을 가지게 되어, 입사하는 빛의 편광 방향에 따라 이중초점을 가지는 렌즈 기술이다.

본 발명에 따른 이중 초점 렌즈는 배향된 복굴절 매질이 air층과 곡면 계면을 형성하는 구조로서, 각 층간의 굴절률 관계는 n _air ＜ n _o ＜ n _e 이다. 이에 따라, 기존의 GRIN렌즈 대비 보다 짧은 초점거리를 형성할 수 있다.

본 발명에 따른 이중 초점 렌즈는 planar-convex 구조로 형성하여 이중초점 볼록렌즈로 동작하거나, 또는 planar-concave 구조로 형성하여 이중초점 오목렌즈로 동작할 수 있다. 또한, 반사층을 도입함에 따라 반사형 렌즈로써 동작 가능하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 이중 초점 렌즈의 구조 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다.

< 제1 실시예 >

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 투과형 이중 초점 렌즈의 구성 및 동작을 설명하기 위하여 도시한 개념도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 이중 초점 렌즈(1)는 투명 기판(100), 배향막(110) 및 렌즈층(120)을 구비하며, 이들이 서로 적층되어 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 투명 기판(100)은 평판 구조로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 배향막(110)은 상기 투명 기판위에 형성되며, 단일 방향으로 배향 처리된 것을 특징으로 한다. 상기 배향막(110)은 polyvinylachol (PVA) 을 투명 기판위에 스핀 코팅한 후 러빙(rubbing) 공정등과 같은 배향 처리하여 형성될 수 있다.

상기 렌즈층(120)은 복굴절성을 갖는 광경화성 액정상 고분자 물질로 이루어지며 상기 배향막위에 형성되어 배향막에 의해 단일 방향으로 배향처리된다. 렌즈층의 일면은 공기층에 노출되도록 구성되며, 공기층에 노출되는 상기 렌즈층의 일면은 볼록 렌즈 형상으로 이루어진다.

상기 렌즈층을 구성하는 광경화성 액정상 고분자 물질(Reactive Mesogen : 이하 'RM'이라 한다.)은 복굴절성을 갖는 물질로서, 정상광 굴절률(n_o) 및 이상광 굴절률(n_e)를 가지게 된다. 한편, 렌즈층의 일면과 맞닿는 공기층의 굴절률(n_air)과 광경화성 액정상 고분자 물질에 대한 정상광 굴절률(n_o) 및 이상광 굴절률(n_e)은 n _air ＜ n _o ＜ n _e 의 관계를 갖는다.

본 발명에 따른 이중 초점 렌즈는 렌즈층을 planar-convex 구조로 형성하여 이중초점 볼록렌즈로 동작할 수 있다.

그 결과, 본 발명에 따른 이중 초점 렌즈(1)로 입사되는 광의 편광에 따라 렌즈층과 공기층의 계면에서의 굴절률 차이가 발생하고, 상기 계면에서의 굴절률 차이에 의해 결정되는 2개의 초점 거리를 갖게 된다.

도 4를 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 투과형 이중초점 렌즈의 동작원리 (n _air ＜ n _o ＜ n _e 경우)를 설명한다. 도 4의 (a)는 입사하는 빛의 편광방향이 렌즈층(120)을 구성하는 RM의 배향방향의 장축과 일치하는 경우, (b) 입사하는 빛의 편광방향이 RM의 배향방향의 단축과 일치하는 경우, (c) 입사하는 빛의 편광이 45° 선편광 또는 원편광인 경우에서의 빛의 진행 경로를 도시한 것이다.

도 4의 (a)를 참조하면, 입사하는 빛의 편광방향이 렌즈층을 구성하는 RM의 장축방향(n _e )과 일치하는 경우, planar-convex 구조의 배향된 RM 층과 공기층 계면에서, n _e 와 n _air 의 굴절률 차에 굴절되며, 렌즈의 중심 부분의 위상 지연이 렌즈의 가장자리 부분보다 더 크기 때문에, 초점거리가 f ₁ 인 볼록 렌즈로 동작한다.

도 4의 (b)를 참조하면, 입사하는 빛의 편광방향이 렌즈층을 구성하는 RM의 단축방(n _o )향과 일치하는 경우, planar-convex 구조의 배향된 RM 층과 공기층 계면에서, n _o 와 n _air 의 굴절률 차에 의해 초점거리(f ₂ )가 형성된다. n _o - n _air 대비 n _e - n _air 가 더 크기 때문에, 수학식 1에 따라, 각각의 입사되는 편광방향에 따라 형성되는 투과형 이중초점 볼록렌즈의 f ₁ 과 f ₂ 의 관계는 f ₁ ＜ f ₂ 이다.

여기서, f는 초점거리, R은 렌즈의 radius of curvature, n은 렌즈층의 굴절률, n _air 는 공기의 굴절률이다.

도 4의 (c)를 참조하면, 입사하는 빛의 편광이 45°또는 원편광인 경우, 입사하는 빛을 벡터 분해하면 RM의 단축방향 50%, RM의 장축방향 50% 로 분해됨에 따라, 각각 광량이 50% 줄어든 형태로 초점이 f ₁ 과 f ₂ 위치에 동시에 형성될 수 있다.

< 제2 실시예 >

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 투과형 이중 초점 렌즈의 구성 및 동작을 설명하기 위하여 도시한 개념도이다. 본 실시예에 따른 이중 초점 렌즈(2)는 제1 실시예에 따른 이중 초점 렌즈와 구조는 동일하며, 다만 상기 렌즈층의 일면이 오목 렌즈 형상으로 이루어진 것을 특징으로 한다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 이중 초점 렌즈(2)는 투명 기판(200), 배향막(210) 및 렌즈층(220)을 구비하며, 이들이 서로 적층되어 이루어지고, 공기층에 노출된 상기 렌즈층의 일면이 오목 렌즈 형상으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 실시예에 따른 이중 초점 렌즈는 투과형 이중초점 오목렌즈로서, 입사되는 편광의 방향에 따라 서로 다른 허 초점거리를 가지는 오목렌즈로 동작하게 된다.

도 5를 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 투과형 이중초점 렌즈의 동작원리 (n _air ＜ n _o ＜ n _e 경우)를 설명한다. 도 5의 (a)는 입사하는 빛의 편광방향이 렌즈층(220)을 구성하는 RM의 배향방향의 장축과 일치하는 경우, (b)는 입사하는 빛의 편광방향이 RM의 배향방향의 단축과 일치하는 경우, (c)는 입사하는 빛의 편광이 45° 선편광 또는 원편광인 경우에서의 빛의 진행 경로를 도시한 것이다.

도 5의 (a)를 참조하면, 입사하는 빛의 편광방향이 렌즈층을 구성하는 RM의 장축방향(n _e )과 일치하는 경우, planar-concave 구조의 배향된 RM 층과 공기층 계면에서, n _e 와 n _air 의 굴절률 차에 굴절되며, 렌즈의 중심 부분의 위상 지연이 렌즈의 가장자리 부분보다 더 작기 때문에, 초점거리가 f ₁ 인 오목 렌즈로 동작한다.

도 5의 (b)를 참조하면, 입사하는 빛의 편광방향이 렌즈층을 구성하는 RM의 단축방(n _o )향과 일치하는 경우, planar-concave 구조의 배향된 RM 층과 공기층 계면에서, n _o 와 n _air 의 굴절률 차에 의해 초점거리(f ₂ )가 형성된다. n _o - n _air 대비 n _e - n _air 가 더 크기 때문에, 수학식 1에 따라, 각각의 입사되는 편광방향에 따라 형성되는 투과형 이중초점 오목 렌즈의 허초점 거리들인 f ₁ 과 f ₂ 의 관계는 f ₁ ＜ f ₂ 이다.

도 5의 (c)를 참조하면, 입사하는 빛의 편광이 45°또는 원편광인 경우, 입사하는 빛을 벡터 분해하면 RM의 단축방향 50%, RM의 장축방향 50% 로 분해됨에 따라, 각각 광량이 50% 줄어든 형태로 허초점이 f ₁ 과 f ₂ 위치에 동시에 형성될 수 있다.

< 제3 실시예 >

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 반사형 이중 초점 렌즈의 구성 및 동작을 설명하기 위하여 도시한 개념도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 반사형 이중 초점 렌즈(3)는 평판형 기판(300), 반사층(305), 배향막(310) 및 렌즈층(320)를 구비하며, 이들이 서로 적층되어 이루어지고, 공기층에 노출된 상기 렌즈층의 일면이 볼록 렌즈 형상으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 평판형 기판(300)은 평판 구조로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 반사층(305)은 상기 평판형 기판(300)위에 형성되며, 입사광을 전반사시킬 수 있는 금속(metal) 등으로 형성될 수 있다.

상기 배향막(310)은 상기 반사층(305)위에 형성되며, 단일 방향으로 배향 처리된 것을 특징으로 한다. 상기 배향막(310)은 polyvinylachol (PVA) 을 반사층위에 스핀 코팅한 후 러빙 공정 등에 의해 배향 처리하여 형성될 수 있다.

상기 렌즈층(320)은 복굴절성을 갖는 광경화성 액정상 고분자 물질로 이루어지며 상기 배향막위에 형성되어 배향막에 의해 단일 방향으로 배향처리된다. 공기층과 맞닿는 상기 렌즈층의 일면은 볼록 렌즈 형상으로 이루어진다.

상기 렌즈층을 구성하는 광경화성 액정상 고분자 물질(Reactive Mesogen : 이하 'RM'이라 한다.)은 복굴절성을 갖는 물질로서, 정상광 굴절률(n_o) 및 이상광 굴절률(n_e)를 가지게 된다. 한편, 렌즈층의 일면과 맞닿는 공기층의 굴절률(n_air)과 광경화성 액정상 고분자 물질에 대한 정상광 굴절률(n_o) 및 이상광 굴절률(n_e)은 n _air ＜ n _o ＜ n _e 의 관계를 갖는다.

본 발명에 따른 반사형 이중 초점 렌즈는 planar-convex 구조로 형성하여 이중초점 볼록렌즈로 동작할 수 있다.

그 결과, 본 발명에 따른 이중 초점 렌즈(3)로 입사되는 광의 편광에 따라 렌즈층과 공기층의 계면에서의 굴절률 차이가 발생하고, 상기 계면에서의 굴절률 차이에 의해 결정되는 2개의 초점 거리를 갖게 된다.

도 6을 참조하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 반사형 이중초점 렌즈의 동작원리 (n _air ＜ n _o ＜ n _e 경우)를 설명한다. 도 6의 (a)는 입사하는 빛의 편광방향이 렌즈층(320)을 구성하는 RM의 배향방향의 장축과 일치하는 경우, (b)는 입사하는 빛의 편광방향이 RM의 배향방향의 단축과 일치하는 경우, (c)는 입사하는 빛의 편광이 45° 선편광 또는 원편광인 경우에서의 빛의 진행 경로를 도시한 것이다.

도 6의 (a)를 참조하면, 입사하는 빛의 편광방향이 렌즈층을 구성하는 RM의 장축방향(n _e )과 일치하는 경우, planar-convex 구조의 배향된 RM 층과 공기층 계면에서, n _e 와 n _air 의 굴절률 차에 굴절되며, 렌즈의 중심 부분의 위상 지연이 렌즈의 가장자리 부분보다 더 크기 때문에, 초점거리가 f ₁ 인 반사형 볼록 렌즈로 동작한다.

도 6의 (b)를 참조하면, 입사하는 빛의 편광방향이 렌즈층을 구성하는 RM의 단축방(n _o )향과 일치하는 경우, planar-convex 구조의 배향된 RM 층과 공기층 계면에서, n _o 와 n _air 의 굴절률 차에 의해 초점거리(f ₂ )가 형성된다. n _o - n _air 대비 n _e - n _air 가 더 크기 때문에, 각각의 입사되는 편광방향에 따라 형성되는 반사형 이중초점 볼록렌즈의 f ₁ 과 f ₂ 의 관계는 f ₁ ＜ f ₂ 이다.

도 6의 (c)를 참조하면, 입사하는 빛의 편광이 45°또는 원편광인 경우, 입사하는 빛을 벡터 분해하면 RM의 단축방향 50%, RM의 장축방향 50% 로 분해됨에 따라, 각각 광량이 50% 줄어든 형태로 초점이 f ₁ 과 f ₂ 위치에 동시에 형성될 수 있다.

< 제4 실시예 >

도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 반사형 이중 초점 렌즈의 구성 및 동작을 설명하기 위하여 도시한 개념도이다. 본 실시예에 따른 이중 초점 렌즈는 제4 실시예에 따른 이중 초점 렌즈와 구조는 동일하며, 다만 상기 렌즈층의 일면이 오목 렌즈 형상으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 반사형 이중 초점 렌즈(4)는 평판형 기판(400), 반사층(405), 배향막(410) 및 렌즈층(420)를 구비하며, 이들이 서로 적층되어 이루어지고, 공기층에 노출된 상기 렌즈층의 일면이 오목 렌즈 형상으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 반사형 이중 초점 렌즈는 렌즈층을 planar-concave 구조로 형성하여 이중초점 오목렌즈로 동작할 수 있다.

본 실시예에 따른 이중 초점 렌즈는 반사형 이중초점 오목렌즈로서, 입사되는 편광의 방향에 따라 서로 다른 허 초점거리를 가지는 오목렌즈로 동작하게 된다.

도 7을 참조하여, 본 발명의 제4 실시예에 따른 반사형 이중초점 렌즈의 동작원리 (n _air ＜ n _o ＜ n _e 경우)를 설명한다. 도 7의 (a)는 입사하는 빛의 편광방향이 렌즈층(420)을 구성하는 RM의 배향방향의 장축과 일치하는 경우, (b)는 입사하는 빛의 편광방향이 RM의 배향방향의 단축과 일치하는 경우, (c)는 입사하는 빛의 편광이 45° 선편광 또는 원편광인 경우에서의 빛의 진행 경로를 도시한 것이다.

도 7의 (a)를 참조하면, 입사하는 빛의 편광방향이 렌즈층을 구성하는 RM의 장축방향(n _e )과 일치하는 경우, planar-concave 구조의 배향된 RM 층과 공기층 계면에서, n _e 와 n _air 의 굴절률 차에 굴절되며, 렌즈의 중심 부분의 위상 지연이 렌즈의 가장자리 부분보다 더 작기 때문에, 허 초점거리가 f ₁ 인 반사형 오목 렌즈로 동작한다.

도 7의 (b)를 참조하면, 입사하는 빛의 편광방향이 렌즈층을 구성하는 RM의 단축방(n _o )향과 일치하는 경우, planar-concave 구조의 배향된 RM 층과 공기층 계면에서, n _o 와 n _air 의 굴절률 차에 의해 허초점거리(f ₂ )가 형성된다. n _o - n _air 대비 n _e - n _air 가 더 크기 때문에, 각각의 입사되는 편광방향에 따라 형성되는 반사형 이중초점 오목 렌즈의 허 초점거리들인 f ₁ 과 f ₂ 의 관계는 f ₁ ＜ f ₂ 이다.

도 7의 (c)를 참조하면, 입사하는 빛의 편광이 45°또는 원편광인 경우, 입사하는 빛을 벡터 분해하면 RM의 단축방향 50%, RM의 장축방향 50% 로 분해됨에 따라, 각각 광량이 50% 줄어든 형태로 허초점이 f ₁ 과 f ₂ 위치에 동시에 형성될 수 있다.

이하, 도 8을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이중 초점 렌즈의 제조 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 8은 본 발명에 따른 이중 초점 렌즈의 제조 공정을 도시한 공정도이다.

도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 이중 초점 렌즈의 제조 공정은, 먼저 광경화성 수지인 등방상 고분자 물질(isotropic polymer)를 이용하여 임프린트 공정을 적용하여 렌즈 구조체(80)를 형성한다(a 공정).

여기서, 렌즈 구조체는 마이크로 렌즈의 역상 구조를 형성하게 되는데, 필름 또는 유리 기판(800)에 광경화성 수지인 isotropic polymer(810)를 도포하고, 마이크로 렌즈 어레이 template(820)를 이용하여 임프린팅하여 마이크로 렌즈의 역상 구조의 렌즈 구조체(80)를 형성한다. 이때 사용된 등방상 고분자 물질인 광경화성 수지는 NOA13685 (n _p = 1.3685, Norland 사) 이다.

도 9는 본 발명에 따른 이중 초점 렌즈의 제조 공정에 있어서, 사용된 마이크로 렌즈 어레이 template를 도시한 것이다. 도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 제조 공정에 사용된 마이크로 렌즈 어레이 template는 정육각형 렌즈 형태의 hexagonal 2D 배열 렌즈이며, Lx = 288 νm, Ly = 250 νm, radius of curvature (ROC) = 320 νm 이다.

다음, 임프린팅 공정으로 형성된 마이크로렌즈어레이 역상 구조의 렌즈 구조체(80) 위에 bottom-up 배향을 위한 러빙된 PVA 층인 배향막(830)을 형성하여 하부 기판(82)을 제작한다(b 공정). PVA 의 용매는 2 wt%의 DI water를 사용하며, 코팅성 향상을 위해, PVA를 스핀 코팅하기 전에 UVO 처리 공정으로 isotropic polymer 표면을 친수화한다. 코팅 후, 100℃에서 30분간 열처리 후, 러빙공정으로 이방성을 부여한다. 한편, 종래의 polyimide (PI) 배향막은 코팅공정 시 무극성 용매에 의한 데미지, 코팅 후 230℃ 가량되는 고온의 열처리 공정이 필요하여 본 발명에 따른 제조 과정에서는 적용하기 어렵다.

다음, 임의의 기판(840) 위에 Top-down 배향을 위한 러빙된 PVA층인 배향막(850)을 형성하여 상부 기판(85)을 제작한다(c 공정). 이때, 투과형 이중초점렌즈를 제작하는 경우, 상기 기판(840)은 투명 기판을 적용하는 것이 바람직하다. PVA 막의 코팅성 향상을 위해, PVA를 스핀 코팅하기 전에 UVO 처리 공정으로 isotropic polymer 표면을 친수화한다. 이와 같이, 러빙공정으로 이방성을 부여하기 전에, 추후 peel-off 공정에서 배향된 광경화성 액정상 고분자 물질의 렌즈층이 상부 기판에 의해 pick-up될 수 있도록 UVO처리를 통해 PVA 표면에너지를 향상시키는 것이 바람직하다.

다음, 추가적으로, top-down 배향 및 라미네이션 공정을 위해, 라미네이션 공정으로 하부 기판(82)과 상부 기판(85) 사이에 렌즈층을 위한 RM 층(860)을 형성 후, 열처리 및 광경화(UV curing) 공정으로 광경화성 액정상 고분자물질을 고형화한다. 이때, 광경화성 액정상 고분자 물질은 하부 및 상부 배향 효과에 의해 단일 방향으로 정렬된다. 다음, 렌즈층인 RM층(860)과 결합된 상부 기판(85)을 하부 기판(82)으로부터 peel-off하여 분리하는데, 전술한 UVO 처리 공정으로 표면에너지가 향상된 상부 기판의 PVA 표면으로 광경화성 액정상 고분자층(860)이 픽업(pick-up)된다. 그 결과, RM층(860)과 상부 기판(85)이 결합된 상태의 이중 초점 렌즈(90)를 완성한다(d 공정).

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1, 2 : 투과형 이중 초점 렌즈
3, 4 : 반사형 이중 초점 렌즈
100, 200, 300, 400 : 기판
305, 405 : 반사층
110, 210, 310, 410 : 배향막
120, 220, 320, 420 : 렌즈층

Claims (8)

1. 초점 거리를 스위칭시킬 수 있는 이중 초점 렌즈에 있어서,
   평탄한 표면을 갖는 투명 기판;
   단일 방향으로 배향되어 상기 투명 기판위에 형성된 배향막; 및
   상기 배향막위에 형성되고, 복굴절성을 갖는 광경화성 액정상 고분자 물질이 상기 배향막에 의해 단일 방향으로 배향되어 이루어지고, 공기층과 맞닿는 일면이 렌즈 형상을 갖는 렌즈층;
   을 구비하며, 상기 공기층과 맞닿는 렌즈층의 일면은 볼록 렌즈 형상 또는 오목 렌즈 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하고,
   상기 렌즈층은 정상광 굴절률(n_o) 및 이상광 굴절률(n_e)를 가지며, 상기 렌즈층의 정상광 굴절률 및 이상광 굴절률은 공기층의 굴절률(n_air)과 서로 상이하여, 입사되는 광의 편광에 따라 공기층과 렌즈층의 계면에서의 굴절률 차이가 발생하고, 상기 계면에서의 굴절률 차이에 의해 결정되는 2개의 초점 거리를 갖는 것을 특징으로 하며,
   상기 이중 초점 렌즈는 투과형 렌즈로서, 상기 초점 거리는 이중 초점 렌즈로 입사되는 광의 편광 방향에 따라 스위칭되는 것을 특징으로 하는 이중 초점 렌즈.
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3. 평탄한 표면을 갖는 기판;
   상기 기판위에 형성된 반사층;
   단일 방향으로 배향되어 상기 반사층위에 형성된 배향막; 및
   상기 배향막위에 형성되고, 복굴절성을 갖는 광경화성 액정상 고분자 물질이 상기 배향막에 의해 단일 방향으로 배향되어 이루어지고, 공기층과 맞닿는 일면이 렌즈 형상을 갖는 렌즈층;
   을 구비하며, 상기 공기층과 맞닿는 렌즈층의 일면은 볼록 렌즈 형상 또는 오목 렌즈 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하고,
   상기 렌즈층은 정상광 굴절률(n_o) 및 이상광 굴절률(n_e)를 가지며, 상기 렌즈층의 정상광 굴절률 및 이상광 굴절률은 공기층의 굴절률(n_air)과 서로 상이하여, 입사되는 광의 편광에 따라 공기층과 렌즈층의 계면에서의 굴절률 차이가 발생하고, 상기 계면에서의 굴절률 차이에 의해 결정되는 2개의 초점 거리를 갖는 것을 특징으로 하며,
   입사되는 광의 편광 방향에 따라 초점 거리가 스위칭되는 반사형 렌즈로 동작되는 것을 특징으로 하는 이중 초점 렌즈.
   
   
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