KR102440113B1 - 광 변조 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 변조 장치에 관한 것으로, 특히 액정 분자를 포함하는 광 변조 장치에 관한 것이다. 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치는 액티브 영역 및 상기 액티브 영역의 주변에 위치하는 주변 영역을 포함하는 제1판, 상기 제1판과 마주하는 제2판, 그리고 상기 제1판 및 상기 제2판 사이에 위치하며 복수의 액정 분자를 포함하는 액정층을 포함하고, 상기 제1판은 복수의 제1 전극, 복수의 전압 전달선 및 제1 배향자를 포함하고, 상기 제2판은 적어도 하나의 제2 전극 및 제2 배향자를 포함하고, 상기 제1 배향자의 배향 방향과 상기 제2 배향자의 배향 방향은 서로 실질적으로 평행하고, 상기 복수의 전압 전달선은 상기 주변 영역에 위치하며 상기 제1 전극이 연장된 방향과 교차하는 방향으로 연장되어 있고, 상기 제1 전극은 상기 주변 영역에서 상기 복수의 전압 전달선 중 제1 전압 전달선과 전기적으로 연결되어 있고, 상기 제1 전극은 상기 복수의 전압 전달선 중 제2 전압 전달선과 중첩하는 부분을 포함하고, 상기 제1 전압 전달선은 상기 제2 전압 전달선과 상기 액티브 영역 사이에 위치한다.

Description

광 변조 장치{OPTICAL MODULATOIN DEVICE}

본 발명은 광 변조 장치에 관한 것으로, 특히 액정 분자를 포함하는 광 변조 장치에 관한 것이다.

최근에는 광의 특성을 변조하는 광 변조 장치를 이용한 전자 장치에 대한 개발이 활발하다. 예를 들어 3차원 영상을 표시할 수 있는 광학 표시 장치가 관심을 끌고 있으며, 시청자가 영상을 입체 영상으로 인식할 수 있도록 하기 위해 서로 다른 시점에 영상을 분리하여 보내기 위한 광 변조 장치가 필요하다. 무안경식 입체 영상 표시 장치에서 사용될 수 있는 광 변조 장치로는 표시 장치의 영상의 빛의 경로를 변경하여 원하는 시점으로 보내는 렌즈, 프리즘 등이 있다.

이와 같이 입사광의 방향을 바꾸기 위해 빛의 위상 변조를 통한 빛의 회절을 이용할 수 있다.

편광된 빛이 위상지연자 등의 광 변조 장치를 통과하면 편광 상태가 바뀐다. 예를 들어 원편광된 빛이 반파장판에 입사하면 원편광된 빛의 회전 방향이 반대로 바뀌어 출사된다. 예를 들어 우원편광된 빛이 반파장판을 통과하면 좌원편광된 빛이 출사된다. 이때 반파장판의 광축, 즉 느린축의 각도에 따라 출사되는 원편광된 빛의 위상이 달라진다. 구체적으로 반파장판의 광축이 평면상(in-plane) φ만큼 회전(rotation)하면 출력되는 광의 위상은 2φ만큼 변한다. 따라서 공간상 x축 방향으로 180도(π radian)만큼의 반파장판의 광축 회전이 생기면 출사되는 빛은 x축 방향으로 360도(2π radian)의 위상 변조 또는 위상 변화를 가지며 출사될 수 있다. 이와 같이 광 변조 장치가 위치에 따라 0부터 2π까지의 위상 변화를 일으키도록 하면 통과되는 빛의 방향이 바뀌거나 꺾을 수 있는 회절 격자 또는 프리즘을 구현할 수 있다.

이러한 반파장판 등의 광 변조 장치의 위치에 따른 광축을 용이하게 조절하기 위해 액정을 이용할 수 있다. 액정을 이용한 위상지연자로서 구현되는 광 변조 장치에서는 액정층에 전기장을 인가하여 배열된 액정 분자들의 장축을 회전시켜 위치에 따라 다른 위상 변조를 일으킬 수 있다. 광 변조 장치를 통과하여 출사되는 빛의 위상은 배열된 액정의 장축의 방향, 즉 방위각(azimuthal angle)에 따라 결정될 수 있다.

액정을 이용한 광 변조 장치를 이용해 연속적인 위상 변조를 일으켜 프리즘, 회절 격자, 렌즈 등을 구현하기 위해서는 액정 분자의 장축이 위치에 따라 연속적으로 변하도록 액정 분자가 배열되어야 한다. 출사되는 광이 위치에 따라 0부터 2π로 변하는 위상 프로파일을 갖기 위해서는 반파장판의 경우 그 광축이 0부터 π까지 변해야 한다. 이를 위해 액정층에 인접한 기판에 대해 위치에 따라 서로 다른 방향의 배향 처리가 필요하기도 하여 공정이 복잡해진다. 또한 미세하게 구분하여 배향 처리를 하여야 하는 경우 러빙 공정 등의 배향 처리를 균일하게 하기 힘들어 표시 장치에 이용될 경우 표시 불량으로 나타날 수 있다.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 액정을 포함하는 광 변조 장치에서 액정 분자의 평면상 회전각을 용이하게 조절하여 광 위상을 변조시키는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 광 변조 장치의 외곽 구조에 의해 액정 분자의 배열이 흐트러져 정상적으로 배열된 액정 분자가 충돌이 일어날 수 있는데, 이러한 비정상 영역이 발생해도 다른 곳으로 전파되는 것을 차단하여 광 변조 장치 전체적으로 정상적인 위상 변조가 일어나도록 하는 것이다.

본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치는 액티브 영역 및 상기 액티브 영역의 주변에 위치하는 주변 영역을 포함하는 제1판, 상기 제1판과 마주하는 제2판, 그리고 상기 제1판 및 상기 제2판 사이에 위치하며 복수의 액정 분자를 포함하는 액정층을 포함하고, 상기 제1판은 복수의 제1 전극, 복수의 전압 전달선 및 제1 배향자를 포함하고, 상기 제2판은 적어도 하나의 제2 전극 및 제2 배향자를 포함하고, 상기 제1 배향자의 배향 방향과 상기 제2 배향자의 배향 방향은 서로 실질적으로 평행하고, 상기 복수의 전압 전달선은 상기 주변 영역에 위치하며 상기 제1 전극이 연장된 방향과 교차하는 방향으로 연장되어 있고, 상기 제1 전극은 상기 주변 영역에서 상기 복수의 전압 전달선 중 제1 전압 전달선과 전기적으로 연결되어 있고, 상기 제1 전극은 상기 복수의 전압 전달선 중 제2 전압 전달선과 중첩하는 부분을 포함하고, 상기 제1 전압 전달선은 상기 제2 전압 전달선과 상기 액티브 영역 사이에 위치한다.

상기 복수의 제1 전극은 상기 주변 영역에서 상기 복수의 전압 전달선 모두와 중첩하는 부분을 포함할 수 있다.

상기 복수의 전압 전달선과 상기 복수의 제1 전극 사이에 위치하는 절연층을 더 포함할 수 있다.

상기 절연층은 상기 복수의 제1 전극을 드러내는 복수의 접촉 구멍을 포함할 수 있다.

상기 복수의 제1 전극 및 상기 제2 전압에 구동 전압이 인가되었을 때 상기 광 변조 장치는 복수의 단위 영역을 형성하고, 상기 단위 영역을 단위로 상기 액정층의 위상 변화가 주기적으로 바뀌고, 상기 전달선 중 인접한 전압 전달선 사이의 간격은 상기 단위 영역의 피치의 대략 80% 이상일 수 있다.

상기 전압 전달선은 확장부를 포함하고, 상기 제1 전극은 상기 접촉 구멍을 통해 상기 확장부와 연결되어 있을 수 있다.

상기 액정층에 전기장이 생성되지 않을 때, 상기 제1판에 인접한 액정 분자의 선경사 방향과 상기 제2판에 인접한 액정 분자의 선경사 방향은 서로 반대일 수 있다.

상기 액정층에 전기장이 생성되었을 때, 상기 복수의 단위 영역 중 제1 단위 영역에 포함된 하나의 상기 제1 전극에 대응하는 상기 액정층에서, 상기 제1 전극에 인접한 영역에서의 전기장 세기가 상기 제2 전극에 인접한 영역에서의 전기장 세기보다 클 수 있다.

상기 제1 단위 영역에 이웃한 제2 단위 영역의 상기 액정층에서, 상기 제1판에 인접한 영역에서의 전기장 세기가 상기 제2판에 인접한 영역에서의 전기장 세기보다 작을 수 있다.

상기 제1 단위 영역 및 상기 제2 단위 영역은 각각 하나의 상기 제1 전극을 포함할 수 있다.

상기 제1 단위 영역이 포함하는 상기 제1 전극에 인가되는 전압은 상기 제2 단위 영역이 포함하는 상기 제1 전극에 인가되는 전압보다 클 수 있다.

본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치는 액티브 영역 및 상기 액티브 영역의 주변에 위치하는 주변 영역을 포함하는 제1판, 상기 제1판과 마주하는 제2판, 그리고 상기 제1판 및 상기 제2판 사이에 위치하며 복수의 액정 분자를 포함하는 액정층을 포함하고, 상기 제1판은 복수의 제1 전극, 복수의 전압 전달선 및 제1 배향자를 포함하고, 상기 제2판은 적어도 하나의 제2 전극 및 제2 배향자를 포함하고, 상기 제1 배향자의 배향 방향과 상기 제2 배향자의 배향 방향은 서로 실질적으로 평행하고, 상기 복수의 전압 전달선은 상기 주변 영역에 위치하며 상기 제1 전극이 연장된 방향과 교차하는 방향으로 연장되어 있고, 상기 제1 전극은 상기 주변 영역에서 상기 복수의 전압 전달선 중 제1 전압 전달선과 전기적으로 연결되어 있고, 상기 복수의 제1 전극 및 상기 제2 전압에 구동 전압이 인가되었을 때 상기 광 변조 장치는 복수의 단위 영역을 형성하고, 상기 단위 영역을 단위로 상기 액정층의 위상 변화가 주기적으로 바뀌고, 상기 전달선 중 인접한 전압 전달선 사이의 간격은 상기 단위 영역의 피치의 대략 80% 이상이다.

본 발명의 실시예에 따르면 액정을 포함하는 광 변조 장치에서 액정 분자의 평면상 회전각을 용이하게 조절하여 광 위상을 변조시킬 수 있다. 또한 광 변조 장치의 외곽 구조에 의해 액정 분자의 배열이 흐트러져 정상적으로 배열된 액정 분자와 충돌이 일어나도 이러한 비정상 영역이 다른 곳으로 전파되는 것을 차단하여 광 변조 장치 전체적으로 정상적인 위상 변조가 가능할 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치를 포함하는 전자 장치의 개략적인 분해 사시도이고,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치의 액티브 영역에 대한 사시도이고,
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치가 포함하는 제1판 및 제2판에서의 배향 방향을 보여주는 평면도이고,
도 4는 도 3에 도시한 제1판 및 제2판을 합착하는 공정을 도시한 도면이고,
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치의 제1판 및 제2판에 전압차를 부여하지 않았을 때의 액정 분자의 배열을 나타낸 사시도이고,
도 6은 도 5에 도시한 광 변조 장치를 I 선, II 선, 그리고 III 선을 따라 잘라 도시한 단면도이고,
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치의 제1판 및 제2판에 전압차를 부여하였을 때의 액티브 영역에 위치하는 액정 분자의 배열을 나타낸 사시도이고,
도 8은 도 7에 도시한 광 변조 장치를 I 선, II 선, 그리고 III 선을 따라 잘라 도시한 단면도이고,
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치의 액티브 영역에 대한 사시도이고,
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치의 구동 신호의 타이밍도이고,
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치의 제1판 및 제2판에 전압차가 부여되기 전과 제1스텝의 구동 신호가 인가된 후의 액정 분자의 배열을 나타낸 단면도로서 도 9의 IV 선을 따라 잘라 도시한 단면도이고,
도 12는 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치에 제1스텝의 구동 신호를 인가한 후 배열이 안정된 액정 분자의 배열을 나타낸 단면도로서 도 9의 V 선을 따라 잘라 도시한 단면도 및 그에 대응하는 위상 변화를 나타낸 그래프이고,
도 13은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치의 제1판 및 제2판에 전압차를 부여하기 전의 액정 분자의 배열을 나타낸 단면도로서 도 9의 IV 선을 따라 잘라 도시한 단면도 및 V 선을 따라 잘라 도시한 단면도이고,
도 14는 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치에 제1스텝의 구동 신호를 인가한 직후의 액정 분자의 배열을 나타낸 단면도로서 도 9의 IV 선을 따라 잘라 도시한 단면도이고,
도 15는 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치에 제1스텝의 구동 신호를 인가한 후 안정되기 전의 액정 분자의 배열을 나타낸 단면도로서 도 9의 IV 선을 따라 잘라 도시한 단면도이고,
도 16은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치에 제1스텝의 구동 신호를 인가한 후 안정된 액정 분자의 배열을 나타낸 단면도로서 도 9의 IV 선을 따라 잘라 도시한 단면도 및 V 선을 따라 잘라 도시한 단면도이고,
도 17은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치의 제1판 및 제2판에 전압차가 부여되기 전과 제1 내지 제3스텝 각각의 구동 신호가 인가된 후의 액정 분자의 배열을 나타낸 단면도로서 도 9의 IV 선을 따라 잘라 도시한 단면도들이고,
도 18은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치에 제1내지 제3스텝의 구동 신호를 차례대로 인가한 후 배열이 안정된 액정 분자의 배열을 나타낸 단면도로서 도 9의 V 선을 따라 잘라 도시한 단면도이고,
도 19는 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치를 이용하여 구현할 수 있는 렌즈의 위치에 따른 위상 변화를 나타내고,
도 20은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치의 주변 영역을 나타낸 배치도이고,
도 21은 도 20에 도시한 광 변조 장치의 주변 영역을 XXI-XXI 선을 따라 잘라 도시한 단면도이고,
도 22는 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치에 구동 신호를 인가하였을 때 주변 영역에서 발생한 액정 분자의 배열이 흐트러진 비정상 영역이 시간에 따른 변화를 차례대로 보여주는 배치도이고,
도 23은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치의 주변 영역을 나타낸 배치도이고,
도 24는 도 23에 도시한 광 변조 장치의 주변 영역의 일부를 확대한 배치도이고,
도 25는 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치에 구동 신호를 인가하였을 때 주변 영역에서 발생한 액정 분자의 배열이 흐트러진 비정상 영역이 시간에 따른 변화를 차례대로 보여주는 평면도이고,
도 26은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치 및 이에 연결된 구동부를 도시한 블록도이다.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.

그러면 도 1을 참조하여 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치 및 이를 포함하는 전자 장치에 대하여 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 전자 장치는 입체 영상 표시 장치로서 표시 패널(300), 그리고 광 변조 장치(optical modulation device)(1)를 포함할 수 있다.

표시 패널(300)은 2차원 모드에서는 2차원 영상을 표시할 수 있고, 3차원 모드에서는 서로 다른 시점에 대응하는 영상을 공간 분할 또는 시간 분할 방식으로 분할하여 위치적 또는 시간적으로 교대로 표시할 수 있다. 예를 들어 3차원 모드에서 복수의 화소 중 일부 화소는 어느 한 시점에 대응하는 영상을 표시할 수 있고, 다른 화소는 다른 시점에 대응하는 영상을 표시할 수 있다. 시점의 개수는 2개 이상일 수 있다.

표시 패널(300)은 유기 발광 소자를 포함하는 유기 발광 표시 패널 또는 액정층을 포함하는 액정 표시 패널 등 다양한 표시 패널일 수 있다.

광 변조 장치(1)는 표시 패널(300)의 앞 쪽에 위치하며, 빛이 투과할 수 있는 액티브 영역(AA) 및 그 주변에 위치하는 주변 영역(PA)을 포함한다. 광 변조 장치(1)에 구동 신호가 인가되면 광 변조 장치(1)의 액티브 영역(AA)은 위치에 따라 다른 위상 지연을 일으켜 액티브 영역(AA)은 프리즘, 렌즈 등의 광학 장치로 기능할 수 있다. 따라서 광 변조 장치(1)에 구동 신호가 인가되면 액티브 영역(AA)을 통과한 빛의 진행 방향이 바뀔 수 있다.

도 1은 광 변조 장치(1)의 액티브 영역(AA)이 복수의 렌즈(LU)를 형성한 예를 도시한다. 각 렌즈(LU)는 대략 x축 방향으로 배열되어 있고, 각 렌즈(LU)의 중심축 또는 렌즈(LU) 사이의 경계선은 y축에 대해 일정한 경사각을 이루며 기울어져 있을 수 있다.

이와 같이 광 변조 장치(1)가 복수의 렌즈(LU)를 구현하고 표시 패널(300)이 3차원 영상을 표시하면, 광 변조 장치(1)가 3차원 영상을 복수의 시점으로 영상을 분할하여 보낼 수 있고 서로 다른 시점의 양안을 가지는 관찰자는 입체 영상을 관찰할 수 있거나 서로 다른 시점의 서로 다른 관찰자가 서로 다른 영상을 관찰할 수 있다.

그러면 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치에 대하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치, 특히 액티브 영역(AA)에 대한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치가 포함하는 제1판 및 제2판에서의 배향 방향을 보여주는 평면도이고, 도 4는 도 3에 도시한 제1판 및 제2판을 합착하는 공정을 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치는 서로 마주하는 제1판(100) 및 제2판(200), 그리고 그 사이에 위치하는 액정층(3)을 포함한다.

제1판(100)은 유리, 플라스틱 등으로 만들어질 수 있는 제1 기판(110)을 포함할 수 있다. 제1 기판(110)은 강성(rigid) 또는 가요성(flexible)일 수 있으며, 평평하거나 적어도 일부분 휘어 있을 수도 있다.

제1 기판(110) 위에는 복수의 하판 전극(191)이 위치한다. 하판 전극(191)은 도전성 물질을 포함하며 ITO, IZO 등의 투명 도전 물질 또는 금속 등을 포함할 수 있다. 하판 전극(191)은 전압 인가부(도시하지 않음)로부터 전압을 인가받을 수 있고, 인접하거나 서로 다른 하판 전극(191)은 서로 다른 전압을 인가받을 수 있다.

복수의 하판 전극(191)은 일정한 방향, 예를 들어 x축 방향으로 배열되어 있을 수 있으며, 각 하판 전극(191)은 x축 방향에 교차하는 방향으로 길게 뻗을 수 있다. 더 구체적으로 각 하판 전극(191)은 앞에서 설명한 바와 같이 y축 방향에 대해 일정한 경사각을 이루며 길게 뻗을 수 있다.

이웃한 하판 전극(191) 사이의 공간(space)(G)의 폭은 광 변조 장치의 설계 조건에 따라 다양하게 조절될 수 있다. 하판 전극(191)의 폭과 그에 인접한 공간(G)의 폭의 비는 대략 N:1 (N은 1 이상의 실수)일 수 있다.

제2판(200)은 유리, 플라스틱 등으로 만들어질 수 있는 제2 기판(210)을 포함할 수 있다. 제2 기판(210)은 강성 또는 가요성일 수 있으며, 평평하거나 적어도 일부분 휘어 있을 수도 있다.

제2 기판(210) 위에는 상판 전극(290)이 위치한다. 상판 전극(290)은 도전성 물질을 포함하며 ITO, IZO 등의 투명 도전 물질 또는 금속 등을 포함할 수 있다. 상판 전극(290)은 전압 인가부(도시하지 않음)로부터 전압을 인가받을 수 있다. 상판 전극(290)은 제2 기판(210) 상에서 통판(whole body)으로 형성되어 있을 수도 있고 패터닝되어 복수의 이격된 부분을 포함할 수도 있다.

액정층(3)은 복수의 액정 분자(31)를 포함한다. 액정 분자(31)는 음의 유전율 이방성(negative dielectric anisotropy)을 가져 액정층(3)에 생성되는 전기장의 방향에 대해 가로지르는(transverse) 방향으로 배열될 수 있다. 액정 분자(31)는 액정층(3)에 전기장이 생성되지 않은 상태에서 제2판(200) 및 제1판(100)에 대해 대략 수직으로 배향되어 있으며, 특정 방향으로 선경사(pre-tilt)를 이룰 수 있다. 액정 분자(31)는 네마틱 액정 분자일 수 있다.

액정층(3)의 셀갭(cell gap)의 높이(d)는 특정 파장(λ)의 빛에 대해 대략 [수학식1]을 만족할 수 있다. 이에 따르면 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치의 액티브 영역(AA)은 대략 반파장판으로 기능할 수 있고, 회절 격자, 렌즈 등으로 사용 가능하다.

위 [수학식1]에서 Δnd는 액정층(3)을 통과하는 빛의 위상 지연값이다.

제1판(100)의 안쪽 면에는 제1 배향자(11)가 위치하고, 제2판(200)의 안쪽 면에는 제2 배향자(21)가 위치한다. 제1 배향자(11) 및 제2 배향자(21)는 수직 배향막일 수 있고, 러빙 공정, 광배향 등의 다양한 방법으로 배향력을 가져 제1판(100) 및 제2판(200)에 근접한 액정 분자(31)의 선경사 방향을 결정할 수 있다. 러빙 공정에 의한 경우 수직 배향막은 유기 수직 배향막일 수 있다. 광배향 공정을 이용하는 경우 제1판(100) 및 제2판(200)의 안쪽 면에 감광성 고분자 물질을 포함하는 배향 물질을 도포한 후 자외선 등의 광을 조사하여 광중합 물질을 형성할 수 있다.

도 3을 참조하면 제1판(100) 및 제2판(200)의 안쪽 면에 위치하는 두 배향자(11, 21)의 배향 방향(R1, R2)은 서로 실질적으로 평행(parallel)하다. 또한 각 배향자(11, 21)의 배향 방향(R1, R2)도 일정하다.

제1판(100) 및 제2판(200)의 오정렬(misalign) 마진을 고려할 때 제1판(100)의 제1 배향자(11)의 방위각과 제2판(200)의 제2 배향자(21)의 방위각의 차이는 대략 ㅁ5도일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

도 4를 참조하면, 서로 실질적으로 평행하게 배향된 배향자(11, 21)가 형성된 제1판(100) 및 제2판(200)을 서로 정렬하고 합착하여 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치를 형성할 수 있다.

도시한 바와 달리 제1판(100)과 제2판(200)의 상하 위치는 바뀔 수도 있다.

이와 같이 본 발명의 한 실시예에 따르면 액정을 포함하는 광 변조 장치의 제1판(100) 및 제2판(200)에 형성된 배향자(11, 21)가 서로 평행하며, 각 배향자(11, 21)의 배향 방향이 일정하므로 광 변조 장치의 배향 공정이 간단해지며 복잡한 배향 공정이 필요 없어 광 변조 장치의 제조 공정을 간단히 할 수 있다. 따라서 배향 불량에 따른 광 변조 장치 또는 이를 포함한 전자 장치의 불량을 방지할 수 있다. 이에 따라 광학 변조 장치의 대형화도 용이하다.

그러면 앞에서 설명한 도 2 내지 도 4와 함께 도 5 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치의 동작에 대해 설명한다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 제1판(100)의 하판 전극(191)과 제2판(200)의 상판 전극(290) 사이에 전압차가 부여되지 않아 액정층(3)에 전기장이 생성되지 않은 경우 액정 분자(31)는 초기의 선경사를 이루며 배열되어 있다. 도 6은 도 5에 도시한 광 변조 장치의 액티브 영역(AA)에 위치하는 복수의 하판 전극(191) 중 어느 한 하판 전극(191)에 대응하는 I 선을 따라 잘라 도시한 단면도, 이웃한 두 하판 전극(191) 사이의 공간(G)에 대응하는 II 선을 따라 잘라 도시한 단면도, 그리고 상기 하판 전극(191)에 인접한 하판 전극(191)에 대응하는 III 선을 따라 잘라 도시한 단면도로서, 이를 참조하면 액정 분자(31)의 배열은 대략 일정할 수 있다.

도 6 등의 도면에서 액정 분자(31)의 일부가 제1판(100) 또는 제2판(200) 영역에 침투한 것으로 도시되어 있는 부분이 있으나 이는 편의상 그렇게 도시된 것으로 실제 제1판(100) 또는 제2판(200) 영역에 액정 분자(31)가 침투하여 위치하는 것은 아니며, 이는 이후 도면에서도 마찬가지이다.

제1판(100) 및 제2판(200)에 인접한 액정 분자(31)는 배향자(11, 21)의 평행한 배향 방향에 따라 초기 배향되므로 제1판(100)에 인접한 액정 분자(31)의 선경사 방향과 제2판(200)에 인접한 액정 분자(31)의 선경사 방향은 서로 평행하지 않고 반대이다. 즉, 제1판(100)에 인접한 액정 분자(31)과 제2판(200)에 인접한 액정 분자(31)는 단면도 상에서 액정층(3)의 중앙을 따라 가로로 뻗는 가로 중앙선을 기준으로 서로 대칭을 이루는 방향으로 기울어져 있을 수 있다. 예를 들어 제1판(100)에 인접한 액정 분자(31)가 오른쪽으로 기울어져 있으면 제2판(200)에 인접한 액정 분자(31)는 왼쪽으로 기울어져 있을 수 있다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 제1판(100)의 하판 전극(191)과 제2판(200)의 상판 전극(290) 사이에 문턱 전압 이상의 전압차가 부여되어 액정층(3)에 전기장이 생성된 직후에는 음의 유전율 이방성을 가지는 액정 분자(31)는 전기장의 방향에 수직인 방향으로 기울어지려 한다. 따라서 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이 액정 분자(31)는 대부분 제1판(100) 또는 제2판(200)의 표면에 대략 평행하게 기울어져 평면상(in-plane) 배열을 이루며 액정 분자(31)의 장축이 평면상 회전되며 배열된다. 평면상(in-plane) 배열이란 액정 분자(31)의 장축이 제1판(100) 또는 제2판(200)의 표면에 평행하도록 배열되는 것을 의미한다.

이때 액정 분자(31)의 평면상(in-plane)에서의 회전각, 즉 방위각(azimuthal angle)은 대응하는 하판 전극(191) 및 상판 전극(290)에 인가되는 전압에 따라 달라질 수 있으며, 결국 x축 방향의 위치에 따라 나선형(spiral)으로 변할 수 있다.

그러면 앞에서 설명한 도면들과 함께 도 9 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치를 이용하여 순 위상경사를 구현하는 방법에 대해 설명한다.

도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 액정을 포함하는 광 변조 장치의 액티브 영역을 도시하며 앞에서 설명한 실시예와 동일한 구조를 가질 수 있다. 광 변조 장치는 복수의 단위 영역(unit)을 포함하고, 각 단위 영역(unit)은 적어도 하나의 하판 전극(191)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 각 단위 영역(unit)이 하나의 하판 전극(191)을 포함하는 예를 중심으로 설명하며, 이웃한 두 단위 영역(unit)에 각각 위치하는 두 하판 전극(191a, 191b)을 중심으로 살펴본다. 두 하판 전극(191a, 191b)을 각각 제1 전극(191a) 및 제2 전극(191b)이라 한다.

도 11의 위쪽 그림을 참조하면, 제1 및 제2 전극(191a, 191b)과 상판 전극(290)에 전압이 인가되지 않았을 때 액정 분자(31)는 제1판(100) 및 제2판(200)의 평면에 대략 수직인 방향으로 초기 배향되어 있으며, 앞에서 설명한 바와 같이 제1판(100) 및 제2판(200)의 배향 방향에 따라 선경사를 이룰 수 있다. 이때 제1 및 제2 전극(191a, 191b)에 상판 전극(290)의 전압을 기준으로 0V의 전압이 인가될 수도 있고, 액정 분자(31)의 배열이 바뀌기 시작하는 문턱 전압(Vth) 이하의 전압이 인가될 수도 있다.

도 10을 참조하면, 먼저 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치가 순 위상경사를 구현하기 위해 한 프레임 동안 이웃한 하판 전극(191a, 191b) 및 상판 전극(290)은 제1스텝(step1)의 구동 신호를 인가받을 수 있다. 제1스텝(step1)에서는 제1판(100)의 하판 전극(191a, 191b)과 제2판(200)의 상판 전극(290) 사이에 전압차가 형성되면서 인접한 제1 전극(191a)과 제2 전극(191b) 사이에도 전압차가 형성된다. 예를 들어 제2 전극(191b)에 인가되는 제2 전압의 절대치의 크기가 제1 전극(191a)에 인가되는 제1 전압의 절대치보다 클 수 있다. 또한 상판 전극(290)에 인가되는 제3 전압은 하판 전극(191a, 191b)에 인가되는 제1 전압 및 제2 전압과 다르다. 예를 들어 상판 전극(290)에 인가되는 제3 전압은 제1 및 제2 전극(191a, 191b)에 인가되는 제1 전압의 절대치 및 제2 전압의 절대치보다 작을 수 있다. 예를 들어 제1 전극(191a)에 5V, 제2 전극(191b)에 6V, 그리고 상판 전극(290)에 0V의 전압이 인가될 수 있다.

도시한 바와 달리 단위 영역(unit)이 복수의 하판 전극(191)을 포함하는 경우, 하나의 단위 영역(unit)의 복수의 하판 전극(191)에는 모두 동일한 전압이 인가될 수도 있고 적어도 하나의 하판 전극(191)을 단위로 순차적으로 변하는 전압이 인가될 수도 있다. 이때 이웃한 단위 영역(unit)의 경계를 기준으로 한쪽 단위 영역(unit)의 하판 전극(191)에는 적어도 하나의 하판 전극(191)을 단위로 점차적으로 증가하는 전압이 인가될 수 있고 다른 쪽 단위 영역(unit)의 하판 전극(191)에는 적어도 하나의 하판 전극(191)을 단위로 점차적으로 감소하는 전압이 인가될 수 있다.

모든 단위 영역(unit)의 하판 전극(191)에 인가되는 전압은 상판 전극(290)의 전압을 기준으로 정극성 또는 부극성으로 일정한 극성을 가질 수 있다. 또한 하판 전극(191)에 인가되는 전압의 극성은 적어도 한 프레임을 주기로 반전될 수 있다.

그러면 도 11의 아래쪽 그림 및 도 12와 같이 액정 분자(31)가 액정층(3)에 생성된 전기장에 따라 재배열된다. 구체적으로 액정 분자(31)는 대부분 제1판(100) 또는 제2판(200)의 표면에 대략 평행하게 기울어져 평면상(in-plane) 배열을 이루며 장축이 평면상 회전되어 도 12 에 도시한 바와 같이 나선형(spiral) 배열을 이루며, 더 구체적으로 u자형 배열을 이룬다. 액정 분자(31)는 하판 전극(191)의 피치를 주기로 액정 분자(31)의 장축의 방위각이 대략 0도부터 대략 180도까지 변화할 수 있다. 액정 분자(31)의 장축의 방위각이 대략 0도부터 대략 180도까지 변화하는 부분이 하나의 u자형 배열을 형성할 수 있다.

광 변조 장치가 제1스텝(step1)의 구동 신호를 인가받은 후 액정 분자(31)의 배열이 안정화되기까지 일정 시간이 걸릴 수 있으며 순 위상경사를 형성하는 광 변조 장치는 도 10에 도시한 바와 달리 제1스텝(step1)의 구동 신호를 지속적으로 인가받을 수 있다.

도 12를 참조하면, 액정 분자(31)가 x축 방향을 따라 180도 회전하며 배열되는 영역을 하나의 단위 영역(unit)으로 정의할 수 있다. 본 실시예의 경우 하나의 단위 영역(unit)은 제1 전극(191a) 및 그에 인접하는 제2 전극(191b)과의 사이의 공간(G)을 포함할 수 있다.

앞에서 설명한 바와 같이 광 변조 장치가 [수학식1]을 만족하여 대략 반파장판으로 구현될 경우 입사된 원편광된 빛의 회전 방향이 반대로 바뀐다. 도 12는 예를 들어 우원편광된 빛이 광 변조 장치에 입사된 경우 x축 방향의 위치에 따른 위상 변화를 나타낸다. 광 변조 장치의 액티브 영역(AA)을 통과한 우원편광된 빛은 좌원편광된 빛으로 바뀌어 출사되며, 액정층(3)의 위상 지연값이 x축 방향에 따라 다르므로 출사되는 원편광된 빛의 위상도 연속적으로 바뀐다.

일반적으로 반파장판의 광축이 평면상(in-plane) φ만큼 회전(rotation)하면 출력되는 광의 위상은 2φ만큼 변하므로 도 12에 도시한 바와 같이 액정 분자(31)의 장축의 방위각이 180도 변하는 하나의 단위 영역(unit)에서 출사되는 빛의 위상은 x축 방향을 따라 0부터 2π(radian)까지 변한다. 이를 순 위상경사라 하기로 한다. 이러한 위상 변화는 단위 영역(unit)마다 반복될 수 있고, 이러한 광 변조 장치를 이용해 빛의 방향을 바꾸는 렌즈의 순 위상경사 부분을 구현할 수 있다.

그러면 앞에서 설명한 도면들과 함께 도 13 내지 도 16을 참조하여 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치가 도 12에 도시한 바와 같은 순 위상경사를 구현하는 방법에 대해 설명한다.

도 13은 광 변조 장치의 제1판(100)의 제1 및 제2 전극(191a, 191b)과 제2판(200)의 상판 전극(290) 사이에 전압차를 부여하기 전의 액정 분자(31)의 배열을 나타낸 단면도로서 도 9의 IV 선을 따라 잘라 도시한 단면도이다. 도 13 내지 도 16에서는 앞에서 설명한 도면들과 달리 수평 방향으로 한 단위 영역(unit) 이동한 부분을 도시한다.

액정 분자(31)는 제1판(100) 및 제2판(200)의 평면에 대략 수직인 방향으로 초기 배향되어 있으며, 앞에서 설명한 바와 같이 제1판(100) 및 제2판(200)의 배향 방향(R1, R2)에 따라 선경사를 이룰 수 있다. 액정층(3)에 등전위선(VL)을 도시하였다.

도 14는 광 변조 장치의 제1판(100)의 제1 및 제2 전극(191a, 191b)과 제2판(200)의 상판 전극(290)에 제1스텝(step1)의 구동 신호를 인가한 직후의 액정 분자(31)의 배열을 나타낸 단면도로서 도 9의 IV 선을 따라 잘라 도시한 단면도이며, 한 단위 영역(unit) 수평 이동한 부분을 도시한다. 제1판(100)과 제2판(200) 사이에 전기장(E)이 생성되고 이에 따른 등전위선(VL)이 표시된다. 이때 제1 및 제2 전극(191a, 191b)은 가장자리 변을 가지므로 도 14에 도시한 바와 같이 제1 및 제2 전극(191a, 191b)의 가장자리 변과 상판 전극(290) 사이에는 프린지 필드(fringe field)가 형성된다.

제1스텝(step1)의 구동 신호가 제1 및 제2 전극(191a, 191b)과 상판 전극(290)에 인가된 직후 제2 전극(191b)을 포함하는 단위 영역(unit)의 액정층(3)에서는 제1판(100)에 인접한 영역(D1)에서의 전기장의 세기가 제2판(200)에 인접한 영역(S1)에서의 전기장 세기보다 크고, 제1 전극(191a)을 포함하는 단위 영역(unit)의 액정층(3)에서는 제1판(100)에 인접한 영역(S2)에서의 전기장의 세기가 제2판(200)에 인접한 영역(D2)에서의 전기장 세기보다 약하다.

이웃한 두 단위 영역(unit)의 제1 전극(191a)과 제2 전극(191b)에 인가되는 전압에도 차이가 있으므로 도 14에 도시한 바와 같이 제1 전극(191a)에 인접한 영역(S2)에서의 전기장 세기가 제2 전극(191b)에 인접한 영역(D1)에서의 전기장 세기보다 약할 수 있다. 이를 위해 앞에서 설명한 도 10에 도시한 바와 같이 제2 전극(191b)에 인가되는 전압이 제1 전극(191a)에 인가되는 전압보다 클 수 있다. 상판 전극(290)에는 제1 및 제2 전극(191a, 191b)에 인가되는 전압과 다른 전압, 더 구체적으로 제1 및 제2 전극(191a, 191b)에 인가되는 전압보다 작은 전압이 인가될 수 있다.

도 15는 도 9에 도시한 광 변조 장치에 제1스텝(step1)의 구동 신호를 인가한 후 액정층(3)에 생성된 전기장(E)에 반응하는 액정 분자(31)의 배열을 나타낸 단면도로서 도 9의 IV 선을 따라 잘라 도시한 단면도이며, 한 단위 영역(unit) 수평 이동한 부분을 도시한다. 앞에서 설명한 바와 같이 제2 전극(191b)에 대응하는 액정층(3)에서는 제2 전극(191b)에 인접한 영역(D1)에서의 전기장이 가장 세므로 이 영역(D1)의 액정 분자(31)의 기울어지는 방향이 결국 제2 전극(191b)에 대응하는 액정 분자(31)의 평면상(in-plane) 배열 방향을 결정한다. 따라서 제2 전극(191b)에 대응하는 영역에서는 제1판(100)에 인접한 액정 분자(31)의 초기 선경사 방향으로 액정 분자(31)가 기울어져 평면상(in-plane) 배열을 이룬다.

이와 반대로, 제1 전극(191a)에 대응하는 액정층(3)에서는 제1 전극(191a)이 아닌 이와 마주하는 상판 전극(290)에 인접한 영역(D2)에서의 전기장이 가장 세므로 이 영역(D2)의 액정 분자(31)의 기울어지는 방향이 결국 액정 분자(31)의 평면상(in-plane) 배열 방향을 결정한다. 따라서 제1 전극(191a)에 대응하는 영역에서는 제2판(200)에 인접한 액정 분자(31)의 초기 선경사 방향으로 기울어져 평면상(in-plane) 배열을 이룬다. 제1판(100)에 인접한 액정 분자(31)의 초기 선경사 방향과 제2판(200)에 인접한 액정 분자(31)의 초기 선경사 방향은 서로 반대이므로 제1 전극(191a)에 대응하는 액정 분자(31)의 기울어지는 방향은 제2 전극(191b)에 대응하는 액정 분자(31)의 기울어지는 방향과 반대가 된다.

도 16은 도 9에 도시한 광 변조 장치에 제1스텝(step1)의 구동 신호를 인가한 후 안정된 액정 분자(31)의 배열을 나타낸 단면도로서 도 9의 IV 선을 따라 잘라 도시한 단면도 및 V 선을 따라 잘라 도시한 단면도이며, 한 단위 영역(unit) 수평 이동한 부분을 도시한다. 제1 전극(191a)에 대응하는 액정 분자(31)의 평면상(in-plane) 배열 방향은 제2 전극(191b)에 대응하는 액정 분자(31)의 평면상 배열 방향과 반대이며, 인접한 제1 전극(191a) 및 제2 전극(191b) 사이의 공간(G)에 대응하는 액정 분자(31)는 x축 방향을 따라 연속적으로 회전하여 나선형(spiral) 배열을 이룬다.

최종적으로 광 변조 장치의 액티브 영역(AA)의 액정층(3)은 입사광에 대해 x축 방향을 따라 변화하는 위상 지연을 부여할 수 있다.

도 16을 참조하면, 액정 분자(31)가 x축 방향을 따라 180도 회전하며 배열되는 영역을 하나의 단위 영역(unit)으로 정의되고, 하나의 단위 영역은 하나의 하판 전극(191a, 191b)과 그에 인접하는 다른 하판 전극(191a, 191b)과의 사이의 공간(G)을 포함할 수 있다. 예를 들어 우원편광된 빛이 본 발명의 한 실시예와 같은 순 위상경사를 형성한 광 변조 장치의 액티브 영역(AA)에 입사된 경우 x축 방향의 위치에 따른 위상 변화를 나타내고, 우원편광된 빛은 좌원편광된 빛으로 바뀌어 출사되며, 액정층(3)의 위상 지연값이 x축 방향에 따라 다르므로 출사되는 원편광된 빛의 위상도 연속적으로 바뀐다.

이제 앞에서 설명한 도면들, 특히 도 10 내지 도 12와 함께 도 17 및 도 18을 참조하여 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치를 이용하여 역 위상경사를 구현하는 방법에 대해 설명한다.

도 17의 좌상 그림을 참조하면, 제1 및 제2 전극(191a, 191b)과 상판 전극(290)에 전압이 인가되지 않았을 때 액정 분자(31)는 제1판(100) 및 제2판(200)의 평면에 대략 수직인 방향으로 초기 배향되어 있으며, 앞에서 설명한 바와 같이 제1판(100) 및 제2판(200)의 배향 방향에 따라 선경사를 이룰 수 있다.

앞에서 설명한 도 10을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치가 제1스텝(step1)의 구동 신호를 인가받은 후 일정 시간(예를 들어 50ms)이 지난 후 하판 전극(191a, 191b) 및 상판 전극(290)은 제2스텝(step2)의 구동 신호를 인가받을 수 있다.

제2스텝(step2)에서는 이웃한 제1 전극(191a)과 제2 전극(191b)에 상판 전극(290)에 인가되는 전압을 기준으로 반대 극성의 전압을 인가할 수 있다. 예를 들어 제1 전극(191a)에는 상판 전극(290)의 전압을 기준으로 -6V의 전압이 인가되고 제2 전극(191b)에는 6V의 전압이 인가될 수 있고, 이와 반대일 수도 있다.

그러면 도 17의 좌하 그림에 도시한 바와 같이 등전위선(VL)이 형성되고 제1 및 제2 전극(191a, 191b) 사이의 공간(G)에 대응하는 영역(A)의 액정 분자(31)가 기판(100, 200)에 대략 수직인 방향으로 배열되고 평면상 나선형 배열이 깨진다.

제2스텝(step2)의 구간은 예를 들어 20ms일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

도시한 바와 달리 단위 영역(unit)이 복수의 하판 전극(191)을 포함하는 경우, 하나의 단위 영역(unit)의 복수의 하판 전극(191)에는 모두 동일한 전압이 인가될 수도 있고 적어도 하나의 하판 전극(191)을 단위로 순차적으로 변하는 전압이 인가될 수도 있다. 이웃한 단위 영역(unit)의 하판 전극(191)에 인가되는 전압은 상판 전극(290)의 전압을 기준으로 서로 반대의 극성의 전압이 인가될 수 있다. 또한 하판 전극(191)에 인가되는 전압의 극성은 적어도 한 프레임을 주기로 반전될 수 있다.

다음, 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치가 제2스텝(step2)의 구동 신호를 인가받은 후 일정 시간(예를 들어 20ms)이 지난 후 하판 전극(191a, 191b) 및 상판 전극(290)은 제3스텝(step3)의 구동 신호를 인가받고 해당 프레임의 나머지 구간 동안 유지할 수 있다.

제3스텝(step3)에서 하판 전극(191a, 191b) 및 상판 전극(290)에 인가되는 전압 레벨은 제1스텝(step1)에서와 유사하나 제1 전극(191a)과 제2 전극(191b)에 인가되는 전압의 상대적인 크기가 반대로 바뀔 수 있다. 즉, 제1스텝(step1)에서 제1 전극(191a)에 인가된 전압이 제2 전극(191b)에 인가된 전압보다 작았다면, 제3스텝(step3)에서는 제1 제1 전극(191a)에 인가된 전압이 제2 전극(191b)에 인가된 전압보다 클 수 있다. 예를 들어 제3스텝(step3)에서 제1 전극(191a)에 10V, 제2 전극(191b)에 6V, 그리고 상판 전극(290)에 0V의 전압이 인가될 수 있다.

그러면 도 17의 우하 그림과 같이 액정 분자(31)가 액정층(3)에 생성된 전기장에 따라 재배열된다. 구체적으로 액정 분자(31)는 대부분 제1판(100) 또는 제2판(200)의 표면에 대략 평행하게 기울어져 평면상(in-plane) 배열을 이루며 장축이 평면상 회전되어 도 18에 도시한 바와 같이 나선형(spiral) 배열을 이루며, 더 구체적으로 n자형 배열을 이룬다. 액정 분자(31)는 하판 전극(191)의 피치를 주기로 액정 분자(31)의 장축의 방위각이 대략 180도부터 대략 0도까지 변화할 수 있다. 액정 분자(31)의 장축의 방위각이 대략 180도부터 대략 0도까지 변화하는 부분이 하나의 n자형 배열을 형성할 수 있다.

광 변조 장치가 제3스텝(step3)의 구동 신호를 인가받은 후 액정 분자(31)의 배열이 안정화되기까지 일정 시간이 걸릴 수 있으며 역 위상경사를 형성하는 광 변조 장치는 제3스텝(step3)의 구동 신호를 지속적으로 인가받을 수 있다.

앞에서 설명한 바와 같이 광 변조 장치가 [수학식1]을 만족하여 대략 반파장판으로 구현될 경우 입사된 원편광된 빛의 회전 방향이 반대로 바뀐다. 도 18은 예를 들어 우원편광된 빛이 광 변조 장치의 액티브 영역(AA)에 입사된 경우 x축 방향의 위치에 따른 위상 변화를 나타낸다. 광 변조 장치의 액티브 영역(AA)을 통과한 우원편광된 빛은 좌원편광된 빛으로 바뀌어 출사되며, 액정층(3)의 위상 지연값이 x축 방향에 따라 다르므로 출사되는 원편광된 빛의 위상도 연속적으로 바뀐다.

일반적으로 반파장판의 광축이 평면상(in-plane) φ만큼 회전(rotation)하면 출력되는 광의 위상은 2φ만큼 변하므로 도 18에 도시한 바와 같이 액정 분자(31)의 장축의 방위각이 180도 변하는 하나의 단위 영역(unit)에서 출사되는 빛의 위상은 x축 방향을 따라 2π(radian)부터 0까지 변한다. 이를 역 위상경사라 한다. 이러한 위상 변화는 단위 영역(unit)마다 반복될 수 있고, 이러한 광 변조 장치를 이용해 빛의 방향을 바꾸는 렌즈의 역 위상경사 부분을 구현할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면 구동 신호의 인가 방법에 따라 액정 분자(31)의 평면상 회전각을 용이하게 조절하여 광 위상을 다양하게 변조시킬 수 있고, 다양한 빛의 회절각을 형성할 수 있다.

도 19는 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치를 이용하여 구현할 수 있는 렌즈(LU)의 위치에 따른 위상 변화를 나타낸다.

본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치는 앞에서 설명한 바와 같이 위치에 따라 구동 신호의 인가 방식을 달리 하여 순 위상경사와 역 위상경사를 모두 구현할 수 있으므로 렌즈(LU)를 형성할 수 있다. 도 19는 광 변조 장치의 액티브 영역(AA)이 구현할 수 있는 렌즈LU)의 예로서 프레넬 렌즈(Fresnel lens)의 위치에 따른 위상 변화를 나타낸다. 프레넬 렌즈는 프레넬 존 플레이트(Fresnel zone plate)의 광학적 특성을 이용한 렌즈로서 위상 분포가 주기적으로 반복되어 유효 위상 지연이 고체 볼록 렌즈 또는 그린 렌즈와 동일하거나 유사할 수 있다.

도 19에 도시한 바와 같이 하나의 렌즈(LU)의 중심(O)을 기준으로 좌측 부분(La)은 x축 방향의 폭이 다를 수 있는 복수의 순 위상경사 영역을 포함하고, 우측 부분(Lb)은 x축 방향의 폭이 다를 수 있는 복수의 역 위상경사 영역을 포함한다. 따라서 렌즈(LU)의 좌측 부분(La)에 대응하는 광 변조 장치의 액티브 영역(AA)의 부분은 앞에서 설명한 제1스텝(step1)의 구동 신호만을 인가하여 순 위상경사를 형성할 수 있고, 렌즈(LU)의 우측 부분(Lb)에 대응하는 광 변조 장치의 액티브 영역(AA)의 부분은 앞에서 설명한 제1스텝(step1), 제2스텝(step2) 및 제3스텝(step3)의 구동 신호를 순차적으로 인가하여 역 위상경사를 형성할 수 있다.

렌즈(LU)의 좌측 부분(La)이 포함하는 복수의 순 위상경사는 위치에 따라 다른 폭을 가질 수 있는데, 이를 위해 각 순 위상경사 부분에 대응하는 광 변조 장치의 하판 전극(191)의 폭 및/또는 한 단위 영역(unit)에 포함되는 하판 전극(191)의 수 등을 적절히 조절할 수 있다. 마찬가지로 렌즈(LU)의 우측 부분(Lb)이 포함하는 복수의 역 위상경사는 위치에 따라 다른 폭을 가질 수 있는데, 이를 위해 각 역 위상경사 부분에 대응하는 광 변조 장치의 하판 전극(191)의 폭 및/또는 한 단위 영역(unit)에 포함되는 하판 전극(191)의 수 등을 적절히 조절할 수 있다.

하판 전극(191) 및 상판 전극(290)에 인가되는 전압을 조절하면 프레넬 렌즈의 위상 곡률도 변경할 수 있다.

그러면 앞에서 설명한 도면들과 함께 도 20 내지 도 22를 참조하여 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치의 주변 영역(PA)에 대해 설명한다.

도 20은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치의 주변 영역을 나타낸 배치도이고, 도 21은 도 20에 도시한 광 변조 장치의 주변 영역을 XXI-XXI 선을 따라 잘라 도시한 단면도이고, 도 22는 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치에 구동 신호를 인가하였을 때 주변 영역에서 발생한 액정 분자의 배열이 흐트러진 비정상 영역이 시간에 따른 변화를 차례대로 보여주는 배치도이다.

도 20 및 도 21을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치의 액티브 영역(AA)에 위치하여 액정 분자(31)의 나선형 배열을 제어하는 복수의 하판 전극(191)은 주변 영역(PA)에까지 연장되어 끝 부분을 형성하고 복수의 전압 전달선(121)과 연결되어 구동 전압을 전달받을 수 있다. 도 20은 액티브 영역(AA)을 중심으로 한쪽 주변 영역(PA)의 일부를 도시하고 있으나, 하판 전극(191)은 액티브 영역(AA)의 양쪽에 위치하는 주변 영역(PA)으로 모두 뻗어 양쪽에서 구동 전압을 전달받을 수도 있다.

도 20 및 도 21을 참조하면, 복수의 하판 전극(191)이 위치하는 제1 기판(110) 위에 전압 전달선(121)이 위치한다.

전압 전달선(121)은 하판 전극(191)에 인가할 구동 전압을 전달한다. 서로 다른 전압 전달선(121)은 서로 다른 구동 전압을 전달할 수 있다. 전압 전달선(121)은 하판 전극(191)이 뻗는 방향에 교차하는 방향으로 뻗는다. 예를 들어 하판 전극(191)이 대략 세로 방향으로 뻗으면 전압 전달선(121)은 대략 가로 방향으로 뻗을 수 있다. 하판 전극(191)이 뻗는 방향과 전압 전달선(121)이 뻗는 방향은 서로 직각을 이룰 수도 있고, 예각을 이룰 수도 있다. 특히 하판 전극(191)이 앞에서 설명한 바와 같이 세로 방향에 대해 경사각을 이루어 기울어져 있는 경우 하판 전극(191)과 전압 전달선(121)은 서로 예각을 이룰 수도 있다.

복수의 전압 전달선(121)은 서로 이격되어 있으며 차례대로 배열되어 있을 수 있다. 전압 전달선(121)은 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등의 금속 또는 이들의 합금 등을 포함할 수 있다.

전압 전달선(121) 위에는 절연층(140)이 위치한다. 절연층(140)은 무기 절연 물질 또는 유기 절연 물질을 포함할 수 있다. 절연층(140)은 각 전압 전달선(121)을 드러내는 접촉 구멍(145)을 포함한다.

절연층(140) 위에 복수의 하판 전극(191)이 위치한다. 하판 전극(191)은 접촉 구멍(145)을 통해 각 전압 전달선(121)과 연결되어 구동 전압을 전달받을 수 있다.

도 21에 도시한 바와 달리 전압 전달선(121)과 하판 전극(191)의 적층 위치는 서로 바뀔 수도 있다.

본 발명의 한 실시예에 따르면 복수의 전압 전달선(121) 중 중간에 위치하는 전압 전달선(121)과 연결되어 있는 하판 전극(191)은 바깥쪽으로 더 연장되어 더 바깥쪽에 위치하는 전압 전달선(121)을 덮는 부분을 더 포함한다. 여기서 바깥쪽이란 액티브 영역(AA)으로부터 멀어지는 방향을 의미한다.

예를 들어 가장 아래쪽에 위치하는 전압 전달선(121)에 연결된 하판 전극(191)은 가장 아래쪽의 전압 전달선(121)을 덮는 부분뿐만 아니라 그 위쪽에 위치하는 적어도 하나의 전압 전달선(121)을 덮는 부분도 포함할 수 있다. 이에 따라 모든 하판 전극(191)의 끝 부분은 최외곽에 위치하는 전압 전달선(121)과 중첩할 수 있다.

이때 서로 중첩하는 하판 전극(191)과 전압 전달선(121)은 절연층(140) 등을 통해 서로 절연되어 있다.

도 20에 도시한 실시예에서는 모든 하판 전극(191)이 모든 전압 전달선(121)과 중첩하는 예를 도시한다.

만약 하판 전극(191)이 그가 연결되어 있는 전압 전달선(121)과 중첩하는 부분만 포함하고 그 위쪽까지 연장되어 있지 않은 구조인 경우, 전압 전달선(121)의 가장자리 변에 의한 프린지 필드에 의해 액정 분자(31)의 나선형 배열이 흐트러져 비정상 영역이 생길 수 있고, 비정상 영역이 인접한 하판 전극(191)의 연장 방향을 따라 전파되어 액티브 영역(AA)에도 영향을 줄 수 있다. 특히 주변 영역(PA)에서 이러한 비정상 영역이 발생하는 영역의 면적이 좁아 전기장의 세기가 상대적으로 세므로 흐트러진 액정 분자(31)의 배열이 다시 원상 복귀되기 힘들고 액티브 영역(AA)까지 전달되기 쉽다. 그러면 광 변조 장치가 정상적인 위상 변조를 일으키지 못하여 정사적으로 동작할 수 있다.

그러나 본 발명의 한 실시예에 따르면 하판 전극(191)이 자신이 연결된 전압 전달선(121)에 한정되지 않고 최외곽의 전압 전달선(121)까지 연장되어 대부분의 전압 전달선(121)을 덮고 있으므로 하판 전극(191)이 연장되는 영역 상에서 전압 전달선(121)의 가장자리 변에 의한 프린지 필드가 액정 분자(31)에 영향을 끼치는 것을 차단할 수 있고 하판 전극(191)에 의한 정상적인 배열의 제어가 가능하다. 이에 대래 도 22를 참조하여 설명한다.

도 22(a)를 참조하면, 주변 영역(PA)에서 전압 전달선(121)의 가장자리 변 근처에 위치하는 액정 분자(31)의 배열이 일부 흐트러져 비정상 영역(A1)이 발생하는 빈도 자체도 현저히 줄 뿐만 아니라, 비정상 영역(A1)이 발생하여도 도 22(b)에 도시한 화살표(B1)와 같이 전파되지 않고 도 22(c)에 도시한 비정상 영역(C1)과 같이 정체되어 있음을 확인할 수 있다. 도 22(a) 및 도 22(b)에 도시한 바와 같이 또 다른 비정상 영역(A2)이 발생한 경우에도 도 22(c)에 도시한 바와 같이 아예 비정상 영역이 소멸되기도 한다.

따라서 주변 영역(PA)의 구조에 기인하여 액정 분자(31)의 배열이 흐트러져 정상적으로 배열된 액정 분자와 충돌이 일어나 비정상 영역이 발생해도 액티브 영역(AA)으로 전파되는 것이 차단되거나 비정상 영역의 발생이 원천적으로 차단될 수 있어 광 변조 장치에 불량이 생기는 것을 방지할 수 있다.

다음 앞에서 설명한 도면들과 함께 도 23 내지 도 25를 참조하여 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치의 주변 영역(PA)에 대해 설명한다.

도 23은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치의 주변 영역을 나타낸 배치도이고, 도 24는 도 23에 도시한 광 변조 장치의 주변 영역의 일부를 확대한 배치도이고, 도 25는 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치에 구동 신호를 인가하였을 때 주변 영역에서 발생한 액정 분자의 배열이 흐트러진 비정상 영역이 시간에 따른 변화를 차례대로 보여주는 평면도이다.

도 23 및 도 24를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치의 주변 영역(PA)은 앞에서 설명한 도 20 내지 도 22에 도시한 실시예와 대부분 동일하나 전압 전달선(121)의 구조가 다를 수 있다.

본 실시예에 따르면 인접한 전압 전달선(121) 사이의 간격(S)이 복수의 단위 영역(Unit)의 한 피치(P)의 대략 80% 이상일 수 있다. 본 실시예의 경우 하판 전극(191)의 피치와 단위 영역(Unit)의 피치가 동일할 수 있고, 인접한 전압 전달선(121) 사이의 간격(S)이 복수의 하판 전극(191)의 한 피치(P)의 대략 80% 이상일 수 있다.

본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치(1)가 프레넬 렌즈를 구현하는 경우와 같이 단위 영역(Unit)이 다양한 피치(P)를 가지는 경우 전압 전달선(121) 사이의 간격(S)은 가장 넓은 폭을 가지는 단위 영역(Unit)의 피치(P)의 대략 80% 이상일 수 있다.

이에 따라 전압 전달선(121)의 상하폭도 오 20내지 도 22에 도시한 실시예에서보다 작아질 수 있다. 이에 따르면 주변 영역(PA)의 전압 전달선(121) 주변에서 배열이 흐트러지는 액정 분자(31)의 개수를 줄일 수 있고, 그에 따라 비정상 영역의 전파력도 약해질 수 있다. 이에 도 25를 참조하여 설명한다.

도 25(a)를 참조하면, 주변 영역(PA)에서 전압 전달선(121)의 가장자리 변 근처에 위치하는 액정 분자(31)의 배열이 일부 흐트러져 비정상 영역(A1)이 발생해도 도 22(b)에 도시한 바와 같이 주변으로 전파되지 않고 정체되어 있는 것을 확인할 수 있다.

도 24를 참조하면, 전압 전달선(121)은 하판 전극(191)과 연결되는 부분에 위치하며 면적이 확장되어 있는 확장부(124)를 포함할 수 있다. 확장부(124)의 상하폭은 하판 전극(191)과 중첩하지 않는 전압 전달선(121)의 부분의 상하폭보다 크다.

본 실시예에 따르면 하판 전극(191)이 접촉 구멍(145)을 통해 전압 전달선(121)의 확장부(124)와 전기적, 물리적으로 연결될 수 있다. 이에 따라 전압 전달선(121)과 하판 전극(191)의 접촉 면적이 넓어지므로 접촉 저항을 낮출 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면 도 23 내지 도 25에 도시한 바와 달리 각 하판 전극(191)은 구동 전압을 전달받는 해당 전압 전달선(121)이 위치하는 영역에까지만 연장되어 있고 그 바깥쪽까지 연장되어 있지 않을 수도 있다. 이와 같이 하판 전극(191)이 모든 전압 전달선(121)을 덮도록 연장되어 있지 않아도 전압 전달선(121) 사이의 간격(S)을 복수의 하판 전극(191)의 한 피치(P)의 대략 80% 이상이 되게 설계만 하여도 비정상 영역의 발생 빈도 및/또는 전파력을 상당히 줄일 수 있음이 확인되었다.

도 26은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 변조 장치 및 이에 연결된 구동부를 도시한 블록도이다.

도 26을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 복수의 전압 전달선(121)의 끝 부분(129)은 패드부를 형성할 수 있고, 패드부는 광 변조 장치의 구동부(700)와 배선(171)을 통해 연결되어 여러 구동 신호를 인가받을 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

1: 광 변조 장치
3: 액정층
11, 21: 배향자
31: 액정 분자
100: 제1판
110, 210: 기판
121: 전압 전달선
140: 절연층
191, 191a, 191b: 하판 전극
200: 제2판
290: 상판 전극
300: 표시 패널

Claims (16)

1. 액티브 영역 및 상기 액티브 영역의 주변에 위치하는 주변 영역을 포함하는 제1판,
   상기 제1판과 마주하는 제2판, 그리고
   상기 제1판 및 상기 제2판 사이에 위치하며 복수의 액정 분자를 포함하는 액정층
   을 포함하고,
   상기 제1판은 복수의 제1 전극, 복수의 전압 전달선 및 제1 배향자를 포함하고,
   상기 제2판은 적어도 하나의 제2 전극 및 제2 배향자를 포함하고,
   상기 제1 배향자의 배향 방향과 상기 제2 배향자의 배향 방향은 서로 실질적으로 평행하고,
   상기 복수의 전압 전달선은 상기 주변 영역에 위치하며 상기 제1 전극이 연장된 제1방향과 교차하는 제2방향으로 연장되어 있고,
   상기 제1 전극은 상기 주변 영역에서 상기 복수의 전압 전달선 중 제1 전압 전달선과 전기적으로 연결되어 있고,
   상기 제1 전극은 상기 복수의 전압 전달선 중 제2 전압 전달선과 중첩하는 부분을 포함하고,
   상기 제1 전압 전달선은 상기 제2 전압 전달선과 상기 액티브 영역 사이에 위치하고,
   상기 복수의 제1 전극 및 상기 제2 전극에 구동 전압이 인가되었을 때 복수의 단위 영역을 형성하고,
   상기 단위 영역을 단위로 상기 액정층의 위상 변화가 주기적으로 바뀌고,
   상기 복수의 전압 전달선 중 인접한 전압 전달선 사이의 상기 제1방향의 간격은 상기 단위 영역의 상기 제2방향의 피치의 80% 이상인
   광 변조 장치.
2. 제1항에서,
   상기 복수의 제1 전극은 상기 주변 영역에서 상기 복수의 전압 전달선 모두와 중첩하는 부분을 포함하는 광 변조 장치.
3. 제2항에서,
   상기 복수의 전압 전달선과 상기 복수의 제1 전극 사이에 위치하는 절연층을 더 포함하는 광 변조 장치.
4. 제3항에서,
   상기 절연층은 상기 복수의 제1 전극을 드러내는 복수의 접촉 구멍을 포함하는 광 변조 장치.
5. 삭제
6. 제4항에서,
   상기 전압 전달선은 확장부를 포함하고,
   상기 제1 전극은 상기 접촉 구멍을 통해 상기 확장부와 연결되어 있는
   광 변조 장치.
7. 제4항에서,
   상기 액정층에 전기장이 생성되지 않을 때, 상기 제1판에 인접한 액정 분자의 선경사 방향과 상기 제2판에 인접한 액정 분자의 선경사 방향은 서로 반대인 광 변조 장치.
8. 제7항에서,
   상기 액정층에 전기장이 생성되었을 때,
   상기 복수의 단위 영역 중 제1 단위 영역에 포함된 하나의 상기 제1 전극에 대응하는 상기 액정층에서, 상기 제1 전극에 인접한 영역에서의 전기장 세기가 상기 제2 전극에 인접한 영역에서의 전기장 세기보다 큰
   광 변조 장치.
9. 제8항에서,
   상기 제1 단위 영역에 이웃한 제2 단위 영역의 상기 액정층에서, 상기 제1판에 인접한 영역에서의 전기장 세기가 상기 제2판에 인접한 영역에서의 전기장 세기보다 작은 광 변조 장치.
10. 제7항에서,
    상기 복수의 단위 영역 중 제1 단위 영역 및 상기 제1 단위 영역에 이웃한 제2 단위 영역은 각각 하나의 상기 제1 전극을 포함하는 광 변조 장치.
11. 제10항에서,
    상기 제1 단위 영역이 포함하는 상기 제1 전극에 인가되는 전압은 상기 제2 단위 영역이 포함하는 상기 제1 전극에 인가되는 전압보다 큰 광 변조 장치.
12. 삭제
13. 삭제
14. 액티브 영역 및 상기 액티브 영역의 주변에 위치하는 주변 영역을 포함하는 제1판,
    상기 제1판과 마주하는 제2판, 그리고
    상기 제1판 및 상기 제2판 사이에 위치하며 복수의 액정 분자를 포함하는 액정층
    을 포함하고,
    상기 제1판은 복수의 제1 전극, 복수의 전압 전달선 및 제1 배향자를 포함하고,
    상기 제2판은 적어도 하나의 제2 전극 및 제2 배향자를 포함하고,
    상기 제1 배향자의 배향 방향과 상기 제2 배향자의 배향 방향은 서로 실질적으로 평행하고,
    상기 복수의 전압 전달선은 상기 주변 영역에 위치하며 상기 제1 전극이 연장된 제1방향과 교차하는 제2방향으로 연장되어 있고,
    상기 제1 전극은 상기 주변 영역에서 상기 복수의 전압 전달선 중 제1 전압 전달선과 전기적으로 연결되어 있고,
    상기 복수의 제1 전극 및 상기 제2 전극에 구동 전압이 인가되었을 때 복수의 단위 영역을 형성하고,
    상기 단위 영역을 단위로 상기 액정층의 위상 변화가 주기적으로 바뀌고,
    상기 복수의 전압 전달선 중 인접한 전압 전달선 사이의 상기 제1방향의 간격은 상기 단위 영역의 상기 제2방향의 피치의 80% 이상인
    광 변조 장치.
15. 제14항에서,
    상기 복수의 전압 전달선과 상기 복수의 제1 전극 사이에 위치하는 절연층을 더 포함하고,
    상기 전압 전달선은 확장부를 포함하고,
    상기 제1 전극은 상기 절연층의 접촉 구멍을 통해 상기 확장부와 연결되어 있는
    광 변조 장치.
16. 제14항에서,
    상기 액정층에 전기장이 생성되지 않을 때, 상기 제1판에 인접한 액정 분자의 선경사 방향과 상기 제2판에 인접한 액정 분자의 선경사 방향은 서로 반대인 광 변조 장치.

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