KR20030084055A - 반사형 액정 디스플레이의 투사 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반사형 액정 디스플레이의 투사 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 광원에서 방출되는 백색광에서 빛을 선택적으로 투과시키는 단계, 이렇게 선택 투과되는 빛을 순차적으로 적, 녹, 청 광으로 변환한 후 이 변환된 빛을 S-편광 빛과 P-편광 빛으로 분리하는 단계, 반사형 액정 디스플레이는 편광 빛을 제공받아 액정을 화소별 구동하여 화면을 구현하고, 이렇게 구현된 영상이 투영 렌즈계를 통해 스크린으로 확대 투사되는 단계, 화면 표시가 완료되면 반사형 액정 디스플레이에 리셋 전압이 인가되어 다음 화면 표시 전까지 전 화면이 강제적으로 블랙 표시하는 단계를 포함한다. 따라서, 본 발명은 단일 패널 반사형 액정 디스플레이 중 정상 상태에서 화이트 모드로 구동되는 반사형 액정 디스플레이가 화면 표시전 전 화면을 블랙 상태로 표시하는 리셋 상태를 두어 전체 시스템의 휘도를 향상시키고, 정상 상태에서의 화이트 모드로 구동되는 패널이 정상 상태에서 블랙 모드로 구동되는 패널처럼 동작함으로써 화이트 모드에서 문제시 되던 오프 타임 시간을 줄임으로써 광효율을 높이고, 그로 인해 광 누설을 줄일 수 있는 효과를 제공하여 준다.

Description

반사형 액정 디스플레이의 투사 시스템 및 그 방법{System for projection of Liquid Crystal On Silicon and method thereof}
본 발명은 반사형 액정 디스플레이에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단일 패널 엘코스 시스템에서 정상 상태에서의 화이트 모드가 갖는 단점을 제거하여 전체 휘도를 향상시키기 위한 반사형 액정 디스플레이의 투사 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
엘코스(LCOS, Liquid Crystal On Silicon)라 불리우는 액정 디스플레이는 평판 디스플레이로서 무게가 가벼울 뿐만 아니라 고해상도, 패널의 생산 원가 절감, 소비 전력이 적어 점차적으로 음극선관을 대신하여 대중화되고 있다. 이러한 엘코스는 마이크로 디스플레이를 실현할 수 있도록 구성되어 있다.
상기한 엘코스는 반도체 후면 기판과 전면 글라스 기판 사이에 액정 물질을 배치하여 이루어지고, 반사형으로 그 동작을 이루게 된다.
이러한 엘코스는 통상의 액정 표시장치와 달리 반도체 기판 위에 셀을 형성하게 되므로 이에 매트릭스 방식에 따른 구동 회로 및 각 픽셀의 구성요소들을 용이하게 배치할 수 있어 다른 장치와 달리 소형화가 가능하다.
일반적으로, 단일 패널 엘코스 시스템은 빛을 조사하는 조명계, 백색광을 R(Red)/G(Green)/B(Blue)로 색분리하는 칼라 분리 소자, 편광에 따라 빛을 분리하는 PBS(Polarizing Beam Splitter), 엘코스 패널과 스크린에 영상을 조사하는 투사계를 포함하여 구성된다.
도 1은 일반적인 단일 패널 엘코스 시스템의 구성이 도시된 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 단일 패널 엘코스 시스템은 광원(1)에서 방출된 백색광을 광학 필터(3)와 다수의 광학 렌즈 및 PBS(11)를 거쳐 LCOS 패널(10)에 제공하며, 엘코스 패널(10)이 구현한 영상을 투영 렌즈계(12)를 통해 스크린(15)에 확대 투사하여 영상을 구현한다.
이때, 광원(1)은 포물선 모양의 반사판(2)을 구비하여 광원(1)에서 방출된 빛이 광학 필터(3)를 향해 집중 조사되도록 한다. 그리고, 광학 필터(3)는 광원(1)에서 제공받은 빛 중에서 적외선과 자외선을 차단하여 가시광선 범위의 빛을 선택적으로 투과시킨다.
한쌍의 집광 렌즈(5)와 편광 변환계(PCS, Polarization Conversion System)(6)는 광학 필터(3)의 전면에 위치하고, 편광 변환계(6)는 광원에서 방출된 불안정한 편광 상태의 빛을 엘코스 패널(10)이 구동에 유리한 안정된 편광 상태로 변환한다.
결상 렌즈(7)는 편광 변환계(6)의 전면에 위치하여 편광 변환계(6)를 통과한 빛을 굴절시켜 편광판(8)에 결상시킨다. 이때, 편광판(8)은 자신의 편광축과 동일한 방향으로 진동하는 빛을 선택적으로 투과시키고, 칼라 분리 소자(9)는 편광판(8)과 PBS(11) 사이에 배치되어 광원에서 방출된 백색광을 순차적으로 R/G/B 광으로 분리하여 엘코스 패널(10)에 제공한다.
PBS(11)는 칼라 분리 소자(9) 및 편광판(8)에서 입사된 빛을 S-편광 빛과 P-편광 빛으로 분리시키며, 일반적으로 반사 효율이 우수한 S-편광 빛을 엘코스 패널(10)에 제공한다.
엘코스 패널(10)은 상기 편광된 빛을 제공받아 액정을 화소별 구동하여 화면을 구현하며, 엘코스 패널(10)을 투과되어 반사되어 나온 빛은 다시 PBS(11)에 입사되고, 이렇게 PBS(11)를 빠져나온 영상을 다수개 렌즈가 조합된 투영 렌즈계(12)를 거치면서 스크린(15)으로 확대 투사된다.
위에서 상술한 엘코스 패널(10)은 광원(1)에서 제공받은 백색광으로 풀-칼라 화면을 구현하는 정상 상태에서 화이트 모드(Normally white mode)로 구동된다.
도 2는 종래 기술의 실시예에 따른 정상 상태에서 화이트 모드로 구동되는엘코스 패널의 구동 파형과 출력광이 도시된 도면이다.
도 2에 나타나 있듯이, 정상 상태에서 화이트 모드로 구동되는 엘코스 패널은 초기 상태가 화이트 상태이므로 신호를 표시하기까지 도달하는 시간(ton)과 신호 표시 후 다시 초기상태로 돌아가는 시간(toff)이 존재한다.
따라서, toff시간동안은 신호와 상관없이 누설되는 광이 존재하므로 칼라 분리 소자(9)가 빛을 차단시켜 주어야 한다.
그런데, 엘코스 패널(10)은 콘트라스트(Contrast)와 휘도가 주요 특성이므로, 이를 위해 보다 밝은 화이트(White) 상태와 보다 어두운 블랙(Black) 상태를 표시할 수 있어야 한다. 그런데, 정상 상태에서 화이트 모드로 구동되는 엘코스 패널은 칼라 분리 소자(9)를 켤 수 있는 시간이 부족하여 정상 상태에서 블랙 모드(Normally black mode)로 구동되는 엘코스 패널에 비해 휘도 저하를 야기시키는 문제점이 있다.
본 발명은 위의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 단일 패널 반사형 액정 디스플레이 중 정상 상태에서 화이트 모드로 구동되는 반사형 액정 디스플레이가 화면 표시전 전 화면을 블랙 상태로 표시하는 리셋 상태를 두어 휘도 향상을 도모하기 위한 반사형 액정 디스플레이의 투사 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 일반적인 단일 패널 엘코스 시스템의 구성이 도시된 도면이다.
도 2는 종래 기술의 실시예에 따른 정상 상태에서 화이트 모드로 구동되는 엘코스 패널의 구동 파형과 출력광이 도시된 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예의 반사형 액정 디스플레이의 투사 방법이 도시된 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 정상 상태에서 화이트 모드로 구동되는 엘코스 패널의 구동 파형과 출력광이 도시된 도면이다.
상기한 바와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 반사형 액정 디스플레이의 투사 시스템의 특징에 따르면, 광원에서 방출되는 백색광에서 칼라 영상 표시에 필요한 파장대와 파장 방향에 맞게 안정된 편광 상태의 빛을 선택적으로 투과시키는 조명계; 상기 조명계에서 선택 투과되는 빛을 순차적으로 적, 녹, 청 광으로 변환하는 칼라 분리 소자; 상기 칼라 분리 소자에서 변환된 빛이 투과되어 S-편광 빛과 P-편광 빛으로 분리하는 편광 빔 스플리터; 상기 편광 빔 스플리터에서 상기 편광된 빛을 제공받아 액정을 화소별 구동하여 화면을 구현하고, 화면 표시 후 상기 칼라 분리 소자와 동기화 구동되면서 강제적으로 전 화면을 블랙(black) 표시하는 리셋(Reset) 전압이 공통전극에 변조 인가되는 반사형 액정 디스플레이; 및 상기 반사형 액정 디스플레이가 구현한 영상을 스크린으로 확대 투사하는 투영 렌즈계를 포함한다.
상기에서, 상기 반사형 액정 디스플레이는 리셋 전압이 상기 칼라 분리 소자의 턴-온 시간을 증가시킴으로써 화면 표시전 블랙 상태를 표시하는 것을 특징으로 한다. 상기 반사형 액정 디스플레이는 포화전압 이상의 리셋 전압이 인가되어 리셋 상태와 디스플레이 상태를 표시하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 반사형 액정 디스플레이의 투사 방법의 특징에 따르면, a) 광원에서 방출되는 백색광에서 칼라 영상 표시에 필요한 파장대와 파장 방향에 맞게 안정된 편광 상태의 빛을 선택적으로 투과시키는 단계; b) 상기 a) 단계에서 선택 투과되는 빛을 순차적으로 적, 녹, 청 광으로 변환한 후 이 변환된 빛을 S-편광 빛과 P-편광 빛으로 분리하는 단계; c) 반사형 액정 디스플레이는 상기 b)단계의 편광된 빛을 제공받아 액정을 화소별 구동하여 화면을 구현하고, 이렇게 구현된 영상이 투영 렌즈계를 통해 스크린으로 확대 투사되는 단계; 및 d) 상기 c) 단계를 통해 화면 표시가 완료되면 반사형 액정 디스플레이에 리셋 전압이 인가되어 다음 화면 표시 전까지 전 화면이 강제적으로 블랙(black) 표시하는 단계를 포함한다.
위에서, 상기 c) 단계에서 반사형 액정 디스플레이에 인가되는 리셋 전압은 포화 전압 이상의 전압이 인가되어 상기 반사형 액정 디스플레이가 초기 상태 이후 리셋 상태와 디스플레이 상태를 표시하도록 한다.
상기 c) 단계에서 반사형 액정 디스플레이에 인가되는 리셋 전압은 상기 b) 단계에서 적, 녹, 청 광으로 변환하는 시간을 조절하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예의 반사형 액정 디스플레이의 투사 방법이 도시된 순서도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예의 반사형 액정 디스플레이의 투사 방법은, 조명계가 광원에서 방출되는 백색광에서 칼라 영상 표시에 필요한 파장대와 파장 방향에 맞게 안정된 편광 상태의 빛을 선택적으로 투과시킨다.(S1)
여기서, 조명계는 반사경, 광학 필터, 집광렌즈, 편광 변환계, 결상렌즈, 편광판을 포함한다. 이러한 조명계는 백색광 가운데 자외선과 적외선을 제외한 가시광 파장대의 빛을 선택적으로 투과시키고, 불안정한 상태의 편광 빛을 안정 상태의 편광 빛으로 변환하며, 광 경로상에 배치되어 특정 편광축의 빛을 선택적으로 투과시키는 역할을 수행한다.
이렇게 조명계에서 선택 투과되는 빛을 칼라 분리 소자는 순차적으로 적, 녹, 청 광으로 변환하고(S2), 편광 빔 스플리터는 칼라 분리 소자에서 변환된 빛을 입사하여 S-편광 빛과 P-편광 빛으로 분리한다.(S3)
그러면, 반사형 액정 디스플레이는 편광 빔 스플리터에서 편광된 빛을 제공받아 액정을 화소별 구동하여 화면을 구현하고(S4), 투영 렌즈계는 반사형 액정 디스플레이가 구현한 영상을 스크린으로 확대 투사한다.(S5)
이때, 반사형 액정 디스플레이는 화면 표시 후 강제적으로 전 화면을 블랙(black) 표시하는 리셋(Reset) 전압이 공통전극에 변조 인가됨으로써 다음 화면 표시 전까지 블랙 상태를 표시한다.(S6)
따라서, 반사형 액정 디스플레이는 초기 상태 이후에 리셋 상태와 디스플레이 상태를 표시하게 되므로, 정상 상태에서 화이트 모드로 구동되는 반사형 액정 디스플레이가 정상 상태에서 블랙 모드로 구동되는 패널처럼 구동된다.
반사형 액정 디스플레이는 반도체 하부 기판에 스위칭 소자인 반도체 집적회로와 구동회로를 형성하고 액정층을 사이로 반도체 하부 기판에 상부 기판을 일체로 조합한 엘코스 패널로 이루어진다,
이때 액정층을 마주하는 상부 기판의 일면에는 인듐 틴 옥사이드(Indium Tin Oxide, ITO) 막과 같은 투명전극이 형성되고, 상부 기판과 마주하는 반도체 하부기판의 일면에는 각 화소별로 알루미늄막과 같은 반사전극이 형성된다. 이 투명전극과 반사전극이 조합되어 화소를 구성하면서 각각은 공통전극과 화소전극으로 기능한다.
위에서 상술한 리셋 전압은 포화 전압 이상의 전압으로 반사형 액정 디스플레이의 공통전극에 인가되는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 정상 상태에서 화이트 모드로 구동되는 엘코스 패널의 구동 파형과 출력광이 도시된 도면이다.
도 4에 나타나 있듯이, 반사형 액정 디스플레이가 화면 표시 후 다시 초기 상태로 되돌아가는 시간(toff)이 종래에 비해 줄어들어 칼라 분리 소자를 켤 수 있는 시간이 증가된다.
이렇게 칼라 분리 소자의 턴-온(Turn-on) 시간이 늘어나면 광효율이 향상되고, 리셋 상태가 블랙 상태로 처리되어 패널이 다음 화면 표시전 블랙 상태에 머물게 됨에 따라 누설되는 광이 줄어드는 효과를 얻게 된다.
위에서 설명한 광효율 증가분을 휘도로 간략히 계산해 보면, 정상 상태에서 화이트 모드로 구동되는 반사형 액정 디스플레이 경우의 광효율 증가분은 LTNB/LTNW=(서브 프레임 시간 - 응답시간/2)/(서브프레임 시간 - 응답시간)으로 간략히 계산할 수 있다. 여기서, NB는 Normally Black, NW는 Normally White를 각각 나타낸다.
480㎐ 서브 프레임 기준, 서브 프레임 시간=2.1ms, 응답시간=0.8ms이라 가정하면, LTNB/LTNW가 1.7/1.3으로 대략 30.8%의 휘도 향상 효과를 기대할 수 있다.
150와트, 40″스크린을 기준으로 한 실제 실험을 통한 광효율 증가분은, 본 발명에 의한 리셋 전압이 인가되는 반사형 액정 디스플레이는 409cd/㎡, 리셋 전압이 인가되지 않는 반사형 액정 디스플레이는 317cd/㎡으로 29% 가량 향상되어 위의 계산식에 의해 산출된 값과 유사한 값을 나타냄을 알 수 있다.
상기 도면과 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명에 의한 반사형 액정 디스플레이의 투사 시스템 및 그 방법은 단일 패널 반사형 액정 디스플레이 중 정상 상태에서 화이트 모드로 구동되는 반사형 액정 디스플레이가 화면 표시전 전 화면을 블랙 상태로 표시하는 리셋 상태를 두어 전체 시스템의 휘도를 향상시키는 효과가 있다.
본 발명에 의한 반사형 액정 디스플레이의 투사 시스템 및 그 방법은 정상 상태에서의 화이트 모드로 구동되는 패널이 정상 상태에서 블랙 모드로 구동되는 패널처럼 동작함으로써 화이트 모드에서 문제시 되던 오프 타임 시간을 줄임으로써광효율을 높이고, 그로 인해 광 누설을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 광원에서 방출되는 백색광에서 칼라 영상 표시에 필요한 파장대와 파장 방향에 맞게 안정된 편광 상태의 빛을 선택적으로 투과시키는 조명계;
    상기 조명계에서 선택 투과되는 빛을 순차적으로 적, 녹, 청 광으로 변환하는 칼라 분리 소자;
    상기 칼라 분리 소자에서 변환된 빛이 투과되어 S-편광 빛과 P-편광 빛으로 분리하는 편광 빔 스플리터;
    상기 편광 빔 스플리터에서 편광된 빛을 제공받아 액정을 화소별 구동하여 화면을 구현하고, 화면 표시 후 상기 칼라 분리 소자와 동기화 구동되면서 강제적으로 전 화면을 블랙(black) 표시하는 리셋(Reset) 전압이 공통전극에 변조 인가되는 반사형 액정 디스플레이; 및
    상기 반사형 액정 디스플레이가 구현한 영상을 스크린으로 확대 투사하는 투영 렌즈계
    을 포함하는 반사형 액정 디스플레이의 투사 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사형 액정 디스플레이는 리셋 전압이 상기 칼라 분리 소자의 턴-온 시간을 증가시킴으로써 화면 표시전 블랙 상태를 표시하는 것을 특징으로 하는 반사형 액정 디스플레이의 투사 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사형 액정 디스플레이는 포화전압 이상의 리셋 전압이 인가되어 리셋 상태와 디스플레이 상태를 표시하는 것을 특징으로 하는 반사형 액정 디스플레이의 투사 시스템.
  4. a) 광원에서 방출되는 백색광에서 칼라 영상 표시에 필요한 파장대와 파장 방향에 맞게 안정된 편광 상태의 빛을 선택적으로 투과시키는 단계;
    b) 상기 a) 단계에서 선택 투과되는 빛을 순차적으로 적, 녹, 청 광으로 변환한 후 이 변환된 빛을 S-편광 빛과 P-편광 빛으로 분리하는 단계;
    c) 반사형 액정 디스플레이는 상기 b) 단계의 편광된 빛을 제공받아 액정을 화소별 구동하여 화면을 구현하고, 이렇게 구현된 영상이 투영 렌즈계를 통해 스크린으로 확대 투사되는 단계; 및
    d) 상기 c) 단계를 통해 화면 표시가 완료되면 반사형 액정 디스플레이에 리셋 전압이 인가되어 다음 화면 표시 전까지 전 화면이 강제적으로 블랙(black) 표시하는 단계
    를 포함하는 반사형 액정 디스플레이의 투사 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 c) 단계에서 반사형 액정 디스플레이에 인가되는 리셋 전압은 포화 전압 이상의 전압이 인가되어 상기 반사형 액정 디스플레이가 초기 상태 이후 리셋 상태와 디스플레이 상태를 표시하도록 하는 것을 특징으로 하는 반사형 액정 디스플레이의 투사 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 c) 단계에서 반사형 액정 디스플레이에 인가되는 리셋 전압은 상기 b) 단계에서 적, 녹, 청 광으로 변환하는 시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 반사형 액정 디스플레이의 투사 방법.
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