KR20090047933A - 2ｄ-3ｄ컨버터블 디스플레이 장치, 2ｄ-3ｄ컨버터블디스플레이 방법 및 2ｄ-3ｄ컨버터블 디스플레이를 위한액정 마이크로 렌즈 어레이 제조 방법 - Google Patents

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한양대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치, 2D-3D 컨버터블 디스플레이 방법 및 2D-3D 컨버터블 디스플레이를 위한 액정 마이크로 렌즈 어레이 제조 방법에 관한 것이다. 상기 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치는 백라이트 유닛과, 2D 영상 또는 3D 영상을 디스플레이하는 디스플레이 패널과, 상기 백라이트 유닛과 상기 디스플레이 패널 사이에 배치되고, 외부 전압의 온오프에 따라서 액정층의 배열 방향을 제어하고, 상기 액정층의 배열 방향에 따라서 상기 백라이트 유닛으로부터 입사된 광의 편광 방향을 조절하여 상기 디스플레이 패널을 통하여 상기 2D 영상 또는 상기 3D 영상이 디스플레이되도록 제어하는 액정 마이크로렌즈 어레이를 포함한다. 외부 인가 전압의 변화에 따라서 액정 마이크로 렌즈 어레이의 초점 거리가 변하지 않으므로 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치의 영상 품질을 향상시킬 수 있고, 렌즈 형상을 가지는 유리 기판을 사용하지 않음으로써 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치의 제조 비용을 줄일 수 있다.
마이크로 렌즈, 마이크로 렌즈 어레이, 액정 폴리머, 2D-3D 컨버터블, 디스플레이

Description

2Ｄ-3Ｄ컨버터블 디스플레이 장치, 2Ｄ-3Ｄ컨버터블 디스플레이 방법 및 2Ｄ-3Ｄ컨버터블 디스플레이를 위한 액정 마이크로 렌즈 어레이 제조 방법{Method and Apparatus for 2D-3D Convertible Display, and Method of manufacturing liquid crystal microlens array for 2D-3D Convertible Display}
본 발명은 2D-3D 컨버터블 디스플레이에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인테그럴 포토그래피(Integral Photography) 기술을 사용하여 2D-3D 영상을 변환시키는 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치 및 2D-3D 컨버터블 디스플레이 방법에 관한 것이다.
최근들어 디스플레이 기술의 발전에 따라서 3차원(3D) 디스플레이 기술이 관심을 끌고 있으며, 다양한 3D 디스플레이 방법이 연구되고 있다.
3차원(3D) 디스플레이 기술 중 하나인 인테그럴 포토그래피(Integral Photography, 이하 ‘IP') 방식은 별도의 관찰용 안경이 필요없이 원하는 위치에서 입체영상을 자동적으로 얻을 수 있는 진보된 방식이다. IP 방식의 디스플레이는 마이크로렌즈 어레이 또는 핀홀 어레이등을 구성요소로서 포함하며 공학, 의학, 시뮬레이션등에 널리 응용되고 있다.
한편, 현재의 디스플레이 시장에서는 고화질 2차원(2D) 플랫 패널 디스플레이(Flat Panel Display, FPD)가 주류를 이루고 있고, 3D 디스플레이 시장은 아직 충분히 성숙되어 있지 않다. 3D-2D 컨버터블 디스플레이(2D-3D convertible display)는 2D 디스플레이에서 3D 디스플레이로 넘어가기 위한 디딤돌 역할을 하고 있으며 3D-2D 컨버터블 디스플레이를 구현하기 위한 다양한 연구들이 이루어지고 있다.
한국등록특허 제440955호(발명의 명칭 “2D/3D 겸용 디스플레이”)에서는 마이크로 렌즈 어레이를 이용한 2D/3D 겸용 디스플레이 장치를 개시하고 있으며, 도 1 내지 도 3은 상기 한국등록특허 제440955호에 개시된 2D/3D 겸용 디스플레이 장치를 나타낸다.
도 1은 종래의 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치의 분해 사시도이고, 도 2 및 도 3은 도 1의 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치가 각각 3D 모드 및 2D 모드로 동작하는 경우의 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치를 나타낸 개념도이다.
도 1을 참조하면, 상기 종래의 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치는 이미지 형성 디스플레이 패널(21), 렌즈부(22, 23, 24, 25, 26) 및 상기 렌즈부(22, 23, 24, 25, 26)에 대해 선택적으로 전원을 공급시킬 수 있는 외부 전원 공급부(미도시)를 포함한다.
도 2를 참조하면, 상기 종래의 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치는 이미지 형성 디스플레이 패널(31) 및 렌즈부(37)로 구성되며, 렌즈부(37)는 투명 기판(32, 34), 투명 기판사이에 개재된 액정층(33), 및 상하부 매트릭스 전극(35, 36)으로 구성된다. 렌즈부(37)는 입체 영상을 형성시키기 위해 이미지 형성 디스플레이 패널(31)로부터 방출되는 광을 픽셀 단위로 구별하여 굴절시키는 다수의 반구 형상의 렌즈를 포함하는 렌즈 어레이 구조를 가지는 액정층(33)을 포함한다.
액정층(33)은 외부 전원의 인가 여부에 따라서 굴절율이 변하되는 네마틱(Nematic) 액정으로 구성되어 상기 렌즈부(37) 전체를 렌즈로서의 기능을 하게 하거나 단지 투광면으로서의 기능을 하도록 한다. 액정층(33)은 반구 형상의 렌즈들을 이미지 형성 디스플레이 패널(31) 전면부에 다수 형성시키되 도 2에 도시된 바와 같이 개개의 단위 렌즈가 이미지 형성 디스플레이 패널(31) 상의 소정 픽셀들에 대응되도록 한다. 액정층(33) 양쪽에는 투명 기판(32, 34)은 서로 동일한 굴절율을 가지도록 형성된다.
전원공급부에 의해 상하부 매트릭스 전극(35, 36)을 통하여 전원을 인가하지 않은 상태에서는 도 2에 도시된 바와 같이 액정층(33)의 굴절률이 상하부 투명기판들(32, 34)과 서로 다른 굴절율을 나타낸다. 이때 이미지 형성 디스플레이 패널(31)에서 제공되는 광은 액정층(33)을 통과하는 과정에서 렌즈가 형성된 것과 같이 액정층(33)의 각각의 단위렌즈에서 굴절이 일어나게 되어 3D 모드로 영상을 디스플레이한다.
전원공급부에 의해 상하부 매트릭스 전극(35, 36)을 통하여 전원을 인가하게 되면 도 3에 도시된 바와같이 상기 인가된 전원에 의해 액정층(33)의 배열이 변하여 굴절율이 변하여 상하부 투명기판(32, 34)의 굴절율과 같은 굴절율을 갖게 된다. 따라서, 렌즈부(37) 전체적으로 하나의 유리판과 같은 동일한 굴절율로 기능을 하여 이미지 형성 패널 디스플레이(31)에서 방출되는 빛을 그대로 통과시켜 2D 영상 모드로 영상을 디스플레이한다.
그러나, 이와 같은 종래의 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치는 렌즈 형상을 갖는 투명 유리 기판(34)이 별도로 필요하며 렌즈 형상을 갖는 투명 유리 기판(34)을 제작하기 위한 제작 비용도 매우 비싸다. 또한, 액정층(33)을 배양하는 경우 배양 불균일로 인하여 액정 렌즈의 품질이 저하될 수 있다. 즉, 액정층(33)의 두께도 렌즈 형상에 따라 일정치 않아 액정 배양을 균일한 방향으로 해주는 것이 매우 어려우며 인가 전압에 따라 액정 렌즈의 초첨 거리가 변하는 단점으로 인하여 액정렌즈의 품질도 떨어져 3D/2D 영상의 화질에 좋지 못한 영향을 주는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 제1 목적은 제조 비용을 줄일 수 있고 향상된 영상 품질을 제공하기 위한 2D-3D 영상 컨버터블 디스플레이 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 제2 목적은 제조 비용을 줄일 수 있고 향상된 영상 품질을 제공하기 위한 2D-3D 영상 컨버터블 디스플레이 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 제3 목적은 제조 비용을 줄일 수 있고 향상된 영상 품질을 제공하기 위한 2D-3D 영상 컨버터블 디스플레이를 위한 액정 마이크로 렌즈 어레이 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치는 백라이트 유닛과, 상기 백라이트 유닛으로부터 입사된 광을 다수의 픽셀을 통하여 출력하는 디스플레이 패널과, 상기 디스플레이 패널로 부터 출력된 광을 외부 전압의 온오프에 따라서 액정층의 배열 방향을 제어하고, 상기 액정층의 배열 방향에 따라서 상기 디스플레이 패널로부터 출력된 광의 편광 방향을 조절하여 2D 영상 또는 3D 영상이 디스플레이되도록 제어하는 액정 마이크로렌즈 어레이를 포함한다. 상기 액정 마이크로렌즈 어레이는 상기 외부 전압이 인가되지 않은 경우 상기 디스플레이 패널로부터 출력된 광의 편광 방향을 실질적으로 90도 만큼 회전시켜 상기 2D 영상을 디스플레이하도록 제어하고, 상기 외부 전압이 인가된 경우 상기 디스플레이 패널로부터 출력된 광의 편광 방향을 그대로 유지하여 상기 3D 영상을 디스플레이하도록 제어할 수 있다. 상기 액정 마이크로렌즈 어레이는 상기 디스플레이 패널로부터 출력된 광을 상기 외부 전압의 온오프에 따라서 상기 액정층의 배열 방향을 제어하여 상기 디스플레이 패널로부터 출력된 광의 편광 방향을 제어하는 편광 방향 제어부와, 다수의 단위 렌즈 구조를 포함하며, 상기 액정층을 통과하여 입사된 광의 편광 방향에 따라 상기 액정층을 통과하여 입사된 광을 상기 다수의 단위 렌즈를 그대로 직진시켜 통과시키거나 상기 다수의 단위 렌즈에서 굴절되도록 하여 통과시키는 초점부와, 상기 편광 방향 제어부와 상기 초점부 사이에 배치된 액정층을 포함할 수 있다. 상기 편광 방향 제어부는 상기 외부 전압이 인가되지 않은 경우 상기 액정층을 제1 방향으로 배열시켜 상기 디스플레이 패널로부터 출력된 광의 편광 방향을 실질적으로 90˚만큼 회전시켜 상기 초점부로 제공할 수 있다. 상기 편광 방향 제어부는 상기 외부 전압의 제1 전극에 전기적으로 결합되고, 상기 디스플레이 패널로부터 출력된 광을 투과시키는 제1 투명 전극층과, 상기 제1 투명 전극층 상에 형성된 제1 배향막과, 상기 외부 전극의 온 오프에 따라서 배열 방향이 변경되는 액정층을 포함할 수 있다. 상기 초점부는 상기 액정층을 통과하여 입사된 광을 제공받는 다수의 단위 렌즈 구조를 가지는 액정 폴리머와, 상기 액정 폴리머 상에 배치된 제2 배향막과, 상기 제2 배향막상에 배치되고, 상기 다수의 단위 렌즈의 형상에 상응하는 구조를 가지는 마이크로 렌즈를 포함하되, 상기 액정 폴리머와 상기 마이크로 렌즈는 상기 액정층을 통과하여 입사된 광의 편광 방향에 따라 상기 액정층을 통과하여 입사된 광을 굴절없이 그대로 통과시키거나 또는 상기 액정층을 통과하여 입사된 광을 굴절시켜 통과시킬 수 있다. 상기 외부 전압이 인가되지 않은 경우 상기 액정 폴리머에서 느끼는 유효 굴절율이 상기 마이크로 렌즈의 굴절율과 동일하고, 상기 외부 전압이 인가된 경우 상기 액정 폴리머에서 느끼는 유효 굴절율이 상기 마이크로 렌즈의 굴절율과 다를 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 백라이트 유닛 및 디스플레이 패널을 가지는 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치에서의 2D-3D 컨버터블 디스플레이 방법은, 상기 백라이트 유닛으로부터 생성된 광을 상기 디스플레이 패널의 다수의 픽셀을 통하여 출력하는 단계와, 외부 전압의 인가 여부에 따라서 액정층의 배열 방향을 제1 방향 또는 상기 제1 방향에 실질적으로 수직한 제2 방향으로 조절하는 단계와, 상기 디스플레이 패널로부터 출력된 광을 상기 배열 방향이 조절된 액정층을 통과시키는 단계와, 상기 액정층을 통과한 광의 편광 방향에 따라서 상기 액정층을 통과한 광을 다수의 단위 렌즈를 그대로 직진시켜 통과시켜 2D 영상을 디스플레이하거나 또는 상기 다수의 단위 렌즈에서 굴절되도록 하여 3D 영상을 디스플레이하는 단계를 포함한다. 상기 외부 전압의 인가 여부에 따라서 액정층의 배열 방향을 제1 방향 또는 상기 제1 방향에 실질적으로 수직한 제2 방향으로 조절하는 단계는 상기 외부 전압이 인가되지 않은 경우 상기 디스플레이 패널로부터 출력된 광의 편광 방향을 실질적으로 90도 만큼 회전시켜 상기 제2 방향으로 변경하는 단계와, 상기 외부 전압이 인가된 경우 상기 디스플레이 패널로부터 출력된 광의 편광 방향을 그대로 유지하여 상기 제1 방향으로 유지하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 액정층을 통과한 광의 편광 방향에 따라서 상기 액정층을 통과한 광을 다수의 단위 렌즈를 그대로 직진시켜 통과시켜 2D 영상을 디스플레이하거나 또는 상기 다수의 단위 렌즈에서 굴절되도록 하여 3D 영상을 디스플레이하는 단계는 상기 외부 전압이 인가되지 않은 경우 상기 제2 방향으로 배열된 액정층을 통과한 광을 상기 다수의 단위 렌즈로 그대로 직진시켜 통과시켜 상기 2D 영상을 디스플레이하는 단계와, 상기 외부 전압이 인가된 경우 상기 제1 방향으로 배열된 액정층을 통과한 광을 상기 다수의 단위 렌즈에서 굴절되도록 하여 상기 3D 영상을 디스플레이하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 제3 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 백라이트 유닛, 디스플레이 패널 및 상기 백라이트 유닛으로부터 생성되어 상기 디스플레이 패널을 거쳐 출력된 광을 제공받아 2D 영상 또는 3D 영상을 디스플레이하는 액정 마이크로 렌즈 어레이로 구성된 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치의 상기 액정 마이크로 렌즈 어레이 제조 방법은 상기 디스플레이 패널로부터 출력된 광을 투과시키기 위한 소정 두께의 제1 투명 전극층을 준비하는 단계와, 상기 제1 투명 전극 층 상에 제1 배향막을 형성하는 단계와, 제2 투명 전극층을 준비하는 단계와, 상기 제2 투명 전극층 상에 포토 마스크를 이용하여 다수의 단위 렌즈를 포함하는 마이크로 렌즈층을 형성하는 단계와, 상기 다수의 렌즈 단위 렌즈를 포함하는 마이크로 렌즈상에 소정 두께로 제2 배향막을 형성하는 단계와, 상기 제2 배향막상에 상기 다수의 단위 렌즈에 상응하는 형상을 갖도록 액정 폴리머층을 형성하여 마이크로 렌즈 어레이 기판을 제공하는 단계와, 상기 제1 배향막이 형성된 제1 투명 전극층과 상기 마이크로 렌즈 어레이 기판 사이에 외부 전극의 온오프에 따라서 배열 방향이 제1 방향 또는 상기 제1 방향에 실질적으로 수직인 제2 방향으로 변경되는 액정층을 개재시키는 단계를 포함한다. 상기 액정 마이크로렌즈 어레이는 상기 디스플레이 패널로부터 출력된 광을 상기 외부 전압의 온오프에 따라서 상기 액정층의 배열 방향을 제어하고, 상기 액정층의 배열 방향에 따라서 상기 디스플레이 패널로부터 출력된 광의 편광 방향을 조절하여 상기 다수의 단위 렌즈를 그대로 직진시켜 통과시켜 상기 2D 영상을 디스플레이하거나 또는 상기 다수의 단위 렌즈에서 굴절되도록 하여 통과시켜 상기 3D 영상을 디스플레이할 수 있다. 상기 액정 폴리머와 상기 마이크로 렌즈는 상기 액정층을 통과하여 입사된 광의 편광 방향에 따라 상기 액정층을 통과하여 입사된 광을 굴절없이 그대로 통과시키거나 또는 상기 액정층을 통과하여 입사된 광을 굴절시켜 통과시킬 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치, 2D-3D 컨버터블 디스플레이 방법 및 2D-3D 컨버터블 디스플레이를 위한 액정 마이 크로 렌즈 어레이 제조 방법에 따르면, 디스플레이 패널로부터 출력된 광을 외부 전압의 온오프에 따라서 액정층의 배열 방향을 제어하고, 상기 액정층의 배열 방향에 따라서 상기 디스플레이 패널로부터 출력된 광의 편광 방향을 조절하여 2D 영상 또는 3D 영상을 디스플레이한다.
따라서, 외부 인가 전압의 변화에 따라서 액정 마이크로 렌즈 어레이의 초점 거리가 변하지 않으므로 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치의 영상 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 렌즈 형상을 가지는 유리 기판을 사용하지 않음으로써 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치의 제조 비용을 줄일 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "상부" 있다거나 "하부" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 형성되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있 지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치를 나타낸 개념도이고, 도 5는 3D 모드로 동작시 도 4의 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치를 나타낸 단면도이고, 도 6은 2D 모드로 동작시 도 4의 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치를 나타낸 단면도이다. 도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치가 3D 모드로 동작할 경우 3D 영상이 디스플레이되는 과정을 나타낸 개념도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치는 백라이트 유닛(100), 액정 마이크로렌즈 어레이(200) 및 디스플레이 패널(300)를 포함한다.
백라이트 유닛(100)은 디스플레이 패널(300)의 후면에서 디스플레이 패널(300)로 광을 조사한다.
디스플레이 패널(300)은 백라이트 유닛(100) 및 액정 마이크로렌즈 어레 이(200) 사이에 배치되어 백라이트 유닛(100)으로부터 제공된 광을 다수의 픽셀들을 거쳐서 액정 마이크로렌즈 어레이(200)로 제공한다. 디스플레이 패널(300)은 예를 들어 투과형(transmissive type) 액정 표시 패널이 될 수 있으나, 액정 표시 패널에만 한정되는 것이 아니며 백라이트를 사용하는 수동 표시 소자를 사용하는 디스플레이 패널이라면 다른 디스플레이 패널도 포함할 수 있다.
액정 마이크로렌즈 어레이(200)는 소정의 외부 전압 V를 인가받아 상기 외부 전압의 온오프 동작에 의해 상기 디스플레이 패널(30)으로부터 입사된 광의 편광 방향을 조절하여 그대로 직진시켜 2D 영상을 디스플레이하거나 또는 단위 렌즈별로 굴절이 일어나도록하여 3D 영상을 디스플레이한다.
액정 마이크로렌즈 어레이(200)의 구체적인 구조 및 동작에 대해서는 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 액정 마이크로렌즈 어레이(200)는 초점부(200a) 및 편광 방향 제어부(200b) 및 를 포함한다.
편광 방향 제어부(200b)는 제1 투명 전극층(223), 제1 배향막(221) 및 액정층(210)을 포함한다. 편광 방향 제어부(200b)는 디스플레이 패널(300)을 통과한 광을 제공받아 외부 전압 V의 인가 유무에 따라 액정층(210)의 배열 방향을 제어하여 초점부(200a)로 입사되는 광의 편광 방향을 제어한다. 상기 외부 전압 V은 예를 들어 20 볼트 내지 150 볼트가 될 수 있다. 외부 전압의 크기가 작을 수록 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치는 저전력으로 구동이 가능하다.
제1 투명 전극층(223)은 백라이트 유닛(100)으로부터 제공되어 디스플레이 패널(300)을 통과한 광을 투과시키며, 제1 투명 전극층(223)은 상기 외부 전압 V과 전기적으로 연결되어 3D 모드로 동작할 경우 상기 외부 전압 V가 인가된다. 제1 투명 전극층(223)은 투명한 도전성 물질로 이루어진다. 제1 투명 전극층(223)은 예를 들어 ITO(Indium-Tin-Oxide)로 이루어질 수 있으나, 투명한 도전성 물질이라면 반드시 ITO에만 한정되는 것은 아니며 다른 물질도 가능하다.
제1 배향막(221)은 액정층(210)의 분자들을 정렬시키기 위하여 제1 투명 전극층(223) 상에 형성된다.
액정층(210)은 외부 전압 V의 인가 유무에 따라 배열 방향이 제1 방향 또는 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 변경된다. 액정층(210)은 예를 들어 TN(Twisted Nematic) 액정 또는 강유전성 액정(Ferro-electric Liquid Crystal; FLC)으로 이루어질 수 있다. 강유전성 액정(FLC)를 사용하는 경우에는 바이스테이블 모드(bistable mode) 또는 엘렉트로클리닉 모드(electroclinic mode)등으로 사용 가능하다. 액정층(210)은 외부 전압 V의 인가 유무에 따라 액정 배열 방향이 제1 방향 또는 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 변경할 수 있는 다른 액정도 사용이 가능하다. 이하에서는 액정층(210)으로 TN 액정을 사용하는 경우를 예로 들어 설명한다.
초점부(200a)는 액정 폴리머(Liquid Crystal Polymer; LCP)(207), 제2 배향막(205), 마이크로 렌즈(203) 및 제2 투명 전극층(201)를 포함한다.
초점부(200a)는 액정층(210)을 통과하여 입사된 광의 편광 방향에 따라 액정 폴리머(LCP, 207)의 이상광 굴절율(extra-ordinary refractive index) ne, 정상광 굴절율(ordinary refractive index) no의 영향으로 렌즈 역할을 하여 액정층(210)을 통과하여 입사된 광의 초점을 모으기도 하고 퍼지도록 하기도 한다.
초점부(200a)는 액정층(210)을 통과하여 입사된 광의 편광 방향에 따라 액정 폴리머(LCP, 207)의 굴절율과 마이크로 렌즈(203)의 굴절율의 차이를 제어한다. 따라서, 종래 한국등록특허 제440955호에 개시된 액정 렌즈에서는 인가 전압에 따라 초점 거리가 변하는 단점이 있으나, 본 발명의 액정 마이크로렌즈 어레이(200)는 외부 인가 전압에 따라 초점 거리가 일정하며 외부 인가 전압의 변화에 대해 안정된 렌즈 효과를 얻을 수 있다.
제2 투명 전극층(201)은 입사된 광을 투과시키며, 제2 투명 전극층(201)은 상기 외부 전압 V과 전기적으로 연결되어 3D 모드로 동작할 경우 상기 외부 전압 V가 인가된다. 제2 투명 전극층(201)은 투명한 도전성 물질로 이루어진다. 제2 투명 전극층(201)은 예를 들어 ITO(Indium-Tin-Oxide)로 이루어질 수 있으나, 투명한 도전성 물질이라면 반드시 ITO에만 한정되는 것은 아니며 다른 물질도 가능하다.
마이크로 렌즈(203)는 제2 투명 전극층(201)상에 형성된다. 마이크로 렌즈(203)는 UV(Ultra Violet) 경화성 고분자 물질로 이루어질 수 있다.
제2 배향막(205)은 액정 폴리머(207) 분자들을 정렬시키기 위하여 마이크로 렌즈(203)상에 형성된다.
액정 폴리머(207)는 제2 배향막(205) 상에 형성되며, 액정층(210)을 통과하여 입사된 광의 편광 방향에 따라 렌즈 역할을 수행할 수 있도록 각각 렌즈 형상의 표면을 가지는 다수의 단위 렌즈 구조를 가진다. 액정 폴리머(207)는 용융 상태에 서 결정 상태를 유지하고 성형이 가능한 플라스틱 물질인 액정 폴리머로 이루어질 수 있다. 마이크로 렌즈(203)는 액정 폴리머(207)의 렌즈 형상의 표면을 덮는 구조를 가진다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치의 동작 방법을 도 5 및 도 7을 참조하여 설명한다.
편광 방향 제어부(200a)는 백라이트 유닛(100)으로부터 발생되어 디스플레이 패널(300)을 통과한 광을 제공받아 외부 전압 V의 인가 유무에 따라 액정층(210)의 배열 방향을 제어하여 초점부(200a)로 입사되는 광의 편광 방향을 제어한다.
도 5를 참조하면, 외부 전압 V가 제1 투명 전극층(223) 및 제2 투명 전극층(201)에 인가되지 않은 상태에서는 2D 모드로 동작한다. 구체적으로, 외부 전압 V가 인가되지 않은 경우 편광 방향 제어부(200b)의 액정층(210)의 TN(Twisted Nematic) 액정이 제1 방향으로 배열하여 디스플레이 패널(300)로부터 입사되는 광의 편광 방향을 90˚만큼 회전시켜 초점부(200b)로 입사시키고, 초점부(200a)는 상기 편광 방향에 대해 액정 폴리머(207)에서 느끼는 유효 굴절율이 UV 경화성 고분자 물질로 이루어진 마이크로 렌즈(203)의 굴절율과 동일하게 되어 디스플레이 패널(300)로부터 입사되는 광이 그대로 직진하여 초점부(200a)를 투과한다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 영상을 2D 이미지로 볼 수 있다.
반면에, 외부 전압 V가 제1 투명 전극층(223) 및 제2 투명 전극층(201)에 인가된 상태에서는 3D 모드로 동작한다. 구체적으로, 도 6을 참조하면, 외부 전압 V가 인가되면 액정층(210)의 배열 방향이 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 변 하여 액정층(210)을 통과한 광의 편광 방향은 디스플레이 패널(300)로부터 입사된 광의 편광 방향을 그대로 유지하며 편광 방향 제어부(200b)를 통과하여 초점부(200a)로 입사된다. 이때, 액정 폴리머(207)에서 느끼는 유효 굴절율이 UV 경화성 고분자 물질로 이루어진 마이크로 렌즈(203)과 다른 굴절율을 갖게 되어 렌즈 역할을 하게 되어 초점부(200a)를 통과하면서 디스플레이 패널(300)로부터 입사되는 광의 방향이 바뀌게 되어 단위 렌즈별로 굴절 현상이 생긴다. 따라서, 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치에서는 영상을 3D 이미지로 볼 수 있다.
도 8 내지 도 13는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치의 마이크로 렌즈 어레이 기판을 제조하는 과정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 8 내지 도 13을 참조하면, 먼저 도 8에서 도시된 바와 같이 제2 투명 전극층(201)이 준비된 후, 도 9에 도시된 바와 같이 UV 경화성 폴리머 물질(202)이 제2 투명 전극층(201) 상에 소정 속도로 소정 시간 동안 스핀 코팅되어 소정 두께로 형성된다. 예를 들어, 상기 UV 경화성 폴리머 물질(202)이 ITO 전극층 상에 1000 rpm의 속도로 10 초 동안 스핀 코팅되어 UV 경화성 폴리머 물질(202)이 약 18um의 두께로 형성될 수 있다.
그 다음, 도 10에 도시된 바와 같이 소정 파장의 자외선(Ultra Violet)을 소정 패턴이 형성된 포토 마스크(10)를 통과시켜 소정 시간동안 UV 경화성 폴리머 물질(202)로 조사시킨다. 예를 들어, 자외선의 파장은 365nm가 될 수 있고, 자외선의 소스로 300 와트(W)의 제논 램프파워를 사용할 수 있다. UV 경화성 폴리머 물질(202) 표면을 경화시키기 위하여 포토 마스크(10)를 제거한 상태에서 예를 들어 5분 동안 추가적으로 자외선이 조사시켜 마이크로 렌즈(203)를 형성할 수 있다.
그 다음, 도 11에 도시된 바와 같이 액정 폴리머(LCP) 분자들을 정열시키기 위하여 UV 경화성 폴리머 물질로 이루어진 마이크로 렌즈(203)상에 균질(homogeneous) 배향막을 스핀 코팅한 후 롤러(20)를 이용하여 균질 배향막을 역평행(anti-parallel) 방향으로 러빙하여 균질 배향막(205)을 형성한다. 그 다음, 도 12에 도시된 바와 같이 액정 폴리머 물질이 균질 배향막(205) 상에 소정 속도로 소정 시간 동안 스핀 코팅된다. 예를 들어, 상기 액정 폴리머 물질이 균질 배향막(205) 상에 3000 rpm의 속도로 30초동안 스핀 코팅되어 액정 폴리머 물질층(206)을 형성할 수 있다. 그 다음, 도 13에 도시된 바와 같이 액정 폴리머 물질층(206)은 소정 시간-예를 들어 5분- 동안 소정 온도-예를 들어 섭씨 60도-에서 오븐에서 경화되고 소정 시간 동안 자외선이 조사되어 액정 폴리머층(207)을 형성한다.
상기와 같은 제조 공정으로 본 발명의 일실시예에 따른 초점부(200b)에 대응하는 마이크로 렌즈 어레이 기판을 제조할 수 있다. 예를 들어, 액정 폴리머(207)의 폭 및 UV 경화성 물질인 마이크로 렌즈(203)의 폭은 각각 6um 및 14um가 될 수 있고, 각각의 마이크로 렌즈(203)의 직경 및 내부 깊이는 각각 200um 및 4 um가 될 수 있다. 예를 들어 액정 폴리머(207)의 정상광 굴절율(ordinary refractive index) No는 1.529, 이상광 굴절율(extra-ordinary refractive index)은 1.684, UV 경화성 물질인 마이크로 렌즈(203)의 굴절율은 1.56이 될 수 있다.
입사광의 편광 방향을 조절할 수 있는 편광 방향 제어부(200a)를 제조하기 위해서는 소정의 기판에 제1 투명 전극층(223)을 코팅하고, 제1 투명 전극층(223) 상에 제1 배향막(221)을 형성한다. 상기 도 8 내지 도 13과 같은 과정에 의해 제조된 평평한 초점부(200a)를 포함하는 마이크로 렌즈 어레이 기판상에 드랍 방식(dropping method)에 의해서 TN(Twisted Nematic) 액정 물질을 채운후, 상기 마이크로 렌즈 어레이 기판과 투명 전극(223)이 코팅된 기판 사이에 갭 스페이서(gap spacer)를 이용하여 TN 액정을 끼워넣는다.
액정층(210)으로 강유전성 액정(FLC)을 사용하는 경우에는 상기 도 8 내지 도 13과 같은 과정에 의해 제조된 평평한 초점부(200a)상에 드랍 방식(dropping method)에 의해서 등방성 상(isotropic phase)(>섭씨 98 도)에서 강유전성 액정(Ferro-electric Liquid Crystal; FLC) 물질을 채운다. 상기 강유전성(FLC) 물질은 상기 마이크로 렌즈 어레이 기판과 투명 전극(223)이 코팅된 기판 사이에 갭 스페이서(gap spacer)를 이용하여 끼워넣는다.
상기 편광 방향 제어부(200a) 제조 과정에 대한 설명에서는 액정층(210)으로 TN(Twisted Nematic) 액정 및 강유전성 액정(FLC)을 사용하는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 액정층(210)은 외부 전압 V의 인가 유무에 따라 액정 배열 방향이 제1 방향 또는 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 변경되는 그 외의 다른 액정도 사용이 가능하다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 종래의 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치가 3D 모드로 동작하는 경우의 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치를 나타낸 개념도이다.
도 3은 도 1의 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치가 2D 모드로 동작하는 경우의 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치를 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치를 나타낸 개념도이다.
도 5는 3D 모드로 동작시 도 4의 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치를 나타낸 단면도이다.
도 6은 2D 모드로 동작시 도 4의 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치를 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치가 3D 모드로 동작할 경우 3D 영상이 디스플레이되는 과정을 나타낸 개념도이다.
도 8 내지 도 13는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치의 마이크로 렌즈 어레이 기판을 제조하는 과정을 설명하기 위한 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 백라이트 유닛 200: 액정 마이크로 렌즈 어레이
200a: 편광 방향 제어부 200b: 초점부
203: 마이크로 렌즈 207: 액정 폴리머
210: 액정층

Claims (13)

  1. 백라이트 유닛;
    상기 백라이트 유닛으로부터 입사된 광을 다수의 픽셀을 통하여 출력하는 디스플레이 패널; 및
    상기 디스플레이 패널로부터 출력된 광을 외부 전압의 온오프에 따라서 액정층의 배열 방향을 제어하고, 상기 액정층의 배열 방향에 따라서 상기 디스플레이 패널로부터 출력된 광의 편광 방향을 조절하여 2D 영상 또는 3D 영상이 디스플레이되도록 제어하는 액정 마이크로렌즈 어레이를 포함하는 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 액정 마이크로렌즈 어레이는
    상기 외부 전압이 인가되지 않은 경우 상기 디스플레이 패널로부터 출력된 광의 편광 방향을 실질적으로 90도 만큼 회전시켜 상기 2D 영상을 디스플레이하도록 제어하고, 상기 외부 전압이 인가된 경우 상기 디스플레이 패널로부터 출력된 광의 편광 방향을 그대로 유지하여 상기 3D 영상을 디스플레이하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 액정 마이크로렌즈 어레이는
    상기 디스플레이 패널로부터 출력된 광을 상기 외부 전압의 온오프에 따라서 상기 액정층의 배열 방향을 제어하여 상기 디스플레이 패널로부터 출력된 광의 편광 방향을 제어하는 편광 방향 제어부;
    다수의 단위 렌즈 구조를 포함하며, 상기 액정층을 통과하여 입사된 광의 편광 방향에 따라 상기 액정층을 통과하여 입사된 광을 상기 다수의 단위 렌즈를 그대로 직진시켜 통과시키거나 상기 다수의 단위 렌즈에서 굴절되도록 하여 통과시키는 초점부; 및
    상기 편광 방향 제어부와 상기 초점부 사이에 배치된 액정층을 포함하는 것을 특징으로 하는 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 편광 방향 제어부는
    상기 외부 전압이 인가되지 않은 경우 상기 액정층을 제1 방향으로 배열시켜 상기 디스플레이 패널로부터 출력된 광의 편광 방향을 실질적으로 90˚만큼 회전시켜 상기 초점부로 제공하는 것을 특징으로 하는 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 편광 방향 제어부는
    상기 외부 전압의 제1 전극에 전기적으로 결합되고, 상기 디스플레이 패널로부터 출력된 광을 투과시키는 제1 투명 전극층;
    상기 제1 투명 전극층 상에 형성된 제1 배향막; 및
    상기 외부 전극의 온오프에 따라서 배열 방향이 변경되는 액정층을 포함하는 것을 특징으로 하는 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치.
  6. 제3항에 있어서, 상기 초점부는
    상기 액정층을 통과하여 입사된 광을 제공받는 다수의 단위 렌즈 구조를 가지는 액정 폴리머;
    상기 액정 폴리머 상에 배치된 제2 배향막;
    상기 제2 배향막상에 배치되고, 상기 다수의 단위 렌즈의 형상에 상응하는 구조를 가지는 마이크로 렌즈를 포함하되,
    상기 액정 폴리머와 상기 마이크로 렌즈는 상기 액정층을 통과하여 입사된 광의 편광 방향에 따라 상기 액정층을 통과하여 입사된 광을 굴절없이 그대로 통과시키거나 또는 상기 액정층을 통과하여 입사된 광을 굴절시켜 통과시키는 것을 특징으로 하는 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 외부 전압이 인가되지 않은 경우 상기 액정 폴리머에서 느끼는 유효 굴절율이 상기 마이크로 렌즈의 굴절율과 동일하고, 상기 외부 전압이 인가된 경우 상기 액정 폴리머에서 느끼는 유효 굴절율이 상기 마이크로 렌즈의 굴절율과 다른 것을 특징으로 하는 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치.
  8. 백라이트 유닛 및 디스플레이 패널을 가지는 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치에서의 2D-3D 컨버터블 디스플레이 방법은,
    상기 백라이트 유닛으로부터 생성된 광을 상기 디스플레이 패널의 다수의 픽셀을 통하여 출력하는 단계;
    외부 전압의 인가 여부에 따라서 액정층의 배열 방향을 제1 방향 또는 상기 제1 방향에 실질적으로 수직한 제2 방향으로 조절하는 단계;
    상기 디스플레이 패널로부터 출력된 광을 상기 배열 방향이 조절된 액정층을 통과시키는 단계; 및
    상기 액정층을 통과한 광의 편광 방향에 따라서 상기 액정층을 통과한 광을 다수의 단위 렌즈를 그대로 직진시켜 통과시켜 2D 영상을 디스플레이하거나 또는 상기 다수의 단위 렌즈에서 굴절되도록 하여 3D 영상을 디스플레이하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2D-3D 컨버터블 디스플레이 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 외부 전압의 인가 여부에 따라서 액정층의 배열 방향을 제1 방향 또는 상기 제1 방향에 실질적으로 수직한 제2 방향으로 조절하는 단계는
    상기 외부 전압이 인가되지 않은 경우 상기 디스플레이 패널로부터 출력된 광의 편광 방향을 실질적으로 90도 만큼 회전시켜 상기 제2 방향으로 변경하는 단계; 및
    상기 외부 전압이 인가된 경우 상기 디스플레이 패널로부터 출력된 광의 편광 방향을 그대로 유지하여 상기 제1 방향으로 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2D-3D 컨버터블 디스플레이 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 액정층을 통과한 광의 편광 방향에 따라서 상기 액정층을 통과한 광을 다수의 단위 렌즈를 그대로 직진시켜 통과시켜 2D 영상을 디스플레이하거나 또는 상기 다수의 단위 렌즈에서 굴절되도록 하여 3D 영상을 디스플레이하는 단계는
    상기 외부 전압이 인가되지 않은 경우 상기 제2 방향으로 배열된 액정층을 통과한 광을 상기 다수의 단위 렌즈로 그대로 직진시켜 통과시켜 상기 2D 영상을 디스플레이하는 단계; 및
    상기 외부 전압이 인가된 경우 상기 제1 방향으로 배열된 액정층을 통과한 광을 상기 다수의 단위 렌즈에서 굴절되도록 하여 상기 3D 영상을 디스플레이하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2D-3D 컨버터블 디스플레이 방법.
  11. 백라이트 유닛, 디스플레이 패널 및 상기 백라이트 유닛으로부터 생성되어 상기 디스플레이 패널을 거쳐 출력된 광을 제공받아 2D 영상 또는 3D 영상을 디스플레이하는 액정 마이크로 렌즈 어레이로 구성된 2D-3D 컨버터블 디스플레이 장치의 상기 액정 마이크로 렌즈 어레이 제조 방법은
    상기 디스플레이 패널로부터 출력된 광을 투과시키기 위한 소정 두께의 제1 투명 전극층을 준비하는 단계;
    상기 제1 투명 전극층 상에 제1 배향막을 형성하는 단계;
    제2 투명 전극층을 준비하는 단계;
    상기 제2 투명 전극층 상에 포토 마스크를 이용하여 다수의 단위 렌즈를 포함하는 마이크로 렌즈층을 형성하는 단계;
    상기 다수의 렌즈 단위 렌즈를 포함하는 마이크로 렌즈상에 소정 두께로 제2 배향막을 형성하는 단계;
    상기 제2 배향막상에 상기 다수의 단위 렌즈에 상응하는 형상을 갖도록 액정 폴리머층을 형성하여 마이크로 렌즈 어레이 기판을 제공하는 단계; 및
    상기 제1 배향막이 형성된 제1 투명 전극층과 상기 마이크로 렌즈 어레이 기판 사이에 외부 전극의 온오프에 따라서 배열 방향이 제1 방향 또는 상기 제1 방향에 실질적으로 수직인 제2 방향으로 변경되는 액정층을 개재시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2D-3D 컨버터블 디스플레이를 위한 액정 마이크로 렌즈 어레이 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 액정 마이크로렌즈 어레이는 상기 디스플레이 패널로부터 출력된 광을 상기 외부 전압의 온오프에 따라서 상기 액정층의 배열 방향을 제어하고, 상기 액정층의 배열 방향에 따라서 상기 디스플레이 패널로부터 출력된 광의 편광 방향을 조절하여 상기 다수의 단위 렌즈를 그대로 직진시켜 통과시켜 상기 2D 영상을 디스플레이하거나 또는 상기 다수의 단위 렌즈에서 굴절되도록 하여 통과시켜 상기 3D 영상을 디스플레이하는 것을 특징으로 하는 2D-3D 컨버터블 디스플레이를 위한 액정 마이크로 렌즈 어레이 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 액정 폴리머와 상기 마이크로 렌즈는 상기 액정층을 통과하여 입사된 광의 편광 방향에 따라 상기 액정층을 통과하여 입사된 광을 굴절없이 그대로 통과시키거나 또는 상기 액정층을 통과하여 입사된 광을 굴절시켜 통과시키는 것을 특징으로 하는 2D-3D 컨버터블 디스플레이를 위한 액정 마이크로 렌즈 어레이 제조 방법.
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