KR20120028171A - 입체영상표시장치 및 그 구동방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 입체영상표시장치 및 그 구동방법은 셀 갭을 감소시키기 위해 액정렌즈에 의해 프레넬(Fresnel) 렌즈를 구현할 때 발생하는 액정렌즈의 액정 틀어짐을 최소화하여 3D 성능 저하를 최소화하기 위한 것으로, 다수의 부분영역을 갖는 다수의 렌즈영역이 정의되어 서로 마주보며 이격된 제 1 기판과 제 2 기판; 상기 각 렌즈영역들에 대하여, 상기 제 1 기판의 내측 면에 형성된 다수의 제 1 전극과 상기 제 2 기판의 내측 면에 형성된 다수의 제 2 전극; 및 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 형성된 액정층으로 이루어지며, 전압 인가에 따라 구동되어 렌즈 기능을 갖는 액정렌즈; 및 상기 액정렌즈 하부에 위치하여 2차원 영상 정보를 출사하는 표시패널을 포함하며, 대향하는 상기 제 1 전극과 제 2 전극에 각각 공통전압을 기준으로 극성이 다르고 절대값이 같은 전압이 인가되어 기울기를 가진 굴절률 분포에 의해 상기 액정층을 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

입체영상표시장치 및 그 구동방법{STEREOSCOPIC 3D DISPLAY DEVICE AND METHOD OF DRIVING THE SAME}
본 발명은 입체영상표시장치 및 그 구동방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액정렌즈에 의해 프레넬(Fresnel) 렌즈를 구현하여 셀 갭을 감소시키도록 한 입체영상표시장치 및 그 구동방법에 관한 것이다.
3D 디스플레이(display)란 간단히 정의를 내리자면 "인위적으로 3D화면을 재생시켜 주는 시스템의 총체"라고 할 수 있다.
여기서, 시스템이란 3D로 보여질 수 있는 소프트웨어적인 기술과 그 소프트웨어적 기술로 만든 컨텐츠를 실제로 3D로 구현해내는 하드웨어를 동시에 포함한다. 소프트웨어 영역까지 포함시키는 이유는 3D 디스플레이 하드웨어의 경우 각각의 입체 구현방식마다 별도의 소프트웨어적 방식으로 구성된 컨텐츠가 따로 필요하기 때문이다.
또한, 가상 3D 디스플레이는 사람이 입체감을 느끼는 여러 요인 중 우리 눈이 가로방향으로 약 65mm 떨어져 있어서 나타나게 되는 양안시차(binocular disparity)를 이용하여 평면적인 디스플레이 하드웨어에서 말 그대로 가상적으로 입체감을 느낄 수 있게 하는 시스템의 총체이다. 다시 말해 우리의 눈은 양안시차 때문에 똑같은 사물을 바라보더라도 각각 약간은(정확히 말하면 좌우의 공간적 정보를 약간씩 나눠 가지고 있는) 다른 화상을 보게 되고, 이 두 화상이 망막을 통해 뇌로 전달되면 뇌는 이를 정확히 서로 융합시킴으로써 우리가 입체감을 느낄 수 있게 되는데, 그것을 이용하여 2D 디스플레이 장치에서 좌우 화상 2개를 동시에 표시하여 각각의 눈으로 보내는 설계를 통해 가상적인 입체감을 만들어 내는 것이 바로 가상 3D 디스플레이인 것이다.
이러한 가상 3D 디스플레이 하드웨어 장치에서 하나의 화면으로 두 채널의 화상을 나타내기 위해서는 대부분의 경우 하나의 화면에서 가로나 세로의 한쪽 방향으로 줄을 한 줄씩 바꿔가며 한 채널씩 출력하게 된다. 그렇게 동시에 두 채널의 화상이 하나의 디스플레이 장치에서 출력되면 하드웨어적 구조상 무안경 방식의 경우에는 오른쪽 화상은 그대로 오른쪽 눈으로 들어가고, 왼쪽 화상은 왼쪽 눈으로만 들어가게 된다. 또한, 안경을 착용하는 방식의 경우에는 각각의 방식에 맞는 특수한 안경을 통하여 오른쪽 화상은 왼쪽 눈이 볼 수 없게 가려주고, 왼쪽 화상은 오른쪽 눈이 볼 수 없게 각각 가려주는 방법을 사용한다.
이와 같이 사람이 입체감과 깊이감을 느끼는 요인으로 가장 중요하게는 두 눈 사이의 간격에 의한 양안시차를 들 수 있지만, 이외에도 심리적, 기억적 요인에도 깊은 관계가 있고, 이에 따라 입체 구현방식 역시 관찰자에게 어느 정도의 3차원 영상정보를 제공할 수 있는지를 기준으로 통상 부피표현방식(volumetric type), 3차원표현방식(holographic type), 입체감표현방식(stereoscopic type)으로 구분된다.
부피표현방식은 심리적인 요인과 흡입효과에 의해 깊이방향에 대한 원근감이 느껴지도록 하는 방법으로서, 투시도법, 중첩, 음영과 명암, 움직임 등을 계산에 의해 표시하는 3차원 컴퓨터그래픽, 또는 관찰자에게 시야각이 넓은 대화면을 제공하여 그 공간 내로 빨려 들어가는 것 같은 착시현상을 불러일으키는 이른바 아이맥스 영화 등에 응용되고 있다.
가장 완전한 입체영상 구현기술이라 알려져 있는 3차원표현방식은 레이저광 재생 홀로그래피(holography) 내지 백색광 재생 홀로그래피로 대표될 수 있다.
그리고, 입체감표현방식은 양안의 생리적 요인을 이용하여 입체감을 느끼는 방식으로, 전술한 바와 같이 약 65㎜ 떨어져 존재하는 인간의 좌, 우안에 시차정보가 포함된 평면의 연관 영상이 보일 경우에 뇌가 이들을 융합하는 과정에서 표시면 전후의 공간정보를 생성해 입체감을 느끼는 능력, 즉 입체 사진술(stereography)을 이용한 것이다. 이러한 입체감표현방식은 크게 안경을 착용하는 방식과 안경을 착용하지 않는 무안경 방식이 있다.
안경을 착용하지 않는 방식으로서 알려진 대표적인 것으로는 원통형의 렌즈를 수직으로 배열한 렌티큘러(lenticular) 렌즈 판을 표시패널 전방에 설치하는 렌티큘러 방식과 패러렉스 배리어(parallax barrier) 방식이 있다.
도 1은 일반적인 렌티큘러 렌즈 방식의 입체영상표시장치를 나타내는 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 일반적인 렌티큘러 렌즈 방식의 입체영상표시장치는 상, 하부 기판(5, 15)과 그 사이에 액정(6)이 충진된 액정패널(10)과 상기 액정패널(10)의 후면(後面)에 위치하여 광을 조사하는 백라이트 유닛(20) 및 입체영상의 구현을 위해 상기 액정패널(10) 전면(前面)에 위치하는 렌티큘러 플레이트(30)를 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 상부 기판(5)의 상부 면과 상기 하부 기판(15)의 하부 면에는 각각 제 1, 제 2 편광판(1, 11)이 부착되어 있다.
상기 렌티큘러 플레이트(30)는 평평한 기판 상에, 그 상부 표면이 볼록렌즈 형상의 물질층이 형성되어 이루어진다.
여기서, 상기 액정패널(10)을 투과한 영상 이미지는 상기 렌티큘러 플레이트(30)를 통과하여 최종 관찰자의 각 눈으로 다른 이미지 그룹이 들어오게 하여, 3차원의 입체영상을 느낄 수 있게 된다.
이러한 일반적인 입체영상표시장치는 상기 액정패널(10)과 렌티큘러 플레이트(30)가 기구물(미도시) 등에 의해 지지되어, 상기 액정패널(10)상의 제 1 편광판(11)과 상기 렌티큘러 플레이트(30) 사이가 소정 간격 이격되어 있다.
이 경우, 상기 액정패널(10)상의 제 1 편광판(11)과 상기 렌티큘러 플레이트(30) 사이의 공간으로 상기 액정패널(10) 또는 상기 렌티큘러 플레이트(30)가 처지거나 휘는 현상이 발생할 수 있다. 이러한 휨 현상이 발생하면, 최종적으로 백라이트 유닛(20), 액정패널(10) 및 렌티큘러 플레이트(30)를 투과하는 광 경로의 이상이 발생되어, 화질을 저하시키는 문제점이 있다.
이에 최근에는 액정분자의 특성을 이용하여 액정층이 렌즈 역할을 하게 하는 액정렌즈, 즉 액정 전계 렌즈(liquid crystal lens electrically driven)가 제안되었다.
즉, 일반적인 렌즈는 렌즈를 구성하는 물질과 공기와의 굴절률 차이를 이용하여 입사광의 경로를 위치별로 제어하는 것이다. 그런데, 이러한 물리적 형상의 렌즈를 구성하지 않고, 액정층에 위치별로 서로 다른 전압을 인가하여 위치별로 서로 다른 수직전계에 의하여 액정층이 구동되도록 구성할 수 있다. 그러면, 액정층에 입사하는 입사광은 위치별로 서로 다른 위상 변화를 느끼게 되고, 그 결과 액정층은 실제 렌즈와 같이 입사광의 경로를 제어할 수 있게 된다. 이와 같이 수직전계를 인가하여 액정의 구동에 의해 광의 투과가 렌즈를 투과하는 바와 같이 얻어질 때, 액정 및 이를 구동하는 전극들을 포함하는 어레이 구조를 액정 전계 렌즈라 한다.
이때, 전술한 바와 같이 수직전계를 이용하여 액정렌즈의 위상을 적절히 변화시키기 위해서는 상기 액정층이 일반적인 액정표시장치의 액정층 두께 대비 수 배 내지 수 십배 큰 두께가 요구된다. 즉, 액정렌즈의 초점거리는 액정의 굴절률 이방성과 렌즈의 두께(셀 갭)에 반비례한다. 따라서, 필요한 초점거리에 따라 액정렌즈의 셀 갭은 20㎛ 내지 100㎛가 되어야 한다.
그런데, 액정표시장치를 제조하는 공정에서는 액정패널이 주로 3㎛ 내지 10㎛ 정도의 셀 갭을 갖도록 하고 있으며, 이러한 범위내의 셀 갭을 갖는 액정패널을 제작하는데 유리한 장비가 사용되고 있다. 이러한 상황에서 10㎛ 이상의 셀 갭을 갖는 액정렌즈를 제조하기 위해서는 제조 장치를 큰 셀 갭을 갖는 액정패널 제조에 유리한 구성이 되도록 교체하여야 하며, 액정패널 자체도 10㎛ 이상의 큰 셀 갭에 대해 외부 압력에 의한 뭉개짐 등이 발생하지 않도록 내구성을 보강할 수 있도록 새로운 재료 등의 개발이 이루어져야 한다.
이 경우 액정층 두께 증가에 따른 재료 비용이 증가되어 결과적으로는 제품의 제조 비용을 증가시키는 요인이 되며, 나아가 장비 자체를 교체해야 하므로 이 또한 설비 투자에 의한 비용 상승의 요인이 됨을 알 수 있다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 원하는 초점거리를 확보하면서도 액정렌즈를 이루는 액정층의 두께 즉, 셀 갭을 일반적인 액정표시장치의 셀 갭 수준이 되도록 한 입체영상표시장치 및 그 구동방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 액정렌즈의 액정 틀어짐을 최소화하여, 액정 틀어짐에 의해 발생하는 에러(error)에 의한 3D 성능 저하를 최소화시키도록 한 입체영상표시장치 및 그 구동방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적 및 특징들은 후술되는 발명의 구성 및 특허청구범위에서 설명될 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 입체영상표시장치는 다수의 부분영역을 갖는 다수의 렌즈영역이 정의되어 서로 마주보며 이격된 제 1 기판과 제 2 기판; 상기 각 렌즈영역들에 대하여, 상기 제 1 기판의 내측 면에 형성된 다수의 제 1 전극과 상기 제 2 기판의 내측 면에 형성된 다수의 제 2 전극; 및 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 형성된 액정층으로 이루어지며, 전압 인가에 따라 구동되어 렌즈 기능을 갖는 액정렌즈; 및 상기 액정렌즈 하부에 위치하여 2차원 영상 정보를 출사하는 표시패널을 포함하며, 대향하는 상기 제 1 전극과 제 2 전극에 각각 공통전압을 기준으로 극성이 다르고 절대값이 같은 전압이 인가되어 기울기를 가진 굴절률 분포에 의해 상기 액정층을 제어하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 표시패널 하부에 위치하여 상기 표시패널로 광을 전달하는 광원을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 표시패널에는 제 1 및 제 2 영상을 각각 표시하는 제 1 및 제 2 영상화소가 순차적으로 반복 배열되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 표시패널은 액정표시장치, 유기발광표시장치, 전계발광표시장치, 플라즈마영상표시장치, 전기발광표시장치 중 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 기판의 내측 면에는 상기 각 렌즈영역들에 대하여, 다수의 제 1 전극이 제 1 절연층을 사이에 두고 이격하여 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 기판의 내측 면에는 상기 각 렌즈영역들에 대하여, 다수의 제 2 전극이 제 2 절연층을 사이에 두고 이격하여 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 기판의 다수의 상부 제 1 전극들은 상기 제 2 기판의 다수의 하부 제 2 전극들과 대향하여 배치하고, 상기 제 1 기판의 다수의 하부 제 1 전극들은 상기 제 2 기판의 다수의 상부 제 2 전극들과 대향하여 배치하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 기판 또는 제 2 기판에 형성되어 상기 다수의 제 1 전극 및 제 2 전극에 각각 서로 다른 전압을 인가하는 전압원을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다수의 제 1 전극 및 제 2 전극 중 각 부분영역간의 경계에 위치하는 전극은 전압이 인가되지 않거나 0V가 입력되는 차폐전극을 구성하는 것을 특징으로 한다.
상기 하나의 렌즈영역은 최소 3개의 부분영역으로 나뉘어지는 것을 특징으로 한다.
상기 다수의 제 1 전극 및 제 2 전극은 각각 상기 렌즈영역에서, 상기 렌즈영역의 에지부를 경계로 좌우 대칭형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 렌즈영역의 중심에 위치한 대향하는 제 1, 제 2 전극에는 대략 문턱 전압에 상당하는 제 1 전압(Vmin)이 인가되는데, 이 경우 공통전압을 기준으로 극성이 다르고 절대값이 같은 제 1 전압(Vmin)이 인가되는 것을 특징으로 한다.
상기 렌즈영역들의 에지부에 위치한 대향하는 제 1, 제 2 전극에는 가장 큰 제 n 전압(Vmax)이 인가되는데, 이 경우 공통전압을 기준으로 극성이 다르고 절대값이 같은 제 n 전압(Vmax)이 각각 인가되는 것을 특징으로 한다.
상기 렌즈영역의 중심과 에지부 사이에 위치하는 상기 대향하는 다수의 제 1, 제 2 전극에 인가하는 전압은 상기 렌즈영역의 문턱 전압(Vmin)에서 제 n 전압(Vmax) 사이에서, 상기 렌즈영역의 중심에서 멀어질수록 점점 커지는 값의 전압이 인가되는데, 공통전압을 기준으로 극성이 다르고 절대값이 같은 값의 전압이 상기 상, 하부의 제 1, 제 2 전극에 각각 인가되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 입체영상표시장치의 구동방법은 다수의 부분영역을 갖는 다수의 렌즈영역이 정의되어 서로 마주보며 이격된 제 1 기판과 제 2 기판; 상기 각 렌즈영역들에 대하여, 상기 제 1 기판의 내측 면에 형성된 다수의 제 1 전극과 상기 제 2 기판의 내측 면에 형성된 다수의 제 2 전극; 및 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 형성된 액정층으로 이루어지며, 전압 인가에 따라 구동되어 렌즈 기능을 갖는 액정렌즈를 포함하는 액정렌즈의 구동방법에 있어서, 대향하는 상기 제 1 전극과 제 2 전극에 각각 공통전압을 기준으로 극성이 다르고 절대값이 같은 전압을 인가하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 입체영상표시장치 및 그 구동방법은 액정렌즈 형성을 위해 구비된 다수의 전극에 전압을 적절히 조절하여 프레넬 렌즈를 구현함으로써 액정층의 두께를 일반적인 액정표시장치의 셀 갭 수준으로 줄일 수 있게 된다. 그 결과 재료비 절감을 통한 제조 비용이 절감되는 효과가 있다.
본 발명에 따른 입체영상표시장치 및 그 구동방법은 액정렌즈의 액정 틀어짐을 최소함으로써 액정 틀어짐에 의해 발생하는 투과율 에러를 기존 수준의 60 ~ 70% 정도로 감소시킬 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 일반적인 렌티큘러 렌즈 방식의 입체영상표시장치를 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정렌즈의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 3은 프레넬 렌즈의 1/2 단위 전극 폭과 인가 전압을 예를 들어 나타내는 표.
도 4는 비교예의 액정렌즈와 프레넬 렌즈의 셀 갭을 비교하여 나타내는 그래프.
도 5는 이상적인 프레넬 렌즈와 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정렌즈에 있어, 빛이 통과할 때의 입사광의 위상변화를 비교하여 나타내는 도면.
도 6은 이상적인 프레넬 렌즈와 0V를 인가하였을 때의 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정렌즈에 있어, 빛이 통과할 때의 입사광의 위상변화를 비교하여 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액정렌즈의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 8은 상기 도 7에 도시된 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액정렌즈를 구비한 입체영상표시장치의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 9a 및 도 9b는 각각 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 입체영상표시장치에 있어, 액정렌즈에 전압을 인가하는 방법을 예를 들어 나타내는 표.
도 10은 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 액정렌즈에 있어, 1/2 단위 렌즈 피치에 따른 투과율 에러(error)를 비교하여 나타내는 그래프.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 입체영상표시장치 및 그 구동방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정렌즈의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정렌즈(110)는 2차원 영상 신호를 렌즈 면의 프로파일(profile)과 같이 3차원 영상 신호로 출사하는 기능을 갖는 것으로, 다수의 렌즈영역이 정의되어 서로 마주보며 이격된 제 1 기판(105)과 제 2 기판(115) 및 상기 제 1 기판(105)과 제 2 기판(115) 사이에 형성된 액정층(106)으로 구성된다.
이때, 상부 기판인 상기 제 1 기판(105)에는 투명한 도전성 물질로 이루어진 공통전극(107), 즉 제 1 전극이 상기 제 1 기판(105) 전면에 형성되어 있다.
그리고, 상기 제 1 기판(105)에 대해 이와 마주하는 하부 기판인 상기 제 2 기판(115)의 내측 면에는 상기 각 렌즈영역들에 대하여, 다수의 제 2 전극(117a, 117b)이 절연층(119)을 사이에 두고 이격하며 형성되어 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것으로 아니며, 상기 다수의 제 2 전극(117a, 117b)은 하나의 층상에 서로 이격하며 형성될 수도 있다. 이때, 상기 다수의 제 2 전극(117a, 117b)은 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 제 2 기판(115)에는 상기 다수의 제 2 전극(117a, 117b)에 각각 서로 다른 전압을 인가하는 전압원(Vmin', V1', V2',...., Vmax')이 형성될 수 있다.
이러한 구성을 갖는 상기 제 1 기판(105) 및 제 2 기판(115)의 내측 면에는 각각 제 1 배향막(108) 및 제 2 배향막(118)이 형성되어 있으며, 상기 제 1 배향막(108)과 제 2 배향막(118)이 형성된 상기 제 1 기판(105)과 제 2 기판(115) 사이에 액정층(106)이 형성되게 된다. 이때, 상기 절연층(119) 위에 형성된 다수의 제 2 전극(117b)과 상기 제 2 배향막(118) 사이에는 하부의 구성요소에 의한 단차에 대해 영향을 받지 않고 그 표면이 평탄한 상태의 오버코트층(미도시)이 더욱 형성될 수 있다.
한편, 이와 같이 구성된 상기 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정렌즈(110)에 있어, 상기 다수의 제 2 전극(117a, 117b) 중 각 부분영역의 경계에 위치하는 전극은 차폐전극을 구성할 수 있으며, 이 경우 상기 차폐전극은 다른 전극대비 더 큰 폭을 가지며 형성될 수 있다. 여기서, 렌즈의 두께를 줄이기 위해 하나의 렌즈영역은 최소 3개의 부분영역으로 나뉘어질 수 있으며, 또는 5개, 7개의 부분영역으로 나뉘어질 수 있다.
또한, 상기 다수의 하부 제 2 전극(117a)들간 및 상기 다수의 상부 제 2 전극(117b)들간은 각각 동일한 크기를 갖도록 이격되어 형성될 수 있으며, 상기 각 부분영역 별로 또는 특정 번째의 전극간에 각각 그 간격을 달리 형성할 수도 있다.
이때, 상기 렌즈영역의 중심에 위치한 제 2 전극(117a, 117b)에는 대략 문턱 전압에 상당하는 제 1 전압(Vmin')이 인가되며, 상기 렌즈영역들의 에지부에 위치한 제 2 전극(117a, 117b)에는 가장 큰 제 n 전압(Vmax')이 인가된다. 이 경우, 상기 렌즈영역의 중심과 에지부 사이에 위치하는 상기 다수의 제 2 전극(117a, 117b)에 인가하는 전압은 상기 렌즈영역의 문턱 전압(Vmin')에서 제 n 전압(Vmax') 사이에서, 상기 렌즈영역의 중심에서 멀어질수록 점점 커지는 값의 전압이 인가된다. 한편, 이와 같이 상기 다수의 제 2 전극(117a, 117b)에 전압이 인가된 상태에서, 상기 공통전극(107)에 접지 전압을 인가하게 되면 상기 다수의 제 2 전극(117a, 117b)들과 상기 공통전극(107) 사이에 수직 전계가 형성되게 된다.
이러한 방식으로 전압을 인가할 때, 서로 인접한 상기 다수의 제 2 전극(117a, 117b)들간에 인가되는 전압 차는 1V 이하로 하여 상기 다수의 제 2 전극(117a, 117b)들간에 조성되는 수평 전계가 크게 발생하지 않도록 한다.
이와 같이 상기 다수의 제 2 전극(117a, 117b)에 대하여 렌즈영역의 에지부로부터 중앙까지 점점 작아지는 전압 인가에 의해, 전체적으로 상기 다수의 제 2 전극(117a, 117b)들과 상기 공통전극(107) 사이에 수직 전계가 완만하게 조성되어 그 전체가 볼록한 반원 또는 포물선 형태를 갖는 볼록렌즈와 같은 위상변화를 갖게 된다.
이때, 프레넬(Fresnel) 렌즈를 구현하기 위해서 전술한 3개, 5개 또는 7개의 홀수개의 부분영역 중 가장 중앙부에 위치하는 부분영역(이하, 중앙부 부분영역이라 함)에 있어서는 이 부분에 속한 각 제 2 전극(117a, 117b)에 대해 상기 중앙부 부분영역의 가운데 위치하는 제 2 전극(117a, 117b)을 기준으로 그 양측으로 위치하는 각 제 2 전극(117a, 117b)에 대해 점진적으로 큰 전압을 인가한다. 또한, 중앙부 부분영역을 제외한 각 부분영역 중 상기 중앙부 부분영역 좌측에 위치하는 부분영역에 있어서는 그 최 좌측 제 2 전극(117a, 117b)으로부터 최 우측의 제 2 전극(117a, 117b) 순서로 큰 전압에서 작은 전압을 인가하며, 상기 중앙부 부분영역 우측에 위치하는 부분영역에 있어서는 그 최 좌측 제 2 전극(117a, 117b)으로부터 최 우측 제 2 전극(117a, 117b) 순서로 작은 전압에서 큰 전압을 인가할 수 있다.
그 결과 그 전체가 볼록한 반원 또는 포물선 형태를 갖는 볼록렌즈와 같은 위상변화를 갖도록 하는 것이 아니라 다수의 불연속면을 가지며 그 역할은 볼록렌즈 역할을 하는 프레넬 렌즈와 같은 위상변화를 갖게 된다. 따라서 전술한 전극의 구성 및 구동방법에 의해 액정층의 두께인 셀 갭의 크기를 현저히 줄일 수 있게 된다.
특히, 상기 각 부분영역의 경계에 위치하는 차폐전극에 0V를 인가하는 경우에는 다수의 불연속면을 가지는 한편, 이상적인 프레넬 렌즈와 같은 위상변화를 가진 액정렌즈를 구현할 수 있게 된다.
도 3은 프레넬 렌즈의 1/2 단위 전극 폭과 인가 전압을 예를 들어 나타내는 표이며, 도 4는 비교예의 액정렌즈와 프레넬 렌즈의 셀 갭을 비교하여 나타내는 그래프이다.
상기 도 3을 참조하면, 상기 도 4의 "A"부분까지는 기존 액정렌즈와 동일한 조건으로 전압을 인가하는데, 즉 전극 1 ~ 8번까지는 전압이 연속적으로 낮아지다가, "A"부분에 해당하는 10번 전극부터는 프레넬 렌즈를 구현하기 위해 다시 1번 전극의 전압(5.98V)과 유사한 6.23V를 인가하여 액정분자를 완전히 수직으로 정렬시키게 된다.
이때, 상기 도 4를 참조하면, 비교예로서 전극을 전술한 본 발명의 제 1 실시예와 같이 동일하게 배치한 상태에서 하나의 렌즈영역에 대해 그 중앙에 위치한 전극에 대해 문턱 전압을 인가하고, 이를 기준으로 그 좌, 우측에 위치한 전극들에 대해 점진적으로 큰 값의 전압을 인가하는 경우, 불연속면이 발생하지 않는 볼록한 반원 또는 포물선 형태의 위상변화를 갖는 렌즈가 형성된다.
즉, 비교예의 액정렌즈에 대한 빛의 위상변화 파형을 보면 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정렌즈와는 달리 불연속면은 갖지 않지만, 동일한 제 1 초점거리를 갖는 경우 본 발명이 제 1 실시예에 따른 액정렌즈보다 2배 더 큰 20㎛의 셀 갭이 형성되어 있음을 알 수 있다.
이때, 프레넬 렌즈를 구현하기 위해 상기 도 3과 같이 10번 전극에는 6.23V가 인가되고 8번 전극에는 2.21V가 인가되는데, 이 차이로 인해 8번과 6번 사이에 수평 전계가 형성되고, 이 전계에 의해 액정 배열이 뒤틀려서 다음의 도 5와 같이 렌즈 형상이 무너지게 된다.
도 5는 이상적인 프레넬 렌즈와 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정렌즈에 있어, 빛이 통과할 때의 입사광의 위상변화를 비교하여 나타내는 도면이다. 즉, 차폐전극에 0V를 인가하지 않았을 때의 본 발명의 제 1 실시예에 의한 프레넬 렌즈의 형상을 시뮬레이션(simulation) 한 결과이다.
이때, 상기 도 5는 예를 들어, 3개의 부분영역으로 이루어진 하나의 렌즈영역으로 빛이 통과할 때의 입사광의 위상변화를 시뮬레이션 한 도면으로, 실선은 시뮬레이션 결과를 점선은 이상적인 프레넬 렌즈 형태를 나타내고 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정렌즈에 있어 다수의 부분영역(A1, A2, A3)을 포함하는 하나의 렌즈영역(FA)에 대해 전압이 인가되는 경우, 다수의 부분영역(A1, A2, A3)에 의해 액정렌즈를 지나는 빛의 위상변화가 다수의 불연속면을 갖는 프레넬 렌즈의 형태와 같이 형성되었음을 알 수 있다. 이때, 상기 도 5에 있어서 제 1 초점거리를 갖는 액정렌즈를 구현한 경우 10㎛ 정도의 셀 갭이 형성되었음을 알 수 있다.
다만, 그 중앙부의 부분영역(A2)에 대해서는 이상적인 프레넬 렌즈와 거의 유사하게 일치하고 있지만, 상기 중앙부 부분영역(A2) 좌, 우측에 위치한 부분영역(A1, A3)의 경우 그 위상변화 파형이 이상적인 프레넬 렌즈의 파형과는 차이가 있음을 알 수 있다.
특히, 불연속면을 이루는 부분영역(A1, A2, A3)간의 경계에서는 수직한 형태의 파형이 이루어져야 불연속면에 의한 오차를 최소화할 수 있는데, 수직한 파형이 나타나지 않고 소정의 기울기를 가져 사선 형태를 갖게되어 이상적인 프레넬 렌즈의 파형과 차이를 보이고 있다. 이때, 이들 부분영역(A1, A2, A3)에서의 파형의 최대치는 8㎛ 정도인 액정층 부근에서 형성됨을 알 수 있다.
이와 같이 각 부분영역(A1, A2, A3)에서의 파형의 최대치의 차이는 렌즈가 곡률의 차이를 갖는다는 의미가 된다. 즉, 이는 서로 다른 곡률반경을 갖는 볼록 렌즈를 투과하게 되는 형태가 되므로 렌즈로서 오차가 많이 발생할 여지가 있다. 다시 말해 전술한 제 1 실시예에 따른 액정렌즈에서 중앙부의 부분영역(A2)을 통과하는 빛의 위상변화와 상기 중앙부 부분영역 좌, 우측에 위치한 부분영역(A1, A3)을 통과하는 빛의 위상변화에 차이가 있음을 의미한다.
이 문제를 해결하기 위해 본 발명의 제 1 실시예에서는 9번 전극을 차폐 전극으로 만들어 주게 된다. 즉, 9번 전극에 0V를 인가하여 인접 전극의 고전압을 차폐시키게 된다. 그리고, "A"부분 이후로는 프레넬 렌즈가 아닌 일반 액정렌즈와 동일한 개념이므로, 10번부터 24번 전극까지는 상기 도 3과 같이 다시 점진적으로 낮은 전압을 인가하면 다음의 도 6과 같이 좋은 렌즈 형상을 얻을 수 있게 된다.
도 6은 이상적인 프레넬 렌즈와 0V를 인가하였을 때의 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정렌즈에 있어, 빛이 통과할 때의 입사광의 위상변화를 비교하여 나타내는 도면이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정렌즈에 있어 각 부분영역(A1, A2, A3)간 경계에 전압이 인가되지 않는 차폐전극을 형성한 경우에는 이러한 차폐전극을 포함하는 렌즈영역(FA)을 통과한 빛이 이상적인 프레넬 렌즈를 통과한 빛의 위상변화와 유사한 파형을 갖게되는 것을 알 수 있다.
즉, 상기 차폐전극에 0V를 인가하지 않았을 때의 위상변화 파형(상기 도 5 참조) 대비 각 부분영역(A1, A2, A3)의 경계에서 거의 이상적인 프레넬 렌즈 파형과 유사하게 파형이 형성되고 있음을 알 수 있다. 또한, 부분영역(A1, A2, A3)간의 경계에서도 이상적인 프레넬 렌즈 파형과 더욱 유사하게 일직선 형태를 갖도록 형성되고 있음을 알 수 있다.
이때, 상기 도 6은 차폐전극에 0V 또는 전압이 인가되지 않았을 경우를 예를 들어 설명하였다. 하지만, 상기 차폐전극에는 0V 또는 전압이 인가되지 않는 경우 이외에 소정의 전압이 인가될 수도 있다. 즉, 상부 기판 전면에 공통전극이 형성되는 경우, 상기 공통전극에 인가되는 전압과 동일한 전압이 인가될 수도 있다. 이렇게 상부 기판의 공통전극에 전압을 인가하는 이유는 액정의 열화를 방지하기 위함이다. 상기 공통전극에 일정 크기의 전압을 인가하고, 이 전압 값을 기준으로 상기 다수의 제 2 전극에 이보다 큰 전압과 작은 전압을 교대하여 인가함으로써 상기 공통전압을 기준으로 이 보다 큰 정(+) 전압과 이보다 작은 부(-) 전압이 인가되도록 하여 액정의 특정방향의 회전에 의한 열화를 방지하는 것이다. 이 경우, 상기 차폐전극에 대해서도 상기 공통전극에 인가된 동일한 전압을 인가함으로써 실질적으로 상기 다수의 전극이 느끼는 전압이 0V가 되도록 한 것이다.
다만, 이 경우에도 각 부분영역의 경계에서는 인접한 전극과 전압 차가 크게 발생하게 되므로 액정 틀어짐이 존재하게 된다. 즉, 셀 갭 저하를 목적으로 액정렌즈에 의해 프레넬 렌즈를 구현하는 경우에는 렌즈가 나뉘어지는 부분에 차폐전극을 두고 상부 기판의 공통전극과 동일한 전압을 인가하므로 인접한 전극과 전압 차가 크게 발생하게 되는데, 이는 3D를 구현하기 위한 액정렌즈 구현 시 에러(error) 요인으로 작용한다.
이에 본 발명의 제 2 실시예에서는 상부 기판에 하부 기판과 동일한 구조의 다수의 제 1 전극을 형성하고, 상기 본 발명의 제 1 실시예에서 상부 기판과 하부 기판에 인가되는 전압을 상기 상, 하부 기판의 다수의 제 1, 제 2 전극에 각각 나누어 분배함으로써 수평 전계에 의한 액정 틀어짐을 최소화할 수 있게 되는데, 이를 다음의 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액정렌즈의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
또한, 도 8은 상기 도 7에 도시된 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액정렌즈를 구비한 입체영상표시장치의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액정렌즈를 구비한 입체영상표시장치는 전압 인가에 따라 구동되어 렌즈 기능을 갖는 액정렌즈(210)와 상기 액정렌즈(210) 하부에 위치하여 2차원 영상 정보를 출사하는 표시패널(240) 및 상기 표시패널(240) 하부에 위치하여 상기 표시패널(240)로 광을 전달하는 광원(220)을 포함하여 이루어진다.
이때, 경우에 따라 상기 표시패널(240)이 광을 직접 발광하는 장치라면, 상기 광원(220)의 생략이 가능하다.
상기 표시패널(240)에는 제 1 및 제 2 영상(IM1, IM2)을 각각 표시하는 제 1 및 제 2 영상화소(P1, P2)가 순차적으로 반복 배열되어 있으며, 이러한 표시패널(240)로는 직시형이나 투영형의 액정표시장치(Liquid Crystal Display; LCD), 유기발광표시장치(Organic Light Emitting Diode Display; OLED), 전계발광표시장치(Field Emission Display; FED), 플라즈마영상표시장치(Plasma Display Panel; PDP), 전기발광표시장치(Electroluminescent Display; EL) 등의 평판표시장치가 사용될 수 있다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 액정렌즈(210)는 2차원 영상 신호를 렌즈 면의 프로파일과 같이 3차원 영상 신호로 출사하는 기능을 갖는 것으로, 상기 2차원을 구현하는 표시패널(240) 상부에 위치하며, 전압 인가 여부에 따라 선택적으로 3차원 영상 신호의 출사 혹은 2차원 영상 신호를 그대로 출사하는 기능을 한다. 즉, 전압 무인가 시 광이 투과되는 특성을 이용하여, 전압 무인가 시는 2차원 표시, 전압 인가 시는 3차원 표시와 같은 스위칭 기능을 겸용할 수 있다.
하나의 액정렌즈(210) 내에는 이러한 광경로차를 갖는 부분을 갖는 렌즈영역(L)이 주기적으로 반복된다.
상기 도 8에는 상기 액정렌즈(210)의 하나의 렌즈영역(L)이 상기 액정렌즈(210) 하부에 위치하는 상기 표시패널(240)의 2개의 영상화소(P1, P2)의 폭에 대응되어 형성된 모습을 예를 들어 나타내고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다수의 영상화소들이 상기 하나의 렌즈영역(L)에 대응되어 형성될 수 있다.
이하, 상기 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액정렌즈(210)를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 액정렌즈(210)는 다수의 렌즈영역(L)이 정의되어 서로 마주보며 이격된 제 1 기판(205)과 제 2 기판(215) 및 상기 제 1 기판(205)과 제 2 기판(215) 사이에 형성된 액정층(206)으로 구성된다.
이때, 상부 기판인 상기 제 1 기판(205)의 내측 면에는 상기 각 렌즈영역(L)들에 대하여, 다수의 제 1 전극(207a, 207b)이 제 1 절연층(209)을 사이에 두고 이격하며 형성되어 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것으로 아니며, 상기 다수의 제 1 전극(207a, 207b)은 하나의 층상에 서로 이격하며 형성될 수도 있다. 이때, 상기 다수의 제 1 전극(207a, 207b)은 미세한 선 폭을 가지며, 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 제 1 기판(205)에 대해 이와 마주하는 하부 기판인 상기 제 2 기판(215)의 내측 면에는 상기 각 렌즈영역(L)들에 대하여, 다수의 제 2 전극(217a, 217b)이 제 2 절연층(219)을 사이에 두고 이격하며 형성되어 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것으로 아니며, 상기 다수의 제 2 전극(217a, 217b)은 하나의 층상에 서로 이격하며 형성될 수도 있다. 이때, 상기 다수의 제 2 전극(217a, 217b)은 미세한 선 폭을 가지며, 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다.
상기 제 1, 제 2 전극(207a,207b, 217a,217b)의 각각의 폭은 예를 들어, 5㎛ ~ 10㎛정도로 하며, 인접한 제 1, 제 2 전극(207a,207b, 217a,217b)간의 간격은 예를 들어, 5㎛ ~ 10㎛정도로 할 수 있다. 이때, 하나의 렌즈영역(L)의 피치(pitch)는 예를 들어, 90㎛ ~ 1000㎛정도로 다양하게 가변(可變)할 수 있는데, 상술한 상기 제 1, 제 2 전극(207a,207b, 217a,217b)의 폭 및 이격 간격에 따라 렌즈영역(L)별로 10개 내외에서 100개 이상까지 형성할 수 있다.
또한, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 제 1 기판(205) 또는 제 2 기판(215)에는 상기 다수의 제 1 전극(207a, 207b) 및 제 2 전극(217a, 217b)에 각각 서로 다른 전압을 인가하는 전압원(±Vmin, ±V1, ±V2,...., ±Vmax)이 형성될 수 있다.
이러한 구성을 갖는 상기 제 1 기판(205) 및 제 2 기판(215)의 내측 면에는 각각 제 1 배향막(208) 및 제 2 배향막(218)이 형성되어 있으며, 상기 제 1 배향막(208)과 제 2 배향막(218)이 형성된 상기 제 1 기판(205)과 제 2 기판(215) 사이에 액정층(206)이 형성되게 된다. 이때, 상기 제 1, 제 2 절연층(209, 219) 위에 형성된 다수의 제 1, 제 2 전극(207a,207b, 217a,217b)과 상기 제 1, 제 2 배향막(208, 218) 사이에는 하부의 구성요소에 의한 단차에 대해 영향을 받지 않고 그 표면이 평탄한 상태의 오버코트층(미도시)이 각각 더욱 형성될 수 있다.
이때, 상기 제 1, 제 2 배향막(208, 218)은 전압 무인가 시의 초기 상태에서 상기 액정렌즈(210)를 투과층으로 기능시키기 위해, 상기 제 2 배향막(218)의 러빙 방향을 상기 제 2 전극(217a, 217b)의 길이 방향과 수직하게 교차하는 방향으로 할 수 있다. 이때, 상기 제 1 배향막(208)의 러빙 방향은 이에 교차하는 방향 또는 서로 역방향(anti-parallel; 평행하나 진행 방향이 반대)으로 한다.
한편, 이와 같이 구성된 상기 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액정렌즈(210)에 있어, 상기 다수의 제 1 전극(207a, 207b) 및 제 2 전극(217a, 217b) 중 각 부분영역의 경계에 위치하는 전극은 차폐전극을 구성할 수 있으며, 이 경우 상기 차폐전극은 다른 전극대비 더 큰 폭을 가지며 형성될 수 있다. 여기서, 렌즈의 두께를 줄이기 위해 하나의 렌즈영역(L)은 최소 3개의 부분영역으로 나뉘어질 수 있으며, 또는 5개, 7개의 부분영역으로 나뉘어질 수 있다.
또한, 상기 다수의 상부 제 1 전극(207a)들간 및 상기 다수의 하부 제 1 전극(207b)들간은 각각 동일한 크기를 갖도록 이격되어 형성될 수 있는 한편, 상기 다수의 하부 제 2 전극(217a)들간 및 상기 다수의 상부 제 2 전극(217b)들간은 각각 동일한 크기를 갖도록 이격되어 형성될 수 있으며, 상기 각 부분영역 별로 또는 특정 번째의 전극간에 각각 그 간격을 달리 형성할 수도 있다.
이때, 상기 도 7 및 도 8에는 상기 제 1 기판(205)의 다수의 상부 제 1 전극(207a)들이 상기 제 2 기판(215)의 다수의 하부 제 2 전극(217a)들과 대향하여 배치되고, 상기 제 1 기판(205)의 다수의 하부 제 1 전극(207b)들이 상기 제 2 기판(215)의 다수의 상부 제 2 전극(217b)들과 대향하여 배치되는 경우를 예를 들어 나타내고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 다수의 제 1 전극(207a, 207b) 및 제 2 전극(217a, 217b)은 각각 상기 렌즈영역(L)에서, 상기 렌즈영역(L)의 에지부를 경계로 좌우 대칭형으로 형성된다.
상기 표시패널(240)로부터 출사된 제 1 및 제 2 영상(IM1, IM2)은 상기 액정렌즈(210)에 의해 각각 제 1 및 제 2 시역(viewing zone)(V1, V2)으로 전달되고, 상기 제 1 및 제 2 시역(V1, V2)간의 거리를 사람의 두 눈 사이의 거리로 설계하면 사용자는 상기 제 1 및 제 2 시역(V1, V2)으로 각각 전달되는 제 1 및 제 2 영상(IM1, IM2)을 합성하여 양안시차에 의한 3차원 영상을 인식하게 된다.
한편, 상기 제 1 전극(207a, 207b) 및 제 2 전극(217a, 217b)에 전압을 인가하지 않을 경우, 상기 액정렌즈(210)는 상기 표시패널(240)의 제 1 및 제 2 영상(IM1, IM2)을 굴절 없이 그대로 표시하는 단순 투명층 역할을 하게 된다. 따라서, 상기 제 1 및 제 2 영상(IM1, IM2)은 시역 구분 없이 그대로 사용자에게 전달되고, 사용자는 2차원 영상을 인식하게 된다.
여기서, 상기 렌즈영역(L)의 중심에 위치한 대향하는 제 1, 제 2 전극(207a,207b, 217a,217b)에는 대략 문턱 전압에 상당하는 제 1 전압(Vmin)이 인가되는데, 상기 렌즈영역(L)의 중심에 위치한 제 1, 제 2 전극(207a,207b, 217a,217b)의 경우 공통전압을 기준으로 극성이 다르고 절대값이 같은 제 1 전압(Vmin)이 인가되게 된다. 이때, 상기 본 발명의 제 2 실시예에 따른 제 1 전압(Vmin)은 상, 하부의 제 1, 제 2 전극(207a,207b, 217a,217b)에 나누어 인가됨에 따라 전술한 본 발명의 제 1 실시예에 따른 제 1 전압(Vmin')의 1/2에 해당하는 값을 가지게 된다.
또한, 상기 렌즈영역(L)들의 에지부에 위치한 대향하는 제 1, 제 2 전극(207a,207b, 217a,217b)에는 가장 큰 제 n 전압(Vmax)이 인가되는데, 이 경우 공통전압을 기준으로 극성이 다르고 절대값이 같은 제 n 전압(Vmax)이 각각 인가되게 된다. 이때, 상기 본 발명의 제 2 실시예에 따른 제 n 전압(Vmax)은 상, 하부의 제 1, 제 2 전극(207a,207b, 217a,217b)에 나누어 인가됨에 따라 전술한 본 발명의 제 1 실시예에 따른 제 n 전압(Vmax')의 1/2에 해당하는 값을 가지게 된다. 이 경우, 상기 렌즈영역(L)의 중심과 에지부 사이에 위치하는 상기 대향하는 다수의 제 1, 제 2 전극(207a,207b, 217a,217b)에 인가하는 전압은 상기 렌즈영역(L)의 문턱 전압(Vmin)에서 제 n 전압(Vmax) 사이에서, 상기 렌즈영역(L)의 중심에서 멀어질수록 점점 커지는 값의 전압이 인가되는데, 공통전압을 기준으로 극성이 다르고 절대값이 같은 값의 전압이 상기 상, 하부의 제 1, 제 2 전극(207a,207b, 217a,217b)에 각각 인가되게 된다.
이러한 방식으로 전압을 인가하게 되면, 서로 인접한 상기 다수의 제 1 전극(207a, 207b)들간 또는 다수의 제 2 전극(217a, 217b)들간에 인가되는 전압 차는 1/2V 이하가 되어 상기 다수의 제 1 전극(207a, 207b)들간 또는 다수의 제 2 전극(217a, 217b)들간에 조성되는 수평 전계가 최소화되게 된다.
도 9a 및 도 9b는 각각 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 입체영상표시장치에 있어, 액정렌즈에 전압을 인가하는 방법을 예를 들어 나타내는 표다.
즉, 상기 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예의 경우에는 상부 기판의 제 1 전극, 즉 공통전극에 0V의 공통전압을 인가하고, 하부 기판의 제 2 전극에는 문턱 전압인 제 1 전압(Vmin')으로 1.7V에서부터 최대 전압인 제 n 전압(Vmax')으로 6V까지 비등간격으로 렌즈영역의 중심에서 멀어질수록 점점 커지도록 전압을 인가하게 된다.
그리고, 본 발명의 제 2 실시예의 경우에는 상기 제 1 실시예의 방식에서 하부 기판의 제 2 전극에 인가되는 전압(Vmin', V1', V2',...., Vmax')과 상부 기판의 제 1 전극에 인가되는 전압(0V)을 상, 하부 기판에 분배하여 각각 극성이 다르고 절대값이 같은 전압(±Vmin, ±V1, ±V2,...., ±Vmax)을 인가함으로써 수직 전계에 의해 프레넬 렌즈를 구현하게 된다. 즉, 하부 기판의 제 2 전극에는 렌즈영역의 중심에서 멀어지는 방향으로 차례대로 Vmin'/2, V1'/2, V2'/2,...., Vmax'/2의 전압을 인가하는 한편, 상부 기판의 제 1 전극에는 렌즈영역의 중심에서 멀어지는 방향으로 차례대로 -Vmin'/2, -V1'/2, -V2'/2,...., -Vmax'/2의 전압을 인가하여 렌즈 형태를 구현한다.
예를 들어, 하부 기판의 제 2 전극에는 문턱 전압인 제 1 전압(Vmin)으로 <0.85V에서부터 최대 전압인 제 n 전압(Vmax)으로 <3V까지 비등간격으로 렌즈영역의 중심에서 멀어질수록 점점 커지도록 전압을 인가하는 한편, 상부 기판의 제 1 전극에는 문턱 전압인 제 1 전압(-Vmin)으로 <-0.85V에서부터 최대 전압인 제 n 전압(-Vmax)으로 <-3V까지 비등간격으로 렌즈영역의 중심에서 멀어질수록 점점 커지도록 전압을 인가하게 된다.
이와 같은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 방식으로 렌즈를 시뮬레이션 한 결과, 실제 동일한 렌즈 구현 시 상기 제 1 실시예에 따른 방식 대비 인가되는 전압은 하부 기판의 경우 <Vmin'/2, <V1'/2, <V2'/2,...., <Vmax'/2이고, 상부 기판의 경우 <-│Vmin'/2│, <-│V1'/2│, <-│V2'/2│,...., <-│Vmax'/2│가 되어 액정 틀어짐이 현저하게 줄어들게 된다.
이는 액정 틀어짐에 관여하는 전계가 모두 수직 전계에 관여함으로써 실제 동일한 굴절률 이방성 구현 시 더 적은 양이 인가 전압에 의해 동일한 렌즈 형태 구현이 가능한 것으로 판단된다.
도 10은 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 액정렌즈에 있어, 1/2 단위 렌즈 피치에 따른 투과율 에러(error)를 비교하여 나타내는 그래프이다.
우선, 투과율 에러란 액정렌즈의 상, 하부 기판(상, 하부 기판 90도 러빙)에 서로 수직하게 교차된 편광판(상/하; 45도/135도)을 위치시킨 후 시뮬레이션(simulation)하여 얻은 데이터를 통해 액정 틀어짐에 대한 에러 수준을 정량적으로 나타내는 수치이다.
이때, ECB(electrically controlled birefringence) 모드에서는 액정 틀어짐이 발생하지 않았을 경우 전압 인가 여부에 관계없이 투과율이 0%가 나와야 정상이지만, 액정 틀어짐이 발생할 경우 빛이 투과되는 영역이 발생한다.
따라서, 상기 구조에서의 투과율이 높을수록 액정 틀어짐이 심하게 발생한 것으로 판단할 수 있다.
상기 도 10에서 알 수 있듯이 프레넬 렌즈의 불연속면 위치(인접한 전극의 전압 차가 크게 발생하여 액정 틀어짐이 심하게 발생하는 경우)에서 투과율 에러가 크게 발생함을 알 수 있고, 제 1 실시예의 경우에는 투과율 에러가 12.3%인데 비해 제 2 실시예의 경우에는 투과율 에러가 4.3%로 60 ~ 70% 정도 감소된 것을 알 수 있다.
이는 실제 액정렌즈에 동일한 구조로 편광판을 부착하여 실험한 결과, 현미경으로 관찰한 결과와도 일치하고 실제 백라이트로 빛을 인가하여 측정한 투과율 에러와도 일치한다.
상기한 설명에 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나 이것은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서 발명은 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위와 특허청구범위에 균등한 것에 의하여 정하여져야 한다.
105,205 : 제 1 기판 106,206 : 액정층
107,207a,207b : 제 1 전극 108,208 : 제 1 배향막
110,210 : 액정렌즈 115,215 : 제 2 기판
118,218 : 제 2 배향막 117a,117b,217a,217b : 제 2 전극
209 : 제 1 절연층 219 : 제 2 절연층
220 : 광원 240 : 표시패널

Claims (18)

  1. 다수의 부분영역을 갖는 다수의 렌즈영역이 정의되어 서로 마주보며 이격된 제 1 기판과 제 2 기판; 상기 각 렌즈영역들에 대하여, 상기 제 1 기판의 내측 면에 형성된 다수의 제 1 전극과 상기 제 2 기판의 내측 면에 형성된 다수의 제 2 전극; 및 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 형성된 액정층으로 이루어지며, 전압 인가에 따라 구동되어 렌즈 기능을 갖는 액정렌즈; 및
    상기 액정렌즈 하부에 위치하여 2차원 영상 정보를 출사하는 표시패널을 포함하며, 대향하는 상기 제 1 전극과 제 2 전극에 각각 공통전압을 기준으로 극성이 다르고 절대값이 같은 전압이 인가되어 기울기를 가진 굴절률 분포에 의해 상기 액정층을 제어하는 것을 특징으로 하는 입체영상표시장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 표시패널 하부에 위치하여 상기 표시패널로 광을 전달하는 광원을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 입체영상표시장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 표시패널에는 제 1 및 제 2 영상을 각각 표시하는 제 1 및 제 2 영상화소가 순차적으로 반복 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 입체영상표시장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 표시패널은 액정표시장치, 유기발광표시장치, 전계발광표시장치, 플라즈마영상표시장치, 전기발광표시장치 중 하나인 것을 특징으로 하는 입체영상표시장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 기판의 내측 면에는 상기 각 렌즈영역들에 대하여, 다수의 제 1 전극이 제 1 절연층을 사이에 두고 이격하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 입체영상표시장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 2 기판의 내측 면에는 상기 각 렌즈영역들에 대하여, 다수의 제 2 전극이 제 2 절연층을 사이에 두고 이격하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 입체영상표시장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 기판의 다수의 상부 제 1 전극들은 상기 제 2 기판의 다수의 하부 제 2 전극들과 대향하여 배치하고, 상기 제 1 기판의 다수의 하부 제 1 전극들은 상기 제 2 기판의 다수의 상부 제 2 전극들과 대향하여 배치하는 것을 특징으로 하는 입체영상표시장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 기판 또는 제 2 기판에 형성되어 상기 다수의 제 1 전극 및 제 2 전극에 각각 서로 다른 전압을 인가하는 전압원을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 입체영상표시장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 제 1 전극 및 제 2 전극 중 각 부분영역간의 경계에 위치하는 전극은 전압이 인가되지 않거나 0V가 입력되는 차폐전극을 구성하는 것을 특징으로 하는 입체영상표시장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 하나의 렌즈영역은 최소 3개의 부분영역으로 나뉘어지는 것을 특징으로 하는 입체영상표시장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 제 1 전극 및 제 2 전극은 각각 상기 렌즈영역에서, 상기 렌즈영역의 에지부를 경계로 좌우 대칭형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 입체영상표시장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 렌즈영역의 중심에 위치한 대향하는 제 1, 제 2 전극에는 대략 문턱 전압에 상당하는 제 1 전압(Vmin)이 인가되는데, 이 경우 공통전압을 기준으로 극성이 다르고 절대값이 같은 제 1 전압(Vmin)이 인가되는 것을 특징으로 하는 입체영상표시장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 렌즈영역들의 에지부에 위치한 대향하는 제 1, 제 2 전극에는 가장 큰 제 n 전압(Vmax)이 인가되는데, 이 경우 공통전압을 기준으로 극성이 다르고 절대값이 같은 제 n 전압(Vmax)이 각각 인가되는 것을 특징으로 하는 입체영상표시장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 렌즈영역의 중심과 에지부 사이에 위치하는 상기 대향하는 다수의 제 1, 제 2 전극에 인가하는 전압은 상기 렌즈영역의 문턱 전압(Vmin)에서 제 n 전압(Vmax) 사이에서, 상기 렌즈영역의 중심에서 멀어질수록 점점 커지는 값의 전압이 인가되는데, 공통전압을 기준으로 극성이 다르고 절대값이 같은 값의 전압이 상기 상, 하부의 제 1, 제 2 전극에 각각 인가되는 것을 특징으로 하는 입체영상표시장치.
  15. 다수의 부분영역을 갖는 다수의 렌즈영역이 정의되어 서로 마주보며 이격된 제 1 기판과 제 2 기판; 상기 각 렌즈영역들에 대하여, 상기 제 1 기판의 내측 면에 형성된 다수의 제 1 전극과 상기 제 2 기판의 내측 면에 형성된 다수의 제 2 전극; 및 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 형성된 액정층으로 이루어지며, 전압 인가에 따라 구동되어 렌즈 기능을 갖는 액정렌즈를 포함하는 액정렌즈의 구동방법에 있어서,
    대향하는 상기 제 1 전극과 제 2 전극에 각각 공통전압을 기준으로 극성이 다르고 절대값이 같은 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 액정렌즈의 구동방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 렌즈영역의 중심에 위치한 대향하는 제 1, 제 2 전극에는 대략 문턱 전압에 상당하는 제 1 전압(Vmin)을 인가하는데, 이 경우 공통전압을 기준으로 극성이 다르고 절대값이 같은 제 1 전압(Vmin)을 인가하는 것을 특징으로 하는 액정렌즈의 구동방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 렌즈영역들의 에지부에 위치한 대향하는 제 1, 제 2 전극에는 가장 큰 제 n 전압(Vmax)을 인가하는데, 이 경우 공통전압을 기준으로 극성이 다르고 절대값이 같은 제 n 전압(Vmax)을 각각 인가하는 것을 특징으로 하는 액정렌즈의 구동방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 렌즈영역의 중심과 에지부 사이에 위치하는 상기 대향하는 다수의 제 1, 제 2 전극에 인가하는 전압은 상기 렌즈영역의 문턱 전압(Vmin)에서 제 n 전압(Vmax) 사이에서, 상기 렌즈영역의 중심에서 멀어질수록 점점 커지는 값의 전압을 인가하는데, 공통전압을 기준으로 극성이 다르고 절대값이 같은 값의 전압을 상기 상, 하부의 제 1, 제 2 전극에 각각 인가하는 것을 특징으로 하는 액정렌즈의 구동방법.
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