KR20220058285A - 빔 편향기 및 이를 포함하는 3차원 디스플레이 장치 - Google Patents

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KR20220058285A
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원강희
김영
안중권
이홍석
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삼성전자주식회사
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Abstract

일 실시예는, 제1 방향으로 연장되어 형성되며, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 서로 나란하게 배치된 복수 개의 라인 전극을 포함하는 제1 전극층, 상기 제1 전극층과 마주보도록 일정 거리만큼 이격되어 배치된 제2 전극층 및 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층 사이에 마련되고, 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층 사이에 형성된 전기장에 의해 제어되는 복수 개의 광학적 이방성 분자를 가지는 편향층을 포함하는 빔 편향기를 제공한다.
상기 복수 개의 광학적 이방성 분자는 장축과 단축을 가지는 타원의 형상을 구비하며, 상기 장축이 상기 제1 방향을 향하도록 배열됨과 동시에 상기 제1 방향으로의 중심축을 기준으로 상기 제2 방향으로 제1 각도(θ1)만큼 기울어지도록 배치될 수 있다.

Description

빔 편향기 및 이를 포함하는 3차원 디스플레이 장치{Beam deflector and 3-dimensional display device including the same}
본 개시의 기술적 사상은 일반적으로 빔 편향기 및 이를 포함하는 3차원 디스플레이 장치에 관한 것이다.
3차원 디스플레이 장치의 한 종류인 홀로그래픽 디스플레이(Holographic Display) 장치는 넓은 깊이 표현 영역에서 또렷한 3차원 영상을 표현하면서도, 눈의 피로감이 없어 궁극의 3차원 디스플레이 장치로 여겨지고 있다. 하지만 이를 구현하기 위해서 파장 크기의 픽셀(Pixel)을 가진 고해상도의 공간 광 변조기(spatial light modulator; SLM), 가간섭성을 가진 면광원, 그리고 방대한 양의 컴퓨터 생성 홀로그램(Computer Generated Hologram; CGH)의 계산이 필요하다.
최근에는 데이터 처리량 및 해상도의 조건을 완화하기 위하여, 관찰자의 양안에 해당하는 시역에만 각각 홀로그램 영상을 제공하는 양안 홀로그램(binocular hologram) 방식이 제안되고 있다. 예를 들어, 관찰자의 좌안 시역에 해당하는 시점을 갖는 홀로그램 영상과 관찰자의 우안 시역에 해당하는 시점을 갖는 홀로그램 영상만을 생성하여 관찰자의 좌안과 우안에 각각 제공하는 것이다. 이 경우, 나머지 시점들에 대한 홀로그램 영상들을 생성하지 않아도 되기 때문에 데이터 처리량을 크게 줄일 수 있으며, 현재 상용화된 디스플레이 장치로도 공간 광 변조기의 해상도 조건을 만족할 수 있다.
이러한 홀로그래픽 디스플레이 장치는 일반 영상 신호를 홀로그래픽용 영상 신호로 변환을 한 뒤, 광학계를 이용하여 양안으로(좌안, 우안) 변환된 영상을 보내어 입체감 있는 이미지 영상을 보여주는 방식을 통해 사용자에게 3차원 영상을 제공한다. 이 경우, 변환된 영상의 빔을 편향시켜 각각 사용자의 좌안, 우안에 보내주기 위하여 시스템의 부피가 굉장히 커다란 기계 부품 기반의 광학계가 이용된다.
빔을 편향시키기 위한 광학계로서, 멤스 스캐너(MEMS scanner), 갈바노 미러(Galvano mirror), 선형 공간 광 변조기(Linear SLM) 또는 액정 빔 편향기(Liquid crystal beam deflector) 등이 있다. 이 중, 광학적 이방성 물질(예를 들어, 액정)을 포함하는 빔 편향기는 하부 및 상부 전극 사이에 광학적 이방성 물질을 주입하여 형성한 구조를 가짐으로써 다른 광학계에 비해, 비교적 작은 부피를 구현하기에 최적화될 수 있다.
본 개시의 예시적인 실시예에 따라 광학적 이방성 물질(예를 들어, 액정)의 배열 방향을 적절하게 조절함으로써 프린징 필드 효과(Fringing-field Effect)에 따른 입사광의 위상 손실을 최소화한 빔 편향기 및 이를 포함하는 3차원 디스플레이 장치를 제공한다.
그러나 본 개시의 예시적인 실시예가 해결하고자 하는 과제가 상기한 바에 한정되는 것은 아니다.
일 실시예는,
제1 방향으로 연장되어 형성되며, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 서로 나란하게 배치된 복수 개의 라인 전극을 포함하는 제1 전극층, 상기 제1 전극층과 마주보도록 일정 거리만큼 이격되어 배치된 제2 전극층 및 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층 사이에 마련되고, 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층 사이에 형성된 전기장에 의해 제어되는 복수 개의 광학적 이방성 분자를 가지는 편향층을 포함하는 빔 편향기를 제공한다.
상기 복수 개의 광학적 이방성 분자는 장축과 단축을 가지는 타원의 형상을 구비하며, 상기 장축이 상기 제1 방향을 향하도록 배열됨과 동시에 상기 제1 방향으로의 중심축을 기준으로 상기 제2 방향으로 제1 각도(θ1)만큼 기울어지도록 배치될 수 있다.
상기 제1 각도(θ1)의 범위는 -5°≤ θ1 ≤ 5°일 수 있다.
상기 복수 개의 광학적 이방성 분자는 장축이 상기 제1 방향으로의 중심축을 기준으로 상기 제1 방향 및 제2 방향 모두에 수직한 제3 방향으로 제2 각도(θ2)만큼 기울어지도록 배치될 수 있다.
상기 제2 각도(θ2)의 범위는 -5°≤ θ2 ≤ 5°일 수 있다.
상기 빔 편향기는, 상기 제1 전극층과 상기 편향층 사이에 마련되는 제1 정렬층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 정렬층 상의 상기 복수 개의 라인 전극과 대응되는 위치에는, 상기 제1 방향으로 연장되어 형성되며, 상기 제1 방향으로의 중심축을 기준으로 상기 제2 방향으로 상기 제1 각도(θ1)만큼 기울어지도록 형성된 복수 개의 제1 오목부가 마련될 수 있다.
상기 복수 개의 광학적 이방성 분자는 상기 복수 개의 제1 오목부에 대응되는 영역을 따라 일렬로 배열될 수 있다.
상기 빔 편향기는, 상기 제2 전극층과 상기 편향층 사이에 마련되는 제2 정렬층을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 정렬층 상의 상기 복수 개의 라인 전극과 대응되는 위치에는, 상기 제1 방향으로 연장되어 형성되며, 상기 제1 방향으로의 중심축을 기준으로 상기 제2 방향으로 상기 제1 각도(θ1)만큼 기울어지도록 형성된 복수 개의 제2 오목부가 마련될 수 있다.
상기 복수 개의 제2 오목부는 상기 복수 개의 제1 오목부와 마주하도록 마련될 수 있다.
상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 이격 거리는 1.5μm 내지 6.0μm일 수 있다.
상기 복수 개의 라인 전극 중, 서로 인접한 두 개의 라인 전극 사이의 상기 제2 방향으로의 이격 거리는 1.0μm 내지 6.0μm일 수 있다.
상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 제1 이격 거리는 상기 복수 개의 라인 전극 중, 서로 인접한 두 개의 라인 전극 사이의 상기 제2 방향으로의 제2 이격 거리와 서로 동일할 수 있다.
상기 복수 개의 광학적 이방성 분자는 포지티브(positive) 타입의 유전율 이방성(dielectric anisotropy)을 갖는 분자일 수 있다.
상기 복수 개의 광학적 이방성 분자는 액정 분자일 수 있다.
상기 제2 전극층은 상기 복수 개의 라인 전극 전체와 마주하는 평판 형상을 가질 수 있다.
다른 일 실시예는,
가간섭성의 광빔을 제공하는 광원, 상기 광원으로부터의 광을 편향시키는 상기 빔 편향기 및 상기 빔 편향기로부터의 입사광을 회절시켜 홀로그램 영상을 형성하는 공간 광 변조기를 포함하는 3차원 디스플레이 장치를 제공한다.
상기 3차원 디스플레이 장치는, 시청자의 좌안, 우안의 위치를 센싱하는 아이 트래킹 센서 및 상기 아이 트래킹 센서에서 센싱한 상기 시청자의 좌안, 우안의 위치에 대한 정보를 바탕으로 상기 빔 편향기를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 3차원 디스플레이 장치는, 상기 광원과 상기 공간 광 변조기 사이에 마련되고, 상기 광원으로부터 방출된 광을 상기 공간 광 변조기의 크기에 맞도록 확대하는 도광부를 더 포함할 수 있다.
상술한 빔 편향기 및 이를 포함하는 3차원 디스플레이 장치에 따르면, 광학적 이방성 분자의 장축의 배열 방향을 하부 라인 전극의 길이 방향과 평행한 방향으로 배열함으로써, 서로 인접한 두 개의 하부 라인 전극 사이에 형성된 전기장에 의한 프린징 필드 효과(Fringing-field Effect)에 따른 입사광의 위상 손실(phase loss)을 최소화할 수 있다.
나아가, 광학적 이방성 분자의 장축이 하부 라인 전극의 길이 방향을 기준으로 소정의 각도로 기울어지도록 함으로써, 인접한 두 개의 하부 라인 전극 사이에 형성된 상기 길이 방향에 수직한 전기장에 의한 광학적 이방성 분자의 재배열이 일정한 방향성을 가지도록 할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 빔 편향기의 예시적인 구성을 간략하게 도시한 것이다.
도 2는 도 1 복수 개의 광학적 이방성 분자 중 어느 하나의 예시적인 구성을 간략하게 도시한 것이다.
도 3은 도 1의 복수 개의 라인 전극 중 어느 하나와 복수 개의 광학적 이방성 분자의 예시적인 배치 구조를 간략하게 도시한 것이다.
도 4는 도 1의 복수 개의 라인 전극 중 어느 하나와 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)의 다른 예시적인 배치 구조를 간략하게 도시한 것이다.
도 5는은 도 1의 복수 개의 라인 전극 중 어느 하나와 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)의 또 다른 예시적인 배치 구조를 간략하게 도시한 것이다.
도 6은 도 1의 복수 개의 라인 전극에 인가되는 전압을 예시적으로 보인다.
도 7은 도 1의 편향층에 의한 제1 편광의 광에 대한 위상변화 분포를 예시적으로 보인다.
도 8은 도 1의 편향층에 의한 제2 편광의 광에 대한 위상변화 분포를 예시적으로 보인다.
도 9는 다른 일 실시예에 따른 빔 편향기의 예시적인 구성을 간략하게 도시한 것이다.
도 10은 도 9의 빔 편향기에 포함된 제1 정렬층 상에 오목부가 형성된 모습을 간략하게 도시한 평면도이다.
도 11은 도 9의 빔 편향기에 포함된 제1 정렬층 상에 오목부가 형성된 모습을 간략하게 도시한 사시도이다.
도 12는 도 9의 빔 편향기에 포함된 제2 정렬층 상에 오목부가 형성된 모습을 간략하게 도시한 평면도이다.
도 13은 도 9의 빔 편향기에 포함된 복수 개의 라인 전극에 전압이 인가된 경우 형성되는 전기장의 모습을 간략하게 도시한 것이다.
도 14는 도 9의 빔 편향기에 전압이 인가된 경우의 복수 개의 라인 전극의 위치에 따른 입사광에 대한 위상 변화량 분포를 간략하게 도시한 그래프이다.
도 15는 비교예에 따른 빔 편향기에 포함된 복수 개이 라인 전극에 전압이 인가된 경우 형성되는 전기장의 모습을 간략하게 도시한 것이다.
도 16은 도 15의 빔 편향기에 전압이 인가된 경우의 복수 개의 라인 전극의 위치에 따른 입사광에 대한 위상 변화량 분포를 간략하게 도시한 그래프이다.
도 17은 일 실시예에 따른 3차원 디스플레이 장치의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 18은 다른 일 실시예에 따른 3차원 디스플레이 장치의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 예시적인 실시예에 따른 빔 편향기 및 이를 포함하는 3차원 디스플레이 장치에 대해 상세히 설명한다. 이하의 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성과 편의를 위하여 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예들은 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 모든 예들 또는 예시적인 용어의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 빔 편향기 및 이를 포함하는 3차원 디스플레이 장치는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 일 실시예에 따른 빔 편향기(100)의 예시적인 구성을 간략하게 도시한 것이다. 도 2는 도 1 복수 개의 광학적 이방성 분자(141) 중 어느 하나의 예시적인 구성을 간략하게 도시한 것이다. 도 3은 도 1의 복수 개의 라인 전극(121) 중 어느 하나와 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)의 예시적인 배치 구조를 간략하게 도시한 것이다. 도 4는 도 1의 복수 개의 라인 전극(121) 중 어느 하나와 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)의 다른 예시적인 배치 구조를 간략하게 도시한 것이다. 도 5는은 도 1의 복수 개의 라인 전극(121) 중 어느 하나와 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)의 또 다른 예시적인 배치 구조를 간략하게 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 빔 편향기(100)는 제1 방향(y축 방향)으로 연장되어 형성되며, 제1 방향(y축 방향)과 교차하는 제2 방향(x축 방향)으로 서로 나란하게 배치된 복수 개의 라인 전극(121)을 포함하는 제1 전극층(120), 제1 전극층(120)과 마주보도록 일정 거리만큼 이격되어 배치된 제2 전극층(130), 제1 전극층(120) 및 제2 전극층(130) 사이에 마련되고, 제1 전극층(120) 및 제2 전극층(130) 사이에 형성된 전기장에 의해 제어되는 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)를 가지는 편향층(140)을 포함할 수 있다. 또한, 빔 편향기(100)는 복수 개의 라인 전극(121) 사이에 채워진 절연 물질(122)을 더 포함할 수 있다. 절연 물질(122)에 의해서 복수 개의 라인 전극(121) 중 서로 인접한 라인 전극(121) 사이에서의 전기적 단락이 방지될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고, 복수 개의 라인 전극(121) 사이에는 절연 물질(122) 대신에 편향층(140)의 일부가 채워질 수도 있다.
제1 전극층(120)은 기판(110) 상에 마련된 복수 개의 라인 전극(121)을 포함할 수 있다. 도 1에는 편의상 5개의 라인 전극(121)이 도시되어 있으나, 이에 제한되지 않고 제1 전극층(120)은 예컨대 720개의 라인 전극(121)을 포함할 수 있다. 즉, 전극층(120)이 포함하는 복수 개의 라인 전극(121)의 총 개수는 다양할 수 있다.
복수 개의 라인 전극(121)은 제1 방향(y축 방향)으로 연장되도록 형성되고, 제1 방향(y축 방향)과 교차하는 제2 방향(x축 방향)으로 일정한 간격으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 방향(y축 방향)과 제2 방향(x축 방향)은 서로 교차하는 방향일 수 있다. 복수 개의 라인 전극 간의 이격 거리(P)가 좁게 형성됨에 따라, 빔 편향기(100)의 광의 회절 각도 또는 편향 각도가 증가할 수 있다. 복수 개의 라인 전극(121) 중 서로 인접한 두 개의 라인 전극(121) 사이의 제2 방향(x축 방향)으로의 이격 거리(P)는 약 1.0μm 내지 6.0μm일 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 라인 전극(121) 중 서로 인접한 두 개의 라인 전극(121) 사이의 제2 방향(x축 방향)으로의 이격 거리(P)는 약 2㎛일 수 있다. 복수 개의 라인 전극(121)은 동일한 제2 방향(x축 방향)으로의 폭을 갖도록 배치될 수 있다. 복수 개의 라인 전극(121)의 제2 방향(x축 방향)으로의 폭은 약 1.5㎛ 일 수 있다.
복수 개의 라인 전극(121)은 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 라인 전극(121)은 ITO(indium-tin-oxide), IZO(indium-zinc-oxide), ITZO(indium-tin-zinc-oxide)로 제작될 수 있다.
제2 전극층(130)은 복수 개의 라인 전극(121) 전체와 마주하는 공통 전극이고, 제1 전극층(120)과 마주보도록 일정 거리만큼 떨어져 배치된 평판 형상을 가지는 전극일 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고, 제2 전극층(130)은 제1 전극층(120)의 복수 개의 라인 전극(121)과 같은 형태로도 구현될 수 있다. 이 경우, 제2 전극층(130)의 복수 개의 라인 전극에는 모두 동일한 플로팅(floating) 전압이 인가될 수 있다. 제2 전극층(130)은 제1 전극층(120)과 마찬가지로 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 제2 전극층(130)과 제1 전극층(120) 사이의 이격 거리(d)는 약 1.5μm 내지 6.0μm일 수 있다. 예를 들어, 제2 전극층(130)과 제1 전극층(120) 사이의 이격 거리(d)는 약 2㎛일 수 있다. 또한, 제2 전극층(130)과 제1 전극층(120) 사이의 이격 거리(d)는 복수 개의 라인 전극(121) 중 서로 인접한 두 개의 라인 전극(121) 사이의 제2 방향(x축 방향)으로의 제2 이격 거리(P)와 서로 동일할 수 있다.
편향층(140)은 입사광을 편광 상태에 따라 선택적으로 편향시킬 수 있다. 예를 들어, 편향층(140)은 제1 방향과 나란한 제1 편광(⊙)의 입사광(L1)을 편향시킬 수 있으나, 제1 편광과 수직인 제2 편광(↔)의 입사광은 편향시키지 못할 수 있다. 이를 위하여, 편향층(140)은 전기적으로 제어되는 복수 개의 광학적 이방성(optical anisotropy) 분자(141)를 포함할 수 있다. 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)는 외부 전압원(미도시)으로부터 인가되는 전압에 의해 제1 전극층(120)과 제2 전극층(130) 사이에 형성되는 전기장에 의해 제어될 수 있다. 광학적 이방성은 서로 다른 편광의 광에 대해 서로 다른 굴절률을 나타내는 성질이다. 예를 들어, 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)는 제1 편광(⊙)의 광에 대한 굴절률과, 제2 편광(↔)의 광에 대한 굴절률이 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)는 장축과 단축을 가지는 타원의 형상을 구비하는 액정 분자일 수 있으나, 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)가 이에 한정되는 것은 아니다. 이하에서는 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)가 액정 분자인 경우에 대해 설명한다.
도 2를 참조하면, 타원형의 액정 분자인 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)는 장축(ne)과 이에 수직한 단축(no)을 포함할 수 있다. 이 경우, 장축(ne) 혹은 단축(no)을 굴절률(refractive index)이라고 하고, 이 둘의 차이(ne-no)를 복굴절 (birefringence)이라고 할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 광학적 이방성 분자(141)가 장축(ne) 방향(x축 방향)으로 누워 있는 상태에서는, 장축(ne)과 평행한 방향으로 편광된 제1 편광(↔)의 입사광(L3)에 대한 복굴절(ne-no)은 최대가 되고, 이와 달리, 장축(ne)과 수직인 방향으로 편광된 제2 편광(⊙)의 입사광(L4)에 대한 복굴절(ne-no)은 0이 될 수 있다. 또한, 외부로부터 z축 방향으로 전압이 인가되면, 광학적 이방성 분자(141)가 z축 방향과 나란하게 설 수 있다. 이 경우에는 제1 편광(↔)의 입사광(L3) 및 제2 편광(⊙)의 입사광(L4)에 대한 복굴절(ne-no)이 모두 0이 될 수 있다.
한편, 외부로부터 광학적 이방성 분자(141)에 전압이 인가되기 전후에, 복굴절(ne-no) 차이가 발생해야 입사광의 위상변화가 발생할 수 있다. 따라서, z축 방향으로 전압이 인가되기 전에 x축 방향으로 향해 있던 광학적 이방성 분자(141)의 장축(ne)과 나란한 방향으로 편광된 제1 편광(↔)의 입사광(L3)에 대해서는, 전압이 인가되기 전후에 복굴절(ne-no)의 변화가 발생하므로, 위상변화가 발생한다. 그러나, 전압이 인가되기 전에 x축 방향으로 향해 있던 광학적 이방성 분자(141)의 장축(ne)과 수직인 방향으로 편광된 제2 편광(⊙)의 입사광(L4)에 대해서는, 전압이 인가되기 전후에 복굴절(ne-no)의 변화가 발생하지 않으므로, 위상변화 또한 발생하지 않는다.
한편, 도 3을 참조하면, 편향층(140)에 포함된 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)는 장축(ne)이 제1 방향(y축 방향)을 향하도록 배열될 수 있다. 또한, 이와 동시에 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)는 장축(ne)이 제1 방향(y축 방향)으로의 중심축(k1)을 기준으로 제2 방향(x축 방향)으로 제1 각도(θ1)만큼 기울어지도록 배치될 수 있다. 다시 말해, 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)는 장축(ne)이 중심축(k1)으로부터 제2 방향(x축 방향)으로 제1 각도(θ1)만큼 기울어진 제1 편향축(k2) 방향을 향하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 각도(θ1)의 범위는 -5°≤ θ1 ≤ 5°일 수 있다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)는 장축((ne)이 제1 편향축(k2)을 따라 일렬로 배열되도록 마련될 수 있다. 상기한 바와 같은 방식으로 배치된 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)는, 복수 개의 라인 전극(121) 중 어느 하나에 대응되는 영역에 분포할 수 있다. 다시 말해, 도 3에 도시된 바와 같이, 복수 개의 라인 전극(121) 중 어느 하나에 대응되는 영역 상에 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)가 장축(ne)이 제1 편향축(k2) 방향을 향하도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 복수 개의 라인 전극(121)마다 대응되는 위치에, 장축(ne)이 제1 편향축(k2) 방향을 향하도록 배치된 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)가 마련될 수 있다.
나아가, 도 4를 참조하면, 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)는 장축(ne)이 제1 편향축(k2)을 기준으로 제1 방향(y축 방향) 및 제2 방향(x축 방향) 모두에 수직한 제3 방향(z축 방향)으로 제2 각도(θ2)만큼 기울어지도록 배치될 수 있다. 다시 말해, 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)는 장축(ne)이 제1 편향축(k2)으로부터 제3 방향(z축 방향)으로 제2 각도(θ2)만큼 기울어진 제2 편향축(k3) 방향을 향하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 각도(θ2)의 범위는 -5°≤ θ2 ≤ 5°일 수 있다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)는 장축(ne)이 제2 편향축(k3)을 따라 일렬로 배열되도록 마련될 수 있다. 상기한 바와 같은 방식으로 배치된 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)는, 복수 개의 라인 전극(121) 중 어느 하나에 대응되는 영역에 분포할 수 있다. 다시 말해, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 복수 개의 라인 전극(121) 중 어느 하나에 대응되는 영역 상에 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)가 장축(ne)이 제2 편향축(k3) 방향을 향하도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 복수 개의 라인 전극(121)마다 대응되는 위치에, 장축(ne)이 제2 편향축(k3) 방향을 향하도록 배치된 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)가 마련될 수 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하여 전술한 바와 같이, 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)는 장축(ne)이 전반적으로 제1 방향(y축 방향)을 향하도록 배치될 수 있다. 또한, 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)는 장축(ne)이 제1 중심축(k1)으로부터 제2 방향(x축 방향)으로 제1 각도(θ1)만큼 기울어지고, 이와 동시에, 제2 편향축(k2)으로부터 제3 방향(z축 방향)으로 제2 각도(θ2)만큼 기울어지도록 배치될 수 있다.
도 6은 도 1의 복수 개의 라인 전극(121)에 인가되는 전압을 예시적으로 보인다. 도 7은 도 1의 편향층(140)에 의한 제1 편광(⊙)의 광에 대한 위상변화 분포를 예시적으로 보인다. 도 8은 도 1의 편향층(140)에 의한 제2 편광(↔)의 광에 대한 위상변화 분포를 예시적으로 보인다.
도 6을 참조하면, 복수 개의 라인 전극(121)에 대한 인가 전압은 계단형으로 반복될 수 있다. 이 때, 제2 전극층(도 1의 130)은 접지(GND)일 수 있다. 도 6의 가로축이 나타내는 위치는 도 1의 복수 개의 라인 전극(121)의 제2 방향(x축 방향)으로의 위치를 나타낸다. 이러한 계단형의 인가 전압은 편향층(140) 내에 전기장 분포를 형성하며, 복수 개의 광학적 이방성 분자(도 1의 141)는 전기장 방향에 의존하여 정렬하게 된다. 예를 들어, 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)는 포지티브(positive) 타입의 유전율 이방성(dielectric anisotropy)을 가질 수 있고, 이 경우, 방향자(director), 즉, 장축(도 2의 ne) 방향이 전기장 방향으로 배열된다. 이와 달리, 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)가 네거티브(negative) 타입의 유전율 이방성을 가지는 경우에는 장축(ne) 방향이 전기장 방향에 수직하게 배열될 수 있다. 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)가 회전하는 정도는 각 위치에서의 전기장 세기에 의존한다. 이에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이 계단형의 전압이 복수 개의 라인 전극(121)에 인가될 경우, 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)의 배열은 복수 개의 라인 전극(121)의 각 위치에서 조금씩 다르게 나타난다. 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)(예를 들어, 액정 분자)는 장축(ne) 방향의 굴절률과, 이에 수직인 단축(도 2의 no) 방향의 굴절률이 다르기 때문에, 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)의 방향자 분포에 따라 편향층(140) 내에 복굴절 구배(birefringence gradient)가 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 도시된 위상변화 분포는 계단형 분포를 보일 수 있다. 예를 들어, 방향자(director) 방향, 즉, 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)의 장축(ne) 방향에 나란한 편광인 도 1의 제1 편광(⊙)의 입사광(L1)에 대한 위상변화 분포는 도 6의 인가 전압과 반대되는 계단형 분포를 보일 수 있다. 반면에, 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)의 장축(ne) 방향과 수직인 제2 편광(↔)의 입사광(L2)은 편향층(140) 내의 복굴절 구배를 느끼지 못할 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 제 2 편광(↔)에 대한 위상변화는 위치에 따라 일정하다. 즉, 제2 편광(↔)의 광은 편향층(140) 내에 복굴절 변화가 없는 것으로 느끼게 된다. 따라서, 제2 편광(↔)의 광은 편향층(140)을 통과 후에도 진행 방향을 유지하며, 편향되지 않는다. 제1 편광(⊙)의 입사광(L1)이 편향된 정도는 제1 전극층(120), 제2 전극층(130) 간의 전압으로 조절될 수 있다. 다시 말해, 제1 전극층(120)을 이루는 복수 개의 라인 전극(121) 각각에 인가된 전압을 조절하여, 원하는 편향 방향에 알맞은 복굴절 구배를 편향층(140) 내에 형성함으로써 제1 편광(⊙)의 입사광(L1)의 편향 방향이 조절된다.
도 9는 다른 일 실시예에 따른 빔 편향기(200)의 예시적인 구성을 간략하게 도시한 것이다. 도 10은 도 9의 빔 편향기(200)에 포함된 제1 정렬층(150) 상에 오목부(151)가 형성된 모습을 간략하게 도시한 평면도이다. 도 11은 도 9의 빔 편향기(200)에 포함된 제1 정렬층(150) 상에 오목부(151)가 형성된 모습을 간략하게 도시한 사시도이다. 도 12는 도 9의 빔 편향기(200)에 포함된 제2 정렬층(170) 상에 오목부(171)가 형성된 모습을 간략하게 도시한 평면도이다. 도 9의 빔 편향기(200)는 제1 기판(110), 제1 정렬층(150), 제2 기판(160) 및 제2 정렬층(170)을 더 포함하는 것을 제외하고는 도 1의 빔 편향기(100)와 실질적으로 동일할 수 있다. 도 9를 설명함에 있어, 도 1 내지 도 8과 중복되는 내용은 생략한다.
도 9를 참조하면, 빔 편향기(200)는 제1 기판(110), 제1 기판(110) 상에 형성된 제1 전극층(120), 제1 전극층(120) 상에 형성된 제1 정렬층(150), 제1 정렬층(150) 상에 형성된 편향층(140), 편향층(140) 상에 형성된 제2 정렬층(170), 제2 정렬층(170) 상에 형성된 제2 전극층(130) 및 제2 전극층(130)을 덮도록 형성된 제2 기판(160)을 포함할 수 있다. 제1 전극층은 제1 방향(y축 방향)으로 연장되어 형성되며, 제1 방향(y축 방향)과 교차하는 제2 방향(x축 방향)으로 서로 나란하게 배치된 복수 개의 라인 전극(121)을 포함할 수 있다. 편향층(140)은 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)를 포함할 수 있다. 제1 정렬층(150) 및 제2 정렬층(170)은 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)를 도 3에 도시된 방향으로 배향하기 위한 층일 수 있다. 빔 편향기(200)는 제1 방향(y축 방향)과 평행한 제1 편광(⊙)의 입사광(L5)을 편향시킬 수 있으나, 제1 편광과 수직인 제2 편광(↔)의 입사광(L6)은 편향시키지 못할 수 있다.
제1 기판(110) 및 제2 기판(160)은 유리, 투명 플라스틱 등의 절연 물질로 이루어질 수 있다.
제1 정렬층(150)은 복수 개의 라인 전극(121)을 덮도록 형성될 수 있다. 제1 정렬층(150)의 일부는 복수 개의 라인 전극(121) 사이에 채워지도록 형성될 수 있다. 도 10 및 도 11을 참조하면, 제1 정렬층(150) 상의 복수 개의 라인 전극(121)과 대응되는 위치들 각각에는 복수 개의 제1 오목부(151)가 형성될 수 있다. 도 10 및 도 11에는 설명의 편의를 위하여, 복수 개의 라인 전극(121) 중 어느 하나와 이에 대응되는 위치에 마련된, 복수 개의 제1 오목부(151) 중 어느 하나만을 도시하였다.
예를 들어, 제1 정렬층(150)의 상면에는, 복수 개의 제1 오목부(151)가 복수 개의 라인 전극(121)의 길이 방향인 제1 방향(y축 방향)으로 길게 연장되어 형성될 수 있다. 이와 동시에, 복수 개의 제1 오목부(151)는 제1 방향(y축 방향)으로의 중심축(k1)을 기준으로 제2 방향(x축 방향)으로 제1 각도(θ1)만큼 기울어지도록 형성될 수 있다. 다시 말해, 복수 개의 제1 오목부(151)는 중심축(k1)을 기준으로 제2 방향(x축 방향)으로 제1 각도(θ1)만큼 기울어진 제1 편향축(k2)에 평행하도록 형성될 수 있다. 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)는 복수 개의 제1 오목부(151)에 대응되는 영역을 따라 배치될 수 있다. 이에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이, 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)가 제1 편향축(k2)을 따라 일렬로 배열될 수 있다.
상기한 바와 같이, 복수 개의 제1 오목부(151)는 각각 복수 개의 라인 전극(121) 각각에 대해 사선 방향으로 형성될 수 있다. 이처럼 복수 개의 제1 오목부(151)를 포함하는 제1 정렬층(150)은, 제1 전극층(120) 상에 폴리이미드(polyimide; PI) 층을 형성하고, 폴리이미드 층에 대해 상기 사선 방향으로 러빙(rubbing) 작업을 실시함으로써 형성될 수 있다. 복수 개의 제1 오목부(151)는 반구 형상을 가지며, 복수 개의 제1 오목부(151)의 직경(R)은 수 nm 내지 수 백 nm일 수 있다.
제2 전극층(130)이 평판 형상을 가질 경우, 제2 정렬층(170)도 이에 대응하여 제2 전극층(130) 전체를 덮는 평판 형상을 가질 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 전극층(130)이 제1 전극층(120)의 복수 개의 라인 전극(121)과 같은 형태로 구현되는 경우, 제2 정렬층(170)은 제1 정렬층(150)과 같은 형태로 구현될 수 있다. 또한, 도 12를 참조하면, 제1 정렬층(150)과 유사하게, 제2 정렬층(170) 상의 복수 개의 라인 전극(121)과 대응되는 위치에는, 제1 방향(y축 방향)으로 연장되어 형성되며, 제1 방향(y축 방향)으로의 중심축(k1)을 기준으로 제2 방향(x축 방향)으로 제1 각도(θ1)만큼 기울어지도록 형성된 복수 개의 제2 오목부(171)가 마련될 수 있다. 다시 말해, 복수 개의 제2 오목부(171)는 중심축(k1)을 기준으로 제2 방향(x축 방향)으로 제1 각도(θ1)만큼 기울어진 제1 편향축(k2)에 평행하도록 형성될 수 있다. 복수 개의 제2 오목부(171)는 제2 정렬층(170)의 편향층(140)과 접하는 면 상에 형성될 수 있다. 제2 정렬층(170)에 마련되는 복수 개의 제2 오목부(171)의 개수는 복수 개의 라인 전극(121)의 개수와 동일할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고, 복수 개의 제2 오목부(171)의 개수는 복수 개의 라인 전극(121)의 개수에 비해 무수히 많을 수 있다. 또한, 복수 개의 제2 오목부(171)는 복수 개의 제1 오목부(151)와 마주하도록 마련될 수 있다. 이처럼 서로 마주하는 복수 개의 제1 오목부(151) 및 복수 개의 제2 오목부(171)가 형성됨으로써, 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)의 제1 편향축(k2)을 따른 배열이 더욱 잘 일어날 수 있다.
상기한 바와 같이, 복수 개의 제2 오목부(171)는 각각 복수 개의 라인 전극(121) 각각에 대해 사선 방향으로 형성될 수 있다. 이처럼 복수 개의 제2 오목부(171)를 포함하는 제2 정렬층(170)은, 제2 전극층(130) 상에 폴리이미드(polyimide; PI) 층을 형성하고, 폴리이미드 층에 대해 상기 사선 방향으로 러빙(rubbing) 작업을 실시함으로써 형성될 수 있다. 복수 개의 제2 오목부(171)는 반구 형상을 가지며, 수 nm 내지 수 백 nm의 직경을 가질 수 있다.
도 13은 도 9의 빔 편향기(200)에 포함된 복수 개의 라인 전극(121)에 전압이 인가된 경우 형성되는 전기장의 모습을 간략하게 도시한 것이다. 도 14는 도 9의 빔 편향기(200)에 전압이 인가된 경우의 복수 개의 라인 전극(121)의 위치에 따른 입사광(L7)에 대한 위상 변화량 분포를 간략하게 도시한 그래프이다. 도 13에는 설명의 편의를 위해 제1 기판(110), 복수 개의 라인 전극(121), 제2 전극층(130), 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)를 제외하고는 빔 편향기(200)의 나머지 구성 요소는 생략하였다. 또한, 도 13에는 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)가 장축이 제1 방향(y축 방향)으로만 배열되도록 배치된 구조만이 도시되었으나, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 광학적 이방성 분자(141)의 실질적인 배열 방향은 도 3 내지 도 5에서 설명한 바와 같다. 도 13의 내용은 도 1의 빔 편향기(100)에도 적용될 수 있다.
도 13을 참조하면, 제1 기판(110) 상에 제1 방향(y축 방향)으로 연장되어 형성되며, 제2 방향(x축 방향)으로 서로 나란하게 배치된 복수 개의 라인 전극(121)이 형성될 수 있다. 또한, 장축이 제1 방향(y축 방향)과 나란하도록 배치된 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)가 복수 개의 라인 전극(121)에 대응되는 위치에 마련될 수 있다. 도 13에는 7개의 라인 전극(121)이 도시되었으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로 복수 개의 라인 전극(121)의 개수가 이에 한정되는 것은 아니다.
복수 개의 라인 전극(121)에 대해 전압이 계단형으로 반복되어 인가될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 라인 전극(121)에 제2 방향(x축 방향)을 따라 순차적으로 3V, 6V, 9V, 0V, 3V, 6V, 9V가 인가될 수 있다. 이와 동시에, 제2 전극층(130)에는 전압이 인가되지 않을 수 있다. 이 경우, 복수 개의 라인 전극(121)과 제2 전극층(130) 사이에는 복수 개의 라인 전극(121)의 위치 별로 서로 다른 세기의 전기장이 형성될 수 있다. 또한, 도 13의 점선으로 나타난 바와 같이, 전기장은 크게 두 가지 방향으로 나뉘어 형성될 수 있다. 예를 들어, 빔 편향기(200)에 형성된 전기장은, 복수 개의 라인 전극(121)과 제2 전극층(130) 사이에 형성된 제3 방향(z축 방향)으로의 전기장과 복수 개의 라인 전극(121) 중 서로 다른 전압이 인가된 서로 인접한 두 개의 라인 전극(121) 사이에 형성된 제2 방향(x축 방향)으로의 전기장을 포함할 수 있다.
제3 방향(z축 방향)으로의 전기장은 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)를 장축이 제3 방향(z축 방향)을 향하도록 정렬시킬 수 있다. 이 경우, 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)는 포지티브 타입의 유전율 이방성을 가진다. 장축이 제3 방향(z축 방향)을 향하여 정렬된 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)를 통과한 제1 방향(y축 방향)과 평행한 제1 편광(
Figure pat00001
)의 입사광(L7)의 위상은 전기장의 세기에 따라 최대로 변화될 수 있다.
한편, 복수 개의 라인 전극(121) 중 9V가 인가된 라인 전극(121)과 이에 인접한 0V가 인가된 라인 전극(121) 사이에는 제2 방향(x축 방향)으로의 전기장이 형성될 수 있다. 이러한 제2 방향(x축 방향)으로의 전기장은, 제3 방향(z축 방향)으로의 전기장에 의해 제1 방향(y축 방향) 및/또는 제3 방향(z축 방향)을 향하던 장축이 제2 방향(x축 방향)을 향하도록 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)를 소정의 각도만큼 회전시킬 수 있다. 복수 개의 라인 전극(121) 중 인접한 두 개의 라인 전극(121) 사이의 전기장의 세기가 클수록, 장축이 제1 방향(y축 방향) 및/또는 제3 방향(z축 방향)을 향하도록 마련되어 있던 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)의 제2 방향(x축 방향)으로의 회전 각도가 커질 수 있다. 이처럼, 제2 방향(x축 방향)으로의 전기장에 의해 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)가 제2 방향(x축 방향)으로 회전됨에 따라, 제1 편광(↔)의 입사광(L7)의 진폭 변조(amplitude modulation)가 발생할 수 있다. 그러나, 이 경우, 제1 편광(↔)의 입사광(L7)의 편광 방향이 회전된 복수 개의 이방성 분자(141)의 장축 방향과 일치하지 않게 되어, 제1 편광(↔)의 입사광(L7)에 대한 위상 변조(phase modualation)는 최소화될 수 있다. 이에 따라, 빔 편향기(200)에서는 프린징 필드 효과(Fringing-field Effect)에 따른 제1 편광(↔)의 입사광(L7)의 위상 손실(Phase loss)이 최소화될 수 있다.
한편, 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)의 장축이 복수 개의 라인 전극(121)의 길이 방향인 제1 방향(y축 방향)을 기준으로 소정의 각도로 기울어지도록 할 수 있다. 이에 따라, 제2 방향(x축 방향)으로의 전기장에 의한 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)의 회전 방향이 일정할 수 있다.
도 14를 참조하면, 도 13에 도시된 바와 같이 복수 개의 라인 전극(121)에 대해 전압이 계단형으로 반복되어 인가된 경우, 막대로 표시된 것처럼, 빔 편향기(200)의 제1 편광(↔)의 입사광(L7)에 대한 위상 변화량은 이상적(ideal)으로는 복수 개의 라인 전극(121)의 위치에 따라 0부터 2π까지 변하도록 분포할 수 있다. 예를 들어, 빔 편향기(200)의 제1 편광(↔)의 입사광(L7)에 대한 위상 변화량은 0, 0.2π, 0.4π, 0.6π, 0.8π, 1.0π, 1.2π, 1.4π, 1.6π, 1.8π, 2.0π 순으로 복수 개의 라인 전극(121)의 위치에 따라 순차적으로 변화할 수 있다. 위와 같은 0부터 2.0π까지의 위상 변화량의 분포는 제2 방향(x축 방향)을 따라 반복적으로 나타날 수 있다.
한편, 곡선으로 표시된 것처럼, 실질적으로는 빔 편향기(200)의 제1 편광(
Figure pat00002
)의 입사광(L7)에 대한 위상 변화량은 복수 개의 라인 전극(121)의 위치에 따라 0부터 2π까지 변하지 못할 수 있다. 그 이유는, 복수 개의 라인 전극(121) 중 서로 인접한 두 개의 전극 사이에 형성된 제2 방향(x축 방향)의 전기장에 의해 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)가 장축이 제2 방향(x축 방향)을 향하도록 회전함으로써 제1 편광(↔)의 입사광(L7)에 대한 약간의 위상 손실이 발생하기 때문이다.
그러나 도 13에 도시된 바와 같이 제1 방향(y축 방향)으로 연장된 복수 개의 라인 전극(121)의 길이 방향과 장축이 평행하도록 마련된 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)에 의해서, 도 14에 도시된 바와 같이 제1 편광(↔)에 대한 위상 변화량 분포가 비교적 이상적인 위상 변화량 분포에 가까워질 수 있다. 예를 들어, 상기한 바와 같이, 인가된 전압의 차이가 비교적 큰 제1 위치(E1) 및 제2 위치(E2)에 마련된 복수 개의 라인 전극(121) 중 서로 인접한 두 개의 라인 전극(121) 사이에 형성된 제2 방향(x축 방향)으로의 전기장에 의해서, 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)가 장축이 제2 방향(x축 방향)을 향하도록 회전할 수 있다. 이 경우, 제1 편광(
Figure pat00003
)의 입사광(L7)의 편광 방향과 제2 방향(x축 방향)으로 회전한 복수 개의 이방성 분자(141)의 장축 방향이 어긋나게 되어, 입사광(L7)에 대한 위상 변조(phase modualation)는 최소화될 수 있다. 이처럼, 제2 방향(x축 방향)으로의 전기장이 형성되더라도, 입사광(L7)에 대한 위상 변조량이 최소화 됨에 따라, 제1 편광(↔)의 입사광(L7)에 대한 실질적인 위상 변화량 분포가 이상적인 위상 변화량 분포에 가까워질 수 있다.
도 15는 비교예에 따른 빔 편향기(210)에 포함된 복수 개의 라인 전극(121)에 전압이 인가된 경우 형성되는 전기장의 모습을 간략하게 도시한 것이다. 도 16은 도 15의 빔 편향기(210)에 전압이 인가된 경우의 복수 개의 라인 전극(121)의 위치에 따른 입사광(L8)에 대한 위상 변화량 분포를 간략하게 도시한 그래프이다.
도 15를 참조하면, 제1 기판(110) 상에 제1 방향(y축 방향)으로 연장되어 형성되며, 제2 방향(x축 방향)으로 서로 나란하게 배치된 복수 개의 라인 전극(121)이 형성될 수 있다. 또한, 장축이 제2 방향(x축 방향)과 나란하도록 배치된 복수 개의 광학적 이방성 분자(142)가 복수 개의 라인 전극(121)에 대응되는 위치에 마련될 수 있다. 도 15에는 7개의 라인 전극(121)이 도시되었으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로 복수 개의 라인 전극(121)의 개수가 이에 한정되는 것은 아니다.
복수 개의 라인 전극(121)에 대해 전압이 계단형으로 반복되어 인가될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 라인 전극(121)에 제2 방향(x축 방향)을 따라 순차적으로 3V, 6V, 9V, 0V, 3V, 6V, 9V가 인가될 수 있다. 이와 동시에, 제2 전극층(130)에는 전압이 인가되지 않을 수 있다. 이 경우, 복수 개의 라인 전극(121)과 제2 전극층(130) 사이에는 복수 개의 라인 전극(121)의 위치 별로 서로 다른 세기의 전기장이 형성될 수 있다. 또한, 도 15의 점선으로 나타난 바와 같이, 전기장은 크게 두 가지 방향으로 나뉘어 형성될 수 있다. 예를 들어, 빔 편향기(210)에 형성된 전기장은, 복수 개의 라인 전극(121)과 제2 전극층(130) 사이에 형성된 제3 방향(z축 방향)으로의 전기장과 복수 개의 라인 전극(121) 중 서로 다른 전압이 인가된 서로 인접한 두 개의 라인 전극(121) 사이에 형성된 제2 방향(x축 방향)으로의 전기장을 포함할 수 있다.
제3 방향(z축 방향)으로의 전기장은 복수 개의 광학적 이방성 분자(142)를 장축이 제3 방향(z축 방향)을 향하도록 정렬시킬 수 있다. 이 경우, 복수 개의 광학적 이방성 분자(142)는 포지티브 타입의 유전율 이방성을 가진다. 장축이 제3 방향(z축 방향)을 향하여 정렬된 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)를 통과한 제2 방향(x축 방향)과 평행한 제2 편광의 입사광(L8)의 위상은 전기장의 세기에 따라 최대로 변화될 수 있다.
한편, 복수 개의 라인 전극(121) 중 9V가 인가된 라인 전극(121)과 이에 인접한 0V가 인가된 라인 전극(121) 사이에는 제2 방향(x축 방향)으로의 전기장이 형성될 수 있다. 이러한 제2 방향(x축 방향)으로의 전기장은, 제3 방향(z축 방향)으로의 전기장에 의해 장축이 제3 방향(z축 방향)을 향하던 장축이 제2 방향(x축 방향)을 향하도록 복수 개의 광학적 이방성 분자(142)를 소정의 각도만큼 회전시킬 수 있다. 복수 개의 라인 전극(121) 중 인접한 두 개의 라인 전극(121) 사이의 전기장의 세기가 클수록, 장축이 제3 방향(z축 방향)을 향하도록 마련되어 있던 복수 개의 광학적 이방성 분자(142)의 제2 방향(x축 방향)으로의 회전 각도가 커질 수 있다. 이처럼, 제2 방향(x축 방향)으로의 전기장에 의해 제2 방향(x축 방향)으로 회전된 복수 개의 광학적 이방성 분자(142)의 장축 방향은, 제2 방향(x축 방향)과 나란한 제2 편광의 입사광(L8)의 편광 방향은 서로 나란할 수 있다. 이에 따라, 제2 방향(x축 방향)으로 회전된 복수 개의 광학적 이방성 분자(142)의 의해서 제2 방향(x축 방향)과 나란한 제2 편광의 입사광(L8)의 위상이 변조될 수 있다. 이러한 제2 편광의 입사광(L8)의 위상 변조는 복수 개의 라인 전극(121) 중 인접한 두 개의 라인 전극(121) 사이의 제2 방향(x축 방향)으로의 전기장에 의해 형성된 것으로서, 의도되지 않은 원치 않은 위상 변화, 즉, 위상 손실에 해당한다. 이와 같이, 빔 편향기(210)에서는 인접한 전극에서의 프린징 필드 효과(Fringing-field Effect)로 인해 제3 방향(z축 방향)을 향해 서 있던 이방성 분자(142)의 장축(ne)이 제2 방향(x축 방향)으로 회전되어 눕게되면, 초기 이방성 분자(142)의 장축(ne)의 방향과 입사광(L8)의 편광 방향이 서로 일치하므로, 입사광(L8)에 대한 위상 손실은 도 13의 빔 편향기(200)의 경우보다 커질 수 밖에 없게 된다.도 16을 참조하면, 도 15에 도시된 바와 같이 복수 개의 라인 전극(121)에 대해 전압이 계단형으로 반복되어 인가된 경우, 막대로 표시된 것처럼, 빔 편향기(210)의 제2 편광의 입사광(L8)에 대한 위상 변화량은 이상적(ideal)으로는 복수 개의 라인 전극(121)의 위치에 따라 0부터 2π까지 변하도록 분포할 수 있다. 예를 들어, 빔 편향기(210)의 제2 편광의 입사광(L8)에 대한 위상 변화량은 0, 0.2π, 0.4π, 0.6π, 0.8π, 1.0π, 1.2π, 1.4π, 1.6π, 1.8π, 2.0π 순으로 복수 개의 라인 전극(121)의 위치에 따라 순차적으로 변화할 수 있다. 위와 같은 0부터 2.0π까지의 위상 변화량의 분포는 제2 방향(x축 방향)을 따라 반복적으로 나타날 수 있다.
한편, 곡선으로 표시된 것처럼, 실질적으로는 빔 편향기(210)의 제2 편광의 입사광(L8)에 대한 위상 변화량은 복수 개의 라인 전극(121)의 위치에 따라 0부터 2π까지 변하지 못할 수 있다. 그 이유는, 복수 개의 라인 전극(121) 중 서로 인접한 두 개의 전극 사이에 형성된 제2 방향(x축 방향)의 전기장에 의해 복수 개의 광학적 이방성 분자(142)의 배열이 제3 방향(z축 방향)으로 변화하는 것이 억제되어 장축(ne)이 제2 방향(x축 방향)을 향하도록 회전함으로써 제2 편광의 입사광(L8)에 대한 위상 손실이 발생하기 때문이다.
특히, 도 15에 도시된 바와 같이 제1 방향(y축 방향)으로 연장된 복수 개의 라인 전극(121)의 길이 방향과 장축이 수직하도록 마련된 복수 개의 광학적 이방성 분자(142)에 의해서 제2 편광 입사광(L8)에 대한 위상 변화량 분포가 비교적 이상적인 위상 변화량 분포와 멀어질 수 있다. 예를 들어, 상기한 바와 같이, 인가된 전압의 차이가 비교적 큰 제1 위치(E3) 및 제2 위치(E4)에 마련된 복수 개의 라인 전극(121) 중 서로 인접한 두 개의 라인 전극(121) 사이에 형성된 제2 방향(x축 방향)으로의 전기장에 의해서, 제3 방향(z축 방향)으로 세워져 있던 복수 개의 광학적 이방성 분자(142)가 제2 방향(x축 방향)을 향해 다소 눕혀질 수 있다. 이 경우, 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)의 장축(ne) 방향이 제2 편광의 입사광(L8)의 편광 방향(x축 방향)과 비교하여, 복수 광학적 이방성 분자(141)가 눕혀진 만큼 나란해질 수 있다. 이 경우, 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)의 장축(ne) 방향과 제2 편광의 입사광(L8)의 편광 방향(x축 방향)이 나란해진만큼, 제2 편광의 입사광(L8)의 위상 손실이 커질 수 있다. 이처럼, 복수 개의 라인 전극(121) 중 서로 인접한 두 개의 라인 전극(121) 사이에 형성된 제2 방향(x축 방향)으로의 전기장이 클수록, 복수 개의 광학적 이방성 분자(141)의 장축 방향과 제2 편광의 입사광(L8)의 편광 방향(x축 방향)이 나란해지는 정도가 증가하므로, 입사광(L8)에 대한 위상 손실이 증가할 수 있다.
도 17은 일 실시예에 따른 3차원 디스플레이 장치(1000)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
3차원 디스플레이 장치(1000)는 가간섭성 광빔을 제공하는 광원(1100), 광원(1100)으로부터의 광을 편향시키는 빔 편향기(1200), 광을 회절시켜 홀로그램 영상을 형성하는 공간 광 변조기(1600)를 포함한다.
3 차원 디스플레이 장치(1000)는 또한, 빔 편향기(1200)에서 편향되는 광을 공간 광 변조기(1600)에 대응하는 크기로 확대하고, 편향 방향에 따른 초점 궤적이 평면이 되도록 조절하는 에프-세타(f-θ) 렌즈(1400), 공간 광 변조기(1600)에서 형성된 홀로그램 영상을 소정의 공간 상에 포커싱하는 필드 렌즈(1500)를 더 구비할 수 있다. 필드 렌즈(1500)와 광 변조기(1600)의 배치 순서는 도시된 형태에 제한되지 않으며 배치 위치가 서로 바뀔 수 있다.
3차원 디스플레이 장치(1000)는 또한, 시청자의 좌안, 우안 위치를 추적하는 아이 트래킹 센서(1700)와 빔 편향기(1200)에서 광을 편향시키는 방향을 제어하고, 공간 광 변조기(1600)에서 형성하는 홀로그램 패턴을 위한 CGH 연산(computer generating hologram calculation)을 수행하는 제어부(1800)를 더 포함할 수 있다.
빔 편향기(1200)는 광원(1100)에서의 광(Li)을 소정의 두 방향으로 편향시킬 수 있다. 빔 편향기(1200)에서 분기된 제1 분기광(La), 제2 분기광(Lb)은 각각 시청자의 좌안, 우안을 향하는 광이 될 수 있다. 빔 편향기(1200)로는 도 1의 빔 편향기(100), 또는, 도 9의 빔 편향기(200) 중 어느 하나가 채용될 수 있다.
광원(1100)에서의 광(Li)은 빔 편향기(1200)에 의해 편향된 후, 에프-세타(f-θ) 렌즈(1400), 필드 렌즈(1500)를 경유하여 공간 광 변조기(1600)에 입사한다.
두 지향성 빔, 즉, 제1 분기광(La), 제2 분기광(Lb)은 공간 광 변조기(1600)에서 변조된다. 공간 광 변조기(1600)는 광을 변조하기 위한 간섭 무늬를 갖는 홀로그램 패턴을 형성하는 역할을 한다. 공간 광변조기(1600)에서 형성되는 홀로그램 패턴에 의해 입사광이 회절 및 변조됨으로써 소정의 공간 상의 위치에 홀로그램 영상이 재생될 수 있다. 제1 분기광(La)은 좌안 홀로그램용 광으로 사용되고 제2 분기광(Lb)은 우안 홀로그램용 광으로 사용된다. 즉, 제1 분기광(La)에 의해 공간 광 변조기(1600)에서 좌안 홀로그램 영상이 재생되고, 제2 분기광(Lb)에 의해 공간 광 변조기(1600)에서 우안 홀로그램 영상이 재생될 수 있다. 이처럼 홀로그램 영상은 시청자의 시역 위치에만 형성되므로 CGH 계산량이 대폭 감소될 수 있다.
제어부(1800)는 아이 트래킹 센서(1700)에서 센싱한 시청자의 좌, 우안 위치에 대한 정보를 반영하여, 빔 편향기(1200)를 제어할 수 있다. 또한, 제1 분기광(La)에 의해 좌안 홀로그램 영상이 재생되고, 제2 분기광(Lb)에 의해 우안 홀로그램 영상이 재생되도록, 공간 광 변조기(1600)를 제어할 수 있다.
도 18은 다른 일 실시예에 따른 3차원 디스플레이 장치(2000)의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
3차원 디스플레이 장치(2000)는 가간섭성 광빔을 제공하는 광원(1100), 광원(1100)으로부터의 광을 편향시키는 빔 편향기(1200), 및 입사광을 회절시켜 홀로그램 영상을 형성하는 공간 광 변조기(1600)를 포함한다. 또한, 광원(1100)에서의 광을 가이드하여 공간 광 변조기(1600)를 향하게 하는 도광부(1300), 홀로그램 영상을 소정의 공간 상에 포커싱하기 위한 필드 렌즈(1500)를 더 구비할 수 있다. 필드 렌즈(1500)와 광 변조기(1600)의 배치 순서는 도시된 형태에 제한되지 않으며 배치 위치가 서로 바뀔 수 있다.
3차원 디스플레이 장치(2000)는 또한, 시청자의 좌안, 우안 위치를 추적하는 아이 트래킹 센서(1700)와 빔 편향기(1200)에서 광을 편향시키는 방향을 제어하고, 공간 광 변조기(1600)에서 형성하는 홀로그램 패턴을 위한 CGH 연산(computer generating hologram calculation)을 수행하는 제어부(1800)를 더 포함할 수 있다.
빔 편향기(1200)는 광원(1100)에서의 광(Li)을 소정의 두 방향으로 편향시킬 수 있다. 빔 편향기(1200)에서 분기된 제1 분기광(La), 제2 분기광(Lb)은 각각 시청자의 좌안, 우안을 향하는 광이 될 수 있다. 빔 편향기(1200)로는 도 1의 빔 편향기(100), 또는, 도 9의 빔 편향기(200) 중 어느 하나가 채용될 수 있다.
도 18의 3차원 디스플레이 장치(2000)는 도 17의 3차원 디스플레이 장치(1000)에 비해 얇은 두께를 가질 수 있는 구성이다. 도 17의 3차원 디스플레이 장치(1000)의 Z축 방향 길이는 빔 편향기(1200)와 공간 광 변조기(1600)의 크기 차이가 클수록 길어질 수 있다. 반면, 도 18의 3차원 디스플레이 장치(2000)는 빔 편향기(1200)에서 편향된 광을 공간 광 변조기(1600)의 크기에 맞도록 확대할 수 있는 도광부(1300)를 채용하고 있어 비교적 Z축 방향 길이가 줄어들 수 있다.
광원(1100)에서의 광(Li)은 빔 편향기(1200)에 의해 편향된 후, 도광부(1300)에 의해 가이드되며 공간 광변조기(1600)에 대응하는 크기로 확대되어 공간 광 변조기(1600)를 향하는 방향으로 출사된다. 도광부(1300)에는 빔 편향기(1200)에서 편향된 광이 입사되게 하는 입력 커플러(1320), 도광부(1300)에 의해 가이드되며 진행되는 광의 출사를 위한 출력 커플러(1340)가 더 마련될 수 있다.
도광부(1300)를 통해 출사되는 두 지향성 빔은 필드 렌즈(1500)를 통해 공간 광변조기(1600)에 입사하게 된다. 공간 광 변조기(1600)는 입사광을 변조하기 위한 간섭 무늬를 갖는 홀로그램 패턴을 형성하는 역할을 한다. 공간 광 변조기(1600)에서 형성되는 홀로그램 패턴에 의해 입사광이 회절 및 변조됨으로써 소정의 공간 상의 위치에 홀로그램 영상이 재생될 수 있다. 좌안 위치에는 좌안 홀로그램 영상이, 우안 위치에는 우안 홀로그램 영상이 재생될 수 있다.
제어부(1800)는 아이 트래킹 센서(1700)에서 센싱한 시청자의 좌, 우안 위치에 대한 정보를 반영하여, 빔 편향기(1200)를 제어할 수 있다. 또한, 제 1 분기광(La)에 의해 좌안 홀로그램 영상이 재생되고, 제 2 분기광(Lb)에 의해 우안 홀로그램 영상이 재생되도록, 공간 광 변조기(1600)를 제어할 수 있다. 이처럼 홀로그램 영상은 시청자의 시역 위치에만 형성되므로 CGH 계산량이 대폭 감소될 수 있다.
도 17 및 도 18의 3차원 디스플레이 장치(1000)(2000)에서 빔 편향기(1200)의 위치가 예시되었으나, 빔 편향기(1200)의 위치는 이에 한정되지 않고 다르게 변경될 수도 있다. 예를 들어, 필드 렌즈(1500)와 공간 광 변조기(1600) 사이의 위치에 배치될 수 있고, 또는 공간 광 변조기(1600)가 필드 렌즈와 빔 편향기(1200) 사이에 배치되도록 변경되는 것도 가능하다.
상기한 다양한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 수 있다. 따라서, 예시적인 다양한 실시예에 따른 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.
100. 200, 210, 1200: 빔 편향기
120: 제1 전극층
121: 라인 전극
130: 제2 전극층
140: 편향층
141: 광학적 이방성 분자
150: 제1 정렬층
170: 제2 정렬층
151, 171: 오목부
110, 160: 기판
1000, 2000: 3차원 디스플레이 장치
1100: 광원
1300: 도광부
1400: 에프-세타 렌즈
1500: 필드 렌즈
1600: 공간 광 변조기
1700: 아이 트래킹 센서
1800: 제어부

Claims (20)

  1. 제1 방향으로 연장되어 형성되며, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 서로 나란하게 배치된 복수 개의 라인 전극을 포함하는 제1 전극층;
    상기 제1 전극층과 마주보도록 일정 거리만큼 이격되어 배치된 제2 전극층; 및
    상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층 사이에 마련되고, 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층 사이에 형성된 전기장에 의해 제어되는 복수 개의 광학적 이방성 분자를 가지는 편향층; 을 포함하고,
    상기 복수 개의 광학적 이방성 분자는 장축과 단축을 가지는 타원의 형상을 구비하며, 상기 장축이 상기 제1 방향을 향하도록 배열됨과 동시에 상기 제1 방향으로의 중심축을 기준으로 상기 제2 방향으로 제1 각도(θ1)만큼 기울어지도록 배치되는, 빔 편향기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 각도(θ1)의 범위는 -5°≤ θ1 ≤ 5°인, 빔 편향기.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 광학적 이방성 분자는 장축이 상기 제1 방향으로의 중심축을 기준으로 상기 제1 방향 및 제2 방향 모두에 수직한 제3 방향으로 제2 각도(θ2)만큼 기울어지도록 배치되는, 빔 편향기.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제2 각도(θ2)의 범위는 -5°≤ θ2 ≤ 5°인, 빔 편향기.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전극층과 상기 편향층 사이에 마련되는 제1 정렬층; 을 더 포함하고,
    상기 제1 정렬층 상의 상기 복수 개의 라인 전극과 대응되는 위치에는, 상기 제1 방향으로 연장되어 형성되며, 상기 제1 방향으로의 중심축을 기준으로 상기 제2 방향으로 상기 제1 각도(θ1)만큼 기울어지도록 형성된 복수 개의 제1 오목부가 마련되는, 빔 편향기.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 복수 개의 광학적 이방성 분자는 상기 복수 개의 제1 오목부에 대응되는 영역을 따라 일렬로 배열되는, 빔 편향기.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 제2 전극층과 상기 편향층 사이에 마련되는 제2 정렬층; 을 더 포함하고,
    상기 제2 정렬층 상의 상기 복수 개의 라인 전극과 대응되는 위치에는, 상기 제1 방향으로 연장되어 형성되며, 상기 제1 방향으로의 중심축을 기준으로 상기 제2 방향으로 상기 제1 각도(θ1)만큼 기울어지도록 형성된 복수 개의 제2 오목부가 마련되는, 빔 편향기.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 복수 개의 제2 오목부는 상기 복수 개의 제1 오목부와 마주하도록 마련되는, 빔 편향기.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 이격 거리는 1.5μm 내지 6.0μm인, 빔 편향기.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 라인 전극 중, 서로 인접한 두 개의 라인 전극 사이의 상기 제2 방향으로의 이격 거리는 1.0μm 내지 6.0μm인, 빔 편향기.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 제1 이격 거리는 상기 복수 개의 라인 전극 중, 서로 인접한 두 개의 라인 전극 사이의 상기 제2 방향으로의 제2 이격 거리와 서로 동일한, 빔 편향기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 광학적 이방성 분자는 포지티브(positive) 타입의 유전율이방성(dielectric anisotropy)을 갖는 분자인, 빔 편향기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 광학적 이방성 분자는 액정 분자인, 빔 편향기.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 전극층은 상기 복수 개의 라인 전극 전체와 마주하는 평판 형상을 가지는, 빔 편향기.
  15. 가간섭성의 광빔을 제공하는 광원;
    상기 광원으로부터의 광을 편향시키는 것으로, 제1 방향으로 연장되어 형성되며 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 서로 나란하게 배치된 복수 개의 라인 전극을 포함하는 제1 전극층, 상기 제1 전극층과 마주보도록 일정 거리만큼 이격되어 배치된 제2 전극층, 및 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층 사이에 마련되고, 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층 사이에 형성된 전기장에 의해 제어되는 복수 개의 광학적 이방성 분자를 가지는 편향층을 포함하는 빔 편향기; 및
    상기 빔 편향기로부터의 입사광을 회절시켜 홀로그램 영상을 형성하는 공간 광 변조기; 를 포함하고,
    상기 복수 개의 광학적 이방성 분자는 장축과 단축을 가지는 타원의 형상을 구비하며, 상기 장축이 상기 제1 방향을 향하도록 배열됨과 동시에 상기 제1 방향으로의 중심축을 기준으로 상기 제2 방향으로 제1 각도(θ1)만큼 기울어지도록 배치되는, 3차원 디스플레이 장치.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 제1 각도(θ1)의 범위는 -5°≤ θ1 ≤ 5°인, 3차원 디스플레이 장치.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 빔 편향기는 상기 제1 전극층과 상기 편향층 사이에 마련되는 제1 정렬층; 을 더 포함하고,
    상기 제1 정렬층 상의 상기 복수 개의 라인 전극과 대응되는 위치에는, 상기 제1 방향으로 연장되어 형성되며, 상기 제1 방향으로의 중심축을 기준으로 상기 제2 방향으로 상기 제1 각도(θ1)만큼 기울어지도록 형성된 복수 개의 제1 오목부가 마련되는, 3차원 디스플레이 장치.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 복수 개의 광학적 이방성 분자는 상기 오목부에 대응되는 영역을 따라 일렬로 배열되는, 3차원 디스플레이 장치.
  19. 제15 항에 있어서,
    시청자의 좌안, 우안의 위치를 센싱하는 아이 트래킹 센서; 및
    상기 아이 트래킹 센서에서 센싱한 상기 시청자의 좌안, 우안의 위치에 대한 정보를 바탕으로 상기 빔 편향기를 제어하는 제어부; 를 더 포함하는, 3차원 디스플레이 장치.
  20. 제15 항에 있어서,
    상기 광원과 상기 공간 광 변조기 사이에 마련되고, 상기 광원으로부터 방출된 광을 상기 공간 광 변조기의 크기에 맞도록 확대하는 도광부; 를 더 포함하는, 3차원 디스플레이 장치.
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