KR101658147B1 - 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전압 인가에 따라 온/오프 동작하는 차광부를 구비하여, 액정층의 셀갭을 줄인 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치에 관한 것으로, 본 발명의 액정 전계 렌즈는 복수개의 렌즈영역을 포함하며, 렌즈 영역들 경계부에 차광부를 구비하여, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판;과, 상기 제 1 기판 상에, 상기 각 렌즈 영역들 내에 일 방향으로 형성된 복수개의 제 1 전극;과, 상기 제 2 기판 상에, 상기 차광부에 대응하여 개구부를 갖는 제 2 전극;과, 상기 차광부의 양끝에 상기 제 1 전극과 평행하게 형성된 제 1, 제 2 차광부 스위칭 전극;과, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 채워진 액정층; 및 상기 제 2 기판의 배면 상에 제 1 투과축을 갖는 편광판을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

액정 전계 렌즈, 차광부, 2D(dimension)/3D(dimension), 입체

Description

액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치 {Liquid Crystal Lens Electrically driven and Stereoscopy Display Device}

본 발명은 액정 전계 렌즈에 관한 것으로 특히, 전압 인가에 따라 온/오프 동작하는 차광부를 구비하여, 액정층의 셀갭을 줄인 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치에 관한 것이다.

오늘날 초고속 정보 통신망을 근간으로 구축될 정보의 고속화를 위해 실현될 서비스들은 현재의 전화와 같이 단순히「듣고 말하는」서비스로부터 문자, 음성, 영상을 고속 처리하는 디지털 단말을 중심으로 한「보고 듣는」멀티 미디어형 서비스로 발전하고 궁극적으로는「시·공간을 초월하여 실감 있고 입체적으로 보고 느끼고 즐기는」초공간형 실감 3차원 입체 정보통신 서비스로 발전할 것으로 예상된다.

일반적으로 3차원을 표현하는 입체화상은 두 눈을 통한 스테레오 시각의 원리에 의하여 이루어지게 되는데 두 눈의 시차 즉, 두 눈이 약 65mm 정도 떨어져서 존재하기 때문에, 두 눈의 위치의 차이로 왼쪽과 오른쪽 눈은 서로 약간 다른 영상을 보게 된다. 이와 같이, 두 눈의 위치 차이에 의한 영상의 차이점을 양안 시 차(binocular disparity)라고 한다. 그리고, 3차원 입체 표시 장치는 이러한 양안 시차를 이용하여 왼쪽 눈은 왼쪽 눈에 대한 영상만 보게 하고 오른쪽 눈은 오른쪽 눈 영상만을 볼 수 있게 한다.

즉, 좌/우의 눈은 각각 서로 다른 2차원 화상을 보게 되고, 이 두 화상이 망막을 통해 뇌로 전달되면 뇌는 이를 정확히 서로 융합하여 본래 3차원 영상의 깊이감과 실제감을 재생하는 것이다. 이러한 능력을 통상 스테레오그라피(stereography)라 하며, 이를 표시 장치로 응용한 장치를 입체 표시 장치라 한다.

한편, 입체 표시 장치는 3D(3-dimension)을 구현하는 렌즈를 이루는 구성요소에 따라 구분될 수 있으며, 일 예로, 액정층을 이용하여 렌즈를 구성하는 방식을 액정 전계 렌즈 방식이라 한다.

일반적으로 액정 표시 장치는 마주보는 2개의 전극과 그 사이에 형성되는 액정층으로 구성되는데, 2개의 전극에 전압을 인가하여 생성되는 전기장으로 액정층의 액정분자를 구동한다. 액정 분자는 분극 성질과 광학적 이방성(optical anisotropy)을 갖는다. 여기서, 분극 성질은 액정분자가 전기장 내에 놓일 경우 액정 분자내의 전하가 액정 분자의 양쪽으로 몰려서 전기장에 따라 분자 배열 방향이 변환되는 것을 말하며, 광학적 이방성은 액정분자의 가늘고 긴 구조와 앞서 말한 분자배열 방향에 기인하여 입사광의 입사 방향이나 편광 상태에 따라 출사광의 경로나 편광 상태를 달리 변화시키는 것을 말한다.

이에 따라 액정층은 2개의 전극에 인가되는 전압에 의하여 투과율의 차이를 나타내게 되고 그 차이를 화소별로 달리하여 영상을 표시할 수 있다.

최근에 이러한 액정분자의 특성을 이용하여 액정층이 렌즈 역할을 하게 하는 액정 전계 렌즈(liquid crystal lens electrically driven)가 제안되었다.

즉, 렌즈는 렌즈를 구성하는 물질과 공기와의 굴절율 차이를 이용하여 입사광의 경로를 위치별로 제어하는 것인데, 액정층에 전극의 위치별로 서로 다른 전압을 인가하여 전기장를 조성하여 액정층이 구동되도록 하면, 액정층에 입사하는 입사광은 위치별로 서로 다른 위상 변화를 느끼게 되고, 그 결과 액정층은 실제 렌즈와 같이 입사광의 경로를 제어할 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래의 액정 전계 렌즈를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래의 액정 전계 렌즈를 나타낸 단면도와, 도 2는 도 1의 액정 전계 렌즈 형성시 전압 인가 후 전위 분포를 나타낸 도면이다.

도 1과 같이, 종래의 액정 전계 렌즈는 마주보는 제 1 및 제 2 기판(10, 20)과, 상기 제 1, 제 2 기판(10, 20) 사이에 형성된 액정층(30)으로 구성된다.

여기서, 상기 제 1 기판(10) 상에는 서로 제 1 이격 거리로 제 1 전극(11)이 형성된다. 이 때, 인접한 제 1 전극(11)들간에 있어서, 일측 제 1 전극(11)의 중심으로부터 타측 제 1 전극(11)의 중심까지의 거리를 피치(pitch)라 하며, 상기 피치를 주기로 동일한 패턴(제 1 전극)이 반복되어 형성된다.

상기 제 1 기판(10)상에 대향되는 제 2 기판(20) 상에는 전면 제 2 전극(21) 이 형성된다.

상기 제 1, 제 2 전극(11, 21)은 투명 금속으로 이루어진다. 그리고, 상기 제 1, 제 2 전극(11, 21) 사이의 이격 공간에는 액정층(30)이 형성되며, 이러한 액정층(30)을 이루는 액정 분자는 전기장의 세기 및 분포에 따라 반응하는 특성에 의해 포물선상의 전위면을 갖게 되고, 이에 상관하여 도 2와 같은 액정 전계 렌즈와 유사한 위상분포를 갖게 된다.

이러한 액정 전계 렌즈는 상기 제 1 전극(11)에 고전압을 인가하고, 상기 제 2 전극(21)을 접지시키는 조건에서 형성되는 것으로, 이러한 전압 조건에 의해 제 1 전극(11)의 중심에서 가장 강한 수직 전계가 형성되고, 상기 제 1 전극(11)으로부터 멀어질수록 약한 수직 전계가 형성된다. 이에 따라, 액정층(30)을 이루는 액정 분자가 양의 유전율 이방성을 가질 때, 상기 액정 분자는 전계에 따라 배열되어, 상기 제 1 전극(11)의 중심에서는 서있게 되고, 상기 제 1 전극(11)과 멀어질수록 수평에 가깝게 기울어진 배열을 갖게 된다. 따라서, 광의 전달의 입장에서는 도 2와 같이, 상기 제 1 전극(11)의 중심에서 광경로가 짧게 되고, 상기 제 1 전극(11)으로 멀어지면 멀어질수록 광경로가 길어지게 되며, 이를 위상면으로 나타냈을 때, 표면이 포물면을 갖는 렌즈와 유사한 광 전달 효과를 갖게 된다.

여기서, 상기 제 2 전극(21)은 액정 전계의 거동을 유발하여, 전체적으로 빛이 느끼는 굴절율을 공간적으로 포물 함수가 되도록 유도하며, 제 1 전극(11)은 렌즈의 모서리부(에지 영역)를 형성토록 한다.

이 때, 제 1 전극(11)은 제 2 전극(21)에 비해 다소 높은 전압이 인가되며, 따라서, 도 2와 같이, 제 1 전극(11)과 제 2 전극(21) 사이에는 전위차가 발생함으로써, 특히, 상기 제 1 전극(11) 부위에는 급격한 측면 전장을 유발하게 된다. 이에 따라, 액정은 완만한 분포를 이루지 못하고, 다소 왜곡된 형태의 분포를 이룸으로써, 공간적인 굴절율 분포를 포물면 형태로 이루지 못하거나, 혹은 전압에 대해 매우 민감하게 움직이는 특징이 있다.

이러한 액정 전계 렌즈는 물리적으로 포물면의 표면을 갖는 렌즈의 구비없이, 액정과 상기 액정을 사이에 두고 양 기판 상에 전극을 형성하고, 이에 전압을 인가함에 의해 얻어질 수 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 액정 전계 렌즈는 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 하판에 형성되는 전극이 렌즈 영역의 극히 일 부분에만 형성되어, 상기 전극에 대응되는 렌즈 에지 영역과 이와 멀어지는 렌즈 중심 영역 사이의 전계가 완만하게 형성되지 않고, 급격한 측면 전장을 유발시켜 다소 왜곡된 위상의 액정 전계 렌즈를 갖도록 형성한다. 특히, 액정 전계에 의해 형성하는 액정 전계 렌즈에 있어서, 렌즈 영역의 피치가 늘면 늘수록 고전압이 인가되는 전극이 유한하기 때문에, 렌즈 영역에 상기 고전압이 인가되는 전극과 대향기판 사이에 걸리는 전계가 충분하지 않아, 렌즈와 동일 효과를 갖는 완만한 포물면의 액정 전계 렌즈의 형성이 점점 어려워진다.

둘째, 대면적 표시 장치일수록 고전압이 인가되는 전극이 위치한 렌즈 영역의 에지 영역에서 멀어지는 렌즈 중심 영역은 전계에 의한 효과가 거의 없어져, 이 부위에서 전기장에 의한 액정 배열 조절이 힘들다. 경우에 따라, 렌즈 중심 영역에서 조절이 불가하거나 어려운 경우, 형성된 액정 전계 렌즈는 불연속적인 렌즈 프로파일을 갖게 되어, 렌즈로 이용하기 어려운 실정이다.

셋째, 단일의 고전압이 인가되는 전극과 이에 대향하는 기판 상에 전면 형성된 전극과의 수직 전계에 따라 조성되는 일 피치당 액정 전계 렌즈의 높이(sag)는 그 높이가 높고, 이러한 액정 전계 렌즈의 높이의 상하로 마진을 구비하여야 하기 때문에, 전체적으로 상기 액정 전계 렌즈를 형성하기 위해 소요되는 액정량이 많 다. 특히, 액정 전계 렌즈의 높이가 높아질수록 체적단위로 늘어나는 액정량 소모로, 고가의 액정량 증가로 비용이 상승되고, 또한, 공정성이 매우 떨어지기 때문에, 이를 개선하고자 하는 노력이 제기된다.

넷째, 액정 전계 렌즈의 초점 거리는 액정 전계 렌즈의 높이(sag)에 반비례하는 것으로, 짧은 초점 거리를 갖는 액정 전계 렌즈를 제작하기 위해서는, 높은 높이의 액정층이 필요하여, 이는 비용 상승의 큰 원인이었다. 특히, 액정은 장치에서 그 비용이 매우 고가이며, 셀갭이 늘수록 체적 단위로 늘게 되어, 이에 따라 셀 갭을 줄이고자 하는 요구가 늘고 있는 실정이다.

특히, 종래의 액정 전계 렌즈에 있어서, 일정한 렌즈 프로파일을 확보하기 위해서는 액정층의 두께, 즉, 셀 갭 30㎛ 이상으로 크고, 특히 피치가 넓은 대면적의 경우에는 액정층의 두께가 더욱 두껍게 된다. 그러나, 액정 패널곽 같은 표시 패널 어레이 공정에서는 셀갭을 10㎛ 이하로 진행하고 있어, 높은 높이의 액정층 셀 갭 형성이 어려워 현재 액정 패널을 형성하는 어레이 공정에서는 상술한 액정 전계 렌즈의 액정층을 형성하기 곤란한 문제가 있다.

다섯째, 상술한 셀 갭을 줄이고자 하는 노력에 따라 그 일환으로 프레넬 렌즈가 제기되었으나, 상기 프레넬 렌즈에서는 렌즈 영역들의 서로 다른 고점을 갖는 영역들 사이마다 불연속면이 발생하여, 인한 표시 품위를 저하시키는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 전압 인가에 따라 온/오프 동작하는 차광부를 구비하여, 액정층의 셀갭을 줄인 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치를 제공하는 데, 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 액정 전계 렌즈는 복수개의 렌즈영역을 포함하며, 렌즈 영역들 경계부에 차광부를 구비하여, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판;과, 상기 제 1 기판 상에, 상기 각 렌즈 영역들 내에 일 방향으로 형성된 복수개의 제 1 전극;과, 상기 제 2 기판 상에, 상기 차광부에 대응하여 개구부를 갖는 제 2 전극;과, 상기 차광부의 양끝에 상기 제 1 전극과 평행하게 형성된 제 1, 제 2 차광부 스위칭 전극;과, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 채워진 액정층; 및 상기 제 2 기판의 배면 상에 제 1 투과축을 갖는 편광판을 포함하여 이루어진 것에 그 특징이 있다.

여기서, 상기 복수개의 제 1 전극들과 제 2 전극 사이에 수직 전계를 조성하는 제 1 전압원과, 상기 제 1, 제 2 차광부 스위칭 전극 사이에 횡전계를 조성하는 제 2 전압원을 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 제 1 전압원은 각 렌즈 영역의 중앙에서 상기 렌즈 영역의 경계부로 갈수록 상기 제 1 전극들에 점차 작아지는 전압을 인가하는 것이다.

그리고, 상기 제 2 전압원을 통해 상기 제 1, 제 2 차광부 스위칭 전극에 서로 다른 전압 인가시 상기 차광부의 액정 배향은 상기 제 1 투과축과 교차하는 방향을 따르는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 제 1 기판 하측의 표시 패널로부터 상기 제 1 투과축에 따라 이차원 영상 신호가 투사된다.

그리고, 복수개의 제 1 전극은 상기 제 1 기판 상의 동일층 상에 형성되거 나, 상기 제 1 기판 상에 하나 이상의 절연막을 더 구비하고, 상기 절연막과 상기 제 1 기판 상에 복수개의 제 1 전극을 서로 다른 위치에 대응하여 형성할 수 있다.

또한, 동일한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 입체 표시 장치는 복수개의 렌즈영역을 포함하며, 렌즈 영역들 경계부에 차광부를 구비하여, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판과, 상기 제 1 기판 상에, 상기 각 렌즈 영역들 내에 일 방향으로 형성된 복수개의 제 1 전극과, 상기 제 2 기판 상에, 상기 차광부에 대응하여 개구부를 갖는 제 2 전극과, 상기 차광부의 양끝에 상기 제 1 전극과 평행하게 형성된 제 1, 제 2 차광부 스위칭 전극 및 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 채워진 액정층을 포함하여 이루어진 액정 전계 렌즈;와, 상기 액정 전계 렌즈 하측에 위치하며, 이차원의 영상 신호를 전달하는 표시 패널;과, 상기 표시 패널과 액정 전계 렌즈 사이에 위치하며 제 1 투과축을 갖는 제 1 편광판;과, 상기 액정 전계 렌즈 상에 위치하며, 상기 제 1 투과축과 동일 투과축을 갖는 제 2 편광판;과, 상기 각 렌즈 영역별로, 상기 제 1 전극들과 제 2 전극 사이에 수직 전계를 조성하는 제 1 전압원; 및 상기 제 1, 제 2 차광부 스위칭 전극들 사이에 횡전계를 조성하는 제 2 전압원을 포함하여 이루어진 것에 또 다른 특징이 있다.

여기서, 상기 제 1, 제 2 전압원을 오프시켜 이차원 영상 표시를 수행하고, 상기 제 1, 제 2 전압원을 온시켜 삼차원 영상 표시를 수행할 수 있다.

이 경우, 상기 복수개의 제 1 전극들과 상기 제 2 전극은 투명 전극으로 이루어진 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명의 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 액정 전계 렌즈의 미세하고 안정적인 프로파일 확보를 위해 하판에 형성하는 제 1 전극들을 미세 분할하여 형성하고, 이들 제 1 전극들에 서로 다른 전압을 인가하여, 상판 상에 형성된 제 2 전극과 제 1 전극들간의 수직 전계에 의해 완만한 포물면 렌즈 형상의 프로파일을 갖는 액정 전계 렌즈를 형성한다.

둘째, 렌즈 영역의 경계부에 대응하여 차광부를 대응시켜 셀갭을 줄일 수 있다. 또한, 렌즈 영역의 경계부는 크로스토크가 큰 영역대로 크게 휘도 손실없이 셀갭을 줄이는 것이 가능하다. 특히, 프레넬 렌즈와 같이, 렌즈 영역을 복수개의 영역으로 분할하여 분할된 영역의 경계마다 크로스토크를 유발하는 것이 아니라, 렌즈 영역들 사이에 원래의 크로스토크가 있던 영역을 차광부에 대응시킴에 의해 크게 표시 품위 저하없이 낮은 셀갭 구현이 가능하다.

셋째, 더불어, 차광부를 전압 온/오프에 의해 구동이 가능하도록 하여, 이차원의 영상 표시를 수행할 때는 차광부를 오프시켜, 이 경우에는 물리적으로 가려지는 공간이 없이 차광부까지 표시에 기능하도록 한다. 즉, 스위처블 차광부(switchable Black Matrix)를 구비하여, 이차원 영상 표시에 개구율 및 휘도를 향상시킨다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 일반적인 액정 전계 렌즈와 이와 비교하는 본 발명의 액정 전계 렌즈 및 이를 구현시 렌즈 효과와 해당 셀갭을 나타낸 도면이다.

도 3과 같이, 본 발명의 액정 전계 렌즈는 차광부(BM)를 렌즈 영역의 경계부에 구비한 것으로, 이에 따라 일반적인 액정 전계 렌즈 대비 1/2 이하의 셀갭(cell gap)을 가질 수 있다.

이와 같이, 차광부를 이용할 경우, 액정 전계 렌즈로 구현하고자 하는 단위 렌즈 영역의 경계부(렌즈 에지부:각 렌즈들이 만나는 부분)을 가릴 경우, 상기 차광부가 갖는 폭에 상당하여 셀갭의 두께를 줄일 수 있다.

여기서 고려해야 할 것은, 상기 차광부(BM)에 의해 3D 표시(삼차원 표시)시 가려지는 폭에 상당하여, 휘도 저하가 일어나므로, 상기 차광부(BM)의 폭과 축소되는 셀갭 비율간의 최적화이다.

도시된 실시예에서는, 구현하고자 하는 렌즈 높이의 1/2만 구현하고 나머지 렌즈 영역을 차광부로 가려준 예를 나타낸 것으로, 빛의 손실이 일어나는 비율은 약 27% 정도이지만 이를 통해 셀갭은 일반적인 셀갭 두께에 비해 50% 비율 수준으로 축소할 수 있다. 그러나, 반드시 셀갭을 종래 대비 1/2 수준으로 줄이는 효과뿐만 아니라 그 이상 줄일 수도 있으며, 이는 3D 표시시 휘도를 고려하여 상기 셀 갭 두께와 차광부 폭을 설정한다.

이 경우, 차광부는 전계에 의한 스위칭 구현이 가능하여, 2D 구현시에는 차광부의 구동을 오프시켜 해당 차광부 영역에는 하부의 표시 패널로부터 인가되는 이차원 영상신호가 그대로 출사되어, 휘도 저하가 없다.

여기서, 상기 차광부의 폭은 피치와 구현하고자 하는 셀 갭에 따라 달라질 것으로, 3D 상태에서 요구되는 휘도와 공정상 구현 가능한 셀 갭 높이를 모두 고려하여 설정한다.

도 4는 본 발명의 액정 전계 렌즈를 나타낸 사시도이며, 도 5는 본 발명의 액정 전계 렌즈의 제 1 기판의 전극 구성을 나타낸 평면도이다.

도 4와 같이, 본 발명의 액정 전계 렌즈는, 복수개의 렌즈영역을 포함하며, 렌즈 영역들 경계부에 차광부(BM)가 정의된다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 차광부(BM)는 전압 인가 여부에 따라 스위칭되어 형성되는 것으로, 이 부위는 2D 표시에는 전압 오프 조건으로 하부 표시 패널로부터 인가되는 영상이 그대로 출사된다. 즉, 스위처블 차광부(Switchable Black Matrix)이다.

구체적으로 본 발명의 액정 전계 렌즈를 살펴보면, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판(110, 120)과, 상기 제 1 기판(110) 상에, 상기 각 렌즈 영역들 내에 일 방향으로 형성된 복수개의 제 1 전극(111, 112)과, 상기 제 2 기판(120) 상에, 상기 차광부에 대응하여 개구부(OP)를 갖는 제 2 전극(121)과, 상기 차광부의 양끝에 상기 제 1 전극(111, 112)과 평행하게 형성된 제 1, 제 2 차광부 스위칭 전극(118a, 118b)과, 상기 제 1 기판(110) 및 제 2 기판(120) 사이에 채워진 액정층(150) 및 상기 제 2 기판(120)의 배면 상에 제 1 투과축을 갖는 편광판(160)을 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 액정 전계 렌즈는, 상기 복수개의 제 1 전극들(111, 112)과 제 2 전극(121) 사이에 수직 전계를 조성하는 제 1 전압원(VS1)과, 상기 제 1, 제 2 차광부 스위칭 전극(118) 사이에 횡전계를 조성하는 제 2 전압원(VS2)을 더 포함하여, 이들로부터 해당 전압들을 인가받아 3D 표시를 수행한다. 즉, 이들 제 1, 제 2 전압원(VS1, VS2)으로부터 전압이 각각 제 1 전극들(111, 112)과 상기 제 1, 제 2 차광부 스위칭 전극(118a, 118b)에 전압이 인가되어 삼차원 표시가 이루어진다.

만일, 상기 제 1, 제 2 전압원(VS1, VS2)으로부터 상기 제 1 전극들(111, 112), 제 2 전극(121) 및 차광부 스위칭 전극(118a, 118b)들에 전압이 인가되지 않은 경우에는 액정 전계 렌즈 하부에 위치한 표시 패널로부터 출사되는 영상으로 이차원 표시가 이루어진다.

여기서, 도 5와 같이, 상기 제 1 전압원(VS1)은 각 렌즈 영역의 중앙에서 상기 렌즈 영역의 경계부로 갈수록 상기 제 1 전극들(111, 112)에 점차 작아지는 전압(Vmax, ...., V1)을 인가하는 것으로, 이들 전압원은 상기 일 방향으로 형성된 제 1 전극들(111, 112)의 일측 단부에 형성된 패드 금속들(63)에 인가된다. 여기서, 상기 제 1 전극들(111, 112)은 투명 전극으로 일측 단부에서 패드 콘택홀(71)을 통해 상기 패드 금속들(63)과 연결된다. 이 경우, 상기 패드 금속들(63)은 액정 전계 렌즈의 표시부 외곽 가장자리에 위치하게 배치한다.

여기서, 상기 제 1 전극들(111, 112)은 도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 기판(110) 상에 절연막(115)을 개재하여 서로 다른층에 형성될 수도 있고, 혹은 동일층에 형성할 수도 있다. 도시된 예는 제 1 전극들(111, 112) 사이 간격을 보다 촘촘히 구성하게 한 예로, 상기 제 1 전극들(111, 112) 사이의 이격 조건이 더 넓을 경우에는 이들을 동일층에 형성하는 것도 가능하다.

한편, 상기 제 2 전극(121)은 상기 개구부(OP)가 렌즈 영역의 가장자리마다 위치하여, 제 2 기판(120) 상에서 개구부(OP)를 제외한 영역 상에서 전체가 연결된 형상으로 이루어진다.

그리고, 상기 제 1, 제 2 차광부 스위칭 전극(118a, 118b)은 제 2 전압원(VS2)을 통해 서로 다른 전압을 인가하여, 두 전극 사이에 횡전계가 조성되도록 한다.

이 때, 상기 제 2 전압원(VS2)을 통해 상기 제 1, 제 2 차광부 스위칭 전극(118a, 118b)에 서로 다른 전압 인가시 상기 차광부의 액정 배향은 상기 제 1 편광판(160)의 제 1 투과축과 교차하는 방향을 따르는 것이 바람직하다. 이에 따라, 상기 차광부에 횡전계 구동하는 제 1, 제 2 차광부 스위칭 전극(118a, 118b) 사이에 액정 분자들은 상기 편광판(160)의 제 1 투과축과 교차하는 방향으로 배향되어, 상기 차광부는 시각적으로 차단되어 전압 인가시 블랙 매트릭스와 같이 기능하는 것이다.

이 경우, 상기 제 1 기판(110) 하측의 표시 패널(도 7의 200 참조)로부터 상기 제 1 투과축에 따라 이차원 영상 신호가 투사된다. 여기서, 상기 표시 패널 상의 편광판과 상기 액정 전계 렌즈 상의 편광판들은 모두 동일한 방향으로 투과축을 가지며, 상기 차광부의 전압 인가시 액정 배향과는 교차하는 방향을 갖는다.

또한, 도 5와 같이, 상기 제 2 전압원(VS2)은 각 렌즈 영역들 경계부에서 제 1, 제 2 차광부 스위칭 전극(118a, 118b)는 그 일측 단부 혹은 양측 단부에 형성된 패드 금속들(65)과 연결되어 서로 다른 전압 신호(Vsp1, Vsp2)가 인가된다. 이들 역시 금속으로 이루어진 패드 금속들(65)과 투명 전극으로 이루어진 제 1, 제 2 차광부 스위칭 전극(118a, 118b)이 서로 다른 층에 형성되어, 각각 패드 콘택홀(70)을 통해 상기 패드 금속들(65)과 연결된다. 이 경우, 상기 패드 금속들(65)은 액정 전계 렌즈의 표시부 외곽 가장자리에 위치하게 배치한다.

이러한 차광부는 인접한 렌즈 영역들 사이에 형성되는 것으로, 그 폭은 인접한 양 렌즈 영역에 반씩 걸치게 된다. 즉, 도 5의 렌즈 영역(L)의 양끝에 위치한 OP라고 표기된 부위가 차광부의 반폭이 된다.

한편, 이러한 전압 인가시, 서로 인접한 상기 제 1 전극들(111, 112)간의 인가되는 전압 차는 1V 이하로 하여, 상기 제 1 전극들(111, 112)간에 조성되는 수평 전계가 크게 발생하지 않도록 한다.

이러한 복수개의 제 1 전극(111, 112)은 상기 렌즈 영역(L)에서, 상기 렌즈 영역의 에지부(E)를 경계로 좌우 대칭형으로 형성된다.

여기서, 상기 렌즈 영역(L)의 중심(O)에 대응되어 형성된 제 1 전극(111 또는 112)에 인가되는 가장 작은 문턱 전압(V1)은 약 1.4~2V 를 피크값으로 하는 교류 사각파이며, 이러한 문턱 전압 V1)은

(Δε는 액정 유전율 이방성, K1은 액정의 탄성 계수, ε₀은 자유공간 유전율)로 계산된다. 또한, 상기 렌즈 영역(L)의 에지(E)에 대응되어 제 1 전극들(111, 112)에 인가되는 전압 중 가장 큰 고전압은 약 2.5~10V를 피크값으로 하는 인가되는 교류 사각파이다.

그리고, 이 때, 상기 제 2 전극(121)에는 상기 문턱 전압보다 작거나 접지 전압을 인가하도록 한다. 이 경우, 상기 차광부에 상당하여 상기 제 2 전극(121)의 패턴이 제거되어, 이 부위에서는 액정 전계 렌즈의 수직 전계는 조성되지 않는다.

한편, 설명하지 않는 도면 부호 131, 132는 각각 제 1, 제 2 배향막을 나타낸다. 상기 제 1, 제 2 배향막(131, 132)은 전압 무인가시의 초기 상태에서 상기 액정 전계 렌즈를 투과층으로 기능시키기 위해, 제 1 배향막(131)의 러빙 방향을 상기 제 1 전극(111, 112)의 길이 방향과 수평 또는 수직한 방향으로 할 수 있다. 이 때, 상기 제 2 배향막(132)의 러빙 방향을 이에 교차하는 방향 또는 안티 패럴랠(anti-parallel: 평행하나 진행 방향이 반대) 방향으로 한다. 이를 통해 상기 액정 전계 렌즈의 하부에 있는 표시 패널을 통해 하부에서 전달되는 되는 영상이 그대로 관측자에게 투과 전달시킨다.

그리고, 상기 복수개의 제 1 전극(111, 112)은 상기 제 1 기판(110) 또는 절연막(115)의 세로 방향(상기 제 1 기판(110)의 일 변의 방향)을 따라 일 방향으로 막대 형상으로 형성되며, 단일 제 1 전극들(111, 112)의 각각의 폭은 1~10㎛으로 하며, 인접한 제 1 전극(111, 112)간의 간격을 1~10㎛로 하여 배치한다. 예를 들어, 피치는 90 내지 1000㎛ 정도로 다양하게 가변할 수 있는데, 상술한 제 1 전극(111, 112)의 폭 및 이격 간격에 따라 렌즈 영역별로 10개 내외에서 100개 이상까지 형성할 수 있다.

한편, 도시하지 않았지만, 상기 제 1, 제 2 기판(110, 120)의 외곽 영역(패 드부를 포함한 비표시 영역)에는 씰 패턴(미도시)이 형성되어 상기 제 1, 제 2 기판(110, 120) 사이를 지지한다. 또한, 상기 제 1, 제 2 기판(110, 112) 사이의 액정층(150)은 상기 차광부 구비에 의해 그 두께를 줄여 30 ㎛ 이하로 구현할 수 있다. 이러한 액정층(150)의 두께를 안정하게 유지하기 위해 상기 제 1, 제 2 기판(110, 120) 사이의 셀 갭을 지지하는 볼 스페이서 또는 칼럼 스페이서가 더 형성될 수 있다. 이 경우, 포함되는 스페이서는 상기 액정 전계 렌즈의 위상을 왜곡시키지 않는 위치에 형성하는 것이 좋다.

한편, 상기 제 1, 제 2 차광부 스위칭 전극(118a, 118b)은 경우에 따라 금속으로 형성할 수도 있으나, 투명 전극으로 형성하는 제 1 전극들(111, 112)과 동일층에 형성함에 의해 그 공정 순서를 간략히 할 수 있다.

이와 같이, 상기 제 1 기판(110) 상에 서로 동일 폭의 제 1 전극(111, 112)의 배치가 이루어지고, 상기 제 1 전극들(111, 112)에 대하여 렌즈 영역(L)의 에지부(E)로부터 중앙(O)까지 점점 작아지는 전압 인가에 의해, 전체적으로 상기 제 1 전극들(111, 112)과 제 2 전극(121)간 수직 전계가 완만하게 조성되고, 인접한 제 1 전극들(111, 112) 사이에는 약하게 횡전계가 조성된다. 결과적으로 상기 렌즈 영역의 에지부(E)에서 강하며, 상기 렌즈 영역의 중심(O)에서 약하게 걸리는, 완만한 측면 전기장이 형성된 것으로 관측된다.

따라서, 위치별 전기장에 따라 배향되는 액정의 광경로 길이를 나타내면, 상기 렌즈 영역의 에지부(E)에서 가장 광경로가 짧으며, 렌즈 영역 중심(O)에서 가장 긴 형태의 완만한 포물렌즈 렌즈면과 유사한 형상으로 액정 전계 렌즈가 형성됨을 알 수 있다.

여기서, 상기 제 1 전극(111, 112)과 제 2 전극(121)에 전압 인가는 액정 전계의 거동을 유발하여, 전체적으로 빛이 느끼는 굴절율이 공간적으로 포물 함수가 되도록 유도한다.

여기서, 상기 제 1 전극들(111, 112)은 그 간격과 폭을 등간격으로 하여 형성할 수도 있고, 간격과 폭 중 하나를 비등간격으로 하거나, 간격과 폭 모두를 비등간격을 하여 형성할 수 있다. 이러한 간격과 폭의 변경은 상기 형성하고자 하는 렌즈의 프로파일에 따라 달리할 수 있을 것이다.

도 6은 본 발명의 액정 전계 렌즈의 차광부 적용시, 차광부 폭 대 렌즈 최대 높이를 나타낸 그래프이다.

도 6과 같이, 상기 차광부(BM)의 폭과 셀갭 두께와의 관계는 차광부의 폭이 (축소되는 셀 갭)² 에 비례하는 것이다.

이상적인 렌즈는 2차 함수의 형태를 갖기 때문에, 상기 차광부의 폭의 제곱만큼 새그(sag: 구현하고자 하는 렌즈의 높이)가 줄어든다.

또한, 액정층의 셀 갭은 새그(sag: 구현하고자 하는 렌즈의 높이)에 비례하므로 새그가 줄어드는 만큼 셀갭도 줄어들게 된다.

통상적으로 셀갭은 구현하고자 하는 렌즈 최대 높이의 110~130%에 해당하며, 이는 적용 모델에 따라 약간씩 상이한데, 본 발명의 액정 전계 렌즈를 상술한 스위 처블 차광부를 통해 셀갭을 이의 1/2 이하 수준으로 줄일 수 있다.

여기서, 차광부의 폭과 셀갭은 서로 상기 식과 같이 트레이드 오프(trade off) 관계이므로, 이를 고려하여 해당 모델에 따라 설계할 수 있다.

도 7은 본 발명의 입체 표시 장치를 나타낸 단면도이다.

도 7과 같이, 본 발명의 입체 표시 장치는, 상술한 액정 전계 렌즈(100)와, 상기 액정 전계 렌즈(100) 하측에 위치하며, 이차원의 영상 신호를 전달하는 표시 패널(200)과, 상기 표시 패널(200)과 액정 전계 렌즈(100) 사이에 위치하며 제 1 투과축을 갖는 제 1 편광판(210)과, 상기 액정 전계 렌즈(100) 상에 위치하며, 상기 제 1 투과축과 동일 투과축을 갖는 제 2 편광판(160)과, 상기 각 렌즈 영역별로, 렌즈 영역의 중앙에서부터 에지까지 상기 제 1 전극들(111, 112)에 점점 작아지는 전압과 제 2 전극(121)에 공통 전압을 인가하는 제 1 전압원(VS1) 및 상기 제 1, 제 2 차광부 스위칭 전극들(118a, 118b) 사이에 제 1 투과축과 교차하는 방향으로 액정을 구동하는 전압을 인가하는 제 2 전압원(VS2)을 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 제 1, 제 2 전압원(VS1, VS2)을 오프(off)시켜 이차원 영상 표시를 수행하고, 상기 제 1, 제 2 전압원(VS1, VS2)을 온(on)시켜 삼차원 영상 표시를 수행할 수 있다.

또한, 상기 표시 패널(200)은 액정표시소자(Liquid crystlal Display Divice: LCD), 유기 발광 소자(Organic Light Emitting Display Device: OLED), 플라즈마 표시 소자(Plasma Display Panel: PDP), 전계발광소자(Field Emission Display Device: FED), 전기 영동 표시 소자 등의 평판 표시 장치가 사용될 수 있다. 이러한 표시 패널(200)은 상기 액정 전계 렌즈(100) 하측에 위치하여, 상기 액정 전계 렌즈(100)로 이차원의 영상 신호를 전달하는 역할을 한다.

한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

도 1은 종래의 액정 전계 렌즈를 나타낸 단면도

도 2는 도 1의 액정 전계 렌즈 형성시 전압 인가 후 전위 분포를 나타낸 도면

도 3은 일반적인 액정 전계 렌즈와 이와 비교하는 본 발명의 액정 전계 렌즈 및 이를 구현시 렌즈 효과와 해당 셀갭을 나타낸 도면

도 4는 본 발명의 액정 전계 렌즈를 나타낸 사시도

도 5는 본 발명의 액정 전계 렌즈의 제 1 기판의 전극 구성을 나타낸 평면도

도 6은 본 발명의 액정 전계 렌즈의 차광부 적용시, 차광부 폭 대 렌즈 최대 높이를 나타낸 그래프

도 7은 본 발명의 입체 표시 장치를 나타낸 단면도

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100 : 액정 전계 렌즈 110: 제 1 기판

111, 112: 제 1 전극 115: 절연막

118a, 118b: 차광부 스위칭 전극

120: 제 2 기판 121: 제 2 전극

131: 제 1 편광판 132: 제 2 편광판

150: 액정층 160: 제 2 편광판

200: 표시 패널 210: 제 1 편광판

Claims (10)

1. 복수개의 렌즈영역을 포함하며, 렌즈 영역들 경계부에 차광부를 구비하여, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판;

   상기 제 1 기판 상에, 상기 각 렌즈 영역들 내에 일 방향으로 형성된 복수개의 제 1 전극;

   상기 제 2 기판 상에, 상기 차광부에 대응하여 개구부를 갖는 제 2 전극;

   상기 차광부의 양끝에 상기 제 1 전극과 평행하게 형성된 제 1, 제 2 차광부 스위칭 전극;

   상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 채워진 액정층;

   상기 복수개의 제 1 전극들과 상기 제 2 전극 사이에 수직 전계를 조성하는 제 1 전압원;

   상기 제 1, 제 2 차광부 스위칭 전극 사이에 횡전계를 조성하는 제 2 전압원; 및

   상기 제 2 기판의 배면 상에 제 1 투과축을 갖는 편광판을 포함하여 이루어지며,

   상기 제 2 전압원을 통해 상기 제 1, 제 2 차광부 스위칭 전극에 서로 다른 전압 인가시 상기 차광부의 액정 배향은 상기 제 1 투과축과 교차하는 방향을 따르는 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1 전압원은 각 렌즈 영역의 중앙에서 상기 렌즈 영역의 경계부로 갈수록 상기 제 1 전극들에 점차 작아지는 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1 기판 하측의 표시 패널로부터 상기 제 1 투과축에 따라 이차원 영상 신호가 투사되는 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
6. 제 1항에 있어서,

   복수개의 제 1 전극은 상기 제 1 기판 상의 동일층 상에 형성된 것을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1 기판 상에 하나 이상의 절연막을 더 구비하고, 상기 절연막과 상기 제 1 기판 상에 복수개의 제 1 전극을 서로 다른 위치에 대응하여 형성하는 것 을 특징으로 하는 액정 전계 렌즈.
8. 복수개의 렌즈영역을 포함하며, 렌즈 영역들 경계부에 차광부를 구비하여, 서로 대향 배치된 제 1, 제 2 기판과, 상기 제 1 기판 상에, 상기 각 렌즈 영역들 내에 일 방향으로 형성된 복수개의 제 1 전극과, 상기 제 2 기판 상에, 상기 차광부에 대응하여 개구부를 갖는 제 2 전극과, 상기 차광부의 양끝에 상기 제 1 전극과 평행하게 형성된 제 1, 제 2 차광부 스위칭 전극 및 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 채워진 액정층을 포함하여 이루어진 액정 전계 렌즈;

   상기 액정 전계 렌즈 하측에 위치하며, 이차원의 영상 신호를 전달하는 표시 패널;

   상기 표시 패널과 액정 전계 렌즈 사이에 위치하며 제 1 투과축을 갖는 제 1 편광판;

   상기 액정 전계 렌즈 상에 위치하며, 상기 제 1 투과축과 동일 투과축을 갖는 제 2 편광판;

   상기 각 렌즈 영역별로, 상기 제 1 전극들과 제 2 전극 사이에 수직 전계를 조성하는 제 1 전압원; 및

   상기 제 1, 제 2 차광부 스위칭 전극들 사이에 횡전계를 조성하는 제 2 전압원을 포함하여 이루어지며,

   상기 제 2 전압원을 통해 상기 제 1, 제 2 차광부 스위칭 전극에 서로 다른 전압 인가시 상기 차광부의 액정 배향은 상기 제 1 투과축과 교차하는 방향을 따르는 것을 특징으로 입체 표시 장치.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 제 1, 제 2 전압원을 오프시켜 이차원 영상 표시를 수행하고,

   상기 제 1, 제 2 전압원을 온시켜 삼차원 영상 표시를 수행하는 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치.
10. 제 8항에 있어서,

    상기 복수개의 제 1 전극들과 상기 제 2 전극은 투명 전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 입체 표시 장치.

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