KR102636566B1

KR102636566B1 - 무안경 입체 영상 표시장치

Info

Publication number: KR102636566B1
Application number: KR1020160181600A
Authority: KR
Inventors: 이영복; 윤아라; 김성우; 허태영
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2016-12-28
Filing date: 2016-12-28
Publication date: 2024-02-16
Anticipated expiration: 2036-12-28
Also published as: KR20180077407A

Abstract

본 발명은 렌티큘러 렌즈를 이용한 다중 시청 영역을 구현한 무안경 입체 영상 표시장치에 관한 것이다. 본 발명에 의한 무안경 입체 영상 표시장치는, 표시 패널, 그리고 필름형 렌즈 셀을 포함한다. 표시 패널은 편광판을 구비한다. 필름형 렌즈 셀은, 제1 기판, 제2 기판, 액정 층 및 측부 실을 구비한다. 제1 기판은, 편광판과 인접하여 배치되며, 편광판의 광 투과축과 평행한 제1 배향 방향을 갖는다. 제2 기판은, 제1 기판과 면 대향하여 배치되며, 표시 패널의 수직축에 대해 일정 각도로 기울어진 기울임 축과 평행한 제2 배향 방향을 갖는다. 액정 층은, 제1 기판과 제2 기판 사이에 배치된다. 측부 실은, 제1 필름과 제2 필름 사이의 테두리를 밀봉한다.

Description

무안경 입체 영상 표시장치{Autostereoscopic 3-Dimensional Display}

본 발명은 렌티큘러 렌즈를 이용하여 다중 시청 영역(혹은, 멀티-뷰; Multi-View)을 구현한 무안경 입체 영상 표시장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 액정 층을 이용한 스위쳐블 렌즈 셀에서 빛샘 방지 구조를 갖는 무안경 입체 영상 표시 장치에 관한 것이다.

입체 영상 표시 기술의 발달로 인하여, 텔레비전이나 모니터와 같은 표시장치에 입체 영상을 재현하는 기술이 적용되어 누구나 어디에서든지 입체(혹은, 3D) 영상을 감상할 수 있게 되었다. 입체 영상 표시장치란 "인위적으로 입체 영상을 재생하는 시스템"이라고 정의할 수 있다.

사람이 시각적으로 입체감을 느끼는 이유는, 눈이 가로 방향으로 65mm 떨어져 있음으로 하여 나타나는 양안 시차(binocular disparity) 때문이다. 사람의 눈은 양안 시차 때문에 똑같은 사물을 바라보더라도 각각 약간의 다른 각도에서 바라본 영상을 보며, 이 두 영상이 망막을 통해 뇌로 전달되면, 뇌는 이를 정확히 융합함으로써 입체감을 느낄 수 있다.

입체 영상 표시장치는, 양안 시차의 메카니즘을 이용하여 2차원 표시장치에서 좌안 및 우안 영상 2개를 모두 표시하고, 좌안과 우안에 정확하게 보내는 설계를 통해 가상적인 입체감을 만들어 낸다. 양안 시차를 구현하기 위한 방법으로, 안경 방식과 무안경 방식이 각각 개발되어 있다.

본 발명과 관련된 무안경 방식은, 좌안 영상과 우안 영상을 동시에 표시하고, 각각 영상의 광축을 분리하여 좌안과 우안에 나누어 제공한다. 무안경 방식은 다시 패럴렉스 배리어(parallax barrier) 방식, 렌티큘러 렌즈(lenticular lens) 방식 그리고 인테그럴 포토그래피(integral photography) 방식으로 나눌 수 있다. 패럴렉스 배리어 방식은 표시 패널 전면에 세로 격자 모양의 개구부(aperture)를 설치하여 좌안 영상과 우안 영상을 분리하여 제공한다. 렌티큘러 렌즈 방식은 반원통형 렌즈가 연속으로 배열된 렌즈 필름을 표시 패널의 전면에 부착하여 좌안 영상과 우안 영상을 분리하여 제공한다. 인테그럴 포토그래피 방식은 잠자리 눈 모양의 렌즈판을 이용하여 좌안 영상과 우안 영상을 분리하여 제공한다.

렌티큘러 렌즈 방식의 무안경 입체 영상 표시장치에 적용되는 렌티큘러 렌즈를 능동적으로 2D 모드와 3D 모드 사이를 전환하도록 하기 위해서 스위쳐블 렌즈 셀로 구현할 수 있다. 스위쳐블 렌즈 셀은 전압 인가 여부에 따라 렌티큘러 렌즈 기능이 온(On)되거나, 오프(Off)되는 광학 소자이다. 스위쳐블 렌즈 셀을 이용하여 렌티큘러 렌즈 방식을 구현하기 위해서는, 굴절율을 가변적으로 변동할 수 있는 물질을 이용할 수 있다. 예를 들어, 액정 물질을 이용하여 가변적으로 렌즈 기능을 온-오프할 수 있다. 하지만, 액정 물질의 경우, 빛샘 문제가 발생할 수 있다. 이 경우, 정상적으로 2D 및/또는 3D 영상을 정상적으로 관측할 수 없다. 따라서, 스위쳐블 렌즈 셀의 경우, 빛 샘 문제를 해결할 수 있는 구조가 필요하다.

본 발명의 목적은 상기 문제점들을 극복하기 위해 고안된 것으로, 선택적으로 2D 영상과 3D 영상을 전환하는 무안경 입체 영상 표시장치를 제공하는 데 있다. 본 발명의 다른 목적은 빛샘이 발생하지 않는 무안경 입체 영상 표시장치를 제공하는 데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은, 셀 갭 및 렌티큘러 렌즈들의 기울임 각도를 변화하더라도, 액정 층의 꼬임 상태를 유지하여 액정 층의 굴절율 이방성에 의한 빛샘을 발생하지 않는 무안경 입체 영상 표시장치용 필름형 렌즈 셀을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의한 무안경 입체 영상 표시장치는, 표시 패널, 그리고 필름형 렌즈 셀을 포함한다. 표시 패널은 편광판을 구비한다. 필름형 렌즈 셀은, 제1 기판, 제2 기판, 액정 층 및 측부 실을 구비한다. 제1 기판은, 편광판과 인접하여 배치되며, 편광판의 광 투과축과 평행한 제1 배향 방향을 갖는다. 제2 기판은, 제1 기판과 면 대향하여 배치되며, 표시 패널의 수직축에 대해 일정 각도로 기울어진 기울임 축과 평행한 제2 배향 방향을 갖는다. 액정 층은, 제1 기판과 제2 기판 사이에 배치된다. 측부 실은, 제1 필름과 제2 필름 사이의 테두리를 밀봉한다.

일례로, 제1 기판은, 제1 필름, 제1 투명 전극, 그리고 배향막을 구비한다. 제2 기판은, 제2 필름, 제2 투명 전극, 그리고 렌티큘러 렌즈 층을 구비한다. 제1 투명 전극은, 제1 필름의 일측 표면 위에 도포된다. 배향막은, 제1 투명 전극 위에 도포되며, 제1 배향 방향을 갖는다. 제2 필름은, 제1 필름과 면 대향하여 배치된다. 제2 투명 전극은, 제2 필름에서 제1 필름과 대향하는 표면 위에 도포된다. 렌티큘러 렌즈층은, 제2 투명 전극 위에 배치되며, 제2 배향 방향을 갖는다.

일례로, 렌티큘러 렌즈층은, 기울임 축을 따라 연장된 반원통형을 갖는 다수 개의 렌티큘러 렌즈들이 연속하여 배치된다. 렌티큘러 렌즈층은, 렌티큘러 렌즈층의 상부 표면이 상기 상부 배향막과 맞닿아 합착된다.

일례로, 액정 층은, 장축 방향과 단축 방향을 갖는 액정 분자들이 적층된다. 액정 분자들 각각의 장축 방향이 제1 배향 방향과 제2 배향 방향 사이에서 연속적으로 변화되도록 적층된다.

일례로, 액정 층은, 제1 배향 방향과 제2 배향 방향 사이에서 꼬임 배치를 갖는다. 꼬임 배치의 꼬임 피치는 액정 층의 두께에 비례하고 기울임 각도에 반비례하도록 조절된다.

일례로, 액정 층은, 꼬임 피치를 조절하기 위해 액정 분자들에 추가된 도펀트를 더 포함한다.

일례로, 표시 패널은, 기판, 화소 영역, 박막 트랜지스터 및 유기발광 다이오드를 포함한다. 화소 영역은, 기판 위에 매트릭스 방식으로 배열된다. 박막 트랜지스터는, 화소 영역 내에 배치된다. 유기발광 다이오드는, 화소 영역 내에서 박막 트랜지스터에 연결된다.

일례로, 상기 표시 패널은, 상부 기판, 하부 기판, 액정 층 및 하부 편광판을 더 포함한다. 액정 층은, 상부 기판과 하부 기판 사이에 밀봉된다. 하부 편광판은, 하부 기판의 하면에 배치된다. 편광판은, 상부 기판의 상면에 배치된다.

본 발명은 2D 영상과 3D 영상을 선택적으로 관람하는 무안경 방식의 입체 영상 표시장치를 제공한다. 본 발명에서는 렌즈 기능을 선택적으로 온-오프하는 필름형 렌즈 셀을 구비한 무안경 방식의 입체 영상 표시장치를 제공한다. 렌즈 기능을 선택적으로 온-오프함에 있어, 액정 층의 꼬임 구조를 꼬임 피치에 맞추어 유지할 수 있도록 함으로써, 표시 패널에서 출광하는 빛의 선편광 상태를 그대로 유지하면서 필름형 렌즈 셀을 통과한다. 따라서, 액정 층에 의한 굴절율 이방성 차이로 인한 빛샘이 발생하지 않는다. 본 발명은, 빛샘 문제가 없는 필름형 렌즈 셀을 구비한 무안경 입체 영상 표시장치를 제공한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 필름형 렌즈 셀을 구비한 무안경 입체 영상 표시장치의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 2a 및 2b는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 필름형 렌즈 셀을 구비한 구동 방식을 설명하는 단면도들.
도 3은 제1 실시 예에 의한 필름형 렌즈 셀(LCM)의 배향 방향을 나타낸 확대도.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 의한 필름형 렌즈 셀을 구비한 무안경 입체 영상 표시장치의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 의한 필름형 렌즈 셀을 구비한 무안경 입체 영상 표시장치의 편광 상태를 고려한 배치 구조를 나타내는 개략도.
도 6은 본 발명의 제1 응용 예에 의한 필름형 렌즈 셀을 구비한 무안경 입체 영상 표시 장치의 구조를 나타내는 개략도.
도 7은 본 발명의 제2 응용 예에 의한 필름형 렌즈 셀을 구비한 무안경 입체 영상 표시 장치의 구조를 나타내는 개략도.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 실질적으로 동일한 구성 요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 공지 기술 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소 명칭은 명세서 작성의 용이함을 고려하여 선택된 것일 수 있는 것으로서, 실제 제품의 부품 명칭과는 상이할 수 있다.

<제1 실시 예>

이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 제1 실시 예에 의한 필름형 렌즈 셀(Film type Lens Cell)을 구비한 무안경 입체 영상 표시장치에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 필름형 렌즈 셀을 구비한 무안경 입체 영상 표시장치의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

본 발명의 제1 실시 예에 의한 무안경 입체 영상 표시장치는, 표시 패널(DP)과 필름형 렌즈 셀(LCM)을 구비한다. 필름형 렌즈 셀(LCM)은 표시 패널(DP)의 표면 위에 면 합착되어 있다. 특히, 필름형 렌즈 셀(LCM)은 표시 패널(DP)에서 영상 정보를 담은 빛이 출광되는 표면 위에 면 합착되는 것이 바람직하다.

필름형 렌즈 셀(LCM)은, 하부 필름(FL), 하부 투명 전극(EL), 렌티큘러 렌즈층(LN), 액정 층(LD), 상부 배향막(AU), 상부 투명 전극(EU), 상부 필름(FU) 및 측부 실(SE)을 포함한다. 액정 층(LD)은 액정 물질(LC)에 일정 함량의 도펀트(DO)가 포함되어 있을 수 있다.

도면으로 도시하지 않았으나, 하부 투명 전극(EL) 및 상부 투명 전극(EU)은 측부 실(SE) 일측 외부로 연장되어 패드 단자를 형성할 수 있다. 패드 단자는 필름형 인쇄 회로 기판과 연결될 수 있다. 필름형 인쇄 회로 기판은 외부 장치와 연결하기 위한 수단이다. 렌즈 패드는 이방성 도전 필름(Anisotropy Conductive Film)과 같은 도전 연결 필름을 이용하여 필름형 인쇄 회로 기판에 형성된 패드 단자와 전기적으로 연결될 수 있다.

하부 필름(FL)은, 투명하고 얇은 판상 형상을 가질 수 있다. 하부 필름(FL)의 상부 표면 전체에는 ITO(Indium Tin Oxide) 혹은 IZO(Indium Zinc Oxide)와 같은 투명 도전 물질로 만든 하부 투명 전극(EL)이 도포되어 있다. 하부 투명 전극(EL) 위에는 렌티큘러 렌즈층(LN)이 형성되어 있다. 여기서, 렌티큘러 렌즈층(LN)에는 반 원통형의 렌즈들이 일정 기울임 각도를 갖고 연속하여 배열되어 있다.

상부 필름(FU)도 하부 필름(FL)과 동일한 부재로 동일한 형상으로 형성할 수 있다. 상부 필름(FU)의 하부 표면 전체에는 상부 투명 전극(EU)이 도포되어 있다. 상부 투명 전극(EU) 위에는 상부 배향막(AU)이 도포되어 있다. 상부 필름(FU)의 하부 표면과 하부 필름(FL)의 상부 표면은 서로 대향하여 면 합착되어 있다. 특히, 상부 필름(FU)의 상부 투명 전극(EU)의 표면이 렌티큘러 렌즈층(LN)의 최상위 표면과 맞닿도록 합착된다.

렌티큘러 렌즈층(LN)과 상부 배향막(AU) 사이에는 액정 층(LD)이 채워져 있다. 합착된 상부 필름(FU)과 하부 필름(FL)의 테두리에는 측부 실(SE)로 밀봉되어 있다. 측부 실(SE)은 그 내부에 채워진 액정 층(LD)의 액정 물질들이 외부로 누출되지 않도록 한다.

상부 필름(FU)의 제일 하부 층에 배치된 상부 배향막(AU)은 액정 층(LD)의 초기 배향 방향을 결정하기 위한 배향 무늬(혹은, 배향 패턴)가 새겨져 있을 수 있다. 또한, 액정 층(LD)과 접촉하는 렌티큘러 렌즈층(LN)의 겉 표면에도 배향 무늬가 새겨져 있을 수 있다. 렌티큘러 렌즈층(LN)의 배향 무늬와 상부 배향막(AU)의 배향 무늬는 액정층(LD)의 초기 배열 방향에 따라 결정될 수 있다.

액정 층(LD)은 굴절율 이방성 물질로서, 액정 분자의 방향에 따라 서로 다른 굴절율을 갖는다. 예를 들어, 액정 층(LD)은 장축방향 굴절율(ne)와 단축방향 굴절율(no)를 갖는다. 여기서, 액정 층(LD)의 장축방향 굴절율(ne)와 렌티큘러 렌즈층(LN)의 굴절율은 동일한 것이 바람직하다. 또한, 단축방향 굴절율(no)은 장축방향 굴절율(ne)보다 작은 것이 바람직하다.

상부 투명 전극(EU)과 하부 투명 전극(EL) 사이에 전위차에 따라, 액정 층(LD)이 구동된다. 이하, 도 2a 및 2b를 참조하여, 본 발명에 의한 필름형 렌즈 셀(LCM)의 구동 방식을 설명한다. 도 2a 및 2b는 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 필름형 렌즈 셀(LCM)의 구동 방식을 설명하는 단면도들이다.

예를 들어, 전위차가 0V이면, 초기 배향상태를 유지하여, 액정 층(LD)의 장축 방향이 필름형 렌즈 셀(LCM)의 평면과 평행하게 배치된다. 액정 층(LD)의 액정 분자들의 장축이 렌티큘러 렌즈(LN)의 배열 방향과 동일하게 배치되어 있으므로, 도 2a에 도시한 단면도에서는, 원형으로 나타내었다. 이 경우, 필름형 렌즈 셀(LCM)의 하부 필름(FL)에서 입사되는 입사광(100)들은 렌티큘러 렌즈(LN)와 동일한 굴절율을 갖는 액정 층(LD)의 장축방향으로 입사된다. 따라서, 상부 필름(FU) 및 하부 필름(FL) 사이에는 굴절율 차이가 없는 균일한 물질이 채워진 상태가 되므로, 입사광(100)은 렌티큘러 렌즈층(LN)에 아무런 영향 없이 투과된다. 즉, 출사광(200)은 입사광(100)과 동일한 상태를 유지한다.

반면에, 상부 투명 전극(EU)과 하부 투명 전극(EL) 사이의 전위차가 5V이면, 액정 층(LD)은 상부 투명 전극(EU)과 하부 투명 전극(EL) 사이에서 수직 방향으로 배열 방향이 바뀐다. 그 결과, 입사광(100)들은 렌티큘러 렌즈(LN)보다 작은 굴절율을 갖는 액정 층(LD)의 단축 방향으로 입사된다. 따라서, 상부 필름(FU) 및 하부 필름(FL) 사이에서, 렌티큘러 렌즈층(LN)의 렌즈 기능이 작동된다. 즉, 출사광(210)은 입사광(100)이 렌티큘러 렌즈층(LN)에 의해 집광된 상태를 갖는다.

본 발명에 의한 필름형 렌즈 셀(LCM)은, 상부 투명 전극(EU)과 하부 투명 전극(EL) 사이의 전위차를 조정함으로써, 렌티큘러 렌즈층(LN)을 온-오프할 수 있다. 그 결과, 무안경 입체 영상과 일반 2D 영상 사이에서 자유롭게 전환할 수 있다. 예를 들어, 표시 패널에서 2D 영상을 제공하는 경우, 본 발명의 필름형 렌즈 셀(LCM)의 렌즈 기능을 오프(Off)하며, 3D 영상을 제공하는 경우, 렌즈 기능을 온(On)함으로써, 선택적으로 무안경 입체 영상 기능을 제공한다.

이와 같이 액정 층(LD)의 액정을 구동하기 위해서는, 상부 배향막(AU)과 렌티큘러 렌즈층(LM)의 표면에 배향 무늬가 형성되어 있다. 특히, 상부 배향막(AU)과 렌티큘러 렌즈층(LM)의 표면에 새겨진 배향 무늬들은 동일한 방향을 갖는 것이 바람직하다.

상부 배향막(AU)의 경우, 얇은 박막 형상을 가지므로, 배향 무늬를 형성하는 데 큰 어려움이 없다. 하지만, 렌티큘러 렌즈층(LM)의 표면에 배향 무늬를 형성하는 데는 어려움이 많다. 렌티큘러 렌즈층(LM)은 반원통 형상을 갖는 렌즈들이 연속하여 배열되어 있다. 따라서, 렌티큘러 렌즈층(LM)의 표면은 두께 차이가 매우 심하다. 이러한 표면에 배향 무늬를 형성하기는 쉽지 않다.

도 3을 참조하여 구체적으로 설명한다. 도 3은 제1 실시 예에 의한 필름형 렌즈 셀(LCM)의 배향 방향을 나타낸 확대도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 렌티큘러 렌즈층(LM)의 렌즈들의 배열 방향이 하부 필름(FL)을 이루는 평면 상에서 수직방향 축에 대해 일정 각도 기울어져 있을 수 있다. 반면에, 액정 층(LD)의 배향 방향은 수직 방향 축과 평행하게 설정할 수 있다.

이 경우, 렌티큘러 렌즈층(LM)에 배향 무늬를 형성하면, 렌즈들 사이의 골짜기 부분에는 배향 무늬가 제대로 형성되지 않는다. 즉, 렌티큘러 렌즈층(LM)의 렌즈들 사이에는 배향 무늬가 제대로 형성되지 않는 부분(A)이 발생한다. 이 부분에 채워진 액정 물질들은 배향 방향에 맞추어 배열되지 않아, 빛샘이 발생할 수 있다. 그 결과, 입체 영상을 제대로 관측할 수 없게 된다. 따라서, 액정 층(LD)을 이용하여, 렌티큘러 렌즈를 이용한 무안경 입체 영상 표시장치를 구현할 경우, 빛샘 문제를 해결하기 위한 구조적 특징을 갖는 필름형 렌즈 셀(LCM)이 필요하다.

<제2 실시 예>

이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 제2 실시 예에 대해 설명한다. 도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 의한 필름형 렌즈 셀을 구비한 무안경 입체 영상 표시장치의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 의한 무안경 입체 영상 표시장치는, 표시 패널(DP)과 필름형 렌즈 셀(LCM)을 구비한다. 특히, 표시 패널(DP)은 상부층에 면 합착된 편광판(POL)을 포함한다. 예를 들어, 액정 표시장치의 경우, 상부 편광판과 하부 편광판을 포함하는 데, 여기서 편광판(POL)은 상부 편광판에 해당한다. 또한, 유기발광 다이오드 표시장치의 경우, 외부광의 반사를 저하하기 위해 유기발광 다이오드 표시장치의 상부층에 편광판(POL)이 면 합착되어 있다.

필름형 렌즈 셀(LCM)은 편광판(POL)의 상부 표면 위에 면 합착되어 있다. 특히, 필름형 렌즈 셀(LCM)은 표시 패널(DP)에서 영상 정보를 담은 빛이 출광되는 표면 위에 면 합착되는 것이 바람직하다. 특히, 제2 실시 예에 의한 무안경 입체 영상 표시장치에서 제1 실시 예와 다른 점은, 필름형 렌즈 셀(LCM)을 뒤집어서 표시 패널(DP)의 상부 표면 위에 합착한 구조를 갖는다. 이 점을 중심으로 상세히 설명한다.

상부 필름(FU)도 하부 필름(FL)과 동일한 부재로 동일한 형상으로 형성할 수 있다. 상부 필름(FU)의 하부 표면 전체에는 상부 투명 전극(EU)이 도포되어 있다. 상부 투명 전극(EU) 위에는 상부 배향막(AU)이 도포되어 있다. 상부 필름(FU)의 하부 표면과 하부 필름(FL)의 상부 표면은 서로 대향하여 면 합착되어 있다. 특히, 상부 필름(FU)의 상부 투명 전극(EU)의 표면이 렌티큘러 렌즈층(LN)의 최상위 표면과 맞닿도록 합착되어 있다.

상부 필름(FU)의 제일 하부 층에 배치된 상부 배향막(AU)은 액정 층(LD)의 초기 배향 방향을 결정하기 위한 배향 무늬가 새겨져 있을 수 있다. 또한, 액정 층(LD)과 접촉하는 렌티큘러 렌즈층(LN)의 겉 표면에도 배향 무늬가 새겨져 있을 수 있다. 렌티큘러 렌즈층(LN)의 배향 무늬와 상부 배향막(AU)의 배향 무늬는 액정층(LD)의 초기 배열 방향에 따라 결정될 수 있다.

이와 같이, 필름형 렌즈 셀(LCM)은 제1 실시 예에서 설명한 것과 동일한 구조를 갖는다. 다만, 제2 실시 예에서는, 필름형 렌즈 셀(LCM)의 상부 필름(FU)이 편광판(POL)을 매개로하여 표시 패널(DP)의 상부 표면에 면 합착되어 있다. 단면 구조에서 보면, 렌티큘러 렌즈층(LN)은 굴절율이 큰 레진 물질로 이루어진 볼록 렌즈가 뒤집어 합착된 구조를 갖는다.

이하, 도 5를 더 참조하여, 제2 실시 예에서, 필름형 렌즈 셀(LCM)을 뒤집어 배치한 이유에 대해 상세히 설명한다. 도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 의한 필름형 렌즈 셀을 구비한 무안경 입체 영상 표시장치의 편광 상태를 고려한 배치 구조를 나타내는 개략도이다.

제2 실시 예에서, 필름형 렌즈 셀(LCM)을 뒤집어 합착하는 이유는, 액정 층(LD)에서 발생하는 빛샘을 방지하기 위한 것이다. 앞에서 설명한 바와 같이 평판 박막형 표시 패널(DP)에는 상부층에 편광판(POL)이 합착되어 있다. 편광판(POL)은 광 투과축을 갖는다. 도 5에서처럼, 편광판(POL)의 편광축은 표시 패널(DP)을 구성하는 평면 좌표축(X-Y 평면)에서 Y축에 평행하게 배치되어 있을 수 있다.

필름형 렌즈 셀(LCM)이 뒤집어 합착되어 있으므로, 편광판(POL) 위에는 상부 배향막(AU)이 먼저 적층되고, 그 위에 렌티큘러 렌즈층(LN)이 적층된 구조를 갖는다. 상부 배향막(AU)의 배향 방향은 편광판(POL)의 광투과축과 동일하게 Y축과 평행한 것이 바람직하다. 한편, 렌티큘러 렌즈층(LN)의 표면에 새겨진 배향 무늬의 방향(LAx)은 렌티큘러 렌즈 축(Lx)의 배열 방향과 동일한 것이 바람직하다. 예를 들어, 렌티큘러 렌즈(LN)의 축(Lx)은 Y축에 대해 일정 각도(θ°) 기울어져 있을 수 있다. 마찬가지로, 렌티큘러 렌즈층(LN)의 표면에 새겨진 배향 무늬의 방향(LAx)도 Y축에 대해 일정 각도(θ°) 기울어져 있을 수 있다.

이 경우, 액정 층(LD)에서 상부 배향막(AU)과 접촉하는 액정 분자들은 장축 방향이 Y축을 따라 배치된다. 반면에 액정 층(LD)에서 렌티큘러 렌즈층(LN)과 접촉하는 액정 분자들은 장축 방향이 Y축을 기준으로 일정 각도(θ°) 기울어진 방향을 따라 배치된다. 이 축을 편의상 θ축이라 부른다. 그 결과, 액정 층(LD)내에 쌓여져 있는 액정 분자들은 Y축과 θ축 사이에서 연속적으로 변화하면서 적층된 구조를 갖는다.

표시 패널(DP)에서 방출되는 영상 정보를 담은 빛은 편광판(POL)에 의해 Y축 방향으로 선편광된다. 선편광된 빛은 상부 배향막(AU)에 의해 Y축 방향으로 배향된 액정 층(LD)을 투과한다. 이후, 선편광된 빛이 액정 층(LD)을 투과하면서, 액정 층(LD)들이 배열된 방향을 따라 선편광축이 변화하면서 투과한다.

결국, 렌티큘러 렌즈층(LN)의 표면과 접촉하는 액정 층(LD)에 포함된 액정 물질(LC)의 배열 방향 즉, 렌티큘러 렌즈층(LN)의 배향 무늬의 방향인 θ축 방향으로 선편광 각도가 변화되어 렌티큘러 렌즈층(LN)으로 입사된다. 이 때, 액정 층(LD)의 굴절율은 장축의 굴절율을 갖고, 이는 렌티큘러 렌즈층(LN)의 굴절율과 동일하므로, 선편광된 빛은 굴절율 차이가 없는 매질을 그대로 관통하여 출광된다.

한편, 상부 투명 전극(EL)과 하부 투명 전극(EU)에 전압이 인가될 경우, 액정 층(LD)의 액정 분자들이 XY 평면에 대해 수직 방향으로 정렬된다. 그 결과, 액정 층(LD)을 투과하는 빛은 렌티큘러 렌즈층(LN)의 굴절율보다 작은 단축 굴절율과 렌티큘러 렌즈층(LN)의 굴절율 차이에 의해 굴절된다. 이 때에는, 액정 층(LD)의 액정 분자들이 XY 평면에 대해 수직 방향으로 배열되어 있으므로, 배향 방향을 갖지 않는다. 즉, 배향 방향에 의해 빛샘이 발생하지 않고, 다만 액정 층(LD)과 렌티큘러 렌즈층(LN) 사이의 굴절율 차이에 의해 빛이 분리된다.

액정 층(LD)의 초기 배향 방향에 의해 빛샘 여부가 결정됨을 알 수 있다. 액정 층(LD)에 빛샘을 방지하기 위해서는, 액정 층(LD)의 액정 분자들이 상부 배향막(AU)과 렌티큘러 렌즈층(LN)의 표면 사이에서 균일하게 배향방향이 꼬여 적층되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 액정 층(LD)에는 도펀트(DO)가 포함될 수 있다. 도펀트(DO)는 액정 층(LD)에 포함된 액정 물질의 꼬임 특성에 따라 종류와 함량을 조절하는 것이 바람직하다. 특히, 액정 물질(LC)의 꼬임 특성(혹은, 카이럴 특성; Chiral Characteristics)을 조절하기 위한 목적으로 도펀트(DO)의 양을 조절하는 것이 바람직하다.

여기서, 도펀트(DO)는 액정 물질(LC)이 상부 배향막(AU)에서는 Y축 배열 방향을 갖고, 렌티큘러 렌즈층(LN)의 표면에서는 θ축 배열 방향을 갖는 사이에서 연속적으로 꼬임 특성을 유지할 수 있도록 하는 첨가물이다. 따라서, 무안경 입체 영상 표시장치의 설계에 맞추어 제작한 필름형 액정 셀(LCM)의 사양에 따라 도펀트(DO)의 양을 조절하는 것이 바람직하다. 즉, 도펀트(DO)는 액정 물질(LC)의 꼬임 길이(Chiral Length)(혹은, 꼬임 피치; Chiral Pitch)를 최적 상태로 유지시켜 주어야 한다. 따라서, 액정 층(LD)의 두께(혹은, 셀 갭; Cell Gap)와 렌티큘러 렌즈층(LN)의 기울어진 각도, θ에 따라 도펀트(DO)의 양을 조절하는 것이 바람직하다. 여기서, 렌티큘러 렌즈층(LN)이 상부 배향막(AU)와 맞닿아 있으므로, 액정 층(LD)의 셀 갭은, 렌티큘러 렌즈층(LN)의 두께와 동일하다.

액정 층(LD)의 셀 갭 값이 정해진 상태에서, 렌티큘러 렌즈층(LN)의 기울임 각도를 변화시키고자 할 경우, 도펀트(DO)의 양을 조절하여, 최적 꼬임 길이를 갖도록 유지할 수 있다. 예를 들어, 셀 갭이 5㎛이고, 기울임 각도가 45도 일 경우, 액정 층(LD)의 꼬임 피치가 130㎛인 액정 물질(LC)를 선택하면, 빛샘이 발생하지 않도록 할 수 있다. 이를 기준 설계 값으로 설정한 경우, 기울임 각도를 15도로 줄이고자 할 경우, 꼬임 피치를 3배 증가하도록 설정하는 것이 바람직하다. 이는, 액정 층(LD) 내에서 액정 물질(LC)의 꼬임 길이를 길게 늘임으로써, 꼬이는 각도를 더 작게 만들수 있기 때문이다. 이를 위해서는, 도펀트(DO) 양을 증가하는 것이 바람직하다. 도펀트(DO)의 양은 사용하고자 하는 도펀트의 종류 및 특성에 따라 달라진다. 하지만, 동일한 도펀트(DO)를 사용하는 경우, 도펀트의 양을 늘이면, 꼬임 길이가 비례적으로 증가한다. 다라서, 도펀트(DO)의 양을 증가하여 꼬임 길이를 조절할 수 있다.

또한, 기울임 각도를 45도로 유지한 상태에서 셀 갭을 10㎛로 증가하여 설계하고자 하는 경우에는, 꼬임 길이를 2배 증가시키는 것이 바람직하다. 즉, 액정 층(LD)의 두께를 2배 증가하면서, 꼬임 상태를 유지하기 위해서는 꼬임 피치를 2배 증가 시켜야 하기 때문이다.

결론적으로, 꼬임 길이는 렌티큘러 렌즈층(LN)의 두께(Lens Height)(혹은 액정 층(LD)의 두께)에 비례하고, 렌티큘러 렌즈층(LN)의 기울임 각도(Slanted Angle)에 반비례한다. 출원인은 다양한 조건들을 고려하여, 무안경 입체 영상 표시장치에 적합한 필름형 렌즈 층(LCM)의 설계 기준 값을 아래 표 1과 같이 정리하였다.

Lens Height (Cell Gap)	Slanted Angle(θ)
Lens Height (Cell Gap)	3°	6°	9°	15°	45°
5㎛	15a	7.5a	5a	3a	a
10㎛	30a	15a	10a	6a	2a
20㎛	60a	30a	20a	12a	4a
30㎛	90a	45a	30a	18a	6a

여기서, a는 꼬임 주기(혹은 꼬임 길이; Chial Pitch)를 의미한다. 꼬임 주기는, 120~140㎛로 설정하는 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 130㎛로 설정할 수 있다. 꼬임 주기를 길게하기 위해서는, 도펀트(DO)의 양을 비례적으로 증가하는 것이 바람직하다.

본 발명의 제2 실시 예에 의한 필름형 렌즈 셀(LCM)은, 선편광된 입사광의 선편광 방향을 렌티큘러 렌즈층(LN)의 기울임 각도로 변경하는 특징을 갖는다. 따라서, 입사광이 필름형 렌즈 셀(LCM)의 액정 물질(LC)을 통과하면서, 굴절율 이방성에 의한 빛샘이 발생하지 않는다. 예를 들어, 선편광된 입사광의 선편광 방향이 액정 물질(LC)의 배열 방향에 따라 변화하지 않으면, 액정 물질(LC)을 통과하면서, 굴절율 이방성으로 인한 위상 지연이 발생한다. 이로 인해, 선편광은 좌타원 편광 혹은 우타원 편광으로 변화되고, 이는 빛샘을 유발한다. 하지만, 본 발명에 의하면, 선편광 상태가 유지되면서, 선편광의 방향만 변화되므로, 빛샘이 발생하지 않는다.

<제1 응용 예>

이하, 본 발명에 의한 필름형 렌즈 셀(LCM)을 박막 평판형 표시장치에 적용한 구체적인 응용 예들을 설명한다. 먼저, 도 6을 참조하여, 제1 응용 예를 설명한다. 제1 응용 예는 액정 표시장치를 이용한 무안경 입체 영상 표시장치에 대해 설명한다. 도 6은 본 발명의 제1 응용 예에 의한 필름형 렌즈 셀을 구비한 무안경 입체 영상 표시 장치의 구조를 나타내는 개략도이다.

도 6을 참조하면, 제1 응용 예에 의한 무안경 방식의 입체 영상 표시장치는, 액정 표시 패널(LCP)과 필름형 렌즈 셀(LCM)을 포함한다. 액정 표시 패널(LCP)은, 상부 기판(LU), 하부 기판(LL), 표시 액정 층(LCL), 상부 편광판(PU) 및 하부 편광판(PL)을 포함한다.

상부 기판(LU) 및 하부 기판(LL)은 투명한 소재를 사용하는 것이 바람직하다. 표시 액정 층(LCL)은 상부 기판(LU)과 하부 기판(LL) 사이에 밀봉되어 있다. 상부 편광판(PU)은 상부 기판(LU)의 상측 외부 표면에 면 합착되어 있다. 하부 편광판(PL)은 하부 기판(LL)의 하측 외부 표면에 면 합착되어 있다.

필름형 렌즈 셀(LCM)은 상부 편광판(PU) 위에 면 합착되어 있다. 필름형 렌즈 셀(LCM)은, 하부 필름(FL), 하부 투명 전극(EL), 렌티큘러 렌즈층(LN), 액정 층(LD), 상부 배향막(AU), 상부 투명 전극(EU), 상부 필름(FU) 및 측부 실(SE)을 포함한다. 액정 층(LD)은 액정 물질(LC)에 일정 함량의 도펀트(DO)가 포함되어 있을 수 있다.

하부 필름(FL)의 상부 표면 전체에는 하부 투명 전극(EL)이 도포되어 있다. 하부 투명 전극(EL) 위에는 렌티큘러 렌즈층(LN)이 형성되어 있다. 여기서, 렌티큘러 렌즈층(LN)에는 반 원통형의 렌즈들이 일정 기울임 각도를 갖고 연속하여 배열되어 있다.

상부 필름(FU)의 하부 표면 전체에는 상부 투명 전극(EU)이 도포되어 있다. 상부 투명 전극(EU) 위에는 상부 배향막(AU)이 도포되어 있다. 상부 필름(FU)의 하부 표면과 하부 필름(FL)의 상부 표면은 서로 대향하여 면 합착되어 있다. 특히, 상부 필름(FU)의 상부 투명 전극(EU)의 표면이 렌티큘러 렌즈층(LN)의 최상위 표면과 맞닿도록 합착되어 있다.

상부 필름(FU)의 제일 하부 층에 배치된 상부 배향막(AU)은 액정 층(LD)의 초기 배향 방향을 결정하기 위한 제1 배향 무늬가 새겨져 있을 수 있다. 또한, 액정 층(LD)과 접촉하는 렌티큘러 렌즈층(LN)의 겉 표면에는 제2 배향 무늬가 새겨져 있을 수 있다. 렌티큘러 렌즈층(LN)의 제2 배향 무늬와 상부 배향막(AU)의 제1 배향 무늬는 액정 층(LD)의 초기 배열 방향을 결정한다.

제1 응용 예에 의한 무안경 방식의 입체 영상 표시장치는, 필름형 렌즈 셀(LCM)의 렌티큘러 렌즈층(LN)이 뒤집어진 구조로 액정 표시 패널(LCP)의 상부 편광판(PU) 위에 합착된 구조를 갖는다. 상부 편광판(PU)을 투과한 영상 정보를 갖는 선편광된 빛은, 상부 편광판(PU)의 광축과 평행한 제1 배향 무늬를 갖는 상부 배향막(AU)을 통과한다. 선편광된 빛은 액정 층(LD)을 통과하는 데, 렌티큘러 렌즈층(LN)의 기울임 각도와 동일한 방향으로 배향된 제2 배향 방향으로 점차적으로 선 편광 상태가 변화되면서 투과한다. 즉, 선편광 상태를 그대로 유지하면서, 액정 층(LD)를 통과하므로, 빛샘이 발생하지 않아, 정상적인 영상 정보를 관측할 수 있다.

<제2 응용 예>

다음으로, 도 7을 참조하여, 제2 응용 예를 설명한다. 제2 응용 예는 유기발광 다이오드 표시장치를 이용한 무안경 입체 영상 표시장치에 대해 설명한다. 도 7은 본 발명의 제2 응용 예에 의한 필름형 렌즈 셀을 구비한 무안경 입체 영상 표시 장치의 구조를 나타내는 개략도이다.

도 7을 참조하면, 제2 응용 예에 의한 무안경 방식의 입체 영상 표시장치는, 유기발광 다이오드 표시 패널(OLP)과 필름형 렌즈 셀(LCM)을 포함한다. 유기발광 다이오드 표시 패널(OLP)은, 기판(SUB)과 편광판(POL)을 포함한다.

기판(SUB)은 투명하거나 불투명한 소재를 사용할 수 있다. 기판(SUB)을 통과하여 영상 정보를 나타낼 경우, 투명한 소재를 사용하는 것이 바람직하다. 하지만, 기판(SUB)을 통과하지 않고 영상 정보를 표시하는 경우에는 불투명한 소재를 사용할 수도 있다. 편광판(POL)은 사용자가 표시 장치를 관측하는 표면에 합착하는 것이 바람직하다. 편광판(POL)은 사용자가 표시 장치를 관측할 때, 외부의 빛이 반사되어 영상 정보를 관측하는 것을 방지하기 위한 것이다.

필름형 렌즈 셀(LCM)은 편광판(POL) 위에 면 합착되어 있다. 필름형 렌즈 셀(LCM)은, 하부 필름(FL), 하부 투명 전극(EL), 렌티큘러 렌즈층(LN), 액정 층(LD), 상부 배향막(AU), 상부 투명 전극(EU), 상부 필름(FU) 및 측부 실(SE)을 포함한다. 액정 층(LD)은 액정 물질(LC)에 일정 함량의 도펀트(DO)가 포함되어 있을 수 있다.

제2 응용 예에 의한 무안경 방식의 입체 영상 표시장치는, 필름형 렌즈 셀(LCM)의 렌티큘러 렌즈층(LN)이 뒤집어진 구조로 유기발광 다이오드 표시 패널(OLP)의 편광판(POL) 위에 합착된 구조를 갖는다. 편광판(POL)을 투과한 영상 정보를 갖는 선편광된 빛은, 편광판(POL)의 광축과 평행한 제1 배향 무늬를 갖는 상부 배향막(AU)을 통과한다. 선편광된 빛은 액정 층(LD)을 통과하는 데, 렌티큘러 렌즈층(LN)의 기울임 각도와 동일한 방향으로 배향된 제2 배향 방향으로 점차적으로 선 편광 상태가 변화되면서 투과한다. 즉, 선편광 상태를 그대로 유지하면서, 액정 층(LD)를 통과하므로, 빛샘이 발생하지 않아, 정상적인 영상 정보를 관측할 수 있다.

이상, 박막형 평판 표시장치의 대표적인 예들인 액정 표시장치와 유기발광 다이오드 표시장치를 이용한 무안경 입체 영상 표시장치의 구조에 대해 설명하였다. 하지만, 이에 국한하는 것은 아니며, 박막형 평판 표시장치가 아닌, CRT 방식의 표시장치 혹은 플렉서블 표시장치 등에서도 본 발명에 의한 필름형 렌즈 셀(LCM)을 적용하여 2D 영상과 3D 영상을 전환할 수 있는 무안경 방식의 입체 영상 표시장치를 구현할 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양하게 변경 및 수정할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정해져야만 할 것이다.

DP: 표시 패널 LCM: 필름형 렌즈 셀
FL: 하부 필름 FU: 상부 필름
EL: 하부 투명전극 EU: 상부 투명 전극(EU)
LN: 렌티큘러 렌즈층 AU: 상부 배향막
LD: 액정 층 LC: 액정 물질(분자)
DO: 도펀트 SE: 측부 실

Claims

편광판을 구비한 표시 패널; 그리고
상기 편광판 위에 합착된 필름형 렌즈 셀을 포함하되,
상기 필름형 렌즈 셀은,
상기 편광판과 인접하여 배치되며, 상기 편광판의 광 투과축과 평행한 제1 배향 방향을 갖는 제1 기판;
상기 제1 기판과 면 대향하여 배치되며, 상기 표시 패널의 수직축에 대해 일정 각도로 기울어진 기울임 축과 평행한 제2 배향 방향을 갖는 제2 기판;
상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 배치된 액정 층;
상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이의 테두리를 밀봉하는 측부 실 구비하고,
상기 액정 층은,
장축 방향과 단축 방향을 갖는 액정 분자들이 적층되되,
상기 액정 분자들 각각의 장축 방향이 상기 제1 배향 방향과 상기 제2 배향 방향 사이에서 연속적으로 변화되도록 적층되고,
상기 액정 층은,
상기 제1 배향 방향과 상기 제2 배향 방향 사이에서 꼬임 배치를 가지며,
상기 꼬임 배치의 꼬임 피치는 상기 액정 층의 두께에 비례하고 상기 기울임 각도에 반비례하도록 조절된 무안경 입체 영상 표시장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 기판은,
제1 필름;
상기 제1 필름의 일측 표면 위에 도포된 제1 투명 전극; 그리고
상기 제1 투명 전극 위에 도포되며, 상기 제1 배향 방향을 갖는 배향막을 구비하고,
상기 제2 기판은,
상기 제1 필름과 면 대향하여 배치된 제2 필름;
상기 제2 필름에서 상기 제1 필름과 대향하는 표면 위에 도포된 제2 투명 전극; 그리고
상기 제2 투명 전극 위에 배치되며, 상기 제2 배향 방향을 갖는 렌티큘러 렌즈층을 구비하는 무안경 입체 영상 표시장치.
제 2 항에 있어서,
상기 렌티큘러 렌즈층은, 상기 기울임 축을 따라 연장된 반원통형을 갖는 다수 개의 렌티큘러 렌즈들이 연속하여 배치되며,
상기 렌티큘러 렌즈층의 상부 표면이 상기 배향막과 맞닿아 합착된 무안경 입체 영상 표시장치.
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 액정 층은,
상기 꼬임 피치를 조절하기 위해 상기 액정 분자들에 추가된 도펀트를 더 포함하는 무안경 입체 영상 표시장치.
제 1 항에 있어서,
상기 표시 패널은,
상부 기판;
하부 기판;
상기 상부 기판과 상기 하부 기판 사이에 밀봉된 표시 액정 층;
상기 하부 기판의 하면에 배치된 하부 편광판을 더 포함하고,
상기 편광판은 상기 상부 기판의 상면에 배치된 무안경 입체 영상 표시장치.
제 1 항에 있어서,
상기 표시 패널은,
기판;
상기 기판 위에 매트릭스 방식으로 배열된 화소 영역;
상기 화소 영역 내에 배치된 박막 트랜지스터; 그리고
상기 화소 영역 내에서 상기 박막 트랜지스터에 연결된 유기발광 다이오드를 포함하는 무안경 입체 영상 표시장치.