액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치 document_id A220623035644

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 시차(binocular disparity)라고 한다. 그리고, 3차원 입체 영상 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 상기 서로 다른 전기장에 의하여 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(20)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)에 형성되며, 이러한 액정층(30)을 이루는 액정 분자는 전기장의 세기 및 분포에 따라 반응하는 특성에 의해 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 중심이 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 양기판 상에 전극을 형성하고, 이에 전압을 인가함에 의해 얻어질 수 있다.