단일 편광판 액정 디스플레이를 구현하기 위한 마이크로 렌즈 어레이 특성 연구

Abstract

본 논문에서는 액정 마이크로 렌즈 어레이와 2개의 black matrix를 이용하여 단일 편광판으로 동작 가능한 액정 디스플레이를 제안하였다. 제안된 구조는 단일 편광판, 액정층, 마이크로 렌즈 어레이 그리고 두 개의 black matrix로 구성되어 있다. 지름이 50㎛로 막혀 있는 원형 패턴의 black matrix가 210㎛의 주기로 연속적으로 패턴 되어 있는 ITO(Indium Thin Oxide) 유리 기판 위에 UV 경화성 폴리머를 도포한 후 UV를 아래 방향에서 조사하여 표면 굴곡을 가지는 마이크로 렌즈 어레이를 제작한다. 제작된 마이크로 렌즈와 반대 ITO 기판에 수평 배향제를 코팅하고, 러빙을 한다. 러빙 된 두 기판을 서로 반대 방향으로 합착한 후, 네마틱 액정을 주입함으로써 액정 마이크로 렌즈 어레이를 제작한다. 액정의 경우 구동 전압이 낮고, 굴절률이 다른 물질에 비해 상대적으로 클 뿐만 아니라 광범위한 온도에서도 광학적 성질이 크게 변하지 않기 때문에 switching 및 초점 거리의 조절이 가능한 렌즈를 개발하기 위해 다양한 연구가 진행되고 있다. 액정 마이크로 렌즈는 전기적으로 액정의 유전 이방성을 조절함으로써 액정의 굴절률을 변화 시키며, 이 때 액정의 굴절율 n_(e), n_(o)와 UV 경화성 폴리머의 굴절률인 n_(p)의 차이에 의해 각 상태 별로 초점 거리가 변화하게 된다. 초점 거리는 렌즈의 곡률, 액정 및 UV 경화성 폴리머의 굴절률 차이에 의해서 결정되게 된다. 초점 거리에 지름이 40㎛로 열려 있는 원형 슬릿이 210㎛의 주기로 패턴 된 black matrix를 위치시키며, 액정 마이크로 렌즈 초점과 black matrix의 40㎛로 열려 있는 원형 슬릿이 일치되었을 때 단일 편광판으로 동작 가능한 액정 디스플레이를 구현 할 수 있다. 전압이 인가되지 않았을 경우 액정은 표면과 평행하게 위치하며 이 때 입사된 빛은 편광판에 의하여 액정의 n_(e)를 느끼게 된다. 액정의 굴절률 n_(e)와 UV 경화성 폴리머의 굴절률 n_(p)에 차이 중 n_(e)의 굴절률이 크기 때문에 렌즈의 초점이 모이게 되며, 초점이 40㎛로 열려 있는 원형 슬릿을 통과함으로써 white state가 형성된다. 전압이 인가되었을 경우 액정은 표면과 수직하게 위치하며, 이 때 입사된 빛은 액정의 n_(o)를 느끼며 UV 경화성 폴리머의 굴절률보다 작기 때문에 입사된 빛은 퍼지게 된다. 퍼지게 되는 빛은 40㎛를 제외한 나머지 닫혀 있는 영역에 의하여 차단된다. 또한 액정 마이크로 렌즈 어레이의 가운데 영역은 표면이 평탄하기 때문에 액정의 굴절률은 변화하지만 빛의 방향은 조절 할 수 없는 영역이 된다. 직진하는 빛은 50㎛로 막혀 있는 원형 슬릿을 이용하여 차단시킨다. 따라서 전기장이 인가되었을 때 50㎛로 막혀 있는 원형 슬릿의 black matrix 및 40㎛로 열려 있는 원형 슬릿의 black matrix에 의해 입사되는 빛이 전부 차단되어 black state가 형성된다. 액정 마이크로 렌즈와 2장의 black matrix를 이용하여 하나의 편광판을 사용하였을 경우 많은 optical films 등의 사용을 줄일 수 있기 때문에 가격이 낮아지며, 더 가볍고, 얇은 디스플레이를 제작 할 수 있다. 또한 전 방향에서도 우수한 이미지 특성을 얻을 수 있으며, 이는 기존에 사용되는 디스플레이에 적용이 가능할 뿐만 아니라 3D 디스플레이 및 광통신 시스템 소자 등 다양한 분야에서 활용이 가능 할 것으로 기대된다.; Recently, among the many flat panel displays, LCD is the best display device used in computer monitors, televisions, digital cameras, cellular phone and other consumer electronic devices due to the high quality, the large visual area. The next generation liquid crystal display will be researched with focusing on more cubic effect, low price, light weight, and slim. As an innovative change of technique, MLA (Microlens array) becomes more important part of display. The surface relief of LC-MLA has relatively simple focusing mechanism and high device performances. The polarized incident light is focused at the boundary of LC and surface interface due to the difference between effective refractive index of LC layer and that surface relief. In this paper, we present controllable LCD with one polarizer by LC-MLA and two black matrix layers (BML). The device is composed of electrically controllable LC layer (CLCL), MLA, a small circular black matrix layer (1^(st) black matrix) and a patterned black matrix layer to the contrary (2^(nd) black matrix). The MLA with a UV curable polymer is prepared by controlling curing process and a patterned UV irradiation of self-masking method. The LC-MLA can be operated in two modes according to the polarization direction of electrical field. The polarization of incident light polarized linearly by the polarizer which optic axis is the same the rubbing direction under electrically off state. Then, it converges at the microlens due to n_(e) > n_(p). Then the 2^(nd) black matrix placed at its focal point. The 1^(st) black matrix blocks the light of MLA center. But other light of MLA passes the open area of 2^(nd) black matrix. We can obtain white state. On the other hand, no of LC acts on the light under electrically on state, it diverges at the microlens due to n_(o) < n_(p). The 1^(st) black matrix blocks the light of MLA center, as well as other diverged light of MLA blocks 2^(nd) black matrix. Then we can obtain black state. In summary, we can control LCD with one polarizer by LC-MLA and two black matrix layers (BML). This proposed device is improved dramatically price, light weight, and slim.