KR100667939B1

KR100667939B1 - 액정 소자 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100667939B1
Application number: KR1020040088197A
Authority: KR
Inventors: 이신두; 김동우
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사; 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2004-11-02
Filing date: 2004-11-02
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2024-11-02
Also published as: KR20060039133A

Abstract

본 발명은 편광 의존성이 없는 회절 기능을 가진 액정 프레넬 렌즈 소자에 관한 것으로서, 본 발명의 소자는 전극이 부착된 두 유리 기판 중 적어도 한 기판에는 액정이 동심원의 주기적인 원형 고리에서 수평배향 방향이 교대로 수직하도록 수평배향된 축성 이진 구조를 가지고 있고, 다른 기판에는 액정이 수직배향되거나 또는 수평배향된 방향이 교대로 수직하도록 수평배향된 축성 이진 구조를 가지고 있다. 이러한 액정 배향 구조를 갖는 두 기판 사이에 액정이 주입되어 있으며, 주입된 액정은 인가된 전압에 따라 액정 층의 위상 지연을 변화되어 회절 효율이 조절되는 특성을 갖는다. 본 발명에 의한 액정 프레넬 렌즈 소자는 축성 이진 구조의 대칭성을 가지므로 회절 효율이 입사광의 편광에 대한 의존성이 없는 특성을 가지며, 광반응성 배향막을 이용할 경우 광마스크를 단 한번만 사용하기 때문에 종래의 기술에 비해 추가적인 공정이 필요 없고 제작 공정이 단순한 장점이 있다.

액정, 프레넬렌즈, 편광무의존성, 축성이진구조, 광반응성배향막

Description

액정 소자 및 그 제조 방법 {LIQUID CRYSTAL DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 액정 프레넬 렌즈 소자의 개략적인 사시도이고,

도 3은 도 1 및 도 2에 도시한 액정 프레넬 렌즈 소자의 액정층에 충분히 센 전기장이 인가되었을 때 액정 분자들의 배열을 보여주는 도면이고,

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 한 실시예에 따라 도 1 및 도 2에 도시한 제1 기판과 도 2에 도시한 제2 기판을 제작하는 방법을 차례대로 나타낸 개략적인 사시도이고,

도 5는 도 4a 내지 도 4c에 도시한 기판의 제작 방법에 사용하는 광마스크의 한 예를 도시한 것이다.

도 6a와 도 6b는 도 1 및 도 2에 도시한 액정 프레넬 렌즈 소자에 빛을 통과시켜 촬영한 사진이고,

도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 프레넬 렌즈 소자의 초점 거리에서 측정한 회절 효율을 투명 전극에 인가한 전압차에 따라 나타낸 그래프이고,

도 8a 내지 도 8c는 도 1 및 도 2에 도시한 액정 프레넬 렌즈 소자의 회절 효율을 입사광의 선편광 방향의 함수로 나타낸 그래프로서, 각각 액정층에 인가된 전압이 0 V, 1 V 및 10 V 일 때의 회절 효율을 나타낸 것이다.

본 발명은 액정 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 액정 프레넬 렌즈 소자에 관한 것이다.

최근에 3차원 정보표시소자의 구현과 광 통신 분야의 정보처리에 대한 관심이 증대되면서 저가격의 고성능 프레넬(Fresnel) 렌즈 개발이 절실히 요구되고 있다. 종래의 프레넬 렌즈는 고정밀 전자-빔 쓰기(electron-beam writing) 방법이나 박막 필름 증착(thin film doposition)과 같은 방법을 이용하여 제작하였다. 이러한 방법을 이용한 프레넬 렌즈의 제조 공정은 매우 복잡할 뿐 아니라 고가의 제작비가 소요되며, 특히 프레넬 렌즈의 회절 특성이 전기적 또는 기타 다른 방법으로 조절될 수 없고 입사된 빛의 회절 특성이 보이는 편광 의존성을 완전히 제거하기 어려운 단점이 있다.

따라서, 최근 전기적으로 회절 특성을 쉽게 변화시킬 수 있는 액정을 이용한 프레넬 렌즈의 제작에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 액정을 이용하여 제작한 종래의 프레넬 렌즈는 액정이 가지고 있는 광학적 이방성에 의해 야기되는 입사광에 대한 회절 특성이 편광 의존성을 보이거나, 편광 의존성을 제거하기 위해 고정밀도의 복잡하고 어려운 제작 공정이 요구되어 실제 응용이 불가능하였다.

액정 프레넬 렌즈 소자의 입사광에 대한 편광 의존성을 제거하기 위해서는 액정의 광학적 이방성에 따른 효과를 상쇄하기 위한 기술이 필요하며, 이 기술은 프레넬 렌즈를 구성하고 있는 동심원의 원형 고리들의 홀수 번째 영역과 짝수 번째 영역에서 서로 다른 배향 특성을 보이도록 하여 광학적 이방성에 따른 효과를 상쇄시켜 구현될 수 있다. 종래의 액정 프레넬 렌즈 소자의 경우 입사광의 편광 의존성을 제거하기 위해 동심원 구조를 갖는 상하 두 개의 동일한 액정 렌즈용 기판이 동심원이 서로 정확히 일치하도록 배열하여야 하며, 또한 상하의 각 액정 렌즈용 기판에서 서로 다른 액정 배향을 갖는 다중 영역을 얻기 위하여 여러 번에 걸쳐서 러빙하는 방법을 사용하였다. 그러나 이러한 방법은 제조 공정이 복잡하고 어려우며, 특히 입사광의 편광 의존성을 완전히 제거하기 위해서는 고도의 정밀도가 요구된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이러한 종래의 프레넬 렌즈 소자의 입사광에 대한 편광 의존성을 완전히 제거하고, 제작공정을 단순화하여 저가의 고성능 액정 프레넬 렌즈 소자를 제공하는 데 있다.

본 발명의 한 실시예에 따른 액정 소자는, 제1 기판과 상기 제1 기판과 소정의 간격을 두고 이격되어 있는 제2 기판과 그 사이에 주입되어 있는 액정을 포함한다.

상기 제1 기판은, 제2 기판을 마주보는 면에 증착되어 있는 투명 전극과 전 극 위에 도포되어 액정의 배향을 유도하는 광반응성 배향막으로 되어 있는 제1 배향막을 포함한다.

전기적으로 조절 할 수 있는 복굴절 특성을 가진 액정 물질이 제1 기판과 소정의 간격을 두고 이격되어 있는 제2 기판 사이에 주입되어 있고, 입사광에 대한 편광 의존성을 제거하기 위하여 제1 배향막과 제2 배향막 중 적어도 한 기판은 2개 이상의 다중 배향 영역을 가지도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용된 광반응성 배향막은 제1 기판 또는 제2 기판의 배향막으로서 사용되며, 상기 배향막에서의 액정 배향 방향은 선형 편광되어 입사되는 자외선에 의하여 조절이 가능한 특성을 갖는다. 수평방향(0)으로 선편광되어 입사하는 자외선에 대하여는 상기의 광반응성 배향막은 입사되는 자외선에 대하여 수직방향(90)인 방향으로 +85 내지 +95 사이에서 액정을 수평으로 배향시키는 특성을 가지며, 수직방향(90)으로 선편광되어 입사하는 자외선에 대하여는 상기 초기의 배향방향에서 입사 자외선의 방향과 수직(0)인 방향으로 -5 내지 +5 사이에서 액정을 수평으로 배향시키는 특성을 가지고 있다. 이러한 특성을 가지는 상기의 광반응성 배향막에서 액정은 반복적으로 입사되는 선편광된 자외선의 방향에 의존하여 배향방향이 결정된다.

본 발명의 편광 의존성이 없는 액정 프레넬 렌즈 소자의 제작은 제1 기판과 제2 기판의 서로 마주보는 면에 투명 전극(indum-tin oxide)을 형성하는 단계, 제1 기판과 제2 기판이 서로 마주보는 면의 투명 전극 위에 2개 이상의 다중 영역 배향을 위한 광반응성 배향막 또는 수직배향막을 형성하는 단계, 광반응성 배향막에 선 편광되어 입사하는 자외선의 편광 방향을 조절하여 2개 이상의 다중 배향 특성을 갖는 제1 배향막 및 제2 배향막을 형성하는 단계, 제1 기판과 제2 기판이 소정의 간격을 두고 이격 될 수 있도록 그 간격을 형성하는 단계, 상기의 방법에 의하여 형성된 제1 기판과 제2 기판 사이에 액정을 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에 설명하는 실시예에 한정하지 않는다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타냈다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역 등의 부분이 다른 부분 위에 있다고 할 때, 이는 다른 부분 바로 위에 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 바로 위에 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.

그러면 본 발명의 실시예에 따른 편광 의존성이 없는 액정 프레넬 렌즈 소자의 기본 원리 및 그 제조 방법에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

먼저 도 1 및 도 2를 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 액정 프레넬 렌즈 소자에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 액정 프레넬 렌즈 소자의 개략적인 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 액정 프레넬 렌즈 소자는 서로 마주 보며 소정의 간극(間隙)을 두고 이격되어 있는 제1 및 제2 기판(20, 10)과 두 기판(10, 20) 사이의 간극에 채워진 액정층(1)을 포함한다.

제1 기판(20)은 제1 유리판(21)과 그 위에 차례로 형성되어 있는 투명 전극(22) 및 제1 배향막(23)을 포함하고, 제2 기판(10)은 제2 유리판(11)과 그 위에 차례로 형성되어 있는 투명 전극(12) 및 제2 배향막(13)을 포함한다. 액정층(1)은 전기적으로 복굴절 특성이 조절 가능하고 양의 유전율 이방성을 가지며, 투명 전극(12, 22)은 ITO(indium tin oxide) 따위로 만들어질 수 있다.

제1 배향막(23)은 광반응성 배향막으로서 복수의 동심원을 경계로 나누어지는 복수의 원형 고리 모양의 배향 영역을 포함한다. 동심원의 중심에서부터 따져서 홀수 번째 배향 영역에서는 기판(20) 면의 소정 방향, 예를 들면 도 1 및 도 2의 x 방향에 대하여 액정층(1)의 액정 분자들이(정확하게 말하면 액정 분자들의 장축이) 약 -5° 내지 약 +5° 사이의 방향(52)으로 수평 배향되도록 하고, 짝수 번째 배향 영역에서는 액정 분자들이 x 방향에 대하여 약 +85° 내지 약 +95° 사이의 방향(51)으로 수평 배향되도록 한다.

도 1에 도시한 액정 프레넬 렌즈 소자의 경우, 제2 배향막(13)은 수직 배향막으로서 액정층(1)의 액정 분자의 장축을 기판(10)과 수직한 방향(53)으로 배향시킨다. 따라서 액정층(1)의 액정 분자들은 제1 배향막(23)에서부터 제2 배향막(13) 에 이르기까지 수평 배향에서 수직 배향으로 점차 바뀌는 혼성 배향을 하며, 제1 배향막(23)의 홀수 번째 배향 영역 위에 위치한 액정층(1) 영역(앞으로는 이를 제1 배향막(23)과 마찬가지로 홀수 번째 영역이라 한다)의 액정 분자들과 제1 배향막(23)의 짝수 번째 배향 영역 위에 위치한 액정층(1) 영역(앞으로는 이를 제1 배향막(23)과 마찬가지로 짝수 번째 영역이라 한다)액정 분자들의 수평 배향 방향이 대체로 수직이므로, 액정층(3)은 배향 방향이 직교하는 배향 영역이 교대로 배열되어 있는 주기적인 혼성 배향 구조를 가지게 된다. 충분히 많은 수의 배향 영역을 가지는 주기적인 혼성 배향 구조를 이용하여 입사광에 대하여 편광 의존성이 없는 회절 특성을 가지는 액정 프레넬 렌즈 소자를 구현할 수 있다.

도 2에 도 1에 도시한 액정 프레넬 렌즈 소자의 경우, 제2 배향막(13)은 제1 배향막(23)과 동일한 특성을 지니는 광반응성 배향막이다. 구체적으로 설명하자면, 제2 배향막(33)은 제1 배향막(23)의 배향 영역과 정확하게 마주보도록 배치되어 있는 복수의 동심 고리 모양의 수평 배향 영역을 포함하며, 대응하는 배향 영역에서의 액정 분자들의 배향 방향은 실질적으로 동일하다. 즉, 제2 배향막(23)은 복수의 동심원을 경계로 나누어지며 제1 배향막(23)의 배향 영역과 정렬되어 있는 복수의 원형 고리 모양의 배향 영역을 포함하며, 동심원의 중심에서부터 따져서 홀수 번째 배향 영역에서는 기판(10) 면의 x 방향에 대하여 액정층(1)의 액정 분자들이 약 -5° 내지 약 +5° 사이의 방향(52)으로 수평 배향되도록 하고, 짝수 번째 배향 영역에서는 액정 분자들이 x 방향에 대하여 약 +85° 내지 약 +95° 사이의 방향(51)으로 수평 배향되도록 한다. 충분히 많은 수의 배향 영역을 가지는 주기 적인 수평 배향 구조는 입사광에 대하여 편광 의존성이 없는 회절 특성을 가지는 액정 프레넬 렌즈 소자의 구현에 적합하다.

도 1 및 도 2에 도시한 것과는 달리, 제1 또는 제2 배향막(23, 13)의 반복되는 두 배향 영역 중 하나는 수평 배향 영역이고 다른 하나는 수직 배향 영역일 수 있다.

그러면 도 1 및 도 2에서 보여준 액정 프레넬 렌즈가 편광 의존성이 없는 회절 특성을 가지는 원리를 기존의 일반적인 굴절률을 가진 프레넬 렌즈의 회절 이론을 바탕으로 설명한다.

프레넬 렌즈는 원리적으로 원형의 형태를 한 충분히 많은 수의 동심원으로 나누어진 고리 영역으로 이루어져 있으며 렌즈에 입사되어 각 영역을 통과한 빛은 다시 만나 회절 현상을 일으킨다. 이때 동심원들의 반경은 홀수 번째 영역과 짝수 번째 영역을 통과한 빛이 다시 만날 때 그들의 경로차가 입사광의 파장의 1/2이 되도록 주어진다. 따라서, 동심원의 중심에 위치하는 첫 번째 홀수 영역의 반지름을 R₁이라고 하면 m 번째 영역의 반지름 R_m은 아래 수학식 1로 주어진다.

이때, 회절을 얻기 위해 홀수 번째 영역 또는 짝수 번째 영역만을 통해 입사광이 통과되도록 한다. 또한, 모든 렌즈의 경우와 마찬가지로 프레넬 렌즈의 경우에도 초점이 정의되며, 첫 번째 홀수 번째 영역의 반지름 R₁에 의해 주어지는 초점 거리 f는 아래 수학식 2와 같다.

여기서, λ는 프레넬 렌즈에 입사되는 빛의 파장이다. 수학식 2에서 알 수 있는 것처럼 프레넬 렌즈의 초점거리 f는 그 첫번째 영역의 반지름의 길이 R₁에 의해 결정된다.

위의 기하학적 이론에 근거하여, 본 발명에서는 입사한 빛이 홀수 번째 영역과 짝수 번째 영역을 모두 통과하도록 하여 회절 효율이 최대가 되도록 하며 전기적으로 회절 효율이 조절가능하도록 하였다. 또한, 편광 의존성이 완전히 제거된 회절 특성을 갖도록 도 1 및 도 2의 액정 프레넬 렌즈 소자를 실시예로서 제시하였다. 상기 도 1 및 도 2의 액정 프레넬 렌즈 소자의 동작 원리를 기술하면, z 축 방향으로 입사하는 빛의 편광 상태는 수학적으로 x 성분과 y 성분으로 나누어 질 수 있는데 x 및 y 성분의 빛은 홀수 번째 영역과 짝수 번째 영역을 모두 통과하게 된다. 프레넬 렌즈로서의 기능을 가지기 위해 인접한 두 영역을 지나는 빛의 경로차가 입사 빛의 파장의 1/2이 되도록 하여야 하는데 이는 액정층에 전압을 인가함으로 달성할 수 있다. 한편, 입사 빛의 편광의존성이 없는 회절 특성을 얻기 위해 홀수 번째 영역과 짝수 번째 영역에서 서로 다른 액정 배향을 가진 다중 배향 구조를 적용하였다.

다시 도 1 및 도 2를 참고하면, 홀수 번째 배향 영역과 짝수 번째 영역에서 의 유효 굴절률(n_eff)은 수학식 3으로 주어진다.

여기서, n_e와 n_o는 각각 액정층(1)의 이상 굴절률과 정상 굴절률을 나타내고, θ(z)는 도1 및 도 2의 x-y 평면과 액정 분자의 장축 방향 사이의 각도이며, d는 액정층(1)의 두께이다. 두 투명 전극(12, 22)에 전압을 인가하면 그 전압차에 의하여 액정층(1)에 전기장이 생성되는데, 액정층(1)이 양의 유전율 이방성을 가지므로 액정 분자들은 그 장축이 전기장의 방향에 평행하게 되도록 배열하고자 한다. 따라서 θ(z)는 액정층(1)에 생성된 전기장의 세기, 즉 투명 전극(12, 22)에 인가된 전압차의 크기에 따라 변화하며, 이러한 θ(z)의 변화에 따라 유효 굴절률(n_eff)의 값이 변화한다. 따라서 임의의 편광 상태를 가지고 입사된 빛의 x 성분은 도 1 및 도 2에서 볼 수 있듯이, 홀수 번째 영역을 통과할 때에는 유효 굴절률(n_eff)만을 겪게 되며, 짝수 번째 영역을 통과할 때에는 정상 굴절률(n_o)만을 겪게 된다. 다시 말해, 홀수 번째 영역과 짝수 번째 영역을 통과한 빛은 서로 다른 위상 지연을 겪으므로 둘 사이에는 위상차가 존재한다. 이때 두 영역을 통과하면서 생긴 위상차(Δφ)는 수학식 4로 주어진다.

여기서 알 수 있듯이, 위상차(Δφ)는 유효 굴절률(n_eff)의 값에 따라 변한다.

입사광의 y 성분은 x 성분과는 반대이다. 즉, 홀수 번째 영역을 통과하는 빛의 y 성분은 정상 굴절률(n_o)만을 겪게 되며, 짝수 번째 영역을 통과하는 빛의 y 성분은 유효 굴절률(n_eff)만을 겪게 된다. 그러므로 홀수 번째 영역과 짝수 번째 영역을 통과한 빛의 y 성분은 x 성분과 마찬가지로 서로 다른 위상 지연을 가진다.

한편, 프레넬 렌즈의 회절 효율[η(Δφ)]은 유효 굴절률(n_eff)에 따라 결정되는 임의의 위상차(Δφ)에 대하여 수학식 5로 주어진다.

수학식 5에서 알 수 있듯이 프레넬 렌즈의 초점이 맺히는 조건에서의 회절 효율은 두 영역의 위상차(Δφ)가 입사광의 1/2 파장에 대응하는 π일 때 최대값을 가진다.

반면, 프레넬 렌즈의 회절 효율은 위상차(Δφ)가 0 또는 2π일 때에는 0이 되어 초점이 맺히지 않게 된다. 그 한 예를 도 3을 참고로 하여 설명한다.

도 3은 도 1 및 도 2에 도시한 액정 프레넬 렌즈 소자의 액정층(1)에 충분히 센 전기장이 인가되었을 때, 즉 두 투명 전극(12, 22)의 전압차가 충분히 클 때 액정 분자들의 배열을 보여준다.

도 3에 도시한 바와 같이, 충분히 센 전기장이 액정층(1)에 인가되면 액정 분자들은 전기장에 대하여 수평한 방향으로, 즉 기판(10, 20)에 수직하게 정렬된다. 이러한 경우에는 입사되는 빛의 모든 성분들이 모든 프레넬 렌즈 영역에서 동일한 굴절률인 액정의 정상 굴절률(n_o)만을 겪으므로 수학식 5에서 알 수 있듯이 프레넬 렌즈의 회절 효율이 0이 되어 초점이 맺히지 않게 된다.

그러면 도 4a 내지 도 4c와 도 5를 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따라 도 1 및 도 2에 도시한 제1 기판을 제작하는 방법에 대하여 상세하게 설명한다.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 한 실시예에 따라 도 1 및 도 2에 도시한 제1 기판과 도 2에 도시한 제2 기판을 제작하는 방법을 차례대로 나타낸 개략적인 사시도이고, 도 5는 이러한 제작 방법에 사용하는 광마스크를 도시한 것이다.

먼저 도 4a를 참고하면, 유리판(21) 위에 투명 전극(22)과 광반응성 배향막(23)이 도포된 기판(20)를 준비하고, 광반응성 배향막(23)에 선편광된 자외선(61)을 조사한다. 이때 예를 들어 x 방향으로 선편광된 자외선(61)을 조사하면 기판(20) 전체에 y 방향, 즉 도면 부호 51로 나타낸 방향의 수평 배향을 얻을 수 있다. 이때, 자외선(61)의 선편광 방향을 적절하게 조절하면 수평 배향 방향이 약 5 범위의 방위각을 가지도록 할 수 있다.

도 4b를 참고하면, 배향막(23)에 동심 고리 형태로 번갈아 배열되어 있는 투 과 영역과 차광 영역을 갖는 광마스크(63)를 통해 y 방향, 즉 이전에 조사된 자외선의 선형 편광 방향과 직교하는 방향으로 선편광된 자외선(62)을 조사한다. 이때, 광마스크(63)는 도 5에 도시한 바와 같이 중심이 투과 영역이고, 중심에서부터 따져서 첫 번째 영역의 반지름(R₁)과 m 번째 영역의 반지름은 수학식 1을 충족하는 것이 바람직하다. 이와는 달리 차광 영역이 중심에 배치될 수도 있다.

그러면, 도 4c에 도시한 바와 같이 광마스크(63)의 차광 영역에 의해 자외선이 차단된 영역은 원래의 방향(51)으로 수평 배향이 유지되고, 광마스크(63)의 투과 영역을 통과한 자외선이 조사된 영역은 x 방향, 즉 이전의 수평 배향 방향과 수직한 방위각을 갖는 방향(52)으로 수평 배향이 유도된다. 따라서 이러한 두 단계의 자외선 조사를 통하여, 기판(10, 20)의 수직 축 방향을 중심으로 대칭인 축성 대칭(axial symmetry)이면서, 홀수 번째 영역의 수평 배향 방향과 짝수 번째 영역의 수평 배향 방향이 서로 직교하는 이진 구조(binary structure)의 다중 배향을 주는 배향막(23)을 얻을 수 있다.

도 6a와 도 6b는 도 1 및 도 2에 도시한 액정 프레넬 렌즈 소자에 빛을 통과시켜 촬영한 사진으로서, 도 6a는 투명 전극(12, 22) 사이의 전압차가 작을 때, 즉 액정층(1)에 인가된 전압(또는 전기장)이 약할 때의 사진이고, 도 6b는 투명 전극(12, 22) 사이의 전압차가 클 때, 즉 액정층(1)에 인가된 전압(또는 전기장)이 강할 때의 사진이다.

도 6a에서 알 수 있는 바와 같이, 액정층(1)에 인가된 전기장이 약할 때에는 홀수 번째 영역과 짝수 번째 영역을 통과한 빛의 위상차가 입사광의 반파장에 해당하는 가 되어 중심부분에 명확한 초점이 맺히면서 소자의 회절 효율이 최대가 된다. 그러나 전기장이 강할 때에는 도 6b에 도시한 바와 같이 홀수 번째 영역과 짝수 번째 영역의 위상차가 발생하지 않아 초점이 맺히지 않으면서 소자의 회절 효율이 최소가 된다. 이는 소자의 회절 효율이 투명 전극(12, 22)의 전압차에 의해 조절될 수 있음을 의미한다.

도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 프레넬 렌즈 소자의 초점 거리에서 측정한 회절 효율을 투명 전극(12, 22)에 인가한 전압차에 따라 나타낸 그래프로서, 전압차를 조절하여 소자의 회절 효율을 연속적으로 변화시킬 수 있음을 보여 준다.

도 8a 내지 도 8c는 도 1 및 도 2에 도시한 액정 프레넬 렌즈 소자의 회절 효율을 입사광의 선편광 방향의 함수로 나타낸 그래프로서, 각각 액정층(1)에 인가된 전압이 0 V, 1 V 및 10 V 일 때의 회절 효율을 나타낸 것이다. 입사광은 기판(10, 20)에 대하여 수직하게 입사하였으며 선편광 방향은 0도부터 반시계방향으로 360도까지 변화시켰다.

도 8b에 도시한 바와 같이 1V의 낮은 전압을 액정층(1)에 인가하였을 때에는 소자의 회절 효율이 거의 최대가 되고, 도 8c에 도시한 것처럼 10V의 큰 전압을 액정층(1)에 인가하였을 때에는 소자의 회절 효율이 거의 사라졌다.

도 8a 내지 도 8c에서 볼 수 있듯이 회절 효율은 대부분의 각도에서 거의 일정한 값을 유지하므로, 본 발명의 액정 프레넬 렌즈 소자의 회절 효율은 입사광의 편광에 대한 의존성이 없다. 또한, 인가 전압의 크기를 변화시킴으로써 회절 효율을 조절할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에서는 축성 대칭성을 갖는 제1 배향막과 제2 배향막의 적어도 하나가 동심원의 원형고리 영역에서 서로 직교하는 수평 배향영역을 형성시키는 광반응성 배향막을 이용하여 입사광의 편광 의존성이 없는 회절 효율을 가지는 액정 프레넬 렌즈 소자를 제공할 수 있다. 본 발명의 액정 프레넬 렌즈 소자의 회절 효율은 인가 전압의 크기에 따라 조절 가능하며, 단 한번의 광마스크 공정을 이용하여 방위각이 서로 직교하는 다중 수평배향 영역을 형성시킬 수 있기 때문에 종래의 경우와는 달리 전극구조 형성 또는 다중 러빙 등의 추가적인 공정이 필요 없어 제조공정이 간단하며, 회절 효율의 편광 의존성을 완전히 제거할 수 있다.

이상에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims

수직축에 대해 축성 대칭성을 가지는 제1 배향막을 포함하는 제1 기판,

상기 제1 기판과 소정의 간극을 두고 마주 보고 있으며 제2 배향막을 포함하는 제2 기판, 그리고

상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 주입되어 있는 액정층

을 포함하며,

상기 제2 배향막은 상기 제2 기판의 수직축을 중심으로 주기적으로 배열되어 있는 둘 이상의 배향 영역을 포함하는

액정 소자.
제1항에서,

상기 액정층은 상기 제1 및 제2 기판의 수직축을 중심으로 주기적으로 배열되어 있는 둘 이상의 액정 영역을 포함하는 액정 소자.
제1항에서,

상기 제1 배향막은 수직 배향막을 포함하는 액정 소자.
제1항에서,

상기 제1 배향막은 수평 배향막을 포함하는 액정 소자.
제1항에서,

상기 제2 배향막의 배향 영역은 서로 다른 수평 배향 방향을 가지며 교대로 배열되어 있는 제1 영역과 제2 영역을 포함하는 액정 소자.
제5항에서,

상기 제1 영역의 평균 배향 방향과 제2 영역의 평균 배향 방향은 수직인 액정 소자.
제6항에서,

상기 제1 및 제2 영역 각각의 수평 배향 방향은 -5 내지 약 +5 의 편차를 가지는 액정 소자.
제6항에서,

상기 제2 배향막의 배향 영역은 동심 고리 형태인 액정 소자.
제8항에서,

상기 고리는 원형인 액정 소자.
제9항에서,

상기 제2 배향막의 배향 영역 중 중심에 위치한 배향 영역의 반지름(R₁)과 중심에서부터 m번 째 배향 영역의 반지름(R_m)은,

을 충족하는 액정 소자.
제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에서,

상기 제1 배향막의 배향 영역은 서로 다른 방향의 수평 배향 방향을 가지며 교대로 배열되어 있는 제3 영역과 제4 영역을 포함하고, 상기 제3 및 제4 영역은 각각 상기 제1 및 제2 영역과 동일한 배치 및 수평 배향 방향을 가지는 액정 소자.
제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에서,

상기 제1 배향막은 수직 배향막을 포함하는 액정 소자.
제1항에서,

상기 제2 배향막의 배향 영역은 각각 수직 배향 방향과 수평 배향 방향을 가지며 교대로 배열되어 있는 제1 영역과 제2 영역을 포함하는 액정 소자.
제1항 내지 제10항 및 제13항 중 어느 한 항에서,

상기 액정층은 양의 유전율 이방성을 가지는 액정 소자.
제1항 내지 제10항 및 제13항 중 어느 한 항에서,

상기 제1 및 제2 배향막 중 적어도 하나는 광배향되어 있는 액정 소자.
제1 배향막을 포함하는 제1 기판,

상기 제1 기판과 소정의 간극을 두고 마주 보고 있으며 제2 배향막을 포함하는 제2 기판, 그리고

상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 주입되어 있는 액정층

을 포함하며,

상기 액정층은 상기 제1 및 제2 기판의 수직축을 중심으로 축성 대칭을 이루며 주기적으로 배열되어 있는 둘 이상의 배향 영역을 포함하는

액정 소자.
제16항에서,

상기 액정층은 상기 제1 배향막과 상기 제2 배향막 사이에서 수평 배향에서 수직 배향으로 변화하거나 수직 배향에서 수평 배향으로 변화하는 혼성 배향 구조를 가지는 액정 소자.
제16항에서,

상기 액정층은 수평 배향 구조를 가지는 액정 소자.
제16항에서,

상기 액정층은 상기 제2 배향막 부근에서 서로 다른 수평 배향 방향을 가지 며 교대로 배열되어 있는 제1 영역과 제2 영역을 포함하는 액정 소자.
제19항에서,

상기 제1 영역의 평균 배향 방향과 제2 영역의 평균 배향 방향은 수직인 액정 소자.
제20항에서,

상기 제1 및 제2 영역 각각의 수평 배향 방향은 -5 내지 약 +5 의 편차를 가지는 액정 소자.
제20항에서,

상기 액정층의 배향 영역은 상기 제1 및 제2 기판 면 상에서 볼 때 동심 고리 형태인 액정 소자.
제22항에서,

상기 고리는 원형인 액정 소자.
제9항에서,

상기 액정층의 배향 영역 중 중심에 위치한 배향 영역의 반지름(R₁)과 중심에서부터 m번 째 배향 영역의 반지름(R_m)은,

을 충족하는 액정 소자.
제19항 내지 제24항 중 어느 한 항에서,

상기 액정층은 상기 제1 기판 부근과 상기 제2 기판 부근에서 동일한 배향을 가지는 액정 소자.
제19항 내지 제24항 중 어느 한 항에서,

상기 액정층은 양의 유전율 이방성을 가지는 액정 소자.
제19항 내지 제24항 중 어느 한 항에서,

상기 제1 및 제2 배향막 중 적어도 하나는 광배향되어 있는 액정 소자.
삭제
기판 위에 배향막을 도포하는 단계, 그리고

상기 배향막을 한 번 이상 광 조사하여 상기 배향막에 축성 대칭성을 갖는 다중 배향 영역을 형성하는 단계

를 포함하는 액정 소자의 제작 방법.
기판 위에 배향막을 도포하는 단계, 그리고

상기 배향막을 표면 처리하여 상기 배향막에 축성 대칭성을 갖는 다중 배향 영역을 형성하는 단계

를 포함하며,

상기 배향막의 표면 처리 단계는,

상기 배향막에 제1 방향으로 선편광된 자외선을 조사하는 단계, 그리고

축성 대칭을 가지는 투과 영역과 차광 영역이 교대로 배치되어 있는 광마스크를 통하여 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 선편광된 자외선을 조사하는 단계를 포함하는

액정 소자의 제작 방법.