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KR102176592B1 - 나노안테나 전극을 포함하는 공간 광변조기, 및 상기 공간 광변조기를 포함하는 디스플레이 장치 - Google Patents

나노안테나 전극을 포함하는 공간 광변조기, 및 상기 공간 광변조기를 포함하는 디스플레이 장치 Download PDF

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KR102176592B1
KR102176592B1 KR1020140059305A KR20140059305A KR102176592B1 KR 102176592 B1 KR102176592 B1 KR 102176592B1 KR 1020140059305 A KR1020140059305 A KR 1020140059305A KR 20140059305 A KR20140059305 A KR 20140059305A KR 102176592 B1 KR102176592 B1 KR 102176592B1
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한승훈
원강희
이홍석
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삼성전자주식회사
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Abstract

나노안테나 구조로 형성된 전극을 이용함으로써 매우 작은 크기로 제작될 수 있는 공간 광변조기 및 이를 포함하는 디스플레이 장치가 개시된다. 개시된 공간 광변조기는, 굴절률 변화층, 및 상기 굴절률 변화층 내에 전기장을 인가하도록 구성된 화소 전극과 공통 전극을 포함하며, 상기 화소 전극과 공통 전극 중에서 적어도 하나는 특정 파장 대역의 빛을 공진시키도록 구성된 나노안테나 패턴을 포함할 수 있다.

Description

나노안테나 전극을 포함하는 공간 광변조기, 및 상기 공간 광변조기를 포함하는 디스플레이 장치{Spatial light modulator including nano antenna electrode and display apparatus including the spatial light modulator}
개시된 실시예들은 나노안테나 전극을 포함하는 공간 광변조기 및 상기 공간 광변조기를 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나노안테나 구조로 형성된 전극을 이용함으로써 매우 작은 크기로 제작될 수 있는 공간 광변조기 및 이를 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것이다.
공간 광변조기는 입사광을 투과 또는 차단하거나, 또는 공간 광변조기를 투과하는 빛의 세기나 위상을 제어하는 역할을 한다. 이러한 공간 광변조기는, 예를 들어, 광전흡수(electroabsorption) 효과를 이용하는 반도체 기반의 공간 광변조기, 액정을 이용한 공간 광변조기 등과 같이 다양하게 제작될 수 있다. 일반적으로, 액정을 이용한 공간 광변조기는 두 개의 전극 사이에 액정을 배치한 구조를 갖는 다수의 화소들을 포함한다. 각각의 화소에서, 두 개의 전극에 전압을 인가하여 액정 내에 전기장이 형성되면, 전기장의 방향을 따라 액정의 정렬 방향이 변화하게 된다. 그러면, 액정 내부를 진행하는 빛의 위상 및 편광 방향이 액정의 정렬 방향에 따라 변화하게 된다. 이러한 원리를 이용한 액정 공간 광변조기는 액정 디스플레이 장치, 홀로그래픽 디스플레이 장치, 편광 회전자, 위상 지연자 등 다양한 용도로 사용되고 있다.
그런데, 액정 공간 광변조기의 경우, 빛의 위상을 변화시키기에 충분한 광 경로를 액정 내부에 확보하기 위하여, 액정 셀의 두께가 통상적으로 수 um 이상이다. 또한, 수 um 이상의 두께를 갖는 액정 셀의 내부에 충분한 전기장을 형성하기 위하여 전극의 크기가 커지게 되며, 이로 인한 인접한 화소들 사이의 전기장 간섭을 방지하기 위하여, 화소의 크기를 작게 하는 데 한계가 있다. 예를 들어, 액정 공간 광변조기의 화소 피치는 수 um 이상이다. 현재, 고해상도 홀로그래픽 디스플레이 장치를 상용화하기 위하여 공간 광변조기의 화소 크기를 줄이기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.
서브마이크론 크기의 매우 작은 화소 또는 서브 화소를 갖는 공간 광변조기 및 이를 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다.
일 실시예에 따른 공간 광변조기는, 전기장에 따라 굴절률 분포가 변화하는 굴절률 변화층; 및 상기 굴절률 변화층에 전기장을 인가하도록 구성된 화소 전극과 공통 전극;을 포함하며, 상기 화소 전극과 공통 전극 중에서 적어도 하나는 특정 파장 대역의 빛을 공진시키도록 구성된 나노안테나 패턴을 포함할 수 있다.
상기 굴절률 변화층은, 예를 들어, 액정, KTN, LiNbO3, PZT 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 공간 광변조기는 서로 대향하여 배치된 제 1 투명 기판 및 제 2 투명 기판을 더 포함하며, 상기 굴절률 변화층은 상기 제 1 투명 기판과 제 2 투명 기판 사이에 배치되어 있고, 상기 화소 전극과 공통 전극이 모두 제 1 투명 기판 상에 배치되어 있으며, 상기 화소 전극과 공통 전극이 모두 나노안테나 패턴을 포함할 수 있다.
상기 화소 전극의 나노안테나 패턴은 나란하게 배열된 다수의 나노안테나들을 포함하며, 공통 전극의 나노안테나 패턴은 나란하게 배열된 다수의 나노안테나들을 포함하고, 상기 화소 전극의 나노안테나들과 상기 공통 전극의 나노안테나들은 서로 깍지 낀 형태로 엇갈리게 배열될 수 있다.
상기 화소 전극의 인접한 두 나노안테나들 사이의 간격 또는 상기 공통 전극의 인접한 두 나노안테나들 사이의 간격은 공진 파장보다 짧으며, 각각의 나노안테나들의 길이는 공진 파장의 1/3보다 길 수 있다.
상기 화소 전극과 공통 전극은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 화소 전극과 공통 전극은 상기 제 1 투명 기판의 표면 위에 돌출하는 양각 구조로 형성될 수 있다.
또는, 상기 화소 전극과 공통 전극은 상기 제 1 투명 기판의 표면 내에 매립되는 음각 구조로 형성될 수 있다.
상기 공간 광변조기는 서로 대향하여 배치된 제 1 투명 기판 및 제 2 투명 기판을 더 포함하며, 상기 굴절률 변화층은 상기 제 1 투명 기판과 제 2 투명 기판 사이에 배치되어 있고, 상기 화소 전극은 상기 제 1 투명 기판 상에 배치되며, 상기 공통 전극은 상기 제 2 투명 기판 상에 배치되고, 상기 화소 전극이 나노안테나 패턴을 포함할 수 있다.
상기 공통 전극은 투명 전극일 수 있다.
상기 화소 전극의 나노안테나 패턴은 상기 제 1 투명 기판이 노출되도록 상기 화소 전극을 관통하여 형성된 적어도 하나의 개구를 포함할 수 있으며, 각각의 개구의 폭과 길이는 공진 파장보다 작을 수 있다.
상기 공통 전극은 상기 개구와 대향하는 상기 제 2 투명 기판의 영역에 부분적으로 형성될 수 있다.
상기 화소 전극의 나노안테나 패턴은 상기 화소 전극 상에 볼록하게 형성된 적어도 하나의 볼록한 나노안테나 패턴을 포함할 수 있으며, 각각의 볼록한 나노안테나 패턴의 폭과 길이는 공진 파장보다 작을 수 있다.
상기 화소 전극의 나노안테나 패턴은 상기 화소 전극 상에 오목하게 형성된 적어도 하나의 오목한 나노안테나 패턴을 포함하며, 각각의 오목한 나노안테나 패턴의 폭과 길이는 공진 파장보다 작을 수 있다.
상기 공간 광변조기는 공간 광변조기의 입광면 또는 출광면에 배치된 편광판을 더 포함할 수 있다.
또한, 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치는, 2차원 배열된 다수의 화소들을 포함하는 화소 어레이; 상기 화소 어레이에 빛을 제공하는 백라이트 유닛; 및 상기 화소 어레이의 입광면 또는 출광면에 배치된 편광판;을 포함하며, 각각의 화소는, 굴절률 변화층; 및 상기 굴절률 변화층 내에 전기장을 인가하도록 구성된 화소 전극과 공통 전극;을 포함하고, 상기 화소 전극과 공통 전극 중에서 적어도 하나는 특정 파장 대역의 빛을 공진시키도록 구성된 나노안테나 패턴을 포함할 수 있다.
상기 화소 어레이는 적색 화소, 녹색 화소 및 청색 화소를 포함하며, 상기 적색 화소 내에 배치된 화소 전극과 공통 전극 중에서 적어도 하나는 적색 파장 대역의 빛을 공진시키도록 구성된 나노안테나 패턴을 포함하고, 상기 녹색 화소 내에 배치된 화소 전극과 공통 전극 중에서 적어도 하나는 녹색 파장 대역의 빛을 공진시키도록 구성된 나노안테나 패턴을 포함하고, 상기 청색 화소 내에 배치된 화소 전극과 공통 전극 중에서 적어도 하나는 청색 파장 대역의 빛을 공진시키도록 구성된 나노안테나 패턴을 포함할 수 있다.
상기 백라이트 유닛은 상기 적색 화소, 녹색 화소 및 청색 화소에 적색광, 녹색광 및 청색광을 각각 제공하도록 구성될 수 있다.
상기 디스플레이 장치는 상기 화소 어레이의 전면에 배치된 렌티큘러 렌즈시트 또는 패럴랙스 배리어를 더 포함할 수 있다.
상기 디스플레이 장치는 홀로그래픽 디스플레이 장치이며, 상기 백라이트 유닛은 가간섭성 광을 상기 화소 어레이에 제공하도록 구성될 수 있다.
개시된 실시예들에 따른 공간 광변조기의 전극은 특정 파장의 빛을 공진시킬 수 있는 나노안테나 구조로 형성된다. 나노안테나 전극을 이용하면 셀의 두께가 작아지더라도 빛의 위상 변화가 충분히 가능하기 때문에, 개시된 실시예들에 따른 공간 광변조기는 예를 들어 빛의 파장보다도 작은 두께로 형성될 수 있다. 또한, 두께가 작아지기 때문에 공간 광변조기의 화소 피치를 1um 이하의 작은 크기로 제작하는 것이 가능하다. 따라서, 매우 높은 해상도와 대면적을 갖는 디스플레이 장치를 제조하는 것이 가능하다.
더욱이, 공간 광변조기의 두께가 작아지고 화소의 피치가 작아진 만큼, 화소의 부피가 줄어들기 때문에 공간 광변조기의 소비 전력이 감소하고 구동 속도가 증가할 수 있다. 또한, 나노안테나 구조의 전극이 특정 파장의 빛만을 공진시키기 때문에, 개시된 실시예들에 따른 공간 광변조기를 포함하는 디스플레이 장치는 컬러 필터를 사용하지 않을 수 있다. 따라서, 디스플레이 장치의 광 이용 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 공간 광변조기의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 공간 광변조기의 화소 전극과 공통 전극의 나노안테나 패턴을 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 공간 광변조기의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 공간 광변조기의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 공간 광변조기의 화소 전극과 공통 전극의 나노안테나 패턴을 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 반사형 공간 광변조기의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 반사형 공간 광변조기의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 8은 도 1에 도시된 공간 광변조기를 이용한 디스플레이 장치의 예를 보이는 단면도이다.
도 9는 도 1에 도시된 공간 광변조기를 이용한 디스플레이 장치의 다른 예를 보이는 단면도이다.
도 10은 도 1에 도시된 공간 광변조기를 이용한 디스플레이 장치의 또 다른 예를 보이는 단면도이다.
도 11a는 3차원(3D) 모드에서 도 6 내지 도 8에 도시된 디스플레이 장치의 화소들에 표시되는 영상을 예시적으로 나타낸다.
도 11b는 일반적인 2차원(2D) 모드에서 도 6 내지 도 8에 도시된 디스플레이 장치의 화소들에 표시되는 다수의 시점을 갖는 영상을 예시적으로 나타낸다.
도 12는 도 1에 도시된 공간 광변조기를 이용한 홀로그래픽 디스플레이 장치를 보이는 개념도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 나노안테나 전극을 포함하는 공간 광변조기, 및 상기 공간 광변조기를 포함하는 디스플레이 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
먼저, 도 1은 일 실시예에 따른 공간 광변조기(100)의 구조를 개략적으로 보이는 단면도로서, 특히 공간 광변조기(100)의 하나의 셀의 일부분만을 예시적으로 도시하고 있다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 공간 광변조기(100)는 서로 대향하여 배치된 제 1 투명 기판(101)과 제 2 투명 기판(102), 제 1 투명 기판(101) 상에 배치된 화소 전극(103)과 공통 전극(104), 및 상기 제 1 투명 기판(101)과 제 2 투명 기판(102) 사이에 채워져 있는 굴절률 변화층(105)을 포함할 수 있다.
여기서, 화소 전극(103)과 공통 전극(104)은 굴절률 변화층(105) 내에 전기장을 인가하도록 구성될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따르면, 화소 전극(103)과 공통 전극(104)은 특정 파장 대역의 빛을 공진시키도록 구성된 나노안테나 패턴을 포함할 수 있다. 나노안테나 패턴은 공진시킬 빛의 파장보다 짧은 길이를 갖는 나노 구조로 형성되기 때문에, 빛에 대해 안테나 기능을 하는 광학적 안테나이다. 여기서, 빛은 공간 광변조기(100)의 용도에 따라 가시광뿐만 아니라 적외선이나 자외선과 같은 비가시광도 포함할 수 있다.
또한, 화소 전극(103)과 공통 전극(104)은 특정 파장 대역의 빛에 의해 여기되어, 유전체인 제 1 투명 기판(101)과의 계면에서 표면 플라즈몬 공진(surface plasmon resonance; SPR)을 발생시킬 수 있다. 화소 전극(103)과 공통 전극(104)의 나노안테나 패턴은 이러한 표면 플라즈몬 공진을 통해 입사광의 에너지를 포획하였다 여기할 수 있다. 표면 플라즈몬 공진을 발생시키기 위하여, 나노안테나 패턴을 갖는 화소 전극(103)과 공통 전극(104)은, 예를 들어, 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al) 등과 같은 도전성 금속으로 이루어질 수 있다.
도 2는 상술한 공간 광변조기(100)의 화소 전극(103)과 공통 전극(104)의 나노안테나 패턴을 예시적으로 보이는 평면도이다. 도 2를 참조하면, 화소 전극(103)은 나란하게 배열된 다수의 나노안테나(113)들을 포함하며, 공통 전극(104)도 나란하게 배열된 다수의 나노안테나(114)들을 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 화소 전극(103)의 나노안테나(113)들과 공통 전극(104)의 나노안테나(114)들은 서로 깍지 낀(interdigitated) 형태로 엇갈리게 배열될 수 있다. 도 1에 도시된 단면도는 도 2에 도시된 화소 전극(103)과 공통 전극(104)의 일부인 A-A' 라인만을 따라 절단한 것이다. 도 2에는 각각의 나노안테나(113, 114)가 단순한 일직선 형태인 것으로 도시되어 있으나, 원하는 공진 파장에 따라 나노안테나(113, 114)의 형태를 다양하게 변형하는 것도 가능하다. 나노안테나(113, 114)들의 공진 파장은 나노안테나(113, 114)들의 피치(P)와 길이(L)에 따라 변화할 수 있다. 예를 들어, 나노안테나(113, 114)들의 피치(P)는 공진 파장보다 짧으며(P < λ), 각각의 나노안테나(113, 114)들의 길이(L)는 공진 파장의 1/3보다 길 수 있다(L > λ/3). 여기서, 피치(P)는 화소 전극(103)의 인접한 두 나노안테나(113)들 사이의 간격 또는 공통 전극(104)의 인접한 두 나노안테나(114)들 사이의 간격으로 정의될 수 있다.
또한, 도전성 금속 재료로 이루어진 다수의 나노안테나(113, 114)들이 서로 평행하게 배열되어 있기 때문에, 화소 전극(103)과 공통 전극(104)은 와이어 그리드 편광자(wire grid polarizer; WGP)의 기능을 가질 수도 있다. 일반적으로, 도전성 격자에서 슬릿의 폭이 빛의 파장보다 클 경우에 도전성 격자는 빛을 회절시키지만, 슬릿의 폭이 빛의 파장보다 작아지면 도전성 격자는 편광자의 특성을 보이게 된다. 그리고, 슬릿의 폭이 작아질수록 빛을 거의 회절시키지 않고 편광자의 특성이 강하게 된다. 예를 들어, 와이어 그리드 편광자는 슬릿의 방향에 수직한 편광 성분을 갖는 빛을 투과시키고, 슬릿의 방향에 평행한 편광 성분을 갖는 빛을 반사할 수 있다. 따라서, 화소 전극(103)과 공통 전극(104)은 나노안테나(113, 114)들의 길이(L) 방향에 수직한 편광 성분을 갖는 빛을 투과시키고, 나노안테나(113, 114)들의 길이의 방향에 평행한 편광 성분을 갖는 빛을 반사하는 편광자가 될 수도 있다.
한편, 굴절률 변화층(105)은 전기장의 세기에 따라 굴절률이 변화하는 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들자면, 굴절률 변화층(105)은 액정(liquid crystal), KTN(potassium tantalate niobate), LiNbO3, PZT(lead zirconate titanate) 등과 같은 재료로 이루어질 수 있다. 이러한 재료로 이루어진 굴절률 변화층(105) 내부의 굴절률은 화소 전극(103)과 공통 전극(104)에 의해 굴절률 변화층(105) 내에 인가되는 전기장에 의해 연속적으로 변화할 수 있다.
이러한 구조를 갖는 공간 광변조기(100)에 빛이 입사하면, 나노안테나(113, 114)들의 공진 파장에 해당하는 빛은 나노안테나(113, 114)들에 흡수되어 표면 플라즈몬 공진을 일으키게 되고, 나머지 파장 대역의 빛은 화소 전극(103)과 공통 전극(104)을 투과하지 못하고 차단된다. 그리고, 공진되는 파장의 빛이 다시 방출될 때, 나노안테나(113, 114)들이 모두 동일한 방향으로 배열되어 있기 때문에 하나의 동일한 편광 성분만을 가질 수 있다.
여기서, 화소 전극(103)에 인가되는 전압이 변화하게 되면, 굴절률 변화층(105) 내부에 형성되는 전기장이 변화하여 굴절률 변화층(105)의 굴절률 분포도 변화하게 된다. 나노안테나(113, 114)들의 공진 특성이 주변의 굴절률에 영향을 받기 때문에, 굴절률 변화층(105)의 굴절률 분포 변화는 나노안테나(113, 114)들에서 방출되는 빛의 위상에도 영향을 줄 수 있다. 따라서, 빛의 위상은 나노안테나(113, 114)들에서 빛이 방출될 때 굴절률 변화층(105)의 굴절률 변화에 의해서 급격하게 변화할 수 있다. 그 결과, 굴절률 변화층(105)의 두께(G)가 작더라도 충분한 위상 변화를 얻을 수 있다. 이러한 굴절률 변화층(105)의 두께(G)는, 예컨대, 약 20nm 내지 500nm 정도일 수 있다.
또한, 나노안테나(113, 114)들의 공진 특성이 주변의 굴절률에도 영향을 받기 때문에, 굴절률 변화층(105)의 굴절률 분포 변화는 나노안테나(113, 114)들에서 방출되는 빛의 세기에도 영향을 줄 수 있다. 이러한 점에서, 본 실시예에 따른 공간 광변조기(100)는 나노안테나(113, 114)들의 공진 특성을 이용하여 빛의 위상과 세기를 모두 변화시킬 수 있는 진폭 및 위상 변조기가 될 수 있다. 또한, 공간 광변조기(100)의 입광면이나 출광면에 편광판을 더 배치함으로써 더욱 확실한 진폭 변조 효과를 얻을 수 있다.
도 3은 다른 실시예에 따른 공간 광변조기(100')의 구조를 개략적으로 보이는 단면도로서, 특히 공간 광변조기(100')의 하나의 셀의 일부분만을 예시적으로 도시하고 있다. 도 1에 도시된 공간 광변조기(100)의 경우, 화소 전극(103)과 공통 전극(104)은 제 1 투명 기판(101)의 표면 위에 돌출하여 형성되어 있다. 즉, 공간 광변조기(100)의 화소 전극(103)과 공통 전극(104)은 양각 구조로 형성된다. 그러나, 도 3에 도시된 공간 광변조기(100')에서는, 화소 전극(103)과 공통 전극(104)이 제 1 투명 기판(101)의 내부에 매립될 수도 있다. 즉, 도 3에 도시된 실시예와 같이, 화소 전극(103)과 공통 전극(104)은 음각 구조로 형성될 수도 있다.
도 1과 도 3에 도시된 공간 광변조기(100, 100')는 화소 전극(103)과 공통 전극(104)이 모두 제 1 투명 기판(101) 상에 배열된 IPS(In-Plane Switching) 방식이다. 그러나, 화소 전극(103)과 공통 전극(104)을 서로 다른 기판에 배치하는 것도 가능하다. 예를 들어, 도 4는 또 다른 실시예에 따른 공간 광변조기(110)의 구조를 개략적으로 보이는 단면도로서, 특히 공간 광변조기(110)의 하나의 셀의 일부분만을 예시적으로 도시하고 있다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 공간 광변조기(110)는 서로 대향하여 배치된 제 1 투명 기판(101)과 제 2 투명 기판(102), 제 1 투명 기판(101) 상에 배치된 화소 전극(103), 제 2 투명 기판(102) 상에 배치된 공통 전극(104), 및 상기 제 1 투명 기판(101)과 제 2 투명 기판(102) 사이에 채워져 있는 굴절률 변화층(105)을 포함할 수 있다. 화소 전극(103)과 공통 전극(104)은 제 1 투명 기판(101)과 제 2 투명 기판(102)의 두 대향 면에 각각 배치되어 있다. 또한, 화소 전극(103)은 제 1 투명 기판(101)이 노출되도록 화소 전극(103)을 관통하여 형성된 개구(103a)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 공통 전극(104)은, 예를 들어, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), AZO(aluminium zinc oxide), GZO(gallium zinc oxide)와 같은 투명 전도성 산화물로 이루어진 투명 전극일 수 있다. 공통 전극(104)은 제 2 투명 기판(102)의 전체 영역에 형성될 수도 있다. 그러나, 화소 전극(103) 내에 형성된 개구(103a)에 전기장이 집중될 수 있도록, 상기 개구(103a)에 대향하는 제 2 투명 기판(102)의 영역에만 부분적으로 공통 전극(104)이 형성될 수도 있다.
화소 전극(103)의 개구(103a)는 특정 파장 대역의 빛을 공진시키도록 구성된 나노안테나 패턴을 형성할 수 있다. 도 5는 도 4에 도시된 공간 광변조기(110)의 화소 전극(103)의 나노안테나 패턴을 예시적으로 보이는 평면도이다. 도 5를 참조하면, 화소 전극(103)은 하나의 셀 내에 전체적으로 형성되어 있으며, 예를 들어 2차원 어레이의 형태로 배열된 다수의 개구(103a)들을 포함할 수 있다. 그리고, 한 열(column)의 개구(103a)들을 따라 각각 공통 전극(104)이 배치될 수 있다. 도 4에 도시된 단면도는 도 5에 도시된 화소 전극(103)과 공통 전극(104)의 일부인 B-B' 라인만을 따라 절단한 것이다. 도 5에는 하나의 셀 내에서 다수의 행과 다수의 열을 따라 개구(103a)들이 형성된 것으로 도시되어 있으나, 단지 하나의 행 또는 하나의 열을 따라 개구(103a)들이 형성될 수도 있다. 또한, 개구(103a)는 직사각형의 형태뿐만 아니라 원형, 타원형, 또는 다른 다각형 형태를 가질 수도 있다.
이러한 구조에서, 화소 전극(103)이 특정 파장 대역의 빛에 의해 여기되면서 화소 전극(103)과 제 1 투명 기판(101) 사이의 계면에서는 표면 플라즈몬이 발생하게 된다. 그리고, 개구(103a)를 통과하는 빛 중에서 공진 파장에 해당하는 빛만이 표면 플라즈몬과의 상호작용을 통해 굴절률 변화층(105)으로 진행하게 된다. 특히, 본 실시예에서, 화소 전극(103) 내의 개구(103a)로 빛이 집중될 수 있다. 공진 파장은 개구(103a)들의 크기와 배열 형태에 따라 변화할 수 있다. 예컨대, 각각의 개구(103a)의 폭(W1)과 길이(L1)는 공진 파장보다 작을 수 있다(W1 < λ, L1 < λ).
도 1 내지 도 5에서 설명한 공간 광변조기(100, 100', 110)들은 빛을 투과시키는 투과형 공간 광변조기이다. 그러나, 투과형 공간 광변조기뿐만 아니라 반사형 공간 광변조기에도 상술한 원리가 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 6 및 도 7은 또 다른 실시예에 따른 반사형 공간 광변조기(120, 130)의 구조를 개략적으로 보이는 단면도로서, 특히 반사형 공간 광변조기(120, 130)의 하나의 셀의 일부분만을 예시적으로 도시하고 있다.
도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 공간 광변조기(120)는 서로 대향하여 배치된 제 1 투명 기판(101)과 제 2 투명 기판(102), 제 1 투명 기판(101) 상에 배치된 화소 전극(103), 제 2 투명 기판(102) 상에 배치된 공통 전극(104), 및 상기 제 1 투명 기판(101)과 제 2 투명 기판(102) 사이에 채워져 있는 굴절률 변화층(105)을 포함할 수 있다.
화소 전극(103)과 공통 전극(104)은 제 1 투명 기판(101)과 제 2 투명 기판(102)의 두 대향 면에 각각 배치되어 있다. 제 2 투명 기판(102)에 배치된 공통 전극(104)은 투명 전극이다. 화소 전극(103)은 하나의 셀 내에 전체적으로 형성되어 있으며 빛을 반사하는 반사 전극의 역할을 한다. 화소 전극(103)은 특정 파장의 빛만을 공진시켜 반사하기 위하여 볼록한 형태의 나노안테나 패턴(103b)들을 포함할 수 있다. 이러한 볼록한 나노안테나 패턴(103b)들은, 예를 들어, 도 5에 도시된 개구(103a)와 마찬가지로 2차원 어레이의 형태로 배열될 수 있다. 반사되는 빛의 파장, 즉 공진 파장은 볼록한 나노안테나 패턴(103b)들의 배열 형태와 크기에 의해 변화할 수 있다. 각각의 볼록한 나노안테나 패턴(103b)의 폭과 길이는 공진 파장보다 작을 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 공간 광변조기(130)는 화소 전극(103)에 오목한 형태의 나노안테나 패턴(103c)들이 형성되어 있다는 점에서 도 6에 도시된 공간 광변조기(120)와 차이가 있다. 도 7에 도시된 오목한 나노안테나 패턴(103c)들도 역시 2차원 어레이의 형태로 배열될 수 있으며, 각각의 오목한 나노안테나 패턴(103c)의 폭과 길이는 공진 파장보다 작을 수 있다. 도 7에 도시된 공간 광변조기(130)의 나머지 특징은 도 6에서 설명한 공간 광변조기(120)의 특징과 동일할 수 있다.
상술한 실시예들에 따른 공간 광변조기(100, 100', 110, 120, 130)들은, 앞서 설명한 바와 같이 굴절률 변화층(105)의 두께가 작더라도 충분한 위상 변화를 얻을 수 있기 때문에, 예를 들어 빛의 파장보다도 작은 두께로 형성될 수 있다. 또한, 두께가 작아지기 때문에 공간 광변조기(100, 100', 110, 120, 130)의 화소 피치(P)를 1um 이하, 예를 들어 100nm 내지 1um의 작은 크기로 제작하는 것이 가능하다. 따라서, 상기 공간 광변조기(100, 100', 110, 120, 130)들을 이용하면 매우 높은 해상도와 대면적을 갖는 디스플레이 장치를 제조하는 것이 가능하다. 더욱이, 공간 광변조기(100, 100', 110, 120, 130)의 두께가 작아짐에 따라, 디스플레이 장치의 소비 전력이 감소하고 구동 속도가 증가할 수 있다. 또한, 나노안테나 패턴을 이용하여 특정 파장의 빛만을 공진시키기 때문에, 개시된 실시예들에 따른 공간 광변조기(100, 100', 110, 120, 130)들을 포함하는 디스플레이 장치는 컬러 필터를 사용하지 않을 수 있다.
예를 들어, 도 8은 도 1에 도시된 공간 광변조기(100)를 이용한 디스플레이 장치(200)의 예를 보이는 단면도이다. 도 8을 참조하면, 디스플레이 장치(200)는, 적색 서브 화소(100R), 녹색 서브 화소(100G), 및 청색 서브 화소(100B)를 포함하는 공간 광변조기(100), 공간 광변조기(100)에 빛을 제공하는 백라이트 유닛(230), 및 상기 백라이트 유닛(230)에 대향하는 공간 광변조기(100)의 입광면에 배치된 편광판(111)을 포함할 수 있다. 도 8에는 편의상 적색 서브 화소(100R), 녹색 서브 화소(100G), 및 청색 서브 화소(100B)를 하나씩만 도시하고 있으나, 실제로는 매우 많은 수의 서브 화소(100R, 100G, 100B)들이 2차원 어레이의 형태로 배열될 수 있다. 이러한 점에서, 공간 광변조기(100)는 디스플레이 장치(200)의 화소 어레이일 수 있다. 도 8에 도시된 디스플레이 장치(200)는 예시적으로 도 1에 도시된 공간 광변조기(100)를 사용하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 디스플레이 장치(200)는 다른 투과형 공간 광변조기(100', 110)나 또는 반사형 공간 광변조기(120, 130)를 사용할 수도 있다.
한편, 도 8에 도시된 백라이트 유닛(230)은 예를 들어 적색광, 녹색광 및 청색광 성분이 각각 혼합된 백색광을 공간 광변조기(100)에 제공할 수 있다. 예를 들어, 백라이트 유닛(230)은 적색광, 녹색광 및 청색광 성분의 단색광을 각각 방출하는 LED(light-emitting diode) 또는 양자점 LED(quantum dot LED)를 광원으로서 포함할 수 있다.
도 8에 도시된 디스플레이 장치(200)에서, 적색 서브 화소(100R)의 화소 전극(103R)과 공통 전극(104R)은 적색 파장 대역의 빛을 공진시키도록 구성된 나노안테나 패턴을 포함할 수 있다. 또한, 녹색 서브 화소(100G)의 화소 전극(103G)과 공통 전극(104G)은 녹색 파장 대역의 빛을 공진시키도록 구성된 나노안테나 패턴을 포함하며, 청색 서브 화소(100B)의 화소 전극(103B)과 공통 전극(104B)은 청색 파장 대역의 빛을 공진시키도록 구성된 나노안테나 패턴을 포함할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 나노안테나 패턴의 공진 파장은 나노안테나(113, 114)들의 피치, 길이, 또는 형태에 따라 결정될 수 있다. 따라서, 컬러 필터를 사용하지 않고 고해상도의 컬러 디스플레이 장치(200)를 제작하는 것이 가능하므로, 컬러 디스플레이 장치(200)의 광 이용 효율이 향상될 수 있다.
도 9는 도 1에 도시된 공간 광변조기(100)를 이용한 디스플레이 장치(210)의 다른 예를 보이는 단면도이다. 도 8에 도시된 디스플레이 장치(200)와 비교할 때, 도 9에 도시된 디스플레이 장치(210)에서는 편광판(111)이 공간 광변조기(100)의 출광면에 배치되어 있다는 점에서 차이가 있다. 즉, 도 8에 도시된 디스플레이 장치(200)에서 편광판(111)은 제 1 투명 기판(101)에 배치되어 있는 반면, 도 9에 도시된 디스플레이 장치(210)에서는 편광판(111)이 제 2 투명 기판(102)에 배치되어 있다.
또한, 도 10은 도 1에 도시된 공간 광변조기(100)를 이용한 디스플레이 장치(220)의 또 다른 예를 보이는 단면도이다. 도 8에 도시된 디스플레이 장치(200)와 비교할 때, 도 10에 도시된 디스플레이 장치(220)는 백색광을 제공하는 백라이트 유닛(230) 대신에 컬러 백라이트 유닛(231)을 포함한다는 점에서 차이가 있다. 컬러 백라이트 유닛(231)은 적색, 녹색, 청색 서브 화소(100R, 100G, 100B)에 적색광, 녹색광, 및 청색광을 각각 제공하도록 구성될 수 있다. 이러한 컬러 백라이트 유닛(231)은 예를 들어, LED(light-emitting diode)를 광원으로서 사용하거나 또는 양자점 LED(quantum dot LED)을 광원으로서 사용할 수 있다. 이러한 컬러 백라이트 유닛(231)을 사용함으로써, 디스플레이 장치(220)의 색 선명도가 더욱 향상될 수 있다.
도 8 내지 도 10에서는, 디스플레이 장치(200, 210, 220)가 도 1에 도시된 공간 광변조기(100)를 포함하는 것으로 편의상 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 디스플레이 장치(200, 210, 220)는 도 1에 도시된 공간 광변조기(100) 대신에 도 3 또는 도 4에 도시된 투과형 공간 광변조기(100', 110)나 도 6 또는 도 7에 도시된 반사형 공간 광변조기(120, 130)를 포함할 수도 있다.
한편, 도 8 내지 도 10에 도시된 디스플레이 장치(200, 210, 220)는 매우 높은 해상도를 갖기 때문에 선명한 입체 영상을 제공할 수도 있다. 예를 들어, 도 8 내지 도 10에 도시된 디스플레이 장치(200, 210, 220)의 전면에 렌티큘러 렌즈시트(lenticular lens sheet)나 패럴랙스 배리어(parallax barrier)를 배치함으로써, 스테레오스코픽(autostereoscopic) 방식으로 입체 영상을 제공하는 것이 가능하다.
도 11a는 3차원(3D) 모드에서 도 8 내지 도 10에 도시된 디스플레이 장치(200, 210, 220)의 화소들에 표시되는 다수의 시점을 갖는 영상(V1~V3)들을 예시적으로 나타낸다. 예를 들어, 도 11a에 도시된 바와 같이, 디스플레이 장치(200, 210, 220)의 다수의 화소들이 시차가 서로 다른 다수의 시점을 갖는 영상(V1~V3)들을 수평 방향을 따라 번갈아 디스플레이 하고, 렌티큘러 렌즈시트(250)를 통해 각각의 영상(V1~V3)들을 서로 다른 시역에 투사할 수 있다. 디스플레이 장치(200, 210, 220)가 많은 시점의 영상(V1~V3)들을 동시에 디스플레이 하기 때문에, 보다 자연스러운 입체 영상이 제공될 수 있다.
또한, 도 11b는 일반적인 2차원(2D) 모드에서 도 8 내지 도 10에 도시된 디스플레이 장치(200, 210, 220)의 화소들에 표시되는 영상을 예시적으로 나타낸다. 디스플레이 장치(200, 210, 220)는 일반적인 HD(High-Definition)나 풀 HD(full HD)보다 높은 해상도를 가질 수 있다. 따라서, HD나 풀 HD의 2차원 영상을 표시하고자 하는 경우에는, 도 11b에 예시적으로 도시된 바와 같이, 2D 모드에서 여러 개의 인접한 화소, 예를 들어, 하나의 단위 렌즈에 대응하는 다수의 화소들이 동시에 하나의 영상 정보를 표시할 수 있다.
도 11a에서 설명한 스테레오스코픽(autostereoscopic) 방식은 단순히 양안 시차만를 이용하는 방식이기 때문에, 눈의 피로감이 크고, 자연스러운 입체감을 제공하는데 한계가 있다. 보다 자연스러운 완전 시차를 제공하기 위한 방식으로서 홀로그래픽 3차원 영상 표시 기술이 제안되고 있는데, 상술한 공간 광변조기(100, 100', 110, 120, 130)는 이러한 홀로그래픽 디스플레이 장치에도 적용될 수 있다. 기존의 홀로그래픽 디스플레이 장치의 경우, 공간 광변조기의 해상도 한계로 인하여 전기적 어드레싱 공간 광변조기(electrically addressable spatial light modulator; EASLM)와 광학적 어드레싱 공간 광변조기(optically addressed spatial light modulator; OASLM)를 동시에 사용하는 복잡한 방식으로 구현되었다. 그러나, 본 실시예들에 따른 공간 광변조기(100, 100', 110, 120, 130)는 매우 높은 해상도를 갖기 때문에 매우 간단한 구성으로 홀로그래픽 디스플레이 장치를 제공할 수 있다.
예를 들어, 도 12는 도 1에 도시된 공간 광변조기(100)를 이용한 홀로그래픽 디스플레이 장치(300)를 보이는 개념도이다. 도 12를 참조하면, 본 실시예에 따르면 홀로그래픽 디스플레이 장치(300)는 단순히 공간 광변조기(100)와 백라이트 유닛(232)만을 포함할 수 있다. 여기서, 백라이트 유닛(232)은 가간섭성 광(coherent light)을 공간 광변조기(100)에 제공할 수 있다. 그러나, 백라이트 유닛(232)이 반드시 레이저빔 수준의 가간섭성 광을 제공할 필요는 없으며, LED나 양자점 광원을 이용하여 공간 광변조기(100)의 각각의 서브 화소(100R, 100G, 100B)에 단색 컬러 광을 제공하더라도 홀로그램의 구현은 가능하다.
홀로그램의 구현을 위하여, 공간 광변조기(100)는 홀로그램 정보 신호에 따라 간섭 패턴을 형성할 수 있다. 홀로그램 정보는 원본 물체를 직접 노광하여 얻을 수도 있지만, 표시하고자 하는 입체 영상을 기초로 컴퓨터를 이용하여 계산된 홀로그램(computer generated hologram; CGH) 정보를 사용할 수도 있다. 이러한 홀로그램 정보는 전기적인 홀로그램 정보 신호로 변화되어 공간 광변조기(100)에 제공될 수 있다. 백라이트 유닛(232)에 의해 제공된 가간섭성 광은 공간 광변조기(100)에서 표시되는 간섭 패턴에 의해 간섭되어 공간 상에 입체 영상을 형성할 수 있다.
본 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(300)는, 높은 해상도를 갖는 공간 광변조기(100)를 사용하기 때문에, 예를 들어 푸리에 렌즈를 이용하여 일정한 공간 내에 간섭광을 집광시킬 필요가 없다. 따라서, 입체 영상을 볼 수 있는 위치가 제한되지 않기 때문에 시청자의 위치를 추적하기 위한 복잡한 추적 장치가 필요 없다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 나노안테나 전극을 포함하는 공간 광변조기, 및 상기 공간 광변조기를 포함하는 디스플레이 장치에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
100, 100', 110, 120, 130.....공간 광변조기
101, 102.....기판 103.....화소 전극
104.....공통 전극 105.....굴절률 변화층
111.....편광판 113, 114.....나노안테나
230, 231, 232.....백라이트 유닛
200, 210, 220.....디스플레이 장치
250.....렌티큘러 렌즈시트
300.....홀로그래픽 디스플레이 장치

Claims (20)

  1. 서로 대향하여 배치된 제 1 투명 기판 및 제 2 투명 기판;
    상기 제 1 투명 기판과 제 2 투명 기판 사이에 배치되며 전기장에 따라 굴절률 분포가 변화하는 굴절률 변화층; 및
    상기 굴절률 변화층에 전기장을 인가하도록 구성된 화소 전극과 공통 전극;을 포함하며,
    상기 화소 전극은 상기 제 1 투명 기판 상에 배치되고 상기 공통 전극은 상기 제 2 투명 기판 상에 배치되며,
    상기 화소 전극은 특정 파장 대역의 빛을 공진시키도록 구성된 나노안테나 패턴을 포함하고,
    상기 화소 전극의 나노안테나 패턴은 상기 제 1 투명 기판이 노출되도록 상기 화소 전극을 관통하여 형성된 적어도 하나의 개구를 포함하며, 각각의 개구의 폭과 길이는 공진 파장보다 작은 공간 광변조기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 굴절률 변화층은 액정, KTN, LiNbO3, PZT 중에서 적어도 하나를 포함하는 공간 광변조기.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 화소 전극은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al) 중에서 적어도 하나를 포함하는 도전성 금속으로 이루어지는 공간 광변조기.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 공통 전극은 투명 전극인 공간 광변조기.
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 공통 전극은 상기 개구와 대향하는 상기 제 2 투명 기판의 영역에 부분적으로 형성되어 있는 공간 광변조기.
  13. 서로 대향하여 배치된 제 1 투명 기판 및 제 2 투명 기판;
    상기 제 1 투명 기판과 제 2 투명 기판 사이에 배치되며 전기장에 따라 굴절률 분포가 변화하는 굴절률 변화층; 및
    상기 굴절률 변화층에 전기장을 인가하도록 구성된 화소 전극과 공통 전극;을 포함하며,
    상기 화소 전극은 상기 제 1 투명 기판 상에 배치되고 상기 공통 전극은 상기 제 2 투명 기판 상에 배치되며,
    상기 화소 전극은 특정 파장 대역의 빛을 공진시키도록 구성된 나노안테나 패턴을 포함하고,
    상기 화소 전극의 나노안테나 패턴은 상기 화소 전극 상에 볼록하게 형성된 적어도 하나의 볼록한 나노안테나 패턴을 포함하며, 각각의 볼록한 나노안테나 패턴의 폭과 길이는 공진 파장보다 작은 공간 광변조기.
  14. 서로 대향하여 배치된 제 1 투명 기판 및 제 2 투명 기판;
    상기 제 1 투명 기판과 제 2 투명 기판 사이에 배치되며 전기장에 따라 굴절률 분포가 변화하는 굴절률 변화층; 및
    상기 굴절률 변화층에 전기장을 인가하도록 구성된 화소 전극과 공통 전극;을 포함하며,
    상기 화소 전극은 상기 제 1 투명 기판 상에 배치되고 상기 공통 전극은 상기 제 2 투명 기판 상에 배치되며,
    상기 화소 전극은 특정 파장 대역의 빛을 공진시키도록 구성된 나노안테나 패턴을 포함하고,
    상기 화소 전극의 나노안테나 패턴은 상기 화소 전극 상에 오목하게 형성된 적어도 하나의 오목한 나노안테나 패턴을 포함하며, 각각의 오목한 나노안테나 패턴의 폭과 길이는 공진 파장보다 작은 공간 광변조기.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 공간 광변조기의 입광면 또는 출광면에 배치된 편광판을 더 포함하는 공간 광변조기.
  16. 2차원 배열된 다수의 화소들을 포함하는 화소 어레이;
    상기 화소 어레이에 빛을 제공하는 백라이트 유닛; 및
    상기 화소 어레이의 입광면 또는 출광면에 배치된 편광판;을 포함하며,
    각각의 화소는:
    서로 대향하여 배치된 제 1 투명 기판 및 제 2 투명 기판;
    상기 제 1 투명 기판과 제 2 투명 기판 사이에 배치된 굴절률 변화층; 및
    상기 굴절률 변화층 내에 전기장을 인가하도록 구성된 화소 전극과 공통 전극;을 포함하며,
    상기 화소 전극은 상기 제 1 투명 기판 상에 배치되고 상기 공통 전극은 상기 제 2 투명 기판 상에 배치되며,
    상기 화소 전극은 특정 파장 대역의 빛을 공진시키도록 구성된 나노안테나 패턴을 포함하고,
    상기 화소 전극의 나노안테나 패턴은 상기 제 1 투명 기판이 노출되도록 상기 화소 전극을 관통하여 형성된 적어도 하나의 개구를 포함하며, 각각의 개구의 폭과 길이는 공진 파장보다 작은 디스플레이 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 화소 어레이는 적색 화소, 녹색 화소 및 청색 화소를 포함하며,
    상기 적색 화소 내에 배치된 화소 전극과 공통 전극 중에서 적어도 하나는 적색 파장 대역의 빛을 공진시키도록 구성된 나노안테나 패턴을 포함하고,
    상기 녹색 화소 내에 배치된 화소 전극과 공통 전극 중에서 적어도 하나는 녹색 파장 대역의 빛을 공진시키도록 구성된 나노안테나 패턴을 포함하고,
    상기 청색 화소 내에 배치된 화소 전극과 공통 전극 중에서 적어도 하나는 청색 파장 대역의 빛을 공진시키도록 구성된 나노안테나 패턴을 포함하는 디스플레이 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 백라이트 유닛은 상기 적색 화소, 녹색 화소 및 청색 화소에 적색광, 녹색광 및 청색광을 각각 제공하도록 구성된 디스플레이 장치.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 화소 어레이의 전면에 배치된 렌티큘러 렌즈시트 또는 패럴랙스 배리어를 더 포함하는 디스플레이 장치.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 디스플레이 장치는 홀로그래픽 디스플레이 장치이며, 상기 백라이트 유닛은 가간섭성 광을 상기 화소 어레이에 제공하도록 구성된 디스플레이 장치.
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