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KR20190072435A - 웨어러블 디바이스 - Google Patents

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KR20190072435A
KR20190072435A KR1020180159153A KR20180159153A KR20190072435A KR 20190072435 A KR20190072435 A KR 20190072435A KR 1020180159153 A KR1020180159153 A KR 1020180159153A KR 20180159153 A KR20180159153 A KR 20180159153A KR 20190072435 A KR20190072435 A KR 20190072435A
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lens base
less
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신부건
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 유리 기재를 렌즈 기재로 적용한 웨어러블 디바이스에 비하여 가볍고, 파손 시 상대적으로 안전하며, 제품의 부피를 보다 작게 할 수 있는 웨어러블 디바이스에 관한 것이다.

Description

웨어러블 디바이스{WEARABLE DEVICE}
본 명세서는 2017년 12월 15일에 한국특허청에 제출된 한국 특허출원 제10-2017-0173187호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 발명에 포함된다. 본 발명은 웨어러블 디바이스에 관한 것이다.
가상 현실 디바이스 또는 증강 현실 디바이스와 같은 웨어러블 디바이스는 일반적인 안경과 같은 렌즈에 회절 도광 패턴을 형성하여 원하는 이미지를 사용자에게 보이도록 할 수 있다. 일반적으로, 웨어러블 디바이스 용도의 렌즈 기재는 굴절률이 높은 유리 기재를 사용하게 되는데, 유리 기재는 높은 굴절률 및 광투과도를 가지는 장점이 있으나, 파손 시 사용자의 안구에 치명적인 손상을 가할 수 있고, 무게가 무거워 장시간 착용에 불편함이 존재한다.
이에 따라, 기존의 유리 기재 렌즈를 대체할 수 있는 렌즈 기재를 적용한 웨어러블 디바이스에 대한 연구가 필요한 실정이다.
한국 공개공보: KR 10-2015-0060562 A
본 발명은 웨어러블 디바이스를 제공한다. 구체적으로, 본 발명은 플라스틱 렌즈 기재를 적용한 웨어러블 디바이스를 제공한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시상태는, 플라스틱 렌즈 기재; 및 상기 플라스틱 렌즈 기재 상에 구비된, 회절 도광 패턴을 포함하는 회절 도광부를 포함하고, 상기 플라스틱 렌즈 기재의 두께는 0.4 ㎜ 이상 1.5 ㎜ 이하이며, 상기 플라스틱 렌즈 기재의 평균 두께에 대한 두께 편차는 1 % 이내이고, 상기 플라스틱 렌즈 기재상의 길이 30 ㎜ 당 회절광의 전반사 횟수가 40 회 이상 100 회 이하인 것인 웨어러블 디바이스를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 웨어러블 디바이스는 기존의 유리 기재를 렌즈 기재로 적용한 웨어러블 디바이스에 비하여 가볍고, 파손 시 상대적으로 안전한 장점이 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 웨어러블 디바이스는 회절광의 전반사 횟수를 지나치게 높지 않게 조절하여, 추출되는 광량이 약해지는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 웨어러블 디바이스는 두께 편차가 낮은 플라스틱 렌즈 기재를 적용함으로써, 우수한 해상도를 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 웨어러블 디바이스는 얇은 두께의 플라스틱 렌즈 기재를 적용하여, 제품의 부피를 보다 작게 할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 웨어러블 디바이스에 적용되는 플라스틱 렌즈 기재에 입사된 빛이 회절되어 상기 플라스틱 렌즈 기재의 내부를 전반사하며 진행하는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시상태에 따른 웨어러블 디바이스에 적용되는 플라스틱 렌즈 기재 상에 구비된 회절 도광부의 회절 도광 패턴을 확대하여 상기 패턴이 입사광을 회절시키는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시상태에 따른 웨어러블 디바이스에 적용되는 플라스틱 렌즈 기재의 두께에 따라 상기 플라스틱 기재 내부에서 회절광의 전반사 횟수가 달라지는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 마이크로-디스플레이로부터 입력되는 광이 본 발명의 일 실시상태에 따른 웨어러블 디바이스에 적용되는 플라스틱 렌즈 기재를 통하여 사용자의 눈으로 추출되는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시상태에 따른 웨어러블 디바이스에 적용되는 플라스틱 렌즈 기재 상의 회절 도광부의 굴절률이 1.7, 피치가 425 nm이고, 입사광의 파장이 532 nm일 때 입사각(θo)과 회절각(θd)의 관계 그래프를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시상태에 따른 웨어러블 디바이스에 의하여 출사된 이미지를 Image-J 프로그램에 의하여 분석한 그래프를 나타낸 도면이다.
본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에 있어서, "기재상의 길이"란 기재면에 평행한 방향으로서, 플라스틱 렌즈 기재상의 회절 도광부에서 제1영역의 중심으로부터 제2영역의 중심을 향하는 방향을 의미한다.
본 명세서에 있어서, 입자의 입경은 SEM(scanning electron microscope) 이미지, TEM(transmission electron microscope) 이미지 또는 입도 분석기(Malvern, 일본)로 측정될 수 있다. 구체적으로, 입자의 입경은 입도 분석기를 이용하여, 콜로이드 나노 용액 상의 동적 광산란에 의하여 2차 입도를 측정한 것일 수 있다.
본 명세서에 있어서, 입자의 평균 입경은 입자를 TEM(transmission electron microscope)으로 사진을 찍어, 가장 작은 입자 1개의 크기가 2 ㎜ 내지 5 ㎜가 되는 배율로 50 내지 100 개의 입자의 최대 지름을 측정하고 그 평균치를 평균 입경으로 구할 수 있다.
본 명세서에 있어서, 유리 전이 온도(Tg)는 DSC(Differential Scanning Calorimeter)(DSC 823e; Mettler Toledo사)를 이용하여 -15 ℃ 내지 200 ℃ 의 온도 범위에서 가열속도 10 ℃/min으로 승온하여 측정하여 DSC 곡선의 중간점으로 결정된 값일 수 있다.
본 명세서에 있어서, 광굴절률은 25 ℃ 및 50 RH%에서 Spectroscopy Ellipsometry(Ellipsometer M-2000, J.A. Woollam)를 사용하고, Cauchy Film Model을 이용하여 532 ㎚ 파장을 기준으로 측정된 값일 수 있다.
본 명세서에 있어서, 시야각(FOV, Field Of View)이란, 회절광의 진행각이 플라스틱 렌즈 기재 내에서 전반사가 가능한 최소 진행각보다 크게 되는 입사각의 범위를 의미할 수 있다.
본 명세서에 있어서, 광투과율은 SHIMADZU의 UV-Vis-NIR Spectrophotometer 장비인 Solidspec 3700을 사용하여 Transmittance mode로 측정된 값일 수 있다.
본 명세서에 있어서, 헤이즈는 Nippon Denshoku의 COH-400로 측정된 값일 수 있다.
본 명세서에 있어서, 표면 평탄도는 Nanoworld의 NCHR-50의 AFM Probe를 이용하여 4 ㎛ × 4 ㎛ 면적에 대하여, Park Systems의 AFM 장비인 NX10로 측정된 Ra 값일 수 있다.
본 명세서에서, 듀티는 "패턴 구조체의 폭/패턴 구조체의 피치"를 의미할 수 있다.
본 명세서에 있어서, 휘도와 해상도는 특정 광원을 사용하여 입사된 영상이 플라스틱 렌즈 기재 내에서 전반사를 거쳐 출사된 영상으로부터 측정될 수 있다.
구체적으로, LED 광원(SML-LX1610RGBW, A, 525 nm) 앞에 디퓨저(diffuser)를 밀착시켜 면 광원을 형성시킨 후 UASF 1951 resolution chart를 부착하고 시편의 입사부와 광원간 이격이 1 mm가 되도록 배치한다. 입사광은 시편과 수직한 방향에서 입사되도록 한다. 또한, CCD monitor (CA 2000)와 시편의 출사부간 이격이 17 mm가 되도록 배치한다. 회절 도광 샘플로부터 출력된 사진을 Image-J 프로그램을 사용하여 이미지를 분석하여, 측정된 휘도의 최대치(Imax)를 휘도값으로 취한다.
또한, 해상도는 MTF(Modulation Transfer Fucntion, 변조전달함수) 측정법에 의하여 측정될 수 있다. 구체적으로는, 휘도 측정과 같은 방법으로 출력된 사진에서 Group 2의 Element 1 (4 cycle/degree)에 대하여 가로 세로 줄무늬 각각의 MTF를 계산하고 산술 평균을 취하여 회절 도광 샘플의 MTF 값으로 사용한다. MTF는 Image-J 프로그램으로 상기 회절 도광 샘플로부터 출력된 사진의 이미지를 분석한 뒤 하기 식 1을 이용하여 구한다. Imax, Imin은 도 6에서 표시된 영역 (Imax: 적색원, Imin: 청색 원) 과 같이 3점의 값을 취하여 각 평균치를 사용한다.
[식 1]
MTF=(Imax-Imin)/(Imax+Imin)
본 발명자들은 기존의 웨어러블 디바이스에 적용되는 유리 소재의 렌즈 기재를 플라스틱 소재의 렌즈 기재로 대체하기 위한 연구를 지속한 결과, 회절 도광부의 굴절률, 회절 도광 패턴 피치, 높이 등의 특성과 플라스틱 렌즈 기재의 두께, 두께 편차 및 입사된 빛의 전반사 횟수 등의 물성이 웨어러블 디바이스의 성능에 중요한 영향을 미치는 것을 발견하였다. 나아가, 웨어러블 디바이스에 적용되는 회절 도광부의 굴절률 및 회절 도광 패턴의 피치를 조절하여 플라스틱 렌즈 기재 내에서 진행하는 회절광의 회절각을 제어하고 플라스틱 렌즈 기재의 광굴절률 및 두께, 두께 편차 등을 조절함으로써 회절된 빛의 전반사 특성을 제어함으로써 웨어러블 디바이스에 최적화된 플라스틱 렌즈 기재를 발명하게 되었다.
이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시상태는, 플라스틱 렌즈 기재; 및 상기 플라스틱 렌즈 기재 상에 구비된, 회절 도광 패턴을 포함하는 회절 도광부를 포함하는 웨어러블 디바이스를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 웨어러블 디바이스에 적용되는 플라스틱 렌즈 기재에 입사된 빛이 회절되어 상기 플라스틱 렌즈 기재의 내부를 전반사하며 진행하는 것을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 상기 플라스틱 렌즈 기재 상에 구비된 회절 도광부의 회절 도광 패턴을 확대하여 상기 회절 도광 패턴이 입사광을 회절시키는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1 및 도 2를 참고하면, 회절 도광부(100)에 입사하는 입사광(210)은 θ0의 입사각으로 입사하여 상기 회절 도광부(100)의 회절 도광 패턴(110)에 의하여 회절하며, 회절된 회절광(220)은 상기 플라스틱 렌즈 기재(300)의 내부를 θd의 회절각으로 진행한다.
상기 회절 도광 패턴이 형성된 회절 도광부에 입사된 빛의 회절각은 하기 식 2에 의해 구할 수 있다.
[식 2]
n sinθd - n0 sinθ0 = λ/a
본 명세서 전체에서, n은 회절 도광부의 굴절률, n0은 공기의 굴절률, λ은 파장, a는 회절 도광 패턴의 피치를 각각 의미한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라스틱 렌즈 기재의 두께는 0.4 ㎜ 이상 1.5 ㎜ 이하이다. 구체적으로, 상기 플라스틱 렌즈 기재의 두께는 0.4 mm 이상 1.3 mm 이하, 0.5 mm 이상 1.1 mm 이하, 또는 0.6 mm 이상 1 mm 이하일 수 있다.
도 3은 플라스틱 렌즈 기재의 두께에 따라 상기 플라스틱 기재 내부에서 회절광의 전반사 횟수가 달라지는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 3을 참고하면, 플라스틱 렌즈 기재(300)의 두께가 얇을수록 동일한 회절각을 갖는 회절광(220)이라도 전반사 횟수가 많아지게 된다. 따라서, 플라스틱 렌즈 기재(300)의 두께가 상기 범위 내인 경우, 회절광(220)의 지나치게 많은 전반사를 방지하여 광량의 손실을 최소화할 수 있으며, 나아가, 웨어러블 디바이스의 부피를 최소화할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라스틱 렌즈 기재의 평균 두께에 대한 두께 편차는 1 % 이하이다. 구체적으로는, 상기 플라스틱 렌즈 기재의 평균 두께에 대한 두께 편차는 0.5 % 이하일 수 있다. 상기 플라스틱 렌즈 기재의 평균 두께에 대한 두께 편차는 하기 식 3에 의하여 도출될 수 있다.
[식 3]
두께 편차(%) = {(최대 두께 - 최소 두께)/평균 두께} × 100
본 명세서에서, 부재의 최대 두께, 최소 두께 및 평균 두께는 25 ℃ 및 50 RH%에서 파이버프로 사의 OWTM(Optical Wafer Thickness Measurement system) 장비를 이용한 비접촉식 측정 방법으로 구할 수 있다. 구체적으로, 크기 50 ㎜ × 50 ㎜의 샘플을 준비하고, 각 모서리의 말단으로부터 5 ㎜씩을 제외한 40 ㎜ × 40 ㎜의 면적에 대하여 가로, 세로 1 ㎜ 간격으로 두께를 측정하여, 총 1681점에 대한 두께 값을 얻은 후, 이 중 가장 높은 값은 최대 두께로 하고, 가장 낮은 값을 최소 두께로 하며, 측정된 총 1681점에 대한 산술 평균 값을 통하여 평균 두께를 구할 수 있다.
본 명세서에 있어서, "평균 두께에 대한 두께 편차"는 "두께 편차"와 동일한 의미로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라스틱 렌즈 기재의 두께 편차는 일반적인 플라스틱 렌즈 기재의 두께 편차(2 % 내지 5 %)에 비하여 월등하게 낮은 값을 가지므로, 상기 웨어러블 디바이스는 우수한 해상도의 광정보를 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라스틱 렌즈 기재상의 길이 30 mm 당 회절광의 전반사 횟수가 40 회 이상 100 회 이하이다. 구체적으로, 상기 플라스틱 렌즈 기재상의 길이 30 ㎜ 당 회절광의 전반사 횟수가 40회 이상 80 회 이하, 40 회 이상 50 회 이하, 또는 40 회 이상 45 회 이하일 수 있다.
상기 플라스틱 렌즈 기재 내에서 일어나는 전반사 횟수를 상기 범위로 제어하여 추출되는 광량을 높임으로써 출력 화상의 휘도를 높일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전반사 횟수는 532 ㎚ 파장의 빛을 기준으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 회절 도광부 및 상기 플라스틱 렌즈 기재의 532 nm 파장에서의 광굴절률은 1.65 이상일 수 있다. 일반적인 고굴절 유리 기재의 경우, 광굴절률이 532 ㎚ 파장에서 1.65 이상일 수 있으며, 본 발명의 일 실시상태에 따른 상기 플라스틱 렌즈 기재는 유리 기재와 동등 또는 그 이상의 광굴절률을 가지므로, 유리 재질의 렌즈 기재를 대체하여 웨어러블 디바이스에 적용할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 회절 도광부와 상기 플라스틱 렌즈 기재의 굴절률 차이는 0.05 이하일 수 있다. 상기 범위의 굴절률 차이를 갖는 경우, 상기 회절 도광부와 상기 플라스틱 렌즈 기재 사이에서의 빛의 손실이 최소화될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 웨어러블 디바이스는 시야각이 30˚ 이상일 수 있다. 더욱 구체적으로는 시야각이 40˚ 이상일 수 있다. 전술한 범위의 시야각을 가짐으로써 더 넓은 범위의 이미지를 제공할 수 있어 우수한 품질의 영상을 사용자에게 제공할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시상태에 따른 웨어러블 디바이스에 적용되는 플라스틱 렌즈 기재 상의 회절 도광부의 광 굴절률이 1.7이고 입사광의 파장이 532 nm이며, 상기 회절 도광부에 포함된 회절 도광 패턴의 피치가 425 nm일 때 입사각(θo)에 따른 회절각(θd)을 나타낸 것이다. 회절광 중 θmin 이상의 회절각을 갖는 회절광만이 상기 플라스틱 렌즈 기재 내부에서 전반사되어 출사부로 진행할 수 있다. 전반사가 일어나는 최소 회절각(θmin, 임계각)은 하기 식 4에 의하여 구할 수 있다.
[식 4]
n sin θmin = n0/n
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 회절 도광 패턴의 피치는 100 nm 이상 800 nm 이하일 수 있고, 높이는 0 nm 초과 500 nm 이하일 수 있다. 구체적으로는, 상기 회절 도광 패턴의 피치는 100 nm 이상 500 nm 이하, 100nm 이상 300 nm 이하, 200 nm 이상 700 nm 이하, 200 nm 이상 500 nm 이하, 200 nm 이상 300 nm 이하, 300 nm 이상 700 nm 이하, 300 nm 이상 500 nm 이하, 400 nm 이상 700 nm 이하, 400 nm 이상 500 nm 이하, 500 nm 이상 700 nm 이하 또는 600 nm 이상 700 nm 이하일 수 있다.
또한, 구체적으로 상기 회절 도광 패턴의 높이는 0 nm 초과 400 nm 이하, 0 nm 초과 300 nm 이하 또는 0 nm 초과 200 nm 이하일 수 있다. 회절 도광 패턴이 상기 범위 내의 피치 및 높이를 가짐으로써, 회절광이 플라스틱 렌즈 기재 내에서 효율적으로 전반사될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 회절 도광 패턴의 듀티와 경사각(Slanted angle)은 통상의 회절 도광부에 적용되는 범위 내에서 적절히 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라스틱 렌즈 기재의 헤이즈는 1 % 이하일 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라스틱 렌즈 기재의 532 nm 파장에서의 광투과율은 80 % 이상일 수 있다.
상기 플라스틱 렌즈 기재의 헤이즈 및 광투과율의 범위가 상기 범위 이내인 경우, 웨어러블 디바이스 용도로서 적절한 투명도를 가질 수 있으며, 나아가 상기 플라스틱 렌즈 기재를 통하여 출력되는 화상의 해상도를 높일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라스틱 렌즈 기재의 표면 평탄도는 1 ㎛ 이하일 수 있다. 상기 표면 평탄도는 표면 거칠기(Ra)와 동일한 의미일 수 있다. 구체적으로, 상기 표면 평탄도가 상기 범위 이내인 경우, 상기 플라스틱 렌즈 기재 내에서 회절광의 경로가 틀어지는 것을 방지할 수 있다. 나아가, 상기 플라스틱 렌즈 기재를 통하여 출력되는 화상의 해상도 저하를 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라스틱 렌즈 기재는 532 ㎚ 파장에서의 광굴절률이 1.8 이상이고, 입경이 50 ㎚ 이하인 무기 입자를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 무기 입자는 실리카, 알루미나, 지르코니아, 제올라이트 및 티타늄 산화물 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 무기 입자는 532 ㎚ 파장에서의 광굴절률이 1.8 이상, 구체적으로 1.9 이상, 보다 구체적으로 2.0 이상일 수 있다.
본 명세서에서, 무기 입자의 광굴절률은 아베 굴절계를 이용하여 측정될 수 있다. 또한, 무기 입자와 아크릴레이트 바인더를 혼합하여 제조한 플라스틱 기재의 굴절률을 Ellipsometer로 측정하여 간단히 계산할 수 있다. 예를 들어, 아크릴레이트 HR6042(RI아크릴, 굴절률 1.60, 밀도 1.18) 50 중량부에 무기 입자 50 중량부를 혼합하여 제조한 플라스틱 기재의 굴절률이 RI기재이고 아크릴레이트의 부피 분율이 V아크릴, 무기 입자의 부피 분율이 V입자 인 경우, RI기재 = (RI아크릴 × V아크릴) + (RI입자 × V입자)이므로 이를 이용하여 무기 입자의 굴절률을 구할 수 있다.
상기 무기 입자는 상기 플라스틱 렌즈 기재의 광굴절률을 1.65 이상으로 구현할 수 있도록 하는 역할을 할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 무기 입자의 입경은 50 ㎚ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 무기 입자의 입경은 40 ㎚ 이하, 35 ㎚ 이하, 또는 30 ㎚ 이하일 수 있다. 또한, 상기 무기 입자의 입경은 5 ㎚ 이상, 또는 10 ㎚ 이상일 수 있다. 나아가, 상기 무기 입자의 입경은 평균 입경일 수 있다.
상기 무기 입자의 입경이 상기 범위 내인 경우, 상기 무기 입자는 상기 플라스틱 렌즈 기재의 제조시 높은 분산성을 유지할 수 있으며, 나아가, 상기 플라스틱 렌즈 기재에 투명성을 부여하여 광굴절률을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 무기 입자의 함량은, 상기 플라스틱 렌즈 기재의 고분자 매트릭스 100 중량부에 대하여, 20 중량부 이상 70 중량부 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 무기 입자의 함량은, 상기 플라스틱 렌즈 기재의 고분자 매트릭스 100 중량부에 대하여, 25 중량부 이상 70 중량부 이하, 또는 30 중량부 이상 70 중량부 이하일 수 있다.
상기 무기 입자의 함량이 상기 범위 내인 경우, 상기 플라스틱 렌즈 기재의 광굴절률이 532 ㎚ 파장에서 1.65 이상으로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라스틱 렌즈 기재는 황 원자가 20 wt% 이상 함유된 황 함유 화합물을 포함한 매트릭스 조성물을 이용하여 형성된 것일 수 있다. 상기 황 함유 화합물은 상기 플라스틱 렌즈 기재의 광굴절률을 높게 조절하는 역할을 할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 황 함유 화합물은 티올기 함유 화합물, 티오우레탄기 함유 화합물 및 티오에폭시기 함유 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 티올기 함유 화합물은 분자 내에 하나 이상의 티올기(-SH)를 함유한 화합물로서, 예를 들어 메탄디티올, 1,2-에탄디티올, 1,1-프로판디티올, 1,2-프로판디티올, 1,3-프로판디티올, 2,2-프로판디티올, 1,6-헥산디티올, 1,2,3-프로판트리티올, 비스(2- 메르캅토에틸) 설파이드, 비스(2,3-디메르캅토프로파닐) 설파이드, 비스(2,3- 디메르캅토프로파닐) 디설파이드, 비스(메르캅토메틸)-3,6,9-트리티아운데칸-1,11-디티올, 펜타에리트리톨 테트라키스 티오글리콜레이트, 펜타에리트리톨 테트라키스(2-머캅토아세테이트), 펜타에리트리톨 트리스(3-머캅토아세테이트), 트리메티롤프로판트리스(3-머캅토프로피오네이트), 트리메티롤프로판 테트라키스(3-머캅토프로피오네이트) 등을 들 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 티오우레탄기 함유 화합물은 하나 이상의 이소시아네이트기(-NCO)를 갖는 화합물과 하나 이상의 티올기를 갖는 화합물을 사용하여 제조할 수 있으며, 이소시아네이트와 티올의 몰비(SH/NCO)를 조절하여 다양한 티오우레탄기 함유 화합물을 제조할 수 있다. 상기 이소시아네이트기를 갖는 화합물은, 예를 들어 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 이소포론 디이소시아네이트, 톨루엔 디이소시아네이트, 자일렌 디이소시아네이트, 디메틸페닐렌 디이소시아네이트 등을 들 수 있다.
상기 티오에폭시기 함유 화합물로서, 예를 들어 비스(2,3-에피티오프로필) 설파이드, 비스(2,3-에피티오프로필) 디설파이드, 비스(2,3-에피티오프로필)트리설파이드, 비스(2,3-에피티오프로필 티오) 시클로헥산, 비스(2,3-에피티오프로필 티오시클로헥실)설파이드 등을 들 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라스틱 렌즈 기재는 아크릴계 고분자 매트릭스 내에 상기 무기 입자가 분산된 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 플라스틱 렌즈 기재는 아크릴계 단량체 및/또는 아크릴계 공중합체, 및 상기 황 함유 화합물을 포함하는 매트릭스 조성물을 이용하여 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라스틱 렌즈 기재의 유리전이온도(Tg)는 40 ℃ 이상일 수 있다. 웨어러블 디바이스의 경우, 지속적인 영상의 전송 및 출력이 진행될 수 있으며, 이에 따라 렌즈 기재의 온도가 상승할 수 있다. 이에, 상기 플라스틱 렌즈 기재는 유리전이온도가 40 ℃ 이상으로서, 웨어러블 디바이스의 렌즈 기재로 사용하더라도 온도에 따른 물성 변화를 최소화할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 회절 도광부는 광이 입사되는 제1 영역 및 광이 추출되는 제2 영역을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 회절 도광부는 상기 플라스틱 렌즈 기재 상에 구비되고, 회절 도광 패턴을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 회절 도광부는 고굴절 성분을 함유하는 열경화성 수지 또는 광경화성 수지를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 열경화성 수지 또는 광경화성 수지는 우레탄 아크릴레이트 또는 에폭시 아크릴레이트 등을 포함하는 아크릴계 수지, 폴리아미드 수지, 폴리이미드 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지 및 폴리에스테르 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으나, 그 종류를 제한하는 것은 아니다.
도 4는 마이크로-디스플레이로부터 입력되는 광이 본 발명의 일 실시상태에 따른 웨어러블 디바이스에 적용되는 플라스틱 렌즈 기재를 통하여 사용자의 눈으로 추출되는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4를 참고하면, 상기 제1 영역 또는 상기 제2 영역은 일측에서 타측까지 점진적으로 높이가 증가하는 회절 도광 패턴을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 영역의 회절 도광 패턴은 상기 플라스틱 렌즈 기재에 대하여 50 ° 이상 90 ° 미만의 경사각을 이루며 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 제2 영역의 회절 도광 패턴의 높이를 상기 제2 영역의 일측에서 타측방향을 따라 점진적으로 증가시킴으로써, 상기 제2 영역의 일측에서 타측방향으로 광이 회절되는 과정에서 광량이 감소되는 것을 방지하여, 상기 제2 영역의 부분별 출사되는 광의 광도를 일정하게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 제2 영역은 일측에서 타측까지 점진적으로 듀티가 증가하는 회절 도광 패턴을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 제2 영역은 일측에서 타측까지 점진적으로 듀티가 증가하는 회절 도광 패턴을 포함함으로써, 상기 제2 영역의 일측에서 타측까지 광굴절률을 점진적으로 증가시킬 수 있다. 상기 제2 영역의 일측에서 타측방향을 따라 회절 도광 패턴의 듀티가 점진적으로 증가됨으로써, 상기 제2 영역은 일측에서 타측방향으로 광굴절률이 점진적으로 증가될 수 있다. 상기 제2 영역의 일측에서 타측으로 광굴절률이 점진적으로 증가됨으로써, 상기 제2 영역의 일측에서 타측까지 광 회절 효율이 점진적으로 증가될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 제2 영역에 포함되는 회절 도광 패턴의 듀티는 0.1 이상 1.0 이하일 수 있다. 상기 제2 영역에 포함되는 상기 회절 도광 패턴의 듀티를 상기 범위로 조절함으로써, 광 회절 효율이 우수한 제2 영역을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 회절 도광부의 제2 영역의 회절 도광 패턴의 피치는 일정하게 설정하고, 제2 영역의 일측에서 타측방향으로 상기 회절 도광 패턴의 폭을 점진적으로 증가시킴으로써, 상기 회절 도광 패턴의 듀티를 상기 제2 영역의 일측에서 타측까지 점진적으로 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 웨어러블 디바이스는 증강현실 디바이스 또는 가상현실 디바이스일 수 있다.
상기 플라스틱 렌즈 기재는 상기 웨어러블 디바이스의 렌즈 기재로서, 상기 일면 상에 회절 도광부를 포함하여 입력된 광 정보의 입력, 이동 및 송출을 하는 기재로서 적용될 수 있다.
상기 플라스틱 렌즈 기재는 높은 광굴절률을 가지므로, 광손실을 최소화하며 광 정보의 이동을 도모할 수 있다. 나아가, 상기 플라스틱 렌즈 기재는 높은 유리전이온도를 가지므로, 웨어러블 디바이스의 작동에 따른 열에 의하여 물성의 변화를 최소화하여 높은 내구성을 구현할 수 있다. 나아가, 상기 플라스틱 렌즈 기재에 의하여, 본원 발명은 종래의 유리 렌즈 기재를 적용한 웨어러블 디바이스에 비하여 가볍고 안정성이 높은 웨어러블 디바이스를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
[ 실시예 1]
MGC社 Lumiplus LPJ-1102를 재료로 이용하여, 완충형 스페이서가 적용된 몰드 캐스팅 방법으로 두께가 0.5 ㎜ 및 532 ㎚ 파장에서의 광굴절률이 1.70인 플라스틱 렌즈 기재 제조하였다. 제조된 플라스틱 렌즈 기재의 두께 편차는 0.5 %였다.
나아가, 제조된 플라스틱 렌즈 기재를 50 × 50 ㎟로 재단한 후, 한 면에 UV 경화형 임프린트용 수지를 1 ㎛ 두께로 도포하였다. 피치 425 nm, 깊이 125 nm, 듀티가 0.4인 회절 도광 패턴이 음각으로 형성된 필름 형태의 몰드를 압착한 후 UV를 노광하여 플라스틱 렌즈 기재 상에 회절 도광 패턴을 가지는 회절 도광부를 제조하였다.
플라스틱 렌즈 기재의 물성을 하기 표 1과 같이 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시예 2 내지 4 및 비교예 1 내지 3에 따른 플라스틱 렌즈 기재 및 상기 플라스틱 렌즈 기재 상의 회절 도광부를 제조하였다. 또한, 상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 플라스틱 렌즈 기재의 기재상 길이 30 mm 당 회절광의 전반사 횟수 및 유리전이온도를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 및 비교예 플라스틱 렌즈 기재의 재료 광굴절률
(@ 532 nm)		 플라스틱 렌즈 기재 길이 30 mm 당
회절광의 전반사 횟수		 두께
(mm)		 두께 편차
(%)		 Tg
(℃)
실시예 1 LPJ-1102 1.7 83 0.5 <1 90
실시예 2 LPJ-1102 1.7 52 0.8 <1 90
실시예 3 LPJ-1102 1.7 41 1 <1 90
실시예 4 LPJ-1102+
비스(2,3-에피티오프로필) 디설파이드		 1.74 43 1 <1 85
비교예 1 폴리카보네이트 1.49 67 0.5 4 145
비교예 2 LPJ-1102 1.7 138 0.3 <1 90
비교예 3 LPJ-1102 1.7 41 1 5 90
또한, 제조된 상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3의 회절 도광부에 대하여 임계각, 휘도, 해상도, 시야각, 투과도 및 헤이즈를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
구분 임계각
(θmin)		 시야각
(FOV)		 휘도
(cd/㎡)		 해상도
(MTF)		 투과도
(%)		 Haze
(%)
실시예 1 36˚ 41˚ 2.23 0.21 89.3 0.2
실시예 2 36˚ 41˚ 10.95 0.36 88.7 0.3
실시예 3 36˚ 41˚ 19.25 0.64 88.4 0.3
실시예 4 35˚ 44˚ 18.99 0.53 87.2 0.2
비교예 1 42˚ 29˚ 5.19 0.17 90.4 0.4
비교예 2 36˚ 41˚ 0.17 0.16 89.8 0.3
비교예 3 36˚ 41˚ 19.03 0.19 88.4 0.3
상기 표 1 및 2를 참고하면, 실시예 1 내지 4에 의한 웨어러블 디바이스는 플라스틱 렌즈 기재가 0.4 mm 이상 1.5 mm 이하, 1% 이하의 두께 편차 및 기재상의 길이 30 mm 당 40 회 이상 100 회 이하의 회절광 전반사 횟수를 가짐으로써, 적절한 휘도와 해상도를 갖는 영상을 사용자에게 제공할 수 있다. 또한 41˚ 이상의 넓은 시야각을 제공하여 우수한 품질의 영상을 사용자에게 제공할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
반면에, 비교예 1 및 3은 플라스틱 렌즈 기재의 두께 편차가 각각 4 % 및 5 %로 커서, 출사되는 영상의 해상도가 낮으며, 특히 비교예 1은 시야각이 좁고 헤이즈가 높아 영상 품질이 떨어짐을 확인할 수 있다. 플라스틱 렌즈 기재의 두께가 0.4 mm 이하로 얇아 30 mm 당 전반사 횟수가 100 이상인 비교예 2의 플라스틱 렌즈 기재는 휘도가 매우 낮아서 웨어러블 디바이스에 쓰기에 부적합한 것을 확인할 수 있다.
100: 회절 도광부
110: 회절 도광 패턴
210: 입사광
220: 회절광
300: 플라스틱 렌즈 기재

Claims (11)

  1. 플라스틱 렌즈 기재; 및 상기 플라스틱 렌즈 기재 상에 구비된, 회절 도광 패턴을 포함하는 회절 도광부를 포함하고,
    상기 플라스틱 렌즈 기재의 두께는 0.4 ㎜ 이상 1.5 ㎜ 이하이며,
    상기 플라스틱 렌즈 기재의 평균 두께에 대한 두께 편차는 1 % 이하이고,
    상기 플라스틱 렌즈 기재상의 길이 30 ㎜ 당 회절광의 전반사 횟수가 40 회 이상 100 회 이하인 것인 웨어러블 디바이스.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라스틱 렌즈 기재의 532 ㎚ 파장에서의 광굴절률은 1.65 이상인 것인 웨어러블 디바이스.
  3. 청구항 1에 있어서,
    시야각이 30˚ 이상인 것인 웨어러블 디바이스.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 회절 도광 패턴의 피치(Pitch)는 100 nm 이상 800 nm 이하이고, 높이가 500 nm 이하인 웨어러블 디바이스.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라스틱 렌즈 기재의 헤이즈(Haze)는 1 % 이하인 것인 웨어러블 디바이스.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라스틱 렌즈 기재의 532 ㎚ 파장에서의 광투과율은 80 % 이상인 것인 웨어러블 디바이스.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라스틱 렌즈 기재의 유리전이온도(Tg)는 40 ℃ 이상인 것인 웨어러블 디바이스.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 회절 도광부는 광이 입사되는 제1 영역 및 이동된 광이 추출되는 제2 영역을 포함하는 것인 웨어러블 디바이스.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2 영역의 회절 도광 패턴은 일측에서 타측까지 점진적으로 높이가 증가하는 것인 웨어러블 디바이스.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2 영역의 회절 도광 패턴은 일측에서 타측까지 점진적으로 듀티(Duty)가 증가하는 것인 웨어러블 디바이스.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 웨어러블 디바이스는 증강현실 디바이스 또는 가상현실 디바이스인 것인 웨어러블 디바이스.
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