Multi-view display system is a promising method for three-dimensional image realization. The system produces three-dimensional images by localizing several viewing zones. This provides motion parallax to a certain angle of viewing zone as the observer moves inside the area. As the number of viewing zones increases, the multi-view system provides more smooth motion parallax. However, the limitation is that the resolution become lower simultaneously.
In this paper, a fabrication of liquid-filled tunable lenticular lens array is proposed for an idea of increasing viewing zones without resolution loss. The liquid lenticular lens array operates by using electro-wetting principle which modifies the surface tension of liquids on a solid surface using a voltage. By applying certain voltages, the structural shape of the liquid in a chamber can become a lenticular lens shape from initial state. In addition, the left and right electrodes of the proposed liquid lenticular lens are separated so that different voltages can be applied to each side. This results in shifted viewing zones as the optical axis of the liquid lens is tilted. Therefore, the number of viewing zones can be doubled by switching optical axes of the liquid lenticular lens array quickly.
The liquid-filled lenticular lens array consists of two different types of liquids and a chamber. The master mold of the chamber is fabricated by wet-etching process on a <100> silicon wafer by KOH solution to make a trapezoidal-shaped chamber. The liquid lens with slanted side walls have an advantage of achieving high dioptric power. After electroplating process to make a nickel mold, the chamber structure is replicated in poly methyl methacrylate (PMMA) by hot embossing. Shadow evaporation is used to deposit gold separately on each side of sidewalls, and additional patterning processes including metal transfer micro-molding method are conducted for the electrode separation patterning.
The proposed liquid lenticular lens array operates as three states of convex lenticular lens array. Left and right directional tilted states, and a normal state without tilting effect are those. The tilting angle of each tilted states is ±4°. At the tilted states, the measured positions of viewing zones are shifted by ±4° horizontally. Therefore, the entire field of view is increased by 8 degrees. Furthermore, as combining the shifted viewing zones at the same time, the number of viewing zones generated by the proposed liquid lenticular lens array can be expected to be increased in three times with time-multiplexing process.
본 연구는 전극 분리 패터닝을 이용한 형상가변형 액체 렌티큘러 렌즈 어레이의 제작 공정을 제시하였다. 일반적으로, 렌티큘러를 이용한 멀티뷰 시스템은 고체 렌티큘러 렌즈 어레이를 사용하기 때문에 그 구조적 형태를 변형시킬 수 없다. 이 경우, 시점 수를 증가시킬수록 해상도가 저하되는 물리적 한계가 존재한다. 이를 극복하기 위해 super multi-view (SMV) 기술이 연구되어 왔으며, 다양한 방법으로 시점 수의 한계를 극복한 연구들이 제시되었다. 하지만, 지금까지 제시된 SMV 시스템들은 여러가지 기계적 작동을 필요로 하기 때문에 보정이 어렵고 디바이스의 크기가 매우 크다는 문제를 여전히 안고 있다. 이러한 문제들을 개선하고 보다 향상된 SMV 시스템을 설계하기 위해 제시된 새로운 SMV기술이 본 연구에서 제시된 형상가변형 액체 렌티큘러 렌즈 어레이를 이용한 시점 다중화 기술이다.
전기습윤 현상을 통해 동작하는 액체 렌티큘러 렌즈 어레이의 경우, 액체에 가해지는 외부 전압에 따라 액체의 표면 구조가 변형된다. 이 현상을 응용하여, 액체와 접촉하고 있는 양쪽 측면 격벽에 서로 다른 전압을 인가하게 되면 해당 액체가 볼록 렌즈 형태로 변형됨과 동시에 광축이 기울어진 모양을 갖게 된다. 이 기술을 액체 렌티큘러 렌즈 어레이에 적용시킬 경우, 광축이 기울어짐에 따라 생성된 시점들 역시 수평 방향으로 이동되는 현상을 보인다. 이 과정이 반복적으로 매우 빠르게 이루어질 경우, 사람의 눈은 원래의 시점들과 이동된 시점들이 동시에 존재하는 것으로 인식하게 되며 결과적으로 시점 수가 늘어난 효과를 기대할 수 있다.
위의 아이디어를 구현하기 위해, 액체 렌티큘러 렌즈 어레이 챔버 상에서 양쪽 격벽의 전극을 서로 분리시키는 패터닝 방법에 대한 실험을 진행하였다. 먼저, shadow evapo-ration공정을 통하여 챔버의 바닥에 증착되는 전극을 제거하였으며, 다음으로 격벽의 윗면에 증착된 전극을 제거하는 방법으로 여러 가지 방법을 시도해보았다. 가장 먼저 시도된 공정 방식은 드라이 필름 PR을 이용한 photolighography 과정이었지만 챔버의 구조적 특징상 PR 패터닝이 이루어지기에 불안정하기 때문에 적합하지 않다는 결론을 얻었다. 다음으로 폴리싱 방식을 시도해보았지만, 이 역시 전극의 표면 거칠기가 악화되는 문제가 있었다. 마지막으로 적용한 metal transfer micro-molding 공정은 전극으로 사용된 금의 접착력 차이를 이용한 방식으로, PDMS 금형에 증착된 금을 노광된 NOA 81로 옮기는 방식이다. 이 공정 과정을 통해 격벽의 양쪽 전극이 서로 분리되어 패터닝된 액체 렌티큘러 렌즈 어레이의 챔버 제작이 완성되었다.
앞서 완성된 전극 분리 챔버로부터 제작한 형상가변형 액체 렌티큘러 렌즈 어레이는 총 3가지의 동작 상태를 구현하였다. 왼쪽으로 기울인 상태, 오른쪽으로 기울인 상태, 그리고 정상 동작 상태가 그 3가지이며, 그에 따라 생성된 시점들 역시 각 방향으로 움직이는 현상을 보였다. 렌즈를 기울이는 동작의 경우, 광축의 경사각은 4도였으며, 시점들의 이동 각도 역시 4도로 동일했다. 결론적으로, 각 이동된 시점들이 동시에 보인다고 가정했을 때, 시점이 3배로 늘어나며 시야각은 8도만큼 늘어나는 효과를 보였다. 이 때,
앞의 실험 결과, 본 논문에서 제시한 형상가변형 액체 렌티큘러 렌즈 어레이는 효과적인 시점 이동 현상을 보였으며, 시분할 구동을 통한 시점 다중화 구현에 대한 가능성을 보여주었다. 본 연구 결과를 바탕으로 액체 렌티큘러 렌즈 어레이의 시분할 구동에 대한 추가적인 연구를 병행하면, 해상도 저하 없이 시점 수를 배로 늘릴 수 있는 효과적인 SMV 기술로서 앞으로 3D디스플레이 산업 발전에 기여할 수 있을 것이다.
