Conventional stereoscopic display glasses often lead to viewer discomfort and resultingly, there has been continued research on autostereoscopic displays that obviate the need for wearing glasses. Using the multi-view method is one of the most common approaches to autostereoscopic display design, with two types of multi-view 3D displays: parallax barrier type and lenticular lens type. The lenticular lens uses a small, rugged vertical type lens, which allows an image to be divided into left and right images. The lenticular lens has the merit in that a higher optical transmittance can be obtained because there is no optical barrier. However, since a conventional lenticular lens is solid, its shape is fixed, and when a lenticular lens is mounted on a flat panel display, only a 3D image can be implemented, as a 2D image is difficult to implement. In keeping with this, autostereoscopic displays, which can convert 2D and 3D images, have emerged as one of the next generation display technologies. Therefore, various studies on the fabrication of tunable lenticular lenses using liquid crystals, polymer membranes, and liquid lenses have been carried out to develop autostereoscopic displays capable of 2D/3D conversion. Among them, liquid lenticular lenses using the electrowetting phenomenon have a high optical transmittance as well as a driving speed which is much faster than the other two methods (liquid crystal and polymer membrane). Because they have a low driving voltage, liquid lenticular lenses are also suitable for use in mobile devices that are sensitive to power consumption. The electrowetting liquid lenticular lens consists of two immiscible liquids, one corresponding to a conductive liquid, and the other a nonconductive liquid. The interface between the two immiscible liquids forms a lens. If the contact angle of the conductive liquid located on the electrode is changed by controlling the applied voltage, the radius of curvature of the lens can be changed. As the radius of curvature of the lens changes, the focal length also changes. Therefore, 2D images can be viewed in the plane lens state, and 3D images can be viewed in the convex lens state. However, since liquid lenticular lenses using the electrowetting phenomenon, which was previously proposed, all exhibited the concave lens state in the initial state due to planoconvex structure, it was necessary to apply an additional voltage to form the plane lens state. This initial concave lens state is a step that should be omitted in order to lower the driving voltage. Therefore, in this research, a new biconvex structure is proposed in which the initial lens state is a plane lens.
The fabrication of the electrowetting lenticular lens is based on microelectromechanical system (MEMS) technology. First, for the reproducible production of the chamber, a hot embossing process using a metal slave mold was adopted. The metal slave mold used in this process was prepared by electro-plating nickel after etching a (100) silicon wafer with KOH. After the completed metal slave mold was placed on a polymer substrate of PMMA, heat and pressure were applied through a pressing machine to produce a chamber of the same shape. The lens pitch in the fabricated chamber was 412.68 μm and the slope of the partition wall was 54.7 degrees. The upper part of the partition wall was designed to have a width of 30 μm. A 2-inch PMMA lenticular lens chamber was fabricated by this method. Since the cross-sectional view of the fabricated chamber had an inverted trapezoidal shape, additional measures were required to fabricate the chamber with a biconvex structure. Therefore, ethoxylated trimethylolpropane triacrylate (ETPTA) was uniformly dosed into the chamber and cured with ultraviolet rays to form a curved shape. Next, a gold electrode was deposited using a thermal evaporation process, and a parylene C dielectric layer was deposited using a chemical vapor deposition (CVD) process. Under atmospheric conditions, nonconductive liquid chloronaphthalene (CN) was injected into the chamber through a micro syringe. After that, a chamber filled with nonconductive liquid was placed in a water tank, and sealed with ITO coated glass. At this point, a polycarbonate (PC) gasket was placed between the chamber and the ITO glass to maintain the gap, and double-sided sticky tape and UV adhesive (NOA 63 and NOA 81) were used for the sealing process.
In this research, to improve the characteristics of an electrowetting lenticular lens with planoconvex structure, the fabrication method and characteristics of the newly developed electrowetting lens with biconvex structure through ETPTA were examined. Since the newly fabricated electrowetting lenticular lens had a biconvex structure, it was possible to obtain a high dioptric power even with a relatively small voltage applied, since light refraction occurs twice in total. Also, since it was no longer necessary to match the refractive index of the nonconductive liquid with the refractive index of the chamber material, it was also possible to use a nonconductive liquid with a higher refractive index than that of a conventional planoconvex structure. The nonconductive liquid with the high refractive index also helped the electrowetting lenticular lens array to achieve high dioptric power. In turn, this improved power makes it possible to make the distance from the optical center of the lens to the image (display) shorter. This means that the thickness of the chamber can be reduced accordingly. By reducing the thickness of the chamber, the ratio of the crosstalk to the field of view is also reduced, enabling a viewer to watch clearer 3D images than before. In addition, when the amount of nonconductive liquid was quantified and dosed into the chamber, the lower part of the lenticular lens could function as a convex lens, and the upper part could serve as a concave lens. If the specific radius of curvature condition is satisfied, the effect is the same as a plane lens. This research used geometric optics and mathematical analysis to discover the conditions under which a biconvex electrowetting lenticular lens can show a plane lens state when no voltage is applied. As an electrowetting lenticular lens has the same effect as a plane lens even when the voltage is not applied, the driving voltage can be lower than that of a conventional planoconvex lenticular lens. Because the planoconvex structure electrowetting lenticular lens showed a concave lens state in the initial state when no voltage was applied, it was necessary to apply an additional voltage to make the plane lens state.
To demonstrate and analyze the various advantages of an electrowetting lenticular lens with biconvex structure as mentioned above, the following were compared with an electrowetting lenticular lens with planoconvex structure: response time measurement, viewing angle and crosstalk measurement, and image test.
기존의 스테레오스코픽 디스플레이는 시청자에게 안경의 착용이라는 불편함을 안겨주었고, 이에 맞서 안경을 착용하지 않아도 되는 방식의 오토스테레오스코픽 디스플레이에 관한 연구가 계속해서 진행되어 왔다. 그리고 오토스테레오스코픽 디스플레이의 구현 방식 중 멀티뷰 방식이 가장 보편적인 형태를 이루었고, 이는 크게 다음과 같이 두 가지 방식의 멀티뷰 3D 디스플레이로 나눌 수 있었는데, 하나는 시차 방벽 방식이고 또 하나는 렌티큘러 렌즈 방식이었다. 이 중, 렌티큘러 렌즈 방식은 울퉁불퉁한 작은 세로형 렌즈를 이용하는 것으로서, 이 렌즈가 이미지를 좌우로 구분할 수 있었다. 특히, 렌티큘러 렌즈 방식은 시차 방벽이 존재하지 않으므로 더욱 높은 광학적 투과율을 얻을 수 있다는 장점이 있었다. 하지만 기존의 렌티큘러 렌즈는 고체로 이루어져 있었으므로 그 형태가 고정되어, 평판 디스플레이 위에 렌티큘러 렌즈가 장착된 경우, 오직 3D 영상만 구현이 가능하며 2D 영상의 구현은 어렵다는 한계를 지니고 있었다. 이에 발 맞추어, 2D/3D 영상의 전환이 가능한 오토스테레오스코픽 3D 디스플레이가 차세대 디스플레이 기술 중 하나로 대두되었다. 이에 따라 2D/3D 전환이 가능한 오토스테레오스코픽 3D 디스플레이의 개발을 위하여, 액정, 고분자 박막, 그리고 액체 렌즈 등을 활용한 가변 렌티큘러 렌즈 제작에 관한 연구가 진행되었다. 그 중, 전기습윤 현상을 활용한 액체 렌티큘러 렌즈는, 나머지 두 방법들(액정, 고분자 박막)에 비하여 높은 광학적 투과율을 가질 뿐만 아니라, 구동 속도 또한 굉장히 빠르다는 장점을 지니고 있었다. 그리고 낮은 구동 전압을 가지므로 전력 소모에 민감한 휴대용 기기에 활용하기에도 적합하다는 장점이 있었다. 전기습윤 액체 렌티큘러 렌즈는 두 종류의 섞이지 않는 액체들로 이루어져 있었는데, 하나는 전도성 액체에 해당하며, 또 다른 하나는 비전도성 액체에 해당했다. 이때 두 섞이지 않은 액체들의 계면이 렌즈를 형성하게 되었는데, 인가 전압을 변화시켜 전극 위에 위치한 전도성 액체의 접촉각을 변화시키면, 최종적으로 렌즈의 곡률반경을 변화시킬 수 있었다. 렌즈의 곡률반경이 변화함에 따라 초점거리 또한 변화하게 되었으므로, 평면 렌즈 상태일 때에는 2D 영상을, 그리고 볼록 렌즈 상태일 때에는 3D 영상의 시청이 가능하였다. 하지만 기존에 제시되었던 전기습윤 현상을 활용한 액체 렌티큘러 렌즈들은 모두 평면볼록 구조로써 초기상태에서 모두 오목 렌즈 상태를 나타냈기 때문에, 평면 렌즈 상태를 만들기 위해서는 추가적인 전압을 인가할 필요가 있었다. 이러한 초기의 오목 렌즈 상태는 렌즈의 구동 전압을 낮추기 위해서는 필수적으로 제거되어야 할 부분이었으므로, 본 연구에서는 초기의 렌즈 상태를 평면 렌즈화 할 수 있는 새로운 양면볼록 구조를 제시하였다.
본 전기습윤 렌티큘러 렌즈의 제작은 미세전자제어 (MEMS) 기술을 기반으로 진행되었다. 우선, 챔버의 재현성 있는 생산을 위하여, 금속 금형을 이용한 핫 엠보싱 과정이 채택되었다. 본 과정에 이용된 금속 슬레이브 (slave) 금형은, KOH를 이용하여 <100> 실리콘 기판을 식각한 후에, 니켈을 도금하여 제작하였다. 이렇게 완성된 슬레이브 금형을 PMMA 재질의 고분자 기판 위에 올린 후, 압착기를 통해 열과 압력을 가하면, 동일한 모양의 챔버를 양산하는 것이 가능하였다. 이때 제작된 챔버 내의 렌즈 폭은 412.68 um였으며, 격벽의 기울기는 54.7도였다. 또한 챔버 격벽 상단부의 폭은 30 um로 설계하였다. 2인치 PMMA 렌티큘러 렌즈 챔버를 이러한 방법으로 제작하였다. 제작된 챔버의 절단면은 뒤집어진 사다리꼴의 형태를 갖기 때문에, 양면볼록 렌즈를 제작하기 위해서는 추가적인 조치가 필요하였다. 따라서 챔버에 ethoxylated trimethylolpropane triacrylate (ETPTA)를 고르게 주입한 후, 자외선으로 경화시켜 바닥이 오목한 형태를 이루게 하였다. 그 다음 열 증착 과정을 이용하여 금 전극을 증착하였고, 화학적 기상 증착 (CVD) 과정을 이용하여 Parylene C 유전층을 증착하였다. 그리고 대기 조건에서 비전도성 액체인 chloronaphthalene (CN)을 마이크로 주사기를 통해 챔버에 주입하였다. 끝으로 비전도성 액체가 주입된 챔버를 수조에 넣은 뒤, ITO 유리로 덮고 봉지하였다. 이때, 챔버와 ITO 유리 사이에는 polycarbonate (PC) 재질의 개스킷이 간격 유지를 위하여 배치되었으며, 봉지 과정에는 양면 테이프와 자외선 경화 접착제 (NOA 63 및 NOA 81)이 활용되었다.
본 논문에서는 기존의 평면볼록 구조의 전기습윤 렌티큘러 렌즈가 갖는 특성들을 한층 더 개선하기 위하여 ETPTA를 통해 새롭게 제작된 양면볼록 구조의 전기습윤 렌티큘러 렌즈의 제작방법 및 특성이 소개되었다. 새롭게 제작된 전기습윤 렌티큘러 렌즈는 평면볼록이 아닌 양면볼록 구조를 가지므로, 빛의 굴절이 총 두 번 발생하기 때문에, 상대적으로 적은 전압이 인가된 상태에서도 높은 굴절력을 구현하는 것이 가능했다. 또한 비전도성 액체의 굴절률을 챔버 물질의 굴절률과 일치시킬 필요가 없어졌기 때문에, 기존의 평면볼록 구조를 사용할 때에 비하여 더 높은 굴절률의 비전도성 액체를 사용하는 것 또한 가능해졌다. 이 역시 전기습윤 렌티큘러 렌즈가 높은 굴절력을 구현하는 데에 도움을 주었다. 이처럼 전기습윤 렌티큘러 렌즈의 굴절력이 향상 되었으므로, 렌즈의 광학 중심으로부터 이미지 (디스플레이)까지의 거리를 더 짧게 만드는 것이 가능하게 되었다. 이는 곧 챔버의 두께가 그만큼 줄어들 수 있음을 의미한다. 챔버의 두께가 줄어듦으로써, 시역 대비 크로스톡의 비율 또한 줄어들게 되므로, 이전에 비하여 더 선명한 3D 영상을 시청할 수 있게 되었다. 또한 비전도성 액체의 양을 정량화하여 챔버에 주입하면, 렌티큘러 렌즈의 아래 부분은 볼록렌즈로, 위 부분은 오목 렌즈로 작용할 수 있었는데, 이때 특정 곡률반경 조건을 만족하면 결과적으로 평면 렌즈와 같은 효과를 보일 수 있었다. 본 연구는 양면볼록 구조의 전기습윤 렌티큘러 렌즈가 전압이 인가되지 않은 상태에서 평면 렌즈 상태를 보일 수 있는 조건을 알아내기 위하여, 기하광학과 수학적 분석을 활용하였다. 이처럼 전기습윤 렌티큘러 렌즈가 전압이 인가되지 않은 상태에서도 평면 렌즈와 같은 효과를 나타낼 수 있게 되었으므로, 기존의 평면 볼록 구조의 렌티큘러 렌즈보다 구동 전압을 낮출 수 있었다. 왜냐하면, 평면볼록 구조의 전기습윤 렌티큘러 렌즈는 전압이 인가되지 않은 초기의 상태에서 오목 렌즈 상태를 나타냈기 때문에, 평면 렌즈 상태를 만들기 위해서는 추가적인 전압을 인가할 필요가 있었기 때문이다.
앞서 언급한 양면볼록 구조의 전기습윤 렌티큘러 렌즈들의 다양한 장점들을 입증 및 분석하기 위하여, 응답시간 측정, 시야각 측정, 크로스톡 측정, 그리고 이미지 테스트 등이 진행되었다.
