KR100349284B1

KR100349284B1 - 광학디스플레이

Info

Publication number: KR100349284B1
Application number: KR1019960703297A
Authority: KR
Inventors: 제이. 아우더커크 앤드류; 에프. 웨버 마이클; 엠. 존자 제임스; 에이. 스토버 칼; 콥 2세 샌포드; 엘. 워트만 데이비드; 벤슨 2세 올레스터
Original assignee: 미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩춰링 캄파니
Priority date: 1993-12-21
Filing date: 1994-12-20
Publication date: 2002-12-31
Also published as: JP2004046216A; JPH09506985A; AU1443595A; MY121195A; JP3709402B2; CA2178325A1; EP0736188A1; WO1995017692A1; CN1052795C; KR960706647A; EP0736188B1; CN1142869A; JP4091978B2; JP2008052294A; JP4860729B2; IL112071A0; JP2010009051A

Abstract

다중층 반사 편광기(12)가 개시되었다. 본 소자는 광학 캐비티(24)와 LCD 모듈(16) 사이에 배치되어 광학 디스플레이를 형성한다. 반사 편광기는, 일부 광을 광학 캐비티(24)로 반사하여 여기서 광이 무작위화되고 적합한 편광을 가지며 빠져 나오도록 하여 디스플레이를 결국 투과하도록 한다.

Description

광학 디스플레이

광학 디스플레이는 랩톱 컴퓨터, 휴대용 계산기, 디지털 시계 등에 널리 이용된다. 널리 공지된 액정(LC) 디스플레이는 이러한 디스플레이의 공통 예이다. 종래의 LC 디스플레이는 한 쌍의 흡수성 편광기들 사이에 액정 및 전극 매트릭스를 배치한다. LC 디스플레이에 있어서, 액정 부분은 전계의 인가에 의해 변경되는 광학 상태를 가지고 있다. 이러한 처리는 정보를 실은 "픽셀"을 편광된 광을 이용해 디스플레이하는 데에 필요한 콘트라스트를 발생시킨다.

이러한 이유 때문에, 종래의 LC 디스플레이는 전면 편광기 및 배면 편광기를 포함한다. 전형적으로, 편광기는 직교 편광 방향에 대해 흡수하는 것보다 더 강하게 하나의 편광 방향의 광선을 흡수하는 다이크로익 염료를 이용한다. 일반적으로, 전면 편광기의 투과축은 배면 편광기의 투과축과 "교차"된다. 교차각은 0° 에서 90° 까지 변할 수 있다. 액정, 전면 편광기 및 배면 편광기는 LCD 어셈블리를 함께 구성한다.

LC 디스플레이는 조명원에 기초를 두고 분류될 수 있다. "반사형" 디스플레이는 전면으로부터 디스플레이로 진입하는 주변 광선에 의해 조명된다. 전형적으로, 브러시 알루미늄 반사기가 LCD 어셈블리 "배후에" 배치된다. 이러한 반사면은 반사면 상에 입사된 광선의 편광 방향을 유지하면서 광선이 LCD 어셈블리로 되돌아가도록 한다.

주변 광선의 강도가 관측하기에 불충분하게 되는 응용들에서는 반사 브러시 알루미늄 면을 "백라이트(backlight)" 어셈블리로 대체하는 것이 일반적이다. 전형적인 백라이트 어셈블리는 광학 캐비티 및 광선을 발생시키는 램프 또는 다른 구조를 포함한다. 주변 광 조명과 백릿(backlit) 조명의 두가지 조명 모두를 활용하여 표시하는 방식을 "트랜스플랙티브(transflective)방식" 이라 칭한다. 트랜스플랙티브 표시 방식이 안고 있는 한가지 문제점은 전형적인 백라이트 표면이 종래의 브러시 알루미늄 표면으로 구성된 반사기만큼 효율적이지 않다는 것이다. 또한, 백라이트는 광선의 편광을 무작위화하고, 더 나아가 LC 디스플레이를 조명하는데 이용할 수 있는 광량을 감소시킨다. 결과적으로, 백라이트를 LC 디스플레이에 추가했을 때, 주변 광선만으로 관측하는 조건 하에서는 디스플레이 조명이 덜 밝은 상태를 나타낸다.

그러므로, 주변 조명과 백라이트 조명 모두가 주어진 조건에서 적절한 휘도 및 콘트라스트를 발생시킬 수 있는 디스플레이가 필요하다.

[발명의 요약]

본 발명의 광학 디스플레이는 세가지 기본적인 소자를 포함한다. 제1소자는 반사 편광기이다. 이러한 반사 편광기는 제2 및 제3 소자를 각각 포함하는 액정 디스플레이(LCD) 어셈블리와 광학 캐비티 사이에 배치된다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세하게 기술하고자 한다. 몇몇 도면에서 동일한 부분에는 동일한 참조 번호를 붙였다.

본 발명은 개량된 광학 디스플레이에 관한 것이다.

제1도는 본 발명에 따른 광학 디스플레이를 개략적으로 도시한 단면도이고,

제2도는 본 발명에 따른 예시적 광학 디스플레이를 개략적으로 도시한 단면도이며,

제3도는 본 발명에 따른 예시적 광학 디스플레이를 개략적으로 도시한 단면도이고,

제4도는 본 발명의 반사 편광기를 확대하여 도시한 단면도이며,

제5도는 반사 편광기 성능에 관한 그래프이고,

제6도는 휘도가 향상된 본 발명에 따른 광학 디스플레이의 개략도이며,

제7도는 휘도 향상기의 동작을 예시한 그래프이며,

제8도는 휘도 향상기의 동작을 예시한 그래프이며,

제9도는 예시적 광학 디스플레이를 개략적으로 도시한 단면도이고,

제10도는 예시적 광학 디스플레이를 개략적으로 도시한 단면도이고,

제11도는 예시적 광학 디스플레이를 개략적으로 도시한 단면도이고,

제12도는 검사 결과에 관한 그래프이며,

제13도는 예시적 광학 디스플레이를 개략적으로 도시한 단면도이고,

제14도는 휘도 향상 반사 편광기를 개략적으로 도시한 단면도이며,

제15도는 단일 인터페이스를 형성하는, 2층 적층 박층을 도시한 것이고,

제16도 및 제17도는 굴절률 1.60의 매체에서 단축 복굴절 시스템의 입사각 대 반사도의 관계를 도시한 것이며,

제18도는 굴절률 1.0의 매체에서 단축 복굴절 시스템의 입사각 대 반사도의 관계를 도시한 것이며,

제19도, 제20도 및 제21도는 단축 복굴절 시스템의 공면 굴절률과 z 굴절률 사이의 여러 가지 관계를 도시한 것이며,

제22도는 두개의 상이한 단축 복굴절 시스템에 대한 파장 대 오프 축 반사도 를 도시한 것이고,

제23도는 쌍축 복굴절 박층에서 y 굴절차를 도입한 효과를 도시한 것이며,

제24도는 쌍축 복굴절 박층에서 z 굴절차를 도입한 효과를 도시한 것이고,

제25도는 제18도 및 제19도로부터의 정보를 요약하는 상황도이며,

제26도 내지 제31도는 미러 예에서 제공된 다층 미러의 광학 성능을 도시한 것이고,

제32도 내지 35도는 편광기 예에서 제공된 다층 편광기의 광학 성능을 도시한 것이다.

제1도는 세가지 주요 소자를 포함하는 예시적 광학 디스플레이(10)를 개략적으로 도시한 것이다. 이러한 소자들은 LCD 어셈블리(16), 반사 편광기(12) 및 광학 캐비티(24)로서 도시된 편광 디스플레이 모듈을 포함한다.

도면에 도시된 LCD 어셈블리(16)는 반사 편광기(12) 및 광학 캐비티(24)에의해 제공된 편광 광선에 의해 조명된다.

레이(ray)(60)로 표시되어 디스플레이(10)상에 입사한 주변 광선은 LCD 모듈(16) 및 반사 편광기(12)를 통과하여, 광학 캐비티(24)의 확산 반사면(37)에 부딪친다. 레이(62)는 확산 반사면(37)에 의해 반사되어 반사 편광기(12)를 향해 가는 광선을 묘사한다.

광학 캐비티(24)내에서 기원하는 광선은 레이(64)에 의해 묘사된다. 또한, 이러한 광선은 반사 편광기(12)로 지향되어, 확산 반사면(37)을 통과해 나아간다. 레이(62)와 레이(64) 모두는 편광 상태(a,b) 모두를 나타내는 광선을 갖고 있다.

제2도는 전면 편광기(18), 액정(20) 및 배면 편광기(23)를 포함하는 3층 LCD 어셈블리(15)를 갖는 것으로 예시된 광학 디스플레이(11)를 개략 도시한 것이다. 이 실시예에서, 광학 캐비티(24)는 반사 램프 하우징(32) 내에 램프(30)를 포함하는 구성을 갖는 에지 릿 백라이트(edge lit backlight)이다. 램프(30)로부터의 광선은 광선 가이드(34)에 결합되고 여기서 스포트(spot : 36)와 같은 확산 반사 구조와 만날 때까지 전파해 나간다. 스포트의 불연속 어레이는 램프 광선을 추출하여 이 광선이 LCD 모듈(15) 쪽으로 지향되도록 배열된다. 광학 캐비티(24)로 진입하는 주변 광선은 스포트에 부딪치기도 하고 또는 스포트들 사이의 간극(interstitial)을 통해 광선 가이드로부터 빠져나올 수도 있다. 확산형 반사 층(39)은 이러한 광신을 포착하여 반사시키기 위해 광선 가이드(34) 하부에 배치된다. 일반적으로, 광학 캐비티(24)로부터 나오는 모든 광선은 광선 다발(38)로 예시되었다. 이러한 광선 다발은, "(a)"라고 하는 제1편광 방향을 가지는 광선은 투과시키고, 직교 편광방향 (b)을 가지는 광선을 효과적으로 반사시키는 반사 편광기(12)상에 입사된다. 결과적으로, 광선 다발(42)에 의해 묘사된 소정량의 광선은 반사 편광기(12)에 의해 투과될 수 있지만, 나머지 광선은 광선 다발(40)로 나타낸 바와 같이 반사될 것이다. 양호한 반사 편광기 물질은 매우 효율적이고, 반사 편광기(12) 내에서의 흡수로 인한 총 손실은 아주 낮다(약 1%). 이러한 손실 광선은 광선 다발(44)에 의해 묘사된다. 반사 편광기(12)에 의해 반사되고 편광 상태(b)을 가지는 광선은 광학 캐비티(24)로 다시 진입하는데, 여기서 스포트(36) 또는 확산형 반사층(39)과 같은 확산 반사 구조에 부딪친다. 확산 반사면은 광학 캐비티(24)에 의해 반사된 광선의 편광 상태를 무작위화하도록 작용한다. 이러한 재순환 및 무작위화 처리는 경로(48)로서 묘사되었다. 광학 캐비티(24)는 완전한 반사기가 아니며, 산란 및 흡수로 인한 캐비티 내에서의 광선 손실은 광선 다발(45)로 묘사되었다. 또한, 이러한 손실은 낮은 비율을 나타낸다(약 20%). 광학 캐비티(24) 및 반사 편광기(12)의 조합이 실현하는 다중 재순환은 상태(b)에서 상태(a)로 광선을 전환시켜 관찰자 쪽으로 최종적으로 투과시키기 위한 효과적인 메커니즘을 형성한다.

이러한 처리의 효율성은 본 발명에 개시된 반사 편광기가 나타내는 낮은 흡수성 및 다수의 확산형 반사면이 나타내는 높은 반사도 및 무작위 속성에 의존한다. 제2도에 있어서, 스포트(36)로 묘사된 불연속층과 확산형 반사 연속층(39)은 티타늄 산화물 착색 물질로 형성될 수 있다. 확산 반사면(37)(제1도)은 투명 표면의 텍스쳐된 폴리카보네이트로 형성될 수 있다. 이러한 물질은 제2도에 도시된 구성에서 입사 광선을 무작위화하기 위해 광선 가이트(34) 위에 배치된다 특정의 최적 구성은 완성된 광학 디스플레이가 쓰이는 특정한 응용에 따라서 다르게 된다.

일반적으로, 시스템의 이득은 반사 편광기 본체(12)와 광학 캐비티(24)인 두가지 모두의 효율에 따라 다르다. 입사 광선의 편광에 관한 무작위화 요구 조건과 일치하는 고반사성의 광학 캐비티(24) 및 매우 낮은 손실을 갖는 반사 편광기(12)에 의해 성능이 최대화된다.

제3도는 전면 편광기(18) 및 액정(20)을 포함하는 2층 LCD 어셈블리(17)를 갖는 것으로 예시된 광학 디스플레이(14)를 개략 도시한 것이다. 이 실시예에서, 광학 캐비티(24)는 전자 발광(electroluminescent) 패널(21)을 포함한다. 종래의 전자 발광 패널(21)은 전자가 충돌할 때 광선을 발생시키고, 입사 광선이 충돌하면 확산 반사시키는 인 물질(19)로 코팅된다. 통상적으로, 전자 발광 디스플레이는 인의 코팅에 관련하여 효율이 변하기 때문에 "입상(grainy)"이다. 그러나, 반사 편광기(12)에 의해 복귀된 광선은 광선 방출을 "동질화(homogenize)"하고 광학 디스플레이(14)가 구현하는 조명의 전체적인 균일성(uniformity)을 개선하는 경향을 나타낸다. 예시적 광학 디스플레이(14)에 있어서, LCD 어셈블리(17)에는 배면 편광기가 없다. 이러한 광학 디스플레이(14)에 있어서, 반사 편광기(12)는 제2도에서 보통은 광학 디스플레이(11)의 배면 편광기(23)와 관련된 기능을 수행한다.

제4도는 반사 편광기(12)의 세그먼트를 개략적으로 도시한 투시도이다. 제4도는 반사 편광기(12)를 설명할 때 기준이 되는 X, Y 및 Z 방향을 정의하는 좌표 시스템(13)도 도시하였다.

예시적 반사 편광기(12)는 두가지 상이한 중합체 물질로 만들어진교호층(ABABA‥‥)으로 구성된다. 이 교호층들을 도면과 상세한 설명 전반에 걸쳐 물질 "(A)" 및 물질 "(B)"라고 칭한다. 두가지 물질은 함께 성형되는데, 최종 다층(ABABA‥‥) 재료는 한 축(X)을 따라 신장되고(5:1), 다른 축(Y)을 따라서는 크게 신장되지는 않는다(1:1). X축을 "신장" 방향이라 칭하고, Y축을 "횡단" 방향이라 칭한다.

물질 (B)는 신장 처리에 의해서도 거의 변경되지 않는 공칭 굴절률(예를 들어, 1.64)을 갖고 있다.

물질 (A)는 굴절율이 신장 처리에 의해 변경되는 특성을 갖는다. 예를 들어, 물질 (A)의 단축 신장된 시트는 신장 방향애 대해서 한 굴절율(예를 들어, n=1.88)을 나타내는데 반해, 횡단 방향에 대해서는 다른 굴절율을 나타낸다. 공면축(박층의 표면과 평행한 축)에 대한 굴절률은 자신의 편광면이 공면축에 평행한 평면 편광 입사광에 대한 실효 굴절율로 정의된다.

그러므로, 신장 후에 다중층 스택(ABABA‥‥)은 신장 방향에 대해 층들 사이에 큰 굴절율 차이(△n=1.88-1.64=0.24)를 나타낸다. 반면 횡단 방향에 대해서는 층들의 관련된 굴절율은 기본적으로 동일하다(△n=1.64-1.64=0), 이러한 광학 특성은 축(22)에 관련하여 정확하게 배향된 입사 광선의 편광 성분을 투과시키는 반사 편광기로서 다층 스택이 기능하도록 한다. 이 축은 투과축(22)으로서 정의되고, 제4도에 도시된 바와 같다. 반사 편광기(12)로부터 빠져나오는 광선은 제1 편광 방향(a)을 갖는 것으로 언급된다.

반사 편광기(12)를 통과하지 못하는 광선은 제1방향(a)과 상이한 편광방향(b)을 갖는다. 이런 편광 방향(b)을 나타내는 광선은 굴절율 차이를 직면하게 되어 이로 인해 반사된다. 이것은 제4도에 축(25)으로 도시된 소위 "소광"축을 정의해 준다. 이런 식으로, 반사 편광기(12)는 선택된 편광(a)을 가지는 광선을 투과시킨다.

예

"A" 층의 양호한 예는 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)와 같은 결정성 나프탈렌 디카르복실릭 산 폴리에스테르이고, "B" 층의 양호한 예는 나프탈렌 디카르복실릭 산과 테레프탈릭 또는 이소탈릭 산의 코폴리에스테르(coPEN)이다. PEN 과 70 나프탈레이트/30 테레프탈레이트 코폴리에스테르(coPEN)는 글리콜을 디올(diol)로서 이용하는 표준 폴리에스테르 수지솥(kettle)에서 합성된다. 적절한 204 층 편광기는 51 슬롯 피드 블록 내에서 PEN 및 coPEN을 성형한 다음, 성형시 이층 더블링 멀티플라이어(doubling multiplier)를 연이어 이용함으로써 제조된다. 멀티플라이어는 피드 블록에서 성형되어 나오는 재료를 두개의 반폭 유동 스트림(half-width flow stream)으로 분할하고, 그 다음 서로의 상부 상에 반폭 유동 스트림을 적층한다. 이러한 멀티플라이어는 당해 분야에 공지되어 있다. 성형은 약 295℃에서 수행된다. PEN은 0.50 dl/g의 고유 점도를 나타내고, coPEN은 0.60 dl/g의 고유 점도를 나타낸다. PEN 물질의 성형 속도는 22.5 lb/hr이고, coPEN의 성형 속도는 16.5 lb/hr이다. 주조 웨브(cast web)는 그 두께가 약 0.0038 인치(0.0097 cm)이고, 그 측면이 신장 중에 대기 온도 140℃의 환경에 제한되면서, 길이 방향을 따라 5:1 비율로 단축 신장된다. 외부 표피층을 제외하고, 모든 층 쌍은 550nm의 설계 파장에대해 1/2 파장 광학 두께가 되게 설계된다.

이 때, 상술한 바와 같이 제조된 두개의 204 층 편광기는 접착제를 이용하여 손으로 적층된다. 양호하게는, 접착제의 굴절율은 등방성 coPEN 층의 굴절율과 일치하여야 한다.

반사 편광기(12)의 광학 성능은 여러 종류의 층들의 광학 두께에 부분적으로 좌우된다. 후막과 박박 구조 모두가 유용하다. 층들이 광선의 다수 파장에 상응하는 광학 경로를 나타내는 경우, 반사 편광기(12)의 광학 특성은 고유하게 광대역이 된다. 층들이 광선의 파장보다 작은 광학 두께를 갖고 있는 경우, 선택된 파장에 대한 반사 편광기(12)의 광학 성능을 개선하기 위해 보강 간섭이 활용될 수 있다.

예에서 설명된 제조 공정은 가시 스펙트럼에 걸친 광선의 파장보다는 작은 광학 두께를 가지는 균일층을 제작할 수 있다. 층의 쌍(A, B)의 광학 두께가 입사 광선의 1/2 파장(A+B=λ/2)이 되는 경우에는 보강 간섭이 발생한다. 이러한 1/2 파장 조건은 설계 파장에서 협대역 보강 간섭을 발생시킨다. 광대역 광학 성능은 다중 협대역 스택을 적층하거나 그렇지 않은 경우 결합시킴으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 동일한 (A+B=λ/2)를 가지는 층들의 제1그룹(37)은 상이한 두께(A+B=λ'/2)를 가지는 제2그룹(35)에 적층될 수 있다. 명확성을 기하기 위해 소수의 층만이 제4도에 도시되어 있지만, 실은 전형적으로 수백 개의 층(ABAB‥‥)이 효과적인 광대역 응답성을 달성하기 위해 함께 적층될 수 있다. 양호하게는, 반사 편광기(12)는 모든 각도 및 관심 영역의 파장에서 광선을 반사시키도록 설계될 수 있어야 한다.

단지 두가지 물질만으로 이루어진 교호층을 포함하는 예시적 다층 구조로서 반사 편광기(12)를 설명하였지만, 반사 편광기(12)는 다수의 형태를 취할 수 있음을 알아야 한다. 예를 들어, 추가적인 형태의 층들이 다층 구조 내에 포함될 수 있다. 또한, 제한적인 경우에, 반사 편광기는 하나의 층만이 신장되는 단일 쌍의 층(AB)을 포함할 수 있다. 또한, 다이크로익 편광기는 반사 편광기(12)에 직접 접합될 수 있다.

광학 캐비티(24)의 다른 중요한 특성은 캐비티가 이루는 편광 무작위 처리가 입사 광선의 방향을 변경시킬 수도 있다는 것이다. 일반적으로, 상당량의 광선이 광학 캐비티 오프 축으로 빠져 나온다. 따라서, 반사 편광기 내에서 이러한 광선의 경로는 거의 직교하는 광선의 경로 길이보다 길다. 시스템의 광학 성능을 최적화하기 위해서는 이러한 효과도 대처할 수 있어야만 한다. 본 예에서 기술된 반사 편광기 몸체(12)는 오프축을 따른 광선을 수용하기에 바람직한 더 길어진 파장으로 광대역 투과시킬 수 있다. 제5도는 광범위한 파장에 걸쳐 80% 이상의 투과도를 나타내는 트레이스(31)를 도시한 것이다. 트레이스(33)는 가시 스펙트럼의 넓은 부분에 걸쳐 반사성을 나타내는 실효 광대역을 도시한 것이다. 최적 반사 트레이스는 적외선까지 확장되고, 약 400nm에서 약 800nm까지 확장된다.

다른 실시예에 있어서, 디스플레이의 식별 휘도는 휘도 향상 박층을 이용함으로써 증가될 수 있다. 제6도는 세가지 주요 부품을 가지는 광학 디스플레이(164)를 도시한 것이다. 이 부품들은 광학 디스플레이 모듈(142), 휘도 향상 반사 편광기(11()) 및 광학 캐비티(140)를 포함한다. 전형적으로, 전체 광학 디스플레이(164)는 관측자(146)가 정면에서 보아 정면 및 장방형이며, 세가지 주요 부품들이 서로가 아주 근접하게 배치되어 디스플레이 두께는 단면에서 보았을 때 비교적 얇다.

사용시, 디스플레이 모듈(142)는 휘도 향상 반사 편광기(110) 및 광학 캐비티(140)에 의해 처리된 광선으로 조명된다. 이러한 두 개의 부품은 함께 편광된 광선을 각도 그림으로 개략 도시된 관측 구역(136) 내로 제공한다. 이러한 광선은 디스플레이 모듈(142)을 통과하여 관측자(146)를 향해 조사된다. 전형적으로, 디스플레이 모듈(142)은 정보를 픽셀로서 디스플레이할 수 있다. 픽셀을 통과하는 편광 광선은 액정 물질의 복굴절성을 전기적 제어함으로써 변조될 수 있다. 이것은 광선의 편광 상태를 변조시켜, 디스플레이 모듈(142)의 일부분을 형성하는 제2 편광기 층에 의한 상대적 흡수량에 영향을 끼친다.

도면에는 2개의 조명원이 도시되어 있다. 제1조명원은 레이(162)에 의해 표시된 주변 광선이다. 광선은 디스플레이 모듈(142) 및 휘도 향상 반사 편광기 (110)를 통과하여 광학 캐비티(140) 상에 입사된다. 광학 캐비티는 레이(165)에 의해 표시된 것처럼 광선을 반사시킨다. 제2광원은 레이(163)에 의해 표시된 대로 광학 캐비티 자체 내에서 발생된다. 광학 캐비티(140)가 후방에서 조명될 경우, 주요한 표명은 광학 캐비티(140) 내에서 기원하고 이때 광학 디스플레이를 "백릿 (backlit)"이라 지칭한다. 주요한 조명원이 레이(162) 및 레이(165)에 의해 표시된 주변 광선인 경우, 광학 디스플레이를 "반사형" 또는 "수동형" 디스플레이라 한다. 디스플레이가 주변 광선과 캐비티에 발생된 광선 모두에 의해 관찰될 경우, 디스플레이클 "트랜스플렉티브형" 디스플레이라 한다. 본 발명은 이러한 각각의 디스플레이 형태에 유용하다.

광선의 근원과 무관하게, 휘도 향상 반사 편광기(110) 및 광학 캐비티(140)는 광을 "재순환" 시키도록 함께 동작하여 최대량의 광이 적절하게 편광되어 관측 구역(136)내에 한정 포함되도록 한다.

일반적으로, 휘도 향상 반사 편광기(110)는 두 개의 소자를 포함한다. 제1 소자는 특정 편광 광선을 관측 구역(136)으로 투과시키는 반사 편광기 본체(116)이다. 제2소자는 관측 구역(136)의 범위를 정하는 광학적 구조화 층(113)이다.

광학 캐비티(140)는 몇가지 기능을 발휘하는데, 휘도 향상 반사 편광기(110)와의 상호 작용에 관련한 기능에 있어서 중요한 파라메터는, 입사 광선에 대한 높은 반사도 및 이 입사 광선의 지향성과 편광성 모두를 변경시키는 광학 캐비티(40)의 성능이다. 종래의 광학 캐비티는 이러한 요구 조건과 부합한다.

소정의 광학 시스템에 있어서, 반사도, 손실율 및 투과도의 합은 입사광과 100% 동일하여야 한다. 흡수는 이러한 손실의 주요 원인일 수 있다. 본 발명에 있어서, 휘도 향상 반사 편광기(110)는 소정의 광전에 대해 흡수성이 매우 낮고 반사성이 매우 높다. 따라서, 관측 구역(136)으로 직접 진행하지 않는 광선은 광학 캐비티(140)로 효율적으로 전달되어 여기서 그 속성이 관측 구역(136)의 광조명에 기여할 수 있도록 적절히 변경되어 캐비티로부터 나오게 된다.

광학 디스플레이(164)와 관련하여, 시스템의 전체 이득은 광학 캐비티(140)의 반사도와 휘도 향상 반사 편광기(110)의 반사도의 곱에 의해 좌우된다. 본 발명은 휘도 향상 반사 편광기(11)로부터의 입사 광선의 지향 및 편광 상태를 변경시키기 위한 능력과 조화되어 고반사성 배면을 가지는 저 흡수성 광학 캐비티에 이용할 때 가장 효과적이다. 이러한 목적을 달성하기 위해서, 광학 캐비티는 아크릴과 같은 투명 절연 물질로 채워질 수 있다는 것을 주의해야 한다.

양호한 조직화된 표면(112)이 기하 광학적으로 기능하지만, 회절 소자 또는 홀로그래픽 광학 소자가 기하 광학적으로 구현되는 광선 지향 특성을 효율적으로 시뮬레이트하도록 설계될 수 있다. 그러므로, 조직화된 표면(112)은 광선을 상대적으로 좁은 관측 구역(136)내로 제한시키는 광학과 회절 광학 시스템을 모두 기술하는 것으로 이해해야 한다.

제7도는 본 발명의 휘도 향상기로서 작용하는 조직화된 표면 재료를 확대하여 도시한 것이다. 이미 설명한 바와 같이, 조직화된 표면 재료는 평활 측면(220) 및 조직화 측면(222)을 갖고 있다. 양호한 실시예에 따른 조직화 측면(222)은 다수의 삼각 프리즘을 포함한다. 양호한 실시예에 있어서, 이런 프리즘은 직각 이등변삼각형 프리즘인데, 70° 내지 110° 범위의 첨두각(peak angle)을 가지는 프리즘도 정도차가 있기는 하나 본 발명에 따른 효과를 나타낼 수 있다. 조직화된 표면 재료(218)는 공기의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는 임의의 투명 물질로 만들어질 수 있는데, 일반적으로는 굴절률이 큰 물질이 좋은 결과를 낳을 수 있다. 1.586의 굴절률을 갖는 폴리카보네이트가 매우 효과적으로 작용한다는 점이 입증되었다. 본 발명을 설명하기 위한 목적으로 조직화된 표면(222) 상의 프리즘은 90° 의 각을 갖는다고 가정하고, 조직화된 표면 재료(218)는 폴리카보네이트로 이루어졌다고 가정한다. 선택적으로, 그 밖의 다른 조직화된 표면 재료가 이용될 수 있다. 대칭형 입방체의 모서리 부분도 우수한 결과를 나타내는 것으로 판명되었다.

제8도는 조직화된 표면 재료(218)의 동작을 도시한 것이다. 제8도는 2개의 축(226 및 228)을 가지는 그래프이다. 이러한 축은 광선이 평활면(220)과 직각을 이를 때의 각을 나타낸다. 특히, 축(226)은 광선 방향이 조직화된 표면(222) 상의 구조물의 선형 연장부와 평행한 평면 내로 투사될 때 광선이 이루는 각도를 나타낸 것이다. 이와 마찬가지로, 축(228)은 광선의 방향이 조직화된 표면(222) 상의 구조물의 선형 연장부에 수직한 평면으로 투사될 때 광선이 평활면(220)에 대해 수직을 이루는 각을 나타낸다. 그러므로, 평활면(220)에 수직으로 부딪치는 광선은 제8도의 그래프에서 원점(origin)(0°를 나타냄)에 의해 표현된다. 알 수 있는 바와 같이, 제8도는 영역(230, 232 및 234)으로 분할된다. 영역(230)에 속하는 각도로 부딪치는 광선은 조직화된 표면 재료(218)에 제공되지만 조직화된 표면(222)에 의해 모두 내부에서 반사되므로, 평활면(220)을 두 번째 통과하여 광학 캐비티로 다시 진입한다. 영역(232 또는 234) 내로 떨어지게 되는 각도로 평활면(220)에 부딪치는 광선은 투과될 것이지만 법선 방향을 기준으로 할 때 상이한 각도로 굴절될 것이다. 폴리카보네이트의 성능을 나타내는 제8도에서 알 수 있는 바와 같이, 법선 방향에 대해 9.4° 보다 작은 각도로 평활면(220)에 부딪치는 임의의 광선은 반사될 것이다.

제7도를 참조하면, 네가지 예시적인 광선이 도시되었다. 제1의 광선(236)은 평행각, 즉 법선 방향에 대해 90° 에 가까운 각도로 평활면(220)에 접근한다. 조직화된 표면 재료(218)에 부딪칠 때 광선(236)이 평활면(220)의 법선 방향에 대해 89.9° 의 각으로 진입하는 경우, 광선이 조직화된 표면 재료(218)를 통해 진행함에 따라 법선 방향에 대해 39.1° 의 각도를 이루도록 굴절될 것이다. 조직화된 표면(222)에 도달하면, 광선은 다시 굴절될 것이다. 조직화된 표면(222) 상의 구조로 인해, 광선은 조직화된 표면(220)의 법선 방향에 대해 더 작은 각을 이루도록 조절될 것이다. 본 예에 있어서, 광선은 35.6° 의 각을 나타낼 것이다.

광선(238)은 컷 오프(cut off)각에 훨씬 근접한 각도로 평활면(220)에 접근한다. 또한, 광선 평활면(220)을 통과함에 따라 굴절되지만, 그 정도는 작은 편이다. 광선(238)이 평활면(220)의 법선 방향에 대해 10° 의 각도로 평활면(220)에 접근하는 경우, 광선은 평활면(220)의 법선 방향에 대해 37.7° 의 각도로 조직화된 표면(222)으로부터 나오는데, 이번에는 법선 방향에 대해 반대쪽에서 나오는 것이다.

광선(240)이 컷 오프 각보다 작은 각도로 접근하면, 조직화된 표면(222)에 의해 두 번 내부 전반사되어 광학 캐비티의 내부로 복귀한다.

광선(242)은, 광선(238)의 각도와 유사한 각도에서 평활면(220)에 접근하는 위치이기는 하나, 조직화된 표면(222)상의 프리즘의 한쪽 측면에 의해 내부 전반사되지만 제2측면에 의해서는 전반사되지 않는 로케이션에 위치해 있다. 결과적으로, 광선은 평활면(220)의 법선 방향에 대해 큰 각도를 이루면서 나온다. 이러한 반사는 광선이 부딪히는 측면에 대해 고입사각을 형성하는 방향으로 진행하는 광선에 대해서만 발생하기 때문에, 프리즘은 이러한 광선에 매우 작은 크로스 섹션을 제공한다. 부수적으로, 다수의 이러한 광선은 다음 프리즘으로 다시 진입하여 디스플레이(210) 내로 복귀된다.

제5류의 광선을 제7도에 도시하지 않았다. 이것은 평활면(220)에 의해 반사되지만 조직화된 표면 재료(218)로는 진입하지 않는 광선들이다. 이러한 광선은 반사되어 광 캐비티 내로 돌아가는 다른 광선과 단순하게 결합한다. 앞서 설명한 것으로부터 알 수 있는 바와 같이, 조직화된 표면 재료(218)가 없었더라면 디스플레이 축에 대해 높은 각도를 이루면서 디스플레이로부터 나왔을 광선이 -여기서 디스플레이 축은 평활면(220)에 대해 법선 방향이 되도록 취해짐- 이 축에 유사한 방향이 되도록 재지향된다. 소량의 광선만이 축에 대해 큰 각도로 지향되어 나갈 것이다. 그리므로, 지정된 각도보다 큰 입사각으로 평활면(220)을 통해 조직화된 표면 재료(218)로 진입하는 광선은 입력 웨지(wedge)보다 좁은 출역 웨지 내로 재지향되고, 지정된 각도보다 작은 입사각으로 평활면(220)을 통해 조직화된 표면 재료(218)로 진입하는 대부분의 광선은 광학 캐비티 내로 향하도록 반사될 것이다.

광학 캐비티 내로 향하도록 반사되는 광선은 확산 반사기에 충돌할 것이다. 반사된 광선은 조직화된 표면 재료(218)로 다시 진행할 것인데, 처음에 형성했던 각과 상이한 각을 형성하는 것이 일반적이다. 이런 처리는 반복되어 보다 많은 광선이 최소 웨지 내로 재지향되도록 한다. 본 발명의 주요한 특징은, 조직화된 표면 재료(218)가 제1의 지정된 그룹의 각도에서 물질(218)과 부딪히는 광은 반사시키고 제2의 지정된 그룹의 각도에서 물질(218)과 부딪히는 광은 굴절시키면서 통과시키는 것을 할 수 있다는 것인데, 여기서 제2 그룹 각도의 각은 제1그룹 각도의각보다 크고, 제2그룹의 각도에 포함되는 광선은 이것의 입력 웨지보다 좁아진 출력 웨지를 이루도록 굴절된다. 이러한 설명에 있어서, 제1 및 제2 각의 그룹은 디스플레이 표면, 즉 액정에 직교하는 디스플레이 축을 기준으로 정한 것이다.

제9도는 휘도 향상 반사 편광기(110)가 없는 상태에서 성능을 비교할 수 있도록 휘도 향상 반사 편광기(110)가 없는 광학 디스플레이(164)의 부분을 개략 도시한 것이다. 일반적으로, 광선 다발(148)에 의해 묘사된 바와 같이 광학 캐비티(140)의 단위 영역으로부터 나오는 광선은 무작위하게 편광될 것이고, 도시된 광학 상태 (a), (b), (c) 및 (d)를 나타낸다. 이러한 광선의 거의 절반, 즉 상태 (b) 및 (d) 광선이 디스플레이 모듈(142)의 일부분을 형성하는 다이크로익 흡수 편광기(150)에 의해 흡수된다. 나머지 광선, 즉 상태 (a) 및 (c)의 광선은 다이크로익 흡수 편광기(150)를 통과한다. 그러므로, 광선 다발(15)에 의해 묘사된 바와 같이, 디스플레이 모듈(142)에서 나오는 광선은 상태 (a) 및 (c)의 광선을 포함한다. 상태 (a)의 광선이 관측자(146)에게 제공되지만, 상태(c)의 광선은 제공되지 않는다. 상태 (b) 및 (d)를 가지는 나머지 광선은 다이크로익 흡수 편광기(150)에 의해 흡수될 수 있다. 그러므로, 광학 캐비티(140)에 의해 제공된 광선의 약 1/4 만이 관측자(146)가 보게되는 디스플레이의 휘도에 실제로 기여하게 된다.

휘도 향상기는 광학 캐비티(140)에 의해 사용가능하게 되는 광선을 보다 효과적으로 이용할 수 있도록 동작한다. 광선 다발(154)에 의해 묘사된 바와 같이 동일 단위량의 광선이 휘도 향상 반사 편광기(110)로 제공되는 경우, 광선[상태(a)의 광선]의 약 1/4만 첫 단계에서 휘도 향상 반사 편광기(110)를 통과한다. 이러한광선은 다이크로익 흡수 편광기(150)의 투과축과 일치하는 정확한 편광을 갖고 있고, 광선 다발(161)로서 묘사된다. 그러나, 상태 (b), (c) 및 (d)를 가지는 나머지 광선은 휘도 향상 반사 편광기(110)에 의해 반사되어 광학 캐비티로 돌아간다. 이 광선 중 일부는 광학 캐비티(140)에 의해 방향 및 편광에 관련하여 무작위화 되어서 상태 (a)로 된다. 그러므로, 이러한 광선은 광선 다발(157)에 의해 나타난 바와 같이 상태 (a), (b), (c) 및 (d)를 가지고서 광학 캐비티로부터 나오게 된다. 이 때, 재순환된 상태 (a)의 광선은 광선 다발(161)에 의해 묘사된 최초로 투과된 광선에 추가될 것이다. 그러므로, 광선 다발(160) 및 광선 다발(161)에 의해 묘사된 광선의 총량은 "재순환"에 의해 증가된다. 다이크로익 흡수 편광기(150)의 투과축 [상태(a)]과 일치하는 정확한 편광을 가진 광선만이 휘도 향상 반사 편광기(110)를 통과하기 때문에, 광선 다발(163)에 의해 묘사되고 디스플레이로부터 방출된 보다 많은 광선이 관측자(146)를 향해 지향된다. 부수적으로, 상태 (b) 및 (d)의 광선이 휘도 향상 반사 편광기(110)에 의해 반사되기 때문에, 매우 소량의 광선만이 다이크로익 흡수 편광기(150)에 의해 흡수된다. 그 결과는 광선 다발(163)에 의해 묘사되었고 디스플레이로부터 나오는 광선량이 광선 다발(152)에 의해 표시된 광선량보다 70% 만큼 밝을 수 있다는 것을 나타낸다.

제10도는 광학 디스플레이(170)를 도시한 것이다. 광학 디스플레이 모듈 (142)은 전면 편광기(149)와 배면 편광기(150) 사이에 배치된 액정 매트릭스(147)를 포함한다. 이 실시예에 있어서, 광학 조직화 층(113)은 반사 편광기 본체(116)로부터 갭(171)에 의해 분리된다. 갭(117)은 상태(a)의 광선에 대한 반사를 도입하는데, 이는 바람직하지 못하다. 디스플레이(170)에 있어서, 광학 캐비티(140)는 램프 반사기(173) 내의 램프(172)를 포함하는 백라이트이다.

램프(172)로부터의 광선은 광선 가이드(174)로 진입하여 스포트(176)와 같은 확산 반사면에 충돌할 때까지 진행한다. 이러한 스포트로 이뤄진 불연속 어레이가 광선 가이드(174)로부터 광선을 효과적으로 도출하는 데에 필요하지만, 단속면 (intermittent surface)은 광선을 충분히 재순환시키기에는 부족할 것이다. 그러므로, 재순환 처리에 도움을 주기 위해 불연속면의 하부에 연속 확산 반사면(175)을 배치하는 것이 양호하다.

제11도는 광학 조직화 층(113) 및 조직화된 표면(112)이 서로 근접한 별도의 소자이지만 반사 편광기 본체(116)에 직접 가해지지 않는 광학 디스플레이(179)를 도시한 것이다. 이 두 개의 소자는 갭(181)과 함께 휘도 향상 반사 편광기(110)를 형성한다. 사용시, 광학 캐비티(140)는 광선을 디스플레이에 제공하고, 휘도 향상 반사 편광기(110)로부터 돌아온 광선의 편광 및 방향을 재배향시키도록 또한 작용한다. 광학 캐비티(140)는 확산 반사면(137)으로서 작용하는 인 코팅부를 갖는 전계 발광 패널(139)을 포함한다. 휘도 향상 반사 편광기(110)의 본 실시예와 제10도의 편광기 실시예 사이의 한가지 차이는 임계각(134) 보다 큰 각에서 조직화된 표면(112)에 접근하는 광선이 편광 상태에 무관하게 내부 전반사에 의해 광학 캐비티로 복귀된다는 점이다. 다른 차이는 광학 구조화 층(113)을 투과한 광선이 거의 직각으로 반사 편광기 본체(116)를 통과한다는 것이다. 또 다른 차이는 디스플레이 모듈(243) 내에 전면 편광기(149)는 존재하고 및 배면 편광기는 없다는 점이다.백라이트가 주도적인 광원 구실을 하는 실시예에 있어서, 적절한 콘트라스트가 휘도 향상 반사 편광기 다음에 나란히 배치되는 흡수 편광기를 이용하지 않고서도 획득될 수 있다.

제12도는 표준 전계 발광 백라이트로 취해진 휘도 향상 반사 편광기 재료의 일 예의 테스트 결과를 도시한 것이다. 전계 발광 백라이트는 입사 광선의 방향 및 편광의 배향을 무작위하는 것에 관하여 광학 캐비티에 대해 요구되는 상기의 조건을 만족시킨다. 비교에 필요한 기초를 제공하기 위해서, 곡선(162)은 휘도 향상 반사 편광기 본체가 없는 다이크로익 편광기만을 가지는 디스플레이에 대한 광선 투과도를 도시한 것이다. 곡선(164)은 제12도에 관련하여 보여지고 이미 설명한 바와 같이 근접층으로서 반사 편광기 몸체 및 조직화된 표면을 구비한 구성에서 휘도 향상 반사 편광기 본체를 포함하는 디스플레이의 Y-Z 면에서의 광선의 강도 대 광선의 각 분포를 나타낸다. 곡선(164)은 다이크로익 편광기만 갖춘 것과 비교하여 약 60%의 온 축(on-axis) 휘도 증가가 달성되는 것을 도시한 것이다. 또한, 약 50%의 휘도 감소는 60°의 오프축(off-axis)에서 관측된다.

또 다른 예에 있어서, 표준 백라이트를 이용하면, 도11에서 보여지고 설명된 대로 반사 편광기 몸체와 조직화된 표면이 근접층이 되도록 형성된 휘도 향상 반사 편광기를 구비하였을 때, 다이크로익 편광기와 비교할 때 100%의 휘도 증가가 관측 표면에 직각인 디스플레이 방향을 따라 관측되었다. 반사 편광기만으로는 30%의 휘도 증가를 발생시키고, 구조화 표면만은 70%의 휘도 증가를 발생시키는데, 이에 따라 온 축 관측을 하면 100%의 총 휘도 증가가 귀결된다.

이러한 두가지 예들 사이의 휘도 증가의 차이는 이용되는 상이한 광학 캐비티로 인한 것이 주요인이다. 제12도의 곡선은 전계 발광 백라이트에 대해 취해진 것이고, 후자의 예는 표준 백라이트에 대해 취해진 것이다. 각종 형태의 광학 캐비티의 반사 및 손실은 획득 가능한 전체 휘도 증가에 영향을 끼친다.

휘도 향상 반사 편광기 본체에서 나오는 광선의 2차원 제어는 제13도에 도시된 대안의 양호한 디스플레이 구성(192)을 이용하여 달성될 수 있다. 조직화된 표면(112 및 184)을 각각 가지는 두 개의 광학 구조화 층(113 및 182)은 서로 근접해 있고, 반사 편광기 몸체(116)도 근접해 있다. 이러한 세가지 소자는 휘도 향상 반사 편광기 몸체(110)를 포함한다. 제13도에 있어서, 두 개의 광학 구조화 층이 반사 편광기 몸체(116) 밑에 배치된 것으로 도시되어 있지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서 반사 편광기 몸체(116)는 광학 구조화 층(112 및 182) 사이에 또는 이들의 밑에 배치될 수 있다. 2차원 제어는 조직화된 표면(112 및 184)의 배향축을 교차시킴으로써 달성된다. 축들은 디스플레이 응용 및 관련된 편광 요구 조건에 좌우되어 90°또는 90°보다 큰 소정의 각으로 배향될 수 있다.

동작시, 제1광학 구조화 층은 Y, Z평면에서 약 70°의 관측구역, 및 Z평면에서 110°의 관측 구역을 발생시킨다. 이 때, 제1광학 구조층(182)에서 나오는 광선은 제2광학 구조층(113)에 대한 소오스로 되는데, 조직화된 표면(112)은 광학 구조화 층(182)의 조직화된 표면(184)의 것과 다른 배향축을 가지고 있다. 예를 들어, 두가지 광학 구조화 층(113 및 184)의 축들이 90° 로 배향되는 경우, 광학 구조화 층(182)은 X, Z평면의 110° 의 각도 범위 내의 광선에 대해 동작하고, X,Z평면 내의 관측 각도를 70°보다 다소 작은 좁은 구역으로 협소화시키므로, 휘도는 더욱 증가한다.

제14도는 따로 떼어낸 쥐도 향상 반사 편광기(110)의 개략 투시도이다. 제14도는 본 발명의 구조에 관한 설명을 용이하게 하기 위해, 스케일을 맞추지 않고 도시하였다. 그 중에서도 특히 제14도는 본 발명의 설명시 언급되는 X, Y 및 Z 방향을 정하는 좌표 시스템(118)을 포함한다.

제14도에서 알 수 있는 바와 같이, 휘도 향상 반사 편광기(110)는 조직화된 표면(112)을 가지는 광학 구조화 층(113)을 포함한다. 제14도에 있어서, 이런 광학 조직화 층(113)은 반사 편광기 몸체(116) 상으로 주조된 폴리머층 상에 접혀져 형성되어 양호한 단일 구조물을 발생시킨다. 제14도에 도시된 구조물과 같은 단일 구조물은 반사 편광기 상에서 조직화된 표면 재료를 열 적층 또는 주조하고 경화시키는 것과 같은, 두개의 박층을 부착시키는 공지된 기술로써 형성될 수 있는데, 여기서 반사 편광기는 미국 특허 제5,175,030호에 기재된 공정에서 기판으로 기능한다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 반사 편광기 및 휘도 향상기가 단일화되는 상태는 이들이 서로 접합된 것을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.

제14도에 도시된 양호하면서 예시적인 조직화된 표면(112)은 프리즘(114)에 의해 유형화된 프리즘 어레이이다. 각각의 프리즘은 X방향으로 연장하는 정점 리지(apex ridge)를 갖고 있다. Y, Z면에 있어서, 각각의 프리즘(114)은 90°의 프리즘 정점각(120)을 가지는 이동변 삼각형인 단부를 갖고 있다. 프리즘 어레이가 양호하지만, 특정한 프리즘 기하 및 정점각(120)은 응용에 따른 특정한 필요 조건과 부합되도록 변경될 수 있다. 광학 디스플레이에서 나오는 광선을 제6도에 도시된 상대적으로 좁은 관측 구역(136) 내에 한정시키는 것이 요구되는 경우에 제14도에 도시된 바와 같은 프리즘 어레이가 특히 유용하다. 그러나, 다른 관측각이 요구되는 경우, 광학 조직화 층(113)은 다른 형태를 취할 수 있다. 양호한 조직화된 표면(112)이 기하 광학적으로 기능하지만, 회절 소자 또는 홀로그래픽 광학 소자가 기하 광학에 의해 구현되는 광선 지향화 특성을 효과적으로 모의하도록 설계할 수 있다는 점이 널리 공지되어 있다. 그러므로, 조직화된 표면(112)은 광선을 상대적으로 좁은 관측 구역(136 : 제6도) 내에 한정시키는 기학 광학 시스템과 회절 광학 시스템 모두를 기술하기 위한 것으로 이해해야 한다. 프리즘 어레이의 고유한 편광 특성으로 인해, 일반적으로 말하면 최적의 성능은 반사 편광기가 뻗어가는 방향과 평행하게 프리즘 축이 뻗어나갈 때 달성된다.

다층 스택의 광학 작용

제4도에 관련하여 상기에 도시된 것과 같은 다층 스택의 광학 작용에 대해 보다 일반적인 용어고 기술하고자 한다. 다층 스택은 수백 또는 수천 개의 층을 포함할 수 있고, 각각의 층은 다수의 상이한 재료들 중 임의의 재료로 제조될 수 있다. 특정한 스택에 쓰이는 물질의 선택을 좌우하는 특성은 스택에게 요구되는 광학 성능에 따라서 변한다.

스택은 스택 내에 여러 층들이 있는 것만큼 여러 가지 물질을 포함할 수 있다. 제조를 용이하게 하기 위해서, 양호한 광학 박층 스택은 소수의 서로 다른 재료만을 함유한다. 설명을 간단히 하기 위해서, 두가지 물질을 포함하는 다층 스택을 설명하고자 한다.

물질들 사이의 경계부 또는 상이한 물리적 속성을 가지는 화학적으로 동일한 물질 사이의 경계부는 급격한 변화를 나타낼 수도 있고, 점진적으로 변화를 나타낼 수 있다. 해석적 해가 존재하는 몇몇 간단한 경우를 제외하고는, 굴절률이 연속적으로 변하는 후자 형태의 층화(stratified) 매체는 급격한 변화를 나타내는 경계부를 갖고 있지만 인접 층들 사이의 속성이 아주 소규모로 변하는 아주 많은 개수의 박층 균일층들로 취급하여 분석하는 것이 통상적이다.

임의의 방위각(azimuthal) 방향에 대해 임의의 입사각에서의 반사 작용은 박층 스택의 각각의 박층의 굴절률에 의해 결정된다. 박층 스택 내의 모든 층이 동일한 처리 조건 하에 놓인다고 가정하면, 전체 스택의 작용을 각도의 함수로서 이해하는 데에는, 두 개의 성분 스택이 이루는 단일 인터페이스만 살펴보아도 충분하다.

그러므로, 설명을 간단히 하기 위해서, 단일 인터페이스의 광학 작용에 대해 기술하고자 한다. 그러나, 본 발명에 기재된 원리에 따른 실제 다층 스택은 수백 또는 수천 개의 층으로 형성될 수 있음을 알아야 한다. 제15도에 도시된 것과 같은 단일 인터페이스의 광학 동작을 설명하기 위해서, z축 및 하나의 공면 광학축을 포함하는 입사면에 대해 입사각의 함수로서 s 및 p 편광 광선의 반사도가 도시될 것이다.

제15도는 굴절률 등방성 매체 내에 잠겨지고, 단일 인터페이스를 형성하는 두 개의 물질 박층을 도시한 것이다. 설명을 간단히 하기 위해, 두 개 물질의 광학축들이 정렬된 직교 다중층 복굴절 시스템에 대해 설명하고자 하는데, 여기서 하나의 광학축(z)는 박층 평면에 수직이고, 다른 광학축들은 x 및 y 축을 따르는 축이다. 그리나, 광학축들은 꼭 직교각들일 필요는 없고, 비직교 시스템도 본 발명의 사상 및 범위 내에 포함된다는 것을 인지해야 한다. 더욱이, 광학축이 본 발명의 의도한 범위 내에 속하기 위해서 박층의 축과 꼭 정렬될 필요는 없다는 것도 또한 인지해야 한다.

임의의 두께의 임의의 박층 스택에 관한 광학 값들을 계산하기 위한 기초적인 수학 도구는 널리 공지된 개별 박층 인터페이스의 프레넬(Fresnel) 반사 및 투과 계수이다. 프레넬 계수는 s 및 p 편광 광선에 대한 별도의 공식으로 임의의 입사각에서 임의의 인터페이스가 나타내는 반사도를 예측한다.

유전 재료 인터페이스의 반사도는 입사각의 함수로서 변하고, 등방성 물질에 대해서는 p 및 s 편광 광선에 대해 상당히 다른 값을 나타낸다. p 편광 광선에 대한 최소 반사도는 소위 브루스터(Brewster) 효과로 인한 것이고, 반사도가 0으로 되는 각도를 브루스터 각이라 한다.

임의의 입사각에서의 임의의 박층 스택의 반사 작용은 관계된 모든 박층의 유전 상수 텐서값(tensor)에 의해 결정된다.

이러한 논제에 관한 일반적인 이론은 1987년에 North-Holland사가 출간하고 R. M. A. Azzam 및 N. M. Bashara가 저술한 "Ellipsometry and Polarized Lisht" 문헌에 제공된다. 결과는 널리 공지된 맥스웰 방정식으로부터 직접 유도된다.

시스템의 단일 인터페이스의 반사도는 식 1) 및 2)에 의해 각각 주어진, p및 s 편광 광선에 대한 반사 계수의 절대치를 제곱함으로써 계산된다. 식 1) 및 2)는 두 성분의 축들이 정렬된 단축 직교 시스템에 대해 유효하다.

여기에서, θ 는 등방성 매체에서 측정된 값이다.

단축 복굴절 시스템에 있어서, n1x = n1y = n1o 및 n2x = n2y = n2o이다.

쌍축 복굴절 시스템에 있어서, 식 1) 및 2)는 제15도에 정의된 대로, 그 편광면이 x-z 또는 y-z 면과 평행한 광에 대해서만 유효하다. 그러므로, 쌍축 시스템에 대해서, x-z 면에 입사하는 광선에 대해, 식 1)(p 편광 광선)에서 n1o = n1x이고, n2o = n2x이며, 식 2)(s 편광 광선)에서 n1o=n1y이고, n2o=n2y이다. y-z면에 입사하는 광선에 있어서, 식 1)(p 편광 광선)에서 n1o=n1y 및 n2o = n2y이고, 식 2)(s 편광 광선)에서 n1o = n1x 및 n2o = n2x 이다.

식 1) 및 2)는 반사도가 스택 내의 각 물질의 x, y 및 z 방향을 따른 굴절률에 좌우된다는 점을 보여준다. 등방성 물질에서는, 세가지 굴절률 모두가 동일하므로, nx = ny = nz이다. nx, ny 및 nz 사이의 관계는 물질의 광학 특성을 결정한다. 세가지 굴절률 사이의 상이한 관계는 물질을 세가지 일반적인 범주로 나눈다. 즉, 물질들을 등방성, 단축 복굴절성 및 쌍축 복굴절성을 갖는 것으로 나눈다.

단축 복굴절 물질은 이 물질의 한 방향으로의 굴절률이 다른 두 개의 방향으로의 굴절률과 다른 재료로 정의된다. 설명을 간단하게 하기 위해서, 단축 복굴절시스템을 규정하는 관계는 조건 nx = ny ≠ nz라고 표현한다. x 및 y축은 공면축으로 규정되고, 각각의 굴절률(nx 및 ny)을 공면 굴절률이라 한다.

단축 복굴절 시스템을 발생시키는 한가지 방법은 중합체 다중층 스택을 쌍축으로 신장시키는 것(예로 투 디멘젼(two dimension)을 따라 신장됨)이다. 다중층 스택의 쌍축 신장은 양쪽 축과 평행한 평면을 기준으로 인접하는 층들의 굴절률 사이의 차이를 발생시키므로, 양쪽 편광면들에서 광선을 반사시킬 수 있게 된다.

단축 복굴절 물질은 포지티브 또는 네거티브 단축 복굴절성을 가질 수 있다. 포지티브 단축 복굴절은 z 굴절률이 공면 굴절률들보다 클 때(nz > nx 및 ny) 발생한다. 네지티브 단축 복굴절은 z 굴절률이 공면 굴절률보다 작을 때(nz < nx 및 ny) 발생한다.

쌍축 복굴절 물질은 세개 축 모두의 굴절률이 다를 때, 예를 들어 nx ≠ ny ≠ nz일 때의 재료로 정해진다. 여기서도, nx 및 ny 굴절률을 공면 굴절률이라 한다. 쌍축 복굴절 시스템은 다중층 스택을 한 방향으로 신장시킴으로써 만들어질 수 있다. 다시 말하면, 스택은 단축으로 신장된다. 설명을 간단하게 하기 위해서, x 방향을 쌍축 복굴절 스택의 신장 방향이라 한다.

단축 복굴절 시스템(미러)

단축 복굴절 시스템의 광학 특성에 대해 지금부터 설명하고자 한다. 이미 설명한 대로 단축 복굴절 물질에 대한 일반적인 조건은 nx = ny ≠ nz이다. 그러므로, 제15도의 각각의 층(102 및 104)은 단축 복굴절 물질인 경우, n1x = n1y 및 n2x = n2y이다. 설명을 간단하게 하기 위해, 층(102)은 층(104) 보다 큰 공면 굴절률을 갖고 있다고 가정하면, x 및 y 방향으로의 굴절률에 대해 nl > n2가 된다. 단축 복굴절 다중층 시스템의 광학 작용은 상이한 레벨의 포지티브 또는 네거티브 복굴절이 유도되도록 n1z 및 n2z의 값을 변화시킴으로써 조정될 수 있다.

상기 식 1)은 제15도에 도시된 것과 같은 두 개 층으로 구성된 단축 복굴절 시스템의 단일 인터페이스의 반사도를 결정하는데 이용될 수 있다. s 편광 광선에 대해서는 식 2)가 등방성 박층(nx = ny = nz)인 간단한 경우의 식과 동일하다는 것을 쉽게 알 수 있으므로, 식 1)만을 알아보면 된다. 예시를 위한 목적으로, 박층 굴절률에 대해 특정치가 부여될 수 있다. n1x = n1y = 1.75, n1z = 가변값, n2x = n2y = 1.50 및 n2z = 가변값이라고 하자. 이러한 시스템에서 여러 가지의 가능한 브루스터 각을 예시하기 위해 주변 등방성 매체에 대해서는 no = 1.60라고 하자.

제16도는 n1z가 n2z 보다 수치적으로 크거나 같을 경우(n1z ≥ n2z), 등방성 매체에서 복굴절 층으로 입사된 p 편광 광선이 나타내는 반사도 대 각도 곡선을 도시한 것이다. 제16도에 도시된 곡선들은 다음과 같은 z 축 굴절률에 대해 획득된 것이다. a) n1z = 1.75, n2z = 1.50, b) n1z = 1.75, n2z = 1.57, c) n1z = 1.70, n2zc 1.60, d) n1z=1.65, n2z=1.60, e) n1z= 1.61, n2z= 1.60, 및 f) n1z = 1.60 = n2z. n1z 가 n2z 에 접근함에 따라, 반사도가 0으로 되는 각도, 즉 브루스티 각이 증가한다. 곡선 (a-e)들은 반사도가 강하게 각도 의존적임을 나타낸다. 그러나, n12 =n2z[곡선 f]일 때, 반사도는 전혀 각도 종속 변수가 아니다. 다시 말하면, 곡선(f)의 반사도는 모든 입사각에 대해 일정하다. 이때에, 식 1)은 각도 독립적인 식으로 축소된다: (n2o-n1o)/(n2o+n1o). n1z = n2z일 때, 브루스터 효과가 전혀 없고, 모든 입사각에 대해 반사도가 일정하다.

제17도는 n1z가 n2z 보다 수치적으로 작거나 같을 경우에 반사도 대 입사각 곡선을 도시한 것이다. 광선이 등방성 매체로부터 복굴절층으로 입사된다. 이러한 경우에, 반사도는 입사각에 대해 단조적으로 증가한다. 이것은 s 편광 광선에서 관측될 수 있는 행동이다. 제17도의 곡선(a)은 s 편광 광선에 대한 단일의 경우를 도시한 것이다. 곡선(b-e)은 다음과 같은 순서로 nz의 여러 가지 값에 대해 p 편광 광선이 나타내는 경우를 보여준다. b) n1z = 1.50, n2z = 1.60 ; c) n1z = 1.55, n2z = 1.60 ; d) n1z = 1.59, n2z = 1.60 ; 및 e) n1z = 1.60 = n2z. 여기서도 n1z = n2z(곡선 e)일 때, 브루스터 효과가 전혀 없고, 모든 입사각에 대한 반사도가 일정하다.

제18도는 제16도 및 제17도의 경우와 동일하지만, 굴절률 no = 1.0(공기)인 입사 매체에 대한 경우를 도시한 것이다. 제18도의 곡선은, p 편광에 대해서 n2x = n2y = 1.50, n2z = 1.60의 포지티브 단축 물질, 및 n1x = n1y = 1.75를 가지며 n1z 값은 상부에서 하부까지 다음과 같은 순서로 그 값을 갖는 네거티브 단축 복굴절 물질이 이루는 단일 인터페이스에 대해 그 관계가 도시된 것이다; a) 1.50, b)1.55, c) 1.59, d) 1.60, f) 1.61, g) 1.65, 11) 1.70, 및 1) 1.75 여기서도 제16도 및 제17도에 도시된 바와 같이, n1z 및 n2z의 값이 일치할 때(곡선 d), 반사도는 각도에 대해 독립적이다.

제16도, 제17도 및 제18도는 한쪽 박층의 z축 굴절률이 다른 박층의 z측 굴절률과 동일할 때 어느 한 형태의 행동에서 다른 형태의 행동으로 옮겨가는 크로스오버(cross-over)가 발생하는 것을 도시한 것이다. 이것은 네거티브 및 포지티브 단축 복굴절의 몇 가지 조합 및 등방성 물질에 대해 성립한다. 브루스터 각이 더 크거나 더 작은 각으로 시프트하면 다른 상황이 발생한다.

공면 굴절률과 z 축 굴절률 사이의 여러 가지 가능한 관계가 제19도, 제20도 및 제21도에 예시되었다. 수직축은 상대적 굴절치를 나타내고, 수평축은 여러 가지 조건을 단순 분리시켜 나타내었다. 각각의 도면은 두 개의 등방성 박층을 갖는 좌측으로부터 개시하는데, 여기서 z 굴절률은 공면 굴절률과 같다. 우측으로 진행함에 따라, 공면 굴절률은 일정하게 유지되고, 여러 가지의 z 축 굴절률은 증가하거나 감소하여 포지티브 또는 네거티브 복굴절의 상대적 크기를 나타낸다.

제16도, 제17도 및 제18도에서 상기 기술된 경우가 제19도에 예시되었다. 물질(1)의 공면 굴절률은 물질(2)의 공면 굴절률보다 크고, 물질(1)은 네거티브 복굴절성을 갖고 있으며(n12는 공면 굴절률보다 작다), 물질(2)는 포지티브 복굴절성을 갖고 있다(n2z는 공면 굴절률보다 크다). 브루스터 각이 사라지고 반사도가 모든 입사각에 대해 일정하게 되는 포인트는 두개의 z 축 굴절률이 동일하게 되는 지점이다. 이러한 점은 제16도에서 곡선(f), 제17도의 곡선(e) 또는 제18도의 곡선(d)에 대응한다.

제16도에 있어서, 물질(1)는 물질(2) 보다 높은 공면 굴절률을 갖고 있지만, 물질(1)은 포지티브 복굴절성을 갖고 있으며, 물질(2)는 네거티브 복굴절성을 갖고 있다. 이러한 경우에, 브루스터 최소는 더 작은 각도 값으로만 시프트할 수 있다.

제19도와 제20도는 두 개의 박층들 중 하나가 등방성인 제한적 경우에 유효하다. 두가지 경우가 있는데, 하나는 물질(1)이 등방성이고 물질(2)이 포지티브 복굴절성을 가지는 경우이며, 다른 하나는 물질(2)가 등방성이며 물질(1)이 네거티브 복굴절성을 갖는 경우이다. 브루스터 효과가 전혀 없는 포인트는 복굴절 물질의 z 축 굴절률이 등방성 박층의 굴절률과 같게 되는 지점이다.

또 다른 경우는 양쪽의 박층이 동일한 형태, 즉 모두 네거티브 또는 포지티브 복굴절성을 갖는 경우이다. 제21도는 두 박층이 모두 네거티브 복굴절성을 가지는 경우이다. 그러나, 두 개의 포지티브 복굴절층인 경우는 제21도에 도시된 두개의 네거티브 복굴진층인 경우와 유사하다고 이해해야 한다. 앞서와 같이, 브루스터 최소는 하나의 z축 굴절률이 다른 박층의 굴절률과 같거나 교차하는 경우에만 제거된다.

다시 또 다른 경우는 두 개 물질의 공면 굴절률이 같지만, z축 굴절률이 상이한 경우에 발생한다. 제19도 내지 제21도에 도시된 세가지 모든 경우의 하위 집합인 이 경우에, 어떠한 각도에서도 s 편광 광선에 대한 반사가 전혀 발생하지 않고, p 편광 광선에 대한 반사도는 입사각이 증가함에 따라 단조적으로 증가한다. 이러한 구조는 입사각이 증가함에 따라 p 편광 광선에 대해 증가하는 반사성을 나타내고, s 편광 광선에 대해서는 투명하다. 이러한 구조를 "p 편광기"라고 한다.

당해 분야에 숙련된 기술자라면 단축 복굴절 시스템의 작동을 설명하는 상기 원리가 다양한 환경에서 요구되는 광학 효과를 발생시키는데 적용될 수 있다는 것을 용이하게 인식할 수 있을 것이다. 다중층 스택 층의 굴절률은 요구된 광학 특성을 가지는 장치를 생산하도록 조작되어 맞추어질 수 있다. 다수의 네거티브 및포지티브 단축 복굴절 시스템은 다양한 공면 및 z 축 굴절률로서 생성될 수 있고, 다수의 유용한 장치가 여기 설명된 원리를 이용하여 설계 및 제조될 수 있다.

쌍축 복굴절 시스템(편광기)

제15도를 다시 참조하여, 두가지 성분의 직교 쌍축 복굴절 시스템에 대해 지금부터 설명하고자 한다. 여기서도 이 시스템은 다수의 층을 갖고 있지만, 스택의 광학 작용에 관한 이해는 하나의 인터페이스에서의 광학작용을 조사함으로써 획득된다.

쌍축 복굴절 시스템은 모든 입사각에서 어떤 하나의 축과 평행한 편광면을 가지는 광선에 대해서는 높은 반사성을 제공하고 동시에 모든 입사각에서 또 다른 하나의 축과 평행한 편광면을 가지는 광선에 대해서는 낮은 반사성을 제공하도록 설계될 수 있다. 결과적으로, 쌍축 복굴절 시스템은 편광기로서 작용하여, 어떤 하나의 편광을 갖는 광선은 투과시키고, 다른 하나의 편광을 갖는 광선은 반사시킨다. 각 박층의 세 개의 굴절률 nx, ny, nz를 조절함으로써, 요구된 편광기 작용이 획득될 수 있다.

상기 설명한 PEN/coPEN의 다중층 반사 편광기는 쌍축 복글절 시스템의 한 예이다. 그러나, 일반적으로 다중충 스택을 구성하는데 이용된 물질은 꼭 중합제가 될 필요는 없다는 것을 이해해야 한다. 여기서 설명된 본 발명의 일반적인 원리에 속하는 임의의 물질이 다중층 스택을 구성하는데 이용될 수 있다.

제 15도를 다시 참조하면, 예시를 위해서 다음의 값들을 박층 굴절률에 배정한다. n1x=1.88, n1y=1.64, n1z=가변 n2x=1.65, n2y=가변 및 n2z=가변. x 방향을소광 방향이라 하고, y 방향을 투과 방향이라 한다.

식(1)은 광선의 입사면이 신장 방향 또는 비신장 방향 중 어느 하나를 취한 경우가 되는 두가지 중요한 경우에 대해 쌍축 복굴절 시스템의 각도 행등을 예측하는데 이용될 수 있다. 편광기는 어떠한 편광 방향에 대해서는 미러가 되고 다른 한 방향에 대해서는 윈도우가 되는 디바이스이다. 신장 방향에 있어서, 수백 개의 층을 가지는 다층 스택에서의 1.88-1.65=0.23의 큰 굴절차로 인해 s 편광 광선에 대해 매우 높은 반사도를 산출한다. p 편광 광선에 대해서, 여러 각도에서의 반사도는 n1z/n2z 굴절차에 따라서 변한다.

대부분의 응용에 있어서, 이상적인 반사 편광기는 모든 입사각에서 어떠한 축을 따라서는 큰 반사도를 나타내고, 다른 한 축을 따라서는 제로인 반사도를 나타낸다. 어느 정도의 반사가 투과축을 따라 발생한다면, 그리고 이러한 반사가 여러 가지 파장에 대해 다르게 발생한다면, 편광기의 효율은 감소되고, 투과된 광선은 색을 띠게 된다. 두가지 효과는 바람직하지 곳하다. 이것은 공면 y 굴절를이 일치하는 경우일지라도 z 굴절률의 커다란 불일치에 의해 야기된다. 그러므로, 최종 시스템은 p 편광 광선에 대해 큰 반사성을 나타내고, s 편광 광선에 대해 큰 투과도를 나타낸다. 이러한 경우는 상기의 미러일 때의 분석에서 언급한대로 "p 편광기 "라 한다.

제 22도는 800층을 이룬 PEN/coPEN 스택에 대해 입사면이 비신장 방향일 때 P 편광 광선에 대해 75°에서의 반사도(-Log[1-R]로서 표현됨)를 도시한 것이다. 반사도는 가시 스펙트럼(400-700nm) 에 걸친 파장의 함수로서 도시되어 있다. 550nm에서 곡선(a)의 굴절률은 n1y=1.64, n1z=1.52, n2y=1.64 및 n2z=1.63이다. 모델 스택 설계는 1/4 파장 쌍들을 이루기 위한 간단한 선형 두께 증가 형태를 갖는데, 여기서 각 쌍은 이전 쌍보다 0.3% 만큼 두껍다. 모든 층에는 가우스 분포를 나타내고 5%표준 편차를 가지는 무작위 두께 에러가 발생한다.

곡선(a)는 투과축(y축)을 따라 가시 스펙트럼 범위에 대해 높은 오프축 반사도를 나타낸다는 것을 보여주고 상이한 파장들은 상이한 정도의 반사도를 나타낸다는 것을 보여준다. 스펙트럼이 박층 캘리퍼(caliper)와 같은, 층 두께 에러 및 공간적 불균일성에 민감하기 때문에, 매우 불균일하고 "다색" 현상을 가지는 쌍축 복굴절 시스템을 제공한다. 높은 정도의 컬러화가 소정의 응용에 바람직할지 모르지만, 오프축 컬러화를 제어하는 것이 좋고, LCD 디스플레이 또는 다른 형태의 디스플레이에서와 같이 균일하면서 낮은 정도의 컬러화를 요구하는 응용에서는 컬러화 정도를 최소화하는 것이 바람직하다.

박층 스택이 모든 가시 파장에 동일한 반사도를 제공하도록 설계된 경우, 균일하면서 자연스런 회색 반사가 귀결될 것이다. 그러나, 이것은 거의 완벽한 두께제어를 필요로 한다. 대신에, 오프축 반사도 및 오프축 컬러는, s 편광 반사도를 최소로 유지하면서 브루스터 조건 오프 축을 생성하는 비신장 공면 굴절률(nly 및 n2y)의 굴절률 비일치를 도입함으로써 최소화될 수 있다.

제23도는 쌍축 복굴절 시스템의 투과축을 따라 발생하는 오프축 반사도를 감소시킬 때 y굴절률의 비일치를 도입하는 효과를 설명한 것이다. n1z=1.52 및 n2z=1.63(Δnz=0.11)에 있어서, 다음과 같은 조건에서 p편광에 대해 도시되었다.a) n1y=n2y=1.64; b)n1y=1.64, n2y=1.62; c)n1y=1.64 n2y=1.66. 곡선(a)은 공면 굴절률(n1y 및 n2y)이 동일한 경우의 반사도를 도시한 것이다. 곡선(a)은 0°에서 반사 최소치를 갖고 있지만, 20°이후에 급격하게 상승한다. 곡선(b)에 있어서, n1y>n2y이고, 반사도는 신속하게 증가한다. n1y<n2y인 곡선(c)은 38°에서 반사도 최소치를 갖고 있지만, 이후에는 급격하게 상승한다. 곡선(d)으로 도시된 바와 같이 상당한 반사가 n1y≠n2y일때 s 편광 광선에 대해서도 마찬가지로 발생한다. 제23도의 곡선(a-d) 브루스터 최소치가 존재하려면 y굴절률 비일치(n1y-n2y)의 사인이 z굴절률 비일치 (n1z-n2z)의 사인과 동일하여야 하는 것을 나타낸다. n1y=n2y의 경우에, s 평광 광선에 대한 반사도는 모든 각에서 제로이다.

층들 간의 z 축 굴절차를 감소시킴으로써 오프축 반사도가 더욱 감소될 수 있다. n1z가 n2z와 동일한 경우, 제18도는 소광축이 직교 입사각에서 그런 것처럼 높은 반사도 오프각을 여전히 가질 수 있다는 것을 보여주고, 양자의 굴절률이 일치하기 때문에(예를 들어, n1y=n2y 및 n1z=n2z) 임의의 각에 대해 비신장 축을 따른 어떤 반사도 일어나지 않는다.

두가지 y 굴절률 및 두가지 z 굴절률의 정확한 일치는 어떤 폴리머 시스템에서는 불가능할 수 있다. z축 굴절률이 편광기 구조에서 일치되지 않는 경우, 약간의 불일치가 공면 굴절률(n1y 및 n2y)에 필요할 수 있다. 또 다른 예는 y 굴절률이 a) n1y=1.64, n2y=1.65; b) n1y=1.64, n2y=1.63일 때 n1z=1.56 및 n2z=1.60(Δ nz=0.04이라고 가정했을 때에 제24도에 도시되어 있다. 곡선(c)은 각각의 경우에 s 편광 광선에 관한 곡선이다. y 굴절률 불일치 사인이 z 굴절률 불일치 사인과 동일한 경우에 곡선(a)는 최저 오프 각 반사도를 나타낸다.

제 24도에서 곡선(a)의 상태에 따른, 75° 의 입사각에서의 800층 박층 스택의 계산된 오프축 반사도는 제22도의 곡선(b)로 도시되어 있다. 제 22도의 곡선(b)와 곡선(a)를 비교하면, 곡선(b)로 도시된 조건에 대해 훨씬 작은 오프축 반사도가 나타나고, 따라서 색채가 최소로 지각되는 것이 도시되었다. 550nm에서 곡선(b)에 관련된 굴절률은 n1y=1.64, n1z=1.56, n2y=1.65 및 n2z=1.60이다.

제 25도는 p 편광에 대해 제15도에 관련하며 기술된 오프축 반사도를 요약한 식(1)의 등고선 도를 도시한 것이다. 비신장 방향에 관계된 네가지 독립 굴절률은 두가지 굴절률의 불일치 (Δnz 및 Δny)로 감축되었다. 이 등고선도는 15° 씩 증가시키면서 0°에서 75°까지의 여러 가지 입사각에서 6개의 등고선의 평균이다. 반사도의 범위는 0.4 ×10^-4의 값으로 일정하게 증가하는 조건에서 등고선 (a)에 대해서는 0.4 ×10^-4부터 시작하고 등고선 (j)에 대해서는 4.0 ×10^-4부터 시작한다. 이 등고선 또는 하나의 광학축을 따라 발생하는 굴절률 불일치에 의해 야기된 높은 반사도가 다른 축을 따가 발생하는 불일치에 의해 어떻게 오프셋될 수 있는지를 나타낸다.

그러므로, 쌍축 복굴절 시스템의 층들 사이의 z 굴절률의 불일치를 감소시키거나 및/ 또는 브루스터 효과를 발생시키긴 위해 y 굴절률의 불일치를 도입함으로써, 오프축 반사도 및 그에 따른 오프축 컬러가 다층 반사 편광기의 투과축을 따라 최소화된다.

또한, 좁은 파장 범위에 걸쳐 동작하는 협대역 편광기가 본 발명의 원리를 이용하여 설계될 수 있다는 것을 주의해야 한다. 이들은 적색, 녹색, 청색, 청록색(cyan), 자홍색(magenta) 또는 노란색 대역의 편광기를 생산하도록 제조될 수 있다.

물질 선택 및 처리 공정:

설정된 상기의 설계를 고려하여, 당해 분야에 숙련된 기술자라면 요구되는 반사 굴절률 사이의 관계를 산출하도록 선택된 조건하에서 다양한 종류의 물질이 처리될 때, 본 발명에 따른 다층 미러 또는 편광기를 형성하는데 이런 물질이 이용될 수 있다는 것을 용이하게 인지할 수 있을 것이다. 일반적으로, 요구되는 모든 것은 실제로는 재료 중 하나가 제2 재료와 비교할 때 선택된 방향에 대해 상이한 굴절률을 갖는다는 것이다. 이러한 굴절률의 차이는 박층 형성 중에 또는 후의 신장(예를 들어, 유기 폴리머의 경우에), 사출(예로, 액정 재료인 경우에) 또는 코팅을 포함하는 다양한 방식으로 달성될 수 있다. 또한 두가지 물질이 유사한 유동 특성(예를 들어, 용융 점도)을 가져서 함께 사출될 수 있는 것이 양호하다.

일반적으로, 적절한 조합은 제1 물질로서 결정성 또는 반결정성(semi-crystalline) 유기 폴리머를 선택하고 제2 물질로서 유기 폴리머를 선택함으로써 달성될 수 있다. 제2 물질은 차례로 결정성, 반결정성 또는 비정질일 수 있고, 또는 제1 물질의 복굴절성과 반대되는 복굴절성을 가질 수 있다.

적절한 물질에 관한 특정 예는 다음의 것을 포함한다. 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 및 이것의 이성체(예를 들어, 2.6-, 1.4-,1.5-, 2.7- 및 2.3-PEN), 폴리아킬렌 테레프탈레이트(예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 및 폴리-1,4-시클로헥산디메틸렌 테레프탈레이트), 폴리이미드(예를 들어, 폴리아크릴릭 이미드), 플리에테르이미드, 아탁틱(atactic)의 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리메타크릴레이트(예를 들어, 폴리이소부틸 메타크릴레이트, 폴리프로필메타크릴레이트, 폴리에틸메타크릴레이트 및 폴리메틸메타크릴레이트), 폴리아크릴레이트(예를 들어, 폴리부틸아크릴레이트 및 폴리메틸아크릴레이트), 셀룰로스 유도체(예를 들어, 에틸 셀룰로스, 셀룰로스 아세테이트, 셀룰로스 프로피오네이트, 셀룰로스 아세테이트 부티레이트 및 셀룰로스 니트레이트), 폴리아킬렌 폴리머(예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 플리부틸렌, 폴리이소부틸렌 및 폴리(4-메틸) 펜텐), 플루오리네이티드 폴리머(예를 들어, 퍼플루오로알콕시 수지, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오리네이티드 에틸렌프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 폴리클로로트리플루오로에틸렌), 클로리네이티드 폴리머(예를 들어, 폴리비닐리덴 클로라이드 및 폴리비닐클로라이드), 폴리설포네, 폴리에테르설포네, 폴리아크릴오니트릴, 폴리아미드, 실리콘 수지, 에폭시 수지, 폴리비닐아세테이트, 폴리에테르 아미드, 이온 오메릭 수지, 탄성 중합체(예를 들어, 폴리부타딘, 폴리이소프렌 및 네오프렌) 및 폴리우레탄. 또한, 적절한 물질은 코폴리머가 될 수 있는데, 예를 들어, PEN계의 코폴리머[(a) 테레프탈 산 또는 이의 에스테르, (b) 이소프탈 산 또는 이의 에스테르, (c) 프탈 산 또는 이의 에스테르, (d) 알칸 글리콜, (e) 시클로알칸 글리콜 (예를 들어, 시클로헥산 디메탄올 디올), (f) 알칸 디카르복실릭 산, 및/또는 (g) 시클로알칸 디카르복실릭 산(예를 들어, 시클로헥산디카르복실릭 산)을 갖춘 2,6-1,4-,1,5-,2,7-, 및/또는 2,3-나프탈렌 디카르복실릭산 또는 이의 에스테르], 폴리알킬렌 테레프탈레이트계의 코폴리머[예를 들어, (a) 나프탈렌 디카르복실 산 또는 이의 에스테르, (b) 이소프탈 산 또는 이의 에스테르, (c) 프탈 산 또는 이의 에스테르, (d) 알칸 글리콜, (e) 시클로알칸 클리콜(예를 들어, 시클로헥산 디메탄올 디올), (f) 알칸 디카르복실릭 산, 및/또는 (g) 시클로알칸 디카르복실릭 산(예를 들어, 시클로헥산 디카르복실릭 산)을 갖춘 테레프탈 산의 코폴리머 또는 이의 에스테르], 및 스티렌계 코폴리머(예를 들어, 스티렌-부타디엔 코폴리머 및 스티렌-아크릴로니트릴 코폴리머), 4,4'-비벤조익산 (bibenzoic acid)과 에틸렌 글리콜 등이 있다. 부수적으로, 각각의 개별 층은 상기 제시한 폴리머 또는 코폴리머 중 두가지 이상이 혼합된 혼합물[예를 들어, SPS 및 아탁틱의 폴리스티렌 혼합물]을 포함할 수 있다.

편광기의 경우에 층들의 특히 양호한 조합은 PEN/co-PEN, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PEN)/co-PEN, PEN/SPS, PET/SPS, PEN/Eastrir을 포함하는데, 여기서 "co-PEN"은 나프탈렌 디카르복실릭 산(상기의 물질)에 기초한 코폴리머 또는 혼합물을 언급하는 것이고, Eastair은 이스트만 화학회사가 시판 중인 폴리시클로헥산디메틸렌 테레프탈레이트이다.

미러의 경우에 층들의 특히 양호한 조합은 PEN/Ecdel, PEN/Ecdel, PEN/SPS, PEN/THV, PEN/co-PET 및 PET/SPS를 포함하는데, 여기서 "co-PET"는 (상기 설명한)테레프탈 산에 기초를 둔 코폴리머 또는 혼합물을 언급하는 것이고, Ecdel은 이스트만 화학회사가 시판중인 열가소성 폴리에스테르이고, THC는 3M 사가 시판 중인플루오르폴리머이다.

장치의 층의 수는 경제적인 이유 때문에 최소한의 층을 이용하여 요구되는 광학 특성을 달성하도록 선택된다. 편광기의 미러의 경우에, 층의 수는 양호하게는 10,000 개보다 적고, 보다 양호하게는 5,000 개보다 적고 및 더욱 양호하게는 2,000개 보다 적다.

앞에서 설명한 대로, 여러 가지의 굴절률에 대해 요구되는 관계(따라서, 다층 장치의 광학 특성)를 획득하기 위한 능력은 다층 장치를 만드는 데에 이용된 처리 조건에 의해 영향을 받는다. 신장에 의해 배향될 수 있는 유기 폴리머의 경우에, 장치는 다층 박층을 형성하기 위해 개별 폴리머를 함께 사출시킨 다음 선택된 온도에서 박층을 배향함으로써 신장시키고, 선택적으로는 선택된 온도에서 가열 경화시키는 단계를 그 다음에 수행하여 준비되는 것이 일반적이다. 선택적으로, 사출 및 배향 단계는 동시에 수행될 수 있다. 편광기의 경우에 박층은 실질적으로 한 방향(단축 방향)으로 신장되지만, 미러의 경우에 박층은 실질적으로 양 방향(쌍축 방향)으로 신장된다.

박층은 교차 방향으로의 자연적인 감소(신장비의 제곱근과 동일)에 대해 교차 신장 방향으로 치수가 늘어나서 전체 규모가 제약될 수 있다(즉, 교차 신장 방향으로 어떤 실질적 변화도 없다). 박층은 길이 배향기(length orienter)를 이용해 기계 방향으로 신장되고 텐터(tenter)를 이용해 폭 방향으로 신장되고, 또는 대각선 방향으로 신장될 수 있다.

사전 신장 온도, 신장 온도, 신장 속도, 신장비, 열 경화 온도, 열 경화 시간, 열 경화 완화 및 교차 신장 완하는 바람직한 굴절률 관계를 가지는 다중층 장치를 산출하도록 선택된다. 이러한 변수는 상호 의존적이므로, 예를 들어 상대적으로 느린 신장 속도는, 예를 들어 상대적으로 낮은 신장 온도와 결합되는 경우에 이용될 수 있다. 당해 분야에 숙련된 기술자라면 바라는 다중층 장치를 달성하기 위해서 이러한 변수들을 어떻게 적절히 조합하여 선택해야 하는 지를 알고 있다. 그러나, 일반적으로, 1:2∼10(보다 양호하게는, 1:3∼7)의 신장비가 편광기의 경우에 양호하다. 미러의 경우에는, 한 축을 따른 신장비는 1:2∼10(보다 양호하게는 1:2∼8 및 1:3∼7)의 범위에 있고, 제2축을 따라 발생하는 신장비는 1:0.5∼10(보다 양호하게는 1:1∼7 및 1:3∼6)의 범위에 있는 것이 양호하다.

적절한 다중층 디바이스는 스핀 코팅 기술[예를 들어, Boese 등 저, J. Polym. Sci. :Part B. 30:1321(1992)에 기재된 것] 및 진공 피착 기술을 이용하여 마련될 수 있는데, 후자의 기술이 결정성 중합체 유기 및 무기 물질의 경우에 특히 유용하다.

본 발명을 다음과 같은 예를 통해 지금부터 설명하고자 한다. 이 예에 있어서, 광 흡수성이 무시될 수 있기 때문에, 반사도는 1에서 투과도를 뺀 값(R=1-T)과 동일하다.

미러 예:

PET:Ecdel,601 601층을 포함하는 함께 사출된 박층은 공통 사출 (coextrusion) 처리에 의해 순차적 평탄 박층 제조 라인 상에 형성된다. 0.6dl/g의 고유 점도(60wt.% 페놀/40wt.% 디클로로벤젠)를 가지는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)는 하나의 사출기에 의해 75 pound/hour의 양으로 공급되고, Ecdel 9966(이스트만 화학사가 시판 중인 열가소성 탄성 중합체)은 다른 사출기에 의해 65 pound/hour의 양으로 공증된다. FET는 표피층 상에 있다. 피드블록(feedblock) 방법(미합중국 특허 제3,801,429호에 기재됨)은 151개 층을 산출하는 데에 이용되는 데, 이 층들은 두개의 멀티플라이어를 통과하여 601개의 사출층을 생성시킨다. 미합중국 특허 제3,565,985호에는 예시적 공통 사출 멀티플라이어를 기술하고 있다. 웨브(web)는 약 210℉의 웨브 온도에서 약 3.6의 배출비(draw ratio)로 길이 배향된다. 박층은 그 다음 약 50초 동안 약 235℉의 온도로 사전 가열되고, 약 6%/sec의 양으로 약 4.0의 배출비에 따라 횡단 방향으로 배출된다. 그 후 박층은 400℉에 설정된 열 경화 오븐 내에서 최대 폭의 약 5%만큼 늘어난다. 최종 박층 두께는 2.5mil이다.

생산된 주조 웨브는 공기를 대면하는 조직이 거칠고, 제26도에 도시된 바와같은 투과도를 제공한다. 60° 각도[곡선 (b)]에서의 P편광 광선에 대한 퍼센트 (%) 투과도는 직교 입사각[곡선 (a)]에 대한 값과 유사하다(파장을 시프트했을 때).

비교해 보면, Mearl Corporation 사가 제조하고 추측상 등방성 물질인 박층(제27도)은 60° 각도[곡선(b), 직교 입사각에 대한 곡선(a)와 비교해 보라]에서 p 편광 광선에 대해 주목할만한 반사도 손실을 나타낸다.

PET:Ecdel,151 151개 층을 포함하는 공통 사출된 박층은 공통 사출 처리에 의해 순차 평탄 박층 제조 라인 상에 형성된다. 0.3 dl/g의 고유 점도(60wt.%페놀/40wt.% 디클로로벤젠)를 가지는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)는 한 사출기에 의해 75 pound/hour의 양으로 공급되고, Ecdel 9966(이스트만 화학사가 시판 중인 열가소성 탄성 중합체)은 다른 사출기에 의해 64 pound/hour의 양으로 공급된다. PET는 표피층 상에 있다. 피드 블록 방법은 151 개 층을 발생시키는 데에 사용된다. 웹 온도가 약 210℉인 조건에서 웨브는 약 3.5의 배출비로 길이 배향된다. 박층은 그 다음 약 12초 동안 약 215℉에서 사전 가열되고, 약 25%/sec의 양으로 약 4.0의 배출비로 횡단 방향으로 배출된다. 그 후, 박층은 약 6초 동안 400℉에 설정된 열 경화 오븐 내에서 최대폭의 약 5% 만큼 늘어난다. 최종 박층 두께는 0.6mil이다.

이러한 박층의 투과도는 제28도에 도시되어 있다. 60° 각도[곡선(b)]에서의 p 편광 광선에 대한 % 투과도는 파장을 시프트했을 때 직교 입사각[곡선(a)]에서의 값과 유사하다. 동일한 사출 조건에서, 웨브 스피드는 약 0.8mil의 두께를 가지는 적외선 반사 박층을 제조하기 위해 감속된다. 투과도는 제29도에 도시되어 있다[직교 입사각에서의 곡선(a), 60° 에서의 곡선(b)].

PEN;Ecdel, 225 225개 층을 포함하는 공통 사출된 박층은 주조 웨브를 한번의 조작으로 사출시킨 다음, 실험실 박층 신장 장치로 박층을 배향함으로써 제조된다. 0.5dl/g의 고유 점도(60wt.% 페놀/40wt.% 디클롤로벤젠)를 가지는 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)는 한 사출기에 의해 18 pound/hour의 양으로 공급되고, Ecdel 9966(이스트만 화학사가 시판 중인 열경화성 탄성 중화체)은 다른 사출기에 의해 17 Pound/hour의 양으로 공급된다 PEN은 표피층 상에 있다. 피드블록 방법은 57개층을 생성하는 데에 이용되는데 이 층들은 두개의 멀티플라이어를 통과하여 225개의 사출층을 생성시키게 된다. 주조 웨브는 두께 12mil이고, 폭이 12인치이다. 박층의 사각 부분을 파지(grip)하여 균일한 속도로 양 방향으로 동시에 신장시키는 판토그래프(pantograph)를 활용한 실험실 신장 장치를 이용하여 웨브는 나중에 양방향으로 배향된다. 7.46㎠의 면적을 갖는 웨브가 약 100℃에서 신장기 내에 적재되어 60초 동안 130℃까지 가열된다. 신장은 100 %/scc(최초 규모에 기초할 때)에서 개시되어 샘플이 약 3.5 ×3.5로 신장될 때까지 계속된다. 신장 직후에, 샘플은 실온 공기를 샘플 상에 불어 넣음으로써 냉각된다.

제30도는 이러한 다중층 박층의 광학 응답성을 도시한 것이다[직교 입사각에서의 곡선(a), 60° 각도에서의 곡선(b)], 60° 의 입사각에서 p편광 광선의 % 투과도는 직교 입사각에서의 [파장이 적절히 시프트 되었을 때] 값과 유사한 것을 알 수 있다.

PEN:THV 500,449 449개 층을 포함하는 공통 사출된 박층은 주조 웨브를 한번의 조작으로 사출시킨 다음, 실험실 박층 신장 장치로 박층을 배향함으로써 제조된다. 0.53 dl/g의 고유 점도(60wt.% 페놀/40wt.% 디클로로벤젠)를 가지는 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)는 하나의 사출기에 의해 11 pound/hour의 양으로 공급된다. PEN은 표피층 상에 있고, PEN의 50%가 두 개의 표피층 내에 존재한다. 피드 블록 방법은 57개 층을 생성시키는데 이용되어 이 층들이 세 개의 멀티틀라이어를 통과하여 449개의 사출층을 생성시키게 된다. 주조 웨브는 두께가 20mil이고, 폭이 12인치이다. 박층의 사각 부분을 파지하여 균일한 속도로 양 방향으로 동시에신장시키는 판토그라프를 활용한 실험실 신장 장치를 이용하여 웨브는 나중에 양방 향으로 배향된다. 7.46㎠의 면적을 갖는 웨브가 약 100℃에서 신장기 내에 적재되어 60초 동안 140℃까지 가열된다. 이 때, 신장은 10%/sec(최초 규모에 기초를 둠)에서 개시되어 샘플이 3.5 ×3.5로 신장될 때까지 지속된다. 신장 직후에, 샘플은 실온 공기를 샘플 상에 불어 넣음으로써 냉각된다.

제31도는 이러한 다중층 박층의 투과도를 도시한 것이다. 또다시 곡선(a)는 직교 입사각에서의 응답도를 도시한 것이고, 곡선(b)은 60° 에서의 응답도를 도시한 것이다.

편광기 예:

PEN:CoPEN, 449 로우 컬러(Low color) 449개의 층을 포함하는 공통 사출된 박층은 주조 웨브를 한번의 조작으로 사출시킨 다음, 실험실 박층 신장 장치로 박층을 배향함으로써 제조된다. 0.56 dl/g의 고유 점도(60wt.% 페놀/40wt.% 디클로로벤젠)를 가지는 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)는 한 사출기에 의해 43 pound/hour의 양으로 공급되고, 0.52 dl/g의 고유 점도(60wt/% 페놀/40wt.% 디클로벤젠)를 가지는 CoPEN(70 mol% 2.6 NDC 및 30 mol% DMT)은 다른 사출기에 의해 25 pound/hour의 양으로 공급된다. PEN은 표피층 상에 있고, PEN의 40%는 두 개의 표 피층 내에 제공된다. 피드블록 방법은 57개 층을 발생시키는데 이용되어 이 층들이 세 개의 멀티플라이어를 통과하여 449개의 사출층을 생성시키게 된다. 주조 웨브는 두께가 10 mil이고 폭이 12인치이다. 그 후, 박층의 사각 부분을 파지하여 균일한 속도로 한 방향으로 신장시키면서 다른 방향에 대해서는 제약된 상태로 하는판토그라프를 활용하는 실험실 신장 장치를 이용하여 웨브가 단축을 따라 배향된다. 7.46㎠의 면적을 갖는 웨브는 약 100℃에서 신장기에 적재되어 60초 동안 140℃까지 가열된다. 그러면, 신장이 10 %/sec(최초 규모에 기초를 둠)에서 개시되어 샘플이 약 5.5 ×1로 긴장될 때까지 지속된다. 신장 직후에 샘플은 실온 공기를 샘플 상에 불어 넣음으로써 냉각된다.

제32도는 이러한 다중층 박층의 투과도를 도시한 것이다. 곡선(a)은 직교입사각에서 p 편광 광선의 투과도를 도시한 것이고, 곡선(b)은 60° 의 입사각에서 p 편광 광선의 투과도를 도시한 것이며, 곡선(c)은 직교 입사각에서 s 편광 광선의 투과도를 도시한 것이다. 직교 입사각과 60° 의 입사각에서는 p편광 광선의 투과도가 매우 높다는 것을 주지해야 한다(85-100%). 투과도는 공기/PEN인터페이스가 60° 내의 브루스터 각을 갖고 있어서, 60° 의 입사각에서 p 편광 광선의 투과도가 매우 높고 그래서 60°의 입사각에서의 투과도는 거의 100%에 가깝다. 곡선(c)로 도시되었듯이 가시 딤위(400-700nm)내의 s 편광 광선의 소장도가 매우 높다는 것을 주지해야 한다.

PEN:CoPEN, 601 하이 컬러(High Color) 601개 층을 포함하는 함께 사출된 박층은 에브를 사출시킨 다음, 모든 다른 예에서 기재된 것보다 2일 후에 상이한 텐터 상에 박층을 재향함으로써 발생한다. 1.5 dl/g의 고유 점도(60wt. % 페놀/40wt. % 디클로로벤젠)를 가지는 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)는 하나의 사출기에 의해 75 pound/hour의 양으로 전달되고, 0.55 dl/g의 IV(60wt.% 페놀/40st.% 디클로로벤젠)를 가지는 CoFEN(70 mol% 2.6 NDC 및 30mol% DMT)은 다른 사출기에 의해 65 pound/hour의 양으로 전달된다. PEN은 표피층 상에 있다. 피드블록 방법은 151개 층을 발생시키는데 이용되어 이 층들은 601개 층의 사출부를 발생시키기 위해 2개의 멀티플라이어를 통과한다. 미합중국 특허 제3,565,985호에는 유사한 공통 사출 멀티플라이어가 기재되어 있다. 모든 신장은 덴터 내에서 행해진다. 박층은 약 20초 동안 약 280℉에서 사전 가열되고, 약 6%/sec의 속도로 약 4.4의 배출비로 횡단 방향으로 배출된다. 이 때, 박층은 460℉에 설정된 열 경화 오븐 내에서 자신의 최대폭의 약 2% 만큼 늘어난다. 최종 박층 두께는 1.8 mil이다.

박층의 투과도가 제33도에 도시되어 있다. 곡선(a)은 직교 입사각에서 p편광 광선의 투과도를 도시한 것이고, 곡선(b)은 60°의 입사각에서 p편광 광선의 투과도를 도시한 것이며, 곡선(c)은 직교 입사각에서 s 편광 광선의 투과도를 도시한 것이다. 직교 입사각과 60°의 입사각에서 p 편광 광선의 투과도가 불균일하다는 것을 주지해야 한다. 또한, 곡선(c)로 도시된 가시 범위(400-700 nm)에서의 s 편광 광선의 소장성이 불균일하다는 것을 주지해야 한다.

FET;CoPEN, 449 449개의 층을 포함하는 함께 사출된 박층은 주조 웨브를 한번의 조작으로 사출시킨 다음, 실험실 박층 신장 장치로 박층을 배향함으로써 제조된다. 0.60 dl/g의 고유 점도(60wt. % 페놀/40w. % 디클로로벤젠)를 가지는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)는 하나의 사출기에 의해 26 Pound/hour의 양으로 전달되고, 0.53의 고유 점도((60wt.% 페놀/40wt.% 더클로로벤젠)를 가지는 CoPEN(70 mol% 2.6 NDC 및 30 mol% DMT)은 다른 사출기에 의해 24 pound/hour의 양으로 전달된다. PET는 표피층 상에 있다. 피드블록 방법은 57개 층을 발생시키는데 이용되어 449개 층의 사출부를 발생시키기 위해 세개의 멀티플라이어를 통과한다. 미합중국 특허 제3,565,985호는 유사한 공통 사출 멀티플라이어를 기술하고 있다. 주조 웨브는 두께가 7.5 mil이고 폭이 12인치이다. 그후, 박층의 사각 부분을 파지하여 한 방향으로 신장시키면서 다른 방향에 대해서는 제약된 상태로 하는 판토그라프를 활용하는 실험실 신장 장치를 이용하여 웨브가 단축을 따라 배향된다. 7.46㎠의 면적을 갖는 웨브는 약 100℃에서 신장기 내에 적재되어 60초 동안 120℃까지 가열된다. 그러면, 신장이 10%/sec(최초 규모에 기초를 둠)에서 개시되어 샘플이 약 5.0 ×1로 신장될 때까지 지속된다. 신장 직후에 샘플은 실온 공기를 샘플 상에 불어 넣음으로써 냉각된다. 최종 박층 두께는 약 1.4mil이다. 이러한 박층은 얇은 조각으로 갈라지는 일이 없이 배향 처리를 견디어 낼 수 있는 충분한 접착성을 갖고 있다.

제34도는 이러한 다중층 박층의 투과도를 도시한 것이다. 곡선(a)은 직교입사각에서 p 편광 장선의 투과도를 도시한 것이고, 곡선(b)은 60° 의 입사각에서 s 편광 광선의 투과도를 도시한 것이다. 직교 입사각과 60° 의 입사각 모두에서 p 편광 광선의 투과도가 매우 높다는 것을 주지해야 한다(80-100%).

PEN;coPEN, 601 601개 층을 포함하는 공통 사출된 박층은 공통 사출 처리에 의해 순차 평탄 박층 제조 라인 상에 형성된다. 0.5dl/g의 고유 점도(60wt. % 페놀/40wt.% 디클로로벤젠)를 가지는 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)는 하나의 사출기에 의해 75 pound/hour의 양으로 전달되고, coPEN은 다른 사출기에 의해 65pounds/hour의 양으로 전달된다. CoPEN 은 70 mol% 2,6 나프탈렌 디카르복실레이트 메틸에스테르, 15mol% 디메틸 이소프탈레이트, 및 에틸렌 클리콜을 갖는 15mol% 디메틸 테레프탈레이트로 구성된 코폴리머이다. 피드블록 방법이 사용되어 피드 블록은 PEN에 대해 1.22 이고, 및 CoPEN에 대해 1.22인 광학충의 두께비를 갖도록 층의 경사 분포를 발생시키기 위해 설계된다. PEN 표피층은 두께가 공통 사출된 층의 8%를 점유하면서 광학 스택의 외측 상에 공통 사출된다. 광학 스택은 두개의 순차 멀티플라이어에 의해 다중하된다. 멀티플라이어의 공청 다중비는 각각 1.2 및 1.22이다. 박층은 다음으로 약 40초 동안 310℉에서 사전 가열되고, 6%/sec의 속도로 약 5.0의 배출비로 횡단 방향으로 배출된다. 최종 박층 두께는 2 mil이다.

제35도는 이러한 다중층 박층에 대한 투과도를 도시한 것이다. 곡선(a)은 직교 입사각에서 p 편광 광선의 투과도를 도시한 것이고, 곡선(b)은 60°의 입사각에서 p 편광 광선의 투과도를 도시한 것이며, 곡선 (c)은 직교 입사각에서 s 편광 광선의 투과도를 도시한 것이다. 직교 입사각과 60°의 입사각 모두에서 p 편광 광선의 투과도가 매우 높다는 것을 주지해야 한다. 또한, 곡선(c)로 도시된, 가시범위 (400-700nm) 내에서 s 편광 광선의 소광성이 매우 높다는 것을 주지해야 한다. 소광도는 500 과 650 nm 사이에서는 100%에 가깝다.

57층 피드 블록을 이용하는 이러한 예에 있어서, 모든 층은 단 하나의 광학 두께 (550nm의 1/4)로 설계되었지만, 사출 장비는 전 스택에 대하여 층 두께의 편차를 도입하여 매우 광범위한 광 응답성을 낳게 한다. 151층 피드 블록으로 만들어진 예에 있어서, 피드 블록은 가시 스펙트럼 부분을 담당하도록 하기 위해 층 두께 분포를 발생시키도록 설계된다. 이 때, 미합중국 특허 제5,094,788호 및 제5,094,793호의 기재된 바와 같이, 비대칭 멀티플라이어가 대부분의 가시 스펙트럼을 담당하도록 층 두께 분포를 확장시키는 데에 이용된다.

다중층 박층의 광학 작용에 관한 상술한 원리 및 예는 제1도 내지 제3도, 제6도, 제9도 내지 제11도 또는 제13도에 도시된 소정의 디스플레이 구조에 적용될 수 있다. 반사 편광기가 LCD 패널과 광학 캐비티 사이에 배치된, 제1도 내지 제3도에 도시된 것과 같은 디스플레이에 있어서, 하이 컬러 편광기가 이용될 수 있다. 하이 컬러 편광기는 넓은 각도에 대해 광을 균일하게 투과시키지는 않으며, 이는 비균일 형상 및 오프축 컬러를 낳게 된다. 그러나, 고도로 시준된 빔이 요구되는 응용에 있어서, 하이 컬러 반사 편광기의 오프축 성능은 덜 중요하다.

선택적으로, 확산기가 반사 편광기와 LCD 패널 사이에 배치되는 응용에 있어서, 넓은 각의 로우 컬러 편광기가 바람직하다. 이러한 구성에 있어서, 확산기는 반사 편광기로부터 자신 위에 입사하는 입사 광선의 방향을 무작위화 하도록 동작한다. 반사 편광기가 하이 컬러인 경우, 반사 편광기에 의해 발생된 소정의 오프축 컬러는 확산기에 의해 직교각 방향으로 다시 제공될 수 있다. 이것은 직교 관측 각에서 불균일한 형상을 표시하는 것으로 인도할 것이기 때문에 상당히 바람직하지 못하다. 그러므로, 확산기가 반사 편광기와 LCD 패널 사이에 배치되는 디스 플레이에 있어서, 로우 컬러와 넓은 각의 편광기가 양호하다.

제1도 내지 제3도에 도시된 로우 컬러의 디스플레이와 넓은 각의 편광기가 갖는 다른 장점은 바람직하지 않은 편광이 직교 입사각에서 반사될 뿐만이 아니라매우 높은 오프축 각도에서도 반사된다는 것이다. 이것은 광선의 무작위화 및 재순환이 추가로 발생하도록 하고, 따라서 디스플레이 시스템의 휘도가 더 향상되도록 한다.

제6도 및 제10도에 도시된 디스플레이 구성에 있어서 휘도 향상 반사 편광기는 LCD 패널과 광학 캐비티 사이에 배치된다. 이러한 구성에 있어서, 로우 컬러 및 넓은 각이 반사 편광기가 양호하다. 이것은 조직화된 표면 재료의 빔 터닝 효과로 인한 것이다. 이러한 효과는 제7도에 관련하여 설명될 수 있다. 휘도 향상 반사 편광기에 있어서, 광선은 먼저 반사 편광 소자를 통과한다. 그러므로, 제7도의 빔(236)과 같은 큰 오프축 각을 가지는 빔은 반사 편광 소자를 통과하여 지나가고, 조직화된 표면 재료(218)의 평활축 상에 충돌한다. 제7도는 조직화된 표면 재료(218)가 빔 터닝 렌즈로 기능하여 빔이 물질의 조직화된 표면측을 빠져 나옴에 따라 직교각 쪽으로 향하도록 빔(236)을 재지향시키는 것이 도시되어 있다. 그러므로, 로우 킬러이면서 넓은 각도의 반사 편광기는, 이런 편광기가 없었다면 바람직하지 않은 착색 광선이 관측자의 직교 관측각을 향해 지향되는 현상이 나타나므로, 휘도 향상 반사 편광기로서 양호한 것이다. 넓은 각을 감당하면서 로우 컬러의 반사 편광기를 이용함으로써 직교 관측 각에서의 디스플레이 균일성이 유지된다.

그러므로, 휘도 향상 반사 편광기는 제23도 내지 제25도에서 논의한 것으로부터 이점을 얻을 수 있는데, 특히 제 24도에 관련하여 오프축 컬러는 직교각에서 소정 각도만큼 벗어난 각도에서의 브루스터 효과를 도입함으로써 감소된다는 점에서 큰 이점글 얻는다. 이것은 다중층으로 된 반사 편광기의 층들 사이의 y 굴절률의 비일치를 도입하고 층들 사이의 z 굴절률의 비일치를 감소시킴으로써 달성된다. 그러므로, 휘도 향상 반사 편광기의 임의의 바라는 조합은 조직화된 표면 재료(제7도 및 제8도에 도시된 바와 같이 90° 조직화된 표면 재료에 대해 그 개별 광 특성이 부여됨)의 프리즘 각을, y 굴절률의 비일치의 도입 및 z 굴절률의 비일치의 감소를 통해 조정가능해지는 소망 오프각 컬러 성능에 맞추어 튜닝함으로써 획득될 수 있다(이러한 작동은 제23도 내지 제25도에 관련하여 도시되고 설명된 바에 따라서 조정되는 것이다).

제11도에 도시된 것과 같은 디스플레이 구조에 있어서, 반사 편광기는 조직화된 표면의 휘도 향상 박층과 LCD 패널 사이에 배치된다. 이러한 구조에 있어서, 반사 편광기에 대한 제한 조건은 이축 컬러를 기준으로 할 때 그렇게 구속적이지 않다. 이는 조직화된 표면 재료의 빔 터닝 효과로 인한 것이다. 조직화된 표면 재료가 광선을 직교 방향으로 시준되도록 하고, 광선을 매우 넓은 각에 대해 투과시키는 것은 아니기 때문에(예를 들어, 제8도 참조), 반사 편광기가 이러한 구조에서 임의의 넓은 각도의 광선을 결과적으로는 포착하지 못하게 되므로 로우 컬러와 넓은 각의 반사 편광기가 반드시 필요한 것은 아니다. 이러한 효과는 제13도의 디스플레이에서 보다 명백해지는데, 여기서 조직화된 표면 재료의 두 개의 교차편(crossed picce)은 반사 편광기 배후에 배치된다. 이는 광이 반사 편광기 상에 입사할 때 장선의 이차원 시준을 발생시킨다.

본 발명은 예증이 되는 예에 관련하여 설명하였지만, 당해 분야에 숙련된 기술자들은 본 발명의 청구 범위에 규정된 발명의 사상 및 범위 내에서 여러 변형이 이뤄질 수 있다는 것을 알 것이다.

Claims

광학 디스플레이에 있어서,

액정 모듈;

광학 캐비티;

상기 액정 모듈과 상기 광학 캐비티 사이에 배치된 흡수 편광기; 및

상기 광학 캐비티와 상기 흡수 편광기 사이에 배치되어, 제1 편광을 갖는 광은 투과시키고 상기 제1 편광을 갖지 않는 광으로서 직교각 또는 큰 이축각(high off-axis angles)을 나타내며 입사하는 광은 반사시켜 상기 광학 캐비티에 의해 순환되도록 하여 상기 광학 디스플레이의 휘도를 증가시키는 광각(wide-angle) 반사 편광기

를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디스플레이.
디스플레이에 있어서,

광원;

광학 캐비티;

정보를 디스플레이하도록 변경될 수 있는 광학 상태를 갖는 디스플레이 모듈; 및

상기 광원과 상기 디스플레이 모듈 사이에 배치되고, 적어도 하나의 복굴절 재료와 적어도 하나의 제2 재료를 갖는 반사 편광기 -상기 제2 재료는 상기 복굴절재료를 기준으로 하여 선택된 굴절율을 갖고, 상기 복굴절 재료와 상기 제2 재료 사이에서 다수의 인터페이스를 갖도록 배치되어, 제1 편광을 갖는 광이 상기 반사 편광기에 의해 반사되는 동안에 제2 편광을 갖는 광은 상기 반사 편광기를 투과함으로써 상기 반사 편광기에 의해 반사된 상기 제1 편광을 갖는 광이 상기 광학 캐비티에 의해 순환되어 상기 디스플레이의 휘도를 증가시키도록 작용함-;

을 포함하는 디스플레이.
디스플레이에 있어서,

램프;

상기 램프에 인접한 에지를 가지는 광 가이드(light guide) -상기 램프로부터의 광은 상기 광 가이드의 상기 에지에 결합되어 상기 광 가이드의 출사면(exit surfac)을 통해 상기 광 가이드를 출사함-;

상기 광 가이드의 출사면과 대향하는 면에 배치된 반사 표면;

디스플레이 모듈;

상기 광 가이드와 상기 디스플레이 모듈 사이에 배치된 광각 반사 편광기 -상기 광각 반사 편광기는 직교각 또는 광각으로 입사하는 제1 편광의 광에 대해 높은 투과도를 나타내고, 상기 제1 편광을 갖지 않고서 직교각 또는 큰 이축각으로 입사하는 광에 대해 높은 반사도를 나타내며, 상기 광각 반사 편광기에 의해 반사되는 광은 상기 반사 표면을 때린 후에 상기 반사 표면에 의해 순환되어 상기 디스플레이의 휘도를 증가시킴-

를 포함하는 디스플레이.
제1항 및 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사 편광기는 복굴절 재료를 포함하는 디스플레이.
제1항 및 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사 편광기는 복굴절 재료 및 다른 재료로 구성된 다중층 스택을 포함하는 디스플레이.
제4항에 있어서, 상기 광학 편광기는 복굴절 재료 및 다른 재료로 구성된 다중층 스택을 포함하는 디스플레이.