KR100359877B1 - 액정표시장치용집광유닛 - Google Patents

Abstract

본 발명은 임의의 광원으로부터 출사하는 빛의 진행 방향을 제한하여 일정 시야 범위 내의 진행 방향을 가지는 빛은 통과시키고 그 범위 외의 진행 방향을 가지는 빛은 반사시켜 재사용함으로써 전체적으로 그 범위 내에서의 빛의 투과를 증가시키려는 목적으로 사용되는 집광 유닛에 관한 것이다. 이 집광 유닛은 굴절율 및 중심각의 조절을 통하여 시야 범위를 임의로 조절할 수 있는 특징을 갖는다.

Description

액정 표시 장치용 집광 유닛{A Light Collimating Unit for Liquid Crystal Display Devices}

본 발명은 임의의 광원에서 나오는 빛을 효율적으로 사용하기 위해, 빛의 진행 방향을 일정 범위로 제한하여 그 범위 이외의 방향으로 진행하는 빛을 반사시켜 재사용하고자 하는 집광 유닛에 관한 것이다. 본 발명은, 시야 범위 외의 방향으로 진행하는 빛을 재사용함으로써, 추가적인 전력을 사용하지 않으면서도 시야 범위 내에서 보다 밝은 휘도를 구현할 수 있게 하는 집광 유닛에 관한 것이다.

임의의 광원의 한 예로서 휴대용 액정 표시 장치를 들 수 있는데, 이 장치는 다수의 사용자를 위한 것이 아니라 한명의 사용자를 위한 것이므로 시야 범위 (viewing zone)를 제한할 수 있다. 도 1a는 기존의 휴대용 액정 표시 장치의 가장자리 조명(edge-lit) 방식의 배면 조명 장치 중의 한 예를 도시한 것이다. 이 유닛 10은 반사갓 11, 형광 램프 12, 반사판 13, 도광판 14, 확산판 15로 이루어져 있다. 이 유닛 10을 통하여 나오는 빛의 방향에 따른 휘도 변화는 정면에서 보다 오히려 측면에서 가장 밝다. 이의 정확한 측정을 위해 도 1b와 같은 좌표계를 먼저 도입하였다. 편의상 좌선 좌표계 (left-handed coordinate system) 를 취하여 그 좌표계에서 극각 (polar angle) q와 방위각 (azimuthal angle) f를 각각 정의하였다. 확산판 15의 정중앙을 원점으로 하여 그 원점에서 직경 38 mm의 가상적인 작은 원을 통하여 나오는 빛에 방향에 따른 휘도 변화를 살펴본 결과는 도 1c와 같다. 이에 의하면 f가 약 320°부터 40°, q가 20°부터 40° 범위에서 가장 밝다. 휴대용 액정 표시화면 사용자의 입장에서 보면 바람직한 시야 범위는 0°≤ q ≤ 20° (0° ≤f ≤ 360°) 이므로 이 범위 내로 빛의 진행 방향을 조절하는 것이 중요하다.

이상과 같이 정면에서 보다 큰 휘도를 얻기 위해 지금까지 다양한 시도가 있어 왔다. 미국 3M(Minnesota Mining and Manufacturing)사의 BEF (brightness enhancement film) 시리즈 (series) 나, 일본 미쯔비시 레이온사의 방법이 그 예에 해당한다. 미국 특허 제4,542,449호, 제4,906,070호, 제5,056,892호 등에 의한 BEF는 도 2a에 도시되어진 대로 동일한 필름 21, 24 두 장을 서로 수직하게 배열한 집광 유닛 (20) 으로 첫번째 필름의 입사면 22는 편평하고 출사면 23은 일련의 미세한 직각 삼각 프리즘으로 가공되어 있으며, 두번째 필름은 첫번째 필름과 같은 구조로써 입사면 25는 편평하며 출사면 26은 일련의 미세한 직각 삼각 프리즘으로 가공되어 있다. 이 집광 유닛 20에서의 빛이 진행하는 방법에 대한 대략적인 설명은 도 2b에 도시되어져 있다. 첫번째 또는 두번째 필름의 단면을 취하면 이는 xz- 또는 yz-평면에 해당한다. 먼저 정면 즉, q = 0°로 진행하는 광선 27을 살펴 보면프리즘의 원리에 의해 전반사됨을 쉽게 알수 있다. 이는 q = 0° 근처로 진행하는 모든 빛은 전반사됨을 의미한다. 출사면 23 (또는 26) 에서 나오는 빛이 q = 0°로 진행하기 위해서는 입사면 22 (또는 25) 에서의 입사각이 집광 유닛 재질의 굴절율에 따라 다른데, 그 굴절율이 1.58이라면 도 2b에서와 같이 입사각이 약 29.9°이어야 한다(28). 이 경우에서는 현재와 같이 집광판 두매를 쓰는 배면 표시 장치에서는 매우 복잡한 광경로를 가질 수 밖에 없다. 즉, 첫번째 필름 21에서 정면으로 진행하도록 된 빛은 두번째 필름 24에서 전반사된다. 한편, 미국 특허 제5,126,882호에 의한 미쯔비시 레이온사의 배면 조명 장치는 도광판의 출사면이 렌티큘라 렌즈로 되어 있고, 집광판은 역삼각 프리즘의 구조를 갖는다.

본 발명에 의한 집광 유닛은 앞서 설명한 형태의 배면 조명 장치를 포함한 임의의 광원에서 사용하기 위한 것으로서, 일련의 미세한 역삼각형의 형상을 가지는 제 1층인 판 (sheet) 또는 필름과 일련의 미세한 삼각형 형상을 가지는 제 2층으로 되어 있고 그 사이에 공기 층을 포함한 저굴절율을 가지는 매질 층이 있는 것을 기본 구조로 한다. 여기서의 저굴절율이란 첫번째, 제 2층의 굴절율에 비해 상대적으로 그 굴절율이 작음을 의미한다

도 1a는 가장자리 조명 방식의 배면 조명 장치.

도 1b는 극각 및 방위각의 정의.

도 1c는 도 1a의 확산판으로 부터 출사된 빛의 방향에 따른 휘도 변화.

도 2a는 BEF에 의한 집광 유닛 (기존 기술).

도 2b는 BEF에서의 빛의 진행.

도 3a는 본 발명에 의한 집광 유닛.

도 3b는 본 발명에 의한 집광 유닛에서의 빛의 진행.

도 4a는 중심각이 70°이고 굴절율이 1.58인 집광 유닛에 대한 시뮬레이션 결과.

도 4b는 중심각이 70°이고 굴절율이 1.58인 집광 유닛에 대한 시뮬레이션 결과.

도 5a는 본 발명에 의한 집광 유닛의 응용예.

도 5b는 도 5a의 시뮬레이션 결과이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 배면 조명 장치

11 : 반사갓

12 : 형광 램프

13 : 반사판

14 : 도광판

15 : 확산판

20 : BEF에 의한 집광 유닛

21 : 첫번째 BEF

22 : 첫번째 BEF의 입사면

23 : 첫번째 BEF의 출사면

24 : 두번째 BEF

25 : 두번째 BEF의 입사면

26 : 두번째 BEF의 출사면

27 : BEF로 수직하게 입사되는 광선

28 : BEF로 부터 수직하게 출사되는 광선

30, 30' : 본 발명에 의한 집광 유닛

31 : 본 발명에 의한 집광 유닛의 제 1층

31 : 본 발명에 의한 집광 유닛의 제 3층

32, 32' : 저굴절율을 가지는 매질 층

33 : 본 발명에 의한 집광 유닛의 제 2층

33 : 본 발명에 의한 집광 유닛의 제 4층

34 : 제 1층의 입사면

35 : 제 2층의 출사면

36 : 제 2층의 입사면

37 : 제 4층의 출사면

38 : 본 발명에 의한 집광 유닛으로 수직하게 입사되는 광선

39, 39' : q = 21.69°로 진행하는 광선

발명의 집광 유닛의 구조는 도 3a에 도시되어져 있다. 제 1층 31은 본 발명에 의한 집광 유닛 30으로 빛이 입사되는 쪽에 위치하는데, 그 단면이 중심각 a인 이등변 역삼각형이고 피치 p로 가공된 일련의 미세한 렌티큘러 렌즈이다. 다시 말해서 빛이 입사되는 면 34는 역삼각형의 사면으로 이루어져 있고, 빛이 출사되는 면 35는 편평하다. 제 2층 33은 제 1층 31과 그 구조 및 재질은 동일하여, 그 단면이 중심각 a인 이등변 역삼각형이고 피치 p로 가공된 일련의 미세한 렌티큘러 렌즈이다. 이 경우에는 빛이 입사되는 면 36은 편평하며, 빛이 출사되는 면 37은 삼각형의 사면으로 이루어져 있다. 제 1층 31과 제 2층 33 사이에는 공기 등 저굴절율을 가지는 메질 층 32가 반드시 존재해야 한다. 제 1층 31과 제 2층 33은 기층 (substrate) 위에 가공되어질 수 있다. 이때 기층은 첫번째, 제 2층 31, 33의 편평한 면 35, 36 쪽에 위치한다. 또한, 기층은 광학적으로 투과도가 높은 어떠한 매질도 가능하다.

본 발명에 의한 집광 유닛 30의 광학적 특성은 다음의 두가지로 요약될 수 있다. 첫째, 정면 (q = 0°) 으로 입사된 빛은 출사될 때도 정면으로 출사된다. 둘째, 제 1층 31 및 제 2층 33의 굴절율 n과 중심각 a의 조절을 통하여 측면에서 입사되는 빛의 일부는 전반사시키고 일부는 통과시킬 수 있다. 다시 말해서, 0°≤ q ≤ q°(0°≤ q°≤ 90°) 의 범위로 진행하는 빛 만을 출사시키고자 할 때, 이는 굴절율 n과 중심각 a의 조절을 통하여 쉽게 얻어진다. 이는 도3b에서 간단히 설명되어질 수 있다. 편의상 첫번째, 제 2층 31, 33의 중심각은 50°, 굴절율은 1.58이며 저굴절율 매질 층 32가 공기라고 가정하고 광선 38를 살펴보면, 그 진행방향은 +z 방향이므로 제 1층 31의 입사면 34에서의 입사각은 65°가 되고 굴절각은 35°가 된다. 이 광선은 제 1층 31의 출사면 35에서 입사각이 30°가 되고 굴절각은 52.2°이다. 다시 이 광선이 제 2층 33의 입사면 36으로 입사될 때 그 입사각은52.2°이며 굴절각은 30°가 된다. 이 광선이 제 2층 33의 출사면 37로 출사될 때는 입사각이 35°, 굴절각이 45°가 되어 q = 0°, 즉, 정면으로 진행한다. 한편 광선 39는 q = 21.69°로 진행하는 빛인데, 이 빛은 제 1층 31의 입사면 34에서 입사각이 43.31°, 굴절각이 25.73°가 되는데, 이는 다시 출사면 35에서 입사각이 39.27°가 된다. 이 각은 굴절율 1.58인 매질의 공기에 대한 임계각이 되어 전반사가 일어나게 된다. 또한, 이 각도보다 더 큰 q로 입사된 빛은 모두 전반사됨을 쉽게 알 수 있다. 광선 39과 같은 q로 진행하는 광선 39의 경우에는 제 1층 31의 다른 사면으로 입사하는데, 이때는 입사면 34에서 입사각이 86.69°가 된다. 이 경우에는 프레넬의 관계식 (Fresnels relations; E. Hecht 와 A. Zajac 공저, OPTICS, Addison-Wesley Publishing Company, 1973년, 72 쪽 부터 75쪽) 에 의해 그 편광 상태가 도 3b에 도시된 평면에 평행한 직선 편광에 대해 반사율이 62.3 %, 그 편광 상태가 도 3b에 도시된 평면에 수직한 직선 편광에 대해 82.8 %가 되어 대부분이 반사된다. 이 반사된 빛은 매우 복잡한 광경로를 가지나 전체적으로 상기에 언급된 내용을 크게 훼손하지 않는다.

이상을 입증할 수 있는 결과는 도 4에 나타나 있다. 도 4a, 및 도 4b는 도 3의 기본 구조에서 중심각 a를 변화시켜가며 시뮬레이션 (simulation) 한 결과이다. 시뮬레이션은 미국 Optical Research Associates의 LightToolsTM을 이용하였다. 본 발명에 의한 집광 유닛 30으로의 입사광으로는 도 1c를 이용하여 실제와 같은 조건이 되도록 하였다. 이는 가상적인 면광원을 설정한 후 이 면광원에서 출사되는 빛이 도 1c와 같은 프로파일이 되도록 함으로써 가능하다. 편의상 첫번째, 제 2층31, 33의 굴절율은 1.58을 그 사이의 저굴절율 매질 층으로는 공기를 취하였으며, 집광 유닛 30 을 이루고 있는 요소들 31, 33 내부에서의 광흡수는 무시하였다. 도 4a 및 도 4b는 중심각이 각각 70°, 50°일 때의 결과이다. 결과에서도 잘 나타나듯이 중심각에 따라 빛의 진행 방향을 제한하는 정도가 달라지고 있음을 잘 알 수 있다. 두 경우 모두에서 본 발명에 의한 집광 유닛 30의 가공 방향을 Φ = 0° (또는 180°)로 하였다. 중심각 a = 70° 인 도 4a의 경우를 살펴 보면 Φ = 0°또는 180° 에서는 q = 40°근방에서 휘도가 급격히 감소하며, Φ = 90°또는 270°에서는 q = 30°근방에서 휘도가 급격히 감소함을 알 수 있다. 이는 실제 액정 화면 표시 장치에 장착시 시야 범위가 좌우로 약 30°, 상하로 약 40° 정도 임을 뜻한다. 한편, 중심각 a = 50°인 도 4b의 경우를 살펴 보면 Φ = 0°또는 180°에서는 q = 30°근방에서 휘도가 급격히 감소하며, Φ = 90°또는 270°에서는 q = 20°근방에서 휘도가 급격히 감소함을 알 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 집광 유닛 30에서의 빛의 진행 원리를 언급할 때 (도 3b의 광선 39) 대략 q = 21.69°이상으로 진행하는 빛은 전반사될 것이라 예상한 바 있는데, 이로써 그 예상이 틀리지 않았음을 알 수 있다. 이 결과는 실제 액정 표시 화면 장치에 장착시 시야 범위가 좌우로 약 20°, 상하로 약 30°정도 임을 뜻한다. 만일 본 발명에 의한 집광 유닛 30의 가공 방향이 Φ = 90°또는 270°일 때는 시야 범위가 좌우로 약 30°, 상하로 약 20°정도가 될 것이다. 이 외에도 특기할 것은 본 발명에 의한 집광 유닛 30에 의해 집광을 이루려는 방향 (본 시뮬레이션에서 Φ = 90°또는 270°) 뿐만 아니라 그에 수직한 방향 (Φ = 0°또는 180°) 에 대해서도 뛰어난 집광 능력을 보임을 알 수 있다.

이상과 같은 결과로 부터 본 발명에 의한 집광 유닛 30의 두 가지 장점을 알 수 있다. 첫째, 재질의 굴절율과 중심각을 통하여 집광 범위를 조절할 수 있다. 둘째, 휴대용 컴퓨터가 아닌 모니터용으로도 이용 가능하다는 것이다. 이는 모니터의 경우 그 특성상 상하 시야 범위와 좌우 시야 범위가 서로 다르기 때문이다. 따라서 본 집광 유닛 30에서 중심각 및 굴절율의 적절한 조절을 통하여 원하는 시야 범위를 얻을 수 있다.

본 발명에 의한 집광 유닛 30에서 피치 p (도 2a 참조) 의 크기는 그 목적에 따라 다른데 휴대용 컴퓨터용의 경우 약 50 mm 내외이며 경우에 따라 20 mm∼500 mm까지도 가능하다. 근본적으로 본 발명에서는 피치 p의 범위에 대한 어떠한 제한도 없다.

앞서의 시뮬레이션은 한 방향 (Φ = 90°또는 270°) 에 대한 집광의 경우이다. 본 발명에 의한 집광 유닛 30은 동일한 또 하나의 집광 유닛과 동시에 사용 가능하다. 도 5a의 경우가 그 한 예에 해당한다. 이 경우에는 모두 네개의 판 또는 필름이 사용되어졌는데 이들은 그 재질 및 형상에 있어 동일하다. 다만, 그 배열 방법이 제 1층, 제 2층 31, 33과 제 3층, 제 4층 31, 33의 방향이 서로 수직하다는 것이다. 중심각 a = 50°이고 굴절율이 1.58일 때, 이러한 배열에서의 시뮬레이션 결과는 도 5b에 나타나 있다. 거의 모든 방향에 대해 시야 범위가 약 20°임을 알 수 있다. 본 발명에 의한 집광 유닛 30에서의 빛의 진행 원리를 언급할 때 (도 3b의 광선 39) 대략 q = 21.69°이상으로 진행하는 빛은 전반사될 것이라 예상한 바있는데, 이 결과에서 이 원리가 3차원적으로도 잘 적용됨을 알 수 있다. 시뮬레이션에 의한 또 다른 결과는 도 5a의 집광 유닛에서 중심각 a = 50°이고 굴절율이 1.58일 때, 입사된 빛의 전체 에너지의 약 30 %가 투과되는 것으로 나타났다. 나머지 70 % 빛의 대부분은 이 집광 유닛에 의해 반사되어 재사용되어진다. 따라서 이 경우 0°q∼20°범위 내에서의 휘도는 증대되어질 것이다.

본 발명은 시야 범위 외이 방향을 진행하는 빛을 재사용함로써, 추가적인 전력을 사용하지 않으면서도 시야 범위 내에서 보다 밝은 휘도를 구현할 수 있는 집광 유닛을 제공한다.

Claims (5)

1. 임의의 광원으로부터 출사하는 빛의 진행 방향을 제한하여 일정 시야 범위 내의 진행 방향을 가지는 빛은 통과시키고 그 범위 외의 진행 방향을 가지는 빛은 반사시켜 재사용함으로써 전체적으로 그 범위 내에서의 빛의 투과를 증가시키는 집광 유닛에 있어서,

   a) i) 단면이 임의의 각을 중심각으로 하는 이등변역삼각형 형상인 렌티큘러렌즈인 제 1층;

   ii) 단면이 임의의 각을 중심각으로 하는 이등변 삼각형 형상의 렌티큘러 렌즈인 제 2층; 및

   iii) 상기 제 1층 및 제 2층 사이에 위치하며, 상기 제 1층 및 제 2층 보다 굴절율이 작은, 매질의 층을 포함하며,

   b) 제 1층의 가공된 면은 광원 쪽을 향하고, 제 1층의 편평한 면은 제 2층의 편평한 면을 향하고, 제 2층의 가공된 면은 광원으로 부터의 빛을 이용하고자 하는 쪽을 향하도록 배열되어 있고;

   c) 제 1층과 제 2층의 가공 방향이 일치하도록 배열된 집광 유닛.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1층은 상기 집광 유닛이 이루는 평면에 수직한 가상적인 축에 대하여 임의의 각 이상으로 진행하는 빛을 전반사시키는 집광 유닛.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 제 2층은 상기 집광 유닛이 이루는 평면에 수직한 가상적인 축에 대하여 임의의 각 이내로 진행하는 빛을 통과시키려는 시야 범위로 광원으로 부터 출사된 빛의 방향이 제 1층에 의해 변형된 것을 복원시키는 집광 유닛.
4. 제 1항에 있어서,

   집광 유닛을 두 개 겹쳐 사용한 집광 유닛으로서 첫번째 집광 유닛의 가공 방향과 두번째 집광 유닛의 가공 방향이 서로 수직인 집광 유닛.
5. a) i) 단면이 임의의 각을 중심각으로 하는 이등변역삼각형 형상인 렌티큘러 렌즈인 제 1층;

   ii) 단면이 임의의 각을 중심각으로 하는 이등변 삼각형 형상의 렌티큘러 렌즈인 제 2층; 및

   iii) 상기 제 1층 및 제 2층 사이에 위치하며, 상기 제 1층 및 제 2층 보다 굴절율이 작은, 매질의 층을 포함하며,

   b) 제 1층의 가공된 면은 광원 쪽을 향하고, 제 1층의 편평한 면은 제 2층의 편평한 면을 향하고, 제 2층의 가공된 면은 광원으로 부터의 빛을 이용하고자 하는 쪽을 향하도록 배열되어 있고;

   c) 제 1층과 제 2층의 가공 방향이 일치하도록 배열된 집광 유닛을 포함하는액정 표시 장치의 배면 조면 장치.