KR100428523B1 - 플랫-패널화상디스플레이디바이스 - Google Patents

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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스(1)는 디스플레이되는 화상에 따라 상기 패널에 결합되는 편광된 광의 편광 상태를 변조하는 화상 디스플레이 패널(3)을 포함한다. 상기 광은 화상 디스플레이 패널(3)과 통합되거나 또는 통합되지 않는 반사 편광기(31)에 의해 편광된다. 상기 화상 디스플레이 패널(3)의 적어도 일부는, 특히, 변조하기에 적합하지 않은 편광 상태를 갖는 빔 성분에 대해 광 도파관으로서 기능한다. 분석기(27)는 화상 디스플레이 패널(3)의 제 1 표면(25)에 존재한다. 반사 편광기(31) 형태의 편광 수단은 화상 디스플레이 패널(3)의 제 2 표면(29)에 존재하며, 이 표면은 제 1 표면(25)에 대향 위치한다. 광 지향 시스템(33)은 화상 디스플레이 패널(3)로부터 먼 쪽의 편광기(35)의 표면에 존재하며, 상기 시스템은 원하는 편광 상태를 갖는 광으로 변환될 수 있도록, 이미지의 형성에 기여하지 않고 상기 표면(35)에서 화상 디스플레이 패널(3)을 떠나는 광을 다시 화상 디스플레이 패널(3)로 송신하기 위해 이용된다.

Description

플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스{A flat-panel picture display device}
개시부에서 기술된 타입의 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스는 예를 들면, 미국 특허 US-A 제 4,212,048 호에 공지되어 있다. 이 특허에 개시된 화상 디스플레이 디바이스에 있어서, 화상 디스플레이 디바이스는 광 도파관으로서 기능하는 웨지형 투명 플레이트(wedge-shaped transparent plate)와 광원으로 구성된 조명 시스템에 의해 조명된다. 광원에 의해 방사된 광선들은 광 도파관의 단부면에 결합되며, 광 도파관과 공기 사이의 인터페이스에서 전체 내부 반사되기 때문에 도파관을 통해 전파된다. 화상 디스플레이 디바이스를 향한 광 도파관의 인터페이스에서 광선들의 입사각이 각각의 반사에 대해 감소하므로, 이 각은 주어진 순간에 임계각보다 더 작아지며, 관련된 광선들은 광 도파관을 떠날 것이다. 더욱이, 상기 광 도파관은 광원 근방에서 광 도파관의 두께에 걸쳐 연장하는 편광 재료의 스트립타입인 편광 수단을 포함한다. 이렇게 하여, 광 도파관을 떠나는 광이 편광되게 한다.
상기 미국 특허에서 기재된 화상 디스플레이 디바이스의 결점은, 편광기가 2색성이며 따라서 화상 디스플레이 패널에 대해 원하지 않는 편광 상태를 흡수하므로, 광원에 의해 공급된 광의 실질적으로 50%가 이미지의 형성에 기여하지 못하고 손실된다는 점에 있다. 또 다른 결점은 광이 광 도파관의 출구면에서 결합될 수 있도록 상기 광 도파관이 웨지 타입이어야 한다는 점에 있다. 더욱이, 웨지 타입으로 인해, 광 도파관이 비교적 두꺼우며, 설계의 자유가 상당히 제한된다.
본 발명은 광 도파관에 결합된 광을 편광하는 집적 편광 수단(integrated polarizing means)을 구비한 광 도파관을 포함하고, 광 도파관에 의해 편광되는 광의 편광 상태를 디스플레이되는 화상 정보에 따라 변조하는 화상 디스플레이 패널, 상기 화상 디스플레이 패널의 제 1 표면에 존재하는 분석기를 더 포함하는, 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스에 관한 것이다.
도 1 및 도 2 는 주변 조명 및 그와 연관된 방사 경로와 함께, 본 발명에 따른 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스의 일부의 제 1 및 제 2 실시예에 대한 개략도.
본 발명의 목적은 두께가 상당히 감소된 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스를 제공하는 것이다. 또한, 광 도파관에 결합된 편광되지 않은 광의 대부분은 광 도파관에서 화상 디스플레이 패널에 의해 화상 정보로 변조되기에 적합한 동일한 편광 상태를 갖는 광으로 변환된다. 결론적으로, 상기 화상 디스플레이 디바이스는 개선된 휘도를 갖는다.
이를 위해, 본 발명에 따른 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스는, 화상 디스플레이 패널의 적어도 일부가 광 도파관이며, 편광 수단이 화상 디스플레이 패널의 제 2 표면에 존재하는 반사 편광기에 의해 구성되고, 제 2 표면이 제 1 표면에 대향 위치되며, 광 지향 시스템(light-directing system)이 화상 디스플레이 패널로부터 먼 쪽의 반사 편광기 표면에 존재하는 것을 특징으로 한다.
공지된 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스들에 있어서, 광 도파관은 일반적으로, 대략 1 내지 3 mm의 평균 두께를 갖는 광학 투명 플레이트로 구성되지만, 상기 광 도파관을 포함하여 완전 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스의 두께는 대략 3 내지 7 mm이다. 본 발명에 따른 화상 디스플레이 디바이스의 광 도파관의 기능이 화상 디스플레이 패널에 의해 확고해지므로, 이 플레이트는 화상 디스플레이 디바이스의 두께가 상당히 감소되도록 생략될 수 있다.
편광 수단이 반사 편광기에 의해 구성되므로, 원하지 않는 편광 상태를 갖는 광은 더 이상 흡수되지 않으나, 상기 광은 대부분이 원하는 편광 상태를 갖는 광으로 변환될 수 있도록 회복될 수 있다.
여기서, 원하는 편광 상태는 원하지 않는 편광 상태와는 다르게, 화상 정보로 변조되기에 적합한 편광 상태를 의미하는 것으로 이해된다.
여기서, 출광(exiting light)이란 원하지 않는 방식으로 광 도파관을 떠나며, 원하는 편광 상태 또는 원하지 않는 편광 상태를 갖는지의 여부 사실과는 무관하게, 또 다른 측정들이 취해지지 않을 경우, 상기 광은 화상 형성에 기여하지 않는 광을 의미하는 것으로 이해한다. 결합된 광은 원하는 방향으로 원하는 편광 상태로 광 도파관을 떠나며, 따라서 이미지의 형성에 기여하는 광을 의미하는 것으로 이해한다.
광 지향 시스템은 원하는 편광 상태를 갖는 광을 디바이스의 변조부로 송신되게 한다.
광 지향 시스템은 별도의 구성 요소로서 구현될 수 있으나, 화상 디스플레이 패널과 직접 접촉되어 제공될 수도 있다. 재료 인터페이스들이 더 적어지며, 따라서 원하지 않는 반사들이 더 적어지기 때문에, 상기 후자의 경우가 선호된다.
본 발명에 따른 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스의 양호한 실시예는 광 지향 시스템이 편광 지속 효과를 갖는 것을 특징으로 한다.
광 지향 시스템은, 시스템으로부터 나오는 광이 다시 반사 편광기에 제공되기 때문에 원하는 편광 상태만이 통과되므로, 편광 지속 효과를 가질 필요가 없다. 그러나, 주로 원하는 편광 상태를 갖는 광이 광 지향 시스템에 제공되기 때문에, 광 지향 시스템은 편광 지속 효과를 갖는 것이 효율적이다.
광 지향 시스템은 다른 방식들로 구현될 수 있다. 본 발명에 따른 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스의 제 1 실시예는, 광 지향 시스템이 반사 편광기의 평면과 각(θ)을 이루는 복수의 반사면들(reflective facets)을 포함하는 반사 구조에 의해 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 반사 편광기에 의해 통과되는 빔 성분, 다시 말해서, 원하는 편광 상태를 갖는 빔 성분은 반사 구조에 의해 반사된다. 반사가 발생하는 각은 반사면들이 반사 편광기의 평면으로 둘러싸이는 각(θ)에 의해 결정된다.
상기 반사 구조는 예를 들면, 화상 디스플레이 패널로부터 먼 쪽의 반사 편광기 표면에 원하는 타입을 갖는 리세스들을 제공함으로써 형성될 수 있다. 상기 구조는 예를 들면, 지그재그 패턴 또는 톱니 패턴의 타입을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스의 제 2 실시예에서, 광 지향 시스템은 확산기 및 반사기를 포함하며, 상기 확산기는 반사 편광기와 반사기 사이에 존재하는 것을 특징으로 한다.
확산기의 존재로 인해, 원하는 편광 상태를 갖는 입사 빔 성분의 일부는 화상 디스플레이 패널을 향해 확산된다. 그러나, 다른 부분도 또한 화상 디스플레이 패널로부터 떨어져 확산된다. 이 부분이 손실되고 그에 의해 화상의 형성에 기여하지 않는 것을 방지하기 위해, 반사기는 상기 광이 다시 화상 디스플레이 패널에 도달하게 한다.
본 발명에 따른 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스의 또 다른 실시예는 반사 편광기가 콜레스테릭 편광기로서 구현되는 것을 특징으로 한다.
콜레스테릭 편광기는 콜레스테릭 오더링(cholesteric ordering)을 갖는 액정 재료층을 포함하는 편광기이다. 이러한 액정 재료 타입에 있어서, 키랄 분자들은 와선 또는 나선형 구조로 용해되어 자발적으로 배열되는 구조를 갖는다. 이러한 나선형 구조는 나선 축이 층을 가로지르는 방식으로 향할 수 있다.
편광되지 않은 광이 그러한 층에 입사될 때, 나선의 회전 방향(우회전 또는 좌회전)을 매칭하고 그 파장이 나선 피치를 매칭하는 광의 원형 편광된 빔 성분은 반사되고, 반면 다른 원형 편광된 빔 성분은 통과된다.
콜레스테릭층의 반사 대역폭은 다음과 같다:
Figure pct00001
여기서, p는 분자 나선의 피치이고, no및 ne은 각각, 콜레스테릭층의 재료의 정상 및 이상 굴절율이다. 콜레스테릭 편광기는 협대역 콜레스테릭층을 포함할 수도 있다. 이것은 편광된 광이 파장 영역에 따라 칼라를 갖도록 한정된 파장 영역에서 편광 효과를 갖는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스의 적합한 실시예는, 콜레스테릭 편광기가 액정 중합체 재료의 단일층으로서 구현되며, 층내에서 분자 나선의 피치가 전체 가시 파장 영역을 포함(cover)하는데 요구된 반사 대역의 하한 및 상한 각각에 대응하는 두 값들 사이에서 실질적으로 연속적으로 변하는 것을 특징으로 한다.
나선의 피치가 상기 층을 가로질러 실질적으로 연속적으로 변화하므로, 상대적으로 큰 반사 대역폭이 성취될 수 있으며, 단층 콜레스테릭 편광기로 전체 가시 파장 영역을 포함하는 것이 가능하다. 각각 서로 다른 파장 영역에서 활성화되는 복수의 콜레스테릭 편광기들을 적층함으로써 상기 동일한 효과가 성취될 수 있기 때문에, 공동으로 가시 파장 영역을 포함한다. 다른 가능성은 복수의 적층의 층들내의 나선의 피치를 변경하는 것이므로, 더 적은 수의 층들로도 충분하다. 그러나, 상술된 두개의 다른 가능성들을 비교할 때, 변경한 피치를 갖는 단일층 콜레스테릭 편광기는 얇아지며, 몇몇 층들 사이의 인터페이스들이 제거되므로 반사 손실들이 작아진다는 장점을 갖는다.
편광기층에 걸쳐서 변화될 수 있는 피치의 또 다른 장점은, 편광기에 대한 표준(normal on the polarizer)에 대해 큰 각으로 광 입사를 발생시키는 대역 시프트가 콜레스테릭층의 편광 효과에 대해 어떠한 유해한 영향도 미치지 않도록 반사 대역폭이 넓게 선택될 수 있다는 점이다.
단일층 콜레스테릭 편광기의 제조에 대한 상세한 정보에 대하여, 유럽 특허EP 제 0 606 940 호가 참조된다.
본 발명에 따른 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스의 또 다른 실시예는, 화상 디스플레이 디바이스가 n.λ/4 플레이트를 포함하며, 여기서 n은 홀수 정수인 것을 특징으로 한다.
화상 디스플레이 패널이 선형 편광을 변조하도록 적응된다면, 상기 광이 화상 디스플레이 패널에 도달하기 전에 콜레스테릭 편광기에서의 원형 편광을 선형 편광으로 변환하기 위해, n.λ/4 플레이트가 화상 디스플레이 디바이스에 존재한다.
더욱이, n.λ/4 플레이트는 화상 디스플레이 패널의 콜레스테릭 편광기에 의해 반사되는 원하지 않는 편광 상태를 갖는 빔 성분의 감편광(depolarization)에 기여한다.
화상 디스플레이 패널이 원형 편광을 변조하도록 적응된다면, n.λ/4 플레이트는 필요하지 않을 수 있다.
본 발명에 따른 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스의 또 다른 실시예는 n.λ/4 플레이트가 콜레스테릭 편광기와 화상 디스플레이 패널 사이에 존재하는 것을 특징으로 한다.
상기 콜레스테릭 편광기는 예를 들면, 자활 필름(self-supporting film)일 수 있다. 그렇지 않을 경우, 콜레스테릭층은 기판 상에 제공되어야 한다. 이것은 예를 들면, 광학 투명 플레이트일 수 있다. 본 발명에 따른 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스의 이로운 실시예는 n.λ/4 플레이트가 콜레스테릭 편광기를 위한 기판으로 기능하는 것을 특징으로 한다. 상기 n.λ/4 플레이트 상에 콜레스테릭층을 제공함으로써, 분리 기판은 필요하지 않을 수 있고, 따라서 상기 화상 디스플레이 디바이스는 더욱 얇은 형태로 구현될 수 있다.
화상 디스플레이 패널이 선형 편광을 변조하도록 적응되고 n.λ/4 플레이트가 필요하지 않을 수 있는, 본 발명에 따른 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스의 실시예는, 반사 편광기가 복수의 층을 포함하며, 상기 층들 중 적어도 다수의 층들이 복굴절 재료를 포함하는 것을 특징으로 한다.
게다가, 예를 들면, 모든 층들이 복굴절 재료를 포함하거나 또는 상기 층들이 대안적으로 복굴절과 비-복굴절인 것도 가능하다.
그러한 편광기는 단일 스텝 돌기에 의해 만들어질 수 있다. 그러한 편광기의 예는 미국 특허 US-A 제 5,217,794 호에 광범위하게 개시되어 있다.
본 발명에 따른 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스의 또 다른 실시예는 광원으로부터 먼 쪽의 적어도 한 측면 상에 배열된 감편광(depolarizing) 반사기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
광이 결합되지 않은 단부면들에 반사기를 갖는 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스를 위한 조명 시스템의 광 도파관을 제공하는 것으로 원래 알려져 있다. 이 방식에 있어서, 그곳에 도달하는 광이 손실되고, 따라서 화상 디스플레이 디바이스의 휘도에 기여하지 않는 것을 방지한다. 반사기는 광 도파관의 광을 반사시키기 때문에, 상기 광은 적어도 부분적으로 원하는 편광 상태를 갖는 광으로 변환되며, 광 도파관의 출구면에서 후속 결합되는 다른 기회를 갖는다.
단부면에 제공된 반사기가 감편광 효과를 갖는다면, 반사기상에 입사되는 광의 대략 반은 원하는 편광 상태를 갖는 광으로 즉시 변환된다. 이러한 방식으로, 감편광은 원하지 않는 빔 성분이 전파되는 재료의 복굴절과 무관하다.
본 발명에 따른 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스의 다른 실시예는 확산기가 반사 편광기 표면에 제공된 광 확산 구조인 것을 특징으로 한다.
상기 구조는 분리 포일(separate foil)에 제공될 수도 있으나, 대안으로 이러한 편광기의 제조 동안 편광기의 표면에 직접 제공될 수도 있다.
본 발명에 따른 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스의 다른 실시예는 구조가 불연속 확산 영역의 패턴에 의해 구성되는 것을 특징으로 한다.
그러한 패턴의 장점은 구성이 화상 디스플레이 패널의 표면 상에 원하는 세기 분포(desired intensity distribution)에 적응될 수 있다는 점이다. 예를 들면, 광이 화상 디스플레이 패널의 단부면에서 결합되는 경우, 상기 광의 세기는 상기 단부면으로부터 훨씬 먼 쪽으로 전파됨에 따라 감소되며, 그 결과 장치의 휘도는 단부면을 향한 거리가 증가됨에 따라 감소된다. 예를 들면, 광원에 대향된 단부면에 대한 거리가 증가됨에 따라, 광 확산 영역들의 패턴을 적응시킴으로써, 예를 들면, 밀도를 증가시킴으로써, 상기 화상 디스플레이 패널 전체 표면 상의 세기 분포가 동일하게 될 수 있다. 예를 들면, 상기 방식으로 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스의 광 도파관 상에 확산기를 제공하는 것이 미국 특허 제 4,985,809 호로부터 공지되어 있다.
본 발명의 이들 및 다른 양태들이 이후 기술된 실시예들에 관해 명백해질 것이다.
여러 공지된 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스들에 있어서, 광원에서의 광은 화상 디스플레이 패널과 분리된 광 도파판에 결합된다. 광 도파관은 예를 들면, 적어도 한 단부면에 존재하는 광원을 갖는 광학 투명 플레이트이다. 광은 상기 단부면을 통해 광 도파관에 결합되고, 광 도파관의 도파관-공기 인터페이스 상에 하나 또는 그 이상 반사된 후 화상 디스플레이 패널 쪽으로 향하는 광 도파관의 표면으로부터 적어도 부분적으로 결합된다. 결합된 광의 편광 상태는 화상 디스플레이 패널에 의해 디스플레이되는 화상 정보에 따라 연속적으로 변조된다. 따라서, 화상 디스플레이 패널에 결합된 광은 이미 바람직하게 사전에 편광된다. 이를 위해, 공지된 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스들은 화상 디스플레이 패널과 광 도파관 사이에 배열된 2색성 편광기를 포함하며, 상기 편광기는 화상 디스플레이 패널을 위해 원하지 않는 대부분의 편광 상태를 흡수한다. 결론적으로, 광원에 의해 공급된 광의 실질적으로 반은 상기 편광기 및 화상 디스플레이 패널이 가열되는 동안 손실된다.
본 발명은 여분의 광 도파관을 필요로 하지 않으며, 화상 디스플레이 패널또는 그 일부에 의해 성취된 기능을 가질 것을 제안한다. 이러한 방식에 있어서, 상기 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스는 매우 얇은 형태로 주어질 수 있다. 또한, 화상 디스플레이 패널과 통합될 수 있는 반사 편광기는 광원에 의해 방사된 광을 편광시키기 위해 이용된다. 화상 디스플레이 패널을 위해 원하지 않는 편광 상태를 갖는 광은, 대부분이 화상 디스플레이 패널에 원하는 편광 상태를 갖는 광으로 변환될 수 있도록, 상기와 같은 편광기에 의해 회복될 수 있다. 이러한 방식에 있어서, 광원에 의해 방사된 대부분의 광량은 화상의 형성에 이용되므로, 화상 디스플레이 디바이스의 휘도가 높아진다. 더욱이, 편광기 또는 화상 디스플레이 패널은 실질적으로 가열되지 않는다.
도 1 에 개략적으로 도시된 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스(1)는 화상 디스플레이 패널(3)을 포함하며, 한편, 적어도 한 단부면(5)에는 조명 시스템(7)이 존재하여, 그 광이 단부면(5)을 통해 화상 디스플레이 패널(3)에 결합될 수 있다. 조명 시스템(7)은 광원(9) 및 그와 연관된 반사기(11)를 포함한다. 반사기(11)는, 화상 디스플레이 패널(3)로부터 떨어진 광원(9)에 의해 방사된 광이 화상 디스플레이 패널(3)을 향해 반사되도록 한다.
광원은 예를 들면, 로드형 형광 램프(rod-shaped fluorescence lamp)일 수 있다. 대안적으로, 광원은 특히, 예를 들면 셀룰러 전화기들과 같은 소형 화상 디스플레이 패널을 구비한 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스에서 하나 또는 그 이상의 발광 다이오드들(LED)에 의해 만들어질 수 있다.
화상 디스플레이 패널(3)은 예를 들면, 유리 또는 합성 재료의 2 개의 광 투명 기판(15, 17)에 의해 형성될 수 있고, 각각은 ITO 전극(19, 21) 및 폴리이미드 배향층(23)을 구비하고 있다. 활성층(13)은 기판들(15, 17) 사이에 존재한다. 활성층(13)은 예를 들면 액정 재료를 포함할 수 있으며, 입사광의 편광 상태를 변조하도록, 그 배양이 트위스트 네마틱 효과(TN :twisted nematic), 슈퍼 트위스트 네마틱 효과(STN : super-twisted nematic) 또는 강유전 효과에 기초하는 화소들의 매트릭스를 가질 수 있다. 더욱이, 활성층(13)의 원하는 두께를 실현 및 지속시키기 위한 스페이서 소자(도시되지 않음)는 두 기판들 사이에 존재할 수 있다.
화상 디스플레이 패널(3)의 제 1 표면(25)은 분석기(27)를 구비하고 있다. 분석기(27)는 분석기에서 광의 도전성을 피하기 위해 바람직하게 표면(25)과 광 접촉하지 않는다. 이는 화상 디스플레이 패널(3)과 분석기(27) 사이에 공기 갭(28)을 남겨 두거나 또는 낮은 굴절율을 갖는 접착 수단에 의해 화상 디스플레이 패널(3)에 분석기(27)를 고정함으로써 실현될 수 있다. 분석기(27)는 최종 화상에서 어두운 화소들로서 나타나야만 하는 화소들로부터 발생하는 광이 블로킹되도록 한다. 반사 편광기(31)는 제 1 표면(25)과 대향되는 제 2 표면(29)에 존재한다.
상기 단부면(5)을 통해 화상 디스플레이 패널(3)에 결합되는 광선들은 화상 디스플레이 패널(3)의 표면(29)상에 입사되며, 반사 편광기(31)는 상기 표면에 존재한다. 반사 편광기(31)는, 편광되지 않은 빔(b)이 편광기(31)상에 입사될 때, 화상 디스플레이 패널(3)에 바람직한 편광 상태를 갖는 빔 성분(b1)은 편광기(31)에 의해 통과되는데 반해, 원하지 않는 편광 상태를 갖는 빔 성분(b2)은 화상 디스플레이 패널(3)에 있는 편광기(31)에 의해 반사되는 방식으로 적응된다. 따라서, 원하지 않는 편광 상태를 갖는 빔 성분(b2)은 화상 디스플레이 패널(3)의 단부면(5)으로부터 전파되어 간다. 전파되는 동안, 상기 원하지 않는 빔 성분(b2)은 전파가 발생하는 재료의 복굴절로 인해 적어도 부분적으로 감편광된다. 빔 성분(b2)이 반사 편광기(31)상에 입사될 때, 원하는 편광 상태를 갖는 부분은 편광기(31)에 의해 통과된다. 표면(25)에 반사가 발생하는지의 여부에 관한 사실은 광이 상기 표면(25)사에 입사되는 각도에 의해 결정된다. 입사각이 전체 내부 반사에 대한 임계각보다 크다면, 광은 반사된다. 입사각이 임계각보다 작다면, 광은 출광한다(exit). 광이 단부면(5) 근방의 표면(25)에서 출광할 때, 출광은 화상 디스플레이 패널(3)을 위한 원하지 않는 편광 상태를 여전히 가지며, 따라서 화상의 형성에 기여하지 않을 것 같다. 그러나, 원하지 않는 편광 상태를 갖는 빔 성분의 대부분은 화상 디스플레이 패널의 상대적으로 긴 거리를 포함하며, 전파되는 동안 감편광하게 되어, 그 대부분은 원하는 편광 상태를 얻고, 종국적으로는 반사 편광기(31)에 의해 통과된다.
반사 편광기(31)에 의해 통과된 광은 화상 디스플레이 패널(3)로부터 먼 쪽의 반사 편광기(31)의 표면(35)에 존재하는 광 지향 시스템(33)상에 입사된다. 상기 광 지향 시스템(33)상에 입사되는 광은 적어도 부분적으로 화상 디스플레이 패널(3)을 향해 송신된다.
반사 편광기는 원하는 편광 상태를 통과하는 방식으로 제조될 수 있기 때문에, 표면(25)을 통해 결합될 수 있고, 대부분이 광 도파관 재료의 복굴절, 확산, 및 빈번한 반사들로 인해 원하는 편광 상태를 갖는 광으로 변환될 수 있도록 원하지 않는 편광 상태를 반사시킨다.
상기 광 지향 시스템(33)은 다른 방식들로 구현될 수 있다. 도 1 에 도시된 첫 번째 가능성에 있어서, 광 지향 시스템(33)은 확산기(37) 및 반사기(39)를 포함한다. 상기 확산기상에 입사되는 광의 일부는 파선 화살표로 표시된 바와 같이, 화상 디스플레이 패널을 향해 확산되며, 그 후에 변조될 수 있다. 또한, 원하는 편광 상태를 갖는 광의 일부가 화상 디스플레이 패널(3)로부터 떨어진 방향으로 확산기 (37)에 의해 확산되기 때문에, 편광기(31)로부터 먼 쪽의 확산기(37)의 측면에 반사기(39)를 제공하여, 상기 광이 화상 디스플레이 패널(3)을 향해 송신된다는 장점이 있다.
광 지향 시스템(33)의 반사기(39)는 예를 들면, BaSO4또는 TiO2등과 같은 저-흡수 또는 비-흡수 입자들을 갖는 예를 들면 알루미늄층 또는 합성 재료층이 될 수 있다.
두 번째 가능성에 따라서, 상기 광 지향 시스템(33)은 편광기(31)의 평면과 각(θ)을 이루는 반사면들(34)을 포함하는 반사 구조를 갖는다. 이러한 가능성은 도 2 에 도시되어 있다. 상기 반사면(34)은 화상 디스플레이 패널로부터 먼 쪽의 편광기(31)의 표면에 리세스들(36)을 제공함으로써 실현될 수 있다. 리세스들(36)은 또한, 그 후에 표면 상에 제공된 개별 투명 플레이트에 제공될 수 있다. 면들이편광기(31)의 평면과 이루는 각(θ)은 입사광이 화상 디스플레이 패널(3)에 반사되는 각을 결정한다. 상기 구조는 예를 들면, 지그재그 패턴 또는 톱니 패턴의 형상을 가질 수 있다.
상기 광 지향 시스템(33)은 편광기(31)에 의해 통과된 광의 대부분이 원하는 편광 상태를 가지므로, 바람직하게 편광 지속 효과를 갖는다. 그러나, 시스템(33)에 의해 화상 디스플레이 패널(3)로 송신된 광이 어쨌든, 원하는 편광 상태를 갖는 광만을 통과시키는 반사 편광기(31)를 통과해야 하므로, 시스템(33)이 편광 지속 효과를 가질 필요는 없다. 그러나, 그것은 원하는 편광 상태가 지속될 때 더 효율적이다.
상기 도시 및 기술된 실시예들에 있어서, 완전한 화상 디스플레이 패널(3)은 광 도파관으로서 기능한다. 그러나, 대안적으로, 광 도파관으로서 기판(17)만을 이용하는 것도 가능하며, 이때 기판은 바닥 플레이트 역할을 한다. 이 경우, 예를 들면, SiO2층과 같은 낮은 굴절율을 갖는 층(도시되지 않음)은 원하지 않는 편광 상태를 갖는 빔 성분이 상기 표면 상에서 반사될 수 있도록 기판(17) 및 활성층(13) 사이에 제공되어야 한다.
단지 하나의 단부면(5)에서 화상 디스플레이 패널(3)에 광을 결합하는 대신, 둘 또는 그 이상의 조명 시스템이 이용될 수 있어서, 광이 화상 디스플레이 패널 (3)의 둘 또는 그 이상의 측면들에 결합된다. 광원(9)이 로드형 램프인 경우, 다수의 대역들을 가지며, 따라서 동시에 다수의 측면들을 조명할 수 있는 단일 로드형램프를 이용하는 것으로 충분하다. 하나 이상의 단부면을 조명함으로써, 결합되는 광의 보다 큰 휘도 및 보다 균등한 세기가 성취된다. 더욱이, 다수의 대역들을 갖는 단일 로드형 램프의 이용은, 로드형 형광 램프의 손실이 증가되는 램프의 길이에 따라 감소되므로, 조명 시스템의 효율성을 향상시킨다.
광이 결합되는 화상 디스플레이 패널의 단부면들 또는 측면들은 광이 더욱 효율적으로 결합되는 방식으로 구현될 수 있다. 광의 양호한 결합은 예를 들면, 관련 단부면들을 폴리싱하거나, 적응된 굴절율을 갖는 층에 의해 단부면의 표면을 평탄하게 하거나, 상기 층에서 렌즈 작용을 갖는 곡면을 제공하거나, 또는 광원과 화상 디스플레이 패널 사이에 광 결합을 제공함으로써 얻어질 수 있다.
반사 편광기(31)는 다른 방식으로 구현될 수 있다. 제 1 실시예에 있어서, 상기 편광기(31)는 콜레스테릭 오더링을 갖는 액정 재료층을 포함한다. 이러한 액정 재료에 있어서, 키랄 분자들은 피치(p)를 갖는 와선 또는 나선형 구조를 갖는다. 이러한 나선형 구조는 나선 축이 상기 층을 가로지르는 방식으로 향할 수 있다.
편광되지 않은 광이 상기 층상에 입사될 때, 나선의 회전 방향(우회전 또는 좌회전)을 매칭시키고, 그 파장이 나선 피치(p)를 매칭시키는 광의 원형 편광된 빔 성분은 반사되는 반면, 다른 원형 편광된 빔 성분은 통과된다. 콜레스테릭층의 반사 대역폭(λ0)은 다음과 같다:
Figure pct00002
여기서, p는 분자 나선의 피치이고, no및 ne은 각각 액정 재료의 정상 및 이상 굴절율이다.
콜레스테릭 편광기는 제한된 반사 대역을 갖는 콜레스테릭층으로 이루어질 수 있다. 다음에, 상기 편광된 광은 그 파장이 콜레스테릭층의 분자 나선의 피치 (p)에 대응하는 주어진 칼라를 갖는다.
대안적으로, 콜레스테릭 편광기는 피치가 일정하지만, 각각의 층이 서로 다른 파장 영역에서 활성화되는 복수의 층으로 구성될 수 있다. 서로 다른 파장 영역들은 결합된 모든 층들이 완전 가시 파장 영역을 포함할 수 있도록 선택될 수 있다. 이러한 방식에 있어서, 칼라 화상 디스플레이 디바이스로서 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스를 이용하는 것이 가능하다.
콜레스테릭 편광기는 적합하게는, 전체 가시 파장 영역 사이(400nm과 780nm 사이)를 포함하는데 요구되는 반사 대역의 하한 및 상한 각각에 대응하는 두 값들 사이에서 분자 나선의 피치가 실질적으로 연속적으로 변화하는 단일 액정 재료층으로 이루어진다. 이러한 방식에 있어서, 적층층들의 경우에는 훨씬 더 얇은 편광기를 이용하는 것으로 충분하다. 또 다른 장점은 단일층 편광기가 더 양호한 광 품질을 갖는다는 점이다. 콜레스테릭 편광기의 품질은 콜레스테릭들을 대표하는 에러들로 인해 층들의 수가 증가함에 따라 감소한다. 더욱이, 편광기가 유효한 범위 내에서 편광될 광의 입사각들의 범위는 두께의 증가에 따라 감소한다. 단일 콜레스테릭층으로 이루어진 편광기의 장점은, 편광기에 대한 표준에 대해 큰 각으로 광 입사를 발생시키는 대역 시프트가 편광 효과에 대해 아무런 유해한 영향을 미치지 않도록 반사 대역폭이 선택될 수 있다는 점이다 예를 들면, 80°의 입사각에 대해 및 400nm과 700nm 사이의 파장 영역의 광 반사에 대해, 편광기는 400nm과 890nm 사이의 반사 대역폭을 가져야 한다.
콜레스테릭 편광기를 제조하기 위한 다른 가능성은 복수의 콜레스테릭층들을 적층하며, 상기 층들 중 적어도 다수의 층은 층 두께를 실질적으로 연속적으로 가로질러 변화하는 피치를 갖는 것이다. 이러한 방식에 있어서, 첫 번째 상술된 것보다 더 작은 수의 층들을 이용하는 것으로 충분하다.
예를 들면, 1990년 5월, SID International Symposium, Digest of Technical Papers의 110 내지 113 페이지의 R. Maurer 등에 의한 "Polarizing Color Filters made from Cholesteric LC Silicones"에서, 콜레스테릭층들이 편광기들로서 이용될 수 있다는 것이 원래 공지되어 있음을 주지한다.
콜레스테릭 편광기는 편광되지 않은 광을 반대로 원형 편광된 빔 성분들로 분할한다. 편광되지 않은 광을 선형 편광된 빔 성분들로 분리시키는 반사 편광기는 예를 들면 적층층들을 포함하며, 상기 층들 중 적어도 다수의 층들은 복굴절을 포함한다. 대안적으로, 상기 적층은 복굴절층과 비-복굴절층을 포함할 수 있다. 대안적으로, 모든 층들이 복굴절 재료를 포함할 수도 있다. 그러한 편광기는 예를 들면, 미국 특허 US-A 제 5,217,794 호에 폭넓게 기재된 단일 단계 돌기(single-step extrusion)에 의해 제조될 수 있다.
반사 편광기가 콜레스테릭 편광기이고 화상 디스플레이 패널이 선형 편광된광을 변조하도록 적응될 경우, 화상 디스플레이 디바이스(1)는, 화상 디스플레이 패널에 의해 변조되기 전에 콜레스테릭 편광기에 의해 원형 편광된 광을 선형 편광된 광으로 변환하도록, n을 홀수 정수로 하는 n.λ/4 플레이트(43)를 포함한다. 이러한 n.λ/4 플레이트는 바람직하게 넓은 대역을 갖는다. 또한, n.λ/4 플레이트는 화상 디스플레이 패널(3)의 반사 편광기(31)에 의해 반사되는 원하지 않는 빔 성분의 감편광에 기여할 수 있다.
광대역 n.λ/4 플레이트는 예를 들면, 서로 다른 층들로 구성된 투명 소자이며, 원형 편광된 광이 선형 편광된 광으로 변환되는 가시 파장 영역의 모든 파장들에 대해 빔의 상 회전(phase rotation)이 실현된다. 그러한 n.λ/4 플레이트는 예를 들면, 1992년 5월 17-22일 미국, 메사츄세츠, 보스톤에서 개최된 Society for Information Display의 SID '92 Exhibit Guide에서 Nitto Denko사의 "Retardation Film for STN-LCDs 'NRF'"이란 논문에서 공지되어 있다.
n.λ/4 플레이트(43)는 예를 들면, 화상 디스플레이 패널(3)과 콜레스테릭 편광기(31) 사이에 존재할 수 있다. 콜레스테릭층은 자체 지지막으로 구현될 수도 있다. 그러한 경우가 아닐 경우, 콜레스테릭층은 분리 기판, 예를 들면, 광학 투명 플레이트 상에 제공되어야 한다. 그러나, 상기 콜레스테릭층은 여분의 기판이 필요하지 않을 수 있고 , 따라서 상기 화상 디스플레이 디바이스가 더욱 얇은 형태로 주어질 수 있도록 λ/4 플레이트 상에 제공될 수 있다.
반사 편광기가 콜레스테릭 편광기일 경우, 화상 디스플레이 패널(3)은 원형편광된 광을 변조하도록 적응되며, λ/4 플레이트는 필요하지 않을 수 있다.
또한, 편광기가 선형 편광기이고 화상 디스플레이 패널이 선형 편광된 광을 변조하기에 적합하다면, λ/4 플레이트는 필요하지 않을 수도 있다.
λ/4 플레이트가 어떤 경우에는 필요하지 않으므로, 이는 도면들에 파선으로 도시하였다.
화상 디스플레이 디바이스(3)가 λ/4 플레이트를 포함하지 않는다면, 원하지 않는 편광 상태를 갖는 빔 성분은 화상 디스플레이 패널에 의해서만 감편광된다. 반대의 경우, λ/4 플레이트에서 감편광되는 수도 있다.
원하지 않는 편광 상태를 갖는 빔 성분의 감편광은 어떠한 광도 감편광 반사기(도시되지 않음)와 결합되지 않는 화상 디스플레이 패널(3)의 하나 또는 그 이상의 측면들을 제공함으로써 확고해질 수 있다. 도착하는 광이 손실되고 그에 의해 화상의 형성에 기여하지 않는 것을 방지하기 위해 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스들에서 반사기를 어떠한 광 결합도 발생하지 않는 광 도파관의 측면들에 제공하는 것이 원래 공지되어 있다. 반사기는 적어도 부분적으로 원하는 편광 상태를 갖는 광으로 변환되는 다른 기회를 갖기 위해, 광 도파관에서 광을 반사시킨다. 이러한 반사기가 감편광하면, 빔 성분의 실질적으로 반은 원하는 편광 상태를 갖는 광으로 즉시 변환되기 때문에, 상술된 방식으로 반사 편광기에 의해 통과되고 화상 디스플레이 패널에 도달한다.
광 지향 시스템(33)의 부분을 형성할 수 있는 확산기(37)도 또한 다른 방식들로 구현될 수 있다. 확산기(37)는 반사 편광기(31)의 표면(35)상에 제공되는 포일일 수 있다. 상기 포일은 합성 재료층, 예를 들면, SiO2또는 산화 폴리에틸렌 입자들이 존재하는 PMMA로 이루어질 수 있다. 입자들을 포함하는 대신, 포일은 표면 직물을 구비할 수 있다. 대안적으로, 확산기(37)는 반사 편광기(31) 자체의 표면 (35)상에 직접 제공될 수도 있다. 이는, 편광기(31)의 제조 후, 열 다이(hot die)또는 복사 기술을 이용하여, 표면(35)의 기계적 거칠기 또는 편광기(31) 표면(35)에 원하는 확산 구조를 제공함으로써 실현될 수 있다.
대안적으로, 확산기(37)는 예를 들면 실크 스크린 인쇄에 의해 편광기(31)의 표면(35)상에 제공된 광 확산 영역들의 2차원 패턴일 수 있다. 그러한 패턴의 장점은 화상 디스플레이 패널의 표면(29)을 가르는 세기 분포가 가능한 한 균일한 방식으로 그 구성이 적응될 수 있다는 점이다. 실제로, 광이 결합되는 단부면(5)에 대한 화상 디스플레이 패널(3)의 거리가 증가됨에 따라, 원하는 편광 상태를 갖는 광의 세기는 감소한다. 이러한 현상은 광원에 대한 거리가 증가함에 따라 확산 영역들의 밀도를 상승시킴으로써 보상될 수 있다. 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스들에서 세기 분포를 균일하게 하기 위한 도트들의 확산 패턴의 밀도를 변화시키는 원리는 미국 특허 US-A 제 4,985,809 호에서 공지되어 있다.
상술된 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스의 장점은 주변에 충분한 광이 있을 때는 주변 조명 시스템이 필요하지 않다는 점이다. 실제로, 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스는 또한 주변 광으로서 기능하기에 적합하다. 이것은 특히, 예를 들면, 셀룰러 전화기들과 같이 상대적으로 낮은 광 출력 및 콘트라스트로도 충분한 소형 디스플레이들에 적용된다. 주변 광의 대략 반은 분석기(27)에 의해 블로킹된다. 전압 인가된 상태에서, 예를 들면, 화상 디스플레이 패널(3)의 화소는 변화되지 않은 입사 빔 성분의 편광 상태를 남겨두기 때문에, 분석기(27)에 의해 통과되는 빔 성분은 이러한 편광 상태로 반사 편광기(31)에 도달하며, 편광기(31) 및 분석기(27)가 일반적으로 상보적 편광 상태를 가지므로, 거기서 반사된다. 상기 화소로부터 나오는 광은 화상의 발광부의 근원이다. 전압이 인가되지 않은 상태의 화소에서, 상기 분석기(27)에 의해 통과되는 광의 편광 상태가 영향을 받는다. 결론적으로, 상기 광은 반사 편광기(31)에 의해 광 지향 시스템(33) 쪽으로 적어도 부분적으로 통과되며, 여기에서 상기 광이 화상의 어두운 부분들에 인도되므로 반사 또는 확산뿐만 아니라 감편광화가 발생한다. 주변 광으로 기능할 수 있는 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스가 요구된다면, 화상 디스플레이 패널이 광 도파관 역할을 하므로 얇은 화상 디스플레이 디바이스의 장점이 지속되나, 이것은 주변의 광이 조명에 이용되는 경우 허용될 수 있는 콘트라스트를 실현하도록 휘도 및 콘트라스트의 회생을 필요로 한다.

Claims (13)

  1. 광 도파관에 결합된 광을 편광하는 집적 편광 수단(integrated polarizing means)을 구비한 상기 광 도파관을 포함하고, 상기 광 도파관에 의해 편광되는 상기 광의 편광 상태를 디스플레이되는 화상 정보에 따라 변조하는 화상 디스플레이 패널, 상기 화상 디스플레이 패널의 제 1 표면에 존재하는 분석기를 더 포함하는, 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스에 있어서,
    상기 화상 디스플레이 패널의 적어도 일부는 상기 광 도파관이며, 상기 편광 수단은 상기 화상 디스플레이 패널의 제 2 표면에 존재하는 반사 편광기에 의해 구성되고 상기 제 2 표면은 상기 제 1 표면에 대향 위치되며, 광 지향 시스템이 상기 화상 디스플레이 패널로부터 먼 쪽의 상기 반사 편광기 표면에 존재하는 것을 특징으로 하는, 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 지향 시스템은 편광 지속 효과를 갖는 것을 특징으로 하는, 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광 지향 시스템은 상기 반사 편광기의 평면과 각(θ)을 이루는 복수의 반사면들(reflective facets)을 포함하는 반사 구조에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는, 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광 지향 시스템은 확산기 및 반사기를 포함하며, 상기 확산기는 상기 반사 편광기와 상기 반사기 사이에 존재하는 것을 특징으로 하는, 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 반사 편광기는 콜레스테릭(cholesteric) 편광기인 것을 특징으로 하는, 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 콜레스테릭 편광기는 액정 중합체 재료의 단일층으로서 구현되며, 상기 층내에서 상기 분자 나선의 피치는, 전체 가시 파장 영역을 포함(cover)하는데 요구된 반사 대역의 하한 및 상한 각각에 대응하는 두 값들 사이에서 실질적으로 연속적으로 변하는 것을 특징으로 하는, 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 화상 디스플레이 디바이스는 n.λ/4 플레이트를 포함하며, 여기서 n은 홀수 정수인 것을 특징으로 하는, 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 n.λ/4 플레이트는 상기 콜레스테릭 편광기와 상기 화상 디스플레이 패널 사이에 존재하는 것을 특징으로 하는, 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 n.λ/4 플레이트는 상기 콜레스테릭 편광기를 위한 기판으로 기능하는 것을 특징으로 하는, 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 반사 편광기는 복수의 층들을 포함하며, 상기 층들 중 적어도 다수의 층은 복굴절 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는, 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    광원으로부터 먼 쪽의 적어도 한 측면 상에 배열된 감편광(depolarizing) 반사기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스
  12. 제 4 항에 있어서,
    상기 확산기는 상기 반사 편광기 표면에 제공된 광-확산 구조인 것을 특징으로 하는, 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 구조는 불연속 확산 영역들(discrete diffusing areas)의 패턴에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는, 플랫-패널 화상 디스플레이 디바이스
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