KR100460787B1 - 광입사각에 부합되는 도파관구조를 갖는 디스플레이용광학소자 및 그 제조방법 - Google Patents

광입사각에 부합되는 도파관구조를 갖는 디스플레이용광학소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

개시된 내용은 스크린에 배열된 도파관들의 측벽기울기를 광원으로부터 입사되는 입사각에 따라 다르게 설정함에 의하여 주변부의 조도가 약화되는 문제점을 개선한 광입사각에 부합되는 도파관구조를 갖는 디스플레이용 광학소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 밑변으로부터 경사된 측벽을 가지고 후방중심의 광원으로부터 입사된 이미지광을 내부에서 반사시켜 외부로 투사하는 도파관들을 구비한 프로젝션 스크린에 있어서, 스크린의 전구간을 걸쳐 배열된 상기 도파관들의 밑변과 높이를 동일하게 하되, 스크린 중심부에서 주변부로 갈수록 상기 도파관들의 측벽기울기를 감소시킴에 의하여 중심부에서의 도파관에서보다 주변부의 도파관에서 이미지광의 반사회수를 감소시켜 스크린의 전구간에서 전반사가 일어나게 유도하는 것을 특징으로 한다.

Description

광입사각에 부합되는 도파관구조를 갖는 디스플레이용 광학소자 및 그 제조방법{DISPLAY DEVICE HAVING A WAVEGUIDE STRUCTURE CORRESPONDING TO AN INCIDENCE ANGLE OF IMAGE LIGHT AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 영상을 외부로 투사하는 디스플레이용 광학소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스크린에 배열된 도파관들의 측벽기울기를 광원으로부터 입사되는 입사각에 따라 다르게 설정함에 의하여 원하는 시야각을 확보하면서도 주변부의 조도가 약화되는 문제점을 개선한 광입사각에 부합되는 도파관구조를 갖는 디스플레이용 광학소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 프로젝션 텔레비전, 프로젝션 모니터 등의 프로젝션 장치에서는 시청자측으로 화상을 투사하는 후방 프로젝션 스크린(rear projection screen)이 장착되어 있다. 이 후방 프로젝션 스크린은 디스플레이용 광학소자로 스크린의 후방에서 투사되는 화상을 시청공간으로 투과하도록 설계된다. 프로젝션 시스템의시야공간은 상대적으로 클 수도 있고(예컨대, 프로젝션 텔레비전) 또는 상대적으로 작을 수도 있다(예컨대, 프로젝션 모니터). 후방 프로젝션 스크린의 성능은 스크린의 다양한 특성면에서 기술될 수 있다. 스크린 성능을 설명하는 데에 사용되는 전형적인 스크린 특성은 이득, 시야각, 해상도, 대비비, 색상 및, 반점과 같은 불량한 인공물의 출현 등을 포함한다. 후방 프로젝션 스크린은 통상 고해상도, 고대비비 및 큰 이득을 가지는 것이 바람직하다.
후방 프로젝션 텔레비전은 광범위한 범위에 분포한 시청자들을 수용할 수 있도록 넓은 시야각을 확보하는 것이 바람직하다. 이러한 넓은 시야각을 구현하기 위하여 스크린내에는 도파관들이 마련되어 있다. 특성상 후방 프로젝션 스크린은 점광원이 후방 중앙부분에 위치하게 되므로 스크린 전면판의 중앙부분에 들어오는 빛의 입사각과 주변부에 들어오는 빛의 입사각은 틀릴 수 밖에 없는데, 만약 같은 구조의 도파관으로 스크린 전체가 이루어져 있다면 도파관에 들어가는 입사각의 크기가 틀려 도파관 내부의 반사각이 서로 틀리게 되므로 위치에 따라 전반사가 일어날 수도 일어나지 않을 수도 있게 된다. 통상 넓은 시야각의 확보를 위해 만들어진 구조의 도파관이 스크린의 중앙에 위치하게 되므로 전체적으로 동일한 구조의 도파관 구조로 설계되었다면 스크린의 주변부에도 동일한 구조의 도파관이 위치하므로 넓은 시야각의 확보는 가능하지만 스크린의 주변부의 조도는 중앙부의 조도보다 현저히 떨어지게 된다. 이로 인하여, 스크린의 중앙부와 주변부의 선명도에 차이가 생겨 화상의 균질도가 떨어지므로 고화질 구현에 장애요인이 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 상술한 제결점들을 해소하기 위해서 안출한 것으로서, 광원으로부터 입사되는 입사각에 따라 스크린 중앙부와 주변부에 배치되는 도파관의 측벽기울기를 다르게 설계하되 중앙위치로부터 반경이 커짐에 따라 점층적으로 측벽기울기를 감소시킴으로써 주변부의 조도가 열화되는 것을 방지하는 광입사각에 부합되는 도파관구조를 갖는 디스플레이용 광학소자를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 중간위치로부터 수평방향 또는 수직방향의 일방향으로 주변부를 향해 도파관의 측벽기울기를 점층적으로 감소시킴으로써 중앙부와 주변부의 조도균일도를 유지할 수 있게 한 광입사각에 부합되는 도파관구조를 갖는 디스플레이용 광학소자를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 자외선에 노광시켜 도파관어레이를 형성하는 공정을 라인스캔(line scan)방식에 의해 각 구간에서 노광시간을 다르게 수행함으로써 일방향에서 스크린의 중간부위로부터 주변부로 갈수록 도파관들의 측벽기울기가 감소하는 상기 디스플레이용 광학소자를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시예에 관한 상세한 설명은 첨부하는 도면들을 참조하여 이루어질 것이며, 도면에서 대응되는 부분을 지정하는 번호는 같다.
도 1a 및 도 1b는 도파관의 구조와 이미지광 반사의 상관관계를 보여주는 도표들이고,
도 2a 및 도 2b는 도파관의 구조와 이미지광 반사의 상관관계를 보여주는 도표들이고,
도 3은 본 발명에 따른 디스플레이용 광학소자의 전체적인 구조를 보여주는 측면도이고,
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 디스플레이용 광학소자에서 도파관배열구조의 일실시예를 나타낸 도면들이고,
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 디스플레이용 광학소자에서 도파관배열구조의 다른 실시예를 나타낸 도면들이고,
도 6은 도 5a 내지 도 5c에 예시된 디스플레이용 광학소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정도이고,
도 7은 본 발명에서 노광시간에 따른 도파관의 측벽기울기의 변화를 보여주는 도면이다.
** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **
10 : 전방 투명판 20 : 투명기판
30,60 : 도파관어레이(array) 32,62 : 도파관
40 : 광원
본 발명은 밑변으로부터 경사된 측벽을 가지고 후방중심의 광원으로부터 입사된 이미지광을 내부에서 반사시켜 외부로 투사하는 도파관들을 구비한 디스플레이용 광학소자에 있어서, 스크린의 전구간에 걸쳐 배열된 모든 상기 도파관들의 밑변과 높이를 동일하게 하되, 스크린의 전구간에 배열된 모든 도파관들에서 전반사가 수행될 수 있는 각도범위내에서 스크린의 중심부에서 주변부로 갈수록 상기 도파관들의 측벽기울기를 감소시킴에 의하여 스크린 중심부의 도파관에서보다 주변부의 도파관에서 이미지광의 반사회수가 감소되게 하는 것을 특징으로 하는 광입사각에 부합되는 도파관구조를 갖는 디스플레이용 광학소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광입사각에 부합되는 도파관구조를 갖는 디스플레이용 광학소자는 밑변으로부터 경사된 측벽을 가지고 후방중심의 광원으로부터 입사된 이미지광을 내부에서 반사시켜 외부로 투사하는 도파관들을 구비한 디스플레이용 광학소자에 있어서, 스크린의 전구간에 걸쳐 배열된 모든 상기 도파관들의 밑변과 높이를 동일하게 하되, 상기 도파관들의 측벽기울기를 스크린의 모든 구간에서 전반사가 이루어지는 각도범위내에서 입사각에 따라 스크린 중심부를 기준으로 하여 사방 주변부로 갈수록 점층적으로 감소시키며, 상기 중심부로부터 동일한 반경상에 위치하는 상기 도파관의 측벽기울기는 상기 중심부를 기준으로 대칭인 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광입사각에 부합되는 도파관구조를 갖는 디스플레이용 광학소자는 밑변으로부터 경사된 측벽을 가지고 후방중심의 광원으로부터 입사된 이미지광을 내부에서 반사시켜 외부로 투사하는 도파관들을 구비한 디스플레이용 광학소자에 있어서, 스크린의 전구간에 걸쳐 배열된 모든 상기 도파관들의 밑변과 높이를 동일하게 하되, 상기 도파관들은 스크린의 전구간에서 전반사가 일어날 수 있는 각도범위내에서 수평방향 또는 수직방향의 일방향으로만 중심부에서 주변부로 갈수록 입사각에 따라 점층적으로 상기 도파관들의 측벽기울기를 감소시킨 것을 특징으로 한다.
상기 또다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광입사각에 부합되는 도파관 구조를 갖는 디스플레이용 광학소자의 제조방법은 포토마스크상에 그리드를 올려놓고 나서 그 위에 투명기판을 부착하는 제1단계; 상기 투명기판상에 포토폴리머 물질을 코팅하는 제2단계; 상기 포토마스크 아래쪽에서 자외선을 라인스캔방식으로 스크린의 각 구간마다 시간을 다르게 조절하며 노광하여 상기 포토폴리머 물질을 일방향의 중간위치에서 주변부로 갈수록 측벽기울기가 감소하는 도파관들로 만드는 제3단계; 및 상기 도파관들 위에 투명한 전방 투명판을 부착하는 제4단계를 포함한다.
이하에서는 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명하기로 한다. 본 실시예에서는 디스플레이용 광학소자로 프로젝션 스크린을 예로 들어 설명한다.
먼저, 도 1a 내지 도 2d를 참조하여 본 발명이 구현하고자 하는 도파관의 설계원리에 대해 설명한다.
도 1a 및 도 1b는 조도를 균일화하기 위한 도파관의 구조를 설계하는 원리를 설명하기 위한 것으로 도파관의 밑변길이 40㎛, 측벽기울기 10.52°인 경우 이미지광의 반사상태를 그래프로 나타낸 도표들로서, 도 1a는 입사각이 0°일 경우 도파관의 구조와 이미지광의 반사관계를 나타낸 도표이고, 도 1b는 입사각이 10°일 경우 도파관의 구조와 이미지광의 반사관계를 나타낸 도표이다. 여기서, 입사각은도파관의 입사면의 법선을 기준으로 하여 측정된 값이다.
위와 같은 밑변길이와 측벽기울기의 조건이외에 도파관의 굴절율이 1.6, 투사면의 굴절율이 1, 도파관내 전반사 임계각이 54.35°이고, 투사면(도파관 상면(tip))의 전반사 임계각이 38.68°인 조건을 가질 때, 통상 점광원은 스크린의 중앙후방에 위치하므로 스크린의 중앙에 위치한 도파관은 도 1a에서처럼 입사각(θ1)이 0°가 되고, 이렇게 입사된 이미지광(L1)은 도파관의 측벽(S1)에서 반사된다. 이 입사각(θ1)에서는 두번째 반사까지는 전반사가 이루어지게 되는데, 이 두번째 반사된 이미지광(L1)이 다시 측벽(S1)과 접촉하는 도파관의 높이는 도 1a에서 보는 바와 같이 대략 83㎛정도이다. 통상 넓은 시야각을 확보하기 위해서는 적어도 1~2회정도의 반사가 요구되며, 높은 조도를 얻기 위해서는 전반사가 이루어져야 하므로, 스크린 중심부에서는 이들을 모두 만족시킬 수 있는 범위인 전반사 3회내의 높이이하에서 도파관의 높이가 결정될 필요가 있다. 바람직하게는, 전반사 회수가 증가할수록 시야각이 넓어지므로 3번째 반사가 이뤄지는 83㎛에서 두번째 반사가 이뤄지는 73㎛ 범위내가 적합하다.
한편, 스크린의 주변부에서는 스크린의 중앙후방에 점광원이 위치하므로 도 1b에서와 같이 도파관에 이미지광(L2)이 수직으로 입사되지 않고 일정한 각도를 이루게 되는데, 이 도파관으로의 이미지광 입사각(θ2)이 10°일 경우 첫번째 반사에서만 도파관의 측벽(S1)에서 전반사가 이루어진다. 이때, 도포관의 높이는 도 1b에서 보면 대략 51㎛정도이고, 따라서 이 높이이하로 도파관의 높이를 결정하여야만 전반사가 이루어져 높은 조도를 얻을 수 있다. 이것은 전반사가 이루어지지 않으면 도파관내에서 광소모가 발생하여 조도가 떨어지기 때문이다.
이상 도 1a와 도 1b를 종합해 볼 때, 도파관이 동일한 밑변길이와 측벽기울기를 갖는 경우 스크린의 중앙부위에서는 도파관의 높이가 73~83㎛의 범위내에서 설계되어야 적합하고, 스크린의 주변부에서는 도파관의 높이가 50㎛이내에서 설계되어야 적합하다. 따라서, 이러한 점을 고려하여 도파관을 설계한다면 스크린의 중앙부 높이는 높고 주변부 높이는 낮아 스크린은 균일한 높이를 가질 수 없다. 결과적으로 스크린 전체를 놓고 볼때 요철과 같은 형태가 되어 시야각면이나 해상도면에서 바람직하지 않을 뿐더러 제조 또한 어렵게 된다.
또한, 도 2a 및 도 2b는 도파관의 밑변길이 40㎛, 측벽기울기 7°인 경우 이미지광의 반사상태를 그래프로 나타낸 설명도들로, 도 2a는 입사각이 0°일 경우 도파관의 구조와 이미지광의 반사관계를 나타낸 도표이고, 도 2b는 입사각이 10°일 경우 도파관의 구조와 이미지광의 반사관계를 나타낸 도표이다.
굴절율과 임계각 및 밑변길이를 도 1a 및 도 1b에 나타낸 앞실시예와 동일하게 하고, 측벽기울기(7°)만 변경한 경우 스크린 중앙부에 위치한 도파관에서는 도 2a에서 보는 것처럼 입사각(θ3) 0°로 입사된 이미지광(L3)은 도파관의 측벽(S2)에서 세번째 반사까지는 전반사가 이루어진다. 이때, 전반사 조건을 만족하는 높이는 대략 137㎛이내이다.
한편, 스크린의 주변부에서 도파관으로의 이미지광(L4) 입사각(θ4)이 10°일 경우 도 2b에 도시한 바와 같이 두번째 반사까지만 전반사가 이루어진다. 이렇게 전반사가 이루어지는 도포관의 높이는 도 2b에서 보면 최대 96㎛이고, 따라서 이 높이이하로 도파관의 높이를 결정하여야만 높은 조도를 얻을 수 있다.
이상 도 2a와 도 2b를 종합해 볼 때, 스크린 전체의 도파관의 높이를 입사각 7°인 주변부에 맞춰 두번째 반사지점으로 설계한다면 스크린 주변부는 적합하지만 스크린의 중앙부는 반사가 1회밖에 이루어지지 않으므로 효과적인 시야각을 확보하기 어렵다. 시야각은 통상 스크린의 중앙부위가 넓은 시야각을 갖도록 하는 것이 바람직하므로, 스크린 중앙부의 도파관에서 2회정도 전반사가 이루어지게 하는 것이 좋다.
이상 도 1a 및 도 1b에서의 도파관의 측벽기울기가 10.52°일 경우와 도 2a 및 도 2b에서의 도파관의 측벽기울기가 7°일 경우를 종합하여 검토해 볼 때, 도파관의 측벽기울기와 이미지광의 전반사관계를 고려하여 스크린의 중앙부와 주변부에서 전반사가 이뤄지는 공통높이구간에 존재하는 80㎛로 도파관의 높이를 설정하는 한편 스크린의 중앙부에서는 측벽기울기 10.52°를 적용하고 주변부에서는 측벽기울기 7°를 적용한다면 스크린의 전구간에서 최적의 전반사조건을 만족할 수 있을 것이다. 좀 더 상세히 부연설명하면, 스크린 중앙부에 도 1a 및 도 1b에 예시된측벽기울기 10.52°인 도파관을 적용하고, 스크린 주변부에 도 2a 및 도 2b에 예시된 측벽기울기 7°인 도파관을 적용한다면 스크린의 전구간에 배열된 모든 도파관에서 전반사가 1회 내지 2회 일어나면서 중앙부위에서는 넓은 시야각을 확보할 수 있고 주변부에서는 높은 조도를 얻을 수 있다. 이때, 도파관의 측벽기울기는 스크린의 중앙부에 위치한 도파관에서 주변부의 도파관으로 갈수록 점층적으로 감소하게 설계된다. 즉, 스크린 중앙부로부터 주변부로 갈수록 도파관은 측벽기울기가 10.52~7° 범위에서 연속적으로 일정크기로 감소하면서 스크린의 전구간에 배열된다. 따라서, 중앙부로부터 주변부로 갈수록 감소하는 도파관의 측벽기울기는 중앙부를 기준으로 대칭적인 크기를 가질 수도 있고, 비대칭적인 크기를 가질 수도 있다. 한 방법으로, 스크린의 중앙부에 위치된 도파관을 정점으로 동일거리를 갖는 원에 포함되는 위치에 존재하는 도파관들은 동일한 측벽기울기를 가지면서 중앙부로부터 주변부로 점층적으로 동심원을 이루면서 측벽기울기가 감소되게 할 수 있다. 이 경우 스크린의 중앙을 정점으로 사방으로 측벽기울기가 감소하므로 수평방향은 물론 수직방향으로도 균일한 조도를 얻을 수 있다. 이러한 동심원을 이루면서 점층적으로 측벽기울기가 가변되는 스크린의 실시예가 도 4a 내지 도 4c에 예시되어 있다.
다른 방법으로, 스크린의 수평방향 또는 수직방향으로의 중간위치에서 주변으로 갈수록 도파관의 측벽기울기를 점층적으로 감소시킬 수 있다. 이 경우 수평방향 또는 수직방향 중에서 일방향으로만 측벽기울기의 감소가 이루어지므로 일측방향으로만 조도의 개선이 이뤄질 수 있지만, 통상 스크린이나 모니터는 용도에 적합하게 수평방향 또는 수직방향 중 보는 방향에 따라 일측방향으로만 조도의 개선이 이루어져도 선명한 화질구현이 가능하다. 이에 대해서는 도 5a 내지 도 5c에서 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 디스플레이용 광학소자의 전체적인 구조를 보여주는 측면도이다. 또한, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 디스플레이용 광학소자에서 도파관배열구조의 일실시예를 나타낸 도면들로서, 도 4a는 도파관어레이의 사시도이고, 도 4b는 도 4a의 A-A선 단면도이고, 도 4c는 도 4a의 B-B선 단면도이다.
본 프로젝션 스크린(1)은 도 3에 도시한 바와 같이 전방 투명판(10)과 후방의 투명기판(20) 사이에 도파관어레이(array;30)을 개재시키되, 광원(40)측에 위치한 후방 투명기판(20)에 접촉된 단위도파관(32; 이하, 도파관이라 지칭함)들의 밑변은 크고 전방 투명판(10)에 접촉되는 도파관(32)들의 윗변은 작게 되어 도파관(32)들은 이미지광(L)이 투사되는 전방측을 향하여 좁아지는 구조를 이루고 있다. 따라서, 도파관(32)들의 측벽은 기울기를 갖게 되고, 결과적으로 도파관(32)은 첨예한 상단부가 일정부분 소실된 다각뿔형이나 원뿔형으로 구현된다. 본 실시예들에서는 다각뿔형 중에서 피라미드형태를 예시하고 있다. 도파관(32)과 도파관(32) 사이에는 공간이 형성되는데, 이곳에는 흡광물질(34)을 충전하는 것이 통상적이다. 이 흡광물질(34)은 스크린 외부에서 입사되는 빛을 흡수하여 스크린 내부에서 투사되는 이미지광이 보다 선명하게 보이도록 한다. 흡광물질(34)은 모나크-카본 블랙(Monarch-Carbon Black)과 베이실론-플래티넘 촉매(Baysilone-Platinum Catalyst)와 비닐 실리콘(Vinyl silicone)계 물질을 혼합하여 조성된다.
도 4a에서 보는 바와 같이 도파관어레이(30)의 가로중심선(CH)과 세로중심선(CV)이 교차하는 중앙지점(중앙부;CP)으로부터 동일한 거리에 있는 도파관(32)의 측벽기울기(AS)는 동일하다. 그러면서, 중앙지점(CP)에서 외측방향(주변부)으로 멀어질수록 도파관(32)의 측벽기울기(AS)는 점층적으로 감소한다. 따라서, 스크린(1)의 중앙지점을 기점으로 하여 동심원을 이루면서 외측으로 점차 도파관(32)의 측벽기울기(AS)는 감소하여, 중앙지점(CP)을 지나가는 어느 선으로 절단하여도 좌우대칭적으로 도파관(32)의 측벽기울기가 형성된다. 예를 들어, 도 4b에서 보는 바와 같이, 도파관어레이(30)의 수평방향으로 절단한 단면에서 보면 중앙지점(CP)에서 좌우대칭으로 도파관(32)의 측벽기울기(AS1)가 동일하게 형성되며, 도 4c에서와 같이 스크린(1)의 수직방향으로 절단한 단면에서도 중앙지점(CP)을 기준으로 상하대칭으로 도파관(32)의 측벽기울기(AS2)가 대응되게 형성된다.
도파관(32)의 측벽기울기(AS)는 입사면의 법선을 기준으로 하여 나타내며, 다음식과 같이 정의될 수 있다.
AS= tan-1((h-t)/X)
여기서, h=H/2, t=T/2이고,
H는 도파관을 2차원적으로 볼때 밑변길이이고,
T는 도파관을 2차원적으로 볼때 윗변길이이고,X는 도파관의 높이이다.
스크린의 중앙에 위치한 도파관의 측벽기울기는 10~12°가 바람직하고, 스크린의 최외곽 주변부에 위치한 도파관의 측벽기울기는 6~8°가 바람직하다. 또한, 도파관과 도파관의 밑변들 사이간격인 피치(pitch)는 3㎛이내가 바람직하다.
또한, 도파관(32)의 굴절율은 1.4~1.6이, 투사면의 굴절율은 1.0~1.2가 그리고 흡광물질(34)의 굴절율은 1.2~1.3이 적절하다. 도파관(32)의 전면에 확산판을 적용했을 경우에는 도파관(32)의 굴절율은 1.6, 투사면의 굴절율은 1.0, 흡광물질(34)의 굴절율은 1.2가 바람직하다. 확산판을 적용하지 않았을 경우에는 도파관(32)의 굴절율은 1.6, 투사면의 굴절율은 1.1, 흡광물질(34)의 굴절율은 1.2가 바람직하다.
이러한 굴절율에 따른 도파관(32) 내부의 전반사 임계각은 45~50°, 투사면 전반사 임계각은 35~60°가 적당하다. 예컨대, 확산판 적용시에는 도파관 내부의 전반사 임계각은 45~50°, 투사면 전반사 임계각은 40~45°가 바람직하다. 또한, 확산판 미적용시에는 도파관(32) 내부의 전반사 임계각은 45~50°, 투사면 전반사 임계각은 35~40°가 바람직하다.
결과적으로, 스크린(1) 전체에 걸쳐 각 도파관(32)들의 밑변길이(H)와 높이(X)는 동일하지만 측벽기울기(AS)의 변화로 인해 각 도파관(32)들의 윗변의 길이(T)는 서로 다르게 된다. 이때, 측벽기울기(AS)는 이웃한 측벽기울기와 2%이내에서 변화되며, 윗변의 길이변화는 이웃한 도파관의 윗변길이에서 5%이내가 바람직하다. 위의 동심원은 정원만이 아니라 타원형도 포함하며, 바람직하게는 정원을 이루는게 효율적이다.
스크린(1) 중앙에 위치한 도파관(32)의 측벽기울기(AS)는 가장 큰 경사를 이루므로 입사된 이미지(image)광이 도파관(32)의 내부에서 여러번, 적어도 2회이상 전반사하며 출사되어 시야각이 넓다. 이에 비하여, 주변으로 갈수록 점차적으로 도파관(32)의 측벽기울기(AS)가 작아지므로 중앙에 위치한 도파관에서보다 주변의 도파관(32)에서는 적은 반사회수로 반사하게 된다. 그 결과, 스크린(1)의 주변부에서는 반사회수가 적어 시야각은 좁지만 전반사허용회수내에 존재하므로 광소모를 최소화시켜 조도가 열화되는 것을 방지하게 된다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 디스플레이용 광학소자의 다른 실시예를 나타낸 도면들로서, 도 5a는 도파관어레이의 사시도이고, 도 5b는 도 5a의 C-C선 단면도이고, 도 5c는 도 5a의 D-D선 단면도이다.
본 실시예의 프로젝션 스크린의 도파관어레이(60)는 도 5a 및 도 5b에서 보는 바와 같이 수평방향의 중간위치에서 좌우양측방향으로 대칭을 이루면서 점층적으로 스크린 주변부로 갈수록 도파관(62)의 측벽기울기(AS)가 감소하게 설계되어 있다. 즉, 중간위치의 도파관(62)의 측벽기울기가 10.52°일 경우 좌우양측의 최외곽측 주변부에 위치한 도파관(62)의 측벽기울기는 7°일 수 있고, 그 사이는10.52~7°범위내에서 점차적으로 감소하게 된다. 한편, 수직방향으로는 도 5c에 도시한 바와 같이 수직방향의 전구간에서 도파관(62)의 측벽기울기가 동일하다. 본 실시예에서는 스크린의 수평방향으로만 중간위치를 기점으로 대칭적으로 도파관(62)의 측벽기울기가 점층적으로 감소하는 실시예를 예시하고 있지만, 본 실시예의 도파관어레이(60)를 90° 회전시키면 쉽게 수직방향으로만 대칭적으로 감소하는 실시예를 생각할 수 있을 것이다. 따라서, 본 실시예에서 보여주고자 하는 것은 스크린의 중간위치를 기준으로 일방향으로만 대칭적으로 주변부로 갈수록 감소하는 측벽기울기를 갖는 도파관을 형성하여 주변부의 조도를 개선할 수 있다는 점이다.
도 6은 도 5a 내지 도 5c에 예시된 디스플레이용 광학소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정도이다. 도 7은 본 발명에서 노광시간에 따른 도파관의 측벽기울기의 변화를 보여주는 도면이다.
본 발명의 도파관의 측벽기울기가 일방향으로만 감소하는 스크린(3)의 제조는 먼저 포토마스크(photomask;70)상에 그리드(grid;72)를 위치시키고 나서, 그 위에 투명기판(80)을 부착시킨다.(단계S1,S3) 그러면, 그리드(72)로 인해 포토마스크(70)와 투명기판(80) 사이에 틈새가 생기는데, 이를 제거하기 위해 틈새에 충전물질(82)을 충전한다. 충전물질(82)로는 고순도 알코올(Isopropanol alcohol; IPA)이 적합하고, 투명기판(80)으로는 투명한 수지재질로서, 피이티(PET;PolyethyleneTerephthalate), 피엠엠에이(PMMA;Polymethylmethacrylate) 또는 엠에스(MS;Methyl MethacrylateStyrene Copolymer) 기판 등이 사용될 수 있다.그리고, 투명기판(80)위에 포토폴리머(photopolymerizable) 물질(90)을 코팅한다.(단계S5) 이 포토폴리머 물질(90)은 에톡시레이티드 (3) 비스페놀 에이 디아크릴레이트(Etyoxylated (3) bisphenol A diacrylate), 트리메틸롤프토판 트리아크릴레이트(Trimethylolptopane triacrylate), 이가큐어(lrgacure), 이가녹스(Irganox) 등의 물질들 중 적어도 2개이상을 선택하여 혼합하여 제조된다. 바람직하게는, 위의 4가지 물질들을 모두 혼합하여 구성하는 것이 좋다. 위의 물질들의 혼합비로는 혼합된 전체중량을 100중량%로 했을 때 디아크릴레이트 40~80중량%, 트리아크릴레이트 0.5~10중량%, 이가큐어 0.5~12중량%, 이가녹스 0.5~12중량%가 바람직하다. 여기서, 디아크릴레이트는 유브이(UV)중합 모노머(monomer)이고, 트리아크릴레이트는 디아크릴레이트의 점도조정을 위한 모노머(monomer)이고, 이가큐어는 유브이(UV)중합 개시제이고, 이가녹스는 산화물생성 방지제로서 기능한다.그리고 나서, 자외선(UV)에 노광시켜 포토폴리머 물질(90)내에 도파관(62) 형상을 형성한다.(단계S7) 자외선 노광시 라인스캔(line scan)방식을 사용하면서 각 구간에서의 노광시간을 조절하여 각 구간에서 측벽기울기가 상이한 도파관(62)이 생성되게 한다. 즉, 노광되는 시간이 길어질 경우에는 도 7에서 보는 바와 같이 도파관(62)의 측벽기울기(AS)가 작아지며, 반대로 노광시간이 짧아지면 도파관(62)의 측벽기울기(AS)는 커지게 된다. 이러한 원리에 입각하여, 라인스캔시 수평방향의 일단에서 시작하여 중간위치로 갈수록 노광시간을 점차로 줄이면서 중간위치에서 최소의 노광시간이 되게 하고, 중간위치를 지나서 타단으로 갈수록 다시 점차적으로 노광시간을 늘려 중간위치에서 좌우양측으로 갈수록 대칭적으로 도파관들의 측벽기울기가 감소하게 한다.
자외선에 의해 노광된 도파관(62) 형상부분 이외의 노광되지 않은 부분은 현상에 의해 제거한다.(단계S9) 그러면, 제거된 도파관과 도파관 사이에는 공간(63)이 형성되고, 이 공간(63)에 흡광물질(64)을 충전하고 나서 전방 투명판(100)을 부착시키면 본 발명의 프로젝션 스크린(3)이 완성된다.(단계S11) 전방 투명판(100)도위의 투명기판(80)과 동일한 재질로서 제조된다.
이제, 전술한 도 3를 참조하여 본 발명의 작용효과에 대해 상세히 설명하고자 한다.
광원(40)에서 출사된 광은 이미지를 담아 이미지광(Lm)으로 변환된 후 프레즈널 렌즈(Fresnel lens;42)를 통하여 스크린(1)에 거의 평행한 광선으로 변환되어 입사된다. 그러면, 이미지광은 스크린(1)의 후방 투명기판(20)을 통과하여 도파관(32)내로 입사하게 되고, 도파관(32)내를 통과하면서 도파관의 측벽에서 반사가 이뤄져 전방 투명판(10)을 통해 시청자가 볼 수 있도록 스크린 외부로 투사되게 된다. 이때, 스크린(1)의 중앙부위에 위치한 도파관(32)의 측벽기울기는 큰 각도를 가지므로 반사가 많이 일어나게 되는데, 중앙부에서는 입사각이 0°이므로 2-3회 전반사되어 출력되면서 시야각이 넓어지게 된다. 반면에, 도면에서 상하양측으로 도시된 주변부에서는 도파관(32)의 측벽기울기가 작으므로 입사된 이미지광은 적은 회수로 반사되어 외부로 출력된다. 따라서, 스크린 주변부에서 반사에 따른 광소모는 최대한 억제되어 주변부의 조도가 중앙부와 거의 균일한 상태가 된다. 이와 같이, 본 발명에서는 도파관(32)의 측벽기울기를 스크린의 각 구간마다 그에 적합한 값으로 조정하여 시야각과 조도면에서 최상의 화상을 구현하게 한다.
본 도면에서는 중앙부와 양측 주변부의 도파관(32)들만을 도시하였지만 그 사이에 무수히 많은 도파관들이 존재하며, 또한 도파관과 도파관 사이에는 흡광물질(34)이 충전되어 외부에서 스크린(1)내로 들어가는 빛을 차단하므로 내부에서 투사되는 이미지광의 선명도를 높일 수 있다. 전방 투명판(10)은 확산판(diffuser)이 적용될 수도 있다.
여기에서 개시되는 실시예는 여러가지 실시가능한 예 중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 본 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예에 의해서만 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 물론, 균등한 다른 실시예가 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 광원으로부터 입사되는 입사각에 따라 스크린 중앙부와 주변부에 배치되는 도파관의 측벽기울기를 다르게 설계하되 중앙위치로부터 반경이 커짐에 따라 점층적으로 측벽기울기를 감소시킴으로써 주변부의 조도가 열화되는 것을 억제할 수 있는 효과가 있다. 또한, 스크린 중간위치로부터 수평방향 또는 수직방향의 일방향으로 주변부를 향해 도파관의 측벽기울기를 점층적으로 감소시킴에 의해서도 중앙부와 주변부의 조도균일도를 유지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 스크린의 각 도파관들로 입사되는 이미지광의 입사각에 따라 각 도파관들의 측벽기울기를 조정하여 원하는 각도로 이미지광을 투사함으로써 보는 각도가 중요한 광고판에서의 광고효과를 높일 수 있다. 또한, 도파관의 측벽기울기 조정으로 인접한 다른 사람들이 보지 못하고 관찰자 혼자만 볼 수 있도록 시야각을 설정함으로써 비밀성 보장이 중요한 감시모니터 등에서 뛰어난 성능을발휘할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 디스플레이용 광학소자는 위와 같은 장점들로 인하여 프로젝션 스크린, 광고판용 디스플레이, 보안용 스크린 등에 적용되어 선명한 화상과 고화질을 구현할 수 있다.

Claims (20)

  1. 밑변으로부터 경사된 측벽을 가지고 후방중심의 광원으로부터 입사된 이미지광을 내부에서 반사시켜 외부로 투사하는 도파관들을 구비한 디스플레이용 광학소자에 있어서,
    스크린의 전구간에 걸쳐 배열된 모든 상기 도파관들의 밑변과 높이를 동일하게 하되, 스크린의 전구간에 배열된 모든 도파관들에서 전반사가 수행될 수 있는 각도범위내에서 스크린의 중심부에서 주변부로 갈수록 상기 도파관들의 측벽기울기를 감소시킴에 의하여 스크린 중심부의 도파관에서보다 주변부의 도파관에서 이미지광의 반사회수가 감소되게 하는 것을 특징으로 하는 광입사각에 부합되는 도파관구조를 갖는 디스플레이용 광학소자.
  2. 밑변으로부터 경사된 측벽을 가지고 후방중심의 광원으로부터 입사된 이미지광을 내부에서 반사시켜 외부로 투사하는 도파관들을 구비한 디스플레이용 광학소자에 있어서,
    스크린의 전구간에 걸쳐 배열된 모든 상기 도파관들의 밑변과 높이를 동일하게 하되, 상기 도파관들의 측벽기울기를 스크린의 모든 구간에서 전반사가 이루어지는 각도범위내에서 입사각에 따라 스크린 중심부를 기준으로 하여 사방 주변부로 갈수록 점층적으로 감소시키며, 상기 중심부로부터 동일한 반경상에 위치하는 상기 도파관의 측벽기울기는 상기 중심부를 기준으로 대칭인 것을 특징으로 하는 광입사각에 부합되는 도파관구조를 갖는 디스플레이용 광학소자.
  3. 밑변으로부터 경사된 측벽을 가지고 후방중심의 광원으로부터 입사된 이미지광을 내부에서 반사시켜 외부로 투사하는 도파관들을 구비한 디스플레이용 광학소자에 있어서,
    스크린의 전구간에 걸쳐 배열된 모든 상기 도파관들의 밑변과 높이를 동일하게 하되, 상기 도파관들은 스크린의 전구간에서 전반사가 일어날 수 있는 각도범위내에서 수평방향 또는 수직방향의 일방향으로만 중심부에서 주변부로 갈수록 입사각에 따라 점층적으로 상기 도파관들의 측벽기울기를 감소시킨 것을 특징으로 하는 광입사각에 부합되는 도파관구조를 갖는 디스플레이용 광학소자.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스크린의 중앙에 위치하는 상기 도파관의 측벽기울기는 도파관의 입사면의 법선에 대하여 10~12°의 범위내에 존재하는 것을 특징으로 하는 광입사각에 부합되는 도파관구조를 갖는 디스플레이용 광학소자.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스크린의 주변부에 위치하는 상기 도파관의 측벽기울기는 도파관의 입사면의 법선에 대하여 6~8°의 범위내에 존재하는 것을 특징으로 하는 광입사각에 부합되는 도파관구조를 갖는 디스플레이용 광학소자.
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도파관과 상기 도파관 사이의 공간에는 외부에서 스크린으로 유입되는 빛을 흡수하는 흡광물질이 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 광입사각에 부합되는 도파관구조를 갖는 디스플레이용 광학소자.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 도파관내부의 굴절율은 1.4~1.6이고, 상기 도파관의 투사면의 굴절율은 1.0~1.2이고, 상기 흡광물질의 굴절율은 1.2~1.3내에 존재하는 것을 특징으로 하는 광입사각에 부합되는 도파관구조를 갖는 디스플레이용 광학소자.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 도파관의 전면에는 확산판이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 광입사각에 부합되는 도파관구조를 갖는 디스플레이용 광학소자.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 확산판이 적용된 경우 상기 도파관내부의 굴절율은 1.6이고, 상기 투사면의 굴절율은 1.0이고, 상기 흡광물질의 굴절율은 1.2인 것을 특징으로 하는 광입사각에 부합되는 도파관구조를 갖는 디스플레이용 광학소자.
  10. 제 7항에 있어서, 상기 도파관의 전면에 확산판이 적용되지 않는 경우 상기 도파관내부의 굴절율은 1.6이고, 상기 투사면의 굴절율은 1.1이고, 상기 흡광물질의 굴절율은 1.2인 것을 특징으로 하는 광입사각에 부합되는 도파관구조를 갖는 디스플레이용 광학소자.
  11. 제 8항에 있어서, 상기 도파관의 내부 전반사 임계각은 48~70°이고, 상기 도파관의 투사면 전반사 임계각은 35~60° 범위내에 존재하는 것을 특징으로 하는 광입사각에 부합되는 도파관구조를 갖는 디스플레이용 광학소자.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 확산판의 적용시 상기 도파관의 내부 전반사 임계각은 45~50°이고, 상기 투사면 전반사 임계각은 40~45°인 것을 특징으로 하는 광입사각에 부합되는 도파관구조를 갖는 디스플레이용 광학소자.
  13. 제 7항에 있어서, 상기 도파관의 전면에 확산판이 적용되지 않는 경우, 상기 도파관의 내부 전반사 임계각은 45~50°이고, 상기 투사면 전반사 임계각은 35~40°인 것을 특징으로 하는 광입사각에 부합되는 도파관구조를 갖는 디스플레이용 광학소자.
  14. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 프로젝션 스크린, 광고판용 디스플레이, 보안용 스크린에 적용되는 것을 특징으로 하는 광입사각에 부합되는 도파관구조를 갖는 디스플레이용 광학소자.
  15. 포토마스크상에 그리드를 올려놓고 나서 그 위에 투명기판을 부착하는 제1단계;
    상기 투명기판상에 포토폴리머 물질을 코팅하는 제2단계;
    상기 포토마스크 아래쪽에서 자외선을 라인스캔방식으로 스크린의 각 구간마다 시간을 다르게 조절하며 노광하여 상기 포토폴리머 물질을 일방향의 중간위치에서 주변부로 갈수록 측벽기울기가 감소하는 도파관들로 만드는 제3단계; 및
    상기 도파관들 위에 투명한 전방 투명판을 부착하는 제4단계를 포함하는 상기 제3항에 따른 일방향으로만 도파관의 측벽기울기가 감소하는 디스플레이용 광학소자의 제조방법.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 제1단계에서는 상기 그리드로 인한 틈새를 메우기 위하여 상기 포토마스크와 상기 투명기판 사이의 틈새에 고순도 알코올(IPA)을 충전하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 디스플레이용 광학소자의 제조방법.
  17. 제 15항에 있어서, 상기 자외선의 노광시간은 상기 스크린의 중간부위는 짧게 그리고 주변부로 갈수록 점층적으로 길게 하여 상기 중간부위는 상기 도파관의 측벽기울기를 크게 하고 상기 주변부위로 갈수록 점층적으로 상기 도파관의 측벽기울기를 작게 하는 것을 특징으로 하는 디스플레이용 광학소자의 제조방법.
  18. 제 15항 또는 제 17항에 있어서, 상기 제3단계는 상기 포토마스크의 아래쪽에서 자외선을 조사하여 상기 포토폴리머 물질을 상기 도파관 형상으로 노광하는 단계와, 상기 자외선 노광에 따라 폴리머된 도파관부분을 제외한 부분을 현상에 의해 제거하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 디스플레이용 광학소자의 제조방법.
  19. 제 15항 또는 제 17항에 있어서, 상기 제4단계는 상기 전방 투명판을 접합하기 전에 상기 제거된 도파관과 도파관의 사이공간에 흡광물질을 충전하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 디스플레이용 광학소자의 제조방법.
  20. 제 15항에 있어서, 상기 투명기판 및 상기 전방 투명판은 피이티(PET;PolyethyleneTerephthalate)기판, 피엠엠에이(PMMA;Polymethylmethacrylate)기판 또는 엠에스(MS;Methyl MethacrylateStyrene Copolymer)기판인 것을 특징으로 하는 디스플레이용 광학소자의 제조방법.
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