KR100620943B1 - 광학 재료, 광학 소자, 조명기 및 디스플레이 장치 - Google Patents

광학 재료, 광학 소자, 조명기 및 디스플레이 장치 Download PDF

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KR100620943B1 KR1020040107482A KR20040107482A KR100620943B1 KR 100620943 B1 KR100620943 B1 KR 100620943B1 KR 1020040107482 A KR1020040107482 A KR 1020040107482A KR 20040107482 A KR20040107482 A KR 20040107482A KR 100620943 B1 KR100620943 B1 KR 100620943B1
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Abstract

본 발명의 광학 재료는 70% 이상의 발광 투과율을 갖는 수지와 그 안에 혼합된 3W/m·K 이상의 열전도율을 갖는 충전재를 포함한다.
광학 재료, 광학 소자, 조명기, 디스플레이 장치, 수지, 충전재, 투과율, 열전도율

Description

광학 재료, 광학 소자, 조명기 및 디스플레이 장치 {OPTICAL MATERIAL, OPTICAL ELEMENT, ILLUMINATOR AND DISPLAY DEVICE}
도1은 본 발명의 조명기(10A)를 개략적으로 도시하는 단면도.
도2 본 발명의 조명기(10A) 내에 마련된 확산판(3)을 개략적으로 도시하는 도면.
도3은 3mm 두께의 시편에서 측정된 발광 투과율과 20mm의 광학 거리에 대한 투과된 광량 사이의 관계를 도시하는 그래프.
도4는 본 발명의 다른 조명기(10B)를 개략적으로 도시하는 단면도.
도5는 본 발명의 조명기(10B) 내에 마련된 광도파로 플레이트(4)를 개략적으로 도시하는 도면.
도6은 종래의 다이렉트 타입 백라이트를 개략적으로 도시하는 단면도.
도7은 종래의 다이렉트 타입 백라이트를 개략적으로 도시하는 단면도.
도8은 본 발명의 다른 조명기(10C)를 사용하는 액정 디스플레이 장치를 개략적으로 도시하는 단면도.
도9는 본 발명의 상기 조명기(10C)를 개략적으로 도시하는 평면도.
도10은 종래의 다이렉트 타입 백라이트에서 휘도 불균일성이 어떻게 발생하는가를 개략적으로 도시하는 도면.
도11은 종래의 다이렉트 타입 백라이트에서 휘도 불균일성이 어떻게 발생하는가를 개략적으로 도시하는 도면.
도12는 종래의 다이렉트 타입 백라이트에서 휘도 불균일성이 어떻게 발생하는가를 개략적으로 도시하는 도면.
도13은 본 발명의 조명기(10C)에서 휘도 불균일성이 어떻게 억제되는가를 개략적으로 도시하는 도면.
도14a, 도14b 및 도14c는 각각 조명기(10C)에 사용되는 광산란 부재의 배치를 설명하는 도면.
도15a 내지 도15e는 각각 종방향에 수직인 방향으로 취한 조명기(10C)에 사용되는 광산란 부재의 단면 형상을 도시하는 도면.
도16은 조명기(10C)의 변형예를 개략적으로 도시하는 단면도.
도17은 조명기(10C)의 변형예를 개략적으로 도시하는 평면도.
도18은 본 발명의 조명기(10C)를 개략적으로 도시하는 평면도.
도19a 및 도19b는 각각 본 발명의 광학 재료로 만들어진 광원 홀더를 개략적으로 도시하는 단면도.
도20a 및 도20b는 각각 본 발명의 다른 조명기(10E, 10F)를 개략적으로 도시하는 평면도.
도21은 종래의 다이렉트 타입 백라이트(40)를 개략적으로 도시하는 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 광원
2: 케이스
3: 확산판
3a: 수지 매트릭스
3b: 충전재
10A, 10B, 10C: 조명기
20: 액정 디스플레이 패널
본 발명은 광학 재료에 관한 것으로서, 특히 수지 함유 광학 재료에 관한 것이다. 본 발명은 또한 수지 함유 광학 재료로 만들어진 광학 소자와, 이러한 광학 소자를 이용한 조명기 및 디스플레이 장치에 관한 것이다.
액정 디스플레이 장치는 경량, 박형 구조 및 저전력 소모와 같은 장점으로 인해 사무 전산화 장비, 차량용 텔레비전, 캠코더용 모니터 등에 광범위하게 사용된다. 브라운관(CRT), 플라스마 디스플레이 패널(PDP, 플라스마 디스플레이 패널s) 및 전장발광(EL, electroluminescence) 장치와 같은 자체 발광 디스플레이 장치와 달리, 액정 디스플레이 장치는 스스로 광을 생성하지 않는 액정 디스플레이 소자를 사용한다. 따라서, 투과형 액정 디스플레이 장치에서, "백라이트"로 불리는 평판형 조명기가 액정 디스플레이 소자의 후면 상에 마련되고, 상기 액정 디스플레이 소자는 화상을 표시하도록 각 화소에서 그를 통하여 투과되는 상기 백라이트로 부터의 출력 광량을 제어한다.
백라이트는 액정 디스플레이 소자의 바로 아래에 위치되는 형광 튜브와 같은 복수개의 막대형 광원을 포함하는 "다이렉트 타입"의 백라이트와, 광도파로 플레이트를 통하여 액정 디스플레이 소자로 안내되도록 광도파로 플레이트의 에지를 따라 위치된 광원을 포함하는 "에지 광 타입"의 백라이트로 통상 나눠진다.
다이렉트 타입 백라이트의 일반적인 구성이 도21에 도시된다. 도21에 도시된 백라이트(40)는 투과형 액정 디스플레이 패널(48)의 후면 상에 마련되고, 일정 간격으로 배열된 복수개의 광원(형광 튜브)(41)과, 상기 광원(41)을 수용하는 케이스(42)와, 상기 광원(41)과 액정 디스플레이 패널(48) 사이에 마련된 확산판(43)을 포함한다. 상기 확산판(43)은 출력광의 균일성을 증가시키도록 광원(41)에서 출력된 광을 확산시킨다. 확산판(43)은 수지와 상기 수지 내에 분포되고 수지와 상이한 굴절률을 갖는 입자를 포함하는 재료로 통상 제조된다. 수지 매트릭스의 굴절률과 그 안에 분포된 입자의 굴절률 사이의 차이로 인하여, 광분산성이 나타난다. 아크릴 수지는 투광성이 높고 성형이 용이하기 때문에 상기 수지로서 종종 사용되며, 실리카 비드(silica bead)는 투광성이 높기 때문에 상기 입자로서 종종 사용된다.
최근에, 액정 디스플레이 장치가 고휘도를 갖도록 요구되기 때문에, 사용되는 광원(41)의 수는 증가하고, 상기 광원(41)에서 발생하는 열이 또한 증가하고 있다. 그러나, 상기 확산판(43)은 열전도율이 낮은 수지를 함유하는 재료로 제조되고 (예를 들어, 아크릴 수지는 열전도율이 매우 낮음), 열방사 성능이 낮다. 따라 서, 만일 다수개의 광원(41)이 마련되면, 확산판(43)의 열방사가 충분하지 못할 수 있고, 확산판(43)을 가로질러 온도 분포가 불균일해 질 수 있어서, 액정 디스플레이 패널(48)의 디스플레이 평면을 가로질러 온도 분포가 불균일해 질 수 있다. 액정 디스플레이 패널(48) 내에 밀봉된 액정 재료의 광학 및 전기적 특성은 온도에 종속하기 때문에, 액정 디스플레이 패널(48)을 가로질러 불균일한 온도 분포는 휘도 불균일성 등을 일으킬 수 있어서, 디스플레이의 성능을 떨어뜨린다. 더욱이, 백라이트(40) 내의 과도한 고온은 광원(41)의 발광 효율을 저하시키고 수지로 제조된 구성부품을 연화(softening)시키는 등의 다른 문제를 일으킨다. 또한, 최근 백라이트의 두께가 감소됨에 따라, 광원(41)과 확산판(43) 사이의 거리가 감소하여 이러한 문제들은 더 쉽게 발생할 수 있다.
이러한 점에서, 일본특허공개공보 제4-172319호에는 백라이트의 확산판이 미세 유리 입자와 혼합된 수지로 만들어져 확산판의 열방사 성능이 향상되는 방법이 개시되어 있다.
그러나, 본 발명가에 의한 심도있는 연구에 의하면 입자 내에 충분한 열방사 성능이 일본특허공개공보 제4-172319호에 개시된 바와 같은 미세 유리 입자와 혼합된 수지를 사용하여 확산판을 만드는 것으로는 얻어질 수 없다는 것이 밝혀졌다.
이러한 문제들은 광도파로 플레이트(광도파로)의 열방사 성능이 충분하지 못하기 때문에 다이렉트 타입 백라이트뿐만 아니라 에지 광 타입 백라이트에서도 일어난다.
따라서, 본 발명의 목적은 바람직한 열방사 성능을 갖는 광학 재료와, 이러한 광학 재료로 만들어진 광학 소자와, 이러한 광학 소자를 사용한 조명기 및 디스플레이 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 광학 재료는 70% 이상의 발광 투과율을 갖는 수지와, 상기 수지 내에 혼합되고 3W/m·K 이상의 열전도율을 갖는 충전재를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 상기 충전재의 열전도율은 10W/m·K 이상인 것을 특징으로 하는 광학 재료.
바람직한 실시예에서, 상기 충전재는 알루미나로 만들어진다.
바람직한 실시예에서, 상기 충전재는 마그네슘 산화물로 만들어진다.
바람직한 실시예에서, 상기 수지의 발광 투과율은 80% 이상이다.
바람직한 실시예에서, 상기 수지는 폴리카보네이트이다.
바람직한 실시예에서, 상기 수지의 발광 투과율은 90% 이상이다.
바람직한 실시예에서, 상기 수지는 아크릴 수지이다.
바람직한 실시예에서, 상기 수지는 폴리스티렌이다.
바람직한 실시예에서, 상기 수지는 메틸 메타크릴레이트-스티렌 공중합 수지이다.
바람직한 실시예에서, 상기 충전재는 미립자이다.
바람직한 실시예에서, 상기 충전재의 평균 입자 직경은 1㎛ 이상이다.
바람직한 실시예에서, 상기 수지의 굴절률은 상기 충전재와 상이하여, 광분산성을 실현시킨다.
본 발명의 광학 소자는 전술된 광학 재료를 포함한다.
본 발명의 확산판은 전술된 광학 재료를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 상기 확산판의 흐림도는 95% 이상이다.
본 발명의 조명기는 광원과, 상기 광원으로부터 출력된 광을 확산시키기 위한 전술된 확산판을 포함한다.
본 발명의 광도파로는 전술된 광학 재료를 포함한다.
다른 본 발명의 조명기는 광원과, 상기 광원으로부터 출력된 광을 소정 방향으로 안내하기 위한 전술된 광도파로를 포함한다.
광을 산란시키는 본 발명의 광산란 부재는 전술된 광학 재료를 포함한다.
또 다른 본 발명의 조명기는 디스플레이 패널의 후면 상에 마련된 디스플레이 장치용 조명기로서, 서로 평행하게 배치된 복수개의 막대형 광원과, 상기 복수개의 막대형 광원의 인접한 2개의 광원들 사이에 배치된 전술된 광산란 부재를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 광산란 부재는 2개의 막대형 광원들 사이의 중간에 위치된다.
바람직한 실시예에서, 상기 광산란 부재는 막대형 부재이다.
바람직한 실시예에서, 상기 광산란 부재는 상기 복수의 막대형 광원에 평행하게 배치된다.
바람직한 실시예에서, 상기 광산란 부재의 중심축은 상기 복수의 막대형 광원의 중심축과 사실상 동일한 평면 내에 배치된다.
바람직한 실시예에서, 상기 광산란 부재는 통상 상기 복수의 막대형 광원과 동일한 외경을 갖는다.
바람직한 실시예에서, 종방향에 직각인 방향으로 취해진 상기 광산란 부재의 단면 형상은 통상 상기 복수의 막대형 광원의 각각과 동일하다.
바람직한 실시예에서, 종방향에 직각인 방향으로 취해진 상기 광산란 부재의 단면 형상은 일반적인 원형이다.
바람직한 실시예에서, 상기 복수의 막대형 광원의 각각은 형광 튜브이다.
또 다른 본 발명의 조명기는 디스플레이 패널의 후면 상에 마련된 디스플레이 장치용 조명기로서, 서로 평행하게 배치된 복수개의 막대형 부분과 상기 복수의 막대형 부분의 인접한 2개의 막대형 부분을 서로 연결하는 만곡부를 포함하는 적어도 하나의 광원과, 상기 복수의 막대형 부분의 인접한 2개의 막대형 부분 사이에 배치된 전술된 광산란 부재를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 상기 광산란 부재는 상기 2개의 막대형 부분 사이의 중간에 통상 배치된다.
바람직한 실시예에서, 상기 광산란 부재는 막대형 부재이다.
바람직한 실시예에서, 상기 광산란 부재는 상기 복수의 막대형 부분에 통상 평행하게 배치된다.
바람직한 실시예에서, 상기 광산란 부재의 중심축은 상기 복수의 막대형 부분의 중심축과 사실상 동일한 평면 상에 배치된다.
바람직한 실시예에서, 상기 광산란 부재는 통상 상기 복수의 막대형 부분과 동일한 외경을 갖는다.
바람직한 실시예에서, 종방향에 직각인 방향으로 취해진 상기 광산란 부재의 단면 형상은 통상 상기 복수의 막대형 부분의 각각과 동일하다.
바람직한 실시예에서, 종방향에 직각인 방향으로 취해진 상기 광산란 부재의 단면 형상은 일반적인 원형이다.
바람직한 실시예에서, 상기 적어도 하나의 광원은 적어도 하나의 형광 튜브이다.
본 발명의 광원 홀더는 조명기용 광원 홀더로서, 전술된 광학 재료를 포함한다.
또 다른 본 발명의 조명기는 광원과, 상기 광원을 보유하기 위한 전술된 광원 홀더를 포함한다.
본 발명의 디스플레이 장치는 전술된 조명기와, 상기 조명기로부터 출력된 광을 이용하여 화상을 표시하기 위한 디스플레이 패널을 포함한다.
본 발명의 광학 재료는 70% 이상의 발광 투과율을 갖는 수지와, 그 안에 혼합되고 3W/m·K 이상의 열전도율을 갖는 충전재를 포함하여, 바람직한 광학 특성(투광성) 및 바람직한 열방사 성능을 제공한다.
이제, 본 발명의 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다. 본 발명은 후속하는 실시예에 한정되지 않는다는 것에 유의하여야 한다.
제1 실시예
도1을 참조하면, 본 실시예의 조명기(10A)가 설명될 것이다.
조명기(10A)는 도1에 도시된 바와 같이, 액정 디스플레이 패널(20)의 후면(관찰자로부터 떨어진 측) 상에 마련되는 소위 "백라이트"이다. 액정 디스플레이 패널(20)은 한 쌍의 기판(예를 들어, 유리 기판)(21, 22)과 이들 사이에 마련된 액정층(23)을 포함하고, 화상을 표시하기 위하여 조명기(10A)로부터 출력된 광을 변조시킨다. 액정 디스플레이 패널(20)은 각각의 화소 내에 화상이 투과형 모드에서 표시되는 영역을 포함한다. 따라서, 액정 디스플레이 패널(20)은 투과형 또는 투과 반사형 액정 디스플레이 패널이다.
조명기(10A)는 다이렉트 타입 백라이트이고, 서로 평행하게 배열된 복수개의 막대형 광원(1)을 포함한다. 본 실시예에서, 막대형 광원(1)은 냉음극 형광 튜브(CCFT)이다. 막대형 광원(1)은 케이스(2) 내에 마련된 (도시되지 않은) 지지부재(홀더)에 의해 케이스(2) 내에 보유되고, 확산판(3)이 막대형 광원(1)과 액정 디스플레이 패널(20) 사이에 마련된다. 확산판(3)은 광원(1)으로부터 출력된 광을 확산하여 출력광의 균일성을 향상시킨다. 일반적으로, 광효율을 증가시키기 위하여, 막대형 광원(1)에 인접한 케이스(2)의 표면에는 반사율이 높은 부재(예를 들어, 광반사 시트)가 마련되거나, 케이스(2) 자체가 반사율이 높은 재료로 만들어진다.
본 실시예의 조명기(10A)는 확산판(3)이 통상 사용되는 것과 상이한 광학 재료로 만들어지는 것을 제외하고는 공지된 다이렉트 타입 백라이트와 사실상 동일한 구성을 갖는다. 도2를 참조하면, 이제 조명기(10A)의 확산판(3)이 설명될 것이다.
확산판(3)은, 도2에 도시된 바와 같이, 수지 매트릭스(3a)와 상기 수지 매트 릭스(3a) 내에 분포된 충전재(무기 충전재)(3b)를 포함한다. 본 실시예에 사용된 충전재(3b)는 미립자이다. 충전재(3b)의 굴절률은 수지 매트릭스(3a)의 굴절률과 상이하여, 확산판(3)은 광분산성을 보인다.
확산판(3)은 70% 이상의 발광 투과율을 갖는 수지와 그 안에 혼합된 3W/m·K 이상의 열전도율을 갖는 충전재를 포함하는 광학 재료로 만들어진다. 그 결과, 확산판(3)은 바람직한 열방사 성능을 갖는 한편, 광학 소자로서 바람직한 광학 특성을 갖는다. 이제 이에 대하여 보다 상세히 설명될 것이다.
먼저, 70%의 발광 투과율로 바람직한 광학 특성이 얻어지는 이유가 설명될 것이다. 발광 투과율 T(%)는 T = (T1/T0) x 100으로 표현될 수 있는 데, 여기에서 T0는 입사광의 세기이고, T1은 (파장이 350nm 내지 800nm인) 가시광선에 대해 모든 투과된 광의 세기이다. 발광 투과율은, 예를 들어, 무라까미 컬러 연구 실험실(Murakami Color Research Laboratory)에서 제작된 HR-100을 사용하여 ASTM D1003에 따라 측정된다. 광학 재료에 사용된 수지의 발광 투과율은 3mm 두께를 갖는 시편으로 통상 측정된다. 따라서, 여기에서 사용된 시편의 "발광 투과율"은 다른 특별한 언급이 없는 한 "3mm 두께의 시편으로 측정된 발광 투과율"을 칭한다.
통상의 다이렉트 타입 백라이트에서, CCFT와 같은 광원은 약 20mm의 피치로 종종 배열된다. 따라서, 이러한 피치로 배열된 광원의 화상을 제거하기 위하여(예를 들어, 광원 바로 위의 영역에서의 휘도와 광원들 사이의 다른 영역에서의 휘도 사이의 차이를 제거하기 위하여), 확산판은 20mm 이상의 광학 거리를 갖도록 요구 된다. 따라서, 확산판의 수지 매트릭스는 20mm의 광학 거리에 대해 충분한 광량을 투과시킬 필요가 있다.
도3은 20mm 광학 거리에 대해 투과된 광량으로 변환된 발광 투과율(3mm 두께의 시편에 대한 투과율)을 도시하고, 아래 표1은 상기 변환으로부터 대표적인 값을 보여준다. 도3 및 표1에서, 투과된 광량은 입사된 광량에 대한 백분율로 주어진 것이다.
발광 투과율 100.0% 90.0% 80.0% 70.0%
20mm 광학거리에 대해 투과된 광량 100.0% 49.5% 22.6% 9.3%
도3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 발광 투과율의 값은 광학 거리가 길어짐에 따라 투과된 광량의 감소에 더 크게 기여한다. 도3 및 표1에 도시된 바와 같이, 70%, 80% 및 90%의 발광 투과율 값에 대해, 투과된 광량은 각각 약 10%(9.3%), 약 20%(22.6%) 및 약 50%(49.5%)이다. 따라서, 만일 광학 재료에 사용된 수지의 발광 투과율이 70% 이상이면, 약 10% 이상의 투과된 광량이 실현될 수 있어서, 확산판으로서 바람직한 광학 특성을 얻는다. 또한, 만일 수지의 발광 투과율이 80% 이상이면, 약 20% 이상의 투과된 광량이 실현될 수 있어서, 더욱 바람직한 광학 특성을 얻는다. 더욱이, 수지의 발광 투과율이 90% 이상이면, 약 50% 이상의 투과된 광량이 실현될 수 있어서, 더 더욱 바람직한 광학 특성을 얻는다.
특히, 광학 재료 내에 사용된 수지는 아크릴 수지, 폴리카보네이트, 폴리비닐 클로라이드, 폴리스티렌, MS 수지(메틸 메타크릴레이트-스티렌 공중합 수지) 등일 수 있다. 아래의 표2는 이들 수지의 발광 투과율 값을 보여준다. 아래의 표2 는 수지의 발광 투과율이 성형 방법 등에 따라 다소 변동될 수 있기 때문에 대략적인 값의 범위를 보여주는 것임에 유의하여야 한다.
발광 투과율(%)
아크릴 수지 92 내지 93
폴리카보네이트 86 내지 87
폴리비닐 클로라이드 72 내지 87
폴리스티렌 87 내지 92
표2에 도시된 바와 같이, 70% 이상의 발광 투과율은 폴리비닐 클로라이드에서 얻어질 수 있고, 80% 이상의 발광 투과율은 폴리카보네이트에서 얻어질 수 있다. 더욱이, 90%의 발광 투과율은 아크릴 수지에서 얻어질 수 있고, 80% 이상 또는 90% 이상의 발광 투과율은 폴리스티렌에서 얻을 수 있다. 표2는 MS 수지에 대한 발광 투과율을 보여주지는 않고 있음에 유의하여야 한다. MS 수지는 통상 아크릴 수지와 폴리스티렌 중간의 물리적 특성을 갖고 그들 중간의 발광 투과율 값을 제공한다.
물론, 본 발명은 여기에 언급된 수지에 한정되지 않고 70% 이상의 발광 투과율을 갖는 다른 적절한 수지를 사용할 수 있다. 그러나, 여기에서 언급된 아크릴 수지, 폴리카보네이트, 폴리비닐 클로라이드, 폴리스티렌 및 MS 수지는 모두 바람직한 성형성을 갖기 때문에, 광학 소자(여기에서는 확산판)의 성형을 용이하게 하기 위하여 이들 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 아크릴 수지는 (높은 발광 투과율을 제공하는) 높은 투광성을 갖고 가격이 저렴하여, 투과율 및 비용 면에서 바람직하다. 그러나, 아크릴 수지는 물을 흡수하여 팽창하기 때문에, 구성 부품의 변형과 같은 문제를 일으킬 수 있다는 것에 유의하여야 한다. 이와 달리, 폴리카보네이트 및 폴리스티렌은 아크릴 수지보다 투과율 값은 낮지만 물을 쉽게 흡수하지 않아서, 물 흡수로 인한 변형과 같은 문제를 일으키지 않고 습도가 높은 상태에서 유리하게 사용될 수 있다. MS 수지는 이들 특성의 균형 잡힌 조합을 갖는데, 즉, 높은 투과율을 갖고 물 흡수가 잘되지 않는다. 따라서, MS 수지로는, 높은 광투과성을 유지한 채로 물 흡수로 인한 변형을 방지하는 것이 가능하다. 폴리카보네이트는 그가 견딜 수 있는 최고 온도가 아크릴 수지가 견딜 수 있는 온도보다 약 30℃ 더 높기 때문에 고온의 상태에서 유리하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 4.6kg/cm2의 부하에서 변형 온도는 아크릴 수지의 경우 74℃ 내지 113℃이고, 폴리카보네이트의 경우 138℃ 내지 142℃이다. 더욱이, 18.6kg/cm2의 부하에서 변형 온도는 아크릴 수지의 경우 68℃ 내지 102℃이고, 폴리카보네이트의 경우 121℃ 내지 132℃이다. 부하 상태에서 변형 온도는 ASTM D648에 따라서 측정되는 것임에 유의하여야 한다.
다음으로, 일본특허공개공보 제4-172319호에 개시된 바와 같이 확산판에 미세 유리 입자를 혼합해서는 바람직한 열방사 성능이 얻어질 수 없는 이유를 설명한 후에, 3W/m·K 이상인 충전재의 열전도율로 얻어지는 이유를 설명할 것이다.
통상의 확산판에서, 광분산성을 보이는 입자는 질량비로 약 5%의 양이 수지 매트릭스 내에 혼합된다. 혼합될 입자의 양이 (예를 들어, 흐림도(haze value)로 정의된) 광분산성의 정도에 따라 어느 정도까지 변하는 동안, 질량비로 5%를 상당 량 초과하면, 흐림도는 과도하게 높아져서, 빛이 확산판을 통하여 이동하는 거리를 증가시키고 광투과성을 떨어뜨린다. 아래의 표3은 미세 유리 입자의 열전도율과, 수지 매트릭스의 열전도율과, 미세 유리 입자가 수지 매트릭스 내에 질량비로 5%의 양으로 혼합될 때 전체로서의 확산판의 열전도율을 보여준다. 통상의 수지 매트릭스의 열전도율은 수지의 종류에 따라서 변하지만 통상 0.2 이하이다.
열전도율 (W/m·K) 함유량 (질량%)
미세 유리 입자 0.75 5
수지 매트릭스 0.20 95
전체로서 확산판 0.23 100
표3에 도시된 바와 같이, 미세 유리 입자의 열전도율은 수지 매트릭스와 동일한 정도(order)의 크기를 갖는다. 이러한 미세 유리 입자가 질량비로 약 5%의 양으로 추가된 상태에서도, 전체로서의 확산판의 열전도율은 수지 매트릭스와 사실상 동일하다. 따라서, 확산판의 열방사 성능은 확산판 내에 미세 유리 입자를 분포시킴으로써 사실상 향상되지 않는다.
(시장에서 주류를 이루고 있는 대각선 길이가 32인치인 액정 디스플레이 텔레비전과 같은) 대형 액정 디스플레이 장치에서, 백라이트에 의해 소비되는 전력은 100W 정도이다. 백라이트에 의해 소비되는 전력의 대부분은 열로 전환되고 그의 단지 작은 양만이 디스플레이에 직접 기여하는 광으로 전환되기 때문에, 사실상 100W 모두가 열로 전환된다.
32인치 액정 디스플레이 텔레비전의 디스플레이 평면은 약 0.72 x 0.41 ≒ 0.300 m2의 면적을 갖고, 확산판의 주평면도 대략 그와 동일한 면적을 갖는다. 열원인 광원은 확산판과 그 대향측을 향하여 열이 방사되기 때문에, 확산판은 약 0.300m 2 의 면적을 갖는 표면 상에 50W의 열에너지를 계속 받을 것이라고 생각될 수 있다. 따라서, 20mm 두께의 확산판의 광원 측과 그 대향측 사이의 온도차는 다음과 같이 표현된다.
온도차(K) = {공급열량(50W) x 확산판 두께(0.02m)} / {열전도율(W/m·K) x 열전도체 면적(0.3m 2 )}
시장성에 있어서, 액정 디스플레이 장치는 바람직하게는 50℃의 환경에서도 60℃보다 낮은 내부 온도를 가져야 한다. 이는 광원으로서 통상 사용되는 냉음극 형광 튜브(CCFT)의 발광 효율이 60℃ 근처의 온도에서 피크를 이루고 온도가 70℃를 초과할 때 수지 재료가 연화되기 시작하기 때문이다. 따라서, 이들 온도차는 10℃보다 낮을 필요가 있다.
충전재가 수지 매트릭스 내에 혼합되지 않은 경우, 온도차는 약 16℃ 정도이다. 미세 유리 입자가 수지 매트릭스 내에 질량비로 약 5%의 양으로 혼합되어도 온도차는 여전히 약 l4.5℃이다.
이와 달리, 만일 충전재(3b)의 열전도율이, 본 실시예의 확산판(3)에서와 같이, 3W/m·K 이상이면, 이러한 온도차는 충전재를 질량비로 약 5%의 양으로 혼합함으로써 10℃보다 낮게 할 수 있다. 만일 충전재(3b)의 열전도율이 10 W/m·K 이상이면, 이러한 온도차는 5℃보다 낮게 할 수 있어서, 여유를 더 증가시킨다.
따라서, 만일 확산판(3)이 70% 이상의 발광 투과율을 갖는 수지와 상기 수지 내에 혼합된 3W/m·K 이상의 열전도율을 갖는 충전재를 포함하는 광학 재료로 제조되면, 광학 소자로서 바람직한 광학 특성과 바람직한 열방사 성능을 모두 얻을 수 있다. 따라서, 본 실시예의 조명기(10A)는 수지로 제조된 구성 부품의 연화를 억제하면서 높은 발광 효율을 실현시킬 수 있다. 더욱이, 액정 디스플레이 장치가 조명기(10A)를 사용할 때, 액정 디스플레이 패널(20)의 온도 분포 불균일성으로 인한 디스플레이 성능이 감소되는 것을 억제할 수 있고 고성능의 디스플레이를 제공할 수 있다.
특히, 충전재(3b)는 알루미나(A1203), 마그네슘 산화물(MgO) 등으로 만들어질 수 있다. 아래의 표4는 알루미나로 만들어진 충전재(3b)의 열전도율과, 알루미나 충전재(3b)가 수지 매트릭스(3a) 내에 질량비로 약 5% 양으로 혼합된 전체로서의 확산판(3)의 열전도율을 보여준다. 또한, 아래 표5는 마그네슘 산화물로 만들어진 충전재(3b)의 열전도율과, 마그네슘 산화물 충전재(3b)가 수지 매트릭스(3a) 내에 질량비로 약 5% 양으로 혼합된 전체로서의 확산판(3)의 열전도율을 보여준다.
열전도율 (W/m·K) 함유량 (질량%)
알루미나 충전재 20.00 5
수지 매트릭스 0.20 95
전체로서 확산판 1.19 100
열전도율 (W/m·K) 함유량 (질량%)
마그네슘 산화물 충전재 60.00 5
수지 매트릭스 0.20 95
전체로서 확산판 3.19 100
표4에 도시된 바와 같이, 알루미나로 만들어진 충전재(3b)는 열전도율이 20W/m·K로, 수지 매트릭스(3a)보다 약 100배 더 크고, 그에 의해 충전재(3b)가 질량비로 단지 5%를 더함으로써, 전체로서의 확산판(3)의 열전도율은 수지 매트릭스(3a)의 약 6배 더 클 수 있다.
표5에 도시된 바와 같이, 마그네슘 산화물로 만들어진 충전재(3b)는 열전도율이 60W/m·K로 수지 매트릭스(3a)보다 약 300배 더 크고, 그에 의해 충전재(3b)가 질량비로 단지 5%를 더함으로써, 전체로서의 확산판(3)의 열전도율은 수지 매트릭스(3a)의 약 16배 더 클 수 있다.
알루미나 및 마그네슘 산화물은 전술한 바와 같이 열전도율이 높을 뿐만 아니라 가격이 저렴하기도 하다. 더욱이, 이들이 보석(precious stones)의 구성 성분이라는 사실에서 알 수 있는 바와 같이, 이들은 투광성이 높고 충전재(3b)의 재료로서 적절히 사용될 수 있다. 이와 달리, 다이아몬드가 충전재(3b)의 재료로서 사용될 수 있다. 다이아몬드는 2000W/m·K의 매우 높은 열전도율을 갖고 매우 높은 투명성을 갖는다. 물론, 본 발명은 이들 재료에 한정되지 않고, 3W/m·K 이상의 열전도율을 갖는 다른 적절한 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, 이트륨 산화물, 가돌리늄, 납 텅스텐산염(lead tungstate) 등이 사용될 수 있다. 그러나, 전체로서의 확산판(3)의 높은 투광성을 유지하기 위하여 충전재(3b)는 바람직하게는 높은 투광성을 갖고, 충전재(3b)는 수지 매트릭스(3a)만큼 또는 그 이상의 투광성을 갖는 것이 바람직하다. 알루미나, 마그네슘 산화물 또는 다이아몬드로 만들어진 충전재(3b)는 수지 매트릭스(3a)보다 높은 투광성을 갖는다.
확산판(3)에 사용되는 광학 재료는 전술된 바와 같은 수지 및 충전재를 사용하는 공지의 방법에 의해 제조될 수 있다. 특히, 광학 재료는 전술된 바와 같은 수지 및 충전재를 준비한 다음 수지 내에 충전재를 분포시킴으로써 얻어질 수 있다.
충전재는 전술된 바와 같은 충전재 재료를 사용하는 공지의 충전재 제조 방법에 의해 제조될 수 있다. 충전재의 함유량 및 입자의 크기는 (전체로서의 확산판(3)의) 의도된 열전도율, 의도된 흐림도 등을 기초로 적절히 결정될 수 있다.
가시광의 파장은 350nm 내지 800nm이기 때문에, 가시광 파장의 크기와 동일한 정도(order)(즉, 100nm의 정도)의 크기를 갖는 충전재가 광의 확산에 기여할 것이다. 즉, 충전재의 입자 직경은 광분산성을 실현하기 위하여 100nm 이상일 필요가 있다. 더욱이, 바람직한 광분산성을 실현하기 위하여, 충전재 입자 각각의 직경은 바람직하게는 가시광의 파장보다 높은 정도의 크기로서, 1㎛ 이상인 것이 바람직하다. 따라서, 충전재의 평균 입자 직경은 바람직하게는 1㎛ 이상, 또는 더욱 바람직하게는 약 2㎛이다.
종래의 확산판에서, 바람직한 광분산성은 실리카 비드를 아크릴 수지 매트릭스 재료 내에 질량비로 약 1% 내지 약 5%의 양으로 혼합함으로써 실현된다. 입자의 직경이 일정하다고 가정하면, 광분산성은 입자의 부피 농도에 통상 비례한다. 따라서, 충전재가 실리카 비드와 동일한 입자 직경을 가질 때, 충전재의 부피 농도를 종래의 확산판 내의 실리카 비드와 통상 동일하게 설정함으로써 바람직한 광분산성을 실현할 수 있다. 아크릴 수지의 밀도가 1.1g/cm3이고 실리카 비드의 밀도는 2.1g/cm3이기 때문에, 종래 확산판 내의 실리카 비드의 부피 농도는 부피비로 약 0.5% 내지 약 2.7%이다. 따라서, 충전재의 부피 농도를 부피비로 0.5% 내지 2.7%로 설정함으로써 바람직한 광분산성을 실현할 수 있다. 예를 들어, 알루미나로 만들어진 충전재가 사용되면, 알루미나의 밀도가 3.6g/cm3이기 때문에, 충전재는 수지 재료 내에 질량비로 약 1% 내지 9%의 양으로 혼합되는 것이 바람직하다. 충전재 함유량이 증가하면, 광분산성은 증가하지만 광투과율은 감소한다. 더욱이, 충전재 함유량이 증가할 때, 확산판(3)의 성형성은 몇몇 경우에 감소할 수 있다. 충전재 함유량은 이러한 요인들을 고려하여 결정될 수 있다.
확산판(3)은 전술된 바와 같이 제작된 광학 재료를 사용하여 사출성형과 같은 공지의 방법으로 성형될 수 있다. 휘도 불균일성을 억제하도록 광원(1)으로부터 출력된 광을 충분히 확산시키기 위하여 확산판(3)의 흐림도는 바람직하게는 95% 이상, 보다 바람직하게는 98% 이상, 보다 더 바람직하게는 사실상 100%이다. 흐림도는 예를 들어, 전술된 무라까미 컬러 연구 실험실에서 제작된 HR-100을 사용하여 측정된다.
제2 실시예
도4를 참조하면, 본 실시예의 조명기(10B)가 설명될 것이다. 조명기(10B)는 액정 디스플레이 패널(20)의 후면(관찰자로부터 떨어진 측) 상에 마련되는 백라이트이다.
조명기(10B)는 에지 광 타입 백라이트로서, 도4에 도시된 바와 같이, 막대형 광원(1)과 상기 막대형 광원(1)으로부터 액정 디스플레이 패널(20)로 광을 안내하는 광도파로 플레이트(광도파로)(4)를 포함한다. 본 실시예에서, 막대형 광원(1)은 냉음극 형광 튜브(CCFT)이다. 반사기(5) 및 반사 시트(6)가 각각 막대형 광원(1)에 인접하게 그리고 (액정 디스플레이 패널(20)에 대해 광도파로 플레이트(4)의 대향 측인) 광도파로 플레이트(4)의 후면 상에 마련된다. 막대형 광원(1), 광도파로 플레이트(4), 반사기(5) 및 반사 시트(6)는 섀시(7) 내에 수용된다. 또한, 광도파로 플레이트(4)로부터 출력된 광의 특성을 조절하기 위한 광학 시트(8)가 광도파로 플레이트(4)와 액정 디스플레이 패널(20) 사이에 마련된다.
본 실시예의 조명기(10B)는 광도파로 플레이트(4)가 통상 사용되는 것과 상이한 광학 재료로 만들어지는 것을 제외하고는 공지된 에지 광 타입 백라이트와 동일한 구성을 갖는다. 도5를 참조하면, 조명기(10B)의 광도파로 플레이트(4)가 설명될 것이다.
광도파로 플레이트(4)는, 도5에 도시된 바와 같이, 수지 매트릭스(4a)와 상기 수지 매트릭스(4a) 내에 분포된 충전재(4b)를 포함한다. 본 실시예에 사용되는 충전재(4b)는 미립자이다.
더욱이, 광도파로 플레이트(4)는 막대형 광원(1)에서 출력된 광을 수용하는 입력측 표면(40)과, 입력측 표면(40)으로부터 들어와 광도파로 플레이트(4)를 통하 여 이동한 광이 액정 디스플레이 패널(20)을 향하여 출력되는 출력측 표면(4d)과, 출력측 표면(4d)에 대향하는 대향 표면(4e)을 갖는다. 비록 도5에 도시되지는 않았지만, 출력측 표면(4d)과 대향 표면(4e) 중 적어도 하나에는 광도파로 플레이트(4)를 통하여 액정 디스플레이 패널(20)로 이동하는 광을 취하기 위한 광분포 제어 구조가 마련된다. 광분포 제어 구조는 공지된 광도파로 플레이트에 사용되는 것들 중 하나일 수 있다. 특히, 광분포 제어 구조는 프리즘, 렌즈, 주름부 등일 수 있다.
광도파로 플레이트(4)는 70% 이상의 발광 투과율을 갖는 수지와 그 안에 혼합된 3W/m·K 이상의 열전도율을 갖는 충전재를 포함한다. 따라서, 확산판(3)에 대해 제1 실시예에서 언급된 이유와 동일한 이유로 광도파로 플레이트(4)는 광학 소자로서 바람직한 광학 특성을 갖고 바람직한 열방사 성능을 갖는다. 그러므로, 본 실시예의 조명기(10B)는 수지로 제조된 구성 부품의 연화를 억제하면서 높은 발광 효율을 실현시킬 수 있다. 더욱이, 액정 디스플레이 장치가 조명기(10B)를 사용할 때, 액정 디스플레이 패널(20)의 온도 분포 불균일성으로 인한 디스플레이 성능의 감소를 억제할 수 있어 고성능의 디스플레이를 제공할 수 있다.
광도파로 플레이트(4)를 위한 광학 재료는 제1 실시예에서의 확산판(3)을 위한 광학 재료에 대한 방법과 유사한 방법으로 제조될 수 있고, 광도파로 플레이트(4)는 이러한 광학 재료를 사용하여 공지된 광도파로 플레이트의 제조 방법에 의해 제조될 수 있다.
확산판(3)과 달리, 광도파로 플레이트(4)는 광분산성을 가질 필요가 없다는 것에 유의해야 한다. 가시광의 파장이 350nm 내지 800nm이기 때문에, 상기 파장의 범위보다 작은 정도의 입자 직경을 갖는, 즉 100nm보다 작은 입자 직경을 갖는 충전재(4b)는 광분산성에 기여하지 않는다. 따라서, 만일 충전재(4b)의 입자 직경이 100nm보다 작게 설정되면, 사실상 광분산성을 갖지 않는 광도파로 플레이트(4)를 얻을 수 있다. 물론, 광도파로 플레이트(4)는 1㎛ 이상의 직경을 갖는 충전재(4b)를 포함하고 광분산성을 가질 수 있다. 또한, 광도파로 플레이트(4)와 다른 광학 소자로, 전술된 바와 같은 충전재(4b)의 입자 직경을 적절히 제어함으로써 의도된 광분산성 및 의도된 열전도율을 갖는 광학 소자를 얻을 수 있다. 예를 들어, 광분산성에 기여하지 않는 충전재(4b)를 확산판(3)의 광학 재료에 첨가함으로써, 광분산성이 낮고 (흐림도가 작고) 열전도율이 높은 확산판(3)을 얻을 수 있다.
제3 실시예
본 실시예의 조명기를 설명하기 전에, 다이렉트 타입 백라이트가 갖는 휘도 불균일성의 문제가 설명될 것이다.
도21에 도시된 다이렉트 타입 백라이트(40)에서, 광원(형광 튜브)(41)은 광원(41)의 종방향에 직각인 방향으로의 범위가 단지 단속적인 (불연속적인) 방식으로 광원(41)에 의해 덮이도록 배열되어, 휘도가 광원(41)의 바로 위의 영역에서 높고 광원(41)들 사이의 다른 영역에서 낮은 휘도 불균일성을 일으킨다.
휘도 불균일성은 광원(41)과 액정 디스플레이 패널(48) 사이의 거리(A)가 클수록, 그리고 광원(41)들 사이의 거리(B)가 작을수록 작다. 따라서, 거리(A)에 대한 거리(B)의 비율(R = B/A)이 작을수록 휘도 불균일성도 작아지고, 상기 비율이 커지면 휘도 불균일성도 커진다. 따라서, 광원(41)과 액정 디스플레이 패널(48) 사이의 거리(A)를 증가시키거나 광원(41)들 사이의 거리(B)를 짧게 하여 휘도 불균일성을 감소시킬 수 있다.
그러나, 광원(41)과 액정 디스플레이 패널(48) 사이의 거리가 증가하면 백라이트(40)와 그에 따른 디스플레이 장치의 두께가 증가하게 되어, 상업적 가치를 떨어뜨린다. 더욱이, 광원(41)들 사이의 거리(B)를 감소시키도록 광원(41)의 개수를 증가시키면 비용이 증가하여, 이 또한 상업적 가치를 떨어뜨린다.
이러한 관점에서, 일본특허공개공보 제2002-122863호에는, 도6에 도시된 바와 같이, 삼각형 단면을 갖는 광반사 돌출부(52)가 광원(51) 사이에 마련된 백라이트(50)가 개시되어, 휘도 불균일성을 억제한다.
더욱이, 일본특허공개공보 제2000-310776호에는, 도7에 도시된 바와 같이, 주 광원(62) 및 광도파로 플레이트(63)를 포함하는 보조 광원(64)이 액정 디스플레이 패널에서 떨어진 광원(61)의 일측 상에 마련된 백라이트(60)가 개시되어, 휘도 불균일성을 억제한다. 일본특허공개공보 제2000-310776에는 또한 주 광원(62)으로부터 광도파로 플레이트(63) 내에 진입한 광을 취하기 위한 광도파로 플레이트(63)의 표면 상의 광산란 도트(dot) 패턴이 광원(61) 바로 아래 영역에서 드물게 배열되고 광원(61)들 사이의 다른 영역에서 조밀하게 배열된 장치가 개시되어, 광도파로 플레이트(63)로부터의 광의 휘도가 광원(61) 바로 아래의 영역에서 낮고 광원(61)들 사이의 다른 영역에서 높게 될 수 있어 휘도 불균일성을 더 억제한다.
백라이트의 구조와 휘도 불균일성의 정도 사이의 관계의 다양한 관점으로부 터 본 발명가에 의해 수행된 심도 깊은 연구에 의하면, 휘도 불균일성이 이들 공개 문헌에 개시된 백라이트로 충분히 억제되지 않는다는 것이 밝혀졌다. 특히, 이들 공개 문헌에 개시된 백라이트 중 어느 것으로도, 비록 휘도 불균일성이 법선 방향(디스플레이 장치의 디스플레이 평면에 직각인 방향)으로 충분히 작지만, 이는 경사 방향(디스플레이 평면의 법선 방향에 대해 경사진 방향)으로는 충분히 작지 않다.
이제, 본 실시예의 조명기(10C)가 도8 및 도9를 참조하여 설명될 것이다. 도8은 조명기(10C)를 포함하는 액정 디스플레이 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이고, 도9는 조명기(10C)를 개략적으로 설명하는 평면도이다.
조명기(10C)는, 도8에 도시된 바와 같이, 액정 디스플레이 패널(20)의 후면(관찰자로부터 떨어진 측) 상에 마련된 다이렉트 타입 백라이트이고, 도8 및 도9에 도시된 바와 같이, 서로 평행하게 통상 배치된 복수개의 막대형 광원(1)을 포함한다. 본 실시예에서, 막대형 광원(1)은 냉음극 형광 튜브(CCFT)이다.
막대형 광원(1)은 도9에 도시된 바와 같이 케이스(2) 내에 마련된 지지부재(홀더)(11)에 의해 케이스(2) 내에 보유되고, 광학 시트(3)가 막대형 광원(1)과 액정 디스플레이 패널(20) 사이에 마련된다. 광학 시트(3)는, 예를 들어, 확산 시트 또는 프리즘 시트이다. 도8에는 단 하나의 광학 시트(3)가 도시되고, 확산 시트, 프리즘 시트 등이 실재로는 조합되어 사용된다. 통상, 광효율을 증가시키기 위하여, 막대형 광원(1)에 인접한 케이스(2)의 표면에는 반사율이 높은 부재(예를 들어, 광반사 시트)가 마련되거나, 케이스(2) 자체가 반사율이 높은 재료로 만들어진다.
조명기(10C)는 인접한 2개의 막대형 광원(1)들 사이에 마련되어 광을 산란시키기 위한 광산란 부재(9)를 더 포함한다. 도9에 도시된 바와 같이, 광산란 부재(9)는 수지 매트릭스(9a)와 상기 수지 매트릭스(9a) 내에 분포된 충전재(무기 충전재)(9b)를 포함한다. 본 실시예에 사용된 충전재(9b)는 미립자이다. 충전재(9b)의 굴절률은 수지 매트릭스(9a)의 굴절률과 상이하여, 광산란 부재(9)는 광산란 특성(광분산성)을 보인다. 광산란 부재(9)는 70% 이상의 발광 투과율을 갖는 수지와 그 안에 혼합된 3W/m·K 이상의 열전도율을 갖는 충전재를 포함하는 광학 재료로 만들어진다.
본 실시예의 광산란 부재의 각각은 막대형 부재이고, 인접한 2개의 막대형 광원(1)들 사이의 중간에서 막대형 광원(1)에 통상 평행하게 배치된다. 더욱이, 광산란 부재(9)는 막대형 광원(1)과 유사하게 지지 부재(11)에 의해 케이스(2) 내에 보유된다.
본 실시예의 조명기(10C)에서, 각각의 광산란 부재(9)는 인접한 2개의 막대형 광원(1)들 사이에 배치되어, 막대형 광원(1)으로부터 출력된 광의 일부는 광산란 부재(9)에 의해 산란되고, 그에 따라서 막대형 광원(1)들 사이의 조명기(10C)의 영역으로부터 나오는 광의 세기를 증가시킨다. 따라서, 휘도 불균일성을 감소시킬 수 있다. 막대형 광원(1)들 사이에 마련된 광산란 부재(9)는 광을 사실상 모든 방향으로 산란시키기 때문에, 이들은 막대형 광원(1)들 사이의 영역으로부터 나온 광의 세기를 증가시키는 역할뿐만 아니라 의사(pseudo) 광원으로서의 역할도 한다. 따라서, 다수의 막대형 광원(1)이 짧은 간격으로 배열되어 실현된 것들과 유사한 광학 시스템을 실현하는 것이 가능하다. 그러므로, 휘도 불균일성은 법선 방향(디스플레이 장치의 디스플레이 평면에 직각인 방향)뿐만 아니라 경사 방향(디스플레이 평면의 법선 방향에 대해 경사진 방향)으로도 감소될 수 있다.
광산란 부재(9)는 70% 이상의 발광 투과율을 갖는 수지와 그 안에 혼합된 3W/m·K 이상의 열전도율을 갖는 충전재를 포함하는 광학 재료로 만들어진다. 따라서, 확산판(3)에 대한 제1 실시예에서 언급된 이유와 동일한 이유로 광산란 부재(9)는 광학 소자로서 바람직한 광학 특성을 갖고 바람직한 열방사 성능을 갖는다. 그러므로, 본 실시예의 조명기(10C)는 수지로 제조된 구성 부품의 연화를 억제하면서 높은 발광 효율을 실현시킬 수 있다. 더욱이, 액정 디스플레이 장치가 조명기(10C)를 사용할 때, 액정 디스플레이 패널(20)의 온도 분포 불균일성으로 인한 디스플레이 성능이 감소되는 것을 억제할 수 있고 고성능의 디스플레이를 제공할 수 있다.
도10 내지 도13은 종래의 다이렉트 타입 백라이트에서 휘도 불균일성이 어떻게 발생하는가를, 그리고 본 실시예의 조명기(10C)에서 휘도 불균일성이 어떻게 억제시키는가를 도시한다.
일반적인 종래의 다이렉트 타입 백라이트(40)는, 도10에 도시된 바와 같이, 법선 방향 및 경사 방향 모두에서 큰 휘도 불균일성을 갖는다. 따라서, 디스플레이 성능이 저하된다.
일본특허공개공보 제2002-122863호에 개시된 백라이트(50)는, 도11에 도시된 바와 같이, 광원(51)들 사이에 광반사 돌출부(52)를 포함하여, 광원(51)들 사이의 영역으로부터 나온 광의 세기를 증가시키고 그에 따라 법선 방향의 휘도 불균일성을 감소시킨다. 그러나, 모든 방향으로 광을 산란시킬 수 있는 광산란 부재(9)와 달리, 삼각형 단면을 갖고 광반사하는 상기 돌출부(52)는 의사 광원으로서의 기능을 하지 못하여, 경사 방향으로의 휘도 불균일성을 충분히 감소시킬 수 없다. 따라서, 디스플레이 성능이 충분히 향상되지 않는다.
일본특허공개공보 제2000-310776호에 개시된 백라이트(60)에서는, 도12에 도시된 바와 같이, 보조 광원(64)이 광원(61) 아래에 마련되고, 보조 광원(64)의 광도파로 플레이트(63) 상의 광산란 도트 패턴이 광원(61) 바로 아래 영역에서 드물게 배열되고 광원(61)들 사이의 다른 영역에서 조밀하게 배열되어, 광원(61)들 사이의 영역에서 나온 광의 세기를 증가시키고, 법선 방향으로의 휘도 불균일성을 감소시킨다. 그러나, 광원(61)들 사이가 아닌 광원(61) 아래에 배치되어 평면 발광을 제공하는 보조 광원(64)은 막대형 광원(61)과 협력하는 의사 광원으로서의 기능을 할 수 없다. 따라서, 경사 방향으로의 휘도 불균일성을 충분히 감소시킬 수 없다. 그러므로, 디스플레이 성능이 충분히 향상되지 않는다.
이와 달리, 본 실시예의 조명기(10C)에서, 광산란 부재(9)는, 도13에 도시된 바와 같이, 인접한 2개의 막대형 광원(1)들 사이의 각각에 마련되어, 광산란 부재(9)는 의사 광원으로서 기능을 함으로써, 법선 방향뿐만 아니라 경사 방향으로도 휘도 불균일성을 감소시킬 수 있다. 따라서, 조명기(10C)를 사용하는 디스플레이 장치는 고성능의 디스플레이를 제공할 수 있다. 더욱이, 광산란 부재(9)는 의사 광원으로서 기능을 하기 때문에, 막대형 광원(1)의 개수를 증가시키지 않고 (도21 의 거리(A)에 대응하는) 액정 디스플레이 패널(20)과 막대형 광원(1) 사이의 거리를 줄일 수 있다. 따라서, 조명기(10C)는 더 얇은 외형으로 만들어질 수 있고 낮은 비용으로 제조될 수 있어서 높은 상업적 가치를 갖는다.
전술된 바와 같이, 조명기(10C)에서, 광을 산란시키기 위한 광산란 부재(9)는 의사 광원으로서 기능을 할 수 있는데, 이는 이들이 막대형 광원(1)으로 평면 배치뿐만 아니라 3차원 배치를 고려하여 배치될 수 있기 때문이다. 광산란 부재(9)는, 도9에 도시된 바와 같이 디스플레이 평면의 법선 방향으로 볼 때 막대형 광원(1)들 "사이"에 배치될 뿐만 아니라, 도8에 도시된 바와 같이 막대형 광원(1)의 종방향으로 볼 때 막대형 광원(1)들 "사이"에도 배치된다. 여기에서, "광산란 부재(9)가 막대형 광원(1)의 종방향으로 볼 때 막대형 광원(1)들 사이에 배치되는 것"은, 도14a 내지 도14c에 도시된 바와 같이, 광산란 부재(9)가 2개의 막대형 광원(1)들 사이의 한정된 공간 내에 적어도 부분적으로 포함된 것을 의미한다는 것에 유의하여야 한다. 경사 방향으로 볼 때 휘도 불균일성을 더 감소시키기 위하여, 광산란 부재(9) 각각의 중심축(가상축)(CA)이 도14b에 도시된 바와 같이 막대형 광원(1)들 사이의 한정된 공간 내에 포함되는 것이 바람직하고, 광산란 부재(9) 각각의 중심축(CA)이 도14c에 도시된 바와 같이 막대형 광원(1)의 중심축(CA)과 사실상 동일한 평면에 있는(같은 높이인) 것은 더 바람직하다.
더욱이, 광산란 부재(9)가 의사 광원으로서 바람직하게 기능을 하기 위하여, 광산란 부재(9)는 막대형 광원(1)과 유사한 광 분산 특성을 갖는 것이 바람직하다. 광산란 부재(9)가 막대형 광원(1)과 유사한 광 분산 특성을 갖기 위하여, 본 실시 예에서와 같이 광산란 부재(9)는 막대형 부재이고 막대형 광산란 부재(9)는 막대형 광원(1)에 통상 평행하게 배치되는 것이 바람직하다. 더욱이, 막대형 광산란 부재(9)는 각각 막대형 광원(1)과 사실상 동일한 외경을 갖는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는 종방향에 직각인 방향으로 통상의 원형 단면을 갖는 실린더형 광산란 부재(9)를 사용하지만, 광산란 부재(9)의 단면 형상은 이에 한정되지 않는다. 이와 달리, 종방향에 직각으로의 광산란 부재(9)의 단면 형상은 도15a에 도시된 바와 같은 일반적인 원형, 도15b에 도시된 바와 같은 일반적인 정다각형, 또는 도15c에 도시된 바와 같은 일반적인 직사각형일 수 있다. 또한, 이는 도15d에 도시된 바와 같은 일반적인 타원형, 또는 도15e에 도시된 바와 같은 코너가 원호로 형성된 일반적인 직사각형일 수 있다. 그러나, 막대형 광원(1)과 가까운 광 분산 특성을 실현하기 위하여, 종방향에 직각인 방향으로 취해진 광산란 부재(9)의 단면 형상이 막대형 광원(1)과 통상 동일한 것이 바람직한 것임에 유의하여야 한다. 냉음극 형광 튜브와 같은 통상적인 막대형 광원은 종종 일반적인 원형 단면을 갖기 때문에, 종방향에 직각인 방향으로 취해진 광산란 부재(9)의 단면 형상이 일반적으로 원형이라는 점에서 바람직하다.
광산란 부재(9) 각각의 단 하나만이 본 실시예에서 인접한 2개의 막대형 광원(1)들 사이에 마련되지만 하나 이상의 광산란 부재(9)가 인접한 2개의 막대형 광원(1)들 사이에 마련될 수 있음에 유의하여야 한다. 하나의 광산란 부재(9)가 본 실시예에서와 같이 인접한 2개의 막대형 광원(1)들 사이에 마련되는 경우, 광산란 부재(9)는 2개의 막대형 광원(1) 사이의 중간에 통상 위치되는 것이 바람직하다. 만일 광산란 부재(9)가 통상 인접한 2개의 막대형 광원(1)들 사이의 중간에 위치되면, 휘도 불균일성을 억제하는 효과를 증가시킬 수 있다.
광산란 부재(9)가 광을 분산시키는 정도는, 예를 들어, 흐림도에 의해 정의될 수 있다. 광산란 부재(9)의 특정 흐림도는 막대형 광원(1)의 개수, 막대형 광원(1)들 사이의 거리, 막대형 광원(1) 각각의 휘도 등을 기초로 대략 결정될 수 있다.
도8 및 도9에 도시된 예에서 3개의 막대형 광원(1)이 마련되어 있으나, 막대형 광원(1)의 개수는 이에 한정되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 도16 및 도17에 도시된 바와 같이, 다수의 막대형 광원(1)이 마련될 수 있다.
도18을 참조하여, 본 실시예의 다른 조명기(10D)가 설명될 것이다. 조명기(10D)는 도18에 도시된 바와 같이 U자형 광원(1')을 포함한다. 광원(1')은 서로에 대해 통상 평행하게 배열된 복수개의 막대형 부분(막대형 발광부)(1a)과 상기 인접한 2개의 막대형 부분(1a)을 서로 연결하는 만곡부(1b)를 포함한다. 본 실시예의 광원(1')은 냉음극 형광 튜브이다.
조명기(10D)는 인접한 2개의 막대형 부분(1a)들 사이의 각각에 광을 분산시키기 위한 광산란 부재(9)를 더 포함한다. 본 실시예의 광산란 부재(9)는 막대형 부재이고, 인접한 2개의 막대형 부분(1a)들 사이의 중간에서 막대형 부분(1a)에 통상 평행하게 배치된다.
광원(1') 및 광산란 부재(9)는 케이스(2) 내에 마련된 지지부재(홀더)(11)에 의해 케이스(2) 내에 보유된다. 비록 도면에 도시되지는 않았지만, 광학 시트는 필요에 따라 광원(l') 및 광산란 부재(9)보다 (관찰자에 더 가까운) 더 전방 위치에 마련된다.
또한, 조명기(10D)에서, 인접한 2개의 막대형 부분(1a)들 각각의 사이에 마련된 광산란 부재(9)는 의사 광원으로서 기능을 하여, 짧은 간격으로 배열된 광원(1)의 다수의 막대형 부분(1a)으로 실현되는 것들과 유사한 광학 시스템을 실현할 수 있다. 따라서, 휘도 불균일성은 법선 방향뿐만 아니라 경사 방향으로도 감소될 수 있다.
조명기(10D)의 광산란 부재(9)의 바람직한 형상 및 배열에 관하여, 조명기(10C)의 광산란 부재(9)에 대한 설명이 그에 대해 사실상 적용된다. 특히, 경사 방향에서 볼 때 휘도 불균일성을 감소시키기 위하여, 광산란 부재(9) 각각의 중심축(가상축)이 2개의 막대형 부분(1a) 사이의 한정된 공간 내에 포함되는 것이 바람직하고, 광산란 부재(9) 각각의 중심축이 막대형 부분(la)의 중심축과 사실상 동일한 평면(같은 높이)에 있는 것이 더 바람직하다.
더욱이, 광산란 부재(9)가 의사 광원으로서 바람직하게 기능을 하기 위하여, 광산란 부재(9)는 막대형 부분(la)과 유사한 광 분산 특성을 갖는 것이 바람직하다. 광산란 부재(9)가 막대형 부분(la)과 유사한 광 분산 특성을 갖기 위하여, 본 실시예에서와 같이 광산란 부재(9)는 막대형 부재이고 막대형 광산란 부재(9)는 막대형 부분(la)에 통상 평행하게 배치되는 것이 바람직하다. 더욱이, 막대형 광산란 부재(9)는 각각 막대형 부분(la)과 사실상 동일한 외경을 갖는 것이 바람직하다. 더욱이, 종방향에 직각인 방향으로 취해진 광산란 부재(9)의 단면 형상이 막 대형 부분(la)과 사실상 동일한 것이 바람직하고, 냉음극 형광 튜브와 같은 통상적으로 사용되는 광원의 막대형 부분이 일반적인 원형 단면 형상을 갖기 때문에, 광산란 부재(9)의 단면 형상은 통상의 원형인 것이 바람직하다.
더욱이, 본 실시예에서와 같이 하나의 광산란 부재(9)가 2개의 막대형 부분(1a) 사이에 마련되어 있는 경우, 광산란 부재(9)는 2개의 막대형 부분(1a) 사이의 중간에 통상 위치되는 것이 바람직하다.
본 실시예가 2개의 막대형 부분(1a)과 하나의 만곡부(1b)를 포함하는 U자형 광원(1')에 대한 것이나, 더 많은 막대형 부분과 더 많은 만곡부를 포함하는 광원이 U자 형상의 광원(1') 대신 사용될 수 있다. 예를 들어, 4개의 막대형 부분과 3개의 만곡부를 갖는 W자 형상의 광원이 사용될 수 있다. 복수개의 막대형 부분과 각각이 2개의 막대형 부분을 서로 연결하는 만곡부를 포함하는 광원에 의해, 막대형 광원이 사용되는 경우와 비교하여 광원의 개수를 감소시킬 수 있고, 그에 따라 비용을 줄일 수 있다.
조명기용 확산판, 조명기용 광도파로 플레이트(광도파로) 및 LED 광원용 캡슐화(encapsulation)가 본 발명의 광학 소자로서 위의 제1 내지 제3 실시예에서 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 통상의 광학 소자와 함께 사용될 수 있다. 만일 광학 소자가 70% 이상의 발광 투과율을 갖는 수지와 그 안에 혼합된 3W/m·K 이상의 열전도율을 갖는 충전재를 포함하는 광학 재료로 만들어지면, 광학 소자로서 바람직한 광학 특성(투광성)과 바람직한 열방사 성능 모두를 얻을 수 있다.
본 발명의 광학 재료는 또한 (다이렉트 타입 백라이트와 같은) 조명기용 광원 홀더(광원지지 부재)의 재료로 사용될 수도 있다. 도19a 및 도19b 각각은 70% 이상의 발광 투과율을 갖는 수지와 그 안에 혼합된 3W/m·K 이상의 열전도율을 갖는 충전재를 포함하는 광학 재료로 만들어진 광원 홀더(12)를 도시한다. 홀더(12)는 막대형 광원(1)을 보유하기 위한 부재이고, 수지 매트릭스(12a)와 수지 매트릭스(12a) 내에 분포된 충전재(무기 충전재)(12b)를 포함한다. 도19b에 도시된 홀더(12)는 도19b에 도시된 홀더(12)가 삼각형 단면을 갖는 돌출부(120)를 포함한다는 점에서 도19b에 도시된 것과 상이하다는 것에 유의하여야 한다. 돌출부(120)는 광원 위에 위치된 확산판과 같은 광학 소자를 지지하기 위하여 마련된다.
통상적으로, 광차단 백색 수지 재료가 광원 홀더에 사용되어 왔다. 그러나, 이러한 재료로 만들어진 홀더는 열전도율이 낮고, 막대형 광원으로부터의 열이 그 안에 머물도록 하여, 장치의 신뢰성을 저하시키고 광학 불균일성을 일으킨다.
이와 달리, 도19a 및 도19b에 도시된 홀더(12)로는, 막대형 광원(1)으로부터의 열이 신속히 방사될 수 있어서, 그에 의해 장치의 신뢰성을 향상시키고 광학 불균일성을 낮출 수 있다. 더욱이, 홀더(12)는 투광성이 높기 때문에, 막대형 광원(1)으로부터 출력된 광의 많은 부분이 이를 통하여 투과되어, 휘도를 향상시킬 수 있다.
도20a 및 도20b는 본 발명의 광학 재료가 사용될 수 있는 본 발명의 다른 조명기를 도시한다. 도20a 및 도20b에 도시된 조명기(10E, 10F)의 각각은 복수개의 막대형 광원(1)을 포함한다.
막대형 광원(1)이 도9에 도시된 조명기(10C) 내에 일렬로 배열되지만, 막대형 광원(1)은 도20a 및 도20b에 도시된 조명기(10E, 10F)에서 2열로 배열된다. 막대형 광원(1)이 복수개의 열로 배열되는 이러한 장치로, 짧은 막대형 광원이 막대형 광원(1)으로서 사용될 수 있다. 긴 막대형 광원과 비교하여, 짧은 막대형 광원은 작동 전압이 낮고, 취급이 더욱 용이하며, 우수한 충격 방지 특성을 갖는다. 막대형 광원(1) 모두가 동일한 길이를 갖는 것이 바람직하다는 것에 유의하여야 한다. 만일 막대형 광원(1) 모두가 동일한 길이를 갖는다면, 조명기는 조명기를 가로지르는 상이한 위치들간의 전기 및 광학적 특성의 변동이 거의 없고 발광을 용이하게 제어할 수 있다.
조명기(10E, 10F)의 막대형 광원(1)의 각각은 한 쌍의 홀더(13a, 13b)에 의해 보유된다. 만일 홀더(13a, 13b)가 전술된 바와 같은 광학 재료로 만들어지면, 신뢰성 및 휘도를 향상시킬 수 있다. 특히, 만일 액정 디스플레이 장치의 디스플레이 영역 내에 위치되는 내측 위치 홀더(13)가 본 발명의 광학 재료로 만들어지면, 휘도는 상당히 향상된다.
전술된 바와 같이, 본 발명은 바람직한 열방사 성능을 갖는 광학 재료와, 이러한 광학 재료로 만들어진 광학 소자와, 이러한 광학 소자를 이용한 조명기 및 디스플레이 장치를 제공한다.
본 발명은 조명기용 확산판 또는 광도파로, 또는 LED 광원용 캡슐화로서 적절히 사용될 수 있다.
비록 본 발명이 바람직한 실시예에서 설명되었으나, 상기 개시된 발명이 많 은 방법으로 변경되고 특별히 제시되고 전술된 것들과 다른 많은 실시예를 취할 수 있다는 것은 본 기술분야에서 숙련된 자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 정신 및 범주 내에서 본 발명의 모든 변형은 후속하는 청구범위에 포함된다.
전술된 본 발명의 구성에 따라서, 본 발명에 따른 광학 재료로 만들어진 광학 소자는 광학 소자로서 바람직한 광학 특성(투광성)을 갖고 바람직한 열방사 성능을 갖는다. 이러한 본 발명의 광학 소자는 수지로 제조된 구성 부품의 연화를 억제하면서 높은 발광 효율을 실현시킬 수 있다. 더욱이, 본 발명의 광학 소자를 액정 디스플레이 장치에 사용하면, 액정 디스플레이 패널의 온도 분포의 불균일성으로 인한 디스플레이 성능의 감소를 억제할 수 있고 고성능의 디스플레이를 제공할 수 있다.

Claims (29)

  1. 70% 이상의 발광 투과율을 갖는 수지와, 상기 수지 내에 혼합되고 3W/m·K 이상의 열전도율을 갖는 충전재를 포함하는 광학 재료.
  2. 제1항에 있어서, 상기 충전재의 열전도율은 10W/m·K 이상인 광학 재료.
  3. 제1항에 있어서, 상기 충전재는 알루미나로 만들어진 광학 재료.
  4. 제1항에 있어서, 상기 충전재는 마그네슘 산화물로 만들어진 광학 재료.
  5. 제1항에 있어서, 상기 수지의 발광 투과율은 80% 이상인 광학 재료.
  6. 제1항에 있어서, 상기 수지는 폴리카보네이트인 광학 재료.
  7. 제1항에 있어서, 상기 수지의 발광 투과율은 90% 이상인 광학 재료.
  8. 제1항에 있어서, 상기 수지는 아크릴 수지인 광학 재료.
  9. 제1항에 있어서, 상기 수지는 폴리스티렌인 광학 재료.
  10. 제1항에 있어서, 상기 수지는 메틸 메타크릴레이트-스티렌 공중합 수지인 광학 재료.
  11. 제1항에 있어서, 상기 충전재는 미립자인 광학 재료.
  12. 제11항에 있어서, 상기 충전재의 평균 입자 직경은 1㎛ 이상인 광학 재료.
  13. 제1항에 있어서, 상기 수지의 굴절률은 상기 충전재의 굴절융과 상이하여, 광분산성을 실현시키는 광학 재료.
  14. 제1항에 따른 상기 광학 재료를 포함하는 광학 소자.
  15. 제1항에 따른 상기 광학 재료를 포함하는 확산판.
  16. 제15항에 있어서, 상기 확산판의 흐림도는 95% 이상인 확산판.
  17. 광원과, 상기 광원으로부터 출력된 광을 확산시키기 위한 제15항에 따른 상기 확산판을 포함하는 조명기.
  18. 제17항에 따른 상기 조명기와, 상기 조명기로부터 출력된 광을 사용하여 화상을 표시하기 위한 디스플레이 패널을 포함하는 디스플레이 장치.
  19. 제1항에 따른 상기 광학 재료를 포함하는 광도파로.
  20. 광원과, 상기 광원으로부터 출력된 광을 소정 방향으로 안내하기 위한 제19항에 따른 상기 광도파로를 포함하는 조명기.
  21. 제20항에 따른 상기 조명기와, 상기 조명기로부터 출력된 광을 이용하여 화상을 표시하기 위한 디스플레이 패널을 포함하는 디스플레이 장치.
  22. 광을 산란시키는 광산란 부재이며,
    제1항에 따른 상기 광학 재료를 포함하는 광산란 부재.
  23. 디스플레이 패널의 후면 상에 마련된 디스플레이 장치용 조명기이며,
    서로 평행하게 배열된 복수개의 막대형 광원과,
    상기 복수개의 막대형 광원의 인접한 2개의 광원들 사이에 배치된 제22항에 따른 상기 광산란 부재를 포함하는 조명기.
  24. 제23항에 따른 상기 조명기와, 상기 조명기로부터 출력된 광을 이용하여 화 상을 표시하기 위한 디스플레이 패널을 포함하는 디스플레이 장치.
  25. 디스플레이 패널의 후면 상에 마련된 디스플레이 장치용 조명기이며,
    서로 평행하게 배치된 복수개의 막대형 부분과 상기 복수의 막대형 부분의 인접한 2개의 막대형 부분을 서로 연결하는 만곡부를 포함하는 적어도 하나의 광원과,
    상기 복수의 막대형 부분의 인접한 2개의 막대형 부분 사이에 배치된 제22항에 따른 상기 광산란 부재를 포함하는 조명기.
  26. 제25항에 따른 상기 조명기와, 상기 조명기로부터 출력된 광을 이용하여 화상을 표시하기 위한 디스플레이 패널을 포함하는 디스플레이 장치.
  27. 제1항에 따른 상기 광학 재료를 포함하는 조명기용 광원 홀더.
  28. 광원과, 상기 광원을 보유하기 위한 제27항에 따른 상기 광원 홀더를 포함하는 조명기.
  29. 제28항에 따른 상기 조명기와, 상기 조명기로부터 출력된 광을 이용하여 화상을 표시하기 위한 디스플레이 패널을 포함하는 디스플레이 장치.
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