KR100661241B1 - 광학 시트 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 의한 광학 시트 제조방법은, 투명 기판 상에 금속 박막이 증착되는 단계와; 상기 금속 박막이 증착된 기판에 소정 간격 이격되는 위치에 선편광자가 배치되는 단계와; 상기 선편광자를 통해 편광된 소정의 펄스 레이저 빔이 상기 금속 박막에 조사되는 단계와; 상기 편광된 펄스 레이저 빔의 조사에 의해 상기 투명 기판 상에 미세 간격의 금속 격자가 형성되는 단계가 포함되어 이루어짐을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 프리즘 시트 상에 미세한 격자 주기를 갖는 선격자 편광자가 구비되어 휘도 향상 시트로의 역할을 수행함으로써, 고휘도 액정표시장치를 구현할 수 있으며, 또한, 미세 피치를 갖는 선격자 편광자 필름을 저비용, 대면적으로 제조 가능하다는 장점이 있다.

Description

광학 시트 제조방법 {Fabrication method of optical sheet}
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 광학필름이 구비되는 액정표시장치 구성을 개략적으로 나타내는 단면도.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시예에 의한 광학필름을 제조하는 공정을 개략적으로 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 의해 형성된 금속 격자의 배열을 나타내는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
200: 선격자 편광자 필름 210 : 투명 기판
220 : 금속 박막 222 : 금속 격자
230 : 선편광자 240 : 레이저 광원
본 발명은 광학 시트 제조방법에 관한 것으로, 특히 액정표시장치의 백라이트 유닛에 구비되는 광학시트 중 휘도 향상 시트 등으로 사용되는 선격자 편광자(Wire Grid Polarizer)의 제조방법에 관한 것이다.
최근 들어 음극선관(Cathode Ray Tube)의 단점인 무게와 부피를 줄일 수 있 는 각종 평판표시장치들이 개발되고 있다.
이러한 평판표시장치들로는 액정표시장치(Liquid Crystal Display, LCD), 전계 방출 표시장치(Field Emission Display), 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel, PDP) 및 일렉트로 루미네센스(Electro??Luminescence, EL) 표시장치 등이 있으며, 이와 같은 상기 평판표시장치에 대해서 표시 품질을 높이고, 대화면화를 시도하는 연구들이 활발히 진행되고 있다.
상기 평판표시장치 중 액정표시장치(LCD)는 램프 등의 광원을 이용하여 화상을 표현하는 비발광형 표시장치로, 소형, 경량화 및 저소비 전력 등과 같은 장점을 가지고 있으며, 액정표시패널의 내부에 주입된 액정의 전기, 광학적 성질을 이용하여 정보를 표시하는 장치이다.
즉, 액정표시장치는 음극선관과는 달리 TFT 기판과 컬러필터 기판 사이에 주입된 액정물질이 자체 발광을 하는 발광성 물질이 아니라 외부에서 들어오는 광의 양을 조절하여 화면에 표시하는 수광성 물질이기 때문에 액정표시패널에 광을 조사하기 위한 별도의 장치, 즉 백라이트 유닛이 반드시 필요하다.
상기 백라이트 유닛은 수납공간이 형성된 몰드 프레임과, 수납공간의 기저면에 설치되어 액정표시패널 쪽으로 빛을 반사하는 반사시트, 반사시트에 상부면에 설치되어 빛을 안내하는 도광판, 도광판과 수납공간의 측벽 사이에 설치되어 빛을 발산하는 램프 유닛, 도광판의 상부면에 적층되어 빛을 확산하고 집광하는 광학시트들, 몰드 프레임의 상부에 설치되어 액정표시패널의 가장자리 소정부분에서부터 몰드 프레임의 측면까지를 덮는 탑샤시로 구성된다.
이 때, 상기 액정표시패널의 상, 하부에는 입사되는 광 중 특정 편광만을 투과토록 하는 편광판이 각각 구비되어 있으며, 상기 각각의 편광판은 그 편광축이 서로 90°를 이루도록 배치된다.
또한, 상기 광학시트들은 빛을 확산시키는 확산시트와, 확산시트의 상부면에 적층되어 확산된 빛을 집광시켜 액정표시패널로 전달하는 프리즘 시트 및 상기 확산시트와 프리즘 시트를 보호하기 위한 보호시트로 구성된다.
상기와 같은 구성을 갖는 액정표시장치의 경우 최초 램프 유닛으로부터 출사된 광의 세기는 최종적으로 액정표시패널로 입사되는 경우 도광판 및 광학시트 등을 거치면서 조금씩 상쇄되어 실제로 화면상에 디스플레이되는 휘도는 최초 광원의 수백분의 일 정도로 감소되는 문제점이 있다.
즉, 최근의 경향은 고휘도의 디스플레이 장치가 요구되고 있는바, 앞서 설명한 종래의 액정표시장치 백라이트 유닛 구조로는 이와 같은 최근의 경향을 뒷받침하지 못하는 단점이 있는 것이다.
이를 극복하는 방안 중의 하나로 프리즘 시트 상에 구비되는 보호시트를 휘도 향상 시트로 구현하는 방법이 있다.
상기 휘도 향상 시트로는 휘도향상 필름(Brightness Enhancement Film, 이하 BEF) 또는 확산 반사편광 필름(Diffuse Reflective Polarizer Film, 이하 DRPF)가 일반적으로 사용되고 있다.
이와 같은 휘도 향상 시트는 상기 프리즘 시트를 통과하는 빛 중 액정표시패널의 하부에 구비되는 하측 편광판에 의해 투과되는 특정 편광만 입사되도록 하기 위해, 상기 특정 편광은 투과시키고, 나머지 다른 편광은 반사시킨 후 특정 편광으로 변환되어 재 투과시키는 역할을 수행하는 것이다.
이 때 상기 특정 편광은 상기 하부 편광판을 투과하는 편광이 되는 것이며, 이는 종파(P파) 또는 횡파(S파)가 될 수 있고, 이에 대해 다른 편광은 각각 횡파(S파) 또는 종파(P파)가 된다.
이를 통해 종래의 백라이트 유닛의 경우 필요치 않아 버려지는 편광을 재활용하게 되어 전체적인 휘도 향상 효과를 이룰 수 있는 것이다.
그러나, 종래의 휘도 향상 시트는 특정 편광의 투과 효율 및 나머지 다른 편광의 반사 효율이 그다지 높지 않다는 단점이 있었다.
본 발명은 액정표시장치의 백라이트 유닛에 구비되는 광학시트에 있어서, 프리즘 시트 상에 미세한 격자 주기를 갖는 선격자 편광자가 구비되어 휘도 향상 시트로의 역할을 수행함으로써, 고휘도 액정표시장치를 구현할 수 있도록 하는 광학 시트 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
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상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 의한 광학 시트 제조방법은, 투명 기판 상에 금속 박막이 증착되는 단계와; 상기 금속 박막이 증착된 기판에 소정 간격 이격되는 위치에 선편광자가 배치되는 단계와; 상기 선편광자를 통해 편광된 소정의 펄스 레이저 빔이 상기 금속 박막에 조사되는 단계와; 상기 편광된 펄스 레이저 빔의 조사에 의해 상기 투명 기판 상에 미세 간격의 금속 격자가 형성되는 단계가 포함되어 이루어짐을 특징으로 한다.
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앞서 설명한 종래의 휘도 향상 시트의 문제점을 극복하기 위해 최근 상기 휘도 향상 시트로 선격자 편광자(Wire Grid Polarizer) 필름을 사용하는 것이 대두되고 있다.
상기 선격자 편광자 필름은 나란하게 배열된 금속 선(wire)이 전자기파를 편광에 따라 선택적으로 투과시키거나 반사시키는 원리를 이용하는 것으로, 입사되는 전자기파의 반파장보다 상기 금속 선 배열의 주기가 짧을 경우, 상기 금속 선과 평행한 편광 성분(일 예로 s파)은 반사되고, 수직한 편광 성분(일 예로 p파)은 투과하게 된다.
이러한 상기 선격자 편광자의 성능은 편광 소멸비(polarization extinction ratio)와 투과율로써 나타낼 수 있으며, 선격자 편광자가 높은 편광 소멸비를 가지기 위해서는 금속 격자의 주기가 입사광의 파장에 비해 상당히 짧아야 한다는 전제조건이 있다.
단, 상기 선격자 편광자의 금속 격자 주기가 짧을수록 그 제작이 어려워지기 때문에 현재까지 선격자 편광자 필름은 주로 마이크로파 또는 적외선 영역에서 제작되어 사용되었었다.
이에 최근 반도체 제조 장비와 노광기술의 발달로 인해 상기 금속 격자에 대한 미세 패턴 제작이 가능해짐에 따라 가시광선에서 동작하는 선격자 편광자의 제작이 가능하게 되었다.
사람이 눈으로 감지할 수 있는 가시광선 영역은 보통 400 ~ 700nm 까지의 파 장대이다. 이에 따라 가시광선 영역에서 동작하는 선격자 편광자는 금속격자의 주기가 적어도 200nm 이하는 되어야 소정의 편광 특성을 기대할 수 있게 되며, 종래의 휘도 향상 시트보다 우수한 성능을 구현하기 위해서는 약 100nm 정도의 주기를 갖는 금속 격자를 형성할 수 있어야 한다.
그러나, 종래의 가시광선 영역에서 사용되는 선격자 편광자는 미세한 격자 주기로 인해 그 제작에 어려움이 있으며, 반도체 공정을 이용하기 때문에 기판의 재료와 크기 등에서 큰 제약을 받게 된다는 단점이 있다.
이에 본 발명은 금속 증착 공정 및 레이저 조사 공정을 이용하여 미세한 격자 주기를 갖는 선격자 편광자 필름을 저가로 대면적 제조가 가능함을 그 특징으로 한다.
즉, 본 발명은 필름 또는 기판 위에 금속 박막을 증착하고, 상기 금속 박막층에 편광된 펄스 레이저 빔(Pulse Laser Beam)을 조사하여 미세 간격의 금속 격자가 형성되는 선격자 편광자에 관한 것으로, 또한, 상기 금속 격자의 구조를 보호하기 위해 그 상부에 보호필름이 형성되거나, 투명한 액상의 수지를 도포한 후 경화시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 광학필름이 구비되는 액정표시장치 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
단, 본 발명의 실시예에 의한 광학필름은 액정표시장치에 구비되는 휘도 향 상 시트로서, 미세 간격의 금속 격자가 형성되는 선격자 편광자 필름이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 액정표시장치(60)는 광을 발생하는 백라이트 유닛(50), 상기 백라이트 유닛(50)의 상측에 구비되고, 상기 백라이트 유닛(50)로부터 광을 공급받아 영상을 표시하는 디스플레이 유닛(40)을 포함한다.
상기 백라이트 유닛(50)는 광을 발생하는 램프 유닛(51), 상기 램프 유닛(51)으로부터의 광을 상기 액정표시패널(10) 측으로 가이드하기 위한 도광 유닛을 구비한다.
한편, 상기 디스플레이 유닛(40)은 액정표시패널(10) 및 상기 액정표시패널(10)의 상부 및 하부에 각각 구비되는 상측 및 하측 편광판(30, 20)으로 이루어지며, 상기 액정표시패널(10)은 전극이 형성된 TFT 기판 및 컬러필터 기판(11, 12)과 상기 TFT 기판 및 컬러필터 기판(11, 12)의 사이에 주입된 액정층(미도시)으로 이루어진다.
구체적으로, 상기 램프 유닛(51)은 광을 발생하는 램프(51a) 및 상기 램프(51a)를 감싸는 램프 반사판(51b)을 포함한다. 상기 램프(51a)로부터 발생된 광은 후술되는 도광판(52) 측으로 입사되고, 상기 램프 반사판(51b)은 상기 램프(51a)로부터 발생된 광을 도광판(52) 측으로 반사시켜서 상기 도광판(52)으로 입사되는 광의 양을 향상시킨다.
상기 도광 유닛은 반사판(54), 도광판(52), 광학 시트류(53)를 포함한다. 상기 도광판(52)은 상기 램프 유닛(51)의 일측에 구비되고, 상기 램프 유닛(51)으로부터의 광을 가이드한다. 이 때, 상기 도광판(52)은 상기 램프 유닛(51)으로부터 출사된 광의 경로를 변경하여 상기 액정표시패널(10)측으로 가이드한다.
상기 도광판(52)의 하부에는 상기 도광판(52)으로부터 누설된 광을 다시 상기 도광판(52)측으로 반사하기 위한 반사판(54)이 구비된다.
한편, 상기 도광판(52)의 상부에는 상기 도광판(52)으로부터 출사된 광의 효율을 향상시키기 위한 다수의 광학 시트(53)가 구비된다. 구체적으로, 상기 광학 시트는 확산 시트(53a), 프리즘 시트(53b) 및 휘도 향상 시트(53c)로 이루어지고, 상기 도광판(52)의 상부에 순차적으로 적층된다.
상기 확산 시트(53a)는 상기 도광판(52)으로부터 입사되는 광을 산란하여 광의 휘도 분포를 고르게 하며, 상기 프리즘 시트(53b)는 상부면에 삼각 기둥 모양의 프리즘이 반복적으로 형성된다.
또한, 상기 프리즘 시트(53b) 상부에 구비되는 휘도 향상 시트(53c)는 상기 프리즘 시트(53b)를 통과하는 빛 중 액정표시패널의 하부에 구비되는 하측 편광판(20)에 의해 투과되는 특정 편광만 입사되도록 하기 위해, 상기 특정 편광은 투과시키고, 나머지 다른 편광은 반사시킨 후 특정 편광으로 변환되어 재 투과시키는 역할을 수행하는 것이다.
이 때 상기 특정 편광은 상기 하부 편광판(20)을 투과하는 편광이 되는 것이며, 이는 종파(P파) 또는 횡파(S파)가 될 수 있고, 이에 대해 다른 편광은 각각 횡파(S파) 또는 종파(S파)가 된다.
본 발명은 상기 프리즘 시트(53b) 상부에 놓이는 휘도 향상 시트(53c)가 미세 간격의 금속 격자가 형성되어 있는 선격자 편광자 필름임을 그 특징으로 하고, 특히 상기 선격자 편광자 필름을 제조함에 있어 금속 증착 공정 및 레이저 조사 공정을 이용하여 미세한 격자 주기를 갖는 선격자 편광자 필름을 저가로 대면적 제조가 가능하게 된다.
즉, 본 발명에 의한 광학필름은 투명 시트(기판 또는 필름) 위에 금속 박막을 증착하고, 상기 금속 박막층에 편광된 펄스 레이저 빔(Pulse Laser Beam)을 조사하여 미세 간격의 금속 격자가 형성되어 앞서 설명한 휘도 향상 시트 역할을 수행하게 되는 것이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시예에 의한 광학필름을 제조하는 공정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
먼저 도 2a에 도시된 바와 같이, 투명 기판(210) 상에 금속 박막(220)이 증착된다.
상기 금속 박막(220) 증착에 사용되는 적절한 금속 재료는 금 또는 은과 같이 전기 전도도 및 반사율이 우수한 재료가 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 알루미늄 등과 같이 저가의 금속 재료의 사용도 가능하다.
또한, 상기 금속 박막(220)이 증착되는 기판(210)은 그 목적에 따라 다양하게 선택될 수 있다.
즉, 예를 들면 폴리머 재질의 열적 변형온도 이상의 범위에서 사용될 경우에는 유리기판을 적용할 수 있고, 그 이외의 경우 PET 등의 일반적인 투명 수지재를 주원료로 하는 필름을 사용할 수 있는 것이다.
다음으로는 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 금속 박막(220)이 증착된 기판 (210)에 소정 간격 이격되는 위치에 선편광자(230)를 배치하고, 상기 선편광자를 통해 편광된 소정의 펄스 레이저 빔이 상기 금속 박막(220)에 조사된다.
즉, 본 발명은 금속 박막(220)에 선편광된 펄스 레이저 빔이 조사됨으로써, 상기 금속 박막(220)의 표면에 미세 패턴의 금속 격자(222)가 형성되는 원리를 이용하여 선격자 편광자를 제조하는 것이다.
다시 말하면, 상기 배치된 선편광자에 의해 특정 방향으로 편광된 레이저 빔은 상기 기판 상에 증착된 금속 박막(220)을 부분적으로 제거(ablation)하게 되고, 이러한 현상에 의해 형성되는 금속 격자(222) 패턴은 상기 배치된 선편광자의 편광축과 수직한 형태로 이루어지게 된다.
즉, 상기 배치된 선편광자(230)의 편광축을 조정함으로써, 원하는 방향으로 본 발명에 의한 선격자 편광자의 선격자 편광 패턴(금속 격자(222)의 패턴)을 형성할 수 있는 것이다.
또한, 상기 사용되는 레이저 광원(240)은 금속 박막(220)이 증착된 기판(210)의 내열온도, 원하는 선격자 편광 패턴의 주기 등에 따라 적절히 선택할 수 있으며, 이에 따라, 본 발명에 의한 선편광 편광자 필름에 형성되는 금속 격자(222)의 패턴 주기는 상기 금속 박막(220)에 입사되는 소정 주파수 대역의 레이저 광의 파장과 입사각도, 거리 등을 적절히 조정함으로써 원하는 격자 주기를 얻을 수 있게 되는 것이다.
또한, 상기 레이저 광원(240)을 발생시키는 장치에는 집속용 렌즈 또는 f-θ 렌즈, 혹은 빔 익스펜더(beam expender)와 같은 광학 부품이 채용될 수 있으며, 이 경우 상기 선형 편광자를 위치시킨 상태에서 레이저 빔을 조사하게 되면 보다 미세한 패턴의 격자 주기를 얻을 수 있다.
여기서, 상기 광학부품들은 상기 레이저 광을 고르게 확산시킬 수 있도록 하는 부품임을 특징으로 한다.
이 때, 사용하는 레이저 빔의 세기는 선격자 편광자 필름의 제작 속도를 감안하여 조절이 필요하다. 이는 레이저 빔이 과도하게 집속되거나, 과도한 세기를 갖는 경우 원하는 격자 주기를 얻기 어려울 수 있으며, 반면에 레이저 펄스 폭이 너무 넓을 경우에도 과도한 열전달로 인해 원하는 격자 주기를 얻기 어려울 수 있기 때문이다.
따라서, 상기 레이저 빔의 과도한 열전달을 줄이기 위해서는 레이저 펄스의 폭이 짧은 것이 유리하다.
이에 따라 수 나노세컨(nano second)보다 짧은 펄스의 레이저 광이 필요하며, 수 피코세컨(pico second)보다 짧은 펄스의 레이저 광이 더 바람직하다.
본 발명의 경우 도시된 바와 같이 상기 레이저 광원을 펨토세컨(Femtosecond : 10-15초) 레이저 광원을 사용하는 것을 그 예로 한다.
여기서, 상기 펨토세컨 레이저 광원을 사용하는 이유는 짧은 시간에 밀(dense)한 에너지를 전달함으로써, 폴리머 기판에 대한 열적 손상(thermal damage)를 줄일 수 있기 때문이다.
도 2c는 상기 조건에 의해 상기 선편광자를 통해 편광된 소정의 펄스 레이저 빔이 상기 금속 박막에 조사되어 생성된 선격자 편광자 필름(200)이 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 상기 형성되는 미세 간격의 금속 격자(222)는 상기 금속 박막에 조사되는 레이저 빔 즉, 편광된 펄스 레이저 빔(Pulse Laser Beam)의 편광방향에 수직하는 방향으로 배열되어 있다.
단, 상기 금속 격자(222)의 주기(T)는 앞서 설명한 바와 같이 조사되는 레이저 빔의 파장, 입사각도에 따라 변화될 수 있음을 그 특징으로 하며, 이는 도 3(a) 내지 도 3(d)에 도시된 금속 격자 배열에 대한 사진을 통해 확인할 수 있다.
이와 같이 편광된 레이저 빔을 사용하여 제작된 본 발명에 의한 선격자 편광자 필름(200)은 상기 형성된 금속 격자를 보호하기 위해 그 표면에 보호 필름(미도시)을 부착하거나, 투명한 수지의 레진으로 표면을 도포한 후, 이를 경화시키는 것이 바람직하다.
단, 상기 표면 보호를 위해 액상의 투명한 수지재료를 도포하여 경화시키는 데 있어서, 경화 방법으로는 열에 의한 경화, 광에 의한 경화 등 어느 방법을 사용해도 무방하나, 경화 속도를 고려할 경우 광 특히 UV에 의한 경화를 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 선격자 편광자를 제작함에 있어, 이는 roll to roll 또는 in line 방식에 의해 제조하는 것이 효율적이다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 프리즘 시트 상에 미세한 격자 주기를 갖는 선 격자 편광자가 구비되어 휘도 향상 시트로의 역할을 수행함으로써, 고휘도 액정표시장치를 구현할 수 있으며, 또한, 미세 피치를 갖는 선격자 편광자 필름을 저비용, 대면적으로 제조 가능하다는 장점이 있다.

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  8. 투명 기판 상에 금속 박막이 증착되는 단계와;
    상기 금속 박막이 증착된 기판에 소정 간격 이격되는 위치에 선편광자가 배치되는 단계와;
    상기 선편광자를 통해 편광된 소정의 펄스 레이저 빔이 상기 금속 박막에 조사되는 단계와;
    상기 편광된 펄스 레이저 빔의 조사에 의해 상기 투명 기판 상에 미세 간격의 금속 격자가 형성되는 단계가 포함되어 이루어짐을 특징으로 하는 광학시트 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 금속 격자는 상기 배치된 선편광자에 의해 특정 방향으로 편광된 레이저 빔에 의해 상기 기판 상에 증착된 금속 박막이 부분적으로 제거(ablation)되어 형성됨을 특징으로 하는 광학 시트 제조방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 금속 격자의 배열 방향은 상기 배치된 선편광자의 편광축과 수직한 형태로 이루어짐을 특징으로 하는 광학 시트 제조방법.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 금속 격자의 패턴 주기는 상기 금속 박막에 입사되는 소정 주파수 대역의 레이저 광의 파장과 입사각도 및 거리와 대응되는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광학 시트 제조방법.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 조사되는 편광 펄스 레이저 빔의 광원으로 펨토세컨 레이저 광원이 사용됨을 특징으로 하는 광학 시트 제조방법.
  13. 제 8항에 있어서,
    상기 금속 격자의 표면을 보호하기 위해 금속 격자 표면에 보호 필름이 형성되는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 광학 시트 제조방법.
  14. 제 8항에 있어서,
    상기 금속 격자의 표면을 보호하기 위해 금속 격자 표면에 투명 수지의 레진이 도포된 후 경화되는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 광학 시트 제조방법.
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