KR100667817B1 - 직하발광형 백라이트 유닛 및 이를 적용한 칼라 필터를사용하지 않는 액정표시장치 - Google Patents

직하발광형 백라이트 유닛 및 이를 적용한 칼라 필터를사용하지 않는 액정표시장치 Download PDF

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Abstract

기판 상에 기울어지게 배치된 복수의 발광 소자, 발광 소자로부터 입사된 광을 파장에 따라 서로 다른 회절각으로 회절시켜 복수의 칼라광으로 분리하는 회절 그레이팅, 복수의 발광소자 일측에 배치되어 발광소자로부터 출사되어 회절 그레이팅으로 입사되는 광의 각도 범위를 좁혀주는 반사기를 포함하는 것을 특징으로 하는 직하발광형 백라이트 유닛 및 이를 적용한 칼라 필터를 사용하지 않는 액정표시장치가 개시되어 있다.

Description

직하발광형 백라이트 유닛 및 이를 적용한 칼라 필터를 사용하지 않는 액정표시장치{Backlight unit of direct light type and color filterless liquid crystal display apparatus employing the same}
도 1은 일반적인 회절 그레이팅에서의 파장에 따른 광의 분리를 보여준다.
도 2는 본 발명에 따른 직하발광형 백라이트 유닛 및 이를 적용한 칼라 필터가 없는 액정표시장치를 보여준다.
도 3a 및 도 3b는 반사기의 길이를 약 3mm로 하였을 때의 시뮬레이션 결과를 보인 것으로, 도 3a는 백라이트 유닛 내에서의 광선 트레이싱(ray tracing)이고, 도 3b는 회절 그레이팅으로 입사하는 광의 각도 분포를 보여준다.
도 4a 및 도 4b는 반사기의 길이를 약 30mm로 하였을 때의 시뮬레이션 결과를 보인 것으로, 도 4a는 백라이트 유닛 내에서의 광선 트레이싱(ray tracing)이고, 도 4b는 회절 그레이팅으로 입사하는 광의 각도 분포를 보여준다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100...백라이트 유닛 110...기판
115...장착홈 115a...탑재면
115b...경사면 120...발광소자
130...반사기 135...확산판
140...회절 그레이팅 145,158...편광기
149...실린드리컬 렌즈 어레이 150...액정 패널
151,157...투명기판 153...액정층
155...광학소자
본 발명은 직하발광형 백라이트 유닛 및 이를 적용한 액정표시장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 칼라 분리가 가능한 직하발광형 백라이트 유닛 및 이를 적용하여 칼라 필터가 불필요한 액정 표시장치에 관한 것이다.
일반적으로 노트북, 데스크탑 컴퓨터, LCD-TV, 이동통신단말기 등에는 평판 표시장치(flat panel display) 중 하나인 액정 표시장치(liquid crystal display:LCD)가 사용된다. 이 액정 표시장치는 그 자체가 발광하여 화상을 형성하지 못하고, 외부로부터 광이 입사되어 화상을 형성하는 수광형 표시장치의 일종으로, 액정 패널 이외에 백라이트 유닛이 필요하다. 백라이트 유닛은 액정표시장치의 배면에 설치되어 광을 조사한다.
액정 패널은 백라이트 유닛에서 제공되는 백색광을 단순히 통과 또는 차단시키는 기능만을 하기 때문에, 액정 표시장치에서 칼라를 구현하기 위해서는 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 광만을 각각 투과시키는 칼라 필터가 필요하다. 그런데, 칼라 필터의 각 칼라 요소는 액정 패널을 통과한 R, G, B 영역의 광 중에서 어 느 한 영역의 광만을 통과시키기 때문에 투과율이 30% 정도에 불과하다. 다른 광학 부품들의 광손실까지 고려하면, 백라이트 유닛에서 방출된 광의 10% 이하만이 시청자에게 전달되며, 이러한 액정 표시장치의 광손실 중 칼라 필터에 의한 광손실이 가장 큰 비중을 차지한다. 또한, 칼라 필터의 성능에 따라 액정 표시장치의 색재현성이 현저하게 차이가 난다. 더욱이, 칼라 필터는 단가가 높아 액정 표시장치의 제조 비용 상승을 초래한다.
따라서, 이러한 문제점을 개선하기 위하여, 칼라 필터를 사용하는 대신 회절 그레이팅을 적용하여 칼라 분리를 함으로써 칼라 화상을 형성하는 기술이 제안되고 있다.
한편, 백라이트 유닛은 광원의 배치 형태에 따라서, 액정 표시장치의 바로 아래에 설치된 다수의 광원으로부터의 광을 액정 패널에 조사하는 직하발광형(direct light type)과, 도광판(LGP: light guide panel)의 측벽에 설치된 광원으로부터의 광을 액정 패널에 전달하는 가장자리 발광형(edge light type)으로 크게 분류될 수 있다.
미국 공개특허 2005-41174호에는 칼라 필터를 사용하지 않고 칼라 구현을 할 수 있는 액정표시장치가 개시되어 있다. 상기 특허에 개시된 종래의 액정표시장치는, 가장자리 발광형 백라이트 유닛을 구비하는 것으로, 도광판(LGP)의 측부에 설치된 광원에서 출사되고 도광판에 의해 가이드되어 소정 각도로 입사되는 광을 회절 그레이팅(Diffraction Grating)에 의해 서로 다른 출사각의 R, G, B 광으로 분리한다. 이러한 R, G, B광의 분리는 회절 그레이팅의 회절 특성을 이용한다.
이렇게 분리된 R, G, B광은 실린드리컬 렌즈 어레이를 통하여 액정 패널내의 칼라 필터 위치에 대응하는 영역에 도달하게 된다. 이때, 각 영역별로 R, G, B광이 분리되어 도달하므로, 일반적인 액정 패널에서 반드시 필요했던 칼라 필터를 제거할 수 있다.
그런데, 상기 특허에 개시된 종래의 칼라 필터를 사용하지 않는 액정표시장치(Color filterless LCD)는 그 활용 범위가 소형 표시장치만으로 한정되는 문제점이 있다. 그 이유는 다음과 같다.
도 1은 일반적인 회절 그레이팅(1)에서의 파장에 따른 광의 분리를 보여준다.
도 1을 참조하면, 회절 그레이팅(1)에 입사되는 광의 입사각(α)이 작아지면 분리된 R, G, B 광의 출사각(βR, βG, βB)이 모두 큰 양의 값을 가지게 되어, R, G, B 광으로 분리가 되더라도, 기존 칼라 필터의 위치에 칼라별로 영역 분리된 R, G, B 광을 정확히 맞추기 어렵다.
따라서, 광의 입사각(α)은 클수록 유리하다. 결국, 요구되는 R, G, B 칼라 위치에 맞게 R, G, B광을 정확히 분리하려면, G 광은 0°의 출사각을 가지는 것이 가장 유리하며, R광과 B광은 이에 대해 대략 서로 대칭이 되고, 칼라별 영역 분리가 가능한 출사각을 갖는 것이 유리하다. 예를 들어, R 광은 -10°, B광은 +10° 또는 R 광은 -8°, B 광은 +8°와 같이 영역 분리가 가능한 출사각을 가져야 한다.
따라서, 현재까지 본 기술분야에서 알려진 칼라 필터를 사용하지 않는 액정 표시장치는 약 60°∼ 90°의 상당히 큰 광의 입사각을 얻기 위하여, 도광판을 사용하는 가장자리 발광형 백라이트 유닛을 사용하였다.
그런데, 가장자리 발광형 백라이트 유닛에서는 회절 그레이팅으로 입사되는 광을 최적의 입사각을 가지고 입사되도록 제어하는 것이 어렵고, 도광판을 사용하여 일 방향에서 타방향으로 광을 가이드하기 때문에 넓은 도광판의 끝까지 고르게 광을 전달하기가 어려워 광균일도 확보에 어려움이 있으며, 이러한 문제점으로 인해 액정표시장치의 대형화에 한계가 있다.
일반적으로, 도광판을 사용하는 가장자리 발광형 백라이트 유닛은 소형 액정표시장치에서만 사용 가능하며, 중대형 액정표시장치에서는 주로 직하발광형 백라이트 유닛을 사용한다.
따라서, 직하발광형 백라이트 유닛을 사용하는 중대형 액정표시장치에서도 칼라 필터가 없는 액정표시장치의 구현이 가능하려면, 회절 그레이팅에 적합한 입사각에 해당하는 빔을 만들어줄 필요가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 중대형 액정표시장치에서도 칼리 필터가 없는 액정표시장치의 구현이 가능하도록 회절 그레이팅에 적합한 입사각에 해당하는 빔을 만들어줄 수 있는 직하발광형 백라이트 유닛 및 이를 적용한 칼라 필터를 사용하지 않는 액정표시장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 직하발광형 백라이트 유닛은, 기 판 상에 기울어지게 배치된 복수의 발광 소자; 상기 발광 소자로부터 입사된 광을 파장에 따라 서로 다른 회절각으로 회절시켜 복수의 칼라광으로 분리하는 회절 그레이팅; 상기 복수의 발광소자 일측에 배치되어, 상기 발광소자로부터 출사되어 상기 회절 그레이팅으로 입사되는 광의 각도 범위를 좁혀주는 반사기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 발광 소자는 발광 다이오드 및 냉음극 형광램프 중 어느 하나일 수 있다.
상기 기판에 기울어진 탑재면을 가지는 장착홈들이 배열되고, 상기 발광 소자가 탑재면에 탑재되어, 기울어지게 배치된다.
상기 장착홈은 상기 탑재면과 소정 각도를 이루는 경사면;을 더 포함하며, 상기 반사기는 대응하는 발광소자 일측에 위치되도록, 상기 장착홈의 경사면과 마주하도록 설치된다.
상기 발광소자는 상기 기판에 대해 대략 5° 내지 20°의 각도를 이룰 수 있다.
상기 발광소자의 배열과 상기 회절 그레이팅 사이에 입사광을 확산시키는 확산판;을 더 구비할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 칼라 필터 없이 칼라 화상을 구현하는 액정 표시 장치에 있어서, 액정층을 구비하며, 칼라 필터를 가지지 않는 액정 패널; 상기 액정 패널의 하부에 배치되어, 상기 액정 패널에 광을 조사하는 상기한 특징점 중 적어도 어느 하나를 포함하는 백라이트 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
실린드리컬 렌즈 어레이를 더 구비하여, 상기 회절 그레이팅으로부터 나온 광을 액정 패널에 집속시키도록 된 것이 바람직하다.
상기 실린드리컬 렌즈 어레이는 상기 액정 패널의 배면에 마련된 것이 바람직하다.
상기 액정 패널은 그 사이에 상기 액정층이 위치되는 두 투명 기판을 구비하며, 상기 회절 그레이팅과 액정 패널 사이에 마련된 제1편광기와; 상기 액정 패널의 전면에 마련된 제2편광기를 포함할 수 있다.
상기 액정 패널은, 상기 액정층을 통과한 광이 나란하게 진행하도록 하는 광학소자;를 더 구비할 수 있다.
상기 광학소자는 회절광학소자 및 프리즘 소자 중 어느 하나일 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명에 따른 직하발광형 백라이트 유닛 및 이를 적용한 칼라 필터를 사용하지 않는 액정표시장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 직하발광형 백라이트 유닛 및 이를 적용한 칼라 필터가 없는 액정표시장치를 보여준다. 액정표시장치는 백라이트 유닛(100)과 액정 패널(150)을 포함한다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 백라이트 유닛(100)은 칼라 화상을 형성하는 액정 패널(150)의 하부에 위치하도록 기판(110) 상에 기울어지게 배치된 복수의 발광소자들(120)과, 발광소자(120)로부터 출사되어 색광 분리기 예컨대, 회절 그레 이팅(140)으로 입사되는 광의 각도 범위를 좁혀주는 반사기(130)를 포함하여 구성된다. 상기 회절 그레이팅(140)은 상기 발광소자들(120)로부터 입사된 광을 파장에 따라 서로 다른 회절각으로 회절시켜 복수의 칼라광으로 분리하기 위한 것이다. 상기 회절 그레이팅(140)은 백라이트 유닛(100)의 한 구성요소로서 포함될 수도 있으며, 백라이트 유닛(100)과는 별개의 액정표시장치의 한 구성요소로 볼 수도 있다. 이하에서는 편의상 상기 회절 그레이팅(140)이 본 발명에 따른 직하발광형 백라이트 유닛(100)의 일부 구성요소인 것으로 설명한다.
상기 발광소자들(120)은 그로부터 출사된 광이 회절 그레이팅(140)에 의해 회절될 때, 칼라별 영역 분리가 가능한 출사각으로 회절되는데 요구되는 큰 입사각을 갖도록, 기판(110)에 소정 각도로 기울어지게 배치된다. 이에 의해 발광소자들(120)로부터 출사되는 대부분의 광은 상기 회절 그레이팅(140)에 소정 각도(α)로 기울어져 입사된다. 여기서, 상기 소정 각도(α)는 발광소자(120)로부터 출사되는 중심 광이 회절 그레이팅(140)에 입사되는 각도이고, 상기 중심 광은 발광소자(120)의 중심축을 따르는 광이다. 발광소자(120)가 기판(110)에 수직한 방향에 기울어진 각도는 광이 회절 그레이팅(140)에 입사하는 각도에 해당한다.
여기서, 전술한 바와 같이, 예를 들어, 회절 그레이팅(140)에 의해 회절되어 칼라별로 분리된 R, G, B 광 중, G 광은 0°의 출사각을 가지고, R 광과 B 광은 이에 대해 대략 서로 대칭이 되고, 상기 R, G, B 광이 칼라별 영역 분리가 가능한 출사각을 가질 수 있도록, 상기 발광소자들(120)이 기판(110)에 기울어지게 배치되는 것이 바람직하다. 여기서, 칼라별 영역 분리가 가능한 R 광과 B 광의 출사각은 예 를 들어, 전술한 바와 같이 +10°, -10°또는 +8°, -8°가 될 수 있다.
발광소자들(120)을 기울어지게 배치하기 위해 기판(110) 상에 대략 상기 소정 각도(α)로 기울어진 탑재면(115a)(110a)을 가진 장착홈(115)을 형성하고, 이 탑재면(115a)(110a)에 발광소자들(120)을 장착한다. 이에 의해 그레이팅에 대해 최적의 입사각을 가지고 입사되도록 제어된 광을 출사하는 발광소자들(120)을 가지는 백라이트 유닛(100)을 얻을 수 있다.
상기 최적의 입사각은 전술한 바와 같이 상당히 큰 각도가 된다. 따라서, 상기 장착홈(115)은 발광소자(120)가 기판(110)에 대해 예를 들어, 대략 5°내지 20°의 각도 보다 바람직하게는, 10°내지 20°의 각도를 이룰 수 있도록 마련될 수 있다.
발광소자(120)의 중심축이 탑재면(115a)과 대략 수직을 이룬다고 가정할 때, 상기 탑재면(115a)이 기판(110)에 대해 이루는 각도는 α이므로, 발광소자(120)가 기판(110)에 대해 이루는 각도는 90°-α가 된다. 따라서, 발광소자(120)가 기판(110)에 대해 예를 들어, 대략 5°내지 20°범위(제1범위)내의 각도를 이룰 때, 상기 탑재면(115a)은 기판(110)에 대해 대략 70°내지 95°범위(제2범위)내의 각도를 이룬다.
따라서, 상기 탑재면(115a)이 기판(110)에 대해 상기한 제2범위내의 각도를 이루도록 장착홈(115)을 형성하면, 발광소자(120)가 기판(110)에 대해 상기한 제1범위내의 각도를 이루도록 기울어지게 배치하는 것이 가능하다. 여기서, 발광소자(120) 또는 탑재면(115a)이 기판(110)에 대해 이루는 각도는, 기판(110)의 수평 방 향에 대해 이루는 각도이고, 기판(110)의 수평 방향은 백라이트 유닛(100)의 두께 방향에 수직이다.
발광소자(120)가 기판(110)에 대해 상기한 제1범위내의 각도를 이루도록 기판(110)에 기울어지게 배치하면, 회절 그레이팅(140)에서의 회절에 의해, 예를 들어, G 광이 대략적으로 0°의 출사각을 가지고, R 광과 B 광은 이에 대해 대략 서로 대칭이 되고, 칼라별 영역 분리가 가능한 출사각을 가지도록 할 수 있다.
상기 발광소자(120)로는 예를 들어, 발광 다이오드(LED) 또는 냉음극 형광램프(CCFL:cold cathod fluorescent lamp)를 사용할 수 있다. 상기 발광소자(120)로 발광 다이오드를 사용하는 경우, 각 라인당 다수의 발광 다이오드가 어레이로 배열되어, 전체적으로 2차원으로 복수의 라인을 이루도록 배열된다. 상기 발광소자(120)로 냉음극 형광램프를 사용하는 경우, 하나의 라인당 하나의 냉음극 형광램프가 배치되거나, 복수개의 냉음극 형광램프가 일렬로 배치될 수 있다.
여기서, 상기 발광 다이오드로는 특정 파장 대역의 광을 발광시키는 칼라 발광 다이오드나, 복수의 칼라 발광 다이오드 칩이 패키지화되어 백색광을 출사할 수 있도록 된 발광 다이오드를 사용할 수 있다. 칼라 발광 다이오드 예컨대, R, G, B 칼라 발광 다이오드를 사용하는 경우에는 각 라인에 이들을 교대로 배열하여 각 칼라 발광 다이오드로부터 발광되어 나온 칼라광이 혼합되어 백색광으로 만들어질 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 또 다른 예로서, 상기 발광 다이오드로 백색광을 출사하는 발광 다이오드 칩을 포함하는 발광 다이오드를 사용할 수도 있다.
한편, 회절 그레이팅(140)을 이용하여 색분리를 하는데, 회절 그레이팅(140) 으로 입사하는 광의 각도가 일정 각도 내로 유지되지 않으면 칼라가 섞이는 등의 문제가 발생할 수 있다. 상기 발광소자(120)에서는 발산광이 출사되므로, 발광소자(120)에서 출사된 광이 모두 그대로 회절 그레이팅(140)에 입사된다면, 회절 그레이팅(140)에 입사되는 광은 중심광의 입사각(α)에 대해 상당히 큰 범위의 입사각 분포를 나타내게 된다.
하지만, 본 발명에 따른 백라이트 유닛(100)은 상기 반사기(130)를 구비하므로, 회절 그레이팅(140)으로 입사하는 광의 각도 범위를 좁혀줄 수 있어 칼라가 섞이는 등의 문제가 발생하지 않는다.
상기 장착홈들(115)은 각각 탑재면(115a)과 소정 각도 예컨대, 직각 또는 그에 근접된 각도를 이루는 경사면(115b)을 가진다. 상기 반사기(130)는 이 경사면(115b)과 마주하도록 설치된다. 즉, 특정 탑재면(115a)에 탑재된 특정 발광소자(120)의 일측에는 반사기(130)가 위치되고 마주하는 반대쪽에는 경사면(115b)이 위치된다.
예를 들어, 일 장착홈의 경사면에 마주하는 반사기는 인접하는 다른 장착홈의 경사면에 설치된다. 이에 의해 각 반사기(130)는 각 장착홈(115)의 탑재면(115a)에 탑재되는 대응하는 발광소자(120) 일측에 위치하게 된다.
상기 반사기(130)는 예를 들어, 발광소자(120)의 중심축과 나란하거나 그에 대해 약간의 각도를 이루도록 배치될 수 있다. 상기 반사기(130)는 발광소자(120)로부터 발산되어 입사되는 광을 반사시킴으로써, 발광소자(120)로부터 출사되어 회절 그레이팅(140)으로 입사되는 광의 입사각 범위를 줄여준다.
상기 반사기(130)는 광을 충분히 가이드할 수 있도록 대응하는 탑재면(115a)에 대해 적정 길이만큼 예컨대, 10mm 이상 돌출되게 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 반사기(130)의 발광소자(120)를 향하는 면은 반사 코팅된 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 백라이트 유닛(100)에서 발광소자들(120)은 복수의 라인을 이루도록 배열되므로, 예를 들어, 상기 장착홈(115) 및 반사기(130)는 라인별로 하나씩 배치될 수 있다.
부가적으로, 각 반사기(130)의 반대면도 반사 코팅되는 것이 바람직하다. 이 경우, 이웃하는 라인에 위치된 발광소자로부터 출사된 광의 일부가 진행 도중에 다음 라인에 위치되는 반사기(130)의 반대면에 입사할 수도 있는데, 이러한 광까지도 상당량 회절 그레이팅(140)쪽으로 유도할 수 있는 이점이 있다.
다른 예로서, 상기 반사기(130)의 반대면은 반사 코팅되지 않을 수도 있다. 이 경우에도, 평평한 면에서는 입사광의 상당량이 반사될 수 있으므로, 반사기(130)는 이웃하는 라인에 위치된 발광소자로부터 출사된 광의 일부를 회절 그레이팅(140)쪽으로 유도하는데 사용될 수 있다.
한편, 발광소자(120)로부터 출사된 광의 일부는 직접적으로 경사면(115b)쪽으로 입사될 수 있으며, 반사기(130)에서 반사된 광도 대향하는 장착홈(115)의 경사면(115b)쪽으로 진행할 수 있다. 따라서, 상기 장착홈(115)의 경사면(115b)은 경면 처리되거나, 상기 반사기(130)가 상기 경사면(115b)의 거의 전체에 걸치도록 연장된 것이 바람직하다.
상기와 같은 발광소자(120)를 기울어지게 배치하기 위한 장착홈(115) 및 발 광소자(120)로부터 출사되어 진행하는 광의 입사각 범위를 좁혀주는 반사기(130)를 구비함에 의해, 회절 그레이팅(140)으로 입사되는 광의 각도 범위를 충분히 줄이는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명에 따른 백라이트 유닛(100)을 적용한 액정표시장치에서는, 칼라가 섞이는 등의 문제가 방지될 수 있다.
상기 회절 그레이팅(140)은 입사광을 파장에 따라 서로 다른 회절각으로 회절시켜, 입사광을 서로 다른 출사각의 복수의 칼라광 예를 들어 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)으로 분리한다.
상기 회절 그레이팅(140)에 의해 분리된 R, G, B광을 액정 패널(150)내의 기존 칼라 필터 위치에 칼라별로 영역 분리된 상태로 정확히 맞추기 위해서는, 광이 회절 그레이팅(140)에 최적의 입사각으로 입사될 수 있어야 한다. 상기 최적의 입사각은 탑재면(115a)이 기판(110)에 대해 이루는 각도(α)를 조절하여 발광소자(120)의 배치 각도를 조절함으로써 얻어질 수 있다.
상기 발광소자(120)를 기판(110)에 수직으로 배치하면, 발광소자(120)로부터 방사형으로 나오는 광이 모두 회절 그레이팅(140)으로 입사되기 때문에 회절 그레이팅(140)에 대해 대칭적인 방사각을 가지고 입사된다. 따라서, 발광소자(120)에서 출사된 광을 회절 그레이팅(140)에 대해 최적의 입사각을 가지고 입사되도록 제어하는 것이 어렵다.
하지만, 본 발명에서와 같이 발광소자(120)를 기판(110)에 대해 기울어지게 배치하면, 발광소자(120)로부터 출사되는 대부분의 광이 상기한 각도(α)의 입사각을 가지고 회절 그레이팅(140)에 입사된다. 따라서, 상기 각도(α)를 조절하여 회 절 그레이팅(140)에 대해 최적의 입사각을 가진 광이 회절 그레이팅(140)을 향해 입사되도록 제어할 수 있다. 여기서, 상기 최적의 입사각은, 회절 그레이팅(140)에 의해 회절되어 칼라별로 분리된 R, G, B 광 중, G 광은 0°의 출사각을 가지고, R 광과 B 광은 이에 대해 대략 서로 대칭이 되고, 상기 R, G, B 광이 칼라별 영역 분리가 가능한 출사각을 가지도록 하는 입사각이다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 반사기(130)를 구비함에 의해, 발광소자(120)로부터 회절 그레이팅(140)으로 입사되는 광의 각도 범위를 좁힐 수 있기 때문에, 회절 그레이팅(140)에 의한 색분리가 양호하게 이루질 수 있다.
회절 그레이팅(140)으로 입사하는 광의 각도가 일정 각도 범위 내로 유지되지 않으면 색광이 섞이는 등의 문제가 발생할 수 있는데, 본 발명에 따른 백라이트 유닛(100)에 따르면 이러한 문제가 생기지 않는다.
본 발명에 따른 백라이트 유닛(100)에서와 같이 반사기(130)를 구비한 경우에 회절 그레이팅(140)으로 입사하는 광의 각도 범위가 좁아질 수 있음을 보인 시뮬레이션 결과는 다음과 같다. 시뮬레이션은, 발광소자(120)를 기판(110)에 대해 대략 10°정도 기울어지게 배치한 경우에 대해, 반사기(130)가 없는 경우와 유사한 결과가 얻어지도록 반사기(130)를 3mm 정도로 짧게 형성한 경우와, 반사기(130)를 30mm 정도로 충분히 길게 한 경우에 대해 이루어졌다. 회절 그레이팅(140)으로 입사하는 광의 각도 분포는, 회절 그레이팅(140) 위치에 광검출기를 두고, 위치별로 광량을 측정하면 얻어질 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 반사기(130)의 길이를 약 3mm로 하였을 때의 시뮬레이션 결과를 보인 것으로, 도 3a는 백라이트 유닛(100) 내에서의 광선 트레이싱(ray tracing)이고, 도 3b는 회절 그레이팅(140)으로 입사하는 광의 각도 분포를 보여준다.
도 4a 및 도 4b는 반사기(130)의 길이를 약 30mm로 하였을 때의 시뮬레이션 결과를 보인 것으로, 도 4a는 백라이트 유닛(100) 내에서의 광선 트레이싱(ray tracing)이고, 도 4b는 회절 그레이팅(140)으로 입사하는 광의 각도 분포를 보여준다.
도 3a에 보여진 바와 같이 반사기(130)의 길이가 짧은 경우에는, 발광소자(120)에서 출사된 광이 회절 그레이팅(140)으로 입사하기 전까지 반사되는 횟수가 몇 번 되지 않는다. 이에 따라 광의 입사각 범위가 그다지 좁혀지지 않는다. 도 3b에 보여진 바와 같이, 회절 그레이팅(140)으로 입사하는 광은 약 20°∼ 90°까지 상당히 넓은 각도 분포를 가진다.
반면에, 도 4a에 보여진 바와 같이 반사기(130)의 길이가 긴 경우에는, 발광소자(120)에서 출사된 광이 회절 그레이팅(140)으로 입사하기 전까지 여러번 반사된다. 이에 따라 광의 입사각 범위가 상당히 좁혀진다. 도 4b에 보여진 바와 같이, 회절 그레이팅(140)으로 입사하는 광은 약 54°∼ 80°까지 각도 분포를 가진다.
도 3b 및 도 4b의 그래프를 비교하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 백라이트 유닛(100)에서와 같이, 발광소자(120)를 기판(110)에 대해 기울어지게 배치하고, 반사기(130)를 사용하면, 회절 그레이팅(140)으로 입사하는 광의 입사각 범위를 충분히 줄일 수가 있다.
한편, 본 발명에 따른 백라이트 유닛(100)은 발광소자(120)의 배열과 회절 그레이팅(140) 사이에 고른 화면 밝기 분포가 얻어지도록 입사광을 확산시키는 확산판을 더 구비할 수 있다. 확산판을 이용하면 균일도 문제가 해결되며, 상기 발광소자(120)로 칼라 발광 다이오드를 이용하는 경우, 칼라광의 혼합이 이루어질 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 백라이트 유닛(100)을 이용하여 칼라 필터 없이 칼라 화상을 구현하는 액정표시장치에 대해 설명한다.
다시 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 액정표시장치는 액정층(153)을 구비하며 칼라 필터를 가지지 않은 액정 패널(150)과, 이 액정 패널(150)의 하부에 배치되어 액정 패널(150)에 광을 조사하는 상기한 백라이트 유닛(100)을 포함하여 구성된다. 상기 액정표시장치는, 백라이트 유닛(100)의 회절 그레이팅(140)으로부터 나온 광을 액정 패널(150)에 집속시키는 실린드리컬 렌즈 어레이(149)를 더 구비하는 것이 바람직하다.
상기 액정 패널(150)은, 그 사이에 상기 액정층(153)이 위치되는 두 투명 기판(151)(157)을 구비한다. 회절 그레이팅(140)과 액정 패널(150) 사이에는 제1편광기(145)가 마련되고, 액정 패널(150)의 전면에는 제2편광기(158)가 마련된다. 여기서, 액정 패널(150)의 전면은 액정표시장치에 표시되는 화상을 보는 쪽, 액정 패널(150)의 배면은, 백라이트 유닛(100)이 설치되는 쪽을 의미한다. 상기 액정 패널(150)은 입력된 화상 신호에 따라 화소 단위로 액정층(153)을 스위칭 구동하여 화상을 형성하는 것으로, 상기 액정 패널(150)은, 칼라 필터가 없는 점을 제외하고는 일반적으로 널리 알려진 액정 패널(150)의 구성을 가질 수 있으므로, 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 실린드리컬 렌즈 어레이(149)는 상기 액정 패널(150)의 배면에 마련되는 것이 바람직하다. 상기 실린드리컬 렌즈 어레이(149)는, 하나의 실린드리컬 렌즈 시트로서, 상기 액정 패널(150)의 투명기판(151)과 일체로 형성될 수 있다.
도 2에 보여진 바와 같이, 상기 실린드리컬 렌즈 어레이(149)는, 회절 그레이팅(140)에 의해 분리된 R,G,B 광을 상기 액정 패널(150)의 각 화소의 서로 다른 영역에 포커싱하는 역할을 한다. 이때, 하나의 실린드리컬 렌즈소자(149a)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 액정 패널(150)의 하나의 화소와 대응하도록 배치되어, 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 광을 하나의 화소에 속하는 3개의 서브 화소(sub-pixels)에 각각 분배한다.
한편, 액정 패널(150)은 상기 액정층(153)을 통과한 광이 나란하게 진행하도록 하여, 시청자에게 보다 선명한 화질을 제공할 수 있도록 광학소자(155)를 더 구비하는 것이 바람직하다. 이러한 광학소자(155)로는, 회절광학소자 또는 프리즘소자를 구비할 수 있다. 상기 광학소자(155)는 도 2에 보여진 바와 같이, 전면 투명기판(157) 내측에 마련될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 칼라 필터가 불필요한 액정 표시장치에서의 광의 진행과정을 도 2에 도시된 구성을 참조로 설명한다.
먼저, 기판(110)에 기울어지게 설치된 발광소자(120)에서 출사된 백색광은 반사기(130) 등에 의해 그 각도 범위가 좁혀지고, 확산판(135)에 의해 그 밝기 분 포가 균일화된 상태로 회절 그레이팅(140)에 입사된다.
입사된 광은 회절 그레이팅(140)에 의해 파장에 따라 서로 다른 회절각으로 회절되어, R, G, B 광으로 분리되어 서로 다른 출사각으로 출사된다. 이 R, G, B광은 실린드리컬 렌즈 어레이(149)의 각 실린드리컬 렌즈 요소(149a)에 의해 액정 패널(150)의 액정층(153)에 서로 다른 칼라 영역을 형성하도록 집속된다. 마지막으로, 상기 액정층(153)을 통과한 광은, 광학소자(155)에 의해 나란하게 진행하여 시청자에게 인식된다.
본 발명에 따른 액정 표시 장치는 상기한 직하발광형 백라이트 유닛(100)을 구비하여 칼라필터 없이 칼라 화상을 구현할 수 있으므로, 제작 비용을 크게 낮출 수 있다. 이는 액정 패널(150)의 제조 비용 중 칼라 필터 제조 비용이 대략 20% 정도를 차지하는데, 본 발명에 따르면, 칼라 필터가 불필요하므로, 그만큼 액정 패널(150)의 제조단가를 낮출 수 있기 때문이다. 또한, 직하발광형 백라이트 유닛(100)을 사용하므로, 액정 패널(150)의 하부에 다수의 광원을 배열하는 것이 가능하므로 대형화하면서도 균일도가 보장된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 백라이트 유닛(100) 및 이를 적용한 칼라 필터가 불필요한 액정표시장치에 따르면, 발광소자(120)를 기판(110)에 대해 기울어진 형태로 배열하고, 발광소자(120) 일측에 광을 유도할 수 있는 반사기(130)를 설치하여, 회절 그레이팅(140)에 입사되는 광의 입사각도를 쉽게 제어할 수 있으며, 광의 입사각도 범위를 줄여줄 수 있으므로, 기존의 칼라 필터 위치에 칼라 별로 영역 분리된 R, G, B광을 정확히 맞출 수 있으며, 칼라가 섞이는 문제 등이 생기지 않는다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 칼라 필터가 없는 액정표시장치(Color filterless LCD)를 가장자리 발광형이 아닌 직하발광형에 적용할 수 있어 대형화가 가능하다.
또한, 기존의 칼라 필터가 없는 액정표시장치는 가장자리 발광형 백라이트 유닛을 이용하므로 휘도 증대에 한계가 있었으나, 본 발명에 따른 칼라 필터가 없는 액정표시장치는 직하 발광형 백라이트 유닛을 이용할 수 있게 됨으로써 그 한계를 극복할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 직하 발광형 백라이트 유닛 제작시 발광소자로 R, G, B 발광소자를 이용하면, NTSC 기준 100% 이상의 색재현율을 얻을 수 있다.
한편, 단지 발광소자만을 기울여서 회절 그레이팅에 입사되는 광의 입사각을 제어하는데는 한계가 있는데, 본 발명에 따르면, 반사기를 사용하여, 광의 출사각 폭을 일정한 각도 내에서 제어할 수 있다.
이상에서는 도 2를 참조로 본 발명에 따른 백라이트 유닛 및 이를 적용한 칼라 필터를 가지지 않는 액정표시장치에 대해 설명하였는데, 도 2는 본 발명의 일 실시예를 보인 것일뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 직하발광형 백라이트 유닛에 따르면, 칼리 필터가 없는 액정표시장치의 구현이 가능하도록 회절 그레이팅에 대해 적합한 입사 각에 해당하는 빔을 만들어줄 수 있으며, 광의 입사각도 범위를 줄여줄 수 있으므로, 이를 적용하면 칼라 필터를 사용하지 않는 액정표시장치의 대형화를 구현할 수 있다.

Claims (17)

  1. 기판 상에 기울어지게 배치된 복수의 발광 소자;
    상기 발광 소자로부터 입사된 광을 파장에 따라 서로 다른 회절각으로 회절시켜 복수의 칼라광으로 분리하는 회절 그레이팅;
    상기 복수의 발광소자 일측에 배치되어, 상기 발광소자로부터 출사되어 상기 회절 그레이팅으로 입사되는 광의 각도 범위를 좁혀주는 반사기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 직하발광형 백라이트 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발광 소자는 발광 다이오드 및 냉음극 형광램프 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 백라이트 유닛.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기판에 기울어진 탑재면을 가지는 장착홈들이 배열되고, 상기 발광 소자가 탑재면에 탑재되어, 기울어지게 배치되는 것을 특징으로 하는 백라이트 유닛.
  4. 제3항에 있어서, 상기 장착홈은 상기 탑재면과 소정 각도를 이루는 경사면;을 더 포함하며,
    상기 반사기는 대응하는 발광소자 일측에 위치되도록, 상기 장착홈의 경사면 과 마주하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 백라이트 유닛.
  5. 제3항에 있어서, 상기 발광소자는 상기 기판에 대해 대략 5° 내지 20°의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 백라이트 유닛.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판에 기울어진 탑재면을 가지는 장착홈들이 배열되고, 상기 발광 소자가 탑재면에 탑재되어, 기울어지게 배치되는 것을 특징으로 하는 백라이트 유닛.
  7. 제6항에 있어서, 상기 장착홈은 상기 탑재면과 소정 각도를 이루는 경사면;을 더 포함하며,
    상기 반사기는 대응하는 발광소자 일측에 위치되도록, 상기 장착홈의 경사면과 마주하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 백라이트 유닛.
  8. 제6항에 있어서, 상기 발광소자는 상기 기판에 대해 대략 5° 내지 20°의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 백라이트 유닛.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발광소자의 배열과 상기 회절 그레이팅 사이에 입사광을 확산시키는 확산판;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 백라이트 유닛.
  10. 칼라 필터 없이 칼라 화상을 구현하는 액정 표시 장치에 있어서,
    액정층을 구비하며, 칼라 필터를 가지지 않는 액정 패널;
    상기 액정 패널의 하부에 배치되어, 상기 액정 패널에 광을 조사하는 청구항 1항 내지 8항 중 어느 한 항의 백라이트 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 발광소자의 배열과 상기 회절 그레이팅 사이에 입사광을 확산시키는 확산판;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 백라이트 유닛.
  12. 제10항에 있어서,
    실린드리컬 렌즈 어레이를 더 구비하여, 상기 회절 그레이팅으로부터 나온 광을 액정 패널에 집속시키는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 실린드리컬 렌즈 어레이는 상기 액정 패널의 배면에 마련된 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 액정 패널은 그 사이에 상기 액정층이 위치되는 두 투명 기판을 구비하며,
    상기 회절 그레이팅과 액정 패널 사이에 마련된 제1편광기와; 상기 액정 패 널의 전면에 마련된 제2편광기를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  15. 제10항에 있어서, 상기 액정 패널은 그 사이에 상기 액정층이 위치되는 두 투명 기판을 구비하며,
    상기 회절 그레이팅과 액정 패널 사이에 마련된 제1편광기와; 상기 액정 패널의 전면에 마련된 제2편광기를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  16. 제10항에 있어서, 상기 액정 패널은, 상기 액정층을 통과한 광이 나란하게 진행하도록 하는 광학소자;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 광학소자는 회절광학소자 및 프리즘 소자 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
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