KR100906139B1 - 도광판 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 도광판에 관한 것으로, 특히 휘도가 균일토록 보정하는 확산판 없이도 효율적인 빛 투과와 균일한 밝기를 얻도록 한 도광판에 관한 것이다.
본 발명은 일 측면에 놓인 광원으로부터 입사되는 빛을 분산시켜 상면으로 투과시키는 도광판에 있어서, 상기 상면에는 임의의 폭을 갖는 패턴이 연이어서 형성되되, 상기 패턴은 상기 상면에서 소정의 높이로 돌출된 형상이며, 상기 광원에서 멀어질수록 패턴의 간격이 변화되는 것을 특징으로 한다.
도광판, LED, 회절격자, 확산, 파장, 광원, 어레이, 도금, 포토리소그래피, 나노임프린트기술, 사출성형법, 스탬퍼

Description

도광판 및 그 제조방법{light guiding plate and the manufacturing method thereof}
도 1은 단위패턴 어레이로 배열된 도광판 면으로 입사하여 투과하는 광선의 진행방향을 설명하기 위한 예시도,
도 2는 단위패턴 어레이 면에 입사하는 광선과 투과하는 광선의 진행방향을 설명하기 위한 예시도,
도 3은 단위패턴의 어레이를 단위패턴 한 개의 모양과 이 단위패턴이 놓여있는 위치를 회선으로 설명하기 위한 예시도,
도 4a는 단위패턴 어레이 면으로 입사하는 광선의 입사각에 대하여 투과하는 광선의 투과각을 색깔별로 얻은 데이터,
도 4b는 단위패턴 어레이 면으로 입사하는 광선의 입사각에 대하여 반사하는 광선의 반사각을 파랑색에 대하여 얻은 데이터,
도 4c는 단위패턴 어레이 면으로 입사하는 광선의 입사각에 대하여 반사하는 광선의 반사각을 초록색에 대하여 얻은 데이터,
도 4d는 단위패턴 어레이 면으로 입사하는 광선의 입사각에 대하여 반사하는 광선의 반사각을 빨강색에 대하여 얻은 데이터,
도 5는 도 4에 보인 색깔별 투과 및 반사되는 광선의 방향을 입사각 80°에 서 본 결과를 설명하기 위한 도,
도 6은 회절격자가 형성되어 있지 않은 도광판의 단면과 상면을 개략적으로 보인 예시도,
도 7은 도 6에 보인 도광판에서 전반사(TIR: Total Internal Reflection)되는 영역을 보인 예시도,
도 8은 전산모사에서 사용된 정사각형의 단위패턴 어레이이 입사하는 광선의 방향과 그 편광방향을 나타낸 예시도,
도 9는 도광판의 한 모퉁이에 LED를 장착한 단위패턴 어레이 도광판의 예시도,
도 10은 도광판의 한 측면에 여러 개의 LED를 장착한 단위패턴 어레이 도광판의 예시도,
도 11은 도광판의 상면과 하면에 단위패턴 어레이를 식각한 도광판의 상면 어레이 패턴과 하면 어레이 패턴을 보여주는 예시도,
도 12a와 도 12b는 방위각이 각각 45°와 0°일 때 TE 편광된 빛이 입사각과 회절오더에 따른 반사율 변화를 보인 데이터,
도 13은 LED로부터 떨어진 위치 r과 방위각 θ를 설명하는 예시도,
도 14a와 도 14b는 광출면에시 투과된 광선의 세기가 같아지도록 하기 위한 상대투과율을 보인 예시도,
도 15a 내지 도 15h는 본 발명의 도광판의 제조방법을 순차적으로 나타낸 단면도.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
1: 도광판 2: LED
3, 6: 단위패턴 어레이 4, 5: 반사판
7: 실리콘 웨이퍼 8: BARC
9: 포토레지스트 10: Ni/Cr
11: 금(Au) 12: 니켈(Ni)
본 발명은 도광판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 휘도가 균일토록 보정하는 확산판 없이도 효율적인 빛 투과와 균일한 밝기를 얻도록 한 도광판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, LCD(Liquid Crystal Display)와 같은 디스플레이는 성형 광원으로부터 방출된 빛을 도광판으로 입사시켜 도광판의 일면을 통하여 투과되는 2차원광원(이하 면 광원)을 이용하는바, 이 때 면 광원의 효율이 디스플레이 장치의 전반적인 성능을 결정하는 중요한 한 요소가 된다. 보통 LCD에서 빛의 효율은 3~10%정도이며, 주로 빛이 손실되는 부분은 도광판, 편광기, 색필터 등이 있다. 이런 빛의 손실을 최소화시키면서 제조원가를 절감시킬 수 있는 방향으로 디스플레이의 기술이 진보되고 있으며, 특히 빛을 효과적으로 전면으로 투과하는 도광판의 개발이 활발하게 진행되고 있다.
한편, 도광판의 일면을 통해 투과되는 빛은 그 투과되는 면의 각 부분 부분마다 휘도(luminance)가 균일하지 못하는바, 이를 보정하고자 빛이 투과되는 도광판의 면에 확산판을 설치한다. 즉, 확산판은 도광판을 통해 입사되는 빛을 확산 및 산란시켜 디스플레이의 휘도를 균일하게 하는 기능을 담당한다. 그러나, 휘도의 균일성을 위해 부득이하게 전술한 확산판을 사용하게 되는 경우에는 또 다른 빛의 효율의 손실 요인으로 작용되는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 빛이 투과되는 평면에 나노미터 크기의 패턴을 규칙적으로 배열하고 이 패턴의 모양 또는 패턴사이의 간격을 사용하는 광원의 종류(LED 또는 CCFL)와 광원의 개수에 따라 변화시킴으로써, 확산판 없이도 투과되는 빛이 그 전면에 걸쳐 균일한 밝기를 갖도록 한 도광판 및 그 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 일 측면에 놓인 광원으로부터 입사되는 빛을 분산시켜 상면으로 투과시키는 도광판에 있어서, 그 도광판의 면에 단위 패턴 어레이를 형성하되, 상기 패턴은 상기 면에서 소정의 높이로 돌출되거나 깊이로 파여진 형상이며, 패턴의 모양은 사각형 기둥, 사각뿔, 원뿔, 타원뿔 또는 2차원 시누소이달(sinusoidal) 형태로 이루어진다.
전술한 구성에서, 상기 빛은 가시광선이되, 상기 어레이 패턴의 폭은 상기 가시광선의 파장 정도가 되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 패턴 어레이가 배열되는 면은 도광판의 상면, 하면 또는 상하면일 수 있고, 단위패턴 어레이의 크기, 간격은 상면 또는 하면 위의 위치에 상관없이 일정한 구조를 가질 수가 있다.
또한 상기 이레이 패턴의 폭을 달리하여 출광면에서 일정한 세기를 가진 빛이 투과되도록 할 수 있다. 그리고 단위패턴의 크기를 상면 또는 하면의 위치에 따라 달리하여 균일한 빛이 출광면을 통하여 투과되게 하기 위한 구조를 갖도록 할 수도 있다.
한편, 본 발명의 다른 특징은 사각형 기둥, 사각뿔, 원뿔, 타원뿔 또는 2차원 시누소이달(sinusoidal) 형태이고, 어레이 패턴의 폭은 상기 가시광선의 파장 정도로 만든 도광판을 제조하는 방법에 있어서, (a) 포토리소그래피 공정에 의해 실리콘 몰드를 제작하는 단계; (b) 실리콘 몰드를 이용하여 니켈을 도금하여 스탬퍼를 제작하는 단계 및 (c) 스탬퍼를 이용하여 나노임프린트법 또는 사출성형법을 이용하여 도광판을 제조하는 단계를 포함하여 이루어진다.
이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 도광판에 대해서 상세하게 설명한다.
수 mm 간격의 금속망(metal mesh)으로 폐곡면을 만들면 그 안에서 파장이 cm 단위인 전자기파를 차단시킬 수 있다. 금속망은 가로 금속선과 세로 금속선으로 이루어져 있고, 전자기파의 전기장은 금속망의 가로축 방향으로 변하는 성분과 세로축 방향으로 변하는 성분의 합으로 이루어져 있다. 금속의 내부에 있는 전자는 전기장과 반대 방향으로 움직이며 이 전자들은 금속을 구성하는 원자와 충돌하여 외 부에서 가해준 전기장에 의한 에너지를 완전히 소모한다. 따라서 금속선과 같은 방향의 전기장 성분의 전자기파는 금속에 의해서 완전히 흡수가 되므로 금속선을 투과하지 못하고, 금속선과 수직인 방향의 전기장 성분의 전자기파는 그대로 투과한다. 그런데 금속망으로 입사하는 전자기파는 금속망을 이루는 두 방향의 선형편광된 빛이라 생각할 수 있다. 따라서, 금속망의 간격과 비슷한 파장을 갖는 전자기파는 이 금속망을 투과하지 못하게 된다.
한편 한 쪽 방향으로 간격이 일정한 금속선으로 이루어진 임의의 디바이스(device)에 전자기파를 입사시키면 금속선에 수직성분의 전자기파만이 투과한다. 따라서, 투과된 전자기파는 한쪽 방향으로 편광되며 이러한 디바이스를 편광기라 부른다.
전자기파를 가시광선 영역으로 파장 스케일을 줄인 상태에서 동작하는 편광기를 제작하려면 우선 금속선 간의 간격(이하 주기)은 가시광선의 파장(대략, 400~700nm) 정도가 되어야 하고, 따라서 금속선의 폭은 주기와 비교할 정도가 되어야 한다. 이와 같은 디바이스를 라멜라 회절격자(lamellar grating)라 부르며, 일반적인 회절격자(diffraction grating)와 근본적으로 다른 점은 일반적인 회절격자는 그 주기가 파장에 비하여 크다는 것이다. 두 개의 라멜라 회절격자가 서로 수직 방향으로 겹쳐지면 나노미터크기의 단위패턴이 규칙적으로 배열된 형태가 된다(아래의 도 1 참조).
도 1은 단위패턴 어레이로 배열된 도광판 면으로 입사하여 투과하는 광선의 진행방향을 설명하기 위한 예시도인바, 도 1에서 ni는 도광판의 굴절률이고, nt는 도광판을 둘러싸고 있는 매질의 굴절률이다. 단위패턴이 규칙적으로 배열된 축을 x-축, y-축이라 한다. 입사한 빛은 도 2와 같이 축방향의 각을 가지고 입사하거나 투과한다.
도 2는 단위패턴 어레이 면에 입사하는 광선과 투과하는 광선의 진행방향을 설명하기 위한 예시도인바, 도 2에서
Figure 112007506220950-pat00035
는 입사광선의 전달벡터(propagation vector)이고,
Figure 112007506220950-pat00040
는 투과광선의 전달벡터이다. 나노미터급 단위패턴의 어레이에 대한 빛의 투과 및 반사 방향은 회선(convolution) 해석을 통하여 쉽게 알 수 있다.
도 3은 단위패턴의 어레이를 단위패턴 한 개의 모양과 이 단위패턴이 놓여있는 위치를 회선으로 설명하기 위한 예시도로서, 도 1의 2차원 배열을 한쪽 방향에서 살펴 본 것이다. 도 3에서, h(x) 어레이는 아래의 수학식 1과 같이 단위패턴을 나타내는 f(x)를 디락함수의 배열인 g(x)로 회선(convolution)시켜 표현할 수 있다.
[수학식 1]
h(x)=f(x)
Figure 112007506220950-pat00037
g(x)
그리고 이를 아래의 수학식 2에서와 같이 2차원 배열로써 일반화시킬 수 있다.
[수학식 2]
h(x,y)=f(x,y)
Figure 112007506220950-pat00038
g(x,y)
따라서 입사한 빛이 반사하거나 투과하는 방향은 g(x,y)에 의해서만 결정되며, 이렇게 결정된 방향으로 진행하는 빛의 세기는 단위패턴의 모양에 따라 달라진다.
도광판 평면은 xy-평면이다. 입사광선의 각도는 (θi, Φi)이고, 투과광선의 각도는 (θt, Φt)이다. 입사와 투과 사이의 경계조건으로부터 아래의 수학식 3을 얻을 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112007506220950-pat00004
수학식 3을 이용하여 입사각도에 대한 투과각도의 관계를 구할 수 있다. 수학식 3에서 mx와 my는 각기 x-축과 y-축 방향의 회절오더(diffraction order)이다. 수학식 3에서 반사각을 얻으려면 투과매질의 굴절률 nt를 ni로 놓으면 된다. 이렇게 입사각도가 주어지면 투과각을 구할 수 있다.
도 4a는 단위패턴 어레이 면으로 입사하는 광선의 입사각에 대하여 투과하는 광선의 투과각을 색깔별로 얻은 데이터이고, 도 4b는 단위패턴 어레이 면으로 입사하는 광선의 입사각에 대하여 반사하는 광선의 반사각을 파랑색에 대하여 얻은 데이터이며, 도 4c는 단위패턴 어레이 면으로 입사하는 광선의 입사각에 대하여 반사하는 광선의 반사각을 초록색에 대하여 얻은 데이터이고, 도 4d는 단위패턴 어레이 면으로 입사하는 광선의 입사각에 대하여 반사하는 광선의 반사각을 빨강색에 대하여 얻은 데이터이다.
먼저, 도 4a는 실 예로 Λx = Λy =400nm, Φi = 0인 조건에서 구한 투과각이며, 광원이 도광판에 접촉하고 있는 위치에 상관없이 도광판의 상면이나 하면에 입사하는 입사각은 80°정도가 된다. 이 범위의 입사각에 대하여 도 4a는 4개의 투과방향이 있다는 것을 보여주는데, mx =-2 회절오더의 세기는 상대적으로 약하여 다른 세 개의 광선은 ±20°이내로 투과됨을 알 수 있다. 같은 조건에서 반사하는 광선은 파랑(Blue), 초록(Green), 빨강(Red) 색깔별로 각기 도 4b, 도 4c 및 도 4d에 보여 지는데 반사각의 범위는 투과에 비하여 넓어지며 광선의 개수도 증가함을 알수 있다.
라멜라 회절격자는 보통 금속 재질로 만드는데, 이 회절격자에 입사하는 전자기파의 편광이 금속선 방향과 평행하면 전자기파는 금속 내의 전자에 의하여 흡수된다. 그 결과로 전자는 금속 내에서 가속운동을 하고 전자의 가속운동은 전자기파를 가속 운동하는 수직방향으로 방출하게 된다. 한편 금속선과 수직 방향의 전기장을 갖는 입사파는 그대로 투과된다. 따라서 라멜라 회절격자의 주기는 특정 방향으로 전자기파가 반사되거나 투과되게 하는 역할을 한다.
한편, 라멜라 회절격자를 금속 대신에 고분자 물질을 사용하는 경우에는 고분자 물질이 가시광선 영역의 거의 흡수하지 않고, 앞서 언급한 바와 같이 특정 방향으로 전자기파가 반사되고 투과되는 현상은 그대로 나타난다.
도 5는 도 4를 얻은 조건에서 백색의 입사한 광선이 도광판과 공기의 경계면에 나노미터급의 단위패턴 어레이를 통하여 투과되고 반사되는 실 예를 보인 것이다.
도 6은 회절격자가 형성되어 있지 않은 도광판의 단면과 상면을 개략적으로 보인 예시도이며, 도 7은 도 6에 보인 도광판에서 전반사(TIR: Total Internal Reflection)되는 영역을 보인 예시도이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 도광판의 일 측면에 1차원 광원이나 점광원 특히, 발광 다이오드(luminescent diode or light emitting diode ; LED)가 설치된다. 또한, 백색 LED와 도광판의 최단거리는 d이고, 도광판의 두께는 t이며, 도광판의 한변의 길이는 L이고, 광선이 LED에서 방출되어 도광판의 윗면에 입사하는 입사각은 θin이다.
도 8은 전산모사(computer simulation)에 사용된 나노미터급 단위패턴과 입사광선의 입사각 및 편광방향을 보인 것이다.
도 9는 나노미터급 단위패턴 어레이가 형성된 도광판을 보인 예시도인바, 가장 간단한 형태인 사각 기둥 형태의 단위패턴으로 이루어진 어레이를 보인 것으로, LED가 도광판의 모퉁이에 부착된 예를 도시하고 있다.
도 10은 나노미터급 단위패턴이 도광판의 출광면 위에 식각된 예를 나타내며, 도광판 한쪽 모서리에 다수, 본 실시예에서는 3개의 LED가 부착된 예를 도시하고 있다. 도 10에서 참조 번호 1은 도광판, 2는 LED, 3 및 6은 단위패턴 어레이, 4 및 5는 반사판을 각각 나타낸다.
도 11은 도광판의 상면과 하면에 나노미터급 단위패턴 어레이를 식각한 형태를 보인 분리 사시도인데, 도 9 내지 도 11의 어레이에서 단위패턴의 모양(가로, 세로 및 높이) 또는 단면(원 또는 사각형)을 달리할 수 있고, 단위패턴 사이의 간격인 공간주파수를 x-축과 y-축 방향으로 다르게 식각할 수 있다. 또한 이 같은 단위패턴의 형태와 그들 사이의 간격은 광원의 종류(LED 또는 CCFL), 사용되는 LED광원의 개수, 광원의 위치(모퉁이 또는 가운데 등)에 따라서 달라질 수 있는데, 그 목적은 출광면을 통한 균일한 빛의 세기를 얻는데 있다.
도 12a와 도 12b는 초록색에 대하여 방위각이 φi= 00,450로 입사하는 광선의 반사계수를 입사각에 따라서 구한 것이다. 색깔은 파랑과 빨강, 방위각은 이 두 각도 이외에 다른 값이 가능하지만 실 예로 든 것이다. 전체 반사율은 입사각에 따라 다르지만 입사각이 70°이상이 되는 조건에서는 편광 방향에 따라 차이가 나지만 대략적으로 투과율이 1% 이하이다. 나노미터급 단위패턴이 도광판의 상면 또는 하면에 있건 상관없이 첫 번째 투과는 거의 0에 근접하는 투과율을 갖는다. 따라서 첫 번째 단위패턴 면에서 반사되는 광선의 방향은 초록색 입사각이 80°근처의 경우에 도 12a와 도 12b로부터 반사 방향을 구할 수 있다. 초록 이외의 다른 색깔의 반사율 데이터를 고려하면, mx = 0, my = 0 반사 모드 이외에 방위각 0°에서는 반사각이 θt =-30.40, φt =±18.20이며, 방위각 45°에서는 반사각이 θt =700, φt =- 420이다. 이 각도로 반사된 광선은 하면에서 반사하여 상면을 통하여 투과된다(도 12 참조).
도 13은 도 6에서 보인 도광판의 상면도이고, 아래의 수학식 4는 입사각(θ)을 구하는 방정식이다.
[수학식 4]
n0sinθ=ncosθin
수학식 4에서, n은 도 13에 보인 도광판의 굴절률이고, n0은 도광판 외부 매질의 굴절률이며, θ는 광선이 도 13의 측면 또는 모서리로 입사하는 빛의 수직법선에 대한 방위각이다. 일반적으로, LED는 중심축에서 θin만큼 기울어진 방향으로 cosθin에 해당하는 세기의 광선을 방출한다. 따라서 중신축에 대하여 기울어진 각도ω는 해석학적 방법으로 다음 수학식 5에 의해 구할 수 있다.
[수학식 5]
cosω = cosθcosθin
수학식 4를 수학식 5에 대입하여 cosω를 θin과 θ로 표현할 수 있다.
한편, 도광판을 비흡수 매질로 간주하는 경우에는 편광방향에 따른 투과계수는 다음과 같은 수학식 6에 의해 구할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112007506220950-pat00005
수학식 6에서 t는 입사하는 빛의 전기장이 입사평면에 수직 방향이 되는 광선의 투과 계수이며, t||은 전기장이 수평 방향이 될 때의 투과 계수이다,
한편, 투과율 T는 수학식 6의 투과계수와 다음과 같은 수학식 7을 만족한다.
[수학식 7]
Figure 112007506220950-pat00006
즉, 수학식 6을 수학식 7에 대입하면 투과율을 계산할 수 있다.
LED에서 입체각(solid angle) dΩ로 방출되는 광선의 세기는 LED에서 거리 r만큼 떨어진 도광판 위의 한 점에서 보면 r이 커질수록 더 큰 면적을 비춰야 하고 (r2에 비례), LED에서 방출된 광선의 세기는 LED의 중심축에 대한 각 ω의 cosine에 비례한다. 도 6에 도시한 바와 같이 도광판의 상면으로 입사하는 광선은 그 입사각에 따라 광선이 투과하는 면적이 달라질 수 있다. 이 면적은 cosine 법칙을 만족하여 cosθin으로 주어진다. 또한, LED에서 방출된 빛의 도광판을 통한 투과율(T)은 수학식 7로 주어진다. 이와 같이 수학식 4 내지 수학식 7을 의거하여 도광판 상면의 위치에 따라 상대 투과율(Relative Transmittance; RT)은 다음 수학식 8과 같이 주어진다.
[수학식 8]
Figure 112007506220950-pat00007
수학식 8에서 A는 최대로 많은 빛을 도광판의 윗면으로 투과시키기 위하여 결정해야 할 비례상수이며, 이에 따라 비례상수(A)를, A=1로 놓고 1"(inch) x1"(inch) 크기의 도광판에 대한 상대 투과율(RT)을 그린 결과를 도 14에 도시하고 있다.
도 14a와 도 14b는 광출면에서 투과된 광선의 세기가 같아지도록 하기 위한 상대투과율을 보인 예시도인바, 본 발명에서 제시한 하나의 실 예로 LED가 도광판의 한쪽 모퉁이에 위치하고 있을 때 상대투과율을 본 것이다. 이와 같이, 도 14a 및 도 14b에 도시한 상대 투과율(Relative Transmittance)은 도광판의 상면의 일정한 작은 면적을 통하여 출광되는 빛의 세기라고 놓을 수 있다(이때 A의 크기를 조절한다). 따라서 도 14에서 보듯이 광원에서 멀어질수록 LED의 방위각이 커질수록 상대투과율을 높게 만들어야 한다. 이를 위한 여러 가지 방법으로 나노미터 크기의 단위패턴 사이의 간격을 조절, 단위패턴의 높이를 조절, 단위패턴의 높이를 제외한 크기를 조절 또는 단위패턴의 모양을 변화시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 도광판 제조방법은 균일한 빛이 출광면을 통하여 투과되게 하기 위한 구조를 갖는 도광판을 제조하는 방법에 있어서, 포토리소그래피 공정에 의해 실리콘 몰드를 제작하는 (a) 단계, 실리콘 몰드를 이용하여 니켈을 도금하여 스탬퍼를 제작하는 (b) 단계; 스탬퍼를 이용하여 사출성형법 또는 나노임프린트법을 이용하여 도광판(light guiding plate)을 제작하는 (c) 단계로 이루어질 수 있다.
도 15a 내지 도 15h는 본 발명의 광 도광로의 제조방법을 순차적으로 나타낸 단면도이다. 먼저 도 15a에 도시된 바와 같이 실리콘 웨이퍼(7)의 세척이 이루어지면, 그 실리콘 웨이퍼(7)의 상부에 노광시 정상과(standing wave)를 감소시키기 위해 두께 580Å의 BARC(bottomed anti-reflective coating)(8)를 스피너(spinner)를 이용하여 도포한 후에 사진식각공정을 위해 두께 730nm의 포토레지스트(LX429)(9)를 스피너를 이용하여 도포한다. 다음으로, 도 15b에 도시된 바와 같이 공간주기가 400nm부터 700nm인 패턴을 가진 포토마스크를 사용하여 사진식각공정으로 실리콘 웨이퍼(7) 위에 도포된 BARC(8)와 포토레지스트(9)를 패터닝하게 된다. 다음으로, 도 15c에 도시된 바와 같이 패터닝된 포토레지스트(9) 및 BARC(8)를 마스크로 이용하여 CF4/O2와 O2 플라즈마를 이용하는 RIE(reactive ion etching)법으로 실리콘 웨이퍼(7)를 식각하여 실리콘 나노 패턴을 형성하게 된다. 다음으로, 도 15d에 도시된 바와 같이, 제거되지 않은 BARC(8)와 포토레지스트(9)를 제거하여 실리콘 몰드(7)를 제작한다.
이어서, 이와 같이 제작된 실리콘 몰드(7)를 이용하여 니켈 도금 공정을 수행하여 스탬퍼를 제작하는데, 도 15e 및 도 15f에 도시된 바와 같이 니켈을 도금하기 위한 씨올기(seed layer)로 이용하기 위해서 실리콘 몰드(7) 위에 Ni/Cr(10)을 300Å두께로 증착한 후에 다시 그 위에 1000Å두께의 Au(11)를 증착하도록 한다. 다음으로, 도 15g에 도시된 바와 같이 니켈 도금(12)은 전해도금법을 이용하여 황산니켈(NiSO4·6H2O)용액, 염화니켈(NiCl2·6H2O)과 붕산(H3BO3)용액을 혼합하여 pH 4.0 상태를 유지하도록 하면서 용액의 온도를 55℃로 하고 200mA의 전류에서 20시간동안 도금한다. 다음으로, 도 15h에 도시된 바와 같이 니켈을 도금한 후에 실리콘 몰드를 습식 식각하여 스탬퍼를 제조하게 되는데, 실리콘 식각 후에 씨올기로 이용하기 위해 증착한 Au층(11)과 Ni/Cr층(10)을 습식 식각하여 스탬퍼를 제조한다.
마지막으로, 나노임프린트 기술을 이용하여 도광판을 제작하는데, 제작조건은 9mm의 PMMA 판에 120℃의 온도에서 1000N의 힘으로 20분 동안 압력을 가하여서 제작하게 된다.
본 발명의 도광판은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용되는 범위에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 도광판 및 그 제조방법에 따르면, 도광판의 상면 또는 하면에 나노미터 크기의 단위패턴 배열을 광원과의 거리에 따라 단위패턴의 크기, 모양 또는 패턴 사이의 간격 등을 동일하게 하거나 또는 달리함으로써, 투과되는 빛이 출광면에서 균일한 밝기를 방출되게 하는 효과가 있어 고효율 디스플레이 제작에 사용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 일 측면에 놓인 광원으로부터 입사되는 가시광선을 분산시켜 상면으로 투과시키는 도광판에 있어서,
    그 도광판의 면에 그 폭이 상기 가시광선의 파장 범위에서 정해지는 단위패턴 어레이를 형성하되,
    상기 패턴은 상기 면에서 소정의 높이로 돌출되거나 깊이로 파여진 형상이며, 패턴의 모양은 사각형 기둥, 사각뿔, 원뿔, 타원뿔 또는 2차원 시누소이달(sinusoidal) 형태로 이루어진 도광판.
  3. 제 2항에 있어서,
    패턴 어레이가 배열되는 면은 도광판의 상면, 하면 또는 상하면인 것을 특징으로 하는 도광판.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    단위패턴 어레이의 크기, 간격이 상면 또는 하면 위의 위치에 상관없이 일정한 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 도광판.
  5. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 어레이 패턴의 폭을 달리하여 출광면에서 일정한 세기를 가진 빛이 투과되도록 하는 것을 특징으로 하는 도광판.
  6. 제 2항 또는 제 3에 있어서,
    단위패턴의 크기를 상면 또는 하면의 위치에 따라 달리하여 균일한 빛이 출광면을 통하여 투과되게 하기 위한 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 도광판.
  7. 사각형 기둥, 사각뿔, 원뿔, 타원뿔 또는 2차원 시누소이달(sinusoidal) 형태이고, 어레이 패턴의 폭이 가시광선의 파장 범위에서 정해지는 도광판을 제조하되,
    (a) 포토리소그래피 공정에 의해 실리콘 몰드를 제작하는 단계;
    (b) 실리콘 몰드를 이용하여 니켈을 도금하여 스탬퍼를 제작하는 단계 및
    (c) 스탬퍼를 이용하여 나노임프린트법 또는 사출성형법을 이용하여 도광판을 제조하는 단계를 포함하여 이루어진 도광판 제조방법.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010067948A (ko) * 2001-04-10 2001-07-13 김현주 이동통신 단말기의 액정표시소자용 백라이트 장치
KR20010074133A (ko) * 2001-03-30 2001-08-04 고경진 백라이트용 도광판
KR200288836Y1 (ko) * 2002-05-13 2002-09-10 이종옥 냉음극 형광램프를 이용한 발광 장치
KR20060109372A (ko) * 2005-04-15 2006-10-20 한국생산기술연구원 하이브리드 마이크로렌즈 제조 방법 및 이의 방법에 의해 제조된 도광판

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010074133A (ko) * 2001-03-30 2001-08-04 고경진 백라이트용 도광판
KR20010067948A (ko) * 2001-04-10 2001-07-13 김현주 이동통신 단말기의 액정표시소자용 백라이트 장치
KR200288836Y1 (ko) * 2002-05-13 2002-09-10 이종옥 냉음극 형광램프를 이용한 발광 장치
KR20060109372A (ko) * 2005-04-15 2006-10-20 한국생산기술연구원 하이브리드 마이크로렌즈 제조 방법 및 이의 방법에 의해 제조된 도광판

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