KR100940195B1 - 광 반사층을 갖는 광학시트 - Google Patents

광 반사층을 갖는 광학시트 Download PDF

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Abstract

본 발명의 광학 시트는 시트 한쪽 면에 통상의 광학구조면을 갖는 제1구조면이 형성되고, 상기 제1구조면의 반대쪽 면에는 미소 돌출부를 갖는 제2구조면이 형성되되, 상기 미소 돌출부에는 광원 또는 광반사면으로부터 유입되는 광의 경로를 제한하는 반사층이 부분적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
제안되는 바와 같은 본 발명의 광학 시트는, 통상의 액정디스플레이 장치에서 액정부에 입사되는 광의 입사경로와 입사각을 제한하고 그에 따라 액정면에 근접한 각도로 입사하는 광의 출사를 억제하는 효과를 발휘하며 결과적으로 디스플레이 화면의 명암비(contrast)를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
광학 시트, 돌출, 반사, 코팅

Description

광 반사층을 갖는 광학시트{Optical sheet which has a reflecting layer}
도 1은 평면 디스플레이 장치(액정표시장치)의 단면 구조도.
도 2,3은 일반적인 광학시트의 외형사시도.
도 4는 일반적인 프리즘 시트에서 광선의 굴절패턴을 도시한 그림.
도 5는 본 발명 광학시트의 단면도.
도 6은 본 발명 광학시트에서 광선의 굴절패턴을 도시한 그림.
도 7a ~ 도 7e는 본 발명 광학시트의 제1구조면 실시예 단면도.
도 8은 본 발명 광학시트의 제2구조면 실시예 단면도.
도 9 ~ 도 11은 본 발명 광학시트의 외형사시도.
도 12(a), 도 13(a)는 반사층이 형성되지 않은 광학시트의 시야각에 따른 휘도분포를 나타낸 도표.
도 12(b), 도 13(b)는 반사층이 형성된 본 발명 광학시트의 시야각에 따른 휘도분포를 나타낸 도표.
[도면주요부분에 대한 도면부호의 설명]
10: 도광판 12: 광원
16,18: 확산시트 17: 프리즘시트 17a: 프리즘 면
19: 액정패널 22: 반사판 23: 편광판
30, 40: 광학시트 31: 마이크로렌즈
31a: 마이크로렌즈 반지름 32: 돌출부
32a: 돌출폭 32b: 돌출간격 32c: 돌출높이
33: 반사층 33a: 코팅두께
41: 제1구조면 42: 제2구조면 43: 광 반사면
52: 원기둥형 돌출부 54: 반구형 코팅부
본 발명은 확산, 집광 등을 수행하는 광학 시트에 관한 것이다.
일반적인 액정디스플레이장치의 백라이트 어셈블리는 최초 발광시에 기본적으로 하나 내지 다수의 점광원으로 광을 출사하게 되므로, 점광원을 면광원으로 확산시키고, 아울러 액정 배열 면에 최대한 수직인 방향으로 집광시키는 광학부재가 필요하다.
상기 광학부재는 광의 집광, 확산, 편광 등의 기능을 수행하게 되며, 필름형태(광학필름), 시트형태(광학시트) 등 대체로 얇은 판 형태로 형성된다.
상기 광학부재들 중, 일정한 두께와 강도를 갖는 판 형태의 광학시트를 살펴보면, 프리즘모양이 연속적으로 배열되어 주로 광의 집광기능을 수행하는 집광시트, 비드 또는 마이크로렌즈가 다수 배열되어 주로 광의 확산기능을 수행하는 확산시트, 상기 집광시트와 확산시트의 역할을 복합적으로 수행하는 기능혼합형의 광학시트 등이 있는데, 이들은 편광시트, 보호시트와 결합 되어 하나 또는 복수 개로 적층되어 사용된다.
도 1은 일반적인 액정표시장치의 백라이트 어셈블리 구성을 나타낸 단면도이다.
도 1에 도시된 백라이트 어셈블리를 살펴보면, 최초 발광부가 되는 광원(12) 과, 광원(12)으로부터 발광된 광을 반대편 끝까지 유도시키는 도광판(10)이 있으며 이때 상기 발광광은 하부에 위치한 반사판(22), 반사구조면(13) 등에 의하여 반사 및 재반사되어 상부면에 위치한 광학부재로 입사된다.
발광부를 통해 광학부재에 입사되는 광은 아직 액정패널에 입사되기에는 불규칙하고 밝기도 고르지 못하므로 이를 확산시트(16,18)와 집광시트(17) 등으로 이루어진 광학시트부를 통해 광의 직광성과 균일성을 향상시킨다.
즉, 상기 도광판(10)의 상부에는 도광판에 의해 유도된 광의 효율을 향상시키기 위한 다수의 광학 시트가 구비되는데, 먼저 점광원에서 출발하여 도광판 내에서의 다중반사를 통해 입사되는 광선들, 다시 말해서 밀도가 낮고 거친 광선들을 고르게 산란시켜 주는 확산시트가 배치될 수 있고 그 다음으로 돌출부 단면이 프리즘 형상을 띠고 있는 집광시트 - 그리고 재차 확산시트(또는 보호시트)가 배치될 수 있다. 여기서 확산 시트(16), (18)는 입사되는 광을 산란하여 광의 휘도 분포를 고르게 하고 집광시트는 광의 분포를 개선하고자 여러 각도로 쪼개진 광의 각도를 최대한 시트면에 직교하는 방향(수직방향)으로 다시 모아주어 단위면적당 광 휘도를 상승시키게 된다.
그런데 위와 같은 과정에서 원하는 만큼 광을 밝고 고르게 변환시키기 위해서는 최소한의 광학시트로 최대한의 확산효과 및 집광효과를 추구해야 할 것이다. 즉 단순히 광의 균질도 향상만을 위해서는 여러 장의 확산시트를 겹쳐서 배치하면 되지만, 이렇게 되면 제품원가가 상승하게 되고, 또한 증가한 시트두께와 시트 사이 공간들로 인해 광의 투과량이 저하되어 화면 전체의 휘도(밝기)가 떨어지게 된 다.
또한 상기 광학시트들의 광학적 성질을 개선하기 위해서 시트들을 적층하다보면 시트 상하면의 마찰이 커지고 이에 따른 표면손상, 스크래치 등이 발생하여 집광/확산시키고자 하는 입사광의 품질마저도 떨어지게 된다.
반대로 전체 화면의 평균휘도 향상만을 고려하여 확산시트의 적층수나 전체 두께를 줄이게 되면 화면 전체의 헤이즈(균질도)가 떨어지게 된다.
따라서 최근에는 상기 광학시트들의 적층 수를 가능한 줄이되, 하나의 시트로 확산과 집광의 서로 상반되는 기능을 동시에 수행하는 복합 다기능 광학시트의 개발이 진행되고 있다.
그러나 한정된 시트수와 시트두께를 같는 단일의 시트재에서 위와 같이 더욱 복합적인 구조패턴을 도입할 경우에도 150°~ 180°와 0°~30°시야각에서 오히려 휘도가 높아지는 현상이 발생하기도 한다.
즉 최근의 광학시트가 비록 단순한 프리즘 형태나 비드(bead)의 다중배열 형태를 벗어나 다양한 구조화된 면을 가지고 확산과 집광의 기능을 복합적으로 수행하고 있다고는 하나, 아직까지는 광 출사각 0°~ 180°전반에 걸쳐 만족스런 휘도와 헤이즈 및 contrast ratio(명암비)의 향상을 달성하기는 아직 어렵다.
그 주요한 원인으로는 화면에 근접한 시야각인 150°~ 180°와 0°~30°시야각 범위에서 휘도가 다시 상승하는 엣지피크(edge peak)현상 등을 들 수 있는데, 이는 액정면에 거의 평행한 각도로 입사되는 입사광이 액정(특히 TN mode)을 통과할 때 미소량이 유출되면서 발생하는 현상으로 이러한 경우에 액정면이 어두워져도 빛이 새어나와 완벽한 검정색이 구현되지 못하는 등, 화면의 명암비(contrast ratio)가 저하되는 문제점이 있었다.
상기와 같은 명암비 저하의 문제점은, 액정면에 최대한 수직한 광(액정면 상 입사각이 큰 광)만을 입사시키고자 설계된 광학시트라 하더라도 굴절을 거듭하다 보면 입사각이 작은 광이 어느 정도는 생겨나는 것을 피할 수 없기 때문에 발생 되는 현상이다.
도 2, 도 3은 집광역할과 광 확산역할을 동시에 수행하는 마이크로 렌즈가 배열된 면을 갖는 광학시트(16)와 통상의 집광역할을 수행하는 프리즘시트(17)를 나타낸 것이다.
도면에서, 프리즘 형상(17a)이나 반구형 렌즈형상(16a)으로 구조화된 면의 반대쪽 면은 단순한 평면이며, 이 평면을 통해 입사하는 광은 도 4에서 보는 바와 같이 출사각이 매우 작거나(17b), 내부 반사 후 출사각이 작아지는(17d) 광이 발생되며, 이러한 광들이 액정면에 작은 입사각을 가지고 입사되면, 액정이 광을 차단하도록 동작한 이후에도 액정 사이로 흘러들어가서 빛이 새어나오는 현상을 유발하게 되며 이러한 현상이 결과적으로 명암비 저하를 유발할 수 있는 것이다.
따라서 상기 문제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 광학시트는 다음과 같은 특징적인 구조를 가진다.
먼저, 광의 중간 투과경로에 해당하는 기재층을 가지고,
다음으로 산란 또는 굴절에 의하여 광을 확산 또는 집광시키는 반구형 또는 프리즘형 또는 그와 유사한 광학구조가 형성된 제1구조면을 가지며,
그 다음으로 입사광을 투과 또는 굴절시켜 상기 제1구조면으로 출사하는 광학구조가 형성된 제2구조면을 가지며,
마지막으로 상기 제2구조면에는 입사광의 광 유입 경로를 부분적으로 차단하는 반사층을 갖는 돌출부가 줄무늬배열(stripe pattern array) 또는 점배열(dot pattern array) 또는 양자의 혼합 배열로 형성되는 구조를 가진다.
상기 본 발명의 주된 기술적 특징을 보다 구체적으로 표현하기 위하여 도면에 포함된 본 발명의 일 예를 참조하여 아래에 보다 상세히 설명한다.
다만 아래에 기술하는 본 발명의 구현예(embodiment of invention), 혹은 구체적인 실시예(specific example)를 이루는 구성요소들과 그 결합구조가 본 발명의 기술적 특징에 내재된 사상을 제한하는 것은 아님을 밝혀둔다.
도 4는 일반적인 프리즘 시트에서 프리즘을 통해 집광되는 광 중에서도 액정면에 작은 입사각으로 입사되는 광이 생길 수 있음을 보여주는 그림이다.
도면상에서 (17b)와 (17d)가 그러한 경우이며, 바람직하게는 상기 광들을 도 광판 쪽으로 되돌려 보내서 반사시킨 후 입사각을 키워서 재입사 시켜야 할 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예 중 하나인 광학시트의 단면도를 나타낸 것이다.
도면에서, 광학시트(30)는 반구형의 마이크로렌즈(31)가 형성된 상부 구조면과 광 반사층(33)을 가지는 돌출부(32)를 가진 하부 구조면, 그리고 가운데에 위치한 기재층으로 구성된다.
상기 상부구조면과 하부구조면은 이하 도 6에서 정의하는 바와 같이 각각 제1구조면과 제2구조면으로 지칭할 수 있으며, 바람직하게는 광 투과성을 갖는 고분자수지(resin)로 구성되고, 몰드(mold)에 의해서 성형가공될 수 있다.
상기 마이크로렌즈의 반지름(31a)은 대략 20 ~ 35 ㎛ 범위에서 형성될 수 있고, 다양한 크기와 형태를 가지고 규칙 또는 불규칙적으로 배열되어 투과 광의 산란과 굴절을 수행한다.
그리고 상기 돌출부(32)는 도면에서와 같이 직사각형의 단면을 가지고 벽(wall)처럼 줄무늬로 배열되었을 때, 대략 돌출높이(32c) 1 ~ 25 ㎛, 돌출폭(32a) 10 ~ 50 ㎛, 돌출간격(32b) 10 ~ 50 ㎛ 의 기하학적 크기를 가질 수 있고, 후술하는 도 10과 같이 점배열 된 원기둥 형일 때 대략 돌출높이 1 ~ 25 ㎛, 돌출폭 1 ~ 25 ㎛ 의 기하학적 크기를 가질 수 있다.
이때 상기 반사층은 제2구조면의 재료가 될 수 있는 고분자 수지와의 접착성을 고려하여 1 ~ 5 ㎛ 두께의 산화티타늄(TiO2)계 화합물로 코팅될 수 있고 그 구체 적인 코팅방법으로는 통상의 스크린코팅, 임프린팅, 그라비아 및 옵셋인쇄 중 어느 하나의 방법을 선택할 수 있다.
상기 산화티타늄계 화합물은 광학 구조면을 형성하는 고분자수지와의 접착성이 뛰어나며, 광 반사율이 높아 돌출부에서의 내부반사 및 외부반사를 원활히 수행할 수 있다.
도 6은 상기 돌출부와 반사층이 형성된 프리즘 시트의 경우를 나타낸 것인데, 도면에서 상부에 프리즘 모양으로 형성된 제1구조면(41)과 돌출부 및 반사층을 가지고 하부에 형성된 제2구조면(42) 및 중간 투과층으로 본 발명의 일 실시예가 구성될 수 있다.
상기 도 4의 (17b)에 대응하는 도 6의 광선(40b)이 프리즘 시트로 입사되지 않고 반사층에 의하여 튕겨지는 경우나, 상기 도 4의 (17e)에 대응하는 도 6의 광선(40e)이 반사층에 의하여 튕겨지는 경우가 관찰된다.
또한 돌출부 측면에서 반사되는 광선(40d)의 경우(입사각이 적으므로 굴절율 차이에 따른 반사가 일어난다) 프리즘 시트를 통과하고 나면 최적의 수직광으로 굴절되는 것을 알 수 있다.
상기 반사된 광선(40b, 40e)은 도광유니트에 설치된 하부 반사판(43)에 의해 다시 반사되어 다른 입사각을 가지고 제2구조면(42)에 재 입사될 것이다.
여기에서 제1구조면(41)을 떠나 출사되는 광선들을 살펴보면 상기 도 4의 경우와는 매우 다르게 월등한 연직도(광학시트 평면기준 90°에 가까운 출사각)를 지 니게 됨을 알 수 있다.
상기 도 6의 제1구조면은 필요에 따라 다양한 형태가 적용될 수 있으며, 그 구체적인 예는 도 7a ~ 도7f와 같다.
또한 도 6과 같이 큰 출사각으로 광선을 굴절시키는 데 결정적 역할을 하는 돌출부(32)와 반사층(33)은 실험을 거쳐 다양한 형태로 형성될 수 있는데, 도 8을 참조하면 기재층(34) 하단에 형성된 직사각형, 사다리꼴, 원기둥+반구형 등의 다양한 형태의 돌출부 형상 실시예가 제시되어 있으며 그에 따른 반사층(33b ~ 33f)의 코팅형상과 코팅범위도 말단 영역에 코팅 또는 도포 또는 인쇄방식으로 형성되거나, 돌출부의 말단면에서 측면까지의 영역 일부 내지 전체를 덮는 형태로 코팅되는 등 실험에 따라 다양하게 조정될 수 있다.
예를 들어 돌출부의 말단부가 반구형이라면 상기 반사층도 그에 맞게 반구형으로 코팅 내지는 인쇄될 수 있다.
도 9 ~ 도 11은 본 발명 광학시트 실시예 들의 외형 사시도를 나타내며, 이때 도면상의 돌출부는 단면이 직사각형 또는 사다리꼴인 벽(wall)형태를 가지고 줄무늬로 배열(stripe array)되거나, 단면이 직사각형 또는 직사각형에 반원이 결합된 기둥(column)형태를 가지고 점 배열(dot array)될 수 있고, 또는 상기 두 가지 배열이 혼합되는 경우를 도시한 것이다.
도 11에서, 벽+바닥평면 형태의 돌출부(32)와 반사층(33)은 광선을 균일하게 굴절 또는 반사하고, 그에 반해 원기둥+반구 형태의 돌출부(52)와 반사층(54)는 광선을 여러 방향으로 산란 또는 반사한다. 이러한 과정은 도 6에서의 2차원적 평면상에서 돌출부와 반사층에 의한 광의 연직화 과정을 3차원적 입체공간상으로 확대시킨 개념으로 이해될 수 있다.
도 12(a), 도 13(a)는 반사층이 형성되지 않은 광학시트의 시야각에 따른 휘도분포와 이를 0°~180° 투영평면상에 투영시킨 휘도그래프(단위는 cd/㎠)를 나타낸다.
상기 도면을 참조하면 광학시트를 떠나 아주 작은 입사각으로 액정면에 입사된 광선들로 인하여 화면 사각지역, 즉 0°~ 30°, 150°~ 180° 각도에서는 오히려 휘도가 약간 상승함을 관찰할 수 있다.
상기 현상이 바로 광학적으로 차단된 액정면 사이로 광이 미소하게 새어나오는 현상이며 이로 인해 전체적으로 명암비가 저하되는 현상이 발생하는 것이다.
도 12(b), 도 13(b)는 반사층이 형성된 본 발명 광학시트의 시야각에 따른 휘도분포와 이를 0°~180° 투영평면상에 투영시킨 휘도그래프를 나타낸 것으로서 상기 (a)도면들과는 달리 0°~ 30°, 150°~ 180° 각도에서 휘도가 약간 상승하는 현상(edge peak)이 관찰되지 않고, 유효시야각인 중심부의 휘도가 더욱 상승하였음을 관찰할 수 있다.
이상 본 발명이 구체화된 실시예를 도면과 함께 상세히 설명하였으나, 본 발 명의 기술적 사상은 상기 실시예에만 국한되는 것은 아니다.
다시 말해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 명세서 및 도면이 내포하고 있는 기술적 사상을 활용하여 필요에 따라 본 발명의 명세서 및 도면에 포함되지 않은 변경 및 확장 실시예를 추가로 구현할 수 있을 것이나 이 또한 본 발명이 고유하게 보유하는 기술적 사상의 범위에 자명하게 포함된다.
상술한 바와 같은 본 발명의 광학시트는 통상의 액정디스플레이 장치에서 액정부에 입사되는 광의 입사각을 반사층으로 적절히 제한하여 일정 각도 이상의 고입사각을 갖는 광만을 받아들이는 효과가 있으며, 또한 돌출부와 반사층의 결합작용으로 인해 입사각이 작은 광을 받아들이더라도 최종적인 광의 출사각은 최대한 액정면에 수직한 각도로 출사되는 효과를 갖는다.
다시 말해서 액정면에 수직 방향으로 입사되는 광을 최대한 늘리면서 엣지피크(edge peak)를 없애는 효과, 다시 말해서 상기 액정면상 수직에 가깝게 입사하는 광이 증대되는 반면에, 액정소자 사이를 돌아서 빠져나올 수 있는 액정면상 평행에 가깝게 입사하는 광은 최대한 억제하므로 액정면이 닫혔을 때 빛의 미소한 누설현상을 막아주는 효과가 있다.
따라서 결과적으로 사용자가 바라보는 유효 시야각에서 디스플레이 화면의 명암비(contrast ratio)를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (10)

  1. 출사광을 산란 또는 굴절시키는 광학구조가 형성된 제1구조면;
    입사광을 투과 또는 굴절시켜 상기 제1구조면으로 출사하는 광학구조가 형성된 제2구조면; 을 포함하고,
    상기 제2구조면에는 입사광의 광 유입 경로를 부분적으로 차단하는 반사층을 갖는 돌출부가 형성되며,
    상기 돌출부는 단면이 직사각형 또는 사다리꼴 형태를 가지며, 상기 반사층은 상기 돌출부의 말단면에 형성되는 것을 특징으로 하는 광학시트.
  2. 기재층;
    반구형 또는 프리즘형 구조를 가지고 상기 기재층의 일 면에 형성되는 제1구조면; 및
    상기 기재층의 다른 면에 형성되고 반사층을 갖는 돌출부가 배열되는 제2구조면; 을 포함하고,
    상기 돌출부는 단면이 직사각형 또는 사다리꼴 형태를 가지며, 상기 반사층은 상기 돌출부의 말단면에 형성되는 것을 특징으로 하는 광학시트.
  3. 광을 확산 또는 집광시키는 광학구조가 반복 배열된 상부 제1구조면과,
    말단부에 반사층이 형성된 돌출부가 반복 배열된 하부 제2구조면 및
    상기 제1구조면과 제2구조면을 광학적으로 연결하는 광 투과층을 포함하고,
    상기 돌출부는 단면이 직사각형 또는 사다리꼴 형태를 가지며, 상기 반사층은 상기 돌출부의 말단면에 형성되는 것을 특징으로 하는 광학시트.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 돌출부는 단면이 직사각형 또는 사다리꼴인 벽(wall)형태를 가지고 줄무늬로 배열(stripe array)된 것을 특징으로 하는 광학시트.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사층은 상기 돌출부의 말단 영역에 코팅 또는 도포 또는 인쇄방식으로 형성되며, 돌출부의 말단면에서 측면까지의 영역 일부 내지 전체를 덮는 것을 특징으로 하는 광학시트.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 반사층은 1 ~ 5 ㎛ 두께의 산화티타늄(TiO2)계 물질로 이루어지고 스크린코팅, 임프린팅, 그라비아 및 옵셋인쇄 중 어느 하나의 방법을 사용하여 상기 돌출부에 형성되는 것을 특징으로 하는 광학시트.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 돌출부는 돌출높이 1 ~ 25 ㎛, 돌출폭 10 ~ 50 ㎛, 돌출간격 10 ~ 50 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 광학시트.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 돌출부는 돌출높이 1 ~ 25 ㎛, 돌출폭 1 ~ 25 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 광학시트.
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