KR100964780B1 - 도광필름 - Google Patents

Abstract

본 발명은 본체,와 2차원배열을 형성하기 위하여 제1방향과 제2방향으로 배열된 다수의 마이크로 오목렌즈를 포함하며 각각의 오목렌즈와 오목렌즈의 연결부의 곡률이 0이 아닌 광분산구조를 포함하는 도광필름에 관한 것이다. 광원으로부터의 광은 광 분산구조를 통과하여 본체로 굴절되어져서 본체내에서 전반사에 의해 전파된다.

도광필름, 전반사, 광분산구조, 오목렌즈, 반사부

Description

도광필름{Light guiding film}

본 발명은 도광필름(light guiding film)에 관한 것으로, 상세하게는 광이 들어가서 내부에서 전파되는 도광필름에 관한 것이다.

이동전화, PDA 또는 디지털 카메라와 같은 이동기기에는 측면 백라이트 모듈이 있다. 그런데, 소형이 선호되므로, 아주 얇은 도광필름이 필요하게 되었다. 도광필름이 500㎛보다 적은 두께를 가지면, 광을 말단에서 필름으로 유도하는 것이 어렵다. 광원이 발광장치(LED)이면, LED에서의 광선은 모이고 따라서 냉음극 형광램프(CCFL)보다 얇은 필름으로 보다 잘 유도할 수 있다. 그러나 필름이 너무 얇으면, LED로부터의 광선도 말단에서 필름으로 유도될 수 없다. 복잡한 방법과 시스템이 광선을 필름으로 유도하기 위하여 사용되어야만 한다.

일반적인 도광필름은 미국 특허 제6,259,854호에 기재되어 있다. 광선은 두꺼운 도광필름의 말단으로부터 유도되어서 내부에서 연속적인 전반사에 의해 전파된다. 광선은 인쇄된 점 또는 마이크로 광학구조가 있는 표면에서 도광필름을 빠져나간다. 시드'03 다이제스트(SID'03 DIGEST), 2003, p1259-1261에서는 도광필름을 개시하고 있다. 광선은 후면으로부터 도광필름으로 유도되고 나서 반사된다. 공개된 이러한 구조는 복잡하고 광선의 에너지를 감소시킨다. 미국특허공보 제2006/0262564호에서는 왕관형태의 광학 캡(optical cap)을 개시하고 있다. LED로부터의 광선은 도광필름으로 굴절되어서 내부에서 전파된다. 광선은 반사되어져서 필름으로부터 빠져나간다. 이러한 구조는 적은 두께를 가지지 못하고 원가를 증가시킨다. 미국특허 제5,883,684는 광선을 필름으로 반사하는 반사층이 있는 측면 백라이트 모듈을 개시하고 있다. 여기서, 광선은 굴절과 반사과정에서 많은 에너지를 잃게 된다. 미국특허 공보 제2005/0259939호는 굽혀진 도광필름에 대하여 개시하고 있는데, 여기서는 광선은 말단으로부터 필름에 들어간다. 미국 특허공보 제2004/061440호는 얇은 도광필름에 대하여 기재하고 있다. 광선은 필름에 평행하지만, 필름에서 전파되지는 않는다. 일본특허공보 제2000249837호는 테퍼 방법(TAPER METHOD)에 의해 얇은 필름으로 유도되어지는 광선을 기재하고 있다. 이러한 방법들은 광도를 감소시킨다. 미국특허공보 제2004/202441호는 광원에 대응하는 노치가 있는 도광필름을 개시하고 있다. 광선은 말단에서 필름으로 유도된다. 어플라이드 옵틱스(Applied Optics) 4월 2006년_45권 12번(Vol. 45 No. 12)과 옵틱스 익스프레스(Optics Express) 2008 3월 2007/15권 5번은 필름에 평행하게 전파되는 광선을 분산시키기 위한 회절격자를 개시하고 있다.

본 발명은 상기된 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 광이 들어가서 내부에서 전파되는 도광필름을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 도광필름은 본체와 광분산구조를 포함하고 있는데, 광분산구조는 2차원배열을 형성시키기 위하여 제1방향과 제2방향으로 배열된 다수의 마이크로(micro) 오목렌즈를 포함하고 있는데, 여기서 각각의 오목렌즈와 오목렌즈의 연결부의 곡률(curvature)은 0이 아니다. 광분산구조를 통과하는 광원으로부터의 광은 본체로 굴절되어져서 전반사에 의해 본체내에서 전파된다.

도광필름은 본체에 인접한 반사부를 추가로 포함하고 있는데, 광분산구조를 통과한 광은 반사부에 의해 반사되어 본체내로 굴절되어져서 본체내에서 전반사에 의해 전파된다.

광분사구조를 통과하여 본체로 굴절되어져서 전반사에 의해 본체내에서 전파되어지는 광은 반사부에 의해 반사된다.

본체는 광분산구조가 형성되어 있는 제1표면과 제2표면을 가지고 있다. 광이 광분산구조로 들어가기 위하여 제1표면을 통과하면, 반사부는 제2표면에 인접한다. 광이 광분산구조로 들어가기 위하여 제2표면을 통과하면, 반사부는 광분산구조에 인접한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 본체는 광분산구조가 형성된 제1표면과 제2표면을 가지고 있다. 광은 광분산구조를 들어가기 위하여 제1표면으로 들어가서 전반사에 의해 본체내에서 전파된다.

본 발명의 상세한 설명은 도면을 참조하면서 아래의 실시예에 기술되어 있다.

본 발명에 의하여 광이 내부에 들어가서 전파될 수 있는 도광필름을 얻을 수 있다.

도 1을 참조하면, 도광필름(100)은 제1표면(12)과 제2표면(14)이 있는 본체(10)를 포함하고 있다. 광 분산구조(30)는 제1표면(12)에 형성된다. 광원(5)으로부터의 광(A)이 광분산구조(30)에 도달하면, 광(A)은 분산된다. 분산된 광(B)은 제2표면(14)에 의해 반사된다. 반사된 광(C)은 필름와 공기의 경계부에 도달하여 경계부에 의해 반사되어진다. 경계부에 도달한 광은 전반사의 임계각 θc보다 큰 입사각을 가지므로, 경계부에서 전반사가 일어나서, 연속적인 전반사에 의해 본체(10)내에서 광(C)는 전파된다. 그러므로, 광은 도광필름(100)의 한 표면에서 도광필름(100)으로 유도된다. 기본적으로 광의 전파 방향은 광의 입사방향에 직교한다.

광분산구조(30)는 도 2에서 보는 바와 같이, 2차원배열을 형성하기 위하여 제1방향(L1)과 제2방향(L2)을 따라서 형성된 다수의 마이크로 오목렌즈(32)를 포함하고 있다. 이러한 구조는 레이저 끌기 방법(laser dragging method), 몰드 인젝션 방법(mold injection method) 또는 UV 몰딩 방법(UV molding method)에 의해 만들어질 수 있다. UV 몰딩 방법에서는 본체와 동일한 굴절율을 가지는 UV 접착제를 사용한다. 각각의 오목렌즈(32)와 오목렌즈(32)의 연결부에서의 곡률은 0이 아니다. 마이크로 오목렌즈(32)의 깊이는 광분산구조(30)의 두께의 1/2보다 적다. 도광필름의 재질은 투명하고 폴리카보네이트, PET, COP, COC, PE, PP, PES, PI, PMMA 또는 PS를 포함한다.

임계각(θc)은 도광필름(100)의 재질에 따라 달라진다. 일반적으로, 도광필름(100)은 폴리카보네이트로 만들어진다. 폴리카보네이트의 굴절률은 n1=1.59이다. 공기의 굴절율은 n2=1이다. θc = arcsin(n2/n1)이므로, 폴리카보네이트의 θc는 38.97˚이다.

도 3은 본 발명에 의한 도광필름의 다른 실시예를 보여주는 도면이다. 이 실시예에서 반사부(20)가 제2표면(14)에 설치된다. 반사부(20)는 제2표면(14)에 도달한 광을 반사시킨다. 반사된 광은 제1표면(12)에 의해 완전히 반사되고 계속적인 전반사에 의해 본체(10)에서 전파된다.

도 4는 본 발명에 의한 도광필름의 또다른 실시예를 보여주는 도면이다. 반사부(20)는 제1표면(12)의 광 분산구조(30)를 마주본다. 이 실시예에서는 광원(5)으로부터의 광(A)은 광분산구조(30)에 의해 본체내로 전파되고 반사부(20)에 의해 반사된다. 반사된 광(B)은 광분산구조(30)를 다시 통과하여서 분산된다. 분산된 광(C)가 도광필름(100)과 공기의 경계부에 도달하면, 연속적인 전반사가 일어난다. 광은 연속적인 전반사에 의해 본체에서 전파된다.

도 5는 본 발명에 의한 도광필름과 광원의 또 다른 배열을 보여주는 도면이다. 광원(5)은 제1표면(12)에 대하여 기울여져 있다. 이러한 배열에서는 광의 강도가 일정하지 않게 분포하게 한다.

이러한 도광필름에서의 광 분산과 전반사에 대하여 설명한다. 폴리카보네이트와 공기의 전반사의 임계각은 38.97˚이다.

도 6은 반구형 렌즈가 사용된 마이크로 오목렌즈를 도시한 것이다. θ1과 θ2는 광선 1과 2의 입사각이다. θr1과 θr2는 광원 1과 2의 굴절각이다. α1과 α2는 광원 1과 2의 중심각이다. θv1과 θv2는 굴절된 광원 1과 2의 화각(view angle)이다. 마이크로 오목렌즈가 반구형 렌즈이므로, 법선은 구의 중심(초점)을 지나게 된다. 스넬의 법칙에 의하면, n1 sinθ1 = n2 sinθr1, α1 = θ1 , θv1 = α1 - θr1이다. θ1 이 36.8˚, θr1이 22.1˚, θv1 = 45˚ - 26.4˚ = 14.7˚ < 38.97˚(전반사의 임계각)이면, 전반사는 일어나지 않는다. θ2 이 52.9˚, θr2 = 30.1 ˚, θv2 = 22.8˚ < 38.97˚(전반사의 임계각)이면, 광은 완전히 반사될 수 없다. 이론적으로 전반사는 입사각이 77˚를 넘어야지만 가능하다. 그러나, 광의 적은 양은 이각을 넘게된다. 구형렌즈는 광을 유도하는 효율이 저조하다.

도 7은 렌즈의 반지름에 대한 렌즈의 깊이의 비율(aspect ratio)이 1보다 큰 값을 가지는 구형이 아닌 렌즈(타원렌즈, 포물선렌즈 또는 쌍곡선렌즈)를 보여주는 도면이다. β1과 β2는 광원 1과 2의 입사각이다. 타원렌즈의 깊이는 b이고, 타원렌즈의 반지름은 a/2이다. 이심률 e = (1-(a/2)² / b² ) 1/2이다. a:b = 1:1, e = 0.86일때, 타원렌즈에 대해서는 β1 > θ1이다. β1 = 56.3˚, β2 = 72.4˚. 스넬의 법칙에 의하면, sinβ1 = 1.59 sinθr1, θv1 = β1 - θr1 = 24.7˚, θv2 = β2 - θr2 = 35.5˚가 되어 임계각 38.97˚에 매우 근접한다. 만약에 θv3가 38.97˚이면, β는 약 77˚이다. 광은 높은 이심률을 가지는 타원렌즈에 의해 완전히 반사된다.

렌즈에 들어가는 광이 예를 들어 ω = 12˚의 각으로 편향되어지면, β2는 72.4˚에서 60.4˚로 감소된다. 계산을 하면, θr1 = 33.1˚, θv1 = β1 - θr1 = 39.3˚인데, 이는 임계각을 초과한 것이다. 높은 효율은 비 a/b가 2를 초과할 때만 얻어질 수 있다.

도 8은 500㎛의 폴리카보네이트 필름위에 형성된 광 분산구조에 대한 SEM 다이아그램이다. 도 9는 ELDIM 패턴을 보여주는 도면이다. 높은 광도는 화각 45˚를 초과할 때 관찰된다. 광이 필름에 들어갈 때, 폴리카보네이트 물질의 임계각 38.97˚를 초과하는 45˚의 굴절각을 가지면, 광은 연속적인 전반사에 의하여 필름내에서 전파된다.

도 10은 광이 집중되는 다른 표면에서 필름에 들어가는 광을 보여주는 도면이다. 도 11은 열-압착방법(heat-pressing method)에 의해 필름에 형성된 광분산구조를 보여주는 도면이다. 임프레션 헤드(impression head)는 필름을 누르기 위해 사용된다. 반사부가 광분산구조의 반대편에 위치한다. 도 12는 레이저 소스가 사용된 것을 보여주는 도면인데, 레이저는 말단에서 필름을 빠져나간다. 도 13은 광이 필름의 말단으로부터 빠져나가는 것을 보여주는 도면인데, 필름에서 광이 전반사하는 것을 보여준다. 도 14는 도 13에 도시된 구조에 백색 LED가 사용된 것을 보여주는 도면이다. 도 15는 광이 빠져나가는 구조(스크래치(scratch))가 있는 폴리카보네이트 필름을 보여주는 도면이다. 광은 스크래치에서 필름을 빠져나간다. 도 16은 도 15에서의 구조에 백색 LED를 사용한 것을 도시한 것이다. 도 17은 굽혀진 도광필름(광은 굽혀진 필름내에서 전파된다.)을 보여주는 도면이다. 도 18은 필름에서 광이 빠져나갈수 있는 심볼이 새겨져 있는 도광필름을 보여주는 도면이다.

본 발명이 바람직한 실시예로서 설명되었지만, 본 발명은 상기된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다. 반대로 본 발명은 (본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한) 여러 가지 변형과 유사한 배치를 포함한다. 그러므로 특허청구범위의 청구항은 이러한 모든 변형과 유사한 배치를 포함할 수 있도록 광범위하게 해석되어져야 한다.

도 1은 본 발명의 도광필름의 실시예의 개략도,

도 2는 본 발명의 도광필름의 광분산구조의 개략도,

도 3은 본 발명의 도광필름의 다른 실시예의 개략도,

도 4는 본 발명의 도광필름의 다른 실시예의 개략도,

도 5는 본 발명의 도광필름의 다른 실시예의 개략도,

도 6과 도 7은 본 발명의 광분산과 전반사를 도시한 도면으로서, 도 6은 구형렌즈 실시예를 보여주고, 도 7은 구형이 아닌 렌즈의 실시예를 보여주는 도면,

도 8은 본 발명의 마이크로마이크로 렌즈 배열의 SEM 다이아그램,

도 9는 광분산구조를 통과하는 광의 ELDIM 패턴,

도 10은 광분산구조를 통과하는 과의 다른 ELDIM 패턴,

도 11은 열압박방식에 의해 폴리카보네이트 필름에 형성된 광분산구조를 보여주는 도면,

도 12는 광이 들어가는 부분에 위치하는 레이저 소스를 보여주는 도면,

도 13은 도 11에서의 다크뷰(dark view),

도 14는 도 11에서의 백색 LED 발광이 광분산구조를 위한 광원으로 사용된 것을 보여주는 도면,

도 15는 광 방출구조와 광 방출구조를 위한 광원으로서 빨간 레이저를 보여주는 도면,

도 16은 백색 LED가 도 15에서의 광 방출구조를 위한 광원으로 사용된 것을 보여주는 도면,

도 17은 본 발명에 의한 굽혀진 도광필름을 보여주는 도면,

도 18은 심볼이 새겨진 도광필름을 보여주는 도면이다.

Claims (16)

1. 광분산구조가 형성되어 있는 제1표면과 상기 제1표면의 반대편에 위치하는 제2표면으로 구성된 본체; 및

   2차원배열을 형성하기 위하여 제1방향과 제2방향으로 배열된 다수의 마이크로 오목렌즈를 포함하며, 각각의 오목렌즈 및 오목렌즈들 사이의 연결부에서의 곡률이 0보다 크거나 작은 광분산구조를 포함하며,

   광원으로부터의 광이 상기 광분산구조를 통과하여 본체로 굴절되어져서 전반사에 의해 본체내에서 전파되어지는 것을 특징으로 하는 도광필름.
2. 제1항에 있어서, 상기 도광필름은 상기 본체를 기준으로 상기 광원의 반대편에 상기 본체에 인접하게 위치하는 반사부를 추가로 포함하고, 광분산구조를 통과한 광은 반사부에 의해 반사되어 본체내로 굴절되어져서 본체내에서 전반사에 의해 전파되는 것을 특징으로 하는 도광필름.
3. 제2항에 있어서, 광이 본체에 들어가기 위하여 제1표면을 통과할 때는 반사부는 제2표면 측에 위치하고, 광이 본체에 들어가기 위하여 제2표면을 통과할 때는 반사부는 제1표면 측에 위치하는 것을 특징으로 하는 도광필름.
4. 제1항에 있어서, 광은 본체에 들어가기 위하여 제1표면을 통과하고, 전반사에 의해 본체내에서 전파되는 것을 특징으로 하는 도광필름.
5. 제1항에 있어서, 광원으로부터의 광은 도광필름에 직교하거나 기울여져 있는 것을 특징으로 하는 도광필름.
6. 제1항에 있어서, 제1방향은 제2방향에 직교하는 것을 특징으로 하는 도광필름.
7. 제1항에 있어서, 각각의 마이크로 오목렌즈의 지름이 깊이의 2배 보다 큰 것을 특징으로 하는 도광필름.
8. 제1항에 있어서, 각각의 마이크로 오목렌즈의 반지름에 대한 오목렌즈의 깊이의 비율(aspect ratio)이 1보다 큰 것을 특징으로 하는 도광필름.
9. 제1항에 있어서, 마이크로 오목렌즈의 깊이가 광분산구조의 두께의 1/2보다 작은 것을 특징으로 하는 도광필름.
10. 제1항에 있어서, 제1표면 또는 제2표면에 형성된 광 방출 구조를 포함하고 있으며, 본체에서 전파되던 광은 광 방출 구조를 통하여 본체를 빠져나가는 것을 특징으로 하는 도광필름.
11. 제1항에 있어서, 광의 입사방향이 광의 전파방향과 직교하는 것을 특징으로 하는 도광필름.
12. 제1항에 있어서, 도광필름의 재질은 투명하고 폴리카보네이트, PET, COP, COC, PE, PP, PES, PI, PMMA 또는 PS인 것을 특징으로 하는 도광필름.
13. 제1항에 있어서, 광분산구조는 열압착방법으로 임프레션 헤드에 의해 본체에 형성되는 것을 특징으로 하는 도광필름.
14. 제1항에 있어서, 광분산구조는 몰드 인젝션 방법에 의해 본체에 형성된 것을 특징으로 하는 도광필름.
15. 제1항에 있어서, 광분산구조는 UV 몰딩 방법에 의하여 본체에 형성되는 것을 특징으로 하는 도광필름.
16. 제15항에 있어서, UV 몰딩 방법은 본체와 동일한 굴절율을 가지는 UV 접착제를 사용하는 것을 특징으로 하는 도광필름.

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