KR100964963B1 - 편광판 및 이를 포함하는 편광조사장치 - Google Patents

편광판 및 이를 포함하는 편광조사장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비평행한 입사광의 편광을 제공할 수 있는 편광판 및 이를 포함하는 편광조사장치에 관한 것으로, 일방향으로 연장된 삼각형 단면의 광입사부가 연속적으로 형성되고, 상기 삼각형 단면은 일경사면 또는 대칭되는 두 경사면의 경사각이 브루스터 각(brewster angle)± 30°범위의 실수값을 갖는 석영기판을 포함하는 편광판; 및 기재, 기재와 광원 사이에 위치하는 본 발명의 일 구현에 의한 편광판 및 자외선 반사막이 구비된 광원을 포함하여 이루어지는 편광조사장치가 제공된다.
브루스터각 ± 30°의 입사각, 석영기판, 대면적 편광판, 비평행광원의 편광, 조도, 편광조사장치.

Description

편광판 및 이를 포함하는 편광조사장치{Polarizing Plate and Polarizing Device Comprising the Same}
본 발명은 비평행한 입사광을 고도로 편광시킬 수 있는 편광판 및 이를 포함하는 편광조사장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는 비평행한 자외선광을 높은 조도로 편광되도록 할 수 있는 편광판 및 이를 포함하는 편광조사장치에 관한 것이다.
근래, 액정표시장치(Liquid Crystal Display, LCD)는 휴대폰, 전자계산기, 노트북 컴퓨터 및 LCD 모니터등의 디스플레이장치로 일반적으로 이용된다.
이러한 액정표시장치는 스페이서에 의해 소정의 간격을 두고 대향 배치되는 상,하 기판과 상,하 기판사이에 형성된 액정층으로 이루어진다. 상기 상,하 기판은 각각 그 대향면에 소정 패턴의 전극을 보유하며, 이들 전극의 상부에는 액정의 프리틸트각을 결정하는 배향막이 위치한다.
상기 배향막에 배향을 부여하는 방법으로는 러빙법 또는 광배향법이 일반적으로 사용된다. 러빙법은 기판에 폴리이미드등의 배향물질을 도포한 후, 러빙포로 기계적 마찰을 일으켜 액정의 프리틸드를 유발하는 방법으로 대면적화와 고속처리가 가능하므로 공업적으로 널리 이용되는 방법이다.
그러나, 마찰강도에 따라 배향막에 형성되는 미세홈의 형태가 달라지게 되어 액정분자가 일정하게 배열되지 않는 문제가 있으며, 이로 인하여 불규칙한 위상왜곡(random phase distortion)과 광산란(light scattering)이 발생되어 액정표시소자의 성능을 저하시킬 우려가 있다. 또한, 러빙처리시 먼지 및 정전기가 발생하여 수율을 감소시키는 결점도 있다.
한편, 상기한 광배향 공정은 광배향막이 도포된 기판에 자외선을 조사하여 액정의 프리틸트를 유발하는 것으로, 러빙법과 달리 정전기나 먼지가 발생할 우려가 없다. 또한, 배향막 전면에 걸쳐 동시에 프리틸트를 제어할 수 있으며 액정분자를 균일하게 배열시킬 수 있으므로 위상왜곡이나 광산란 현상의 유발이 방지되는등 여러가지 장점이 있다.
이와 같이, 배향막에 광배향법으로 배향을 부여하기 위해서는 선편광 또는 부분편광된 자외선이 요구되며, 이러한 편광을 제공하기 위해 편광조사장치가 사용 된다. 이러한 광배향공정에 사용되는 편광판은 대면적에서 사용가능하고, 자외선 영역에서 사용할 수 있으며, 내열성 및 내구성이 우수하고 또한, 높은 광투과도를 가질 것이 요구된다.
더욱이, 디스플레이 및 정보소재산업이 고도화되면서 편광된 자외선 및 가시광을 필요로 하는 경우가 많아지고 있으며, 특히 LCD에서 UV를 이용하는 배향막의 경우, 균일한 정렬(alignment)을 요구하는 트위스트 네마틱 모드(twist nematic mode)나 플레인 스위칭 모드(plane switching mode)에서 대면적의 편광된 자외선이 특히 요구된다.
이와 관련하여, 특히 고에너지 영역의 UV 광원을 편광으로 이용하는 경우에 장시간 안정적으로 편광특성을 유지할 수 있는 재료 및 방법이 요구된다. 종래, 플라스틱 기판에 요오드 등의 광흡수층을 한 방향으로 배향하여 편광 효과를 얻는 시이트 타입의 편광판이 일반적으로 사용되었다. 그러나, 상기 시이트 타입 편광판은 강한 UV광선에 노출되면 단시간 내에 타버리게 되어 편광특성이 소실되며, 이는 용도에 맞지 않다.
따라서, 넓은 면적에 고르게 편광된 UV광을 조사하기 위한 다른 방법으로서, 브루스터각(Brewster angle)을 이용한 편광소자(Polarizer)가 개발되었다.
그러나, LCD의 광배향 용도로 개발된 기존의 편광장치는 브루스터 각을 이용한 편광 효과를 넓은 면적에서 고르게 편광된 UV광을 조사하기 위해 복잡한 별도의 광학계가 이용되며, 이에 따라 비용이 현저하게 증대된다. 또한, 브루스터 편광소자의 경우, 100% 평행광을 필요로 하는 문제가 있다. 이와 관련된 대면적의 편광을 얻기위한 종래기술로서 한국특허 제 268004호는 입사광을 편광시키기 위해 기판자체를 삼각형상 또는 평행사변형으로 하여 한층 이상 적층하여 형성한 석영기판부와 석영기판부를 유지하는 편광자홀더(polarizer holder)로 구성되는 조도분포의 균일성을 확보한 대면적 편광판 및 대면적 편광판과 입사광을 평행광선으로 조정하는 집광렌즈, 편광자 홀더 및 추가의 이동제어부를 포함하여 이루어지는 편광장치에 대하여 개시하고 있다. 이 특허에 개시되어 있는 편광효과를 얻기 위해서 투과되는 광원이 평행광이 되어야 하며, 이를 구현하기 위해서는 큰 거울과 다양한 광학계가 광로(光路)에 배치되어야만 한다. 따라서 광로의 길이가 길 수밖에 없으며, LCD 3세대 이상의 면적에 해당하는 유리에 균일하게 UV를 조사하기 위해서는 적어도 약 6m 이상의 광로가 필요하게 된다. 이로 인하여 광원과 조사 목적면 사이의 거리가 멀게 되며, 따라서 조도가 낮아지고 조사장치의 크기가 커질 수 밖에 없는 문제가 있다.
한국특허 제558161호는 휘도를 향상시키고 광손실을 최소화함과 동시에 제조가 간편한 반사편광필름 및 이를 갖는 디스플레이장치에 관한 것으로, 상기 한국특허의 반사편광필름은 등방성 매질의 광경화성 폴리머로 형성된 복수의 광학층이 상 호 적층되어 형성되며, 각 광학층의 적층 경계면에는 첨두각이 80°내지 100°인 프리즘 광학패턴으로 형성됨을 특징으로 한다.
한국등록특허 558161호는 종래 액정디스플레이 장치에 사용되는 편광필름의 휘도 특성이 저조한 문제점을 개선하기 위하여, 브루스터 편광효과로 편광을 얻고, 또한 적층된 필름 사이에서 반사되는 빛이 빛의 진행 방향에 위치한 상면 필름을 재투과함으로써 최종적으로 투과되어 나오는 편광된 빛의 광량이 증가하도록 하는 반사편광필름 및 이러한 반사방지필름을 적용한 액정 디스플레이장치를 개시하고 있다.
그러나, 상기 특허는 비평행한 광원을 이용한 편광부여, 조도의 비약적인 증대 및 스캐닝법으로 편광을 얻는 바에 대하여는 전혀 개시하고 있지 않다. 또한, 상기 특허의 필름은 강한 광원에 노출되면 단시간 내에 타버리게 되어 편광특성이 소실될 수 있다.
일본공개특허 제2000-171676호는 입사광을 편광시키는 삼각형, 사각형 혹은 평행사변형 모양의 석영기판을 １개 이상 적층하여 형성된 석영 기판부와 석영 기판부를 지지하는 편광자 홀더(polarizer holder)로 구성되는 조도 분포의 균일성을 확보할 수 있는 대면적 편광판에 대하여 개시하고 있다.
일본공개특허 제1999-202335호는 서로 소정의 간극을 두고 복수의 투광판을 배치하고，한편의 투광판 측에서 브루스터각으로 빛을 입사시키고，다른 편의 투광판 측에서 편광된 출사광을 얻는 편광방법을 개시하고 있으며, 상기 방법에 따라 대면적이라도 충분히 높은 편광을 얻을 수 있다.
그러나, 상기 대면적의 편광을 얻기위해 종래 특허문헌에 개시되어 있는 편광소자들은 입사광에 대하여 편광판은 브루스터 각을 갖도록 기판자체가 삼각형 또는 평행사변형으로 적층되어 형성되며, 편광을 부여하고자 하는 기재에 대하여 평행광원으로 입사되어야 하는 것으로, 비평행광원을 대면적의 편광으로 얻기위한 기술이 요구된다.
또한, 평행광원을 이용한 브루스터 편광판이 일반적으로 이용되며, 브루스터 편광판에서는 석영유리를 적층하여 평행광원에 대하여 브루스터 각을 이루게 하므로써 편광을 얻을 수 있으나, 점광원을 평행광원화 하기 위해서는 고가의 광학계를 필요로 하며, 대면적의 경우에는 적용하기 어려운 문제가 있다.
본 발명의 일 구현에 따른 목적은, 종래 브루스터 편광판(Brewster Polarizer)이 갖는 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로, 비평행 광원으로부터 편광을 얻을 수 있는 편광판을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구현에 따른 다른 목적은 높은 조도의 편광을 얻을 수 있는 편광판을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구현에 따른 또 다른 목적은 우수한 편광을 대면적으로 제공할 수 있는 편광판을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 구현에 따른 목적은 비평행 광원으로부터 편광을 얻을 수 있는 편광조사장치를 제공하는 것이다.
나아가, 본 발명의 다른 구현에 의한 다른 목적은 높은 조도의 편광을 얻을 수 있는 편광조사장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 구현에 따른 목적은 우수한 편광을 대면적으로 제공할 수 있는 편광조사장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 견지에 의하면,
일방향으로 연장된 삼각형 단면의 광입사부가 연속적으로 형성되며, 상기 삼각형 단면은 일경사면 또는 대칭되는 두 경사면의 경사각이 브루스터 각(brewster angle)±30°범위의 실수값을 갖는 석영기판을 포함하는 편광판이 제공된다.
본 발명의 다른 견지에 의하면,
기재, 기재와 광원 사이에 위치하는 상기 본 발명의 일 견지에 의한 편광판 및 자외선 반사막이 구비된 광원을 포함하는 편광조사장치가 제공된다.
본 발명의 일 구현에 의한 편광판을 포함하는 편광조사장치를 사용하므로써, 비평행 광원을 이용하며 비편광광 대 편광광의 비율이 1:30이상인 고편광 자외선을 얻을 수 있다. 본 발명의 일 구현에 의한 편광판은 비평행 광선인 경우에도 우수한 편광을 얻을 수 있으므로 평행광선이 되도록 하기 위한 별도의 광학기를 필요로 하지 않으며, 광원과 편광판이 가까이 위치될 수 있으므로, 조도가 우수한 편광을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 일 구현에 의한 편광판은 대면적에 편광을 적용할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 구현에 의한 편광판 및 이를 포함하여 구성되는 편광조사장치에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래 편광판에서 비편광광의 P-편광 성분이 강화된 편광광을 얻기 위해서 비편광광은 편광판에 대하여 브루스터각을 이루도록 입사되어야만 한다. 그러나, 도 2 및 3에 도시한 바와 같이, 편광판에 대한 입사광이 브루스터 각에 대하여 α 또는 α' 각도 범위에서 경사진 비평행광인 경우에, 편광판(P) 또한 α 또는 α' 각도 만큼 기울어져 있다면 반사광과 투과광은 여전히 브루스터각에 의한 효과에 따라 고도로 편광될 수 있다. 따라서, 본 발명은 이에 착안하여 편광판의 광입사부(I)에 피라미드 형태의 경사부를 형성하여 비평행한 비편광광이 효율적으로 편광되도록 함을 기술적 특징으로 한다. 즉, 편광판의 광입사부(I)에 경사부를 형성하므로써 편광판에 대한 입사각이 브루스터각을 이루지 않는 비평행한 입사광에 대하여 편광판을 기울인 것과 같은 효과가 달성됨에 착안하여 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 일 구현에 의한 브루스터 각을 이용한 편광판은 유효한 선편광 또는 부분 편광된 자외선을 얻기위해 완전히 평행한 빛이 입사되어야 하는 종래의 문제를 해소하기 위해 제안된 것으로 브루스터 각(brewster angle)± 30°범위의 실수값의 최소 일 경사각을 갖는 피라미드형 요철이 형성된 석영기판을 이용하므로 써, 비평행광원을 높은 조도로 편광시킬 수 있는 편광판을 제공하는 것이다.
또한, 종래 100% 평행인 광원이 요구되는 경우에는 평행광선이 되도록 하기 위해 광원과 편광판이 멀리 떨어져서 위치되었으나, 본 발명에서는 완전히 평행한 광원(100% 평행인 광원)이 요구되지 않으므로 광원과 편광판 사이의 거리가 단축되어 편광의 조도가 증대되고 편광조사장치의 크기를 현저하게 감소시킬 수 있다. 더욱이, 평행광이 되도록 하기 위한 별도의 광학계를 필요로 하지 않으며, 우수한 조도의 편광을 대면적으로 제공할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 구현에 의한 석영기판은 단면이 삼각형이고 일방향으로 연장된 형태의 광입사부(I)가 형성되며, 이때, 삼각형 단면은 일 경사면 또는 대칭되는 두 경사면의 경사각이 브루스터 각(brewster angle)± 30°범위의 실수값, 바람직하게는 브루스터 각± 20°범위의 실수값, 보다 바람직하게는 브루스터 각± 15°범위의 실수값을 갖도록 형성된다. 본 발명의 일 구현에 의한 편광판을 구성하는 석영기판에서 경사각은 비평행한 입사광이 평행을 벗어나는 각도와 관련된 것으로 비평행한 입사광이 편광판에 도입되더라고 편광판 통과시 편광판과 브루스터각을 이루어 편광효과를 나타내도록 경사면의 경사각이 브루스터 각(brewster angle)± 30°범위의 실수값을 갖도록 형성된다. 본 발명의 일 구현에서 사용되는 석영기판중 광입사부(I)의 경사각의 크기가 브루스터 각± 30°을 벗어나면 후술하는 본 발명의 구현에 의한 비평행한 입사광을 비편광광: 편광광의 비율이 1:30 이상으로 충 분히 편광시키지 못한다. 상기 본 발명의 일 구현에 의한 석영기판으로 편광판을 구성하므로써 비편광된 성분:편광된 성분의 비율인 편광도가 1:30 이상인 편광을 구현할 수 있다.
도 4에 본 발명의 일 구현에 의한 경사각이 브루스터 각± 30°범위의 실수값을 갖는 대칭되는 두 경사면이 형성된 석영기판이 3층으로 적층된 편광판의 경우, 비편광광이 입사되어 P-편광된 편광을 방출하는 광경로를 나타내었다. 도 4의 (a)는 평행광이 편광되는 경로를 그리고 도 4의 (b)는 비평행광이 편광되는 경로를 나타낸다. 도 4의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 구현에 의한 편광판에 입사된 평행광 뿐만 아니라 비평행광 또한, 편광판을 통과함에 따라 P-편광성분이 증대되어 보다 큰 편광도를 나타낸다. 이와 같이, 본 발명의 일 구현에 의한 편광판은 비평행한 비편광광의 편광에 효과적이다. 본 명세서에서 사용된 '비평행광원', '비평행한 입사광', '비평행한'등의 용어는 100%로 완전히 평행한 광원이 아닌 어떠한 광을 의미하는 것이며, 이로써 한정하는 것은 아니지만, 구체적으로 평행±30°,바람직하게는 평행±20°, 보다 바람직하게는 평행±15°범위를 말한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 용어 '평행광원', '평행광'등에서 '평행'이란 빛이 서로 평행하게 입사됨을 말하며, '비평행 광원'등에서 '비평행'이란 예를들어, 점광원에서 빛의 진행방향과 같이 빛의 진행방향이 서로 평행하지 않고 어떠한 각도의 다른 방향으로 진행됨을 의미한다.
종래의 브루스터각의 원리를 이용한 편광판은 편광을 부여하고자 하는 기재(S)에 대하여 입사광이 평행하게 입사되어야 하지만, 본 발명의 일 구현에 의한 편광판은 어떠한 비평행한 입사광에 대하여 우수한 편광을 나타낸다. 다만, 입사광이 평행 ± 30°범위에서 비평행인 것이 빛의 이용효율 및 본 발명의 구현에 의한 경사각 범위를 갖는 석영기판을 제조함에 있어서 바람직하다. 즉, 평행 ± 30°범위를 초과하는 경우에는 빛이 과다하게 퍼져서 입사되므로 빛의 이용효율이 저조하며, 또한, 평행± 30°범위를 초과하며 입사한 빛과 편광판이 브루스터각을 이루도록 브루스터각 ±30˚범위를 초과하는 경사각 뿐만 아니라, 브루스터각±30˚범위내의 경사각을 이루는 다양한 석영기판을 제조하여야 하므로 비효율적이다.
상기와 같이 비평행한 비편광광을 고도로 편광시키는 본 발명의 일 구현에 의한 편광판은 일방향으로 연장된 삼각형 단면의 광입사부가 연속적으로 형성되며, 이러한 본 발명의 일 구현에 의한 편광판의 사시도를 도 5(a) 및 도 5(b)에 도시하였다. 도 5(a)는 단일한 석영기판으로된 편광판을 그리고 도 5(b)는 다수의 석영기판이 적층된 형태를 나타낸다. 상기 삼각형 단면은 일경사면 또는 대칭되는 두 경사면의 경사각이 브루스터 각± 30°범위, 바람직하게는 브루스터 각 ± 20°범위, 보다 바람직하게는 브루스터 각± 15°범위의 실수값을 갖도록 석영기판의 광입사부에 형성됨을 특징으로 한다.
상기 석영기판의 두께(d)는 약 1mm이상, 보다 바람직하게는 1mm-5mm일 수 있 다. 석영기판의 두께가 1mm미만이면 가공시 또는 사용시에 파손되기 쉽다. 석영기판의 두께가 5mm를 초과하더라도 편광특성등은 문제시 되지 않지만, 두께 증가에 따른 특별한 이점이 없고, 투과도 측면에서 효율이 낮고, 장비 구성 측면에서 광원부터 기판까지의 거리가 길어진다. 상기 경사각을 갖는 광입사부가 형성된 석영기판은 몰딩(molding)법, 그라인딩(grinding)법 혹은 식각법으로 제조될 수 있다. 몰딩법으로 경사각을 갖는 광입사부가 형성된 석영기판의 요철패턴을 형성하는 경우에, 석영유리 표면의 규칙적인 요철 패턴은, 패턴을 음각으로 형성한 금속 형틀에 용융 석영유리를 주입한 후, 상온으로 서냉하여 몰드에서 제거하는 방법으로 제조할 수 있다. 그라인딩법에서는 석영기판을 연마하여 요철패턴을 형성하지만, 그라인딩 할 경우 석영유리의 표면이 불투명해지는 문제점을 해결하기 위한 추가적인 연마공정을 필요로 하는 반면, 몰딩법에서는 이러한 문제가 발생되지 않는 잇점이 있다. 식각법은 석영유리 표면을 포토레지스트를 이용하여 패터닝(patterning)하는 공정, 유리재질이 용해될 수 있는 불산을 사용하여 패턴이 형성되지 않은 부분을 식각하는 공정 및 포토-레지스트를 제거하는 공정순서에 따라 최종적으로 목적하는 각도로 요철면이 형성된 기판을 얻을 수 있다.
브루스터각 ± 30° 경사각(α)의 일 경사면을 갖는 광입사부가 형성된 석영기판을 도 6에 그리고 브루스터각 ± 30°의 경사각(α)으로 대칭되는 두 경사면을 갖는 광입사부가 형성된 석영기판을 도 7에 도시하였다. 석영기판상에 형성되는 광입사부의 높이(h)는 특히 한정되지 않으며, 원하는 편광도등 필요에 따라 적합하게 조절할 수 있다.
본 발명의 일 구현에 의한 편광판은 원하는 편광이 극대화되도록, 상기 브루스터 각(brewster angle)± 30°범위의 실수값의 경사각을 갖는 일 경사면 또는 대칭되는 두 경사면을 갖는 광입사부가 형성된 석영기판이 다수 적층된 것일 수 있다. 즉, 이로써 한정하는 것은 아니며 비제한적인 예로서, 본 발명의 일 구현에 의한 편광판은 도 8에 도시한 바와 같이, 경사각(α)의 일 경사면이 형성된 광입사부를 갖는 석영기판이 다수 적층되거나, 도 9에 도시한 바와 같이 경사각(α)의 대칭되는 두 경사면을 갖는 석영기판이 다수 적층된 형태일 수 있다. 이와 같이 브루스터각 ± 30°범위의 실수값의 경사각을 갖는 광입사부가 형성된 석영기판을 다수 적층하여 사용하므로써 비평행광원에 대하여도 보다 우수한 편광효과를 얻을 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 구현에 있어서, 같거나 다른 경사각을 갖는 석영기판을 여러층으로 적층하여 사용하는 경우 또한, 비평행한, 비편광 입사광에 대하여도 비편광광이 편광판 통과시 근사하게 브루스터각을 이루며, 따라서, 편광판을 투과한 최종 출사광이 'P-편광'된다. 이러한 본 발명의 개념을 나타내는 도면을 도 10에 나타내었다.
일 경사면을 갖는 석영기판의 경우, 편광판은 경사방향이 반대되는 석영기판이 적층된 형태일 수 있으며, 이러한 형태의 편광판을 도 11에 도시하였다.
나아가, 본 발명의 일 구현에 의한 편광판은 브루스터 각± 30°범위의 실수값 범위에서 서로 다른 경사각의 일 경사면 혹은 대칭되는 두 경사면을 갖는 광입사부가 형성된 석영기판이 적층된 것일 수 있다. 이러한 경우에 적층되는 각 석영기판의 경사각 및 경사방향은 같거나 다를 수 있다. 서로 다른 경사각(α,β)의 일 경사면을 갖는 광입사부가 형성된 석영기판이 적층된 편광판을 도 12에 그리고 대칭되는 서로 다른 두 경사각(α,β)의 경사면을 갖는 광입사부가 형성된 석영기판이 적층된 편광판을 도 13에 도시하였다.
브루스터각 ± 30°의 경사각을 갖는 일 경사면 및/또는 대칭되는 2경사면을 갖는 광입사부가 형성된 석영기판의 적층수 및 적층시 사용되는 각각의 석영기판에서 광입사부의 경사각, 경사방향, 경사모양 및 석영기판의 적층순서, 석영기판의 두께등은 상기한 본 발명의 목적 및 특히 기재하지 않은 기타 본 발명에 의한 명세서의 전반에서 이해되는 본 발명의 목적에 따라 원하는 편광을 나타내도록 필요에 따라 적합하여 선택하여 적용할 수 있으며, 석영기판의 경사방향, 경사각, 경사모양 또는 적층순서등이 상기한 편광판의 구체적인 적층예로서 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 의한 일 구현예로서, 도 14에 서로 다른 경사각(α,β) 및 경사방향의 일 경사면 또는 두 경사면을 갖는 광입사부가 형성된 석영기판이 적층된 편광판을 나타내었다.
본 발명의 다른 구현에 의하면, 또한, 기재(14, 24), 기재와 광원사이에 위치하는 본 발명의 일 구현에 의한 편광판(13, 23) 및 자외선 반사막(12, 22)이 코팅된 광원(11, 21)을 포함하는 편광조사장치(10, 20)가 제공된다. 본 발명에 의한 편광조사 장치(10, 20)를 도 15 및 도 17에 도시하였다.
종래 평행광원이 요구되는 편광조사장치에서는 광원과 편광판의 거리가 6m이상으로 멀리 위치되었으나, 본 발명의 일 구현에 의한 편광조사장치(10, 20)는 비평행한 광원인 경우에도 높은 편광도를 나타내므로 편광조사장치에서 광원(11,21)과 편광판(13, 23) 사이의 거리를 종래에 비하여 보다 근접하게 위치시킬 수 있다. 따라서, 편광조사장치의 크기를 현저하게 감소시킬 수 있다. 구체적으로, 광원과 편광판 사이의 거리가 가까울수록 편광조사장치의 크기가 감소되고 조도가 증대된다. 따라서, 광원과 편광판의 거리가 가까울수록 바람직하여, 이로써 한정하는 것으로 아니지만, 일예로서, 광원과 평관판사이의 거리는 15cm이내로 위치시킬 수 있다. 즉, 광원과 편광판 사이의 거리, 즉 광경로를 15cm이내, 바람직하게는 7cm이내의 범위에서 원하는 편광도가 달성될 수 있다.
본 발명의 일 구현에서 사용되는 광원으로는 이 기술분야에서 일반적으로 사용되는 광원이 사용될 수 있으며, 예를들어, 비편광의 단색광이 사용될 수 있다. 소듐(sodium)등의 주 스펙트럼인 D선(589.29nm), 비편광 He-Ne 레이저(632.8nm)등 이 사용될 수 있다. 본 발명의 일 구현에 의한 편광판은 석영기판이 사용되므로 상기와 같은 고강도 광원이 사용되는 경우에도 손상될 염려가 없다. 그러나, 이러한 광원은 주 스펙트럼 외의 다른 파장의 빛도 같이 나오므로, 이를 제거하기 위하여 특정한 파장을 통과시키는 색필터 혹은 간섭필터(interference filter)를 같이 사용하는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 광원은 특히 한정되는 것은 아니지만, 아크 램프 광원, 구체적으로는 길이 1m이상의 아크램프 광원이 사용될 수 있다. 아크램프 광원의 길이는 특히 한정되는 것은 아니며, 현재 기술수준에서 사용될 수 있는 어떠한 길이의 아크 램프 광원이 사용될 수 있으며, 긴 아크 램프 광원은 편광을 부여하고자 하는 대면적의 기재를 스캔하여 통과시키면서 대면적의 편광이 형성될 수 있으므로 보다 바람직하다.
도 16에 본 발명의 일 구현에 사용될 수 있는 광원을 나타내었다. 도 16에 도시한 바와 같이, 광원은 그 주위에 자외선 반사막(12)이 구비될 수 있다. 반사막은 이 기술분야에 일반적으로 알려져 있는 자외선을 흡수하지 않는 물질로 형성될 수 있으며, 이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를들어, 알루미늄, 석영, 강화유리, 워터 재킷(water jacket)등이 사용될 수 있다. 상기 반사막(12)에는 UV를 반사하는 코팅층이 또한 형성될 수 있다.
자외선 반사막(12, 22)은 또한, 광원에서 방출되는 빛을 집광하는 작용을 하며, 자외선 반사막의 길이(L)을 조절하여 편광조사장치에 입사되는 광원이 확산되지 않고 어느 정도 평행하게, 구체적으로는 평행광 ± 30°, 바람직하게는 구체적으로는 평행광 ± 20°, 보다 바람직하게는 평행광 ± 15°범위의 실수값인 비평행한 비편광광이 편광조사 장치에 입사되도록 할 수 있다. 즉, 도 16에서 각도 γ는 ± 30°일 수 있다.
본 발명의 다른 구현에 의한 편광조사장치(10, 20)는 또한 추가적으로, 상기 광원과 상기 편광판 사이에 불필요한 파장의 빛을 차단하는 필터(A) 및/또는 광원에서 발산된 빛의 확산각을 줄이는 광학기구(A)를 포함할 수 있다. 나아가, 상기 편광판과 기재 사이에는 균질기(homogenizer)(B)를 추가로 포함할 수 있다. 상기 편광조사장치에서 기재는 특히 한정되지 않으며, 편광을 부여하고자 하는 이 기술분야에서 일반적으로 알려져 있는 어떠한 기재일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 구현에 의한 편광조사 장치는 도 17에 도시한 바와 같이, 기재(24), 기재(24)와 광원(21)사이에 위치하는 본 발명의 일 구현에 의한 편광판(23) 및 자외선 반사막(22)이 구비된 광원(21)을 포함하는 편광조사장치(20)를 다수 포함하여 구성될 수 있다. 이 경우, 편광조사장치의 수는 필요로 하는 편광정도에 따라 임의로 선택가능한 것으로 특히 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현에 의한 편광판을 포함하는 편광조사 장치는 액정표시장치의 광배향공정에 비평행 광원, 구체적으로는 평행광 ± 30°범위의 광원으로부터 원하는 선편광 또는 부분편광을 높은 조도 및 편광도로 제공할 수 있다.
일반적으로 자외선 편광 조사장치의 '조사 목적면'에서 측정한 조도는 5-20mW/cm2이며, 본 발명의 일 구현에 의한 편광조사장치의 경우, 광원의 세기에 따라 달라질 수 있으나, 조사 목적면에서 대략 50 ~ 수백 mW/cm2 이상의 조도를 얻을 수 있다.
본 발명의 일 구현에 의한 편광판은 또한 도 18에 도시한 바와 같이, 대면적의 기재에 편광을 부여하도록 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에서는 종래의 점광원을 이용한 편광과 달리 길이가 긴 램프를 광원으로 이용할 수 있으므로 도 18에 도시한 바와 같이, 반송처리를 이용하여 편광을 부여하고자 하는 기재, 예를들어 유리기판등을 이송시키면서 본 발명의 일 구현에 의한 편광판을 통하여 광원을 조사하므로써 스캐닝 방식으로 대면적의 기재에 우수한 편광도의 편광을 부여할 수 있다. 상기 본 발명의 일 구현에 의한 편광조사장치(10, 20)는 액정표시장치의 광배향 공정등에 사용될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명의 구현에 대하여 구체적으로 설명한다. 다 만, 하기 실시예로 본 발명을 한정하는 것은 아니며, 본 명세서에 기재된 사항의 변형 및 변경 또한, 본 발명의 범주에 속하는 것으로 이해된다.
비교예 1
본 비교예에서는 종래의 경사 적층형 석영 편광판의 경우, (a) 입사광과 석영기판이 브루스터각을 이루는 경우와 (b) 입사광과 석영기판이 브루스터각을 이루지 않는 경우의 투과광의 편광도를 측정하였다. 더불어, 석영기판의 적층수를 변화시켜 석영기판의 적층수 변화에 따른 편광도 변화를 측정하였다.
도 19에 도시한 바와 같이, 크기 100mm×100mm, 두께 0.7mm 인 석영기판을 도 20의 그래프에 나타낸 바와 같이 적층수를 달리하여 적층하고, 각 적층수에서의 편광도를 측정하였다. 편광도는 광원으로 고압 수은등을 이용하여(광원의 에너지 750W, 파장 365nm) 평행한 입사광을 상기 석영기판에 대하여 브루스터각인 약 33.6±0.5도의 각도를 이루도록 조사하여 편광도를 측정하였으며, 그 결과를 도 20에 나타내었다.
이때 상기 광원에는 지름 100mm 반원형 알루미늄 박막이 코팅된 강화유리 재질의 반사막이 구비되었다.
편광도는 365nm 자외선 영역의 조도 측정이 가능한 조도계와 하기 수학식 1 에 따른 편광도가 10,000:1로 측정된 글렌 톰슨 편광 프리즘을 이용하여, 브루스터 편광자의 광 투과축과 평행한 경우와 수직한 경우에 대하여 각각 측정하여 하기 수학식 1에 의하여 계산하였다.
[수학식 1]
P Polarization ratio = Intensity parallel / Intensity perpendicular
(상기 식에서, P Polarization ratio : 편광도,
Intensity parallel : 수평방향 빛의 세기
Intensity perpendicular: 수직방향 빛의 세기)
한편, 상기 석영기판에 대한 입사광의 입사각을 브루스터각을 벗어나는 18˚로 한 것을 제외하고는 상기한 바와 동일한 방법으로 편광도를 측정하여 하기 도 21에 나타내었다.
도 20 및 21에서 알 수 있듯이, 도 20 및 21 모두의 경우에 석영기판의 적층수가 많아질수록 편광도가 증대되지만, 입사광과 석영기판이 이루는 각도가 브루스터 각에서 크게 벗어나는 도 21의 경우에는 편광도가 현저하게 저하됨을 알 수 있다.
본 비교예에서 확인한 바와 같이, 현재까지 액정디스플레이 또는 관련산업에서 편광된 자외선을 양산 공정에서 사용하도록 설계되는 장치에서, 평행한 입사광이 편광판에 대하여 브루스터각을 이루도록 입사되어야 한다. 그러나, 이는 많은 광학계 또는 광학적 기구를 필요로 하고, 제작시 많은 비용이 들며, 광원과 편광기재 사이의 광경로가 길어지므로 조도가 저하되는 문제가 있다.
실시예 1
크기 100mm X 100mm, 두께 2mm 인 석영기판(굴절률: 1.457)의 일면에 도 6과 같이 경사각 높이(h) 0.5mm 로 45˚의 경사각을 갖도록 그라인딩하여 경사각을 갖는 광입사부가 형성된 석영기판(1)을 제조하였다.
크기 100mm X 100mm, 두께 2mm 인 석영기판(굴절률: 1.457)의 일면에 도 7와 같이 경사각 높이(h) 0.5mm 로 18°의 경사각을 갖도록 그라인딩하여 대칭되는 두 경사각을 갖는 광입사부가 형성된 석영기판(2)를 제조하였다.
그 후, 상기 석영기판(1)과 석영기판(2)를 교대로 적층하여 편광판을 제조하였으며, 도 22에 나타낸 바와 같이 적층수 변화에 따른 편광도를 측정하여 도 22에 나타내었다.
본 실시예에서 제조된 편광판의 상부에 길이 180mm 의 알루미늄 박막이 코팅 된 강화유리(재질)로된 반사막이 구비된 길이 180mm, 유효 발광 길이 100mm인 6W의 아크램프 광원 3개를 구비하고, 세기 100mW/cm2, 파장 365nm인 빛을 편광판 및 기재의 상부로 부터 평행±25°(이해를 돕고자 도 16을 참고로 설명하면, 도 16에서 γ= ±25˚)범위의 비평행한 빛으로 조사하여 편광도를 측정하였다. 한편, 상기 석영기판과 기재는 모두 수평한 방향으로 평행하게 위치되었다. 기재로는 폴리이미드 광배향 코팅층을 갖는 유리기판이 사용되었다. 이때 광원과 편광판 사이의 거리는 15cm 가 되도록 하였다. 이 거리는 필요에 따라 더 줄이거나, 늘일 수 있다. 상기 비교예에서와 같이, 편광도는 365nm의 자외선 영역의 조도 측정이 가능한 조도계와 상기 식 1에 따른 편광도가 10,000:1로 측정된 글렌 톰슨 편광 프리즘을 이용하여, 브루스터 편광자의 광 투과축과 평행한 경우와 수직한 경우를 각각 측정하여 상기 수학식 1에 따라 계산하였다. 편광도 측정시, 광원의 조도는 편광판이 장착된 상태에서 편광판으로부터 15cm 떨어진 기재면(즉, 광원으로부터 30cm떨어진 기재면) 에서 측정하였다. 도 22 에서 알 수 있듯이, 본 실시예에서 측정된 편광도는 도 20의 완전 평행광원을 사용한 경우와 거의 유사한 값을 얻었다. 한편, 본 실시예 1중 석영기판이 15장 적층된 상태에서 편광판으로부터 15cm 떨어진 기재면(즉, 광원으로부터 30cm떨어진 기재면)에서 254nm에서 측정한 조도는 54mW/㎠로 높은 조도를 나타내었다.
본 실시예에서 사용된 광학장치는 도 15 에서 도시한 바와 같이 간단하며, 평행광원을 만들기 위한 별도의 추가 장치를 필요로 하지 않는다. 또한, 본 실시예로부터, 본 발명의 일 구현에 의한 편광판 및 광학장치는 평행광원을 얻기 위해 많은 비용과 긴 광로 길이를 필요로하던 기존의 방법에 비하여 간단하고, 적은 비용으로 강한 자외선의 편광구현이 가능함을 알 수 있다. 본 발명의 일 구현에 의한 편광판은 또한, 도 18과 같이 대형 유리기판이 콘베이어에 의해 운송되는 양산 공정 라인에서 적은 부피와 저비용으로 매우 간단하게 적용이 가능하다. 나아가, 편광도를 더 높게 하기를 원할 경우, 패턴이 양각된 기판의 장착 매수를 증가시키는 방법으로 간단히 증가시킬 수 있다.
도 1은 종래 평행하게 입사되는 입사광이 편광되는 개념을 나타내는 도면이며,
도 2는 본 발명의 일 구현에 의한 평행+α의 입사각으로 비평행하게 입사된 빛이 편광되는 본 발명에 의한 개념을 나타내는 도면이며,
도 3은 본 발명의 일 구현에 의한 평행-α'의 입사각으로 비평행하게 입사된 빛이 편광되는 본 발명에 의한 개념을 나타내는 도면이며,
도 4는 본 발명의 일 구현에 의한 편광판에서 입사광이 편광되는 광경로를 나타내는 도면으로 (a)는 비편광광이 평행하게 입사되는 경우를 그리고 (b)는 비편광광이 비평행하게 입사되는 경우를 나타내며,
도 5(a) 및 도 5(b)는 본 발명의 일 구현에 의한 편광판을 나타내는 사시도이며,
도 6은 본 발명의 일 구현에 따른 경사각을 갖는 일 경사면이 형성된 광입사부를 갖는 석영기판으로된 편광판을 나타내는 단면도이며,
도 7은 본 발명의 다른 구현에 따른 대칭되는 두 경사면이 형성된 광입사부를 갖는 석영기판으로된 편광판을 나타내는 단면도이며,
도 8은 본 발명의 또 다른 구현에 따른 경사각을 갖는 일 경사면이 형성된 광입사부를 갖는 석영기판이 다수 적층된 편광판을 나타내는 단면도이며,
도 9는 본 발명의 다른 구현에 따른 대칭되는 두 경사면이 형성된 광입사부를 갖는 석영기판이 다수 적층된 편광판을 나타내는 단면도이며,
도 10은 본 발명의 일 구현에 의한 다수의 석영기판이 적층된 편광판에서 비평행한 입사광이 편광되는 개념을 나타내는 도면이며,
도 11은 본 발명의 또 다른 구현에 따른 경사면이 서로 반대 방향으로 형성된 광입사부를 갖는 석영기판이 적층된 편광판을 나타내는 단면도이며,
도 12는 본 발명의 다른 구현에 따른 다른 경사각의 갖는 일 경사면이 형성된 광입사부를 갖는 석영기판이 적층된 편광판을 나타내는 단면도이며,
도 13은 본 발명의 일 구현에 따른 다른 경사각의 대칭되는 두 경사면이 형성된 광입사부를 갖는 석영기판이 적층된 편광판을 나타내는 단면도이며,
도 14는 본 발명의 일 구현에 의한 서로 다른 경사각 및 경사방향의 일 경사면 및 두 경사면을 갖는 광입사부를 갖는 석영기판이 적층된 편광판을 나타내는 단면도이며,
도 15는 본 발명의 일 구현에 의한 편광판을 포함하여 구성되는 편광조사장치를 나타내는 도면이며,
도 16은 본 발명의 일 구현에 의한 편광조사장치에 사용될 수 있는 광원을 나타내는 도면이며,
도 17은 복수로 구성된 본 발명의 다른 구현에 의한 편광조사장치를 나타내는 도면이며,
도 18은 본 발명의 다른 구현에 의한 편광조사장치를 사용하여 대면적의 기재에 스캔방식으로 편광을 제공하는 공정을 나타내는 도면이며,
도 19는 비교예 1에서 사용된 석영기판의 적층형태를 나타내는 도면이며,
도 20은 비교예 1에서 입사광과 석영기판 경사각이 브루스터각을 이루는 경우의 기판적층수에 따른 편광도를 나타내는 도면이며,
도 21은 비교예 1에서 입사광과 석영기판 경사각이 브루스터각을 이루지 않는 경우의 기판적층수에 따른 편광도를 나타내는 도면이며,
도 22는 실시예 1에서 본 발명의 일 구현에 의한 편광판의 기판적층수에 따른 편광도를 나타내는 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명 *
10, 20 ... 편광조사장치 11, 21 ... UV 광원
12, 22 ... UV 반사막 13, 23 ... 편광판
14, 24, S ... 기재(편광부여기재) 15 ... UV 광
A ... 필터 및/또는 광학기구 B ... 균질기
P ... 편광판 I ... 광입사부

Claims (22)

  1. 일방향으로 연장된 삼각형 단면의 광입사부가 연속적으로 형성되며, 상기 삼각형 단면은 일경사면 또는 대칭되는 두 경사면의 경사각이 브루스터 각(brewster angle)± 30°범위의 실수값을 갖는 석영기판을 포함하고, 편광판으로부터 15㎝ 거리 이내의 광원으로부터 조사되는 비평행광을 편광시키는 편광판.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 석영기판이 다수 적층된 편광판.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 다수의 적층된 석영기판에서 각각의 석영기판의 경사각은 같거나 다름을 특징으로 하는 편광판.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 다수의 적층된 석영기판에서 일경사면을 갖는 삼각형 단면의 경사각은 서로 같거나 혹은 다른 방향임을 특징으로 하는 편광판.
  5. 제 1항, 3항 또는 4항에 있어서, 상기 경사각은 브루스터 각(brewster angle)±20°범위의 실수값을 가짐을 특징으로 하는 석영기판을 포함하는 편광판.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 경사각은 브루스터 각(brewster angle)± 15°범위의 실수값을 가짐을 특징으로 하는 석영기판을 포함하는 편광판.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 석영기판의 경사각은 몰딩법, 그라인딩법 혹은 식각법으로 형성됨을 특징으로 하는 편광판.
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서, 상기 비평행광은 평행± 30°범위에서 비평행함을 특징으로 하는 편광판.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 비평행광은 평행± 20°범위에서 비평행함을 특징으로 하는 편광판.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 비평행광은 평행± 15°범위에서 비평행함을 특징으로 하는 편광판.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 광원은 아크 램프임을 특징으로 하는 편광판.
  13. 삭제
  14. 제 1항에 있어서, 상기 편광판에 의한 편광광은 조도가 50mW/㎠ 이상임을 특징으로 하는 편광판.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 편광판을 통하여 광원을 조사하는 스캐닝 방식으로 편광을 부여하고자 하는 기재에 편광이 부여됨을 특징으로 하는 편광판.
  16. 기재, 기재와 광원사이에 위치하는 청구항 1 내지 4, 7, 9 내지 12, 14 및 15중 어느 한항의 편광판 및 자외선 반사막이 구비된 광원을 포함하여 이루어지는 편광조사장치.
  17. 삭제
  18. 제 16항에 있어서, 상기 광원과 상기 편광판 사이에 필터, 광원에서 발산된 빛의 확산각을 줄이는 광학기구, 또는 상기 필터와 상기 광원에서 발산된 빛의 확산각을 줄이는 광학기구 모두를 추가로 포함함을 특징으로 하는 편광조사장치.
  19. 제 16항에 있어서, 상기 편광판과 기재 사이에 균질기(homogenizer)를 추가로 포함함을 특징으로 하는 편광조사장치.
  20. 삭제
  21. 청구항 16의 편광조사장치를 2이상 포함하여 이루어지는 편광조사장치.
  22. 제 16항에 있어서, 상기 편광조사장치는 액정표시장치의 광배향 공정에 사용됨을 특징으로 하는 편광조사장치.
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