KR101168419B1 - 확산판 및 백라이트 유닛 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광학산효과와 집광효과를 가지며 광효율을 높이도록 한 확산판에 관한 것이다.
이 확산판은 확산판은 광을 확산시키기 위한 확산층과; 상기 광을 집광시키기 위한 집광층과; 상기 확산층과 상기 집광층 사이에 배치되는 반투과형 반사층을 구비한다.

Description

확산판 및 백라이트 유닛{Diffuser Plate, Method of Fabricating the Diffuser Plate and Back Light Unit}
도 1은 종래의 액정표시장치를 나타내는 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 광학시트들의 구성을 보여 주는 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 백라이트유닛을 보여 주는 단면도.
도 4는 도 3에 도시된 확산판의 제1 실시예를 나타내는 단면도.
도 5는 도 3에 도시된 확산판의 제2 실시예를 나타내는 단면도.
도 6은 도 3에 도시된 확산판의 제3 실시예를 나타내는 단면도.
도 7은 도 3에 도시된 확산판의 제4 실시예를 나타내는 단면도.
도 8은 도 3에 도시된 확산판의 제5 실시예를 나타내는 단면도.
도 9는 도 3에 도시된 확산판의 제6 실시예를 나타내는 단면도.
도 10은 도 3에 도시된 확산판의 제7 실시예를 나타내는 단면도.
도 11a 및 도 11b는 각 실시예의 확산층에 혼입되는 비드들의 형상을 보여 주는 단면도.
도 12는 도 4에 도시된 확산판의 효과를 보여 주기 위한 시뮬레이션 도면.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
11 : 액정표시패널 12, 32 : 보텀커버
13, 33 : 확산판 14 : 광학시트
14a : 확산시트 14b : 프리즘시트
15, 31 : 광원 33a, 80 : 확산층
33b : 격벽 33c : 투명시트
33d : 미세렌즈 어레이 34 : 미세렌즈 어레이 시트
35 : 공기층 36, 37, 38 : 반투과형 반사층
70 : 발포 수지층
본 발명은 집광층의 렌즈 면으로부터 되돌아 온 빛을 재반사시켜 효율을 향상시키도록 한 확산판에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 확산판을 이용하여 백라이트유닛에 필요한 광학 부품 수를 줄이도록 한 백라이트유닛에 관한 것이다.
일반적으로, 액정표시장치는 경량, 박형, 저소비 전력구동 등의 특징으로 인해 그 응용범위가 점차 넓어지고 있는 추세에 있다. 이러한 추세에 따라, 액정표시장치는 사무자동화기기, 오디오/비디오 기기 등에 이용되고 있다. 이러한 액정표시장치는 매트릭스 형태로 배열되어진 다수의 제어용 스위치들에 인가되는 신호 에 따라 광빔의 투과량이 조절되어 화면에 원하는 화상을 표시하게 된다.
이와 같은 액정표시장치는 자발광 표시장치가 아니기 때문에 백라이트(Back light)와 같은 별도의 광원이 필요하다.
백라이트는 광원의 위치에 따라 직하형 방식과 에지형 방식 등이 있다. 에지형 백라이트는 액정표시장치의 일측 가장자리에 광원을 설치하고, 그 광원으로부터 입사되는 빛을 도광판과 다수의 광학시트를 통해 액정표시패널에 조사한다. 직하형 백라이트는 액정표시장치의 바로 아래에 다수의 광원을 배치하고, 그 광원들로부터 입사되는 빛을 확산판과 다수의 광학시트를 통해 액정표시패널에 조사한다. 백라이트에 이용되는 광원에는 냉음극형광관(CCFL)과 발광다이오드(LED) 등이 있다.
최근에는 에지형 방식에 비하여 휘도, 광균일도, 색순도가 높은 직하형 방식의 백라이트가 LCD TV를 중심으로 더 많이 이용되고 있다.
도 1을 참조하면, 종래의 액정표시장치는 화상을 표시하기 위한 액정표시패널(11)과, 액정표시패널(11)에 광을 조사하기 위한 백라이트유닛(10)을 구비한다.
액정표시패널(11)은 다수의 데이터라인들과 다수의 스캔라인들이 교차되게 배열되고 상부 및 하부기판의 사이에 액정셀들이 액티브 매트릭스(Active Matrix)형태로 배열된다. 또한, 액정표시패널에는 액정셀들 각각에 전계를 인가하기 위한 화소전극들과 공통전극이 형성된다. 다수의 데이터라인들과 다수의 스캔라인들의 교차부에는 스캔신호에 응답하여 화소전극에 인가될 데이터전압을 스위칭하기 위한 박막트랜지스터들(Thin Film Transister : TFT)이 형성된다. 이러한 액정표시패널 에는 테이프 케리어 패키지(Tape Carrier Package : TCP)를 통해 게이트 드라이브 집적회로들과 데이터 드라이브 집적회로들이 전기적으로 접속된다.
백라이트유닛(10)은 다수의 램프들(15), 보텀커버(12), 확산판(13), 및 다수의 광학시트들(14)을 포함한다.
램프들(15)은 도시하지 않은 인버터로부터의 교류 고전압에 의해 발광되어 확산판(13) 쪽으로 광을 발생한다.
보텀커버(12)는 다수의 램프들(15)이 안쪽 공간에 수납되는 용기 구조로 제작되고, 그 안쪽 공간의 저면 및 측면에는 반사판이 형성된다.
확산판(13)은 보텀 커버(12)와 함께 조립된다. 이 확산판(13)은 다수의 비드들(beads)을 포함하고 그 비드들을 이용하여 램프들(15)을 경유하여 입사되는 광을 산란시켜 액정표시패널(11)의 표시면에서 램프들(15)의 위치와 램프들(15) 사이의 위치에서 휘도 차이가 나지 않게 한다. 이러한 확산판(13)은 동일한 굴절률을 가지는 매질 속에 비드들이 산포된 구조로 제작되기 때문에 광을 집광할 수는 없다.
광학 시이트들(14)은 도 2와 같은 1 매 이상의 확산시트(14a)와 1 매 이상의 프리즘 시트(14b)를 포함하여 확산판(13)으로부터 입사되는 광을 액정표시패널(11) 전체에 균일하게 조사하고 표시면에 대하여 수직인 방향으로 광의 진행경로를 꺾어 표시면 전면으로 광을 집광하는 역할을 한다.
그런데 이와 같은 백라이트유닛(10)은 광균일도와 집광효과를 위하여 확산판(13), 다수의 광학시트들(14) 등 많은 수의 광학부품이 필요하여 조립 누적 공차 등에 의해 제작 공정 상에서의 불량 원인이 많고 제작 원가가 높은 문제점이 있다.
또한, 종래의 백라이트유닛(10)은 프리즘 시트(14b)의 프리즘이나 렌즈로부터 반사되는 빛을 재생/활용할 수 있는 어떠한 수단도 없으므로 확산판(13)에 의해 확산된 광이 확산시트(14a)의 표면에서 난반사되면서 광손실이 많고 그로 인하여 광효율이 낮은 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 집광층의 렌즈 면으로부터 되돌아 온 빛을 재반사시켜 효율을 향상시키도록 한 확산판을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 확산판을 이용하여 백라이트유닛에 필요한 광학 부품 수를 줄이도록 한 백라이트유닛에 관한 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 확산판은 광을 확산시키기 위한 확산층과; 상기 광을 집광시키기 위한 집광층과; 상기 확산층과 상기 집광층 사이에 배치되는 반투과형 반사층을 구비한다.
상기 확산판은 상기 반투과형 반사층과 상기 확산층 사이에, 또는 상기 집광층과 상기 반투과형 반사층 사이에 배치되는 공기층을 더 구비한다.
상기 확산판은 상기 공기층의 갭을 유지하기 위한 격벽을 더 구비한다.
상기 공기층은 발포수지를 포함한다.
상기 반투과형 반사층은 상기 확산층과 상기 격벽의 표면 상에 형성된다.
상기 확산층은 상기 반사층과 인접하는 상부영역 및 상기 상부영역을 제외하는 하부영역으로 구분되고, 상기 확산층의 상부영역은 구형 유리 내에 공기가 밀봉된 형성의 다수의 비드들이 베이스 수지층내에 포함된 형태이다.
본 발명에 따른 백라이트유닛은 광원과; 상기 광원으로부터의 광을 확산시키기 위한 확산층, 상기 광을 집광시키기 위한 집광층, 및 상기 확산층과 상기 집광층 사이에 배치되는 반투과형 반사층을 포함하는 확산판을 구비한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 도 3 내지 도 12를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 백라이트유닛은 광원들(31)이 수납된 보텀커버(32)와, 광원들(31)로부터의 광을 직진시키기 위한 공기층(Air layer) 또는 미세공(micro air buble)을 가지는 일체형 확산판(33)을 구비한다.
광원들(31)은 다수의 램프나 다수의 발광다이오드들 또는 면발광체를 포함하여 광을 발생한다.
보텀커버(32)는 바닥면과 측면을 포함하고 그 내부에 반사판이 부착된다.
일체형 확산판(33)은 도 4와 같이 확산층(33a), 공기층(35), 공기층(35)의 갭을 유지하기 위한 격벽(33b), 반투과형 반사층(36), 및 미세렌즈 어레이 시트(34)를 구비한다.
확산층(33a)은 광원들(31)의 위치와 그 사이의 음영 위치 간의 휘도차가 발생하지 않도록 광원(31)으로부터의 광을 산란시켜 광을 확산시킨다. 이 확산층 (33a)의 주재료로는 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate, PMMA), 싸이클릭 올레핀 코폴리머(Cyclic Olefin Copolymer, COC) 등이 가능하다. 이러한 확산층(33a)에는 도 11a와 같은 구형 또는 도 11b와 같은 원통형의 비드들이 다수 포함되거나 그 비드들이 포함되지 않을 수 있다.
미세렌즈 어레이 시트(34)는 투명시트(33c)와, 미세렌즈 어레이들(33d)을 포함한다. 미세렌즈 어레이들(33d)은 원형 단면, 타원형 단면, 또는 삼각 단면 형태로 투명필름(33c) 상에 형성되어 확산층(33a)과 공기층(35)에 의해 확산된 광을 집광시켜 액정표시패널로 입사되는 광의 효율을 높이는 역할을 한다.
공기층(35)은 확산층(33a)과의 굴절율 차에 의해 확산층(33a)을 통해 입사된 광이 굴절율차에 의해 진행경로가 꺾이면서 광의 확산도가 증가하여 미세렌즈 어레이 시트(34)에 입사되는 광 손실이 적게 되어 미세렌즈 어레이 시트(34)를 통과한 최종 직진광의 휘도를 향상시킨다.
수지 격벽들(33b)은 일정한 높이와 일정하거나 불규칙적 간격으로 확산층(33a)과 미세렌즈 어레이 시트(34) 사이에 형성되어 공기층(35)의 갭(gap)을 유지하는 역할을 한다. 이 수지 격벽들(33b)은 액상의 투명수지재료를 인쇄법으로 확산층(33a) 상에 인쇄한 다음, 경화시키는 공정에 의해 확산층(33a) 상에 형성된다. 이 수지 격벽들(33b)은 미세렌즈들(33d) 사이의 경계부에 위치하는 것이 바람직하다. 이는 미세렌즈들(33d)의 곡면으로 입사된 광은 휘도가 향상되나 미세렌즈의 경계부에 입사되어 반사되는 광은 수지 격벽들(33b)에서 광경로가 바뀌어 렌즈곡면 (유효면)으로 입사되기 때문이다. 이러한 수지 격벽들(33b)의 재료는 투명시트(33c) 및 확산층(33a)과의 접합이 쉽도록 표면장력이 작은 물질 예컨대, 대략 95%의 아크릴과 대략 5%의 실리콘을 포함한 수지가 바람직하다. 한편, 수지 격벽들(33b)은 반드시 미세렌즈들(33b) 사이의 골부에 정렬될 필요는 없으며 공기층(35)의 갭을 일정하게 유지할 수 있는 조건 내에서 무작위로 배열 가능하다.
반투과형 반사층(36)은 Ni, Al 등의 금속을 초박막 공정으로 미세렌즈 어레이 시트(34)의 저면 상에 형성되어 미세렌즈(33d)를 통과하지 못하고 반사되는 광의 재반사로 휘도를 향상시키는 역할을 한다. 이 반투과형 반사층(36)의 두께는 전반사 거울(mirror)의 반사율을 100%라고 한다면 약 1%의 반사율을 가지는 두께이다.
여기서, 반투과형 반사층(36)은 조도(거칠기)가 형성되어 있는 확산층(33a)(또는 공기층)의 윗부분에 형성됨으로써 확산층(33a)(또는 공기층)의 상부와 반투과형 반사층(36)의 하부 사이의 경계면에서도 조도(이하 "표면 조도" 라 한다)가 부여되게 된다. 이에 따라, 광원으로부터의 광이 반투과형 반사층(36)을 기준으로 하부에서 상부로 진행하여 반투과형 반사층(36)을 통과할 때, 반투과형 반사층(36)과 확산층(또는 공기층) 사이의 표면 조도가 형성되어 있으므로 하부에서 올라오는 빛의 투과되는 광량이 상대적으로 많게 된다. 예를 들어, 빛의 손실 부분을 제외한 투과광과 반사광의 합을 100%로 가정할 경우, 하부에서 올라오는 빛이 반투과형 반사층(36)을 투과하는 광이 60~80%가 되는 반면, 반투과형 반사층(36)에서 반사되는 광이 20~40% 정도이다.
패널을 통과하지 못하고 상부로부터 되돌아 오는 광이 반투과형 반사층(36)을 기준으로 상부에서 하부로 진행하여 반투과형 반사층(36)에서 반사될 때, 표면 조도가 거의 없는 상부로부터의 빛은 반사광이 증가한다. 따라서, 반투과형 반사층(36)의 상부에서 하부 쪽으로 진행하는 광 중 70~90% 정도의 빛이 반사되는 반면 반투과형 반사층(36)을 투과하는 빛은 반사 10~30% 정도이다.
미세렌즈 어레이 시트(34)와 확산층(33a)은 PMMA(Polymethylmethacrylate)나 폴리 카보네이트(Polycarbonate), 싸이클릭 올레핀 코플리머(Cyclic Olefin Copolymer : COC) 등의 투명재료를 주재료로 하고 사출성형 방법으로 제작될 수 있다.
결과적으로 본 발명에 따른 확산판은 반투과형 반사층(36)에 의해 상부(또는 미세 렌즈)에서 반사되는 빛을 재반사시켜 반사광의 재생/활용도를 높여 전체적으로 휘도를 향상시킬 수 있다.
일체형 확산판(33)의 제2 실시예는 도 5와 같이 확산판(33a) 상에 반투과형 반사층(37)을 형성하고 그 위에 격벽(33b)을 형성하는 구조이다. 그리고 일체형 확산판(33)의 제3 실시예는 도 6과 같이 확산판(33a)의 표면과 격벽(33b)의 표면에 반투과형 반사층(38)을 형성하는 구조이다. 이 제2 및 제3 실시예의 확산판(33)은 그 광효율이 도 4의 제1 실시예와 실질적으로 동일하다.
도 7 및 도 8은 일체형 확산판(33)의 제4 실시예와 제5 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 일체형 확산판(33)은 확산층(33a), 발포수지층 (70), 반투과형 반사층(36) 및 미세렌즈 어레이 시트(34)를 구비한다.
확산층(33a), 미세렌즈 어레이 시트(34), 및 반투과형 반사층(36)은 전술한 실시예와 실질적으로 동일하므로 그에 대한 상세한 설명을 생략하기로 한다.
발포수지층(70)은 공지의 발포공정에 의해 미세공들(micro air bubbles)(70a)이 혼입되는 우레탄 발포시트 또는 아크릴 발포시트로 제작되며 공기의 굴절률(=1)과 우레탄/아크릴 수지의 굴절률(=1.45～1.55)의 굴절률 차에 의해 확산효과를 향상시키는 역할을 한다. 이러한 발포수지층(70)은 투명 접착제에 의해 도 7과 같이 확산층(33a)과 반투과형 반사층(36) 사이에 접착되거나 도 8과 같이 반투과형 반사층(36)과 미세렌즈 어레이 시트(34) 사이에 접착될 수 있다.
도 9는 일체형 확산판(33)의 제6 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 9를 참조하면, 일체형 확산판(33)은 확산층(80), 반투과형 반사층(36) 및 미세렌즈 어레이 시트(34)를 구비한다.
미세렌즈 어레이 시트(34), 및 반투과형 반사층(36)은 전술한 실시예와 실질적으로 동일하므로 그에 대한 상세한 설명을 생략하기로 한다.
확산층(80)은 도 11a 또는 도 11b와 같은 수지 공중합체로 이루어진 다수의 비드들을 포함하거나 그 비드들을 포함하지 않은 하부층과, 베이스 수지층에 구형 유리 내에 공기가 밀봉된 다수의 비드들(80a)이 포함된 상부층을 포함한다. 이 확산층(80)은 하부층과 상부층을 적층한 상태에서 그 두층을 함께 압출함으로써 제작될 수 있다. 이 확산층(80)의 상부층에 혼입된 공기방울들은 확산층(80)의 하부층에 의해 확산된 광의 확산성을 증가시켜 미세렌즈 어레이 시트(34)에 입사되는 광 손실을 적게 함으로써 미세렌즈 어레이 시트(34)를 통과한 최종 직진광의 휘도를 향상시킨다.
도 10은 일체형 확산판(33)의 제7 실시예를 보여주는 단면도로써, 이 일체형 확산판(33)은 전술한 실시예들에서 공기층이 제거된 구조이다.
한편, 도 4 내지 도 10에 도시된 미세렌즈 어레이 시트(34)는 도 2에 도시된 종래의 프리즘 시트(14b)로 대신될 수 있다.
도 12는 도 4에 도시된 실시예에 대하여 광빔의 경로를 보여주는 시뮬레이션 결과를 보여 주는 도면이다. 도 12에서 알 수 있는 바, 반투과형 반사층(36)과 공기층(35)에 의해 미세렌즈로 입사되는 광의 확산도를 증가시키고 미세렌즈에서 반사되는 반사광의 재생/활용도가 높아져 광효율이 개선됨을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 확산판은 확산판, 공기층(또는 발포층), 미세렌즈 어레이 시트를 한 매의 일체형 확산판으로 적층하여 광확산효과와 함께 광집광효과를 가지며, 공기층(또는 발포층 내의 미세공)에 의해 광의 확산도를 증가시키고 반투과형 반사층에 의해 반사광의 재생/활용도를 향상시켜 광효율을 높인다. 본 발명에 따른 백라이트유닛은 상기 확산판을 이용하여 확산판과 다수의 광학시트들이 필요한 종래의 백라이트 구조와 달리 한 매의 확산판만으로 광을 집광 및 확산시키므로 종래에 비하여 광학 부품수를 줄일 수 있고 그로 인하여 조립공차와 불량을 최소화할 수 있으므로 제조원가를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 액정표시패널에 조사 되는 광효율과 휘도를 높일 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

Claims (11)

  1. 광을 확산시키기 위한 확산층과;
    상기 확산층의 상부에 형성되어, 상기 광을 집광시키기 위한 집광층과;
    상기 확산층과 상기 집광층 사이에 배치되는 반투과형 반사층을 구비하는 것을 특징으로 하는 확산판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반투과형 반사층과 상기 확산층 사이에, 또는 상기 집광층과 상기 반투과형 반사층 사이에 배치되는 공기층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 확산판.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 공기층의 갭을 유지하기 위한 격벽을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 확산판.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 공기층은 발포수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 확산판.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 반투과형 반사층은 상기 확산층과 상기 격벽의 표면 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 확산판.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 확산층은
    상기 반사층과 인접하는 상부영역 및 상기 상부영역을 제외하는 하부영역으로 구분되고,
    상기 확산층의 상부영역은
    구형 유리 내에 공기가 밀봉된 형성의 다수의 비드들이 베이스 수지층내에 포함된 형태인 것을 특징으로 하는 확산판.
  7. 광원과;
    상기 광원으로부터의 광을 확산시키기 위한 확산층, 상기 확산층의 상부에 형성되어, 상기 광을 집광시키기 위한 집광층, 및 상기 확산층과 상기 집광층 사이에 배치되는 반투과형 반사층을 포함하는 확산판을 구비하는 것을 특징으로 하는 백라이트유닛.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 확산판은 상기 반투과형 반사층과 상기 확산층 사이에, 또는 상기 집광층과 상기 반투과형 반사층 사이에 배치되는 공기층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 백라이트유닛.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 확산판은 상기 공기층의 갭을 유지하기 위한 격벽을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 백라이트유닛.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 공기층은 발포수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 백라이트유닛.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 반투과형 반사층은 상기 확산층과 상기 격벽의 표면 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 백라이트유닛.
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