KR101211707B1 - 확산판과 이를 이용한 백라이트 유닛 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광효율과 전면 휘도를 높이도록 한 확산판과 이를 이용한 백라이트 유닛에 관한 것이다.

이 확산판은 빛을 확산시키기 위한 확산층과; 상기 빛을 집광시키기 위한 상부 미세렌즈와; 상기 확산층의 광 출사면과 상기 상부 미세렌즈 사이에 또는 상기 확산층의 광 입사면 상에 배치되어 상기 빛에서 특정 편광만을 투과시키는 반면 상기 특정 편광과 다른 편광의 빛을 반사시키는 편광 선택 반사층을 구비한다.

Description

확산판과 이를 이용한 백라이트 유닛{Diffuser Plate and Back Light Unit using the same}

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 6에서의 공기층으로 발포수지층을 이용하는 구조를 나타내는 단면도.

도 8은 도 3에 도시된 확산판의 제4 실시예를 나타내는 단면도.

도 9은 도 3에 도시된 확산판의 제5 실시예를 나타내는 단면도.

도 10는 도 3에 도시된 확산판의 제6 실시예를 나타내는 단면도.

도 11은 도 3에 도시된 확산판의 제7 실시예를 나타내는 단면도.

도 12a 및 도 12b는 각 실시예의 확산층에 혼입되는 비드들의 형상을 보여 주는 단면도.

도 13는 미세렌즈의 집광효과를 보여주는 시뮬레이션 도면.

도 14은 편광 선택 반사층에 의한 입사광의 반사를 보여주는 시뮬레이션 도면.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

11 : 액정표시패널 12, 32 : 보텀커버

13, 33 : 확산판 14 : 광학시트

14a : 확산시트 14b : 프리즘시트

31 : 광원 33a : 확산층

33b, 33c, 33g : 미세렌즈 33d : 투명시트

40b : 수지 격벽 40a : 공기

40 : 공기층 101, 102 : 편광 선택 반사층

42 : 발포 수지층 42a : 공기공

본 발명은 광효율과 전면 휘도를 높이도록 한 확산판에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 확산판을 이용한 백라이트유닛에 관한 것이다.

일반적으로, 액정표시장치는 경량, 박형, 저소비 전력구동 등의 특징으로 인 해 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 신호에 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 액정표시패널에는 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, 종래 기술에 의하면 백라이트유닛(10)에서 액정표시패널에 입사되는 광 중에서 특정 편광(P 편광)만이 액정표시패널에 이용되는 반면에 그와 다른 편광(S 편광)은 액정표시패널에서 흡수되어 열로 변하여 소비되므로 광효율과 백라이트유닛의 전면 휘도가 낮은 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 광효율과 전면 휘도를 높이도록 한 확산판을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 확산판을 이용하여 광학 부품 수를 줄이고 광효율과 전면 휘도를 높이도록 한 백라이트유닛에 관한 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 확산판은 빛을 확산시키기 위한 확산층과; 상기 빛을 집광시키기 위한 상부 미세렌즈와; 상기 빛에서 특정 편광만을 투과시키는 반면 상기 특정 편광과 다른 편광의 빛을 반사시키는 편광 선택 반사층을 구비하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명의 편광 선택 반사층은 상기 확산층의 광 출사면과 상기 상부 미세렌즈 사이에 또는 상기 확산층의 광 입사면 상에 배치될 수 있다.

상기 상부 미세렌즈와 상기 확산층 사이에 배치되는 공기층을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 확산층의 광 입사면 상에 형성되는 하부 미세렌즈를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 편광 선택 반사층에는 광이 반사되는 와이어 그리드 및 광이 투과되는 개구부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 미세렌즈는 수직 단면이 반원, 반타원, 삼각형 중 어느 하나의 형태이고 수평 단면은 사각형, 원형 및 타원형 중 어느 하나의 형태인 것을 특징으로 한다.

상기 공기층은 다수의 공기공이 형성된 발포 수지층인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 백라이트 유닛은 빛을 발생하는 광원과; 상기 빛을 확산시키기 위한 확산층, 상기 빛을 집광시키기 위한 상부 미세렌즈, 및 상기 빛에서 특정 편광만을 투과시키는 반면 상기 특정 편광과 다른 편광의 빛을 반사시키는 편광 선택 반사층을 포함한 확산층을 구비하는 것을 특징으로 한다.상기 편광 선택반사층은 상기 확산층의 광 출사면과 상기 상부 미세렌즈 사이에 또는 상기 확산층의 광 입사면 상에 배치될 수 있다.

상기 상부 미세렌즈와 상기 확산판 사이에 배치되는 공기층을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 확산층의 광 입사면 상에 형성되는 하부 미세렌즈를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 도 3 내지 도 14를 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 구비하여 액정표시패널에 특정 편광의 빛 예를 들면 P파만을 조사한다.

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)에는 도 4 내지 도 11과 같이 확산층(33a)의 상부에 미세렌즈(micro lens)나 렌티큘러 렌즈나 프리즘렌즈가 형성되고 그 확산층(33a)과의 사이에 편광선택 반사층이 형성되거나 확산층(33a)의 하부에 편광 선택 반사층이 형성된다. 여기서, 확산층(33a)의 하부에는 미세렌즈(micro lens), 렌티큘러 렌즈 및 프리즘 렌즈 등이 더 형성될 수 도 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 일체형 확산판(33)은 확산층(33a), 편광 선택 반사층(101) 및 미세렌즈(33b)를 포함한다. 미세렌즈(33b)는 기재에 해당하는 투명시트(33d) 상에 형성된다.

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 12a와 같은 구형 또는 도 12b와 같은 원통형의 비드들이 다수 포함되거나 그 비드들이 포함되지 않을 수 있다.

편광 선택 반사층(101)은 확산층(33a) 상에서 100~300nm의 피치를 가지는 그릴 형태의 박막 금속패턴으로 형성되어 확산층(33a)에 의해 확산된 광 중 금속패턴들 사이의 개구부를 통해 P 편광을 투과시키는 반면에, P 편광과 직교하는 광축의 S 편광을 선택적으로 반사시키는 역할을 한다. 즉, 편광 선택 반사층에는 다수의 와이어 그리드가 구비됨으로써 와이어 그리드로 입사되는 광은 반사되고 와이어 그리드를 제외하는 개구영역으로 입사되는 광은 반사되게 된다.

여기서, 편광 선택 반사층(101)은 확산층(33a) 상에 형성될 수도 있고 확산층과 다수의 램프들 사이에 위치할 수도 있다.

광원(31)에서 발생되는 빛의 광량을 100%라 가정할 때 그 광원(31)으로부터 입사되는 100%의 빛 중에서 50% 정도의 P 편광파만이 편광 선택 반사층(101)을 통해 투과되는 반면에, 나머지 50% 정도의 S 편광파는 반사된다. 편광 선택 반사층(101)에서 반사된 S 편광파의 빛은 확산층(33a)이나 보텀커버(32)의 반사판에서 반사되어 그 중 대략 25% 정도의 빛이 위상지연에 의해 P 편광파로 변하여 편광 선택 반사층(101)을 통과한다. 따라서, 광원(101)으로부터 발생되는 광 중에서 액정표시패널에 입사되는 P파의 광량은 50% 에서 75% (1차 반사분 25% 포함)로 증가하고, 편광 선택 반사층(101)에 의한 반사의 반복에 따라 그 광량이 더 증가한다. 이러한 과정을 거쳐, 본 발명에 따른 백라이트유닛은 광원(31)으로부터 발생되는 빛이 대부분 액정표시패널에서 유효광으로 이용되는 P 편광파로 변하여 액정표시패널에 입사된다.

따라서, 본 발명에 따른 백라이트유닛이 적용되는 액정표시장치는 광효율과 휘도가 높아진다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 일체형 확산판(33)은 도 5와 같이 편광 선택 반사층(102)이 확산층(33a)의 하부면에 형성된다. 광원(31)으로부터의 빛은 편광 선택 반사층 사이의 개구부를 통해 P편광은 투과되고 와이어 그리드에서 S편광은 반사되며, 투과된 P편광만이 상부의 확산층(33a)에 전달된다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 일체형 확산판(33)은 도 6과 같이 확산층(33a), 공기층(40), 편광 선택 반사층(101) 및 상부 미세렌즈(33b)을 포함한다. 공기층(40)은 상부 미세렌즈(33b)와 확산층(33a) 사이에 배치되고, 편광 선택 반사층(101)은 공기층(40) 상부에 배치된다. 확산층(33a)과 편광 선택 반사층(101)은 전술한 실시예와 실질적으로 동일한다.

공기층(40)은 수지 격벽(40b)과 수지 격벽(40b)에 의해 마련된 공간에 채워지는 공기(40a)를 포함한다. 이러한, 공기층(40)은 확산층(33a)과의 굴절율 차에 의해 확산층(33a)을 통해 입사된 광이 굴절율차에 의해 진행경로가 꺾이면서 광의 확산도가 증가하여 상부 미세렌즈(33b)에 입사되는 광 손실이 적게 되어 상부 미세렌즈(33b)를 통과한 최종 직진광의 휘도를 향상시킨다.

한편, 공기층(40)으로는 도 7에 도시된 바와 같이 다수의 공기공(42a)이 형 성된 발포 수지층(42)이 이용될 수도 있다.

본 발명의 제4 실시예에 따른 일체형 확산판(33)은 도 8과 같이 미세렌즈(33b)와 확산층(33a) 사이에 배치되는 공기층(40)과, 확산층(33a)의 하부면에 형성되는 편광 선택 반사층(102)을 포함한다.

본 발명의 제5 실시예에 따른 일체형 확산판(33)에는 도 9와 같이 미세렌즈(33b)와 확산층(33a) 사이에 공기층(40)이 배치되고, 공기층(40) 하부에 편광 선택 반사층(101)이 설명된다.

도 4 내지 도 9에 있어서 하부에 미세렌즈를 더 형성할 수 있으며 그 실시예 중 일부를 도 10과 11로 설명된다.

본 발명의 제6 실시예에 따른 일체형 확산판(33)에는 도 10과 같이 상부 미세렌즈(33b)와 확산층(33a) 사이에 편광 선택 반사층(101)이 배치되고, 확산층(33a)의 하부면에 하부 미세렌즈(33b)가 형성된다. 전술한 실시예에서 설명된 바와 같이 상부 미세렌즈(33b)는 편광 선택 반사층(101)을 통해 입사되는 P 편광파의 빛을 집광시키며, 하부 미세렌즈(33c)는 광원(31)으로부터 입사되는 광을 확산시켜 확산층(33a)으로 입사되는 광의 확산도를 증가시킨다. 그리고 편광 선택 반사층(101)은 입사광 중에서 P 편광만을 투과시키는 반면에, S 편광을 반사킨다.

본 발명의 제7 실시예에 따른 일체형 확산판(33)에는 도 11과 같이 도 6의 실시예에서 단면이 삼각형인 하부 미세렌즈(33g)를 부가한 구조이다.

본 발명의 제6 및 제7 실시예에서의 하부 미세렌즈(33c,33g)는 수직 단면이 반원, 반타원, 삼각형 중 어느 하나의 형태를 갖고, 수평 단면은 사각형, 원형 타원형을 가진다. 예를 들어, 마이크로 렌즈 어레이(MLA : micro lens array), 렌티큘러 렌즈(lenticular lens), 프리즘 등이 이용될 수 있다. 이러한, 도 10 및 도 11의 실시예 뿐만 아니라 다른 실시예에도 적용되어 확산층(33a)에 입사되는 빛의 확산도를 증가시킬 수 있다.

편광 선택 반사층(101, 102)과 그 사이에 배치되는 개구부에 의한 광학적인 효과는 시뮬레이션 결과 도면인 도 14에서 알 수 있다. 도 14과 같이 편광 선택 반사층(101, 102)과 그 사이의 개구부를 포함한 편광 선택 반사층(101, 102)은 P 편광파만을 투과시키는 반면에, 반사된 S 편광파는 하부의 반사판에서 재반사되어 P파와 S파로 변환되고, 편광 선택 반사층(101,102)에서 상기와 같은 투과/반사를 반복하여 최종적으로 액정표시패널 쪽으로 입사되는 P 편광파의 효율을 높이게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 확산판은 확산판, 공기층, 편광 선택 반사층, 미세렌즈 어레이를 한 매의 일체형 확산판으로 적층하여 광효율과 전면 휘도를 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 조사되는 광효율과 휘도를 높일 수 있다. 실제로, 편광 선택 반사층이 없는 종래의 백라이트유닛과 편광 선택 반사층을 포함한 본 발명의 백라이트유닛의 휘도를 측정한 결과에 의하면 본 발명에 따른 백라이트유닛의 전면 광량이 종래에 비하여 20% 정도 증가하는 결과를 확인하였다.

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 (13)

1. 광원으로부터 발생된 빛에서 특정 편광만을 투과시키고, 상기 특정 편광과 다른 편광의 빛을 반사시키는 편광 선택 반사층;

   반복적으로 상기 반사된 빛을 위상 지연시켜, 상기 위상 지연된 빛을 다시 상기 편광 선택 반사층으로 반사시키는 확산층;

   상기 빛을 집광시키기 위한 상부 미세렌즈; 및

   상기 상부 미세렌즈와 상기 확산층 사이에 배치되는 공기층을를 구비하고,

   상기 편광 선택 반사층은,

   상기 확산층으로부터 반사된 빛에서 특정 편광만을 투과하고, 상기 반사된 빛에서 상기 특정 편광과 다른 편광을 다시 상기 확산층으로 반사하는 과정을 반복 수행하고,

   상기 공기층은 다수의 공기공이 형성된 발포 수지층인는 것을 특징으로 하는 확산판.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 편광 선택 반사층은,

   상기 확산층의 광출사면과 상기 상부 미세렌즈 사이에 배치되는 확산판.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 편광 선택 반사층은,

   상기 확산층의 광입사면 상에 배치되는 확산판.
5. 제 1 항, 제3항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 확산층의 광 입사면 상에 형성되는 하부 미세렌즈를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 확산판.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 편광 선택 반사층에는 광이 반사되는 와이어 그리드 및 광이 투과되는 개구부를 포함하는 것을 특징으로 하는 확산판.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 상부 또는 하부 미세렌즈는 수직 단면이 반원, 반타원, 삼각형 중 어느 하나의 형태이고 수평 단면은 사각형, 원형 및 타원형 중 어느 하나의 형태인 것을 특징으로 하는 확산판.
8. 삭제
9. 빛을 발생하는 광원과;

   상기 발생된 빛에서 특정 편광만을 투과시키고, 상기 특정 편광과 다른 편광의 빛을 반사시키는 편광 선택 반사층, 반복적으로 상기 반사된 빛을 위상 지연시켜, 상기 위상 지연된 빛을 다시 상기 편광 선택 반사층으로 반사시키는 확산층, 상기 빛을 집광시키기 위한 상부 미세렌즈, 및 상기 상부 미세렌즈와 상기 확산층 사이에 배치되는 공기층을 구비하는 확산판을 구비하되,

   상기 편광 선택 반사층은 상기 확산층으로부터 반사된 빛에서 특정 편광만을 투과하고, 상기 반사된 빛에서 상기 특정 편광과 다른 편광을 다시 상기 확산층으로 반사하는 과정을 반복 수행하고,

   상기 공기층은 다수의 공기공이 형성된 발포 수지층인, 것을 특징으로 하는 백라이트유닛.
10. 삭제
11. 제 9 항에 있어서,

    상기 편광 선택 반사층은,

    상기 확산층의 광출사면과 상기 상부 미세렌즈사이에 배치되는 백라이트유닛.
12. 제 9 항에 있어서,

    상기 편광 선택 반사층은,

    상기 확산층의 광입사면 상에 배치되는 백라이트유닛.
13. 제 9 항, 제11항 및 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 확산층의 광 입사면 상에 형성되는 하부 미세렌즈를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 백라이트유닛.

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