KR101363703B1 - 백라이트 디스플레이에서의 측방향 광 확산을 위한 광학소자 및 이를 이용한 시스템 - Google Patents

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Abstract

디스플레이 시스템(100)은 광원(116a, 116b)과 디스플레이 패널(102) 사이에 배치된 반투과성 미러(120)를 구비한다. 반투과성 미러는 광원과 마주하는 광 방향전환 입력 결합 소자(206), 디스플레이 패널과 마주하는 광 방향전환 출력 결합 소자(208), 및 입력 결합 소자와 출력 결합 소자 사이의 다층 반사기(204)를 포함한다. 반투과성 미러는 광을 측방향으로 확산시켜, 패널의 조명을 보다 균일하게 한다. 반투과성 미러는 추가적인 광 확산을 위해 입력 결합 소자와 출력 결합 소자 사이에 투명한 기판(202)을 구비할 수 있다. 광원은 제어식 투과 미러 후방보다는 제어식 투과 미러 내에 위치될 수 있다. 출력 결합 소자(208)는 비편광성일 수 있어서 제어식 투과 미러 외부로 통과하는 광이 편광되지 않게 하거나, 출력 결합 소자는 편광성일 수 있어서 출력 광이 편광되게 한다.
디스플레이, 투과 미러, 측방향 확산, 결합 소자, 편광, 다층 반사기

Description

백라이트 디스플레이에서의 측방향 광 확산을 위한 광학 소자 및 이를 이용한 시스템{OPTICAL ELEMENT FOR LATERAL LIGHT SPREADING IN BACK-LIT DISPLAYS AND SYSTEM USING SAME}
관련 출원
본 출원은 이하의 출원들과 관련된다: 본 출원과 동일자로 출원되고 대리인 관리 번호가 제60708US002호이며 발명의 명칭이 "색상 혼합 조명 광 유닛 및 이를 이용한 시스템"(COLOR MIXING ILLUMINATION LIGHT UNIT AND SYSTEM USING SAME)인 미국 특허 출원 제11/166,722호; 본 출원과 동일자로 출원되고 대리인 관리 번호가 제60709US002호이며 발명의 명칭이 "에지라이트 디스플레이에서의 측방향 광 확산을 위한 광학 소자 및 이를 이용한 시스템"(OPTICAL ELEMENT FOR LATERAL LIGHT SPREADING IN EDGE-LIT DISPLAYS AND SYSTEM USING SAME)인 미국 특허 출원 제11/167,003호; 본 출원과 동일자로 출원되고 대리인 관리 번호가 제60975US002호이며 발명의 명칭이 "조명 소자 및 이를 이용한 시스템"(ILLUMINATION ELEMENT AND SYSTEM USING SAME)인 미국 특허 출원 제11/167,001호; 및 본 출원과 동일자로 출원되고 대리인 관리 번호가 제60976US002호이며 발명의 명칭이 "편광 감응성 조명 소자 및 이를 이용한 시스템"(POLARIZATION SENSITIVE ILLUMINATION ELEMENT AND SYSTEM USING SAME)인 미국 특허 출원 제11/167,019호.
본 발명은 광학 조명 및 디스플레이(display)에 관한 것으로, 특히 직하형 백라이트(direct-lit backlight)에 의해 조명되는 사인(sign) 및 디스플레이 시스템에 관한 것이다.
액정 표시 장치(LCD)는 랩탑 컴퓨터, 핸드헬드 계산기(hand-held calculator), 디지털 시계 및 텔레비전과 같은 장치에 사용되는 광학 디스플레이이다. 몇몇 LCD, 예컨대 LCD 모니터 및 LCD 텔레비전(LCD-TV)은 LCD 패널 바로 뒤에 위치된 다수의 광원을 사용하여 직접 조명된다. 흔히 직접 조명식 디스플레이라고 하는 이러한 배열은 대형 디스플레이에서 점점 일반화되고 있다. 이에 대한 하나의 이유는 소정 수준의 디스플레이 휘도를 달성하기 위한 광 출력 요건이 디스플레이 크기의 제곱에 따라 증가한다는 것이다. 한편, 디스플레이의 측면을 따라 광원을 위치시키기 위한 이용 가능한 면적은 디스플레이 크기에 따라 선형적으로 증가하는 것에 불과하다. 그러므로, 소정 수준의 휘도를 달성하기 위해서 광원이 측면보다는 패널 뒤에 배치되어야 하는 상황에 도달하게 된다. LCD-TV와 같은 몇몇 LCD 응용은 디스플레이가 다른 응용보다 더 먼 거리에서 시청되기에 충분히 밝을 것을 요구하고 LCD-TV의 시야각 요건은 LCD 모니터 및 핸드헬드 장치에 대한 시야각 요건보다 더 넓을 수 있으므로, 스크린 크기가 비교적 작은 경우에도 직접 조명식 조명을 가진 LCD-TV를 보는 것이 더 통상적이다.
몇몇 LCD 모니터 및 대부분의 LCD-TV는 다수의 냉음극 형광 램프(Cold Cathode Fluorescent Lamp, CCFL)에 의해 후방으로부터 조명된다. 이들 광원은 선 형이고 디스플레이의 전체 폭을 가로질러 뻗어 있으며, 그 결과 디스플레이의 후면이 더 어두운 영역에 의해 분리된 일련의 밝은 스트라이프들(stripes)에 의해 조명된다. 그러한 조명 프로파일(profile)은 바람직하지 않으며, 따라서 LCD 장치의 배면에서 조명 프로파일을 평활하게 하기 위해 통상적으로 확산판이 사용된다.
현재, LCD-TV 확산판은 유리, 폴리스틸렌 비드(polystyrene beads) 및 CaCO3 입자를 포함하는 다양한 분산 상(dispersed phase)을 가진 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate; PMMA)의 중합체 매트릭스를 사용한다. 이들 판은 흔히 램프의 상승된 온도로의 노출 후 변형되거나 휘어진다. 또한, 일부 확산판에는 LCD 패널의 뒤에서의 조명 프로파일을 보다 균일하게 하기 위해 폭을 가로질러 공간적으로 변화하는 확산 특성이 제공된다. 이러한 불균일 확산기는 때때로 인쇄 패턴 확산기라고도 한다. 이들은 조립시 확산 패턴이 조명원에 맞추어져야 하므로 제조하기에는 값이 비싸고 제조 비용을 증가시킨다. 또한, 확산판은 확산 입자를 중합체 매트릭스의 전체에 걸쳐 균일하게 분포시키기 위해 맞춤 제작된 압출 혼합 작용(extrusion compounding)을 필요로 하며, 이 또한 비용을 증가시킨다.
발명의 개요
본 발명의 일 실시예는 조명 면(illumination side) 및 시청 면(viewing side)을 가진 이미지 형성 패널, 및 이미지 형성 패널의 조명 면에 배치된 적어도 제1 광원 및 제2 광원을 포함하는 광학 시스템에 관한 것이다. 제어식 투과 미러(mirror)가 이미지 형성 패널과 광원 사이에 위치되며, 제1 및 제2 광원과 마주하는 입력 결합 소자, 및 이미지 형성 패널과 마주하는 출력 결합 소자를 포함한다. 제어식 투과 미러는 또한 입력 결합 소자와 출력 결합 소자 사이에 배치된 제1 다층 반사기(multilayer reflector)를 포함하고, 입력 및 출력 결합 소자들 중 적어도 하나로부터 이격된다. 제1 다층 반사기는 광원들로부터 수직으로 입사하는 광에 대해 반사성이다. 입력 결합 소자는 광원들로부터 제1 다층 반사기에 대해 실질적으로 수직인 방향으로 진행하는 광의 적어도 일부를 제1 다층 반사기를 투과하는 방향으로 리디렉팅(redirecting)한다.
본 발명의 다른 실시예는 이미지 형성 패널 및 이미지 형성 패널의 후방에 배치된 적어도 제1 광원을 포함하는 광학 시스템에 관한 것이다. 제1 광원으로부터 이미지 형성 패널을 향한 순서로, 제1 확산기, 제1 다층 반사기 및 제2 확산기가 있다. 제1 광원으로부터의 적어도 일부의 광은 이미지 형성 패널을 향해 제1 확산기, 제1 다층 반사기 및 제2 확산기를 통과한다. 제1 광원으로부터 제2 확산기 외부로 통과한 광의 세기 프로파일(intensity profile)은 제1 다층 반사기의 주 표면(major surface)에 수직인 제1 광원으로부터의 축(axis)을 따른 위치에서 최소값을 갖는다.
본 발명의 다른 실시예는 광 방향전환 입력 결합 소자, 광 방향전환 출력 결합 소자, 및 제1 파장으로 수직으로 입사하는 광에 대해 반사성인 제1 다층 반사기를 포함하는 제어식 투과 미러에 관한 것이다. 제어식 투과 미러는 또한 제1 파장에서 실질적으로 투명한 기판을 포함한다. 기판은 기판의 주변 에지 외부로 진행하는 광을 반사시키도록 배치된 측면 반사기를 갖는다. 기판 및 제1 다층 반사기 둘 다는 입력 결합 소자와 출력 결합 소자 사이에 배치된다.
본 발명의 상기의 개요는 본 발명의 각각의 도시된 실시예와 구현예를 설명하고자 하는 것은 아니다. 이하의 도면 및 상세한 설명은 이러한 실시예들을 더 구체적으로 예시한다.
본 발명은 첨부 도면과 관련하여 본 발명의 다양한 실시예에 대한 하기의 상세한 설명을 고려하여 더욱 완벽하게 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 원리에 따른 측방향 광 확산 소자를 가진 백라이트를 사용하는 백라이트 액정 표시 장치의 개략도.
도 2A 및 도 2B는 본 발명의 원리에 따른 제어식 투과 미러의 실시예들의 개략 부분 단면도.
도 3은 본 발명의 원리에 따른 제어식 투과 미러의 다른 실시예의 개략 부분 단면도.
도 4A 내지 도 4D는 본 발명의 원리에 따른 제어식 투과 미러용의 입력 결합 소자의 다양한 실시예들의 개략 단면도.
도 5A 내지 도 5D는 본 발명의 원리에 따른 제어식 투과 미러용의 출력 결합 소자의 다양한 실시예들의 개략 단면도.
도 6A는 본 발명의 원리에 따른 편광 감응성 제어식 투과 미러의 실시예의 개략 단면도.
도 6B 및 도 6C는 본 발명의 원리에 따른 편광 감응성 출력 결합 소자의 다 양한 실시예들의 개략도.
도 7A 내지 도 7C는 본 발명의 원리에 따른, 내부에서 광원이 광을 방출하는 제어식 투과 미러의 다른 실시예들의 개략 부분 단면도.
본 발명이 다양한 변형예와 대체 형태를 따르고 있지만, 그 특정 실시예는 예로서 도면에 도시되고 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명을 설명된 특정 실시예로 한정할 의도는 아니라는 것을 알아야 한다. 반대로, 첨부된 청구의 범위에 기재된 본 발명의 정신 및 범주 내에 속하는 모든 변형예, 등가물 및 대체예를 포함하고자 하는 것이다.
본 발명은 조명식 사인, 및 액정 표시 장치(LCD 또는 LC 디스플레이)와 같은 디스플레이에 적용 가능하며, 특히 직접 조명식 디스플레이로 알려진, 후방으로부터 직접 조명되는 LCD에 적용 가능하다. 직접 조명식 디스플레이의 몇몇 예시된 예로는 몇몇 유형의 LCD 모니터 및 LCD 텔레비전(LCD-TV)을 들 수 있다.
직접 조명식 디스플레이 장치(100)의 하나의 예시적인 실시예의 개략적인 분해도가 도 1에 도시되어 있다. 이러한 디스플레이 장치(100)는 예컨대 LCD 모니터 또는 LCD-TV에 사용될 수 있다. 장치(100)는 액정(LC) 패널(102)을 사용하고, LC 패널은 전형적으로 패널 판(106)들 사이에 설치된 LC 층(104)을 포함한다. 패널 판(106)은 종종 유리로 형성되고, LC 층(104) 내의 액정의 배향을 제어하기 위한 내부 표면 상의 배향층 및 전극 구조물을 포함할 수 있다. 전극 구조물은 통상적으로 LC 패널 픽셀들, 즉 액정들의 배향이 인접 픽셀들과는 독립적으로 제어될 수 있는 LC 층의 영역들을 한정하도록 배열된다. 또한, 표시되는 이미지에 색상을 부여하기 위해 컬러 필터가 하나 이상의 패널 판(106)과 함께 포함될 수 있다.
상부 흡수 편광기(108)가 LC 층(104) 상에 위치되고, 하부 흡수 편광기(110)가 LC 층(104) 아래에 위치된다. 도시된 실시예에서, 상부 및 하부 흡수 편광기(108, 110)는 LC 패널(102) 외부에 위치된다. 흡수 편광기(108, 110) 및 LC 패널(102)은 조합되어 백라이트(112)로부터의 광이 시청자를 향해 디스플레이(100)를 투과하는 것을 제어한다. LC 층(104)의 픽셀이 활성화되지 않을 때, 그 픽셀은 이를 통과하는 광의 편광을 변화시키지 않는다. 따라서, 흡수 편광기(108, 110)가 수직 정렬된 때에는 하부 흡수 편광기(110)를 통과하는 광은 상부 흡수 편광기(108)에 의해 흡수된다. 한편, 픽셀이 활성화된 때에는, 이를 통과하는 광의 편광이 회전되어, 하부 흡수 편광기(110)를 통해 투과된 광의 적어도 일부가 또한 상부 흡수 편광기(108)를 통해 투과되게 한다. 예컨대, 제어기(113)에 의해 LC 층(104)의 상이한 픽셀들을 선택적으로 활성화시키면, 광이 소정의 원하는 위치에서 디스플레이 외부로 통과하여, 시청자가 보게 되는 이미지를 형성하게 된다. 제어기(113)는 예컨대 텔레비전 이미지를 수신하여 표시하는 컴퓨터 또는 텔레비전 제어기를 포함할 수 있다. 하나 이상의 선택적인 층(109)이 예컨대 디스플레이면에 대한 기계적 및/또는 환경적 보호를 제공하기 위해 상부 흡수 편광기(108) 위에 제공될 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 층(109)은 흡수 편광기(108) 위에 하드코트(hardcoat)를 포함할 수 있다.
몇몇 유형의 LC 디스플레이들은 전술한 것과는 다른 방식으로 동작할 수 있으며, 그러므로 설명된 시스템과는 세부적으로는 상이할 수 있다. 예컨대, 흡수 편광기는 평행하게 정렬될 수 있고, LC 패널은 비활성 상태에서 광의 편광을 회전시킬 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이러한 디스플레이들의 기본 구조는 위에서 설명된 구조와 유사하다.
백라이트(112)는 광을 발생시키고 광이 LC 패널(102)의 배면으로 향하게 한다. 백라이트(112)는 광을 발생시키는 다수의 광원(116)을 포함하는 광 혼합 공동(cavity, 114)을 포함한다. 광원(116)은 냉음극 형광등과 같은 선형 광원일 수 있다. 필라멘트 또는 아크 램프, 발광 다이오드(LED), 유기 LED(OLED), 평탄 형광 패널 또는 외부 형광 램프와 같은 다른 유형의 광원이 또한 사용될 수 있다. 광원의 이러한 열거는 한정하거나 단정짓기 위한 의도가 아니고 단지 예시하기 위한 것이다.
광 혼합 공동(114)은 LC 패널(102)로부터 멀어지는 방향으로 광원(116)으로부터 아래쪽으로 진행하는 광을 반사시키는 기부 반사기(118)를 포함할 수 있다. 기부 반사기(118)는 후술되는 바와 같이 디스플레이 장치(100) 내에서 광을 재활용하는 데 또한 유용할 수 있다. 기부 반사기(118)는 경면(specular) 반사기일 수 있거나, 확산 반사기일 수 있다. 기부 반사기(118)로서 사용될 수 있는 경면 반사기의 일 예는 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 입수가능한 비퀴티(Vikuiti)(상표명) 강화 경면 반사(Enhanced Specular Reflection, ESR) 필름이다. 적합한 확산 반사기의 예로는 이산화티타늄, 황산바륨 또는 탄산칼슘 등과 같은 확산 반사 입자가 투입된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리카르보네이트(PC), 폴리프로필렌, 폴리스티렌 등과 같은 중합체를 들 수 있다. 미공성 재료 및 미소섬유(fibril)-함유 재료를 포함하는 확산 반사기의 다른 예는 본 출원인의 공동 소유인 미국 특허 제6,780,355호에서 논의되어 있다.
광 혼합 공동(114)은 또한 광원(116)과 LC 패널(102) 사이에 배치된 제어식 투과 미러(120)를 포함한다. 제어식 투과 미러(120)는 공동(114) 내에서 광의 일부를 반사시키고, 각각의 광원(116)으로부터 측방향으로 광을 확산시킨 후 일부 광이 공동(114)으로부터 빠져나오도록 한다. 측방향 광 확산은 공동(114)으로부터 빠져나오는 광의 세기 프로파일을 보다 균일하게 하는 것을 도와, 시청자가 보다 균일하게 조명된 이미지를 볼 수 있도록 한다. 또한, 상이한 광원(116)들이 상이한 색상들의 광을 생성하는 경우, 측방향 광 확산은 상이한 색상들이 보다 완전하게 혼합되게 한다. 제어식 투과 미러(120)의 동작은 이하에서 보다 상세하게 논의된다.
공동(114)에는 또한 반사벽(122)이 제공될 수 있다. 반사벽(122)은 예컨대 기부 반사기(118)에 사용되는 것과 같은 동일한 경면 또는 확산 반사 재료로 형성될 수 있거나, 몇몇 다른 유형의 반사 재료로 형성될 수 있다.
광 관리층(124)의 배열은 공동(114)과 LC 패널(102) 사이에 위치될 수 있다. 광 관리층(124)은 공동(114)으로부터 진행되는 광에 영향을 주어, 디스플레이 장치(100)의 동작을 향상시킨다. 예컨대, 광 관리층(124)은 반사 편광기(126)를 포함할 수 있다. 이는 광원(116)이 전형적으로 편광되지 않은 광을 생성하는 반면에 하부 흡수 편광기(110)가 단일 편광 상태만을 투과시키기 때문에 유용하다. 따라서, 광원(116)에 의해 발생된 광의 대략 절반은 LC 층(104)까지 계속 투과하는 데 적합하지 않다. 그러나, 반사 편광기(126)는 반사되지 않는다면 하부 흡수 편광기(110)에서 흡수될 광을 반사시키는 데 사용될 수 있어서, 이 광은 반사 편광기(126)와 공동(114) 사이의 반사에 의해 재활용될 수 있다. 반사 편광기(126)에 의해 반사된 광은 제어식 투과 미러(120)에 의해 후속적으로 반사될 수 있거나, 상기 광은 공동(114)으로 재진입하여 기부 반사기(118)에 의해 반사될 수 있다. 반사 편광기(126)에 의해 반사된 광의 적어도 일부는 편광이 제거되고, 후속적으로 LC 패널(102)을 향해 반사 편광기(126) 및 하부 흡수 편광기(110)를 통해 투과된 편광 상태로 반사 편광기(126)로 복귀될 수 있다. 이러한 방식으로, 반사 편광기(126)는 광원(116)에 의해 방출되어 LC 패널(102)에 도달하는 광의 비율을 증가시키기 위해 사용될 수 있고, 그래서 디스플레이 장치(100)에 의해 생성된 이미지가 더 밝아지게 된다.
임의의 적합한 유형의 반사 편광기, 예컨대 다층 광학 필름(multilayer optical film, MOF) 반사 편광기, 연속/분산상 편광기와 같은 확산 반사 편광 필름(diffusely reflective polarizing film, DRPF), 와이어 그리드 반사 편광기, 또는 콜레스테릭(cholesteric) 반사 편광기가 사용될 수 있다.
MOF 및 연속/분산 상 반사 편광기는 광을 직교 편광 상태로 투과시키면서 하나의 편광 상태의 광을 선택적으로 반사시키기 위해 적어도 2종의 재료, 보통 중합체 재료들 간의 굴절률 차이에 의존한다. MOF 반사 편광기의 일부 예가 본 출원인의 공동 소유인 미국 특허 제5,882,774호에 기재되어 있다. MOF 반사 편광기의 구매가능한 예로는 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 입수할 수 있는 확산면을 포함하는 비퀴티(상표명) DBEF-D200 및 DBEF-D400 다층 반사 편광기를 들 수 있다.
본 발명과 함께 사용되는 DRPF의 예로는 본 출원인의 공동 소유인 미국 특허 제5,825,543호에 기재된 연속/분산상 반사 편광기, 및 예컨대 본 출원인의 공동 소유인 미국 특허 제5,867,316호에 기재된 확산 반사 다층 편광기를 들 수 있다. 다른 적합한 유형의 DRPF는 미국 특허 제5,751,388호에 기재되어 있다.
본 발명과 함께 사용되는 와이어 그리드 편광기의 일부 예로는 미국 특허 제6,122,103호에 기재된 것들을 들 수 있다. 와이어 그리드 편광기는 특히 미국 유타주 오렘 소재의 목스텍 인크.(Moxtek Inc.)로부터 구매가능하다.
본 발명과 함께 사용되는 콜레스테릭 편광기의 몇몇 예로는, 예컨대 미국 특허 제5,793,456호 및 미국 특허 제6,917,399호에 기재된 것들을 들 수 있다. 콜레스테릭 편광기는 흔히 출력측의 사분파(quarter wave) 저지층과 함께 제공되어 콜레스테릭 편광기를 투과한 광이 선형 편광으로 변환되도록 한다.
반사 편광기(126)에 의해 반사된 광의 편광을 혼합하는 것을 돕기 위해 공동(114)과 반사 편광기(126) 사이에 편광 혼합층(128)이 배치될 수 있다. 예컨대, 편광 혼합층(128)은 사분파 저지층과 같은 복굴절층일 수 있다.
광 관리층(124)은 또한 하나 이상의 휘도 향상층(130a, 130b)을 포함할 수 있다. 휘도 향상층은 디스플레이의 축에 더 가까운 진행 방향으로 축외(off-axis) 광을 리디렉팅하게 하는 면구조를 포함하는 층이다. 이는 LC 패널(102)을 통과하는 조명 광의 시야각을 제어하여, 전형적으로는 LC 패널(102)을 통해 축상(on-axis)으로 진행하는 광의 양을 증가시킨다. 결과적으로, 시청자가 보는 이미지의 축상 밝기가 증가된다.
휘도 향상층의 일 예는 굴절 및 반사의 조합을 통해 조명 광을 리디렉팅하는 다수의 프리즘형 릿지(prismatic ridges)를 갖는다. 디스플레이 장치에 사용될 수 있는 프리즘형 휘도 향상층의 예로는 BEFII 90/24, BEFII 90/50, BEFIIIM 90/50 및 BEFIIIT를 비롯한 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 입수가능한 프리즘형 필름인 비퀴티(상표명) BEFII 및 BEFIII 패밀리(family)를 들 수 있다. 하나의 휘도 향상층만이 사용될 수 있지만, 공통적인 접근법은 서로 약 90°로 배향된 구조를 가진 2개의 휘도 향상층(130a, 130b)을 사용하는 것이다. 이러한 교차 구성은 2차원의 조명 광의 시야각, 즉 수평 시야각 및 수직 시야각의 제어를 제공한다.
이제, 제어식 투과 미러의 한가지 특정 실시예가 도 2A를 참조하여 설명된다. 도면은 몇몇 광원(116a, 116b), 기부 반사기(118)와 제어식 투과 미러(120)의 부분들 및 측면 반사기(122)를 포함하는 공동(114)의 부분을 도시한다. 제어식 투과 미러(120)는 CCFL과 같은 선형 광원, 또는 LED와 같은 의사점광원(quasi-point light source)을 사용하는 직접 조명식 디스플레이에 균일한 후방-조명을 제공하는 이점이 있으나, 다른 유형의 광원과 함께 또한 사용될 수 있다. 제어식 투과 미러(120)는 광원(116a, 116b)에 의해 발생되는 광에 대해 실질적으로 투명한 기판(202)을 포함할 수 있다. 광대역 다층 반사기(204)가 기판(202)의 적어도 한쪽 면에 배치된다. 도시된 실시예에서, 다층 반사기(204)는 기판(202)의 하부면 상에 배치된다. 다층 반사기(204)는 예컨대 접착제를 사용하여 또는 접착제를 사용하지 않고 적층에 의해 기판(202)에 부착될 수 있다. 도시된 실시예에서, 다층 반사기(204)는 광원(116a, 116b)과 대향된 기판(202)의 면에 적층된다.
기판(202)은 임의의 적합한 투명 유기 또는 무기 재료, 예컨대 중합체 또는 유리로 형성될 수 있다. 적합한 중합체 재료는 비정질 또는 반결정질(semi-crystalline)일 수 있고, 단일 중합체, 공중합체 또는 그 블렌드를 포함할 수 있다. 중합체 재료의 예로는, 비정질 중합체, 예를 들어 폴리(카르보네이트)(PC); 폴리(스티렌)(PS); 아크릴레이트, 예컨대 미국 뉴저지주 록커웨이 소재의 사이로 인더스트리즈(Cyro Industries)에 의해 아크릴라이트(ACRYLITE)(등록상표) 브랜드 하에 공급되는 아크릴 시트; 아크릴 공중합체, 예컨대 아이소옥틸 아크릴레이트/아크릴산; 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA); PMMA 공중합체; 사이클로올레핀; 사이클로올레핀 공중합체; 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS); 스티렌 아크릴로니트릴 공중합체(SAN); 에폭시; 폴리(비닐사이클로헥산); PMMA/폴리(비닐플루오라이드) 블렌드; 아탁틱 폴리(프로필렌); 폴리(페닐렌 옥사이드) 합금; 스틸렌 블록 공중합체; 폴리이미드; 폴리설폰; 폴리(비닐 클로라이드); 폴리(다이메틸 실록산)(PDMS); 폴리우레탄; 및 반결정질 중합체, 예를 들어 폴리(에틸렌); 폴리(프로필렌); 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)(PET); 폴리(카르보네이트)/지방족 PET 블렌드; 폴리(에틸렌 나프탈레이트)(PEN); 폴리아미드; 이오노머; 비닐 아세테이트/폴리에틸렌 공중합체; 셀룰로오스 아세테이트; 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트; 플루오로중합체; 폴리(스틸렌)-폴리(에틸렌) 공중합체; PET 및 PEN 공중합체, 및 투명 유리 섬유 패널을 들 수 있으나 이로 한정되지 않는다. 이들 재료 중 일부, 예컨대 PET, PEN 및 그 공중합체는 등방성 재료의 재료 굴절률로부터 재료 굴절률을 변화시키도록 배향될 수 있다.
입력 결합 소자(206)가 다층 반사기(204)의 하부면에 배치되고 출력 결합 소자(208)가 기판(202)의 상부면에 배치된다. 입력 결합 소자(206) 및 출력 결합 소자(208)는, 광을 제어식 투과 미러(120) 내부로 결합시키기 위해 또는 광을 제어식 투과 미러(120) 외부로 결합시키기 위하여, 이들 결합 소자(206, 208)로 진입하는 광의 적어도 일부의 방향을 변화시키는 데 사용된다. 입력 결합 소자(206) 및 출력 결합 소자(208)의 예시적인 실시예는 확산기, 즉 표면 확산기와 벌크 확산기 둘 다, 그리고 미세복제(microreplicated) 표면을 포함한다. 입력 결합 소자(206) 및 출력 결합 소자(208)의 몇몇 예시적인 실시예가 이하에서 보다 상세히 설명된다. 출력 결합 소자(208)는 입력 결합 소자(206)와 동일할 수 있는데, 예컨대 입력 및 출력 결합 소자(206, 208)는 둘 다 벌크 확산기일 수 있거나, 출력 결합 소자는 입력 결합 소자(206)와는 다를 수 있다. 입력 및 출력 결합 소자(206, 208)는 적층될 수 있거나, 이와는 달리 기판(202) 및 다층 반사기(204)와 일체로 형성될 수 있다.
다층 유전체 반사기(204)는 일반적으로 유전체 적층물(stack)의 기본 구성 블록들을 형성하는 광학 반복 유닛들로 구성된다. 광학 반복 유닛은 전형적으로 적어도 고굴절률 및 저굴절률 재료의 2개 이상의 층을 포함한다. 다층 반사기는 적외선, 가시광선 또는 자외선 파장 및 광의 한 쌍의 주어진 직교 편광들 중 하나 또는 둘 다를 반사시키기 위해 이들 구성 블록을 사용하여 설계될 수 있다. 일반적으로, 적층물은 다음 관계에 따라 층들의 광학 두께를 제어함으로써 특정 파장 의 광을 반사시키도록 구성될 수 있다:
λ=(2/M)*Dr,
여기서 M은 반사된 광의 차수(order)를 나타내는 정수이고, Dr은 광학 반복 유닛의 광학 두께이다. 1차 반사(M=1)의 경우, 광학 반복 유닛은 λ/2의 광학 두께를 갖는다. 간단한 1/4-파 적층물은 λ/4의 광학 두께를 각각 갖는 다수의 층을 포함한다. 광대역 반사기는 여러 파장으로 조정된 다수의 1/4-파 적층물, 적층물에 걸쳐 층 두께의 연속적인 변화를 갖는 적층물, 또는 그 조합을 포함할 수 있다. 다층 반사기는 비광학 층을 추가로 포함할 수도 있다. 예컨대, 공압출(coextruded) 중합체 유전체 반사기는 반사기 필름의 형성을 용이하게 하고 반사기를 보호하기 위해 사용되는 보호 경계층 및/또는 스킨층을 포함할 수 있다. 본 발명에 특히 적합한 중합체 광학 적층물은 발명의 명칭이 다층 광학 필름(Multilayer Optical Film)인 공개된 PCT 특허출원 WO 95/17303호 및 미국 특허 제6,531,230호에 기재되어 있다. 다른 실시예에서, 유전체 적층물은 무기 재료들의 적층물일 수 있다. 저굴절률 재료로 사용되는 몇몇 적합한 재료는 SiO2, MgF2 및 CaF2 등을 포함한다. 고굴절률 재료로 사용되는 몇몇 적합한 재료는 TiO2, Ta2O5, ZnSe 등을 포함한다. 그러나, 본 발명은 사분파 적층물로 한정되지 않고, 보다 일반적으로는 예컨대, 컴퓨터 최적화된 적층물 및 무작위 층 두께 적층물을 포함한 임의의 유전체 적층물에 적용 가능하다.
특정 파장에서의 광의 유전체 적층물에 의한 반사는 부분적으로는 적층물을 통한 진행각에 따라 좌우된다. 다층 반사기는 특정 각도로 적층물에서 진행하는 광에 대해 반사 밴드 프로파일(예컨대, 밴드 중앙 및 밴드 에지)을 갖는 것으로서 고려될 수 있다. 이러한 밴드 프로파일은 적층물에서의 진행각이 변화함에 따라 변화한다. 적층물에서의 진행각은 일반적으로 입사각과, 적층물 및 주위 매체에서의 재료의 굴절률의 함수이다. 반사 밴드 프로파일의 밴드 에지의 파장은 적층물에서의 진행각이 변화함에 따라 변화한다. 전형적으로, 고려 중인 중합 재료의 경우, 수직 입사하는 광에 대한 반사기의 밴드 에지는 공기 중에서 스침각 입사(grazing incidence)로 볼 때 수직 입사 값의 약 80%로 이동된다. 이러한 효과는 미국 특허 제6,208,466호에 보다 상세하게 기재되어 있다. 밴드 에지는 공기보다 높은 굴절률을 가진 매체를 사용하여 광이 반사기 내로 결합될 때 더욱 크게 이동될 수 있다. 또한, 밴드 에지의 이동은 전형적으로 s-편광 광보다는 p-편광 광의 경우에 더 크다.
반사 밴드 프로파일의 각도 의존성(예컨대, 각도에 따라 이동하는 밴드 에지)은 유효 층 두께의 변화에 기인한다. 반사 밴드는 각도가 수직 입사로부터 증가함에 따라 보다 짧은 파장쪽으로 이동된다. 주어진 층을 통한 전체 경로 길이가 각도에 따라 증가하지만, 각도에 따른 밴드 위치의 변화는 각도에 따른 층을 통한 전체 경로 길이의 변화에 의존하지 않는다. 오히려, 밴드 위치는 주어진 층의 상부 표면과 하부 표면으로부터 반사된 광선들 사이의 경로 길이의 차이에 의존한다. 이러한 경로 차이는 주어진 층이 λ/4 두께의 층으로서 조정되는 파장 λ을 계산하기 위해 사용되는 친숙한 식 n.d.cosθ에 의해 나타내는 바와 같이 입사각에 따라 감소하는데, 여기서 n은 층의 굴절률이고, θ는 상기 층의 법선에 대한 광의 진행각이다.
상기 설명은 어떻게 반사 밴드 프로파일의 밴드 에지가 각도의 함수로서 변화하는지에 대해 기술한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 밴드 에지라는 용어는 일반적으로 다층 반사기가 실질적인 반사로부터 실질적인 투과로 변화하는 영역을 말한다. 이러한 영역은 아주 첨예하게 될 수 있고 단일 파장으로서 기술될 수 있다. 다른 경우에서, 반사와 투과 사이의 전이는 보다 점진적일 수 있고 중심 파장 및 대역폭에 의해 기술될 수 있다. 그러나, 어느 경우라도, 반사와 투과 사이의 실질적인 차이가 밴드 에지의 양측에 존재한다.
특정 파장의 광이 (반복 유닛의 경계면에 수직인 축으로부터 측정된) 증가하는 진행각으로 적층물에서 진행함에 따라, 광은 밴드 에지에 접근한다. 일 예에서, 충분히 큰 진행각에서, 적층물은 광의 그 특정 파장까지 실질적으로 투명하게 될 것이고 광은 적층물을 투과할 것이다. 따라서, 광의 주어진 파장의 경우에, 적층물은 그 미만에서는 광을 실질적으로 반사시키는 연관된 진행각과, 그 초과에서는 광을 실질적으로 투과시키는 다른 진행각을 갖는다. 따라서, 소정 다층 적층물에서, 광의 각각의 파장은 그 미만에서는 실질적인 반사가 일어나는 대응각 및 그 초과에서는 실질적인 투과가 일어나는 대응각을 갖는 것으로 고려될 수 있다. 밴드 에지가 첨예하게 될수록, 이들 2개의 각도는 연관된 파장에 대해 더욱 가까워진다. 본 설명의 목적을 위해, 이들 2개의 각도는 동일하고 θmin의 값을 갖는 것으로 근사화된다.
상기 설명은 진행각이 증가함에 따라 주어진 적층물에서의 단색 광이 반사로부터 투과로 이동하는 방식을 기술한다. 상이한 파장의 성분들의 혼합을 갖는 광으로 적층물이 조명되면, 반사 적층물이 반사로부터 투과로 변화하는 각도 θmin는 상이한 파장 성분들에 대해 다르다. 밴드 에지는 각도가 증가함에 따라 더 짧은 파장쪽으로 이동하므로, θmin의 값은 보다 긴 파장의 광에 대해 낮게 되어, 보다 긴 파장의 광이 더 짧은 파장의 광보다 더 많이 다층 반사기를 투과할 수 있도록 한다. 몇몇 실시예에서, 제어식 투과 미러 외부로 통과하는 광의 색상이 비교적 균일할 것이 요구된다. 색상 균형을 맞추기 위한 한가지 접근법은 보다 긴 파장의 광보다는 짧은 파장의 광을 더 많이 제어식 투과 미러 내로 결합시키는 입력 및 출력 결합 소자를 사용하는 것이다.
그러한 결합 소자의 일 예는 도 4A 및 도 5A를 참조하여 이하에서 논의되는 바와 같이 중합체 매트릭스 내에 분산된 산란 입자를 포함하는 벌크 확산기이다. 산란 입자는 주위 매트릭스와는 다른 굴절률을 갖는다. 확산 산란의 성질은 그 밖의 모든 것이 동일할 때, 보다 짧은 파장의 광이 보다 긴 파장의 광보다 더 많이 산란된다는 것이다.
또한, 산란 정도는 입자 및 주위 매트릭스의 굴절률들 사이의 차이에 의존한다. 굴절률 차이가 보다 짧은 파장에서 더 크다면, 훨씬 더 많은 짧은 파장 광이 산란된다. 확산 결합 소자의 하나의 특정 실시예에서, 매트릭스는 적색 광에 대해 약 1.75 그리고 청색 광에 대해 약 1.85의 면내(in-plane) 굴절률을 가진 2축 연신된 PEN으로 형성되며, 여기서 광은 s-편광되는데, 즉 고분산을 갖는다. 면내 굴절률은 전기 벡터가 필름의 평면에 평행하게 편광되는 광에 대한 굴절률이다. 필름의 두께 방향에 평행하게 편광된 광에 대한 면외(out-of-plane) 굴절률은 약 1.5이다. p-편광된 광에 대한 굴절률은 s-편광된 광의 굴절률보다 낮은데, 그 이유는 p-편광된 광이 면내 굴절률과 면외 굴절률의 조합인 유효 굴절률을 겪기 때문이다. 매트릭스에서의 입자는 고굴절률을 가질 수 있는데, 예컨대 이산화티타늄(TiO2) 입자는 약 2.5의 굴절률을 갖는다. TiO2의 굴절률은 범위 450 ㎚ - 650 ㎚에 걸쳐서 대략 0.25만큼 변화하며, 이는 유사한 파장 범위에 걸친 PEN에 대한 대략 0.1의 굴절률 변화보다 크다. 따라서, 입자와 매트릭스 사이의 굴절률 차이는 가시광선 스펙트럼에 걸쳐 약 0.15만큼 변화하여, 청색 광에 대한 산란이 증가된다. 결과적으로, 입자와 매트릭스 사이의 굴절률 차이는 가시광선 스펙트럼에 걸쳐서 유의하게 변화할 수 있다.
따라서, 확산 산란 메커니즘의 파장 의존성 및 가시광선 스펙트럼에 걸친 굴절률 차이의 큰 차이로 인해, 청색 광이 다층 반사기 내로 산란되는 정도가 비교적 높으며, 이는 보다 짧은 파장에서 θmin의 보다 큰 값을 적어도 부분적으로 보상한다.
입력 및 출력 결합 소자의 다른 실시예, 예컨대 도 4B 내지 도 4D 및 도 5B 내지 도 5D를 참조하여 후술되는 실시예들은 주로 광을 방향전환하기 위한 굴절 효과에 의존한다. 예컨대, 결합 소자에는 광을 다층 반사기 내로 또는 외부로 결합시키기 위한 표면 구조물 또는 홀로그래픽 특징부가 제공될 수 있다. 통상의 재료 분산은 보다 짧은 파장에 대해 보다 큰 굴절 효과를 가져온다. 그러므로, 굴절 효과에 의존하는 입력 및 출력 결합 소자는 또한 보다 짧은 파장에서 θmin의 보다 큰 값을 적어도 부분적으로 보상할 수 있다.
그러므로, 제어식 투과 미러로 진입한 광이 θmin 값에서 큰 변동을 가질 수 있다는 것을 이해하고서, 이하의 설명은 간결성을 위해 θmin의 단일 값만을 참조한다.
시스템 설계자가 다층 반사기를 통과하는 광의 양을 제어하기 위해 사용할 수 있는 다른 효과는 브루스터 각(Brewster's angle), 즉 p-편광된 광이 반사 손실 없이 다층 반사기를 통과하는 각도의 선택이다. 굴절률 n1 및 n2를 각각 갖는 다층 반사기 내의 인접한 등방성 층 1 및 2의 경우, 층 1로부터 층 2로 통과하는 광에 대해 층 1에서의 브루스터 각 θB의 값은 식 tan θB = n2/n1로 주어진다. 따라서, 다층 반사기의 상이한 층들에 채용되는 특정 재료들은 브루스터 각의 원하는 값을 제공하도록 선택될 수 있다.
다층 반사기에 대한 브루스터 각의 존재는 광을 큰 각도에 걸쳐 방향전환시키기 위해 입력 및 출력 결합층들에 의존하는 것 외에 광이 반사기를 통과하도록 하는 다른 기구를 제공한다. 제어식 투과 미러 내에서의 각도가 p-편광된 광에 대해 증가됨에 따라, 반사 밴드는 브루스터 각에서 실질적으로 사라진다. 브루스터 각 초과의 각도에서는, 반사 밴드가 다시 나타나 더 짧은 파장으로 계속 이동한다.
소정 실시예에서는, 청색 광에 대해서는 θB 값을 θmin보다 작게 설정할 수 있지만, 적색 광에 대해서는 θB를 θmin보다 크게 할 수 있다. 이러한 구성은 청색 광의 다층 반사기 투과를 증가시킬 수 있는데, 이는 보다 짧은 파장 광에 대해서는 θmin의 보다 높은 값을 적어도 부분적으로 보상한다.
광원(116a)으로부터의 광의 적어도 일부는 제어식 투과 미러(120)를 향해 진행한다. 광선(210)에 의해 예시되는 광의 일부는 입력 결합 소자(206)를 통과하고, θmin 초과의 각도로 다층 반사기(204)에 입사하고, 기판(202) 내로 투과된다. 각도는 본 명세서에서는 다층 반사기(204)의 법선(230)에 대한 각도로서 기술된다. 광선(212)에 의해 예시되는 광의 다른 부분은 θmin 미만의 각도로 입력 결합 소자(206)에 입사하지만 입력 결합 소자(206)에 의해 적어도 θmin의 각도로 방향전환되어 다층 반사기(204)를 통해 기판(202) 내로 투과된다. 광선(214)에 의해 예시되는 광원(116a)으로부터의 광의 다른 부분은 입력 결합 소자(206)를 통과하고 θmin 미만의 각도로 다층 반사기(204)에 입사한다. 결과적으로, 광(214)은 다층 반사기(204)에 의해 반사된다. θmin의 값은 광원(116a)에 의해 방출된 파장의 광이 다층 반사기(204)를 투과하기 전에 다층 반사기(204)의 밴드 에지가 얼마나 멀리 이동하는 지에 의해 결정된다.
몇몇 실시예에서, 다층 반사기(204)는 다층 반사기(204)와 기판(202) 사이에서 공기층, 또는 굴절률이 상대적으로 낮은 몇몇 다른 재료를 회피하는 방식으로 기판(202)에 부착되는 것이 요구된다. 기판(202)과 다층 반사기(204) 사이의 그러한 밀접한 광학 결합은 광이 기판(202)에 도달하기 전에 다층 반사기(204)에서 전반사되는 가능성을 감소시킨다.
기판 내의 광의 최대각 θmax은 입력 결합 소자(206)의 상대 굴절률 ni 및 기판(202)의 상대 굴절률 ns에 의해 결정된다. 입력 결합 소자(206)가 표면 결합 소자인 경우에, ni 값은 표면이 형성된 재료의 굴절률과 동일하다. 입력 결합 소자(206)로부터 기판(202) 내로의 진행은 스넬의 법칙(Snell's law)에 따른다. 광이 90°에 가까운 스침각 입사로 입력 결합 소자(206)와 기판(202) 사이의 경계면에 입사한다고 가정하면, θmax 값은 다음 식으로 주어진다:
θmax = sin-1 (ni/ns).
따라서, 광은 기판(202)을 따라 θ = 90°의 방향으로 진행할 수 있는데, 여기서 ns 값은 ni 값 이하이다. θmax 값이 높을수록, 광의 측방향 확산이 증가할 수 있고, 따라서 휘도 균일성이 증가할 수 있다.
출력 결합 소자(208)는 제어식 투과 미러(200)로부터 광의 적어도 일부를 추출하는 데 사용된다. 예컨대, 광(212)의 일부는 광(220)으로서 제어식 투과 미러(120) 외부로 통과하도록 출력 결합 소자(208)에 의해 확산될 수 있다.
기판 내의 다른 광 부분, 예컨대 광선(222)은 출력 결합 소자(208)에 의해 방향전환될 수 없다. 광(222)이 출력 결합 소자의 임계각 θc = sin-1 (1/ne)(여기서 ne은 출력 결합 소자의 굴절률)보다 큰 각도로 출력 결합 소자(208)의 상부 표면에 입사하면, 광(222)은 출력 결합 소자(208) 내에서 전반사되어 광(224)으로서 기판(202)을 향해 리디렉팅된다. 반사된 광(224)은 이어서 입력 결합 소자(206)의 하부 표면에서 전반사될 수 있다. 대안적으로, 광(224)은 이어서 입력 결합 소자(206)에 의해 방향전환되어 제어식 투과 미러(120) 외부로 기부 반사기(118)를 향해 통과할 수 있다.
적어도 θmin의 각도로 기판(202) 내로 통과하는 광이 θc보다 큰 각도로 출력 결합 소자(208)에 입사하면, 출력 결합 소자(208) 외부로 방향전환되지 않은 상기 광은 전형적으로 출력 결합 소자(208) 내에서 전반사된다. 그러나, θmin의 각도로 기판 내로 통과하는 광이 θc보다 작은 진행 각도로 출력 결합 소자(208)에 도달하면, 그 광의 일부는, 출력 결합 소자(208)와 공기의 경계면에서 프레넬 반사 손실(Fresnel reflection loss)을 가정하여, 출력 결합 소자(208)에 의해 방향전환되지 않고도 출력 결합 소자(208)를 통해 외부로 투과될 수 있다. 따라서, 광이 다중 반사되고 그 방향이 공동(114) 내에서 전환될 가능성이 많다. 또한, 광은 기판(202) 내에서 및/또는 제어식 투과 미러(120)와 기부 반사기(118) 사이의 공간 내에서 횡방향으로 진행할 수 있다. 이들 다중 효과가 조합되어 광이 측방향으로 확산되고 추출되어 더 균일한 휘도의 백라이트 조명을 생성할 가능성을 증가시킨다.
다층 반사기가 θmin보다 작은 브루스터 각 θB의 값을 가질 가능성을 제외하고, 광원(116a)에서 발생한 광에 대해 금지된 각도 영역 θf이 있다. 이러한 금지된 각도 영역 θf는 θmin의 절반 각도를 가지며 광원(116a) 위에 위치된다. 광은 금지된 각도 영역 내에서 다층 반사기(122)를 통과할 수 없다. 이는 제어식 투과 미러(120) 위에 나타낸 그래프에서 개략적으로 도시되어 있다. 그래프는 광원(116a) 바로 위의 위치에서, 즉 축(230)에 대응하는 위치에서 최소값을 갖는, 광원(116a)으로부터 방출된 광의 정성적 휘도 곡선을 나타낸다. 광원(116a) 위의 어두운 영역은 다른 광원으로부터의 광이 없을 때에만 보인다. 그러나, 인접하는 광원들, 예컨대 광원(116b)으로부터의 광은 축(230)에서 광원(116a) 위의 수직 지점에서 제어식 투과 미러(120)로부터 빠져 나갈 수 있어, 이러한 제어식 투과 미러(120)를 이용하는 백라이트는 상이한 광원들로부터의 혼합광에 유효하다.
기판(202)의 에지들 중 하나 이상은 반사기(122)에 의해 덮일 수 있다. 따라서, 그렇지 않다면 기판(202)으로부터 빠져 나갈 수도 있었던 광은 광(226)으로서 기판(202)으로 다시 반사되고, 제어식 투과 미러(120)로부터 유용한 조명광으로서 추출될 수 있다. 반사기(122)는 다층 유전체 반사기, 기판(202)의 에지 상의 금속 코팅, 다층 중합체 반사기, 확산 중합체 반사기 등을 포함하는 임의의 적합한 유형의 반사기일 수 있다. 도시된 실시예에서, 기판(202)의 측면에서의 반사기(122)는 광 혼합 공동(114)의 측면 둘레에 사용되는 반사기와 동일한 반사기이지만, 이는 본 발명의 제한 사항인 것으로 의도된 것이 아니며 기판(202)의 에지 둘레의 반사기는 혼합 공동(114)의 측면 반사기와는 다를 수 있다.
위에서 제공된 제어식 투과 미러의 설명을 감안할 때, 입력 결합 소자(206)의 기능은 그렇지 않다면 θmin 미만의 각도로 다층 반사기(204)에 입사될 적어도 일부의 광을 방향전환하여 다층 반사기(204)에 적어도 θmin의 각도로 입사되도록 하는 것임을 알 수 있다. 또한, 출력 결합 소자(208)의 기능은 그렇지 않다면 제어식 투과 미러(120) 내에서 전반사될 적어도 일부의 광을 방향전환하여 제어식 투과 미러(120) 외부로 통과하도록 하는 것이다.
제어식 투과 미러(120)에는 도 2B에 개략적으로 도시된 바와 같이, 기판(202)의 양면에 위치된 2개의 다층 반사기(204, 205)가 선택적으로 제공될 수 있다. 다층 반사기(204, 205)는 바람직하게는 동일한 θmin 값을 갖지만, 이것은 반드시 요구되는 것은 아니다.
제어식 투과 미러는 또한 제어식 투과 미러(120) 내에서 진행하는 광의 각도 범위를 제어하는 데 효과적인 채로 유지되면서 광원(116)로부터 멀리 떨어진 기판(202)의 면 상에 위치된 단일의 다층 반사기를 가질 수 있다. 그러한 배열의 예시적인 실시예가 도 3에 개략적으로 도시되어 있다. 광원(116a)으로부터의 광(312)이 θmin 미만의 각도로 다층 반사기(205)에 입사되는 경우, 광은 다층 반사기(205)에 의해 반사되고 광(317)으로서 입력 결합 소자(206) 외부로 다시 통과할 수 있다. 다층 반사기(205)에 의해 반사된 광은 또한 입력 결합 소자(206)에 의해 방향전환되어 더 큰 각도로 기판(202)으로 복귀될 수 있다. 예컨대, 광선(314)은 입력 결합 소자(206)에 의해 방향전환되고 이어서 입력 결합 소자(206)의 하부 표면에서 전반사되어 기판(202)으로 되돌아 간다. 전반사된 광선(316)은 이어서 θmin 초과의 각도로 다층 반사기(205)로 복귀되어 다층 반사기(205)를 투과할 수 있다.
광원(116a)으로부터의 다른 광은 θmin 초과의 각도로 다층 반사기(205)로 입사될 수 있고, 그러므로 다층 반사기(205)를 통해 출력 결합 소자(208)로 투과될 수 있다. 상기 광은 예컨대 예시적인 광선(318)에서처럼 출력 결합 소자(208)의 표면에서 전반사되거나, 예컨대 예시적인 광선(320)에서처럼 출력 결합 소자(208) 외부로 방향전환될 수 있다.
설사 있다해도 광원(116)으로부터의 매우 적은 광이 광원(116a) 위에서 수직으로, 즉 축(330)을 따라 또는 축(330)에 가까운 각도로 제어식 투과 미러(120)로부터 빠져나가지만, 인접한 광원, 예컨대 광원(116b)으로부터의 광은 광원(116a) 바로 위, 즉 축(330)에서 또는 축(330) 가까이에서 제어식 투과 미러(120)로부터 빠져나갈 수 있다. 광원들(116a, 116b)이 서로 너무 가깝게 이격되어 있으면, 각각의 광원(116a, 116b)의 "금지된 영역"이 중첩되어, 적어도 광원(116a, 116b)으로부터 광이 추출되지 않는 제어식 투과 미러(120)의 영역을 생성한다. 그러므로, 적어도 약 d = h.tan(θmin) (여기서 h는 기판(202)의 두께)의 값을 갖는 간격 d만큼 인접 광원(116a, 116b)을 이격시키는 것이 바람직하다. 이 식은 단지 근사적인 것인데, 그 이유는 기판(202)의 두께는 다층 반사기(205), 입력 결합 소자(206) 및 출력 결합 소자(208)의 두께가 무시될 수 있을 정도로 이들 층(205, 206, 208)의 두께보다 훨씬 크다고 가정했기 때문이다. 인접한 광원(116a, 116b)의 간격과 기판(202)의 두께 사이의 이러한 관계는 하나의 광원으로부터의 광이 가장 가까운 인접 광원 위에서 추출되는 것이 요구될 때 관련된다. 광 추출 소자를 설계하기 위한 다른 조건들이 선택될 수 있다. 예컨대, 광 추출 소자는 하나의 광원으로부터의 광이 가장 가까운 인접 광원 위에서는 추출되지 않지만, 두번째로 가장 가까운 인접 광원 위에서는 추출되도록 설계될 수 있다.
이제, 상이한 유형의 입력 결합 소자의 예시적인 실시예들이 도 4A 내지 도 4D를 참조하여 설명된다. 이들 실시예에서, 다층 반사기(404)는 기판과 입력 결합 소자(406) 사이에 놓인다. 도시되지 않은 다른 예시적인 실시예에서, 기판은 입력 결합 소자와 다층 반사기 사이에 놓일 수 있다.
도 4A에서, 제어식 투과 미러(420)의 예시적인 실시예는 입력 결합 소자(426), 다층 반사기(404), 기판(402) 및 출력 결합 소자(408)를 포함한다. 이러한 특정 실시예에서, 입력 결합 소자(426)는 투명 매트릭스(426b) 내에 분산된 확산 입자(426a)들을 포함하는 벌크 확산층이다. θmin 미만의 각도로 입력 결합 소자(426)로 진입하는 광의 적어도 일부, 예컨대 광선(428)은 θmin 초과의 각도로 입력 결합 소자(426) 내에서 산란되고, 결과적으로 다층 반사기(404)를 투과한다. 일부 광, 예컨대 광선(430)은 다층 반사기(404)를 통과하기에 충분한 각도에 걸쳐 입력 결합 소자(426) 내에서 산란되지 않을 수 있고, 다층 반사기(404)에 의해 반사된다. 투명 매트릭스(426b)에 적합한 재료는 기판에 사용하기 적합한 것으로서 본 명세서에서 열거된 것과 같은 중합체를 포함하지만 이로 한정되는 것은 아니다.
확산 입자(426a)는 광을 확산시키는 데 유용한 임의의 유형의 입자, 예컨대 굴절률이 주위 중합체 매트릭스와는 다른 투명 입자, 확산 반사 입자, 또는 매트릭스(426b) 내의 보이드(void) 또는 기포(bubble)일 수 있다. 적합한 투명 입자들의 예로는 중실(solid) 또는 중공(hollow) 무기 입자, 예컨대 유리 비드(bead) 또는 유리 쉘(shell), 중실 또는 중공 중합체 입자, 예컨대 중실 중합체 구체 또는 중합체 중공 쉘을 들 수 있다. 적합한 확산 반사 입자의 예로는 이산화티타늄(TiO2), 탄산칼슘(CaCO3), 황산바륨(BaSO4), 황산마그네슘(MgSO4) 등의 입자를 들 수 있다. 또한, 매트릭스(426b) 내의 보이드는 광을 확산시키는 데 사용될 수 있다. 그러한 보이드는 가스, 예컨대 공기 또는 이산화탄소로 충전될 수 있다.
입력 결합 소자(446)가 표면 확산기(446a)를 포함하는, 제어식 투과 미러(440)의 다른 예시적인 실시예가 도 4B에 개략적으로 도시되어 있다. 표면 확산기(446a)는 다층 반사기(404)의 바닥층 상에 또는 다층 반사기(404)에 부착된 별도의 층 상에 제공될 수 있다. 표면 확산기(446a)는 성형되거나, 압인되거나, 주조되거나 또는 달리 제조될 수 있다.
입력 결합 소자(446)에 입사하는 광의 적어도 일부는, 예컨대 광선(448)은 표면 확산기(446a)에 의해 산란되어 θmin 초과의 각도로 진행되고, 결과적으로 다층 반사기(404)를 투과한다. 일부 광, 예컨대 광선(450)은 다층 반사기(404)를 통과하기에 충분한 각도에 걸쳐 표면 확산기(446a)에 의해 산란되지 않을 수 있고 반사된다.
입력 결합 소자(466)가 면(facet)(467a, 467b)을 가진 미세복제 구조물(467)을 포함하는 제어식 투과 미러(460)의 다른 예시적인 실시예가 도 4C에 개략적으로 도시되어 있다. 구조물(467)은 다층 반사기(404)의 바닥층 상에 또는 다층 반사기(404)에 부착된 별도의 층 상에 제공될 수 있다. 구조물(467)은 표면 확산기(448)가 대부분 무작위의 표면 구조물을 포함하는 반면에 구조물(467)이 한정된 면(467a, 467b)들을 갖는 보다 규칙적인 구조물을 포함한다는 점에서 표면 확산기(448)와 다르다.
입력 결합 소자(466)에 입사하는 광의 적어도 일부는, 예컨대 면(467a)에 입사하는 광선(468)은 θmin의 각도로 다층 반사기(404)에 도달하는 것이 아니라 면(467a)에서 굴절될 것이다. 따라서, 광선(468)은 다층 반사기(404)를 투과할 수 있다. 일부 광선, 예컨대 광선(470)은 면(467b)에 의해 θmin 미만의 각도까지 굴절되며, 따라서 다층 반사기(404)에 의해 반사된다.
제어식 투과 미러(480)의 다른 예시적인 실시예가 도 4D에 개략적으로 도시되어 있는데, 본 실시예에서는 입력 결합 소자(486)가 다층 반사기(404)와 광학 접촉하는 표면 부분(482) 및 다층 반사기(404)와 광학 접촉하지 않는 다른 표면 부분(484)을 가지며, 소자(486)와 다층 반사기(404) 사이에 간극(488)이 형성된다. 간극(488)의 존재는 입사광의 일부의 전반사(total internal reflection, TIR)를 제공한다. 이러한 유형의 결합 소자는 TIR 입력 결합 소자라 불릴 수 있다.
입력 결합 소자(486)에 입사한 광의 적어도 일부, 예컨대 비접촉 표면 부분(484)에 입사한 광선(490)은 θmin의 각도로 다층 반사기(404)에 도달하는 것이 아니라 표면(484)에서 내부 반사될 것이다. 따라서, 광선(490)은 다층 반사기(404)를 투과할 수 있다. 일부 광, 예컨대 광선(492)은 접촉면 부분(482)을 통해 다층 반사기(404)로 투과할 수 있다. 이 광은 θmin 미만의 각도로 다층 반사기(404)에 입사하여서 다층 반사기(404)에 의해 반사된다.
다른 유형의 TIR 입력 결합 소자들이 미국 특허 제5,995,690호에 보다 상세히 기재되어 있다.
여기서 상세히 설명된 소자 외에, 다른 유형의 입력 결합 소자, 예컨대 표면 또는 체적 홀로그램을 포함하는 입력 결합 소자가 사용될 수 있다. 또한, 입력 결합 소자는 광을 방향전환하기 위한 다른 접근법을 조합할 수 있다. 예컨대, 입력 결합 소자는 표면 처리, 예컨대 표면 구조물, 표면 산란 패턴 또는 표면 홀로그램을 벌크 확산 입자와 조합할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 입력 결합 소자 및 출력 결합 소자의 굴절률은 각각 비교적 높은 굴절률, 예컨대 다층 반사기(404)의 평균 굴절률(고굴절률 및 저굴절률 층들의 굴절률의 평균)과 비슷하거나 더 높은 굴절률을 가지는 것이 바람직할 수 있다. 입력 및 출력 결합 소자에 대한 더 높은 굴절률은 광이 다층 반사기(404)를 통해 진행할 수 있게 하는 각도를 증가시키는 데 도움을 주어 더 큰 밴드 에지 이동이 일어나게 한다. 이어서, 이는 제어식 투과 미러를 통과하는 짧은 파장의 광의 양을 증가시켜 백라이트 조명의 색상을 더 균일하게 한다. 입력 및 출력 결합 소자에 사용될 수 있는 적합한 고굴절률 중합체 재료의 예로는 연신량에 따라 633 ㎚의 파장에 대해 1.75 및 1.65의 면내 굴절률 값을 각각 가질 수 있는 2축 연신된 PEN 및 PET를 들 수 있다.
입력 및 출력 결합 소자를 위한 재료의 선택과 적합하도록, 기판은 큰 각도로 진입하거나 빠져나가는 많은 양의 광을 차단하는 TIR을 일으키지 않는 굴절률을 갖도록 선택되어야 한다. 역으로, 기판에 대한 낮은 굴절률은 기판보다 더 높은 굴절률을 가진 입력 결합 소자로부터의 입사후 기판 내에서의 큰 진행 각도를 초래할 것이다. 이들 2개의 효과는 광의 색상 균형 및 측방향 확산과 관련하여 시스템의 성능을 최적화하도록 선택될 수 있다.
유사한 접근법이 출력 결합 소자에 사용될 수 있다. 예컨대, 제어식 투과 미러(520)가 입력 결합 소자(506), 다층 반사기(504), 기판(502) 및 출력 결합 소자(528)를 가지는 것으로 도 5A에 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 특정 실시예에서, 출력 결합 소자(528)는 투명 매트릭스(528b) 내에 분산된 확산 입자(528a)들을 포함하는 벌크 확산층이다. 확산 입자(528a) 및 매트릭스(528b)로서 사용하기 적합한 재료가 도 4A의 입력 결합 소자(426)와 관련하여 위에서 논의되었다.
기판(502)으로부터 출력 결합 소자(528)로 진입하는 광의 적어도 일부, 예컨대 광선(530)은 출력 결합 소자(508) 내의 확산 입자(528a)에 의해 산란되어 결과적으로 광 출력 결합 소자(528) 외부로 투과할 수 있다. 일부 광, 예컨대 광선(532)은 출력 결합 소자(528) 내에서 산란되지 않을 수 있고 입사각 θ로 출력 결합 소자(528)의 상부 표면(529)으로 입사한다. θ의 값이 매트릭스(528b)의 재료에 대한 임계각 θc 이상이라면, 광(532)은 도시된 바와 같이 표면(529)에서 전반사된다.
출력 결합 소자(548)가 표면 확산기(548a)를 포함하는 제어식 투과 미러(540)의 다른 예시적인 실시예가 도 5B에 개략적으로 도시되어 있다. 표면 확산기(548a)는 도시된 바와 같이 기판(502)의 상부 표면 상에 또는 기판(502)에 부착된 별도의 층 상에 제공될 수 있다.
기판(502) 내에서 진행하는 일부 광, 예컨대 광(550)은 표면 확산기(548a)에 입사하고 광 혼합층(540) 외부로 산란된다. 일부 다른 광, 예컨대 광(552)은 표면 확산기(548a)에 의해 산란되지 않을 수 있다. 표면 확산기(548a)에서의 입사각에 따라, 광(552)은 도시된 바와 같이 전반사될 수 있거나, 일부 광은 제어식 투과 미러(540) 외부로 투과할 수 있으면서 일부가 다시 기판(502) 내에서 반사된다.
출력 결합 소자(566)가 면(567a, 567b)을 갖는 미세복제 구조물(567)을 포함하는 제어식 투과 미러(560)의 다른 예시적인 실시예가 도 5C에 개략적으로 도시되어 있다. 구조물(567)은 도시된 바와 같이 기판(502)에 부착된 별도의 층(568) 상에 제공될 수 있거나, 기판(502) 자체의 상부 표면과 일체로 제공될 수 있다. 구조물(567)은 표면 확산기(548a)가 대부분 무작위의 표면 구조물을 포함하는 반면에 구조물(567)이 한정된 면(567a, 567b)들을 갖는 보다 규칙적인 구조물을 포함한다는 점에서 표면 확산기와 다르다.
기판(502) 내에서 진행하는 일부 광, 예컨대 광(570)은 표면 확산기 구조물(567)에 입사하고 광 혼합층(560) 외부로 굴절된다. 일부 다른 광, 예컨대 광(572)은 구조물(567)에 의해 광 혼합층(560) 외부로 굴절되지 않고 기판(502)으로 복귀될 수 있다. 광 혼합층(560)으로부터 빠져나갈 광의 진행 각도의 특정 범위는 적어도 광 혼합층(560)을 구성하는 상이한 층들의 굴절률 및 구조물(567)의 형상을 포함하는 다수의 인자들에 의존한다.
제어식 투과 미러(580)의 다른 예시적인 실시예가 도 5D에 개략적으로 도시되어 있는데, 본 실시예에서는 출력 결합 소자(586)가 다층 반사기(504)와 광학 접촉하는 표면 부분(582) 및 다층 반사기(504)와 광학 접촉하지 않는 다른 표면 부분(584)을 가진 광 결합 테이프를 포함하여, 소자(586)와 기판(502) 사이에 간극(588)을 형성한다.
출력 결합 소자(586)에 입사하는 광의 적어도 일부, 예컨대 광선(590)은 출력 결합 소자(586)와 접촉하지 않고 간극(588)에 인접하는 다층 반사기의 표면의 일부분에 입사하여서, 광(590)은 기판(502) 내에서 전반사된다. 일부 광, 예컨대 광선(592)은 접촉하는 표면 부분(582)을 투과하여 비접촉 표면 부분(584)에서 전반사될 수 있어서, 제어식 투과 미러(580) 외부에서 결합된다.
여기서 상세히 설명된 것 외에, 다른 유형의 출력 결합 소자가 사용될 수 있다. 또한, 출력 결합 소자는 제어식 투과 미러 외부로의 광을 방향전환하기 위한 다른 접근법을 조합할 수 있다. 예컨대, 출력 결합 소자는 표면 처리, 예컨대 표면 구조물 또는 표면 산란 패턴을 벌크 확산 입자들과 조합할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 출력 결합 소자는 광이 추출되는 정도가 출력 결합 소자에 걸쳐 균일하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 출력 결합 소자는 광이 제어식 투과 미러 외부로 추출되는 정도가 출력 결합 소자에 걸쳐 균일하지 않도록 구성될 수 있다. 예컨대, 도 5A에 도시된 출력 결합 소자(528)의 실시예에서, 출력 결합 소자(528)의 다른 부분보다 출력 결합 소자의 일부 부분으로부터 더 많은 양의 광이 추출될 수 있도록 확산 입자들(528a)의 밀도가 출력 결합 소자(528)에 걸쳐 변할 수 있다. 도시된 실시예에서, 확산 입자(528a)들의 밀도는 출력 결합 소자(528)의 좌측에서 더 높다. 마찬가지로, 도 5B 내지 도 5D에 도시된 출력 결합 소자(548, 568, 586)는 출력 결합 소자(548, 568, 586)의 다른 부분보다 출력 결합 소자의 일부 부분으로부터 더 많은 양의 광이 추출될 수 있도록 설계되고 형성될 수 있다. 제어식 투과 미러로부터의 광의 추출에서의 불균일성의 제공, 예컨대 더 많은 광을 포함하는 제어식 투과 미러의 부분으로부터 더 적은 양의 광을 추출하는 것 및 더 적은 광을 포함하는 제어식 투과 미러의 부분으로부터 더 많은 양의 광을 추출하는 것은 LC 패널을 향해 진행하는 조명광의 휘도 프로파일을 보다 균일하게 한다.
제어식 투과 미러 내에서의 광에 의해 이루어진 반사의 횟수 및 이에 따른 추출된 광의 균일성은 입력 결합 소자 및 출력 결합 소자 둘 다의 반사율에 의해 영향을 받을 수 있다. 균일성에 대한 타협은 입력 결합 소자, 다층 반사기 및 출력 결합 소자에서 흡수에 의해 야기되는 휘도 손실이다. 이러한 흡수 손실은 재료 및 재료 처리 조건의 적절한 선택에 의해 감소될 수 있다.
몇몇 예시적인 실시예에서, 제어식 투과 미러가 편광 감응성이어서, 하나의 편광 상태의 광이 우세하게 혼합 공동로부터 추출된다. 편광 감응성 제어식 투과 미러(620)의 하나의 예시적인 실시예의 단면도가 도 6A에 개략적으로 도시되어 있다. 제어식 투과 미러(620)는 선택 사양인 기판(602), 다층 반사기(604), 입력 결합 소자(606) 및 편광 감응성 출력 결합 소자(628)를 포함한다. 이하의 설명을 명확하게 하기 위해 3차원 좌표계가 여기서 사용된다. 좌표계의 축들은 제어식 투과 미러(620)가 x-y 평면에 평행하게 놓이고, z-축이 제어식 투과 미러(620)의 두께를 지나는 방향을 가지도록 임의로 할당되었다. 도 6A에 도시된 횡방향 치수는 x-축에 평행하고, y방향은 도면에 수직인 방향으로 연장한다.
몇몇 실시예에서, 기판(602) 내에서 진행하는 광의 단 하나의 편광의 추출은 2개의 재료, 예컨대 적어도 하나가 복굴절성인 상이한 중합체 상들을 포함하는 출력 결합 소자(628)에 의해 행해진다. 도시된 예시적인 실시예에서, 출력 결합 소자(628)는 제1 재료로 형성된 산란 요소(628a)들이 제2 재료로 형성된 연속 매트릭스(628b) 내에 매립되어 있다. 2개의 재료에 대한 굴절률들은 하나의 편광 상태의 광에 대해서는 실질적으로 일치되고 직교 편광 상태의 광에 대해서는 일치되지 않은 채로 있다. 산란 요소들(628a) 및 매트릭스(628b) 중 어느 하나 또는 둘 다는 복굴절성일 수 있다.
예컨대, 굴절률들이 x-z 평면에서 편광된 광에 대해 실질적으로 일치되고 제1 및 제2 재료의 굴절률들이 각각 n1 및 n2이면, 조건 n1x
Figure 112007093078615-pct00001
n1z
Figure 112007093078615-pct00002
n2x
Figure 112007093078615-pct00003
n2z이 유지되는데, 여기서 아래 첨자 x 및 z는 x 및 z 축에 각각 평행하게 편광된 광에 대한 굴절률을 나타낸다. n1y ≠ n2y이면, y축에 평행하게 편광된 광, 예컨대 광(630)은 출력 결합 소자(628) 내에서 산란되어 제어식 투과 미러(620) 외부로 통과할 수 있다. 직교 편광광, 예컨대 x-z 평면에서 편광된 광선(632)은 출력 결합 소자(620) 내에서 통과시 실질적으로 산란되지 않은 채로 있는데, 그 이유는 이러한 편광 상태에 대한 굴절률들이 일치되기 때문이다. 결과적으로, 광(632)이 출력 결합 소자(628)의 상부 표면(629)으로 연속상(628b)의 임계각 θc 이상의 각도로 입사하면, 광(632)은 도시된 바와 같이 표면(629)에서 전반사된다.
출력 결합 소자(628)로부터 추출된 광이 잘 편광되는 것을 보장하기 위해, 일치된 굴절률들은 바람직하게는 적어도 ± 0.05 내에서 일치되고, 더욱 바람직하게는 ± 0.01 내에서 일치된다. 이는 하나의 편광에 대한 산란의 양을 감소시킨다. y-편광의 광이 산란되는 양은 굴절률 불일치의 크기, 하나의 재료 상 대 다른 재료 상의 비 및 분산상의 도메인 크기를 포함하는 다수의 인자들에 의존한다. y-편광 광이 출력 결합 소자(628) 내에서 전방으로 산란되는 양을 증가시키기 위한 바람직한 범위는 적어도 약 0.05의 굴절률 차이, 약 0.5 ㎛ 내지 약 20 ㎛ 범위의 입자 크기 및 약 10% 이상까지의 입자 투입을 포함한다.
편광 감응성 출력 결합 소자의 상이한 배열들이 이용 가능하다. 예컨대, 도 6B에 개략적으로 도시된 출력 결합 소자(648)의 실시예에서, 산란 요소(648a)들은 연속 매트릭스(648b) 내에서 중합체 입자들의 분산상을 구성한다. 이 도면은 x-y 평면에서의 출력 결합 소자(648)의 단면도를 나타냄을 유의하라. 산란 요소(648a) 및/또는 매트릭스(648b)의 복굴절 중합체 재료는 예컨대 하나 이상의 방향으로 신장함으로써 배향된다. 분산상/연속상 편광 요소들이 본 출원인의 공동 소유인 미국 특허 제5,825,543호 및 제6,590,705호에 보다 상세히 기재되어 있다.
출력 결합 소자(658)의 다른 실시예가 도 6C에 단면도로 개략적으로 도시되어 있다. 이 실시예에서, 산란 요소(658a)는 매트릭스(658b)에 섬유, 예컨대 중합체 섬유 또는 유리 섬유의 형태로 제공된다. 섬유(658a)는 등방성일 수 있으면서 매트릭스(658b)는 복굴절성이거나, 섬유(658a)는 복굴절성일 수 있으면서 매트릭스(658b)는 등방성이거나, 섬유(658a) 및 매트릭스(658b)는 둘 다 복굴절성일 수 있다. 섬유계(fiber-based) 편광 감응성 출력 결합 소자(658)에서의 광의 산란은 섬유(658a)의 크기 및 형상, 섬유(658a)의 체적비(volume fraction), 출력 결합 소자(658)의 두께, 및 복굴절의 양에 영향을 끼치는 배향도(degree of orientation)에 적어도 부분적으로 의존한다. 상이한 유형의 섬유가 산란 요소(658a)로서 제공될 수 있다. 하나의 적합한 유형의 섬유(658a)는 등방성 또는 복굴절성일 수 있는 일 유형의 중합체 재료로 형성된 간단한 중합체 섬유이다. 매트릭스(658b)에 배치된 이러한 유형의 섬유(658a)의 예는 미국 특허 출원 제11/068,159호에 보다 상세히 기재되어 있다. 출력 결합 소자(658)에 사용하기에 적합할 수 있는 중합체 섬유의 다른 예는 하나의 중합체 재료로 형성된 다수의 산란 섬유가 다른 중합체 재료의 충전재(filler) 내에 배치되어 소위 "해도형(islands-in-the-sea)" 구조를 형성하는 복합 중합체 섬유이다. 산란 섬유 및 충전재 중 어느 하나 또는 둘 다는 복굴절성일 수 있다. 산란 섬유는 단일 중합체 재료로 형성되거나, 2개 이상의 중합체 재료, 예컨대 연속상 내의 분산상으로 형성될 수 있다. 복합 섬유는 미국 특허 출원 제11/068,158호 및 미국 특허 출원 제11/068,157호에 보다 상세히 기재되어 있다.
입력 결합 소자는 또한 편광 감응성일 수 있음을 이해할 것이다. 예컨대, 편광되지 않은 광이 제어식 투과 미러에 입사될 경우, 편광 감응성 산란 입력 결합 소자가 하나의 편광 상태의 광을 제어식 투과 미러 내로 산란시키기 위해 사용되어, 직교 편광 상태의 광이 다층 반사기에 의해 다시 기부 반사기로 반사될 수 있게 한다. 그리고 나서, 반사된 광의 편광은 제어식 투과 미러로 복귀되기 전에 혼합될 수 있다. 따라서, 입력 결합 소자는 실질적으로 단 하나의 편광 상태의 광이 제어식 투과 미러로 진입하도록 허용할 수 있다. 제어식 투과 미러의 상이한 층들이 광의 편광을 유지한다면, 비-편광-감응성(non-polarization-sensitive) 출력 결합 소자가 사용될지라도 실질적으로 광의 단 하나의 편광이 제어식 투과 미러로부터 추출될 수 있다. 입력 및 출력 결합 소자 둘 다는 편광 감응성일 수 있다. 출력 결합 소자로서 사용되는 편광 감응성 층들 중 어느 하나가 또한 입력 결합 소자로서 사용될 수 있다.
발광 다이오드(LED)와 같은 의사점광원에 특히 적합한 제어식 투과 미러의 다른 실시예에서, 광원은 제어식 투과 미러 자체 내에 배치될 수 있다. 그러한 접근법의 하나의 예시적인 실시예가 도 7A에 단면도로 개략적으로 도시되어 있다. 제어식 투과 미러(720)는 기판(722), 다층 반사기(724), 및 출력 결합 소자(728)를 갖는다. 기판(722)의 하부 표면에는 방향전환층(726)이 제공될 수 있다. 측면 반사기(732)는 광 혼합층(720)의 에지 둘레에 제공될 수 있다. 측면 반사기는 기판(722)의 주변 에지 외부로 진행하는 임의의 광을 반사시키기 위해 사용될 수 있다.
방향전환층(726)은 광을 리디렉팅시키는 투과성 리디렉팅층(726a), 예컨대 벌크 또는 표면 확산기 또는 구조화된 표면(structured surface)을 포함하는, 입력 결합 소자로서 사용되는 전술한 층들 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 투과성 리디렉팅층(726a)은 투과성 리디렉팅층(726a)을 통해 투과된 광을 반사시키는 기부 반사기(718)와 함께 사용될 수 있다. 기부 반사기(718)는 임의의 적합한 유형의 반사기일 수 있다. 기부 반사기(718)는 경면 또는 확산 반사기일 수 있고, 예컨대 금속화된 반사기 또는 MOF 반사기로부터 형성될 수 있다. 기부 반사기(718)는 도시된 바와 같이 투과성 리디렉팅층(726a)에 부착될 수 있거나, 투과성 리디렉팅층(726a)으로부터 분리되어 있을 수 있다. 그러나, 방향전환층(726)은 본 실시예에서 입력 결합 소자로서 불리지 않는데, 그 이유는 광을 제어식 투과 미러(720) 내로 결합시키는 데 사용되지 않기 때문이다. 방향전환층(726)의 상이한 구성이 가능하다. 몇몇 예시적인 실시예에서, 예컨대 도 7B에 개략적으로 도시된 바와 같이, 방향전환층(726)은 단순히 확산 반사기를 포함할 수 있다.
광원(716), 예컨대 LED는, 다른 유형의 광원이 또한 사용될 수 있지만, 발광 표면(716a)이 적어도 기판(722)과 바로 마주하도록 또는 심지어 기판(722) 내에서 오목하게 될 수 있도록 배열된다. 따라서, 발광 표면(716a)은 방향전환층(726)과 다층 반사기(724) 사이에 배치된다. 본 실시예에서, 광원(716)으로부터의 광(734)은 기판(722)의 하부 표면에 위치된 방향전환층(726)을 투과함이 없이 기판(722)으로 진입한다. 굴절률을 일치시키는 재료, 예컨대 겔(gel)이 발광 표면(716)과 기판(722) 사이에 설치되어, 반사 손실을 감소시키고 광원(716)으로부터 기판(722) 내로 결합되는 광의 양을 증가시킬 수 있다.
광원(716)은 캐리어(carrier)(717) 상에 배열될 수 있다. 캐리어(717)는 선택적으로 광원(716)에 대한 전기 접속을 제공할 수 있고, 또한 선택적으로 광원(716)을 냉각시키기 위한 열경로(thermal pathway)를 제공할 수 있다. 광원(716)을 캐리어(717) 상에 장착하기 위한 다른 접근법은 본 출원인의 공동 소유의 미국 특허 출원 공개 제2005/0265029 A1호에 보다 상세히 기재되어 있다.
광원(716)들 모두는 동일한 스펙트럼 내용을 가진 광을 방출할 수 있거나, 상이한 광원(716)들은 상이한 스펙트럼 내용을 가진 광을 방출할 수 있다. 예컨대, 하나의 광원(716)은 청색 광을 방출할 수 있으면서 다른 하나의 광원(716)은 녹색광을 방출하고 제3의 광원(716)은 적색광을 방출한다. LED는 상이한 광원들이 상이한 파장의 광을 생성하는 경우 특히 사용하기 적합하다. 제어식 투과 미러 내에서 확산하는 측면광의 효과가 상이한 색상의 광원(716)으로부터 나온 광을 혼합하기 위해 이용될 수 있어, 제어식 투과 미러로부터 방출된 광이 광원(716)에 의해 방출된 모든 스펙트럼 성분들의 유효 혼합물이 되도록 한다.
광원(716)이 입력 결합 소자를 통과함이 없이 기판(722) 내로 광을 직접 입사시킬 경우에도, 다층 반사기(724)는 기판(722) 내에서 진행하는 광이 제어식 투과 미러(720)로부터 빠져나갈 수 있는 최소각 θmin을 여전히 제어한다. 광선(736, 738)들로 예시된 일부 광은 θmin 미만의 각도로 광원(716)으로부터 기판(722) 내로 방출되며, 따라서 다층 반사기(724)에 의해 반사된다. 반사된 광의 일부, 예컨대 광선(736)은 기부 반사기(718)에서의 입사 이전 또는 이후에 방향전환층(726)에 의해 방향전환될 수 있어서, 광선(736a)으로서 θmin 초과의 각도로 기판 내로 다시 반사된다. 결과적으로, 광의 일부, 예컨대 광선(736a)은 다층 반사기(724)로부터 단 한번의 반사 이후에 다층 반사기를 통한 후속적인 투과를 허용하는 각도 범위 내로 방향전환한다. 반사된 광의 다른 부분, 예컨대 광선(738)은 방향전환층(726)에서 방향전환되지 않을 수 있으며, 따라서 다층 반사기(724)에서 다른 반사를 일으킬 수 있는 각도로 기부 반사기(718)로부터 반사된다.
광선(740, 742)들로 예시된 광원(716)으로부터 방출된 광의 일부는 θmin 이상의 각도로 광원(716)으로부터 기판(722) 내로 방출되며, 따라서 다층 반사기(724)를 투과한다. 투과된 광의 일부, 예컨대 광선(740)은 출력 결합 소자(728)에 의해 방향전환될 수 있어서, 광(740a)으로서 제어식 투과 미러(720) 외부로 투과된다. 투과된 광의 다른 부분, 예컨대 광선(742)은 방향전환되지 않고 출력 결합 소자(728)를 통과할 수 있으며, 그것이 임계각 θc 초과의 각도로 출력 결합 소자(728)의 상부 표면(728a)에 입사한다면, 기판(722)을 향해 다시 전반사된다.
기판(722) 내에서 진행하는 광(744)의 일부는 에지 반사기(732)에서 반사될 수 있다. 에지 반사기(732)는 기판(722)의 에지로부터 빠져나오는 광의 양을 감소시키기 위해 사용될 수 있어서 손실을 감소시킨다.
기판(752)이 또한 방향전환층으로서 작동하는 제어식 투과 미러(750)의 다른 실시예가 도 7C에 개략적으로 도시되어 있다. 본 실시예에서, 기판(752)이 약간의 확산 입자들을 포함하여, 이를 통과하는 광의 일부가 방향전환되게 한다. 일 예에서, θmin 미만의 각도로 광원(716)으로부터 진행하는 광 빔(754)은 θmin 초과의 각도로 다층 반사기(724)에 입사하도록 기판(752) 내에서 방향전환될 수 있다. 다른 예에서, 다층 반사기(724)에 의해 반사되는 광 빔(756)은 θmin 초과의 각도로 기부 반사기(718)에 의해 반사되도록 기판(752) 내에서 방향전환될 수 있다.
예
예 1
광학적으로 투명한 감압 접착제(pressure sensitive adhesive, PSA)를 이용하여 두께가 3㎜인 폴리카르보네이트 판의 양면에 다층 중합체 반사 필름, 즉 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 입수가능한 쓰리엠 비퀴티(상표명)-브랜드 ESR 필름인 필름들을 적층하여 구조물을 형성하였다. 그리고 나서, ESR 필름의 외부 표면을 쓰리엠 스카치(상표명)-브랜드 매직 테이프의 스트립으로 덮었다. 파장이 약 640 ㎜인 편광된 광을 방출하는 펜 레이저(pen laser)를 사용하여 ESR 필름에 대한 수직 입사로 상기 구조물을 조명하였다. 상기 구조물에 입사된 광 빔의 크기는 약 2 ㎜ x 3 ㎜였다.
상기 구조물의 출력 면에서, 금지된 각도 영역에 대응하고, 7 ㎜ 및 6 ㎜의 장축 및 단축을 각각 가지는 타원 형상인 어두운 중앙 스폿이 있었다. 광축이 편광 방향에 대해 약 45°로 놓인 레이저 빔에 복굴절 석영 판이 삽입된 때, 상기 구조물의 출력 면 상의 광 패턴은 형상을 원형 패턴으로 변화시켰다.
기판을 통해 θmax로 진행하는 광에 대응하는 광 패턴의 외경은 장축 및 단축이 각각 16 ㎜ 및 15 ㎜인 타원이었다. θmax의 값은 본 예에서는 비교적 낮은데, 그 이유는 폴리카르보네이트 판의 굴절률(n=1.58)이 매직 테이프의 굴절률보다 상당히 더 높기 때문이었다.
또한, 내경이 약 25 ㎜인 희미한 2차적인 링이 관찰되었고 이는 2차 반사로부터 생긴 것으로 여겨졌다.
예 2
ESR 필름을 두께가 3㎜인 아크릴 판의 일 면에 광학적으로 투명한 PSA를 이용하여 적층하였고, ESR의 외부 표면을 매직 테이프의 스트립으로 덮었다. 레이저 펜을 사용하여 2 ㎜ x 3 ㎜의 광 빔으로 ESR 필름을 가진 적층물의 면을 조명하였다. 결과로 얻어진 적층물의 출력 면 상의 어두운 중앙 스폿은 치수가 약 8 ㎜ x 9 ㎜였다.
출력 조명 패턴의 외경은 잘 한정되지 않았지만 적어도 50 ㎜로 매우 컸다. 이 결과는 예 1에서보다 θmax의 더 높은 값과 일치하는데, 그 이유는 매직 테이프의 굴절률과 아크릴 판의 굴절률(각각의 경우 n ~ 1.49) 사이에 밀접한 일치가 있었기 때문이었다.
예 3
폴리카르보네이트 판의 두께가 12 ㎜라는 점을 제외하고는 예 1의 구조물과 유사한 구조물을 구성하였다. 2 ㎜ x 3 ㎜의 입력 빔을 갖는 펜 라이트에 의해 수직으로 조명된 때, 상기 구조물은 약 26 ㎜ x 28 ㎜의 타원형의 출력 광 패턴을 생성하였다. θmax에 의해 한정된 광 패턴의 외경은 직경이 약 60 ㎜이었다. 패턴의 외부 에지에서의 낮은 광 세기는 패턴의 외부 에지를 명확하게 식별하는 것을 어렵게 하였다.
본 명세서에서 설명된 바와 같은 제어식 투과 미러는 액정 표시 패널을 조명하기 위해 사용하는 것으로 제한되지 않는다. 또한, 제어식 투과 미러는 별도의 광원이 광을 발생시키기 위해 사용될 때는 언제나 사용될 수 있으며, 하나 이상의 개별적인 광원들을 포함하는 패널의 외부에서 균일한 조명을 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 제어식 투과 미러는 고체 상태 공간 조명 응용 및 사인, 조명 패널 등에서 용도를 찾을 수 있다.
본 발명은 상기에 설명된 특정 실시예에 한정되는 것으로 간주되어서는 아니되며, 오히려 첨부된 청구의 범위에 적절히 기재된 본 발명의 모든 태양을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서의 개관시 본 발명에 적용될 수 있는 다양한 변형, 동등한 공정뿐만 아니라, 다수의 구조는 본 발명과 관계된 기술 분야의 숙련자에게 쉽게 명확해질 것이다. 청구의 범위는 이러한 변형 및 장치를 포함하고자 한다.

Claims (42)

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  4. 광학 시스템으로서,
    이미지 형성 패널;
    이미지 형성 패널의 후방에 배치된 제1 광원; 및
    제1 광원으로부터 이미지 형성 패널을 향한 순서로 있는 제1 확산기, 제1 다층 반사기 및 제2 확산기를 포함하며,
    제1 광원으로부터의 적어도 일부의 광은 이미지 형성 패널을 향해 제1 확산기, 제1 다층 반사기 및 제2 확산기를 통과하고, 제1 광원으로부터 제2 확산기 외부로 통과한 광의 세기 프로파일은 제1 다층 반사기의 주 표면에 수직인 제1 광원으로부터의 축을 따른 위치에서 최소값을 갖는 광학 시스템.
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