KR19990028340A - 다층 광학 필름 편광자를 사용하는 액정 디스플레이 영사시스템 - Google Patents

다층 광학 필름 편광자를 사용하는 액정 디스플레이 영사시스템 Download PDF

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제이. 윌렛 스티븐
에프. 웨버 마이클
제이. 오더커크 앤드류
엠. 존저 제임스
Original Assignee
스프레이그 로버트 월터
미네소타마이닝 앤드 매뉴팩춰링 캄파니
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Abstract

액정 디스플레이(LCD) 영사 시스템(50)은 영사 패널(52), 광원(56) 및 반사기(58)를 포함한다. 상기 영사 패널은 LCD(60)와 상기 LCD의 일측면상의 편광자(64) 및 다른 측면상의 반사 편광자(62)를 포함한다. 상기 반사 편광자는 인접 물질층(41,43)의 쌍(44)의 다층 스택이다. 상기 층쌍들의 각각은 상기 반사 편광자의 면에서 제1 방향으로 인접층들 사이의 굴절율의 차를 나타내고, 상기 반사 편광자의 면에서 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 인접층들 사이의 굴절율의 차를 근본적으로 나타내지 않는다. 1/4파 플레이트(66)가 상기 반사 편광자에 고착된다. 광원으로부터의 광선중 어느 하나는 반사 편광자를 통과하여 LCD상으로 전달되거나, 자체의 편광에 의존하여 상기 광원을 향해 다시 반사된다. 상기 반사 편광자에 의해 반사된 광은 다시 LCD를 향해 반사기에 의해 반사된다. 순환을 돕는 1/4파 플레이트와 반사기의 사용은 일반적으로 광이 낭비되는 것으로 간주되지만, 동시에 LCD내에서 열 생성을 감소시킨다.

Description

다층 광학 필름 편광자를 사용하는 액정 디스플레이 영사 시스템
액정 디스플레이(LCD) 영사 시스템은 경쟁 기술과 비교하여 넓은 이미지 영역, 컴팩트함, 셋업의 용이, 광중량 및 저비용의 장점을 제공한다. LCD는 "온", "오프", 또는 "부분적으로 온"중 하나인 작은 화소 또는 "화소(pixel)"로 구성된다. 이미지는 일반적으로 개개의 화소에 전계를 인가함으로써 적절한 조작에 의해 LCD로 디스플레이된다. 트위스트 네마틱(twisted nematic)(TN) LCD의 경우에, 특정 화소가 "온"인 경우, 선형적으로 편광된 광선의 위상 및 편광은 상기 광선이 화소를 통과할 때 불변인 상태로 유지된다. 그러나, 화소가 "오프"인 경우, 광선은 회전된다, 즉, 광선의 위상은 변조되어 그 편광각이 90도정도 변화된다. 화소가 "부분적으로 온"인 경우, 광선은 90도 미만정도 회전된다. "온" 화소는 흑색 또는 백색중 하나를 나타내도록 표시될 수 있다. "온" 화소가 흑색으로 표시되는 경우, "오프" 화소는 백색으로 표시되고, 그 역도 가능하다. "부분적으로 온" 화소는 회색의 농도를 나타낸다. 편광자가 LCD상에 제공되어 화소를 통과하는 광의 편광 상태가 적절한 투과량(흑색, 백색, 또는 회색)으로 변환된다.
수퍼 트위스트 네마틱(STN) LCD의 경우에, 광학 효과가 복굴절 효과로부터 발생하여 "온", "오프" 및 "부분적으로 온" 화소의 각각은 특성 복굴절 컬러를 갖는다. "청색 모드"가 사용되는 경우, "오프" 화소는 청색을 갖는 반면에, "온" 화소는 크림색으로 된다. "황색 모드"가 사용되는 경우, "오프" 화소는 황소으로 되고, "온" 화소는 청회색이 된다. 디스플레이의 컬러를 중화시키기 위해, 즉, 컬러 디스플레이를 흑백 디스플레이로 변환시키기 위해, STN LCD와 그 편광자중 하나의 사이에 필름이 부가될 수 있다.
기존의 LCD 영사 시스템은 일반적으로 온도 감지 액정 물질을 보호하기 위해 압축 공기 또는 냉각 액체를 사용한다. 조광으로부터 적외 성분을 실질적으로 제거하기 위해 "핫" 또는 "콜드" 미러를 사용할 때조차, 2개의 종래의 2색 편광자중 제1 2색 편광자에 의해 흡수되는 가시광의 거의 55-60%가 자체에 적층된 LCD를 가열한다. 램프, LCD, 전자공학 및 영사 광학이 하나의 컴팩트한 유닛에 통합되어 있는 다수의 LCD 영사기에서, 제1 편광자는 LCD의 열 전도성을 감소시키도록 LCD에 적층되지 않아야 하지만, 그 편광자 자체는 여전히 냉각되어야 한다. 또한, 모든 LCD 영사 시스템은 광 이용률이 낮고(일반적으로 3-5% 투과율의 컬러 LCD), 양호한 스크린 조광을 제공하기 위해 일반적으로 더 밝은 램프를 필요로 한다. 그러나, 더 밝은 램프는 비용 및 전력 소모를 증가시킬 뿐만 아니라 전술한 가열 문제를 더욱 악화시킨다.
본 발명은 액정 디스플레이 영사 시스템에 관한 것으로, 특히, 다층 광학 필름 편광자를 통합하고 있는 액정 디스플레이 영사 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따르는 개략적인 측면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따르는 개략적인 측면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따르는 개략적인 측면도이다.
도 5는 본 발명에 따르는 디스플레이의 위도가 어떻게 측정되는 지를 나타내는 개략적인 측면도이다.
도 6은 본 발명에 따라서 도 5에 도시되는 시스템의 광범위 각 수용을 나타내는 광 모델링에 의해 발생되는 그래프이다.
도 7은 본 발명에 사용하는 반사 편광자의 개략적인 사시도이다.
도 8은 실시예 1에서 설명되는 반사 편광자의 광학적 성능을 나타내는 도면이다.
도 9 및 도 10은 각각 실시예 3 및 실시예 4에서 설명되는 반사 편광자의 광학적 성능을 나타내는 도면이다.
따라서, 본 발명은 개선된 조강을 갖고 기존의 유용한 시스템보다 넓은 각도의 광을 수용하며, 더 쉽게 냉각되는 디스플레이 패널을 갖는 액정 디스플레이 영사 시스템을 포함한다. 그러한 시스템은 양측면상에 제공되는 이색성 편광자를 구비한 LCD를 갖는 영사 패널을 포함한다. 반사 전편광자가 이색성 편광자의 인접한 하나에 제공된다. 광선이 반사 전편광자를 통해 LCD 및 이색성 편광자상에 지향된다. 일실시예에서, 1/4파 플레이트가 광원과 반사 전편광자 사이에 제공되고, 반사기가 광원 후방에 제공된다.
반사 전편광자는 바람직하게는 여러 쌍의 교호층을 갖는 다층 광중합 필름이다. 각각의 상기 쌍의 층은 반사 편광자의 면에서 제1 방향으로 인접 층들 사이에 상이한 굴절율을 나타내고, 반사 편광자의 면에서 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 인접 층들 사이에 근본적으로 상이하지 않은 굴절율을 나타낸다. 그러한 필름은 반결정 나프탈렌 디카르복실산 폴리에스테르 및 다른 중합체의 복수의 교호층을 갖는다. 이색성 편광자는 바람직하게는 디스플레이에 고착된다. 반사 전편광자는 바람직하게는 이색성 편광자중 하나에 고착된다. 프레즈넬 렌즈와 같은 집광 렌즈가 반사 전편광자와 광원 사이에 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 영사 패널, 광원 및 반사기를 포함하는 LCD 영사 시스템을 포함한다. 영사 패널은 일측면상에 이색성 편광자와 같은 편광자 및 광원에 대향하는 측면상에 반사 편광자를 갖는 LCD를 포함한다. 1/4파 플레이트가 전술한 반사 전편광자와 유사한 반사 편광자에 고착된다.
본 발명은 또한 일측면상에 편광자 및 다른 측면상에 반사 편광자를 갖고, 반사 편광자에 고착되는 1/4파 플레이트를 갖는 LCD를 포함하는 LCD 패널을 포함한다.
본 발명은 또한 영사 램프, 프레즈넬 렌즈, 프레즈넬 렌즈에 고착되는 1/4파 플레이트 및 1/4파 플레이트에 고착되는 (전술한 바와 같은) 반사 편광자를 포함하는 오버헤드 영사기에 관한 것이다.
다른 실시예에서, 본 발명은 오버헤드 영사기, 영사기상에 위치되는 어댑터 패널 및 어댑터 패널상에 위치되는 LCD 패널을 포함하는 LCD 영사 시스템에 관한 것이다. 어댑터 패널은 전술한 반사 편광자와 1/4파 플레이트를 포함한다. 어댑터 사용자가 패널은 표준 영사기와 표준 LCD 패널을 사용할 때 본 발명의 장점을 얻을 수 있게 한다.
본 발명에 따르는 액정 디스플레이 영사 시스템은 도 1에 도시되어 있다. 시스템(10)은 패널(12), 수렴 렌즈(14), 광원(16), 선택 반사기(18), 선택 미러(30) 및 영사 렌즈(32)를 구비한다. 패널(12)은 액정 디스플레이(LCD)(20), 제1 이색성 편광자(22), 제2 이색성 편광자(24), 반사 전편광자(26) 및 선택 1/4파 플레이트(28)를 구비한다. 전편광자(26)는 제1 이색성 편광자(22)와 광원(16) 사이에 배치되고, 선택 1/4파 플레이트(28)는 반사 전편광자(26)와 광원 사이에 배치된다. a를 제1 이색성 편광자(22)에 의해 통과되는 편광 상태로 만든다. 반사 전편광자(26)는 또한 a 편광된 광을 통과시키도록 정렬된다.
광원(16)으로부터 방출된 발산 광선은 수렴 렌즈(14)에 의해 수렴된다. 편광 a를 갖는 광선은 반사 전편광자(26) 및 제1 이색성 편광자(22)를 통과하고, 이어서 LCD(20)내의 화소에 의해 변조, 즉, 위상 변화되며, 그후 LCD내의 위상 변화에 의해 인에이블되는 각도로 제2 이색성 편광자(24)에 의해 전송된다. 상기 광선은 그후 영사 렌즈(32)를 통해 시청 스크린(도시 생략)을 향해 미러(30)에 의해 반사된다. 편광 b를 갖는 광선은 반사 전편광기(26)에 의해 부분적으로 반사되는 편광 a에 수직이다.
반사 전편광자(26)가 "이상적인" 편광자라면, b 편광을 갖는 광선의 100%을 반사할 것이고, 따라서 제1 편광자(22)가 필요없게 될 것이다. 그러나, 반사 전편광자(26)는 예컨대, 약 80%의 전편광자(26)의 이상적인 편광 효율보다 적은 것이 일반적이다. 반사 전편광자(26)가 이상적이지 못할 지라도, 편광 효율이 0보다 큰 범위에서, 제1 편광자(22)에 의해 흡수되는 광의 양을 감소시킴으로써(b 편광된 광의 일부를 제1 편광자에 도달하기 전에 반사시킴으로써) 패널(12)내의 열 축적을 감소시키는데 기여한다.
상기 배열은 제1 편광자(22) 및 패널(12)에 의해 흡수되는 열의 양이 감소되는 장점이 있다. 이것은 반사 전편광자(26)을 통과하는 광선들이 서로 평행하지 않지만 오히려 집중되는 것이 사실이다. 그러므로, 단지 하나의 수렴 렌즈만이 필요하다. 선택 실시예에서, 제2 반사 편광자(도시 생략)가 이색성 편광자(24)와 LCD(20) 사이에 제공될 수 있다.
그러나, 전술한 바와 같이, 반사 전편광자(26)에 의해 반사된 광선은 쓸모없어진다. 이들 광선은 LCD(20)에 대향하는 반사 전편광자(26)의 측면에 인접한 1/4 파장(1/4λ) 플레이트(28)를 전편광자(26)의 광축에 대해 45°의 각도에 지향된 1/4λ플레이트(28)의 광축으로 대체함으로써, 그리고 상기 패널에 대향하는 광원(16)의 측면상에 반사기(18)를 제공함으로써 "재순환"될 수 있다. 이 경우에, 반사 전편광자(26)에 의해 반사된 b 편광된 광은 1/4λ 플레이트(28)을 가로지른 후에 임의의 잘 쓰는 손(오른손 또는 왼손)의 원형으로 편광된 광이 된다. 이 원형으로 편광된 광이 반사기(18)에 의해 반사될 때, 반대쪽의 잘 쓰는 손의 원형으로 편광된 광으로 변화한다. 그러한 광이 다시 전방으로 1/4λ 플레이트(28)를 가로지를 때, 그 광은 a 편광된 선형 광으로 되고, 그후 반사 전편광자(26) 및 제1 이색성 편광자(22)를 통과하여 시스템(10)의 휘도의 증가에 기여한다.
본 발명에 따르는 액정 디스플레이 영사 시스템의 다른 실시예가 도 2에 도시되어 있다. 시스템(50)은 패널(52), 수렴 렌즈(54), 광원(56), 선택 반사기(58), 선택 미러(70) 및 영사 렌즈(72)를 구비한다. 패널(52)은 LCD(60), 이색성 편광자(64), 반사 편광자(62) 및 선택 1/4파 플레이트(66)를 구비한다. 이색성 편광자(64) 및 반사 편광자(62)는 LCD(60)의 대향 측면상에 제공된다. 1/4파 플레이트(66)는 반사 편광자(62)의 광축에 대해 45°의 각도에 지향되는 1/4λ 플레이트(66)의 광축을 사용하여 반사 편광자(62)와 광원(56) 사이에 배치된다.
광원(56)으로부터 방출된 발산 광선들은 수렴 렌즈(54)에 의해 수렴된다. 편광 a를 갖는 광선들은 1/4파 플레이트(66) 및 반사 편광자(62)를 통과하고, 이어서 LCD(60)내의 화소에 의해 변조, 즉, 위상 변화되며, 그후 LCD의 위상 변화에 의해 인에이블되는 각도로 이색성 편광자(64)에 의해 전송된다. 그러한 광선들은 이어서 영사 렌즈(72)를 통해 시청 스크린(도시 생략)을 향해 미러(70)에 의해 반사된다.
편광 b를 갖는 광선들은 반사 편광자(62)에 의해 반사되어, 1/4λ 플레이트(66)를 가로지른 후 임의의 잘 쓰는 손(오른손 또는 왼손)의 광선으로 된다. 전술한 바와 같이, 이 원형으로 편광된 광이 반사기(58)에 의해 반사될 때, 반대쪽의 잘 쓰는 손의 원형으로 편광된 광으로 변화한다. 그러한 광이 다시 전방으로 1/4λ 플레이트(66)를 가로지를 때, 그 광은 a 편광된 선형 광으로 되고, 따라서 반사 편광자(62)를 통과하여 시스템(50)의 휘도를 증가시키는데 기여한다.
선택 실시예에서, 제2 반사 편광자(도시 생략)가 이색성 편광자(64) 및 LCD(60) 사이에 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, 이색성 편광자(64)는 반사 편광자로 대체될 수 있다.
본 발명의 제3 실시예는 도 3의 영사 시스템으로 도시되어 있다. 시스템(120)은 LCD 패널(130)(LCD의 각 측면상에 이색성 편광자를 포함한다)과 오버헤드 영사기(132)로 이루어진다. 영사기(132)는 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 영사 램프(122), 반사기(123), 수렴 렌즈(124), 1/4파 플레이트(126) 및 반사 편광자(128)를 포함한다. 반사 편광자(128) 및 LCD 패널(130)은 반사 편광자에 대향하는LCD 패널에서 이색성 편광자와 반사 편광자의 편광축이 평행하도록 지향되어야 한다. 반사 편광자(128) 및 1/4파 플레이트(126)은 그들의 편광축이 45°만큼 상이하도록 지향되어야 한다.
시스템(120)은 본 발명에 따라서 제조된 영사기에 사용되는 표준 LCD 패널을 허용하는 장점을 갖는다. 그리고, 종래의 투명체(LCD 패널 대신 사용)이 상기 영사기 스테이지에 위치될 때, 영사기는 붙박이 이색성 편광자를 갖는 영사기상에 증가된 광 투과를 제공한다.
본 발명의 제4 실시예는 도 4의 영사 시스템(140)으로 도시되어 있다. 시스템(140)은 오버헤드 영사기(142), 어댑터 패널(150) 및 LCD 패널(LCD의 각 측면상에 이색성 편광자를 포함한다)로 이루어진다. 어댑터 패널(150)은 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 광축이 서로에 대해 45°의 각도를 이루는 1/4파 플레이트(144) 및 반사 편광자(146)으로 이루어진다. 반사 편광자(146), LCD 패널(148) 및 1/4파 플레이트(144)는 시스템(120)에 대해 전술한 방식으로 지향되어야 한다. 시스템(140)은 표준 LCD 패널이 본 발명에 따르는 어댑터 패널의 사용에 기인하여 표준 영사기로 사용되게 하는 장점이 있다.
상기 실시예의 LCD는 플라스틱 또는 유리와 같은 2개의 강성 또는 가요성 기판을 포함할 수 있는 임의의 형태의 편광 의존형 액정 디스플레이일 수 있다. 편광자(22,24,64) 및 LCD 패널(130,148)에 포함되는 편광자들은 바람직하게는 색흡수형 이색성 편광자이고 액정 디스플레이(20 또는 60)가 원하는 모드(정상적으로 백색 또는 정상적으로 흑색)에서 동작하게 하기 위해 서로에 대해 지향되어야 한다. 수렴 렌즈(14,54,124)는 바람직하게는 셀룰로즈 아세테이트 부티레이트, 폴리카보네이트 또는 아크릴과 같은 광학 플라스틱을 포함하는 프레즈넬 렌즈이다. 오버헤드 영사기(142)는 바람직하게는 그러한 수렴 렌즈를 통합한다.
광원(16,56,122) 및 오버헤드 영사기(142)에 사용되는 광원은 백열 또는 가스 방전원과 같이 일반적으로 사용되는 것일 수 있다. 반사기(18,58) 및 미러(30,70)는 금속 또는 다층 유전체와 같이 일반적으로 사용되는 것이다. 반사기(18,58)는 구형 또는 타원형일 수 있다. 영사 렌즈(32,72) 및 1/4파 플레이트(28,66,126,144)도 또한 표준이다.
도 7은 본 발명의 반사 편광자로 사용하기 위한 바람직한 반사 편광자(36)의 세그먼트의 개략적인 사시도이다. 도 7은 x,y,z 방향을 정의하는 좌표계(38)를 포함한다. 반사 편광자(36)는 2개의 상이한 물질의 교호층의 다층 스택이다. 상기 2개의 물질은 도면 및 이 실시예에서 물질 "A" 및 물질 "B"로 칭해진다. 물질 A와 물질 B의 인접층(41 및 43)은 전형적인 층의 쌍(44)을 포함한다. 층의 쌍(44)은 x 방향과 관련하여 인접층(41 및 43) 사이의 굴절율의 차를 나타내고, y 방향과 관련하여 층들(41 및 43) 사이의 굴절율의 차를 나타내지는 않는다.
본 발명의 장치의 바람직한 실시예에서, 반사 편광자들 각각은 물질 A 및 B의 교호층의 다층 시트를 포함하고, 이들 층의 각각은 0.5㎛ 미만의 평균 두께를 갖는다. 물질 B의 층에 인접한 물질 A의 층은 한쌍의 층을 포함한다. 이러한 쌍의 층의 수는 바람직하게는 약 10 내지 2000개의 범위에 있고, 더 바람직하게는 약 200 내지 1000개의 범위에 있다.
상기 다층 시트는 x 방향으로 단축 신장이 후속되는 시트로 물질 A 및 B의 동일 크기 확산에 의해 형성된다. 상기 신장비는 신장 전의 차원으로 제산되는 신장 후의 차원으로 정의된다. 상기 신장비는 바람직하게는 2:1 내지 10:1의 범위에 있고, 더 바람직하게는 3:1 내지 8:1의 범위에 있으며, 가장 바람직하게는 4:1 내지 7:1, 예컨대, 6:1이다. 상기 시트는 y 방향으로 거의 신장되지 않는다. 물질 A는 응력 유도 복굴절을 나타내도록, 또는 굴절율을 신장으로 변화시키도록 선택되는 중합체이다. 예를 들어, 물질 A의 단방향으로 신장된 시트는 신장 방향과관련된 하나의 굴절율 nAx(예컨대, nAx=1.88) 및 횡방향과 관련된 다른 굴절율 nAy(예컨대, nAy=1.64)를 갖는다. 물질 A는 상기 신장 및 횡방향 사이(nAx-nAy)에서 적어도 0.05, 바람직하게는 적어도 0.10 및 더 바람직하게는 적어도 0.20의 굴절율의 차를 나타낸다. 물질 B는 굴절율 nBy가 다층 필름이 신장된 후에 nAy와 실질적으로 동일하게 되도록 선택된 물질이다. 신장 시에, nBy의 값은 바람직하게는 감소한다.
신장 후에, 이 실시예의 다층 시트는 신장 방향과 관련된 인접 층들 사이에 큰 굴절율의 차를 나타낸다(Δnx=nAx-nBx로 정의). 그러나, 횡방향에서, 인접 층들 사이의 굴절율의 차는 실질적으로 0이다(Δny=nAy-nBy로 정의). 이들 광 특성은 다층 스택이 도 7에 도시되어 있는 전송축(40)에 평행인 무작위로 편광된 광의 편광 성분을 전송하는 반사 편광자로 작용하게 한다. 반사 편광자(36)에 의해 전송되는 광의 부분은 편광 상태 a를 가질 때에 관한 것이다. 반사 편광자(36)를 통과하지 않는 광의 부분은 도 7에 도시되어 있는 흡광축에 대응하는 편광 상태 b를 갖는다. 흡광축은 신장 방향 x와 평행이다. 따라서, b 편광된 광은 반사를 야기하는 굴절율의 차 Δnx와 조우한다. 반사 편광자는 바람직하게는 b 편광된 광의 적어도 50%를 반사하고, 더욱 바람직하게는 적어도 90%를 반사한다. 제3 굴절율의 차 Δnz는 반사 편광자의 오프축 반사율을 제어하는데 중요하다. 더 큰 각도의 입사에서 b 편광된 광의 높은 흡광비와 a 편광된 광의 높은 전송율을 위해, Δnz=nAz-nBz<0.5Δnx가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.2Δnx미만 및 가장 바람직하게는 0.01Δnx미만이다.
그러한 반사 편광자의 광학 작용 및 설계는 1995년 3월 10일에 출원된 미국 특허출원 제08/402041호에 "Optical Film"이란 명칭의 본 출원의 양수인의 공동 출원에 더욱 상세하게 기재되어 있다.
당업자는 원하는 반사율 관계를 달성하는데 적절한 물질을 선택할 수 있다. 통상적으로, 물질 A는 반결정 나프탈렌 디카르복실산 폴리에스테르 또는 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 및 그 이성체(예컨대, 2,6-, 1,4-, 1,5-, 2,7-, 및 2,3-PEN)과 같은 반결정 중합체로부터 선택될 수 있다. 물질 A는 폴리에틸렌 테페프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 이소프탈레이트(PEI), 및 PEN, PET 및 PEI의 공중합체와 같은 다른 반결정 중합체로부터 선택될 수도 있다. 여기에 사용될 때, coPEN은 PET의 공중합체를 포함하는 PEN 및 coPET의 공중합체를 포함한다. 물질 B는 신디오택틱 폴리스티렌(sPS), 및 예컨대, coPEN, coPET와 같은 공중합체, 및 Eastman Chemical Co.에서 상품화한 폴리시크로헥산디메틸렌 테레프탈레이트인 Eastar의 공중합체와 같은 반결정체 또는 비결정 중합체일 수 있다. 상기 coPEN은 적어도 하나의 성분이 나프탈렌 디카르복실산에 기초한 중합체이고 다른 성분이 다른 폴리에틸렌 또는 PET, PEN 또는 co-PEN과 같은 폴리카보네이트인 팰릿의 혼합물일 수도 있다. 물질 A 및 B는 바람직하게는 동일 넓이로 확산될 수 있게 하기 위해 유사한 유동성(예컨대, 용해 점성)을 갖도록 선택된다.
상기 반사 편광자는 다층 필름을 형성하도록 물질 A와 물질 B를 동일 넓이로 확산시키고, 선택된 온도에서 열세팅이 선택적으로 후속되는 선택된 온도에서 실질적으로 하나의 방향(단축으로)으로 신장시킴으로써 필름을 지향시켜 제조된다. 상기 필름은 교차 신장 차원의 자연적인 감소(신장비의 제곱근과 같다)에서 교차 신장 차원의 무감소(완전 압축에 대응)까지의 범위에서 교차 신장 방향(신장 방향과 수직)으로 차원적으로 이완하게 될 수 있다. 상기 필름은 길이 지향자와 같은 기계 방향으로 또는 틀과 같은 폭 방향으로 신장될 수 있다.
신장 온도, 신장비, 열 세트 온도 및 교차 신장 이완과 같은 공정 변수의 조합을 선택하여 원하는 굴절율 관계를 갖는 반사 편광자를 생산하는 것이 당업자에게는 명백해질 것이다.
특히 바람직한 실시예에서, 다층 시트는 전술한 물질 A 및 B의 층쌍의 스택을 포함하는데, 상기 스택은 층쌍들의 하나 이상의 세그먼트로 분할된다. 각 세그먼트는 그 세그먼트에 대한 대역폭의 중앙에 파장의 약 1/2의 합성 두께를 갖는 층쌍들을 가짐으로써 주어진 대역폭을 갖는 광의 최대 반사율을 갖도록 설계된다. 상이한 층쌍 두께를 갖는 세그먼트의 조합은 반사 편광자가 비교적 큰 대역폭을 갖는 광을 반사하게 한다.
예를 들어, 상기 다층 시트는 100nm 내지 200nm의 범위의 합성 두께를 갖는 층쌍을 구비한 10개의 세그먼트를 포함할 수 있다. 각 세그먼트는 10 내지 50개의 층쌍을 포함할 수 있다. 이 편광자는 400 내지 800nm의 범위의 파장을 갖는 광을 반사할 수 있다. 선택적으로, 상기 층쌍들의 두께는 100 내지 200nm로 연속적으로 분류될 수 있다.
본 발명은 후속하는 비제한 실시에를 참조하여 기재할 것이다. 모든 측정치는 개략적인 것이다.
실시예 1
본 발명의 순환 특징에 의해 수득되는 휘도 이득은 도 5에 개략적으로 도시되어 있는 시스템(100)을 구성함으로써 측정되었다. 시스템(100)은 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 영사기(102), 영사 스테이지상에 제공되는 1/4파 플레이트(104), 반사 편광자(106) 및 이색성 편광자(108)로 구성되었다.
1/4파 플레이트(104)는 미국, 매사추세츠, 노우드, Polaroid Corporation에서 상품화한 30×30cm 140nm 두께 감속 필름(즉, 560nm에서 1/4파동안)이었다. 이색성 편광자(108)는 Polaroid Corporation에서 상품화된 30×30cm HN42 편광자였고, 영사기(102)는 미네소타, 세인트 폴, 3M Company에서 상품화된 표준 투과 오버헤드 영사기(3M 모델 2150)였다.
반사 편광자(106)는 601개의 층들을 포함하였고 웨브를 돌출시킴으로써 및 상기 필름을 틀상으로 이틀후에 지향시킴으로써 생성되었다. 0.5dl/g(60wt.% 페놀/40wt% 디클로로벤젠)의 고유 점도를 갖는 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)는 34kg/h의 레이트에서 하나의 압출기에 의해 송달되었고, 0.55dl/g(60wt% 페놀/40wt% 디클로로벤젠)의 고유 점도를 갖는 CoPEN(70 몰%, 2,6 NDC(나프탈렌 디카르복실산) 및 30몰% DMT(디메틸 테레프탈레이트))는 30kg/h의 레이트에서 다른 압출기에 의해 송달되었다. PEN은 동일 피드블록을 통해 두꺼운 외부층으로 공동 돌출되고, 승산기에 의해 내부 및 외부층의 둘다로서 접혀지는 스킨층상에 있었다. 내부 및 외부 스킨은 편광자의 전체 두께의 8%를 구성하였다. 상기 피드블록 방법은 601개의 층의 돌출부를 생성하도록 2개의 승산기를 통과하였던 151개의 층들을 발생하는데 사용되었다. 미국 특허 제3,565,985호는 유사한 공동 돌출 승산기를 개시하고 있다. 모든 신장은 틀내에서 이루어졌다. 상기 필름은 약 20초동안 약 140℃로 미리 가열되었고 약 6%/sec의 레이트에서 약 4.4의 드로우비(draw ratio)로 횡방향으로 드로우되었다. 상기 필름은 240℃에서 오븐 세트의 열로 그 최대 폭의 약 2% 이완되었다. 최종 필름 두께는 46㎛이었다.
필름의 투과는 도 8에 도시되어 있다. 곡선 a는 정상 입사에서 a 편광된 광의 투과율을 나타내고, 곡선 b는 60°입사에서 a 편광된 광의 투과율을 나타내며, 곡선 c는 정상 입사에서 b 편광된 광의 투과율을 나타낸다. 정상 및 60°입사 둘다에서 a 편광된 광의 투과율이 불균일하게 나타나는 것에 유의하라. 또한, 곡선 c로 도시되어 있는 가시 영역(400-700nm)의 b 편광된 광의 흡광이 불균일하게 나타나는 것에 유의하라.
이색성 편광자(108) 및 반사 편광자(106)는 그들의 편광축이 평행하고 1/4파 플레이트(104)의 상부에 위치되며 그 광축이 상기 편광자들의 광축과 45°로 되도록 지향되었다. 스크린에 영사된 광(광학기계 및 스크린은 도시 생략)은 광도계로 측정되었다.
1/4파 플레이트(104)가 전술한 위치에 있는 경우의 스크린 강도는 λ/4 플레이트(104)가 시스템(100)으로부터 제거된 경우보다 15% 높게 측정되었다. 환언하면, 반사 편광자와 관련하여 λ/4 플레이트의 삽입은 반사 편광자를 사용하지 않으면 잃게 되는 편광된 광의 15%를 사용하게 한다. 이것은 반사 편광자로서 미세구조 MacNeille 편광자를 사용하는 시스템에서 보고된 7% 증가와 비교된다. Michael F. Weber에 의해 출원되어 3M Company에 양도된 1993년 12월 15일 공개된 유럽 특허 출원 제0 573 905 A1의 컬럼 11을 보라. 더욱 정교한 조광 시스템이 이 15% 순환 레이트를 증가시킬 것으로 기대된다. 유사하게, 실시예 3 및 실시예 4의 편광자와 같은 개선된 성능을 갖는 반사 편광자가 순환 레이트를 증가시킬 것이다.
실시예 2
도 5에 도시되어 있는 배열은 2개의 상이한 반사 편광자: 다층 광학 필름 미 미세구조 MacNeille 편광자의 입사광에 의존하는 각도를 나타내도록 광학적으로 모델화되었다.
광학 모델화의 결과는 도 6에 그래프(160)으로 도시되어 있다. 다층 광학 필름에 의한 원하는 편광의 투과율은 -45°내지 +45°의 입사광의 넓은 각도 범위에서 90%보다 컸다(도 6의 라인 162를 보라). 대조적으로, MacNeille 편광자에 의한 원하는 편광의 투과율은 -5°내지 +5°의 좁은 각도 범위를 벗어나 90% 미만으로 떨어졌다(도 6의 라인 164를 보라).
실시예 3
본 발명에 사용하는 다른 바사 편광자를 구성하였다. 그러한 반사 편광자는 603개의 층들을 포함하였고 동일 크기 확산 처리를 통해 연속적인 편평한 필름 생성 라인상에 형성하였다. 0.47dl/g(60wt% 페놀+40wt% 디클로로벤젠에서)의 고유 점도를 갖는 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)가 38kg/h에서 압출기에 의해 송달되었고, CoPEN이 34kg/h에서 다른 압출기에 의해 송달되었다. CoPEN은 70몰%, 2,6 나프탈레이트 디카르복실레이트 메틸 에스테르, 15몰% DMT, 및 에틸렌 글리콜을 갖는 15몰% 디메틸 이소프탈레이트의 공중합체였다. 상기 피드블록 방법은 151개의 층을 발생하는데 사용되었다. 상기 피드블록은 PEN에 대해 1.22 및 CoPEN에 대해 1.22의 광학층의 두께의 비를 갖는 층들의 변화도 분포를 생성하도록 설계되었다. 이 광학 스택은 2개의 직렬 승산기에 의해 승산되었다. 상기 승산기들의 공칭 승산비는 각각 1.2 및 1.4이었다. 최종 승산기와 다이 사이에 48kg/h의 총 레이트에서 제3 압출기에 의해 송달되는 전술한 것과 같은 CoPEN을 삽입 구성하였다. 상기 필름은 약 30초동안 150℃로 계속해서 미리 가열되었고, 약 20%/sec의 초기 레이트에서 약 6의 드로우비로 횡방향으로 드로우되었다. 최종 필름 두께는 약 89㎛이었다.
도 9는 반사 편광자의 광학 성능을 나타낸다. 곡선 a는 정상 입사에서 비신장 방향으로 편광되는 광의 투과율을 나타내고, 곡선 b는 50°각도의 입사에서 비신장 방향과 평행한 편광면과 입사면을 갖는 광의 투과율을 나타내며, 곡선 c는 정상 입사에서 신장 방향으로 편광되는 광의 투과율을 나타낸다. 비신장 방향으로 편광된 광의 투과율을 매우 높다는 것에 유의하라. 또한, 곡선 c로 도시된 가시 범위(400-700nm)에서 신장 방향으로 편광되는 광의 흡광이 매우 높다는 것에 유의하라. 상기 필름은 400 및 700nm 사이에서 곡선 c에 대해 2.5%의 평균 투과율을 갖는다. 곡선 b에 대한 % RMS 컬러는 5%이다. 상기 % RMS 컬러는 관련된 파장 범위에 대한 제곱 평균근이다.
실시예 4
본 발명에 사용하는 또 다른 반사 편광자를 구성하였다. 그러한 반사 편광자는 한 번의 조작으로 캐스트 웨브를 돌출시키고 그후 실험 필름 시장 장치에 필름을 지향시킴으로써 형성되는 481개의 층을 포함하는 공통 돌출된 필름을 구성하였다. 상기 피드블록 방법이 61개의 층 피드블록 및 3(2x)개의 승산기를 사용하였다. 두꺼운 스킨층이 최종 승산기와 다이 사이에 추가되었다. 0.47dl/g(60wt% 페놀/40wt% 디클로로벤젠)의 고유 점도를 갖는 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)이 11.4kg/h의 레이트에서 하나의 압출기에 의해 피드블록으로 송달되었다. 글리콜 변형 폴리에틸렌 시크로헥산 디메탄 테레프탈레이트(Eastman에서 상품화된 PCTG 5445)는 11.4kg/h의 레이트에서 다른 압출기에 의해 송달되었다. 상기 압출기로부터의 PEN의 다른 스트림은 11.4kg의 레이트에서 스킨층으로 추가되었다. 상기 캐스트 웨브는 0.2mm의 두께와 30cm의 폭을 가졌다. 상기 웨브는 필름의 하나의 섹션을 그립(grip)하는데 팬토그래프를 사용하고 그것을 균일 레이트에서 한 방향으로 신장시키면서 다른 방향으로 자유롭게 이완시키는 실험 신장 장치를 사용하여 단방향으로 되게 하였다. 로드된 웨브의 샘플은 그리프와 팬토그래프 사이에서 약 5.40cm의 폭(비압축 방향) 및 7.45cm의 길이를 가졌다. 상기 웨브는 약 100℃에서 신장기로 로드되었고 45초동안 135℃로 가열되었다. 신장은 상기 샘플이 약 6:1(그리퍼-그리퍼 측정에 기초)로 신장될 때까지 20%/sec(원래 차원에 기초)에서 개시되었다. 신장 직후에, 상기 샘플은 자체에 실온의 공기가 뿜어짐으로써 냉각되었다. 중앙에서, 상기 샘플은 2.0의 계수만큼 이완하는 것으로 밝혀졌다.
도 10은 이 다층 필름의 투과율을 도시하는 것으로, 여기에서 곡선 a는 정상 입사에서 비신장 방향으로 편광되는 광의 투과율을 나타내고, 곡선 b는 60°각도의 입사(p 편광된 광)에서 비신장 방향과 평행한 편광면과 입사면을 갖는 광의 투과율을 나타내며, 곡선 c는 정상 입사에서 신장 방향으로 편광된 광의 투과율을 나타낸다. 400-700nm에서 곡선 a의 평균 투과율을 89.7%이고, 400-700nm에서 곡선 b의 평균 투과율은 96.9%이며, 400-700nm에서 곡선 c의 평균 투과율은 4.0%이다. 곡선 a에 대한 % RMS 컬러는 1.05%이고, 곡선 b에 대한 % RMS 컬러는 1.44%이다.
본 발명이 영사기와 스크린 사이에 제공되는 LCD 패널에 관하여 설명되어 있지만, 당업자는 본 발명이 풀 컬러를 달성하기 위해 3개 모두와 같은 추가의 LCD 패널의 사용을 또한 포함한다는 것을 이해할 것이다.

Claims (11)

  1. 액정 디스플레이(20)와;
    상기 디스플레이의 각 측면에 인접하여 제공되는 한쌍의 이색성 편광자(22,24)와;
    영사 패널(12)을 향해 광을 지향시키는 광원(16)과;
    상기 광원과 상기 광원에 면하는 이색성 편광자의 사이에 제공되어 인접 물질층의 쌍(44)의 다층 스택을 포함하는 다층 광학 필름(36)을 포함하는 반사 전편광자(26)를 포함하는데, 상기 층쌍들의 각각은 상기 반사 전편광자의 면에서 제1 방향으로 상기 인접층(41,43) 사이의 굴절율의 차를 나타내고 상기 반사 전편광자의 면에서 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 인접 층들 사이의 굴절율의 차를 근본적으로 나타내지 않는 영사 패널(12)을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 영사 시스템(10).
  2. 제1항에 있어서, 상기 필름은 반결정 나프탈렌 디카르복실산 폴리에스테르 및 다른 중합체의 복수의 교호층을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 영사 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광원과 반사 전편광자 사이에 제공되는 1/4파 플레이트(28)와;
    상기 패널에 대향하는 상기 광원의 측면상에 제공되는 반사기(18)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 영사 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 액정 디스플레이와 상기 광원에 대향하는 액정 디스플레이의 측면상의 이색성 편광자의 사이에 제공되어 인접 물질층의 쌍(44)의 다층 스택을 포함하는 다층 광학 필름(36)을 포함하는 반사 편광자를 추가로 포함하는데, 상기 층쌍들의 각각은 상기 반사 편광자의 면에서 제1 방향으로 상기 인접층(41,43) 사이의 굴절율의 차를 나타내고 상기 반사 편광자의 면에서 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 인접 층들 사이의 굴절율의 차를 근본적으로 나타내지 않는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 영사 시스템.
  5. 액정 디스플레이(60)와;
    상기 디스플레이의 각 측면상에 제공되는 제1 편광자(64)와;
    상기 디스플레이의 다른 측면상에 제공되어 인접 물질층의 쌍(44)의 다층 스택을 포함하는 다층 광학 필름(36)을 포함하는 반사 편광자인 제2 편광자(62)를 포함하는데, 상기 층쌍들의 각각은 상기 반사 편광자의 면에서 제1 방향으로 상기 인접층(41,43) 사이의 굴절율의 차를 나타내고 상기 반사 편광자의 면에서 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 인접 층들 사이의 굴절율의 차를 근본적으로 나타내지 않으며;
    상기 제2 편광자를 향해 광을 지향시키는 광원(56)을 포함하는 영사 패널(52)을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 영사 시스템(50).
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 편광자와 상기 액정 디스플레이 사이에 제공되어 인접 물질층의 쌍(44)의 다층 스택을 포함하는 반사 편광자인 제3 편광자를 추가로 포함하는데, 상기 층쌍들의 각각은 상기 제3 편광자의 면에서 제1 방향으로 상기 인접층(41,43) 사이의 굴절율의 차를 나타내고 상기 제3 편광자의 면에서 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 인접 층들 사이의 굴절율의 차를 근본적으로 나타내지 않는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 영사 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 편광자는 인접 물질층의 쌍(44)의 다층 스택을 포함하는 반사 편광자이고, 상기 층쌍들의 각각은 상기 제1 편광자의 면에서 제1 방향으로 상기 인접층(41,43) 사이의 굴절율의 차를 나타내고, 상기 제1 편광자의 면에서 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 인접 층들 사이의 굴절율의 차를 근본적으로 나타내지 않는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 영사 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 광원과 상기 제2 편광자의 사이에 제공되는 1/4파 플레이트(66)와;
    상기 패널에 대향하는 상기 광원의 측면상에 제공되는 반사기(58)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 영사 시스템.
  9. 액정 디스플레이(60)와;
    상기 디스플레이의 일측면상에 고착되는 제1 편광자(64)와;
    상기 디스플레이의 다른 측면상에 고착되어 인접 물질층의 쌍(44)의 다층 스택을 포함하는 다층 광학 필름(36)을 포함하는 반사 편광자인 제2 편광자(62)를 포함하는데, 상기 층쌍들의 각각은 상기 반사 편광자의 면에서 제1 방향으로 상기 인접층(41,43) 사이의 굴절율의 차를 나타내고 상기 반사 편광자의 면에서 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 인접 층들 사이의 굴절율의 차를 근본적으로 나타내지 않으며;
    상기 제2 편광자에 고착되는 1/4파 플레이트(66)를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 패널(52).
  10. 액정 램프(122)와;
    수렴 렌즈(124)와;
    상기 수렴 렌즈에 고착되는 1/4파 플레이트(126)와;
    상기 1/4파 플레이트에 고착되어 인접 물질층의 쌍(44)의 다층 스택을 포함하는 다층 광학 필름(36)을 포함하는 반사 편광자(128)를 포함하는데, 상기 층쌍들의 각각은 상기 반사 편광자의 면에서 제1 방향으로 상기 인접층(41,43) 사이의 굴절율의 차를 나타내고 상기 반사 편광자의 면에서 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 인접 층들 사이의 굴절율의 차를 근본적으로 나타내지 않는 것을 특징으로 하는 오버헤드 영사기(132).
  11. 오버헤드 영사기(142)와;
    상기 영사기상에 제공되어 1/4파 플레이트(144)와 반사 편광자(146)를 포함하는 어댑터 패널(150)을 포함하는데, 상기 반사 편광자는 인접 물질층의 쌍(44)의 다층 스택을 포함하는 다층 광학 필름(36)을 포함하는데, 상기 층쌍들의 각각은 상기 반사 편광자의 면에서 제1 방향으로 상기 인접층(41,43) 사이의 굴절율의 차를 나타내고 상기 반사 편광자의 면에서 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 인접 층들 사이의 굴절율의 차를 근본적으로 나타내지 않으며;
    상기 어댑터 패널상에 제공되어 액정 디스플레이와 상기 디스플레이의 대향 측면상에 제공되는 한쌍의 이색성 편광자를 포함하는 액정 디스플레이 영사 패널(148)을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 영사 시스템(140).
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