KR19990036960A - 편광 소자, 광학 소자, 조명 장치 및 액정 표시 장치 - Google Patents

편광 소자, 광학 소자, 조명 장치 및 액정 표시 장치 Download PDF

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히사시 미하라
히로노리 모토무라
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야마모토 히데키
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Abstract

본원에는 (a) 헤이즈율이 10% 이하이고, (b) 입사광에 대한 평행 투과광의 비가 40 내지 60%이며, (c) 입사광에 대한 거울 반사광의 비가 25% 이상이고, (d) 입사광에 대한 확산 반사광의 비가 20% 이하이거나 (e) 총 반사광에 대한 거울 반사광이 분율이 60% 이상인, 반사 및 투과를 통해 입사광을 편광으로 분리시키는 기능을 가진 편광 소자(1), 편광 소자, 및 하나 또는 둘 이상의 지연막으로 형성되고 상기 편광 소자의 하나 이상의 면에 적재되어 있는 1/4 파장 판을 포함하는 광학 소자(2), 표면 광원, 이 위에 적재되어 있는 편광 소자 또는 광학 소자를 포함하는 조명 장치(3) 및 조명 장치와 이의 광 방출면에 배열되어 있는 액정 셀을 이들 사이에 위치하는 편광판과 함께 포함하는 액정 표시 장치가 기술되어 있다.

Description

편광 소자, 광학 소자, 조명 장치 및 액정 표시 장치
본 발명은 액정 표시 장치의 휘도를 향상시키고, 이의 불균일한 표시(uneven display)를 방지하는데 적합한 편광 소자 및 이를 사용한 광학 소자 및 조명 장치에 관한 것이다.
통상적으로, 입사광의 약 절반 정도만을 흡수하여 흡수 손실을 유발시키는 편광판의 결점을 극복함으로써 액정 표시 장치의 휘도를 향상시킬 수 있는 편광 소자로서, 콜레스테릭 액정막으로 이루어진 적층물과 1/4 파장 판을 포함하는 소자가 알려져 왔다. 이러한 소자에 있어서, 콜레스테릭 액정막을 통해 투과되는 원형 편광이 1/4 파장 판에 의해 직선 편광으로 전환되며, 직선 편광이 편광축과 일치하게 편광판에 입사되기 때문에 흡수 손실을 방지할 수 있다.
그러나, 직선 편광은 편광판에 의해 흡수되는 다량의 광 성분을 함유하기 때문에, 액정 표시 장치의 휘도가 기대하는 만큼 향상되지 못하여 불균일한 표시를 초래하는 문제가 있다. 게다가, 휘도를 향상시키고 광로(optical path)를 조절함으로써 광 이용 효율을 향상시키기 위해 프리즘 배열막을 배열시킬 경우에도 또한 휘도가 전면 방향(수직 방향)으로 크게 감소되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 편광판에 의해 야기되는 흡수 손실이 거의 없는 편광을 형성할 수 있고, 셀에 편광을 우수한 입사광 이용 효율로 공급할 수 있으며, 휘도가 우수하고 불균일한 표시가 감소된 액정 표시 장치를 형성할 수 있고, 프리즘 배열막을 배열시킬 경우에 전면 방향으로 휘도가 거의 감소하지 않는 편광 소자, 광학 소자 및 조명 장치를 개발하는 것이다.
본 발명에 따르면, (a) 헤이즈율이 10% 이하이거나 (b) 입사광에 대한 평행 투과광의 비가 40 내지 60%이고, (c) 입사광에 대한 거울 반사광의 비가 25% 이상이며, (d) 입사광에 대한 확산 반사광의 비가 20% 이하이고, (e) 총 반사광에 대한 거울 반사광의 분율이 60% 이상인, 반사와 투과를 통해 입사광을 편광으로 분리시키는 기능을 가진 편광 소자가 제공된다.
또한, 본 발명은 상기 언급된 편광 소자 위에 하나 이상의 지연막(retardation layer)으로 형성된 1/4 파장 판이 제공되어 있고, 필요에 따라, 이 위에 이색 성분을 함유하는 편광판이 적재되어 있는 광학 소자를 제공한다.
더욱이, 본 발명은 표면 광원 위에 적재되어 있는 상기 언급된 편광 소자 또는 광학 소자를 포함하는 조명 장치를 제공한다.
게다가, 본 발명은 액정 셀이 조명 장치의 광 방출면(light outgoing side)에 배열되어 있으며 이 사이에 편광판이 위치하고 있는 액정 표시 장치를 제공한다.
본 발명에 있어서, "평행 투과광"이라는 용어는 평행광이 편광 소자에 입사될 때 평행한 상태로 투과되는 광을 나타내고, "확산 투과광"이라는 용어는 상기 언급된 경우에 평행하지 않은 상태로 투과되는 광을 나타낸다. 또한, "거울 반사광"이라는 용어는 이상적인 거울 표면에 근거하는 반사와 같이 전체 편광 소자에 의해 반사되는 광으로서 반사 법칙을 만족시키는 광을 나타내고, "확산 반사광"이라는 용어는 반사 법칙을 만족시키지 않는 광을 나타낸다. 또한, "거울 반사광 분율"이라는 용어는 총 반사광에 대한 거울 반사광의 비율을 나타내며 하기 방정식에 따라 계산된다 :
[거울 반사광/(거울 반사광 + 확산 반사광)] × 100
이후에서, 평행 투과광의 비[(평행 투과광/입사광) × 100]는 평행 광 투과율로서, 확산 반사광의 비[(확산 반사광/입사광) × 100]는 확산 투과율로서, 투과광의 비[(총 투과광/입사광) × 100]는 총 광 투과율로서, 거울 반사광의 비[(거울 반사광/입사광) × 100]는 거울 반사율로서, 확산 반사광의 비[(확산 반사광/입사광) × 100]는 확산 반사율로서, 거울 반사광의 분율은 거울 반사 분율로서 언급된다. 상기에서, 입사광은 투과광 + 확산광이고, 투과광은 평행 투과광 + 확산 투과광이다.
본 발명의 편광 소자는 대량생산 및 편광 분리 기능이 탁월하며, 편광판에 의해 야기되는 흡수 손실이 거의 없는 편광을 우수한 입사광 이용 효율로 제공한다. 게다가, 이는 프리즘 배열막이 배열되어 있는 경우라 하더라도, 전면 방향으로 휘도가 거의 감소되지 않는 광학 소자와 조명 장치, 및 휘도가 우수하고 불균일한 표시가 감소되어 있는 액정 표시 장치를 형성할 수 있다.
또한, 평면에서 헤이즈, 평행 광 투과율, 총 광 투과율, 확산 투과율, 거울 반사율 및 확산 반사율의 분산을 최소화시킴으로써 휘도를 균일화시킬 수 있을 뿐만 아니라 불균일한 색상과 같은 불균일한 표시를 감소시킬 수 있으므로, 명도 및 가시도가 우수한 액정 표시 장치를 형성할 수 있다.
앞서 언급된 효과는 헤이즈, 평행 광 투과율, 거울 반사율, 확산 반사율 또는 거울 반사 분율에 대한 구제적인 값들, 및 하기의 설명으로부터의 거울 반사율, 확산 반사율 및 거울 반사 분율 결과에 근거한다. 즉, 상기 언급된 문제를 해결하기 위해 집중적으로 연구한 결과, 본 발명가들은 두께가 일정한 콜레스테릭 액정을 1/4 파장 판과 결합시켜 광학 소자를 형성시킬 경우에는 콜레스테릭 액정막의 거울 반사율, 확산 반사율 및 거울 반사 분율이 휘도에 영향을 미치게 되며, 주로 총 반사율[(반사광/입사광) × 100]에 관련된다는 것을 밝혔다.
다시 말해서, 콜레스테릭 액정막은 배향되지 않은 경우, 막의 양면에 표면 반사에 의한 확산 반사광을 함유하지 않는 거울 반사 특성을 나타낸다. 그러나, 반사율이 낮고, 총 반사율이 배향에 의해 증가한다. 따라서, 입사 가시광의 절반 정도를 자연광에 대한 반사광으로서 수득할 수 있다(총 반사율 : 50%). 그러나, 총 반사율이 증가하는 과정에서는 확산 반사광이 발생하여 확산 반사광과 거울 반사광이 혼합되어 존재하는 반사광이 형성된다. 또한, 이의 혼합비는 총 반사율의 증가에 따라 변한다.
상기 언급된 변화와 관련하여, 아마도 확산 반사광이 주로 총 반사율의 증가 초기에 발생되기 때문에 확산 반사율은 증가하고 거울 반사율은 감소한다. 다른 한편으로, 총 반사율이 더욱 증가할 경우, 거울 반사광이 주로 생성된다. 결과적으로, 거울 반사광이 증가되기 시작하면서 확산 반사율이 감소되어 확산 반사율보다 거울 반사율이 더 높은 혼합비에 도달하게 된다.
본 발명가들은 거울 반사율이 25% 이상이고, 확산 반사율이 20% 이하이거나 거울 반사 분율이 60% 이상인 편광 소자가 상기에서 언급한 혼합비의 변화에 있어서 휘도를 향상시키는데 효과적이라는 것을 밝혔다. 이에 근거하여, 휘도의 향상을 가져오는 광의 효과적인 이용 측면에서, 다량의 거울 반사광 및 소량의 확산 반사광을 함유하는 광의 반사 특성을 보이는 것이 유리한 것으로 생각된다.
게다가, 본 발명가들은 또한 상기 언급된 거울 반사, 확산 반사 또는 거울 반사의 평면내(in-plane) 분산율로 인해 불균일한 휘도 또는 불균일한 색상이 초래된다는 사실을 밝혔다. 분산에 의해 야기되는 불균일한 휘도 또는 불균일한 색상의 정도는 전면(수직) 방향에서보다 경사 방향에서 더욱 증가한다. 불균일한 표시 또는 불균일한 색상은 상기 언급된 분산을 거울 반사율 또는 확산 반사율에 대해서는 10% 이하로 낮추고 거울 반사 분율에 대해서는 15% 미만으로 낮춤으로써 크게 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명을 예시하는 편광 소자를 나타내는 단면도이고,
도 2는 본 발명을 예시하는 광학 소자를 나타내는 단면도이며,
도 3은 본 발명을 예시하는 또다른 광학 소자를 나타내는 단면도이고,
도 4는 본 발명을 예시하는 조명 장치를 나타내는 단면도이며,
도 5는 본 발명을 예시하는 또다른 조명 장치를 나타내는 단면도이고,
도 6은 본 발명을 예시하는 액정 표시 장치를 나타내는 단면도이며,
도 7은 본 발명을 예시하는 또다른 액정 표시 장치를 나타내는 단면도이다.
본 발명에 따르는 편광 소자는 반사 및 투과를 통해 입사광을 편광으로 분리시키는 기능을 가지며, (a) 헤이즈율이 10% 이하이고, (b) 입사광에 대한 평행 투과광의 비가 40 내지 60%이며, (c) 입사광에 대한 거울 반사광의 비가 25% 이상이고, (d) 입사광에 대한 확산 반사광의 비가 20% 이하이거나, (e) 총 반사광에 대한 거울 반사광의 분율이 60% 이상이다.
상기 언급된 편광 소자의 예가 도 1에 제시되어 있다. 참조 번호 1은 반사와 투과를 통해 입사광을 편광으로 분리시키는 작용을 갖는 막(원형 편광 분리막)을 나타낸다. 참조 번호 11은 지지 기판을 나타내고, 참조 번호 12와 13은 콜레스테릭 액정막을 나타낸다.
편광 소자를 1/4 파장 판과 결합시켜 액정 표시 장치에 적용시키는 경우, 상기 언급된 헤이즈율, 평행 광 투과율, 거울 반사율, 확산 반사율 또는 거울 반사 분율을 만족시킴으로써, 편광 소자를 사용하지 않은 액정 표시 장치와 비교하여 휘도를 안정하게 향상시킬 수 있고, 불균일한 표시를 감소시킬 수 있다. 또한, 프리즘 배열막을 배열시킬 경우에도 전면 방향으로의 휘도의 감소를 낮출 수 있다.
휘도의 향상, 불균일한 표시의 방지 및 프리즘 배열막 배열시의 전면 방향으로의 휘도의 감소 방지라는 측면에서, 헤이즈율은 바람직하게는 8% 이하이고, 특히 5% 이하이며, 평행 광 투과율은 바람직하게는 42 내지 60%이고, 특히 45 내지 55%이며, 거울 반사율은 바람직하게는 30% 이상이고, 특히 35% 이상이며, 확산 반사율은 바람직하게는 15% 이하이고, 특히 10% 이하이며, 거울 반사 분율은 바람직하게는 70% 이상이고, 특히 75 이상이다.
또한, 상기 언급된 휘도의 향상과 관련하여, 입사광에 대한 투과광의 비(소위, 총 광 투과율)는 바람직하게는 40 내지 65%이고, 보다 바람직하게는 42 내지 60%이며, 가장 바람직하게는 45 내지 55%이고, 또는 입사광에 대한 확산 반사광의 비(소위, 확산 반사율)는 바람직하게는 10% 이하이고, 보다 바람직하게는 8% 이하이며, 가장 바람직하게는 5% 이하이다.
게다가, 불균일한 휘도 또는 불균일한 색상과 같은 불균일한 표시의 방지, 특히 경사 방향으로의 불균일한 표시의 방지와 관련하여, 편광 소자의 평면내 분산은 헤이즈율에 대해서는 바람직하게는 6% 이하이고, 보다 바람직하게는 5% 이하이며, 가장 바람직하게는 4% 이하이고, 평행 광 투과율에 대해서는 바람직하게는 15% 이하이고, 보다 바람직하게는 12% 이하이며, 가장 바람직하게는 8% 이하이고, 거울 반사율 및 확산 반사율에 대해서는 바람직하게는 10% 이하이고, 보다 바람직하게는 8% 이하이며, 가장 바람직하게는 5% 이하이고, 또는 거울 반사 분율에 대해서는 바람직하게는 15% 이하이고, 보다 바람직하게는 10% 이하이며, 가장 바람직하게는 7% 이하이다.
뿐만 아니라, 상기 언급된 불균일한 휘도의 방지 측면에서, 편광 소자의 평면내 분산은 총 광 투과율에 대해서는 바람직하게는 15% 이하이고, 보다 바람직하게는 12% 이하이며, 가장 바람직하게는 8% 이하이고, 또는 확산 투과율에 대해서는 바람직하게는 6% 이하이고, 보다 바람직하게는 4% 이하이며, 가장 바람직하게는 3% 이하이다.
편광 소자는 반사와 투과를 통해 입사광을 편광으로 분리시키는 기능을 가진 적합한 재료, 예를 들면, 콜레스테릭 액정 배향막을 사용하여 형성시킬 수 있다. 상기 언급된 콜레스테릭 액정 배향막에 따르면, 반사 및 투과를 통해 자연광을 우 원형 편광 및 좌 원형 편광으로 분리시키는 원형 편광 분리막을 수득할 수 있다.
상기 언급된 콜레스테릭 액정은, 그랜진(Grandjean) 배향의 나선 피치의 차이를 기준으로 하여, 파장 특성이 상이한 원형 편광 분리 기능을 나타낸다. 그러나, 본 발명에 있어서, 원형 편광 분리막은 두께 방향으로 나선 피치가 변화하는 원형 편광 분리막, 반사광의 중심 파장이 상이한 두 개 이상의 콜레스테릭 액정막의 적층물로 이루어진 원형 편광 분리막, 또는 두께 방향으로 나선 피치가 변화하고 두 개 이상의 콜레스테릭 액정 중합체막이 반사광의 중심 파장에 기초하여 장파장에서 단파장의 순서로 적층되어 있는, 상기 언급된 층의 배합물인 원형 편광 분리막과 같은 적합한 형태를 갖는 원형 편광 분리막일 수 있다.
두께 방향으로 나선 피치가 변화하며 반사광의 중심 파장이 상이하므로 나선 피치가 상이한, 상기 언급된 콜레스테릭 액정막을 적층시키는 것은 분리 기능을 하는 파장 영역을 확장시키기 위한 것이다. 즉, 일정하게 배향된 단층 콜레스테릭 액정막에서는 통상적으로 선택적 반사(원형 편광 이색성)를 나타내는 파장 영역이 제한되며, 제한 범위는 몇가지 경우에 있어서 약 100㎚의 파장 영역에 달하는 광범위한 범위이다. 그러나, 이러한 파장 범위라 하더라도 액정 표시 장치에 적용시킬 경우 바람직한 가시광선의 전체 영역까지 확장되지는 않는다. 따라서, 나선 피치의 변화 범위를 확대하여 원형 편광 이색성을 나타내는 파장 영역을 확장시키는 것을 목표로 하고 있다.
그러나, 원형 편광을 동일한 방향으로 반사시키는 막의 배합물을 사용하여 선택적 반사에 대한 중심 파장이 300 내지 900㎚이고 나선 피치가 상이한 몇가지 유형의 콜레스테릭 액정 중합체 막을 적층시킴으로써 가시광선 영역을 커버할 수 있는 원형 편광 분리막을 효과적으로 형성시킬 수 있다. 원형 편광을 동일한 방향으로 반사시키는 콜레스테릭 액정막을 적층시키면 각각의 막에 의해 반사된 원형 편광의 상의 상태를 균일하게 만들기 때문에 각각의 파장 영역에서 상이한 편광 상태가 발생하는 것을 막아주고 이용가능한 상태에 있는 편광의 양을 증가시킨다.
상기 언급된 원형 편광 분리막에 있어서, 반사광의 중심 파장을 기준으로 하여 장파장에서 단파장의 순서로 콜레스테릭 액정막을 적층시키는 것은 시각 변화에 의해 유발되는 투과광의 색상 변화를 방지하기 위함이다. 이러한 경우에 있어서, 동일한 나선 피치를 갖는 두 개 이상의 콜레스테릭 액정막이 함유되어 있는 막 구조(예를 들면, 나선 피치가 상이한 하나 또는 둘 이상의 콜레스테릭 액정막이 상기 언급된 중심 파장을 기준으로 하여 장파장에서 단파장의 순서로 동일한 나선 피치를 갖는 콜레스테릭 액정막 사이를 위치하는 형태)가 또한 허용된다.
원형 편광 분리막을 형성하기 위해, 저분자량 콜레스테릭 액정을 사용할 수 있다. 그러나, 핸들링 및 생성된 편광자의 두께 감소의 견지에서 볼 때, 콜레스테릭 액정 중합체가 바람직하게 사용될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 편광 소자는 콜레스테릭 액정 중합체 필름과 같은 단층 생성물 또는 가소성 필름 등으로 지지되어 있는 다층 생성물로서 수득될 수 있다. 액정 표시 장치의 가시도가 우수하도록 시각을 확대시키는 측면에서 볼 때, 콜레스테릭 액정 중합체가 도메인 감소와 같은 결점을 가진 그랜진-배향된 편광 소자가 바람직하다.
콜레스테릭 액정 중합체에는 특별한 제한이 없으며, 적합한 중합체가 사용될 수 있다. 따라서, 공액 선형 원자 그룹(메조겐)이 중합체의 주쇄 또는 측쇄에 도입되어 있는, 주쇄형 또는 측쇄형 중합체와 같은 각종 중합체가 사용될 수 있다.
지연도(△n)가 보다 큰 클레스테릭 액정 중합체가 선택적 반사를 위한 파장 영역에서 보다 일반적이며, 막의 수 및 광범위한 시각의 파장 변화의 허용오차를 줄인다는 측면에서 바람직하게 사용된다. 작동 온도에서의 핸들링 및 배향 안정성의 견지에서, 유리전이온도가 30 내지 150℃인 중합체가 액정 중합체로서 바람직하게 사용된다.
그러나, 상기 언급된 주쇄형 액정 중합체의 예로서는 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리카보네이트 및 폴리에스테르이미드와 같은 중합체가 포함되며, 여기에는 필요에 따라, 파라-치환된 사이클릭 화합물을 포함하는 메조겐 그룹이 가요성을 제공할 목적으로 스페이서(spacer) 잔기에 의해 연결되어 있다.
측쇄형 액정 중합체의 예로서는, 주쇄로서 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리실록산 또는 폴리말로네이트를 함유하고, 측쇄로서 공액 선형 원자 그룹(메조겐)을 포함하는 스페이서 잔기를 통해 파라-치환된 사이클릭 화합물을 포함하는 저분자랑 액정 화합물(메조겐 그룹)를 함유하고, 필요에 따라, 저분자량 키랄을 함유하는 네마틱 액정 중합체, 키랄 성분이 도입되어 있는 액정 중합체 및 네마틱 중합체와 콜레스테릭 중합체가 혼합되어 있는 액정 중합체를 함유하는 중합체가 포함된다.
앞에서 기술한 바와 같이, 파라-치환된 방향족 단위 또는 치환된 사이클로헥실 환 단위(예를 들면, 아조메틴, 아조, 아족시, 에스테르, 비페닐, 페닐사이클로헥산 및 비사이클로헥산 형태)를 포함하는, 네마틱 배향을 부여하는 파라-치환된 사이클릭 화합물을 함유하는 중합체라 하더라도 비대칭 탄소원자 또는 저분자량 키랄을 함유하는 화합물을 포함하는 적절한 키랄 성분을 도입시킴으로써 콜레스테릭 배향된 중합체로 전환될 수 있다(JP-A 제55-21479호 및 US 제5,332,522호). 파라-치환된 사이클릭 화합물의 파라 위치에 있는 말단 치환체 그룹은 시아노, 알킬 및 알콕시 그룹과 같은 적합한 그룹일 수 있다.
스페이서 잔기로서는, 예를 들면, -(CH2)n-인 메틸렌 쇄 및 -(CH2CH2O)m-인 폴리옥시메틸렌 쇄가 포함된다. 스페이서 잔기를 형성하는 구조 단위의 반복 횟수는 메조겐 잔기의 화학적 구조에 의해 적절하게 결정된다. 일반적으로, 메틸렌 쇄에 대한 n 은 0 내지 20이고, 특히 2 내지 12이며, 폴리옥시메틸렌 쇄에 대한 m은 0 내지 10이고, 특히 1 내지 3이다.
콜레스테릭 액정 중합체로 이루어진 원형 편광 분리막은 저분자량 액정을 통상적으로 배향 처리하는데 기초하는 방법으로 형성시킬 수 있다. 이러한 방법의 예로서는, 지지 기재 재료 위에 형성된 폴리이미드, 폴리비닐 알콜, 폴리에스테르, 폴리아크릴레이트, 폴리아미드이미드 또는 폴리에테르 이미드 필름을 나일론 헝겊으로 문질러서 수득한 배향 필름, 경사침전층 또는 연신 처리에 의해 수득된 배향 필름과 같은 적절한 배향 필름 위에 콜레스테릭 액정 중합체를 현상시킨 다음, 유리전이온도와 같거나 높은 온도 내지 등방성 상전이온도보다 낮은 온도에서 가열하고, 유리 상태를 수득하기 위해 중합체를 액정 중합체 분자가 그랜진-배향되어 있는 상태에서 유리전이온도보다 낮은 온도로 냉각시킴으로써 고정배향된 고화된 막(solidified layer)을 형성하는 방법이 포함된다.
상기 언급한 지지 기판으로서, 트리아세틸 셀룰로즈, 폴리비닐 알콜, 폴리이미드, 폴리아크릴레이트, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 무정형 폴리올레핀, 개질된 아크릴성 중합체 및 에폭시 수지와 같은 가소성 수지 및 유리판으로 이루어진 단층 필름, 적층필름 또는 배향필름을 포함하는 적절한 재료가 사용될 수 있다. 가소성 필름이 두께를 감소시킨다는 점에서 바람직하다.
액정 중합체는, 예를 들면, 용매 중의 액정 중합체 용액을 방사피복, 롤피복, 유피복(flow coating), 인쇄, 침지피복, 캐스팅 필름 형성, 바피복(bar coating) 및 그라비야 인쇄와 같은 적합한 방법으로 박막에 현상시킨 다음, 필요에 따라 건조시킴으로써 현상시킬 수 있다. 상기 언급된 용매로서는, 메틸렌 클로라이드, 사이클로헥사논, 트리클로로에틸렌, 테트라클로로에틸렌, N-메틸피롤리돈 및 테트라하이드로푸란과 같은 적절한 용매가 사용될 수 있다.
액정 중합체는 또한 액정 중합체의 가열용융물, 바람직하게는 등방성 상을 나타내는 가열용융물을 상기와 같이 현상시키고, 추가로, 필요에 따라, 융점 온도를 유지시키면서 박막에 현상시킨 다음 고화시키는 방법으로 현상시킬 수 있다. 이러한 방법은 용매를 사용하지 않기 때문에 위생적인 작업 환경을 제공할 수 있다.
액정 중합체의 현상막을 배향시키기 위한 열처리는, 앞에서 기술한 바와 같이, 막을 유리전이온도 내지 등방성 상전이온도(소위, 액정 중합체가 액정 상을 나타내는 온도 범위) 내에서 가열함으로써 수행할 수 있다. 또한, 막을 유리전이온도 미만의 온도로 냉각시킴으로써 배향 상태를 고정시킬 수 있으며, 여기서 냉각 조건에 대한 특별한 제한은 없다. 통상적으로, 상기 언급된 열처리는 300℃ 이하의 온도에서 수행할 수 있으므로, 천연 냉각 시스템이 일반적으로 사용된다. 안정화제, 가소제 및 금속과 같은 각종 첨가제를 필요에 따라 콜레스테릭 액정 중합체의 현상액에 첨가시킬 수 있다.
지지 기판 위에 형성된 액정 중합체의 고화막의 두께는, 무질서한 배향 방지및 투과율의 감소와 선택적 반사의 파장 영역의 폭의 감소 방지 측면에서, 바람직하게는 0.5 내지 50㎛이고, 보다 바람직하게는 1 내지 30㎛이며, 가장 바람직하게는 2 내지 10㎛이다. 지지 기판 위에 형성된 액정 중합체의 고화막은 지지 기판과 결합시키거나 이로부터 분리된 필름으로서 사용될 수 있다. 지지 기판을 함유하는 경우, 기판을 포함한 총 두께는 바람직하게는 2 내지 500㎛이고, 보다 바람직하게는 5 내지 300㎛이며, 가장 바람직하게는 10 내지 200㎛이다.
두께 방향으로 나선 피치가 변하는, 상기 언급된 원형 편광 분리막은, 예를 들면, 두 개 이상의 배향된 콜레스테릭 액정 중합체 막을 가열하에 서로서로 프레싱하여 제조할 수 있다. 이러한 가열가압 처리를 위해, 유리전이온도와 같거나 높은 온도 내지 등방성 상전이온도보다 낮은 온도에서 롤 적층기와 같은 가열가압 수단에 의해 콜레스테릭 액정 중합체 막을 가열가압시키는 방법과 같은 적절한 방법을 사용할 수 있다.
액정 중합체의 고화막을 지지 기판과 결합시켜 사용하는 경우, 고화막은 상기에 기초하는 가까이 접촉된 상태로 서로서로 적층되므로 두께 방향으로 나선 피치가 변하는 원형 편광 분리막인, 본 발명에 따르는 편광 소자를 수득할 수 있다.
두께 방향으로 나선 피치가 변하는 원형 편광 분리막은 반사광의 연속적인 파장 영역 또는 반사광의 불연속적인 파장 영역을 나타낼 수 있다. 불균일한 색상을 방지한는 관점에서, 본 발명에서 바람직하게 사용될 수 있는 원형 편광 분리막은 반사광의 연속적인 파장 영역을 나타내는 막이다. 이러한 원형 편광 분리막은, 예를 들면, 상기 언급된 가열가압 공정에 의해 형성된 콜레스테릭 액정 중합체 막의 적층물을 유리전이온도와 같거나 높은 온도 내지 등방성 상전이온도보다 낮은 온도에서 가열하여 상층과 하층을 형성하는 콜레스테릭 액정 중합체가 이의 가까운 접촉 경계면에서 서로서로 혼합되어 있는 막을 형성함으로써 제조할 수 있다.
상기에서, 상층과 하층의 콜레스테릭 액정 중합체를 혼합하여 형성한 콜레스테릭 액정 중합체 막은 나선 피치에 있어서 상층이 하층과 상이하고 나선 피치가 두께 방향으로 다단계에 걸쳐 변하는 원형 편광 분리막을 형성한다. 통상적으로, 나선 피치는 상층과 하층을 형성하는 콜레스테릭 액정 중합체의 평균치이며, 콜레스테릭 액정 중합체 막은 상층 및 하층과 함께 반사광의 연속적인 파장 영역을 나타내는 영역을 형성한다.
따라서, 콜레스테릭 액정 중합체 막이 상층의 파장 영역이 하층의 파장 영역과 겹치지 않도록 배합된 방식(소위, 반사광의 파장 영역에는 불연속으로 인해 빠진 영역이 포함된다)으로 사용되는 경우, 상층과 하층을 혼합하여 형성한 콜레스테릭 액정 중합체 막이 상기 언급되어 있는 제외된 영역을 차지하여 반사광 파장을 연속적으로 만들 수 있다.
따라서, 예를 들면, 각각 반사된 파장 영역이 500㎚ 이하 또는 600㎚ 이상인 두 종류의 콜레스테릭 액정 중합체막을 사용할 경우에는 불연속적인 파장 영역인 500 내지 600㎚의 파장 영역에서 빛을 반사시키는 원형 편광 분리막을 제공할 수 있다. 이는 보다 적은 콜레스테릭 액정 중합체 막을 적층시킴으로써 보다 넓은 반사 파장 영역을 나타내는 원형 편광 분리막을 형성시킬 수 있음을 의미한다.
본 발명의 편광 소자, 특히 원형 편광 분리막을 가진 편광 소자는 바람직하게는 액정 표시 장치를 제조하는데 사용할 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 편광 소자는 두 개 이상의 지연막을 함유하는 1/4 파장 판이 편광 소자의 하나 이상의 면에 첨가되어 있는 광학 소자에 사용될 수 있다. 광학 소자의 예가 도 2와 3에 제시되어 있으며, 여기서 참조 번호 2는 1/4 파장 판을 나타내고, 참조 번호 21과 22는 지연막을 나타내며, 참조 번호 3은 편광판을 나타낸다.
도 2와 3에 나타낸 바와 같이, 1/4 파장 판은 원형 편광 분리막(1)을 통해 투과된 원형 편광을 직선 편광화시키는데 사용되며, 하나 또는 두 개 이상의 지연막에 의해 형성된다. 시각 변화에 의해 유발되는 색상의 변화에 대한 각 의존성을 감소시킨다는 측면에서, 원형 편광 분리막에서 반사광의 중심 파장이 보다 긴 콜레스테릭 액정 중합체의 한면에 지연막을 배열시키는 것이 바람직하다.
직선 편광 효과 및 비스듬하게 투과된 광에 의해 유발되는 색변화의 보상 측면에서, 100 내지 180㎚의 전면 지연도(front retardation)를 갖는 판이 1/4 파장 판(지연막)으로서 가시광선 영역에 대해 바람직하게 사용된다. 즉, 수학식 (nx-ny)d=△nd=100-180(여기서, nx는 최대 평면내 굴절률이고, ny는 우각에 교차되는 방향에서의 굴절률이며, nz는 두께 방향으로의 굴절률이고, d는 두께이다)을 만족시키는 1/4 파장 판이 바람직하게 사용된다.
필요에 따라 1/4 파장 판 기능을 나타내는 상기 언급된 지연막과 함께 사용되는 지연막은 1/4 파장 판의 기능을 나타내는 지연막을 통해 비스듬하게 투과된 빛의 색 균형이 가능한 한 이를 통해 수직으로 투과된 빛의 색 균형과 일치하도록 함으로써 편광판을 통해 육안으로 관찰할 경우 착색이 덜 된 중간 색조(neutral tint)를 제공할 수 있는 보상막(compensation layer)으로서, 전면 지연도(△nd)가 100 내지 720㎚인 것이 바람직하게 사용된다.
상기에서, 두께 방향으로의 굴절률이 하나 또는 둘 다의 평면내 굴절률보다 높거나 수학식 (nx-nz)/(nx-ny)의 Nz가 5 이하, 바람직하게는 2 이하, 보다 바람직하게는 1.5이하, 가장 바람직하게는 1.1 이하(모두 마이너스 값을 포함한다)인 지연막이 색 변화를 보상하는데 바람직하게 사용될 수 있다.
지연막은 모든 재료를 사용하여 형성시킬 수 있으며, 바람직한 것은 투명도가 탁월하며, 특히 광 투과율이 80% 이상이고, 균일한 지연을 제공하는 것이다. 일반적으로, 배향 필름 및 액정 중합체, 특히 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리스티렌, 폴리에틸렌과 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀, 폴리비닐 알콜, 셀룰로즈 아세테이트 중합체, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리아릴레이트, 폴리메틸 메타크릴레이트 및 폴리이미드와 같은 가소성 수지로 이루어진 이축 배향된 액정 중합체가 사용된다.
두께 방향으로의 굴절률이 높은, 상기 언급된 지연막은 예를 들면, 상기 언급된 중합체를 캐스팅법 및 압출법과 같은 적합한 방법으로 압출시켜 형성한 필름을, 필름이 열수축성 필름에 접착되어 있는 상태에서 일축 또는 이축 가열배향시키는 적절한 방법으로 제조할 수 있다.
지연막의 △nd 및 Nz와 같은, 상기 언급된 특성들은 필름의 재료 및 두께 또는 배향 정도나 배향 온도와 같은 조건들을 변화시킴으로써 조절할 수 있다. 지연막의 통상적인 두께는 단층의 경우에는 10 내지 500㎛이고, 특히 20 내지 200㎛이지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
1/4 파장 판과 같은 지연막을 액정 중합체를 사용하여 형성시키는 경우, 상기 언급된 원형 편광 분리막의 경우와 동일하게, 액정 중합체로 이루어진 배향필름 및 투명기판으로 지지된 이의 배향막과 같은 이들을 적절한 형태로 수득할 수 있다. 액정 중합체를 사용하는 경우에는 배향 처리하지 않고도 목적하는 지연막을 수득할 수 있다.
1/4 파장 판은, 앞에서 기술한 바와 같이, 단층 지연막, 또는 지연도가 서로 상이한 둘 이상의 지연막의 적층물일 수 있다. 지연도가 상이한 지연막을 적층시키는 것은, 이들이 목적하는 1/4 파장 판 및 보상판으로서 작용하는 파장 범위를 확대시키는데 효과적이다. 상기 관점에서 볼 때, 두께 방향으로의 굴절률이 하나 이상의 평면내 굴절률보다 높은 지연막을 하나 또는 둘 이상 배열시키는 것이 바람직하다.
휘도를 향상시키는 효과로 볼 때, 특정한 편광축을 갖는 직선 편광을 투과시키고 다른 빛은 반사시키는 편광 소자가 바람직하다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 편광 소자에서 편광판(3)은 또한 1/4 파장 막(2)에 배열할 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 편광 소자를 분리 편광판을 사용하지 않고도 액정 셀에 사용할 수 있다.
편광판으로서, 이색 성분, 배향된 폴리엔 필름, 및 투명 보호막을 제공하는 필름을 함유하는 흡수형 편광판과 같은 적절한 판을 사용할 수 있다. 여기서, 흡수형 편광판의 예로서는 폴리비닐 알콜 필름, 부분적으로 형성된 폴리비닐 알콜 필름 및 부분적으로 검화된 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체 필름과 같은 소수성 중합체 필름, 및 요오드 및 이색 염료와 같은 이색 성분을 흡수하여 배향될 수 있는 필름이 포함된다. 또한, 배향된 폴리엔 필름의 예로서는 폴리비닐 알콜의 탈수 생성물, 폴리비닐 클로라이드의 탈염화수소화 생성물이 포함된다. 편광판의 두께는 통상적으로 5 내지 80㎛이지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
액정 표시 장치를 제조하는데 있어서, 이색 성분을 함유하는 흡수형 편광판과 같은 편광도가 높은 편광판이 선명한 표시를 성취하는데, 소위 가능한 한 효율적으로 흡수 손실을 방지하면서 편광판을 통해 1/4 파장 판에 의해 매우 직선적으로 편광을 투과시켜 고도의 직선 편광을 액정 셀에 입사시킴으로써 콘트라스트 비가 우수한 표시를 수득하는데 바람직하게 사용된다. 특히, 광 투과율이 40% 이상이고 편광도가 95.0% 이상, 특히 99% 이상인, 이색 성분을 함유하는 흡수형 편광판이 바람직하게 사용된다.
상기 언급된 투명 보호막은 특히, 이색 성분을 함유하는 흡수형 편광판과 같이 내수성이 불량한 편광판을 보호할 목적으로 제공되며, 가소성 수지의 피복 및 필름의 적층과 같은 적합한 방법으로 형성시킬 수 있다. 필름과 같은 분리재를 사용하여 보호막을 형성시킬 경우, 편광판을 접착층을 사용하여 이들과 함께 통합적으로 적층시키는 것이 반사 손실을 방지한다는 측면에서 바람직하다. 적절하게 결정될 수 있는, 투명 보호막의 두께는 통상적으로 1㎜ 이하, 특히 500㎛이하이며, 보다 바람직하게는 1 내지 300㎛이다. 가소성 수지로서, 적절한 가소성 수지가 사용될 수 있다. 그러나, 상기 언급된 지연막, 및 액정 중합체를 지지하기 위한 투명 기판에서 예시되어 있는 가소성 필름이 통상적으로 사용된다.
또한, 미립자를 첨가함으로써 투명 수지막의 표면에 미세한 불균일 현상을 발생시킬 수 있다. 미립자로서, 투명 수지막에 투명성을 나타내는 입자가 사용된다. 이러한 미립자의 예로서는 평균 입자 크기가 0.5 내지 5㎛이고, 실라카, 알루미나, 티타니아, 지르코니아, 산화주석, 산화인듐, 산화카드뮴 및 산화안티몬과 같은 전도성일 수 있는 무기 미립자와 가교결합되거나 가교결합되지 않은 중합체과 같은 유기 미립자가 포함된다. 미립자의 함량은 통상적으로 2 내지 25중량%이며, 바람직하게는 5 내지 20중량%이다.
편광판이 1/4 파장 판에 적재되어 있는 경우, 1/4 파장 판에 대한 편광판의 편광축의 배열각은 1/4 파장 판의 지연 특성 또는 이 위에 입사된 원형 편광의 특성에 따라 적절하게 결정될 수 있다. 그러나, 광 이용 효율을 향상시킨다는 측면에서, 편광판의 투과축이 지연막을 통한 직선 편광의 편광 방향(진동 방향)에 가능한 한 평행하도록 배열되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르는 편광 소자는 자연광과 같은 광원으로부터의 빛을 편광 소자를 통해 반사광과 투과광으로서 좌 원형 편광과 우 원형 편광으로 분리시키며, 이러한 편광 소자를 통해 투과된 원형 편광 및 타원형 편광을 1/4 파장 판을 통해 직선으로 편광시켜 직선 편광을 편광판에 공급한다.
따라서, 도 4와 5에 나타낸 바와 같이, 이러한 편광 소자 또는 광학 소자를 측광형 광 전도판 또는 EL 램프와 같은 적절한 광 전도판에 배열함으로써 액정 표시 장치의 배면광(back light)에 적합한 조명 장치를 조립할 수 있도록 한다. 도면에 예시되어 있는 표면 광원은 광 전도판(4)의 측면에 광원(2)을 제공한다.
도면에 예시되어 있는 상기 언급된 조명 장치에 따르면, 광원(42)으로부터의 빛이 광 전도판(4)의 측면에 입사되어 후면에서 반사됨으로써 광 전도판 표면으로부터 방출되게 된다. 방출된 빛은 광 전도판의 표면에 배열되어 있는 원형 편광 분리막(1)을 통해 특정한 편광(수직) 또는 타원형 편광(경사)으로서 투과되며 1/4 파장 판(2)을 통해 직선으로 편광되어 편광판(3)에 입사된다. 다른 한편으로, 명시된 것 이외의 원형 편광으로서 원형 편광 분리막에 의해 반사된 빛이 다시 광 전도판에 입사되어 배면에 배열되어 있는 반사막(41)에 의해 반사되고 다시 반향광(return light)으로서 원형 편광 분리막(1)에 입사된다.
원형 편광 분리막에 의해 반사된, 상기 언급된 빛은 광 전도판의 배면에 의해 반사된 편광 상태에서 변형되어 원형 편광 분리막을 통해 일부 또는 전부 투과될 수 있는 특정한 원형 편광으로 전환된다. 따라서, 원형 편광 분리막에 의해 반사된 빛은 원형 편광 분리막을 통해 투과될 수 있는 특정 원형 편광으로 될 때까지 원형 편광 분리막과 광 전도판 사이에 가두어져 있게 되며, 이 사이에서 반사가 반복된다.
상기 언급한 바와 같이, 측광형 광 전도판에 있어서, 반사광은 원형 편광 분리막과 광 전도판의 반사막 사이에 가두어져 있으며, 이 사이에서 반사가 반복된다. 그 동안, 편광 상태는 빛이 원형 편광 분리막을 통해 투과될 수 있는 상태로 변하여 빛이 입사광의 초기 투과광과 함께 방출됨으로써 반사 손실로 인해 사용치 않은 빛이 감소하게 된다.
다른 한편으로, 원형 편광 분리막을 빠져나간 빛은 1/4 파장 판을 통해 직선 편광, 또는 직선 편광 성분이 풍부한 타원형 편광으로 전환된다. 전환된 빛의 직선 편광 방향이 편광판의 투과축과 일치할 경우에는 전환된 빛이 편광판에 의해 거의 흡수되지 않은 채로 이를 통해 투과하기 때문에 흡수 손실로 인해 사용치 않은 빛이 감소하게 된다. 그 결과, 이미 반사 손실 및 흡수 손실로서 손실된 빛도 효과적으로 사용되며, 광 이용 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 표면 광원으로서 측광형 광 전도판이 바람직하게 사용된다.
상기 언급된 광 전도판으로서, 배면에 반사막을 가지며 표면으로 빛을 방출시키는 적절한 광 전도판이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 빛을 흡수하지 않고 효과적으로 방출시키는 광 전도판이 사용된다. 이의 예로서는 액정 표시 장치에서 공지되어 있는 측광형 배면광이 있으며, 여기서 (냉각되거나 가열된) 음극관과 같은 직선 광원 또는 광 방출 다이오드와 같은 광원이 광 전도판(4)의 측면에 배열되어 있으며, 광 전도판을 통해 투과된 빛은 확산, 반사, 회절 및 간섭에 의해 판의 표면으로 방출된다.
상기에서, 내부 투과광을 표면으로 방출시키는 광 전도판은, 예를 들면, 투명하거나 반투명한 수지판의 광 방출면 또는 배면에 도트(dot) 또는 스트립(stripe) 형태로 확산체(diffuser)를 제공하거나 수지판의 배면에 불균일 구조, 특히 미세 프리즘 배열형 불균일 구조를 제공함으로써 수득할 수 있다.
빛을 한면에 방출시키는 광 전도판은 판 자체로서 원형 편광 분리막에 의해 반사된 빛의 편광을 전환시키는 기능을 가질 수 있다. 그러나, 반사막(41)을 광 전도판의 배면에 공급할 경우에는 거의 완전하게 반사 손실을 막을 수 있다. 확산 반사막 또는 거울 반사막과 같은 반사막은 원형 편광 분리막에 의해 반사된 빛의 편광을 전환시키는 작용이 탁월하기 때문에 본 발명에서 바람직하게 사용된다.
이러한 방법으로, 불균일 표면이 나타나는 확산 반사막에 있어서, 편광 상태가 이의 확산 작용에 기초하여 무작위적으로 혼합되어 편광 상태를 상쇄시킨다. 또한, 알루미늄 또는 은으로 이루어진 침전층, 이에 제공된 수지판 또는 금속 호일로 이루어진 금속 표면으로 대표되는 거울 반사막에 있어서, 원형 편광의 반사에 의해 편광 상태가 역전된다.
조명 장치를 제조하는데 있어서, 도 5에 기재되어 있는 바와 같이, 빛의 방사 방향을 조절하기 위해 프리즘 시트, 빛을 균일하게 방출시키기 위한 확산판, 누출광을 반향시키기 위한 반사 수단 및, 방출되는 빛을 광 전도판(4)의 측면으로 인도하기 위한 광원 홀더와 같은 보조 수단을 포함하는 프리즘 배열막(5)을, 필요에 따라, 적절한 배합물로서 하나 이상의 층에서 광 전도판(4)의 윗면, 아랫면 또는 측면에 배열시킨다.
상기에서, 광 전도판의 표면(광 방출면)에 배열된 프리즘 배열막 또는 확산판에 제공되거나 광 전도판에 제공된 도트는 확산 효과에 의해 반사광의 상을 변화시키는 편광-전환 수단으로서 기능을 할 수 있다. 두 개 이상의 프리즘 막이 배열되는 경우, 프리즘 배열이 우각에서 교차하거나 상호간에 교차하여 배열각을 변화시킴으로써 광학 이방성이 제거된 상태에서 각 층에 있는 프리즘 배열막을 배열시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 편광 소자, 광학 소자 및 조명 장치를 제조하기 위한, 원형 편광 분리막, 1/4 파장 판, 편광판 및 광 전도판과 같은 각각의 부품을 필요에 따라 접착층을 사용하여 함께 적층시킬 수 있다. 제품의 통합적 적층화는 각 경계면에서의 반사 손실을 억제하고 각 경계면에서의 이물질 침입을 방지하며 광학 편이(optical deviation)에 의해 야기되는 보상 효율 또는 편광-전환 효율의 감소를 방지함으로써 명시된 품질의 저하를 방지하는데 효과적이다. 따라서, 원형 편광 분리막, 1/4 파장 판, 편광판 및 광 전도판이 다수의 층에 형성되는 경우라 하더라도 각각의 층을 접착층에 의해 밀접하게 접촉된 상태로 통합시키는 것이 바람직하다.
적절한 잡착제가 상기 언급된 통합 적층화에 사용될 수 있지만, 그 중에서도 응력 이완이 탁월한 접착층이 바람직하게 사용될 수 있는데, 그 이유는 이들이 광원으로부터의 열에 의해 원형 편광 분리막, 1/4 파장 판 또는 편광판에서 발달한 응력을 억제시켜 편광탄성 변형에 의해 발생하는 굴절률의 변화를 막아 선명하고 가시도 및 명시된 품질에 대한 신뢰성이 우수한 액정 표시 장치를 제조하기 때문이다.
접착층을 형성하는데 있어서, 아크릴성 중합체, 실리콘 중합체, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리에테르 및 합성고무와 같은 적절한 중합체를 포함하는 투명 접착제가 사용될 수 있다. 특히, 아크릴성 접착제가 광학 투명도, 접착 특성 및 내후성 측면에서 바람직하게 사용된다. 열에 의해 적층물에서 발달된 내부 응력을 이완시켜 편광탄성 변형을 방지하기 위해, 이완 탄성이 2×105내지 1×107dyne/㎠, 특히 2×106내지 8×106dyne/㎠인 접착층이 바람직하다.
접착층의 두께는 적절하게 결정될 수 있다. 일반적으로, 접착 강도 및 두 께 감소 측면에서 1 내지 500㎛, 바람직하게는 2 내지 200㎛, 보다 바람직하게는 5 내지 100㎛이다. 접착층은 석유 수지, 로진 수지, 테르펜 수지, 쿠마론 인덴 수지, 페놀 수지, 크실렌 수지 및 알키드 수지와 같은 점착부여제(tackifier), 프탈레이트, 포스페이트, 파라핀 클로라이드, 폴리부텐 및 폴리이소부틸렌과 같은 연화제 또는 각종 충전제와 산화방지제와 같은 기타의 적절한 첨가제를 함유할 수 있다.
통합 적층화에 의해 수득된 광학 소자는, 예를 들면, 이형제로 표면-처리한 필름과 같은 박막으로 이루어진 세퍼레이터 위에 제공된 접착층을 편광 소자의 접착면으로 옮겨 이 위에 1/4 파장 판을 프레싱하고, 추가로 이와 유사하게 접착층을 1/4 파장 판에 옮겨 이 위에 편광판을 배열시켜 프레싱함으로써 형성된다.
게다가, 광학 소자는 세퍼레이트 위에 제공된 접착층을 광 전도판의 접착면으로 옮겨 이 위에 편광 소자를 배열하여 프레싱한 다음, 이와 유사하게 접착층을 편광 소자에 옮겨 이 위에 1/4 파장 판과 광학 편광판을 차례로 프레싱함으로써 형성시키거나 편광 소자, 1/4 파장 판, 편광판 및 광 전도판과 같은 접착물을 특성 접착면에 이미 제공되어 있는 접착층을 사용하여 특정한 순서로 적층시켜 프레스 처리에 의해 이들을 함께 프레싱함으로써 형성시킬 수 있다.
본 발명에 따르는 편광 소자, 광학 소자 및 조명 장치에 있어서, 광 확산판과 같은 적절한 광학막을 이의 표면에 또는 막 사이의 적절한 위치에 또한 배열시킬 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 광학막은 응력 이완이 우수한 접착층에 의해 편광 소자와 함께 통합적으로 적층될 수 있다. 이러한 상기 접착법은 조립라인에서 순차적으로 접착시키는 방법에 의해 수득되는 것보다 품질이 더욱 안정하고 신뢰성이 보다 탁월한 소자를 수득할 수 있다는 잇점이 있다.
본 발명에 있어서, 액정막, 1/4 파장 판, 편광판, 광 전도판, 접착층 및, 편광 소자, 광학 소자 및 조명 장치를 제조하기 위한 광학막과 같은 기타의 부품을, 예를 들면, 살리실레이트 화합물, 벤조페놀 화합물, 벤조트리아졸 화합물, 시아노아크릴레이트 화합물 및 니켈 착염 화합물과 같은 자외선 흡수제로 또한 처리하여 자외선 흡수 능력을 제공할 수 있다.
앞에서 기술한 바와 같이, 본 발명의 편광 소자 또는 광학 소자는 측광형 광 전도판과 같은 적절한 표면 광원과 혼합하여 사용되며, 원형 편광 분리막에 의해 반사된 원형 편광의 편광도를 전환시켜 반사 손실을 방지함으로써 이를 방출광으로서 재사용되게 하고, 1/4 파장 판을 사용하여 방출광의 상을 조절함으로써 편광판에 의한 흡수 손실을 방지하여 이를 편광판을 통해 투과할 수 있는 직선 편광 성분이 풍부하게 함유되어 있는 상태로 전환시키며, 색 변화를 방지하여 휘도를 향상시킨다.
따라서, 본 발명에 따르는 편광 소자 및 광학 소자는 광 이용 효율이 탁월하고, 편광판을 통해 쉽게 투과할 수 있는 광을 제공하며, 대규모 표시 영역을 용이하게 성취할 수 있기 때문에 액정 표시 장치의 배면광 시스템에 사용할 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 1/4 파장 판로부터 방출되는 빛을 광원으로서 사용하기 위해, 편광판을 통해 투과할 수 있는 직선 편광 성분과 타원형 편광의 주축 편광 성분을 65% 이상, 바람직하게는 70% 이상 함유하는 것이 바람직하다.
배면광 시스템으로서 본 발명의 조명 장치를 사용한 액정 표시 장치의 양태가 도 6과 7에 제시되어 있다. 도면을 참조로 보면, 도면에 나타낸 바와 같이, 액정 셀(6)은 광학 소자를 삽입시킨 조명 장치를 형성하는 광 전도판(4)의 광 방출면에 배열되어 있으며, 광학 소자의 1/4 파장 판의 면에 배열되어 있다. 도면에서, 참조 번호 61은 편광판을 나타내고, 참조 번호 7은 가시광선을 확산시키기 위한 광 확산판을 나타낸다.
본 발명의 편광 소자 및 조명 장치는 액정 셀의 양면에 편광판을 갖는 액정 표시 장치를 제조하는데 특히 바람직하게 사용된다. 광학 소자가 1/4 파장 판의 윗면에 편광판을 함유할 경우, 액정 셀에서 광학 소자가 제공되어 있는 면의 편광판을 제거시킬 수 있다.
액정 표시 장치는 일반적으로 편광판, 액정 셀, 배면광 및 임의의 보상용 지연판과 같은 구성 부품을 적절하게 조립하여 구동 회로를 삽입시킴으로써 제조된다. 본 발명에 있어서 앞에서 기술한 바와 같이, 광학 소자 또는 조명 장치가 액정 셀의 가시적 배면에 배열되어 있고 이의 1/4 파장 판 면 또는 이의 편광판 면이 액정 셀을 향하고 있다는 점을 제외하고는 특별히 제한되지 않으며, 액정 표시 장치는 통상적인 방법에 따라 제조할 수 있다. 그러나, 구성 부품들이 각각 접착층에 의해 서로 통합적으로 접착되는 것이 바람직하다.
게다가, 본 발명의 광학 소자 및 조명 장치는 편광 상태의 빛이 입사되어야 하는 액정 셀(예를 들면, 비틀림 네마틱 액정 또는 초비틀림 네마틱 액정을 사용한 셀)에 바람직하게 사용된다. 그러나, 이들은 또한 비-비틀림 액정, 이색 성분이 분산되어 있는 게스트 호스트 액정(guest host liquid crystal) 또는 강유전성 액정을 사용한 액정 셀에 사용될 수 있다.
액정 셀을 제조하는데 있어서, 광 확산판, 섬광방지막, 반사 감소 필름, 보호막 및 가시면의 편광판에 제공된 보호판 또는 액정 셀 사이에 제공된 보상용 지연판 및 가시면의 편광판과 같은 적절한 광학막을 적절하게 배열시킬 수 있다. 이러한 방법에서 휘도를 향상시키기 위해, 배면광과 액정 셀 사이에 통상적으로 배열되어 있으며 서로 적층된 다수의 얇은 중합체 필름을 포함하는 광학막을 또한 배열시킬 수 있다(JP-A 제4-268505호, PCT 국제공개공보 제95/17691호).
상기 언급된 보상용 지연판은 복굴절의 파장 의존성을 보상하여 가시도를 향상시키기 위해 제공된다. 본 발명에 있어서, 이는 필요에 따라 가시면 및/또는 배면광 면에 있는 편광판 및 액정 셀 사이에 배열된다. 보상용 지연판으로서, 적절한 지연판이 파장 영역에 따라 사용될 수 있으며, 이는 하나의 막으로서 형성되거나 두 개 이상의 지연막으로 이루어진 적층막으로서 형성될 수 있다. 보상용 지연판은 상기 언급된 1/4 파장 판과 관련하여 예시된 배향 필름 또는 액정 막으로서 수득될 수 있다.
실시예 1
테트라하이드로푸란 중의 아크릴성 서모트로픽 콜레스테릭 액정 중합체 20중량%로 이루어진 용액을, 와이어 바(wire bar)를 사용하여 폴리비닐 알콜로 문질러 처리한 50㎛ 두께의 셀룰로즈 트리아세테이트 필름 표면에 도포한다(약 0.1㎛ 두께). 160±20℃에서 5분 동안 가열 배향시킨 후, 피복된 필름을 실온에서 냉각시켜 500 내지 600㎚의 선택적 반사 파장 영역을 가진 좌 원형 편광이 투과할 수 있는 원형 편광 분리막을 가진 2㎛ 두께의 편광 소자를 수득한다.
그 후, 전면 지연도가 140㎚이고 Nz가 1이며 폴리카보네이트 배향 필름으로 형성된 1/4 파장 판을 20㎛ 두께의 아크릴성 접착층을 사용하여 상기 언급된 원형 편광 분리막에 접착시켜 광학 소자를 수득하고, 표면 광원을 상기 언급된 편광 소자 아래에 배열하여 조명 장치를 수득한다. 표면 광원은 도트가 인쇄되어 있는 배면에 있는 4㎜ 두께의 아크릴성 광 전도판, 광 전도판의 측면에 배열된 3㎜ 직경의 상온 음극, 광 전도판과 상온 음극의 측면을 둘러싸고 있는 알루미늄-침전 필름, 및 상기 언급된 도트 아래에 적재되어 있는 발포된 폴리에스테르 필름으로 형성된 반사 시트를 포함한다. 이러한 표면 광원은 20㎛ 두께의 아크릴성 접착층을 삽입시킨 원형 편광 분리막 아래에 배열되며 프레싱에 의해 함께 적층된다.
실시예 2
조명 장치는 프리즘 시트를 광 전도막에 적재시키는 것을 제외하고는 실시예 1에 따라 수득한다.
실시예 3
실시예 1에 따라, 메조겐 비가 서로 상이한 5㎛ 두께의 원형 편광 분리막을 가진 두 가지 종류의 편광 소자를 수득한다. 원형 편광 분리막 중의 하나는 선택적 반사 파장 영역이 400 내지 470㎚인 좌 원형 편광을 투과시키고, 다른 하나는 선택적 반사 파장 영역이 600 내지 700㎚인 좌 원형 편광을 투과시킨다. 두 가지 종류의 편광 소자를 액정 중합체 막이 서로 마주보도록 이의 하나 위에 다른 하나를 적재시켜 130℃로 가열한 적층롤 사이에 도입하여 선택적 반사 파장 영역이 400 내지 700㎚이고 액정 중합체 막이 서로 밀접하게 접촉된 상태로 적층되어 있는 원형 편광 분리막을 포함하는 편광 소자를 수득한다. 그 후, 전면 지연도가 135㎚이고 Nz가 0.5이며 폴리카보네이트 배향 필름으로 형성된 1/4 파장 판을 20㎛ 두께의 아크릴성 접착층을 사용하여 이의 나선 피치가 보다 큰 면에 접착시켜 광학 소자를 수득한다. 생성된 광학 소자를 사용하여, 조명 장치를 실시예 1에 따라 수득한다.
실시예 4
조명 장치는 프리즘 시트를 광 전도막에 적재시키는 것을 제외하고는 실시예 2에 따라 수득한다.
비교 실시예 1
원형 편광 분리막은 가열 배향을 2분 동안 수행하여 편광 소자, 광학 소자 및 조명 장치를 수득하는 것을 제외하고는 실시예 1에 따라 수득한다.
비교 실시예 2
조명 장치는 프리즘 시트를 광 전도막에 적재시키는 것을 제외하고는 비교 실시예 1에 따라 수득한다.
비교 실시예 3
원형 편광 분리막은 가열 배향 온도의 분산을 160±20℃로 증가시켜 편광 소자, 광학 소자 및 조명 장치를 수득하는 것을 제외하고는 실시예 2에 따라 형성한다.
비교 실시예 4
조명 장치는 프리즘 시트를 광 전도막 위에 적재시키는 것을 제외하고는 비교 실시예 3에 따라 수득한다.
평가 시험
광학 특성
실시예 및 비교 실시예에서 수득한 편광 소자에 대해, 헤이즈율, 평행 광 투과율, 총 광 투과율, 확산 투과율, 거울 반사율, 확산 반사율과 거울 반사 분율 및 이의 평면내 분산을 닛폰 덴쇼쿠 고기요사에서 제조한 NDH-20D 시험기로 측정한다. 이에 대한 결과가 표 1에 제시되어 있다.
휘도의 향상 정도, 색도 차이 및 불균일한 표시
편광판을 실시예 및 비교 실시예에서 수득한 각각의 조명 장치의 광 방출면에 놓고 최대 휘도를 나타내도록 축각을 조절하여 이의 전면(수직) 방향으로의 휘도 및 색도(x1, y1) 및 이들의 산란을 톱콘사에서 제조한 BM-7 시험기로 측정한다. 광학 소자가 없는 조명 장치에서의 전면 휘도를 100으로 하여, 휘도의 향상 정도를 측정한다. 또한, 색도 차이는 광학 소자가 없는 조명 장치에서 전면 방향에서의 색도(x0, y0)로부터 다음의 수학식에 따라 계산한다 :
색도 차이 = √{(x1-x0)2+(y1-y0)2}
또한, 불균일한 표시는 편광 소자를 육안으로 관찰하여 측정한다. 이의 결과가 표 2에 제시되어 있다.
실시예 비교 실시예
1 2 3 4 1 2 3 4
헤이즈율(%) 4±2 4±2 4±2 4±2 24±5 24±5 10±10 10±10
평행 광 투과율(%) 41±5 41±5 53±4 53±4 37±8 37±8 39±17 39±17
총 광 투과율(%) 53±7 53±7 55±6 55±6 49±9 49±9 48±24 48±24
확산 광 투과율(%) 2±1 2±1 2±1 2±1 12±4 12±4 9±7 9±7
거울 반사율(%) 35±7 35±7 40±4 40±4 20±8 20±8 23±13 23±13
확산 반사율(%) 14±7 14±7 10±3 10±3 22±7 22±7 24±16 24±16
거울 반사 분율(%) 71±9 71±9 80±5 80±5 48±10 48±10 49±18 49±18
휘도의 향상 정도 색도 차이 불균일한 표시
실시예 1 128±1 0.022±0.002 거의 관찰되지 않음
실시예 2 115±1 0.024±0.002 거의 관찰되지 않음
실시예 3 155±2 0.011±0.002 거의 관찰되지 않음
실시예 4 134±2 0.009±0.002 거의 관찰되지 않음
비교 실시예 1 123±1 0.021±0.002 거의 관찰되지 않음
비교 실시예 2 109±1 0.023±0.002 거의 관찰되지 않음
비교 실시예 3 152±7 0.010±0.010 현저함
비교 실시예 4 123±5 0.007±0.009 현저함
구체적인 이의 실시 양태를 참고로 하여 본 발명을 상세하게 기술하기는 하였지만, 당해 기술분야의 숙련가들은 분명히 본 발명의 본질 및 범위를 벗어남이 없이 이를 다양하게 변화 및 변형시킬 수 있을 것이다.
본 발명에 따르는 편광 소자는 대량생산 및 편광 분리 기능이 탁월하며 편광판에 의해 유발되는 흡수 손실이 거의 없는 편광을 우수한 입사광 이용 효율로 제공할 수 있으며, 이러한 편광 소자를 사용하여 제조하는 광학 소자, 조명 장치 및 액정 표시 장치는 프리즘 배열막을 배열시킬 경우에도 전면 방향으로 휘도가 거의 감소하지 않으며 휘도가 우수하고 불균일한 표시가 감소된다.

Claims (19)

  1. (a) 헤이즈율이 10% 이하이거나, (b) 입사광에 대한 평행 투과광의 비가 40 내지 60%이고, (c) 입사광에 대한 거울 반사광의 비가 25% 이상이며, (d) 입사광에 대한 확산 반사광의 비가 20% 이하이거나, (e) 총 반사광에 대한 거울 반사광의 분율이 60% 이상인, 반사 및 투과를 통해 입사광을 편광으로 분리시키는 기능을 가진 편광 소자.
  2. 제1항에 있어서, (a) 헤이즈의 평면내 분산이 6% 이하이거나, (b) 평행 투과광의 평면내 분산비가 15% 이하이고, (c) 거울 반사광의 평면내 분산비가 10% 이하이며, (d) 확산 반사광의 평면내 분산비가 10% 이하이거나, (e) 거울 반사광의 평면내 분산율이 15% 이하인 편광 소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 입사광에 대한 투과광의 비가 40 내지 65%인 편광 소자.
  4. 제3항에 있어서, 투과광의 평면내 분산비가 15% 이하인 편광 소자.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 입사광에 대한 확산 투과광의 비가 10% 이하인 편광 소자.
  6. 제5항에 있어서, 확산 투과광의 평면내 분산비가 6% 이하인 편광 소자.
  7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 반사 및 투과를 통해 입사광을 편광으로 분리시키는 기능이 그랜진-배향된 콜레스테릭 액정막에 기초하는 편광 소자.
  8. 제7항에 있어서, 콜레스테릭 액정막의 그랜진 배향에서의 나선 피치가 두께 방향으로 변하는 편광 소자.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 콜레스테릭 액정막이 반사광의 중심 파장이 상이한 두 개 이상의 콜레스테릭 액정 중합체 막의 적층물로 이루어진 편광 소자.
  10. 제1항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 따르는 편광 소자, 및 하나 또는 두 개 이상의 지연막으로 형성되고 상기 편광 소자의 하나 이상의 면에 적재되어 있는 1/4 파장판을 포함하는 광학 소자.
  11. 제10항에 있어서, 특정 편광축을 갖는 직선 편광은 투과되고 다른 빛은 반사되는 광학 소자.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 지연막이 하나 또는 두 개 이상의 액정 중합체 막으로 이루어진 광학 소자.
  13. 제12항에 있어서, 액정 중합체 막이 비틀림 배향된 액정 중합체로 형성되어 있는 광학 소자.
  14. 제10항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서, 이색 성분을 함유하는 편광판이 1/4 파장 판에 적재되어 있는 광학 소자.
  15. 표면 광원 및 제1항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 따르는 편광 소자, 또는 이 위에 적재된 제10항 내지 제14항 중의 어느 한 항에 따르는 광학 소자를 포함하는 조명 장치.
  16. 제15항에 있어서, 하나 이상의 프리즘 배열막을 가진 조명 장치.
  17. 제16항에 있어서, 두개 이상의 프리즘 배열막이 상층과 하층에서 프리즘 배열막의 배열 방향이 서로 교차하는 상태로 배열되어 있는 조명 장치.
  18. 제15항 내지 제17항 중의 어느 한 항에 따르는 조명 장치, 및 이의 광 방출면에 배열된 액정 셀을 이들 사이에 위치하는 편광판과 함께 포함하는 액정 표시 장치.
  19. 구성막이 접착층에 의해 전부 또는 일부 접착되어 있는, 제1항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 따르는 편광 소자, 제10항 내지 제14항 중의 어느 한 항에 따르는 광학 소자, 제15항 내지 제17항 중의 어느 한 항에 따르는 조명 장치 또는 제18항에 따르는 액정 표시 장치.
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