KR20000004931A - 다층 광학필름을 채용한 광가이드 - Google Patents

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Abstract

비-광방사부(44)를 갖춘 광가이드(42)는 제1 및 제2의 실질적으로 비흡수성 길이방향 정반사 광반사기 재료로 구성된다. 각 층의 굴절률은 층이 총괄적으로 높은 길이방향 정반사 반사율을 갖도록 근접한 층의 굴절률과 다르다. 또한, 광가이드는 분광가이드 벽재료로 구성된 광방사부(48)를 갖는다. 실질적으로 비흡수성 광산란 메커니즘(52)은 광방사부(48)의 반대쪽 비-광방사부(44)내에 위치된다.

Description

다층 광학필름을 채용한 광가이드
종래 기술은 광원으로부터 떨어진 하나 이상의 영역에서의 제어된 방사를 위해 광가이드를 따라 광을 분산시킬 수 있는 다양한 광가이드를 발전시켰다. 미국 특허 제4,750,798호는 상기 종래 기술의 광가이드 중의 한 예이다.
상기 종래 기술의 광가이드는 대부분 내부 반사면을 갖는다. 따라서, 가이드의 일단으로 도입되는 광선은 광선이 가이드의 타단으로 진행됨에 따라 가이드의 내벽에 의해 반사된다. 많은 광의 적용에 있어서, 광가이드는 단위길이 당 가이드로부터 방사된 광량이 가이드의 전체길이 또는 광가이드의 광방사 영역 각각의 전체길이를 따라 만족스럽게 균일하도록 제어되는 방법으로 광이 "누설(leak)"되도록 설계된다.
또한, 종래 기술은 조명장치로부터 광을 추출하는 효과적인 수단을 발전시켜 왔다. 미국 특허 제5,339,382호(white head)는 광산란 소자의 사용을 통해 효과적인 방향성 출력을 갖는 최근에 이용 가능한 한 분광가이드 조명기구를 예시한다.
미국 특허 제4,984,144호(Cobb,Jr. et al)에 종래 기술의 다양한 광가이드를 형성하는데 사용되어 왔던 제품번호 2300 또는 2301하에서의 "광학 조명 필름"으로서 3M주식회사로부터 이용 가능한 분광 굴절 광학 조명 필름(이하, "분광가이드 벽재료"로 칭함)이 개시되어 있다. 상기 종래 가이드의 공통적인 목적은 영역을 효과적이고 균일하게 조사하기 위하여 점광원으로부터 영역에 걸쳐 광을 분산시키는 것이다. 일반적으로, 이 목적은 광이 가이드로부터 방사되고 가이드를 따라 분산되는 효율을 극대화시키는 반면, 섬광을 최소화한다. 분광가이드 벽재료로 형성된 광가이드는 조도 수준에 비해 낮은 섬광을 갖는 광을 넓은 면적에 걸쳐 균일하고 넓게 방사할 수 있다. 상기 가이드는 상대적으로 쉽고 값싸게 제작되어 효과적인 역할을 수행한다.
상기 종래 광가이드의 일반적인 형태에 있어서, 분광가이드 벽재료는 전형적으로 관형상 관을 형성하고, 추출 메커니즘이 관의 내측에 구비된다. 보통, 광원으로부터 관으로 도입되는 광선은 벽재료에 의해 내부 반사되어 관을 따라 안내된다. 그러나, 추출 메커니즘과 마주치는 소정 광선은 분광가이드 벽재료를 통해 누출될 수 있는 방법으로 반사된다. 그러나, 이러한 형태의 광가이드는 가이드로부터 확산광을 추출하는데 있어서 상대적으로 비효율적이다. 전형적으로, 이것은 광선이 가이드의 요구되는 광방사부로부터 방사되기 전에 분광가이드 벽재료의 외부의 반사 커버에 의해 여러번 반사되기 때문이다. 현재, 이용 가능한 재료로 구축된 광가이드에 있어서, 상기 각각의 반사는 약 5% 내지 10%의 흡수 손실을 초래한다. 결과적으로, 이용 가능한 광의 약 25%가 가이드로부터 방사되는 대신 흡수되어 사라진다. 즉, 분광가이드 벽재료로 형성된 종래 기술의 광가이드의 추출효율은 단지 약 75%이다.
유럽 특허 공보 제355727A2호(Waymouth)에는 교대로 되는 공기 플라스틱 층이 다른 굴절률을 나타내도록 각 층 사이에 공기가 삽입된 투명 플라스틱 필름의 다수층으로 이루어진 광가이드가 개시되어 있다. 그러나, 추출효율 문제는 남아있다.
분광가이드 벽재료로 형성된 광가이드의 추출효율은 가이드로부터 광을 추출하는 교대 기술을 사용함으로써 향상시킬 수 있다. 특히, 분광가이드 벽재료의 내측에 추출 메커니즘을 구비하는 대신 다수의 구멍이 가이드로부터 광이 추출되는 영역에 걸친 벽재료에 제공되거나, 벽재료가 그 영역 내에서 변형된다. 일반적으로, 이러한 설계에 따라, 광가이드로부터 누출된 광선은 누출되기 전에 보다 적은 반사를 격음으로써 전체 추출효율은 더 높아지게 된다. 전형적으로, 단지 추출된 광의 약 5%만이 흡수되어 없어지므로, 추출효율은 앞의 예에서의 값 75%에 비하여 바람직하게 약 95%이다. 보다 낳은 장점은 몇몇 경우에 있어서 매우 높고 좁은 구조물 공간의 조사에서와 같이 누출광이 고방향성인 것이 바람직하다는 것이다. 상기 방향성은 이 교대 추출기술로 손쉽게 달성된다.
교대 추출기술의 장점에도 불구하고, 이것은 2가지 이유로 인하여 일반적이지 못하다. 첫째로, 이 기술에 따라 구축된 광가이드는, 일반적으로 시각적으로 덜 매력적인 것으로 여겨진다. 예컨대, 방사면이 광 강도의 비균일 분포를 갖는 것으로 느껴지고, 몇몇 장소에서는 너무 밝게 느껴진다. 둘째로, 교대 추출기술을 채용하는 광가이드의 설계 및 제조가 대단히 어렵다. 전형적으로, 상기 설계의 시제품 제작은 가치있는 분광가이드 벽재료의 상당량이 불가피하게 파괴되는 반복처리를 포함한다. 상기 설계를 제조하는 것은 분광가이드 벽재료의 표면에 걸쳐 추출효과의 최적 분산을 얻기 위해 복잡한 패터닝 기술을 필요로 한다.
본 발명은 새롭게 발견된 다층 광학필름 재료의 성질을 활용함으로써 상기 문제점을 극복하기 위한 것이다.
본 출원은 확산광의 효과적이고 균일한 방사를 얻기 위해 과반사 다층 광학필름이 이용되는 광가이드에 관한 것이다.
도 1은 광추출 메커니즘을 포함하고 분광가이드 벽재료로 형성된 종래 기술의 광가이드의 도식적인 단면도,
도 2는 다수의 구멍이 광이 추출되는 영역에 걸쳐 벽재료에 구비된 분광가이드 벽재료로 형성된 종래 기술 광가이드의 도식적인 단면도,
도 3은 다층 광학필름 재료의 2개의 층의 확대 사시도,
도 4는 적어도 2개의 다른 재료의 교대 층에 의해 형성된 다층 광학필름 재료의 다수층의 확대 사시도,
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 다층 광학필름 재료로 형성된 광가이드의 도식적 단면도이다.
본 실시예에 따르면, 본 발명은 제1 및 제2의 실질적으로 비흡수성 길이방향 정반사 광반사기 재료의 다층으로 구성되는 비-광방사부를 갖는 광가이드를 제공한다. 층들이 총괄적으로 높은 길이방향으로의 정반사 반사율을 갖도록 각 층의 굴절률은 가까이 인접한 층의 굴절률과 다르게된다. 또한, 광가이드는 분광가이드 벽재료로 이루어진 광방사부를 갖는다. 실질적인 비흡수성 광산란 메커니즘은 광방사부의 반대의 비-광방사부내에 위치한다.
광가이드의 비-광방사부로 구성된 다수 적층된 재료는 층의 1축에서 2축 배향의 범위에 걸쳐 총괄적으로 복굴절되고 총괄적으로 높은 길이방향 정반사 반사율을 갖는 층과 함께, 각 층이 응력 유도형 복굴절을 갖도록 교대 될 수 있다. 다른 대안으로서, 적층된 재료는 층이 총괄적으로 높은 길이방향 정반사 반사율을 갖도록 혼합이 다른 제1 및 제2의 실질적으로 비흡수성 폴리머일 수 있다.
광가이드의 단면은 실질적으로 일정할 수 있거나, 그 단면이 가이드를 따라 감소될 수도 있다. 두 경우에 있어서, 광산란 메커니즘의 폭은 광가이드에 따른 길이의 함수로서 증가할 수 있다.
유익하게, 저흡수 렌즈는 광가이드의 광방사부의 외부에 위치될 수 있다. 렌즈의 광투과율 특성은 파장과, 편광, 각도, 또는 이들의 조합의 함수에 따라 변할 수 있다.
도 1은 분광가이드 벽재료로 형성된 전형적인 종래 광가이드(10)의 도식적 단면도이다. 외부 커버는 상부, 전형적으로 불투명부(12)와 광가이드(10)의 내부 구성요소를 보호하는 하부 반투명부(14)를 갖는다. 가이드(10)를 따라 전파되거나 불투명 커버부(12)에 충돌하는 광을 반사하기 위해 백색 반사필름(16)이 불투명 커버부(12)의 내측에 직접 구비된다. 광가이드(10)를 따른 길이방향으로 광원(도시되지 않았음)으로부터 방사된 광을 안내하기 위해 분광가이드 벽재료로 형성된 관형상 관(18)이 필름(16)의 내측에 구비되어, 백색 추출기 필름(20)의 부분이 관(18)의 내측 상부 근처에 구비된다. 추출기 필름(20)은 그위로 반사된 광선을 산란시켜, 반투명 커버부(14)를 통한 방사동안 관(18)을 통해 누출되도록 한다.
일반적으로, 관(18) 내측의 광량이 실질적으로 가이드(10)를 따른 거리의 함수로서 변화한다는 사실에도 불구하고, 가이드(10)의 길이를 따라 상당히 균일한 광 출력을 얻기 위하여, 추출기 필름(20)의 폭이 광가이드(10)를 따른 거리의 함수로서 변화된다. 해당 기술분야의 숙련된 사람은 요구되는 균일한 광 출력을 얻기 위하여 특정한 광가이드를 위한 추출 필름(20)의 폭 변화를 손쉽게 맞추어 제작할 수 있다.
도 1에 도시된 광가이드 구성 요소의 체적은 가이드(10)의 요구되는 길이와 광원의 성질 및 요구되는 광 출력패턴 등의 설계 목적에 적합하도록 하나의 적용으로부터 다른 적용으로 두드러지게 변화할 수 있다. 가이드의 단면 형상은 둥글 필요는 없는 바, 타원 및 직사각형 같은 다양한 형상이 일반적으로 사용될 수 있다.
다음의 일반적인 설명은, 도 1에 예로서 나타낸 분광가이드 벽재료로 형성된 상기 모든 광가이드의 특성을 나타낸다. 관(18)의 일단으로 도입되는 광은 타단을 향하여 안내되고, 이 광은 여기서 이 광을 그 광원으로 되돌리는 선단 미러(도시되지 않았음)와 마주치게된다. 광이 선단 미러로 안내되고 되돌려짐에 따라, 추출기 필름(20)의 산란 효과에 기인하여 대부분의 광은 가이드(10)로부터 누출된다. 특히, 각 광선은 광선이 추출기(20)와 마주칠 때까지 관(18)에 의해 내부적으로 반사된다. 추출기(20)로 입사된 대부분의 광선은 상기 광선이 관(18)을 통해 누출하는 것을 허용하는 실제적으로 투명한 관(18)을 향해 산란된다. 상기 설명한 바와 같이, 이러한 형태의 광가이드는 가이드(10)로부터 방사되기에 앞서 백색 반사필름(16)에 대항하여 다수 반사를 격는 광선으로서 발생하는 흡수 손실에 기인하여, 가이드로부터 확산광을 추출하는데 있어서 상대적으로 비효율적이다.
도 2는 분광가이드 벽재료로 형성된 광가이드의 추출효율을 향상시키기 위한 상기 종래 기술을 도시한 것이다. 광가이드(10)에서와 같이 광가이드(도 2)가 상부 불투명부(24) 및 하부 반투명부(26)를 갖는 보호용 외부 커버와; 백색 반사필름(28) 및; 분광가이드 벽재료로 형성된 관형상 관(30)을 갖는다. 광이 가이드(22)로부터 추출되는 영역에 걸쳐 일련의 추출 광구멍(32)이 관(30)에 제공된다. 일반적으로, 구멍(32)을 통해 가이드(22)로부터 누출되는 광선은 누출되기 전에 적은 내부 반사를 겪으므로, 일반적으로 가이드(22)의 추출효율은 상기 설명된 바와 같은 가이드(10)의 효율보다 좋아진다.
다층 광학필름
다층 광학필름을 갖는 광가이드를 구축함으로써 달성 가능한 이익을 이해 함에 있어서, 해당 기술분야의 이러한 기술을 돕기 위한 상기 필름을 간단히 설명한다. 상기 필름의 장점과 특성 및 제조는 국제 특허공개 제WO 95/17303호에 기술되어 있다. 다층 광학필름은, 예컨대 고효율의 미러 및/또는 편광기로서 유용하다. 다층 광학필름의 성질 및 특성의 상대적으로 간단한 설명이 본 발명에 따른 다층 광학 필름을 채용하는 광가이드의 도시되는 실시예의 설명에 따라 아래에 제안된다.
도 3은 다층 스택(100)의 2개의 층을 나타내고, 각 층의 3차원 굴절률을 나타내고 있다. 각 층에 대한 굴절률은 층(102)에 대해 η1x과, η1y 및, η1z이고, 층(104)에 대해 η2x와, η2y 및, η2z이다. 필름 스택에 있어서, 서로에 대한 각 필름 층내의 굴절률과 다른 층의 굴절률 사이의 관계는 소정 입사각에서 소정 방위각 방향으로부터 다층 스택의 반사행동을 결정한다. 국제 특허공개 제WO95/17303호에 기술된 원리 및 설계 고려는 넓고 다양한 환경 및 적용을 위한 바람직한 광학 효과를 갖는 다층 스택을 고안하는데 적용할 수 있다. 다층 스택에 있어서 층의 굴절률은 바람직한 광학 성질을 만들기 위하여 다루어지고 재단된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 예의 다층 광학필름은 적어도 2가지 재료 A 및 B가 교대로 되는 층을 갖는 다층 스택(100)을 포함한다. 바람직하게는, 적어도 하나의 재료, 예컨대 재료 A가 응력 유도형 복굴절의 성질을 갖춤에 따라 재료의 굴절률은 필름이 신장하는 방향으로 신장하는 처리에 의해 영향받는다. 신장 전에 양 재료는 동일 굴절률을 가질 수 있다. X방향으로 스택을 신장하는 것은, 예컨대 신장하는 방향으로 재료 A의 굴절률을 증가시킨다. 이 1축(1방향) 신장은 신장하는 방향에서의 층 사이의 굴절률 차(Δηx)로 귀결된다. 층 사이의 이 굴절률 차는 신장하는 방향(예컨대, X-Z평면)에 의해 정의되는 평면 내에서 편광된 광이 반사되게 한다. Y방향으로 신장이 없으면, Y방향(예컨대, Δηy=0)으로 굴절률 차가 없고, 그러므로 Y-Z방향으로 편광된 광이 투과된다. 따라서, 1방향으로의 신장은, 다층 반사 편광자를 초래한다.
필름이 2축으로 신장되면, 예컨대 X 및 Y방향으로 신장되면, 양 방향으로의 굴절률 차가 야기된다. 그러므로, X-Z 및 Y-Z 평면 모두에서 편광된 광이 반사된다. 그러므로, 2축으로 신장되는 다층 스택은 미러로서의 역활을 한다. 1축에서 2축 배향의 범위에 걸쳐 다층 스택을 신장함으로써, 다르게 배향된 평면 편광 입사광을 위한 반사율 범위를 갖는 필름이 제조된다. 따라서, 다층 스택은 요구되는 최종용도 적용에 따라 편광자, 미러 또는 부분 미러로서 유용하게 될 수 있다. 수직입사에 있어서의 광에 대한 고 반사율 뿐 아니라 고 편축 반사율을 달성하기 위하여, Z방향의 굴절률 차(예컨대,Δηz)의 관계가 매우 중요한 것을 발견하게 된다.
이상적으로, 미러 및 편광자 양쪽에 대한 Z율 매치(예컨대, Δηz=0인 상태)는 고 편각 반사율(미러의 경우에 있어서 양 편광을 위하고, 편광자에 있어서 반사 편광을 위한)을 보장한다. 그러나, 정확한 Z율 매치가 가능하지 않는 이러한 편광자를 위해, Y율 차는 편각 반사율이 극대화되는 것을 보장하도록 처리될 수 있다. 이 경우에 있어서, y율 차는 z율 차의 부호와 바람직하게 매치된다.
본 발명과 관련되어 사용되는 다층 광학필름은 상기한 바와 같이 수직광선 및 편축을 위한 고 반사율 뿐 아니라, 입사광의 상대적으로 낮은 흡수를 나타낸다. 본 발명에 따라 구축된 다층 광학필름은 매우 크거나 존재하지 않는 Brewster각(어떤 층 경계면에서 입사광을 위해 반사율이 제로로 진행하는 각)을 나타낸다. 한편, 공지된 다층 폴리머 필름은 광의 투과율 및/또는 요구되지 않는 훈색(暈色)에 기인하여, 층 경계면에서 상대적으로 작은 Brewster각을 나타낸다. 그러나, 본 발명에 따른 다층 광학필름은 p 편광된 광을 위한 그 반사율이 입사각에 따라 점차 감소하고 입사각에 독립적이거나, 법선에서부터 벗어나는 입사각에 따라 증가하는 미러 및 편광자의 구축을 위해 허락된다. 결과적으로, 넓은 대역폭에 걸쳐, 그리고 넓은 각도 범위에 걸쳐 모두 s 및 p 편광된 광을 위한 고 반사율을 갖는 다층 스택이 달성될 수 있다.
도 4에 대해 다시 언급하면, 다층 스택(100)은 수 십개, 수 백개 또는 수 천개의 층을 포함할 수 있고, 각 층은 어떤 다수의 다른 재료로 제조될 수 있다. 특정 스택을 위한 재료의 선택을 결정하는 특성은 스택의 광 수행능력에 의존한다. 스택은 스택내의 층들과 동수의 재료를 포함할 수 있다. 제조를 쉽게 하기 위하여, 선호되는 광학 박막 스택(optical thin film stack)은 단지 소수의 다른 재료를 함유한다.
바람직한 다층 스택은 필름층의 저/고율 쌍을 구비하여 구성되고, 여기서 층의 각 저/고율 쌍은 반사를 위해 설계된 대역의 1/2 중앙 파장의 조합된 광학 두께를 갖도록 설계한다. 통상적으로, 상기 필름의 스택은 1/4파장 스택으로서 언급된다. 가시영역 및 적외선 파장영역 근처와 연관된 다층 광학필름을 위해, 1/4파장 스택 설계는 0.5㎛를 넘지 않는 평균 두께를 갖는 다층 스택내의 각 층으로 귀결된다.
반사필름(예컨대, 미러)이 요구되는 이러한 적용에 있어서, 각 편광 및 입사면의 광을 위해 요구되는 평균 투과율은, 일반적으로 반사필름의 의도된 사용에 의존한다. 다층 미러 필름을 생성하기 위한 한 방법은 저/고율 쌍의 고율 층으로서 복굴절 재료를 함유한 다층 스택을 2축으로 신장하는 것이다. 고효율 반사필름을 위해, 가시 스펙트럼(400-700nm)에 걸친 수직입사에서 각 신장되는 방향을 따른 평균 투과는 적정하게는 10%(90% 보다 큰 반사율)미만이고, 바람직하게는 5%(95% 보다 큰 반사율)미만이며, 더욱 바람직하게는 2%(98% 보다 큰 반사율)미만이고, 더 더욱 바람직하게는 1%(99% 보다 큰 반사율)미만이다. 400-700nm에서의 수직입사로부터 60도에서의 평균 투과는 적정하게는 20%(80% 보다 큰 반사율) 미만이고, 바람직하게는 10%(90% 보다 큰 반사율) 미만이며, 더욱 바람직하게는 5%(95% 보다 큰 반사율) 미만이고, 더 더욱 바람직하게는 1%(99% 보다 큰)미만이다.
더욱이, 비대칭 반사필름이 소정 적용을 위해서 적절할 수 있다. 그와 같은 경우에 있어서, 예컨대 가시 스펙트럼(400-700nm) 대역폭에 걸쳐, 또는 가시 스펙트럼에 걸치고 적외선(예컨대, 400-850nm) 가까이 까지 걸쳐, 한 신장방향을 따른 평균 투과는 바람직하게는, 예컨대 50% 미만일 수 있는 반면, 다른 신장방향을 따른 평균 투과는, 예컨대 20% 미만일 수 있다.
또한, 다층 광학필름은 반사 편광자로 동작되게 설계될 수 있다. 다층 반사 편광자를 생성하기 위한 한 방법은 다층 스택을 1축으로 신장하는 것이다. 결과적인 반사 편광자는 넓은 범위의 입사각을 위한 1축(신장되는 방향)에 평행한 그 편광면과 함께 광을 위한 고 반사율을 갖는 동시에, 넓은 범위의 입사각을 위한 다른 축(비신장방향)에 평행한 그 편광면과 함께 광을 위한 저 반사율 및 고 투과율을 갖는다. 각 필름의 세 굴절율 ηx와 ηy 및 ηz를 제어함으로써, 요구되는 편광 행동을 얻을 수 있다.
많은 적용에 있어서, 이상적인 반사 편광자는 모든 입사각에서 1축(소위, 흡광축)을 따라 고 반사율을 갖고, 다른 축(소위, 투과축)을 따라 제로 반사율을 갖는다. 편광자의 투과축을 위해, 일반적으로 투과축의 방향으로 편광된 광의 투과를 관심있는 대역폭 및 관심있는 각도 범위에 걸쳐 극대화하는 것이 필요하다.
가시 스펙트럼(300nm의 대역폭을 위해 400-700nm)을 가로지르는 투과축에 있어서, 편광자를 위한 수직입사에서 평균 투과는 적당하게는 적어도 50%이고, 바람직하게는 적어도 70%이며, 더욱 바람직하게는 적어도 85%이고, 더 더욱 바람직하게는 적어도 90%이다. 400-700nm로부터의 편광자를 위한 법선으로부터 60도에서 평균 투과(p편광된 광을 위해 투과축을 따라 측정된)는 적당하게는 적어도 50%이고, 바람직하게는 적어도 70%이며, 더욱 바람직하게는 적어도 80%이고, 더 더욱 바람직하게는 적어도 90%이다.
흡광축이 가시 스펙트럼(300nm의 대역폭을 위한 400-700nm)을 가로지르는 방향으로 편광된 광을 위한 수직입사에서 다층 반사 편광자를 위한 평균 투과는 적당하게는 50%이고, 바람직하게는 30% 미만이고, 더욱 바람직하게는 15% 미만이며, 더 더욱 바람직하게는 5% 미만이다. 400-700nm로부터 흡광축의 방향으로 편광된 광을 위한 편광자를 위해 수직입사로부터 60도에서의 평균 투과(p편광된 광을 위해 투과축을 따라 측정된)는 적당하게는 50%미만이고, 바람직하게는 30%미만이고, 더욱 바람직하게는 15%미만이며, 더 더욱 바람직하게는 5%미만이다.
소정 적용에 위하여, 그 편광면이 수직에서 이탈된 각도에서 투과축과 평행한 p편광된 광을 위해 고 반사율이 바람직하다. 투과축을 따라 편광된 광을 위한 평균 투과율은 수직으로부터 적어도 20도의 각도에서 20%이상이어야 한다.
더욱이, 반사 편광 필름 및 비대칭 반사필름은, 여기서 분리되어 논의되었음에도 불구하고, 둘 또는 그 이상의 상기 필름이 그것들 상으로 입사하는 모든 실질적인 입사광을 반사하도록 구비될 수 있는 것으로 이해되어 진다(그것들이 그렇게 되도록 서로에 대하여 적당히 배향하도록 구비된다). 전형적으로, 이러한 구성은 다층 광학필름이 본 발명에 따른 배광 시스템에서 반사기로서 사용될 때에 요구되어진다.
몇몇 반사율이 투과축을 따라 발생하면, 수직에서 이탈된 각도에서의 편광자의 효율은 감소될 수 있다. 투과축을 따른 반사율이 다양한 파장을 위해 다르게 되면, 색이 투과된 광에 도입될 수 있다. 색을 측정하기 위한 한 방법은 관심 있는 파장 범위에 걸쳐 선택된 각도나 각도들에서 투과율의 제곱평균값(RMS)을 결정하는 것이다. % RMS의 색(CRMS)은 다음 식에 따라 결정될 수 있다:
여기서, λ1에서 λ2의 범위는 관심있는 파장범위 또는 대역폭, T는 투과축을 따른 투과율, 은 관심 있는 파장범위에서 투과축을 따른 평균 투과율이다. 저색 편광자가 요구되는 적용을 위하여, % RMS 색은 수직으로부터 적어도 30도, 바람직하게는 수직으로부터 적어도 45도, 더욱 바람직하게는 수직으로부터 적어도 60도에서의 각도에서 10%미만, 바람직하게는 8%미만, 더욱 바람직하게는 3.5%미만, 더 더욱 바람직하게는 2%미만이어야 한다.
바람직하게, 반사 편광자는 관심있는 대역폭을 가로지르는 흡광축을 따른 반사율의 요구되는 양과 특정 적용을 위한 투과축을 따른 요구되는 %RMS 색을 결합한다. 가시영역(400-700nm 또는 300nm의 대역폭)내의 대역폭을 갖는 편광자를 위하여, 수직입사에서 흡광축을 따른 평균 투과는 적당하게는 40%미만 더욱 적당하게는 25%미만, 바람직하게는 15%미만, 더욱 바람직하게는 5%미만이고, 더 더욱 바람직하게는 3%미만이다.
재료의 선택 및 처리
상기 언급된 국제 특허공개 제WO 95/17303호에 기술된 설계 고려와 함께, 통상의 기술 중의 하나는 폭넓은 다양한 재료가 요구되는 굴절율 관계를 발생시키기 위해 선택된 상태하에서 처리될 때, 본 발명에 따른 다층 반사필름이나 편광자에 사용될 수 있는 것으로 쉽게 사료된다. 요구되는 굴절율 관계는 필름 형성(예컨대, 유기 폴리머의 경우에 있어서)동안이나 후의 연신작업, 압출 성형(예컨대,액정 재료의 경우에 있어서), 또는, 코팅을 포함하는 다양한 방법으로 달성될 수 있다. 더욱이, 두 재료가 동시에 압출 성형되도록 유사한 유동성(예컨대, 용해 점착성)을 갖는 것이 바람직하다. 재료 선택 및 처리 상태의 설명은 상기 언급된 국제 특허공개 제WO 95/17303호에서 발견할 수 있다.
다층 광학필름과 통합되는 광가이드
현재 이용 가능한 분광가이드 벽재료는 재료의 허용 각도 범위 내에서 입사되는 입사광의 약 98%를 반사하고, 그 범위 밖에서 입사되는 입사광을 높게 투과한다. 한편, 다층 광학필름 재료가 가장 최근에 이용 가능한 분광가이드 벽재료 보다 높은 반사율로, 모든 입사광 각도를 위해 상기 높은 반사율을 유지하는 방법으로 제조될 수 있다. 따라서, 다층 광학필름은 한 장소에서 다른 장소로 광을 안내하기 위한 관형상 관을 형성하는데 있어서, 분광가이드 벽재료를 위한 대체물로서 매우 적합하고, 관으로부터 광이 방사될 필요가 없게 제공된다.
또한, 다층 광학필름은 광이 효율적으로 추출될 수 있는 광가이드를 형성하는데 사용될 수 있다. 먼저, 본 발명의 하나의 가능한 실시예에 따른 다층 광학필름으로 형성된 광가이드(34)를 묘사한 도 5를 고려한다. 광가이드(34)는 분광가이드 벽재료 관(30)이 다층 광학필름으로 형성된 관형상 관(36)에 의해 대체된 것을 제외하고는 도 2의 광가이드(22)와 유사하다. 실질적으로는, 고반사 다층 광학필름(36)을 통해 누출되어 불투명 커버부(38)를 향하는 광이 없기 때문에, 백색 반사기 필름(28)은 가이드(34)에 있어서는 필요치 않다. 광추출 구멍(40)은 광이 반투명 커버(41)를 통해 추출되는 영역에 걸쳐 다층 광학필름 관(36)에 구비된다.
가이드(34)가 효율적으로 우수한 추출효율을 허용 할 수 있지만, 아직 가이드(22)에 영향을 미치는 몇몇 기본 문제에 종속된다. 특히, 추출 구멍(40)은 가이드(34)의 외관을 나쁘게 하고; 추출 구멍(40; 각 특정 설계에 대한 독특한 방법에 있어서, 가이드(34)를 따라 거리의 함수로서 변화해야 하는)의 요구되는 크기 및/또는 패턴에 따라 가이드(34)의 설계 및 제조를 어렵게 한다. 도 2의 설계를 구체화한 광가이드의 지난 경험은, 그러므로 도 5의 설계가 매우 성공적이지 못함을 시사한다.
이제, 본 발명의 다른(그리고 미리 언급된) 실시예에 따른 다층 광학필름으로 형성된 광가이드(42)를 묘사한 도 6을 고려한다. 광가이드(42)는, 분광가이드 벽재료 관(18)이 불투명 커버부(46)에 인접한 영역에서 다층 광학필름으로 형성되고, 불투명 커버부(50)에 인접한 영역에서 분광가이드 벽재료(48)로 형성된 혼합물 관형상 관(44)에 의해 대체되는 것을 제외하고는, 도 1의 광가이드(10)와 유사하다. 관(44)의 내측 상부 근처에 구비된 백색 추출기 필름(52)의 부분이 재료(48)가 가이드(42) 내에서의 입사광을 내부적으로 반사하는 각도 범위 밖의 각도에서 분광가이드 벽재료(48)를 향해 광선을 산란한다. 따라서, 상기 산란된 광선은 분광가이드 벽재료(48)를 통해 누출되고, 반투명 커버부(50)를 통해 방사된다. 실질적으로, 고반사 다층 광학필름(44)을 통해 불투명 커버부(46)를 향해 누출된 광이 없기 때문에, 백색 반사기 필름은 가이드(42) 내에서 필요치 않게 된다.
다층 광학필름(44)이 매우 낮은 흡수 손실과 함께 가이드(42)를 따라 광을 반사하므로, 광가이드(42)는 실질적으로 추출효율 손실의 문제를 감소시키는 동시에 광가이드(10)의 모든 장점을 유지한다. 그 이상의 장점은 다층 광학필름(44)이 불투명 커버 부분(46)과 접착될 수 있다는 것이다. 예컨대, 다층 광학필름(44)이 공급되어 시트 금속 기재와 접착된 다음, 불투명 커버부(46)를 구성하는 시트 금속과 함께 요구되는 광가이드 형상으로 형성될 수 있다.
다층 광학필름 기술의 상기 사용의 다른 장점은 가이드(42)의 최대 애스펙트 비가 다층 광학필름(44)의 보다 높은 반사율에 기인하여 다소 증가된다는 것이다. 더욱이, 다층 광학필름(44)이 보다 넓은 허용 각도 범위를 갖기 때문에 광원의 시준의 질은 덜 중요하다.
본 발명을 실시한 광가이드에 이용되는 다층 광학필름의 중요한 특성은 필름이 길이방향의 정반사 광반사기인 것이다. 여기에 사용되는 바와 같이, 용어 "길이방향의 정반사 광반사기"는 입사 및 반사광의 단위방향 벡터의 Z성분이 실질적으로 동일한 재료를 의미하며, 여기서 Z방향은 재료의 표면에 평행하고, 광가이드의 가장 긴 방향이다. 상기 재료는 다음과 같은 중요한 잘 정의된 광학 특성을 갖는 바, 재료가 길이방향을 가지므로, 어떤 입사광에 대해 그 광선과 그 길이방향 사이의 잘 정의된 각도가 있도록 된다. 어떤 주어진 입사광에 대해, 모든 합성광은 길이방향과 동일한 각도를 만든다. 해당 분야의 이러한 기술은 이 특성을 갖는 가능한 반사 방향의 범위가 콘(cone)상에 놓이는 것을 인가하게 한다. 일반적으로, 광학적으로 매끄러운 경계면만을 포함하고 설명된 길이방향내에서 병진 운동의 대칭성을 갖는 어떤 광학 재료는 이 길이방향의 정반사 특성을 나타낸다. 예로서는 광섬유와 광섬유의 묶음 및 선형 분광을 갖는 다양한 분광 시트를 포함하고, 모든 흐름은 길이방향에 평행하다.
해당 기술 분야의 이러한 기술은 "길이방향의 정반사"인 반사기가 "정반사"를 필요로 하지 않는 반면; 모든 "정반사" 반사기는 "길이반향으로 정반사"를 필요로 하는 것으로 사료된다. 그것들이 가이드를 진행함에 따라 가로지르는 산란이나 광선의 가로지르는 동작의 몇몇 다른 변형을 야기하도록, 정반사가 아닌 길이 방향의 정반사 반사기의 사용에 이로울 수 있는 몇몇 경우에서 이 차이는 중요하다. "정반사"인 반사기는 입사광선의 다른 단위방향 벡터를 변화시키지 않고 반사재료의 표면에 수직한 입사광선의 단위방향 벡터만을 역전함으로써 광선을 반사한다. "길이방향으로 정반사"인 반사기는 입사광선의 다른 단위방향 벡터가 산란될 수 있는 가능성과 함께 반사재료의 표면에 평행한 입사광선의 단위방향 벡터만이 변하지 않도록 광선을 반사한다.
향상된 광추출 재료
추출기 필름(20,52)을 형성하는데 사용되는 인공 재료의 상태는 그위로 입사되는 광의 약 5%에서 10%를 흡수한다. 특히, 산란된 광이 즉시 광가이드로부터 누출되지 않고 추출기에 의해 다음에 다시 산란되도록 내부적으로 반사되면, 발생하는 부가적인 흡수 손실과 함께 추출기에 의해 광이 초기에 산란될 때 흡수 손실이 발생한다. 후자의 효과는 상기 거리에서 추출기의 폭이 반드시 충분히 클 수 있으므로, 거리가 광원으로부터 증가함에 따라 더욱 중요해진다.
이 문제가 늘 존재함에도 불구하고, 이전에는 이것이 광가이드의 전체적인 효율에 강한 영향을 주지 않았기 때문에, 이것을 해결해야할 충분한 동기가 주어지지 않았고, 광가이드 그 자체를 형성하는데 사용되는 분광가이드 벽재료의 흡수 손실로 간주했다. 그러나, 고반사 다층 광학필름 기술의 도입과 함께, 이 문제는 대단히 중요하게 되었다.
추출기(52)를 형성하기 위해 가장 최근에 이용 가능한 재료(약 5%의 흡수율)를 사용하는 광가이드(42)의 추출효율은 약 85%이다. 추출기(52)가 99.5%를 반사한다면, 추출기 효율은 95%로 높아진다. 그러므로, 다층 광학필름 기술과 함께 매우 높은 효율 추출기의 사용은 광가이드(10; 도 1)의 외견상 인지할 수 있는 미적 질과 고효율 광가이드(22;도 2)를 조합할 수 있도록 한다.
추출기(52)는 고반사되는 다층 광학필름(44)의 내부 표면상에 탑제될 수 있기 때문에, 그것 자체가 고반사될 필요는 없다. 추출기(52)는 입사광만을 산란할 수 있는 바, 이것은 단일 직조된 공기 폴리머 경계면에 의해 달성될 수 있다. 요구되는 것은 폴리머 및 탑제 접착제가 극히 비흡수성인 것이다. 또한, 추출기(52)를 형성하는데 사용되는 재료는 손 및 전자 절단 장비에 의해 쉽게 조작되고 쉽게 절단되는 것이 요구되어진다.
전형적으로, 광가이드(42)의 단면은실질적으로 가이드를 따라 일정하다. 이용 가능한 광이 광가이드(42)를 따른 길이의 함수로서 감소되기 때문에, 추출기(52)는 광원으로부터 이격된 방향에서 가이드(42)를 따른 길이의 함수로서 그 폭을 증가시킴으로써 테이퍼된다. 한편으로 또는 부가적으로, 가이드의 단면 영역은 가이드를 따른 길이의 함수로서 데이퍼될 수 있다.
본 발명의 중심적인 형태는 광가이드(42)가 높은 총 반사율의 광학 공동(cavity)을 형성하는 것이다. 특히, 이전의 광가이드 설계와 뚜렷한 비교에서, 광선이 가이드의 광방사부로 향하면, 이러한 광선의 매우 높은 파편이 완전히 제 방사된다. 이 형태는 광방사 커버부(50) 외측의 분화된 필름렌즈(54)를 상기의 방법에서 방사된 광을 분포시키기 위해 위치 조정함으로써 장점을 가질 수 있다. 바람직하게는, 렌즈(54)는 저 광흡수특성과, 파장과 편광 각도 또는 그것들의 몇몇 조합의 함수로서 변하는 광투과율 특성을 갖는다. 이 방법에 있어서, 반사된 광은 광가이드(42)에 의해 재순화되고, 종래 기술 가이드에서와 같이 흡수되어 사라지기보다는 재사용 된다.
상술된 해당 분야에서의 광에 대해 명백한 바와 같이, 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 다수의 변형이 가능하다.

Claims (21)

  1. 비-광방사부(44)와, 광방사부(48) 및, 실질적으로 비흡수성 광산란수단(52)의 단면을 구비하여 구성된 광가이드(42)에 있어서,
    상기 광가이드(42)가;
    제1의 실질적으로 비흡수성 길이방향의 정반사 광반사기와,
    제2의 실질적으로 비흡수성 길이방향의 정반사 광반사기의 다수층을 구비하여 구성되고,
    상기 층의 각각의 하나가 상기 층중 하나에 인접한 층의 굴절률과 다른 선택된 굴절률을 갖추어 상기 다수층이 총괄적으로 높은 길이방향의 정반사 반사율을 갖는 비-광방사부(44)와;
    분광가이드 벽재료를 구비하여 구성된 광방사부(48) 및;
    광방사부(48)의 반대쪽의 상기 비-광방사부(44) 내에 위치한 실질적으로 비흡수성 광산란수단(52)에 의해 특징지워지는 것을 특징으로 하는 광가이드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광가이드 단면이 실질적으로 상기 광가이드를 따라 일정하고;
    상기 광산란수단(52)이 상기 광가이드를 따른 길이의 함수에 따라 증가하는 폭을 갖춘 것을 특징으로 하는 광가이드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광가이드 단면이 상기 광가이드를 따른 길이의 함수에 따라 감소하고;
    상기 광산란수단(52)이 상기 광가이드를 따른 길이의 함수에 따라 증가하는 폭을 갖춘 것을 특징으로 하는 광가이드.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광방사부의 외측에 위치된 렌즈(54)를 더 구비하여 구성되고,
    상기 렌즈가,
    낮은 광흡수성과;
    (i) 파장과,
    (ii) 편광 및,
    (iii) 각도
    중 하나 이상의 함수에 따라 변화되는 광투과율에 의해 특징지워지는 것을 특징으로 하는 광가이드.
  5. 제1항에 있어서, 상기 비-광방사부(44)를 에워쌈과 더불어 접착되는 불투명 커버(46)를 더 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 광가이드.
  6. 제1항에 있어서, 상기 광산란수단(52)이 비흡수성 접착제에 의해 상기 비-광방사부에 접착되는 비흡수성 단일 직조된 공기 폴리머 공유접촉영역을 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 광가이드.
  7. 제1항에 있어서, 상기 층 각각이 0.5㎛를 넘지 않는 두께를 갖춘 것을 특징으로 하는 광가이드.
  8. 비-광방사부(44)와, 광방사부(48) 및, 실질적으로 비흡수성 광산란수단(52)의 단면을 구비하여 이루어진 광가이드(42)에 있어서,
    상기 광가이드(42)가,
    상기 층이 총괄적으로 높은 길이방향 정반사 반사율을 갖도록 구성이 다른 제1 및 제2폴리머의 제1 및 제2의 실질적으로 비흡수성 폴리머의 층을 구비하여 구성된 비-광방사부(44)와;
    분광가이드 벽재료를 구비하여 구성된 광방사부(48) 및;
    상기 광방사부(48)의 반대쪽의 상기 비-광방사부(44)의 내부에 위치된 실질적으로 비흡수성 광산란수단(52)에 의해 특징지워지는 것을 특징으로 하는 광가이드.
  9. 제8항에 있어서, 상기 광가이드 단면이 실질적으로 상기 광가이드를 따라 일정하고;
    상기 광산란수단(52)이 상기 광가이드를 따른 길이의 함수에 따라 증가하는 폭을 갖춘 것을 특징으로 하는 광가이드.
  10. 제8항에 있어서, 상기 광가이드 단면이 상기 광가이드를 따른 길이의 함수에 따라 감소하고;
    상기 광산란수단(52)이 상기 광가이드를 따른 길이의 함수에 따라 증가하는 폭을 갖춘 것을 특징으로 하는 광가이드.
  11. 제8항에 있어서, 상기 광방사부의 외측에 위치된 렌즈(54)를 더 구비하여 구성되고,
    상기 렌즈가,
    낮은 광흡수성과;
    (i) 파장과,
    (ii) 편광 및,
    (iii) 각도
    중 하나 이상의 함수에 따라 변화되는 광투과율에 의해 특징지워지는 것을 특징으로 하는 광가이드.
  12. 제8항에 있어서, 상기 비-광방사부(44)를 에워쌈과 더불어 접착되는 불투명 커버(46)를 더 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 광가이드.
  13. 제8항에 있어서, 상기 광산란수단(52)이 비흡수성 접착제에 의해 상기 비-광방사부에 접착되는 비흡수성 단일 직조된 공기 폴리머 공유접촉영역을 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 광가이드.
  14. 제8항에 있어서, 상기 층 각각이 0.5㎛를 넘지 않는 두께를 갖춘 것을 특징으로 하는 광가이드.
  15. 비-광방사부(44)와, 광방사부(48) 및, 실질적으로 비흡수성 광산란수단(52)의 단면을 구비하여 이루어진 광가이드(42)에 있어서,
    상기 광가이드(42)가,
    제1의 실질적으로 비흡수성 길이방향의 정반사 광반사기와,
    제2의 실질적으로 비흡수성 길이방향의 정반사 광반사기의 다수층을 구비하여 구성되고,
    상기 층 각각이 상기 다수층이 1축에서 2축 배향에 걸친 범위에서 복굴절되고, 상기 다수층이 총괄적으로 높은 길이방향의 정반사 반사율을 갖도록 응력 유도형 복굴절을 갖춘 비-광방사부(44)와;
    분광가이드 벽재료를 구비하여 구성된 광방사부(48) 및;
    상기 광방사부(48)의 반대쪽의 상기 비-광방사부(44)의 내부에 위치된 실질적으로 비-흡수성 광산란수단(52)에 의해 특징지워지는 것을 특징으로 하는 광가이드.
  16. 제15항에 있어서, 상기 광가이드 단면이 실질적으로 상기 광가이드를 따라 일정하고;
    상기 광산란수단(52)이 상기 광가이드를 따른 길이의 함수에 따라 증가하는 폭을 갖춘 것을 특징으로 하는 광가이드.
  17. 제15항에 있어서, 상기 광가이드 단면이 상기 광가이드를 따른 길이의 함수에 따라 감소하고;
    상기 광산란수단(52)이 상기 광가이드를 따른 길이의 함수에 따라 증가하는 폭을 갖춘 것을 특징으로 하는 광가이드.
  18. 제15항에 있어서, 상기 광방사부의 외측에 위치된 렌즈(54)를 더 구비하여 구성되고,
    상기 렌즈가,
    낮은 광흡수성과;
    (i) 파장과,
    (ii) 편광 및,
    (iii) 각도
    중 하나 이상의 함수에 따라 변화되는 광투과율에 의해 특징지워지는 것을 특징으로 하는 광가이드.
  19. 제15항에 있어서, 상기 비-광방사부(44)를 에워쌈과 더불어 접착되는 불투명 커버(46)를 더 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 광가이드.
  20. 제15항에 있어서, 상기 광산란수단(52)이 비흡수성 접착제에 의해 상기 비-광방사부에 접착되는 비흡수성 단일 직조된 공기 폴리머 공유접촉영역을 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 광가이드.
  21. 제15항에 있어서, 상기 층 각각이 0.5㎛를 넘지 않는 두께를 갖춘 것을 특징으로 하는 광가이드.
KR1019980707498A 1996-03-22 1997-02-26 다층광학필름을채용한광가이드 KR100328406B1 (ko)

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