KR20030034196A - 금속처리된 테이퍼 도파관을 구비한 디스플레이 스크린 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른, 액정 디스플레이와 같은 디스플레이의 시야각을 증가시키기 위한 뷰잉 스크린은 금속처리된 테이퍼 도파관을 구비한다.

Description

금속처리된 테이퍼 도파관을 구비한 디스플레이 스크린{DISPLAY SCREEN WITH METALLIZED TAPERED WAVEGUIDES}

프로젝션 디스플레이 장치, 오프스크린 디스플레이(off-screen display) 장치 및 직시형 디스플레이(direct view display) 장치와 같은 디스플레이가 알려져 있다(짐머만(Zimmerman)외 다수의 미국특허 5,481,385 참조). 이러한 디스플레이는 컴퓨터 단말기, 항공기조종실 디스플레이, 자동차용 계기판, 텔레비젼 등의 텍스트, 그래픽 또는 비디오 정보를 제공하는 장치를 포함한 광범위한 응용분야에서 사용되고 있다. 액정 디스플레이와 같은 종래의 직시형 디스플레이는 본질적으로 많은 단점을 갖고 있다. 예를 들어, 높은 시야각(viewing angle)에서, 이러한 디스플레이는 콘트라스트가 낮고, 그 시야각의 변화에 따라 시각적인 색도가 변하게 되는 단점이 있다.

대부분의 디스플레이 장치에서, 작업자가 여러 이축각(off-axis angles)에서도 그 디스플레이를 볼 수 있는 것이 중요하다. 예를 들어, 좌우측 승무원좌석(조종사 및 부조종사)을 갖는 항공기에서, 조종사는 부조종사의 디스플레이를 판독하기 위해서 조종실의 다른 편에서 보는 것이 요구될 수 있다. 이런 상황에 대비하여, 디스플레이는 큰 이축 시야각( > 60°)을 갖는 것이 바람직하다. 특정 형태의 디스플레이(예를 들어, LCD)의 경우, 외부 보상장치가 제공되지 않는다면, 한정된 이축각( < 20°)을 갖는다.

짐머만의 미국특허 제5,481,385호(등록일: 1996. 1. 2)에서는, 액정 디스플레이(LCD)와 디스플레이 관람자 사이에 뷰잉 스크린(viewing screen)을 설치한다. 본 기술에서는, 이미지를 생성하기 위해 LCD 디스플레이로 시준광(collimated light)을 통과시키는 것이 바람직하다. 그 시준광은 상당히 낮은 산란각(약 5 내지 10°)을 가지며, 결과적으로 디스플레이에서 바람직하지 않은 이축 시야를 야기한다. 짐머만 특허의 뷰잉 스크린은 도1에 도시된 바와 같이 스크린의 관람자측에 위치한 복수의 콘형 광도파관을 포함한다. 상기 뷰잉 스크린은, 유리와 같은 평평한 투명기판(12)상에 배치된 복수의 테이퍼 도파관(tapered waveguide: 11)을 포함한다. 각각의 테이퍼 도파관은 상기 기판(12)내에 위치한 광입력면(13: 도1에는 미도시됨)과, 광출력면(14) 및, 테이퍼 측면(tapered sidewalls: 15)를 구비한다. 상기 광도파관은 아크릴과 같은 광폴리머 물질로 구성된다.

도2는 상기 테이퍼 도파관을 통과하는 내부 광반사(즉, 광경로)를 나타낸다. 광선(101)은 광입력면(13)에서 테이퍼 도파관(11)으로 입사되고, 테이퍼 측면에서 다수의 반사를 거쳐 그 테이퍼 도파관(11)을 통과한다. 제1 반사(21)에서는, 광선(101)의 산란각은 A에서 A+B로 증가되며, 여기서 B는 상기 측면의 경사각이다.제2 반사(22)에서는, 산란각은 A+2B로 증가된다. 일반적으로, 테이퍼 도파관에서 출력되는 광의 산란각은 A+nB로 나타낼 수 있다. 여기서, n은 광선(101)이 테이퍼도파관에서 방출되기 전까지 테이퍼 측면에서 반사되는 횟수를 말한다. 각 광선의 입사각은 그 반사각과 동일하다는 것을 유념한다.

짐머만 특허에서 제시된 투명 도파관은 광섬유 케이블과 동일한 방식으로, 내부 전반사(total internal reflection: TIR)를 통해 광을 전파시킨다. TIR은 광매질(예; 아크릴)의 물성에 의해 정의되는 임계값보다 작은 입사각이 요구된다. 도3은 지머만특허에서 제시된, 출력광의 분산각(spread angle: 31)으로 테이퍼 도파관을 통과하는 복수의 광선(101)을 나타낸다. 제한된 횟수로 반사된 후에, 광선(101)의 산란각은 그 도파관 매질의 임계 입사각을 초과할 것이며, 그 경사진 측면(15)이 아닌 테이퍼 도파관의 측면지점(32)에서 방출될 것이다. 짐머만 특허에서는, 램프블랙(lampblack)과 같은 광흡수물질로 상기 도파관 사이의 틈새영역을 충진함으로써 그 도파관(11)로부터 벗어나는 광을 흡수하는 것이 바람직하다고 제안하고 있다.

통상적으로, 콘형 테이퍼 도파관은 유리 또는 아크릴과 같은 광폴리머물질 등의 광매질로 구성된다. 짐머만 특허에서는, 특히 콘형 테이퍼 도파관을 제조하는데 적합한 수은(Hg) 또는 제논(Xe) 소스로부터 자외선(UV)광을 이용하는 광폴리머 공정을 제안하고 있다. 상기 노출 샌드위치(exposure sandwich)구조는 마스크/메탄올/PET/광폴리머/클리어 글래스 상판을 사용하였다. 상기 노출 샌드위치를 현상하고 UV 베이킹하였다. 50 미크론의 홀과 5 미크론의 라인을 갖는 마스크는 높이가200 미크론이고 팁폭 20 미크론인 테이퍼된 콘을 형성한다. 통상적으로, 상기 콘은 160 미크론의 깊이에서 서로 융합되고, 12°의 측벽경사를 갖는다.

광선(101)은 광입력면(13)에서 콘형 테이퍼 도파관(11)으로 진입하여 광출력면(14)를 통해 방출된다. 광선(101)은 광매질을 통해 전파될 때에 그 측벽(15)으로부터 반사된다. 입력 분산각의 좌측끝과 우측끝에서 광선(101)의 기하학적 형상이 도시되어 있다. 특정 횟수로 반사된 후에, 상기 광선 입사각은 광매질의 굴절율을 초과하며, 32로 표시된 바와 같이, 도파관으로부터 방출된다. 결과적으로, 출력광의 분산각(31)은 제한된다.

도파관의 굴절율보다 낮은 굴절율을 갖는 광매질로 도파관(11)사이의 틈새영역을 충진하는 단계를 포함하는 짐머만 특허의 개선방안도 알려져 있다. 그러나, 상기 방법은 관람자가 보는 외부광에 대해 원하지 않는 반사를 야기할 수 있다. 항공전자용 디스플레이에서는 높은 환경광 반사(ambient light reflection), 높은 투과 및 디스플레이 법선에 대한 비대칭적인 출력발광 분포를 갖는 형태가 요구된다.

본 발명은 디스플레이 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시야각을 향상시킬 수 있는 스크린, 특히 액정 디스플레이를 위한 시야각 향상 스크린에 관한 것이다.

도1은 관람자와 마주하는 측면 상에 배치된 복수의 테이터 도파관을 포함한 종래의 디스플레이 장치용 뷰잉 스크린을 나타낸다.

도2는 도1의 뷰잉 스크린의 테이퍼 도파관측에서 반사된 광선의 기하학적 형태를 나타낸다.

도3은 도1의 뷰잉 스크린의 테이퍼 폴리머 도파관을 통과하는 광선의 흐름을 타낸다.

도4는 본 발명에 따른 금속반사층을 갖는 테이퍼 폴리머 도파관을 나타낸다.

도5는 본 발명의 일실시형태에 따른 콘형 테이퍼 금속 도파관을 나타낸다.

본 발명은 이축 시야각을 증가시키기 위해 디스플레이의 뷰잉면에 테이퍼된 콘 구조를 제공한다. 본 발명은 금속반사막을 테이퍼 광도파관의 외부면에 배치하는 방안을 제안한다. 추가적으로, 도파관과 이격되어 마주하는 최종적인 금속처리된 콘(metallic cone)의 표면은 관람자와 마주하는 흑색의 광흡수영역을 형성하도록 처리될 수 있다. 이러한 흑색 영역은 관람자가 보는 반사를 감소시키는데 유용하다.

본 발명의 전형적인 용도는 통상적인 액정 디스플레이(LCD)에 사용하기 위한 시야각 향상 디스플레이(viewing angle enhancement display)이다. 이러한 LCD 디스플레이는 일반적으로 시준광(약 5°로 분포됨)을 출력한다.

비대칭형 테이퍼 광도파관은 수평에 대한 수직 시야분포(horizontal versus vertical viewing distribution)를 보다 넓게 하는 것을 도모할 수 있다. 기울어진 콘은 거의 한 축(즉, 수직축)을 기준으로 비대칭 시야각을 제공한다. 상기 금속막이 도포된 콘은 높은 시야각을 제공한다.

상기 금속처리된 공동 콘(hollow metallic cone)은 광폴리머를 제거한 종래의 방식이 개선된 형태이다. 바람직하게는, 부식과 산화를 방지하기 위해 내부금속면에 외부막을 배치한다.

본 발명에 따른 직시형 디스플레이 장치는 공지된 장치보다 우수한 여러 장점을 갖는다. 예를 들어, 본 발명의 장치는 액정 디스플레이의 특성을 항공기 조정실 전역에서 볼 수 있는 요건에 만족하도록 조절될 수 있다.

이하, 첨부된 도면과 실시예를 참조하여, 본 발명이 보다 완전히 이해되고 그 장점이 명확해지도록 설명할 것이다.

도4를 참조하면, 본 발명에 따른 콘형 테이퍼 도파관(tapered cone waveguide: 40)이 도시되어 있다. 유익하게, 본 발명은 상기 도파관(40)의 외부면에, 특히 입사광이 광매질(12)의 굴절율보다 큰 분산각을 갖는 상기 콘구조의 상부영역에 금속층(43)을 추가한다. 이러한 금속피막은, 예를 들어 화학적 증착법(CVD)을 이용하여 상기 콘구조의 외부에 적층된다. 광선(101)이 금속층(43)에서 반사될 때에, 반사지점(42)에 표시된 바와 같이, 상기 도파관(40)에서 이탈되는 것을 방지할 수 있다. 본 발명에 따른 상기 콘구조의 테이퍼 금속 도파관(40)은, 종래의 기술에서 참조된 도3의 금속처리되지 않은 테이퍼 도파관에서 허용되는 것보다 큰 광출력 분산각(41)을 발생시킨다.

도5에는 본 발명의 다른 실시형태가 도시되어 있다. 본 바람직한 실시형태에서는, 짐머만 특허에서와 같은 광폴리머를 예를 들어 산세공정(acid wash)을 이용하여 제거한다. 이렇게 얻어진 콘의 내부면은 폴리에틸렌과 같은 보호층을 도포한다. 광선(11)은 금속처리된 콘구조의 테이퍼 공동 도파관(50)의 밑면(base)으로 진입한다. 이는 도1에 도시된 바와 같이, 투명기판 상에 배치된다. 상기 광선(101)은 테이퍼된 금속벽(53)으로부터 반사됨으로써, 공동 콘(50)의 밑면에서 공동 콘의 단부(tip)로 통과한다. 상기 광선(101)이 콘으로 진입하는 입력 분산각은 작지만(약 5°정도임), 상기 광선이 출력하는 분산각(41)은 도4에 도시된 금속처리된 테이퍼 도파관과 같이, 탁월하게 증가된다.

도6을 참조하면, 금속처리된 콘구조의 일부가 도시되어 있다. 각각의 콘(50)의 내부면은 폴리에틸렌과 같은 투명 보호막으로 도포된다. 각각의 콘의 외부면은 평탄한 에폭시 도료막 또는 화학막과 같은 흑색 틈새층(62)으로 도포된다. 다른 바람직한 실시형태에서, 콘(50) 사이의 잔류한 틈새공간(53)은 램프블랙(lampblack)과 같은 광흡수성 물질로 충진된다.

또한, 본 발명의 실시형태는, 콘구조인 테이퍼 도파관(40)의 밑면에서 또는 보다 바람직하게는 그 단부(출력부)에서 비대칭적인 산란을 포함한, 출력광선(101)의 비대칭적인 발광분포를 제공한다. 이러한 비대칭적인 산란은 피직컬 옵틱스 사(Physical Optics Corporation)에서 제조된 표면 릴리프 홀로그램(surface relief hologram)에 의해 얻을 수 있다. 유익하게도, 비대칭 산란을 통해서, 벌크 산란(약 50%)에 비해 높은 광투과율(약 90%)을 얻을 수 있다. 단지 단부에만 배치함으로써, 도6에 도시된 금속반사층의 흑색 외부면(62)에 의해, 또는 콘 사이에 틈새영역에 포함된 다른 흑색물질에 의해, 높은 수준으로 환경광을 차단할 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태는 비대칭방식에서 시야각을 조절하여, 예를 들어 수평 시야각을 수직 시야각보다 넓게 형성할 수 있다. 상기 시야각의 비대칭성은, 이에 한정되지는 않지만 원형 및 타원형의 밑면을 갖는 직각(기울어지지 않은) 콘구조와 정사각형, 직사각형, 육각형 및 팔각형의 밑면을 갖는 직각(기울어지지 않은) 피라미드구조를 포함한 다양한 금속처리된 테이퍼 도파관의 형상을 이용하여 조절한다. 다른 실시형태는 상술된 밑면을 갖는 기울어진 콘 및 피라미드를 포함한 금속처리된 테이퍼 도파관으로 이루어진다.

도7을 참조하면, 항공전자용 디스플레이를 위한 본 발명의 실시형태가 도시되어 있다. 유익하게는, 다양한 경사각을 갖는 금속처리된 콘은 시야주위로 분포됨으로써, 예를 들어, 광이 조정사의 야간명시경(night vision goggles)으로 진행될 수 있도록, 경고 및 주위 텍스트를 나타내는 항공전자 디스플레이의 중앙부에 보다 높은 수직 시야각을 부여할 수 있다. 항공기 디스플레이(71)는 조종사 눈(72)의 위치와 방향으로 도시되어 있다. 항공기 조종실의 설계과정에서, 내려보는 각(73)은 조종사가 항공기 노스(aircraft's nose)을 초과하여 적절한 가시성을 가질 수 있도록 미리 설정된다. 본 발명은 한정된 수직 시야각을 갖는 일반 우선순위 정보(74)를 나타내는 디스플레이영역을 제공하여, 조종사가 항공기 외부를 보는 것이 교란되지 않도록 하며, 확장된 수직 시야각을 갖는 높은 우선순위 정보(75)를 나타내는 디스플레이영역을 제공하여, 조종사가 효과적으로 그 경고 등을 인지할 수 있도록 한다.

본 발명의 범위는 본 명세서에서 설명된 실시형태에 의해 한정되지 않는다. 본 명세서를 숙지하여 본 발명을 적용하는 과정에서 당업자가 용이하게 생각할 수 있는 추가적인 장점과 개조형태를 아래의 청구범위의 범위와 사상에 포함하고자 한다.

Claims (11)

1. 직시형 디스플레이를 위한 시야각 향상 스크린에 있어서,

   광출력을 발생시키는 이미지 디스플레이 수단;

   상기 디스플레이 수단의 전방에 배치되고, 상기 이미지 디스플레이에 마주하는 제1 면과 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 투명기판;

   상기 투명기판의 제2 면에 배치되고, 그 각각이 상기 투명 기판의 제2 면에 인접한 광입력면과, 상기 광입력면으로부터 이격되어 그보다 작은 표면적을 갖는 광출력면과, 상기 광입력면과 상기 광출력면 사이를 연결하여 폐쇄면을 형성하며 하부와 광출력면에 인접한 상부를 갖는 테이퍼된 측면을 포함하며, 상기 광출력면으로부터 발산되는 광의 각분포가 그 광출력면으로 들어오는 광의 각분포보다 큰, 복수개의 테이퍼 광도파관; 및,

   상기 각각의 광도파관의 테이퍼된 측면 중 상부에 도포된 금속반사층을 포함하는 시야각 향상 스크린.
2. 제1항에 있어서,

   상기 테이퍼 광도파관의 광입력면 또는 광출력면 중 하나에 비대칭 확산수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시야각 향상 스크린.
3. 제1항에 있어서,

   상기 테이퍼 도파관은 거의 직각 콘형상 또는 직각 피라미드 형상으로 형성되며, 상기 테이퍼 도파관의 광입력면 및 광출력면은 거의 원, 타원형, 직사각형, 정사각형, 육각형, 팔각형으로 구성된 그룹으로부터 선택된 일 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 시야각 향상 스크린.
4. 제1항에 있어서,

   상기 테이퍼 도파관은 거의 기울어진 콘형상 또는 기울어진 각을 갖는 피라미드 형상으로 형성되며, 상기 테이퍼 도파관의 광입력면과 광출력면은 거의 원, 타원형, 직사각형, 정사각형, 육각형, 팔각형으로 구성된 그룹으로부터 선택된 일 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 시야각 향상 스크린.
5. 직시형 디스플레이를 위한 시야각 향상 스크린에 있어서,

   광출력을 발생시키는 이미지 디스플레이 수단;

   상기 디스플레이 수단의 전방에 배치되고, 상기 이미지 디스플레이에 마주하는 제1 면과 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 투명기판;

   상기 투명기판의 제2 면에 배치되고, 그 각각이 상기 투명 기판의 제2 면에 인접한 개방 밑면과, 상기 개방 밑면으로부터 이격되어 그보다 작은 표면적을 갖는 개방 단부와, 상기 개방 밑면과 상기 개방 단부 사이를 연결하여 내부 폐쇄면과 외부 폐쇄면을 형성하는 금속처리된 테이퍼 반사측면을 구비하며, 상기 개방 단부로부터 발산되는 광의 각분포가 상기 개방 밑면으로 들어오는 광의 각분포보다 큰,복수개의 금속처리된 테이퍼 공동 도파관을 포함하는 시야각 향상 스크린.
6. 제5항에 있어서,

   상기 금속처리된 테이퍼 공동 도파관의 상기 내부 폐쇄면 상에 배치된 투명 보호막과, 상기 금속처리된 테이퍼된 공동 도파관의 상기 외부 폐쇄면 상에 배치된 흑색 광흡수막을 더 포함하는 시야각 향상 스크린.
7. 제5항에 있어서,

   상기 금속처리된 테이퍼 공동 도파관은 거의 직각 콘 또는 직각 피라미드의 형상으로 형성되며, 상기 금속처리된 테이퍼 공동 도파관의 개방 밑면 및 개방 단부는 거의 원, 타원형, 직사각형, 정사각형, 육각형, 팔각형으로 구성된 그룹으로부터 선택된 일 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 시야각 향상 스크린.
8. 높은 우선순위정보를 위한 소정의 표시영역과 일반 우선순위정보를 위한 소정의 표시영역을 갖는 항공전자 디스플레이에 있어서,

   직시형 광방출면을 갖는 디스플레이;

   상기 디스플레이 상에서 상기 광방출면의 전방에 배치되고, 상기 디스플레이 중 높은 우선순위 정보용 표시영역에 일치하는 높은 우선순위 표면영역과, 상기 디스플레이 중 낮은 우선순위 정보용 표시영역에 일치하는 낮은 우선순위 표면영역을 갖는 시야각 향상 스크린; 및,

   상기 시야각 향상 스크린의 상기 높은 우선순위 표면영역과 상기 시야각 향상 스크린의 상기 낮은 우선순위 표면영역 상에 배치되고, 다양한 측면 경사각을 갖는 복수개의 테이퍼 도파관을 포함하며,

   상기 시야각 향상 스크린의 상기 높은 우선순위 표면영역 상에 배치된 상기 테이퍼 도파관의 측면 경사각과, 상기 시야각 향상 스크린의 상기 낮은 우선순위 표면영역에 배치된 상기 테이퍼 도파관의 측면 경사각이 상이한, 항공전자 디스플레이.
9. 제8항에 있어서,

   상기 테이퍼 도파관은 금속처리된 테이퍼 도파관인 것을 특징으로 하는 항공전자 디스플레이.
10. 제8항에 있어서,

    상기 테이퍼 도파관은 금속처리된 공동 테이퍼 도파관인 것을 특징으로 하는 항공전자 디스플레이.
11. 제8항에 있어서,

    상기 시야각 향상 스크린의 높은 우선순위표면영역에 배치된 상기 테이퍼 도파관의 측면 경사각은 높은 우선순위 정보에 대해 높은 수직 시야각을 제공하는 것을 특징으로 하는 항공전자 디스플레이.