KR20030068568A - 도광판 및 이 도광판을 구비한 액정 표시 장치 - Google Patents

도광판 및 이 도광판을 구비한 액정 표시 장치 Download PDF

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KR20030068568A
KR20030068568A KR10-2003-7008771A KR20037008771A KR20030068568A KR 20030068568 A KR20030068568 A KR 20030068568A KR 20037008771 A KR20037008771 A KR 20037008771A KR 20030068568 A KR20030068568 A KR 20030068568A
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다나카히데유키
칸노도시유키
고바야시다케시
후루가와마사하루
사이토데쓰야
요코모리노리하루
스즈키요시유키
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후지 덴키 가부시끼가이샤
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Abstract

종래에는 유효하게 활용되고 있지 않은 광의 편광 성분을 추출할 수 있도록 하여, 발광 소자 등의 부품의 개수를 감소시키고, 소비 전력도 감소시키는 도광판 및 이 도광판을 구비한 액정 표시 장치를 제공하는 것을 목적으로 하며, 이 목적을 달성하기 위해서, 광원(2)으로부터 입사된 광을 도광하는 도광 수단(40)과, 한 방향의 편광만 출사하는 편광 분리 수단(10)과, 광을 반사하는 반사 수단(30)과, 이 편광 분리 수단(10)과 반사 수단(30) 사이에 배치되고, 투과하는 광의 편광 방향을 변환하는 편광 변환 수단(20)을 구비하는 도광판(1)을 구비한다.

Description

도광판 및 이 도광판을 구비한 액정 표시 장치{LIGHT GUIDING PLATE AND LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE WITH THE LIGHT GUIDING PLATE}
정보 단말 표시 기기 등에 사용되는 액정 패널(5')을 이용한 액정 표시 장치에 있어서는, 액정 패널(5')은 스스로는 발광하지 않기 때문에, 예컨대, 도 65에 도시하는 바와 같은 조명 장치(6')와 조합하여 이용된다. 도 65에 도시하는 조명 장치(6')는 광원(2')으로서 냉음극관과, 투명 재료로 성형된 도광 수단(40')과, 반사판 수단(30': 30a', 30b')으로 구성된다.
광원(2')으로부터 발광된 광(3a')은 도광 수단(40')에 입사되어, 반사 수단(30')에서의 반사를 반복하면서 도광 수단(40') 내를 진행하고, 액정 패널(5')이 있는 방향으로 출사한다. 이 때, 액정 패널(5')을 균일하게 조명하도록 도광 수단(40')의 내외에는 광을 확산시키거나 혹은 지향성을 갖게 하는 구조(상세하게는 후술함)를 구비하는 경우가 있다.
액정 패널(5')은 액정판(52')을 편광판(51', 53')에 의해 양측에서 끼우도록 하여 배치되어 있다. 액정판(52')은 도시를 생략한 표시 신호가 가해진 부분(52a';이하, 표시 부분 52a'라 함)에서는 입사되는 소정 방향의 직선 편광을 그대로 투과시켜, 표시 신호가 없는 부분(52b'; 이하, 투과 부분 52b'라 함)에서는, 소정 방향의 직선 편광이 입사되면, 그 편광 방향을 90도 회전시켜 출사하도록 동작한다. 이러한 기능은 트위스트 네마틱형이라 불리는 액정 패널로 실용화되고 있다.
실제의 트위스트 네마틱형 액정 패널(5')에서는, 편광판(51')을 투과하는 직선 편광의 방향과 위와 같은 무(無)제어 상태의 액정판(52')을 투과하는 직선 편광의 방향이 일치되어 있고, 편광판(53')을 투과하는 편광의 방향과 편광판(51')을 투과하는 편광의 방향이 직교되어 있다.
이러한 구성 하에, 조명 장치(6')로부터 광이 출사되면, 조명 장치(6')로부터 편광판(51')으로 진행하는 비(非)편광 조명광(31j∼34j)은 액정 패널(5')의 편광판(51')의 편광 분리 기능 때문에 조명 장치(6')로부터의 입사광(31j∼34j) 중 편광판(51')을 투과하는 지면에 수직인 편광 성분(31d∼34d)만이 투과한다.
액정판(52')의 도형이나 문자 등의 표시 부분(52a') 및 전체의 배경광을 구성하는 투과 부분(52b')에 소정 방향의 직선 편광(31d∼34d)이 입사되면, 표시 부분(52a')에서는 편광 방향을 그대로 하여 31e, 32e가 투과하고, 투과 부분(52b')에서는 편광 방향이 90° 변환되어 33e, 34e가 투과한다.
따라서, 액정 패널(5') 전체로서는, 무제어 상태의 표시(투과 부분 52b')에서는 편광판(51')을 투과하는 편광의 조명광은 액정 패널(5')도 투과하여(직선 편광 33f, 34f) 액정 패널(5')의 전면을 밝게 하고, 도형이나 문자 등의 표시 개소(표시 부분 52a')에만 전압을 인가하여 도형이나 문자 패턴 부분(표시 부분 52a')에서는 편광판(53')과 직교하는 광이 투과하지만 편광판(53')에서는 흡수되기 때문에 흑색의 도형 문자 패턴으로 나타난다.
이와 같이, 편광판(51')에 있어서, 조명 장치(6')로부터의 입사광(31j∼34j)에서, 투과하는 광(31d∼34d) 이외의 광(지면에 수평인 양방향 화살표로 표시되는 편광 성분), 즉 전체 광량의 절반 이상은 흡수된다.
다음에, 종래 기술에 의한 액정 표시 장치, 조명 장치의 개시예를 설명한다. 도 66은 일본 특허 제2813131호 공보 「회절 격자를 이용한 백라이트 도광판」, 특허 제2865618호 공보 「도광판 및 도광판 어셈블리」, 특허 제2986773호 공보 「점광원용 도광판」에 개시된 액정 표시 장치에 관한 것으로, 고휘도와 휘도의 균일성을 꾀하는 것이다.
도 66에 있어서, 광원(2')으로부터 백라이트 도광판(71)에 입사된 광은 회절 격자(72)에 의해 회절되어 확산판(75) 및 집광용 프리즘 시트(76)를 통해 액정 패널(5')의 백라이트으로서 조명광이 형성된다. 여기서, 회절 격자(72)는 서브 미크론으로부터 수십 미크론의 피치로 형성되고, 백라이트 도광판(71)의 면을 균일하게 비추며, 색수차를 확산판(75)으로 해결할 수 있는 것이 기술되어 있다.
이들 예에 기술된 회절 격자(72)는 광원으로부터 도광판 내에 입사된 광을 액정 패널의 방향으로 반사 편광하도록 이용되고 있다. 회절 격자(72)의 구조는 상기 특허 공보에 개시되어 있는 바와 같이 정현파형, 톱니형(브레이즈형), 직사각형 등과 같이 단일 형상의 반복에 의한 것이다.
도 67은 일본 특허 공개 평5-142536호 공보 「조명 장치」에 개시된 것으로서, 케이싱(77) 내에 1조의 광원(2')과, 이 광원(2') 사이의 공간에 대향시켜 배치한 반사판(77a)과, 확산판(78)을 갖는 조명 장치이며, 추가로 반사판(77a)과 확산판(78) 사이에 형성되는 공간에, 광원(2')으로부터 멀어짐에 따라 반사판(77a)과의 거리가 작아지는 경사를 가지며, 또한 광원(2')으로부터 멀어짐에 따라 구멍 직경이 커지는 구멍(80)을 다수 형성한 조광판(79)이 설치되어 있다.
이러한 구성에 의해, 반사판(77a)과 확산판(78)으로 반사면 및 확산면이 형성되어, 조광판(79)이 케이싱(77) 내의 광에 대하여 반사, 확산의 양쪽 기능을 수행하고, 구멍(80)의 구멍 직경과 분포 밀도에 의해, 조명 장치의 경량화를 가능하게 하여 균일한 광분포를 효율적으로 형성하는 것이 기술되어 있다.
도 68은 일본 특허 공개 평8-286043호 공보 「액정 표시 장치의 조명용 도광판 및 그 제조 방법」에 개시된 것으로서, 투광성 도광판(81)의 하면에 광확산 필름(82)이 일체로 형성되고, 투광성 도광판(81)의 다른 한쪽 표면에 프리즘 형상이 형성되어 있다. 이러한 구성에 의해, 액정 표시 장치에의 조명광의 균일화를 꾀할 수 있고, 종래 기술에서 행해지고 있는 투광성 도광판(81)의 하면의 도트 패턴 인쇄의 제거나, 이 도트 패턴을 보이지 않게 하기 위해서, 예컨대 도 66에서 기술한 확산판(75)이나 집광용 프리즘 시트(76)의 설치에 의한 백라이트의 조립의 번잡함이나 확산판(75)의 설치에 따른 광의 이용 효율이 나쁜 문제 등을 해결할 수 있는 것이 기술되어 있다.
또한, 도 69는 일본 특허 공개 평9-306221호 공보 「백라이트용 조명 장치」에 개시된 것으로서, 도광판(86)의 배면(86a)측에 실시되는 반사 처리(87)는광원(2')의 축을 따르는 선형의 반사 커트(87a)가 형성되고, 확산판(88)은 조명측의 표면이 광원(2')의 축에 평행한 요철면(88a)으로서 존재하는 백라이트용 조명 장치로 함으로써, 도광판(86)의 배면(86a)에서 거의 전반사를 행하고, 반사 효율이 우수한 반사 커트(87a)를 행했을 때에도, 확산판(88)에 형성한 요철면(88a)에서 이 확산판(88)에 종래 기술에 의한 확산판 이상의 확산 작용을 부여할 수 있고, 휘도 불균일의 방지와 밝기의 향상을 꾀할 수 있다.
또한, 도 70은 일본 특허 공개 평5-196820호 공보 「백라이트 도광판」에 개시된 것으로서, 액정 패널(5')의 후방으로 광을 유도하는 도광판(89)을 구비하고, 그 한쪽 혹은 양면의 단부에 관상의 광원(2')을 구비하며, 이 도광판(89)의 후면에 측방향으로부터 입사되어 오는 광을 전방으로 반사하는 미소한 반사면(89a)을 형성하고, 추가로 점착 테이프(91) 및 V형 위치 결정 클릭(93)으로 이루어진 광원(2')의 부착 위치 결정 구조를 갖춤으로써, 컴팩트하고 화면이 밝으며, 구동 전력을 작게 할 수 있는 백라이트 광을 형성할 수 있다.
또한, 일본 특허 공개 평11-281978호 공보 「백라이트의 제조 방법 및 액정 표시 장치」는 도 71에 도시한 바와 같이, 액정판(95a)의 양면을 편광판(95b, 95c)에 끼워 형성한 액정 패널(95d)의 표시면의 이면에, 확산판(95e)과, 홀로그램(95f)을 갖는 도광판(95g)과, λ/4판(95h)과, 반사판(95i)을 설치한 것으로, 광원(2')으로부터 도광판(95g)에 입사된 광을 홀로그램(95f)이 편광 분리하여, 양 편광을 이용함으로써 광이용 효율을 향상시키는 구성이 개시되어 있다.
또한, 일본 특허 공개 제2001-188126호 공보 「편광 분리 프리즘 시트 및 조명 장치」에는 도 72에 도시한 바와 같이, 액정판(96a)의 양면을 편광판(96b, 96c)에 끼워 형성한 액정 패널(96d)의 표시면의 이면에, 요철 형상을 갖는 투광성 지지체(96e)의 표면에 액정층(96f)을 갖는 편광 분리 프리즘 시트(96g)와, 1/4 파장판(96h)과, 도광판(96i)과, 반사판(96j)을 구비하는 조명 장치(96k)를 설치한 것으로, 광원(2')으로부터 도광판(96i)에 입사되는 광을 편광 분리하고, 양 편광을 이용함으로써 광이용 효율을 향상시키는 구성이 개시되어 있다.
또한, 일본 특허 공개 제2001-188126호 공보에 개시된 구성과 동일한 개념으로 양 편광을 이용하여 광이용 효율을 향상시키는 구성이 일본 특허 공개 평10-253830호 공보 및 일본 특허 공개 평11-149074호 공보에도 기술되어 있다.
또한, 일본 특허 공개 평9-274109호 공보 「시트형 편광 소자 및 이것을 이용한 액정 표시 소자」에는 시트형의 프리즘을 이용하여 도광판에 입사되는 광을 편광 분리하고, 양 편광을 이용함으로써 광이용 효율을 향상시키는 구성이 개시되어 있다.
기타, 일본 특허 공개 평10-253830호 공보 「백라이트 유닛」에도 편광 분리 기능을 갖는 소자를 이용하는 백라이트가 개시되어 있다.
이들 구성에서는, 편광 분리 기능을 갖는 소자를 이용함으로써 광이용 효율을 향상시켜, 화면이 밝고 구동 전력을 작게 할 수 있는 백라이트 광을 형성할 수 있다.
종래 기술로서, 도 65 내지 도 70을 이용하여 설명한 바와 같은 액정 표시 장치·조명 장치에서는, 도광판의 엣지에 배치된 광원으로부터 액정 패널 등으로의배면에 조명하는 면광원의 광휘도성과 휘도의 균일성이 도모되고 있다. 그러나, 액정 패널 자체는 정해진 방향의 편광만을 사용하는 피조명 대상 기기로서, 액정 패널로의 입사광의 절반은 편광판에 의해 제거되어 이용되지 않는다는 문제가 있었다.
또한, 다른 종래 기술로서, 도 71 및 도 72를 이용하여 설명하는 바와 같은 액정 표시 장치, 조명 장치에서는, 편광 분리 소자를 이용함으로써, 종래에는 조명에 기여하지 않던 편광 성분도 유효하게 이용하도록 한 구성도 제안되고 있다. 그러나 이들 구성에서는, 편광 분리 소자나 위상판이 새로운 부품으로서 추가되기 때문에, 장치 전체의 대형화 및 고비용화를 초래하는 문제가 있었다.
본 발명은 상기한 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 그 목적은 액정 패널 등의 편광판으로 입사가 저지되는 편광 성분을, 도광 수단의 표면에 설치된 격자 구조체인 편광 분리 수단에 의해 도광 수단 내로 되돌리고, 편광 변환 수단으로 직선 편광 방향을 변환시키면서 반사판인 반사 수단에 의해 다시 편광 분리 수단으로 입사시킴으로써, 액정 패널로 입사되는 편광 성분으로서 추출하도록 하였기 때문에, 종래에는 유효하게 활용되고 있지 않은 광의 편광 성분을 추출할 수 있도록 하여, 발광 소자 등의 부품의 갯수를 줄이고, 소비 전력도 감소시키는 도광판 및 이 도광판을 구비한 액정 표시 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명은 액정 패널의 조명광과 같이 정해진 방향의 편광을 출사하는 도광판 및 이 도광판을 이용하는 액정 표시 장치에 관한 것이다.
도 1은 도광판의 개략 구성도.
도 2는 도광판의 개략 구성도.
도 3은 냉음극관으로부터 출사되는 광의 스펙트럼 특성도.
도 4는 격자 구조체의 단면 형상도.
도 5는 격자 구조체의 단면 형상도.
도 6은 격자 구조체의 단면 형상도.
도 7은 격자 구조체의 단면 형상도.
도 8은 격자 구조체와 투과광의 관계를 설명하는 원리도.
도 9는 격자 구조체의 개략적인 구성도.
도 10은 격자 구조체의 개략적인 구성도.
도 11은 격자 구조체의 개략적인 구성도.
도 12는 격자 구조체의 개략적인 구성도.
도 13은 격자 구조체의 편향 분리 특성도.
도 14는 격자 구조체의 편향 분리 특성도.
도 15는 격자 구조체의 편향 분리 특성도.
도 16은 격자 구조체의 편향 분리 특성도.
도 17은 다단형 볼록부를 도시하는 단면도.
도 18은 포토마스크와 광의 노광에 의한 격자 구조체의 제조 방법을 설명하는 설명도.
도 19는 격자 구조체의 개략적인 구성도.
도 20은 격자 구조체의 구성예를 도시하는 도면.
도 21은 격자 구조체의 편향 분리 특성도.
도 22는 격자 구조체의 구성예를 도시하는 도면.
도 23은 격자 구조체의 편향 분리 특성도.
도 24는 격자 구조체의 구성도.
도 25는 격자 구조체의 제조 방법을 설명하는 설명도.
도 26은 격자 구조체의 구성도.
도 27은 격자 구조체의 구성도.
도 28은 격자 구조체의 제조 방법을 설명하는 설명도.
도 29는 격자 구조체의 구성도.
도 30은 격자 구조체의 구성도.
도 31은 격자 구조체의 개략적인 구성도.
도 32는 격자 구조체의 편광 분리 특성도.
도 33은 격자 구조체의 개략적인 구성도.
도 34는 격자 구조체의 편광 분리 특성도.
도 35는 격자 구조체의 구성도.
도 36은 편향 분리 특성도.
도 37은 다른 격자 구조체의 단면 사시도.
도 38은 다른 격자 구조체의 단면 사시도.
도 39는 다른 격자 구조체의 단면 사시도.
도 40은 금속 박막이 증착된 필름의 제조 방법을 도시하는 도면.
도 41은 도광 수단의 복굴절 분포를 도시하는 특성도.
도 42는 도광 수단의 복굴절 분포를 도시하는 특성도.
도 43은 도광 수단의 복굴절 분포를 도시하는 특성도.
도 44는 확산성 홀로그램의 원리도를 설명하는 설명도.
도 45는 인쇄 패턴을 도시하는 설명도.
도 46은 휘도 향상률의 비교 평가도.
도 47은 장소에 따라 격자 피치가 다른 편광 분리 수단의 설명도.
도 48은 장소에 따라 유전체 격자의 형상이 다른 편광 분리 수단의 설명도.
도 49는 장소에 따라 인쇄 패턴이 다른 반사 수단의 설명도.
도 50은 장소에 따라 반사 방향을 서로 다르게 하는 확산성 홀로그램에 의한 반사 수단의 설명도.
도 51은 장소에 따라 반사 방향을 서로 다르게 하는 확산성 홀로그램에 의한 반사 수단의 설명도.
도 52는 조명 장치용 도광판의 방사 각도 영역의 설명도.
도 53은 액정 표시 장치의 개략 구성도.
도 54는 액정 표시 장치의 격자 구조체와 투과광의 관계를 도시하는 AB 화살표 방향에서 바라본 도면.
도 55는 액정 표시 장치의 종래 기술과의 비교도.
도 56은 액정 표시 장치의 개략 구성도.
도 57은 다른 실시 형태의 개략적인 구성도.
도 58은 다른 실시 형태의 개략적인 구성도.
도 59는 다른 실시 형태의 개략적인 구성도.
도 60은 다른 실시 형태의 개략적인 구성도.
도 61은 유전체 격자의 단면 형상을 도시하는 도면(SEM 사진).
도 62는 유전체 격자의 편향 분리 특성도.
도 63은 휘도 향상률을 측정하는 실험 장치의 구성도.
도 64는 3층 다층막을 갖는 유전체 격자의 단면 형상을 도시하는 도면(SEM 사진).
도 65는 종래 기술에 의한 액정 표시 장치의 측면을 도시하는 주요부 구성도.
도 66은 종래 기술에 의한 다른 액정 표시 장치의 주요부 구성도.
도 67은 종래 기술에 의한 다른 조명 장치의 주요부 구성도.
도 68은 종래 기술에 의한 다른 조명 장치의 주요부 구성도.
도 69는 종래 기술에 의한 다른 조명 장치의 주요부 구성도.
도 70은 종래 기술에 의한 다른 액정 표시 장치의 주요부 구성도.
도 71은 종래 기술에 의한 다른 액정 표시 장치의 주요부 구성도.
도 72는 종래 기술에 의한 다른 액정 표시 장치의 주요부 구성도.
상기 과제를 해결하기 위해서, 도광판을 개량하고, 추가로, 이러한 도광판을 채용한 액정 표시 장치로 하였기 때문에, 대폭적인 박형화 및 부품수 감소와 휘도향상을 함께 실현한다.
청구항 1에 관한 발명의 도광판에 따르면,
광의 편광 방향에 따라 반사광과 투과광을 분리하는 편광 분리 수단과,
광을 반사하는 반사 수단과,
투과하는 광에 대하여 θ1+ n·180°(단, θ1은 30°≤θ1≤150° 범위 내에 있고, n은 정수임)의 조건을 만족하도록 위상차를 부여하는 편광 변환 수단과,
상기 편광 분리 수단과 상기 반사 수단 사이에 상기 편광 변환 수단을 끼워 이들이 일체가 되도록 설치한 도광 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 2에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 1에 기재한 도광판에 있어서,
바람직하게는 상기 편광 변환 수단의 80 % 이상의 영역에서, 투과하는 광에 대하여, θ2+ n·180°(단, θ2는 45°≤θ2≤135° 범위 내에 있고, n은 정수임)의 조건을 만족하도록 위상차를 부여하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 3에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 1 또는 청구항 2에 기재한 도광판에 있어서,
더욱 바람직하게는, 상기 편광 변환 수단의 60% 이상의 영역에서, 투과하는 광에 대하여, θ3+ n·180°(단, θ3은 6O°≤θ3≤120° 범위 내에 있고, n은 정수임)의 조건을 만족하도록 위상차를 부여하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 4에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재한 도광판에 있어서,
상기 편광 분리 수단은 투명한 유전체 재료에 의해 형성한 주기적인 반복 구조인 유전체 격자로 이루어진 격자 구조체로 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 5에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 4에 기재한 도광판에 있어서,
상기 격자 구조체의 유전체 격자는 그 단면 형상이 직사각형, 사다리꼴, 삼각형 혹은 정현파형의 볼록부로 이루어진 형상, 또는 이들 볼록부를 복수 조합한 형상 중 어느 하나의 형상의 주기적인 반복 구조인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 6에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 5에 기재한 도광판에 있어서,
상기 격자 구조체의 유전체 격자는 직사각형, 사다리꼴, 삼각형 혹은 정현파형 중 어느 하나의 형상의 볼록부의 주기적인 반복 구조로서, 격자 주기가 0.3∼0.8 ㎛, 격자 깊이가 0.2∼0.5 ㎛인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 7에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 6에 기재한 도광판에 있어서,
상기 격자 구조체의 유전체 격자의 볼록부는 기본 형상에 미세한 형상을 조합하여 형성한 복수 형상으로 이루어진 볼록부인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 8에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재한 도광판에 있어서,
상기 편광 분리 수단은 투명한 유전체 재료에 의해 형성한 주기적인 반복 구조인 유전체 격자의 표면에 소정의 굴절률을 갖는 재료인 단층의 표면층 혹은 인접하는 층간에서 서로 굴절률이 다른 재료를 적층한 복층의 표면층을 더한 격자 구조체인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 9에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 8에 기재한 도광판에 있어서,
상기 격자 구조체의 유전체 격자는 그 단면 형상이 직사각형, 사다리꼴, 삼각형 혹은 정현파형 중 어느 하나의 형상의 볼록부로 이루어진 형상, 또는 이들 볼록부를 복수 조합한 형상 중 어느 하나의 형상의 주기적인 반복 구조인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 10에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 9에 기재한 도광판에 있어서,
상기 격자 구조체의 유전체 격자는 격자 주기 0.3∼0.8 ㎛, 격자 깊이 0.2∼0.5 ㎛이며,
상기 격자 구조체의 표면에 설치되는 표면층은 두께 50∼150 nm의 이산화티탄(TiO3) 또는 오산화탄탈(Ta2O5)과, 두께 70∼200 nm의 이산화실리콘(SiO2)을 교대로 적층한 복층인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 11에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 10에 기재한 도광판에 있어서,
상기 격자 구조체는 상기 유전체 격자와 상기 표면층 사이에 0보다 크고 100nm 이하의 두께의 일산화실리콘(SiO)층을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 12에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 11에 기재한 도광판에 있어서,
상기 격자 구조체의 유전체 격자의 볼록부는 기본 형상에 미세한 형상을 조합하여 형성한 복수 형상으로 이루어진 볼록부인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 13에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 8 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 기재한 도광판에 있어서,
상기 격자 구조체는 상기 유전체 격자의 표면에,
스핀 코터법 혹은 롤 코터법에 의해 용매로 희석된 재료를 도포한 후에 용매를 제거하는 공정을 한 번 또는 여러 번 반복하여 형성한 표면층,
또는,
증착법, 스퍼터법 혹은 이온 도금법 중 어느 하나에 의해, 단층의 재료 혹은 인접하는 층간에서 서로 굴절률이 다른 재료를 형성한 표면층을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 14에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재한 도광판에 있어서,
상기 편광 분리 수단은 투명한 유전체 재료에 의해 형성한 주기적인 반복 구조인 유전체 격자의 오목부에, 소정의 굴절률을 갖는 재료인 단층의 표면층 또는 인접하는 층간에서 서로 굴절률이 다른 재료를 적층한 복층의 표면층을 더한 격자 구조체인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 15에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 14에 기재한 도광판에 있어서,
상기 격자 구조체의 유전체 격자는 그 단면 형상이 직사각형, 사다리꼴, 삼각형 혹은 정현파형 중 어느 하나의 형상의 볼록부로 이루어진 형상, 또는 이들 볼록부를 복수 조합한 형상 중 어느 하나의 형상의 주기적인 반복인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 16에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 15에 기재한 도광판에 있어서,
상기 격자 구조체의 유전체 격자는 격자 주기 0.3∼0.8 ㎛, 격자 깊이 0.2∼0.5 ㎛이며,
상기 격자 구조체의 오목부에 설치되는 표면층은 두께 50∼150 nm의 이산화티탄(TiO2) 또는 오산화탄탈(Ta2O5)과, 두께 70∼200 nm의 이산화실리콘(SiO2)을 교대로 적층한 복층인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 17에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 16에 기재한 도광판에 있어서,
상기 격자 구조체는 유전체 격자와 표면층 사이에 O보다 크고 100 nm 이하의 두께의 일산화실리콘(SiO)층을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 18에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 17에 기재한 도광판에 있어서,
상기 격자 구조체의 유전체 격자의 볼록부는 기본 형상에 미세한 형상을 조합하여 형성한 복수 형상으로 이루어진 볼록부인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 19에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 14 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 기재한 도광판에 있어서,
상기 격자 구조체는, 유전체 격자의 표면에,
스핀 코터법 혹은 롤 코터법에 의해 용매로 희석된 재료를 도포한 후에 용매를 제거하고, 추가로 유전체 격자의 볼록부의 정상에 있는 재료만을 제거하는 공정을 한 번 혹은 여러 번 반복하여 오목부에 형성한 단층의 재료, 혹은 인접하는 층간에서 서로 굴절률이 다른 재료로 이루어지는 표면층,
또는,
증착법, 스퍼터법 혹은 이온 도금법 중 어느 하나에 의해, 재료를 도포한 후에 볼록부의 정상에 있는 재료만을 제거하는 공정을 한 번 혹은 여러 번 반복하여 오목부에 형성한 단층의 재료 혹은 인접하는 층간에서 서로 굴절률이 다른 재료로 이루어지는 표면층을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 20에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재한 도광판에 있어서,
상기 편광 분리 수단은 인접하는 층간에서 서로 굴절률이 다른 재료이 적층형으로 형성된 볼록부의 주기적인 반복 구조인 격자로 이루어진 격자 구조체로 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 21에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 20에 기재한 도광판에 있어서,
상기 격자 구조체는 그 단면 형상이 직사각형, 사다리꼴, 삼각형 혹은 정현파형 중 어느 하나의 볼록부로 이루어진 형상, 또는, 이들 볼록부를 복수 조합한 형상 중 어느 하나의 형상의 주기적인 반복인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 22에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 21에 기재한 도광판에 있어서,
상기 격자 구조체는,
스핀 코터법 또는 롤 코터법에 의해 용매로 희석된 재료를 도포한 후, 용매를 제거하는 공정을 여러 번 반복하여 형성한, 인접하는 층간에서 서로 굴절률이 다른 재료로 이루어지는 막,
또는,
증착법, 스퍼터법 혹은 이온 도금법 중 어느 하나에 의해 형성한, 인접하는 층간에서 서로 굴절률이 다른 재료로 이루어지는 막에 대하여 엠보싱 가공을 행함으로써 형성된 격자인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 23에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재한 도광판에 있어서,
상기 편광 분리 수단은 투명한 유전체 재료에 의해 형성한 주기적인 반복 구조인 유전체 격자의 표면에 금속 재료에 의해 형성한 주기적인 반복 구조인 금속 격자를 설치한 격자 구조체인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 24에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 23에 기재한 도광판에 있어서,
상기 격자 구조체의 금속 격자는 반사율이 60% 이상인 금속 박막에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 25에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 24에 기재한 도광판에 있어서,
상기 금속 격자의 금속 박막은 Mg, Se, Y, Ti, Cr, Mo, W, Mn, Cr, Fe, Co, Ni, Ru, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Al, In, Si, Ge, Te, Pb, Sn으로 이루어진 화합물 단독 혹은 이들을 2종 이상 조합한 합금인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 26에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 23 내지 청구항 25 중 어느 한 항에 기재한 도광판에 있어서,
상기 격자 구조체의 유전체 격자는, 그 단면 형상이 직사각형, 사다리꼴, 삼각형 혹은 정현파형 중 어느 하나의 볼록부로 이루어진 형상 또는 이들 볼록부를 복수 조합한 형상 중 어느 하나의 형상의 주기적인 반복인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 27에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 26에 기재한 도광판에 있어서,
상기 격자 구조체의 유전체 격자는 직사각형, 사다리꼴, 삼각형 혹은 정현파형 중 어느 하나의 볼록부의 주기적인 반복 구조로서, 격자 주기가 O보다 크고 O.4 ㎛ 이하, 격자 깊이가 0보다 크고 0.2 ㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 28에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 27에 기재한 도광판에 있어서,
상기 격자 구조체의 유전체 격자의 볼록부는 기본 형상에 미세한 형상을 복수 조합하여 형성한 볼록부인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 29에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재한 도광판에 있어서,
상기 편광 분리 수단은 도광 수단, 투명 기판, 또는 투명 필름에 대하여 금속 재료에 의해 형성한 주기적인 반복 구조인 금속 격자를 설치한 격자 구조체로 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 30에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 29에 기재한 도광판에 있어서,
상기 격자 구조체는 반사율이 60% 이상인 금속 박막인 금속 격자를 형성한 격자 구조체인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 31에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 30에 기재한 도광판에 있어서,
상기 금속 격자의 금속 박막은 Mg, Se, Y, Ti, Cr, Mo, W, Mn, Cr, Fe, Co, Ni, Ru, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Al, In, Si, Ge, Te, Pb, Sn으로 이루어진 화합물 단독 혹은 이들을 2종 이상 조합한 합금인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 32에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 30 또는 청구항 31에 기재한 도광판에 있어서,
상기 금속 격자의 금속 박막의 막 두께는 0.05 ㎛ 이상, 격자의 주기 T는 0.05∼0.25 ㎛이며, 격자의 폭은 격자의 주기 T에 대하여 0.25 T∼0.85 T의 범위인것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 33에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 29 내지 청구항 32 중 어느 한 항에 기재한 도광판에 있어서,
도광 수단, 투명 기판, 또는 투명 필름과, 상기 금속 격자 사이에 하지층이 형성되고,
상기 금속 격자 및 상기 하지층의 표면에 보호막을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 34에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 29 내지 청구항 33 중 어느 한 항에 기재한 도광판에 있어서,
상기 금속 격자는 도광 수단, 투명 기판, 투명 필름 또는 하지층의 표면에 줄무늬형의 격자 패턴을 갖는 마스크를 통해 증착법, 스퍼터법, 이온 도금법 또는 건식 에칭법 중 어느 하나에 의해 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 35에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 29 내지 청구항 34 중 어느 한 항에 기재한 도광판으로서, 투명 필름의 표면측에 금속 박막으로 이루어진 금속 격자가 형성된 격자 구조체를 갖는 도광판에 있어서,
상기 격자 구조체는 투명 필름에 금속 격자를 형성한 후, 그 투명 필름을 줄무늬 방향으로 연신하여 금속 격자를 미세한 패턴으로 하고, 투명 필름과 함께 도광 수단 또는 투명 기판상에 접착하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 36에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 1 내지 청구항 35 중 어느 한 항에 기재한 도광판에 있어서,
상기 도광 수단은 수지를 재료로 하고, 상기 편광 변환 수단을 복굴절 분포로 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 37에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 36에 기재한 도광판에 있어서,
상기 도광 수단의 재료는 아크릴계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 아크릴로니트릴 스티렌계 수지, 에폭시계 수지 또는 올레핀계 수지 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 38에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 36 또는 청구항 37에 기재한 도광판에 있어서,
이방 배향한 스킨층에 의해 내부 복굴절을 형성한 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 39에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 36 내지 청구항 38 중 어느 한 항에 기재한 도광판에 있어서,
수지를 재료로 하는 도광 수단은 배향이 큰 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 40에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 36 내지 청구항 39 중 어느 한 항에 기재한 도광판에 있어서,
도광 수단을 형성한 수지에는 주재료와 다른 이방성 수지폴리머를 소정량 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 41에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 40에 기재한 도광판에 있어서,
주재료와 다른 수지폴리머는 스티렌 비즈 내지 액정 폴리머인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 42에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 1 내지 청구항 41 중 어느 한 항에 기재한 도광판에 있어서,
상기 반사 수단은 상기 도광 수단 중 광이 입사되는 면과, 편광 분리 수단이 형성되는 면을 제외한 면의 전부 또는 일부에 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 43에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 1 내지 청구항 42 중 어느 한 항에 기재한 도광판에 있어서,
상기 반사 수단의 일부 또는 전부는 미세한 요철로 이루어진 확산성 홀로그램, 체적형 확산성 홀로그램 또는 스페클 확산면 중 어느 하나로 하고, 상기 편광 분리 수단을 향해 확산 반사하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 44에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 43에 기재한 도광판에 있어서,
상기 반사 수단의 확산성 홀로그램, 체적형의 확산성 홀로그램 또는 스페클 확산면에 금속 반사막을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 45에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 43 또는 청구항 44에 기재한 도광판에 있어서,
상기 반사 수단 중의 하나의 확산성 홀로그램은 하나의 입사광을 복수의 출사광으로 분기하는 기능을 가지며, P1(x)의 위상차 분포를 갖는 입사광을 i번째의출사광으로 변환하는 기능을 나타내는 위상차 분포를 Pi(x)로 하여, 하기의 수식 1로 표시되는 위상차 분포 P(x)를 갖는 것을 특징으로 한다.
(단, x는 확산성 홀로그램상의 위치를 나타내는 벡터, π는 원주율, m은 자연수, k는 2 이상의 정수, aj는 0<aj<1을 만족하는 함수, Cj는 정수, mod[A, B]는 A를 B로 나누었을 때의 나머지를 나타내는 함수이다.)
또한, 청구항 46에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 45에 기재한 도광판에 있어서,
상기 반사 수단의 확산성 홀로그램의 위상차 분포가 상기 P(x)가 되도록 표면 형상 D'(x)가 하기의 수식 2로 표시되는 것을 특징으로 한다.
(단, nS는 확산성 홀로그램 주위의 매질의 굴절률, λ은 파장을 나타낸다.)
또한, 청구항 47에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 1 내지 청구항 42 중 어느 한 항에 기재한 도광판에 있어서,
상기 반사 수단은 금속에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 48에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 47에 기재한 도광판에 있어서,
금속이 Mg, Se, Y, Ti, Cr, Mo, W, Mn, Cr, Fe, Co, Ni, Ru, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Al, In, Si, Ge, Te, Pb, Sn으로 이루어진 화합물 단독 혹은 이들을 2종 이상 조합한 합금인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 49에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 1 내지 청구항 42 중 어느 한 항에 기재한 도광판에 있어서,
상기 반사 수단은 유전체 다층막에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 50에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 49에 기재한 도광판에 있어서,
상기 유전체 다층막에 금속 반사막을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 51에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 1 내지 청구항 42 중 어느 한 항에 기재한 도광판에 있어서,
상기 반사 수단은 인쇄에 의해 형성되는 패턴인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 52에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 1 내지 청구항 42 중 어느 한 항에 기재한 도광판에 있어서,
상기 반사 수단은 산란면인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 53에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 1 내지 청구항 52 중 어느 한 항에 기재의 도광판에 있어서,
상기 편광 분리 수단은 상기 광원으로부터 위치가 멀어짐에 따라 투과율을높게 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 54에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 1 내지 청구항 53 중 어느 한 항에 기재한 도광판에 있어서,
상기 편광 분리 수단은 광원으로부터 입사되는 광에 대하여 직교하도록 격자 구조체가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 55에 관한 발명의 도광판에 따르면,
청구항 1 내지 청구항 54 중 어느 한 항에 기재한 도광판에 있어서,
상기 반사 수단은 상기 광원으로부터 위치가 멀어질수록 반사율을 높이는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 56에 관한 발명의 액정 표시 장치에 따르면,
광원과,
상기 광원으로부터 출사되는 광에서, 서로 직교하는 2개의 편광 성분 중 한쪽 편광 성분을 투과하는 청구항 1 내지 청구항 55 중 어느 한 항에 기재한 도광판과,
상기 도광판으로부터 출사되는 편광이 조명되는 액정 패널판을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 57에 관한 발명의 액정 표시 장치에 따르면,
청구항 56에 기재한 액정 표시 장치에 있어서,
상기 액정 패널판은,
액정판과,
이 액정판의 양측에 배치되고, 편광 방향을 직교시킨 한 쌍의 편광판을 구비하고,
상기 편광 변환 수단을 투과하는 편광의 편광 방향과, 액정 패널과 도광판 사이에 있는 편광판을 투과하는 편광의 편광 방향을 직교시키도록 상기 편광 변환 수단 및 편광판을 배치하는 것을 특징으로 한다.
다음에, 본 발명의 도광판의 제1 실시 형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1, 도 2는 도광판의 개략 구성도, 도 3은 냉음극관으로부터 출사되는 광의 스펙트럼 특성도이다. 본 실시 형태에서는, 가장 상위 개념의 도광판(1)으로서, 도 1에서 도시한 바와 같이 편광 분리 수단(10), 편광 변환 수단(20), 반사 수단(30), 도광 수단(40)을 구비하고, 특히 도광 수단(40)은 편광 분리 수단(10)과 반사 수단(30) 사이에 끼워지고, 편광 변환 수단(20)을 내부에 포함하도록 일체로 이루어져 있다.
또, 도광 수단(40)은 도 2에서 도시한 바와 같이, 경사를 갖는 형상(쐐기형 형상)으로 하여도 좋다.
계속해서 이들 구성에 대해서 설명한다. 도광판(1)은 한 방향의 편광의 휘도 향상률을 개선하는 기능을 갖는 점을 설명하기 위해서, 광원(2)으로부터 입사되는 광에 어떠한 작용을 미치는 지에 대해서 설명한다.
도 1에서 도시한 바와 같이, 광원(2)은 광을 출사한다. 이 광은 반사 수단(30)의 반사면과 편광 분리 수단(10)의 편광 분리면 사이를 교대로 반사하면서 진행한다.
이 중 편광 분리 수단(10)은 광의 편광 방향을 따라 반사광과 투과광을 분리하는 기능을 갖고 있다. 편광 분리 수단(10)은 편광 분리 수단(10)에 도달한 광 중에서, 도 1에서 도시하는 방향의 p 편광을 투과광으로서 투과시키고, s 편광을 반사광으로서 반사시키는 것으로 한다.
또, 본 명세서의 설명에 있어서의 p 편광과 s 편광은 뒤에 상세히 설명하지만, 도 1에서 도시한 바와 같이, 격자 구조체의 형성 방향을 기준으로 결정되는 것으로, 격자 구조체의 형성 방향에 대하여 수직인 방향을 p 편광이라고 정의하고, 격자 구조체의 형성 방향에 대하여 수평인 방향을 s 편광이라고 정의한다.
그런데, 편광 분리 수단(10)으로부터 반사한 광(s 편광)은 편광 변환 수단(20)을 투과한다. 이 편광 변환 수단(20)은 투과하는 광에 대하여, θ1+ n·180°(단, θ1은 30°≤θ1≤150° 범위 내에 있고, n은 정수임)라고 하는 조건(이하, 조건 1이라 함)을 만족하는 복굴절 위상차를 부여한다. 투과한 광은 반사 수단(30)에 도달한다.
반사 수단(30)은 도달한 광을 반사시키고, 편광 변환 수단(20) 및 편광 분리 수단(10)으로 향하게 한다. 본 실시 형태에서는 반사 수단(30)은 단순히 반사하는 것으로서 설명하고 있지만, 반사 방향 등을 제어할 수 있는 각종 반사 수단(30)을 채용하는 것도 가능하다. 반사 수단(30)의 상세한 사항은 후술한다.
편광 변환 수단(20)에서는, 투과하는 광에 대하여, θ1+ n·180°(단, θ1은 30°≤θ1≤150° 범위 내에 있고, n은 정수임)라고 하는 조건 1을 만족하는 복굴절위상차를 부여한다. 편광 변환 수단(20)을 투과한 광은 편광 분리 수단(10)에 도달한다.
이것으로서, 편광 분리 수단(10)·반사 수단(30) 사이를 왕복할 때에, 광에 대하여 합계 2·θ1+ n·360°(단, 2·θ1은 60°≤2·θ1≤300° 범위 내에 있음)의 복굴절 위상차가 부여된다. 이것은 180°를 중심으로 ±120°까지의 범위에 포함되도록 복굴절 위상차가 부여되는 것을 뜻하고 있다.
광에 180°의 복굴절 위상차를 부여하는, 즉 1/2 파장의 위상을 어긋나게 하면 광의 편광 방향이 90° 변환되는 것은 잘 알려져 있고, 이 편광 변환 수단(20)으로부터 편광 분리 수단(10)으로 입사되는 광은 90°를 중심으로 소정 범위 내(90°를 중심으로 ±60°범위, 즉 30°≤α≤150°)에 편광 방향이 변환되어 있고(즉 s 편광이 p 편광 성분을 포함하는 광으로 변환되어 있음), 편광 성분(p 편광)이 편광 분리 수단(10)을 투과하여 출사되게 된다.
또, 편광 분리 수단(10)을 투과할 수 없게 반사된 s 편광 성분도 재차 같은 광로를 거쳐 최종적으로는 편광 분리 수단(10)을 투과한다.
또, 편광 분리 수단(10)의 편광 분리면에서 반사된 s 편광 성분이 반사 수단(30)의 아래쪽 반사면에서 한 번 반사되었다고 해도, 반드시 모든 광이 편광 분리 수단(10)의 편광 분리면에 이르는 것은 아니지만, 편광 분리면과 반사면 사이에서 다중 반사되는 과정에서 통계적으로 p 편광으로 변환되어, 편광 분리 수단(10)의 편광 분리면을 투과한다. 이와 같이 광을 낭비없이 이용하기 때문에,휘도 향상률을 개선할 수 있다.
또, 본 실시 형태에서는, 도 2에서 도시한 바와 같이 도광 수단(40)을 쐐기형으로 하여 반사 수단(30)을 경사지게 하고, 입사되는 광에 대하여 편광 분리 수단(10)을 향해 확실하게 반사시키도록 하는 것도 가능하다.
본 실시 형태의 편광 변환 수단(20)은 투과하는 광에 대하여 복굴절 위상차가 θ1+ n·180°(단, θ1은 30°≤θ1≤150° 범위 내에 있고, n은 정수임) 부여하는 것이라고 설명하였다. 이 경우, 광원(2)이 출사하는 광의 파장에 따라 부여하는 복굴절 위상차가 다르다. 이하, 이 점에 대해서 개략 설명한다.
광원(2)은, 구체적으로는 단색 광원 또는 백색 광원이 있을 수 있다.
단색 광원이면 특정 파장(예컨대, 적색 700 nm, 녹색 546.1 nm, 혹은 청색 435.8 nm의 단파장)의 레이저광을 출력하는 레이저 다이오드 단색 LED 등이 있다.
백색 광원이면, 냉음극관 광원 혹은 백색 LED 광원(LED 칩으로부터 방사되는 자외광을 형광 재료에 의해 백색광으로 변환하는 광원)과 같이 넓은 범위의 파장에 걸쳐 광을 방사하는 광원이 있다. 또한, 보색 관계에 있는 2색, 혹은 RGB 삼원색 등 단색의 광을 복수 방사하여 백색광을 얻는 백색 LED 광원 등 여러 가지 광원이 있다. 이러한 백색 광원은, 예컨대, 도 3에서 도시하는 스펙트럼 특성도로부터도 밝혀진 바와 같이 넓은 대역에서 다른 파장의 복수의 광을 포함하고 있다.
계속해서, 편광 변환 수단(20)이 부여하는 복굴절 위상차는 광의 파장에 의존하고, 사용하는 광원(2)의 종류에 따라 조건이 서로 다른 점에 대해서 설명한다.
예컨대, 광원이 단파장의 광을 출력하는 레이저광 등의 단색 광원의 경우, 광의 파장은 협대역이다. 따라서, 그 광원의 파장으로 복굴절 위상차가 조건 1을 만족하고, 바람직하게는 복굴절 위상차가 90°가 되도록 결정한다.
편광 변환 수단(20)은 투과하는 광에 대하여 복굴절 위상차가 θ1+ n·180°(단, θ1은 30°≤θ1≤150° 범위 내)에 부여하는 것이지만, 이 복굴절 위상차는 각도 이외에 길이로 표시하는 것도 가능하다. n=O으로 하면, 다음과 같이 된다.
레이저광의 파장이 700 nm이면,
700 nm·30°/360°= 58.3 nm
700nm·150°/360°= 291.7 nm
즉 n=0의 경우 58.3 nm∼291.7 nm의 범위로 복굴절 위상차를 부여할 수 있으면 조건 1을 만족하고, 이 중 90°가 되는 175 nm 정도의 복굴절 위상차를 보다 많이 부여하는 편광 변환 수단(20)으로 하면 좋다.
마찬가지로, 레이저광의 파장이 550 nm이면,
550.0 nm·30°/360°= 45.8 nm
550.0 nm·150°/360°= 229.2 nm
즉 n=0의 경우 45.8 nm∼229.2 nm의 범위로 복굴절 위상차를 부여할 수 있으면 좋고, 이 중 90°가 되는 137.5 nm 정도의 복굴절 위상차를 보다 많이 부여하는 편광 변환 수단(20)으로 하면 좋다.
마찬가지로, 레이저광의 파장이 400 nm이면,
400.0 nm·30°/360°= 33.3 nm
400.0 nm·150°/360°= 166.7 nm
즉 n=0의 경우 33.3 nm∼166.7 nm 범위로 복굴절 위상차를 부여할 수 있으면 좋고, 이 중 90°가 되는 100.0 nm 정도의 복굴절 위상차를 보다 많이 부여하는 편광 변환 수단(20)으로 하면 좋다.
그런데, 조건 1은, 광의 s 편광 성분은 편광 분리 수단(10)과 반사 수단(30)을 한 번 왕복하는 사이에, 편광 변환 수단(20)의 작용을 받아 대부분이 p 편광이 되는 것을 전제로 하고 있다. 또, 한 번 왕복이 아니라 두 번 왕복 등 많은 광로를 취하는 광도 있지만, 대략 반사 수단(30)의 반사면에서 반사하여 다시 편광 분리 수단(10)의 편광 분리면에 이른다. 따라서 편광 변환 수단(20)이 부여하는 복굴절 위상차는 도광판(10)의 두께 방향으로 대강 90° 정도로서, 복굴절 위상차가 θ1+ n·180°(단, θ1은 30°≤θ1≤150° 범위 내)에 부여하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이 단색 광원에서는, 편광 변환 수단(20)이 부여하는 복굴절 위상차의 결정에 곤란은 없다. 그러나, 광원(2)이 백색 광원, 즉 냉음극관 광원 백색 LED 광원의 경우와 같이 넓은 범위의 파장에 걸쳐 광을 방사하는 광원의 경우는, 조건 1을 만족하는 복굴절 위상차의 결정은 단순하지 않다.
본 발명의 편광 변환 수단(20)에서는, 이 점을 해결하기 위해서, 가시 영역에 있어서 광원이 백색광으로서 지배적으로 작용하고 있는 파장 영역의 대략 중앙부근의 파장에 있어서 조건 1을 만족하도록(복굴절 위상차를 90° 부여하도록) 결정하는 것으로 하였다.
또한, 보색 관계에 있는 2색이나 RGB 삼원색 등 단색의 광을 복수 방사하여 백색광을 얻는 백색 LED 광원의 경우에는 이들 2색 내지 3색 등의 파장의 대략 중앙 부근의 파장에 있어서 조건 1을 만족하도록(복굴절 위상차를 90° 부여하도록) 결정하는 것으로 하였다.
예컨대, 백색 광원이 400 nm, 550 nm 및 700 nm(설명의 간단화를 위해 파장을 간단한 수치로 하고 있음)이라고 하는 RGB 삼원색의 레이저를 출사하여 백색광으로 하는 광원인 경우에 대해서 설명한다. 이 경우의 중앙 부근의 파장이란, 550 nm이며, 복굴절 위상차를 길이로 나타내면, n=0의 경우, 45.8 nm∼229.2 nm 범위로 복굴절 위상차를 부여한다는 것이다. 그러나, 상기 계산과 같이 파장 700 nm의 광에서는, 175 nm의 복굴절 위상차를 부여하는 경우 90°의 복굴절 위상차가 부여되고, 또한, 파장 400 nm의 광에서는 100 nm의 복굴절 위상차를 부여하는 경우에 90°의 복굴절 위상차가 부여된다. 이들은 45.8 nm∼229.2 nm의 범위에 포함되는 복굴절 위상차로서, 삼원색 전부의 파장에 대하여 90°가까운 복굴절 위상차가 부여된다. 따라서, 본 실시 형태의 조건 1의 편광 변환 수단(20)을 구비하는 도광판에서는 백색 광원이라도 적용할 수 있는 것이다.
본 실시 형태에서는, 편광 분리 수단(10)과 반사 수단(30) 사이에 편광 변환 수단(20)을 배치하였기 때문에, 편광 분리 수단(10)의 편광 분리면을 반사한 s 편광이 반사 수단(30)으로부터 반사하여 재차 편광 분리 수단(10)의 편광 분리면으로 입사될 때에, 광이 편광 변환 수단(20)을 왕로 복로로 2번 투과하여 s 편광으로부터 p 편광 성분을 포함하도록(편광 방향을 90° 변환하면 전(全)성분이 p 편광이 되도록) 편광 방향을 변환하여 편광 분리 수단(10)을 투과할 수 있도록 할 수 있다.
이러한 구성을 채용함으로써, 직교하는 2방향의 편광 중 한쪽 편광만을 종래보다 높은 효율로 추출하여, 휘도 향상률을 개선할 수 있다는 이점이 있다.
계속해서 제2 실시 형태에 대해서 설명한다. 본 발명에서는, 휘도 향상률을 더욱 높이기 위해서, 상기 편광 변환 수단(20) 중 영역 면적의 약 80%는, 바람직하게는 투과하는 광에 대하여, θ2+ n·180°(단, θ2는 45°≤θ2≤135° 범위 내에 있고, n은 정수임)의 조건(이하 조건 2라 함)을 만족하도록 복굴절 위상차를 부여하는 것이다.
이 경우도, 광원의 종류에 따라 변화되는 것으로, 예컨대, 단색 광원의 경우, 편광 변환 수단(20)은, 투과하는 광에 대하여 복굴절 위상차가 θ2+ n·180°(단, θ1는 45°≤θ2≤135° 범위) 내에 부여하는 것이다. 먼저 언급하였던 계산에서와 마찬가지로, 복굴절 위상차를 길이로 나타내면, n=O의 경우, 이하와 같이 된다.
파장이 700 nm이면,
700 nm·45°/360°= 87.5 nm
700nm·135°/360°= 262.5 nm
즉 n=0의 경우 87.5 nm∼262.5 nm의 범위로 복굴절 위상차를 부여할 수 있으면 좋고, 이 중 90°가 되는 175 nm 정도의 복굴절 위상차를 보다 많이 부여하는 편광 변환 수단(20)으로 하면 좋다. 이 경우, 조건 1의 58.3 nm∼291.7 nm의 범위보다 좁아져 있기 때문에, 편광 변환 수단(20)을 엄밀히 설정(설정의 구체적 수법에 대해서는 후술함)할 필요가 생긴다.
마찬가지로, 파장이 550 nm이면,
550.0 nm·45°/360°= 68.8 nm
550.0 nm·135°/360°= 206.3 nm
즉 n=0의 경우 68.8 nm∼206.3 nm의 범위로 복굴절 위상차를 부여할 수 있으면 좋고, 이 중 90°가 되는 137.5 nm 정도의 복굴절 위상차를 보다 많이 부여하는 편광 변환 수단(20)으로 하면 좋다. 이 경우, 조건 1의 45.8 nm∼229.2 nm의 범위보다 범위가 좁아져 있기 때문에, 편광 변환 수단(20)을 엄밀히 설정할 필요가 생긴다.
마찬가지로, 파장이 400 nm이면,
400.0 nm·45°/360°= 50.0 nm
400.0 nm·135°/360°= 150.0 nm
즉 n=0의 경우 50.0 nm∼150.0 nm의 범위로 복굴절 위상차를 부여할 수 있으면 좋고, 이 중 90°가 되는 100.0 nm 정도의 복굴절 위상차를 보다 많이 부여하는 편광 변환 수단(20)으로 하면 좋다. 이 경우, 조건 1의 33.3 nm∼166.7 nm 범위보다 범위가 좁아져 있기 때문에, 편광 변환 수단(20)을 엄밀히 설정할 필요가 생긴다. 이와 같이, 단색 광원의 경우는 적용에 문제는 없다.
또한, 백색 광원이 400 nm, 550 nm 및 700 nm이라는 RGB 삼원색의 레이저를 출사하여 백색광으로 하는 광원인 경우는, 중앙 부근의 파장 550 nm로 광에 대하여 조건 2를 만족하는 복굴절 위상차로 하는 것으로, 복굴절 위상차를 길이로 나타내면, n=0의 경우, 68.8 nm∼206.3 nm의 범위로 복굴절 위상차를 부여한다는 것이다. 그러나, 상기 계산과 같이 파장 700 nm의 광에서는, 175 nm의 복굴절 위상차를 부여하는 경우 90°의 복굴절 위상차가 부여되고, 또한 파장 400 nm의 광에서는 100 nm의 복굴절 위상차를 부여하는 경우에 90°의 복굴절 위상차가 부여된다. 이들은, 68.8 nm∼206.3 nm 범위에 포함되는 복굴절 위상차로서, 삼원색 전부의 파장에 대하여 90°가까운 복굴절 위상차가 부여된다. 따라서, 본 실시 형태의 조건 2의 편광 변환 수단(20)을 구비하는 도광판에서는 백색 광원이라도 적용할 수 있는 것이다.
이러한 구성에 의해, 편광 변환 수단(20)을 왕복하여 2번 투과한 경우에, 합계 2·θ2+ n·360°(단, 2·θ2는 90°≤2·θ2≤270°의 범위 내에 있음) 이것은 180°를 중심으로 ±90°까지의 범위에 포함되도록 복굴절 위상차가 부여되는 것을 뜻하고 있다. 이 경우, 편광 분리 수단(10)으로 입사되는 광은 90°를 중심으로 소정 범위 내(90°를 중심으로 ±45°: 45°≤α≤135°)에 편광 방향이 변환되어 있고, 먼저 편광 분리 수단(10)에 의해 반사한 광 중에서, 투과 가능한 편광 성분이 편광 분리 수단(10)을 투과하여 출사되게 된다.
본 발명에서는, 편광 변환 수단(20)에 의한 편광의 변환 방향의 범위(90°를중심으로 ±45° 범위 내)를 좁혀 출력하도록 하였기 때문에, s 편광이 보다 많은 p 편광 성분을 포함하는 광이 되도록 편광 방향을 변환하여 보다 많은 광이 편광 분리 수단(10)을 투과할 수 있게 되어, 휘도 향상률을 증대시킬 수 있다.
이러한 구성을 채용함으로써, 제1 실시 형태보다 더 높은 효율로 편광을 추출할 수 있는 영역을 80% 이상 확보하여 휘도 향상률을 보다 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.
계속해서 제3 실시 형태에 대해서 설명한다. 본 발명에서는, 휘도 향상률을 더욱 개선하기 위해서, 상기 편광 변환 수단(20) 중 영역 면적의 약 60%는, 바람직하게는, 투과하는 광에 대하여 θ3+ n·180°(단, θ3은 60°≤θ3≤120° 범위 내에 있고, n은 정수임)의 조건(이하 조건 3이라 함)을 만족하도록 복굴절 위상차를 부여하는 것이다.
이 경우도, 광원의 종류에 따라 조건 3은 변화되는 것으로서, 예컨대 단색 광원의 경우, 편광 변환 수단(20)은 투과하는 광에 대하여 복굴절 위상차가 θ3+ n·180°(단, θ3은 60°≤θ3≤120°의 범위 내에 부여하는 것이다. 복굴절 위상차는 길이로 나타내는 것도 가능하고, 이것은, n=O의 경우, 다음과 같이 된다.
파장이 700 nm이면,
700 nm·60°/360°= 116.7 nm
700nm·120°/360°= 233.3 nm
즉 n=0의 경우 116.7 nm∼233.3 nm의 범위로 복굴절 위상차를 부여할 수 있으면 좋고, 이 중 90°가 되는 175 nm 정도의 복굴절 위상차를 보다 많이 부여하는 편광 변환 수단(20)으로 하면 좋다. 이 경우, 조건 1의 58.3 nm∼291.7 nm의 범위, 조건 2의 87.5 nm∼262.5 nm보다 범위가 좁아져 있기 때문에, 편광 변환 수단(20)을 엄밀히 설정할 필요가 생긴다.
마찬가지로, 파장이 550 nm이면,
550.0 nm·60°/360°= 91.7 nm
550.0 nm·120°/360°= 183.3 nm
즉 n=0의 경우 91.7 nm∼183.3 nm의 범위로 복굴절 위상차를 부여할 수 있으면 좋고, 이 중 90°가 되는 137.5 nm 정도의 복굴절 위상차를 보다 많이 부여하는 편광 변환 수단(20)으로 하면 좋다. 이 경우, 조건 1의 45.8 nm∼229.2 nm의 범위, 조건 2의 68.8 nm∼206.3 nm의 범위보다 범위가 좁아져 있기 때문에, 편광 변환 수단(20)을 엄밀히 설계할 필요가 생긴다.
마찬가지로, 파장이 400 nm이면,
400.0 nm·60°/360°= 66.7 nm
400.0 nm·120°/360°= 133.3 nm
즉 n=0의 경우 66.7.nm∼133.3 nm의 범위로 복굴절 위상차를 부여할 수 있으면 좋고, 이 중 90°가 되는 100.0 nm 정도의 복굴절 위상차를 보다 많이 부여하는 편광 변환 수단(20)으로 하면 좋다. 이 경우, 조건 1의 33.3 nm∼166.7 nm의 범위보다, 조건 2의 50.0 nm∼150.0 nm의 범위보다 좁아져 있기 때문에, 편광 변환 수단(20)을 엄밀히 설정할 필요가 생긴다. 이와 같이, 단색 광원의 경우는 적용에 문제는 없다.
또한, 백색 광원이 400 nm, 550 nm 및 700 nm라는 RGB 삼원색의 레이저를 출사하여 백색광으로 하는 광원인 경우는, 중앙 부근의 파장이 550 nm이며, 복굴절 위상차를 길이로 나타내면, n=0의 경우 91.7 nm∼183.3 nm의 범위로 복굴절 위상차를 부여한다는 것이다. 그러나, 이러한 계산과 같이 파장 700 nm의 광에서는, 175 nm의 복굴절 위상차를 부여하는 경우 90°의 복굴절 위상차가 부여되고, 또한 파장 400 nm의 광에서는 100 nm의 복굴절 위상차를 부여하는 경우에 90°의 복굴절 위상차가 부여된다. 이들은 91.7 nm∼183.3 nm의 범위에 포함되는 복굴절 위상차로서, 삼원색 전부의 파장에 대하여 90°가까운 복굴절 위상차가 부여된다. 따라서, 본 실시 형태의 조건 3의 편광 변환 수단(20)을 구비하는 도광판에서는 백색 광원이라도 적용할 수 있는 것이다.
이러한 구성에 의해, 편광 변환 수단(20)을 왕복하여 2번 투과한 경우에, 합계 2·θ3+ n·360°(단, 2·θ3은 120°≤2·θ3≤240° 범위 내에 있음) 이것은 180°를 중심으로 ±90°까지의 범위에 포함되도록 복굴절 위상차가 부여되는 것을 뜻하고 있다. 이 경우, 편광 분리 수단(10)으로의 입사광은 90°를 중심으로 소정 범위 내(90°를 중심으로 ±30°: 60°≤α≤120°)로 편광 방향이 변환되어 있고, 먼저 편광 분리 수단(10)으로 반사한 광 중에서 투과 가능한 편광 성분이 편광 분리 수단(10)을 투과하여 출사되게 된다.
본 발명에서, 편광 변환 수단(20)은 편광의 변환 방향의 범위(90°를 중심으로 하여 ±30°의 범위 내)를 좁혀 출력하는 영역을 60% 이상 확보하여 휘도 향상률을 보다 개선시킬 수 있다고 하는 이점이 있다.
계속해서, 본 발명의 제4 실시 형태에 대해서 설명한다.
본 실시 형태에서는, 상기 제1 내지 제3 실시 형태의 구성에 덧붙여, 추가로 편광 분리 수단(10)을 보다 구체적으로 설명하는 것이다. 도 4 내지 도 7은 격자 구조체의 단면 형상도이다.
본 실시 형태의 편광 분리 수단(10)은 투명한 유전체 재료에 의해 형성한 주기적 반복 구조인 유전체 격자로 이루어지는 격자 구조체를 채용한 것이다. 이 격자 구조체의 단면 형상은, 예컨대, 도 4에 도시한 바와 같은 직사각형, 도 5에 도시한 바와 같은 사다리꼴, 도 6에 도시한 바와 같은 삼각형, 도 7에 도시한 바와 같은 정현파의 볼록부 중 어느 하나의 형상, 또는 도시하지 않지만 이들 볼록부를 복수 조합한 형상 중 어느 하나의 형상의 주기적인 반복 구조이다. 그리고, 반복 주기는 p이다.
이들 격자 구조체는 도광 수단(40)에 격자 구조체가 직접 형성되는 경우, 투명 기판상에 격자 구조체가 형성되어 도광 수단(40)에 배치되는 경우, 혹은 투명 필름에 대하여 격자 구조체가 형성되어 도광 수단(40)에 배치되는 경우 등이 생각된다.
이러한 격자 구조체의 편광 분리 기능에 대해서 설명한다. 도 8은 격자 구조체와 투과광의 관계를 설명하는 원리도이다. 도 8에서 도시한 바와 같이 유전체에 의해 형성된 격자 구조체(100)는, 도시예에서는, 격자 구조체(100)의 격자 형성 방향인 Y축 방향으로 신장하도록 이루어져 있다. 이 격자 구조체에 입사되는 X축 방향의 편광 성분(p 편광) 및 Y축 방향의 편광 성분(s 편광)을 갖는 광(3)을 생각한다. 이러한 광(3)이 격자 구조체(100)에 입사되면, X축 방향의 편광 성분의 광(p 편광)만이 Z축 방향으로 투과하지만, Y축 방향의 편광 성분(s 편광)은 격자 구조체(100)로 반사되어 Z축의 아래 방향으로 복귀된다. 즉, 본 실시 형태의 편광 분리 수단(10)은 이러한 격자 구조체(100)의 재질(유전체)과 형상, 치수에 의해 편광이 투과 혹은 반사하는 성질을 이용하는 것이다.
이와 같이 격자 구조체(100)는 편광 분리 기능을 갖고 있지만, 격자 구조체(100)의 주기가 p인 경우, 파장이 p 근방의 광(파장 정도의 광)을 주로 투과시키는 것이다. 따라서, 본 실시 형태의 격자 구조체(100)를 이용하는 편광 분리 수단(10)은, 광원은 단파장을 출력하는 단색 광원으로 하는 것이 바람직하다.
이러한 단면 형상을 갖는 격자 구조체(100)의 편광 분리 기능은 전자계 이론에 의한 광파의 수치 해석 시뮬레이션에 의해서도 밝혀지고 있다.
여기서, 격자 구조체의 단면 형상은 직사각형, 사다리꼴, 삼각형 혹은 정현파형 중 어느 하나의 볼록부의 주기적인 반복 구조로서, 격자 주기가 0.3∼0.8 ㎛, 격자 깊이가 0.2∼0.5 ㎛로 하는 것이 적합한 점에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다.
도 9 내지 도 12는 격자 구조체의 개략적인 구성도, 도 13 내지 도 16은 격자 구조체의 편향 분리 특성도이다.
이들 도 9 내지 도 12에 도시되는 격자 구조체에 광을 입사했을 때의 편광분리 특성의 계산기에 의한 시뮬레이션 결과의 편향 분리 특성이 도 13 내지 도 16에 도시되어 있다. 도 9, 도 10, 도 11, 도 12는 각각 직사각형, 사다리꼴, 정현파형, 삼각형의 격자 구조체이며, 모두 격자 주기 p=0.55 ㎛, 격자 깊이 h=0.28 ㎛, 굴절률이 n=1.49이다. 이 격자 구조체에 가시광의 파장 영역의 광(400 nm∼700 nm의 파장의 광)을 수직 입사시킨 경우에, 격자 구조체의 형성 방향으로 평행한 편광 성분(s 편광)의 반사율(Rs)과, 격자 구조체의 형성 방향에 수직인 편광 성분(p 편광)의 투과율(Tp)의 파장 의존성을 각각 도 13, 도 14, 도 15, 도 16에 도시한다. 격자 주기 p=0.55 ㎛보다 약간 큰 파장 영역에 있어서, 반사율(Rs)이 높게 되어 있다. 이들 4개의 분리 특성도에 있어서, 격자 주기 p보다 큰 파장을 갖는 광(파장 550 nm의 광) 중 p 편광은 효율 0.9 정도로 투과하고, s 편광은 효율 0.5∼0.8 정도로 반사한다는 점이 도시되어 있어, 양호한 편광 분리 특성을 얻을 수 있다.
또, 상기 격자 구조체 이외에도 유전체 격자의 볼록부는 기본 형상에 미세한 형상을 조합하여 형성한 복수 형상으로 이루어진 볼록부로 하여도 좋다. 도 17은 예컨대, 다단형 볼록부를 설명하는 단면도이다.
도 17에 예시한 바와 같이, 격자 구조체의 형상 또는 구조는 미세한 요철(도 17에서는 요철에 덧붙여 더욱 미세한 요철이 형성되어 있음)이며, 광의 파장 정도 이하의 주기 p로 형성되는 볼록부는, 폭이 좁은 홈부(101)와, 이 홈부(101)에 단차를 이루어 형성되는 폭이 넓은 홈부(102)를 다수 반복 형성한 것이다. 이와 같이, 직사각형 위에 추가로 직사각형의 격자로서 단면 볼록형의 격자 구조로 하여도 좋다.
계속해서, 표면 형상을 다단으로 하는 이유에 대해서 설명한다. 이것은 제조상의 편리성에 따른 것이다.
유전체 격자의 단면 형상은 앞서 설명한 바와 같이 직사각형, 사다리꼴, 정현파형 또는 삼각형의 볼록부에 의한 격자 구조체인 것이 바람직한 점에 대해서 설명하였지만, 이들 볼록부를 엄밀히 형성하는 것이 곤란한 경우도 있다. 그래서, 정현파형, 삼각형을 근사한 계단 형상(도 17 참조)으로 하여 편광 분리 수단(10)을 형성하는 수법을 채용하는 것이다.
계속해서, 이들 격자 구조체의 제조 방법에 대해서 설명한다.
후술할 것이지만, 도광 수단(40)은 수지 성형에 의해 형성되는 것으로, 격자 구조체의 전사면을 성형 금형으로 형성하여 수지 성형시에 전사에 의해 편광 분리 수단을 성형하는 수법이다. 성형 금형의 전사면의 제작에는 직사각형, 사다리꼴, 삼각형상에서는 종래부터 알려진 루링 엔진이나 파낙 가부시키가이샤에서 제조한 ROBOnano 등 최근 가공 분해능이 향상된 미세 형상 가공기 등에 의해 기계적으로 절삭하는 방법을 이용할 수 있다.
또한, 상술한 성형 금형으로부터의 전사에 의한 방식에 덧붙여 포토마스크와 광의 노광에 의해 형성할 수도 있다. 이 경우, 단면 형상의 볼록부를 도 17에서 도시한 바와 같은 계단 형상에 근사한 형상으로 제작하는 것은 용이하다. 제작 방법의 개요를 설명한다. 도 18은 포토마스크와 광의 노광에 의한 격자 구조체의 제조 방법을 설명하는 설명도이다. 도 18(a)에 도시한 바와 같이 투명 기재(103)(도광 수단 40) 상에 형성된 포토레지스트(104)에 제1 포토마스크(105)를 통해 노광한다.노광 후 감광한 포토레지스트(104)를 제거하고 에칭에 의해 투명 기재(103)(도광 수단 40)를 2치(値) 형상으로 가공한다. 그리고, 도 18(b)에서 도시한 바와 같이 제2 포토마스크(106), 또는 도시하지 않은 제3 포토마스크를 이용하여 동일한 순서를 행함으로써 용이하게 계단형의 근사 형상을 형성할 수 있다.
또한, 정현파형의 경우는, 1장의 2치 형상 마스크를 이용하여 광의 노광 조건을 제어함으로써 형을 정현파형으로 하는 것도 가능하다. 또한, 직사각형 내지 사다리꼴의 형을 이용하여 성형 조건을 적당히 설정함으로써 투명 기재(103)(도광 수단 40)에 실질적으로 정현파형을 형성할 수도 있다. 또한, 정현파형의 경우는 2개의 레이저광을 포토레지스트면에서 간섭시킴으로써 홀로그래픽으로 형성할 수도 있다.
이들 격자 구조의 주기는 조명광의 파장 정도가 이론상 바람직하지만, 도 13 내지 도 16의 분리 특성 도면으로부터 밝혀진 바와 같이, 격자 구조체의 주기를 약간 작게, 또한 광의 파장은 크게 하여도 소정의 변경 분리 기능이 실현되기 때문에 격자 구조의 주기를 광의 파장보다 약간 작게 하여도 좋다.
이 격자 구조체는 격자 주기의 크기가 가시광의 파장 영역을 포함하는 것으로, 0.3∼0.8 ㎛의 범위 내에 있으면 좋다. 또, 격자 깊이는 0.2∼0.5 ㎛가 적합하지만, 격자 깊이는 파장이 커지면 그에 따라 격자 깊이도 커지는 것이다.
또, 뒤에 상세히 설명하지만, 격자 구조체의 주기는 일정 주기로 한정되는 것이 아니다. 도 19의 격자 구조체의 단면 형상도에서 도시한 바와 같이, 장소에 따라 변화되는 (p1>p2) 구조로 하여 장소에 따라 투과시키는 광의 파장을 변경 조절하는 것도 가능하다.
이상 설명한 바와 같은 사항은 본 발명자의 컴퓨터 시뮬레이션 및 실험에 의해 알게 된 사항으로서, 이들 격자 주기 및 격자 깊이는 먼저 설명한 조합 이외에도 실상에 따라 적절하게 조정 변경되어 선택된다.
계속해서, 본 발명의 제5 실시 형태에 대해서 설명한다.
본 실시 형태에서는, 제4 실시 형태와 마찬가지로, 상기 제1 내지 제3 실시 형태의 구성에 덧붙여, 추가로 편광 분리 수단(10)을 보다 구체적으로 설명하는 것이지만, 편광 분리 수단(10)의 다른 형태이다.
본 실시 형태의 편광 분리 수단(10)은 투명한 유전체 재료에 의해 형성한 주기적인 반복 구조인 유전체 격자의 표면에 소정의 굴절률을 갖는 재료인 단층 표면층, 혹은 인접하는 층간에 서로 굴절률이 다른 재료를 적층한 복층 표면층을 더한 격자 구조체이다.
이 격자 구조체의 유전체 격자는, 그 단면 형상이 직사각형, 사다리꼴, 삼각형 혹은 정현파형 중 어느 하나의 볼록부로 이루어진 형상, 또는 이들 볼록부를 복수 조합한 형상 중 어느 하나의 형상의 주기적인 반복 구조이다.
이들 격자 구조체는 도광 수단(40)에 직접 형성되는 경우, 투명 기판상에 형성되어 도광 수단(40)에 배치되는 경우, 혹은 투명 필름상에 형성되어 도광 수단(40)에 배치되는 경우 등을 생각할 수 있다.
격자 구조체의 유전체 격자는 격자 주기 0.3∼0.8 ㎛, 격자 깊이 0.2∼0.5 ㎛이며, 격자 구조체의 표면에 설치되는 표면층은 두께 50∼150 nm의이산화티탄(TiO2) 또는 오산화탄탈(Ta2O5)과, 두께 70∼200 nm의 이산화실리콘(SiO2)을 교대로 복층으로 적층한 것이다.
이들 실시 형태의 구체예를 도시한다. 격자 구조체와, 광을 입사된 때의 편광 분리 특성의 계산기에 의한 시뮬레이션의 구체예이며, 도 20은 격자 구조체의 구성예를 도시하는 도면이고, 도 21은 격자 구조체의 편향 분리 특성도이다.
도 20에 도시하는 격자 구조체는 격자 주기가 0.55 ㎛이고, 격자 깊이가 0.275 ㎛이고 볼록부가 삼각형의 유전체 격자(107)의 표면에 두께 87 nm인 이산화티탄(TiO2)의 유전체막(108)과, 두께 132 nm의 이산화실리콘(SiO2)의 유전체막(109)과, 두께 87 nm의 이산화티탄(TiO2)의 유전체막(110)을, 이 순서로 적층시킨 격자 구조체이다.
이 격자 구조체에 가시의 파장 영역의 광을 수직 입사된 경우에, 격자의 방향으로 평행한 편광 성분의 반사율(Rs)과, 격자의 방향에 수직인 편광 성분의 투과율(Tp)의 파장 의존성을 각각 도 21에 도시한다. 파장 영역 0.4 ㎛∼0.7 ㎛에 있어서의 평균치로 Rs=0.77, Tp=0.85를 얻을 수 있었다.
이것은, 가시 영역의 파장을 갖는 광 중에서 p 편광은 0.85의 고율로 투과하고, s 편광은 0.77의 고율로 반사하는 것이 되며, 가시 영역의 전파장에 대하여 양호한 편광 분리 특성을 얻을 수 있다. 따라서, 본 실시 형태의 격자 구조체를 이용하는 편광 분리 수단(10)은 백색 광원 및 단색 광원으로 채용하는 것이 가능하다.
또, 상기 구성으로 유전체막(108, 110)을 오산화탄탈(Ta2O5)의 유전체막으로하여도 좋다.
또한, 상기 구성으로 유전체막(108, 110)을 이산화실리콘(SiO2)의 유전체막으로 하여도 좋고, 유전체막(109)을 이산화티탄(TiO2) 또는 오산화탄탈(Ta2O5) 박막으로 하여도 좋다.
게다가, 이산화티탄(TiO2) 또는 (SiO2)의 유전체막(108)과 격자 구조체(107)의 표면 사이에 0보다 크고 100 nm 이하의 두께의 일산화실리콘(SiO) 유전체막을 설치하여도 좋다.
이들 사항은 본 발명자의 컴퓨터 시뮬레이션 및 실험에 의해 알게 된 것으로, 어느 정도의 값이 선택될지는 개개의 격자 구조체의 실상에 따라 적절하게 설계 선택되는 사항이다.
계속해서 이들 실시 형태의 다른 구체예를 도시한다. 격자 구조와, 광을 입사시켰을 때의 편광 분리 특성의 계산기에 의한 시뮬레이션의 구체예로서, 도 22는 격자 구조체의 구성예를 도시하는 도면, 도 23은 그 격자 구조체의 편향 분리 특성도이다.
도 22에 도시하는 구조체는 격자 주기 0.6 ㎛, 격자 깊이 0.24 ㎛의 정현파의 볼록부를 갖는 유전체 격자(111)의 표면에 두께 118 nm의 이산화티탄(TiO2) 박막(112)과, 두께 170 nm의 이산화실리콘(SiO2) 박막(113)과, 두께 118 nm의 이산화티탄(TiO2) 박막(114)을 이 순서로 적층시킨 격자 구조체를 도시한다.
이 격자 구조체에 가시의 파장 영역의 광을 수직 입사시킨 경우에, 격자의 방향에 평행한 편광 성분(s 편광)의 반사율(Rs)과, 격자의 방향에 수직인 편광 성분(p 편광)의 투과율(Tp)의 파장 의존성을 각각 도 23에 도시한다. 파장 영역 0.4 ㎛∼0.7 ㎛에 있어서의 평균치로, Rs=0.63, Tp=0.91을 얻을 수 있었다.
이것은, 가시 영역의 파장을 갖는 광 중 p 편광은 0.91의 고율로 투과하고, s 편광은 0.63의 고율로 반사하는 것이 되며, 가시 영역의 전파장에 대하여 양호한 편광 분리 특성을 얻을 수 있다. 따라서, 본 실시 형태의 격자 구조체를 이용하는 편광 분리 수단(10)은 광원은 백색 광원 및 단색 광원으로 채용하는 것이 가능하다.
또, 상기 구성으로 유전체막(112, 114)을 오산화탄탈(Ta2O5)의 유전체막으로 하여도 좋다.
또한, 상기 구성으로 유전체막(112, 114)을 이산화실리콘(SiO2)의 유전체막으로 하여도 좋고, 유전체막(113)을 이산화티탄(TiO2) 또는 오산화탄탈(Ta2O5) 박막으로 하여도 좋다.
게다가, 이산화티탄(TiO2) 또는 (SiO2)의 유전체막(112)과 격자 구조체(111)의 표면 사이에 100 nm 이하의 두께의 일산화실리콘(SiO) 유전체막을 설치하여도 좋다.
이들 사항은 본 발명자의 컴퓨터 시뮬레이션 및 실험에 의해 알게 된 것으로, 어느 정도의 값이 선택될지는 개개의 격자 구조체의 실상에 따라 적절하게 설계 선택되는 사항이다.
계속해서 이러한 격자 구조체의 제조 방법에 대해서 설명한다.
도 24는 격자 구조체의 구성도, 도 25는 격자 구조체의 제조 방법을 설명하는 설명도이다. 도 24는 격자 구조에 다층막을 형성한 구조체로서, 115는 투명 기재인 유전체 격자를 나타내고, 116, 117, 118, 119는 인접하는 층간에서 서로 굴절률이 다른 재료로 이루어지는 제1 층막, 제2 층막, 제3 층막, 제4 층막을 각각 나타내고 있다.
이 제조 방법은, 표면부의 단면 형상이 직사각형, 사다리꼴, 삼각형, 정현파형 또는 이들을 복수 조합한 형상을 갖는 투명 기재인 유전체 격자에, 스핀 코터법 또는 롤 코터법을 이용하여 제1 용매로 희석된 제1 굴절률을 갖는 재료를 도포한 후, 용매를 제거하는 공정을 한 번 또는 여러 번 반복 제조하는 방법이다. 이하, 도 25를 이용하여 이 제조 방법을 설명한다.
도 25에서는, 표면부의 단면 형상이 삼각형인 유전체 격자(115) 상에 다층막을 형성하는 예이다. 도 25(a)에 도시한 바와 같이 유전체 격자(115) 상에 제1 굴절률을 갖는 재료를 제1 용매로 희석한 액체(120)를 도포한다. 이 경우, 예컨대 스핀 코터법에서는, 액체(120)를 방울방울 떨어뜨린 후에 유전체 격자(115)를 회전하여 원심력에 의해 액체(120)를 유전체 격자(115)의 표면에 이르도록 도포한다.
계속해서 건조 처리를 행하여 제1 용매를 제거한 것이 도 25(b)이고, 이것에 의해 제1 층막(116)이 형성된다. 계속해서, 마찬가지로 도 25(c)에 도시한 바와 같이 제2 굴절률을 갖는 재료를 용매로 희석한 액체(121)를 이용하여 제2층을 형성한다. 이 때 용매는 제1 용매로 하여도 좋고, 제1 용매와는 다른 제2 용매로 하여도 좋다. 계속해서 건조 처리를 행하여 도 25(d)에 도시한 바와 같이 제2 층막(117)이 형성된다. 이상 기술한 처리를 여러 번 행함으로써 원하는 적층 구조를 형성한다.
여기서는 층을 구성하는 재료를 용매로 희석하여 도포하는 예를 기술하였지만, 층을 형성하는 방법은 단면 형상이 직사각형, 사다리꼴, 삼각형, 정현파형 또는 이들을 복수 조합한 형상을 갖는 투명 기재에 인접하는 층간에 서로 굴절률이 다른 재료를 증착법, 스퍼터법, 이온 도금법 중 어느 하나에 의해 형성하여도 좋다.
이상, 본 실시 형태의 편광 분리 수단(10)에 대해서 설명했다. 또, 유전체 격자로서, 정현파형, 삼각형을 근사한 계단형(도 17 참조)의 볼록부를 채용하여도 좋다.
계속해서, 본 발명의 제6 실시 형태에 대해서 설명한다.
본 실시 형태에서는, 제4, 제5 실시 형태와 마찬가지로, 상기 제1 내지 제3 실시 형태의 구성에 덧붙여, 추가로 편광 분리 수단(10)을 보다 구체적으로 설명하는 것이지만, 편광 분리 수단(10)의 다른 형태이다.
본 실시 형태의 편광 분리 수단(10)은 투명한 유전체 재료에 의해 형성한 주기적인 반복 구조인 유전체 격자의 오목부에, 소정의 굴절률을 갖는 재료의 단층 표면층, 또는 인접하는 층간에서 서로 굴절률이 다른 재료를 적층한 복층 표면층을 더한 격자 구조체로서, 격자 구조체의 유전체 격자는 그 단면 형상이 직사각형, 사다리꼴, 삼각형 혹은 정현파형 중 어느 하나의 볼록부로 이루어진 형상, 또는 이들볼록부를 복수 조합한 형상 중 어느 하나의 형상의 주기적인 반복이다.
이들 격자 구조체는 도광 수단(40)에 직접 형성되는 경우, 투명 기판 상에 형성되어 도광 수단(40)에 배치되는 경우, 혹은 투명 필름 형성되어 도광 수단(40)에 배치되는 경우 등을 생각할 수 있다.
그 단면 형상을 도 26, 도 27의 격자 구조체의 구성도에 도시한다. 도 26, 도 27에 있어서 122, 123은 투명 기재인 유전체 격자를 나타내고, 116, 117, 118, 119는 인접하는 층간에서 서로 굴절률이 다른 재료로 이루어지는 제1 층막, 제2 층막, 제3 층막, 제4 층막을 각각 나타내고 있다.
이들 도 26, 도 27의 격자 구조체의 주기적인 반복 구조에 대해서 특히 바람직한 것은 격자 주기 0.3∼0.8 ㎛, 격자 깊이 0.2∼0.5 ㎛로 하고, 그 표면에 표면층으로서, 두께 50∼150 nm의 이산화티탄(TiO2) 또는 오산화탄탈(Ta2O5)과, 두께 70∼200 nm의 이산화실리콘(SiO2)을 교대로 복층 적층시키면 좋다. 또한, TiO2층 또는 SiO2층과 격자 구조 표면 사이에는, 0보다 크고 100 nm 이하의 두께를 갖는 일산화실리콘(SiO)층을 가지면 좋다.
이러한 격자 구조체의 제조 방법에 대해서 설명한다. 도 28은 격자 구조체의 제조 방법을 설명하는 설명도이다. 도 28(a)에 도시한 바와 같이 투명 기재인 사다리꼴 형상의 유전체 격자(123)에 스핀 코터법 또는 롤 코터법을 이용하여 제1 굴절률을 갖는 재료를 제1 용매로 희석한 액체(121)를 도포하고(도 28(b) 참조), 건조 처리를 행하여 제1 층막(116)을 형성하며(도 28(c) 참조), 이 후 유전체 격자(123)의 오목부보다도 위(볼록부의 표면상)에 있는 제1 굴절률을 갖는 재료를 제거하는(도 28(d) 참조) 일련의 처리를 반복함으로써 제1 층막(116)을 형성하여 도 26, 도 27에 있는 구조를 근사적으로 형성할 수도 있다.
이 격자 구조체는, 예컨대 도 21, 도 23에서 도시한 바와 같은 특성과 동일한 특성을 나타내고, 0.4∼0.7의 가시광 영역 전반에 걸쳐 반사 투과하는 것이 실험적으로 확인되고 있다.
이들은 제5 실시 형태와 마찬가지로 가시 영역의 전(全)파장에 대하여 양호한 편광 분리 특성을 얻을 수 있다. 따라서, 본 실시 형태의 격자 구조체를 이용하는 편광 분리 수단(10)은, 광원은 백색 광원 및 단색 광원으로 채용하는 것이 가능하다. 본 실시 형태에서는 이러한 격자 구조체를 편광 분리 수단(10)으로 채용하여도 좋다.
이상, 본 실시 형태의 편광 분리 수단(10)에 대해서 설명하였다. 또, 유전체 격자로서, 정현파형, 삼각형에 근사한 계단형(도 17 참조) 볼록부를 채용하여도 좋다.
계속해서, 본 발명의 제7 실시 형태에 대해서 설명한다.
본 실시 형태에서는, 제4, 제5, 제6 실시 형태와 마찬가지로 상기 제1 내지 제3 실시 형태의 구성에 덧붙여, 추가로 편광 분리 수단(10)을 보다 구체적으로 설명하는 것이지만, 편광 분리 수단(10)의 다른 형태이다.
본 실시 형태의 편광 분리 수단(10)은 인접하는 층간에서 서로 굴절률이 다른 재료가 적층형으로 형성된 볼록부의 주기적인 반복 구조인 격자로 이루어지는격자 구조체이다. 그리고 격자 구조체는 그 단면 형상이 직사각형, 사다리꼴, 삼각형 혹은 정현파형의 볼록부로 이루어진 형상, 또는 이들 볼록부를 복수 조합한 형상 중 어느 하나의 형상의 주기적인 반복이다.
그 단면 형상을 도 29, 도 30의 격자 구조체의 구성도에 도시한다. 도 29, 도 30에 있어서의 124, 125는 투명 기재인 유전체 격자를 나타내고, 116, 117, 118, 119는 인접하는 층간에서 서로 굴절률이 다른 재료로 이루어진 제1 층막, 제2 층막, 제3 층막, 제4 층막을 각각 나타내고 있다.
이 격자 구조체는 제5, 제6 실시 형태와 마찬가지로 가시 영역의 전파장에 대하여 양호한 편광 분리 특성을 얻을 수 있다. 따라서, 본 실시 형태의 격자 구조체를 이용하는 편광 분리 수단(10)은, 광원으로 백색 광원 및 단색 광원을 채용하는 것이 가능하다.
이들 격자 구조체는 도광 수단(40)으로 직접 형성되는 경우, 투명 기판 상에 형성되어 도광 수단(40)에 배치되는 경우, 혹은 투명 필름으로 형성되어 도광 수단(40)에 배치되는 경우 등을 생각할 수 있다.
계속해서, 도 29, 도 30에 도시하는 격자 구조체의 제조 방법을 설명한다.
먼저 기술한 스핀 코터법 또는 롤 코터법을 이용하여 제1 굴절률을 갖는 재료를 제1 용매로 희석한 액체를 도포하고, 계속해서 건조 처리를 행하여 제1 용매를 제거하는 일련의 처리를 굴절률이 다른 재료에 대해서 반복함으로써 유전체 격자(124) 또는 유전체 격자(125)의 표면에 다층막을 형성한다. 이와 같이 형성한 다층막을 원하는 구조로 끼워 맞추는 구조의 형을 이용하여 엠보싱 처리를 행함으로써, 도 29, 도 30과 같은 구조의 격자를 형성하는 것이다. 여기서, 다층막의 형성 방법은 인접하는 층간에서 서로 굴절률이 다른 재료를 증착법, 스퍼터법, 이온 도금법 중 어느 하나에 의해 형성하는 것이라도 좋다.
계속해서, 본 발명의 제8 실시 형태에 대해서 설명한다.
본 실시 형태에서는, 제4, 제5, 제6, 제7 실시 형태와 마찬가지로, 상기 제1 내지 제3 실시 형태의 구성에 덧붙여, 추가로 편광 분리 수단(10)을 보다 구체적으로 설명하는 것이지만, 편광 분리 수단(10)의 다른 형태이다. 도 31, 도 33은 격자 구조체의 개략적인 구성도이고, 도 32, 도 34는 격자 구조체의 편광 분리 특성도이다.
본 실시 형태의 편광 분리 수단(10)은 투명한 유전체 재료에 의해 형성한 주기적인 반복 구조인 유전체 격자의 표면에 금속 재료에 의해 형성한 주기적인 반복 구조인 금속 격자를 설치한 격자 구조체이다. 특히, 금속 재료로 이루어진 제2 격자 구조는 반사율이 60% 이상의 금속 박막으로 이루어지도록 하였다. 이 금속 격자의 금속 박막은 Mg, Se, Y, Ti, Cr, Mo, W, Mn, Cr, Fe, Co, Ni, Ru, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Al, In, Si, Ge, Te, Pb, Sn으로 이루어진 화합물 단독이거나, 혹은 이들을 2종 이상 조합한 합금이다. 바람직하게는, Al, Ag, Au가 적합하다.
또한, 격자 구조체의 유전체 격자는, 그 단면 형상이 직사각형, 사다리꼴, 삼각형 혹은 정현파형 중 어느 하나의 볼록부로 이루어진 형상, 또는 이들 볼록부를 복수 조합한 형상 중 어느 하나의 형상의 주기적인 반복이며, 바람직하게는 격자 구조체의 유전체 격자는 직사각형, 사다리꼴, 삼각형 혹은 정현파형 중 어느 하나의 볼록부의 주기적인 반복 구조로서, 격자 주기가 0.4 ㎛ 이하이고, 격자 깊이가 0.2 ㎛ 이하이다. 또한, 격자 구조체의 유전체 격자의 볼록부는 기본 형상에 미세한 형상을 복수 조합하여 형성한 볼록부이어도 좋다.
이들 격자 구조체는 도광 수단(40)에 직접 형성되는 경우, 투명 기판상에 형성되어 도광 수단(40)에 배치되는 경우, 혹은 투명 필름으로 형성되어 도광 수단(40)에 배치되는 경우 등을 생각할 수 있다.
이러한 구조를 만족하는 구체적인 실시 형태로서, 본 실시 형태에서는, 도 31에서 도시한 바와 같이 투명한 유전체 재료에 의해 조명광의 파장 정도 이하의 주기로 형성되는 유전체 격자인 직사각형 격자(126)의 표면에 추가로 금속 재료에 의해 조명광의 파장 정도 이하의 주기로 형성되는 금속 격자인 알루미늄(127)에 의해 격자 구조체를 형성한 것으로 한다.
이 격자 구조체에 광을 입사시켰을 때의 편광 분리 특성의 계산기에 의한 시뮬레이션의 구체예에 대해서 설명한다. 도 31의 격자 구조체를 격자 주기 p=0.2 ㎛, 격자 깊이 d=0.1 ㎛의 직사각형 격자(126)의 볼록 부분에 두께 20 nm의 알루미늄(127)을 형성한 구조로 한다. 이 격자 구조에 가시의 파장 영역의 광을 수직 입사시킨 경우에, 격자의 방향에 평행한 편광 성분의 반사율(Rs)과, 격자 방향에 수직인 편광 성분의 투과율(Tp)의 파장 의존성을 도 32에 도시한다. 파장 영역 0.4 ㎛∼0.7 ㎛에 있어서의 평균치로, Rs=약 0.6, Tp=약 0.4를 얻을 수 있었다.
이것은, 가시 영역의 파장을 갖는 광 중 p 편광은 0.6 정도 투과하고, s 편광은 0.4 정도 반사한다고 하는 것으로, 가시 영역의 전파장에 대하여 양호한 편광분리 특성을 얻을 수 있다. 따라서, 본 실시 형태의 격자 구조체를 이용하는 편광 분리 수단(10)은, 광원으로 백색 광원 및 단색 광원을 채용하는 것이 가능하다. 이러한 격자 구조체로서도 제4 내지 제7 실시 형태와 동일한 기능을 다하는 것이 가능하다.
또한, 다른 예로서 도 33에서 도시한 바와 같이 투명한 유전체 재료에 의해 조명광의 파장 정도 이하의 주기로 형성되는 유전체 격자인 삼각형 격자(128)의 표면에 추가로 금속 재료에 의해 조명광의 파장 정도 이하의 주기로 형성되는 금속 격자인 알루미늄(129)을 형성한 격자 구조체이다.
격자 주기 p=0.08 ㎛, 격자 깊이 d=0.04 ㎛의 삼각형 격자(128)의 한쪽 사면 부분에 두께 20 nm의 알루미늄(129)을 형성한 구조이다. 이 격자 구조에 가시의 파장 영역의 광을 수직 입사시킨 경우에, 삼각형 격자(128)의 방향에 평행한 편광 성분의 반사율(Rs)과, 격자의 방향에 수직인 편광 성분의 투과율(Tp)의 파장 의존성을 도 34에 도시한다. 파장 영역 0.4 ㎛∼0.7 ㎛에 있어서의 평균치로, Rs=0.5, Tp=0.77을 얻을 수 있었다.
이것은 가시 영역의 파장을 갖는 광 중에서 p 편광은 0.6 정도 투과하고, s 편광은 0.77 정도 반사하는 것이 되며, 가시 영역의 전파장에 대하여 양호한 편광 분리 특성을 얻을 수 있다. 따라서, 본 실시 형태의 격자 구조체를 이용하는 편광 분리 수단(10)은, 광원으로 백색 광원 및 단색 광원을 채용하는 것이 가능하다.
이러한 격자 구조체로서도 제5, 제6, 제7 실시 형태와 동일한 기능(백색 광원 및 단색 광원의 채용)을 다하는 것이 가능하다.
계속해서, 본 발명의 제9 실시 형태에 대해서 설명한다.
본 실시 형태에서는, 제4, 제5, 제6, 제7, 제8 실시 형태와 마찬가지로 상기 제1 내지 제3 실시 형태의 구성에 덧붙여, 추가로 편광 분리 수단(10)을 보다 구체적으로 설명하는 것이지만, 편광 분리 수단(10)의 다른 형태이다.
본 실시 형태의 편광 분리 수단은 금속 재료에 의해 형성한 주기적인 반복 구조인 금속 격자인 금속 격자로 이루어지는 격자 구조체이다.
이 격자 구조체는 도광 수단(40)에 금속 격자가 직접 형성되는 경우, 투명 기판상에 금속 격자가 형성되어 도광 수단(40)에 배치되는 경우, 혹은 투명 필름에 대하여 금속 격자가 형성되어 도광 수단(40)에 배치되는 경우 등이 생각된다.
이 격자 구조체는, 바람직하게는 반사율이 60% 이상의 금속 박막인 금속 격자를 형성한 격자 구조체이면 좋고, 그 때문에 금속 박막은 Mg, Se, Y, Ti, Cr, Mo, W, Mn, Cr, Fe, Co, Ni, Ru, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Al, In, Si, Ge, Te, Pb, Sn으로 이루어진 화합물 단독, 혹은 이들을 2종 이상 조합한 합금이 채용된다. 또한, 금속 격자의 금속 박막의 막 두께는 0.05 ㎛ 이상이고, 격자의 주기 T는 조명광의 파장 정도 이하의 0.05∼0.25 ㎛이며, 격자의 폭은 격자의 주기 T에 대하여 0.25 T∼0.85 T의 범위로 하면 좋다.
또한, 바람직하게는, 도광 수단, 투명 기판, 혹은 투명 필름과 금속 격자와의 아래쪽에는 하지층을 형성하고, 금속 격자 및 상기 하지층의 표면에 보호막을 형성하면 좋다.
금속 격자는 도광 수단, 투명 기판, 투명 필름 혹은 하지층의 표면에 줄무늬형의 격자 패턴을 갖는 마스크를 통해 증착법, 스퍼터법, 이온 도금법, 또는 건식 에칭법 중 어느 하나에 의해 형성할 수 있다.
특히, 투명 필름의 표면측에 금속 박막으로 이루어진 금속 격자가 형성하는 경우에는, 격자 구조체는 투명 필름에 금속 격자를 형성한 후, 그 투명 필름을 줄무늬 방향으로 연신하여 금속 격자를 미세한 패턴으로 하고, 투명 필름과 함께 도광 수단 또는 투명 기판상에 접착하여 형성하게 된다.
이러한 편광 분리 수단(10)에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 도 35는 격자 구조체의 구성도이고, 도 36은 편향 분리 특성도이다.
격자 구조체는 도 35에서 도시한 바와 같이, 광의 파장 정도 이하의 주기 p로 형성되어 있는 금속 박막인 금속 격자(131)를 구비하고 있다. 금속 격자(131)는, 상세하게는 투명 기판(130)상에 폭 a, 막 두께 d의 금속 박막(금속 격자)(131)을 주기적으로 배치한 것으로, a+b는 주기 p와 일치한다.
이 격자 구조체는, 편광 분리 기능을 부여하기 때문에, 금속 박막의 막 두께 d는 O.05 ㎛ 이상이고, 금속 격자의 주기는 투과하는 광의 파장 정도 이하의 0.05∼0.25 ㎛이며, 금속 격자의 폭은 금속 격자의 주기 T에 대하여 0.25 T∼0.85 T의 범위 내로 할 필요가 있다.
본 실시 형태에서는, 금속 격자(131)의 주기 p가 200 nm 정도, 깊이가 100 nm∼200 nm 정도로 하고, 금속 격자(131)에 금속 재료로서 알루미늄을 이용함으로써, 0.4∼0.7 ㎛의 가시광 영역에 있는 입사광 중 p 편광의 투과율은 가시광의 파장 영역에 대하여 약 80%∼85% 정도이며, 또한 s 편광의 반사율은 60% 이상이라는성능을 확보하고 있다.
도 37은 다른 격자 구조체의 단면 사시도이다. 도 37에 있어서, 도광 수단(40)의 표면부인 투명 기판(132)은 광학 특성이 우수한 투명 재료를 이용하는 것으로, 그 재질은 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 아크릴계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 비정질 폴리올레핀계 수지, 폴리에폭시계 수지, 또는 폴리스티렌 변성 수지 등을 성형 가공하여 형성된다.
하지층(133)이, 후술하는 금속 박막(134)으로 이루어진 격자를 형성할 때, 투명 기판(132)과의 접착성 향상 및 금속 박막 형성시의 손상을 방지하기 위해서 설치된다. 또, 이 하지층(133)은 반드시 필수적인 구성 요소는 아니다. 하지층(133)의 재질로는, 자외선형의 우레탄 변성이나 에폭시 변성 아크릴레이트수지, 또는 범용성의 아크릴산/메타크릴산 공중합체, 폴리에스테르, 초산비닐/아크릴산 공중합체 등의 수지, 혹은 수용성 무기 코트재 등을 이용하며, 이들을 스핀 코팅법, 디핑법, 나이프 코터, 슬릿 역전 코터 등으로 2 ㎛ 이하로 도포하여, 광 또는 열로 경화시켜 형성한다.
금속 박막(134)은 금속 격자를 형성하는 것이다. 금속 박막(134)으로서는, 예컨대 Mg, Se, Y, Ti, Cr, Mo, W, Mn, Cr, Fe, Co, Ni, Ru, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Al, In, Si, Ge, Te, Pb, Sn으로 이루어진 화합물 등이 있다. 이들 중에서 바람직한 것은 Cr, Ni, Pt, Cu, Ag, Au 또는 Al이다. 이들 화합물은 단독으로 이용하여도 좋고, 혹은 2종 이상을 조합하여 합금으로 이용하여도 좋다. 금속 박막(134)의 반사율은 60% 이상인 것이 바람직하지만, 70% 이상이면 반사 효율이 좋아진다.
이 금속 박막(134)은 줄무늬형의 격자 패턴을 갖는 마스크를 통하여 증착법, 스퍼터법, 이온 도금법 또는 건식 에칭법에 의해 격자 구조로 형성된다. 금속 박막(134)의 두께는 0.05 ㎛ 이상이지만, 너무 두꺼우면 투명 기판(132) 또는 하지층(133)의 계면에서 박리하거나 크랙이 발생할 우려가 있다.
금속 박막(134)에 의해 형성되는 격자의 주기는 조명광의 파장 정도 이하의 0.05∼0.25 ㎛이며, 바람직하게는 0.08∼0.2 ㎛ 범위이다. 더욱이, 금속 박막(134)에 의한 격자 방향의 폭은 격자 주기 T에 대하여 0.25 T∼0.85 T ㎛ 범위가 광학적으로 바람직하다.
보호막(135)은 표면 경도가 흠집 등에 강한 것이 요구되기 때문에, 우레탄 변성, 에폭시 변성의 다관능성 아크릴레이트계의 방사선 경화형수지, 투명 무기 박막 등을 습식법, 또는 금속 박막 형성시와 같은 건식법으로 형성한다. 보호막(135)의 막 두께는 3 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
더욱이, 반사막(136)은 투명 기판(132)의 이면측에 형성된 반사막으로서, 금속 박막(134)과 동일 화합물 또는 이종 화합물에 의해 형성된다. 이것은 반사 수단(30)에 해당하는 것이다.
이 반사막(136)은 투명 기판(132)의 이면에만 형성하여도 좋지만, 광원(2)으로부터의 입사광을 수광하는 면과, 투명 기판(132)으로부터 출광하는 면을 제외한 면의 전부에 형성하여도 좋다. 또, 이 반사막(136)(반사 수단 30)의 형성 방법은 다른 실시 형태라도 적용할 수 있는 사항이다.
다음에, 이 개량한 실시 형태를 구체화한 실시예를 설명한다.
도 37의 구성에 있어서, 우선 아크릴계 수지(주식회사 쿠라레 제조)(상품명 파라펫 H-1000)를 사출압축기(파낙 가부시키가이샤 제조)(상품명 100 ton α100iA)를 이용하여 수지 온도 250℃, 금형 온도 70℃, 최대 사출압 70 Mpa로 사출 성형하여, 광학적으로 우수한 투명 기판(132)을 얻는다. 이 투명 기판(132) 위에 하지층(133)으로서 에폭시 변성 아크릴레이트계 수지로 이루어진 자외선 경화형 코팅제를 스핀 코팅법으로 도포하고, 자외선 경화하여 약 0.8 ㎛ 두께의 막을 형성하였다.
이 하지층(133) 위에, 격자 패턴을 형성한 마스크를 통해 스퍼터법으로 Al의 금속 박막(134)(막 두께 0.1 ㎛)을 형성하고, 격자 주기가 0.15 ㎛이고 격자 폭이 0.08 ㎛인 금속 격자를 얻었다.
동시에, 투명 기판(132)의 이면의 전면에 Al의 반사막(136)(막 두께 0.1 ㎛)을 형성하였다.
더욱이, 이들 투명 기판(132), 하지층(133), 금속 박막(134), 반사막(136)으로 이루어진 부재의 표리에 스핀 코팅법으로 다관능성 에폭시 변성 아크릴레이트수지로 이루어진 자외선 경화형 코팅제를 도포하고, 경화시켜 막 두께가 약 2 ㎛의 보호막(135)을 형성함으로써 완성시켰다.
다음에, 더욱 개량된 실시 형태를 설명한다. 도 38은 다른 격자 구조체의 단면 사시도이고, 도 39는 다른 격자 구조체의 단면 사시도이고, 도 40은 금속 박막이 증착된 필름의 제조 방법을 도시한 도면이다. 이 실시 형태도 도광 수단 및 금속 재료로 이루어진 격자 구조에 관한 것으로, 도 35 내지 도 37에서 도시한 격자구조체의 재질 또는 구조를 개량한 것으로, 상세하게는 투명 필름의 표면측에 금속 박막을 형성한 것이다.
도 38에 도시하는 개량된 다른 실시 형태의 격자는 상세하게는 투명 기판(137) 위에 적층된 투명 필름(142)상에 폭 a, 막 두께 d의 금속 박막(금속 격자)(139)을 주기적으로 배치한 것으로, a+b는 주기 p와 일치한다.
금속 박막(139)은 Mg, Se, Y, Ti, Cr, Mo, W, Mn, Cr, Fe, Co, Ni, Ru, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Al, In, Si, Ge, Te, Pb, Sn으로 이루어진 화합물 단독이거나, 혹은 이들을 2종 이상 조합한 합금이다.
이 금속 박막(139)으로 이루어진 격자 구조는 반사율이 60% 이상이 되도록 구성되고, 상세하게는 금속 박막의 막 두께 d는 0.05 ㎛ 이상이며, 격자의 주기는 조명광의 파장 정도 이하의 0.05∼0.25 ㎛이고, 격자의 폭은 격자의 주기 T에 대하여 0.25 T∼0.85 T의 범위가 되도록 이루어져 있다.
계속해서, 이 개량된 다른 실시 형태를 보다 구체적으로 한 구조에 대해서 설명한다. 도 39에 있어서, 폴리에스테르계 수지, 폴리에틸렌수지 또는 비닐계 변성 수지 등으로 이루어진 투명 필름(142) 위에는 하지층(138)이 형성되고, 도 37을 이용하여 설명한 구조와 마찬가지로, 하지층(138) 위에 격자 구조의 금속 박막(139)이 형성되어 있다. 또, 투명 필름(142)의 재질은 상기한 것에 한정되는 것은 아니다.
이들 투명 필름(142), 하지층(138), 금속 박막(139)으로 이루어진 부재는 일반의 투명한 광학용 접착제(141)를 통해 투명 기판(137) 위에 접착된다. 그 후, 보호막(140) 및 반사막(143)을 형성하여 전체가 완성된다.
여기서, 투명 필름(142) 위에 하지층(138)을 통해 금속 박막(139)을 형성하고, 이것을 투명 기판(137) 위에 직접 접착하여도 좋다.
이 투명 필름(142)상에 금속 박막(139)을 형성하는 방법은 도 40(a)에서 도시한 바와 같이, 필름 기재(144) 상에 증착 등에 의해 금속 박막(139)을 형성한다. 이 경우, 도 40(a)에서 도시되는 금속 박막(139)의 폭 및 피치는 상기한 폭 a, 주기 p보다도 크게 형성되어 있다. 이러한 필름 기재(144)를 도 40(a)의 화살표로 도시하는 연신 방향으로 인장하여 연신하면, 도 40(b)에서 도시한 바와 같이, 필름 기재(144), 금속 박막(139)은 변형하여 도 38에서 도시한 바와 같이 폭 a, 주기 p의 투명 필름(142), 금속 박막(139)이 된다.
이 경우, 격자 구조를 더욱 미세한 패턴으로 하기 위해서, 격자의 줄무늬 방향으로 투명 필름(142)의 수지의 유리전이온도(Tg) 이하로 연신시킨 후에, 투명 기판(137) 위에 접착하는 것도 가능하다.
다음에, 이 개량된 다른 실시 형태를 보다 구체화한 실시예를 설명한다.
도 39에서 도시하는 격자 구조체에 있어서, PET(폴리염화테레프탈레이트)로 제조된 투명막(142)(도레이사 제조) 상에 하지층(138)으로서, 비닐계 코팅제에 의해 슬릿 역전 코터로 약 1 ㎛의 막을 형성하고, 그 위에 도 37을 이용하여 설명한 구조와 마찬가지로 스퍼터법으로, Au로 이루어진 격자형 금속 박막(139)을 형성하고, 상기 유리전이온도(Tg) 이하의 온도로 줄무늬 방향으로 연신하였다. 이에 따라, 격자 주기가 0.2 ㎛이고 격자 폭 0.1 ㎛인 격자 구조를 얻었다.
더욱이, 보호막(140)을 도 37을 이용하여 설명한 구조와 마찬가지로 형성하여 출사면측의 필름을 형성하였다.
또한, 상기 마찬가지로 사출 성형에 의해 얻은 투명 기판(137)의 이면에 Au로 이루어진 반사막(143)을 형성하고, 이 투명 기판(137)에 상기 제작한 필름을 반응형 아크릴계의 접착제(141)에 의해 접합시켜 완성시켰다.
도 37, 도 39를 이용하여 설명한 실시 형태에 있어서도 금속 박막(134, 139)으로 이루어진 금속 격자에 의해, 이 금속 격자와 직교하는 편광 성분의 광은 금속 격자를 투과하고, 또한 금속 격자와 평행한 광은 금속 격자로 반사하여 투명 기판(132, 137) 내로 되돌아가며, 반사막(136, 143)과, 금속 박막(134, 139)으로 이루어진 금속 격자의 사이에서 다중 반사된다.
이와 같이 격자로 반사된 광은 투명 기판(132, 137)내에서 반사를 반복하는 동안에 도시하지 않은 편광 변환 수단에 의해 편광 상태가 변하고, 여러 가지 편광 상태를 갖는 광이 되어 재차 격자에 입사되며, 전술한 바와 같이 격자와 직교하는 편광 성분의 광을 투과시킬 수 있다.
이 결과, 금속 박막(134, 139)으로 이루어진 격자와 직교하는 편광 성분의 광이 금속 격자를 투과할 수 있고, 투명 기판(132, 137)에 입사된 광으로부터 편광을 효율적으로 추출할 수 있다.
이것은, 도 36의 편광 분리 특성도에서 도시한 바와 같이, 가시 영역의 파장을 갖는 광 중에서 p 편광은 0.6 정도 투과하고, s 편광은 0.77 정도로 반사하는 것이 되고, 가시 영역의 전파장에 대하여 양호한 편광 분리 특성을 얻을 수 있다.따라서, 본 실시 형태의 격자 구조체를 이용하는 편광 분리 수단(10)은, 광원으로 백색 광원 및 단색 광원을 채용하는 것이 가능하다.
이러한 격자로서도 제3 내지 제8 실시 형태와 동일한 기능을 다하는 것이 가능하다.
이상, 편광 분리 수단(10)의 각종 형태에 제3 내지 제9 실시 형태로서 설명하였다. 이들 중 유전체에 의해 형성된 격자 구조체(제4 실시 형태)는 단색 광원(단파장의 광을 출력함)만의 이용이 바람직하고, 또한, 그 이외의 격자 구조체(제5 내지 제9 실시 형태)에서는 단색 광원 및 백색 광원(다른 파장의 복수의 광을 조합하여 사람의 눈에 백색이라고 인식되는 광)에 적용할 수 있다. 이들 편광 분리 수단(10)은 도광판의 사용 목적에 따라 선택된다.
계속해서, 제10 실시 형태로서 편광 변환 수단(20) 및 도광 수단(40)에 대해서 일괄 설명한다. 편광 변환 수단(20)은 여러 가지로 생각되지만, 본 발명에서는 특히 수지의 복굴절 분포를 이용하는 것이다. s 편광으로부터 p 편광으로의 변환은 대부분이 도광 수단(40) 중의 도광로가 갖는 복굴절에 의해 행해진다.
종래 기술에서는, 복굴절은 결코 바람직한 것으로는 인식되어 있지 않고, 예컨대, 소위 플라스틱 렌즈 등, 광이 투과하는 광학 소자에서는, 균일한 광학적 특성이 요구되고 있고, 성형 기술에서는 광 디스크에 보이도록 성형시 부여되어 버리는 복굴절을 저감시키는 고안이 행해지고 있다.
본 실시 형태는, 통상으로 수지 성형을 행한 경우에 발생하는 복굴절에 의해서도 편광의 변환은 행해지고, 본 발명의 효과를 얻을 수 있는 점을 착안한 것으로, 본 발명에서는 종래에서는 감소시키고 있던 수지 성형시에 발생하는 복굴절을 억지로 증가시켜 s 편광-p 편광 사이의 변환 효율을 더욱 높이도록 한다.
본 발명에서는, 수지로 도광 수단(40)을 제조할 때, 도광 수단(40) 내에 소정의 복굴절 위상차를 부여하는 복굴절을 분포시키도록 하여 도광 수단(40)과 함께 편광 변환 수단(20)을 일괄하여 제조하고, 구조의 간소화, 박형화 및 제조 공정의 용이화, 제조 비용의 저감화 등을 꾀하는 것이다.
본 실시 형태에서는, 고분자 수지를 사출 성형하여 도광 수단(40)을 성형한다. 이 사출 성형시에 편광 변환 수단(20)인 복굴절 분포를 내재시키도록 한다.
이하, 제조 방법에 대해서 설명한다. 통상의 사출 성형은 고분자 수지 재료를 용융 가소화시켜 고온 상태로 성형 금형의 캐비티 내에 고속 충전한 후 냉각 고화시켜 목적으로 하는 형상의 성형품을 얻는다.
이 때, 수지 재료가 첨탄성 재료인 것, 수지 재료의 유동과 냉각이 동시 병행되어 일어나는 것, 및 수지 재료의 열전도율이 낮아 냉각이 불균일하게 되는 것 등이 원인이 되어 성형품 중에는 불가피하게 응력과 왜곡이 잔류한다. 성형품 중에는 불가피하게 응력과 왜곡이 잔류하기 때문에, 수지 성형품에는 워프나 싱크 등이 발생할 우려가 있다.
또한, 캐비티 중의 반주입구측의 형벽 부근에 있어서는, 고온의 수지 재료가 저온의 형벽에 급격히 접촉하므로 그 점성이 높아지고, 전사성(형 형상에 대한 추종성)이 저하한다. 따라서, 성형품이 예컨대 다수의 미세한 홈(예컨대, 편광 분리 수단(10)의 격자 구조체의 볼록부)이 병설되어 있는 부분을 갖는 것의 경우에는 소정 구조를 정밀하게 얻을 수 없게 될 우려도 있다.
또한 형벽에 접촉하는 수지 재료와 측벽의 온도차가 큰 것이 원인으로, 수지 재료 중에 점성이 다른 층이 생기기 때문에 전단력이 발생하여, 수지 재료의 고분자쇄가 고도로 배향된 층(이하, 단순히 스킨층이라 함)이 형성된다. 이 결과 복굴절이나 굴절률의 국부 변화가 발생한다.
이들 특성을 감안하여 워프, 싱크, 쇼트 샷(사출 불충분), 용접선(융합 불충분) 등의 성형 불량을 발생시키는 일없이 도광 수단(40)을 형성하고, 더구나 소정 복굴절량의 스킨층을 형성할 필요가 있다.
이상과 같은 조건을 만족하도록, 냉각 속도 조정, 수지 온도 조정 및 성형 압력 조정이 필요하다. 특히 수지 온도 및 성형 압력을 높게 하여 성형 불량을 회피하면서, 특히 스킨층을 발생시키기 위해서 형벽에 있어서의 수지 재료와 측벽과의 온도차를 크게 하는 것이 필요하다.
본 발명자는 예의 실험을 거듭하여 소정 복굴절량을 만족하는 복굴절 분포를 갖는 사출 성형 방법을 생각하였다.
사출 성형기는 파낙 가부시키가이샤가 제조한 100 ton α100iA라는 상품명의 기계로서, 용융 수지에 고압을 인가하여 성형할 수 있는 장치이다.
이 사출 성형기에 대하여, 복굴절 분포의 형성 가능한 수지 재료로서 폴리카보네이트(데이진카세이 가부시키가이샤의 상품명 팬라이트)를 이용하고 있다.
그리고, 성형 압력을 종래보다도 고압의 142 MPa(1450 kgf/㎠)로, 또한, 수지 온도를 300℃, 금형 온도를 112℃로 하여 도 1, 도 2에서 도시되는 도광판(1)(세로 64 mm, 가로 64 mm, 두께 0.9 mm)을 형성하였다.
이 경우에 도광 수단(40)에 수지의 이방성과 배향에 의해 복굴절이 형성되게 된다.
이 경우의 복굴절 분포에 대해서 설명한다.
도 41 내지 도 43은 도광 수단의 복굴절 분포를 도시하는 특성도이다. 이 복굴절률 분포에서는 파장 550 nm의 광에 복굴절 위상차를 부여하는 것으로서 도시하고 있고, 복굴절은 도광 수단의 격자면에 수직인 방향으로 형성되어 있다.
통상의 수지 성형품에서는, 도 41에서 도시한 바와 같이, 도광 수단 단면 위치 전체에 걸쳐 복굴절 위상차가 30° 이하가 되도록 복굴절 분포가 억제 및 제어되지만, 상기 제조 조건으로 제조되는 본 실시 형태에서는 그 복굴절 위상차는 도 42에서 도시한 바와 같이, 복굴절이 부여하는 복굴절 위상차는 투과하는 광에 대하여, θ3+ n·180°(단, θ3은 60°≤θ3≤120° 범위 내에 있고, n은 정수임)라고 하는 조건 3을 만족한다.
또한, 도 43에서 도시한 바와 같이, 복굴절이 부여하는 복굴절 위상차는 투과하는 광에 대하여, θ3+ n·180°(단, θ3은 60°≤θ3≤120° 범위 내에 있고, n은 정수임)에서 일부가 일탈하지만, 편광 변환 수단의 60% 이상의 영역은 조건 3을 만족한다. 또한, 조건 1, 조건 2는 충분히 만족하고 있다.
이와 같이, 복굴절은 본 발명의 편광 변환 수단(20)으로서의 기능을 다하게 된다.
또, 상기한 폴리카보네이트 이외에 스킨층에 의한 복굴절을 발생시키는 수지 재료로서, 아크릴수지(폴리메타크릴산메틸)(PMMA), 아크릴로니트릴 스티렌지(AS), 에폭시수지(EP), 올레핀계 수지(올레핀계 엘라스토머)(TPO)를 이용할 수 있지만, 아크릴계 수지나 올레핀계 수지, 비정질 폴리올레핀계 수지, 폴리에폭시계 수지, 또는 폴리스티렌 변성 수지 등도 이용할 수 있다.
또한, 상기한 수지를 2종 혼합한 폴리머 얼로이나, 상기 수지에 대하여 자외선 흡수제 등의 첨가물을 혼합시킨 폴리머 얼로이 등도 수지로서 이용할 수 있다. 예컨대, 아크릴수지에 SiO2를 첨가물로서 가한 것 등이다.
게다가, 주재와 다른 수지폴리머(미소 스티렌 비즈 내지 액정 폴리머)를 소정량 포함하도록 하여 혼정 폴리머로 하는 것도 가능하다.
이들은 스킨층의 복굴절에 더하여 스티렌 비즈 내지 액정 폴리머의 복굴절성의 영역을 부여하는 기능을 다 하여, 복굴절량을 증대시키는 것이 가능해진다.
또, 본 실시 형태에서는, 도광 수단의 형성으로서 사출 성형 방식이나 주형 성형 방식, 압출 성형 방식, 유연 성형 방식, 압연 성형 방식이나 롤 도공 방식, 트랜스퍼 성형 방식, 반응 사출 성형 방식, (RIM), 2P 성형 방식, 또는 캐스트 성형 방식 등을 채용할 수 있다. 그 형성에 있어서는, 필요에 따라 변색 방지제나 산화 방지제, 자외선 흡수제, 이형제 등의 필요한 첨가제를 배합할 수도 있다.
계속해서, 제11 실시 형태로서 반사 수단(30)에 대해서 설명한다.
반사 수단(30)은 도광 수단(40) 중 광이 입사되는 면과, 편광 분리 수단(10)이 형성되는 면을 제외한 면의 전부 또는 일부에 설치되어 있고, 도광 수단(40)으로부터 불필요한 누설 광이 없도록 이루어지고 있다.
이 반사 수단(30)의 구체예로서, 일부 또는 전부는 미세한 요철로 이루어진 확산성 홀로그램으로 하고, 편광 분리 수단(10)을 향해 확산 반사하는 것을 생각할 수 있다.
이 확산성 홀로그램에 대해서 설명한다. 도 44는 확산성 홀로그램의 원리도를 설명하는 설명도이다. 도 44에 도시하는 확산성 홀로그램은 평면형으로서, 직교 좌표계의 xy 평면상에 놓여진다. 또한, 반사형으로서, 하기의 수식 3에 도시하는 P300(x)으로 표시되는 위상차 분포를 갖는다.
(단, x는 확산성 홀로그램상의 위치를 나타내는 벡터, c310, c320, c330은 정수, a320과 a330은 O<a320, a330<1을 만족하는 정수이다.)
단, 상기 식에 있어서의 P310(x), P320(x), P330(x)은 하기의 수식 4에 도시한 바와 같이 부여된다. 또, λ는 입사광 및 출사광의 파장이며, x0은 확산성홀로그램(31) 상에 설치한 기준 위치를 나타내는 위치 벡터이다. x300, x310, x320, x330은 차례로 도 44 중의 점 S3, U3, V3, W3의 각각의 위치 벡터이다. 이 4점은 모두 z축의 마이너스측에 위치한다.
이 위상차 분포 P300(x)을 갖는 확산성 홀로그램(31)은 위상차 분포 P310(x)에 의한 편향과 위상차 분포 P320(x)에 의한 편향과 위상차 분포 P330(x)에 의한 편향을 동시에 야기하는 작용을 갖는다. 즉, 점 S3을 통해 발산하는 파장 λ의 입사광(300)이 확산성 홀로그램(31)에 입사되면, 분기, 편향되어 점 U3을 향해 수속하는 출사광(310)과 점 V3을 향해 수속하는 출사광(320)과 점 W3을 향해 수속하는 출사광(330)이 출사된다. 또한, 각 출사광의 강도비는 수식 3에 도시한 식 중의 a320과 a330의 값에 따른 비율이 된다.
위상차 분포 P300(x, y)은 하기의 수식 5에 도시한 z축 방향의 형상 분포 D'300a로 표시되는 표면을 갖는 확산성 홀로그램(31)에 의해 실현할 수 있다. 여기서는, 확산성 홀로그램(31) 주위의 매질의 굴절률은 1이다.
이와 같이 하여 형성된 확산성 홀로그램(31)에서는, 광원인 점 S3을 통해 발산하는 파장 λ의 입사광(300)이 확산성 홀로그램(31)에 입사되면, 분기, 편향되어 점 U3을 향해 수속하는 출사광(310), 점 V3을 향해 수속하는 출사광(320), 점 W3을 향해 수속하는 출사광(330)이 출사된다. 따라서, 원하는 방향을 향해 확산 반사하 도록 제어하는 것이 가능하다.
이 확산성 홀로그램(31)에는 추가로 금속 반사막이 형성되어 반사율을 보다 향상시키고 있고, 그 금속이 Mg, Se, Y, Ti, Cr, Mo, W, Mn, Cr, Fe, Co, Ni, Ru, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Al, In, Si, Ge, Te, Pb, Sn으로 이루어진 화합물 단독이거나, 혹은 이들을 2종 이상 조합한 합금이다. 또, 비용 등을 감안하여 가장 바람직한 것은 Al, Au, Ag 박막이다. Al 박막, Ag 박막의 경우에는 산화, 부식에 의한 막의 손상을 방지하기 위해서 보호막을 더 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 반사 수단(30)을 유전체 다층막으로 형성하여도 좋다.
또한, 이 유전체 다층막에 금속 박막을 더 형성하여 반사율을 향상시키도록 하여도 좋다.
또한, 반사 수단(30)으로서, 인쇄에 의한 반사 패턴을 형성하여도 좋다. 반사 패턴은, 예컨대 도 45에서 도시한 바와 같은 인쇄 패턴이다.
또한, 반사 수단(30)으로서 산란면(반사면에 샌드 브라스 약품에 의한 부식등을 이용하여 형성한 조면)으로 하여도 좋다.
이상 설명한 바와 같은 도광판을 이용하여 휘도 향상률을 비교하여 평가하였다. 비교표를 이하에 도시한다. 도 46은 휘도 향상률의 비교 평가도이다.
상기한 조건 1, 2, 3을 만족하는 복굴절 위상차가 부여되고, 복굴절률 위상차가 40°, 60°, 70°, 85°가 된 경우의 종래의 도광판에 대한 휘도 향상률을 구한 것이다. 광의 파장은 630 nm의 단파장의 광원, 유전체 격자의 주기 P=0.6 ㎛, 격자의 깊이 d=0.3 ㎛, 금속 격자의 주기를 P=0.2 ㎛을 상정하고 있다. 종래의 도광판에 대한 휘도 향상률은 하기의 수식 6에 Tp, Rs, η, R을 대입하여 구할 수 있다.
여기에서, Tp는 편광 분리 수단의 p 편광 투과율이다. Rs는 동 s 편광반사율이다. η은 s 편광 p 편광 변환율이다. R은 도광판 반사면의 종래의 반사율에 대한 반사율비이다. 또, 분모에 있는 제수 0.5는 종래의 도광판으로부터 방사되는 1의 광 중, p 편광만, 즉 0.5의 광을 이용하고 있는 것에 따른다.
이러한 계수에 대해서 편광 분리 수단이 유전체 격자만의 격자 구조체인 경우, 유전체 격자의 Tp=0.85, Rs=0.55, R=1이다.
또한, 편광 분리 수단이 유전체 격자에 다층막을 형성한 격자 구조체의 경우, Tp=0.9, Rs=0.9, R=1이다.
또한, 편광 분리 수단이 유전체 격자에 금속 격자를 형성한 격자 구조체의 경우, Tp=0.75, Rs=0.6, R=1이다.
s 편광 p 편광 변환율 η은 복굴절 위상차 40°, 60°, 70°, 85°에 각각 대응하여 0.44, 0.66, 0.77, 0.94이다.
이와 같이, 도 46에서도 밝혀진 바와 같이, 종래보다도 휘도 향상률이 개선되어 있는 것을 알 수 있다. 90° 가까운 복굴절률 위상차를 부여할 수 있었으면, 휘도 향상률은 1.6이 되는 경우도 있고, 종래보다도 60% 휘도를 향상시킬 수 있다.
이상 본 발명의 도광판(1)의 구성 요건인 편광 분리 수단(10), 편향 변환 수단(20), 반사 수단(30) 및 도광 수단(40)에 대해서 설명하였다. 이들 구성을 적절하게 조합함으로써 도광판(1)은 휘도 향상률을 향상시킬 수 있다.
계속해서, 이러한 도광판(1)의 더한 개량에 대해서 설명한다.
도광판(1)을 조명 장치로서 이용하는 경우, 도광판(1)으로부터 조사되는 광은 색분포의 균일성이 요구된다. 편광 분리 수단(10)은 격자 구조체이기 때문에 백색광을 입사한 경우, 분광 효과에 의해 무지개가 발생하도록 고려되지만, 편광 분리 수단(10)의 한 점에 대해서 다수 방향으로부터 광이 입사되기 때문에 편광 분리 수단(10)으로부터 사출되는 광은 많은 광이 서로 혼합되어 무지개는 발생하지 않는다.
그러나, 편광 분리 수단(10) 내의 장소에 따라서는 색이 다소 다른 것이 생긴다. 색이 다른 것은 편광 분리 수단(10)의 편광 분리 특성 즉 p 편광 투과율 및 s 편광 반사율을 적당히 선택하는 것, 즉 편광 분리 수단의 격자 피치, 격자 깊이등을 적당히 선택함으로써 균일화할 수 있다.
특히 광원(2)으로부터 가까운 위치와 먼 위치에서는 휘도가 서로 다르다. 그래서, 특히 액정 표시 장치용 조명 장치에 이용하는 도광판(1)에서는, 상기 구성에 덧붙여 추가로 색분포의 균일화를 꾀하는 배려가 이루어지고 있다.
이 색분포의 균일화 기술에 대해서 설명한다.
우선, 지금까지 설명한 도광판(1)에서는, 편광 분리 수단(10)은 격자 피치, 격자 깊이 등은 균일한 주기 구조인 것으로서 설명하였다. 그러나, 색분포의 균일화를 위해 격자 피치, 격자 깊이 등을 장소에 따라 변화시켜, 편광 분리 수단(10)의 편광 분리 특성, 즉 p 편광 투과율의 파장 의존성, s 편광 반사율의 파장 의존성을 장소에 따라 변화시키고 있다.
이 점을 도면을 참조하여 설명한다. 도 47은 장소에 따라 유전체 격자의 격자 피치가 다른 편광 분리 수단의 설명도이다.
도 47의 편광 분리 수단(10)의 광원(2)에 가까운 측은 광밀도가 높고, 광원(2)으로부터 멀어짐에 따라 밀도가 저하한다. 그래서, 편광 분리 수단(10)의 편광 분리 특성에 대해서, p 편광 투과율을 광원으로부터 가까운 쪽(도 48의 좌측)에서는 낮은 TP1로 설정하고, 또한, 먼 쪽(도 48의 우측)에서는 높은 TP2로 설정하며, s 편광 반사율을 광원으로부터 가까운 쪽(도 48의 좌측)에서는 높은 RS1로 설정하고, 또한 광원으로부터 먼 쪽(도 48의 우측)에서는 낮은 RS2가 되도록, 편광 분리 수단(10)의 유전체 격자의 격자 피치, 격자 깊이를 선택하도록 한다.
이에 따라 편광 분리 수단(10)을 투과하고자 하는 광 PP01, PS02중에서, 광원(2)에 가까운 측에서는 광밀도가 낮은 p 편광인 PP1을 투과시키고, s 편광인 PS1은 고율로 반사시키며, 또한 광원(2)으로부터 먼 쪽에서는 통상보다 광밀도가 높은 p 편광인 PP2를 투과시키고, s 편광인 PS2는 저율로 반사시킨다. 이 때문에, 원근 영역에서의 광밀도의 차가 시정되고, 광밀도를 원근 영역에서 균일하게 할 수 있다. 즉 휘도 분포의 균일화를 꾀할 수 있다. 이와 같이 편광 분리 수단(10)의 유전체 격자의 격자 피치를 위치에 따라 다른 구성으로 함으로써 휘도율의 균일화에 기여할 수 있다.
또한, 광원에 따라서는, 좌우 양단 영역에서도 불균형을 일으킬 경우가 있다. 이 점에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 도 48은 장소에 따라 유전체 격자의 형상이 다른 편광 분리 수단의 설명도이다. 지금까지 설명한 편광 분리 수단(10)이 갖는 유전체 격자(제4 내지 제8 실시 형태), 금속 격자(제9 실시 형태)가 편광 분리 기능을 실현하기 위해서는 유전체 격자, 금속 격자에 대하여 직교하도록 광이 입사되는 것이 바람직하다. 따라서, 통상은 도 48(a)에서 도시한 바와 같이 막대 형상의 광원(선형 광원)(2)을 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 막대 형상의 광원(2)은, 예컨대 상기에서는 냉음극관이 해당한다. 그러나, 단색 광원 등에서는 LED와 같이 점형의 광원(2)을 채용하는 경우도 있고, 이 경우는 좌우 양단 영역에서는 입사광이 직교하지 않기 때문에, 편광 분리 기능이 불완전하여 휘도 분포가 불균일한 경우가 일어날 수 있다.
그래서, 유전체 격자 및 금속 격자를 도 48(b)에서 도시한 바와 같이 만곡형으로 설치한 격자 구조체로 하거나, 또한 도 48(c)에 도시한 바와 같이 입사되는 광에 대하여 직교하는 3라인의 선을 조합한 근사 형상의 격자 구조체로 하였다. 이 때문에, 도 48(a) 만곡형의 격자 구조체에서는 모든 입사광이, 그리고 도 48(b)의 근사 형상의 격자 구조체에서는 대부분의 광이, 격자 구조체의 형성 방향에 직교하 도록 광이 입사되기 때문에, 막대 형상·점형의 광원(2)을 채용한 경우에도 좌우 영역에서 휘도 분포의 균일화를 꾀할 수 있다.
계속해서, 휘도율을 균일화하기 위해서는 반사 수단(30)의 고안에 의해서도 행할 수 있는 점에 대해서 도를 참조하면서 설명한다. 도 49는 장소에 따라 인쇄 패턴이 다른 반사 수단의 설명도이다. 종래부터 알려져 있는 바와 같이 도 49(도 45는 도 49의 사시도임)에 도시하는 확산 반사성의 재료를 광원(2)에 가까운 쪽에서 밀도가 높게, 먼 쪽에서 광밀도가 낮게 되도록 인쇄한다. 이와 같이 하여도 휘도 분포의 균일화를 꾀할 수 있다.
또한, 먼저 설명한 확산성 홀로그램으로 하여 행할 수 있다. 도 50, 도 51은 장소에 따라 반사 방향을 서로 다르게 하는 확산성 홀로그램에 의한 반사 수단의 설명도이다. 먼저 설명한 확산 홀로그램은 입사되는 광을 복수의 방향으로, 방향마다 다른 광강도를 가지며 고효율로 분기 편향하는 것이었다. 이 수법에 의해 도 50에 도시하는 상측 반사 방향은 광원에 가까운 쪽에서는 저반사율로, 광원으로부터 먼 쪽에서는 고반사율로 하도록 설계하여 광밀도를 균일화하고, 휘도 분포의 균일화를 꾀할 수 있다.
반사형의 확산성 홀로그램에서는 입사되는 광을 다수로 분기시킴으로써 광의 확산 효과를 갖게 할 수 있다. 반사형으로 하기 위해서는 종래부터 알려져 있는 바와 같이 도금 처리를 행한다. 특히 광을 분기시키는 방향을 편향 분리면의 방향으로 함으로써 광의 편향 분리면으로부터 방사되는 광의 방향을 소정의 범위로 하도록 고안할 수도 있다.
확산성 홀로그램은 위에 기술한 방법 이외에 Dammann의 방법이라 알려져 있는 광분기기의 설계 수법을 이용할 수도 있다. 또한, 체적 홀로그램 굴절률 분포를 형성하여 확산 기능을 갖게 하는 방법도 좋다. 또한, 일본 특허 공개 소53-42726호의 「카메라의 파인더」, 일본 특허 공개 소53-51755호의 「스페클 확산판 작성 장치」에 표시된 스페클 확산을 이용한 것이어도 좋다.
또한, 액정 표시 장치 등의 조명 장치에 이용하는 도광판은 광이 방사되는 방향이 소정의 각도 영역 내에 들어 있는 것이 요구된다. 도 52는 조명 장치용 도광판의 방사 각도 영역의 설명도이다. 도 52에서 도시한 바와 같이, x 방향과 y 방향에서는 방사 각도 영역은 서로 다르다.
이 때문에 먼저 반사 수단에서 기술한 인쇄 패턴에 의한 방법, 바람직하게는 확산성 홀로그램에 의한 방법, Dammann의 방법이라 알려져 있는 광분기기의 설계 수법, 체적 홀로그램 굴절률 분포를 형성하여 확산 기능을 갖게 하는 수법, 일본 특허 공개 소53-42726호의 「카메라의 파인더」, 일본 특허 공개 소53-51755호의 「스페클 확산판 작성 장치」에 표시된 스페클 확산을 이용한 수법 등 확산 홀로그램에 의한 방법에 의해 방사 각도 영역을 설정한다.
계속해서, 이상 설명한 도광판(1)을 이용하는 액정 표시 장치에 대해서 설명한다. 도 53은 액정 표시 장치의 개략 구성도, 도 54는 격자 구조체와 투과광의 관계를 도시하는 AB 화살표 방향에서 본 도면이다.
도 53에서 도시한 바와 같이 액정 표시 장치(4)는 광원(2), 도광판(1), 액정 패널(5)을 구비하는 것으로, 도광판(1)의 측면에 광원(2)을 배치하는 구성은 에지 라이트형이라고 불리고, 이 도광판(1)은 대략 쐐기형이다. 광원(2)과 도광판(1)으로 조명 장치(6)를 구성하고, 도 53, 도 54에서 도시한 바와 같이, 대략 평면판형의 액정 패널(5)에 조명광(31c∼34c)을 조명하는 장치이다. 도광판(1)은 지금까지 설명한 편광 분리 수단(10), 편광 변환 수단(20), 반사 수단(30) 및 도광 수단(40)을 일체로 구비하고 있는 것이다.
이 도광 수단(40)은 투명 수지 재료로 형성되어 광원(2)으로부터 입사된 광(3a)을 액정 패널(5)로 도광하는 동시에, 도 53에서는 도면 명료화를 위해 도시하지 않지만 편광 변환 수단(20)을 당연히 내재하고 있다. 편광 분리 수단(10)은 여기서는, 조명광(31c∼34c)을 출사하는 면에 금속 재료로 형성되는 금속 격자(131)(도 35 참조)이다. 반사 수단(30)은 금속 재료로 형성된다.
계속해서, 이 액정 표시 장치(4)의 기능에 대해서 설명한다. 광원(2)으로부터 입사된 광은 도광 수단(40)으로 입사된다. 도 53, 도 54에 있어서, 광원(2)은 예컨대 냉음극관이며, 이 광원(2)으로부터의 방사광(3a)(설명의 간소화를 위해 우측 경사 밑으로 방사되는 광(3a)만 도시하지만, 실제는 복수의 광이 도광 수단(40)에 입사된다. 이하, 복수의 광을 포함하여 광(3a)이라 표시함)이 도광 수단(40)에입사된다. 도광 수단(40)에 광원(2)으로부터의 광(3a)이 입사되는 면과, 액정 패널(5)측의 면 이외의 면에는 금속 박막의 반사판인 반사 수단(30)(30a, 30b)과, 도 54에 도시되는 금속 박막의 반사판인 반사 수단(30)(30c, 30d)이 구비되어 있다. 또한, 도광 수단(40)의 액정 패널(5)측의 내면에 있어서도 입사각이 크면 광은 전반사하기 때문에, 도광 수단(40)에 입사된 광(3a)은 도광 수단(40) 내에서 반사를 반복하고, 다중 반사가 생긴다. 도광 수단(40)의 내외 및 반사 수단(30)의 표면에는, 예컨대 앞서 기술한 바와 같이, 입사된 광을 확산시키거나, 지향성을 갖게 하는 구조를 갖춤으로써, 액정 패널(5)을 조명하는 광을 평면 내에서 균일화할 수 있다.
이하, 도 54와 함께 도 53을 설명한다. 도광 수단(40)의 내측으로부터 편광 분리 수단(10)의 어떤 면에 전반사하지 않은 각도로 입사된 광(3b)(32b, 33b, 34b)은 격자(131)에 입사된다. 편향 분리 수단(10)은 격자 구조체가 형성(도 54에서는 수평 방향으로 신장하도록 형성되어 있음)된다. 편향 분리 수단(10)으로의 입사광(3b)(32b, 33b, 34b)은 편향 분리 수단(10)의 격자 구조체의 형성 방향(수평 방향)에 대하여, 수직인 편광 성분(31c∼34c)이 투과하고, 편향 분리 수단(10)의 격자 구조체의 형성 방향에 대하여 평행한 편광 성분은 반사한다. 투과하는 방향의 직선 편광(31c∼34c)의 투과율은, 임시로 격자 구조체를 금속 격자로서 주기 p가 200 nm 정도이고, 깊이는 100 nm∼200 nm 정도이고 금속 재료로서 알루미늄을 이용한 경우, 가시광의 파장 영역에 대하여 약 80%∼85% 정도까지의 투과율을 얻을 수 있다.
또한, 반사하는 방향의 편광 성분(32a, 33a, 34a)은 거의 전부 반사되고, 이 반사한 광(32a, 33a, 34a)은 다시 도광 수단(40)의 내부에서 다중 반사를 반복한다.
이와 같이, 편광 분리 수단(10)으로 반사된 광(32a, 33a, 34a)은 도광 수단(40) 내에서 반사를 반복하는 동안에 도시하지 않은 편광 변환 수단(20)(복굴절)에 의해 편광 상태가 변하고, 여러 가지 편광 상태를 갖는 광(32b, 33b, 34b)이 되며, 재차 편광 분리 수단(10)에 입사되어, 전술한 바와 같이, 편광 분리 수단(10)의 격자 구조체의 형성 방향에 직교하는 p 편광 성분(31c∼34c)만이 투과한다.
이상과 같은 과정을 반복하여 광원(2)으로부터 도광판(1)으로 입사된 광(3a)은 p 편광 성분(31c∼34c)이 되어 도광판(1)으로부터 액정 패널(5)로 조사된다. 전술한 조명광(31c∼34c)의 직선 편광의 방향은 편광판(51)을 투과하는 편광의 방향과 일치시키고 있기 때문에, 조명광(31c∼34c)은 편광판(51)으로 흡수되지 않고서 액정판(52)에 입사될 수 있다.
이와 같이 편광 분리 수단(10)으로 반사된 s 편광 성분의 조명광(32a∼34a)은 도광 수단(40) 내에서 반사를 반복하는 동안에 복굴절인 편광 변환 수단(20)에 의해 편광 상태가 변하고, 여러 가지 편광 상태를 갖는(즉 여러 가지 편광 각도를 포함하는 p 편광 성분·s 편광 성분을 갖는) 광(3b)(32b∼34b)이 되고, 재차 편광 분리 수단(10)에 입사되어 전술한 바와 같이 편광 분리 수단(10)의 격자 구조체의 형성 방향에 직교하는 p 편광 성분(31c∼34c)을 투과시킬 수 있다.
이 결과, p 편광 성분(31c∼34c)의 광이 편광 분리 수단(10)을 투과하여 액정 패널(5)을 조사할 수 있고, 광원(2)으로부터 도광판(1)에 입사된 광(3a)을 효율적으로 이용할 수 있다.
또, 반사 수단(30a∼30d)의 일부는 미세한 요철로 이루어진 확산성 홀로그램으로서, 편광 분리 수단(10)을 향해 출광하는 광을 확산 반사시키도록 하여도 좋다.
더욱이, 도광 수단(30)의 이면측에 표면측의 격자 구조와 동일 화합물 또는 이종 화합물로 이루어진 반사막을 구비하여도 좋다.
이 액정 표시 장치의 구성을 종래 기술과 비교한다.
도 53 및 도 54에 도시하는 액정 표시 장치(4)의 구성은 도 65에 예시한 종래 기술의 액정 표시 장치에 비하여 도광 수단(40)의 액정 패널(5)측의 면상에 상기 원리로 기능하는 편광 분리 수단(10)이 구비된 도광판(1)을 이용하고, 추가로 소정 조건 1, 2, 3을 만족하는 복굴절 위상차를 부여하는 편광 변환 수단(20)을 배치하고 있는 점이 다르다. 또, 액정 패널(5)의 구조는 도 65의 구성과 동일하다. 이 때문에, p 편광 성분을 유효하게 추출하는 것이 가능해지고, 액정 패널이 필요로 하는 p편광 성분이 많이 입사되기 때문에, 액정 표시 장치(4)의 표시면은 대단히 밝게 된다.
또한, 구성이 작아진다는 이점이 있다. 도 55는 액정 표시 장치의 종래 기술과의 비교도이다. 도 55(a)에서 도시하는 종래 기술의 액정 표시 장치에서는 각종 구성(반사판, 도광판, 확산판, 2장의 프리즘 시트, 보호 필름, 액정 패널)을 필요로 하고 있었지만, 도 55(b)에서 도시하는 본 발명에 관한 액정 표시 장치(4)에서는 구성을 적게 하고 있고, 우수한 점을 알 수 있다.
또한, 종래의 조명 장치(6)에 비하여 조명광(31c∼34c)을 효율적으로 액정판(52)에 입사시킬 수 있기 때문에, 냉음극관 등의 광원(2)의 발광 소자의 발광 휘도를 낮추어 소비 전력을 저감하고, 그 결과 광원(2)의 수명을 연장시키는 것 혹은 발광 소자의 수를 줄이는 것이 가능해진다.
또, 액정 표시 장치(4)에 이용하는 도광판(1)은 도 1에서 도시한 형태로 하는 것도 가능하다. 이 경우의 액정 표시 장치에 대해서 도 56을 이용하여 설명한다.
본 실시 형태는 액정 표시 장치의 전체 구조는 기본적으로 도 53에서 도시하는 액정 표시 장치(4)와 마찬가지이고, 특히 편광 분리 수단(10)으로서 유전체 격자, 다층막이 도포된 유전체 격자를 갖는 격자 구조체를, 반사 수단(30)으로서 인쇄 패턴이나 확산성 홀로그램을 채용한 것이다. 모형은 아니지만, 인쇄 패턴이나 확산성 홀로그램에 의해 소정 방향으로 확산 반사시키도록 설정할 수 있기 때문에, 쐐기형 도광판과 마찬가지로 본 발명의 효과를 발휘할 수 있다. 또, 이외의 점에 대해서는 앞의 설명과 동일하기 때문에 중복하는 설명을 피한다.
이와 같이, 도광 수단(40)의 출사측에 배치되는 격자 구조체에 의해, 이 유전체 격자와 직교하는 편광 성분(p 편광 성분)의 광은 이 격자 구조체를 투과하여 액정 패널(5)을 조사하고, 또한 이 격자와 평행한 편광 성분(s 편광 성분)의 광은 이 격자 구조체로 반사하여 도광 수단(40) 내로 복귀되고, 도광 수단(40)의 반사판과 상기 격자 구조체 사이에서 다중 반사된다. 이와 같이 격자 구조체에 의해 반사된 광은 도광 수단(40) 내에서 반사를 반복하는 동안에 편광 상태가 변하고, 여러 가지 편광 상태를 갖는 광이 되어, 재차 격자 구조체에 입사되어 전술한 바와 같이 격자 구조체와 직교하는 편광 성분(p 편광 성분)을 투과시킬 수 있다.
이 결과, 격자 구조체의 격자와 직교하는 편광 성분(p 편광 성분)의 광이 이 격자 구조를 투과하여 피조명 대상을 조사할 수 있고, 광원으로부터 도광 수단에 입사된 광을 효율적으로 이용할 수 있다.
(다른 실시 형태)
도 57 내지 도 60은 본 발명의 다른 실시 형태의 개략적인 구성을 도시하는 것이다. 이하, 이들에 대해서 차례로 설명하지만, 본 발명은 도 57 내지 도 60 이외의 여러 가지 종류의 액정 디스플레이 장치 등에도 적용 가능하다.
우선, 도 57은 직하형 조명 방식의 액정 디스플레이에 적용한 예이다. 형광관 등의 광원(2)으로부터 방사된 광은 도광 수단(450)(전술한 각 실시 형태에 있어서의 도광판(1)을 포괄하는 개념으로서, 이하의 실시 형태에 대해서도 마찬가지임)을 통과하여 격자 형성부(600)(전술한 각 실시 형태에 있어서의 격자 구조체를 포괄하는 개념으로서, 이하의 실시 형태에 대해서도 마찬가지임)에 도달한다.
격자면에서 편광이 분리하고, 한쪽 편광 성분은 투과하여 액정 패널(5)을 조명한다. 다른 한쪽 편광 성분은 반사하여 도광 수단(450)을 통과하고, 광원부(200) 내에서 반사하여 다시 도광 수단(450)을 통과하는 과정에서 편광 상태가 변화되어 조명에 기여한다.
도 58은 액정면으로부터 자연광을 채광하는 방식의 액정 디스플레이 장치에 본 발명을 적용한 예이다. 채광부(250)로부터 입사된 광은 도광 수단(450)을 경유하여 격자 형성부(600)에 이른다. 격자 형성부(600)의 격자면에서 편광이 분리되고, 한쪽 편광 성분은 투과하여 액정 패널(5)을 조명한다. 다른 한쪽 편광 성분은 반사하여 도광 수단(450) 내로 되돌아가고, 그 내부에서 반사를 반복하여 편광 상태가 변화된 후, 다시 격자에 입사되어 조명에 기여한다.
도 59는 프론트라이트 방식의 액정 디스플레이 장치에 본 발명을 적용한 예이다. 광원(2)으로부터 방사된 광은 도광 수단(450)의 상면에 큰 입사 각도로 입사되어 반사하고, 격자 형성부(600)로 입사된다. 격자 형성부(600)의 격자면에서 편광이 분리되고, 한쪽 편광 성분은 투과하여 액정 패널(5)을 조명한다. 다른 한쪽 편광 성분은 반사하여 도광 수단(450) 내로 되돌아가며, 그 내부에서 반사를 반복하여 편광 상태가 변화하는 동시에 다시 격자에 입사되어 조명에 기여한다. 액정 패널(5)을 거쳐 상측을 향하는 광은 격자를 투과하고, 도광 수단(450)에 작은 입사 각도로 입사되어 통과한다. 또, 30e는 반사 거울이다.
도 60은 유리나 수지로 이루어진 액정 기판(55)과 도광 수단(450)에 의해 액정, 컬러 필터층(5A)을 끼우도록 형성한 예이다. 이 예에서는 액정 디스플레이 장치를 얇게 할 수 있는 효과가 있다.
상술한 도 57 내지 도 60의 실시 형태의 동작은 기본적으로 상기 실시 형태와 동일하다.
또한, 이상 설명한 본 발명의 각 실시 형태에서는 특히 기술하지 않지만, 광원(2)은 단색 또는 백색의 LED 광원과 같은 점형 광원이어도 좋다.
계속해서 실제의 구성에 따른 실시예에 대해서 설명한다. 우선, 실시예 1에 대해서 설명한다. 실시예 1은 실제로 제작한 편광 분리 수단(10)이다.
도 61은 유전체 격자의 단면 형상을 도시한 도면(SEM 사진)이다. 도광 수단으로서 폴리카보네이트를 수지 성형하고, 표면에 유전체 격자를 전사한 것이다. 격자 주기는 0.6 ㎛이고, 격자 깊이는 0.32 ㎛이다. 도 62에 유전체 격자의 편향 분리 특성도를 도시한다. 점선, 실선은 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 도면, △표, ×표는 실측치를 나타내고 있다. 또, 광원은 발광 파장 550 nm, 600 nm, 630 nm의 단파장의 LED 광원을 이용하였다. 또한, 도광판(1)의 단면 복굴절률 분포는 조건 2이다. 이 경우, 도 46에서 도시하는 실시예 1에 해당하는 것이다.
이러한 구성의 도광판(1)을 실험 장치를 이용하여 휘도 향상률을 계측하였다. 도 63은 휘도 향상률이 측정하는 실험 장치의 구성도이다. 도 63에서 도시한 바와 같이, 표면에 편광 분리 수단(10)을 형성하고, 이면에 반사 수단(30)을 형성하고 그 내부에 도시하지 않은 편광 변환 수단을 형성하고 있다. 도광판(1)의 양측면으로부터 광원(2)(LED 광원)에 의한 광을 조사하였다. 이 도광판(1)으로부터 출사되는 광은 동일 형상으로 표면에 편광 분리면을 갖지 않는 종래의 PMMA 수지제 도광판과 비교하여 휘도가 20% 향상하고 있고, 평가는 실용 레벨이다(◎로써 도시함).
계속해서 실제의 구성에 따른 다른 실시예인 실시예 2에 대해서 설명한다. 실시예 2는 실제로 제작한 편광 분리 수단(10)이다.
도 64는 3층 다층막을 갖는 유전체 격자의 단면 형상을 도시한 도면(SEM 사진)이다. 도광 수단으로서 격자 피치 0.6 ㎛의 폴리카보네이트제 유전체 격자를 형성하고, SiO를 바인더로서 TiO2, SiO2, TiO2의 3층막을 증착에 의해 격자 구조체를 형성하고 있다. 또, 광원은 백색 광원을 이용하였다. 또한, 도광판(1)의 단면 복굴절률 분포는 조건 3이다. 이 경우, 도 46에서 도시하는 실시예 2에 해당하는 것이다.
이러한 구성의 도광판(1)을 실험 장치를 이용하여 휘도 향상률을 계측하였다. 실험 장치는 도 63에서 도시하는 장치이다. 표면에 편광 분리 수단(10)을 형성하고, 이면에 반사 수단(30)을 형성하고, 그 내부에 편광 변환 수단(20)을 형성하고 있다. 도광판(1)의 양측면으로부터 백색의 광원(LED 광원)(2)에 의한 광을 조사하였다. 이 도광판(1)으로부터 출사되는 광은 동일 형상으로 표면에 편광 분리면을 갖지 않는 종래의 PMMA 수지제 도광판과 비교하여 휘도가 60% 향상하고 있고, 평가는 실용 레벨이다(◎로써 도시함).
이상 기술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 액정 패널 등의 편광판으로 입사가 저지되는 편광 성분(s 편광 성분)을 도광 수단의 표면에 설치된 격자 구조체인 편광 분리 수단에 의해 도광 수단 내로 되돌리고, 편광 변환 수단으로 직선 편광 방향을 변환시키면서 반사판인 반사 수단에 의해 다시 편광 분리 수단으로 입사시킴으로써, 액정 패널로 입사되는 편광 성분(p 편광 성분)으로서 추출하도록 하고,종래에는 유효 활용되고 있고 있지 않은 광의 편광 성분을 추출할 수 있도록 하여, 발광 소자 등의 부품의 갯수를 삭감하고, 소비전력도 감소시키는 도광판 및 이 도광판을 구비한 액정 표시 장치를 제공할 수 있다.

Claims (57)

  1. 광의 편광 방향에 따라 반사광과 투과광을 분리하는 편광 분리 수단과,
    광을 반사하는 반사 수단과,
    투과하는 광에 대하여 θ1+ n·180°(단, θ1은 30°≤θ1≤150° 범위 내에 있고, n은 정수임)의 조건을 만족하도록 위상차를 부여하는 편광 변환 수단과,
    상기 편광 분리 수단과 상기 반사 수단 사이에 상기 편광 변환 수단을 끼워 이들이 일체가 되도록 설치한 도광 수단
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 도광판.
  2. 제1항에 있어서, 바람직하게는 상기 편광 변환 수단의 80% 이상의 영역에서, 투과하는 광에 대하여, θ2+ n·180°(단, θ2는 45°≤θ2≤135° 범위 내에 있고, n은 정수임)의 조건을 만족하도록 위상차를 부여하는 것을 특징으로 하는 도광판.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 더욱 바람직하게는, 상기 편광 변환 수단의 60% 이상의 영역에서, 투과하는 광에 대하여, θ3+ n·180°(단, θ3은 60°≤θ3≤120° 범위 내에 있고, n은 정수임)의 조건을 만족하도록 위상차를 부여하는 것을 특징으로 하는 도광판.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편광 분리 수단은 투명한 유전체 재료에 의해 형성한 주기적인 반복 구조인 유전체 격자로 이루어진 격자 구조체로 하는 것을 특징으로 하는 도광판.
  5. 제4항에 있어서, 상기 격자 구조체의 유전체 격자는 그 단면 형상이 직사각형, 사다리꼴, 삼각형 혹은 정현파형의 볼록부로 이루어진 형상, 또는 이들 볼록부를 복수 조합한 형상 중 어느 하나의 형상의 주기적인 반복 구조인 것을 특징으로 하는 도광판.
  6. 제5항에 있어서, 상기 격자 구조체의 유전체 격자는 직사각형, 사다리꼴, 삼각형 혹은 정현파형 중 어느 하나의 볼록부의 주기적인 반복 구조로서, 격자 주기가 0.3∼0.8 ㎛이고, 격자 깊이가 0.2∼0.5 ㎛인 것을 특징으로 하는 도광판.
  7. 제6항에 있어서, 상기 격자 구조체의 유전체 격자의 볼록부는 기본 형상에 미세한 형상을 조합하여 형성한 복수 형상으로 이루어진 볼록부인 것을 특징으로 하는 도광판.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편광 분리 수단은 투명한 유전체 재료에 의해 형성한 주기적인 반복 구조인 유전체 격자의 표면에 소정의 굴절률을 갖는 재료인 단층의 표면층, 혹은 인접하는 층간에서 서로 굴절률이 다른 재료를 적층한 복층의 표면층을 더한 격자 구조체인 것을 특징으로 하는 도광판.
  9. 제8항에 있어서, 상기 격자 구조체의 유전체 격자는 그 단면 형상이 직사각형, 사다리꼴, 삼각형 혹은 정현파형 중 어느 하나의 볼록부로 이루어진 형상, 또는 이들 볼록부를 복수 조합한 형상 중 어느 하나의 형상의 주기적인 반복 구조인 것을 특징으로 하는 도광판.
  10. 제9항에 있어서, 상기 격자 구조체의 유전체 격자는 격자 주기가 0.3∼0.8 ㎛이고, 격자 깊이가 0.2∼0.5 ㎛이며,
    상기 격자 구조체의 표면에 설치되는 표면층은 두께가 50∼150 nm인 이산화티탄(TiO2) 또는 오산화탄탈(Ta2O5)과, 두께가 70∼200 nm인 이산화실리콘(SiO2)을 교대로 적층한 복층인 것을 특징으로 하는 도광판.
  11. 제10항에 있어서, 상기 격자 구조체는 상기 유전체 격자와 상기 표면층 사이에 O보다 크고 100 nm 이하인 두께의 일산화실리콘(SiO)층을 구비하는 것을 특징으로 하는 도광판.
  12. 제11항에 있어서, 상기 격자 구조체의 유전체 격자의 볼록부는 기본 형상에미세한 형상을 조합하여 형성한 복수 형상으로 이루어진 볼록부인 것을 특징으로 하는 도광판.
  13. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 격자 구조체는 상기 유전체 격자의 표면에,
    스핀 코터법 혹은 롤 코터법에 의해 용매로 희석된 재료를 도포한 후에 용매를 제거하는 공정을 한 번 또는 여러 번 반복하여 형성한 표면층, 또는,
    증착법, 스퍼터법 혹은 이온 도금법 중 어느 하나에 의해, 단층 재료 혹은 인접하는 층간에서 서로 굴절률이 다른 재료를 형성한 표면층
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 도광판.
  14. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편광 분리 수단은 투명한 유전체 재료에 의해 형성한 주기적인 반복 구조인 유전체 격자의 오목부에, 소정의 굴절률을 갖는 재료인 단층 표면층, 또는 인접하는 층간에서 서로 굴절률이 다른 재료를 적층한 복층 표면층을 더한 격자 구조체인 것을 특징으로 하는 도광판.
  15. 제14항에 있어서, 상기 격자 구조체의 유전체 격자는 그 단면 형상이 직사각형, 사다리꼴, 삼각형 혹은 정현파형 중 어느 하나의 볼록부로 이루어진 형상, 또는 이들 볼록부를 복수 조합한 형상 중 어느 하나의 형상의 주기적인 반복인 것을 특징으로 하는 도광판.
  16. 제15항에 있어서, 상기 격자 구조체의 유전체 격자는 격자 주기 0.3∼0.8 ㎛, 격자 깊이 0.2∼0.5 ㎛이고,
    상기 격자 구조체의 오목부에 설치되는 표면층은 두께가 50∼150 nm인 이산화티탄(TiO2) 또는 오산화탄탈(Ta2O5)과, 두께가 70∼200 nm인 이산화실리콘(SiO2)을 교대로 적층한 복층인 것을 특징으로 하는 도광판.
  17. 제16항에 있어서, 상기 격자 구조체는 유전체 격자와 표면층 사이에 O보다 크고 100 nm 이하인 두께의 일산화실리콘(SiO)층을 구비하는 것을 특징으로 하는 도광판.
  18. 제17항에 있어서, 상기 격자 구조체의 유전체 격자의 볼록부는 기본 형상에 미세한 형상을 조합하여 형성한 복수 형상으로 이루어진 볼록부인 것을 특징으로 하는 도광판.
  19. 제14항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 격자 구조체는 유전체 격자의 표면에,
    스핀 코터법 혹은 롤 코터법에 의해 용매로 희석된 재료를 도포한 후에 용매를 제거하고, 추가로 유전체 격자의 볼록부의 정상에 있는 재료만을 제거하는 공정을 한 번 혹은 여러 번 반복하여 오목부에 형성한 단층 재료, 혹은 인접하는 층간에서 서로 굴절률이 다른 재료로 이루어진 표면층, 또는,
    증착법, 스퍼터법 혹은 이온 도금법 중 어느 하나에 의해, 재료를 도포한 후에 볼록부의 정상에 있는 재료만을 제거하는 공정을 1번 혹은 여러 번 반복하여 오목부에 형성한 단층 재료, 혹은 인접하는 층간에서 서로 굴절률이 다른 재료로 이루어진 표면층
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 도광판.
  20. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편광 분리 수단은 인접하는 층간에서 서로 굴절률이 다른 재료이 적층형으로 형성된 볼록부의 주기적인 반복 구조인 격자로 이루어진 격자 구조체로 하는 것을 특징으로 하는 도광판.
  21. 제20항에 있어서, 상기 격자 구조의 격자체는 그 단면 형상이 직사각형, 사다리꼴, 삼각형 혹은 정현파형 중 어느 하나의 볼록부로 이루어진 형상, 또는 이들 볼록부를 복수 조합한 형상 중 어느 하나의 형상의 주기적인 반복인 것을 특징으로 하는 도광판.
  22. 제21항에 있어서, 상기 격자 구조체는,
    스핀 코터법 또는 롤 코터법에 의해 용매로 희석된 재료를 도포한 후, 용매를 제거하는 공정을 여러 번 반복 형성한, 인접하는 층간에서 서로 굴절률이 다른재료로 이루어지는 막, 또는,
    증착법, 스퍼터법 혹은 이온 도금법 중 어느 하나에 의해 형성한, 인접하는 층간에서 서로 굴절률이 다른 재료로 이루어지는 막
    에 대하여 엠보싱 가공을 행함으로써 형성된 격자인 것을 특징으로 하는 도광판.
  23. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편광 분리 수단은 투명한 유전체 재료에 의해 형성한 주기적인 반복 구조인 유전체 격자의 표면에 금속 재료에 의해 형성한 주기적인 반복 구조인 금속 격자를 설치한 격자 구조체인 것을 특징으로 하는 도광판.
  24. 제23항에 있어서, 상기 격자 구조체의 금속 격자는 반사율이 60% 이상인 금속 박막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 도광판.
  25. 제24항에 있어서, 상기 금속 격자의 금속 박막은 Mg, Se, Y, Ti, Cr, Mo, W, Mn, Cr, Fe, Co, Ni, Ru, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Al, In, Si, Ge, Te, Pb, Sn으로 이루어진 화합물 단독이거나, 혹은 이들을 2종 이상 조합한 합금인 것을 특징으로 하는 도광판.
  26. 제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 격자 구조체의 유전체 격자는 그 단면 형상이 직사각형, 사다리꼴, 삼각형 혹은 정현파형 중 어느 하나의 볼록부로 이루어진 형상, 또는 이들 볼록부를 복수 조합한 형상 중 어느 하나의 형상의 주기적인 반복인 것을 특징으로 하는 도광판.
  27. 제26항에 있어서, 상기 격자 구조체의 유전체 격자는 직사각형, 사다리꼴, 삼각형 혹은 정현파형 중 어느 하나의 볼록부의 주기적인 반복 구조로서, 격자 주기가 0보다 크고 O.4 ㎛ 이하이며, 격자 깊이가 0보다 크고 0.2 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 도광판.
  28. 제27항에 있어서, 상기 격자 구조체의 유전체 격자의 볼록부는 기본 형상에 미세한 형상을 조합하여 형성한 복수 형상으로 이루어진 볼록부인 것을 특징으로 하는 도광판.
  29. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편광 분리 수단은 도광 수단, 투명 기판, 또는 투명 필름에 대하여 금속 재료에 의해 형성한 주기적인 반복 구조인 금속 격자를 설치한 격자 구조체로 하는 것을 특징으로 하는 도광판.
  30. 제29항에 있어서, 상기 격자 구조체는 반사율이 60% 이상의 금속 박막인 금속 격자를 형성한 격자 구조체인 것을 특징으로 하는 도광판.
  31. 제30항에 있어서, 상기 금속 격자의 금속 박막은 Mg, Se, Y, Ti, Cr, Mo, W, Mn, Cr, Fe, Co, Ni, Ru, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Al, In, Si, Ge, Te, Pb, Sn으로 이루어진 화합물 단독이거나, 혹은 이들을 2종 이상 조합한 합금인 것을 특징으로 하는 도광판.
  32. 제30항 또는 제31항에 있어서, 상기 금속 격자의 금속 박막의 막 두께는 0.05 ㎛ 이상이고, 격자의 주기 T는 0.05∼0.25 ㎛이고, 격자의 폭은 격자의 주기 T에 대하여 0.25 T∼0.85 T 범위인 것을 특징으로 하는 도광판.
  33. 제29항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 도광 수단, 투명 기판, 또는 투명 필름과, 상기 금속 격자 사이에 하지층을 형성하고,
    상기 금속 격자 및 상기 하지층의 표면에 보호막을 형성하는 것을 특징으로 하는 도광판.
  34. 제29항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 격자는 도광 수단, 투명 기판, 투명 필름 또는 하지층의 표면에 줄무늬형의 격자 패턴을 갖는 마스크를 통해 증착법, 스퍼터법, 이온 도금법, 또는 건식 에칭법 중 어느 하나에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 도광판.
  35. 제29항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 투명 필름의 표면측에 금속 박막으로 이루어진 금속 격자가 형성된 격자 구조체를 갖는 도광판에 있어서,
    상기 격자 구조체는 투명 필름에 금속 격자를 형성한 후, 그 투명 필름을 줄무늬 방향으로 연신하여 금속 격자를 미세한 패턴으로 하고, 투명 필름과 함께 도광 수단 또는 투명 기판상에 접착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 도광판.
  36. 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도광 수단은 수지를 재료로 하고, 상기 편광 변환 수단을 복굴절 분포로 하는 것을 특징으로 하는 도광판.
  37. 제36항에 있어서, 상기 도광 수단의 재료는 아크릴계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 아크릴로니트릴 스티렌계 수지, 에폭시계 수지, 또는 올레핀계 수지 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 도광판.
  38. 제36항 또는 제37항에 있어서, 이방 배향한 스킨층에 의해 내부 복굴절을 형성한 것을 특징으로 하는 도광판.
  39. 제36항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 수지를 재료로 하는 도광 수단은 배향이 큰 것을 특징으로 하는 도광판.
  40. 제36항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 도광 수단을 형성한 수지에는 주재료와 다른 이방성을 갖는 수지 폴리머를 소정량 포함하는 것을 특징으로 하는도광판.
  41. 제40항에 있어서, 주재료와 다른 수지 폴리머는 스티렌 비즈 내지 액정 폴리머인 것을 특징으로 하는 도광판.
  42. 제1항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사 수단은 상기 도광 수단 중에서 광이 입사되는 면과, 편광 분리 수단이 형성되는 면을 제외한 면의 전부 또는 일부에 설치되는 것을 특징으로 하는 도광판.
  43. 제1항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사 수단의 일부 또는 전부는 미세한 요철로 이루어진 확산성 홀로그램, 체적형 확산성 홀로그램, 또는 스페클 확산면 중 어느 하나이고, 상기 편광 분리 수단을 향해 확산 반사하는 것을 특징으로 하는 도광판.
  44. 제43항에 있어서, 상기 반사 수단의 확산성 홀로그램, 체적형 확산성 홀로그램, 또는 스페클 확산면에 금속 반사막을 형성하는 것을 특징으로 하는 도광판.
  45. 제43항 또는 제44항에 있어서, 상기 반사 수단 중의 하나인 확산성 홀로그램은 하나의 입사광을 복수의 출사광으로 분기하는 기능을 가지며, P1(x)의 위상차 분포를 갖는 입사광을 i번째의 출사광으로 변환하는 기능을 나타내는 위상차 분포를 P1(x)로 하면, 하기의 수학식 7로 표시되는 위상차 분포 P(x)를 갖는 것을 특징으로 하는 도광판.
    (단, x는 확산성 홀로그램상의 위치를 나타내는 벡터, π는 원주율, m은 자연수, k는 2이상의 정수, aj는 0<aj<1을 만족하는 함수, Cj는 정수, mod[A, B]는 A를 B로 나누었을 때의 나머지를 나타내는 함수임)
  46. 제45항에 있어서, 상기 반사 수단의 확산성 홀로그램의 위상차 분포가 상기 P(x)가 되도록, 표면 형상 D'(x)가 하기의 수학식 8로 표시되는 것을 특징으로 하는 도광판.
    (단, ns는 확산성 홀로그램의 주위의 매질의 굴절률, λ은 파장을 나타냄)
  47. 제1항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사 수단은 금속에 의해형성되는 것을 특징으로 하는 도광판.
  48. 제47항에 있어서, 금속이 Mg, Se, Y, Ti, Cr, Mo, W, Mn, Cr, Fe, Co, Ni, Ru, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Al, In, Si, Ge, Te, Pb, Sn으로 이루어진 화합물 단독, 혹은 이들을 2종 이상 조합한 합금인 것을 특징으로 하는 도광판.
  49. 제1항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사 수단은 유전체 다층막에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 도광판.
  50. 제49항에 있어서, 상기 유전체 다층막에 금속 반사막을 형성하는 것을 특징으로 하는 도광판.
  51. 제1항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사 수단은 인쇄에 의해 형성되는 패턴인 것을 특징으로 하는 도광판.
  52. 제1항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사 수단은 산란면인 것을 특징으로 하는 도광판.
  53. 제1항 내지 제52항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편광 분리 수단은 상기 광원으로부터 위치가 멀어짐에 따라 투과율을 높게 하는 것을 특징으로 하는 도광판.
  54. 제1항 내지 제53항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편광 분리 수단은 광원으로부터 입사되는 광에 대하여 거의 직교하도록 격자 구조체가 형성되는 것을 특징으로 하는 도광판.
  55. 제1항 내지 제54항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사 수단은 상기 광원으로부터 위치가 멀어짐에 따라 반사율을 높이는 것을 특징으로 하는 도광판.
  56. 광원과,
    상기 광원으로부터 출사되는 광 중에서 서로 직교하는 2개의 편광 성분 중 한쪽 편광 성분을 투과하는 제1항 내지 제55항 중 어느 한 항에 기재한 도광판과,
    상기 도광판으로부터 출사되는 편광이 조명되는 액정 패널판
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  57. 제56항에 있어서, 상기 액정 패널판은,
    액정판과,
    이 액정판의 표리에 배치되고, 편광 방향을 직교시킨 한 쌍의 편광판
    을 구비하며,
    상기 편광 변환 수단을 투과하는 편광의 편광 방향과, 액정 패널과 도광판 사이에 있는 편광판을 투과하는 편광의 편광 방향을 직교시키도록 상기 편광 변환수단 및 편광판을 배치하는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
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