KR20050100706A - 광 확산용 광학 구조물 - Google Patents

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Abstract

광학 확산 구조물은 빛을 투명 혹은 반투명 기판을 통하여, 그런 다음 광중합가능한 물질의 일부만을 광중합하기에 충분한 시간동안 광중합가능한 물질을 통하여 조사함으로써 광중합가능한 물질로부터 제조될 수 있다. 결과 구조물은 확산자, 조망 스크린 및 기타 적용처로서 사용될 수 있으며, 경사진 광학 도파관의 어레이와 같은 다른 광-조사 구조물과 결합될 수 있다.

Description

광 확산용 광학 구조물{OPTICAL STRUCTURES FOR DIFFUSING LIGHT}
빛을 산란 혹은 확산시키는 광학 구조물은 일반적으로 (a)표면 거칠기를 이용하여 다수의 방향으로 빛을 굴절하거나 산란시키는 표면 확산자로서; 혹은 (b)평평한 표면을 갖고 광-산란 요소를 끼워넣은 벌크(bulk) 확산자로서; 작용한다.
상기 표면 확산자는 확산자로된 물질과 포위 매질사이에 굴절율에 있어서 가능한한 최대한의 차이 및 결과적으로 입사광으로 발산되는 최대각을 제공하는, 공기에 노출된 거친면을 보통 사용한다. 그러나 이러한 타입의 확산자는 높은 역산란도 및 공기 접착의 필요성이라는 2가지 주요한 결점을 가지고 있다.
역산란은 이들이 확산자를 통하여 적절하게 통과해야만 할 때 광학 시스템의 효율을 저감시키면서 빛의 현저한 부분을 역으로 발신 광원으로 반사시킨다. 제2 결점인 거친면이 적절하게 작동하도록 공기와 접촉시켜야만 하는 필요성은 또한 보다 낮은 효율을 낳을 수 있다. 확산자의 입력면과 출력면에 접착제와 같은 또다른 물질이 모두 매립되면, 상기 확산자의 광-분산력은 바람직하지 않은 수준까지 감소될 것이다.
제2 타입 확산자인 벌크 확산자의 제1 변형에 있어서, 제2 굴절율을 갖는 소형 입자 혹은 구(sphere)가 확산자의 제1 물질내로 끼워진다. 벌크 확산자의 또다른 변형에 있어서, 확산자로된 물질의 굴절율은 확산자 몸체를 가로질러 다양하며, 따라서 빛이 다른 지점에서 굴절되거나 산란되는 물질을 통과하게끔 한다. 벌크 확산자는 또한 몇몇 실질적인 문제를 나타낸다. 큰각(high angular) 출력 분포를 얻으려한다면, 확산자는 동일한 광학 산란능을 갖는 표면 확산자보다 일반적으로 더 두꺼울 것이다. 그러나 벌크 확산자가 얇게 제조되면, 대부분의 적용처에 대하여 바람직한 특성인 확산자의 산란능이 너무 낮을 것이다.
상기 어려움에도 불구하고, 끼워넣은 확산자가 바람직할 수 있으며, 확산자의 제1 타입은 적절치않은 적용처들이 있다. 예를 들면, 확산자층은 확산자를 손상으로부터 보호하도록 액정 디스플레이 시스템의 출력 편광판층과 외부 경질코팅층사이에 끼워넣어질 수 있다. 덧붙여, 다른 물질에 끼워질 때 넓은 광학 산란능을 보유하고 낮은 광학 역산란을 가지며, 따라서 통상의 확산자보다 광학 효율이 더 큰 얇은 형상을 갖는 확산자가 매우 바람직할 것이다.
광 확산자는 시준광 혹은 근접-시준광을 투명 혹은 반투명 물질을 통하여 광중합가능한 물질내로 조사함으로써 광중합가능한 물질로된 필름으로부터 제작될 수 있다. 시준광은 광선의 분기각(divergence angle)이 0.5°미만인 빛으로서 정의될 수 있다. 반대로 근접 시준광내에 광선의 분기각은 ±10°미만, 바람직하게는 ±5°미만, 그리고 보다 바람직하게는 ±3.5°미만이다. 이 적용처에 있어서, 시준되었거나 혹은 근접-시준되었거나 간에 빛은 비간섭성, 즉 균일한 상을 갖지 않는 것이 바람직하다. 아크등, 백열등 혹은 형광등과 같은 대부분의 광원(레이저 광원은 제외)은 간섭광이 또한 사용될 수 있다고 하더라도, 비간섭광을 생성한다.
상기 광중합가능한 물질은 물질의 일부만을 교차결합(혹은 중합)하기에 충분한 시간동안 빛에 노출된다. 이 단계를 거친 다음, 광중합된 부분상에 매우-변조된 표면은 남기고 물질중 교차결합되지 않은 부분을 제거한다. 이 잔류 구조는 확산자로서 직접 사용될 수 있으며 혹은 확산자를 생성하기 위해 또다른 물질을 엠보싱하기 위한 금속성 복사판을 생성하는데 사용될 수 있다.
기판 물질
기판으로 적절한 물질은 (a)광학적으로 흠없고, 투명한 물질; (b)조성물 혹은 상기 물질의 구조물내에 비균질로 인한 몇몇 불투명 혹은 광 산란을 갖는 흠없고, 반투명한 물질; 및 (c)반투명 물질을 포함한다. 기판으로 적절한 물질은 또한 그 결정도에 따라 (a)비정질 물질; (b)비정질 매트릭스내에 산재된 결정질 도메인을 포함하는 반-결정질 물질; 및 (c)완전히 결정질인 물질;로 분류될 수 있다. 상기 물질이 3가지 선행된 분류에 따라 편성될 수 있다고 하더라도, 이 적용처에 적절한 많은 중합체의 결정도는 중합체가 어떻게 제조되는지에 따라 변화될 수 있다는 것을 주지하여야 한다. 따라서 주어진 물질은 이들 그룹중 하나이상내에 들 것이다. 상기 기판은 전형적으로 서로에 대하여 일반적으로 평행한 2개의 대향 평면을 갖으나, 다른 구조도 사용될 수 있다.
상기 언급한 기준에 부합하는 물질은 보로실리케이트 유리 및 용융 실리카와 같은 무기 글라스; 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 트리아세테이트, 셀룰로오스 부티레이트, 폴리비닐 알코올, 폴리메틸 메타크릴레이트 및 폴리스티렌과 같은 에틸렌-비닐 알코올 공중합체와 같은 비정질 중합체;를 포함하고, 반-결정질 중합체는 폴리에스테르, 나일론, 에폭시류, 폴리비닐 클로라이드, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드 및 폴리우레탄을 포함한다. 상기 반-결정질 중합체에서는 필름내 폴리에스테르가 바람직하고, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)(폴리에스테르)는 기판에 대하여 가장 바람직한 선택인 것으로 밝혀졌다. 상기 열거한 물질 모두 상업적으로 입수가능한 것이다.
광중합가능한 물질
상기 광중합가능한 물질은 최소 3가지 필수 성분, 즉 광중합가능한 성분, 광개시제 및 광억제제,로 이루어진다. 제1 필수 성분인, 광중합가능한 성분은 광중합가능한 단량체 혹은 소중합체, 혹은 광중합가능한 단량체 및/또는 소중합체의 혼합물일 수 있다. 이 적용처에 적절한 상업적으로 입수가능한 광중합가능한 단량체와 소중합체는 (a)비스페놀 A 에폭시 수지, 에폭시 크레졸 노볼락 수지, 에폭시 페놀 노볼락 수지, 비스페놀 F 수지, 페놀-글리시딜 에테르-유도된 수지, 시클로지방족 에폭시 수지, 및 방향족 혹은 헤테로시클릭 글리시딜 아민 수지와 같은 에폭시 수지; (b)알릴; (c)비닐 에테르 및 다른 비닐-함유 유기 단량체; 및 (d)우레탄 아크릴레이트 및 메타크릴레이트, 에스테르 아크릴레이트 및 메타크릴레이트, 에폭시 아크릴레이트 및 메타크릴레이트, 및 (폴리)에틸렌 글리콜 아크릴레이트 및 메타크릴레이트와 같은 아크릴레이트 및 메타크릴레이트;를 포함한다. 아크릴레이트 단량체는 "마이크로프리즘의 어레이를 사용한 역광 장치(Backlighting Apparatus Employing an Array of Microprisms)"에 대하여 Beeson등에게 1995년 3월 7일자로 특허허여된 U.S.특허 제 5,396,350, "마이크로프리즘의 어레이를 사용한 조명 시스템(Illumination System Employing an Array of Microprisms)"에 대하여 Zimmerman등에게 1995년 6월 27일자 특허허여된 U.S.특허 제 5,428,468, "경사진 도파관의 어레이를 갖는 조사 조망 디스플레이(Process for Making an Array of Tapered Photopolymerized Waveguides)"에 대하여 Beeson 등에게 1995년 10월 30일자로 특허허여된 U.S.특허 제5,462,700, 및 "경사진 도파관의 어레이를 갖는 조사 조망 디스플레이(Direct View Display with Array of Tapered Waveguides)"에 대하여 Zimmerman등에게 1996년 1월 2일자로 특허허여된 U.S.특허 제 5,481,385호에 개시되어 있다.
광중합가능한 물질의 제1 필수 성분에 대한 (a)아크릴레이트와 에폭시 수지의 혼합물; (b)방향족 디아크릴레이트와 비스페놀 A 에폭시 수지와의 혼합물; 및 (c)에톡시화된 비스페놀 A 디아크릴레이트(EBDA)와 Dow 에폭시 수지 DER-362(비스페놀 A와 에피클로로히드린의 중합체)의 혼합물;은 더 좋은 개선된 순서를 갖는 수용가능한 결과를 산출하는 것으로 발견되었다. 상기 (c)의 예는 EBDA 70중량부와 Dow 에폭시 수지 DER-362 30중량부의 혼합물이다. 이 기술 분야에서 숙련된 기술자에 의해 쉽게 형성되는 다른 물질이 또한 사용될 수 있다. 광중합가능한 성분의 선별에 관련된 인자는 에폭시 수지의 경화율 및 수축률이 아크릴레이트 물질에 따라 다를 수 있다는 것이다.
광중합가능한 물질의 제2 필수 성분인 광개시제는 이들이 빛에 의해 활성화될 때 단량체 혹은 소중합체 혹은 단량체 및/또는 소중합체의 혼합물의 광중합을 이끄는 활성화된 종을 생성한다. 바람직한 광개시제는 상기 인용한 U.S.특허 제 5,396,350, U.S.특허 제 5,462,700 및 U.S.특허 제 5,481,385에 개시되어 있다. 가장 바람직한 광개시제는 α,α-디메톡시-α-페닐 아세토페논(Irgacure-651, Ciba-Geigy Corporation의 산물)이다. 상기 광개시제는 단량체 혹은 소중합체 물질 100부당 광개시제 2부의 적재 수준으로 성공적으로 사용되어 왔다. 바람직하게는 상기 광개시제는 단량체 혹은 소중합체 물질 100부당 광개시제 0.5∼10부의 적재 수준으로 사용되어야 하며, 단량체 혹은 소중합체 물질 100부당 광개시제 1∼4부의 적재 수준이 보다 바람직하다.
광중합가능한 물질의 제3 필수 성분인 억제제는 낮은 광 수준에서 광중합을 방해한다. 상기 억제제는 구배(gradient)대신에 교차결합된 물질과 교차결합되지 않은 광중합가능한 물질사이에 별도의 경계가 있도록 광중합체의 중합에 대한 역광 수준을 올린다. 상기 인용된 U.S.특허 제 5,462,700 및 U.S. 특허 제5,481,385호에 개시된 바와 같이, 다수의 억제제가 이 기술 분야에서 숙련된 기술자에게 잘 알려져 있다. 산소가 바람직한 억제제이며 단가가 싸다. 광중합이 공기의 존재하에 수행된다면 용이하게 이용가능하다.
광중합을 위한 배치
도 1에 도시된 바와 같이, 광중합가능한 물질의 층 10은 독터 블레이딩과 같은 어떠한 간편한 방법에 의해 기판 20상에 부착되어, 일반적으로 0.02mm∼2mm의 균일한 두께, 바람직하게는 약0.12mm∼0.37mm, 그리고 보다 바람직하게는 약0.2mm∼0.3mm의 층을 낳는다. 일반적으로 약0.2mm∼0.3mm의 균일한 두께 층으로 만족스러운 결과가 얻어졌다. 임의로, 유리 지지층 30은 기판 20의 하부에 재치될 수 있다. 바람직하게는 층 10의 상부면 14는 산소를 함유하는 분위기에 개방된다. 도 1 및 나머지 도면에 도시된 요소는 일정한 비율로 정해진 것은 아니며, 실제 및 상대 치수가 도시된 것에서 벗어날 수 있다.
도 2를 보면, 시준광 혹은 근접-시준광은 기판 20의 저부면 22를 통하여 그리고 광중합가능한 층 10을 통하여 조사된다.(만약 유리 지지층 30이 제공된다면, 빛은 먼저 유리를 통과한다). 빛은 이 기술 분야에서 숙련된 자에 의해 쉽게 형성될 수 있는 바와 같이, 어떠한 가시광선, 자외선, 혹은 광중합가능한 물질의 중합을 유도할 수 있는 다른 파장(혹은 파장의 조합)일 수 있다. 그러나 Irgacure-651을 포함하여 보통-사용되는 많은 광개시제는 이 범위가 결정적인 것은 아니라고 하더라도 약 350nm∼400nm의 파장 범위내에서 자외선에 바람직하게 반응한다. 바람직하게는 빛의 세기는 약1mW/㎠∼1000mW/㎠, 보다 바람직하게는 약5mW/㎠∼200mW/㎠ 그리고 최적으로 약 30mW/㎠±약10mW/㎠의 범위이다. 대략 30mW/㎠의 빛 세기에서 만족스러운 결과가 얻어졌다.
빛이 광중합가능한 층 10을 통과함에 따라, 광중합가능한 물질의 분자는 광중합가능한 층 10의 저부면 12(기판 20의 상부면 24)에서부터 교차결합(혹은 중합)하기 시작할 것이다. 광중합가능한 층 10의 전체 두께가 교차결합할 기회를 갖기 전에, 광중합가능한 층 10의 하부의 광교차결합된 중합체 성분 40만을 남기면서 빛을 제거한다.
바라는 양의 교차결합을 얻는데 필요한 빛의 용량은 사용된 광중합가능한 물질에 의존한다. 예를 들면, EBDA 및 Dow 에폭시 수지 DER-362 물질과 광개시제 α,α-디메톡시-α-페닐 아세토페논의 광중합가능한 혼합물이 사용되고, 두께 약0.2mm∼0.3mm범위로 적용되면, 전체 광은 바람직하게는 약5mJ/㎠∼2000mJ/㎠, 보다 바람직하게는 약20mJ/㎠∼300mJ/㎠, 그리고 최적으로는 약60mJ/㎠∼120mJ/㎠ 범위로 광중합가능한 층 10에 수용되었다.
EBDA 및 Dow 에폭시 수지 DER-362 물질의 광중합가능한 혼합물을 사용시 만족스러운 결과가 얻어졌다. 광개시제 Irgacure-651을 광중합가능한 혼합물 100부당 광개시제 2부의 적재 수준에서 약0.2mm∼0.3mm의 두께로 적용하였다. 광원 세기는 약 30mW/㎠이었으며 사용량은 60mJ/㎠∼120mJ/㎠사이이었다.
광중합되지 않은 부분의 제거
그런 다음 광중합되지 않은 부분을 제거하도록 광중합가능한 층 10에 전개자를 적용하였다. 전개자는 용해되거나 혹은 교차결합된 성분 40에 영향을 미치지 않고 중합되지 않은 물질을 제거할 어떠한 물질, 통상은 액체일 수 있다. 적절한 전개자는 메탄올, 아세톤, 메틸 에틸 케톤(MEK), 에탄올, 이소프로필 알코올 혹은 상기 용매들의 혼합물과 같은 유기 용매이다. 선택적으로, 이 기술 분야에서 숙련된 자에게 쉽게 형성되는 하나 이상의 계면활성제를 포함하는 수성계 전개자를 사용할 수 있다.
중합되지 않은 부분이 제거된 다음, 광교차결합된 성분 40이 도 3에 도시된 바와 같이 기판 20상에 남는다. 원한다면, 상기 광교차결합된 성분 40은 기판 20으로부터 제거될 수 있다.
고도로-변조된 표면
광교차결합된 성분 40의 표면 42는 높이 및 폭에 있어서 약 1∼20미크롱 크기의 평탄한 융기(bump)를 나타내면서 고도로 변조된다. 광교차결합된 성분 40의 고도로 변조된 표면 42상에서 융기의 가로세로비, 즉 높이대 너비의 비는 일반적으로 매우 크다. 상기 기판은 육안으로 볼 때 광학적으로 투명하거나 반투명하며, 광 투과를 차단하기 위한 명백한 차폐 특성(masking feature)를 갖지 않으므로, 고도로-변조된 표면 42를 기대할 수 없다.
고도로 변조된 표면은 단지 하나의 단량체 혹은 소중합체 성분, 혹은 상기 성분들의 혼합물을 함유하는 광중합가능한 물질로 부터 제작된 기판으로 얻어질 수 있다. 이들 광교차결합된 물질은 적용된 빛의 공간 세기와 기판 20의 미세구조내에 통계적 변동에 있어서, 불규칙적인 변동으로 인해 중합의 공간 균일성에 있어서 편차를 나타낼 것이다. 후자의 예는 물질 PET, 비정질 중합체로 산재된 불규칙한 미세 결정을 함유하는 반-결정질 중합체 물질이다. 상기 불규칙한 미세 결정은 2상의 굴절율이 약간 다르다면 비정질 중합체를 포위하는 것과는 다르게 빛을 굴절시킬 것이다. 내부적으로, 상기 중합된 성분 40은 층의 두께를 통하여 줄무늬(striation) 44를 나타낼 것이다.
노출사이에 빛에 노출되지 않은 광중합가능한 물질을 남기면서, 빛의 조사량이 단일 노광 혹은 복합 노광 혹은 조사시 적용될 수 있다. 조사량이 동일한 경우, 빛의 복합 노광은 단일 노광으로 일어나는 것보다 고도로 변조된 표면을 낳을 수 있다.
광중합된 성분 40은 다수의 방식으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 시스템의 구조적 특성을 은폐시키기 위하여 투사 조망 스크린내에 광 확산자로서 사용되거나 혹은 액정 디스플레이(LCD) 조명 시스템내 성분으로서 사용될 수 있다.
광교차결합된 층의 반복
정합하는 금속 복사판 층 50은 전기 주형, 무전해 부착(electroless deposition), 증착 및 기타 도 4에 도시된 바와 같은 이 기술 분야에서 숙련된 자에 의해 쉽게 형성되는 기술을 통하여 고도로-변조된 표면 42상에 형성될 수 있다. 그런 다음 금속성 층 50은 원래의 광교차결합된 성분 40의 표면 구조를 갖는 엠보싱된 복사판을 제조하는데 사용된다. 상기 금속 복사판 층 50은 투명 혹은 반투명 열가소성 물질내로 열 엠보싱, 혹은 투명 혹은 반투명 광반응 물질 혹은 혼합물내로 연성-엠보싱 혹은 캐스팅(즉, 광경화 엠보싱)과 같은 다수의 알려진 엠보싱 방법을 사용할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 폴리카보네이트, 아크릴 중합체, 비닐 중합체, 혹은 보다 광중합가능한 물질과 같은 물질의 엠보싱가능한 층 60이 기판(예를 들어 PET)상에 재치된다. 그런 다음 금속 복사판 층 50은 엠보싱가능한 층 60에 적용되어 화살표 62로 나타낸 접합 표면을 생성한다. 경성 엠보싱 혹은 바람직하게는 열 엠보싱의 경우에 있어서, 금속 복사판 층 50은 열 혹은 압력, 혹은 이들 모두의 적용과 동시에 엠보싱가능한 층 60의 표면내로 밀어진다.
연성 엠보싱 혹은 캐스팅의 경우에 있어서, 금속 금속판 층 50은 반응성 액체 광중합가능한 물질과 접촉하여 재치되며, 그런 다음 상기 물질은 고체 중합체 필름을 형성하도록 광노출된다. 전형적으로, 연성 엠보싱 적용처에 광중합체를 노출하는데 사용되는 광은 시준되지 않는다. 따라서 엠보싱가능한 층 60이 시준광 혹은 근접-시준광에 노출된 광중합가능한 물질로부터 제작되지 않는다면, 엠보싱가능한 층 60은 줄무늬를 가지지 않을 것이다.
상기 어떠한 엠보싱 기술을 사용함으로써, 원래의 광교차결합된 성분 40의 고도로-변조된 표면 42의 표면 윤곽을 갖는 다수의 부품들이 제조될 수 있다. 금속 복사판 층 50은 도 6에 도시된 결과 엠보싱처리된 층 80을 남기고 제거된다. 엠보싱된 층 80은 기판 70을 기초로 하면서 혹은 하지 않으면서 광 확산자로서 사용될 수 있다.
충진층 적용
빛의 역산란을 감소시키도록, 도 3의 광교차결합된 성분 40은 도 7에 도시된 바와 같이 투명 혹은 반투명 충진층 152로 피복될 수 있다. 유사하게, 도 8에 도시된 바와 같이, 충진층 152는 도 6의 엠보싱처리된 층 80에 적용될 수 있다.
충진층 152의 굴절율 η2는 광교차결합된 성분 40의 굴절율 η1과 다를 것이다. 예를 들면, η1이 1.55이면, η2는 약1.30∼1.52 혹은 약1.58∼1.80 범위일 수 있다. 최적 굴절율은 확산자 150을 빠져나가는 빛의 바람직한 분포 함수이며, 즉 η1에 대하여 주어진 값에 대하여 빛이 확산자 150을 완전히 통과할 때 얻어지는 확산 광 패턴은 η2를 변화시킴으로써 다양해질 수 있다. 물론 또한 적용처에 적합하게 η1을 변화시킬 수 있다.
굴절율이 전형적으로 η1미만인 충진층 152로 적절한 물질은 실리콘, 불화 아크릴레이트 혹은 메타크릴레이트, 플루오로에폭시, 플루오로실리콘, 플루오로에탄 및 기타 이 기술 분야에서 숙련된 자에게 쉽게 형성될 기타 물질을 포함한다. 전형적으로 η1보다 큰 굴절율을 갖는 방향족 아크릴레이트와 같은 물질이 또한 충진층 152에 대하여 사용될 수 있다.
도 8의 배치의 변화를 도 9에 나타내었다. 충진층에 대한 본질적으로 균질상인 물질대신 제3 굴절율 η3를 갖는 광-산란 입자 162를 함유하는 층 160이 사용될 수 있다.
선택적으로, 도 10에 도시된 바와 같이, 광-산란 입자 82가 엠보싱가능한 층 80에 재치될 수 있다. 다른 경우에 있어서, 광-산란 입자 162 혹은 82는 유리 비드 혹은 중합체 비드와 같은 광학적 전송 물질로부터 제조될 수 있으며, 혹은 예를 들어, 폴리스티렌, 아크릴, 폴리카보네이트, 올레핀 혹은 기타 이 기술 분야에서 숙련된 자에 의해 쉽게 형성되는 물질과 같은 비정질, 광학적으로 투명한 중합체로부터 제조된 중합체 입자로부터 제조될 수 있다.
굴절율이 다른 도 7 내지 10의 광 확산자의 다수층이 빛에 확산 효과를 바꾸도록 광원에 관해서 배치될 수 있다. 예를 들어, 먼저 더 큰 굴절율을 갖는 층을 통하여 통과하고, 이어서 더 낮은 굴절율을 갖는 층을 통과하거나 혹은 역으로 통과할 수 있다. 덧붙여, 확산 구조물의 반사도 및 역산란된 빛의 양은 또한 구조물을 통하여 통과하는 빛의 방향을 변화시킴으로써 변경될 수 있다. 바람직하게는 입사광의 낮은 역산란(광학 시스템의 효율을 저감시키는 광학 손실)을 요구하는 확산자 적용처에 대하여, 빛은 보다 큰 굴절율 층에 앞서 보다 낮은 굴절율을 갖는 층을 통과하여야 한다.
액정 디스플레이 시스템
도 3 및 도 6 내지 10의 확산 구조물은 도 11에 도시한 바와 같은 액정 디스플레이(LCD) 시스템에서 사용될 수 있다. 상기 시스템은 도파관 210에 빛을 제공하는 광원 200을 갖는다. 도파관 210상에 미세구조 혹은 산란 요소(미도시됨)은 도파관 210외부로 그리고 확산자 220과 액정 변조층 230을 통하여 빛을 투사한다. 확산자 220은 도 7 내지 10의 확산 구조물과 유사하게, 임의의 투명 혹은 반투명 충진층 222를 갖을 수 있다. 바람직하게는 충진층 222는 층 220보다 낮은 굴절율을 갖는다.
확산자 220은 다음중 하나 이상의 작용을 수행할 수 있다: (a)도파관 210상에 산란 요소의 구조적 특성을 은폐한다; (b)도파관 210으로부터 액정 변조층 230으로 전송된 빛의 균일성을 개선시킨다; (c)도파관 210으로부터 액정 변조층 230으로 전송된 빛의 각 분포를 감압하에 개선되거나 동일한 휘도를 촉진하는 것으로 한정한다; 및 임의로 (d)굴곡이동(transflective) 확산자, 즉 전송광과 반사광 모두를 사용하는 광학 장치로서의 작용. 상기 (d)의 경우에 있어서, 낮은 주위광하에 디스플레이는 광원 200과 도파관 210으로 조명된다. 그러나 높은 주위광에서, 광원 200은 꺼질 수 있고 디스플레이는 액정 변조층 230을 통하여 통과하는 태양에 의해 조명될 수 있고 확산자 220으로 부터 반사된다. 확산자 220과 충진층 222는 광 진행 방향에 대하여 역일 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
도 12에 있어서, 확산 구조물은 조망 스크린으로서 사용된다. 이 실시예에 있어서, 광원 200은 빛을 액정 변조층 230을 통하여 투사한 다음 도 3 및 도 6 내지 10에 도시한 구조물중 하나를 사용한 조망 스크린 240을 통하여 빛을 투사하는 미세구조 혹은 산란 요소(미도시됨)를 갖는 도파관 210에 제공한다. 확산자 240은 도 7 내지 10의 확산 구조물과 마찬가지로, 임의의 투명 혹은 불투명 충진층 242를 갖을 수 있다.
투사 디스플레이 시스템
확산 구조물은 또한 투사 디스플레이 시스템에 있어서 조망 스크린으로서 사용될 수 있다. 도 13에 있어서, 광원 300은 액정 변조층과 같은 화상 형성 장치 310으로 빛을 제공한다. 광학(optics) 320은 광원 300으로부터의 빛에 초점을 맞추고, 화상 형성 장치 310에 의해 생성된 화상을 투사하는데 사용될 수 있다. 화상은 도 3 및 6 내지 10의 확산 구조물중 하나를 편입하고, 임의로 투명 혹은 반투명 충진층 332를 갖는 조망 스크린 330상에 투사된다. 임의로, Fresnel 렌즈 340은 조망 스크린 330앞에 재치될 수 있다.
경사진 광학 도파관을 갖는 확산 구조물
이제까지 논의된 본 발명의 확산 구조물은 다중층, 광-전송 조망 스크린을 형성하도록 다른 광학 구조물과 조합될 수 있다. 예를 들면, 도 3 및 6 내지 10의 확산자는 확산 구조물을 어레이와 병렬시킴으로써 경사진 광학 도파관의 어레이와 조합될 수 있다. 경사진 광학 도파관의 어레이에 대한 실시예는 도 14 내지 22에 도시되었다.
경사진 광학 도파관의 단면도는 정사각형, 직사각형, 다각형, 원형 혹은 타원형을 포함하는 어떠한 형태를 가질 수 있다. 대체 방안으로, 상기 도파관은 일 방향으로 경사지고, 직각 방향으로 조망 스크린을 가로질러 확장되는, 예를 들어 하기 언급하는 직사각형 단면을 갖는 렌즈형 구조일 수 있다. 경사진 광학 도파관의 어레이에 대한 전형적인 구조는 상기 인용한 U.S. 특허 제5,462,700 및 U.S.특허 제5,481,385호에 상세하게 논의되어 있다.
도 14 및 15는 각각 각 도파관이 정사각형 단면을 갖는 경사진 광학 도파관의 어레이 400의 투시도 및 전개도이다. 각 경사진 광학 도파관 402는 입력면 404, 입력면 404보다 작은 면적을 갖는 출력면 406 및 측벽 408을 갖는다. 바람직하게는 도파관 402사이의 간극 부위 410은 도파관 402의 굴절율보다 작은 굴절율을 갖는 흡수 물질로 충진된다.
도파관을 통과한 빛의 각 분포는 상기 인용된 특허에 기술된 바와 같이, 도파관의 상대 치수와 기하학적 구조를 다양하게 함으로써 변경될 수 있다. 경사진 광학 도파관 402에 의해 전송된 빛중 일부는 측벽 408로부터 전체 내부 반사를 거친 다음 입력각보다 큰 각으로 경사진 광학 도파관 402를 빠져나간다. 경사진 광학 도파관 402의 형태 및 경사진 광학 도파관 402와 간극 부위 410사이의 굴절율차는 임계각보다 큰 각에서 경사진 광학 도파관 402에 장입한 빛이 전체 내부 반사를 지지하지 않을 각에서 측벽 408을 횡단하도록 선택될 수 있다. 상기 빛은 측벽 408을 통하여 통과하고 간극 부위 410내에 흡수 물질에 의해 흡수될 것이다.
경사진 광학 도파관의 어레이를 갖는 도 3 및 도 6 내지 10의 구조물중 하나를 사용하여 확산자를 조합한 배치를 도 16에 도시하였다. 빛은 먼저 경사진 광학 도파관 422의 어레이 420에 장입된 다음 확산자 432 및 충진층 434를 갖는 확산 구조물 430을 통하여 통과하며, 이는 조망 스크린으로 작용한다. 바람직하게는 상기 충진층 434의 굴절율은 도파관 422보다 작으며, 간극 부위 424는 또한 도파관 422의 굴절율보다 작은 굴절율을 갖는 흡수 물질로 충진된다.
도 16의 배치의 대체 구조물을 도 17에 도시하였다. 빛은 먼저 확산자 442와 충진층 444를 갖는 확산 구조물 440에 장입된 다음, 경사진 광학 도파관 452의 어레이 450으로 장입된다. 바람직하게는 확산자 442는 도 3 및 도 6 내지 10의 확산 구조물중 하나를 사용하며, 간극 부위 454는 도파관 452보다 작은 굴절율을 갖는 흡수 물질로 충진된다.
렌즈형 도파관을 사용하는 배치
도 3 및 도 6 내지 10의 확산 구조물은 예를 들어 각각의 경사진 광학 도파관의 출력 표면적이 각 도파관의 입력 표면적보다 작은 경사진 광학 도파관의 어레이와 같은 다른 타입의 광학 구조물과 조합될 수 있다. 일축만을 따라 경사진 렌즈형 경사진 광학 도파관의 어레이를 경사진 광학 도파관의 그룹내에 포함하며, 이는 직각 방향으로 평면 광학 장치를 가로질러 확장한다. 또한 경사진 광학 도파관 어레이의 중첩된 층을 포함한다.
도 18 및 19는 각각 렌즈형 구조물을 갖는 경사진 광학 도파관의 어레이 500의 투시도 및 전개도이다. 각 렌즈형 경사진 광학 도파관 502는 입력면 504, 입력면 504보다 작은 면적을 갖는 출력면 506 및 측벽 508을 갖는다. 바람직하게는 렌즈형 도파관 502사이의 간극 부위 510은 도파관 502보다 작은 굴절율을 갖는 흡수 물질로 충진된다. 앞서 경사진 광학 도파관 402에 대한 각 분포 및 임계각에 관한 논의가 렌즈형 경사진 광학 도파관 502에 동일하게 적용된다.
렌즈형 경사진 광학 도파관의 2이상의 어레이는 도 20에 도시한 바와 같이, 일층 530의 렌즈형 특성이 제2층 540의 렌즈형 특성에 대하여 각을 이뤄 배향되도록 층층이 중첩될 수 있다. 도 20에서 도시한 각을 이룬 옵셋(offset)이 90°라고 하더라도, 적용처에 보다 적절한 또다른 각이 선택될 수 있다.
도 20의 구조물은 도 21에 도시된 바와 같이, 도 3 및 도 6 내지 10의 확산 구조물중 하나와 조합될 수 있다. 빛은 먼저 렌즈형 도파관 어레이 600 및 610을 통하여 통과한 다음, 확산자 620을 통하여 통과한다. 다시, 확산자 620은 바람직하게는 도파관 어레이 600 및 610에 관한 보다 낮은 굴절율을 갖는 충진층 622를 갖는다. 대체 방안으로, 도 22에 도시한 바와 같이, 확산자 630이 도파관 어레이 640과 650의 앞에 재치될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 기술되는 동안, 이 기술 분야에서 숙련된 기술자들은 다른 실시예 및 또다른 변형이 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않고 본 명세서로부터 얻어질 수 있다는 것을 인지할 것이다.
본 발명에 따라 제공되는 광학 확산 구조물은 확산자, 조망 스크린 및 기타 적용처로서 사용될 수 있으며, 경사진 광학 도파관의 어레이와 같은 다른 광-조사 구조물과 결합될 수 있다.
도 1은 투명 물질의 기판과 임의의 유리 지지층상에 부착된 광중합가능한 물질층의 단면도이며;
도 2는 도 1의 투명 물질로된 기판상에 부착된 광중합가능한 물질층의 단면도이며, 이때 빛은 기판과 광중합가능한 물질층을 통하여 조사되며;
도 3은 교차결합되지 않은 광중합가능한 물질 및 유리 지지층이 제거된 도 2의 기판의 단면도이며;
도 4는 도 3의 교차결합된 광중합가능한 물질과 기판, 및 정합(conform)하는 금속성 복사판(replica)층의 단면도이며;
도 5는 기판상에 존재하는 엠보싱가능한 물질층에 적용된 도 4의 금속성 복사판층의 단면도이며;
도 6은 도 5에 인용된 공정으로부터 제조된(result) 엠보싱된 층의 단면도이며;
도 7은 도 3의 광중합된 층과 충진층의 단면도이며;
도 8은 도 6의 엠보싱된 층과 충진층의 단면도이며;
도 9는 도 6의 엠보싱된 층과 광-산란 입자를 함유하는 충진층의 단면도이며;
도 10은 도 6의 엠보싱된 층과 충진층의 단면도이며, 이때 엠보싱된 층은 광-산란 입자를 포함하며;
도 11은 도 3 및 6 내지 10중 어느 하나의 확산 구조물을 사용하는 액정 표시 시스템의 단면도이며;
도 12는 도 3 및 6 내지 10의 확산 구조물을 조망(viewing) 스크린으로서 사용하는 대체 액정 디스플레이 시스템의 단면도이며;
도 13은 도 3 및 6 내지 10의 확산 구조물을 조망 스크린으로서 사용하는 투사 디스플레이 시스템의 단면도이며;
도 14 및 도 15는 각각 경사진 광학 도파관의 어레이의 투시도 및 단면도이며;
도 16은 임의의 충진층 및 경사진 광학 도파관의 어레이를 갖는 도 3 및 6 내지 10중 어느 하나의 확산 구조물을 사용한 조망 스크린의 투시도이며;
도 17은 임의의 충진층 및 경사진 광학 도파관의 어레이를 갖는 도 3 및 6 내지 10중 어느 하나의 확산 구조물을 사용한 대체 조망 스크린의 투시도이며;
도 18 및 19는 각각 경사진, 렌즈형 광학 도파관의 어레이의 투시도 및 단면도이며;
도 20은 경사진, 렌즈형 광학 도파관의 2개의 어레이로된 중첩물(stack)의 투시도이며;
도 21은 임의의 충진층 및 경사진, 렌즈형 광학 도파관의 2개의 어레이로된 중첩물을 갖는 도 3 및 6 내지 10중 어느 하나의 확산 구조물을 사용한 조망 스크린의 투시도이며; 그리고
도 22는 임의의 충진층 및 경사진, 렌즈형 광학 도파관의 2개의 어레이로된 중첩물을 갖는 도 3 및 도 6 내지 10중 어느 하나의 확산 구조물을 사용한 대체 조망 스크린의 투시도이다.
*도면의 주요 부위에 대한 간단한 설명*
10... 광중합가능한 물질층 20, 70... 기판
30... 유리지지층 40... 광중합결합된 중합체 성분
50... 금속 복사판(replica)층 60, 80... 엠보싱가능한 층
82, 162... 광 산란 입자 150,220,442,432,620,630... 확산자
152,222,242,332,434,444,622... 충진층
162... 광 산란 입자 200... 광원
210,300,402,422,452,502... 도파관
230... 액정 변조층 240,330,440... 조망 스크린
310... 화상 형성 장치 320... 광학(optics)
404,504... 입력면 406... 출력면
408,508... 측벽 410, 510... 간극 부위

Claims (14)

  1. 투명 또는 반투명 기판상에 높이 및 폭의 범위가 약 1 내지 20미크롱인 평탄한 융기를 갖는 고도로 변조된 중합된 물질층으로 이루어지는 광 확산기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 기판은 (a)비정질 물질; (b)비정질 매트릭스내에 산재된 결정질 도메인을 포함하는 반-결정질 물질; 및 (c)완전히 결정질인 물질 중 하나 이상의 물질로부터 제작되는 것을 특징으로 하는 광 확산기.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 중합된 물질층은 적어도 하나의 광중합 가능한 단량체 또는 소중합체로 제작되는 것을 특징으로 하는 광확산기.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 중합된 물질층은 적어도 하나의 광중합 가능한 단량체 혹은 소중합체, 및 광억제제로 제작되는 것을 특징으로 하는 광확산기.
  5. 제 1항에 있어서, 광중합 가능한 물질의 일부만을 광중합하기 위해 시준광 혹은 근접-시준광을 기판상의 광중합 가능한 물질에 조사한 다음 상기 광중합 가능한 물질의 광중합되지 않은 부분을 제거하여 제조되는 것을 특징으로 하는 광확산기.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 광선은 10°미만의 분기각을 가짐을 특징으로 하는 광확산기.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 광선은 1 이상의 조사량으로 기판을 통해 조사되는 것을 특징으로 하는 광확산기.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 중합된 물질층의 표면 위에 투명 또는 반투명한 충진 물질 층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광확산기.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 충진물질은 상기 중합된 물질층의 것보다 작은 굴절율을 갖는 것을 특징으로 하는 광확산기.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 충진 물질은 광-산란 입자를 함유하는 것을 특징으로 하는 광확산기.
  11. 제 1항에 있어서, 나아가 경사진 광학 도파관의 어레이를 포함하며,
    여기서 각각의 경사진 광학 도파관은
    빛을 받아들이는 입력면;
    상기 입력면으로부터 떨어져 있으며, 입력면보다 표면적이 작은 출력면; 및
    상기 입력면에 수용된 광선의 전체 반사를 실행하도록 입력면과 출력면 사이에 배치된 측벽 혹은 측벽들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광확산기.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 광중합된 중합 물질층은 상기 경사진 광학 도파관의 입력면 또는 출력면에 병렬되는 것을 특징으로 하는 광확산기.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 경사진 광학 도파관은 렌즈형인 것을 특징으로 하는 광확산기.
  14. 투명 또는 반투명 기판 상에 높이 및 폭의 범위가 약 1 내지 20미크롱인 평탄한 융기를 갖는 고도로 변조된 중합된 물질층으로 이루어지며, 이 때, 상기 중합된 물질층은 최소 하나의 광중합 가능한 단량체 또는 소중합체 및 광개시제를 포함하는 조성물을 광중합하여 형성되며, 상기 기판은 비정질 물질, 비정질 매트릭스내에 산재된 결정질 도메인을 포함하는 반-결정질 물질 및 완전히 결정질인 물질로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 최소 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광확산기.
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