KR20070031258A - 광각 확산을 위한 릴리프 표면을 갖는 스크린 및 그제조방법 - Google Patents

Abstract

릴리프 패턴을 갖는 미세 구조화된 표면을 구비하는, 레이저 광원 또는 발광 다이오드로부터 입력되는 광의 확산을 제어가능한 스크린에 있어서, 상기 표면 윤곽의 불균질성은 상기 표면 내에서 공간적 상관성을 가지는 것을 특징으로 한다.

릴리프 스크린의 제조 방법에 있어서, 광원으로부터 광선 다발이 생성되고, 상기 광선 다발이 광도파관으로서 실행된 사전설정 파라미터를 갖는 매체를 통과하며, 이런 광빔은 기판 상에 중첩된 포토레지스트(감광성) 층으로 안내되거나 또는 지향되며, 상기 사전설정 공간적 상관성을 갖는 공간 프로파일의 형상에서의 광 세기의 요구된 분산은 상기 매체 파라미터의 조절에 기인하는 것을 특징으로 한다.

스크린, 디스플레이, 릴리프 표면, 광각, LED

Description

광각 확산을 위한 릴리프 표면을 갖는 스크린 및 그 제조방법 {SCREEN WITH RELIFE SURFACE FOR OPTICAL DISPERSION AT WIDE ANGLES AND METHOD OF ITS MANUFACTURING}

도 1은 사전 설정된 파라미터를 갖는 매체를 통과하는 광원에 의한 패널의 조명을 개략적으로 도시하는 도면이다.

도 2는 릴리프 표면을 제조하기 위한 장치를 도시하는 도면이다.

도 3과 도 4는 광의 확산 대 상관 길이의 비율의 여러 값에서 확산된 광의 세기 분포를 도시하는 도면이다.

도 5는 스크린 재료의 굴절율의 여러 값에 대한 광의 확산 각 대 상관 길이의 비에 관한 빔 발산각의 의존성을 증명하고 있는 도면이다.

도 6 내지 도 10은 광의 확산 각 대 상관 길이 비의 여러 값에 대한 방향도를 제시하는 도면이다.

본 발명은 광 공학, 특히 광각으로 발산하는 광선 다발 형성에 관한 것으로, 디스플레이의 다양한 스크린의 보조 조명의 시스템에 사용하고, 또한 발광 다이오드의 광 분배를 형성하는데 사용하도록 의도된 것이다.

다양한 형태의 광 확산기가 광선 다발을 형성하는데 사용된다. 오팔 글라스(opal glass)는 모든 방향으로 광을 확산시키지만, 광의 지향 방향을 조절할 수 없어서 낮은 광효율을 갖는다. 그러므로, 무작위 표면, 특히 오팔 글라스를 갖는 구조에 기초한 스크린은 저가이지만, 확산 성능을 제어할 수 없으므로, 이런 스크린의 응용 범위는 너무 제한된다. 다른 방법으로는, 홀로그램 확산 스크린, 회절 디바이스 및 주기적 마이크로 렌즈 어레이가 사용된다.

제안하는 광선 다발 형성기(shaper)는 미세 구조물의 무작위 분포와 확산 마이크로 렌즈 릴리프 표면을 갖는 마이크로 렌즈 어레이로 표현된다. 이들은 높은 투명성, 제어가능한 각분포(angular distribution), 및 광 세기의 균질 분포를 가진다. 이러한 미세 구조물은 광의 파장에 대한 분산 의존성이 없고 백색광, 단색의, 간섭성(coherent) 또는 비간섭성(incoherent) 광에 의한 조명에서 균일하게 잘 동작한다. 이러한 장치에서의 광효율은 365㎚ 내지 2000㎚의 파장 범위에 대해 약 92%이다. 또한 이러한 광학계는 시스템의 변화 또는 입사광의 변화에 대하여 둔감하다.

통상적으로, 주기적 마이크로 렌즈 어레이가 광선 다발의 균질성을 위해 사용되지만, 주로 좁은 확산각과 균일한 광분포를 위하여 사용된다.

회절 소자는 광선 다발을 형성하기 위해 폭넓게 사용된다. 그러나, 이들은 단색의 방사선 사용을 요구하고, 다색의 광, 특히 백색광의 사용시 제한된 확산각 을 가지거나 효율이 낮은 단점이 있다.

예를들면, 주기적 마이크로 렌즈 어레이 상에 중첩된 곡선면의 불규칙한 배열을 갖는 확산 스크린이 미국특허 제4,427,265호에 개시되어 있다. 상기 스크린은 어레이 내의 렌즈 배열의 주기성으로부터 초래되는 간섭현상 등을 제거함과 동시에 균일한 분포를 가지기 위하여 구성된다. 하지만, 이 경우 굴절렌즈의 형태가 불규칙하게 배열된 것이므로 기하학적인 손실에 의하여 발산각 또는 효율이 제한을 받게 된다.

미국특허 제4,826,292호는 이온 충돌 및 피클링(pickling)에 의해 생성된, 콘(cones)으로 이루어지는 릴리프(relief) 구조를 갖는 확산 시트를 개시한다.

미국특허 제5,871,653호[3]는 평면 패널 디스플레이에 사용하기 위한 마이크로 렌즈 어레이로 구성된 확산 스크린의 제조 방법을 다루고 있다.

본 발명과 가장 유사한 해결책은 확산 스크린 또는 디스플레이에 걸쳐 입사광의 요구된 확산을 위한 구조화된 스크린을 청구하고 있는 미국특허출원 제2002/0034710호에 특징화되어 있다.

충분히 결정된 표면 형상과 관련 공간 배열을 갖는 미세 구조물로 구성되는 상기 구조화된 스크린은 엄격히 결정된 패턴과 스크린의 표면에 대한 미세 구조물의 할당을 요구한다. 이런 요구는 본질적으로 스크린의 비용과 제조 시간을 증가시킨다. 게다가, 이런 스크린은 광빔의 확산에서 빔 발산의 각도값에 따른 제약을 가진다. 이런 구성에서의 빔 발산 각도는 95°를 초과하지 않는다.

본 발명의 목적은 확산된 빔의 빔 분산 각도를 조절할 수 있고, 더 넓은 광빔 분산각의 달성, 주기적인 패턴에 의한 간섭현상 제거 및 제조공정의 단순화를 제공하는 것이다.

상기한 목적은 광선 다발을 형성하기 위한, 특히 방사선의 세기를 평균화 함으로써 더 넓은 광빔 발산각과 조명의 균질화를 가능하게 하는 미세 구조화된 표면을 포함하는 배열의 개선에 기인하여 달성된다.

빔 분산각의 실질적 증가(140°이상)는 윤곽(contour)의 불균질성이 표면 내에서의 공간적 상관성을 가지는 표면 윤곽의 선택에 기인하여 제공된다. 상관 길이와 불균질성의 변화, 예를 들어 표면의 미세 구조화된 영역의 거칠기는 제어된 광빔의 분산 또는 입사 선 다발의 확산을 달성하는데 기여한다.

본 발명에 따른 스크린은 불균일의 높이의 특별한 공간적 상관성을 가지는, 불균질한 릴리프 패턴을 구비한 표면을 포함한다. 빔의 발산각은 높이 분산 대 거칠기의 공간적 상관성의 길이 비율을 설정하는 값의 조절에 의해 제어된다. 이런 해결책은 높은 투명성, 높은 균질성 및 조명의 파장에 대한 독립성을 보장한다. 그러므로, 광원은 예를 들어 레이저 다이오드, 발광 다이오드 또는 레이저로서 실행될 수 있다.

게다가, 본 발명에 따른 스크린 제조공정은 상당히 단순하지만, 포토레지스트(감광성) 막(층)의 표면이 사전 설정된 전송 특징(특성)을 갖는 매체(도파관) 내 로 통과되어져서 공간 분포 세기와 방사의 공간 간섭 정도를 변화시킬 수 있는 레이저 광빔에 의해 처리된다. 예를 들어, 방사선의 파라미터 제어는 도파관 길이의 조절에 의해 수행된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다.

도 1은 사전 설정된 파라미터를 갖는 매체(2)를 통과하는 광원(1)에 의한 패널(3)의 조명을 개략적으로 도시하는데, 이런 경우에 그것은 확산 스크린이 된다.

도 2는 릴리프 표면을 제조하기 위한 장치를 도시하는데, 여기서 광원(1)의 역할은 빔이 사전 설정된 파라미터를 갖는 매체(2), 예를 들어 광섬유를 통과하고, 렌즈(4)에 확산되고 기판(6)에 중첩된 포토레지스트층(5)에 영향을 미치는 레이저가 담당한다.

도 3과 도 4는 분산 대 상관 길이의 비율의 여러 값에서 확산된 광의 세기 분포를 도시하며, 즉 스크린으로부터의 거리는 15㎜(도 3) 및 20㎜(도 4)이다.

도 5는 스크린 재료의 굴절율의 여러 값에 대한 거칠기의 높이 분산 대 상관 길이의 비에 관한 빔 발산각의 의존성을 증명하고 있다.

도 6 내지 도 10은 거칠기의 높이 분산 대 상관 길이 비의 여러 값에 대한 방향도(directional diagrams)를 제시한다.

본 발명에 따르면, 광각으로 광을 확산시키는 최적 파라미터 선택은 수학적 시뮬레이션 분석에 기초하고 있다. 상기 릴리프 표면을 갖는 스크린은 맥스웰 식으로부터 얻어지는 회절 식에 의해 시뮬레이션 되었다.

일반적으로, 부분적 간섭성 전자기장은 하기의 간섭 함수에 의해 표현된다.

여기서,

는 전기장이다.

세기의 분포는 하기의 식에 의해 표현된다.

여기서, 꺾쇠 괄호

는 자기장 앙상블에 의한 평균 및 매체 변동(fluctuations)에 의한 평균을 의미한다.

는 초기 면에서의 광원의 간섭 함수이다.

는 무작위 스크린에 의해 초래된 위상 변화이다.

는 그린 함수(green function)이다.

는 단면에서의 좌표이다.

는 횡축 좌표이다.

는 진공에서의 광속이다.

는 유전상수(permittivity)이다.

광이 반사 부재의 무작위 분포로 스크린 상에 회절되는, 광세기의 분포 분석은 상기 표면 윤곽을 기술하는 파라미터 사이의 새로운 비율을 얻도록 하고 있다.

빔 발산의 제어가능한 각도가 거칠기(

)의 높이 분산과 상관 길이 (

)(적은 상관 길이, 더 넓은 것은 빔 발산각이다) 사이의 비율 조절(변화)에 의해 달성될 수 있고, 세기의 분포는 값(

)에 가장 민감하며, 세기 분포의 높은 정도의 균질성을 갖는 빔 발산의 광각은

에서 얻어질 수 있다는 것이 보여지고 있다.

상기 표면의 강한 변동에서, 빔 발산각과 공간 분배는 확산 매체의 파라미터에만 의존하고 광원의 파라미터(파장, 선 다발의 반경 및 파면의 굴곡)에 의존하지 않는다.

방사선의 다이아그램과 릴리프 표면의 파라미터 사이의 양에 관한 비율(상관)은 파장 수식의 해결책으로부터 얻어진다.

방사선의 입사 다발의 빔 발산은 스크린의 일면 또는 양면(평면) 상의 표면 릴리프 패턴에 의존한다.

140°를 초과하는 빔 발산각을 얻기 위하여, 거칠기의 높이 분산이 방사선의 레이저 다발의 경우에 3 내지 4 폭(fold) 만큼의 상관 길이를 초과해야 할 필요가 있다.

거칠기의 프로파일(윤곽)을 기술하기 위하여 자동 상관 함수(ACF)와 분광 밀도(SCP)가 사용된다. 상기 ACF는 공학에서 가장 인기있는 반면, SCP는 보통 확산의 원리에서 사용되고 있다. 상기 SCP는 ACF와 동등하며, 이들은 역 프리에 변환에 의해 연결된다. 상기 표면의 상호관계 사전 설정된 길이에 발광 다이오드가 위치한 경우에, 거칠기의 요구된 높이 분산은 감소한다는 점에 주의하여야 한다.

상기 스크린의 최적 표면 릴리프 패턴의 계산에서 다음과 같은 수학적 장치가 부가된다.

- 상기 표면 릴리프 표면은 높이의 분포와 가우시안 형상의 균질성(불연속성)의 ACF와 연결된다. 여기서, 상기 표면 릴리프 패턴의 균질성은 분산(

)과 상관 길이에 의해 특징화된다. 140°이상의 빔 분산각을 얻기 위하여(도 9 참조), 상기 릴리프 표면이 비율(

)에 대응되는 것이 필요하다. 또한 릴리프 표면은 분광밀도의 도움으로 표현되어진다.

여기서,

는 공간 주파수이고,

은 상관 길이이다.

계산의 목적을 위해, 상기 릴리프 표면은 프랙탈(Fractal) 릴리프 모델의 형태로 제시될 수 있다. 이런 프랙탈 모델 뿐만 아니라 멀바니(Mulvani) 모델은 프로파일 스펙트럼에 의한 식을 가정하는데, 프랙탈 모델의 2차원 형상은 주파수:

로부터 역수 관계를 보여준다.

여기서,

는 계수이고

는 주파수이다.

상기 릴리프 표면은 또한 콜모고로프-오벅코프(Kolmogorov-Obukhov) 스펙트럼:

에 의해 표현될 수 있다

여기서,

는 공간 주파수이다.

또한, 상기 릴리프 표면은 높이의 확산 밀도 함수와 결합 확산밀도에 의해 표현될 수 있다. 상관 길이(

)와 변화(

)를 갖는 상기 표면의 높이의 확산 밀도는 수식:

,

및 결합 확산 밀도는,

에 의해 설정한다.

여기서,

,

,

,

이다.

상기 릴리프 표면을 갖는 스크린의 제조 방법에 따르면, 레이저 방사선에 의해 상기 기판의 표면에 직접 작용 목적을 위해 사용하는 것이 바람직하다. 현재, 상기 미세 구조화된 스크린은 광학 리소그래픽 기술에 의해, 레이저 또는 전자 빔 등에 의해 제조된다. 본 발명의 일실시형태에서, 상기 릴리프 표면의 다른 제조 방법이 제공된다. 이런 방법에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 예를 들어 중합체 포토레지스트 막의 형태로 상부에 중첩된 그리고 조명, 예를 들어 포토레지스트층에 대한 직접 작용을 위해 중합체 포토레지스트(감광성) 층(5)을 갖는 기판(6)은 상기 광원(1)으로부터의 레이저 다발이 인가되고, 상기 레이저 다발은 사전 설정된 파리미터(성능)를 갖는 매체(2)를 통과하게 된다. 그러므로, 상기 스크린 제조방법은 도 2에 개략적으로 도시되어 있는 장치에 의해 광원으로부터 광선 다발이 생성되고, 이 광선 다발은 예를 들어 광 도파관, 공간 필터 또는 회절 광소자의 형태로 구현되는 사전 설정된 파라미터를 갖는 매체를 통과하게 되고, 이런 광빔이 렌즈에 의해 기판상에 중첩된 포토레지스트층으로 안내된다. 상기 매체를 통과한 후 광세기의 분포는 사전 설정된 공간적 상관성을 갖는 공간 프로파일로 변환된다. 이 광은 감광성 층, 예를 들어 포토레지스트층을 노광시켜서, 사전 설정된 상관 함수에 의해 표현된 릴리프 표면을 제조한다.

단면에서의 광세기의 바람직한 분포는 매체 파라미터의 조절에 기인한, 특히 상호모드 분산에 기인한 광빔이 매체(2)를 통과하는 경로에서 달성된다. 스크린의 릴리프 표면을 제조하는 방법의 응용은 더 복잡한 동작, 예를 들어 전극에 대한 제어된 전압을 갖는 다전극 시스템에 의한 플라즈마 에칭을 회피하도록 한다.

미리 처리된 기판의 릴리프 표면의 프로파일은 자외선에 의해 미리 처리된 재료의 캐스팅, 압력하의 주입 또는 펀칭, 기판의 이온 에칭을 포함하는 공지된 처 리 기술을 사용함으로써 대량의 릴리프 표면의 재생산을 위해 의도된 참조 모델로서 기여할 수 있다. 상기 스크린을 제조하기 위한 재료 선택에 있어서, 도 10에 도시된 의존성에 주의를 기울일 필요가 있다. 스크린 재료의 굴절율이 클수록 사전 설정된 값(

및

)에서 방사선의 빔 발산각이 커진다는 것은 명백하다. 그러므로, 스크린 제조를 위해 고 굴절율을 갖는 재료를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 구조화된 스크린은 특히 확산 스크린 또는 디스플레이용 스크린으로서의 다중 응용을 가진다. 이런 스크린의 응용은 특정 시야각에서의 조명의 균질성을 포함하여 균질한 조명을 위해 제공된다. 상기 구조화된 스크린은 특히 백라이트를 갖는 디스플레이에, 액정 평면 패널 디스플레이에, 그리고 컴퓨터 모니터, 텔레비젼 수신기, 프레젝션 스크린, 모바일 폰의 스크린에 사용되는 다른 타입의 디스플레이에 사용될 수 있다. 발광 다이오드(LED)와 LED 모듈의 방사 다이아그램(radiation diagram)의 발생에 관련된 다른 응용이 가능하다.

본 발명에 따르면, 확산된 빔의 빔 분산 각도를 조절할 수 있고, 더 넓은 광빔 분산각의 달성, 시간 간격 제거 및 제조공정의 단순화를 꾀할 수 있게 된다.

Claims (9)

1. 광원으로부터 입력되는 광의 확산을 제어가능한 스크린에 있어서,

   릴리프 패턴을 갖는 미세 구조화된 표면을 구비하고, 상기 표면 윤곽의 불균질성(heterogeneity)은 상기 표면 내에서 공간적 상관성을 이용하여 원하는 확산분포를 얻는 스크린.
2. 제1항에 있어서,

   상기 표면 릴리프 패턴은 높이의 분포 및 가우시안 형상의 불균질성의 자동 상관함수에 기초하여 생성되며, 상기 표면 릴리프의 불균질성은 분산(

   

   )과 상관 길이(

   

   )에 의존하는 것을 특징으로 하는 스크린.
3. 제1항에 있어서,

   상기 릴리프 표면은, 비율

   

   (여기서,

   

   는 분산이며,

   

   은 상관 길이임)을 만족하는 파라미터를 갖는 패턴을 구비하며, 이로써 최대 발산각이 실현되는 것을 특징으로 하는 스크린.
4. 제1항에 있어서,

   상기 릴리프 표면은 하기의 분광 밀도(spectral concentration of power),

   

   에 의해 표현되며, 여기서

   

   는 공간 주파수이고,

   

   은 상관 길이인 것을 특징으로 하는 스크린.
5. 제1항에 있어서,

   상기 릴리프 표면은 프로파일 스펙트럼으로 표현되는 프랙탈 릴리프 표면이며, 상기 프랙탈 모델(시뮬레이션)의 2차원 형상은 주파수:

   

   로부터 역수 관계를 증명하며, 여기서

   

   는 계수이고

   

   는 주파수인 것을 특징으로 하는 스크린.
6. 제1항에 있어서,

   상기 릴리프 표면은 콜모고로프-오벅코프(Kolmogorov-Obukhov) 스펙트럼:

   

   에 의해 표현될 수 있으며, 여기서

   

   는 공간 주파수인 것을 특징으로 하는 스크린.
7. 제1항에 있어서,

   상기 릴리프 표면은 높이의 확산 밀도 함수(probability density function) 와 결합 확산 밀도에 의해 표현되며, 상관 길이(

   

   )와 분산(

   

   )을 갖는 표면의 높이의 확산 밀도는 하기의 수식:

   

   에 의해 설정되며,

   결합 확산 밀도는 하기의 수식:

   

   에 의해 설정되며, 여기서

   

   ,

   

   ,

   

   ,

   

   인 것을 특징으로 하는 스크린.
8. 릴리프 스크린의 제조 방법에 있어서,

   광원으로부터 광선 다발이 생성되고, 상기 광선 다발이 광도파관으로서 실행된 사전설정 파라미터를 갖는 매체를 통과하며, 이런 광빔은 기판 상에 중첩된 포토레지스트(감광성) 층으로 안내되거나 또는 지향되며, 상기 사전설정 공간적 상관성을 갖는 공간 프로파일의 형상에서의 광 세기의 요구된 분산은 상기 매체 파라미터의 조절에 기인하는 것을 특징으로 하는 릴리프 스크린의 제조 방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 빔 발산각의 증가는 상기 스크린 제조시 고 굴절율을 갖는 재료를 사용함으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 릴리프 스크린의 제조 방법.

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