KR20070100823A - 광학 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자기 광선(5)을 가이드 하기 위한 광학 소자(1)에 관한 것으로서, 상기 광학 소자는 베이스 바디(2) 및 적어도 하나의 박막(3)을 포함한다. 상기 박막(3)은 상기 베이스 바디(2) 상에 접착되어 상기 베이스 바디(2)와 내부 결합을 형성하며, 상기 박막(3)은 전자기 광선(5)이 상기 박막을 관통하도록 배치되어 있다. 본 발명은 또한 사출 성형 방식으로 상기 광학 소자를 제조하기 위한 방법과도 관련이 있다.

Description

광학 소자 및 그 제조 방법 {OPTICAL ELEMENT AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF}
본 발명은 광학 소자 및 상기 광학 소자를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
독일 공개 특허 공보 DE 44 040 425 A1호에는 투명한 면 또는 바디를 확산 조명하기 위한 장치가 공지되어 있다. 약한 광원에 의해서도 우수한 확산 조명에 도달하기 위하여, 상기 장치는 이 장치의 코어에 설치되어 그 내부를 비추는 적어도 하나의 광원을 갖는다. 부분적으로 투명한 층 그리고 적어도 부분적으로 반사하는 층이 상기 코어 상에 설치되어 있다.
본 발명의 과제는, 특히 다양하게 사용할 수 있는 광학 소자 그리고 상기 광학 소자를 제조하기 위한 방법을 제시하는 것이다.
상기 과제는 특허 청구항 1의 특징들을 갖는 광학 소자에 의해서 그리고 특허 청구항 13의 특징들을 갖는 방법에 의해서 해결된다. 상기와 같은 광학 소자들의 바람직한 실시예들 및 상기 광학 소자의 제조 방법은 종속 특허 청구항들의 대상이다.
바람직하게는 단색 또는 다색의 전자기 방사선을 가이드 할 목적으로 형성된 본 발명에 따른 광학 소자는 베이스 바디 및 적어도 하나의 박막을 포함한다. 상기 박막은 베이스 바디 상에 내부 결합 방식으로 접착되고, 전자기 방사선이 상기 박막을 관통하도록 배치되어 있다.
특히 바람직하게 가시 영역에서 전자기 방사선을 가이드 하기 위한 상기와 같은 광학 소자는 베이스 바디 및 박막으로 구성될 수 있다.
광학 소자를 통과하는 방사선은 방사선 유입면에서 입사되고, 방사선 방출면에서 방사된다. 상기 방사선 방출면은 방사선 유입면과 평행하게 또는 상기 방사선 유입면에 대하여 수직으로 배치될 수 있다. 상기 두 개의 면들은 광학 소자의 표면의 부분이다.
베이스 바디는 바람직하게 투명한 재료로 형성되었다. 방사선 투과 특성을가지면서 방사선을 확산시키지 않는 투명한 재료로서는 예를 들어 에폭시수지, 아크릴수지, 실리콘수지 또는 상기 수지들의 혼합물이 사용될 수 있다. 하지만 베이스 바디는 광학적으로 작용하는 재료도 포함할 수 있다. 광학적으로 작용하는 재료는 예를 들어 특정 방사선을 다른 파장의 방사선으로 변환하기 위한 또는 확산시키기 위한 입자를 함유할 수 있다.
베이스 바디의 구조적인 형태는 광학 소자의 사용 목적에 따라 결정될 수 있으며, 예를 들면 플레이트 형태 또는 렌즈 형태일 수 있다.
특히 바람직하게 베이스 바디는 도파관 또는 렌즈로서 형성되었고, 박막과 조합하여서는 예컨대 LCD와 같은 디스플레이 장치를 예를 들어 균일하게 후방 조명하기에 또는 방사선을 형성하기에 적합하다.
박막은 바람직하게 베이스 바디의 표면에 내부 결합 방식으로 접착되며, 이 경우에는 예를 들어 접착제와 같이 접착을 중개하는 중간층이 전혀 필요치 않다.
박막은 베이스 바디의 다양한 측면에 존재할 수 있다. 한 가지 가능성은 상기 박막을 광학 소자, 예컨대 렌즈의 방사선 방출면 측에 배치하는 것이다. 다른 한 가지 가능성은 상기 박막을 광학 소자, 예컨대 렌즈의 방사선 유입면 측에 배치하는 것이다. 추가의 가능성은 상기 박막을 광학 소자의 방사선 유입면 또는 방사선 방출면 측에 배치하지 않고, 오히려 하나 또는 다수의 나머지 측면에 배치하는 것이다; 특히 도파관의 형태로 된 광학 소자에서는 이와 같은 배치 방식이 바람직할 수 있다.
박막은 바람직하게 베이스 바디를 통과하는 방사선에 의해서 관통된다. 이 경우에는 투명하거나 반투명한 재료들이 박막에 바람직한 것으로 증명된다. 투명한 재료들과 반대로 반투명한 재료들은 방사선을 적어도 부분적으로 확산시킨다.
상기 박막은 또한 광학적으로 작용하는 박막일 수도 있는데, 이와 같은 내용은 상기 박막에 의해서 방사선의 특성들이 변동될 수 있다는 것을 의미한다. 예를 들면 방사선의 형상, 파장 또는 세기가 영향을 받을 수 있다. 상기와 같은 파라미터들의 영향을 조합하는 것도 생각할 수 있다. 그에 반해 단지 방사선이 통과만 하는 박막은 광학적으로 작용하지 않는 박막으로서 간주되며, 이 경우 방사선은 무시할 수 있을 정도의 방사선 오프셋(offset)을 제외하고는 전혀 영향을 받지 않는다.
방사선의 형상은 예를 들어 방사선을 확산시키는, 박막 내부에 있는 입자들에 의해서 영향을 받을 수 있다. 또한, 소정의 구조를 갖는 박막에 의해서는 렌즈 효과를 얻을 수도 있다.
박막은 바람직하게 한 가지 방사선을 다른 파장의 방사선으로 변환하기 위하여 인광 물질을 함유한다.
한 바람직한 실시예에서 박막은 광학 소자의 방사선 방출면 측에 배치된다. 이와 같은 배치 방식에서 광학 소자로부터 방출되는 방사선의 형상은 예를 들어 소정의 구조를 갖는 부분적으로 투명한 박막을 사용함으로써 영향을 받게 된다.
박막과 베이스 바디 간의 내부 결합은 방출되는 방사선의 세기에 특히 바람직한 것으로 증명된다. 그 이유는 상기와 같은 내부 결합 방식에 의해서는 기계적인 고정을 이용한 박막 고정 방식과 달리 공기 갭이 피해질 수 있기 때문이며, 이와 같은 특징에 의해서는 방사선 손실이 줄어들거나 전반사가 피해질 수 있다.
추가의 한 실시예에서는 박막이 광학 소자의 하나 또는 다수의 측면에, 특히 방사선 유입면 및 방사선 방출면이 전혀 존재하지 않는 장소에 배치된다.
박막은 투명하거나 반투명할 수 있다. 상기 박막 뒤에는 추가의 박막, 바람직하게는 반사체 박막이 배치된다. 상기 박막 뒤에 예컨대 박막-스택의 형태로 된 다수의 추가 박막들이 배치되는 것도 생각할 수 있다.
상기의 경우 박막과 반사체 박막 사이에는 공기 갭이 형성된다.
전반사각보다 큰 입사각(표면 법선에 대하여 상대적임)을 갖는 방사선 성분들은 바람직하게 박막, 즉 광학적으로 더 조밀한 매체로부터 주변, 일반적으로는 공기, 즉 광학적인 더 얇은 매체로 변환되는 부분에서 전반사 된다. 공기 갭을 통과하는 방사선의 부분은 그 다음에 배치된 반사체 박막에서 반사될 수 있다. 따라서, 베이스 바디의 측면에 충돌하는 방사선의 큰 부분은 반사될 수 있고, 전체적으로 볼 때 방사선은 손실 없이 베이스 바디를 통과할 수 있게 된다. 다시 말해, 이와 같은 바람직한 배열 상태에 의해서는 반사율이 상승할 수 있으며, 이와 같은 반사율 상승은 광학 소자의 휘도에 긍정적으로 작용한다.
마지막으로 언급된 배열 상태를 도파관에 이용하는 것은 예를 들어 이동 및 휴대용 전자 장비에서 데이터를 가시화할 때에 사용될 수 있으며, 이 경우에는 평면 모니터("Flat Panel Displays") 기술이 중요한 역할을 한다. 평면 모니터는 액정-디스플레이(LC-Display)로서 구현될 수 있다. 상기 기술은 보다 저렴한 제조 가능성, 낮은 전력 소비율, 작은 중량 그리고 적은 공간 수요를 특징으로 한다. 하지만 LC-디스플레이는 자체 방사 작용하지 않기 때문에 예를 들어 광학 소자의 높은 휘도를 특징으로 하는 본 발명에 의해서 최상으로 구현될 수 있는 후방 조명을 필요로 한다. 이와 같은 구현에서의 장점은, 반사율을 높이기 위하여 추가의 액티브 소자, 예컨대 추가의 에너지를 필요로 하는 LED를 사용하는 것과 반대로 패시브 소자, 예컨대 박막-공기 갭-반사체 박막으로 이루어진 배열 방식을 사용한다는 것이다.
본 발명의 틀 안에서 광학 소자를 제조하는 경우에는 제일 먼저 박막이 사출 성형 몰드 내부에 삽입된다. 그 다음에 예를 들어 분사 노즐에 의하여 충전 물질이 사출 성형 몰드 내부에 채워지는데, 이때 충전 물질과 박막 간에 내부 결합이 형성된다. 이 경우 베이스 바디는 바람직하게 투명한 물질인 충전 물질로부터 제조된다. 하지만 상기 충전 물질이 예를 들어 방사선을 확산시키기 위한 또는 방사선 파장을 변환시키기 위한 입자를 함유하는 것도 생각할 수 있다.
캐스팅 재료가 몰드로부터 분리되기에 충분한 강도로 냉각되자마자, 광학 소자는 몰드로부터 분리되는데, 이와 같은 분리 공정은 바람직하게 대기시간 없이 제조 후에 이루어질 수 있다.
광학 소자의 추가의 특징들, 장점들 및 개선예들은 도 1 내지 도 3에 언급된 실시예들을 참조하여 아래에서 상세하게 설명된다.
도 1은 광학 소자의 제 1 실시예의 측면 사시도,
도 2a는 광학 소자의 제 2 실시예의 측면 사시도,
도 2b는 광학 소자의 제 3 실시예의 측면 사시도, 및
도 3은 광학 소자의 제 4 실시예의 측면 사시도이다.
실시예들 및 도면들에서 동일한 또는 동일한 작용을 하는 구성 부품들은 각각 동일한 도면 부호를 갖는다.
도 1에는 광학 소자(1)의 제 1 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 광학 소자(1)는 평탄한 플레이트 형태의 도파관으로서 형성되었다. 상기 도파관은 베이스 바디(2) 및 박막(3)을 포함한다. 베이스 바디(2)는 바람직하게 투명한 재료, 예를 들어 에폭시수지, 아크릴수지, 실리콘수지 또는 상기 수지들의 혼합물을 함유 한다. 상기 재료가 예를 들어 베이스 바디 내부로 입사되는 방사선(5)의 파장을 변동시키기 위한 염료와 같은 입자를 함유하는 것도 생각할 수 있다.
박막(3)은 특히 바람직하게 적어도 부분적으로 투명한 재료로부터 제조되었다. 예를 들어 박막은 렌즈의 작용을 하는 구조를 가질 수 있다. 방사선(5)의 파장을 변동시키기 위하여 상기 박막은 염료를 함유할 수 있다. 그러나 방사선을 확산시키기 위한 입자들도 가능하다.
상기 전자기 방사선(5)은 바람직하게 가시 영역에서는 방사선원(도시되지 않음), 바람직하게는 하나 또는 다수의 LED로부터 방출된다.
단색 또는 다색의 전자기 방사선(5)은 방사선 유입면(2)을 통해 광학 소자(1) 내부에 입사되고, 직사각형의 면 위에 균일하게 분포된다. 상기 방사선은 베이스 바디(2) 및 박막(3)을 관통하여, 방사선 유입면(12)과 평행하게 배치된 방사선 방출면(4)을 통해 방출된다. 대안적으로 상기 방사선 방출면(4)은 방사선 유입면에 대하여 수직으로 배치될 수도 있는데, 그 경우에는 방사선 유입면이 예를 들어 베이스 바디(2)의 측면(8)에 있게 된다. 후자의 배열 상태에서는 방사선의 유입이 광학 소자(1)의 세로 방향으로 이루어진다.
평탄한 도파관에 의해서는 예를 들어 광학 소자(1) 다음에 배치된 디스플레이 장치(도시되지 않음)가 균일하게 조명될 수 있다.
도 2a에 도시된 제 2 실시예에서는 광학 소자(1)가 케이블 형태의 도파관으로서 형성되었다. 상기 케이블 형태의 도파관은 베이스 바디(2), 박막(3) 그리고 상기 박막(3) 뒤에 배치되어 있는 반사체 박막을 포함한다. 단면도를 통해 볼 때 상기 박막(3) 및 반사체 박막(6)은 링 형태로 또는 프레임 형태로 베이스 바디(2)를 둘러싼다.
박막(3)은 베이스 바디(2)의 측면(8)에 내부 결합 방식으로 접착된다. 이와 같은 내부 결합은 예를 들어 베이스 바디(2)를 형성하는 투명한 재료를 박막(3) 후방에 분사함으로써만 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 박막(3)과 베이스 바디 사이에 접착을 중개하는 중간층을 필요로 하지 않는다.
박막(3) 뒤에는 반사체 박막(6)이 배치되어 있으며, 특히 상기 반사체 박막은 두 개의 박막들 사이에서 작용하는 파워로 인해 접착력이 강화되지 않는 방식으로 박막(3) 상에 올려진다. 이와 같은 방식의 배열에서는 두 개의 박막들 사이에 공기 갭(7)이 형성된다.
베이스 바디(2)는 바람직하게 제 1 실시예에서 투명하거나 또는 부분적으로 투명한 재료를 함유하며, 상기 재료 속에는 전술한 효과를 나타내는 입자들이 존재할 수 있다.
박막(3)용으로는 투명하거나 또는 반투명한 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
방사선 방출 소스(도시되지 않음)로부터 시작되는 방사선(5)은 상기 케이블 형태의 도파관을 가로지르는 동시에 상기 방사선이 베이스 바디의 측면(8)에 충돌하자마자 상기 베이스 바디의 중앙으로 반사된다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 방사선은 보다 유리하게 두 개의 장소에 반사될 수 있다: 공기 갭(7)에 인접하는 박막(3)에서 그리고 반사체 박막(6)에서 반사될 수 있다.
박막(3)의 재료가 공기보다 높은 굴절율을 갖기 때문에, 박막(3)과 공기 갭(7) 사이의 변환부에서는, 전반사각과 같거나 또는 전반사각보다 큰 각(10)으로 박막(3)에 충돌하는 방사선이 전반사 될 수 있다(전반사된 방사선(9)).
전반사각보다 작은 각으로 박막(3)에 충돌하는 방사선의 성분은 상기 박막(3)에서 부분적으로 반사되거나 또는 공기 갭(7)을 관통할 수 있다. 박막(3)을 관통하는 방사선의 성분은 상기 박막 뒤에 배치된 반사체 박막(6)에서 반사될 수 있다(반사된 방사선(11)).
전체적으로 볼 때, 두 개의 층으로 이루어진 박막-어레이에 의해서는 높은 반사율에 도달할 수 있다.
전자기 방사선(5)은 도파관을 통과하여 방사선 방출면(4)을 거쳐 도파관으로부터 방출된다.
도 2b에는 광학 소자(1)의 제 3 실시예가 도시되어 있다. 이 경우 광학 소자(1)는 평탄한 플레이트 형태의 도파관으로서 형성되었다. 상기 도파관은 베이스 바디(2) 및 적어도 두 개의 박막을 포함한다. 박막(3) 및 반사체 박막(6)은 방사선 방출면(4)에 마주 놓인 측에 배치되어 있다. 제 2 실시예에서와 마찬가지로 상기 두 개의 박막들 사이에는 공기 갭(7)이 존재한다. 상기 박막들에서 방사선을 반사시키기 위하여 동일한 물리적 상황들이 적용된다.
방사선 경로는 예로 표시되어 있다. 전자기 방사선(5)은 방사선 유입면(12)을 거쳐 광학 소자(1) 내부로 유입된다. 전자기 방사선(5)은 베이스 바디(2)를 관 통한다. 전반사각과 같거나 또는 전반사각보다 큰 각(10)으로 박막(3)에 충돌하는 방사선은 전반사 된다. 상기 전반사 된 방사선은 또한 측면(8)에 충돌할 수 있고, 상기 방사선이 방사선 방출면(4)에서 광학 소자(1)로부터 방출되기 전에 재차 반사될 수 있다.
한 바람직한 실시예에서는 하나 또는 다수의 측면에 박막 및 반사체 박막이 추가로 제공되고, 상기 박막들 사이에 공기 갭(도시되지 않음)이 형성됨으로써, 결과적으로 전반사각과 같거나 또는 전반사각보다 큰 각으로 상기 측면(8)에 충돌하는 방사선은 전반사 된다.
또한 방사선 유입면에도 광학적으로 작용하는 박막이 배치될 수 있다(도시되지 않음).
전체적으로 볼 때, 두 개의 층으로 이루어진 박막-어레이에 의해서는 높은 반사율에 도달할 수 있다.
도 3은 광학 소자(1)의 제 4 실시예를 보여준다. 본 도면에는 광학 소자(1)의 측면 사시도가 도시되어 있다.
캐리어(13)는 자신의 표면에 돔 형상의 부착물 형태로 된 광학 소자의 베이스 바디(2)를 포함한다. 바람직하게 구면(球面)으로 구부러진 상기 부착물은 박막(3)으로 덮여 있으며, 상기 박막은 내부 결합 방식으로 상기 부착물(11)의 표면에 밀착된다.
캐리어(13)는 예를 들어 원통형의 형태를 갖는다. 상기 캐리어는 내부 공간이 공기로 채워진 금속 중공 실린더로서 형성될 수 있거나 또는 내부 공간에 예를 들어 에폭시수지, 아크릴수지, 실리콘수지 또는 상기 수지들의 혼합물과 같은 투명한 재료를 가질 수 있으며, 상기 재료는 예를 들어 표면에 있는 반사체 박막에 의해서 주변에 대하여 폐쇄된다.
전자기 방사선(5)은 바람직하게 가시 영역에서는 상기와 같은 캐리어를 통과할 수 있다. 이 경우 캐리어(13)를 통과하는 방사선의 메인 방향은 상기 캐리어(13)의 외벽과 평행하다.
캐리어(13)의 단부에서는 방사선이 베이스 바디(2)에 충돌한다. 상기 베이스 바디(2)는 바람직하게 투명한 재료를 함유하고, 예를 들어 포커싱 렌즈의 형태로 형성되었다. 따라서, 상기 캐리어(13)를 통과한 방사선은 특정한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어 캐리어에 의해서 포커싱 렌즈에 충돌하는 평행한 방사선 빔은 광학 소자 뒤에 배치되어 있는 한 점에 포커싱 될 수 있다.
부착물(13) 상에 내부 결합 방식으로 접착되는 박막(3)은 바람직하게 광학적으로 작용하는 박막이다. 다시 말해서, 상기 박막은 투명하거나 또는 예를 들어 추가의 방사선 형성을 위한 또는 입사되는 방사선의 컬러를 변경하기 위한 입자를 함유할 수 있다.
확산 렌즈일 수도 있는 렌즈(3)와 광학적으로 작용하는 박막(3) 간에 내부 결합이 이루어지는 것이 바람직하다고 증명되었는데, 그 이유는 상기와 같은 내부 결합에 의해서는 박막이 예를 들어 접착제에 의해서 베이스 바디 상에 제공될 때에 발생하는 방사선 손실이 피해질 수 있기 때문이다.
상세한 설명, 도면 그리고 청구범위에 공개된 본 발명의 특징들이 개별적으 로뿐만 아니라 조합된 방식으로도 본 발명의 실현에 중요한 역할을 할 수 있다는 것은 자명하다.
본 특허 출원은 독일 특허 출원 102005004447.6-11호 및 102005006635.6-51호를 우선권으로 주장하며, 상기 우선권들의 공개 내용은 인용의 형태로 본 출원서에 포함된다.

Claims (15)

  1. 전자기 광선(5)을 가이드 하기 위한 광학 소자(1)로서,
    상기 광학 소자는 베이스 바디(2) 및 적어도 하나의 박막(3)을 포함하며,
    상기 박막(3)은 상기 베이스 바디(2) 상에 접착되어 상기 베이스 바디(2)와 내부 결합을 형성하며,
    상기 박막(3)은 전자기 광선(5)이 상기 박막을 관통하도록 배치되어 있는,
    광학 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 소자(1)가 도파관으로서 형성된 것을 특징으로 하는,
    광학 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 소자(1)가 렌즈(11)로서 형성된 것을 특징으로 하는,
    광학 소자.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 박막(3)이 광학적으로 작용하는 박막인 것을 특징으로 하는,
    광학 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 박막(3)이 전자기 방사선을 확산시키기 위한 입자를 함유하는 것을 특징으로 하는,
    광학 소자.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 박막(3)이 인광 물질을 함유하는 것을 특징으로 하는,
    광학 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 인광 물질이 방사선(5)을 다른 파장의 방사선으로 변환시키는 것을 특징으로 하는,
    광학 소자.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 박막(3)이 구조화된 것을 특징으로 하는,
    광학 소자.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 박막(3)이 광학 소자(1)의 방사선 유입면(12)에 그리고/또는 방사선 방출면(4)에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는,
    광학 소자.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 박막(3)이 베이스 바디(2)의 한 측면(8)에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는,
    광학 소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 박막(3) 다음에 반사체 박막(6)이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는,
    광학 소자.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 박막(3)과 상기 반사체 박막(6) 사이에 공기 갭(7)이 존재하는 것을 특징으로 하는,
    광학 소자.
  13. 제 1 항에 따른 광학 소자(1)를 제조하기 위한 방법으로서,
    상기 방법이
    - 박막(3)을 사출 성형 몰드 내부에 삽입하는 단계, 및
    - 베이스 바디(2)를 형성하기 위한 충전 물질로 상기 사출 성형 몰드를 채우는 단계를 포함하며,
    상기 충전 물질과 상기 박막(3) 간에 내부 결합이 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    광학 소자의 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 충전 물질이 투명한 물질인 것을 특징으로 하는,
    광학 소자의 제조 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 충전 물질이 전자기 방사선을 확산시키기 위한 입자를 함유하는 것을 특징으로 하는,
    광학 소자의 제조 방법.
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