KR20070112142A - 재순환 광선 및 광원 편광자를 갖는 직접 발광 백라이트 - Google Patents

재순환 광선 및 광원 편광자를 갖는 직접 발광 백라이트 Download PDF

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KR20070112142A
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케네쓰 에이. 엡스테인
마크 비. 오닐
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

직접 발광 백라이트 및 관련 방법은 일반적으로 광원의 어레이가 후방 반사기와 전방 반사 편광자 사이에 배치되는 것으로 개시한다. 광원 편광자는 광원을 덮도록 제공된다. 광원 편광자를 통해 전방 반사 편광자를 향해 통과하는 광선은 전방 반사 편광자에 의해 일부는 투과되고 일부는 반사된다. 부분적인 투과 및 반사는 백라이트의 출력면에 걸쳐 조명 균일성을 향상시키기 위해 균형을 이룰 수 있다. 또한 광원이 LED 광원을 사용하는 백라이트와, 편광 광원이 실질적으로 서로 정렬되는 백라이트를 포함하는 편광 광원의 어레이를 갖는 직접 발광 백라이트가 개시된다.
백라이트, 전방 반사 편광자, 편광 광원, 후방 반사기, 광원 편광자, 발광 다이오드.

Description

재순환 광선 및 광원 편광자를 갖는 직접 발광 백라이트 {DIRECT LIT BACKLIGHT WITH LIGHT RECYCLING AND SOURCE POLARIZERS}
본 발명은 액정표시장치(LCD) 및 이와 유사한 디스플레이에 사용되는 백라이트에 관한 것이며, 백라이트를 만드는 방법에 관한 것이다.
최근에 대중이 이용하는 디스플레이 장치에 있어서 그 수와 종류에 있어서 괄목할 만한 성장이 있어왔다. 컴퓨터(데스크톱, 랩탑 또는 노트북 등), 개인 휴대용 정보 단말기(PDA), 핸드폰, 박막 LCD TV는 단지 몇몇 예일 뿐이다. 이 장치들 중 몇몇은 디스플레이를 보기 위해 보통 주변광을 이용하지만, 대부분은 디스플레이를 명확히 볼 수 있도록 백라이트를 포함한다.
이러한 많은 백라이트는 "가장자리 발광(edge lit)" 또는 "직접 발광(direct lit)" 방식이다. 이러한 종류는 백라이트의 출력면에 대해 광원의 배치를 달리하며, 출력면은 디스플레이 장치의 시야 범위를 한정한다. 가장자리 발광 백라이트에 있어서, 광원은 백라이트 구조의 외측 경계면을 따라 출력면에 대응하는 구역 또는 범위 외측에 배치된다. 광원은 일반적으로 광선을 도광판으로 발산하며, 이는 출력면 정도의 길이 및 폭 치수를 갖고, 광선은 이로부터 출력면을 조명하도록 추출된다. 직접 발광 백라이트에 있어서, 광원의 어레이는 출력면 후방에 직접 배 치되고, 확산체(diffuser)는 광원 전방에 배치되어 더 균일한 출력 광선을 제공한다. 몇몇 직접 발광 백라이트는 또한 가장자리 장착 광선을 포함하며, 따라서 직접 발광 및 가장자리 발광 작동을 모두 할 수 있다.
본 출원은 특히 적어도 하나의 광원, 일반적으로 복수의 광원 또는 광원의 어레이가 후방 반사기와 전방 반사 편광자 사이에 배치되는 직접 발광 백라이트와, 이와 관련된 방법을 개시하고 있다. 전방 반사 편광자는 백라이트의 출력면에 상응하는 크기, 예를 들어 길이 및 폭을 갖는다. 몇몇 경우에 있어서, 전방 반사 편광자 자체가 백라이트의 출력면일 수 있다. 다른 경우에 있어서, 확산 필름과 같은, 하나 이상의 다른 필름은 전방 반사 편광자의 전방에 장착될 수 있고 백라이트의 출력면을 형성할 수 있다.
광원 편광자는 출력면보다는 작으나 광원의 적어도 일부를 덮기에 충분할 정도로 크게 제공된다. 전방 반사 편광자와 광원 편광자는 전방 반사 편광자를 향해 광원 편광자를 통과하는 광원으로부터의 광선이 전방 반사 편광자에 의해 완전히 투과되지 않고 완전히 반사되지 않도록 배열되거나 구성된다. 대신에, 이는 전방 반사 편광자에 의해 일부 투과되고 일부 반사된다. 고품질, 고 소광비(낮은 누설) 선형 편광자에 있어서, 이는 편광자가 일부 교차하고, 각각의 편광자의 통과축이 서로 정확히 평행하지도 않고 정확히 수직이지도 않다는 점을 의미한다. 오히려, 이들은 비스듬하다. 일부 투과 및 반사는 균형을 이룰 수 있거나 또는 백라이트의 출력면에 걸친 휘도의 변화를 최소화하거나 적어도 감소하도록 선택될 수 있다. 선형 편광자에 있어서, 그러한 균형 또는 선택은 편광자의 통과축 사이의 상대각을 조정함으로써 이룰 수 있다.
백라이트는 전방 반사 편광자와 후방 반사기 사이에서 광선이 재순환하도록 도울 수 있다. 바람직하게는, 후방 반사기는 높은 반사성과 편광 변환성을 갖는다. 이와 관련하여, 후방 반사기는 바람직하게는 하나의 편광 상태의 입사광선의 적어도 일부를 수직 편광 상태의 반사광선으로 변환할 수 있다.
직접 발광 백라이트는 편광 광원의 어레이가 전방 반사 편광자와 후방 반사기 사이에 배치되는 것으로 개시된다. 편광 광원은 광원을 적어도 일부 덮을 수 있는 크기의 광원 편광자와 결합하는 종래의 광원을 포함할 수 있다. 편광 광원은 또한 편광 필름 또는 장치를 포함하는 소형 LED 기반 광원을 포함할 수 있다. 편광 광원으로부터의 광선은 전방 반사 편광자에 의해 일부 투과되고 일부 반사된다. 바람직하게는, 후방 반사기는 높은 반사성 및 편광 변환성을 갖는다.
편광 필름과 장치는 일반적으로 차단된(흡수 또는 반사) 편광 상태의 실질적인 누설량을 갖도록 선택될 수 있는 한 이상적인 편광자일 필요는 없다.
본 발명의 이러한 점 및 다른 점들은 이하에서 명확해질 것이다. 그러나, 본 설명은 청구된 발명을 한정하는 것으로 해석되어서는 안되며, 본 발명은 첨부된 청구항에 의해서만 한정되며, 청구에 의해 보정될 수 있다.
명세서 전체에서 첨부된 도면을 참조하며, 동일 번호는 동일 구성요소를 표시한다.
도1은 액정표시장치와 결합된 직접 발광 백라이트의 분해 사시도이다.
도2는 직접 발광 백라이트의 개략적인 단면도이다.
도3은 도2의 백라이트의 평면도이다.
도4는 LED와 같은 소형 광원을 사용하는 다른 백라이트의 평면도이다.
도5a 내지 도5c는 도4의 백라이트에 사용가능한 소형 편광 광원의 개략적인 단면도이다.
도6은 편광자의 다른 상대적 방향에 대하여, 백라이트의 출력면의 적어도 일부에서 위치에 따른 휘도를 나타내는 이상적인 그래프이다.
언급되지 않았다면, 명세서 및 청구항에서 사용된 크기, 양 및 물리적 특성을 나타내는 모든 수는 "대략"이라는 용어로 완화될 수 있다는 점을 이해할 필요가 있다. 따라서, 이와 반대로 표시한 경우가 아니라면 본 명세서 및 청구항에 기재된 수치 파라미터는 본 기술분야의 당업자가 본 명세서에 개시된 기재를 사용하여 얻고자 하는 특성에 따라 변할 수 있는 근사값이다.
도1에는 액정표시장치(LCD) 패널과 같은 디스플레이 패널(12)과 결합되는 직접 발광 백라이트(10)의 분해 사시도가 도시되어 있다. 백라이트(10)와 디스플레이 패널(12)은 단순한 박스형태로 도시되어 있으나, 이들 각각은 더 세부적인 요소를 더 포함할 수 있다는 점을 알 수 있다. 백라이트(10)는 프레임(14)과, 연장 출력면(16)을 포함한다. 작동 중에, 전체 출력면(16)은 출력면 후방으로 프레임(14) 내에 배치된 광원에 의해 조명된다. 조명이 되면, 백라이트(10)는 여러 관측 자(18a, 18b)가 디스플레이 패널(12)에 의해 제공되는 이미지 또는 그래픽을 볼 수 있도록 한다. 이미지 또는 그래픽은 일반적으로 수천 또는 수백만의 개별 화소(픽셀, pixel)의 어레이에 의해 만들어지며, 어레이는 실질적으로 디스플레이 패널(12)의 측방향 범위(길이 및 폭)를 채운다. 대부분의 실시예에 있어서, 백라이트(14)는 백색 광선을 발산하고, 픽셀 어레이는 다색 픽셀[빨간색/녹색/파란색(RGB) 픽셀, 빨간색/녹색/파란색/백색 (RGBW) 픽셀 등)의 그룹으로 구성되며, 이로써 표시되는 이미지는 다색이다. 그러나, 소정의 경우 단색 디스플레이를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 경우, 백라이트(14)는 주로 하나의 가시 파장 또는 색상으로 발산하는 특정 광원 또는 필터를 포함할 수 있다.
도1의 백라이트(10)는 광원 존(20a, 20b, 20c), 즉 출력면(16) 후방에 배치된 세 개의 긴 광원을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 광원 존 사이 또는 외부의 출력면(16)의 구역을 본 명세서에서는 앞으로 갭 존으로 부르도록 하겠다. 출력면(16)은 광원 존과 갭 존의 상보적인 세트로 만들어지는 것으로 생각할 수 있다. 광원은 연장되더라도 개별적으로나 총괄적으로나 모두 투사 면적(평면도)에 있어서 백라이트의 출력면보다 훨씬 작다는 점 때문에 광원 존과 갭 존이 존재한다. 대부분의 실시예에서, 디스플레이로부터 최적 품질의 이미지를 제공하기 위해, 출력면(16)에서의 휘도가 가능한 균일하게 백라이트(10)를 구성하는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 광원 존에서의 휘도는 갭 존에서의 휘도와 실질적으로 동일해야 한다.
도2는 효과적인 광선 재순환 디자인에 있어서 이러한 균일성을 얻을 수 있는 직접 발광 백라이트(30)의 개략적인 단면도이다. 백라이트(30)는 전방 반사 편광자(32)와, 후방 반사기(34)와, 광원(36a, 36b, 36c)(총괄적으로 36)의 어레이를 포함한다. 반사 편광자(32)와 후방 반사기(34)는 광선 재순환 캐비티를 형성하고, 광선은 연속적인 반사를 경험한다. 반사 편광자는 제1 편광 상태의 광선을 투과하고, 제1 편광 상태에 수직인 제2 편광 상태의 광선을 반사한다. 이와 관련하여, "수직"은 단순히 다른 상태에 상보적인 상태를 의미하며, 선형 기하학상 90도에 한정되지 않는다. 반사 편광자는, 예를 들어 3M사로부터 입수 가능한 Vikuiti 상표의 소정의 DBEF(dual brightness enhancement film) 제품 또는 DRPF(diffusely reflective polarizing film) 제품, 또는 하나 이상의 콜레스테릭 편광 필름(cholesteric polarizing film)일 수도 있고 또는 이들을 포함할 수도 있다. 또한, 미국 특허 제6,243,199호(한센 외) 및 미국 특허 제6,785,050호(라인즈 외)에 개시되어 있는 것들과 같은 와이어 그리드 편광자(Wire grid polarizer), 미국 특허 제5,559,634호(웨버)에 개시된 것과 같은 맥닐 편광자(MacNeille polarizer)도 적합한 반산 편광자이다. 단축 배향 정반사 다층 광학 편광 필름은 미국 특허 제5,882,774호(존자 외) 및 제5,612,820호(쉬렌크 외)와 PCT 공보 제02/096621 A2(머릴 외)에 개시되어 있다. 연속적 상/분산상(disperse phase) 구조를 갖는 확산 반사 편광자(diffusely reflective polarizers)는, 예를 들어 제5,825,543호(오더커크 외)에 개시되어 있다. 3M사로부터 입수가능한 3MTM VikuitiTM BEF-D(Dual Brightness Enhancement Film-Diffuse)와 같은 몇몇의 경우, 확산 반사 편광자는 또한 광선을 확산시켜 투과한다. 이미 알려진 콜레스테릭 반사 편광자는 개시된 백라이트 실시예에서 사용되기에 적합한 다른 종류의 반사 편광자이다. 대부분의 LCD 디스플레이에서와 같이, 백라이트(30)와 함께 사용되는 디스플레이 패널(12)이 백라이트에 인접 배치되기 위해 그 자신의 후방 편광자를 포함할 경우, 최대 효율 및 조명을 위해 디스플레이 패널 후방 편광자와 정렬되도록 전방 반사 편광자를 구성하거나 또는 그 반대로 구성하는 것이 바람직하다. LCD 디스플레이 패널의 후방 편광자는 일반적으로 흡수 편광자이고, 일반적으로 픽설레이티드 액정표시장치(pixilated liquid crystal device)의 일측 상에 배치되고, 디스플레이 패널 전방 편광자는 타측 상에 있다.
조명 및 효율을 증가시킴에 있어서, 후방 반사기(34)는 전체적으로 높은 반사율과 낮은 흡수율을 가질 뿐만 아니라 반사기에서 입사광선의 편광을 적어도 일부 변환하는 종류라는 점에서 또한 유리하다. 즉, 하나의 편광 상태의 광선이 후방 반사기에 입사되면, 그 후 반사된 광선의 적어도 일부는 제1 상태에 수직인 다른 편광 상태로 편광된다.
많은 확산 반사기가 이러한 편광-변환 특성을 갖는다. 적합한 확산 반사기의 한 부류는, 예를 들어 비싸고 단단하고 취성이 있더라도 눌린 케이크 또는 자기 타일 형태의 황산 바륨 또는 산화마그네슘과 같은 백색 무기화합물로 만들어진 다양한 광선 측정시험장치를 위한 화이트 스탠더드(white standard)로서 사용되는 것들이다. 다른 적합한 편광-변환 확산 반사기는 (1)입자, 주변 기지와, 재료신장을 통해 생성된 선택적 공기-충전식 공간의 굴절률 차이에 따른 미세다공 입자-충전식 제품(micro voided particle-filled articles)과, (2)소결 폴리테트라플루오르에틸렌 서스펜션(sintered polytetrafluoroethylene suspension) 등으로 만들어진 미소공성 소재(microporous materials)이다. 미소공성 편광-변환 확산 반사 필름을 만드는 다른 유용한 기술은 열 유도 상분리(thermally induced phase separation, TIPS)이다. 이 기술은, 예를 들어 미국 특허 제4,247,498호(카스트로)와 제4,867,881호(킨저)에 개시된 바와 같이 열가소성 중합체와 증량제가 액-액 상분리(liquid-liquid phase separation)에 의해 분리되는 미소공성 소재를 마련하는데 사용된다. 적합한 고-액 상분리 과정은 미국 특허 제4,539,256호(쉽맨)에 개시되어 있다. 미소공성 소재에 포함되는 기핵제의 사용은 또한 미국 특허 제4,726,989호(므로진스키)에서 고-액 상분리 방법에 있어서의 향상으로 개시되어 있다. 더 적합한 확산 반사-변환 제품 및 필름은 미국 특허 제5,976,686호(카이터 외)에 개시되어 있다.
몇몇 실시예에서, 후방 반사기(34)는 선택적으로 1/4 파장 필름 또는 다른 광학 지연 필름(retarding film)과 결합하는, 3M사로부터 입수가능한 Vikuiti 상표의 다층 중합체 ESR 필름(multilayer polymeric Enhanced Specular Reflector film)과 같이 매우 높은 반사성 정반사기를 포함할 수 있다. AlanodTM 상표의 양극 처리된 알루미늄 시트(anodized aluminum sheeting) 등은 높은 반사성을 갖는 정반사 재료의 다른 예이다. 상술한 구조와 달리, 편광 변환은 또한 높은 반사성의 정반사기와, 후방 반사기와 전방 반사 편광자 사이에 배치된 체적 확산 재료(volume diffusing material)를 조합함으로써 얻을 수 있고, 이러한 용도를 위해 본 조합은 편광-변환 후방 반사기인 것을 고려할 수 있다.
후방 반사기(34)가 편광-변환 유형이라면, 편광 상태가 편광자에 의해 투과되지 않기 때문에 반사 편광자(32)에 의해 초기에 반사된 광선은, 후방 반사기(34)에 의해 반사된 이후 편광 상태가 반사 편광자를 통과하는 광선으로 적어도 일부 변환될 수 있고, 따라서 전체 백라이트의 휘도와 효율에 도움이 된다.
광원(36)은 반사 편광자(32)와 후방 반사기(34) 사이 캐비티 내에 배치된다. 평면도 상에서 관측자의 관점으로 보면, 이들은 반사 편광자(32)의 뒤에 배치된다. 광원의 외부 발산면은 종래 형광성 튜브 또는 전구의 경우에서와 같이 실질적으로 원형 단면을 가지는 것으로 도시되나 다른 단면 형상도 또한 사용될 수 있다. 광원의 수, 이들 사이의 간격 및 백라이트의 다른 구성요소에 대한 이들의 배치는 파워 버짓(power budget), 전체 휘도, 열 고려(thermal considerations), 크기 제한 등과 같은 설계 기준에 따라 바람직한 방향으로 선택될 수 있다.
특히, 백라이트(30)는 각각 광원(36a-c)을 덮는 광원 편광자(38a-c)를 더 포함한다. 관형 광원의 경우, 광원 편광자는 완전히 광원을 둘러싸는 (38b)와 같이 연속적 슬리브 형태일 수 있으며, 또는 (38a), (38c)와 같이 단지 광원의 일부만 둘러쌀 수도 있다. 더 일반적으로는, 광원이 전방 반사 편광자(32)와 후방 반사기(34) 모두를 향해 광선을 발산하는 것인 경우, 광원 편광자는 적어도 전자를 차폐하고 광선을 발산하는 후자를 선택적으로 차폐하도록 구성될 수 있다. 주어진 백라이트에 있어서, 복수의 광원 편광자는 예를 들어, 각각의 광원 편광자가 각각 의 광원을 완전히 둘러싸고 있는 연속적 슬리브의 형태인 경우 또는 각각의 광원 편광자가 각각의 광원의 단지 일부를 덮는 경우와 같이 실질적으로 동일할 수 있다. 이와 달리, 백라이트 내에 광원 편광자는, 예를 들어 도2에 도시된 바와 같이 각각의 광원(36a-c)을 다른 정도로 덮고 있는 광원 편광자(38a-c)와 같이 서로 다르게 구성될 수 있다.
도2는 광원과 이들 각각의 광원 편광자 사이에 작은 갭을 도시한다. 이와 달리, 개재된 공기 갭 및 관련 손실을 감소 또는 제거하기 위해 광원 편광자는 직접 적층될 수 있고, 또는 예를 들어, 압력 감지 접착제(pressure sensitive adhesive, PSA) 또는 UV 경화성 접착제(UV-curable adhesive)와 같은 접착제에 의해 또는 콜레스테릭 편광자의 경우에서와 같이 편광자를 광원에 코팅하는 등 광원의 표면에 도포될 수 있다. 또한, 이와 관련하여 흡수 편광 필름보다 반사 편광 필름을 사용하여 광원 편광자를 제조함으로써 효율은 증가될 수 있고, 손실은 감소될 수 있다. 이러한 이유 중 하나는 반사 편광 필름은 흡수 편광 필름에 비해 백라이트에서 일어나는 광선 재순환 정도만큼 캐비티 내에 흡수되는 손실을 감소시킨다는 점이다. 다른 이유는 광원 자체가 적어도 일부 편광-변환하는 반사 요소 또는 구조를 포함할 경우, 광원 편광자로서 반사 편광자를 사용하면 광원 내에 재순환하는 광선을 발생시킬 수 있고, 이로써 (광원)-(광원 편광자) 조합의 편광 휘도를 증가시킨다는 점이다. 형광등에서 인광 물질층은, 예를 들어 편광 변환 반사 요소로 기능할 수 있다. 그러나, 몇몇 실시예에서는 흡수 편광 필름이 전체적으로 광원 편광자로 사용되기에 충분하다.
또한, 도2는 몇몇 대표적인 광선을 도시한다. 광선(40, 42)은 각각의 광원(36a, 36c)에 의해 발산되어 각각의 광원 편광자(38a, 38c)를 통과하는 광선의 일부이다. 이러한 광선들은 각각의 광원에 인접한 전방 반사 편광자(32)의 일부, 즉 백라이트의 출력면의 광원 존을 향하여 배향되는 것으로 도시된다. 광선(40, 42)은 각각의 광원 편광자(38a, 38c)의 형상에 의해 결정되는 편광 상태를 갖는다. 전방 반사 편광자(32)에 충돌하면, 이 광선들의 일부는 광선(40a, 42a)과 같이 투과되고, 일부는 광선(40b, 42b)과 같이 반사된다. 투과된 광선(40a, 42a)은 전방 반사 편광자(32)의 형상에 의해 결정된 편광 상태를 갖는다. 또한, 반사된 광선(40b, 42b)은 전방 반사 편광자(32)의 형상에 의해 결정된 편광 상태를 가지나, 반사된 광선(40b, 42b)의 편광 상태는 투과된 광선(40a, 42a)의 편광 상태에 수직이다. 광선(42b)은 후방 반사기(34)로 더 진행하고, 이는 광선(42c)과 같이 반사된다. 광선(42b)의 편광 상태를 전방 편광자에 의해 통과될 수 있는 상태로 일부 변환함으로써, 반사 광선(42c)의 일부는 광선(42d)과 같이 투과되고, 반면에 나머지 부분은 광선(42e)과 같이 반사된다. 또한, 도면은 광원(36a)에 의해 후방 반사기(34)를 향하는 초기 방향으로 발산되는 광선(44)을 도시한다. 광선(44)은 주어진 편광 상태에서 편광되거나 편광되지 않을 수 있다. 이는 후방 반사기(34)에 의해 광선(44a)으로 반사되고, 이어서 광선(44b, 44c)과 같이 전방 반사 편광자(32)에 의해 일부 반사되고 일부 투과된다. 전방 반사 편광자(32)와 후방 반사기(34)가 확산 반사되는 경우, 한정된 방향을 갖는 단일 광선으로 도시된 반사 광선(40b, 42b, 42c, 42e, 44a, 44c)은 적어도 각각의 요소가 얼마나 확산 반사되는지에 따라 방향 범위 또는 분포에 걸쳐 광선 전파를 할 것이라는 점을 알 수 있다.
용도에 따라, 몇몇 실시예에서는 직접 발광 백라이트에 있어서 각각의 광원 편광자로 덮인 단일 또는 복수의 광원 외에, 전방 반사 편광자 또는 후방 반사기 사이에 위와 같이 덮이지 않은 하나 이상의 다른 광원을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 덮이지 않은 광원은, 예를 들어 에지 효과를 보상하도록 백라이트 출력면의 주연에 근접하여 위치될 수 있다.
또한, 백라이트(30)는 대표적으로 제네릭 필름(generic film, 46)과 같은 다른 광학 필름을 포함할 수 있다. 상기에서 설명한 바와 같이, 필름(46)은 코팅, 엠보싱, 입자-충전식(particle-loaded) 및/또는 미세다공 필름과 같은 확산 투과성 필름을 포함할 수 있다. Keiwa 상표 확산 필름인 PC02W 유형은 일례이다. 바람직하게는, 확산 투과성 필름은 LCD 디스플레이 패널에서 원하지 않는 색상과 휘도 효과를 제거하도록 지연성이 낮다. 또한, 필름(46)은 3M사에 의해 판매되고 있는 Vikuiti 상표의 휘도 개선 프리즘 필름(brightness enhancing prismatic films)과 같은 프리즘 휘도 개선 필름을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 필름(46)은 백라이트(30)의 전체 크기를 감소시키기 위해 전방 반사 편광자(32) 상에 또는 이에 근접하여 배치된다.
도3을 살펴보면, 백라이트(30)의 평면도가 도시되어 있다. 이 도면에서, 전방 반사 편광자(32)와 광원 편광자(38a-c)는 통과축(33), (39a-c)을 각각 갖는 선형 편광자로 도시된다. 광원 편광자용으로 사용되는 편광 필름은 전방 반사 편광자(32)의 통과축(33)에 대해 각각의 축(39a-c)이 일부 교차, 즉 경사지게 배치도록 하는 방향으로 이동된다. 따라서, 광원 편광자(38a-c)에 의해 투과된 광선은 전방 반사 편광자에 의해 일부 투과되고 일부 반사된다. 비록 축(39a-c)이 서로 평행하거나 동일 방향인 것으로 도시되어 있으나, 실상은 그렇지 않다. 각각의 광원 편광자의 통과축 또는 방향은 필요하다면 다른 광원 편광자에 독립하여 개별적으로 맞춰진다. 방향 맞춤은 광원 편광자를 피봇하거나 회전함으로써 그 자체로 또는 결합되는 광원과 조합하여 이루어질 수 있다. 이러한 맞춤은 백라이트의 출력면의 휘도 분포를 조정하기 위해 편광 방향의 변화성을 제어하거나 광원 편광자의 어레이에 있어서 임의적인 또는 반복적인 상대적인 오정렬의 패턴을 도입하는 몇몇 실시예에서 사용될 수 있다. 광원이 대부분의 콜드 캐소드 형광등(cold cathode fluorescent lamps, CCFLs)과 같은 긴 형상을 갖는 경우, 각각의 광원 편광자의 통과축은 광원의 장축 또는 단축과 정렬될 수 있고, 또는 도면에 도시된 바와 같이 이와 오정렬될 수 있다. 광원은 개별 특정 유닛 또는 도3에 도시된 바와 같이 큰 뱀 모양 유닛의 부분일 수 있다.
도4는 긴 광원이 소형 또는 작은 면적의 광원(52)의 어레이로 대체된 것을 제외하고는 도1 내지 도3에서 도시 및 설명된 것과 유사한 다른 백라이트(50)의 평면도를 도시하고 있다. 이러한 광원은 예를 들어 LED광원일 수 있다. 광원 편광자(54)는 어레이에서 각각의 광원을 덮는다. 도4에 있어서, 광원 편광자(54)와 전방 반사 편광자(32)는 통과축(55), (33)을 각각 갖는 선형 편광자로 도시된다. 통과축(55)은 통과축(33)에 대해 일부 교차하는 것으로 도시되지만, 편광 누설(polarizer leakage)과 백라이트의 원하는 휘도 프로파일에 따라 완전히 교차될 수도 있다. 모든 광원 편광자의 통과축(55)은 상술한 바와 같이 개별적으로 맞춰질 수 있으므로 평행하거나 정렬될 수 있다. 광원 편광자(54)는 흡수 편광자 또는 바람직하게는 반사 편광자일 수 있고, 선형 편광자일 필요는 없다.
도5a 내지 도5c는 도4에 도시된 바와 같이 백라인트 실시예에서 사용가능한 여러가지 LED 기반 소형 광원 편광자/광원 조합체를 도시한다. 이러한 조합체 중 몇몇에 있어서, 광원 편광자는 일체형 LED 패키지에 포함가능하다. 이와 관련하여, 이러한 LED 실시예 뿐만 아니라 다른 종류의 광원을 사용하는 실시예에 있어서, 광원과 광원 편광자의 조합체는 단순히 본 명세서에서는 편광 광원으로 부르도록 하겠다.
도5a에서, 인광 물질 기반 LED 구조(60)는 개략적인 단면도로 도시되어 있다. 구조(60)는 LED 다이와 같이 여기 광 파장의, 일반적으로 파란색 또는 UV 영역의 스펙트럼 내에 있는 여기 광선을 발산하는 LED(62) 광원을 포함한다. LED는 광학적으로 투명한 소재(64)에 인접해 있는 것으로 도시되었으나, 투명한 소재(64)는 필요하다면 LED(62)를 포함 및 매설하도록 하향 연장될 수 있다. 또한, 구조는 광학적으로 투명한 소재(64) 내에 배치되고 LED(64)에 의해 발산되는 광선을 수용하도록 위치되는 것으로 도시된 인광 물질(64) 층을 포함한다. 인광 물질은 인광 물질과 LED(62) 사이에 위치되는 것으로 도시되어 있는 쇼트 패스 반사기(short pass reflector, 68) 상에 코팅될 수 있다. 쇼트 패스 반사기(68)는 LED로부터 단파장 여기 광선을 투과하고 인광 물질에 의해 발산되는 상대적으로 장파장인 여기 상태의 광선을 반사한다. 인광 물질층(66)의 다른 측면 상에, 롱 패스 반사 기(long pass reflector, 70)가 있고, 이는 인광 물질에 의해 발산되는 장파장 광선을 투과하지만 인광 물질층을 가로지르는 LED로부터의 소정의 단파장 여기 광선을 반사한다. 또한, 반사 편광자(72)가 샌드위치 구조에 포함된다. 반사 편광자(72)는 광학적으로 투명한 소재(64) 내에 인광 물질(60) 층에 인접하여 배치되고, 롱 패스 반사기(70)는 도시된 바와 같이 이 사이에 배치된다. 반사 편광자(72)는 평면 형상을 갖는 것으로 도시되나, 또한 비평면 형상을 가질 수 있다. 소정의 경우, 반사 편광자(72)는 LED(62)를 덮는다. 조합체(60)와 추가적인 편광 LED 패키지에 대한 더 상세한 설명을 위해서는, 미국 특허 출원 공보 제US2004/0150997 A1호(오델릭 외)를 참조하도록 한다.
도5b는 다른 적합한 광원(80)을 도시하고 있다. 이 광원은 LED(82)와, LED의 상부에 장착된 특별히 설계된 측면 발산 렌즈(84)를 포함한다. 측면 발산 렌즈(84)는 반사와 굴절의 조합을 통해 LED에 의해 발산되는 직접 광선이 도시된 바와 같이 렌즈(84)의 실린더형 대칭 구조로 인해 측면 방향으로 광원 주위 도처로 (360도) 지향되도록 돕는다. 렌즈(84)/LED(82) 조합체에 대한 더 상세한 설명을 위해서는, 미국 특허 출원 공보 제US2005/0001537A1호(웨스트 외)를 참조하도록 한다. 광원(80)은 또한 정반사 링 반사기(86)를 포함할 수 있다. 반사기(86)는 상술한 바와 같이 소정의 높은 반사성 재료 또는 필름을 포함할 수 있다. 마지막으로, 광원(80)은 디스크 형상의 광원 편광자(88)를 포함하고, 이는 렌즈(84) 상부에 장착될 수 있다. 따라서, 편광자(88)는 LED(82)의 적어도 일부를 덮는 효과를 갖는다. LED로부터 렌즈(84)의 상부를 통해 투과된 광선은 편광자(88)에 의해 편광 된다.
도5c는 다른 소형 LED 기반 편광 광원(90)을 도시한다. 광원(90)은 헤더 또는 마운트(94)에 부착되는 LED 다이(92)를 포함한다. LED 다이(92)는 전방 발산면(92a)과, 저면(92b)과, 측면(92c)을 갖는다. 측면(32c)은 경사진 것으로 도시되어 있으나 반드시 그럴 필요는 없고, 다른 측면 형상도 고려할 수 있다. 광원(90)은 또한 반사 편광자(96)를 포함하고, 이는 외부로 제1 편광 상태의 광선을 투과하고, 바람직하게는 수직인 제2 편광 상태의 광선을 LED 다이(92)로 다시 반사한다. 도5c의 실시예에 있어서, 1/4 파장판(98)의 형상인 편광 변환층은 반사 편광자와 LED 발산면(32a) 사이에 제공된다. 또한, 성형 수지와 같은 투명한 광학소자(99)는 마운트(94) 상부의 LED 다이와 다른 층들을 둘러싸고 캡슐화한다. 광원(90)과, 추가적인 편광 LED 패키지에 대한 더 상세한 설명을 위해서는, 2004년 10월 29일에 출원되어 공통으로 양도된 "편광 LED"라는 명칭의 미국 특허 출원 일련번호 제10/977582호(대리인 일람번호 제60202US002호)를 참조하도록 한다.
도6은 백라이트의 출력면의 전체 또는 일부를 지나서, 예를 들어 전방 반사 편광자(32) 또는 필름(46)의 표면을 지나서 연장되는 통로에 따른 백라이트의 휘도의 이상적인 그래프이다. 통로는 광원의 바로 위의 출력면의 존, 즉 광원 존(116) 뿐만 아니라 소정의 광원 바로 위에 있지 않은 출력면의 존, 즉 갭 존(118)을 포함하도록 선택된다. 광원 편광자를 전방 반사 편광자에 대해 일부 교차되는 정도로 맞춤으로써, 출력면에서의 휘도 패턴은 폭넓게 변형될 수 있다.
커브(110)와 관련하여, 광원 편광자는 전방 반사 편광자와 거의 모두 정렬되 고, 이로써 광원 편광자를 통해 디스플레이의 전방을 향해 투과되는 광선은 주로 전방 반사 편광자를 통해 투과되고 단지 조금만 반사된다. 따라서, 광원 존(116)은 상대적으로 어두운 갭 존들(118) 사이에서 상대적으로 밝은 부분이 된다.
커브(112)와 관련하여, 전방 반사 편광자와 광원 편광자 중 하나 또는 양자는 거의 완전히 교차되는 지점으로 조정되거나 또는 변형된다. 이러한 경우, 광원 편광자로부터 디스플레이의 전방을 향해 투과되는 광선은 주로 전방 반사 편광자로부터 반사되고 단지 조금만 투과된다. 따라서, 광원 존(116)은 상대적으로 밝은 갭 존(118) 사이에 상대적으로 어두운 부분이 된다. 선형 편광자의 경우, 전방 반사 편광자와 소정의 주어진 광원 편광자 사이를 조정하는 것은 단지 한쪽 편광자를 다른 쪽에 대해 회전시킴으로써 이룰 수 있다.
커브(114)와 관련하여, 전방 반사 편광자 또는 광원 편광자 중 하나 또는 양자는 균형있게 일부가 교차하도록 조정되거나 또는 변형된다. 이러한 특별한 경우, 광원 편광자로부터 디스플레이의 전방을 향해 투과되는 광선은 광원 존(116)이 갭 존(118)과 실질적으로 대등한 휘도를 가질 정도로 전방 반사 편광자로부터 반사되고 전방 반사 편광자에 의해 투과된다. 이러한 방식으로, 고휘도 직접 발광 백라이트에 있어서 높은 균일성의 조명을 얻을 수 있다. 완벽한 균일성은 실제 시스템에서는 거의 얻을 수 없으므로 편광자의 상대적인 방향은 백라이트의 출력면의 전체 또는 일정 부분에 걸쳐 휘도 변화를 최소화하도록 조정될 수 있다. 전방 반사 편광자, 광원 편광자 또는 둘 다에서 일반적으로 차단된 편광 상태의 누설량을 제어함으로써 유사한 높은 균일성의 직접 발광 백라이트를 얻을 수 있다는 점을 알 수 있다. 따라서, 휘도 균일성을 얻기 위하여 광원 편광자와 전방 반사 편광자가 교차되거나 오정렬되는 정도는 편광자의 누설량의 함수이다.
또한, 개시된 백라이트는 백라이트의 전체 효율을 향상시키고 재순환된 광선의 편광 변환을 촉진하기 위해 광원 편광자와 광원 사이에 있든지 또는 후방 반사기에 도포되든지 간에 1/4 파장 필름과 같은 지연 필름을 포함할 수 있다. 1/4 파장 필름은 또한 콜레스테릭 반사 편광자와 같이 좌측 또는 우측 순환성 반사 편광자(circular reflective polarizers)와 결합되어 사용될 수 있다. 이와 달리, 순환성 편광자는 소정의 지연 필름 없이도 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 둘 이상의 광원 편광자는 더 균일한 편광 필름의 다른 부분일 수 있다. 예를 들어, 소형 LED 광원 어레이에 있어서, 편광 필름의 균일한 스트립은 밀집하여 채워진 LED 광원의 열을 덮도록 위치될 수 있다.
상술한 바와 같이, 광원 편광자, 전방 반사 편광자, 또는 양자는 일반적으로 차단된(흡수되거나 반사된) 편광 상태의 실질적인 누설량을 갖도록 신중하게 선택될 수 있다. 따라서, 광원 편광자에 의해 투과되는 광선은 제1 편광 상태뿐만 아니라 더 적은 정도로 제2 수직 편광 상태를 포함할 수 있다. 이와 유사하게, 전방 반사 편광자에 의해 투과되는 광선은 제1 편광 상태뿐만 아니라 더 적은 정도로 제2 (수직) 편광 상태를 포함할 수 있다. 그러나, 본체는 주로 하나의 편광 상태를 투과하고 주로 수직인 상태를 차단(흡수 또는 반사)하므로 여전히 편광자인 것으로 고려된다. 이러한 누설 편광자를 사용하면, 완전 교차 및 완전 정렬된 편광자 사이의 휘도 변화를 감소시키는데 도움이 될 수 있고, 광원 존으로부터 갭 존으로 휘 도의 연화된 천이를 도울 수 있다.
본 발명의 다양한 변형례 및 변경은 본 발명의 기술 범위 및 사상으로부터 벗어나지 않고도 본 기술분야의 당업자에게 자명하며, 본 발명은 본 명세서에서 설명된 실시예에 한정되지 않는다는 점은 알 수 있다.

Claims (22)

  1. 출력면을 갖는 직접 발광 백라이트이며,
    전방 반사 편광자와,
    후방 반사기와,
    상기 반사 편광자와 상기 후방 반사기 사이에 배치되는 광원과,
    상기 광원을 적어도 일부 덮는 광원 편광자를 포함하고,
    상기 광원 편광자를 통해 투과되는 광선은 상기 전방 반사 편광자에 의해 일부 투과되고 일부 반사되는 백라이트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광원은 형광등과 발광 다이오드(LED)의 그룹으로부터 선택되는 백라이트.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광원 편광자는 반사 편광자를 포함하는 백라이트.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광원은 상기 전방 반사 편광자와 상기 후방 반사기 사이에 배치되는 복수의 광원 중 하나인 백라이트.
  5. 제4항에 있어서, 상기 광원 편광자는 복수의 광원 편광자 중 하나이고, 상기 복수의 광원 편광자 각각은 광원 중 대응하는 하나를 적어도 일부 덮는 백라이트.
  6. 제5항에 있어서, 상기 복수의 광원 편광자의 적어도 일부는 상기 전방 반사 편광자와 일부 교차되는 백라이트.
  7. 제1항에 있어서, 상기 후방 반사기는 편광 변환하는 백라이트.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전방 반사 편광자는 정반사 편광자와 확산 반사 편광자의 그룹으로부터 선택되는 백라이트.
  9. 제1항에 있어서, 상기 전방 반사 편광자 상부에 배치되는 확산 투과층을 더 포함하는 백라이트.
  10. 제1항에 있어서, 디스플레이 패널과 결합되는 백라이트.
  11. 제1항에 있어서, 상기 전방 반사 편광자는 출력면에 상응하는 측방향 수치를 갖고, 상기 광원 편광자는 평면 면적에 있어서 상기 출력면보다 작은 백라이트.
  12. 전방 반사 편광자와,
    후방 반사기와,
    상기 반사 편광자와 후방 반사기 사이에 배치되는 편광 광원의 어레이를 포 함하는 직접 발광 백라이트.
  13. 제12항에 있어서, 상기 광원은 상기 광원에 의해 발산되는 광선이 상기 전방 반사 편광자에 의해 일부 투과되고 일부 반사되도록 배열되는 백라이트.
  14. 제12항에 있어서, 상기 후방 반사기는 편광 변환하는 백라이트.
  15. 제12항에 있어서, 상기 광원은 LED를 포함하는 백라이트.
  16. 제12항에 있어서, 상기 광원은 실질적으로 동일한 편광 방향을 갖는 백라이트.
  17. 직접 발광 백라이트를 제조하는 방법이며,
    전방 반사 편광자와 편광-변환 후방 반사기를 제공하는 단계와,
    상기 전방 반사 편광자와 상기 후방 반사기 사이에 편광 광원을 위치시키는 단계와,
    백라이트를 통해 원하는 조도를 얻도록 상기 전방 반사 편광자에 대해 편광 광원을 배향하는 단계를 포함하는 백라이트를 제조하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 배향하는 단계는 상기 편광 광원에 의해 발산되는 광 선이 상기 전방 반사 편광자에 의해 일부 투과되고 일부 반사되도록 상기 편광 광원을 배향하는 단계를 포함하는, 백라이트를 제조하는 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 백라이트는 출력면을 가지고, 상기 배향하는 단계는 상기 출력면에서 휘도 균일성을 향상시키도록 수행되는, 백라이트를 제조하는 방법.
  20. 제17항에 있어서, 상기 배향하는 단계는 상기 전방 반사 편광자와 상기 편광 광원 중 적어도 하나를 회전시키는 단계를 포함하는, 백라이트를 제조하는 방법.
  21. 제17항에 있어서, 상기 제공하는 단계에서 편광 광원은 상기 전방 반사 편광자와 상기 편광-변환 후방 반사기 사이에 제공되는 복수의 편광 광원 중 하나인, 백라이트를 제조하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 맞추는 단계는 상기 편광 광원 중 적어도 일부를 회전하는 단계를 포함하는, 백라이트를 제조하는 방법.
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