KR20080007532A - 특정한 광 변향 필름을 가진 백라이트 장치 - Google Patents

특정한 광 변향 필름을 가진 백라이트 장치 Download PDF

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KR20080007532A
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자이앙-동 미
게리 이. 노쓰하드
엘라인 더블유. 진
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롬 앤드 하스 덴마크 파이낸스 에이에스
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Abstract

(a) 광원; (b) 도광판; 및 (c) 선택된 정각, 선택된 제 1 베이스각, 선택된 제 2 베이스각을 가지는 복수 개의 프리즘 구조물들을 포함하고, 선택된 굴절률값을 가지는 물질을 포함하는, 다양한 각도로 광을 변향하기 위한 광 변향 부재를 포함하되, 상기 선택들은, 60°편각에서 향상된 루미넌스를 제공하도록 이루지며, 상기 프리즘 구조물들은 상기 도광판의 상기 길이 방향에 실질적으로 평행한 것을 특징으로 하는 백라이트 장치.
광 변향 필름, 백라이트 장치

Description

특정한 광 변향 필름을 가진 백라이트 장치{Backlight apparatus with particular light-redirecting film}
본 발명은 일반적으로 큰 시야 원뿔(viewing cone)로 루미넌스(luminance)를 제공하고 발광 다이오드(LED) 광원들의 광 혼합을 향상시키기 위한 백라이트 장치에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 단일의 광 변향 프리즘 필름을 포함하고 도광판(light guiding plate)의 길이 방향에 평행한 프리즘 구조물을 가진 백라이트 장치에 관한 것이다.
액정 디스플레이(LCD)는 많은 컴퓨터, 기계 및 오락 장치를 위한 바람직한 디스플레이 형태가 되면서, 가격과 성능 면에서 계속 향상되어 왔다. 종래의 랩탑 컴퓨터 디스플레이에 사용되는 투과형 엘씨디(transmissive LCD)는 엘씨디에 대하여 외부로 광을 향하게 하기 위한, 엘씨디의 뒤쪽에 위치된 광 제공면을 가지는 투과형 디스플레이(backlit display)의 일 형태이다. 컴팩트하고 저가인 동시에 충분히 균일한 휘도(brightness)를 가지는 적절한 백라이트 장치를 제공하고자 하는 노력은 두 개의 기본적인 접근 중 하나를 따르며 검토되어 왔다. 첫번째 접근에서 광 제공면은 넓은 범위의 각도에 걸쳐 실질적으로 일정한 루미넌스를 가지며, 크게 산 란되는, 본질적으로는 람베르트(Lambertian) 광 분포를 제공하기 위하여 사용된다. 이러한 첫번째 접근에 이어서, 축상(on-axis) 및 축 근방(near-axis)의 루미넌스를 증가시키려는 목적을 가지고, 많은 휘도 향상 필름들이 더 많은 시준(視準)된 조명(collimated illumination)을 제공하기 위하여 확산 분포를 가지는 이 광의 일부를 변향하기 위하여 제안되어 왔다. 휘도 향상 필름들을 위해 제안된 해결방안 중에서 미국 특허 제5,917,664호(오닐 등); 미국 특허 제5,919,551호(코브 등)에 기재된 것들이 예시된다.
백라이트 조명을 제공하는 두번째 접근은, 측부에 위치된 램프 또는 기타 광원으로부터의 입사광을 받아들이고, 이 광을 토탈 인터날 리플렉션(TIR)을 이용하여 내부적으로 안내하는 도광판(LGP)을 채용하여, 광이 도광판으로부터 좁은 각도 범위에 걸쳐 발광되도록 한다. 도광판으로부터의 출력광은 일반적으로 수직에 대하여 상당히 가파른 각도, 예를 들어 70°이상이다. 이어서, 이러한 두번째 접근과 함께 광 변향 물품의 일 형태인 터닝 필름(turning film)이 도광판으로부터의 발광 출력을 수직으로 변향하기 위하여 사용된다. 광 변향 물품들 또는 광 변향 필름들로 널리 명명된, 뉴욕 Baldwin의 Clarex, Inc.로부터 이용 가능한 HSOT (Highly Scattering Optical Transmission) 도광 패널을 가지는 것과 같은 방향성 터닝 필름들은 확산 필름들 또는 제조시의 도트 프린팅을 필요로 하지 않고, 이러한 형태의 균일한 백라이트를 제공하기 위한 향상된 해결 방안을 제공한다. HSOT 도광 패널들 및 다른 형태의 방향성 터닝 필름들은 광을 도광판으로부터 수직으로 또는 일반적으로 2차원 평면에 대하여 거의 수직인 어떠한 다른 적절한 목표 각도로 변향 하기 위하여 프리즘 구조물들의 배열들을 다양한 조합들로 사용한다. 일 예로서, 미국 특허 제6,746,130호(오카와)는 도광판 조명을 위한 터닝 필름으로서 작용하는 광 제어 시트를 기재한다.
그러나, 발광 다이오드들이 광원으로서 사용될 때, 발광 다이오드들이 개별적인 광원이고 강한 광을 발하기 때문에 광원 근처에서는 화이트 스팟(white spot)의 문제점들이 존재한다. 이러한 문제점은 도 4a 및 도 4c를 참조하여 설명될 것이다. 종래의 시준 필름(collimation film)과 관련된 또 다른 문제점은 좁은 시야각이다. 많은 장치들에서 3M(St. Paul, MN)의 휘도 향상 필름(brightness enhancement films; BEF)과 같은 시준 필름을 가지는 것이 이득이 되지만, 넓은 시야각이 더 중요한 경우, 특히 고전압 발광 다이오드들이 사용되어 정면 루미넌스가 요구되는 수준 위에서 양호하도록 하는 경우들이 존재한다.
따라서, 화이트 스팟 문제를 감소시키고 고전압 발광 다이오드를 이용하여 시야각을 넓히기 위하여 향상된 광 혼합을 제공하는 광 변향 필름 해결 방안에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명은, (a) 조명을 발하기 위한 광원; (b) 상기 조명을 도광판 속으로 연결시키기 위한 입력 표면, 출력 조명을 제공하기 위한 출력 표면, 길이 방향, 및 폭 방향을 가지는 도광판; 및 (c) 각각의 프리즘 구조물들이 선택된 정각(apex angle), 선택된 제 1 베이스각, 선택된 제 2 베이스각을 가지는 복수 개의 프리즘 구조물들을 포함하고, 선택된 굴절률값을 가지는 물질을 포함하는, 다양한 각도로 광을 변향하기 위한 광 변향 부재를 포함하되, 상기 선택들은, (1)광원으로부터 멀어지고 (2) 광원을 향하는 길이 방향에 평행한 방향으로, 그리고 (3) 폭 방향에 평행한 방향으로, 60°편각(polar angle)에 따른 광 루미넌스가 LW 평면에 수직한 축상 방향에 따른 루미넌스의 적어도 35%가 되도록 만족시키며, 프리즘 구조물들은 실질적으로 상기 도광판의 길이 방향에 평행한 것을 특징으로 하는 백라이트 장치를 제공한다.
본 발명의 이점은 프리즘 구조물들을 가지는 광 변향 필름을 통해 특히 발광 다이오드 광원을 위한 향상된 광 혼합을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 이점 은 60°의 시야각에서 증가된 광 루미넌스를 제공하는 것이다.
본 명세서는 본 발명의 대상을 특정하여 지적하고 구분하여 권리화하는 청구항들로 끝나지만, 첨부된 도면들과 함께 고려될 때 다음의 기재들로부터 본 발명이 더 잘 이해될 것이라고 믿어진다.
본 기재는 특히, 본 발명에 따른 장치의 일부를 형성하거나 본 발명에 따른 장치와 더 직접적으로 상호 작용하는 구성 요소에 관한 것이다. 특별하게 도시되거나 기재되지 않은 구성 요소들은 당업자에게 잘 알려진 다양한 형태를 가질 수 있다는 것이 이해될 것이다.
상기 배경기술 란에서 언급되었던 것처럼, 조명 경로(illumination path) 상의 다른 구성 요소들 내에 편광 기능을 추가함으로써 조명 장치의 전체적인 복잡함을 감소시키려는 시도가 존재하여 왔다. 함께 출원 중인 미국 특허 출원 제11/302,011호, 미국 특허 출원 제11/300,659호 및 미국 특허 출원 제11/302,103호에 개시된 접근들은 터닝 필름 내에 또는 더 광범위하게는 디스플레이의 광 변향 요소 내에 편광 기능을 추가하는 것이다. 이 방법들은 광 변향 물품의 형상 및 조성의 설계에 있어서 브루스터각(Brewster's angle)을 채용하고, 이에 따라 단일 요소에서 광 변향과 편광을 모두 수행한다.
도 1a, 1b, 1c 및 1d는 미국 특허 출원 제11/302,011의 도 6, 7a, 7b 및 7c와 각각 대응된다. 도 1a는 광원(12)에 대하여 평평한 표면(22), 가까운 표면(24) 및 먼 표면(26)을 가지는 편광 터닝 필름(20)을 사용하는 디스플레이 장치(60)를 도시하는 개략적인 단면도이다. 광원(12)은 도광판(10)의 측부에 위치되고, 도광판(10)은 입력 표면(18), 종단 표면(14) 및 출력 표면(16)을 가진다. 반사 필름(52)은 도광판(10) 아래에 위치한다. 도광판(10)의 이러한 위치 배열 및 설계는 터닝 필름들의 요구되는 각도 작용 및 설계 레이아웃에 영향을 미친다. 엘씨 공간 광 모듈레이터(70)는 도광판(10) 및 터닝 필름(20)으로부터 받은 편광된 광을 조정한다. 하프 웨이브 판(80)은 선택적이다. 리어 폴라라이저(72) 및 프론트 폴라이저(73)가 엘씨 공간 광 모듈레이터(70) 자체를 위하여 제공된다. 그러나, 광을 흡수함에 의해 동작하지 않는 편광 터닝 필름(20)과는 달리, 이러한 빌트인 폴라라이저들은 흡수성이고 엘씨 모듈레이터의 동작을 위해 필요하다.
도 1b는 도 1b를 기준으로 수직으로 연장된, 터닝 필름(20)의 프리즘 구조물(75) 및 홈들에 대하여 45°의 방향을 가지는 한 쌍의 폴라라이저들(72, 73)을 사용하는, 엘씨 공간 광 모듈레이터(70)를 위한 폴라라이저들(72, 73)의 편광된 광 트랜스미션 축들(172, 173)을 도시하는 개략적인 평면도이다. 이 경우, 하프 웨이브 판(80)은, 편광된 광의 편광 방향을 단면 평면에 평행한 방향에서 리어 폴라라이저(72)에 평행한 방향으로 변경하기 위하여 터닝 필름(20)과 엘씨 공간 광 모듈레이터(70) 사이에 선택적으로 제공될 수 있다. 하프 웨이브 판(80)의 광학 축은 리어 폴라라이저(72)에 대하여 22.5°의 방향을 가진다.
도 1c는 터닝 필름(20)의 홈들과 프리즘 구조물들(75)에 대하여 평행 또는 수직한 방향을 가지는 한 쌍의 폴라라이저들을 사용하는, 엘씨 공간 광 모듈레이터(70)를 위한 폴라라이저들(72, 73)의 편광된 광 트랜스미션 축들(172, 173)을 도시하는 개략적인 평면도이다. 이 경우, 엘씨 공간 광 모듈레이터(70)는 수직으로 정렬된(VA) 엘씨디(LCD) 또는 아이피에스(IPS) 엘씨 요소들을 사용할 수 있다. 리어 폴라라이저 트랜스미션 축(172)은 단면 평면에 평행하고, 따라서 하프 웨이브 판(80)은 필요하지 않다.
도 1b 및 1c에 도시된 바와 같이, 프리즘 구조물들(75)은 직선 방향으로 연장되고 실질적으로 평행하게 확장될 수 있다. 또한, 프리즘 구조물들(75)은 물결 모양 방식으로 연장될 수도 있으나, 도 1e에 도시된 바와 같이 여전히 실질적으로 평행하게 확장된다. 도 1d는 다른 실시예에서 아치형으로 연장된 프리즘 구조물들(75)을 가진 편광 터닝 필름(20)을 도시하는 개략적인 평면도이다. 이러한 배열은, 더 컴팩트한 디자인을 가지기 위하여 도광판(10)의 하나 이상의 코너들에서 발광 다이오드(LED)와 같은 점 광원(point light source)을 채택하는데 있어서 유리하다. 리어 폴라라이저 트랜스미션 축(172)은 단면 평면에 어느 정도 평행하고, 따라서 하프 웨이브 판(80)은 필요하지 않다.
도 1f는 폴라라이저 트랜스미션 축들(172, 173)을 도시하지 않고, 광원(12)이 발광 다이오드들과 같은 많은 개별적인 광원들인 것을 도시하는 개략적인 평면도이다. 또한, 발광 다이오드들은 도 1a 내지 도 1e에 도시된 것처럼 광원이 될 수도 있다.
도 2a는 확산 필름(31) 및 3M (St.Paul, MN)의 휘도 향상 필름(brightness enhancement film; BEF)과 같은 종래의 시준 필름(40)을 사용하는 디스플레이 장치(61)를 도시하는 개략적인 사시도이다. 시준 필름은 일반적으로 평평한 표면(62)의 반대측에 평평한 표면(42) 및 프리즘 구조물들을 가진다. 프리즘 구조물들은 85° 내지 95 °의 정각(α)을 가지며, 90°가 바람직하다. 프리즘 구조물들의 굴절률(n)은 약 1.58이다. 도광판(10')은, 도광판(10')이 도광판(10)과 다르게 바닥 표면(bottom surface)에 확산 요소들(11)을 가지고 편광 터닝 필름(20)의 정각이 약 30°내지 65°인 것을 제외하고는, 도 1a에 도시된 도광판(10)과 유사하게 입력 표면(18), 종단 표면(14) 및 출력 표면(16)을 가진다. 확산 요소들(11)은 인쇄된 화이트 스팟들 또는 에칭된 패턴일 수 있다. 광원(12)은 발광 다이오드와 같은 몇개의 개별 광원들이다. 추가적인 확산판이, 광 균일성을 향상시키기 위하여 엘씨디(70)와 시준 필름(40) 사이에 위치될 수 있다. 도 1a 및 도 2a 모두에서는 프리즘 구조물들을 가지는 단지 하나의 광학 필름이 사용되었고, 적절히 기능하기 위하여 광학 필름(26 또는 40)의 홈들은 도광판의 폭 방향(W)에 평행하거나 도광판(10 또는 10')의 길이 방향에 수직하다.
도 2b는 디스플레이(62)가 3M(St.Paul, MN)의 휘도 향상 필름(BEF)과 같은 종래의 제 2 시준 필름(60)을 포함한다는 것을 제외하고는 디스플레이(61)와 동일한 디스플레이(62)를 도시하는 개략적인 사시도이다. 제 2 시준 필름(60)은 프리즘 구조물들의 팁(tip)들이 다소 둥글게 될 수 있고 이들의 두께가 상이할 수 있는 것을 제외하고는 제 1 시준 필름(40)과 본질적으로 동일하다. 제 1 시준 필름의 기능은 광 입력측에 수직한 길이 방향(L)을 포함하는 평면에서 광을 시준하는 것이고, 제 2 시준 필름(60)의 기능은 광 입력측에 평행한 폭 방향(W)을 포함하는 평면에서 광을 시준하는 것이다.도 2b에 도시된 구성을 가지는 디스플레이들은 휴대폰 디스 플레이 및 기타 소형 내지 중형 크기의 디스플레이들에 널리 사용된다. 디스플레이(62)는 2개의 시준 필름들(40, 60)로부터의 시준 효과 때문에 높은 정면(head-on) 루미넌스를 가진다. 그러나, 시야각이 약 45°보다 클 때, 매우 작은 양의 광이 이용 가능하다. 이러한 양상은 소비 전력이 최소화되고 단지 하나의 시청자만이 디스플레이를 읽을 필요가 있는 몇몇 적용들에 있어서 유리하지만, 2개의 시준 필름들이 사용될 때 정면 루미넌스가 요구되는 이상으로 커지게 하기 위하여 고효율의 발광 다이오드들이 사용되거나, 몇몇 사람들에 의하여 디스플레이 상의 이미지가 공유될 수 있도록 하기 위하여 큰 시야각 특성이 필수적이거나, 몇 개의 광학 필름들이 더 낮은 가격으로 요구되는 몇몇 다른 적용들에 있어서는 불리하다.
실험 1: 광 혼합
도 3b 및 도 3d는 위쪽을 향하는 프리즘 구조물들을 가진 단일의 광학 필름(90)을 가진, 본 발명에 따른 디스플레이들(63b, 63d)을 도시하는 개략적인 사시도들이다. 단일의 광학 필름(90)은 약 90°의 정각을 가진 BEF 필름이 아니었고, 그 대신에 함께 출원 중인 미국 특허 출원 제11/302,011호, 미국 특허 출원 제11/300,659호, 미국 특허 출원 제11/302,103호에서 논의된 것과 같은 광 변향 필름 또는 편광 터닝 필름 중 하나였다. 더욱 상세하게는, 프리즘 구조물들(75)은 도 3e에 도시된 바와 같이, 프리즘 피치(P), 프리즘 높이(H), 정각(α), 제 1 베이스각(β1) 및 제 2 베이스각(β2)에 의해 특징지어 졌다. 정각(α)은 약 48°, 제 1 베이스각(β1) 및 제 2 베이스각(β2)은 각각 약 64° 및 67°였다. 프리즘 구조물들(75)의 홈들이 도광판(10')의 길이 방향(L)의 10°내, 바람직하게는 5° 내, 더욱 바람직하게는 2°로 방향을 가지는 것이 의도되도록 도광판(10')의 길이 방향(L)에 실질적으로 평행하게 배열되었다. 또한, 프리즘 구조물들(75)의 홈들은 도광판(10')의 폭 방향(W)에도 실질적으로 수직하였다. 디스플레이(63d)는 확산 필름(63)을 포함하였고, 반면에 디스플레이(63b)는 포함하지 않았다. 확산 필름(32)의 기능은, 만일 어떠한 패턴 그리고 물결 무늬 패턴(moire pattern)이 존재하고, 이것이 심각한 문제라면 광학 필름(90) 내의 표면적인 결함(cosmetic defect)들을 감추는 것이다. 또한, 확산 필름(32)은 광 균일도도 다소 향상시켰다.
도 3a에 도시된 비교용 디스플레이(63a)는, 광학 필름(90)의 프리즘 구조물(75)들의 홈들이 도광판(10')의 길이 방향(L)에 실질적으로 수직인 것을 제외하고는 도 3b에 도시된 디스플레이(63b)와 동일하였다.
도 3c에 도시된 비교용 디스플레이(63c)는, 광학 필름(90)의 프리즘 구조물(75)들의 홈들이 도광판(10')의 길이 방향(L)에 수직인 것을 제외하고는 도 3d에 도시된 디스플레이(63d)와 동일하였다.
도 4a, 4b, 4c 및 4d는 디스플레이들(63a, 63b, 63c, 63d)로부터 각각 얻어진, 위에서 본 루미넌스 분포 맵들이다. 본 도시에서 사용된 디스플레이 백라이트 유니트는 Apple(Cupertino, CA)의 iPod 포토 컬러 엘씨디 디스플레이의 부품이었고, 디지털 사진들은 Eastman Kodak Company(Rochester, NY)의 코닥 디지털 스틸 카메라(DX4900 Zoom)를 사용하여 찍었다.
도 4a는, 위쪽을 향하는 프리즘 구조물들 및 도광판의 길이 방향에 수직한 홈들을 가진 단일의 광학 필름을 가진 비교예에 따른, 도 3a에 도시된 디스플레이 장치(63a)의 위에서 본 루미넌스 분포이다. 공간 루미넌스 분포(spatial luminance distribution)는 균일하지 않았다는 것이 보여질 수 있으며, 개별 광원들로 인한 밝은 스팟들은 개별 발광 다이오드 광원들이 위치된 엣지를 따라 발견되었다.
도 4b는 위쪽을 향하는 프리즘 구조물들 및 도광판의 길이 방향에 평행한 홈들을 가진 단일의 광학 필름을 가진 본 발명에 따른, 도 3b에 도시된 디스플레이 장치(63b)의 위에서 본 루미넌스 분포이다. 도 4b는 루미넌스 공간 균일도에 있어서 도 4a에 대하여 커다란 향상을 도시한다.
도 4c는, 위쪽을 향하는 프리즘 구조물들 및 도광판의 길이 방향에 수직한 홈들을 가진 단일의 광학 필름을 가진 다른 비교예에 따른, 도 3c에 도시된 디스플레이 장치(63c)의 위에서 본 루미넌스 분포이다. 확산 시트 필름은 광 변향 필름의 상부에 위치되었다. 확산 시트 필름의 추가는 루미넌스 공간 균일도를 크게 향상시켰다. 그러나, 밝은 스팟들이 여전히 개별 발광 다이오드 광원들이 위치된 엣지를 따라 발견되었다.
도 4d는 위쪽을 향하는 프리즘 구조물들 및 도광판의 길이 방향에 평행한 홈들을 가진 단일의 광 변향 필름을 가진 본 발명에 따른 디스플레이 장치(63d)의 위에서 본 루미넌스 분포이다. 확산 시트 필름은 광 변향 필름의 상부에 위치되었다. 이러한 구성에서, 공간 루미넌스 분포는 거의 균일하였다. 발광 다이오드 광원들로 인한 밝은 스팟들은 최소화되었다.
광학 필름(90)이 존재하지 않았다는 것을 제외하고는 도 3c와 동일했던 다른 비교예는 확산 필름(32)만으로는 화이트 스팟 문제를 해결하기에는 충분하지 않았다라는 것을 보여주었다.
또한, 광학 필름(90)이 약 90°의 정각을 가지는 단일의 휘도 향상 필름(BEF)이었다는 것을 제외하고는 도 3a와 동일하였던 다른 비교예도 도 4a에 도시된 바와 같이 유사한 화이트 스팟 문제를 가졌다.
더 상세한 설명은 더 나은 이해를 위해 먼저 설명되는 다음의 실험들 이후에 제공된다.
실험들
요약하면, 실험 1은 프리즘 구조물들이 도광판의 길이 방향에 수직하기보다는 실질적으로 평행한 때에, 각각의 프리즘 구조물이 선택된 정각, 선택된 제 1 베이스각, 선택된 제 2 베이스각을 가지는 복수 개의 프리즘 구조물들을 포함하고, 선택된 굴절률을 가지는 물질을 포함하는 광 변향 필름이 화이트 스팟 문제를 방지할 수 있고, 광 혼합을 향상시킬 수 있다는 것을 보여준다.
실험 2: 시야각의 확대
도 5a 내지 5d는, 표 1을 참조하여 논의된 디스플레이 백라이트 유니트의 각도적인 광 분포(angular light distribution)를 묘사하는데 사용된 측정 형상 구성들을 도시한다. 디스플레이 백라이트 유니트(64)(iPod 포토 컬러 디스플레이 LCD LQ020B7UA01의 부품)의 각도적인 광 분포는 포토 리서치(Chatsworth, CA)의 PR650 스펙트로래디오미터(44)를 사용하여 측정되었다. 하나 이상의 광학 디스플레이 필름들(32)은 디스플레이 백라이트 유니트(64)의 상부에서 광학적으로 사용되었다. 도 5a에서, 측정은 디스플레이 백라이트 유니트의 앞 표면에 수직하거나 축상(on-axis)인 방향에서 이루어졌다. 도 5b 에서, 측정은 디스플레이 백라이트 유니트의 앞쪽 표면의 수직에 대하여 60° 방향에서 발광 다이오드 광원들(12)로부터 직접적으로 멀어지는 방향으로 이루어졌다. 도 5c에서 측정은 디스플레이 백라이트 유니트의 앞쪽 표면의 수직에 대하여 60° 방향에서 발광 다이오드 광원들(12)을 향하는 방향으로 이루어졌다. 도 5d에서 측정은 디스플레이 백라이트 유니트의 앞쪽 표면의 수직에 대하여 60° 방향에서 도광판(10')의 폭 방향(W) 또는 발광 다이오드 엣지(18)에 평행한 평면 상에서 이루어졌다. 표 1은 도 5a 내지 5d에 도시된 측정 형상에 따라 5개의 디스플레이 백라이트 유니트 구성들에 대하여 측정된 루미넌스 레벨(단위는 cd/m2)을 보여준다. 실험예 1에서, 광학 필름(45)는 사용되지 않았다. 실험예 2 내지 4에서, 프리즘 필름의 홈들은 모두 발광 다이오드 엣지, 도광판(10')의 입력 표면(18) 또는 (도 3에 도시된 것 같은) 도광판의 폭 방향(W)에 수직했다. 실험예 5에서 2개의 BEF들이 사용되었고, 구성은 도 2b에 도시된다.
실험예 번호 형태 광학 필름(45) 도 5마다의 형상에 따른 루미넌스 (cd/m2) (5b, 5c, 5d)의 최소/5a의 비율
5a 축상 5b 광을 향함 5c 광으로부터 멀어짐 5d 광을 가로지름
1 비교예 필름 없음 523 2140 285 726 54%
2 진보적 프리즘 필름 (α≒48°, n=1.63) 688 1334 287 506 42%
3 진보적 프리즘 필름 (α≒48°, n=1.59) 665 1245 307 547 46%
4 비교예 BEF (α≒90°, n=1.58) 732 613 143 366 20%
5 비교예 2개의 BEF (α≒90°, n=1.58) 1650 286 264 339 16%
실험예 1 ( 비교예 )
실험예 1에서, 디스플레이 백라이트 유니트는 어떠한 광학 디스플레이 필름도 가지지 않았다. 축상 루미넌스 레벨(5a 형상)은 광학 디스플레이 필름들이 사용되었던 구성들(실험예 2-5)과 비교하여 낮았다. 이것은 광학 필름을 가지지 않았기 때문에 이러한 구성은 용납할 수 없는 화이트 스팟 문제를 보여 주었다.
실험예 2 (진보적인 실험예 )
실험예 2에서 디스플레이 백라이트 유니트는 본 발명에 따라 약 48°의 정각(α)을 가지고, 약 1.63의 굴절률을 가지는 물질(폴리술폰(polysulfone))로 이루어진 프리즘 구조물을 가진 광학 필름(45)을 포함했다. 프리즘 필름의 홈들은 도광판(10')의 길이 방향(L)에 평행 또는 발광 다이오드 엣지에 수직했다. 축상 루미넌스 레벨은 실험예 1과 비교하여 향상되었다. 또한 이것은 5b, 5c 또는 5d 측정 형상에서 적당한 루미넌스 레벨도 유지하였다.
실험예 3 (진보적인 실험예 )
실험예 3은 광학 필름(45)이 본 발명에 따라 약 48°의 정각(α)을 가지고, 약 1.59의 굴절률을 가지는 물질(폴리카보네이트(polycarbonate))로 이루어진 프리즘 구조물을 가졌다는 것을 제외하고는 실험예 2과 동일하였다. 프리즘 필름의 홈들은 도광판(10')의 길이 방향(L)에 평행하였다. 축상 루미넌스 레벨은 실험예 1과 비교하여 향상되었다. 또한 이것은 5b, 5c 또는 5d 측정 형상에서 적당한 루미넌스 레벨도 유지하였다.
실험예 4 ( 비교예 )
실험예 4는 광학 필름(45)이 약 90°의 정각(α)을 가지고, 약 1.58의 굴절률을 가지는 물질로 이루어진 종래의 휘도 향상 필름(BEF)이었다는 것을 제외하고는 실험예 2와 동일하였다. 프리즘 필름의 홈들은 도광판(10')의 길이 방향(L)에 평행하였다. 축상 루미넌스 레벨은 실험예 2 및 3보다 양호하였다. 그러나 5b 내지 5d 열에 표시된 바와 같이 비(非)축상(off-axis) 성능은, 이러한 구성에 대하여 더 좁은 시야각을 나타내면서, 실험예 2 내지 3과 비교하여 매우 낮았다.
실험예 5 ( 비교예 )
실험예 5는 광학 필름(45)이 약 90°의 정각(α)을 가지고, 약 1.58의 굴절률을 가지는 물질로 이루어진 2개의 종래의 휘도 향상 필름(BEF)들을 포함했다는 것을 제외하고는 실험예 2와 동일하였다. 프리즘 필름의 홈들은 도광판(10')의 길이 방향(L)에 평행 또는 수직하였고, 상호 간에 수직하였다. 축상 루미넌스 레벨은 모든 실험예들 중에서 가장 양호하였다. 그러나 5b 내지 5d 열에 표시된 바와 같이 비축상 성능은, 이러한 구성에 대하여 훨씬 더 좁은 시야각을 나타내면서, 모든 실험예들 중 가장 낮았다.
실험예 2 내지 5는 위쪽을 향하는 프리즘 구조물들 및 도광판의 길이 방향에 평행한 홈들을 가지는 모든 광학 필름이 시야각을 확대시킬 수 있는 것은 아니었다는 것을 보여주었다. 2개의 진보적인 실험예 2 및 3에서, 광학 필름(45)은 루미넌스 레벨이 수직으로부터 60°인 세 방향들(도 5b, 5c 및 5d에 각각 도시된 것처럼 광원으로부터 멀어짐, 광원 근방 및 광원에 평행)에서 수직 방향에서의 루미넌스 레벨의 약 42%(실험예 2) 및 46%(실험예 3)보다 더 커지는 것이 가능하게 했던, 선택된 정각(α) 및 선택된 굴절률을 가졌다. 이와 달리 표 1의 마지막 열은 5b, 5c 및 5d 형상(수직으로부터 60°) 중 최소량과 5a 형상(수직 방향)의 루미넌스 레벨의 비율이 비교용 실험예 4에 대하여 약 20% 및 비교용 실험예 5에 대하여 약 16%였다는 것을 보여주었다. 실험예 1은 광학 필름을 가지지 않았고, 결과적으로 비율이 높았다는 사실에도 불구하고 바람직하지 않은 화이트 스팟 문제를 가졌다.
더 상세한 설명
비록 실험 1 및 실험 2에서는 단지 특정한 프리즘 구조물과 물질들의 몇 개의 광 변향 필름들이 사용되었지만, 광 변향 필름이 각각의 프리즘 구조물이 선택된 정각, 선택된 제 1 베이스각, 선택된 제 2 베이스각을 가지는 복수 개의 프리즘 구조물들을 포함하고, 선택된 굴절률값을 가지는 물질을 포함할 때, 광 변향 필름은 광 혼합을 향상시키고 다양한 각도들에 대하여 광을 변향시킬 수 있어서 60°의 편각(polar angle)을 따르는 광 루미넌스는 축상 방향을 따르는 광 루미넌스의 35% 이상, 더 바람직하게는 40% 이상인 것이 기대된다.
정각은 바람직하게는 40° 내지 65° 사이이거나 20° 내지 35° 사이이다. 약 1.78보다 작은 굴절률을 가지는 물질이 사용될 때, 정각과 합하여 180°가 되는 제 1 베이스각 및 제2 베이스각과 함께, 정각은 일반적으로 약 40° 내지 60°이거나 약 20° 내지 30°이다. 일반적으로 베이스각들은 62° 내지 70°의 범위이다. 약 1.78보다 큰 굴절률을 가지는 물질이 사용될 때, 정각과 합하여 180°가 되는 제 1 베이스각 및 제2 베이스각과 함께, 프리즘 구조물의 정각은 일반적으로 약 56° 내지 65°이거나 약 28° 내지 33°이다. 일반적으로 제 1 베이스각 및 제 2 베이스각은 62° 내지 70°에서 변화한다. 어떠한 경우에는 2개의 베이스각들 중 하나는 85° 내지 95°의 범위일 수 있다.
또한, 프리즘 구조물들의 홈들이 도광판의 길이 방향에 실질적으로 평행하게 배열될 때, 광 변향 필름이 다양한 각도들에 대하여 광을 변향시킬 수 있고, 60°의 3개의 주요 편각들 중 어느 것에 따르는 광 루미넌스는 축상 방향을 따르는 광 루미넌스의 35% 이상, 더 바람직하게는 40% 이상이며, 광 혼합을 향상시킬 수 있다는 조건을 만족시키는, 도 3f에 도시된 바와 같이 선택된 정각, 선택된 제 1 베이스각, 선택된 제 2 베이스각을 가지고, 아래쪽을 향하는 프리즘 구조물들을 가지고, 선택된 굴절률값을 가지는 물질을 포함하는 광 변향 필름을 채택하는 것도 본 발명의 범위 내이다. 이러한 경우에 광 변향 필름의 프리즘 구조물들은 도광판 및 그것의 평평한 표면 사이에 위치된다.
선택된 물질들은, 2004년 8월 12일 공개된 사다요리의 "고굴절률을 가지는 폴리카보디미드 및 그것의 생산 방법" (미국 특허 출원 공개 제 2004/0158021호)에 개시된 바와 같이, 열 안정성에서 우수하고, 높은 가동성(workability) 및 몰드성(moldability)을 가지는 폴리카보디미드 코폴리머(polycarbodiimide copolymers)와 같은, 어떠한 이용 가능한 원하는 굴절률의 코폴리머 및 투명 폴리머를 포함한다. 이러한 물질들에 대한 굴절률들은 589 nm에서 1.738 내지 1.757로 변화되었다. 또한, 도핑된 마이크로스피어(doped microsphere) 또는 티타니아(titania), 지르코니아(zirconia) 및 바리아(baria)와 같은 고 굴절률의 비드들(beads)을 가진 물질들도, Chisholm 등에 의한 "HIGH INDEX COATED LIGHT MANAGEMENT FILMS" (미국 특허 출원 공개 제2004/0109305호)에 개시된 바와 같이, 1.7 전후일 수 있는 높은 굴절률을 보여준다. 또한, 높은 굴절률의 물질들은 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate; PEN) 및 폴리부틸렌 2,6-나프탈레이트(Polybutylene 2,6-Naphthalate; PBN)과 같은 많은 폴리에스테르들도 포함한다. 이러한 물질들은, Hebrink 등의 "Method for making coPEN/PMMA multilayer optical films" (미국 특허 제 6,830,713호)에 개시된 바와 같이, 약 1.64에서 약 1.9 만큼 높은 값까지 변하는 굴절률들을 가진다. 1.59와 1.98 사이의 굴절률을 가지는 다른 공지의 물질들이 마찬가지로 사용될 수 있다. UV 경화 방법에 적합한 아크릴레이트(acrylate) 역시 채택될 수 있다.
본 발명의 장치는 일반적으로 프리즘 형상의 광 변향 구조물들을 사용한다. 더 공식적인 정의에서, 엄밀한 프리즘은 적어도 2개의 평평한 면들을 가진다. 그러나, 함께 출원된 미국 특허 출원 제 11/302,011호; 미국 특허 출원 제 11/300,659호 및 미국 특허 출원 제 11/302,103호에서 논의된 바와 같이, 광 변향 구조물들의 하나 이상의 표면들은 모든 실시예들에서 평평할 필요가 없고, 굽거나(curved), 다중 영역들(multiple sections)을 가지거나, 끝이 절단되거나(truncated) 둥글게 된 팁들 또는 정각들을 가질 수 있기 때문에, 더 일반적인 용어 "프리즘 구조물"이 본 명세서에서 사용되었다. 또한, 이에 더하여 상기 함께 출원 중인 출원들에서 논의된 바와 같이, 프리즘 구조물들은 그 기판과 다른 굴절률을 가질 수 있다.
따라서, 본 발명은 큰 시야 원뿔에서의 루미넌스를 제공하고, 감소된 요소들의 수를 사용하여 발광 다이오드 광원의 광 혼합을 향상시키는 광 변향 필름 해결 방안을 제공한다.
본 명세서에서 참조된 특허들 및 기타 공개물들의 모든 내용은 참고 자료로 여기에 합쳐진다. 본 발명은 어떠한 바람직한 실시예들을 특정하여 언급하며 상세하게 기재되었으나, 본 발명의 사상과 범위 내에서 변형 및 수정은 유효할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 1a는 편광 터닝 필름을 사용하는 디스플레이 장치를 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 1b는 편광 터닝 필름의 프리즘 구조물들 및 홈들에 대하여 45°로 방향 지어진 한 쌍의 폴라라이저들을 도시하는, 도 1a의 개략적인 평면도이다.
도 1c는 편광 터닝 필름의 프리즘 구조물들 및 홈들에 대하여 0° 또는 90°로 방향 지어진 한 쌍의 폴라라이저들을 도시하는, 도 1a의 개략적인 평면도이다.
도 1d는 아치형으로 연장된(arcuately elongated) 프리즘 구조물들을 가진 편광 터닝 필름을 도시하는 개략적인 평면도이다.
도 1e는 물결 모양의 프리즘 구조물들을 가진 편광 터닝 필름을 도시하는 개략적인 평면도이다.
도 1f는 광원이 발광 다이오드와 같은 많은 개별 광원들인 것을 도시하는 개략적인 평면도이다.
도 2a는 확산 필름과 종래의 시준 필름을 사용하는 디스플레이 장치를 도시하는 개략적인 사시도이다.
도 2b는 확산 필름과 2개의 교차된 종래의 시준 필름들을 사용하는 디스플레이 장치를 도시하는 개략적인 사시도이다.
도 3a는 위쪽으로 향하는 프리즘 구조물들 및 도광판의 길이 방향에 수직한 홈들을 가지는 단일의 광학 필름을 가지는 비교용 디스플레이를 도시하는 개략적인 사시도이다.
도 3b는 위쪽으로 향하는 프리즘 구조물들 및 도광판의 길이 방향에 평행한 홈들을 가지는 단일의 광학 필름을 가지는 진보적인 디스플레이를 도시하는 개략적인 사시도이다.
도 3c는 확산 필름 및 위쪽으로 향하는 프리즘 구조물들 및 도광판의 길이 방향에 수직한 홈들을 가지는 단일의 광학 필름을 가지는 비교용 디스플레이를 도시하는 개략적인 사시도이다.
도 3d는 확산 필름 및 위쪽으로 향하는 프리즘 구조물들 및 도광판의 길이 방향에 평행한 홈들을 가지는 단일의 광학 필름을 가지는 진보적인 디스플레이를 도시하는 개략적인 사시도이다.
도 3e는 본 발명에 따른, 도 3b 및 3d에서 사용된 광학 필름의 개략적인 단면도이다.
도 3f는 본 발명에 따른, 도 3b 및 3d에서 사용될 수 있는 광학 필름의 개략적인 단면도이다.
도 4a는 비교예에 따른, 도 3a의 디스플레이 장치의, 위에서 본 루미넌스 맵이다.
도 4b는 본 발명에 따른, 도 3b의 디스플레이 장치의, 위에서 본 루미넌스 맵이다.
도 4c는 비교예에 따른, 도 3c의 디스플레이 장치의, 위에서 본 루미넌스 맵이다.
도 4d는 본 발명에 따른, 도 3d의 디스플레이 장치의, 위에서 본 루미넌스 맵이다.
도 5a 내지 도 5d는 디스플레이 백라이트 유니트의 각도적인 광 분포를 묘사하는데 사용된 측정 형상 구성들이다.
<도면 부호>
10, 10': 도광판 (light guiding plate)
11: 확산 요소들 (diffuse elements)
12: 광원 (light source)
14: 종단 표면 (end surface)
16: 출력 표면 (output surface)
18: 입력 표면 (input surface)
20: 터닝 필름 (turning film)
22: 평평한 표면 (flat surface)
24: 가까운 표면 (near surface)
26: 먼 표면 (far surface)
31, 32: 확산 필름 (diffuser film)
40: 시준 필름 (collimation film)
42: 평평한 표면 (flat surface)
44: 스펙트로래디오미터 (spectroradiometer)
45: 광학 필름 (optical film)
52: 반사 필름 (reflective film)
60, 61, 62, 63a, 63b, 63c, 63d: 디스플레이 장치 (display apparatus)
64: 디스플레이 백라이트 유니트 (display backlight unit)
70: 엘씨 공간 광 모듈레이터 (LC spatial light modulator)
72: 리어 폴라라이저 (rear polarizer)
73: 프론트 폴라라이저 (front polarizer)
75: 프리즘 구조물 (prismatic structure)
80: 하프 웨이브 판 (half wave plate)
90: 프리즘 구조물들을 가진 광학 필름 (optical film with prismatic structures)
172, 173: 트랜스미션 축들 (transmission axes)
α: 정각 (apex angle)
β1: 베이스각 (base angle)
β2: 베이스각 (base angle)
n: 굴절률 (refractive index)
W: 도광판의 폭 방향 (width direction of the light guiding plate)
L: 도광판의 길이 방향 (length direction of the light guiding plate)

Claims (20)

  1. (a) 조명을 발하기 위한 광원;
    (b) 상기 조명을 도광판 속으로 보내기 위한 입력 표면, 출력 조명을 제공하기 위한 출력 표면, 상기 광 입력 표면에 수직한 길이 방향(L), 및 상기 광 입력 표면에 평행한 폭 방향(W)을 가지는 도광판; 및
    (c) 각각의 프리즘 구조물이 선택된 정각, 선택된 제 1 베이스각, 선택된 제 2 베이스각을 가지는 복수 개의 프리즘 구조물들을 포함하고, 선택된 굴절률값을 가지는 물질을 포함하는, 다양한 각도로 광을 변향하기 위한 광 변향 부재를 포함하되,
    상기 선택들은, (1)상기 광원으로부터 멀어지고 (2) 상기 광원을 향하는 상기 길이 방향에 평행한 방향들로, 그리고 (3) 상기 폭 방향에 평행한 방향으로, 60°편각(polar angle)을 따르는 광 루미넌스가 L-W 평면에 수직한 축상 방향을 따르는 광 루미넌스의 적어도 35%가 되도록 이루지며,
    프리즘 구조물들은 상기 도광판의 상기 길이 방향에 실질적으로 평행한 것을 특징으로 하는 백라이트 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 백라이트 장치는 확산 필름을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백라이트 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 프리즘 구조물들은 40° 내지 60°의 범위 내의 정각을 가지는 것을 특징으로 하는 백라이트 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 프리즘 구조물들은 둥글게 된 정각을 가지는 것을 특징으로 하는 백라이트 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 광 변향 부재는 상기 도광판과 상기 광 변향 부재의 상기 프리즘 구조물들 사이에 위치된 평평한 표면을 가지는 것을 특징으로 하는 백라이트 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 광 변향 부재는 평평한 표면을 가지고, 상기 광 변향 부재의 프리즘 구조물들은 상기 도광판과 상기 평평한 표면 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 백라이트 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 광원은 발광 다이오드 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 백라이트 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 정각은 40° 내지 65° 이거나, 20° 내지 35°인 것을 특징으로 하는 백라이트 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 필름 굴절률은 1.78 이하이고, 정각은 40° 내지 60° 이거나, 20° 내지 30°인 것을 특징으로 하는 백라이트 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 필름 굴절률은 약 1.78 이상이고, 정각은 약 56° 내지 65°이거나, 약 28° 내지 33°인 것을 특징으로 하는 백라이트 장치.
  11. (a) 조명을 발하기 위한 광원;
    (b) 상기 조명을 도광판 속으로 보내기 위한 입력 표면, 출력 조명을 제공하기 위한 출력 표면, 길이 방향(L), 및 폭 방향(W)을 가지는 도광판; 및
    (c) 각각의 프리즘 구조물이 40° 내지 60°의 범위에서 선택된 정각, 제 1 베이스각, 제 2 베이스각을 가지는 복수 개의 프리즘 구조물들을 포함하고, 선택된 굴절률을 가지는 물질을 포함하는, 광을 변향하기 위한 광 변향 부재를 포함하되,
    상기 프리즘 구조물들은 광 혼합을 향상시키기 위한 상기 도광판의 상기 길이 방향에 실질적으로 평행한 것을 특징으로 하는 백라이트 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 선택된 굴절률은 약 1.78 이하인 것을 특징으로 하는 백라이트 장치.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 선택들은, (1)상기 광원으로부터 멀어지고 (2) 상기 광원을 향하는 상기 길이 방향에 평행한 방향들로, 그리고 (3) 상기 폭 방향에 평 행한 방향으로, 60°편각을 따르는 광 루미넌스가 L-W 평면에 수직한 축상 방향을 따르는 광 루미넌스의 적어도 35%가 되도록 이루지는 것을 특징으로 하는 백라이트 장치.
  14. (a) 조명을 발하기 위한 광원;
    (b) 상기 조명을 도광판 속으로 보내기 위한 입력 표면, 출력 조명을 제공하기 위한 출력 표면, 길이 방향(L), 및 폭 방향(W)을 가지는 도광판; 및
    (c) 각각의 프리즘 구조물이 선택된 정각, 선택된 제 1 베이스각, 선택된 제 2 베이스각을 가지는 복수 개의 프리즘 구조물들을 포함하고, 1.59 내지 1.85의 범위에서 선택된 굴절률을 가지는 물질을 포함하는, 광을 변향하기 위한 광 변향 부재를 포함하되,
    상기 프리즘 구조물들은 향상된 광 혼합을 위한 상기 도광판의 상기 길이 방향에 실질적으로 평행한 것을 특징으로 하는 백라이트 장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 광 변향 부재는 광을 변향시켜, L 방향 및 W 방향으로 60°의 편각을 따르는 광 루미넌스가 상기 축상 방향을 따르는 광 루미넌스의 적어도 35%가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 백라이트 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 광원은 발광 다이오드 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 백라이트 장치.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 백라이트 장치는 확산 필름을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백라이트 장치.
  18. 액정 모듈레이터(liquid crystal modulator) 및 백라이트 장치를 포함하되,
    상기 백라이트장치는,
    (a) 조명을 발하기 위한 광원;
    (b) 상기 조명을 도광판 속으로 보내기 위한 입력 표면, 출력 조명을 제공하기 위한 출력 표면, 길이 방향(L), 및 폭 방향(W)을 가지는 도광판; 및
    (c) 각각의 프리즘 구조물이 선택된 정각, 선택된 제 1 베이스각, 선택된 제 2 베이스각을 가지는 복수 개의 프리즘 구조물들을 포함하고, 선택된 굴절률값을 가지는 물질을 포함하는, 다양한 각도로 광을 변향하기 위한 광 변향 부재를 포함하되, 상기 선택들은, (1)상기 광원으로부터 멀어지고 (2) 상기 광원을 향하는 상기 길이 방향에 평행한 방향들로, 그리고 (3) 상기 폭 방향에 평행한 방향으로, 60°편각을 따르는 광 루미넌스가 L-W 평면에 수직한 축상 방향을 따르는 광 루미넌스의 적어도 35%가 되도록 이루지며, 상기 프리즘 구조물들은 상기 도광판의 상기 길이 방향에 실질적으로 평행한 것을 특징으로 하는 전자 디스플레이.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 전자 디스플레이는 확산 필름을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 디스플레이.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 전자 디스플레이는 발광 다이오드 광원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 디스플레이.
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