KR20080060660A - 편광된 광을 제공하는 조명장치 - Google Patents

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Abstract

편광된 광을 제공하는 조명장치가 개시된다. 개시된 조명장치는 광원; 상기 광원으로부터의 광을 가이드하는 것으로, 광이 입사되는 입사면과 광이 출사되는 상부면과 상기 입사면에 대향하는 대광면을 가지며, 광이 입사되는 입사면에는 프리즘 패턴이 형성된 제1층; 상기 제1층 위에 형성된 것으로, 출사유닛이 상기 광원과 나란한 제1축에 대해 소정 각 θ를 이루는 제1방향을 따라 반복 배열된 제2층; 상기 제2층 위에 형성된 것으로, 광학적 이방성 물질로 이루어지고 굴절률 이방축이 상기 제1방향과 수직인 제2방향을 따라 형성된 제3층;을 포함하여, 상기 제2방향으로 편광된 광을 출사하는 것을 특징으로 한다.

Description

편광된 광을 제공하는 조명장치{Illuminating apparatus providing polarized light}
도 1은 종래의 편광된 광을 제공하는 조명장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 편광된 광을 제공하는 조명장치를 개략적으로 보이는 분리 사시도이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 도 2의 실시예를 다른 면에서 본 단면도이다.
도 4은 도 2의 실시예에서 θ=45°인 경우 출사광의 편광 분포를 보이는 도면이다.
도 5는 도 2의 실시예에서 θ=60°인 경우 출사광의 편광 분포를 보이는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 조명장치를 개략적으로 보이는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110,310...광원 210,330...제1층
230,350...제2층 250,370...제3층
233,353...출사유닛 290,390...확산판
212...프리즘패턴 260,340..반사부재
270,360...편광전환부재 392...베이스필름
395...비드
본 발명은 편광된 광을 제공하는 조명장치에 관한 것으로, 특히, 출사광의 편광 방향을 용이하게 다양화 할 수 있는 구조의 조명장치에 관한 것이다.
평판 디스플레이 장치에는 그 자체가 발광하여 화상을 형성하는 발광형 장치와 외부로부터 빛을 받아 화상을 형성하는 수광형 장치가 있다. 예컨대, 액정표시장치(liquid crystal display;LCD)는 수광형 평판 디스플레이 장치이다. 따라서, 액정표시장치는 별도의 광원, 예컨대, 백라이트 유닛과 같은 조명장치를 필요로 한다.
이러한 조명장치는 광원의 배치 형태에 따라서 직하형(direct light type)과 측광형(edge light type)으로 분류된다. 직하형은 액정 패널의 바로 아래에 설치된 광원이 광을 액정 패널에 직접 조사하는 방식이며, 측광형은 도광판의 측면에 광원이 배치되는 방식이다. 직하형은 광원을 넓은 면적에 자유롭고 효과적으로 배치할 수 있기 때문에 대형 디스플레이에, 측광형은 광원이 도광판의 측면에 배치되어 박형화, 소형화에 유리한 구조이므로 모니터나 휴대폰에 채용되는 중소형 디스플레이에 주로 이용된다.
현재의 액정표시장치는 광원에서 방출되는 총 광량의 약 5% 정도만을 화상을 형성하는 데 이용하고 있다. 이렇게 낮은 광이용효율은 도광판과 도광판의 상부에 배치되는 여러 광학필름들을 거치면서 발생하는 광손실과 특히 액정표시장치 내의 편광판 및 컬러 필터에서의 광흡수에 기인한다. 액정표시장치는 전기장 여하에 따라 달라지는 액정 분자의 배열상태와 이에 입사하는 광의 편광방향에 따라 광이 통과되거나 차단되는 것을 이용하여 화상을 표현하는 장치이다. 즉, 액정표시장치는 일 방향으로 직선 편광된 광만을 사용하게 되며, 이를 위하여 액정표시장치의 양면에 편광판이 구비된다. 이렇게 액정표시장치의 양면에 배치되는 편광판은 일 방향으로 편광된 광은 투과시키고 다른 방향으로 편광된 광은 흡수하는 흡수형 편광판으로서, 입사광의 약 50%를 흡수하기 때문에, 액정표시장치의 낮은 광 이용 효율의 최대 원인이 된다.
이러한 문제를 개선하기 위해, 흡수형 편광판을 대체하거나 혹은 편광판에 입사하는 대부분의 광을 액정표시장치의 배면에 배치된 배면 편광판의 편광방향과 동일한 편광방향만을 갖도록 변환시켜 광 이용 효율을 증가시키려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 예컨대, 도광판의 상면에 DBEF(dual brightness enhancement film)와 같은 다층 구조의 반사형 편광필름을 부착하여 액정표시장치의 광이용 효율을 증가시킬 수 있다. 그러나, 상기 별도의 반사형 편광필름은 고가일 뿐만 아니라, 구체적인 편광 변환 수단의 부재로 광이용 효율 증가에 한계가 있다. 따라서, 자체적으로 편광 분리 및 변환 기능을 하는 편광 도광판에 대한 집중적인 연구가 요구되고 있다.
도 1은 종래의 편광된 광을 제공하는 조명장치의 개략적인 구성을 보이는 것으로, 광원(10)과, 등방성 물질로 형성된 제1층(15), 제1층(15)의 상부에 형성된 제2층(18) 및 이방성 물질로 형성된 제3층(25)을 포함한다.
제2층(18)은 프리즘 어레이(20)를 가지는 접착제층으로 되어 있고, 제3층(25)은 입사광의 편광 방향에 따라 다른 굴절률을 가지는 이방층이다. 제3층(25)은 예를 들어, 제1편광의 광(I1)에 대해서는 상기 제1층(15)과 제2층(18)의 굴절률보다 상대적으로 큰 제1굴절률을 가지고, 제2편광의 광(I2)에 대해서는 제1층(15)과 제2층(18)의 굴절률과 거의 같은 제2굴절률을 가진다. 이로 인해 제2편광의 광(I2)은 각 층의 경계에서 굴절률의 차이를 느끼지 못하고 제1층(15)과 제2층(18)의 경계 및 제2층(18)과 제3층(25)의 경계를 굴절 없이 직진 투과하며 제3층(25)의 상면에서 전반사되므로 출사되지 못한다. 한편, 제1편광의 광(I1)은 제2층(18)과 제3층(25)의 경계인 제1면(20a)에서 굴절되며 이 때 출사각이 입사각보다 작아지므로 제2면(20b)을 향하게 된다. 그리고, 제2면(20b)에서 전반사되어 제3층(25)의 상면을 향하며, 이 때 제3층(25)의 상면에 전반사가 일어나는 임계각보다 작은 각으로 입사되므로 상부로 출사된다.
이와 같이 편광에 따른 굴절률 차이를 이용하여 편광을 분리 출사하므로 특정편광의 광만 상부로 출사시키고 상부에 배치되는 광학필름을 감소할 수 있다. 그러나 상기 구조는 디스플레이 패널의 가로축 또는 세로축과 나란한 방향의 편광만을 출사하는 구조로서 특정모드, 예를 들어 VA(Vertical Alignment)모드와 같이 상 기 축팡향과 평행한 편광방향을 가지는 모드에는 대응가능하지만, TN(Twisted Nematic) 모드와 같이 편광방향이 상기 축과 임의의 각을 가지는 모드에 대응하기 위해서는 1/4파장판과 같은 광학필름을 추가로 사용해야 한다는 단점이 있다.
본 발명은 상술한 필요성에 의해 도출된 것으로 추가적인 광학필름을 구비하지 않고 다양한 액정 모드에 대응할 수 있도록 출사광의 편광을 조절하는 것이 용이한 구조의 조명장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 조명장치는 광원; 상기 광원으로부터의 광을 가이드하는 것으로, 광이 입사되는 입사면과 광이 출사되는 상부면과 상기 입사면에 대향하는 대광면을 가지며, 광이 입사되는 입사면에는 프리즘 패턴이 형성된 제1층; 상기 제1층 위에 형성된 것으로, 출사유닛이 상기 광원과 나란한 제1축에 대해 소정 각 θ를 이루는 제1방향을 따라 반복 배열된 제2층; 상기 제2층 위에 형성된 것으로, 광학적 이방성 물질로 이루어지고 굴절률 이방축이 상기 제1방향과 수직인 제2방향을 따라 형성된 제3층;을 포함하여, 상기 제2방향으로 편광된 광을 출사하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 조명장치는 광원; 상기 광원으로부터의 광을 가이드하는 것으로, 광이 입사되는 입사면과 광이 출사되는 상부면과 상기 입사면에 대향하는 대광면을 가지는 제1층; 상기 제1층 위에 형성된 것으로, 출사유닛이 상기 제1층에서 상기 광원과 멀어지는 방향의 제1축을 따라 반복 배열된 제2층; 상 기 제2층 위에 형성된 것으로, 이방성 물질로 형성된 제3층; 상기 제3층 위에 형성된 것으로, 이방성 물질로 이루어진 베이스필름과 상기 베이스필름 위에 접착 형성되어 광을 산란시키는 비드를 구비하는 확산판;을 포함하여 상기 제1축에 대해 소정 각을 이루는 방향으로 편광된 광을 출사하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조명장치를 상세히 설명하기로 한다. 아래에 예시되는 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니며, 본 발명을 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 충분히 설명하기 위해 제공되는 것이다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 편광된 광을 제공하는 조명장치를 개략적으로 보이는 분리 사시도이고, 도 3a 및 도 3b는 도 2를 다른 면에서 본 단면도이다. 도면들을 참조하면, 조명장치는 광원(110)과 상기 광원(110)으로부터의 광을 가이드하는 제1층(210)과, 제1층(210) 위에 형성된 것으로 출사유닛(233)이 반복 배열된 제2층(230)과, 상기 제2층(230) 위에 형성된 것으로 광학적 이방성 물질로 이루어진 제3층(250)을 포함한다.
광원(110)으로는, 예를 들면, CCFL (cold cathode flurescent lamp)과 같은 선광원 또는 LED (light emitting diode)와 같은 점광원이 사용될 수 있다.
제1층(210)은 광원(110)으로부터의 광을 가이드하는 것으로 광학적 등방성 물질로 이루어지며, 광이 입사되는 입사면(210a)과 광이 출사되는 상부면(210b)과 상기 입사면(210a)에 대향하는 대광면(210c)을 가진다. 상기 입사면(210a)에는 복수의 프리즘 패턴(212)이 형성되어 있다. 프리즘 패턴(212)은 제1면(212a)과 제2면(212b)을 포함하는 형상으로 되어 있다. 제1면(212a)은 후술하는 출사유닛(233)의 길이방향(E)과 나란하게, 즉, X축과 θ의 각을 이루도록 구성된다. 프리즘 패턴(212)의 꼭지각은 2θ인 것이 바람직하다. 또한, 상기 입사면(210a)과 대광면(210c)을 연결하는 두 측면(210d)은 반사면으로 형성되는 것이 바람직하다.
제2층(230)은 광학적 등방성 물질로 이루어지며, 제2층(230)에는 출사유닛(233)이 상기 광원(110)과 나란한 제1축(Y축)에 대해 소정 각 θ를 이루는 제1방향(O)을 따라 반복 배열되어 있다. 출사유닛(233)의 길이는 상기 광원(110)으로부터 멀어지는 방향의 제2축(X축)에 대해 소정 각 θ를 이루는 제2방향(E)으로 형성되어 있다. 출사유닛(233)은 예를 들어 제3면(233a)과 제4면(233b)을 가지는 프리즘 형상의 패턴으로 이루어질 수 있다. 제2층(230)의 굴절률은 제1층(210)과 굴절률이 같거나 유사한 정도로 이루어지는 것이 바람직하다.
제3층(250)은 제2층(230) 위에 형성된 것으로 광학적 이방성 물질로 이루어진다. 즉, 제1편광을 갖는 이상광선에 대해서는 ne의 굴절률을 가지며 제2편광을 갖는 정상광선에 대해서는 no의 굴절률을 갖는다. 제3층(230)의 굴절률 이방축은 출사유닛(233)의 길이방향(E)으로 형성되어 있다. 제3층(230)의 제2편광의 광에 대한 굴절률은 제1층(210) 및 제2층(230)의 굴절률과 같거나 유사하게 이루어지며, 제1편광의 광에 대한 굴절률은 제1층(210) 및 제2층(230)의 굴절률보다 큰 값을 갖도 록 구성된다.
제1층(210)의 하부면에는 반사부재(260)가 마련될 수 있고, 대광면(210c)에는 편광전환부재(270)가 더 마련될 수 있다. 또한, 제3층(250)의 상부에는 출사광의 분포를 균일하게 하는 확산판(290)이 마련될 수 있다.
상기 구조의 조명장치가 편광된 광을 출사하는 과정은 다음과 같다. 광원(110)에서 조사된 광은 프리즘 패턴(212)의 제1면(212a) 또는 제2면(212b)을 굴절 투과하며 각 면의 법선에 대해 임계각 이하의 각 분포를 가지며 제1층(210)에 입사한다. 제1면(212a)을 투과한 광은 개략적으로 경로 A를 따른다. 도 3a를 참조하면,경로 A의 광 중 제1편광의 광(I1)은 출사유닛(233)의 제3면(233a)에서 제4면(233b)을 향하여 굴절되고, 제4면(233b)에서 전반사되어 상부를 향한다. 제2편광의 광(I2)은 각 층의 경계를 굴절없이 투과하고 제3층(250)의 상면에 임계각보다 큰 각으로 입사되어 전반사된다. 제2면(212b)을 투과한 광은 개략적으로 경로 B를 따른다. 도 3b를 참조하면, 경로 B의 광 중 제1편광의 광(I1)은 제1면(233a) 또는 제2면(233b)에서 굴절된 후 바로 제3층(250)의 상면을 향하며, 제3층(250)의 상면에서 전반사된다. 또한, 제2편광의 광(I2)은 각 층의 경계를 굴절없이 투과하고 제3층(250)의 상면에서 전반사되므로 상부로 출사되지 못한다. 상기 경로 B를 따르는 광은 제1층(210)의 측면(210d)에서 반사된 후에는 경로 B'을 따르며, 프리즘 패턴(212)의 꼭지각이 2θ인 경우 상기 경로 B'은 경로 A와 일치하므로 도 3a에 도시된 바와 같이 제1편광의 광과 제2편광의 광이 분리되며 제1편광의 광이 상부로 출 사된다. 상부로 출사되지 못한 제2편광의 광은 제1층(210)의 내부를 진행하다가 편광전환부재(270)에 의해 제1편광으로 편광방향이 바뀌게 되면 상부로 출사된다.
도 4 및 도 5는 각각 도 2의 실시예에서 θ=45°인 경우 및 θ=60°인 경우 에 대해 출사광의 편광 분포를 보이는 도면이다. 각각은 출사유닛(230)의 길이방향의 편광의 광을 출사하고 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 조명장치를 보인다. 도면을 참조하면, 조명장치는 광원(310)과, 상기 광원(310)으로부터의 광을 가이드하는 제1층(330)과, 제1층(330) 위에 형성되고 반복 배열된 출사유닛(353)을 구비하는 제2층(350)과, 상기 제2층(350) 위에 이방성 물질로 형성된 제3층(370)과, 상기 제3층(370) 위에 형성된 확산판(390)을 포함한다.
본 실시예는 제3층(370)을 통하여 광원(310)과 나란한 방향(Y축)의 편광의 광이 출사되고, 확산판(390)이 위상 지연 특성을 갖도록 하여 확산판(390)에 의해 광이 고른 휘도 분포로 확산되면서 또한 편광 방향이 바뀌도록 하는 점에 그 특징이 있다. 이를 위하여 제2층(350)에는 길이가 Y축과 나란하게 형성된 출사유닛(353)이 X축 방향으로 반복 배열되어 있다. 또한, 확산판(390)은 이방성물질로 이루어진 베이스필름(392)과 상기 베이스필름(392) 위에 접착 형성된 것으로 광을 산란시키는 복수의 비드(395)를 포함한다. 베이스필름(392)은 광학적 이방성 물질로 이루어져 특정 편광의 광의 위상을 지연시킴으로서 편광을 변화시킨다. 베이스필름(392)의 굴절률 이방축이나 두께(d)는 확산판(390)에 입사하는 광의 편광과 최종 출사하고자 하는 광의 편광을 고려하여 적절히 결정된다.
제1층(330)의 하부면에는 반사부재(340)가 마련될 수 있으며, 제1층(330)의 일측에는 편광전환부재(360)가 더 마련될 수 있다.
상기 출사유닛(353)을 가지는 제2층(350)과 이방성물질로 된 제3층(370)에 의해 Y축 방향의 편광을 갖는 광이 제3층(370)으로부터 출사되는 것은 전술한 바와 같다. 또한, 확산판(390)은 베이스필름(392)을 이방성물질로 구성하고 이방축 및 두께를 적절히 선택함으로써 제3층(370)에서 출사된 광의 편광이 확산판(390)을 통과한 후 임의의 방향으로 바뀌게 할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 조명장치는 입사면의 패턴 형상, 출사유닛의 배열 및 굴절률 이방축 방향을 적절히 선택하여 상부로 출사되는 광의 편광 방향을 용이하게 결정할 수 있는 구조이다. 또한, 본 발명에 따른 조명장치는 확산판의 베이스필름을 특정 편광의 위상을 지연시킬 수 있는 이방성 물질로 구성함으로써 상부로 출사되는 광의 편광 방향을 조절한다. 따라서, 다양한 액정 모드에 대응 가능한 구조이며, 광손실이 적어 고휘도의 광을 제공할 수 있다.
이러한 본원 발명인 조명장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 광원;
    상기 광원으로부터의 광을 가이드하는 것으로, 광이 입사되는 입사면과 광이 출사되는 상부면과 상기 입사면에 대향하는 대광면을 가지며, 광이 입사되는 입사면에는 프리즘 패턴이 형성된 제1층;
    상기 제1층 위에 형성된 것으로, 출사유닛이 상기 광원과 나란한 제1축에 대해 소정 각 θ를 이루는 제1방향을 따라 반복 배열된 제2층;
    상기 제2층 위에 형성된 것으로, 광학적 이방성 물질로 이루어지고 굴절률 이방축이 상기 제1방향과 수직인 제2방향을 따라 형성된 제3층;을 포함하여,
    상기 제2방향으로 편광된 광을 출사하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프리즘 패턴은 상기 제1축에 대해 90°-θ 만큼 기울어진 면을 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 프리즘 패턴의 꼭지각 크기는 2θ인 것을 특징으로 하는 조명장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 출사유닛은 프리즘 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 조명장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입사면과 상기 대광면을 연결하는 측면은 반사면인 것을 특징으로 하는 조명장치.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1층의 하부면에는 반사부재가 마련되는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 대광면에는 편광전환부재가 마련되는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3층의 상부에는 확산판이 마련되는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  9. 광원과;
    상기 광원으로부터의 광을 가이드하는 것으로, 광이 입사되는 입사면과 광이 출사되는 상부면과 상기 입사면에 대향하는 대광면을 가지는 제1층;
    상기 제1층 위에 형성된 것으로, 출사유닛이 상기 광원으로부터 멀어지는 방 향의 제1축을 따라 반복 배열된 제2층;
    상기 제2층 위에 형성된 것으로, 이방성 물질로 형성된 제3층;
    상기 제3층 위에 형성된 것으로,
    이방성 물질로 이루어진 베이스필름과 상기 베이스필름 위에 접착 형성되어 광을 산란시키는 비드를 구비하는 확산판;을 포함하여 상기 제1축에 대해 소정 각을 이루는 방향으로 편광된 광을 출사하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 출사유닛은 프리즘 형상으로 구성된 것을 특징으로 하는 조명장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1층의 하부면에는 반사부재가 마련되는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1층의 일측에는 편광전환부재가 마련되는 것을 특징으로 하는 조명장치.
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