KR20080063815A - 선형적으로 감소된 발산을 갖는 백라이트 유닛 - Google Patents

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KR20080063815A
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이준원
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Abstract

본 발명은 디스플레이 장치에 있어서, a) 광원; b) 상기 광원으로부터의 광을 2차원 광 제공 표면으로부터 바깥쪽으로 전달하되, 상기 광 제공 표면의 일 차원은 상기 광원으로부터의 입사광의 경로에 수직한 폭 방향으로 정의되고, 상기 광 제공 표면의 다른 차원은 상기 폭 방향에 수직한 길이 방향으로 정의되는 도광판; c) 상기 광 제공 표면으로부터의 광의 발산을 상기 폭 방향에 대하여 우세하게 감소시켜 선형적으로 발산 감소된 조사를 제공하되, 이에 의해 반폭치(full-width half-maximum)에서의 상기 폭 방향으로의 발산이 반폭치에서의 상기 길이 방향으로의 발산의 약 50%보다 작게 되는 선형 발산 감소 표면; d) 상기 선형적으로 발산 감소된 광을 변조하여(modulating) 이미지 데이터에 따라 변조된 광을 형성하기 위한 액정 디스플레이 구성요소; 및 e) 상기 변조된 광의 경로 상의 확산 표면을 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것이다.
Figure P1020087010609
디스플레이, 광, 발산, 감소, 구조물

Description

선형적으로 감소된 발산을 갖는 백라이트 유닛{BACKLIGHT UNIT WITH LINEARLY REDUCED DIVERGENCE}
본 발명은 일반적으로 랩탑 LCD 디스플레이들과 같은, 후광식 디스플레이 장치들과 더불어 사용되기 위한 백라이트 조명 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제공된 조명의 각발산(angular divergence)을 조정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
LCD 디스플레이들은 CRT 모니터들에 대하여 소형이고 경량인 대안을 제안하고, 휘도의 낮은 레벨, 더욱 적절하게는 루미넌스(luminance)로 인해 LCD 디스플레이들이 불만족스러운 것에 대한 많은 적용들이 존재한다. 종래의 랩탑 컴퓨터 디스플레이들에 사용된 투과형 LCD는 LCD쪽을 향하여, 바깥쪽으로 광을 배향하기 위한 LCD 후면에 위치된 광 제공 표면을 갖는, 후광식 디스플레이의 한 형태이다. 광 제공 표면 그 자체는 본래 램버시안(Lambertian)인, 즉, 광범위한 각들에 걸쳐 본래 일정한 루미넌스를 갖는, 조사를 제공한다. 축상(on-axis) 및 축 근처(near-axis) 루미넌스를 증가시키는 목적과 더불어, 많은 휘도 향상 필름들은 디스플레이 표면에 대한, 법선을 향하여 램버시안 분포를 갖는 이런 광의 일부를 재배향하기 위한, 따라서 이런 조사에 대한 몇몇의 광의 감소된 각발산의 측정을 제공하기 위하여 제 안되어 왔다. LCD 디스플레이들 및 후광식 디스플레이 형태들 중 다른 형태들과 함께 사용하기 위한 휘도 또는 루미넌스 향상을 위하여 다양하게 제안된 해결책들은 개시되어 왔다.
미국 특허 제5,592,332호(Nishio 등)는 LCD 디스플레이 장치에서 광의 각 범위를 조정하기 위한 두 개의 교차된 렌즈 모양의 렌즈 표면들의 사용을 개시한다. 미국 특허 제5,611,611호(Ogino 등)는 원하는 광 발산 및 루미넌스를 획득하기 위한 프레넬(Fresnel) 및 렌즈 모양의 렌즈 시트들의 조합을 사용하는 후면 프로젝션 디스플레이(projection display)를 개시한다. 미국 특허 제6,111,696호(Allen 등)는 디스플레이 또는 조명 고정물에 대한 휘도 향상 필름을 개시한다. 조사 광원(illumination source)을 대면하는 필름의 표면은 매끄럽다; 반대편의 표면은 조사각을 재배향하기 위하여, 삼각 프리즘들과 같은, 일련의 구조물들을 갖는다. 필름은 더 좁아진 각들에서 광을 배향하기 위한 보상(compensation)의 정도를 제공하기 위한 축외(off-axis) 광을 굴절시킨다. 그러나, 이런 필름 설계는 축외 광을 재배향하기 위하여 최상으로 작동한다; 필름 표면에 수직인 입사 광은 전달되기보다, 광원을 향하여 후방으로 반사될 수 있다.
미국 특허 제5,629,784호(Abileah 등)는 프리즘 시트가 반사 형태의 LCD 디스플레의 색상 균일성, 휘도 및 콘트라스트 비율을 향상시키는 데에 채용되는 곳에서 다양한 실시예들을 개시한다. 휘도 향상 필름은 감소된 주변광(ambient light) 효과들뿐 아니라 향상된 루미넌스를 제공하기 위한 반사된 광의 광원을 대면하는 그것의 구조화된 표면과 함께 배열된다. 이런 구성요소는 반사 이미지화 장 치(reflective imaging device)와 함께 사용되기 때문에, 프리즘 시트는 투과형 LCD 시스템들에서 사용된 위치(즉, 광원과 LCD 사이)에서보다 시청자와 LCD 표면 사이에 위치된다. 미국 공개 특허 제2001/0053075호(Parker 등)는 프리즘들 및 다른 구조물들을 포함하면서, LCD 디스플레이들을 위한 광 재배향 필름들에 사용된 다양한 형태들의 표면 구조물들을 개시한다. 미국 특허 제5,887,964호(Higuchi 등)는 LCD 디스플레이에서 향상된 백라이트 전달 및 루미넌스를 위한 각각의 표면을 따라 연장된 프리즘 구조물들을 갖는 투명한 프리즘 시트를 개시한다. 그러나, 많은 축상 광은 이런 배열들과 함께 전달되기보다 반사된다. 배열은 단지 작고, 손에 들고 쓰는 디스플레이들을 위하여 사용가능하고, 램버시안 광원을 사용하지 않는다.
미국 특허 제6,356,391호(Gardiner 등)는 프리즘들이 상이한 치수들을 가질 수 있는, 프리즘들의 배열을 사용하여, LCD 디스플레이에서 광을 재배향하기 위한 한 쌍의 광학 터닝 필름을 개시한다. 미국 특허 제6,280,063호(Fong 등)는 뭉뚝하거나(blunted) 둥근(rounded) 피크들을 갖는 필름의 하나의 면상에 프리즘 구조물들을 갖는 휘도 향상 필름을 개시한다. 미국 특허 제6,277,471호(Tang)는 구부러진 면들을 갖는 복수 개의 일반적으로 삼각 프리즘 구조물들을 갖는 휘도 향상 필름을 개시한다. 미국 특허 제5,917,664호(O'Neill 등)는 종래의 필름 형태들과 비교하여 "부드러운" 컷오프(cutoff) 각들을 갖고 이에 대하여 시야각이 증가함에 따라 루미넌스 변경을 완화시키는 휘도 향상 필름을 개시한다. 미국 특허 제5,839,823호(Hou 등)은 마이크로프리즘들의 배열을 사용하여, 비-램버시안 광원에 대한 광 재활용을 갖는 조사 시스템을 개시한다. 미국 특허 제5,396,350호(Beeson 등)는 열이 문제일 수 있고 상대적으로 비균일한 광 출사가 용인될 수 있는 조사 장치에서 광 재배향을 위한 광원에 접촉하는 마이크로프리즘들의 배열을 채용하는, 광 재활용 구조체들을 갖는 백라이트 장치를 개시한다.
도 1은 종래 기술의 해결책의 한 형태, 광원(18)으로부터의 제공된 광을 향상시키기 위한 휘도 향상 필름(10)을 도시한다. 휘도 향상 필름(10)은 반사 표면(19)을 포함하는 도광판(14; LGP)을 향하여 대면하는 매끄러운 면(12), 및 LCD 구성 요소(20)를 대면하는 프리즘 구조물의 열을 갖는다. 미국 특허 제6,111,696호 및 제5,629,784호(모두 상기에 열거됨)에서와 제5,944,405호(Takeuchi 등)에서 개시된 것 같은, 이런 배열은 축외 광선들의 굴절에 의해 축상 루미넌스를 향상시키키고 법선 광학 축에 더 근접하는 이런 광의 일부를 배향하고, 이어서 약간 시준된 조사를 제공하면서 일반적으로 잘 작동한다. 도 1에 도시된 대로, 축외 광선들(R1)은 법선을 향하여 굴절된다. 그러나, 내부 전 반사(TIR)로 인해, 축 근처 광선(R3)은 더 극한의 각에서 법선으로부터 떨어져 굴절될 수 있다는 것이 언급되는 것이 유익하다. 게다가, 축외 광선(R4)은 LCD 구성요소(20)를 향하여 배향되는 것보다 반사 표면(19)으로부터 반사 및 확산을 위한 도광판(14)을 향하여 뒤로 반사될 수 있다. 연속적으로 개시된 대로, 도광판(14)으로 되돌아가는 축상 광의 적어도 일부의 반사 및 근처 축 광의 굴절은 시야각에 대하여 조사 루미넌스를 조정하기 위하여 작동한다. 반사 표면(19) 및 도광판(14)의 작동으로써, 휘도 향상 필름(10)으로부터 뒤로 반사된 광의 일부는 결국 확산되고, 다시 일반적으로 법선 각에서 LCD 구성요소를 향하여 바깥쪽으로 배향된다. 물론, 반사 표면(19)의 비효율성으로 인해, 다중 반사들 후에 약간의 광의 손실이 있다.
이어서, 휘도 향상 필름(10)의 목적은 도광판(14)으로부터 큰 각 범위에 걸쳐서 제공된 광을 재배향하는 것이어서, 그것이 LCD 구성요소(20)로 제공하는 더 많은 출사 광은 몇 도의 시준을 제공함으로써 광 방향을 향상시키면서, 법선을 향하여 배향되는 것이다. 이런 것을 함으로써, 휘도 향상 필름(10)은 일직선 상, 즉, 디스플레이 표면에 대한 법선에서 관찰될 때 뿐 아니라, 경사진 각들로부터 관찰될 때 디스플레이 루미넌스를 향상시키는 것을 돕는다.
축상 루미넌스를 향상시키고 더 많은 균일한 광 표면을 제공하는 것이 유익하게 고려되는 반면에, 향상된 백라이트 조사를 제공하기 위한 추가된 고려사항들이 있다. LCD 표면에 대한 법선보다 다른 입사 각들에서의, 축외 조사는, 다양한 방법들에서 이미지 품질을 일치시킨다. LC 장치의 광-각 종속은 도 2a 및 도 2b에서 도시되고, 법선 입사에서의 광은 후면 폴라라이저(polarizer)(202)를 통하고, 이어서 픽셀 상태(pixel state)에 따라 그것의 편광이 변조되는 것을 걸쳐서, LC 레이어(layer)(200)에서 거리(d)를 통하여 전달된다. 이어서 조사(ilumination)는 전면 폴라라이저(204)를 통해 관찰된다. 도 2b에서 도시된 대로, 축외 광은, 동일한 구성요소들을 통하여 지나지만, 도시된 대로, 거리(d')에 걸쳐서 변조된다. LC 장치의 형태 및 각(θ)에 종속하는, 약간의 상이한 광학 위상 지연체(optical phase retardation)는 축외 광에 적용된다. 더욱이, LC 물질들의 휘도로 인해, 상이한 굴절률들은 상이한 편광 상태들의 광에 적용된다. 이런 거동은 상이한 시야각 들에 걸쳐 색상 이동들을 유발한다. 게다가, 축외 조사의 이런 처리(treatment)는 또한 전체적인 LC 장치의 그레이스케일 해상도(grayscale resolution)를 감소시키고 광을 빗나가게(stray) 하는 것으로 인해 콘트라스트를 경감시킬 수 있다. 이런 거동은 종래의 트위스팅된-네메틱(twisted-nematic) TN LCD 구성요소들과 함께 특히 두드러질 수 있다.
광학 컴펜세이터들은 축외 광을 처리하는 데에 이런 차이점을 보상하기 위하여 하나의 해결책을 제공한다. 도 3을 참조하여, 지지하는 컴펜세이터들(compensators;210, 212) 및 폴라라이저들(202, 204)과 함께, LC 구성요소(20)로서 TN LCD 장치를 사용하는 디스플레이 장치(100)가 도시된다. 그것의 구조물에 의하면, 컴펜세이터(210, 212)는 일반적으로 이들 광 방향들의 일부의 공간적인 배향을 기하학적으로 반사함(mirroring)으로써, LC 모듈레이터(modulator)에서 광 방향들의 양의 복굴절을 방해하기 위하여 작용하는 디스코틱(discotic) LC 요소들을 사용한다. 작동에서, 광학 컴펜세이터(210, 212)는, 도 3에서의 TN LCD 모듈레이터에 도시된, LCD 구성요소의 양의 복굴절을 오프셋하기(offset) 위하여 보상하는 음의 복굴절을 제공한다. 종래의 TN 장치와 함께, 두 개의 컴펜세이터(210, 212) 필름들은 LCD의 각각의 면 상의 하나로 사용된다. 이러한 배열을 사용하여, 콘트라스트(contrast)는 시야각들의 범위에 걸쳐서 두드러지게 향상될 수 있다.
LCD 디스플레이들은 초기에 도입된 이래로, LC 기술에서 다양한 향상들이 있어져 왔다. LCD의 세로 방향으로 정렬된(VA) 형태는 넓은 시야 각들에 걸쳐서 향상된 성능을 제공하기 위하여 도시되어 왔다. VA 형태 LCD로의 보상 필름의 추가는 콘트라스트에서의 현저한 향상을 산출한다. 비교하면, 도 4a 내지 도 4d는 하기의 구성들에 대한 ISO 콘트라스트 플롯들을 도시한다.
도 4a는 도 4a 및 도 4b 모두에 적용되는 범례와 함께, 보상없는 TN LCD를 위한 ISO 콘트라스트 플롯을 도시한다.
도 4b는 보상있는 TN LCD를 위한 ISO 콘트라스트 플롯을 도시한다.
도 4c는 도 4c 및 도 4d 모두에 적용되는 범례와 함께, 보상없는 VA LCD를 위한 ISO 콘트라스트 플롯을 도시한다.
도 4d는 보상있는 VA LCD를 위한 ISO 콘트라스트 플롯을 도시한다.
LCD의 더 많은 최근 형태들은 향상들을 더 제공한다. 그것의 이름이 내포된 대로, 광학 보상 복굴절(optically compensated birefringence; OCB) LCD는 고유의 복굴절을 위하여 내장된 보상의 측정을 제공하고, 따라서 많은 적용들에서 컴펜세이터를 요구하지 않는다. 비교하면, 도 5a 및 도 b는 개별적으로, 보상이 없고 보상이 있는 OCB LCD들에 대한 ISO 콘트라스트를 도시한다.
다른 최근의 발전인, 각각 픽셀에 대한 측면 전자장을 사용하는, 인-플레인 스위치(in-plane switching; IPS) LCD는 콘트라스트와 색상에서 감소된 시야각에 관련된 차이점들을 유발하면서, 크리스탈 배향의 더 균일한 방향 제어를 제공한다. 도 15a 및 도 15b는 개별적으로, 보상이 없고 보상이 있는 IPS LCD에 대한 ISO 콘트라스트 플롯들을 도시한다. 도 15b에서, 제1 곡선(66)은 250의 콘트라스트 레벨을 나타낸다. 제2 곡선(68)은 200의 콘트라스트 레벨을 나타낸다. 도 17은 IPS LCD의 콘트라스트 프로파일을 도시한다.
도 4a 내지 도 4d에 도시된 대로, 이전의 LCD의 TN 및 VA 형태들을 갖는, 컴펜세이터 필름의 몇몇 형태는 넓은 시야각들에 걸쳐서 성능을 향상시키기 위하여 일반적으로 요구되었다. 더 최근에 발전된 OCB 및 IPS LCD들을 갖는, 컴펜세이터 필름들은 여전히 사용될 수 있다; 그러나, OCB 및 IPS 장치들과 함께, 컴펜세이터들에 의해 제공된 성능 향상들은 이들 추가적인 필름들로 인해 광 손실 및 비용의 불이익에 의해 오프셋될 수 있다. 컴펜세이션 필름의 요구없이, 이들 장치들을 사용할 때 향상된 콘트라스트를 제공하기 위하는 것이 바람직할 것이다.
컴펜세이션 필름에 대한 필요를 최소화하거나 제거하기 위한 하나의 방법은 입사 조사의 각을 감소시키는 것이다. 조사의 각 발산을 감소시키는 것은 변조된 광의 색상 특성들 및 더 양호한 콘트라스트를 산출한다. 어떠한 방위각 방향에서 법선 방향으로부터 상대적으로 작은 발산 각을 갖는, 완전히 시준된 광은 이상적일 것이다. 그러나, 도광판(14; 도 1) 상의 어떠한 지점으로부터 완전히 시준된 광을 제공하는 것은 유익할 것인 반면에, 이는 달성하기 어렵다는 것을 증명한다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c를 참조하여, LC 디스플레이에 대한 조명 구성요소들의 개별적인 사시도, 측면도 및 평면도가 도시된다. 두 개의 방위각 방향들은 정의된다: 광원(18)에 평행한 x, 수직인 y. 도광판(14)의 표면은 참조 x,y 평면에 있다. 여기에서, 광원(18)은 냉음극 형광 램프(cold-cathode fluorescent light; CCFL) 또는 높이(
Figure 112008031495105-PCT00001
) 및 길이(
Figure 112008031495105-PCT00002
)를 갖는, 유사한 구성요소이다.
y에서의 에텐듀(etendue)의 고려사항들로부터, y 방향을 따라 감소된 각발산을 제공하는 것이 가능할 수 있다는 것이 보여질 수 있다. 일반적인 경우에서, 에 텐듀(E)는 수학식 1을 사용하여 정의된다:
[수학식 1]
Figure 112008031495105-PCT00003
여기에서 A는 광선이 전달하는 것에 걸쳐지는 영역이고, Ω는 광선 발산 각이다. 에텐듀가 광학 시스템을 통하여 증가해야 하기 때문에, 하기의 관계는 도광판을 사용하는 장치에 지속된다:
[수학식 2]
Figure 112008031495105-PCT00004
여기에서
Figure 112008031495105-PCT00005
는 CCFL로부터 광선의 y를 따르는 발산 각이고
Figure 112008031495105-PCT00006
는 도광판으로부터 y를 따르는 발산 각이다.
실제에서,
Figure 112008031495105-PCT00007
의 값은
Figure 112008031495105-PCT00008
의 값보다 훨씬 더 크기에
Figure 112008031495105-PCT00009
를 갖는 백라이트 디자인을 고안하는 것이 가능할 수 있다. 이런 관계들은 y에서의 조사가 넓은 각들에 걸쳐서 발산되지 않는다는 것을 내포한다. 그러나 이런 상태는 x 방향에서와 같이 지속되지 않는다. 대신에,
Figure 112008031495105-PCT00010
및
Figure 112008031495105-PCT00011
는 치수 상에서 근접하기 때문에, x-방향을 따르는 양호한 발산 감소를 제공하는 것이 어려울 수 있을 것이다. 에텐듀에 대하여, 수학식 2의 에텐듀와 유사한 관계는 이런 경우에서 지속된다.
[수학식 3]
Figure 112008031495105-PCT00012
여기에서
Figure 112008031495105-PCT00013
는 CCFL로부터 광선의 x를 따르는 발산 각이고
Figure 112008031495105-PCT00014
는 LGP로부터 x를 따르는 발산 각이다.
Figure 112008031495105-PCT00015
가
Figure 112008031495105-PCT00016
보다 훨씬 더 작은 것을 허용할 수 있는, 즉,
Figure 112008031495105-PCT00017
및
Figure 112008031495105-PCT00018
가 치수 상에서 근접하다면 우수한 발산 감소를 제공할 수 있는 백라이팅 장치를 설계하는 것이 어렵다. 이는 시준되거나, 더 일반적으로, x 및 y축들 모두에 대하여 감소된 발산에서의 조사를 제공하는 것을 어렵고 비효율적으로 만든다. 따라서, x 및 y축들 모두를 따르는 감소된 발산에서 광을 획득하는 것이 어렵기 때문에, 종래의 디자인들은 일반적으로 보상 필름 또는 콘트라스트 향상에 보조로서 유사한 컴펜세이터 구성요소를 채용한다.
따라서, 후광식 디스플레이들에 대한 유익한 각들에서 조사를 제공하고, 전체의 광 효율에 대하여 현저하게 절충되지 않고, 보상 필름을 요구하지 않는, 백라이팅 해결책에 대한 필요가 존재하는 것이 보여질 수 있다.
본 발명의 백라이트 유닛은 보상 필름들과 같은 구성요소들을 지지하는 더 높은 비용에 대한 요구조건 없이 LC 디스플레이들의 향상된 색상 성능 및 증가된 콘트라스트에 대한 필요를 처리한다.
본 발명은 디스플레이 장치에 있어서,
a) 광원;
b) 상기 광원으로부터의 광을 2차원 광 제공 표면으로부터 바깥쪽으로 전달하되, 상기 광 제공 표면의 일 차원은 상기 광원으로부터의 입사광의 경로에 수직한 폭 방향으로 정의되고, 상기 광 제공 표면의 다른 차원은 상기 폭 방향에 수직한 길이 방향으로 정의되는 도광판;
c) 상기 광 제공 표면으로부터의 광의 발산을 상기 폭 방향에 대하여 우세하게 감소시켜 선형적으로 발산 감소된 조사를 제공하되, 이에 의해 반폭치(full-width half-maximum)에서의 상기 폭 방향으로의 발산이 반폭치에서의 상기 길이 방향으로의 발산의 약 50%보다 작게 되는 선형 발산 감소 표면;
d) 상기 선형적으로 발산 감소된 광을 변조하여(modulating) 이미지 데이터에 따라 변조된 광을 형성하기 위한 액정 디스플레이 구성요소; 및
e) 상기 변조된 광의 경로 상의 확산 표면을 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다.
하나의 실시예에서, 상기 선형 발산 감소 표면은 복수 개의 광 발산 감소 구조물들로 구조화된 필름 기판을 포함하되, 각광 발산 감소 구조물은 상기 광 제공 표면을 따라 상기 길이 방향으로 길이 방향 연장되고, 각광 발산 감소 구조물은,
a) 상기 광 제공 표면에 광학적으로 결합된 입사 개구;
b) 상기 입사 개구로부터의 말단에 위치하며, 상기 입사 개구의 표면 영역보다 더 큰 표면 영역을 갖는 출사 개구; 및
c) 상기 출사 개구와 상기 입사 개구 사이에 위치하고, 길이 방향을 따라 연장된 한 쌍의 만곡된 측벽들을 포함하되,
상기 폭 방향에 대하여 수직으로 절취된 단면에서, 상기 만곡된 측벽들은 포물선의 형상이다.
다른 실시예에서, 액정 디스플레이 구성요소는 입사광에 대한 비대칭 응답을 보여주어, 법선 입사에서의 광에 대하여, 선형 발산 감소 표면의 폭 방향에 대한 액정 디스플레이 구성요소로부터의 변조된 광의 루미넌스(luminance)가 반폭치에서의 10도보다 큰 만큼, 선형 발산 감소 표면의 길이 방향에 대한 액정 디스플레이 구성요소의 변조된 광의 루미넌스와 상이하게 한다. 하나의 실시예에서 출사 개구의 폭은 광 발산 감소 구조물의 길이에 걸쳐서 변경한다.
본 발명의 선형 발산 감소 장치 및 방법은 특히 컴펜세이터에 대한 필요를 최소화하면서, OCB 또는 IPS LCD에 의해 제공된 콘트라스트 및 색상을 향상시킨다.
본 명세서는 본 발명의 내용을 구체적으로 지적하고, 명백하게 청구하는 청구항들로 종료되는 동시에, 본 발명은 첨부된 도면들과 함께 결합된 때, 다음의 상세한 설명으로부터 용이하게 이해될 것이라고 믿어진다:
도 1은 LCD 디스플레이와 함께 사용된 종래 기술의 휘도 향상 필름의 거동을도시하는 단면도이다.
도 2a는 법선 시야각에서 보여진 LC 장치를 도시하는 단면 개략도이다.
도 2b는 축외 시야각에서 보여진 LC 장치를 도시하는 단면 개략도이다.
도 3은 LCD 디스플레이 장치의 다양한 적층 구성요소들을 도시하는 측면 개 략도이다.
도 4a 및 도 4b는 컴펜세이터(compensator)의 유무에 따른 TN LCD에 대한 ISO 콘트라스트 폴롯들을 도시한다.
도 4c 및 도 4d는 컴펜세이터의 유무에 따른 VN LCD에 대한 ISO 콘트라스트 폴롯들을 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 컴펜세이터의 유무에 따른 OCB LCD에 대한 ISO 콘트라스트 폴롯들을 도시한다.
도 6a는 조사 장치의 구성요소들의 중요한 치수 및 형상을 도시하는 사시도이다.
도 6b 및 6c는 도 6a의 조사 장치의 구성요소들의, 개별적으로, 측면도 및 평면도이다.
도 7은 선형 발산 감소 필름에서의 광 발산 감소 구조물의 단면도이다.
도 8a는 선형 발산 감소 필름의 상이한 실시예들의 광 처리 거동을 도시하는 단면도이다.
도 9는 선형 발산 감소 필름을 사용하는 조사 시스템의 사시도이다.
도 10은 선형 발산 감소 필름을 사용하는 디스플레이 장치의 사시도이다.
도 11은 선형 발산 감소 필름을 사용하는 디스플레이 장치의 측면도이다.
도 12는 터닝 필름 구성요소들 내에서의 중요한 형상 관계들의 확대 측면도이다.
도 13은 도광판의 일부 및 광원을 도시하는 확대 측면도이다.
도 14는 터닝 필름 구성요소들 내에서의 중요한 형상 관계들의 확대 측면도이다.
도 15a 및 도 15b는 컴펜세이터의 유무에 따른 IPS LCD에 대한 ISO 콘트라스트 플롯들을 개시한다.
도 16은 본 발명의 선형적으로 감소된 발산 백라이트 유닛이 루미넌스 프로파일을 도시하는 그래프이다.
도 17은 IPS LCD의 콘트라스트 프로파일을 도시한다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 선형 발산 감소 필름(Linear divergence reduction film)
12 매끄러운 면(Smooth side)
14 도광판(Light guiding plate)
16 프리즘 구조물(Prismatic structures)
18 광원(Light source)
19 반사 표면(Reflective surface)
20 LCD 구성요소(LCD component)
22, 24 반사 표면(Reflective surface)
30 선형 발산 감소 필름(Linear divergence reduction film)
32 광 발산 감소 구조물(Light divergence reduction structure)
33 입사 개구(Input aperture)
34 입사 표면(Input surface)
35 출사 개구(Output aperture)
36 출사 표면(Output surface)
38 측벽(Side wall)
40 디퓨저(Diffuser)
44 입사 표면(Input surface)
45 그루브(Groove)
48 교점(Crossing point)
54 도광판(Light guiding plate)
58 조사 시스템(Illumination system)
60 디스플레이 장치(Display apparatus)
62, 64, 66, 68 곡선(Curve)
100 디스플레이 장치(Display apparatus)
110, 120 축(Axis)
200 액정 레이어(LC layer)
202, 204 폴라라이저(Polarizer)
210, 212 컴펜세이터(Compensator)
H 높이(Height)
W 폭(Width)
K 피치(Pitch)
L 길이(Length)
R 광선(Ray)
상기에 주어진 배경기술 부분에서 개시된 대로, 백라이트 유닛으로부터의, x 및 y방향들 모두로 잘 시준된 광을 제공하는 것은 어렵다. 이는 종래의 LC 소자들과 함께 백라이트 시준(backlight collimation)을 위한 효율적인 해결책들의 발전을 방해하여(hampered) 왔다. 그러나, x 및 y 방향들로 잘-시준된 광을 제공하는 것이 꽤 시도되고 있는 반면에, 우수한 레벨들의 발산 감소는 y 방향에서 획득되어질 수 있다. 반면에, LC 셀(cell)들의 특정한 형태(type)들은 하나의 방향으로 더 큰 시야각과 함께 발전되어 왔다. 상기에 주어진 배경기술 부분에서 언급된 대로, 최근에 도입된 IPS 및 OCB LCD들, 및 VA LCD들의 몇몇 형태들의 가능(possibly)은 이러한 거동(behavior)을 보여준다. 예를 들어, IPS 형태 LC들은 다른 방향들에서는 더 열악한 콘트라스트(contrast)를 갖고, 0 및 90도 방향들에서 더 높은 콘트라스트를 갖는다. 이어서, 본 발명은 선형적으로 연장된 파라볼릭 리플렉터(parabolic reflector)들을 사용하여 발산 감소를 보여주는 y방향에서의 광을 제공하면서, 이런 편향된(biased) 응답을 도시하는 LC들을 위한 발산 감소를 위한 신규한 전략을 적용한다.
파라볼릭 리플렉터들은 축을 따르는 전자기 에너지를 모으거나 전달하기 위하여 다양한 형태들의 적용들에서 잘 알려져 있다. 실내 조명 적용(room lighting application)들에서, 예를 들어, 포물선 형상에 근접하는 형상의 리플렉터들 및 파라볼릭 리플렉터들은, 일반적으로 하나의 방향에서, 광을 모으거나 바깥쪽으로 배향하기 위하여 램프 또는 광원 주위에 위치된다. 축을 따르는 광의 최적의 포물선 반사를 위하여, 광원은 파라볼릭 리플렉터의 초점에 위치되어야 한다.
컴파운드 파라볼릭 콘센트레이터(compound parabolic concentrator; CPC)와 같은, 효율적인 광 콘센트레이터들은 다양한 적용들에서, 특히 태양 에너지 적용들을 위하여 광을 모이는 데 포물선 반사의 원리들을 사용한다. 예를 들어, 미국 특허 제4,002,499호 및 제4,003,638호(모두 Winston)은 복사 에너지 수집을 위한 반사 파라볼릭 콘센트레이터 요소들의 사용을 개시한다. 미국 특허 제6,384,320호(chen)는 주택용 태양 전력 발생 시스템을 위하여 사용된 반사 CPC 소자들의 배열의 사용을 개시한다. 광 콘센트레이터들은 또한 광을 감지하는 소자들을 지지하기 위하여 사용되어 왔다. 예를 들어, 영국 특허 GB 2 326 525(Leonard)는 전하 결합 소자(charge-coupled device; CCD)와 같은, 광 센서를 위한 광을 획득하는 데에 콘센트레이터로써 반사 CPC 배열의 사용을 개시한다. 그러나, 전적으로(altogether) CPC 및 유사한 구조물들은 향상된 광 분산 및 재배향을 달성하는 데에 보다, 다양한 적용들에서 광을 모으고 감지하는 데에 사용되어 왔다.
조명 적용들에서 유사한, 파라볼릭 리플렉터는, 시준의 정도가 어떻게 근접하게 구조물 형상이 이상적인 파라볼라에 근접하고, 어떻게 근접하게 초점에서의 광원이 이상적인 포인트 소스(point source)에 근접하는가에 기초로 한, 콜리메이터(collimator)의 형태를 제공하기 위하여 포물선 구조물의 형상을 사용한다. "완전한" 포인트 소스를 갖는 "완전한" 파라볼릭 리플렉터를 위한, 포인트 소스로부터 의 광은 파라볼릭 리플렉터에 의해 잘 시준된다. 실제에서, 포물선 형상이 근접되고, 입사 광이 종래의 광원으로부터 존재하는 곳에서, 참(true) 시준은 달성되지 않는다. 그러나, 유리하게는, 입사광의 현저한 발산 감소는 CPC 또는 유사한 구조물에 의해 영향을 받는다. 이러한 이유를 위하여, 본 발명의 CPC 구조물은 "콜리메이터"보다 "발산 감소 구조물"로 명명된다.
컴파운드 파라볼릭 콘센트레이터(CPC)들은 많은 선호할만한 광-수집 특성들을 보여준다. 도 7의 단면측면도를 지금 참조하면, 본 발명의 장치는 단면에서 실질적으로 포물선 프로파일을 갖고 배열을 따라 선형적으로 연장되는 각각의 광 발산 감소 구조물(32), 이런 기초 형상의 선형 광 발산 감소 구조물(32)들의 배열을 사용한다. 광 발산 감소 구조물(32) 이내에, 입사 표면(34) 상의 입사 개구(33)에서 한 지점(P)로부터의 각들의 넓은 범위에 걸쳐서 방사된(emitted), 광선들(R)은, 내부 전 반사(TIR)로 인해 반사되고, 출사 표면(36)에서 출사 개구(35)로부터의 동일한 출사각에서 일반적으로 출사한다(emerge). 출사 개구(35)는 입사 개구(33)으로부터의 말단에 있다. 특히, 발산 감소 구조물(32)의 측벽(38)으로부터 반사하는 포인트(P)를 통하는 광선들은 그 지점으로부터 반사된 광선의 최대 광선 각(beam angle;
Figure 112008031495105-PCT00019
)에 대응하는 각(
Figure 112008031495105-PCT00020
)에서 일반적으로 방사한다. 도광판(14)에 반대하는 광 발산 감소 구조물(32)의 배열을 갖거나, 도광판(14)의 일체화부로서의, 입사 개구(33)는 도광판(14) 이내의 광 에너지의 벌크(bulk)를 위한 단지 출구를 제공한다. 도광판(14)은 각(
Figure 112008031495105-PCT00021
)이 적절한 값에서 유지되는 것이 제공되는, 광 발산 감소 구조물(32)을 통하여 단지 방사하는 것을 허용하면서, 광 누설을 방지한다.
도 7에 도시된 대로, 입사 표면(34)은 도광판(14)의 표면에 반대하여 놓인다. 광 발산 감소 구조물(32)들은 필름 기판상에 형성된 구조체들로서 가공되어야 하고, 이어서 입사 표면(34)에 부착된 각각의 광 발산 감소 구조물(32)를 갖는, 도광판(14)에 부착된다. 대안적으로, 광 발산 감소 구조물(32)들은 주조되거나(molded) 그렇지 않으면 도광판(14)의 방사 표면의 일체화부로서 형성된다. 광 발산 감소 구조물이 분리되게 가공되는지, 도광판에 일체화되는지 간에, 동일한 투명한 물질은 일반적으로 광 발산 감소 구조물(32) 및 도광판(14) 모두의 가공을 위하여 사용된다. 이 배열은 광 발산 감소 구조물(32) 및 도광판(14) 모두를 위한 동일한 굴절률(n)을 제공한다.
개관의 방법에 의해, 입사광에 대한 임계각(
Figure 112008031495105-PCT00022
)이 하기의 수학식 4에서 정의된 대로 초과될 때 TIR은 달성되고, 여기에서 n은 광 발산 감소 구조물(32)을 위하여 사용된 물질의 굴절률이다:
[수학식 4]
Figure 112008031495105-PCT00023
하나의 방향에서, 도 7에서 광 발산 감소 구조물(32)에 의해 도시된 대로, 본 발명은 파라볼릭 컬렉터(parabolic collector)의 광 취급 거동의 장점을 차지한다. 도 8a를 참조하여, 선형 발산 감소 표면을 제공하면서, 도광판(14)에 결합된, 선형 발산 감소 필름(30)의 일부의 단면도가 도시된다. 리브된(ribbed) 광 발산 감 소 구조물들(32)은 폭 방향에 따라 연장된, 일반적으로 포물선 단면을 가지면서 형성된다. 상기에 언급된 대로, 선형 발산 감소 필름(30)은 도광판(14)의 부분 또는 도광판(14)과 접촉 상태로 존재한다. 각각의 광 발산 감소 구조물(32)은 하나 이상의 광원들(18)로부터 배향되고, 디스플레이 이미지화 업계들에서 잘 알려진 광 거동이 이어지면서, 도광판(14)을 통하여 안내된 광을 안내한다.
도 8a를 더 참조하면, 각각의 선형 광 발산 감소 구조물(32)의 단면 형상은 한 쌍의 그루브(groove)들(45)에 의해 정의된 대로 고려될 수 있다. 각각의 그루브(45)의 측들은 일반적으로 오목하고, 따라서 실질적으로 볼록한 형상을 갖기 위하여 광 발산 감소 구조물들(32)의 측을 형성하는 것이 관찰될 수 있다.
도 8b는 선형 발산 감소 필름(30)이 또한 개별적인 광 발산 감소 구조물들(32)에 대한 지지 구조물을 제공하는 추가적인 출사 표면(36)을 가질 수 있는 것에서, 대안적인 실시예를 도시한다.
도 9의 사시도를 참조하면, 선형 발산 감소 필름(30)의 3차원 구조물을 갖는 조사 시스템(58)은 중요한 관계들을 설명하기 위한 크기로 과장된 광 발산 감소 구조물들(32)과 함께, 도시된다. 각각의 개별적인 선형 광 발산 감소 구조물(32)은 필름을 따르는 길이 방향(L)에서 선형 발산 감소 필름(30)의 출사 측을 따라 연장된다. 직각의 폭 방향(W)에서, 선형 광 발산 감소 구조물들(32)은 리브들(ribs) 또는 능들(ridges)(도광판(14)의 사시도로부터)로서 나타난다. 이런 배열을 갖는, 이상적인 포물선 프로파일의 바람직한 특성들은 하나의 방향에서 광에 적용된다. 즉, 도 9의 사시도에서 나타난 방향들에 대하여, W 방향에서의 광 각들은 도 7에 도시 된 방법에서, 선형 발산 감소 필름(30)을 사용하여, 재배향될 수 있다. 하나의 실시예에서, 광 발산 감소 구조물들(32)은 종래의 CCFL 전구(bulb)인, 광원(18)의 중심축에 실질적으로 평행한, 길이(L)의 방향을 따라 연장된다.
도 10의 사시도 및 도 11의 측면도에서 도시된 대로, 광 배향 구조물들의 조합은 디스플레이 장치(60)에 대한 조사 시스템(58)의 부분으로써 광을 재배향한다. 도시된 실시예에서, 단일 광원(18)은 반사 표면(24)을 갖는 도광판(54)으로 광을 제공한다. 대안적으로, 다중 광원들(18)이 제공될 수 있다. 도 11의 측면도로부터, 선형 발산 감소 필름(30)에서 각각 개별적인 선형 광 발산 감소 구조물(32)의 실질적으로 포물선 형상이 도시된다. 선형 발산 감소 필름(30)의 입사 표면(44)은 도광판(54)에 반대하여 놓여 진다. 조사 시스템(58)은 LCD 구성요소(2)로 광원 조사(source illumination)를 전달한다. 관찰자의 측 상에서, 디퓨저(diffuser; 40)는 LCD 구성요소(20)을 통하여 전달된 광을 확산하기 위하여 위치된다. 본 발명의 조사 시스템(58)은 LC 장치 특징들에 적절한 방향을 따라는 감소된 발산을 갖는 광을 제공하기 때문에, 적어도 약 150:1 및 약 200:1까지 또는 더 우수한 범위에서, 콘트라스트 비율들은 법선의 약 +/-5도 이내의 좁은 시야각을 걸쳐서 달성될 수 있다. 따라서, 보상 필름 또는 유사한 물체는 요구되지 않는다.
조사 시스템(58) 구성요소들이 도 10 및 도 11에서 일정한 비율로 만들기 위하여 도시된 것이 아니라는 것이 다시 강조되어야 한다; 이들 및 다른 도면들은 각각의 구성요소의 전체적인 기능을 도시하기 위한 노력에서 크기를 과장한다. 대부분의 실시예들에 대한, 광 발산 감소 구조물들(32)은 일반적으로 이들 도면들에서 표시된 것보다 스케일에서 훨씬 더 작다.
광 발산 감소 구조물들(32)의 단면 형상 최적화( optimizing the cross -sectional shape of light divergence reduction structure (32))
도 7을 다시 참조하면, 포물선 프로파일을 근접하게 잇는 측벽들(38)을 갖는 광 발산 감소 구조물(32)의 이론적인 성능은 적은 수의 광선들(R)에 대하여 도시된다. 실제적인 적용들에 이런 원리를 적응시키고, 더 낮은 비용에서 광 발산 감소 필름(30)을 가공하기 위하여, 어떻게 광 발산 감소 구조물들(32)이 작동하는지를 더 명확하게 이해하는 것이 유익할 것이다. 이어서, 광 발산 감소 구조물(32)을 통하여 광 거동의 더 정확한 지식을 갖춘, 선형 발산 감소 필름(30)의 광 발산 감소 구조물(32; 도 4a)의 실제적인 적용으로 광 발산 감소 구조물(32; 도 3)의 이상화 형상을 적응하는 것이 가능하다. 예를 들어, 약간의 공차를 완화시키고, 더 손쉽게 가공될 수 있는 광 발산 감소 구조물(32)에 대한 형상을 적응시키는 것이 가능하다. 상기에 개시된 대로, 치수 파라미터들 및 곡률의 적절한 선택에 의해, 교차 효과(crossing effect)들을 최소화하는 것이 가능하다.
도 12를 참조하면, 중요한 치수들 및 각 관계들을 갖는, 광 발산 감소 구조물(32)의 측벽(38)의 단면 형상이 도시된다. 도 7을 참조하여 언급된 대로, 각(
Figure 112008031495105-PCT00024
)은 광 발산 감소 구조물(32)의 주어진 단면 형상을 위한, 법선에 대한, 최대값의 광선 각을 정의한다. 이는 입사 개구(33)에서 광 발산 감소 구조물(32)을 들어오는 광이 수학식 5에서 약간의 각(
Figure 112008031495105-PCT00025
)에서 존재하는 것을 의미한다.
[수학식 5]
Figure 112008031495105-PCT00026
여기에서 각(
Figure 112008031495105-PCT00027
)은 도 7에 도시된 대로이다. 도 12에서의 치수들
Figure 112008031495105-PCT00028
및
Figure 112008031495105-PCT00029
은, 개별적으로, 광 발산 감소 구조물(32)의 입사 및 출사 개구 반경들이다.
x,y 좌표들에 대하여, 각(
Figure 112008031495105-PCT00030
)에서 광선이 측벽(38)에 작용하는 것에서 지점은 하기의 개념인 수학식 6을 사용하여 나타내어진다.
[수학식 6]
Figure 112008031495105-PCT00031
여기에서 값(
Figure 112008031495105-PCT00032
)은 광 발산 감소 구조물(32)의 측벽(38)을 따르는 위치를 결정하기 위한 변수이다; 값들(
Figure 112008031495105-PCT00033
,
Figure 112008031495105-PCT00034
)은 선택가능한 디자인 파라미터들이다. 일반적으로, 광 발산 감소 구조물(32)로부터 반사된 광선들의 루미넌스 분포를 고려한다면, 각(
Figure 112008031495105-PCT00035
)은 전체적인 각범위를 제어하고 각(
Figure 112008031495105-PCT00036
)은 루미넌스 피크의 각위치를 제어한다. 따라서, 연속적으로 설명된 대로, 각(
Figure 112008031495105-PCT00037
)은 또한 교차 효과를 최소화하거나 제거하기 위하여 제어될 수도 있다. 축 상에서 피크 루미넌스를 위치시키기 위하여,
Figure 112008031495105-PCT00038
에 대한 대략적인 값은 수학식 7을 사용하여 계산된다;
[수학식 7]
Figure 112008031495105-PCT00039
Figure 112008031495105-PCT00040
에 대한 일반적인 값들은 10 내지 30도 범위 이내에서 존재한다.
각(
Figure 112008031495105-PCT00041
)이 루미넌스의 각범위와 필수적으로 동일하지 않지만, 이런 각범위에 비례한다는 것이 언급하라. 그렇지 않으면, 각(
Figure 112008031495105-PCT00042
)은 루미넌스 분포에서 가장 높은 피크의 각위치와 동일하지 않지만, 이런 피크의 위치를 결정한다.
광 발산 감소 구조물(32)의 형상을 최적화하는 데 첫 번째 단계는 입사 개구 반경(
Figure 112008031495105-PCT00043
)에 대한 적절한 값을 선택하는 것이다. 이를 하는 데 중요한 고려사항들은 상대적인 크기를 포함한다;
Figure 112008031495105-PCT00044
가 감소함에 따라, 광 발산 감소 구조물들(32)은 덜 가시적이게 되고, 모아레 패턴을 덜 유발할 것 같다. 그러나,
Figure 112008031495105-PCT00045
이 너무 작으면, 광 발산 감소 구조물들(32)은 가공하기에 더 어려울 것이다.
일단
Figure 112008031495105-PCT00046
에 대한 값이 결정되면, 다음 단계는
Figure 112008031495105-PCT00047
에 대한 적절한 값을 선택하는 것이다. 이는 적용 기준에 종속한다. 작은 디스플레이에 대하여, 예를 들어, 더 작은 시야각 및 높은 루미넌스를 갖는 것이 바람직할 것이다. 이러한 경우에서, 적절한
Figure 112008031495105-PCT00048
값은 10 내지 30도 범위에 있어야 했다. 더 큰 디스플레이에 대하여, 더 큰
Figure 112008031495105-PCT00049
값은 일반적으로 사용될 것이다.
상기에 언급되고 도 12로부터 보여질 수 있는 대로,
Figure 112008031495105-PCT00050
의 라인으 로부터 측정된, 각(
Figure 112008031495105-PCT00051
)은, π/2의 상한 및 일반적으로
Figure 112008031495105-PCT00052
보다 더 큰 약간의 하한사이에서 변경한다. 이어서 이런 하한(
Figure 112008031495105-PCT00053
)은 광 발산 감소 구조물(32)의 높이(h) 및 출사 반경(
Figure 112008031495105-PCT00054
)을 결정하기 위하여, 디자인 파라미터 값들(
Figure 112008031495105-PCT00055
,
Figure 112008031495105-PCT00056
)을 따르면서, 사용될 수 있다.
적용에서 하한(
Figure 112008031495105-PCT00057
)을 특정하는 데에 기준을 이해하기 위하여, 도 12 및 도 13에 도시된 대로, 도광판(14)이 어떻게 작동하는지 검토하는 것이 유익하다. 도광판(14) 이내에서, TIR은 도광 구조물(32)로 나타날 때까지 광 선(light beam)을 포함하기 위하여 사용된다. 프레넬의 법칙으로 인해, 일단 광선이 도광판(14)에 들어오면, 도 13에 도시된 대로, Y축에 대한 그것의 광선 각(
Figure 112008031495105-PCT00058
)은, n이 도광판(14)의 굴절률인, 수학식 4에서 주어진 대로, TIR 각(
Figure 112008031495105-PCT00059
)보다 더 작게 남겨진다. 도광 구조물(32)은 동일한(또는 아주 근접하게 동일한) 굴절률(n)을 가지기 때문에, 이런 각제한은 또한 도광 구조물(32) 이내에서 적용된다.
도 14를 참조하면, 가장 극한의 가능한 각(
Figure 112008031495105-PCT00060
)에서 도광 구조물(32)을 들어오는 광선의 경로가 도시된다(점선으로서). 법선(Z-축)에 대한, 도광 구조물(32)을 들어오는 모든 다른 광선은 수학식 8보다 크거나 동일하다:
[수학식 8]
Figure 112008031495105-PCT00061
도 12에 도시된 대로,
Figure 112008031495105-PCT00062
은 라인
Figure 112008031495105-PCT00063
로부터 측정되는 것을 상 기하라.
Figure 112008031495105-PCT00064
는
Figure 112008031495105-PCT00065
보다 훨씬 더 작지 않은 것이 추천된다; 만약 그렇지 않으면, 가공하기에 더 복잡해지면서, 도광 구조물(32)의 결과적인 높이(h)는 초과될 수 있다. 높이(h)를 짧게 간직하고, 작은 종횡비(폭(
Figure 112008031495105-PCT00066
)에 대한 높이(h)에 의해 정의됨)를 유지하는 것이 바람직하다. 일반적으로:
[수학식 9]
Figure 112008031495105-PCT00067
이와 함께, 하기의 범위는 변수(
Figure 112008031495105-PCT00068
)에 적용된다:
[수학식 10]
Figure 112008031495105-PCT00069
결정된 이런 값과 함께, 광 발산 감소 구조물(32)의 전체적인 형상은 하기의 것을 사용하여 계산될 수 있다:
[수학식 11] [수학식 12]
Figure 112008031495105-PCT00070
Figure 112008031495105-PCT00071
여기에서
Figure 112008031495105-PCT00072
는 입사 표면의 반경이고
Figure 112008031495105-PCT00073
이다.
출사 개구 반경(
Figure 112008031495105-PCT00074
) 및 높이(h)는 하기의 좌표들을 갖는 측벽(38) 상에 지점을 발견함으로써 계산될 수 있다.
[수학식 13]
Figure 112008031495105-PCT00075
하기의 계산들은 출사 개구 반경(
Figure 112008031495105-PCT00076
) 및 높이(h)를 결정한다:
[수학식 14]
Figure 112008031495105-PCT00077
하기는 어떻게 적절한 값들이 하나의 실시예에서 결정될 수 있는 도시하면서, 예시 값들과 함께, 단계들의 요약이다.
단계 1.
Figure 112008031495105-PCT00078
및
Figure 112008031495105-PCT00079
에 대한 값들을 결정하라.
하나의 실시예에서,
Figure 112008031495105-PCT00080
= 50㎛. 선형 감소된 발산에 대하여, 시야각의 ±10도는 적절할 것이고, 이는
Figure 112008031495105-PCT00081
= 10°를 유발한다.
단계 2.
Figure 112008031495105-PCT00082
에 대한 값을 결정하라.
수학식 7을 사용하여,
Figure 112008031495105-PCT00083
은 약 5도일 수 있다. 예를 들어, 6도인, 실제적인 값을 선택하라.
단계 3. 파라미터
Figure 112008031495105-PCT00084
에 대한 값을 결정하라.
PMMA(폴리메틸 메타클레이트)로부터 가공된 도광판(14)에 대한, n= 1.49.
수학식 9 및 수학식 10으로부터,
Figure 112008031495105-PCT00085
단계 4. 수학식 14를 사용하여, 높이(h) 및 반경(
Figure 112008031495105-PCT00086
)의 값들을 계산하라.
여기에서,
Figure 112008031495105-PCT00087
= 19.3 ㎛ 및 h = 50.4㎛.
디자인 고려사항들
최적의 디자인을 달성하는 데에 약간의 타협점들의 고려사항을 필요로 하면서, 광 발산 감소 구조물(32; 도 7 내지 도 10)에 대한 어떠한 작업가능한 디자인 상에 다양한 제약들이 필수적으로 있다. 예를 들어, 법선각 근처에 증가된 루미넌스에 대하여, 값들의 작은 범위 이내에서
Figure 112008031495105-PCT00088
을 간직하는 것이 일반적으로 최상이다. 그러나, 입사 개구(33)는 광 발산 감소 구조물(32)로의 전체적인 광의 양을 제한하기 때문에, 몇몇 절충안은 각들의 바람직한 범위를 달성하는 것과 각들의 바람직한 범위에서 충분한 루미넌스를 제공하는 것 사이에서 제작되어야 한다.
실제적인 광 발산 감소 구조물(32) 디자인들과의 작업에서, 도광판(14)을 들어오는 광이 도 13에 도시된 대로 각들의 어떠한 원뿔(cone) 이내에 한정될 때, 작용 지점들
Figure 112008031495105-PCT00089
는 일반적으로 출사 개구(35)보다 입사 개구(33)에 더 근접하게 분포된다. 이런 효과로 인해, 수학식 11에서 특정된 최소의 높이(h)를 사 용하여, 높이(h)를 감소시키는 것이 가능하다. 이는 제조를 단순화하고 기계적인 안정성을 향상시키면서, 선형 발산 감소 필름(30)의 가공에 대한 많은 실제적인 장점들을 제공한다. 이런 변경은 또한 전체적인 필 팩터(fill factor)를 향상시킴으로써 휘도를 향상시킨다.
교차 효과의 문제점은 도 8a에 대하여 상기에 개시되었다. 도 8a의 측면도를 다시 참조하면, 반대쪽의 방향들로부터의 광선들은 동일한 광 발산 감소 구조물(32)를 들어올 수 있고 전달 경로를 따르는 교점(48)에서 교차할 수 있다는 것이 관찰될 수 있다. 이런 거동이 발생되는 곳에서, 원치않는 교차 효과들은 선형 발산 감소 필름(30)으로부터 축외 피크 출사를 유발할 수 있다. 교차 효과들은
Figure 112008031495105-PCT00090
의 각을 갖는 측벽을 회전함으로써 최소화될 수 있다는 것이 도시되어 왔다. 이런 교차 효과는 상대적인 높이(h)가 증가하는 것 없이, 광 발산 감소 구조물(32)의 측벽(38) 곡률로 약간의 변경에 의해 최소화될 수 있다. 도 8a의 실시예에서 광선들(R)로부터의 교점(48)은 측벽들(38)을 새 형상으로 취함으로써 유발된 광 발산 감소 구조물(32) 이내에서의 TIR 거동의 결과적인 변경에 의해 보정된다. 법선으로부터 떨어진 약간의 측벽(38)의 회전은 선형 발산 감소 필름(30)의 축상 루미넌스를 향상시키는 장점을 더 제공한다.
사용된 물질들( materials used )
일반적으로, 선형 발산 감소 필름(30)은 다양한 방법들에서 형성될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 선형 발산 감소 필름(30)은 아크릴 필름으로부터 형성된다; 그러나, 선형 발산 감소 필름(30)은 예를 들어, 폴리카보네이트 또는 폴리메틸 메타클레이트(PMMA)를 포함하는, 다양한 종류들의 투명한 물질들 중 어떠한 것으로부터 형성될 수 있다. 베이스 기판에 대한 필요 조건은 적어도 약
Figure 112008031495105-PCT00091
이상인, 굴절률(n) 이다. 선형 발산 감소 필름(30)에 대하여 사용된 물질은 도광판(14, 54)의 굴절률(n)에 동일하거나, 거의 동일한 굴절률(n)을 가져야 한다.
일반적인 치수들, 형상 및 가공( typical dimensions , shape , and fabrication)
본 발명에 따라 가공된 선형 발산 감소 필름(30)에 대하여 일반적인 바람직한 값들 및 범위들은 하기에 포함된다:
(ⅰ) 인접한 광 발산 감소 구조물들(32) 사이의 피치(K): 80 마이크론. 이 값은 일반적으로 10 내지 200 마이크론 사이이다.
(ⅱ) 높이(H): 25 마이크론. 높이 값은 일반적으로 10마이크론부터 100마이크론까지 범위에 있다. 많은 팩터들은 개구 크기들 및 측벽(38) 곡률을 포함하면서, 특정한 적용에 대한 최적의 높이를 결정한다.
(ⅲ) 프리즘 배열 구조물(50)에 대한 프리즘 각: 100°
(ⅳ) 출사 개구로의 입사 개구의 비율: 1:1.5로부터 1:10까지의 범위에서.
선형 발산 감소 필름(30)은 비균일한 휘도 특징들을 갖는 표면 이미지화 장치들에 대한 균일성을 향상시키는 데 사용될 수 있다. 이런 목적에 대하여 유용하 기 위하여, 광 발산 감소 구조물들(32) 그 자체의 공간적인 분포 및 비-균일 구조는 사용될 수 있다. 비-균일 구조는 예를 들어, 길이에 따라 광 발산 감소 구조물들(32)의 방향으로의 변경들에 의해, 달성될 수 있다. 도 8a의 참조와 함께, 선형 발산 감소 필름(30)에 대한 공간적인 균일성은 선형 발산 감소 필름(30)을 위하여 사용된 기판의 입사 표면을 따르는 정확하게 평행에서 지나지 않는 그루브들(45)를 사용하여 향상될 수 있다.
피치(K)는 또한 향상된 균일성을 제공하기 위하여 필수적으로 변경될 수도 있다. 인접한 광 발산 감소 구조물들 사이의 피치는 실질적으로 동일할 수 있거나 인접한 광 발산 감소 구조물들(32) 사이의 피치는 변경된다. 광 발산 감소 구조물들(32)의 불균등 분포는 광 발산 감소 구조물들(32) 사이의 피치(K)에 대한 상이한 간격들(spacings)과 함께, 사용될 수 있다. 두 개의 광원들(18)이 사용된 곳에서, 피치(K)는 선형 발산 감소 필름(30)의 시트의 중심에서의 최소값에서 있을 수 있었다.
본 발명의 선형 발산 감소 필름(30)은 예를 들어, 기판 물질의 시트에서 그루브들(45; 도 8a)을 형성하는 데 방법들을 사용하는 것과 같은, 다양한 방법들로 가공될 수 있다. 기판의 스크라이빙(scribing)은 광 발산 감소 구조물들(32)을 형성하는 데에 하나의 가능한 방법들이다. 웹 기반의 가공을 사용하여 사출 롤 성형을 포함하는, 주조 성형 또는 압출 플레이트를 사용하는, 압출 성형과 같은, 다양한 기술들은 광 발산 감소 구조물들(32)을 형성하는 데에 채용될 수 있었다. 예를 들어, 선형 발산 감소 필름(30)은 시트로서 가공되고, 도광판(14)의 존재하는 형태 로 라미네이팅될(laminated) 수 있었다.
백라이트 적용에서의 본 발명의 선형 발산 감소 필름(30)을 사용하는 데에 대하여, 도 6a, 도 6b 및 도 7에 도시된 것과 같은, 하기의 공간적인 필요 요건들이 일치되어야 한다;
(ⅰ) 선형 발산 감소 필름(30)을 형성하기 위하여 사용된 물질은 실질적으로 약 +/- 0.1이내로, 도광판(54)의 굴절률(n)과 동일한 굴절률(n)을 갖는다;
(ⅱ) 이런 실시예에 대한 도광판(54)은 그것의 방사된 조사에 대한 디퓨저를 제공하지 않는다:
(ⅲ) 광 발산 감소 구조물(32)의 입사 개구(33)는 도광판(54)과 직접 접촉하고, 즉, 입사 개구(33)의 평평한 평면은 어떠한 공기 갭(gap) 없이 도광판(54)의 반대편에 놓여진다. 예를 들어, 입사 개구(33)는 도광판(54)의 표면에, 글루잉되거나(glued), 프레싱되거나(pressed), 주조되거나(molded), 부분으로서 형성되거나(formed), 그렇지 않으면 부착될(attached) 수 있다.
이런 실시예에 대하여, 광 파이프의 하나의 형태인, 도광판(54)은, 또한 LCD 백라이팅 기술들의 당업계에서 당업자에게 잘 알려진 구성을 사용하여, 그것의 광원 반대편에 반사 표면을 요구한다.
백라이팅에 대한 대안적인 실시예( alternative embodiment of backlighting )
광원(18)은 종래 CCFL 형광 전구일 수 있거나 몇몇의 다른 형태의 소스(source) 또는 소스들의 조합으로써 실시될 수 있었다. 예를 들어, 하나 이상의 LED들은 도광판(14) 또는 다른 적절한 도파관으로 광을 배향하면서, 광원(18)으로써 종래의 CCFL 전구를 대신하여 사용될 수 있었다.
렌즈 디퓨저(40)의 디자인( design of lenticular diffuser (40))
선형 발산 감소 필름(30)은 하나의 축에 대한 광의 향상된 재배향을 제공하기 때문에, 그것의 시야각은 이런 축의 방향에서 너무 좁아질 수 있다. 적절한 시야각을 제공하기 위하여, LCD 구성요소(20; 도 10 및 도 11)의 관찰자의 측 상에 위치된, 디퓨저(40)를 사용하여, 하나의 방향에서 확산을 사용하는 것이 필요하다. 렌즈 배열 또는 스크린은 이런 목적에 대하여 적절하다. 렌즈 배열은 광을 초점 맞춤으로써 하나의 방향에서 들어오는 광을 확산시켰을 것이다. 즉, 그것의 광학 전력은 확산하는 전력에 비례한다. 초점 길이(f)는 수학식 15를 사용하여 결정된다:
[수학식 15]
Figure 112008031495105-PCT00092
여기에서 r은 곡률의 반경이고 n은 스크린의 굴절률이다. 광선 발산 각(ω)은 각각의 렌즈의 반 피치 및 초점 거리에 의해 결정된다:
[수학식 16]
Figure 112008031495105-PCT00093
여기에서 p는 렌즈 배열의 피치이다.
피치(p) 및 시야각(ω)이 주어진다면, 곡률의 반경(r)은 하기의 수학식 17을 사용하여 결정될 수 있다;
[수학식 17]
Figure 112008031495105-PCT00094
하나의 실시예에서, 명목상의 렌즈 피치는 50마이크론이다. 이어서 시야각의 +/- 30도를 획득하기 위하여, 초점 길이는 약 43마이크론이어야 한다. 대응하는 곡률의 반경은 굴절률 1.5의 물질에 대하여 86마이크론이다.
IPS LC 구성요소에 대한 모델링 예( modeling example for IPS LC component )
LCD 구성요소(20)에 대한 IPS 구성요소를 사용하는 디스플레이 장치(60)에서 선형 발산 감소 필름(30)의 사용은 특히 유익하다. 도 16의 그래프를 참조하면, 두 개의 루미넌스 곡선들이 도시된다. 곡선(62; 실선)은 CCFL 광원(18)에 평행한 루미넌스를 도시한다. 제2 곡선(64; 점선)은 CCFL 광원(18)에 수직인 루미넌스를 도시한다.
LCD 구성요소들(20)의 대부분의 형태들에 대한, 도 16에서 도시된 루미넌스의 비대칭은 디스플레이된(displayed) 이미지에서 현저한 비대칭을 유발할 것이다. 그러나, 도 15b의 ISO 콘트라스트 플롯을 다시 참조하면, LCD 구성요소(20)의 ISP 형태는 CCFL 광원(18)의 길이에 대한 직각 방향들에서 콘트라스트에서의 측정가능한 차이를 보여주는 것이 보여질 수 있다. 도 15b에서, 축(110)은 CCFL 광원(18)의 길이에 평행한 광에 대응한다. 다른 축(120)은 CCFL 광원(18)의 길이에 수직인 광 에 대응한다. 이런 플롯이 도시한 대로, CCFL 광원(180)의 길이에 평행한 광은 더 넓은 범위의 각들을 걸쳐서 더 높은 콘트라스트를 보여준다. 즉, 곡선들(66. 68)은 축(110)을 따라 넓게 된다. 이런 축을 따르는 광은 대략적으로 +/- 30도인, 반치폭(full-width half maximum; FWHM)에서, 보여지는, 도 16에서의 곡선(62)에 대응한다. 비교함으로서, 직각 축(120)을 따르는 광은 대략적으로 +/- 5도인, FWHM에서, 보여지는, 도 16에서의 곡선(64)에 대응한다.
따라서 ISP 형태 LCD 구성요소(20)의 비대칭으로 선형 발산 감소 필름(30)의 비대칭을 일치시킴으로써, 본 발명의 방법은 광원(18)로 평행하고 수직한 방향들에서 조사의 발산 감소를 동일하게 하기 위한 필요를 최소화한다. 따라서 본 발명의 선형 발산 감소 필름(30)은 전체적인 광 효율로의 현저한 절충안 및 보상 필름을 요구하는 것 없이 향상된 루미넌스 및 콘트라스트를 제공한다. 이런 결과는 일반적으로 양도된 출원인, Joowon Lee에 의한 "광 콘센트레이터들의 선형 배열을 사용하는 휘도 향상 필름"(attorney docket #87602)에서 개시된 장치와 함께 콘트라스팅될(contrasted) 수 있고, 특히, 더 큰 직경 디스플레이와 함께 사용될 때 이는 일반적으로 보상 필름 또는 몇몇 형태의 물체를 요구할 것이다. 이런 사전의 출원에서 개시된 장치와 달리, 본 발명의 장치는, 상대적으로 좁은 시야각을 제공하기 때문에, LC 장치에 의해 변조된 광의 각을 펼치기 위하여 디퓨저(40)를 요구한다.
용어가 본 발명에 대하여 사용된 대로, 선형적으로 발산-감소된 조사는 직각 축을 따르는 것보다 하나의 축을 따르는 실질적으로 더 많은 발산 감소를 갖는 광이 존재한다. FWHM에서, 하나의 축을 따르는 선형적으로 발산-감소된 조사는 직각 축을 따르는 광의 각거리의 겨우 50%에 이른다. 이어서, 선형적으로 발산-감소된 조사와 함께, 하나의 축을 따르는 광선 발산은 실질적으로 직각 축을 따르는 광선 발산보다 더 작다. 바람직하게는, 선형적으로 발산-감소된 조사는 FWHM에서 약 +/-5도를 갖는다.
본 발명은 그것의 어떠한 바람직한 실시예들을 특정한 참조로 상세하게 개시되어 왔으나, 변경들 또는 변형들은 상기에 개시된 대로 발명의 범위 이내에 달성되어질 수 있고, 첨부된 청구항들에 언급된 대로, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 당업계에서 당업자에 의해, 이해될 것이다. 예를 들어, 피치(K)는 선형 발산 감소 필름(30) 상의 모든 구조물들에 대하여 일정할 수 있는 동시에, 선형 발산 감소 필름(30)의 폭에 걸쳐서 피치(K)를 변경하는 장점들이 존재할 수 있다.

Claims (12)

  1. 디스플레이 장치에 있어서,
    a) 광원;
    b) 상기 광원으로부터의 광을 2차원 광 제공 표면으로부터 바깥쪽으로 전달하되, 상기 광 제공 표면의 일 차원은 상기 광원으로부터의 입사광의 경로에 수직한 폭 방향으로 정의되고, 상기 광 제공 표면의 다른 차원은 상기 폭 방향에 수직한 길이 방향으로 정의되는 도광판;
    c) 상기 광 제공 표면으로부터의 광의 발산을 상기 폭 방향에 대하여 우세하게 감소시켜 선형적으로 발산 감소된 조사를 제공하되, 이에 의해 반폭치(full-width half-maximum)에서의 상기 폭 방향으로의 발산이 반폭치에서의 상기 길이 방향으로의 발산의 약 50%보다 작게 되는 선형 발산 감소 표면;
    d) 상기 선형적으로 발산 감소된 광을 변조하여(modulating) 이미지 데이터에 따라 변조된 광을 형성하기 위한 액정 디스플레이 구성요소; 및
    e) 상기 변조된 광의 경로 상의 확산 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 선형 발산 감소 표면은 복수 개의 광 발산 감소 구조물들로 구조화된 필름 기판을 포함하되, 각광 발산 감소 구조물은 상기 광 제공 표면을 따라 상기 길이 방향으로 길이 방향 연장되고, 각광 발산 감소 구조물은,
    a) 상기 광 제공 표면에 광학적으로 결합된 입사 개구;
    b) 상기 입사 개구로부터의 말단에 위치하며, 상기 입사 개구의 표면 영역보다 더 큰 표면 영역을 갖는 출사 개구; 및
    c) 상기 출사 개구와 상기 입사 개구 사이에 위치하고, 길이 방향을 따라 연장된 한 쌍의 만곡된 측벽들을 포함하되,
    상기 폭 방향에 대하여 수직으로 절취된 단면에서, 상기 만곡된 측벽들은 포물선의 형상인 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 길이 방향은 조사 광원(source illumination)을 제공하는 광 벌브(bulb)의 축에 실질적으로 평행한 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 도광판 및 상기 선형 발산 감소 표면은 동일한 물질인 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 출사 개구의 폭은 상기 광 발산 감소 구조물의 길이 보다 크게 변경하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  6. 제 2 항에 있어서, 인접한 광 발산 감소 구조물들 사이의 피치는 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  7. 제 2 항에 있어서, 인접한 광 발산 감소 구조물들 사이의 피치는 변경되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 액정 디스플레이 구성요소는 인-플레인(in-plane) 스위칭(switching)을 채택하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 액정 디스플레이 구성요소는 광학적으로 보상된 복굴절 형태의 구성요소인 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 선형 발산 감소 표면은 상기 2차원 광 제공 표면으 로 주조되는(molded) 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 변조된 광은 컴펜세이터(compensator) 물체의 사용없이 약 150:1보다 더 양호한 이미지 콘트라스트(image contrast)를 나타내는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 액정 디스플레이 구성요소는 입사광에 대한 비대칭 응답을 보여주어, 법선 입사에서의 광에 대하여, 선형 발산 감소 표면의 폭 방향에 대한 액정 디스플레이 구성요소로부터의 변조된 광의 루미넌스(luminance)가 반폭치에서의 10도보다 큰 만큼, 선형 발산 감소 표면의 길이 방향에 대한 액정 디스플레이 구성요소의 변조된 광의 루미넌스와 상이하게 하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
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