KR20080101796A - 광 재배향을 갖는 엘씨디 디스플레이 - Google Patents

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피터 티. 아일워드
로버트 피. 보우델라이즈
퀴 홍
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롬 앤드 하스 덴마크 파이낸스 에이에스
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Abstract

디스플레이 패널을 향해 광을 배향하기 위한 백라이트 장치 및 그에 의한 디스플레이 장치는, 마주보는 TIR 표면들을 포함하고, 상기 TIR 표면들 사이에 위치되어 상기 TIR 표면들 중 하나를 가로막는 광 재배향 표면 구조체들의 원하는 패턴을 포함하되, 상기 구조체들은 도광판의 고체 물질의 굴절률과 상이한 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 고체 도광판을 포함한다. 이러한 장치는 디스플레이에 더 고른 광 분포를 제공한다.
TIR 표면, 광 재배향 표면 구조체

Description

광 재배향을 갖는 엘씨디 디스플레이{LCD DISPLAYS WITH LIGHT REDIRECTION}
본 발명은 디스플레이를 위한 백라이트 장치 및 이러한 장치를 채택한 액정 디스플레이의 기술에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 솔리드 스테이트(solid-state) 광원들을 가진 액정 디스플레이(LCD)에 관한 것이다.
액정 디스플레이(LCD)가 음극선관(CRT) 모니터에 대하여 작고, 가벼운 대안을 제공하고 있으나, LCD 디스플레이들의 화상 품질이 아직 만족스럽지 않은, 특히 이들 장치들의 상대적인 크기가 증가함에 따라 만족스럽지 않은 많은 적용들이 존재한다. 랩탑 컴퓨터 또는 더 큰 디스플레이에서 사용되는 것들과 같은 더 큰 LCD 패널들은 투과성(transmissive)이고, 이에 따라 백라이트를 필요로 한다. LCD 패널 뒤에 위치된 이러한 형태의 광 제공 표면은 광을 바깥쪽 및 LCD 쪽으로 배향한다.
백라이팅을 위한 종래의 접근들은 도광판, 향상 필름들의 하나 이상의 형태들, 편광필름들, 반사 표면들, 및 다른 광 조절 요소들을 갖는 냉음극 형광 램프(CCFL) 광원들의 다양한 배열들을 사용한다. 측면에 설치되는 CCFL들을 사용하는 종래의 평평한 패널 백라이트 해결안들은 바람직하게는 디스플레이 크기가 증가함에 따라, 특히 디스플레이 영역이 커짐에 따라 점점 더 작아지며, 제조 내에서 또 는 열때문에 포장하기 쉬울 것이다. 예를 들어, 디지털 TV를 위해 요구될 수 있는 것과 같은 더 작은 장치들을 위해 종래에 사용된 도광판 백라이트 기술들은 저휘도 또는 루미넌스 레벨들 및 디스플레이 크기가 증가할 때 열악한 균일성에 대한 문제점들에 의해 점점 제한된다. 종종 병렬식을 일렬로 늘어선 CCFL들의 뱅크를 사용하는, LCD 디스플레이 및 다른 디스플레이를 위하여 현존하는 백라이트 장치 및 조도(illumination) 적용들은 상대적으로 비효율적이다. 또한 이러한 디스플레이 해결안들은 CCFL 및 이의 지지 필름들을 수용하기 위한 필요성 및 LC 패널 뒤의 표면들 때문에 상대적으로 두꺼울 수 있다. 이러한 장치들이 수은의 어떤 량을 포함하기 때문에, CCFL 광원 자체는 배치에 대한 환경적인 문제점들을 나타낸다. 종래의 CCFL-기초 백라이트들이 가지는 균일성 및 휘도 문제점들을 위하여 보상하기 위하여, 예를 들어, 상대적으로 고 비용 반사 편광 필름들과 같은 다수의 지지 필름들은 백라이트와 디스플레이 사이에서 편리하게 삽입되거나, 이하의 디스플레이에 배치된다. 공지된 것처럼, CCFL들의 스펙트럼형 특성들은 광원들의 다른 형태들과 비교할 때 상대적으로 열악하다.
백라이팅 적용들에서 사용된 CCFL에 대한 고유의 어려움들 및 제한들에 직면한, 연구원들은 대안적 백라이팅 접근들을 수행하기 위하여 적극적으로 일해왔다. 다수의 해결안들은 발광 다이오드들(LED)을 사용하는 것이 제시되고 있다. 비용의 계속적 감소를 갖는 LED 휘도, 색상 출력, 및 전반적인 성능의 최근 진보는 일반적으로 특히 눈에 띄는 LED들, 레이저들, 및 고체 상태 광원들을 만든다. 그러나, LED들 및 레이저들이 점광원들로서 작동하기 때문에, 유사한 해결안들은 백라이팅 을 위하여 요구되는 광의 균일한 면을 제공하고 필요한 색상 균일성을 제공하기 위한 이러한 광을 재배향하고 발산시키기 위하여 요구된다.
LED들을 사용하는 백라이트 조도를 제공하기 위하여 일 접근법은 엠. 제일러, 제이. 휴트너, 엘. 폴리츠, 및 에이치. 오트에 의해 SID 2006 다이제스트 1524-1527쪽 "레이트 뉴스 페이퍼(LATE-NEWS PAPER): LED 백라이팅 해결안들을 위한 최적화 파라미터들"으로 표제된 논문에 개시된 것과 같은 어레이 배열(array arrangment)을 사용하는 것이다. 해결안의 이러한 형태를 사용하는 것은, 빨강색(R), 초록색(G), 및 파랑색(B) LED들을 사용하는 LED 클루스터(cluster)들의 어레이는 LCD 디스플레이용 백라이트로서 배치된다. 클루스터들의 두개의 형태들은 개시된다: RGGB 및 RGB. 유사하게는, 델로이 등에 의해 "듀얼 모드 액정 디스플레이를 백라이팅하기 위한 방법 및 장치"로 표제된 미국 특허 제6,789,921호는 기계 패널을 위하여 사용된 어레이 배열을 개시한다. 그러나, 기계 패널들의 몇몇 형태들 위하여 및 매우 높은-종단 모니터들 및 TV 패널들을 위한 것과 같은 특화된 사용을 제외하고, 어레이 배열들은 열악한 색상 및 휘도 균일성의 문제점들 때문에 장래성 있는 높은 부품들 의존, 고열, 및 치수적인 요구조건들이 있다고 보기 어렵다.
도광판은 광의 선을 형성하기 위하여 점광원으로부터 광을 발산시키기 위하여 채택되어왔다. 예를 들어, 카와이 등에 의해 "도광판, 도광판을 가지는 조사시키는 장치, 및 조사시키는 장치를 갖는 영상 해독 장치 및 정보 프로세싱 장치"로 표제된 미국특허 제5,499,112호는 스캐닝 장치에서 선에 대한 하나 이상의 LED들로 부터 광을 재배향 시키는 것, 이것의 길이를 따라 분포된 추출 구조체들을 갖는 단일의 도광판을 사용하는 것을 개시한다. 듀나흐 등에 의해 "라이팅 패널"로 표제된 미국 특허 제5,400,224호는 백라이팅 조도를 위한 후면 위의 랜덤화된 거칠음(roughness)으로 표면 처리된 다수의 도광판을 가지는 몰딩된 패널 어셈블리를 설명한다.
다수의 해결안들은 도광판을 따라 큰 영역에 대하여 LED 광을 재분포시키기 위하여 제시되고 있다. 일 제시된 해결안은 글로벌 라이팅 기술(주), 브렉크스빌레, 큰 도광판에 대하여 단일의 LED로부터 광을 발산시키는 오에이치(OH)로부터 몰딩된 도광판 마이크로렌즈TM이다. 유사하게는, 파커에 의해 "발광 패널 어셈블리들"로 표제된 미국 출원 공개 제2003/0123246호는 광을 패널 안으로 재배향시키는 광학 "결함들"을 갖는 다수의 점광원들을 사용하는 작은 크기의 도광판을 도시한다.
해결안의 다른 형태는 우선 광을 LED, 램프, 또는 선에 따른 다른 점광원으로부터 배향시키며, 패널 위로 이러한 광을 발산시킨다. 예를 들어, 타이 등에 의해 "점-형상 광원으로부터 선형 또는 평면의 광 빔을 생산하기 위하여 광 확장 시스템"으로 표제된 미국 특허 제5,835,661호는 영역 위로 분포를 위하여 광 패널에 대한 광의 선을 배향시키는 빔-확장 광 파이프를 개시한다. 유사하게는, 카살리 등에 의해 "방향성의 측광 추출을 갖는 효율적인 일루미네이터구"로 표제된 미국 특허 출원 제2005/0231973호에 개시된 일루미네이터구(luminaire) 배열은 전시 또는 디스플레이 케이스를 위한 것과 같은, 후면을 따라 광을 재배향시키기 위하여 광 추출 구조물을 갖는 광 파이프를 사용한다. 이러한 접근법의 또 다른 예로써, 아베 등에 의해 "조도 장치"로 표제된 미국 특허 제5,857,761호는 점광원을 발광판 안으로 발산시키는 도광판을 개시한다.
또 다른 백라이팅 해결안들은 단일의 광원으로부터 광을 배향시키기 위하여 유연한 광학 파이버들을 채택하며, 이어서 LCD 패널 뒤의 방사를 위하여 광을 발산시키기 위해 취급된다. 이러한 접근법의 상이한 버전들은 예를 들어, 김 등에 의해 "광학 파이버를 사용하는 액정 디스플레이의 후면 라이팅 장치"로 표제된 미국 특허 제6,714,185호 및 케스크케에 의해 "광학 파이버 발광 장치"로 표제된 믹국 특허 제5,542,016호에서 개시된다.
위에서 열거된 예들이 증명한 것처럼, LED 백라이팅을 제공하는 목적을 배향시키는 상당한 효과가 존재한다. 그러나, 비록 다수의 제시된 해결안들이 존재할지라도, 특히, 표준의 노트북 치수들 또는 더 큰 노트북 치수들의 디스플레이 패널을 위한 백라이팅의 문제점이 직면할 때, 해결안의 각각의 형태에 대한 고유의 상당한 결점들이 존재한다. '921 델로이 등 명세서에서 제시된 2-차원 매트릭스는 저렴하게 실행하기 어렵고, 상대적으로 고비용의 어려움이 존재할 것이며, 너무 커서 다루기 어려우며, 균일성 문제점이 있기 쉬울 것이다. '112 카와이 등. 명세서에서 개시된 도광판 배열은 디스플레이 백라이팅 적용들보다 광의 균일한 선을 요구하는 적용들을 스캐닝하기 위하여 최적화된다. '224 듀나흐 등. 명세서에서 개시된 몰딩된 패널 배열은 일반적 조도를 위해 매우 잘 작동될 수도 있지만, 완전한 색상 디스플레이 적용들을 위하여 균일성 문제점이 있기 쉬운 경향이 있을 것이다. 해결안 들의 이러한 형태는 큰 크기들에서 제작하기 위해 점점 비싸지고, 열 및 기계적 응력 때문에 포장하기 쉬워진다. 더욱 상세하게는, 이러한 해결안은 만족스러운 색상 영상 조절을 제공하지 않고, 고체 상태 광원들을 사용하는 적용들에 매우 적합하지 않을 것이다. '3246 파커 출원에 개시된 것처럼 점광원 내지 패널 구성들은 비실용적이고, 큰 크기의 디스플레이들을 대한 휘도 및 색상을 위한 균일성 문제점들을 나타낸다. '661 타이 등. 명세서에서 개시된 것과 같은 도광판 내지 후면 패널 배열들은 비효율적이며, 열악한 균일성이기 쉽고, 단지 상대적으로 작은 디스플레이들에 적합하다. 취급된 광학 파이버들의 사용은 작은 크기의 포켓용 디스플레이들에 대한 이점들을 가지지만, 데스크탑 또는 큰 디스플레이 설계들을 위해서는 비실용적이고 비효율적일 것이다.
이러한 결점들 이외에, 종래의 해결안들은 일반적으로 높은 품질 색상 영상을 위하여 중요한 과제들을 설명하는 것을 못했으며, 일반적인 상업화 및 LC 디스플레이의 수납을 위해 요구된다. 색상 전 범위는 디스플레이 디자이너들에게 특별한 관심인 하나의 중요한 고려사항이다. 종래의 CCFL들은 다수의 적용들을 위해 허용가능한 색상 품질의 측정을 제공하며, NTSC 색상 전 범위의 약 70%까지 제공한다. 비록 이것은 노트북 및 컴퓨터 모니터 적용들에 허용 가능할 수도 있지만, 이것은 완전한-컬러 TV 디스플레이들을 위해 요구되는 것의 부족(short)을 감소시킨다.
CCFL 광원들과 대조적으로, 이들의 상대적으로 높은 스펙트럼의 순도 때문에, LED들 및 다른 고체 상태 광원들은 특유하게 NTSC 색상 전 범위의 100% 이상을 제공할 수 있다. 이 확장된 색상 전 범위를 제공하기 위하여, 세개 이상의 상이한 색상의 LED들 또는 다른 고체 상태 광원들이 요구된다. LED들 및 다른 고체 광원들을 사용할 때 이러한 확장된 색상 전 범위를 지지하기 위하여, 색상 혼합(mixing)의 높은 레벨이 백라이팅 장치로부터 요구된다. 영상 디스플레이 기술 분야의 당업장에게 공지된 것처럼, 빨강색(R), 초록색(G), 및 파랑색(B) LED들과 같은 고체 상태 광원들을 사용할 때 색상 균일성의 만족스러운 레벨을 달성하는 것이 특히 과제이다. 위에서 개시된 것과 같은 커다란 영역 도광판을 채택한 종래의 백라이팅 해결안들은 대응적으로 열등한 색상 혼합을 제공할 것이다.
큰 크기의 디스플레이들을 위한 백라이팅에 대하여 다른 과제들은 저비용 어셈블리, 광 효율, 균일성, 및 소형 크기에 대한 요구를 포함한다. 더 쉽게 언급될 때, 종래의 LED 백라이팅 해결안들은 이 추가된 요구사항들을 충족시키기 위하여 요구되는 것의 부족을 감소시킨다. LED를 기초로 한 디스플레이들의 균일도 및 휘도는 향상될 필요가 있다. 도광판들과 광 바아 모두에 대한 향상된 광 추출을 위한 많은 제안들이 존재하여 왔다. 더 큰 디스플레이에 대하여 균일한 방식으로 광을 재배향 또는 추출할 수 있는 것은 어렵다. 광 재배향의 향상된 수단을 존재한다.
따라서, 저렴하게 제조될 수 있고, 최소의 두께를 가지며, 만족스러운 균일성 및 높은 휘도, 및 효율성의 높은 레벨들을 갖는 색상 영상 변조를 제공하는 LED 백라이트 해결안을 위한 일 요구가 존재하는 것으로 볼 수 있다.
본 발명은 마주보는 TIR 표면들을 포함하고, 상기 TIR 표면들 사이에 위치되어 상기 TIR 표면들 중 하나를 가로막는 광 재배향 표면 구조체들의 원하는 패턴을 포함하되, 상기 구조체들은 상기 도광판의 고체 물질의 굴절률과 상이한 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 고체 도광판을 제공한다. 본 발명은 백라이트 조사(illumination)의 기술을 향상시키고, 고체 상태 광원들을 이용하기 위하여 필요한 향상된 높은 레벨의 색 혼합을 제공한다. 예를 들어, 원하는 패턴은 도광판의 일체화된 부분으로서 형성될 수도 있고, 도광판이 형성된 후에 추가될 수도 있고, 또는 광학 필름으로서 도광판에 추가될 수도 있다.
본 발명은 백라이트 장치 및 백라이트 장치를 채택한 디스플레이에서 변경되어 사용될 수도 있다. 광 재배향을 제공하기 위한 절차들이 또한 개시된다. 본 발명이 디스플레이에 백라이팅하는 영역을 제공하기 위하여 고체 상태 광원들을 채택하는 것은 본 발명의 이점이다. 본 발명의 장치는 확장/축소될 수 있고, 특히 더 큰 크기의 액정 패널에 적용 가능하다.
본 발명이 연장된 일루미네이터(elongated illuminator) 뿐만 아니라, 도광판 또는 다른 평평한 형태의 패널과 함께 사용될 수 있는 것은 본 발명의 다른 이점이다.
본 발명의 이러한 그리고 다른 목적들, 특징들 및 이점들은, 본 발명의 예시적인 구체예가 도시되고 설명된 도면들과 연관시킬 때, 하기의 발명의 상세한 설명의 읽음으로 당업자에게 명백하게 될 것이다.
본 발명은, 예를 들어 LCD TV, 의학 진단 디스플레이, 영상 디스플레이 및 군사 디스플레이를 위해 사용되는 것들과 같이, 디스플레이 제품들, 특히 LC 디스플레이 패널들에 적합한 백라이트 장치로서 작용하는 도광판을 제공한다. 더욱이, 본 발명의 도광판 장치는 고체 상태 광이 이로운 다른 조사 제품들을 위해 사용될 수 있다.
본 개시 중에, 용어 "고체 상태 광원(solid-state light source)"은 반도체 물질들로부터 형성된 방사성 광원의 일 형태를 가리키는, 조사 기술의 당업자들에 의해 받아들여지는 종래의 의미를 가진다. 고체 상태 광원은 예를 들어 반도체 레이저들 뿐 아니라 발광다이오드(LED), 유기발광다이오드(OLED) 및 폴리머발광다이오드(PLED)를 포함한다. 일반적으로 여기에서 사용된 고체 상태 광원이라는 용어는 작은 포인트형 광원으로부터의 어떠한 광원도 의미하지만, 방사원(emission source)의 설계는 비포인트형처럼 보이기 위해 광이 콜리메이팅되거나 분산되도록 될 수 있다. 몇몇 고체 상태 광원들의 배열은 더 넓은 비포인트형 광원 내의 광을 결합하기 위하여 렌즈 요소들을 가지는 방식으로 배열될 수 있다.
본 개시의 내용 중에, 광 재배향은 위쪽으로서, 그리고 실질적으로 디스플레이의 시선측 또는 조명 장치의 광 방사측을 향하는 것으로서 설명된다. 따라서, 백라이트 장치로서 작용하는 도광판은 조사 평면으로부터 위쪽으로 광을 방사한다. 용어 "아래" 및 "위"는 이러한 방향설정에 따른다. 용어 "시선측(view side)"은 시 선 또는 광 방사 측을 가리키고, "비시선측(non-view side)"은 시선측의 반대측이다. 디스플레이 패널은 LC 디스플레이 장치 또는 광 밸브의 다른 배열과 같은, 투과형 공간 광 변조 장치이다. 조사 및 광 채널과 관련하여 여기서 사용된 용어 "선형(linear)" 또는 "연장된(elongated)"은 폭보다 길이 훨씬 더 긴 것, 일반적으로는 일 방향(길이 방향)으로 디스플레이의 길이이에 접근하지만 다른(폭) 방향으로는 거의 그렇게 길지 않은 것을 의미한다. 이들 용어들은 꾸불꾸불한 것과 같이, 직선 또는 만곡될 수 있다. 예들은 정사각형, 직선형, 원형, 삼각형과 같은 다양한 단면 종단 형상을 포함할 수 있거나, 둘 이상의 형상의 복합적인 형상일 수 있다. 일루미네이터 또는 광 채널들의 적어도 하나의 표면은 광 채널의 내부 전반사를 추출하거나, 그렇지 않다면 이를 분산 또는 재배향시키는 수단을 포함할 수 있다. 이러한 수단들은 균일한 광 양상을 제공하는 방식으로 수행될 수 있다. 여기서 사용된 용어 "연장된 일루미네이터(elongated illuminator)" 및 "광 바아(light bar)"는 동일하다. 용어 "광 입사측(light input side)" 또는 "광 입사 종단(light input end)"은 광원으로부터의 광이 도광판으로 들어가는 주된 측을 가리킨다. 여기서 사용된 용어 "구멍들(holes)", "인덴트들(indents)" 및 "광 재배향 구조체들(light redirecting features)"은 광의 방향을 도광판, 연장된 일루미네이터 또는 디스플레이의 시선측을 향하여 변경하는 것들을 가리킨다.
사건 번호(Attornet Docket) 93845에 대하여 함께 출원된 미국출원의 구체예들은 참조를 위해 여기에 병합된다.
본 발명에서 유용한 연장된 일루미네이터를 갖는 고체 도광판들은 조도 평 면을 따라 연장되며, 디스플레이 패널의 방향으로, 위를 향하여 광을 재배향시킨다. 디스플레이 패널 및 조사 평면은 실질적으로 평행하다. 광 채널 어레이로부터 광의 주방향은 위를 향하고 디스플레이 패널 쪽 또는 시청자 쪽을 향한다. 영상 기술 분야에서 당업자에게 잘 알려진 것처럼, 연장된 일루미네이터들이 직각으로 배치될 수 있도록 하여, 이들은 x축의 일반적 방향으로 연장되고 y축을 따라 어떤 거리만큼 이격되도록 한다. 연속적인 설명 및 도면들에서, y축을 따른 연장(extension)이 도시되지만, 대안적으로 직각 배열이 사용될 수 있다. 본 발명의 유용한 어떤 실시예들에서, 연장된 일루미네이터들은 25mm보다 작은 연장된 일루미네이터들 사이의 간격에 중심을 두기 위하여 중심을 갖는다.
연장된 일루미네이터 광 채널의 형태는 이것의 폭 치수(W) 및 두께 치수(T)를 훨씬 초과한 길이 치수(L)를 갖는다. 바람직하게는, 길이(L)는 폭 치수(W)의 5배수보다 크다. 바람직하게는 폭 치수(W) 및 두께 치수(T)는 단지 2의 요소만큼 상호 간에 상이하다. 일 실시예에서, 치수들(T 및 W)은 대략 동일하다. 연장된 광 채널(18) 안으로 배향되는 광이 내부 전반사(TIR)의 수단에 의해 이 도광판 구조물을 통해 전파되기 때문에, 길이(L)보다 훨씬 작은 치수들(T 및 W)을 유지하는 것은 색상 및 균일성을 향상시킨다. 이것은 TIR을 사용하기 때문에, 연장된 일루미네이터 광 채널은 고효율이며, 광 추출 요소에 의해 제공될 때 의도된 방향을 제외하고 매우 낮은 광 손실을 갖는다. 본 발명에서 유용한 다른 실시예들에서, 광 입사 표면 영역에 대한 연장된 일루미네이터들의 길이는 100/1보다 큰 비율을 갖는다.
2000cd/m2보다 큰 축상 휘도를 제공하는 도광판을 제공하는 것이 바람직하 다.
미리 언급된 바와 같이, RGB LED들을 사용할 때 색상 균일성의 높은 레벨을 달성하는 것은 상당한 과제일 수 있다. 단일의 LED는 백색광 LED와 같이 대안적으로 사용될 수도 있다. 대안적으로, 추가적 색상 LED들은 RGGB 배열들을 제공하거나 청록색(cyan), 주황색, 또는 다른 색상들을 추가시키기 위한 것과 같이, 휘도를 증가시키거나 색상 전 범위를 향상시키기 위하여 사용될 수 있다. 또한, 연속적으로 더 상세히 개시되는 바와 같이, 다른 라이팅 배열들은 가능하다. 어떤 실시예들에서, 광 입사 표면 당 하나 이상의 고체 상태 광원을 가지는 것이 유용할 수도 있다. 연장된 일루미네이터들의 긴 길이들을 위하여, 광 입사 표면 당 하나 이상의 고체 상태 광원을 가지는 것은 전력의 높은 레벨들로 상승시켜야 하지 않고도 더 많은 광을 제공하며, 위험 잠재력이 고체 상태 광원으로부터 밖으로 비친다. 또한, 하나 이상의 광원을 가지는 것은 충분한 휘도를 유지하는 동안 고체 도파관의 먼 영역들에 도달하는 충분한 광이 존재하는 것을 확신시키는데 도움을 준다.
본 발명의 고체 도파관과 함께 사용될 수도 있는 상이한 기능성을 갖는 다양한 필름들이 존재한다. 이들은 안료(pigment), 기포(air void)들, 또는 내부의 유리 비드들을 채택하는 부피(bulk) 형태 디퓨저일 수 있는 디퓨저를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 대안적으로, 디퓨저는 예를 들어, 투명한 고착제(binder)를 갖는 단일 또는 다중 크기의 비드들을 갖는 비딩된(beaded) 표면, 표면 형태 디퓨저일 수 있다. 또한, 프레넬 렌즈 형태 디퓨저가 사용될 수 있다. 본 발명에서 유용한 디스플레이 내의 고체 도파관 사용은 광 확산, 광 콜리메이션, 휘 도 향상, 광 편광, 광 변조, 광 필터링, 광원으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 일 기능을 더 포함할 수도 있다. 이러한 기능들은 더 높은 휘도, 축외 시야뿐 아니라 완전한 축상을 제공하는 것 내에서 유용하다. 광 콜리메이션, 확산 및 산란은 시청자에게 가장 만족스러운 시청을 제공하기 위한 광을 조정하는데 도움을 준다.
위에서 논의된 광 매니지먼트(management) 필름은 비쿠이타TM 얇은 휘도 향상 필름들(BEF), 3M의 생산품, 세이트. 폴, 엠엔과 같은 광 향상 필름들의 다양한 형태들 또는 휘도 향상 필름들을 포함할 수도 있지만 이에 한정되지 않는다. 또한, 반사 폴라이저들과 같은, 폴라이저들이 제공될 수 있다. 필름들 및 이들의 기능들은 하나 이상의 기능성을 자는 단일의 필름 안으로 결합된다.
본 발명에서 만일 도광판이 연장된 일루미네이터들을 포함한다면, 이들은 많은 구성들 중 어떠한 것으로 분포될 수 있다. 근접한 연장된 일루미네이터들 사이의 분리 거리는 요구된 휘도, 영역, 및 균일성과 같은 요소들에 기초하여 변경될 수 있다. 근접한 연장된 일루미네이터들은 근접할 수 있지만, 연결되지는 않는다. 일체화 브릿지는 본 발명의 도면들의 어떤 것에서 도시된 것처럼 프로파일의 부분에서 하나 이상의 연장된 일루미네이터들에 결합될 수도 있다. 이러한 일체화 브릿지들은 향상된 강성도(stiffness)를 제공하기 위하여 유용하며, 또한 연장된 일루미네이터들 사이의 향상된 휘도 균일성을 제공하는데 도움을 줄 수도 있다.
충전(fill) 요소는 상이한 파장들의 광원이 사용되는 스펙트럼의 요소들을 혼합하기 위해서 뿐 아니라, 요구된 휘도 레벨들을 달성하기 위하여 중요한 고려사항일 수 있다. 각각의 도광판 및/또는 연장된 일루미네이터를 위한 충전 요소가 광 채널의 입사광 표면 연역에 대한 광 채널 안으로 광을 배향시키는 하나 이상의 광원들의 표면 영역의 비율로서 산정될 것이다. 백라이트 장치를 위한 충전 요소가 장치의 조도 평면의 표면 영역에 대한 연장된 일루미네이터들의 발광 영역들의 전부의 비율로서 산정될 것이다.
광원들
각각의 도광판 또는 연장된 일루미네이터는 적어도 하나의 독립적인 고체 상태 광원(16)을 갖는다. 고체 상태 광원은 이것이 광을 전하는 곳에서 독립적일 수 있다.
고체 상태 광원들(16)은 미리 언급된 것과 같이 LED들일 수 있다. LED들이 이들의 높은 휘도 및 우수한 스펙트럼의 특성들 때문에 바람직하다. 만약 좁은 파장 밴드들 내부로 발광을 배향시킨다면, 따라서 LED들은 종래의 광원들에 대하여 향상된 색상 전 범위을 제공하는 조도를 제공하는 것이 가능하다. 예를 들어, CCFL 광원들은 LCD 패널과 함께 사용될 때 NTSC 색상 전 범위의 약 70%를 제공한다. LED 광원들은 NTSC 범위의 100% 또는 더 크게 달성될 수 있다. 또한, LED들은 이들이 빠르게 펄스(pulse)되기 때문에 바람직하다.
연장된 일루미네이터들 및 특히 본 발명의 혼합 섹션을 갖는 고체 도파관들은 LED들을 위하여 색상 혼합의 높은 정도를 제공한다. 도광판 및 다른 종래의 해 결안들과 달리, 연장된 일루미네이터들을 갖는 고체 도파관 및 상대적으로 좁은 폭 치수들을 갖는 광 채널을 형성하는 혼합 섹션들은 우수한 색상 혼합을 제공한다. 이러한 배열은 광은 혼합 섹션을 통해 전파되고 연장된 일루미네이터들 광 채널에 의해 제공된 경로 아래로 전파될 때 상당한 수의 반사들을 산출한다. TIR 활성도. 빨강색(R), 초록색(G), 및 파랑색(B) LED들은 광 채널(18)의 하나 또는 양쪽 모두의 종단들에서 LED들의 RGB 3원소로서 배치될 수있다. 하나 이상의 색상들의 일 LED 이상을 갖는 RGGB 배열은 대안적으로 초록색 광 레벨을 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, R, G, 및 B LED들은 광 채널의 상이한 종단들에서 분포될 수 있어, 예를 들어 단일의 광 채널이 일 종단 상에 빨강색 및 초록색 LED를 갖고, 타 종단 상에 초록색 및 파란색 LEC를 갖도록 한다. 임의적으로, 백색광 LED와 같거나 다른 색상 LED인 네번째 LED는 광 채널의 일 종단 또는 양쪽 종단 모두에 위치될 수 있다. 다른 실시예에서, 각각의 개별적인 광 채널은 단일의 색상 광원을 가질 수 있어, 예를 들어, 3개의 근접한 광 채널들은 각각 빨강색, 초록색, 및 파랑색 LED들을 갖도록 한다.
이색성의(dichroic) 필터들은 개별적 연장된 광 채널들 안으로 광을 배향시키기 위하여 사용될 수 있다.
광원들이 계속적으로 작동할 수 있어, 혼합된 RGB 또는 백색광이 디스플레이 평면에 제공되도록 한다. 대안적으로, 연속적인 색상의 백라이팅 장치들이 가능하다. 일 실시예에서, R, G, 및 B는 연속적으로 대응하는 광원들(16)을 기동시킴에 의하여 백라이팅 장치로부터 빠르게 순환된다. 대안적으로, 선형 스캔은 R, G, 및 B 또는 백라이트 장치의 표면을 가로질러 스크롤 순서에서 제공되는 다른 색상들과 함께 제공될 수 있다. 이어서 디스플레이 평면은 동일한 순서를 갖는 픽셀들의 대응하는 열들 또는 행들을 기동할 수 있고, 연속적인 변조된 색상을 제공한다. 이러한 배열은 예를 들어, LC 디스플레이와 함께, 색상 필터 어레이에 대한 요구를 미연에 방지할 것이다. 청록색, 자홍색(magenta), 및 노란색과 같은 혼합된 색상들은 대안적으로 광원들의 정기의 활성화(activation)를 사용하는 것에 제공될 수 있다.
레이저 광원들은 대안적으로 본 발명의 연장된 일루미네이터와 함께 사용될 수 있다. 이들의 상대적 스펙트럼의 순도 및 빠른 응답 시간들은 디스플레이 적용들의 어떤 타입들을 위하여 레이저들을 유인적인 대안들로 만든다. 높은 휘도 및 레이저들의 높은 광학 전력 레벨들은 단일의 광원들이 다중의 연장된 일루미네이터들 광 채널들을 비추도록 한다.
연장된 일루미네이터와 함께 사용될 수 있는 대안적인 광원들은 유기발광다이오드들(OLED) 및 (폴리머 발광다이오드들)PLED를 포함할 수도 있다.
광 채널들
도광판 및 연장된 일루미네이터 광 채널들은 라이메이팅된 안전 유리와 같은 유리의 당야한 형태를 포함하는 매우 투명한 물질들로부터 형성된다. 사용될 수 있는 플라스틱들은 PMMA, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리아미드, 폴리슐폰, 폴리에핀, 사이클릭-올레핀 및 이들의 혼성 중합체(copolymer)를 포함한다. 광 채널들은 향상된 온도 및 광 안정성을 위하여 첨가제(additive)를 가질 수 있다. 물질들 의 광학 전달은 약 90%를 초과해야만 한다. 의도적으로 취급되는 곳을 제외하고, 광 채널의 표면들은 광학 피니쉬를 가져야만 한다. 높은 굴절률(n)은 이것의 바람직한 도광 상태량들을 위해 바람직하다.
제조에서, 도광판 및 연장된 일루미네이터 광 채널들은 주조, 프로파일 압출 성형되거나 몰딩된다. 가열 및 마멸됨에 의한 것처럼, 물질들의 추가 조절은 향상된 광학 성능을 달성하기 위하여 바람직할 수 있다. 또한 고체 도파관 및 매끄러움의 높은 정도를 갖는 연장된 일루미네이터들을 제공하는 것이 바람직할 것이다. 거칠기의 50nm Ra 보다 작은 TIR 표면을 갖는 것은 광이 거친 표면을 때릴 때 산란하기 때문에 광 누출을 최소화시키는데 도움을 준다. 거친 표면들은 광의 TIR을 분산시키고 이것의 각도를 변경시킬 것이어서, 이것은 원하지 않은 점에서 연장된 일루미네이터를 나갈 수 있다. 이것은 연장된 일루미네이터들의 전반적인 유효성을 감소시킬 수 있다.
연장된 일루미네이터들에 대하여, 강성도 또는 강직성의 높은 정도가 큰 후면 장치를 위한 모듈 요소로서 광 채널을 제공하기 위하여 바람직하다. 높은 강성도는 간단한 핸들링(handling) 및 광 파이프 어레이의 어셈블리의 용이함을 위하여 허용한다. 10mN을 초과한 강성도가 바람직하다. 클립, 홀더, 또는 다른 지지체는 더 긴 길이의 광 채널들을 위하여 휘거나 굽는 것을 방지하도록 도움을 주기 위하여 사용될 수 있다. 광 채널들은 굽힘을 억제시키기 위해 충분한 폭(W) 치수를 가져야만 한다. 만약 필요하다면, 추가의 지지 구조물들은 비스듬하게 굽는 것을 방지하기 위하여 사용될 수 있다.
연장된 일루미네이터들 광 채널은 본 발명 적용 내에 도시된 실시예에서 어떤 거리만큼 광원으로부터 분리될 수도 있다. 그러나, 또한 광원을 연장된 광 채널 내부로 끼워 넣은 것이 가능하다.
광 추출 구조체들
본 명세서에서 도면들에 도시된 광 재배향 요소 또는 구조체들에 대한 다수의 실시예들이 존재한다. 연장된 일루미네이터 또는 도광판의 광 재배향 구조체들의 기본적 기능은 광을 배향시키는 것이고, 이는 그렇지 않으면 TIR에 의해 전달되며, 이에 의해 광이 회전되서 연장된 광 채널의 시선측으로부터 발광되도록 한다. 이것은 다수의 방법으로 수행되며, 이하를 포함한다:
(i) 도광판 또는 연장된 일루미네이터에 대한 처리는 일반적으로 비시선측에 적용되거나 비시선측에 형성된다. 본 발명에서 유용한 광 재배향 수단은 안쪽으로 형성되거나 도광판 또는 일루미네이터의 시선측 또는 방사측을 향하여 날카로와진다. 이들은 비시선측 TIR 표면을 가로막고(interrupt), 이에 따라 2개의 주 TIR 표면들 사이에 위치된다. 이들은 일련의 인덴트들을 형성한다. 인덴트들은 훨씬 크기 때문에, 이들은 일반적으로 크기는 작으나 이전의 마이크로구조물들(microstructures)과는 상이하다. 이들은 몇 미크론 크기 범위일 수 있는 동시에, 이들은 수백 미크론일 수도 있다. 대부분 어떠한 형상도 사용될 수 있으나, 바람직하게는 이들은 프리즘, 피라미드, 반구, 구멍, 복합 형상 또는 TIR을 방해하기 위한 잘 정의된 다른 형상이다. 마이크로구조화된 인덴트들은 몰딩, 엠보싱, 익스 트루젼 롤 몰딩(extrusion roll molding), 드릴링 또는 다른 방식으로 형성될 수 있다. 이들은 광원으로부터의 거리의 함수로서 형상과 크기가 변할 수 있다. 마이크로 인덴트들은 도광판 또는 연장된 일루미네이터의 일체화된 부분으로서 형성될 수도 있고, 또는 광학 필름의 일부로서 형성되고 도광판 또는 연장된 일루미네이터에 접착될 수도 있다. 사용되는 접착제의 예는 압력 또는 열 반응 접착제(pressure or heat sensitive adhesive) 또는 경화 가능 접착제(예를 들어 자외선 또는 전자빔 방사)를 포함한다. 에폭시와 같은 화학적 교차 결합 물질이 대안적으로 사용될 수 있다. 넓은 온도 범위(-40 내지 85℃)에서 견딜 수 있는 접착제들이 종종 LCD 디스플레이 제품들에 대하여 요구된다. 더 높은 온도 범위(60-85℃) 및 더 높은 상대 습도(95%@65℃)를 견딜 수 있는 접착제가 바람직하다. 높은 정도의 광학 전달이 바람직하다. 첨가제(additive), 특히 나노 입자들이 접착제의 굴절률을 변경하기 위하여 사용될 수 있다. 날카로운 팁 디스펜서 또는 핫 멜트 글루 디스펜서가 연장된 일루미네이터에 필름 요소의 부분들을 부착하기 위해 사용될 수 있거나, 도광판의 경우에 접착제는 레이어(코팅되거나 전사된 레이어)로서 부착되고, 이어서 원하는 인덴트 패턴을 가진 광학 필름이 라미네이팅될 수 있다. 접착 레이어가 인덴트들을 포함하는 광학 필름의 마주보는 측에 코팅되거나 전사될 수 있고, 이어서 접착제를 가진 필름이 도광판 또는 연장된 일루미네이터에 라미네이팅될 수 있다는 것을 주목되어야 한다. 광학 해제 라이너(optical release liner)는 광학 필름 및 접착제에 부착되어 라미네이션에 앞서 제거될 수 있다. 임의로, 연장된 일루미네이터의 광 비방사 표면이 그 위에 광 재배향 구조물들을 형성하도록 구조화될 수 있 다. 일루미네이터 또는 도광판의 일부는, 광 재배향 마이크로구조물들을 형성하기 위하여 롤러를 사용하는 것처럼 몰딩될 수 있거나 그렇지 않다면 처리될 수 있다. 인젝션 몰딩 공정에서는 광 재배향 구조물들은 몰드의 일부로서 형성될 수 있다. 폴리머가 인젝팅되고 냉각됨에 따라, 광 추출 구조물들은 연장된 일루미네이터의 일체화된 부분이 된다. 익스트루젼 롤 몰딩을 사용하는 공정에서는 폴리머가 용융되고 원하는 구조체를 가진 롤러 또는 벨트 위로 캐스팅될 수 있다. 결과적인 필름 또는 물체는 원하는 인덴트 패턴을 가질 것이다. UV 또는 다른 화학적 폴리머는 몰드 안으로 캐스팅되거나 원하는 패턴을 가진 롤러 또는 벨트 위로 캐스팅되어 물체 또는 필름 레이어를 형성할 수 있다. 하나의 레이어가 형성되고, 이어서 그 레이어 또는 필름으로 원하는 패턴이 형성된다는 것이 주목되어야 한다.
상기 공정의 이러한 형태의 조합은 또한 사용될 수 있다. 광 재배향 구조체들은 개별 요소들일 수 있다. 광 추출 구조체들은 개별적 요소들일 수 있다. 도광판 또는 일루미네이터의 길이를 따라 균일한 발광을 제공하기 위하여, 인덴트들의 크기 및 밀도는 고체 상태 광원으로부터 광 채널을 따른 거리의 함수로서 변경될 수도 있다. 예를 들어, 광 채널의 각 종단에서 LED광원들이 존재하는, 광 재배향 구조체들이 종단들을 향해서 보다 중심 근처에 더 높은 밀도와 함께 분포될 수 있다. 대안적으로, 광 재배향 요소들의 분포 밀도는 실질적으로 일 방향으로 연속될 것이다.
광 재배향은 하나 이상의 표면 상에 제공될 수도 있다. LCD 및 출사 표면으로부터 먼, 광 채널의 대향면은 일반적으로 광 누설을 방지하기 위하여 매끄러운 표면을 제공하지만, 대안적으로 광 추출량을 향상시키기 위하여 구조되고, 표면 처리되고, 거칠어질 수도 있다.
광 재배향 요소들은 디스플레이 패널(24) 또는 다른 광 출사면에 직면한 연장된 일루미네이터 또는 도광판으로 몰딩, 엠보싱, 가압, 접착, 프린팅, 또는 라이네이팅될 수도 있다.
모니터링 색상 시프트
LED들 또는 고체 상태 광원들의 다른 형태들이 갖는 공지된 문제점은 스펙트럼의 안정성 및 정확성에 관한 것이며, 이는 색상 시프팅의 어떤 양을 야기시킬 수 있다. 임의적 색상 센서는 하나 이상의 연장된 일루미네이터들의 요소로서 제공될 수 있다. 색상 센서는 LED들 또는 광원들의 다른 형태들 사이의 노화(aging), 가열, 또는 제조 차이 때문에 존재할 수 있는 것과 같은 색상 시프트들을 위하여 보상하는 제어 고리 내에서 사용될 수 있다. 임의적으로, 특정한 광 파이프 근처의 픽셀들을 위하여 영상 데이터는 검출된 색상 시프트들을 위해 보상하기 위해 조정될 수 있다.
시스템 고려사항
현재 이용할 수 있는 어떤 다수의 장치들을 사용하여, 본 발명의 연장된 일루미네이터 또는 도광판이 2000-6000 니트들 사이 또는 더 높은 곳에서, 조도의 높은 레벨을 제공할 수 있다. 높은 에너지 레벨들에서, 열 강화(buildup)는 어떤 적 용들에서 LED들이 갖는 문제점일 수 있다. 백라이트 장치는 하나 이상의 열 흡수원들, 냉각 팬들, 또는 작동 동안 초과 열을 방산시키도록 돕기 위한 다른 매케니즘들을 제공할 수 있다. 바람직하게는, 열-방산 요소들은 디스플레이 장치의 외면의 에지들을 따라, 본 발명의 장치 및 방법들을 사용할 때 LCD 패널로부터 멀리 위치될 수 있다.
구체예들
도 1a, 1b 및 1c는 비시선측에 형성된 일련의 구멍들 또는 인덴트들(11, 12, 13)을 가진 고체 도광판(10)의 단면도이다. 도광판은 광원(16)에 의해 일 종단 또는 양 종단들로부터 조사될 수 있다. 만일 일 종단에서만 조사된다면, 광원의 마주보는 종단 상에 리플렉터(reflector)이 존재할 수 있다. 구멍들 또는 인덴트들은 어떠한 형상 또는 크기일 수도 있고, 또는 광원으로부터의 거리의 함수로서 형상 및/또는 크기가 변할 수도 있다. 어떠한 구체예들에서는 구멍들은 폭 및 길이 치수가 상대적으로 동일한 크기를 가진다. 비록 더 크거나 약간 작은 것이 바람직할 수 있지만, 구조체들은 일반적으로 깊이가 1-300 미크론 크기 범위일 수 있다. 구조체들은 광을 산란시키고 광 바아의 시선측을 향해 광을 재배향하는데 있어서 유용하다. 광 바아는 평평한 형상, 테이퍼링된 형상, 라운딩된 형상 또는 다른 형상 또는 복합 형상일 수 있다. 향상된 광 혼합 균일도를 제공하기 위하여 광 혼합부(light mixing section)가 존재할 수 있다. 광 바아의 길이를 따라 균일한 조사를 제공하기 위하여 간격, 밀도, 크기 또는 형상이 변할 수 있다. 단지 측면도만이 이들 구 조체들에 도시된 반면에, 측면 치수는 구조체들의 수에 있어서 변할 수도 있다. 광 바아는 또한 광 바아 내로 광원을 더 효율적으로 결합시키는 수단을 제공할 수도 있다. 이들은 인덴팅되거나(indented) 리세싱된(recessed)종단들, 리플렉터들을 포함하지만 이에 한정되지는 않으며, 접착제와 같은 플렉서블한 매개물 내에 광원을 실장시키고, 광이 광원을 빠져나올 때 광을 쉐이핑하고(shape), 콜리메이팅하고, 또는 그렇지 않다면 광을 배향하기 위하여 렌즈를 제공한다. 이러한 수단은 광원을 빠져나오는 광의 양 대 들어오는 광의 양을 최적화시키기 위하여 광 바아 안으로의 내부 전반사(TIR) 각도를 설정하는 것을 돕는다. 더욱이, 광 바아의 다른 최적화 수단들 뿐 아니라 구멍들 또는 인덴트들이 도광판 대 광 바아에 적용되고 사용될 수 있다.
도 2는 캐스팅되거나, 엠보싱되거나, 몰딩되거나, 그렇지 않다면 광학 필름의 비시선측 내에 형성된 일련의 광 재배향 인덴트들을 가지는 광학 필름(21)을 가지는 도광판이다. 광학 필름(21)은 접착 레이어(22)에 의해 도광판에 접착적으로 부착될 수 있다. 접착제는 높은 레벨의 투과성을 가지는 광학적으로 투명한 접착제일 수 있다. 80%보다 큰 투과성이 바람직하고, 90%보다 큰 투과성은 시선측을 향하여 광을 재배향할 뿐 아니라 균일한 광 투과성을 제공하는데 더 효율적인 백라이트를 제공한다. 접착제 두께는 0.3 내지 75 미크론일 수 있다. 접착제들은 일반적으로 더 얇은 두께를 가지면 더 낮은 접착력을 가지며, 두께가 증가함에 따라 광을 더 흡수할 것이라는 것이 주목되어야 한다. 가장 바람직한 범위는 10 내지 25 미크론이다. 더욱이, 접착제의 굴절률은 도광판 물질 뿐만 아니라 인덴트들을 만들기 위해 사용되는 필름의 0.02 내에서 부합되어야 한다. 본 발명에서 유용한 몇몇 다른 구체예들에서, 접착제는 도광판의 길이 또는 폭 치수에서 패터닝되거나 연속적일 수 있다. 접착제는 디스플레이 및 디스플레이 요소들에 대한 환경 조건들을 견디기 위하여 충분한 접착 특성을 가져야 한다. 본 발명에서 유용한 도광판은 프로파일에 있어서 어떠한 설계(정사각형, 사각형, 원형, 테이퍼링)도 될 수 있다. 이들은 또한 혼합부를 포함할 수도 있고, 일 종단 또는 양 종단들로부터 조사될 수도 있고 리플렉터들일 수도 있다. 인덴트들은 1-300 미크론의 깊이를 가질 수 있다. 인덴트들의 측부는 진선형이거나 라운딩되거나, 테이퍼링될 수 있다. 인덴트의 상대적인 형상은 예를 들어 정사각형, 직사각형, 삼각형, 원뿔형, 실린더형, 렌즈형, 디스크형, 사다리꼴형 또는 부분적인 사다리꼴형일 수 있다. 인덴트들의 상대적인 깊이는 도광판 상의 모든 인덴트들에 대해 실질적으로 동일할 수 있고, 이들은 광원으로부터의 거리의 함수로서 깊이가 변할 수 있다. 인덴트들의 패킹(packing) 밀도 뿐 아니라 인덴트들사이의 간격 또한 더 균일한 광 혼합 및 루미넌스 균일도를 제공하는 것을 돕도록 변할 수 있다. 인덴트들은 분리된 구조체들일 수 있고, 또는 연속적인 인덴트들을 가지기 위하여 두 개 이상의 인덴트들을 연결하는 상호연결 영역을 형성하는 방식으로 패터닝될 수도 있다. 인덴트들은 또한 이들의 상부 프로파일 표면들에서 변할 수 있으며, 약간 거칠 수 있다.
도 3a는 적어도 하나의 종단 상의 적어도 하나의 프리즘 형상 광 입사 종단(31), 적어도 하나의 광원(16), 도광판(10)의 두개의 TIR표면(시선측; 35)(비시선측; 34) 사이의 광 재배향 수단을 가지는 고체 도광판(10) 배열이다. 광 재배향 수단은 도광판의 일체화된 부분으로서 형성된다. 광 재배향 수단(36)은 비시선측 표면 내의 일련의 인덴트들이다. 인덴트들은 광원으로부터의 거리가 변함에 따라 크기, 형상 및 밀도가 변할 수 있다. 만일 도광판이 서로 마주보는 2개 이상의 광원을 가진다면, 인덴트 패턴은 중앙에서 더 높거나 가장 높은 밀도를 가지고 양 종단들로부터 변경될 것이다. 만일 단지 일 종단으로부터 조사된다면, 광 입사 종단을 마주보는 종단은 리플렉터를 더 포함할 수 있다. 반사 수단은 스펙트럼성 또는 확산성일 수 있다. 추출 또는 반사 구조체들이 존재하지 않는 (적어도 매우 최소한), 광 입사 종단 근처의 작은 영역이 존재할 수도 있다. 이러한 영역은 색 혼합을 제공하는데 있어서 유용하다. 이러한 영역은 연장된 일루미네이터들에 대하여 특히 유용하다. 더욱이 광 입사 종단 상에 광 혼합부(33)가 존재한다.
도 3b는 혼합부(33)를 가진 유사한 도광판(10)이고, 프리즘 형상의 광 입사 종단들(32)은 전체 광 입사 종단을 덮고, 인덴트들은 광학적으로 투명한 접착제(22)를 가진 광학 필름(34)으로서 적용된다.
도 4는 초기 광 혼합부(33) 및 인덴트들(41)을 가진 테이퍼링된 표면을 가진 도광판(40)이다. 2개의 주된 TIR 표면들은 혼합부의 외측에서 상호간에 평행하지 않다는 것이 주목되어야 한다. 테이퍼링측의 경사는 인덴트들과 함께 광 재배향을 돕도록 설계된다. 인덴트들은 광의 길이를 따라 휘도 및 균일도의 가장 높은 레벨을 제공학 위하여 크기, 형상 및 밀도가 변할 수 있다. 상기 도면은 또한 연장된 일루미네이터일수도 있다.
도 5a는 고체 상태 광원(16) 및 혼합 탭(51) 및 반사 표면(52)을 가진 고체 도광판(53)의 평면도이다.
도 5b는 광원(16)으로부터 균일한 색상 온도를 제공하는 광 재배향 구조체들(55) 및 광 혼합 탭(51)을 가진 고체 도광판(53)의 단면도이다. 광 재배향 구조체들이 도광판의 일체화된 부분으로서 도시되는 반면에, 다른 구체예들은 그 안에 광 재배향 구조체들을 가지는 광학 필름을 가지는 도광판을 제공할 것이다.
본 발명의 다른 유용한 구체예들은, 하이브리드 연장된 일루미네이터 및 도광판을 형성하기 위하여 연장된 채널(channel)들 및 광 채널들을 부착하는 일체화된 브릿지(bridge)를 가지는 도광판을 제공할 수 있다.
본 발명의 유용한 구체예는 마주보는 TIR 표면들을 포함하고, TIR 표면들 사이에 위치되어 TIR 표면들 중 하나를 가로막는 광 재배향 표면 구조체들의 원하는 패턴을 포함하되, 구조체들은 상기 도광판의 고체 물질의 굴절률과 상이한 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 고체 도광판을 형성한다. 이러한 구체예는 일체화된 구조체들을 가지는 도광판을 제공한다. 일체화가 됨에 의해 이들은 손상을 덜 입을 수 있고, 이들은 의도된 방향으로 광을 조절 및 재배향하는 것을 돕는 더 낮은 굴절률 물질의 소정량을 가진다. 본 발명의 구체예에서, 광 재배향 표면 구조체는 도광판 또는 연장된 일루미네이터를 형성하기 위해 사용되는 물질의 굴절률보다 0.02 보다 큰 굴절률 차이를 가지는 물질을 포함한다. 유용한 구체예에서, 광 재배향 표면 구조체는 공기를 포함하고, 다른 구체예에서는 광 재배향 표면 구조체는 인덴트들이다.
다른 유용한 구체예에서, 재배향 구조체는 인덴트 또는 그렇지 않다면 인광 물질로 채워질 수 있는 물질의 디보이드(devoid)이다. 이러한 구체예에서, 인광 물질은 광 에너지의 일부를 흡수할 수 있고 이어서 광을 다시 넣는다(re-admit).
다른 유용한 구체예에서, 광 재배향 구조체들은 3차원 형상을 가진다. 광 재배향 표면 구조체의 형상들은 원뿔형, 실린더형, 사다리꼴형, 렌즈형, 원형, 정사각형, 삼각형 및 피라미드형으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 형상을 포함한다. 다른 구체예에서, 광 재배향 표면 구조체는 복합 형상을 가질 수 있다. 만일 구조체가 정점(vertex)을 가진다면, 일반적으로 도광판의 광 방사측을 향하는 정점의 점을 가지는 것이 바람직하다. 본 발명의 다른 유용한 구체예에서, 광 재배향 표면 구조체는 상기 가로막힌 표면으로부터 마주보는 TIR 표면을 향해 점점 좁아지도록 테이퍼링된다. 이것은 도광판의 방사측 또는 시선측으로 재배향되는 광의 최대량을 제공하는데 있어서 유용하다. 광 재배향 표면 구조체는 적어도 하나의 개별 요소을 포함할 수 있다. 광 재배향 표면 구조체를 위한 유용한 구체예는 분리된 구조체들이다. 분리되거나 개별의 요소들은 용이하게 형성되고 도광판 또는 연장된 일루미네이터에서 재배향된 광의 양 및 균일도를 조절하기 위한 유연성(flexibility)의 가장 높은 정도를 제공한다. 다른 구체예에서, 광 재배향 표면 구조체들은 상호연결될 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 구조체들은 또한 채널을 시뮬레이팅(simulate)하거나 형성하기 위하여 형성될 수 있다.
본 발명의 광 재배향 표면 구조체는 0.1 내지 300 미크론 사이의 깊이를 가질 수 있지만, 바람직하게는 광 재배향 표면 구조체는 1 내지 100미크론의 깊이를 가진다. 만일 테이퍼링된 구멍이 형성된다면, 높이는 정점으로부터 이들이 형성되 는 레이어의 표면까지 측정된다. 테이퍼링된 구멍들 또는 인덴트들과 함께, 이들이 측정되는 위치에 따라 폭은 변한다. 도광판들의 변경은 상호 간에 평행하지 않은 2개의 TIR 표면들에서조차도 이러한 형태의 인덴트들을 사용하는 양호한 유틸리티를 제공할 수도 있다는 것이 주목되어야 한다. 테이퍼링된 도광판 또는 연장된 일루미네이터의 경우에, 가장 높은 레벨의 휘도 및 균일도를 제공하기 위하여, 주 표면들은 평행하지 않고, 인덴트 패턴 파라미터는 광 재배향 구조체들과 함께 변할 수 있다. 유용한 구체예들인 본 발명의 고체 도광판은 TIR 표면들에 실질적으로 평행하지 않은 광 입사 표면을 가진다. 장점은 폼 인자(form factor)가 감소될 수 있다는 것이고, 이는 소비자에게 크게 호소한다. 더 얇은 디스플레이를 가지는 것은 디스플레이의 생산에 있어서 더 적은 재료를 가능하게 한다. 광 배향 표면 구조체들은 광 입사 표면으로부터의 거리의 함수로서 이들의 밀도가 변할 수 있다. 일반적으로 균일한 색상 온도를 제공하는 초기 광 혼합부를 제공하는 것이 바람직하다. 이러한 혼합부는 광 재배향을 요구하지 않고, 광 입사 표면에 인접한다. 혼합부의 길이는 변할 수 있지만, 단지 몇 밀리미터의 길이만이 훌륭한 광 혼합을 달성하도록 요구된다. 도파관(waveguide) 또는 연장된 일루미네이터의 길이를 따르는 밀도 함수는 광 재배향 구조체들의 밀도 함수와 차이를 가진다.
본 발명의 유용한 구체예는 마주보는 TIR 표면들을 포함하고, 상기 TIR 표면들 사이에 위치되어 상기 TIR 표면들 중 하나를 가로막는 광 재배향 표면 구조체들의 원하는 패턴을 포함하되, 상기 구조체들은 상기 도광판의 고체 물질의 굴절률과 상이한 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 고체 도광판을 포함하는 디스플레이이 다. 광 재배향 구조체들을 위한 바람직한 물질은 공기이다. 구조체는 가스 외의 다른 물질이 결여된 구멍 또는 영역이다. 다른 물질을 가지고 구멍들의 일부 또는 전부를 채우는 것이 가능한 반면에, 구멍을 채울 수 있는 어떠한 물질을 포함하는 구멍과 도광판의 물질 사이의 굴절률 차이가 더 높아질수록, 광 재배향의 효율은 더 커진다. 구멍이 물질로 완전히 또는 단지 부분적으로 채울 수 있다는 것과 물질이 다수의 공기 버블을 가지는 거품과 같은 복합 물질일 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 본 발명의 다른 유용한 구체예들은 광원, 광 디퓨징, 광 콜리메이팅, 광 산란, 광 재사용, 편광, 광 변조로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 기능을 더 포함할 수 있다. 이들 기능 물질의 사용은 광 확산과 같은 향상된 광 조종(manipulation), 향상된 축상 휘도, 오프-각 시선(off angle viewing)에 대한 향상된 휘도를 제공한다.
본 발명에서 유용한 광 재배향 구조체들은 구멍들 또는 물질이 제거된 영역이므로, 광 배향 구조체들의 원하는 패턴을 가진 고체 도광판을 형성하는 방법은 드릴링, 몰딩, 엠보싱, 캐스팅 또는 당업계에 알려진 다른 수단에 의해 형성된다. 도광판은 10 내지 30 mil로 두께가 변할 수 있고, 몇 밀리미터일 수 있는 더 두꺼운 것까지 변할 수 있다. 얇은 도광판에 대하여, 기본적인 도광판이 결과적인 필름 내에 구멍 또는 인덴트를 형성할 돌출부를 포함하는 롤러 또는 벨트 상에 폴리머를 캐스팅함에 의해 형성될 수 있기 때문에, 익스트루전 롤 몰딩과 같은 방법이 선호된다. 이러한 방법은 PMMA, 폴리술폰, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 아세테이트 또는 다른 투명 폴리머를 사용할 수 있다. 일반적으로 폴리머는 용융 온도 위에서 가열되고, 이어서 원하는 광 재배향 구조체들을 가지는 필름을 형성하는 이동 몰드 상에 직접적 또는 간접적으로 익스트루딩된다. 어떠한 폴리머는 솔벤트에서 용해되고, 결과적인 용액이 포밍 휠(forming wheel) 또는 벨트 상에 캐스팅될 수 있다. 본 발명의 다른 공정 구체예에서, 필름 또는 슬랩(slab)이 먼저 형성되고, 이어서 구멍들의 원하는 패턴이 열 또는 압력의 추가에 의해 표면 상으로 눌려질 수 있다. 다른 유용한 방법은 도광판의 필름 또는 슬랩을 형성하고, 이어서 적어도 일 측에 다른 레이어를 캐스팅하고, 이어서 그 레이어에 대하여 원하는 패턴을 형성하는 것이다. 본 방법은 다양한 폴리머를 사용하지만, 하나의 바람직한 물질은 원하는 광 재배향 구조체로 몰딩될 수 있고 이어서 패턴 형성 공정 동안 경화될 수 있는 UV 경화 가능한 레이어이다. UV 캐스팅 및 경화의 유용한 수단은 UV 모노머 및 올리고머가 구조체들의 형성동안 경화될 수 있도록 하는 투명 몰드를 더 포함할 수 있다. 다른 물질들이 레이어 추가 방법에서 사용될 수 있고, 이어서 원하는 구조체 패턴이 몰딩 또는 엠보싱에 의하여 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 구체예에서, 광 재배향 구조체들이 분리된 필름 내에 또는 그 위에 형성될 수 있고, 이어서 필름은 도광판 또는 연장된 일루미네이터에 본딩된다. 광 재배향 구조체를 더 포함하는 분리된 광학 필름의 사용은, 도광판 또는 연장된 일루미네이터가 구조체없이 형성될 수 있고, 이어서 분리된 얇은 필름이 구조체를 형성하기 위해 사용되고 이후에 고광판 또는 일루미네이터에 부착될 수 있다는 점에서 많은 유용성을 제공한다. 도광판이 매우 딱딱할 수 있고, 일 측 상에 구조체를 형성하고자 시도하면, 이는 광 분포의 균일화 수단을 제공하지 못하는 뒤틀린 표면의 문제를 유발할 수 있다. 도파 관은 또한 매우 비싸고 기능을 추가할 수 있지만, 분리된 광학 필름이 매우 바람직하고 생산 비용도 더 적다. 광학 필름은 품질 및 원하는 기능성에 대하여 프리스크리닝(prescreen)될 수 있다. 필름은 투명(85% 보다 큼)하고, 어떠한 색상도 없으며, 더 적은 광학 간섭을 위해 더 얇은 것이 더 바람직하다. 원하는 광 재배향 구조체들은 분리된 레이어 내로 또는 필름 내로 직접적으로 형성될 수 있다. 몰딩, 캐스팅, 익스트루전 롤 몰딩, 엠보싱의 유사한 방법들이 사용될 수 있다.
본 발명의 유용한 구체예는 마주보는 TIR 표면들, 도광판의 비시선측에 인접한 광학적으로 투명한 접착제, 상기 광학 필름의 비시선측 및 시선측 사이에 위치되어 비시선측 표면을 가로막는 광 재배향 표면 구조체들의 원하는 패턴을 포함하는 시선측 및 비시선측을 가지는 광학 필름(또는 레이어)를 포함하되, 구조체들은 광학 필름의 고체 물질의 굴절률과 상이한 굴절률을 가지는, 시선측 및 비시선측을 가지는 고체 도광판을 제공한다. 이러한 구체예는 품질이 높고, 생산 비용이 낮으며, 많은 양의 유연성을 제공한다.
도광판 또는 연장된 일루미네이터를 형성하기 위해 사용되는 광학 필름은 적어도 0.02의 광학 필름의 굴절률과의 굴절률 차이를 가지는 물질을 포함하는 광 재배향 표면 구조체들을 가진다. 본 발명의 광학 필름 내의 광 재배향 구조체들은, (고체 또는 액체 물질이 제거된 구멍 또는 영역인) 구조체들 사이의 높은 굴절률 차이를 제공하기 위하여 공기 또는 가스를 포함할 수 있다. 광 재배향 구조체들은 1 내지 100 미크론 사이의 깊이를 가질 수 있다.
광 재배향 구조체들은 상기 가로막힌 표면으로부터 마주보는 TIR 표면을 향 해 점점 좁아지도록 테이퍼링될 수 있다. 광학 필름 및 이들의 상기 광 재배향 표면 구조체들은 적어도 하나의 개별 요소를 포함한다. 구조체들은 분리될 수 있고, 이들은 크기, 형상, 높이, 밀도 또는 다른 물리적 파라미터가 변할 수 있다. 어떤 구체예에서 개별 구조체들은 채널에 의해 상호 연결될 수 있거나, 도광판 또는 연장된 일루미네이터의 길이 또는 폭을 따라 개별 구조체와 연속된 구조체의 조합을 형성하는 방식으로 배열될 수 있다. 밀도 함수는 광원으로부터의 거리의 함수로서 변할 수 있다. 광학 필름은 또한 광 재배향 구조체들이 결여된 영역을 포함할 수 있다. 이러한 영역은 색상 혼합부 위에 적용될 수 있고, 여기서 TIR 법선의 외측으로의 광 재배향이 바람직하지 않다. 본 발명의 광학 필름은 도광판 또는 연장된 일루미네이터의 폭 및 길이를 따라 균일한 광 분포 및 휘도를 제공한다.
본 발명의 다른 유용한 구체예는 마주보는 TIR 표면들, 도광판의 비시선측에 인접한 광학적으로 투명한 접착제, 상기 광학 필름의 비시선측 및 시선측 사이에 위치되어 비시선측 표면을 가로막는 광 재배향 표면 구조체들의 원하는 패턴을 포함하는 시선측 및 비시선측을 가지는 광학 필름을 포함하되, 구조체들은 광학 필름의 고체 물질의 굴절률과 상이한 굴절률을 가지는, 시선측 및 비시선측을 가지는 고체 도광판을 포함하는 디스플레이를 제공한다. 상기 디스플레이는 광원, 광 디퓨징, 광 콜리메이팅, 광 산란, 광 재사용, 편광, 광 변조로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 기능을 더 포함할 수 있다. 이러한 구체예는 양호한 축상 휘도 및/또는 넓은 시야각을 가지는 디스플레이를 제공하기 위하여 유용하다. 색상 필터를 가진 광 변조 수단은 시청자에게 영상을 제공하기에 바람직하다.
다른 구체예에서, 마주보는 TIR 표면들, 상기 광학 필름의 비시선측 및 시선측 사이에 위치되어 비시선측 표면을 가로막는 광 재배향 표면 구조체들의 원하는 패턴을 포함하는 시선측 및 비시선측을 가지는 광학 레이어를 포함하되, 구조체들은 광학 필름의 고체 물질의 굴절률과 상이한 굴절률을 가지는, 시선측 및 비시선측을 가지는 고체 도광판이 제공된다. 본 구체예에서는 레이어가 광학 필름 대신에 도광판 또는 연장된 일루미네이터 상에 제공된다. 본 발명을 위해 적절한 고체 도광판을 형성하는 방법은 하나의 TIR 표면에 적용되는 폴리머 레이어 및 상기 폴리머 레이어 내에 형성된 광 재배향 구조체들의 패턴을 제공한다. 이러한 폴리머 레이어는 구조체들의 원하는 패턴을 가진 레이어로부터 교차결합된 UV 경화 가능 모노머 또는 올리고머를 더 포함할 수 있다.
실시예
샘플 1
일 구체예는 단면이 공칭치수 1/4제곱인치를 가지는 아크릴의 연장된 일루미네이터를 사용한다. 연장된 일루미네이터는 매우 투명하고, 모든 측부와 종단들은 광학적 마무리를 가진다. 연장된 일루미네이터 바아를 형성하기 위하여 PMMA(0.25"x0.25"x14인치)의 스톡(stock)이 선반 위에서 광학적으로 폴리싱되었고, 이어서 측부들과 광 입사 종단 위에서 25nm보다 작은 표면 Ra를 얻기 위해 미세 그릿(grit)의 슬러리로 핸드폴리싱되었다. 바아의 후측 또는 비시선측은 원하는 광 재배향을 제공하기 위하여 구멍들의 패턴으로 드릴링되었다. 구멍들은 약 100미크 론의 깊이까지 드릴링되었다. 광 입사부로부터의 초기 섹션은 드릴링되지 않았다. 구멍을 가지지 않는 약 10-15mm인 섹션이 존재하였다. 작용하는 이러한 섹션은 색상 혼합부를 가진다.
LED 어레이는 광원으로서 사용된다. 멀티-다이 RGB LED가 광 입사 종단에 근접하게 장착된다. 이들 멀티-다이 LED는 단일 패키지(오스람 오스타 투사 장치, LE ATB A2A 형태, 오스람) 내에 1 레드, 1 블루 및 2 그린 다이로 구성된다. 이들 장치들은 개별적으로 턴온될 수 있고, 분리된 전류원에 의해 제어되는 각 다이의 휘도를 가진다. 샘플은 이어서 상대적인 광 출사 균일도에 대해 평가되었다.
샘플 2
광학 필름의 다른 실시예에서는, 광학 필름은 투명 폴리에스테르(듀퐁 ST505)의 시트를 사용하여 만들어지고, 여기서 UV 모노머의 레이어는 일 측에 코팅되고, 일련의 바깥쪽으로 향한 돌출부를 가진 투명 몰드가 미경화 모노머로 가압되었고, 이어서 모노머는 레이어들을 교차결합시키기 위하여 UV광원으로 경화된다. 몰드는 이어서 일련의 구멍들을 가진 얇은 레이어를 남기고 제거된다. 구멍들을 가진 UV 레이어을 가진 광학 필름은 광 바아의 비시선측에 (놀란드 UV 에폭시)로 글루잉되었다. 마무리된 샘플은 샘플1과 동일한 LED구성을 가지고 설정되었다.
본 발명은 어떠한 바람직한 구체예들을 특별히 참조하여 상세하게 설명되었으나, 변경 및 변형이 본 발명의 사상 및 범위 내에서 유효할 수 있다. 본 상세한 설명에서 언급된 특허들 및 다른 간행물들은 참조를 위해 여기에 병합된다.
도 1a는 가변하는 높이의 인덴트들을 가지는 도광판의 개략도이다.
도 1b는 가변하는 밀도의 인덴트들을 가지는 도광판의 개략도이다.
도 1c는 인덴트들을 가지는 도광판의 개략도이다.
도 2는 인덴트들을 가지는 광학 필름을 가지는 도광판의 개략도이다.
도 3a는 일체화된 인덴트들 및 프리즘 광 입사 종단을 가진 도광판의 개략도이다.
도 3b는 큰 프리즘 광 입사 종단 및 부착된 광학 필름을 가지는 도광판의 개략도이다.
도 4는 초기 광 혼합부 및 인덴트들을 가지는 테이퍼링된 표면을 가지는 도광판의 개략도이다.
도 5a는 혼합 탭들을 가지는 고체 도광판의 개략도이다.
도 5b는 광 재배향 구조체들을 가지는 고체 도광판의 개략도이다.
<도면 부호>
10 고체 도광판(solid lightguide)
11 상이한 높이들의 구멍들 또는 인덴트들(indents)
12 삼각형 형상의 구멍들
13 평평한 상부를 가지는 구멍들 또는 인덴트들
16 고체 상태 광원(solid state light source)
21 구멍들 또는 인덴트들을 가지는 광학 필름
22 접착층(adhesive layer)
23 광학 필름 내의 구멍들 또는 광 재배향 구조체들
31 프리즘 형상의 광 입사 종단
32 더 큰 프리즘 형상의 광 입사 종단
33 광 혼합부(light mixing section)
34 비시선측 TIR 표면(non-view side TIR surface)
35 시선측 TIR 표면(view side TIR surface)
36 광 재배향 수단
40 테이퍼링된 도광판
41 구멍들을 가진, 테이퍼링되거나 경사진 표면
51 광 혼합 탭(light mixing tab)
52 리플렉터(reflector)
53 고체 도광판
55 광 재배향 구조체

Claims (10)

  1. 고체 도광판에 있어서,
    마주보는 TIR 표면들을 포함하고, 상기 TIR 표면들 사이에 위치되어 상기 TIR 표면들 중 하나를 가로막는 광 재배향 표면 구조체들의 원하는 패턴을 포함하되, 상기 구조체들은 상기 도광판의 고체 물질의 굴절률과 상이한 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 고체 도광판.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 광 재배향 표면 구조체들은 0.02보다 큰 굴절률 차이를 가진 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 도광판.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 광 재배향 표면 구조체들은 공기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 도광판.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 광 재배향 표면 구조체들은 인덴트들(indents)인 것을 특징으로 하는 고체 도광판.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 광 재배향 표면 구조체들은 0.02보다 큰 굴절률 차이를 가진 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 도광판.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 광 재배향 표면 구조체들은 인광 물질(phosphorescent material)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 도광판.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 광 재배향 표면 구조체들은 0.1 내지 300 미크론의 깊이를 가지는 것을 특징으로 하는 고체 도광판.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 광 재배향 표면 구조체들은 상기 가로막힌 표면으로부터 마주보는 TIR 표면을 향해 점점 좁아지도록 테이퍼링된 것을 특징으로 하는 고체 도광판.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 광 재배향 표면 구조체들은, 원뿔형, 실린더형, 사다리꼴형, 렌즈형, 원형, 정사각형, 삼각형 및 피라미드형으로 이루어진 그룹으로 부터 선택된 적어도 하나의 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 도광판.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 광 재배향 표면 구조체들은 광 입사 표면으로부터의 거리의 함수로서 밀도가 변하는 것을 특징으로 하는 고체 도광판.
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