KR20090085099A - 조명 균일도가 높은 백라이트형 디스플레이 - Google Patents

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KR20090085099A
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케니스 에이. 엡스틴
케니스 제이. 핸리
게리 티. 보이드
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

직접 조명식 디스플레이 유닛은 디스플레이 패널 및 디스플레이 패널의 후방에 배치된 하나 이상의 광원을 갖는다. 광원은 조명 광을 생성할 수 있다. 확산 광 전환 층이 하나 이상의 광원과 디스플레이 패널 사이에 배치된다. 광 전환 층은 디스플레이 패널을 향한 광 전환 층의 제1 면의 하나 상에 배치된 제1 광 전환 요소와, 디스플레이 패널로부터 멀어지는 방향을 향한 광 전환 층의 제2 면 상에 배치된 제2 광 전환 요소를 포함한다. 확산 광 전환 층은 중합체 매트릭스 내에 배치된 확산 입자를 추가로 포함한다.
조명, 디스플레이, 패널, 광원, 백라이트, 확산, 광 전환

Description

조명 균일도가 높은 백라이트형 디스플레이{BACK-LIT DISPLAYS WITH HIGH ILLUMINATION UNIFORMITY}
관련 출원
본 출원은 그 개시 내용이 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된, 2006년 11월 15일자로 출원된 미국 가특허 출원 제60/865944호의 이익을 주장한다.
본 출원은 참고로 포함된 하기의 미국 특허 출원들과 관련된다: 2006년 11월 15일자로 출원된 미국 특허 출원 제11/560234호, 2006년 11월 15일자로 출원된 미국 특허 출원 제11/560271호, 미국 특허 출원 제11/560260호 및 2006년 11월 15일자로 출원된 미국 특허 출원 제11/560250호.
본 발명은 광학 디스플레이, 더욱 상세하게는 액정 디스플레이(LCD) 모니터 및 LCD 텔레비전에서 사용될 수 있는 것과 같이 후방으로부터 광원에 의해 직접 조명되는 LCD에 관한 것이다.
몇몇 디스플레이 시스템, 예컨대 액정 디스플레이(LCD)는 후방으로부터 조명된다. 이러한 디스플레이는 랩탑 컴퓨터, 핸드-헬드형(hand-held) 계산기, 디지털 시계, 텔레비전 등과 같은 많은 장치에서 광범위하게 응용된다. 몇몇 백라이트형 디스플레이는 디스플레이의 측면에 위치된 광원을 포함하며, 이 경우 도광체(light guide)가 광원으로부터의 광을 디스플레이 패널의 배면으로 안내하도록 위치된다. 다른 백라이트형 디스플레이, 예컨대 몇몇 LCD 모니터 및 LCD 텔레비전(LCD-TV)은 디스플레이 패널의 후방에 위치된 다수의 광원을 사용하여 후방으로부터 직접 조명된다. 이러한 후자의 배열은 대형 디스플레이에서 점점 일반화되고 있는데, 그 이유는 소정 수준의 디스플레이 휘도(brightness)를 달성하는 데 필요한 광 파워(light power) 요건이 디스플레이 크기의 제곱에 따라 증가하는 반면 디스플레이의 측면을 따라 광원을 위치시키기 위해 이용가능한 면적은 디스플레이 크기에 따라 선형적으로 증가할 뿐이기 때문이다. 또한, LCD-TV와 같은 몇몇 디스플레이 응용은 디스플레이가 다른 응용보다 더 먼 거리에서 시청되기에 충분하게 밝아야 할 것을 필요로 한다. 또한, LCD-TV의 경우에 시야각 요건은 일반적으로 LCD 모니터 및 핸드-헬드형 장치의 시야각 요건과는 상이하다.
많은 LCD 모니터 및 LCD-TV는 다수의 냉음극 형광 램프(cold cathode fluorescent lamp, CCFL)에 의해 후방으로부터 조명된다. 이들 광원은 선형이고 디스플레이의 전체 폭을 가로질러 연장하며, 그 결과 디스플레이의 배면이 더 어두운 영역에 의해 분리된 일련의 휘선(bright stripe)에 의해 조명된다. 이러한 조명 프로파일(illumination profile)은 바람직하지 않으며, 따라서 확산기 판(diffuser plate)이 전형적으로 LCD 장치의 배면에서의 조명 프로파일을 평활하게(smooth) 하도록 사용된다.
확산 반사기(diffuse reflector)가 광을 시청자를 향해 지향하도록 램프 후방에 사용되며, 이 경우 램프는 반사기와 확산기 사이에 위치된다. 확산 반사기와 확산기 사이의 간격은 확산기로부터 방출되는 광의 요구되는 휘도 균일도(brightness uniformity)에 의해 제한된다. 간격이 너무 작다면, 조도(illuminance)가 덜 균일하게 되며, 따라서 시청자가 보는 이미지가 손상된다. 이는 광이 램프들 사이에서 균일하게 발산되기 위한 공간의 불충분함에 기인한다.
발명의 개요
본 발명의 일 실시 형태는 디스플레이 패널 및 디스플레이 패널 후방에 배치된 하나 이상의 광원을 포함하는 직접 조명식(directly illuminated) 디스플레이 유닛에 관한 것이다. 광원은 조명 광을 생성할 수 있다. 확산 광 전환 층이 하나 이상의 광원과 디스플레이 패널 사이에 배치된다. 광 전환 층은 디스플레이 패널을 향한 광 전환 층의 제1 면의 하나 상에 배치된 제1 광 전환 요소와, 디스플레이 패널로부터 멀어지는 방향을 향한 광 전환 층의 제2 면 상에 배치된 제2 광 전환 요소를 포함한다. 확산 광 전환 층은 중합체 매트릭스 내에 배치된 확산 입자를 추가로 포함한다.
본 발명의 상기의 개요는 본 발명의 각각의 도시된 실시 형태 또는 모든 구현 형태를 설명하고자 하는 것은 아니다. 도면 및 하기의 상세한 설명은 이러한 실시 형태들을 더욱 상세하게 예시하는 것이다.
본 발명은 첨부 도면과 관련하여 본 발명의 다양한 실시 형태에 대한 하기의 상세한 설명을 고려하여 더욱 완벽하게 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 원리에 따른 휘도 균일화 층을 사용하는 백라이트형 액정 디스플레이 장치의 개략도.
도 2는 본 발명의 원리에 따른 강화 균일도 필름(enhanced uniformity film, EUF)의 일 실시 형태의 개략도.
도 3A, 도 3B, 도 4A 내지 도 4D, 도 5, 도 6A 및 도 6B는 본 발명의 원리에 따른 EUF의 추가 실시 형태의 개략도.
도 7A 내지 도 7C는 본 발명의 원리에 따른 EUF를 포함하는 광 관리 유닛의 여러 실시 형태의 개략도.
도 8은 본 발명의 원리에 따른, 광원 및 광 관리 필름을 포함하는 조명 유닛의 일 실시 형태의 개략도.
도 9A 및 도 9B는 본 발명의 원리에 따른 EUF의 모델링에 사용되는 다양한 파라미터를 도시하는 도면.
도 10은 다양한 모델 실시예에 대하여 휘도에 대해 플롯팅된 계산된 휘도 균일도의 산점도(scatter plot)를 제공하는 도면.
도 11A 내지 도 11D 및 도 11F는 EUF의 작동을 설명하는 데 사용되는 다양한 극 코노스코프 선도(polar conoscopic plot)를 도시하는 도면.
도 11E는 예시적인 모델 EUF의 개략도.
도 12는 다양한 모델 실시예에 대하여, 확산기와 반사기 사이의 간격의 함수로서 휘도 균일도를 도시하는 도면.
본 발명이 다양한 변형과 대안적 형태를 따르고 있지만, 그 특정 형태가 예로서 도면에 도시되었고 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명을 설명된 특정 실시 형태로 제한할 의도는 아니라는 것을 이해하여야 한다. 반대로, 첨부된 청구의 범위에 한정된 본 발명의 사상 및 범주 내에 속하는 모든 변형, 등가물 및 대안을 포함하고자 하는 것이다.
본 발명은 액정 디스플레이(LCD 또는 LC 디스플레이)와 같은 디스플레이 패널에 적용가능하며, 특히 예컨대 LCD 모니터 및 LCD 텔레비전(LCD-TV)에 사용되는 것과 같이 후방으로부터 직접 조명되는 LCD에 적용가능하다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 LC 디스플레이를 조명하기 위한 직하형 백라이트(direct-lit backlight)에 의해 생성되는 광의 관리에 관한 것이다. 광 관리 필름들의 배열은 전형적으로 백라이트와 디스플레이 패널 자체 사이에 위치된다. 함께 라미네이팅되거나 독립형(free standing)일 수 있는 광 관리 필름들의 배열은 확산기 층 및 프리즘형으로 구조화된 표면을 갖는 적어도 하나의 휘도 향상 필름(brightness enhancement film)을 전형적으로 포함한다.
직하형 디스플레이 장치(100)의 예시적인 실시 형태의 개략적인 분해도가 도 1에 제공되어 있다. 이러한 디스플레이 장치(100)는, 예를 들어 LCD 모니터 또는 LCD-TV에 사용될 수 있다. 디스플레이 장치(100)는 패널 판들(106) 사이에 배치된 LC 층(104)을 전형적으로 포함하는 LC 패널(102)의 사용에 기반한 것일 수 있다. 판(106)은 흔히 유리로 형성되고, LC 층(104) 내의 액정의 배향을 제어하기 위해 그 내부 표면 상에 전극 구조체 및 정렬 층을 포함할 수 있다. 전극 구조체는 통상 LC 패널 픽셀, 즉 액정의 배향이 인접 영역과는 독립적으로 제어될 수 있는 LC 층의 영역을 형성하도록 배열된다. 또한, 디스플레이되는 이미지에 색상을 부여하기 위해 컬러 필터가 하나 이상의 판(106)과 함께 포함될 수 있다.
상부 흡수 편광기(108)는 LC 층(104) 위에 위치되고, 하부 흡수 편광기(110)는 LC 층(104) 아래에 위치된다. 도시된 실시 형태에서, 상부 및 하부 흡수 편광기는 LC 패널(102)의 외측에 위치된다. 흡수 편광기(108, 110) 및 LC 패널(102)은 조합되어 백라이트(112)로부터의 광의 디스플레이(100)를 통한 시청자로의 투과를 제어한다. 예컨대, 흡수 편광기(108, 110)는 그들의 투과 축이 직교하는 상태로 배열될 수 있다. 비활성 상태에서, LC 층(104)의 픽셀은 그를 통과하는 광의 편광을 변경시키지 않을 수 있다. 따라서, 하부 흡수 편광기(110)를 통과하는 광은 상부 흡수 편광기(108)에 의해 흡수된다. 한편, 픽셀이 활성화된 때, 그를 통과하는 광의 편광이 회전되어, 하부 흡수 편광기(110)를 통해 투과되는 광의 적어도 일부는 역시 상부 흡수 편광기(108)를 통해 투과된다. 예컨대, 제어기(114)에 의해 LC 층(104)의 상이한 픽셀들이 선택적으로 활성화되면, 그 결과 소정의 요구되는 위치에서 광이 디스플레이를 통과해 나와서 시청자가 보는 이미지가 형성된다. 제어기는, 예를 들어 텔레비전 이미지를 수신하여 디스플레이하는 컴퓨터 또는 텔레비전 제어기를 포함할 수 있다. 하나 이상의 선택적인 층(109)이, 예를 들어 디스플레이 표면에 대한 기계적 및/또는 환경적 보호를 제공하기 위해 상부 흡수 편광기(108) 위에 제공될 수 있다. 예시적인 일 실시 형태에서, 층(109)은 흡수 편광기(108) 위의 하드코트(hardcoat)를 포함할 수 있다.
몇몇 유형의 LC 디스플레이는 전술한 것과 상이한 방식으로 작동할 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 흡수 편광기들은 평행하게 정렬될 수 있고, LC 패널은 비활성 상태에 있을 때 광의 편광을 회전시킬 수 있다. 이에 무관하게, 그러한 디스플레이의 기본 구조는 전술한 것과 유사하게 유지된다.
백라이트(112)는 LC 패널(102)을 조명하는 광을 생성하는 다수의 광원(116)을 포함한다. LCD-TV 또는 LCD 모니터에 사용되는 광원(116)은 대개 디스플레이 장치(100)의 높이를 따라 연장하는 선형 냉음극 형광 튜브이다. 그러나, 필라멘트 또는 아크 램프, 발광 다이오드(LED), 평판 형광 패널 또는 외부 형광 램프와 같은 다른 유형의 광원이 사용될 수도 있다. 광원의 이러한 열거는 제한하거나 망라하고자 하는 것이 아니고 단지 예시하고자 하는 것이다.
백라이트(112)는 또한 광원(116)으로부터 하향으로, 즉 LC 패널(102)로부터 멀어지는 방향으로 전파되는 광을 반사시키기 위한 반사기(118)를 포함할 수 있다. 반사기(118)는 또한 후술되는 바와 같이 디스플레이 장치(100) 내에서 광을 재생하는 데 유용할 수 있다. 반사기(118)는 경면 반사기(specular reflector)일 수 있고, 또는 확산 반사기일 수 있다. 반사기(118)로서 사용될 수 있는 경면 반사기의 일례는 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 입수가능한 비퀴티(Vikuiti™) 강화 경면 반사(Enhanced Specular Reflection, ESR) 필름이다. 적합한 확산 반사기의 예는 이산화티타늄, 황산바륨, 탄산칼슘 등과 같은 확산 반사 입자가 로딩된 PET, PC, PP, PS와 같은 중합체를 포함한다. 미공성 재료 및 미소섬유(fibril) 함유 재료를 포함하는 확산 반사기의 다른 예는 공동 소유의 미국 특허 출원 공개 제2003/0118805 A1호에 논의되어 있다.
광 관리 유닛으로서 또한 지칭될 수 있는 광 관리 필름들의 배열(120)은 백라이트(112)와 LC 패널(102) 사이에 위치된다. 광 관리 필름들은 디스플레이 장치(100)의 작동을 개선하도록 백라이트(112)로부터 전파되는 광에 영향을 준다. 예컨대, 광 관리 필름들의 배열(120)은 광 확산기 판(122)을 포함할 수 있다. 확산기 판(122)은 광원으로부터 수광되는 광을 확산시키는 데 사용될 수 있으며, 그 결과 LC 패널(102)에 입사하는 조명 광의 균일도가 증가된다. 결과적으로, 이는 시청자에 의해 지각되는 이미지를 더 균일하게 밝게 한다. 몇몇 실시 형태에서, 확산기 판(122)은 벌크 확산 입자(bulk diffusing particle)를 함유하는 층으로서 형성될 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 확산기 판은 광 관리 필름들의 배열(120) 내의 다른 층에 부착될 수 있으며, 또는 생략될 수 있다.
광 관리 유닛(120)은 또한 반사 편광기(124)를 포함할 수 있다. 광원(116)은 전형적으로 비편광 광을 생성하지만, 하부 흡수 편광기(110)는 단지 단일 편광 상태만을 투과시키며, 따라서 광원(116)에 의해 생성된 광의 대략 절반은 LC 층(104)을 통해 투과되지 못한다. 그러나, 반사 편광기(124)는, 그렇지 않을 경우 하부 흡수 편광기에 흡수될 광을 반사하는 데 사용될 수 있으며, 따라서 이러한 광이 반사 편광기(124)와 반사기(118) 사이에서 반사에 의해 재생될 수 있다. 반사 편광기(124)에 의해 반사된 광의 적어도 일부는 편광이 제거될 수 있으며, 후속하여 반사 편광기(124)와 하부 흡수 편광기(110)를 통해 LC 층(104)으로 투과되는 편광 상태로 반사 편광기(124)로 복귀될 수 있다. 이러한 방식으로, 반사 편광기(124)는 광원(116)에 의해 방출되어 LC 층(104)에 도달하는 광의 비율(fraction)을 증가시키는 데 사용될 수도 있으며, 따라서 디스플레이 장치(100)에 의해 생성되는 이미지가 더 밝아진다.
임의의 적합한 유형의 반사 편광기, 예컨대 다층 광학 필름(multilayer optical film, MOF) 반사 편광기, 연속/분산상 편광기와 같은 확산 반사 편광 필름(diffusely reflective polarizing film, DRPF), 와이어 그리드 반사 편광기, 또는 콜레스테릭(cholesteric) 반사 편광기가 사용될 수 있다.
MOF 및 연속/분산 상 반사 편광기 둘 모두는, 광을 직교 편광 상태로 투과시키면서 하나의 편광 상태의 광을 선택적으로 반사하기 위해, 통상 중합체 재료인 적어도 2가지 재료들 사이의 굴절률 차이에 의존한다. MOF 반사 편광기의 몇몇 예가 공동 소유의 미국 특허 제5,882,774호에 설명되어 있다. MOF 반사 편광기의 구매가능한 예는 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 입수가능한, 확산 표면을 포함하는 비퀴티™ DBEF-D200 및 DBEF-D440 다층 반사 편광기를 포함한다.
본 발명과 관련하여 유용한 DRPF의 예는 공동 소유의 미국 특허 제5,825,543호에 설명된 것과 같은 연속/분산 상 반사 편광기, 및 예컨대 공동 소유의 미국 특허 제5,867,316호에 설명된 것과 같은 확산 반사 다층 편광기를 포함한다. 다른 적합한 유형의 DRPF가 미국 특허 제5,751,388호에 설명되어 있다.
본 발명과 관련하여 유용한 와이어 그리드 편광기의 몇몇 예는 미국 특허 제6,122,103호에 설명된 것을 포함한다. 와이어 그리드 편광기는 특히 미국 유타주 오렘 소재의 목스텍 인크.(Moxtek Inc.)로부터 구매가능하다.
본 발명과 관련하여 유용한 콜레스테릭 편광기의 몇몇 예는, 예컨대 미국 특허 제5,793,456호 및 미국 특허 출원 공개 제2002/0159019호에 설명된 것을 포함한다. 콜레스테릭 편광기는 흔히 출력측 상의 사분파 지연 층(quarter wave retarding layer)과 함께 제공되어, 콜레스테릭 편광기를 통해 투과되는 광은 선형 편광으로 변환된다.
몇몇 실시 형태에서, 반사 편광기(126)는, 예컨대 백라이트(112)를 향한 확산 표면에 의한 확산을 제공할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 반사 편광기(126)에는 반사 편광기(126)를 통과하는 광의 이득(gain)을 증가시키는 휘도 향상 표면이 제공될 수 있다. 예를 들어, 반사 편광기(126)의 상부 표면에 프리즘형 휘도 향상 표면 또는 이득 확산 표면이 제공될 수 있다. 휘도 향상 표면은 이하에서 더욱 상세하게 논의된다. 다른 실시 형태에서, 반사 편광기에는 백라이트(112)를 향한 면 상에 확산 표면 또는 체적부와 같은 확산 특징부가, 그리고 LC 패널(102)을 향한 면 상에 프리즘형 표면 또는 이득 확산 표면과 같은 휘도 향상 특징부가 제공될 수 있다.
몇몇 예시적인 실시 형태에서, 예컨대 확산기 판(122)과 반사 편광기(124) 사이에 편광 제어 층(126)이 제공될 수 있다. 편광 제어 층(126)의 예는 사분파 지연 층 및 편광 회전 층, 예컨대 액정 편광 회전 층을 포함한다. 편광 제어 층(126)은 증가된 비율의 재생된 광이 반사 편광기(124)를 통해 투과되도록 반사 편광기(124)로부터 반사되는 광의 편광을 변경하는 데 사용될 수 있다.
광 관리 층들의 배열(120)은 또한 하나 이상의 휘도 향상 층을 포함할 수 있다. 휘도 향상 층은 디스플레이의 축(132)에 더 근접한 방향으로 축외(off-axis) 광을 방향전환시키는 표면 구조체를 포함하는 층이다. 이는 LC 층(104)을 통해 축상(on-axis)으로 전파되는 광량을 증가시키며, 따라서 시청자가 보는 이미지의 휘도를 증가시킨다. 일례는 굴절 및 반사를 통해 조명 광을 방향전환시키는 다수의 프리즘형 리지(ridge)를 구비한 프리즘형 휘도 향상 층이다. 디스플레이 장치에 사용될 수 있는 프리즘형 휘도 향상 층의 예는 BEFII 90/24, BEFII 90/50, BEFIIIM 90/50, 및 BEFIIIT를 포함하는, 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 입수가능한 프리즘형 필름인 비퀴티™ BEFII 및 BEFIII 계열을 포함한다.
프리즘형 휘도 향상 층은 전형적으로 일 차원의 광 이득을 제공한다. 제2 휘도 향상 층(128b)이 또한 광 관리 층들의 배열(120) 내에 포함될 수 있으며, 이 경우 프리즘형 휘도 향상 층은 그의 프리즘형 구조체가 제1 휘도 향상 층(128a)의 프리즘형 구조체에 직교하게 배향된 상태로 배열된다. 그러한 구성은 두 차원에서의 디스플레이 유닛의 광 이득의 증가를 제공한다. 도시된 실시 형태에서, 휘도 향상 층(128a, 128b)은 백라이트(112)와 반사 편광기(124) 사이에 위치된다. 다른 실시 형태에서, 휘도 향상 층(128a, 128b)은 반사 편광기(124)와 LC 패널(102) 사이에 배치될 수 있다.
디스플레이를 통과하는 광의 축상 휘도를 증가시키는 데 사용될 수 있는 다른 유형의 휘도 향상 층(128a)은 이득 확산 층이다. 이득 확산기 층의 일례는 그의 상부 표면 상에 렌즈로서 작용하는 요소들의 배열이 제공된 층이다. 그렇지 않을 경우 디스플레이의 축(132)에 대해 상대적으로 큰 각도로 전파될, 이득 확산기 층(128a)을 통과해 나오는 광의 적어도 일부는 축(132)에 대해 더 평행한 방향으로 전파되도록 층 표면 상의 요소들에 의해 방향전환된다. 하나 초과의 이득 확산 휘도 향상 층(128a)이 사용될 수 있다. 예를 들어, 2개 또는 3개의 이득 확산 층(128a, 128b)이 사용될 수 있다. 또한, 하나 이상의 이득 확산 층(128a)이 하나 이상의 프리즘형 휘도 향상 필름(128b)과 함께 사용될 수 있다. 그러한 경우, 이득 확산 필름(128a)과 프리즘형 휘도 향상 층(128b)은 광 관리 필름들의 배열(120) 내에 임의의 원하는 순서로 배치될 수 있다. 디스플레이에 사용될 수 있는 이득 확산기 층의 일례는 일본 오사카 소재의 게이와 인크.(Keiwa Inc.)로부터 입수가능한 타입 BS-42 필름이다.
광 관리 유닛 내의 여러 층들은 독립형일 수 있다. 다른 실시 형태에서, 광 관리 유닛 내의 2개 이상의 층이, 예컨대 공동 소유의 미국 특허 출원 제10/966,610호에 논의된 바와 같이 함께 라미네이팅될 수 있다. 다른 예시적인 실시 형태에서, 광 관리 유닛은, 예컨대 공동 소유의 미국 특허 출원 제10/965,937호에 설명된 바와 같이 소정의 간극에 의해 분리된 2개의 하위 조립체를 포함할 수 있다.
통상, 광원(116)과 확산기 층(122) 사이의 간격, 인접한 광원들(116) 사이의 간격 및 확산기 투과율은 주어진 값의 휘도 및 조명 균일도를 위한 디스플레이의 설계에 있어서 고려되는 중요한 인자이다. 일반적으로, 강한 확산기, 즉 더 높은 비율의 입사 광을 확산시키는 확산기는 균일도를 개선할 것이지만 이는 또한 휘도를 감소시키게 될 것인데, 그 이유는 높은 확산 수준이 강한 배면 확산 및 이에 따른 손실 증가를 수반하기 때문이다.
정상 확산 조건 하에서, 스크린을 가로질러 보여지는 휘도의 변동은 광원 위의 위치에서의 휘도 최대값 및 광원들 사이의 위치에서의 휘도 최소값에 의해 특징지워진다. 강화 균일도 필름(enhanced uniformity film, EUF)(130)이 광원(116)과 확산기 층(122) 사이에 위치되어, 디스플레이 패널(102)의 조명의 불균일도를 감소시킬 수 있다. EUF(130)의 각각의 면, 즉 광원(116)을 향한 면 및 디스플레이 패널(102)을 향한 면은 광 전환 표면(light-diverting surface)일 수 있다. 광 전환 표면은 조명 불균일도를 감소시키는 방식으로 EUF(130)의 한 면으로부터 다른 면으로 통과하는 광을 굴절 전환시키는 다수의 광 전환 요소에 의해 형성된다. 광 전환 요소는 EUF(130)의 평면에 평행하지 않은 EUF 표면의 부분을 포함한다. EUF(130) 자체는, 예컨대 EUF(130) 내의 확산 입자를 포함함으로써, 확산성일 수 있다. 확산 입자는 EUF(130)의 중합체 매트릭스의 굴절률과 상이한 굴절률을 갖는 재료의 입자일 수 있다. 예를 들어, 확산 입자는 유리 등과 같은 무기물 또는 EUF의 매트릭스와 상이한 중합체로 형성될 수 있다. 중합체 매트릭스의 로딩양 및 확산 입자의 크기는 원하는 확산 특성을 제공하도록 선택될 수 있다.
EUF(200)의 특정한 예시적인 일 실시 형태가 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. EUF(200)는 제1 광 전환 요소(204)를 포함하는 제1 광 전환 표면(202)을 포함한다. 이러한 특정한 실시 형태에서, 광 전환 요소(204)는 EUF(200)의 표면을 가로지르는 리브(rib)로서 형성되며 삼각형 단면을 갖는다. 제2 광 전환 표면(206)이 또한 삼각형 단면을 갖는 리브형 광 전환 요소(208)를 포함한다. EUF(200)의 이러한 구성에서, 광 전환 요소(204, 208)는 아래로부터 z-축에 평행한 방향으로 EUF(200)에 입사하는 광(210)이 제2 광 전환 표면(206)에 의해 x-z 평면으로 전환되도록 상대적으로 배향된다. EUF(200)에서의 출사시, z-축에 평행하게 EUF(200) 내에서 전파되는 광은 제1 광 전환 표면(202)에 의해 y-z 평면으로 전환된다. 따라서, 필름(200)에 수직하게 입사하는 광이 x-z 평면에 평행한 평면으로 전환되기 때문에, 요소(204)는 x-z 방향에 평행한 광 전환 평면을 형성하는 것으로 언급될 수 있다. 유사하게, z-축에 평행하게 필름 내에서 전파되는 광이 y-z 평면으로 전환되기 때문에, 요소(208)는 y-z 방향에 평행한 광 전환 평면을 형성하는 것으로 언급될 수 있다. 이러한 구성에서, 광 전환 요소(204, 208)로부터 발생하는 광 전환 평면들은 서로 수직하다. 다른 구성에서, 광 전환 평면들은 수직하지 않은 상태에서 평행하지 않을 수 있다.
몇몇 구성에서, 상부 또는 하부 면의 광 전환 요소는 하나 초과의 방향으로 광을 전환시킬 수 있다. 이러한 경우, 광 전환 평면은 전환이 최대인 방향을 구성하는 평면을 의미하고자 한다.
몇몇 실시 형태에서, EUF 자체가, 예컨대 벌크 확산 입자를 함유하는 중합체 매트릭스와 같은 확산 재료로 형성될 수 있다. 확산 입자는 EUF 전체에 걸쳐 퍼져 있을 수 있으며, 또는 광 전환 요소와 같은 EUF의 부분에는 없을 수 있다. EUF가 확산성인 경우, 비록 추가의 확산기 층이 존재할 수도 있지만, 광 관리 필름들의 배열이 EUF와 디스플레이 패널 사이의 추가의 확산기 층을 포함할 필요는 없다.
광 전환 표면은 여러 형상의 광 전환 요소들을 포함할 수 있으며, 또한 EUF에 평행하게 놓인 다양한 부분을 포함할 수 있다. EUF의 몇몇 추가의 예시적인 실시 형태가 도 3A 및 도 3B에 개략적으로 도시되어 있다. 도 3A에서, EUF(300)는 삼각형 단면 형상을 갖는 광 전환 요소(304)를 포함하는 제1 광 전환 표면(302)을 구비한다. 이 도면은 또한 광 전환 요소(304)의 꼭지각(apex angle)(α)을 도시한다. 이러한 특정한 실시 형태에서, 필름 표면이 EUF(300)의 평면에 평행한, 인접한 광 전환 요소들(304) 사이의 평탄 영역(306)이 존재한다. 평탄 영역(306)의 폭은 "w"로 도시된다. 하부 광 전환 표면(308)은 제1 광 전환 표면(302)과 동일한 형상을 가질 수 있거나, 혹은 상이한 형상을 가질 수 있다.
도 3B에서, EUF(320)는 상부 평탄 부분(326)을 구비한 절두 삼각형 단면 형상을 갖는 광 전환 요소(324)를 포함하는 광 전환 표면(322)을 구비한다. 이러한 특정한 실시 형태에서, 역시 인접한 광 전환 요소들(324) 사이의 평탄 영역(328)이 존재한다. 하부 광 전환 표면(330)은 제1 광 전환 표면(322)과 동일한 형상을 가질 수 있으며, 또는 상이한 형상을 가질 수 있다.
EUF의 몇몇 다른 예시적인 실시 형태가 도 4A 내지 도 4C에 개략적으로 도시되어 있다. 도 4A에서, EUF(400)는 곡선형 면(406)을 갖는 광 전환 요소(404)를 포함하는 제1 광 전환 표면(402)을 구비한다. 제2 광 전환 표면(408)은, 비록 필수적인 것은 아니지만, 곡선형 면을 갖는 광 전환 요소를 구비할 수 있다. 유사하게, 제1 광 전환 표면이 곡선형 표면을 가질 필요는 없으며, 반면 제2 광 전환 표면이 곡선형 표면을 갖는다. 도 4B에서, 예시적인 EUF(420)는 곡선형 면(426) 및 평탄 부분(428)을 갖는 광 전환 요소(424)를 가진 광 전환 표면(422)을 구비한다. 도시된 실시 형태에서, 평탄 부분(428)은 EUF 필름(420)의 평면에 평행하다. 몇몇 실시 형태에서, 광 전환 표면(422)은 광 전환 요소들(424) 사이의 평탄 부분(430)을 포함할 수 있다. 도시된 실시 형태에서, 평탄 부분(430)은 EUF(420)의 평면에 평행하다.
도 4A 및 도 4B에 도시된 예시적인 실시 형태에서, 광 전환 요소(404, 424)의 곡선형 표면은 수학적 불연속성과 유사하게 고려될 수 있는 표면 기울기의 상대적으로 급격한 변경을 포함한다. 예를 들어, 기울기의 급격한 변경은 도 4A의 지점(408)에서, 광 전환 부재(404)의 꼭지점에서, 그리고 도 4B의 광 전환 부재(424)의 지점(432)에서 일어난다. 이러한 기울기의 상대적으로 급격한 변경은 단일 광 전환 부재가 렌즈로서 작용하는 것을 방지하는데, 그 이유는 렌즈는 그의 표면에 걸친 기울기의 완만한 변경을 필요로 하기 때문이다. 따라서, 광 전환 부재(404, 424)는 그를 통과하는 평행 광에 대해 실제 초점이나 가상 초점의 단일 초점을 생성하지 않는다. 본 명세서에 논의된 광 전환 표면들 중 임의의 표면은 단면형(single-sided) EUF, 즉 필름의 단지 한 면 상에 광 전환 표면을 갖는 EUF, 또는 양면형(two-sided) EUF, 즉 두 면 모두의 상에 광 전환 표면을 갖는 EUF 상에 포함될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 4A 및 도 4B에 도시된 예시적인 실시 형태에서, 광 전환 요소(402, 422)는 EUF(400, 420)의 표면으로부터 돌출하는 것으로 고려될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 광 전환 요소는 EUF의 표면 내의 함몰부로서 형성될 수 있다. 그러한 EUF(440)의 예시적인 일 실시 형태가 도 4C에 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 경우, 광 전환 표면(442)에는 표면(446)을 갖는 광 전환 요소(444)가 형성된다. 몇몇 실시 형태에서, 평탄 영역(448)이 함몰부 내에 제공될 수 있으며, 평탄 영역(450)은 광 전환 요소들(444) 사이에 제공될 수 있다. 광 전환 표면이 EUF 내부의 또는 EUF 외부로 돌출하는 광 전환 요소를 포함하는지의 여부는 본 발명에서 중요하지 않으며, 실제로 2가지 구성은 몇몇 상황에서 동등한 것으로 이해될 수 있으며, 이때 2개의 함몰된 광 전환 요소들 사이의 부분(452)은 EUF로부터 외부로 돌출하는 광 전환 요소인 것으로 고려된다.
광 전환 요소들 모두가 동일한 높이일 필요는 없다. 예를 들어, 도 4D에 개략적으로 도시된 바와 같이, 광 전환 요소들(464)은 상이한 높이를 가질 수 있다. 또한, 단일 광 전환 요소가 그 길이를 따라 변동하는 높이를 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 광 전환 표면(468) 상의 광 전환 요소(470)는 필름(460)을 따른 위치에 따라 변동하는 높이(h)를 갖는다.
광 전환 요소의 높이가 변동하는 EUF의 다른 실시 형태가 도 5에 개략적으로 도시되어 있다. EUF(500)는 파형 리지(undulating ridge)(508)를 갖는 프리즘(506)으로서 광 전환 요소(504)가 형성된 제1 광 전환 표면(502)을 구비한다. 리지(508)의 높이는 프리즘(506)을 따라 변동하며, 폭(w) 역시 프리즘(506)을 따라 변동한다. 이러한 유형의 표면은 미국 특허 출원 제11/467230호에 더욱 상세하게 설명되어 있다. 제2 광 전환 표면(510)은 임의의 요구되는 형상의 광 전환 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 광 전환 표면(510)은 파형 리지를 갖는 프리즘으로서 형성된 광 전환 요소를 가질 수 있다.
광 전환 요소가 EUF에 대한 법선에 대해 대칭일 필요는 없다. 비대칭 광 전환 요소(602)를 구비하는 EUF(600)의 일례가 도 6A에 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 특정한 실시 형태에서, 광 전환 요소(602)는 직선형 면을 갖는 프리즘으로서 형성된다. 광 전환 요소 중 적어도 일부, 예컨대 광 전환 요소(602a, 602b)는 EUF(600)에 대한 수직하게 그려진 축(604)에 대해 비대칭이다. 하부 광 전환 표면(606)은 비대칭 광 전환 요소를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다.
비대칭 광 전환 요소(622)를 갖는 EUF(620)의 다른 실시 형태가 도 6B에 개략적으로 도시되어 있다. 광 전환 요소(622) 중 적어도 일부, 예컨대 요소(622a, 622b)는 곡선형 면을 가지며 EUF(620)에 대해 수직인 축(624)에 대해 비대칭이다.
도 7A는 다른 광 관리 층(704)을 갖는 확산 EUF(710)의 사용을 개략적으로 도시한다. 도시된 실시 형태에서, 광 관리 층(704)은 프리즘형 휘도 향상 층을 포함한다. 다른 실시 형태에서, 상이한 유형의 층 또는 추가의 광 관리 층, 예컨대 반사 편광기 층이 확산기 층(702) 위에 위치될 수 있다. EUF(710)는 확산기 층(702)의 입력측 상에 위치된다. EUF(710)는 확산기 층(702)을 향한 제1 광 전환 표면(712) 및 확산기 층(702)으로부터 멀어지는 방향을 향한 제2 광 전환 표면(714)을 갖는다. 하나 이상의 광원(도시되지 않음)으로부터의 광(708)이 EUF(710)를 통과하여 확산기 층(702)으로 그리고 다른 광 관리 층 또는 층들(704)로 진행한다.
몇몇 실시 형태에서, 제1 광 전환 표면(712)은, 예컨대 접착제의 사용을 통해 확산기 층(702)에 부착될 수 있다. 그러한 배열의 예시적인 일 실시 형태가 도 7B에 개략적으로 도시되어 있으며, 여기서 제1 광 전환 표면(712)의 일부가 확산기 층(702)의 하부 표면(703) 상의 접착제 층(722) 내부로 침투한다. 몇몇 실시 형태에서, 간극(724)이 접착제 층(722)과 표면(712)의 일부 사이에서 유지된다. 접착제를 사용하여 다른 층에 구조화된 필름 표면을 부착하는 것은 미국 특허 제6,846,089호에 더욱 상세히 설명되어 있다.
다른 예시적인 실시 형태가 도 7C에 개략적으로 도시되어 있으며, 여기서 광 전환 표면(712)은 확산기 층(702)의 하부 표면(702a)에 평행한 부분(730)을 갖는 광 전환 요소를 포함한다. 광 전환 표면(712)은 확산기 층(702)의 하부 표면(702a)에 대해 가압하여 부착될 수 있으며, 또는 예컨대 접착제를 사용하여 하부 표면(702a)에 접착될 수 있다.
모델 실시예
EUF의 다양한 파라미터의 함수로서 조명 유닛의 광학 성능을 조사하기 위해, 백라이트 및 광 관리 유닛을 구비한 디스플레이의 조명 유닛의 광선 추적 모델(optical ray trace model)을 구성하였다. 도 8에 개략적으로 도시된 모델 조명 유닛(800)은 광원 어레이 캐비티(804)의 에지 범위를 한정하는 반사 프레임(802), 램프들(808)의 어레이 아래의 배면 반사기(806) 및 EUF(812)를 포함하였다. 달리 지시되지 않는 한, 모델은 반사기(806)가 경면 반사기인 것으로 가정하였다. 모델은 램프들(808) 각각이 냉음극 형광 램프와 유사한 38,000 nit의 긴 광원을 포함한 것으로 가정하였다. 램프들(808)은 중심간 거리(S)로 규칙적으로 이격시켰으며, 반사기(806)와 EUF(812) 사이의 간격은 D로 주어졌고, 램프(808)와 반사기(806) 사이의 간격 거리는 H였다. 램프들(808) 사이의 간격(S)은 30 ㎜인 것으로 가정하였고, 램프의 직경(2R)은 3 ㎜인 것으로 가정하였으며, D의 값은 7 ㎜인 것으로 가정하였다. 확산 EUF 층(812)은 두께가 2 ㎜였다. 캐비티 내에 3개의 전구(808)가 있었다. 휘도 향상 층(814)과 반사 편광기 층(815)은 확산 EUF 층(812) 위에 위치시켰다. 휘도 향상 층(814)은 전구(808)의 연장 방향과 평행하게 배향된 프리즘형 리브로 형성하였다.
EUF에 사용된 재료의 굴절률은 1.586인 것으로 가정하였으며, 이는 EUF에 사용될 수 있는 것과 같은 에폭시 아크릴레이트 재료에 대한 굴절률의 값에 대응한다. EUF에 적합한 다른 유형의 재료가 사용될 수도 있다. 중합체 재료의 예에는 폴리(카르보네이트)(PC); 신디오탁틱(syndiotactic) 및 아이소탁틱(isotactic) 폴리(스티렌)(PS); C1-C8 알킬 스티렌; 알킬, 방향족, 및 지방족 고리 함유 (메트)아크릴레이트 - 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA) 및 PMMA 공중합체를 포함함 -; 에톡실화 및 프로폭실화 (메트)아크릴레이트; 다작용성 (메트)아크릴레이트; 아크릴화 에폭시; 에폭시; 및 기타 에틸렌계 불포화 물질; 사이클릭 올레핀 및 사이클릭 올레핀 공중합체; 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 (ABS); 스티렌 아크릴로니트릴 공중합체 (SAN); 에폭시; 폴리(비닐사이클로헥산); PMMA/폴리(비닐플루오라이드) 블렌드; 폴리(페닐렌 옥사이드) 얼로이(alloys); 스티렌계 블록 공중합체; 폴리이미드; 폴리설폰; 폴리(비닐 클로라이드); 폴리(다이메틸 실록산) (PDMS); 폴리우레탄; 불포화 폴리에스테르; 낮은 복굴절성의 폴리에틸렌을 포함하는 폴리(에틸렌); 폴리(프로필렌) (PP); 폴리(알칸 테레프탈레이트), 예를 들어 폴리(에틸렌 테레프탈레이트) (PET); 폴리(알칸 나프탈레이트), 예를 들어 폴리(에틸렌 나프탈레이트) (PEN); 폴리아미드; 이오노머; 비닐 아세테이트/폴리에틸렌 공중합체; 셀룰로오스 아세테이트; 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트; 플루오로중합체; 폴리(스티렌)-폴리(에틸렌) 공중합체; 폴리올레핀계 PET 및 PEN을 포함하는 PET 및 PEN 공중합체; 및 폴리(카르보네이트)/지방족 PET 블렌드가 포함되지만, 이로 한정되는 것은 아니다. (메트)아크릴레이트라는 용어는 상응하는 메타크릴레이트 또는 아크릴레이트 화합물인 것으로서 정의된다.
조명 유닛(800)으로부터 방출된 광의 균일도를 EUF 상의 광 전환 표면의 다양한 형상에 대해 모델링하였다. EUF(900)의 표면을 도 9A 및 도 9B에 도시된 바와 같이 모델링하였다. 휘도 향상 층을 향한 상부 광 전환 표면(902)은 곡률 반경(R)을 가진 곡선형 표면(906)을 갖는 광 전환 요소(904)를 구비하였다. 광 전환 요소(904)는 피치(P)로 정렬된 것으로 가정하였다. R은 피치(P)에 대해 정규화된 무차원 수였다. 그러므로, 곡률 반경이 피치의 50배인 경우, R은 50의 값을 갖는다. 광 전환 요소의 꼭지각(θ)은 광 전환 요소(904)의 꼭지점을 광 전환 요소(904)의 기부 코너와 연결하는 가상 삼각형에 의해 정의하였다. 몇몇 경우에서, 광 전환 요소는 평탄 팁(tip)을 갖는 것으로 모델링하였다. 평탄 부분(908)의 크기(F)는 0 내지 0.2P로 변동하였다. 평탄 부분을 갖는 광 전환 요소(904)의 꼭지각은, 그렇지 않을 경우 요소(904)를 절두형으로 되게 하는 평탄 부분이 없는 상태에서 꼭지각이 될 각도로 취하였다. 하부 광 전환 표면(912)은 EUF(900)로부터 외부로 돌출하는 광 전환 요소(914)를 갖는 것으로 도 9B에 도시되어 있다.
이하 논의된 모든 경우에서, 광 전환 요소(904, 914)는 각각의 광 전환 표면(902, 912)에 대해 동일한 크기였고 균일한 높이를 가졌다. 조명 유닛의 거동은 몬테카를로(Monte Carlo) 방법을 사용하여 여러 파라미터들의 다양한 값에 대해 모델링하였다.
실시예 1-6 확산 EUF 를 구비한 모델링된 조명 유닛
다양한 EUF 파라미터들의 여러 조합을 갖는 조명 유닛의 광학 특성을 모델링하였다. 다양한 EUF 파라미터들의 여러 범위들이 표 I에 열거되어 있다. "꼭지각"이라는 용어는 광 전환 부재의 꼭지각을 지칭하며, "평탄부"라는 용어는 평탄 영역의 크기(F)를 지칭하고, "R"이라는 용어는 광 전환 요소의 곡률 반경을 지칭한다. "하부"라는 용어는 광원을 향한 EUF의 하부 표면을 지칭하며, "상부"라는 용어는 광원으로부터 멀어지는 방향을 향한 EUF의 상부 표면을 지칭한다.
"확산기-g"라는 용어는 헤니이-그린스타인(Henyey-Greenstein) 확산 파라미터를 지칭하는데, 즉 g = 1의 값은 모두 전방 산란(forward scattering)되게 하며, g = -1은 완전한 후방 산란(backward scattering)과 관련된다. g = 0의 값은 모든 방향으로 균일한 산란에 대응한다. 모델링에 사용된 g의 값들은 0.92 - 0.955의 범위였으며, 이는 대략 61% - 79% 범위의 2 ㎜ 두께 확산 EUF를 통한 단일 통과 투과율에 대응한다. 산란된 광선의 각도 분포 f(θ)는 f = (1 - g2)/[2(1 + g2 - 2gcosθ)1.5]로 주어지고, 여기서 θ는 광선의 입력 방향에 대한 각도이다. 이러한 g의 값들의 경우, 산란은 전방 방향으로 크게 편의된다. 확산기 내에서의 광의 평균 자유 경로의 역수로 설명되는 헤니이-그린스타인 u-인자(u-factor)는 14 ㎜-1로 설정하였다. 따라서, 산란 계수(C)는 C = e-ud로 주어지는 지수 인자이며, 여기서 d는 확산 EUF 내의 위치이다.
램프 높이(H)는 도 8에 도시된 바와 같이 램프와 반사기 사이의 간격을 지칭한다. 광학 손실이 모델 내에 포함되었는데, 즉 반사기는 입사 광의 98.5%를 반사하는 것으로 가정하였으며, 이때 나머지 1.5%는 흡수되고, 광학 필름의 재료는 6 × 10-5 ㎜-1의 흡수 길이를 갖는 것으로 가정하였다. 반사기는 달리 언급되지 않는 한, 경면 반사기로서 모델링하였다. 파라미터들(A, T 및 R)은 각각 확산 EUF에 흡수된, 확산 EUF를 통해 확산 투과된, 그리고 확산 EUF에 의해 확산 반사된 입사 광의 백분율에 대응한다.
Figure 112009034645634-PCT00001
실시예 1A-6A에 사용된 다양한 파라미터의 실제 값들이 표 II에 제시되어 있다. 실시예 1A-6A는 고려되는 많은 상이한 조합들로부터 선택되며, 전체 휘도 및 균일도에 관한 양호한 성능의 예시이다.
Figure 112009034645634-PCT00002
실시예 1-6의 조명 유닛은 광원으로부터, 확산 EUF, 프리즘형 휘도 향상 층 및 반사 편광기 층의 순서로 포함하였다.
비교예 7-12: EUF를 구비하지 않은 조명 유닛
종래의 조명 유닛의 성능에 대해, EUF를 구비한 조명 유닛의 성능을 비교하기 위해, EUF(812)가 확산 층으로 교체된 것을 제외하고는 도 8에 도시된 것과 유사한 조명 유닛에 대해 여러 세트의 비교 데이터를 얻었다. 이들 비교예에 사용된 확산기-g 및 조명 높이의 값이 표 III에 제시되어 있다.
Figure 112009034645634-PCT00003
실시예 7-12는 2가지의 상이한 조건, 즉 i) 반사기(806)가 확산 반사기인 조건 및 ii) 반사기(806)가 경면 반사기인 조건 하에서 분석하였다. 이들 2가지 상이한 조건은 실시예 번호 뒤의 문자를 덧붙인 실시예 명칭으로 부호화되는데, 즉 문자 "D"는 확산 반사기가 사용된 실시예를 나타내며, 문자 "S"는 경면 반사기가 사용된 실시예를 나타낸다. 따라서, 예를 들어, 실시예 7에 대하여 2세트의 데이터가 존재한다. "7D"로 표기된 한 세트는 확산 반사기가 사용된 실시예 7을 나타내며, "7S"는 경면 반사기가 사용된 실시예 7을 나타낸다. 모든 다른 파라미터 값이 "S" 및 "D" 실시예 모두에 대해 동일하다.
모델링 결과
모델을 사용하여, 조명 유닛 위에서의 광의 휘도 및 조명 유닛의 필름에 수직한 방향으로 전파되는 광의 휘도의 균일도를 포함하는, 조명 유닛의 다양한 작동 파라미터를 계산하였다. 도 10은 휘도(nit 단위)에 대해 플롯팅된 상대 휘도 균일도(% 단위)를 도시하는 산점도(scatter plot)를 제공한다. 소정 실시예에 대한 휘도 균일도는 그 실시예에 대한 평균 휘도의 백분율로서 제공된다. 비교예 7S-12S는 EUF 실시예(1-6)보다 약간 더 높은 평균 휘도를 나타내며, 이때 더 높은 투과율의 실시예가 더 높은 휘도를 갖는다. 따라서, EUF 실시예 1-6의 휘도는 경면 반사 비교예 7S-12S에 비해 상당하게는 손상되지 않는다. 확산 비교예 7D-12D는 EUF 실시예 1-6보다 더 낮은 휘도 수준을 보인다.
휘도 균일도는 조명 유닛에 걸친 균일도의 표준 편차를 조명 유닛에 의해 생성된 광의 평균 휘도로 나눈 비로서 계산하였다. 그러므로, 결과 값은 상대 균일도 값이다. EUF 실시예 1-6의 균일도는 대략 1.8% - 2.6%의 범위 내에 있게 되어, 두 세트의 비교예 중 어느 것보다도 상당히 우수하다. 경면 반사 비교예 7S-12S의 균일도는 대략 3.6% - 4%의 범위 내이고, 한편 확산 반사 실시예 7D-12D의 균일도는 대략 6.6% - 7.1%의 범위 내에 있다. 따라서, 이 모델링은 확산 EUF 층의 존재가 동일한 수준의 휘도를 실질적으로 유지하면서도 조명 유닛에 의해 방출된 광의 균일도를 상당히 개선할 수 있다는 것을 보여준다.
많은 상이한 EUF 파라미터가 증가된 EUF 성능을 달성하기 위해 변경될 수 있음을 이해할 것이다. EUF 성능은 광원 위에서 광 세기 피크를 억제하는 EUF의 능력에 의해 측정될 수 있다. 가변될 수 있는 파라미터는 꼭지각과, 곡률반경과, 상부 및 하부 전환 표면 둘 모두에 대한 평탄 공간의 양을 포함하고, EUF 재료의 굴절률을 또한 포함한다.
양면형 EUF는 하기의 방식으로 작용하는 것으로 여겨진다. 먼저, EUF(812)가 광원(816)의 축에 평행한 방향으로(도면의 평면 내부로) 연장되는 광 전환 부재(812a)를 구비한 것을 도시하는 도 8을 참조하는 것이 유용하다. 몇몇 예시적인 실시 형태에서, 이는 광 전환 부재(812a)가 형광 램프의 종축과 동일한 방향으로 연장되는 리브형 부재인 것을 의미한다. S = 30 ㎜, D = 7 ㎜, 및 H = 0.5 ㎜인 경우, EUF(812)의 하부 광 전환 표면에의 입사각은 광원(816) 바로 위에서는 0°이고 전구들 사이의 중간 지점(P)에서는 72°이다.
상부 광 전환 부재(812b)는 그 투과율이 입사 광의 경사각에 의존하는 단계형 투과 필터(graduated transmission filter)인 것으로 간주될 수 있다. 하부 광 전환 부재(812a)는 입사각 Θi = atan((D-d)/x)에 기초하여 투과각을 선택하며, 여기서 d는 반사기(806) 위의 광원(816)의 중심 높이이고, x는 EUF의 하부 표면에의 입사 지점과 EUF 상의 광원의 바로 위의 지점 사이의 간격을 나타낸다. 따라서, 하부 광 전환 부재(812a)를 통한 투과각은 광원(816) 전구로부터의 거리(x)의 함수이며, 이는 이어서 상부 광 전환 부재(812b)를 통해 투과율 수준을 결정한다. EUF(812)는 광원(812)으로부터의 거리의 함수로서 광의 투과율을 제어하고 그럼으로써 휘도 균일도에 영향을 주는 유용한 도구를 제공한다.
양면형 EUF의 조합된 효과를 이해하기 위해서는, 각각의 면의 특성을 개별적으로 고려하는 것이 유용하다. 광원으로부터 멀어지는 방향을 향한 상부 광 전환 표면의 효과를 먼저 고려한다. 그러한 필름은 휘도 향상 필름과 유사하며, 여기서 광의 투과율은 휘도 향상 필름의 프리즘 내에서의 내부 전반사로 인해 수직 입사 광의 경우 낮으며 내부 전반사를 허용하는 각도보다 더 높은 각도에서 입사하는 광의 경우 상당하게 더 높다. 도 11A는 프리즘형 휘도 향상 필름과 유사한 평/프리즘(plano/prism) 필름의 평평한 면에 입사하는 투과된 광의 극/방위 맵(polar/azimuthal map)을 도시한다. 프리즘은 90°의 꼭지각을 갖는 것으로 가정하였다(F=0, R 무한대). 이러한 맵에서, 더 어두운 음영은 투과되는 광이 더 많음에 해당하고, 백색은 투과되는 광이 없음에 해당한다. 프리즘 축을 따라 그리고 그 둘레의 백색의 모래시계 형상의 구역은 내부 전반사(TIR) 구역과 일치한다.
광원을 향한 광 전환 표면의 효과가 도 11B 내지 도 11D를 참조하여 설명된다. 이들 도면은 프리즘/평 필름의 구조화된 면을 통해 투과된 광의 극/방위 맵을 제공하며, 여기서 프리즘은 70°의 꼭지각을 갖는다. 이들 도면은 광원(도시되지 않음)을 향한 프리즘(1102)을 구비한 필름(1100)을 도시하는 도 11E를 참조하여 더욱 잘 이해된다. 프리즘(1102)은 광 전환 부재를 포함한다. 프리즘은 y-방향에 평행한 방향을 따라 연장되며, z-축은 필름(1100)에 수직한다. 도 11B에서, 광의 입사 평면은 0°인데, 이는 광선이 프리즘 구조체에 수직하고 프리즘 축과 동일 평면 상에 있는 평면에 한정된다는 것, 즉 도 11E에서 y-z 평면에 한정된다는 것을 의미한다. 도 11C에서, 입사 평면은 70°이어서, 광선은 필름에 대한 법선에 대해 70°로 경사지고 프리즘 축과 동일 평면 상에 있는 평면, 즉 평면(1304)에 한정된다. 도 11D에서, 광선은 법선에 대해 80°로 경사지고 프리즘 축과 동일 평면 상에 있는 평면에 한정된다.
상부 프리즘 투과율과 3개의 하부 프리즘 입사 평면의 경우, 즉 0°, 70°, 및 80°의 합성 극/방위 맵이 도 11F에 도시되어 있다. 패턴은 서로 수직하게 배향된 EUF의 2개의 면 상의 광 전환 구조체에 대응한다. 0°의 경우, 광은 중심 자오선으로부터 멀리 전환되며, 여기서 TIR이 상부 프리즘과의 상호작용을 좌우하고, 따라서 전구로부터 바로 상향으로 방출된 광은 대부분 EUF에 의해 반사된다. 70° 및 80° 입사의 경우, 광은 중심 자오선을 향해 전환되며, 여기서 상부 프리즘 TIR 구역은 좁고(약한 반사), 따라서 급경사 각도에서 램프로부터 방출되어 전구들 사이의 중간 지점 부근에서 하부 프리즘의 구조화된 표면에 입사하는 광은 주로 투과된다. 램프 위의 광에 대한 낮은 투과율과 램프들 사이의 지점에서 EUF에 입사하는 광에 대한 높은 투과율의 조합은 전체 조명 프로파일을 평활하게 하며, 따라서 조명은 더욱 균일하게 될 수 있다. 도 11F에서, 주로 전구들 사이의 중간 지점 부근에서의 광 투과율에 대해 선택한, 0°내지 70°의 각도에서 입사하는 광선에 대한 투과율의 단계형 스케일(graduated scale)이 존재한다. 단계형 투과율 스케일은 상부 및 하부 광 전환 부재의 파라미터들, 예컨대, 꼭지각, 면 곡률(반경), 평탄화된 팁 반경 또는 프리즘 팁 웨트아웃(wetout), 프리즘 축 배향, 굴절률, 경사진 또는 변동가능한 꼭지각 프리즘, 및 프리즘 표면 조직을 조절함으로써 조정될 수 있다. 상부 및 하부 프리즘 축의 배향, 즉 프리즘 리지의 방향은 서로에 대해 및/또는 전구들에 대해 변동될 수 있다.
도 12는 조명 유닛의 두께에 영향을 주는 값(D)의 함수로서 계산된 휘도 균일도를 도시한다. 각각의 경우에서, D의 값은 5 ㎜ - 11 ㎜의 범위에 걸쳐 변동하였다. 정사각형 및 원은 실시예 1 및 실시예 2의 경우와 유사한 설계에 대한 결과를 도시한다. "X"는 실시예 7S의 경우와 유사한 설계에 대한 결과를 도시하는, 한편 별표는 실시예 7D에 대한 결과를 도시한다. D = 7 ㎜인 경우의 균일도의 값은 도 10에 제공된 것과 동일하다.
조명 유닛의 성능을 최적화하기 위한 중요한 파라미터는 비 S/D, 즉 램프간 간격 대 두께의 비이다. 디스플레이의 두께를 감소시키기 위해, S/D의 값이 더 높은 것이 바람직하지만, 휘도 균일도가 손상되지 않아야 한다. 전형적으로, 확산 배면 반사기(806)를 구비한 형광 램프를 사용하는 종래의 디스플레이는 2 미만의 S/D 값을 사용한다. 이는 도 12의 곡선 1407D의 경향성에 의해 확인되며, 휘도 균일도는 11 ㎜보다 상당히 더 큰 D의 값의 경우 1%에 접근한다. 경면 배면 반사기(806)를 사용하는 최근의 개발은 대략 1%의 휘도 균일도를 유지하면서 최대 약 3의 S/D 값이 가능한 것으로 증명되었고, 따라서 조명 유닛의 두께가 감소될 수 있게 한다. 이는 계류 중인 미국 특허 출원 제11/133,504호에 더욱 상세하게 설명되어 있다.
도 12에 도시된 경향성은 확산 EUF의 도입이 상당하게 더 얇은 조명 유닛에 의해 감소된 휘도가 달성된다는 것을 보여준다. 도 12에 도시된 결과에 사용된 모든 설계에서, 램프간 간격(S)은 30 ㎜였다. 따라서, 1%를 약간 초과하는 균일도를 약 3.75의 S/D 값에 대해 실시예 2로 달성하였다. 다양한 확산 EUF 설계의 조사에 의해, D의 값이 6 ㎜ 미만인 경우에 도시된 값 미만의 균일도를 갖는 시스템을 얻을 수 있다.
광 전환 표면은 위치, 형상 및/또는 크기가 일정하지 않은 광 전환 요소들을 갖는 표면들을 포함하여 본 명세서에서 상세히 논의되지 않은 많은 상이한 유형의 형상을 취할 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 상기 논의된 예시적인 실시 형태는 조명 광을 굴절 전환시키는 광 전환 표면에 관한 것이지만, 다른 실시 형태는 조명 광을 회절시킬 수 있거나 굴절과 회절의 조합을 통해 조명 광을 전환시킬 수 있다. 본 명세서에서 설명된 계산 결과는 광 전환 층의 상이한 유형 및 형상이 조도를 증가시킬 수 있는 잠재력을 제공하고 단순한 확산기만을 구비한 경우에 비해 조도의 변동을 감소시킨다는 것을 보여준다.
본 발명은 전술된 특정 실시예에 제한되는 것으로 고려되어서는 안 되며, 오히려 첨부된 청구의 범위에 적절히 기재된 본 발명의 모든 태양을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서의 개관시, 본 발명에 적용될 수 있는 다양한 변형, 동등한 공정뿐만 아니라, 많은 구조는 본 발명과 관계된 분야의 당업자에게 쉽게 명확해질 것이다. 청구의 범위는 이러한 변형 및 장치를 포함하고자 한다.

Claims (18)

  1. 디스플레이 패널과;
    디스플레이 패널 후방에 배치되어 조명 광을 생성할 수 있는 하나 이상의 광원과;
    하나 이상의 광원과 디스플레이 패널 사이에 배치된 확산 광 전환 층을 포함하며, 광 전환 층은 디스플레이 패널을 향한 광 전환 층의 제1 면 상에 배치된 제1 광 전환 부재와 디스플레이 패널로부터 멀어지는 방향을 향한 광 전환 층의 제2 면 상에 배치된 제2 광 전환 부재를 포함하고, 확산 광 전환 층은 중합체 매트릭스 내에 배치된 확산 입자를 추가로 포함하는 직접 조명식 디스플레이 유닛.
  2. 제1항에 있어서, 제1 광 전환 부재 중 적어도 하나는 광 전환 층에 수직한 축에 대해 비대칭인 직접 조명식 디스플레이 유닛.
  3. 제1항에 있어서, 광 전환 층의 적어도 하나의 면은 2개의 이웃하는 광 전환 부재들 사이에 적어도 하나의 평탄 표면 부분을 포함하는 직접 조명식 디스플레이 유닛.
  4. 제1항에 있어서, 제1 광 전환 부재 중 적어도 하나는 광 전환 층을 가로질러 연장하는 긴 부재로서 형성된 직접 조명식 디스플레이 유닛.
  5. 제4항에 있어서, 긴 부재는 긴 부재의 길이를 따라 일정한 높이를 갖는 직접 조명식 디스플레이 유닛.
  6. 제4항에 있어서, 긴 부재는 긴 부재의 길이를 따라 변하는 높이를 갖는 직접 조명식 디스플레이 유닛.
  7. 제4항에 있어서, 긴 부재는 긴 부재의 길이를 따라 변하는 폭을 갖는 직접 조명식 디스플레이 유닛.
  8. 제1항에 있어서, 확산 광 전환 층의 제1 및 제2 면 중 적어도 하나는 높이가 상이한 2개의 이웃하는 광 전환 부재를 포함하는 직접 조명식 디스플레이 유닛.
  9. 제1항에 있어서, 확산 광 전환 층과 디스플레이 패널 사이에 배치된 하나 이상의 광 관리 필름을 추가로 포함하는 직접 조명식 디스플레이 유닛.
  10. 제9항에 있어서, 하나 이상의 광 관리 필름은 적어도 제1 휘도 향상 필름 및 반사 편광기 필름을 포함하는 직접 조명식 디스플레이 유닛.
  11. 제10항에 있어서, 제1 휘도 향상 필름의 프리즘형 구조체에 실질적으로 직교 하게 배향된 프리즘형 구조체를 구비한 제2 휘도 향상 필름을 추가로 포함하는 직접 조명식 디스플레이 유닛.
  12. 제9항에 있어서, 하나 이상의 광 관리 필름은 확산기 층을 포함하는 직접 조명식 디스플레이 유닛.
  13. 제1항에 있어서, 디스플레이 패널은 액정 디스플레이(LCD) 패널을 포함하는 직접 조명식 디스플레이 유닛.
  14. 제1항에 있어서, 하나 이상의 광원은 발광 다이오드 및 형광 램프 중 적어도 하나를 포함하는 직접 조명식 디스플레이 유닛.
  15. 제1항에 있어서, 디스플레이 유닛에 의해 디스플레이되는 이미지를 제어하기 위해 디스플레이 패널에 결합된 제어 유닛을 추가로 포함하는 직접 조명식 디스플레이 유닛.
  16. 제1항에 있어서, 광 전환 층의 제2 면 상에 입사하는 광은 실질적으로 제1 광 전환 평면으로 전환되며, 제2 면으로부터 광 전환 층의 제1 면 상에 입사하는 광은 실질적으로 제1 광 전환 평면에 평행하지 않은 제2 광 전환 평면으로 전환되는 직접 조명식 디스플레이 유닛.
  17. 제17항에 있어서, 제1 및 제2 광 전환 평면은 실질적으로 수직한 직접 조명식 디스플레이 유닛.
  18. 제1항에 있어서, 확산 광 전환 층에 실질적으로 수직한 방향으로 확산 광 전환 층 내에서 전파되는 하나 이상의 광원으로부터의 광의 제1 부분이 제1 광 전환 요소의 평탄 부분을 통해 실질적으로 투과되고, 확산 광 전환 층에 실질적으로 수직한 방향으로 확산 광 전환 층 내에서 전파되는 하나 이상의 광원으로부터의 광의 제2 부분이 제1 광 전환 요소의 경사진 부분에서 내부 전반사되는 직접 조명식 디스플레이 유닛.
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