KR20110007094A

KR20110007094A - 디스플레이의 개선된 조명 균일도를 위한 휘도 향상 필름 및 필름 기반 확산기

Info

Publication number: KR20110007094A
Application number: KR1020107019358A
Authority: KR
Inventors: 케네스 에이 엡스테인; 스티븐 제이 엣츠콘; 에릭 더블유 넬슨; 마크 디 겔센; 브라이언 지 쾨더
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2008-02-15
Filing date: 2009-02-13
Publication date: 2011-01-21
Also published as: TW200949369A; JP2011512561A; KR101579332B1; CN101946206A; WO2009102951A2; US20110037736A1; EP2263115A2; WO2009102951A3; US9001286B2

Abstract

광학 장치는 제1 면 및 제2 면을 구비한 제1 필름(200)을 갖는다. 제1 면에서 광(204)에 의해 조명될 때, 제1 필름은 넓게 확산 투과되는 광(206)의 제1 부분 및 좁게 확산 투과되는 광(208)의 제2 부분에 의해 특성화된다. 제2 필름(202)이 제1 필름의 제2 면에 배치된다. 제2 필름은 광을 전환시키는 적어도 하나의 자유 표면을 구비한다. 일부 실시 형태에서, 제1 필름은 0.5 내지 3의 확산 산란 광학 밀도를 갖는다. 본 장치는 액정 디스플레이와 같은 디스플레이 내의 백라이트 내에서 광을 분포시키고 광을 균일하게 하는데 사용된다.

Description

디스플레이의 개선된 조명 균일도를 위한 휘도 향상 필름 및 필름 기반 확산기{BRIGHTNESS ENHANCING FILM AND FILM BASED DIFFUSER FOR IMPROVED ILLUMINATION UNIFORMITY OF DISPLAYS}

본 발명은 광학 디스플레이에 관한 것으로, 특히 액정 디스플레이(LCD) 모니터 및 LCD 텔레비전에서 사용될 수 있는 바와 같이 후방으로부터의 광원에 의해 직접 조명되는 LCD에 관한 것이다.

관련 출원

본 출원은 그 개시내용이 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된, 2008년 2월 15일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/029071호의 이익을 주장한다.

일부 디스플레이 시스템, 예컨대 액정 디스플레이(LCD)는 후방으로부터 조명된다. 이러한 디스플레이는 랩탑 컴퓨터, 휴대용(hand-held) 계산기, 디지털 시계 및 텔레비전 등과 같은 많은 장치에서 광범위하게 응용된다. 일부 백라이트 디스플레이는 디스플레이의 측면에 위치된 광원을 포함하고, 도광부가 광을 광원으로부터의 디스플레이 패널의 후방으로 안내하기 위해 위치된다. 다른 백라이트 디스플레이, 예컨대 일부 LCD 모니터 및 LCD 텔레비전(LCD-TV)은 디스플레이 패널의 후방에 위치된 다수의 광원을 사용하여 후방에서 직접 조명된다. 이러한 후자의 배열은 대형 디스플레이에서 점점 일반화되고 있는데, 그 이유는 일정 레벨의 디스플레이 휘도(brightness)를 달성하는 데 필요한 광 전력 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 일부 디스플레이 적용예에서는 다른 적용예보다도 더 먼 거리에서 시청될 만큼 디스플레이가 충분히 밝아야 한다는 요건을 필요로 한다. 또한, LCD-TV의 시야각 요건은 일반적으로 LCD 모니터 및 휴대용 장치의 시야각 요건과는 다르다.

많은 LCD 모니터 및 LCD-TV는 다수의 냉음극 형광 램프(CCFL)에 의해 후방으로부터 조명된다. 이들 광원은 선형이고 디스플레이의 전체 폭을 가로질러 연장하며, 그 결과, 디스플레이의 배면이 더 어두운 영역에 의해 분리된 일련의 밝은 스트라이프(stripe)들에 의해 조명된다. 이러한 조명 프로파일(profile)은 바람직하지 않으며, 따라서 전형적으로 LCD 장치의 뒤에서 조명 프로파일을 평활(smooth)하게 하기 위해 확산판이 사용된다. 확산판은 일반적으로 램프와 LCD 패널 사이의 다른 광 관리 요소에 비해 상대적으로 두껍고 무겁다.

확산 반사기가 광을 관찰자를 향해 지향시키기 위해 램프 뒤에 사용되고, 이때 램프는 반사기와 확산기 사이에 위치된다. 확산 반사기와 확산기 사이의 간격은 확산기로부터 방출되는 광의 원하는 휘도 균일도에 의해 제한된다. 만일 이 간격이 너무 작으면, 조도가 덜 균일해져서, 관찰자에 의해 관찰되는 이미지를 훼손시킨다. 이는 광이 램프들 사이에 균일하게 분포되도록 하는 공간이 불충분하기 때문에 일어난다.

램프와 LCD 패널 사이에 배치되는 무거운 확산판에 대한 의존을 줄일 필요성이 남는다.

본 발명의 일 실시 형태는 제1 면 및 제2 면을 구비한 제1 필름을 갖는 광학 장치에 관한 것이다. 제1 면에서 광에 의해 조명될 때, 제1 필름은 넓게 확산 투과되는 광의 제1 부분 및 좁게 확산 투과되는 광의 제2 부분에 의해 특성화된다. 제2 필름이 제1 필름의 제2 면에 배치된다. 제2 필름은 광을 전환시키는 적어도 하나의 자유 표면을 구비한다.

본 발명의 다른 실시 형태는 제1 면 및 제2 면을 구비한 제1 필름을 갖는 광학 장치에 관한 것이다. 제1 필름은 또한 0.5 내지 3의 확산 산란 광학 밀도를 갖는다. 제2 필름이 제1 필름을 투과한 광을 전환시키는 적어도 하나의 자유 광 전환 표면을 구비하여 제1 필름의 제1 면에 근접하게 배치된다.

본 발명의 다른 실시 형태는 투입광에 의해 조명될 때 제1 넓은 확산 부분 및 제2 좁은 확산 부분을 형성함으로써 광을 확산시키기 위한 광 확산 수단을 포함하는 광학 장치에 관한 것이다. 제1 광 전환 수단이 광 확산 수단을 투과한 광의 적어도 일부분을 전환시킨다.

본 발명의 상기의 개요는 본 발명의 각각의 도시된 실시 형태 또는 모든 구현 형태를 설명하고자 하는 것은 아니다. 이하의 도면 및 상세한 설명은 이러한 실시 형태들을 더 구체적으로 예시한다.

본 발명은 첨부 도면과 관련하여 본 발명의 다양한 실시 형태에 대한 하기의 상세한 설명을 고려하여 더욱 완전하게 이해될 수 있다.
<도 1>
도 1은 본 발명의 원리에 따른 펀치-스루(punch-through) 확산기를 사용한 백라이트 액정 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 도면.
<도 2a>
도 2a는 펀치-스루 확산기 및 광 전환 필름의 작동을 개략적으로 도시한 도면.
<도 2b>
도 2b는 펀치-스루 확산기를 투과한 후 광의 각도-의존 휘도 프로파일을 개략적으로 도시한 도면.
<도 2c>
도 2c는 몇몇 상이한 유형의 확산기를 투과한 후 광의 측정된 각도-의존 휘도 프로파일을 도시한 도면.
<도 3a 내지 도 3c>
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 원리에 따른 펀치-스루 확산기의 상이한 실시 형태를 개략적으로 도시한 도면.
<도 4a 내지 도 4e>
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 실시 형태에 사용가능한 광-전환 층의 상이한 실시 형태를 개략적으로 도시한 도면.
<도 5>
도 5는 본 발명의 실시 형태에 사용가능한 2차원 광 전환 층의 실시 형태를 개략적으로 도시한 도면.
<도 6a 내지 도 6c>
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 실시 형태에 사용가능한 균일도 향상 필름(enhanced uniformity film)의 상이한 실시 형태를 개략적으로 도시한 도면.
<도 7>
도 7은 광 관리 필름의 상이한 조합에 대한 두 램프 위에서의 측정된 휘도를 도시한 도면.
<도 8a>
도 8a는 수치 실시예 번호 1에 사용된 모델을 개략적으로 도시한 도면.
<도 8b>
도 8b는 산란 파라미터 U_poly의 다양한 값에 대해 수치 실시예 번호 1에 대한 휘도 대 위치를 나타내는 그래프.
<도 8c>
도 8c는 산란 파라미터 U_poly의 다양한 값에 대해 수치 실시예 번호 1에 대한 휘도 균일도 대 백라이트 캐비티 깊이를 나타내는 그래프.
<도 9a>
도 9a는 수치 실시예 번호 2에 사용된 모델을 개략적으로 도시한 도면.
<도 9b>
도 9b는 산란 파라미터 U_poly의 다양한 값에 대해 수치 실시예 번호 2에 대한 휘도 균일도 대 백라이트 캐비티 깊이를 나타내는 그래프.
<도 10a>
도 10a는 수치 실시예 번호 3에 사용된 모델을 개략적으로 도시한 도면.
<도 10b>
도 10b는 수치 실시예 번호 3에 사용된 EUF의 다양한 형상을 도시한 그래프.
<도 10c>
도 10c는 EUF의 다양한 형상에 대해 수치 실시예 번호 3에 대한 휘도 균일도 대 백라이트 캐비티 깊이를 나타내는 그래프.
<도 11a>
도 11a는 수치 실시예 번호 4에 사용된 모델을 개략적으로 도시한 도면.
<도 11b>
도 11b는 수치 실시예 번호 4에 사용된 2차원 광 전환 필름의 실시 형태를 개략적으로 도시한 도면.
<도 11c>
도 11c는 산란 파라미터 U_poly의 다양한 값에 대해 수치 실시예 번호 4에 대한 휘도 균일도 대 백라이트 캐비티 깊이를 나타내는 그래프.
본 발명이 다양한 변형과 대안적 형태를 따르고 있지만, 그 특정 실시예는 예로서 도면에 도시되고 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명을 설명된 특정 실시 형태로 한정할 의도는 아니라는 것을 알아야 한다. 반대로, 첨부된 특허청구범위에 기재된 본 발명의 정신 및 범주 내에 속하는 모든 변형, 등가물 및 대안을 포함하고자 하는 것이다.

본 발명은 액정 디스플레이(LCD 또는 LC 디스플레이)와 같은 디스플레이 패널에 적용 가능하며, 특히 예컨대 LCD 모니터 및 LCD 텔레비전(LCD-TV)에 사용되는 것과 같이 후방에서 직접 조명되는 LCD에 적용 가능하다. 보다 구체적으로, 본 발명은 LC 디스플레이를 조명하기 위한 직하형 백라이트(direct-lit backlight)에 의해 발생되는 광의 관리에 관한 것이다. 광 관리 필름들의 배열은 일반적으로 백라이트와 디스플레이 패널 자체 사이에 위치된다. 함께 라미네이팅될 수 있거나 또는 독립하여 존재할 수 있는 광 관리 필름의 배열은 확산기 층과, 광을 전환시키는 자유 표면을 구비한 적어도 하나의 다른 필름을 포함한다.

직하형 디스플레이 장치(100)의 예시적인 실시예의 개략 분해도가 도 1에 나타나 있다. 그러한 디스플레이 장치(100)는 예컨대 LCD 모니터 또는 LCD-TV에 사용될 수 있다. 디스플레이 장치(100)는 LC 패널(102)의 사용에 기반을 둘 수 있고, LC 패널은 일반적으로 패널판(106)들 사이에 설치된 LC 층(104)을 포함한다. 패널판(106)은 흔히 유리로 형성되고, 전극 구조와, LC 층(104) 내의 액정의 배향을 제어하기 위한 내부면 상의 배향층을 포함할 수 있다. 전극 구조는 흔히 LC 패널 픽셀, 즉 LC 층의 영역을 정의하도록 배열되며, 이 영역에서는 액정의 배향이 인접 영역과는 독립적으로 제어될 수 있다. 또한, 디스플레이되는 이미지에 색상을 부여하기 위해 컬러 필터가 하나 이상의 판(106)과 함께 구비될 수 있다.

상부 흡수 편광기(108)가 LC 층(104) 상에 위치되고, 하부 흡수 편광기(110)가 LC 층(104) 아래에 위치된다. 도시된 실시 형태에서, 상부 및 하부 흡수 편광기는 LC 패널(102) 외부에 위치된다. 흡수 편광기(108, 110) 및 LC 패널(102)은 백라이트(112)로부터의 광이 관찰자를 향해 디스플레이(100)를 투과하는 것을 함께 제어한다. 예컨대, 흡수 편광기(108, 110)는 투과 축과 수직으로 배열될 수 있다. 비활성 상태에서, LC 층(104)의 픽셀은 통과하는 광의 편광을 변화시키지 않을 수 있다. 따라서, 하부 흡수 편광기(110)를 통과하는 광은 상부 흡수 편광기(108)에 의해 흡수된다. 반면에, 픽셀이 활성화될 때에는, 통과하는 광의 편광이 회전됨으로써 하부 흡수 편광기(110)를 투과하는 광의 적어도 일부가 또한 상부 흡수 편광기(108)를 투과한다. 예컨대, 제어기(114)에 의해 LC 층(104)의 서로 다른 픽셀들을 선택적으로 활성화시키면, 광이 일정한 원하는 위치에서 디스플레이로부터 진행하여, 관찰자가 보는 이미지를 형성하게 된다. 제어기는 예컨대 텔레비전 이미지를 수신하여 디스플레이하는 컴퓨터 또는 텔레비전 제어기를 포함할 수 있다. 하나 이상의 선택적인 층(109)이 예컨대 디스플레이 표면에 대한 기계적 및/또는 환경적 보호를 제공하기 위해 상부 흡수 편광기(108) 위에 제공될 수 있다. 하나의 예시적인 실시 형태에서, 층(109)은 흡수 편광기(108) 위에 하드코트(hardcoat)를 포함할 수 있다.

일부 유형의 LC 디스플레이들은 위에서 설명된 것과는 다른 방식으로 동작할 수 있음을 이해할 것이다. 예컨대, 흡수 편광기는 평행하게 정렬될 수 있고, LC 패널은 비활성 상태에서 광의 편광을 회전시킬 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이러한 디스플레이들의 기본 구조는 위에서 설명된 구조와 유사하다.

백라이트(112)는 LC 패널(102)을 조명하는 광을 발생하는 다수의 광원(116)을 포함한다. LCD-TV 또는 LCD 모니터에 사용되는 광원(116)은 흔히 디스플레이 장치(100)의 높이를 따라 연장되어 있는 선형의 냉음극 형광등이다. 그러나, 필라멘트 또는 아크 램프, 발광 다이오드(LED), 평판 형광 패널 또는 외부 형광 램프와 같은 다른 유형의 광원을 사용할 수도 있다. 광원의 이러한 열거는 한정하거나 단정짓기 위한 의도가 아니고 단지 예시하기 위한 것이다.

백라이트(112)는 또한 광원(116)으로부터 아래쪽으로, 즉 LC 패널(102)로부터 멀어지는 방향으로 전파하는 광을 반사시키는 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(specular) 반사기일 수 있고, 또는 확산(diffuse) 반사기일 수도 있다. 반사기(118)로서 사용될 수 있는 경면 반사기의 일 예로는 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 입수가능한 비퀴티(Vikuiti™) 향상된 경면 반사(Enhanced Specular Reflection, ESR) 필름을 들 수 있다. 적합한 확산 반사기의 예로는 이산화티타늄, 황산바륨, 탄산칼슘 등과 같은 확산 반사 입자가 투입된 PET, PC, PP, PS와 같은 중합체를 포함한다. 미공성 재료 및 미소섬유-함유 재료를 포함한 확산 반사기의 다른 예가 본 명세서에 참고로 포함된 공동 소유의 미국 특허 출원 공개 제2003/0118805 A1호에 논의되어 있다.

광 관리 유닛으로도 지칭될 수 있는 광 관리 필름의 배열(120)이 백라이트(112)와 LC 패널(102) 사이에 위치된다. 광 관리 필름은 디스플레이 장치(100)의 작동을 개선시키기 위해 백라이트(112)로부터 전파하는 광에 영향을 미친다. 광 관리 유닛(120)은 아래에서 추가로 설명되는 펀치-스루 확산기 층(122)을 포함한다.

광 관리 유닛(120)은 또한 반사 편광기(124)를 포함할 수 있다. 광원(116)은 일반적으로 편광되지 않은 광을 생성하나, 하부 흡수 편광기(110)는 단일 편광 상태만을 투과시키며, 그래서 광원(116)에 의해 발생된 광의 대략 절반 정도가 LC 층(104)을 투과하지 못한다. 그러나, 반사 편광기(124)는 반사되지 않는다면 하부 흡수 편광기에서 흡수될 광을 반사시키는 데 사용될 수 있고, 그래서 이 광은 반사 편광기(124)와 반사기(118) 간의 반사에 의해 재생될 수 있다. 반사 편광기(124)에 의해 반사된 광의 적어도 일부는 편광이 제거되고 이어서 LC 층(104)을 향해 반사 편광기(124) 및 하부 흡수 편광기(110)를 투과하는 편광 상태로 반사 편광기(124)로 복귀할 수 있다. 이러한 방법으로, 반사 편광기(124)는 LC 층(104)에 도달하는 광 - 광원(116)에 의해 방출됨 - 의 일 부분을 증가시키기 위해 사용될 수 있고, 그래서 디스플레이 장치(100)에 의해 생성된 이미지는 더 밝아지게 된다.

임의의 적합한 유형의 반사 편광기, 예컨대 다층 광학 필름(multilayer optical film; MOF) 반사 편광기; 확산 반사 편광 필름(diffusely reflective polarizing film; DRPF), 예를 들어 연속/분산 상 편광기, 와이어 그리드 반사 편광기 또는 콜레스테릭 반사 편광기가 사용될 수 있다.

MOF 및 연속/분산 상 반사 편광기는 광을 직교 편광 상태로 투과시키면서 하나의 편광 상태의 광을 선택적으로 반사시키기 위해 적어도 2종의 재료, 보통 중합체 재료들 간의 굴절률 차이에 의존한다. MOF 반사 편광기의 일부 예가 본 명세서에 참고로 포함된 공동 소유의 미국 특허 제5,882,774호에 기술되어 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 본 명세서에 참고로 포함된 공동 소유의 미국 특허 제5,825,543호에 설명되어 있는 바와 같은 연속/분산 상 반사 편광기, 및 예컨대 본 명세서에 또한 참고로 포함된 공동 소유의 미국 특허 제5,867,316호에 설명되어 있는 바와 같은 확산 반사 다층 편광기를 포함한다. 다른 적합한 유형의 DRPF가 미국 특허 제5,751,388호에 기술되어 있다.

본 발명과 함께 사용되는 와이어 그리드 편광기의 일부 예로는 미국 특허 제6,122,103호에 기재된 것들을 들 수 있다. 와이어 그리드 편광기는 특히 미국 유타주 오렘 소재의 목스텍 인크.(Moxtek Inc.)로부터 구매가능하다.

본 발명과 관련하여 유용한 콜레스테릭 편광기의 일부 예로는 예를 들어 미국 특허 제5,793,456호 및 미국 특허 공개 제2002/0159019호에 기재된 것을 들 수 있다. 콜레스테릭 편광기는 흔히 출력면의 사분파 지연층과 함께 제공되어 콜레스테릭 편광기를 투과한 광이 선형 편광으로 변환되도록 한다.

일부 실시 형태에서, 반사 편광기(124)는 예를 들어 백라이트(112)를 향한 확산 표면에 의해 확산을 제공할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 반사 편광기(124)는 반사 편광기(124)를 통과하는 광의 이득을 증가시키는 휘도 향상 표면을 구비할 수 있다. 예를 들어, 반사 편광기(124)의 상부 표면은 프리즘형 휘도 향상 표면 또는 시준 비드형 확산기 표면을 구비할 수 있다. 휘도 향상 표면은 아래에서 더욱 상세히 논의된다. 다른 실시 형태에서, 반사 편광기는 백라이트(112)를 향한 면에 확산 표면 또는 체적과 같은 확산 특징부를, 그리고 LC 패널(102)을 향한 면에 프리즘형 표면 또는 시준 비드형 확산기 표면과 같은 휘도 향상 특징부를 구비할 수 있다.

편광 제어층(126)이 몇몇 예시적인 실시 형태에서 예를 들어 펀치-스루 확산기 층(122)과 반사 편광기(124) 사이에 제공될 수 있다. 편광 제어층(126)의 예는 사분파 지연층과, 액정 편광 회전층과 같은 편광 회전층을 포함한다. 편광 제어층(126)은 재생된 광의 증가된 부분이 반사 편광기(124)를 투과하도록 반사 편광기(124)로부터 반사되는 광의 편광을 변화시키는 데 사용될 수 있다.

광 관리 유닛(120)은 또한 휘도 향상 층(128a)을 포함할 수 있다. 휘도 향상 층은 축외(off-axis) 광을 디스플레이의 축(132)에 더욱 가까운 방향으로 방향전환시키는 표면 구조체를 포함할 수 있다. 이는 LC 층(104)을 통해 축상(on-axis)으로 전파하는 광의 양을 증가시키며, 따라서 관찰자가 보는 이미지의 밝기가 증가된다. 일 예는 굴절 및 반사를 통해 조명 광을 방향전환시키는 다수의 프리즘형 리지를 가진 프리즘형 휘도 향상 층이다. 디스플레이 장치 내에서 사용될 수 있는 프리즘형 휘도 향상 층의 예는 BEFII 90/24, BEFII 90/50, BEFIIIM 90/50 및 BEFIIIT를 포함하여, 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 입수가능한 비퀴티 BEFII 및 BEFIII 계열의 프리즘형 필름을 포함한다.

프리즘형 휘도 향상 층은 전형적으로 광의 각도 범위를 일차원으로 압축시킴으로써 광 이득을 제공한다. 제2 휘도 향상 층(128b)이 또한 광 관리층의 배열(120) 내에 포함될 수 있으며, 여기에서 프리즘형 휘도 향상 층은 그의 프리즘형 구조체가 제1 휘도 향상 층(128a)의 프리즘형 구조체에 직교하게 배향되는 상태로 배치된다. 그러한 구성은 2차원으로 광의 각도 범위를 압축시킴으로써 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.

광 관리 유닛의 서로 다른 층은 독립하여 존재할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 광 관리 유닛 내의 층들 중 2개 이상은, 예를 들어 본 명세서에 참고로 포함된 공동 소유의 미국 특허 출원 제10/966,610호에 논의되어 있는 바와 같이, 함께 라미네이팅될 수 있다. 다른 예시적인 실시 형태에서, 광 관리 유닛은, 예를 들어 본 명세서에 참고로 포함된 공동 소유의 미국 특허 출원 제10/965,937호에 기술되어 있는 바와 같이, 갭에 의해 분리된 2개의 부조립체를 포함할 수 있다.

종래에는, 광원(116)과 확산기 층(122) 사이의 간격, 인접 광원(116)들 사이의 간격 및 확산기 투과율이 조명의 휘도 및 균일도의 주어진 값에 대해 디스플레이를 설계할 때 고려되는 중요한 인자이다. 일반적으로, 강한 확산기, 즉 입사광의 보다 많은 부분을 확산시키는 확산기는 균일도를 개선시킬 것이지만 또한 감소된 휘도를 초래할 것인데, 이는 높은 확산 레벨은 강한 후방 확산과 이에 수반하는 손실의 증가를 동반하기 때문이다.

정상 확산 조건 하에서, 스크린을 가로질러 보여지는 휘도의 변동은 광원 위에 위치되는 휘도 최대치, 및 광원들 사이에 위치되는 휘도 최소치에 의해 특성화된다. 균일도 향상 필름(EUF)(130)이 디스플레이 패널(102)의 조명의 불균일도를 감소시키기 위해 광원(116)과 확산기 층(122) 사이에 위치될 수 있다. EUF(130)의 양면, 즉 광원(116)을 향한 면과 디스플레이 패널(102)을 향한 면은 광-전환 표면일 수 있다. 광 전환 표면은 EUF(130)의 일 면으로부터 다른 면으로 진행하는 광을 조명 불-균일도를 감소시키는 방식으로 굴절 전환시키는 다수의 광 전환 요소에 의해 형성된다. 광 전환 요소는 EUF(130)의 평면에 평행하지 않은 EUF 표면의 일부분을 포함한다. EUF의 상이한 실시 형태들이 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 출원 제11/129,942호; 제11/560,260호; 제11/560,234호; 제11/560,271호; 및 제11/560,250호와, PCT 출원 US2007/084645호에 추가로 기술되어 있다.

펀치-스루 확산기(200)의 하나의 예시적인 실시 형태가, 광을 전환시키는 자유 표면(210)을 구비한 제2 필름(202)과 함께, 도 2a에 개략적으로 도시되어 있다. 펀치-스루 확산기는 입사광의 제1 부분을 넓은 확산 특성을 갖고서 확산시키는 확산 요소이다. 나머지 부분은 확산되지 않거나 또는 단지 좁게만 확산된다. 이는 펀치-스루 확산기(200)에 입사하는 광선(204)을 도시하는 도 2a에 개략적으로 나타나 있다. 투과된 광은 넓게 확산되거나(실선인 광선(206)) 또는 좁게 확산된다(점선인 광선(208)).

투과된 광의 조도를 극각(polar angle) θ의 함수로서 도시한 개략적인 극좌표 선도가 도 2b에 도시되어 있다. 조도 선도는 2가지 성분으로 형성된다. 제1 성분(220)은 넓은 확산 패턴이다. 제1 성분(220)의 피크 높이는 I1₀이다. 제1 성분의 절반 높이에서의 전체 폭, 즉 최고 높이의 절반에서의 두 점 사이의 폭은 s₁이다. 제2 성분(222)은 좁은 확산 패턴이다. 제2 성분의 피크 높이는 I2₀이다. 제2 성분의 절반 높이에서의 전체 폭, 즉 최고 높이의 절반에서의 두 점 사이의 폭은 s₂이다. 제2 성분(222)의 높이 I2₀는 제1 성분(220)이 없을 때의 제2 성분의 높이인 것에 유의하라. 이러한 펀치-스루 확산기의 거동은 단지 하나의 확산된 성분만을 전달하는, 디스플레이에 사용되는 종래의 확산기와 대조를 이룬다. 비율 s₁/s₂는 3보다 클 수 있고, 5보다 클 수 있으며, 일부 실시 형태에서는 10보다 클 수 있다. 제한으로서 의도되지는 않더라도, 일부 실시 형태에서, 제1 성분의 광 출력의 부분은, 예를 들어 와트(Watt) 단위로 측정시, 제2 성분의 광 출력의 1 내지 10배일 수 있지만, 상이한 성분의 상대 출력은 또한 이 범위 밖에 있을 수도 있다. 다른 실시 형태에서, 제1 성분의 광 출력의 부분은 제2 성분의 광 출력의 1 내지 3배일 수 있다.

도 2c는 확산기의 상이한 실시 형태에 대해 극각에 대하여 측정된 휘도의 실험 측정치를 도시한다. 각각의 경우에, 확산기 필름을 백색광의 시준된 광선으로 조명하였다. 휘도의 극각 의존성을 측정하기 위해 코노스코프를 사용하였다. 휘도가 로그 스케일로 나타내어지는 것에 유의하여야 한다.

실험에 사용되는 다양한 확산기가 아래 표 I에 열거되어 있다.

[표 I]

상용 확산기는 소니(Sony) KDL-40XBR4 TV로부터 얻은 2.0 ㎜ 확산판이었다. 85% 투과율 확산판은 미국 뉴욕주 볼드윈 소재의 아스트라 프로덕츠 인크.(Astra Products, Inc.)로부터 얻은 2 ㎜ 두께의 DR-85C CLAREX® DR-IIIC 광 확산 필터판이었다.

상이한 충전재를 함유한 25 ㎛ 두께의 UV 경화성 중합체 제형으로 125 ㎛(0.005") 밀(mil) PET를 코팅함으로써 펀치-스루 확산기 1 및 2(곡선(236, 238))를 제조하였다. 펀치-스루 확산기는 6 ㎛ 폴리스티렌 비드 및 이산화티타늄 입자의 조합을 포함하였다. 이러한 제형은 원하는 양의 직접 광 투과를 갖는 전방 및 후방 산란의 조합을 제공한다. 이산화티타늄 입자와 UV 경화성 중합체 사이의 굴절률 차이는 UV 경화성 중합체와 폴리스티렌 비드 사이의 굴절률 차이보다 상당히 컸다. 따라서, 이산화티타늄 비드는 넓은 확산을 가져온 반면에, 폴리스티렌 비드는 좁은 확산을 가져왔다. 만일 더 높은 레벨의 이산화티타늄이 사용되었다면, 투과율은 저하되고, 광의 더 많은 부분이 후방으로 확산된다. 만일 더 높은 레벨의 폴리스티렌 비드가 사용되었다면, 투과된 확산 패턴은 가우스 분포로 변화된다. 그러나, 2개의 상이한 성분의 조합은 원하는 2-부분(two-fraction) 확산 특성을 제공하도록 맞추어질 수 있다.

가우스 확산기(곡선(232))를 펀치-스루 확산기와 동일한 공정을 사용하여 제조하였지만, 이산화티타늄 입자는 생략되었고, 폴리스티렌 비드의 양은 펀치-스루 확산기에 대해서보다 많았다. 펀치-스루 확산기, PTD1(곡선(236)) 및 PTD2(곡선(238))와 가우스 확산기에 대한 중합체 제형이 표 II에 요약되어 있다. 이 표는 제형의 각각의 성분에 대한 중량 %를 열거한다.

[표 II]

PH 6010은 미국 오하이오주 신시내티 소재의 코그니스 코포레이션(Cognis Corp.)에 의해 공급된 지방족 우레탄 아크릴레이트 올리고머이다. SR9003은 미국 펜실베이니아주 엑스턴 소재의 사토머 컴퍼니 인크.(Sartomer Company Inc.)에 의해 공급된 글리콜 다이아크릴레이트 단량체이다. SR833은 사토머 컴퍼니 인크.에 의해 공급된 다이메탄올 다이아크릴레이트이다. SBX-6은 일본 도쿄 소재의 세끼스이 플라스틱스 컴파니 엘티디.(Sekisui Plastics Co. Ltd.)에 의해 공급된 폴리스티렌 비드이다. 9W162 화이트는 미국 펜실베이니아주 도일스타운 소재의 펜 컬러(Penn color)로부터 입수가능한, 네오펜틸 글리콜 다이아크릴레이트 내에 분산된 70% 이산화티타늄이다. 도완올 PM은 미국 미시간주 미들랜드 소재의 다우 케미칼(Dow Chemical)에 의해 제조된, 용매로서 사용되는 글리콜 에테르이다. 다큐어 4265는 미국 뉴욕주 태리타운 소재의 시바 스페셜티 케미칼즈(Ciba Specialty Chemicals)에 의해 제조된 광개시제이다.

펀치-스루 확산기의 2-부분 거동이 도 2c에서 명확하게 보이며, 이때 넓은 확산 부분이 좁은 확산 부분에 의해 오버레이된다.

제2 필름(202)으로 진행하는 확산된 광은 제2 필름(202)의 자유 표면(210)에 의해 전환될 수 있다. 용어 "전환된"은 필름에 입사하기 직전의 광선의 전파 방향이 필름으로부터 이제 막 출사하는 광선의 방향과 상이한 것을 의미한다. 광선(212)과 같은 광의 일부는, 예를 들어 비-평면인 표면에서 굴절에 의해 투과 전환된다. 광선(212)은 20° 이상의 각도로 전환될 수 있다. 축상에 있는 것에 더욱 가까운 광선(214)과 같은 광의 다른 부분은 표면(210)에 의해 내부 전반사될 수 있다. 광을 전환시키는 자유 표면을 구비한 필름의 일례는 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니에 의해 판매되는 BEF, BEFII 및 BEF III과 같은 휘도 향상 필름이다. 일부 실시 형태에서, 표면(210)은 사실상 축상으로 입사하여 펀치-스루 확산기(200)를 투과한 광의 50% 초과를 펀치-스루 확산기(200)를 향해 후방으로 반사시킬 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광 전환 표면(210)은 축상에 중심설정된 폭 s₂의 각 원추(angular cone) 내에 입사된 광의 50% 초과를 반사시킨다.

펀치-스루 확산기(300)의 일 실시 형태가 도 3a에 개략적으로 도시되어 있다. 펀치-스루 확산기(300)의 이러한 실시 형태는 도 2c에 관해 위에서 샘플에 기술된 바와 같고, 여기에서 제1 세트의 입자(302) 및 제2 세트의 입자(304)가 투명층(306) 내에 매립된다. 제1 세트의 입자(302)는 광의 제1 부분을 넓게 확산시키는 반면에, 제2 세트의 입자(304)는 광의 제2 부분을 좁게 확산시킨다. 전형적으로, 제1 세트의 입자(302)와 투명층(306) 사이의 굴절률 차이는 제2 세트의 입자(304)와 투명층(306) 사이의 굴절률 차이보다 크다. 제1 세트의 입자에 적합한 재료의 예는 고-납 유리(high-lead glass), 이산화티타늄, 산화인듐주석 및 다른 금속 산화물과 같은 고굴절률 유리를 포함한다. 입자(302)의 밀도 및 크기는 원하는 넓은 확산 특성을 위해 선택된다. 입자(302)는 비교적 큰 굴절률 차이도 또한 제공하는 공극(void)을 확산기 필름(300) 내에 또한 포함할 수 있다. 제2 세트의 입자(304)에 적합한 재료의 예는 폴리스티렌, 폴리에스테르, 아크릴, 불소화 중합체와 같은 중합체 및 실리카와 같은 저굴절률 유리를 포함한다.

펀치-스루 확산기(310)의 다른 실시 형태가 도 3b에 개략적으로 도시되어 있는데, 제1 세트의 확산 입자(312)가 투명층(316) 내에 포함되어 있다. 투명층(316)의 표면(314) 중 하나 이상은 표면(314)을 통과하는 광을 확산시키기 위해 거칠다. 확산 표면(314)은 좁은 확산 특성과 관련되는 한편, 제1 세트의 입자(312)는 넓은 확산 특성과 관련된다. 확산 표면은, 예를 들어 연마에 의해 거칠어질 수 있거나, 또는 굴절률이 중합체 필름의 굴절율에 근사한 입자의 비드 코팅에 의해 형성될 수 있다.

펀치-스루 확산기(320)의 다른 실시 형태가 도 3c에 개략적으로 도시되어 있는데, 제1 세트의 확산 입자(322)가 투명층(326) 내에 포함된다. 이 경우에, 제1 세트의 확산 입자(322)는 넓은 확산 특성과 관련되는 동시에, 입사광의 제2 부분이 사실상 확산되지 않고서 통과되도록 한다. 그러한 경우에, 제2 부분에서의 광의 확산 각도는 확산기(320)에 입사하는 광의 각도 분포(angular spread)와 동일하다.

시준된 입사광선의 경우에, 확산기의 산란 광학 밀도(OD)에 의해 광선 감쇠(beam attenuation)를 정의할 수 있다. 광선 감쇠 A는 산란 없이 확산기를 통과하는 입사광선 강도 I_o의 분율이며, 즉 입사광선 시준 원추(collimation cone)로 제한된 나머지 광이다. 따라서, 투과된 광선의 강도 I는 다음에 의해 주어진다.

I = A I_o, 및

OD = Log (1/A).

감쇠 A는 다음과 같이 표현될 수 있다.

A = e^-x/L,

여기서, x는 확산기의 두께이고, L은 산란 위치들 사이의 광의 평균 자유 경로이다. 따라서, 광학 밀도 OD는 확산기 두께와 확산 매질 내에서의 광학 평균 자유 경로에 관계된다.

OD = 0.434 (x/L)

아래에서 사용되는 헤니이-그린스타인(Henyey Greenstein) 체적 확산 모델(volume diffusion model)에서, 계수 u =1/L 및 G는 입사 방향에 대한 산란 길이의 확률 분포 및 산란 각도의 확률 분포를 결정하는 파라미터이다. 광선-추적(ray-trace) 소프트웨어가 광선을 이들 확률 분포에 따라 3차원 가상 공간 내로 전파함으로써 확산 모델을 모사한다. 일부 실시 형태에서, 펀치-스루 확산기는 0.5 내지 3의 산란 광학 밀도를 갖는다.

휘도 향상 필름은 필름을 통과하는 광을 전환시키는 자유 표면을 포함하는 필름의 예이다. 펀치-스루 확산기와 함께 사용하기에 적합한 휘도 향상 필름의 일례는 리브가 형성된 프리즘형 필름(400)이며, 이의 제1 실시 형태가 도 4a에 단면도로 개략적으로 도시되어 있다. 본 실시 형태에서, 리브(402)는 리브의 길이를 따라 또한 일정한 동일한 높이를 갖는다.

휘도 향상 필름(410)의 제2 실시 형태가 도 4b에 개략적으로 도시되어 있다. 본 실시 형태에서, 필름(410)의 리브(412)가 모두 동일한 높이를 갖지는 않으며, 몇몇 리브(412')는 다른 리브(412")보다 높다. 이러한 유형의 필름의 일례는 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 입수가능한 휘도 향상 필름의 BEFII 계열이다.

휘도 향상 필름(420)의 제3 실시 형태가 도 4c에 개략적으로 도시되어 있다. 본 실시 형태에서, 리브(422)의 높이는 리브의 길이를 따라 변한다. 이러한 유형의 필름의 일례는 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 입수가능한 휘도 향상 필름의 BEFIII 계열이다.

휘도 향상 필름(430)의 제4 실시 형태가 도 4d에 개략적으로 도시되어 있다. 본 실시 형태에서, 리브(432)의 측면 중 하나 또는 둘 모두에 소면(facet)이 형성된다. 도시된 실시 형태에서, 리브(432)의 각각의 측면은 2개의 소면(434)을 포함한다. 리브 측면은 상이한 수의 소면(434)을 포함할 수 있고, 리브(432)의 일 측면에서의 소면(434)의 수는 리브(432)의 타 측면에서의 소면의 수와 상이할 수 있다.

휘도 향상 필름(440)의 제5 실시 형태가 도 4e에 개략적으로 도시되어 있다. 본 실시 형태에서, 리브(442)의 측면 중 하나 또는 둘 모두가 만곡된다. 도시된 실시 형태에서, 리브(442)의 양 측면이 만곡되고, 만곡된 측면들은 정점(444)을 형성한다.

이들 실시 형태로부터의 상이한 특징부들이 휘도 향상 필름에서 혼합될 수 있다. 예를 들어, 필름은 하나의 만곡된 측면 및 소면이 형성된 측면을 구비한 적어도 하나의 리브를 포함할 수 있다. 또한, 소면이 형성된 또는 만곡된 리브는 그의 길이를 따라 일정한 높이를 가질 수 있거나, 또는 그의 길이를 따라 높이가 변할 수 있으며, 인접 리브는 상이한 높이를 가질 수 있다. 또한, 정점 및 골(valley)이 뾰족하거나 만곡될 수 있다.

광 전환 필름은, 리브가 형성된 표면의 형태일 필요는 없고 다른 형태일 수도 있는 자유 광 전환 표면을 포함한다. 예를 들어, 광-전환 필름은 2차원 패턴을 구비한 비-평면 표면을 포함할 수 있으며, 예를 들어 도 5에 개략적으로 도시된 바와 같이, 다수의 피라미드형 구조체가 표면 상에 배치될 수 있다. 이러한 특정 예에서, 필름(500)은 다수의 정사각형 피라미드(502)로 형성된 표면을 포함한다. 피라미드의 표면 상에서의 꼭지각(apex angle) α는 90°일 수 있지만, 이러할 필요는 없으며, α의 값은 90°미만이거나 그보다 클 수 있다.

다른 실시 형태에서, 피라미드는 다른 수의 측면을 구비할 수 있다. 예를 들어, 피라미드는 3개 또는 5개의 측면을 구비할 수 있다. 피라미드가 3개의 측면을 구비하고 꼭지각이 90°인 특정한 경우에, 필름 표면 상에서의 형상은 입방체의 코너와 같고, 코너-입방체(corner-cube) 역반사기로서 작용할 수 있다. 물론, 꼭지각은 상이한 값을 취할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 상이한 유형의 피라미드가 단일 필름 상에 사용될 수 있으며, 예를 들어 상이한 수의 측면 및/또는 상이한 꼭지각을 갖는 피라미드가 동일한 필름 상에 존재할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 피라미드는 절두형일 수 있다.

다른 형상을 갖는 비-평면 표면이 여기에 상세히 논의된 것들에 더하여 광 전환 필름 상에 또한 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 광 전환 필름 상에 형상의 예시적인 예들의 사용은 본 발명을 오직 본 명세서에 예시된 예들로만 한정하기 위한 의도는 아니다.

많은 상이한 형상 및 유형의 균일도 향상 필름(EUF)(130)이 광원(116)과 펀치-스루 확산기(122) 사이에 사용될 수 있다. 아래에 몇몇 예가 제시되지만, 본 발명을 한정하기 위한 의도는 아니다. EUF(600)의 제1 실시 형태가 도 6a에 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 EUF(600)는 그의 표면 상에 다수의 리브(602)를 포함하며, 이때 리브(602)들 사이에 평평한 영역(604)을 구비한다. 리브(602)는 모두 동일한 크기일 필요는 없으며, 폭, 피치, 높이 및 꼭지각이 변할 수 있다. 또한, 평평한 영역(604)의 크기가 변할 수 있다.

EUF(610)의 다른 실시 형태가 도 6b에 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 EUF(610)는 그의 표면 상에 다수의 리브(612)를 포함한다. 이 경우에, 리브(612)는 정점 대신에 평평한 영역(614)을 갖도록 절두된다.

EUF(620)의 다른 실시 형태가 도 6c에 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 EUF(620)는 평평한 영역(624)을 갖도록 절두된 다수의 리브(622)를 포함한다. 또한, 리브의 측면은 다수의 소면(626)을 포함한다. 도시된 실시 형태는 리브(622)의 양 측면 상에 2개의 소면을 포함하지만, 소면의 수는 또한 상이할 수 있다. 소면은 평평하거나 만곡될 수 있다.

EUF에 형상의 다른 조합이 사용될 수 있다. 예를 들어, EUF는 절두된 리브들 사이에 평평한 영역을 조합시킬 수 있다. 또한, EUF는 리브 대신에, 2차원 광 전환 구조체, 예를 들어 피라미드 또는 다른 유형의 돌출 형상, 또는 어떤 유형의 리세스를 사용할 수 있다.

수치 모델화 실시예

높은 광 처리량을 유지하면서 조도의 균일도를 개선시키는 펀치-스루 확산기의 능력을 분석하기 위해 백라이트의 몇몇 상이한 구성을 수치적으로 모델화하였다.

헤니이-그린스타인 체적 산란 모델을 사용하여 확산 산란을 포함하였다. 이러한 모델은 2가지 파라미터, 즉 산란 파라미터 및 산란 이방성 계수에 의존한다. 산란 파라미터 U는 거리의 역인 단위(1/㎜)로 주어지고 산란 중심의 밀도 또는 단위 전파 거리당 산란의 확률을 나타낸다. 다음의 수치 모델에서, 이산화티타늄 비드에 사용되는 전형적인 값은 U_titania = 33 이지만, 이 값은 이산화티타늄에 대한 추정되는 로딩(loading)에 따라 변할 수 있다. 폴리스티렌 비드에 대한 산란 파라미터 U_poly는 전형적으로 모델 파라미터 중 하나에 따라 변하였다.

두 번째 파라미터는 단일 산란 이벤트의 방향으로 확률 분포를 확립하는 산란 이방성 계수 G이다. G가 1에 근사할 때, 산란 분포는 전방 방향으로 집중된다. G=0일 때, 분포는 구대칭이고, G = -1일 때, 산란 방향은 사실상 후방이다. G=0.5의 값은 전방 방향으로 얼마간 바이어스된 넓은 각도 분포이다. 위에 논의된 호스트(host) 아크릴레이트 중합체에서 이산화티타늄 및 폴리스티렌에 대해,

G_titania = 0.5 및

G_poly = 0.93이 가장 적합하다.

이들 값은 적어도 부분적으로 입자 크기 및 입자와 호스트 사이의 굴절률 차이에 의존한다. 달리 언급되지 않으면, 모델은 위에 제시된 G 값을 취하였다.

모든 경우에, 램프는 직경을 3 ㎜로 하였고 평면 내에 배치하였으며, 하부 반사기는 램프 중심의 평면의 5.5 ㎜ 아래에 있는 것으로 하였다.

모델화의 목적 중 하나는 백라이트가 얇은 경우에 요소들의 어떤 조합이 높은 조도 균일도를 생성하였는지를 조사하기 위한 것이었는데, 그 이유는 이것이 여전히 백라이트에 대한 중요한 기술적 시도 중 한가지로 남아 있기 때문이다. 종래의 백라이트에서, 백라이트가 얇아질수록, 즉 후방 반사기와 램프 위의 제1 층 사이의 간격인 D의 값이 작아질수록, 불균일도가 커진다. 이는 광이 램프로부터 측방향으로 분포되도록 하는 공간을 보다 깊은 캐비티가 더 많이 제공하기 때문에 일어난다. 캐비티가 보다 얇을 때, 광은 램프 위의 영역에 더욱 많이 집광되고, 그 결과 불균일도가 증가된다.

실시예 1: 펀치-스루 확산기 및 반사 편광기

제1 모델화 실시예가 도 8a 내지 도 8c를 참조하여 논의된다. 모델 백라이트(800)는 확산기(802)에 기반하며, 이때 반사 편광기(804)가 확산기 위에 있다. 램프(806)는 S = 35 ㎜의 중심간 간격을 가졌고, 후방 반사기(808)와 확산기(802) 사이의 간격은 20 ㎜였다. 도 8b는 확산기(800) 내의 폴리스티렌 비드의 증가하는 농도에 관계되는 U_poly의 증가하는 값에 대해 백라이트(800)를 가로지른 위치의 함수로서 계산된 휘도를 나타낸다. U_titania의 가정된 값은 33 ㎜^-1이었다. 상이한 곡선에 대한 U_poly 값이 표 III에 열거되어 있다. 곡선(832)은 65%의 단일 패스(pass) 투과율을 갖는 표준 확산판의 휘도를 도시한다.

[표 III]

도 8c는 표 III에 열거된 U_poly의 상이한 값에 대해 D(㎜)의 함수로서 휘도 균일도를 도시한다. 곡선(858)은 종래의 65% 투과 확산판에 대한 휘도를 나타낸다.

이 모델에서, 펀치-스루 확산기의 휘도 균일도는 폴리스티렌 비드 농도가 높고 캐비티 깊이 D가 비교적 클 때 표준 확산기의 휘도 균일도와 동일하거나 그를 개선시킨다.

실시예 2: 휘도 향상 및 반사 편광기를 구비한 펀치-스루 확산기

제2 모델화 실시예가 도 9a 및 도 9b를 참조하여 논의된다. 모델 백라이트(900)는 펀치-스루 확산기(902), 반사 편광기(904) 및 휘도 향상 필름(910)을 구비한 백라이트에 기반하였다. 휘도 향상 필름(910)은 90° 꼭지각을 갖고서 50 ㎛ 피치로 균일하게 높은 프리즘형 리브를 구비한 프리즘형 필름으로서 모델화하였다. 램프(906)는 후방 반사기(908) 위에 배치하였다. 램프(906)는 S = 35 ㎜의 중심간 간격을 가졌고, 후방 반사기(908)와 확산기(902) 사이의 간격은 20 ㎜였다.

도 9b는 확산기(902) 내의 폴리스티렌 비드의 증가하는 농도에 관계되는 U_poly의 증가하는 값에 대해 캐비티 깊이 D의 함수로서 계산된 휘도 균일도를 나타낸다. U_titania의 가정된 값은 33 ㎜^-1이었다. 상이한 곡선에 대한 U_poly 값이 표 VI에 열거되어 있다.

[표 IV]

또한, 곡선(938, 940, 942)은 각각 60%, 65% 및 70%의 단일 패스 투과율을 갖는 종래 확산기에 대한 결과를 나타낸다. 이전의 실시예에서와 같이, 펀치-스루 확산기를 사용하여 얻어진 조도 균일도는 캐비티 깊이 D가 크고(> 20 ㎜) U_poly의 값이 클 때 성능 면에서 종래 확산기의 조도 균일도와 거의 동일하다.

실시예 3: 반사 편광기, 휘도 향상 및 EUF를 구비한 펀치-스루 확산기

제3 모델화 실시예가 도 10a 내지 도 10c를 참조하여 논의된다. 도 10a에 개략적으로 도시된 모델 백라이트(1000)는 펀치-스루 확산기(1002), 반사 편광기(1004) 및 휘도 향상 필름(1010)을 구비한 백라이트에 기반하였다. 램프(1006)는 후방 반사기(1008) 위에 배치하였다. 램프(1006)는 S = 35 ㎜의 중심간 간격을 가졌고, 후방 반사기(1008)와 확산기(1002) 사이의 간격은 20 ㎜였다. EUF(1012)의 시트를 펀치-스루 확산기(1002) 아래에 배치하였고, 2 ㎜ 두께 투명판(1014)을 EUF(1012) 아래에 배치하였다.

EUF(1012)는 50㎛ 피치로 리브를 구비하여 형상화되었으며, 이때 리브들 사이에는 어떠한 공간도 없었다. 도 10b에 도시된 바와 같이, 상이한 리브 설계를 사용하였다. 리브는 형상이 도 6b에 도시된 것과 유사한 절두 프리즘이었다. 리브의 측면은 두 측면 사이의 각도 ω, 즉 리브가 절두되지 않았다면 꼭지각일 수 있는 각도로 표시되는 상이한 각도로 경사졌다. ω의 상이한 값이 표 V에 나타나 있다.

[표 V]

별표로 표시된 값은 104° 및 90°의 꼭지각을 갖는, 도 10b에 도시된 비-절두 프리즘을 나타낸다.

도 10c는 U_poly = 0.48의 값에 대해, 그리고 EUF의 다양한 형상에 대해, 캐비티 깊이 D의 함수로서 계산된 휘도 균일도를 도시한다. U_titania의 가정된 값은 33 ㎜^-1이었다. 상이한 곡선을 생성하는데 사용된 EUF의 형상이 표 VI에 열거되어 있다. 각도 ω는 비-절두 프리즘에 대해서는 꼭지각이고, 프리즘이 절두된 경우에는 프리즘 측면들 사이의 각도이다.

[표 VI]

본 실시예에서 볼 수 있는 바와 같이, 휘도 불균일도는 13 ㎜만큼 작은 캐비티 깊이 D에 대한 몇몇 상이한 EUF 형상에 대해 1% 미만으로 아주 작다. 이는 대략 20 ㎜ 이상의 보다 깊은 캐비티에 의해 1% 미만의 비균일도가 얻어졌던 실시예 1 및 실시예 2에서보다 훨씬 우수한 성능이다.

실시예 4: 반사 편광기 , 사방 육면체( rhombohedron ) 휘도 향상 및 EUF 를 구비한 펀치- 스루 확산기

제4 모델화 실시예가 도 11a 및 도 11b를 참조하여 논의된다. 도 11a에 개략적으로 도시된 모델 백라이트(1100)는 펀치-스루 확산기(1102), 반사 편광기(1104) 및 사방 육면체 휘도 향상 필름(1110)을 구비한 백라이트에 기반하였다. 램프(1106)는 후방 반사기(1108) 위에 배치하였다. 램프(1106)는 S = 35 ㎜의 중심간 간격을 가졌고, 후방 반사기(1108)와 확산기(1102) 사이의 간격은 20 ㎜였다.

사방 육면체 휘도 향상 필름(1110)은 도 11b에 도시된 바와 같이, 피라미드(1112)가 3각형 밑면을 구비하는 것을 제외하고는, 도 5에 도시된 것과 같았다. 피라미드 밑변은 0.1 ㎜이었고, 피라미드 높이 h는 0.055 ㎜이었으며, 따라서 각도 α는 78°였다. 따라서, 피라미드는 코너 입방체를 형성하지 않았고, 코너 입방체보다 더욱 날카롭게 뾰족하였다.

U_poly의 다양한 값, 즉 0 ㎜^-1 (곡선(1120)), 20 ㎜^-1 (곡선(1122)), 50 ㎜^-1 (곡선(1124)) 및 100 ㎜^-1 (곡선(1126))에 대한 휘도 균일도가 도 11c에 도시되어 있다. 알 수 있는 바와 같이, 균일도는 U_poly의 상이한 값 모두에 대해 1% 미만에 도달한다. 흥미롭게도, 균일도는 보다 높은 폴리스티렌 비드 농도에 대해서보다는 보다 얕은 캐비티 깊이에서 U_poly의 작은 값(폴리스티렌 비드의 낮은 농도)에 대해 1% 미만으로 떨어진다. 또한, EUF의 사용 없이 17 ㎜의 캐비티 깊이에서 1% 미만의 균일도가 얻어졌음에 유의하라.

실험 실시예

실시예 5

도 10a에 도시된 것과 같은 필름 조립체에 대해, EUF가 확산기 아래에 있고 프리즘형 휘도 향상 필름 및 반사 편광기 필름이 확산기 위에 있는 상태에서, 휘도 및 휘도 균일도를 측정하였다. 모든 경우에, 프리즘형 휘도 향상 필름은 BEFIII-10T였고, 반사 편광기 필름은 모델 DBEF-D400인 다층 광학 필름 편광기였으며, 이들 둘 모두는 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 입수가능하였다. 시험대는 35 ㎜ 중심간 간격으로 3 ㎜ 직경 냉음극 형광 램프를 사용하였다. 램프 중심은 소니 모델 번호 KDL-40XBR4 텔레비전으로부터 취해진 확산 반사기의 5.5 ㎜ 위에 있었다. D(반사기로부터 램프 위의 최저 필름까지의 거리)의 값은 13 ㎜였다.

이러한 필름 스택에 대응하는 광학 데이터를 CCD 이미지형성 광도계, 복사계 및 비색계(미국 워싱턴주 듀발 소재의 라디언트 이미징 인크.(Radiant Imaging Inc.)로부터의 모델 PM-1613F)를 사용하여 수집하였다. CCD 카메라는 필름 스택 상에서의 휘도 대 위치에 대한 데이터를 제공하였다. 균일도 값을 원시 데이터(raw data)로부터 다음과 같이 계산하였다. 우선, 시험대의 가용 영역에 대한 평균 단면을 제공하기 위해 위치 데이터를 램프의 장축에 수직한 방향으로 평균하였다. 이어서, 시험 치구(test fixture)를 가로지른 데이터의 변동을 보이기 위해 원래 단면 데이터로부터 이 단면 데이터의 이동 평균(rolling average)을 차감하였다. 이어서, 상대 휘도 값으로서의 균일도를 평균 휘도에 의해 나뉜 변동의 표준 편차로서 계산하였고, 백분율로 기록하였다.

상대 휘도의 변동이 백라이트 조립체 내의 2개의 램프를 가로지른 위치의 함수로서 도 7에 도시되어 있다. 수평축은 필름 스택의 면을 가로지른 상대 위치의 척도이고, 수직축은 전술된 상대 휘도 값의 연산된 변동이다. 휘도 곡선은 표 VII에서 아래 기술된 다양한 필름 조합에 대응한다.

[표 VII]

"EUF"로 표시된 칼럼은 도 10a에 도시된 EUF(1012)의 위치에 사용된 필름을 기술한다. 곡선(700)은 그 위치에 어떠한 필름도 없이 얻었다. "EUF8"은 도 10b에 곡선(1020)으로 도시된 바와 같이, 104°의 ω 값을 갖는 EUF 필름을 지칭한다. 100-BEF는 100°의 꼭지각을 갖는, 도 3a에 도시된 필름과 같이 형상화된 프리즘 필름이다.

"확산기"로 표시된 칼럼은 도 10a에 도시된 확산기(1002)의 위치에 사용된 확산기를 기술한다. "65% 확산판"은 소니 모델 KDL-40XBR4에서 찾은 것과 유사한, 텔레비전으로부터 얻어진 2 ㎜ 두께의 종래 확산판이었다. PTD1은 제형이 위 표 II에 열거된 펀치-스루 확산기를 지칭한다. 치수는 PTD1 확산기의 두께를 지칭한다. PTD1 확산기를 사용한 이들 배열에서, 지지를 위해 2 ㎜ 투명 아크릴 판을 EUF 필름 아래에 배치하였다. D의 값을 이 판의 하부 표면까지 측정하였다.

도 7의 그래프 및 표 VII로부터 알 수 있는 바와 같이, 100° 프리즘 필름이 EUF로서 사용된 25 ㎛ 두께 PTD1 확산기에 대해 최상의 균일도가 얻어졌다. 이 균일도는 단지 13 ㎜의 캐비티 깊이를 갖고서 1%보다 우수하였다. 따라서, 펀치 스루 확산기는 LCD 패널의 조명을 균일하게 하도록 백라이트 내에서 광을 분포시키는데 효과적이다.

본 발명은 상기에 설명된 특정 실시예에 한정되는 것으로 간주되어서는 안 되며, 오히려 첨부된 특허청구범위에 적절히 기재된 본 발명의 모든 태양을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서의 개관시 본 발명에 적용될 수 있는 다양한 변형, 동등한 공정뿐만 아니라, 다수의 구조는 본 발명과 관계된 분야의 숙련자에게 쉽게 명확해질 것이다. 특허청구범위는 이러한 변형예 및 장치를 포함하고자 한다. 예를 들어, 광-전환 표면은 위치, 형상, 및/또는 크기가 랜덤한 광-전환 요소를 구비한 표면을 비롯하여, 본 명세서에서 상세히 논의되지 않은 많은 상이한 유형의 형상을 취할 수 있음을 알아야 한다. 또한, 위에서 설명된 예시적인 실시예들은 조명 광을 굴절 전환시키는 광전환면에 관한 것이지만, 다른 실시예들에서는 조명 광을 회절시킬 수 있고 아니면 굴절과 회절의 조합을 통해 조명 광을 전환시킬 수도 있다.

Claims

제1 면 및 제2 면을 구비하고, 제1 면에서 광에 의해 조명될 때, 넓게 확산 투과되는 광의 제1 부분 및 좁게 확산 투과되는 광의 제2 부분에 의해 특성화되는 제1 필름; 및
제1 필름의 제2 면에 배치되고, 적어도 하나의 자유 광-전환 표면을 구비하는 제2 필름을 포함하는 광학 장치.
제1항에 있어서, 제1 부분은 s₁의 확산 반각(half angle of diffusion)에 의해 특성화되고, 제2 부분은 s₂의 확산 반각에 의해 특성화되며, 비율 s₁/s₂는 3을 초과하는 광학 장치.
제2항에 있어서, 비율 s₁/s₂는 5를 초과하는 광학 장치.
제2항에 있어서, 비율 s₁/s₂는 10을 초과하는 광학 장치.
제1항에 있어서, 제2 부분에서의 광 출력에 의해 나누어지는 제1 부분에서의 광 출력의 비율은 1 내지 10인 광학 장치.
제1항에 있어서, 제1 필름의 제1 면에 배치되는 제3 필름을 추가로 포함하고, 제3 필름은 광을 전환시키는 적어도 하나의 자유 표면을 구비하는 광학 장치.
제1항에 있어서, 광 전환 표면은 사실상 축상으로 입사하여 제1 필름을 투과하는 광의 50% 초과를 제1 필름을 향해 후방으로 반사시키는 광학 장치.
제1항에 있어서, 광 전환 표면은 축상에 중심설정된 폭 s₂의 각 원추(angular cone) 내에 입사되는 광의 50% 초과를 반사시키는 광학 장치.
제1항에 있어서, 광 전환 표면은 투과된 광의 적어도 일부를 20° 초과만큼 전환시키는 광학 장치.
제1항에 있어서, 제1 필름은 투명 재료 내에 매립되는 제1 세트의 확산 입자를 포함하고, 제1 세트의 확산 입자는 제1 부분을 확산시키는 것과 관련되는 광학 장치.
제10항에 있어서, 제1 필름은 투명 재료 내에 매립되는 제2 세트의 확산 입자를 추가로 포함하고, 제2 세트의 확산 입자는 제2 부분과 관련되는 광학 장치.
제1항에 있어서, 제1 필름은 제2 부분과 관련되는 확산 표면을 추가로 포함하는 광학 장치.
제1항에 있어서, 제2 필름은 제1 필름으로부터 멀리 향하는 표면 상에 복수의 리브를 포함하는 광학 장치.
제13항에 있어서, 리브 중 적어도 하나는 정점을 형성하는 2개의 평평한 측면을 구비한 프리즘형 리브인 광학 장치.
제13항에 있어서, 제1 리브는 제1 높이를 갖고, 제2 리브는 제1 높이와는 상이한 제2 높이를 갖는 광학 장치.
제13항에 있어서, 리브 중 적어도 하나는 리브의 길이를 따라 높이가 변하는 광학 장치.
제13항에 있어서, 리브 중 적어도 하나는 소면(facet)이 형성된 측면을 구비하는 광학 장치.
제13항에 있어서, 리브 중 적어도 하나는 만곡된 측면을 구비하는 광학 장치.
제1항에 있어서, 제1 필름의 제2 면에 근접하게 배치되는 반사 편광기를 추가로 포함하는 광학 장치.
제1항에 있어서, 제1 필름의 제1 면에 배치되는 반사기와, 반사기와 제1 필름 사이에 배치되는 적어도 하나의 광원을 추가로 포함하는 광학 장치.
제1항에 있어서, 제1 필름의 제2 면에 근접하게 배치되는 액정 디스플레이(LCD) 패널과, LCD 패널에 의해 디스플레이된 이미지를 제어하기 위해 LCD 패널에 결합되는 제어기를 추가로 포함하는 광학 장치.
제1 면 및 제2 면을 구비하고, 0.5 내지 3의 확산 산란 광학 밀도를 갖는 제1 필름; 및
제1 필름을 투과한 광을 전환시키는 적어도 하나의 자유 광 전환 표면을 구비하여 제1 필름의 제1 면에 근접하게 배치되는 제2 필름을 포함하는 광학 장치.
제22항에 있어서, 제1 필름의 제2 면에 배치되는 제3 필름을 추가로 포함하고, 제3 필름은 광을 전환시키는 적어도 하나의 자유 표면을 구비하는 광학 장치.
제22항에 있어서, 광 전환 표면은 사실상 축상으로 입사하여 제1 필름을 투과하는 광의 50% 초과를 제1 필름을 향해 후방으로 반사시키는 광학 장치.
제22항에 있어서, 광 전환 표면은 투과된 광의 적어도 일부를 20° 초과만큼 전환시키는 광학 장치.
제22항에 있어서, 제1 필름은 투명 재료 내에 매립되는 제1 세트의 확산 입자를 포함하고, 제1 세트의 확산 입자는 투과된 광의 제1 부분을 확산시키는 것과 관련되는 광학 장치.
제26항에 있어서, 제1 필름은 투명 재료 내에 매립되는 제2 세트의 확산 입자를 추가로 포함하고, 제2 세트의 확산 입자는 제1 부분의 확산 반각 미만의 확산 반각을 갖는 투과된 광의 제2 부분과 관련되는 광학 장치.
제26항에 있어서, 제1 필름은 제1 부분의 확산 반각 미만의 확산 반각을 갖는 투과된 광의 제2 부분과 관련되는 확산 표면을 추가로 포함하는 광학 장치.
제22항에 있어서, 제2 필름은 제1 필름으로부터 멀리 향하는 표면 상에 복수의 리브를 포함하는 광학 장치.
제29항에 있어서, 리브 중 적어도 하나는 정점을 형성하는 2개의 평평한 측면을 구비한 프리즘형 리브인 광학 장치.
제29항에 있어서, 제1 리브는 제1 높이를 갖고, 제2 리브는 제1 높이와는 상이한 제2 높이를 갖는 광학 장치.
제29항에 있어서, 리브 중 적어도 하나는 리브의 길이를 따라 높이가 변하는 광학 장치.
제29항에 있어서, 리브 중 적어도 하나는 소면이 형성된 측면을 구비하는 광학 장치.
제29항에 있어서, 리브 중 적어도 하나는 만곡된 측면을 구비하는 광학 장치.
제22항에 있어서, 제1 필름의 제2 면에 근접하게 배치되는 반사 편광기를 추가로 포함하는 광학 장치.
제22항에 있어서, 제1 필름의 제2 면에 근접하게 배치되는 액정 디스플레이(LCD) 패널과, LCD 패널에 의해 디스플레이된 이미지를 제어하기 위해 LCD 패널에 결합되는 제어기를 추가로 포함하는 광학 장치.
투입광에 의해 조명될 때 제1 넓은 확산 부분 및 제2 좁은 확산 부분을 형성함으로써 광을 확산시키기 위한 광 확산 수단; 및
광 확산 수단을 투과한 광의 적어도 일부분을 전환시키기 위한 제1 광 전환 수단을 포함하는 광학 장치.
제37항에 있어서, 제1 광 전환 수단은 또한 광 확산 수단을 투과한 광의 일부분을 반사시키는 광학 장치.
제37항에 있어서, 광 확산 수단에 입사되기 전에 광의 적어도 일부분을 전환시키기 위한 제2 광 전환 수단을 추가로 포함하는 광학 장치.