KR20140129157A

KR20140129157A - 백라이트 시스템

Info

Publication number: KR20140129157A
Application number: KR1020147025491A
Authority: KR
Inventors: 앤드류 제이 아우더컬크; 켈리 리드 잉햄
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2012-02-17
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2014-11-06
Also published as: JP2015508935A; EP2815269A4; EP2815269A1; CN104412151A; CN104412151B; TWI581040B; WO2013122729A1; US20140347882A1; JP6151722B2; US9823404B2; TW201339711A

Abstract

광학 시스템은 광을 방출하는 광원, 광을 실질적으로 시준하기 위한 시준 구조물, 제1 종횡비로 조명하는 면적을 갖는 실질적으로 시준된 광을 수광하고 제1 종횡비보다 적어도 4배만큼 큰 제2 종횡비로 조명하는 면적을 갖는 광을 출력하는 컨버터 유닛, 및 컨버터 유닛으로부터 광을 수광하기 위한 백라이트 도광체를 포함한다.

Description

백라이트 시스템{BACKLIGHT SYSTEM}

본 발명은 일반적으로 디스플레이를 위한 효율적인 조명을 제공하는 조명 시스템에 관한 것이다.

도광체(light guide)는 광범위한 조명 응용을 위해 발광 다이오드(light emitting diode, LED)와 같은 광원과 함께 사용된다. 하나의 특정한 응용에서, 도광체는 통상적으로 LCD 디스플레이를 위한 조명을 제공하는 데 사용된다. 광원(들)은 전형적으로, 특히 랩탑 컴퓨터 디스플레이에서와 같이, 매우 얇은 프로파일의 백라이트가 요구되는 경우에, 도광체 내로 광을 방출한다. 도광체는 투명하고 중실인(solid) 비교적 얇은 판이며, 그의 길이 및 폭 치수는 백라이트 출력 면적 정도이다. 도광체는 광을 에지-장착형 램프(edge-mounted lamp)로부터 도광체의 전체 길이 또는 폭을 가로질러 백라이트의 반대편 에지로 수송 또는 안내하기 위해 내부 전반사(total internal reflection, TIR)를 사용하며, 이러한 안내된 광의 일부를 도광체로부터 백라이트의 출력 면적을 향해 방향전환시키도록 도광체의 표면 상에 국소화된 추출 구조물들의 불균일한 패턴이 제공된다. 그러한 백라이트는 또한 전형적으로 축상 휘도(on-axis brightness)를 증가시키기 위해, 도광체의 후방 또는 아래에 배치된 반사성 재료와 같은 광 관리 필름 및 도광체의 전방 또는 위에 배치된 반사 편광 필름과 프리즘형 휘도 향상 필름(들)(brightness enhancement film, BEF)을 포함한다.

LED와 같이 가장 통상적으로 사용되는 광원은 비교적 큰 높이 및 발광 각도 범위를 갖기 때문에, 광을 효율적으로 커플링(couple)시키기 위해 도광체의 두께가 대개 상응하게 두꺼워진다. 액정 디스플레이를 위한 통상적인 조명 장치가 미국 공개 제2009/0316431호에 기술되어 있다. 통상적인 조명 장치는 광원으로부터의 광을 평면형 도광체에 커플링시킨다. 도광체의 높이를 감소시키는 것이 광원으로부터 도광체로의 커플링 효율을 감소시킬 것이기 때문에, 도광체는 전형적으로 광원과 대략 동일한 높이이다.

그러나, 전형적인 필름 또는 판 도광체의 중요한 단점은 LED의 작은 종횡비(aspect ratio)와 도광체의 매우 큰 종횡비 사이의 부정합이다. LED는 약 1:1 내지 약 4:1의 전형적인 종횡비를 갖는 반면, 에지 도광체는 약 20:1 내지 약 100:1 이상에 이를 만큼 큰 종횡비를 가질 수 있다. 이러한 부정합으로 인해 대개, 도광체 내의 광이 LED로부터 방출되는 광보다 훨씬 높은, 스루풋(throughput)으로도 지칭되는 에텐듀(etendue)를 갖게 된다. 이러한 높은 에텐듀로 인해 이어서, 도광체에 대해 요구되는 두께가 증가하게 되고, 또한 도광체는 면들 중 하나 이상의 상에 공기 계면(air interface)을 필요로 하게 된다. 결과적으로, 도광체는 액정 디스플레이 모듈보다 두꺼울 수 있으며, 공기 계면은 터치 및 햅틱(haptic) 응용과 같은 소정의 응용을 제한할 수 있다.

본 발명의 일 태양에서, 광학 시스템은 광을 방출하는 광원, 광을 실질적으로 시준하기 위한 시준 구조물(collimating structure), 제1 종횡비로 조명하는 면적을 갖는 실질적으로 시준된 광을 수광하고 제1 종횡비보다 적어도 4배만큼 큰 제2 종횡비로 조명하는 면적을 갖는 광을 출력하는 컨버터 유닛(converter unit), 및 컨버터 유닛으로부터 광을 수광하기 위한 백라이트 도광체(backlight light guide)를 포함한다.

일 태양에서, 광의 에텐듀는 실질적으로 유지된다.

본 발명의 상기 요약은 본 발명의 각각의 예시된 실시예 또는 모든 구현예를 기술하도록 의도된 것은 아니다. 도면 및 이어지는 상세한 설명은 이들 실시예를 보다 상세히 예시한다.

본 발명의 실시예는 하기 도면을 참조하여 더욱 잘 이해된다. 도면의 요소들은 반드시 서로에 대해 축척대로 그려진 것은 아니다.
<도 1>
도 1은 본 발명의 일 태양에 따른 예시적인 백라이트 시스템의 등각도.
<도 2a>
도 2a는 본 발명의 다른 태양에 따른 백라이트 시스템의 컨버터 유닛의 부분 등각도.
<도 2b>
도 2b는 본 발명의 다른 태양에 따른 백라이트 시스템의 컨버터 유닛의 전환 섹션(diverting section)의 부분 등각도.
<도 2c>
도 2c는 본 발명의 다른 태양에 따른 백라이트 시스템의 컨버터 유닛의 전환 섹션의 다른 등각도.
<도 2d>
도 2d는 본 발명의 다른 태양에 따른 백라이트 시스템의 컨버터 유닛의 아나모픽 도광체(anamorphic light guide) 섹션의 등각도.
<도 2e>
도 2e는 본 발명의 다른 태양에 따른 백라이트 시스템의 컨버터 유닛의 아나모픽 도광체 섹션의 다른 등각도(저면도).
<도 2f>
도 2f는 본 발명의 다른 태양에 따른 백라이트 시스템의 컨버터 유닛의 아나모픽 도광체 섹션의 측면도.
<도 2g>
도 2g는 본 발명의 다른 태양에 따른 백라이트 시스템의 커플링 요소 부분의 등각도.
<도 2h>
도 2h는 본 발명의 다른 태양에 따른 백라이트 시스템의 커플링 요소 부분의 다른 등각도.
<도 2i>
도 2i는 본 발명의 다른 태양에 따른 백라이트 시스템의 컨버터 유닛의 다른 등각도.
<도 2j>
도 2j는 본 발명의 다른 태양에 따른 백라이트 시스템의 대안적인 컨버터 유닛의 등각도.
<도 2k>
도 2k는 본 발명의 다른 태양에 따른 백라이트 시스템의 다른 대안적인 컨버터 유닛의 입력 면의 정면도.
<도 2l>
도 2l은 도 2k의 대안적인 컨버터 유닛의 출력 면의 정면도.
<도 3a>
도 3a는 약 1:1 내지 약 2:1의 종횡비(X:Y)를 갖는, 본 발명의 일 태양에 따른 컨버터 유닛에 입사하는 예시적인 광 빔의 단면의 예시.
<도 3b>
도 3b는 약 50:1의 종횡비(X:Y)를 갖는, 본 발명의 일 태양에 따른 컨버터 유닛에서 출사하는 예시적인 광 빔의 단면의 예시.
<도 4>
도 4는 본 발명의 다른 태양에 따른 예시적인 광원 유닛의 등각도.
<도 5a>
도 5a는 본 발명의 다른 태양에 따른 예시적인 백라이트 도광체의 부분 등각도.
<도 5b>
도 5b는 본 발명의 다른 태양에 따른 예시적인 백라이트 도광체 유닛의 개략도.
<도 6a>
도 6a는 본 발명의 다른 태양에 따른 예시적인 추출 요소의 등각도.
<도 6b>
도 6b는 본 발명의 다른 태양에 따른 백라이트 도광체 유닛의 예시적인 추출기 층의 평면도.
<도 7a 내지 도 7f>
도 7a 내지 도 7f는 본 발명의 다른 실시예에 따른 백라이트 시스템 및/또는 그의 구성요소를 형성하기 위한 예시적인 공정을 예시하는 몇 개의 도면.
<도 8>
도 8은 본 발명의 다른 태양에 따른 추출 특징부를 가진 백라이트 도광체를 형성하는 데 사용되는 주형의 등각도.
<도 9a 내지 도 9f>
도 9a 내지 도 9f는 본 발명의 다른 실시예에 따른 추출 특징부를 가진 주형을 형성하기 위한 예시적인 공정을 예시하는 몇 개의 도면.
본 발명은 다양한 변형 및 다른 형태가 가능할 수 있지만, 그의 구체적 사항은 도면에 예로서 도시되어 있으며 상세하게 기술될 것이다. 그러나, 본 발명을 기술된 특정 실시예로 제한하고자 하는 것이 아님을 이해하여야 한다. 오히려, 첨부된 특허청구범위에 의해 한정되는 바와 같은 본 발명의 범주 내에 속하는 모든 변형, 균등물 및 대안을 포함하고자 한다.

하기 상세한 설명에서, 그 일부를 형성하며 본 발명이 실시될 수 있는 구체적인 실시예가 예로서 도시된 첨부 도면을 참조하기로 한다. 이와 관련하여, "상부", "저부", "전방", "후방", "선단", "전방으로", "후단" 등과 같은 방향 용어는 기술되는 도면(들)의 배향과 관련하여 사용된다. 본 발명의 실시예의 구성요소들은 많은 상이한 배향으로 위치될 수 있기 때문에, 방향 용어는 예시의 목적으로 사용되며 결코 제한적인 것이 아니다. 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 다른 실시예가 이용될 수 있으며 구조적 또는 논리적 변경이 이루어질 수 있음을 이해하여야 한다. 그러므로, 하기 상세한 설명은 제한적인 의미로 취해지지 않아야 하고, 본 발명의 범주는 첨부된 특허청구범위에 의해 한정된다.

본 발명은 조명 시스템, 그리고 더욱 구체적으로는 디스플레이를 위한 효율적인 조명 시스템을 제공하는 아나모픽 도광체를 갖는 백라이트 시스템에 관한 것이다. 함께 또는 별개로 취급되는 백라이트 시스템 및 그의 구성요소는 낮은 에텐듀를 가진 고도로 효율적인 조명 시스템을 제공하도록 설계된다. 이러한 방식에서, 전체 구성요소의 개수가 감소될 수 있고, 공기 공간에 대한 필요성이 제거될 수 있어서, 압력 감지 터치 디스플레이 및 햅틱에 대한 가능성을 제공한다. 백라이트 시스템은 보다 얇은 것, 광학적 투명 접착제(optically clear adhesive, OCA)에 의한 라미네이션을 허용하는 것, 및 각 향상 필름(angular enhancement film)에 대한 필요성을 제거 또는 감소시키는 것을 비롯한 몇 가지 이점을 갖는다.

도 1은 LCD와 같은 디스플레이(도시되지 않음)를 조명하는 데 사용될 수 있는 예시적인 백라이트 시스템(10)의 등각도를 도시한다. 백라이트 시스템(10)은 광원 유닛(100), 컨버터 유닛(200), 및 백라이트 도광체 유닛(300)을 포함한다. 도 4에 보다 상세하게 도시된 광원 유닛(100)은 백라이트 시스템(10)을 위한 광의 공급원을 제공한다. 도 2a 내지 도 2i에 보다 상세하게 도시된 컨버터 유닛(200)은 광원 유닛(100)으로부터 백라이트 도광체 유닛(300) 내로 광을 안내하는 아나모픽 도광체를 포함한다. 도 5a 및 도 5b에 추가로 상세하게 도시된 백라이트 도광체 유닛(300)은 LCD 디스플레이와 같은 디스플레이에 출력 광을 제공하기 위해 복수의 추출 특징부를 갖는 백라이트 도광체를 포함한다. 이러한 출력 광은 우수한 균일성을 갖는다. 또한, 시스템은 광원으로부터의 광을 디스플레이에 효율적으로 커플링시키고, 적어도 하나의 축에서 부분적으로 시준될 수 있는 출력 광을 제공한다. 이러한 것으로서, 예시적인 백라이트 시스템(10)은 투과형, 반투과형, 및 반사형 LCD(랩탑, 태블릿, 휴대폰, e-리더 등), 콜레스테릭(cholesteric), MEMS, 및 리퀴드 페이퍼(liquid paper) 장치, 사이니지 및 순응성 그래픽(signage and conformable graphic), 및 지시기, 예컨대 차량용 디스플레이와 같은 다수의 장치 및 응용의 일부로서 사용될 수 있다.

이제, 이들 구성요소 각각이 더욱 상세하게 기술될 것이다. 이들 구성요소(100, 200, 300) 각각은 도 1의 예시적인 백라이트 시스템의 다른 구성요소와 함께, 또는 통상적인 백라이트 시스템 구성요소와 함께 이용될 수 있다는 것에 주목한다.

도 2a 내지 도 2i에 도시된 바와 같은 컨버터 유닛(200)에 관하여, 컨버터 유닛(200)은 입력 면(212), 전환 섹션(250), 및 컨버터 유닛(200)에서 출사하는 광의 출사 평면에 해당하는 직교 광 제한 면(light confining face)(214)을 갖는 아나모픽 도광체(210)를 포함한다. 컨버터 유닛(200)은 약 1:1 내지 약 1:2와 같은, 약 10:1 미만의 종횡비를 갖는 광원(100)으로부터 방출된 광을 적어도 약 20:1, 바람직하게는 적어도 약 50:1, 또는 바람직하게는 적어도 약 100:1의 종횡비와 같은, 10:1 초과의 종횡비를 갖는 선-형상의 출력 광 빔으로 변환시킨다. 도 3a는 약 1:1의 종횡비(X:Y)를 갖는 컨버터 유닛(200)에 입사하는 예시적인 광 빔(262)의 단면의 예시를 도시한다. 도 3b는 약 50:1의 종횡비(X:Y)를 갖는 컨버터 유닛(200)에서 출사하는 예시적인 광 빔(264)의 단면의 예시를 도시한다. 바람직한 일 태양에서, 컨버터 유닛은 광원으로부터 방출된 광을 광원 종횡비보다 적어도 4배만큼 큰 종횡비를 갖는 선-형상의 출력 광 빔으로 변환시킨다.

입력 면(212)은 보다 상세하게 후술되는 광원 유닛(100)으로부터 광을 수광한다. 광은 컨버터 유닛(200)을 통해, 역시 보다 상세하게 후술되는 (컨버터 유닛(200)으로부터 분리되어 있을 수 있거나 컨버터 유닛의 일부일 수 있는) 커플러(280) 내로, 또는 대안적으로는 바로 백라이트 도광체 유닛(300) 내로 통과된다. 도 2d, 도 2e, 및 도 2f에 도시되는 바와 같은 일 태양에서, 도광체(210)는 입력 표면(212), 상부 표면(213), 직교 표면(214), 반대편 직교 표면(216), 저부 표면(215), 및 단부 표면(217)을 갖는 대체로 직선형 구조물이다. 표면(215)은 단차형 표면을 포함하여, 도광체(210)의 높이가 (높이=h1을 갖는) 표면(212)으로부터 (높이=h2를 가지며, h2<<h1인) 반대편 단부 표면(217)으로 길이(L)를 따라 감소한다. 일례에서, 이동형 유닛 백라이트 응용의 경우, h1은 약 1 mm일 수 있고, 폭은 약 2 mm일 수 있으며, L은 약 50 mm 내지 약 150 mm일 수 있다. 다른 예에서, 텔레비전 및 보다 큰 크기의 디스플레이 응용의 경우에, h1은 약 5 mm일 수 있고, 폭은 약 10 mm일 수 있으며, L은 약 500 mm 내지 약 1000 mm일 수 있다.

일 태양에서, 상부 표면(213)은 입력 표면(212)에 대해 대략 직교하고, 저부 표면(215)은 복수의 경사 단차를 포함하며, 이때 각각의 경사 단차는 상부 표면(213)에 평행한다. 따라서, 도광체(210)는 대체로 직선형이고, 단차형이며, 경사형인 구조물일 수 있으며, 중합체(예컨대, 폴리카르보네이트) 또는 유리와 같은 광학적으로 투명한 재료로부터 형성될 수 있다.

또한, 도광체(210)는 (본 명세서에서는 전환기(diverter)로도 지칭되는) 복수의 전환 요소(251a, 251b 등)(도 2b 및 도 2c 참조)를 포함할 수 있는 전환 섹션(250)을 포함할 수 있으며, 각각의 전환 부분은 대략 90°만큼 광의 방향을 변경시킨다. 백라이트 도광체 유닛(300)의 크기에 따라, 전환기 요소의 개수는 수 개(3개 또는 4개) 내지 20개 이상에 이를 수 있다. 전환 요소(251a, 251b 등)는 도광체(210)의 일부로서 일체로 형성될 수 있거나, 이들은 별개로 형성된 후 광학적 투명 접착제와 같은 적합한 접착제 또는 접합 재료를 사용하여 도광체(210)의 저부 표면(215)에 부착될 수 있다(예컨대, 도 2e 참조).

일 태양에서, 각각의 전환기는 커플링된 또는 디커플링된(decoupled) 입력 면(252), 대략 90°만큼 광 방향을 변경시키는 반사 면(256)(예컨대, 도 2b에 도시된 면(256a, 256b 등)), 및 커플링 요소(280) 또는 백라이트 도광체 유닛(300)에 커플링된 또는 디커플링된 출력 면(254)을 포함한다. 각각의 전환 부분은 (입력 면(212)의 크기에 대해) 얇아서, 각각의 전환기 입력 면은 입사 광의 일 세그먼트만 포착하여 이 광 세그먼트를 커플러(280)/백라이트 도광체 유닛(300)을 향해 반사시킨다. 예를 들어, 각각의 전환기 요소는 약 30 μm 내지 200 μm, 바람직하게는 약 50 μm의 두께를 가질 수 있다. 따라서, 일 태양에서, 각각의 전환 요소는 대체로 평면형 직각 프리즘으로서 구성된다. 이러한 것으로서, 일 태양에서, 입력 표면(212)의 높이는 전환 구조물들 전부의 높이의 합과 대략 동일하다.

각각의 전환 요소(251a, 251b 등)는 약 90° 각도만큼 입사 광을 반사시키는 미러형(mirrored) 또는 TIR 45° 소면(facet)을 가질 수 있다. 전환기의 주 면인 상부 면(258) 및 저부 면(259)이 각각 보다 낮은 굴절률의 재료와 접해 있기 때문에, 광은 각각의 전환기 내에 포착된다. 예를 들어, 저부 면(259)은 공기와 접해 있는 반면, 상부 면(258)은 도광체(210)의 굴절률보다 낮은 굴절률(예컨대, 1.49)을 갖는 광학적 투명 접착제와 접해 있을 수 있다. 대안적으로, 표면(215) 또는 표면(258) 중 어느 하나 또는 둘 모두에 적용된 저굴절률 코팅이 존재할 수 있으며, 이들 표면은 서로 커플링된다. 유사하게, 표면(213 및 259)은 저굴절률 재료가 디스플레이 내의 다른 요소에 접합될 수 있도록 하기 위해 이러한 저굴절률 재료로 코팅될 수 있다. 적합한 저굴절률 코팅은 실리카 및 불화 마그네슘을 포함한다. 다른 대안적인 태양에서, 아나모픽 도광체(210)는 전환기(250)를 형성하는 데 사용된 재료보다 낮은 굴절률을 가진 재료로부터 형성될 수 있다. 또 다른 대안적인 태양에서, 아나모픽 도광체의 굴절률은 도광체와 전환 요소 사이에 저굴절률 재료가 배치되지 않은 상태로 전환 요소의 굴절률과 유사할 수 있으며, 도광체는 아나모픽 도광체의 입력 면의 높이(h1)보다 작지만 전환 섹션(250)의 두께보다 큰 두께를 가질 수 있다.

도 2b에 도시된 바와 같이, 제1 입력 광 세그먼트(262a)는 전환 요소(251a)에 의해 포착된다. 입력 광 세그먼트는 전환 요소(251a) 내에서 내부 전반사되어 경사진 반사 표면(256a)으로부터 출력 면(254)을 향해 지향된다. 입력 광 세그먼트(262a)는 출력 광 세그먼트(264a)로서 전환 요소에서 나온다. 유사하게, 제2 광 세그먼트(262b)는 전환 요소(251a)의 높이 위로 약간 융기된 높이에서 전환 요소(251a)로부터 축방향 하류로 이격되어 있는 전환 요소(251b)에 의해 포착된다. 입력 광 세그먼트는 전환 요소(251b) 내에서 내부 전반사되어 경사진 반사 표면(256b)으로부터 출력 면(254)을 향해 지향된다. 입력 광 세그먼트(262b)는 출력 광 세그먼트(264b)로서 전환 요소에서 나온다. 유사한 방식으로, 각각의 후속 전환 요소는 입력 광의 세그먼트를 포착하여 이 광 세그먼트를 커플러(280)/백라이트 도광체 유닛(300)을 향해 방향전환시킨다. 따라서, 출력 광 세그먼트(264a, 264b 등)는 적어도 20:1 이상의 큰 종횡비를 갖는 선 형상의 빔을 형성한다.

반사 표면(256a, 256b 등)은 평평하거나 만곡된 표면일 수 있다. 또한, 일부 태양에서, 반사 표면(256a, 256b 등)은 반사성 코팅으로 코팅될 수 있다. 예를 들어, 반사 표면(256a, 256b 등)은 금속 또는 유전체 층상 코팅으로 코팅될 수 있다. 대안적으로, 반사 표면(256a, 256b 등)은 광을 내부 전반사(TIR)시키기 위해 간단히 폴리싱될 수 있다.

구성에서, 별도로 형성된 도광체 및 전환 섹션을 포함하는 컨버터 유닛의 경우, 전환 섹션(250)은 광학적 투명 접착제 또는 저굴절률 접합 재료를 사용하여 저부 표면(215) 상에서 도광체(210)에 정합될 수 있다. 이러한 태양에서, 전환 요소 입력 표면(252a)(도 2b 참조)은 저부 단차 표면(215a)(도 2e 참조)과 정합될 수 있고, 다음 전환 요소 입력 표면(252b)은 다음 저부 단차 표면(215b)과 정합될 수 있으며, 기타 등등일 수 있다. 대안적인 태양에 따르면, 전환기(들)(250)의 입력 면(들)은 도광체(210)로부터 광학적으로 커플링되거나 디커플링될 수 있다. 전환기를 광학적으로 커플링하는 것은 프레넬 반사(Fresnel reflection)를 감소시키는 것으로 인해 더욱 효율적일 수 있지만, 광 빔에 대한 잘못된 경로로 인해 45° 소면을 갖는 전환기에 있어서 손실을 야기할 수 있다. 따라서, 대안적으로, 45° 소면을 갖는 전환 요소를 이용할 때, 입력 면은 도광체(210)로부터 디커플링될 수 있다. 유사하게, 전환기 요소의 출력 면, 예컨대 (도 2b에 도시된) 면(254)은 커플러(280)/백라이트 도광체 유닛(300)의 입력 면으로부터 커플링되거나 디커플링될 수 있다.

본 발명의 대안적인 태양에서, 컨버터 유닛(200)은 대안적인 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 2j에 도시된 바와 같이, 컨버터 유닛(200')은 필름들(205a 내지 205g)의 스택(stack)을 포함할 수 있다. 필름은 광학적 투명 접착제 또는 저굴절률 코팅(도시되지 않음)의 개재 층을 갖고서 포개져 적층될 수 있다. 각각의 필름은 광선(264a 내지 264g)으로서 전환 및 출력되도록, 입력 면(212')을 통해 전환기 유닛(200')으로 진입하는 입사 광(예컨대, 광선(262a 내지 262g))을 약 90° 각도만큼 반사시키는 미러형 또는 TIR 45° 소면을 포함하는 표면(264g)과 같은 반사기 표면을 가질 수 있다. 도 2j에 도시된 바와 같이, 반사 표면들은 서로로부터 축방향으로 연속적으로 이격되어 있다. 대안적으로, 필름의 각각의 층은 입사 광을 커플러(280)/백라이트 도광체 유닛(300)을 향해 채널링하기(channel) 위해 필름의 각각의 층 내에 전환 채널을 생성하는 둥근 굽힘부와 같은, 내부에 형성된 일련의 에칭된 선을 포함할 수 있다. 또한, 만곡된 도광체의 효율은 커플러(280)/백라이트 도광체 유닛(300)의 입력 면에 전환 섹션(250)의 출력 면을 광학적으로 커플링함으로써 증가될 수 있다.

이러한 대안적인 구성은 적어도 하나의 방향으로 광원의 균일성을 유지한다 - 광원은 도광체를 조명할 때 광의 불균일한 강도를 가질 수 있고, 필름들의 스택은 하나의 축에서의 분포를 유지한다. 필름은 또한 광이 다른 축에 분포될 수 있도록 하여, 백라이트 도광체 유닛(300)을 조명하는 광의 균일성을 증진시킨다. 앞서 언급한 바와 같이, 하나의 필름 층으로부터 다른 필름 층으로의 광의 격리를 유지하기 위해, 필름 층들 사이에 저굴절률 코팅이 개재될 수 있다. 전체 디스플레이 시스템의 요건에 따라, 이러한 구성은 전체 두께를 추가시킬 수 있고, 커플링 효율을 감소시킬 수 있다.

도 2k 및 도 2l에 도시된 바와 같이, 다른 대안적인 실시예에서, 대안적인 컨버터 유닛은 광섬유들의 어레이를 포함할 수 있다. 이러한 예에서, N x M 섬유들의 어레이를 포함하는 입력 면(212")이 도 2k에 도시되어 있다. 이러한 입력 면(212")은 약 1:1의 종횡비를 갖는 광원 유닛으로부터 광을 수광하도록 구성된다. 출력 면(254")은 N x M 섬유들의 단일 열을 포함하여, 적어도 약 20:1의 종횡비에서 출력 광을 제공한다.

따라서, 컨버터 유닛(200)은 광원의 종횡비를 한 자릿수를 초과하는 만큼 변환시킬 수 있는 테이퍼 형성된(tapered) 또는 비-테이퍼 형성된 형상을 가진 강성 또는 가요성 본체를 포함할 수 있다.

전술된 컨버터 유닛은 입사 광원의 포맷 또는 종횡비를 선으로 변환시키도록 구성된다. 이러한 구성은 또한 광원의 에텐듀를 실질적으로 유지한다.

광원은 임의의 많은 광원 유형에 의해 제공될 수 있지만, 보다 바람직한 광원은 LED 광원이다.

도 4는 예시적인 광원 유닛(100)을 도시한다. 광원 유닛(100)은 조명되는 디스플레이의 유형에 따라, LED(110)와 같은 단일 LED, 2개의 LED, 또는 그 보다 많은 LED를 포함할 수 있다. LED(들)(110)의 출력은 하나 이상의 복합 포물선형 집광기(compound parabolic concentrator)(105), 렌즈(도시되지 않음) 또는 이들의 조합을 사용하여 컨버터 유닛(200)에 커플링될 수 있다. 물론, 대안적인 실시예에서, 렌즈 또는 다수의 렌즈 시스템이 LED(들)의 출력을 수집 및 시준하기 위해 이용될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, LED(들)(110)는 하나 이상의 입사 개구(102a 내지 102d) 상에 장착될 수 있다. 도 4가 4개의 LED로부터의 광을 수집하고 집광시키도록 구성된 복합 포물선형 집광기(CPC)(105)를 도시하고 있지만, 본 발명의 다른 태양에서, CPC(105)는 더 적거나 더 많은 수의 LED로부터의 광을 수집하고 집광시킬 수 있다. CPC(105)의 내부 부분은 중공형일 수 있고, 통상적인 CPC의 방식과 동일한 방식으로 구성될 수 있다. LED 광은 출사 개구(104)로부터 출력된다.

이와 관련하여, "발광 다이오드" 또는 "LED"는 가시광선이든, 자외선이든, 또는 적외선이든 간에 광을 방출하는 다이오드를 지칭하며, 방출된 광은 약 430 내지 700 nm 범위의 피크 파장을 가질 것이다. 용어 LED는 수직 공동 표면 발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)를 포함하지만 이로 제한되지 않는 레이저 다이오드와 같은 간섭성 반도체 장치뿐만 아니라, 통상적인 것이든 초방사성 종류(super radiant variety)이든 간에, "LED"로서 판매되는 매입된 또는 봉지된 반도체 장치인 비간섭성 광원을 포함한다. "LED 다이"는 그의 가장 기본적인 형태, 즉 반도체 처리 절차에 의해 제조된 개별 구성요소 또는 칩 형태의 LED이다. 예를 들어, LED 다이는 하나 이상의 III족 원소들과 하나 이상의 V족 원소들의 조합(III-V족 반도체)으로부터 형성될 수 있다. 적합한 III-V족 반도체 재료의 예는 질화갈륨과 같은 질화물, 및 인듐 갈륨 포스파이드와 같은 인화물(phosphide)을 포함한다. 주기율표의 다른 족으로부터의 재료뿐만 아니라 다른 유형의 III-V족 재료가 또한 사용될 수 있다. 이 구성요소 또는 칩은 장치에 에너지를 공급하기 위한 전력의 인가에 적합한 전기 접촉부를 포함할 수 있다. 예는 와이어 접합(wire bonding), 테이프 자동 접합(tape automated bonding, TAB), 플립-칩 접합(flip-chip bonding)을 포함한다. 구성요소 또는 칩의 개별 층 및 다른 기능 요소는 전형적으로 웨이퍼 규모로 형성되고, 완성된 웨이퍼는 이어서 개별 단품(piece part)으로 절단되어 다수의 LED 다이가 얻어질 수 있다. LED 다이는 표면 실장, 칩-온-보드(chip-on-board) 또는 다른 공지된 실장 구성을 위해 구성될 수 있다. 일부 패키징된 LED는 LED 다이 및 관련 반사기 컵(reflector cup) 위에 중합체 봉지재를 형성함으로써 제조된다. LED는 몇몇 기판들 중 하나의 기판 상에서 성장될 수 있다. 예를 들어, GaN LED는 사파이어, 규소 및 질화갈륨 상에서 에피택시(epitaxy)에 의해 성장될 수 있다. 이러한 응용의 목적을 위한 "LED"는 또한, 흔히 OLED로 지칭되는 유기 발광 다이오드를 포함하는 것으로 고려되어야 한다.

본 발명의 일 태양에서, LED(들)(110)는 2개 이상의 상이한 색상의 LED, 예를 들어 적색-녹색-청색(RGB) LED(예컨대, 청색 LED와 조합된 녹색 LED와 조합된 적색 LED), 또는 대안적으로 시안(cyan) LED와 레드 LED의 조합의 어레이로부터 제조될 수 있다. 다른 태양에서, LED(들)(110)는 미국 특허 제7,091,653호에 기술된 것과 같은 하나 이상의 원격 인광체(remote phosphor) LED를 포함할 수 있다. 이러한 방식에서, 청색 및 황색 광의 적절한 균형은 백라이트 도광체 유닛(300)으로 출력되는 백색 광을 생성할 수 있다.

다른 태양에서, 청색 GaN LED, YAG 인광체, 및 시준 광학 시스템, 예컨대 렌즈 및 복합 포물선형 집광기가 광원 유닛(100)으로서 이용될 수 있다. 상이한 색상 출력을 갖는 추가적인 조명체가 또한 조합되어 사용될 수 있다.

본 발명의 시스템의 설계에 있어서, 광원(100)은 매우 높은 휘도 및 효율적인 LED를 이용할 수 있고, 상이한 개별 색상들을 혼합하고 정합시킬 수 있으며, 원격 인광체-기반 LED를 이용할 수 있다. 동시에, 에텐듀의 유지를 통한 광의 효율적인 변환은 다수의 LED가 사용될 필요성을 제거할 수 있다.

광원은 인광체 변환된 LED로부터의 색상과 같은 균질한 색상을 생성할 수 있거나, 색상들의 조합일 수 있다. 예를 들어, LED는 녹색-방출 인광체 및 적색 방출 AlInGaP LED와의 청색 LED의 조합일 수 있다. 아나모픽 도광체 및 전환기의 조합은 백라이트 도광체 유닛에 입사하기 전에 색상을 효율적으로 혼합하기 위해, LED로부터 방출되는 광에 대한 충분한 경로 길이를 제공하는 것으로 밝혀졌다.

도 2a 내지 도 2c를 다시 참조하면, 본 발명의 예시적인 일 태양에서, 아나모픽 도광체(210)에서 출사하는 광은 컨버터 유닛(200)과 백라이트 도광체 유닛(300)을 연결하는 커플러(280)에 의해 수광될 수 있다. 커플러(280)는 컨버터 유닛(200)의 일부이거나 이와 별개일 수 있다. 이러한 예에서, 커플러(280)는 컨버터 유닛(200)의 일부인 것으로 기술될 것이다. 예를 들어, 도 2b 및 도 2c에 도시된 바와 같이, 커플러(280)는 단일편 구성으로 전환 요소(250)와 일체로 형성될 수 있다.

도 2g 및 도 2h에 보다 상세하게 도시된 바와 같이, 커플러(280)는 유닛(300)의 대체로 평면형 백라이트 도광체 내로 광을 커플링하기 위해 반대편 면(예컨대, 출력 면(284))을 따라 선-형상의 프로파일 및 아나모픽 도광체의 출력을 수광하도록 일 면(예컨대, 입력 면(282))을 따라 부분 단차형 프로파일을 갖는 대체로 직선형 본체를 포함한다. 특히, 커플러(280)의 부분 단차형 입력 면(282)은 전환 요소(250)의 출력 면(254)의 배열에 대응하고 이에 정합하는 일련의 면(예컨대, 각각의 전환 요소의 두께에 대응하는 양만큼 높이에 있어서 각각 단차 형성된 면(282a 내지 282e))을 포함할 수 있다. 커플러(280)의 반대편 면 상에서, 출력 면(284)은 백라이트 도광체 유닛(300)의 백라이트 도광체 부분(도 5a의 도광체(310) 참조)의 두께와 실질적으로 정합하도록 실질적으로 선-형상의 면 및 두께 또는 높이(h3)를 갖는다. 광은 TIR을 통해 커플러(280) 내에서 안내된다. 따라서, 커플러(280)는 얇고 단차 형성된 면들의 프로파일로부터의 형상의 차이를 대체로 선-형상의 면으로 보정하면서, 아나모픽 도광체의 에텐듀를 실질적으로 유지하도록 구성된다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 일 태양에서, 커플러(280)는 전환기(250)와 일체로 형성된다. 이러한 태양에서, 전환기(250) 및 커플러(280)는 연속적인 성형된 물품으로부터 제조될 수 있다. 적합한 구성 재료는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 경화성 아크릴 수지, 폴리스티렌, 폴리카르보네이트, 폴리에스테르, 및 실리콘을 비롯한 아크릴 수지를 포함한다. 대안적으로, 커플러(280)는 중합체 필름의 절단 스트립을 사용하여, 또는 주조 및 경화 공정에 의해 형성될 수 있다.

일부 경우에, 평면형 도광체로의 입력 면적은 아나모픽 도광체의 출력부보다 실질적으로 클 수 있으며(대략 2배만큼), 이에 따라 평면형 도광체의 두께는 에텐듀의 관점에서 필요한 것보다 두꺼울 것이다.

시스템의 에텐듀는 커플러(280)의 출력부에 백라이트 도광체의 면적을 정합시킴으로써 유지될 수 있다. 이러한 정합은 통상적인 백라이트 도광체보다 얇게 하기 위해 백라이트 도광체의 두께를 감소시키는 것 또는 출력 면(284)이 부분적으로 단차 형성된 입력 면(282)의 두께보다 큰 두께를 갖도록 커플러(280)의 프로파일을 테이퍼 형성되게 하는 것 중 어느 하나 또는 이들의 조합에 의해 이루어질 수 있다. 일부 대안적인 태양에서, 테이퍼는 선형일 수 있거나, 테이퍼는 적어도 하나의 축에서 비-선형일 수 있다. 적합한 비-선형 프로파일은 포물선을 포함할 수 있다.

저굴절률 층이 아나모픽 도광체(210)와 전환기(250) 사이에 배치될 수 있다. 저굴절률 층은 중합체 코팅 또는 물리적 증착 또는 화학적 증착에 의해 도포되는 코팅을 포함할 수 있다. 바람직한 태양에서, 저굴절률 코팅은 낮은 산란성을 가질 것이다. 적합한 코팅은 실리카, SiO₂, 및 MgF₂를 포함한다.

본 발명의 일 태양에서, 커플러(280)에서 출사하는 광은 백라이트 도광체 유닛(300)에 입사하며, 백라이트 도광체 유닛은 추가로 광을 디스플레이를 향해 지향시킨다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 백라이트 도광체 유닛(300)은 하나 이상의 층을 갖는 대체로 평면형 구조물을 포함한다. 일 태양에서, 백라이트 도광체 유닛(300)은 층(330)과 층(320) 사이에 배치되는 주 또는 제1(중심) 층(310)을 포함한다. 제1(중심) 층(310)은 주 백라이트 도광체로서 역할하는 고굴절률 중합체 층, 예컨대 폴리카르보네이트, 폴리스티렌, 또는 경화된 페닐 아크릴레이트를 포함할 수 있다. 장치의 관찰 면을 향해(이 예에서는 디스플레이 패널을 향해) 광을 지향시키는 추출기(315)(예컨대 도 6a, 도 6b 참조)의 어레이는 층(310)의 저부 표면 상에 배치될 수 있다. 제2 층(330)은 광학적 투명 접착제(OCA)와 같은 보다 낮은 굴절률의 재료를 포함할 수 있다. 접착제로서, 일부 태양에서, 층(330)은 휘도 향상 필름과 같은 LCD 모듈 또는 중간 필름에 부착될 수 있다. 층(320)은 후면 미러로서 작용하는 반사 표면을 포함할 수 있다.

입력 광은 화살표(305)의 방향으로 백라이트 도광체 유닛(300)의 제1(중심) 층(310)에 입사한다. 일부 태양에서, 층(310)은 약 1.55의 굴절률을 가질 수 있다. 광은 디스플레이 패널(도시되지 않음)에 대한 조명을 제공하기 위해, 추출기에 의해 화살표(307)의 방향으로 편향될 수 있다. 컨버터 유닛(200)에서 출사하는 광은 낮은 에텐듀(예컨대, 5 미만)를 갖기 때문에, 이 광은 잘 시준되어 층(310)에 입사한다. 결과적으로, 층(330)의 굴절률은 효율적인 도파 구조를 유지하기 위해 층(310)의 굴절률보다 실질적으로 낮을 것이 요구되지 않는다. 예를 들어, 본 발명의 일 태양에서, 층(330)은 약 1.49의 굴절률을 갖는다. 달리 말해, 본 명세서에 기술된 도광체 설계에 있어서, 층(310)의 어느 한 면 상의 공기 경계는 효율적인 도파 구조를 달성하는 데 요구되지 않는다. 또한, 층(310)의 두께는 (통상적인 백라이트 시스템에 비해) 실질적으로 감소될 수 있다.

일 태양에서, 제1(중심) 층(310)은 약 50 μm 내지 약 500 μm의 두께를 갖는 재료를 포함한다. 바람직한 두께는 광원에 사용되는 시준 광학계(예컨대, CPC)의 높이에 기초할 수 있으며, 여기서 층(310)의 두께는 시준 광학계의 높이의 약 ½일 수 있다. 대안적인 태양에서 층(310)이 웨지-형상(wedge-shaped)일 수 있지만, 층(310)은 바람직하게는 대체로 직사각 형상을 갖는다. 층(310)의 감소된 두께는 통상적인 백라이트 시스템에 비해 실질적인 개선을 나타내며, LED 광원의 크기(예컨대, 높이)보다 크기(두께)에 있어서 대략 한 자릿수만큼 작다. 통상적인 백라이트 시스템에서, 공기가 도광체 클래딩(cladding)으로서 작용할 때 일반적으로 가장 넓은 TIR의 범위가 발생하기 때문에, 주 백라이트 도광체는 전형적으로 공기 표면 또는 계면에 의해 양 주 면 상에서 둘러싸인다. 그러나, 도광체가 백라이트 도광체의 주 면들 중 하나 또는 둘 모두 상에서 구조적 요소와 물리적으로 접촉하고 있을 때, 공기 클래딩은 허용될 수 없다. 이러한 구성에 대한 이전의 접근법들은 최적이 아니다. 이들 이전의 접근법들은 더욱 열악한 TIR 수집 각도 범위로 인한 보다 큰 광 손실을 수용하는 것 및 시준된 광 빔의 증가된 높이를 수용하기 위해 백라이트 도광체의 두께를 증가시키는 것을 포함한다. 이들 접근법은 개선된 전력 효율 및 보다 콤팩트한 시스템의 요구를 충족시키지 못한다.

전술된 광원 유닛(100) 및 컨버터 유닛(200)은 에텐듀를 실질적으로 유지하고, (20:1 이상의) 큰 종횡비 및 우수한 시준을 갖는 광을 생성한다. 바람직한 태양에서, LED에 의해 방출된 광은 LED에 의해 방출된 광의 25% 이상이 약 15° 이하의 반각(half-angle)을 가진 원뿔 내에, 보다 바람직하게는 약 10° 이하의 원뿔 내에 포함되도록 시준된다. 결과적으로, 백라이트 도광체 유닛(300)의 두께는 실질적으로 (예컨대, 약 2배 이상만큼) 감소될 수 있다. 또한, 입사 광의 낮은 산란성은 공기 클래딩이 요구되지 않고 전체 장치 두께가 훨씬 더 감소될 수 있다는 것을 의미한다.

도 5b에 도시된 바와 같은 다른 태양에서, 백라이트 도광체 유닛(300)은 하기 층들을 갖는 대체로 평면형 구조물을 포함한다: 추출기들의 이격된 어레이를 포함하는 표면을 갖는 도광체 층(310), 후면 반사 층(320), 층(310)의 반대편 주 표면 상에 배치된 저굴절률 커플링 층(330), 입사 광의 편광을 1/4 파장만큼 이동시키기 위한 1/4파 필름 층(quarter wave film layer)(340), 및 미사용 광의 재순환을 제공하기 위한 반사 편광기(reflective polarizer)(350).

LCD는 광의 하나의 편광을 투과시킨다. 대부분의 광원이 편광되지 않기 때문에, 통상적인 LCD에서의 편광된 투과는 광학적 효율의 상당한 손실을 야기하고, 디스플레이의 전력 사용을 증가시킨다. 대조적으로, 도 5b에 도시된 바와 같은 본 설계에 있어서, 반사 편광기(350)는 광 편광이 다시 백라이트 내로 반사됨으로써 디스플레이 효율을 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 1/4파 필름 층(340)에 의해 광의 일부가 유효 편광 상태로 변환될 수 있게 한다.

본 발명의 대안적인 태양에 따르면, 반사 편광된 광을 원하는 투과된 편광으로 변환하는 데에 2가지 부류의 접근법이 사용될 수 있다. 하나의 접근법은 광의 편광을 무작위화(randomize)하는 백라이트 내의 구성요소를 사용하는 것이다. 후면 반사기로서 산란 램버시안(lambertian)-유형 반사기를 갖는 반사 편광기를 사용하는 것은 광을 탈편광(depolarize)시키는 경향이 있다. 적합한 편광 무작위화 반사성 재료는 폴리에틸렌 나프탈레이트 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은 광학적으로 두껍고 복굴절성인 중합체 상의 금속 코팅, 이색성(dichroic) 코팅, 및 이들의 조합을 포함한다. 배향 공극형(oriented voided) PET 필름을 비롯한 반정반사성(semispecular) 반사기가 또한 적합할 수 있다. 이러한 구성은 재순환 공동 내에서 보다 많은 반사를 생성하고, 효율을 감소시킬 수 있다. 이러한 유형의 반사기의 이점은 1/4파 지연기(retarder)와 같은 광학 구성요소의 개수를 감소시킨다는 것이다.

도 5b의 본 발명의 태양에서 도시된 바와 같은 제2 접근법은 후면 반사 층과 반사 편광기 사이에 배치된 1/4파 지연기를 갖는 정반사성(편광-유지) 후면 반사 층을 사용하는 것이다. 이러한 제2 시스템 접근법은 편광 상태를 무작위화하는 제1 접근법보다 더 효율적일 수 있다. 이러한 제2 접근법에서, 후면 반사 층과 반사 편광기 층 사이에 배치된 광학 구성요소는 출력 효율을 최대화하기 위해 매우 낮은 광학 복굴절을 가져야 한다. 적합한 편광-유지 반사기는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 다른 비정질 중합체와 같은 낮은 복굴절성 재료 상에 배치된 금속화된 및 무기 이색성 반사기, 및 이들의 조합을 포함한다.

또한, 광원 유닛(100) 및 컨버터 유닛(200)의 낮은 에텐듀로 인해, 1/4파 필름을 통과하는 광은 전형적으로 훨씬 더 좁은 각도 범위를 갖게 되며, 이는 고가의 넓은 사용-각도 범위 1/4파 필름에 대한 필요성을 제거한다.

저굴절률 층(330)에 적합한 재료는 SiO₂, MgF₂, 실리콘 중합체, 플루오로중합체, 아크릴, 및 이들의 혼합물을 포함한다.

램버시안-유형 산란성 후면 반사 층을 이용하는 통상적인 백라이트 시스템(1)을, 층(520)이 90%(반사성) 정반사성 반사기를 포함하고, 층(310)이 추출기들의 어레이, 저굴절률 OCA 층(330), 1/4파 지연기 층(340), 및 (쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 입수가능한 APF로부터 형성되는) 반사 편광기 층(350)과 함께 투명한 재료로부터 형성되는 도 5b에 도시된 바와 같은 백라이트 시스템(2)과 비교하는 시뮬레이션을 수행하였다. 반사기는 도광체의 후면에 접합되는데, 여기서 이러한 예의 경우 얇은 저굴절률 코팅이 도광체 및 추출기 어레이의 후면에 도포될 수 있다(예컨대, 물리적 증착된 MgF₂ 또는 실리카 코팅에 이은 은 또는 알루미늄의 코팅). 백라이트 시스템(2)은 각도 이득 필름(angular gain film)의 사용에 따라 백라이트 시스템(1)보다 30% 내지 100% 더 효율적인 시스템을 형성한다. 기준 디스플레이가 쓰리엠 컴퍼니로부터 입수가능한 BEF 필름과 같은 각도 이득 필름을 사용할 때, 가장 큰 효율 개선이 이루어진다. 이러한 예에서, 각도 이득 필름은 전형적으로 반사 편광기 아래와 도광체의 상부 표면 사이에 위치된다. 시뮬레이션된 효율 차이는 시놉시스 코프(Synopsis Corp)로부터 입수가능한 라이트툴즈 소프트웨어(Lighttools software)를 사용하여 계산하였다.

도 6a는 예시적인 추출 특징부 또는 추출기(312)를 도시한다. 추출기(312)는 경사진 측면들을 가진 절두형 피라미드(truncated pyramid) 또는 치-형상(tooth-shape)을 갖는데, 즉 광선을 포획하여 이들 광선을 디스플레이 유닛(도시되지 않음)을 향해 실질적으로 90° 각도로 편향시키도록 설계된다. 내각은 도 6a에서는 45° 각도인 것으로 도시되어 있지만, 이들 내각은 백라이트 도광체(300) 내에서 안내되는 광의 특성에 따라 더 작거나 더 큰 각도일 수 있다. 추출기는 도광체 내에 형성되고, 공기 계면을 사용하여, 그리고 선택적으로 실리카 또는 불화 마그네슘과 같은 유전체 박막 코팅과 조합하여 반사를 촉진하기 위해 내부 전반사(TIR)를 사용할 수 있다. 추출기는 미세복제(microreplication)를 통해 도광체 내에 형성될 수 있으며, 여기서 예를 들어 방사선 경화 수지가 금속 공구 표면 상의 패턴을 도광체 필름 상으로 복제한다. 대안적으로, 도광체는 유리의 층을 포함할 수 있다. 추출기는 도광체 판 상의 텍스처(texture)의 영역을 포함할 수 있으며, 여기서 텍스처는 도광체 판을 통과하는 광을 제어가능하게 산란시킨다. 대안적으로, 추출기는 프리즘과 같은 기하학적 특징부를 포함할 수 있다. 예시적인 추출 특징부는 도광체의 표면 위에 분포되는 프리즘들의 어레이이다. 이러한 분포는 도광체에 대해 원하는 광 출력 균일성을 제공한다. 프리즘은 광이 도광체로부터 추출되도록, 예를 들어 각각의 프리즘이 약 1.5 μm의 높이, 3 μm의 길이 및 도광체의 폭인 오목형 직각 프리즘들의 1-차원 어레이로 배열될 수 있다. 프리즘들은 또한 각각의 프리즘의 길이가 예를 들어 약 10 μm인 2-차원 어레이로서 배열될 수 있다.

도 6b는 비교적 넓게 퍼져 이격된 각각의 추출 유닛을 도시하는 추출기 층(315)의 평면도를 도시한다. 이러한 방식에서, 추출기 패턴의 각각의 추출기는 백라이트 유닛의 매우 작은 면적을 덮으며, 이에 따라 디스플레이 패널을 향해 반사된 광선의 균일성을 증진시킨다. 본 발명의 일 태양에서, 추출기들의 밀도는 도광체의 면적의 약 20% 미만이다. 다른 태양에서, 추출기들의 밀도는 도광체의 면적의 약 10% 미만이다. 결과적으로, 백라이트 시스템에 의해 방출된 광선은 비교적 작은 각도 범위, 백라이트 시스템의 낮은 에텐듀 설계의 결과, 및 본 명세서에 기술된 추출기들의 사용을 갖는다. 이러한 저밀도의 추출기는 보다 적은 추출기가 광 편광의 보다 적은 무작위화로 이어지기 때문에, 도 5b의 실시예의 재순환 편광기 배열이 보다 효율적으로 작동될 수 있도록 한다. 추출기 층(315)을 형성하기 위한 예시적인 공정이 이하에서 더욱 상세하게 기술된다.

연구원에 의해 수행된 시뮬레이션에 따르면, 통상적인 백라이트에의 반사 편광기의 추가는 전형적으로 휘도를 50% 내지 70%만큼 증가시킨다. (미국 캘리포니아주 마운틴 뷰 소재의 시놉피스 인크.(Synopys Inc.)로부터 입수가능한) 라이트툴즈 버전 7.2의 예시적인 모델 시스템을 사용하여, 통상적인 백라이트시스템 3LED 백라이트는 시뮬레이션된 APF 필름을 추가함으로써 72%의 휘도 증가를 보인다. 층(320)이 90% 정반사형 반사기를 포함하고, 층(310)이 굴절률이 1.58인 중합체 재료로부터 형성되고 추출기들의 어레이, 저굴절률 OCA 층(330), 및 1/4파 지연기 층(340)을 갖는 도 5b에 도시된 바와 같은 실시예와 유사하게 구성된 시스템의 경우에, (쓰리엠 컴퍼니로부터 입수가능한 APF로부터 형성되는) 반사 편광기 층(350)의 추가로 인해 효율이 93% 증가한다.

따라서, 통상적인 LCD 백라이트가 반사 편광기를 사용하여 비교적 낮은 60 내지 70%의 이득을 갖지만, 본 발명의 예시적인 태양에 따르면, 본 명세서에 기술된 백라이트 시스템은 80 내지 90%의 이득을 제공할 수 있다. 다른 태양에 따르면, 백라이트 도광체는 저밀도의 추출기 특징부들, 고도로 반사성인 후방 표면, 및 반사 편광기를 가질 수 있다. 백라이트 도광체는 프리즘형 추출 특징부를 사용할 수 있고, 1/4파 지연 필름을 포함할 수 있다. 백라이트는 또한, 비-탈편광 확산기(non-depolarizing diffuser)를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 컨버터 유닛(200) 및 백라이트 도광체 유닛(300)의 요소들을 포함한 본 명세서에 기술된 백라이트 유닛의 몇몇 구성요소는 하기 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 도 7a 내지 도 7f는 이러한 공정 예시를 돕도록 사용된다.

전반적으로, 예시적인 공정은 적어도 제1 광학 요소들의 제1 어레이 및 제1 어레이와는 상이한 형상을 갖는 제2 광학 요소들의 제2 어레이를 갖는 공동을 제공하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 일 태양에서, 광학 요소들의 제1 어레이는 전환기를 포함할 수 있고, 광학 요소들의 제2 어레이는 추출기를 갖는 백라이트 도광체 유닛을 포함할 수 있다. 다른 태양에서, 광학 요소들의 제2 어레이는 커플링 요소를 포함할 수 있다. 공정은 경화성 수지로 공동을 충전하는 단계를 추가로 포함한다. 아나모픽 도광체와 같은 다른 광학 요소, 또는 2차 광학 요소가 제1 광학 어레이와 정렬되어 경화성 수지에 적용될 수 있다. 이어서, 수지는 경화될 수 있다. 이어서, 경화된 조립체는 공동으로부터 제거될 수 있다. 대안적인 태양에서, 커플링 요소의 표면과 같은 성형 공구가 아나모픽 도광체와 동일한 제1 어레이의 면에 적용될 수 있다. 예시적인 공정은 벨트 또는 실린더 상에 있는 주형을 사용하여 연속적이거나, 불연속적이거나, 배치식(batch)일 수 있다.

보다 상세하게, 도 7a에서, 원하는 광학 요소 형상의 음화(negative image)를 갖는 만입된 영역(예컨대, 공동)을 갖는 성형 표면 또는 주형(400)이 (부분도로) 도시되어 있다. 원하는 광학 요소 형상의 음화는 임의의 인덴트형(indented) 또는 범프형(bumped) 형상, 또는 이 둘의 조합일 수 있다. 광학 요소는 어레이이거나 무작위 형상일 수 있으며, 예를 들어 비구체, 구체 형상, 프리즘, 원환체 형상, 및 채널을 포함할 수 있다. 주형(400)은 마스터 형태(master form)를 다이아몬드 선삭(diamond turning) 또는 플라이커팅(flycutting)하고, 주형을 전기주조(electroforming)함으로써 제조될 수 있다. 주형(400)은 백라이트 도광체(예컨대, 전환기, 아나모픽 도광체)의 컨버터 유닛을 포함하도록 구성되는 섹션(420)을 포함한다. 예를 들어, 섹션(420)은 삼각형 형상의 리세스를 포함할 수 있다. 섹션(450)은 백라이트 도광체를 포함하도록 구성된다. 예를 들어, 섹션(450)은 (과장된 비율로 도시된) 도 8에 도시된 바와 같은 구성을 가질 수 있으며, 이때 전술한 추출기 층(315)과 유사한 추출기들의 어레이 또는 추출기 층(415)이 주형의 저부 표면(411) 상에 형성된다. 추출기들의 어레이(415)를 갖는 주형을 형성하기 위해 사용될 수 있는 공정이 이하 보다 상세하게 기술된다.

일 태양에서, 주형(400)은 이동형 또는 핸드헬드 장치를 위한 백라이트 도광체를 형성하도록 구성될 수 있다. 다른 태양에서, 본 명세서에 기술된 공정은 태블릿, 컴퓨터, 또는 텔레비전 디스플레이와 같은 더 큰 디스플레이를 위한 백라이트 시스템을 형성하기 위해 이용될 수 있다.

선택적으로, 성형 표면은 경화성 수지보다 낮은 굴절률과 같은 원하는 광학 특성을 갖는 재료 또는 이형제로 코팅될 수 있다. 이러한 코팅은 일단 경화되면, 주형과 함께 유지되거나 경화성 수지에 접착될 수 있다. 그러한 적합한 코팅의 예는 다이아몬드 유사 코팅, 실리콘, 아크릴레이트, 플루오로중합체, 및 물리적 증착된 재료를 포함한다.

도 7b에서, 주형(400)은 경화성 수지(455)로 충전된다. 경화성 수지는 딥 코팅(dip coating), 와이어 바 코팅(wire bar coating), 닥터 블레이드 코팅(doctor blade coating), 잉크젯 코팅(ink jet coating), 롤 코팅(roll coating), 실크 스크린 코팅(silk screen coating), 또는 임의의 다른 코팅 공정에 의해 적용될 수 있다. 경화성 수지는 단일 조성물일 수 있거나, 성형 표면 상의 영역에 의해 변동될 수 있다. 적합한 수지는 아크릴레이트, 실리콘, 에폭시, 에스테르, 비닐 화합물을 포함하고, 예를 들어 아크릴산, 메틸 메타크릴레이트, 다른 단관능성 아크릴레이트, 다관능성 아크릴레이트, 다이메틸 실리콘, 메틸-페닐 실리콘, 플루오로아크릴레이트, 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.

도 7c에서, 아나모픽 도광체(210)와 같은 2차 광학 요소는 광학 요소(예컨대, 전환기)들의 어레이와 정합하여 섹션(420)에서 경화성 수지 상에 배치될 수 있다. 2차 광학 요소는 대기 환경에서, 또는 질소, 헬륨, 아르곤, 또는 이산화탄소와 같은 불활성 기체 환경에서 수지의 표면에 적용될 수 있다. 광학 요소 또는 수지 또는 둘 모두는 수지 점도를 감소시키기 위해, 그리고 기체를 혼입시키는 경향을 감소시키기 위해 가열될 수 있다. 기체 혼입을 감소시키기 위해, 대기압 미만의 압력이 또한 사용될 수 있다. 2차 광학 요소는 주형 상의 특징부 또는 기점과 정렬될 수 있거나, 주형 상의 특징부와 수동적으로 정렬될 수 있거나, 2개 이상의 공정의 조합에 의해 정렬될 수 있다. 광학 요소와 수지 사이의 메니스커스(meniscus)를 감소시키기 위해 높이가 조정될 수 있다. 2차 광학 요소는 제2 성형 구조물과 동시에 적용될 수 있거나, 이들은 별도로 적용될 수 있다.

도 7d에서, 하나 이상의 제거가능한 2차 주형이 주형(400)의 표면에 적용된다. 이러한 예에서, 2차 주형(422)은 주형(400)의 섹션(420)에 적용된다. 2차 주형(422)은 바람직하게는 e-빔 방사선과 같은 경화 방사선에 대해 투과성이다. 선택적인 제거가능한 2차 주형은 수지 표면의 일부 또는 전부에 적용될 수 있다. 2차 성형 표면은 주형 상의 특징부 또는 기점과 정렬될 수 있거나, 주형 상의 특징부와 수동적으로 정렬될 수 있거나, 2개 이상의 공정의 조합에 의해 정렬될 수 있다. 성형 표면과 수지 사이의 메니스커스를 감소시키기 위해 높이가 조정될 수 있다. 이러한 예에서, 주형(422)은 경화 후 (커플링 요소(280)와 같은) 커플링 요소를 형성하도록 형상화될 수 있다. 또한, 선택적으로, 필름이 경화 후 2차 주형(들)의 제거를 돕기 위해 주형(400)의 표면에 적용될 수 있다.

제거가능한 2차 주형의 배치 후, 수지(455)가 경화된다. 수지는 열 개시제 또는 촉매를 사용하여, 열적으로 유발되는 응축에 의해, 광개시제를 사용하여, 또는 전자 빔을 포함하는 다른 화학 방사선에 의해, 또는 이들 공정 중 하나 이상의 조합에 의해 경화될 수 있다. 일 태양에서, 수지(455)는 통상적인 경화 공정을 사용하여 e-빔 방사선과 같은 방사선에 의해 경화된다. UV 및/또는 다른 광 빔 경화 방법이 채용될 수 있다. UV 경화 공정과는 대조적으로, e-빔 방사선을 사용하는 것은 잠재적 광 흡수 문제를 감소시킬 수 있다.

도 7e에서, 주형(400)은 경화 후 2차 주형(422)이 제거된 상태로 도시되어 있다.

도 7f에서, 라이너를 갖는 광학적 투명 접착제 필름이 경화된 구조물의 상부 표면에 적용될 수 있다. 이어서, 백라이트 도광체, 커플링 요소, 전환기, 및 아나모픽 도광체를 포함하는 조립체가 주형(400)으로부터 제거될 수 있다.

또한, 2차 광학 요소 및 경화된 수지 구조물의 하나 이상의 표면이 후-처리될 수 있다. 적합한 후 처리는 MgF₂, SiO₂, 또는 Al₂O₃와 같은 유전체 재료, 또는 알루미늄 또는 은을 포함한 금속, 또는 유전체와 금속의 조합으로 물리적 증기 코팅하는 것을 포함한다. 일 태양에서, 적합한 조합은 MgF₂ 또는 SiO₂와 같은 저굴절률 재료의 코팅에 이은 알루미늄 또는 은의 코팅을 포함한다. 저굴절률 유전체 코팅은 큰 각도에서의 반사성을 증가시키고, 보다 큰 각도에서 투명하여 금속이 광을 효과적으로 반사시키는 것을 가능하게 한다.

제거 및/또는 후 처리 후에, 조립체는 이어서 상부 또는 하부 디스플레이 표면(도시되지 않음)에 접합될 수 있다.

따라서, 전술한 공정은 도 1에 도시된 백라이트 도광체 시스템(10)의 하나 이상의 요소들을 생성하기 위해 이용될 수 있다.

전술된 바와 같이, 백라이트 도광체는 균일한 방식으로 디스플레이를 향해 광을 방향전환시키는 추출기 층 또는 추출기들의 어레이를 포함한다. 이하에서 도 9a 내지 도 9f는 이용될 수 있는 예시적인 공정을 예시한다. 이러한 예시적인 공정에서, 표면이 제공되며, 여기서 홈들의 어레이가 표면 상에 형성된다. 홈들은 중합체로 충전되어, 평탄화될 수 있다. 중합체는 패턴화된 방사선 및 에칭의 조합을 통해 추가로 한정될 수 있다. 홈들의 선택된 부분을 갖는 표면의 복제를 형성하기 위해 전기주조가 사용될 수 있으며, 여기서 홈들의 측면들은 도광체의 평면에 대해 45° 이상의 각도를 가질 수 있다. 결과적인 도광체는 광 (저밀도) 추출 특징부(즉, 추출기)를 갖는 주 표면을 가질 수 있으며, 여기서 추출 특징부는 주 표면의 면적의 10% 미만을 차지한다.

도 9a는 그의 상부 표면(402) 내에 일련의 홈들(403)이 형성된 기판(401)의 등각도를 도시한다. 기판(401)은 구리 또는 니켈과 같은 금속, 또는 이들의 합금으로부터 형성될 수 있다. 홈들(403)은 다이아몬드 커팅 공정과 같은 통상적인 커팅 공정을 사용하여 형성될 수 있다.

도 9b는 상부 표면(402) 내에 형성된 홈들을 충전하는 중합체 층(404)으로 코팅된 기판(401)을 도시한다. 중합체 층(404)은 임의의 하나의 재료 또는 재료들의 혼합물을 포함할 수 있다. 일 태양에서, 중합체 층(404)은 포토레지스트(photoresist)를 포함한다. 대안적으로, 중합체 층(404)은 예컨대 통상적인 e-빔, 반응성 이온, 또는 유사한 에칭 공정에 의해 에칭가능한 중합체를 포함할 수 있다.

선택적으로, 이어서 중합체-코팅 기판이 도 9c에 예시된 바와 같이 평탄화될 수 있다. 이 단계에 있어서, 중합체/레지스트는 앞서 형성된 홈들 내에서 유지될 수 있는 반면, 나머지 중합체/레지스트는 상부 표면(402)으로부터 제거된다. 평탄화를 위한 적합한 통상적인 공정은 예를 들어 연마 폴리싱 및 화학적 기계적 폴리싱(CMP)을 포함한다. 평탄화는 완성된 도광체의 평활도를 증가시킬 수 있다. 평탄화는 일부 응용에서는 요구되지 않을 수 있다.

이어서, 중합체/레지스트(평탄화되었거나 그렇지 않음) 층(404)은 패턴화된 방사선에 노출될 수 있다. 대안적으로, 중합체 층(404)은 패턴화된 에치 장벽으로 덮일 수 있고, 중합체 층은 반응성 이온 에칭을 통해 패턴화될 수 있다. 도 9d는 에칭 단계가 완료된 후의 기판(401)을 도시한다.

일부 태양에서, 도광체의 주 표면과 교차하는 추출기 특징부의 에칭된 면은 큰 각도를 가질 수 있고, 주 표면에 거의 수직할 수 있다. 일부 태양에서 전기주조 후 공구 표면의 이형을 용이하게 하기 위해 법선으로부터의 작은 각도 편차가 이용될 수 있다. 에치 표면(407)은 또한 바람직하게는 평활하고, 실질적으로 광을 산란시키지 않는다. 일부 응용에서, 에칭된 면이 수직하거나 심지어 언더컷(undercut)되는 것이 바람직할 수 있다. 일부 태양에서, 에칭된 면은 주 표면으로부터 90 내지 60도의 각도를 가지며, 보다 바람직하게는 각도는 85 내지 60도이며, 가장 바람직하게는 각도는 주 표면으로부터 80 내지 70도이다.

이어서, 에칭된 기판은 금속 층으로 코팅될 수 있으며, 니켈, 구리와 같은 다른 금속, 또는 니켈 또는 구리를 함유하는 합금, 또는 둘 모두로 전기주조될 수 있다. 도 9e는 기판(401) 위에 형성된 완성된 전기주조품(408)을 도시한다.

도 9f는 기판으로부터의 분리 후의 전기주조품(408)을 도시한다. 기판(401) 또는 제1 전기주조품(408) 중 어느 하나는 주조 및 경호 또는 사출 성형 작업을 위한 추가 공구를 형성하기 위해 후속 전기주조 단계를 위해 사용될 수 있다.

따라서, 전술된 백라이트 시스템 및 그의 구성요소는 디스플레이를 위한 효율적인 조명 시스템을 제공한다. 함께 또는 별개로 취급되는 백라이트 시스템 및 그의 구성요소는 낮은 에텐듀 및 감소된 개수의 전체 구성요소를 갖는 고도로 효율적인 조명 시스템을 제공한다. 본 명세서에 기술된 백라이트 시스템에 있어서, 공기 공간에 대한 필요성이 제거될 수 있어서, 압력 감지 터치 디스플레이 및 햅틱에 대한 가능성을 제공한다. 백라이트 시스템은 통상적인 백라이트보다 얇게 될 수 있어서, 광학적 투명 접착제에 의한 라미네이션이 가능하다. 또한, 각도 향상 필름에 대한 필요성이 제거된다.

바람직한 실시예의 설명의 목적을 위해 구체적인 실시예들이 본 명세서에서 예시되고 기술되었지만, 매우 다양한 대안 또는 동등한 구현예가 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 도시되고 기술된 구체적인 실시예를 대체할 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 당업자는 본 발명이 매우 다양한 실시예로 구현될 수 있다는 것을 쉽게 인식할 것이다. 본 출원은 본 명세서에서 논의된 실시예의 임의의 개작 또는 변형을 포함하도록 의도된다.

Claims

광학 시스템으로서,
광을 방출하는 광원;
광을 실질적으로 시준하기 위한 시준 구조물(collimating structure);
제1 종횡비(aspect ratio)로 조명하는 면적을 갖는 실질적으로 시준된 광을 수광하고, 제1 종횡비보다 적어도 4배만큼 큰 제2 종횡비로 조명하는 면적을 갖는 광을 출력하는 컨버터 유닛(converter unit); 및
컨버터 유닛으로부터 광을 수광하기 위한 백라이트 도광체(backlight light guide)를 포함하는, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 광원은 하나 이상의 발광 다이오드(light emitting diode, LED)를 포함하는, 광학 시스템.
제2항에 있어서, 광원은 단일 LED를 포함하는, 광학 시스템.
제2항에 있어서, 광원은 원격 인광체 LED 패키지(remote phosphor LED package)를 포함하는, 광학 시스템.
제2항에 있어서, 광원은 다수의 LED를 포함하는, 광학 시스템.
제2항에 있어서, 광원은 적색, 녹색 및 청색 LED를 포함하는, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 시준 구조물은 복합 포물선형 집광기(compound parabolic concentrator)를 포함하는, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 시준 구조물은 다수의 렌즈 시스템을 포함하는, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 시준 구조물은 단일 렌즈 시스템을 포함하는, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 아나모픽 도광체(anamorphic light guide)와 백라이트 도광체 사이의 광학 광 경로 내에 배치되는 광학 도광체 커플러(optical light guide coupler)를 추가로 포함하는, 광학 시스템.
제10항에 있어서, 백라이트 도광체의 입력 부분의 면적은 광학 도광체 커플러의 출력부에 정합되어, 시스템의 에텐듀(etendue)를 유지하는, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 광원은 청색 GaN LED 및 YAG 인광체를 포함하는, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 광원은 청색 LED, 녹색 방출 인광체 및 적색 방출 LED를 포함하는, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 컨버터 유닛은 아나모픽 도광체를 포함하는, 광학 시스템.
제14항에 있어서, 아나모픽 도광체와 백라이트 도광체 사이에 배치되는 광학 도광체 커플러를 추가로 포함하는, 시스템.
제14항에 있어서, 백라이트 도광체의 입사 표면의 면적은 광학 도광체 커플러의 출력 표면의 면적에 정합되는, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 백라이트 도광체의 중심 층의 두께는 시준 구조물의 높이의 약 ½ 이하인, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 백라이트 도광체의 중심 층의 두께는 광원의 높이보다 대략 한 자릿수만큼 작은, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 광원은 LED를 포함하고, LED에 의해 방출된 광은 LED에 의해 방출된 광의 25% 이상이 15도 이하의 반각(half angle)을 가진 원뿔 내에 포함되도록 시준 구조물에 의해 시준되는, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 백라이트 도광체와 디스플레이 사이에 배치되는 공기 클래딩 층(air cladding layer)이 없는, 광학 시스템.
제16항에 있어서, 광학 도광체 커플러는 테이퍼 형성된 프로파일(tapered profile)을 갖는, 광학 시스템.
제21항에 있어서, 테이퍼는 적어도 하나의 축에서 비-선형인, 광학 시스템.