KR20150012091A - 광학 렌즈 모듈 및 백라이트 유닛 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액정 표시 장치의 액정 표시 패널에 광을 제공하는 백라이트 유닛에 관련된다. 본 발명의 백라이트 유닛은, 점 광원 위에 위치하도록 설치되어 상기 점 광원으로부터 출력되는 광을 굴절시키는 광학 렌즈 및 상기 광학 렌즈 바로 위에 위치하며 광의 편광 성분들을 분리하여 한 편광 성분은 투과시키고 다른 한 편광 성분은 반사시킬 수 있는 반사 편광층을 포함하는 광학 렌즈 모듈을 포함한다.

Description

광학 렌즈 모듈 및 백라이트 유닛{AN OPTICAL LENS MODULE AND A BACKLIGHT UNIT}

본 발명은 액정 표시 장치의 액정 표시 패널에 광을 제공하는 백라이트 유닛에 관한 것이다.

액정 표시 장치(LCD)는 현재 가장 널리 사용되고 있는 평판 표시 장치 중 하나로서, 일반적으로 공통 전극, 컬러 필터 등이 형성되어 있는 상부 기판과 박막 트랜지스터, 화소 전극 등이 형성되어 있는 하부 기판 사이에 액정 물질을 채우고 화소 전극과 공통 전극에 서로 다른 전위를 인가하여 전계를 형성함으로써 액정 분자들의 배열을 변경시키고, 이를 통해 투광률을 조절하여 화상을 표현하는 장치이다.

액정 표시 장치의 액정 표시 패널은 그 자체가 비발광성인 수광 소자이므로, 일반적으로 액정 표시 패널 배면에서 액정 표시 패널에 광을 제공하기 위한 백라이트 유닛을 구비한다.

백라이트 유닛에는 광원으로 냉음극 형광램프(CCFL)와 발광 다이오드(LED)가 일반적으로 사용된다. 종래에는 전력 소모가 적고 밝은 백색광을 제공하는 장점이 있는 CCFL이 주로 사용되었으나, 최근에는 CCFL에 비해 색재현성이 우수하고 수명이 매우 길며 소비 전력이 작은 LED가 점점 더 사용되고 있는 추세이다.

백라이트 유닛은 액정 표시 패널에 대한 광원의 위치에 따라서 에지형(edge type)과 직하형(direct type)으로 나뉜다. 에지형은 액정 표시 패널의 측면에 광원이 위치하여 측면에서 도광판을 통해 광을 제공하는 방식이며, 직하형은 액정 표시 패널의 배면에 광원이 위치하여 액정 표시 패널에 광을 제공하는 방식이다. 이 중에서 직하형 백라이트 유닛은 광 이용률이 높고 취급이 간단하며 표시 패널의 크기에 제한이 없고 상대적으로 저렴하다는 장점이 있다.

직하형 백라이트 유닛의 광원으로 점 광원인 LED가 사용되는 경우, 직진성이 강한 LED 광이 발광면 위쪽에 집중되지 않고 액정 표시 패널 전체에 걸쳐 고르게 분포하도록 하기 위해, LED 패키지의 발광면 위에 광학 렌즈를 설치하여 LED 광을 굴절시킨다. 통상적으로, 광학 렌즈 위로는 광학 렌즈를 통과한 광을 보다 균일한 밝기의 면 광원으로 만드는 확산 시트와, 측광을 정면광으로 바꾸고 방사하는 광을 집광시키는 프리즘 시트가 위치한다.

액정 표시 장치의 광 효율을 향상시키기 위해, 액정 표시 패널의 편광판에 의해 흡수되는 광 성분을 편광 분리 반사를 통해 편광판을 투과하는 광으로 전환하는 반사 편광 시트("반사형 편광 필름"으로도 불림)가 백라이트 유닛의 최상층에 위치할 수 있다.

본 발명의 목적은 광 효율을 향상시킬 수 있는 광학 렌즈 모듈 및 백라이트 유닛을 제공하는 것이다.

본 발명은 또한 광손실을 줄이면서도 제조 비용과 제품의 무게를 줄일 수 있는 광학 구조 및 이를 포함하는 백라이트 유닛을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 렌즈 모듈은, 점 광원 위에 위치하도록 설치되어 상기 점 광원으로부터 출력되는 광을 굴절시키는 광학 렌즈; 및 상기 광학 렌즈 바로 위에 위치하며 광의 편광 성분들을 분리하여 한 편광 성분은 투과시키고 다른 한 편광 성분은 반사시킬 수 있는 반사 편광층;을 포함한다.

상기 반사 편광층은 상기 광학 렌즈의 상부 표면에 직접 형성될 수 있다.

상기 반사 편광층은 상기 광학 렌즈의 상부 표면에 접합될 수 있다.

상기 반사 편광층은 상기 광학 렌즈의 상부 표면으로부터 이격되게 부착될 수 있다.

상기 반사 편광층은 상기 광학 렌즈의 적어도 상부 표면 전체를 커버하도록 위치할 수 있다.

상기 반사 편광층은 굴절률 이방성을 갖는 다층 광학 필름 구조를 가질 수 있다.

상기 반사 편광층은 와이어 그리드(wire grid) 구조를 가질 수 있다.

상기 반사 편광층은 방향에 따라 굴절률이 다른 콜레스테릭(cholesteric) 액정 물질이 배향을 통해 정렬된 구조를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 직하형 백라이트 유닛은, 점 광원; 상기 점 광원 위에 위치하며 상기 점 광원으로부터 출력된 광을 굴절시키는 광학 렌즈; 상기 광학 렌즈 바로 위에 위치하며 광의 편광 성분들을 분리하여 한 편광 성분은 투과시키고 다른 한 편광 성분은 반사시킬 수 있는 반사 편광층; 및 상기 광학 렌즈 아래에 위치하며 상기 반사 편광층에 의해 반사된 편광 성분을 반사시키는 반사층;을 포함한다.

상기 반사 편광층은 상기 광학 렌즈의 상부 표면에 직접 형성될 수 있다.

상기 반사 편광층은 상기 광학 렌즈의 상부 표면에 접합될 수 있다.

상기 반사 편광층은 상기 광학 렌즈의 상부 표면으로부터 이격되게 부착될 수 있다.

상기 반사 편광층은 상기 광학 렌즈의 적어도 상부 표면 전체를 커버하도록 위치할 수 있다.

상기 반사층은 고반사율을 가질 수 있고, 바람직하게는 반사율이 95% 이상일 수 있다.

상기 반사층은 상기 점 광원이 실장되는 기판의 상면에 접합될 수 있다.

상기 반사층은 확산 반사 시트 위에 형성될 수 있다.

상기 반사층은 상기 광학 렌즈의 면적과 동일하거나 그보다 큰 면적을 가질 수 있다.

상기 반사 편광층 위로 하나 이상의 등방성 광학 시트를 포함할 수 있다.

상기 등방성 광학 시트는 등방성 확산 시트 및 등방성 프리즘 시트를 포함할 수 있다.

상기 광학 시트는 x축, y축 및 z축 각 방향의 굴절률의 차이가 0.1 이하인 등방성 물질로 이루어질 수 있다.

상기 점 광원은 하나 이상의 발광 다이오드를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 광학 렌즈 모듈 및 백라이트 유닛은 액정 표시 장치의 광 효율을 극대화시키면서도, 광학 렌즈에만 소규모의 반사 편광층이 적용되므로 제조 비용과 제품의 무게를 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 백라이트 유닛을 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 발광 다이오드 패키지가 실장된 기판에 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 렌즈 모듈이 설치된 상태를 나타낸 단면도이다.
도 3은 발광 다이오드 패키지가 실장된 기판에 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 광학 렌즈 모듈이 설치된 상태를 나타낸 단면도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 광학 렌즈 모듈에 적용될 수 있는 반사 편광층 구조의 예들을 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8은 고반사율 반사층이 적용되는 위치를 예시하는 도면이다.
도 9는 반사율이 90%인 확산 반사와 100%인 경면 반사의 BaSO4 반사율에 대한 상대 반사율을 나타낸 그래프이다.
도 10은 투과율 시뮬레이션을 위한 백라이트 유닛과 액정 표시 패널과 측정 장치의 배치도이다.

첨부한 도면을 참고로 하여, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 명세서에서 사용되는 용어 "층"이라 함은 일정한 폭과 두께가 있는 막, 시트, 판 등을 모두 포함할 수 있다.

이제 본 발명의 실시예에 따른 백라이트 유닛 및 이에 적용될 수 있는 광학 렌즈 모듈에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 백라이트 유닛을 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다. 본 실시예에서 백라이트 유닛(10)은 프레임(110) 내에 광원부 및 다수의 광학적 소자 및 전기적 소자가 수납되어 이루어질 수 있다.

구체적으로, 상기 광원부는 바람직하게는 스트립형 인쇄회로기판인 기판(120)에 복수의 발광 다이오드 패키지(광학 렌즈(150)에 의해 가려져 있어 도시되지 않음)가 소정 간격으로 실장되어 있는 하나 이상의 광원체를 포함할 수 있다. 상기 광원체 및 상기 발광 다이오드 패키지의 개수는 액정 표시 패널의 크기, 발광 다이오드의 출력, 액정 표시 장치의 요구되는 휘도 등에 따라 변할 수 있다.

상기 발광 다이오드 패키지로는 백색광을 내는 백색 발광 다이오드 패키지가 사용되거나, 적색, 녹색 및 청색 발광 다이오드 패키지가 혼합 배치되어 사용될 수 있다. 상기 발광 다이오드 패키지는 발광면의 크기가 큰 고광량 또는 초고광량 발광 다이오드 패키지일 수 있다. 상기 발광다이오드 패키지는 예컨대 녹색과 마젠타색(magenta)을 발광하는 고색 재현 발광 다이오드 패키지일 수 있다. 하나의 발광 다이오드 패키지는 하나 또는 그 이상의 발광 다이오드 칩을 포함할 수 있다.

상기 기판(120) 위에는 반사층(130)이 위치하고, 상기 발광 다이오드 패키지 위에는 광학 렌즈(150)가 위치한다. 위쪽에서 볼 때, 상기 기판(120)은 상기 반사층(130) 아래 가려져 있기 때문에, 도 1에서 기판(120)을 점선으로 도시하였다.

상기 반사층(130)은 상기 발광 다이오드 패키지에서 나온 광, 상기 광학 렌즈(150)나 다른 구조체에 의해 반사된 광을 반사시켜 최종적으로 액정 표시 패널 쪽으로 향하게 함으로써 광 효율을 증가시킬 수 있다. 발광 다이오드 패키지가 기판(120)에 실장될 수 있도록 상기 반사층(130)에는 발광 다이오드 패키지가 위치할 자리에 구멍이 뚫려 있을 수 있다. 상기 반사층(130)은 하나 이상의 반사층으로 이루어질 수 있다. 예컨대, 상기 반사층(130)은 백색 반사 필름 같은 일반 반사층 및/또는 은반사 필름 같은 고반사율 반사층으로 이루어질 수 있다.

상기 광학 렌즈(150)는 점 광원인 발광 다이오드로부터 나오는 광이 발광 다이오드 패키지의 발광면 위쪽에 집중되지 않고 액정 표시 패널 전체에 걸쳐 고르게 분포할 수 있도록 하기 위해 설치된다. 휘도 균일도를 확보하기 위해 적용되는 상기 광학 렌즈(150)는 광 지향각 렌즈로도 불린다. 상기 광학 렌즈(150)는 발광 다이오드 패키지의 발광면 위에 설치되어 발광 다이오드의 광을 굴절시킨다. 상기 광학 렌즈(150)는 발광 다이오드 패키지의 개수에 대응하는 개수로 상기 발광 다이오드 패키지를 개별적으로 커버하도록 상기 기판(120)에 실장될 수 있다.

상기 광학 렌즈(150)는 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 실리콘 같은 투명한 재질로 형성될 수 있다.

상기 광학 렌즈(150) 바로 위에는 광의 편광 성분들을 분리하여 투과 및 반사시킬 수 있는 반사 편광층(도시되지 않음)이 위치하는데, 반사 편광층에 대해서는 나중에 상세하게 설명한다.

상기 반사 편광층 위쪽으로는 복수의 광학 시트(170)가 위치한다. 이러한 광학 시트는 확산 시트(171), 프리즘 시트(172) 및 보호 시트(173)를 포함할 수 있다.

상기 확산 시트(171)는 상기 반사 편광층을 통과한 광을 산란시켜 보다 균일한 밝기의 면 광원으로 만들기 위해 사용된다. 상기 프리즘 시트(172)는 상기 확산 시트(171)에 의해 고루 확산된 광의 진행 방향을 조절하여 집광시킴으로써 휘도를 높이기 위해 사용된다. 상기 보호 시트(173)는 프리즘 시트(172)의 프리즘을 스크래치(scratch) 등으로부터 보호하기 위해 설치될 수 있다. 상기 보호 시트(173)는 프리즘 시트(172)의 2매 사용 시 나타날 수 있는 모아레 현상을 방지하는 역할을 할 수 있고, 광을 확산시켜 프리즘 시트(172)에 의해 좁아진 시야각을 넓혀 주는 기능도 수행할 수 있다.

상기 광학 시트(170)는 전술한 개개의 시트(171, 172, 173) 중 어떤 시트는 포함하지 않을 수 있고 어떤 시트는 복수 개 포함할 수 있으며, 그 밖의 특성을 갖는 광학적 시트를 더 포함할 수도 있다. 그러나 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 광학 시트(170)를 구성하는 개개의 시트는 모두 등방성이어야 하고, 상기 광학 시트(170)는 반사 편광 시트를 포함하지 않는다.

본 발명에 있어서, 용어 "등방성"이라 함은 빛이 물질을 통과할 때 방향에 상관없이 굴절률이 일정한 것 즉, "광학적 등방성"을 의미한다. 다만, 굴절률이 완전이 일정한 경우뿐만 아니라 실질적으로 일정한 경우를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예컨대, 상기 등방성 광학 시트는 시트는 x축, y축 및 z축 각 방향의 굴절률의 차이가 0.1 이하인 등방성 물질로 이루어질 수 있다.

상기 광학 시트(170)가 등방성이어야 하는 이유는 상기 반사 편광층을 통과하여 나온 편광 성분이 상기 광학 시트(170)를 통과하면서 파괴되지 않고 그 상측에 위치하는 액정 표시 패널에 도달할 수 있도록 하기 위함이다. 이러한 등방성 광학 시트는 예컨대 폴리카보네이트(PC), 아크릴계 수지 같은 투광성 플라스틱 재료를 압출 또는 사출 성형하여 형성될 수 있지만, 그 재료나 형성 방법이 이에 제한되는 것은 아니다.

도 2는 발광 다이오드 패키지가 실장된 기판에 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 렌즈 모듈이 설치된 상태를 나타낸 단면도이다. 즉, 도 1에서 하나의 광학 렌즈(150)와 직접 연계된 부분만을 잘라내어 도시하였다. 본 발명에서, 광학 렌즈(150) 위에 반사 편광층(160)이 위치한 상태가 "광학 렌즈 모듈"이라 칭해질 수 있다.

기판(120) 위에는 반사층(130)이 위치하고, 발광 다이오드 패키지(140)가 실장되어 있다. 상기 발광 다이오드 패키지(140) 위쪽으로 광학 렌즈(150)가 설치되는데, 상기 광학 렌즈(150)는 예컨대 렌즈의 하면으로부터 하향 연장하는 복수의 다리를 통해 상기 기판(120)으로부터 이격되게, 그리고 옵션으로 상기 발광 다이오드 패키지(140)의 발광면으로부터 이격되게 상기 기판(120)에 고정될 수 있다.

상기 광학 렌즈(150)의 상부 표면에는 광의 편광 성분들을 분리하여 투과 및 반사시킬 수 있는 반사 편광층(160)이 위치한다. 예컨대, 상기 반사 편광층(160)은 P파 편광 성분은 투과시키고 S파 편광 성분은 반사시킬 수 있다. 반대로 상기 반사 편광층(160)은 S파 편광 성분은 투과시키고 P파 편광 성분은 반사시킬 수 있다. 여기서 편광 성분의 투과 또는 반사는 반드시 해당 편광 성분의 완전 투과 또는 완전 반사를 의미하는 것은 아니며, 반사 편광층의 성능에 따라 어느 정도의 광학적 손실이 존재할 수 있음을 통상의 기술자는 이해할 것이다.

상기 반사 편광층(160)이 P파 편광 성분은 투과시키고 S파 편광 성분은 반사시키는 특성을 가진 경우, 발광 다이오드 광원으로부터 나와 광학 렌즈(150)를 통과한 광의 P파 편광 성분(P1)은 상기 반사 편광층(160)을 통과하여 바람직하게는 그 상측에 위치하는 광학 시트(170) 또는 액정 표시 패널 쪽으로 진행한다. 그러나 상기 광학 렌즈(150)를 통과한 광의 S파 편광 성분(S1)은 상기 반사 편광층(160)에 의해 반사된다.

상기 반사 편광층(160)에 의해 반사된 광 즉, S파 편광 성분(S1)은 광학 렌즈(150)의 하면 아래로 기판(120) 상면에 위치한 반사층(130)에 의해 반사되어 상기 반사 편광층(160)으로 향하게 되는데, S파 편광 성분(S1)이 상기 반사층(130)에 의해 반사될 때 편광 방향이 무작위화된 상태로 반사된다. 따라서 상기 광학 렌즈(150)를 통과하여 상기 반사 편광층(160)으로 입사되는 반사광은 P파 편광 성분(P2)과 S파 편광 성분(S2)을 모두 포함하고 있고, 이들 중 P파 편광 성분(P2)은 상기 반사 편광층(160)을 투과하지만 S파 편광 성분(S2)은 상기 반사 편광층(160)에 의해 반사되어 상기 반사층(130) 쪽으로 진행하게 된다.

상기 반사 편광층(160)에 의해 반사된 S파 편광 성분(S2)이 반사층(130)에 의해 반사되면서 편광 방향이 무작위화되고, 그러한 반사광이 반사 편광층(160)에 의해 P파 편광 성분(P3)만이 투과되고 S파 편광 성분(S3)은 다시 반사된다.

이와 같이, 상기 반사 편광층(160)의 P파 편광 성분의 선택적 투과와 S파 편광 성분의 선택적 반사, 그리고 상기 반사층(130)에 의한 S파 편광 성분의 편광 방향 무작위화 반사가 반복되면서, 상기 반사 편광층(160)을 투과하여 액정 표시 패널 쪽으로 전달되는 P파 성분이 증가하게 된다.

따라서 액정 표시 패널의 편광판에 의해 흡수되어 광손실로 이어지는 S파 편광 성분(S1, S2, S3, ...)이 P파 편광 성분(P2, P3, P4, ...)으로 전환됨으로써 광 이용 효율을 현저하게 향상시킬 수 있고, 이것은 결국 액정 표시 장치의 소비 전력 감소로 이어진다.

상기 반사 편광층(160)으로부터 나오는 광은 실질적으로 하나의 편광 성분만을 포함하기 때문에, 전술한 바와 같이, 상기 반사 편광층(160) 위에 위치할 수 있는 광학 시트(170)는 이러한 편광 성분의 편광 상태를 유지시킬 수 있도록 광학적 등방성인 것이 바람직하다.

상기 반사 편광층(160)은 상기 광학 렌즈(150)의 상부 표면에 바로 형성되거나, 별도의 시트 형태로 제작되어 상기 광학 렌즈(150)의 상부 표면에 접합 또는 부착될 수 있다. 상기 반사 편광층(160)은 광학 렌즈(150)의 상부 표면의 형상에 부합하는 형상으로 형성될 수 있고, 따라서 곡면을 가질 수 있다. 상기 반사 편광층(160)은 상기 광학 렌즈(150)에서 광이 굴절되어 나가는 면인 상부 표면을 모두 커버하도록 위치하는 것이 바람직하다.

상기 반사 편광층(160)은 전체가 상기 광학 렌즈(150)의 상부 표면에 밀착되거나, 일부는 밀착되고 일부는 들떠 있는 상태로 위치할 수 있다. 후자는 특히 광학 렌즈(150)가 상부 표면의 일부에서 특히, 중심부에서 오목하게 패인 형상을 가진 경우 그러한 형상에 대응하여 반사 편광층(160)을 형성하기가 곤란할 수 있기 때문이다.

도 3은 LED 패키지가 실장된 기판에 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 광학 렌즈 모듈이 설치된 상태를 나타낸 단면도이다. 도 2의 실시예와 마찬가지로, 기판(120)의 상면에 반사층(130)이 위치하고, 발광 다이오드 패키지(140)가 실장되어 있으며, 상기 발광 다이오드 패키지(140) 위에는 광학 렌즈(150)가 설치되어 있다.

반사 편광층(160)이 광학 렌즈(150)의 상부 표면의 형상에 대응하는 형상으로 형성된 도 2의 실시예와 달리, 도 3의 실시예서는 실질적이 평평한 반사 편광층(160)이 광학 렌즈(150)의 상부 표면에 얹혀 있듯이 접합되어 있다. 상기 반사 편광층(160)은 상기 광학 렌즈(150)의 상부 표면의 일부에 직접 부착되거나, 도시되지 않았지만 예컨대 상기 광학 렌즈(150)로부터 연장하는 지지 수단에 의해 부착 또는 조립될 수 있다. 후자의 경우, 상기 반사 편광층(160)은 상기 광학 렌즈(150)의 상부 표면과 만나거나 상기 상부 표면으로부터 이격되게 부착 또는 조립될 수 있다.

상기 반사 편광층(160)은 상기 광학 렌즈(150)의 상부 표면을 모두 커버하도록 위치하는 것이 바람직하다. 상기 광학 렌즈(150)의 수평 절단면이 실질적으로 원형인 경우, 상기 반사 편광층(160)은 그것에 대응하는 원형인 것이 바람직하고 상기 광학 렌즈(150)의 최대 수평 절단면의 반경보다 큰 반경을 가지는 것인 광학 렌즈(150)로부터 굴절되어 나가는 광을 모두 수용하는데 바람직하다.

도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 광학 렌즈 모듈에 적용될 수 있는 반사 편광층 구조의 예들을 나타낸 도면이다.

먼저 도 4에는 굴절률 이방성을 갖는 다층 광학 필름이 도시된다. 도면에서 A층과 B층은 x축 방향으로는 굴절률이 동일하지만 y축 방향으로는 굴절률이 다르다. 상기 A층은 coPEN(나프탈렌 디카르복실산을 기재로 하는 공중합체 또는 배합물)으로 이루어질 수 있고 상기 B층은 PEN(폴리에틸렌 나프탈레이트)으로 이루어질 수 있다. 이러한 A층과 B층이 수 십층 내지 수 백층 적층되어 하나의 다층 광학 필름을 형성할 경우, 예컨대 P형 편광 성분은 상기 다층 광학 필름을 투과하지만 S형 편광 성분은 반사될 수 있다. 이러한 다층 광학 필름의 예는 3M 사의 제품명 DBEF(dual brightness enhancement film)로서 잘 알려져 있다. 본 발명의 실시예에 따라서, 상기 다층 광학 필름은 광학 렌즈의 상부 표면에 접착되거나 기구적으로 조립될 수 있다.

도 5에는 와이어 그리드 필름의 구조가 도시된다. 상기 와이어 그리드 필름은 피치가 약 200 nm 이하, 좀더 바람직하게는 약 150 nm 이하인 격벽 구조를 글라스 같은 투명 기판 위에 한 방향으로 배열시키고 격벽 위에 반사체를 도포한 구조를 가질 수 있다. 상기 격벽 층에 광(Li)이 입사될 경우, 격벽에 평행한 편광 성분(S-Pol)은 반사되고 격벽에 수직인 편광 성분(P-Pol)은 투과된다. 따라서 전술한 다층 광학 필름과 마찬가지로 광의 편광 성분들을 선택적으로 투과 및 반사시킬 수 있다. 상기 와이어 그리드 구조를 가진 필름은 본 발명의 실시예에 따라 광학 렌즈의 상부 표면에 접착되거나 조립될 수 있다.

도 6에는 콜레스테릭 액정 물질이 배향된 구조가 도시된다. 상기 구조는 방향에 따라 굴절률이 다른 콜레스테릭 액정 물질을 배향을 통해 정렬하여 투명 기재에 코팅하여 액정층을 형성하고 상기 액정층 위에 원 편광을 선 편광으로 변환시키는 위상차 보상층을 포함할 수 있다. 콜레스테릭 액정 물질은 광학 렌즈의 표면에 직접 코팅하거나, 도 6에 도시된 바와 같이 시트 형태로 만든 후 광학 렌즈에 접착 또는 조립될 수 있다.

도 7 및 도 8은 고반사율 반사층이 적용되는 위치를 예시하는 도면이다. 광학 렌즈(150) 아래에는 반사 편광층(160)에 반사된 광을 반사시키는 고반사율의 반사층(132)이 위치하는 것이 바람직하다. 반사층의 반사율이 높을수록 반사 편광층(160)에 의해 반사된 편광 성분의 재활용이 극대화될 수 있기 때문이다. 상기 고반사율은 반사율이 95% 이상인 경우를 의미할 수 있다.

상기 고반사율 반사층(132)은 예컨대 은과 같이 반사성이 높은 금속층을 증착하여 형성될 수 있고, 은반사 필름으로 불릴 수 있다. 상기 고반사율 반사층(132)은 반사층(130)의 전면에 형성될 수 있지만, 제조 비용을 고려해 볼 때 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 광학 렌즈(150)의 바로 아래에만 형성되는 것이 바람직하다. 상기 고반사율 반사층(132)은 광학 렌즈(150)의 최대 수평 단면과 동일하거나 그보다 큰 영역을 차지하도록 형성되는 것이 바람직하다.

도 7 및 도 8에서 우측 도면은 발광 다이오드 패키지(140)와 원형인 광학 렌즈(150)가 설치되기 전에 상측에서 바라본 것으로서, 고반사율 반사층(132)의 중심의 사각형 부분은 발광 다이오드 패키지(140)가 실장될 기판의 부분이고, 상기 고반사율 반사층(132) 위로 광학 렌즈(150)가 실장된다.

상기 고반사율 반사층(132)은 도 7에 도시된 바와 같이 일반 반사층(131) 상에 형성되거나, 도 8에 도시된 바와 같이, 기판(120) 위에 바로 형성될 수 있다. 후자의 경우에는 고반사율 반사층(132)이 형성되는 영역에는 일반 반사층(131)이 존재하지 않을 것이다. 상기 일반 반사층(131)은 통상적인 백라이트 유닛에서 백라이트의 실질적으로 전체 면에 걸쳐 배치되어 배면 방향으로 향하는 광을 전면 방향으로 반사시키면서 디스플레이 화면의 외관을 균일하게 구현하는 역할을 하는 반사층이다. 상기 일반 반사층(131)은 흔히 백색 반사 필름으로 불리고, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP) 같은 재료로 형성될 수 있다.

도 9는 반사율이 90%인 확산 반사와 100%인 경면 반사의 BaSO4 반사율에 대한 상대 반사율을 나타낸 그래프이다. 상기 확산 반사는 일반 반사층에 의한 반사에 대응할 수 있고 상기 경면 반사는 고반사율 반사층에 의한 반사에 대응할 수 있다. 두 경우 모두 황산바륨(BaSO4) 기준에 비해서는 높은 반사율을 나타낸다.

광학 렌즈의 상부 표면에 반사 편광층을 적용하고 광학 렌즈의 하면 아래에 상기 확산 반사와 경면 반사를 각각 적용하여 시뮬레이션한 결과, 반사 편광층을 투과하여 나오는 총광량은 전자의 경우 약 3670 lm으로 후자의 경우 3798 lm으로 측정되었다. 이것은 광학 렌즈 아래에 고반사율 반사층을 적용할 경우 휘도가 증가함을 의미한다.

도 10은 투과율 시뮬레이션을 위한 백라이트 유닛과 액정 표시 패널의 배치도이다. 도 10을 참고하면, 시뮬레이션은 광학 렌즈(150) 아래에는 고반사율 반사층(132)을 적용하고 상부 표면에는 반사 편광층(160)을 적용하고, 그 위로 확산 시트(171)와 프리즘 시트(172)를 적용하고, 맨 위에 액정 표시 패널을 배치할 경우, 액정 표시 패널을 통과하여 나온 광을 투과율 측정 장치(30)에 측정하는 것이다.

다양한 실시예 및 비교예를 위해 일부 층(또는 시트)는 생략되거나 그 속성을 달리하면서 투과율을 시뮬레이션 하였다. 편광 효율은 반사 편광층의 투과축과 액정 표시 패널에 부착되는 편광판의 투과축이 평행하게 배치된 경우에 투과되는 투과율(T) 및 두 투과축이 수직인 경우의 투과율(T)을 구한 후 아래 수식과 같이 계산하여 산출되었고, 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

Figure pat00001

광학적 배치 편광 효율 실시예 1 고반사율 반사층 + 광학 렌즈 + 반사 편광층 87% 실시예 2 고반사율 반사층 + 광학 렌즈 + 반사 편광층 + 등방성 패턴 확산 시트 84% 실시예 3 고반사율 반사층 + 광학 렌즈 + 반사 편광층 + 등방성 패턴 확산 시트 + 등방성 프리즘 시트 78% 비교예 1 고반사율 반사층 + 광학 렌즈 (반사 편광층 없음) 26% 비교예 2 고반사율 반사층 + 광학 렌즈 + 반사 편광층 + 비드(bead) 확산 시트 26% 비교예 3 고반사율 반사층 + 광학 렌즈 + 반사 편광층 + 등방성 확산 시트 + 이방성 프리즘 시트 9%

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 광학 렌즈의 상하로 반사 편광층과 고반사율 반사층을 적용할 경우 편광 효율이 높게 나타났고, 그 위에 등방성 광학 시트를 적용할 경우 약간의 효율 감소가 있었다. 여기서 등방성 광학 시트로는 폴리카보네이트(PC)를 압출한 시트가 적용되었으며, 완전한 등방성은 아니기 때문에 효율 감소가 있는 것으로 생각된다. 그러나 반사 편광층 위에 이방성 광학 시트를 적용하거나 반사 편광층 자체를 적용하지 않을 경우에는 편광 효율이 매우 저조함을 알 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 통상의 기술자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

10: 백라이트 유닛 110: 프레임
120: 기판 130: 반사층
131: 일반 반사층 132: 고반사율 반사층
132: 고반사율의 반사층 140: 발광 다이오드 패키지
150: 광학 렌즈 160: 반사 편광층
170: 광학 시트 171: 확산 시트
172: 프리즘 시트 173: 보호 시트
30: 투과율 측정 장치

Claims (22)

  1. 점 광원 위에 위치하도록 설치되어, 상기 점 광원으로부터 출력되는 광을 굴절시키는 광학 렌즈; 및
    상기 광학 렌즈 바로 위에 위치하며, 광의 편광 성분들을 분리하여 한 편광 성분은 투과시키고 다른 한 편광 성분은 반사시킬 수 있는 반사 편광층;
    을 포함하는 광학 렌즈 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 반사 편광층은 상기 광학 렌즈의 상부 표면에 직접 형성된 광학 렌즈 모듈.
  3. 제1항에서,
    상기 반사 편광층은 상기 광학 렌즈의 상부 표면에 접합된 광학 렌즈 모듈.
  4. 제1항에서,
    상기 반사 편광층은 상기 광학 렌즈의 상부 표면으로부터 이격되게 부착된 광학 렌즈 모듈.
  5. 제1항에서,
    상기 반사 편광층은 상기 광학 렌즈의 적어도 상부 표면 전체를 커버하도록 위치하는 광학 렌즈 모듈.
  6. 제1항에서,
    상기 반사 편광층은 굴절률 이방성을 갖는 다층 광학 필름 구조를 가진 광학 렌즈 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 반사 편광층은 와이어 그리드(wire grid) 구조를 가진 광학 렌즈 모듈.
  8. 제1항에서,
    상기 반사 편광층은 방향에 따라 굴절률이 다른 콜레스테릭 액정 물질이 배향을 통해 정렬된 구조를 가진 광학 렌즈 모듈.
  9. 점 광원;
    상기 점 광원 위에 위치하며, 상기 점 광원으로부터 출력된 광을 굴절시키는 광학 렌즈;
    상기 광학 렌즈 바로 위에 위치하며, 광의 편광 성분들을 분리하여 한 편광 성분은 투과시키고 다른 한 편광 성분은 반사시킬 수 있는 반사 편광층; 및
    상기 광학 렌즈 아래에 위치하며, 상기 반사 편광층에 의해 반사된 편광 성분을 반사시키는 반사층;
    을 포함하는 직하형 백라이트 유닛.
  10. 제9항에서,
    상기 반사 편광층은 상기 광학 렌즈의 상부 표면에 직접 형성된 직하형 백라이트 유닛.
  11. 제9항에서,
    상기 반사 편광층은 상기 광학 렌즈의 상부 표면에 접합된 직하형 백라이트 유닛.
  12. 제9항에서,
    상기 반사 편광층은 상기 광학 렌즈의 상부 표면으로부터 이격되게 부착된 직하형 백라이트 유닛.
  13. 제9항에서,
    상기 반사 편광층은 상기 광학 렌즈의 적어도 상부 표면 전체를 커버하도록 위치하는 직하형 백라이트 유닛.
  14. 제9항에서,
    상기 반사층은 고반사율을 가진 직하형 백라이트 유닛.
  15. 제14항에서,
    상기 반사층은 반사율이 95% 이상인 직하형 백라이트 유닛.
  16. 제14항에서,
    상기 반사층은 상기 점 광원이 실장되는 기판의 상면에 접합된 직하형 백라이트 유닛.
  17. 제14항에서,
    상기 반사층은 확산 반사 시트 위에 형성된 직하형 백라이트 유닛.
  18. 제14항에서,
    상기 반사층은 상기 광학 렌즈의 면적과 동일하거나 그보다 큰 면적을 가진 직하형 백라이트 유닛.
  19. 제9항에서,
    상기 반사 편광층 위로 하나 이상의 등방성 광학 시트를 포함하는 직하형 백라이트 유닛.
  20. 제19항에서,
    상기 등방성 광학 시트는 등방성 확산 시트 및 등방성 프리즘 시트를 포함하는 직하형 백라이트 유닛.
  21. 제20항에서,
    상기 광학 시트는 x축, y축 및 z축 각 방향의 굴절률의 차이가 0.1 이하인 등방성 물질로 이루어진 직하형 백라이트 유닛.
  22. 제9항에서,
    상기 점 광원은 하나 이상의 발광 다이오드를 포함하는 직하형 백라이트 유닛.
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