KR20160066398A - 프리즘시트 및 이를 구비한 액정표시장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 프리즘시트 및 이를 구비한 액정표시장치는 프리즘 패턴의 하면에 오목한 곡률을 형성하여 최소각도 이내로 입사하는 광의 굴절각을 유효각도로 변경함으로써 프리즘시트의 광효율을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명은 2n(n은 자연수)번째 프리즘 패턴의 하면을 홈 내에 형성하여 최대각도를 초과하는 입사광을 인접 프리즘 패턴 쪽으로 굴절시킴으로써 프리즘시트의 광효율을 향상시키는 것을 특징으로 한다.

Description

프리즘시트 및 이를 구비한 액정표시장치{PRISM SHEET AND LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE HAVING THE SAME}
본 발명은 프리즘시트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광효율을 향상시킨 프리즘시트 및 이를 구비한 액정표시장치에 관한 것이다.
최근의 정보화 사회에서 표시장치는 시각정보 전달매체로서 그 중요성이 더 한층 강조되고 있으며, 향후 주요한 위치를 점하기 위해서는 저소비전력화, 박형화, 경량화, 고화질화 등의 요건을 충족시켜야 한다.
표시장치는 자체가 빛을 내는 브라운관(Cathode Ray Tube; CRT), 전계발광소자(Electro Luminescence; EL), 발광소자(Light Emitting Diode; LED), 진공형광표시장치(Vacuum Fluorescent Display; VFD), 전계방출디스플레이(Field Emission Display; FED), 플라즈마디스플레이패널(Plasma Display Panel; PDP) 등의 발광형과 액정표시장치(Liquid Crystal Display; LCD)와 같이 자체가 빛을 내지 못하는 비발광형으로 나눌 수 있다.
액정표시장치는 액정의 광학적 이방성을 이용하여 이미지를 표현하는 장치로서, 기존의 브라운관에 비해 시인성이 우수하고 평균소비전력도 같은 화면크기의 브라운관에 비해 작을 뿐만 아니라 방열량도 작기 때문에 표시장치로서 각광받고 있다.
이하, 일반적인 액정표시장치에 대해서 설명한다.
일반적으로, 액정표시장치는 매트릭스(matrix) 형태로 배열된 화소들에 화상정보에 따른 데이터신호를 개별적으로 공급하여, 화소들의 광투과율을 조절함으로써 원하는 화상을 표시할 수 있다.
따라서, 액정표시장치에는 화소들이 매트릭스 형태로 배열되는 액정패널과 화소들을 구동하기 위한 구동부 및 액정패널에 광을 공급하는 백라이트(backlight)가 구비된다.
도 1은 일반적인 액정표시장치의 구조를 개략적으로 보여주는 분해사시도이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 액정표시장치는 화소들이 매트릭스 형태로 배열되어 영상을 출력하는 액정패널(10), 화소들을 구동하기 위한 구동부(미도시), 액정패널(10)의 후면에 설치되어 액정패널(10)의 전면에 걸쳐 빛을 방출하는 백라이트(40) 및 액정패널(10)과 백라이트(40)를 수납하여 고정시키는 하부 커버(50)로 구성된다.
액정패널(10)은 서로 대향하여 균일한 셀 갭이 유지되도록 합착된 컬러필터 기판(5)과 어레이 기판(15) 및 컬러필터 기판(5)과 어레이 기판(15) 사이의 셀 갭에 형성된 액정층(미도시)으로 이루어져 있다.
도시하지 않았지만, 컬러필터 기판(5)과 어레이 기판(15)이 합착된 액정패널(10)에는 공통전극과 화소전극이 형성되어 액정층에 전계를 인가하며, 공통전극에 전압이 인가된 상태에서 화소전극에 인가되는 데이터신호의 전압을 제어하게 되면, 액정층의 액정은 공통전극과 화소전극 사이의 전계에 따라 유전 이방성에 의해 회전함으로써 화소별로 빛을 투과시키거나 차단시켜 문자나 화상을 표시한다.
이때, 화소전극에 인가되는 데이터신호의 전압을 화소별로 제어하기 위해서 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor; TFT)와 같은 스위칭소자가 화소들에 개별적으로 구비된다.
이와 같이 구성된 액정패널(10)의 외측에는 각각 상, 하부 편광판(미도시)이 부착되어 있으며, 이때 하부 편광판은 백라이트(40)를 경유한 빛을 편광 시키며, 상부 편광판은 액정패널(10)을 경유한 빛을 편광 시킨다.
백라이트(40)를 구체적으로 설명하면, 도광판(light guide plate)(42)의 일측에 빛을 발생시키는 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED) 어셈블리(30)가 설치되어 있으며, 도광판(42)의 배면에는 반사판(41)이 설치되어 있다.
이때, LED 어셈블리(30)는 LED 어레이(31) 및 LED 어레이(31)를 구동하는 LED 인쇄회로기판(Printed Circuit Board; PCB)(32)으로 이루어진다.
LED 어레이(31)에서 발광된 빛은 투명한 재질의 도광판(42) 측면으로 입사되고, 도광판(42)의 배면에 배치된 반사판(41)은 도광판(42)의 배면으로 투과되는 빛을 도광판(42) 상면의 광학시트(43)들 쪽으로 반사시켜 빛의 손실을 줄이고 균일도를 향상시킨다.
이와 같이 구성된 백라이트(40)의 상부에는 컬러필터 기판(5)과 어레이 기판(15)으로 이루어진 액정패널(10)이 가이드 패널(45)을 통해 안착되며, 하부에는 하부 커버(50)가 결합되어 액정표시장치를 구성한다.
전술한 광학시트(43)는 상, 하부 확산시트(diffuser sheet)(21, 22)와 상, 하부 프리즘시트(prism sheet)(23, 24)를 포함한다.
이중 프리즘시트(23, 24)는 하부 확산시트로(22)부터 입사되는 빛을 집광하여 액정패널(10)의 전면에 균일하게 분포되도록 한다.
도 2는 프리즘시트를 통과하는 광의 굴절을 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 프리즘시트(23)는 평평한 기재 필름(base film)(23a) 위에 굴절률이 높은 아크릴 수지(acryl resin)가 다수의 프리즘 패턴(23c)을 형성하며 배열되어 있다.
이때, 스넬의 법칙(Snell's Law)에 의해 프리즘 패턴(23c)을 투과하는 빛은 굴절하여 관측자 방향으로 집광(A 영역)되며, 일부는 전반사(total reflection)에 의해 재활용(recycle)되기도 한다.
즉, 굴절률이 다른 매질을 통과하는 투과광은 프리즘 패턴(23c)의 산을 따라 스넬의 법칙에 의해 굴절되어 집광(A 영역)된다. 또한, 일부는 전반사의 원리에 의해 재활용되지만, 일정 입사각도 이상이나 이하에서는 유효하지 않은 광으로 굴절되어 손실(B, C 영역)된다.
여기서 유효하지 않은 광이란 프리즘시트(23)와 수직하게 위치한 관측자 방향으로 출사되지 않는 광을 말한다. 유효하지 않은 광의 발생 원인은 크게 두 매질 사이의 굴절률 차이에 의한 전반사로 볼 수 있다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 유효하지 않은 광의 발생을 감소시켜 광효율을 향상시키도록 한 프리즘시트 및 이를 구비한 액정표시장치를 제공하는데 목적이 있다.
기타, 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 후술되는 발명의 구성 및 특허청구범위에서 설명될 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 프리즘시트는 기재 필름 및 기재 필름 위에 스트라이프(stripe) 형태로 배치되며, 하면이 오목한 곡면을 가지는 다수의 프리즘 패턴을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 프리즘시트는 기재 필름과 프리즘 패턴 사이에 배치되는 보조 수지층을 추가로 포함할 수 있다.
이때, 기재 필름이나 보조 수지층의 표면은 프리즘 패턴의 오목한 곡면에 대응하여 볼록한 곡면을 가질 수 있다.
보조 수지층은 기재 필름의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지며, 프리즘 패턴은 보조 수지층의 굴절률보다 높은 굴절률을 가질 수 있다.
프리즘 패턴은 그 하면이 오목한 곡면을 가져, 프리즘 패턴의 경사면에서 반사되어 사이드 로브(side lobe) 영역으로 굴절되는 광의 경로를 경사면에서 공기층으로 굴절되도록 변경할 수 있다.
기재 필름이나 보조 수지층은 2n(n은 자연수)번째 프리즘 패턴의 길이를 따라 소정 깊이의 홈을 가질 수 있다.
이때, 홈의 표면은 볼록한 곡면을 가질 수 있다.
이때, 2n번째 프리즘 패턴의 하면은 홈의 볼록한 곡면에 대응하여 오목한 곡면을 가질 수 있다.
2n-1번째 프리즘 패턴은 평평한 하면을 가질 수 있다.
2n번째 프리즘 패턴의 하면은 오목한 곡면을 가져, 2n번째 프리즘 패턴의 경사면에서 유효광 영역 아랫부분으로 굴절되는 광의 경로를 인접한 2n-1번째 프리즘 패턴으로 입사되도록 변경할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시장치는 영상을 출력하는 액정패널 및 액정패널의 배면에 위치하여 액정패널에 광을 공급하는 백라이트를 포함하여 구성된다.
이때, 백라이트는 기재 필름 및 기재 필름 위에 스트라이프 형태로 배치되며, 하면이 오목한 곡면을 가지는 프리즘시트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시장치는 기재 필름과 프리즘 패턴 사이에 배치되는 보조 수지층을 추가로 포함할 수 있다.
이때, 기재 필름이나 보조 수지층의 표면은 프리즘 패턴의 오목한 곡면에 대응하여 볼록한 곡면을 가질 수 있다.
기재 필름이나 보조 수지층은 2n(n은 자연수)번째 프리즘 패턴의 길이를 따라 소정 깊이의 홈을 가질 수 있다.
이때, 홈의 표면은 볼록한 곡면을 가질 수 있다.
이때, 2n번째 프리즘 패턴의 하면은 홈의 볼록한 곡면에 대응하여 오목한 곡면을 가질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 프리즘시트 및 이를 구비한 액정표시장치는 프리즘 패턴의 하면에 오목한 곡률을 형성하여 최소각도 이내로 입사하는 광의 굴절각을 유효각도로 변경함으로써 프리즘시트의 광효율을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 프리즘시트 및 이를 구비한 액정표시장치는 2n(n은 자연수)번째 프리즘 패턴의 하면을 홈 내에 형성하여 최대각도를 초과하는 입사광을 인접 프리즘 패턴 쪽으로 굴절시킴으로써 프리즘시트의 광효율을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
이에 따라 본 발명은 집광효율 증가에 따른 소비전력의 감소 및 저광도 광원의 적용을 가능하게 하여 비용이 절감되는 효과를 제공한다.
도 1은 일반적인 액정표시장치의 구조를 개략적으로 보여주는 분해사시도.
도 2는 프리즘시트를 통과하는 광의 굴절을 보여주는 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 백라이트의 구조를 예시적으로 보여주는 분해사시도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 프리즘시트를 개략적으로 보여주는 사시도 및 단면도.
도 5a 및 도 5b는 최소각도 이내로 입사하는 광의 거동을 예를 들어 보여주는 단면도.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 프리즘시트를 개략적으로 보여주는 사시도.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다른 프리즘시트를 개략적으로 보여주는 사시도.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 프리즘시트를 개략적으로 보여주는 단면도.
도 9a 및 도 9b는 최대각도를 초과하여 입사하는 광의 거동을 예를 들어 보여주는 단면도.
도 10은 백라이트 광의 출사각을 보여주는 도면.
도 11a 및 도 11b는 백라이트 광의 배광 곡선을 보여주는 도면.
도 12a 및 도 12b는 백라이트 광의 극 곡선(polar curve)을 보여주는 도면.
도 13a 및 도 13b는 백라이트 광의 세기를 보여주는 도면.
도 14는 본 발명에 따른 프리즘시트의 제조공정을 순차적으로 보여주는 흐름도.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 프리즘시트 및 이를 구비한 액정표시장치의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장될 수 있다.
소자(element) 또는 층이 다른 소자 또는 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않는 것을 나타낸다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below, beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 따라서 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
액정표시장치는 크게 화소들이 매트릭스 형태로 배열되어 영상을 출력하는 액정패널 및 액정패널의 배면에 설치되어 액정패널에 빛을 공급하는 백라이트로 이루어진다.
또한, 액정표시장치는 액정패널과 백라이트를 수납하여 고정시키는 패널 가이드를 포함할 수 있다.
액정패널은 액정층을 사이에 두고 합착된 제 1 및 제 2 기판, 그리고 제 1 및 제 2 기판 외면에 각각 부착된 제 1 및 제 2 편광판으로 이루어진다.
이때, 제 1 기판 내면에는 투명 화소전극이 형성된 다수의 화소와 이들 각 화소전극으로 전달되는 액정구동전압을 온/오프(on/off) 제어하는 박막 트랜지스터가 마련되고, 제 2 기판 내면에는 컬러구현을 위한 컬러필터와 공통전극이 구비된다.
일 예로, 제 1 기판은 종횡으로 배열되어 다수의 화소영역을 정의하는 다수의 게이트라인과 데이터라인, 게이트라인과 데이터라인의 교차영역에 형성된 스위칭소자인 박막 트랜지스터 및 화소영역에 형성된 화소전극으로 이루어질 수 있다.
그리고, 제 2 기판은 적(red), 녹(green) 및 청(blue)의 색상을 구현하는 다수의 서브-컬러필터로 구성된 컬러필터와 서브-컬러필터 사이를 구분하고 액정층을 투과하는 광을 차단하는 블랙매트릭스, 그리고 액정층에 전압을 인가하는 투명한 공통전극으로 이루어질 수 있다.
다만, 본 발명이 이러한 TN(twisted nematic) 모드에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 IPS(in plane switching) 모드 또는 FFS(fringe field switching) 모드뿐만 아니라 VA(vertical alignment) 모드 등 액정 모드에 상관없이 적용 가능하다.
이와 같이 구성된 액정패널은 자체발광을 하지 않기 때문에 액정패널에 빛을 공급하는 백라이트가 액정패널의 배면에 위치하게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 백라이트의 구조를 예시적으로 보여주는 분해사시도이다.
이때, 도 3은 광원이 액정패널의 일측에 위치한 에지 방식(edge type)의 백라이트를 예로 들고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 광원이 액정패널의 배면에 위치한 직하 방식(direct type)의 백라이트에도 적용 가능하다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 백라이트는 광을 출사하는 광원(미도시)을 포함할 수 있다.
또한, 백라이트는 광원과 대면되는 측면을 통해 입사되는 광을 상부 액정패널(미도시)쪽으로 진행시키는 도광판(142), 도광판(142)의 배면에 배치되는 반사시트(141), 도광판(142)의 상면에 배치되어 도광판(142)으로부터 출사되는 광의 효율을 향상시켜 액정패널(110)에 조사하는 다수의 광학시트(120)들을 포함할 수 있다.
본 발명이 전술한 백라이트의 구조에 한정되는 것은 아니며, 어떠한 구조의 백라이트라도 본 발명의 실시예에 따른 액정표시장치에 적용될 수 있다.
이때, 광원으로 냉음극 형광램프(Cold Cathode Fluorescence Lamp; CCFL), 열음극 형광램프(Hot Cathode Fluorescence Lamp; HCFL), 외부전극 형광램프(External Electrode Fluorescence Lamp; EEFL) 및 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED) 중 어느 하나를 선택할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
일 예로, LED 어레이로 이루어진 광원 및 광원을 구동하는 LED 인쇄회로기판은 LED 어셈블리를 구성할 수 있다.
이와 같은 광원은 인버터에 연결되어 전원을 공급받아 빛을 출사할 수 있다.
광원에서 출사된 빛은 투명한 재질의 도광판(142) 측면으로 입사되고, 도광판(142)의 배면에 배치된 반사시트(141)는 도광판(142)의 배면으로 투과되는 빛을 도광판(142) 상면의 광학시트(120)들 쪽으로 반사시켜 빛의 손실을 줄이고 균일도를 향상시키게 된다.
이때, 일 예로 광학시트(120)들은 상, 하부 확산시트(121, 122)와 상, 하부 프리즘시트(123, 124)를 포함하며, 보호시트가 추가될 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
하부 확산시트(122)는 도광판(142)으로부터 입사되는 빛을 분산시킴으로써, 빛이 부분적으로 밀집되어 액정패널에 표시되는 화상에 얼룩이 발생되는 것을 방지하며, 도광판(142)으로부터 입사되는 빛의 각도를 수직하게 굴절시킨다.
그리고, 상, 하부 프리즘시트(123, 124)는 하부 확산시트(122)로부터 입사되는 빛을 집광하여 액정패널의 전면에 균일하게 분포되도록 한다.
보호시트는 먼지나 긁힘에 민감한 광학시트(120)들을 보호하고, 백라이트를 운반하는 경우에 광학시트(120)들의 유동을 방지하는 역할을 한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 백라이트는 프리즘 패턴(미도시)의 하면에 오목한 곡률을 형성하여 최소각도 이내로 입사하는 광의 굴절각을 유효각도로 변경함으로써 프리즘시트(123, 124)의 광효율을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 프리즘시트를 개략적으로 보여주는 사시도 및 단면도이다. 이때, 설명의 편의를 위해 도 4a 및 도 4b는 상부 프리즘시트를 예로 들어 보여주고 있으며, 하부 프리즘시트도 동일한 구성으로 이루어질 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 프리즘시트(123)는 기재 필름(123a)과 기재 필름(123a) 위에 스트라이프(stripe) 형태로 배치된 다수의 프리즘 패턴(123c)으로 구성된다.
기재 필름(123a)은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene Terephthalate; PET)와 같은 폴리에스테르로 이루어질 수 있다.
프리즘 패턴(123c)은 굴절률이 높은 아크릴 수지로 이루어질 수 있다.
다수의 프리즘 패턴(123c)은 일 방향으로 열을 이루어 배치되며, 그 단면은 대략적으로 삼각형의 프리즘 형상을 가질 수 있다.
삼각형의 프리즘 패턴(123c)은 꼭지점으로부터 소정의 산 각도(α)로 경사진 제 1 및 제 2 경사면을 갖는다.
산 각도(α)는 86, 88, 89, 90° 등 다양한 각도를 가질 수 있다.
기재 필름(123a)과 프리즘 패턴(123c) 사이에는 보조 수지층(123b)이 배치될 수 있다. 이 경우 보조 수지층(123b)의 표면은 프리즘 패턴(123c)의 열을 따라 볼록한 곡면을 가질 수 있으며, 이에 대응하여 프리즘 패턴(123c)의 하면은 오목한 곡면을 가질 수 있다.
보조 수지층(123b)은 PET로 이루어진 기재 필름(123a)에 비해 가공이 용이하여 소프트 몰드(soft mold)를 이용한 인쇄 방식으로 표면에 볼록한 곡면을 쉽게 형성할 수 있다.
다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 보조 수지층(123b) 없이 기재 필름(123a)의 표면이 볼록한 곡면을 가질 수 있다.
보조 수지층(123b)은 프리즘 패턴(123c)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가진 수지로 이루어질 수 있다.
백라이트에서 프리즘시트(123)로 입사된 광은 세 영역, 즉 전반사 영역과 집광 영역(A 영역) 및 사이드 로브(side lobe) 영역(B, C 영역)으로 분리될 수 있다(전술한 도 2 참조).
구체적으로, 프리즘시트(123)에 수직하게 입사되는 전반사 영역의 광은 프리즘 패턴(123c)의 제 1 및 제 2 경사면에 의해 전반사되어 다시 도광판으로 입사됨으로써 재활용되면서 집광된다.
또한, 프리즘시트(123)에 소정의 각도로 입사되는 집광 영역(A 영역)의 광은 프리즘 패턴(123c)의 제 1 또는 제 2 경사면에 의해 굴절되어 집광된다.
프리즘시트(123)에 소정의 각도, 즉 최소각도 이내로 입사되거나 최대각도를 초과하여 입사되는 광은 유효하지 않은 영역(B, C 영역)으로 굴절되어 손실된다.
도 5a 및 도 5b는 최소각도 이내로 입사하는 광의 거동을 예를 들어 보여주는 단면도이다.
이때, 도 5a는 기존의 프리즘시트에 있어, 최소각도 이내로 입사하는 광의 굴절 상태를 예를 들어 보여주고 있으며, 도 5b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 프리즘시트에 있어, 최소각도 이내로 입사하는 광의 굴절 상태를 예를 들어 보여주고 있다.
도 5a를 참조하면, 굴절률(refractive index)이 n1인 기재 필름(23a)으로부터 굴절률이 n2인 프리즘 패턴(23c)에 θ1의 각도로 입사되는 입사광은 스넬의 법칙에 의해 θ2의 각도로 굴절된다.
이후, 최소각도 이내로 입사하는 광의 경우에는 프리즘 패턴(23c)의 제 1 또는 제 2 경사면에서 반사되어 굴절률이 n3(= 1.00)인 외부로 출사된다.
θ1은 최소각도 이내로 입사되는 입사광의 입사각을 의미하며, θ2는 그 때의 굴절각을 의미한다.
여기서, 최소각도는 프리즘 패턴(23c)의 제 1 또는 제 2 경사면에 의해 전반사되어 사이드 로브 영역(도 2의 B 영역)으로 굴절되는 입사광의 최소의 입사각을 의미하며, 다음과 같이 스넬의 법칙을 이용하여 계산할 수 있다.
이때, 계산의 편의상 프리즘 패턴(23c)의 산 각도를 90°라 가정한다.
프리즘 패턴(23c)의 산에서 공기층으로 투과될 때의 전반사 임계각도는 다음의 수학식 1에 의해 구할 수 있다.
[수학식 1]
n2*sin(θ2') = n3*sin(θ3)
전반사가 일어날 때의 θ3은 90°이므로 θ2'은 arcsin((n3/n2)*sin90)이 된다.
n2와 n3의 굴절률을 각각 1.64 및 1이라 할 때, θ2'은 37.57°가 된다.
즉, 입사광이 37.57°이상의 각도로 프리즘 패턴(23c)의 제 1 또는 제 2 경사면에 입사될 때 전반사에 의해 사이드 로브 영역(도 2의 B 영역)으로 굴절된다.
다음으로, 기재 필름(23a)에서 프리즘 패턴(23c)으로 굴절될 때 전술한 입사각(θ2')으로 37.57°를 만드는 입사광의 입사각(θ1)은 다음의 수학식 2에 의해 구할 수 있다.
[수학식 2]
n1*sin(θ1) = n2*sin(θ2)
여기서, θ2는 90°- 45°- θ2'이며, 따라서 7.43°이다.
따라서, θ1은 arcsin((n2/n1)*sin7.43)이 된다.
n1의 굴절률을 1.49라 할 때, θ1은 8.18°가 된다.
양측에서 입사되는 것을 고려하면, 기재 필름(23a) 내부에서 총 16.36°이내의 각도로 출사되면 전반사에 의해 사이드 로브 영역(도 2의 B 영역)으로 굴절되는 것을 알 수 있다.
도 5b를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예의 경우에는 보조 수지층(123b)이나 기재 필름(미도시)의 표면이 볼록한 곡면을 가진다.
즉, 프리즘 패턴(123c)의 하면이 오목한 곡면을 가진다.
이 경우 굴절지점의 법선이 기존(0°)에 비해 기울어지게 됨에 따라 최소각도, 즉 약 8°이내로 입사하는 입사광의 거동이 기존과 달라지게 된다. 즉, 기존과 동일한 각도로 입사하더라도 37.57°의 각도보다 작은 각도로 프리즘 패턴(123c)의 제 1 또는 제 2 경사면에서 공기층으로 굴절됨에 따라 집광에 기여할 수 있다.
이에 따라 프리즘시트의 광효율이 향상된다.
이러한 프리즘 패턴의 오목한 곡면은 기재 필름이나 보조 수지층의 내부에 홈을 형성하여 구비할 수 있으며, 이 경우 최대각도를 초과하는 입사광의 손실을 최소로 할 수 있는데, 이를 본 발명의 제 2 실시예를 통해 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 프리즘시트를 개략적으로 보여주는 사시도이며, 도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다른 프리즘시트를 개략적으로 보여주는 사시도이다.
이때, 도 6은 2n(n은 자연수)번째 프리즘 패턴의 하면을 홈 내에 형성한 경우를 예로 들고 있으며, 도 7은 2n-1(n은 자연수)번째 프리즘 패턴의 하면을 홈 내에 형성한 경우를 예로 들고 있다.
그리고, 도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 프리즘시트를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 프리즘시트(223)는 기재 필름(223a)과 기재 필름(223a) 위에 스트라이프(stripe) 형태로 배치된 다수의 프리즘 패턴(223c)으로 구성된다.
전술한 바와 같이 기재 필름(223a)은 PET와 같은 폴리에스테르로 이루어질 수 있다.
프리즘 패턴(223c)은 굴절률이 높은 아크릴 수지로 이루어질 수 있다.
다수의 프리즘 패턴(223c)은 일 방향으로 열을 이루어 배치되며, 그 단면은 삼각형의 프리즘 형상 또는 대략적인 오각형 형상을 가질 수 있다. 즉, 프리즘 패턴(223c)은 삼각형의 프리즘 형상과 대략적인 오각형의 형상을 번갈아 가질 수 있다.
프리즘 패턴(223c)은 꼭지점으로부터 소정의 산 각도(α)로 경사진 제 1 및 제 2 경사면을 갖는다.
산 각도(α)는 86, 88, 89, 90° 등 다양한 각도를 가질 수 있다.
기재 필름(223a)과 프리즘 패턴(223c) 사이에는 보조 수지층(223b)이 배치될 수 있다. 이 경우 보조 수지층(223b)은 2n번째(또는 2n-1번째) 프리즘 패턴(223c)의 길이를 따라 소정 깊이의 홈을 가질 수 있으며, 이 홈 표면은 볼록한 곡면을 형성할 수 있다. 이때, 2n번째(또는 2n-1번째) 프리즘 패턴(123c)의 하면은 이에 대응하여 오목한 곡면을 형성할 수 있다.
보조 수지층(223b)은 PET로 이루어진 기재 필름(223a)에 비해 가공이 용이하여 소프트 몰드(soft mold)를 이용한 인쇄 방식으로 홈 및 그 홈 표면에 볼록한 곡면을 쉽게 형성할 수 있다. 일 예로, 소프트 몰드를 홈 형상으로 만들어 보조 수지층(223b) 내부에 홈을 제작 후에 2차로 프리즘 패턴(223c)을 형성하는 방식으로 제작할 수 있다.
다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 보조 수지층(223b) 없이 기재 필름(223a) 내에 홈을 가지는 동시에 그 홈 표면이 볼록한 곡면을 형성할 수 있다.
보조 수지층(223b)은 프리즘 패턴(223c)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가진 수지로 이루어질 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 제 2 실시예에 따른 프리즘시트(223)는 프리즘 패턴(223c)의 하면에 오목한 곡률을 형성하여 최소각도 이내로 입사하는 광의 굴절각을 유효각도로 변경함으로써 프리즘시트(223)의 광효율을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 프리즘시트(223)는 2n(또는 2n-1)번째 프리즘 패턴(223c)의 하면을 보조 수지층(223b)(또는 기재 필름(223a)) 내부의 홈에 형성하여 최대각도를 초과하는 입사광을 인접 프리즘시트(223) 쪽으로 굴절시킴으로써 프리즘시트(223)의 광효율을 더욱 향상시키는 것을 특징으로 한다.
도 9a 및 도 9b는 최대각도를 초과하여 입사하는 광의 거동을 예를 들어 보여주는 단면도이다.
이때, 도 9a는 기존의 프리즘시트에 있어, 최대각도를 초과하여 입사하는 광의 굴절 상태를 예를 들어 보여주고 있으며, 도 9b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 프리즘시트에 있어, 최대각도를 초과하여 입사하는 광의 굴절 상태를 예를 들어 보여주고 있다.
도 9a를 참조하면, 최대각도(약 50°)를 초과하여 입사하는 광은 프리즘 패턴(23c)의 제 1 또는 제 2 경사면에서 유효광 영역 아랫부분(도 2의 C 영역)으로 굴절되어 손실된다.
이때, 편의상 프리즘 패턴(23c)의 산 각도를 90°라 가정한다.
이에 비해 도 9b를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예의 경우에는 2n번째 보조 수지층(223b)이나 기재 필름(미도시)의 표면이 볼록한 곡면을 가진다.
즉, 2n번째 프리즘 패턴(223c(2n))의 하면이 오목한 곡면을 가진다.
이 경우 굴절지점의 법선이 기존(0°)에 비해 기울어지게 됨에 따라 최대각도, 즉 약 50°를 초과하여 입사하는 입사광의 거동이 기존과 달라지게 된다. 즉, 기존과 동일한 각도로 입사하여 2n번째 프리즘 패턴(223c(2n))의 제 1 또는 제 2 경사면에서 유효광 영역 아랫부분으로 굴절되더라도 굴절된 광은 인접한 2n-1번째 프리즘 패턴(223c(2n-1))과 만나게 된다.
이와 같이 최대각도를 초과하여 입사하는 손실 광에 대해서 인접 프리즘 패턴 쪽으로 굴절시킴으로써 프리즘시트의 광효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 시뮬레이션을 통해 본 발명의 효과를 보다 상세히 설명한다.
도 10은 백라이트 광의 출사각을 보여주는 도면이다.
이때, 도 10에 도시된 점선은 기존 백라이트 광의 출사각을 보여주며, 실선은 본 발명에 따른 백라이트 광의 출사각을 보여주고 있다.
도 10을 참조하면, 본 발명을 적용할 경우 백라이트 광의 출사각이 약 10°정도 축소된 것을 알 수 있다.
이와 같은 출사각의 감소로 광효율은 약 22% 개선된다.
도 11a 및 도 11b는 백라이트 광의 배광 곡선(intensity distribution curve)을 보여주는 도면으로서, 발광 시 광의 각도를 보여준다.
이때, 도 11a는 기존의 프리즘시트를 적용한 경우의 배광 곡선을 보여주며, 도 11b는 본 발명의 프리즘시트를 적용한 경우의 배광 곡선을 보여주고 있다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 기존에 비해 90°성분의 광이 증가한 것을 알 수 있으며, 이에 따라 집광이 향상된 것을 알 수 있다.
도 12a 및 도 12b는 백라이트 광의 극 곡선(polar curve)을 보여주는 도면으로서, 배광을 측면에서 바라본 도면이다.
이때, 도 12a는 기존의 프리즘시트를 적용한 백라이트 광의 극 곡선을 보여주며, 도 12b는 본 발명의 프리즘시트를 적용한 백라이트 광의 극 곡선을 보여주고 있다.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, 기존의 경우 90°성분이 10,680cd인데 비해 본 발명의 경우 24,630cd로 2배 이상 증가한 것을 알 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 백라이트 광의 세기를 보여주는 도면으로서, 배광을 상면에서 바라본 도면이다.
이때, 도 13a는 기존의 프리즘시트를 적용한 백라이트 광의 세기를 보여주며, 도 13b는 본 발명의 프리즘시트를 적용한 백라이트 광의 세기를 보여주고 있다.
도 13a 및 도 13b를 참조하면, 90°성분이 작은 기존의 경우에는 중앙부가 어둡게 보이나, 본 발명의 경우에는 중앙부가 어둡지 않은 것을 알 수 있다.
이하, 이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 프리즘시트의 제조공정을 상세히 설명한다.
우선, PET와 같은 폴리에스테르로 이루어진 기재 필름을 준비한다(S110).
이후, 기재 필름 위에 보조 수지층을 형성한다(S120).
보조 수지층은 기재 필름보다 굴절률이 높은 수지로 이루어질 수 있다.
보조 수지층은 PET로 이루어진 기재 필름에 비해 가공이 용이하여 소프트 몰드를 이용한 인쇄 방식으로 형성할 수 있다.
이때, 보조 수지층 내부에 볼록한 곡면을 가진 홈을 형성할 수 있다. 일 예로, 노즐을 통해 수지를 도포하여 기재 필름 위에 보조 수지층을 형성하고, 소프트 몰드를 홈 형상으로 만들어 인쇄 방식으로 보조 수지층 내부에 홈을 형성할 수 있다.
이러한 홈은 열에 따라 규칙적으로 배열되게 형성할 수 있는데, 후에 형성될 2n번째(또는 2n-1번째) 프리즘 패턴(223c)의 길이를 따라 소정 깊이로 형성할 수 있다.
홈이 형성된 보조 수지층은 UV(ultra violet)에 의해 경화될 수 있다.
이후, 보조 수지층이 형성된 기재 필름 위에 프리즘 패턴을 형성한다(S130).
즉, 노즐을 통해 수지를 도포하여 보조 수지층이 형성된 기재 필름 위에 수지층을 형성하고, 소프트 몰드를 프리즘 형상으로 만들어 인쇄 방식으로 수지층에 프리즘 패턴을 형성한다.
이때, 프리즘 패턴은 보조 수지층보다 높은 굴절률을 가진 아크릴 수지로 이루어질 수 있다.
다수의 프리즘 패턴은 일 방향으로 열을 이루어 배치되며, 그 단면은 삼각형의 프리즘 형상 또는 대략적인 오각형 형상을 가질 수 있다. 즉, 프리즘 패턴은 삼각형의 프리즘 형상과 대략적인 오각형의 형상을 번갈아 가질 수 있다.
프리즘 패턴은 꼭지점으로부터 소정의 산 각도로 경사진 제 1 및 제 2 경사면을 갖는다.
산 각도는 86, 88, 89, 90° 등 다양한 각도를 가질 수 있다.
이러한 프리즘 패턴은 보조 수지층의 홈 형태에 따라 2n번째(또는 2n-1번째) 프리즘 패턴의 하면은 오목한 곡면을 형성할 수 있다.
소프트 몰드에 의해 성형된 프리즘 패턴은 UV를 통해 1차로 경화된다.
이때, 소프트 몰드는 프리즘시트 원단과 동일한 형태로 제작될 수 있다.
이후, UV를 통한 2차 경화 및 IR(infrared) 조사가 이루어질 수 있다.
이와 같이 제조된 프리즘시트는 이물이나 성형 불량 등을 검사한 후에 양면 보호지를 부착하게 된다(S140).
상기한 설명에 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나 이것은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서 발명은 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위와 특허청구범위에 균등한 것에 의하여 정하여져야 한다.
120 : 광학시트 121,122 : 확산시트
123,124,223 : 프리즘시트 123a,223a : 기재 필름
123b,223b : 보조 수지층 123c,223c : 프리즘 패턴
140 : 백라이트 141 : 반사시트
142 : 도광판

Claims (16)

  1. 기재 필름; 및
    상기 기재 필름 위에 스트라이프(stripe) 형태로 배치되며, 하면이 오목한 곡면을 가지는 다수의 프리즘 패턴을 포함하는 프리즘시트.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기재 필름과 프리즘 패턴 사이에 배치되는 보조 수지층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 프리즘시트.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 기재 필름이나 보조 수지층의 표면은 상기 프리즘 패턴의 오목한 곡면에 대응하여 볼록한 곡면을 가지는 것을 특징으로 하는 프리즘시트.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 보조 수지층은 상기 기재 필름의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지며, 상기 프리즘 패턴은 상기 보조 수지층의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 프리즘시트.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 프리즘 패턴은 그 하면이 오목한 곡면을 가져, 상기 프리즘 패턴의 경사면에서 반사되어 사이드 로브(side lobe) 영역으로 굴절되는 광의 경로를 상기 경사면에서 공기층으로 굴절되도록 변경하는 것을 특징으로 하는 프리즘시트.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 기재 필름이나 보조 수지층은 2n(n은 자연수)번째 상기 프리즘 패턴의 길이를 따라 소정 깊이의 홈을 가지는 것을 특징으로 하는 프리즘시트.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 홈의 표면은 볼록한 곡면을 가지는 것을 특징으로 하는 프리즘시트.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 2n번째 프리즘 패턴의 하면은 상기 홈의 볼록한 곡면에 대응하여 오목한 곡면을 가지는 것을 특징으로 하는 프리즘시트.
  9. 제 6 항에 있어서, 2n-1번째 상기 프리즘 패턴은 평평한 하면을 가지는 것을 특징으로 하는 프리즘시트.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 2n번째 프리즘 패턴의 하면은 오목한 곡면을 가져, 상기 2n번째 프리즘 패턴의 경사면에서 유효광 영역 아랫부분으로 굴절되는 광의 경로를 인접한 2n-1번째 상기 프리즘 패턴으로 입사되도록 변경하는 것을 특징으로 하는 프리즘시트.
  11. 영상을 출력하는 액정패널; 및
    상기 액정패널의 배면에 위치하여 상기 액정패널에 광을 공급하는 백라이트를 포함하며,
    상기 백라이트는 기재 필름 및 상기 기재 필름 위에 스트라이프 형태로 배치되며, 하면이 오목한 곡면을 가지는 프리즘시트를 포함하는 액정표시장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 기재 필름과 프리즘 패턴 사이에 배치되는 보조 수지층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 기재 필름이나 보조 수지층의 표면은 상기 프리즘 패턴의 오목한 곡면에 대응하여 볼록한 곡면을 가지는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 기재 필름이나 보조 수지층은 2n(n은 자연수)번째 상기 프리즘 패턴의 길이를 따라 소정 깊이의 홈을 가지는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 홈의 표면은 볼록한 곡면을 가지는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 2n번째 프리즘 패턴의 하면은 상기 홈의 볼록한 곡면에 대응하여 오목한 곡면을 가지는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
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