KR20200135338A - 광학 디바이스 - Google Patents

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KR20200135338A
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닛토덴코 가부시키가이샤
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Abstract

간단한 구성이며, 충분한 콘트라스트 또는 시인성을 실현하는 광학 디바이스를 제공한다. 광학 디바이스는 도광층과, 상기 도광층의 제 1 주면에 형성된 제 1 광학 기능층과, 상기 도광층의 상기 제 1 주면과 반대측의 제 2 주면에 형성된 제 2 광학 기능층과, 상기 제 2 광학 기능층의 상기 도광층과 반대측의 면에 형성된 광학 매체층을 갖고, 상기 제 1 광학 기능층의 굴절률은 상기 도광층의 굴절률보다 낮다.

Description

광학 디바이스
본 발명은 광학 디바이스에 관한 것이며, 특히 라이트 가이드를 갖는 광학 디바이스에 관한 것이다.
현재 약 0.5~1㎡(평방 미터) 이상의 대형의 라이트 가이드와, 그것에 관련되는 배광 구조를 위한 생산 툴의 제조 비용은 비싸고, 마스터 제작 툴 아이템(약 1㎡의 표면 커버리지) 1개당 비용은 허용 레벨을 초과해 있다. 또한, 몰딩 등에 의한 라이트 가이드의 전체 표면으로의 패턴의 형성과 대량 생산을 고려하면 프로세스의 난이도가 높다. 이 이유로부터 보다 높은 광파워, 소비 전력의 저감, 및 성능의 향상을 실현하는 고효율이며, 고도인 광학 솔루션은 실현되어 있지 않다.
광이 라이트 가이드에 인커플링할 때에 일어나는 기본적인 문제 중 하나로서 입사각이 매체의 임계각 미만일 때, 즉 전반사하지 않는 각도(아웃커플링의 각도)로 입사할 때의 광손실이 있다. 라이트 가이드와 1 이상의 접착제층 사이의 계면에 임계각 미만의 각도로 입사하는 광은 라이트 가이드에 설치되어 있는 광학적인 제어 구조에 의해 제어되지 않는다. 이 경우 라이트 가이드에 인커플링한 광의 5~15%가 접착층을 통과하지만 이와 같은 광누설은 바람직하지 않다.
라이트 가이드의 적용예로서 투명한 조명 디바이스로의 적용이 있다. 투명한 조명 디바이스는 일반 조명, 윈도우/파사드의 조명, 반사형/투과형 디스플레이의 조명, 가두의 간판, 교통 표지 등 다양한 제품에서 중요한 솔루션으로 되어 있다. 투명 솔루션을 실현하기 위한 주요한 과제는 (1) 표면 릴리프 광학 패턴의 오픈 구조, (2) 배광의 관리, (3) 미광의 제어, 및 (4) 높은 투명도이다. 이 중 (1)의 표면 광학 패턴을 노출하는 오픈 구조는 오염, 물리적인 결함 등이 발생한다는 리스크가 있으므로 산업으로의 실제의 애플리케이션으로서는 현실적이지는 않다. (2)에 대해서 광학적인 요청과 사양에 따라 명도 강화 필름 등의 추가의 광학 시트를 사용하지 않고, 배광을 제어하는 것이 요구된다. 투명 디바이스에서는 여분인 시트의 삽입에 의해 투명성이 손상될 우려가 있으므로 효율적인 광추출 구성이 요망된다.
(3)에 대해서 간판(사이니지), 비주얼 퍼포먼스를 수반하는 디스플레이 등에 사용되는 표면 조명에서는 콘트라스트의 저하를 피하기 위해서 시선 방향으로의 미광을 최소한으로 하지 않으면 안 된다. 그러나 광학 패턴 자체가 광누설과 프레넬 반사에 의한 미광의 원인이 된다. 논래미네이트형의 디바이스도 외면에서 프레넬 미광이 발생한다.
(4)에 대해서 광학 투명도는 항상 광학 패턴의 형상과 특성 및 주위광의 유무에 의한 시야에 의존한다. 광학 패턴이 클수록 보이기 쉽지만 작은 패턴이어도 디바이스가 조명되었을 때에는 시인 가능하게 된다. 특히, 패턴 밀도가 작을 때에는 시야각에서 미광을 발생시키는 밝은 스폿이 형성된다.
상기 4개의 과제의 일부는 보호 커버의 외면에 반사 방지(AR)막을 형성함으로써 해결될 수 있지만 전체가 해결되는 것은 아니고, 애플리케이션에 따라서는 확실한 솔루션으로는 되지 않는다. 투명 조명을 위한 캐비티 광학 소자도 제안되어 있지만 최종적인 품질과 성능을 확보하기 위한 광누설(또는 미광) 대책에 대해서는 고려되어 있지 않다.
광도체와 반사성 산란체 사이에 저굴절률 영역과 고굴절률 영역을 교대로 배치한 층을 삽입하는 구성이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조)
일본 특허공표 2015-534100호(국제공개 제 2014/031726호)
간판(사이니지), 비주얼 퍼포먼스를 수반하는 디스플레이 등에 사용되는 표면 조명에서는 콘트라스트 저하의 억제 또는 시인성의 개선이 요구되어 있다.
광학 디바이스 일반에 관해서도 표면 커버에 지문, 오염 등이 부착되어 있으면 산란 또는 광손실에 의해 광이 도광층의 단부까지 널리 퍼지지 않아 관찰자의 시선 방향으로 충분한 광을 인출할 수 없다. 그 결과 콘트라스트가 저하되어 시인성이 저하된다. 간단한 구성으로 도광층의 전체에 광을 널리 퍼지게 하면서 효율적으로 광을 인출해서 콘트라스트 또는 시인성을 높일 수 있는 구성이 요망된다.
본 발명은 간단한 구성으로 충분한 콘트라스트 또는 시인성을 실현하는 광학 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명 중 하나의 실시형태에서는 광학 디바이스는,
도광층과,
상기 도광층의 제 1 주면에 형성된 제 1 광학 기능층과,
상기 도광층의 상기 제 1 주면과 반대측의 제 2 주면에 형성된 제 2 광학 기능층과,
상기 제 2 광학 기능층의 상기 도광층과 반대측의 면에 형성된 광학 매체층을 갖고, 상기 제 1 광학 기능층의 굴절률은 상기 도광층의 굴절률보다 낮다.
(발명의 효과)
상기 구성과 방법에 의해 시인성이 높은 광학 디바이스가 실현된다.
도 1a는 실시형태의 광학 디바이스의 기본 개념을 나타내는 도면이다.
도 1b는 실시형태의 광학 디바이스의 기본 개념을 나타내는 도면이다.
도 2a는 제 1 실시형태의 광학 디바이스의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 2b는 제 1 실시형태의 광학 디바이스의 다른 구성예를 나타내는 도면이다.
도 2c는 제 1 실시형태의 광학 디바이스의 다른 구성예를 나타내는 도면이다.
도 2d는 제 1 실시형태의 광학 디바이스의 효과를 나타내는 도면이다.
도 2e는 제 1 실시형태의 광학 디바이스의 적용예를 나타내는 도면이다.
도 2f는 도 2e의 적용예를 위한 광학 디바이스의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 3a는 제 2 실시형태에서 해결해야 할 과제를 설명하는 도면이다.
도 3b는 제 2 실시형태의 광학 디바이스의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 3c는 제 2 실시형태의 광학 디바이스의 다른 구성예를 나타내는 도면이다.
도 4는 라이트 가이드 표면으로의 저굴절률 패턴의 형성 방법의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 라이트 가이드 표면으로의 저굴절률 패턴의 형성 방법의 일례를 나타내는 도면이다.
도 6a는 레이저 어블레이션에 의해 저굴절률 클래드를 제거한 광학 디바이스의 화상이다.
도 6b는 레이저 어블레이션에 의해 저굴절률 클래드를 제거한 광학 디바이스의 화상이다.
도 7은 광분포 필터(Light Directing(Distributing) Filter; LDF)를 사용한 라이트 가이드 구조의 콘셉트와 광분포 필터에 의한 광제어의 주요 기능을 나타내는 도면이다.
도 8a는 광분포 필터를 사용한 라이트 가이드 구조의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 8b는 광분포 필터를 사용한 라이트 가이드 구조의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 9a는 2방향의 광제어를 위한 하이브리드 패턴을 나타내는 도면이다.
도 9b는 2방향의 광제어를 위한 하이브리드 패턴을 나타내는 도면이다.
도 10은 2방향 광제어를 위한 광학 패턴을 나타내는 도면이다.
도 11은 라이트 가이드에 있어서의 패턴의 예로서 하이브리드 패턴과 리니어 패턴을 나타내는 도면이다.
도 12는 광분포 필터 필름의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 13은 손가락 센서, 지문 센서 등의 센서용의 신호 라이트 가이드의 콘셉트를 나타내는 도면이다.
도 14는 손가락 센서, 지문 센서 등의 센서용의 신호 라이트 가이드의 콘셉트를 나타내는 도면이다.
도 15a는 9점에서의 지문 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 15b는 9점에서의 지문 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 16은 상이한 셋업에서의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 17a는 제 3 실시형태에서 해결해야 할 과제를 설명하는 도면이다.
도 17b는 제 3 실시형태의 인커플링 소자를 갖는 광학 디바이스의 구성예를 나타낸다.
도 17c는 제 3 실시형태의 인커플링 소자를 갖는 광학 디바이스의 다른 구성예를 나타내는 도면이다.
도 17d는 제 3 실시형태의 인커플링 소자 일체형 라이트 가이드의 내부 강도 분포를 나타내는 도면이다.
도 17e는 비교예의 광학 디바이스의 내부 강도 분포를 나타내는 도면이다.
도 17f는 다른 비교예의 광학 디바이스의 내부 강도 분포를 나타내는 도면이다.
도 17g는 종래 구성과, 비교예, 및 제 3 실시형태의 광학 디바이스의 특성을 비교하는 도면이다.
도 17h는 제 3 실시형태의 인커플링 광학계를 사용했을 때의 횡 방향의 휘도의 균일성을 나타내는 도면이다.
도 17i는 인커플링 캐비티를 장착한 구성예를 나타내는 도면이다.
도 18a는 마스터 제작 프로세스의 일례를 나타내는 도면이다.
도 18b는 마스터 제작 프로세스의 일례를 나타내는 도면이다.
도 18c는 마스터 제작 프로세스의 일례를 나타내는 도면이다.
도 18d는 마스터 제작 프로세스의 일례를 나타내는 도면이다.
도 18e는 마스터 제작 프로세스의 일례를 나타내는 도면이다.
도 19는 캐비티 광학계의 투명도 개선을 위한 솔루션의 일례를 나타내는 도면이다.
도 20은 캐비티 광학계의 투명도 개선을 위한 솔루션의 일례를 나타내는 도면이다.
도 21a는 공동 래미네이션의 일례를 나타내는 도면이다.
도 21b는 공동 래미네이션의 일례를 나타내는 도면이다.
도 22a는 미광 억제를 위한 에어 캐비티의 구성예이다.
도 22b는 미광 억제를 위한 에어 캐비티의 구성예이다.
도 22c는 미광 억제를 위한 에어 캐비티의 구성예이다.
도 22d는 미광 억제를 위한 에어 캐비티의 구성예이다.
도 22e는 미광 억제를 위한 에어 캐비티의 구성예이다.
도 22f는 미광 억제를 위한 에어 캐비티의 구성예이다.
도 22g는 미광 억제를 위한 에어 캐비티의 구성예이다.
도 22h는 미광 억제를 위한 에어 캐비티의 구성예이다.
도 22i는 미광 억제를 위한 에어 캐비티의 구성예이다.
도 22j는 미광 억제를 위한 에어 캐비티의 구성예이다.
도 23은 반사 방지막에 의한 미광 억제 효과를 설명하는 도면이다.
도 24는 광학 접착제에 의한 미광 억제 효과를 설명하는 도면이다.
도 25는 에어 캐비티에 의한 미광 저감 효과를 나타내는 도면이다.
도 26은 종래 구성에 있어서의 미광의 영향을 나타내는 도면이다.
도 27은 반사 방지막이 부착된 윈도우 조명의 콘셉트를 나타내는 도면이다.
도 28은 반사 방지막이 부착된 윈도우 조명의 콘셉트를 나타내는 도면이다.
도 29는 착탈 가능한 광학 디바이스의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 30은 착탈 가능한 광학 디바이스의 구성예를 나타내는 도면이다.
실시형태에서는 저비용이며, 또한 간단한 구성으로 콘트라스트 또는 시인성을 높인 광학 디바이스를 제공한다. 이 광학 디바이스는 프런트 라이트, 백라이트, 윈도우/파사드의 조명, 사이니지, 신호 점등, 솔라 애플리케이션, 장식 일루미네이션, 라이트 실드, 라이트 마스크, 루프 라이팅 등의 공공/일반 조명 등에 적용 가능하다.
이하의 설명에서 「광학 필터」라는 용어는 그 위에 입사하는 전자 방사선의 스펙트럼 강도 분포 또는 편파 상태를 변화시키기 위해서 사용되는 디바이스 또는 재료를 가리킨다. 필터는 투과, 반사, 흡수, 굴절, 간섭, 회절, 산란, 및 편광으로부터 선택되는 다양한 광학 기능을 하는 것에 관여할 수 있다.
「몇 가지의」라는 표현은 1로부터 시작되는 임의의 양의 정수를 가리키고, 「복수의」라는 표현은 2로부터 시작되는 임의의 양의 정수를 가리킨다.
「제 1」 및 「제 2」라는 용어는 어떠한 순서, 수량 또는 중요성을 나타내는 것을 의도하는 것은 아니고, 오히려 단순히 1개의 요소를 다른 요소로부터 구별하기 위해서 사용된다.
「광학」 및 「광」이라는 용어는 명시적으로 특단의 언급이 없는 한 대개는 동의어로서 사용되고, 바람직하게는 가시광인 전자 스펙트럼의 특정 부분 내의 전자 방사선을 가리키지만 이것에 한정되지 않는다.
「담지 기판」또는 「담지 엘리먼트」라는 용어는 대체로 층형상 구조를 구성하는 기판 재료로 이루어지는 평탄한 평면형상 부재를 가리킨다.
하나의 실시형태에 있어서 광학 기능층을 사용한 광학 디바이스가 제공된다. 광학 기능층은 광을 도광층의 단부까지 널리 퍼지게 함과 아울러, 시선의 방향으로 효율적으로 광을 인출한다. 이하의 설명에서는 광학 기능층은 적용되는 장면에 따라 「광분포 필터(light distribution filter; LDF)」, 「광학 필터층」, 「배향 소자」 등이라고 불리는 경우도 있다. 광학 기능층의 광학 기능은 반사, 투과, 편광, 및 굴절 중 적어도 하나를 포함한다.
광학 기능층은 도광층의 내부에 효율적으로 광을 인커플링하기 위해서 사용되며, 저굴절률층, 에어 캐비티, 반사 방지막, 마이크로 렌즈 등 다양한 형태로 실현된다.
도광층, 즉 라이트 가이드는 광학 폴리머, 유리 등으로 형성된다. 광학 기능층은 라이트 가이드의 적어도 편면 또는 그 양면에 형성되고, 투명한 저굴절률(Ri) 필터, 내부 전반사(Total internal reflection; TIR) 필터 등이어도 좋다. 이들 광학 필터는 a) 평탄한 표면 상에 직접적으로 설치되어도 좋고, b) 접착제층에 의해 래미네이트되어도 좋고, c) 예를 들면, VUV(진공 UV), 대기 플라스마 처리 또는 마이크로파 본딩 등의 화학적인 표면 처리에 의해 접합되어도 좋다.
광학 필터의 두께(h)는 전형적으로 사용 파장보다 크고(h>λ), 예를 들면 1μ-10㎛이다. 하나의 구성예에서는 광학 필터층은 도광층을 구성하는 재료의 굴절률(n1)보다 낮은 굴절률(n2)을 갖는 재료로 형성된다. 저굴절률(n2)값의 범위는 1.05 이상 1.45 이하, 1.14와 1.41 사이, 1.2 이하 등 적용에 따라 적당히 선택된다. 광학 필터는 메조포러스막 내에 나노 실리카 재료를 함유하고 있어도 좋다. 그 경우 저Ri 클래드의 굴절률값을 유지하기 위해서 저가스화(저탈가스) 재료로 페이즈 사이를 커버, 래미네이트 또는 접합해도 좋다.
광학 필터는 TiO2, BaSO4, SiO2, Al2O3, Al, Ag, 유전체, 고반사(HR) 코팅 재료 등의 입수 가능한 재료를 사용하여 내부 전반사(TIR) 솔루션으로서 실현될 수 있다.
실시형태의 광학 기능층(또는 광학 필터)을 사용한 광학 디바이스는 포스터, 반사형 디스플레이, 전자 페이퍼, 윈도우 유리 등을 포함하는 광학 매체에 고정적으로 부착되어도 좋고(고정형), 분리 가능하게 부착되어 사이니지, 장식 디스플레이 등을 구성할 수도 있다(비고정형).
<기본 개념>
도 1a와 도 1b는 실시형태의 광학 디바이스의 기본 개념을 나타내는 단면 모식도이다. 이 기본 개념은 이하에서 상세하게 설명하는 모든 실시형태에 적용될 수 있다. 도 1a의 광학 디바이스(100A)는 광학 매체층(11), 광학 접착층(19), 광학적인 개구가 형성된 저굴절률층(13), 라이트 가이드(14), 전체 면의 저굴절률층(15), 광학 접착층(16), 및 커버(17)가 이 순서로 적층되어 있다. 이 예에서는 개구가 형성된 저굴절률층(13)과 전체 면의 저굴절률층(15)이 광학 기능층에 해당된다.
광학 매체층(11)은 이 예에서는 포스터, 반사형 디스플레이, 전자 페이퍼 등의 화상 표시물 또는 투명창 또는 투명벽 등이다.
라이트 가이드(14)는 도광층이며, 광학 디바이스(100A)의 단면에 위치하는 LED 등의 광원(21)으로부터 출력되는 광은 라이트 가이드(14)를 통해 전반된다. 실시형태에서는 광학 기능층(13)과 광학 기능층(15) 중 적어도 한쪽에 의해 광학 디바이스(100A)의 광원(21)과 반대측의 단면까지 도광한다. 라이트 가이드(14)는, 예를 들면 PMMA, PCR로 형성되며, 이 경우의 굴절률은 1.49 전후이다.
개구가 형성된 저굴절률층(13)과 전체 면의 저굴절률층(15)의 재료는 동일해도, 상이해도 좋지만 이들 층의 굴절률(n2)은 라이트 가이드(14)의 굴절률(n1)보다 작다. 저굴절률층(13 및 15)의 굴절률(n2)은 1.30 이하이며, 바람직하게는 1.20 이하이다.
광학 접착층(19, 16) 및 커버(17)의 굴절률은 라이트 가이드(14)와 동 정도인 것이 바람직하지만 다소 상이해도 좋다.
도 1a의 구성에서 관찰자는 커버(17)의 방향으로부터 광학 디바이스(100A)를 본다. 따라서, 커버(17)로부터 관찰자의 방향으로 인출되는 광이 많을수록 바람직하다. 라이트 가이드(14)를 전반하는 광은 저굴절률층(13)의 개구(131 또는 132)를 통해 광학 매체층(11)에서 반사되고, 개구(131 또는 132) 또는 저굴절률층(13)을 투과해서 커버(17)로부터 관찰자의 방향으로 출사된다.
라이트 가이드(14)를 전반하는 광 중 저굴절률층(15)으로의 입사각이 임계각보다 클 때에(얕은 각도로 입사할 때에) 전반사 조건이 충족되어 광학 매체층(11)을 향해서 반사된다. 여기에서 임계각 θc는 라이트 가이드(14)의 굴절률(n1)과 저굴절률층(13 및 15)의 굴절률(n2)을 사용해서
θc=θi=arcisin(n2/n1)
으로 나타내어진다. θi는 입사각(법선으로부터의 각도)이다.
광학 매체층(11)에서 반사된 광은 저굴절률층(13), 라이트 가이드(14), 및 저굴절률층(15)을 투과해서 커버(17)로부터 출사된다. 저굴절률층(13)의 개구(131 또는 132)의 패턴은 저굴절률층(15)에서 전반사된 광을 효율 좋게 광학 매체층(11)으로 유도하고, 광학 매체층(11)으로부터의 반사광을 효율적으로 커버(17)측으로 인출하도록 설계되어 있다.
개구(131)는, 예를 들면 저굴절률층(131)의 일부를 클래드 제거법으로 제거함으로써 형성된다. 개구(132)는, 예를 들면 저굴절률층(131)의 제거된 부분에 다른 광학 재료층을 메운 고밀도 패턴으로 형성된다. 개구(132)를 메우는 재료는 라이트 가이드(14) 및 광학 접착층(19)의 굴절률과 동일 또는 근사하는 굴절률을 갖는다.
라이트 가이드(14)의 광인출측의 면(이 예에서는 적층 방향의 상면)에 저굴절률층(15)이 없을 경우 광원(21)으로부터 출력되어 직접 커버(17)측을 향하는 광은 그대로 광학 접착층(16) 및 커버(17)를 투과해서 광손실이 발생한다. 도 1a의 구성으로 함으로써 도광 도중의 광손실을 최소로 해서 라이트 가이드(14)의 단부까지 효율적으로 도광하고, 또한 광학 매체층(11)에서 반사된 광을 효율적으로 커버(17)로부터 출사시킨다. 이에 따라 관찰자의 측으로 충분한 양과 강도의 광이 출력되어 콘트라스트와 시인성이 유지된다.
개구를 갖는 저굴절률층(13)과 전체 막의 저굴절률층(15)(전체 면을 저굴절률 재료로 균일한 면을 형성하는 저굴절률층)은 라이트 가이드(14)를 전반하는 광의 진로를 제어하는 광학 필터로서 기능한다. 후술하는 바와 같이 굴절률 이외에 반사 방지 구성, 광학 밀도, 광학 정수 등을 조정함으로써 다양한 기능을 갖게 할 수 있다.
저굴절률층(13)의 개구(131 또는 132)에 의해 실현되는 광의 분포는 균일, 불균일 또는 이산적 중 어느 것이어도 좋다. 이에 따라 균일, 불균일 또는 이산적인 형상 또는 신호를 형성할 수 있다. 개구(131 또는 132)의 주요한 기능은 광을 아웃커플링시키지 않고(즉, 전반사 조건을 이용하고), 라이트 가이드(14)로부터 광학 매체층(11)의 방향으로 전반하는 입사광의 양을 제어하는 것이다.
개구(131, 132)는 그 치수, 형상 등을 조정함으로써 산란, 굴절, 반사, 이들과 비슷한 것 등의 다른 기능을 발휘하도록 제작될 수 있다. 개구(131 또는 132)의 일부는 광을 아웃커플링시키도록, 즉 광학 매체층(11)에서 반사된 광을 커버(17)측으로 투과시키도록 형성될 수 있다. 개구(131 또는 132)는 원형, 타원형, 다각형, 직사각형 등으로 형성할 수 있고, 그 사이즈 또는 지름은, 예를 들면 1㎛~100㎛이며, 바람직하게는 1㎛~30㎛의 범위 내로 조정된다.
도 1b는 광학 디바이스(100B)의 단면 모식도이다. 광학 디바이스(100B)의 기본 원리는 도 1a와 동일하다. 광학 디바이스(100B)에서는 라이트 가이드(14)의 전체 면을 덮는 저굴절률층으로서 공기층을 이용하고 있다. 공기는 라이트 가이드(14)의 굴절률(n1)보다 작고, 광원(21)으로부터 출력되어 라이트 가이드(14)와 공기층의 계면에 입사한 광은 전반사 조건을 충족하여 라이트 가이드(14) 내로 반사되고, 저굴절률층(13)의 개구를 통해 광학 매체층(11)에서 반사된다. 광학 매체층(11)의 정보를 실은 광은 라이트 가이드(14)의 표면으로부터 출사된다.
도 1b의 구성에 의해서도 광을 낭비 없이 라이트 가이드(14)의 광원(21)과 반대측의 단부까지 광을 전반시키고, 또한 광을 효율 좋게 광학 매체층(11)으로 진행시켜서 반사광을 효율적으로 인출할 수 있다.
도 1a는 레이어 사이에 라이트 가이드(14)가 배치(예를 들면, 래미네이트)되는 프런트 라이트 솔루션을 제공한다. 도 1b는 라이트 가이드(14)가 톱층이 되는 프런트 라이트 솔루션을 제공한다. 라이트 가이드(14)의 외면의 오염 또는 결함에 의한 광리크를 방지하기 위해서 라이트 가이드(14)의 최표면에 저굴절률값의 하드 코팅을 실시해도 좋다.
도 1a 및 도 1b의 라이트 가이드(14)는 광아웃커플링 패턴 등의 광학 패턴을 갖고 있지 않다. 이 신규인 비패턴의 라이트 가이드(14)는 광학 기능층과의 계면/표면 래미네이션에 의해 표시면 등의 타깃 상에 조명을 제공한다. 계면 래미네이션은 조명 또는 광표시의 목적으로 광을 표시면 등의 타깃면에 맞힐 수 있다. 또한, 광의 통과와 그 방향을 제어하기 위해서 양측의 계면을 래미네이트해서 굴절률 매칭에 의해 제어할 수 있다.
표 1은 광학적인 개구(131 또는 132)가 형성된 라이트 가이드 구조의 광인출 효율의 개선 결과를 나타낸다.
Figure pct00001
표 1의 상단은 인출된 광의 광속(루멘), 하단은 조도(럭스)를 나타낸다. 아크릴로 래미네이트된 저굴절률 개구가 형성된 PMMA 라이트 가이드와, 실리콘으로 래미네이트된 표면 패턴화된 PMMA 라이트 가이드를 비교하면 라이트 가이드(14)에 개구가 형성된 저굴절률층(13)을 래미네이트함으로써 프런트 라이트 솔루션으로 23.5%나 광인출 효율이 개선되어 있다.
광인출 효율은 라이트 가이드(14)의 굴절률과 접합, 래미네이트되는 층, 클래드, 코팅재의 굴절률 등에 의존한다. 실시형태 프런트 라이트 솔루션은 라이트 가이드의 표면에 광학 패턴이 형성되어 있지 않으므로 미광을 최소로 하고, 또한 투명도를 높여서 콘트라스트 및 광인출 효율을 향상시킨다.
<제 1 실시형태>
도 2a~도 2f는 제 1 실시형태의 광학 디바이스와 그 적용예를 나타낸다. 제 1 실시형태에서는 도 1a 및 도 1b의 구성과 성능을 기초로 하면서 필요에 따라 캐비티 광학 소자를 이용하여 투명도를 향상시킨다. 특히, 조명이 온/오프 모드일 때의 라이트 가이드의 투명도를 향상시키고, 미광을 억제해서 소망의 각도로 광을 출사(또는 아웃커플링)시킨다. 커버 표면에 지문, 먼지 등의 오염이 부착되어 있을 때에도 라이트 가이드의 투명도의 향상과 미광의 억제 중 적어도 한쪽을 실현함으로써 관찰자의 방향으로 충분한 광을 인출해서 시인성을 좋게 할 수 있다.
도 2a는 제 1 실시형태의 광학 디바이스(10A)의 단면 모식도이다. 광학 디바이스(10A)는 광학 매체층(11)과, 에어 캐비티(134)를 갖는 광학 기능층(13A)과, 라이트 가이드(14)와, 전체 면에 형성되는 저굴절률층(15)과, 광학 접착층(16)과, 커버(17)가 이 순서로 적층되어 있다.
커버(17)는 광학 디바이스(10A)를 보호하기 위한 것이며, 투명성이 높은 편이 바람직하다. 유리, 플라스틱 등으로 형성되고, UV 흡수 효과를 가져도 좋다. 보호층으로서의 관점으로부터는 강도가 높은 편이 좋지만 얇고, 플렉시블한 층으로 해도 좋다.
전체 면의 저굴절률층(15)과, 에어 캐비티(134)를 갖는 광학 기능층(13A)은 도 1a 및 도 1b를 참조해서 설명한 광학 기능층(13)의 다른 예이다. 저굴절률층(15)은 광원(21)으로부터 출사되어 라이트 가이드(14)의 단면으로부터 라이트 가이드(14)의 내부로 입사하는 광을 광원(21)과 반대형의 단면까지 충분히 도광시킨다.
광학 기능층(13A)은 저굴절률층(15)에서 전반사된 광 또는 광원(21)으로부터 직접 입사하는 광을 효율적으로 광학 매체층(11)의 방향으로 유도하고, 광학 매체층(11)에서 반사된 광을 커버(17)측으로 아웃커플링시킨다.
광학 기능층(13A)은, 예를 들면 마이크로 렌즈형, 렌티큘러 렌즈형, 3각 기둥 또는 산형상의 렌즈 등의 광학적인 볼록부를 갖는다. 패턴 (a)에서는 광학 기능층(13A1)은 적층 방향에서 보았을 때에 라이트 가이드(14)의 하면에 형성되어 있으며, 광학 매체층(11)을 향해서 볼록한 마이크로 렌즈형의 광학 돌기(133)를 갖는다. 광학 돌기(133)와 광학 매체층(11) 사이는 에어 캐비티(134)이다.
패턴 (b)에서는 광학 기능층(13A2)은 적층 방향에서 보았을 때에 라이트 가이드(14)의 하면에 형성되어 있으며, 광학 매체층(11)을 향해서 돌출된 3각 기둥 또는 산형상의 광학 돌기(135)를 갖는다. 광학 돌기(135)와 광학 매체층(11) 사이는 에어 캐비티(134)이다.
광학 돌기(133 및 135)의 굴절률은 라이트 가이드(14)의 굴절률(n1)과 동일하거나 근접해 있다. 에어 캐비티(134)의 굴절률(n2)은 공기의 굴절률이며, 굴절률(n1)보다 작다(n2<n1).
볼록형 렌즈 대신에 홈, 도트 등의 오목형의 패턴이 형성된 광학층을 라이트 가이드의 저면에 접합해도 좋다. 이 경우에는 홈 또는 함몰에 의한 에어 캐비티가 저굴절률 패턴이 되며, 볼록형 렌즈로 할 경우와 마찬가지로 입사광을 효율적으로 광학 매체층(11)의 방향으로 굴절시킨다.
에어 캐비티(134)를 갖는 광학 기능층(13A)은, 예를 들면 아크릴계의 평판의 제 1 부분에 소망의 형상이 형성된 금형을 사용하여 진공 프레스에 의해 형상을 전사한다. 평판의 제 2 부분에 저굴절률의 액을 도포하고, 전사된 패턴으로 가공함으로써 형성된다.
광학 기능층(13A)을 라이트 가이드(14)와 굴절률이 동일 또는 근접하는 광학 접착제로 사용해서 라이트 가이드(14)의 저면에 접착해도 좋다.
저굴절률층(15)은 상술한 광학 디바이스(100A)와 마찬가지로 광원(21)으로부터 직접 입사하는 광을 광학층(13)의 방향으로 굴절시킨다. 저굴절률층(15)에서 반사된 광 또는 광원(21)으로부터 직접 입사하는 광은 광학 돌기(133 또는 135)와 에어 캐비티의 계면에서 굴절되어 광학 매체층(11)으로 유도된다. 광학 매체층(11)의 표면에서 광은 커버(17)의 방향으로 반사된다. 이 반사광은 저굴절률층(15)과의 계면에서 전반사 조건을 충족하지 않고, 그대로 커버(17)로부터 출사된다.
이 구성에 의해 광원(21)으로부터 출사된 광은 라이트 가이드(14)의 반대측의 단면까지 충분히 전반되고, 또한 광학 매체층(11)에서 반사된 광을 충분히 인출해서 출력할 수 있다.
스마트폰 등의 휴대 단말에서는 표시 화면의 특히 외주 영역에 지문, 땀 등의 오염이 부착되기 쉽다. 저굴절률층(15)이 없을 경우에 광원(21)으로부터 커버(17) 방향으로 출사된 광은 오염에 의해 산란되어 광손실이 커진다. 저굴절률층(15)과, 에어 캐비티(134)를 갖는 광학 기능층(13A)을 조합함으로써 도광 도중의 광손실을 억제하고, 또한 광학 디바이스(10A)로부터 효율적으로 광을 인출할 수 있다.
도 2b는 제 1 실시형태의 다른 광학 디바이스(10B)의 단면 모식도이다. 광학 디바이스(10B)는 광학 매체층(11)과, 광학 접착층(19)과, 저굴절률층(13B)과, 라이트 가이드(14B)와, 저굴절률층(14)과, 광학 접착층(16)과, 커버(17)가 이 순서로 적층되어 있다.
저굴절률층(13B)은 이 예에서는 전체 막(전체 면을 저굴절률 재료로 균일한 면을 형성하는 저굴절률층)이다. 저굴절률층(13B)과 저굴절률층(15n) 굴절률(n2)은 라이트 가이드(14)의 굴절률(n1)보다 낮다. 저굴절률층(13B)은 저굴절률층(15)과 함께 광원(21)으로부터 출사되어 광학 디바이스(10B)의 단면으로부터 입사된 광을 라이트 가이드(14)의 반대측의 단면까지 충분히 전반시킨다.
라이트 가이드(14B)는 내부에 광학 캐비티를 갖는다. 광학 캐비티의 내부는 공기 등의 기체로 채워져 있어도 좋다. 광학 캐비티의 형상은 라이트 가이드(14B)를 전반하는 광을 효율적으로 광학 매체층(11)의 방향으로 향하는 형상을 갖는다. 또한, 광학 캐비티의 계면에서의 굴절에 의해 미광 또는 누설광이 발생하지 않도록 설계되어 있다.
광학 캐비티는 미광 또는 누설광을 억제할 수 있는 한 단면형상이 직사각형의 광학 캐비티(141a), 3각형의 광학 캐비티(141b) 등 적절한 형상으로 설계된다. 광학 캐비티의 구체적인 형상에 대해서는 도 22a~도 22j를 참조해서 후술한다.
도 2b의 구성으로는 저굴절률층(13B), 라이트 가이드(14B), 및 저굴절률층(15)이 광학 기능층으로서 광학 필터가 형성된다. 이 광학 필터에 의해 광을 라이트 가이드(14B)의 단부까지 충분히 도광시키면서 필요한 양의 광을 광학 매체층(11)의 방향으로 유도하고, 광학 매체층(11)으로부터의 반사광을 커버(17)의 외측으로 효율적으로 인출할 수 있다.
도 2c는 제 1 실시형태의 다른 광학 디바이스(10C)의 단면 모식도이다. 광학 디바이스(10C)는 도 1a와 마찬가지의 구성을 갖고, 라이트 가이드(14)의 광인출측의 면(적층 방향에서 상면)에 전체 막의 저굴절률층(15)(전체 면을 저굴절률 재료로 균일한 면을 형성하는 저굴절률층)을 갖고, 라이트 가이드(14)의 저면에 광학적인 개구 패턴을 갖는 저굴절률층(13C)을 갖는다. 저굴절률층(13C) 및 저굴절률층(15)은 광학 기능층이 된다.
저굴절률층(13C)의 개구 패턴은 라이트 가이드(14)의 광전반 방향으로 감에 따라 개구율이 커지도록 형성되어 있다.
라이트 가이드(14) 중 광원(21)의 근방의 영역에서는 광량이 많고, 개구율을 작게 해도 충분한 양의 광을 광학 매체층(11)으로 유도할 수 있다. 라이트 가이드(14) 중을 전반함에 따라 광량은 감소하지만 광원(21)의 근방과 동 정도의 광을 광학 매체층(11)에 공급해서 광학 매체층(11)으로부터의 반사광의 강도를 균일하게 한다.
광학 디바이스(10A 및 10B)와 마찬가지로 저굴절률층(15)에 의해 라이트 가이드(14)의 단부까지 충분히 광을 널리 퍼지게 함과 아울러, 개구 패턴에 의해 효율적으로 광을 광학 매체층(11)에 입사시켜 반사광을 인출한다. 도 2c의 구성으로는 광학 디바이스(10C)로부터의 광인출이 효율적이고, 또한 균일해져 시인성이 더 향상된다.
도 2a~도 2c의 구성 중 적어도 일부를 서로 조합해도 좋다. 예를 들면, 도 2b의 라이트 가이드(14B)에 도 2a의 에어 캐비티가 부착된 광학층(13) 또는 도 2c의 개구가 형성된 저굴절률층(13C)을 조합해도 좋다.
도 2d는 라이트 가이드(14)의 광인출측의 면에 저굴절률층(15)을 형성하는 것의 효과를 설명하는 도면이다. 비교예로서 라이트 가이드(14)의 광인출측의 면에 저굴절률층(15)을 형성하지 않는 구성을 (b)에 나타낸다.
도 2d의 (b)와 같이 라이트 가이드(14)의 광인출측에 저굴절률층(15)이 없을 경우 커버(17)의 표면에 지문, 땀, 먼지 등의 오염이 부착되어 있으면 광원(21)으로부터 라이트 가이드(14)에 입사한 광 중 직접 커버(17)측을 향하는 광은 광학 매체층(11)으로 유도되지 않고 산란하여 광손실이 발생한다.
이에 대해 도 2d의 (a)와 같이 라이트 가이드(14)의 광인출측에 저굴절률층(15)을 배치함으로써 광이 광학 매체층(11)에 입사하지 않고 산란하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 저굴절률층(15)의 내부 전반사를 이용하여 광을 라이트 가이드(14)의 단부까지 전반시키면서 에어 캐비티(134) 또는 그 밖의 저굴절 부재에 의해 광을 광학 매체층(11)에 입사시킨다. 광학 매체층(11)으로부터의 반사광을 효율적으로 인출함으로써 높은 콘트라스트와 시인성을 실현할 수 있다.
도 2e는 광학 디바이스(10A~10C)의 사이니지(190)로의 적용예를 나타낸다. 표지, 간판, 파사드 조명, 마케팅 조명, 표시 조명 등으로 2차원 평면을 효율적으로 조명하기 위해서 상술한 개구 패턴과 에어 캐비티 중 적어도 한쪽을 사용하여 라이트 가이드 내를 도광시켜 충분한 양의 광을 인출한다.
공공, 표지, 마케팅용 디스플레이 등은 디스플레이나 포스터의 타입에 따라 패시브형 또는 액티브형으로 할 수 있다. 일반적으로는 백라이트 솔루션이 이용되지만 최근에는 프런트 라이트를 이용하는 것 및 반사형 디스플레이를 필요시에만 조명하는 것이 트렌드가 되어 있다.
도 2e의 예에서는 사이니지(190)는 편면 또는 양면에 상술한 광학 디바이스(10)를 적용할 수 있다. 사이니지(190)를 양면 솔루션으로 할 경우에는 양면 타입의 광학 디바이스(10D)를 사용해도 좋다.
도 2f는 광학 디바이스(10D)의 단면 모식도이다. 광학 디바이스(10D)는 1쌍의 광학 디바이스(10-1과 10-2)를 광학 매체층(11)의 측에서 등을 맞대고 접합한 것이다. 이 예에서는 도 2c의 광학 디바이스(10C)를 접합하고 있지만 광학 디바이스(10A) 또는 광학 디바이스(10B)를 접합해도 좋다. 충분히 광을 도광시켜 광학 매체층(11)으로부터 광을 충분히 인출할 수 있으면 양면에서 반드시 동일 구성의 광학 디바이스(10)를 사용하지 않아도 좋다.
광학 디바이스(10-1과 10-2) 각각의 단면에 광원(21-1)과 광원(21-2)이 배치되고, 단면으로부터 라이트 가이드로 광이 입사되어 도광한다. 개구 패턴 또는 에어 캐비티의 광학 기능에 의해 광은 광학 매체층(11)으로 유도되어 양면으로부터 출사한다.
광고 스탠드, 특히 포스터 등을 바꿔 끼울 경우에 광학 디바이스(10)로부터 광학 매체층(11)을 분리 가능하게 구성하는 것이 바람직하다. 이것에 대해서는 도 29와 도 30을 참조해서 후술한다.
고체 디스플레이의 경우 항구적인 래미네이션이 적절하다. 바람직하게는 강성 또는 탄성을 갖는 광학 재료에 의해 라이트 가이드(14)와 광학 매체층(11)(디스플레이/표지/포스터 등) 사이의 광학 콘택트를 확보해도 좋다.
고정형이어도 교체 가능형이어도 미광을 최소화하고, 높은 콘트라스트비를 유지하기 위해서 조명되는 표면과의 (광학적)접촉을 확실하게 하는 것이 중요하다.
라이트 가이드(14 또는 14B)가 조명 이외의 목적으로 사용될 때에는 패시브 모드에 있으며, 디바이스 전체를 통해서 시각적으로 투명성이 요구된다. 태양광 등의 자연광 하에서는 반사 디스플레이는 조명이 불필요하지만 프런트 라이트형과 같이 디스플레이의 최상층에 라이트 가이드가 있을 경우 충분한 투명도를 확보해서 디스플레이의 비주얼 특성을 저하시키지 않도록 한다.
액티브 모드에서는 투명 라이트 가이드는 일방 또는 양쪽의 면으로부터 조명광이 출사된다. 조명광의 용도에 따라 디스플레이용의 조명일 경우에는, 특히 시야각의 범위에서 적절한 배광이 이루어져 미광을 최소로 한다.
(A) 패시브 모드(조명 이외의 목적)일 때의 크라이테리어는 a) 흐림의 최소화 및 산란과 색 분리의 억제, b) 프레넬 반사의 최소화, c) 광학 패턴/조작의 불가시화, 및 d) 패턴 밀도의 변화의 불가시화이다.
(B) 액티브 모드일 때의 크라이테리어는 a) 패턴에 의한 미광, b) 계면(외부 반사)에 의한 프레넬 반사, c) 패턴 자체에 의한 프레넬 반사, 및 d) 산란이 억제된 광인출의 질이다.
실시형태의 광학 디바이스는 제품과 용도에 따라 어느 모드에도 대응 가능하게 한다. 특히, 표면에서의 광누설과 내부 프레넬 반사에 의한 미광은 내부 캐비티와 반사 방지 중 적어도 한쪽에 의해 대처 가능하다.
도 22a~도 22j는 광학 패턴의 구성예를 나타낸다. 광학 패턴은 굴절률(n1)의 매질 중에 저굴절률(n2)의 재료(n2<n1)로 형성되는 패턴이다. 굴절률(n2)의 재료가 공기일 때에는 에어 캐비티가 된다.
도 22a에서는 화살표의 입사광은 광학 패턴의 계면에서 전반사(TIA)되어 광이 외부로 인출된다.
도 22b에서는 광은 광학 패턴을 투과하고, 프레넬 반사에 의한 미광(Lstray)은 광학 패턴의 출사측의 제 2 면에서 반사되고, 입사측의 제 1 면에서 다시 반사되어 광학 패턴을 투과한다.
도 22c에서는 광은 광학 패턴을 투과하고, 제 2 면에서의 프레넬 반사의 방향 제어에 의해 미광(Lstray)은 최소화된다.
도 22d에서는 광학 패턴의 제 1 면에 AR막(145)이 형성되어 있다. 광은 광학 패턴을 투과하고, 제 1 면에 형성된 AR막(145)에 의해 미광(Lstray)은 최소화된다.
도 22e에서는 광은 광학 패턴의 제 2 면에서의 굴절에 의해 미광(Lstray)과 함께 광학 패턴을 투과한다.
도 22f에서는 광학 패턴의 제 1 면으로의 입사각을 제한함으로써 미광(Lstray)을 최소로 해서 광학 패턴을 투과한다.
도 22g에서는 광학 패턴은 볼록 렌즈형의 단면형상을 갖는다. 광은 광학 패턴의 표면에서 전반사(TIR)되어 외부로 인출된다.
도 22h에서는 광은 광학 패턴의 제 1 면으로부터 입사해서 제 2 면을 투과한다. 미광(Lstray)은 제 2 면과 제 1 면에서 반사되고, 그 후 제 2 면을 투과한다.
도 22i에서는 광학 패턴의 제 2 면에 AR막(145)이 형성되어 있다. 광은 제 1 면으로부터 입사해서 제 2 면을 투과한다. 파선의 화살표로 나타내는 미광은 AR막에 의해 최소화된다.
도 22j에서는 광학 패턴은 라이트 가이드(14)에 형성되어 있다. 광학 패턴은 패턴이 형성된 라이트 가이드에 광학 재료를 접합함으로써(접합의 계면(I/F)은 점선으로 나타내어져 있다) 형성된다. 계면(I/F)에 AR막을 형성함으로써 광학 패턴의 저면에 AR막이 형성된다.
도 23은 반사 방지막에 의한 미광 억제 효과를 설명하는 도면이다. 영역(A)과 같이 편면 조사일 경우 라이트 가이드(14)의 광인출면에 AR막(145)을 형성한다. 라이트 가이드(14)를 전반하는 광은 라이트 가이드(14)보다 굴절률이 낮은 광학 캐비티(141)에 의해 광인출면의 측으로 굴절된다.
영역(B)에서는 광학 캐비티(141)에서 굴절된 광의 일부는 광인출면에서 반사되고, 미광(Lstray)이 되어 라이트 가이드(14)의 반대측의 면으로부터 출사한다. 양면 조사의 경우에는 AR막(145)을 형성하지 않고, 미광(Lstray)을 이용해도 좋다.
도 24는 광학 접착제(191)에 의한 미광 억제 효과를 설명하는 도면이다. 태블릿 단말과 같이 디스플레이(110)를 백라이트로 비출 경우 라이트 가이드(14)와 디스플레이 유닛(디스플레이(110)와 광학 접착층(19)이 일체화되어 있다) 사이에 광학 접착제(191)를 충전함으로써 미광(Lstray)을 억제할 수 있다(영역(A)). 영역(B)과 같이 계면에 공기층이 존재하면 광학 캐비티(141)에서 디스플레이(110)측으로 굴절된 광의 일부가 공기층에서 반사되고, 미광(Lstray)이 되어 외부로 누출된다. 계면에 광학 접착제(191)를 충전함으로써 미광(Lstray)을 억제할 수 있다.
상술한 어느 광학 수단(개구, 에어 캐비티 등의 광학 패턴, AR막, 광학 접착제 등)도 미광을 억제하도록 설계되어 있다. 특히, 이하에서 설명하는 특징 중 2개 이상을 조합함으로써 최적인 솔루션이 얻어진다.
1) 광학 캐비티 패턴을 사용하여 내부 전반사(TIR) 또는 굴절에 의해 거의 모든 광을 광학 디바이스의 표면으로부터 인출해서(아웃커플링해서) 캐비티 내부로 산란시키지 않음으로써(도 22a 및 도 22g 참조) 미광과 프레넬 반사를 최소로 한다. 광원 또는 적어도 수직 방향으로의 광인커플링 콜리메이션에 의해 라이트 가이드로의 입사각을 제한해도 좋다.
2) 광학 캐비티 패턴의 제 1 면에서 대부분의 광을 광인출면으로 아웃커플링해서 일부 투과한 광을 캐비티의 계면으로부터 캐비티 내부로 리다이렉트하고, 제 2 면으로 인도함으로써 누설광 또는 미광을 억제한다(도 22e, 도 22f를 참조). 이 구성은 복합적인 솔루션이며, 패턴 프로파일의 제 1 면을 한정된 입사각(누설광 또는 미광을 회피할 수 있는 임계각)에 설계한다. 입사각은 광학 콜리메이션 소자를 사용하여(각도가 클 때에는 광흡수층을 사용하여) 제한 가능하다.
3) 비대칭의 광학 캐비티 패턴을 사용할 때에는 제 1 면을 광인출/아웃커플링면으로 하고, 제 2 면을 아웃커플링시키지 않고, 투과 또는 리다이렉트를 위한 면으로 한다. 이에 따라 라이트 가이드로부터 바람직하지 않은 프레넬 반사가 직접 외부로 아웃커플링하는 것을 방지한다. 주기적인 패턴이 사용될 경우에는 제 2 면은 다음 패턴면과 협동해서 광의 방향 부여, 광인출/아웃커플링 성능 등을 향상시킨다.
4) 대상형의 광학 캐비티 패턴을 사용할 때에는 제 1 면을 광인출/아웃커플링면으로 하고, 제 2 면을 아웃커플링시키지 않고, 투과 또는 리다이렉트시켜서 바람직하지 않은 방향으로의 프레넬 반사를 최소로 한다(도 22c 참조).
5) 광학 캐비티 패턴을 사용할 때에는 제 1 면 및/또는 제 2 면에 반사 방지 코팅 또는 반사 방지 구성을 적용한다. 프레넬 반사를 최소로 하기 위해서 AR 패턴 또는 다층 코팅 또는 저굴절률 코팅을 사용하여 광대역 AR을 형성해도 좋다(도 22d, 도 22i 참조). 광학 캐비티 패턴과 AR 구조/코팅에 의해 다기능 하이브리드 구성으로 해도 좋다.
6) 광학 캐비티 패턴의 프로파일을 형성할 때에는 플랫한 표면을 갖는 제 2 면에 AR 코팅 또는 AR 패턴을 형성해도 좋다. 이와 같은 광학 캐비티는 일방의 표면에 캐비티 형상을 형성한 제 1 필름과 일방의 면에 AR 코팅을 실시한 제 2 필름을 접합함으로써 형성할 수 있다. 광학 캐비티에 접합의 계면은 존재하지 않고, 능동적인 AR면이 얻어진다.
7) 편면 조사로 라이트 가이드에 광학 캐비티 패턴을 형성할 경우 광인출면에 AR층(AR 코팅 또는 AR 패턴)을 형성함으로써 바람직하지 않은 프레넬 반사를 최소로 할 수 있다. 양면 광인출일 경우 AR층은 없어도 좋다(도 23 참조).
8) 일방의 면이 표시면으로의 광인출면이 되는 라이트 가이드에 광학 캐비티 패턴을 형성할 경우 표시 유닛과의 접촉면에 광학 접착제를 주입하여 바람직하지 않은 프레넬 반사를 최소로 한다(도 24 참조).
9) 광학 패턴을 형성하지 않고, 편면을 광필터링면으로 할 경우 광학적인 개구로 광을 통과시켜 광학 접합에 의해 표시면에 소망의 조명광을 부여한다. 광필터링면은 광투과면을 갖는 저굴절률 클래드로 실현되어도 좋다(도 1a, 도 1b, 도 2c 참조).
투명 라이트 가이드와 투명 캐비티 광학계에는 다양한 용도가 있으며, 광학 패턴 자체는 용도, 적용 형태 등에 따라 적당히 설계되어 최적화된다. 예를 들면, 광학 기능층에 형성되는 적어도 1개의 광학 패턴은 홈, 오목부, 도트, 픽셀 등으로부터 선택되는 릴리프로서 형성되어도 좋다. 릴리프는, 예를 들면 국소적인(막 두께 방향의) 오목면 또는 볼록면을 갖는 패턴이며, 바이너리, 블레이즈, 경사, 프리즘, 사다리꼴, 반구 등의 형상으로부터 선택되어도 좋다. 또는 릴리프는 직선, 곡선, 파형상, 정현파 등의 긴 형상이어도 좋다.
투명 조명의 경우 광학 기능층을 위해 색 분리와 산란이 적은 고성능인 광학 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 라이트 가이드, OCA(광학 투명 접착제), 저굴절률층에 있어서 양호한 광학 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 광학 개구를 갖는 저굴절률층은 산란과 미광이 억제되어 있는 것이 바람직하다. 다른 굴절률 재료와 함께 래미네이트된 적층 내에 물리적인 개구가 있으면 광산란, 흐림, 콘트라스트비의 저하의 원인이 되므로 도 1a, 도 1b, 도 2c와 같이 국소적인 굴절률의 변화에 의한 광학적 개구를 갖는 저굴절률층은 하나의 유효한 구성이다. 광학 개구를 갖는 저굴절률층은 잉크젯 인쇄, 반전 오프셋 인쇄, 레이저, 전자빔 처리 등에 의해 형성될 수 있다.
도 1a 및 도 2a~도 2c의 구성은 프런트 라이트 솔루션으로서 효과적이다. 라이트 가이드 중 적어도 광인출면에 저굴절률층(15)이 형성되어 광원(21)과 반대측의 단부까지 도광시킬 수 있다. 도 1b와 같이 라이트 가이드(14)의 광인출면이 최상층이 되는 프런트 라이트 솔루션도 유효하지만 최표면의 오염 또는 결함에 의한 광누설을 방지하기 위해서 바람직하게는 저굴절률값의 경질 코팅을 퇴적해도 좋다.
광학 기능층이 광학 패턴을 가질 경우 광학 패턴 밀도는 일정해도 좋고, 도 2c와 같이 패턴 밀도에 구배를 갖게 해도 좋다. 광학 패턴을 갖는 광학 기능층은 투명 백라이트, 프런트 라이트, 조명 패널 등의 용도에 따라 설계될 수 있다. 광인출의 패턴으로서 좁은 범위에서의 광분포, 광범위한 광분포, 타원형, 대칭, 비대칭 등의 광분포로 설계할 수 있다. 광인출 효율은 연속적인 주기적 프로파일 또는 픽셀 등의 국소적 프로파일에 의해 최대화할 수 있다. 투명 솔루션의 경우 흐림 및 미광을 최소화함으로써 광인출 효율을 최대로 할 수 있다. 연속적이며, 효율적인 3D 광학 패턴을 형성해도 좋다. 이 경우 복수의 애플리케이션으로 이용 가능하며, 마스터 제작과 제품 비용이 삭감되어 제품 사이즈를 대형화할 수 있다.
광학 기능층에 형성되는 기본적인 광학 프로파일로서 표면 릴리프 패턴 또는 캐비티 광학 패턴 중 어느 것을 사용해도 좋다. 캐비티 광학 패턴의 경우 광학 캐비티 내에 기체, 유체 또는 고체 재료, 바람직하게는 공기를 충전해서 광학면에 내부 전반사 효과를 부여해도 좋다. 광학 패턴에 회절 또는 굴절 광학계에 의거하여 바이너리, 경사, 블레이즈, 프리즘, 마이크로 렌즈 등의 상이한 프로파일을 부여할 수 있다.
라이트 가이드는 도포층, 기재 상의 필름, 도광체 등을 사용하여 형성된다. 패턴이 없는 기재의 플랫한 표면에 광필터링 개구를 갖는 광분배/인출 필름을 적용해도 좋다. 기능성 필름을 사용함으로써 PMMA, 유리 등과 같이 상이한 재료를 사용해서 라이트 가이드를 얇게도, 두껍게도 설계할 수 있다. 모든 광학 기능이 「올인원」 필름 상에 일체화되어도 좋다. 주요한 광학 기능으로서 필터 개구에 의한 균일성의 제어, 광학 캐비티 패턴으로 결정되는 광분포에서의 아웃커플링이다. 이들 2개의 주요 기능은 2개의 상이한 페이즈로서 개별로 실현되어도 좋다. 디퓨저 등의 추가의 기능층을 장착해도 좋다.
저굴절률층에 의한 광학 필터를 기재의 표면에 직접 적용해서 개구를 형성하고, 광학 필터 상에 광인출용의 광학 패턴을 갖는 기능성 필름을 적용해도 좋다. 이 구성은 적층 또는 조립의 공정수를 감소시킬 수 있다. 광학 필터와 기능성 필름의 적층 구조는 라이트 가이드의 편면 또는 양면에 적용할 수 있다.
광의 분배와 인출은 적어도 1개의 광학 패턴층, 표면 릴리프, 캐비티 패턴 등이라는 필름의 콘셉트에 의거하고 있다. 복수의 광학 패턴을 적용해서 단일의 필름을 형성할 수 있고, 그 중에 적어도 1개의 캐비티 광학층이 일체화되어 있어도 좋다. 에어 캐비티 등의 캐비티 광학 소자를 이용함으로써 복수의 층을 서로 접합할 수 있다. 요철 패턴 등의 표면 릴리프를 사용하지 않을 경우에는 필름은 완전히 일체화되어 계면끼리가 접착될 수 있다. 일체화된 광필터 클래딩을 광학 패턴을 갖는 단일의 필름 내에 집적해도 좋다.
광학 패턴은 다양한 형태에 의해 광학 기능층으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 층 내에 매입된 에어 캐비티 옵틱스(층 내에 광학적 공동을 갖는 광학 기능층)이어도 좋고, 투명 래미네이트층, 반사 래미네이트층, 착색 래미네이트층 등과의 계면에 배치되는 광학체와 캐비티의 교호 패턴으로서 형성되어도 좋다.
개구를 사용하지 않고, 도 2b와 같이 내부에 광굴절/인출용의 광학 패턴(예를 들면, 에어 캐비티)을 갖는 라이트 가이드(14B)를 광필터로 해도 좋다. 라이트 가이드(14B)의 양면에 균일한 저굴절률 재료의 연속막이 형성된다. 광학 패턴은 라이트 가이드(14B)의 내부에 일체화되어 있다. 광학 패턴으로서 마이크로 렌즈, 블레이즈, 경사, 이산 패턴, 픽셀 퍼터 등을 주기적 또는 회절 격자형상으로 배치해도 좋다. 양면에 균일한 저굴절률층이 형성된 라이트 가이드를 광학 투명 접착제(OCA)로 다른 층과 접착해도 좋다. OCA는 저굴절률층보다 높은 굴절률을 갖고, 바람직하게는 라이트 가이드와 동일 굴절률을 갖는다.
광학 기능 패턴이 모체층에 매입된 캐비티로서 형성될 경우 모체와 기능성 캐비티가 교대로 배치된다. 이 경우 광학 기능은 광학 기능 캐비티의 치수, 형상, 주기, 단면 배치 중 적어도 1개에 의해 설정된다. 상술한 바와 같이 캐비티는 공기로 채워져 있어도 좋고, 다른 기체, 유체, 액체 또는 고체로 충전해도 좋다.
실시형태의 라이트 가이드를 와이어 그리드 편광자 등의 일반적인 편광자와 조합해도 좋다. 편광자는 광학 기능층의 평탄면 상에 직접 접착 또는 적층할 수 있다. 광학 기능층에 형성된 광학 패턴이 와이어 그리드 편광자와 기능적으로 협동하도록 구성되어 있을 경우 휘도를 높일 수 있다.
실시형태의 광학 디바이스는 상술한 바와 같이 사이니지, 간판, 파사드, 마케팅, 및 표시등 등에 적용될 수 있다. 이 용도의 경우 개구 또는 캐비티 패턴의 유무에 상관없이 저굴절률층을 이용하여 전체 영역, 이산적인 영역, 임의의 2차원 형상 등을 비출 수 있다. 일례로서 커플링 패턴의 유무에 상관없이 컬러 필름 또는 피겨 필름에 개구층을 일체화해서 적층막으로 할 수 있다. 이 적층막을 소망의 형상으로 절단해서 도광 시트 상에 래미네이트함으로써 도 2a~도 2c의 구성이 얻어진다. 광학 기능층과 라이트 가이드를 포함하는 적층체는 포스터, 디스플레이 등의 광학 매체층(11)에 대해서 고정(영구)적 또는 분리 가능하게 접착할 수 있다.
도 2a와 같이 광학 매체층(11)과의 접촉면에 볼록형상의 광학 패턴을 가질 때에는 탄성을 갖는 투명한 광학 재료로 광학 패턴을 형성해도 좋다. 특히, 분리 가능하게 광학 매체층(11)과 접착될 때에는 탄성 패턴인 것이 바람직하다. 광학 매체층(11)이 교환 가능한 포스터 등일 경우 광학 패턴은 복수회의 분리와 재접착에 견딜 수 있을 만큼의 내구성과 신뢰성을 갖는 탄성 재료로 형성되는 것이 바람직하다.
제 1 실시형태에서는 라이트 가이드(14)의 광인출측의 표면에 개구가 없는 균일한 저굴절률막(15)을 형성하고, 라이트 가이드(14)의 광인출면과 반대측의 면에 광학 패턴을 갖는 광학 기능층(13)을 배치한다. 광학 패턴은 라이트 가이드(14)로부터의 입사광을 음의 각도로 아웃커플링하고, 광학 매체층(11)으로부터의 반사광을 양의 각도로 아웃커플링하도록 설계되어도 좋다. 광학 패턴은 임계각보다 작은 각도로 광이 입사하도록 설계되어 있다. 이에 따라 저굴절률층(15)에서 전반사 된 광을 라이트 가이드(14)의 단부까지 분배하면서 광을 저부 리플렉터가 되는 광학 매체층(11)의 방향으로 효율적으로 유도해서(커플링해서) 효율적으로 광을 인출할(아웃커플링할) 수 있다.
<제 2 실시형태>
도 3a는 제 2 실시형태에서 해결해야 할 과제를 설명하는 도면, 도 3b와 도 3c는 제 2 실시형태의 광학 디바이스의 단면 모식도이다. 구성예를 나타내는 도면이다.
라이트 가이드(14) 중 적어도 한쪽의 면에 저굴절률층이 형성되어 있을 경우에도 광원(21)의 근방에서는 파선의 화살표로 나타내는 바와 같이 임계각 미만의 입사각으로 저굴절률층(23 또는 15)으로 입사하는 광선(파선으로 나타낸다)이 존재한다. 임계각에 도달하지 않고, 전반사되지 않은 광선은 개구 패턴 등의 광학 기능에 의해서는 제어되지 않고, 그대로 저굴절률층(23 또는 15)을 투과해서 광손실이 된다.
또한, LED 등의 광원(21)에 대해서 올바르게 얼라인되어 있지 않을 경우에도 출사광의 전체를 라이트 가이드(14)에 결합시킬 수 없어 광학 접착층(16 또는 19) 또는 그 밖의 층의 내부에 불필요한 광을 투과시킨다. 계면에 대해서 임계각 미만의 각도로 입사하는 광을 회피해야 한다.
도 3b는 상기 광누설을 해결하는 광학 디바이스(30A)의 구성예를 나타낸다. 광학 디바이스(30A)는 라이트 가이드(14)를 갖고, 라이트 가이드(14)의 양면에 광학 기능층으로서의 저굴절률층(15 및 23)이 형성되어 있다.
광학 디바이스(30)는 그 광원(21)측의 단부 영역에 광흡수층(31) 및 광흡수층(32)을 갖는다. 광흡수층(31 및 32)은, 예를 들면 블랙 테이프 등의 광흡수성의 얇은 층이다. 광흡수층(31 및 32)은 광원(21)측의 단부 영역의 표면에 직접 접착되어도 좋고, 화학적 표면 처리에 의해 접착되어도 좋다.
도 3b의 라이트 가이드(14)의 광인출측에서 예시하는 바와 같이 단부의 최표면에 광학 접착층(18) 등의 다른 층이 있을 경우 그 별도의 층(광학 접착층(18))의 표면에 테이프 등의 층 형태로 광흡수층(31)을 형성해도 좋다. 또는 라이트 가이드(14)의 저면측에서 예시하는 바와 같이 저굴절률층(23) 등의 광학 기능층이 광흡수 기능을 갖고 일체화되어 있어도 좋다.
저굴절률층(15 및 23)으로의 입사광이 전반사의 임계각보다 작은 입사각을 가질 때에(파선의 화살표로 나타낸다) 저굴절률층(15 및 23)에 의해 제어되지 않은 광은 광흡수층(31 및 32)에 의해 흡수된다.
도 3c는 광손실 방지의 다른 구성예이다. 광학 디바이스(30B)는 광흡수층(31 및 32) 대신에 리다이렉트층(33 및 34)을 사용한다. 리다이렉트층(33 및 34)으로서, 예를 들면 광지향성의 필름 또는 테이프를 이용할 수 있다. 리다이렉트층(33 및 34)은 광원(21)으로부터 출력된 광의 입사각을 임계각을 초과해서 전반사 조건을 충족하도록 변화시켜서 광을 라이트 가이드(14)의 내부에 유지한다.
도 3c의 라이트 가이드(14)의 광인출측에서 예시하는 바와 같이 단부의 최표면에 광학 접착층(18) 등의 다른 층이 있을 경우 그 별도의 층(광학 접착층(18))의 표면에 테이프 등의 층 형태로 리다이렉트층(33)을 형성해도 좋다. 또는 라이트 가이드(14)의 저면측에서 예시하는 바와 같이 저굴절률층(23) 등의 광학 기능층이 리다이렉트 기능을 갖고 일체화되어 있어도 좋다.
리다이렉트층(33 및 34)은 매입형의 개구 또는 캐비티 광학 소자로 실현되어도 좋고, 각각 저굴절률층(15 및 23)과 협동해서 광에 지향성을 부여한다. 매입형의 개구 또는 캐비티 광학 소자를 갖는 리다이렉트층은, 예를 들면 개구 또는 캐비티의 패턴이 형성된 투명한 제 1 필름에 제 2 필름을 래미네이트함으로써 제작 가능하다. 제 2 필름은 투명이어도 비투명이어도 좋고, 람베르트 반사, 경면 반사, 상이한 2색간(흑백 등)의 반사 특성을 갖고 있어도 좋다.
도광 방향으로의 광원(21)의 얼라이먼트 어긋남은 상부(광인출측)의 광학 접착층(18)이 라이트 가이드(14)의 단부까지 덮여 있지 않을 경우에는 그렇게 문제가 되지 않는다. 광학 접착층(18)은 라이트 가이드(14)의 에지로부터 조금 떨어져 형성되어도 좋고, 리다이렉트층(33)에서 라이트 가이드(14) 내로의 광의 전반을 서포트한다. 통상은 저굴절률층(15 및 23)은 매우 얇고, 라이트 가이드(14)에서의 광의 결합과 전파에 흐림, 컬러 시프트 등의 문제를 발생시키지 않고, 거의 모든 광선은 고굴절률측(라이트 가이드측)에 반사된다.
제 2 실시형태의 구성으로 광원(21)측의 단부에서의 광손실을 억제하고, 라이트 가이드의 반대측의 단부까지 도광시키면서 광인출면으로부터 충분한 양의 광을 인출할 수 있다.
<제 3 실시형태>
도 17a는 제 3 실시형태에서 해결해야 할 과제를 설명하는 도면, 도 17b 및 도 17c는 과제를 해결하기 위한 구성예를 나타낸다.
도 17a에 있어서 광원(21)에 의해 대응하는 라이트 가이드(1001)의 광입사측의 단면에 광을 입사할 때에 입사측 단면에 아무것도 처리가 실시되어 있지 않으면 입사광이 광의 선이 되어 시인되어 버린다. 통상은 입사 단면에 톱니형상을 형성하는 등의 가공이 실시되어 있지만 광의 방향성을 충분히 제어할 수 없어 바람직하지 않은 방향으로의 산란, 얼라이먼트 어긋남 등에 의해 휘도가 저하된다. 그래서 광원(21)과 라이트 가이드(1001)의 입사 단면 사이에 반사 시트(1003)를 갖는 리플렉터(1002)를 배치해서 광을 라이트 가이드(1001)의 단면에 콜리메이트하는 것이 생각된다.
그러나 부품 수가 증가해서 조립 비용과 시간이 걸린다. 저비용이며, 조립이 용이하고, 또한 라이트 가이드로의 인커플링 효율이 높은 새로운 구성이 요망된다.
도 17b는 하나의 해결책을 나타낸다. 광학 디바이스(40A)는 라이트 가이드(174)의 입사측의 단면(175)에 설치되는 인커플링 광학계(170)를 갖는다. 도 17b는 라이트 가이드(174)의 도광 방향을 y, 두께 방향을 z, 폭 방향을 x로 했을 때의 xy면 내의 형상을 나타내고 있다.
인커플링 광학계(170)는 반구형, 프리즘형, 로드형 등의 형상을 갖는 광학 소자(171) 및 광학 소자(171)와 라이트 가이드(174)의 단면(175) 사이에 형성되는 에어 캐비티(173)를 포함한다. 광학 소자(171)는 광원(21)으로부터 출사된 광을 효율적으로 라이트 가이드(174)의 단면(175)을 향해서 출력한다. 에어 캐비티(173)는 광학 소자(171)로부터 출력되어 광을 라이트 가이드(174)의 단면(175)에 효율 좋게 입력하는 인커플링 소자로서 기능한다. 광학 소자(171)와 에어 캐비티(173)에 의해 광원(21)으로부터의 광을 콜리메이트하고, 또한 효율적으로 라이트 가이드(174)의 단면(175)에 결합시킨다.
도 17b의 예에서는 광원(21)과 동일 수의 광학 소자(171)가 횡 방향(x 방향)으로 배열된 인커플링 광학계(170)가 광학 접착층(176)에 의해 라이트 가이드(174)의 단면(175)(도광층(174)의 일정한 평면으로 되어 있는 입사 에지면(175))에 접착되어 있다. 복수의 볼록형상의 광학 소자(171)의 정점은 일정한 평면으로 되어 있는 라이트 가이드(174)의 에지 또는 반면(175)에 접촉해서 배치된다. 이들 볼록형상의 광학 소자(171)는 그 정점이 일정한 평면으로 되어 있는 라이트 가이드(174)의 단면(175)에 접촉하는 형태로 단면(175)과 얼라이먼트해서 에어 캐비티(173)의 패턴(광학 캐비티 패턴)을 형성하고 있다. 각 광학 소자(171)와 에어 캐비티(173)는 광원(21)으로부터 출력된 광을 대응하는 라이트 가이드 영역에 결합시킨다.
바람직한 구성예로서 도시는 하지 않지만 복수의 광학 소자(171)가 일렬로 배치된 광학 시트를 사용해도 좋다. 광학 소자(171)의 형상은 반구형에 한정되지 않고, 에어 캐비티(173)가 형성될 수 있는 한 렌티큘러형, 로드형 등이어도 좋다. 광학 시트에 있어서 각 광학 소자(171)의 저면에 미리 LED 등의 광원(21)이 고정되어 있어도 좋다. 광학 시트는 압출 성형, 펀칭, 성형 인서트 등에 의해 저비용으로 간단하게 제작할 수 있다. 이 구성에 의하면 광학 시트를 라이트 가이드(174)의 평탄한 단면(175)에 부착하는 것만으로 광원(21)과 대응하는 라이트 가이드 영역의 단면(175)이 셀프 얼라인된다.
광학 시트를 부착한 후에는 광학 소자(171)와 에어 캐비티(173)의 계면에서 광이 굴절되어 라이트 가이드(174)의 단면(175)에 효율적으로 광결합한다. 광원(21)으로부터의 출사광의 거의 전체가 이용된다.
도 17c는 다른 구성예의 광학 디바이스(40B)를 나타낸다. 광학 디바이스(40B)에서는 광학 접착층(176)을 사용하는 대신에 인커플링 광학계(170)와 라이트 가이드(174)를 일체적으로 형성한다. 일체형의 광학 디바이스(40B)는 몰딩, 다이 커팅법 등에 의해 용이하게 제작할 수 있다.
도 17b와 도 17c에 있어서 광학 소자(171)는, 예를 들면 횡 방향(X축 방향)으로 ±10°의 각도에서 광을 콜리메이트하는 평탄한 볼 렌즈로서 성형되어도 좋다. 이 구성은 LED 스트립과 같이 복수의 광원(21)을 사용할 경우에 적합하다. 광학 소자(171)를 포함하는 광학계의 설계는 라이트 가이드(174)의 내부에서 x 방향(횡 방향)의 광분포의 균일성을 70% 이상으로 해서 「점광원」의 영향을 정규화하도록 최적화되어 있다.
도 17b와 도 17c에 있어서 복수의 광원(21)은 광학 소자(171)의 비볼록부측(광학 소자의 볼록부와 반대측)의 연속적인 평면에 배치되어 있다. 광학 소자(171)의 볼록부와 반대측의 평면측에 광원(21)을 배치함으로써 복수의 볼록부에 대응한 복수의 광원의 얼라이먼트가 용이하다.
도 17d는 횡 방향으로 콜리메이트되어 있는 제 3 실시형태의 라이트 가이드(174)의 내부의 광강도 분포를 나타낸다. 도 17d의 모델에서는 콜리메이트 기능을 갖는 인커플링 광학계(170)와, 리니어 블레이즈형 그레이팅(35)의 조합에 의해 입사 단면(도면의 저면)에서 균일한 광분포가 얻어지고 있다. 그레이팅(35)은 돌기를 라이트 가이드측을 향해 배치되어 있다. 인커플링 광학계(170)에 의해 횡 방향의 광속이 정규화되어 있으므로 라이트 가이드에서의 그레이팅(35)의 충전율의 최적화가 용이해져 있다. 이 모델의 종 방향의 휘도 분포의 FWHM은 30°, 횡 방향의 휘도 분포의 FWHM은 50°이다. 콜리메이트되어 있는 것이 잘 나타내어져 있다.
도 17e는 비교예 1의 강도 분포를 나타낸다. 비교예 1은 도 17d와 동일 광원(21), 동일 사이즈의 라이트 가이드(174)를 사용하고, 인커플링 광학계(170)를 사용하지 않는 구성이다. 아웃커플링에는 도 17d와 마찬가지로 리니어 블레이즈형의 그레이팅(36)을 사용하지만 돌기가 광원(21)측을 향해 배치되어 있다. 라이트 가이드의 입사단에 광원으로부터의 다수의 광줄무늬가 관찰되고, 라이트 가이드 저부에서의 광분포의 균일성이 좋지 않다. 종 방향의 휘도 분포의 FWHM은 30°이지만 횡 방향으로의 콜리메이트가 불충분하며, 횡 방향의 휘도 분포의 FWHM은 82°로 넓다.
도 17f는 비교예 2의 강도 분포를 나타낸다. 비교예 2에서는 도 17d와 동일 광원(21), 동일 사이즈의 라이트 가이드(174)를 사용하여 만곡형상의 그레이팅(37)을 사용한다. 인커플링 광학계(170)는 설치되어 있지 않다. 라이트 가이드의 저면에서의 광분포는 거의 균일하다. 종 방향의 휘도 분포의 FWHM은 29°이지만 횡 방향으로의 콜리메이트가 불충분하며, 횡 방향의 휘도 분포의 FWHM은 78°로 넓다.
도 17g는 도 17d~도 17f의 모델과 종래 모델을 비교하는 표이다. 종래 모델은 휘도 강화 필름(Brightness Enhancement Film)이 부착된 마이크로 렌즈형 백라이트 유닛(BLU)이다. 비교예 1은 도 17e의 리니어 그레이팅 구성의 에어 캐비티형 BLU이다. 비교예 2는 도 17f의 만곡 그레이팅 구성의 에어 캐비티형 BLU이다. 비교예 1과 비교예 2에서는 인커플링 광학계(170)가 사용되어 있지 않다. 실시형태의 구성은 도 17d의 모델에 의거하여 인커플링 광학계(170)와 리니어 그레이팅 구성을 사용하고, 또한 그레이팅의 돌기를 라이트 가이드측을 향해 있다.
비교의 파라미터는 휘도(루미넌스), 종래 구성의 휘도를 100%로 했을 때의 상대값, FWHM, 입사 단면(저면)의 강도 분포의 균일성, 인커플링의 유무이다.
실시형태의 모델은 인커플링 광학계와 리니어 그레이팅을 사용하여 종래의 라이트 가이드 구성과 비교해서 90%를 초과하는 효율 향상이 달성되어 있다. 저면의 강도 분포의 균일성, 휘도 분포 등의 다른 모든 성능도 향상되어 있다. 상기 성능 파라미터의 전체는 조정 가능하며, 최종적인 타깃값을 최적화할 수 있다. 예를 들면, 인커플링 광학계를 아웃커플링 광학계와 함께 최적화함으로써 광분포각을 좁게도 넓게도 할 수 있다.
인커플링 광학계(170)에 의해 횡 방향으로 콜리메이트된 광일 경우 리니어 구조의 그레이팅(35)을 아웃커플링 패턴으로서 이용할 수 있다. 리니어 그레이팅(35)의 마스터 및 제조 툴은 드럼 절단법이나 그 밖의 직접 툴법에 의해 제조할 수 있기 때문에 전체 구조의 제조와 마스터의 제작이 안가이며, 또한 용이해진다.
박막일 경우 인커플링 광학계(170)의 에어 캐비티(173) 또는 광학 소자(171)는 다이 절단법, 특히 가열 블레이드법 등에 의해 제작 가능하다. 인커플링 광학계(170)의 형상은 라이트 가이드를 대형의 베이스 필름으로부터 잘라내는 것과 동일 프로세스로 형성되어 프로세스가 안가이며, 또한 용이해진다. 인커플링 광학계(170)의 광학 소자(171) 또는 에어 캐비티(173)를 확산 반사, 경면 반사 등의 리플렉터 필름 또는 리다이렉트 필름으로 덮어 전체 광을 이용하는 구성으로 해도 좋다. 인커플링 광학계(170)의 캐비티의 양면에 리플렉터 필름을 형성해도 좋다. 이 경우 리플렉터 필름을 라이트 가이드의 표면에 투명한 저굴절률 접착제로 직접 접착해도 좋다. 라이트 가이드의 표면에 저굴절률값의 투명 코팅이 되어 있을 경우에는 그와 같은 표면층에 리플렉터를 접착해도 좋다.
두꺼운 시트일 경우 레이저 절단에 의해 플랫 볼 렌즈형의 캐비티를 형성할 수 있다. 또는, 도 17b의 (b)에 나타낸 바와 같이 라이트 가이드의 에지에 접촉점을 갖는 광학 소자(171)를 갖는 광학 시트(178) 또는 스트립을 사용해도 좋다. 광학 시트(178)와 투명한 광학 접착제로 비교적 두꺼운(예를 들면, 1~5㎜) 라이트 가이드의 에지에 래미네이트할 수 있다. 이것은 간단한 방법이며, 라이트 가이드의 두께가 두꺼우므로 얼라이먼트가 용이하다. 이 경우에도 에어 캐비티(173) 또는 광학 캐비티를 편면 또는 양면에서 리플렉터, 디퓨저, 리다이렉트 필름 등으로 덮어 효율을 최대화해도 좋다.
수직 방향의 콜리메이션의 경우 라이트 가이드의 일체화에 라운드 에지 또는 볼 렌즈를 이용할 수 있다. 인커플링 광학계(170)는 도 17c와 같이 일체화되어 있어도 좋다. 또한, 인커플링 광학계(170)에서의 에어 캐비티(173) 또는 광학 소자(171)의 형상은 상기 예시에 한정되지 않고, 광원(21)으로부터의 광을 라이트 가이드(174)의 입사측 에지에 효율적으로 결합할 수 있는 임의의 형상으로 설계된다.
이 구성에 의해 라이트 가이드로의 광입사 효율과 휘도를 높이고, 강도 분포를 균일하게 할 수 있다.
도 17h는 제 3 실시형태의 인커플링 광학계(170)를 사용했을 때의 횡 방향의 휘도의 균일성을 나타내는 도면이다. 인커플링 광학계(170)와 3개의 LED를 사용한 모델로 시뮬레이션하고 있다. 상술한 바와 같이 인커플링 광학계(170)는 횡 방향으로의 콜리메이트 기능을 갖고, 라이트 가이드 내에서의 횡 방향에서의 휘도 분포의 균일성이 80%에 도달해 있다. 최종적인 소망의 조명 성능, 특히 광원측의 에지 근방에서 균일한 조도를 달성하기 위해서 횡 방향으로의 휘도 또는 광속은 라이트 가이드의 아웃커플링 설계를 생각하는 데에 있어서 중요한 요소이다. 제 3 실시형태의 구성에 의해 횡 방향으로의 균일한 휘도 분포가 실현된다.
도 17i는 라이트 가이드의 입사단에 인커플링 캐비티를 장착한 구성예를 나타낸다. 구성 (a)는 표면 릴리프 패턴을 갖는 일반적인 라이트 가이드 구성에 인커플링 광학계(170)로서 일체화된 인커플링 캐비티를 장착한 예이다. 이 경우 LED로부터의 광이 인커플링 캐비티에 의해 효율적으로 라이트 가이드에 결합되었다고 해도 릴리프 패턴의 사면에 임계각 미만의 각도로 입사하는 광에 의해 광이 굴절되어 라이트 가이드의 반대측의 단면까지 충분히 도광할 수 없다.
구성 (b)는 도 2b와 같은 매입형의 캐비티(172)를 갖는 라이트 가이드(174b)에 인커플링 캐비티를 장착한 예이다. 이 구성에서는 라이트 가이드의 저면을 향하는 광은 전반사 조건을 충족하고, 라이트 가이드(174b)의 반대측까지 충분히 전반함과 아울러, 캐비티(172)에 의해 광인출측으로 반사된다.
구성 (c)는 패턴이 없는 라이트 가이드(174)의 광인출측에 개구를 갖는 저굴절률층(13)이 형성되고, 저굴절률층(13) 상에 매입 캐비티(179)를 갖는 패턴층(177)이 배치되어 있다. 이 구성에서는 인커플링 광학계(170)에 의해 효율적으로 라이트 가이드(174)에 결합한 광은 라이트 가이드(174)의 저면과 저굴절률층(13) 사이를 전반사하면서 전반하고, 또한 개구를 투과한 광이 매입 캐비티(179)에 의해 광인출측으로 굴절된다. 이에 따라 균일한 휘도 분포로 광인출 효율을 향상시킬 수 있다.
<그 밖의 실시형태>
이하에서 설명하는 실시형태는 기본 개념(도 1a 및 도 1b), 제 1 실시형태, 제 2 실시형태, 및 제 3 실시형태 중 어느 것에도 적용 가능하다. 또한, 기본 개념, 제 1 실시형태, 제 2 실시형태, 및 제 3 실시형태는 서로 조합 가능하다.
실시형태의 광학 패턴(광학 개구, 에어 캐비티 등을 포함한다)은 다양한 방법에 의해 제조된다. 예를 들면, 레이저 패터닝, 다이렉트 레이저 이미징, 레이저 드릴, 마스크에 의한 또는 마스크리스의 레이저 또는 전자빔 조사가 사용된다. 인쇄, 잉크젯 인쇄, 스크린 인쇄 등에 의해 개별의 특성을 부여해서 광학 재료나 굴절률값을 변경해도 좋다. 마이크로/나노 디스펜스, 도징, 다이렉트 「기입」, 이산적 레이저 소결, 마이크로 방전 가공(마이크로 EDM), 마이크로 머시닝, 마이크로 성형, 임프린팅, 엠보스 가공, 및 이들과 비슷한 것에 의해서도 제조할 수 있다. 저굴절률층 또는 내부 전반사(TIR)층을 직접 접합하는 직접 콘택트법으로 광학 개구의 형성을 완료해도 좋다.
개구의 형성은, 예를 들면 레이저 어블레이션에 의해 캐리어 기판, 라이트 가이드 등의 매체를 통해 처리하는 등 간접적 콘택트로 완료해도 좋다. 어블레이션에 의해 클래드가 제거됨으로써 직접 콘택트와 동일하게 소망의 사이즈, 형상의 개구가 형성된다. 바람직하게는 레이저 빔 스폿 프로파일은 평탄한 실크 해트와 같이 정형된다. 이 스폿 프로파일은 과잉한 열을 생성하지 않아 캐리어 기판이나 라이트 가이드를 손상하지 않는다. 레이저 파장은 클래드 흡수 커브, 홀 에지 품질, 빔 정형 광학계, 두께/높이, 처리 비용 또는 이들과 비슷한 관점으로부터 적당히 선정된다.
도 4 및 도 5는 개구(281)의 제작에 레이저(140)를 이용하는 예를 나타낸다. 도 4에서 롤·투·롤법에 의해 저굴절률 코팅(28)이 형성된 기재(41)가 롤(R1)로부터 롤(R2)로 권취된다. 이때 저굴절률 코팅(28)은 레이저(140)에 의해 1m~20m/분의 속도로 어블레이트/제거되어 약 5~20㎛의 사이즈의 개구(281)가 연속해서 형성된다. 기재(41)는 광학 플라스틱 또는 광학 유리의 필름이며, 시트법에도 적용 가능하다. 개구(281)가 형성된 후에 롤(R3)에 의해 OCA(42)가 공급되어 기재(41), 개구(281)가 형성된 저굴절률 코팅(28), 및 OCA(42)의 적층이 형성된다. 이 방법은 연속식 또는 스톱·앤드·리피트식의 롤·투·롤법 또는 롤·투·시트법으로서 실행될 수 있다. 또한, 필름·바이·시트법 또는 시트·바이·시트법을 사용하여 불연속의 필름도 제조 가능하다. 도 5와 같이 복수의 주사 헤드를 사용함으로써 1.5m까지의 폭을 갖는 폭넓은 웹을 제조할 수 있다.
도 5는 복수의 스캐너/레이저(241~243)를 갖는 멀티 헤드(240)를 사용한 개구 형성을 나타낸다. 이 예에서는 1.0m~1.5m의 라인 폭을 실현할 수 있다. 라이트 가이드에서의 균일한 광분포를 위해서 기재(41) 상의 저굴절률 코팅(28)에 개구(281)가 형성된다. 서서히 변화하는 개구 또는 일정한 개구를 형성함으로써 모든 종류의 사이즈에 대해서 균일한 라이트 가이드 설계를 가능하게 한다. 따라서, 제품마다 커스터마이즈한 3D 제조 프로세스가 불필요해진다. 개구(281)의 형성의 종료 후에 적층체 필름을 특정 사이즈의 시트로 절단할 수 있다.
도 6a와 도 6b는 레이저 어블레이션에 의해 형성된 개구의 화상이다. 도 6a에서는 실크해트형 프로파일의 레이저빔이 사용되고, 도 6b에서는 가우시안형 프로파일의 레이저빔이 사용되어 있다.
대형의 라이트 가이드는 매우 고가이며, 성형에 의해 표면 전체에 패턴 형성 하는 것이 어려워 대량 생산이 곤란하다. 상술한 각 실시형태의 광학 디바이스는 필름 래미네이션을 기본으로 하고 있으며, 다양한 사이즈로, 특히 대형의 라이트 가이드를 생산하기 위한 플렉시블하며, 비용 효율이 좋은 구성이다. 실시형태의 구성과 콘셉트는 롤·투·롤법, 롤·투·시트법 또는 시트·투·시트법에 의한 대량 생산으로의 적용을 가능하게 한다. 최종적인 생산 속도는 선택된 제조 방법에 의존하지만 0.5m~30m/분 사이에서 적당히 설정할 수 있다. 또한, 연속식 또는 스톱·앤드·리피트식 중 어느 것에도 적용 가능하다. 광학 디바이스의 제조는 박막 프로세스에 의거한다. 라이트 가이드가 되는 박막으로 형성된 막에 개구가 형성된다. 또는 박막이 광학 패턴을 갖지 않는 솔리드한 라이트 가이드를 형성하도록 라이트 가이드 상에 개구 광학 패턴막을 직접 래미네이트 또는 접합해도 좋다. 후자의 타입은 생산을 플렉시블하며, 또한 비용 효율적인 것으로 한다. 기초가 되는 클래드 필름 또는 코팅 필름을 대량으로 생산해서 롤의 상태로 보관할 수 있다. 그 후에 반복적 및 연속적인 방법으로 개구를 제조하고, 최종적으로 다시 롤로 보관해도 좋고, 시트로 절단할 수도 있다.
상술한 광학 디바이스에 적합한 광원은 단일 또는 복수의 LED(발광 다이오드), 1개 이상의 레이저 다이오드, 1개 이상의 LED 바, 1개 이상의 유기 LED 스트립, 1개 이상의 마이크로칩 LED 스트립, 1개 이상의 냉음극관, 및 이들과 비슷한 것으로 해서 구성될 수 있다. 투명 라이트 가이드 솔루션의 경우 광원에 의한 광분포의 제어가 중요하다. 전형적으로 LED 광은 가우시안 분포를 갖는다. 저굴절률 클래드의 경우 라이트 가이드 내에서 전반사가 일어나는 임계각을 스넬의 법칙에 의해 규정한다. 계면으로의 입사각이 임계각보다 큰 광은 저굴절률 클래드로 형성된 개구의 치수 및 형상에 의해 그 굴절의 방향이 제어된다. 임계각보다 작은 입사각의 광에 대해서는 제 2 실시형태에서 설명한 바와 같이 저굴절률 클래드를 투과하는 것을 방지하는 대책이 필요하다. 도 3b 및 도 3c를 참조해서 설명한 바와 같이 LED측의 에지 근방이며, 라이트 가이드의 클래드 상에 바람직하지 않은 입사 범위의 광을 흡수하는, 예를 들면 테이프(특히, 흑색 테이프) 등의 얇은 업소버를 배치하는 것이 바람직하다. 업소버 대신에 광학 패턴 테이프 등 개구 패턴을 갖는 광굴절층을 사용하여 바람직하지 않은 입사 범위 내의 광을 임계각보다 큰 각도가 얻어지는 방향으로 리다이렉트하고, 또한 리다이렉트한 광을 유용한 광입사 범위로 되돌리는 구성으로 해도 좋다.
도 3b 및 도 3c에서 예시되는 바와 같이 저굴절률막이 라이트 가이드의 양면에 형성되어 있을 경우에는 양면에서 업소버 또는 리다이렉트법에 의해 임계각 미만의 광입사에 대처하지 않으면 안 된다.
또한, 상술한 제 3 실시형태와 같이 인커플링 광학계를 사용하여 광입사를 고임계각과 저임계각 사이로 제한해도 좋다. 이에 따라 광원으로부터 방사된 모든 광을 효율적으로 이용할 수 있다. 인커플링 광학계는 라이트 가이드와 일체 형성되어 있어도 좋고(도 17c), 라이트 가이드와는 별개의 소자로서 형성된 후에 라이트 가이드에 접착되어도 좋다(도 17b). 후자의 구성으로서 광원의 방사 개구의 직경과 동일한 직경을 갖는 광학 로드를 사용할 수 있다. 플라스틱 또는 유리의 로드가 2차원에서의 광콜리메이션을 제공할 수 있다. 마찬가지의 광제어가 볼 렌즈, 배럴 렌즈, 반구형 또는 프리즘형의 렌즈 등에 의한 에지 프로파일에 의해 달성될 수 있다.
일체화된 개구를 갖는 라이트 가이드는 독립된 엘리먼트로서 사용할 수 있다. 또는 편면 또는 양면에서 기판에 래미네이트되어도 좋다. 프런트 라이트 엘리먼트의 경우 일반적으로 양면에서 래미네이트된다. 백라이트 콘셉트에서는 래미네이트된 2개 이상의 라이트 가이드를 사용한다. 백라이트형이어도, 프런트 라이트형이어도 개구를 갖는 복수의 층이 각 층 또는 각 매체 내의 광을 제어한다.
광학적으로 투명한 클래드, 코팅 또는 필름의 경우 실시형태의 라이트 가이드 구성은 프런트 라이트, 백라이트, 창이나 파사드의 조명, 사이니지 및 신호의 라이팅, 솔라 애플리케이션, 장식 조명, 라이트 실드, 마스킹, 집 루프 라이팅 등의 공공 또는 일반 조명 등에 이용된다.
다른 실시형태에 있어서 광분배 엘리먼트/라이트 가이드 엘리먼트는 적어도 광아웃커플링 기능을 갖는 적어도 1개의 광학 기능 패턴을 갖는 광학 기능층을 구비한다. 라이트 가이드는 광학 필터 개구와, 예를 들면 아웃커플링 패턴 등의 광학 패턴을 구비해서 실장된다. 이와 같은 라이트 가이드는 인커플링된 광의 전반를 위한 기본 매체와, 균일성이 제어된 개구의 광학 필터 솔루션과, 광아웃커플링 및 그 분포 제어를 위한 광학 패턴층을 갖고 있어도 좋다. 광학 패턴층은 광학 프로파일을 갖는 얇은 매체이며, 그 기능성은 매체 내에서 임계각 이상(≥θC)이 되는 입사각에 의거한다. 광학 패턴은 바람직하게는 균일하며, 일정한 밀도로 형성되어도 좋고, 전체 영역 또는 이산적으로 형성되어도 좋다. 광학 패턴은 소망의 조명 또는 신호 표시의 목적으로 배치 밀도가 변화하도록 설계되어도 좋다. 광학 패턴층은 광학 필터 및 개구에 따라 라이트 가이드의 아웃커플링면의 편면 또는 양면에 적용될 수 있다. 광학 패턴층은 전형적으로는 전체 또는 부분적인 표면 영역에서 평탄면 상에 형성된다. 또한, 광학 패턴층이 복수의 층을 포함하고, 각 층이 확산, 광커플링, 편광(와이어 그리드), 신호 표시 등의 상이한 광학 기능을 형성해도 좋다.
광학 패턴을 갖는 광학 기능층은 애플리케이션 고유의 설계가 이루어져도 좋다. 예를 들면, 불투명 백라이트, 고충전율(일반적으로는 일정한 충전율)과 최대 커플링 효율을 갖는 조명 및 인디케이터 패널, 보다 낮은 충전율과 최적화된 효율을 갖는 투명한 백라이트, 프런트 라이트, 및 조명 패널 등이다. 광분포는 협분포, 광분포, 타원형, 대칭, 비대칭 등 다양하게 설계될 수 있다. 최대 효율은 연속적인 주기적 프로파일에 의해 달성될 수 있다. 투명 솔루션에서는 투명함, 흐림, 및 미광에 관해서 최대 충전율을 최적화할 수 있다. 복수의 용도로 이용 가능한 연속적이며, 효율적인 3차원의 광학 패턴을 구비하는 것은 큰 이익이다. 그와 같은 3차원 광학 패턴은 마스터 제작 비용과 제품 비용을 저감하여 대형 사이즈의 소자를 생산하는 것을 가능하게 한다.
2방향으로의 광제어를 위해서 하이브리드 패턴을 사용해도 좋다. 이 경우 광분포/라이트 가이드 소자에 복수의 이산적 또는 연속적인 프로파일을 갖는 하이브리드 패턴으로서 구성되는 광학 기능 패턴이 형성된다.
하이브리드 패턴은 2방향 배광 제어를 위한 3차원 광학 형상을 갖고, 다양한 조명 목적으로 적용 가능하다. 하이브리드 패턴은 이산적인 픽셀, 프로파일, 연속적 또는 부분적으로 연속적인 프로파일에 의거한다. 패턴 프로파일은 적어도 부분적으로 리니어한 배치, 커브 또는 정현파형상의 배치, 지그재그 배치, 랜덤 또는 준랜덤인 배치 등에 의해 형성된다. 높이의 변화를 포함해서 상이한 프로파일의 조합이어도 좋다. 패턴벽의 각도 프로파일은 영역 전체에서 일정 각도 또는 각도 변화를 갖는 대칭 또는 비대칭인 각도로 형성된다. 정현파의 배향을 갖는 하이브리드 패턴은 패턴벽의 최적화된 각도 및 주기, 진폭 및 주파수에 의해 x-y축의 광분포에 영향을 미친다.
패턴 프로파일은 다양하게 설계되고, 예를 들면 종 방향의 광분포 제어를 위해 상이한 블레이즈 프로파일 각도로 하는 등 다양한 형상이나 프로파일을 가질 수 있다. 패턴 프로파일은 상이한 목적 및 목표에 맞춰 최적화되고, 따라서 복합 패턴은 수많은 상이한 패턴 베리에이션에 의거할 수 있다.
필름으로서 실현되는 하이브리드 솔루션은 리니어 패턴이 통상 발생시키는 광스트릭을 회피함으로써 균일 성능을 향상시킨다. 또한, 비리니어 패턴 솔루션에 의해 무아레 효과도 회피할 수 있다. 또한, 높은 충전율에 의해 라이트 가이드 상의 광학적인 결함을 덮을 수 있다.
단일 필름에서의 하이브리드 패턴은 종래의 2장의 휘도 강화 프리즘 필름, 또한 2장의 래미네이트된 프리즘 시트로 치환될 수 있다. 여기에서 제공되는 하이브리드 필름은 래미네이션을 위한 평탄한 표면을 톱면과 저면에 가지면서 에어 캐비티 패턴을 갖고 있어도 좋다.
하이브리드 패턴 필름의 기능은 전형적으로 매체의 임계각보다 큰 입사광 각도에서의 전반사에 의거한다. 이것은 매체의 임계각보다 작은 입사광에서 아웃커플링된 광에 의거하는 종래의 프리즘 시트와는 상이하다.
하이브리드 패턴은 리소그래피법, 미세 가공 또는 이들의 조합을 포함하는 다양한 방법에 의해 제조된다. 마스터 툴은 전형적으로는 대량 생산용의 롤·투·롤 생산에서 사용되는 드럼 툴이다.
광학 기능층에 형성되는 적어도 1개의 광학 패턴은 홈, 리세스, 도트, 픽셀 등으로부터 선택되는 요철에 의해 형성되어도 좋다. 이들 요철은 구형파(矩形波), 블레이즈드 회절 격자, 경사, 프리즘, 사다리꼴, 반구, 및 이들과 비슷한 것으로부터 선택되는 단면 요철 프로파일을 갖는다. 길이 방향의 형상으로서는 직선, 곡선, 파형상, 정현파, 및 이들과 비슷한 것으로부터 선택된다.
도 7은 광분포 필터(Light Directing(Distributing) Filter; LDF)를 사용한 라이트 가이드 스택 (A)와, 개구(131)를 갖는 저굴절률층 (B)와, 광학 캐비티(141)의 패턴 (C)를 나타낸다. 라이트 가이드 스택 (A)에서는 라이트 가이드(14)에 광학 캐비티(141)가 형성되어 있다. 라이트 가이드(14)의 광인출면에 저굴절률층(15)이 형성되고, 반대측의 면에 개구 패턴을 갖는 저굴절률층(13C)이 형성되어 있다. 이것은 하이브리드 구성의 일례이다.
도 8a는 광분포 필터를 사용한 라이트 가이드 구조의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 8a의 (a)는 내부에 에어 캐비티(83)가 형성된 하이브리드 프리즘을 사용했을 때의 강도 분포를 나타내고, 도 8a의 (b)는 표면 패턴을 갖는 하이브리드 프리즘을 사용했을 때의 강도 분포이다.
구성 (a)에서는 패턴이 형성되어 있지 않은 라이트 가이드(14)의 이면에 리플렉터(81)가 형성되어 있다. 라이트 가이드(14)의 광인출측에는 분포 밀도에 구배를 갖는 저굴절률(88)과, 균일한 에어 캐비티 패턴을 갖는 하이브리드 프리즘 필름(85)과, 디퓨저(82)가 이 순서로 적층되어 있다. 하이브리드 프리즘 필름(85)의 내부에 형성된 에어 캐비티(83)에 의해 X-Y면 내의 광분포가 제어된다.
구성 (b)에서는 패턴이 형성되어 있지 않은 라이트 가이드(14)의 이면에 리플렉터(81)가 형성되어 있다. 라이트 가이드(14)의 광인출측에는 분포 밀도에 구배를 갖는 저굴절률(88)과, 균일한 패턴의 하이브리드 프리즘 필름(86)과, 디퓨저(82)가 이 순서로 적층되어 있다. 하이브리드 프리즘 필름(86)의 패턴은 X-Y면 내의 광분포를 제어한다.
도 8b는 광분포 필터를 사용한 라이트 가이드 구조의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 8b의 (a)는 내부에 에어 캐비티를 갖는 하이브리드 프리즘을 최상층에 사용했을 때의 강도 분포를 나타내고, 도 8a의 (b)는 표면에 패턴을 갖는 하이브리드 프리즘을 최상층에 사용했을 때의 강도 분포이다.
구성 (a)에서는 라이트 가이드의 저면측에 광학 기능층(13A)과 리플렉터(81)가 형성되고, 상면에 광학 기능층(15), 디퓨저(82), 캐비티가 부착된 하이브리드 프리즘 필름(85)이 이 순서로 형성되어 있다. 광학 기능층(13A)은 제 1 실시형태에서 설명한 바와 같이 도면의 하측에 볼록한 광학 소자에 의해 형성되는 에어 캐비티를 갖는다. 하이브리드 프리즘 필름(85)의 내부에 형성된 에어 캐비티(83)에 의해 X-Y면 내의 광분포가 제어된다.
구성 (b)에서는 라이트 가이드의 저면측에 광학 기능층(13A)과 리플렉터(81)가 형성되고, 상면에 광학 기능층(15), 디퓨저(82), 표면 패턴을 갖는 하이브리드 프리즘 필름(86)이 이 순서로 형성되어 있다. 광학 기능층(13A)은 제 1 실시형태에서 설명한 바와 같이 도면의 하측에 볼록한 광학 소자에 의해 형성되는 에어 캐비티를 갖는다. 하이브리드 프리즘 필름(86)의 표면에 형성된 광학 패턴에 의해 X-Y면 내의 광분포가 제어된다.
도 9a는 2방향의 광제어를 위한 하이브리드 패턴(90A)을 나타낸다. 하이브리드 패턴(90A)은 각각의 하이브리드 패턴 픽셀(91A)이 연속적으로 연결된 하이브리드 패턴 프로파일을 갖는다.
도 9b는 2방향의 광제어를 위한 하이브리드 패턴(90B)을 나타낸다. 하이브리드 패턴(90B)은 연속 하이브리드 패턴 필름으로 형성되고, 각각의 하이브리드 패턴(91B)의 그레이팅은 도 9a보다 긴밀하다.
도 10은 2방향 광제어를 위한 광학 패턴의 다른 예를 나타낸다. 도 10의 (A)는 하이브리드 패턴(90)의 3D형상의 일반식을 나타낸다. 도 10의 (B)는 하이브리드 패턴(90)의 단면 프로파일이다. 도 10의 (C)는 하이브리드 패턴(90)의 단면형상과 치수를 나타낸다. 도 10의 (D)는 하이브리드 패턴(90)의 주기를 나타내는 측면도이다.
도 11은 라이트 가이드에 있어서의 패턴의 예로서 하이브리드 패턴과 리니어 패턴을 나타낸다. 리니어 패턴 (B)에서는 광의 스트라이프가 관찰되지만 하이브리드 패턴 (A)에서는 광의 스트라이프는 관찰되지 않는다.
도 12는 광분포 필터 필름의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 모두 2방향의 광제어를 위한 하이브리드 패턴의 콘셉트 내에서 20개의 LED와 디퓨저를 사용한 소형의 PMMA 라이트 가이드와 저굴절률 개구를 갖는 백라이트 모델을 사용하고 있다. 단, 상이한 프리즘을 사용해서 에어 캐비티 패턴 프로파일을 바꾸고 있다.
도 13은 손가락 센서 또는 지문 센서용의 신호 라이트 가이드의 콘셉트를 나타내는 도면이다. 상술한 광학 패턴을 갖지 않는 LDF 구성은 센서용의 단일의 라이트 가이드로서 사용할 수 있다. 손가락, 지문 등으로부터의 센서 신호를 처리할 때에 좁은 신호 분포 각도를 실현할 수 있다. 신호 분포 각도는 굴절률값이 상이한 저굴절률층의 조합에 의해 톱 유리 상에서 튜닝 가능하다. 예를 들면, 라이트 가이드의 상부 클래드의 굴절률(Ri: 1.18)과 하부 클래드의 굴절률(Ri: 1.25)을 상이하게 함으로써 간섭 무늬 등의 모양이 라이트 가이드 상에서 시인 또는 관찰되지 않는다. 광산란이 억제되어 콘트라스트가 높게 유지된다.
도 14는 신호 라이트 가이드의 구성예를 나타낸다. 굴절률(Ri)이 1.18로부터 1.25의 범위로 조합되어 있지만 이 예에 한정되지 않고, 다른 조합도 가능하다. 이 구성은 싱글 LED 구성에도, 멀티 LED 구성에도 적용 가능하다. 두꺼운 유리 플레이트(G)를 사용한 경우에도 다방향 크로스토크는 낮다. 유리의 굴절률을 1.51로 했을 때에 전체 LED 광 중 2.7%만이 톱 유리에 들어간다.
도 15a와 도 15b는 9점에서의 지문 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 15a에서 일반적으로 라이트 가이드로부터의 광인출에 의해 광 파워는 라이트 가이드 패스를 따라 서서히 감소한다. 도 15b와 같이 다방향 크로스토크가 없을 경우 고스트상은 형성되지 않아 선명하며, 공간적으로 정확한 신호를 취득할 수 있다.
도 16은 상이한 지문과 LED를 사용한 별도의 셋업에서의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 16의 (A)는 3개의 LED를 사용하여 중심으로부터 떨어진 코너에 지문이 묻은 모델로 계산하고 있다. 신호의 강도는 20Nits 이하이다. 빔이 약간 스큐되어 있다.
도 16의 (B)는 3개의 LED를 사용하여 사이드 에지에 지문이 묻은 모델로 계산하고 있다. 신호의 강도는 40Nits 이하이다. 매우 약간이지만 고스트가 관찰된다. 이것은 광선 트레이스의 영향으로도 생각된다.
도 16의 (C)는 1개의 LED를 사용하여 중심에 지문이 묻은 모델로 계산하고 있다. 신호의 강도는 30Nits 이하이다. 선명한 신호가 관찰된다.
도 15와 마찬가지로 도 16에서도 다방향 크로스토크가 없어 실질적인 고스트상은 형성되어 있지 않다.
손가락 그 외의 아이템에서 반사되지 않고 센서 또는 디스플레이 상에 입사하는 광이 거의 제로(0)%가 되도록 신호의 지향성이 정확하게 제어된다. 신호 분포를 좁게함으로써 두꺼운 유리 플레이트이어도 다방향 크로스토크는 작다. 또한, 고스트의 발생은 최소한이다. 신호원은 단일의 LED, 복수의 LED 또는 레이저 컴포넌트를 사용해도 좋다.
광학 패턴의 경우 필요에 따라 신호를 2방향(X-Y)으로 콜리메이트할 수 있다. 필요에 따라 90%를 초과하는 균일성을 달성할 수 있다.
상술한 신호 라이트 가이드는 500㎜~1000m의 사이즈로 설계 가능하며, 일반적으로 롤·투·롤의 생산 라인에서 사이즈 조정된다. 이 경우 균일하며, 연속된 구조체를 각각 필요한 사이즈로 절단할 수 있다.
<마스터의 제작>
광학 마스터의 제작은, 특히 큰 사이즈로는 비용이 비싸 어렵다. 고도인 라이트 가이드 광학계의 마스터 및 룰의 제작은 그 사이즈의 대소에 상관없이 매우 어렵고, 비용이 든다.
그래서 본 발명은 다이아몬드 절단 또는 리소그래피법에 의해 대형의 마스터 롤을 제조하여 롤·투·롤법에 의해 기본 패턴 필름을 대량 생산하는 것을 제안한다. 기본 패턴 필름은 패턴 상에 레지스트를 도포하여 마스크 리소그래피 노광과 현상에 의해 제작할 수 있다. 형성된 개구 내에 전기 도금에 의해 금속막을 형성함으로써 마스크 패턴이 복제된다. 예를 들면, 니켈 심을 광학 필름 및 시트를 제조하는 툴로서 사용할 수 있다.
도 18a~도 18e는 마스터 제작 프로세스의 일례를 나타낸다. 도 8a에서 다이아몬드 셰이퍼에 의한 커팅으로 표면 패턴이 형상된 서브 마스터(189)를 사용하여 임프린트법에 의해 베이스 플라스틱 기판(181)에 패턴을 전사한다. 서브 마스터(189)의 폭은 1m 이상의 사이즈에 대형화 가능하다.
도 8b에서 전사 패턴(182)을 갖는 베이스 플라스틱 기판(181)에 포토레지스트(185)를 도포한다. 도 8c에서 마스크를 통한 노광 또는 직접 노광을 행하여 현상함으로써 포토레지스트(185)의 소망의 개소가 제거되어 부분적으로 전사 패턴(182)이 노출된다.
도 8d에서, 예를 들면 니켈 도금을 행하여 베이스 플라스틱 기판(181)을 분리함으로써 도 8e와 같이 라이트 가이드 복제용의 니켈 스탬퍼(180)가 얻어진다. 이 니켈 스탬퍼(180)는 일례로서 주기적인 블레이즈 프로파일을 위한 랜덤인 도트 패턴을 갖고 있다.
도 19는 실시형태의 구조체의 윈도우 조명으로의 적용예를 나타낸다. 창(200)에 광학 기능층(202)을 포함하는 적층체(201A)를 부착(래미네이트함)함으로써 태양광, 조명광을 입사측과 반대측(예를 들면, 실내)에 효과적으로 도입할 수 있다. 적층체(201A)는 에어 캐비티(203A)를 갖는 광학 기능층(202)과, 투명한 광학 접착층(204)을 갖는다. 광학 기능층(202)은 폴리머, 유리 필름 등으로 형성 가능하다. 광학 기능층(202)을 광학 접착층(204)에서 창(200) 중 어느 면에 붙임으로써 광의 도입량을 증대할 수 있다.
도 20은 상이한 패턴의 에어 캐비티(203B)를 갖는 광학 기능층(202)을 포함하는 적층체(201B)를 나타낸다. 이와 같은 캐비티 패턴도 유효하게 사용할 수 있다.
도 21a는 도 19의 광학 기능층(202)의 제작 방법을 나타낸다. 도 21은 접착제 프리의 래미네이션법이다. 패턴이 없는 제 1 필름(211)과, 표면에 소망의 패턴(214)이 형성된 제 2 필름(212)을 접착제 프리로(예를 들면, 마이크로파 표면 처리에 의해) 접합한다. 제 1 필름(211)과 제 2 필름은 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC) 등으로 형성된다. 접합에 의해 에어 캐비티(213)가 형성된다.
도 21b는 도 19의 광학 기능층(201A)의 다른 제작 방법을 나타낸다. 도 22에서는 2개의 필름을 접착층(216)으로 접착한다. 접착층의 두께는 1~3㎛ 정도이다. 제 2 필름(212)과 접착층(216)에 의해 에어 캐비티(213)가 형성된다. 접합할 때에 프리큐어된 접착제가 캐비티 패턴 내에 들어가지 않도록 한다.
접합법은 에어 캐비티의 형상에 영향을 주지 않는 어떠한 방법을 사용해도 좋다. 예를 들면, 래미네이트 표면에 VUV광(진공 자외선)원 또는 APP(대기 플라스마)에 의한 전처리를 실시하고, 그 후 일정 압력하에서 래미네이트함으로써 화학적인 결합이 얻어진다. 이 방법은 양호한 기계적 강도를 달성할 수 있다.
도 25는 광학 캐비티(141a)가 형성된 실시형태의 라이트 가이드(14)를 사용하는 것에 의한 미광 억제 효과를 나타내는 도면이다. 모델로서 마이크로 렌즈형의 광학 캐비티(141a)를 내부에 갖는 라이트 가이드(14)를 포함하는 제 1 부분(251)과, 마이크로 렌즈형의 광학 캐비티(141b)를 내부에 갖는 라이트 가이드(14)를 포함하는 제 2 부분(252)을 사용한다. 광학 캐비티(141a)와 광학 캐비티(141b)의 볼록부는 동일 광인출 방향(지면의 상측)을 향해 있다. 광학 캐비티(141a)와 광학 캐비티(141b)의 저면측이 미광을 방출하는 측이다.
제 1 부분(251)의 저면에 광학 접착제(253)로 저굴절률의 광흡수층(254)을 접착하고, 제 2 부분(252)의 상면에 광학 접착제(253)로 저굴절률의 광흡수층(254)을 접착한다. 광구종층(254)끼리를 마주보게 하고, 제 1 부분(251)의 상면으로부터의 광인출 강도와, 제 2 부분(252)의 저면으로부터의 미광의 강도를 계산한다.
미광의 강도에 대한 인출광의 강도(Iext/Istray)의 비를 콘트라스트로 하면 콘트라스트비는 44로 매우 높다.
도 26은 비교예로서 표면에 패턴이 형성된 종래의 라이트 가이드(340)를 사용했을 때의 콘트라스트비의 시뮬레이션 결과이다. 도 25와 마찬가지로 각각의 부분에 광학 접착제(253)로 저굴절률의 광흡수층(254)이 접착되어 있지만 광흡수층(254)을 최외층으로 해서 2개의 광흡수층(254) 사이에 목적광과 미광이 출사된다.
이 구성에서 콘트라스트비는 3이며, 도 25의 구성과 비교해서 시인성이 매우 나쁘다. 실시형태에서 내부에 에어 캐비티가 형성된 라이트 가이드를 사용함으로써 콘트라스트 또는 시인성을 크게 향상시킬 수 있는 것을 알 수 있다.
도 27과 도 28은 반사 방지막이 부착된 윈도우 조명의 콘셉트를 나타낸다. 어느 도면에서도 광인출면에 AR막(145)이 형성되어 있다. 도 27에서는 폴리머로 형성된 라이트 가이드(271)의 광인출면에 AR막(145)이 형성되고, 반대측의 면에 광학 접착층(272)에 의해 광학 기능층(273)이 형성되어 있다. 광학 기능층(273)은 광원(21)으로부터 출력되어 라이트 가이드(271)의 에지로부터 입사하는 광을 효율적으로 AR막(145)의 방향으로 리다이렉트한다. 미광은 AR막에 의해 억제되고, 한편 목적의 광은 화살표의 방향으로 충분히 인출된다. 광학 기능층(273)이 갖는 광학 패턴은 콘스턴트한 패턴이어도 좋고, 밀도 또는 점유율에 구배를 갖는 패턴이어도 좋다.
도 28에서는 도 27의 라이트 가이드(271)의 광인출면측에 유리의 커버(17)가 적층되어 커버(17)의 표면에 AR막(145)이 형성되어 있다. 이 구성에서도 광학 기능층(273)이 라이트 가이드(271)로의 입사광을 효율적으로 AR막(145)의 방향으로 리다이렉트한다. 도 27과 도 28 중 어느 구성도 양면 조명으로 확장 가능하다.
도 29와 도 30은 착탈 가능한 광학 디바이스의 구성예를 나타낸다. 도 29에서는 도 27의 구성의 적층체를 박리 가능한 광학 접착층(276)이며, 디스플레이 등의 광학 매체층(11)에 분리 가능하게 접착한다. 라이트 가이드(271)와 광학 접착층(276) 사이에 저굴절률층(275)이 삽입된다.
도 30에서는 도 28의 구성의 적층체를 박리 가능한 박리 가능한 광학 접착층(276)이며, 디스플레이 등의 광학 매체층(11)에 분리 가능하게 접착한다. 도 29와 도 30의 구성은 포스터, 광고 등 교환이 상정되어 있는 표시물의 표시에 최적이다.
이상, 특정 구성예에 의거하여 실시형태를 설명해 왔지만 다양한 변형예, 적용예가 가능하다. 매입형 캐비티를 갖는 라이트 가이드를 사용한 투명 솔루션은 사이니지, 투명한 휴대전화 단말 또는 태블릿, 투명한 VR 디스플레이, 마케팅 윈도우 등 다양한 애플리케이션이 있다.
실시형태의 광학 디바이스에서 제 1 표면에서 광을 인출/아웃커플링하고, 제 2 표면은 아웃커플링 없이 광을 전반 또는 지향시켜서 바람직하지 않은 프레넬 반사 또는 미광을 라이트 가이드로부터 누설하지 않는다. 광학 기능층에 주기적 패턴이 사용될 경우 이 광학 기능층과 제 2 표면은 서로 협동해서 광의 리다이렉트와 인출(아웃커플링)을 개선한다.
또는, 제 1 표면으로부터 광을 인출/아웃커플링하고, 제 2 표면은 아웃커플링 없이 광을 전반 또는 지향시켜 바람직하지 않은 방향으로의 프레넬 반사를 최소로 한다.
제 1 표면과 제 2 표면 중 적어도 한쪽에 프레넬 반사를 최소화하기 위해서 AR 패턴, 다층 코팅, 저굴절률 코팅에 의한 광대역 반사 방지 효과를 갖는 AR 코팅 또는 반사 방지 구조가 형성되어도 좋다.
광학 패턴의 프로파일 또는 패턴 형상은 구형파, 블레이즈드 회절 격자, 경사, 마이크로 렌즈, 사다리꼴 등 적절하게 설계된다. 광학 패턴을 에어 캐비티로 할 경우에 에어 캐비티의 계면에 AR 코팅, AR 패턴 등을 형성해도 좋다. 에어 캐비티를 2개의 필름의 래미네이션으로 형성할 경우에는 패턴이 없는 쪽의 필름에 미리 AR 코팅 또는 AR 패턴을 형성하고 있어도 좋다.
광학 패턴의 사이즈는 인간의 눈으로 시인되지 않을 정도로 작은(예를 들면, 적층 방향으로의 사이즈가 20㎛ 이하) 것이 바람직하다. 이것보다 큰 사이즈로 할 때에는 AR 코팅 또는 AR 패턴과 병용하여 시인되지 않도록 해도 좋다.
이 출원은 2018년 3월 22일에 미국특허 상표청에 출원된 미국 가출원 제62/646461호의 전체 내용을 포함하는 것이다.
10, 10A~10D, 30A, 30B, 40A, 40B, 100A, 100B: 광학 디바이스
11: 광학 매체층 13, 23: 저굴절률층(제 2 광학 기능층)
131, 132: 개구 13A: 광학층(제 2 광학 기능층)
133, 135: 광학 돌기 134: 에어 캐비티
14, 174, 274: 라이트 가이드 141: 광학 캐비티
15: 저굴절률층(제 1 광학 기능층) 21: 광원
31, 32: 광흡수층 33, 34: 리다이렉트층
170: 인커플링 광학계 171: 광학 소자
173: 에어 캐비티

Claims (16)

  1. 도광층과,
    상기 도광층의 제 1 주면에 형성된 제 1 광학 기능층과,
    상기 도광층의 상기 제 1 주면과 반대측의 제 2 주면에 형성된 제 2 광학 기능층과,
    상기 제 2 광학 기능층의 상기 도광층과 반대측의 면에 형성된 광학 매체층을 갖고, 상기 제 1 광학 기능층의 굴절률은 상기 도광층의 굴절률보다 낮은 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 주면은 상기 도광층의 광인출면이며,
    상기 제 1 광학 기능층은 저굴절률 재료로 전체 면에 균일하게 형성된 층인 광학 디바이스.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 광학 기능층은 상기 광학 매체층의 방향으로 볼록한 광학 소자를 갖는 광학 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 광학 소자와 상기 광학 매체층 사이에 에어 캐비티가 형성되어 있는 광학 디바이스.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 광학 기능층은 상기 도광층과의 계면에 배치된 복수의 개구를 갖는 저굴절률 재료의 층인 광학 디바이스.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 계면에서의 상기 개구의 점유 비율은 상기 도광층의 광축 방향을 따라 구배를 갖는 광학 디바이스.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 계면에서의 상기 개구의 점유 비율은 상기 광축 방향을 따라 증가하는 광학 디바이스.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 광학 기능층은 저굴절률 재료로 전체 면에 균일하게 형성된 층이며,
    상기 도광층은 에어 캐비티를 갖는 광학 디바이스.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 에어 캐비티는 상기 도광층을 전반하는 광이 입사하는 입사면과, 상기 에어 캐비티 내에 입사한 광을 상기 에어 캐비티로부터 출사시키는 출사면을 갖고, 상기 입사면과 상기 출사면 중 적어도 한쪽에 반사 방지막이 형성되어 있는 광학 디바이스.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 광학 기능층 또는 상기 도광층은 적어도 상기 광학 매체층을 포함하는 층에 대해서 분리 가능하게 접착되어 있는 광학 디바이스.
  11. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 광학 기능층, 상기 도광층, 및 상기 제 1 광학 기능층으로 제 1 적층체를 형성하고,
    상기 광학 매체층의 상기 제 1 적층체와 반대측의 면에 적어도 제 2 도광층을 포함하는 제 2 적층체를 갖고,
    상기 제 1 적층체와 상기 제 2 적층체 중 적어도 한쪽은 상기 광학 매체층에 대해서 분리 가능하게 접착되어 있는 광학 디바이스.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 광학 기능층과 상기 제 2 광학 기능층 중 적어도 한쪽은 반사, 투과, 편광, 및 굴절로부터 선택되는 기능을 갖는 광학 디바이스.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 광학 기능층은 상기 도광층을 전반하는 광에 대한 전반사막인 광학 디바이스.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 광학 기능층과 상기 제 2 광학 기능층은 상이한 굴절률값을 갖는 광학 디바이스.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도광층으로부터 광을 외부로 인출하는 제 3 기능층을 더 갖는 광학 디바이스.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 3 기능층은 복수의 이산적인 프로파일을 포함하거나 또는 적어도 부분적으로 연속된 복수의 프로파일을 포함하는 광학 패턴을 갖는 광학 디바이스.
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