KR20230148238A - 개방 시야 모드 및 제한 시야 모드를 위한 조명 장치 - Google Patents

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KR20230148238A
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앙드레 헤버
마르쿠스 클리프쉬타인
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시옵티카 게엠베하
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Abstract

본 발명은 적어도 2개의 작동 모드인 개방 시야 모드(B1) 및 상기 개방 시야 모드에 비해 제한된 각도 범위로 조명 장치로부터 광이 방사되는 제한 시야 모드(B2)로 작동될 수 있는 디스플레이 스크린(1)용 조명 장치(1a)에 관한 것이다. 상기 조명 장치는 제한된 각도 범위로 광을 방사하는 평면형 백라이트(2) 및 시야 방향으로 백라이트(2) 전방에 배치되고 2개의 큰 표면 및 이들의 가장자리를 따라 상기 큰 표면을 연결하는 좁은 측면을 가진 평면형 도광체(3)를 포함하되, 도광체(3)는 상기 큰 표면 중 적어도 하나에 및/또는 그의 공간 내에 아웃커플링 요소(6)를 갖는다. 도광체(3)는 백라이트(2)에 의해 방사된 광의 적어도 50%에 대해 투명하고, 각각의 아웃커플링 요소(6)는 정의된 방식으로 광을 외부로 커플링하기 위한 적어도 하나의 기능 표면을 가지며, 상기 기능 표면에서는 광이 도광체(3)로부터 외부로 커플링된다. 상기 조명 장치는 또한 도광체(3)의 좁은 측면에 측방 배치된 발광체(4)를 포함한다. 작동 모드(B2)에서는 백라이트(2)가 켜지고 발광체(4)가 꺼지며, 작동 모드(B1)에서는 적어도 발광체(4)가 켜진다. 본 발명에 따르면, 아웃커플링 요소(6) 중 적어도 일부는 도광체(3)가 소정의 바람직한 방향으로 상기 바람직한 방향에 수직인 방향보다 적어도 1.2배 더 강한 산란 거동을 갖게 하는 특수한 구조를 갖고; 전반적으로 상기 산란 거동은 이방성이다.

Description

개방 시야 모드 및 제한 시야 모드를 위한 조명 장치
최근 몇 년간 LCD의 시야각을 넓히는데 큰 발전이 있었다. 그러나 이렇게 디스플레이 스크린의 가시 영역이 매우 넓다는 것은 단점이 될 수 있는 상황이 있다. 은행 정보 또는 그외 개인 정보, 민감한 데이터 등과 같은 정보를 노트북, 태블릿 PC와 같은 모바일 기기에서도 점점 더 많이 이용할 수 있게 되었다. 따라서 이러한 민감한 데이터를 볼 수 있는 사람들을 제어할 필요가 있는데: 예를 들어 휴가 사진을 보거나 광고 목적으로 디스플레이에 표시된 정보를 다른 사람과 공유하기 위해서 넓은 시야각 중에서 선택할 수 있어야 한다. 반면에 이미지 정보를 기밀로 유지하고자 할때에는 작은 시야각이 필요하다.
차량 구성에서도 유사한 문제가 발생하는데: 엔진이 켜져 있을 때 운전자는 디지털 엔터테인먼트 프로그램과 같은 이미지 콘텐츠로 인해 다른 생각을 해서는 안되지만, 동승자는 운전 중에 이미지 콘텐츠를 소비하기를 원할 수 있다. 따라서 해당 디스플레이 모드 사이를 전환할 수 있는 스크린이 필요하다.
마이크로 라멜라 기반의 추가 필름은 광학 데이터를 보호하기 위해 모바일 디스플레이에 이미 사용되고 있다. 그러나 이들 필름은 전환이 불가능하여 항상 사람 손으로 붙였다가 다시 떼어내어야 했다. 또한 바로 필요하지 않을 때에는 별도로 디스플레이로 이동시켜야 한다. 또한 이러한 라멜라 필름을 사용하는데 있어서 중요한 단점은 수반되는 광 손실과 관련이 있다.
미국특허 제5,956,107a호는 다양한 모드로 스크린을 작동시킬 수 있는 스위칭 가능한 광원을 개시하고 있다. 모든 광 아웃커플링(light outcoupling)은 산란을 기반으로 하므로 효율이 낮고 최적의 광 방향 효과를 달성할 수 없다는 단점이 있다. 특히 광 빔의 집속에 대해서는 상세하게 기재하고 있지 않다.
CN 107734118 A는 2개의 백라이트에 의해 시야각을 제어할 수 있도록 구성된 스크린을 기재하고 있다. 이를 위해, 2개의 백라이트 중 상부 백라이트는 집속광을 방출하여야 한다. 특히 이를 위한 구성으로서 불투명부 및 투명부가 형성되어 있는 격자가 언급되어 있다. 그러나 이는 아마도 LCD 패널 방향으로 제1 백라이트를 투과하여야 하는 제2 백라이트의 광은 집속되고, 이에 따라 실제로 넓은 시야각을 위해 제공된 공개 시야 모드는 각도를 크게 좁아지게 한다.
US 2007/030240 A1은 백라이트로부터 발생하는 광의 전파 방향을 제어하기 위한 광학 요소를 기재하고 있다. 상기 광학 요소는 예를 들어 PDLC 형태의 액정을필요로 하는데, PDLC 액정은 일반적으로 회로를 위해 60V 보다 높은 전압을 필요로 하기 때문에 한편으로 가격이 비싸지만 다른 한편으로는 특히 최종 클라이언트 애플리케이션의 경우 보안이 매우 중요하다.
CN 1987606 A는 2개의 백라이트에 의해 시야각을 제어할 수 있도록 구성된 스크린을 기재하고 있다. 특히 의도한 집속된 광 아웃커플링을 가능하게 하기 위해서 쐐기 형태이어야 하는 "제1 광 플레이트"를 사용한다. 적절한 각도 조건으로 집속 광을 아웃커플링하는 정확한 세부 내용은 개시하고 있지 않다.
또한 US 2018/0267344 A1은 2개의 평면형 조명 모듈을 구비한 구성을 기재하고 있다. 상기 구성에서 시야 방향으로 후방에 위치한 조명 모듈의 광은 별도의 구조에 의해 집속된다. 집속 후 광은 산란 요소가 구비되어 있는 전방 조명 모듈을 통과해야 한다. 따라서 프라이버시 보호를 위한 강한 광 집속을 최적으로 구현할 수 없다.
마지막으로 US 2007/0008456 A1은 광 빔 각도를 적어도 3개의 영역으로 분할하고 일반적으로 그 중 2개의 영역에 광이 인가되는 것을 개시하고 있다. 이로부터 조명된 디스플레이를 사용하는 개인 정보 보호 화면을 하나의 방향에서만 볼 수 없음을 알 수 있다.
본 출원인의 WO 2015/121398 A1은 앞서 설명한 유형의 스크린을 기재하고 있다. 작동 모드 전환을 위해 산란 입자가 해당 도광체의 공간에 존재할 필요가 있다. 그러나 폴리머로 제조된 산란 입자는 일반적으로 2개의 큰 표면 모두로부터 나오는 광이 아웃커플링되고 이로 인해 유용한 광의 대략 절반이 오방향, 즉 백라이트를 향해 방사되고 상기 구성으로 인해 충분한 규모로 다시 활용될 수 없다는 단점이 있다. 또한 도광체의 공간에 분산된 폴리머로 제조된 산란 입자는 상황에 따라, 특히 더 높은 농도에서 산란 효과를 발생시켜 보호 작동 모드에서 프라이버시 보호 효과를 감소시킬 수 있다.
US2020/012129 A1은 좁은 시야 모드와 넓은 시야 모드 사이를 전환하기 위한 2개의 조명을 제공하는 조명 장치 및 스크린을 개시하고 있다. 한편으로, 도광체 중 하나는 섬유로 형성된다. 다른 한편, 도광체의 산란성 아웃커플링 구조는 투영 방향으로 소정의 스트립으로 제한된다. 이는 균질한 이미지 조명에 불리하며 일반적으로 예를 들어 그 위에 위치해 있는 LCD 패널의 픽셀 열 또는 행과의 상호작용에서 구성에 원치 않는 모아레(Moire) 효과를 일으키기도 한다.
상술한 방법 및 장치는 일반적으로 기본 화면의 밝기를 크게 감소시키고/또는 모드 전환을 위한 능동 또는 적어도 특수한 광학 요소를 필요로 하고/또는 복잡하고 비용이 많이 드는 제조를 필요로 하며/또는 개방 시야 모드에서 해상도가 감소하는 단점들이 있다.
따라서 본 발명의 과제는 스크린과 함께 선택적으로 제한된 시야각에 따라 정보를 확실하게 표시할 수 있되, 또 다른 작동 모드로 자유롭지만 가급적 상기 시야각으로 제한되지 않는 시야가 가능한 조명 장치를 제공하는 것이다. 본 발명은 단순한 수단을 사용하여 가능한 한 가격면에서 유리하게 구현될 수 있어야 한다. 가급적 높은 해상도, 특히 사용된 스크린의 기본 해상도가 2개의 작동 모드 모두에서 볼 수 있어야 한다. 또한 상기 해결방안을 통해 광 손실을 최소화하며 제한된 시야각은 가장 포괄적인 프라이버시 보호 효과를 달성해야 한다.
본 발명에 따르면, 상기 과제는 적어도 2개의 작동 모드인 개방 시야 모드에 대한 B1 및 제한 시야 모드에 대한 B2로 작동될 수 있는 디스플레이 스크린용 조명 장치로서, 상기 개방 시야 모드에 비해 제한된 각도 범위로 조명 장치로부터 광이 방사되는 제한 시야 모드로 작동될 수 있는 조명 장치에 의해 해결된다. 이때 상기 조명 장치는 제한된 각도 범위로 광을 방사하는 평면 형태로 연장되어 있는 백라이트 및 시야 방향으로 백라이트 전방에 배치되고 2개의 큰 표면 및 이들의 가장자리를 따라 상기 큰 표면을 연결하는 좁은 측면을 가진 평면형 도광체를 포함한다. 상기 도광체는 상기 큰 표면 중 적어도 하나에 및/또는 그의 공간 내에 아웃커플링 요소를 가지며 백라이트로부터 나오는 광의 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 70%에 대해 투명하다. 상기 도광체의 좁은 측면에는 발광체가 측방 배치되며, 이는 도광체의 일면에만 발광체가 배치되는 것도 포함한다. B2 작동 모드에서는 백라이트가 켜지고 발광체가 꺼지는 반면에, B1 작동 모드에서는 적어도 발광체가 켜진다. 아웃커플링 요소의 형태, 면적당 개수, 배향 및/또는 크기는 아웃커플링 요소 또는 그의 적어도 일부를 통해 연결되는 도광체가 큰 표면을 통해 도광체를 투과하는 광의 경우에 이방성 산란 거동을 갖도록 선택된다.
구체적으로, 이는 각각의 아웃커플링 요소가 정의된 방식으로 광을 외부로 커플링하기 위한 적어도 하나의 기능 표면을 가지며, 상기 기능 표면에서는 이에 따라 도광체 밖으로 광이 커플링되는 것을 의미한다. 가장 단순한 경우, 상기 기능 표면은 평평하거나 적어도 평평한 일부 표면을 갖지만, 하나 또는 2개의 선형의 독립적인 방향으로 구부러진 곡면일 수도 있다. 이하, 배향 벡터는 광이 출사하는 큰 표면에 평행한 기능 표면에 대해, 즉 상기 큰 표면에 평행한 면으로 정의된다. 상기 배향 벡터는 기능 표면에 걸쳐 기능 표면의 공간 종속적 법선 벡터와 이 벡터의 스칼라곱의 적분을 최대화하는 벡터이다. 평평한 표면의 경우, 법선 벡터는 기능 표면의 모든 위치에서 당연히 일정하지만 곡면의 경우에는 다양한데, 즉 각각의 위치에서 접선면의 법선 벡터일 수 있다. 구체적으로, 배향 벡터 는 적분 를 최대화한다(상기 식에서 은 x 및 y 좌표에서 기능 표면 A의 위치 종속적 법선 벡터이다). 상기 배향 벡터는 소정의 바람직한 방향과 최대 45°의 각도를 형성한다. 상기 법선 벡터는 광이 출사하는 관련 큰 표면과 최소 5° 내지 최대 85°, 바람직하게는 하한 30° 및/또는 상한 60°의 각도를 형성한다.
이러한 방식으로 상기 아웃커플링 요소가 구성되면, 상기 도광체는 바람직한 방향으로 바람직한 방향에 수직인 방향보다 적어도 1.2배 더 강한 산란 거동을 갖게 되며, 이에 따라 2개의 큰 표면을 통해 도광체를 투과하는 광의 경우에 전반적으로 이방성 산란 거동을 갖는다.
제한된 각도 범위로서 기본적으로 백라이트의 전방의 절반 공간보다 작은 범위를 들 수 있지만; 바람직하게는 예를 들어 수평 및/또는 수직으로 ±20° 또는 30°의 각도 범위이거나 표면 법선을 중심으로 하는 원뿔 또는 백라이트의 선택 가능한 방향 벡터로서 의미되며; 제한된 각도 범위를 정의할 때 최대 휘도가 1% 내지 최대 5% 미만인 소량의 광은 무시할 수 있다.
상기 조명 장치는 구성에 있어 적절한 위치에 콜리메이션(collimation) 필름, 예를 들어 평판형 도광체 상부 또는 하부에 렌즈 또는 프리즘 그리드를 더 포함할 수 있다.
상기 아웃커플링 요소의 해당되는 일부는 모든 아웃커플링 요소의 적어도 30%, 바람직하게는 모든 아웃커플링 요소의 적어도 50%, 70% 또는 90%를 포함하는 것이 유리하다. 추가로 또는 선택적으로, 상기 배향 벡터는 모든 아웃커플링 요소의 평균에서 바람직한 방향과 최대 45°의 각도, 즉 -45° 내지 +45°의 각도를 형성한다.
상기 도광체는 바람직하게는 반대 방향보다 바람직한 방향으로 더 강한 산란 거동을 갖는다. 이는 상응하는 비대칭 형태의 아웃커플링 요소에 의해 달성된다. 보다 정확하게는, 아웃커플링 요소가 없는 산란 거동이 바람직한 방향과 이에 수직인 방향으로 동일한 경우에 아웃커플링 요소의 단면은 바람직한 방향에 평행한 단면에서 비대칭이어야 하고: 이와 달리 바람직한 방향으로 더 강한 산란 거동을 달성하는 경우에는 대칭적인 단면을 가진 아웃커플링 요소를 사용할 수도 있다. 바람직한 방향과 이와 반대 방향으로 서로 다른 산란 거동을 달성하기 위해서는 바람직한 방향의 비대칭 단면 또한 전제 조건이다.
상기 아웃커플링 요소의 이방성 산란 거동은 산란 거동이 측정되는 적어도 2개의 상호 수직 방향, 바람직한 방향 및 이에 수직인 방향에 대한 산란 거동의 측정을 토대로 특성화된다. 광이 도광체를 거의 수직으로 통과할 때 아웃커플링 요소로 인해 발생하는 산란 거동을 고려해야 한다.
상기 바람직한 방향은 관찰자가 조명 장치를 볼 때 수직 방향에 해당하므로 도광체의 산란 거동이 수평 방향보다 수직 방향으로 더 큰 것이 유리하다. 이때 먼저 용어 "수직" 및 "수평"은 일반적으로 백라이트의 표면 또는 도광체의 큰 표면에서 서로 수직인 2개의 방향을 의미하며, 작동 중에 조명 장치와 함께 사용되고 일반적으로 고정된 화면의 배향에 따라 실제로는 관찰자의 위치 및 이에 따라 지표면의 위치에 대해 수평 또는 수직인 방향에 해당한다. 이때 수평 방향은 일반적으로 관찰자의 눈 사이의 연결선과 평행한 방향으로, 즉 궁극적으로 공간 내 배향에 따라 달라진다.
큰 표면의 표면적 대비 아웃커플링 요소의 상기 부분의 기능 표면의 표면적의 비율은 특히 바람직하게는 아웃커플링 요소의 바람직한 방향으로 산란 거동이 적어도 바람직한 방향에 수직인 방향보다 2배 또는 3배 더 크도록 설정된다. 그러나 이방성은 평판형 도광체의 표면에 따라 달라질 수 있다. 이방성은 일반적으로 밀도가 낮은 위치보다 상기 아웃커플링 요소의 밀도가 높은 위치에서 더 높다. 이를 위해 광이 출사하는 큰 표면은 소정 크기의 서브 영역으로 나누어지며, 다양한 서브 영역에 대해 서브 영역 각각의 표면적 대비 어느 한 서브 영역 내 기능 표면의 표면적의 비율은 다르므로 광이 출사하는 큰 표면에 걸쳐 도광체의 산란 거동은 변하게 된다.
상기 조명 장치의 바람직한 구성에서, 적어도 작동 모드(B2)의 백라이트에 의해 방사된 광은 제한된 각도 범위로 수평 방향으로 방사되어 상기 광이 도광체를 수평 방향으로 통과할 때 수직 방향으로 통과할 때보다 산란을 덜 경험하게 된다. 그 결과, 제한된 각도 범위로 방사되는 광은 일반적으로 상기 제한된 각도 범위 밖에서 약간만 산란되며, 이는 프라이버시 보호 효과에 유리하다. 이것은 본 발명의 중요한 장점이다.
예를 들어, "약간"이라 함은 -작은 산란 거동으로 인해- 예를 들어 표면 법선 또는 다른 소정의 방향으로부터 수평으로 40°의 각도로 수평 방향을 따라 측정했을 때 도광체로 인한 산란에 의해 조명 장치가 0°의 각도로 방사하는 휘도의 최대 3%에 도달하는 것을 의미한다. 제1 실시형태와 조합될 수 있는 또 다른 실시형태에서, "약간"은 바람직한 방향으로 ±20° 및 바람직한 방향에 수직인 방향으로 ±10°의 입체각 범위에서 광의 10% 미만이 산란하는 것을 의미한다. 또한 헤이즈 값은 15% 미만인 것이 바람직하다.
그러나, 정반대의 경우도 있을 수 있는바: 백라이트로부터 발생하는 광의 집속이 수평으로 제한된 각도 범위에서 너무 강하면, 의도한 광의 세분화에 의해 (수직 방향에 비해) 수평 방향에서 더 강한 산란 거동이 유용할 수 있다. 또한 아웃커플링 요소 중 적어도 일부(또는 전부)의 이방성 산란 거동은 조명 장치의 구성 요소들이 서로 및/또는 스크린과 상호작용할 때 발생할 수 있는 가시적 간섭(예를 들어 모아레 효과)을 피하는데 유용할 수 있다.
"양방향 투과율 분포 함수"(BTDF)는 2개의 바람직한 축을 따라 산란 거동을 정량화하는데 사용된다. BTDF는 소정의 입사각(Hi, Vi)을 가진 광이 어떻게 투과되는지를 정량화한다. 5° 보다 크게 편향된 모든 것을 산란광으로 간주한다. 수평 산란(SH)에 대한 측정값(즉, 수평 산란 거동)을 결정하기 위해서 그에 따른 측정된 BTDF를 적분한다. 수직 산란(Sv)에 대한 측정값(즉, 수직 산란 거동) 또한 비슷하게 결정된다. 적분 하한, 즉 광이 산란되는 것으로 간주되는 각도는 BTDF 측정은 일반적으로 발산(divergence)이 4°인 레이저 빔으로 수행할 수 있기 때문에 헤이즈 측정의 일반적인 1.8°보다 크게 선택되어야 한다.
치수 SH 및 Sv를 결정하기 위한 적분은 다음과 같이 주어진다:
상기 식에서 H는 수평 방향의 각도이고, V는 투과율이 측정되는 수직 방향의 각도이고, Hi와 Vi는 각각 광선이 측정 대상에 입사하는 각도(여기서는 각각 0°)이다. 이에 따라, 본 발명에 따라 요구되는 산란 거동(Sv/SH)의 이방성은 과 같이 공식화되거나 대부분의 응용예의 경우에 이다.
표 1은 평판형 도광체의 다양한 측정 지점(P1 내지 P5)에 대한 정규화된 산란(즉, 산란 거동)에 대한 예시적인 값(SH 및 Sv)을 제공한다.
산란에 대한 예시적인 정규화된 값(SH 및 Sv)
산란(SH) 산란(Sv) 이방성(Sv/SH)
P1 0.037 0.139 3.757
P2 0.030 0.210 7.000
P3 0.054 0.372 6.889
P5 0.066 0.490 7.424
P4 0.083 0.598 7.205
이방성(Sv/SH)은 산란 거동이 수직 방향을 따라 얼마나 강한지를 나타낸다. 전술한 바와 같이, 산란은 5°보다 큰 편향을 의미하는 것으로 이해된다. 본 실시예에서 이방성 산란 거동은 명백하다.
상기 도광체 제조시 아웃커플링 요소는 기본적으로 광의 아웃커플링을 위해 조정 가능하고 사전 정의가 가능한 조건에 따라 다양한 방식으로 도광체 내부 또는 상부에 분포될 수 있다. 상기 아웃커플링 요소는 도광체의 공간 내 및/또는 표면에서 국소적으로 한정된 구조적 변화와 관련이 있다. 이에 따라 용어 "아웃커플링 요소"에는 도광체의 영역에 도포되는 추가 광학층, 즉 예를 들어 확산층, 반사층, 예를 들어 편광 선택형 브래그 미러((이중) 휘도 증강 필름 - (D)BEF) 또는 와이어 그리드 편광판과 같은 (이중) 휘도 증강, 시준(휘도 증강 필름 - BEF) 또는 편광 재활층이 포함되지 않는다. 용어 "아웃커플링 요소"에 포함되지 않는 이들 추가 층은 일반적인 경우에 가장자리의 도광체에만 연결될 뿐 대부분 큰 표면의 영역에서는 느슨하게만 부착되며 도광체와 물리적 유닛을 형성하지 않는다. 반면, 화학 반응이나 그 외의 힘(예를 들어 반데르발스 힘)을 통해 도광체와 결합하는 큰 표면에 도포된 바니시는 물리적 유닛을 형성하며 더 이상 서로 분리될 수 없고; 이에 따라 이러한 바니시는 위에서 언급한 의미에서 추가 층으로서 간주되지 않는다.
상기 아웃커플링 요소의 구조는 위에서 언급한 기준에 따라 상술한 바와 같이 특정되는데, 이때 아웃커플링 요소 각각의 효과는 적어도 대략적으로 알려져 있고 도광체 또는 도광체에서 나오는 광의 특성은 미리 결정될 수 있는 구조와 아웃커플링 요소의 분포에 의해 의도한대로 결정될 수 있고, 이는 특히 광이 아웃커플링되는 큰 표면의 전체 면적 중 표면적에 기능 표면의 표면적을 합한 비율에 따라 달라진다.
단위 면적당 개수, 형태, 배향 및 3차원 연장범위 및 큰 표면 중 적어도 하나 및/또는 도광체의 공간 내 분포와 관련하여 본 발명에서 요구되는 아웃커플링 요소에 필수인 특성은 예를 들어 Synopsis사 또는 다른 공급업체의 "LightTools"와 같은 광학 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 물리적으로 구현할 수 있다.
상기 큰 표면 중 적어도 하나 및/또는 도광체의 공간 내 아웃커플링 요소의 분포는 아웃커플링된 광이 도광체 영역 중 적어도 70%에서 70%의 휘도 균질성을 달성하도록 미리 결정되는 것이 유리하다. 상기 휘도 균질성은 Lv min/Lv max으로서, 즉 면적의 가장 큰 값에 대한 가장 작은 휘도 값의 비율로서 정의할 수 있다. 상기 휘도 균질성 측정에 적용할 수 있는 또 다른 지침은 "German Automotive OEM Work Group Displays"의 "Uniformity Measurement Standard for Displays V1.3"에 정의되어 있다.
상기 2개의 작동 모드(B1 및 B2)는 최종적으로 작동 모드(B2)에서 백라이트가 켜지고 발광체(도광체의 좁은 측면에 있음)가 꺼지고, 작동 모드(B1)에서는 적어도 발광체(도광체의 좁은 측면에 있음)가 켜진다는 점에서 상이하다. 이때, 먼저 발광체로부터 도광체로 입사된 다음 다시 아웃커플링 요소를 통해 방사되는 광만 고려되며, 이때 방사는 거의 전적으로 아웃커플링 요소를 통해 이루어진다.
상기 아웃커플링 요소를 큰 표면 및/또는 경우에 따라 공간 내 추가 장착할 수 있다.
상기 도광체는 투명한 열가소성 또는 열탄성 폴리머, 예를 들어 플라스틱으로 구성하거나 유리로 구성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 도광체 또는 도광체의 기판은 중량 기준으로 적어도 40 중량%의 폴리메틸메타크릴레이트, 바람직하게는 적어도 60 중량%의 폴리메틸메타크릴레이트를 포함할 수 있다. 이와 달리, 예를 들어 폴리카보네이트(PC)일 수도 있다.
더욱이 일부 용도에서는 상기 제한된 각도 범위를 백라이트의 표면 법선을 중심으로 비대칭으로 구성하는 것이 유리하다. 상기 비대칭 구성은 바람직하게는 바람직한 방향 중 하나로 이루어진다. 이는 예를 들어 본 발명에 따른 조명 장치와 조합될 스크린이 운전자와 조수석 사이의 대략 중앙에 있는 대시보드의 소위 중앙 정보 디스플레이(central information display)로서 배치되는 등 차량 분야에서 특히 유용하다. 이 경우, 작동 모드(B2)에서는 조수석 승객에게만 공개되는 제한된 시야각 범위는 비대칭으로, 즉 조수석을 향하도록 구성되어야 한다. 여기서 비대칭으로 구성되는 바람직한 방향은 수평에 해당한다.
상기 도광체의 큰 표면 중 적어도 하나에서 광을 외부로 커플링하기 위한 아웃커플링 요소는 가장 큰 치수가 100 마이크로미터 미만, 바람직하게는 50 마이크로미터 미만인 마이크로렌즈 및/또는 마이크로프리즘 및/또는 회절 구조체 및/또는 3차원 구조 요소 및/또는 산란 요소로 구성되는 것이 바람직하다. 상기 회절 구조체의 경우에는 예를 들어 홀로그램 또는 격자/회절 격자가 될 수 있다.
그러나 상기 아웃커플링 요소 자체는 마이크로렌즈, 마이크로프리즘, 산란 요소 및/또는 회절 구조체의 외부 형상을 가질 수도 있다. 이들은 특히 도광체의 공간 내에 형성되는 공동(cavity)로서 구성될 수 있다. 상기 공동에는 공기가 없을 수 있지만 기체, 액체 또는 고체 재료로 채워지는 것이 바람직하다. 상기 재료는 도광체에 사용되는 재료와 굴절률이 다르며; 더 낮은 것이 바람직하다. 재료의 충진과 선택에 의해 광 전도 또는 광의 아웃 커플링에 영향을 줄 수 있다. 선택적으로 또는 추가로, 재료의 헤이즈 값은 바람직하게는 도광체에 사용되는 재료의 헤이즈 값과 다르며 바람직하게는 더 높다. 이러한 구성의 장점은 광 추출 효율이 더 높다는 것이다.
선택적으로 및 기술적으로 더 간단하게 상기 공동은 도광체를 2개의 서로 연결된 기판층으로 구성할 때 형성될 수도 있는데, 이때 상기 기판층은 동일한 유형인 것이 바람직하다. 상기 연결은 화학적으로, 물리적으로 또는 접착을 통해 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 공동은 기판층의 경계면 중 적어도 하나에 재료 리세스(recess)로서 형성된다.
상기 아웃커플링 요소가 도광체의 큰 표면 중 적어도 하나에 장착되는 경우, 상기 아웃커플링 요소는 도구를 사용하여 구조화된 플라스틱 또는 유리로 구성되는 것이 유리하며, 상기 구조는 도구를 사용하여 새겨진다. 예를 들어 도구를 사용하여 구조화되고 UV 방사선에 의해 경화(예를 들어 중합)되는 도광 기판에 UV 경화 재료(예를 들어 바니시, 모노머 등)을 도포함으로써 대량 생산이 가능하다. 다른 방사선 경화성 재료도 사용할 수 있다. 상기 아웃커플링 요소를 구현하기 위한 리세스의 형성은 예를 들어 기계적으로, 리소그래피 기술로 또는 인쇄 기술에 의해 또는 재료를 도포, 전환, 제거 또는 용해함으로써 실현될 수 있다.
이에 따라, 예를 들어 격자 구조체, 마이크로프리즘(바깥쪽으로 표면을 향해 플라스틱 구성요소로 볼록한 형태 및/또는 구조화된 플라스틱의 표면층 내에서 각인 또는 리세스로서 오목한 형태), 그외 다른 형태를 가진 3차원 구조 요소 또는 더 나아가 마이크로렌즈를 비용면에서 유리하게 그리고 대량생산에 적합하게 구현할 수 있다. 오목형 및 볼록형 구조체를 동일하게 사용할 수 있다.
상기 백라이트는 예를 들어 평면형 방사체, 바람직하게는 측면 또는 후면에 발광체가 추가 배치된 추가 도광체 및 상기 평면형 방사체에 통합되고/또는 전면에 배치된 적어도 하나의 광 콜리메이터(light collimator), 예를 들어 적어도 하나의 프리즘 필름 및/또는 적어도 하나의 프라이버시 필터(라멜라 필터)로 구성된다. 또한 소위 집속 백라이트 유닛을 백라이트로 사용할 수 있는데, 여기서 (다른) 도광체의 광은 이미 제한된 각도 범위로 아웃커플링되고 경우에 따라 방향을 유지 또는 전환하거나 형태를 변경한다.
따라서 상기 백라이트는 기본적으로 LED 백라이트와 같이, 예를 들어 소위 직하형 LED 백라이트, 측광형 LED 백라이트, OLED 또는 예를 들어 적어도 하나의 영구 프라이버시 필터(마이크로 라멜라 포함)가 장착되어 있는 또 다른 표면 방사체로 구성될 수도 있다.
위에서 설명한 조명 장치의 모든 변형예의 경우에, 이들은 시야 방향으로 조명 장치 전방에 상기 조명 장치로 인해 개방 시야 모드인 B1과 제한 시야 모드인 B2의 적어도 2개의 작동 모드로 작동될 수 있는 스크린, 바람직하게는 LCD 패널 형태의 스크린으로서 배치된 투과형 스크린을 포함하는 것이 특히 유리하다.
몇몇의 경우에는 상기 스크린이 큰 표면을 통해 스크린을 관통하는 광에 대한 이방성 산란 거동을 가지는 것이 유용할 수도 있다. 이 경우, 상기 스크린의 산란 거동이 더 강한 바람직한 방향은 도광체에서 더 강한 산란 거동을 갖는 바람직한 방향과 일치해야 한다. 상기 바람직한 방향은 종종 수직 방향이다. 예를 들어 상기 도광체에 광학적 인공물을 부착시키기 위해서 스크린과 도광체 사이에 이방성 산란층을 배치할 수도 있는데, 이 경우 가급적 프라이버시 보호 효과는 적게 영향을 받거나 전혀 영향을 받지 않아야 한다. 이방성 산란층은 홀로그램 확산기 또는 이진(binary, 컴퓨터 생성) 홀로그램과 같은 기술분야에 알려져 있다.
상기 디스플레이 스크린의 상부 및/또는 도광체의 큰 표면 중 적어도 하나 뿐 아니라, 있다면, 상기 프라이버시 필터 중 적어도 하나에 반사를 줄이거나 제어하기 위한 수단, 예를 들어, 반사 방지 코팅이 배치될 수 있다.
디스플레이 스크린을 중심으로 확대된 조명 장치의 또 다른 실시형태는 또 다른 도광체(예를 들어 유리 또는 플라스틱으로 제조됨)가 시야 방향으로 스크린 전방에 배치되고, 광을 아웃 커플링하기 위한 수단을 가지며, 조명 장치에 의해 측면으로 광이 공급될 수 있다. 이 경우에 사용되는 아웃커플링 수단은 예를 들어 상술한 수단들 또는 당업계에 공지된 수단들, 예를 들어 WO 2015/121398 A1 및 WO 2017/089482 A1에 기재되어 있는 적절한 크기 및 양의 이산화티타늄, 황산바륨 등과 같은 나노입자이며, 이들은 도광체의 공간에 균일하게 분포된다. 이 구성에 따르면, 작동 모드(B2)에서 의도하지 않게 존재할 수 있는 잔광이 실제로 시야로부터 보호되는 각도 범위에 겹치거나 희미해질 수 있으므로 대조비가 더 이상 인식되지 않고 따라서 추가 도광체를 위한 해당 발광체가 방사를 위해 착색되거나 백색광을 위해 구성된다. 이 경우, 상기 발광체는 투과형 스크린에 의해 표시되는 이미지에 나타나거나 나타나지 않는 색상으로 광을 방사할 수 있다. 허용되지 않는 각도로부터 이미지를 인식하는 것은 더 이상 가능하지 않다.
작동 모드(B2)에서 조수석에 대해서만 이미지 콘텐츠를 선택적으로 표시하거나 또는 작동 모드(B1)에서는 운전자와 조수석에 대해 동시에 이미지 콘텐츠를 선택적으로 표시하기 위해 스크린을 구비한 본 발명에 따른 조명 장치를 차량에 사용하는 것이 특히 유리하다. 예를 들어 승객이 운전자의 주의를 산만하게 할 수 있는 엔터테인먼트 콘텐츠를 시청하고 있는 경우에는 전자가 유용하다.
스크린을 구비한 본 발명에 따른 조명 장치는 예를 들면 현금자동인출기, 결제 단말기 또는 모바일 기기에 PIN 비밀번호, 이메일, SMS 또는 비밀번호와 같은 기밀 데이터를 입력하거나 표시하는데 사용할 수 있다.
상술한 모든 실시예에서, 상기 발광체는 LED, LED 라인 또는 레이저 다이오드일 수 있다. 다른 변형들도 가능하며 이들은 본 발명의 범위 내이다.
또한 제한 시야 모드(B2)에 대해 원하는 제한된 각도 범위는 수평 및 수직 방향에 대해 서로 독립적으로 정의 및 구현될 수 있다. 예를 들어 키가 다른 사람들이 현금자동인출기에서 어떤 이미지를 볼 수 있어야 하는 반면에, 측면 시야는 크게 또는 완전히 제한된 상태를 그대로 유지하여야 하는 경우에 예를 들어, 수평 방향보다 수직 방향으로 더 큰 각도(또는 경우에 따라 전혀 제한 없음)가 의미가 있을 수 있다. 그러나 POS 결제 단말기의 경우 보안 규정으로 인해 모드(B2)에서 가로 및 세로 방향 모두 가시성 제한이 필요한 경우가 많다.
원칙적으로, 상술한 파라미터가 소정의 한계 내에서 변경되면 본 발명의 효율은 유지된다.
위에서 언급한 특징과 아래에서 설명할 특징은 특정 조합으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 다른 조합으로 또는 단독으로도 사용될 수 있는 것으로 이해된다.
이하,본 발명에 필수적인 특징을 나타내는 첨부 도면을 참조하여 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세하게 설명할 것이다. 이들 실시예는 단지 예시를 위한 것으로 한정하는 의미로 해석되어서는 안 된다. 예를 들어 복수 개의 요소 또는 구성요소를 구비한 실시예에 대한 설명은 이들 요소 또는 구성요소 모두가 구현에 필요함을 의미하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 다른 실시예는 다른 요소 및 구성요소, 더 적은 수의 요소 또는 구성요소 또는 추가 요소 또는 구성요소를 더 포함할 수도 있다. 다양한 실시예의 요소 또는 구성요소는 달리 명시되지 않는 한 서로 조합될 수 있다. 실시예들 중 하나에 대해 기재된 변형 및 변경은 다른 실시예에도 적용될 수 있다. 반복을 피하기 위해서 다른 도면에서 동일하거나 서로 사응하는 요소에는 동일한 참조 부호를 사용하고 중복 설명하지 않는다. 도면 중:
도 1은 도광체에 측방으로 커플링된 광을 아웃커플링 요소가 위치해 있는 도광체의 하부의 큰 표면으로부터 아웃커플링하고 상기 광이 상부의 큰 표면에서 도광체를 벗어나는 것을 도시하고 있는 개략도이고,
도 2는 도광체에 측방으로 커플링된 광을 아웃커플링 요소가 위치해 있는 도광체의 상부의 큰 표면으로부터 아웃커플링하고 상기 광이 상부의 큰 표면에서 도광체를 벗어나는 것을 도시하고 있는 개략도이고,
도 3은 개방 시야 모드(B1)에서 스크린과 함께 제1 실시예의 조명 장치를 도시하고 있는 개략도이고,
도 4는 제한 시야 모드(B2)에서 스크린과 함께 제1 실시예의 조명 장치를 도시하고 있는 개략도이고,
도 5a는 이방성 산란 거동을 설명하기 위해 큰 표면을 통해 광 빔이 투과하는 도광체를 개략적으로 도시하고 있는 평면도이고,
도 5b-5c는 서로 직교하는 2개의 방향을 따라 도 5a의 도광체를 잘라낸 단면도이고,
도 6a-6c는 아웃커플링 요소의 다양한 구성을 도시하고 있는 개략도이고,
도 7a는 빔 경로가 도시되어 있는 아웃커플링 요소의 평면도이고,
도 7b는 도광체 및 아웃커플링 요소를 투과하는 광에 대한 빔 경로가 표시되어 있는 도 7a의 아웃커플링 요소를 잘라낸 단면도이고,
도 7c는 도광체 및 아웃커플링 요소를 투과하는 광에 대한 빔 경로가 표시되어 있는 또 다른 아웃커플링 요소를 잘라낸 단면도이다.
도 1에는 발광체(4)로부터 도광체(3)에 측방으로 커플링된 광을 아웃커플링 요소(6)가 위치해 있는 도광체(3)의 하부의 큰 표면에서 아웃커플링하기 위한 개략도가 도시되어 있다. 그러나 상기 커플링 광은 상부의 큰 표면에서 50% 이상 도광체(3)를 벗어난다. 수평 방향(여기서는 지면에 위치해 있고 우측에서 좌측으로 이어지는 방향인 반면에 수직 방향은 지면 안으로 향하는 방향임)으로 광은 도광체(3)의 상부의 큰 표면으로부터 큰 각도(60°보다 큰 각도)로 아웃커플링된다. 아웃커플링 요소(6)의 위치는 숫자 "6"으로 표시되어 있지만 실제 아웃커플링 요소(6)는 미시적으로 작기 때문에 도면에는 표시되어 있지 않다. 따라서 발광체(4), 예를 들어 LED로부터 나오는 광은 도광체(3)에 측방으로 커플링된다. 상기 커플링된 광의 빔(굵게 표시됨)은 전반사로 인해 최종적으로(경우에 따라 재차) 원하는 아웃커플링을 위해 아웃커플링 요소(6)에 도달할 때까지 외벽으로 다시 방출된다. 아웃커플링은 얇은 빔으로 단순화되어 있다. 도 1의 도면은 더 잘 보여주기 위해 크게 단순화되어 있다. 실제로는 도광체(3)에 매우 많은 수의 빔 경로가 구현된다. 또한 굴절률 전이 영역의 광 굴절은 고려되어 있지 않다.
도 2는 발광체(4)로부터 도광체(3)에 측방으로 커플링된 광을 아웃커플링 요소(6)가 위치해 있는 도광체(3)의 상부의 큰 표면으로부터 아웃커플링하기 위한 개략도를 도시하고 있다. 상기 광은 또한 도면에서 주로 상부의 큰 표면을 통해 도광체(3)를 벗어난다. 도 1에 대한 설명은 도 2에도 적용된다. 도 2에서 기술적으로 다른 유일한 점은 도광체(3)의 상부에 위치하여 광을 직접 상방으로 아웃커플링하는 아웃커플링 요소(6)의 위치와 구성이다. 이때, 커플링된 광은 도 1에 따른 상황과 달리 도광체(3)를 재차 통과할 필요가 없다.
도 3 및 도 4는 2개의 작동 모드인 개방 시야 모드(B1) 및 제한 시야 모드(B2)로 작동하는 조명 장치(1a)를 도시하고 있으며, 여기서 광은 개방 시야 모드에 비해 제한된 각도 범위로 조명 장치에 의해 방사된다. 조명 장치(1a)는 제한된 각도 범위로 광을 방사하고 평면 형태로 연장되어 있는 백라이트(2) 및 백라이트(2) 전방에 시야 방향으로 위치해 있고 2개의 큰 표면 및 이들의 가장자리에서 상기 큰 표면을 연결하는 좁은 측면을 가진 평판형 도광체(3)를 포함하고 있다. 도광체(3)는 큰 표면 중 적어도 하나에 및/또는 그의 공간 내에 아웃커플링 요소(6)를 갖고 백라이트(2)로부터 나오는 광에 대해 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 70% 투명하다. 상기 도광체의 좁은 측면에는 발광체가 측방 배치되어 있는데, 발광체가 도광체의 일 측면에만 배치되는 것도 포함한다. 작동 모드(B2)에서는 백라이트가 켜지고 발광체가 꺼지는 반면, 작동 모드(B1)에서는 적어도 발광체가 켜진다.
아웃커플링 요소(6)의 형태, 면적당 개수, 배향 및/또는 크기는 아웃커플링 요소(6) 또는 이들의 적어도 일부를 통해 연결되는 도광체(3)가 큰 표면을 통해 도광체(3)를 투과하는 광의 경우에 이방성 산란 거동을 갖도록 선택된다.
구체적으로, 아웃커플링 요소(6) 각각은 정의된 방식으로 광을 외부로 커플링하기 위한 적어도 하나의 기능 표면(5)을 가지며, 이에 상응하는 방식으로 광이 기능 표면(5)에서 도광체로부터 아웃커플링된다. 가장 단순한 경우에, 이들 기능 표면(5)은 평평하거나 적어도 평평한 일부 표면을 갖지만, 하나 또는 2개의 선형의 독립적인 방향으로 구부러진 곡면일 수도 있다. 기능 표면(5)에 대해 배향 벡터가 정의되는데, 이는 광이 출사하는 큰 표면에 평행하게, 즉 상기 큰 표면에 평행한 면에 위치해 있다. 상기 배향 벡터는 기능 표면(5)에 대한 기능 표면(5)의 위치 종속적 법선 벡터와의 스칼라곱의 적분을 최대화하는 벡터이다. 평평한 표면의 경우 상기 법선 벡터는 기능 표면(5)의 모든 위치에서 당연히 일정하지만 곡면의 경우에는 변할 수 있으며, 이 경우 각각의 위치에서 접선면의 법선 벡터이다. 구체적으로, 배향 벡터 는 적분를 최대화한다(상기 식에서 은 "A"로 표시되어 있는 기능 표면(5)의 좌표 x 및 y에서 위치 종속적 법선 벡터이다). 상기 배향 벡터는 소정의 바람직한 방향으로 최대 45°의 각을 형성한다. 이때 상기 법선 벡터는 광이 출사하는 해당 큰 표면과 최소 5° 내지 최대 85° 사이의 각을 형성하지만 바람직하게는 하한 30° 및/또는 상한 60°의 각을 형성한다. 계산된 배향 벡터는 바람직한 방향에 대한 아웃커플링 요소(6)의 기능 표면(5)의 휨에 대한 측정값이지만, 경우에 따라 기능 표면(5)에 존재하는 모든 표면 법선의 "평균" 또는 도광체(3)의 큰 표면 중 하나에 대한 투영에 반드시 해당되는 것은 아니다.
이러한 방식으로 아웃커플링 요소(6)가 구성되면, 그 결과 도광체(3)는 바람직한 방향에 수직인 방향보다 바람직한 방향으로 적어도 1.2배, 바람직하게는 적어도 2배 또는 3배의 강한 산란 거동을 갖게 되고, 이에 따라 2개의 큰 표면을 통해 도광체(3)를 투과하는 광의 경우에 전체적으로 이방성 산란 거동을 갖는다.
광이 출사하는 큰 표면은 소정 크기의 서브 영역으로 분할될 수도 있으며, 이때 다양한 서브 영역에 대해 서브 영역 각각의 표면적 대비 어느 한 서브 영역 내 기능 표면의 표면적의 비율은 다르므로 광이 출사하는 큰 표면에 걸쳐 도광체(3)의 산란 거동은 변하게 된다.
도 3에는 개방 시야 모드(B1)에서 디스플레이 스크린(1)과 함께 제1 실시예의 조명 장치(1a)의 개략도가 도시되어 있다. 기본적으로 백라이트 전방의 절반 공간보다 작은 영역을 제한된 각도 범위로서 사용할 수 있지만; 바람직하게는 예를 들어 수평 및/또는 수직으로 ±20° 또는 30°의 각도 범위이거나 표면 법선을 중심으로 하는 원뿔 또는 백라이트(2)의 선택 가능한 방향 벡터로서 의미되며; 제한된 각도 범위를 정의할 때 최대 휘도가 1% 내지 최대 5% 미만인 소량의 광은 무시할 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 개략도는 단면도이다.
도 4에는 제한 시야 모드(B2)에서 디스플레이 스크린과 함께 제1 실시예의 조명 장치의 개략도가 도시되어 있다. 굵은 화살표는 상기 각도 범위에서 제한된 광을 나타내고, 점선의 얇은 화살표는 백라이트(2)로부터 나오는 광과 비교하여 수평으로 산란되는 광이 거의 없음을 의미한다. 그 결과로서 도광체(3) 상의 아웃커플링 요소(6)의 이방성 및 수평 방향에 비해 수직 방향으로 더 강한 산란 거동을 도 5a 내지 도 5c와 함께 아래에서 더욱 자세하게 설명하기로 한다.
조명 장치(1a)의 바람직한 실시형태에서, 적어도 작동 모드(B2)에서 백라이트(2)로부터 방사된 광은 제한된 각도 범위로 수평 방향으로 방사되어 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 상기 광이 도광체(3)를 통과할 때 수직 방향 보다 수평 방향으로 산란을 덜 겪게 된다. 그 결과, 제한된 각도 범위로 방사되는 광은 제한된 각도 범위 밖에서는 약간만 산란된다.
2개의 작동 모드(B1, B2)는 최종적으로 작동 모드(B2)에서 백라이트(2)가 켜지고 발광체(4)(도광체(3)의 좁은 측면(들)에 있음)가 꺼지는 반면에 작동 모드(B1)에서는 적어도 발광체(도광체의 좁은 측면에 있음)가 켜진다는 점에서 다르다. 발광체(4)는 도광체(3) 안으로 광을 방사한다. 아웃커플링 요소(6)는 도광체(3)로부터 나오는 광을 아웃커플링하고, 방사는 거의 아웃커플링 요소(6)를 통해서만 이루어진다.
백라이트(2)는 예를 들어 평면형 방사체, 바람직하게는 추가 발광체가 측면 또는 후면에 배치된 추가 도광체 및 평면형 방사체에 통합되고/또는 내부에 배치된 적어도 하나의 프리즘 필름 및/또는 적어도 하나의 프라이버시 필터(예를 들어 라멜라 필터)와 같은 적어도 하나의 광 콜리메이터로 구성되어 있다.
따라서 백라이트(2)는 기본적으로 LED 백라이트와 같이, 예를 들어 소위 직하형 LED 백라이트, 측광형 LED 백라이트, OLED 또는 예를 들어 적어도 하나의 영구 프라이버시 필터(예를 들어 마이크로 라멜라 포함) 및/또는 또 다른 광 콜리메이터가 적용되거나 배치되어 있는 또 다른 표면 방사체로 구성될 수도 있다.
도광체(3)는 투명한 열가소성 또는 열탄성 중합체, 예를 들어 플라스틱으로 구성되거나 유리로 구성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도광체(3)는 폴리카보네이트로 제조될 수 있다.
아웃커플링 요소(6)의 상기 부분은 아웃커플링 요소(6)의 적어도 30%, 바람직하게는 적어도 50%, 특히 바람직하게는 90% 이상을 포함하고 그의 형태, 면적당 개수, 배향 및/또는 크기는 큰 표면을 통해 도광체(3)를 투과하는 광의 경우에 이방성 산란 거동을 갖도록 선택되는 것이 유리하다. 선택적으로 또는 추가로, 모든 아웃커플링 요소의 평균에서, 바람직한 방향을 가진 배향 벡터는 최대 45°의 각도를 형성한다. 특히 도광체(3)는 이에 수직인 방향보다 바람직한 방향으로 더 강한 산란 거동을 가질 수 있다.
아웃커플링 요소(6)의 이방성 산란 거동은 산란 거동이 측정되는 적어도 2개의 상호 수직 방향, 바람직한 방향 및 이에 수직인 방향에 대한 산란 거동의 측정을 토대로 특성화된다. 특히 광이 도광체(3)를 거의 수직으로 통과할 때 아웃커플링 요소(6)로 인해 발생하는 산란 거동을 고려해야 한다. 그러나 도광체(3)의 수직 방향 이외의 또 다른 기준 방향도 고려될 수 있다.
본 명세서에서 용어 "수직" 및 "수평"은 먼저 일반적으로 백라이트의 표면 또는 도광체의 큰 표면의 바람직한 방향과 이에 수직인 방향을 의미한다. 관찰자가 조명 장치(1a)를 볼 때, 바람직한 방향은 수직 방향에 해당하고 이에 수직인 방향은 수직 방향에 해당하며, 아웃커플링 요소(6)의 산란 거동은 수평 방향보다 수직 방향에서 더 큰 것이 유리하다. 일반적으로 수평 방향은 적어도 이와 관련하여 배향을 변경하지 않는 도광체를 구비한 디스플레이 스크린의 경우 지표면의 수평 방향에 해당한다. 그러나 일반적으로 수평 방향은 관찰자의 눈을 연결하는 선과 평행한 방향으로 이해해야 하며, 이는 예를 들어 모바일 기기에서 관찰자 또는 상기 선이 이동할 때 보고 있는 디스플레이 스크린의 위치 또한 변경된다. 모바일 스크린의 좌표계에 있어서는 결국 어느 방향이 수평이고 어느 방향이 수직인지는 임의로 결정할 수 있고; 상기 2개의 방향은 서로 직교하면 된다.
이와 관련하여, 도 5a는 이방성 산란 거동을 설명하기 위해 큰 표면을 통해 광 빔이 투과하는 도광체(3)를 개략적으로 도시하고 있는 평면도이다. 원 안의 점은 아래로부터 도광체(3)로 수직으로 떨어지는 광 빔을 단순화한 것으로, 상기 광 빔은 도광체(3)의 큰 표면 사이를 투과하고 또한 아웃커플링 요소(6, 미도시)에 충돌한다. 수직 방향의 긴 점선 화살표와 비교하여 수평 방향의 짧은 점선 화살표는 해당 아웃커플링 요소(6)의 이방성 산란 거동으로 인해 수평 방향의 산란 거동이 수직 방향보다 작다는 것을 나타내기 위한 것이다.
도 5b는 바람직한 방향에 수직인 방향, 즉 여기서는 수평 방향으로 도광체(3)를 잘라낸 단면도를 도시하고 있다. 반면에, 도 5c는 바람직한 방향, 즉 여기서는 수직 방향으로 도광체(3)를 잘라낸 단면도를 도시하고 있다. 상기 도면 각각에는 아웃커플링 요소가 도시되어 있지 않다. 굵은 화살표는 도면에는 표시되어 있지 않지만 백라이트(2)에 의해 방사되는 양측의 큰 표면(여기서는 상부와 하부)을 통해 도광체(3)를 투과하는 광을 나타낸다. 점선 화살표는 최대 산란 각도 범위를 나타내며, 이는 도 5b의 수직 방향보다 도 5c의 바람직한 방향에서 눈에 띄게 더 크다.
도광체의 큰 표면 중 적어도 하나에서 광을 외부로 커플링하기 위한 아웃커플링 요소는 최대 100 마이크로미터, 바람직하게는 최대 50 마이크로미터의 최대 치수로 확대되는 마이크로렌즈 및/또는 마이크로프리즘 및/또는 회절 구조체 및/또는 3차원 구조 요소 및/또는 산란 요소로 구성되는 것이 바람직하다. 회절 구조체의 경우, 예를 들어 홀로그램 또는 격자/회절 격자일 수 있다.
도 6a는 예를 들어 마이크로프리즘 형태인 아웃커플링 요소(6)의 개략도이다. 이러한 유형의 아웃커플링 요소는 예를 들어 공기가 채워진 리세스가 형성된 도광체(3)의 하나 또는 2개 모두의 큰 표면에 및/또는 공간 내 균질하게 또는 바람직하게는 불균질하게(즉 예를 들어 -예외는 제외함- 면적당 더 많은 수로 발광체(4)로부터의 거리가 증가함에 따라) 분포될 수 있다. 물론 다른 형태의 아웃커플링 요소(6)도 가능하며 도 6b 및 6c에 도시되어 있다. 상기 기능 표면은 비스듬하게 위쪽을 향한 면이다. 도 6a에 도시된 아웃커플링 요소(6)는 단순화된 형태를 가지며, 도면에 도시된 기능 표면은 일반적으로 상부 및 하부 가장자리가 둥글고, 도 6b 및 6c에 도시되어 있는 바와 같이 전체 곡면에 걸쳐 1차원 또는 2차원 곡률을 가질 수도 있다. 전형적인 치수는 각각의 공간 치수에서 1㎛ 내지 100㎛이고, 바람직하게는 2㎛ 내지 40㎛이며, 높이(도면에서는 수직 방향)는 바람직하게는 20㎛를 초과하지 않는다.
도 7a는 도 6a에 예시되어 있는 바와 같이 아웃커플링 요소(6)의 평면도를 도시하고 있는 것으로 예를 들어 광입사면, 즉 도광체의 큰 표면에는 백라이트로부터 방사된 광이 도입되는 리세스로서 구성될 수 있다. 광 빔(미도시)은 아래로부터, 즉 수직인 지면 하부로부터 광 입사면에 부딪친다. 기능 표면(5)의 편향으로 인해 광은 바람직한 방향(여기서는 지면에서 위쪽을 향한 수직 방향)으로 최대 45°까지 편향되며, 이는 도 7b에서 더 잘 볼 수 있다. 기능 표면(5)은 바람직한 방향에 수직으로 작용하지 않으며, 이는 바로 이 방향에서 산란 효과가 크게 낮은 이유이다.
도 7b는 도광체에 재료 리세스로서 구성된 도 7a의 아웃커플링 요소의 단면도로서, 상기 재료는 빗금 표시로 식별할 수 있다. 기능 표면(5)으로 인해 광은 2 개의 화살표로 식별되는 굴절 및 산란에 의해 바람직한 방향(여기서는 지면의 수평 방향)으로 편향된다. 이와 관련하여, 기능 표면(5)은 수직으로, 즉 지면에 대해 수직으로 영향을 주지 않지만; 원칙적으로는 아웃커플링 요소의 3차원 팽창의 잔류 효과로 인해 원치 않는 산란 성분이 바람직한 방향에 수직으로 발생한다.
마지막으로, 도 7c는 도 7b의 아웃커플링 요소와 비교하여 2개의 기능 표면(5)을 가진 또 다른 아웃커플링 요소의 단면도를 도시하고 있다. 아웃커플링 요소(6)는 또한 재료 내 리세스와 유사하게 구성된다. 기능 표면(5)의 효과는 도 7b의 효과에 상응한다.
위에서 설명한 조명 장치(1a)의 모든 변형예에 대해, 바람직하게는 LCD 패널 형태의 디스플레이 스크린(1)으로서 시야 방향으로 조명 장치(1a) 전방에 배치된 투과형 이미지 생성기를 포함하는 것이 특히 유리하고, 이는 조명 장치(1a)로 인해 적어도 2개의 모드인 개방 시야 모드(B1) 및 제한 시야 모드(B2)로 작동될 수 있다.
어떤 경우에는 디스플레이 스크린(1)이 큰 표면을 통해 디스플레이 스크린(1)을 투과하는 광에 대한 이방성 산란 거동을 갖는 것이 유용할 수 있다. 이 경우, 디스플레이 스크린(1)의 산란 거동이 더 낮은 바람직한 방향은 도광체에서 더 낮은 산란 거동을 갖는 바람직한 방향과 일치해야 한다. 상기 바람직한 방향은 종종 수평 방향이다.
디스플레이 스크린(1)의 상부 및/또는 도광체(3)의 큰 표면 중 적어도 하나뿐만 아니라 프라이버시 필터(있는 경우) 중 적어도 하나에는 예를 들어 눈부심 방지 및/또는 반사 방지 코팅과 같은 반사 감소 또는 제어 수단이 배치될 수 있다.
상술한 모든 실시예에서, 상기 발광체는 4개의 LED 또는 LED 라인 또는 레이저 다이오드일 수 있다. 다른 변형도 가능하며 이는 본 발명의 범위 내이다.
상술한 본 발명에 따른 조명 장치 및 이와 함께 구현될 수 있는 스크린은 다음과 같은 과제를 해결할 수 있다: 선택적으로 제한된 시야각을 통해 정보를 안전하게 표시하기 위해 실용적인 방식으로 구현될 수 있는 해결방안을 제공하고, 또 다른 작동 모드에서는 시야각 제한 없이 자유롭게 볼 수 있다. 본 발명은 간단한 수단을 사용하여 비용면에서 유리하게 구현될 수 있다. 사용된 스크린의 기본 해상도는 2개의 작동 모드 모두에서 유용할 수 있다. 또한 상기 해결방안을 통해 광손실을 적게 하고 제한된 시야각으로 인해 가급적 포괄적인 프라이버시 보호효과가 달성된다.
상술한 발명은 예를 들어 PIN을 입력할 때, 현금자동인출기 또는 결제 단말기에 데이터를 표시할 때, 또는 비밀번호를 입력할 때, 또는 모바일 기기에서 이메일을 읽을 때와 같이 기밀 데이터가 표시 및/또는 입력되는 모든 곳에 유리하게 사용될 수 있다. 본 발명은 상술한 바와 같이 자동차에서도 사용될 수 있다.
1 디스플레이 스크린
1a 조명 장치
2 백라이트
3 도광체
4 발광체
5 기능 표면
6 아웃커플링 요소

Claims (6)

  1. 적어도 2개의 작동 모드인 개방 시야 모드(B1) 및 상기 개방 시야 모드에 비해 제한된 각도 범위로 조명 장치로부터 광이 방사되는 제한 시야 모드(B2)로 작동될 수 있고,
    - 제한된 각도 범위로 광을 방사하는 평면 형태로 연장되어 있는 백라이트(2);
    - 시야 방향으로 백라이트(2) 전방에 배치되고, 2개의 큰 표면 및 이들의 가장자리를 따라 상기 큰 표면을 연결하는 좁은 측면을 갖되, 상기 큰 표면 중 적어도 하나에 및/또는 그의 공간 내에 아웃커플링 요소(6)를 가지며, 백라이트(2)에 의해 방출된 광의 적어도 50%에 대해 투명하고, 각각의 아웃커플링 요소(6)는 정의된 방식으로 광을 외부로 커플링하기 위한 적어도 하나의 기능 표면을 가지며, 상기 기능 표면에서 광이 평면형 도광체(3) 외부로 커플링되는 평면형 도광체(3); 및
    - 도광체(3)의 좁은 측면에 측방 배치된 발광체(4)를 포함하되,
    - B2 작동 모드에서는 백라이트(2)가 켜지고 발광체(4)가 꺼지며, B1 작동 모드에서는 적어도 발광체(4)가 켜지는 디스플레이 스크린(1)용 조명 장치(1a)로서,
    - 아웃커플링 요소(6)의 적어도 일부에 대해, 광이 출사하는 큰 표면에 평행한 기능 표면 중 각 하나의 배향 벡터는 바람직한 방향과 최대 45°의 각도를 형성하고, 상기 배향 벡터는 기능 표면에 걸쳐 기능 표면의 공간 종속적 법선 벡터와 이 벡터의 스칼라곱의 적분을 최대화하는 벡터이고,
    법선 벡터 각각은 각각의 큰 표면과 5°내지 85°의 각도를 형성함으로써 도광체(3)는 바람직한 방향에 수직인 방향보다 적어도 1.2배 더 강한 산란 거동을 상기 바람직한 방향으로 가지며, 이에 따라 양쪽의 큰 표면을 통해 도광체(3)를 통과하는 광의 경우에 전반적으로 이방성 산란 거동을 갖는 것을 특징으로 하는 조명 장치(1a).
  2. 제1항에 있어서,
    아웃커플링 요소(6)의 일부는 모든 아웃커플링 요소의 적어도 30%를 포함하고/또는 상기 배향 벡터는, 모든 아웃커플링 요소에 대해 평균으로, 바람직한 방향과 최대 45°의 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는 조명 장치(1a).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    도광체(3)는 반대 방향보다 바람직한 방향으로 더 강한 산란 거동을 갖는 것을 특징으로 하는 조명 장치(1a).
  4. 제3항에 있어서,
    관찰자가 조명 장치(1a)를 보는 관점에서 고려할 때 바람직한 방향은 수직 방향에 해당하므로 도광체(3)의 산란 거동이 수평 방향보다 수직 방향으로 더 크고, 상기 수평 방향은 관찰자의 눈 사이를 연결하는 선과 평행한 것을 특징으로 하는 조명 장치(1a).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    큰 표면의 표면적 대비 아웃커플링 요소의 상기 부분의 기능 표면의 표면적의 비율이 아웃커플링 요소(6)의 산란 거동이 바람직한 방향에 수직인 방향보다 적어도 2배 또는 3배 더 크도록 결정되는 것을 특징으로 하는 조명 장치(1a).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    광이 출사하는 큰 표면은 미리 결정된 크기의 서브 영역으로 나누어지며, 다양한 서브 영역에 대해 서브 영역 각각의 표면적 대비 어느 한 서브 영역 내 기능 표면의 표면적의 비율이 다르므로 광이 출사하는 큰 표면에 걸쳐 도광체(3)의 산란 거동이 변하는 것을 특징으로 하는 조명 장치(1a).
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