KR100905100B1 - 편광되지 않은 광을 수신하여 편광된 광을 방출하도록 배치된 조명 장치, 및 디스플레이 시스템 - Google Patents

편광되지 않은 광을 수신하여 편광된 광을 방출하도록 배치된 조명 장치, 및 디스플레이 시스템 Download PDF

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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명에 따른 다중-층 장치는 편광된 광의 방출을 제공한다. 층들 사이의 경계면 중 적어도 하나에는 미세구조가 제공된다. 일 실시예에서, 광 도파관 기판(401) 형태의 제 1 층은 램프(420)로부터 편광되지않은 광을 수신한다. 복굴절 제 2 층(402)에는 평행 그루브(groove) 형태의 미세구조(410)가 제공된다. 복굴절 층의 상단 상에는 제 3 층(403), 즉 코팅 층이 위치해 있다. 광은 선택적 전반사(TIR)에 의해 복굴절 층의 미세구조가 있는 면에서 출력되어, 거의 직각에서 크게 선형 편광된 방출을 산출한다. 이 편광된 광은 코팅 층을 통하여 밖으로 방출될 수 있거나, 광 도파관을 통해 정반대 방향으로 방출될 수 있으며, 이로 인해 유리한 방식으로 투과형(후방발광), 반투과형(후방발광) 또는 반사형(전방발광) 디스플레이 장치 중 임의의 구성이 가능할 수 있다.

Description

편광되지 않은 광을 수신하여 편광된 광을 방출하도록 배치된 조명 장치, 및 디스플레이 시스템{ILLUMINATION ARRANGEMENT ARRANGED TO RECEIVE UNPOLARIZED LIGHT AND EMIT POLARIZED LIGHT, AND DISPLAY SYSTEM}
본 발명은 조명 장치와, 이러한 조명 장치를 포함하는 시스템에 관한 것으로, 상기 조명 장치는 편광되지않은 광을 수신하고 편광된 광을 방출하도록 배치되며, 광학적으로 투명한 도파관 형태의 제 1 층과, 복굴절 제 2 층과, 제 3 층을 적어도 포함한다.
액정 디스플레이(LCD)와 같은 평판 디스플레이는 많은 종류의 전자기기 특히 휴대용 컴퓨터, 이동 통신 단말 등의 필수 구성요소이다. 이러한 디바이스는 필수적으로 배터리로 전원이 공급되며, 그러므로, 배터리의 에너지가 가장 효율적인 방식으로 사용되는 것이 지극히 중요하다.
후방 발광 또는 전방 발광 LCD용 조명 시스템에서 높은 총 에너지 효율을 달성하기 위해, 편광된 광의 생성과 관련된 손실이 최소가 되어야 한다. 최근의 접근법으로 원치 않는 편광의 광을 흡수하는 대신 재활용하는 것이 있다. 이러한 접근법은 최근에는 다양한 제조사로부터 구입 가능하게 된 반사형 편광 포일(foil)을 사용하여 수행된다. 이러한 포일은 광의 한 편광 방향을 바로 투과시키고, 원치 않는 편광은 조명 시스템으로 다시 반사시키며, 여기서 이러한 광은 재활용된다. 또 한, 광의 원치 않는 편광 방향이 반사되고 후속하여 재활용되는 대신 다시 산란되는 편광 포일이 제안되었다.
대안적인 접근법으로 광의 한 편광 상태를 바로 방출하는 후방 발광 또는 전방 발광 시스템을 디자인하는 것이 있다. 후방 발광 시스템에서, 전술된 것과 같은 반사형 또는 산란형 편광 포일은 병합된다.
또한, 편광-종속적 전반사(TIR), 배향된 액정 코팅 또는 이들의 결합과 같은 편광 분리에 대한 또 다른 개념이 사용되었다. 상기 이들의 결합과 같은 편광 분리 개념이 US-5729311에 제시되어 있고, 이 출원에는 평판 화상 디스플레이 디바이스용 조명 시스템이 도시되어 있다.
US-5729311의 조명 시스템은 광이 그 말단면을 통해 입력되는 광 도파관을 포함한다. 이 도파관에는 도파관 재료와는 서로 다른 재료가 채워진 오목부(recess)가 제공되어 있다. 재료 중 하나는 굴절률(np)을 가지며 광학적으로 등방성이며, 다른 한 재료는 굴절률(no 및 ne)을 가지며 광학적으로 이방성이다. 굴절률에 있어서, 등방성 재료와 이방성 재료 사이의 경계면에서 편광 분리가 있고, 그 결과 편광된 방출을 초래하기 위해서 no 또는 ne는 np와 같거나 거의 같아야 한다는 점이 지켜져야 한다.
US-5729311에 도시된 디바이스의 결점은, 이러한 오목부가 광 도파관 자체에 위치되어 있다는 점이다. 이로 인해 도파관은 다소 복잡하게 되며, 그리하여 제조하기에 상대적으로 비싸게 된다.
본 발명의 목적은 종래기술의 결점과 관련된 문제를 극복하는 것이다. 즉, 단순하고 비싸지 않은 수준으로 제조 프로세스를 유지하는 동시에 에너지 효율적인 평판 디스플레이용 조명 시스템을 얻는 방법이다.
이러한 방법은 편광되지않은 광을 수신하고 편광된 광을 방출하는 조명 장치를 제공함으로써 얻어진다. 이 장치는 광학적으로 투명한 광 도파관 형태의 제 1 층과, 복굴절 제 2 층과, 제 3 층을 적어도 포함한다. 이들 층 중 적어도 두 층 사이의 적어도 한 경계면은 미세구조를 포함한다. 바람직하게, 광 도파관에 미세구조를 갖는 것을 피하기 위해, 제 2 층과 제 3 층 사이의 경계면이 미세구조를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 복굴절 층이 광 도파관과 제 3 층 사이에 위치되며, 여기서 제 3 층은 코팅 층의 역할을 한다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 제 3 층이 광 도파관과 복굴절 층 사이에 위치되며, 여기서 제 3 층은 접착 층 역할을 한다. 더나아가, 대안적인 실시예에서, 제 1 층과 제 3 층은 동일한 층을 지칭한다.
게다가, 광 도파관, 복굴절 층 및 코팅 또는 접착 층의 재료를 적절하게 선택하고, 그리하여 굴절률을 선택하고, 미세구조를 갖는 표면을 구비한 복굴절 층을 적절하게 제공함으로써, 장치는 편광된 광을 방출할 것이다.
비록 제 3 층의 굴절률이 복굴절 층의 굴절률 중 하나와 일치하여 대응하는 편광 방향의 굴절/반사 손실을 최소화하는 것이 바람직하지만, 이것은 가장 바람직한 출력 메커니즘의 적절한 기능, 즉 원하는 편광 방향의 미세구조에서의 선택적 TIR에 본질적으로 필요한 것은 아니다. 굴절률의 일부 불일치는 TIR이 미세구조에서 발생하지 않는다면 원치 않는 편광 방향에 대해 허용된다. 그러므로, ±0.04 이내, 바람직하게는 ±0.02 이내 및 좀더 바람직하게는 ±0.01 이내의 대체적인 일치가 허용될 수 있다. 게다가, 복굴절 층은 여전히 직교 편광을 대체로 일치시키면서 원하는 편광 방향에 대한 굴절률 차이를 증가시키는데 기여하며, 이것은 결국 방출 및 편광 콘트래스트의 양을 개선한다. 전달된 광의 이러한 선택적 TIR이 미세구조에서 발생하기 위해, 대응하는 편광 방향, 즉 대응하는 공간 방향에서 복굴절 층과 코팅 층 사이에서 굴절률이 상당히 불일치되게 되어야 하며, 복굴절 층의 굴절률이 코팅 층의 굴절률보다 상당히 더 높아야 한다. 이것은 복굴절 층-코팅 경계면에서 TIR에 대한 임계각도를 산출한다, 즉, 임계각도보다 더 큰 각도에서 경계면에서 입사된 광은 전반사된다. 충분히 큰 임계각도를 경계면의 충분한 경사각도, 즉 미세구조의 상단 각도(top angle)와 결합함으로써, 전반사되는 각도 구역은 전달된 각도 범위 내에 있도록, 그리고 전반사 이후 광 도파관으로부터의 방출을 초래할 대응하는 각도 방향 이내에 있도록 제어될 수 있다. 적절하게 최적화하여, 전달된 각도 구역은 미세구조 경계면에서 전반사되고 광 도파관의 법선 방향에 근접한 편광된 방출을 초래하는 각도 쪽으로 향하도록 선택될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 편광되지않은 광은 광 도파관의 말단면에 들어간다. 광의 편광 성분은 광 도파관과 복굴절 층 사이의 경계면과, 코팅 층과 주변 공기 사이의 경계면에서 TIR되게 된다. 광의 또 다른 편광 성분은 복굴절 막과 코팅 층 사이의 미세구조를 갖는 경계면에서 굴절 또는 반사되고, 장치 밖으로 디스플레이 또 는 시청자를 향해 방출된다. 본 발명의 이 실시예에서, 복굴절 층의 미세구조는 병렬 릿지(ridge) 형태이며, 이러한 릿지 형태는 표면 밖으로 연장하고, 광의 편광 성분을 굴절시켜, 이를 통해 광을 주로 코팅 층을 통해 LCD를 향하도록 출력한다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 복굴절 층의 미세구조는 표면 내부로 연장하는 병렬 그루브(groove) 형태이며, 이러한 그루브 형태는 광의 편광 성분의 TIR 및 반사시켜서, 이를 통해 광을 주로 광 도파관을 통해 LCD를 향하도록 출력한다. 편광된 광은 또한 제 3 층이 광 도파관 및 복굴절 층 사이에 위치되어 있는 실시예에서 미세구조에서의 TIR/반사에 의해 주로 복굴절 층을 통해 LCD를 향하도록 출력된다.
본 발명에 따른 장치는 편광 방출을 매우 효율적으로 제공할 수 있다. 미세구조에서 선택적 전반사(TIR)에 의한 광 출력 메커니즘은 직각 근처의 각에서 크게 선형인 편광 방출을 산출하며, 이것은 예컨대 US-5729311과 같은 종래기술에 따른 장치에서의 굴절 프로세서로는 달성할 수 없다.
그러므로, 편광된 광은 코팅 층 또는 도파관을 통한 정반대 방향으로 밖으로 방출될 수 있으며, 이로 인해 유리하게는 투과형(후방발광), 반투과형(후방발광) 또는 반사형(전방발광) 디스플레이 장치의 임의의 구성이 가능케 된다.
본 발명에 의해 제공된 추가적인 장점은, 미세구조가 예컨대 LC를 주원료로 한 막에 알려진 UV 반복(replication) 또는 UV 경화 프로세서를 적용함으로써 복굴절 층 상에 도포될 때, 제조 프로세스가 단순화될 수 있고, 그러므로 종래기술의 장치에 비해 더 싸게된다는 점이다.
본 발명의 이들 및 다른 양상은 이후에 기술될 실시예로부터 명백해질 것이 며, 이러한 실시예를 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 조명 디바이스의 개략적인 사시도.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 조명 디바이스에서의 층 사이의 경계면의 개략적인 횡단면도.
도 3은 본 발명에 따른 조명 디바이스의 개략적인 사시도.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 따른 조명 디바이스의 개략적인 횡단면도.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따른 광 방출 조명 디바이스의 평면도.
도 6의 (a) 내지 도 6의 (r)은 미세구조의 개략적인 횡단면도.
도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 등방성 광 도파관(101)과, 미세구조(211, 221)를 구비한 복굴절 층(102)과, 상단-코팅 층(103)을 포함하는, LCD(100)용 후방발광 시스템이 도시되어있다. 제 1 반사기(104)와 제 2 반사기(105)는 광 도파관 내부에서 우선적으로 갇힌 편광 방향(preferentially trapped polarization direction)을 재활용하기 위해 광 도파관에 인접하게 배치된다. 이것은 예컨대 발산 반사기, 즉 거울형 미러(specular mirror) 및 1/4-파 막(quarter-wave film)의 조합과 같은 편광제거 반사기 형태로 반사기(104, 105)를 제공함으로써 달성될 수 있다. 대안적으로, 추가적인 위상지연 층에서 편광 전달된 광의 광학적인 위상지연은 대안적인 광 재활용 수단을 제공한다. 또한, 광 위상지연을 통한 재활용은 예컨대 사출성형된 폴리카보네이트(PC: PolyCarbonate) 층에서 흔히 발생하는 바와 같 이 광 도파관(101)의 이상적인 광 등방성에 편차가 생김으로써 초래될 수 있다.
전형적으로, 광 도파관(101)으로 사용되는 재료는 예컨대 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA: PolyMethylMethAcrylate), 폴리카보네이트(PC) 또는 폴리스티렌(PS: PolyStyrene)과 같은 투명 폴리머로 구성된다. 전형적으로, 복굴절 층(102)은 예컨대 배향된 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET: PolyEthyleneTerephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT: PolyButyleneTerephthalate), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN: PolyEthyleneNaphthalate)와 같은 배향된{예컨대, 스트레칭된(stretched)} 폴리머 층이나, 경화되고 단축 배향된 액정 층 또는 교차-결합된 액정 네트워크와 같은 액정 층으로 구성된다. 전형적으로, 코팅 층(103)은 예컨대 폴리머 아크릴{예컨대, 경화된 비스페놀 에이 에톡실레이트 디아크릴레이트(cured Bisphenol A ethoxylated diacrylate), 경화된 헥산디올디아크릴레이트(HDDA: HexaneDiolDiAcrylate), 경화된 페녹시에틸아크릴레이트(POEA: PhenOxyEthylAcrylate), 경화된 에폭시 합성수지, 이러한 재료의 혼합물}과 같은 투명 폴리머 재료나 배향된 액정 층으로 구성된다.
편광되지 않은 광은 광원(120)으로부터 방사되고 있으며, 복수의 광 경로를 따라 도파관으로 들어가며, 이들 광 경로 중 제 1 광 경로(131)와 제 2 광 경로(141)가 도시되어 있다. 광 경로(131, 141)의 전파가 이후에 좀더 상세하게 논의될 것이다.
그러나, 광 경로의 전파를 상세하게 설명하기 시작하기 이전에, 다음의 실시예에 대한 설명이 따르게될 편광 현상의 몇몇 속성을 상기하는 것이 적절하다. 선 형 편광으로 인해, 편광되지않은 빔은 두 개의 상호 수직 편광된 빔 성분으로 나눠진다. 이러한 편광의 분리는 예컨대 편광되지않은 빔을 굴절률(niso)을 갖는 등방성 재료를 갖는 영역과 굴절률(no 및 ne)을 갖는 이방성 재료를 갖는 영역 사이의 경계면에 입사시킴으로써 얻어질 수 있으며, 여기서 두 굴절률(no 및 ne) 중 하나는 niso와 같거나 거의 같다. 편광되지않은 빔이 이러한 경계면 상에 입사될 때, 등방성 재료와 이방성 재료 사이의 경계면에서 어떤 굴절률 차이를 감지하지 않은 빔 성분은 굴절되지 않고 통과될 것인 반면, 다른 성분은 굴절될 것이다. 만약 niso가 no와 같거나 거의 같다면, 보통의 빔은 등방성 재료와 이방성 재료 사이의 경계면에 의해 굴절되지 않고 통과되지만; 만약 niso가 ne와 같거나 거의 같다면, 이러한 경계면은 예외적인 빔을 굴절되지 않게 통과시킨다.
이 실시예에서, 도파관(101), 복굴절 막(102) 및 코팅 층(103)의 폴리머 재료는 no,막<niso,도파관<ne,막 및 no,막
Figure 112004011847627-pct00001
niso,코팅이 되도록 선택되며, 여기서 no,막 및 ne,막은 복굴절 막(102)의 보통 굴절률 및 예외적인 굴절률이며, niso,도파관은 도파관(101)의 등방성 굴절률이고, niso,코팅은 코팅 층(103)의 등방성 굴절률이다.
s-편광 상태인 광은 도파관/복굴절 막 경계면(107)에서 낮은 굴절률에서 높은 굴절률로의 전이를 겪으며, 그 결과로 광 경로(132) 및 광 경로(142)로 지시된 바와 같이 복굴절 막(102)에 입력된다. p-편광 광은 높은 굴절률에서 낮은 굴절률 로의 전이를 겪으며, 그 결과로 광 경로(133) 및 광 경로(143)로 지시된 바와 같이 만약 이 광이 충분히 조준된다면 도파관에서 전반사된다. 다시 말해, 제 1 편광 분리 메커니즘은 도파관/복굴절 막 경계면(107)에서 TIR을 기반으로 해서 도입된다.
복굴절 막은 미세구조{도 2a의 참조번호(211) 및 도 2b의 참조번호(221)}를 갖추고 있어서 s-편광된 광(132, 142)을 LCD(100) 쪽으로 출력시킨다. 이러한 미세구조가 없다면, 광은 예컨대 코팅/공기 경계면(109)에서 TIR로 인해 도파관 내에 갇혀있게 된다. 미세구조(211, 221)는 복굴절 막(102)의 보통의 굴절률과 일치하는 코팅 층(103)으로 채워지며, 그 결과로, 제 2 편광 메커니즘이 도입된다, 즉, 광 경로(133)로 도시된 잔류 p-편광된 광이 복굴절 막(102)과 코팅 층(103) 사이에서 굴절률이 일치하게 되어 코팅/공기 경계면(109)에서 전반사되고 그에 따라 갇혀있게 된다. 그러나, s-편광된 광, 즉 광 경로(132)는 복굴절 막(102)과 코팅 층(103) 사이에 굴절률이 일치하지 않게 되고, 그 결과로 도파관(101) 밖으로 미세구조(211, 221)에 의해 LCD(100), 즉 시청자 방향으로 출력된다. s-편광된 광에 대한 굴절률 불일치를 최대로 하기 위해, 상단 코팅(103)은 또한 이방성이 되게 선택될 수 있다.
선택적으로, 방출된 광의 편광 방향을 다른 방향으로 회전시키기 위해, 편광 회전 층이 추가될 수 있다. 예컨대, 45°회전된 편광 방향을 얻기 위해, 두 λ/4-위상지연판 적층이 추가될 수 있으며, 이것은 이 위상지연판은 그 각자의 축이 서로에 대해 45°배향되어 있다.
복굴절 막(102)에서 미세구조의 디자인은 몇 가지 고려되어야할 점이 있다. 두 개의 서로 다른 미세구조 디자인(211, 221)이 주로 굴절 및 반사용인 각각 도 2a 및 도 2b에 도시되어 있다. 도 2a에서, 굴절을 통해 선형 편광된 광을 주로 출력시키는 미세구조(211)가 도시되어 있다. 이들 구조의 주요한 장점은, 출력하는 동안 광의 편광제거가 회피되고, 그 결과로 크게 편광된 광을 얻을 수 있다는 점이다. 그러나, 이 광은 도파관 평면에 대한 법선(210)에 대해 큰 각도로 출력되며, 그 결과로, 추가적인 재-방향지정 포일(re-direction foil)(미도시)이 LCD(100) 또는 시청자 방향으로 광 방출을 얻기 위해 필요하다.
비록 도 2a 및 도 2b에 도시된 미세구조의 횡단면이 삼각형 형태이고 또한 방향(Z)(도면 평면 내부로의 미세구조 연장방향에 수직임)에 대해 비대칭이지만, 또한 Z-방향에 대칭인 삼각형 형태의 미세구조가 적용될 수 있다. 더나아가, 삼각형 형태와는 다른 변형 및/또는 구멍 또는 험프(hump) 형태의 기하학적 모양과 같은 도면 평면에서 그루브(groove) 또는 릿지(ridge) 형태로 연장하는 것과는 다른 변형과 같은 미세구조의 다른 변경이 적용될 수 있다. 도 6의 (a )내지 도 6의 (r)은 미세구조의 기하학적 모양의 예를 횡단면도로 도시하고 있다. 그루브 또는 릿지는 표면 내부로 연장하는 작은 그루브/릿지의 연속을 포함하거나, 피트(pit) 또는 험프를 포함하며, 대칭 또는 비대칭 삼각형인 대신에 오목한 모양(concave), 볼록한 모양(convex) 또는 다수의 편평한 측면을 구비한 모양(multitude of straight side faces)을 또한 포함한다.
도 2b에서, 주로 전반사를 통해 광을 출력시키는 미세구조(221)가 도시되어 있고, 광은 추가로 포일을 사용하지 않고도 LCD(100)나 시청자 쪽으로 바로 방출된 다. 법선(210) 따라서 그 중심이 있는 편광된 광 출력은 단방향 출력과 결합되어 얻어지며, 이러한 단방향 출력은 전방발광 응용에 유리하다. 또한, 광 출력의 효율은 전반사를 기초로 한 반사형 미세구조의 경우에 극도로 높으며, 이점은 광 출력의 낮은 효율을 특징으로 하는 굴절형 미세구조와는 대조적이다.
도 2a 및 도 2b를 추가로 참조하면서 이제 도 3으로 다시 돌아가서, 본 발명에 따른 후방발광/전방발광 조명 장치의 제 2 디자인이 개략적으로 도시되어 있다. 도 1, 도 2a 및 도 2b와 연계하여 논의된 시스템과 유사하게, 등방성 광 도파관(301)과, 미세구조(211, 221)를 갖는 복굴절 막(302)과, 상단 코팅(303)을 포함하는, LCD(300)용 후방발광 및/또는 전방발광 시스템이 도시되어 있다. 전술된 예에서처럼, 반사기(305)가 광 도파관 인접한 곳에 배치된다.
편광되지않은 광은 광원(320)으로부터 방사되고, 복수의 광 경로를 따라서 도파관(301)으로 들어가며, 이들 광 경로 중에서 s-성분용 제 1 광 경로(331)와 p-성분용 제 2 광 경로(341)가 도시되어 있다. 폴리머 재료는 niso,도파관≤no,막<n e,막 및 no,막 = niso,코팅이 되도록 선택된다.
여기서, s-편광된 광 및 p-편광된 광은 도파관/복굴절 막 경계면(307)에서 낮은 굴절률에서 높은 굴절률로의 전이를 겪는다. 다시 말해, 두 편광 방향의 광은 복굴절 막(302)에 입력되고, 이 특정한 경계면(307)에서 상기 두 편광 방향의 광에 대한 어떠한 분리도 발생하지 않는다, 즉 두 편광 방향의 빔은 서로 다르게 굴절되며, 그러나 어떠한 편광도 이방성 층에서 배제되지 않는다. p-편광된 광과 s-편광 된 광의 분리 및 광의 출력은 미세구조/상단-코팅 층 경계면(308)에서만 발생한다. 이러한 특정한 디자인이 갖는 장점은, 재료 선택이 그리 중요하지 않다는 점이며, 좀더 중요하게는 후방발광 및/또는 전방발광의 성능이 광이 적절하게 조준되었는지의 여부에 민감하지 않게 된다는 점이다. 이는, 기존의 냉음극 형광램프(CCFL: Cold Cathode Fluorescent Lamp)나 발광 다이오드(LED)로부터의 조준되지 않은 광이 예컨대 사용될 수 있다는 점을 의미한다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 따른 다중-층 조명 장치의 실시예들에 대한 추가적인 변형을 도시한다. 광 도파관 기판(401) 형태의 제 1 층은 램프(420)로부터 편광되지않은 광을 수신한다. 이 광의 전파 및 s-성분 및 p-성분으로의 분리가 도 4a 내지 도 4f 각각에 지시되어 있다. 이러한 전파에 관한 상세한 사항은 도 1 내지 도 3과 연계하여 이미 전술되었다. 도 4a 내지 도 4f의 모든 예는 미세구조(410, 430)가 제공된 복굴절 층을 포함한다. 도 4a 내지 도 4c의 예에서의 미세구조(410)는 평행 그루브인 반면, 도 4d 내지 도 4f의 예에서의 미세구조(430)는 평행 릿지 형태이다.
도 4a에서, 광 도파관 기판(401)은 적어도 부분적으로 미세구조를 갖는 복굴절(즉, 이방성) 제 2 층(402)으로 덮이며, 상기 제 2 층(402)의 상단에는 제 3 층(403), 즉 코팅 층이 위치해 있다. 코팅 층(403)은 광학적으로 등방성이거나 이방성일 수 있다.
도 4b에서, 도 4a와 유사하게, 광 도파관 기판(401)은 적어도 부분적으로 미세구조를 갖는 복굴절(즉, 이방성) 제 2 층(402)으로 덮이며, 상기 제 2 층(402) 상단에는 제 3 코팅 층(403)이 위치해 있다. 그러나, 도 4b의 장치에서, 복굴절 층(402)은 예컨대 접착제(glue)와 같은 접착 층(414)에 의해 광 도파관 기판 층(401)에 배치된다.
도 4c에서, 광 도파관 기판(401)은 적어도 부분적으로 미세구조를 갖는 복굴절 제 2 층(422)으로 덮인다. 그러나, 도 4a 및 도 4b에서의 예와는 대조적으로, 접착성 제 3 층(423)이 기판(401)과 제 2 층(422) 사이에 배치된다. 접착 층(423)은 광학적으로 등방성 또는 이방성일 수 있다.
도 4d에서, 광 도파관 기판(401)은 적어도 부분적으로 미세구조를 갖는 복굴절 제 2 층(432)으로 덮이며, 이 제 2 층(432)의 상단 상에는 제 3 층(433), 즉 코팅 층이 위치해 있다. 코팅 층(433)은 광학적으로 등방성이거나 이방성일 수 있다.
도 4e에서, 도 4d와 유사하게, 광 도파관 기판(401)은 적어도 부분적으로 미세구조를 갖는 복굴절 제 2 층(432)으로 덮이며, 이 제 2 층(432)의 상단 상에는 제 3 코팅 층(433)이 위치해 있다. 그러나, 도 4e의 장치에서 복굴절 층(432)은 예컨대 접착제와 같은 접착 층(444)에 의해 광 도파관 기판 층(401)에 배치된다.
도 4f에서, 광 도파관 기판(401)은 적어도 부분적으로 미세구조를 갖는 복굴절 제 2 층(452)으로 덮인다. 그러나, 도 4d 및 도 4e의 예와는 대조적으로, 접착성 제 3 층(453)은 기판(401)과 제 2 층(452) 사이에 배치된다. 접착 층(453)은 광학적으로 등방성이거나 이방성일 수 있다.
편광 분리가 기판-배향 층 경계면에서만 발생하는 장치에 의해 방출된 광의 기준 측정 및 본 발명에 따른 장치에 의해 방출된 광의 측정이 본 발명의 기술적 효과를 예시하기 위해 구해졌다.
어떤 기준 측정에서, 굴절률(niso,도파관=1.585)을 갖는 폴리카보네이트 도파관이 사용되었다. 4.5 드로우 레이트(draw rate), 1.57의 no,막, 및 1.87의 ne,막을 갖는 스트레칭된 PEN 막이 사용되었다. 미세구조는 스트레칭된 막(도 2b와 비교)에서 미세-기계가공되었으며, 이 미세구조의 장축은 도면 방향에 평행하다. 복굴절 막은 1.585(즉, 폴리카보네이트 도파관의 굴절률과 동일함)의 굴절률을 갖는 접착제를 사용하여 폴리카보네이트 도파관에 접착되었다. 조준되지 않은 광 및 높게 조준된 광 둘 모두는 도파관에 입력되었고, 방출된 광의 편광 의존성 각도 분포가 측정되었다. 측정은, 광이 도파관 평면에 대한 법선과 대략 15°의 각도로 주로 방출됨을 보여준다. s-편광된 광과 p-편광된 광 사이의 콘트래스트 비는 조준되지 않은 광의 경우에 낮고{법선(210) 방향에서 1.9}, 입사되는 광을 조준하자마자 개선된다{법선(210) 방향에서 2.5}.
본 발명에 따른 장치를 사용한 측정에서, 굴절률(niso,도파관=1.49)을 갖는 폴리(메틸)메타크릴레이트 도파관이 사용되었다. 4.5의 드로우 레이트, 1.57의 no,막 및 1.87의 ne,막을 갖는 스트레칭된 PEN 막이 또한 사용되었다. 미세구조는 스트레칭된 막(도 2b와 비교)에서 미세-기계가공되었고, 이 미세구조의 장축은 도면 방향에 평행하다. 복굴절 막은 1.49의 굴절률을 갖는 접착제를 사용하여 폴리(메틸)메타크릴레이트 도파관에 접착되었다. 상단-코팅은 1.57의 굴절률(즉, 스트레칭된 PEN 막의 보통 굴절률과 동일함)을 갖는 스트레칭된 막에 부가되었다. 조준되지 않은 CCFL 광 및 높게 조준된 CCFL 광 둘 모두는 도파관에 입력되었고, 방출된 광의 편광 종속적 공간 분포가 측정되었다. 측정은, 광이 광 도파관 측 상에서 도파관 평면에 대한 법선을 따라서 주로 방출된다는 점과, s-편광된 광 및 p-편광된 광 사이의 콘트래스트 비가 조준되지 않고 입사된 광에 대해서 높다는 점을 보여준다.
표 1에서, 조준되지 않은 가장자리-발광이 사용되고, 모든 각도에 걸쳐서 통합될 때 방출된 총 광 세기가 주어져 있는 반면, 표 2에서는 법선 방향에서의 대응하는 국부적인 세기 값이 도시되어 있다. 표 2에서, 표면 법선을 따라서 방출된 s/p 편광된 광의 비율이 60 내지 90만큼 높을 수 있다는 점을 알 수 있고, 표 1에 제시된 결과로부터, s/p 광의 통합된 편광 콘트래스트 비가 14.5만큼 높을 수 있다는 점을 알 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 전술된 예에서 사용된 장치와 같은 후방발광 원형 조명 장치(backlight prototype illumination arrangement)의 사진을 도시한다. 도 5a는 램프 및 샘플 홀더(lamp and sample holder)(501)와, PMMA 기판(502)과, 그루브 영역(504)을 갖는 PEN 포일(503)을 도시한다. 도 5b는 램프가 켜져 있고, 바로 시청되는 장치를 도시한다. 도 5c에 도시된 바와 같이, s-방향 편광기(505)를 통해 후방발광의 좌측을 시청하면, 거의 밝기가 감소하지 않는 반면, 도 5d에 도시된 바와 같이 p-방향 편광기(506)를 통해 후방발광의 좌측을 시청하면, 화상은 완벽하게 검게 변하며, 광 도파관 방출의 높은 선형 편광 콘트래스트를 도시한다.
기판 측 통합 휘도(lm/m2) s p s/p 비율 CR
램프에서 먼 곳 265 25.1 9.0
샘플의 중심부 297 36.0 8.25
램프에서 가까운 곳 365 29.5 14.5
코팅 측 통합 휘도 s p s/p 비율 CR
샘플의 중심부 153 45.0 3.4
기판 측 정상 휘도(cd/m2) s p s/p 비율 CR
램프에서 먼 곳 200 3 66.7
샘플의 중심부 250 4 62.5
램프에서 가까운 곳 260 5 86.7
코팅 측 통합 휘도 s p s/p 비율 CR
샘플의 중심부 33 6 5.5
그러므로, 요약하면, 본 발명에 따른 다중-층 장치는 편광된 광의 방출을 제공한다. 층 사이의 경계면 중 적어도 하나에는 미세구조가 제공된다. 일 실시예에서, 광 도파관 기판(401) 형태인 제 1 층은 램프(420)로부터 편광되지 않은 광을 수신한다. 복굴절 제 2 층(402)에는 평행한 그루브 형태의 미세구조(410)가 제공된다. 복굴절 층 상단 상에는, 제 3 층(403), 즉 코팅 층이 위치해 있다. 광은 선택적 전반사(TIR)에 의해 복굴절 층의 미세구조 표면에서 출력되어, 거의 직각에서 크게 선형 편광된 방출을 산출한다. 이러한 편광된 광은 코팅 층을 통해 방출되거나, 광 도파관을 통해 정반대 방향으로 방출될 수 있으며, 이로 인해 유리한 방식으로 투과형(후방발광), 반투과형(후방발광) 또는 반사형(전방발광) 디스플레이 장치와 같은 임의의 구성이 가능할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 조명 장치와, 이러한 조명 장치를 포함하고 편광되지않은 광을 수신하고 편광된 광을 방출하도록 배치되며 광학적으로 투명한 도파관 형태의 제 1 층과, 복굴절 제 2 층과, 제 3 층을 적어도 포함하는 시스템에 이용된다.

Claims (14)

  1. 제1 편광 및 제2 편광을 포함하는 편광되지 않은 광을 수신하여 제1 편광의 편광된 광을 방출하도록 배치된 조명 장치로서,
    서로 다른 제1 편광의 방향의 굴절률 및 제2 편광의 방향의 굴절률을 갖는 복굴절 제 2 층; 제3 층으로서, 제3층과 복굴절 제2 층 사이에 편광-선택적 경계면을 형성하도록 제1 편광의 방향의 복굴절 제2 층의 굴절률과 불일치되는 굴절률 및 제2 편광의 방향에서 실질적으로 일치되는 굴절률을 갖는 제3 층; 광학적으로 투명한 광 도파관 형태의 제1 층을 적어도 포함하는 조명 장치이되, 제1 층은 제3 층과 함께 단일 층으로 결합되어 있거나 제1 층과 제3 층은 분리된 층이며 편광-선택적 경계면은 미세구조를 포함하는, 조명 장치에 있어서,
    미세구조는 편광-선택적 경계면에서 제1 편광의 선택적 내부전반사에 의해 제1 편광의 편광된 광의 방출을 촉진하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 편광되지 않은 광을 수신하여 편광된 광을 방출하도록 배치된 조명 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 복굴절 제2 층은 상기 광 도파관과 상기 제 3 층 사이에 위치되며, 상기 제 3 층은 복굴절 제2 층을 코팅하는, 편광되지 않은 광을 수신하여 편광된 광을 방출하도록 배치된 조명 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 3 층은 상기 광 도파관과 상기 복굴절 제 2층 사이에 위치되며, 상기 제 3 층은 광 도파관을 복굴절 제 2 층에 접착시키는, 편광되지 않은 광을 수신하여 편광된 광을 방출하도록 배치된 조명 장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미세구조는 상기 미세구조를 갖는 표면(microstructured suface) 밖으로 연장하는 릿지(ridge)를 포함하는, 편광되지 않은 광을 수신하여 편광된 광을 방출하도록 배치된 조명 장치.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미세구조는 복굴절 제 2 층으로 연장하는 그루브(groove)를 포함하는, 편광되지 않은 광을 수신하여 편광된 광을 방출하도록 배치된 조명 장치.
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 3 층은 상기 복굴절 제 2 층의 굴절률 중 하나와 일치하는 굴절률을 갖는 등방성 재료인, 편광되지 않은 광을 수신하여 편광된 광을 방출하도록 배치된 조명 장치.
  7. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 도파관은 상기 복굴절 제 2층의 굴절률들보다 더 낮은 굴절률을 갖는, 편광되지 않은 광을 수신하여 편광된 광을 방출하도록 배치된 조명 장치.
  8. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 도파관은 상기 복굴절 제 2층의 굴절률들 사이에 있는 굴절률을 갖는, 편광되지 않은 광을 수신하여 편광된 광을 방출하도록 배치된 조명 장치.
  9. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 기재된 조명 장치와 평판 액정 디스플레이를 포함하는 디스플레이 시스템.
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