KR20120083206A

KR20120083206A - 부분적으로 코팅된 구조물 어레이를 구비한 광학 필름 및 그의 제조 방법

Info

Publication number: KR20120083206A
Application number: KR1020110126405A
Authority: KR
Inventors: 국헌 차; 현식 윤; 홍희 이; 갑양 서
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2011-01-17
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2012-07-25
Also published as: KR101182491B1; US9086529B2; KR20120083196A; US20140016207A1

Abstract

본 발명은 구조물의 어레이가 형성된 기판을 포함하는 광학 필름으로서, 구조물의 표면과는 다른 굴절률, 흡수도 또는 반사도를 갖는 물질이 구조물의 표면 상에 부분적으로 코팅된 광학 필름 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명에 따른 광학 필름은 방향에 따라서 투명도가 달라지게 하거나 빛을 비대칭적으로 투과시킬 수 있으며, 시야각에 따라 밝기 또는 화상이 바뀔 필요가 있거나 삼차원 영상을 구현할 필요가 있는 화상 장치에 적용 가능하다.

Description

부분적으로 코팅된 구조물 어레이를 구비한 광학 필름 및 그의 제조 방법{OPTICAL FILM WITH PARTIALLY COATED STRUCTURE ARRAY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 굴절률, 흡수도 혹은 반사도가 다른 물질이 부분적으로 코팅된 구조물 어레이를 구비한 광학 필름 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명에 따른 광학 필름은 방향에 따라서 투명도가 달라지게 하거나 빛을 비대칭적으로 반사시키거나 흡수시키거나 투과시킬 수 있으며, 시야각에 따라 밝기 또는 화상이 바뀔 필요가 있거나 3차원 영상을 구현할 필요가 있는 화상 장치에 적용 가능하다.

액정 디스플레이(LCD) 장치와 같은 조광 디스플레이 장치는 통상적으로 휘도향상을 위해 프리즘 어레이를 구비한 광학 필름을 사용하여 빛의 진행 방향을 조절한다. 이러한 광 가이드는 광을 냉음극 형광 램프(CCFL) 또는 발광 다이오드(LED)와 같은 광원 장치의 출력면에 결합하며, 이어서 디스플레이 장치의 셀(cell)에 결합된다.

휘도 향상은 이러한 프리즘 어레이를 구비한 광학 필름에 의해, 바람직하게는 광 재생을 포함하는 반사 및 굴절 과정을 통해 달성될 수 있다. 프리즘형 구조화 표면 필름은 광원 장치와 함께 사용될 때, 그렇지 않을 경우 방출면으로부터 높은 각도로 방출되는 광을 수직 방향으로 모아 시청자로 향하게 하는 데에 도움을 준다.

휘도 향상 필름(Brightness Enhancement Film, BEF)의 대표적인 유형은 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 입수가능한 BEF이며, 전형적으로 광의 파장에 비해 큰 프리즘의 어레이를 한쪽 표면 상에 포함하고 있다. 이러한 구조는 시청자로 향하는 광의 양을 증가시키는 데에 도움을 준다. 이들 필름은 광원 장치와 결합하여 사용되어 전형적으로 1차원 또는 2차원의 비축 조명을 희생하여 축상 조명을 증가시킨다. 이러한 방식으로, 이들 필름은 전력 소모를 감소시키면서 원하는 축상 조명량을 달성하는 것을 돕는다.

또한 정면의 시야각만 확보하고, 양쪽 측면에서는 잘 보이지 않도록 하는 기능을 갖는 필름으로써 마찬가지로 쓰리엠 컴퍼니 등에서 입수 가능한 기존의 보안 필름(Privacy Film)이 존재한다. 이는 염료를 프리즘의 길이 방향으로 삽입하여 양쪽 시야각에서는 잘 보이지 않도록 한 것이다.

그러나 이러한 BEF, 보안 필름과 같은 기존의 프리즘 어레이를 구비한 광학 필름은 정면 시야각에 대해서 밝기가 보장되는 것으로, 정면이 아닌 측면 방향으로는 대칭성을 가지고 있다. 만약 방향에 따라 밝기가 다른 광원 장치(이하 "방향성 광원 장치"), 시야각에 따라 밝기가 다른 디스플레이, 삼차원 디스플레이 또는 시야각에 따라 화상 자체가 바뀌는 홀로그램 등에는 기존의 광학 필름을 사용하는 것은 적절하지 않다.

최근 유행중인 삼차원 영상을 보기 위해서는 양쪽 눈에 서로 다른 영상이 보이도록 하기 위해 특수한 안경을 사용하는 방식이 일반적이었다. 최근 특수 안경이 필요 없는 무안경 삼차원 디스플레이에 대한 연구가 활발히 진행중이며, 이 중 대표적인 방식으로는 렌티큘러(lenticular) 또는 패러랙스 베리어(parallax barrier) 방식의 오토스테레오스코픽(autostereoscopic) 기술이 있다. 이러한 방식은 필름 제작이 복잡하다는 단점이 있으며, 방향에 따라 좌안 영상과 우안 영상이 주기적으로 바뀌어 보는 각도에 따라 울렁거림의 문제가 발생한다는 단점을 가지고 있다. 최근 개발된 프리즘과 렌즈를 결합한 방식도 공정 과정이 복잡하여 상업화에 어려움을 겪고 있다.

따라서 본 발명은 상기 나열한 것과 같은 종래의 기술들의 단점을 해결하였으며, 새로운 분야에 적용 가능한 광학 필름 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 광학 필름은 구조물의 어레이가 형성된 기판을 포함하며, 구조물의 표면과는 다른 굴절률, 흡수도 또는 반사도를 갖는 물질(이하 "코팅 물질"이라고 함)을 구조물의 표면 상에 부분적으로 코팅함으로써 달성될 수 있다.

본 발명의 코팅 물질은 용도에 따라 기판 위에 형성된 구조물의 한쪽 면에만 코팅하거나, 한쪽 면 위의 원하는 일부에만 부분적으로 코팅하거나, 양쪽 면 위의 원하는 일부에만 부분적으로 코팅할 수 있다.

본 발명의 광학 필름은 사용되는 방향에 따라 빛을 원하는 방향으로 모을 수 있다. 이는 예를 들어 시야각에 따라 밝기가 다른 디스플레이 또는 방향성 광원 장치의 제작시 유리하게 사용될 수 있다.

또한 본 발명의 코팅 물질을 기판 위에 형성된 구조물 상에 코팅시 코팅 방향을 주기적 또는 비주기적으로 바꿀 수 있다. 이는 예를 들어 삼차원 디스플레이 또는 홀로그램의 제작시 유리하게 사용될 수 있다.

본 발명의 방법으로 제조된 광학 필름은 방향에 따라 광 투과율을 달리할 수 있다. 특히 측면 방향에서 대칭성을 갖게 되는 기존의 광학 필름과는 달리 측면 방향으로의 광 투과율을 변화시킴으로써 시야각에 따른 대칭성을 가질 수도 있고 비대칭성을 가질 수도 있는 광학 필름을 제공한다.

또한 코팅 방향을 주기적으로 또는 비주기적으로 바꿈으로써 삼차원 영상의 구현이 가능한, 즉 양쪽 눈에 서로 다른 영상이 보이도록 할 수 있다. 기존의 삼차원 디스플레이에 적용되는 방식은 이미지가 주기적으로 바뀌게 하여, 인간의 눈이 가상의 이미지(역의 거리지각(reverse depth perception) 포함) 또는 어두운 영역을 감지하도록 하는 것이나, 본 방법을 사용하면 이미지가 주기적으로 바뀌는 것이 아니라 특정 위치에서 삼차원 이미지가 이차원 이미지로 전이되는 것이므로 백라이트의 시간에 따른 동기화가 필요 없게 된다.

본 발명의 광학 필름은 제조 방법이 간단하며, 기존의 프리즘 어레이 광학 필름을 이용할 수도 있어 적용이 용이하다. 또한 본 발명의 광학필름을 구비한 디스플레이는 보는 각도에 따라 생기는 울렁거림의 문제가 없다. 따라서 본 발명의 광학 필름을 디스플레이의 광원 장치에 결합하여 사용시 시야각에 따라 밝기 또는 화상이 바뀌는 디스플레이의 제조가 가능하다.

도 1은 본 발명의 광학 필름의 제조 방법을 나타내는 모식도이다.
도 2는 구조물의 상부면의 좌우면 중 한쪽 면에만 코팅 물질이 코팅된 본 발명의 광학 필름을 신문 위에 올려놓고 45도 이상의 시야각 방향에서 바라본 사진이다.
도 3은 구조물의 상부면의 좌우면 중 한쪽 면에만 탄소가 코팅된 본 발명의 광학 필름의 상부면의 SEM 사진이다.
도 4는 구조물의 상부면의 좌우면 중 한쪽 면에만 탄소가 코팅된 본 발명의 광학 필름의 표면의 조성을 나타내는 EDXS 그래프이다.
도 5는 구조물의 상부면의 좌우면 중 한쪽 면의 일부에만 코팅 물질이 부분적으로 코팅된, 대칭적으로 방향에 따라 투과도가 바뀌는 광학 필름을 나타낸다.
도 6은 구조물의 상부면의 좌우면 각각의 일부에만 코팅 물질이 부분적으로 코팅된, 대칭적으로 방향에 따라 투과도가 바뀌는 보안 필름의 SEM 사진을 나타낸다.
도 7은 코팅 물질이 구조물의 상부면의 좌우면 각각의 일부에 증착된 구조물 어레이의 SEM 사진을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 광학 필름을 시야각에 따라 밝기가 비대칭적으로 바뀌는 디스플레이 또는 방향성 광원 장치에 적용시킨 경우의 모식도, 시뮬레이션 결과 및 사진이다.
도 9는 본 발명의 광학 필름을 포토리소그래피 공정 중 사용되는 광원 장치에 적용시켜 형성한 비대칭적 포토레지스트 패턴의 모식도 및 SEM 사진이다.
도 10은 코팅 물질의 코팅 방향이 주기적 또는 비주기적으로 바뀐 본 발명의 광학 필름의 모식도이다.
도 11은 본 발명의 광학 필름을 무안경 삼차원 디스플레이에 적용시킨 경우의 모식도 및 사진이다.
도 12는 본 발명의 광학 필름을 무안경 삼차원 디스플레이에 적용시킨 경우 삼차원 이미지의 형성 원리를 나타내는 모식도이다.

본 발명의 광학 필름의 제조시에 사용되는 기판은 디스플레이 분야에서 사용되는 투명한 기판이라면 어떠한 것이든 상관없다. 기판의 예는 유리, 플라스틱, 금속, 나노복합체 등을 포함하나 이들로 제한되지는 않는다. 바람직하게는, 유리 또는 플라스틱이 좋다.

본 발명의 광학 필름의 제조시에 사용되는 투명한 구조물은 원형 또는 다각형 구조 등이 사용될 수 있다. 구조물 형태의 예는 프리즘 형태, 반원 형태, 사각형 형태, 피라미드 형태 등을 포함하나 이들로 제한되지는 않는다. 바람직하게는, 프리즘 형태가 좋다.

본 발명의 광학 필름의 투명한 구조물 형성시 사용되는 물질은 몰딩 후 빛 또는 열을 이용하여 경화시켜 구조물을 형성할 수 있는 투명한 내지 반투명한 물질이면 어떠한 것이든 상관없다. 투명한 내지 반투명한 물질의 예는 고분자, 유리 조성물, 나노복합체 등을 포함하나 이들로 제한되지는 않는다. 고분자가 바람직하며, 특히 아크릴레이트 계열 고분자, 실옥산 계열 고분자가 바람직하다.

본 발명에서 사용되는 코팅 물질은 구조물 형성에 사용된 물질과 굴절률이 다른 물질이라면 어떠한 것이든 상관없다. 코팅 물질은 빛을 굴절시키는 물질일수도 있고, 빛을 흡수하는 물질일수도 있고, 빛을 반사시키는 물질일 수도 있다. 코팅 물질의 예는 금속, 무기물, 유기물 등을 포함하며, 금속 및 무기물이 바람직하며, 금속이 특히 바람직하다. 사용되는 금속의 예는 크롬, 금, 알루미늄, 백금, 구리, 마그네슘, 망간, 칼슘 및 이들의 합금 등의 기존에 디스플레이 분야에서 사용되어 왔던 금속들을 포함하나, 이들로 제한되지는 않는다. 상기 금속은 산화물이나 질화물 형태로 존재할 수도 있으며, 이때 금속 산화물은 일산화금속, 이산화금속, 삼산화금속 등을 포함하고 금속 질화물은 일질화금속, 이질화금속, 삼질화금속 등을 포함한다. 상기 금속 산화물은 대기 중에서 자연적으로 발생된 금속 산화물을 포함한다. 본 명세서에서 사용된 용어 "금속"은 금속 산화물 또는 금속 질화물을 포함하는 경우가 있다. 특히 상기 용어 "금속"은 자연적으로 발생된 금속 산화물까지 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 이들 금속, 금속 산화물 또는 금속 질화물은 빛을 굴절시키거나, 흡수시키거나, 반사시킬 수 있다. 금속 이외에도 탄소, 규소와 같은 무기물이나 감광성 고분자와 같은 유기물이 사용될 수 있다.

본 발명의 코팅 물질을 증착하는 방법은 기존의 증착 방법이라면 어느 것이든 상관없다. 구체적인 예는 퇴적(deposition), 열 증착(thermal evaporation), 분무 코팅(spray coating), 스핀 코팅(spin coating) 등을 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 "증착" 또는 "코팅"이라는 용어는 이들 예들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 코팅 물질 증착시, 구조물의 일부분에만 코팅 물질을 증착시킬 수 있는 방법이면 어느 것이든 사용 가능하다. 구체적인 예는 구조물이 형성된 기판을 코팅 물질이 증착되는 방향에 대해 사선으로 설치하는 방법인 사선 증착, 구조물의 주기보다 더 작은 크기를 갖는 마스크를 사용하는 방법인 스크린 증착 등이 있다. 또는 구조물 전체를 덮도록 물질을 코팅한 후 원하는 일부분만 제거하는 방법도 사용 가능하다. 코팅 물질의 제거는 용매를 사용하여 용해시킬 수도 있고, 에칭 등의 방법을 사용할 수도 있다.

구체적인 실시예는 하기 기술된 바와 같으나, 이는 단지 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야만 하고 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.

[실시예]

코팅 물질이 구조물의 한쪽 면에만 코팅된 광학 필름의 제조

도 1a는 본 발명의 광학 필름의 기판에 형성된 구조물을 나타낸다. 구조물의 각각은 삼각형의 프리즘 형태이며, 삼각형의 하부면은 기판에 부착되고, 삼각형의 상부면의 좌우면 상의 한쪽 면에만 코팅 물질이 코팅되어 있다. 도 1b는 프리즘의 한쪽 면에만 금속이 증착된 것을 나타내는 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다. 증착된 면의 반대쪽 면에는 금속이 전혀 증착되지 않은 것을 확인할 수 있다.

도 1c는 본 발명의 광학 필름을 제조하는 대표적인 방법을 나타낸다. 우선 프리즘 패턴이 형성된 마스터 몰드를 제작하였다. 이 마스터 몰드 위에 UV로 경화될 수 있는 액체 상태의 고분자인 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA) 예비중합체를 붓고 그 위에 기판으로써 투명한 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름을 올려놓았다. 이 상태로 PUA 예비중합체를 고르게 편 뒤 UV를 조사하여 경화시켰다. 그 후 마스터 몰드로부터 분리시켜 PET 필름 위에 프리즘 패턴이 형성된 PUA 몰드를 제조하였다. 이때 마스터 몰드는 이미 형성된 어떠한 형태의 구조물도 가능하며, 실리콘 에칭 등의 방법을 통해 제조할 수 있다. 기판은 고분자 이외에도 유리 등 투명한 재질의 물질이라면 어떠한 것이든지 사용될 수 있다.

경사가 있는 로더를 이용하여 알루미늄 또는 크롬을 100 nm 내지 300 nm의 두께로 사선 증착하여 프리즘 패턴의 한쪽 면에만 코팅되도록 하였다. 알루미늄의 경우 프리즘 패턴에 증착되면 빛을 반사하고, 크롬의 경우 산화되어 크롬 산화물 형태로 존재하므로 빛을 흡수하는 것으로 생각된다. 이때 사선 증착의 각도와 프리즘 패턴의 각도가 이상적으로 일치하면 완전하게 한쪽 면에만 알루미늄이 코팅되도록 하는 것도 가능하다. 실제로 실험시에는 30 내지 60°의 경사각도(θ_in)를 이용하여 다른 면에는 알루미늄 또는 크롬이 증착되는 것을 방지하였다. 이때 증착되는 물질은 알루미늄 또는 크롬 이외의 다른 물질도 가능하고 구조물 어레이가 형성된 기판과 굴절률, 흡수도 또는 반사도가 다른 물질이라면 어떠한 것이든지 사용될 수 있다.

본 발명의 광학 필름은 보는 방향에 따라서 투명하기도 하고 불투명하기도 하는 필름으로 사용이 가능하다. 도 2a는 구조물의 한쪽 면에만 코팅 물질이 코팅된 본 발명의 광학 필름을 신문 위에 올려놓고 45도 이상의 시야각 방향에서 바라본 사진이다. 밑에 있는 글자들을 확인할 수 있으며 이는 그림과 같이 투명한 구조물이 형성된 기판 통과해서 신문 위의 글자들이 시야에 나타나기 때문이다. 도 2b는 본 발명의 광학 필름을 신문과 평행한 방향으로 180도 회전시킨 후 찍은 사진이다. 본 발명의 광학 필름이 올라가 있는 부분은 그 밑에 있는 신문의 글자를 볼 수 없다는 것을 확인할 수 있다. 이는 코팅 물질이 증착된 면이 시야를 방해하기 때문이다. 이와 같이, 본 발명의 광학 필름은 방향에 따라서 그 밑에 있는 물체를 볼 수도 있고 그렇지 않을 수도 있는 방향성을 가지는 특성을 나타낸다.

코팅 물질로써 탄소를 증착한 경우의 실시예

코팅 물질로써 금속 대신 탄소를 사용하여, 코팅 물질이 구조물의 한쪽 면에만 코팅된 광학 필름을 제조하였다. 구조물의 각각은 삼각형의 프리즘 형태이며, 삼각형의 하부면은 기판에 부착되고, 삼각형의 상부면의 좌우면 상의 한쪽 면에만 코팅 물질이 코팅되어 있다.

도 3은 전자총 증착장치(E-gun Evaporator, V-System)를 사용하여 고진공(약 10^-6 Torr)에서 탄소 공급원에 열을 가해 20 A/초의 속도로 필름상에 형성된 구조물의 한쪽 면에만 비정질 탄소를 100 nm정도 경사 증착한 뒤, 증착된 광학 필름의 표면을 SEM으로 본 사진이다. A 구역은 탄소가 증착되지 않은 표면이고, B 구역은 탄소가 증착된 면을 나타낸다.

탄소의 증착 여부를 좀 더 정확하게 확인하기 위하여 원소 분석을 행하였다 에너지-디스퍼시브 X-선 분광기(Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy, EDXS, Jeol IBM-6701F)를 이용하였으며, 그 결과를 도 4 및 표 1 에 나타낸다. 도 4 및 표 1을 살펴보면, A 구역에 비해 B 구역에서 산소의 양이 감소하고 탄소의 양이 증가하였다. 즉 본 발명은 증착 물질로써 탄소를 사용해도 잘 구현될 수 있음을 알 수 있다.

A 구역(탄소가 증착되지 않은 표면)			B 구역(탄소가 증착된 표면)
원소	중량%	원소비 (백분율)	원소	중량%	원소비 (백분율)
C	25.99	32.16	C	69.05	75.29
O	71.78	66.67	O	29.19	23.89
Si	2.22	1.18	Si	1.76	0.82
합계	100.00		합계	100.00

코팅 물질이 구조물의 한쪽 면의 일부에만 코팅된 광학 필름의 제조

사선증착의 각도를 조절하면 코팅 물질이 증착되는 부분의 정도(즉, 피복률)를 바꿀 수 있다. 도 5는 구조물의 한쪽 면의 일부에만 코팅 물질이 부분적으로 코팅된, 본 발명의 대칭적으로 방향에 따라 투과도가 바뀌는 광학 필름을 나타낸다. 도 5a는 이를 도식화한 것으로 수학식 1에 따라 피복률을 구할 수 있고, 도 5b는 사각(oblique angle)이 50°인 경우 코팅 물질이 완전히 한쪽을 다 덮지는 못한다는 것을 보여주는 SEM 사진이다. 이상적으로 빛이 직진한다고 가정하여 코팅 물질의 피복률을 다음의 수학식 1에 따라 구할 수 있다.

(여기서, x는 코팅 물질이 덮이는 길이이고, b는 구조물의 한쪽 면의 길이이고, x/b는 코팅 물질의 피복률이며, α는 구조물이 기판과 이루는 각도이고 θ_in은 로더의 경사 각도 또는 코팅 물질의 증착 각도임)

코팅 물질이 구조물의 양쪽 면의 일부에만 코팅된 광학 필름의 제조

부분적 코팅을 대칭적으로 이용하면 정면에서만 잘 보이고 양쪽 옆에서는 잘 보이지 않는 성질을 갖는 광학 필름을 형성할 수 있다. 즉 도 5c의 오른쪽 상단 그림과 같이 방향을 바꿔서 두 차례 증착하면 도 6의 SEM 사진과 같이 대칭적이면서 구조물의 윗 부분만 코팅 물질이 코팅된 구조물의 형성이 가능하다. 본 발명자들은 이와 같은 방법으로 정면 시인성만을 갖고 양쪽 측면 시인성은 갖지 않는 보안 필름을 제작할 수 있었다.

시야각이 0도인 것을 빛의 방출면으로부터 수직인 방향에서 보는 것이라 정의하면 시야각(θ_view)이 코팅 물질의 증착 각도(θ_in)보다 크면 모든 빛이 차단되어 구조물의 밑에 있는 것이 보이지 않게 되고(도 5d의 (i), (v) 및 도 7a) 시야각(θ_view)이 코팅 물질의 증착 각도보다 작아지면 코팅 물질로 가려진 부분 외에 투명한 부분이 드러나서 부분적으로 투명하게 된다(도 5d의 (ii), (iv) 및 도 7b). 점차 시야각이 작아져 구조물 고유의 각도보다 더 작아지면 코팅 물질로 가려지지 않은 부분이 모두 드러나면서 투과되는 정도를 1-b/x로 나타낼 수 있다(도 5d의 (iii) 영역 및 도 7c).

(이때, θ_view는 시야각, θ_in은 코팅 물질이 증착된 각도, T는 투과도, α는 구조물이 기판과 이루는 각도이고, x는 코팅 물질이 덮이는 길이임)

도 5c는 수학식 2 및 3을 이용한 시야각(θ_view)에 따른 투과율(T)을 구조물의 각도(α)에 따라 도식화한 것이다. 도 5c에서 보는 바와 같이 구조물의 각도(α)가 커질수록 동일한 사각(θ_in)에 대해서 가운데 부분의 투과율이 높아진다는 것을 알 수 있다. 도 5d는 구조물의 각도(α)가 60°인 구조물을 이용하여 60°의 사선 증착 각도(θ_in)로 두 차례 증착한 구조물 어레이가 구비된 광학 필름을 그림이 그려져 있는 종이 위에 올려놓고 시야각에 따라 변화하는 것을 사진으로 나타낸 것이다. (i) 영역은 시야각이 매우 큰 상태로 모든 부분이 가려져서 잘 보이지 않는 것을 나타내며 (ii) 영역은 시야각이 작아짐에 따라서 투명도가 증가한 것을 나타내며 (iii) 영역은 정면으로 봤을 때 투명도가 크게 향상되어 구조물 필름의 밑에 있는 그림이 잘 보이는 것을 나타낸다. 광학 필름의 방향을 바꾸어 대칭적으로 코팅 물질을 증착하였기 때문에 (iv) 및 (v) 영역에서는 (i) 및 (ii) 영역과 반대의 경향이 나타나는 것을 알 수 있다.

[적용예]

시야각에 따라 밝기가 비대칭적으로 바뀌는 디스플레이 또는 방향성 광원 장치에의 적용

기존의 프리즘 어레이 필름은 광원 장치로부터 나오는 빛을 발광면으로부터 수직으로 모아주는 역할을 하므로 LCD 디스플레이에서 광학 필름으로 활용되고 있다. 프리즘 어레이 필름을 반대로 뒤집어 사용하면 반대로 빛을 좌우로 퍼지게 할 수 있다. 본 발명의 광학 필름 제조시 코팅 물질로써 금속과 같이 굴절률이 큰 물질을 사용하면 빛을 비대칭적으로 퍼지도록 할 수 있다.

도 8은 본 발명의 광학 필름을 뒤집어서 사용시, 시야각에 따라 밝기가 비대칭적으로 바뀌는 것을 나타낸다. 도 8a는 본 발명의 광학 필름을 광원 장치 위에 코팅 물질이 코팅된 면이 광원 장치를 향하도록 뒤집어서 올려놓은 모식도이다. 도 8b는 시야각에 따른 빛의 분포를 나타낸 것이며, 기존의 대칭적 광학 필름을 광원 장치 위에 뒤집어서 올려놓고 라이트툴스(LightTools)를 사용하여 시뮬레이션한 결과이다. 빛의 분포가 좌우 방향에 대해 대칭적으로 나타난다는 것을 알 수 있다. 도 8c는 본 발명의 광학 필름을 마찬가지로 광원 장치 위에 뒤집어서 올려놓고 라이트툴스를 사용하여 시뮬레이션한 결과를 나타낸다. 빛의 분포가 비대칭적이며, 금속으로 가려진 쪽은 더 어둡고 반대쪽은 더 밝게 나타난다는 것을 알 수 있다.

도 8d는 라이트툴스를 이용한 광선 추적(Ray Tracing) 결과이며, 광학 분야에서 당업자에게 잘 알려진 스넬(Snell)의 법칙으로 이를 간단하게 설명할 수 있다. 도 8e는 수학식 4 및 5와 같은 스넬의 법칙을 이용하여 계산을 할 수 있는 도면이다.

(여기서, α는 구조물이 기판과 이루는 각도이고, β는 구조물로 입사된 광이 프리즘 어레이를 통과할 때 입사면으로부터 수직인 방향으로부터 이루는 각도이며, n_polymer와 n_air는 각각 구조물과 공기의 굴절률임)

도 8f는 LCD 모니터 상에 본 발명의 광학 필름을 뒤집어서 올려놓고, 화면을 시야각에 따라 본 것을 나타낸다. 사진에서 알 수 있듯이, 어느 한 방향에서 바라본 경우가 다른 방향에서 바라본 경우에 비해 더 밝다. 흥미로운 것은 본 발명의 광학 필름이 올려진 부분이 주변부에 비해 더 밝거나 어둡게 나타난다는 점이다. 이는 광학 필름 위에 증착된 금속의 코팅 물질에 의해 빛이 재반사되어 밝은 부분은 더 밝게 나타나는 것으로 보인다.

이상적인 경우, 즉 반사된 빛이 흡수가 되지 않는 경우에는 한쪽 방향에서 차단된 빛들이 재반사되어 다른 방향으로 집광될 수 있을 것으로 기대되며 이를 LCD와 같은 디스플레이 이외에도 한쪽 방향으로 빛을 모아주는 방향성 광원 장치와 같은 분야에 활용 가능할 것이다.

비대칭적 패턴 형성에의 적용

본 발명의 광학 필름을 사용하면 빛이 비대칭적으로 분포하는 특성을 포토리소그래피(photolithography)에 적용하면 방향에 따른 노광량 조절이 가능하므로 비대칭적 패턴을 생산할 수 있다. 이러한 비대칭적 패턴은 i) 도마뱀의 발바닥 돌기와 같이 방향성이 있는 건식 접착제 특성 및 ii) 유체를 특정 방향으로 흐르게 할 수 있는 특성과 같은 다양한 특성을 가지므로 여러 분야에 활용 가능하다.

도 9a는 이러한 비대칭적 포토리소그래피 공정의 대표적인 모식도이다. 금속층이 패터닝되어 있는 유리 기판 위에 UV로 경화되는 음성 포토레지스트(DNR-H200PL, 동진 세미켐)를 10 μm의 두께로 코팅하고, 그 뒤 포토레지스트가 코팅된 면의 반대쪽 면에 본 발명의 광학 필름을 밀착시킨 상태로 노광을 행하였다. 노광량을 적절하게 조절하면 도 9b와 같이 방향에 따라 노광량을 다르게 할 수 있으므로, 비대칭적인 패턴을 구현할 수 있게 되며, 노광량이 많아질수록 모양이 바뀐다는 것을 예측할 수 있었다.

도 9c는 본 발명의 광학 필름을 사용하지 않고, 통상적인 포토리소그래피로 형성된 패턴의 SEM 사진을 나타내며, 그림에서 볼 수 있듯이 대칭적인 원기둥 모양의 패턴이 형성되었다. 도 9d는 본 발명의 광학 필름을 밀착시켜 노광 시간을 30초로 하여 포토리소그래피를 행한 경우 형성된 패턴의 SEM 사진이며, 원기둥 모양의 패턴이 한쪽 방향으로 휘어져 있었다. 도 9e는 본 발명의 광학 필름을 밀착시켜 노광 시간을 90초로 하여 포토리소그래피를 행한 경우 형성된 패턴의 SEM 사진이며, 비대칭이지만 사다리꼴 모양의 패턴이 구현되었다. 또한 패턴 사이의 간격이 좁은 경우에는 도 9f와 같은 탄알집 모양의 패턴을 구현하는 것도 가능하다. 이러한 결과를 바탕으로 볼 때 노광량 및 패턴 간격을 적절하게 조절하면, 단순히 본 발명의 광학 필름을 포토리소그래피 공정시 광원 장치 앞에 위치시킴으로써 원하는 구조의 비대칭적 패턴 형성이 가능하다는 것을 알 수 있다.

무안경 삼차원 디스플레이 또는 홀로그램에의 적용

본 발명의 광학 필름을 무안경 삼차원 디스플레이 또는 홀로그램에 적용하기 위해 다음과 같이 변형시켰다.

도 10과 같이 마스크를 이용하여 부분적으로 코팅 물질을 증착한 후 마스크를 이동시켜 증착되지 않은 나머지 부분에서는 구조물의 반대쪽 면에 코팅 물질을 증착하였다. 즉 코팅층의 방향이 주기적으로 바뀌도록 하였다.

도 10에 따라 제작된 광학 필름을 같은 주기를 가지는 이미지 혹은 화면 위에 올려놓으면 도 11a와 같이 시야각에 따라 서로 다른 영상이 보이게 된다. 도 11b는 주기를 갖는 두 가지 그림이 함께 인쇄된 종이 위에 본 발명의 광학 필름을 올려놓고 왼쪽과 오른쪽에서 촬영한 사진이며, 서로 다른 이미지가 보이는 것을 알 수 있다. 또한 도 11c와 같이 유연한 기판 위에 형성된 광학 필름을 두 가지 그림이 함께 인쇄된 종이 위에 올려놓고 휘게 하면 휘는 방향에 따라 보이는 이미지가 달라진다. 이러한 원리를 이용하면 양쪽 눈에 서로 다른 영상을 보이도록 할 수 있어 무안경식 삼차원 디스플레이에의 활용이 가능하고 왼쪽 혹은 오른쪽으로 시야를 크게 이동하거나 휘는 경우 어느 하나의 영상만 보이는 이차원적인 디스플레이로서의 활용도 가능하게 된다. 도 11에서는 격자가 눈에 띄지만, 마스크 간격을 눈에 띄지 않을 정도로 작게 한다면 이러한 문제점은 쉽게 해결 가능하다.

도 12는 본 발명의 광학 필름을 적용하여 삼차원 디스플레이를 제조한 경우, 삼차원 이미지의 형성 원리를 나타내는 모식도이다. 본 발명의 광학 필름을 투과한 빛이 각각 다른 방향으로 굴절하므로 우측에서 본 이미지와 좌측에서 본 이미지가 달라지게 된다. 따라서, 정면에서 바라보게 되면 좌안과 우안에 다른 영상이 보이게 되므로 이미지가 삼차원으로 형성되게 된다. 만약 좌측에서 또는 우측에서 바라본다면, 이차원 이미지를 보는 것도 가능하다.

또한 광학 부품들, 즉 렌즈, 미러, 프리즘 등을 디자인하면 삼차원으로 보이는 시야각을 더욱 증대시킬 수 있을 것이며 본 발명의 광학 필름의 구조물 어레이의 주기와 위치를 변경함에 따라 그 성능을 증대시킬 수 있을 것이다.

본 발명의 광학 필름은 방향에 따라 화상 또는 밝기를 달리할 필요가 있거나 삼차원 영상을 구현할 필요가 있는 화상 장치에 적용 가능하다. 구체적인 적용 분야는 예를 들어 시야각에 따라 밝기 또는 화상이 바뀌는 디스플레이, 방향성 광원 장치, 무안경 삼차원 디스플레이 또는 홀로그램 등이다.

Claims

광학 필름으로서,
구조물의 어레이가 형성된 기판을 포함하며,
상기 구조물의 표면과는 다른 굴절률, 흡수도 또는 반사도를 갖는 물질이 상기 구조물의 표면 상에 부분적으로 코팅된, 광학 필름.
제1항에 있어서, 상기 구조물의 각각은 삼각형의 프리즘 형태이며, 상기 삼각형의 하부면은 상기 기판에 부착되고, 상기 물질이 상기 삼각형의 상부면의 좌우면 상에 부분적으로 코팅된, 광학 필름.
제1항에 있어서, 상기 물질이 상기 좌우면 중 어느 한쪽 면에만 코팅된, 광학 필름.
제1항에 있어서, 상기 물질이 상기 좌우면 중 어느 한쪽 면의 일부에만 코팅된, 광학 필름.
제1항에 있어서, 상기 물질이 상기 좌우면 각각의 일부에만 코팅된, 광학 필름.
제1항에 있어서, 상기 물질이 금속인, 광학 필름.
제1항에 있어서, 상기 물질이 상기 구조물의 어레이 상에 주기적으로 또는 비주기적으로 코팅된, 광학 필름.
광학 필름의 제조 방법으로서,
a) 기판 위에 구조물의 어레이를 형성하는 단계;
b) 상기 구조물의 표면 위에 상기 구조물의 표면과는 다른 굴절률, 흡수도 또는 반사도를 갖는 물질을 부분적으로 코팅하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 광학 필름의 제조 방법.
제8항에 있어서, 상기 코팅하는 단계는 상기 물질의 코팅을 차단하는 마스크를 사용하는 단계를 포함하는, 광학 필름의 제조 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 광학 필름을 장착한 디스플레이 장치.
제10항에 있어서, 상기 디스플레이 장치가 삼차원 디스플레이 장치인 디스플레이 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 광학 필름을 장착한 방향성 광원 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 광학 필름을 장착한 홀로그램.