KR100210992B1

KR100210992B1 - 화상 표시장치

Info

Publication number: KR100210992B1
Application number: KR1019960034954A
Authority: KR
Inventors: 이쿠오 오니시; 가쓰야 후지사와; 리쿠지 와타나베; 가쓰히코 하야시
Original assignee: 나카무라 하사오; 가부시키가이샤 구라레
Priority date: 1995-08-25
Filing date: 1996-08-23
Publication date: 1999-07-15
Anticipated expiration: 2016-08-23
Also published as: EP0760490A2; EP0760490A3; TW469359B; EP0760490B1; US6067137A; DE69612800D1; KR970011952A

Abstract

화소가 도트상으로 배치된 화상 표시기와 격자면을 갖는 위상 격자를 구비하고 위상 격자의 격자면이 관찰자측을 향하도록 화상 표시기의 표시 광로에 위상 격자가 배치되어 있고 위상 격자로 인해 화상 표시기의 시야각이 확대됨을 특징으로 하는 화상 표시장치.

Description

화상 표시장치

제1도는 본 발명의 제1의 화상 표시장치의 한 가지 예를 나타내는 개략 구성도이다.

제2도는 평가에 사용하는 화상 표시장치를 나타내는 개략 구성도이다.

제3도는 본 발명의 제1의 화상 표시장치의 단면을 모식적으로 나타내는 도면이다.

제4도는 본 발명의 제2의 화상 표시장치의 한 가지 예를 나타내는 개략 구성도이다.

[발명의 목적]

본 발명의 목적은 화질을 저하시키고 않고 시야각을 확대할 수 있는 화상 표시장치를 제공하는 데 있다.

[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]

본 발명은 액정 패널로 대표되는 화상 표시기를 사용하는 화상 표시장치에 관한 것이다.

[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]

발광 다이오드 어레이 또는 TFT 액티브 매트릭스 방식 등의 액정 패널 등으로 대표되는, 화소가 도트상으로 배치된 화상 표시기를 사용하는 화상 표시장치가 개발되어 있다. 이러한 화상 표시장치에서는, 화상 표시장치를 관찰하는 방향과 화상 표시장치의 표시면에 대하여 수직인 방향이 이루는 각도(즉, 화상 표시장치의 표시면에서 본 관찰자가 위치하는 방향이 화상 표시장치의 정면 방향에서 벗어나는 각도)의 크기에 따라 화상 표시장치에 표시되어 있는 화상의 콘트라스트가 크게 변화하고 양호한 화질이 수득되는 경우는 관찰자가 화상 표시장치를 정면 또는 정면 가까이에서 관찰하는 경우로 한정된다. 즉, 이러한 화상 표시장치에서는, 양호한 화질이 얻어지는 시야각이 좁다는 과제가 존재한다. 따라서, 화상 표시장치의 하나의 표시면을 다수의 사람이 동시에 관찰하는 것은 곤란하다. 또한, 이러한 화상 표시장치의 대화면(大畵面)을 근접하여 관찰하는 경우에는 표시면의 중앙부와 주변부에서 콘트라스트의 차이가 확인되고 화질이 저하된다는 과제도 존재한다.

이러한 과제는 액정 패널을 화상 표시기로서 사용하는 화상 표시장치에서 특히 현저하다. 이러한 과제를 해결하기 위해, 액정 패널의 관찰자측에 다면체 렌즈를 배치한 액정 표시장치[참조:일본국 공개특허공보 제(소)56-65175호], 오목 렌즈 어레이를 배치한 표시장치[참조:일본국 공개특허공보 제(소)53-25399호] 등이 개발되어 있다. 그러나 이들 종래의 화상 표시장치에서는 시야각을 확대할 수 있지만 충분한 화질을 수득하는 데에는 이르지 못하고 있다.

[발명의 구성 및 작용]

위에서 언급한 과제를 해결하는 본 발명의 제1의 화상 표시장치는, 화소가 도트상으로 배치된 화상 표시기와 격자면을 갖는 위상 격자를 구비하고 위상 격자의 격자면이 관찰자측을 향하도록 화상 표시기의 표시 광로에 위상 격자가 배치되어 있으며 위상 격자로 인해 화상 표시기의 시야각이 확대됨을 특징으로 한다. 또한, 위에서 언급한 과제를 해결하는 본 발명의 제2의 화상 표시장치는, 격자면이 관찰자측을 향하도록 표시면에 위상 격자가 설치된 화상 표시기를 구비하고 위상 격자로 인해 화상 표시기의 시야각이 확대됨을 특징으로 한다.

본 발명의 제1의 화상 표시장치 또는 제2의 화상 표시장치에 있어서, 기재 부분과 격자 부분으로 이루어진 위상 격자의 격자 주기를 P, 화상 표시기의 화소 주기를 L, 위상 격자의 격자 부분에서 오목 부분과 볼록 부분의 단위 차이를 D, 위상 격자의 격자 부분의 굴절률을 n, 화상 표시기의 화소의 관찰자측의 면에서 위상 격자의 기재 부분까지의 층의 수를 M, 화상 표시기의 관찰자측의 면에서 위상 격자의 기재 부분까지의 각 층의 굴절률을 ni, 각 층의 두께를 ti로 각각 나타내는 경우, 하기 수학식 1을 만족시키는 것이 보다 높은 화질을 수득하는 점에서 바람직하다.

상기 수학식 1에서, T는 수학식 2이다.

또한, 위상 격자의 격자 부분이란 격자의 볼록 부분의 정점에서 오목 부분의 바닥까지의 부분을 말하며, 위상 격자의 기재 부분이란 격자의 오목 부분의 바닥에서 평면측(격자가 형성되지 않은 쪽의 면)까지의 부분을 말한다. 또한, 화상 표시기의 화소 관찰자측의 면에서 위상 격자의 기재 부분까지의 층의 수란, 예를 들면, 화상 표시기로서 화소가 유리의 보호판에 끼워진 구조를 갖는 액정 패널을 사용하고 폴리비닐 알콜(비닐론) 필름이 트리아세틸셀룰로즈(TAC) 필름에 끼워진 편광판을 액정 패널과 조합시킨 화상 표시장치라면, 관찰자측의 보호판, TAC 필름, 폴리비닐 알콜 필름, TAC 필름과 폴리비닐 알콜을 접착시키는 접착제 층, 공기층 등과 같이 굴절률이 상이한 층의 수를 말한다(즉, 대략 굴절률이 동등한 복수의 재료가 적층되어 있는 경우에는, 이를 하나의 층으로서 계수한다). 단, 접착제 층 또는 공기층의 두께가 매우 작은 경우에는 계산상 무시할 수 있다.

본 발명에 있어서, 화상 표시기의 화소를 출사한 빛은 화상 표시기의 표시 광로 또는 화상 표시기의 표시면에 설치된 위상 격자에 의해 회절되어 굴곡 확산되므로 출사광의 확대가 커진다. 이에 따라 화상 표시장치의 시야각이 확대된다.

본 발명에서 사용하는 화상 표시기로서는 CRT, 발광 다이오드, 액정 패널 등을 들 수 있다. 액정 패널의 방식으로서는 단순 매트릭스 구동 방식, 액티브 매트릭스 구동 방식 등을 들 수 있으며, 액정의 모드로서는 트위스트 네마틱형, 슈퍼 트위스트 네마틱형 등을 대표적인 것으로서 들 수 있다.

본 발명에 있어서 위상 격자는, 예를 들면, 위상 격자의 격자에 대응하는 요철 패턴이 설치된 금형(또는 스탬퍼)에 폴리카보네이트, 아크릴, TAC 등으로 이루어진 투명 필름 또는 투명판을 적재하고 금형 속(또는 스탬퍼 위)에서 투명 필름 등을 열변형시키고, 열변형된 투명 필름 등을 냉각시킨 다음, 금형 또는 스탬퍼를 떼어냄으로써 제조된다. 또한, 본 발명에 있어서 위상 격자는, 투명 필름 위에 또는 투명판 위에 자외선 경화성 투명 수지를 도포하고, 위상 격자의 격자에 대응하는 요철 패턴이 설치된 금형(또는 스탬퍼)을 자외선 경화성 투명 수지의 도포면 위에 적재한 채 자외선을 조사하여 당해 투명 수지를 경화시킴으로써 제조된다. 자외선 경화성 투명 수지 대신에 열경화성 투명 수지를 도포하고 당해 투명 수지를 열경화시킬 수 있다. 또한, 투명 필름 위에 또는 투명판 위에 자외선 경화성 투명 수지를 도포하고 당해 투명 수지에 위상 격자의 격자에 대응하는 요철 패턴이 인쇄된 포토 마스크를 통하여 자외선을 조사한 다음, 자외선 경화성 투명 수지를 현상처리함으로써 본 발명의 위상 격자를 제조할 수도 있다. 또한, 폴리카보네이트, 아크릴 등의 열가소성 투명 수지를 사용하여 사출성형함으로써 본 발명의 위상 격자를 제조할 수도 있다.

본 발명에 있어서 위상 격자의 평면측(격자가 형성되어 있지 않은 쪽의 면)은 화상 표시기의 화소측에 있으며, 이 면을 화상 표시기의 보호판과 접합시킬 수 있다. 이로써 화상 표시기와 위상 격자 사이의 공기층이 없어지고, 화상 표시기와 공기와의 계면과 위상 격자와 공기와의 계면에서 발생하는 빛의 반사를 억제할 수 있으며, 화상 표시기로부터 위상 격자를 통하여 외부로 방출되는 빛의 비율을 증가시킬 수 있다. 또한, 액정 패널의 보호판 위에 또는 액정 패널의 편광판 위에 위상 격자를 직접 형성시켜도 동일한 효과가 얻어진다.

일반적으로 화상 표시장치에서는 높은 휘도가 필요한데, 화상 표시기의 전면(화상 표시기의 표시 광로 또는 화상 표시기의 표시면)에 위상 격자를 설치하면, 위상 격자와 공기와의 계면처럼 화상 표시기로부터의 빛이 반사하는 면이 증가하므로, 화상 표시장치의 휘도가 저하되는 경우가 있다. 이러한 문제는 위와 같이 위상 격자와 보호판 등을 접합함으로써 해결할 수 있다. 또한, 높은 휘도가 필요한 경우에는 위상 격자의 관찰자측(격자를 갖는 면)에 반사 방지막을 입히면 양호하다. 또한, 파장이 450 내지 650nm인 범위에서 위상 격자의 광선 투과율이 97% 이상인 것이 높은 휘도가 얻어지는 점에서 바람직하다.

또한, 연속된 곡선상의 단면 형상을 갖는 위상 격자를 사용하는 것이 불연속적인 단면 형상(예:직사각형)을 갖는 위상 격자를 사용하는 경우보다도 높은 콘트라스트가 수득되는 점에서 바람직하다. 또한, 위상 격자의 주기가 화상 표시기의 화소의 주기보다도 작은 것이 위상 격자의 격자 패턴이 관찰되지 않는 점에서 바람직하다. 위상 격자의 격자 깊이(오목 부분과 볼록 부분의 단위 차이)가 1μm 이상인 것이 위상 격자의 회절 효율이 높으므로 바람직하다.

소형 텔레비젼 수상기에서는 사용 도중에 화면이 오염됨으로써 화질 저하가 발생된다. 이러한 문제는 불소계 수지 등을 사용하여 위상 격자의 격자면에 오염 방지 피복을 실시함으로써 해결할 수 있다. 오염 방지 피복을 실시하여 위상 격자의 표면에서 물의 접촉각이 70°이상으로 되도록 함으로써 양호한 방오 성능을 수득할 수 있다.

또한, 사용 도중에 화면이 손상됨으로써 화질이 저하되는데, 위상 격자의 격자면(관찰자측)에 경질 피복제를 도포하여 이 면의 연필 경도를 H 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 화면에 형광등 등이 비치는 경우에는 이의 상이 화상과 겹치므로 콘트라스트의 저하나 시각 인식성의 저하를 발생시킨다. 이러한 문제는 위상 격자의 요철면에 무광택 처리를 실시함으로써 화상의 저하를 초래하지 않고 해결할 수 있다.

[실시예]

제1도는 본 발명의 제1의 화상 표시장치의 한 가지 예에 대하여 개략적인 구성을 나타낸 것이다. 이러한 화상 표시장치는, 화소(1)가 도트상으로 배치된 화상 표시기(2)와 격자면을 갖는 위상 격자(4)를 구비한다. 위상 격자(4)의 격자면이 관찰자측(3)을 향하도록 화상 표시기(2)의 표시 광로에 위상 격자(4)가 배치되어 있다. 화상 표시기의 화소(1)는 화소 자체가 발광하는 빛, 관찰자측과는 반대쪽에 설치된 광원으로부터 화소에 입사된 빛 또는 관찰자측에 설치된 광원으로부터 화소에 입사된 빛을 제어하는 것이며, 화소를 제어함으로써 화상 표시기(2)는 화상을 표시한다. 제1도에 도시된 화상 표시장치에서 위상 격자는 연속된 곡선상의 단면 형상을 가지며 이러한 단면 형상은 제1도에서 나타낸 바와 같이 대체적으로 정현파 모양이다.

상기한 화상 표시장치와 같이 위상 격자를 화상 표시기의 표시 광로에 배치함으로써 화상 표시기의 화소를 출사한 빛은 화상 표시기의 표시 광로 또는 화상 표시기의 표시면에 설치된 위상 격자에 의해 회절되어 굴곡 확산되므로 화상 표시장치의 시야각이 확대되지만, 한편으로는 화상의 백화로 인한 화질 저하가 발생되는 경우가 있다. 이러한 화질 저하의 정도는 위상 격자를 설치하는 위치나 위상 격자의 주기, 위상 격자의 격자 깊이 등에 따라 변화한다. 또한, 액정 패널의 관찰자측에 위상 격자를 배치하는 경우를 한 가지 예로서 생각하면, 액정 패널의 화소로부터 위상 격자까지는 액정 패널의 화소를 보호하는 유리 기판, 편광판의 TAC 필름, 편광판의 폴리비닐 알콜 필름, TAC 필름과 폴리비닐 알콜을 접착시키는 접착제 층 및 공기층 등의 다층 구조로 되어 있으며 이들 각 층의 두께나 굴절률도 화질에 크게 영향을 미친다. 따라서 위상 격자의 격자 깊이와 주기를 변화시켜 제작한 각종 위상 격자의 샘플을 사용하여 화상을 평가한다.

본 발명에서 평가에 사용하는 화상 표시장치의 개략적인 구성을 제2도에 나타낸다. 이러한 화상 표시장치에서 광원(5)을 출발한 빛은 폴리비닐 알콜 필름이 TAC 필름으로 끼워진 편광판(6)이 표리 양면에 배치된 TFT형 액정 패널(7)로 입사되고 액정 패널(7)의 화소에서 빛을 투과시키거나 차단하는 제어를 하며 이에 따라 화상이 표시된다. 광원(5)과 반대쪽인 관찰자측(3)에 위상 격자(4)가 배치되어 있으며 제2도에 도시되어 있는 바와 같이 화소를 통과한 빛이 위상 격자에 의해 회절되어 시야각이 확대된다. 이러한 화상 표시장치에서는, 화상 표시기의 화소 관찰자측의 면에서 위상 격자의 기재 부분까지는 유리 기판(이는 액정 패널의 구성 요소의 하나이며 도시되어 있지 않다), TAC 필름, 폴리비닐 알콜 필름, TAC 필름 및 공기층의 5층이다. 위상 격자의 격자 주기를 50μm 또는 100μm로 변경하여 위상 격자를 제작한다. 위상 격자의 요철에서 오목 부분과 볼록 부분의 단 차이(즉, 위상 격자의 격자 부분의 두께)는 1.4 내지 294μm의 범위에서 변경하여 위상 격자를 제작한다. 또한, 위상 격자의 기재 부분의 굴절률은 1.53으로 한다. 화상의 평가 결과를 표 1에 기재한다. 또한, TAC 필름과 폴리비닐 알콜을 접착하는 접착제 층의 두께는 매우 작으므로 계산상 무시한다.

표 1에서는 하기 수학식의 값이다.

또한, 화질 평가 결과에서 ○은 화질 저하가 없는 것을, △는 저하가 작은 것을, ×는 화질이 크게 저하되는 것을 각각 의미한다. 시야각 확대 평가 결과에서 ○는 시야각 확대 특성이 큰 것을, △는 시야각 확대 특성이 작은 것을, ×는 시야각 확대 특성이 없는 것을 각각 의미한다.

이러한 결과로부터 하기 수학식 1을 만족시키는 경우에 높은 화질을 유지한 채 시야각이 확대되는 것을 밝혀냈다. 본 명세서에서 수학식 1 및 수학식 2에서 제3도에 도시되어 있는 바와 같이 위상 격자의 격자 주기를 P, 화상 표시기의 화소 주기를 L, 위상 격자의 격자 부분의 오목 부분과 볼록 부분의 단위 차이를 D, 위상 격자의 격자 부분의 굴절률을 n, 화상 표시기의 화소의 관찰자측의 면에서 위상 격자의 기재 부분까지의 층의 수를 M, 화상 표시기의 화소의 관찰자측의 면에서 위상 격자의 기재 부분까지의 각 층의 굴절률을 ni, 각 층의 두께를 ti로 각각 나타낸다. 또한, 공기 굴절률을 1로 한다.

[수학식 1]

상기 수학식 1에서, T는 수학식 2이다.

[수학식 2]

본 발명에서는 수학식 1 대신에 하기 수학식 3을 만족시키는 것이 화질이 보다 높은 점에서 바람직하며, 또한 수학식 4를 만족시키도록 위상 격자를 사용하면 보다 높은 화질을 수득할 수 있다.

본 발명의 제2의 화상 표시장치의 한 가지 예의 개략 구성을 제4도에 나타낸다. 이러한 화상 표시장치에서는 화상 표시기로서 TFT형 액정 패널(7)을 사용하며 광원(5)측과는 반대쪽에 있는 편광판(6) 위에 위상 격자의 격자 부분(4)이 직접 설치되어 있다. 편광판(6)은 폴리비닐 알콜 필름이 TAC 필름에 끼워져 있다. 즉, 편광판의 관찰자측에 있는 TCA 필름이 위상 격자의 기재 부분에 상당한다. 위상 격자의 관찰자측에는 위상 격자의 격자 부분(4)측으로부터 경질 피복층(8)이 설치되어 있고, 이어서 반사 방지막(9)이 설치되어 있다. 본 실시 태양에 따르면, 표시 화상의 휘도가 높으며 표시 화면이 손상되기 어려운 것이 수득된다. 이러한 화상 표시 장치에서는 TAC 필름과 폴리비닐 알콜을 접착시키는 접착제 층을 계산상 무시한다고 하면, 화상 표시기의 화소 관찰자측의 면에서 위상 격자의 기재 부분까지는 유리 기판(이는 액정 패널의 구성 요소의 하나이며 도시되어 있지 않다), TAC 필름, 폴리비닐 알콜 필름 및 TAC 필름(위상 격자의 기재 부분)의 4층이다.

[발명의 효과]

본 발명의 화상 표시장치에 따르면, 시야각이 확대되고 화질 저하가 적은 양호한 화상이 수득된다.

Claims

화소가 도트상으로 배치된 화상 표시기와 격자면을 갖는 위상 격자를 구비하고 위상 격자의 격자면이 관찰자측을 향하도록 화상 표시기의 표시 광로에 위상 격자가 배치되어 있고 위상 격자로 인해 화상 표시기의 시야각이 확대됨을 특징으로 하는 화상 표시장치.
제1항에 있어서, 화상 표시기가 액정 패널인 화상 표시장치.
격자면이 관찰자측을 향하도록 표시면에 위상 격자가 설치된 화상 표시기를 구비하고 위상 격자로 인해 화상 표시기의 시야각이 확대됨을 특징으로 하는 화상 표시장치.
제3항에 있어서, 화상 표시기가 액정 패널인 화상 표시장치.
제4항에 있어서, 액정 패널이 보호판을 구비하고 있고 보호판 위에 위상 격자가 형성되어 있는 화상 표시장치.
제4항에 있어서, 액정 패널이 편광판을 구비하고 있고 편광판 위에 위상 격자가 형성되어 있는 화상 표시장치.
제1항에 있어서, 기재 부분과 격자 부분으로 이루어진 위상 격자의 격자 주기를 P, 화상 표시기의 화소 주기를 L, 위상 격자의 격자 부분의 오목 부분과 볼록 부분의 단 차이를 D, 위상 격자의 격자 부분의 굴절률을 n, 화상 표시기의 화소의 관찰자측의 면에서 위상 격자의 기재 부분까지의 층의 수를 M, 화상 표시기의 화소 관찰자측의 면에서 위상 격자의 기재 부분까지의 각 층의 굴절률을 ni, 각 층의 두께를 ti로 각각 나타내는 경우, 하기 수학식 1을 만족시키는 화상 표시장치.

[수학식 1]

상기 수학식 1에서, T는 수학식 2이다.

[수학식 2]
제1항, 제2항 또는 제7항에 있어서, 파장이 450 내지 650nm인 범위에서 광선 투과율이 97% 이상인 위상 격자를 사용하는 화상 표시장치.
제1항, 제2항 또는 제7항에 있어서, 연속된 곡선상의 단면 형상을 갖는 위상 격자를 사용하는 화상 표시장치.
제1항, 제2항 또는 제7항에 있어서, 위상 격자의 격자 주기가 화상 표시기의 화소 주기보다도 작은 화상 표시장치.
제1항, 제2항 또는 제7항에 있어서, 격자의 오목 부분과 볼록 부분의 단 차이가 1μm 이상인 위상 격자를 사용하는 화상 표시장치.
제1항, 제2항 또는 제7항에 있어서, 격자면에서 물의 접촉각이 70°이상인 위상 격자를 사용하는 화상 표시장치.
제1항, 제2항 또는 제7항에 있어서, 격자면에서 연필 경도가 H 이상인 위상 격자를 사용하는 화상 표시장치.
제3항에 있어서, 기재 부분과 격자 부분으로 이루어진 위상 격자의 격자 주기를 P, 화상 표시기의 화소 주기를 L, 위상 격자의 격자 부분의 오목 부분과 볼록 부분의 단 차이를 D, 위상 격자의 격자 부분의 굴절률을 n, 화상 표시기의 화소의 관찰자측의 면에서 위상 격자의 기재 부분까지의 층의 수를 M, 화상 표시기의 화소 관찰자측의 면에서 위상 격자의 기재 부분까지의 각 층의 굴절률을 ni, 각 층의 두께를 ti로 각각 나타내는 경우, 하기 수학식 1을 만족시키는 화상 표시장치.

[수학식 1]

상기 수학식 1에서, T는 수학식 2이다.

[수학식 2]
제3항 내지 제6항 및 제14항 중의 어느 한 항에 있어서, 파장이 450 내지 650nm인 범위에서 광선 투과율이 97% 이상인 위상 격자를 사용하는 화상 표시장치.
제3항 내지 제6항 및 제14항 중의 어느 한 항에 있어서, 연속된 곡선상의 단면 형상을 갖는 위상 격자를 사용하는 화상 표시장치.
제3항 내지 제6항 및 제14항 중의 어느 한 항에 있어서, 위상 격자의 격자 주기가 화상 표시기의 화소 주기보다도 작은 화상 표시장치.
제3항 내지 제6항 및 제14항 중의 어느 한 항에 있어서, 격자의 오목 부분과 볼록 부분의 단 차이가 1μm 이상인 위상 격자를 사용하는 화상 표시장치.
제3항 내지 제6항 및 제14항 중의 어느 한 항에 있어서, 격자면에서 물의 접촉각이 70°이상인 위상 격자를 사용하는 화상 표시장치.
제3항 내지 제6항 및 제14항 중의 어느 한 항에 있어서, 격자면에서 연필 경도가 H 이상인 위상 격자를 사용하는 화상 표시장치.