KR100373208B1 - 전반사 필름 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전반사 필름에 관한 것으로, 본 발명에 따른 전반사 필름은 일면은 평평하고 다른 일면은 프리즘면으로 이루어지며, 상기 프리즘면은 복수개인 선형의 부등변 삼각 프리즘이 대칭을 이루도록 배열된 구성이며, 상기 부등변 삼각 프리즘에서 장변과 장변이 이루는 각은 90도 이상이고 단변과 단변이 이루는 각은 90도 이하인 것을 특징으로 함으로써, 본 발명에 따른 전반사 필름을 이용하여 제조된 광 전송도관은 그 내부에 확산판을 사용하지 않고도 균일한 밝기를 나타내는 효과가 있다.

Description

전반사 필름 {TOTAL REFLECTION FILM}

본 발명은 전반사 필름에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일면은 평평하고 다른 일면은 복수개인 선형의 부등변 삼각 프리즘이 대칭을 이루도록 배열되고, 상기 부등변 삼각 프리즘에서 장변과 장변이 이루는 각은 90도 이상이고 단변과 단변이 이루는 각은 90도 이하이며, 이를 이용하여 광 전송도관을 제조하면 그 내부에 확산판을 사용하지 않고도 밝기 균일도가 대폭적으로 향상되는 전반사 필름에 관한 것이다.

내부 전반사의 원리를 이용한 광학부품 및 광학계 중에서 대표적인 것으로는 직각 프리즘, 루프 프리즘, 펜타 프리즘 등이 있다. 내부 전반사란 굴절률이 큰 밀한 매질에서 굴절률이 작은 소한 매질로 빛이 진행할 때 입사각이 특정 임계각에 도달하면 굴절각이 90˚가 되어 특정 임계각보다 큰 각으로 입사하는 빛은 전반사되는 원리를 말하며, 이 때 특정 임계각은 매질에 따라 결정된다.

즉, 굴절률이 n인 밀한 매질에서 굴절률이 n'인 소한 매질로 빛이 입사각 i로 입사하였을 때 굴절각이 90˚가 된다면, 이 때의 입사각 i는 전반사 임계각이며 그 값은 다음의 수학식 1로부터 유도된 수학식 2와 같다.

이 때, 수학식 1은 스넬의 굴절의 법칙을 나타내며, 수학식 2에 나타난 전반사 임계각 i 보다 큰 각도로 입사되는 빛은 밀한 매질로 다시 반사되며, 그 반사된 빛의 반사각은 입사된 빛의 입사각과 같게 된다. 이 때 두 매질의 경계면인 전반사면을 제 1 전반사면이라 하고 이와 직각을 이루는 제 2 전반사면이 존재한다면, 제 1 전반사면에서 전반사된 빛은 제 2 전반사면에서 한번 더 전반사되어 결과적으로 입사한 빛의 정반대 방향으로 빛이 재귀 반사된다.

상기한 바와 같이, 임계각보다 큰 각으로 입사된 빛은 전반사되고 임계각보다 작은 각으로 입사된 빛은 투과되며, 이러한 원리를 이용하여 집광기, 거울, 조명기구 등을 제공하기도 한다.

상기한 바와 같은 원리를 이용한 종래기술 중에서 미국 특허 제4,906,070호는 이등변의 직각 전반사면을 갖는 전반사 유연성 필름에 관한 것이다. 여기서의 전반사면은 이등변의 직각 프리즘이 선형 배열된 것으로, 이러한 필름을 광 전달 매체인 광 전송도관으로 구성하고 광 전송도관의 선단부에 램프를 설치한 경우, 관의 직경 방향으로는 비교적 대칭적으로 빛을 방출하지만, 빛이 전달되는 관의 길이방향으로 방출되는 빛은 비대칭적인 분포를 보이기 때문에 빛의 전체적인 밝기가 균일하지 않다. 이를 해결하기 위해 광 전송도관의 내부에 관의 길이방향으로 확산면적을 달리하여 확산판을 설치함으로써 밝기의 균일도를 향상시켜왔다.

그러나, 이러한 확산판을 설치한 경우에도 관의 길이방향에 대해 중심을 기준으로 양 가장자리 쪽이 밝고 중심 쪽은 어둡기 때문에 전체적인 광 균일도는 여전히 낮은 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 내부 확산판을 설치하지 않고도 밝기 균일도가 향상된 광 전송도관을 이루는 전반사 필름을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전반사 필름의 사시도이다.

도 2는 본 발명에 따른 전반사 필름의 단면도이다.

도 3은 도 2 중에서 하나의 부등변 삼각 프리즘을 확대 도시한 전반사 필름의 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 전반사 필름을 이용하여 제조된 광 전송도관의 사시도이다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 광 전송도관의 측면도이다.

도 6a는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 광 전송도관에서 방출되는 빛의 분포를 X-Z 평면에 대해 나타낸 그래프이며,

도 6b는 X축 및 Z축 각각에 대해 나타낸 그래프이다.

도 7a는 종래 기술에 의해 제조된 광 전송도관에서 방출되는 빛의 분포를 X-Z평면에 대해 나타낸 그래프이며,

도 7b는 X축 및 Z축 각각에 대해 나타낸 그래프이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전반사 필름은, 일면은 평평하고 다른 일면은 프리즘면으로 이루어지며, 상기 프리즘면은 복수개인 선형의 부등변 삼각 프리즘이, 상기 전반사 필름의 평평한 일면을 향하여 부등변 삼각 프리즘이 만드는 골짜기의 최저점에서 상기 평평한 일면에 수직인 축을 중심으로 하여 대칭을 이루도록 배열된 구성이고, 상기 부등변 삼각 프리즘에서 장변과 장변이 이루는 각은 90도 이상이고 단변과 단변이 이루는 각은 90도 이하이다.

또한, 상기한 바와 같은 본 발명의 전반사 필름을 이용하여 제조된 광 전송도관은, 전반사 필름을, 평평한 일면을 내면으로 하고 외면에는 각각의 선형의 부등변 삼각 프리즘이 원통의 길이방향으로 배열되도록 원통 형태의 관으로 만듦으로써, 소정 각도로 관의 내부로 입사하는 광이 관을 따라 이동하면서 광의 전달과 방출이 동시에 일어나는 광 전송도관이다.

이 때, 상기 단변의 길이가 상기 장변의 길이의 0.7 내지 0.99 배인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 따른 전반사 필름에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 전반사 필름의 사시도로서, 평평한 일면(1)과 선형의부등변 삼각 프리즘으로 이루어진 전반사면(2)을 갖는 투명한 전반사 필름을 도시하고 있다. 이러한 본 발명에 따른 전반사 필름의 전반사면은 그 단면도에 더욱 잘 나타나 있다.

도 2는 본 발명에 따른 전반사 필름의 단면도로서, 전반사면(2)을 바닥면으로 하여 도시되어 있다. 전반사면(2)은 복수개인 선형의 부등변 삼각 프리즘이 대칭적인 구조로 쌍을 이루어 배열되도록 가공되어 있으며, 이 때 대칭적인 구조는, 평평한 일면(1)을 향하여 부등변 삼각 프리즘이 만드는 골짜기의 최저점(L)에서 전반사 필름의 평평한 일면(1)에 수직인 축(V)을 중심으로 하여 이루어진다. 즉, 전반사면(2)은 장변을 갖는 제 1 전반사면(3) 및 단변을 갖는 제 2 전반사면(4)으로 이루어짐으로써, 입사광과 180˚ 전환된 방향으로 재귀반사된다. 도 2 중에서 하나의 부등변 삼각 프리즘을 확대 도시한 전반사 필름의 단면도가 도 3에 도시되어 있다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 전반사면(3)과 전반사 필름의 평평한 일면(1)이 이루는 각(5)은 항상 45˚이하를 이루도록 하고, 상기한 부등변 삼각 프리즘에서 장변(3)과 장변(3)이 이루는 각(α)은 90˚이상이고 단변(4)과 단변(4)이 이루는 각(β)은 90˚이하가 되도록 한다. 그리고, 장변(3)과 단변(4)이 만나서 이루는 각(γ)은 90˚에 가까운 각이 되도록 한다. 또한, 단변(4)의 길이는 장변(3)의 길이에 대해 0.7 내지 0.99 배가 되도록 한다.

이와 같은 전반사 필름의 평평한 일면(1)으로 입사된 빛 중에서 전반사면과 이루는 입사각이 전반사 임계각보다 작은 빛은 전반사 필름을 굴절 투과하는(경로T₁, 경로 T₂또는 경로 T₃) 반면에, 전반사면과 이루는 입사각이 전반사 임계각보다 큰 빛은 전반사면에서 1차적으로 반사된 후 다시 다른 전반사면에서 2차적으로 반사되어 결과적으로 입사된 방향에 대해 180˚ 전환되어 빛이 재귀반사된다(경로 R₁또는 경로 R₂).

상기한 바와 같은 전반사 필름을 이용하여 광전송 도관을 만든 것이 도 4에 도시되어 있다. 도 4는 본 발명에 따른 전반사 필름을 이용하여 제조된 광전송 도관의 사시도로서, 이에 도시된 바와 같이, 광전송 도관은 전반사 필름의 평평한 일면(1)을 내면으로 하고 전반사면(2)을 외면으로 하여 각각의 선형의 부등변 삼각 프리즘이 원통의 길이방향으로 배열되도록 전반사 필름을 원통 형태의 관으로 만든 것이다.

이러한 광 전송도관의 선단부에 조명계를 설치하면 광 전송도관의 내부로 소정의 각도를 가지고 입사하는 빛이 관을 따라 이동하면서 빛의 전달과 방출이 동시에 일어나게 되는데, 이에 대해서 도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3에 도시된 바와 같이, 전반사 필름의 평평한 일면(1)은 P와 P'의 두 영역으로 구분되는데, 전반사면과 전반사 임계각보다 큰 각을 이루면서 빛이 입사될 때 P 영역으로 입사되는지 혹은 P' 영역으로 입사되는지에 따라 빛의 거동이 달라진다. 즉 빛이 P 영역으로 입사되면 먼저 도달한 전반사면에서 1차적으로 전반사하여 다른 전반사면에 도달하고 여기서 2차적으로 전반사하여 재귀반사됨으로써 관의 길이방향으로 전달된다(경로 R₂). 반면에, 빛이 P' 영역으로 입사되면 1차적으로 전반사된 후에는 다른 전반사면에 도달하지 못하고 바로 광 전송도관의 외부로 방출된다(경로 R₃).

따라서, 광 전송도관에서 빛의 전달량과 방출량은 P 및 P'의 면적비에 따라 달라지며, 이것은 프리즘의 회전각도에 의해 조절된다. 프리즘의 회전각도를 변화시켜 빛의 방출량을 조절하면서 광 전송도관의 전체 길이까지 빛이 전달되도록 한다. 만약, 광 전송도관의 길이가 긴 경우에는 빛의 전달량을 증가시켜야 하므로 P'의 면적을 줄이고, 반면에 광 전송도관의 길이가 짧은 경우에는 P'의 면적을 넓혀서 빛의 방출량을 증가시킨다.

이하, 본 발명에 따른 전반사 필름을 이용하여 제조된 광 전송도관의 밝기 균일도를 측정한 결과에 대해 설명한다.

본 발명의 일실시예로서, 장변을 갖는 제 1 전반사면과 전반사 필름의 평평한 일면이 이루는 각이 40˚인 선형의 부등변 삼각 프리즘이 포함된 전반사 필름을 이용하여 광 전송도관을 제조한다. 도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 광 전송도관의 측면도로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 광 전송도관의 선단에 조명계(6)를 설치하고, 원통형의 광 전송도관에서 원의 직경방향을 X축 방향으로 표시하고 원통의 길이방향을 Z축 방향으로 표시한다.

도 6a는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 광 전송도관에서 방출되는 빛의 분포를 X-Z 평면에 대해 나타낸 그래프이며, 도 6b는 X축 및 Z축 각각에 대해 나타낸 그래프이다. 도 6b에서 Z축에 대한 빛의 밝기는 실선으로 나타나 있고, X축에대한 빛의 밝기는 점선으로 나타나 있다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, X축 및 Z축 모두에 대해, 즉 광 전송도관의 직경방향 및 길이방향 모두에 대해 빛의 분포가 대칭적임을 알 수 있다. 이것은 종래기술인 미국 특허 제4,906,070호에 의한 이등변의 직각 전반사면을 갖는 전반사 유연성 필름으로 제조된 광 전송도관에서의 빛의 분포에 비해 균일도가 훨씬 향상된 것이다.

비교를 위해 미국 특허 제4,906,070호에 의한 전반사 유연성 필름으로 제조된 광 전송도관에서의 빛의 분포를 나타내는 그래프가 도 7a 및 도 7b에 도시되어 있다. 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 미국 특허 제4,906,070호에 의한 전반사 유연성 필름으로 제조된 광 전송도관에서의 빛의 분포는 특히 Z축, 즉 광 전송도관의 길이방향으로 본 발명에 비해 균일도가 매우 낮음을 알 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따라 부등변 삼각 프리즘이 대칭을 이루도록 배열된 전반사 필름을 이용하여 제조된 광 전송도관은 종래기술에서 사용한 확산판을 사용하지 않고도 종래기술보다 훨씬 균일한 밝기를 나타내는 효과가 있다.

Claims (4)

1. (정정)

   일면은 평평하고 다른 일면은 프리즘면으로 이루어진 전반사 필름에 있어서, 상기 프리즘면은 복수개인 선형의 부등변 삼각 프리즘이, 상기 전반사 필름의 평평한 일면을 향하여 부등변 삼각 프리즘이 만드는 골짜기의 최저점에서 상기 평평한 일면에 수직인 축을 중심으로 하여 대칭적인 구조로 쌍을 이루어 배열된 구조이며, 상기 부등변 삼각 프리즘에서 장변과 장변이 이루는 각은 90도 이상이고 단변과 단변이 이루는 각은 90도 이하이며, 상기 단변의 길이는 장변의 길이의 0.7 내지 0.99배인 전반사 필름.
2. (삭제)
3. (정정)

   일면은 평평하고 다른 일면은 복수개인 선형의 부등변 삼각 프리즘이, 상기 전반사 필름의 평평한 일면을 향하여 부등변 삼각 프리즘이 만드는 골짜기의 최저점에서 상기 평평한 일면에 수직인 축을 중심으로 하여 대칭적인 구조로 쌍을 이루어 배열된 구조이며, 상기 부등변 삼각 프리즘에서 장변과 장변이 이루는 각은 90도 이상이고 단변과 단변이 이루는 각은 90도 이하이며, 상기 단변의 길이는 장변의 길이의 0.7 내지 0.99배인 전반사 필름을,

   상기 평평한 일면을 내면으로 하고 외면에는 각각의 선형의 부등변 삼각 프리즘이 원통의 길이방향으로 배열되도록 원통 형태의 관으로 만듦으로써, 소정 각도로 관의 내부로 입사하는 광이 관을 따라 이동하면서 광의 전달과 방출이 동시에 일어나는 광 전송도관.
4. (삭제)