KR101375332B1 - 반사판과 이를 채용한 디스플레이 및 반사광 분포 제어방법 - Google Patents

Abstract

반사판과 이를 채용한 디스플레이 및 반사광 분포 제어 방법이 개시되어 있다.

개시된 반사판은, 각각 일정한 주기로 배열된 격자에 의해 입사광을 반사시키는 복수 개의 회절 격자 셀을 포함하고, 상기 입사광에 대한 반사광의 반사 방향 분포를 한정하기 위해 상기 복수 개의 격자 셀은 각각 격자의 배열 주기와 배열 방향 중 적어도 하나가 조절되는 것을 특징으로 한다.

Description

반사판과 이를 채용한 디스플레이 및 반사광 분포 제어 방법{Reflective plate, display employing the same and method for controlling distribution of reflected light}

본 발명은 반사판과 이를 채용한 디스플레이 및 반사광 분포 제어 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 시청자의 시야 각에 대응되게 반사광 분포를 가지도록 하여 광 효율을 향상시키는 반사판, 이러한 반사판을 구비한 디스플레이 및 반사광 분포 제어 방법에 관한 것이다.

근래에는 통신 기술 및 디스플레이 장치의 발달로 휴대용 단말기가 많이 개발되고 있다. 휴대용 단말기로는 예를 들어 PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), DMB(Digital Multimedia Broadcasting) 등이 있다. 이러한 휴대용 단말기에 사용되는 수광형 평판 디스플레이의 일종인 액정 표시 장치는 자체적인 발광 능력이 없기 때문에, 광원으로부터 조사된 조명 광을 화소마다 투과율을 조절하여 영상을 형성한다. 이를 위하여 액정 표시 장치의 배면에는 광을 조명하는 백라이트 유닛이 설치된다.

그런데, 휴대용 단말기는 휴대성의 특성 상 사용 장소에 제한 없이 어느 곳 에서나 사용할 수 있으며, 태양 광이 비추는 외부에서 사용하는 경우도 많다. 이때, 화면 밝기가 상대적으로 어두워 디스플레이의 시인성이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 사용 장소에 제한 없이 사용할 수 있다는 휴대용 단말기의 이점을 충분히 활용할 수 없다. 또한, 옥외 광고판이나 조명이 밝게 비치는 공공 장소에서의 전시 디스플레이에 액정 디스플레이가 채용되는 경우에도 시인성이 확보되지 않는 한 그 활용도가 크지 않다.

이러한 문제를 해결하기 위해 외부광을 이용하여 영상을 형성하는 반사 모드와 백라이트를 이용하는 투과 모드를 구비한 디스플레이 장치가 개발되고 있다. 반사 모드를 구현하기 위해 일반적으로 액정층의 일부 영역에 산란 패턴을 형성하여 외부광을 반사시킨다. 하지만, 산란 패턴은 입사광을 산란시켜 반사하므로 광 분포가 균일하지 않다. 또한, 산란 패턴을 이용해서는 반사광의 방향이 제어되지 않고 확산되어 시청자의 시야 각으로 집광되는 광의 효율을 높이는데 한계가 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 시청자의 시야 각에 대응되게 반사광 분포를 가지도록 제어하여 광 효율을 향상시킨 반사판과 이러한 반사판을 구비한 디스플레이를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 반사판에서 반사되는 광의 방향과 세기를 제어하는 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 각각 일정한 주기로 배열된 격자에 의해 입사광을 반사시키는 복수 개의 회절 격자 셀을 포함하고, 상기 입사광에 대한 반사광의 반사 방향 분포를 한정하기 위해 상기 복수 개의 격자 셀은 각각 격자의 배열 주기와 배열 방향 중 적어도 하나가 조절되는 것을 특징으로 하는 반사판을 제공한다.

상기 회절 격자 셀은 입사광에 대한 반사광의 반사 방향 분포가 가로 또는 세로 방향에 비해 대각선 방향이 짧도록 반사 방향 분포를 한정할 수 있다.

상기 회절 격자 셀은 입사광에 대한 반사광의 반사 방향 분포가 사각형 형태, 다이아모드 형태, 십자 형태 중 어느 하나가 되도록 반사 방향 분포를 한정할 수 있다.

상기 회절 격자 셀의 격자는 입사광의 파장에 대한 격자의 깊이의 비가 0.2±0.04 범위를 가질 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 각각 일정한 주기로 배열된 격자에 의해 입사광을 반사시키는 복수 개의 회절 격자 셀을 포함하고, 상기 입사광에 대한 반사광의 반사 방향 분포를 한정하기 위해 상기 복수 개의 격자 셀은 각각 격자의 배열 주기와 배열 방향 중 적어도 하나가 조절되는 것을 특징으로 하는 반사판; 상기 반사판 위에 구비되어 입사광 중 소정 파장의 광을 투과시키는 칼라 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이를 제공한다.

상기 디스플레이는, 반사판에 이웃하여 구비된 투과부; 상기 반사판과 투과부의 하부에 배치되어 상기 투과부에 광을 공급하는된 백라이트;를 더 포함할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 각각 일정한 주기로 배열된 격자에 의해 입사 광을 반사시키는 복수 개의 회절 격자 셀을 배열하는 단계; 입사광의 반사 방향 분포를 한정하기 위해 상기 복수 개의 회절 격자 셀 각각의 격자의 배열 주기와 배열 방향 중 적어도 하나를 조절하는 단계;를 포함하는 반사광 방향 분포 제어 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 반사판은 반사광의 방향 분포를 제어할 수 있도록 각각 주기와 배열 방향이 조절된 회절 격자 셀들을 배열함으로써 시청자의 시야 각을 중심으로 광이 분포되도록 한다. 그럼으로써, 광 효율을 향상할 수 있으며, 이러한 반사판을 외부광을 이용하여 영상을 표시하는 디스플레이에 채용하여 시청자를 중심으로 영상의 휘도를 증대시킬 수 있다. 본 발명에 따른 반사판은 반사형 디스플레이, 반투과형 디스플레이, 반사/투과 겸용 디스플레이에 적용될 수 있다. 그리고, 본 발명에 따른 반사광 분포 제어 방법은 회절 격자의 주기와 배열 방향 중 적어도 하나를 조절하여 각 디스플레이의 영상 표시 모드에 맞추어 최적의 반사 광 분포를 가질 수 있도록 하는 방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반사판과 이를 채용한 디스플레이 및 반사광 분포 제어 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1a와 도 1b는 회절 격자(1)에 입사광(Li)이 입사되어 반사된 광의 분포를 나타낸 것이다. 이하에서는 광의 분포를 -1차광에 대해 방위각(azimuth angle)(φ)과 극각(polar angle)(θ)을 이용하여 나타내기로 한다. 방위각은 광을 입사면에 투영하였을 때 소정 기준선에 대한 회전각을 나타내며, 극각은 입사면의 법선에 대한 기울기를 나타낸다. 광(Li)이 θ=30도, φ=0도를 가지고 상기 회절 격자(1)에 입사하여 반사될 때, 반사되는 광의 반사 방향은 회절 격자의 주기와 배열 방향 중 어느 하나로 조절 가능하다. 회절 격자에서 회절 반사되는 광의 방향은 광의 파장(λ), 회절 격자의 주기(T), 입사광의 방향에 의해 결정된다. 본 발명에서는 회절 격자를 이용하여 광을 원하는 방향으로 균일하게 또는 특정 방향으로 강하게 보냄으로써 반사광의 분포를 제정할 수 있다. 그리고, 회절 격자의 깊이(d)를 조절하여 광의 세기를 조절할 수 있다.

도 2는 회절 격자(1)의 평면도를 도시한 것으로, 회절 격자(1) 패턴에 대해 수직한 방향의 격자 벡터를

라고 할 때, 입사광(Li)의 회절 격자에 대한 투영 선(p)과 상기 격자 벡터(

) 사이의 각도를 회절 격자의 회전각(δi)으로 표시한다. 예를 들어, 제1 파장(λ)과 제1 입사각을 가지고 입사되는 광에 대해 회절 격자의 주기(T)와 회절 격자의 배열 방향 중 적어도 하나를 조절하여 반사되는 광의 방향 즉, 반사광의 각 분포를 원하는 위치로 조절할 수 있다. 회절 격자의 배열 방향은 상기 회전각(δi)으로 표시될 수 있다.

먼저, 회절 격자와 주기와 회절 격자의 배열 방향과 반사광의 방향 분포의 관계를 알아보기 위해 소정 파장(λ)에 대해 회절 격자의 주기(T)와 회절 격자의 회전각(δi)을 변화시키면서 반사광의 분포를 알아보았다. 도3a 내지 도 3h는 T/λ를 3.05, 2.64, 2.23, 2.00, 1.80, 1.70, 1.60, 1.48로 변화시키면서 반사광 분포를 본 것으로, 회절 격자의 배열 방향을 고정하였다고 할 때 회절 격자의 주기가 작아질수록 반사광이 도표 상의 세로 방향으로 시프트되는 경향을 보임을 알 수 있다. 다음, 회절 격자의 주기를 고정하였다고 할 때, 회절 격자의 회전각을 변화시킴에 따라 반사광이 도표 상의 가로 방향으로 시프트되는 경향을 보임을 알 수 있다. 도 3a 내지 도 3h를 참조하면, 회절 격자의 주기와 배열 방향(T,δi) 중 적어도 하나를 조절하여 반사광의 위치를 조절할 수 있다. 다시 말하면, (T,δi)에 따른 반사광의 좌표(θ,φ)를 메칭시킬 수 있다는 것이다. 이러한 특성을 이용하여 반사광의 좌표(θ,φ)와 이에 메칭되는 회절 격자의 (T,δi)를 테이블화 할 수 있다. 여기서, 입사광의 파장 λ을 결합하여 (T,δi) 대신 (T/λ,δi)를 이용하여 테이블화 하는 것이 가능하다.

도 4는 예를 들어 다이아몬드 형태의 반사광 분포를 만들기 위해 (T/λ,δi) 테이블을 메칭시킨 예를 보여 준 것이다. 일명 롬버스(Rhombus) 반사 광 분포를 위해 예를 들어 25개의 광점을 가정하고, 제1 사분면(M)과 제4 사분면(N)에 있는 광점들에 대해 (T/λ,δi)를 1:1 메칭시켜 테이블화 한 것이다. (θ,φ)=(7.91°,18.4°)를 가지는 제1 점(M1)에 대해서는 (T/λ,δi)=(2.67,6.6)이 메칭되며, (θ,φ)=(5°/

,45°)를 가지는 제2 점(M2)에 대해서는 (T/λ,δi)=(2.18,5.5)이 메칭된다.

상술한 바와 같이 회절 격자의 주기와 배열 방향 중 적어도 하나를 조절하여 반사광의 분포를 제어할 수 있다. 도 5a 및 도 5b는 예를 들어 ±10도 범위 내의 시야 각 범위 내에서 사각형 형태의 반사광 분포를, 도 5c는 십자형 반사광 분포를 나타낸 것으로, 이러한 광 분포를 만들기 위해 반사광 분포의 좌표와 이에 대응되는 회절 격자의 주기와 배열 방향의 좌표를 구하여 회절 격자를 구성할 수 있다. 이와 같이 반사 광 분포는 여러 가지로 구성 가능하며, 특히 디스플레이에서 시청자가 주로 보게 되는 시야 각 분포를 가지도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 시청자는 디스플레이를 세로 방향과 가로 방향으로 주로 보게 되며, 상대적으로 대각선 방향으로는 적게 보는 경우, 반사광이 가로 방향과 세로 방향에 비해 대각선 방향이 상대적으로 짧은 반사 방향 분포를 가지도록 하는 것이 좋다. 이러한 분포를 만족시키는 것으로 도 4에 도시된 마름모 형태의 광 분포나 도 5c에 도시된 십자형 광 분포가 있을 수 있다. 도 6a 내지 도 6h는 모바일 디스플레이를 바라보는 각도에 따라 반사광 분포를 나타낸 것이다.

다음, 도 7은 회절 격자의 깊이에 따른 -1차광의 회절 효율을 나타낸 것으로, 회절 격자의 깊이를 조절하여 광 세기를 조절할 수 있다. T/λ, δi를 변화시키면서 회절 효율을 계산한 결과 균일한 광 분포를 가지며, 회절 효율이 0.25 이상을 가지도록 하는 입사광의 파장에 대해 격자의 깊이의 비는 0.2±0.04 범위를 가질 수 있다. 이렇게 함으로써 복수 개의 회절 격자 셀은 90% 이상의 균일한 반사 회절 효율을 얻을 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 반사판을 구비한 디스플레이를 도시한 것이다. 본 실시예의 디스플레이는 외부광을 반사시켜 영상을 형성하는 반사 모드와 백라이트를 이용하여 영상을 형성하는 투과 모드를 포함한다. 이 디스플레이 장치는 광원(10)과, 광원(10)으로부터 조사된 광을 안내하는 도광판(15)과, 광의 투과율을 조절하기 위한 액정층(47)을 포함한다. 상기 액정층(47)의 일부 영역에는 반사판(45)이 형성되고, 나머지 영역에는 투과부(41)가 형성된다. 반사판(45)은 도 9a에 도시된 바와 같이 복수 개의 회절 격자 셀(45a)을 포함한다. 상기 회절 격자 셀(45a)들은 각각 일정한 주기로 배열된 격자에 의해 입사 광을 반사시키며, 각각 격자의 배열 주기와 배열 방향 중 적어도 하나에 따라 상기 입사광의 반사 방향 분포를 한정한다. 격자의 배열 주기와 배열 방향을 조절하여 반사광의 방향 분포를 제어하는 것에 대해서는 도 2, 도 3a 내지 도 3h를 참조하여 설명한 바와 같으므로 여기서는 상세한 설명을 생략한다. 도 9a에서는 회절 격자 셀(45a)들이 서로 이격되어 형성된 예를 도시하였으나, 도 9b에 도시된 바와 같이 회절 격자 셀(45b)들이 서로 인접되게 형성되는 것도 가능하다.

상기 회절 격자 셀(45a)(45b)들은 원하는 반사광 분포에 따라 격자 주기와 격자 배열 방향을 가진다. 예를 들어, 상기 복수 개의 회절 격자 셀은 사각형 형태, 다이아모드 형태, 십자 형태 중 어느 하나의 반사 방향 분포를 한정할 수 있다. 또는, 상기 복수 개의 회절 격자 셀은 가로 방향 또는 세로 방향에 비해 대각선 방향이 상대적으로 짧은 반사 방향 분포를 한정할 수 있다. 예를 들어, 다이아몬드 형태의 반사광 분포를 만들기 위해, 다이아몬드 형태의 25개 광 점 분포에 따라 1:1 매칭되는 25개의 회절 격자 셀이 배열되되 네 개, 세 개가 교대로 일렬 배치되고 각각 매칭되는 광 점에 대한 방향을 한정하도록 격자 주기와 배열 방향이 결정될 수 있다.

한편, 투과부(41)는 액정층(47)의 일부로 구성될 수 있다. 반사판(45)의 하부에는 지지층(43)이 구비된다. 액정층(47)의 상부에 칼라 필터(50)가 구비되며, 도광판(15)과 액정층(47) 사이에 제1 선편광 필름(33), 제1 1/4파장판(35), 제1글라스 기판(38), TFT 층(40)이 구비되고, 상기 칼라 필터(50) 상부에는 제2 글라스 기판(58), 제2 1/4파장판(58), 제2 선편광 필름(60)이 구비된다. 상기 도광판(15)과 제1 선편광 필름(33) 사이에는 광 효율을 높이기 위한 복수 층(20)이 구비된다. 상기 복수 층(20)은 예를 들어, 광을 확산시키기 위한 확산판, 광의 진행 경로를 보정하기 위한 프리즘 시트, 프리즘 시트를 통과한 광을 디스플레이 패널을 향해 직진하도록 방향성을 향상시키는 프리즘 필름 등을 구비할 수 있다.

도광판(15)으로부터 조명된 광(Lb)은 투과부에 해당되는 영역의 액정층으로 입사되고, 상기 TFT 층(40)의 전압에 따라 투과율이 조절되어 액정층(47)을 통과한 다음, 칼라 필터(50)에서 특정 파장 대역의 칼라 광만이 투과된다.

도 8은 반투과형 디스플레이(transreflective display)의 예를 나타낸 것인 한편, 본 발명에 따른 반사판은 반사형 디스플레이에도 적용될 수 있다. 도 10은 반사형 디스플레이를 개략적으로 나타낸 것으로 기판(100)과, 상기 기판(100) 위에 배치된 반사판(105), 상기 반사판(105) 위에 구비되어 외부에서 입사하는 광(Lo) 중 특정 파장의 광만을 투과시키는 칼라 유닛(107)을 포함한다. 상기 칼라 유닛(107)의 상부에은 보호층(110)이 더 구비될 수 있다. 칼라 유닛(107)은 칼라 피그먼트(pigment), 염료(dye), 특정 파장의 광을 투과시키는 나노 입자(nano particle) 중 어느 하나를 포함한 매질로 형성될 수 있다. 외부광(Lo)은 상기 칼라 유닛(107)을 통해 소정 파장의 광만이 반사판(105)으로 입사되고 반사판(105)에서 반사된 광(Lr)은 시청자의 눈으로 입사된다. 상기 반사판(105)에서 회절 격자의 주기와 배열 방향을 조절하여 반사광(Lr)이 시청자의 메인 시야 각 범위를 가지도록 할 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 반사판은 반사형 디스플레이 이외에 반사/투과 겸용 디스플레이에도 적용될 수 있다.

상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 반사판에 광이 입사하여 반사되는 경로를 극각과 방위각을 이용하여 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 반사판의 격자 배열 방향과 입사광의 관계를 나타낸 도면이다.

도 3a 내지 도 3h는 본 발명에 따른 반사판의 회절 격자의 주기의 변화에 따른 반사광의 분포를 회절 격자의 회전각을 변화시키면서 측정한 결과를 나타낸 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 반사판에서 반사된 반사광의 분포와 반사판의 격자 셀의 (T/λ,δi) 테이블을 메칭시켜 나타낸 도면이다.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 반사판에서 반사되는 반사광 분포의 예 들을 나타낸 것이다.

도 6a 내지 도 6h는 본 발명에 따른 반사판에서 회절 격자 셀의 배열 구조에 따라 달라지는 반사광 분포를 나타낸 것이다.

도 7은 본 발명에 따른 반사판에서 회절 격자의 깊이에 따른 회절 효율의 변화를 나타낸 것이다.

도 8은 본 발명에 따른 반사판을 구비한 반투과형 디스플레이를 나타낸 것이다.

도 9a 및 도 9b는 본 발명에 따른 반사판의 예를 도시한 것이다.

도 10은 본 발명에 따른 반사판을 구비한 반사형 디스플레이를 나타낸 것이다.

Claims (10)

1. 각각 일정한 주기로 배열된 격자에 의해 입사광을 반사시키는 복수 개의 회절 격자 셀을 포함하고, 상기 입사광에 대한 반사광의 반사 방향 분포를 한정하기 위해 상기 복수 개의 격자 셀은 각각 격자의 배열 주기와 배열 방향 중 적어도 하나가 조절되고, 상기 회절 격자 셀은 입사광에 대한 반사광의 반사 방향 분포가 가로 또는 세로 방향에 대해 대각선 방향이 짧도록 반사 방향 분포를 한정하는 것을 특징으로 하는 반사판.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 회절 격자 셀은 입사광에 대한 반사광의 반사 방향 분포가 사각형 형태, 다이아몬드 형태, 십자 형태 중 어느 하나가 되도록 반사 방향 분포를 한정하는 것을 특징으로 하는 반사판.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 회절 격자 셀의 격자는 입사광의 파장에 대한 격자의 깊이의 비가 0.2±0.04 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 반사판.
5. 제 1항, 제 3항, 또는 제 4항 중 어느 한 항에 따른 반사판;

   상기 반사판 위에 구비되어 입사광 중 소정 파장의 광을 투과시키는 칼라 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 반사판에 이웃하여 구비된 투과부;

   상기 반사판과 투과부의 하부에 배치되어 상기 투과부에 광을 공급하는 백라이트;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이.
7. 각각 일정한 주기로 배열된 격자에 의해 입사 광을 반사시키는 복수 개의 회절 격자 셀을 배열하는 단계;

   입사광의 반사 방향 분포를 한정하기 위해 상기 복수 개의 회절 격자 셀 각각의 격자의 배열 주기와 배열 방향 중 적어도 하나를 조절하는 단계;를 포함하고, 상기 회절 격자 셀은 입사광에 대한 반사광의 반사 방향 분포가 가로 또는 세로 방향에 비해 대각선 방향이 짧도록 반사 방향 분포를 한정하는 것을 특징으로 하는 반사광 분포 제어 방법.
8. 삭제
9. 제 7항에 있어서,

   상기 회절 격자 셀은 입사광에 대한 반사광의 반사 방향 분포가 사각형 형태, 다이아몬드 형태, 십자 형태 중 어느 하나가 되도록 반사 방향 분포를 한정하는 것을 특징으로 하는 반사광 제어 방법.
10. 제 7항에 있어서,

    상기 회절 격자 셀의 격자는 입사광의 파장에 대한해 격자의 깊이의 비가 0.2±0.04 범위를 가지는 것을 특징으로 반사광 제어 방법.

Images