편광 기능성 백라이트 장치

편광 기능성 백라이트 장치{Apparatus for polarized backlight unit}

본 발명은 편광 기능성 백라이트 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 도광판의 출사면과 이에 대향하는 액정패널의 하면 편광판 사이에 복굴절 수단을 구비하여 액정패널 편광판에서 발생되는 광손실을 줄일 수 있는 편광 기능성 백라이트 장치에 관한 것이다.

다양한 정보를 인간이 볼 수 있도록 화면으로 구현해주는 영상 표시 장치인 디스플레이는 그 산업 규모가 매우 방대하며 그 중 LCD는 전체 디스플레이 시장의 90% 이상을 차지하는 가장 대표적인 기술이다. 특히 LCD는 CRT나 PDP, OLED와 같은 다른 디스플레이와 달리 소형에서부터 대형 사이즈까지 모든 어플리케이션 영역을 커버하는 매우 확장성 있는 기술 방식이다.

디스플레이는 전기적 신호와 정보 등을 사람이 인지할 수 있는 시각적인 정보로 바꾸어 표시해주는 장치로서, LCD(liquid crystal display)는 외부에서 독립적으로 발광하는 광원으로부터 광을 공급받아 입력 받은 영상 신호에 따라 액정 패널(liquid crystal panel)의 화소(pixel)별로 투과되는 빛의 양을 조절하여 영상 정보를 구현하는 비자발광 방식의 디스플레이이다.

따라서, 하기 도 1과 같이 LCD와 같은 비자발광 디스플레이는 별도의 광원을 필요하게 되며, 특히 투과형 또는 반투과형 액정 모드일 때는 액정 패널(10)의 배면(背面)에 광원을 배치하게 된다. 이러한 광원 장치를 일반적으로 백라이트 장치(backlight unit)(11)라고 부른다.

하기 도 1에서 보는 바와 같이, 백라이트 장치(11)는 광을 발생시키는 광원부(12)와 여기서 나온 광을 시청자 방향으로 광의 진행 방향을 바꾸고 균일한 평면광으로 전환시키는 광학 부품들(13) 및 이들을 지지하고 고정시키는 역할을 하는 기구 부품 및 광원부 구동을 위한 구동 장치(미도시)로 구성된다.

LCD 산업은 매년 폭발적인 성장을 지속하여 그 규모는 매우 커졌지만 동시에 LCD를 생산하는 각 업체들의 공급량도 더욱 빠르게 증가하여 그 경쟁이 매우 극심해지고 있다. 이에 따라 각 사들은 제품 경쟁력을 확보하기 위해 원가 절감 및 차별화 기술 개발을 강화하고 있으며, 또한 친환경적인 기술 개발과, 각종 규제에 대응하기 위해 저소비 전력 고 에너지 효율의 기술 개발도 요구받고 있는 실정이다. 이를 위한 연구 개발 방향으로 LCD 내의 부품들을 통합하거나 삭제하여 소요 부품 수를 줄이고, 손실되는 광 및 전력을 줄여 광이용 효율을 높이고자 하고 있다.

따라서, 종래 LCD의 백라이트 장치와 액정 패널에서 손실되어 없어지는 광을 줄이는 기술 개발의 요구는 매우 크다. 그 중에서 종래 편광 재생 필름을 사용하는 방식은 광 이용 효율은 높으나 독점적 공급으로 인하여 그 가격이 매우 비싸므로 이를 대체하는 기술이 절실히 필요한 실정이다. 특히 원가 절감 효과와 공정 및 두께 절감의 효과 등으로 백라이트 장치의 도광판에 그 기능을 일체화하는 편광 백라이트에 대한 기술 개발의 관심이 증대하고 있다.

종래의 백라이트 장치는 주로 형광 램프(fluorescent lamp)나 발광다이오우드(light emitting diode, LED)와 같이 일반적으로 특정 방향의 편광 성분을 갖지 않고 모든 방향의 편광 성분을 갖는 무편광(unpolarized) 또는 무작위 편광(randomly polarized)된 광원을 사용하며, 이 광원에서 발생한 광이 백라이트를 구성하는 각 광학 부품을 통과하여 균일한 밝기의 평면광으로 전환되어 액정 패널로 진행하게 된다. 액정 패널은 내부의 액정 분자의 상태를 제어하여 액정 패널로 입사된 선형 편광 상태의 빛의 편광 상태를 바꿔서 패널을 통과하는 빛의 투과량을 조절하게 된다. 여기서 액정 패널의 상하면 유리기판 각각에 편광판(polarizer or polarizing film)(14, 15)을 부착하여 백라이트 장치로부터 들어오는 광을 선형 편광으로 만들고 이 빛이 패널 내의 액정을 통과하면서 바뀌는 편광 성분 중 특정 방향의 선형 편광 성분만을 통과하도록 한다. 그런데, 일반적으로 액정 패널의 하면에 입사하는 백라이트 광은 무편광된 광이므로 액정 패널 하면의 편광판(15)의 투과축과 평행한 50% 이하의 빛만이 선형 편광 상태로 통과하게 되고 나머지 50% 이상의 빛은 투과하지 못하고 흡수 손실된다.

그러므로 백라이트 장치의 발광면과 대향하는 면의 액정 패널의 편광판에서 발생하는 빛의 흡수 손실을 줄여서 광 이용 효율을 높이는 방법들이 연구되어 왔다. 그 중 하나는 흡수되어 사라지는 편광 방향의 빛을 반사시키고 이를 다시 산란시켜 액정 패널의 편광판의 투과축과 평행한 방향의 편광 성분으로 최대한 변환시키는 기능성 필름(polarization recycling film)이 있으며, 또 다른 하나는 백라이트 장치에서 출사되는 광이 무편광이 아니라 특정 방향으로 편광 성분을 갖도록 하는 것이다.

이 방법들 중에서 비용 및 부품 수 절감의 장점이 있는 편광 성분의 광을 출사(emitting)하는 백라이트 장치 기술은 광원부에서 나온 빛을 액정 패널의 표시부 전면(全面)에 대응하는 균일한 면광원으로 변환시켜주는 도광판(light guide plate)에 미세한 패턴을 형성하여 공기 또는 낮은 굴절률을 갖는 매질과 도광판 재질간의 굴절률 차이로 인해 매질간의 경계면에서 발생하는 프레넬 반사와 투과(Fresnel reflection and transmission) 원리를 이용하는 것이다. 여기서 광원부는 형광 램프나 발광다이오우드, 레이저 다이오우드(laser diode, LD) 및 EL(electroluminescence)과 같은 광원만을 배치하거나, 광원에서 선형 편광 성분을 추출하는 편광 소자를 추가 배치할 수도 있다.

종래 기술로서, 한국공개특허 제10-2007-0105766호에는 도광판의 상부에 마련되어 도광판으로부터 입사되는 광 중에서 제1편광의 광은 투과시키고, 제2편광은 반사시키는 편광 분리층을 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율의 편광 도광판을 포함하는 백라이트 유닛에 관한 것이 기재되어 있고, 일본등록특허 제4076028호에는 입사광의 좌우 원편광 성분 중에서 한 성분은 투과시키고, 다른 한 성분은 반사시키는 것을 특징으로 하는 백라이트 시스템이 개시되어 있다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 액정 패널로 입사하는 광량을 최대로 하기 위해 편광 백라이트가 출사하는 광의 편광 방향을 임의로 제어할 수 있어 액정패널로 입사하는 광 이용 효율을 극대화할 수 있고, 넓은 파장 영역대에서 균일한 광 투과율을 가져 색차 발생을 줄일 수 있는 백라이트 편광 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여,

광원부; 상기 광원부로터의 광을 면광원으로 퍼뜨려주는 도광판; 상기 도광판의 광 출사면의 상부에 위치하고, 액정패널 하면에 설치된 편광판; 및 상기 도광판과 편광판 사이에 마련된 복굴절층;을 포함하는 편광 기능성 백라이트 유닛을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 복굴절층의 광축은 도광판의 광 출사면에서 출사하는 광의 주 편광 방향과 액정패널 하면에 설치된 편광판의 투과축이 이루는 각의 범위 내에 있을 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 복굴절층은 1/2 파장의 위상차를 가질 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 복굴절층은 굴절율이 다른 복수 개의 박막층이 적층되어 이루어질 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 복굴절층은 1/4 파장의 위상차를 가지는 복수 개의 박막층을 겹쳐서 형성할 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 복굴절층은 콜레스테릭 액정으로 이루어질 수 있고, 상기 복굴절층의 굴절율 값과 광축이 연속적으로 변화될 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 백라이트 유닛은 한 개 이상의 광 집속(collimating) 부재 또는 광 확산(diffusing) 부재를 더 포함할 수 있고, 상기 광 집속 부재 또는 광 확산 부재는 상기 도광판과 액정패널 하면에 설치된 편광판 사이에 위치할 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 광 집속 부재는 상기 복굴절층과 부착되어 있을 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 복굴절층은 도광판의 광 출사면 상에 부착되어 있을 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 복굴절층은 액정패널 하면에 설치된 편광판에 부착되어 있을 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 백라이트 유닛; 및 상기 백라이트 유닛에서 출사된 광을 이용하여 영상을 형성하는 디스플레이 패널;을 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 백라이트 장치는 어떠한 편광 투과 방향의 액정 패널의 편광판에 대해서도 출사광이 최대로 입사할 수 있도록 편광 상태와 편광 방향을 임의로 제어할 수 있어 빛이 액정 패널로 입사시 편광판에서 발생되는 광 손실을 줄일 수 있고, 다양한 액정 패널 조건에 대해 백라이트 장치의 광원부 위치 및 도광판 패턴 배치 대응의 자유도가 증가하여 백라이트 장치의 표준화를 기대할 수 있으며, 또한 파장별 위상차를 보상하여 가시광선 영역의 파장 대역에서 고른 위상 지연 효과를 발생시켜 균일한 편광 상태를 만들 수 있고, 이에 따라 짧은 파장 대역의 청색 영역에서 장파장 대역의 적색 영역까지 균일한 투과율을 갖게 되어 색차 발생을 줄일 수 있다.

도 1은 일반적인 투과형 LCD의 개념도이다.
일반적인 투과형 LCD의 경우 액정 패널(10)과 백라이트 장치(11)를 포함한다. 백라이트 장치는 광을 발생시키는 광원부(12)와 여기서 나온 광을 시청자 방향으로 광의 진행 방향을 바꾸고 균일한 평면광으로 전환시키는 광학 부품들(13) 및 이를 지지하고 고정시키는 역할을 하는 기구 부품 및 광원부 구동을 위한 구동 장치(도면에 미도시)로 구성된다.
도 2a 내지 도 2b는 종래의 편광 백라이트 장치에서 도광판(22)의 장변(23) 또는 단변(24)에 배치되는 광원부(20)에서 나온 광이 도광판(22)에 입사한 후 도광판 패턴(21)에 의해 출사시 출사광(25)의 주 편광 방향이 도광판의 입광면에 수직(26) 내지는 수평(27)한 방향을 갖게 됨을 나타내는 개념도이다.
도 3a 내지 도 3c는 액정 패널 하면(30)에 부착되어 있는 편광판(31)의 투과축 방향(320, 321, 322)을 나타낸 것으로서,
액정 패널의 장변에 대해 수직, 수평 또는 경사를 갖는 각도와 같이 다양한 경우의 수를 갖는다. 이때 편광판(31)에 입사하는 광(33)이 무편광이면 편광판 투과축의 방향(320, 321, 322)과 무관하게 투과율은 50% 이하의 수준으로 항상 일정하다.
도 4a 내지 도 4c는 이상적인 선형 편광을 출사하는 편광 백라이트 장치(40)의 출사광 방향에 대한 광 투과 정도를 나타낸 것으로서,
수평 방향(41)의 편광 성분을 갖는 경우 이에 대향하는 액정 패널 하면(42)에 부착되어 있는 편광판(44)의 투과축 방향(430)이 백라이트 출사광의 편광 방향(41)과 평행하면 손실 없이 액정 패널로 입사(45)할 수 있지만, 수평 방향에 대해 45도 기울어진 방향(431)의 투과축 방향을 갖는 경우는 50%의 투과율(46)을 갖게 되므로 무편광 백라이트의 경우와 동등한 수준이 되며, 수직 방향(432)의 투과축을 갖는 경우에는 편광판의 투과축(432)과 편광 방향(41)이 이루는 각도가 90도가 되므로 액정 패널 내로 빛이 입사하지 못하고 차단(cut off)(47)된다.
도 5는 액정 디스플레이의 백라이트 장치와 액정 패널간의 광의 입출사 관계를 설명하는 개념도이다.
여기서 백라이트 장치의 출사광의 특성과 이에 대향하는 액정 패널 하면에 부착되어 있는 편광판의 투과축의 방향이 이루는 각도에 따라 광 이용 효율이 달라진다. 즉, 도 5에서 편광 백라이트(50)에서 출사하는 선형 편광된 광의 편광 방향(52)과 이에 대향하는 액정 패널의 하면(51)에 부착되어 있는 편광판의 투과축의 방향(53)이 이루는 각도를 θ(54)라고 할 때, 이 백라이트의 출사광이 이상적인 선형 편광일 경우 편광판을 통과하는 빛(55)의 비율은 이 두 방향이 이루는 각도 θ(54)와 연계하여 100·cos ² θ[%]의 투과율로 변화한다. 즉, 그 각도(54)가 0도로 서로 평행하면 백라이트에서 출사한 광의 100% 모두 액정 패널의 하면 편광판을 통과하게 되고, 그 각도가 점점 증가하면서 그 투과율은 점점 감소하여 45도에서 50%가 되고 90도에 이르면 0%로 투과하는 광 없이 모두 흡수 손실된다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른 편광 기능성 백라이트 장치의 구성도이다.
백라이트 장치(60)의 출사면과 이에 대향하는 액정 패널 하면(61)에 부착되어 있는 편광판(66) 사이에 복굴절을 갖는 수단(67)을 배치하여 편광 출사광의 편광 방향(62)을 편광판의 투과축의 방향(63)과 최대한 일치하도록 변환시켜준다. 이때 적용되는 복굴절 매질(67)은 최적으로 설정된 복굴절값(또는 위상차값)과 광축의 방향(68)을 갖는다.
도 7은 수평 방향(70)의 선형 편광 성분의 빛이 수직 방향(71) 투과축을 갖는 편광판을 통과할 경우를 도시한 개념도로서, 이 경우에 빛의 투과율은 0%가 된다.
도 8은 수평 방향(80)의 선형 편광 성분의 빛과 여기에 수직인 방향(81)의 투과축을 갖는 편광판 사이에 45도 경사 방향(82)의 광축을 갖는 λ/2 위상차판을 배치한 경우를 도시한 개념도로서, 수평 방향의 선형 편광이 수직 방향의 선형 편광으로 변환된다.
도 9는 수평 방향(90)의 선형 편광 성분의 빛이 이것과 45도 경사 방향(91)의 투과축을 갖는 편광판을 통과할 경우를 도시한 개념도로서, 이 경우 빛의 투과율은 50%가 된다.
도 10은 수평 방향(100)의 선형 편광 성분의 빛과 이것과 45도 경사 방향(101)의 투과축을 갖는 편광판 사이에 45도의 절반인 22.5도 경사 방향(102)의 광축을 갖는 λ/2 위상차판을 배치하는 경우를 도시한 개념도로서, 이 경우 수평 방향의 선형 편광이 45도 경사 방향의 선형 편광으로 변환된다.
도 11은 편광 백라이트 장치(110)의 출사광(111)의 편광 상태가 이상적인 선형 편광이 아닌 일반적인 타원 편광(112)인 형태인 경우에 대한 본 발명의 일 구현예를 나타낸 개념도이다.
타원 편광 상태의 경우에도 이 타원의 장축이 가리키는 방향(113)을 기준으로 기울임각(114)을 설정하여 복굴절값 수준(또는 위상차값)과 광축의 방향을 설정할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 구현예에 따라 복수개의 λ/4 위상차판(120)을 겹친 복굴절 수단을 나타낸 개념도이다.
도 13은 본 발명의 다른 일 구현예에 따라 작은 위상차값을 갖는 다수개의 위상차판(130)을 겹친 복굴절 수단을 나타낸 개념도이다.
도 14는 본 발명에서 사용될 수 있는 복굴절 수단(140)을 백라이트 장치 내에서 광의 굴절이나 집속(collimating) 또는 확산(diffusing) 기능을 하는 광학 필름 내지는 시트(141)와 일체화한 구성을 나타낸 개념도이다.
도 15는 본 발멸에 따른 편광 기능성 백라이트 장치의 구성도이다. 광원부(150)와 도광판(151), 반사판(152)과 복굴절 수단을 포함하는 광학 필름 또는 시트들(153)을 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구현예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.

본 발명은 액정 디스플레이 장치에서 액정 패널로 입사하는 백라이트 장치의 광을 효과적으로 편광시켜 광 이용 효율을 극대화한 백라이트 장치에 관한 것으로서, 백라이트 장치의 도광판의 출사면과 이에 대향하는 액정 패널의 하면 편광판 사이에 복굴절을 갖는 수단을 배치하여 백라이트 장치의 출사광의 편광 상태와 방향을 최적값으로 만들 수 있는 것을 특징으로 한다.

하기 도 2a 및 도 2b에서 보는 바와 같이, 일반적으로 디스플레이의 밝기 사양과 기구적 구성에 따라 백라이트 장치의 광원부(20) 위치가 결정되고 도광판 패턴(21)도 이에 따라 형성된다. 따라서 백라이트 장치의 광원부(20)는 도광판(22)의 장변(23) 내지는 단변(24)에 배치되고 이에 따른 도광판 패턴(21)에 의한 출사광(25)의 주 편광 방향은 통상적으로 도 2a 및 도 2b와 같이 도광판의 입광면(23, 24)에 수직(26) 내지는 수평(27)한 방향이 된다.

그런데, 백라이트 장치의 출사면과 대향하는 면인 액정 패널 하면(30)에 부착되어 있는 편광판(31)의 투과축 방향(320, 321, 322)은 TN(twisted nematic), IPS(in-plane switching) 또는 VA(vertical alignment) 등과 같이 적용하는 액정 패널의 모드(mode)나 사용 용도에 따른 주시야각 방향 설정 등의 목적으로 제품에 따라 다를 수 있다.

즉, 하기 도 3a 및 도 3c와 같이 편광판(31)의 투과축의 방향은 제품의 특성에 따라 액정 패널의 수평한 방향을 기준으로 0도(320)인 구성도 있고 90도(321) 내지는 45도(322)인 구성도 있다.

기존과 같이 백라이트 장치가 무편광의 광(33)을 출사하는 경우 액정 패널의 편광판의 투과축의 방향(320, 321, 322)과 관계없이 항상 균일하게 50% 이하의 일정한 광(34)이 액정 패널 내로 입사하게 된다. 하지만 하기 도 4a 및 도 4c에서 보는 바와 같이, 백라이트 장치(40)가 편광된 빛(41)을 출사하는 경우 액정 패널 하면(42)에 부착되어 있는 편광판(44)의 투과축 방향(430, 431, 432)과 평행한 방향의 편광 성분이 적어지면 무편광인 경우보다 백라이트 장치에서 액정 패널 내로 입사되는 빛의 양이 더 적어지는 경우가 발생할 수 있다. 즉, 이상적인 선형 편광을 출사하는 편광 백라이트 장치(40)의 출사광이 수평 방향의 선형 편광 성분(41)을 주로 갖는 경우 이에 대향하는 액정 패널 하면(42)에 부착되어 있는 편광판(44)의 투과축의 방향(430)과 이 편광 방향(41)이 서로 평행하면 광의 손실 없이 액정 패널 내로 입사(45)할 수 있지만, 편광판(44)이 수평 방향에 대해 45도 기울어진 투과축 방향(431)을 갖는 경우는 50%만 편광판(44)을 통과(46)할 수 있으므로 무편광 백라이트의 경우와 동등한 수준으로 광 이용 효율 향상이 없게 되며, 수직 방향(432)의 편광판 투과축을 갖는 경우는 편광판의 투과축과 편광의 방향이 이루는 각도가 90도로 직교하게 되므로 액정 패널 내로 빛이 입사하지 못하고 거의 차단(cut off)(47)이 되는 문제가 발생한다.

대부분의 경우 편광 백라이트가 출사하는 광의 편광 방향은 광원의 배치에 따라 수직(26) 내지는 수평(27) 방향이 되므로 대부분의 TN 모드 액정의 패널이 갖는 편광판 투과축의 방향인 45도 경사 방향(431)의 경우 50% 수준의 투과량으로 종래 무편광 백라이트와 동등한 수준이 되고, 액정 패널 하면의 편광판의 투과축과 편광 백라이트의 출사광의 편광 방향이 이루는 각도가 45-90도의 범위일 경우에는 액정 패널로의 빛의 투과량은 오히려 줄어들게 된다.

이와 같이 백라이트의 출사면에 대향하는 액정 패널 하면의 편광판의 투과축 방향과 편광 백라이트의 출사광의 편광 방향이 이루는 각도의 범위가 0도, 45도, 90도 내지는 임의의 각도에 대해 액정 패널로 입사하는 광량의 차이가 존재하므로 편광 백라이트가 출사하는 광의 편광 방향을 각 경우에 따라 최대의 입광 효율을 갖도록 하는 편광 방향으로 만드는 것이 필요하지만 종래의 편광 백라이트의 구성에서는 이것이 불가능하였다. 즉, 광원부의 배치 위치와 도광판 패턴의 방향에 따라 편광 출사광의 특성이 결정이 되며, 편광 방향도 이에 따라 결정된다.

하기 도 5는 액정 디스플레이의 백라이트 장치(50)와 액정 패널(51)간의 광의 입출사 관계를 설명하는 개념도이다.

백라이트 장치의 출사광의 특성과 이에 대향하는 면인 액정 패널 하면에 부착되어 있는 편광판의 투과축의 방향이 이루는 각도에 따라 이 편광판을 통과하는 광량이 달라진다. 도 5의 편광 백라이트(50)에서 출사하는 선형 편광된 광의 편광 방향(52)과 이에 대향하는 액정 패널 하면(51)에 부착되어 있는 편광판의 투과축의 방향(53)이 이루는 각도를 θ(54)라고 할 때, 이 백라이트의 출사광이 이상적인 선형 편광일 경우 편광판을 통과하는 빛(55)의 비율인 투과율은 이 두 방향(52, 53)이 이루는 각도 θ(54)와 연계하여 100·cos ² θ[%]로 변화한다.

즉, 그 각도(54)가 0도로 서로 평행하면 백라이트에서 출사한 광 100% 모두 액정 패널의 하면 편광판을 통과하게 되고, 그 각도(54)가 점점 증가하면 그 투과율은 점점 감소하여 45도에서 50%가 되고 90도에 이르면 0%로 편광판을 통과하는 광 없이 모두 흡수 손실된다. 따라서, 가장 바람직한 경우는 백라이트 장치의 출사광의 편광 방향과 이에 대향하는 액정 패널의 하면 편광판의 투과축이 평행한 것이다.

이렇게 만들기 위해 하기 도 6에서 보는 바와 같이, 백라이트 장치(60)의 출사면과 이에 대향하는 액정 패널 하면(61)에 부착되어 있는 편광판(66) 사이에 복굴절 필름(67)을 배치하여 백라이트의 편광 출사광의 편광 방향(62)을 편광판의 투과축의 방향(63)과 최대한 일치하도록 변환시켜준다.

본 발명은 광원부와, 상기 광원부로터의 광을 면광원으로 퍼뜨려주는 도광판과, 상기 도광판의 광 출사면의 상부에 위치하고, 액정패널 하면에 설치된 편광판 및 상기 도광판과 편광판 사이에 마련된 복굴절층을 포함하는 편광 기능성 백라이트 유닛을 제공한다.

본 발명의 일 구현예에 따라 하기 도 6과 같이 백라이트 장치(60)의 출사광의 주 편광 방향(62)과 이에 대향하는 액정 패널 하면(61)에 부착되어 있는 편광판(66)의 투과축 방향(63)이 이루는 각도 θ(64)의 절반인 θ/2도(69) 방향(68)으로 광축을 갖는 λ/2 위상차(half wave plate, HWP)를 갖는 복굴절 필름(67)을 이 사이에 배치하게 되면 백라이트의 출사 편광 방향(62)이 액정 패널 하면의 편광판 투과축과 평행한 방향(63)으로 회전하게 되어 편광판을 통과하는 빛(65)의 양이 최대로 된다.

본 발명의 다른 일 구현예에 따라 하기 도 7과 같이, 수평 방향(70)의 선형 편광 성분의 빛이 수직 방향(71) 투과축을 갖는 편광판을 통과할 경우 투과율은 0%가 되지만, 하기 도 8과 같이 45도 방향(82)으로 광축을 갖는 λ/2 위상차판을 이 둘 사이에 배치하는 경우 수평 방향(80)의 선형 편광은 수직 방향(81)의 선형 편광으로 변환된다. 이를 존스 계산법(Jones calculus)를 이용하여 계산하면 아래의 [식 1]과 같다.

[식 1]

즉, 수평 방향의 선형 편광

본 발명의 다른 일 구현예에 따라 하기 도 9와 같이 수평 방향(90)의 선형 편광 성분의 빛이 이것과 45도 경사 방향(91)을 이루는 투과축을 가진 편광판을 통과할 경우 투과율은 50%가 되지만, 하기 도 10과 같이 이 두 방향(100, 101)이 이루는 45도의 절반인 22.5도 경사 방향(102)으로 광축을 갖는 λ/2 위상차판을 이 둘 사이에 배치하면 수평 방향(100)의 선형 편광이 45도 경사 방향(101)의 선형 편광으로 다음과 같이 변환됨을 알 수 있다.

[식 2]

즉, 수평 방향의 선형 편광

본 발명은 백라이트 출사광의 주편광 방향과 이에 대향하는 액정 패널 하면에 부착되어 있는 편광판 투과축이 임의의 각도 θ를 이룰 때, 상술한 바와 같이 광축을 θ/2 방향으로 λ/2 위상차판(half wave plate, HWP)을 이 둘 사이에 배치하면 이 편광판에서 광의 흡수 손실 없이 투과율을 최대로 높이는 최적 결과를 얻을 수 있다.

또한, 하기 도 11과 같이 편광 백라이트 장치(110)의 출사광(111)의 편광 상태가 이상적인 선형 편광이 아닌 일반적인 타원 편광(112)이더라도 이 타원의 장축이 가리키는 방향(113)을 기준으로 기울임 각(114)을 설정하여 본 발명의 구현예에 따라 위상차판의 광축 방향을 정할 수 있고, 단색광이 아닌 백색 광원에 대해서도 동일하게 적용할 수 있다.

또한, 하기 도 8 내지 도 10은 λ/2 위상차판을 적용한 본 발명의 일 구현예이며, 이와 유사하게 하기 도 12 내지 도 13과 같이 복수개의 λ/4 위상차판(quarter wave plate, QWP)(120)을 겹쳐서 구현할 수 있으며, 더 나아가 임의의 작은 위상차값을 갖는 다수개의 위상차판(130)을 겹쳐서 동일한 효과를 구현할 수도 있다. 그리고, 콜레스테릭 액정(cholesteric liquid crystal, CLC)과 같이 연속적으로 굴절률 값과 광축이 변하는 물질을 위상차판으로 하여 구현할 수도 있다.

본 발명에 따른 복굴절 수단(140)은 위상차를 발생시키는 독립된 광학 필름이나 시트 형태로 만들 수 있고, 또한 하기 도 14와 같이 백라이트 장치 내에서 광의 굴절이나 집속(collimating) 또는 확산 기능을 하는 별도의 광학 필름이나 시트(141)와 일체화하여 만들 수도 있다.

도 15는 본 발명의 일 구현예에 따른 편광 출사광의 주 편광 방향을 최적화하는 편광 기능성 백라이트 장치의 구성을 나타내는 개념도로서 광원부(150)와 도광판(151)과 반사판(152) 및 복굴절 수단을 포함하는 광학 필름 또는 시트들(153)을 포함한다.

10 : 액정 패널 11 : 백라이트 장치
12 : 광원부 13 : 광학 부품
21 : 도광판 패턴 22 : 도광판
23 : 도광판의 장변 24 : 도광판의 단변
25 : 출사광 26 : 도광판 입광면에 수직 방향
27 : 도광판 입광면에 수평 방향
30 : 액정패널 하면 31 : 액정패널 하면의 편광판
33 : 광 320 : 액정패널 하면의 투과축 방향
321 : 액정패널 하면의 투과축 방향
322 : 액정패널 하면의 투과축 방향
40 : 편광 백라이트 장치 41 : 출사광의 수평 편광성분
42 : 액정패널 하면 44 : 액정패널 하면의 편광판
430 : 액정패널 하면 편광판의 투과축 방향
431 : 액정패널 하면 편광판의 투과축 방향
432 : 액정패널 하면 편광판의 투과축 방향
45 : 액정패널을 통과한 투과광
46 : 액정패널을 통과한 투과광
47 : 액정패널을 통과한 투과광
50 : 편광 백라이트 51 : 액정패널 하면
52 : 선형 편광된 출사광의 편광 방향
53 : 편광판의 투과축 방향
54 : 출사광의 편광 방향과 편광판의 투과축 방향이 이루는 각도
55 : 액정패널을 통과한 투과광
60 : 백라이트 장치 61 : 액정패널 하면
62 : 출사광의 편광 방향 63 : 편광판의 투과축 방향
64 : 출사광의 편광 방향과 편광판의 투과축 방향이 이루는 각도
65 : 액정패널을 통과한 투과광
66 : 액정패널 하면의 편광판
67 : 복굴절 매질 68 : 복굴절 매질의 광축 방향
69 : 출사광의 편광 방향과 복굴절 매질의 광축 방향이 이루는 각도
70 : 수평 방향의 선형 편광 성분
71 : 수직 방향 투과축을 갖는 편광판
80 : 수평 방향의 선형 편광 성분
81 : 수직 방향의 투과축을 갖는 편광판
82 : 45도 경사 방향의 광축을 갖는 λ/2 위상차판
90 : 수평 방향의 선형 편광 성분
91 : 45도 경사 방향의 투과축을 갖는 편광판
100 : 수평 방향의 선형 편광 성분
101 : 45도 경사 방향의 투과축을 갖는 편광판
102 : 22.5도 경사 방향의 광축을 갖는 λ/2 위상차판
110 : 편광 백라이트 장치
111 : 출사광 112 : 타원 편광
113 : 타원 편광의 장축이 가리키는 방향
114 : 타원 편광의 장축이 가리키는 방향 기준으로 설정한 기울임각
120 : 복수 개의 λ/4 위상차판을 겹친 복굴절 수단
130 : 다수개의 위상차판을 겹친 복굴절 수단
140 : 복굴절 수단
141 : 광굴절, 광집속 또는 광확산 기능의 기능성 필름 또는 시트
150 : 광원부 151 : 도광판
152 : 반사판
153 : 복굴절 수단을 포함하는 광학 필름 또는 시트