KR20120032776A - 와이어 그리드 편광자 및 이를 포함하는 백라이트유닛 - Google Patents

Abstract

본 발명은 와이어 그리드 편광자 및 이를 이용한 백라이트 유닛에 관한 것으로, 기판상에 적어도 1 이상의 제1격자 패턴을 구비한 제1격자층과 상기 제1격자 패턴의 상부에 금속재질로 형성되는 제2격자 패턴을 적어도 1 이상 구비하는 제2격자층을 포함하여 구성되되, 상기 제1격자층은 상기 기판보다 굴절지수가 낮은 고분자물질로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 기판 위에 형성되는 고분자층을 이용하여 절연성 제1격자패턴을 형성하고, 그 상부에 금속격자 패턴을 구현함으로써, 입사광의 광 각도에 따른 각 파장의 투과율을 제어하여 관찰 각도에 따른 색변화율을 최소화 수 있는 와이어 그리드 편광자를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

와이어 그리드 편광자 및 이를 포함하는 백라이트유닛{A WIRE GRID POLARIZER AND BACKLIGHT0UNIT UAING THE SAME}

본 발명은 입사광의 광 각도에 따른 각 파장의 투과율을 제어하여 색변화율을 최소화 수 있는 와이어 그리드 편광자와 이를 이용하에 제조되는 백라이트 유닛에 관한 것이다.

일반적으로, 편광자 혹은 편광 소자란 자연광과 같은 비편광된 빛 중에서 특정한 진동 방향을 갖는 직선 편광을 끌어내는 광학 소자를 의미한다. 광학소자 중의 한 종류인 와이어 그리드 편광자는 전도성 와이어 그리드(wire grid)를 이용하여 편광을 만들어낸 광학소자이다. 이는 다른 편광자에 비해 높은 편광분리성능을 갖기 때문에 오래전부터 적외선 영역의 파장대에 있어 유용한 반사형 편광자로 사용되어 왔다.

일반적으로, 입사되는 전자기파의 반 파장보다 금속 선 배열의 주기가 짧을 경우, 금속선과 평행한 편광 성분(s 파)은 반사되고 수직한 편광 성분(p 파)은 투과한다. 이 현상을 이용하면 편광 효율이 우수하고, 투과율이 높으며, 시야각이 넓은 평판 편광자(planar polarizer)를 제작할 수 있다. 이러한 소자를 선 격자 편광자 또는 와이어 그리드 편광자(wire grid polarizer)라고 한다.

도 1은 종래의 와이어그리드 편광자의 구조와 기능을 도시한 것으로, 일정한 주기(A)를 가지고 배치되는 일정 두께(h)의 금속격자(2)가 기판(1)상에 배열된 구조를 구비하며, 이러한 와이어 그리드 편광자의 미세 금속격자의 주기는 특히 가시광선 파장의 절반 이하로 제작하게 된다. 이러한 와이어 그리드 편광자는 입사광의 파장보다 충분히 작을 경우 비편광 상태의 빛이 입사될 때 전도성의 와이어 그리드와 직교하는 벡터를 가지는 성분, 즉 P 편광은 투과하고 와이어 그리드와 평행한 벡터를 가지는 성분, 즉 S 편광은 반사시키게 된다.

이러한 종래의 와이어 그리드 편광자는 기판상에 바로 미세 금속격자를 형성하여 반사형 편광판을 제작하였으나, 기판 위에 바로 형성된 미세 금속격자에 의하여 입사된 빛의 입사각이 커짐에 따라 입사광의 파장에 따른 투과율이 변화하게 되어 시야각에 따른 색구현이 제한되는 문제가 발생하였다.

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 기판 위에 형성되는 고분자층을 이용하여 절연성 제1격자패턴을 형성하고, 그 상부에 금속격자 패턴을 구현함으로써, 입사광의 광 각도에 따른 각 파장의 투과율을 제어하여 관찰 각도에 따른 색변화율을 최소화 수 있는 와이어 그리드 편광자를 제공하는 데 있다.

본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 기판상에 적어도 1 이상의 제1격자 패턴을 구비한 제1격자층; 상기 제1격자 패턴의 상부에 금속재질로 형성되는 제2격자 패턴을 적어도 1 이상 구비하는 제2격자층;을 포함하여 구성되되, 상기 제1격자층은 상기 기판보다 굴절지수가 낮은 고분자물질로 형성되는 와이어 그리드 편광자를 제공할 수 있도록 한다.

또한, 상기 제1격자패턴의 폭과 높이의 비율이 1:(0.2~5)를 만족할 수 있도록 한다. 특히 이 경우 상기 제1격자패턴의 폭은 10nm~200nm, 높이는 10nm~500nm의 범위를 만족하도록 구현할 수 있다. 아울러 상기 제1격자패턴의 주기는 100nm~250nm의 범위에서 구현할 수 있다.

상술한 구조의 본 발명에 따른 와이어 그리드 편광자를 구성하는 상기 제2격자 패턴은, 알루미늄, 크롬, 은, 구리, 니켈, 코발트 중 선택되는 어느 하나의 금속 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1격자패턴의 폭과 상기 제2격자패턴의 폭의 비율은 1:(0.2~1.5)의 범위를 만족하도록 구현할 수 있다.

이 경우 상기 제2격자패턴의 폭은 2nm~300nm에서 구현될 수 있다.

본 발명에 따른 와이어 그리드 편광자를 이용하여 아래와 같은 구조의 백라이트 유닛을 구현할 수 있다.

구체적으로는, 백라이트 유닛은 광원에서 출사한 광을 전방으로 유도하는 제1기판; 상기 제1기판의 상부에 배치되는 제2기판; 상기 제1기판 또는 제2기판의 상부면 또는 하부면에 배치되는 상술한 구조의 본 발명에 따른 와이어 그리드 편광자; 상기 제1기판의 하부에 배치되는 반사판;을 포함하여 구성될 수 있다.

특히, 이러한 백라이트 유닛을 구성하는 상기 제1기판은 확산, 도광, 집광 중 어느 하나 이상의 기능을 수행하는 기판 또는 광학시트일 수 있으며, 나아가 상기 제2기판의 두께는 10um~5mm로 구현될 수 있다.

본 발명에 따르면, 기판 위에 형성되는 고분자층을 이용하여 절연성 제1격자패턴을 형성하고, 그 상부에 금속격자 패턴을 구현함으로써, 입사광의 광 각도에 따른 각 파장의 투과율을 제어하여 관찰 각도에 따른 색변화율을 최소화 수 있는 와이어 그리드 편광자를 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 와이어그리드 편광자의 구조와 기능을 도시한 것이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 와이어 그리드 편광자의 구성을 개략적으로 도시한 사시도 및 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 와이어 그리드 편광자에서 절연체인 제1격자패턴의 높이에 따른 각 시야각의 각 파장별 투과율의 변화율에 대하여 시뮬레이션 한 결과를 도시한 것이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 발명은 기판 상에 형성되는 고분자의 절연체 층에 격자형상을 주기적으로 구현하여 큰 입사각에 따른 저파장의 투과율을 극대화하여 시야각 확장을 유도함으로써, 색변화율을 최소화할 수 있는 와이어 그리드 편광자를 제공하는 것을 요지로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 와이어 그리드 편광자의 주요 구성을 도시한 사시도이며, 도 3은 도 2의 단면도를 도시한 것이다.

도시된 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 와이어 그리드 편광자는 기판(110)상에 적어도 1 이상의 제1격자 패턴(121)을 구비한 제1격자층(120)과 상기 제1격자 패턴(121)의 상부에 금속재질로 형성되는 제2격자 패턴(130)을 적어도 1 이상 구비하는 제2격자층을 포함하여 구성되되,상기 제1격자층(120)은 상기 기판보다 굴절지수가 낮은 고분자물질로 형성되는 구조를 구비함이 바람직하다.

상기 기판(110)은 상기 기판으로는 가시광선을 투과시킬 수 있는 유리 기판, Quartz, 아크릴, PC 및 PET 등을 포함하는 다양한 고분자물질 등이 사용될 수 있다. 물론, 상기 기판은 일정 정도의 유연성을 가지는 광학용 필름기재를 이용할 수도 있다.

또한, 상기 기판(110)의 상부면에 적층되는 제1격자층(120)은 고분자 물질로 형성되되, 고분자 물질로 구성되는 제1격자층의 표면에는 일정한 주기를 가지는 돌출 패턴인 제1격자 패턴(121)이 형성됨이 바람직하다. 즉 상기 제1격자층(120)이란 폴리머로 형성되는 수지층의 표면에 일정한 주기를 가지는 돌출패턴인 제1격자 패턴(121)이 다수 구비된 층을 포함하는 것으로 정의한다. 특히 본 발명에 따른 상기 제1격자층(120)은 상기 기판(110)과 비교하여 굴절지수가 낮은 재료를 이용함이 더욱 바람직하다. 또한, 본 발명에 따른 상기 제1격자패턴(121)은 상기 제1격자패턴의 폭과 높이의 비율이 1:(0.2~5)를 만족하도록 구현함이 바람직하며, 상기 제1격자패턴의 폭(w)은 10nm~200nm, 높이(h1)는 10nm~500nm의 범위를 만족하도록 구현함이 바람직하다. 또한, 상기 제1격자패턴의 주기는 100nm~250nm의 범위에서 구현될 수 있다.

상기 제2격자층(130)은 상기 제1격자 패턴(121)의 상부에 형성되는 금속격자패턴인 제2격자 패턴(130)을 다수 구비한 구조를 하나의 층(layer)으로 포괄하여 통칭하는 것으로 정의한다. 상기 제2격자패턴(130)은 금속재질의 미세 돌출패턴이 일정한 주기를 가지고 배열되는 구조를 구비하며, 특히 제1격자패턴(121)의 상부면에 증착 등의 공정으로 형성되는 돌출구조물로, 알루미늄, 크롬, 은, 구리, 니켈, 코발트 중 선택되는 어느 하나의 금속 또는 이들의 합금을 이용하여 형성할 수 있다. 여기에서 주기란 하나의 금속격자패턴(제2격자 패턴)과 이웃하는 금속격자패턴(제2격자패턴)의 거리를 의미한다.

또한, 상기 제2격자패턴(130)의 단면의 형상은 사각형, 삼각형, 반원형 등 다양한 구조를 가질 수 있고, 삼각형, 사각형, 사인파 등의 형태로 패턴된 기판 위 일부에 형성된 금속 선 형태를 가질 수도 있다. 즉, 단면의 구조에 관계없이 한쪽 방향으로 일정한 주기를 갖고 길게 늘어선 금속 선 격자를 형성한 것은 모두 사용될 수 있다. 이 경우 주기는 사용하는 빛의 파장의 반 이하가 될 수 있으며,

따라서 그 주기는 100nm~250nm의 범위에서 형성될 수 있다. 또한, 바람직한 본 발명의 실시예에서는 상기 제2격자패턴(130)의 폭과 높이의 비율의 1:(0.5~1.5)로 구현할 수 있다. 특히, 상기 제1격자패턴의 폭과 상기 제2격자패턴의 폭의 비율은 1:(0.2~1.5)의 범위에서 형성할 수 있으며, 구체적으로는 상기 제2격자패턴의 폭은 2nm~300nm의 범위에서 구현될 수 있다.

나아가, 본 발명에 따른 와이어 그리드 편광자에서는 각각 이 두 개의 격자 (제1 및 제2격자패턴)의 높이와 폭에 따라 투과율을 조절할 수 있다. 동일 피치에서 격자 폭이 넓어지면 투과율은 낮아지고 편광 소멸비는 높아지게 되는바, 최대의 편광 효율을 확보하기 위해서는 피치가 감소할수록 편광 특성이 증가되며, 동일 격자 간의 거리 및 동일 격자의 폭으로 형성할 경우에 격자 높이가 증가할수록 편광 특성이 증가되며, 동일 격자 간의 거리 및 동일 격자의 높이로 형성할 경우에 격자의 폭이 증가할수록 편광 특성이 향상된다. 이 경우 본 발명에서의 상기 제2격자패턴의 폭에 (0.2~1.5)배의 폭을 구비하도록 제1격자의 폭을 조절함이 바람직하다.

도 4는 본 발명에 따른 와이어 그리드 편광자에서 절연체인 제1격자패턴의 높이에 따른 각 시야각의 각 파장별 투과율의 변화율에 대하여 시뮬레이션한 결과를 도시한 것이다.

즉, (a)는 파장 0nm 에 따른 각 시야각의 각 파장별 투과율의 변화율, (b)~(f)의 경우, 50, 100,1150, 200, 300nm에서의 각각의 에 따른 각 시야각의 각 파장별 투과율의 변화율을 나타낸 것이다.

나타난 결과를 종합하면 절연체층인 제1격자패턴을 구비한 제1격자층이 없는 경우에는 정면에서의 R, G,B는 균일하게 나오기 때문에 높은 색구현율을 보이나, 시야각이 증가함에 따라서는 B(blue)광의 투과율이 낮아지기 때문에 색 구현율이 극히 떨어지게 된다. 따라서 본 발명에 따른 제1격자 패턴의 높이를 다르게 함에 따른 Blue 파장의 투과율을 확인한 결과, 투과율이 점차 높아지며 약 200nm의 제1격자패턴의 높이에서 투과율이 최대화되어 색구현율이 높일 수 있음을 확인할 수 있다.

이러한 본 발명에 따른 와이어 그리드 편광자를 이용하여 백라이트 유닛을 구현할 수 있다. 즉, 광원과 도광판, 광학시트를 포함하는 일반적인 백라이트 유닛의 구조에 본 발명에 따른 와이어 그리드 편광자를 1개 또는 2개 이상 포함하도록 하는 구조의 백라이트 유닛을 형성할 수 있게 된다.

상술한 도 2의 구조의 본 발명에 따른 와이어 그리드 편광자는 기판의 한쪽면에만 제1 및 제2 격자패턴을 구현한 경우이나, 양면에 동일한 구조를 구현하고 표면처리층을 구현하는 구조로 구현할 수 있음은 물론이다.

즉, 일반적인 백라이트 유닛의 구조로서, 광원에서 출사한 광을 전방으로 유도하는 제1기판을 구비할 수 있으며, 상기 제1기판의 상부에 배치되는 제2기판을 구비할 수 있다. 상기 제1기판은 도광, 확산, 집광 중에서 어느 하나 이상의 기능을 수행하는 기능을 수행할 수 있다. 또한 상기 제2기판은 확산, 프리즘 기능을 수행하는 기능을 수행할 수 있으며, 제2기판의 경우 두께가 10um~5mm의 범위에서 구현되며, 가시광선의 투과율은 75% 이상을 구비함이 바람직하다.

이러한 기본 구조에 상기 제1기판 또는 제2기판의 상부면 또는 하부면에 본 발명에 따른 와이어 그리드 편광자가 배치될 수 있으며, 나아가 상기 제1기판의 하부에 배치되는 반사판을 더 포함할 수 있다.

특히 와이어 그리드 편광자가 2개 이상 배치되는 경우에는 각각의 와이어 그리드 편광자의 금속격자패턴의 금속물질은 서로 상이한 것을 이용할 수도 있다.

나아가, 본 발명에 따른 와이어 그리드 편광자는 상술한 백라이트 유닛이 적용된 액정표시장치에 이용될 수 있으며, 나아가 3차원 입체영상을 구현할 수 있는 디스플레이 장치에도 적용되어 높은 휘도와 신뢰도를 구현할 수 있는 범용성이 있다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

110: 기판
120: 제1격자층
121: 제1격자 패턴
130: 제2격자 패턴

Claims (10)

1. 기판상에 적어도 1 이상의 제1격자 패턴을 구비한 제1격자층;
   상기 제1격자 패턴의 상부에 금속재질로 형성되는 제2격자 패턴을 적어도 1 이상 구비하는 제2격자층;을 포함하여 구성되되,
   상기 제1격자층은 상기 기판보다 굴절지수가 낮은 고분자물질로 형성되는 와이어 그리드 편광자.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1격자패턴의 폭과 높이의 비율이 1:(0.2~5)를 만족하는 와이어 그리드 편광자.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제1격자패턴의 폭은 10nm~200nm, 높이는 10nm~500nm의 범위를 만족하는 와이어 그리드 편광자.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제1격자패턴의 주기는 100nm~250nm인 와이어 그리드 편광자.
   
5. 청구항 2에 있어서,
   상기 제2격자 패턴은,
   알루미늄, 크롬, 은, 구리, 니켈, 코발트 중 선택되는 어느 하나의 금속 또는 이들의 합금으로 형성되는 와이어 그리드 편광자.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 제1격자패턴의 폭과 상기 제2격자패턴의 폭의 비율은 1:(0.2~1.5)인 와이어 그리드 편광자.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 제2격자패턴의 폭은 2nm~300nm인 와이어 그리드 편광자.
   
8. 광원에서 출사한 광을 전방으로 유도하는 제1기판;
   상기 제1기판의 상부에 배치되는 제2기판;
   상기 제1기판 또는 제2기판의 상부면 또는 하부면에 배치되는 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항의 와이어 그리드 편광자;
   상기 제1기판의 하부에 배치되는 반사판;을 포함하는 백라이트 유닛.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 제1기판은,
   확산, 도광, 집광 중 어느 하나 이상의 기능을 수행하는 기판 또는 광학시트인 백라이트 유닛.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2기판의 두께는 10um~5mm인 백라이트 유닛.

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