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문제 정의
- 설계된 복합필름은 BLU에서 확산판이 가지고 있는 확산기능과 프리즘 시트 2장이 가지고 있는 집광기능을 동시에 갖는 새로운 형태로 막대형 프리즘 위에 원통렌즈를 붙인 1차원 배열형태의 복힙필름의 구조를 제안하고 설계한다. 그리고 PET(polyethylene-terephthalate) 기판 위에 이러한 복합필름을 그대로 붙인 직하형 BLU에 사용하는 일체형 복합필름의 광학적 성능에 대한 시뮬레이션을 하고자 한다. 이를 위하여 대각선 크기가 10인치인 일체형 복합필름에 대한 직하형 BLU의 구조를 선택하여 각각의 광휘도 분포와 광효율을 조명광학용 설계 프로그램으로 시뮬레이션한다.
- 본 논문에서는 BLU에 사용할 수 있는 저가이면서 복합적인 기능을 낼 수 있는 복합필름을 연구하였다. 설계된 복합필름은 BLU에서 확산판이 가지고 있는 확산기능과 프리즘 시트 2장이 가지고 있는 집광기능을 동시에 갖는 새로운 형태로 막대형 프리즘 위에 원통렌즈를 붙인 1차원 배열형태의 복힙필름의 구조를 제안하고 설계한다.
- 이러한 새로운 복합필름의 구조를 이해하기 위하여 프리즘 시트의 광경로를 간단히 살펴본 후, 그 문제점 및 장점을 파악하고 이를 극복하고자 새로 제안된 일체형 복합필름의 광경로를 추적하여 일체형 복합필름의 원리를 이해하고자 한다.
가설 설정
- 그러나 좌측에서 기울어져서 입사한 광은 매우 큰 각도를 가지고 출사하게 되어 출사광의 side lobe 분포에 대한 주요 원인이 된다. 본 논문에서 제안하고자 하는 일체형 복합필름의 경우 막대형 프리즘 위에 원통렌즈를 붙여 일차원적으로 배열된 형태로 (그림 2(b)), 수직으로 입사한 광들은 프리즘 형태의 부분에서는 100% 전반사하여 되돌아가지만 원통렌즈 부분에서는 100% 전반사되지 않고 출사된다. 이 결과 프리즘 시트에 의해서 생기는 손실과 효율을 줄일 수 있으며, 좌측에서 기울어져서 들어가는 입사광의 경우 큰 각도를 가지고 출사하는 광들이 없으므로 출사굉.
- 38 mm이다. 그리고 광원은 균일한 휘도를 갖는 램버시안(Lam-bertian) 형태인 직경 3 nun의 Cold Cathode Fluorescent Lamp (CCFL)< 균일하게 6개를 놓는 것으로 가정하였다.
제안 방법
- viewer(그림 5(b))를 사용하여 10인치 크기의 일체형 복합필름의 2차원 면에서 생기는 광휘도(luminance)의 굉효율, 평균 광휘도 균일도 등을 살펴보았다. 그리고 BLU에서의 공간적으로 퍼져나가는 발산각도별 분포인 angular luminance line chart(그림 5(c))와 BLU의 전면에서 바라본 발산 각도에 따른 광휘도분포를 나타내는 angular luminance 3D raster chart(그림 5(d))로부터 발산각도에 따른 공간적 분포 및 균일도를 살펴보았다.
- 그리고 BLU에서의 공간적으로 퍼져나가는 발산각도별 분포인 angular luminance line chart(그림 5(c))와 BLU의 전면에서 바라본 발산 각도에 따른 광휘도분포를 나타내는 angular luminance 3D raster chart(그림 5(d))로부터 발산각도에 따른 공간적 분포 및 균일도를 살펴보았다. 광효율은 CCFL의 초기 광휘도를 100% 로 놓고 최종 출사된 광휘도를 보고 구하였으며, 균일도는 raster chart와 luminance chart들을 이용하여 계산한다.
- 여기서 직하형 BLU의 크기를 10인치에 맞춘 것은 앞서 언급한 바와 같이 일체형 복합필름에 대한 성능 파악에 최대의 목적이 있으므로, 여러 변수를 적용시켜서 빠른 결과 값을 얻기 위하여 조절한 크기이다. 그런 뒤에 최적의 조건을 구한 후, 이 조건에서 32인치 크기에 대한 시뮬레이션 결과를 최종적으로 살펴본다. 그러므로 일체형 복합필름의 피치와 피치간격에 따라서 복합필름의 일차적인 배열의 개수가 10인치에 맞춰서 정해진다.
- 여기서 복합필름의 총 높이의 반은 프리즘으로 이루어져 있고, 그 위에 같은 높이로 원통 렌즈가 올라가도록 하였다. 그리고 전체적인 BLU의 종류는 직하형 BLU를 선택하였으며, CCFL에서 나온 빛은 반사판을 맞고 반사하여 일차원으로 배열된 일체형 복합필름을 통과하도록 하였다. 반사판의 형태는 V-Shape의 형태로 그림 4 에 형상을 나타내고 있다.
- 그리하여 일체형 복합필름의 성능 중 광휘도 와 광휘도 분포, 광효율에 영향을 줄 수 있는 변수들을 그림 3에 나타내었다. 그림 3은 일체형 복합필름에 영향을 주는 변수를 설정해 놓은 것으로 프리즘원통렌즈 막대들 간의 간격인 피치(pitch)와 이 막대들 간의 빈공간의 넓이인 피치 간격(pitch distance), 프리즘 구조부분의 밑변각인 프리즘각 (prism angle), 원통렌즈의 곡률반경, 이 막대의 높이를 변수로 설정하였다. 첫 번째 피치는 복합필름의 마루 중심에서 다음 마루 중심까지의 거 리를 말하며 81.
- 그림 5와 그림 6의 결과로부터 구한 최적의 조건인 피치 141.3 ㎛, 피치간격 5 ㎛, 프리즘각 46°, 막대높이 35 ㎛에서 32인치 크기의 BLU에 대한 광학적 성능을 조사하였다. 그 밖의 조건은 앞에서 언급하였던 것과 같이 동일하게 진행하였으며, 32인치 BLU에서는 CCFL의 개수만 6개에서 16개로증가시켰다.
- 또한 기존에 연구, 개발되고 있는 것을 바탕으로 일체형 복합필름에 대한 시뮬레이션을 추가적으로 비교 분석하였으며, 비교 분석 대상으로는 참고문헌 [13]에서 제시한 MLA (Microlens Array)에 대한 시뮬레이션 결과를 참고하여 비교하였다. MLA의 형상은 그림 9(a)에 나타내었는데 Miq는 타원형 구조로 되어 있으며 수평 50 ㎛, 수직 150 ㎛로 설정하여 Array가 이루어진 구조이다.
- 또한 일체형 복합필름이 일반적인 BLU에서 사용하는 확산 시트와 프리즘 시트의 기능을 동시에 하거나 혹은 프리즘 시트의 기능만을 대체하는지를 살펴보기 위하여 일반적인 10인치 크기의 확산시트와 프리즘 시트를 가지고 BLU를 설계하였다. 확산시트의 구조와 형상은 참고문헌 [13]을 바탕으로 설계하였다.
- 반사판의 형태는 V-Shape의 형태로 그림 4 에 형상을 나타내고 있다. 반사판의 형상과 특성은 참고논문 [H], [(2), [13]을 참고하여 설계하였으며, 10인치의 BLU 구조에 반사판과 일체형 복합필름의 떨어진 거리 12 mm로 박형화와 최적의 성능을 갖도록 설정하였다. 이때 반사판의 반사 효율은 95%로 설정하였다.
- 기능을 낼 수 있는 복합필름을 연구하였다. 설계된 복합필름은 BLU에서 확산판이 가지고 있는 확산기능과 프리즘 시트 2장이 가지고 있는 집광기능을 동시에 갖는 새로운 형태로 막대형 프리즘 위에 원통렌즈를 붙인 1차원 배열형태의 복힙필름의 구조를 제안하고 설계한다. 그리고 PET(polyethylene-terephthalate) 기판 위에 이러한 복합필름을 그대로 붙인 직하형 BLU에 사용하는 일체형 복합필름의 광학적 성능에 대한 시뮬레이션을 하고자 한다.
- 결국 시야각이 줄면서 정면휘도는 증가함을 확인하였다. 시뮬레이션의 결과를 바탕으로 일체형 복합필름을 실제로 정교하게 제작하였으며, 추후에 본 논문의 조건에 따라 제작된 일체형 복합필름을 광원과 결합시킨 BLU의 광학적 성능을 측정하여 예측했던 값과 서로 비교하고자 한다.
- 이때 반사판의 반사 효율은 95%로 설정하였다. 이 시뮬레이션에서 실제 제작을 고려하여 일체형 복합필름의 PET 기판 굴절률을 1.58로 그리고 복합필름의 굴절률은 1.57로 설정하였으며, 일체형 복합필름의 두께는 PET 기판의 두께인 188 ㎛를 포함하여 200~ 250 ㎛가 되며, CCFL과 반사판까지를 포함한 BLU의 총 두께는 약 15 mm가 되도록 하였다.
- 확산시트의 구조와 형상은 참고문헌 [13]을 바탕으로 설계하였다. 이때 프리즘 시트는 피치가 90 ㎛이고 프리즘의 꼭지각이 90°이며, 이 프리즘 시트 두 장을 수직과 수평 방향으로 각각 놓고 시뮬레이션을 진행하였다. 이 결과는 직접적으로 본 논문에서 제시하지 않았지만 일반적으로 잘 알려져 있는 바와 같이 LCD TV에서는 수직으로 50°이고 수평으로 68°를 가진다.
- 그리고 프리즘 시트는 확산 판을 지나면서 떨어진 광 휘도를 다시 앞 방향으로 집광 시켜 휘도를 높여준다. 이러한 두 기능을 한 장의 복합필름으로 구성하면서 성능을 향상시키기 위하여 확산판과 프리즘 시트를 한 장으로 구성하는 일체형 복합필름을 제안한다.
- 그리고 PET(polyethylene-terephthalate) 기판 위에 이러한 복합필름을 그대로 붙인 직하형 BLU에 사용하는 일체형 복합필름의 광학적 성능에 대한 시뮬레이션을 하고자 한다. 이를 위하여 대각선 크기가 10인치인 일체형 복합필름에 대한 직하형 BLU의 구조를 선택하여 각각의 광휘도 분포와 광효율을 조명광학용 설계 프로그램으로 시뮬레이션한다. 그 후 이 최적의 조건들 아래에서 32인치 크기의 일체형 복합필름의 성능도 살펴본다.
- 그림 3은 일체형 복합필름에 영향을 주는 변수를 설정해 놓은 것으로 프리즘원통렌즈 막대들 간의 간격인 피치(pitch)와 이 막대들 간의 빈공간의 넓이인 피치 간격(pitch distance), 프리즘 구조부분의 밑변각인 프리즘각 (prism angle), 원통렌즈의 곡률반경, 이 막대의 높이를 변수로 설정하였다. 첫 번째 피치는 복합필름의 마루 중심에서 다음 마루 중심까지의 거 리를 말하며 81.3 ㎛에서 141.3 ㎛까지 10 ㎛씩 변화시켜가면서 이것이 광의 경로에 어떠한 영향을 미치는지 알아보았다. 피치간격은 피치에 공간을 두어 제작상의 편의를 두기 위해서 설정하였으며 이 간격은 각각 5 ㎛와 10 ㎛로 설정하였다.
- 그림 2. 프리즘 시트와 일체형 복합필름의 광경로 비교.
- 3 ㎛까지 10 ㎛씩 변화시켜가면서 이것이 광의 경로에 어떠한 영향을 미치는지 알아보았다. 피치간격은 피치에 공간을 두어 제작상의 편의를 두기 위해서 설정하였으며 이 간격은 각각 5 ㎛와 10 ㎛로 설정하였다. 프리즘각은 35#에서 50#까지 5#씩 변화를 주었다.
대상 데이터
- 프리즘각은 35#에서 50#까지 5#씩 변화를 주었다. 그리고 기판의 높이는 188 ㎛로 정하였다. 시뮬레이션을 하고자 하는 일체형 복합필름의 크기는 컴퓨터와 프로그램의 성능 한계로 인하여 대각선 길이가 10인치인 크기로 가로길이와 세로길이 각각 124.
- 그리고 기판의 높이는 188 ㎛로 정하였다. 시뮬레이션을 하고자 하는 일체형 복합필름의 크기는 컴퓨터와 프로그램의 성능 한계로 인하여 대각선 길이가 10인치인 크기로 가로길이와 세로길이 각각 124.52 mm와 221.38 mm이다. 그리고 광원은 균일한 휘도를 갖는 램버시안(Lam-bertian) 형태인 직경 3 nun의 Cold Cathode Fluorescent Lamp (CCFL)< 균일하게 6개를 놓는 것으로 가정하였다.
이론/모형
- 확산시트의 구조와 형상은 참고문헌 [13]을 바탕으로 설계하였다. 이때 프리즘 시트는 피치가 90 ㎛이고 프리즘의 꼭지각이 90°이며, 이 프리즘 시트 두 장을 수직과 수평 방향으로 각각 놓고 시뮬레이션을 진행하였다.
성능/효과
- 한 프리즘 시트로 인해서 발생되었던 side lobe를 원통렌즈를 일차원으로 배열함으로써 side lobe를 없앨 수 있었으며, 이 결과 프리즘 시트에 의해서 발생되었던 손실이 줄어들어 광효율이 높아졌다. 일체형 복합필름의 광효율은 피치가 141.
- 그림 8(a)와 (b)로부터 광효율은 40.45%라는 것을 알 수 있는데, 복합필름을 한 장 사용했을 때의 결과보다는 효율이 떨어지지만 프리즘 시트와 확산시트를 결합한 일반적인 BLU 의 광효율보다는 높다는 것을 알 수 있다. 또한 프리즘 시트에 의해서 생겼던 side lobe가 발생하지 않음을 확인하였다.
- 3%로 높아졌음을 시뮬레이션 결과로 확인하였다. 결과적으로 기존 복합필름의 한 종류인 MLA구조의 BLU와 비교하여 시야 각도별 광휘도 분포가 크게 차이가 나타나지 않았다. 또한 그림 10 에서 일체형 복합필름을 한 장 사용한 것보다 두 장을 결합한 구조에서 시야각이 줄어들었음 볼 수 있다.
- 이 결과 보통 프리즘 시트보다 더 넓은 각도에서 높은 광효율과 광휘도 분포가 나왔으며, 프리즘 시트에 의해서 생기던 side lobe의 손실이 거의 없음을 알 수 있다. 그러나 일차원으로 배열된 구조물의 피치가 줄어들면 전체 면적에서 피치간격이 차지하는 면적의 비율이 상대적으로 커지게 되므로 광효율이 줄어들게 되어, 평균 광휘도 값과 광효율이 피치가 141.3㎛일 때보다 3%~4% 정도 떨어졌으며 균일도와 광휘도는 5%~7% 떨어졌다.
- 또한 프리즘 시트에서 좌우 80° 방향의 전 후에서 강한 side lobe가 발생함을 알 수 있었는데, 이러한 현상은 그림 2(a)에서 보여준 프리즘 시트에 대한 광 경로에서 예측한 결과이다. 그리고 확산 시트에 의한 광손실과 프리즘 시트에 의한 광손실로 인한 광효율이 39.69% 정도 감소함을 알 수 있었다.
- 비교하여 동등한 수준의 광휘도를 나타내었다. 또한 수평 방향에 대해서는 100° 이상의 넓은 시야각을 나타냄을 확인하였다. 일체형 복합필름을 두 장 사용한 구조에서는 프리즘 -원통렌즈 막대의 배열이 서로 직교되게 배치함으로써 수평 방향으로 퍼졌던 광을 중앙으로 집중 시켜주는 역할을 하였으며, 이것의한 가지 결과로 일체형 복합필름을 한 장 사용하였을 때 생겼던 휘선을 제거할 수 있었다 그러나 광 효율 측면에서는 일체형 복합필름을 한 장 사용한 결과보다 오히려 10% 감소하였다.
- 45%라는 것을 알 수 있는데, 복합필름을 한 장 사용했을 때의 결과보다는 효율이 떨어지지만 프리즘 시트와 확산시트를 결합한 일반적인 BLU 의 광효율보다는 높다는 것을 알 수 있다. 또한 프리즘 시트에 의해서 생겼던 side lobe가 발생하지 않음을 확인하였다. 그림 8(c)와 (d)로부터는 프리즘 시트를 사용하는 일반적인 BLU와 같이 광휘도 분포가 중앙부분에 집중되어 있지만 약간 더 넓게 퍼져있으면서 일반적인 BLU보다 일체형 복합필름의 광휘도 분포가 수직과 수평 방향에 대해서 거의 같은 각도로 퍼져 나감을 알 수 있다.
- 5#의 각도로 퍼지는 것을 알 수 있으며, 중앙부분의 광휘도 값이 밀집되어 높은 광휘도 값을 갖는다는 것을 알 수 있다. 이 결과 보통 프리즘 시트보다 더 넓은 각도에서 높은 광효율과 광휘도 분포가 나왔으며, 프리즘 시트에 의해서 생기던 side lobe의 손실이 거의 없음을 알 수 있다. 그러나 일차원으로 배열된 구조물의 피치가 줄어들면 전체 면적에서 피치간격이 차지하는 면적의 비율이 상대적으로 커지게 되므로 광효율이 줄어들게 되어, 평균 광휘도 값과 광효율이 피치가 141.
- 이를 일체형 복합필름을 1장만 사용한 경우(그림 5(c))와 일체형 복합필름 2장을 서로 수직으로 겹쳐서 사용한 경우(그림 8(c))와비교하였다. 이 결과 수직 방향에 대한 광휘도 분포는 세 조건에서 거의 비슷한 분포를 가지고 있음을 알 수 있었다. 그리고 수평 방향에 대한 광휘도 분포는 일체형 복합필름을 한 장 사용한 구조가 100°이상으로 넓은 광휘도 분포를 가지는데, 이는 BLU에 확산의 기능이 첨가되어 수평 방향으로 광휘도 분포가 넓게 퍼지기 때문이다.
- 그림 7이 이 결과로 (a), (b), (c), (d)는 각각 spatial luminance raster chart, spatial luminance viewer, angular luminance line chart, angular luminance 3D raster chart이다. 이로부터 32인치 BLU의 광효율은 53.2%, 균일도는 81.2%, 발산각은 수직으로 97.5°이고 수평으로 128.5°라는 것을 알 수 있다. 이 결과는 그림 5의 10인치 크기의 BLU에 대한 결과와 비교해 볼 때 평균 광휘도와 광효율, 광휘도 분포 면에서는 비슷하였다.
- 그리고 수평 방향에 대한 광휘도 분포는 일체형 복합필름을 한 장 사용한 구조가 100°이상으로 넓은 광휘도 분포를 가지는데, 이는 BLU에 확산의 기능이 첨가되어 수평 방향으로 광휘도 분포가 넓게 퍼지기 때문이다. 일체형 복합필름을 2장 사용한 구조와 MLA의 결과는 수직 방향과 수평 방향에 대해서 광휘도 분포가 별 차이없이 균일하게 분포함을 알 수 있었으며, 일체형 복합필름을 한 장 사용하였을 경우에 나타났던 휘선이 없어졌음을 또한 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 MLA를 사용한 경우(그림 9(b)), 일체형 복합필름을 1 장만 사용한 경우(그림 5(c)), 일체형 복합필름 2장을 서로 수직으로 겹쳐서 사용한 경우(그림 8(c))의 (a) 수직 방향과 (b) 수평 방향의 발산각에 대한 광휘도 분포를 정량적으로 살펴본 그림 10에서 보다 자세하게 알 수 있다.
- #한 프리즘 시트로 인해서 발생되었던 side lobe를 원통렌즈를 일차원으로 배열함으로써 side lobe를 없앨 수 있었으며, 이 결과 프리즘 시트에 의해서 발생되었던 손실이 줄어들어 광효율이 높아졌다. 일체형 복합필름의 광효율은 피치가 141.3 # 피치간격 5 ㎛, 프리즘각 46°, 막대높이 35 ㎛라는 최적 조건 하에서 약 50%~53.5%의 높은 광효율을 나타내었으며, 확산시트와 프리즘 시트가 결합하여 얻은 결과보다 광 효율이 약 30%가 높았다.
- 조명광학 설계 프로그램으로 일체형 복합필름을 형상화하여 구성한 BLU의 광학적 성능을 조사한 결과 광휘도 분포는 중앙 부분에서 높은 휘도 값을 보였으며 프리즘 시트를 넣는 일반적인 BLU와 비교하여도 중앙의 광휘도 집광 특성이 매우 잘 나타났으며, 프리즘 시트보다는 좀 더 넓은 발산 각도를 가지고 광휘도가 분포하는 것을 확인하였다. #한 프리즘 시트로 인해서 발생되었던 side lobe를 원통렌즈를 일차원으로 배열함으로써 side lobe를 없앨 수 있었으며, 이 결과 프리즘 시트에 의해서 발생되었던 손실이 줄어들어 광효율이 높아졌다.
- 특히 일체형 복합필름을 한 장을 사용한 구조에 대한 결과를 살펴보면, 복합필름의 반을 차지하는 원통렌즈로 인하여 프리즘 시트 때문에 발생하였던 side lobe가 사라졌으며 손실 자체가 줄어들어 높은 광효율과 프리즘을 사용했을 경우와 비교하여 동등한 수준의 광휘도를 나타내었다. 또한 수평 방향에 대해서는 100° 이상의 넓은 시야각을 나타냄을 확인하였다.
- 이러한 현상은 반사판의 위치를 조절하거나 CCFL의 수의 증가 혹은 추가적인 광학시트를 결합함으로써 해결할 수 있는 문제이며, 일체형 복합필름의 경우에는 두 장을 사용하여 (직교) 배치하면 CCFL의 휘선이 제거 되는 것을 그림 8에서 보면 알 수 있다. 프리즘 각도가 46°일 때 균일도가 가장 좋았으며, 광효율은 52%~53.5%로 높게 나왔고 균일도도 81.7%~ 83.5%로 높게 나왔다.
- 일체형 복합필름을 두 장 사용한 구조에서는 프리즘 -원통렌즈 막대의 배열이 서로 직교되게 배치함으로써 수평 방향으로 퍼졌던 광을 중앙으로 집중 시켜주는 역할을 하였으며, 이것의한 가지 결과로 일체형 복합필름을 한 장 사용하였을 때 생겼던 휘선을 제거할 수 있었다 그러나 광 효율 측면에서는 일체형 복합필름을 한 장 사용한 결과보다 오히려 10% 감소하였다. 하지만 휘도 균일도는 82.3%로 높아졌음을 시뮬레이션 결과로 확인하였다. 결과적으로 기존 복합필름의 한 종류인 MLA구조의 BLU와 비교하여 시야 각도별 광휘도 분포가 크게 차이가 나타나지 않았다.
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