[논문]레이저 가공에 의한 백라이트 도광판 성능 향상

김영섭; 김태훈; 박소희; 최영희; 최은서; 신용진

문제 정의

도광판이 균일한 산란을 유도하기 위한 방법으로는 도광판 표면에 도료 인쇄 방법을 이용하여 표면에 패터닝하는 인쇄방식, 패턴이 형성된 금형을 이용하여 표면에 패터닝 하는 사출방식 및 V자형의 커터를 이용하여 표면 패터닝하는 V커팅방식 등 2차원적인 패터닝만이 적용1,2)되고 있으나, 이는 온도나 습도에 약할 뿐만 아니라 많은 제작비용이 소요되는 문제점을 안고 있다. 따라서 본 연구에서는 도광판에 산란을 유도하는 패턴을 구성하는 각각의 산란체 설계와 이러한 산란체들로 구성된 3차원 패턴에 대한 효율을 실험적으로 측정하였다. 본 논문을 통해서 레이저로 만들어진 3차원적인 패터닝의 응용에 대한 새로운 연구결과를 제시하고 사용된 방법에 의해 효율이 향상된 도광판 제작이 가능함을 보이고자 한다.
따라서 본 연구에서는 도광판에 산란을 유도하는 패턴을 구성하는 각각의 산란체 설계와 이러한 산란체들로 구성된 3차원 패턴에 대한 효율을 실험적으로 측정하였다. 본 논문을 통해서 레이저로 만들어진 3차원적인 패터닝의 응용에 대한 새로운 연구결과를 제시하고 사용된 방법에 의해 효율이 향상된 도광판 제작이 가능함을 보이고자 한다.
본 연구는 예비 실험을 통해 결정된 3차원산란 요소와 이를 적용한 3차원적 패턴을 제작하기 위해 PMMA 샘플 내부에 engraving 기법을 이용하여 균열 마크를 형성하였다. 도광판 제작에 사용된 시료는 크리스탈과 물성이 비슷한 PMMA(Poly Methyl Metha Actylate)로 50x40x5 mm의 크기로 투과율 92.

제안 방법

3차원 상용 프로그램에 의해 설계된 7가지3차원 패턴을 시료 내부에 Engraving 가공시스템을 이용하여 가공한 후 면휘도 측정기로 각 패턴에 따른 평균 밝기와 밝기 분포를 측정하였다. 그림 7은 균일한 요소 밀도를 갖는 PMMA 도광판 제작에 있어 면의 밝기분포를 보여주고 있다.
약 50 ㎛의 마킹 포인트를 형성하였고 xy moving stage 를 사용하여 수평 방향의 마킹 포인트 위치를 제어하였다3,4). 또한 시료 표면에서의 손상이 없이 내부에만 마킹 포인트를 생성하기 위해 1.8배의 output telescope# 사용하여 beam divergence를 보상하면서 직경 5mm 의 빔으로 확대 시킨 후 초점 거리가 잟은 렌즈를 위치시켜 시료 내부에 집속시켰다. 집속된 레이저 빔에 의해 형성된 마킹 포인트는 그림 3과 같은 직경 50 ㎛의 미소점을 생성하였고 직경 약 100 ㎛의 균열을 만들었다.
본 연구를 통하여 2차원적인 표면 패터닝만을 고려하던 도광판과는 달리 패턴을 이루는 각각의 요소 설계 및 디자인된 3차원 패턴의 레이저 마킹을 통한 새로운 형태의 도광판을 제시하였다. 3차원 입체 패터닝 제작에 레이저 engraving 기법을 적용하여 빛이 진행하는 도광판 내부의 경로에 직접 산란 체를 형성시킴으로써 기존의 도광판보다 평균 밝기는 약 30%, 밝기 분포의 균일성은 약 50% 이상 향상된 결과를 측정하였다.
각각의 미세 마킹 포인트를 생성하기 위하여 초점 거리 43 mm인 초점렌즈를 z축 방향으로 이동하게 하여 샘플내부 임의의 점에서의 초점의 위치를 제어할 수 있도록 되어있다. 약 50 ㎛의 마킹 포인트를 형성하였고 xy moving stage 를 사용하여 수평 방향의 마킹 포인트 위치를 제어하였다3,4). 또한 시료 표면에서의 손상이 없이 내부에만 마킹 포인트를 생성하기 위해 1.
각각의 패턴은 전자의 경우 기존의 도광판 제작 방법과 같은 표면 사각 패턴, 내부 사각 3차원 경사패턴, 내부곡선 3차원 경사패턴 및 내부 사각3차원 경사 배열 패턴으로 배열하였으며, 후자의 경우 전자의 패턴에서 표면 사각 패턴만을 배제하고 동일한 3차원의 패턴을 형성하였다. 이렇게 형성된 밀도가 다른 산란체를 이용하는 패턴은 광원부에서부터 거리가 멀어질수록 마킹 포인트 간의 거리가 310 ㎛에서 150 ㎛까지 일정한 비율로 바뀌도록 하였고 각각의 패턴의 평면을 형성하도록 마킹 포인트를 배열하였다. 그림 5는 그림 4에서 보이는 패턴들에 따라 도광판 내부에 형성된 패턴 구성 요소들을 보이고 있다.
제시된 패턴의 형태로 레이저 가공된 도광판의 밝기의 효율과 분포 측정은 그림 6과같은 면휘도 측정기 (Radiant Imaging, USA) 를 사용하여 정해진 면적에 대한 휘도를 연속적으로 측정하였다.

대상 데이터

형성하였다. 도광판 제작에 사용된 시료는 크리스탈과 물성이 비슷한 PMMA(Poly Methyl Metha Actylate)로 50x40x5 mm의 크기로 투과율 92.7%, 흡수율 0.25%, 굴절률 1.49의 물성을가진다. 사용한 광원은 3.
49의 물성을가진다. 사용한 광원은 3.5 Im의 광량과 30° 시야각을 가진 LED(Superflux, USA) 3개를 사용하였고 그림 1과 같이 제작된 샘플에 위치시켰다. 도광판을 가공하는데 Q-switched Nd:YAG 레이저(LOTIS TH, Republic of Belarus)를 이용하였고 광원의 개략도는 그림 2와 같다.

성능/효과

제시하였다. 3차원 입체 패터닝 제작에 레이저 engraving 기법을 적용하여 빛이 진행하는 도광판 내부의 경로에 직접 산란 체를 형성시킴으로써 기존의 도광판보다 평균 밝기는 약 30%, 밝기 분포의 균일성은 약 50% 이상 향상된 결과를 측정하였다. 이러한 향상된 결과는 산란체 요소나 패턴이 빛이 진행하는 방향에 대하여 도광판의 상부로더 많은 산란과 반사가 이루어질 수 있도록 광 산란을 유도하는 제안된 디자인 형태의 패턴의 의한 것으로 판단된다.
그림 8(a)는내부 사각 경사 패턴, (b)는 내부 곡선 경사패턴, (c)는 내부 사각 경사 배열 패턴의 밝기 분포를 나타내는 것으로 그림 7과 비교해 광 입사부의 밝기가 현격히 감소한 반면 밝기 분포의 균일성 개선되었음을 보이고 있다. 균일한 밀도의 내부패턴을 인해 발생되는 음영 및 밝기 불균일성은 내부 3차원적인 형상 패턴과 부분적인 밀도의 변화로 개선될수 있었다.
이러한 향상된 결과는 산란체 요소나 패턴이 빛이 진행하는 방향에 대하여 도광판의 상부로더 많은 산란과 반사가 이루어질 수 있도록 광 산란을 유도하는 제안된 디자인 형태의 패턴의 의한 것으로 판단된다. 또한 도광판의 핵심 성능 중의 하나인 균일한 밝기 분포를 제어하기 위한 방법으로 도광판 표면 패턴에 적용되어온 요소밀도 및 형상 조절 방법을 3 차원적인 내부 패턴을 적용하여 음영 영역에 대한 보정이 가능함으로써 밝기 분포의 균일성을 향상시킬 수 있었다. 뿐만 아니라 제작공정의 단순화를 통해서 비용 절감 면에서도 월등한 장점을 가져올 수 있을 것으로 기대된다.
3차원 입체 패터닝 제작에 레이저 engraving 기법을 적용하여 빛이 진행하는 도광판 내부의 경로에 직접 산란 체를 형성시킴으로써 기존의 도광판보다 평균 밝기는 약 30%, 밝기 분포의 균일성은 약 50% 이상 향상된 결과를 측정하였다. 이러한 향상된 결과는 산란체 요소나 패턴이 빛이 진행하는 방향에 대하여 도광판의 상부로더 많은 산란과 반사가 이루어질 수 있도록 광 산란을 유도하는 제안된 디자인 형태의 패턴의 의한 것으로 판단된다. 또한 도광판의 핵심 성능 중의 하나인 균일한 밝기 분포를 제어하기 위한 방법으로 도광판 표면 패턴에 적용되어온 요소밀도 및 형상 조절 방법을 3 차원적인 내부 패턴을 적용하여 음영 영역에 대한 보정이 가능함으로써 밝기 분포의 균일성을 향상시킬 수 있었다.

후속연구

또한 도광판의 핵심 성능 중의 하나인 균일한 밝기 분포를 제어하기 위한 방법으로 도광판 표면 패턴에 적용되어온 요소밀도 및 형상 조절 방법을 3 차원적인 내부 패턴을 적용하여 음영 영역에 대한 보정이 가능함으로써 밝기 분포의 균일성을 향상시킬 수 있었다. 뿐만 아니라 제작공정의 단순화를 통해서 비용 절감 면에서도 월등한 장점을 가져올 수 있을 것으로 기대된다.

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