[논문]나노미터 패턴 회절격자 도광판의 광특성

홍진수; 김창교; 이병욱; 이명래

doi:10.5302/j.icros.2008.14.4.353

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The LGP with nanometer structures resulted in enhancement of optical efficiency. Its fundamental mechanism is to recycle the polarized light via one round-trip through QWP(Quarter-Wave Plate) but the maximum efficiency to reach with this method is limited up to 2. To get the larger efficiency than t...

The LGP with nanometer structures resulted in enhancement of optical efficiency. Its fundamental mechanism is to recycle the polarized light via one round-trip through QWP(Quarter-Wave Plate) but the maximum efficiency to reach with this method is limited up to 2. To get the larger efficiency than this limited one a LGP with nanometer-patterned grating is suggested. For its optimum design the computer simulation is performed and suggests a grating that the spatial frequency between adjacent patterns is 500nm, its height 250nm, duty cycle 50%, and its cross section is rectangular. On the basis of simulation results the LGP with nanometer-patterned grating is fabricated and its optical properties such as angular intensity distribution and CIE color coordinates are characterized. The angles of transmitted light are nearly the same as the results expected from the generalized Snell's law. Thus the Mathematica code, developed in this experiment, will be applied to designing the optimized LGP. The LGP with nanometer-patterened grating shows the enhancement of transmitted intensity distribution up to 4.9 times.

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문제 정의

나노미터 패턴 회절격자가 형성된 도광판을 설계하기 위한 목적으로 광선추적 전산모사를 수행하였다. 보통 사용되고 있는 도광판에서 광선의 투과방향은 도광판 면에 대하여 ~75° 정도 기울어진 상태인데 회절격자 도광판에서는 최대투과 각도가 30° 정도 되는 것으로 나타났다.
광 효율의 향상 정도와 동일하게 도광판을 통한 빛의 투과가 있게 된다. 본 논문에서는 광효율을 2배 이상 높일 수 있는 방법으로 나노미터 패턴 회절격자를 제안한다. 본 논문에서는 이런 회절격자를 설계하기 위하여 광선추적 전산모사법을 사용하였다.

가설 설정

RGB 파장은 CIE 에서 규정한 700nm, 546. Inm, 435.8nm를 선택하였고, LED에서 방출되는 세 색깔의 세기는 같다고 가정하였다. 도광판은 PMMA로 만들어졌으며 색깔에 따른 굴절#(그림 5)을 전산모사에서 고려하였다.

제안 방법

여기에서。는중심축에 대한방출각이다.LED에서 방출되는 광선의 방향은 random number를 생성하여 결정하였다. LED에서 도광판으로 빛의 투과와 도광판 측면과 밑면에서 빛의 반사는 투과율과 반사율을 모두 고려하였다.
이때 도광판의 출사각은 수직법선에 대하여 25° 이하가 되며 휘도 균일도는 86% 이상이다. 빛의 출사 이 수직 법선 방향이 되는 마이크로 프리즘 형태는 전산모사를 사용하여 얻었으며 이 패턴을 도광판의 바닥면에 형성시키고, 도광판 윗면에는 마이크로 패턴을 직접 제작하였다. 프리즘의 각도를 조절하여 최대 휘도의 출사각이 수직법선에 대하여 -20°-%°로 변화시킬 수 있다.
이렇게 제작한 도광판의 빛의 반사율과 투과율은 RCWA 알고리즘[9]을 채택한 상업용 패키지 GSolver[13]를 사용하였다. 입사 조건에 따라 반사광선과 투과되는 광선의 식(3)에 의하여주어 진 방향으로의 반사율과 투과율은 GSolver를 이용하여 데이터베이스로 구축한 후 입사조건을 충족하는 데이터베이스를 불러들여 도광판 전산모사를 수행하였다. 그런데 GSolver는 도광판 내에서 반사되는 광선을 추적할 수 없으므로 Mathematica 패키지[14]를 이용하여 광선 추적을 하였다.
위치에 따른 투과광선의 투과각은 일반화된 스넬법칙에 의하여 예측된 결과와 일치함을 알 수 있다. 전산모사 결과로부터 도광판 회절격자의 공간주기 500nm, 높이 25如의 기둥형태의 나노미터 패턴을 찾았으며 이를 바탕으로 나노미터 패턴 도광판을 제작하였다.
거리는 10cm이다. 제작된 도광판은 상업용 BLU (Backlight Unit) 모듈에 장착하여 회전판 위에 설치하였으며 -72°~72°까지 4° 간격으로 변화시키면서 빛의 세기와 색 좌표를 측정하였다.
나노미터 회절격자를 설계하기 위하여 RCWA[9] 알고리즘으로 분석하였으며 이 회절격자를 같은 기능을 하면서 가공하기 쉬운 sinusoidal 형태로 하였다. 투과가 가장 잘되는 첫번째 회절오더의 투과율을 가지고 회절격자의 높이를 350nm로 결정하였다. 이때 입사각이 45° 정도되면 이론적으로 최대 투과율은 44%가 된다.

대상 데이터

4개의 LED로 구성되어 있는 LED 어레이를 도광판의 4cm 길이 측면에 설치하였으며 LED의 전원공급을 위하여 Keithley 2602 모델을 사용하였고, 휘도 측정을 위하여 매크로 렌즈가 장착된 Minolta CS-1000A를 사용하였으며 렌즈에서 도광판 윗면까지의 거리는 10cm이다. 제작된 도광판은 상업용 BLU (Backlight Unit) 모듈에 장착하여 회전판 위에 설치하였으며 -72°~72°까지 4° 간격으로 변화시키면서 빛의 세기와 색 좌표를 측정하였다.
8nm, 546.Inm, 700nm를 기준으로 분석하였다. 나노미터 회절격자를 설계하기 위하여 RCWA[9] 알고리즘으로 분석하였으며 이 회절격자를 같은 기능을 하면서 가공하기 쉬운 sinusoidal 형태로 하였다.
도광판 바닥면에는 V형 홈을 생성시켰으며 정점의 각도는 74°, 빗면의 각도는 53°이다. 광원은 LED 어레이를 사용하였다. 결과적으로 보통 도광판 결과와 비교하여 2배의 휘도 향상이 되었다.
LED에서 도광판으로 빛의 투과와 도광판 측면과 밑면에서 빛의 반사는 투과율과 반사율을 모두 고려하였다. 도광판은 3cm X 4cm이며 4cm 길이 측면에 4개의 LED를 등간격으로 접착시켰다.
이때 상업용 도광판의 크기는 본 실험에서 제작한 도광판과 크기가 같은 것을 선택하였다. 프리즘 시트는 3M사에서 제작한 것을 사용하였으며 확산판은 여러가지 샘플 중에서 본 실험에서 제작한 도광판과 결합하여 성능이 가장 우수한 것을 선택하였다(EH₂₂SIH). 이때 도광판은 광원에서 멀어질수록 도트 패턴의 크기가 작아지고 밀도가 증가하는 것을 사용하였다.

데이터처리

표 1은 실험에서 사용된 도광판이며 상업용 도광판의 성능을 기준으로 본 실험에서 제작한 도광판의 성능을 평가하였다. 이때 상업용 도광판의 크기는 본 실험에서 제작한 도광판과 크기가 같은 것을 선택하였다.

이론/모형

RGB 세가지 색깔의 대표 파장(625nm, 533nm, 452nm)이 도광판을 왕복할 때 생기는 위상변화는 (2n+l> (ne 정수)이 되도록 한다. 나노미터 패턴 회절격자는 RCWA(Rigorous Coupled-Wave Analysis) 알고리즘을 채택하여 Monte Carlo 방법으로 최적화 설계하였으며 패턴 사이의 간격인 공간주기(spatial frequency)는 140nm, 패턴의 duty cyclee 50%이며 패턴의 높이는 160nm이다. 도광판 바닥면에는 V형 홈을 생성시켰으며 정점의 각도는 74°, 빗면의 각도는 53°이다.
Inm, 700nm를 기준으로 분석하였다. 나노미터 회절격자를 설계하기 위하여 RCWA[9] 알고리즘으로 분석하였으며 이 회절격자를 같은 기능을 하면서 가공하기 쉬운 sinusoidal 형태로 하였다. 투과가 가장 잘되는 첫번째 회절오더의 투과율을 가지고 회절격자의 높이를 350nm로 결정하였다.
본 논문에서는 광효율을 2배 이상 높일 수 있는 방법으로 나노미터 패턴 회절격자를 제안한다. 본 논문에서는 이런 회절격자를 설계하기 위하여 광선추적 전산모사법을 사용하였다.
이렇게 제작한 도광판의 빛의 반사율과 투과율은 RCWA 알고리즘[9]을 채택한 상업용 패키지 GSolver[13]를 사용하였다. 입사 조건에 따라 반사광선과 투과되는 광선의 식(3)에 의하여주어 진 방향으로의 반사율과 투과율은 GSolver를 이용하여 데이터베이스로 구축한 후 입사조건을 충족하는 데이터베이스를 불러들여 도광판 전산모사를 수행하였다.

성능/효과

광원은 LED 어레이를 사용하였다. 결과적으로 보통 도광판 결과와 비교하여 2배의 휘도 향상이 되었다. 도광판 바닥면에 형성된 프리즘의 크기와 밀도를 최적화하여 78% 이상의 휘도 균일도를 얻었다.
결과적으로 보통 도광판 결과와 비교하여 2배의 휘도 향상이 되었다. 도광판 바닥면에 형성된 프리즘의 크기와 밀도를 최적화하여 78% 이상의 휘도 균일도를 얻었다. 나노미터 패턴 회절격자에 입사하는 입사각이 40° 이하가 되면 p.
69배로 줄어들어 색분리 현상이 크게 줄어든 것을 알 수 있다. 제작된 도광판/프리즘 시트확산판 RLU는 상업용 BLU에 비하여 중앙 각도 영역의 휘도가 약 3.5배 향상되었으며 색좌표 편차는 제작된 도광판의 색분리에 비하여 색좌표 X값 편차와 y값 편차는 각기 0.18배와 0.68aH가 되어 색분리 현상이 크게 줄어들었다. 확산판을 사용하면 색좌표 X값 편차는 3배 이하로 감소하고, 색좌표 y값 편차는 변함이 없다.
따라서 상용 도광판과 비교하여 휘도가 높아지므로 밧데리 수명이 연장되는 효과가 있다. 프리즘 시트를 첨가하여 색좌표 X값 편차와 y값 편차는 절반과 0.69배로 줄어들어 색분리 현상이 크게 줄어든 것을 알 수 있다. 제작된 도광판/프리즘 시트확산판 RLU는 상업용 BLU에 비하여 중앙 각도 영역의 휘도가 약 3.

후속연구

본 실험에서 제작한 도광판은 광효율은 많이 향상되나 색 분리 문제는 문제점으로 남는다 본 실험에서 사용된 프리즘 시트는 마이크로 패턴을 채택한 상업용 도광판에 적합한 형태이므로 나노미터 패턴 회절격자 도광판에 적합한 프리즘 시트를 개발할 필요가 있다.

참고문헌 (14)

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Y. Ye, D. Pu, Y. Zhou, and L. Chen, "Diffraction characteristics of a submicrometer grating for a light guide plate" Appl. Opt. vol. 46, no. 17, 3396-3399, June 2007

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S. H. Kim, J.-D. Park, and K.-D. Lee, "Fabrication of a nanowire grid polarizer for brightness enhancement in liquid crystal display" Nanotechnology, vol. 17, no. 17, pp. 4436-4438, Sept. 2006

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K. W. Chien and H. P. D. Shieh, "Design and fabrication of an integrated polarized light guide for liquid-crystal-display illumination" Appl. Opt. vol. 43, no. 9, pp. 1830-1834, March, 2004

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이병욱, 이태성, 이종하, 이근우, 홍진수, 정재훈, 김창교, "나노 임프린팅 기술에 의한 나노패턴을 갖는 PMMA도광판 제조 기술" 한국전기전자재료학회 2007년도 추계학술대회 논문집, pp. 414-415, Oct., 2007
GSolver 설명 싸이트 http://www.gsolver.com
Mathematica 설명 싸이트 http://www.wolfram.com; D.-K. Kang, J.-W. Seo, and D.-G. Gweon, "Signal increasing method in confocal scanning microscopy in fluorescence mode using curved mirror" ICCAS, vol. 01, pp. 93-99, 2001

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