[논문]다양한 표면산란체에 의한 내부산란체 도광판 휘도 성능 분석

최영희; 신용진; 최은서

다양한 표면산란체에 의한 내부산란체 도광판 휘도 성능 분석
The luminance variation of inner-scatterer light guide panel by various surface-scatterer 원문보기

조선자연과학논문집 = Journal of the chosun natural science, v.1 no.1, 2008년, pp.32 - 35

최영희 (조선대학교 자연과학대학 물리학과) , 신용진 (조선대학교 자연과학대학 물리학과) , 최은서 (조선대학교 자연과학대학 물리학과)

Abstract ▼ AI-Helper

We fabricated surface pattern on a light guide panel (LGP) using $CO_2$ laser to improve the luminescence performance of inner-scatterer LGP, which is made of PMMA sample with exploiting Q-switched $2^{nd}$ harmonic Nd:YAG laser engraving system, and the effect of surface pattern in the brightness distribution of LGP was analysed. To prove the feasibility of proposed method in the enhancement of LGP performance, we designed three different surface patterns on the inner-scatterer LGP. The experimental results has proved the potential in the application of surface pattern to increasing the brightness of inner-scatterer LGP.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 제작한 도광판은 평균 휘도값을 향상시켜야 하는 문제점이 있었다^[7,8]. 본 연구에서는 내부산란체를 기반으로하는 도광판의 성능을 향상시키기 위해 도광판 밑면에 추가적으로 표면패턴을 가공한 뒤 그 효과를 분석하였다.

제안 방법

PMMA 도광판에 내부산란체패턴을 생성시키기 위해 그림 3의 Q-switched 2nd Nd:YAG 레이저 조각기 (중심파장 − 532 nm, 펄스폭 − 10 nsec, 최대에너지 30 mJ, spot size 50 nm, 펄스 반복율 − 최대 50 Hz)를 이용하였다.
그림 4에 표시하였듯이 표면패턴 가공은 CO2 레이저(중심파장 10.64 µm, 평균 출력 2.73 W, spot size 120 µm)를 사용하여 그리드, 도트, 지그재그 형태로 가공하였다.
산란체는 대략적으로 구형으로 가공되며 구형의 산란체 주위에 랜덤한 형태로 여러 작은 형태의 크랙이 발생된 것을 확인 할 수 있었으며 이것은 폴리머의 사슬구조가 매우 랜덤하므로 발생한 것으로 예상하되는 바이다. 내부 산란체들의 공간적인 분포(패턴)는 인터페이스 프로그램을 사용하여 선형패턴과 곡면패턴 두 가지로 설계하였다. 내부 산란체 밀도는 각각 10 × 10 ea/mm²으로 하였다.
이렇게 가공된 도광판의 광원으로는 밝기가 2,600 mcd이고 시야각이 각각 70/30인 LED 3개를 이용하였다. 도광판의 성능 분석을 위해서 도광판의 휘도를 일반디지털 카메라를 사용하여 이미지를 축출하여 분석프로그램을 통해 분석하였다.
평면상의 위치제어를 위해서는 x-y 축 방향으로 위치조절이 가능한 moving stage를 이용하여 가공 위치 를 3차원적으로 제어할 수가 있었다. 또한 output telescope(M-1.8)를 사용하여 레이저 빔의 발산각을 보상하면서 직경 5 mm의 빔으로 확대시킨 후 초점거리가 짧은 렌즈를 이용하여 샘플 내부에 레이저를 집속하고자 하였다. 개구수가 큰 렌즈를 이용함으로써 레일리 영역은 대략 30 µm 정도의 매우 좁은 가공부 길이에서만 가공이 이루어지므로 샘플 표면에 손상 없이 도광판 내부에 직경 50 µm 정도의 3차원 산란체를 형성 시킬 수 있었다.
본 실험에서 도광판 내부패턴에 표면패턴을 추가로 가공하였을 때 성능 변화를 분석하였다. 분석결과는 표 3에 정리하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 도광판의 재료로 현재 도광판의 재료로 널리 사용되고 있는 PMMA(Poly methyl metha actrylate)를 사용하였다. 이는 PMMA가 기계적 강도가 높아 쉽게 깨지거나 변형되지 않고, 내화학성이 강하며, 가시광선에 대한 광투과율이 92.
샘플의 크기는 40 × 50 × 5 mm3으로 준비하였다.
이 모든 가공의 폭과 깊이가 각각 300 µm 또는 200 µm로 유사하게 가공되었고 가공 이미지는 표 1과 2에 정리하였다. 이렇게 가공된 도광판의 광원으로는 밝기가 2,600 mcd이고 시야각이 각각 70/30인 LED 3개를 이용하였다. 도광판의 성능 분석을 위해서 도광판의 휘도를 일반디지털 카메라를 사용하여 이미지를 축출하여 분석프로그램을 통해 분석하였다.

성능/효과

개구수가 큰 렌즈를 이용함으로써 레일리 영역은 대략 30 µm 정도의 매우 좁은 가공부 길이에서만 가공이 이루어지므로 샘플 표면에 손상 없이 도광판 내부에 직경 50 µm 정도의 3차원 산란체를 형성 시킬 수 있었다.
내부곡면가공에서는 그리드 형태의 경우 균일하고 높은 휘도 분포를 나타내었다. 그리드 패턴가공을 통해 평균휘도는 크게 향상 시킬 수 있었으나 균일성을 크게 저하하는 역할을 하는 것으로 분석이 되었다. 도트 형태의 표면 패턴은 평균밝기와 균일성을 향상시키는 역할을 하는 것으로 판단된다.
개구수가 큰 렌즈를 이용함으로써 레일리 영역은 대략 30 µm 정도의 매우 좁은 가공부 길이에서만 가공이 이루어지므로 샘플 표면에 손상 없이 도광판 내부에 직경 50 µm 정도의 3차원 산란체를 형성 시킬 수 있었다. 산란체는 대략적으로 구형으로 가공되며 구형의 산란체 주위에 랜덤한 형태로 여러 작은 형태의 크랙이 발생된 것을 확인 할 수 있었으며 이것은 폴리머의 사슬구조가 매우 랜덤하므로 발생한 것으로 예상하되는 바이다. 내부 산란체들의 공간적인 분포(패턴)는 인터페이스 프로그램을 사용하여 선형패턴과 곡면패턴 두 가지로 설계하였다.
그러나 도광판의 성능을 분석하는데는 문제가 없었다. 제시된 분석 결과만으로도 내부 산란체를 이용하는 도광판 표면에 산란패턴을 형성함으로써 휘도 분포의 균일성을 유지하면서도 평균 휘도를 향상시킬 수 있음을 실험적으로 확인할 수 있었다. 내부 산란체 패턴과 다양한 외부 산란체 패턴을 적절히 활용함으로써 효율적인 도광판 제작을 위한 유용한 도구 개발이 가능할 것으로 예상된다.
3차원 가공을 위해서 초점거리 43 mm인 f-theta를 사용하였으며 초점렌즈를 z축 방향으로 이동하게 하여 초점의 위치를 임의의 높이로 조절할 수 있 다. 평면상의 위치제어를 위해서는 x-y 축 방향으로 위치조절이 가능한 moving stage를 이용하여 가공 위치 를 3차원적으로 제어할 수가 있었다. 또한 output telescope(M-1.

후속연구

제시된 분석 결과만으로도 내부 산란체를 이용하는 도광판 표면에 산란패턴을 형성함으로써 휘도 분포의 균일성을 유지하면서도 평균 휘도를 향상시킬 수 있음을 실험적으로 확인할 수 있었다. 내부 산란체 패턴과 다양한 외부 산란체 패턴을 적절히 활용함으로써 효율적인 도광판 제작을 위한 유용한 도구 개발이 가능할 것으로 예상된다.
표면패턴이 내부산란패턴을 기반으로하는 도광판의 성능을 향상시키는데 매우 큰 역할을 하였다. 이 실험의 한계는 정성적인 분석이라는 것이다. 그러나 도광판의 성능을 분석하는데는 문제가 없었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	BLU 구조는 어떻게 이루어져 있으며, 무엇이 중요할까?	면광원을 방출하는 BLU(back light unit)는 자체적인 발광을 할 수 없는 LCD(liquid crystal display)에는 필수적인 부품이다. 그림 1과 같이 BLU 구조는 빛을 공 급하는 광원과 반사판, 도광판, 확산판, 두 종류의 프리 즘판으로 이루어져 있고 이중에서도 광원과 도광판의 역할이 가장 중요한다. 이는 광원에서 방출되는 점 또는 선광원을 도광판을 거치면서 면광원으로 변환되기 때문이다.
	도광판에 특수처리를 하는 이유는?	나머지 부품은 이렇게 변환된 면광원의 균일도를 더욱 좋게 한다던가 또는 손실되는 빛을 활용하는 데 사용된다. 특히 도광판에는 특수한 처리는 하는데 이는 광원의 빛이 도광판 내부에 들어가면 내부전 반사에 의해 빛이 도광판 전 영역에 고루 퍼지기는 하지만 상면으로 방출되지 못하기 때문이다. 이 때 도광 판에 여러 종류의 패턴이라는 특수처리를 함으로써 빛을 상면으로 유도하게 하는 것이다.
	도광판 내부패턴에 표면패턴을 추가로 가공했을 때, 성능변화는 어떻게 나타나는가?	분석결과는 표 3에 정리하였다. 그림표면 가공의 경우 그리드 패턴은 휘도의 불균일성을 보이지만 도트와 지그재그형태의 표면패턴은 균일한 휘도분포를 보였다. 내부선형패턴의 경우 균일하지만 낮은 평균 휘도가 표면 패턴에 의해서 향상되었다. 내부곡면가공의 경우 내부경사가공의 경우와 유사한 균일도를 보이지만 매우 낮은 평균 휘도를 보였다. 내부곡면가공에서는 그리드 형태의 경우 균일하고 높은 휘도 분포를 나타내었다. 그리드 패턴가공을 통해 평균휘도는 크게 향상 시킬 수 있었으나 균일성을 크게 저하하는 역할을 하는 것으로 분석이 되었다. 도트 형태의 표면 패턴은 평균밝기와 균일성을 향상시키는 역할을 하는 것으로 판단된다. 지그재그 형태의 표면 패턴은 도트 형태와 유사한 성능을 보였다. 표면패턴이 내부산란패턴을 기반으로하는 도광판의 성능을 향상시키는데 매우 큰 역할을 하였다. 이 실험의 한계는 정성적인 분석이라는 것이다.

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