피라미드 패턴이 가공된 도광판(LGP: Light Guide Plate)의 광출력 특성을 전산 모사를 통하여 조사하였다. 피라미드 패턴의 크기, 패턴의 면적 점유율, 피라미드 에칭각 등이 도광판 출력에 미치는 영향을 각각 조사하였으며, 이를 일반적으로 사용되는 반구형 패턴과 비교하였다. 반구형 패턴과의 비교 결과 패턴의 모양은 출력의 세기에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 또한 각 변수들의 영향을 분석한 결과, 패턴의 크기 변화는 출력에 거의 영향을 주지 않는 반면에 패턴의 면적 점유율과 피라미드 에칭각은 도광판의 출력에 비교적 큰 영향을 주는 것으로 나타났다. 따라서 패턴의 면적 점유율 및 에칭각을 조절함으로써 도광판 성능을 개선할 수 있는 것으로 조사되었다.
피라미드 패턴이 가공된 도광판(LGP: Light Guide Plate)의 광출력 특성을 전산 모사를 통하여 조사하였다. 피라미드 패턴의 크기, 패턴의 면적 점유율, 피라미드 에칭각 등이 도광판 출력에 미치는 영향을 각각 조사하였으며, 이를 일반적으로 사용되는 반구형 패턴과 비교하였다. 반구형 패턴과의 비교 결과 패턴의 모양은 출력의 세기에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 또한 각 변수들의 영향을 분석한 결과, 패턴의 크기 변화는 출력에 거의 영향을 주지 않는 반면에 패턴의 면적 점유율과 피라미드 에칭각은 도광판의 출력에 비교적 큰 영향을 주는 것으로 나타났다. 따라서 패턴의 면적 점유율 및 에칭각을 조절함으로써 도광판 성능을 개선할 수 있는 것으로 조사되었다.
We have analyzed the output characteristics of a LGP with pyramid shaped pattern by using a 3-D simulation tool. The influences on the LGP output of various parameters such as the pattern shape, pattern occupation ratio, pattern size, and etching angle were investigated. Comparing the pyramid shaped...
We have analyzed the output characteristics of a LGP with pyramid shaped pattern by using a 3-D simulation tool. The influences on the LGP output of various parameters such as the pattern shape, pattern occupation ratio, pattern size, and etching angle were investigated. Comparing the pyramid shaped pattern with hemispherical patterns, little difference was observed. And, it was proved that the pattern occupation ratio and etching angle have relatively large effects on LGP output characteristics, while the pattern size has no effect. Therefore, we can improve the LGP characteristics by optimizing pattern structure and distribution.
We have analyzed the output characteristics of a LGP with pyramid shaped pattern by using a 3-D simulation tool. The influences on the LGP output of various parameters such as the pattern shape, pattern occupation ratio, pattern size, and etching angle were investigated. Comparing the pyramid shaped pattern with hemispherical patterns, little difference was observed. And, it was proved that the pattern occupation ratio and etching angle have relatively large effects on LGP output characteristics, while the pattern size has no effect. Therefore, we can improve the LGP characteristics by optimizing pattern structure and distribution.
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문제 정의
본 연구에서 가공상의 장점을 갖는 피라미드 패턴에 대하여 전산모사를 통하여 광특성을 조사하였다. 빛이 도광판 내부를 통과할 때 광원으로부터 멀어질수록 그 세기가 약해지기 때문에 지수함수로 패턴 간격을 조절하였다.
또한 제작 공정이 비교적 간단하여 일반 도광판 가공비용에 비해 제작비용이 매우 저렴하다. 본 연구에서는 전사모사를 이용하여 피라미드 패턴이 장착된 도광판 출력 특성을 조사하여 피라미드 패턴의 효용성을 조사하였다.
제안 방법
도광판의 굴절률은 1.49이고 광 흡수율은 1.70×10 -3/mm 으로 설정하였고, 도광판 밑면에 반사판을 설치하여 빛이 아랫방향으로 빠져 나가는 것을 차단하였다.
따라서 본 연구에서 패턴의 에칭각을 54.7°와 70.5° 그리고 내부 전반사 임계각에 가까운 특수각 45.0°에 대하여 출력 특성을 조사하였다.
한편, 모든 가공 공정에서 패턴 크기가 작아지면 공정의 난이도가 증가한다는 점을 감안하면 패턴 크기를 크게 할 수 있다는 점은 실제 가공 공정에서는 매우 중요한 요소라고 할 수 있다. 따라서 이 절에서는 피라미드 패턴 크기에 따른 도광판 출력을(z =0.6인 면) 조사하였다. 패턴의 크기 변화에 따른 출력의 변화를 조사하기 위해 30 ∼50 μm 범위에서 피라미드의 한 변의 길이를 변화시키면서 출력의 특성을 조사하였다.
70×10 -3/mm 으로 설정하였고, 도광판 밑면에 반사판을 설치하여 빛이 아랫방향으로 빠져 나가는 것을 차단하였다. 또한 광원으로부터 방출되는 광선의 수는 100만 개로 고정하여 광특성을 조사하였다.
먼저, 도광판 내부에서 진행하는 광의 특성을 분석하기 위하여 도광판에 패턴을 형성하지 않은 상태에서 사전 분석을 시도하였다. 그림 2(b)는 패턴이 형성되어 있지 않은 도광판 내부에서의 조도 변화를 조사한 것으로, 그림 2(a)와 같이 y-축에 수직인 가상의 디텍터 평면을 설치하여 각 평면에서의 조도를 계산한 것이다.
1 mm 위치에 놓여있고, 빛은 +y 방향으로 진행하도록 하였다. 면광원 주위에 반사판을 설치하였으며, 도광판은 밑면에만 반사판을 설치하여 도광판의 밑면으로 빠져나오는 빛을 거울 반사시켰다. 도광판의 굴절률은 1.
이 소프트웨어는 광선 추적 기법을 이용하여 빛의 세기 및 특성을 분석하는 것으로, 광원으로부터 방출된 광선이 LGP, 패턴, 반사판, 광학 시트 등과 같은 매질의 경계면에서 반사 또는 굴절되며 진행하는 빛을 매질 내에 가상적으로 설치한 디텍터 면에서 감지·분석하는 방식을 채택하였다. 본 연구에서는 10 mm X 10 mm X 1 mm 크기의 도광판을 기본구조로 채택하고, 광원은 면광원으로 550 nm 단일 파장 빛을 Lambertian 형태로 방출하도록 하였다. 그림 1에 제시된 좌표계에서 광원은 y= -0.
본 연구에서 가공상의 장점을 갖는 피라미드 패턴에 대하여 전산모사를 통하여 광특성을 조사하였다. 빛이 도광판 내부를 통과할 때 광원으로부터 멀어질수록 그 세기가 약해지기 때문에 지수함수로 패턴 간격을 조절하였다.
앞 절에서는 패턴의 면적 점유율에 따른 출력 변화를 조사하였다. 한편, 모든 가공 공정에서 패턴 크기가 작아지면 공정의 난이도가 증가한다는 점을 감안하면 패턴 크기를 크게 할 수 있다는 점은 실제 가공 공정에서는 매우 중요한 요소라고 할 수 있다.
에칭각이 출력에 미치는 영향을 조사하기 위하여 위에서와 마찬가지로 에칭각이 45.0°, 54.7°, 그리고 70.5° 인 세 가지 패턴에 대하여 출력 특성을 조사하였다.
이 논문에서는 3-D 전산 모사를 이용하여 피라미드 패턴에 대한 광특성을 조사하고 반구형 패턴에서 얻은 결과와 비교분석하기로 한다.
이 소프트웨어는 광선 추적 기법을 이용하여 빛의 세기 및 특성을 분석하는 것으로, 광원으로부터 방출된 광선이 LGP, 패턴, 반사판, 광학 시트 등과 같은 매질의 경계면에서 반사 또는 굴절되며 진행하는 빛을 매질 내에 가상적으로 설치한 디텍터 면에서 감지·분석하는 방식을 채택하였다.
BLU 출력면에서 (‘z = 일정’인 평면) 출력의 균일도를 높이기 위하여 광원으로부터의 거리에 따라 패턴 밀도를 다르게 조절함으로써 도광판 내부에서 빛의 세기가 감소하는 것을 보정해 주어야 한다. 즉, 광원에서 가까운 곳은 패턴 밀도를 낮게 하고, 광원으로부터 멀어질수록 패턴 밀도를 높여야 하는데, 본 계산에서는 패턴 간격을 지수함수적으로 조절하는 방식으로 패턴 밀도를 조정하였다.
패턴의 크기 변화에 따른 출력의 변화를 조사하기 위해 30 ∼50 μm 범위에서 피라미드의 한 변의 길이를 변화시키면서 출력의 특성을 조사하였다.
패턴의 크기와 패턴의 점유 면적 비율에 따른 출력의 세기 변화를 조사하였다. 패턴의 크기는 출력에 거의 영향을 주지 않는 반면 패턴의 면적 점유율은 출력에 큰 영향을 주는 것으로 조사되었다.
이론/모형
전산모사를 통해 도광판 출력 특성을 분석하기 위하여 SPEOS (OPTIS, Germany)를 활용하였다.
성능/효과
7o의 각을 이루면서 식각이 진행되게 된다. 그 결과 선 모양의 etch mask 패턴을 사용하여 식각하면 V-groove가 형성되고, 정사각형 모양의 etch mask 패턴을 사용하여 식각하면 피라미드 모양으로 식각이 이루어진다. [6]
그림 8에 피라미드 패턴의 에칭각의 변화에 따른 도광판 내부에서 빛의 세기를 계산한 결과를 제시하였다. 도광판 내부에서 y-축 방향으로 빛이 진행함에 따라 빛의 세기는 감소하는데, 패턴의 크기에 관계없이 에칭각이 작을수록 빨리 감소하고 클수록 천천히 감소하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 에칭각이 작은 패턴을 쓰는 경우 광원으로부터 멀어질수록 빛의 세기가 급격히 줄어들기 때문에 광원과 가까운 쪽의 패턴 밀도를 더 줄이고 광원과 먼 쪽에는 패턴의 밀도를 더 높여주어야 도광판 전체의 휘도 균일도를 일정하게 유지할 수 있을 것이다.
도광판 내부에서 빛이 진행함에 따라 빛의 세기가 약해지는 정도는 에칭각이 작은 45.0° 경우 가장 급격하였고, 에칭각이 커질수록 감소율이 줄어드는 것으로 나타났다.
즉, 반구형 패턴을 사용하는 경우 출력이 다양한 각도로 방출되고, 피라미드 패턴의 경우 출력이 특정 각으로 방출된다. 이에 따라 프리즘 시트로 휘도를 향상시키고자 할 때 프리즘 시트의 설계가 반구형 패턴에 비해 훨씬 용이할 것으로 판단된다.
패턴 점유율을 ∼25%로 일정하게 유지하고 도광판 출력을 계산한 결과, 패턴의 밑변의 길이 30 ∼50 μm에 대하여 출력 평균값은 패턴 크기에 무관하게 거의 일정하고 상대 오차는 2% 이내인 것으로 조사되었다.
패턴의 크기와 패턴의 점유 면적 비율에 따른 출력의 세기 변화를 조사하였다. 패턴의 크기는 출력에 거의 영향을 주지 않는 반면 패턴의 면적 점유율은 출력에 큰 영향을 주는 것으로 조사되었다. 패턴 점유율을 ∼25%로 일정하게 유지하고 도광판 출력을 계산한 결과, 패턴의 밑변의 길이 30 ∼50 μm에 대하여 출력 평균값은 패턴 크기에 무관하게 거의 일정하고 상대 오차는 2% 이내인 것으로 조사되었다.
후속연구
따라서 에칭각이 작은 피라미드를 쓸 경우 앞쪽에서의 피라미드 간격을 보다 넓게 하는 등 패턴 간격을 에칭각에 따라 조절해야 할 것이다. 결론적으로 피라미드 패턴의 유용성을 바탕으로 최적 구조의 BLU를 제작하기 위해서는 가공상 유리한 패턴 크기와 에칭각을 정하고 이에 가장 적절한 패턴 간격 조정 등에 대한 연구가 필요할 것이다.
이는 피라미드 패턴을 사용하는 경우 패턴의 면적 점유율뿐만 아니라 패턴의 에칭각 변화에 따른 수평방향으로의 단면적을 체계적으로 고려하면 출력과 휘도 균일도를 향상시킬 수 있음을 보여준다. 따라서 가공 공정에서 피라미드 모양 패턴의 장점을 고려하면 피라미드 패턴에 대한 추가적인 연구가 의미 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
TFT-LCD은 무엇으로 구성되어 있나?
TFT-LCD (Thin Film Transistor Liquid Crystal Display)의 BLU(Back Light Unit)는 그림 1과 같이 광원, 도광판, 확산시트, 그리고 프리즘 시트 등으로 이루어져 있다. 그림 1에서 보여주는 바와 같이 광원으로부터 도광판으로 입사된 빛은 도광판을 따라 전반사되어 수평방향 (y-축 방향)으로 진행하다 도광판에 가공된 패턴에 의해 반사, 굴절되어 진행 방향을 바꾸어 수직방(z-축 방향)으로 배출된다.
도광판에 형성시키는 패턴의 제작 방식은 어떻게 나누어지나?
도광판에 형성시키는 패턴의 제작 방식은 일반적으로 인쇄 방식과 무인쇄 방식으로 나누어진다. 무인쇄 방식에서는 반구 모양의 패턴이 많이 사용되고 있으나, 피라미드 모양의 패턴이 제작상 많은 장점이 있고,[3-4] LGP에 역프리즘 패턴을 가공하여 기존의 프리즘 시트가 필요 없는 일체형 LGP로도 사용될 수 있기 때문에[5] 실리콘 웨이퍼를 이용한 피라미드 패턴에 관한 연구들이 진행되고 있다.
습식 식각 공정은 어떻게 나뉘는가?
즉, 습식 식각 공정은 일반적으로 식각 용액에 웨이퍼를 넣어 액체-고체(liquid-solid) 화학반응에 의해 식각이 이루어지는 것을 말하며, 반도체 공정에서 광범위하게 사용되고 있다. 습식 식각은 웨이퍼의 결정면에 따라 등방성(isotropic) 식각, 이방성 식각이 있는데 이를 이용하여 원하는 형태의 패턴을 가공할 수 있다. Si의 경우 대표적인 비등방성 식각은 KOH나 TMAH 용액을 식각용액으로 사용할 경우 일어나는데, 실리콘과 같이 다이아몬드(diamond) 구조를 갖는 결정의 경우, (111)면은 (100)면보다 면간 거리가 좁기 때문에 (111)면의 식각 속도는 (100)면의 식각 속도보다 느리다.
참고문헌 (7)
Taehun Kim, Sohee Park, Hungkuk Oh and Yongjin Shin, "Analysis of the laser patterning inside light guide panel" Optics & Laser Technology Vol. 39 No. 7 pp. 1437-1442, 2007.
Won Yong Lee, Tong Kun Lim, Yun Woo Lee and In Won Lee, "Fast ray-tracing methods for LCD backlight simulation using the characteristics of the pattern" Optical Engineering, Vol. 44, No. 1, 014004. 2005.
김성곤, 유영은, 서영호, 제태진, 황경현, 최두선, "미세 패턴 응용 도광판 제작에 관한 연구", 한국정밀광학회지, 제23권 9호, pp. 174-178, 2006.
K. Kalantar, S. Matsumoto and T. Onish, "Functional Light-Guide Plate Characterized by Optical Micro-Deflectror and Micro-Reflector for LCD Backlight" IEICE TRANSACTIONS on Electronics, Vol. E84-C, No. 11, 1637-1646, 2001.
James D. Plummer, Michael D. Deal and Peter B. Griffin, "SILICON VLSI TECHNOLOGY" PRENTICE HALL, pp. 618, 2000.
김영철 "BLU 패턴 크기에 따른 LGP 출력 특성 연구" 한국광학회지, 제19권 1호, pp. 43-47, 2008.
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