[논문]신개념 백라이트유닛 모델링

이광훈; 지승현; 김수현; 윤영수; 김수호

doi:10.3807/kjop.2010.21.2.041

문제 정의

그리고 표시부는 색을 표시할 수 있는 컬러필터(Color Filter) 와 백라이트유닛으로부터 오는 빛을 개폐할 수 있는 TFT(Thin Film Transistor) - Array로 이루어져 있다. 본 논문에서는 비 자가발광 형태인 LCD에서 매우 중요한 광원부의 역할을 하고 있는 백라이트유닛 부분만을 언급하려 한다. 특히, 백라이트유닛은 LCD의 휘도 및 균일도를 조절하는 중요한 기능을 맡고 있다.
본 실험 - 시뮬레이션 - 을 통하여, 상용화되고 있는 기존의 백라이트유닛 및 새롭게 제안된 백라이트유닛의 구조적, 광학적 특성을 비교하여 제안된 백라이트유닛의 장점을 정량적으로 기술하고자 한다.
반면에 직반사 모델은 산란자에 의해 손실되는 광량을 줄이고, 광속의 중심출사량을 직접 반사시켜 높은 휘도를 갖는다는 장점이 있으나, 도광판의 국부지역에서의 높은 휘도, 이에 따른 균일성의 저하 그리고 제조상의 어려움, 고가의 장비필요 등과 같은 단점이 있다. 이러한 이유로 본 연구에서는 높은 균일도 및 양산성이 용이한 산란자 모델을 기반으로 도광판 상면에 미세볼록렌즈어레이(MLA:Micro Lens Array)^[4-5]를 형성시키고, 미세원뿔렌즈어레이(ALA: Axicon Lens Array)가 형성된 광학필름으로 구성된 새로운 백라이트유닛을 제시하고자 한다.
이에 본 연구의 목적은 기존의 산란인자 도광판을 기본으로, 도광판 상면에 미세볼록렌즈어레이를 형성하고, 미세원뿔렌즈어레이가 형성된 광학판의 조합을 통하여 기존의 유닛 보다 광특성이 개선된 새로운 타입의 백라이트유닛 구성을 모델링 하는데 있다. 평가 방법으로서, 기존 및 제안된 모델에의 휘도 및 시야각을 정량화하고 이를 비교하여 제안된 유닛의 개선 여부를 평가하였다.

제안 방법

경박단소(輕薄短小)화 되어가는 디스플레이 기술적 경향에 맞추어 본 연구는 기존의 백라이트유닛과 비교하여 초박형, 고휘도, 저가격의 제품으로 활용될 수 있는 새로운 개념의 백라이트 유닛을 모델링하였다. 도광판 부분은 기존의 도광판 하면 산란인자 패턴을 이용하여 상면에 미세볼록렌즈어레이가 형성된 도광판을 모델링하였고, 이와 조화를 이루기 위하여 미세원뿔렌즈어레이가 삽입된 광학필름을 모델링하여 기존 백라이트 유닛과 유사한 휘도값과 30%이상의 우수한 시야각 특성등의 우수한 광학적 특성을 보이는 백라이트 유닛을 모델링 하였다.
미세 볼록렌즈 및 미세원뿔렌즈의 구조는 표 1에 제시하고 있다. 광 시뮬레이션 변수인 광선(Optical Ray)의 수는 200,000개로 하였으며, 신뢰성 있는 검증을 위하여 동일한 광선의 수를 이용하여 5회 반복 수행하였다. 이렇게 반복 실험한 결과는 5% 이내의 오차 범위이며, 이는 SPEOS 내부 광선발생 알고리듬에 기인한다.
확산필름은 82%의 확산도의 특성을 갖도록 설계하였고, 집광필름과 반사 필름은 3M사의 Thin BEF(Brightness Enhancement Film)와 ESR(Enhancement Specular Reflection) 필름 특성을 참조하여 설계하였다. 광원은 백색광을 갖는 3개의 Chip-LED 타입의 점광원으로 설계하였다. 광원과 도광판 사이의 간격은 500 um로 설계하였다.
도광판 상면에는 미세볼록렌즈어레이가 삽입되었으며, 도광판 하면에는 기존 백라이트 유닛 모델에서 이용한 산란인자패턴을 이용하였다. 광학필름은 미세원뿔렌즈어레이가 삽입된 광학필름으로 모델링하였다. 이는 LC패널로 삽입되는 최종 출사 광분포를 형성하기 위한 것이다.
경박단소(輕薄短小)화 되어가는 디스플레이 기술적 경향에 맞추어 본 연구는 기존의 백라이트유닛과 비교하여 초박형, 고휘도, 저가격의 제품으로 활용될 수 있는 새로운 개념의 백라이트 유닛을 모델링하였다. 도광판 부분은 기존의 도광판 하면 산란인자 패턴을 이용하여 상면에 미세볼록렌즈어레이가 형성된 도광판을 모델링하였고, 이와 조화를 이루기 위하여 미세원뿔렌즈어레이가 삽입된 광학필름을 모델링하여 기존 백라이트 유닛과 유사한 휘도값과 30%이상의 우수한 시야각 특성등의 우수한 광학적 특성을 보이는 백라이트 유닛을 모델링 하였다. 그러나 균일도 측면에서, 제안된 백라이트유닛의 균일도(Uniformity)는 기존의 유닛과 비교하여 정확한 시뮬레이션의 비교가 불가하였다.
미세볼록렌즈의 구조는 직경이 10 um, 높이가 10 um로서, 종횡비(Aspect Ratio)가 1인 구조로 설계하였으며, 활성화를 위한 구성으로서, 미세볼록렌즈릿(Micro convex lenslet)의 중심간 배열이 육각형 형태인 Hexagonal 배열을 채택하여 렌즈간 간격의 공백을 최소화 하였다. 또한, 본 연구에서 제시한 광학필름에 형성된 미세원뿔렌즈의 구조는 직경이 10 um이며, 높이가 7 um인 원뿔형태이다.
이는 LC패널로 삽입되는 최종 출사 광분포를 형성하기 위한 것이다. 세부적으로 기술하면, 도광판 상면에 형성된 미세볼록렌즈어레이를 투과한 광속들은 미세원뿔렌즈어레이가 형성된 광학판을 투과하여 기존의 백라이트유닛에서 최종 출사된 광속분포와 유사한 특성을 갖도록 설계하였다. 따라서 제안된 백라이트유닛은 광학적 특성면에서, 마이크로렌즈어레이가 삽입된 도광판으로 인해 출사광속의 집광도가 향상되고, 구성 면에서, 원뿔 렌즈 어레이가 삽입된 한 장의 광학필름으로 기존의 광학필름들을 대처할 수 있어, 백라이트 유닛의 경박단소가 가능하고, 제조단가의 저하가 가능하다.
본 연구에서 이용한 광시뮬레이션 프로그램은 [SPEOS]이다. 우선, 기존 백라이트유닛의 광학적 특성을 분석하기 위하여 현재, 상용화되고 있는 백라이트유닛의 구조 및 하면 산란인자를 설계하여 SPEOS로 전산모사 하였다. 전산모사에 사용된 기존 백라이트유닛 구속조건은 다음과 같다.
그림 4는 본 연구에서 제시하고자 하는 새로운 백라이트구조를 보여 주고 있다. 우선, 도광판은 하면과 상면을 구분하여 설계하였다. 도광판 상면에는 미세볼록렌즈어레이가 삽입되었으며, 도광판 하면에는 기존 백라이트 유닛 모델에서 이용한 산란인자패턴을 이용하였다.
이러한 광 특성을 보이는 기존 도광판과 본 연구에서 제시한 도광판 상면에 기존 광학필름들과 본 연구에서 제시한 미세원뿔렌즈어레이가 형성된 광학필름을 각각 조화시켜 모델링하였다. 그림 6은 이러한 구조를 이용하여 광 시뮬레이션을 구동한 결과를 보여 주고 있다.
따라서 제안된 백라이트유닛은 광학적 특성면에서, 마이크로렌즈어레이가 삽입된 도광판으로 인해 출사광속의 집광도가 향상되고, 구성 면에서, 원뿔 렌즈 어레이가 삽입된 한 장의 광학필름으로 기존의 광학필름들을 대처할 수 있어, 백라이트 유닛의 경박단소가 가능하고, 제조단가의 저하가 가능하다. 이를 검증하기 위하여 기존 백라이트 모델 및 제안된 방법의 특성을 시뮬레이션하였다.
이에 본 연구의 목적은 기존의 산란인자 도광판을 기본으로, 도광판 상면에 미세볼록렌즈어레이를 형성하고, 미세원뿔렌즈어레이가 형성된 광학판의 조합을 통하여 기존의 유닛 보다 광특성이 개선된 새로운 타입의 백라이트유닛 구성을 모델링 하는데 있다. 평가 방법으로서, 기존 및 제안된 모델에의 휘도 및 시야각을 정량화하고 이를 비교하여 제안된 유닛의 개선 여부를 평가하였다.
6 mm이고, 직선형 도광판이다. 확산필름은 82%의 확산도의 특성을 갖도록 설계하였고, 집광필름과 반사 필름은 3M사의 Thin BEF(Brightness Enhancement Film)와 ESR(Enhancement Specular Reflection) 필름 특성을 참조하여 설계하였다. 광원은 백색광을 갖는 3개의 Chip-LED 타입의 점광원으로 설계하였다.
효율적인 광속사용을 위하여, 도광판 하면과 인접한 위치에 반사필름(반사율 98% 이상)을 삽입하여 도광판 하면방향으로 투과하여 손실되는 광량을 방지하고, 이를 반사시켜 다시 상면으로 재입사 시키는 방법을 택하였다. 이렇게 반사되어 도광판 내로 입사된 광속은 입계각 조건을 만족할 경우 상면으로 출사하게 된다.

대상 데이터

전산모사에 사용된 기존 백라이트유닛 구속조건은 다음과 같다. 도광판의 두께는 0.6 mm이고, 직선형 도광판이다. 확산필름은 82%의 확산도의 특성을 갖도록 설계하였고, 집광필름과 반사 필름은 3M사의 Thin BEF(Brightness Enhancement Film)와 ESR(Enhancement Specular Reflection) 필름 특성을 참조하여 설계하였다.
미세볼록렌즈의 구조는 직경이 10 um, 높이가 10 um로서, 종횡비(Aspect Ratio)가 1인 구조로 설계하였으며, 활성화를 위한 구성으로서, 미세볼록렌즈릿(Micro convex lenslet)의 중심간 배열이 육각형 형태인 Hexagonal 배열을 채택하여 렌즈간 간격의 공백을 최소화 하였다. 또한, 본 연구에서 제시한 광학필름에 형성된 미세원뿔렌즈의 구조는 직경이 10 um이며, 높이가 7 um인 원뿔형태이다. 원뿔렌즈릿의 배열은 도광판 상면의 미세볼록렌즈릿의 활성화 구조와 같다.

데이터처리

이렇게 반복 실험한 결과는 5% 이내의 오차 범위이며, 이는 SPEOS 내부 광선발생 알고리듬에 기인한다. 시뮬레이션을 통해 획득한 각 유닛 별 광학적 특성 값은 5회 반복한 결과의 평균값으로 정량화하였다.

이론/모형

본 연구에서 이용한 광시뮬레이션 프로그램은 [SPEOS]이다. 우선, 기존 백라이트유닛의 광학적 특성을 분석하기 위하여 현재, 상용화되고 있는 백라이트유닛의 구조 및 하면 산란인자를 설계하여 SPEOS로 전산모사 하였다.

성능/효과

그림 6은 이러한 구조를 이용하여 광 시뮬레이션을 구동한 결과를 보여 주고 있다. 결과에서 볼 수 있듯이 기존 백라이트 유닛은 3장의 광학필름(확산필름 1장, 집광필름2장)을 이용 하였을 때 가장 높은 중심출사광의 특성을 보이는 반면에, 본 연구에서 제시한 백라이트유닛은 1장의 광학필름을 이용하여 기존 백라이트와 유사한 중심출사광의 특성을 보이는 것으로 나타났다. 또한, 최종적으로 형성된 백라이트유닛의 시야각 분석결과, 기존 백라이트유닛의 시야각은 FWHM(Full Width Half Mmaximum)값을 기준으로 판단하여 30도 인데 비하여 본 연구에서 제시한 백라이트유닛의 시야각은 50도 인 것으로 나타났다.
세부적으로 기술하면, 도광판 상면에 형성된 미세볼록렌즈어레이를 투과한 광속들은 미세원뿔렌즈어레이가 형성된 광학판을 투과하여 기존의 백라이트유닛에서 최종 출사된 광속분포와 유사한 특성을 갖도록 설계하였다. 따라서 제안된 백라이트유닛은 광학적 특성면에서, 마이크로렌즈어레이가 삽입된 도광판으로 인해 출사광속의 집광도가 향상되고, 구성 면에서, 원뿔 렌즈 어레이가 삽입된 한 장의 광학필름으로 기존의 광학필름들을 대처할 수 있어, 백라이트 유닛의 경박단소가 가능하고, 제조단가의 저하가 가능하다. 이를 검증하기 위하여 기존 백라이트 모델 및 제안된 방법의 특성을 시뮬레이션하였다.
이러한 결과로 인하여 주각은 상면의 법선과 이루는 30도 부근으로 출사되어지는 결과를 나타내고 있다. 또한, 본 연구에서 제시한 활성화범위가 100%인 요소 역시 이러한 결과를 나타내는데 중요한 변수로 작용한 것으로 사료된다.
결과에서 볼 수 있듯이 기존 백라이트 유닛은 3장의 광학필름(확산필름 1장, 집광필름2장)을 이용 하였을 때 가장 높은 중심출사광의 특성을 보이는 반면에, 본 연구에서 제시한 백라이트유닛은 1장의 광학필름을 이용하여 기존 백라이트와 유사한 중심출사광의 특성을 보이는 것으로 나타났다. 또한, 최종적으로 형성된 백라이트유닛의 시야각 분석결과, 기존 백라이트유닛의 시야각은 FWHM(Full Width Half Mmaximum)값을 기준으로 판단하여 30도 인데 비하여 본 연구에서 제시한 백라이트유닛의 시야각은 50도 인 것으로 나타났다. 이러한 결과는 기존 백라이트 구조 대비 고휘도, 초박형, 저단가의 백라이트유닛 모델을 제시할 수 있는 가능성을 대변한다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대표적인 정보전달매체로 어떤 디스플레이가 사용되고 있는가?	오늘날 디스플레이는 단순히 영상만을 표현하는 것이 아니라 영상 내에 내포된 정보를 가장 효과적으로 전달하는 정보전달매체로서의 기능을 한다. 대표적인 정보전달매체로서는 Liquid Crystal Display(LCD), Plasma Display Panel(PDP), Cathode Ray Tube(CRT) 등이 있으며 현재는 LCD의 보급율이 증가추세를 보이고 있다. LCD는 비 자가발광 형태의 구동원리를 따르고 있으며, 구성요소로서는 크게 광원부와 표시부로 구분되어진다.
	LCD의 광원부를 담당하고 있는 구성 요소의 명칭과 역할은 무엇인가?	LCD는 비 자가발광 형태의 구동원리를 따르고 있으며, 구성요소로서는 크게 광원부와 표시부로 구분되어진다. 일반적으로 광원부는 백라이트유닛(BLU:Back Light Units)이라 하는 구성요소로 대표될 수 있으며, 이 구성요소는 표시부의 일정 크기의 면광원 형태로 전환하여 주는 것을 담당한다. 그리고 표시부는 색을 표시할 수 있는 컬러필터(Color Filter) 와 백라이트유닛으로부터 오는 빛을 개폐할 수 있는 TFT(Thin Film Transistor) - Array로 이루어져 있다.
	LCD에서 백라이트유닛은 어떤 기능을 담당하는가?	본 논문에서는 비 자가발광 형태인 LCD에서 매우 중요한 광원부의 역할을 하고 있는 백라이트유닛 부분만을 언급하려 한다. 특히, 백라이트유닛은 LCD의 휘도 및 균일도를 조절하는 중요한 기능을 맡고 있다. 세부적인 구성요소로는 광원(Light Source)과 면광원기능의 도광판(LGP: Light Guide Plate), 중심시야각 확보를 위한 여러 광학필름(Optical Film)들이 있다[1-3].

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