최근 LED TV로 각광받고 있는 대형 LCD TV용 LED(Light Emitting Diode, 고체발광다이오드) 백라이트에 사용되는 도광판의 광구조를 최적화하여 LED에 의해 발생하는 휘점을 제거하고 조도균일도를 향상시키기 위한 시뮬레이션 연구를 진행하였다. 시뮬레이션 모델로 설정된 엣지형 백라이트는 LCD TV용으로 사용될 수 있는 두께 3 mm의 도광판, 측면에 배치된 세 개의 백색 LED와 램프 커버, 도광판의 하면에 배치된 반사 필름으로 구성되어 있다. 일반적인 엣지형 백라이트용 도광판과 같이 도광판의 입광면에 패턴이 형성되어 있지 않은 경우에는 도광판 상면의 조도균일도가 입광면과 LED 사이의 거리에 민감하게 의존하였다. 입광면과 LED 사이의 거리가 커질수록 조도균일도는 개선되다가 일정 거리 이상이 되면 개선이 둔화되는 경향성을 보였다. 반면에 도광판의 입광면에 렌티큘라(lenticular) 렌즈 배열이나 톱니모양(Serration)과 같은 미세 굴절 패턴을 형성하는 경우 LED가 입광면에 거의 붙어 있는 경우에도 패턴이 없는 경우에 비해 우수한 조도균일도를 보인다는 것을 알 수 있었고 조도균일도가 LED와 입광면 사이의 거리에 의존하는 정도가 줄어든다는 점도 확인하였다. 동일조건에서는 톱니모양 패턴이 렌티큘라 렌즈에 비해 우수한 조도균일도를 나타내었고 굴절률의 변화를 통해 추가적인 균일도 개선 효과를 얻을 수 있음도 확인하였다. 따라서 도광판의 입광면에 굴절 기능을 가지는 미세 패턴을 형성하고 그 광구조를 최적화하는 것은 LED에 의한 휘점 형성을 억제하고 LCD 측면의 비발광영역(베젤)을 줄이는데 있어서 매우 효과적인 방법이 될 수 있다는 것을 확인하였다.
최근 LED TV로 각광받고 있는 대형 LCD TV용 LED(Light Emitting Diode, 고체발광다이오드) 백라이트에 사용되는 도광판의 광구조를 최적화하여 LED에 의해 발생하는 휘점을 제거하고 조도균일도를 향상시키기 위한 시뮬레이션 연구를 진행하였다. 시뮬레이션 모델로 설정된 엣지형 백라이트는 LCD TV용으로 사용될 수 있는 두께 3 mm의 도광판, 측면에 배치된 세 개의 백색 LED와 램프 커버, 도광판의 하면에 배치된 반사 필름으로 구성되어 있다. 일반적인 엣지형 백라이트용 도광판과 같이 도광판의 입광면에 패턴이 형성되어 있지 않은 경우에는 도광판 상면의 조도균일도가 입광면과 LED 사이의 거리에 민감하게 의존하였다. 입광면과 LED 사이의 거리가 커질수록 조도균일도는 개선되다가 일정 거리 이상이 되면 개선이 둔화되는 경향성을 보였다. 반면에 도광판의 입광면에 렌티큘라(lenticular) 렌즈 배열이나 톱니모양(Serration)과 같은 미세 굴절 패턴을 형성하는 경우 LED가 입광면에 거의 붙어 있는 경우에도 패턴이 없는 경우에 비해 우수한 조도균일도를 보인다는 것을 알 수 있었고 조도균일도가 LED와 입광면 사이의 거리에 의존하는 정도가 줄어든다는 점도 확인하였다. 동일조건에서는 톱니모양 패턴이 렌티큘라 렌즈에 비해 우수한 조도균일도를 나타내었고 굴절률의 변화를 통해 추가적인 균일도 개선 효과를 얻을 수 있음도 확인하였다. 따라서 도광판의 입광면에 굴절 기능을 가지는 미세 패턴을 형성하고 그 광구조를 최적화하는 것은 LED에 의한 휘점 형성을 억제하고 LCD 측면의 비발광영역(베젤)을 줄이는데 있어서 매우 효과적인 방법이 될 수 있다는 것을 확인하였다.
Optical simulation methods were applied to the edge-lit LED backlight for LCD TV applications in order to optimize the optical structure of the light guide plate(LGP), and thus to improve the uniformity properties by removing the bright spots caused by LED's. The edge-lit LED backlight consisted of ...
Optical simulation methods were applied to the edge-lit LED backlight for LCD TV applications in order to optimize the optical structure of the light guide plate(LGP), and thus to improve the uniformity properties by removing the bright spots caused by LED's. The edge-lit LED backlight consisted of three white LED's with a lamp cover, a light guide plate, and a reflection film. When there was no pattern on the entrance side surface of the LGP, the illuminance uniformity was sensitively dependent on the distance d between the LED and the entrance surface. The illuminance uniformity increased with d but its increasing rate slowed down when d was beyond ~ 1.5 mm. When micro-patterns such as a lenticular lens array (LLA) or a serration pattern were formed on the entrance surface, the illuminance uniformity was improved substantially even for the case of very small d. At the same simulation condition, the lightguide with serration pattern showed a better uniformity than that with LLA pattern. Additional improvement could be achieved by changing the refractive index of the micro-patterns. These results suggest that using micro-patterns is a very effective way to reduce the bright spots due to their refracting function for the concentrated incident rays onto the LGP.
Optical simulation methods were applied to the edge-lit LED backlight for LCD TV applications in order to optimize the optical structure of the light guide plate(LGP), and thus to improve the uniformity properties by removing the bright spots caused by LED's. The edge-lit LED backlight consisted of three white LED's with a lamp cover, a light guide plate, and a reflection film. When there was no pattern on the entrance side surface of the LGP, the illuminance uniformity was sensitively dependent on the distance d between the LED and the entrance surface. The illuminance uniformity increased with d but its increasing rate slowed down when d was beyond ~ 1.5 mm. When micro-patterns such as a lenticular lens array (LLA) or a serration pattern were formed on the entrance surface, the illuminance uniformity was improved substantially even for the case of very small d. At the same simulation condition, the lightguide with serration pattern showed a better uniformity than that with LLA pattern. Additional improvement could be achieved by changing the refractive index of the micro-patterns. These results suggest that using micro-patterns is a very effective way to reduce the bright spots due to their refracting function for the concentrated incident rays onto the LGP.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 면적이 80×45 mm2이고 높이는 3 mm인 도광판에 3 개의 백색 LED를 배치한 백라이트의 휘점 제거에 대해 연구하였다.
본 연구에서는 최근 시장 점유율이 점점 높아지고 있고 박형화에 유리한 LED를 광원으로 한 엣지형 LCD 백라이트의 구조에 대해 시뮬레이션 모델을 수립한 후, LED에 의해 형성되는 휘점 발생을 억제하고 조도균일도를 향상시키기 위한 광구조 최적화와 관련된 시뮬레이션을 수행하였다. 본 연구에서 목표로 삼은 백라이트는 최근 대형의 초박형 LCD TV에 적용되고 있는 엣지형 LED 백라이트로써, 3개의 백색 LED와 램프 커버, 반사필름, 확산 도트 패턴이 형성된 도광판으로 구성되어 있다.
도광판의 입광면에는 휘점 제거를 위한 광학적 구조를 형성하였고, LED와 도광판 입광면 사이의 거리는 그림 1-(c)와같이 d라 표시했다. 이 거리 및 입광면에 형성된 미세 구조의 형태 변화에 따라 조도균일도가 어떻게 변하는지를 조사하였다. LED에 의해 형성되는 휘점의 제거를 위해 도광판의 입광면에 형성시킨 미세구조로는 렌티큘라 렌즈 배열(Lenticular Lens Array, LLA)과 톱니모양(Serration) 패턴 등 두 가지를 시도하였다.
5 mm 이상인 영역에서는 LED의 빛이 충분히 퍼진 상태에서 도광판에 입광되므로 d가 조도균일도에 주는 영향이 줄어든다는 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 결과는 LED 백라이트를 설계할 때 휘점을 효과적으로 제거하기 위해서 입광면과 광원 사이의 거리 및 입광면 자체의 광학적 최적화가 동시에 이루어져야 함을 보여주는 것이다. 즉, d 자체의 증가에 따른 엣지부 비발광영역(베젤)의 증가와 d의 감소에 따른 휘점 발생 영역(발광 면적에 포함되지 못하는 영역)의 증가 사이에서 비발광영역을 최소한으로 줄일 수 있는 적절한 조합이 요구된다.
아울러 굴절률의 변화를 통해 추가적인 조도균일도 개선도 기대할 수 있다. 이러한 미세 패턴을 입광면에 효과적으로, 그리고 적은 비용으로 형성하기 위한 공정 기술에 대해서는 본 연구에서는 다루지 않았다. 휘점 발생을 억제하는 또 다른 방법으로는 도광판 하면의 산란 패턴을 입광부로부터 일정한 거리만큼 띄워서 LED에서 입사된 빛이 일정 거리만큼 퍼지며 진행한 후에 산란 패턴을 맞고 LCD 패널로 출광되도록 하는 것이다.
가설 설정
6. Illumination distributions obtained on the upper surface of LGP when (a) CCFL and (b) LED was adopted as a light source.
05 mm 아래에는 정반사와 확산반사가 혼재된 형태인 가우시안 산란(Gaussian Scattering) 을 적용한 반사 필름이 위치되어 있는데, 필름의 표면에 일정한 각도로 입사한 광선이 입사각과 동일한 반사각을 중심으로 ±10°의 cone angle 내로 가우시안의 확률을 가지며 산란되도록 설정하였다. 반사필름의 반사율은 100%로 설정하였다. 본 시뮬레이션에서 사용한 광선의개수는 통상 한 조건당 3,000,000 개로 설정하였다.
제안 방법
휘점을 줄이기 위해 그림 1-(c)에서 보이는 것처럼 도광판의 입광면과 광원 사이의 거리를 d라고 정의하고 이를 0 mm에서 3 mm까지 변화시켜 가면서 조도를 관찰하였다. 그림 7-(a), (b), (c)는 각각 d가 0, 1, 3 mm인 경우 얻어진 조도 분포를 표현한 것이다.
이 거리 및 입광면에 형성된 미세 구조의 형태 변화에 따라 조도균일도가 어떻게 변하는지를 조사하였다. LED에 의해 형성되는 휘점의 제거를 위해 도광판의 입광면에 형성시킨 미세구조로는 렌티큘라 렌즈 배열(Lenticular Lens Array, LLA)과 톱니모양(Serration) 패턴 등 두 가지를 시도하였다. 그림 3-(a)에 보여지는 LLA의 피치와 폭은 각각 0.
보통 도광판 위에 확산필름과 프리즘 필름과 같은 방향전환필름들을 배치하여 고시야각으로 누워 있는 광선들을 수직 방향으로 틀어주게 된다.[9] 따라서 기본적으로 도광판 위에서 조도균일도가 확보되는 경우에는 방향전환필름에 의해 휘도균일도가 보장된다고 볼 수 있으므로 본 연구에서는 조도균일도만을 정량적으로 평가하였다. 조도균일도를 수치적으로 얻기 위하여 다음과 같은 방법을 사용하였다.
본 연구에서 목표로 삼은 백라이트는 최근 대형의 초박형 LCD TV에 적용되고 있는 엣지형 LED 백라이트로써, 3개의 백색 LED와 램프 커버, 반사필름, 확산 도트 패턴이 형성된 도광판으로 구성되어 있다. 국소적으로 집중되어 입사되는 LED의 빛을 효율적으로 확산시키는 광구조를 찾기 위해 도광판의 입광면에 렌티큘라 렌즈 배열(LLA)과 톱니모양(Serration)의 미세 패턴을 형성시킨 후 이를 어떤 패턴도 형성되어 있지 않은 일반 도광판의 성능과 비교하였다. 이 세가지 경우에 대해 LED와 광원 사이의 거리를 변화시키면서 도광판 위에서의 조도 분포를 구하였고 조도균일도를 계산하였다.
3 mm, 1 mm인 원형 확산 도트를 그림 1-(b)와 같이 2차원의 hexagonal 형태로 배열하였다. 그림에는 표시되어 있지 않지만 도광판 위에 검출기가 놓여 있어서 도광판의 조도 및 출광분포와 관련된 데이터를 검출하도록 하였다.
도광판의 0.05 mm 아래에는 정반사와 확산반사가 혼재된 형태인 가우시안 산란(Gaussian Scattering) 을 적용한 반사 필름이 위치되어 있는데, 필름의 표면에 일정한 각도로 입사한 광선이 입사각과 동일한 반사각을 중심으로 ±10°의 cone angle 내로 가우시안의 확률을 가지며 산란되도록 설정하였다.
[8] 그런데, 40인치 이상의 큰 사이즈를 가진 도광판에 수 백 개의 LED로 구성된 백라이트를 시뮬레이션하는 것은 대단히 긴 계산시간이 소요된다는 문제점이 있다. 따라서 특정한 광학구조가 휘점 제거에 효과적인지를 판단하기 위해서 동일 두께의, 그렇지만 작은 사이즈의 도광판에 대해 시뮬레이션을 진행하였다. 따라서 본 논문에서는 면적이 80×45 mm2이고 높이는 3 mm인 도광판에 3 개의 백색 LED를 배치한 백라이트의 휘점 제거에 대해 연구하였다.
조도균일도를 수치적으로 얻기 위하여 다음과 같은 방법을 사용하였다. 먼저 그림 5와 같이 도광판과 동일한 면적을 가지고 있는 검출기의 2차원 면적을 다수의 픽셀(Lij)로 나눈 후 각 픽셀의 평균조도(즉, 모든 방향에서 입사되는 광선의 수)를 구하였다. 그리고 전체 도광판 출광면의 조도균일도를 아래 식과 같이 정의하였다.
본 연구에서는 α를 70° 부터 120°까지 10° 간격으로 변화시키면서 이러한 변화가 조도분포에 어떤 영향을 주는지를 분석하였다.
본 연구에서는 LLA의 경우에는 입광면과 광원 사이의 거리 d를 조정하면서 균일도를 관찰하였고, Serration의 경우는 톱니의 정각 α를 휘점 제거의 관점에서 최적화 한후 거리 d를 조정하면서 조도균일도를 조사하였다.
우선 α의 변화가 휘점 및 균일도 개선에 어떠한 이점이 있는지 알아보기 위하여 d = 0.5 mm로 고정한 후 정각 α를 변화시키면서 조도 분포를 관찰하였다.
국소적으로 집중되어 입사되는 LED의 빛을 효율적으로 확산시키는 광구조를 찾기 위해 도광판의 입광면에 렌티큘라 렌즈 배열(LLA)과 톱니모양(Serration)의 미세 패턴을 형성시킨 후 이를 어떤 패턴도 형성되어 있지 않은 일반 도광판의 성능과 비교하였다. 이 세가지 경우에 대해 LED와 광원 사이의 거리를 변화시키면서 도광판 위에서의 조도 분포를 구하였고 조도균일도를 계산하였다. 시뮬레이션 결과, 입광면에 패턴이 없는 경우에는 d가 커짐에 따라 균일도가 점점 향상 되다가 일정한 거리를 초과하게 되면 개선되는 비율이 현저히 줄어드는 것을 확인하였다.
이 패턴의 폭과 피치는 0.5 mm로 같고 입광면으로부터의 높이는 Serration의 정각 α에 의존하여 변하도록 설계하였다.
이러한 목시검사를 근사적으로 구현하기 위해서는 픽셀의 개수를 늘이고 픽셀 당 면적을 줄여야 하나 이는 계산상의 부담(load)를 증가시키므로 본 연구에서는 검출기의 2차원 면적을 21×21=441 개의 픽셀로 나누어 조도균일도를 계산하였다.
[6, 7] 본 연구에서는 LED TV에 사용되는 엣지형 도광판 상에서 백색 LED에 의해 형성되는 휘점을 제거할 수 있는 광구조의 최적화 과정을 광선추적기법(ray tracing technique) 소프트웨어를 이용하여 수행하였다. 이를 통해 도광판 위에서의 조도 균일도(illuminance uniformity)를 정량적으로 평가하였고 입광면에 적용되는 다양한 구조의 형상을 변경하면서 조도균일도의 변화를 추적하였다.
이상의 결과를 바탕으로 LLA 패턴과 α가 100°인 Serration 패턴에 대해 도광판의 입광면과 광원 사이의 거리 d를 변화시키면서 조도균일도를 조사하였다.
휘점 제거 여부를 정량적으로 평가하기 위해 도광판 위에서의 조도균일도를 조사하였다. 일반적으로 백라이트 및 LCD 패널의 표시 품질은 발광면에 대해 수직인 방향으로 측정된 휘도균일도로 평가된다.
대상 데이터
시뮬레이션을 위해 구축된 백라이트의 개략도가 그림 1에 제시되어 있다. 백라이트는 3개의 백색 LED, 반사필름 그리고 도광판으로 구성되었다. 설계된 도광판의 광원으로는 백색 LED의 일종인 NSCW310T(Nichia Co.
반사필름의 반사율은 100%로 설정하였다. 본 시뮬레이션에서 사용한 광선의개수는 통상 한 조건당 3,000,000 개로 설정하였다.
본 연구에서는 최근 시장 점유율이 점점 높아지고 있고 박형화에 유리한 LED를 광원으로 한 엣지형 LCD 백라이트의 구조에 대해 시뮬레이션 모델을 수립한 후, LED에 의해 형성되는 휘점 발생을 억제하고 조도균일도를 향상시키기 위한 광구조 최적화와 관련된 시뮬레이션을 수행하였다. 본 연구에서 목표로 삼은 백라이트는 최근 대형의 초박형 LCD TV에 적용되고 있는 엣지형 LED 백라이트로써, 3개의 백색 LED와 램프 커버, 반사필름, 확산 도트 패턴이 형성된 도광판으로 구성되어 있다. 국소적으로 집중되어 입사되는 LED의 빛을 효율적으로 확산시키는 광구조를 찾기 위해 도광판의 입광면에 렌티큘라 렌즈 배열(LLA)과 톱니모양(Serration)의 미세 패턴을 형성시킨 후 이를 어떤 패턴도 형성되어 있지 않은 일반 도광판의 성능과 비교하였다.
BLU용 광학 부품들을 시뮬레이션 내에서 정확하고 효율적으로 구현하기 위해서는 부품들의 본질적인 특성들만을 정확히 반영하여 가능한 한 단순하게 모델을 구축하는 것이 중요하다. 본 연구에서 시뮬레이션 대상으로 설정한 도광판은 최근 중요한 기술적 진보로 받아들여지고 있는 LED TV, 즉 LED 백라이트를 이용한 LCD TV용 엣지형 도광판이다. LED TV에 적용되는 백라이트 내에서는 박형화를 위해 보통 4 mm의 두께를 가진 도광판의 네 개의 입광면에 수 백여 개의 백색 LED를 배치하여 균일광을 구현한다.
설계된 도광판의 광원으로는 백색 LED의 일종인 NSCW310T(Nichia Co., Ltd.)가 사용되었는데, LED의 크기는 2.19×2.76×3.51 mm3으로써 가장 큰 면이 도광판을 향하는 발광면에 해당한다.
이론/모형
이런 면에서, 특정한 디자인의 광학적 효과를 간접적으로 확인함으로써 시간과 비용을 절약할 수 있는 시뮬레이션 기법이 사용되어 왔다.[6, 7] 본 연구에서는 LED TV에 사용되는 엣지형 도광판 상에서 백색 LED에 의해 형성되는 휘점을 제거할 수 있는 광구조의 최적화 과정을 광선추적기법(ray tracing technique) 소프트웨어를 이용하여 수행하였다. 이를 통해 도광판 위에서의 조도 균일도(illuminance uniformity)를 정량적으로 평가하였고 입광면에 적용되는 다양한 구조의 형상을 변경하면서 조도균일도의 변화를 추적하였다.
엣지형 백라이트의 설계와 분석을 위해 광 추적 기법을 사용하는 소프트웨어인 LightTools (Optical Research Associates)를 활용하였다. BLU용 광학 부품들을 시뮬레이션 내에서 정확하고 효율적으로 구현하기 위해서는 부품들의 본질적인 특성들만을 정확히 반영하여 가능한 한 단순하게 모델을 구축하는 것이 중요하다.
성능/효과
각 그림에서 색깔은 조도의 크기를 표현하고 있고 각 색깔별 상대적 크기를 오른쪽의 색상 막대에 표현하였다. 2.3절에 정의된 방법에 따라 계산된 조도균일도를 비교해 보면, CCFL을 사용한 경우 조도균일도는 약 72%였고 LED를 사용한 경우는 약 50% 였다. 또한 그림을 보면 알 수 있듯이 LED를 사용하면 광원 부근에서 LED의 위치에 대응하여 휘점 영역이 뚜렷이 발생함을 알 수 있다.
시뮬레이션 결과, 입광면에 패턴이 없는 경우에는 d가 커짐에 따라 균일도가 점점 향상 되다가 일정한 거리를 초과하게 되면 개선되는 비율이 현저히 줄어드는 것을 확인하였다. LLA나 Serration 등의 미세 패턴을 입광면에 형성한 경우에는 LED와의 거리가 매우 작은 경우에도 휘점 발생을 상대적으로 억제한다는 것을 확인하였고 이러한 개선 효과는 d의 변화에는 크게 의존하지 않음을 확인할 수 있었다. 따라서 LLA나 Serration과 같은 미세 패턴을 형성시키는 경우에는 베젤을 줄이기 위해 d를 줄이는 경우, 즉 LED를 도광판의 입광면에 근접시키는 조건에서도 휘점 발생을 효과적으로 억제한다는 것을 확인할 수 있었다.
따라서 LLA나 Serration과 같은 미세 패턴을 형성시키는 경우에는 베젤을 줄이기 위해 d를 줄이는 경우, 즉 LED를 도광판의 입광면에 근접시키는 조건에서도 휘점 발생을 효과적으로 억제한다는 것을 확인할 수 있었다. 게다가 미세패턴의 굴절률을 조정함으로써 추가적인 조도균일도 향상 효과도 얻을 수 있음을 확인하였다. 이상의 결과는 실제 백라이트 구조에 비해 단순화된 백라이트 모델에 대한 시뮬레이션을 통해 얻어진 결과이므로, 보다 엄밀하고 의미 있는 설계기준은 실물에 대한 실험적 검증을 진행하고 시뮬레이션과 실험데이터 사이의 상관성[10]을 확보함으로써 얻어져야 할 것이다.
이렇게 설정된 픽셀 면적은 LED가 형성하는 휘점에 비해 현저히 작은 크기이므로 휘점 형성과 관련된 균일도의 변화를 분석하는 데에는 충분할 것으로 생각된다. 결국, 본 연구에서 제시한 조도균일도는 균일도에 대한 절대적인 측정 기준이라기 보다는 입광면의 광학구조 변화에 따른 발광균일도의 상대적인 변화를 점검함으로써 도광판의 광구조 최적화를 달성하기 위한 하나의 유용한 변수로 간주하는 것이 타당할 것이다.
그 결과 α = 70° 인 경우가 약 58%로 균일도가 가장 낮게 계산되었고 α = 100°인 경우가 약 71%로 균일도 측면에서 가장 우수하였다.
이를 그래프로 표현한 것이 그림 11이다. 그래프를 보면 쉽게 알 수 있듯이 입광면에 패턴이 형성되어 있지 않은 도광판은 거리 d의 변화가 조도균일도에 직접적인 영향을 주는 것을 알 수 있지만 d가 약 1.5 mm 이상인 영역에서는 LED의 빛이 충분히 퍼진 상태에서 도광판에 입광되므로 d가 조도균일도에 주는 영향이 줄어든다는 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 결과는 LED 백라이트를 설계할 때 휘점을 효과적으로 제거하기 위해서 입광면과 광원 사이의 거리 및 입광면 자체의 광학적 최적화가 동시에 이루어져야 함을 보여주는 것이다.
LLA나 Serration 등의 미세 패턴을 입광면에 형성한 경우에는 LED와의 거리가 매우 작은 경우에도 휘점 발생을 상대적으로 억제한다는 것을 확인하였고 이러한 개선 효과는 d의 변화에는 크게 의존하지 않음을 확인할 수 있었다. 따라서 LLA나 Serration과 같은 미세 패턴을 형성시키는 경우에는 베젤을 줄이기 위해 d를 줄이는 경우, 즉 LED를 도광판의 입광면에 근접시키는 조건에서도 휘점 발생을 효과적으로 억제한다는 것을 확인할 수 있었다. 게다가 미세패턴의 굴절률을 조정함으로써 추가적인 조도균일도 향상 효과도 얻을 수 있음을 확인하였다.
즉, d 자체의 증가에 따른 엣지부 비발광영역(베젤)의 증가와 d의 감소에 따른 휘점 발생 영역(발광 면적에 포함되지 못하는 영역)의 증가 사이에서 비발광영역을 최소한으로 줄일 수 있는 적절한 조합이 요구된다. 반면, 입광면에 LLA나 Serration 패턴을 배열한 경우에는 이러한 미세 패턴들이 국소적으로 집중되어 입사되는 LED의 빛을 충분히 퍼뜨리기 때문에 휘점 제거 및 균일도 개선에 기여를 하게 되고 이러한 개선은 조도균일도의 d에 대한 의존성을 줄이는 결과로 나타났다. 즉, LLA 와 Serration 패턴이 적용된 경우 조도균일도는 거리 d에 비례하여 단조증가하였으나 미세패턴이 없는 경우에 비해 훨씬 완만한 기울기를 보였고 조도균일도도 우월하였다.
하지만 40인치급 도광판은 본 연구에서 대상으로 삼은 도광판과 비교했을 경우 LED의 간격과 밝기, 그리고 도광되는 빛의 진행거리가 다르고 도광판 후면의 패턴 분포도 상이하므로 본 연구의 결과를 그대로 40인치급 도광판에 적용하는 것은 무리가 있다. 본 연구 결과는 도광판 입광면의 패턴이 LED의 휘점 형성에 미치는 영향을 분석하여 40인치급 도광판의 휘점 제거에 기여할 수 있다는 제한적인 의미를 띤다.
이 세가지 경우에 대해 LED와 광원 사이의 거리를 변화시키면서 도광판 위에서의 조도 분포를 구하였고 조도균일도를 계산하였다. 시뮬레이션 결과, 입광면에 패턴이 없는 경우에는 d가 커짐에 따라 균일도가 점점 향상 되다가 일정한 거리를 초과하게 되면 개선되는 비율이 현저히 줄어드는 것을 확인하였다. LLA나 Serration 등의 미세 패턴을 입광면에 형성한 경우에는 LED와의 거리가 매우 작은 경우에도 휘점 발생을 상대적으로 억제한다는 것을 확인하였고 이러한 개선 효과는 d의 변화에는 크게 의존하지 않음을 확인할 수 있었다.
그림 7-(a)의 경우 균일도는 약 45%였고 그림 7-(c)의 경우는 약 68%로 가장 높게 측정되었다. 이 결과를 보게 되면 도광판의 입광면이 평편한 경우 d의 변화가 광원 부근의 휘점을 줄여주고 도광판 위에서의 균일도를 개선하는 데에 있어서 매우 중요한 변수가 된다는 것을 알 수 있다. 거리가 멀어지게 되면 특정한 출광분포를 가지고 발산하는 LED의 빛이 도광판의 입광 면에 더욱 퍼진 상태에서 입사되기 때문에 거리가 멀어짐에 따라 조도균일도가 개선되는 것은 당연한 결과이다.
그림 8-(a)인 경우의 조도균일도는 약 65%로 계산되었고, 그림 8-(b)의 경우 균일도는 약 71%로 계산되었다. 이 두 경우는 거리 d는 상당히 차이가 나지만 조도균일도의 차이는 입광면이 평편한 경우에 비해 다소 줄어들었는데, 이는 LLA의 작용으로 인해서 입광되는 빛이 퍼지면서 도광판 위의 조도균일도가 입광면과 광원 사이의 거리 d의 변화에 의존하는 정도가 어느 정도 줄어들었다는 것을 의미한다. LLA가 입광면에 형성되는 도광판의 형상은 동일 형상을 음각으로 가지는 틀을 활용하는 사출 공정을 통해 형성할 수 있을 것이다.
반면, 입광면에 LLA나 Serration 패턴을 배열한 경우에는 이러한 미세 패턴들이 국소적으로 집중되어 입사되는 LED의 빛을 충분히 퍼뜨리기 때문에 휘점 제거 및 균일도 개선에 기여를 하게 되고 이러한 개선은 조도균일도의 d에 대한 의존성을 줄이는 결과로 나타났다. 즉, LLA 와 Serration 패턴이 적용된 경우 조도균일도는 거리 d에 비례하여 단조증가하였으나 미세패턴이 없는 경우에 비해 훨씬 완만한 기울기를 보였고 조도균일도도 우월하였다. 또한, LLA에 비해 Serration 패턴이 적용된 경우가 조도균일도가 더 높았다.
후속연구
이로 인해 LED 주변에 휘점이 발생한다. 입광면에 LLA나 Serration 패턴을 배열시킨 경우에는 광선들이 미세구조의 표면에서 굴절률의 차이에 의해 굴절되면서 다양한 방향으로 분산되기 때문에 그림 4-(a)의 광선추적 결과에 비해 LED에 수직인 방향으로 집중되는 광선의 숫자가 줄어들게 되고 따라서 휘점 제거에 있어서 긍정적인 광학적 작용을 할 것으로 기대된다. 본 연구에서는 LLA의 경우에는 입광면과 광원 사이의 거리 d를 조정하면서 균일도를 관찰하였고, Serration의 경우는 톱니의 정각 α를 휘점 제거의 관점에서 최적화 한후 거리 d를 조정하면서 조도균일도를 조사하였다.
이로부터 평면 → LLA → Serration 패턴 순으로 휘점 제거 효과가 높아진다는 것을 알 수 있다. 아울러 굴절률의 변화를 통해 추가적인 조도균일도 개선도 기대할 수 있다. 이러한 미세 패턴을 입광면에 효과적으로, 그리고 적은 비용으로 형성하기 위한 공정 기술에 대해서는 본 연구에서는 다루지 않았다.
게다가 미세패턴의 굴절률을 조정함으로써 추가적인 조도균일도 향상 효과도 얻을 수 있음을 확인하였다. 이상의 결과는 실제 백라이트 구조에 비해 단순화된 백라이트 모델에 대한 시뮬레이션을 통해 얻어진 결과이므로, 보다 엄밀하고 의미 있는 설계기준은 실물에 대한 실험적 검증을 진행하고 시뮬레이션과 실험데이터 사이의 상관성[10]을 확보함으로써 얻어져야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
엣지형 LCD 백라이트의 균일도 향상을 위한 도광판의 광구조 최적화를 위한 시뮬레이션 결과는?
이 세가지 경우에 대해 LED와 광원 사이의 거리를 변화시키면서 도광판 위에서의 조도 분포를 구하였고 조도균일도를 계산하였다. 시뮬레이션 결과, 입광면에 패턴이 없는 경우에는 d가 커짐에 따라 균일도가 점점 향상 되다가 일정한 거리를 초과하게 되면 개선되는 비율이 현저히 줄어드는 것을 확인하였다. LLA 나 Serration 등의 미세 패턴을 입광면에 형성한 경우에는 LED와의 거리가 매우 작은 경우에도 휘점 발생을 상대적으로 억제한다는 것을 확인하였고 이러한 개선 효과는 d의 변화에는 크게 의존하지 않음을 확인할 수 있었다. 따라서 LLA나 Serration과 같은 미세 패턴을 형성시키는 경우에는 베젤을 줄이기 위해 d를 줄이는 경우, 즉 LED를 도광판의 입광면에 근접시키는 조건에서도 휘점 발생을 효과적으로 억제한다는 것을 확인할 수 있었다. 게다가 미세패턴의 굴절률을 조정함으로써 추가적인 조도균일도 향상 효과도 얻을 수 있음을 확인하였다. 이상의 결과는 실제 백라이트 구조에 비해 단순화된 백라이트 모델에 대한 시뮬레이션을통해 얻어진 결과이므로, 보다 엄밀하고 의미 있는 설계기준은 실물에 대한 실험적 검증을 진행하고 시뮬레이션과 실험데이터 사이의 상관성[10]을 확보함으로써 얻어져야 할 것이다.
백라이트 유닛 이란?
그렇지만 CRT(Cathode Ray Tube), PDP(Plasma Display Panel) 등의 자발광 디스플레이와는 다르게, LCD는 스스로 빛을 낼 수 없는 비자발광 디스플레이라는 특성을 가지고 있기 때문에 외부에서 백색광을 공급해 주는 광원을 필요로 한다. 이처럼 LCD 후면에서 빛을 공급해 주는 장치를 백라이트 유닛(Backlight Unit, BLU)이라고 부른다. 여기에서 발생된 빛이 LCD 패널을 만나게 되면 화소(pixel)별로 투과도 및 색이 결정되어 영상정보가 구현된다.
BLU은 어떻게 분류될 수 있는가?
여기에서 발생된 빛이 LCD 패널을 만나게 되면 화소(pixel)별로 투과도 및 색이 결정되어 영상정보가 구현된다. BLU는 크게 도광판(Light Guide Plate, LGP)의 유무에 따라 중대형 LCD에 적용되는 직하형(direct-lit) BLU와 중소형 LCD에 주로 사용되는 엣지형(edge-lit) BLU 로 분류할 수 있다. 백라이트 내에서 가시광선을 형성하는 광원은 전통적으로 냉음극형광램프(Cold Cathode Fluorescent Lamp, CCFL)와 같은 형광등이 많이 사용되고 있으나 중소형 LCD, 특히 중소형 노트북 이하의 크기를 갖는 LCD용 백라이트의 광원으로는 박형화와 저소비전력화에 유리한 고체 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)가 광범위하게 사용되고 있고 시장점유율이 지속적으로 증가하고 있는 추세이다.
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