[논문]Micro Reverse-pyramid Array를 이용한 일체형 Sheetless LCD Backlight의 광학적 특성

전화준; 임교성; 곽진석; 권진혁

doi:10.3807/kjop.2012.23.3.119

Micro Reverse-pyramid Array를 이용한 일체형 Sheetless LCD Backlight의 광학적 특성
Optical Characteristics of Sheetless LCD Backlight Using Micro Reverse-pyramid Array 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.23 no.3, 2012년, pp.119 - 123

전화준 (영남대학교 물리학과) , 임교성 (영남대학교 물리학과) , 곽진석 (영남대학교 물리학과) , 권진혁 (영남대학교 물리학과)

초록
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LCD backlight unit (BLU)에서 도광판 상부에 micro reverse-pyramid array (MRPA) 또는 micro reverse-cone array (MRCA)을 설치함으로써 기존의 확산 시트와 프리즘 시트를 없애고 구조를 단순화하였으며, 광학적 시뮬레이션을 통하여 새로운 도광판의 최적 조건을 얻었다. MRPA와 MRCA의 측면각과 높이, 윗변의 반지름이나 윗변의 길이에 따라 휘도와 시야각의 변화를 구하였다. MRPA와 MRCA 구조물의 최적의 형상은 측면각이 각각 59도와 57도이었으며, 시야각은 68도와 64도이었다. 구조물의 높이는 큰 영향을 주지 않았다.

Abstract ▼ AI-Helper

The structure of an LCD backlight unit (BLU) was simplified by installing a micro reverse-pyramid array (MRPA) or a micro reverse-cone array (MRCA) on the top surface of the light guide panel (LGP) in order to eliminate the conventional diffuser sheet and the prism sheet. The optimum conditions of the MRPA and the MRCA in the new light guide panel were obtained through optical simulation. The change of the luminance and view angle that depend on the side angle, the height, and the length at the top of the MRPA and MRCA were studied. The optimized side angle and the view angle of the MRPA and MRCA were 59 and 57 degrees for the side angles and 68 and 64 degrees for the view angles, respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

2의 사시도와 같이 도광판 상부에 MRPA를 설치한 일체형 BLU를 정립하여 광학시트를 줄일 수 있는 방법을 연구하였고, MRCA와 비교 분석하였다. 기존의 모바일 용 BLU의 평균 휘도가 5000 cd/m²이며 그 이상의 평균 휘도를 목표로 하였다. 각각의 구조에서 구조물의 광학설계를 통한 최적의 조건을 찾았고, 최적의 조건에서의 휘도와 시야각의 차이를 알아보았다.
따라서 본 논문에서는 Fig. 2의 사시도와 같이 도광판 상부에 MRPA를 설치한 일체형 BLU를 정립하여 광학시트를 줄일 수 있는 방법을 연구하였고, MRCA와 비교 분석하였다. 기존의 모바일 용 BLU의 평균 휘도가 5000 cd/m²이며 그 이상의 평균 휘도를 목표로 하였다.

가설 설정

3은 MRPA를 이용한 BLU에서 광 경로를 나타낸 모식도이다. 모식도와 같이 MRPA가 빛을 수직으로 올려 주려면 측면각이 큰 영향을 미칠 것이다. 도광판의 효율을 가장 높여 줄 수 있는 조건을 찾기 위하여 측면각, 높이에 따른 수직 휘도와 시야각에 대한 변화를 알아보았다.

제안 방법

Fig. 9는 reverse pyramid의 측면각에 따른 angular luminance profile이며, 다른 변수인 높이는 40 µm로 두었으며, reverse pyramid 구조물로 들어가는 광이 동일한 면적으로 들어가게 하기 위하여 밑면의 길이를 50 µm로 고정하여 시뮬레이션을 진행하였다.
도광판의 크기는 가로는 98 mm, 세로 55 mm, 두께 3 mm의 PMMA 기판으로 설정하였으며, 도광판을 감싸는 몰드 프레임을 만들어 실제 BLU와 비슷한 조건이 되도록 만들어 시뮬레이션 하였다. LED 광이 입사되는 옆면과 출사되는 윗면은 투과율 100%로 설정하였고, 나머지 부분은 반사 98%, 흡수 2%로 설정하였다. 균일한 출사 휘도 분포를 위하여 각 패턴의 분포는 Bezier 분포를 이용하여 패턴의 개수와 배치 간격을 조절하여 휘도 균일도가 97% 이상이 되도록 조절하였다.
기존의 모바일 용 BLU의 평균 휘도가 5000 cd/m²이며 그 이상의 평균 휘도를 목표로 하였다. 각각의 구조에서 구조물의 광학설계를 통한 최적의 조건을 찾았고, 최적의 조건에서의 휘도와 시야각의 차이를 알아보았다.
광학설계 프로그램을 이용하여 도광판 상면에 MRPA와 MRCA 구조물을 설치하여 일체형 BLU를 구현하였다. 시뮬레이션을 통해 도광판의 특성을 분석해 본 결과, MRCA의 최적의 설계값은 측면각의 각은 57도, 하부 반지름은 30 µm이며, 이때의 휘도는 5946 cd/m², 수평 시야각 63도, 수직 시야각 42도이고, MRPA는 측면각의 각은 59도, 높이는 80µm, 상면의 한 변의 길이는 150um이며, 이때 평균 휘도는 7445 cd/m², 수평 시야각 72도, 수직 시야각 43도이다.
LED 광이 입사되는 옆면과 출사되는 윗면은 투과율 100%로 설정하였고, 나머지 부분은 반사 98%, 흡수 2%로 설정하였다. 균일한 출사 휘도 분포를 위하여 각 패턴의 분포는 Bezier 분포를 이용하여 패턴의 개수와 배치 간격을 조절하여 휘도 균일도가 97% 이상이 되도록 조절하였다. 광원인 LED는 가로 5 mm, 세로 2 mm, 두께 1 mm인 크기의 LED를 10 lumen으로 가정하여 7개를 설치하였다.
모식도와 같이 MRPA가 빛을 수직으로 올려 주려면 측면각이 큰 영향을 미칠 것이다. 도광판의 효율을 가장 높여 줄 수 있는 조건을 찾기 위하여 측면각, 높이에 따른 수직 휘도와 시야각에 대한 변화를 알아보았다. 모바일용 4.
도광판의 효율을 가장 높여 줄 수 있는 조건을 찾기 위하여 측면각, 높이에 따른 수직 휘도와 시야각에 대한 변화를 알아보았다. 모바일용 4.5인치 LED BLU에 대한 시뮬레이션 모델을 설계하였으며, Light Tools 광학설계 프로그램을 사용하여 시뮬레이션을 진행하였다. 도광판의 크기는 가로는 98 mm, 세로 55 mm, 두께 3 mm의 PMMA 기판으로 설정하였으며, 도광판을 감싸는 몰드 프레임을 만들어 실제 BLU와 비슷한 조건이 되도록 만들어 시뮬레이션 하였다.
위의 시뮬레이션을 통해 얻은 측면각과 높이의 최적 조건을 사용하여 하부 반지름의 변화에 대해 알아보았다. Fig.
측면각 58도, 하부반경 20 µm로 고정하여 높이에 대한 변화를 알아보았다.

대상 데이터

균일한 출사 휘도 분포를 위하여 각 패턴의 분포는 Bezier 분포를 이용하여 패턴의 개수와 배치 간격을 조절하여 휘도 균일도가 97% 이상이 되도록 조절하였다. 광원인 LED는 가로 5 mm, 세로 2 mm, 두께 1 mm인 크기의 LED를 10 lumen으로 가정하여 7개를 설치하였다.
5인치 LED BLU에 대한 시뮬레이션 모델을 설계하였으며, Light Tools 광학설계 프로그램을 사용하여 시뮬레이션을 진행하였다. 도광판의 크기는 가로는 98 mm, 세로 55 mm, 두께 3 mm의 PMMA 기판으로 설정하였으며, 도광판을 감싸는 몰드 프레임을 만들어 실제 BLU와 비슷한 조건이 되도록 만들어 시뮬레이션 하였다. LED 광이 입사되는 옆면과 출사되는 윗면은 투과율 100%로 설정하였고, 나머지 부분은 반사 98%, 흡수 2%로 설정하였다.

성능/효과

120 µm에서 150 µm까지 휘도가 급격히 증가하여 150 µm에서 가장 높은 휘도를 보였으며 150 µm보다 긴 길이에선 감소하였다.
6는 좀 더 확실한 최적의 조건을 찾기 위해 측면각을 56도에서 62도까지 시뮬레이션 하여 그 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 56도에서 58도까지의 휘도는 큰 변화가 없지만, 각이 커질수록 휘도가 점점 감소하는 것이 보였다. 이는 위에서 언급했듯이 각에 따라 굴절방향이 달라지면서 58도 이상의 각에선 광이 cone의 옆면에 부딪혀 도광판의 상부 방향으로 굴절되는 광보다 옆 방향으로 굴절되거나 출사되지 못하고 다시 도광판 내부로 들어오는 광이 더 많아져 평균휘도가 줄어 들게 된 것이다.
시뮬레이션을 통해 도광판의 특성을 분석해 본 결과, MRCA의 최적의 설계값은 측면각의 각은 57도, 하부 반지름은 30 µm이며, 이때의 휘도는 5946 cd/m², 수평 시야각 63도, 수직 시야각 42도이고, MRPA는 측면각의 각은 59도, 높이는 80µm, 상면의 한 변의 길이는 150um이며, 이때 평균 휘도는 7445 cd/m², 수평 시야각 72도, 수직 시야각 43도이다. 기존 모바일용 BLU보다 더 높은 휘도를 보였으며, MRCA보다 MRPA가 더 높은 평균휘도를 보였다. 수직 시야각도 더 넓게 나타나는 것을 알 있으며, MRPA가 MRCA보다 더 우수한 성능을 가지고 있음을 알 수 있다.
기존 모바일용 BLU보다 더 높은 휘도를 보였으며, MRCA보다 MRPA가 더 높은 평균휘도를 보였다. 수직 시야각도 더 넓게 나타나는 것을 알 있으며, MRPA가 MRCA보다 더 우수한 성능을 가지고 있음을 알 수 있다.
감소하였다. 수평 시야각과 수직 시야각 또한 큰 변화는 없지만 수평 시야각은 측면각이 커질수록 감소함을 보였다.
시뮬레이션을 통해 도광판의 특성을 분석해 본 결과, MRCA의 최적의 설계값은 측면각의 각은 57도, 하부 반지름은 30 µm이며, 이때의 휘도는 5946 cd/m2, 수평 시야각 63도, 수직 시야각 42도이고, MRPA는 측면각의 각은 59도, 높이는 80µm, 상면의 한 변의 길이는 150um이며, 이때 평균 휘도는 7445 cd/m2, 수평 시야각 72도, 수직 시야각 43도이다.
하지만 어느 일정 넓이 이상에선 Reverse Cone의 옆면에 부딪혀 굴절하게 되는 광보다 패턴 내부로 들어 온 방향 그대로 외부로 빠져 나가거나 내부로 다시 되돌아 가는 광이 생겨나게 되어 휘도에 크게 영향을 주지 않게 된다. 시야각은 큰 변화가 없었지만 수평 시야각의 경우 하부 반지름에 따라 증가하였고, 수직 시야각은 점점 감소하는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액정은 백색광을 공급해 주는 광원으로 backlight unit(BLU)를 필요한 이유는?	액정디스플레이 (Liquid Crystal Display, LCD)는 소비전력이 적으면서 대형화와 초박형이 가능하기 때문에 중요한 정보 디스플레이 장치로 자리하고 있다. 액정은 스스로 발광할 수 없기 때문에 디스플레이로써 작동하기 위해 백색광을 공급해 주는 광원으로 backlight unit(BLU)를 필요로 한다. BLU는 LCD의 휘도와 균일도에 영향을 미치며 화질에도 결정적인 영향을 미치는 중요 부품들 중 하나이다.
	액정디스플레이의 장점은?	액정디스플레이 (Liquid Crystal Display, LCD)는 소비전력이 적으면서 대형화와 초박형이 가능하기 때문에 중요한 정보 디스플레이 장치로 자리하고 있다. 액정은 스스로 발광할 수 없기 때문에 디스플레이로써 작동하기 위해 백색광을 공급해 주는 광원으로 backlight unit(BLU)를 필요로 한다.
	BLU의 측면형 방식의 대형화가 가능해진 이유는?	BLU는 크게 빛을 아래에서 직접 조명하여 주는 직하형 방식과 측면에서 들어오는 광을 도광판을 이용하여 조명하여 주는 측면형 방식으로 나뉜다. 측면형 방식의 경우 대형 디스플레이에 적용하기 힘들었으나, LED의 발전으로 대형화가 용이해졌다.

참고문헌 (9)

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상세보기
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상세보기
S. K. Hwang, S. H. Baek, J. H. Kwon, and Y. S. Park, "Fabrication of microlens array using photoresist thermal reflow," Korean J. Opt. Photon. (Hankook Kwanghak Hoeji) 20, 118-122 (2009).

원문보기 상세보기
S. H. Baik, S. K. Hwang, Y. G. Kim, G. J. Park, J. H. Kwon, W. T. Moon, S. H. Kim, S. H. Kim, B. K. kim, and S. H. Kang, "Simulation and fabrication of the cone sheet for LCD backlight application," J. Opt. Soc. Korea 13, 478-483 (2009).

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UTE Film (Miraenano Tech. Co., Ltd), http://www.mntech.co.kr.
H. S. Lee, J. H. Lee, B. K. Lee, W. S. Choi, H. Song, H. Y. Choi, and J. B. Yoon, "Monolithically fabricated micropatterned light guide plates for sheet-less backlight unit," in Proc. Asia Display, IDW 2007 (Sapporo International Conference Center, Sapporo, Japan, Dec. 2007), pp. 661-661.
J. H. Lee, H. S. Lee, B. K. Lee, W. S. Choi, H. Y. Choi, and J. B. Yoon, "Simple liquid crystal display backlight unit comprising only a single-sheet micropatterned polydimethylsiloxane (PDMS) light-guide plate," Opt. Lett. 32, 2665-2667 (2007).

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

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