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문제 정의
- 디스플레이 기술이 발전함에 따라 대면적화, 슬림화, 단가 절감 등을 해결하기 위해 많은 연구들이 진행되고 있다. 대면적 도광판의 추출 효율 및 휘도 균일도를 확보하기 위해, 본연구에서는 패턴 형상 설계와 패턴 밀도 설계의 방법론 제시를 통하여 보다 효율적인 대면적 디스플레이용 도광판 설계 방법을 제안하였다. 패턴 형상은 기하학적 분석을 통해 대면적 도광판에 적합하도록 결정되었으며, 휘도 균일도를 확보하기 위해 n 개의 구역으로 나누어 패턴 밀도를 설계하는 구역별 패턴 밀도 설계 방법을 적용하였다.
- 초기에는 추출 효율을 향상시키기 위해 도광판의 다양한 패턴 형상 설계에 대한 연구가 활발히 진행되었으며[1-2], 기술이 발전함에 따라 프리즘 시트, 확산 시트 등의 광학 필름을 도광판의 패턴을 통해 대체하는 방법과 휘도 균일도를 높이기 위한 하부 패턴의 설계로 도광판 성능을 향상 시키는 연구가 진행되었다[3-6]. 본 연구에서는 디스플레이의 대면적화에 따른 LGP 설계에 대한 보다 효율적인 방법을 제안하고, 이를 바탕으로 55 인치 LED 디스플레이용 LGP의 최적화된 패턴의 형상 및 배열구조를 제시하고자 한다. 우선 광선 추적법 (Ray Tracing method) 시뮬레이션을 통하여, 추출 효율 및 휘도 향상을 위한 상, 하부 패턴의 구조 형상에 대한 최적화 설계를 진행하고, 이를 바탕으로 다시 상, 하부 패턴의 배열 분포를 밀도함수제어방식을 이용하여 결정하는 보다 효율적인 휘도 균일도를 확보하는 설계방법을 확립하고자 한다.
제안 방법
- 6 에나타나있다. 결과를 분석하기에 앞서 휘도 균일도의 정량적 평가를 위해서 도광판으로부터 추출된 광선들이 확산판에 입사하기 이전의 위치에서 휘도 균일도를 측정하였다. 측정 방식은 도광판과 동일한 면적을 가지는 검출기 (Receiver)를 다수의 픽셀로 나눈 후 각 픽셀의 평균 휘도(모든 방향에서 입사되는 광선의 수)를 구한 뒤, 최소 평균 휘도를 최대 평균 휘도로 나눈 값으로 정의하였다.
- 대면적 엣지형 도광판 패턴 설계에 앞서 최적의 패턴 형상 및 구조 이해를 위하여 패턴의 기하학적 분석을 진행했다. 분석을 진행한 패턴 형상은 Cylinder, Trapezoid, Prism 그리고 R-Prism 의 4가지이다.
- 따라서 평면으로 구성된 패턴 보다 곡면으로 구성된 패턴이 90 ° 또는 그와 유사한 각도로 굴절될 확률이 증가한다. 따라서 가공성을 함께 고려하여 R-Prism 형상을 상부 패턴으로 선정하였다.
- 하부 패턴은 입사한 광을 상부로 전반사 시키거나 굴절시키는 역할을 하는데, 앞서 분석한 패턴 형상 중에서 입사광에 대해 일정한 각도를 가지는 평면을 가지고 있는 Prism 형상이 가장 적합하였다. 따라서 입사광을 상부로 추출 하기 위한 Prism 의 중심각을 고려하여 기하학적 분석을 통해 하부 패턴을 설계하였다.
- 05 ㎜ 아래에 위치하며 정반사와 확산반사가 혼재된 형태인 가우시안 산란(Gaussian Scattering)을 적용했으며 Scattering 되는 각도는 ±10 °이다. 또한 실제 조건과 유사한 조건으로 표면에 90%의 반사율과 10%의흡수율을 가지도록 하였다.
- 반사 시트는 도광판의 0.05 ㎜ 아래에 위치하며 정반사와 확산반사가 혼재된 형태인 가우시안 산란(Gaussian Scattering)을 적용했으며 Scattering 되는 각도는 ±10 °이다.
- 분석한 패턴 형상들을 사용하여 추출 효율과 휘도 균일도가 향상된 대면적 엣지형 도광판 시뮬레이션을 위해 모델링을 진행하였다. 본 연구에서는 LightTools 광학 상용 소프트웨어를 사용하여 시뮬레이션을 진행하였다.
- 선정한 4 가지 형상을 hole type 과 bump type의 2 가지 형태로 분류한 후 광선 추적법을 사용하여 각 패턴에 의한 광선의 진행 및 분포를 분석했다. Fig.
- 단, 하부 패턴을 평가하는 지표가 추출 효율이었다면 상부 패턴을 평가하는 지표는 배광 분포이다. 선정한 R-Prism 패턴의 형상에 따른 배광 분포 확인을 위해 패턴의 높이와 패턴과 패턴 간의 사이 각을 변수로 설정하여 시뮬레이션을 진행하였다. 곡률 40 ㎛에 대해 패턴의 높이를 13 ㎛에서 17 ㎛까지 2 ㎛ 간격으로, 패턴과 패턴이 이루는 사이 각은 60 °에서 120 °까지 30 ° 간격으로 변수를 설정하였는데, 사이 각 60 °의 경우는 R-Prism 형상을 이룰 수없는 구조이기 때문에 제외 시켰다.
- 측정 방식은 도광판과 동일한 면적을 가지는 검출기 (Receiver)를 다수의 픽셀로 나눈 후 각 픽셀의 평균 휘도(모든 방향에서 입사되는 광선의 수)를 구한 뒤, 최소 평균 휘도를 최대 평균 휘도로 나눈 값으로 정의하였다. 설계한 상, 하부 패턴 형상과 패턴 밀도를 길이방향 모델링에 적용하여 대면적 도광판의 추출 효율과 배광 분포 결과를 확인하였다. Fig.
- 본 연구에서는 디스플레이의 대면적화에 따른 LGP 설계에 대한 보다 효율적인 방법을 제안하고, 이를 바탕으로 55 인치 LED 디스플레이용 LGP의 최적화된 패턴의 형상 및 배열구조를 제시하고자 한다. 우선 광선 추적법 (Ray Tracing method) 시뮬레이션을 통하여, 추출 효율 및 휘도 향상을 위한 상, 하부 패턴의 구조 형상에 대한 최적화 설계를 진행하고, 이를 바탕으로 다시 상, 하부 패턴의 배열 분포를 밀도함수제어방식을 이용하여 결정하는 보다 효율적인 휘도 균일도를 확보하는 설계방법을 확립하고자 한다.
- 이론적인 광선 추적법을 통해 계산된 θ 범위 내의 각도를 중심각으로 가지는 Prism 패턴에 대한 시뮬레이션을 통해 중심각에 따른 상부 광추출 효율을 확인하였다.
- 선행 연구들에 의하면 이러한 문제점을 보완하기 위해 작은 사이즈의 도광판의 시뮬레이션을 통해 확인하고자 하는 결과를 얻는 방법을 사용하였다[6]. 이에 본연구에서도 시뮬레이션 시간을 단축 시키면서 실제 대면적 도광판에 패턴을 적용 하였을 때와 동일한 결과를 가질 수 있는 모델링 방법을 설계하였다. 설계한 길이방향 모델링은 전체 55 인치 도광판(1230x700x3 ㎣)의 일부분을 시뮬레이션 함으로써 전체 면적에 대한 영향을 확인할수 있다.
- 구역별 패턴 밀도의 개념을 적용하면 아래 수식과 같이 모든 구역에서의 광량이 초기 광량의 1/n이 되어야 한다. 이에 수식을 바탕으로 도광판을 20 개의 구역으로 나눈 뒤, 모든 구역이 동일한 광량을 가질 수 있도록 패턴 밀도를 설계하고 이를 하부 패턴 밀도로써 사용하였다. 상부 패턴은 배광 분포를 바꿔 주기 위한 역할이므로 상부 패턴이 있는 면에 광이 입사할 경우 패턴에 의해 각도가 꺾여 추출하며, 패턴이 없는 면은 단순히 굴절률 차이에 따른 굴절로 광을 추출한다.
- 상부 패턴은 앞서 설명하였듯 기존 광학 시트들의 역할을 대체하기 위하여 하부 패턴과 다르게 상부면으로 입사되는 광선들에 대해 각도를 굴절시켜 수직한 형태로 변환시키는 역할을 한다. 이에 입사되는 광선들을 수직한 각도로 굴절시킬 수 있는 곡면 형상에 대한 기하학적 분석을 통해 상부 패턴을 설계하였다. 광원으로부터 출사되어 도광판 내부를 진행하는 광선들은 하부 패턴에 의해 다양한 각도를 가지며 상부 면으로 진행하는데, Fig.
- 도광판 내부를 진행하는 광선이 전반사를 이루는 임계각보다 큰 각도로 패턴에 맞아 한 번굴절을 이루고, 도광판 상부면에 전반사 각도 보다 작은 각도로 입사하여 추출되는 것이 가장 이상적인 추출 구조이다. 이에 하부면과 상부면의 조건을 고려하여 기하학적인 방법으로 이상적인광 추출을 위한 하부와 상부 패턴에 적합한 각도를 계산하였다. Fig.
- 최종 도광판 조건은 상부에는 패턴 밀도 1을 가지는 R-Prism 패턴을 사용하였고, 하부에는 구역별 패턴 밀도 설계를 적용한 Prism 패턴을 사용하였고, 각 패턴의 크기는 Fig.6 에나타나있다. 결과를 분석하기에 앞서 휘도 균일도의 정량적 평가를 위해서 도광판으로부터 추출된 광선들이 확산판에 입사하기 이전의 위치에서 휘도 균일도를 측정하였다.
- 결과를 분석하기에 앞서 휘도 균일도의 정량적 평가를 위해서 도광판으로부터 추출된 광선들이 확산판에 입사하기 이전의 위치에서 휘도 균일도를 측정하였다. 측정 방식은 도광판과 동일한 면적을 가지는 검출기 (Receiver)를 다수의 픽셀로 나눈 후 각 픽셀의 평균 휘도(모든 방향에서 입사되는 광선의 수)를 구한 뒤, 최소 평균 휘도를 최대 평균 휘도로 나눈 값으로 정의하였다. 설계한 상, 하부 패턴 형상과 패턴 밀도를 길이방향 모델링에 적용하여 대면적 도광판의 추출 효율과 배광 분포 결과를 확인하였다.
- 대면적 도광판의 추출 효율 및 휘도 균일도를 확보하기 위해, 본연구에서는 패턴 형상 설계와 패턴 밀도 설계의 방법론 제시를 통하여 보다 효율적인 대면적 디스플레이용 도광판 설계 방법을 제안하였다. 패턴 형상은 기하학적 분석을 통해 대면적 도광판에 적합하도록 결정되었으며, 휘도 균일도를 확보하기 위해 n 개의 구역으로 나누어 패턴 밀도를 설계하는 구역별 패턴 밀도 설계 방법을 적용하였다. 이를 통하여 광학 시트의 역할을 포함하는 대면적 디스플레이용 엣지형 도광판을 설계하고 휘도 균일도를 확보했으며, 또한 기존 도광판 대비 단가 절감 효과를 기대할 수 있었다.
- 패턴의 중심각은 80 °부터 140 °까지 10 ° 간격으로 설정했고, 패턴의 폭은 10 ㎛에서 20 ㎛까지 5 ㎛ 간격으로 설정하였다.
대상 데이터
- 49 이다. 광원은 백색 LED의 일종인 STW8Q14BE(5630 type, 서울 반도체)를 사용하였으며, 배광 분포는 일반적인 LED와 동일하게 람버시안 형태로 방사한다. 발광부의 크기는 4.
- 93 ㎜이다. 광원의 개수는 시뮬레이션을 위해 길이 방향 모델링의 크기에 맞춰 실제 55 인치 면적에 사용된 도합 192 개 중 일부인 5 개를 사용했다. LED 와 입사부 사이의 거리는 0.
- 도광판의 재료는 앞서 패턴 분석에 사용한 PMMA를 사용하였고 재료의 굴절률은 1.49 이다. 광원은 백색 LED의 일종인 STW8Q14BE(5630 type, 서울 반도체)를 사용하였으며, 배광 분포는 일반적인 LED와 동일하게 람버시안 형태로 방사한다.
- 대면적 엣지형 도광판 패턴 설계에 앞서 최적의 패턴 형상 및 구조 이해를 위하여 패턴의 기하학적 분석을 진행했다. 분석을 진행한 패턴 형상은 Cylinder, Trapezoid, Prism 그리고 R-Prism 의 4가지이다. Cylinder, Trapezoid, Prism 은 각각 반구, 사다리꼴, 삼각형의 단면을 가지며, R-Prism 형상은 Cylinder 형상의 좌우에 접선을 덧댄 구조이다.
- 이에 본연구에서도 시뮬레이션 시간을 단축 시키면서 실제 대면적 도광판에 패턴을 적용 하였을 때와 동일한 결과를 가질 수 있는 모델링 방법을 설계하였다. 설계한 길이방향 모델링은 전체 55 인치 도광판(1230x700x3 ㎣)의 일부분을 시뮬레이션 함으로써 전체 면적에 대한 영향을 확인할수 있다. 전체 면적을 고려하기 위하여 도광판의각 면을 단순 굴절률 차이에 의한 광선의 변화로 확인하지 않고 양 옆면에 반사 100% 조건을 둠으로써 실제 광원이 있는 것과 동일한 효과를 줄 수 있다.
이론/모형
- 분석한 패턴 형상들을 사용하여 추출 효율과 휘도 균일도가 향상된 대면적 엣지형 도광판 시뮬레이션을 위해 모델링을 진행하였다. 본 연구에서는 LightTools 광학 상용 소프트웨어를 사용하여 시뮬레이션을 진행하였다. 선정한 도광판은 55 인치 크기를 가지는 대면적으로 광원의 개수가 많고 도광판 자체의 면적이 크기 때문에 시뮬레이션을 진행할 경우 계산 시간이 오래 걸린다는 문제점이 있다.
- 5(a)와 같은 그래프를 이룰 때, 휘도 균일도를 높일 수 있다. 이러한 추출 효율 그래프를 그리기 위해서는 하부 패턴의 밀도를 정밀하게 조절해야 하는데 이를 위해 구역별 패턴 밀도 (Sectional Pattern Density)의 개념을 사용하였다. 도광판을 동일한 크기를 가지는 여러 개의 구역으로 나누어 생각해 보면 각 구역 별로 추출 되는 광량을 모두 같을 경우 그 도광판의 휘도 균일도는 100%가 된다.
성능/효과
- Fig.7(a)를 보면 설계한 도광판은 하부 Prism 패턴에 의한 영향으로 78%의 추출 효율을 가지고, 하부 패턴의 구역별 밀도 설계를 통해 86%의 높은 휘도 균일도를 얻었음을 알 수 있었다. 그리고 상부 패턴에 의한 배광 분포 또한 Fig.
- 결과를 바탕으로 중심각 100 °를 가지는 Prism 패턴이 상부 광추출에 가장 유리함을 알 수 있었다.
- 100 °의 각도에서 추출 효율이 92%로 가장 좋았고, 110 °또한 유사한 결과를 나타냈다. 그리고 이 둘을 중심으로 각도가 커지거나 작아짐에 따라 추출 효율이 감소하는 경향을 보였다. 결과를 바탕으로 중심각 100 °를 가지는 Prism 패턴이 상부 광추출에 가장 유리함을 알 수 있었다.
- 또한 Trapezoid 와 Prism 형상의 경우 패턴의 옆면의 기울기에 따라 입사각에 대한 굴절되는 크기가 달라져 기울기 변화를 통해 패턴을 통과한 출사각을 제어하기에 용이하다. 따라서 도광판의 상부 패턴에는 Cylinder 패턴과 같은 곡면을 가지는 패턴이 유리하며, 하부 패턴에는 Prism 패턴과 같이 평면을 가지는 패턴이 유리함을 알 수 있었다.
- 이를 통하여 광학 시트의 역할을 포함하는 대면적 디스플레이용 엣지형 도광판을 설계하고 휘도 균일도를 확보했으며, 또한 기존 도광판 대비 단가 절감 효과를 기대할 수 있었다. 뿐만 아니라 추출 효율, 배광 분포, 휘도 균일도 측면에서 향상된 광학 특성을 가지므로 대면적 디스플레이에 적합한 도광판임을 확인하였다.
- 패턴 형상은 기하학적 분석을 통해 대면적 도광판에 적합하도록 결정되었으며, 휘도 균일도를 확보하기 위해 n 개의 구역으로 나누어 패턴 밀도를 설계하는 구역별 패턴 밀도 설계 방법을 적용하였다. 이를 통하여 광학 시트의 역할을 포함하는 대면적 디스플레이용 엣지형 도광판을 설계하고 휘도 균일도를 확보했으며, 또한 기존 도광판 대비 단가 절감 효과를 기대할 수 있었다. 뿐만 아니라 추출 효율, 배광 분포, 휘도 균일도 측면에서 향상된 광학 특성을 가지므로 대면적 디스플레이에 적합한 도광판임을 확인하였다.
- 설계한 길이방향 모델링은 전체 55 인치 도광판(1230x700x3 ㎣)의 일부분을 시뮬레이션 함으로써 전체 면적에 대한 영향을 확인할수 있다. 전체 면적을 고려하기 위하여 도광판의각 면을 단순 굴절률 차이에 의한 광선의 변화로 확인하지 않고 양 옆면에 반사 100% 조건을 둠으로써 실제 광원이 있는 것과 동일한 효과를 줄 수 있다. Fig.
- 4 에서 실제 도광판 모델링과 길이방향 모델링을 비교하고 있다. 최적화한 길이 방향 모델링의 크기는 615x34.65x3 ㎣이고, 이로부터 55 인치 도광판에 해당하는 결과를 확인 가능하였다.
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