[논문]실험계획법을 이용한 시야각 변환 디스플레이의 최적 설계

박기종; 김태현; 박우상

doi:10.4313/jkem.2019.32.2.141

실험계획법을 이용한 시야각 변환 디스플레이의 최적 설계
Optimized Design of Variable Viewing Angle Display Using Design of Experiment 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.32 no.2, 2019년, pp.141 - 146

박기종 (인하대학교 전자공학과) , 김태현 (인하대학교 전자공학과) , 박우상 (인하대학교 전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Non-emissive LCDs need a backlight, and have difficulty implementing wide viewing angles due to differences in phase retardation depending on the behavior of the liquid crystals. Although wide viewing angles are good characteristics for devices such as TVs, they are not good for mobile devices. In this paper, we propose ways to design diffusers with ELC lenses to achieve wide and narrow viewing angles depending on the circumstances. A study was conducted on optimizing the design of a liquid lens diffuser with the same light as that for an OLED, by extracting design factors that affect the performance of the diffuser and applying the Taguchi method to them.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Schematic diagram for narrow viewing angle and wide viewing angle.
그림 Fig. 2. The structure of ELC lens.
표 Table 1. Factor and factor level.
그림 Fig. 3. Main effects plot of S/N ratio.
표 Table 2. Orthogonal array table of L₁₈(2¹ × 3⁵) .
표 Table 3. Condition of experiment and measurement data.
그림 Fig. 4. Phase retardation distribution of ELC diffuser and ideal diffuser.
그림 Fig. 5. Normalized luminance for viewing angle (a) OLED, (b) wide viewing angle mode, (c) conventional LCD, and (d) narrow viewing angle mode.
표 Table 4. Optimum conditions of experiments.

AI 본문요약
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문제 정의

각 실험에서 인자의 S/N비에 대한 분산분석으로부터 나온 인자의 효과를 분석하여 선정된 최적의 설계 조건으로 모델링하여 표준편차의 값이 감소해 성능이 개선되었는지를 검증하기 위한 해석을 실시하였다. 1, 2차 시뮬레이션의 최적 조건에서 발생한 표준편차의 값은 3.
본 논문에서는 이와 같은 문제를 해결하기 위해, 전기적으로 on/off가 가능한 ELC (electric field driven liquid crystal) 렌즈 [1]로 구성된 디퓨저(diffuser)를 LCD 전면부에 부착하여 상황에 따라 시야각을 조절할 수 있는 방법을 제안한다. QCBL (quasi collimated backlight) [2]을 사용하며, ELC 렌즈를 on/off함에 따라 액정의 거동이 다르게 일어나고, 이는 좁은 시야각과 넓은 시야각을 갖게 한다.

제안 방법

OLED, 램버시안 광원과 같은 배광을 갖는 액정 전계 렌즈를 이용한 디퓨저를 만들기 위해 201개의 구간을 나누어 각 위치별 위상지연을 표준편차를 사용해 비교하였다. 비교 결과는 작으면 작을수록 좋으므로 다구찌 방법 중 망소특성을 사용해 실험을 진행하였다.
본 연구에서 제시한 ELC 디퓨저를 이용해 LCD 시스템에서의 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하여 전기적으로 시야각을 제어할 수 있음을 확인할 수 있었고, 다구찌 방법을 이용해 최소의 실험으로 최적의 결과를 얻어낼 수 있었다. QCBL을 사용한 패널에 전기적으로 위상지연을 제어할 수 있는 ELC렌즈를 디퓨저로 부착하여, 사용자의 요구에 맞도록 시야각을 제어하였다.
본 논문에서는 OLED TV의 시야각 분포를 기준으로 설계하였다. 굴절률이 고정되어 있는 PMMA나 유리와 같은 diffusing unit을 사용하는 diffusing layer를 이상적인 기준으로 동일한 위상지연을 갖는 ELC diffuser를 구현한다. 이상적인 디퓨저층에서의 diffusing unit은 ray tracing과 energy conservative mapping을 통해 원하는 출력 분포를 갖도록 아래의 식을 이용하여 설계한다 [3].
본 논문에서는 OLED TV의 시야각 분포를 기준으로 설계하였다. 굴절률이 고정되어 있는 PMMA나 유리와 같은 diffusing unit을 사용하는 diffusing layer를 이상적인 기준으로 동일한 위상지연을 갖는 ELC diffuser를 구현한다.
본 연구는 표 2와 같은 L18(21 × 35)의 혼합 직교배열표를 이용하여 인자를 배치하였다.
본 연구에서 제안하는 ELC 렌즈 디퓨저는 그림 2와 같이 한 개의 공통전극과 두 개의 화소전극으로 구성된다. LC층을 지나온 QCBL 빛이 ELC 렌즈를 지날 때, 그 파면이 구면파를 이루게 하기 위해서는 가장자리에서의 가장 강한 전기장 형성이 필요하고 중심부로 갈수록 약한 전기장이 필요하기 때문에 첫 번째 전극은 양 끝부분에 짧은 길이로 배치하고, 두 번째 전극은 그 상단에 위치한다.
OLED, 램버시안 광원과 같은 배광을 갖는 액정 전계 렌즈를 이용한 디퓨저를 만들기 위해 201개의 구간을 나누어 각 위치별 위상지연을 표준편차를 사용해 비교하였다. 비교 결과는 작으면 작을수록 좋으므로 다구찌 방법 중 망소특성을 사용해 실험을 진행하였다. 18번의 실험 시뮬레이션을 통해 특성치와 그에 따른 망소특성에서의 S/N비(signal-to-noise ratio)를 구했고 이와 같은 결과는 표 3에 정리하였다.
서로 다른 픽셀에서 나온 빛이 겹쳐져서 발생하는 cross talk를 최소화하기 위해 디퓨저의 사이즈도 픽셀의 사이즈와 같이 37μm로 설계하였다.
이러한 방법을 이용하여 최소의 실험으로 최적의 조건을 찾아낼 수 있다. 시뮬레이션을 통해 각 인자의 S/N비의 수학적 통계를 통해 최적 조건을 결정하였다. 앞서 걸친 실험 결과를 통해 밝혀진 인자들의 최적 조건을 각각 정리해 보면 표 4와 같다.
용이한 계산을 위해 ELC 디퓨저 액정층을 r축 방향으로 1 μm, z축 방향으로 0.1 μm의 간격으로 각각의 액정의 실효굴절률을 갖는 격자를 만든다.
디퓨저를 통과한 빛은 광선 추적을 통해 계산하고, 이를 통해 광시야각 모드와 협시야각 모드에서의 빛의 분포를 나타낸다. 이러한 빛의 분포를 일반적인 IPS LCD, OLED와 비교하여 타당성을 검증한다. 그리고 실험에 유의한 설계인자를 도출하고, 도출한 설계인자를 다구찌 방법 [4]에 적용하여 성능의 최적화를 진행한다.
하지만 자발광하는 OLED와 달리 LCD는 백라이트가 필요하고 액정의 거동상태에 따라 굴절률이 달라져 위상 지연(phase retardation)의 차이가 생기게 되어 광시 야각을 구현하는데 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해 내부적으로는 멀티도메인을 사용하여 위치별 위상 지연의 차이를 줄이는 방법을 사용하고, 외부적으로는 이방성 광학필름을 사용해 충분치 못한 위상지연을 보상해 주는 방법을 사용하여 넓은 시야각을 갖게 해준다. 넓은 시야각은 TV나 모니터와 같은 여러명의 사용자가 사용하는 기기에서는 적합하지만, 한 명의 사용자가 사용하는 모바일 기기에서는 적합하지 않다.
직교배열표를 이용한 1, 2차 시뮬레이션을 통해 인자의 수준 범위를 줄여나갔으며, 이를 바탕으로 본 논문의 인자들의 수준을 결정하였다.
직교배열표에 실험 배치한 인자와 인자의 수준에 따라 실험을 시뮬레이션하였다. 그 결과와 S/N비를 각각 계산하여 앞 절의 표와 그림으로 정리하였다.
표 1과 같이 OLED나 램버시안과 같은 배광(light distribution)을 갖도록 하기 위해 6개의 주요 인자인 첫 번째 전극의 전압범위, 두 번째 전극의 전압범위, 첫 번째 전극의 길이, 두 번째 전극의 길이, 가장자리로부터 두 번째 전극의 위치, 두 전극 간의 거리를 제어인자로 선택하였다. 실험에서 선정된 설계인자는 6개이며, 2수준을 갖는 1개의 인자와 3수준을 갖는 5개의 인자를 사용해 혼합 직교배열표를 사용하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 LCD의 LC panel은 IPS 모드의 해상도는 2,960× 1,440, 픽셀의 사이즈는 37μm이다.
본 연구에서 사용된 액정의 주요 물성치는 K11＝ 20.1pN, K33＝32.1pN, £∥＝25.6, £⊥＝5, Δn＝0.42 이다.
표 1과 같이 OLED나 램버시안과 같은 배광(light distribution)을 갖도록 하기 위해 6개의 주요 인자인 첫 번째 전극의 전압범위, 두 번째 전극의 전압범위, 첫 번째 전극의 길이, 두 번째 전극의 길이, 가장자리로부터 두 번째 전극의 위치, 두 전극 간의 거리를 제어인자로 선택하였다. 실험에서 선정된 설계인자는 6개이며, 2수준을 갖는 1개의 인자와 3수준을 갖는 5개의 인자를 사용해 혼합 직교배열표를 사용하였다. 인자별 교호작용은 고려하지 않았으며, 시뮬레이션 기법을 사용하는 것이므로 잡음인자의 평균조건을 기준으로 실험하였고, 인자에서는 제외하였다.

데이터처리

18번의 실험 시뮬레이션을 통해 특성치와 그에 따른 망소특성에서의 S/N비(signal-to-noise ratio)를 구했고 이와 같은 결과는 표 3에 정리하였다.

이론/모형

이러한 빛의 분포를 일반적인 IPS LCD, OLED와 비교하여 타당성을 검증한다. 그리고 실험에 유의한 설계인자를 도출하고, 도출한 설계인자를 다구찌 방법 [4]에 적용하여 성능의 최적화를 진행한다.
QCBL (quasi collimated backlight) [2]을 사용하며, ELC 렌즈를 on/off함에 따라 액정의 거동이 다르게 일어나고, 이는 좁은 시야각과 넓은 시야각을 갖게 한다. 설계된 ELC 렌즈의 액 정 방향자는 Erickson-Leslie motional equation으로부터 계산하고, 이를 통해 디퓨저의 위상지연을 얻는다. 디퓨저를 통과한 빛은 광선 추적을 통해 계산하고, 이를 통해 광시야각 모드와 협시야각 모드에서의 빛의 분포를 나타낸다.
설계한 ELC 기반의 디퓨저에서의 광투과 특성 해석을 수행하기 위해 광선 추적과 호이겐스의 원리를 이용한다. 용이한 계산을 위해 ELC 디퓨저 액정층을 r축 방향으로 1 μm, z축 방향으로 0.
1 μm의 간격으로 각각의 액정의 실효굴절률을 갖는 격자를 만든다. 액정층 내부로 입사한 빛이 진행하며 굴절되는 방향을 스넬의 법칙으로 계산하고 각 방향에서 복굴절에 의한 위상지연을 계산하면 파면의 변화를 얻을 수 있다. 파면과 광선의 진행방향은 서로 수직하므로 계산한 파면에 수직한 광선을 표현하여 ELC 디퓨저에 대한 광선 추적을 수행할 수 있다.

성능/효과

각 실험에서 인자의 S/N비에 대한 분산분석으로부터 나온 인자의 효과를 분석하여 선정된 최적의 설계 조건으로 모델링하여 표준편차의 값이 감소해 성능이 개선되었는지를 검증하기 위한 해석을 실시하였다. 1, 2차 시뮬레이션의 최적 조건에서 발생한 표준편차의 값은 3.77이었으며, 최종적인 최적 조건에서의 표준편차인 1.83과 비교하였을 때, 2배 이상의 성능이 향상된 것을 볼 수 있다. 이렇게 얻어낸 인자의 조합은 직 교배열표에 존재하지 않은 인자의 수준조합으로 직교 배열표 상에서 실시한 실험들의 조합과 비교하였을 때, S/N비를 증가시켜 OLED와 같은 배광과의 차이를 나타내는 표준편차가 감소하는 조합임을 확인하였다.
그리고 20° 이상에서의 시야각에서는 0에 가까운 휘도를 갖기 때문에 주변에서의 디스플레이의 시청이 제한돼 사생활 보호가 가능하게 구현됨을 확인할 수 있다.
넓은 시야각 모드에서의 휘도 분포 결과는 OLED와 비슷하게 얻었지만, 60~80°에서는 약간 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에서 제시한 ELC 디퓨저를 이용해 LCD 시스템에서의 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하여 전기적으로 시야각을 제어할 수 있음을 확인할 수 있었고, 다구찌 방법을 이용해 최소의 실험으로 최적의 결과를 얻어낼 수 있었다. QCBL을 사용한 패널에 전기적으로 위상지연을 제어할 수 있는 ELC렌즈를 디퓨저로 부착하여, 사용자의 요구에 맞도록 시야각을 제어하였다.
83과 비교하였을 때, 2배 이상의 성능이 향상된 것을 볼 수 있다. 이렇게 얻어낸 인자의 조합은 직 교배열표에 존재하지 않은 인자의 수준조합으로 직교 배열표 상에서 실시한 실험들의 조합과 비교하였을 때, S/N비를 증가시켜 OLED와 같은 배광과의 차이를 나타내는 표준편차가 감소하는 조합임을 확인하였다.

후속연구

ELC 렌즈 기반의 디퓨저를 사용하여 시야각을 사용자 환경에 맞추어 제어할 수 있는 LCD는 모바일뿐만 아니라 보안이 중요한 ATM에 사용함으로써 정보보안의 효과와 에너지절약 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
좁은 시야각 모드에서의 휘도 분포 결과는 FWHM＝ ± 7°이고, 시야각 20° 이상에서는 대부분의 휘도가 0에 가깝게 나타나 사생활 보호 효과가 극대화될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LCD에서 액정의 거동상태에 따라 굴절률이 달라지는 문제를 해결하기 위한 방법은?	하지만 자발광하는 OLED와 달리 LCD는 백라이트가 필요하고 액정의 거동상태에 따라 굴절률이 달라져 위상 지연(phase retardation)의 차이가 생기게 되어 광시 야각을 구현하는데 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해 내부적으로는 멀티도메인을 사용하여 위치별 위상 지연의 차이를 줄이는 방법을 사용하고, 외부적으로는 이방성 광학필름을 사용해 충분치 못한 위상지연을 보상해 주는 방법을 사용하여 넓은 시야각을 갖게 해준다. 넓은 시야각은 TV나 모니터와 같은 여러명의 사용자가 사용하는 기기에서는 적합하지만, 한 명의 사용자가 사용하는 모바일 기기에서는 적합하지 않다.
	직교배열표란 무엇인가?	설계인자 및 인자의 수준을 선정한 후에는 직교배열표를 선택해야 한다. 직교배열표는 선정된 설계인자를 배치하여 해석을 실시하고 각 설계 인자의 효과를 파악하는 데 사용하는 것으로 최소의 실험으로 최대의 효과를 얻을 수 있다. 설계 인자를 6인자 3수준으로 선정한 경우 각 인자 간 교호작용이 없다는 것을 가정 하에 최소한의 실험으로 각각의 인자를 배치할 수 있는 수준계를 직교배열표를 사용해 작성하는 데 실무에 서는 2, 3, 4 수준들이 혼용되는 경우가 흔히 있고 다른 수준의 열들과 같이 혼합 직교배열표를 흔히 사용 하게 된다.
	LCD가 OLED에 비해 갖는 장점은?	LCD (liquid crystal display)는 OLED (organic light emitting diode)에 비해 긴 수명, 낮은 소비전력, 높은 해상도, 낮은 가격과 같은 장점을 갖는다. 하지만 자발광하는 OLED와 달리 LCD는 백라이트가 필요하고 액정의 거동상태에 따라 굴절률이 달라져 위상 지연(phase retardation)의 차이가 생기게 되어 광시 야각을 구현하는데 어려움이 있다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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