[논문]RGB 광원을 사용한 고효율 LCD Color-matching BLU의 광학적 설계

전화준; 곽진석; 권진혁

doi:10.3807/kjop.2019.30.3.101

초록
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LCD의 광 효율을 향상시키기 위해 LCD backlight unit (BLU)의 광원으로 적색, 녹색, 청색의 광원을 사용하였으며, RGB 광은 lenticular lens array (LLA)를 통해 집광되어 각각 컬러 필터의 적색, 녹색, 청색 필터에 색일치되는 조건으로 광이 지나도록 설계하여 시뮬레이션하였다. 광원의 위치에 따라 Type-A와 Type-B 두 가지 방식으로 시뮬레이션을 진행하였으며, 그 결과 LLA를 사용하지 않았을 때와 비교하여 Type-A는 휘도가 210%로 상승하였으며, Type-B는 270% 상승함을 확인하였다. LLA의 최적의 조건은 렌즈의 높이가 $25{\mu}m$, 렌즈 간의 간격이 $3{\mu}m$일 때, 효율이 최대가 됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

An LCD backlight unit (BLU) using RGB light sources is designed and simulated, in order to improve its optical energy efficiency. A color-matching BLU is designed with a lenticular lens array (LLA) with elements that image the linear RGB light sources onto the RGB subpixels of the color filter. Type...

An LCD backlight unit (BLU) using RGB light sources is designed and simulated, in order to improve its optical energy efficiency. A color-matching BLU is designed with a lenticular lens array (LLA) with elements that image the linear RGB light sources onto the RGB subpixels of the color filter. Type-A and Type-B simulations are performed, according to the location of the light sources. As a result, the luminance increases to 210% in Type-A and 270% in Type-B respectively. The optimum values for the height and the gap of the LLA for maximum efficiency are found to be $25{\mu}m$ and $3{\mu}m$ respectively.

주제어

표/그림 (4)

그림 Fig. 1. Schematic structure of the color-matching backlight unit of (a) Type-A and (b) Type-B.
그림 Fig. 2. Ray propagation in the color-matching backlight unit of (a) Type-A and (b) Type-B.
그림 Fig. 3. Energy efficiency enhancement of color-matching backlight unit in terms of the height of lenticular lens.
표 Table 1. Comparison of efficiency enhancement according to the structure of RGB light sources

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 LCD의 광 효율을 증대시키고 더 우수한 화질을 달성하기 위한 방식으로 병렬로 나란히 배치되는 RGB 광원을 사용하여 color-matching LCD BLU를 제안하고 시뮬레이션하였으며 최적의 광학적 설계 조건을 구하였다. 효율을 높여주기 위해서는 컬러 필터와 병렬로 배치하되 같은 주기의 띠 형태의 RGB 광원이 사용되어야 한다.

제안 방법

렌즈와 렌즈 사이의 간격(gap)은 3 µm와 30 µm로 두고 렌즈의 높이를 변화시키면서 효율을 확인하였다. LLA 시트가 없을 때를 100%로 하여 LLA 시트를 사용하였을 때 효율의 상승도를 알아보았다. 그림 3은 렌즈의 높이에 따른 효율 변화를 나타내는 그래프이며, 사이 간격이 3 µm일 때, 렌즈의 높이 25 µm에서 효율은 최대값을 나타냈다.
LLA의 경우 컬러 필터의 주기와 동일한 주기로 설계되어야 하기 때문에 렌즈의 높이를 조절하여 주면 곡률 반경도 주기에 맞추어 조절된다. LLA의 최적의 조건을 찾기 위하여 렌즈의 높이에 따른 효율의 변화를 살펴보았으며, 렌즈와 렌즈 사이에 간격을 두어 효율에 주는 영향을 시뮬레이션하였다. 렌즈의 주기는 컬러 필터의 주기와 같은 0.
최적화된 LLA의 조건을 적용하여 Type-A 방식과 Type-B 방식의 효율을 계산한 결과가 표 1에 나타나 있다. Type-A 방식의 경우 광이 BLU의 하부로 내려가는 광을 고려하여 기판 아래에 흡수 처리를 한 경우와 거울 반사 처리를 한 경우로 나누어 비교해 보았다. Type-A 방식의 LLA가 없는 경우를 기준으로 하여 효율이 얼마만큼 상승하였는지 알아보았으며, Type-A 방식과 Type-B 방식 모두 LLA가 없는 경우 보다 있는 경우 더 높은 효율 상승을 보였다.
444 mm로 설계되었다. Type-A, B 방식의 액정 패널의 크기는 가로, 세로 5.50 mm로 두었으며, RGB 광원은 화이트 밸런스를 고려하여 3:6:1의 비율에 맞춰 R은 30 ml, G는 60 lm, B는 10 lm으로 설정하여 각각 10개씩 설치하여 주었다. 굴절률은 LCD에 일반적으로 사용되는 유리기판을 기준으로 하여 1.
효율을 높여주기 위해서는 컬러 필터와 병렬로 배치하되 같은 주기의 띠 형태의 RGB 광원이 사용되어야 한다. 광원의 위치에 따라 Type-A와 Type-B로 나누어 시뮬레이션을 진행하였으며 최적의 조건에서 휘도와 에너지 효율의 차이를 비교해보았다.
광학 설계 프로그램을 이용하여 RGB 광원을 이용한 color-matching BLU에 대한 시뮬레이션을 진행하였으며, LLA의 최적의 조건은 높이 25 µm, 렌즈 사이 간격 3 µm이다.
렌즈와 렌즈 사이의 간격(gap)은 3 µm와 30 µm로 두고 렌즈의 높이를 변화시키면서 효율을 확인하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 Type-A의 경우 컬러 필터의 주기는 P = 0.1805 mm, 유리 기판의 두께는 t2 = t3 = 0.700 mm, 액정의 두께는 t3 = 0.104 mm로 설정하여 초점거리 t1 = 0.500 mm로 설계되었고, Type-B의 경우 컬러 필터의 주기 P는 Type-A와 같으며, 유리 기판은 t1′ = t3′ = 0.700 mm, 도광판과 액정 패널 사이의 간격은 0.444 mm로 설계되었다.

이론/모형

509로 설정하여 굴절각을 계산하여 주었다. 시뮬레이션은 Light Tools 광학 설계 프로그램을 사용하여 진행하였다.

성능/효과

Type-A 방식의 경우 광이 BLU의 하부로 내려가는 광을 고려하여 기판 아래에 흡수 처리를 한 경우와 거울 반사 처리를 한 경우로 나누어 비교해 보았다. Type-A 방식의 LLA가 없는 경우를 기준으로 하여 효율이 얼마만큼 상승하였는지 알아보았으며, Type-A 방식과 Type-B 방식 모두 LLA가 없는 경우 보다 있는 경우 더 높은 효율 상승을 보였다. LLA로 집광을 시켜주게 되면 color-matching의 효과가 더 상승하는 것을 알수 있다.
광학 설계 프로그램을 이용하여 RGB 광원을 이용한 color-matching BLU에 대한 시뮬레이션을 진행하였으며, LLA의 최적의 조건은 높이 25 µm, 렌즈 사이 간격 3 µm이다. Type-A 에 비해 Type-B가 더 높은 효율을 나타냈으며, Type-A와 비교하여 1.4배 높은 효율을 나타냈으면 휘도는 1.7배 높게 나타났다. 이를 통해 Type-B가 광 투과율 향상에 더 효과적인 것을 알 수 있다.
Type-A의 경우 아래에 거울 반사 처리를 한 것이좀 더 높은 효율을 보였다. Type-A보다 Type-B에서 더 높은 효율 상승을 보였으며 이로부터 Type-B의 구조가 더 효과적임을 확인할 수 있다. 휘도 또한 Type-A는 8.
형광체의 광 변환효율은 LED 칩과의 거리와 칩에서 발생하는 열에 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 백색 LED의 광 변환 효율을 고려하였을 때, color-matching BLU에 RGB 광원으로 사용하였을 때의 광 변환 효율과 큰 차이가 없을 것으로 보이며 오히려 열적 부하가 줄어 더 높은 효율을 달성할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Color-matching BLU의 광원의 구조는 어떻게 배열되어야 하는가?	Color-matching BLU의 광원의 구조는 띠 형태의 RGB 광원들의 병렬로 나란히 배열되어야 한다. 띠 형태의 광원을 제작할 수 있는 물질로는 organic light-emitting device (OLED), 형광체(phosphor), 양자점(quantum dot, QD) 등이 있다.
	GB LED와 LLA를 이용하여 컬러 필터의 서브 픽셀에 color-matching 시켜주는 기술의 문제점은?	이를 보완하는 방법으로 RGB LED와 LLA를 이용하여 컬러 필터의 서브 픽셀에 color-matching 시켜주는 기술[6,7]이 제안되었다. 이 방법은 확실한 에너지 효율 증가를 보여주었지만 많은 수의 RGB LED를 직하형 배치로 사용해야 하는 문제점을 가지고 있다.
	액정디스플레이의 장점은?	액정디스플레이(liquid crystal display, LCD)는 대형화가 쉽고, OLED (organic light-emitting display)와 비교할 때 상대적으로 저비용으로 제작이 가능하기 때문에 최근까지도 중요한 디스플레이 장치로 자리잡고 있다. 하지만 디스플레이의 대형화가 요구될수록 낮은 에너지 효율에 대한 문제가 제기되고 있다.

참고문헌 (8)

X. Yang, Y. Yan, and G. Jin, "Polarized light-guide plate for liquid crystal display," Opt. Express 13, 8349-8356 (2005).

상세보기
F. Yamada, H. Nakamura, Y. Sakaguchi, and Y. Taira, "Sequential-color LCD Based on OCB with an LED Backlight," J. Soc. Inf. Disp. 10, 81-85 (2002).

상세보기
C. H. Lee, "Angularly positioned LED-based spatial-temporal color separation system," Opt. Express 20, 19109-19118 (2012).

상세보기
M. J. J. Jak, R. Caputo, E. J. Hornix, L. de Sio, D. K. G. de Boer, and H. J. Cornelissen, "Color-separation backlight for improved LCD efficiency," J. Soc. Inf. Disp. 16, 803-810 (2008).

상세보기
C. G. Son, J. S. Gwag, J. H. Lee, and J. H. Kwon, "Analysis of a color-matching backlight system using a blazed grating and a lenticular lens array," Appl. Opt. 51, 8615-8620 (2012).

상세보기
J. H. Kwon, "A color-filterless LCD with RGB LED and lenticular-lens arrays," J. Inf. Disp. 11, 45-48 (2010).
H. J. Jeon, G. J. Park, J. S. Gwag, J. H. Lee, and J. H. Kwon, "Color-matching liquid crystal display using a lenticular lens array and RGB light sources," J. Opt. Soc. Korea 18, 345-349 (2014).

원문보기 상세보기
Y. Kim and C. S. Ha, Advances in Organic Light-Emitting Device (Trans Tech Publications Ltd, Switzerland, 2008).

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