[논문]LCD 백라이트 유닛의 서브 마이크론 회절 격자 도광판의 광 출사 특성 연구

최환영

doi:10.3807/kjop.2020.31.4.176

LCD 백라이트 유닛의 서브 마이크론 회절 격자 도광판의 광 출사 특성 연구
Feasibility Study of the Light-outcoupling Characteristics of a Diffraction-grating-imprinted Light-guide Plate for an LCD Backlight Unit 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.31 no.4, 2020년, pp.176 - 182

최환영 (한국기술교육대학교 기계설계공학과)

초록
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서브-미크론 주기의 미세한 회절 격자가 새겨진 도광판을 이용하여 빛을 수직으로 출사시켜 기존 방식에서 사용하는 집광용 프리즘 필름을 대체할 수 있는 가능성에 대하여 연구하였다. 시뮬레이션과 실험을 통해 최적 회절 격자 주기를 결정하였고, 입사되는 빛의 고도각과 방위각에 따라 회절 격자의 투과 모드 효율을 계산하였다. 또한, 회절에 의해 더 많은 빛을 추출할 수 있도록 도광판의 모양과 구성을 제안하여 고도각과 방향각을 최적화하는 두 가지 방식의 효과를 시뮬레이션으로 비교하였다. 광선 추적프로그램을 활용하여 회절 격자 각인 도광판의 휘도 각 분포를 계산하여 실제로 제작된 시제품의 위치별 휘도 각 분포와 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The possibility of replacing the condensing-prism film used in conventional backlight units with a light-guide plate engraved with a submicrometer-periodic diffraction grating was investigated. The optimal period for the diffraction grating was determined through simulation and experiment, and the transmission-mode efficiency of the diffraction grating was calculated in terms of the polar angle and azimuthal angle of the incident light. In addition, the effects of the two methods of optimizing the polar angle and the directional angle were compared by simulation, by suggesting the shape and configuration of the light-guide plate, so that more light could be extracted by diffraction. By using a ray-tracing program, the luminance angular distribution of the light-guide plate engraved with the diffraction grating was calculated and compared to the luminance angular distribution for each actual prototype.

주제어

표/그림 (12)

$Fig. 1. Schematic picture of (a) conventional vs (b) diffractive light-guide plate.$ 그림 Fig. 1. Schematic picture of (a) conventional vs (b) diffractive light-guide plate.
그림 Fig. 2. Incident and out-coupling angle represented in terms of polar angle (θ) and azimuthal angle (φ) in the transmission mode.
그림 Fig. 3. Results of preliminary experiment to investigate the angular luminance distributions of the light flux coming from different grating period of (a) 0.43 μm and (b) 0.36 μm.
$Fig. 4. Diffraction efficiency of -1st-order transmission light according to the incident angle of θ and φ averaged over three wavelengths (460 nm, 540 nm, 620 nm) and two polarization states (TE & TM) at grating depth 0.25 μm.$ 그림 Fig. 4. Diffraction efficiency of -1st-order transmission light according to the incident angle of θ and φ averaged over three wavelengths (460 nm, 540 nm, 620 nm) and two polarization states (TE & TM) at grating depth 0.25 μm.
그림 Fig. 5. Polar angle correction method: Flat plate with a taper mirror.
그림 Fig. 7. Azimuthal angle correction: Angular distribution changes due to φ correction by implementing an optical structure in front of the light source (left) and each luminous flux of measuring region (right).
그림 Fig. 6. (a) Comparison of photon densities for 5 different taper angles γ_b. (b) Sections for the photon density measurement over a light-guide plate, P1 to P9.
그림 Fig. 8. Luminous flux per unit area of the light-guide plate (LGP).
그림 Fig. 9. Luminance angular distribution: (a) computational and (b) experimental results.
표 Table 1. Luminous flux and uniformity
그림 Fig. 10. Computational and experimental results of the luminance angular distribution of an imprinted light-guide plate at P5 region.
그림 Fig. 11. Photometric apparatus for measuring the out-coupling luminous flux.

AI 본문요약
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문제 정의

그림 1(a)에서 볼 수 있듯이 일반적인 백라이트 유닛은 도광판에서 출사된 빛이 LCD패널 정면에 집광되도록 2장의 광학필름을 필요로 하는데, 그림 1(b)에서와 같이 회절 격자에 의해 빛이 패널에 수직으로 출사된다면 프리즘 필름은 없는 상태로 백라이트 유닛 구성이 가능하게 된다. 그러나 회절에 의한 투과 모드 효율은 지극히 낮은 것으로 알려져 있어, submicron grating이 각인된 도광판의 이론적 분석과 모델링 수단을 구축하여 출사광 극대화를 위한 몇 가지 형상을 제안하고 비교분석을 통하여 종래의 기술을 대체 가능하도록 최적의 형상을 제안하는데 본 연구의 목적이 있다.
서브-미크론 주기의 미세한 회절 격자가 새겨진 도광판으로 빛을 수직으로 출사시킬 수 있는지를 확인하는 연구를 수행하였다. 회절 격자의 주기는 실험 및 시뮬레이션을 통해 결정하였고 회절 격자의 투과 모드 효율은 입사되는 빛의 고도각과 방위각에 따라 계산되었다.

제안 방법

도광판 내부에서 격자에 입사되는 고도각을 변경시키는 방법은 도광판의 단면을 테이퍼각을 갖는 쐐기 모양으로 설계하는 방법과 그림 5와 같이 광원의 반대 측에 테이퍼각을 갖는 거울을 설치하여 변경하는 방법이 있다. 기존의 백라이트에서는 쐐기 형태의 도광판을 사용하는 경우가 많지만, 회절 격자를 각인하는 가공의 용이성을 감안하여 본 연구에서는 평판 도광판을 사용하고 테이퍼 미러를 배치하여 출사량과 균일도가 최적화되도록 테이퍼 미러 각도를 구하였다. 광선 추적 기법을 활용하여 각 경우에 대해 그림 6(b)와 같이 동일한 9개의 위치에서 측정된 출사 광속 밀도(flux/m2)를 그림 6(a)에서 보여주고 있다.
회절 격자의 주기는 실험 및 시뮬레이션을 통해 결정하였고 회절 격자의 투과 모드 효율은 입사되는 빛의 고도각과 방위각에 따라 계산되었다. 또한 회절에 의해 더 많은 빛을 추출할 수 있도록 광원의 반대 측에 반사 거울을 설치하여 고도각을 교정하였고 광원 측에는 방향각을 제한하는 두 가지 방식에 대하여 효과를 시뮬레이션으로 비교하였다. 최종적으로 광선 추적 프로그램을 활용하여 회절 격자 각인 도광판의 휘도 각 분포를 계산하여 실제로 제작된 시제품의 위치별 휘도 각 분포와 비교하여 연구 결과는 다음과 같이 요약된다.
LED 광원으로부터 공급된 광은 도광판의 측면에 입사하여, 회절 격자가 인쇄되어 있는 도광판의 상면에서 수직 방향으로 출사된다. 회절 격자에서 투과 모드 효율이 상대적으로 높은 범위로 가능한 한 많은 광속이 입사되도록 고도각과 방향각을 보정한 도광판을 제작하여 측정된 휘도 분포와 광선 추적 기법으로 계산된 결과와 비교하였으며, P1~P9으로 구분된 도광판 전면적의 9개소에서 동일하게 출사되는 빛의 각 분포를 비교하였고 그중 일부를 그림 9에 표현하고 있다.
서브-미크론 주기의 미세한 회절 격자가 새겨진 도광판으로 빛을 수직으로 출사시킬 수 있는지를 확인하는 연구를 수행하였다. 회절 격자의 주기는 실험 및 시뮬레이션을 통해 결정하였고 회절 격자의 투과 모드 효율은 입사되는 빛의 고도각과 방위각에 따라 계산되었다. 또한 회절에 의해 더 많은 빛을 추출할 수 있도록 광원의 반대 측에 반사 거울을 설치하여 고도각을 교정하였고 광원 측에는 방향각을 제한하는 두 가지 방식에 대하여 효과를 시뮬레이션으로 비교하였다.

이론/모형

그림 10과 같이 수평과 수직 성분을 나누어 계산 결과와 측정 결과를 비교하면 (a)에서 볼 수 있듯이 세 개의 봉우리는 주로 도광판의 한쪽 모서리와 함께 위치한 3개의 LED광원에 의해 발생함을 알 수 있고 계산 결과는 전 시야각 범위인 -80° ≤θ≤ 80°에서 실험에서 구한 측정값과 잘 일치하며 (b)에서도 마찬가지로 빛은 패널의 정면 방향인 수직으로 출사하고 있으며 실험결과와 잘 일치하고 있음이 확인되었다. 출사 광량을 측정하는 실험 장치는 그림 11에 나타난 것과 같고 angular luminance 측정에는 ELDIM EZContrast160이 사용되었다.

성능/효과

1) 추출 효율 증대를 위해 설치한 반사 미러의 테이퍼 각도는 γ = 35°에서 최대의 효율을 보인다.
2) 광원의 방사 방향을 제한하는 방안으로 side reflector 방식이 aerial lens 형상이 가공된 도광판보다 출광량 및 uniformity 측면에서 우수하다.
계산 결과에서 볼 수 있듯 고도각 45°, 방향각 45°에서 20~25%로 투과 모드로 출사되는 효율이 최대값을 보이고 있고 고도각 75° 이상, 방향각 70° 이상에서는 5% 미만의 효율을 보이고 있다.
계산 결과와 실험 결과 모두 패널의 정면에 해당하는 중심에서 최고 휘도를 보이고 있어, 출사 효율 증대를 위해 고도각과 방향각을 보정한 도광판이 θ = 0°인 수직 방향으로 가능한 많은 빛이 출사되도록 역할을 잘 수행하고 있다고 볼 수 있다. 그림 10과 같이 수평과 수직 성분을 나누어 계산 결과와 측정 결과를 비교하면 (a)에서 볼 수 있듯이 세 개의 봉우리는 주로 도광판의 한쪽 모서리와 함께 위치한 3개의 LED광원에 의해 발생함을 알 수 있고 계산 결과는 전 시야각 범위인 -80° ≤θ≤ 80°에서 실험에서 구한 측정값과 잘 일치하며 (b)에서도 마찬가지로 빛은 패널의 정면 방향인 수직으로 출사하고 있으며 실험결과와 잘 일치하고 있음이 확인되었다.
도광판 내부에서 회절 격자에 입사하는 고도각은 전반사 임계각과 90° 사이에 있을 것으로 추정되지만, 대표각을 이론적으로 구하는 것은 불가능하므로 여러 종류의 주기가 다른 회절 격자를 제작하여 어느 주기에서 수직방향으로 출사하는지를 실험적으로 확인한 결과 0.43 µm에서 수직(정면)으로 출사하고 이보다 작은 주기에서는 아래로, 큰 주기에서는 윗 방향으로 출사됨을 확인하였다.
본 연구를 통하여 출사 광량이 극대화되도록 적절하게 형상이 제안된 회절 격자가 새겨진 도광판은 수직 방향으로 빛을 추출할 수 있어 기존방식 백라이트에서 필수적으로 사용되는 광학필름을 배제할 가능성을 확인하였다. 그러나 현재수준으로는 기존 방식에 대해 uniformity 성능이 동등 이하수준으로 이에 대한 개선이 필요하고 면광원으로 역할을 위해서는 색 수차 성능에 대한 연구가 요구되고 있어 후속연구를 통하여 보다 향상된 결과를 기대한다.
Parikka와 공동 연구자는 광원의 휘선을 감추기 위한 수단으로 도광판을 바둑판처럼 픽셀화하여 주기와 방향이 서로 다른 2종류의 회절 격자를 배치하고 수치 해석과 여러 번의 제작을 통하여 휘도균일도가 도광판 길이 방향으로 80%, 폭 방향으로 완벽한 성능을 보이는 바둑판 조합을 찾아내었다[9]. 확산 필름을 대신하는 용도로는 만족하는 결과를 보이고 있으나 최고 휘도와 효율에 대해서는 언급되지 않았고 연구에 사용된 광원은 백색광이 아닌 좁은 대역의 LED라서 풍부한 색상을 표현해야하는 디스플레이의 백라이트로는 제한적이다. 이후 여러 연구자들에 의하여 수치 해석과 실제 제작 실험을 통하여 적합한 회절 격자의 주기와 깊이, 형상 등에 대한 연구가 진행되었고 회절의 본질적인 문제점인 칼라 분산을 극복하는 방법이 제안되었으나 아직 낮은 출광 효율에 따른 저휘도를 극복하는 연구들은 미흡한 편이다^[10-15].

후속연구

3) 회절 격자가 각인된 도광판의 휘도 각 분포를 예측한 시뮬레이션 결과는 실제 실험 결과와 잘 일치하여 향후 도광판 형상 설계에 활용이 기대된다.
본 연구를 통하여 출사 광량이 극대화되도록 적절하게 형상이 제안된 회절 격자가 새겨진 도광판은 수직 방향으로 빛을 추출할 수 있어 기존방식 백라이트에서 필수적으로 사용되는 광학필름을 배제할 가능성을 확인하였다. 그러나 현재수준으로는 기존 방식에 대해 uniformity 성능이 동등 이하수준으로 이에 대한 개선이 필요하고 면광원으로 역할을 위해서는 색 수차 성능에 대한 연구가 요구되고 있어 후속연구를 통하여 보다 향상된 결과를 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LCD가 OLED와 다른 점은?	지난 10여 년간 평판 디스플레이의 상당 부분을 차지하는 LCD (liquid crystal display)는 발광형(emissive) 소자인 OLED와는 다르게 패널 뒷면에 백라이트 유닛이라고 불리는 평면조명기구가 필요하다. 백라이트 유닛은 일반적으로 광원의위치에 따라 두 가지 유형이 존재하는데 하나는 광원이 측면에 설치되는 엣지-라이트(edge-lit) 백라이트 유닛이고, 다른 하나는 직하형 백라이트 유닛이다.
	백라이트 유닛이라고 불리는 평면조명기구에는 어떤 유형이 존재하는가?	지난 10여 년간 평판 디스플레이의 상당 부분을 차지하는 LCD (liquid crystal display)는 발광형(emissive) 소자인 OLED와는 다르게 패널 뒷면에 백라이트 유닛이라고 불리는 평면조명기구가 필요하다. 백라이트 유닛은 일반적으로 광원의위치에 따라 두 가지 유형이 존재하는데 하나는 광원이 측면에 설치되는 엣지-라이트(edge-lit) 백라이트 유닛이고, 다른 하나는 직하형 백라이트 유닛이다. 직하형 백라이트는 확산판 아래에 다수의 광원을 배치하여 LCD TV 또는 옥외 광고용 디스플레이 등 높은 휘도가 요구되는 제품에 사용되어 왔으며, 엣지-라이트 방식은 휴대폰, 태블릿, 노트북 PC 등, 휘도와 더불어 전력 소비도 동시에 고려해야하는 모바일 전자 기기 용도로 직하형에 비해 상대적으로 낮은 휘도 성능을 보여 왔다.
	직하형 백라이트의 특징은?	백라이트 유닛은 일반적으로 광원의위치에 따라 두 가지 유형이 존재하는데 하나는 광원이 측면에 설치되는 엣지-라이트(edge-lit) 백라이트 유닛이고, 다른 하나는 직하형 백라이트 유닛이다. 직하형 백라이트는 확산판 아래에 다수의 광원을 배치하여 LCD TV 또는 옥외 광고용 디스플레이 등 높은 휘도가 요구되는 제품에 사용되어 왔으며, 엣지-라이트 방식은 휴대폰, 태블릿, 노트북 PC 등, 휘도와 더불어 전력 소비도 동시에 고려해야하는 모바일 전자 기기 용도로 직하형에 비해 상대적으로 낮은 휘도 성능을 보여 왔다. 그러나 얇고 높은 효능(efficacy)의 LED의 개발로 인해 적정 소비전력으로 고휘도가 가능해진 edge-lit 백라이트는 지난 몇 년 전부터 박형(slim) TV, 곡면(curved) TV 등의 요구에 대응하여 LCD TV 백라이트 유닛에 널리 확산되어 채택되고 있다.

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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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