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문제 정의
- 본 연구에서 제작한 LED 백라이트 액정표시장치에서는 실제의 제품화를 바라보면서, 현행의 제품과 동일한 판넬로 넓은 색 재현 범위를 얻으면서, 그 외 성능 및 사양에 관해서도 가능한 동등할 것을 염두에 두고 설계를 행했다.
제안 방법
- 이 영향을 회피하기 위해, 액정판넬용 백라이트에 요구되는 성능을 안정화시키고자 했으며, 이번에 LED의 온도 상승을 보상제어하는 것을 고려해 설계를 했다. 게다가 RGB의 출력을 독립적으로 피드백제어 하는 것에 의해 사용 조건의 변동에 따라 충분한 성능을 얻을 수 있도록 검토를 행했다.
- 본 연구에서 사용한 LED 광원에서는 LED 소자의 방열성을 높이기 위해, 개개의 소자는 열전도성에 우수한 MC-PCB(Metal Core-PCB) 상에 실장되고 있다. 그리고 광원으로부터의 열을 외기로 쉽게 방출하기 위해 MC-PCB 밑에 고열 전도의 알루미늄을 접촉 사용함과 함께 방열 표면적을 최대화하기 위호H, 방열판을 아노다이징처리 및 미세핀구조 로 설계했다.
- 본 LED 백라이트에서는 실제의 사용조건도 고려한 RGB 각 LED 간의 출력의 편차를 억제하고 목표의 휘도 및 색도가 얻어 지도록 수량비 및 배열을 하였다.
- 수명 특성에 관해서도 유사한 차이가 있지만, 특히 단시간 내에서의 변화가 큰 온도 특성 기인의 색 변화에 관해서는 제품 상태에서도 시인되어 문제가 될 가능성이 높다. 이 영향을 회피하기 위해, 액정판넬용 백라이트에 요구되는 성능을 안정화시키고자 했으며, 이번에 LED의 온도 상승을 보상제어하는 것을 고려해 설계를 했다. 게다가 RGB의 출력을 독립적으로 피드백제어 하는 것에 의해 사용 조건의 변동에 따라 충분한 성능을 얻을 수 있도록 검토를 행했다.
- 이러한 CCFL 광원의 현실력치에서, 액정디스플레이 장치의 색 재현성을 개선하기 위해 이번에 백 라이트용 광원으로 RGB-LED 소자를 채용했다. 액정판넬용 LED 백라이트로서 백색 LED가 실용화되고 있지만 그 스펙트럼 특성은 청색 LED 와 형광체의 조합에 의한 것으로 그렇게 이상적이지 못하고 넓은 분포를 가지기 때문에, 색 재현성에 관해서는 현재의 CCFL 제품보다 때때로 열악한 경우도 있다3)
- 앞에서 언급했듯이 현재 RGB의 각 LED 소자는 온도, 수명 특성에 차이가 있는 것에 추가해, 실제의 양산에 있어서는 광원 자체의 휘도 및 색도 편차도 예상된다. 이러한 점들을 고려해서, 본 LED 백라이트에서는 칼라센서에 의해 각각의 광량을 실시간으로 측정하면서, 그것에 응해서 LED의 출력을 PWM 제어하는 피드백 제어회로를 채용했다. 각 소자에의 출력제어는 PWM의 duty rati。를 변화시킴으로서 행하고 있다.
대상 데이터
- 본 LED 백라이트에서는 24개의 R, G, B 삼색의 LED 소자를 직선상에 배열한 광원 어레이 1개를 사용하고, RGB의 각 LED에서 출사된 광은 혼색도 광판에 의해 균일한 백색광이 되며 표시면에 출사 된다.
- 본 연구에서 사용한 LED 광원에서는 LED 소자의 방열성을 높이기 위해, 개개의 소자는 열전도성에 우수한 MC-PCB(Metal Core-PCB) 상에 실장되고 있다. 그리고 광원으로부터의 열을 외기로 쉽게 방출하기 위해 MC-PCB 밑에 고열 전도의 알루미늄을 접촉 사용함과 함께 방열 표면적을 최대화하기 위호H, 방열판을 아노다이징처리 및 미세핀구조 로 설계했다.
- 본 연구에서 제작한 LED 백라이트에서는 미국 Lumileds사의 고출력 LED소자(Luxeon)을 사용했다6). 그림 3에 Luxeon의 외관구조를 표시한다.
성능/효과
- 한편, 백라이트 상태에서의 휘도는 표 1에 나타낸 것과 같이 백색 상태에서 2010 cd/m"2을 얻었으며, 백라이트 상태에서 white balance® Wx=0.300, Wy=0.300으로 셋팅할 때 LED 백라이트의 R:G:B의 휘도비는 546 : 1589 : 60으로 나타났다.
- RGB소자에서 출사된 광을 효율적으로 혼합하는 광학계와 피드백 제어회로를 조합함으로써 균일한 휘도, 색도를 안정적으로 얻을 수 있었다. 아직 소비전력과 가격에서 개선의 여지가 있지만, 백라이트 광학계와 LED소자 자체의 효율 개선이 거듭 진행되어 제품화로의 발전을 기대해 본다.
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표 2. 사용된 RGB-LED의 피크 파장 및 전 광속
광원의 발광량을 기준으로 백라이트 화면으로 나오는 광량의 비인 출광효율은 표 3에서 보듯이 LED가 32%로 CCFL에 비해 상당히 낮았다
. 이는 서로 다른 색을 가진 점광원 LED가 일정한 간격을 두고 배열되어 있는데, 이를 보상하여 혼색을 하기 위해 혼색도광판을 추가적으로 도입했는데, 이로 인해 발광에서부터 출광까지의 광경로가 혼색도광판을 사용하지 않는 CCFL의 광경로에 비해 광 손실이 큰 것으로 분석되며, 이렇게 상대적으로 낮은 출광효율은 향후 백라이트의 광구조적 최적화가 수반될 필요가 있다고 본다. - 005 이내로 제어되었으며, 피드백 제어계가 예상대로 기능을 하고 있는 것을 확인했다. 그리고 백라이트 표면 온도 평균은 421로 안정화 되었으며, 방열판 설계 효과를 볼 수 있었다.
- 그림 6에는 LED 백라이트와 CCFL 백라이트를 사용했을시의 색 재현영역을 색도 좌표계에서 비교하고 있다. 백라이트에 판넬을 장착한 상태인 모듈에서 Gamut 86%의 넓은 색 재현영역을 실현하고, 추가적으로 백색색도 조절도 가능하다.
- 우리는 중대형분야에서 고객의 다양한 기대 요구를 충족시키고, 나아가 기존과 차별화된 시장을 도모하고자, 이번에 RGB-LED 소자를 광원으로 채택해 현행 기종에 버금가는 휘도로 Gamut 86%의 색 재현성과 백라이트 자체에서의 색 재현성은 105%로 특히 적색을 잘 표현하고 있다.
- 한편 온도 보상 회로에 있어서, 실온에서 구동 후 온도가 상승하여 포화될 때까지 온도에 따른 색도 변화는 Ax, Ay 모두 0.005 이내로 제어되었으며, 피드백 제어계가 예상대로 기능을 하고 있는 것을 확인했다. 그리고 백라이트 표면 온도 평균은 421로 안정화 되었으며, 방열판 설계 효과를 볼 수 있었다.
후속연구
- 현재 LCD 시장은 급속히 팽창하고 있으며 응용 분야는 광범위하고도 다양해지고 있다. 또 디스플 레이에 대한 요구 수준도 높아져, 보다 자연스럽고 친환경적이기를 기대한다. 이러한 요구들 중 밝기나 color는 계속 강조되고 있으며, 한편 수은(Hg) 등의 생체유해물질은 최소화하고자 규제를 강화하고 있다。 LED는 CCFL에 비해 넓은 색 재현성을 가지며, 또한 무수은의 친환경적인 광원이지만, 중 대형 디스플레이의 조명 광원으로는 밝기와 신뢰성 등의 개선과제가 숙제였는더】, 최근 발전을 거듭해 중대형에도 응용 가능할 수준에 이르고 있다.
- RGB소자에서 출사된 광을 효율적으로 혼합하는 광학계와 피드백 제어회로를 조합함으로써 균일한 휘도, 색도를 안정적으로 얻을 수 있었다. 아직 소비전력과 가격에서 개선의 여지가 있지만, 백라이트 광학계와 LED소자 자체의 효율 개선이 거듭 진행되어 제품화로의 발전을 기대해 본다.
- 광원의 발광량을 기준으로 백라이트 화면으로 나오는 광량의 비인 출광효율은 표 3에서 보듯이 LED가 32%로 CCFL에 비해 상당히 낮았다. 이는 서로 다른 색을 가진 점광원 LED가 일정한 간격을 두고 배열되어 있는데, 이를 보상하여 혼색을 하기 위해 혼색도광판을 추가적으로 도입했는데, 이로 인해 발광에서부터 출광까지의 광경로가 혼색도광판을 사용하지 않는 CCFL의 광경로에 비해 광 손실이 큰 것으로 분석되며, 이렇게 상대적으로 낮은 출광효율은 향후 백라이트의 광구조적 최적화가 수반될 필요가 있다고 본다.
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