Design and Fabrication of Pattern Structures of the Light Guide Plate for Enhanced Brightness of Backlight Unit

고휘도 BLU 구현을 위한 도광판 패턴 설계 및 특성 평가

Abstract

To improve the optical performance of the backlight unit with light guide plate(LGP), we investigated the effects of LGP patterns on the brightness and viewing angles properties of the backlight unit. We designed several patterns of LGP and calculated their optical properties by the optical simulation. The results reveal that the highest brightness and wide viewing angle was achieved with the extended-closed-polygon diffusion pattern and upper triangle prism pattern of the LGP.

1. 서 론

액정 디스플레이는 경량화, 박형화 등의 장점을 갖고 있어 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북, 모니터, 대형 TV 등의 중소형 디스플레이 분야에 널리 이용되고 있다. 정보통신의 고기술화로 인하여 LCD의 저소비전력, 시야각 개선, 고휘도 구현, 박형화, 경량화 등이 중요한 기술로 요구되고 있다. 이러한 휴대용과 개인정보디스플레이 단말기의 시장요구 충족을 위해 고기능성 백라이트 유닛(BLU) 도광판 개발 연구가 활발히 이루어지고 있다[1-5]. 특히, 도광판은 휴대용 액정 디스플레이로 현재 가장 많이 이용되는 디스플레이 소자에 필요한 백라이트 유닛의 한 핵심 소자로서 BLU의 광원을 화면 전체에 균일하게 휘도를 전달하는 부품이다. 현재, 백라이트 광원으로는 전력소모, 환경문제, 사용수명 등의 이유로 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)를 주로 사용되고 있다. 하지만, LED와 같은 램프는 점광원이기 때문에 CCFL(cold cathode fluorescent lamp, 냉음극관)를 이용하는 기존 BLU 도광판의 패턴형태로는 휘점(bright spots), 휘선, 써치, 암부 등이 발생하게 되어 균일한 휘도를 얻기 어렵다[3-10]. 이러한 문제점을 해결하기 위한 BLU의 새로운 광학적 구조에 대한 설계 및 제작이 요구된다. 최근 많이 사용되는 휴대용 액정디스플레이는 초소형화 및 저소비전력화 추세로, 여러 기능성을 갖는 BLU도광판 개발이 필요하다.

본 연구에서는 BLU의 시야각 및 휘도균일도 개선을 위하여 확산시트 박막이 코팅된 다양한 형태의 도광판의 패턴을 설계 및 제작하여, 패턴 형상에 따른 BLU의 광학적 특성을 평가하였다.

 

2. 도광판의 패턴 설계 및 시뮬레이션 결과

BLU에서 도광판의 역할은 도광판 내의 빛을 도광판 상면 위로 진행하게 하여 휘도를 증가시키고, 도광판의 상면에서 나오는 빛의 균일도를 향상시키는 기능을 한다. 본 연구에서 다양한 형태의 도광판 패턴구조를 설계하고, 그 설계된 패턴 구조 위에 확산시트를 코팅하여 광학적 특성을 평가하였다.

2.1 적층된 확산박막 도광판의 패턴 설계

본 연구에서 제안한 박막 적층 도광판의 단면구조는 그림 1과 같다. 도광판 자체에 다양한 패턴을 제작하여 빛의 휘도를 증가시키고, 확산시트 기능을 가진 확산막을 코팅하여 하부면의 다양한 패턴에 따른 휘선 및 암부 특성을 조사하였다.

그림 1도광판의 단면 구조 Fig. 1 Structure of the proposed light guide plate

일반적으로, BLU 도광판의 휘도특성을 향상시키기 위한 방식으로 실크 스크린 인쇄기술이나 레이저 가공을 이용하여 도광판 하부면에 원형의 반사도트를 형성하는 방식이 주로 이용되고 있지만, 이러한 방식은 특정 방사각(20°)에 많이 빛이 방출될 뿐만 아니라, 실크 스크린 인쇄기술을 사용하는 경우에는 반사도트와 도광판의 다른 재질로 인해 패턴에서 광흡수 및 반사로 인해 광효율이 작아지는 문제점을 갖고 있다.

본 연구에서는 기존의 이러한 문제점을 개선하고자 빛의 균일도 개선 및 휘도를 향상시키고자 도광판 자체에 직접 패턴을 설계 및 제작하여 도광판의 광학적 특성을 평가하였다. 여기서, 도광판에 제작이 용이하고 화면화소크기를 고려하여, 그림 2에 보인 간단 패턴을 설계하였다. 그림 2는 기존 백라이트 유닛의 도광판의 휘도 및 시야각특성을 개선시키고자 본 연구에서 제안한 도광판의 4가지 유형 패턴구조를 나타낸다. 그림 2(a)에 보인 것처럼, 이 패턴은 도광판 자체의 하부에 반타원형으로 설계한 단면모양이다. 반타원형 패턴구조의 파라미터는 직경 35 μm, 깊이 9 μm이다. 그림 2(b)는 피라미드 패턴 구조로 설계한 것으로,패턴의 파라미터는 가로 40 μm, 세로 40 μm, 깊이 20 μm이다. 또한, 세번째로 도광판 하부를 대칭형 Extrude- closed-polygon 패턴으로 설계한 것을 그림 2(c)에 나타내었다. 이 대칭형 Extrude- closed-polygon 방사 패턴의 파라미터는 가로 70 μm, 세로 22 μm, 깊이 20 μm, 방사각 54.7˚ 이다. 마지막으로, 도광판 하부를 비대칭형 Extrude- closed-polygon 패턴 및 상부면을 삼각형 프리즘 패턴으로 설계한 단면을 그림 2(d)에 나타내었다. 도광면 하부면의 패턴 파라미터는 가로 70 μm, 세로 22 μm, 깊이 20 μm, 방사각 45˚로 제작하였고, 상부 삼각형 프리즘 패턴의 꼭지각은 100˚이고 깊이는 10 μm로 형성하였다. 제안한 BLU 도광판의 패턴은 SPEOS 광학수치 시뮬레이터 (OPTS Co.)를 이용하여 설계하였다.

그림 2설계한 도광판의 패턴 구조: (a) 반타원형, (b) 피라미드형, (c) 하부면의 대칭형과 (d) 상부 프리즘패턴 및 하부면의 비대칭형 Extrude-closed-polygon 확산 패턴 구조 Fig. 2 Structure proposed of various patterns designed on light guide plate:(a) half oval prism pattern, (b) pyramid prism pattern, (c) symmetric, and (d) upper and under asymmetric Extrude-closed-polygon pattern

2.2 도광판의 패턴구조에 따른 시뮬레이션 결과

본 연구에서 제안한 4가지 형태의 패턴들 위에 확산박막시트를 코팅한 도광판의 패턴 형상에 따른 시야각 및 광휘도 특성을 수치 시뮬레이션한 결과를 그림 3에 나타냈다. 반타원형 도광판 패턴에 대하여 좌우시야각 및 상하시야각에 따른 광휘도 특성을 각각 그림 3(a)와 (b)에 보였다. 그림 3(a)의 결과로부터, 반타원형 패턴 도광판의 좌우시야각은 확산박막시트를 사용하는 경우 정면에 대하여 약 ±50˚까지는 휘도가 균일한 시야각 특성을 보였지만, 전반적인 휘도의 세기는 다른 패턴에 비해 가장 좋지 않은 특성을 보였다. 게다가, 그림 3(b)에 알 수 있듯이, 상하 시야각 특징은 한쪽으로 치우친 40˚ 근처에서 피크가 형성되어 시인성이 좋지 않음을 알 수 있다. 이러한 반타원형 패턴으로 설계된 백라이트 유닛 도광판을 사용 시 여러 장의 보상시트가 필요함을 알 수 있다. 그림 3(c)와 (d)는 도광판 하부를 피라미드형으로 설계한 패턴 구조의 수평방향 각(azimuthal angel)과 수직방향 각(polar angle)에 따른 휘도와 시야각의 특성을 평가하였다. 이 패턴에 대한 시뮬레이션 결과는 그림 3(a)와 (b)에 보인 반타원형 확산패턴과 그림 3(e)와 (f)보인 대칭형 Extrude-closed-polygon 패턴 보다 휘도의 강도가 우수하게 나타났다. 좌우시야각과 수직시야각에 대한 광학적 수치계산 결과, 전체 휘도의 강도는 반타원형 패턴과 비교하였을 때, 피라미드형 패턴에서 각각 8.7배와 5.9배가 향상된 특성이 보였다. 그리고 대칭형 Extrude-closed-polygon 패턴과 비교했을 때에도 각각 3.1배와 5.9배가 향상된 휘도특성을 보였다. 하지만 반타원형, 피라미드 및 대칭형 Extrude–closed-polygon 패턴 모두 상하 시야각 특성은 한쪽으로 편향되는 시야각 특성을 보였다. 이러한 문제점을 보완하기 위하여, 도광판의 하부에 비대칭형 Extrude-closed-polygon 패턴을 상부에는 삼각형 프리즘패턴으로 설계하여 광학적 특성을 분석한 결과, 다른 패턴에서 보다는 휘도특성이 가장 우수하게 나타났다. 좌우 시야각과 상하 시야각에 따른 광학적 시뮬레이션 결과, 타원형 패턴에서의 최대 휘도값보다 각각 약 10배와 9배 이상 휘도가 휘도가 증가하였다. 이 시뮬레이션 결과는 그림 3(g)와 (h)에 나타냈었다.

그림 3도광판 패턴 형상에 대한 좌우 및 상하 시야각 휘도 특성 : (a)와 (b)는 반타원형, (c)와 (d)는 피라미드형, (e)와 (f)는 하부면의 대칭형 Extrude-closed-polygon 패턴, (g)와 (h)는 상부 프리즘패턴 및 하부면의 비대칭형 Extrude-closed-polygon 패턴 Fig. 3 Calculated results of viewing angle characteristics according to the various proposed patterns designed on light guide plate with diffusion sheet

 

3. 확산박막을 적층한 도광판 패턴 제작 및 특성 평가

수치시뮬레이션 결과를 바탕으로 도광판(LGP) 금형을 제작하였고, 스미토모 고속 전동 사출기(SE50DUZ FT, Japan)를 이용해서 LGP를 사출시켜 패턴을 제작하였다. 확산시트 기능을 가진 도광판을 제작하기 위하여, 사출된 LGP를 전처리하고, 그 위에 스핀코팅 방식으로 확산 코팅 향상제를 이용하여 확산 보조막 및 확산막을 입힌 후, 경화시켜 확산패턴을 제작을 하였다. 그림 4는 본 연구에서 제안한 4가지 패턴 형상을 도광판에 직접 제작한 SEM 이미지를 보여준다. 그림 3의 수치시뮬레이션 결과를 검증하기 위하여, 시뮬레이션와 같은 파라미터로 도광판 패턴을 제작하였다. 제작된 4가지 형태의 도광판에 대하여 광학특성을 평가하였다. 그림 5은 도광판의 패턴형상에 따른 좌우 시야각과 상하 시야각을 통해 휘도 및 시약각 특성을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 시뮬레이션 결과와 실제 제작 후의 측정 결과를 비교해보면, 시야각 특성에서는 유사한 광학 특성을 얻을 수 있었지만, 그림 5(a)와 (b)의 반타원형 패턴 좌우시야각과 상하시야각에 대하여 측정한 휘도와 그림 5(c)와 (d)의 파라미드형 패턴에서 측정한 그 휘도를 비교해 보면 반타원형 패턴보다 각각 약 20%, 10%정도 증가를 보여 시뮬레이션 결과와는 다소 차이를 보였다. 또한, 그림 5(g)와 (h)의 도광판 하부에 비대칭형 Extrude-closed-polygon 패턴, 상부에 삼각형 프리즘 패턴으로 제작하여 시야각에 따른 휘도특성을 측정한 결과에서는 수치 시뮬레이션 결과보다 적은 휘도 특성을 보였으나, 반타원형 패턴과 비교했을 때, 좌우시야각와 상하시야각에 따른 전체 휘도 값이 각각 5%와 18% 증가하였으며, 본 연구에서 제안한 패턴중에서 가장 휘도가 크고, 휘선의 문제점이 적고, 시인성 및 반치각 특성이 우수하게 나타났다.

그림 4다양한 패턴형상을 제작한 도광판의 SEM 이미지: (a) 반 타원형, (b) 피라미드형, (c) 대칭형 과 (d) 비대칭형 Extrude-closed-polygon 패턴 Fig. 4 SEM images of various patterns fabricated on the bottom of light guide plate:(a) half oval prism pattern, (b) pyramid prism pattern, (c) symmetric, and (d)asymmetric Extrude-closed-polygon pattern

그림 5확산박막을 적층한 도광판의 다양한 패턴 형상에 따른 시야각 특성: (a) 와 (b)는 반타원형 패턴, (c)와 (d)는 피라미드형 패턴, (e)와 (f)는 대칭형 Extrude-closed-polygon 패턴, (g)와 (h)는 비대칭형 Extrude-closed-polygon 패턴에서 각각 좌우 시야각 과 상하 시야각에 대한 측정결과 Fig. 5 Measured results of viewing angle characteristics according to the various proposed patterns designed on light guide plate with diffusion sheet

 

4. 결 론

본 연구에서는 BLU의 시야각 및 휘도향상 조건을 찾기 위하여 도광판에 다양한 형태의 패턴을 설계 및 제작하여 광학적 특성평가를 하였다. 그 패턴 제작은 시뮬레이션 결과를 바탕으로 제작하였다. 제안된 패턴 도광판에 확산시트 막을 이용하여 시뮬레이션 및 측정결과로부터, 도광판 상부에는 삼각형 프리즘 패턴을, 하부에는 Extrude-closed -polygon 패턴으로 제작한 경우 시야각에 따른 휘도 특성이 다른 패턴을 제작한 경우보다 그 휘도 특성이 가장 우수하였고, 휘선도 적었다.