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민하 매
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연구논문 Hankook Kwanghak Hoeji, Volume 18, Number 6, December 2007 액정표시장치백라이트용집광필름의광학특성분석을위한시뮬레이션기법연구 박지희ㆍ이정호ㆍ정진하ㆍ남기봉ㆍ고재현 한림대학교전자물리학과우 200-702 강원도춘천시한림대학길 39 우 김중현삼성전자( 주), LCD 총괄 336-789 충남아산시탕정면명암리

1 연구논문 Hankook Kwanghak Hoeji, Volume 18, Number 6, December 2007 액정표시장치백라이트용집광필름의광학특성분석을위한시뮬레이션기법연구 박지희ㆍ이정호ㆍ정진하ㆍ남기봉ㆍ고재현 한림대학교전자물리학과우 강원도춘천시한림대학길 39 우 김중현삼성전자( 주), LCD 총괄 충남아산시탕정면명암리 200 (2007년 11월 19 일받음) LCD 백라이트에사용되는집광필름의광학적성능을예측하는효율적인방법으로광선추적기법이적용된광학시뮬레이션이많이사용되고있다. 집광필름의광특성을정확히예측하기위해서는시뮬레이션에영향을미치는조건들을세심하게설정하여야한다. 본연구에서는가장대표적인집광필름인프리즘필름의시야각특성및휘도상승률에중요한영향을미치는시뮬레이션조건을분석하기위해반사필름, 가상의평면광원, 프리즘필름으로구성된간단한 BLU 모델을구성한후다양한조건하에서체계적인시뮬레이션을수행하였다. 그결과 (1) 집광필름의구조및재질변화에따른광학적성능, 특히휘도상승률의상대적변화는위에서기술한간단한모델로도충분히예측할수있음을확인하였고,(2) 집광필름의시야각특성을정확히예측하기위해서는반사필름의반사성격및집광필름에입사되는빛의분포를시뮬레이션에정확히반영해야만함을확인할수있었다. 확산판, 확산필름및프리즘필름이적층된직하형 BLU 에서얻어진실험결과와시뮬레이션결과를비교분석한결과, 상기의시뮬레이션모델에반사필름이보이는양방향반사분포함수를적용하고확산필름위의출광분포를광원으로이용할경우실험에서얻어진프리즘필름위의출광분포를정확히재현할수있음을확인하였다. 주제어 : Liquid Crystal Display (LCD), Backlight, Collimating Film, Prism Film, Optical Simulation, Reflection Film, Ray Tracing Technique I. 서론 최근대형평판디스플레이(Flat Panel Display, 이하 FPD) 기술및시장은액정표시장치(Liquid Crystal Display, 이하 LCD) 와플라즈마디스플레이패널(Plasma Display Panel, PDP) 이주도하고있고그시장규모도지속적으로확대되고있다. 전통적인디스플레이라할수있는음극선관(Cathode Ray Tube) 형디스플레이와 PDP 등은화소(pixel) 단위로가시광선이자체발광되는자발광디스플레이로분류할수있는데반해,LCD는비자발광디스플레이의일종으로써외부에서독자적으로만들어진백색광을공급받아화소별로투과도와투과스펙트럼을조절하여필요한영상정보를구현하는장치이다.LCD패널에밝고고른백색광을공급해주는부품이바로백라이트유닛(Backlight Unit, 이하 BLU) 으로써, LCD 의화질특성중휘도(luminance), 휘도균일도, 색좌표와같은중요특성들을결정해주는핵심부품이다. 특히, 대형 LCD로갈수록 BLU의원가비중이더욱커지기때문에다양한기술혁신을통해 BLU의가격을낮추고 LCD의화질을개선하는것이매우중요한기술적과제로떠오르고있다. BLU는대형 LCD 에사용되는직하형(direct-lit) BLU와소형 LCD 에사용되는엣지형(edge-lit) BLU 로구분할수있다. BLU 는매우다양한부품들로구성되는데, 가시광선을만들어내는광원, 반사필름, 확산판혹은도광판, 확산필름, 1장혹은 2 장의프리즘필름, 보호필름이나반사형편광필름, 이들을고정시켜주는몰드프레임등이대표적인부품들이라할수있다. 점광원, 선광원, 혹은면광원의형태를가진광원으로부터발생하는가시광선은 BLU 내다양한부품들의광학적작용을거쳐서 2차원의균일화되고집광된백색광으로바뀌어 LCD 패널에입사된다. 그림 1은직하형 BLU의단면을개략적으로보여주고있다. 가장일반적인직하형 BLU 는광원으로써다수개의냉음극형광램프(Cold Cathode hwangko@hallym.ac.kr 그림 1. 일반적인직하형 BLU 의단면구조. 432

2 연구논문 액정표시장치백라이트용집광필름의광학특성분석을위한시뮬레이션기법연구 박지희ㆍ이정호외 433 Fluorescent Lamp, 이하 CCFL) 를나란히배치하고그밑에는반사필름(Reflector, reflection film) 이, 그위쪽에는확산판(diffuser plate) 이광원으로부터일정한간격을두고올려져있는구조를가진다. CCFL에서밑으로내려오는빛을반사시켜주는반사필름은보통경면반사(specular reflection) 와확산반사(diffuse reflection) 의성격이혼재되어있는백색 PET(white polyethylene-terephthalate) 재질의반사필름이사용된다. 확산판은특정위치에놓여있는광원들로부터올라오는빛을임의의방향으로확산시켜휘선의형성을방지하는기능을가지고있다. 확산필름(diffuser sheet) 은확산판을거친빛에대한추가적인확산기능과더불어어느정도의집광기능을가지며, 아울러확산필름의위쪽에놓이는집광필름과확산판의사이에위치하여공기층을형성하면서집광필름이제기능을온전히할수있도록도와줌과동시에확산판과집광필름사이에발생할수있는간섭무늬를제거하는기능도담당한다. [1] 프리즘필름(prism sheet) 으로대표되는집광필름은일차원프리즘과같은마이크로렌즈표면위에서일어나는굴절작용을통해시야각특성을희생하면서정면의휘도를높여주는역할을담당한다. 가장위쪽에위치한반사형편광필름(reflective polarizer) 은 LCD의입사편광판의투과축에수직인편광성분의빛을반사시켜서재활용함으로써 LCD의휘도를올려주는휘도향상기능을가지고있다. 그림2는 32인치직하형 CCFL BLU를이용하여각광학필름상의휘도를시야각에대해측정한결과를보여준다. 직관형형광램프인 CCFL은보통 LCD-TV의가로방향 그림 2. CCFL 직하형 BLU 를구성하는확산판(DP), 확산필름 (DS) 및프리즘필름(prism) 위에서측정된시야각별휘도분포.(a) 는프리즘필름의일차원프리즘구조에수직인방향,(b) 는수평인방향으로의시야각특성임. 으로배치되어있는데, 이방향에대해수직인방향과수평인방향의시야각특성이그림2 의(a) 와(b) 에각각보여지고있다. 확산판위의출광분포는시야각에무관하게일정한휘도를보이는람버시안(Lambertian) 분포에가까운데, 이는입사광을임의의방향으로산란시키는확산판의광학적기능을고려하면당연한결과이다. 확산필름은확산판위에형성된람버시안의분포를변형시켜 BLU의수직방향휘도를증가시킨다. 이위에일차원마이크로프리즘구조를가지고있는프리즘필름을올려놓게되면일차원구조에수직인방향의시야각이협소해지면서 BLU의정면방향휘도가큰폭으로상승한다. 그림 2 에는제시되어있지않지만, 프리즘필름위에반사형편광필름이올려질경우에는 BLU의휘도는감소하나 LCD 패널을올려놓을경우에는입사편광판에수직인편광성분이재활용됨으로써 LCD 패널의휘도가큰폭으로상승하게된다. 최근에는기존광학필름들의성능개선과더불어서직하형 BLU에들어가는각필름들이가지는광학기능들을통합하여더적은숫자의광학필름들로기존의필름조합과동일한기능을발휘하도록하기위한기술들이고안되고제시되고있다. 몇가지의예를들면 (1) 확산기능과집광기능의통합 [2], [3] (2) 투과도가향상된일체형확산필름의개발,(3) 새로운구조의집광필름의개발 [4] [5],(4) 기존광학필름의성능최적화 등을들수있다. 이와같은기술개발이노리는것은궁극적으로광학필름의성능개선을통한필름숫자의감소와이를통한 BLU 및 LCD 의경쟁력향상이라고볼수있다. 그렇지만새로운광학적미세구조를가지는광학필름을실제로제작하고그성능을평가하고이를바탕으로개발을완료하는데에는많은시간이소요된다. 따라서광선추적기법(ray tracing technique) 과같은광학시뮬레이션을활용하여필름개발에소요되는시간을줄이기위한노력들이진행되어왔다. [6,7] 그렇지만시뮬레이션을통해휘도향상률이나시야각특성과같은광학필름의특성들을정확히예측하는것은어려운일이다. 정량적인예측을위해서는각광학부품들이가지는투과, 확산, 반사, 흡수특성들이시뮬레이션조건에정확히반영되어야할뿐아니라 [8] 광학필름들사이, 그리고광학필름들과 BLU의다른부품들사이의광학적상호작용이정확히고려되어야한다. 본연구에서는가장대표적인집광필름인프리즘필름을대상으로해서집광필름의광학특성을예측하는시뮬레이션과정에영향을미칠수있는인자들을체계적으로분석하고자하였다. 특히시뮬레이션결과에큰영향을미칠것으로예상되는두가지요인으로써 (1) 광학필름의밑에위치해서빛을반사시키는반사필름의반사성격에따른프리즘필름의광학특성변화및 (2) 집광필름에입사되는빛의입광분포의변화에따른출광분포의변화를조사하였다. 본연구에서제시하고있는각시뮬레이션인자들의변화와시뮬레이션결과, 특히프리즘필름의시야각특성사이의정량적인상관성은향후 BLU용광학필름의광학특성을정확히예측

434 한국광학회지제18권제6 호, 2007년 12월 하기위한시뮬레이션기법의개선에기여할수있을것으로기대된다. II. 시뮬레이션조건 시뮬레이션에는광선추적기법을사용하는광학시뮬레이션소프트웨어인 ASAP (Advanced Systems Analysis Program, Brault Research Org., 2006 V2R1) 이사용되었다.

3 434 한국광학회지제18권제6 호, 2007년 12월 하기위한시뮬레이션기법의개선에기여할수있을것으로기대된다. II. 시뮬레이션조건 시뮬레이션에는광선추적기법을사용하는광학시뮬레이션소프트웨어인 ASAP (Advanced Systems Analysis Program, Brault Research Org., 2006 V2R1) 이사용되었다. BLU용집광필름의광학성능을효율적으로평가하기위해서는 BLU의핵심적인요소들이포함된단순한시뮬레이션모델을설계하는것이필요하다. 본연구에서사용된간이 BLU 구조는그림 3(a) 와같이반사판, 가상의평면광원, 프리즘필름순으로구성되었다. 각구성부품사이의간격은 10 um로설정하였다. 프리즘필름위에는이로부터출사되는빛의각도별휘도분포를확인하기위한가상의검출기가놓여져있다. 평면광원에서방출되는가시광선의파장은 555 nm의단색광으로설정하였다. 시뮬레이션에사용된프리즘필름의단면구조가그림 3(b) 에제시되어있다. 프리즘필름은별다른언급이없는경우12 12 mm 2 의면적을가진평편한기판위에형성된일차원적마이크로프리즘배열로구성되어있고, 기판의두께는 125 um, 굴절률은 PET의굴절률인 1.572로설정하였다. 프리즘의피치(pitch) 는 60 um, 높이는 30 um로써프리즘정각(apex angle) 이직각이되도록디자인하였다. 프리즘의산부분인일차원렌즈의굴절률은특별한언급이없을경우 1.60 으로설정하였다. 이러한조건들은상용화된프리즘필름이가지는구조적, 재료적특성을거의동일하게반영한것이다. 단, 프리즘필름을구성하는재질들이가질수있는흡수율이나필름표면의거칠기는별로도설정하지않았다. 실험결과와의비교를위해서필요한경우프리즘산의굴절률및정각, 그리고기판의굴절률을변화시켜가면서위에기술한간이 BLU 모델을이용하여시뮬레이션을수행하였다. 반사필름의특성에따른광학필름의특성변화를확인하기위해반사필름의반사성격을완전거울반사, 완전확산반사 ( 혹은람버시안확산반사), 그리고이두가지가혼재되어있는반사성격등세가지로설정하였다. 거울반사인경우반사필름에입사되는광선은입사각과반사각이동일하다는반사의법칙을따라진행한다. 완전확산반사인경우에는입사광선의입사각도에관계없이반사광이확률적으로람버시 안의분포를따라반사되는성질을갖는다. 직하형 BLU에쓰이는백색PET형반사필름은보통이두가지반사성격이혼재되어있다. 이를시뮬레이션에정확히반영하기위해서는양방향반사분포함수 (bi-directional reflection distribution function, 이하 BRDF) [9] 를정확히측정하여시뮬레이션코드에포함시켜야한다. 본연구에서는현재직하형 BLU에가장많이사용되는반사재질중하나인 Toray사의 E60L 반사필름에대한 BRDF의측정결과를거울반사와확산반사와구분하여세번째반사성격으로설정하였다. 반사필름의반사율은반사성격에무관하게모두 100% 로설정하였다. 집광필름의광특성을가장간단하게평가하는방법은람버시안분포로광선을내보내는가상의평면광원을이용하는것이다. 이경우가상광원에서출사되는광선의세기분포는평면광원에대한법선으로부터의각도를 θ라고했을때 cos θ의분포를보이며출사된다. 그렇지만실제의 BLU 내에서집광필름에입사되는빛의분포는람버시안에서벗어나는경우가많다. 따라서 BLU 내특정위치에놓여있는광학필름의광특성을평가하기위해서는해당광학필름에입사되는빛의분포를직접시뮬레이션코드에집어넣어야한다. 이러한과정은 ASAP 내에서 apodization 과정을통해서이루어진다. 본연구에서는그림 2에측정치로제시되어있는휘도분포중확산필름위의출광분포를각도별로수치화한후에시뮬레이션코드에집어넣어서프리즘필름의광특성을평가하는데이용하였다. 이를통해일반적으로사용하는람버시안평면광원과의차이점을해명하고자하였다. 시뮬레이션에사용된광선의수는보통백만개이상이었고집광필름위에놓인검출기를이용하여각도별광도 (luminous intensity) 와이로부터휘도의시야각특성을구하였다. III. 결과및논의 3.1 굴절률및정각이프리즘필름의광특성에미치는효과 기존에흔히사용되던시뮬레이션방법을이용해서프리즘필름의굴절률변화에따른광특성의변화를평가하였다. 반사필름의반사성격은거울반사로설정하였고광원은람버시안분포의빛을방출하는평면광원으로설정하였다. 기판의굴절률은 1.5로고정시킨상태에서프리즘산의굴절률을 1.4에서 1.65까지변화시키면서각도에따른광도특성을평가하였다. 표 1은각굴절률별시뮬레이션결과에서얻어진 (a) 그림 3. (a) 본연구에사용된 BLU 모델. (b) 프리즘필름의단면구조. (b)

연구논문 액정표시장치백라이트용집광필름의광학특성분석을위한시뮬레이션기법연구 박지희ㆍ이정호외 435 총광속(total flux), 프리즘필름의법선방향의광도및총광속을고려하여규격화한(normalize) 법선방향의광도를보여주고있다. 여기에서총광속은검출기에검출된광선의수와평면광원에서발생시킨광선의수사이의비를% 로변환한양으로정의된다.

4 연구논문 액정표시장치백라이트용집광필름의광학특성분석을위한시뮬레이션기법연구 박지희ㆍ이정호외 435 총광속(total flux), 프리즘필름의법선방향의광도및총광속을고려하여규격화한(normalize) 법선방향의광도를보여주고있다. 여기에서총광속은검출기에검출된광선의수와평면광원에서발생시킨광선의수사이의비를% 로변환한양으로정의된다. 총광속은굴절률이증가함에따라감소하는경향성을보여주는데, 시뮬레이션결과상검출기에검출되지않고사라지는광선이존재하는이유는아래에기술되는프리즘필름의광학적작용을고려하면이해될수있다. 그림 4(a) 는프리즘필름에람버시안분포를가진광선다발이입사될경우입사광선의각도조건에따라광선의경로가어떻게달라지는지를보여주는그림이다. 람버시안분포를가진광선다발이프리즘필름의기판에입사하게되면프레넬(Fresnel) 반사되는부분을제외한나머지빛들은공기와기판의굴절률차이에따른굴절로인해 ±θ max 이내의각도로모이게된다. 공기의굴절률을 1, 프리즘필름의기판의굴절률을 n 1 이라하면스넬의법칙(Snell s law) 에의해서 θ max 는 sin -1 (1/n 1 ) 로결정된다. 굴절률 n 1 이커질수록광선들은기판내에서더좁은원추형각도영역내로국한될것이다. 예를들어그림 4(a) 의광선 가 의경우에는두번의굴절을거치면서정면방향의휘도상승에기여하는광선을표현한것이고, 프리즘필름의입장에서는가장바람직한각도영역내로들어오는광선이라할수있다. 광선 나 의경우는프리즘산의한쪽면에서전반사(total internal reflection) 를한후에다른프리즘산으로재입사하여후면으로내려가거나고시야각영역으로빠져서소위 side lobe 를형성한다. 광선 다 의경우는프리즘필름에거의수직방향으로입사하여두번의전반사를거치면서후면으로되돌아오는광선으로써, 프리즘필름에입사되는광선의절반정도는광선 다 와같은경로를거치게된다. 후면으로되돌아온광선들은후면에위치한반사필름이나기타다른부재들에부딪혀서방향이바뀌면서광선 가와같이정면휘도의상승에기여 하는광선들로변환될수있다. 이처럼후면으로되돌아온광선들을바람직한각도영역으로입사될수있는유용한광선으로바꾸는재생(recycling) 기능이야말로프리즘필름이 BLU 의고휘도화에기여할수있는주요원인이다. 따라서프리즘필름의후면에배치된 BLU 부재들, 특히반사필름의반사 특성및반사율에따라프리즘필름의집광성능및시야각특성이변할것이라고예상할수있다. 표 1의시뮬레이션결과는거울반사의성격을가진반사필름을이용하였다. 이경우그림 4(a) 의 다 와같은광선은프리즘산에서발생하는두번의전반사와반사필름위에서경면반사를경험하면서무한루프(loop) 를형성하게되고따라서시뮬레이션시간내에검출기에검출될수가없게된다. 그림 4(b) 는거울반사형반사필름위에구축된프리즘필름에다수개의광선을아래로부터입사시켰을경우나타나는광선경로를시뮬레이션상에서추적해본결과이다. 거울반사의특성상프리즘산의경사진계면과반사필름사이에갇혀서무한루프를그리는광선의개수가상당히많음을알수있고일부의광선들은정면방향으로, 극히일부는고시야각방향으로빠져나감을볼수가있다. 프리즘산의굴절률이커지게되면기판과프리즘산사이의계면에서발생하는굴절각이커지면서법선방향을향하는광선의밀도가늘어나서그림 4(a) 의 다 의경로를밟는광선의비중이커질것이므로검출기에검출되는총광속은줄어들게된다. 그렇지만이러한결과는거울반사라는이상적인반사특성을가정하여발생한것이고실제 BLU내에서발생하는손실은주로집광필름의계면에서발생하는산란이나매질의흡수에의한것이므로굴절률의차이에따라가시광의손실률이달 (a) 표 1. 프리즘산부위의굴절률변화에따른시뮬레이션결과. 각굴절률별총광속, 정면광도및규격화된정면광도를보여주고있음. 굴절률 총광속 (%) 정면광도 규격화된광도 (b) 그림 4. (a) 프리즘필름에입사되는광선의각도에따라출광되는방향이바뀜을보여주는개략도.(b) 프리즘필름구조에입사.

436 한국광학회지제18권제6 호, 2007년 12월 라질것으로예상할수는없다. 이런측면에서상기시뮬레이션결과를정당하게평가하기위해서는검출기에서검출된총광속의수치로광도분포를나누어준 규격화된광도분포 를고려하여야한다. 표 1의마지막열은검출기에서검출된법선방향의광도를총광속으로나누어준 규격화된광도 이다.

5 436 한국광학회지제18권제6 호, 2007년 12월 라질것으로예상할수는없다. 이런측면에서상기시뮬레이션결과를정당하게평가하기위해서는검출기에서검출된총광속의수치로광도분포를나누어준 규격화된광도분포 를고려하여야한다. 표 1의마지막열은검출기에서검출된법선방향의광도를총광속으로나누어준 규격화된광도 이다. 이를검토해보면굴절률이높아질수록프리즘필름의정면( 법선방향) 휘도상승률이향상될것으로예상된다. 이러한추론이타당한지검증하기위해동일한형상에프리즘산의굴절률만을변화시킨프리즘필름들을제작하여직하형 BLU에넣은다음휘도의상대적인변화량을평가한후시뮬레이션결과와비교하였다. 그림 5는제작된프리즘필름의 SEM(Scanning Electron Microscopy) 사진이다. 프리즘산의피치는 60 um, 프리즘정각은직각으로설정하였고이러한디자인이실물에잘반영되어있음을알수있다. 기판은 125 um의두께에굴절률은 1.5를가지도록제작되었으며, 프리즘산의굴절률은 1.47에서 1.56 까지변화되었다. 그림 6은표 1의시뮬레이션결과및상기의실험결과를요약한것으로써굴절률의변화에따라정면휘도가어떻게바뀌는지를상대적으로표현한것이다. 정량적인비교를위한기준으로써시뮬레이션은굴절률 1.55와이조건에서얻어진정면광도를 100% 로설정하였고실험결과에서는굴절률 1.56 및이조건에서측정된정면휘도를 100% 으로놓았다. 이기준값과비교된다른굴절률에서의실험혹은시뮬레이션결과들의정면휘도변화량을 % 로변환하여그림 6의세로축에표현하였다. 그림 6의가로축에표현된 Δn은각시뮬레이션이나실험에이용된프리즘산의굴절률에서기준굴절률( 실험은 1.56, 시뮬레이션은 1.55) 을뺀수치이다. 실험결과를보게되면굴절률 1.56에비해 1.47의굴절률을가진프리즘필름의정면휘도는약 9% 정도떨어짐을알수있다. 실험에서변화시킨굴절률영역내에서시뮬레이션결과와실험결과를비교해보면약간차이가보이지만전체적으로 양쪽결과에서굴절률의감소에따라정면휘도가감소하는비율이정량적으로매우비슷함을확인할수있다. 이러한결과는거울반사와람버시안평면광원을이용한단순한시뮬레이션방법을이용하는경우에도집광필름이나타내는광특성의상대적인변화, 특히정면휘도상승률의변화를정량적으로예측하는것이가능하다는것을보여준다. 그림 6 을보게되면프리즘산의굴절률을 1.55에서 1.65로올리게될경우정면휘도가약13% 정도올라갈것으로예상할수있다. 그림 7은프리즘산의정각을 70도에서 110도로변화시켰을경우상기와동일한방법으로시뮬레이션을수행한결과이다. 정각 90도에서가장높은정면휘도를보이고이보다각도가커지거나줄어들게되면휘도가감소할것으로예상된다.90도보다작은정각을가지는프리즘필름은수직방향혹은이에근접한방향으로올라가는광선들의상당부분을고시야각쪽으로손실시키게되고정각이 90도보다큰경우에는수직부근의광선들을굴절을통해더퍼뜨려넓은시 그림 6. 프리즘산부위굴절률의변화에따른정면휘도의상대적변화율. 시뮬레이션결과와실험결과를비교하였음. 그림 5. 시뮬레이션결과와비교하기위해시험적으로제작된프리즘필름의 SEM 사진. 그림 7. 시뮬레이션을통해얻은프리즘산정각의각도변화에따른정면휘도상승률의변화.

6 연구논문 액정표시장치백라이트용집광필름의광학특성분석을위한시뮬레이션기법연구 박지희ㆍ이정호외 437 야각특성을부여하기때문에양자모두정면휘도는감소하게된다. 이러한예측은기존에보고된실험결과와잘일치한다. [10] 본논문에서는그결과를구체적으로서술하지않겠지만프리즘산의형태를정삼각형에서포물선이나타원과같은다양한마이크로렌즈형상으로변형시킬경우에는 90 도의정각을가진프리즘필름에비해정면휘도상승률이감소함을확인하였다. 즉정각90도의조건에서두번의전반사를통해발생하는빛의재생기능이깨지게되면정면휘도의측면에서는불리한결과가도출되는것이다. 이에대한상세한결과는이후다른기회에보고할예정이다. 이상의결과들에근거해볼때거울반사성격을가진반사필름, 람버시안분포의평면광원만으로구성된간단한 BLU모델을이용해서도 BLU용광학필름의광특성을평가하는것이가능함을알수있다. 물론이러한간단한모델을이용할경우해당광학필름의정면휘도상승률과시야각특성을정량적으로예측하는것은매우어렵지만상기의시뮬레이션결과는이런모델들을이용할경우에도적어도굴절률이나프리즘정각과같은광학필름의디자인인자들의변화에따른광특성의상대적인변화를예측하는것은충분히가능하다는것을보여준다. 3.2 반사필름의반사성격이프리즘필름의광특성에미치는영향실제 BLU에사용되는반사필름의표면은일정한거칠기를가지고있고반사와투과이외에산란특성을함께나타낸다. 시뮬레이션으로부터좀더정확한결과를얻기위해서는반사필름이보이는산란특성을정확히이해하고이를시뮬레이션코드에반영할필요가있다. 반사필름의반사성격에따라광특성, 특히정면휘도및시야각특성이어떻게바뀌는지를확인하기위해 2장에서서술한세가지반사성격의반사필름을준비하여시뮬레이션을수행하였다. 표 2에 5 5 mm 2 의면적을가진프리즘필름에대해세가지성격의반사필름을적용한시뮬레이션결과를요약하였다. 기판의굴절률은 1.55이고프리즘산의굴절률은 1.56 으로설정하였다. 사용된광원은람버시안분포의평면광원이었다. 거울반사를이용한시뮬레이션결과에서얻은총광속에비해확산반사의성격이포함된 E60L 재질의반사필름이나완전확산반사형반사필름의총광속이훨씬높음을알수있다. 확산반사의성격이포함되어있는경우프리즘산에서두번의전반사를거쳐내려온광선( 그림 4(a) 의 다 와같은경우) 이라하더라도반사필름에서확산반사를거치면서광선의방향이달라질수있기때문에무한루프에갇히는광선의비중이현저히줄어들게된다. 총광속의차이로인해법선방향의정면광도는확산반사필름쪽이높지만검출기에검출된총광속을고려하여정면광도를규격화하게되면거울반사형반사필름을사용할경우의정면광도가가장높고시야각특성은가장좁게됨을알수있다. 이러한경향성은두장의프리즘필름을교차하여놓은경우에대한시뮬레이션결과로부터도동일 표 2. 반사필름의반사성격및프리즘필름의개수에따른시뮬레이션결과. 각조건별총광속, 정면광도및규격화된정면광도를보여주고있음. 반사필름의반사성격 단일프리즘필름 교차프리즘필름 (2 장) 하게확인할수있었다. 이상의결과에근거해서그림 완전거울반사 백색 PET (E60L) 완전확산반사 총광속 (%) 정면광도 규격화된광도 총광속 (%) 정면광도 규격화된광도 에나와있는프리즘필름 위의출광분포를만들어낼수있는시뮬레이션모델을정립하기위하여다음과같은조건하에서시뮬레이션을수행하였다. 면적이 12 2 mm 2 이고굴절률이 1.575인기판위에굴절률 1.60, 정각이 90도인프리즘산을형성하여프리즘필름을디자인하였다. 광원으로는람버시안분포를가진평면광원을적용하였다. 이러한조건들은면적을제외하면그림 2 의실험결과를얻기위해사용된프리즘필름의조건과거의동일한것이다. 반사필름의반사성격은 3.1절에서와마찬가지로세가지로설정하였다. 이세가지조건에따라프리즘필름위의출광분포가어떻게바뀌는지를분석하였고실험결과의출광분포와가장근사한결과를만들어낼수있는 BLU 모델을찾고자하였다. 그림 8은프리즘필름의일차원렌즈에수평인방향과수직인방향에대한시야각특성을보여준다. 그림 8에제시된그래프들의가로축은프리즘필름의법선방향을기준으로측정된각도를의미하고세로축은상대휘도이다. 상대휘도는 0도에서의휘도를 100으로놓고규격화하였다. 그이유는, 두번째시뮬레이션에서는프리즘필름의정면휘도상승률보다는시야각특성에집중해서분석을하고자하였기때문이다. 그림 8(a) 는프리즘필름의산과나란한방향에대한시야각분포를보여주는데, 세가지반사필름모두비슷한시야각특성을나타내었다. 즉, ±40도이내에서는거의동일한휘도를보여주다가이를벗어나게되면상대휘도가급격히감소하는것을알수있다. 이러한결과는실제 BLU의프리즘필름위에서측정된출광분포와는매우다른분포이다. 실험결과는 0도를중심으로해서완만한봉우리형상을보여주고있지만세가지종류의반사필름이적용된시뮬레이션결과들중어느것도실험에서측정된출광분포를구현할수가없었다. 그림 8(b) 에보이는수직방향의분포를보게되면, 실험결과는 0도부근에서매우날카로운피크를형성하는데반해확산반사의성격이포함된반사필름의경우에는이보다훨씬넓은시야각특성을보여준다. 거울반사의경우 0 도부근, 즉법선부근의출광분포는확산반사의분포에비해더좁은시야각분포를나타내고있고실험값과비슷한형태를보인다. 이는거울반사형

7 438 한국광학회지제18권제6 호, 2007년 12월 Relative Luminance (arb.unit) Relative Luminance (arb.unit) Experimental result Mirror Reflector White PET (E60L) Lambertian Reflector Experimental result Angle( O ) Mirror Reflector White PET(E60L) Lambertian Reflector (a) Angle( O ) (b) 그림 8. 세가지반사필름과람버시안분포의광원이적용된 BLU 모델로부터얻어진프리즘필름위의출광분포. (a) 는프리즘필름의일차원프리즘구조에수평인방향,(b) 는수직인방향으로의시야각특성임. 반사필름이법선방향에근사적으로나란하게입사되는광선들의각도조건을깨뜨리지않고 0도부근의휘도에기여하도록만들기때문이다. 이러한경향성은거울반사가사용된마이크로피라미드형집광필름에서도확인된바가있다. [6] 그렇지만거울반사필름이포함된시뮬레이션결과에서얻은출광분포도실제직하형 BLU 에대한측정으로부터얻은, ±40 도부근에서휘도가급격히감소하는형태를정확히재현할수는없었다. 결국그림 3에제시되고있는간단한모델내에서는반사필름의반사성격을변화시켜도실제직하형 BLU에포함된프리즘필름위의출광분포를재현할수는없었다. 이러한불일치는직하형 BLU의구조를생각하면충분히예견되는결과이다. 왜냐하면직하형 BLU 내에서프리즘필름에입사되는빛의분포는시뮬레이션에서이용된람버시안광원이아니기때문이다. 그림 2에제시된프리즘필름위의출광분포를만들어내는입사광의분포는확산필름을통과한후형성된, 다소정면으로집광된출광분포이다. 따라 서다음단계로는프리즘필름에입사되는빛의분포가바뀜에따라프리즘필름의시야각특성이어떻게바뀌는지를조사하였다. 3.3 광원의출광분포가프리즘필름의광특성에미치는영향본시뮬레이션모델에서사용된가상의평면광원의출광분포로써그림 2의확산필름위에서측정된휘도분포를이용하였다. apodization을통해서수치화된휘도분포는시뮬레이션과정중적당한통계적인과정을거쳐서가상의평면광원의출광분포로변환되었고이를이용한시뮬레이션결과가그림 9 에제시되어있다. 그림 9(a) 및 (b) 는각각프리즘산의수평방향및수직방향에대한상대휘도의시야각분포를나타낸다. 확산필름위의출광분포를프리즘필름에대한입사광에적용시킬경우거울반사필름이적용된시뮬레이션결과는수직방향으로매우좁고뾰족한시야각특성을보여주는데반해완전확산반사필름과백색 PET의일종인 E60L 의경우에는상대적으로더넓은시야각특성을보여주고있고직하형 BLU에서측정된출광분포와매우근접해있음을알수있다. 수평방향의결과역시확산반사의성격이포함된모델들이실험적으로측정된출광분포에더근접해있음을보여준다. 본논문에서는구체적으로보고하지않겠지만, 확산판위에직접프리즘필름을올려놓고시야각특성을측정하게되면그림 8에서보이는출광분포중백색 PET 혹은완전확산반사성격의반사필름이적용된시뮬레이션결과와매우비슷한분포가얻어짐이확인되었다. 이상의결과는광학시뮬레이션을이용해집광필름의광학적성능, 특히시야각특성을정확히예측하기위해서는집광필름이 BLU내에놓이는위치에서따라겪게되는입사광의분포를정확히반영하는것과더불어반사필름의산란특성이정확히반영된반사분포함수를적용하는것이매우중요하다는것을의미한다. 향후에는집광필름의시야각특성뿐아니라정면휘도상승률까지정량적으로예측할수있는시뮬레이션기법에대한연구가이루어져야한다. 이를위해서는 BLU를구성하는각광학부품들이가지는반사율, 흡수율, 투과율및양방향산란분포함수에대한정확한측정이요구되고이를시뮬레이션과정에반영하여야한다. 이제프리즘필름에입사되는빛의분포에따라프리즘필름의정면휘도상승률이어떻게영향을받는지를검토해보자. 현재프리즘필름이포함된직하형 BLU 의경우 확산판+ 확산필름+ 프리즘필름 이란기본적인필름조합위에추가적으로확산필름이나반사형편광필름이올라가게된다. 이러한조합과 확산판+ 프리즘필름 조합의광특성을비교할경우휘도상승률은전자가더우수하지만프리즘필름자체가만들어내는휘도상승률은후자가더클것으로예상된다. 왜냐하면 확산판+ 확산필름+ 프리즘필름 의구성에서는확산필름이부분적으로휘도향상의역할을나누어수행하기때문에프리즘필름의휘도상승률이상대적으로떨어질수밖에없기

8 연구논문 액정표시장치백라이트용집광필름의광학특성분석을위한시뮬레이션기법연구 박지희ㆍ이정호외 439 Relative Luminance (arb.unit) Relative Luminance (arb.unit) Experimental result Mirror Reflector White PET(E60L) Lambertian Reflector (a) Experimental result Angle( O ) Mirror Reflector White PET(E60L) Lambertian Reflector Angle( O ) (b) 그림 9. 세가지반사필름과확산필름위의출광분포를가상의평면광원에적용한 BLU모델로부터얻어진프리즘필름위의출광분포.(a) 는프리즘필름의일차원프리즘구조에수평인방향,(b) 는수직인방향으로의시야각특성임. 때문이다. 실제로본연구에서사용된32 인치CCFL BLU를이용하여 확산판+ 확산필름+ 프리즘필름 조합및 확산판+ 프리즘필름 조합의정면휘도를비교한결과가표 3에제시되어있다. 본결과는 CCFL BLU를 1시간동안켜서에이징을시켜놓은상태에서 BLU 내부및주위의온도변화가거의없는상태에서휘도계(Minolta, CA100A) 로측정된결과이다. 실험결과로부터프리즘필름의휘도상승률을조건에따라비교해보면, 확산판위에프리즘만을올려놓게되면정면휘도가 1.6 배상승하지만확산판+ 확산필름위에프리즘필름을올려놓게될경우에는확산필름위의정면휘도에비해약 1.39 배정도만상승한다는것을확인할수있다. 이실험결과는집광필름에입사되는빛의분포가집광필름의휘도상승률에직접적인영향을미친다는것을의미한다. 따라서 확산판+ 확산필름+ 프리즘필름 로대표되는일반적인필름조합에서확산기능과집광기능을통합하여필름의숫자를줄이기위해서는필름수감소에따라예상되는휘도감소분을어떤광학적인아이디어로보완할것인가하는것이매우중요한기술적이슈가될것이다. 표 3. 32인치 CCFL BLU 내각광학필름위에서의중앙휘도비교값. 광학필름조합 정면휘도 (cd/m 2 ) 휘도비율 확산판 확산판 + 확산필름 확산판 + 프리즘필름 확산판 + 확산필름 + 프리즘필름 IV. 결론및요약 광학시뮬레이션은 BLU용집광필름의개발에있어서개발기간을단축시킬수있는매우효과적인방법이다. 그렇지만특정한미세광학구조를가지는집광필름의광학적특성을정확히예측하기위해서는시뮬레이션조건에대한세심한설정이필요하다. 본연구에서는반사필름, 가상의평면광원, 집광필름으로구성된간단한 BLU 모델을구성한후에광선추적기법을이용하는광학시뮬레이션이집광필름의광특성을예측하는데어떤기여를할수있는지를분석하였다. 세가지종류의반사재질로구성된반사필름과두가지종류의출광분포를가지는광원을적용하여시뮬레이션을수행한결과아래와같은결과를얻을수있었다. 첫째, 반사필름, 가상의평면광원, 집광필름으로구성된간단한 BLU 모델은집광필름의광학적성질을변화시킴에따라변하는집광성능의상대적인변화를예측하는데유용하게사용될수있다. 가장대표적인집광필름인프리즘필름의굴절률및정각의변화에따른정면휘도상승률의변화를시뮬레이션으로예측한결과직하형 BLU에서얻어진측정결과를잘설명할수있었다. 단, 상기방법을적용하는데있어서집광필름위에설정된검출기에서검출된총광속을이용해서정면광도를규격화해야만의미있는결과를얻을수있음이확인되었다. 왜냐하면프리즘필름과같이정각이 90도인광학구조를가지고있는경우에는전반사와경면반사를반복하면서무한루프에갇히는광선들이발생하고이부분들을시뮬레이션결과에정확히반영해야하기때문이다. 둘째, 반사필름의반사성격및평면광원의출광분포를정확히설정해야만프리즘필름의시야각특성을정확히구현할수있다. 반사필름의성격을완전확산반사, 완전거울반사, 그리고두가지성격이혼재되어있는백색PET의양방향반사분포함수를적용한결과완전확산반사 백색 PET의반사 완전거울반사의순으로시야각이줄어들게됨을확인하였다. 아울러, 일반적으로많이사용되는람버시안분포의광원을적용할경우직하형 BLU내에서확산필름위에올려진프리즘필름의광학적특성을정확히재현할수없음을확인하였다. 이상결과는 BLU 내의특정위치에놓여있는집광필름의성능을정확히구현하기위해서는해당필름에입사되는빛의분포를시뮬레이션코드에정확히반영할필요가있음을의미한다. 프리즘필름의밑에위치한확산필름위

9 440 한국광학회지제18권제6 호, 2007년 12월 에서측정된휘도의시야각분포를시뮬레이션내가상광원의출광분포로설정한결과직하형 BLU에서측정된실험결과를훌륭히설명할수있음을확인하였다. 본연구에서는가장대표적인집광필름인프리즘필름을대상으로해서집광필름의광특성을예측하는시뮬레이션과정에영향을미칠수있는인자들을체계적으로분석하였다. 본연구를통해서얻어진프리즘필름의광학적특성과각인자들사이의정량적인상관성은향후 BLU용광학필름의광학특성을정확히예측하기위한시뮬레이션기법의개발및개선에기여할수있을것으로기대된다. 감사의글 프리즘필름의굴절률변화와관련된실험을도와주신 ( 주) 상보의김광원연구소장님과관련연구원들께감사의인사를표합니다. 참고문헌 [1] M. Schiavoni, G. Counil, P. Gayout, and J.-L. Allano, Novel glass diffuser plate for large LCD-TV, SID 07 Digest, pp , [2] J. Ha, J. Paek, T. Jang, and J. Choi, A new cost-effective optical plate for high performance LCD-TVs, SID 07 Digest, pp , [3] M. Tjahjadi, G. Hay, D. J. Coyle, and E. G. Olczak, Advances in LCD backlight film and plate technology, Information Display, Vol. 10, No. 6, pp , [4]M.H.Lee,W.T.Moon,M.J.Kim,S.K.Lee,J.S.Yoon, Y. H. Jung, B. K. Jung, H. S. Soh, and B. C. Ahn, New light collimation film (LCF) for direct-lit BLU system, SID 06 Digest, pp , [5] 박경주, 엄태성, 이동현, 권진혁, 이만환, 정병관, 소회섭, 프리즘시트의구조와반사편광필름의확산도최적화에의한휘도와시야각향상, 한국광학회 2007 동계학술대회논문집, pp , [6]J.-Y.Lee,K.-B.Nahm,J.-H.Ko,andJ.H.Kim, Effects of Reshaping Micro-pyramids and Prisms on the Optical Performances of Light Collimating Films in the Field of LCD Backlight, IDW 06 Digest, pp , [7] J.-H. Park, J.-Y. Lee, and J.-H. Ko, Enhancement of on-axis luminance of flat fluorescent lamps (FFLs) by using micro-lens arrays, IMID2007 Digest, pp , [8] 권진혁, LCD Backlight 의최적화기술과계측방법, 한국광학회 2007 동계학술대회논문집, pp , [9] J. C. Stover, Optical Scattering, Measurement and Analysis (McGraw-Hill, New York, 1990), pp [10] M. E. Gardiner, M. B. O Neill, and D. L Wortman, Luminance control film, U. S. Patent , Optical Simulation Study on the Performances of Collimating Films for LCD Backlight Applications Ji-Hee Park, Jung Ho Lee, Jin Ha Jeong, Kie-Bong Nahm, and Jae-Hyeon Ko Dept. of Physics, Hallym University, Chuncheon, Gangwondo , Korea hwangko@hallym.ac.kr Joong Hyun Kim AMLCD Division, Samsung Electronics Co. Ltd., Asan, Chungnam , Korea (Received November 19, 2007) Optical simulation methods such as a ray tracing technique have been widely used to predict the optical performances of collimating films for LCD backlight applications. It is necessary to optimize simulation conditions which have substantial effect on the simulation result in order to predict accurate performances of collimating films. We have set up a very simple backlight model consisting of a reflection film, a virtual flat light-source, and a prism film, which is a representative collimating film for backlight, in order to analyze the simulation conditions which are strongly correlated with the on-axis luminance gain and the viewing-angle characteristics of prism films. It was found that the dependence of the relative change in the on-axis luminance on the structure and material properties of collimating films can be derived from the above-mentioned simple BLU model and from simulation using it. However, the exact reflection property of the reflection film and the distribution of the incident light onto the optical film were found to be very important for revealing exact viewing-angle characteristics of collimating films. OCIS code : , ,

Backlight Unit의 광학적 특성 해석 및 Prism Sheet의 최적화 설계

Backlight Unit의 광학적 특성 해석 및 Prism Sheet의 최적화 설계 α CRT(Cathod Ray Tube) 능동 PDP(Plasma Display) ELD(electroluminescent Display) 수동 LCD LED(Light Emitting Diode) LCD Backlight unit 반사판 Diffuser sheet Reflection sheet Lamp Prism sheet Diffuser sheet