연구논문 Korean Journal of Optics and Photonics, Vol. 30, No. 3, June 2019, pp. 101-105 DOI: https://doi.org/10.3807/kjop.2019.30.3.101 ISSN : 1225-6285(Print) ISSN : 2287-321X(Online) Optimized Optical Design of LCD Color-matching BLU Using an RGB Light Source Hwa Jun Jeon, Jin Seok Gwag, and Jin Hyuk Kwon Department of Physics, Yeungnam University, 280 Daehak-ro, Gyeongsan 38541, Korea (Received April 5, 2019; Revised May 13, 2019; Accepted May 15, 2019) 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 µm and 3 µm respectively. Keywords: Backlight unit, High efficiency, Color-matching OCIS codes: (080.2740) Geometric optical design; (230.3720) Liquid-crystal devices; (240.3990) Micro-optical devices RGB 광원을사용한고효율 LCD Color-matching BLU 의광학적설계 전화준ㆍ곽진석ㆍ권진혁 영남대학교자연과학대학물리학과우 38541 경북경산시대학로 280 (2019 년 4 월 5 일받음, 2019 년 5 월 13 일수정본받음, 2019 년 5 월 15 일게재확정 ) LCD 의광효율을향상시키기위해 LCD backlight unit (BLU) 의광원으로적색, 녹색, 청색의광원을사용하였으며, RGB 광은 lenticular lens array (LLA) 를통해집광되어각각컬러필터의적색, 녹색, 청색필터에색일치되는조건으로광이지나도록설계하여시뮬레이션하였다. 광원의위치에따라 Type-A 와 Type-B 두가지방식으로시뮬레이션을진행하였으며, 그결과 LLA 를사용하지않았을때와비교하여 Type-A 는휘도가 210% 로상승하였으며, Type-B 는 270% 상승함을확인하였다. LLA 의최적의조건은렌즈의높이가 25 µm, 렌즈간의간격이 3 µm 일때, 효율이최대가됨을확인하였다. Keywords: 백라이트유닛, 고효율, 컬러매칭 OCIS codes: (080.2740) Geometric optical design; (230.3720) Liquid-crystal devices; (240.3990) Micro-optical devices I. 서론 액정디스플레이 (liquid crystal display, LCD) 는대형화가쉽고, OLED (organic light-emitting display) 와비교할때상대적으로저비용으로제작이가능하기때문에최근까지도중요한디스플레이장치로자리잡고있다. 하지만디스플레이의대형화가요구될수록낮은에너지효율에대한문제가제기되고있다. 일반적인 LCD 패널의광투과율은 5% 미만으로낮은데그이유는편광판에서약 50% 가흡수되고컬러필터에서입사광의약 70% 가흡수되기때문이다. 또한개구율로인한손실도발생하는데가장많은손실이발생하는광소자는컬러필터이다. 편광판으로인한손실을줄이기위해편광 백라이트에대한연구가많이이루어졌으나여전히실용화되는단계까지는이르지못하고있다 [1]. 균일한백색광이입사할때 RGB 컬러필터에서의흡수율이약 70% 에이르기때문에광효율향상에가장효율적인가능성은 color-matching BLU를개발하는것이다. 한편컬러필터를제거하기위한 field sequential color (FSC) 방식 [2,3] 에대한연구가진행되었다. FSC 방식에서는 BLU에서시간순서적으로켜지는적색, 녹색, 청색과동일한순서로동기화되어액정패널에적색, 녹색, 청색의영상이인가되기때문에액정의서브픽셀과컬러필터를모두제거할수있어서매우높은광효율향상을얻을수있다. 그러나움직이는물체의가장자리에발생하는무지개효과때문에실용화에실패하고있다. 이에비해서 E-mail: jhkwon@ynu.ac.kr, ORCID: 0000-0002-2499-2919 Color versions of one or more of the figures in this paper are available online. 101
102 한국광학회지 제30권 제3호, 2019년 6월 RGB 광을 동시에 액정 서브픽셀과 RGB 컬러필터 속으로 입사시키는 color-matching 방식에서는 구조적으로 좀 더 복 잡해질 수는 있지만 무지개 효과가 없기 때문에 실용화 가능 성은 오히려 더 높다고 볼 수 있다. Color-matching 방식에서는 RGB 컬러를 만들어 내는 방식 에 따라 몇 가지 연구가 이루어져왔다. 먼저 백색 광원을 블 레이즈 회절격자(blazed grating)를 이용하여 RGB 3색광으로 나눈 후 이것을 lenticular lens array (LLA)를 이용하여 각각 RGB 컬러 필터에 집광시켜주는 방식[4,5]이 있다. 회절 격자 를 사용하면 광학시스템의 구조적 복잡성 이외에도 1차 회 절에서 발생하는 RGB 광 이외에 0차의 백색광이 많이 발생 하기 때문에 이에서 발생하는 광 손실을 피하기 어렵다는 단 점이 있다. 이를 보완하는 방법으로 RGB LED와 LLA를 이 용하여 컬러 필터의 서브 픽셀에 color-matching 시켜주는 기 술[6,7]이 제안되었다. 이 방법은 확실한 에너지 효율 증가를 보여주었지만 많은 수의 RGB LED를 직하형 배치로 사용해 야 하는 문제점을 가지고 있다. 본 논문에서는 LCD의 광 효율을 증대시키고 더 우수한 화 질을 달성하기 위한 방식으로 병렬로 나란히 배치되는 RGB 광원을 사용하여 color-matching LCD BLU를 제안하고 시뮬 레이션하였으며 최적의 광학적 설계 조건을 구하였다. 효율 (a) 을 높여주기 위해서는 컬러 필터와 병렬로 배치하되 같은 주 기의 띠 형태의 RGB 광원이 사용되어야 한다. 광원의 위치 에 따라 Type-A와 Type-B로 나누어 시뮬레이션을 진행하였 으며 최적의 조건에서 휘도와 에너지 효율의 차이를 비교해 보았다. II. Color-matching BLU의 광학적 설계 Color-matching BLU는 그림 1과 같이 RGB 광원의 배열과 LLA, 컬러 필터를 포함한 액정 패널로 구성된다. 광원의 위 치를 도광판 상부에 두는 방식을 그림 1(a)인 Type-A로 두었 으며 그림 1(b)는 광원이 도광판 하부에 위치한 Type-B이다. RGB 광원과 컬러 필터의 서브 픽셀의 RGB 필터는 같은 색 상으로 같은 주기로 배열된다. 먼저 그림 2(a)는 Type-A의 color-matching BLU에서 광경 로를 나타내는 것으로 RGB 광원에서 출사된 광은 LLA에 의해 집광되어 액정 패널의 후면 유리 기판을 지나 컬러 필 터의 서브 픽셀로 입사하게 된다. 이 때, RGB 광원도 RGB OLED를 사용할 수 있다. 컬러 필터를 지나가는 광은 컬러 필터의 서브 픽셀의 각 필터가 만족하는 파장 영역이 아닐 경우 필터를 투과하지 못하고 흡수된다. 이러한 손실을 줄이 (b) Fig. 1. Schematic structure of the color-matching backlight unit of (a) Type-A and (b) Type-B. (a) (b) Fig. 2. Ray propagation in the color-matching backlight unit of (a) Type-A and (b) Type-B.
연구논문 RGB 광원을사용한고효율 LCD Color-matching BLU 의광학적설계 전화준ㆍ곽진석외 103 기위해 color-matching 조건에맞춰 RGB 광원과 LLA의간격 ( ), 액정패널의후면유리기판두께 ( ), 액정의두께 ( ), 액정패널의상부유리기판두께 ( ) 를설정하여주어야한다. 액정후면으로입사된광이 LLA에도달하면서발생하는수평변위 A와 LLA를통과하여액정패널후면유리기판을통과할때발생하는수평변위 B, 컬러필터를통과할때발생하는수평변위 C는다음과같이주어진다. tan, (1) tan tan, (2) tan, (3) 스넬의법칙을적용하여 sin sin 가된다. Color-matching 의조건은 A, B, C 의합이컬러필터주기 의 3 배가되어야하며 의배수, (4) 와같이정의될수있으며, 이를통해 LLA 를포함한 RGB 광원과액정패널사이의간격은 tan tan (10) 의식에따라결정된다. 본연구에서는 Type-A의경우컬러필터의주기는 P = 0.1805 mm, 유리기판의두께는 = = 0.700 mm, 액정의두께는 = 0.104 mm로설정하여초점거리 = 0.500 mm로설계되었고, Type-B의경우컬러필터의주기 P는 Type-A와같으며, 유리기판은 = = 0.700 mm, 도광판과액정패널사이의간격은 0.444 mm로설계되었다. Type-A, B 방식의액정패널의크기는가로, 세로 5.50 mm로두었으며, RGB 광원은화이트밸런스를고려하여 3:6:1의비율에맞춰 R은 30 ml, G는 60 lm, B는 10 lm으로설정하여각각 10개씩설치하여주었다. 굴절률은 LCD에일반적으로사용되는유리기판을기준으로하여 1.509로설정하여굴절각을계산하여주었다. 시뮬레이션은 Light Tools 광학설계프로그램을사용하여진행하였다. 로나타낼수있다. 식 (4) 의조건이만족되도록변수들을조절해주었을때, RGB 광원에서출사한 RGB와동일한색상의컬러필터를통과하게되고, 이를통해컬러필터에서투과율이향상되게된다. RGB 광원과 LLA의사이간격 ( ) 은렌즈의초점거리와같아야하며액정패널의유리기판의두께가결정되게되면초점거리는다음과같이나타낼수있다. tan tan tan (5) 그림 2(b) 는 Type-B에서광경로를나타내는모식도로 RGB 광원이 LLA 시트아래에배치되어있으며아래로향하는광을액정패널방향으로올려주기위한반사시트를위치시켜주어야한다. 이렇게상부로출사된광은 LLA에의해집광되어액정패널을통과하게된다. Type-B의 color-matching 을위한조건은 tan, (6) tan, (7) tan, (8) 로정의할수있으며, 스넬의법칙을따른다. 컬러필터의주기는 의배수 (9) III. 시뮬레이션결과 LLA의경우컬러필터의주기와동일한주기로설계되어야하기때문에렌즈의높이를조절하여주면곡률반경도주기에맞추어조절된다. LLA의최적의조건을찾기위하여렌즈의높이에따른효율의변화를살펴보았으며, 렌즈와렌즈사이에간격을두어효율에주는영향을시뮬레이션하였다. 렌즈의주기는컬러필터의주기와같은 0.1805 mm로설정해야하기때문에렌즈의높이에따라곡률반경이변하게된다. 곡률반경 에대한식은 (11) 로나타낼수있으며, 는렌즈의주기, 는렌즈와렌즈사이의간격, 는렌즈의높이이다. 렌즈와렌즈사이의간격 (gap) 은 3 µm와 30 µm로두고렌즈의높이를변화시키면서효율을확인하였다. LLA 시트가없을때를 100% 로하여 LLA 시트를사용하였을때효율의상승도를알아보았다. 그림 3은렌즈의높이에따른효율변화를나타내는그래프이며, 사이간격이 3 µm일때, 렌즈의높이 25 µm에서효율은최대값을나타냈다. 최적화된 LLA의조건을적용하여 Type-A 방식과 Type-B 방식의효율을계산한결과가표 1에나타나있다. Type-A 방식의경우광이 BLU의하부로내려가는광을고려하여기판아래에흡수처리를한경우와거울반사처리를한경우로나누어비교해보았다. Type-A 방식의 LLA가없는경우를기준으로하여효율이얼마만큼상승하였는지알아보았으며, Type-A 방식과 Type-B 방식모두 LLA가없는경우
104 한국광학회지제 30 권제 3 호, 2019 년 6 월 Fig. 3. Energy efficiency enhancement of color-matching backlight unit in terms of the height of lenticular lens. 보다있는경우더높은효율상승을보였다. LLA로집광을시켜주게되면 color-matching의효과가더상승하는것을알수있다. Type-A의경우아래에거울반사처리를한것이좀더높은효율을보였다. Type-A보다 Type-B에서더높은효율상승을보였으며이로부터 Type-B의구조가더효과적임을확인할수있다. 휘도또한 Type-A는 8.50 10 5 nit, Type-B는 1.50 10 6 nit로 1.7배이상높게나타났다. 두가지방식을비교하였을때 Type-B의구조가더단순하고, 광의이동경로가더짧기때문에더높은효율을나타내는것을보여준다. IV. 토 Color-matching BLU의광원의구조는띠형태의 RGB 광원들의병렬로나란히배열되어야한다. 띠형태의광원을제작할수있는물질로는 organic light-emitting device (OLED), 형광체 (phosphor), 양자점 (quantum dot, QD) 등이있다. OLED 의경우자발광이기때문에도광판이필요하지않으므로 Type-A와 Type-B 모두사용하기적합하며형광체와양자점의경우는비자발광원으로짧은파장의청색광원에의해색변환이이루어지는물질이기때문에도광판이필요하며 Type-A보다 Type-B에알맞은광원이다. 형광체와양자점를이용하여 RGB 광원을만들기위해서는도광판측면에배치된 LED 청색광원에서나온빛이도광판의하부에위치한적색과녹색의형광체나양자점에부딪혀적색과녹색광을 론 발생하도록한다. 청색광은도광판측면에배치된청색 LED 의광을백색산란체를이용하여산란시키면된다. 이렇게함으로써 RGB 광원을모두얻을수있게된다. OLED는자발광으로색재현성이좋고, 높은명암비, 넓은시야각과같은특성으로주목받아왔다 [8]. 또한최근에는수명이충분히보장되는청색 OLED도개발되어있기때문에 BLU 광원으로사용하기에적절한것으로보인다. Active matrix (AM) OLED는이미디스플레이로잘검증이되고상용화에성공하고있지만여전히 AM 방식에서핵심적인역할을하는다결정실리콘기반의트랜지스터공정에서과도한비용과수율저하의문제로인하여최근까지도 LCD에비해서가격경쟁력을얻지못하고있다. 하지만 PM OLED 는트랜지스터가없기때문에매우경제적으로제작이가능하다는장점이있다. PM OLED만으로는 OLED 디스플레이의품질조건을만족시키기어렵지만, PM OLED를 colormatching LCD의 BLU 광원으로사용하면청색 LED와형광체를이용해서백색광을얻는기존 LCD보다더우수한화질을달성할수있다. 형광체는디스플레이에서색을변환하는물질로널리사용되어왔으며최근에는청색 LED 칩의전면에황색형광체를배치하여백색 LED 광을발생시키는데주로사용되고있다. LCD가대형화될수록고출력 LED가요구되면서형광체의광변환효율이중요하게대두되고있다. 형광체의광변환효율은 LED 칩과의거리와칩에서발생하는열에영향을받는것으로알려져있다. 백색 LED의광변환효율을고려하였을때, color-matching BLU에 RGB 광원으로사용하였을때의광변환효율과큰차이가없을것으로보이며오히려열적부하가줄어더높은효율을달성할것으로예상된다. 양자점은수십나노미터의물질로입자의크기를조절하여높은색순도의적색또는녹색을얻을수있다. 양자점은광발광방식과전계발광방식이있으며현재가장널리사용되고있는기술은광발광방식이다. 디스플레이에적용하는대표적인방법은 quantum dot enhanced film (QDEF) 을이용하는것으로청색광의 BLU와액정패널사이에 QDEF 를위치시켜적색, 녹색의양자점과청색의광이섞여백색광이되어액정패널로들어가게된다. QDEF 방식은제조가용이하여널리사용되고있지만필름으로사용하게될경우 LCD 전면적에넓게도포되기때문에양자점의사용량이많아져생산단가가올라가게된다. 또한백색광이컬러필터를통과하면서 70% 정도흡수되므로기존의 LCD와마찬가지로에너지효율이감소하게된다. 양자점을이용한 RGB Table 1. Comparison of efficiency enhancement according to the structure of RGB light sources Type-A Type-B Bottom absorber Mirror bottom Up emission Luminous flux Efficiency Luminous flux Efficiency Luminous flux Efficiency With lenticular lens array 367 lm 222% 447 lm 271% 633 lm 383% Without lenticular lens array 165 lm 100% 230 lm 139% 300 lm 181%
연구논문 RGB 광원을사용한고효율 LCD Color-matching BLU 의광학적설계 전화준ㆍ곽진석외 105 광원을 color-matching LCD에적용한경우 QDEF를이용한디스플레이보다양자점의사용을줄일수있으며동시에높은에너지효율을얻을수있을것으로보인다. V. 결론 광학설계프로그램을이용하여 RGB 광원을이용한 colormatching BLU에대한시뮬레이션을진행하였으며, LLA의최적의조건은높이 25 µm, 렌즈사이간격 3 µm이다. Type-A 에비해 Type-B가더높은효율을나타냈으며, Type-A와비교하여 1.4배높은효율을나타냈으면휘도는 1.7배높게나타났다. 이를통해 Type-B가광투과율향상에더효과적인것을알수있다. Type-B의경우높은투과율뿐만아니라구조가단순하여제작에더용이하며도광판위에 LLA 시트를부착하여정렬하는데더용이할수있다. RGB 광원으로 OLED나양자점을사용하게된다면수분과산소로부터보호하기위한봉지과정을쉽게이행할수있다. 감사의글 이연구는영남대학교 2018년도연구년연구비지원에의하여수행되었습니다. References 1. X. Yang, Y. Yan, and G. Jin, Polarized light-guide plate for liquid crystal display, Opt. Express 13, 8349-8356 (2005). 2. 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). 3. C. H. Lee, Angularly positioned LED-based spatial-temporal color separation system, Opt. Express 20, 19109-19118 (2012). 4. 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). 5. 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). 6. J. H. Kwon, A color-filterless LCD with RGB LED and lenticular-lens arrays, J. Inf. Disp. 11, 45-48 (2010). 7. 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). 8. Y. Kim and C. S. Ha, Advances in Organic Light-Emitting Device (Trans Tech Publications Ltd, Switzerland, 2008).