KR100413541B1 - Simulator for Design of Scattering Light Pipe in LCD Backlight - Google Patents
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Abstract
본 발명은 Mie 산란 이론, 몬테카를로 방법 및 광선추적법의 알고리즘을 바탕으로 Visual BASIC과 Visual C++를 사용하여 GUI(graphic user interface)를 갖는 윈도우용 프로그램을 구현해냄으로써 액정 백라이트용 산란형 도광판을 설계하는 시뮬레이터를 제작하는데 그 목적이 있다. 즉 각종 액정표시장치 조명용으로 사용되는 백라이트 중에서 최근에 개발되어 광효율을 크게 높일 수 있는 산란형 도광판 설계를 위한 시뮬레이터를 제작하는 것이다.The present invention implements a window program having a graphical user interface (GUI) using Visual BASIC and Visual C ++ based on Mie scattering theory, Monte Carlo method, and ray tracing algorithm to design a scattering light guide plate for liquid crystal backlight. The purpose is to produce. In other words, a simulator for designing a scattering light guide plate that has been recently developed among backlights used for illuminating various liquid crystal display devices can greatly increase light efficiency.
Mie 산란 이론으로 산란효율과 산란강도를 구하여 최적의 산란자를 선택한 후 이를 바탕으로 몬테카를로 방법과 광선추적법으로 도광판 전체의 휘도분포를 구할 수 있으므로, 설계과정 중에 휘도분포를 직접 얻을 수 없는 종래의 도광판 설계 방법에서 겪는 - 설계한 후에 도광판을 제조하고 이 것의 휘도를 측정한 결과를 바탕으로 다시 도광판을 재설계하여 휘도를 높이거나 균일도를 좋게 하는 - 시행착오적 과정에 의한 공정과 시간의 낭비를 크게 줄일 수 있으며 더불어 개발비용도 크게 줄일 수 있다.Based on the scattering efficiency and scattering intensity, Mie scattering theory can be used to select the optimal scatterers. Based on this, the brightness distribution of the entire light guide plate can be obtained using Monte Carlo method and ray tracing method. Significantly reduce the process and time wasted by trial and error process, which is caused by the design method-to manufacture the light guide plate after the design and to redesign the light guide plate again based on the result of measuring the luminance of the light guide plate to improve the brightness or improve the uniformity. In addition, development costs can be greatly reduced.
또한 액정 표시장치의 크기가 달라짐에 따라 도광판의 크기를 변경시켜야 되는 경우, 도광판에서 최적의 휘도와 휘도 균일도를 얻을 수 있도록 산란 도광판의 중요 공정 변수인 산란자의 종류, 산란자의 크기, 산란자의 농도를 도광판의 크기 결정과 더불어 즉시 결정할 수 있게 하는 것에 또 다른 발명의 목적이 있다.In addition, when the size of the light guide plate needs to be changed as the size of the liquid crystal display is changed, the type of scatterer, the size of the scatterer, and the concentration of the scatterer, which are important process variables of the light guide plate, may be used to obtain optimal brightness and luminance uniformity in the light guide plate. Another object of the invention is to be able to determine the size of the light guide plate immediately.
Description
종래의 시뮬레이터는 대부분 백라이트 유닛을 구성하는 입사광학계와 도광체 및 프리즘 필름 등을 제작공정에 들어가기 전에 최적화하는데 발명의 초점이 맞추어져 있다. 본 발명은 기존의 경사면에서의 도트 패턴(dot pattern) 인쇄방식에서 벗어나 도광판의 형태와 산란입자의 크기와 무게 비를 조절하여 기존의 도광판보다 더 나은 산란효율을 얻게 할 수 있다. 색 번짐이 없으며 산란 효율이 좋은 최적입자를 선정한 후, 이 입자의 농도비를 조절하여 도광판에서의 산란정도를 조절한다. 이를 위해 투명도와 경도가 우수한 PMMA 기판(matrix)에 다양한 산란자를 투입하여 산란형 도광판을 제작한다. 일반 도광판인 경우에도 제작 이전에 도트 패턴 설계 시뮬레이터로 설계하여 제작하고 있으나, 제작공정을 거쳐야만 도광판에서 출력되는 빛의 강도의 균일도를 알 수 있으므로 균일도가 좋지 않으면 다시 설계 시뮬레이터로 보완한 후에 제작공정을 거쳐 빛의 강도를 조사하는 과정을 여러번 되풀이 하여야 비로소 최적의 조건을 얻을 수 있다. 그러나 산란형 도광판의 경우에는 산란자에 의한 산란과 굴절를 고려하지 않은 기존의 도트 패턴 도광판 설계 시뮬레이터로는 설계할 수 없다. 그러므로 본 발명에서는 산란형 도광판에서의 산란자의 영향에 의한 변수를 고려하였기 때문에 도광판의 산란강도분포를 예측할 수 있게 하였으며, 이것은 곧 도광판에서 출력되는 빛의 휘도의 균일도를 제작공정을 거치지 않고도 알 수 있다는 것을 의미한다. 임의의 도광판 크기에 산란자를 선정하여 그 농도를 조금씩 변화시키면 균일한 산란강도분포를 얻을 수 있다. 이때의 조건은 산란형 도광판 설계시 가장 중요한 인수이다. 또한 균일하면서 효율이 좋은 산란이 일어나면 도광판에서 확산필름을 제거할 수 있는 잇점도 얻을 수 있다.Conventional simulators are focused mainly on optimizing the incident optical system constituting the backlight unit, the light guide and the prism film, etc. before entering the manufacturing process. The present invention can obtain a better scattering efficiency than the conventional light guide plate by controlling the shape of the light guide plate and the size and weight ratio of the scattering particles away from the conventional dot pattern printing method on the inclined surface. After selecting the optimal particles with no color bleeding and good scattering efficiency, the degree of scattering in the light guide plate is controlled by adjusting the concentration ratio of these particles. To this end, a scattering light guide plate is manufactured by introducing various scatterers into a PMMA substrate having excellent transparency and hardness. Even in the case of general light guide plate, it is designed and manufactured by dot pattern design simulator before fabrication. However, if the uniformity is not good, the uniformity of light output from the light guide plate can be known. The process of investigating the intensity of light must be repeated several times before the optimum conditions can be obtained. However, in the case of the scattering light guide plate, the existing dot pattern light guide plate design simulator which does not consider scattering and refraction by scatterers cannot be designed. Therefore, in the present invention, the scattering intensity distribution of the light guide plate can be predicted because the variable due to the influence of the scatterer in the scattering light guide plate can be predicted. Means that. Uniform scattering intensity distribution can be obtained by selecting scatterers at arbitrary light guide plate sizes and changing the concentration little by little. This condition is the most important factor in the design of the scattering light guide plate. In addition, when scattering occurs uniformly and efficiently, the advantage of removing the diffusion film from the light guide plate can be obtained.
본 발명으로 설계할 수 있는 것은 도 1과 같은 산란형 도광판인데 이것은 쇄기형 도광판의 빗면에 도트 패턴을 인쇄하는 방식의 기존 도광판 보다 더욱 높은 광전달 효율을 갖게 할 수 있으므로, 결과적으로 노트북과 같은 휴대용 액정 디스플레이(LCD)의 전력을 크게 줄일 수 있다.According to the present invention, it is possible to design a scattering light guide plate as shown in FIG. 1, which may have a higher light transmission efficiency than a conventional light guide plate of printing a dot pattern on the oblique side of a wedge light guide plate. The power of the liquid crystal display (LCD) can be greatly reduced.
본 발명에서는 산란형 도광판 제작 이전에 필히 선행되어야 하는 최적조건의 결정을 위하여 도 1의 산란형 도광판에 적합하게 만든 시뮬레이터로 모의실험으로 실시함으로써 실제 제작기간의 단축과 비용절감의 효과를 거둘 수 있다.In the present invention, it is possible to achieve the effect of shortening the actual manufacturing period and reducing the cost by performing a simulation with a simulator made suitable for the scattering light guide plate of FIG. 1 in order to determine the optimum condition that must be preceded before the scattering light guide plate is manufactured. .
도 1 : 산란형 도광판 구조.1: Scattering light guide plate structure.
도 2 : Flow chart.2: Flow chart.
도 3 : Mie 산란 데이터 획득 프로그램의 입력창.3: Input window of the Mie scattering data acquisition program.
도 4 : 산란형 도광판 설계 시뮬레이터의 입력창.4: Input window of the scattering light guide plate design simulator.
도 5 : 시뮬레이터를 검증하기 위해서 제작한 광산란 측정 장치도.5 is a light scattering measuring device produced to verify the simulator.
도 6 : 원통형 도광체 내에서의 산란전산모사.6: Scattering simulation in a cylindrical light guide.
도 7 : 측정 결과와 다중산란 시뮬레이션 결과 비교.7: Comparison of measurement results and multi-scattering simulation results.
도 8 : 산란형 도광판 시뮬레이터를 쇄기형 도광판에 적용한 결과.8: The result of applying the scattering light guide plate simulator to the wedge light guide plate.
도 9 : 시뮬레이터로 얻은 도광판 윗면에서 출사광의 각도 분포.9: Angle distribution of light emitted from the upper surface of the light guide plate obtained by the simulator.
도 1은 냉음극 형광램프(1)를 사용하는 쇄기형 side 조사방식의 산란형 도광판의 구조이다. 산란형 도광판에는 산란자(4)의 종류/크기, 농도비, 도광판(2)의 형태/크기 등 변수가 너무 많아 일반 실험방법을 통해서는 최적조건을 구할 수가 없다. 그래서 본 발명은 상기한 인수를 최적화하는 시뮬레이터를 제작하여 균일한 휘도분포를 얻어 수 있게 하는데 있다. 도 2는 실제 도광판 제작시 필요한 인수를 얻기까지의 과정을 나타내는 순서도이다. 이 순서도를 구체적으로 살펴보면, 제1모듈에서는 산란자의 굴절 및 크기를 입력하고, Mie 산란이론에서 Legendre 함수 및 Bessel 함수를 계산하여 각도 확률 분포를 획득하는 것이며, 제2모듈에서는 도광판의 종류, 크기 및 산란자의 농도비를 입력하고 몬테카를로 방법으로 각도 및 길이에 대한 난수를 발생시키고 광선추적방법으로 도광판 내에서의 광선을 진행시켜서 스넬법칙을 이용하여 경계조건에서의 산란강도를 획득하고 획득한 산란강도가 균일한 분포를 가지는지를 판단하여 균일할 경우에 이 때에 얻은 산란자의 종류, 크기, 농도비 및 도광판의 종류/크기 등의 최적화된 값을 얻고, 그러하지 아니하면 다시 제1모듈의 처음으로 돌아가서 앞서 제1모듈과 제2모듈 단계를 반복 수행함에 의하여 최적치를 얻는다.1 is a structure of a scattering light guide plate of a wedge side irradiation method using a cold cathode fluorescent lamp 1. In the scattering light guide plate, there are so many variables such as the type / size of the scatterer 4, the concentration ratio, and the shape / size of the light guide plate 2, so that the optimum conditions cannot be obtained through a general experimental method. Therefore, the present invention is to make a uniform luminance distribution by making a simulator to optimize the above factors. 2 is a flowchart illustrating a process of obtaining a factor necessary for manufacturing a real light guide plate. Specifically, the first module inputs the refraction and size of the scatterer, calculates the Legendre function and the Bessel function in Mie scattering theory, and obtains the angular probability distribution. In the second module, the light guide plate type, size and Enter scattering concentration ratio, generate random number for angle and length by Monte Carlo method, and proceed light ray in light guide plate by ray tracing method to obtain scattering intensity at boundary condition using Snell's law In case of uniformity, it is possible to obtain the optimized values such as scattering type, size, concentration ratio, and type / size of light guide plate, if it is uniform. Otherwise, go back to the beginning of the first module and Optimal values are obtained by repeating steps 2 and 2 of the module.
본 산란형 도광판 설계 시뮬레이터 프로그램은 도 2와 같이 크게 2 개의 프로그램 모듈로 구성된다. 첫 번째 프로그램 모듈(도 2의 제 1모듈)은 산란자에 의한 최적의 산란효율과 산란강도분포를 구하는 프로그램 모듈이다. 두 번째 프로그램 모듈(도 2의 제 2 모듈)은 몬테카를로 방법에 의한 광산란형 도광판 설계 프로그램 모듈이다.The scattering light guide plate design simulator program is largely composed of two program modules as shown in FIG. 2. The first program module (the first module of FIG. 2) is a program module for obtaining an optimal scattering efficiency and scattering intensity distribution by scatterers. The second program module (second module of FIG. 2) is a light scattering plate design program module by the Monte Carlo method.
먼저 첫 번째 프로그램 모듈인 산란자에 의한 산란효율과 산란강도를 구하는 프로그램 모듈의 기본 이론은 Mie 산란이론에 근거한다. 산란자에 의한 빛의 산란은 그 산란자의 크기에 따라 산란형태가 다른데, 도광판에 투입할 수 있는 산란자의 크기가 지름이 약 0.1㎛∼ 20㎛정도의 구형의 산란자이므로 구좌표계에서의 산란이면서 파장의 길이가 입자의 지름보다 크므로, 구좌표계에서의 Mie 산란이론 결과인 다음과 같은 산란강도와 산란효율 공식을 사용하였다.First, the basic theory of the program module that calculates the scattering efficiency and scattering intensity by the scatterer, the first program module, is based on the Mie scattering theory. The scattering of light by scatterers differs depending on the size of the scatterers. The scatterers that can be put into the light guide plate are scattered in the spherical coordinate system because they are spherical scatterers with a diameter of about 0.1 µm to 20 µm. Since the length of the wavelength is larger than the diameter of the particle, the following scattering intensity and scattering efficiency formulas, which are the result of the Mie scattering theory in the spherical coordinate system, were used.
위의 Mie 산란이론식은 Bessel 함수와 부 Legendre함수로 표현되어 있는데, 이것을 직접 해석적으로 풀 수 없으므로 이 함수들의 값을 수치해석적으로 구하는 프로그램을 작성하여 입자크기에 따른 산란강도와 산란효율, 그리고 산란각도에 따른 산란강도를 구하였다.The above Mie scattering theory is expressed by Bessel function and sub-Legendre function. Since this cannot be solved directly analytically, write a program that numerically calculates the values of these functions and scattering intensity and scattering efficiency according to particle size. Scattering intensity according to scattering angle was obtained.
도 3은 위의 Mie 산란이론을 바탕으로 한 산란자에 의한 산란효율과 산란강도를 구하는 프로그램 모듈의 입력창의 모습이다. 프로그램에 얻을 데이터의 종류(1), 분극(2), 입자의 굴절률(3), 입자크기 매개변수(4), 역변환(5), 파일명(6)을 입력하면 이들 변수들에 따른 산란강도와 산란효율의 결과를 출력하여준다.3 is a view illustrating an input window of a program module for obtaining scattering efficiency and scattering intensity by scatterers based on the Mie scattering theory. Enter the type of data (1), polarization (2), refractive index of the particle (3), particle size parameter (4), inverse transformation (5), and file name (6) to obtain the scattering intensity of these variables. Output the result of scattering efficiency.
입자크기에 따른 산란강도와 산란효율을 파장별로 구하면 산란효율이 가장 좋으면서 파장에 따른 산란효율의 차이가 거의 없는 입자크기를 구할 수 있다. 그러면 이 입자크기에서 색균일도가 좋아 산란 도광판에서 색번짐 현상이 일어나지 않게 된다.When the scattering intensity and scattering efficiency according to the particle size are obtained for each wavelength, the scattering efficiency is the best and the particle size with little difference in scattering efficiency according to the wavelength can be obtained. Then, the color uniformity is good at the particle size, so that color bleeding does not occur in the scattering light guide plate.
두 번째 모듈인 몬테카를로 방법에 의한 광산란형 도광판 설계 프로그램 모듈에서, 위의 첫 번째 프로그램 모듈을 실행한 결과로 얻은 산란효율과 산란강도는 산란광의 평균자유행로에 영향을 주는 요소로 쓰이게 된다. 평균자유행로는In the second module, the Monte Carlo method, the scattering light guide plate design program module, the scattering efficiency and scattering intensity obtained as a result of executing the first program module are used as factors that affect the average free path of the scattered light. Average free path
로 주어지며, 여기에서이다. 이때는 산란효율,는 산란자의 개수,는 산란자의 반지름이다.Given by to be. At this time Is the scattering efficiency, Is the number of spawners, Is the spawner's radius.
입자크기에 따른 각도확률분포가 역변환법에 의한 의사난수(semi-random)로서 발생되어 처음 입사할 각인을 결정하고 평균 자유행로 L의 길이 만큼 진행한 후 다시 난수로 발생된 각을라고 가정한다면 이때의 x1, y2좌표는이 된다. 다음 좌표 x2, y2는 그 진행한 방향을 기준으로 하여가 결정되므로로 나타낼 수 있다. 광의 진행 경로가 이같이와에 의해 결정된다. 이 과정에서를 결정 짓는 방법이 바로 몬테카를로 방법에 의한 것이다. 몬테카를로 방법를 쓰지 않고서는 많은 광선추적이 불가능하게 되고 변수의 적용 또한 어렵게 된다.Angular probability distribution according to particle size is generated as a semi-random by inverse transformation method , The length of the mean free path L, and then the angle generated by the random number If we assume that x 1 , y 2 coordinates are Becomes The next coordinate x 2 , y 2 is based on the direction Is determined It can be represented by. The path of light Wow Determined by In the process The way to determine this is by the Monte Carlo method. Without the Monte Carlo method, many ray tracings become impossible and the application of variables becomes difficult.
몬테카를로 방법중 역변환법으로 얻은 확률밀도함수로 의사 난수를 발생시켜 산란각과 평균자유 행로를 생성시켜 광선의 경로를 결정하여 도광판 형태에 따른 경계조건을 고려하여 광선을 진행 시킨다. 첫째, 빗면은 모두 반사된다는 가정 하에 빗면에서의 반사 알고리즘으로 반사 진행 하게 하였다. 둘째, 윗면은 스넬1의 법칙에 따라 임계각보다 큰 각일 때는 반사하고 작은 각일때는 윗면으로 산란되어 나오게 하였다. 셋째, 도광판내에서 반사될 때는 빛이 빠져나올 때까지 여러 번 반복되어 진행할 수 있게 하였다.Probability density function of the Monte Carlo method is used to generate pseudo-random numbers, generate scattering angles and mean free paths, determine the path of the beam, and advance the beam in consideration of the boundary conditions according to the shape of the light guide plate. First, assuming that all the inclined planes are reflected, the reflection algorithm on the inclined plane proceeds. Second, according to Snell 1's law, the top surface reflects when the angle is larger than the critical angle and scatters the upper surface when the angle is smaller. Third, when it is reflected in the light guide plate, it can be repeated several times until light escapes.
몬테카를로 방법에 의한 광산란형 도광판 설계 프로그램 모듈의 입력창의 모습이다. 입자의 크기(1), 빛의 파장(2), 산란자 종류(3), 농도비(4), 도광판의 크기(5)의 변수들을 입력하면 산란형 도광판에서의 광산란 현상을 실제의 실험과 거의 같게 볼 수 있다.The input window of the light scattering plate design program module using the Monte Carlo method. Entering the parameters of particle size (1), wavelength of light (2), scatterer type (3), concentration ratio (4), and size of light guide plate (5), the light scattering phenomenon in the scattering light guide plate is almost You can see the same.
실험으로 측정한 결과와 도 6과 같이 원통형 도광체 경계부분에서 다중산란에 의해 얻어지는 산란강도에 대한 시뮬레이터의 결과를 비교해 보면 도 7에서 보듯 완전히 일치하는 결과를 얻을 수 있었다. 이를 바탕으로 평판형 도광판에서의 광선추적 프로그램을 작성하였다.Comparing the results measured by the experiment with the results of the simulator for the scattering intensity obtained by the multi-scattering at the boundary of the cylindrical light guide as shown in FIG. Based on this, a ray tracing program in a flat light guide plate was prepared.
시뮬레이터에 사용된 도광판의 형태는 일반형 광산란 도광판과 쇄기형 광산란 도광판 중에서 선택할 수 있게 하였다. 도 8은 산란형 도광판(3)에서 시뮬레이터를 실행하여 얻은 산란모습이다. 밑의 막대그래프(2)는 도광판 윗면으로 출사해 나오는 광선(1)수를 계수한 것으로, 바로 도광판 가로방향의 휘도분포를 나타낸다. 그러므로 도광판 설계에 있어서, 입력 변수를 바꾸어 가며 여러 차례 전산모사를 시행하면서 휘도분포를 조사하면 최적의 균일 분포 휘도를 얻을 수 있다.The type of light guide plate used in the simulator was selected from the general light scattering light guide plate and the wedge light scattering light guide plate. 8 is a scattering pattern obtained by executing a simulator in the scattering light guide plate 3. The bottom bar graph 2 counts the number of light rays 1 emitted to the upper surface of the light guide plate and immediately represents the luminance distribution in the horizontal direction of the light guide plate. Therefore, in the light guide plate design, the optimum distribution luminance can be obtained by investigating the luminance distribution by performing computer simulation several times with different input parameters.
시뮬레이터를 통해 얻은 도광판 윗면에서의 출사광 각도 분포를 나타낸 그림이다. 산란자를 사용하는 산란형 도광판의 특성에 따라 도광판 윗면으로 출사되는 빛은 면에 수직(2)하게 출사되지 않고 평면에 대해 약 10도 정도의 특정한 각(1)으로 기울어져서 출사된다. 이것은 LCD에 입력되는 빛에 손실 요인으로 작용하므로, 기울어져서 나오는 빛을 최대한 수직으로 세워야 한다. 산란형 도광판의 윗면에 프리즘 필름을 부가하여 기울어져 있는 빛을 수직에 가깝게 세울 수 있다. 그러나 산란형 도광판의 크기, 산란자 종류 및 산란자 크기에 따라 최적 강도로 출력되는 빛의 기울기 각도가 달라지므로 이에 맞추어 프리즘 필름을 설계 한다.This figure shows the angle distribution of the outgoing light from the upper surface of the light guide plate obtained through the simulator. According to the characteristics of the scattering light guide plate using a scatterer, the light emitted from the upper surface of the light guide plate is not emitted perpendicularly to the surface (2) but is inclined at a specific angle (1) about 10 degrees with respect to the plane. This is a loss factor to the light input to the LCD, so the tilted light should be as vertical as possible. A prism film may be added to the top surface of the scattering light guide plate so that the inclined light may be set close to the vertical. However, since the inclination angle of the light output with the optimum intensity varies according to the size of the scattering light guide plate, the scatterer type and the scatterer size, the prism film is designed accordingly.
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