KR20020094847A - 액정 표시장치 백라이트용 산란형 도광판 설계 시뮬레이터 - Google Patents

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.

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.

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.

Description

액정 표시장치 백라이트용 산란형 도광판 설계 시뮬레이터{Simulator for Design of Scattering Light Pipe in LCD Backlight}

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 무게비를 조절하여 기존의 도광판보다 더 나은 산란효율을 얻게 할 수있다. 색범짐이 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.

본 발명으로 설계할 수 있는 것은 도면 1과 같은 산란형 도광판인데 이것은 쇄기형 도광판의 빗면에 도트 패턴을 인쇄하는 방식의 기존 도광판 보다 더욱 높은광전달 효율을 갖게 할 수 있으므로, 결과적으로 노트북과 같은 휴대용 액정 디스플레이(LCD)의 전력을 크게 줄일 수 있다.

본 발명에서는 산란형 도광판 제작 이전에 필히 선행되어야 하는 최적조건의 결정을 위하여 도면 1의 산란형 도광판에 적합하게 만든 시뮬레이터로 모의실험으로 실시함으로써 실제 제작기간의 단축과 비용절감의 효과를 거둘 수 있다.

도면 1 : 산란형 도광판 구조.

도면 2 : Flow chart.

도면 3 : Mie 산란 데이터 획득 프로그램의 입력창.

도면 4 : 산란형 도광판 설계 시뮬레이터의 입력창.

도면 5 : 시뮬레이터를 검증하기 위해서 제작한 광산란 측정 장치도.

도면 6 : 원통형 도광체 내에서의 산란전산모사.

도면 7 : 측정 결과와 다중산란 시뮬레이션 결과 비교.

도면 8 : 산란형 도광판 시뮬레이터를 쇄기형 도광판에 적용한 결과.

도면 9 : 시뮬레이터로 얻은 도광판 윗면에서 출사광의 각도 분포.

1. 도면 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 하는 것이다.

2. 도면 2는 실제 도광판 제작시 필요한 인수를 얻기까지의 과정을 나타내는 순서도이다. 이 과정을 통해 입력 인수 즉 산란자의 종류 및 크기, 농도비, 도광판의 종류/크기를 최적화 시킬수 있다.

3. 본 산란형 도광판 설계 시뮬레이터 프로그램은 도면 2와 같이 크게 2개의 프로그램 모듈로 구성된다. 첫 번째 프로그램 모듈(도면 2의 제 1모듈)은 산란자에 의한 최적의 산란효율과 산란강도분포를 구하는 프로그램 모듈이다. 두 번째 프로그램 모듈(도면 2의 제 2 모듈)은 몬테카를로 방법에 의한 광산란형 도광판 설계 프로그램 모듈이다.

4. 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, 구 좌표계에서의 Mie 산란이론 결과인 다음과 같은 산란강도와 산란효율 공식을 사용하였다.

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.

5. 도면 3은 위의 Mie 산란이론을 바탕으로한 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.

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.

6. 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. 평균자유행로는

로 주어지며, 여기에서이다. 이때는 산란효율,는 산란자의 개수,는 산란자의 반지름이다.

입자크기에 따른 각도확률분포가 역변환법에 의한 의사난수(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 방향을기준으로 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.

7. 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 가정하에 빗면에서의 반사 알고리즘으로 반사진행 하게 하였다. 둘째, 윗면은 snell의 법칙에 따라 임계각보다 큰 각일때는 반사하고 작은 각일때는 윗면으로 산란되어 나오게 하였다. 셋째, 도광판내에서 반사될 때는 빛이 빠져나올 때까지 무한번 반복되어 진행할 수 있게 하였다.

1. 도면 4는 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.

2. 도면 5는 본 시뮬레이션의 정확도를 검증하기 위해서 만든 원통형 도광체의 각도에 따른 산란강도를 측정하는 광산란 측정장치이다. 실험으로 측정한 결과와 도면 6과 같이 원통형 도광체 경계부분에서 다중산란에 의해 얻어지는 산란강도에 대한 시뮬레이터의 결과를 비교해 보면 도면 7에서 보듯 완전히 일치하는결과를 얻을 수 있었다. 이를 바탕으로 평판형 도광판에서의 광선추적 프로그램을 작성하였다.

2. 시뮬레이터에 사용된 도광판의 형태는 일반형 광산란 도광판과 쇄기형 광산란 도광판 중에서 선택할 수 있게 하였다. 도면 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.

3. 도면 9는 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.

Claims (7)

1. 쇄기형 또는 일반 평판형의 산란형 도광판 모양과 산란자의 종류에 따른 굴절률의 변화, 산란자의 크기, 분극, 역변환, 파일명을 입력받아 구형 입자에서의 Mie 산란 이론 중 Legendre 함수와 Bessel 함수의 계산과 몬테카를로 방법 중 역변환법으로 각도에 대한 난수산란강도를 구함으로써 각도확률밀도함수를 생성하는 방법과

   산란효율을 통하여 평균자유행로를 결정하여 몬테카를로 방법으로 도광판내에서 광선추적을 하는 방법과

   중량비(wt%)와 산란자의 크기 및 종류를 변화시키면서 광선추적 결과를 그림으로 보여주어 산란형 도광판 인수를 최적화 시키는 시뮬레이터.
2. 1항에 있어서 시뮬레이터의 몬테카를로 방법에 의한 광선추적으로 얻은 휘도분포로 쇄기형, 일반 평판형, 쌍방향 평판 또는 쇄기형의 산란형 도광판에 응용하여 최적으로 설계하는 방법.
3. 제 1항에 있어서 구형 입자를 Si, PTFEM, PS, PBA 등 산란자를 바꿔 가면서 동시에 크기와 농도비를 바꿔 균일도를 그림으로 확인함으로써 최적의 산란효율과 산란강도분포를 시뮬레이터로 생성하는 방법.
4. 제 1항에 있어서 구형 입자에서의 Mie 산란이론 중 Legendre 함수와 Bessel 함수로 표현되는 산란효율과 산란강도를 수치해석적으로 얻어 확률 밀도함수를 생성해내는 GUI를 갖는 윈도우용 프로그램의 인터페이스 방법.
5. 1항에 있어서 의사난수를 발생시켜 몬테카를로 방법중 역변환법, 역함수법으로 각도확률밀도 및 평균자유행로를 결정하는 방법.
6. 제 1항에 있어서 도광판 경계면에서 snell의 법칙에 의한 반사, 굴절 및 임계각을 적용한 광선추적 방법으로 윗면에서의 출사각도 및 휘도분포를 얻는 방법.
7. 제 6항에 있어서 도광판 윗면에서의 출사각도 분포를 이용하여 프리즘 필름을 설계하는 방법