KR20040020695A - 도광판 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LCD를 포함한 평판 디스플레이 장치(Flat Panel Display)의 프론트라이트유닛(FLU, Front Light Unit)/백라이트유닛(BLU, Back Light Unit)에 관한 것으로써, 특히 다이어몬드 공구를 이용하여 제작된 프론트라이트유닛/백라이트유닛(FLU/BLU)의 도광판(Light Guide Plate)에 관한 것이다. 본 발명에 의한 도광판 금형은 기존의 에칭 등의 방법에 비해 가공시간 단축, 가공공정 단축 및 가공비용 단축 등의 측면에서 유리하다.

이를 위해 본 발명은 크게 다이아몬드 공구, 초정밀 가공기, 초정밀가공기술의 3가지 구성요소에 의해 제작된 도광판금형코어를 사출성형하여 제작되는 것을 특징으로 하며, 보다 자세히는 도트형 패턴 도광판 금형의 제작에 있어서 도트 형상을 형성시키기 위한 볼엔드밀과 같은 형상의 공구 끝에 다이아몬드 팁이 붙어있어 회전운동에 의해 도트형상을 가공할 수 있는 초소형 다이아몬드공구와, 도트형상이 형성될 금형 코어(소재), 공구와 소재를 이용하여 원하는 제품을 가공할 수 있는 초정밀 가공기, 이들을 이용하여 도광판 금형 코어를 가공할 수 있는 초정밀 가공기술 모두를 포함한다.

Description

도광판 제작방법 {Method for manufacturing the Light Guide Plate}

본 발명은 평판 디스플레이 장치(Flat Panel Display)의 프론트라이트유닛(FLU)/백라이트유닛(BLU)에 관한 것으로써, 더 자세히는 프론트라이트유닛/백라이트유닛의 다이아몬드 공구에 의해 제작된 도광판(Light Guide Plate)에 관한 것이다.

먼저, 액정표시장치(LCD)는 평판 디스플레이 소자의 한 종류로 휴대화가 가능하며, 평판, 박형, 저소비전력, 고화질 등의 장점을 가지고 있어 많은 정보표시 분야에 이용되고 있다. 특히, 박막 트랜지스터 기술과 TN보드를 사용한 TFT-LCD가 대화면, 고해상도, 풀 컬러라는 고기능을 갖는 디스플레이에 적용되어 상품화되고 있다. 그러나, 액정표시장치는 기존의 디스플레이 소자와는 달리 자체발광소자가 아닌 수광소자(수동 디스플레이 소자)의 일종이어서 화면을 구성하기 위해서는 배경광원을 반드시 필요로 하게 된다.

이러한 배경광원 역할을 하는 부분을 백 라이트 유닛이라고 하며, 최근 연구가 진행되어지고 있는 또 하나의 배경광원인 프론트 라이트 유닛이라 하여 태양광을 이용하여 전력소모율을 향상시킨 배경광원도 있다.

이러한 배경광원의 종류로는 일반적으로 반사형, 투과형과 이들 반사형 및 투과형을 조합한 혼합형의 3종류가 있으며, 투과형 방식에서 사용되는 광원장치를 백 라이트 유닛이라 하고, 반사형 방식에서 사용되는 광원장치를 프론트 라이트 유닛이라 한다. 이중 백 라이트 유닛은 광원의 위치에 따라 다시 직하방식(Top-DownMethod)과 옆면 조명 방식(Edge Illumination System)으로 구분된다.

이러한 배경광원의 역할을 하는 백 라이트 유닛은 초기에는 도1와 같이 직하방식으로 구성되었으나, 현재에는 박형화의 요구에 따라서 도2에 나타낸 옆면조명방식을 사용하고 있다.

먼저, 도1 및 도2를 참조하여 일반적인 액정표시장치의 구조에 대하여 간단히 설명하면, 도 1은 일반적인 직하 방식 액정표시장치로써 그 구조가 도 2의 옆면 조명 방식 액정표시장치와 대부분 유사하므로 옆면 조명 방식을 위주로 설명한다.

도 2에서와 같이, 일반적인 LCD는 형광램프(1), 도광판(2), 확산물질(3), 반사판(4), 확산판(5), 프리즘시트(6) 및 액정표시패널(7)로 구성되며, 구동 IC 등이 구비된 액정표시패널(7)과, 상기 액정표시패널(7)의 하면에 위치하는 백 라이트 유닛(1∼6)으로 구분할 수 있으며, 이때, 상기 백 라이트 유닛은 형광램프(1)로부터 입사되는 선광을 면광으로 바꾸고, 상기 면광이 액정표시패널(7)에 입사되도록 하는 장치이다.

백라이트 유닛의 한 구성요소인 도광판(2)은 형광램프(1)에서 방출된 빛을 내부로 입사시켜 상부로 전면에 고른 면광이 출사되도록 하는 웨이브가이드(Wave Guide)로서의 역할을 담당하고 있다.

따라서, 액정표시패널에서 가장 중요한 기술적인 사항 중의 하나가 측면에서 선형으로 입사된 선광을 전면에 고르게 면광으로 출사시키기 위한 도광판의 설계 및 제조 기술이다.

일반적으로 도광판(2)의 하부면에는 확산물질(3)이 도트 형태로 도포되며,도광판(2) 상부에서의 균일한 면광원을 얻기 위해 도트의 면적이 단계적으로 커진다. 즉, 형광램프(1)에서 가까운 쪽은 단위 면적당 도트가 차지하는 면적율이 작고, 형광램프(1)에서 먼 쪽은 단위 면적당 도트가 차지하는 면적율이 크다.

도광판(2) 후단에 설치되는 반사판(4)은 형광램프(1)에서 출사된 빛이 도광판(2) 내부로 입사되도록 하며, 확산판(5)은 균일한 도트 패턴이 도포된 도광판(2) 상부에 설치되어 시야각(Viewing Angle)에 따라 균일한 휘도를 얻을 수 있도록 한다.

프리즘 시트(6)는 확산판(5) 상부로 투과되어 방사되는 광의 정면 휘도를 높이기 위한 것으로서, 특정 각도의 광만 투과되도록 하고 나머지 각도로 입사되는 빛은 내부 전반사가 일어나 프리즘 시트(6) 하부로 다시 되돌아가도록 하며, 상기한 바와 같이 되돌아가는 광은 도광판(2) 하부에 부착된 반사판(4)에 의해 반사된다.

이때, 백라이트 유닛의 구성 요소 중 하나인 도광판(2)은 상기한 바와같이 측면 형광램프(1)에서 입사한 광을 상부로 전송하기 위하여 도광판(2)하부면에 수지재료(Resin), 접착제 및 비드(Bead) 입자들을 혼합한 잉크와 같은 확산물질(103)로 스크린 인쇄(Screen Print)하여 도트 패턴(Dot Patten)을 형성하고 있다. 그러나, 종래의 일반적인 도광판(2)은 상기와 같은 스크린인쇄(Screen Print) 법이든 프린트리스(Printless)법이든 상관없이 도프 패턴(Dot Pattern)을 형성시키고 있다.

상기한 바와 같이 종래의 도광판은 도광판의 하면에 스크린 인쇄 등을 통하여 패턴을 추가하고 있으나, 이 경우 공정의 추가로 생산성의 저하와 불량의 발생으로 인한 수율이 저하된다는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 빛의 양을 가늠하는 휘도 면에서 한계가 있다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 한국공개특허공보 특2002-24538호에서는 스탬퍼(Stamper) 방식을 이용한 무인쇄 도광판 제작방법이 제안되었다. 그러나, 상기 공개특허에서의 스템퍼를 이용한 방법은 스탬퍼의 수명이 짧아서 일반 사출금형에 비해서 교체주기가 매우 빠르며, 고가의 스탬퍼를 주기적으로 교체해야 하므로 생산비용이 증가된다는 문제점을 갖고 있다.

이러한 상기와 같은 종래 기술들의 문제점으로 인해 최근에는 도광판면 자체에 요철을 주어 균일한 휘도를 얻으면서 효율이 증가될 수 있도록 하는 연구가 이루어지고 있다. 이러한 연구에 따라 도광판의 사출성형시에 도광판의 하부면에 광산란을 위한 음각 및 양각(요철)을 성형하기 위한 금형 코어상의 부식처리법 등이 개발되었으나, 이러한 방법 역시 금형코어상의 가공이 복잡하고 정밀한 제어가 어렵다는 문제점이 있다.

이러한 종래의 금형 부식처리법에 의한 도광판 사출금형을 제작하기 위한 일예를 그림3a 및 3b에 나타내었다. 여기에서 도3a는 일반적인 금형 부식처리법을 나타낸 것이며, 도3b는 도광판 사출금형의 부식 깊이와 형상을 제어하기 위한 방법을 나타낸 것이다.

이를 구체적으로 설명하여 보면, 도3a에 나타낸 바와 같이 종래의 금형 부식처리법은 일반적으로 부식 대상(201)을 부식액(202)에 침전시킨 상태에서 부식을진행하며, 부식액의 금속표면에 대한 운동량을 증대시키기 위해서는 도3b에 도시된 바와 같이 초음파 진동(203) 등에 의해 부식물에 진동을 전달하는 방법을 사용하였다.

이러한 방법의 사용은 금형 부식의 전형적인 단점을 예방하여 비 부식면에 대한 일정 깊이의 수직 부식을 목적으로 한 것이나, 부식의 깊이나 형상을 정밀하게 제어하는데 한계가 있어서 금형 부식처리법으로는 바람직한 도광판 금형을 얻을 수 없다는 문제점이 있었다.

상기한 바와 같이 종래의 도광판 제조 방법 중 가장 대표적인 방법으로 인쇄법과 금형 부식처리법이 있으나, 전자의 경우는 공정의 추가 및 복잡성으로 인한 손실이 상당히 크며, 후자의 경우 기존의 금속 부식처리법으로 금형의 부식을 시도할 경우 전면적으로 고르게 부식이 되지 못하여 양산에 적용하기 힘들다는 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위해 새로운 제조방법으로 제작된 도광판으로, 초정밀 미세 가공장비와 미세 천연다이아몬드 엔드밀 공구를 이용하여 도광판 사출금형코어에 도트형태(반구 또는 원기둥)의 미세형상을 기계적인 가공법에 의하여 형성함으로 기존의 인쇄공정, 스템퍼 공정, 레이저 가공공정 등에 의한 제작법보다 면 조도, 빛의 투과율 및 휘도가 좋고, 비용이 저렴한 도광판을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1는 일반적인 직하방식 액정표시장치(LCD)의 구성도

도 2은 일반적인 옆면조명방식 액정표시장치(LCD)의 구성도.

도 3a 와 도 3b는 종래의 금형부식법을 설명하기 위한 일예시도.

도 4는 본 발명의 도광판 사출금형 제작 공정도

도 5는 본 발명에 의해 제작 가능한 공구형상 예시도

도 6은 본 발명에 의한 초정밀 미세 가공장비와 미세 천연다이아몬드 엔드밀 공구를 이용한 도광판 사출용 금형제작방법을 설명하기 위한 예시도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 형광램프 2 : 도광판

3 : 확산물질 4 : 반사판

5 : 확산판 6 : 프리즘시트

7 : 액정표시패널 201: 금형코어 재료

202: 부식조(액) 203: 초음파 진동원

301: 초미세 다이아몬드 엔드밀 공구

302: 도광판 금형코어 소재

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 도광판 사출금형을 제작함에 있어서 초정밀미세가공장비와 미세 천연다이아몬드 엔드밀 공구를 이용하여 도트의 형상을 기계적인 가공방법으로 제작하는 것을 특징으로 한다.

특히, 본 발명은 LCD의 배경조명으로 사용되는 FLU/BLU의 핵심소자인 도광판을 별도의 공정추가 없이 직접 초미세다이아몬드 엔드밀공구를 사용하여 도트형태의 패턴을 기계적인 가공방법으로 직접형성시킨 사출금형코어와 상기의 사출금형코어에 의해 제작된 도광판(LGP)에 관한 것이다.

상기한 바와 같이 종래의 인쇄법에 대한 문제점을 해결하기 위해서 도광판의 사출 성형시에 도광판의 하면에 광산란을 위한 음각 및 양각을 성형하기 위한 금형상의 부식처리법은 이미 공개되어 있으나, 본 발명에서는 이러한 금형상의 가공을 보다 간단하고 정밀하게 제어하기 위한 방법으로 초정밀가공장비를 이용한 기계적인 엔드밀 가공밥법을 제안하고 있다.

즉, 본 발명은 기존의 스크린 인쇄 방식이 고휘도 및 생산성 향상 측면에서 만족하지 못한다는 단점과, 다이아몬드 공구를 이용한 V-Cut 등의 방법이 고휘도와 높은 생산성을 만족할 수 있다는 장점을 고려한 우수한 특성을 갖는 도광판으로 금형코어에 직접 미세 엔드밀링 가공을 하며, 초정밀다이아몬드 엔드밀의 형상에 따라 반구 또는 원기둥형상의 도트를 도광판금형코어에 직접 형성할 수 있도록 한 방법이다.

이하, 도4 내지 6을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 가공공정을 나타내고 있다. 각각에 대하여 설명하면,

첫째, 2인치 이하의 소형 디스플레이와 노트북, 모니터용에 사용되는 10인치 이상의 중대형 디스플레이에 적용되는 도트형 도광판을 제작함에 있어 그 몸체를 스타박스(Stavax) 소재에 요철부위가 형성될 가공면에 무전해 니켈도금층을 약 80 내지 150㎛ 증착한 후 적용제품의 사이즈에 맞는 수치로 정밀 폴리싱(평면도 1㎛ 이내) 하여 사출금형코어용 소재를 준비한다.

둘째, 도광판의 도트패턴을 반구형상 또는 원기둥형상 중 어느 하나의 형상을 선택한다. 그러나 도광판의 도트패턴 형상은 반구형상 또는 원기둥형상 뿐만 아니라 이 분야에 종사하는 당업자가 용이하게 설계변경할 수 있는 도트패턴의 형상을 포함한다.

반구형의 도트형태 어레이의 경우, 도트의 외경은 광원과의 거리차에 따라 그 크기가 각각 달라지며, 대략 ø50∼130㎛ 내에서 범위가 결정되며, 피치 또한 광원과의 거리차에 따라 100∼200㎛ 내에서 범위가 결정된다. 이러한 수치범위는 광학 설계자에 의해 제시한 범위내에서 결정된다.

셋째, 앞 단계에서 결정된 도트형상과 도트의 사이즈에 맞는 다이아몬드 공구를 제작한다.

초정밀 다이아몬드 엔드밀의 경우 그 구성은 셍크부분의 끝단부에 다이아몬드 팁이 붙어 있는 구조이다. 먼저 셍크부분은 50,000∼100,000 RPM의 범위에서 뒤틀림이나 편심이 생기지 않도록 정밀 연마된 표면의 초경재질이며, 다이아몬드 팁의 경우 재질은 단결정 천연다이아몬드이고, 상기에 기술한 50,000∼100,000 RPM의범위내에서 탈락이 일어나지 않아야 된다.

또한 끝단부의 형상은 도트의 형상과 직경에 따라 결정되며, 예를 들어 반구형의 도트를 가공하기 위해서라면, 다이아몬드 팁의 형상도 반구형으로 제작 되어져야 하며, 직경은 형성할 도트의 직경에 맞추어 그보다 작지 않은 반구형의 R을 갖는 형상이어야 한다. 반구형 R값의 형상오차범위는 ±0.5∼1㎛이내이며, 회전시 간섭이 생기지 않는 범위에서 정밀 연마되어진다.

넷째, 상기 단계에서 준비된 사출금형용 소재를 단결정 천연다이아몬드공구를 사용하여 초정밀 기계가공한다.

초정밀 기계가공 단계에서 요구되어지는 가공기는 3축 제어형의 밀링타입이며, 주축 스핀들이 40,000rpm 이상의 고속제어가 가능하며, 둘째단계에서 결정된 외경, 깊이, 피치간격등의 수치에 대하여 반복정밀도 ±0.1㎛ 이내로 초정밀위치제어가 가능한 장비이어야 한다.

다섯째, 가공 후 원하는 조건의 제품이 제작되었는지 검사하는 단계로서, 측정 후 기대조건 이하이면 전단계로 이동하고, 원하는 기대조건에 충족하면 다음단계로 이동한다.

여섯째, 가공 완료된 사출금형코어를 이용하여 사출한 후 최종제품을 제조한다.

도5는 도광판에 형성될 도트패턴의 엔드밀형상들을 보여주는 일예로서 크게 반구형과 원기둥, 각각에 대한 오목형과 볼록형으로 구분될 수 있다. 그 구성은 상기 공정도의 상세한 설명에서 서술한 바와 같다.

도6은 초정밀 미세 가공장비의 초정밀 위치제어 기술(반복정밀도 ±0.1㎛ 이내)과 미세 천연다이아몬드 엔드밀 공구를 이용한 도광판 사출금형제작을 위한 가공방법을 보여주는 일예로써, 반구형 형상의 공구로 오목 및 볼록의 도트형상이 소재에 그대로 형성되어지고 있는 가공공정이다.

상기한 바와 같이 본 발명은 도광판 반사면에 일정한 크기의 요철을 제작하여 도광판을 지나온 빛이 반사면의 요철과 만나게 되면서 산란이 일어나게 하여 백라이트 유닛의 광효율성을 높여 주기 위한 도트형상 제작에 관한 기술이다.

본 발명은 기계가공 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 쉽게 개념을 이해할 수 있으나 기존의 기술로써는 접근이 어려운 초정밀 가공기술분야이다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하며 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 아니한다.

본 발명은 종래의 도광판 제작방법으로 사용되었던 에칭, 스템퍼, 스크린 인쇄, 레이저 등의 제작방법과 달리 그들의 단점을 보완할 수 있는 새로운 방법으로 제작된 도광판을 제시함으로 사용자에게 저비용, 고효율의 도광판을 제공한다.

먼저, 자연계에서 가장 강성이 큰 천연다이아몬드 공구로 기계적인 가공법으로 도광판금형코어를 직접 가공 후 사출하여 제품을 완성함으로 면조도가 다른 가공법에 비해 매우 좋아 기존의 도광판제품보다 휘도를 향상시킬 수 있으며, 가공공정자체가 매우 단순함으로 저비용, 고효율의 도광판을 제공한다.

Claims (6)

1. 도광판 제작방법에 있어서,

   사출금형 코어용 소재에 요철부위가 형성될 가공면을 무전해 니켈로 증착하는 제1단계;

   적용제품의 사이즈에 맞는 수치로 정밀 폴리싱하여 사출금형 코어용소재를 준비하는 제2단계;

   도광판의 도트패턴을 선택하는 제3단계;

   제3단계에서 선택된 도트패턴 가공에 적합한 다이어몬드 공구를 제작하는 제4단계;

   상기 제2단계에서 준비된 사출금형용 소재를 상기 제3단계서 제작된 다이어몬드 공구를 사용하여 기계가공하는 제5단계;

   기계가공 후 원하는 조건의 제품이 제작되었는지 검사하는 제6단계;

   상기 제6단계에서 원하는 조건을 충족하지 못하는 경우에는 제5단계를 반복하고, 원하는 조건을 충족하면 다음 단계로 진행하는 제7단계;

   가공 완료된 사출금형코어를 이용하여 사출한 후 최종제품을 완성하는 제8단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 도광판 제작방법.
2. 제 1 항에 있어서, 사출금형 코어용 소재는 스타박스(Stavax)인 것을 특징으로 하는 도광판 제작방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 도트패턴은 도트의 외경이 광원과의 거리차에 의해 ø50∼130㎛중에서 선택되며, 피치는 광원과의 거리차에 따라 100∼200㎛내에서 선택되는 것을 특징으로 하는 도광판 제작방법.
4. 제 1 항에 있어서, 제4단계에서 제작되는 다이어몬드 공구는 셍크부분과 끝단부에 다이아몬드 팁이 붙어 있는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 도광판 제작방법.
5. 제4항에 있어서, 셍크부분은 정밀 연마된 표면의 초경재질이며, 다이아몬드 팁은 단결정 다이아몬드이고 상기 셍크부분 및 다이아몬드 팁은 50,000∼100,000 RPM의 범위내에서 탈락이 일어나지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 도광판 제작방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 제5단계에서 기계가공 단계에서 요구되어지는 가공기는 3축 제어형의 밀링타입이며, 주축 스핀들이 40,000rpm 이상의 고속제어가 가능하며, 외경, 깊이, 피치간격등의 수치에 대하여 반복정밀도 ±0.1㎛ 이내로 초정밀위치제어가 가능한 장비를 사용하는 것을 특징으로 하는 도광판 제작방법.