KR20110130711A - 에지형 백라이트 유닛과 이를 이용한 액정표시장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에지형 백라이트 유닛에 관한 것으로, 단층의 도광판에서 가로 방향과 세로 방향으로 분할된 다수의 단위셀들; 상기 단위셀들 중에서 외곽 단위셀들의 측면을 함께 압박하는 고정 프레임; 상기 외곽 단위셀들의 측면과 대향하도록 상기 외곽 단위셀들 밖에 배치된 점광원들; 상기 점광원들을 발광시키기 위한 광원 구동부; 및 로컬 디밍 신호에 응답하여 상기 광원 구동부를 제어하는 로컬 디밍 제어부를 구비한다.

Description

에지형 백라이트 유닛과 이를 이용한 액정표시장치{EDGE TYPE BACK LIGHT UNIT AND LIQUID CRYSTAL DISPLAY USING THE SAME}

본 발명은 로컬 디밍이 가능한 에지형 백라이트 유닛과 이를 이용한 액정표시장치에 관한 것이다.

액정표시장치는 경량, 박형, 저소비 전력구동 등의 특징으로 인해 그 응용범위가 점차 넓어지고 있는 추세에 있다. 액정표시장치는 노트북 PC와 같은 휴대용 컴퓨터, 사무 자동화 기기, 오디오/비디오 기기, 옥내외 광고 표시장치 등으로 광범위하게 이용되고 있다. 액정표시장치는 액정층에 인가되는 전계를 제어하여 백라이트 유닛으로부터 입사되는 빛을 변조함으로써 화상을 표시한다.

액정표시장치의 화질은 콘트라스트 특성에 의해 좌우된다. 액정표시패널의 액정층에 인가되는 데이터전압을 제어하여 액정층의 광투과율을 변조하는 방법만으로는 콘트라스트 특성을 개선하는데 한계가 있다. 콘트라스트 특성을 개선하기 위하여, 영상에 따라 백라이트 유닛의 휘도를 조정하는 백라이트 디밍 제어방법이 개발되어 콘트라스트 특성을 비약적으로 향상시키고 있다. 백라이트 디밍 제어방법은 백라이트 유닛의 휘도를 입력 영상에 따라 적응적으로 조정함으로써 소비전력을 줄일 수도 있다. 백라이트 디밍 방법에는 표시면 전체의 휘도를 조정하는 글로벌 디밍 방법(Global dimming method)과, 국부적으로 표시면의 휘도를 조정하는 로컬 디밍 방법(Local dimming method)이 있다. 글로벌 디밍 방법은 이전 프레임과 그 다음 프레임 간에 측정되는 동적 콘트라스트(Dynamic contrast)를 개선할 수 있다. 로컬 디밍 방법은 한 프레임기간 내에서 표시면의 휘도를 국부적으로 제어함으로써 글로벌 디밍방법으로는 개선하기가 어려운 정적 콘트라스트(Static contrast)를 개선할 수 있다.

백 라이트 유닛은 도 1 및 도 2와 같은 직하형(direct type 또는 후면 발광방식) 백라이트 유닛(20)과, 도 3 및 도 4와 같은 에지형(edge type 또는 측면 발광방식) 백라이트 유닛(40)으로 나뉘어진다. 직하형 백라이트 유닛(20)은 도 1 및 도 2와 같이 액정표시패널(10)의 아래에 발광다이오드(Light Emitting Diode, 이하 "LED"라 함)들(31)을 화면 전체에 고르게 배치하고 그 LED들(31)을 개별적으로 온/오프(On/Off)하여 로컬 디밍을 쉽게 구현할 수 있다. 도 1에서, 도면 부호 '32'는 LED들(31)을 아래에서 지지하는 보텀 커버(32), 도면 부호 '33'은 확산판, 도면 부호 '34'는 프리즘 시트, 확산시트 등의 광학시트들을 각각 나타낸다. 그런데, 직하형 백라이트 유닛은 LED 어레이가 액정표시패널(10)의 화면 아래에 고르게 배치되어야 하므로 화면의 크기에 비례하여 필요한 LED(31) 개수가 많아져 대화면의 경우 제조원가가 지나치게 높아지는 문제점이 있다. 또한, 직하형 백라이트 유닛은 LED 어레이가 액정표시패널(10)의 아래에 배치되므로 LED 두께만큼 백라이트 유닛(20)의 두께가 두꺼워지고 추가로, 휘도 균일도를 위하여 LED들(31)과 확산판(33) 사이의 거리를 충분히 멀게 하여야 하므로 백라이트 유닛(20)의 두께가 더 두꺼워진다. 따라서, 직하형 백라이트 유닛(20)은 제조 원가가 높고 박형화 설계가 곤란하다.

에지형 백라이트 유닛(40)은 도 3 및 도 4액정표시패널(40)의 가장자리에만 LED들(41)을 배치하고 도광판(42)을 이용하여 점광원을 면광원으로 변환하여 빛을 화면 전체로 확산시킨다. 에지형 백라이트 유닛(40)은 직하형 백라이트 유닛(20)에 비하여 필요한 LED들(41)의 개수가 작기 때문에 제조원가가 낮다. 또한 에지형 백라이트 유닛은 LED 두께가 백라이트 유닛의 두께에 영향을 주지 않으므로 슬림화 와 경량화 구현에 적합하다. 그런데, 에지형 백라이트 유닛(40)은 도광판(42) 내에서 LED들(41)로부터 입사되는 빛들이 확산되고 간섭되어 로컬 디밍이 어려운 단점이 있다.

본 발명은 로컬 디밍이 가능한 에지형 백라이트와, 이를 이용하여 슬림화, 경량화 설계가 가능하고 표시품질을 향상시킨 액정표시장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 에지형 백라이트 유닛은 단층의 도광판에서 가로 방향과 세로 방향으로 분할된 다수의 단위셀들; 상기 단위셀들 중에서 외곽 단위셀들의 측면을 함께 압박하는 고정 프레임; 상기 외곽 단위셀들의 측면과 대향하도록 상기 외곽 단위셀들 밖에 배치된 점광원들; 상기 점광원들을 발광시키기 위한 광원 구동부; 및 로컬 디밍 신호에 응답하여 상기 광원 구동부를 제어하는 로컬 디밍 제어부를 구비한다.

본 발명의 액정표시장치는 액정표시패널과, 상기 액정표시패널의 아래에 배치된 상기 에지형 백라이트 유닛을 구비한다.

본 발명은 단층의 도광판을 다수의 단위셀들로 분할하고 가로 방향 도광채널과 세로방향 도광채널의 단위셀들 내에서 빛을 전반사로 전파시켜 에지형 백라이트 유닛에서 로컬 디밍을 구현할 수 있다. 따라서, 본 발명은 로컬 디밍이 가능한 초박형 백라이트 유닛과 이를 포함한 액정표시장치를 구현할 수 있다.

도 1은 종래의 직하형 백라이트 유닛을 보여 주는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 직하형 백라이트 유닛의 단면도이다.
도 3은 종래의 에지형 백라이트 유닛을 보여 주는 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 에지형 백라이트 유닛의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 액정표시장치를 보여 주는 블록도이다.
도 6은 도 5에 도시된 도광판을 상세히 보여 주는 사시도이다.
도 7은 도광판의 단위셀을 보여 주는 사시도이다.
도 8은 도 5에 도시된 도광판의 측면 가장자리에 고정 프레임이 조립된 예를 보여 주는 사시도이다.
도 9는 도 7에서 도광판과 고정 프레임의 단면 A를 보여 주는 단면도이다.
도 10은 도광판, 고정 프레임, 및 보텀 커버를 보여 주는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 도광판에서 가로 방향 도광채널의 온/오프 동작 예를 보여 주는 사시도이다.
도 12는 본 발명의 도광판에서 가로 방향 도광채널의 온/오프 동작 예를 보여 주는 평면도이다.
도 13은 본 발명의 도광판에서 세로 방향 도광채널의 온/오프 동작 예를 보여 주는 사시도이다.
도 14는 본 발명의 도광판에서 세로 방향 도광채널의 온/오프 동작 예를 보여 주는 평면도이다.
도 15는 가로 방향의 도광채널을 통해 전파되는 빛과 세로 방향의 도광 채널을 통해 전파되는 빛의 교차에 의해 휘도가 상승하는 예를 보여 주는 도면이다.
도 16은 본 발명의 도광판을 위에서 바라 볼 때 도광판 내에서 전반사로 전파되는 빛의 경로와 진행 각도를 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명의 도광판을 옆에서 바라 볼 때 도광판 내에서 전반사로 전파되는 빛의 경로와 진행 각도를 보여 주는 도면이다.
도 18은 본 발명의 도광판 구조에서 단위셀들 간의 간격이 지나치게 큰 경우에 빛이 채널 외부로 빠져 나가는 현상을 나타내는 도면이다.
도 19는 본 발명의 도광판을 위에서 바라 볼 때 단위셀들 간의 간격이 최적화될 때 한 채널 내에서 빛이 전반사로 전파되는 경로를 보여 주는 도면이다.
도 20은 본 발명의 도광판을 위에서 바라 볼 때 단위셀들 간의 간격이 최적화되지 않을 때 빛이 전반사 장애에 의해 한 채널에서 다른 채널로 전파되어 로컬 디밍 효과가 감소되는 예를 보여 주는 도면이다.
도 21 및 도 22는 본 발명의 에지형 백라이트 유닛의 로컬 디밍 효과에 대한 실시예를 보여 주는 도면들이다.
도 23 및 도 24는 본 발명의 도광판에 적용되는 도트 패턴들을 예시한 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 실질적으로 동일한 구성요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 액정표시장치는 액정표시패널(10), 액정표시패널(10)의 데이터라인들(14)을 구동하기 위한 소스 구동부(111), 액정표시패널(10)의 게이트라인들(15)을 구동하기 위한 게이트 구동부(112), 소스 구동부(111)와 게이트 구동부(112)의 동작 타이밍을 제어하는 타이밍 콘트롤러(110), 액정표시패널(10)에 빛을 조사하기 위한 에지형 백라이트 유닛, 에지형 백라이트 유닛의 LED 어레이들(101, 102)을 구동하기 위한 광원 구동부(103, 104), 및 로컬 디밍신호(LDIM)를 발생하는 로컬 디밍 제어부(113)를 구비한다.

액정표시패널(10)은 두 장의 유리기판 사이에 액정층이 형성된다. 이 액정표시패널(10)의 하부 유리기판에는 다수의 데이터라인들(14)과 다수의 게이트라인들(15)이 교차된다. 데이터라인들(14)과 게이트라인들(15)의 교차 구조에 의해 액정표시패널(10)에는 액정셀들(Clc)이 매트릭스 형태로 배치된다. 액정표시패널(10)의 하부 유리기판에는 데이터라인들(14), 게이트라인들(15), 박막트랜지스터(Thin Film Transistor, TFT), 박막트랜지스터(TFT)에 접속된 액정셀(Clc)의 화소전극, 및 스토리지 커패시터(Cst) 등이 형성된다. 액정표시패널(10)의 상부 유리기판 상에는 블랙매트릭스, 컬러필터 및 공통전극이 형성된다. 공통전극은 TN(Twisted Nematic) 모드와 VA(Vertical Alignment) 모드와 같은 수직전계 구동방식에서 상부 유리기판 상에 형성되며, IPS(In Plane Switching) 모드와 FFS(Fringe Field Switching) 모드와 같은 수평전계 구동방식에서 화소전극과 함께 하부 유리기판 상에 형성된다. 액정표시패널(10)의 상부 유리기판과 하부 유리기판 각각에는 편광판이 부착되고 액정과 접하는 내면에 액정의 프리틸트각을 설정하기 위한 배향막이 형성된다.

소스 구동부(111)는 타이밍 콘트롤러(110)로부터 입력된 디지털 비디오 데이터(RGB)를 래치한다. 그리고 소스 구동부(111)는 타이밍 콘트롤러(110)의 제어 하에 정극성/부극성 감마보상전압을 이용하여 디지털 비디오 데이터(RGB)를 정극성/부극성 아날로그 데이터전압으로 변환하여 데이터라인들(14)에 공급한다.

게이트 구동부(112)는 타이밍 콘트롤러(110)의 제어 하에 아날로그 데이터전압에 동기되는 게이트펄스(또는 스캔펄스들)을 순차적으로 게이트라인들(15)에 공급한다.

타이밍 콘트롤러(110)는 비디오 소스를 포함한 외부 SoC(System On Chip)으로부터 디지털 비디오 데이터(RGB)와 타이밍신호들(Vsync, Hsync, DE, DCLK)을 입력받아 디지털 비디오 데이터(RGB)를 소스 구동부(111)에 전달한다. 그리고 타이밍 콘트롤러(110)는 타이밍신호들(Vsync, Hsync, DE, DCLK)에 기초하여 소스 구동부(111)와 게이트 구동부(112)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 타이밍 제어신호들(DDC, GDC)을 발생한다.

에지형 백라이트 유닛은 단층에서 분할된 도광판(100)과, 그 도광판(100)의 측면 가장자리에 배치된 LED 어레이들(101, 102)을 포함한다. 또한, 에지형 백라이트 유닛은 도광판(100)과 액정표시패널(10) 사이에 적층된 다수의 광학시트들을 포함한다. 광학 시트들은 1 매 이상의 프리즘 시트와 1 매 이상의 확산시트를 포함하여 도광판(100)으로부터 입사되는 빛을 확산하고 액정표시패널의 광입사면에 대하여 실질적으로 수직인 각도로 빛의 진행경로를 굴절시킨다.

도광판(100)은 PMMA(polymethyl methacrylate), PC(polycarbonate), PET(polyethylene terephthalate) 등의 가시광선 영역에서 빛의 흡수율이 낮은 유전물질로 제작되고, 도 6에 도시된 바와 같이 가로 방향(x)과 세로 방향(y)을 따라 다수의 단위셀들로 분할된다.

LED 어레이들(101, 102)은 세로 방향(y)을 따라 도광판(100)의 좌/우 측면으로 빛을 조사하는 제1 LED 어레이(101), 가로 방향(x)을 따라 도광판(100)의 상/하 측면으로 빛을 조사하는 제2 LED 어레이(102)를 포함한다. 제1 LED 어레이(101)는 휘도가 개별로 제어되는 점광원 역할의 다수의 LED들을 포함하여 도광판(100)의 상측면과 하측면에 대향되도록 도광판(100)의 측면 밖에 배치되거나 상측면과 하측면 중 어느 한 측면에 대향되도록 도광판(100)의 측면 밖에 배치된다. 제2 LED 어레이(102)는 휘도가 개별로 제어되는 점광원 역할을 다수의 LED들을 포함하여 도광판(100)의 좌측면과 우측면에 대향되도록 도광판(100)의 측면 밖에 배치되거나, 좌측면과 우측면 중 어느 한 측면에 대향되도록 도광판(100)의 측면 밖에 배치된다. 제1 및 제2 LED 어레이(101, 102)의 LED들 각각은 로컬 디밍 제어에 의해 독립적으로 발광이 제어된다. 제1 및 제2 LED 어레이들(101, 102)의 LED 개수는 조정될 수 있다.

제1 광원 구동부(103)는 로컬 디밍 제어부(113)로부터 입력되는 로컬 디밍신호(LDIM)에 응답하여 제1 LED 어레이(101)의 LED들 각각에 인가되는 전류를 조정한다. 제2 광원 구동부(104)는 로컬 디밍 제어부(113)로부터의 입력되는 로컬 디밍신호(LDIM)에 응답하여 제2 LED 어레이(102)의 LED들 각각에 인가되는 전류를 조정한다.

로컬 디밍 제어부(113)는 1 프레임 분량의 입력 영상 데이터(RGB)의 휘도를 도광판(100)에서 분할된 단위셀 단위로 분석하여 도광판(100)의 블록 각각의 휘도를 제어하기 위한 로컬 디밍신호(LDIM)를 발생한다.

도 6은 도광판(100)을 상세히 보여 주는 사시도이다. 도 7은 도광판(100)의 단위셀을 보여 주는 사시도이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 도광판(100)은 가로 방향(x)과 세로 방향(y)으로 분할된 다수의 단위셀들(LGP11~LGP33)을 포함한다. 도 6 및 도 7에서 도광판(100)은 3×3으로 분할되었으나, 이에 한정되지 않고 i×j(i, j 각각은 2 이상의 양의 정수)로 분할된다.

단위셀들(LGP11~LGP33)은 로컬 디밍이 가능하도록 도광판(100)을 가로 방향(x)의 도광채널과 세로 방향(y)의 도광채널로 분리한다. 예를 들어, 제11 내지 제13 단위셀들(LGP11~LGP13)은 제1 가로 방향 도광채널을 형성하고, 제21 내지 제23 단위셀들(LGP21~LGP23)은 제2 가로 방향 도광채널을 형성한다. 그리고 제31 내지 제33 단위셀들(LGP11~LGP13)은 제3 가로 방향 도광채널을 형성한다. 제11, 제21 및 제31 단위셀들(LGP11, LGP21, LGP31)은 제1 세로 방향 도광채널을 형성하고, 제12, 제22 및 제32 단위셀들(LGP12, LGP22, LGP32)은 제2 세로 방향 도광채널을 형성한다. 그리고 제13, 제23 및 제33 단위셀들(LGP13, LGP23, LGP33)은 제3 세로 방향 도광채널을 형성한다. 단위셀들(LGP11~LGP33) 각각의 휘도는 가로 방향 도광채널 내에서 전파되는 광과 세로 방향 도광채널 내에서 전파되는 광의 합으로 나타난다. 따라서, 본 발명은 가로 방향 도광채널에 광을 조사하는 LED 전류와 세로 방향 도광채널에 광을 조사하는 LED 전류를 조절함으로써 단위셀들(LGP11~LGP33) 각각의 휘도를 조정하여 로컬 디밍을 구현할 수 있다.

단위셀(LGP11~LGP33)은 도 7과 같은 직육면체로서, 가로 a, 세로 b 및 높이 h 각각의 길이는 목적에 따라 원하는 사양으로 설계 가능하다. 단위셀들(LGP11~LGP33) 간의 간격이 너무 크면 강한 휘선이 발생하고, 빛의 파장보다 작아지면 전반사 장애 (FTIR) 현상이 발생하여 로컬 디밍 효율이 떨어진다. 따라서 단위셀들(LGP11~LGP33) 간의 간격 g는 빛의 파장 이상 100 mm 이하의 값이 바람직하다.

단위셀들(LGP11~LGP33) 간의 간격 g을 적절한 값으로 일정하게 유지하기 위하여, 도 8 및 도 9와 같이 도광판(100)의 최외곽 측면들을 고정하는 고정 프레임(105)이 필요하다. 고정 프레임(105)은 도광판(100)의 외곽 단위셀들(LGP11~LGP13, LGP21, LGP23, LGP31~LGP33)의 바깥쪽 가장자리 상하면과 측면을 감싸는 단면 구조를 갖는다. 고정 프레임(105)은 빛을 반사하여 도광판(100)에 입사되는 광 효율을 높이고 또한, LED의 열을 방열하기에 적합한 재료 예를 들면, 알루미늄, 구리, 또는 그 복합 재료 등 열전도도가 높고 빛의 반사도가 높은 금속으로 제작된다. 고정 프레임(105)의 오목한 안쪽 면에는 LED 패키지(108)가 실장된 메탈 PCB(Printed Circuit Board, 106)가 직접 부착되거나 TIM(Thermal Interface Material) 역할의 방열 패드(Thermal Pad, 109)를 통해 부착될 수 있다. 이러한 LED 고정 방법에 추가로, 메탈 PCB(106)와 고정 프레임(105)은 스크류(Screw)로 고정될 수 있다. 고정 프레임(105)의 상단과 하단은 도광판(100)의 외곽 단위셀들(LGP11~LGP13, LGP21, LGP23, LGP31~LGP33)의 바깥쪽 가장자리 상하면을 압박하여 그 단위셀들의 유동을 방지한다. 도 10과 같이, 보텀 커버(107)는 알루미늄이나 그 합금으로 제작되어 도광판(100)의 단위셀들(LGP11~LGP33)을 아래에서 지지한다. 보텀 커버(107)와 도광판의 단위셀들(LGP11~LGP33) 사이에는 도광판의 후방으로 입사되는 빛을 도광판 쪽으로 반사시키는 리플렉터(Reflector, 도 17 참조)가 배치된다. 보텀 커버(107)의 일측에는 고정 프레임(105)이 조립된다. 도광판(100)의 단위셀들(LGP11~LGP33) 위에는 광학시트들과 액정표시패널(10)이 조립된다. 따라서, 도광판(100)의 단위셀들(LGP11~LGP33)은 보텀 커버(107)와 광학시트들 사이에서 평형을 유지할 수 있다.

로컬 디밍 성능을 높이기 위하여, 단위셀들(LGP11~LGP33) 내에서 전파되는 빛이 원치 않는 도광채널 쪽으로 확산되거나 이웃한 도광채널의 빛과 간섭되지 않고 채널 끝까지 전파될 수 있어야 한다. 이를 위하여, 본 발명은 도광채널의 단위셀들(LGP11~LGP33) 내에서 빛을 전반사(Total internal reflection, TIR) 시키고 단위셀들(LGP11~LGP33) 사이에서 빛이 외부로 방출되지 않도록 단위셀들(LGP11~LGP33) 간의 간격을 최적화한다.

도광판(100)의 단위셀들(LGP11~LGP33) 내에서 전반사로 전파되는 빛을 광학시트들과 액정표시패널(10) 쪽으로 균일하게 방출하기 위하여, 도광판(100)의 단위셀들(LGP11~LGP33)의 밑면(또는 저면) 표면에는 미세한 도트 패턴들(dot pattern)이 형성된다. 도트 패턴의 형태는 V자 형태, 반구 형태 등이 있고, 가공 방법에 따라 모양이 달라질 수 있다. 도트 패턴은 v-cut 방식, 인쇄 방식과 같은 공지의 방법으로 형성될 수 있다. v-cut 방식은 도광판 재료를 조각하는 방법으로 그 도광판 재료의 표면에 볼록하게 튀어나온 구조로 적용될 수도 있고, 오목하게 파인 구조로 적용될 수도 있다. 인쇄 방식은 잉크를 도광판 표면에 인쇄하여 도트 패턴을 형성한다. 잉크에는 빛을 보다 효과적으로 확산시키기 위하여 산란제, 확산제 등의 물질이 첨가될 수 있는데, 일반적으로 SiO₂, Al₂O₃, TiO₂ 등의 물질이 잉크에 첨가될 수 있다.

본 발명의 에지형 백라이트 유닛은 광원들이 도광판(100)의 최외곽 측면 밖에 위치하므로 도트 패턴들의 밀도가 모든 도광판의 표면 전체에서 동일하다면, 광원으로부터 먼 위치일 수록 광양이 적어져 도광판(100)의 가장자리에 배치된 단위셀들(LGP11~LGP13, LGP21, LGP23, LGP31~LGP33)보다 도광판(100)의 중심부에 배치된 단위셀들(LGP22)의 휘도가 작아진다. 따라서, 도광판(100)의 단위셀들(LGP11~LGP33)의 균일한 휘도 분포를 위하여 도 23 및 도 24와 같이 도광판(100)의 중심부로 갈수록 도트 패턴의 밀도를 높게 설계하여야 한다. 후술하는 실험 예에서, 도트 패턴들은 반구 형태의 도트 패턴들로 도광판에 형성되고 그 밀도가 도 23 및 도 24와 같다. 한편, 도트 패턴의 밀도는 도트 패턴들 간의 간격과 도트 패턴의 크기 중 어느 하나 이상의 변수값으로 조정될 수 있다.

도 11 및 도 12는 본 발명의 도광판에서 가로 방향 도광채널의 온/오프 동작 예를 보여 주는 도면들이다.

도 11 및 도 12를 참조하면, 제2 LED 어레이(102)의 LED들 중에서 제2 가로 방향 도광채널과 대향하는 LED들이 발광하면, 제2 가로 방향 도광채널의 제21 단위셀들(LGP21)과 제23 단위셀(LGP23)에 빛이 입사되고 그 빛은 제2 가로 방향 도광채널 끝까지 전반사(TIR)로 전파된다. 제1 가로 방향 도광채널을 선택하기 위하여, 제1 가로 방향 도광채널과 대향하는 LED들이 발광되면 제1 가로 방향 도광채널의 단위셀들(LGP11~LGP13) 내에서 빛이 전반사(TIR)로 그 채널 끝까지 전파된다. 제3 가로 방향 도광채널을 선택하기 위하여, 제3 가로 방향 도광채널과 대향하는 LED들이 발광되면 제3 가로 방향 도광채널의 단위셀들(LGP31~LGP33) 내에서 빛이 전반사(TIR)로 그 채널 끝까지 전파된다.

도 13 및 도 14는 본 발명의 도광판에서 세로 방향 도광채널의 온/오프 동작 예를 보여 주는 도면들이다.

도 13 및 도 14를 참조하면, 제2 LED 어레이(102)의 LED들 중에서 제2 세로 방향 도광채널과 대향하는 LED들이 발광하면, 제2 세로 방향 도광채널의 제12 및 제32 단위셀들(LGP12, LGP32)에 빛이 입사되고 그 빛은 제2 세로 방향 도광채널 끝까지 전반사(TIR)로 전파된다. 제1 세로 방향 도광채널을 선택하기 위하여, 제1 세로 방향 도광채널과 대향하는 LED들이 발광되면 제1 세로 방향 도광채널의 단위셀들(LGP11, LGP21, LGP31) 내에서 빛이 전반사(TIR)로 그 채널 끝까지 전파된다. 제3 세로 방향 도광채널을 선택하기 위하여, 제3 세로 방향 도광채널과 대향하는 LED들이 발광되면 제3 세로 방향 도광채널의 단위셀들(LGP13, LGP23, LGP33) 내에서 빛이 전반사(TIR)로 그 채널 끝까지 전파된다.

도 15와 같이 제2 가로 방향 도광채널과 제2 세로 방향 도광채널의 LED들이 동시에 발광되면 빛이 교차되는 제22 단위셀(LGP22)의 밝기가 상승한다. 예를 들어, 제2 가로 방향 도광채널과 제2 세로 방향 도광채널의 LED들이 50%의 휘도로 발광되면 제12, 제21, 제23, 및 제32 단위셀들(LGP12, LGP21, LGP23, LGP32)의 밝기는 대략 50%의 휘도이고, 제22 단위셀(LGP22)의 밝기는 100%의 휘도로 상승한다.

도 16 내지 도 19는 도광판(100)의 단위셀들(LGP11~LGP33) 내에서 전파되는 빛의 전반사를 보여 주는 도면들이다.

단위셀들(LGP11~LGP33) 간의 간격 g가 빛의 파장 이상 100㎛ 이하로로 최적화되면, 도 17과 같이, 전반사 장애(Frustrated total internal reflection, FTIR) 없이 한 채널 내에서만 빛이 완전 전반사(TIR)로 전파되어 그 채널 끝까지 전파된다.

스넬의 법칙 (Snell's law)을 이용하여 본 발명의 도광판 구조에서 빛의 전반사 전파를 도 17을 결부하여 설명하기로 한다.

도 17을 참조하면, LED로부터 발생된 광선이 하나의 입사각(θ_i)으로 도광판(100)의 단위셀들(LGP11~LGP33)에 입사된다고 가정한다. 이 광선은 빛의 진행방향과 평행한 단위셀들(LGP11~LGP33)의 옆면(도 12 및 도 14 참조)에서 θ_s의 반사각을 가지며, 빛의 진행방향과 수직한 단위셀(LGP21)의 전면(도 12 및 도 14 참조)에서는 θ_f의 반사각을 갖는다. 도광판을 구성하는 물질의 굴절률을 n이라 할 때, θ_s와 θ_f는 θ_i에 관하여 스넬의 법칙에 따라 아래와 같이 나타낼 수 있다.

로컬 디밍이 이루어지기 위해서는 모든 입사각 θ_i에 대하여 옆면에서는 항상 전반사가 발생하고, 전면에서는 전반사가 발생하지 않아야 하는데 이러한 조건을 식으로 표현하면 아래와 같다.

수학식 1과 수학식 2에 수학식 3을 대입하여 굴절률에 관하여 풀면, 아래와 같은 결과를 얻는다.

도광판을 구성하는 물질의 굴절률이

보다 클 경우 모든 θ_i에 대하여 옆면에서는 항상 전반사가 발생하고, 전면에서는 전반사가 발생하지 않는다. 일반적으로 사용되는 도광판 매질의 굴절율(PMMA의 굴절율 n = 1.489)은 수학식 4의 조건을 만족하므로 도 12 및 도 14에서 모든 θ_i에 대하여 옆면에서 전반사가 일어나고, 전면에서는 전반사가 일어나지 않게 된다.

단위셀들(LGP11~LGP33) 사이의 간격이 지나치게 큰 경우, 도 18과 같이 단위셀들(LGP11~LGP33) 사이에 간격 g의 공간(공기)에서 빛이 채널 밖으로 확산되어 휘선이 발생하게 된다. 단위셀들(LGP11~LGP33)을 완전히 한 몸체로 붙이면 도광판 내의 빛이 밖으로 전혀 빠져 나오지 않지만, 그 경우에 단위셀들(LGP11~LGP33)이 구분되지 않기 때문에 기존의 에지형 백라이트 유닛과 같이 로컬 디밍 구현이 불가능하다. 현재의 도광판 제작 공정으로는, 단위셀들(LGP11~LGP33)의 옆면에 수백 nm 이상의 평균 굴곡이 있기 마련이므로 단위셀들(LGP11~LGP33)을 기계적으로 완전히 밀착하여도 그들 사이의 간격 g은 평균 굴곡 높이 만큼으로 벌어진다. 이렇게 형성된 단위셀들(LGP11~LGP33) 간의 간격이 빛의 파장 이상이면 전반사 장애(FTIR)가 거의 없기 때문에 채널 밖으로 빠져 나가는 빛이 거의 없다.

도 18은 본 발명의 도광판 구조에서 단위셀들 간의 간격이 지나치게 큰 경우에 빛이 채널 외부로 빠져나가는 현상을 나타내는 도면이다. 이 현상은 전반사 장애(FTIR)와는 무관하며, 휘선의 원인이 되는 현상이다.

전반사 장애 현상이 나타나면 전반사 임계각(θ_C)에서 전반사가 일어나지 않고, 도 20과 같이 단위셀들(LGP11~LGP33) 간의 공간에서 빛이 채널 밖으로 방출될 수 있다. 이 경우에, 원하는 도광채널 이외의 다른 도광채널로 빛이 확산되므로 로컬 디밍 효과가 감소된다.

도 21 및 도 22는 본 발명의 에지형 백라이트 유닛의 로컬 디밍 효과를 실험한 결과를 보여 주는 도면들이다.

도 21 및 도 22에서, 도광판 가장자리에 배치된 두꺼운 점선 각각은 LED에 해당한다. "LED ON"은 켜진 LED들이고, "LED OFF"는 꺼진 LED들을 의미한다. 도광판(100)의 크기는 22 inch Full HD TV 기준의 크기이다. 시뮬레이션 조건은 해상도를 1mm로 적용하였으며, 확산시트(Diffuser sheet)를 적용하지 않은 결과이다. 단위셀들의 높이 h는 3mm, 가로 a 및 세로 b 길이는 3cm 로 하였다. 단위셀 간의 간격 g는 10㎛로 두고 시뮬레이션을 하였는데, 실제로는 단위셀의 간격을 두지 않고 기계적으로 완전히 밀착하여 제작하게 된다. 그러나, 단위셀들을 완전히 밀착한다고 해도 접착제를 쓰지 않는 이상 단위셀의 제작과정에서 생긴 표면의 평균 굴곡에 의해 평균적인 사이간격이 형성되는데, 이 간격을 10㎛로 설정하였다. 도트 패턴들 간의 간격은 1mm로 고정시킨 후, 도 23 및 도 24와 같이 도트 패턴들의 크기를 조절하여, 가장자리의 도트 패턴 크기보다 중앙부 도트 패턴 크기를 상대적으로 더 크게 함으로써 도광판 전체 화면의 밝기를 균일하게 하였다. 화면의 휘도를 더 정밀하게 분석하기 위해 가로, 세로 방향으로 각각 3개의 수선을 선택하여, 수선상의 위치에 따른 휘도를 그래프로 표현하였다.

도 21 및 도 22의 휘도 그래프는 Breault Research Organization 사의 광학 소프트웨어 ASAP(Advanced Systems Analysis Program)으로부터 데이터를 추출하여 매트랩(MATLAB)으로 작성된 것이다. 각각의 그래프에서 x축의 단위는 mm 이며 전체 도광판(100)의 가로 길이는 540mm, 세로 길이는 300mm이다. y축은 각 위치에서의 휘도를 의미한다. 휘도 균일도(최저휘도/최고휘도)를 쉽게 보기 위해 y축의 값을 휘도 비(휘도/최고휘도)로 하였다. 따라서 항상 0보다 크고 1보다 작으며, y축의 최소값이 휘도 균일도를 결정하게 된다.

도 21은 모든 LED를 발광시킨 경우의 시뮬레이션 결과이다. 단위셀들 간의 간격에서 휘선이 관찰되지만 구체적인 수치로 비교해보면 전체 휘도 균일도에 영향을 주지 못할 정도이다. 위 결과의 휘도 균일도(최저휘도/최고휘도)는 50.6%이다. 실제로 상용화된 도광판의 휘도 균일도는 확산시트를 사용하지 않을 경우 20% 대에 불과하지만, 확산시트를 적용하면 80% 정도로 향상된다. 따라서, 도 21의 시뮬레이션 결과에 확산시트를 적용할 경우 최소 70% 이상으로 향상할 것이라 예상된다.

도 22는 일부 LED들만을 발광시켜서 빛이 원하는 가로 방향 도광채널과 세로 방향 도광채널을 따라서만 전파되는지 확인한 결과이다. 도 22의 시뮬레이션 결과에서 확인할 수 있듯이, 본 발명은 에지형 백라이트 유닛에서 높은 수준의 로컬 디밍을 구현하였다. 이 시뮬레이션 결과에서, 전반사 효과를 이용하여 LED에서 나온 빛을 하나의 도광채널로만 유도시키는 것과 가로와 세로 채널이 겹치는 부분에서 가장 밝은 휘도가 나오는 것을 확인할 수 있었다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

100 : 도광판 101, 102 : LED 어레이
105 : 고정 프레임 LGP11~LGP33 : 도광판의 단위셀

Claims (6)

1. 단층의 도광판에서 가로 방향과 세로 방향으로 분할된 다수의 단위셀들;
   상기 단위셀들 중에서 외곽 단위셀들의 측면을 함께 압박하는 고정 프레임;
   상기 외곽 단위셀들의 측면과 대향하도록 상기 외곽 단위셀들 밖에 배치된 점광원들;
   상기 점광원들을 발광시키기 위한 광원 구동부; 및
   로컬 디밍 신호에 응답하여 상기 광원 구동부를 제어하는 로컬 디밍 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 에지형 백라이트 유닛.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 단위셀들 간의 간격은,
   빛의 파장 이상 100 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 에지형 백라이트 유닛.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 도광판의 단위셀들을 평행하게 아래에서 지지하는 보텀 커버;
   상기 도광판 위에 적층된 광학시트들을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 에지형 백라이트 유닛.
4. 액정표시패널; 및
   상기 액정표시패널의 아래에 배치되어 상기 액정표시패널에 빛을 조사하는 에지형 백라이트 유닛을 구비하고,
   상기 에지형 백라이트 유닛은,
   단층의 도광판에서 가로 방향과 세로 방향으로 분할된 다수의 단위셀들, 상기 단위셀들 중에서 외곽 단위셀들의 측면을 함께 압박하는 고정 프레임, 상기 외곽 단위셀들의 측면과 대향하도록 상기 외곽 단위셀들 밖에 배치된 점광원들, 상기 점광원들을 발광시키기 위한 광원 구동부, 및 로컬 디밍 신호에 응답하여 상기 광원 구동부를 제어하는 로컬 디밍 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 단위셀들 간의 간격은,
   빛의 파장 이상 100 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 에지형 백라이트 유닛은.
   상기 도광판의 단위셀들을 평행하게 아래에서 지지하는 보텀 커버;
   상기 도광판과 상기 액정표시패널 사이에 적층된 광학시트들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.

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