BLU 용 집광필름의 마이크로 렌즈 설계

이지영 , 박지희 , 이윤성 , 남기봉 , 고재현 *한림대학교 전자물리학과

* hwangko@hallym.ac.kr

Backlight Unit(BLU) 이란

BLU for LCD monitor

Source: Displaybank column “BLU 용 반사기능부품에 대한 소고”

집광확산

반사

산란

• Backlight Unit(BLU) 이란 비자발광 디스플레이인 LCD 의 후면으로부터 LCD 패널로 백색광을 공급해 주는 기능을 담당하는 광원 장치

광학시트 기술동향• 백라이트 기술의 저가격화 , 고기능화 추세에 따라 BLU 용

광학필름의 기술도 복합기능형 하이브리드 필름의 개발 지향

• 확산필름은 PET 재질의 기본필름 위에 비드 (beads) 를 바인더와 코팅한 기존의 구조 대신에 동일 재질의 반구형 렌즈들을 배열한 일체형 확산시트가 개발되어 더욱 뛰어난 투과기능과 집광기능을 보여 , 고가의 프리즘 필름을 대체할 수 있는 가능성 제시

beads 일체화

< 출처 : SKC>< 출처 : 미래나노텍 > < 출처 : 신화인터텍 >

연구목적• 프리즘 필름은 일차원적인 배열을 띠는 프리즘 배치로

빛을 비등방적으로 집광 시키는데 반해 일체형 확산필름은 반구의 대칭성으로 인해 빛을 등방적으로 대칭 시킴 . 이에 따라 다수 장의 일체형 확산 시트를 LCD 모니터나 TV 에 적용할 경우 휘도의 시야각 특성이 악화될 가능성이 있음

• 본 연구에서는 기존의 일체형 확산필름에서 집광기능을 담당하는 반구의 형상을 변화시켜서 필름 위의 휘도 분포를 비등방적으로 조절할 수 있는 마이크로 렌즈 배열을 가진 집광필름에 대한 시뮬레이션 결과를 제시

• 기존의 반구 형상의 렌즈에 대해 이를 가로 방향으로 늘여서 변조함에 따라 출사광의 휘도 분포가 어떻게 변하는지를 광선 추적 시뮬레이션 방법을 이용하여 연구

광 추적 시뮬레이션 방법• 사용된 Simulation tool: ASAP 2005 (Breault Research Organizati

on)

• 다양한 형상의 렌즈로 제작된 시트 아래에 배치된 Lambertian 광원에서 발산되는 광선들이 시트 위의 렌즈를 통해서 굴절 , 반사되고 시트 윗부분으로 검출됨

• 시뮬레이션에 사용된 광원은 보는 각도에 상관없이 일정한 밝기의 휘도를 갖는 람버시안 (Lambertian) 분포

< ray tracing 전 > < ray tracing 후 >

detector

반구형 렌즈

PET substrate 광원

반사시트

마이크로 렌즈 시트의 시뮬레이션 조건

< 반구형 시트의 기본 개략도 및 단면도 >

• 굴절률 : 1.492 (PET plate 와 일체형 )• 렌즈 밀도 : 최대한 밀하게 조절• 렌즈 높이 : 30 ㎛• 렌즈 세로축 지름 ( 고정 ): 60 ㎛• 렌즈 가로축 지름 : 60~120 ㎛• 총 면적 : 1.2*1.2 ㎠

< 가로축 지름을 변화시킨 시트 모형 >

<60㎛ >

<80㎛ >

<120㎛ >

<100㎛ >

시트 한 장에 대한 시뮬레이션 결과

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

10

20

30

40

50

60

Rel

ativ

e L

um

inan

ce

Vertical Angle(o)

60(m) 80(m) 100(m) 120(m) lamber

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

10

20

30

40

50

60

Rel

ativ

e L

um

inan

ce

Horizontal Angle(o)

60(m) 80(m) 100(m) 120(m) lamber

• 반구형 시트 한 장 사용• 가로축 지름을 60~120 ㎛로 변화 시킴

60~120 ㎛

30 ㎛

시트 한 장에 대한 휘도와 시야각

세로축 지름 ( ㎛ ) 휘도 Gain 시야각 (vertical) 시야각 (horizontal)

60 1.84 94.7 94.7

80 1.64 99.5 116.4

100 1.46 102.9 146.0

120 1.44 101.4 160.0

• 마이크로 렌즈의 가로 방향 길이가 늘어남에 따라 정면 방향으로의 집광 능력은 줄어듦

• 세로 방향 (vertical) 의 시야각은 큰 변화가 없는 반면 가로 방향(horizontal) 의 시야각이 현저히 늘어남

• 이러한 출광 분포의 변화는 렌즈의 종횡비를 늘림에 따라 집광에 기여하는 렌즈의 경사면의 넓이가 가로 , 세로에 대해 비대칭적으로 분포된다는 사실을 고려하면 자연스러운 결과임

시트 두 장 ( 렌즈 수평 배열 ) 에 대한 시뮬레이션 결과

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 800

10

20

30

40

50

60

70

80

Rel

ativ

e L

um

inan

ce

Vertical Angle(o)

60-2(m) 80-2(m) 100-2(m) 120-2(m) lamber

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 800

10

20

30

40

50

60

70

80

Rel

ativ

e L

um

inan

ce

Horizontal Angle(o)

60-2(m) 80-2(m) 100-2(m) 120-2(m) lamber

• 반구형 시트 두 장 사용• 두 장의 반구형 렌즈가 서로 수평으로 배열

시트 두 장 ( 렌즈 수직 배열 ) 에 대한 시뮬레이션 결과

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 800

10

20

30

40

50

60

70

80

Rel

ativ

e L

um

inan

ce

Vertical Angle(o)

60-cross2(m) 80-cross2(m) 100-cross2(m) 120-cross2(m) lamber

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 800

10

20

30

40

50

60

70

80

Rel

ativ

e L

um

inan

ce

Horizontal Angle(o)

60-cross2(m) 80-cross2(m) 100-cross2(m) 120-cross2(m) lamber

• 반구형 시트 두 장 사용• 두 장의 반구형 렌즈가 서로 수직으로 배열

시트 두 장의 휘도와 시야각 특성

세로축 지름 ( ㎛ ) 휘도 Gain 시야각 (vertical) 시야각 (horizontal)

60-2 2.36 76.3 77.3

80-2 2 83.6 94.2

100-2 1.77 85.5 112.5

120-2 1.67 85.8 130.4

세로축 지름 ( ㎛ ) 휘도 Gain 시야각 (vertical) 시야각 (horizontal)

60-cro2 2.36 76.3 77.3

80-cro2 2.06 87.4 85.1

100-cro2 1.86 101.2 90.1

120-cro2 1.79 107.2 90.8

< 렌즈 수평 배열 >

< 렌즈 수직 배열 >

결론• 기존의 반구 형상의 렌즈를 가로 방향으로 늘여서 변조함에 따라

출사광의 휘도 분포의 변화를 확인• 반구형 확산필름을 한 장 사용할 경우에는 반구 형상의 렌즈의 가로

방향 지름이 늘어날수록 시야각 특성은 좋아짐• 반구형 확산필름을 두 장 사용할 경우에는 필름을 한 장 사용할

때보다 휘도 Gain 은 높아지고 시야각은 줄어들지만 , 반구형 렌즈의 가로 방향의 지름을 조절함으로써 시야각의 조절이 가능해짐

• 이러한 시뮬레이션 결과에 근거해 일체형 확산필름의 반구 형상을 변조한다면 LCD 모니터나 TV 에 적용되어도 가로 방향의 시야각 특성이 만족스러운 집광필름의 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대됨