Since the technology of liquid crystal display was developed, the demands to the liquid crystal panel which is thinner, and cheaper in low cost, have been increased. One of the challenges is to implement the thin backlight unit with good optical characteristics using the micro-pattern. The previous works satisfy the needs, but they are still expensive to fabricate.
In this thesis, we proposed a new backlight unit to fulfill the mentioned demands and developed the fabrication technology of the component of a new backlight unit in a low cost. The proposed structure is made of two components, a light-guide plate with microlens array, and a conical microlens array sheet. In this backlight unit, the number of optical sheets is decreased. Therefore, the optical characteristics of the proposed backlight unit were expected to improve. According to concept of each sheet, the microlens array makes to advance the viewing angle, and the slanted angle of conical microlens array calibrates the optical characteristics.
Among the various methods of the microlens fabrication technology, the diffuser lithography was used. The 3D diffuser lithography could be performed simply by putting on the diffuser on the photo mask. The diffuser randomized the direction of the collimated UV light, and the exposed region was formed the rounded cross-section. The shape and the size of were well controlled by kind of diffuser, UV exposure dose, and the pattern of the mask. Therefore the diverse applications of 3D diffuser lithography were investigated. Also, using this method, the microlens array mold for proposed unit was fabricated.
The fabrication technology for conical microlens array was developed. Using the method, a proximity lithography, to make a slanted structure, the conical microlens array which was formed the cone, was fabricated. The proximity lithography could be implemented by making a gap between the photo mask and the photoresist. The gap diffracted the collimated UV light, and the exposed region with the slanted side wall was formed. The slanted angle and a width of the pattern were well controlled by a gap, a pattern width, and an exposure dose.
Based upon the developed fabrication technologies, we made the microlens array and conical microlens array. To commercialize these technologies, we developed a new stamper technology which was appropriate to developed fabrication technologies for microlens arrays. A new stamper technology was used Cu as an intermediate mold, because the stamper had the same profile of the photoresist mold. This technology had great advantages to transfer. There were negligible changes to a profile and a surface roughness and the photoresist mold which was weak to a heat, was not meet a thermal process.
Finally, a new proposed backlight unit was implemented by the developed technologies, and measured the optical characteristic. As a result, it was more efficient just using 2 optical sheets as we expected. The total luminance of a novel backlight unit was increased 13.6% than that of a conventional backlight unit. As well as, the viewing angle was also improved 90.9%.
액정디스플레이 (liquid crystal display) 기술이 개발된 이래, 보다 적은 전력으로 얇으면서 값싼 액정디스플레이 패널을 제작하고자 하는 요구가 급증하고 있다. 그 대표적인 것으로 백라이트를 얇으면서 높은 광 효율을 가지도록 하는 연구가 활발하게 진행되고 있는데, 지금까지의 연구는 이러한 요구를 만족시키지만 높은 가격이라는 단점을 극복하는데 어려움에 직면하고 있다.
이 논문에서는 위의 요구를 만족하는 새로운 백라이트가 제안되었고, 값싼 가격으로 이의 구성요소들을 제작할 수 있는 방법이 개발되었다. 뿐만 아니라 제안한 대로 광 시트의 수를 줄임으로써 좋은 광 특성을 가짐을 확인하였다. 이는 도광판 위에 만들어진 마이크로렌즈 어레이가 시야각을 확보하게 하고, 위의 원뿔 마이크로렌즈 어레이가 마이크로 렌즈를 통과한 빛을 보정하는 역할을 하여 기존의 프리즘 시트 (prism sheet)와 디퓨저 시트 (diffuser sheet)를 대체한다.
마이크로 렌즈를 만드는 다양한 제작기술 중에서 우리는 3차원 디퓨저 리소그래피 기술을 사용하였다. 디퓨저 리소그래피는 포토마스크 (photomask) 위에 디퓨저를 두어 수직으로 입사하는 자외선 (UV) 빛의 진행방향을 임의의 각으로 변경시킨다. 이렇게 입사각이 임의로 변경된 자외선을 둥근 형태의 포토레지스트 (photoresist) 단면을 형성한다. 이 단면은 디퓨저의 종류, 자외선 노광량, 포토마스크의 패턴을 달리하여, 다양한 모양을 얻을 수 있고, 이를 이용해서 다양한 응용기술을 제안하였다. 뿐만 아니라 이 기술을 이용해서 새로운 구조의 백라이트의 구성요소인 마이크로 렌즈도 제작하였다.
새로운 백라이트의 두 번째 구성요소인 원뿔 마이크로 렌즈를 제작하는 기술을 개발하였다. 경사를 가지는 구조를 만드는 기술인 프락시미티 (proximity) 리소그래피를 이용해서 원뿔 형태를 가지는 렌즈를 제작하였다. 프락시미티 리소그래피는 자외선 노광시 포토마스크와 포토레지스트 사이에 임의의 간격을 두고, 이 간격을 이용해서 수직으로 입사하는 자외선을 회절시킨다. 회절로 인해 진행방향이 변화한 빛은 수직의 맨하탄 (Manhattan) 구조가 아닌 경사 구조를 만든다. 이 연구에서 프락시미티 리소그래피의 간격, 패턴 간격, 자외선 노광량을 변화에 따른 경사각에 대한 연구를 진행하였다.
이러한 공정기술을 기반으로, 마이크로렌즈 어레이와 원뿔 마이크로렌즈 어레이를 제작하였고, 이를 상용화시키기 위해서 새로운 스템퍼 기술이 필요하였다. 그래서 개발된 렌즈 제작기술에 적합한 새로운 스템퍼 기술을 개발하였다. 이 기술은 포토레지스트와 최종 니켈 스템퍼가 동일한 모양을 가지기 위해서, 구리를 중간 몰드로 사용하는 기술이다. 포토레지스트의 모양을 도금된 구리 중간몰드가 반대의 형태로 전사하고, 이를 다시 니켈 도금을 함으로써 포토레지스트와 동일한 모양을 가지는 스템퍼를 제작할 수 있다. 두 번의 전사과정 동안 열에 약한 포토레지스트 몰드는 열 공정인 니켈 도금에서 벗어나게 되고, 이로 인해 열에 의한 변형이 없어 포토레지스트와 동일한 모양뿐만 아니라, 표면조도에서도 탁월한 특성을 가진다. 그래서 이 기술은 다양한 모양을 높은 표면조도를 가지면서 전사할 수 있는 획기적인 기술이다.
마지막으로, 제안 된 새로운 백라이트를 개발한 새로운 기술을 이용해서 제작하였고, 이의 광 특성을 평가하였다. 그 결과, 제안할 때 검증한 시뮬레이션 결과와 유사하게 단 두 장의 광 시트만으로도 기존의 백라이트와 비슷한 수준의 광 특성을 얻을 수 있었다. 결과적으로, 기존의 백라이트와 비교했을 때, 총 휘도량은 광 시트의 수를 줄임으로써 13.6% 증가시킬 수 있었다. 뿐만 아니라, 도광판의 마이크로 패턴 (micro-pattern)은 기존 백라이트의 2장의 프리즘 시트와 디퓨저 시트를 대체하였고, 시야각을 약 90.9% 향상시킬 수 있었다. 물론, 균일성 측면에서 다소 떨어지는 결과를 얻었지만, 이는 마이크로 렌즈 또는 도광판의 산란패턴의 배열과 조밀도를 변경함으로써 충분히 해결할 수 있다.
