In this thesis, a simple method for improving the light efficiency for a monolithic backlight unit (BLU) for liquid crystal (LC) display is proposed, and experimentally verified.
Since the LC display was proposed, the market and its usage have been rapidly grown. Nowadays, it is one of the most popular types of display in the flat panel display field. Because it does not emit or radiate any light, an external light source is required. A BLU is a very important component in the LC display as the external light source.
BLU can be categorized into two types: direct-lit type and edge-lit type. For the mobile application such as cellular phone and small multimedia player, edge-lit type BLU is mostly used. This edge-lit type BLU requires many optical sheets to correct the light radiation, which is originally inclined toward the far-end side from the source, toward the normal direction. To reduce the number of the sheets, the light guiding plate (LGP) should extract the light toward normal direction.
The pattern shape on the top surface of the LGP decides the angular luminance profile of the BLU. Among many types of the pattern shape, pattern having negative sidewall slope is effective to extract the light toward the vertical direction. However, the maximum density of the pattern with negative slope is limited because its top width is greater than that of the bottom. Less than 10 percent of the top area of the LGP is used for the pattern area; therefore its light efficiency is very low.
A straight line pattern can be a simple solution for enlarge the pattern area. Using the bar pattern, the amount of the extracted light can be maximized. However, the significant bright lines from the light source positioned at one side of the LGP cannot be avoided when straight line pattern is employed. In other words, the angular luminance distribution is not toward the normal direction.
In this research, the characteristic of the pattern with negative sidewall slope is discussed by the optical simulation. And a method is proposed to achieve not only the maximum pattern area but also the normal direction light extraction. Using the proposed pattern, named as Dumbbell-like pattern shape, the pattern area is more increased, remaining the angular luminance distribution characteristic. Proposed pattern is fabricated by micromachining process, and measured. The average normal luminance of the proposed pattern is more than 4197 nit that is increased from the dot type pattern showing the average normal direction luminance of 2878nit.
본 논문에서는 액정 디스플레이에 사용되는 배면 광원으로서 일체형 백라이트 유닛을 제안하고 개발하였다. 스스로 발광하지 않는 액정 디스플레이의 특성으로 인하여 효율적인 백라이트 시스템의 필요성이 널리 인정되어 왔으며, 보다 적은 광학 시트를 사용하면서도 휘도와 수직 출광 효율이 좋은 백라이트 유닛을 개발하고자 하는 노력이 널리 있어 왔다.
휴대전화나 휴대용 멀티미디어 기기 등으로 대표될 만한 모바일 어플리케이션에 주로 사용되어 온 엣지-리트 방식의 백라이트 유닛은, 광원과 광원으로부터 나온 빛을 디스플레이의 전면에 걸쳐 고르게 출광시키도록 고안된 도광 패널, 도광 패널로부터 출광된 빛의 각 특성을 보정하기 위한 각종 프리즘 시트로 이루어져 있다. 도광 패널로부터 출광된 빛은 본래 광원의 반대 방향으로 진행코자 하는 경향이 있으므로, 이를 수직 방향으로 보정하기 위하여 다양한 광학 시트의 사용이 요구되어 왔으며, 이는 백라이트 유닛의 제작 비용, 두께, 광손실 등을 증가시키는 요인으로 작용하여 왔다. 따라서 보다 저렴한 비용으로 얇으며 광손실이 적은 백라이트 유닛을 개발하기 위해서는 빛이 도광 패널로부터 수직으로 출사되어야 한다.
도광 패널 상단의 패턴 형상은 출광된 빛의 각분포 형태를 결정한다. 특히 상면 패턴에 음성의 기울기를 가지는 옆면이 있을 때 빛이 이에 부딪치면 내부 전반사에 의하여 빛이 수직으로 출광하는 데 용이하므로, 각종 프리즘 시트와 광학적 기능 시트를 배제한 상태에서도 빛을 수직으로 모으기 위해서는 이와 같이 역사다리꼴의 패턴 형상을 채용하여야 한다.
일반적으로 도광 패널로부터 출광되는 빛의 총량은 상면 패턴의 밀도에 비례하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 효율적인 수직 출광을 도모하기 위하여 전술한 역사다리꼴의 패턴 형상을 채용하게 되면, 하면보다 넓은 상면의 직경으로 인하여 패턴을 촘촘히 배열시킬 수 없는 태생적인 한계점에 봉착하게 된다.
원형으로 이루어진 도트-타입 역사다리꼴 패턴 대신 직선으로 이루어진 역사다리꼴 패턴을 사용하는 것은 이의 대안이 될 수 있다. 도트 타입에 비하여 직선으로 이루어진 패턴을 사용하면 패턴 하면의 면적이 크게 증가하게 되므로 이를 통하여 출광되는 빛의 총량도 비례하여 증가하게 된다. 그러나, 직선 형태의 패턴을 이용하게 되면 이의 측면에 법선 방향으로 입사한 빛은 수직으로 전반사되는 반면, 측면에 비스듬히 입사한 빛은 전반사 후 본래 입사하던 방향으로 꺾여 진행하게 되므로, 수직 방향으로 일정한 수광각 내에 들어오는 빛만을 검출하는 휘도 측정기에 의하여 검출되지 않게 된다. 따라서 수직에서 관찰하였을 때 광원으로부터 시작되는 휘선이 도광판 상에 뚜렷이 나타나게 되므로 이를 분산시켜 주기 위한 별도의 디퓨저 시트가 반드시 필요하게 된다는 단점이 있다.
본 논문에서는 직선 형태의 패턴을 사용하는 대신 패턴의 측면에 만곡을 준 형상을 도입함으로써, 패턴 하면의 면적을 증가시키면서도 수직 출광 특성을 유지하는 방법을 제안하였다. “덤벨 형상”으로 명명된 새로운 패턴은 기존의 도트-타입 역사다리꼴 패턴으로 하여금 하면끼리 접하도록 하여 측면에 굴곡을 준 형태로서, 어떠한 방향으로부터 측면에 빛이 입사되든지 수직 방향으로 굴절되도록 고안한 형태이다. 새로이 제안된 패턴의 타당성이 시뮬레이션에 의하여 검증되었고, 제안된 아이디어의 검증을 위하여 두 개씩 뭉쳐진 단위원 역사다리꼴 패턴 (2-덤벨 패턴) 이 실제로 개발에 사용되었다.
제안된 2-덤벨 형태의 구조는 백사이드 3D 디퓨저 리소그래피 방법에 의하여 제작되었다. 제작된 덤벨 형태의 구조를 사용한 일체형 도광판을 사용하여 기존의 도트 패턴에 비해 34.6% 향상된 4197nit 의 평균 정면 휘도를 확보할 수 있었다. 균일도 측면에서 다소 떨어지는 측면이 있었으나, 광원으로부터 대광부에 이르는 장축 방향 균일도는 75%이상을 나타냄을 알 수 있었으며, 단축 방향 균일도는 액상의 포토레지스트 혹은 경화되기 전의 PDMS 혼합체를 다룸에 있어 평형을 유지하여, 패턴 및 도광판 패널의 두께를 일정하게 유지함으로써 개선될 수 있다.
