In this thesis, advanced backlight unit (BLU) and frontlight unit (FLU) using 3D micromachining technologies have been proposed and developed. The 3D micromachining techniques we used were 3D diffuser lithography and backside 3D diffuser lithography, which are simple and unique microfabrication methods to produce various rounded 3D structures like microlens arrays (MLA).
The advanced BLU were developed in two ways: one was two MLA-sheets BLU where a MLA-mounted light-guide plate (LGP) concentrated lights inside LGP at ±30 degrees and a conical MLA film like a prism sheet collimated the concentrated light to vertical direction. The MLA which was fabricated 3D diffuser lithography shows superior optical properties owing to high fill-factor and low radius of curvature on top surface. The truncated conical MLA which was fabricated by proximity lithography had a sidewall angle of 54 degrees to adjust the angle of light emitted from the MLA-mounted LGP to direct vertically to viewer. The proposed two MLA-sheets BLU shows the average l$\mu$minance at zero degree was 2040 nit and the viewing angle of was 108 degrees. The other advanced BLU was single-sheet polydimethylsiloxane (PDMS) BLU with inverse-trapezoidal microstructures. The inverse-trapezoidal micropatterns play a role as a prim sheet, which sidewall angle of 55 degrees of the inverse-trapezoidal microstructures extract light vertically from an LGP. According to the sidewall angle of 55 degrees, the dimension of the microstructure was designed: a bottom diameter of 12.9 $\mu$m, a top diameter of 30 $\mu$m, and a height of 12 $\mu$m. In order to monolithically fabricate the inverse-trapezoidal microstructures on the LGP, backside 3D diffuser lithography and two consecutive PDMS replication processes were used. The optical properties of the proposed single-sheet PDMS BLU resulted in the average l$\mu$minance of 3009 nit and a uniformity of 84.9% with four 0.85 cd LEDs, which are comparable to the conventional BLU.
The advanced FLU was also designed, fabricated, and demonstrated. Considering characteristics of light extraction as an FLU, cylinder microstructures are chosen for a micro-reflector on the LGP. As a result, the FLU with cylinder micropatterns was designed and fabricated by simple 3D micromachining technology using thick photoresist and metal electroplating for mass production. The fabricated FLU was successfully demonstrated on the commercial e-book form Iriver as it is built-in. The optical properties of the FLU were more efficient than those of commercial LFU products: the average l$\mu$minance and a uniformity of the proposed FLU were 5.58 nit and 53% with four LED sources while those of Sony PRS-700 were 11.84 nit and 12% with eight LED sources, respectively. The mass-production system will move up the commercialization of the proposed FLU.
디스플레이 (display)는 인간과 전자기기 사이에 정보를 교환해주는 인터페이스 (interface) 역할을 하는 것으로 핸드폰, 컴퓨터, TV 등 다양한 종류가 있다. 그 중에서 TV는 디스플레이의 발전을 보여주는 가장 좋은 예로써 1930년대 흑백 TV에서부터 현재 평판디스플레이 (flat panel display)로의 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다. 평판 디스플레이라 함은 액정을 이용한 LCD (liquid crystal displays)와 플라즈마를 이용한 PDP (plasma panel displays), 그리고 전계방출을 이용한 FED (field emission displays) 등을 대표로 들 수 있으며 액정디스플레이는 현재 디스플레이 산업에서 가장 큰 시장을 차지하고 있다.
액정디스플레이는 광원 역할을 하는 백라이트 유닛 (backlight unit)와 빛의 개폐역할을 하는 박막트랜지스터 (thin-film transistor)와 액정, 그리고 컬러를 구현하는 컬러필터 (color filter) 등의 중요한 4가지 부분으로 이루어 있는데 그 중 액정디스플레이 제조 단가에 큰 부분을 차지하는 백라이트 유닛에 대한 연구가 현재 활발히 진행 중이다. 백라이트 유닛은 광원과 마이크론 크기의 3차원 구조체들로 이루어진 여러 광학필름으로 구성되어 있으며 액정디스플레이의 슬림화, 경량화, 고성능화 추세에 따라 정밀하고 다양한 형상의 3차원 마이크로 구조체를 제작할 수 있는 방법을 필요로 하고 있다.
본 논문에서는 3차원 마이크로 구조체 형성 방법인 3차원 마이크로머시닝 기술(3D micromachining technologies)을 이용하여 고성능의 광학필름을 제작하고 그를 이용하여 고성능의 액정디스플레이의 백라이트 유닛과 반사형 디스플레이 (reflective displays)의 광원인 프론트라이트 유닛 (frontlight unit)을 개발하였다.
먼저, 고성능의 액정디스플레이의 백라이트 개발은 3차원 디퓨저 리소그래피 (3D diffuser lithography)와 그의 변형인 백사이트 3차원 디퓨저 리소그래피 (backside 3D diffuser lithography)라는 3차원 마이크로머시닝 기술을 이용하여 2개의 마이크로렌즈 어레이 (microlens array) 필름으로 이루어진 백라이트 유닛과 도광판 (light-guide plate)에 역사다리꼴 마이크로 구조체가 일체형으로 형성된 고성능의 백라이트 유닛을 각각 개발하였다. 마이크로 구조체가 일체형으로 이루어진 백라이트 유닛의 경우 어떤 다른 광학필름도 사용하지 않고 단지 도광판 자체만을 백라이트 유닛으로 사용하기 때문에 슬림하고 가벼운 백라이트를 구현할 수 있다. 또한, 도광판 재질로 PDMS (polydimethylsiloxane)라는 연성인 물질을 사용함으로써 차세대 플렉서블 디스플레이 (flexible displays)의 광원으로써도 사용될 수 있음을 확인하였다.
언제 어디에서라도 인터넷에 접속할 수 있는 유비쿼터스 (ubiquitous) 시대를 맞아 가볍고 전력소비가 낮은 반사형 디스플레이가 차세대 디스플레이로써 대두 되고 있다. 이런 반사형 디스플레이는 전자종이 (e-paper), 전자책 (e-book), 광고 등 다양한 응용 분야에 적용 가능하지만 반사형 디스플레이 자체가 태양광이나 다른 외광을 광원으로 사용하기 때문에 외광이 없는 저녁에는 디스플레이를 볼 수 없다는 치명적인 단점을 가지고 있다. 그래서 액정디스플레이의 광원인 백라이트 유닛과 같이 개념의 반사형 디스플레이의 광원으로 디스플레이 앞에 들어가는 프론트라이트 유닛을 필요로 한다. 이에, 본 논문에서는 두꺼운 감광막 (photoresist)과 금속 도금 (metal electroplating) 공정을 이용한 3차원 마이크로머시닝 기술을 이용하여 고성능의 프론트라이트 유닛을 개발하였다. 제안한 고성능의 프론트라이트 유닛은 PDMS라는 물질의 투명성과 유연성을 바탕으로 제작이 용이한 원기둥 형태의 3차원 마이크로 구조체가 일체형으로 형성된 도광판으로 이루어져 있기 때문에 얇고 대량생산이 가능하다. 제작된 6인치 프론트라이트 유닛의 성능을 확인하기 위해 아이리버사에서 판매되고 있는 전자책 위에 성공적으로 시연하였으며 라이트왯지사 (Ligthwedge)나 소니 PRS-700의 다른 프론트라이트와 휘도 성능을 비교를 통해 프론트라이트 유닛으로서의 가능성도 확인하였다.
이상에서와 같이 본 연구에서 구현한 고성능의 백라이트 유닛과 프론트라이트 유닛은 액정디스플레이와 반사형 디스플레이의 광원으로써 응용이 가능할 것으로 기대한다.
