무인쇄 도광판의 사출 해석 연구

(A Study on the Direct Mold Injection Analysis of Printless Light Guide Plate)

연구기간 : 2002년 2월 ~ 2002년 9월

위탁기관 : 산업자원부 기술혁신센터(TIC)

연구목적

CRT는 1880년대 최초로 전자관(음극선관 또는 브라운관)이 발명되면서부터 시작되었고, 액정 디스플레이는 이보다 1년 뒤 액정이 처음 발견되면서부터 시작되었다. 액정은 언뜻 보기에는 액체이지만 광학적으로는 결정체와 같은 이방성을 나타내는 특이 상태의 것으로 일정 온도 범위에서 액정이 되는 서모트로픽 액정(Thermotropic Liquid Crystal)이라 불리는 유기화합물이다.

그러나 1930년대 CRT(Cathode Ray Tube)를 이용한 진공관 TV가 발명된 것과는 달리, LCD는 1960년대 말에 디스플레이에 응용되기까지 오랜 시간이 걸렸다. 하지만 1970년대부터 전자 계산기와 시계에 많이 이용되기 시작한 액정은 이 후부터 꾸준한 발전을 거듭해, 1980년대에는 STN LCD와 소형 TFT LCD가 실용화되는 단계에 이른다. 1990년대에 들어와서는 10인치 TFT LCD의 양산화가 실현되면서 노트북 PC의 대표적인 디스플레이로 자리잡았고, 이제는 CRT를 대체하는 디스플레이 중 하나로 각광받고 있다.

하지만 CRT, PDP, FED와는 달리 LCD에 의한 표시는 그 자체가 비발광성이기 때문에 빛이 없는 곳에서는 사용이 불가능하다. 이러한 단점을 보완하여 어두운 곳에서의 사용이 가능하게 할 목적으로 정보 표시면을 균일하게 면조사하는 장치가 백라이트이다. Back Light Unit(BLU)는 TFT-LCD 패널 전체에 고르게 빛을 전달하는 조광장치로 사용되며, LCD 패널에서는 투과되는 빛의 양을 일정하게 조절하여 화상을 표시한다. 백라이트는 LCD에 있어서 반드시 필요한 핵심부품이다.

백라이트는 노트북, 모니터용 TFT-LCD의 광원이기 때문에 최소의 전력으로 최대한 밝은 빛을 내야 한다. 백라이트는 선과 같이 가는 형광등 빛을 LCD표면 구석구석까지 동일한 밝기로 유지시켜 면광으로 바꾸어 주는 역할을 한다. 백라이트 유닛의 구성은 형광램프, 램프에서 발광된 빛을 반사시켜주는 반사판, 도광판, 프리즘 등의 시트류와 이 부품을 하나의 유닛으로 묶어주는 써포트메인(Support Main)과 가이드판넬(Guide Panel)로 구성되어 있다.

BLU의 핵심 구성 요소는 휘도, 색도를 결정하는 광원으로 사용되는 냉음극 형광램프(CCFL : Cold Cathode Fluorecent Lamp)와 CCFL에서 발생되는 빛을 효율적으로 모아 한 방향으로 입사시켜주는 램프 reflector, 램프 reflector로부터 받은 선형광을 영상 표시면 전체에 면광원 형태로 만들어 주기 위해 PMMA 수지계의 투명 아크릴판 배면에 특수 설계한 망점 pattern이 가공된 LGP(Light Guide Plate : 도광판)이다. 이 3대 요소(CCFL, reflector, LGP)에 의해 만들어진 면광원은 LGP의 상, 하부에 다시 광학 시트를 적절하게 배합 적층하여 빛을 효율적으로 집광, 확산되도록 하여 LCD에 표시된 영상을 사람이 직접 볼 수 있도록 제품화되어 back light unit(배면광원장치)를 구성하게 된다.

3대 요소 중 도광판은 금형을 이용한 사출 성형 방법 등으로 제조되는데, 현재의 경우에는 빛을 전면으로 향하도록 하는 dot 형성을 위한 인쇄 공정을 반드시 수반하고 있다. 이 인쇄 공정은 역사가 깊어 안정되어 있기는 하나 공정이 복잡하고 인쇄 과정상 많은 불량을 유발하고 있다. 이에 따라 인쇄 공정 없이 바로 도광판 자체가 광 산란 기능을 가지도록 만드는 무인쇄 도광판 제작 기술을 개발하고 있다. 무인쇄 도광판을 작업 방법별로 분류하면 물리적 형상 제작 방법(Mechanical Force), 금형 가공법(Direct Mold Injection), 산란도광판(Scattered LGP) 제작법 등으로 나누어지며 이 중 금형 가공법은 금형 표면에 미리 광 산란 기능을 가진 형상을 제작하여 도광판을 바로 사출하는 방법으로 상당한 부분에서 진척이 이루어지고 있으며 금형에 형상을 새겨놓는 방법에 따라 레이져 가공(Laser Engraving), sand-blust, 부식(Chemically Erosion), 전주(Stamper) 등으로 분류할 수 있다.

도광판은 기계적 강도가 높고 깨어지거나 변형되어서는 안되며, 동시에 가볍고 내화학성이 강해야 한다. 또한 투명하여 가시광선 투과율이 높아야 한다. 하지만 이러한 도광판은 제조 방법 및 원료에 영향을 많이 받게 되며 사출 성형으로 제작할 경우 금형의 온도 조절 방법 및 온도 분포에 의해서도 많은 영향을 받는다.

일반적으로 금형의 온도 조절은 성형품의 성형성, 성형 능률, 제품 품질 등에서 대단히 중요하다. 금형 온도에 따라 성형품의 외관, 성형 재료의 물리적 성질, 성형 사이클 등이 현저하게 영향을 받는다. 제품 두께의 불균일 및 냉각 속도 불균일로 인하여 수축이 불균일하게 되면 변형은 피할 수 없게 된다. 즉 냉각 속도에 의한 변형은 온도 조절에 의하여 개선이 가능하다. 사출 압력이 일정한 조건에서는 일반적으로 금형 온도가 높을수록 성형 수축률이 커지는 경향이 있다. 이는 제품이 비틀림이나 휘어짐 등의 변형을 일으키는 원인이 되기도 한다. 또한 금형 온도가 너무 낮으면 제품의 광택이 나빠지고, 플로우마크나 웰드라인이 현저하게 발행한다.

따라서 냉각회로를 설계할 경우 다음에 유의해야 한다. 금형의 레이아웃을 설계할 때는 밀핀, 기타 볼트 등의 배치와 더불어 온도 조절용 냉각 구멍의 배치도 잘 검토하여야 한다. 즉 냉각 회로의 구성이 밀핀 구멍보다 우선하여 설계되어야 한다. 냉각 회로는 스프루나 게이트 등 금형 온도가 제일 높은 곳에 냉매가 우선 유입하도록 설계하여야 하며, 제품 형상에 따라 설계되어야 한다. 공급하는 수량이 일정한 경우 냉각수 구명이 크면 유속이 떨어져 열전도가 나빠지므로 유량 증가 또는 냉각 구멍의 직경을 조절해서 냉각수의 흐름을 난류로 하여 냉각 효과를 증대시킬 수 있다. 폴리에틸렌과 같이 성형 수축율이 큰 재료는 수축 방향에 따라서 냉각 회로를 설치하여 성형품의 변형을 방지하여야 한다. 성형 압력이 반복 작용하여 캐비티 부가 파손되지 않도록 냉각수 구멍의 위치는 성형부에서 최소 10mm 이상 떨어지도록 설계하여야 한다.

이러한 설계를 통하여 기존의 방식으로 생산된 제품의 대체하여 원가 절감의 효과 및 생산 능률의 향상 등을 기대할 수 있다. 따라서 무인쇄 방식의 정밀 사출 성형 기술이 무엇보다 중요하다고 할 수 있다. 이를 위해 stamper를 이용한 정밀 사출 성형 기술과 이의 해석을 통해 제조 기술의 단계를 향상시키기 위해서는 품질의 핵심을 이루는 휨에 대한 기술을 축적해야만 하며, 이러한 기술 축적을 통한 과학적 방법으로 최적 공정 조건을 설정하고, 이러한 해석 tool을 개발, 활용하여 그 효과를 증대시킬 필요성이 있다.

따라서 본 연구에서는 정밀 사출 기술의 기본적인 연구를 수행하기 위해서 무인쇄 도광판 제작 기술의 확립을 위한 정밀 사출품의 금형 온도 사이클에 의한 변형 및 잔류 응력에 대한 CAE 해석 및 제품의 광특성 즉, 투과율, 복굴절 등의 해석을 통해 최적화된 사출 성형 기술을 확립하고자 한다.